WO2011132322A1 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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優一 祖父江
大地 今井
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Definitions

  • the present invention relates to a control device for an internal combustion engine.
  • an oxidation catalyst device or a three-way catalyst device is arranged in the engine exhaust system.
  • a catalytic device having an oxidizing ability is not sufficiently activated at a low temperature immediately after the engine is started, and it is desired to warm up to the activation temperature at an early stage to increase the purification ability of HC and CO. Yes.
  • CO can be oxidized and purified at a temperature lower than that of HC. Therefore, the temperature of the catalyst device is initially raised by the oxidation reaction heat of CO.
  • an object of the present invention is to provide a control device for an internal combustion engine that can sufficiently warm up the catalytic device by sufficiently increasing the oxidation rate of CO in the catalytic device having oxidation ability.
  • the control device for an internal combustion engine according to claim 1 of the present invention is a control device for an internal combustion engine in which a catalyst device having oxidation ability is arranged in an engine exhaust system, and the temperature of the catalyst device is lower than a set temperature. Sometimes the combustion temperature is lower than the first combustion temperature or higher than the second combustion temperature, and the amount of lower olefin in the exhaust gas is reduced than when the combustion temperature is higher than the first combustion temperature and lower than the second combustion temperature. It is characterized by that.
  • An internal combustion engine control apparatus according to a second aspect of the present invention is the internal combustion engine control apparatus according to the first aspect, wherein an operating region in which a combustion temperature is higher than the first combustion temperature and lower than the second combustion temperature is provided.
  • a control device for an internal combustion engine according to the second aspect wherein the operating range is expanded to a higher load side as the combustion deteriorates.
  • the combustion temperature is equal to or lower than the first combustion temperature.
  • the amount of lower olefins in the exhaust gas that specifically lowers the oxidation rate of CO is reduced when the combustion temperature is higher than the first combustion temperature and lower than the second combustion temperature. .
  • the oxidation rate of CO is sufficiently increased, and the catalyst device can be warmed up early.
  • the control device for an internal combustion engine according to claim 2 of the present invention in the control device for the internal combustion engine according to claim 1, the operating region in which the combustion temperature is higher than the first combustion temperature and lower than the second combustion temperature is set.
  • the combustion temperature decreases as the combustion deteriorates. By enlarging to the high load side, even if combustion deteriorates, the combustion temperature can be surely made lower than the first combustion temperature or higher than the second combustion temperature.
  • FIG. 1 is a schematic view showing an exhaust system of an internal combustion engine controlled by a control device according to the present invention.
  • 1 denotes an exhaust passage, 2 also catalytic device (storage reduction NO X catalyst device having oxidizing ability by supporting an oxidation catalyst at least platinum or the like on a substrate of three-way catalytic converter or a honeycomb structure Included).
  • the internal combustion engine may be a spark ignition engine or a diesel engine.
  • Reference numeral 3 denotes an HC adsorption device disposed on the upstream side of the catalyst device 2.
  • the HC adsorption device 3 carries, for example, beta zeolite or ZMS-5 on a honeycomb structure base material, and the lower the temperature, the larger the amount of HC that can be adsorbed.
  • FIG. 2 is a time chart showing the change in the CO oxidation rate of the catalyst device 2, and the solid line shows the mixing of propylene from the exhaust gas containing about 1600 ppm of propylene C 3 H 6 (lower olefin) and CO at time t0.
  • the dotted line is the case where decane mixing is stopped at time t0 from the exhaust gas containing about 1600 ppm of decane C 10 H 22 (higher olefin) and CO. If HC does not coexist, the oxidation rate of CO, which is almost 100%, decreases from 100% due to the coexistence of propylene and decane. If the mixing of propylene and decane is stopped, the CO oxidation rate is reduced. Gradually higher. As shown in FIG. 2, a lower olefin having 5 or less carbon atoms (for example, ethylene or propylene) inhibits the oxidation of CO in the oxidation catalyst more than the higher olefin (decane) and increases the CO oxidation rate. Reduce.
