JP4154589B2

JP4154589B2 - 内燃機関の燃焼制御装置

Info

Publication number: JP4154589B2
Application number: JP2003059008A
Authority: JP
Inventors: 峰啓村田; 晋纐纈; 真治中山; 圭樹田邊; 大輔春原
Original assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Current assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Priority date: 2003-03-05
Filing date: 2003-03-05
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2023-03-05
Also published as: JP2004270470A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の燃焼制御装置に係り、詳しくは、ＮＯｘ吸蔵触媒に対する定常リッチ燃焼制御に適用される内燃機関の燃焼制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ＮＯｘ吸蔵触媒は、排気空燃比が希薄（リーン）のときに排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を吸蔵し、排気空燃比が過濃（リッチ）のときに吸蔵したＮＯｘを放出還元（ＮＯｘパージ）する吸蔵型のＮＯｘ触媒である。
具体的には、酸素過剰状態（酸化雰囲気）において排ガス中のＮＯｘを硝酸塩として吸蔵し、この吸蔵したＮＯｘを一酸化炭素過剰状態（還元雰囲気）で窒素に還元させる特性を有している。そして、内燃機関は、ＮＯｘ吸蔵量が飽和する前に排気空燃比を理論空燃比又はその近傍値に制御する如くの空気過剰率が低い（低λ）状態のリッチ燃焼へ定期的に切り換えるリッチスパイクを行い、ＮＯｘ吸蔵触媒の再生を図る。これにより、排ガスの浄化が良好に行われる。
【０００３】
また、ＮＯｘ吸蔵触媒には、燃料中のＳ成分（硫黄成分）の酸化によるＳＯｘ（硫黄酸化物）も硫酸塩として堆積されるため、当該堆積したＳ成分の放出（Ｓパージ）を行うべく、上記と同様にリッチ燃焼を定期的に実施してＮＯｘ吸蔵触媒の再生を図る。
ここで、前記リッチ燃焼の条件は、排ガス再循環（ＥＧＲ）バルブや給気量を調整する給気スロットルを用い、大量ＥＧＲを実施することにより作り出されることがある。そして、上記の如きＮＯｘ吸蔵触媒におけるＮＯｘ還元効率を高めるための排ガス浄化装置の技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
当該装置では、制御マップに基づいて大量ＥＧＲによるリッチ燃焼を行う一方、特に触媒温度センサによる触媒温度の値が所定値に満たないときには、ＮＯｘ吸蔵触媒の再生を禁止しており、ＮＯｘ還元効率の向上及び黒煙の排出の抑制が図られている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−３５６１２７号公報（段落番号０００５〜００１８、図１等）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の排ガス浄化装置では、ＮＯｘ吸蔵触媒の触媒温度が再生可能温度に達していないときにリッチ燃焼を禁止している。このように、ＮＯｘ吸蔵触媒の温度が低いときには、燃焼が悪化するので、黒煙も悪化してしまうことは一般に知られている。
【０００７】
一方、前記リッチ燃焼は、ＮＯｘの吸蔵量及びＳの堆積量によっては、リッチ状態（低λ）を一定とし、かつ、長期間に亘って維持させる定常リッチ燃焼を行う必要がある。しかし、定常リッチ燃焼を行う如くのλを一定とした運転条件であるにも拘わらず、時間の経過とともに黒煙の発生量が次第に増加してしまうとの問題がある。
【０００８】
図４は、リッチ燃焼を行う従来のエンジンシステムのタイミングチャートである。
図示のように、リッチ燃焼の条件が成立してλを低λ側に設定すると、この設定時点においては一時的に黒煙の発生量を抑制させることができる。しかし、このリッチ燃焼を長時間に亘って継続させると、黒煙の発生量が徐々に増加し始め、例えば、１０〜１５分程度の時間経過でも１００％近くまで増加してしまうことがある。なお、定常リッチ燃焼においては、気筒内の状況を示す排気温度、ＥＧＲガス温度及び給気温度は、低λ側に設定することによっていずれも上昇する。
