JP6717091B2 - Method of warming up exhaust purification catalyst of internal combustion engine - Google Patents
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Description
この発明は、内燃機関の冷間始動時に、排気浄化触媒を早期に活性化させるための暖機方法に関する。 The present invention relates to a warm-up method for early activating an exhaust purification catalyst during cold start of an internal combustion engine.
内燃機関の冷間始動時には、排気系に設けられている三元触媒等の排気浄化触媒を早期に活性化させる必要がある。そのため、特許文献1に開示されているように、点火時期をリタードすることで排気温度を高め、排気浄化触媒の暖機を促進する技術が知られている。
When the internal combustion engine is cold started, it is necessary to activate the exhaust purification catalyst such as a three-way catalyst provided in the exhaust system at an early stage. Therefore, as disclosed in
上記のような点火時期リタードにおいては、排気温度が上昇するものの、点火時期リタードに伴い、内燃機関の排気ポートから出るHC(炭化水素)生成量そのものは増加する。従って、排気浄化触媒が活性温度に達するまでの間は、排気浄化触媒を通して外部へ排出されるHC排出量が却って増加してしまう、という問題がある。 In the ignition timing retard as described above, the exhaust gas temperature rises, but with the ignition timing retard, the amount of HC (hydrocarbon) produced from the exhaust port of the internal combustion engine itself increases. Therefore, there is a problem that the amount of HC discharged to the outside through the exhaust purification catalyst is rather increased until the exhaust purification catalyst reaches the activation temperature.
この発明は、EGR通路に設けられる燃料改質システムを利用して点火時期リタード中のHCを抑制する。すなわち、内燃機関の冷間始動後のアイドル運転時に、燃料改質触媒を通した排気の還流を実行し、かつ改質用燃料噴射弁から改質用の燃料を供給するとともに、上記燃料改質触媒に流入するガス中の酸素濃度を高める酸素増加処理を行う。 The present invention suppresses HC during the ignition timing retard by utilizing the fuel reforming system provided in the EGR passage. That is, during idle operation after cold start of the internal combustion engine, the exhaust gas recirculation through the fuel reforming catalyst is executed, and the reforming fuel is supplied from the reforming fuel injection valve, and the fuel reforming is performed. Oxygen increasing treatment is performed to increase the oxygen concentration in the gas flowing into the catalyst.
上記のように酸素濃度を高めることで、燃料改質触媒においてより多量の水素が生成される。この水素は、新気とともに内燃機関に導入されるので、燃焼室内の水素濃度が高くなり、燃焼速度の向上によって排気中のHCが減少する。つまり、点火時期リタードに伴うHC生成量の増加が多量の水素の導入によって抑制される。 By increasing the oxygen concentration as described above, a larger amount of hydrogen is produced in the fuel reforming catalyst. Since this hydrogen is introduced into the internal combustion engine together with fresh air, the hydrogen concentration in the combustion chamber becomes high, and the combustion speed is improved, so that HC in the exhaust gas is reduced. That is, the increase in the amount of HC produced due to the ignition timing retard is suppressed by the introduction of a large amount of hydrogen.
この発明によれば、冷間始動時に、HCの増加を抑制しつつ早期に排気浄化触媒の暖機を図ることができる。 According to the present invention, at the time of cold start, it is possible to quickly warm up the exhaust purification catalyst while suppressing an increase in HC.