  • FIG. 2 a lower olefin having 5 or less carbon atoms (for example, ethylene or propylene) inhibits the oxidation of CO in the oxidation catalyst more than the higher olefin (decane) and increases the CO
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the combustion temperature T (maximum combustion temperature) in the cylinder and the concentration C of the lower olefin in the exhaust gas.
  • the concentration of the lower olefin is maximum at the combustion temperature TP (for example, about 1000 K). Become.
  • this combustion temperature TP is included and the combustion temperature T is higher than the first combustion temperature T1 (for example, about 900K) and lower than the second combustion temperature T2 (for example, about 1100K)
  • the concentration of the lower olefin becomes relatively high, and the combustion temperature T Compared to when the temperature is equal to or lower than the first combustion temperature T1 or equal to or higher than the second combustion temperature T2, more lower olefin is discharged from the cylinder.
  • the combustion temperature is the first when the temperature of the catalyst device 2 is lower than the activation temperature of the oxidation catalyst just after the engine is started.
  • T1 and lower than the second combustion temperature T2 When an operation that is higher than the combustion temperature T1 and lower than the second combustion temperature T2 is performed, a large amount of lower olefin is contained in the exhaust gas, so even if a part of the olefin is adsorbed by the HC adsorption device 3, A relatively large amount of the lower olefin inhibits the oxidation of CO as an oxidation catalyst and greatly reduces the oxidation rate of CO.
  • step 101 it is determined whether or not the temperature t (measured temperature or estimated temperature) of the catalyst device 2 is lower than a set temperature t ′ (for example, the activation temperature of the oxidation catalyst).
  • a set temperature t ′ for example, the activation temperature of the oxidation catalyst.
  • the determination in step 101 is affirmative, warming up of the catalyst device 2 is not completed, and in step 103, lower olefin suppression combustion is performed.
  • the lower olefin suppression combustion is combustion in which the combustion temperature T (maximum combustion temperature) in the cylinder is set to be equal to or lower than the first combustion temperature T1 or equal to or higher than the second combustion temperature T2.
  • the combustion end of the expansion stroke is accelerated by advancing the opening timing of the exhaust valve, and the combustion temperature is set to the first combustion temperature. It can be T1 or less. Further, by retarding the valve opening timing of the exhaust valve, the combustion end of the expansion stroke can be delayed and the combustion temperature can be set to the second combustion temperature T2 or higher. Further, the combustion temperature can be set to the second combustion temperature T2 or higher by the additional fuel injection into the cylinder in the expansion stroke.
  • the maximum combustion temperature T is equal to or higher than the second combustion temperature T2
  • FIG. 5 is a second flowchart showing the control of the internal combustion engine performed by the control device of the present embodiment in order to enable early warming up of the catalyst device 2.
  • step 201 it is determined whether or not the temperature t (measured temperature or estimated temperature) of the catalyst device 2 is lower than a set temperature t ′ (for example, the activation temperature of the oxidation catalyst).
  • a set temperature t ′ for example, the activation temperature of the oxidation catalyst.
  • the operation prohibition region A is determined based on the current combustion level.
  • the operation prohibition region A is shown in FIG. 6 and is an operation region in which the combustion temperature T (maximum combustion temperature) is higher than the first combustion temperature T1 and lower than the second combustion temperature T2.
  • the combustion temperature decreases to a higher load, so the operation prohibited area A is expanded to the high load side. That is, the solid line is the operation prohibition region when the combustion deterioration level is “low”, the dotted line is the operation prohibition region when the combustion deterioration level is “medium”, and the dashed line is the case where the combustion deterioration level is “high” This is a driving prohibition area.
  • step 205 it is determined whether or not the current requested operation is within the operation prohibited area A determined at step 204. When this determination is negative, the requested operation outside the operation prohibited area A is performed at step 206. Is implemented as is. On the other hand, when the determination in step 205 is affirmed, load control is performed in step 207, and operation outside the operation prohibited area A is performed in step 206.
  • the load control is, for example, to increase the load of the alternator to increase the required load of the internal combustion engine, so that the required operation can be made an operation outside the operation inhibition area A.
