JP3584738B2

JP3584738B2 - 筒内直噴式火花点火エンジン

Info

Publication number: JP3584738B2
Application number: JP18231698A
Authority: JP
Inventors: 泰之伊藤; 隆福田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1998-06-29
Filing date: 1998-06-29
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2018-06-29
Also published as: US6345500B2; DE19929513C2; US20010001361A1; DE19929513A1; JP2000008922A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内直噴式火花点火エンジンにおいて、排気通路に設けられる触媒の活性化を早める技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの冷間始動後に触媒温度が低いとき、または触媒の硫黄被毒やスモークカバーリングが進行したときに、触媒の温度を積極的に上昇させることが要求される。
【０００３】
従来、例えば特開平９−２８７４３６号公報に開示された筒内直噴式火花点火エンジンは、触媒を加熱する必要がある場合に、インジェクタから吸気行程または圧縮行程で主燃料を噴射するとともに続く排気行程で追加燃料を噴射する制御を行っている。この場合に、追加燃料の噴射量は、主燃料による燃焼後に余剰となっている酸素で完全燃焼する量に制御されている。また、この公報には、より触媒の昇温を早めたい場合に、余剰酸素で完全燃焼する量に補正係数を乗算して多少多めの燃料を追加燃料として噴射する旨の記載がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
追加燃料の供給によってより早く触媒を昇温させるためには、前記の公報にも説明されているように追加燃料の供給量を増加させてより多くの燃料を排気通路内で燃焼させることが有効であるが、特に暖機途中の触媒の早期活性化をはかる場合には、単に触媒の温度を上昇させるだけでなく、そのときの空燃比も適切に制御する必要がある。例えば、暖機途中の触媒では空燃比を理論空燃比よりもある程度リーンにした方が触媒上の浄化反応が開始される温度が低温側にシフトすることが知られている。
【０００５】
しかしながら、前記従来技術では、触媒を昇温させるときのトータルの空燃比が理論空燃比あるいはそれよりリッチ側の空燃比に制御されてしまい、触媒の早期活性化に用いる場合には必ずしも効率的な活性化を行えない可能性があった。
【０００６】
本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、筒内直噴式火花点火エンジンにおいて、触媒の活性化を効率よく行うことを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、筒内の混合気に点火する点火プラグと、筒内に燃料を噴射するインジェクタと、排気通路に介装される触媒コンバータとを備え、触媒暖機時にインジェクタから吸気行程または圧縮行程で主燃料を噴射するとともに続く膨張行程または排気行程で追加燃料を噴射する筒内直噴式火花点火エンジンに適用する。
【０００８】
