JP2020510160A - 点火制御式内燃エンジンにおけるリッチネスを調整する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、高負荷での運転中に、排気回路をなす部品の温度を制限できる、点火制御式内燃エンジンにおけるリッチネス（ｒ）を調整する方法を提示する。全負荷付近での運転中、リッチネスは、排気ガスを予め冷却するために、第１のリッチネス値（ｒ１）に調整される。排気ガスの温度（θｅｃｈ）が、部品の信頼性限度に相当する第２の温度閾値（θ２）より低い第１の温度閾値（θ１）に到達すると、リッチネス値は、第１のリッチネス値（ｒ１）から、最大で、排気ガスの温度が第２の温度閾値（θ２）に等しい、第２のリッチネス値（ｒ２）に、例えば直線的に、徐々に増やされる。リッチネスが第２のリッチネス値（ｒ２）に到達する前に、排気ガスの温度（θｅｃｈ）が第２の閾値（θ２）に到達すると、リッチネスは、第２のリッチネス値（ｒ２）に直ちに調整される。【選択図】図２

Description

本発明は、（特に、ガソリンを燃料とする）点火制御タイプの内燃エンジンにおける、混合気のリッチネスを調整する方法に関する。本発明は、自動車分野における応用に好都合である。

（ガソリンを燃料とする）点火制御タイプの内燃エンジンにおいて、とりわけ自動車のそれらにおいて、車両の運転に必要なエンジン速度及びトルクを少なくとも含む、ひとまとめのエンジン運転パラメータに基づいて、混合気のリッチネスを決定することが知られている。エンジンが吸入できる過給気又は空気量は、エンジンバタフライ弁の開度により特に調節され、リッチネスは、エンジン内に燃料を噴射する時間を調整することにより、過給気に応じて調節される。

例えば、エンジンの排気管内に載置された、三元触媒コンバータタイプの触媒コンバータが、エンジンの燃焼ガスから汚染物質を取り除くことができるよう、大半のエンジン運転点に対して、そのようなエンジンのリッチネスを、理論混合値付近、すなわち、１のリッチネス付近に設定することが知られている。例えば、触媒コンバータの入口に載置された少なくとも１つの酸素プローブからの指示の使用を通してリッチネスを調節する、閉ループ制御を使用することにより、触媒コンバータを、その触媒作用的ウィンドウ内にて運用でき、触媒コンバータは、エンジンの燃焼ガス内に生成される窒素酸化物（ＮＯｘ）を減らし、未燃焼の炭化水素（ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｓ又はＨＣ）及び一酸化炭素（ｃａｒｂｏｎ ｍｏｎｏｘｉｄｅ又はＣＯ）を酸化させることができる。

しかし、全負荷付近では、エンジンの排気回路をなす部品が、超高温度に到達する場合があり、このことにより、その機械的強度が損なわれ、車両の信頼性をおとしめることがあることもまた知られている。車両を運転するにあたって所定の閾値を超えるトルク（又は、負荷）の値が必要であることが検出されると、排気温度を制限するために、混合気は全体として、１．２０を超えるようなリッチネス値などにリッチ化される。

あたえられた排気マニフォールド温度又はあたえられたターボチャージャタービン温度（過給エンジンの場合）などの、排気管内におけるあたえられた最大温度を得るために設定されるリッチネスの値は、安定モードにて、すなわち、速度及びトルクを一定に維持することにより、エンジンテストベッド上にて行う事前のテストにより決定することができる。リッチネス値は実際に、排気ガス温度自体が、あたえられた所定の値に等しくなるよう設定される。この値により、材質の慣性に関連する一定時間の経過後、エンジンの排気回路のコンポーネントのそれになる。

エンジンへの負荷が、全負荷付近の値に到達すると、リッチネスを、１より高い値に増やす、自動車のリッチネスを調整する数多くの方法が、従来技術から既知である。

例えば、日本国公開公報第ＪＰ−Ｓ−６０４３１４４号は、排気回路の過熱の回避を目的として、エンジンの運転条件にしたがって燃料噴射時間を設定する方法を開示する。閾値を超える負荷を検出すると、温度センサが排気ガスの温度を測定し、ガス温度に応じて減少する所定の遅延後に、リッチネスを増やす。

