JP7387647B2 - 汚染制御触媒コンバータの着火を管理するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、（ガソリンで動作する）排出制御型の内燃機関の汚染制御触媒の着火を管理するための方法に関する。有利には、この方法は、そのようなエンジンを搭載した自動車に有用である。

汚染排出規制を満たすために、ガソリンエンジンシステムでの三元触媒が義務となっている。実際、三元触媒により、３つの主要な汚染物質、すなわち未燃炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、および窒素酸化物（ＮＯｘ）を平均９８％超の効率で処理することが可能である。現在、触媒は、着火温度と呼ばれる特定の温度に達したときにのみ効果的になる。

現在、冷間始動後のできるだけ早い時点での触媒の活性化（ｍｉｓｅ ｅｎ ａｃｔｉｏｎ；ＭＥＡ）を可能にするエンジン制御戦略がある。これらの戦略は、エンジン排気時の熱損失をもたらすエンジンの燃焼効率の低下により、迅速なウォームアップを得るためにエンジンの特定の設定パラメータを適合させることにある。

しかし、これらの制御戦略を用いて、ウォームアップ中に触媒に送られるカロリー量を知ることは不可能である。加熱の停止が早すぎる場合、触媒は十分に加熱されず、したがって十分な効果が得られない。他方、安全のために非常に長く加熱が続けられた場合、これは燃料の過剰消費を招き、長時間にわたりエンジンの燃焼効率が低下してしまう。言い換えると、これらの戦略は、触媒の着火温度に達したその瞬間に活性化段階を停止できるほどには正確でない。

いくつかの現在のエンジン制御戦略は、開ループモードで推定器を用いずに活性化の管理を可能にする先行技術から知られている。

例えば、欧州特許公開第０６３９７０８号明細書が、触媒をその動作温度まで迅速に加熱するために使用される内燃機関制御方法を開示している。エンジンに供給する空気の質量流量は、燃料の重量の適合と共に増加され、着火角は、できるだけ遅角方向にずらされる。これは、エンジントルクを維持しながら、排ガスの質量流量を増加し、したがって排ガスの温度を上昇させることを可能にすることを意味する。これは、排ガスのエンタルピー流の増加に相当し、触媒の迅速な加熱を可能にする。それにもかかわらず、そのような方法では、供給された熱量が測定も制御もされないので精度に欠ける。

そのため、以下の帰結がもたらされることがある。
－ 活性化の停止が早すぎて、触媒がその最適な汚染物質処理温度に達していない。この場合、それにより一時的に過剰な汚染物質の排出が生じることがある。
－ または、活性化の停止が遅すぎて、触媒が、ある瞬間からその最適な汚染物質処理温度に達している。この場合、それにより燃料の過剰消費になり得て、望ましくない。

本発明による触媒の着火を管理するための方法は、厳密に適切な瞬間に活性化を停止するために、確実にかつ正確に触媒の着火温度に達することを可能にする。

本発明の主題は、ガソリンエンジンの排気ラインに配置された三元触媒の着火を管理するための方法であって、上記エンジンが、少なくとも１つの排気弁をそれぞれ設けられたシリンダを備える、方法である。

本発明によれば、本発明による管理方法は、以下のステップを含む。
－ 排ガスのエンタルピーＨを計算して、触媒への供給量を決定することを可能にするステップ、
－ 触媒の着火を合図する閾値エンタルピー値Ｓを決定するステップ、および
－ 計算されたエンタルピー値Ｈが上記閾値エンタルピー値Ｓに達したとき、触媒の活性化を停止するステップ。

そのような方法の原理は、排ガスによって供給される熱量により、触媒の温度上昇時間を正確に制御することである。このようにすると、現行の方法が提案しているように任意の活性化停止値を設定することによって固定的に行うのではなく、厳密に適切な瞬間に触媒の活性化の停止が行われる。したがって、本発明による方法は、排ガスと触媒との相互作用に関連する物理化学的現象を考慮に入れた、できるだけ適正な手法を提案する。優先的に、そのような管理方法は、車両に埋め込まれたコンピュータであって、そのような方法の主要なステップを実行することができるプログラムを有するコンピュータによって稼働される。

