JP5392412B2 - 内燃機関の制御装置及び方法 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の制御装置及び内燃機関の制御方法に関する。
内燃機関の排気通路には、内燃機関から排出される排気成分を吸着及び浄化するために触媒が設けられる。触媒は、内燃機関の機関始動時には不活性状態であり、吸着及び浄化の性能が低下する。そのため、内燃機関の機関始動時に気体燃料を使用し、機関始動からの設定時間経過後に気体燃料から液体燃料に切り替えて内燃機関を運転する技術が開示されている（例えば特許文献１参照）。これにより特許文献１では、良好な始動性と機関始動時の排気エミッションの改善を図っている。また、気体燃料の使用を極力抑えることで航続距離の確保を図っている。
特開２００２−０３８９８０号公報 特開２００９−０４７０７１号公報
ところで、機関始動時における触媒の排気成分を吸着及び浄化する性能は、機関始動前の影響を受けることが明らかになってきた。機関始動前において、機関停止後の温度低下した触媒に未燃燃料成分を吸着させ易く次回の機関始動時の触媒の排気成分を吸着及び浄化する性能を低下させてしまう燃料を使用していると、機関停止時に触媒に至る排気には触媒に吸着され易い未燃燃料成分が含まれることになる。この未燃燃料成分は、機関停止後に触媒の温度が低下すると触媒に吸着される。そのため、次回の機関始動時には、触媒には既にこの未燃燃料成分が吸着され、機関始動時における触媒の排気成分を吸着及び浄化する性能が低下するので、触媒に機関始動時に内燃機関から排出される排気成分を吸着及び浄化させることができない。これにより、機関始動時の排気成分が触媒をすり抜けて外部に排出されてしまい、機関始動時の排気エミッションが悪化する問題があった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、機関始動時の触媒の性能を低下させず、機関始動時の排気エミッションを改善する技術を提供することを目的とする。
本発明にあっては、以下の構成を採用する。すなわち、本発明は、
複数種類の燃料を使用可能な内燃機関の排気通路に設けられ、前記内燃機関から排出された排気成分を吸着及び浄化する触媒と、
前記内燃機関の停止要求時に、複数種類の燃料のうち、前記触媒に未燃燃料成分を吸着させ易い第１の燃料を使用している場合には、前記第１の燃料から第２の燃料に切り替えて、前記内燃機関を機関停止まで運転する制御部と、
を備えた内燃機関の制御装置である。
本発明によると、第２の燃料に切り替えて内燃機関を機関停止まで運転するので、機関停止後の温度低下した触媒に未燃燃料成分が吸着してしまうことを抑制できる。これにより、次回の機関始動時には触媒に未燃燃料成分が吸着しておらず、機関始動時の触媒の性能が低下しないので、機関始動当初から、内燃機関から排出される排気成分を触媒に吸着及び浄化することができる。したがって、機関始動時に排気成分が触媒をすり抜けないので、機関始動時の排気エミッションを改善することができる。
前記制御部は、前記内燃機関を、機関停止前に、前記第２の燃料を使用して前記内燃機関から排出される排気が前記触媒に至るまで少なくとも運転するとよい。
本発明によると、機関停止時に第２の燃料が触媒に至るので、機関停止後に温度低下した触媒に未燃燃料成分が吸着してしまうことを抑制できる。また、機関停止までの時間を必要最小限にすることができる。
前記第１の燃料が、液体燃料であり、前記第２の燃料が、天然ガスであるとよい。
液体燃料は、非メタンの炭化水素を多く含み、非メタンの炭化水素が、機関停止後の温度低下した触媒に吸着し易く次回の機関始動時の触媒の性能を低下させる。天然ガスは、主成分がメタンであり、非メタンの炭化水素の割合が少ない。本発明によると、液体燃料から天然ガスに切り替えて内燃機関を機関停止まで運転するので、機関停止後に非メタンの炭化水素が触媒に吸着してしまうことを抑制できる。
本発明は、
複数種類の燃料を使用可能な内燃機関の排気通路に設けられ、前記内燃機関から排出された排気成分を吸着及び浄化する触媒を備えた内燃機関の制御方法であって、
前記内燃機関の停止要求時に、複数種類の燃料のうち、前記触媒に未燃燃料成分を吸着させ易い第１の燃料を使用している場合には、前記第１の燃料から第２の燃料に切り替えて、前記内燃機関を機関停止まで運転する内燃機関の制御方法である。
本発明によっても、機関始動時の触媒の性能を低下させず、機関始動時の排気エミッションを改善することができる。
