JP3772737B2 - 2次燃焼制御方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気系の排気浄化装置上流に2次空気を供給する2次空気供給系の制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
内燃機関の排気浄化装置として、排気系に触媒を配置し、排気ガス中のCO、HC、NOx成分等を浄化する装置が知られている。こうした触媒は活性化温度以下では機能が低下してしまうが、運転条件によっては排ガス温度自体がこの活性化温度以下となることがあるほか、機関始動時には触媒を活性化温度まで昇温するのに時間がかかる。これらの場合には触媒が機能を発揮できず、エミッションが悪化してしまう。これを防ぐため、排気ガス中のHC、COを2次燃焼させることで排気ガス温度をあげ、触媒を加熱することでその昇温を促進する方法がある。
【0003】
特開平7−259533号公報に開示されている技術はそうした技術の一つであって、ディーゼルエンジンの膨張または排気行程において燃料の噴射増量を行うことで、排気管中で2次燃焼させることで排気ガス温度を高め、これにより触媒を昇温させると記載されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本噴射増量制御はディーゼルエンジンまたは直噴式ガソリンエンジンでなければ採用することができない。また、触媒が活性温度に到達するまでの間は燃料増量によりエミッションがさらに悪化する結果となる。また、増量された燃料はエンジンのトルク増大には寄与しないため、燃費の低下を招いてしまうという欠点がある。
【0005】
そこで本発明は、エミッションを悪化させることなく、触媒の活性化温度到達時点を早めることが可能な2次燃焼制御方法を提供することを課題とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明に係る2次燃焼制御方法は、排気系に配置される触媒を用いた排気浄化装置の触媒活性化温度到達を促進するため、排気管内における排気ガスの2次燃焼を制御する方法であって、排気温度または触媒温度を検出もしくは予想し、触媒の活性開始温度到達前は排気温度に応じて2次空気供給流量を制御し、活性開始温度到達後は触媒温度に応じて2次空気供給流量を制御することを特徴とする。
【0007】
本発明によれば、排気管内に2次空気を供給することで排ガス中の未燃成分(HC)やCOを2次燃焼させるため、排ガス浄化を促進することができ、エミッションが悪化しない。そして、直噴エンジン以外のガソリンエンジンにも適用可能である。さらに、触媒の活性開始温度到達前は排気温度に応じて2次空気供給流量を制御する触媒を速やかに活性開始温度に到達させることができるとともに、活性開始温度到達後は触媒温度に応じて2次空気供給流量を制御する活性開始温度到達後は効率的に活性化温度へと移行させることができる。
【0010】
触媒の活性開始温度到達前は2次空気供給系を自然吸気状態に設定し、活性開始温度到達後は強制吸気を行ってもよい。このように活性開始温度到達前と到達後とで吸気状態を切り換えることで、活性開始温度到達前の過剰な2次空気供給を抑制することができ、速やかに触媒を活性開始温度へと到達させることができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。
【0012】
図1は、本発明に係る2次燃焼制御方法が実施される2次空気供給装置1の構成を示す概略図である。この2次空気供給装置1は、内燃機関である多気筒ガソリンエンジン(以下、単にエンジンと呼ぶ。)2に取り付けられるものである。ここで、エンジン2には吸気管20と排気管21とが取り付けられており、吸気管20には、スロットル24が配置され、吸気フィルタ25に接続されている。吸気フィルタ25とスロットル24の間には、空気量(一次空気量)を測定するためのエアフローメータ26と、吸気温度THAを測定するための吸気温センサ27とが配置されている。また、エンジン2にはエンジン冷却水温THWを計測するための冷却水温センサ28が取り付けられている。エンジンを制御するエンジンECU23には、これらエアフローメータ26、吸気温センサ27、冷却水温センサ28のほか図示していない回転数センサの出力やスロットル24の開度等の情報が入力されている。
