JP2008002332A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】機関始動後の触媒暖機を促進すると共に、そのときの混合気の燃焼を適切に促す。
【解決手段】内燃機関１０は、触媒暖機用の点火時期遅角手段と、吸気中へオゾンを供給するオゾン供給手段４０と、触媒３８の温度が基準温度を下回るとき、それらの温度差に基づいて、点火時期の遅角量およびオゾン供給量を制御する制御手段とを備える。点火時期を遅角させることで後燃えが生じて触媒暖機が促される。このとき、オゾン供給手段４０によりオゾンが吸気中に供給されるので、オゾンにより混合気の燃焼性が高められる。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気ガス浄化用の触媒を有する内燃機関の制御装置に関する。

従来、ガソリンエンジンなどの火花点火式内燃機関においては、運転状態に応じて定められた基本点火時期を、始動時補正、ノッキング補正などによって進角補正あるいは遅角補正し、点火時期を決定している。そして、機関の冷間始動時など、排気ガス浄化用の触媒の温度がその活性化温度よりも低いときには、基本点火時期を点火遅角補正することで、混合気の燃焼時期を遅らせて、触媒暖機を図ることが可能である。

他方、特許文献１には、燃焼室内に燃料の自己着火促進剤としてオゾンを供給する自己着火促進剤供給手段を備えた圧縮着火式内燃機関が開示されている。この機関では、自己着火促進剤供給手段からの自己着火促進剤の供給量を、機関の冷却水温度が低いほど、増すようにしている。

さらに、特許文献２には、燃焼室にオゾンを供給して、燃料を燃焼させる内燃機関の燃焼特性改善方法が開示されている。

特開２００２−２７６４０４号公報 特開平０２−１９１８５８号公報

しかしながら、上記の如く点火時期を遅角させることで触媒暖機を行う場合、点火遅角量を所定量よりも多くすると、混合気の燃焼性が悪化することになる。その結果、排気ガス中のＣＯやＨＣ量が増加することになり好ましくない。

そこで、本発明は、混合気を適切に燃焼させつつ、触媒暖機を促進する、内燃機関の制御装置を提供する。

上記課題を解決するために、本発明に係る内燃機関の制御装置は、排気ガス浄化用の触媒を有する内燃機関の制御装置において、触媒暖機用に点火時期を遅角させる点火時期遅角手段と、吸気中にオゾンを供給するオゾン供給手段と、前記触媒の温度を検出または推定する温度検出手段と、前記温度検出手段により検出または推定された前記触媒の温度が、所定の基準温度を下回るとき、該基準温度との温度差を求める温度差導出手段と、前記温度差導出手段により求められた前記温度差に基づいて、点火時期の遅角量およびオゾン供給量を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、触媒の温度が所定の基準温度を下回るとき、該基準温度との温度差に基づいて、点火時期の遅角量およびオゾン供給量が制御される。これにより、触媒の温度が基準温度を下回っているとき、点火時期が遅角されると共に、オゾンが吸気中に供給されることになる。このように点火時期が遅角されることで、後燃えが生じ、触媒暖機を促進することが可能になる。他方、オゾンが吸気中に供給されるので、混合気を適切に燃焼させ続けることが可能になる。

以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。本実施形態の内燃機関の制御装置が適用された車両のエンジンシステムの概念図を図１に示す。本実施形態の内燃機関（エンジン）１０は、ポート噴射形式の火花点火式内燃機関であり、直列４気筒のエンジンである。

エンジン１０において、吸気口から吸入された空気（吸気）は、エアクリーナ１２を介して吸気通路１４に導入される。空気は、スロットルバルブ１６の開度によりその流量が調整されつつサージタンク１８に流入し、気筒２０に対応して分岐形成された吸気マニホルド２２に分流する。なお、吸気通路１４は、サージタンク１８、吸気マニホルド２２、およびそれらよりも上流側に接続された吸気管２３などにより形成される。吸気マニホルド２２には燃料噴射弁２４が配設されている。燃料噴射弁２４により噴射された燃料は分流した空気と混合されて、吸気バルブ２５を介して、イグニッションコイル２６への制御により作動される点火プラグ２８が上部中央に配設された燃焼室３０に吸入される。ただし、本実施形態のスロットルバルブ１６は、アクセルペダルの踏み込み量に連動して作動され、吸気通路１４の開度を増減する。