【０００９】
このように、定常リッチ燃焼が行われている期間中にも黒煙は悪化するものである。この場合に、上記の従来技術の如く、単に制御マップを用いて定常リッチ燃焼を行ったとしても、やはり黒煙の発生量は次第に増加するので黒煙の悪化を防止することができないという問題がある。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、ＮＯｘ吸蔵触媒に対する定常リッチ燃焼制御において、黒煙の悪化を防止することができる内燃機関の燃焼制御装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するべく、請求項１記載の内燃機関の燃焼制御装置は、内燃機関の気筒に連通する排気通路と、排気通路に設けられ、リーン燃焼時に排気中のＮＯｘを吸蔵するとともに吸蔵したＮＯｘをリッチ燃焼を行うことにより放出還元するＮＯｘ吸蔵触媒と、気筒内の温度相関値を検出する温度相関値検出手段と、ＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵したＮＯｘ及びＮＯｘ吸蔵触媒に付着したＳ成分を放出させるべくリッチ燃焼が定常で行われる期間中において、温度相関値検出手段により検出された温度相関値と所定値とを比較し、温度相関値が所定値を超えたときにはリッチ燃焼を一定期間禁止させる燃焼制御手段とを備えたことを特徴としている。
【００１１】
このように、請求項１記載の発明は、燃料に対する着火条件が整っている定常リッチ燃焼状態であるにも拘わらず、黒煙の発生量が次第に右肩上がりになる如く、徐々に増加して悪化してしまうとの問題を解決するものである。ここで、リッチ燃焼時に黒煙が悪化する原因としては、例えば、高負荷運転時の後には筒内温度が既に高くなっている等、リッチ燃焼を行う直前の運転履歴等に左右され易いことが考えられる。つまり、直前の運転履歴等によっては、熱負荷により黒煙の悪化が生じ得ると考えられることから、単に制御マップを用いて定常リッチ燃焼を行ったり、また仮にリッチ運転の上限期間をタイマー等で設定したとしても、やはり黒煙の悪化を防止することはできないのである。
【００１２】
したがって、請求項１記載の内燃機関の燃焼制御装置では、直前の運転履歴を示す指標として気筒内の温度相関値を設け、該気筒内の温度相関値に基づいて黒煙の発生状況を判断して定常リッチ燃焼を一定期間禁止しているので、運転履歴に関係なく黒煙の悪化が防止される。
なお、上記内燃機関としては、ディーゼル機関が好ましい。これは、低λで一定状態を保っていても、その時間が経過するに連れて気筒内の温度が上昇し、燃料の自己着火は想定される着火期間よりも早期に生じ、しかも、リッチ燃焼による空気量の少なさと相俟って、黒煙の悪化が特に生ずると考えられるからである。
【００１３】
また、請求項２記載の発明では、燃焼制御手段は、予め黒煙の発生量が抑制される気筒内の温度にまで低下する所要時間として設定された一定期間が経過するまでリッチ燃焼を禁止させることを特徴としている。
従って、予め黒煙の発生量が抑制される気筒内の温度にまで低下する所要時間として一定期間が設定され、この一定期間が経過するまでリッチ燃焼が禁止される。
また、請求項３記載の発明では、気筒内の温度相関値は、排気通路の排気温度であることを特徴としている。
このように、着火の早期化の原因としては、気筒内の温度、すなわち、エンジン温度の上昇によることが考えられることから、気筒内の温度相関値を、気筒内のガスが直ちに送られる排気通路の排気温度とすることにより、黒煙の悪化が早期かつ確実に防止される。
【００１４】
さらに、請求項４記載の発明では、内燃機関は、気筒に連通する吸気通路と排気通路とを連通するＥＧＲ通路を備え、気筒内の温度相関値は、ＥＧＲ通路のＥＧＲガス温度であることを特徴としている。
このように、ＥＧＲ通路のＥＧＲガス温度は、上記排気温度と同様に、エンジン温度の代表値として容易に計測できるので、これを気筒内の温度相関値することによっても黒煙の悪化が容易かつ確実に防止される。
【００１５】
また、請求項５記載の発明では、内燃機関は、気筒に連通する吸気通路と排気通路とを連通するＥＧＲ通路を備え、気筒内の温度相関値は、ＥＧＲ通路のＥＧＲガスと吸気通路の吸気との合流後の給気温度であることを特徴としている。
このように、給気温度もまた、上記排気温度及びＥＧＲガス温度と同様に、エンジン温度の代表値として容易に計測できるので、これを気筒内の温度相関値することによっても黒煙の悪化が容易かつ確実に防止される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る燃焼制御装置が適用される４気筒のディーゼル機関（以下、単にエンジンという）１を備えたエンジンシステム構成図を示しており、以下図１に基づき本発明に係る内燃機関の燃焼制御装置の構成を説明する。