本発明によれば、機関始動時の触媒の性能を低下させず、機関始動時の排気エミッションを改善することができる。
本発明の実施例１に係る内燃機関の概略構成を示す図である。 実施例１に係る機関停止制御ルーチンを示すフローチャートである。
以下、本発明の具体的な実施例について説明する。
＜実施例１＞
図１は、本発明の実施例１に係る内燃機関の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１の燃料には、ガソリン等の石油系液体燃料や、エタノールやメタノール等のアルコール又はＭＴＢＥ等の含酸素燃料をガソリン等の石油系液体燃料に混合した混合液体燃料等の、液体燃料が使用可能である。また内燃機関１の燃料には、圧縮天然ガス（ＣＮＧ（Compressed Natural Gas））等の気体燃料も使用可能である。このように本発明の内燃機関１は、複数種類の燃料が使用可能である。本実施例では、液体燃料としてガソリンを使用し、気体燃料としてＣＮＧを使用する場合を例に挙げる。ガソリンが本発明の第１の燃料に対応し、ＣＮＧが本発明の第２の燃料に対応する。
内燃機関１の気筒２内には、ピストン３が摺動自在に配置されている。気筒２内上部には、気筒２の上壁及び内壁とピストン３頂面で燃焼室４が区画形成される。燃焼室４上部には、吸気ポート５及び排気ポート６が接続されている。気筒２上部には、気筒２内の混合気に点火を行う点火プラグ７が配置されている。吸気ポート５の燃焼室４への開口部は吸気弁８によって開閉される。また、排気ポート６の燃焼室４への開口部は排気弁９によって開閉される。吸気ポート５はその上流側が吸気管１０に接続されている。排気ポート６はその下流側が排気管１１に接続されている。本実施例における吸気ポート５及び吸気管１０が、吸気通路に対応する。本実施例における排気ポート６及び排気管１１が、本発明の排気通路に対応する。
吸気ポート５には、吸気ポート５を流通する吸気に対してガソリンを噴射する第１燃料噴射弁１２が配置されている。吸気管１０には、吸気管１０を流通する吸気に対してＣＮＧを噴射する第２燃料噴射弁１３が配置されている。第１燃料噴射弁１２及び第２燃料噴射弁１３から噴射された燃料が吸気と混合されることで、混合気が形成される。第１燃料噴射弁１２には、第１燃料タンク１４に貯留されたガソリンが供給される。第１燃料タンク１４から第１燃料噴射弁１２に至る燃料系には他の混合液体燃料等も使用可能である。２燃料噴射弁１３には、第２燃料タンク１５に貯留されたＣＮＧが供給される。第２燃料噴射弁１３よりも上流側の吸気管１０には、スロットル弁１６が配置されている。スロットル弁１６により吸気管１０を流通する吸気量を調節可能である。
排気管１１には、内燃機関１から排出された排気成分を吸蔵及び浄化する三元触媒１７が配置されている。三元触媒１７は、炭化水素、一酸化炭素、ＮＯｘを吸蔵及び浄化する機能を有する。三元触媒１７が、本発明の触媒に対応する。なお、本発明の触媒としては、三元触媒以外の触媒であってもよい。
内燃機関１には、内燃機関１を制御するためのＥＣＵ（Electronic Control Unit）１８が併設されている。ＥＣＵ１８は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。ＥＣＵ１８には、アクセルポジションセンサ１９、クランクポジションセンサ２０等の各種センサが電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がＥＣＵ１８に入力されるようになっている。一方、ＥＣＵ１８には、点火プラグ７、第１燃料噴射弁１２、第２燃料噴射弁１３、及びスロットル弁１６等が電気配線を介して接続されており、ＥＣＵ１８によりこれらの機器が制御される。
（機関停止時制御）
三元触媒１７が不活性状態である三元触媒１７の低温時には、三元触媒１７にＮＯｘを吸着させることにより、外部へ排出されるＮＯｘ排出量を低減することができる。しかし、内燃機関１の燃料としてガソリンを使用していると、内燃機関１から排出された排気中に含まれる非メタンの炭化水素の割合が高く、非メタンの炭化水素がＮＯｘよりも優先的に三元触媒１７に吸着してしまう。つまり、三元触媒１７の低温時にガソリンを使用していると、三元触媒１７にＮＯｘを吸着させることができず、外部へＮＯｘが排出され易くなってしまう。
