JP2020033979A - 内燃機関システム - Google Patents

Abstract

【課題】低負荷でのリッチ燃焼運転における着火性を向上させる。【解決手段】内燃機関のＥＧＲ通路にＮＯｘ吸蔵触媒を設置する。制御装置は、第１空燃比による運転と、第１空燃比及び理論空燃比よりリッチな第２空燃比による運転とを切り替え可能に構成される。更に、制御装置は、第１空燃比から第２空燃比への切り替えの要求の際、ＮＯｘ吸蔵触媒から放出されるＮＯｘ量に応じて、今回の燃焼サイクルにおいて内燃機関の筒内に導入されるＮＯｘ量である筒内ＮＯｘ量を推定する。そして、推定された筒内ＮＯｘ量が、第２空燃比及び筒内温度のもとで着火に必要とされるＮＯｘ量である要求ＮＯｘ量に達するまでの間、今回の燃焼サイクルにおける目標空燃比を、筒内ＮＯｘ量と現在の筒内温度のもとで着火可能な空燃比の範囲内でリッチ側に寄せた空燃比に設定する。【選択図】図４

Description

本発明は内燃機関システムに関する。

近年、ガソリンエンジンにおいて、混合気を自着火させる燃焼方式で運転される圧縮自着火運転の採用が検討されているが、圧縮自着火運転は、低負荷で実行された場合、排気温度が低下して触媒床温が低下する傾向にある。これに対し、特許文献１には、圧縮自着火運転が可能なエンジンにおいて、触媒が不活性状態にあると判定された場合に、触媒活性化のために可変動弁機構の動作を変更して、燃焼室内に残留するガス量を増加させる制御を行なうことが記載されている。特許文献１によれば、この制御により、燃焼室の空燃比はリッチ化され、排気ガス中の一酸化炭素濃度が増加する。その結果、触媒床温の低下が抑制され、触媒活性化が図られる。

特開２００４−２５７３３１号公報 特開２００２−０９７９７６号公報

低負荷運転時には、筒内温度の低下及び空気量減少により着火性が低下する虞がある。またリッチ燃焼での着火性は低い。従って、特許文献１のように、燃焼室内をリッチ化させる制御が低負荷運転時に行われた場合、着火性の低下による失火が発生する事態が生じ得る。

本発明は以上の課題を鑑みてなされたものであり、低負荷でのリッチ燃焼運転における着火性を向上させることができるように改良された内燃機関システムを提供するものである。

本発明は、内燃機関システムであって、内燃機関と、ＥＧＲ通路と、ＮＯｘ吸蔵触媒と、制御装置と、を備える。ＥＧＲ通路は、内燃機関の排気通路と吸気通路とを接続し、排気の一部を吸気通路に還流させる通路である。ＮＯｘ吸蔵触媒は、ＥＧＲ通路に配置される。制御装置は、第１空燃比による運転と、第１空燃比及び理論空燃比よりリッチな第２空燃比による運転とを切り替え可能に構成されている。

更に、制御装置は、第１空燃比による運転から、第２空燃比による運転への切り替えの要求を検知した場合には、ＮＯｘ吸蔵触媒から放出されるＮＯｘ量に応じて、筒内ＮＯｘ量を推定する。ここで、筒内ＮＯｘ量は、今回の燃焼サイクルにおいて内燃機関の筒内に導入されるＮＯｘ量である。そして、推定された筒内ＮＯｘ量が、要求ＮＯｘ量に達するまでの間、今回の燃焼サイクルにおける目標空燃比を、筒内ＮＯｘ量と筒内温度のもとで着火可能な空燃比の範囲内で、前回の燃焼サイクルにおける目標空燃比よりもリッチ側の空燃比に設定する。ここで、要求ＮＯｘ量は、第２空燃比及び筒内温度のもとで着火に必要とされるＮＯｘ量である。

本発明の内燃機関システムによれば、目標空燃比が、第１空燃比から、第１空燃比よりもリッチな第２空燃比に切り替えられる場合において、目標空燃比のリッチ側へのシフトは、着火可能な範囲内で行われる。ここで、着火可能な範囲は、今回の燃焼サイクルにおける筒内ＮＯｘ量と、筒内温度とに応じた範囲であり、この範囲を超えない範囲で、目標空燃比はリッチ側に設定される。これにより、リッチな空燃比に切り替える場合にも着火を確実にすることができる。