この遅延は、燃料の不必要な過消費を回避することを目的とする。具体的には、高負荷を検出するとすぐに、リッチネスを直ちに増やす必要はない。なぜなら、排気回路をなすコンポーネントは一定の熱容量を有し、したがって、エンジンが高負荷での運転中であっても、排気ガスに起因する熱によって、それらの信頼性の点において限定的である温度に即座に上昇しないからである。したがって、リッチネスの増加の遅延において、この特性を、エンジンの信頼性をおとしめることなく、有益に使用でき、理論上の燃料経済性を達成できる。

しかし、この方法は、高負荷の検出後にセンサにより測定される温度が、その同じ瞬間での、エンジンの排気回路のコンポーネントの温度を正しく示さないために、正確でない。より具体的には、コンポーネントの温度は、高負荷が検出される前に、コンポーネントに与えられた熱量によって決まり、コンポーネントに与えられた熱エネルギ量が多いほど、この温度は高くなる。

したがって、測定されたガス温度が高い場合に、遅延が減じられると、排気回路のコンポーネントの温度が、測定されたガス温度値までに上昇しておらず、その特定の瞬間にリッチネスを変更する必要がなくとも、リッチネスがほぼ直ちに増やされるという状況となる場合がある。燃料消費がしたがって、不必要に悪化する。

米国公開公報第ＵＳ−Ａ−５２３９９６５号より、その長さが、排気回路のコンポーネントの、専用測定手段により測定される熱的条件によって決まる遅延だけ、増やされたリッチネス値の適用が遅れる、リッチネスを調節する方法もまた既知である。

より具体的には、エンジン負荷が（頭字語ＰＭＯＴＰ１により示される）高基準負荷を超えているか否かが検出され、これが、排気回路のコンポーネントが高負荷熱的条件下にあるか否かの判定に共される。テストの結果が肯定的であれば、これは、排気ガスからの熱によりコンポーネントの温度が上昇しており、リッチネスを増やさないと、コンポーネントが過熱する恐れがあることを意味する。

これらの高負荷条件の下では、（頭字語ＣＯＴＰＣＹにより指定される）遅延カウンタの値、これは、高負荷の検出前に、ガスからの熱の結果として、排気回路のコンポーネントの温度が上昇した比率を表す、が定期的に増やされ、このカウンタの値が、エンジンを通過する空気のスループットにしたがって予め較正された（頭字語ＱＡＯＴＰにより指定される）基準遅延閾値と比較される。この遅延閾値は、スループットに応じて減少する。

カウンタの値が閾値未満である限りは、排気ガスの成分は非常に短い期間において過熱しないものとみなされ、エンリッチメント測定は実施されない。一方、カウンタの値が閾値を超えると、カウンタの値は、閾値をまたぐまさにその瞬間の値に固定され、リッチネスは直ちに増やされる。

そのような方法は、遅延閾値の予めの較正にあたり、多くの作業を要することを必然的に伴う。さらに、それらを固定するために、エンジンを通過する空気のスループットのみが考慮される。適用された閾値が不正確であるということは、許容可能温度を超えるリスク（高すぎる閾値に設定される場合、これは、エンリッチメントが過度に遅れる）、又は、過剰な燃料消費（低すぎる閾値に設定される場合、これは、エンリッチメントが直ぐに行われる）をもたらす。

米国公開公報第ＵＳ−Ａ−４４００９４４号より、高ターボチャージャ温度を促す、エンジンに、非常に遅い点火進角が設定されている場合に、とりわけ高速度及び高負荷時の、エンジンのターボチャージャの熱的不具合の回避を模索し、リッチネスを調整する方法もまた既知である。

