JP3772737B2

JP3772737B2 - ２次燃焼制御方法

Info

Publication number: JP3772737B2
Application number: JP2001368937A
Authority: JP
Inventors: 衛 ▲吉▼岡; 重正広岡
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-12-03
Filing date: 2001-12-03
Publication date: 2006-05-10
Anticipated expiration: 2021-12-03
Also published as: JP2003172131A

Description

【０００１】
【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

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。