有利には、エンタルピーの計算は、以下の時間積分に基づいて実施され、この積分は、エンジンが始動されるときに始まる。
ΔＨ＝∫Ｑｅｃｈ×Ｃｐ×Ｔａｖｔ×ｄｔ
ここで、
・Ｑｅｃｈ＝排気時のガスの質量流量［ｋｇ／ｈ］
・Ｃｐ＝排ガスの熱容量［Ｊ／ｋｇ／Ｋ］
・Ｔａｖｔ＝排気弁でのガスの温度［Ｋ］

排ガスの熱容量は定数であり、排気時のガスの質量流量と、排気弁でのガスの温度とが、適切なセンサで測定することができるまたはあらかじめ確立されたマッピングから導出することができる２つのパラメータであることに留意されたい。

例えば、排気時のガスの質量流量は、流量計によって決定される。また、質量流量は、それ自体知られているように、エンジンの吸気弁の開位置から、ならびにエンジン吸気マニホールドの圧力値および温度値から導出することができる。

好ましくは、排気弁でのガスの温度は、トルクおよびエンジン速度の関数であり、エンジンの水温Ｔ°、点火進角、およびシリンダ内の燃料空気比によって補正されたマッピングモデル（ｍｏｄｅｌｅ ｃａｒｔｏｇｒａｐｈｉｑｕｅ）から導出される推定量によって事前にモデル化することができる。

変形形態として、排ガスの温度は、排気弁に近接して位置する排気回路の１点、例えばエンジン排気マニホールドの１点での排ガスの温度から導出することができる。

有利には、閾値エンタルピー値Ｓは、始動時エンジン水温と触媒の老化の状態との関数である。このようにすると、始動時の水温が高ければ高いほど、触媒を加熱するために追加しなければならないカロリーは少なくなる。同様に、新しい触媒の着火温度はより古い触媒の着火温度よりも低いので、触媒が新しければ新しいほど、上記触媒をその着火温度にするのにかかる時間が少なくなる。

有利には、閾値エンタルピー値Ｓが、エンジンの始動時の水温の減少関数である第１の係数と、０に近い正の値と１に近い値との間にあり、触媒の老化の状態によって決まる第２の係数との積である。

好ましくは、第２の係数は、触媒が新しいときは０に近い値に向かう傾向があり、触媒が非常に古いときは１に近い値に向かう傾向がある。

例えば、触媒の老化の状態は、上記触媒の上流での燃料空気比信号の振幅に対する、触媒の下流での燃料空気比の信号の振幅の減衰から決定され、これは、その酸素吸蔵能（ｏｘｙｇｅｎ ｓｔｏｒａｇｅ ｃａｐａｃｉｔｙ；その頭字語を取ってＯＳＣとも呼ばれる）を特徴付ける。例えば、三元触媒の老化の状態を評価するためのそのような方法を提示する仏国特許出願公開第２９８１６９０号明細書を参照することができる。

本発明による管理方法は、触媒の活性化を停止するための具体的であり現実的な解決策を提案するという利点を提供し、それにより、触媒がその着火温度に達する前にカロリーの供給が中断された場合に触媒の効率が非常に悪くなることを避ける、または触媒がその着火温度にすでに達していてもカロリーが引き続き供給される場合に燃料の過剰消費となることを避ける。その結果、そのような方法を用いると、触媒は、始動時の水温および触媒の老化の状態にかかわらず、常に効果的になる。

以降、本発明による管理方法の好ましい実施形態の詳細な説明を、以下の図を参照して述べる。

４つの異なるケースで特定の運転スタイルと触媒の老化の状態とを組み込んだいくつかの構成による触媒の活性化の停止を示す、時間の関数としての触媒の温度のグラフである。

本発明による管理方法の原理は、触媒へ送られる熱量またはカロリー量を推定して、厳密に適切な時点に触媒の活性化を停止することにある。本管理方法は、ガソリンエンジンを備える車両に組み込まれたコンピュータによって実施され、上記エンジンは、少なくとも１つの吸気弁および少なくとも１つの排気弁をそれぞれ設けられたシリンダを備えると仮定される。