以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。 An embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
図1は、炭化水素燃料から水素を生成する燃料改質システムを備えた内燃機関1のシステム構成を示す構成説明図である。内燃機関1は、例えばガソリンを燃料とする火花点火式内燃機関であり、燃料タンク2から送られた燃料を例えば各気筒の吸気ポートへ向けて噴射供給する燃料噴射弁3を備えている。内燃機関1の吸気通路4には、吸入空気量を計量するエアフロメータ5と、スロットル弁6と、が設けられている。図示例では、スロットル弁6の下流に、機械式過給機あるいはターボチャージャのコンプレッサなどからなる過給機7が示されているが、この過給機7は必ずしも必須のものではない。過給機7と内燃機関1との間には、吸気中の水素成分を検出する水素センサ8が設けられている。また、内燃機関1は、各気筒に点火プラグ9を備えている。
FIG. 1 is a configuration explanatory diagram showing a system configuration of an
内燃機関1の排気通路11には、排気浄化を行うための三元触媒を用いた排気浄化触媒12が設けられている。排気浄化触媒12の上流側には空燃比センサ13が配置され、排気浄化触媒12の下流側には酸素センサ14が配置されている。エンジンコントローラ15は、これら空燃比センサ13および酸素センサ14の検出信号に基づいて公知の空燃比フィードバック制御を行う。排気浄化触媒12は、触媒担体温度を検出する触媒温度センサ16を備えている。なお、図示例では、1つの排気浄化触媒12のみが示されているが、複数個の排気浄化触媒を具備する場合もある。
An exhaust passage 11 of the
内燃機関1の排気通路11と吸気通路4との間には、内燃機関1の排気の一部を排気通路11から吸気通路4へと還流するEGR通路17が設けられている。EGR通路17は、排気浄化触媒12の上流側で排気通路11から分岐し、スロットル弁6と過給機7との間において吸気通路4に合流している。
An EGR
上記EGR通路17には、燃料改質システムの主要部をなす燃料改質触媒18が介装されており、この燃料改質触媒18の上流側に、該燃料改質触媒18に改質用燃料を噴射供給する改質燃料用燃料噴射弁19がミキサー20とともに設けられている。この実施例では、改質燃料用燃料噴射弁19は、改質用燃料として燃料タンク2内のガソリンを噴射供給するが、内燃機関1に供給される燃料とは異なる液体炭化水素燃料を改質用燃料として用いることも可能である。燃料改質触媒18は、モノリスハニカム触媒担体に例えばロジウム系の触媒金属を含む触媒スラリーをコーティングして焼成したものであり、還流排気(EGRガス)中に含まれる水蒸気ならびに熱を利用して炭化水素燃料から水素を生成する。
A
上記EGR通路17は、さらに、燃料改質触媒18よりも下流側の位置において、EGRガスを冷却する水冷ないし空冷のEGRガスクーラ21と、EGR率を目標EGR率に沿って制御するための排気還流制御弁22と、を備えている。また、燃料改質触媒18とEGRガスクーラ21との間には、EGRガス中の水素成分を検出する水素センサ23が設けられており、EGRガスクーラ21と排気還流制御弁22との間には、酸素センサ24が設けられている。なお、これらの水素センサ23および酸素センサ24は、吸気通路4における水素センサ8とともに、燃料改質により燃焼室に供給する水素量を制御するために用いられる。
The EGR
上記燃料改質触媒18の入口部、詳しくは該燃料改質触媒18とミキサー20との間には、ミキサー20を経て燃料改質触媒18に流入するガスの温度を検出する入口ガス温度センサ26が配置されている。上記燃料改質触媒18には、触媒担体温度を検出する触媒温度センサ27が配置されている。
An inlet
また、燃料改質触媒18に流入するガス中の酸素濃度を高めるために、本実施例では、燃料改質触媒18上流側に新気(空気)を導入する空気導入通路28が設けられている。この空気導入通路28は、一端が吸気通路4のスロットル弁6の上流側に接続され、かつ他端がEGR通路17の改質燃料用燃料噴射弁19の上流側に接続されている。そして、空気導入通路28は、空気導入量を可変制御可能なバタフライバルブ等からなる空気制御弁29を通路途中に備えている。
Further, in order to increase the oxygen concentration in the gas flowing into the
上記のような燃料改質システムを備えた内燃機関1においては、運転中の排気還流に際して燃料改質による水素を加えることで、高EGR率での安定した燃焼を図っている。すなわち、エンジンコントローラ15においては、内燃機関1の運転条件つまり負荷(トルク)と回転速度とをパラメータとして目標EGR率が予めマップの形で設定されており、この目標EGR率を実現するように排気還流制御弁22の開度が制御される。図2は、機関暖機完了後において排気還流を行う排気還流領域(符号EGRで示す)を示している。そして、この排気還流領域の中で目標EGR率があるレベルよりも高い領域においては、改質燃料用燃料噴射弁19から燃料改質触媒18へ改質用燃料を供給し、EGRガスに含まれる水蒸気ならびに熱および燃料改質触媒18の触媒作用を利用して、改質用燃料から水素を生成する。この水素は、EGRガスとともに吸気通路4における新気と合流し、燃焼室に導入される。水素の導入によって燃焼室内での燃焼速度が高められるため、高EGR率での安定した燃焼を実現できる。なお、改質用燃料の量は、内燃機関1の燃料噴射弁3からの燃料量と合わせた総量が理論空燃比を実現できるように設定される。