【００１７】
同図に示すように、エンジン１のシリンダブロック２には、燃料噴射装置を有した燃料供給系（図示せず）の他に各気筒４に新気（吸入空気）を導くインテークマニホールド６と、各気筒４からの排出された排ガスを集合させるエキゾーストマニホールド１８とが接続されている。
インテークマニホールド６からは吸気通路８が延びており、この吸気通路８の上流側には過給機１４が介装され、吸気通路の８の先端部にはエアクリーナ１６が接続されている。また、吸気通路８には、給気スロットル１０が配設され、さらにインタークーラ１２が介装されている。このインタークーラ１２は、吸気通路８内を通る新気を冷却してその体積効率を高めている。
【００１８】
一方、エキゾーストマニホールド１８からは排気通路２０が延びており、この排気通路２０の下流側にはＮＯｘ吸蔵触媒２２が接続されている。このＮＯｘ吸蔵触媒２２は、排気空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘを吸蔵し、排気空燃比がリッチ等で排ガス中にＨＣやＣＯが存在するときに、吸蔵したＮＯｘを放出還元（ＮＯｘパージ）する機能を有しており、このＮＯｘ吸蔵触媒は公知の構成のものである。
【００１９】
また、エキゾーストマニホールド１８からは排気循環通路（ＥＧＲ通路）２４が分岐して延びており、このＥＧＲ通路２４の先端は、吸気通路８の給気スロットル１０の配設位置よりも下流側にて吸気通路８に接続されている。このＥＧＲ通路２４は、排ガスの一部（ＥＧＲガス）を吸気通路８内に再循環させてＮＯｘの排出を抑制させる。ＥＧＲ通路２４には、ＥＧＲガスの冷却を図るＥＧＲクーラ２６と、電子コントロールユニット（ＥＣＵ）３６に電気的に接続されたＥＧＲバルブ２８とが設けられ、ＥＧＲバルブ２８によってＥＧＲ通路２４の流路面積が調節される。
【００２０】
なお、給気スロットル１０もまたＥＣＵ３６に電気的に接続されており、吸気通路８の流路面積が調節されることにより、筒内リッチの際のＥＧＲガス量を調整し、ＥＧＲ通路２４と吸気通路８との合流後の給気量を調整する。
エアクリーナ１６からの新気は、過給機１４を介してインタークーラ１２に達し、給気スロットル１０で調整された後、ＥＧＲガスと合流して給気となってインテークマニホールド６に至り、各気筒４内に導かれる。そして、燃料供給系から供給される燃料の燃焼により、クランク軸及びフライホイール（ともに図示せず）を作動させる。燃焼が終了すると、排ガスはエキゾーストマニホールド１８に排出され、ＮＯｘ吸蔵触媒２２に送られる。
【００２１】
ここで、排気通路２０において、エキゾーストマニホールド１８の下流側であってＮＯｘ吸蔵触媒２２の上流側の適宜位置には、排気温度センサ３０が配設されている。また、ＥＧＲ通路２４において、ＥＧＲクーラ２６の下流側の適宜位置には、ＥＧＲガス温度センサ３２が配設されている。さらに、インテークマニホールド６の適宜位置には、給気温度センサ３４が配設されている。これらの各種センサは、いずれもＥＣＵ３６に電気的に接続されている。
【００２２】
ＥＣＵ３６の入力側には、上述の排気温度センサ３０、ＥＧＲガス温度センサ３２及び給気温度センサ３４の他、エンジン１の運転状態を検出する各種センサが電気的に接続され、ＥＣＵ３６の出力側には、上述の給気スロットル１０及びＥＧＲバルブ２８等の各種アクチュエータが電気的に接続されている。
上述したように、ＮＯｘ吸蔵触媒２２には、ＮＯｘとともに燃料中のＳ成分の酸化によるＳＯｘも堆積されるため、ＮＯｘパージとともにＳパージを行うべく、リッチ燃焼を定期的に実施してＮＯｘ吸蔵触媒の再生を図る必要がある。
【００２３】
そこで、ＥＣＵ３６は、酸化雰囲気にて排ガス中のＮＯｘをＮＯｘ吸蔵触媒２２に吸蔵する一方、定常リッチ燃焼を行わせるべく空燃比制御を実施する。すなわち、定期的にエンジン１に対して低λ状態で一定とし、かつ、長期間に亘って維持させ、ＮＯｘパージを行わせるとともにＳパージを行わせてＮＯｘ吸蔵触媒の再生を図っている。
【００２４】
本実施形態における定常リッチ燃焼としては、大量ＥＧＲを実施、つまり、ＥＧＲバルブ２８及び給気スロットル１０を用い、不完全燃焼による一酸化炭素の排出を利用する筒内リッチによってリッチ燃焼の条件を作り、この条件が成立すればＮＯｘパージやＳパージを行う。