【0013】
一方、排気管21下流には、3元触媒22が配置されており、触媒22の上流と下流の双方に排気中の酸素濃度を検知するためのO2センサ31、32が配置されている。また、触媒22の上流側の排気温度を検出する温度センサ33と、触媒22の触媒温度を検出するための温度センサ34がそれぞれ配置されている。なお、O2センサに代えて、A/Fセンサ、リニアO2センサを用いてもよい。また温度センサ33は排気管21の空気供給通路11より下流であればどの位置に配置してもよい。
【0014】
2次空気供給装置1は、吸気管20の吸気フィルタ25とスロットル24との間の位置と排気管21のエンジン2と上流側O2センサ31との間を接続する2次空気供給通路11を備えており、この2次空気供給通路11上に吸気管20側から電気モータ駆動式のエアポンプ(AP)12、エアスイッチングバルブ(ASV)13、逆止弁であるリード弁(RV)14が配置される。そして、AP12とASV13との間に圧力センサ15が配置されている。このASV13には、吸気管20のスロットル24下流から延びる配管16が接続されており、この配管16にはさらに電磁弁17が配置されている。
【0015】
2次空気供給装置1の動作を制御する制御装置10は、エンジンECU23と相互に情報をやりとりできるよう信号ラインで接続されているほか、圧力センサ15、O2センサ31、32の出力信号が入力されるとともに、AP12のモータ駆動と電磁弁17の開閉を制御する。なお、制御装置10は、エンジンECU23の一部をなしていてもよい。
【0016】
この2次空気供給装置1は、主として冷間始動時等の燃料濃度が高く、空燃比(A/F)が小さく、かつ、触媒22が充分に昇温しておらずその機能が充分に発揮されにくい状態において、制御装置10が電磁弁17を開くことで、吸気管20内の負圧をASV13に導いて、ASV13を開制御するとともに、エアポンプ12を駆動させることで、エアフィルタ25を通過した空気の一部を2次空気供給通路11を介して排気管21内に導いて排気中の酸素濃度を上昇させ、そのA/Fを上げ、排気中のHC、COの排気管21における2次燃焼を促して排気の浄化を図るとともに、排気温度を上昇させて触媒22の昇温を促進することによりエミッションの悪化を抑制する。なお、ASV13と電磁弁17の組み合わせに代えて、ASV13部分に直接、電磁弁を使用することもできる。
【0017】
本発明に係る2次燃焼制御方法の第1の制御例を図2〜図5を参照して説明する。図2は、この制御例を示すフローチャートであり、図3、図4は排気温度、触媒温度に対する目標2次A/F値の設定を示すグラフである。この2次燃焼制御は制御装置10がエンジンECU23と協働して行うものであって、エンジン2の始動後、所定のタイミングで繰り返し実行される。
【0018】
まず、ステップS2では、吸気温センサ27、冷却水温センサ28から得られた始動時の吸気温THAS、エンジン冷却水温TWASを読み込む。続くステップS4では、低温始動後か否かの判定を行う。具体的には、THAS、TWASのいずれかが所定温度(例えば、5℃)以下の場合に低温始動と判定する。低温始動後でない場合にはその後の処理をスキップして終了する。低温始動後の場合には、ステップS6へと移行し、FlagXAIの値をチェックする。このFlagXAIは、2次空気供給制御(AI制御)の終了状態を表すフラグであり、1の場合にAI制御終了を、0の場合に未了を表す。この値が1である場合は、その後の処理をスキップして終了し、0の場合にはステップS8へと移行する。
【0019】