In the
ここで、本実施例では、通常の運転中の水素の供給においては、空気制御弁29が閉じており、空気導入通路28を介した積極的な空気の導入は行わない。
Here, in the present embodiment, when hydrogen is supplied during normal operation, the
一方、内燃機関1の冷間始動時には、エンジンコントローラ15は、排気浄化触媒12の暖機促進のために、点火時期を暖機後の基本点火時期に比較して大きく遅角させる点火時期リタードを実行する。そして、この点火時期リタードに併行して、上記燃料改質システムを作動させ、燃焼室内に水素を供給する。
On the other hand, when the
つまり、冷間始動後の点火時期リタードによる触媒暖機運転中は、図2に符号Aで示すアイドル(詳しくは機関回転速度を暖機後よりも高くしたファストアイドル)運転条件においても、排気還流制御弁22を介した排気還流が実行され、燃料改質触媒18に対し改質燃料用燃料噴射弁19から改質用燃料が供給される。特に、この点火時期リタードに伴う燃料改質に際しては、酸素増加処理として、空気導入通路28および空気制御弁29を介して燃料改質触媒18上流に空気が導入され、該燃料改質触媒18に流入するガス中の酸素濃度が高く与えられる。この酸素濃度の上昇に伴い、燃料改質触媒18によって生成される改質ガス中の水素濃度が高くなる。
That is, during the catalyst warm-up operation by the ignition timing retard after the cold start, the exhaust gas recirculation is performed even under the idle (specifically, the fast idle in which the engine rotation speed is higher than that after warm-up) operating conditions indicated by symbol A in FIG. Exhaust gas recirculation is performed via the
図3は、一例として、横軸を燃料改質触媒18の入口ガス温度、縦軸を燃料改質触媒18の出口における水素濃度として、両者の相関を示した特性図である。破線は、EGRガスのみで追加の酸素(空気)の供給がない場合の特性を示し、実線は、入口からのガスに6%の酸素が含まれるように酸素(空気)を追加的に供給した場合の特性を示している。なお、内燃機関1が理論空燃比で運転しているときの排気中には、一般に、0.5%前後の酸素が含まれている。
As an example, FIG. 3 is a characteristic diagram showing the correlation between the inlet gas temperature of the
図3に示すように、燃料改質触媒18に流入するガス中の酸素濃度を高めることで、生成される水素の濃度が上昇する。特に、冷間始動直後のように燃料改質触媒18に流入するガスの温度が比較的低い領域で、酸素濃度に応じた水素濃度の上昇が顕著である。この水素濃度の上昇は、主に、酸素濃度の上昇に伴い、改質燃料用燃料噴射弁19から供給された燃料の触媒上での酸化反応が促進されて、燃料改質触媒18の触媒担体温度が上昇することに起因する。なお、酸素濃度がさらに高いと、熱分解によっても水素濃度の上昇が生じる。
As shown in FIG. 3, by increasing the oxygen concentration in the gas flowing into the
また、冷間始動時においては、燃料および追加の酸素の供給による酸化反応を利用する燃料改質触媒18の触媒担体温度の上昇は、燃料や酸素の追加がない排気浄化触媒12の触媒担体温度の温度上昇に比較して、非常に短い時間で生じる。
Further, at the time of cold start, the temperature of the catalyst carrier of the
このようにして燃料改質触媒18で生成された比較的高い濃度の水素は、内燃機関1の暖機完了後の高EGR領域での運転時と同様に、新気とともに燃焼室に導入される。燃焼室内では、前述したように、水素が燃焼速度の向上に寄与するため、比較的高い濃度の水素の導入によって、点火時期リタードの条件下においても、燃焼室内での未燃HCの生成が抑制される。従って、排気浄化触媒12が活性温度に達するまでの間に外部へ排出されるHC排出量を抑制しつつ、点火時期リタードによる排気浄化触媒12の早期暖機が可能となる。
The hydrogen having a relatively high concentration generated by the
なお、高い濃度の水素の導入によって、燃焼が安定化するため、点火時期リタードにおける遅角限界がより遅角側となる。従って、改質システムによる水素の導入を前提として、点火時期リタード時の点火時期をより遅角側に設定することが可能であり、これによって、排気浄化触媒12の温度上昇をさらに早めることが可能である。