ここで、特にＥＣＵ３６には、本発明に係る燃焼制御部（燃焼制御手段）３８が設けられている。この燃焼制御部３８では、定常リッチ燃焼が行われている期間にて、気筒４内の温度相関値が所定の閾値を超えたときにはリッチ燃焼を一定期間禁止してリーン燃焼を行わせるべく各種アクチュエータに信号を出力している。
【００２５】
図２は、燃焼制御部３８におけるリッチ燃焼時の判定ロジックを示す図である。
このように、燃焼制御部３８では、気筒４内の温度相関値として、排気温度センサ３０からの排気温度、ＥＧＲガス温度センサ３２からのＥＧＲガス温度、並びに給気温度センサ３４からの給気温度を検出し、ＥＣＵ３６に備えられ、各エンジン回転速度及び噴射量を基にした各種閾値マップと比較する。すなわち、燃焼制御部３８では、排気温度センサ３０からの排気温度と上記各種閾値マップのうちの排気温度閾値との比較、ＥＧＲガス温度センサ３２からのＥＧＲガス温度と上記各種閾値マップのうちのＥＧＲガス温度閾値との比較、並びに給気温度センサ３４からの給気温度と上記各種閾値マップのうちの給気温度閾値との比較をそれぞれ行う。
【００２６】
そして、上記排気温度、ＥＧＲガス温度若しくは給気温度のうち、つまり気筒４内の温度相関値のうちいずれかの温度が閾値を超えたときには、燃焼制御部３８からＯＲ回路を介して一定期間経過するまでリッチ燃焼を禁止する信号が出力される。すなわち、いずれかの温度が対応閾値を超えたときには定常リッチ燃焼を一定期間禁止する。この一定期間とは、黒煙の発生量の抑制を可能にする気筒４内の温度にまで達成するのに要する期間であり、実験等によって予め設定されている。なお、リッチ燃焼を禁止する期間はリーン燃焼が行われる。
【００２７】
これにより、例えば、高負荷運転時の後に筒内温度が既に高くなっている如くの場合には、燃料の自己着火が想定される着火期間よりも早期に生じ、しかも、着火の早期化とリッチ燃焼による空気量の少なさとが相俟って、気筒４に対する熱負荷が大きくなり、黒煙の発生量が徐々に増加して黒煙を悪化させると考えられるのであるが、気筒４内の温度相関値に基づいてリッチ燃焼を一定期間禁止させることで、このような黒煙の悪化が防止される。
【００２８】
図３は、上記燃焼制御装置におけるリッチ燃焼時のタイミングチャートの一例である。
同図に示すように、リッチ燃焼の条件が成立するとλが低λ側に設定され、リッチ運転が許可されると、排気温度、ＥＧＲガス温度、並びに給気温度がいずれも上昇する。
【００２９】
ここで、黒煙の発生量は、この定常リッチ燃焼の時間の経過とともに、直前の運転状態に応じて徐々に増加し始めるが、本実施形態においては、まず排気温度が排気温度閾値に達している。よって、図２の判定ロジックにおいてリッチ燃焼禁止のロジックが成立し、燃焼制御部３８は、エンジン１に対してリッチ燃焼を禁止し、リーン燃焼を行わせる信号を出力する。リッチ運転が禁止されてλが高λ側に設定されると、空気量が多くなるので気筒４内の温度が低下し、排気温度、ＥＧＲガス温度、並びに給気温度たる気筒４内の温度相関値も低下する。そして、黒煙の発生量は、定常リッチ燃焼をそのまま継続する場合に比して抑制される。
【００３０】
以上のように、本発明では、ディーゼル機関１の気筒４に連通する排気通路２０と、排気通路２０に設けられたＮＯｘ吸蔵触媒２２と、排気通路２０内の排気温度、ＥＧＲ通路２４内のＥＧＲガス温度、及びインテークマニホールド６内の給気温度を気筒４内の温度相関値とし、ＮＯｘ吸蔵触媒２２に吸蔵したＮＯｘ及びＮＯｘ吸蔵触媒２２に付着したＳ成分を放出させるべくリッチ燃焼が定常で行われる期間に、例えば排気温度が排気温度閾値を超えたときにはリッチ燃焼を一定期間禁止してリーン燃焼を行わせる燃焼制御部３８とを備えているので、定常リッチ燃焼制御中においても黒煙の悪化を迅速に防止することができる。
【００３１】
以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
例えば、上記実施形態の図３によれば、排気通路２０の排気温度が排気温度閾値に達したときにリッチ燃焼を一定期間禁止しているが、必ずしもこの実施形態に限定されるものではなく、インタークーラ１２及びＥＧＲクーラ２６の大きさによっては、給気温度又はＥＧＲガス温度の最高値が変化することから、ＥＧＲガス温度若しくは給気温度の温度が温度閾値を超えた場合にはリッチ燃焼を禁止するものであっても良く、又は、排気温度、ＥＧＲガス温度若しくは給気温度の組み合わせからリッチ燃焼を禁止するものであっても良く、これらの場合にも黒煙の悪化をより確実に防止することができる。
【００３２】