各気筒２０の燃焼室３０で、混合気は点火プラグ２８により点火される。その点火により生じた火炎が混合気の全体に次第に伝播し、通常では、混合気の全体が燃焼する。燃焼により生じた排気ガスは、排気バルブ３１を介して、各気筒２０に対応して分岐形成された排気マニホルド３２に排出される。排気ガスは、排気マニホルド３２と共に排気通路３４を区画形成する排気管３６の途中に配設された触媒コンバータ３８を通過することで、浄化されて、大気中に排出される。

触媒コンバータ３８は、排気ガス浄化触媒が充填されたものである。排気ガス浄化触媒として用いられる三元触媒は、白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）などの酸化触媒と、ロジウム（Ｒｈ）などの還元触媒と、セリア（ＣｅＯ_２）などの助触媒などで構成される。そして、酸化触媒の作用により排気ガスに含まれるＣＯやＨＣが水（Ｈ_２Ｏ）や二酸化炭素（ＣＯ_２）に浄化され、還元触媒の作用により排気ガスに含まれるＮＯｘが窒素（Ｎ_２）や酸素（Ｏ_２）などに浄化される。なお、触媒コンバータ３８における排気ガス浄化触媒は、それが有効に機能するためには、例えば４００℃から６００℃の加熱状態が必要である。しかしながら、その触媒温度がそのような活性化温度を超えて、例えば８００℃を越えるような温度に達すると、触媒機能が劣化してくるという問題がある。

さらに、吸気中にオゾン（Ｏ_３）を供給する、すなわち、燃焼前の混合気中にオゾンが含まれるようにオゾンを供給するように、オゾン供給手段４０が設けられている。オゾン供給手段４０はオゾン発生装置４１を有し、オゾン発生装置４１により発生されたオゾンは、本実施形態ではスロットルバルブ１６よりも下流側の吸気通路１４の部分に供給される。具体的には、オゾン発生装置４１は、ポンプ、放電器およびパルス電源を含んで構成され、後述する電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）４４の制御出力によって動作させられる。オゾン発生装置４１は、放電器内に、塵埃などを除去しつつ、ポンプによって外部から空気を取り込み、パルス電源からの給電により放電器内の一対の電極間にコロナ放電を生じさせる。これによりコロナ放電が放電器内の空気に作用し、酸素活性成分の一種であるオゾンが発生させられる。より詳細には、空気中の酸素分子（Ｏ_２）に電子が衝突して酸素原子が生じ、この酸素原子が酸素分子と結合してオゾンが生成される。このようにして生成されたオゾンは、オゾン供給手段４０の一部を構成するノズル形状をした吐出通路４６を介して吸気通路１４に供給されて、エアクリーナ１２を介して導かれた空気（吸気）と混ざる。ただし、オゾン発生装置４１では、所定量のオゾンを発生供給するように、放電器への供給電力等が適正値に制御される。また、パルス電源は、本実施形態において、エンジン１０からの動力によりオルタネーターで発電された電気が蓄えられたバッテリーを含んで構成されている。

さらに、吸気管２３にはスロットルバルブ１６をバイパスして空気を供給するバイパスエア通路４７が付設されている。バイパスエア通路４７を流れる空気の流量は、アイドルスピードコントロールバルブ（ＩＳＣＶ）４８により制御される。ＩＳＣＶ４８は、アイドル運転以外の時には閉じられ、アイドル運転時にはエンジン回転数が所定の目標アイドル回転数になるようにその開度が制御される。