これらの文書によると、ターボチャージャを通過する排気ガスの温度が、（Ｔ１と指定される）所定の目標値未満であり、時間と共にこの温度が上昇すると、開ループ制御を使用してリッチネスが調節され、理論混合気に相当する、温度と温度目標との間の差によって決まる燃料噴射時間補正を、噴射時間に加える。

一方、温度が目標値未満であり、混合気がリッチであり、時間と共にこの温度が低下すると、理論混合気に相当する、燃料噴射時間補正が噴射時間から減じられることにより、リッチネスが調節される。

リッチネスが可変であるそのような方法は、排気ガスの温度を目標値に調節でき、リッチネスを１より大きい値に増やすために遅延時間を選択する作業を必要としない。しかしこれは、目標を超え、排気回路をなすコンポーネントの信頼性を損ない、燃料を過消費し、エンジンからの汚染物質のエミッションが増える恐れがある、という面を持つ。

本発明は、リッチネスを調整する既存の方法の欠点をいかに克服するかについて提示する。

これはとりわけ、エンジンの排気回路を過剰な温度から保護でき、実装が容易で、汚染物質のエミッションの好ましくない効果を目立たせることなく、エンジンによる燃料の過消費を制限する、リッチネスを調整する方法を提示することに向けられている。

そのために、本発明は、点火制御式内燃エンジンのリッチネスを調整する方法を提示する。リッチネスの値は、エンジンが全負荷付近での運転中でなければ、理論混合値付近に設定され、エンジントルクが、最大エンジントルク以下のトルク閾値を超えると、理論混合値より高い値付近に設定される。

この方法は、トルクが、トルク閾値を超えると、
− エンジンの排気ガスの温度値が、第１の温度閾値未満であると、リッチネス値が、理論混合値より高い第１のリッチネス値に設定されるステップと、
− 温度値が、第１の閾値より高い第２の温度閾値を超えると、リッチネス値が、第１のリッチネス値より高い第２のリッチネス値に直ちに設定されるステップと、
− 温度値が、第１の閾値と第２の閾値との間にあると、リッチネス値が、第１のリッチネス値から、最大で第２のリッチネス値に漸次増えるステップと、を含むことを特徴とする。

本発明のさらなる特徴及び利点が、非限定のそれらの実施形態を、以下の添付の図面を参照して読むことにより明白となるであろう。

図１は、本発明に係る方法の実装に適した、点火制御式内燃エンジンの一例を示す。 図２は、本方法の一実施形態に係る、リッチネスを調整する方法の各ステップのフロー図である。

図１は、（特に、ガソリンを燃料とする）点火制御タイプの内燃エンジン、より具体的には、エンジンブロックの１つのシリンダ１を通る断面図を示す。吸気回路２及び排気回路３はそれぞれ、シリンダ１の吸気ダクト４及び排気ダクト５に連通する。

吸気回路２は、限定することなく、上流から下流へ、空気が循環する方向に、エンジンの過給に使用されるターボチャージャ７のコンプレッサ６と、空気流量調節弁８又はバタフライ弁８と、吸気マニフォールド９又はスプリッタ９と、を含む。

この例では、エンジンは、限定することなく、間接噴射エンジンの形態であり、ガソリンをダクト４内に噴射するよう、燃料インジェクタ１０が、吸気ダクト４内に開口している。図示しないものの、代替的に、エンジンは、直接噴射タイプでもよい。

シリンダ１の上には、エンジンのシリンダヘッド１１が位置する。シリンダヘッド１１は、吸気ダクト４の開閉に使用される吸気弁１２と、排気ダクト５の開閉に使用される排気弁１３と、を収容する。シリンダ１は、シリンダ１のボア１５内部にて、下死点（ＢＤＣ）位置と上死点（ＴＤＣ）位置との間を往復運動にて移動可能なピストン１４を囲む。ピストン１４とシリンダヘッド１１との間に画定される空間内には、燃焼室１６が形成されている。シリンダヘッド１１上には、スパークプラグ１７が載置されており、その電極が、燃焼室１６内に通じている。

