JP2020029828A

JP2020029828A - バーナ制御装置

Info

Publication number: JP2020029828A
Application number: JP2018156645A
Authority: JP
Inventors: 康正野竹; Yasumasa Notake
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-08-23
Filing date: 2018-08-23
Publication date: 2020-02-27

Abstract

【課題】混合気の着火時にバーナから排出されるＨＣの量を低減する。【解決手段】バーナ制御装置は、ヒータ１２を制御するヒータ制御部と、バーナ１０の燃焼室１７に供給される混合気の空燃比を制御する空燃比制御部とを備える。ヒータ制御部は混合気の着火前にヒータを作動させる。空燃比制御部は混合気の着火時に設定時間だけ混合気の空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比にする。設定時間及びリッチ空燃比のリッチ度合は、混合気の着火時にバーナから排出されるＨＣの量が最小となるように予め定められる。【選択図】図６

Description

本発明はバーナ制御装置に関する。

従来、内燃機関において、触媒の昇温等のために、バーナを用いて高温の燃焼ガスを排気通路に供給することが知られている。バーナでは、バーナの燃焼室に供給された混合気が燃焼することによって高温の燃焼ガスが生成される。

しかしながら、冷間始動時のように燃焼室の温度が低いときには、混合気の燃焼が不安定となり、失火が生じる場合がある。そこで、特許文献１に記載のバーナでは、耐失火性を高めるべく、燃焼室の温度が高くなるまで、混合気の空燃比が理論空燃比よりもリッチにされる。

特開昭６０−０３０４１３号公報特開平１０−２８１４５４号公報

しかしながら、混合気の空燃比が理論空燃比よりもリッチであるときには、燃焼ガス中のＨＣ濃度が高くなる。このため、混合気の空燃比が理論空燃比よりもリッチにされる時間が長くなると、多量のＨＣがバーナから排出されるおそれがある。

そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、混合気の着火時にバーナから排出されるＨＣの量を低減することにある。

上記課題を解決するために、本発明では、燃料が供給される空間を加熱するヒータを備えるバーナを制御する、バーナ制御装置であって、前記ヒータを制御するヒータ制御部と、前記バーナの燃焼室に供給される混合気の空燃比を制御する空燃比制御部とを備え、前記ヒータ制御部は前記混合気の着火前に前記ヒータを作動させ、前記空燃比制御部は前記混合気の着火時に設定時間だけ前記空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比にし、該設定時間及び該リッチ空燃比のリッチ度合が、前記混合気の着火時に前記バーナから排出されるＨＣの量が最小となるように予め定められる、バーナ制御装置が提供される。

本発明によれば、混合気の着火時にバーナから排出されるＨＣの量を低減することができる。

図１は、本実施形態に係るバーナ制御装置が適用される内燃機関の構成を概略的に示す図である。図２は、バーナの構成を概略的に示す図である。図３は、着火遅れを説明するための図である。図４は、リッチ空燃比のリッチ度合と着火時リッチ時間とを変化させたときの着火時排出ＨＣの量を示すグラフである。図５は、リッチ空燃比のリッチ度合と着火時リッチ時間とを変化させたときの着火時排出ＨＣの量を示すグラフである。図６は、バーナが始動されるときの燃料供給量及び混合気の空燃比のタイムチャートである。図７は、本実施形態における着火制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本実施形態に係るバーナ制御装置が適用される内燃機関の構成を概略的に示す図である。図１に示される内燃機関１は、圧縮自着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）であり、車両に搭載される。

内燃機関１は機関本体２を備える。機関本体２は、シリンダヘッド、シリンダブロック、ピストン等を含む。ピストンとシリンダヘッドとの間には、混合気の燃焼が行われる燃焼室が形成されている。

また、内燃機関１は、空気を燃焼室に導く吸気通路と、燃焼室における混合気の燃焼によって生じた排気ガスを排出する排気通路３とを備える。なお、図１では、吸気通路が省略されている。

排気通路３には、排気ガス中の有害物質（ＮＯｘ、ＰＭ等）を浄化するために、酸化触媒（ＤＯＣ）４、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）５及び選択式還元触媒（ＳＣＲ）６が設けられている。また、排気通路３の近傍にはバーナ１０が設けられ、バーナ１０は高温の燃焼ガスを排気通路３に供給する。

