JP2024005172A - 三元触媒の暖機制御方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒暖機のために当量比を大としたリッチ燃焼と当量比を小としたリーン燃焼とを周期的に繰り返す制御において、当量比変化に基づく燃焼圧のばらつきを抑制する。
【解決手段】内燃機関の排気マニホルドの出口部に三元触媒が設けられている。三元触媒の暖機促進のために、当量比を大としたリッチ燃焼と当量比を小としたリーン燃焼とを周期的に繰り返すパータベーション制御を行う。リッチ燃焼からリーン燃焼に移行する間およびリーン燃焼からリッチ燃焼に移行する間に当量比を１としたストイキ燃焼を行うことで、連続する２つの気筒の間で大きな燃焼圧変化が生じず、燃焼圧のばらつきが小さくなる。
【選択図】図２

Description

この発明は、内燃機関において三元触媒に流入する排気の排気空燃比をリッチ／リーンに周期変動させることで三元触媒の暖機を促進する暖機制御方法および装置に関する。

内燃機関の排気通路に設けられる三元触媒を早期に活性温度付近まで暖機するために、リッチ燃焼とリーン燃焼とを周期的に繰り返す制御を行うことが提案されている。例えば、特許文献１には、直列４気筒内燃機関において、♯１気筒をリッチ燃焼とし、次の♯３気筒および♯４気筒をリーン燃焼とし、次の♯２気筒をリッチ燃焼とする、といったようにして、三元触媒に流入する排気の排気空燃比をリッチ／リーンに周期変動させることが開示されている。

特開２００４－３５３５５２号公報

同一の吸入空気量の下で当量比をストイキよりも大としたリッチ燃焼とストイキよりも小としたリーン燃焼とでは、生じる燃焼圧が互いに異なる。そのため、上記の制御では、大きな燃焼圧ばらつきが生じ、運転者に違和感を与える。特に、燃焼順序が連続する２つの気筒でリッチ燃焼からリーン燃焼へと変化したとき、あるいは逆にリーン燃焼からリッチ燃焼へと変化したときに、燃焼圧がステップ的に変化し、回転変動の要因となる。

また、仮に燃焼圧ばらつきを小さくするためにストイキ燃焼やリーン燃焼の当量比変化幅を小さくしてしまうと触媒暖機作用が低下する。

この発明は、内燃機関の排気通路に三元触媒を備え、この三元触媒の暖機中に、当量比を大としたリッチ燃焼と当量比を小としたリーン燃焼とを周期的に繰り返す制御を行う三元触媒の暖機制御方法において、
リッチ燃焼からリーン燃焼に移行する間およびリーン燃焼からリッチ燃焼に移行する間に当量比を１としたストイキ燃焼を行う。

この発明によれば、リッチ燃焼とリーン燃焼とが連続的に行われることがなく、両者の間にストイキ燃焼がなされるので、燃焼順序が連続する２つの気筒の間の燃焼圧変化が小さくなり、触媒暖機運転中の燃焼圧ばらつきが抑制される。

この発明が適用される一実施例の内燃機関の構成説明図。 繰り返しパターンの一例を空燃比変化とともに示したタイムチャート。 繰り返しパターンのいくつかの例を示したタイムチャート。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、この発明が適用される一実施例の内燃機関１の概略的な構成を示した説明図である。一実施例の内燃機関１は、直列３気筒の４ストロークサイクルの火花点火式内燃機関（いわゆるガソリン機関）であって、各気筒の燃焼室５に、一対の吸気弁２と一対の排気弁３とが設けられているとともに、燃焼室５の中心部に点火プラグ４が配置されている。また図示例では、筒内直接噴射式機関として、筒内に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁６が、例えば吸気弁２側に配置されている。なお、本発明においては、各気筒の吸気ポート７へ向けて燃料を噴射するポート噴射式の構成であってもよい。

各気筒の吸気ポート７に接続された吸気通路８のコレクタ部８ａ上流側には、エンジンコントローラ９からの制御信号によって開度が制御される電子制御型スロットルバルブ１０が介装されている。