排気回路３は、限定することなく、上流から下流へ、燃焼ガスが循環する方向に、排気マニフォールド１８と、ターボチャージャ７の、コンプレッサ６と共通のシャフト２０上に載置されたタービン１９と、エンジンの燃焼ガスから汚染物質を取り除く、三元触媒コンバータ２１などのデバイス２１と、を含む。

温度センサ２２は、タービン１９の入口にて、排気回路３内に載置されている。このセンサは、タービン上流の排気ガスの温度の値を測定できる。

リッチネスセンサ２３又は酸素プローブ２３は、三元触媒コンバータ２１の上流にて、エンジンの排気回路３内に載置されている。このセンサは、エンジンの排気ガスの酸素濃度の値を測定できる。

既知の様式では例えば、エンジンコントロールユニット（図示せず）は、負荷（又は、過給気流量）Ｑａｉｒの値、噴射された燃料Ｑｆｕｅｌの流量の値並びに上死点に対する、燃料を供給するタイミング、及び、エンジントルクＣ並びにエンジン速度Ｎを少なくとも含む、エンジンの運転を示すひとまとめのパラメータに応じた点火進角ＡＡの値、の内の少なくとも１つを判定できる手段を含む。

従来の様式では、コントロールユニットは、バタフライ弁８の開度及び/又はタービンのウェィストゲート（又は、排出）弁（図示せず）の開度を介してのタービンのパワーを調整することにより、過給気Ｑａｉｒを調節する。コントロールユニットは、燃料流量Ｑｆｕｅｌ及びその噴射のタイミングを、インジェクタ１０の噴射時間Ｔｉ、より具体的には、上死点に対する、開き始めの瞬間及び開き終わりの瞬間を調節することにより、調節する。コントロールユニットは、スパークプラグ１７の電極の端子間に、シリンダ１の上死点に対する、エンジンサイクルにおけるあたえられた角度にて火花を飛ばすことにより、点火進角ＡＡを調節する。

図２を参照すると、本発明に係るリッチネスを調整する方法は、エンジンコントロールユニットにより実施される、先の瞬間ｔ_ｎ後の各瞬間ｔ_ｎ＋１に反復して一定の時間間隔ｄｔ毎に行われる、以下のステップを含んでよい。

この方法は、ステップ１００から始まる。ここでは、エンジンコントロールユニットが、車両の運転に必要なエンジン速度値Ｎ及びトルク基準値Ｃを決定する。速度値は、エンジンのクランクシャフトの端部に載置されたセンサ（図１に図示せず）からのものであってよく、トルク値は、運転者によるスロットルペダルの踏み込み量から差し引いたものであってよい。

第１のテストステップ２００にて、エンジントルクが全負荷付近にあるか否かがチェックされる。換言すると、トルクＣが、エンジンが生成できる最大トルクＣｍａｘ以下であるトルク閾値Ｃｓと、最大トルクＣｍａｘとの間にあるか否かがチェックされる。トルク閾値Ｃｓ及び最大トルクＣｍａｘは、速度Ｎによって決まる。これらは、混合気のリッチネスｒが１に等しいと、タービンの上流の、エンジンの燃焼ガスの（センサ２２により測定される）温度θ_ｅｘｈが、信頼性限度（一般的には、９５０℃〜９８０℃のオーダーの温度）に相当する閾値を超える場合がある、運転点の範囲を定める。

テストの結果がネガティブであると、すなわち、トルクが全負荷付近にないと（換言すると、トルク閾値Ｃｓ未満であると）、この方法は、ステップ３００に進む。ここでは、混合気のリッチネスｒが、理論混合リッチネス（１のリッチネス）付近に設定される。この方法はその後、ステップ１００から再開する。

反対が真であると、この方法は、ステップ４００に進む。ここでは、リッチネスｒが、１．００と１．０５との間にあるリッチネスなどの、若干リッチな混合気に相当する第１のリッチネス値ｒ_１に設定される。