Since the combustion is stabilized by the introduction of high concentration of hydrogen, the retard limit in the ignition timing retard becomes more retarded. Therefore, on the assumption that hydrogen is introduced by the reforming system, it is possible to set the ignition timing at the ignition timing retard to a more retarded side, whereby the temperature rise of the
図4は、内燃機関1の始動時に上記エンジンコントローラ15が実行する処理の一例を示すフローチャートである。ステップ1では、例えば冷却水温などの機関温度に基づいて、今回の始動が冷間始動であるか否かを判別する。暖機再始動であれば、ステップ7へ進み、通常運転モードで内燃機関1を運転する。この通常運転モードでは、前述したように、所定の高EGR領域において燃料改質システムによる水素の導入が行われる。空気導入通路28からの空気導入は停止しており、点火時期は、機関運転条件(負荷および機関回転速度)に対応した基本点火時期に沿って制御される。
FIG. 4 is a flowchart showing an example of processing executed by the
なお、内燃機関1の始動中(換言すればクランキング中)は、燃料改質システムは停止している。つまり、排気還流制御弁22は閉じており、改質燃料用燃料噴射弁19は停止している。
The fuel reforming system is stopped while the
ステップ1で冷間始動であった場合には、ステップ2へ進み、排気浄化触媒12の暖機促進のために、点火時期リタードを実行する。そして、ステップ3において、燃料改質触媒18の温度上昇のための昇温モードを実行する。この昇温モードでは、排気還流制御弁22を適宜な開度まで開いて排気還流を行うとともに、改質燃料用燃料噴射弁19から比較的少量の改質用燃料を供給し、かつ、空気制御弁29を比較的小さな開度まで開いて比較的少量の空気(酸素)の追加的供給を行う。この昇温モードでの改質用燃料の供給量および空気の供給量は、触媒上での酸化反応により燃料改質触媒18を温度上昇させるのに必要な比較的少ない量にそれぞれ設定される。つまり、燃料改質触媒18が十分に活性する前に不必要に改質用燃料を供給しないようにしている。
If the engine is cold started in
次のステップ4では、触媒温度センサ27が検出する燃料改質触媒18の触媒担体温度が所定の活性温度に達したか否かを判定する。燃料改質触媒18の触媒担体温度が活性温度に達するまで、昇温モードでの運転を継続する。なお、燃料改質触媒18の温度上昇は、前述したように、排気浄化触媒12の温度上昇よりも速い。
In the next step 4, it is determined whether or not the catalyst carrier temperature of the
燃料改質触媒18の触媒担体温度が活性温度に達したら、ステップ5へ進み、水素始動モードに移行する。この水素始動モードでは、排気還流を継続しつつ、改質燃料用燃料噴射弁19からの改質用燃料の供給量を増加し、かつ、空気制御弁29の開度を大きくして十分な量の空気(酸素)の追加的供給を行う。これにより、燃料改質触媒18を介して多量の水素が生成され、燃焼室へ導入される。従って、排気浄化触媒12の暖機促進のために点火時期リタードを実行している内燃機関1での燃焼速度が高くなって燃焼が安定化し、上述したように、点火時期リタードに伴うHC生成が抑制される。
When the temperature of the catalyst carrier of the
ステップ6では、触媒温度センサ16が検出する排気浄化触媒12の触媒担体温度が所定の活性温度に達したか否かを判定する。排気浄化触媒12の触媒担体温度が活性温度に達するまで、点火時期リタードとともに水素始動モードでの運転を継続する。
In
排気浄化触媒12の触媒担体温度が活性温度に達したら、ステップ7へ進み、通常運転モードへ移行する。つまり、点火時期リタードを終了して、点火時期を基本点火時期に沿ったものとし、空気導入通路28を介した空気導入を停止する。また、このときアイドル運転条件であれば、排気還流ならびに燃料改質は停止する。
When the temperature of the catalyst carrier of the
図5は、上述したフローチャートに従って実行される冷間始動後の暖機運転の状況を示すタイムチャートである。(a)欄は、内燃機関1の排気浄化触媒12を通して外部へ排出されるエンジン排出HCの特性、(b)欄は、点火時期リタードの実行を表す点火時期リタードフラグの状態、(c)欄は、排気浄化触媒12ならびに燃料改質触媒18の各々の触媒担体温度の変化および対応する運転モード、をそれぞれ示している。
FIG. 5 is a time chart showing the state of the warm-up operation after the cold start executed according to the above-mentioned flowchart. The column (a) shows the characteristics of the engine exhaust HC discharged to the outside through the
