JP4231969B2 - 筒内噴射型内燃機関 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射型の内燃機関に係り、特にその触媒装置における排気浄化性能を有効に発揮させるための技術に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
筒内噴射型内燃機関は既に実用化されており、特定の運転領域にあるときリーン空燃比運転を実行することで、その燃費を大幅に低減している。
一方、この種の内燃機関では、触媒を用いた排気浄化システムにおいて、リーン運転時に従来型の三元触媒によるＮＯｘ浄化能力をあまり期待できないため、その排気通路には例えば、選択還元型や吸蔵型のＮＯｘ触媒が設けられている。そして、このような浄化システムでは、ＮＯｘ触媒の浄化作用を早期に活性化させ、或いはＮＯｘ触媒による浄化能力の不足分を補償するために別途、従来型の三元触媒をその上流側又は下流側に配設する必要がある。
【０００３】
このため、例えば特開平８−１４４８０２号公報には、排気通路上で選択還元型のＮＯｘ触媒の下流側に三元触媒を配設した排気浄化システムに関する技術が開示されている。この公知の排気浄化システムでは、排気空燃比がリーンのときはＮＯｘ触媒が機能し、一方、排気空燃比がストイキを含むリッチのときは三元触媒が更に機能して何れの場合にも排気を浄化することができる。更に、機関がリーン運転からストイキ運転に切り換えられた場合にあっては、上流側のＮＯｘ触媒による還元成分（ＨＣ）の余剰吸着能力により、三元触媒を通過する排気がリーン化されるのを防止するため、その切換初期には機関の空燃比をリッチ側にシフトさせている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した公知の技術を筒内噴射型内燃機関に適用すれば、例えばリーン運転モードからストイキ運転モードへの切換時、機関の空燃比を一時的にリッチ化させることで、同様に三元触媒の排気浄化能力が損なわれるのを防止できると考えられる。
【０００５】
しかしながら、三元触媒の酸素貯蔵能力に着目すれば、リーン空燃比のときには触媒上に排気中の酸素がストレージされているため、上述のようにストイキ運転モードへの切換時に排気空燃比をリッチ化させたとしても、触媒上から酸素が排気中に放出されることで、このとき触媒周辺の雰囲気はその余剰酸素の存在により一時的にリーン雰囲気に戻されてしまう。この場合、上流側のＮＯｘ触媒では排気中のＮＯｘを完全に浄化できず、しかも、下流側の三元触媒ではリーン雰囲気に戻されるために、その本来のＮＯｘ浄化性能が充分に発揮されない。このような状況にあっては、何れの触媒も有効に機能しないため、一時的にその排気特性を極端に悪化させてしまう。
【０００６】
本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、筒内噴射型内燃機関において運転モードの切り換え時、その触媒装置の機能が一時的に損なわれるのを防止できる技術を提供することをその目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の筒内噴射型内燃機関（請求項１）は、その運転状態に応じて機関の空燃比をリーンとリッチとの間の範囲内で切り換え制御する空燃比制御手段を有し、また、その排気浄化システムとして排気通路に触媒装置を装備している。この触媒装置は通常、通過する排気中の有害物質をその転化性能により無害化するとともに、排気空燃比がリーンのときは排気中の酸素を貯蔵し、一方、理論空燃比又はリッチのときはその酸素を排気中に放出する機能をも併せて有する触媒を含んでいる。そして、本発明では特に、空燃比制御手段により空燃比がリーンで燃料を圧縮行程で噴射する圧縮リーンモードから空燃比が理論空燃比又はリッチで燃料を吸気行程で噴射するモードに切り換えられるとき、この切り換えに先立ち、燃焼制御手段は、圧縮リーンモードでの場合よりも進角させた燃料噴射時期で機関の圧縮行程中に燃料を噴射するとともに圧縮リーンモードでの場合よりも点火時期を遅角させて理論空燃比近傍で成層燃焼させる圧縮ストイキモードを所定の期間に亘り実行して、前記触媒の周辺の排気を還元雰囲気にする燃焼制御を実行する。
好ましくは、触媒装置は、前記触媒としての三元触媒に加えて、排気空燃比がリーンのときに排気中のＮＯ_Ｘを浄化する選択還元型触媒を更に含んでいる（請求項２）。