  • the motor generator when an internal combustion engine is used in a hybrid vehicle, as load control, the motor generator is operated as a generator, the power generation amount of the motor generator operated as a generator is increased, or the motor is The required load of the internal combustion engine can be increased by reducing the torque generated by the motor generator being operated, and thereby the required operation can be performed outside the operation inhibition region A. Also, as load control, by reducing the power generation amount of the motor generator operating as a generator, operating the motor generator as an electric motor, or increasing the generated torque of the motor generator operating as an electric motor The required load of the internal combustion engine can be reduced, so that the required operation can be performed outside the operation prohibited area A.
  • the HC adsorbing device 3 is arranged immediately upstream of the catalytic device 2 having oxidation ability. However, this does not limit the present invention, and even if the HC adsorbing device 3 is omitted, the catalytic device 2 is omitted. Reducing the amount of lower olefin emissions before completion of warming up is advantageous for early warming up of the catalyst device 2.

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Abstract

本内燃機関の制御装置は、酸化能力を有する触媒装置が機関排気系に配置された内燃機関の制御装置であって、触媒装置の温度が設定温度未満である時には、燃焼温度が第一燃焼温度以下又は第二燃焼温度以上になるようにし、燃焼温度が第一燃焼温度より高く第二燃焼温度より低い時より排気ガス中の低級オレフィン量を減少させる。それにより、触媒装置のＣＯ酸化率を特に低下させる低級オレフィン量が減少するために、ＣＯの酸化反応熱により触媒装置の早期暖機を実現することができる。

Description

内燃機関の制御装置
　本発明は、内燃機関の制御装置に関する。
　排気ガス中のＨＣ及びＣＯを浄化するために酸化触媒装置又は三元触媒装置が機関排気系に配置されている。このような酸化能力を有する触媒装置は、機関始動直後のような低温時には十分に活性化しておらず、早期に活性化温度まで暖機してＨＣ及びＣＯの浄化能力を高めることが望まれている。
　酸化能力を有する触媒装置において、ＣＯは、ＨＣより低温で酸化浄化させることができるために、当初は、ＣＯの酸化反応熱により触媒装置を昇温させることとなる。ところで、ＨＣがＣＯの酸化を阻害することが分かっており、共存するＨＣ量が少ないほど、ＣＯの酸化率を高めることができる。