ＥＧＲ通路には、ＮＯｘ吸蔵触媒が設置されており、燃焼後の排気がＥＧＲ通路に設置されたＮＯｘ吸蔵触媒を通過するように構成されている。リッチ燃焼による高温の排気の通過によりＮＯｘ吸蔵触媒の床温が上昇すると、ＮＯｘ吸蔵触媒から脱離するＮＯｘ量が増加する。その結果、次回燃焼サイクルにおける筒内ＮＯｘ量を増加させることができる。これにより、リッチ燃焼における着火可能な範囲は、よりリッチ側に拡大される。従って、次回燃焼サイクルにおける目標空燃比は、よりリッチ側にシフトした値に設定することができる。従って、リッチ燃焼運転に切り替える際の失火を抑制しながら、より迅速にリッチ空燃比への切り替えを行うことができる。

本発明の実施の形態の内燃機関システムの全体構成を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態におけるリッチ燃焼モードが選択される運転領域を示す図である。 着火安定に必要な筒内ＮＯｘ量と空燃比と吸気温度との関係を説明するための図である。 本発明の実施の形態の制御について説明するためのタイミングチャートである。 本発明の実施の形態において実行される具体的な制御のルーチンをフローチャートで示した図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。

図１は、本発明の実施の形態の内燃機関システムの全体構成を模式的に示す図である。本実施の形態の内燃機関システムは、複数のシリンダを有する多気筒エンジン（以下、単にエンジンという）２を有する。シリンダの数と配置に限定はない。各シリンダの各吸気ポートには吸気通路（図示せず）が連通し、各排気ポートには、排気通路４が連通している。排気通路４には第１ＮＯｘ触媒６が設置されている。第１ＮＯｘ触媒６は、ＮＯｘ吸蔵還元型の触媒であり、排気中のＮＯｘを還元して浄化する目的で設置されている。第１ＮＯｘ触媒６としては、ＮＳＲ（NOx Storage Reduction）触媒及び受動的ＮＯｘ吸着体（ＰＮＡ）等の、ＮＯｘを吸蔵又は吸着する機能を有する触媒を用いることができる。なお、本明細書においては「吸蔵」と「吸着」とを区別せず、「吸蔵」には吸着の形態も含まれ「吸着」には吸蔵の形態が含まれるものとする。

図１のシステムは、排気ガスの一部を排気通路４から吸気系に再循環させるためのＥＧＲ通路１０を有している。ＥＧＲ通路１０は、ＮＯｘ触媒６より排気の上流側の排気通路４とエンジン２の吸気系とを接続している。ＥＧＲ通路１０には、ＮＯｘ吸蔵触媒である第２ＮＯｘ触媒１２が設置されている。第２ＮＯｘ触媒１２は、ＮＯｘを吸蔵又は吸着すると共に、触媒の床温上昇により吸着されたＮＯｘを脱離させる触媒であればよい。第２ＮＯｘ触媒１２としては、ＮＳＲ（NOx Storage Reduction）触媒及び受動的ＮＯｘ吸着体（ＰＮＡ）等を用いることができる。

図１のシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２０を備える。ＥＣＵ２０には、エンジン２及び車両に取り付けられた各種センサが接続されている。これらセンサのなかには、排気通路４のＮＯｘ触媒６の上流側に設置された空燃比センサ２２及び吸気系に設置されたＮＯｘセンサ（図示せず）が含まれている。

ＥＣＵ２０は、少なくとも入出力インタフェース、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵを有している。入出力インタフェースは、各種センサからセンサ信号を取り込むとともに、エンジン２が備えるアクチュエータに対して操作信号を出力するために設けられる。ＲＯＭには、エンジン２を制御するための各種の制御プログラムやマップを含む各種の制御データが記憶されている。ＣＰＵは、制御プログラムをＲＯＭから読みだして実行し、取り込んだセンサ信号に基づいて操作信号を生成する。