ここで、そのような方法は、以下のステップを含む。

－排ガスのエンタルピーＨを計算して、触媒へ供給される熱量を決定することを可能にするステップ。実際、触媒の着火の検出は、排ガスのエンタルピーＨを監視することによって行われ、エンタルピーＨは、以下の時間積分から計算され、この積分は、エンジンが始動するときに始まる：
ΔＨ＝∫Ｑｅｃｈ×Ｃｐ×Ｔａｖｔ×ｄｔ
ここで、
・Ｑｅｃｈは、排気時のガスの質量流量［ｋｇ／ｈ］である。この流量は、例えば流量計を用いて測定することができる。
・Ｃｐは、排ガスの熱容量［Ｊ／ｋｇ／Ｋ］であり、定数である。
・Ｔａｖｔは、排気弁でのガスの温度［Ｋ］である。この温度は、エンジン速度およびトルクの関数であり、エンジンの水温Ｔ°、点火進角、およびシリンダ内の燃料空気比によって補正されたマッピングモデルから導出される推定量によって事前にモデル化することができる。なお、燃料空気比は、燃料量を空気量で割った比である。したがって、弁でのガスのこの温度は、運転者の運転スタイルによって決まり、運転スタイルは、例えばスポーティな運転またはフレキシブルな運転であり得る。

－触媒の着火を合図する閾値エンタルピー値Ｓを決定するステップ。この閾値エンタルピーは、２つのパラメータ、すなわち始動時の水温と触媒の老化の状態との関数である。したがって、非限定的な例として、閾値エンタルピーＳは、以下のものの積に等しい。
・エンジンが始動するときの水温の減少関数である第１の係数。したがって、始動時の水温が高ければ高いほど、触媒を加熱するために追加しなければならないカロリーは少なくなる。
・触媒の老化の状態に応じた、０に近い値と１に等しい値との間にある第２の係数。ここで、この第２の係数は、触媒が新しいときには０に向かう傾向があり、触媒が非常に古いときには１である。このことは、触媒が新しければ新しいほど、上記触媒をその着火温度にするために加熱するのにかかる時間が少なくなるということを反映する。触媒の老化は、触媒の効果の喪失に相当し、例えば、触媒の上流で酸素プローブによって測定された触媒の上流での燃料空気比の信号の振幅に対する、触媒の下流で酸素プローブによって測定された触媒の下流での燃料空気比の信号の振幅の減衰から決定することができる。触媒の老化の状態を決定するために、例えば最大酸素吸蔵能の計算など当業者に知られている任意の他の診断方法を使用することもできる。

－計算されたエンタルピー値Ｈが閾値エンタルピー値Ｓに達したとき、触媒の活性化を停止するステップ。

所与の車両運転タイプおよび所与の触媒老化状態について上記触媒の活性化期間の関数として上記触媒の温度変化を示す図１を参照すると、曲線１は、スポーティな運転に関し、曲線２は、より遅い運転に関する。スポーティな運転に対応する温度は、エンジンの排気時のカロリー量の放出がより大きいため、より遅い運転に対応する温度よりも迅速に上昇する。したがって、触媒の着火温度が全く同じである場合、必要な活性化期間は、より遅い運転の場合よりもスポーティな運転の場合のほうが短い。

また、図１のグラフの縦軸で見ることができるように、新しい触媒の着火温度Ｔ_{ｌ－ｏ，ｎｅｗ}は、古い触媒の着火温度Ｔ_{ｌ－ｏ，ｏｌｄ}よりも低い。したがって、運転プロファイルが同じ場合、必要な活性化期間は、古い触媒の場合よりも新しい触媒の場合のほうが短い。

この２つの比較の結果として、図１に表される以下の次の４つのケースＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄに対応する活性化期間のランキングが得られる。
－ ケースＡ：活性化期間ｔ_Ａ；スポーティな運転での新しい触媒のケース
－ ケースＢ：活性化期間ｔ_Ｂ；ケースＡと同じスポーティな運転での古い触媒のケース
－ ケースＣ：活性化期間ｔ_Ｃ；遅い運転での、ケースＡと同じ新しい触媒のケース
－ ケースＤ：活性化期間ｔ_Ｄ；ケースＣと同じ遅い運転での、ケースＢと同じ古い触媒のケース

