JPH11351019A - リーンバーンエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】冷態始動後のＮＯｘ吸蔵触媒の活性化時期を適
正に推定し、リーンバーン運転へ早期に移行させること
で、燃費向上、排気エミッションの低減を図る。 【解決手段】冷却水温Ｔｗが冷態判定温度Ｔｗｏ以下の
冷態時、エンジン回転数ＮEが設定値ＮEｏ以上で、且つ
吸気管圧力Ｐｍが設定値Ｐｍｏ以上の排気ガス温度上昇
過程にあり、しかもこの状態の積算時間ＴＭ２が触媒活
性化判定時間ＴＭ２ｏに達したとき、ＮＯｘ吸蔵触媒が
活性化したと推定して、リーンバーン運転を許可する(S
8)。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷態時であっても
一定条件を満足したときはリーン空燃比による運転を許
可するリーンバーンエンジンに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、低負荷、中負荷運転域での燃
焼を改善し、リーン空燃比での安定燃焼を可能とし、理
論熱効率の向上、ポンピングロス低減によって燃費向上
と低公害化との双方を実現するリーンバーンエンジンが
知られている。

【０００３】このようなリーンバーンエンジンでは、機
関冷間時にリーン空燃比で燃焼を行うと、失火や出力不
足などにより運転性が悪化するため、例えば、特開昭５
８−２１１５４４号公報に開示されているように、冷却
水温が６０℃以下では、冷間時と判断してリーン空燃比
による運転（リーンバーン運転）を一律に禁止している
ものがある。更に、機関冷間時の触媒温度が低く活性化
していない状態では、触媒によるＮＯｘ吸蔵率が低く、
排ガス浄化率が低下しているため、通常、リーンバーン
運転を禁止し、運転状態を理論空燃比による通常運転
（ストイキオ運転）に切換えるようにしている。

【０００４】触媒が安定してＮＯｘを吸着し、或いは浄
化することの可能な活性温度に達しているか否か判定す
る手段としては、排気系に温度センサを取付け、触媒温
度或いは排気温度を直接検出する方法と、エンジン運転
状態から推定する方法とがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、触媒の活性
化を正確に推定できれば、リーンバーン運転への移行タ
イミングを早期化して、より一層の燃費向上、低公害化
を実現することができる。しかし、上記先行技術では、
単に、暖機運転の完了を触媒活性化と推定しているに過
ぎないため、リーンバーン運転への移行タイミングに遅
れが生じ、燃費向上、排気エミッションの改善を得るに
は限界がある。

【０００６】本発明は、上記事情に鑑み、触媒の活性化
時期を適切に推定し、リーンバーン運転への移行タイミ
ングを早期化し、より一層の燃費向上、排気エミッショ
ンの低減を図ることのできるリーンバーンエンジンを提
供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明による第１のリーンバーンエンジンは、運転状態
に応じてリーン空燃比による運転と理論空燃比による運
転とを切換えるものにおいて、エンジン冷態時のエンジ
ン回転数とエンジン負荷とを検出し、上記エンジン回転
数と上記エンジン負荷とがそれぞれ排気ガス温度上昇判
定値以上で、且つその積算時間が触媒活性化判定時間以
上となったときリーン空燃比による運転を許可すること
を特徴とする。

【０００８】第２のリーンバーンエンジンは、第１のリ
ーンバーンエンジンにおいて、冷態始動後の連続運転時
間が予め設定した触媒活性時間に到達したときはリーン
空燃比による運転を許可することを特徴とする。

【０００９】即ち、第１のリーンバーンエンジンでは、
エンジン冷態時のエンジン回転数とエンジン負荷とを検
出し、このエンジン回転数とエンジン負荷とがそれぞれ
排気ガス温度上昇判定値以上で、且つその積算時間が触
媒活性化判定時間以上となったとき、触媒が活性化した
と推定し、リーン空燃比による運転を許可する。