ＥＣＵ２０は、エンジン２の運転条件あるいは運転状態に合わせて、燃焼モードを選択してエンジン２を制御する。選択される燃焼モードの中には、筒内空燃比を、理論空燃比又は理論空燃比よりも燃料リッチな空燃比に一時的に変更するリッチ燃焼モードが含まれる。

図２は、本実施の形態においてリッチ燃焼モードが選択される運転領域を示す図である。図２の破線Ａで囲まれる領域外の領域、即ち、エンジン２の回転速度が高回転の領域又は高負荷の運転領域は、リッチ燃焼モードが選択されリッチ燃焼運転が行われる運転領域である。この運転領域では、筒内空燃比の目標値は、破線Ａで囲まれる領域内における空燃比に比べてリッチな空燃比に設定される。

また、リッチ燃焼運転は、例えば、第１ＮＯｘ触媒６のＮＯｘを脱離又は還元する場合、あるいは、吸蔵されたＳＯｘを脱離除去する再生処理が必要な場合に行われる。本実施の形態では、リッチ燃焼運転を行う条件は、エンジン２の回転速度と負荷とで特定される運転領域が所定の運転領域にある場合、及び、第１ＮＯｘ触媒６のＮＯｘ還元等が必要な場合等、適宜設定することができる。ＥＣＵ２０は、設定された条件を満たす場合に、リッチ燃焼運転の要求を検知する。

ところで、図２に示される、破線Ｂで囲まれる低負荷の領域は、筒内温度が低いため、着火性が低い領域である。従って、この運転領域で、筒内空燃比を、リッチ燃焼運転で要求される空燃比に直ちに切り替えようとした場合、失火が起きる可能性がある。

これに対し、本実施の形態では、運転領域がこのようなリッチ燃焼困難領域（破線Ｂ）にあるときに、リッチ燃焼運転の要求が出された場合、筒内のＮＯｘ量を推定して、推定された筒内のＮＯｘ量に応じて空燃比をリッチ側に徐々に移行させることで、失火を抑制しつつ、リッチ燃焼運転への切り替えを行う。以下、具体的に説明する。

図３は、着火安定に必要な筒内ＮＯｘ量と空燃比と吸気温度との関係を説明するための図である。リッチ燃焼前の吸気ガス内に、ＮＯｘやＨＣを混合することで、リッチ燃焼時の着火性を向上させることができる。そして、図３に示されるように、確実な着火に要求される筒内ＮＯｘ量は、筒内空燃比がリッチである場合ほど多くなり、吸気温度が低い場合の方が、高い場合に比べて多くなる。

図３に示される関係に従えば、要求される空燃比と現在の吸気温度とのもとで、着火に必要となる要求ＮＯｘ量を算出することができる。逆に、筒内に導入された筒内ＮＯｘ量と吸気温度のもとで、着火可能な空燃比の範囲を算出することができる。

本実施の形態においてＥＣＵ２０は、燃焼サイクルごとに、リッチ燃焼運転において最終的に要求される要求空燃比と現在の吸気温度に応じた要求ＮＯｘ量を算出すると共に、今回の燃焼サイクルで筒内に導入される筒内ＮＯｘ量を推定し、筒内ＮＯｘ量と吸気温度のもとで、着火可能な空燃比のリッチ側の限界値を求める。そして、筒内ＮＯｘ量が、要求ＮＯｘ量に達するまでの間、今回の燃焼サイクルにおける空燃比の目標値である実行空燃比を、算出されたリッチ側の限界値に設定する制御を行なう。

図４は、ＥＣＵ２０が実行する制御について説明するためのタイミングチャートである。図４のタイミングチャートにおいて横軸は燃焼サイクルを示している。図４に示される例では、１回目の燃焼サイクルで、リッチ燃焼運転の要求が出されている。このとき運転領域はリッチ燃焼困難領域にある。

要求空燃比は、リッチ燃焼運転における要求空燃比（第２空燃比）となる。そして要求空燃比と現在の吸気温度に応じて、要求ＮＯｘ量が算出される。ただし、この時点では、筒内ＮＯｘ量は増加していない。今回の燃焼サイクルでの目標空燃比である実行空燃比は、現在の筒内ＮＯｘ量と吸気温度とに応じて、着火可能な範囲で最もリッチ側の空燃比に設定され、設定された実行空燃比で燃焼が行われる。