燃料噴射制御、点火時期制御、オゾン供給制御等を行うために、ＥＣＵ４４が前述の如く備えられている。ＥＣＵ４４は、ＣＰＵと、種々のプログラムやデータを記録するＲＯＭやＲＡＭと、入力インターフェイス回路と、出力インターフェイス回路とを備えるマイクロコンピュータで構成されている。入力インターフェイス回路には、シリンダブロック５０に伝わるノッキングによる高周波振動を検出するためのノックセンサ５２、スロットルバルブ１６よりも下流側の吸気圧を検出するための吸気圧センサ５４、アクセルペダルの踏み込み操作に連動して開閉されるスロットルバルブ１６の開度を検出するためのスロットルポジションセンサ５６、アクセルペダルの踏み込み量、すなわちアクセル開度を検出するためのアクセルポジションセンサ５８、シリンダブロック５０に設けられていて、連接棒を介してピストン６０が連結されているクランクシャフト６２のクランク回転信号を検出するためのクランクポジションセンサ６４、シリンダブロック５０に設けられていてエンジン１０の冷却水の温度（冷却水温）を検出するための水温センサ６６、触媒コンバータ３８の上流側を流れる排気ガス中の酸素濃度を検出するためのＯ２センサ６７などが電気配線を介して接続されている。また、スロットルバルブ１６の全閉時にオン状態となるアイドルスイッチ６８も接続されている。本実施形態ではクランクポジションセンサ６４をエンジン１０の回転数を検出するための回転数センサとして用いている。そして、ＥＣＵ４４の出力インターフェイス回路は、燃料噴射弁２４、イグナイタを内蔵したイグニッションコイル２６、オゾン発生装置４１、そして、ＩＳＣＶ４８などに接続されていて、上記各種センサ等により得られたデータに基づき、それらが制御可能にされている。なお、本実施形態のＥＣＵ４４は、時間を計測するためのタイマ装置を内蔵している。

エンジン１０では、通常の運転時、吸気圧センサ５４からの出力信号に基づく吸気圧や、クランクポジションセンサ６４からの出力信号に基づくエンジン回転数など、すなわちエンジン負荷およびエンジン回転数で表される運転状態に基づいて基本燃料噴射量、基本燃料噴射時期、基本点火時期等が設定される。その際、エンジン１０の冷却水温などでそれらの基本値を補正して、制御上目標とされる燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期が導出され、燃料噴射弁２４や点火プラグ２８などの作動が制御される。

ところで、エンジン１０の始動が開始された際にエンジン１０が所定温度よりも低くて冷えている場合、すなわち冷却水温が所定温度よりも低い冷間始動時、エンジン１０の暖機の促進を図るべく、エンジン１０を、通常のアイドル状態（例えば８００ｒｐｍ；以下、この際のエンジン回転数ＮｅＳを「アイドル回転数」と称する。）よりも高回転（例えば１５００ｒｐｍ；以下、この際のエンジン回転数を「ファーストアイドル回転数」と称する。）で運転させるファーストアイドル状態に移行させ、そのファーストアイドル回転数で運転させるようにしている。エンジン１０を高回転で運転させることは、噴射される燃料噴射量を増大させ、燃焼室３０に供給される吸入空気量を多くすることで達成される。このときの燃料噴射量の増量補正は、水温センサ６６からの出力信号に基づいて得られる冷却水温に基づいて行われる。燃料噴射量の増量補正量は、概して、冷却水温が低いほど多く設定される。そして、吸入空気量の増大はＩＳＣＶ４８の開度を大きくすることにより実現できる。なお、エンジン始動直後の所定時間においては混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）をリッチ（燃料過多）として、安定した燃焼状態の維持を優先的に図るように設定されている。

他方、エンジン１０では、そのようにファーストアイドル状態のときは、上述の如くエンジン１０の冷却水温が低いときであり、触媒コンバータ３８の排気ガス浄化触媒の温度（触媒温度）が、それの活性化温度の最小値である所定の基準温度よりも低いときが多い。このようなときには、その触媒温度を触媒の活性化温度にまで迅速に上げる触媒暖機を行うべく、点火時期を遅角させるようにしている。同時に、その点火時期を遅角させるとき、混合気の燃焼が適切に行われるように、エンジン１０では吸気中にオゾンを供給するようにしている。以下に、この制御の一例について図２から図４に基づいて説明する。なお、図２は本実施形態の制御フローチャートであり、図３は触媒暖機制御のための、冷却水温、点火遅角量、オゾン供給量の関係を表したグラフであり、図４は冷間始動時およびその後のアイドル状態におけるエンジン回転数、点火遅角量、オゾン供給量に関してのタイムチャートである。なお、図２のルーチンは、概ね燃焼サイクル毎に繰り返される。