ステップS8では、AI条件が成立しているか否かを判定する。AI実行条件は、エンジンECU23から送られるエンジン冷却水温、吸気温、始動経過時間、バッテリー電圧、負荷条件等により決定される。続いて、始動時の温度センサ33、34の出力である排気温TEx1と触媒温度TEx2を読み込み(ステップS10)、エアフローメータ26の出力である1次空気流量Gaを読み込み(ステップS12)、燃料噴射量FWLを読み込み(ステップS14)、1次空燃比(A/F)を算出する(ステップS16)。
【0020】
ステップS18では、触媒温度TEx2と閾値Tth2とを比較する。この閾値Tth2とは触媒の活性化終了温度に対応する。TEx2がTth2以下の場合にはステップS20へと移行し、AIシステムをONにする。具体的には、電磁弁17を開くことで、吸気管20内の負圧をASV13に導いて、ASV13を開制御するとともに、エアポンプ12を駆動させることで、エアフィルタ25を通過した空気の一部を2次空気供給通路11を介して排気管21内へと導く。ステップS22では、触媒温度TEx2と閾値Tth1とを比較する。この閾値Tth1とは触媒の活性化開始温度に対応する。TEx2がTth1以下の場合にはステップS24へと移行し、TEx1に基づいて目標2次A/F値を求める。図3はこのTEx1と目標2次A/F値との関係を示すグラフである。排気温度TEx1が低い場合に2次空気を過剰に供給すると2次空気が2次燃焼に用いられず、かえって排気温度を下げる結果となる。そこで、排気温度TEx1が低いほど目標2次A/F値をリッチ側に設定することで過剰な2次空気供給を抑制する。ステップS26ではこうして設定された目標2次A/F値になるようエアポンプ12を駆動するモータの回転数を制御して、2次空気(AI)流量を制御する。
【0021】
ステップS22でTEx2がTth1を上回っていた場合にはステップS28へと移行し、今度はTEx2に基づいて目標2次A/F値を求める。図4はこのTEx2と目標2次A/F値との関係を示すグラフである。触媒温度TEx2が低いほど目標2次A/F値をリッチ側に設定することで過剰な2次空気供給を抑制して、触媒における反応を促すことで効果的に触媒温度を上昇させる。ステップS26ではこうして設定された目標2次A/F値になるようエアポンプ12を駆動するモータの回転数を制御して、AI流量を制御する。
【0022】
ステップS18でTEx2がTth2を上回っていた場合には、触媒温度が十分に上がり、活性化済みであり、AI制御を継続する必要なしと判断し、ステップS28へと移行して、AIシステムをOFFにする。具体的には、エアポンプ12を停止させ、電磁弁17を閉じることでASV13を閉じて2次空気供給を停止する。
【0023】
図5は、本制御例によるAI流量制御を行った場合(実施例1)、AI流量を一定とした場合(従来例1)およびAI制御を行わない場合(従来例2)の3例における始動後の排気温度TEx1と触媒温度TEx2の時間変化を比較して示すグラフである。従来例1のようにAI流量を一定で制御すると、AI供給量が過剰なため、むしろAI制御を行わない従来例2の場合よりも当初は排気温度が低く、触媒の昇温も遅れるため、その活性化温度到達は遅れる結果となる。これに対し、実施例1の場合には、AI供給量が過剰となるのを抑制しているので、従来例1、2に比べて排気温度を速やかに上昇させることができ、触媒の活性化温度到達も速くなる。触媒が活性化温度に到達してから後は、活性化をより早められるよう触媒温度に応じて2次空気供給流量を増量するので、触媒における反応を促進してさらにその温度上昇を早めることが可能である。本制御では、燃料増量を行っておらず、また排気の2次燃焼を効率よく行い、触媒の活性化開始温度到達も早めていることから従来例1、2に比べてエミッションが悪化することもない。
【0024】
次に、本発明に係る2次燃焼制御方法の第2の制御例を図6〜図8を参照して説明する。図6は、この制御例を示すフローチャートであり、図7は、積算Gaと排気温度TEx1、触媒温度TEx2との関係を示すグラフであり、図8は積算Gaに対する目標2次A/F値の設定を示すグラフである。この2次燃焼制御も第1の制御例と同様に制御装置10がエンジンECU23と協働して行うものであって、エンジン2の始動後、所定のタイミングで繰り返し実行される。