好適には、第１のリッチネス値は、車両の窒素酸化物エミッションに著しい影響を与えることなく、エンジンの排気ガスが直ちに予め冷却され得るよう、１．０１に実質的に等しく、リッチネスは直ちに、１．０１に等しいこの第１のリッチネス値に設定される。図示しないものの、代替的に、第１のリッチネス値は、１．０５に実質的に等しくてよい。リッチネスをこの第１のリッチネス値に設定することは、理論混合値から、１．０５に実質的に等しい第１のリッチネス値まで、例えば時間に応じて線形に、漸次達成される。

この方法は、ステップ５００に続く。ここでは、排気ガス温度θ_ｅｘｈが、温度センサ２２などを使用して測定される。図示しないものの、代替的に、ステップ４００及びステップ５００の順序は反転してよい。

テストステップ６００では、温度θ_ｅｘｈが、９００℃のオーダーの温度などの、第１の温度閾値θ_１と比較される。この温度が第１の閾値未満であると、この方法は、ステップ１００から再開する。換言すると、リッチネスは、理論混合値に設定されたままとなる。反対が真であると、すなわち、この温度が第１の閾値を超えていると、この方法はさらに、テストステップ７００に続く。ここでは、温度θ_ｅｘｈが、９５０°〜９８０℃のオーダーの温度などの、排気回路の熱機械的限度に相当する、第２の温度閾値θ_２と比較される。この方法は、この第２の温度閾値θ_２を超えないことを提示する。

排気ガスの温度θ_ｅｘｈが第２の閾値θ_２を超えると、この方法は、ステップ８００に進む。ここでは、リッチネスが、第２のリッチネス値ｒ_２に直ちに設定される。この第２のリッチネス値ｒ_２は、第１のリッチネス値ｒ_１より高い。あたえられた排気マニフォールド温度又はあたえられたターボチャージャタービン温度（過給エンジンの場合）などの、排気回路をなすコンポーネントのあたえられた最大温度を得るような様式にて、決定がお行われる。第２のリッチネス値ｒ_２は、安定モードにて、すなわち、速度及びトルクを一定に維持して、エンジンテストベッド上で予備的にテストを行うことにより、決定されてよい。リッチネス値は実際に、排気ガス温度自体が、あたえられた所定の値に等しくなるよう設定される。この値により、材質の慣性に関連する一定時間の経過後、エンジンの排気回路のコンポーネントのそれになる。

各あたえられた速度値Ｎについて、排気ガスの温度を制限するために、リッチネスを実際に増やさなければならない、全負荷付近の、トルクＣの範囲がある。したがって、速度及びトルクによって決まる第２のリッチネス値ｒ_２を決定する必要がある。

これに該当しない場合、すなわち、排気ガスの温度θ_ｅｘｈが第２の閾値θ_２未満であれば、この方法は、ステップ９００に進む。ここでは、リッチネスが漸次、すなわち、排気ガスの温度が、第１の閾値θ_１及び第２の閾値θ_２との間にある毎に、時間間隔ｄｔ毎に連続的に反復して、第１のリッチネス値ｒ_１から、最大で第２のリッチネス値ｒ_２まで、増やされる。

好適には、リッチネスは、時間に応じて線形に増やされ、同時に、第２のリッチネス値ｒ_２に等しい最大値により、すなわち、以下の種類の数式にしたがって制限される

（数式１） ｒ_ｎ＋１＝ｍａｘ（ｒ_２；ｒ_ｎ＋ｋ×（ｒ_２−ｒ_１）×ｄｔ）、

この数式において、
− ｒ_ｎ＋１は、この方法の瞬間ｔ_ｎ＋１にて計算されたリッチネス値を示す、
− ｒ_ｎは、この方法の瞬間ｔ_ｎにて計算されたリッチネス値を示す、
− ｋは、リッチネスが増えるレートを示すポジティブ定数係数を示す。