１回目の燃焼サイクルではリッチ燃焼運転への切り替え開始前の空燃比（第１空燃比）よりも少しリッチ側にシフトされた実行空燃比での燃焼であるが、空燃比のリッチ化により排気温度は上昇する。ＥＧＲ通路１０を介して、昇温した排気が吸気系に導入されるので、２回目の燃焼サイクルでは、吸気温度が上昇する。これにより、２回目の燃焼サイクルでの要求ＮＯｘ量は低下する。

また、排気温度の上昇により、ＥＧＲ通路１０に設置された第２ＮＯｘ触媒１２の床温が上昇し、第２ＮＯｘ触媒１２からＮＯｘが放出される。これにより２回目の燃焼サイクルでは、筒内ＮＯｘ量は増加する。

吸気温度の上昇及び筒内ＮＯｘ量が増加により、着火可能な空燃比の範囲がリッチ側に拡大する。従って、２回目の燃焼サイクルの実行空燃比は、１回目の燃焼サイクルの実行空燃比よりも、リッチ側にシフトした値に設定され、燃焼が行われる。

このように、着火可能な範囲で実行空燃比をリッチ側にシフトさせていき、やがて筒内ＮＯｘ量が、４回目の燃焼サイクルでは、要求ＮＯｘ量が筒内ＮＯｘ量を超える。その後、５回目の燃焼サイクルでは、空燃比は、リッチ燃焼運転で要求される要求空燃比となり、リッチ燃焼運転への切り替えが完了する。

図５は、ＥＣＵ２０が実行する具体的な制御のルーチンをフローチャートに示した図である。図５のルーチンでは、まず、ステップＳ１０２において、リッチ燃焼運転の要求の有無が判定される。リッチ燃焼運転の要求は、例えば、第１ＮＯｘ触媒６に吸蔵するＮＯｘの還元や、吸蔵されたＳＯｘを脱離除去する再生処理が必要な場合に要求される。ステップＳ１０２において、リッチ燃焼要求がないと判定された場合、今回の処理は一旦終了する。

一方、ステップＳ１０２において、リッチ燃焼運転の要求があると判定された場合、次に、処理は、ステップＳ１０４に進む。ステップＳ１０４では、現在の運転領域が、リッチ燃焼困難領域にあるか否かが判別される。この判別は、現在の吸気温度、筒内温度、エンジン回転速度及び負荷で特定される運転領域に基づいて行われる。

ステップＳ１０４において、現在の運転領域が、リッチ燃焼困難領域にはない場合、処理はステップＳ１０６に進み、目標空燃比は、直ちに要求空燃比とされ、リッチ燃焼運転に切り替えられる。

ステップＳ１０４において、現在の運転領域が、リッチ燃焼困難領域にあると判定された場合、処理はステップＳ１１０に進む。ステップＳ１１０では、要求ＮＯｘ量が算出される。要求ＮＯｘ量は、現在の吸気温度と要求空燃比とに応じて、マップに従って算出される。このマップは、図３に示すような、空燃比と筒内温度と筒内ＮＯｘ量との関係を定めたものであり、予め実験等によりその関係を求め、ＥＣＵ２０に記憶させたものである。

次に、ステップＳ１１２に進み、第２ＮＯｘ触媒１２のＮＯｘ吸蔵量が、所定量以上であるか否かが判別される。ここで所定量は、着火促進に必要なＮＯｘ量を、第２ＮＯｘ触媒１２から放出しうる状態にあるかを判別するための値である。具体的な値は、予め設定し、ＥＣＵ２０に記憶させておく。第２ＮＯｘ触媒１２のＮＯｘ吸蔵量は推定値であり、その推定方法は問わない。

ステップＳ１１２において第２ＮＯｘ触媒１２のＮＯｘ吸蔵量が所定量より少ないと判別された場合、今回の処理は一旦終了する。つまり、燃焼モードはリッチ燃焼モードに切り替えられず、現在の燃焼モードでの燃焼が継続される。