そして、触媒暖機時の目標トータル空燃比を理論空燃比よりリーン側の値として設定する目標トータル空燃比設定手段と、主燃料と追加燃料の和によるトータル空燃比が設定された目標トータル空燃比となるように主燃料の噴射量Ｔｉ１と追加燃料の噴射量Ｔｉ２を算出する燃料噴射量算出手段とを備えるものとした。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、燃料噴射量算出手段は主燃料による空燃比が所定のリーン空燃比となるように主燃料の噴射量Ｔｉ１を算出するとともに算出された主燃料の噴射量Ｔｉ１との和が目標トータル空燃比に対応する燃料量となるように追加燃料の噴射量Ｔｉ２を算出するものとした。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、エンジンの燃焼安定度を検出する燃焼安定度検出手段を備え、燃料噴射量算出手段は検出された燃焼安定度が所定の安定度より良好なときに主燃料の噴射量Ｔｉ１を減量補正するとともに補正された主燃料の噴射量Ｔｉ１に基づいて追加燃料の噴射量Ｔｉ２を算出するものとした。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、エンジンの失火を検出する失火検出手段を備え、燃料噴射量算出手段は失火が検出されたときに主燃料の噴射量Ｔｉ１を増量補正するとともに補正された主燃料の噴射量Ｔｉ１に基づいて追加燃料の噴射量Ｔｉ２を算出するものとした。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、排気通路の空燃比を検出する空燃比検出手段を備え、燃料噴射量算出手段は検出された空燃比が目標トータル空燃比に近づくように主燃料の噴射量Ｔｉ１と追加燃料の噴射量Ｔｉ２の少なくとも一方を補正するものとした。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、燃料噴射量算出手段は検出された空燃比が目標トータル空燃比に近づくように追加燃料の噴射量Ｔｉ２を補正するものとした。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、触媒コンバータの触媒温度Ｔｃａｔを検出する触媒温度検出手段を備え、目標トータル空燃比設定手段は触媒温度Ｔｃａｔが低いほど目標トータル空燃比をよりリーン側の値に設定するものとした。
【００１５】
【発明の作用および効果】
請求項１に記載の発明において、触媒暖機時に、主燃料の噴射を吸気行程または圧縮行程の後期で行い、続く膨張行程または排気行程で追加燃料の噴射を行うことにより、追加燃料を燃焼室、排気通路または触媒コンバータで燃焼させて、触媒の活性化を早める。
【００１６】
触媒暖機時に主燃料と追加燃料の和によるトータル空燃比を理論空燃比よりリーン側の目標トータル空燃比に制御することにより、触媒上でＨＣの酸化反応が始まる温度が低下し、ＨＣの浄化効率が高まり、例えばエンジンの暖機時の早いうちから触媒を介して排気ガスの浄化を行うことができる。
【００１７】
なお、本明細書中では、トータル空燃比を燃焼室内に吸入された空気量と総燃料噴射量（主燃料と追加燃料の和）との比の意味で使用する。
【００１８】
請求項２に記載の発明において、先ず主燃料の噴射量Ｔｉ１を算出することにより、エンジン出力となる燃料量が先に確保されるので、エンジンを安定して運転することができる。
【００１９】
請求項３に記載の発明において、エンジンの燃焼安定度が所定の安定度より良好なときに主燃料の噴射量Ｔｉ１を減量することにより、その分だけ追加燃料の噴射量Ｔｉ２を増やすことが可能となり、所定の燃焼安定度を確保しつつ触媒をより早く昇温させることができる。
【００２０】
請求項４に記載の発明において、失火が検出されたときに主燃料の噴射量Ｔｉ１を増量することにより、失火による安定度の悪化を速やかに回復させることができる。
【００２１】