ＥＣＵ４４は、まずステップＳ２０１へ進み、ファーストアイドル状態か否かを判定する。ＥＣＵ４４は、アイドルスイッチ６８からＯＮ状態であることを示す信号を受け、エンジン１０の始動開始時（クランキング開始時）から計測されている時間が所定時間以下と判断し、そして水温センサ６６からの出力信号に基づいて求められるエンジン１０の冷却水温が所定値、本実施形態では８０℃未満であると判断したときに、エンジン１０が冷間始動直後のアイドル状態、すなわちファーストアイドル状態であると判断する。すなわち、本実施形態では、冷却水温と触媒温度とが概ね対応関係にあるので、触媒温度を直接検出することに代えて、冷却水温を検出することで触媒温度を推定することにしている。すなわち、冷却水温が上記所定値未満のときを、触媒温度が所定の基準温度を下回っているときとしている。この基準温度は、例えば４００℃である。

ファーストアイドル状態であると判断されると、ステップＳ２０３へ進み、予めＲＯＭに記憶されている基本点火時期に対する補正量としての点火遅角量が導出される。このときの点火遅角量は、図３（ａ）に概略的に示すようにエンジン１０の冷却水温と対応関係にある。ＥＣＵ４４は検出されたエンジン１０の冷却水温に基づいて、図３（ａ）に示した如き、予めＲＯＭに記憶されているマップ化されたデータを検索することで点火遅角量を求める。本実施形態では、このときの基本点火時期θ０を上死点前（ＢＴＤＣ）５°、最大点火遅角量ΔθＨを１５°と規定しているので、点火時期は上死点前５°から上死点後１０°の範囲に設定されることになる。なお、本実施形態では、点火遅角量は冷却水温が温度ＴｗＨと温度ＴｗＬ（＜ＴｗＨ）との間のとき変動し、温度ＴｗＬより冷却水温が低いときには点火遅角量は最大点火遅角量ΔθＨで一定であり、温度ＴｗＨよりも冷却水温が高いときには触媒暖機のための点火遅角量は「０」である（図３（ａ）参照）。このように冷却水温に基づいて点火遅角量を決定することは、冷却水温が、例えば８０℃である所定温度を下回っているときの冷却水温と該所定温度との温度差、すなわち触媒温度が基準温度を下回っているときの触媒温度と基準温度との温度差に基づいて、点火時期の遅角量を決定することを意味している。

次いで、ステップＳ２０５へ進むと、オゾン供給量が導出される。オゾン供給量は、図３（ｂ）に示す如き、予めＲＯＭに記憶されているマップ化されたデータを、ステップＳＳ２０３で求めた点火遅角量で検索することで求められる。オゾン供給量は、概して、点火遅角量と比例関係にあり、点火遅角量が大きくなるほど、オゾン供給量は多くなるように設定されている。なお、本実施形態では、ステップＳ２０３で求められた点火遅角量が「０」のとき、オゾン供給量は「０」に設定されている。このようにオゾン供給量を決定することは、冷却水温が所定温度を下回っているときのそれらの温度差、すなわち触媒温度が基準温度を下回っているときのそれらの温度差に基づいて、オゾン供給量を求めることを意味している。

そして、ステップＳ２０７へ進むと、ＩＳＣＶ４８の開度の補正値が求められる。ステップＳ２０５で求められたオゾン供給量で予めＲＯＭに記憶されているマップ（図示せず）を検索することで、ＩＳＣＶ４８の開度の補正値が求められる。これは、後述するステップＳ２０９で供給されるオゾン供給量分だけＩＳＣＶ４８の開度を減らし、吸気通路１４を流れる吸入空気量を減量補正し、所望の目標アイドル回転数を得るようにするためである。