【００１０】第２のリーンバーンエンジンでは、第１の
リーンバーンエンジンにおいて、冷態始動後の連続運転
時間が、予め設定した触媒活性時間に到達したときはリ
ーン空燃比による運転を許可する。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の一
実施の形態を説明する。図２の符号１は、自動車等の車
輌用のエンジン（図においては、直列多気筒エンジン）
で、運転状態に応じて理論空燃比による通常燃焼による
運転（ストイキオ運転）と、希薄燃焼による運転（リー
ンバーン運転）との双方が選択可能であり、リーンバー
ン運転時は、筒内に供給される吸入空気にスワール流、
タンブル流などの渦流が生成されガス流動が強化され、
リーン混合気での燃焼が可能となる。

【００１２】又、上記エンジン１のシリンダヘッド２に
各気筒に対応してそれぞれ吸気ポート２ａと排気ポート
２ｂが形成されている。このエンジン１の吸気系は、各
吸気ポート２ａにインテークマニホルド３が連通され、
このインテークマニホルド３に各気筒の吸気通路が集合
するエアーチャンバ４を介してスロットルチャンバ５が
連通され、更に、このスロットルチャンバ５の上流側に
吸気管６を介してエアークリーナ７が取り付けられ、こ
のエアークリーナ７がエアーインテークチャンバ８に連
通されている。

【００１３】又、上記スロットルチャンバ５には、アク
セルペダルに連動するスロットル弁５ａが設けられてい
る。上記吸気管６には、スロットル弁５ａをバイパスす
るバイパス通路９が接続され、このバイパス通路９に、
その弁開度により該バイパス通路９を流れるバイパス空
気量を調整することでアイドル回転数を制御するアイド
ル回転数制御（ＩＳＣ）弁１０が介装されている。

【００１４】上記ＩＳＣ弁１０は、電子制御装置（ＥＣ
Ｕ）４０により制御され、本実施の形態では、ＥＣＵ４
０から出力される駆動信号のデューティ比が大きいほど
弁開度が増加して、バイパス空気量を増し、アイドル回
転数を上昇させ、デューティ比が小さいほど弁開度が減
少してバイパス空気量の減少によりアイドル回転数を低
下する。

【００１５】又、エンジン１の排気系としては、シリン
ダヘッド２の各排気ポート２ｂに連通する排気マニホル
ド１１の集合部に排気管１２が連通され、この排気管１
２にＮＯｘ吸蔵触媒１３が介装されて、マフラ１４に連
通されている。

【００１６】一方、上記吸気マニホルド３の各吸気ポー
ト２ａの直上流にはインジェクタ１５が臨まされてい
る。更に、上記シリンダヘッド２の各気筒毎に、先端の
放電電極を燃焼室に露呈する点火プラグ１６が取り付け
られており、この点火プラグ１６の点火コイル１８がイ
グナイタ１９に接続されている。

【００１７】イグニッションスイッチをＯＮすると、電
源リレー２０がＯＮし、ＥＣＵ４０が起動し、このＥＣ
Ｕ４０によりエンジン運転状態に応じて点火時期が演算
され、この点火時期に対応する点火信号がＥＣＵ４０か
らイグナイタ１９に出力されると、イグナイタ１９によ
って点火コイル１８の一次側がＯＮ，ＯＦＦされ、点火
コイル１８の二次側に誘起された高電圧が点火プラグ１
６に配電され、点火される。

【００１８】更に、エンジン１には、エンジン運転状態
を検出するための各種センサ類が配設されている。これ
らセンサ類について説明すると、スロットル弁５ａにス
ロットル開度センサ２１が連設され、又、上記エアーチ
ャンバ４に、スロットル弁５ａ下流の吸気管圧力を絶対
圧で検出する吸気管圧力センサ２３が連通されている。

【００１９】又、エンジン１のシリンダブロック１ａに
冠設するシリンダヘッド２に形成された冷却水通路２ｃ
に冷却水温センサ２５が臨まされ、更に、ＮＯｘ吸蔵触
媒１３の上流に、ストイキオ運転時の空燃比を排気ガス
中の酸素濃度から検出するＯ2センサ２６が配設されて
いる。