請求項５に記載の発明において、空燃比検出手段の出力に基づいて主燃料の噴射量Ｔｉ１と追加燃料の噴射量Ｔｉ２の少なくとも一方を補正することにより、触媒の早期活性化に適したトータル空燃比を精度よく調節することができる。
【００２２】
請求項６に記載の発明において、トータル空燃比の制御を追加燃料の噴射量Ｔｉ２の補正で行うことにより、燃焼安定度に関与する主燃料の噴射量Ｔｉ１を増減することなく、空燃比の制御を行うことができる。特に、燃焼安定度に基づいて主燃料を増減する請求項３に記載の発明に適用した場合は、主燃料の噴射量Ｔｉ１を限界まで減量しやすくなり、その分だけ追加燃料の噴射量Ｔｉ２を増やすことが可能となり、所定の燃焼安定度を確保しつつ触媒をより早く昇温させることができる。
【００２３】
請求項７に記載の発明において、触媒温度Ｔｃａｔが低いほど目標トータル空燃比をよりリーン側に制御することにより、触媒の状態に応じたトータル空燃比に調節することができ、触媒の活性化を早められる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１において、１はエンジン本体、２は燃焼室、３はピストン、４は点火プラグ、５は筒内に臨むインジェクタである。４サイクルエンジン１はピストン３が筒内を２往復する間に吸入、圧縮、膨張、排気行程が連続して行われる。吸気通路２０には、スワールコントロールバルブ８、スロットルバルブ９、エアフローセンサ１２がそれぞれ介装される。スロットルバルブ９はアクチュエータ９Ａを介して開閉駆動される。
【００２５】
コントロールユニット１１はインジェクタ５の燃料噴射時期、燃料噴射量を制御するとともに、点火プラグ４の点火時期を制御する。コントロールユニット１１にはクランク角センサ１３Ｂ，１３ＡからのＲｅｆ信号とＰｏｓ信号、アクセルペダル開度センサ１４からのアクセル開度、エアフローセンサ１２からの吸入空気量信号、排気通路２１に設置した空燃比センサ（トータル空燃比検出手段）１５からの空燃比（酸素濃度）信号、排気温度センサ１６からの排気ガス温度信号、さらには水温センサ（図示しない）からのエンジン冷却水温信号、トランスミッションのギア位置センサ（図示しない）からのギア位置信号、車速センサ（図示しない）からの車速信号等が入力される。コントロールユニット１１は、これらに基づいて運転状態を判断しながら、触媒の暖機後において負荷のそれほど大きくない所定の運転域においてはリーン空燃比により成層燃焼をさせ、それ以外の運転域では理論空燃比により均質燃焼をさせる。
【００２６】
排気通路２１には、２つの触媒コンバータ２２，２３が設置される。触媒コンバータ２２，２３は、ＮＯｘ吸蔵還元型三元触媒を用い、理論空燃比混合気運転時に最大の転換効率をもって、排気中のＮＯｘの還元とＨＣ、ＣＯの酸化を行い、リーン混合気運転時に発生するＮＯｘを吸蔵する。
【００２７】
触媒温度Ｔｃａｔを検出する手段として触媒コンバータ２２の担体の温度を検出するセンサ２５を設ける。なお、触媒温度検出手段として、水温センサによって検出されるエンジン冷却水温度Ｔｗと運転状態および始動時からの運転時間等に基づいて触媒温度Ｔｃａｔを推定してもよい。
【００２８】
触媒コンバータ２２より上流側の排気ガス温度Ｔｅｘを検出する手段として排気マニホールド１０の温度を検出する排気温度センサ１６を設ける。なお、排気ガス温度検出手段として、水温センサによって検出されるエンジン冷却水温度Ｔｗと運転状態および始動時からの運転時間等に基づいて排気ガス温度Ｔｅｘを推定してもよい。
【００２９】
コントロールユニット１１は、触媒温度センサ２５によって検出される触媒温度Ｔｃａｔを入力し、Ｔｃａｔ＜ＴｃａｔＴＨとなる触媒暖機時を判定し、この触媒暖機時にインジェクタ５から圧縮行程で主燃料を噴射するとともに続く膨張行程で追加燃料を噴射する。同じく触媒暖機時に、点火プラグ４により圧縮行程で主燃料に対して点火する。なお、続く膨張行程または排気行程で追加燃料に対して再点火してもよい。また、吸気行程と圧縮行程の両方で主燃料を噴射してもよい。さらに、膨張行程と排気行程の両方で追加燃料を噴射するように構成してもよい。