　触媒装置の直上流側にＨＣ吸着装置を配置することが提案されており（特許文献１参照）、ＨＣ吸着装置によるＨＣの吸着によって、触媒装置内においてＣＯと共存するＨＣを減量させることができる。
国際公開第００／２７５０８号
　前述のようにＨＣ吸着装置を触媒装置の直上流側に配置しても、機関運転状態によっては、ＣＯの酸化率がそれほど高められずに触媒装置の早期暖機を実現することができないことがある。
　従って、本発明の目的は、酸化能力を有する触媒装置においてＣＯの酸化率を十分に高めて、触媒装置の早期暖機を可能とする内燃機関の制御装置を提供することである。
　本発明による請求項１に記載の内燃機関の制御装置は、酸化能力を有する触媒装置が機関排気系に配置された内燃機関の制御装置であって、前記触媒装置の温度が設定温度未満である時には、燃焼温度が第一燃焼温度以下又は第二燃焼温度以上になるようにし、燃焼温度が前記第一燃焼温度より高く前記第二燃焼温度より低い時より排気ガス中の低級オレフィン量を減少させることを特徴とする。
　本発明による請求項２に記載の内燃機関の制御装置は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、燃焼温度が前記第一燃焼温度より高く前記第二燃焼温度より低くなる運転領域を設定し、前記触媒装置の温度が設定温度未満である時には、前記運転領域内での運転を禁止することを特徴とする。
　本発明による請求項３に記載の内燃機関の制御装置は、請求項２に記載の内燃機関の制御装置において、燃焼が悪化するほど前記運転領域を高負荷側へ拡大させることを特徴とする。
　本発明による請求項１に記載の内燃機関の制御装置によれば、機関排気系に配置された酸化能力を有する触媒装置の温度が設定温度未満である時には、燃焼温度が第一燃焼温度以下又は第二燃焼温度以上になるようにし、燃焼温度が第一燃焼温度より高く第二燃焼温度より低い時よりＣＯの酸化率を特に低下させる排気ガス中の低級オレフィン量を減少させるようになっている。それにより、ＣＯの酸化率が十分に高められ、触媒装置の早期暖機が可能となる。
　本発明による請求項２に記載の内燃機関の制御装置によれば、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、燃焼温度が第一燃焼温度より高く第二燃焼温度より低くなる運転領域を設定し、触媒装置の温度が設定温度未満である時には、この運転領域内での運転を禁止するようになっており、燃焼温度を容易に第一燃焼温度以下又は第二燃焼温度以上にすることができる。
　本発明による請求項３に記載の内燃機関の制御装置によれば、請求項２に記載の内燃機関の制御装置において、燃焼が悪化するほど、燃焼温度が低下するために、前述の運転領域を高負荷側へ拡大させることにより、燃焼が悪化しても燃焼温度を確実に第一燃焼温度以下又は第二燃焼温度以上にすることができる。
本発明による制御装置により制御される内燃機関の排気系を示す概略図である。 酸化触媒装置のＣＯ酸化率の変化を示すタイムチャートである。 燃焼温度と排気ガス中の低級オレフィン濃度との関係を示すグラフである。 本発明の制御装置による内燃機関の制御を示す第一フローチャートである。 本発明による制御装置による内燃機関の制御を示す第二フローチャートである。 第二フローチャートの運転禁止領域を示すマップである。
　図１は本発明による制御装置により制御される内燃機関の排気系を示す概略図である。同図において、１は排気通路であり、２は三元触媒装置又はハニカム構造の基材上に少なくとも白金等の酸化触媒を担持することにより酸化能力を有する触媒装置（吸蔵還元ＮＯＸ触媒装置も含まれる）である。内燃機関は火花点火エンジンでもディーゼルエンジンでも良い。
　３は触媒装置２の上流側に配置されたＨＣ吸着装置である。ＨＣ吸着装置３は、ハニカム構造の基材上に例えばベータゼオライト又はＺＭＳ−５を担持し、温度が低いほどＨＣ吸着可能量が多くなるために、低温時には排気ガス中のＨＣを吸着し、高温時には吸着したＨＣを放出する。
　触媒装置２は、排気ガス中のＨＣ及びＣＯを酸化浄化するものであるが、酸化触媒が活性化温度となっていないと、特にＨＣを十分に酸化させることができず、機関始動直後には早期暖機が必要である。触媒装置２は、ＨＣに比較してＣＯをより低温で酸化させることができ、当初は、ＣＯの酸化反応熱を利用して暖機されることとなる。