本実施形態では、バーナ１０はＤＰＦ５とＳＣＲ６との間の排気通路３に高温の燃焼ガスを供給する。バーナ１０から排気通路３に供給された高温の燃焼ガスは、ＳＣＲ６に流入し、ＳＣＲ６を加熱する。なお、バーナ１０は排気通路３の他の位置に高温の燃焼ガスを供給してもよい。例えば、バーナ１０は、ＤＯＣ４を加熱すべく、ＤＯＣ４よりも上流側の排気通路３に高温の燃焼ガスを供給してもよい。また、バーナ１０は、ＤＰＦ５を加熱すべく、ＤＯＣ４とＤＰＦ５との間の排気通路３に高温の燃焼ガスを供給してもよい。

＜バーナの構成＞
図２は、バーナ１０の構成を概略的に示す図である。バーナ１０は、ハウジング１１、ヒータ１２、燃料噴射ノズル１３、エアノズル１４及び点火装置１５を備える。ハウジング１１内には、燃料気化室１６、燃焼室１７及び空気供給路１８が形成されている。

燃料噴射ノズル１３は、ハウジング１１の上部に設けられ、燃料気化室１６に燃料を噴射する。燃料噴射ノズル１３には、燃料ポンプによって燃料（本実施形態では軽油）が供給される。エアノズル１４は、ハウジング１１の下部に設けられ、空気供給路１８に空気を供給する。エアノズル１４には、エアポンプによって空気が供給される。

エアノズル１４から空気供給路１８に供給された空気は空気供給路１８を通って燃料気化室１６の上部から燃料気化室１６に流入する。燃料気化室１６では、空気と燃料とが混合され、空気と燃料との混合気が生成される。

ヒータ１２は、燃料が供給される空間を加熱する。本実施形態では、ヒータ１２は、燃焼室１７の上部の燃料気化室１６に設けられ、燃料気化室１６を加熱する。ヒータ１２は例えば電気ヒータである。なお、ヒータ１２は、燃焼室１７に設けられ、燃焼室１７を加熱してもよい。

混合気は、ヒータ１２が設けられた領域を通過して燃料気化室１６から燃焼室１７に流入する。点火装置１５は、燃焼室１７に設けられ、混合気を点火する。点火装置１５は、例えば、グロープラグ、点火プラグ等である。混合気が着火すると、燃焼室１７において火炎が伝搬し、高温の燃焼ガスが生成される。高温の燃焼ガスはバーナ１０から排気通路３に供給される。

＜バーナ制御装置＞
以下、本実施形態に係るバーナ制御装置について説明する。バーナ制御装置はバーナ１０を制御する。バーナ制御装置は、ヒータ１２を制御するヒータ制御部と、燃焼室１７に供給される混合気の空燃比を制御する空燃比制御部とを備える。本実施形態では、電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０がヒータ制御部及び空燃比制御部として機能する。ＥＣＵ３０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、ＲＯＭ及びＲＡＭのようなメモリ、入力ポート、出力ポート等を含むデジタルコンピュータである。ＥＣＵ３０は内燃機関１の各種制御を実行する。

ヒータ制御部は混合気の着火前にヒータ１２を作動させて燃料気化室１６を加熱する。燃料気化室１６が加熱された後に混合気が燃料気化室１６に供給されると、混合気が燃料気化室１６の熱を受ける。この結果、混合気中の燃料が加熱されて気化される。このことによって、耐失火性が向上し、混合気の空燃比が理論空燃比又は理論空燃比よりも僅かにリーンな空燃比であっても、混合気を着火させることができる。

混合気の空燃比が理論空燃比以上である場合、混合気の燃焼によって生じる燃焼ガス中のＨＣ濃度が低くなる。このため、バーナ１０から排気通路３に多量のＨＣが排出されることを抑制することができる。

しかしながら、本願の発明者は、鋭意検討の結果、上記のような混合気の着火が行われた場合であっても、着火遅れによって未着火の燃料がＨＣとして排気通路３に排出されることを見出した。図３は、着火遅れを説明するための図である。

バーナ１０の始動が要求されると、バーナ１０の暖機が実行される。具体的には、ヒータ１２が作動されて、燃料気化室１６が加熱される。なお、点火装置１５がグロープラグである場合、点火装置１５によって燃焼室１７も加熱される。