【０００８】
上述の燃焼制御が実行されると、噴射された燃料は、例えば点火栓の電極周りに集中してその電極近傍の空燃比を局部的にリッチ化させるので、不完全燃焼が生起されて燃焼ガス中に一酸化炭素（ＣＯ）を多く発生させる。そして、その排気が触媒装置の触媒に達すると、排気中のＣＯが触媒装置の触媒から放出される酸素と結合して余剰酸素を消費するとともに、触媒装置の触媒周辺に還元雰囲気を形成する。従って、このとき排気中のＮＯｘが良好に還元浄化され、触媒装置の触媒はその本来の浄化性能を有効に発揮できる。
【０００９】
なお、リーン運転が長期間に亘って継続し、触媒装置の触媒の貯蔵酸素量が過大となっている状況で加速運転を行ったとき、その加速直後には多量の酸素が放出されるため、このタイミングで上述の燃焼制御を実行することが特に好ましい。また、燃焼制御を実行すべき期間は、触媒装置の触媒から放出される酸素がほぼ完全に反応し尽くされるのに要する時間を含んで設定されていることが好ましい。
また、触媒装置が前記触媒として三元触媒に加えて、選択型還元触媒を更に含んでいれば、リーン運転時、三元触媒が排気中のＮＯ _Ｘ の浄化に寄与しなくとも、選択型還元触媒により排気中のＮＯ _Ｘ の浄化が可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、本発明の筒内噴射型内燃機関の一実施例として、車両用のガソリンエンジン１が概略的に示されている。
図１に示されるエンジン１は例えば、直列４気筒型のシリンダレイアウトを有しており、そのシリンダヘッド２には、各気筒毎に点火栓４及び燃料噴射弁６が取り付けられている。また個々の燃料噴射弁６は、燃焼室８内に燃料を直接噴射するべく配設されている。
【００１１】
また、エンジン１は吸気系にインテークマニホールド１０を有しており、その始端部にはサージタンク１２が形成されている。また、サージタンク１２の入口には電動開閉式のスロットル弁１４が取り付けられており、スロットル弁１４には図示しない吸気管が接続されている。
更に、エンジン１には排気還流（ＥＧＲ）装置が装備されており、その排気系にはＥＧＲ通路１６が接続されている。ＥＧＲ通路１６は一端が排気ポート内に開口し、その他端はサージタンク１２内に開口している。また、ＥＧＲ通路１６には、その途中に電磁開閉式のＥＧＲ弁１８が介挿されている。
【００１２】
また、エンジン１の排気マニホールド２０には排気管（排気通路）２２が接続されており、この排気管２２には触媒装置２４を介して図示しない消音器が接続されている。
触媒装置２４は例えば、選択還元型触媒２６及び三元触媒２８を内蔵し、このうち三元触媒２８が選択還元型触媒２４よりも下流側に配置されている。公知のように、選択還元型触媒２４は排気空燃比がリーンであっても排気中のＮＯｘを還元成分と選択的に反応させてＮＯｘを還元する浄化機能を有し、また、三元触媒２８は理論空燃比近傍のとき、排気中の有害成分をその酸化還元作用により無害化する浄化機能を有している。
【００１３】
実施例のエンジン１は電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０を装備しており、このＥＣＵ３０を用いて各種機器の作動を制御することができる。すなわち、ＥＣＵ３０は、クランク角センサ３２から供給されるクランク角パルスＣＡに基づきエンジン１の回転速度Ｎｅを検出するほか、そのパルスＣＡと同期して各点火栓４及び燃料噴射弁６の作動を制御し、各気筒毎に点火時期及び噴射時期を制御することができる。
【００１４】
また、上述したスロットル弁１４の開度調節及びＥＧＲ弁１８の開閉動作は、何れもＥＣＵ３０により制御されている。なお、スロットルバルブ１４にはスロットル開度センサ３４が取り付けられており、ＥＣＵ３０はそのセンサ信号に基づきスロットル開度TPSを検出することができる。
エンジン１の運転制御に関するＥＣＵ３０の機能としては、ＥＣＵ３０は検出したスロットル開度TPS及びエンジン回転速度Ｎｅに基づいてエンジンの負荷に相関した目標平均有効圧Ｐｅを求め、そして、この目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅに基づき所定の運転モードを選択する。
【００１５】
