JP5071172B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、冷間始動直後に、排気系の比較的上流に触媒コンバータを備えたバイパス流路側に流路切換弁により排気を案内するようにした排気装置に関し、特に、その流路切換弁切換時の制御に関する。

従来から知られているように、車両の床下などの排気系の比較的下流側にメイン触媒コンバータを配置した構成では、内燃機関の冷間始動後、触媒コンバータの温度が上昇して活性化するまでの間、十分な排気浄化作用を期待することができない。また一方、触媒コンバータを排気系の上流側つまり内燃機関側に近付けるほど、触媒の熱劣化による耐久性低下が問題となる。

そのため、特許文献１および特許文献２に開示されているように、メイン触媒コンバータを備えたメイン流路の上流側部分と並列にバイパス流路を設けるとともに、このバイパス流路に、別のバイパス触媒コンバータを介装し、両者を切り換える切換弁によって、冷間始動直後は、バイパス流路側に排気を案内するようにした排気装置が、従来から提案されている。この構成では、バイパス触媒コンバータは排気系の中でメイン触媒コンバータよりも相対的に上流側に位置しており、相対的に早期に活性化するので、より早い段階から排気浄化を開始することができる。
特開平５−３２１６４４号公報 特開２００５−３５１０８８号公報

上記のような構成においては、メイン触媒コンバータの暖機が完了してメイン流路側へ排気が流れるように切換弁が切り換えられるときに、切換弁がメイン流路を急激に開放すると、該メイン流路内に滞留していた低温の排気（あるいは空気）がメイン触媒コンバータに急激に流れ込むため、触媒温度が低下してしまい、触媒による排気浄化率が一時的に低下する問題がある。

そこで、この発明に係る内燃機関の制御装置は、排気装置として、メイン触媒コンバータを下流側に備えたメイン通路の上流側部分と並列にバイパス通路が設けられるとともに、このバイパス通路にバイパス触媒コンバータを備え、かつ上記メイン通路の上記上流側部分に該メイン通路を閉塞する流路切換弁を備えてなる内燃機関において、上記メイン触媒コンバータの暖機完了を判定する手段と、この暖機完了の判定時に、上記流路切換弁を第１の開度変化速度でもって所定の目標中間開度まで開き、その後、上記第１の開度変化速度よりも大きな第２の開度変化速度でもって全開位置まで開く流路切換弁制御手段と、を備えることを特徴としている。

一つの態様では、上記目標中間開度に達した後、さらに、所定のディレイ期間の間、該目標中間開度に保持するようにしている。

上記第１の開度変化速度、第２の開度変化速度、ディレイ期間、目標中間開度は、さらに望ましくは、機関運転条件や温度条件等に応じて可変的に設定される。

この発明によれば、メイン触媒コンバータが活性したときの流路の切換時に、まず初めに、所定の目標中間開度まで徐々に流路切換弁が開くので、メイン流路内に滞留していた低温のガスがメイン触媒コンバータへ急激に流れ込むことがなく、触媒の一時的な温度低下に伴う浄化率の低下を回避できる。

以下、この発明を直列４気筒内燃機関の制御装置として適用した一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この内燃機関の排気装置の配管レイアウトならびに制御システムを模式的に示した説明図であり、始めに、この図１に基づいて、排気装置の構成を説明する。

内燃機関１のシリンダヘッド１ａには、直列に配置された♯１気筒〜♯４気筒の各気筒の排気ポート２がそれぞれ側面に向かって開口するように形成されており、この排気ポート２のそれぞれに、メイン通路３が接続されている。♯１気筒〜♯４気筒の４本のメイン通路３は、１本の流路に合流しており、その下流側に、メイン触媒コンバータ４が配置されている。このメイン触媒コンバータ４は、車両の床下に配置される容量の大きなものであって、触媒としては、例えば、三元触媒とＨＣトラップ触媒とを含んでいる。上記のメイン通路３およびメイン触媒コンバータ４によって、通常の運転時に排気が通流するメイン流路が構成される。また、各気筒からの４本のメイン通路３の合流点には、流路切換手段として各メイン通路３を一斉に開閉する流路切換弁５が設けられている。この流路切換弁５は、電動モータ等の適宜なアクチュエータ５ａによって開閉駆動される。