【００３０】
そして本発明の要旨とするところであるが、主燃料噴射と追加燃料噴射によって燃焼室２に形成される混合気のトータル空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定された目標空燃比に近づけるように追加燃料噴射量Ｔｉ２をフィードバック制御し、触媒を効率よく活性化させる。
【００３１】
コントロールユニット１１は、図２に示すフローチャートを一定時間毎（例えば１０ｍｓｅｃ毎）に実行し、主燃料噴射量Ｔｉ１と追加燃料噴射量Ｔｉ２をそれぞれ算出する。
【００３２】
ステップＳ１では、吸入空気量Ｑ、エンジン回転数Ｎ、空燃比、燃焼安定度、失火の有無を読込む。燃焼安定度はエンジン回転数Ｎの変動等に基づいて算出される。失火の有無は、排気ガス温度Ｔｅｘが大きく低下する場合に失火が発生したものと判定するようになっている。
【００３３】
続くステップＳ２では、吸入空気量Ｑ、回転数Ｎ等に基づいて基本燃料噴射量Ｔｐ（＝Ｋ×Ｑ／Ｎ；Ｋは定数）が理論空燃比が得られる燃料量として算出される。
【００３４】
続くステップＳ３、Ｓ４では、触媒温度センサ２５によって検出される触媒温度Ｔｃａｔをそれぞれ読込み、触媒温度Ｔｃａｔが所定温度ＴｃａｔＴＨより低いかどうかを判定する。所定温度ＴｃａｔＴＨは、未燃焼ＨＣの９０％未満が触媒を介して酸化する触媒不活性状態か未燃焼ＨＣの９０％以上が触媒を介して酸化する触媒活性状態かどうかを判定するための判定値である。
【００３５】
Ｔｃａｔ＜ＴｃａｔＴＨとなる触媒不活性状態と判定された触媒暖機時に、ステップＳ５〜Ｓ１４に進み、主燃料噴射を圧縮行程で行うとともに、追加燃料噴射を膨張行程で行う。ステップＳ５にて、主燃料噴射によって燃焼室２に形成される混合気の空燃比を目標空燃比とするための補正係数ＴＦＢＹＡを設定する。
【００３６】
ステップＳ６にて、主燃料噴射と追加燃料噴射によって燃焼室２に形成される混合気のトータル空燃比を目標値に近づけるためのトータル補正係数ＴＦＢＹＡｔｏｔａｌを図３に示すマップに基づき触媒温度Ｔｃａｔに応じて検索される。このマップは、触媒温度Ｔｃａｔが所定温度ＴｃａｔＴＨの近傍にあるときトータル補正係数ＴＦＢＹＡｔｏｔａｌを１とし、所定温度ＴｃａｔＴＨより低下するほどトータル補正係数ＴＦＢＹＡｔｏｔａｌを１より次第に小さくする。したがって、触媒温度Ｔｃａｔが低下するほどトータル空燃比を次第にリーンシフトさせる。
【００３７】
なお、ステップＳ５にて設定される補正係数ＴＦＢＹＡはトータル補正係数ＴＦＢＹＡｔｏｔａｌより小さくなる範囲で設定される。したがって、主燃焼時の空燃比はトータル空燃比よりリーンになる。このステップＳ５，Ｓ６で行われる処理が本発明の目標トータル空燃比設定手段に相当する。
【００３８】
ステップＳ７にて、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡをトータル補正係数ＴＦＢＹＡｔｏｔａｌに相当する空燃比と実際の空燃比との差に応じて算出する。
【００３９】
ステップＳ８にて、エンジン１の燃焼安定度が許容範囲内に収まっているかどうかを判定する。燃焼安定度が許容の範囲外であればステップＳ９に進んで安定度フィードバック補正係数ΔＴｐをその前回値ΔＴｐｚより所定値ｄΔＴｐだけ大きくして主燃料噴射量Ｔｉ１を増加させる。一方、燃焼安定度が許容の範囲内であればステップＳ１０に進んで安定度フィードバック補正係数ΔＴｐをその前回値ΔＴｐｚより所定値ｄΔＴｐだけ減らして主燃料噴射量Ｔｉ１を減少させる。
