JP4144485B2 - 触媒温度制御装置及び制御方法、並びにエンジンシステム - Google Patents

Description

本発明はＨＣ吸着燃焼触媒の温度制御装置及び制御方法、並びに温度制御装置を備えたエンジンシステムに係り、特にエンジン始動時にＨＣ吸着燃焼触媒で高効率にＨＣを吸着し、浄化するＨＣ吸着燃焼触媒の温度制御装置及び制御方法、並びにエンジンシステムに関する。

エンジンの排気管には、排気低減を目的として、エンジンから排出されるＨＣ，ＣＯを酸化し、ＮＯｘを還元する機能を持つ三元触媒を備えることが一般的である。この三元触媒は、所定の触媒温度以上においてＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの浄化機能を発揮するが、所定の触媒温度以下ではそれらを十分に浄化することができない。従って、エンジンの始動時は三元触媒の触媒温度は低温であり、三元触媒が所定温度以上となるまでの期間は排ガスの浄化性能は低い。

これに対し、三元触媒の非活性化期間のＨＣ低減に有効な手段として、ＨＣ吸着燃焼触媒がある。ＨＣ吸着燃焼触媒は、触媒温度が低いときはエンジンから排出されるＨＣを触媒内に吸着し（ＨＣ吸着フェーズ）、触媒温度が所定の温度以上でＨＣを脱離し（ＨＣ脱離フェーズ）、更に高温の所定温度以上で触媒内に担持されている三元触媒の機能で脱離ＨＣを酸化する機能（ＨＣ浄化（燃焼）フェーズ）を有する。

つまり、ＨＣ吸着燃焼触媒を用いてエンジンの始動時にＨＣを高効率に低減するには、ＨＣ吸着フェーズでエンジンからのＨＣを高効率に吸着すること、ＨＣ脱離フェーズでは速やかにＨＣ浄化フェーズへ移行し脱離ＨＣを低減すること、ＨＣ浄化（燃焼）フェーズでは脱離ＨＣを高効率に浄化することが重要となる。

例えば、特開平１１−３４３８３２号公報には、排気低温時に触媒の温度をＨＣ吸着剤のＨＣ脱離開始温度付近まで上昇させることが記載されている。また、特開平５−44447号公報には、２次エアを供給してＨＣ吸着剤を冷却し吸着効率を向上させることが記載されている。

特開平１１−３４３８３２号

特開平５−４４４４７号

しかしながら、上記従来技術には、ＨＣ吸着燃焼触媒の各フェーズにおける温度履歴を制御することは考慮されていないため、特にエンジン始動時にＨＣ吸着燃焼触媒で高効率にＨＣを吸着し、浄化することが行えないという問題がある。

本発明はこのような問題に鑑みなされたもので、その目的は、ＨＣ吸着燃焼触媒で高効率にＨＣを吸着し、浄化することができるＨＣ吸着燃焼触媒の温度制御装置及び制御方法、並びにエンジンシステムを提供することにある。

上記目的を達成するため本発明では、ＨＣ吸着燃焼触媒の各フェーズに応じてＨＣ吸着燃焼触媒の温度を制御する。つまり、ＨＣ吸着燃焼触媒の各フェーズにおける触媒性能が高効率となるように触媒温度を制御するものである。

そして、ＨＣ吸着燃焼触媒の温度制御は、各フェーズに応じてＨＣ吸着燃焼触媒の昇温勾配を切り換えるものとし、好ましくは、ＨＣ吸着燃焼触媒がＨＣ吸着フェーズにあるときのＨＣ吸着燃焼触媒の昇温勾配を、ＨＣ吸着燃焼触媒がＨＣ脱離フェーズにあるときのＨＣ吸着燃焼触媒の昇温勾配より小さくするようにする。このように構成することにより、エンジンの始動後はＨＣ吸着燃焼触媒の温度を緩やかに上昇させ、吸着フェーズの時間を十分に確保してＨＣの吸着量を増加させることができる。また、ＨＣ吸着燃焼触媒の触媒温度が吸着フェーズを超えた場合、速やかに浄化フェーズまでＨＣ吸着燃焼触媒の温度を速やかに上昇させ、脱離フェーズでの脱離ＨＣ量を低減することができる。

具体的には、ＨＣ吸着燃焼触媒の温度制御を、吸着燃焼触媒の温度を第一の勾配で昇温する緩昇温制御手段と、ＨＣ吸着燃焼触媒の温度を前記第一の勾配より大きい勾配で昇温する急昇温制御手段と、ＨＣ吸着燃焼触媒の温度の温度制御を前記緩昇温制御手段若しくは前記急昇温制御手段で行うかを判定する緩・急昇温制御実施判定手段と、前記緩・急昇温制御実施判定手段の判定結果に基づいて緩昇温制御手段若しくは急昇温制御手段に切り換える緩・急昇温制御切換手段とから構成する。