各気筒の排気ポート１２は、排気マニホルド１３のブランチ部にそれぞれ接続されており、この排気マニホルド１３によって１つの排気通路として集合している。そして、排気マニホルド１３の出口部には、排気浄化のための三元触媒１５が設けられている。三元触媒１５は、例えば、微細な通路が形成されたモノリスセラミックス体の表面に触媒金属を含む触媒層をコーティングした、いわゆるモノリスセラミックス触媒である。なお、三元触媒として、排気マニホルド１３の出口部に位置する上記の三元触媒１５に加えて、下流側に直列に配置された他の三元触媒（例えば、床下触媒）を含む構成であってもよい。

排気通路１４の三元触媒１５の入口側つまり三元触媒１５よりも上流側の位置には、排気空燃比を検出するための空燃比センサ１６が配置されている。この空燃比センサ１６は、排気空燃比に応じた出力が得られるいわゆる広域空燃比センサである。なお、三元触媒１５の下流側に、空燃比センサ１６を含む空燃比フィードバック制御系の較正や三元触媒１５の劣化診断等のために、三元触媒１５を通過した排気の組成に応答するＯ２センサ等からなる下流側の空燃比センサを付加的に備えていてもよい。

空燃比センサ１６の検出信号は、エンジンコントローラ９に入力される。さらに、エンジンコントローラ９には、スロットルバルブ１０の上流側において吸入空気量を検出するエアフロメータ２０、機関回転速度ならびにクランク角位置を検出するためのクランク角センサ２１、冷却水温を検出する水温センサ２２、運転者に操作されるアクセルペダルの踏込量を検出するアクセル開度センサ２３、等の多数のセンサ類の検出信号が入力されている。エンジンコントローラ９は、これらの入力信号に基づき、燃料噴射弁６による燃料噴射量および噴射時期、点火プラグ４による点火時期、スロットルバルブ１０の開度、等を最適に制御している。

エンジンコントローラ９は、内燃機関１の種々の制御の中の１つとして、三元触媒１５による排気浄化性能を最適化するための空燃比制御を行う。空燃比制御は、空燃比センサ１６が検出した排気空燃比に基づいて三元触媒１５の酸素ストレージ量を推定し、この酸素ストレージ量が目標酸素ストレージ量（通常、酸素ストレージ容量の中間値（例えば５０％等）に設定される）となるように燃料噴射弁５の燃料噴射量（噴射パルス幅）をフィードバック制御するものである。これにより、排気空燃比は理論空燃比近傍に保たれる。

このような空燃比フィードバック制御のためには、三元触媒１５が活性温度に達していることが必要であり、例えば内燃機関１の始動後に三元触媒１５が早期に活性温度に暖機されることが望ましい。そのため、エンジンコントローラ９は、三元触媒１５の暖機中、詳しくは、三元触媒１５がある程度は暖まっているものの十分な活性温度に達していない段階において、当量比を大としたリッチ燃焼と当量比を小としたリーン燃焼とを周期的に繰り返す制御（以下では、これを便宜上、パータベーション制御と呼ぶ）を行う。パータベーション制御では、三元触媒１５に流入する排気の排気空燃比がリッチ／リーンに比較的大きく変動することで、リッチ燃焼の際のＨＣ等とリーン燃焼の際の酸素との反応が積極的に生じ、触媒の温度上昇が促進される。さらに、触媒の一時劣化（触媒金属表面に酸素やＨＣ等が付着して触媒金属表面積が減少し、触媒性能が低下する現象）に対して、パータベーション制御として触媒に接するガスの空燃比を比較的大幅に周期変動させることで、触媒金属表面を覆っていた被毒物質が剥がれ落ち、触媒の反応面積が拡大するので、これによっても触媒暖機が速やかなものとなる。。

ここで、本発明においては、リッチ燃焼からリーン燃焼に移行する間およびリーン燃焼からリッチ燃焼に移行する間に、当量比を１としたストイキ燃焼が少なくとも１回行われる。例えば、図２は、繰り返しパターンの一例を空燃比変化とともに示したタイムチャートであり、横軸は時間もしくはクランク角となる。この例では、図示するように、当量比を１よりも大としたリッチ燃焼を２回連続して行い、次に当量比を１としたストイキ燃焼を１回行い、その後に当量比を１よりも小としたリーン燃焼を２回連続して行う。そして、ストイキ燃焼を１回行った後に、再びリッチ燃焼を２回連続して行う。このような繰り返しパターンでもって、リッチ燃焼／ストイキ燃焼／リーン燃焼／ストイキ燃焼／リッチ燃焼・・を繰り返し行う。