時間t0において冷間始動がなされると、実質的に同時に、点火時期リタードが開始される。この点火時期リタードによって排気温度が高くなるため、排気浄化触媒12の触媒担体温度は比較的速やかに上昇していく。また、燃料改質システムは、昇温モードとして作動開始する。この昇温モードでの運転により、燃料改質触媒18に比較的少量の改質用燃料および追加の酸素が供給されるため、燃料改質触媒18の触媒担体温度は急速に上昇する。特に、排気浄化触媒12の温度上昇に比較して、燃料改質触媒18の温度上昇はより急激に得られる。そして、時間t1において燃料改質触媒18の触媒担体温度が所定の活性温度T1に達する。
When the cold start is performed at time t0, the ignition timing retard is started substantially at the same time. Since the exhaust temperature rises due to this ignition timing retard, the catalyst carrier temperature of the
時間t1において活性温度T1に達したら、燃料改質システムは、水素始動モードに移行する。水素始動モードでの十分な量の改質用燃料と追加の酸素の供給により、多量の水素が生成される。従って、改質ガス中の水素濃度ひいては燃焼室内における吸気中の水素濃度が高くなる。これにより、点火時期リタードの下での燃焼が安定化し、かつHC生成量が減少する。 When the activation temperature T1 is reached at time t1, the fuel reforming system shifts to the hydrogen starting mode. Providing a sufficient amount of reforming fuel and additional oxygen in the hydrogen start mode produces a large amount of hydrogen. Therefore, the hydrogen concentration in the reformed gas, and thus the hydrogen concentration in the intake air in the combustion chamber, becomes high. This stabilizes the combustion under the ignition timing retard and reduces the amount of HC produced.
(a)欄には、燃料改質による水素導入を行わない場合のHC排出量の特性を「比較例」として破線で示しているが、図示するように、燃焼室壁温が低い始動直後には、HC生成量が多く、特に点火時期リタードに伴ってさらにHC生成量が増加する。このように多く生成されたHCは、排気浄化触媒12の活性前は、殆ど浄化されることなく放出されてしまう。
In the column (a), the characteristic of the HC emission amount when hydrogen is not introduced by the fuel reforming is shown by a broken line as a “comparative example”. Has a large amount of generated HC, and particularly the amount of generated HC further increases with ignition timing retard. The HC thus produced in large quantity is discharged without being purified before the
これに対し、(a)欄に実線で示すように、上記実施例によれば、燃焼速度向上に寄与する水素を改質ガスとして高い濃度で供給することにより、HCの生成そのものが抑制され、排気浄化触媒12の活性前に放出されるHC排出量が低減する。
On the other hand, as shown by the solid line in the column (a), according to the above-described embodiment, by supplying hydrogen that contributes to the improvement of the combustion speed at a high concentration as the reformed gas, the generation of HC itself is suppressed, The amount of HC emission released before the activation of the
その後、時間t2において排気浄化触媒12が活性温度T2に達し、通常運転モードに移行する。これにより、点火時期リタードは終了する。排気浄化触媒12の活性温度T2と燃料改質触媒18の活性温度T1とは、通常は大差のない温度である。
Then, at time t2, the
なお、点火時期リタードのリタード量は、排気浄化触媒12が活性温度T2に達するまでの間一定である必要はなく、触媒担体温度の上昇(あるいは始動後の時間経過)に伴って徐々にリタード量を縮小するようにしてもよい。
The retard amount of the ignition timing retard does not have to be constant until the
以上、この発明の一実施例を説明したが、この発明は上記実施例に限られるものではなく、種々の変更が可能である。 Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made.