そして、ステップＳ２０９で、ステップＳ２０３で求められた点火遅角量で補正された点火時期を用いて点火が行われると共に、ステップＳ２０５で求められたオゾン供給量分、オゾンがオゾン供給手段４０から吸気に供給されることになる。これと同時に、ステップＳ２０７で求められた補正値に基づいて、ＩＳＣＶ４８の開度が制御される。

本実施形態では、図４に示すように、まず、時間ｔ１でアイドル状態に移行する。この時間ｔ１までの冷却水温が温度ＴｗＬを下回っている場合、エンジン回転数はファーストアイドル回転数の最大値である回転数ＮｅＨに設定制御される。他方、時間ｔ１でエンジン回転数がファーストアイドル回転数に至ってから、極短い所定時間経過後、時間ｔ２になると、徐々に点火遅角量が増すように設定されている。このようにすることで、点火時期を遅角させても、燃焼安定性を保つことが可能になる。より具体的には、本実施形態では、図２のルーチンでステップＳ２０９へ至るごとに１°ずつ点火遅角量が大きくなるように、すなわち１°ずつ、ステップＳ２０３で求めた点火遅角量が反映されるように点火時期が遅角される。そして、最終的にステップＳ２０３で求めた点火遅角量になると、その後はステップＳ２０９で、ステップＳ２０３で求めた点火遅角量分そのものが、基本点火時期から遅角されることになる。なお、オゾンの供給は、点火遅角量の実行に対応して、行われる。

他方、時間ｔ３で冷却水温が温度ＴｗＬになり、その後時間ｔ４でそれが温度ＴｗＨにまで上昇するに至ると、図２に示すように上記ステップＳ２０１で否定されてステップＳ２１１へ進み、触媒暖機のための点火時期遅角およびオゾン供給は終了されることになる。これに伴い、ＩＳＣＶ４８の開度補正も終了されることになり、暖機後アイドル状態での運転になる。すなわちアイドル回転数ＮｅＳでの運転になり、触媒暖機のための制御が終了される。

このように、本実施形態では、触媒温度が低い状態であるファーストアイドル状態のとき、触媒暖機用に点火時期が所定の点火遅角量だけ遅らされるので後燃えが生じることになる。点火遅角量が大きくなるにしたがって、排気通路３４に至る排気ガスの温度が高くなるので、触媒暖機が促進されることになる。他方、点火時期を遅角させることに対応してオゾンが供給されるので、点火遅角量が大きくなるに対応して混合気中におけるオゾン量が増加する。オゾンが含まれる混合気に点火されるので、酸化反応の強いオゾンによって燃焼反応が進行し、より良好に混合気の燃焼が完了することになる。したがって、失火を防ぐことが可能になるのはもちろんのこと、排気ガス中のＣＯやＨＣ量が増加することを防止することが可能になる。また、このようにオゾンにより混合気の燃焼が良好に保たれるので、それだけ点火遅角量を大きくして、触媒暖機をより一層促すことが可能になる。

このように混合気を適切に燃焼させつつ、点火時期を遅角させて十分に後燃えを生じさせることが出来るので、触媒暖機時に排気ガスの温度を所望の高い温度にまで上昇させることが可能になる。したがって、触媒の配設位置を排気通路上流側、例えば、排気マニホルド出口部に設けなくても、迅速に触媒暖機を行うことが可能になる。また、触媒の配設位置を排気通路上流側にしなくても良くなるので、触媒暖機後、高負荷あるいは高回転での他の運転状態のときに排気ガスの温度が高くても、必要以上に触媒が加熱されることを防止できるようになる。これにより、触媒温度がその触媒の劣化温度に至ることを適切に防げるようになる。

以上、本発明を上記実施形態に基づいて説明したが、これは本発明を限定しない。上記実施形態では、触媒温度をエンジン冷却水温に基づいて推定して制御することにしたが、他の因子に基づいて触媒温度を推定するようにしても良い。あるいは、直接、触媒温度を測定検出するためのセンサを触媒コンバータ３８そのものあるいはその近傍に設けても良い。すなわち、上記実施形態では、冷却水温が所定温度を下回るときであるファーストアイドル状態と判断されたときに触媒暖機を行うことにしたが、直接触媒温度を求め、求められた触媒温度が基準温度を下回っているか否かを判断して、下回ると判断されたときに触媒暖機を行うようにしても良い。