【００４０】
続くステップＳ１１にて失火が発生したかどうかを判定する。失火が発生した場合、ステップＳ１２に進んで、安定度フィードバック補正係数ΔＴｐをその前回値ΔＴｐｚより所定値ｄΔＴｐ２だけ大きくして主燃料噴射量Ｔｉ１を増加させる。一方、失火が発生しない場合、ステップＳ１２を迂回して、安定度フィードバック補正係数ΔＴｐを変化させない。
【００４１】
続くステップＳ１３にて、最終的な主燃料噴射量Ｔｉ１を次式で算出する。
【００４２】
Ｔｉ１＝Ｔｐ×ＴＦＢＹＡ×ΔＴｐ …（１）
続くステップＳ１４にて、最終的な追加燃料噴射量Ｔｉ２を次式で算出する。
【００４３】
Ｔｉ２＝Ｔｐ×ＴＦＢＹＡｔｏｔａｌ×ＡＬＰＨＡ−Ｔｉ１ …（２）
このステップＳ８〜Ｓ１４で行われる処理が本発明の燃料噴射量算出手段に相当する。
【００４４】
一方、Ｔｃａｔ≧ＴｃａｔＴＨとなる触媒活性化完了状態と判定された場合、ステップＳ１５に進み、エンジンの運転状態に応じた通常の燃料噴射制御を行う。
【００４５】
以上のように構成される本発明の実施の形態につき、次に作用を説明する。
【００４６】
触媒温度Ｔｃａｔが活性温度ＴｃａｔＴＨより低い触媒暖機時に、主燃料噴射を圧縮行程の後期で行い、続く膨張行程で追加燃料噴射を行うことにより、追加燃料を燃焼室２、排気通路２１または触媒コンバータ２２で燃焼させて、触媒の活性化を早める。
【００４７】
触媒暖機時に主燃料と追加燃料によって形成される混合気のトータル空燃比を理論空燃比よりリーン側に制御することにより、触媒上でＨＣの酸化反応が始まる温度が低下し、ＨＣの浄化効率が高まり、例えばエンジンの暖機時の早いうちから触媒を介して排気ガスの浄化を行うことができる。
【００４８】
先ず主燃料の噴射量Ｔｉ１を算出することにより、エンジン出力となる燃料量が先に確保されるので、エンジン１を安定して運転することができる。そして、トータル空燃比の制御を追加燃料の噴射量Ｔｉ２の補正で行うことにより、燃焼安定度に関与する主燃料の噴射量Ｔｉ１を増減することなく、空燃比の制御を行うことができる。
【００４９】
図４は、燃焼室２に形成される混合気のトータル空燃比と、未燃焼燃料の５０％以上が触媒を介して酸化する触媒活性化温度Ｔ５０の関係を示している。この図５の特性からトータル空燃比を理論空燃比よりリーンにするのに伴って触媒活性化温度Ｔ５０が低下することがわかる。
【００５０】
主燃料と追加燃料によって形成される混合気のトータル空燃比を図３に示すマップに基づき触媒温度Ｔｃａｔが活性温度ＴｃａｔＴＨより低くなるのにしたがって次第にリーンにすることにより、触媒温度Ｔｃａｔに応じてＨＣの浄化効率を高められ、早期にＨＣの浄化が行われる。触媒温度Ｔｃａｔが活性温度ＴｃａｔＴＨに近づくにしたがってトータル空燃比を次第に理論空燃比に近づけることにより、触媒温度Ｔｃａｔに応じてＮＯｘの浄化効率を高められる。
【００５１】
エンジンの燃焼安定度が確保される範囲で主燃料によって形成される混合気の空燃比をリーンにすることにより、その分だけ追加噴射する燃料を増やすことが可能となり、追加燃料が燃焼室２、排気通路２１または触媒コンバータ２２で燃焼する熱により触媒の活性化を早められる。
【００５２】
ところで、主燃焼時に失火を起こすと、追加燃料も燃焼室２で燃焼できず、多くの燃料が未燃焼のまま触媒コンバータ２２，２３を通過して排出される可能性がある。
【００５３】
失火が検出されたときに主燃料の噴射量Ｔｉ１を増量することにより、失火による安定度の悪化を速やかに回復させることができる。そして、エンジンの失火が起きない範囲で主燃料によって形成される混合気の空燃比をリーンにすることにより、その分だけ追加噴射する燃料を増やすことが可能となり、追加燃料が燃焼室２、排気通路２１または触媒コンバータ２２等で燃焼する熱により触媒の活性化を早められる。