バーナ１０の暖機が完了すると、燃料気化室１６への燃料及び空気の供給が開始される。燃料は燃料気化室１６の熱を受けて気化される。また、燃料は燃焼室１７の熱も受けて、燃料の気化が促進される。その後、燃焼室１７において火炎核が形成され、混合気の着火が生じる。次いで、火炎が安定して形成されるようになり、燃焼室１７において火炎伝播が起こる。この結果、混合気の燃焼が安定し、未燃ＨＣの量が低下する。

混合気の燃焼が安定するまでの上記のような工程において、燃料供給が開始されてから火炎伝播が起こるまでの期間は着火遅れと称される。着火遅れの期間では、混合気の空燃比が理論空燃比以上であったとしても、燃料の少なくとも一部が燃焼することなくＨＣとして排気通路３に排出される。このため、バーナ１０から排出されるＨＣの量を低減するためには、着火遅れを短くすることが望ましい。

そこで、本実施形態では、空燃比制御部は、着火遅れを短くすべく、混合気の着火時に混合気の空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比にする。しかしながら、混合気の空燃比がリッチ空燃比である場合、余剰な燃料が未燃ＨＣとして排気通路３に排出される。このため、混合気が着火した後も混合気の空燃比がリッチ空燃比に維持されると、ＨＣの低減効果が低下する。したがって、混合気の着火時に排出されるＨＣ（以下、「着火時排出ＨＣ」と称する）の量を効果的に低減するためには、混合気の着火時に混合気の空燃比がリッチ空燃比にされる時間（以下、「着火時リッチ時間」と称する）を適切に設定する必要がある。

図４及び図５は、リッチ空燃比のリッチ度合と着火時リッチ時間とを変化させたときの着火時排出ＨＣの量を示すグラフである。図５は、着火時リッチ時間が短いときの図４の拡大図である。この実験では、バーナ１０の暖機後に燃料供給が開始され、リッチ空燃比として三種類の空燃比（λ＝０．２７、０．４１、０．５４）が用いられた。空気過剰率λが小さいほど、リッチ空燃比のリッチ度合は大きくなる。なお、リッチ空燃比のリッチ度合とは、理論空燃比とリッチ空燃比との差を意味する。

図４及び図５には、参考のために、比較例として、混合気の空燃比を理論空燃比よりも僅かにリーンな弱リーン空燃比（λ＝１．０２）にしたときの着火時排出ＨＣの量が破線で示される。図４に示された近似曲線から分かるように、空気過剰率λが０．５４である場合には、着火時リッチ時間が２３７０ｍｓであるときに、着火時排出ＨＣの量が比較例と同等となる。このときには、混合気の空燃比を理論空燃比よりもリッチにすることによるＨＣの増量効果と、着火遅れの短縮によるＨＣの低減効果とが平衡状態にあると考えられる。

また、図５に示された近似曲線から分かるように、空気過剰率λが０．４１である場合には、着火時リッチ時間が１１５ｍｓであるときに、着火時排出ＨＣの量が比較例と同等となる。また、図５に示された近似曲線から分かるように、空気過剰率λが０．２７である場合には、着火時リッチ時間が２１ｍｓであるときに、着火時排出ＨＣの量が比較例と同等となる。

したがって、リッチ空燃比のリッチ度合に応じて、適切な着火時リッチ時間は変化する。具体的には、リッチ空燃比のリッチ度合が大きいほど、適切な着火時リッチ時間は短くなる。

そこで、本実施形態では、空燃比制御部は、混合気の着火時に設定時間だけ混合気の空燃比をリッチ空燃比にする。また、設定時間及びリッチ空燃比のリッチ度合は、着火時排出ＨＣの量が最小となるように予め定められる。このことによって、混合気の着火時にバーナ１０から排出されるＨＣの量を低減することができる。なお、着火時リッチ時間が設定時間に達すると、混合気の空燃比は理論空燃比以上の空燃比に設定される。

図６は、バーナ１０が始動されるときの燃料供給量及び混合気の空燃比のタイムチャートである。図６の例では、時刻ｔ０から時刻ｔ１まで、バーナ１０の暖機が行われ、燃料供給が停止されている。

時刻ｔ１において、燃料供給が開始され、混合気の空燃比がリッチ空燃比になるように、燃料供給量が設定される。着火時リッチ時間が設定時間に達するまで、燃料供給量は維持される。時刻ｔ２において、着火時リッチ時間が設定時間に達すると、混合気の空燃比が理論空燃比よりもリーンになるように燃料供給量が減らされる。時刻ｔ２の後、燃料供給量は維持される。