【００２０】更に、エンジン１のクランク軸にクランク
ロータ２７が連設され、又、クランク軸に対して１／２
回転するカム軸に、カムロータ２８が連設されている。
更に、上記クランクロータ２７の外周にクランク角セン
サ２９が対設され、一方、カムロータ２８にカム角セン
サ３０が対設されている。

【００２１】上記クランクロータ２７の外周には、クラ
ンク角検出用の突起（或いはスリット）が設定クランク
角毎に形成されており、又、上記カムロータ２８の外周
には気筒判別用の突起（或いはスリット）が形成されて
いる。上記クランク角センサ２９、カム角センサ３０で
は、上記各ロータ２７，２８に形成されている突起を検
出するとクランクパルス、カムパルスを、ＥＣＵ４０へ
出力する。ＥＣＵ４０では、クランクパルスの間隔時間
から、エンジン回転数ＮEを算出し、カムパルスから燃
料噴射対象気筒、及び点火対象気筒の気筒判別を行う。

【００２２】上記ＥＣＵ４０は、図３に示すように、Ｃ
ＰＵ４１、ＲＯＭ４２、ＲＡＭ４３、バックアップＲＡ
Ｍ４４、及びＩ／Ｏインターフェイス４６がバスライン
を介して互いに接続されたマイクロコンピュータを中心
として構成され、その他、各部に安定化電源を供給する
定電圧回路４７、Ｉ／Ｏインターフェイス４６に接続さ
れる駆動回路４８、及びＡ／Ｄ変換器４９等の周辺回路
が内蔵されている。

【００２３】上記定電圧回路４７は、２回路のリレー接
点を有する電源リレー２０の第１のリレー接点を介して
バッテリ５０に接続され、このバッテリ５０に電源リレ
ー２０のリレーコイルが、イグニッションスイッチ５
１、及びバッテリ側からリレーコイルへ順方向のダイオ
ード５２を介して接続されている。

【００２４】又、上記定電圧回路４７は、電源リレー２
０の第１のリレー接点を介してバッテリ５０に接続され
ているのみならず、直接、バッテリ５０に接続されてお
り、イグニッションスイッチ５１がＯＮされて電源リレ
ー２０のリレー接点が閉となるとＥＣＵ４０内の各部に
電源を供給する一方、イグニッションスイッチ５１のＯ
Ｎ，ＯＦＦに拘らず、常時、バックアップＲＡＭ４４に
バックアップ用の電源を供給する。尚、上記電源リレー
２０の第２のリレー接点からは、各アクチュエータへの
電源線が延出されている。

【００２５】上記Ｉ／Ｏインターフェイス４６の入力ポ
ートには、クランク角センサ２９、カム角センサ３０が
接続されており、更に、Ａ／Ｄ変換器４９を介して、ス
ロットル開度センサ２１、吸気管圧力センサ２３、冷却
水温センサ２５、及びＯ2センサ２６が接続されると共
に、バッテリ電圧ＶBがイグニッションスイッチ５１、
電源リレー２０を介して入力されてモニタされる。

【００２６】一方、上記Ｉ／Ｏインターフェイス４６の
出力ポートには、ＩＳＣ弁１０、インジェクタ１５が駆
動回路４８を介して接続されると共に、イグナイタ１９
が接続されている。更に、この駆動回路４８からセルフ
シャット信号線を介して電源リレー２０のリレーコイル
（ダイオード５２のカソード側）が接続され、イグニッ
ションスイッチ５１のＯＦＦ後も、必要に応じて電源リ
レー２０のＯＮ状態を一定時間保持し、その間、ＥＣＵ
４０等に対して電源を継続的に供給する。