また、リッチ化の方法は、本実施形態の如く大量ＥＧＲによるリッチ燃焼を行い、不完全燃焼による一酸化炭素の排出を利用する筒内リッチの他、未燃燃料（ＨＣ）を排気行程中にポスト噴射により供給する筒内リッチ、又はＨＣをＮＯｘ吸蔵触媒に供給する筒外リッチでも良いものである。
さらに、エンジンとしてはディーゼル機関が好ましいが、これに限定されるものではなく、本発明の内燃機関の燃焼制御装置は、排気通路にＮＯｘ吸蔵触媒を備え、リッチ運転可能な全てのエンジンシステムに適用させることができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上の説明から理解できるように、請求項１，２記載の本発明の内燃機関の燃焼制御装置によれば、燃料に対する着火条件が整っている定常リッチ燃焼状態であるにも拘わらず、黒煙の発生量が次第に右肩上がりになる如く、徐々に増加して悪化してしまうことに鑑み、燃焼制御手段が、直前の運転履歴を示す指標としての気筒内の温度相関値に基づいて黒煙の発生状況を判断して定常リッチ燃焼を一定期間禁止しているので、運転履歴に関係なく黒煙の悪化を防止することができる。
【００３４】
また、請求項３記載の発明によれば、気筒内の温度たるエンジン温度の上昇が着火の早期化の原因として考えられることに配慮し、気筒内の温度相関値を、気筒内のガスが直ちに送られる排気通路の排気温度とすることにより、黒煙の悪化を早期かつ確実に防止することができる。
さらに、請求項４記載の発明によれば、ＥＧＲ通路のＥＧＲガス温度が、上記排気温度と同様に、エンジン温度の代表値として容易に計測できるので、これを気筒内の温度相関値することによって黒煙の悪化を容易かつ確実に防止することができる。
【００３５】
また、請求項５記載の発明によれば、給気温度もまた、上記排気温度及びＥＧＲガス温度と同様に、エンジン温度の代表値として容易に計測できるので、これを気筒内の温度相関値することによって黒煙の悪化を容易かつ確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃焼制御装置が適用されるエンジンシステム構成図である。
【図２】図１の燃焼制御装置におけるリッチ燃焼時の判定ロジックを示す図である。
【図３】図１の燃焼制御装置におけるリッチ燃焼時のタイミングチャートである。
【図４】従来の燃焼制御装置におけるリッチ燃焼時のタイミングチャートである。
【符号の説明】
１ディーゼル機関（内燃機関）
４気筒
８吸気通路
２０排気通路
２２ＮＯｘ吸蔵触媒
２４ＥＧＲ通路
３０排気温度センサ
３２ＥＧＲガス温度センサ
３４給気温度センサ
３６電子コントロールユニット（ＥＣＵ）
３８燃焼制御部（燃焼制御手段）

Claims

内燃機関の気筒に連通する排気通路と、
該排気通路に設けられ、リーン燃焼時に排気中のＮＯｘを吸蔵するとともに該吸蔵したＮＯｘをリッチ燃焼を行うことにより放出還元するＮＯｘ吸蔵触媒と、
前記気筒内の温度相関値を検出する温度相関値検出手段と、
前記ＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵したＮＯｘ及び前記ＮＯｘ吸蔵触媒に付着したＳ成分を放出させるべく前記リッチ燃焼が定常で行われる期間中において、前記温度相関値検出手段により検出された温度相関値と所定値とを比較し、該温度相関値が所定値を超えたときには前記リッチ燃焼を一定期間禁止させる燃焼制御手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
前記燃焼制御手段は、予め黒煙の発生量が抑制される気筒内の温度にまで低下する所要時間として設定された一定期間が経過するまでリッチ燃焼を禁止させることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃焼制御装置。
前記気筒内の温度相関値は、前記排気通路の排気温度であることを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の燃焼制御装置。
前記内燃機関は、前記気筒に連通する吸気通路と前記排気通路とを連通するＥＧＲ通路を備え、前記気筒内の温度相関値は、前記ＥＧＲ通路のＥＧＲガス温度であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
前記内燃機関は、前記気筒に連通する吸気通路と前記排気通路とを連通するＥＧＲ通路を備え、前記気筒内の温度相関値は、前記ＥＧＲ通路のＥＧＲガスと前記吸気通路の吸気との合流後の給気温度であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の内燃機関の燃焼制御装置。