これに対し、ＣＮＧは、主成分がメタンであり、内燃機関１から排出された排気中に含まれる未燃燃料成分である炭化水素の約９０％がメタンであるため、排気中に含まれる非メタンの炭化水素の割合が低い。またメタンは、低温の三元触媒１７に吸着し難い。よって、三元触媒１７の低温時にあっても、非メタンの炭化水素がＮＯｘよりも優先的に三元触媒１７に吸着してしまうことが抑制できる。したがって、三元触媒１７の低温時にＣＮＧを使用していると、三元触媒１７にＮＯｘを吸着させることができ、外部へ排出されるＮＯｘ排出量を低減することができる。
そのため、ガソリンとＣＮＧとを使用可能な内燃機関１では、内燃機関１の機関始動から三元触媒１７の暖機完了までエミッション排出の少ないＣＮＧを使用し、その後ＣＮＧからガソリンに切り替える。これにより、三元触媒１７の低温時であっても内燃機関１の運転中のＮＯｘ排出量を抑制しつつ、ＣＮＧの使用を極力抑えることで航続距離を確保している。
しかしながら、三元触媒１７の機関始動前からの状態によって上記問題が解消しないことが判明した。内燃機関１の機関停止後には、三元触媒１７の周辺の排気管１１に滞留している排気中の非メタンの炭化水素が三元触媒１７に吸着される。この吸着は、三元触媒１７の温度が例えば三元触媒１７で非メタンの炭化水素が浄化される浄化温度以下になると生じる。内燃機関１の機関停止直後には三元触媒１７の温度が前記浄化温度よりも高いが、その後三元触媒１７が冷えて行き、三元触媒１７の温度が前記浄化温度以下になると、非メタンの炭化水素の三元触媒１７への吸着が生じる。
排気中の非メタンの炭化水素の含有量は、ＣＮＧよりもガソリンの方がかなり多いため、ガソリンを使用中に内燃機関１の機関停止を行えば、内燃機関１の機関停止後の三元触媒１７への非メタンの炭化水素の吸着量が多くなってしまう。このような状態で内燃機関１の機関始動を行うと、三元触媒１７には既に非メタンの炭化水素が吸着されているので、次回の機関始動直後の排気中のＮＯｘを三元触媒１７へ吸着させることができない。つまり、次回の機関始動時には、三元触媒１７のＮＯｘに対する吸着及び浄化の性能が低下してしまう。よって、次回の機関始動直後にＣＮＧを使用したとしても、吸着されないＮＯｘが三元触媒１７をすり抜け、外部に放出されるＮＯｘ排出量が増加し、排気エミッションの悪化を招いてしまう。
そこで、本実施例では、内燃機関１の停止要求時に、ガソリンを使用している場合には、ガソリンからＣＮＧに切り替えて、内燃機関１を機関停止まで運転するようにした。本制御を機関停止制御といい、本制御を実行するＥＣＵ１８が本発明の制御部に対応する。
ここで、ガソリンに対応する第１の燃料は、機関停止後に温度低下した三元触媒１７に未燃燃料成分としての非メタンの炭化水素を吸着させ易く次回の機関始動時の三元触媒１７のＮＯｘに対する吸着及び浄化の性能を低下させてしまう燃料である。つまり、第1の燃料は、三元触媒１７に未燃燃料成分を吸着させ易い燃料である。第１の燃料としては、非メタンの炭化水素の含有量が多い、ガソリンや、その他の液体燃料が挙げられる。ＣＮＧに対応する第２の燃料は、機関停止後に温度低下した三元触媒１７に未燃燃料成分としての非メタンの炭化水素を吸着させ難く次回の機関始動時の三元触媒１７のＮＯｘに対する吸着及び浄化の性能を低下させない燃料である。つまり、第２の燃料は、第１の燃料以外の燃料である。第２の燃料としては、非メタンの炭化水素の含有量が少なくメタンを主成分とするＣＮＧが挙げられる。
本実施例によると、ＣＮＧに切り替えて内燃機関１を機関停止まで運転するので、機関停止後に非メタンの炭化水素が三元触媒１７に吸着してしまうことを抑制できる。これにより、次回の機関始動時には非メタンの炭化水素が三元触媒１７に吸着しておらず、機関始動時の三元触媒１７のＮＯｘに対する吸着及び浄化の性能が低下しないので、機関始動当初から、内燃機関１から排出されるＮＯｘを三元触媒１７に吸着及び浄化することができる。したがって、機関始動時にＮＯｘが三元触媒１７をすり抜けないので、機関始動時の排気エミッションを改善することができる。
ここで、機関停止制御では、内燃機関１を、機関停止前に、ＣＮＧを使用して内燃機関１から排出される排気が三元触媒１７に至るまで運転するようにした。
本実施例によると、機関停止時にＣＮＧを使用して内燃機関１から排出される排気が三元触媒１７に至るので、機関停止後に非メタンの炭化水素が三元触媒１７に吸着してしまうことを抑制できる。また、機関停止までの時間を必要最小限にすることができ、ユーザの遅延感を防止することができる。
なお、機関停止時にＣＮＧを使用して内燃機関１から排出される排気が三元触媒１７の下流にも確実に至るようにするため、機関停止制御では、内燃機関１を、機関停止前に、ＣＮＧを使用して内燃機関１から排出される排気が三元触媒に至った後も継続して運転してもよい。
（機関停止制御ルーチン）