　図２は、触媒装置２のＣＯ酸化率の変化を示すタイムチャートであり、実線は、約１６００ｐｐｍのプロピレンＣ３Ｈ６（低級オレフィン）とＣＯとを含む排気ガス中から時刻ｔ０においてプロピレンの混入を中止した場合であり、点線は、約１６００ｐｐｍのデカンＣ１０Ｈ２２（高級オレフィン）とＣＯとを含む排気ガス中から時刻ｔ０においてデカンの混入を中止した場合である。ＨＣが共存していなければ、ほぼ１００％となるＣＯの酸化率は、プロピレン及びデカンの共存により、それぞれ１００％から低下しており、プロピレン及びデカンの混入を中止すれば、ＣＯの酸化率が徐々に高くなる。
　図２に示すように、高級オレフィン（デカン）に比較して炭素原子数が５以下の低級オレフィン（例えばエチレン又はプロピレン）の方が酸化触媒におけるＣＯの酸化をより阻害し、ＣＯ酸化率を大きく低下させる。
　図３は、気筒内の燃焼温度Ｔ（最高燃焼温度）と排気ガス中の低級オレフィンの濃度Ｃとの関係を示すグラフであり、燃焼温度ＴＰ（例えば約１０００Ｋ）において低級オレフィンの濃度が最大となる。この燃焼温度ＴＰを含み、燃焼温度Ｔが第一燃焼温度Ｔ１（例えば約９００Ｋ）より高く第二燃焼温度Ｔ２（例えば約１１００Ｋ）より低い時には、低級オレフィンの濃度は比較的高くなり、燃焼温度Ｔが第一燃焼温度Ｔ１以下又は第二燃焼温度Ｔ２以上の時に比較して多くの低級オレフィンが気筒内から排出される。
　それにより、触媒装置２の直上流側にＨＣ吸着装置３が配置されていても、触媒装置２の温度が機関始動直後のような酸化触媒の活性化温度未満である時に、燃焼温度が第一燃焼温度Ｔ１より高く第二燃焼温度Ｔ２より低い運転が実施されると、多量の低級オレフィンが排気ガス中に含まれることとなるために、その一部がＨＣ吸着装置３により吸着されても、比較的多量の低級オレフィンが酸化触媒のＣＯの酸化を阻害して、ＣＯの酸化率を大きく低下させる。
　こうして、ＣＯの酸化反応熱を利用する触媒装置２の暖機が不十分となり、触媒装置２の早期暖機を実現することができなくなる。触媒装置２の上流側にＨＣ吸着装置３が配置されていない場合においては、燃焼温度が第一燃焼温度Ｔ１より高く第二燃焼温度Ｔ２より低い運転が実施されると、多量の低級オレフィンがさらに顕著に酸化触媒のＣＯの酸化率を低下させ、触媒装置２の暖機をさらに遅延させることとなる。
　本実施形態の制御装置は、図４に示す第一フローチャートに従って内燃機関を制御し、触媒装置２の早期暖機を可能としている。先ず、ステップ１０１において、触媒装置２の温度ｔ（測定温度又は推定温度）が設定温度ｔ’（例えば酸化触媒の活性化温度）未満であるか否かが判断される。この判断が否定される時には、触媒装置２の暖機は完了しており、ステップ１０２において通常の燃焼が実施される。
　一方、ステップ１０１の判断が肯定される時には、触媒装置２の暖気は完了しておらず、ステップ１０３において、低級オレフィン抑制燃焼が実施される。低級オレフィン抑制燃焼は、気筒内の燃焼温度Ｔ（最高燃焼温度）を第一燃焼温度Ｔ１以下とするか又は第二燃焼温度Ｔ２以上とする燃焼である。
　例えば、可変バルブタイミング機構により排気弁の開弁時期が可変とされていれば、排気弁の開弁時期を進角することにより膨張行程の燃焼終了を早くして、燃焼温度を第一燃焼温度Ｔ１以下にすることができる。また、排気弁の開弁時期を遅角することにより膨張行程の燃焼終了を遅くして、燃焼温度を第二燃焼温度Ｔ２以上にすることができる。また、膨張行程での気筒内への追加燃料噴射により燃焼温度を第二燃焼温度Ｔ２以上とすることができる。
　最高燃焼温度Ｔを第二燃焼温度Ｔ２以上とすると、気筒内温度が第一燃焼温度Ｔ１より高く第二燃焼温度Ｔ２より低くなる期間が存在するが、この期間は、非常に短時間であるために、低級オレフィンの生成には殆ど寄与しない。
　このような低級オレフィン抑制燃焼により、酸化触媒のＣＯの酸化率を特に低下させる低級オレフィンの排出量を少なくすることができ、酸化触媒のＣＯの酸化率が高められ、ＣＯの酸化反応熱により触媒装置２の早期暖機を実現することができる。
　図５は、触媒装置２の早期暖機を可能とするために、本実施形態の制御装置により実施される内燃機関の制御を示す第二フローチャートである。先ず、ステップ２０１において、触媒装置２の温度ｔ（測定温度又は推定温度）が設定温度ｔ’（例えば酸化触媒の活性化温度）未満であるか否かが判断される。この判断が否定される時には、触媒装置２の暖機は完了しており、ステップ２０２において要求運転がそのまま実施される。
