JP2024005173A - 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パータベーション制御の作用を、三元触媒の断面全体で得られるようにする。【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、燃焼順序に従って複数気筒で連続的になされるＭ回のリッチ燃焼と同じく連続的になされるＭ回のリーン燃焼とを交互に行う。そして、回数Ｍは、内燃機関１に含まれる気筒数Ｎ以上とする。複数気筒の全ての気筒において１回はリッチ燃焼を行った後に、複数気筒の全ての気筒において１回はリーン燃焼が行われるので、触媒の全域にリッチなガスとリーンなガスとが交互に流れる。【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、燃焼順序に従って１つの気筒でリッチ燃焼を行った後に複数の気筒でリーン燃焼を連続して行う繰り返しパターンとした変則噴射ディザ制御と呼ばれる触媒暖機制御が開示されている。１つの実施例では、１つの気筒でリッチ燃焼を行った後に、２つの気筒でリーン燃焼を行い、次の１つの気筒でリッチ燃焼を行い、さらに次の２つの気筒でリーン燃焼を行う、といったパターンとなる。

特開２００４－３５３５５２号公報

１つの気筒の排気ガスは、多くの場合、三元触媒の一部の領域に偏って流れる。従って、特許文献１の方法では、リッチ燃焼によるリッチな排気空燃比を有するガスが三元触媒の全体に行き渡らず、またリーン燃焼についても一部の実施例ではリーンな排気空燃比を有するガスが三元触媒の全体に行き渡らない。そのため、三元触媒の領域全体においてリッチ／リーンの周期変動による触媒活性促進作用を最大限に得ることができない。

また特許文献１の方法では、平均的な空燃比がリーンとなり、ＮＯｘの排出が生じるおそれがある。

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、平均空燃比を理論空燃比近傍に保ちつつ当量比を大としたリッチ燃焼期間と当量比を小としたリーン燃焼期間とを周期的に繰り返すパータベーション制御を行う三元触媒の暖機制御方法において、
リッチ燃焼期間およびリーン燃焼期間は、それぞれ、燃焼順序に従って複数気筒で連続的になされるＭ回のリッチ燃焼およびリーン燃焼を含み、この連続したリッチ燃焼ないしリーン燃焼の回数Ｍは内燃機関に含まれる気筒数Ｎ以上であり、かつリッチ燃焼およびリーン燃焼の双方で互いに等しい。

すなわち、複数気筒の全ての気筒において１回はリッチ燃焼を行った後に、同様に複数気筒の全ての気筒において１回はリーン燃焼が行われることとなる。

この発明によれば、三元触媒の領域全体にリッチな排気ガスおよびリーンな排気ガスが行き渡り、かつリッチ／リーンに交互に変化するので、三元触媒全体で触媒活性促進作用が効果的に得られる。

また平均空燃比が理論空燃比近傍となり、ＨＣとともにＮＯｘの排出が抑制される。

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いくつかの例を示したタイムチャート。 三元触媒の断面における１つの気筒の排気ガスの分布を示した説明図。 三元触媒の断面におけるリッチ／リーンの周期変化の説明図。

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、燃焼順序に従って複数気筒で連続的になされるＭ回のリッチ燃焼と同じく連続的になされるＭ回のリーン燃焼とを交互に行う。そして、回数Ｍは、内燃機関１に含まれる気筒数Ｎ（一実施例では３）以上となっている。すなわち、複数気筒の全ての気筒において１回はリッチ燃焼を行った後に、同様に複数気筒の全ての気筒において１回はリーン燃焼が行われる。なお、後述の例で示すように、リッチ燃焼とリーン燃焼との間に当量比を１としたストイキ燃焼を行うようにしてもよい。

図２のタイムチャートは、一例として、３気筒機関における６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およびパターン２は、ストイキ燃焼を介在させずにリッチ燃焼とリーン燃焼とをそれぞれ同じ複数回（つまり複数気筒）連続的に行う例である。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気筒数よりも多い１０回ずつ連続して行われ、両者が交互に繰り返し行われる。このパターン１は、リッチ燃焼／リーン燃焼の反転周期が比較的長いものとなる。

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気筒数と等しい３回ずつ連続して行われ、両者が交互に繰り返し行われる。すなわち、全ての気筒でリッチ燃焼がなされた後に全ての気筒でリーン燃焼がなされる。

図３に示すように、円形ないし楕円形をなす三元触媒１５の断面において、１つの気筒の排気ガスは、ハッチングを施して示す一部の領域Ｇを通って流れる。つまり、１つの気筒の排気ガスが三元触媒１５の断面全体に行き渡ることはない。