運転モードの選択についてより詳しくは、ＥＣＵ３０は例えば、予め目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅとの関係から規定されるモード選択マップ（特に図示しない）を準備しており、このマップ上に規定される判定領域に対応した運転モードを選択する。具体的には、目標平均有効圧Ｐｅ及びエンジン回転速度の何れか一方がマップ上で大きい値を示しているとき、運転モードとして吸気行程噴射モードが選択され、一方、その何れもが比較的に小さい値を示すときは、圧縮行程噴射モードが選択される。
【００１６】
更に、ＥＣＵ３０は選択した運転モード毎に適切な空燃比A/Fを設定し、その空燃比を気筒内にて実現すべく燃料噴射弁６の作動パルス幅を制御する。空燃比について具体的には、圧縮行程噴射モード（圧縮リーンモード）が選択されたとき、その空燃比は超リーンの範囲内（例えば２５〜５０）に設定され、これに対し、吸気行程噴射モードが選択されたとき、空燃比はリーンとリッチとの間の範囲内で設定される。より詳細には、吸気行程噴射モードはマップ上、更に複数の判定領域に区分されており、具体的には、吸気リーンモード、吸気ストイキフィードバックモード及びオープンループモードの各領域が含まれる。このうち吸気リーンモードではリーン空燃比（例えば１８〜２３程度）が設定され、また、吸気スイキフィードバックモードでは理論空燃比が、そして、オープンループモードではリッチ空燃比（例えば１２程度）がそれぞれ設定される。
【００１７】
上記した各運転モードはエンジン１の運転状態に応じて適宜に選択され、ＥＣＵ３０は選択した運転モードに従って、エンジン１の空燃比をリーンとリッチとの間（上記の値の範囲内）で切り換えながら制御する（空燃比制御手段）。
なお、エンジン１の排気管２２には、触媒装置２４の入口近傍にＯ₂センサ３６が取り付けられており、このＯ₂センサは上述の吸気ストイキフィードバックモードにおいて機能し、検出した排気中の酸素濃度をＥＣＵ３０にフィードバックする。
【００１８】
上述したエンジン１の運転中、その低負荷域では通常、ＥＣＵ３０により圧縮リーンモードが選択され、その空燃比は超リーンに制御されている。この場合、排気空燃比はリーンであり、触媒装置２４では主に、選択還元型触媒２６がそのＮＯｘ浄化機能を発揮する。一方、三元触媒２８はＮＯｘの浄化に寄与せず、排気中の酸素を逐次ストレージする。
【００１９】
この後、例えば車両の加速により吸気ストイキフィードバックモードが選択されたとき、空燃比が超リーンからストイキに切り換えられるため排気空燃比もまたリッチ化する。この場合、既に述べたように、排気中に含まれるＮＯｘ量が極端に増加するため選択還元型触媒２６の浄化能力は相対的に低下し、一方、三元触媒２８はストレージしていた酸素を排気中に放出し始める。
【００２０】
ここで、図２を参照すると、空燃比に対する三元触媒２８のＮＯｘ浄化効率及び機関排出（エンジンアウト）ＮＯｘ量の一般的な特性がそれぞれ示されている。図２からも明らかなように、空燃比がストイキに切り換えられると、三元触媒２８は通常、そのＮＯｘ浄化性能を最大効率Ｐmaxにて発揮できる特性を有するが、このとき、酸素を放出することで三元触媒２８周辺の雰囲気は一時的にリーン空燃比Ａ_L（例えば１６程度）に戻される。このため、そのＮＯｘ浄化効率はいきおい所定値Ｐ_Lまで低下してしまう。
【００２１】
一方、機関排出ＮＯｘ量は、リーンのときと比較して極端に高い所定値Ｇｕにまで増加しているため、本来であれば、三元触媒２８により最大効率Ｐmaxにて浄化されなければならないところ、その浄化効率が所定値Ｐ_Lまで低下していることから、このとき触媒装置２４から排出されるＮＯｘ量が一時的に増加してしまう。
【００２２】
そこで本実施例では、このような状況で触媒装置２４の機能を有効に確保するため、ＥＣＵ３０によりエンジン１の燃焼形態を所定の手順に沿って制御することとしている（燃焼制御手段）。具体的には、この制御手順はＥＣＵ３０内に制御プログラムの形式で組み込まれており、ＥＣＵ３０はこの制御プログラムに則って、エンジン１の燃焼形態を制御する。
【００２３】
図３を参照すると、上述した制御プログラムとしてＥＣＵ３０が実行する燃焼制御ルーチンの例が示されており、以下、その制御手順を詳細に説明する。
先ず、ＥＣＵ３０はステップＳ１０において上述した各種のセンサ信号を読み込み、これらセンサ信号から目標平均有効圧Ｐｅ及びエンジン回転速度Ｎｅを求めると、前述のマップから運転モードの選択及び空燃比の設定を行う。