そして、好ましくは、緩・急昇温制御実施判定手段は、エンジン始動後の経過時間を計測する経過時間計測手段と、経過時間計測手段で得られるエンジン始動後の経過時間が所定値を超えているかどうかを判定する判定手段とから構成する。すなわち、エンジンの始動後の経過時間とＨＣ吸着燃焼触媒の温度とは相関があり、エンジン始動後の経過時間で、ＨＣ吸着燃焼触媒の各フェーズを判定することができ、ＨＣ吸着燃焼触媒の温度制御を行うことができる。

また、好ましくは、緩・急昇温制御実施判定手段は、ＨＣ吸着燃焼触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、該触媒温度検出手段で得られるＨＣ吸着燃焼触媒の温度が所定値を超えているかどうかを判定する判定手段とで構成する。すなわち、ＨＣ吸着燃焼触媒の温度を直接的若しくは間接的に検出することで、ＨＣ吸着燃焼触媒の各フェーズを精度よく判定することができ、ＨＣ吸着燃焼触媒の温度制御を行うことができる。

また、好ましくは、緩・急昇温制御実施判定手段は、エンジンに流入する空気流量を検出する空気流量検出手段と、該空気流量検出手段で得られる空気流量が所定値を超えているかどうかを判定する判定手段とから構成する。すなわち、エンジンに流入する空気流量が少ない場合は、緩昇温を実現しやすく、一方、空気流量が多い場合は、急昇温を実現しやすいため、空気流量に応じてＨＣ吸着燃焼触媒の温度制御を行うことができる。

また、好ましくは、緩昇温制御手段は、エンジンからの排気をエンジン吸気側へ還流する還流管と、該排気の還流量を調節する還流弁と、該還流弁を制御する還流弁制御手段とから構成する。すなわち、排気還流（ＥＧＲ）を行うとＨＣ吸着燃焼触媒の燃焼温度が下がるので、緩昇温制御手段として用いることができる。

また、好ましくは、急昇温制御手段は、点火時期をリタードするよう制御する、或いは、エンジンの空燃比を気筒別にリッチ・リーンに個々にばらつかせて運転するよう制御する、或いはまた、前記排気管に外部より空気若しくはＯ_２を導入して排気管内で未燃ＨＣを燃焼させるよう制御する。

更に、エンジンと、該エンジンの排気管に触媒温度が低温から高温になるにつれてＨＣ吸着フェーズ，ＨＣ脱離フェーズ、及びＨＣ浄化フェーズと遷移するＨＣ吸着燃焼触媒を備えたエンジンシステムにおいて、ＨＣ吸着燃焼触媒の各フェーズに応じてＨＣ吸着燃焼触媒の温度を制御する触媒温度制御装置を設ける。

そして、好ましくは、エンジンは、空燃比が理論空燃比より薄いリーン燃焼を行うリーンバーンエンジンであり、触媒温制御装置は、リーンバーンエンジンに対しリーン燃焼を行うかを許可するリーン燃焼許可手段と、リーン燃焼許可手段の結果に基づいて目標点火時期を演算する目標点火時期演算手段と、リーン燃焼許可手段の結果に基づいて目標燃料噴射量及び目標燃料噴射時期を演算する目標燃料噴射量・噴射時期演算手段と、リーン燃焼許可手段の結果に基づいて目標空気量演算手段と、該目標点火時期演算手段の結果に基づいて点火時期を制御する点火時期制御装置と、目標燃料噴射量・燃料噴射時期演算手段の結果に基づいて燃料噴射量及び燃料噴射時期を制御する燃料噴射弁と、目標空気流量演算手段の結果に基づいて空気流量を制御する空気流量制御装置とを有する。すなわち、リーン燃焼を行うと、ＨＣ吸着燃焼触媒の燃焼温度が下がるので、ＨＣ吸着燃焼触媒の緩昇温手段として用いるものである。そして、リーン燃焼を実施するためには、空気流量，燃料噴射量、或いは、点火時期を最適に制御する必要がある。

また、好ましくは、触媒温度制御手段は、エンジン始動後の所定時間は、ＨＣ吸着燃焼触媒内にＨＣを吸着しうる吸着フェーズの温度となるような位置に前記ＨＣ吸着燃焼触媒を取付ける。すなわち、ＨＣ吸着燃焼触媒の吸着，脱離，浄化の各フェーズでの性能が高効率に発揮できるようにＨＣ吸着燃焼触媒の温度履歴をその配置位置で調整するものである。