このようにリッチ燃焼からリーン燃焼に移行する間およびリーン燃焼からリッチ燃焼に移行する間に、当量比を１としたストイキ燃焼を行うことで、図２から明らかなように、燃焼順序（点火順序）が連続する２つの気筒の間でリッチ燃焼からリーン燃焼へ（あるいは逆にリーン燃焼からリッチ燃焼へ）と直ちに変化することがない。例えば、リッチ燃焼からストイキ燃焼へ、そしてストイキ燃焼からリーン燃焼へ、と２段階に変化する形となり、燃焼順序が連続する２つの気筒の間での燃焼圧変化が小さくなる。そのため、パータベーション制御を伴う触媒暖機運転中の燃焼圧のばらつきや回転変動が抑制される。なお、燃焼圧のばらつきは、例えば図示平均有効圧Ｐｉの標準偏差σＰｉの大小によって定量的に評価することができるが、例えば図２のようにストイキ燃焼が介在することにより、ストイキ燃焼を介在させない場合に比較してσＰｉを半分近くに抑制することが可能である。

換言すれば、リッチ燃焼／リーン燃焼の移行の際にストイキ燃焼を介在させることで、パータベーション制御におけるリッチ燃焼およびリーン燃焼の当量比変化幅を十分に大きく確保しつつ燃焼圧のばらつきを抑制することができる。

一つの例では、燃焼順序に従って複数気筒で連続してリッチ燃焼もしくはリーン燃焼をそれぞれ行い、これらのリッチ燃焼／リーン燃焼の間のストイキ燃焼は、相対的に少ない数の気筒で行う。他の一つの例では、燃焼順序に従って複数気筒で連続してリッチ燃焼もしくはリーン燃焼をそれぞれ行い、これらのリッチ燃焼／リーン燃焼の間のストイキ燃焼は、同じ数の複数気筒で連続して行う。

なお、パータベーション制御による触媒暖機作用の上では、ストイキ燃焼の回数が過度に多くないことが望ましい。従って、リッチ燃焼／ストイキ燃焼／リーン燃焼／ストイキ燃焼／リッチ燃焼・・を繰り返す繰り返しパターンとして、各々に含まれる気筒数が異なる複数の繰り返しパターンを有する場合には、暖機中に、気筒間の燃焼圧ばらつきが許容レベル以下でかつストイキ燃焼回数が最少となる繰り返しパターンを選択することが望ましい。

また一つの例では、内燃機関の気筒数をＮ（図示例では３）としたときに、燃焼順序に従って少なくともＮ回のリッチ燃焼もしくはリーン燃焼を連続して行い、これらのリッチ燃焼／リーン燃焼の間に少なくとも１回のストイキ燃焼を行う。つまり、リッチ燃焼およびリーン燃焼が、複数気筒の全気筒で少なくとも１回行うように複数回連続して行われるので、排気マニホルド１３の出口部に設けられた三元触媒１５の断面の全域に亘ってリッチな排気ガスおよびリーンな排気ガスが交互に通過することとなり、パータベーション制御による作用（ＨＣ等の酸化作用および一次劣化の回復作用）が三元触媒１５の全域で確実に得られる。

図３のタイムチャートは、一例として、３気筒機関における４通りの繰り返しパターンを示している。３気筒機関においては、図示するように、燃焼順序は、♯１気筒→♯３気筒→♯２気筒、の順となる。図中の「Ｒ」はリッチ燃焼を、「Ｌ」はリーン燃焼を、「Ｓ」はストイキ燃焼を、それぞれ示している。

パターン１では、リッチ燃焼およびリーン燃焼がそれぞれ７回ずつ連続して行われ、リッチ燃焼からリーン燃焼へ移行する間およびリーン燃焼からリッチ燃焼へ移行する間にそれぞれ１回のストイキ燃焼が行われる。パターン２では、リッチ燃焼およびリーン燃焼がそれぞれ７回ずつ連続して行われ、リッチ燃焼からリーン燃焼へ移行する間およびリーン燃焼からリッチ燃焼へ移行する間にそれぞれ２回のストイキ燃焼が行われる。パターン３では、リッチ燃焼およびリーン燃焼がそれぞれ３回ずつ連続して行われ、リッチ燃焼からリーン燃焼へ移行する間およびリーン燃焼からリッチ燃焼へ移行する間に同じく３回ずつ連続してストイキ燃焼が行われる。つまり、全気筒で１回ずつ、リッチ／ストイキ／リーンを順に行う形となる。パターン４では、リッチ燃焼およびリーン燃焼がそれぞれ３回ずつ連続して行われ、リッチ燃焼からリーン燃焼へ移行する間およびリーン燃焼からリッチ燃焼へ移行する間にそれぞれ１回のストイキ燃焼が行われる。