そして、上記実施形態では、触媒暖機を、ファーストアイドル状態のときに行うことにしたが、この状態のときに本発明の適用を限定するものではない。その他、触媒暖機を行う必要がある如何なるときにも、同様に、点火時期を遅角させて後燃えを促すと共に、燃焼改善のためにオゾンを供給することにしても良い。

上記実施形態においてオゾン供給手段４０は、吸気通路１４にオゾンを供給するように設けられたが、本発明はこれに限定されない。本発明は、吸気にオゾンを供給すべく、吸気ポート、吸気マニホルド、それよりも上流側の吸気管の任意の箇所など種々の箇所にオゾン供給手段を設けることを含むものである。例えば、既に燃焼室３０に取り込まれた吸気中にオゾンを供給することにしても良く、さらには、燃焼室３０で既に形成されている混合気中に、オゾンを供給することにしても良い。つまり、本発明は、オゾン供給手段４０を吸気通路１４の途中にオゾンを供給するように設けるのみならず、燃焼室３０に直接にオゾンを供給するように設けることを排除するものではない。

また、オゾン供給手段４０は、上記実施形態に限定されず、他のオゾンを発生供給する装置により代替されても良い。例えば、吸気通路の一部を形成するように、吸気通路の途中にオゾン供給手段として反応器を設けることにしても良い。より具体的には、吸気通路を形成する絶縁体ケースと、このケースの中心軸に沿って配置される中心電極と、この中心電極に金属結線で繋がった高電圧電源とを備える反応器を吸気通路の途中に設け、中心電極に所望の高電圧を印加するべく、高電圧電源を制御することで、吸気通路を流れる空気に放電して、その吸入空気中にオゾンを生成させるようにしても良い。

また、上記実施形態では、本発明が適用される内燃機関を、吸気ポート噴射形式の火花点火式内燃機関としたが、筒内噴射形式の火花点火式内燃機関等としても良い。なお、本発明は、適用される機関の気筒数、気筒配列を制限しない。

さらに、上記実施形態では、アイドル状態での吸入空気量の調節をＩＳＣＶ４８を制御することで行ったが、バイパスエア通路４７が備えられていないエンジンの場合には、スロットルバルブ１６の開度を制御することで行っても良い。この場合には、アクセルペダルの踏み込み動作と、スロットルバルブ１６の開閉動作とを切り離して電子的に制御できるように、スロットルバルブ１６は電子制御式にされる。

なお、上記実施形態では、本発明をある程度の具体性をもって説明したが、本発明については、特許請求の範囲に記載された発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。すなわち、本発明は特許請求の範囲およびその等価物の範囲および趣旨に含まれる修正および変更を包含するものである。

本発明に係る実施形態の内燃機関の制御装置が適用されたエンジンシステムの概念図である。 本実施形態の制御フローチャートの一例である。 触媒暖機制御のための、冷却水温、点火遅角量、オゾン供給量の関係を概念的に表したグラフである。 冷間始動時およびその後のアイドル状態におけるエンジン回転数、点火遅角量、オゾン供給量の変化を概念的に表したタイムチャートである。

符号の説明

１０ エンジン
３８ 触媒コンバータ
４０ オゾン供給手段

Claims (1)

1. 排気ガス浄化用の触媒を有する内燃機関の制御装置において、
   触媒暖機用に点火時期を遅角させる点火時期遅角手段と、
   吸気中にオゾンを供給するオゾン供給手段と、
   前記触媒の温度を検出または推定する温度検出手段と、
   前記温度検出手段により検出または推定された前記触媒の温度が、所定の基準温度を下回るとき、該基準温度との温度差を求める温度差導出手段と、
   前記温度差導出手段により求められた前記温度差に基づいて、点火時期の遅角量およびオゾン供給量を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
   

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