【００５４】
他の実施の形態として、触媒暖機時にトータル補正係数ＴＦＢＹＡｔｏｔａｌを１に固定し、空燃比フィードバック制御のリッチ化ゲインとリーン化ゲインのバランスを変えることによりリーンシフトさせてもよい。この場合、空燃比検出手段として空燃比が理論空燃比の付近で変動するのに伴って出力が反転するＯ_２センサを用いることが可能となり、コストダウンがはかれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示すエンジンの制御システム図。
【図２】同じく制御内容を示すフローチャート。
【図３】同じく触媒温度Ｔｃａｔとトータル補正係数ＴＦＢＹＡｔｏｔａｌの関係を示す特性図。
【図４】同じくトータル空燃比と触媒活性温度Ｔ５０の関係を示す特性図。
【符号の説明】
１エンジン
４点火プラグ
５インジェクタ
１０排気マニホールド
１１コントロールユニット
１６排気温度センサ
２２触媒コンバータ
２３触媒コンバータ
２５触媒温度センサ

Claims

筒内の混合気に点火する点火プラグと、
筒内に燃料を噴射するインジェクタと、
排気通路に介装される触媒コンバータとを備え、
触媒暖機時に前記インジェクタから吸気行程または圧縮行程で主燃料を噴射するとともに続く膨張行程または排気行程で追加燃料を噴射する筒内直噴式火花点火エンジンにおいて、
前記触媒暖機時の目標トータル空燃比を理論空燃比よりリーン側の値として設定する目標トータル空燃比設定手段と、
前記主燃料と前記追加燃料の和によるトータル空燃比が前記設定された目標トータル空燃比となるように前記主燃料の噴射量Ｔｉ１と前記追加燃料の噴射量Ｔｉ２を算出する燃料噴射量算出手段と、
を備えたことを特徴とする筒内直噴式火花点火エンジン。
前記燃料噴射量算出手段は前記主燃料による空燃比が所定のリーン空燃比となるように前記主燃料の噴射量Ｔｉ１を算出するとともに前記算出された主燃料の噴射量Ｔｉ１との和が前記目標トータル空燃比に対応する燃料量となるように前記追加燃料の噴射量Ｔｉ２を算出することを特徴とする請求項１に記載の筒内直噴式火花点火エンジン。
前記エンジンの燃焼安定度を検出する燃焼安定度検出手段を備え、
前記燃料噴射量算出手段は前記検出された燃焼安定度が所定の安定度より良好なときに前記主燃料の噴射量Ｔｉ１を減量補正するとともに前記補正された主燃料の噴射量Ｔｉ１に基づいて前記追加燃料の噴射量Ｔｉ２を算出することを特徴とする請求項２に記載の筒内直噴式火花点火エンジン。
前記エンジンの失火を検出する失火検出手段を備え、
前記燃料噴射量算出手段は前記失火が検出されたときに前記主燃料の噴射量Ｔｉ１を増量補正するとともに前記補正された主燃料の噴射量Ｔｉ１に基づいて前記追加燃料の噴射量Ｔｉ２を算出することを特徴とする請求項２に記載の筒内直噴式火花点火エンジン。
前記排気通路の空燃比を検出する空燃比検出手段を備え、
前記燃料噴射量算出手段は前記検出された空燃比が前記目標トータル空燃比に近づくように前記主燃料の噴射量Ｔｉ１と前記追加燃料の噴射量Ｔｉ２の少なくとも一方を補正することを特徴とする請求項２から４のいずれか一つに記載の筒内直噴式火花点火エンジン。
前記燃料噴射量算出手段は前記検出された空燃比が前記目標トータル空燃比に近づくように前記追加燃料の噴射量Ｔｉ２を補正することを特徴とする請求項５に記載の筒内直噴式火花点火エンジン。
前記触媒コンバータの触媒温度Ｔｃａｔを検出する触媒温度検出手段を備え、前記目標トータル空燃比設定手段は前記触媒温度Ｔｃａｔが低いほど前記目標トータル空撚比をよりリーン側の値に設定することを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の筒内直噴式火花点火エンジン。