【0025】
この第2の制御例では、始動時からの積算Ga(ΣGa)と排気温度TEx1、触媒温度TEx2との間に図7に示される関係が成立することを利用してΣGaに基づいて制御を行うことを特徴とする。したがって、本制御例を実施する場合、温度センサ33、34は必ずしも必要ではない。
【0026】
この第2の制御例のフローチャートは図6に示されるように図2に示される第1の制御例とほぼ同一であり、TEx1、TEx2を読み込むステップS10を設けず、ステップS12とS14の間にΣGaを算出するステップS13が設けられている点と、触媒温度TEx2と2つの閾値をそれぞれ比較するステップS18、S22に代えてΣGaと2つの閾値Ga_th2、Ga_th1とを比較するステップS19、23を設けている点と、目標2次A/FをTEx1、TEx2に応じて求めるステップS24、S28に代えてΣGaからマップ1、マップ2に応じて求めるステップS25、S29を設けている点が相違する。
【0027】
ここで、閾値Ga_th1、Ga_th2は図7に示されるように触媒温度TEx2が前述した閾値Tth1、Tth2に該当する温度に相当する積算Gaである。また、マップ1、マップ2は、図3、図4に示される排気温度TEx1、触媒温度TEx2に対する目標2次A/Fの設定値を図7に示される関係に基づいてΣGaに対して設定したものであり、図8に示される関係を有する。
【0028】
この場合は、ΣGaが第1の閾値Ga_th1に達するまでは、図8に示されるように2次A/F値が理論空燃比よりややリッチ側から徐々にリーン側になるようAI流量を増大させていく。そして、ΣGaが第1の閾値Ga_th1に達した時点で触媒の活性化温度に達したものとしてAI流量を一気に増大し、さらに2次A/F値がリーン側へとなるようAI流量を増大させて、ΣGaが第2の閾値Ga_th2に達した時点で触媒の活性化が完了したとしてAI供給を停止させる。これにより、第1の制御例と同様に速やかな触媒の昇温、活性化を実現することができる。
【0029】
ここでは、閾値との比較、目標2次A/Fの設定の両方ともにΣGaに対して行う例を説明したが、ΣGaから排気温度TEx1、触媒温度TEx2を推定し、推定したTEx1、TEx2を基にして基本的に図2に示されるフローチャートにより制御を行ってもよい。
【0030】
次に、本発明に係る2次燃焼制御方法の第3の制御例を図9を参照して説明する。図9は、この制御例を示すフローチャートである。この2次燃焼制御も第1、第2の制御例と同様に制御装置10がエンジンECU23と協働して行うものであって、エンジン2の始動後、所定のタイミングで繰り返し実行される。
【0031】
本制御は第1、第2の制御例のように排気温度TEx1、触媒温度TEx2あるいは積算空気量ΣGaに応じて2次A/F値を連続的に変化させるのではなく、段階的に変化させる点を特徴とする。以下、積算空気量ΣGaに応じて制御を行う場合を例に説明するが
【0032】
ステップS13までは、図6に示される第2の制御例と同一である。ステップS31、S33、S35では、ステップS13で求めたΣGaと閾値Ga_thc、Ga_thb、Ga_thaとをそれぞれ比較する。ここで、Ga_thc<Ga_thb<Ga_thaの関係がある。始動から間がなく、ΣGa<Ga_thcが成立する場合には、ステップS31からその他の処理をスキップして終了する。この場合、AIシステムはOFFのままである。始動後に時間が経過して、Ga_thc≦ΣGa<Ga_thbが成立する場合には、ステップS31からステップS32を経てステップS41へと移行して電磁弁17を操作してASV13を開く。ここでは、AP12は停止させたままであるので、RV14の働きにより排気管21内が負圧で2次空気供給通路11内の圧力より低い場合にのみ2次空気の供給が行われる自然吸気状態となる。さらに時間が経過してGa_thb≦ΣGa<Ga_thaが成立する場合には、ステップS31、S33、S35を経てステップS37へと移行し、AP12を作動させる。この結果、強制吸気によりさらに多くの2次空気が排気管21内に供給される。そして、ΣGa≧Ga_thaが成立すると、触媒22は十分に活性化されたとしてステップS39へと移行し、AIシステムをOFFにして2次空気供給を停止し、FlagXAIにAI制御完了を示す1をセットして処理を終了する。