【００２７】上記ＣＰＵ４１では、ＲＯＭ４２に記憶さ
れているプログラムに従って、各センサ、及びスイッチ
類からの出力信号に基づき、インジェクタ１５、イグナ
イタ１９及びＩＳＣ弁１０に対する制御量及び点火時期
等の演算を実行して制御信号及び点火信号を出力する一
方で、リーンバーン運転条件を調べ、リーンバーン運転
条件が成立したときはリーンバーン運転を許可し、不成
立時はリーンバーン運転を不許可として、ストイキオ運
転へ移行させる。

【００２８】リーンバーン運転時においてはエンジン回
転数ＮE、及び吸気管圧力Ｐｍに基づきリーン化限界を
検出し、リーン化限界に達したときは空燃比をリッチ側
へ補正し、又リーン化限界に達してないときは空燃比を
リーン側へ補正する燃焼制御を実行すると共に、点火時
期を成層混合気に着火可能なタイミングに進角させる。

【００２９】上記リーンバーン運転条件は、図１に示す
リーンバーン運転条件判定ルーチンに従って調べられ
る。先ず、ステップＳ１でエンジン温度の代表である冷
却水温Ｔｗと、冷態判定温度Ｔｗｏ（本実施の形態では
３０℃）とを比較し、Ｔｗ≦Ｔｗｏの冷態時のときはス
テップＳ２へ進み、ステップＳ２以下で冷態始動時のリ
ーンバーン運転許可条件が満足されているか否かを調べ
る。

【００３０】又、Ｔｗ＞Ｔｗｏときは、ＮＯｘ吸蔵触媒
１３が安定してＮＯｘを吸着或いは浄化することの可能
な触媒活性温度に達していると推定して、ステップＳ８
へジャンプし、リーンバーン運転を許可した後、ルーチ
ンを抜ける。

【００３１】ステップＳ２へ進むと、始動後経過時間Ｔ
Ｍ１がアイドル放置による触媒活性化時間ＴＭ１ｏ（本
実施の形態では５４０ｓｅｃ）以上経過したか否かを判
定する。そして、ＴＭ１＜ＴＭ１ｏの未だ触媒活性化時
間に達していないときはステップＳ３へ進み、又、ＴＭ
１≧ＴＭ１ｏの活性化時間に達したときは、ＮＯｘ吸蔵
触媒１３が活性化したと推定し、ステップＳ８へジャン
プし、リーンバーン運転を許可した後、ルーチンを抜け
る。

【００３２】そして、ステップＳ２からステップＳ３へ
進むと、ステップＳ３、ステップＳ４で、排気ガス温度
上昇判定を行う。即ち、ステップＳ３でエンジン回転数
ＮEと設定回転数ＮEｏ（本実施の形態では１５００ｒｐ
ｍ）とを比較し、又、ステップＳ４で吸気管圧力Ｐｍと
設定圧力Ｐｍｏ（本実施の形態では４５０ｍｍＨｇ）と
を比較する。

【００３３】上記ステップＳ３，Ｓ４で、ＮE≧ＮEｏ、
且つＰｍ≧Ｐｍｏと判定されたときは、排気ガス温度上
昇過程にあると推定し、ステップＳ５へ進み、積算タイ
マの積算値ＴＭ２をインクリメントし、ステップＳ６
で、積算値ＴＭ２が触媒活性化積算時間ＴＭ２ｏ（本実
施の形態では３００ｓｅｃ）とを比較する。

【００３４】そして、ＴＭ２＜ＴＭ２ｏのときは、ＮＯ
ｘ吸蔵触媒１３が未だ活性化されていないと推定し、ス
テップＳ７へ進み、リーンバーン運転を不許可として、
ルーチンを抜ける。

【００３５】一方、積算タイマの積算値ＴＭ２が触媒活
性化積算時間ＴＭ２ｏ（本実施の形態では、３００ｓｅ
ｃ）以上となったとき、排気ガス熱によりＮＯｘ吸蔵触
媒１３が活性化したと推定してステップＳ８へ進み、リ
ーンバーン運転を許可してルーチンを抜ける。