【００２４】
次にステップＳ１２では、ステップＳ１０で行った空燃比の設定が、例えばリーンからストイキ又はリッチへの切り換えに該当しているか否かを判別する。その結果、特に上記の切り換えに該当していない場合（Ｎｏ）は、ＥＣＵ３０はステップＳ１４より以降を実行することなく制御ルーチンをここでリターンする。一方、上記の切り換えに該当する場合（Ｙｅｓ）、次にステップＳ１４に進む。
【００２５】
図４を更に参照すると、ステップＳ１４より以降で実行される各種の処理が並列的なタイミング線図で示されている。すなわち、圧縮リーンモード運転の状態で、新規に吸気ストイキフィードバック（S-F/B）モードが選択されたとき、その時点ｔ₁でステップＳ１２での判定が成立し、ステップＳ１４が実行される。ステップＳ１４では、ＥＣＵ３０はＥＧＲ弁１８を閉じてＥＧＲガスの導入を停止させる（ＥＧＲ弁開度＝閉）。この後、実ＥＧＲガス量の応答は例えば、図４中２点鎖線で示す１次遅れを示して減少し、吸気ストイキフィードバックモードが実行されたときの燃焼安定化に寄与する。
【００２６】
更に本実施例の場合、ステップＳ１４に並行してステップＳ１６をも実行し、空燃比のテーリング処理を実行するものとしている。すなわち、吸気ストイキフィードバックモードが選択された時点ｔ₁から空燃比は次第にリッチ化され、そのテーリング速度は実ＥＧＲガス量の応答に追従する。また、この空燃比のテーリング処理は、ステップＳ１６〜Ｓ１８のループにより所定空燃比af₁に達するまで行われる。なお、ステップＳ１８において所定空燃比af₁の具体的な値は、圧縮行程噴射での燃焼悪化により排気中にスモークが発生する限界空燃比（例えば２４程度）に設定されている。
【００２７】
上述のテーリング処理が終了（ステップＳ１８＝真）すると、ＥＣＵ３０はステップＳ２０に進み、この時点ｔ₂から所定の圧縮ストイキモードによる燃焼制御を開始する。圧縮ストイキモードについてより詳しくは、図４に示されるようにＥＣＵ３０はこの時点ｔ₂でスロットル弁１４を絞るとともに（スロットル開度＝小）、空燃比を限界空燃比af₁からストイキに切り換える。
【００２８】
なお、ステップＳ２０の実行と同時に、ＥＣＵ３０は内蔵したタイマカウンタを起動させ、所定時間の経過をカウントするまで圧縮ストイキモードを実行する（ステップＳ２０〜Ｓ２２のループ）。
図４に示されるように、上述の圧縮ストイキモードでは圧縮行程噴射が継続して行われており、その燃焼形態は、圧縮リーンモードに引き続いて成層燃焼に維持されている。この場合、燃焼室８内に噴射された燃料は点火栓４の電極周りに集中し、その電極近傍の空燃比を局部的にリッチ化する。従って、その爆発時には不完全燃焼が生起されて燃焼ガス中に一酸化炭素（ＣＯ）が多量に発生することとなる。
【００２９】
なお、このときＥＣＵ３０は圧縮リーンモードのときよりも点火時期を遅角させ、また、その噴射時期を進角させて燃料の噴射からその点火までの時間を延長することにより、スモークの発生を併せて防止することが好ましい（ステップＳ２０）。
ここで図４には、上述した燃焼制御の実行に伴う触媒装置２４からのＮＯｘ排出量の変化が示されている。従来（２点鎖線）であれば、上述したように三元触媒２８の浄化効率が低下することにより、空燃比がストイキに切り換えられた時点ｔ₂でＮＯｘ排出量が一時的に増加し、その変化の途中で顕著なＮＯｘスパイクが観測されるものと考えられる。
【００３０】
これに対し、本実施例の圧縮ストイキモードによる燃焼制御の実行は、燃焼ガス中にＣＯを多量に発生させることから、その排気が触媒装置２４に達すると、排気中のＣＯは三元触媒２８から放出される酸素と結合することで余剰酸素を消費し、三元触媒２８の周辺にＣＯによる還元雰囲気を形成する。
これにより、排気中のＮＯｘは良好に還元浄化されるので、図４中実線で示されるようにＮＯｘ排出量の変化に極端なスパイクが観測されることはない。
【００３１】
なお、圧縮ストイキモードは、三元触媒２８から放出された酸素がほぼ反応し尽くされるまで継続されることが好ましく、それ故、ステップＳ２２においてカウントすべき所定時間は、三元触媒２８からの放出酸素量及びその反応速度を考慮して適切に設定されている。