これに対し、例えばパターン２では、全ての気筒においてリッチ燃焼を行うことでリッチな排気ガスが三元触媒１５の断面全体に行き渡る。そして全ての気筒においてリーン燃焼を行うことでリーンな排気ガスが同様に三元触媒１５の断面全体に行き渡る。図４の（ａ）はリッチな排気ガス（符号ＧＲで示す）が三元触媒１５の断面全体に分布した状態を、（ｂ）はリーンな排気ガス（符号ＧＬで示す）が三元触媒１５の断面全体に分布した状態を、それぞれ模式的に示しているが、これらの（ａ），（ｂ）の状態が交互に生じることとなる。そのため、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２のパターン３～６は、リッチ燃焼期間からリーン燃焼期間へ移行する間およびリーン燃焼期間からリッチ燃焼期間へ移行する間にそれぞれ少なくとも１回のストイキ燃焼を行うようにした例である。このようにストイキ燃焼が介在することで、リッチ燃焼の際の燃焼圧とリーン燃焼の際の燃焼圧との差に基づく燃焼圧ばらつきや回転変動が小さくなる。

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４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５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６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。

なお、リッチ燃焼およびリーン燃焼の連続回数Ｍを、「３」、「６」、「９」等のように内燃機関１の気筒数（実施例では３）の整数倍とすれば、図３，図４に例示したような排気ガスの分布の濃淡が最小となり、また三元触媒１５の断面の各部におけるリッチ／リーンの周期変動が実質的に等しく得られる。

図２のパターン１～６のいずれも、リッチ燃焼の回数とリーン燃焼の回数とが等しい。また、各気筒のリッチ燃焼およびリーン燃焼における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とは互いに等しく設定されている。従って、パターン１～６のいずれも、基本的に平均的な排気空燃比は理論空燃比近傍にある。そのため、ＨＣとともにＮＯｘの排出が抑制される。

リッチ燃焼およびリーン燃焼の繰り返しパターンは、図２の例に限られない。適当な数Ｍのリッチ燃焼とリーン燃焼とを組み合わせ、さらに適当な数のストイキ燃焼を含めることができる。これらの繰り返しパターンは、予め種々の要求ないし条件を考慮していずれかの繰り返しパターンに決定し、これを固定的に用いるようにしてもよく、あるいは、複数の繰り返しパターンを有していて、触媒暖機中の内燃機関１の運転条件に応じて最適な繰り返しパターンを選択的に実行するようにしてもよい。例えば、繰り返しパターンの選択により、リッチ燃焼／リーン燃焼の反転周期を適切なものとすることができる。

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、平均空燃比を理論空燃比近傍に保ちつつ当量比を大としたリッチ燃焼期間と当量比を小としたリーン燃焼期間とを周期的に繰り返すパータベーション制御を行う三元触媒の暖機制御方法において、
   リッチ燃焼期間およびリーン燃焼期間は、それぞれ、燃焼順序に従って複数気筒で連続的になされるＭ回のリッチ燃焼およびリーン燃焼を含み、この連続したリッチ燃焼ないしリーン燃焼の回数Ｍは内燃機関に含まれる気筒数Ｎ以上であり、かつリッチ燃焼およびリーン燃焼の双方で互いに等しい、
   三元触媒の暖機制御方法。
2. リッチ燃焼期間からリーン燃焼期間に移行する間およびリーン燃焼期間からリッチ燃焼期間に移行する間に、少なくとも１つの気筒において当量比を１とした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。
3. パータベーション制御のリッチ／リーン周期が異なることとなる複数の繰り返しパターンを有し、
   暖機中の内燃機関の運転条件に応じていずれかの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。
4. 内燃機関は３気筒内燃機関であり、上記の回数Ｍは３である、
   請求項１に記載の三元触媒の暖機制御方法。
5. 当量比１を基準としたリッチ燃焼の当量比変化幅とリーン燃焼の当量比変化幅とが互いに等しい、
   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、平均空燃比を理論空燃比近傍に保ちつつ当量比を大としたリッチ燃焼期間と当量比を小としたリーン燃焼期間とを周期的に繰り返すパータベーション制御を行う三元触媒の暖機制御装置において、
   リッチ燃焼期間およびリーン燃焼期間は、それぞれ、燃焼順序に従って複数気筒で連続的になされるＭ回のリッチ燃焼およびリーン燃焼を含み、この連続したリッチ燃焼ないしリーン燃焼の回数Ｍは内燃機関に含まれる気筒数Ｎ以上であり、かつリッチ燃焼およびリーン燃焼の双方で互いに等しい、
   三元触媒の暖機制御装置。

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