【0033】
図10は、本制御例によるAI流量制御を行った場合(実施例2)と前述の従来例2、つまりAI制御を行わない場合とで始動後の排気温度TEx1と触媒温度TEx2の時間変化を比較して示すグラフである。実施例2の場合には、図5に示される実施例1と同様にAI供給量が過剰となるのを抑制しているので、従来例2に比べて排気温度を速やかに上昇させることができ、触媒の活性化温度到達も速くなる。触媒が活性化温度に到達してから後は、活性化をより早められるよう触媒温度に応じて2次空気供給流量をさらに増量するので、触媒における反応を促進してさらにその温度上昇を早めることが可能である。
【0034】
ここでは、自然吸気→強制吸気と切り換えることでAI流量を2段階に制御する例を説明したが、AP12による吐出流量を切り換えることでさらに多段階に制御してもよい。
【0035】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、排気温度の低い始動後初期のAI供給量を抑制して排気温度の速やかな上昇を促すことで触媒の活性化開始温度への到達を早めることができる。さらに、活性化開始温度到達後は、触媒での反応進行に好適なAI供給量を供給することで触媒の暖機性を向上させる。また、エミッションが悪化することもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る2次燃焼制御方法を実施する2次空気供給装置を含む内燃機関の概略構成図である。
【図2】本発明に係る2次燃焼制御方法の第1の制御例を示すフローチャートである。
【図3】排気温度に対する目標2次A/F値の設定を示すグラフである。
【図4】触媒温度に対する目標2次A/F値の設定を示すグラフである。
【図5】実施例1と従来例1、2における始動後の排気温度TEx1と触媒温度TEx2の時間変化を比較して示すグラフである。
【図6】本発明に係る2次燃焼制御方法の第2の制御例を示すフローチャートである。
【図7】積算Gaと排気温度TEx1、触媒温度TEx2との関係を示すグラフである。
【図8】積算Gaに対する目標2次A/F値の設定を示すグラフである。
【図9】本発明に係る2次燃焼制御方法の第3の制御例を示すフローチャートである。
【図10】実施例2と従来例2における始動後の排気温度TEx1と触媒温度TEx2の時間変化を比較して示すグラフである。
【符号の説明】
1…2次空気供給装置、2…エンジン、10…制御装置、11…2次空気供給通路、12…エアポンプ、13…ASV(エアスイッチングバルブ)、14…リード弁(逆止弁)、15…圧力センサ、16…配管、17…電磁弁、20…吸気管、21…排気管、22…排気浄化装置、23…エンジンECU、24…スロットル、25…吸気フィルタ、26…エアフローメータ、27…吸気温センサ、28…冷却水温センサ、31、32…O2センサ。33、34…温度センサ。
Claims (2)
- 排気系に配置される触媒を用いた排気浄化装置の触媒活性化温度到達を促進するため、排気管内における排気ガスの2次燃焼を制御する方法であって、
排気温度または触媒温度を検出もしくは予想し、
触媒の活性開始温度到達前は排気温度に応じて2次空気供給流量を制御し、活性開始温度到達後は触媒温度に応じて2次空気供給流量を制御することを特徴とする2次燃焼制御方法。 - 触媒の活性開始温度到達前は2次空気供給系を自然吸気状態に設定し、活性開始温度到達後は強制吸気を行うことを特徴とする請求項1記載の2次燃焼制御方法。
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