ステップＳ２２にて所定時間の経過が確認されると（Ｙｅｓ）、ＥＣＵ３０はステップＳ２４に進んで圧縮ストイキモードを終了し、この時点ｔ₃から新たに吸気ストイキフィードバックモードを実行する。また、このとき噴射時期は吸気行程噴射に切り換えられる。
【００３２】
この後、エンジン１が完全に吸気ストイキフィードバック運転に移行すると、ＥＣＵ３０は燃焼制御ルーチンの手順を全て完了し、新規に制御ルーチンを再起動する。
上述のように、圧縮リーンモードの状態から吸気ストイキフィードバックモードが新たに選択された状況にあっては、ＥＣＵ３０は運転モードを切り換えるのに先立ち、圧縮ストイキモードによる燃焼制御を実行して触媒装置２４によるＮＯｘ浄化能力を確保する。従って、エンジン１は一時的なＮＯｘ排出量の増加を抑えることができ、その排気特性の悪化が有効に防止される。
【００３３】
なお、上述の実施例ではステップＳ１２において、単に空燃比の切換条件のみを判別して燃焼制御を実行するものとしているが、その他の判別条件を付加したり、また、変更して本実施例の燃焼制御を実行することも可能である。例えば、圧縮リーンモード運転を長期間に亘って継続した後に、車両を加速させる場合、その加速初期において三元触媒２８から放出される酸素量が過大であると考えられることから、本実施例の圧縮ストイキリーンによる燃焼制御は、このような加速初期のタイミングで実行されることが特に好ましい。
【００３４】
また、上述の実施例では、機関の空燃比がリーンのときの運転条件として圧縮リーンモードを挙げているが、例えば、吸気リーンモードの運転条件にある状態から吸気ストイキフィードバックモード又はオープンループモード（リッチ）が選択されたときも同様に、本実施例の燃焼制御を実行してもよい。
更に、本発明において触媒装置２４の具体的な構成は上述の実施例に限定されておらず、例えば吸蔵型触媒と三元触媒との組み合わせや、吸蔵・三元一体型の触媒等から構成されていてもよい。また、組み合わせの場合の配置は、排気通路の上流側と下流側とで相互に入れ替えることも可能である。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の筒内噴射型内燃機関（請求項１，２）によれば、空燃比の切り換えに伴う一時的な排気特性の悪化を防止することができる。また、その手段として過濃な燃料の供給を伴うことがないから、燃費悪化の弊害を招くこともない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例をなす筒内噴射型ガソリンエンジンの構成を概略的に示した図である。
【図２】空燃比に対する三元触媒のＮＯｘ浄化効率特性及び機関排出ＮＯｘ量の特性を重ね合わせて示した図である。
【図３】燃焼切換制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図４】燃焼制御ルーチンの実行に伴う各種処理のタイミング線図である。
【符号の説明】
１ エンジン
６ 燃料噴射弁
２４ 触媒装置
３０ ＥＣＵ（空燃比制御手段、燃焼制御手段）

Claims (2)

1. 運転状態に応じて機関の空燃比をリーンとリッチとの間で切り換え制御する空燃比制御手段と、
   排気通路に設けられて排気中の有害成分を浄化するとともに、排気空燃比がリーンのとき排気中の酸素を貯蔵し、一方、排気空燃比が理論空燃比又はリッチのとき前記貯蔵した酸素を排気中に放出する機能を有した触媒を含む触媒装置と、
   前記空燃比制御手段により空燃比がリーンで燃料を圧縮行程で噴射する圧縮リーンモードから空燃比が理論空燃比又はリッチで燃料を吸気行程で噴射するモードに切り換えられるとき、この切り換えに先立ち、前記圧縮リーンモードでの場合よりも進角させた燃料噴射時期で機関の圧縮行程中に燃料を噴射するとともに前記圧縮リーンモードでの場合よりも点火時期を遅角させて理論空燃比近傍で成層燃焼させる圧縮ストイキモードを所定の期間に亘り実行して、前記触媒の周辺の排気を還元雰囲気とする燃焼制御手段と
   を具備したことを特徴とする筒内噴射型内燃機関。
2. 前記触媒装置は、前記触媒としての三元触媒に加えて、排気空燃比がリーンのときに排気中のＮＯ_Ｘを浄化する選択還元型触媒を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射型内燃機関。

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