一方、バイパス流路として、各気筒のメイン通路３の各々から、該メイン通路３よりも通路断面積の小さなバイパス通路７がそれぞれ分岐している。各バイパス通路７の上流端となる分岐点６は、メイン通路３のできるだけ上流側の位置に設定されている。４本のバイパス通路７は、下流側で１本の流路に合流しており、その合流点の直後に、三元触媒を用いたバイパス触媒コンバータ８が介装されている。このバイパス触媒コンバータ８は、メイン触媒コンバータ４に比べて容量が小さな小型のものであり、望ましくは、低温活性に優れた触媒が用いられる。バイパス触媒コンバータ８の出口側から延びるバイパス通路７の下流端は、メイン通路３におけるメイン触媒コンバータ４上流側でかつ流路切換弁５よりも下流側の合流点１５において該メイン通路３に接続されている。

なお、メイン触媒コンバータ４の入口部ならびに出口部、およびバイパス触媒コンバータ８の入口部ならびに出口部には、それぞれ空燃比センサ１０，１１，１２，１３が配置されている。また、上記メイン触媒コンバータ４の入口部には、排気温度ひいてはメイン触媒コンバータ４の温度を検出するための排気温度センサ１４が設けられている。なお、触媒コンバータ４自体に温度センサを配置することも可能である。

内燃機関１は、点火プラグ２１を備え、その吸気通路２２には、燃料噴射弁２３が配置されている。さらに、吸気通路２２の上流側に、モータ等のアクチュエータによって開閉駆動される所謂電子制御型スロットル弁２４が配置されているとともに、吸入空気量を検出するエアフロメータ２５がエアクリーナ２６下流に設けられている。

内燃機関１の種々の制御パラメータ、例えば、上記燃料噴射弁２３による燃料噴射量、点火プラグ２１による点火時期、スロットル弁２４の開度、流路切換弁５の開閉状態（さらにはその開度変化速度）、などは、エンジンコントロールユニット２７によって制御される。このエンジンコントロールユニット２７には、上述したセンサ類のほか、冷却水温センサ２８、運転者により操作されるアクセルペダルの開度（踏込量）を検出するアクセル開度センサ２９、図示せぬクランク角センサなどの種々のセンサ類の検出信号が入力されている。

このような構成においては、冷間始動後の機関温度ないしは排気温度が低い段階では、アクチュエータ５ａを介して流路切換弁５が閉じられ、メイン通路３が遮断される。そのため、各気筒から吐出された排気は、その全量が分岐点６からバイパス通路７を通してバイパス触媒コンバータ８へと流れる。バイパス触媒コンバータ８は、排気系の上流側つまり排気ポート２に近い位置にあり、かつ小型のものであるので、速やかに活性化し、早期に排気浄化が開始される。

一方、機関の暖機が進行して、メイン触媒コンバータ４の触媒が活性したら、後述するようなプロセスで流路切換弁５が開放される。これにより、各気筒から吐出された排気は、主に、メイン通路３からメイン触媒コンバータ４を通過する。このときバイパス通路７側は特に遮断されていないが、バイパス通路７側の方がメイン通路３側よりも通路断面積が小さく、かつバイパス触媒コンバータ８が介在しているので、両者の通路抵抗の差により、排気流の大部分はメイン通路３側を通り、バイパス通路７側には殆ど流れない。従って、バイパス触媒コンバータ８の熱劣化は十分に抑制される。

ここで、上記のように流路切換弁５がメイン通路３を開放する際に、流路切換弁５が全開位置まで急激に開かれると、相対的に通路断面積の大きなメイン通路３の中に滞留していた低温の排気（あるいは空気）が急激にメイン触媒コンバータ４に流れ込み、触媒温度の低下を招来する。図１０の実線は、一例として、メイン触媒コンバータ４の触媒温度が活性温度に達したときに全閉位置から全開位置まで急激に開いたときの触媒温度の変化の例を示している。

そのため、本実施例では、図１０に破線で例示するように、流路切換弁５を第１の開度変化速度でもって所定の目標中間開度まで開き、所定のディレイ期間の間、該目標中間開度に保持した後、上記第１の開度変化速度に比較して相対的に大きな第２の開度変化速度でもって全開位置まで開くように、流路切換弁５の開作動を制御する。これにより、破線で示すように、メイン触媒コンバータ４の一時的な温度低下が回避される。

以下、図２および図３のフローチャートに基づいて、この流路切換弁５の開作動の制御を具体的に説明する。

図２は、機関の暖機の進行に伴って流路切換弁５を開くか否かの判定を行うルーチンを示しており、先ずステップ１（図中ではＳ１等と略記する）において、排気温度センサ１４により検出された排気温度が所定温度ＥＸＨＴＭＰ（触媒が活性したとみなしうる温度に対応する）を越えたか否かを判定する。所定温度ＥＸＨＴＭＰを越えていれば、ステップ２で空燃比フィードバック制御中であるか否か判定する。流路切換弁５を開くと背圧変化等により一時的な空燃比変動が生じるので、万一、空燃比フィードバック制御中でなければ、流路切換弁５の開制御は許可しない。さらに、アイドル運転中か否かをステップ３で判定し、アイドル運転中であれば、回転数フィードバック制御中であるか否かをさらにステップ４で判定する。これは、流路切換弁５を開いた際に生じるトルク変動を考慮したものであり、アイドル回転数のフィードバック制御の実行中であれば、トルク変動が吸収されるため、ステップ６へ進んで、流路切換弁５の開制御を許可する。またアイドル運転中でない場合は、ステップ５でスロットル弁開度が所定値ＢＹＴＶＯ未満であることを条件として、ステップ６へ進み、流路切換弁５の開制御を許可する。すなわち、スロットル弁開度が大きい加速中は、流路切換弁５の切換は行わない。

図３は、流路切換弁５を開く際の制御ルーチンを示しており、先ずステップ１１において、前述したステップ６の制御許可がなされたか判定する。ここでＹＥＳであれば、ステップ１２へ進み、目標中間開度を設定する。この目標中間開度は、例えば通路断面積として１０％〜５０％程度の値であり、固定的な値でもよいが、望ましくは、始動時の機関温度（冷却水温度、油温など）に基づいて可変的に設定する。具体的には、始動時の冷却水温度が６０℃以上であるような暖機再始動の際には、より大きな値、例えば５０％に近い値とし、極低温の冷間始動時には、より小さな値、例えば１０％に近い値とする。

次に、この目標中間開度に達するまでの開度変化速度（請求項における第１の開度変化速度）の初期値（基準値）をステップ１３でセットする。これは、後述するように固定値である。そして、ステップ１４で、この初期値の補正が必要であるかどうかを機関運転条件等から判断し、必要に応じて、ステップ１５においてその補正を行う。なお、この実施例の開制御では、図４に示すように、実質的に３つの区間Ａ，Ｂ，Ｃによって流路切換弁５が全閉から全開まで変化することになるが、このステップ１３〜１５の開度変化速度は、最初の区間Ａの特性の傾きに相当する。この開度変化速度が過度に大きいと、全開まで急に開いた場合と同様に、触媒温度が低下し、逆に、過度に小さいと、内燃機関が吐出する高温排気による触媒温度の上昇が緩慢となる。図５は、ある排気温度および排気流量の下において、触媒コンバータ４入口での排温の変化と開度変化速度との関係をプロットしたものであり、図示するように、開度変化速度としてある最適点が存在し、この最適点の開度変化速度とすると、触媒コンバータ４の温度上昇が最も効果的に得られることになる。この最適点が、基本的に、ステップ１３の初期値に相当する。一方、図５の最適点は、排気流量や排気温度等によって異なるので、機関運転条件等に応じた補正が必要となる。図６は、機関の負荷に対する開度変化速度の補正値の特性を示しており、基準の負荷（このときの補正値は０である）よりも負荷が大きいと補正値は負の値で与えられ、負荷が小さいと正の補正値が与えられる。例えば、両者は図のような直線的な関係を有する。なお、この補正値は、基準となる開度変化速度の初期値に加算されるものである。同様に、図７は、機関回転速度に対する開度変化速度の補正値の特性を示しており、基準の回転速度よりも高速であると負の補正値が、低速であると正の補正値が、それぞれ直線的な関係で与えられる。これらの負荷および回転速度に関する補正は、主に排気流量の変化を考慮したものである。また、図８は、点火時期と補正値との関係を示しており、点火時期がＭＢＴ点よりも遅角するほど排気温度が高くなるので、開度変化速度が小さくなるように、負の補正値が与えられる。さらに図９は、冷却水温と補正値との関係を示しており、冷却水温度が基準の水温よりも低いときには負の補正値が、高いときには正の補正値が、それぞれ直線的な関係で与えられる。

ステップ１３〜１５で最適な開度変化速度が定まると、ステップ１６において、その開度変化速度でもって流路切換弁５が開き始める。ステップ１７では、目標中間開度に達したかを繰り返し判定し、目標中間開度に達した時点でステップ１８へ進んで流路切換弁５の開作動が一旦停止する。同時に、ステップ１９で、図４の区間Ｂに相当するディレイ時間をセットする。このディレイ時間は適当な固定値でもよいが、望ましくは、そのときの排気温度に応じて可変的に設定する。具体的には、そのときの（つまり目標中間開度に達した時点での）排気温度が高いほど短い時間となるようにディレイ時間を設定する。そして、ステップ２０において、このディレイ時間が経過したかを判定し、ディレイ時間が経過した時点で、ステップ２１で再度流路切換弁５の開作動を開始する。このときは、アクチュエータの構成などから定まる最大の開度変化速度（これが請求項における第２の開度変化速度に相当する）でもって流路切換弁５が開く。これが、図４の区間Ｃに相当する。

このように、上記実施例によれば、メイン触媒コンバータ４が活性したときに、流路切換弁５は、機関運転条件に応じた比較的小さな開度変化速度でもって目標中間開度まで一旦開き、適宜なディレイ時間の間、その目標中間開度に保持されるので、メイン通路３に滞留していた低温のガスが少しずつメイン触媒コンバータ４に流れ込んでメイン通路３全体が徐々に高温となり、触媒コンバータ４の一時的な温度低下を来すことなく流路の切換を達成できる。

なお、上記実施例では、排気温度センサ１４の実際の検出温度に基づいてメイン触媒コンバータ４の活性を判定しているが、始動後の経過時間や冷却水温度などの他のパラメータに基づいて触媒コンバータ４の活性を判定する場合にも、本発明の開制御は同様に適用することができる。

次に、この発明の異なる実施例を図１１の特性図に基づいて説明する。この図は、メイン触媒コンバータ４が活性して流路切換弁５の開制御が許可されたときの全閉位置から全開位置までの開度変化の特性を示しているが、前述した図４と異なり、実質的に２つの区間Ａ，Ｄによって流路切換弁５が全閉から全開まで変化する。区間Ａは、前述した実施例と同様であり、例えば機関始動時の冷却水温度から定まる目標中間開度まで、機関運転条件により補正された第１の開度変化速度でもって徐々に開いていく。そして、目標中間開度に達したら、相対的に大きな変化速度である第２の開度変化速度でもって全開位置まで開く。このときの第２の開度変化速度は、固定値ではなく、そのときの排気温度に応じて可変的に設定される。具体的には、そのときの（つまり目標中間開度に達した時点での）排気温度が高いほど速やかに開くように大きな第２の開度変化速度が与えられる。このような開制御によっても、触媒コンバータ４の一時的な温度低下を確実に回避しつつ流路切換を達成できる。

なお、図４のようにディレイ時間の区間Ｂを有するものにおいて、さらに区間Ｃの開度変化速度を変化させるようにすることも可能である。

この発明に係る排気装置の配管レイアウトならびに制御システムの一例を示す構成説明図。 暖機に伴い流路切換弁の開制御の許可を行うルーチンを示すフローチャート。 流路切換弁の開制御の流れを示すフローチャート。 この実施例の流路切換弁の開度変化の一例を示す特性図。 触媒コンバータ入口での排温の変化と開度変化速度との関係を示す特性図。 機関負荷に対する開度変化速度の補正値の特性を示す特性図。 機関回転速度に対する開度変化速度の補正値の特性を示す特性図。 点火時期に対する開度変化速度の補正値の特性を示す特性図。 冷却水温度に対する開度変化速度の補正値の特性を示す特性図。 流路切換弁を開いたときの触媒温度の変化を従来例（実線）と実施例（破線）とで対比して示す特性図。 異なる実施例の流路切換弁の開度変化の一例を示す特性図。

符号の説明

３…メイン通路
４…メイン触媒コンバータ
５…流路切換弁
６…分岐点
７…バイパス通路
８…バイパス触媒コンバータ
１４…排気温度センサ
２７…エンジンコントロールユニット

Claims (6)

1. 排気装置として、メイン触媒コンバータを下流側に備えたメイン通路の上流側部分と並列にバイパス通路が設けられるとともに、このバイパス通路にバイパス触媒コンバータを備え、かつ上記メイン通路の上記上流側部分に該メイン通路を閉塞する流路切換弁を備えてなる内燃機関において、
   上記メイン触媒コンバータの暖機完了を判定する手段と、
   この暖機完了の判定時に、上記流路切換弁を第１の開度変化速度でもって所定の目標中間開度まで開き、その後、上記第１の開度変化速度よりも大きな第２の開度変化速度でもって全開位置まで開く流路切換弁制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 上記第１の開度変化速度が機関運転条件によって補正されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 上記目標中間開度に達した後、所定のディレイ期間の間、該目標中間開度に保持することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 上記ディレイ期間がそのときの排気温度に応じて設定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
5. 上記目標中間開度が始動時の機関温度条件に応じて設定されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
6. 上記第２の開度変化速度がそのときの排気温度に応じて設定されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。

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