ステップ８００又はステップ９００の終わりに、この方法は、ステップ１００から再開する。先述より、とりわけ、連続するステップ６００〜ステップ９００より、エンジンが全負荷付近の条件下になると、排気ガスの温度が、第２の温度閾値θ_２に増えながら近づく値へと連続して上昇し始めることがわかるであろう。温度が、警報閾値とみなされてよい第１の温度閾値θ_１に到達するとすぐに、リッチネスが増え始める。遅延が適用されず、実施されているリッチネスがすべて、排気回路の熱機械的限度に相当する第２のリッチネス値ｒ_２未満である。排気ガスの温度はしたがってゆっくりと上昇する。これは全体として、リッチネスが増える（ポジティブ定数係数ｋにより表される）レートがかなり低い限りにおいて、排気回路をなす部品の温度が、ガスの温度に追いつく時間を与える。この値は、排気回路のコンポーネントの温度上昇における慣性を考慮するために、事前にテストを行うことにより、又は、その材質の熱容量の値に経験的に応じて決定され得る。

特に、特定の過酷な運転サイクルにおいて、リッチネスが第２のリッチネス値ｒ_２に到達する前に、排気ガスの温度がそれでも第２の温度閾値θ_２に到達する例において、この方法は、保守的な処置として、リッチネスｒを、この第２のリッチネス値ｒ_２まで直ちに増やすことを予期する。これは、排気ガスの温度がそれ以上上昇することを即座に防止し、排気回路をなすコンポーネントの温度が、第２の温度閾値θ_２を超えないようにし、したがってそれらの信頼性を保証する。

Claims (6)

1. 点火制御式内燃エンジンのリッチネス（ｒ）を調整する方法であって、前記リッチネスの値は、前記エンジンが全負荷付近での運転中でなければ、理論混合値付近に設定され、エンジントルク（Ｃ）が、最大エンジントルク（Ｃｍａｘ）より低いトルク閾値（Ｃｓ）を超えると、前記理論混合値より高い値付近に設定され、
   前記トルク（Ｃ）が、前記トルク閾値（Ｃｓ）を超えると、
   − 前記エンジンの排気ガスの温度値（θ_ｅｘｈ）が、第１の温度閾値（θ_１）未満であ場合、前記リッチネス値（ｒ）が、前記理論混合値より高い第１のリッチネス値（ｒ_１）に設定されるステップ（４００）と、
   − 前記温度値（θ_ｅｘｈ）が、前記第１の閾値（θ_１）より高い第２の温度閾値（θ_２）を上回る場合、前記リッチネス値（ｒ）が、前記第１のリッチネス値（ｒ_１）より高い第２のリッチネス値（ｒ_２）に直ちに設定されるステップ（８００）と、
   − 前記温度値（θ_ｅｘｈ）が、前記第１の閾値（θ_１）と前記第２の閾値（θ_２）との間にある場合、前記リッチネス値が、前記第１のリッチネス値（ｒ_１）から、最大で前記第２のリッチネス値（ｒ_２）に漸次増えるステップ（９００）とを含むことを特徴とする、
   方法。
2. 前記第１のリッチネス値（ｒ_１）は、１．００と１．０５との間にある、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１のリッチネス値（ｒ_１）は、１．０１に実質的に等しい、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記第２のリッチネス値（ｒ_２）は、前記エンジンが、エンジン速度（Ｎ）及び前記エンジントルク（Ｃ）に安定した運転点での運転中に、前記エンジンの前記排気ガスの前記温度（θ_ｅｘｈ）が、前記第２の温度閾値（θ_２）に等しくなるよう、前記速度（Ｎ）及び前記トルク（Ｃ）にしたがって設定される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記第２の温度閾値（θ_２）は、９５０℃と９８０℃との間にある、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記リッチネス（ｒ）における、前記第１のリッチネス値（ｒ_１）から、最大で前記第２のリッチネス値（ｒ_２）への漸次的増加は、時間に応じた線形の増加である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。

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