＜着火制御＞
以下、図７のフローチャートを参照して、本実施形態において混合気を着火させるための着火制御について詳細に説明する。図７は、本実施形態における着火制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンはＥＣＵ３０によって繰り返し実行される。

最初に、ステップＳ１０１において、ヒータ制御部は、バーナ１０の始動が要求されたか否かを判定する。バーナ１０の始動は、例えば、内燃機関１を搭載した車両のイグニッションスイッチがオンにされたとき、バーナ１０から供給される高温の燃焼ガスによって加熱される被加熱物（本実施形態ではＳＣＲ６）を昇温させるとき等に要求される。

ステップＳ１０１においてバーナ１０の始動が要求されていないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ１０１においてバーナ１０の始動が要求されたと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、ヒータ制御部はヒータ１２を作動させる。具体的には、ヒータ制御部は、ヒータ１２に電力を供給し、ヒータ１２を通電させる。次いで、ステップＳ１０３において、ヒータ制御部は、バーナ１０の暖機が完了したか否かを判定する。例えば、ヒータ制御部は、燃料気化室１６の温度が所定温度に達したときにバーナ１０の暖機が完了したと判定する。燃料気化室１６の温度は、例えば燃料気化室１６に配置された温度センサによって検出される。なお、ヒータ制御部は、ヒータ１２の作動時間が所定時間に達したときにバーナ１０の暖機が完了したと判定してもよい。

ステップＳ１０３においてバーナ１０の暖機が完了していないと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０２に戻り、ヒータ１２の作動が継続される。一方、ステップＳ１０３においてバーナ１０の暖機が完了したと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０４に進む。なお、バーナ１０の暖機が完了した後も、ヒータ１２の作動は継続されてもよい。

ステップＳ１０４では、空燃比制御部は燃料気化室１６への燃料及び空気の供給を開始する。次いで、ステップＳ１０５において、空燃比制御部は、燃焼室１７に供給される混合気の空燃比をリッチ空燃比にする。例えば、空燃比制御部は、燃料噴射ノズル１３に供給される燃料の流量を調整する燃料調整バルブの開度を制御することによって混合気の空燃比をリッチ空燃比にする。なお、空燃比制御部は、エアノズル１４に供給される空気の流量を調整する空気調整バルブの開度を制御することによって混合気の空燃比をリッチ空燃比にしてもよい。

次いで、ステップＳ１０６において、空燃比制御部は、燃料及び空気の供給が開始されてから設定時間が経過したか否かを判定する。設定時間及びリッチ空燃比のリッチ度合は、混合気の着火時にバーナ１０から排出されるＨＣの量が最小となるように予め定められる。設定時間は例えば極短時間（数ｍｓ〜１ｓ）に設定される。

ステップＳ１０６において設定時間が経過していないと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０５に戻り、混合気の空燃比がリッチ空燃比に維持される。一方、ステップＳ１０６において設定時間が経過したと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０７に進む。

ステップＳ１０７では、空燃比制御部は、燃焼室１７に供給される混合気の空燃比を理論空燃比よりも僅かにリーンな弱リーン空燃比にする。例えば、空燃比制御部は燃料調整バルブの開度を小さくすることによって混合気の空燃比を弱リーン空燃比にする。なお、空燃比制御部は空気調整バルブの開度を大きくすることによって混合気の空燃比を弱リーン空燃比にしてもよい。また、ステップＳ１０７において、空燃比制御部は、燃焼室１７に供給される混合気の空燃比を理論空燃比にしてもよい。ステップＳ１０７の後、本制御ルーチンは終了する。

以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。例えば、内燃機関１はガソリンエンジンのような火花点火式内燃機関であってもよい。また、バーナ１０は内燃機関以外のものに用いられてもよい。

１０バーナ
１２ヒータ
１６燃料気化室
１７燃焼室
３０電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims

燃料が供給される空間を加熱するヒータを備えるバーナを制御する、バーナ制御装置であって、
前記ヒータを制御するヒータ制御部と、
前記バーナの燃焼室に供給される混合気の空燃比を制御する空燃比制御部と
を備え、
前記ヒータ制御部は前記混合気の着火前に前記ヒータを作動させ、
前記空燃比制御部は前記混合気の着火時に設定時間だけ前記空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比にし、該設定時間及び該リッチ空燃比のリッチ度合が、前記混合気の着火時に前記バーナから排出されるＨＣの量が最小となるように予め定められる、バーナ制御装置。