一方、ステップＳ１１２において、第２ＮＯｘ触媒１２のＮＯｘ吸蔵量が所定量以上であると判別された場合、次に、処理は、ステップＳ１１４に進む。ステップＳ１１４では、実行空燃比が設定されて燃焼が行われる。ここで設定される実行空燃比は、現在の筒内ＮＯｘ量と吸気温度とのもとで着火可能な範囲のリッチ側の限界値である。

次に、処理は、ステップＳ１１６に進み、次の燃焼サイクルでの筒内ＮＯｘ量が算出され、筒内ＮＯｘ量の値が更新されると共に、現在の吸入空気量のもと、要求ＮＯｘ量が再計算され、更新される。筒内ＮＯｘ量は、第２ＮＯｘ触媒１２から放出されたＮＯｘ量と、ＥＧＲガスと合流して筒内に導入される新気に含まれるＮＯｘ量とから求められる。第２ＮＯｘ触媒１２から放出されたＮＯｘ量は、例えば、第２ＮＯｘ触媒１２の床温の変化量から推定することができる。また新気内のＮＯｘ量は、例えば吸気系に設置されたＮＯｘセンサの検出値から算出できる。あるいは、新気内のＮＯｘ量は推定値であってもよい。推定方法は問わない。

次に、ステップＳ１１８に進み、筒内ＮＯｘ量が、要求ＮＯｘ量以上であるか否かが判別される。ステップＳ１１８において、筒内ＮＯｘ量が要求ＮＯｘ量より小さいと判別された場合には、処理はステップＳ１１４に戻され、現在の筒内ＮＯｘ量と吸気温度とに応じて、再び、実行空燃比が設定され、この実行空燃比で燃焼が行われる。

一方、ステップＳ１１８において、筒内ＮＯｘ量が要求ＮＯｘ量以上であると判別された場合には、処理はステップＳ１０６に進み、要求空燃比でのリッチ燃焼運転に切り替えられる。

以上説明したように、本実施の形態では、リッチ燃焼運転の要求が出され、かつ、運転領域がリッチ燃焼困難領域である場合には、筒内ＮＯｘ量が要求ＮＯｘ量に達するまでの間、着火可能な範囲で目標空燃比を徐々にリッチ側にシフトする過渡運転が実行される。これにより、リッチ燃焼運転への切り替え時における失火を抑制することができる。また、このシステムでは、ＥＧＲ通路に第２ＮＯｘ触媒１２が設置されており、目標空燃比が着火可能な範囲で徐々にリッチ側にシフトされることで、第２ＮＯｘ触媒１２から、筒内にＮＯｘが供給される。このように、筒内に供給されるＮＯｘが増量されることで、着火可能な範囲を拡大させることができる。これにより、より効果的に失火を抑制しつつ、リッチ燃料運転への切り替えを迅速に行うことができる。

なお、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、この実施の形態において説明する構造等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

２ エンジン
４ 排気通路
６ 第１ＮＯｘ触媒
１０ ＥＧＲ通路
１２ 第２ＮＯｘ触媒
２２ 空燃比センサ

Claims (1)

1. 内燃機関と、
   内燃機関の排気通路と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路と、
   前記ＥＧＲ通路に配置されたＮＯｘ吸蔵触媒と、
   第１空燃比による運転と、前記第１空燃比及び理論空燃比よりリッチな第２空燃比による運転とを切り替え可能に構成された制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記第２空燃比による運転への切り替えの要求を検知した場合に、
   前記ＮＯｘ吸蔵触媒から放出されるＮＯｘ量に応じて、今回の燃焼サイクルにおいて前記内燃機関の筒内に導入されるＮＯｘ量である筒内ＮＯｘ量を推定し、
   前記筒内ＮＯｘ量が、前記第２空燃比及び現在の筒内温度のもとで着火に必要とされる要求ＮＯｘ量に達するまでの間、
   今回の燃焼サイクルにおける目標空燃比を、前記筒内ＮＯｘ量と現在の筒内温度のもとで着火可能な空燃比の範囲内で、前回の燃焼サイクルにおける目標空燃比よりもリッチ側の空燃比に設定する、
   ように構成されたことを特徴とする内燃機関システム。

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