また、好ましくは、ＨＣ吸着燃焼触媒の上流側の排気管に三元触媒を備え、三元触媒での浄化性能が開始される温度になるまでは、ＨＣ吸着燃焼触媒内にＨＣを吸着しうる吸着フェーズの温度となるような位置に前記ＨＣ吸着燃焼触媒を取付ける。すなわち、ＨＣ吸着燃焼触媒の上流に三元触媒が設けられているときは、三元触媒が非活性化の時期は、
ＨＣ吸着燃焼触媒が吸着フェーズとなるようにその配置位置を調整するものである。

以上説明したように本発明によれば、ＨＣ吸着燃焼触媒で高効率にＨＣを吸着し、浄化することができるＨＣ吸着燃焼触媒の温度制御装置及び制御方法、並びにエンジンシステムを提供することができる。

本発明の実施の形態を説明する前に、本発明の概念を図面を用いて説明する。

図１は、本発明の基本概念を示すものであり、エンジン９の排気管にＨＣ吸着燃焼触媒１１を設け、ＨＣ吸着燃焼触媒１１の温度を触媒温度制御手段１００により制御するものである。

ＨＣ吸着燃焼触媒１１は、図２に示すように、触媒温度が低温から高温になるにつれてＨＣ吸着フェーズ，ＨＣ脱離フェーズ、及びＨＣ浄化フェーズと遷移する特性を有する。

図１に示す触媒温度制御手段１００では、ＨＣ吸着燃焼触媒の各フェーズにおける触媒性能が高効率となるように触媒温度を制御するものである。

次に、図３は、本発明の概念を示すものであり、図１で示した触媒温度制御手段１００をより具体的に示すものである。つまり、触媒温度制御手段１００は、緩昇温制御手段
１００ａ，急昇温制御手段１００ｂ，緩・急昇温制御実施判定手段１００ｃ，緩・急昇温制御切換手段１００ｄから構成する。このように構成することにより、ＨＣ吸着燃焼触媒１１の温度制御を、上記各フェーズに応じてＨＣ吸着燃焼触媒１１の昇温勾配を切り換えることができる。特に、ＨＣ吸着燃焼触媒１１がＨＣ吸着フェースにあるときのＨＣ吸着燃焼触媒１１の昇温勾配を、ＨＣ吸着燃焼触媒１１がＨＣ脱離フェーズにあるときのＨＣ吸着燃焼触媒１１の昇温勾配より小さくするようにする。このように構成することにより、エンジンの始動後はＨＣ吸着燃焼触媒１１の温度を緩やかに上昇させ、吸着フェーズの時間を十分に確保してＨＣの吸着量を増加させることができる。また、ＨＣ吸着燃焼触媒１１の触媒温度が吸着フェーズを超えた場合、速やかに浄化フェーズまでＨＣ吸着燃焼触媒の温度を速やかに上昇させ、脱離フェーズでの脱離ＨＣ量を低減することができる。

具体的には、ＨＣ吸着燃焼触媒１１の温度制御を、吸着燃焼触媒の温度を第一の勾配で昇温する緩昇温制御手段１００ａと、ＨＣ吸着燃焼触媒の温度を前記第一の勾配より大きい勾配で昇温する急昇温制御手段１００ｂと、ＨＣ吸着燃焼触媒１１の温度の温度制御を前記緩昇温制御手段若しくは前記急昇温制御手段で行うかを判定する緩・急昇温制御実施判定手段１００ｃと、前記緩・急昇温制御実施判定手段の判定結果に基づいて緩昇温制御手段若しくは急昇温制御手段に切り換える緩・急昇温制御切換手段１００ｄとから構成するものである。

次に、触媒温度制御手段１００の緩・急昇温制御実施判定手段１００ｃの第一の具体的構成を図４に示す。エンジン始動後の経過時間を計測する経過時間計測手段１００ｅと、経過時間計測手段で得られるエンジン始動後の経過時間が所定値を超えているかどうかを判定する判定手段１００ｆとから構成する。エンジンの始動後の経過時間とＨＣ吸着燃焼触媒の温度とは相関があり、エンジン始動後の経過時間で、ＨＣ吸着燃焼触媒の各フェーズを判定することができ、ＨＣ吸着燃焼触媒１１の温度制御を行うことができる。