以下の不等式が成り立つことが分かる。
ｔ_Ａ＜ｔ_Ｂ、およびｔ_Ｃ＜ｔ_Ｄ（触媒の老化のみの効果）
ｔ_Ａ＜ｔ_Ｃ、およびｔ_Ｂ＜ｔ_Ｄ（運転プロファイルのみの効果）

また、触媒の老化は、運転プロファイルのタイプよりも活性化期間に大きな影響を及ぼすことが分かっており、これは、不等式ｔ_Ｂ＜ｔ_Ｃの検証によって反映され、したがって以下の階層が検証される。
ｔ_Ａ＜ｔ_Ｂ＜ｔ_Ｃ＜ｔ_Ｄ

非限定的に、触媒のこの加熱を生成するためにエンジンの設定を様々なタイプに変更することが可能である。

例えば、非常に短い活性化（例えばケースＡ）の場合、アイドリング過回転を増加させることが容易に可能である。わずかに長い活性化（例えばケースＢおよびＣ）の場合には、アイドリング時にのみ生じる過回転の増加に、動作点の全てにわたるエンジンの特定の設定モードを加えることが可能であり、これは点火進角の減少である。最後に、活性化がより長くされる（例えばケースＤ）場合には、例えば一定時間後に、例えば過剰消費の増加という代償を払って、例えばシリンダへの燃料の注入を遅らせることによってエンジンの燃焼効率をさらに低下させることが可能である。本発明の範囲から逸脱することなく、代替として活性化期間に応じて、または組み合わせて他の設定選択を行うことができることは明らかである。

Claims (7)

1. ガソリンエンジンの排気ラインに配置された三元触媒の着火を管理するための方法において、前記エンジンが、少なくとも１つの排気弁をそれぞれ設けられたシリンダを備え、
   排ガスのエンタルピーＨを計算して、前記触媒へ供給される熱量を決定することを可能にするステップと、
   始動時の前記エンジンの水温と前記触媒の老化の状態との関数であり、前記触媒の着火を合図する閾値エンタルピー値Ｓを決定するステップと、
   計算された前記エンタルピーＨが前記閾値エンタルピー値Ｓに達したとき、前記触媒の活性化を停止するステップと
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記エンタルピーの前記計算が、以下の時間積分に基づいて実施され、前記積分が、前記エンジンが始動されるときに始まり、
   ΔＨ＝∫Ｑｅｃｈ×Ｃｐ×Ｔａｖｔ×ｄｔ
   であり、ここで、
   Ｑｅｃｈ＝排気時のガスの質量流量［ｋｇ／ｈ］、
   Ｃｐ＝排ガスの熱容量［Ｊ／ｋｇ／Ｋ］、および
   Ｔａｖｔ＝排気弁でのガスの温度［Ｋ］
   であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記排気時のガスの前記質量流量が、流量計を用いて決定されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記排気弁での前記ガスの前記温度が、トルクおよびエンジン速度の関数であり、前記エンジンの水温Ｔ°、点火進角、および前記シリンダ内の燃料空気比によって補正されたマッピングモデルから導出される推定量によって事前にモデル化されることを特徴とする請求項２または３に記載の方法。
5. 前記閾値エンタルピー値Ｓが、前記エンジンの始動時の前記水温の減少関数である第１の係数と、０に近い正の値と１に近い値との間にあり、前記触媒の老化の前記状態によって決まる第２の係数との積であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 前記第２の係数が、前記触媒が新しいときには０に近い値に向かう傾向があり、前記触媒が非常に古いときには１に近い値に向かう傾向があることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記触媒の老化の前記状態が、前記触媒の上流での燃料空気比の信号の振幅に対する、前記触媒の下流での燃料空気比の信号の振幅の減衰から決定されることを特徴とする、請求項５または６に記載の方法。
   

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