図２は、内燃機関１の機関停止時に実行される機関停止制御ルーチンを示すフローチャートである。機関停止制御ルーチンについて、図２に示すフローチャートに基づいて説明する。本ルーチンは、所定の時間毎に繰り返しＥＣＵ１８によって実行される。本ルーチンを実行するＥＣＵ１８が、本発明の制御部に対応する。
本ルーチンが実行されると、まず、Ｓ１０１では、ユーザにより発せられた内燃機関１の機関停止要求があるか否かを判別する。機関停止要求があることは、ユーザにより発せられた機関停止要求信号をＥＣＵ１８が受信することで判断できる。機関停止要求信号は、例えばユーザがイグニッションスイッチをオフした場合に発せられる。Ｓ１０１で肯定判定された場合には、Ｓ１０２へ移行する。Ｓ１０１で否定判定された場合には、本ルーチンを一旦終了する。
Ｓ１０２では、現在使用している燃料がガソリンであるか否かを判別する。ＥＣＵ１８によりガソリンとＣＮＧとのどちらの燃料を使用して内燃機関１を運転しているかで判断できる。Ｓ１０２で肯定判定された場合には、Ｓ１０３へ移行する。Ｓ１０２で否定判定された場合には、Ｓ１０５へ移行する。
Ｓ１０３では、燃料をガソリンからＣＮＧに切り替える。
Ｓ１０４では、ＣＮＧを使用した状態で、内燃機関１を、機関停止前に、ＣＮＧを使用して内燃機関１から排出される排気が三元触媒１７に至るまで運転する。このＳ１０４での運転時間は、予め試験等で求めた所定時間でもよいし、機関回転数や吸入空気量から、少なくともＣＮＧを使用して内燃機関１から排出される排気が三元触媒１７に至るまでの時間を計算して求めてもよい。
Ｓ１０５では、内燃機関１を機関停止させる。本ステップの処理の後、本ルーチンを一旦終了する。
以上説明した本ルーチンによると、ＣＮＧとガソリンとを使用可能な内燃機関１の機関停止後の温度低下した三元触媒１７に非メタンの炭化水素が吸着されてしまうことを抑制し、次回の機関始動時の三元触媒１７のＮＯｘに対する吸着及び浄化の性能を低下させてしまうことがなく、次回の機関始動時の排気エミッションを改善することができる。
＜その他＞
本発明に係る内燃機関の制御装置は、上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えてもよい。また、上記実施例は、本発明に係る内燃機関の制御方法の実施例でもある。
１：内燃機関
２：気筒
３：ピストン
４：燃焼室
５：吸気ポート
６：排気ポート
７：点火プラグ
８：吸気弁
９：排気弁
１０：吸気管
１１：排気管
１２：第１燃料噴射弁
１３：第２燃料噴射弁
１４：第１燃料タンク
１５：第２燃料タンク
１６：スロットル弁
１７：三元触媒
１８：ＥＣＵ
１９：アクセルポジションセンサ
２０：クランクポジションセンサ

Claims (4)

  1. 複数種類の燃料を使用可能な内燃機関の排気通路に設けられ、前記内燃機関から排出された排気成分である炭化水素及びＮＯｘを吸着及び浄化する触媒と、
    前記内燃機関の停止要求時に、複数種類の燃料のうち、温度低下した前記触媒にＮＯｘよりも優先的に吸着する非メタンの炭化水素の含有量が多い第１の燃料を使用している場合には、前記第１の燃料から、非メタンの炭化水素の含有量が少なくメタンを主成分とする第２の燃料に切り替えて、前記内燃機関を機関停止まで運転する制御部と、
    を備えた内燃機関の制御装置。
  2. 前記制御部は、前記内燃機関を、機関停止前に、前記第２の燃料を使用して前記内燃機関から排出される排気が前記触媒に至るまで少なくとも運転する請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
  3. 前記制御部は、前記内燃機関の機関始動から前記触媒の暖機完了まで、前記第２の燃料を使用する請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
  4. 複数種類の燃料を使用可能な内燃機関の排気通路に設けられ、前記内燃機関から排出された排気成分である炭化水素及びＮＯｘを吸着及び浄化する触媒を備えた内燃機関の制御方法であって、
    前記内燃機関の停止要求時に、複数種類の燃料のうち、温度低下した前記触媒にＮＯｘよりも優先的に吸着する非メタンの炭化水素の含有量が多い第１の燃料を使用している場合には、前記第１の燃料から、非メタンの炭化水素の含有量が少なくメタンを主成分とする第２の燃料に切り替えて、前記内燃機関を機関停止まで運転する内燃機関の制御方法。
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