次に、緩・急昇温制御実施判定手段１００ｃの第二の具体的構成を図５に示す。ＨＣ吸着燃焼触媒１１の温度を検出する触媒温度検出手段１００ｇと、該触媒温度検出手段で得られるＨＣ吸着燃焼触媒の温度が所定値を超えているかどうかを判定する判定手段100ｈとで構成する。ＨＣ吸着燃焼触媒１１の温度は、直接的若しくは間接的に検出するものとし、ＨＣ吸着燃焼触媒１１の各フェーズを精度よく判定することができ、ＨＣ吸着燃焼触媒１１の温度制御を行うことができる。

次に、緩・急昇温制御実施判定手段１００ｃの第三の具体的構成を図６に示す。エンジンに流入する空気流量を検出する空気流量検出手段１００ｉと、該空気流量検出手段で得られる空気流量が所定値を超えているかどうかを判定する判定手段１００ｊとから構成する。エンジンに流入する空気流量が少ない場合は、緩昇温を実現しやすく、一方、空気流量が多い場合は、急昇温を実現しやすいため、空気流量に応じてＨＣ吸着燃焼触媒１１の温度制御を行うことができる。

（実施の形態１）
次に、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。即ち、ＨＣ吸着燃焼触媒１１の下流側の温度に基づいて、ＥＧＲを用いて燃焼温度を下げた緩昇温制御を行いＨＣ吸着性能を十分に発揮させるものである。その概念は、図７に示すように、エンジン９の排気の一部を排気還流管１８を介してエンジン９の吸気側に還流する。還流量は排気還流手段100kによりＥＧＲバルブ１９を制御することにより行うものである。

図８は、エンジンシステムの概略を示す図である。４気筒で構成されるエンジン９において、外部からの空気はエアクリーナ１を通過し、吸気管４，コレクタ５を経てシリンダー内に流入する。流入空気量は電子スロットル３により調節される。エアフロセンサ２では流入空気量が検出される。クランク角センサ１５では、クランク軸の回転角１度毎に信号が出力される。水温センサ１４はエンジンの冷却水温度を検出する。またアクセル開度センサ１３は、アクセル６の踏み込み量を検出し、それによって運転者の要求トルクを検出する。アクセル開度センサ１３，エアフロセンサ２，電子スロットル３に取付けられたスロットル弁開度センサ１７，クランク角センサ１５，水温センサ１４のそれぞれの信号はコントロールユニット１６に送られ、これらセンサ出力からエンジンの運転状態を得て、空気量，燃料噴射量，点火時期のエンジンの主要な操作量が最適に演算される。コントロールユニット１６内で演算された燃料噴射量は開弁パルス信号に変換され、シリンダー内に取付けられた燃料噴射弁７に送られる。またコントロールユニット１６で演算された点火時期で点火されるよう駆動信号が点火プラグ８に送られる。噴射された燃料は吸気管４からの空気と混合されエンジン９のシリンダー内に流入し混合気を形成する。混合気は所定の点火時期で点火プラグ８から発生される火花により爆発しその燃焼圧によりピストンを押し下げエンジンの動力となる。爆発後の排気は排気管１０を経てＨＣ吸着燃焼触媒１１に送り込まれる。排気還流管１８を通って排気の一部は吸気側に還流される。還流量（ＥＧＲ量）はＥＧＲバルブ１９によって制御される。Ａ／Ｆセンサ１２はエンジン９と三元触媒１１の間に取付けられており、排気中に含まれる酸素濃度に対して線形の出力特性を持つ。排気中に酸素濃度と空燃比の関係はほぼ線形になっており、したがって、酸素濃度を検出するＡ／Ｆセンサ１２により空燃比を求めることが可能となる。ＨＣ吸着燃焼触媒１１は、冷機時はＨＣを吸着し、所定温度以上でＨＣを脱離する。ＨＣ吸着燃焼触媒１１内には、三元性能も有しており、脱離ＨＣを浄化する機能を持つ。また、ＨＣ吸着燃焼触媒１１の下流には温度センサ２８が取付けられている。コントロールユニット１６ではＡ／Ｆセンサ１２の信号からＨＣ吸着燃焼触媒１１上流の空燃比を算出し、エンジンシリンダー内混合気の空燃比が目標空燃比となるよう燃料噴射量もしくは空気量に逐次補正するＦ／Ｂ制御を行う。また、温度センサ２８の信号もコントロールユニット１６に送られ、ＨＣ吸着触媒入口温度に応じてエンジンの各運転パラメータが制御される。