　一方、ステップ２０１の判断が肯定される時には、ステップ２０３において、燃料タンク内の燃料性状（例えばセタン価及び硫黄濃度）及び部品劣化程度（例えば燃料噴射弁及び再循環排気ガスクーラーの劣化程度）等に基づき現在の燃焼レベルが決定される。次いで、ステップ２０４において、現在の燃焼レベルに基づき運転禁止領域Ａが決定される。
　運転禁止領域Ａは、図６に示されており、燃焼温度Ｔ（最高燃焼温度）が第一燃焼温度Ｔ１より高く第二燃焼温度Ｔ２より低くなる運転領域である。燃焼レベルが悪化するほど、より高い負荷まで燃焼温度が低くなるために、運転禁止領域Ａは、高負荷側へ拡大されることとなる。すなわち、実線は燃焼悪化レベルが「低」の場合の運転禁止領域であり、点線は燃焼悪化レベルが「中」の場合の運転禁止領域であり、一点鎖線は燃焼悪化レベルが「高」の場合の運転禁止領域である。
　次いで、ステップ２０５において、現在の要求運転がステップ２０４において決定された運転禁止領域Ａ内であるか否かが判断され、この判断が否定される時には、ステップ２０６において運転禁止領域Ａ外の要求運転がそのまま実施される。
　一方、ステップ２０５の判断が肯定される時には、ステップ２０７において負荷制御が実施されて、ステップ２０６において運転禁止領域Ａ外の運転が実施される。ここで、負荷制御とは、例えば、オルタネータの負荷を増大させて内燃機関の要求負荷を増大させることであり、それにより、要求運転を運転禁止領域Ａ外の運転とすることができる。
　また、例えば、内燃機関がハイブリッド車両に使用される場合には、負荷制御として、モータジェネレータを発電機として作動させたり、発電機として作動させているモータジェネレータの発電量を増大させたり、電動機として作動させているモータジェネレータの発生トルクを減少させたりすることにより、内燃機関の要求負荷を増大させ、それにより、要求運転を運転禁止領域Ａ外の運転とすることができる。
　また、負荷制御として、発電機として作動させているモータジェネレータの発電量を減少させたり、モータジェネレータを電動機として作動させたり、電動機として作動させているモータジェネレータの発生トルクを増大させたりすることにより、内燃機関の要求負荷を減少させ、それにより、要求運転を運転禁止領域Ａ外の運転とすることができる。
　このようにして、触媒装置２の暖機が完了していない時には、多量の低級オレフィンを排出する運転は禁止され、それにより、酸化触媒のＣＯの酸化率を特に低下させる低級オレフィンの排出量を少なくすることができ、酸化触媒のＣＯの酸化率が高められ、ＣＯの酸化反応熱により触媒装置２の早期暖機を実現することができる。
　本実施形態において、酸化能力を有する触媒装置２の直上流側にＨＣ吸着装置３を配置したが、これは本発明を限定するものではなく、ＨＣ吸着装置３が省略されても、触媒装置２の暖機完了前に低級オレフィンの排出量を減少させることは、触媒装置２の早期暖機に有利である。
　１　　排気通路
　２　　触媒装置
　３　　ＨＣ吸着装置

Claims (3)

  1. 　酸化能力を有する触媒装置が機関排気系に配置された内燃機関の制御装置であって、前記触媒装置の温度が設定温度未満である時には、燃焼温度が第一燃焼温度以下又は第二燃焼温度以上になるようにし、燃焼温度が前記第一燃焼温度より高く前記第二燃焼温度より低い時より排気ガス中の低級オレフィン量を減少させることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  2. 　燃焼温度が前記第一燃焼温度より高く前記第二燃焼温度より低くなる運転領域を設定し、前記触媒装置の温度が設定温度未満である時には、前記運転領域内での運転を禁止することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
  3. 　燃焼が悪化するほど前記運転領域を高負荷側へ拡大させることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
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