繰り返しパターンは、これらの例に限られない。なお、好ましくは、パータベーション制御中も平均的な排気空燃比は理論空燃比近傍に制御される。図３のパターン１～４では、いずれもリッチ燃焼の回数とリーン燃焼の回数とが等しいので、ストイキを基準としたリッチ側への当量比変化幅とリーン側への当量比変化幅を互いに等しいものとすることで、基本的に平均的な排気空燃比は理論空燃比近傍となる。

図３の４通りの繰り返しパターンの中では、例えばパターン２がリッチ燃焼／リーン燃焼の反転周期が最も長く、パターン４がリッチ燃焼／リーン燃焼の反転周期が最も短い。パータベーション制御の周期が適当なものとなるように、内燃機関１の回転速度に応じて適当な繰り返しパターンを選択するようにしてもよい。また、特定気筒をリッチ燃焼気筒とし、その他の気筒をリーン燃焼気筒とし、リッチ燃焼気筒とリーン燃焼気筒との間で燃焼する気筒をストイキ燃焼気筒とすることで、リッチ燃焼とリーン燃焼とを周期的に繰り返すようにしてもよい。

以上、この発明を直列３気筒内燃機関に適用した一実施例を説明したが、この発明は直列３気筒内燃機関に限らず、他の形式の多気筒内燃機関に同様に適用することができる。

１…内燃機関
６…燃料噴射弁
９…エンジンコントローラ
１５…三元触媒
１６…空燃比センサ

Claims (6)

1. 内燃機関の排気通路に三元触媒を備え、この三元触媒の暖機中に、当量比を大としたリッチ燃焼と当量比を小としたリーン燃焼とを周期的に繰り返す制御を行う三元触媒の暖機制御方法において、
   リッチ燃焼からリーン燃焼に移行する間およびリーン燃焼からリッチ燃焼に移行する間に当量比を１としたストイキ燃焼を行う、
   三元触媒の暖機制御方法。
2. 燃焼順序に従って複数気筒で連続してリッチ燃焼もしくはリーン燃焼をそれぞれ行うようにし、
   これらのリッチ燃焼／リーン燃焼の間のストイキ燃焼は、相対的に少ない数の気筒で行う、
   請求項１に記載の三元触媒の暖機制御方法。
3. 燃焼順序に従って複数気筒で連続してリッチ燃焼もしくはリーン燃焼をそれぞれ行うようにし、
   これらのリッチ燃焼／リーン燃焼の間のストイキ燃焼は、同じ数の複数気筒で行う、
   請求項１に記載の三元触媒の暖機制御方法。
4. リッチ燃焼／ストイキ燃焼／リーン燃焼／ストイキ燃焼／リッチ燃焼・・を繰り返す繰り返しパターンとして、各々に含まれる気筒数が異なる複数の繰り返しパターンを有し、
   暖機中に、気筒間の燃焼圧ばらつきが許容レベル以下でかつストイキ燃焼回数が最少となる繰り返しパターンを選択する、
   請求項１に記載の三元触媒の暖機制御方法。
5. 内燃機関の気筒数をＮとしたときに、燃焼順序に従って少なくともＮ回のリッチ燃焼もしくはリーン燃焼を連続して行い、
   これらのリッチ燃焼／リーン燃焼の間に少なくとも１回のストイキ燃焼を行う、
   請求項１に記載の三元触媒の暖機制御方法。
6. 内燃機関の排気通路に三元触媒を備え、この三元触媒の暖機中に、当量比を大としたリッチ燃焼と当量比を小としたリーン燃焼とを周期的に繰り返す制御を行う三元触媒の暖機制御装置において、
   リッチ燃焼からリーン燃焼に移行する間およびリーン燃焼からリッチ燃焼に移行する間に当量比を１としたストイキ燃焼を行う、
   三元触媒の暖機制御装置。

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