例えば、上記実施例における昇温モードを省略し、冷間始動後、直ちに水素始動モードを開始するようにしてもよい。つまり、上記実施例の昇温モードでは、燃料改質触媒18の温度上昇に必要な比較的少量の改質用燃料および追加の酸素の供給を行うことで、燃料改質触媒18に不必要に燃料が供給されないようにし、触媒劣化の抑制等を図っているが、昇温モードを省略して水素始動モードを直ちに開始しても、燃料改質触媒18の温度上昇には大差がなく、上記実施例と同様に冷間始動直後のHCの抑制が図れる。
For example, the temperature increasing mode in the above embodiment may be omitted and the hydrogen starting mode may be started immediately after the cold starting. That is, in the temperature raising mode of the above-described embodiment, the
また、昇温モードとして、改質用燃料の供給や追加の酸素の供給を行うことなく、排気還流制御弁22を適宜な開度まで開いて排気還流のみを行うようにしてもよい。
Further, as the temperature raising mode, the exhaust gas
また、上記実施例では、図4のステップ4において触媒温度センサ27の検出温度から燃料改質触媒18の活性を判断しているが、始動から所定時間が経過したか否かを判定し、所定時間経過時点で燃料改質触媒18が活性しているとみなして水素始動モードに移行するようにしてもよい。
Further, in the above embodiment, the activity of the
さらに、上記実施例では、燃料改質触媒18に流入するガス中の酸素濃度を高める酸素増加処理として、空気導入通路28および空気制御弁29を介して空気の導入を行うようにしているが、内燃機関1の空燃比をリーン化することで、酸素濃度を高めるようにしてもよい。つまり、冷間始動後の点火時期リタード実行に併せて、内燃機関1の空燃比を理論空燃比よりもリーン化する。これにより排気中に残存する酸素の濃度が高くなり、EGR通路17を通して燃料改質触媒18に与えられるガス中の酸素濃度が高くなる。従って、上記実施例と同様に、改質ガス中の水素濃度が高く得られる。
Further, in the above embodiment, air is introduced through the air introduction passage 28 and the
このようなリーン化による方法では、上記実施例の空気導入通路28および空気制御弁29のような空気供給機構が不要であり、空燃比の制御のみで足りるので、構成が簡単となる利点がある。なお、この場合も、リーン化の程度を変更することで、昇温モードと水素始動モードとで酸素濃度を変更することが可能である。
Such a lean method does not require an air supply mechanism such as the air introduction passage 28 and the
1…内燃機関
2…燃料タンク
3…燃料噴射弁
4…吸気通路
5…エアフロメータ
6…スロットル弁
11…排気通路
12…排気浄化触媒
16…触媒温度センサ
15…エンジンコントローラ
17…EGR通路
18…燃料改質触媒
19…改質燃料用燃料噴射弁
21…EGRガスクーラ
22…排気還流制御弁
27…触媒温度センサ
28…空気導入通路
29…空気制御弁
DESCRIPTION OF
Claims (6)
内燃機関の冷間始動後のアイドル運転時に、
点火時期リタードを実行し、
上記燃料改質触媒を通した排気の還流を実行し、かつ上記改質用燃料噴射弁から改質用の燃料を供給するとともに、上記燃料改質触媒に流入するガス中の酸素濃度を高める酸素増加処理を行う、ことを特徴とする内燃機関の排気浄化触媒の暖機方法。 An exhaust system is provided with at least one exhaust purification catalyst, and a fuel reforming catalyst and a reforming fuel for supplying fuel from the upstream side to the fuel reforming catalyst in an EGR passage for recirculating a part of exhaust gas to the intake system. In an internal combustion engine including a fuel injection valve,
During idle operation after cold start of the internal combustion engine,
Perform ignition timing retard,
Oxygen for performing exhaust gas recirculation through the fuel reforming catalyst, supplying reforming fuel from the reforming fuel injection valve, and increasing the oxygen concentration in the gas flowing into the fuel reforming catalyst. A method for warming up an exhaust gas purification catalyst for an internal combustion engine, characterized by performing an increasing process.
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