図９は図８で示したコントロールユニット１６の内部を示したものである。コントロールユニット１６内にはＡ／Ｆセンサ１２，温度センサ２８，スロットル弁開度センサ１７，エアフロセンサ２，アクセル開度センサ１３，水温センサ１４，クランク角センサ１５の各センサ出力値が入力され、入力回路２３にてノイズ除去等の信号処理を行った後、入出力ポート２４に送られる。入力ポートの値はＲＡＭに保管され、ＣＰＵ２０内で演算処理される。演算処理の内容を記述した制御プログラムはＲＯＭ２１に予め書き込まれている。制御プログラムに従って演算された各アクチュエータ作動量を表す値はＲＡＭ２２に保管された後、出力ポート２４に送られる。火花点火燃焼時に用いられる点火プラグの作動信号は点火出力回路内の一次側コイルの通流時はＯＮとなり、非通流時はＯＦＦとなるＯＮ・ＯＦＦ信号がセットされる。点火時期はＯＮからＯＦＦになる時である。出力ポートにセットされた点火プラグ用の信号は点火出力回路２５で燃焼に必要な十分なエネルギーに増幅され点火プラグに供給される。また燃料噴射弁の駆動信号は開弁時ＯＮ，閉弁時ＯＦＦとなるＯＮ・ＯＦＦ信号がセットされ、燃料噴射弁駆動回路２６で燃料噴射弁を開くに十分なエネルギーに増幅され燃料噴射弁７に送られる。電子スロットル３の目標開度を実現する駆動信号は、電子スロットル駆動回路２７を経て、電子スロットル３に送られる。また、ＥＧＲバルブ１９を駆動するため、ＥＧＲバルブ駆動回路１９を備える。

次に、ＲＯＭ２１に書き込まれる制御プログラムについて説明する。図１０は制御全体を表したブロック図で、燃料先行型トルクベース制御の主要部である。本制御は目標トルク演算部，燃料噴射量演算部，燃料噴射量補正部，目標当量比演算部，目標空気量演算部，実空気量演算部，目標スロットル開度演算部，スロットル開度制御部，点火時期演算部，燃料噴射時期演算部、目標ＥＧＲバルブ開度演算部からなる。

目標トルク演算部では、アクセル開度Ａｐｏとエンジン回転数Ｎｅから目標トルクTgTcを演算する。燃料噴射量演算部では、目標トルクを実現する燃料噴射量とＴＩＯを演算する。

燃料噴射量補正部では、気筒毎の燃料噴射量ＴＩＯ＿ｎ（ｎ：気筒番号）がシリンダー内空気の位相に合うように、位相補正を施す。補正後の気筒毎の燃料噴射量をＴＩ＿ｎとする。

目標当量比演算部では、目標トルクＴｇＴｃとエンジン回転数Ｎｅから目標当量比
ＴｇＦｂｙａを演算する。燃料と空気の比を当量比であつかうのは演算上都合がよいからであり、空燃比で扱うことも可能である。なお目標当量比演算部では、均質燃焼と成層燃焼のどちらを行うかも決定する（成層許可フラグ：ＦＰＳＴＲ）。

目標空気量演算部では、燃料噴射量ＴＩＯと目標当量比ＴｇＦｂｙａから目標空気量
ＴｇＴｐを演算する。後述するが、目標空気量ＴｇＴｐは便宜的に一サイクル当たりに一シリンダー内に流入する空気量に規格化した値としている。

実空気量演算部では、エアフロセンサで検出される空気の質量流量であるＱａを、TgTpと同次元である一サイクル当たりに一シリンダー内に流入する実空気量Ｔｐに換算して出力する。

目標スロットル開度演算部では、目標空気量Ｔｐと実空気量Ｔｐに基づいて目標スロットル開度ＴｇＴｖｏを演算する。

スロットル開度演算部では、目標スロットル開度ＴｇＴｖｏと実開度Ｔｖｏからスロットル操作量Ｔｄｕｔｙを演算する。Ｔｄｕｔｙは、スロットルモータ駆動用電流を制御する駆動回路へ入力されるＰＷＭ信号のデューティ比を表す。

点火時期演算部では、各運転条件に応じて最適な点火時期を演算する。

燃料噴射時期演算部では、各運転条件に応じて最適な噴射時期を演算する。

なお、以上の各制御ブロックの詳細仕様については、すでに種々の発明で開示済であるので詳述しない。

次に、図１０で示した各制御ブロックにおける目標ＥＧＲバルブ開度演算部を図１１を用いて説明する。

図１１に示されるように、Ｔｃｎ≦ＴｗｎＬのとき、目標ＥＧＲ率ＴