JP5115373B2

JP5115373B2 - 排気浄化触媒の温度制御装置及び温度制御方法

Info

Publication number: JP5115373B2
Application number: JP2008182367A
Authority: JP
Inventors: 十史弥河野
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2008-07-14
Filing date: 2008-07-14
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2028-07-14
Also published as: JP2010019211A

Description

この発明は、圧縮着火運転可能なエンジンから排出される排気を浄化する排気浄化触媒の温度を制御する装置及び方法に関する。

所定の運転領域では予混合ガスを圧縮して自己着火させる圧縮着火(Homogeneous Charge Compression Ignition；以下「ＨＣＣＩ」と略す)の運転モードにし、それ以外の運転領域では点火プラグを使用する火花着火(Spark Ignition；以下「ＳＩ」と略す)の運転モードにするエンジンが研究されている。

このようにＨＣＣＩモードとＳＩモードとを切り替えるエンジンは、燃費が向上し、また、大気汚染物質(特に窒素酸化物ＮＯｘ)の排出量も大幅に低減できる。

ＨＣＣＩモードは、極めてリーンな空燃比(たとえば２５〜４０程度)で運転するので、低負荷中に排気温度が低下しやすい。すると排気浄化触媒は、温度が低下して不活性化し排気浄化効率が低下するおそれがある。

そこで特許文献１では、触媒が不活性化したら、内部ＥＧＲ量が大幅に増加するように可変動弁機構を制御する。内部ＥＧＲ量が大幅に増加すると、空燃比はストイキ又はストイキよりもややリーンになり、一酸化炭素ＣＯの濃度が上昇する。排気温度も上昇する。触媒を流れる排気量は減少する。ＣＯ濃度の上昇、排気温度の上昇及び排気量の減少は、いずれも触媒の一酸化炭素ＣＯや炭化水素ＨＣの酸化を促進する。したがって触媒が不活性化しやすい条件で運転しても、内部ＥＧＲ量を大幅に増加させることによって触媒温度が上昇し触媒が活性化して排気が浄化されるのである。
特開２００４−２５７３３１号公報

しかしながら、内部ＥＧＲ量を大幅に増加させると空燃比が小さくなる(リッチ化する)とともに筒内温度が上昇するので燃焼期間が短くなる。するとノッキングしやすくなる。また燃焼終了時期が早まり排気温度が十分に上昇しない。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、ＨＣＣＩモードの運転を継続しつつノッキングを生じることなく排気浄化触媒が活性化するまで十分に排気温度を上昇可能な排気浄化触媒の温度制御装置及び温度制御方法を提供することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、排気弁及び吸気弁がマイナスオーバラップし圧縮着火運転可能なエンジン(１０)から排出される排気を浄化する排気浄化触媒(４０)の温度を制御する装置であって、前記排気浄化触媒(４０)の温度が基準温度を下回ったか否かを判定する触媒温度判定手段(ステップＳ５)と、前記基準温度を下回ったときには、排気弁及び吸気弁のマイナスオーバラップ量を変えずに熱効率を下げる又は筒内ガス温度を低下させることで排気温度を上げて排気浄化触媒(４０)の温度を上げる触媒昇温手段(ステップＳ７)と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、排気浄化触媒の温度が基準温度を下回ったときには、熱効率を下げる又は筒内ガス温度を低下させることで排気温度を上げて排気浄化触媒の温度を上げるようにした。このようにして排気浄化触媒の温度を上げるようにしたので、ノッキングを生じることなく排気浄化触媒が活性化するまで十分に排気温度を上昇させることができるのである。

以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
（基本構成）
図１は、本発明による排気浄化触媒の温度制御装置の基本構成図である。

エンジン１０は、吸気弁１１と、排気弁１２と、燃料噴射弁１３と、点火プラグ１４と、筒内圧センサ１５と、を備える。エンジン１０の吸気通路２１には、吸気スロットル３１が設けられる。エンジン１０の排気通路２２には、排気浄化触媒４０が設けられる。

吸気弁１１は、吸気通路２１を開閉しエンジン筒内への吸気の流れを調整する。

排気弁１２は、排気通路２２を開閉しエンジン筒内からの排気の流れを調整する。排気弁１２は、可変動弁機構によって作動角及び作動中心を連続して調整可能である。なお可変動弁機構としては、たとえば特開２００４−３４６８２５号公報や特開２００７−３１５２２９号公報に開示されたＶＶＥＬ(Variable Valve Event and Lift control)及びＶＴＣ(Valve Timing Control)を使用すればよい。

燃料噴射弁１３は、エンジン筒内に燃料を噴射する。

点火プラグ１４は、ＳＩモードで運転中に混合気に火花着火する。

筒内圧センサ１５は、エンジン筒内の圧力を検出する。この検出圧の圧力波形に基づいて図示平均有効圧が算出される。

吸気スロットル３１は、コントローラの信号に応じて開度を調整して吸気量を制御する。

排気浄化触媒４０は、エンジンから排出された排気を浄化する。排気浄化触媒４０の入口には排気空燃比センサ４１が設けられる。また排気浄化触媒４０には触媒温度センサ４２が設けられる。

ここで本発明の理解を容易にするために解決課題を再度説明する。

図２は、ＨＣＣＩモードとＳＩモードとを切り替えるエンジンの運転領域を説明する図である。

運転条件によってＨＣＣＩモードとＳＩモードとを切り替えるエンジンが研究されている。本件発明者らが研究中のエンジンは、図２に示すように低回転低負荷の所定領域でＨＣＣＩモードで運転し、それ以外ではＳＩモードで運転する。ＨＣＣＩモードは、極めてリーンな空燃比(たとえば２５〜４０程度)で運転するので、低負荷中には排気温度が低下して排気浄化触媒の温度が低下して不活性化して排気浄化効率が低下する。

図３は、排気浄化触媒の温度と触媒浄化率との相関を示す図である。

排気浄化触媒は、暖機が完了して活性すると良好な触媒浄化率が得られる。たとえば基準温度Ｔｃ以上であれば十分な触媒浄化率が得られる。しかしながら温度が低下して不活性化すると触媒浄化率が低くなってしまう。したがってＨＣＣＩモードが継続すると、排気浄化触媒は温度低下によって不活性化し排気浄化効率が低下する。

そこで上述の特許文献１(特開２００４−２５７３３１号公報)では、触媒が不活性化したら、内部ＥＧＲ量が大幅に増加するように可変動弁機構を制御する。具体的には、排気閉弁タイミング(ＥＶＣ)を進角するとともに吸気開弁タイミング(ＩＶＯ)を遅角してバルブマイナスオーバラップを拡大する。するとエンジン筒内に閉じ込められる排気量(燃焼ガス量)が増え内部ＥＧＲ量が増加する。内部ＥＧＲ量が増加すれば、空燃比(燃料に対する新気の割合)はストイキ又はストイキよりもややリーンになり、一酸化炭素ＣＯの濃度が上昇する。排気温度も上昇する。触媒を流れる排気量は減少する。一酸化炭素ＣＯの濃度の上昇、排気温度の上昇及び排気量の減少は、いずれも触媒の一酸化炭素ＣＯや炭化水素ＨＣの酸化を促進する。したがって触媒が不活性化しやすい条件で運転しても、内部ＥＧＲ量を大幅に増加させることによって触媒温度が上昇し触媒が活性化して排気が浄化されるのである。

図４は、内部ＥＧＲ量と混合気温度との相関を示す図である。

しかしながら内部ＥＧＲ量を大幅に増加させると、図４から明らかなように混合気温度が上昇してしまう。そして混合気温度が上昇してしまうと燃焼期間が短くなりノッキングしやすくなる、というのが本件発明者らの知見である。

次に、図５及び図６を参照して本発明による排気浄化触媒の温度制御装置の動弁制御について説明する。なお図５は排気浄化触媒の温度制御装置の制御ロジックのメインルーチンを示すフローチャートである。図６は本実施形態の動弁のバルブタイミングダイヤグラムであり、図６(Ａ)は通常運転におけるバルブタイミングを示し、図６(Ｂ)は排気浄化触媒の温度が低下したときの運転におけるバルブタイミングを示す。

上述の通り、内部ＥＧＲ量を大幅に増加させると、混合気温度が上昇してしまいノッキングしやすくなる、というのが本件発明者らの知見である。そこで本件発明者らは混合気温度を低下させるべく内部ＥＧＲ量を低減させることを着想した。内部ＥＧＲ量を低減させるには、排気閉弁タイミング(ＥＶＣ)を遅角して排気弁を遅閉じすることで排気(燃焼ガス)を筒内に残さないことが考えられる。しかしながらこのような運転でエンジンから排出されるガスは温度が低下しているので、この状態が継続しては触媒が不活性化する。そこで本発明では以下のように制御する。

ステップＳ１においてコントローラは、エンジンの運転状態を検出する。

ステップＳ２においてコントローラは、エンジンの運転状態がＨＣＣＩモード運転領域内の運転であるか否かを判定する。具体的には図２に示したマップに基づき判定する。ＨＣＣＩモード運転領域内の運転でなければステップＳ３へ処理を移行し、そうでなければステップＳ４へ処理を移行する。

ステップＳ３においてコントローラは、ＳＩモードでエンジンを運転する。

ステップＳ４においてコントローラは、ＨＣＣＩモードでエンジンを運転する。

ステップＳ５においてコントローラは、触媒温度が基準温度Ｔｃを下回るか否か判定する。下回らなければステップＳ６へ処理を移行し、そうでなければステップＳ７へ処理を移行する。

ステップＳ６においてコントローラは、通常運転する。具体的には図６(Ａ)に示されたバルブタイミングをセットして運転する。

ステップＳ７においてコントローラは、触媒昇温運転する。具体的には図６(Ｂ)に示されたバルブタイミングをセットして、通常運転(図６(Ａ))に比べて、排気開弁タイミング(ＥＶＯ)が進角して排気弁を早開けさせて運転する。

次に本実施形態による作用について説明する。

図７は、排気開弁タイミング(ＥＶＯ)の変化が排気温度に及ぼす影響を示した図である。図７の横軸は排気開弁タイミング(ＥＶＯ)[degATDC]、図７の縦軸は排気温度[℃]である。

本実施形態では、図６(Ｂ)に示されているように、通常運転(図６(Ａ))に比べて、排気開弁タイミング(ＥＶＯ)を進角して排気弁を早開けするようにした。このようにすると熱効率は低下するが、高温の排気(燃焼ガス)が排気浄化触媒に流れ込むこととなる。そして図７に示されているように本実施形態では排気開弁タイミング(ＥＶＯ)を５２[degCA]進角することで、排気温度は105[℃]上昇した。

図８は、内部ＥＧＲ量の変化が排気温度に及ぼす影響を示した図である。図８の横軸は内部ＥＧＲ量を示す。なお上述のように内部ＥＧＲ量が変化すると、混合気温度も比例して変化する。図８の縦軸は図示平均有効圧であり、エンジン負荷に比例する。図中上側の太実線はノック限界ラインであり、このラインの上側で運転するとノックを発生する。図中下側の太実線は燃焼安定限界ラインであり、このラインの下側で運転すると燃焼が不安定になる。ノック限界ライン及び燃焼安定限界ラインで挟まれた領域の細実線は排気温度の等高線である。図中左上側が高温であり、図中右下側が低温である。

本実施形態では、図６(Ｂ)に示されているように、通常運転(図６(Ａ))に比べて排気閉弁タイミング(ＥＶＣ)及び吸気開弁タイミング(ＩＶＯ)は同一である。すなわちバルブマイナスオーバラップは変わらない。その結果、内部ＥＧＲ量が低減し、新気の吸入量が増える。新気量が増えれば燃焼が促進されるので排気温度が上昇する。

そして図８に示されているように通常運転では、多めの内部ＥＧＲをかけるとともにノック限界付近でＨＣＣＩ運転する。そして排気浄化触媒の温度が低下し基準温度Ｔｃを下回って排気浄化率が悪化したら、触媒昇温運転に切り替えて混合気温度が燃焼安定限界まで下がるように内部ＥＧＲ量を減らす。するとエンジン負荷(図示平均有効圧)が一定でも、排気温度は４０℃程度上昇する。

図９は、ＳＩモードに切り替えた場合の排気温度と、本実施形態のＨＣＣＩモードを継続した場合の排気温度と、を比較する図である。

排気浄化触媒の温度が低下し基準温度Ｔｃを下回ると排気浄化率が悪くなる。

そこで排気温度を上昇させるには、ＨＣＣＩモードからＳＩモードに切り替えることが考えられる。そのようにすると排気温度は４０９℃になった。

一方、本実施形態では、ＨＣＣＩモードを継続しつつ排気開弁タイミング(ＥＶＯ)を進角するとともに、排気閉弁タイミング(ＥＶＣ)及び吸気開弁タイミング(ＩＶＯ)を同一のままにして内部ＥＧＲ量を減らした。ＨＣＣＩモードを継続した場合は排気温度は２６４℃であり、ＳＩモードに切り替える場合に比べて低温である。しかしながら内部ＥＧＲ量の低減によって上述のように排気温度が４０℃上昇し、排気開弁タイミング(ＥＶＯ)を進角することで上述のように排気温度が１０５℃上昇する。したがってＨＣＣＩモードを継続してもＳＩモードに切り替える場合と同等の排気温度が得られるのである。このように排気温度が高温になれば排気浄化触媒の温度も上昇し、活性化できるのである。

図１０は、ＳＩモードに切り替えた場合の燃費と、本実施形態のＨＣＣＩモードを継続した場合の燃費と、を比較する図である。

図１０に示されているように、本実施形態のようにＨＣＣＩモードを継続すれば、ＳＩモードに切り替える場合に比較して燃費も向上する。

（第２実施形態）
図１１は、本発明による排気浄化触媒の温度制御装置の第２実施形態のバルブタイミングダイヤグラムである。図１１(Ａ)は通常運転におけるバルブタイミングを示し、図１１(Ｂ)は排気浄化触媒の温度が低下したときの運転におけるバルブタイミングを示す。

なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

本実施形態のエンジンは、排気弁の作動角(すなわち開弁タイミングから閉弁タイミングまでの角度)を変えることなく作動中心を連続調整可能な可変排気弁機構と、吸気弁の作動角を変えることなく作動中心を連続調整可能な可変吸気弁機構と、を含む。このような機構としては、たとえば上述の特開２００４−３４６８２５号公報や特開２００７−３１５２２９号公報に開示されたＶＴＣ(Valve Timing Control)を使用すればよい。

そして本実施形態では、図１１(Ｂ)に示されているように、通常運転(図１１(Ａ))に比べて、排気弁の作動中心を進角して排気開弁タイミング(ＥＶＯ)を早めて排気弁を早開けするようにした。このようにすると熱効率は低下するが、高温の排気(燃焼ガス)が排気浄化触媒に流れ込むこととなる。

またそれとともに吸気弁の作動中心を進角して吸気開弁タイミング(ＩＶＯ)を早めて吸気弁を早開けするようにした。このようにすることで図１１(Ｂ)に示されているように、バルブマイナスオーバラップは通常運転(図１１(Ａ))と同一になる。その結果、内部ＥＧＲガスが吸気側に吹き戻されて再吸入されることとなり、内部ＥＧＲ自体の温度を下げることができる。すると混合気温度が下がり、排気温度が上昇するのである。

本実施形態によっても、第１実施形態と同様にＨＣＣＩモードを継続しても排気温度を高温にすることができ、排気浄化触媒の温度を上げて活性化できるのである。またＶＶＥＬを使用することなくＶＴＣだけを使用することで簡易な機構で実施可能である。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。

たとえば吸気弁及び排気弁の開閉タイミングを調整する機構としては、上述の機構に限らない。特許文献１(特開２００４−２５７３３１号公報)のように電動アクチュエータを使用するもの、特開２０００−４５７３３号公報のように電磁コイルを使用するもの、カムシャフトにハイカム／ローカムの２種類のカム駒を設けたＶＶＬ(Variable Valve Lift and timing)、その他いずれの公知のものを用いてもよい。

またエンジン筒内の吸気流動を強化するスワール制御機構やタンブル制御機構を使用すれば、シリンダボア璧との熱損失が増大し内部ＥＧＲ温度が下がる。内部ＥＧＲの温度が下がれば混合気温度が下がり、排気温度が上昇するので、ＨＣＣＩモードを継続しても排気温度を高温にすることができ、排気浄化触媒の温度を上げて活性化できる。

さらに上記説明においては、圧縮着火運転可能なエンジンとして、運転状態に応じてＨＣＣＩモードとＳＩモードをと切り替えて運転するエンジンを例示したが、これに限らず通常のディーゼルエンジンの低回転低負荷運転において同様の制御をしてもよい。

本発明による排気浄化触媒の温度制御装置の基本構成図である。ＨＣＣＩモードとＳＩモードとを切り替えるエンジンの運転領域を説明する図である。排気浄化触媒の温度と触媒浄化率との相関を示す図である。内部ＥＧＲ量と混合気温度との相関を示す図である。排気浄化触媒の温度制御装置の制御ロジックのメインルーチンを示すフローチャートである。本実施形態の動弁のバルブタイミングダイヤグラムである。排気開弁タイミング(ＥＶＯ)の変化が排気温度に及ぼす影響を示した図である。内部ＥＧＲ量の変化が排気温度に及ぼす影響を示した図である。ＳＩモードに切り替えた場合の排気温度と、本実施形態のＨＣＣＩモードを継続した場合の排気温度と、を比較する図である。ＳＩモードに切り替えた場合の燃費と、本実施形態のＨＣＣＩモードを継続した場合の燃費と、を比較する図である。本発明による排気浄化触媒の温度制御装置の第２実施形態のバルブタイミングダイヤグラムである。

符号の説明

１０エンジン
１１吸気弁
１２排気弁
１３燃料噴射弁
１４点火プラグ
４０排気浄化触媒
ステップＳ５触媒温度判定手段／触媒温度判定工程
ステップＳ７触媒昇温手段／触媒昇温工程

Claims

排気弁及び吸気弁がマイナスオーバラップし圧縮着火運転可能なエンジンから排出される排気を浄化する排気浄化触媒の温度を制御する装置であって、
前記排気浄化触媒の温度が基準温度を下回ったか否かを判定する触媒温度判定手段と、
前記基準温度を下回ったときには、排気弁及び吸気弁のマイナスオーバラップ量を変えずに熱効率を下げる又は筒内ガス温度を低下させることで排気温度を上げて排気浄化触媒の温度を上げる触媒昇温手段と、
を有することを特徴とする排気浄化触媒の温度制御装置。
排気弁の作動角及び作動中心を連続調整可能な可変動弁機構を備え、
前記触媒昇温手段は、排気弁の閉弁タイミングは変わることなく排気弁の開弁タイミングが進角するように排気弁の作動角及び作動中心を調整する、
ことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化触媒の温度制御装置。
排気弁の作動角を変えることなく作動中心を連続調整可能な可変排気弁機構と、
吸気弁の作動角を変えることなく作動中心を連続調整可能な可変吸気弁機構と、
を備え、
前記触媒昇温手段は、排気弁及び吸気弁の開弁タイミングが進角するように排気弁及び吸気弁の作動中心を調整する、
ことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化触媒の温度制御装置。
筒内ガスの流動を調整可能なガス流動調整機構を備え、
前記触媒昇温手段は、筒内ガスの流動を強める、
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の排気浄化触媒の温度制御装置。
排気弁及び吸気弁がマイナスオーバラップし圧縮着火運転可能なエンジンから排出される排気を浄化する排気浄化触媒の温度を制御する方法であって、
前記排気浄化触媒の温度が基準温度を下回ったか否かを判定する触媒温度判定工程と、
前記基準温度を下回ったときには、排気弁及び吸気弁のマイナスオーバラップ量を変えずに熱効率を下げる又は筒内ガス温度を低下させることで排気温度を上げて排気浄化触媒の温度を上げる触媒昇温工程と、
を有することを特徴とする排気浄化触媒の温度制御方法。