【００３６】又、上記ステップＳ３，Ｓ４で、ＮE＜ＮE
ｏ、或いはＰｍ＜Ｐｍｏと判定されたときは、ステップ
Ｓ７へジャンプし、リーンバーン運転を不許可としてル
ーチンを抜ける。

【００３７】尚、上記触媒活性化時間ＴＭ１ｏ、排気ガ
ス温度上昇判定用設定回転数ＮEｏ、排気ガス上昇判定
用設定圧力Ｐｍｏ、触媒活性化積算時間ＴＭ２ｏは、予
め実験により求めたものである。

【００３８】上記ステップＳ７或いはＳ８で処理される
リーンバーン運転の許可、或いは不許可の判定結果は、
燃料噴射制御、及び点火時期制御で読込まれ、リーンバ
ー運転不許可のとき、燃料噴射制御では、運転状態に応
じて空燃比を理論空燃比、或いはリッチ空燃比側へ設定
した空燃比に応じた燃料噴射量を設定し、又、点火時期
制御では、運転状態に応じ、均一混合気に着火させる点
火時期を設定する。

【００３９】そして、リーンバーン運転が許可されたと
き、燃料噴射制御では、運転状態に応じて空燃比を所定
のリーン空燃比に設定し、又、点火時期では、運転状態
に応じて、点火時期を進角補正し、成層混合気に着火さ
せる点火時期を設定する。

【００４０】このように、本実施の形態では、冷態始動
後、少なくとも触媒活性化時間ＴＭ１ｏ経過したとき、
或いは、冷態始動後のエンジン回転数ＮEと吸気管圧力
Ｐｍとが、それぞれ設定値ＮEｏ，Ｐｍｏ以上となり、
且つその積算時間ＴＭ２が触媒活性化積算時間ＴＭ２ｏ
に達したとき、ＮＯｘ吸蔵触媒１３が活性化したと推定
してリーンバーン運転を許可するようにしたので、ＮＯ
ｘ吸蔵触媒１３の活性化時期を的確に判定され、リーン
バーン運転開始時期が適正化され、より一層の燃費向
上、及び排気エミッションの低減を図ることができる。

【００４１】

【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
冷態始動時の触媒の活性化時期を、エンジン回転数とエ
ンジン負荷に基づき、この両パラメータがそれぞれ排気
ガス温度上昇判定値以上で運転し、且つその積算時間が
触媒活性化判定時間以上となったとき、触媒が活性化し
たと推定し、リーン空燃比による運転を許可するように
したので、触媒の活性化時期が適切に判断され、リーン
バーン運転への移行タイミングが早期化され、より一層
の燃費向上、排気エミッションの低減を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】リーンバーン運転条件判定ルーチンを示すフロ
ーチャート

【図２】エンジンの全体概略図

【図３】電子制御系の回路構成図

【符号の説明】 １…エンジン ＮE…エンジン回転数 ＮＥｏ，Ｐｍｏ…排気ガス温度上昇判定値 Ｐｍ…エンジン負荷（吸気管圧力） ＴＭ２…積算時間 ＴＭ２ｏ…触媒活性化判定時間 ＴＭ１ｏ…触媒活性時間

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】運転状態に応じてリーン空燃比による運転
   と理論空燃比による運転とを切換えるリーンバーンエン
   ジンにおいて、 エンジン冷態時のエンジン回転数とエンジン負荷とを検
   出し、 上記エンジン回転数と上記エンジン負荷とがそれぞれ排
   気ガス温度上昇判定値以上で、且つその積算時間が触媒
   活性化判定時間以上となったときリーン空燃比による運
   転を許可することを特徴とするリーンバーンエンジン。
2. 【請求項２】冷態始動後の連続運転時間が予め設定した
   触媒活性時間に到達したときはリーン空燃比による運転
   を許可することを特徴とする請求項１記載のリーンバー
   ンエンジン。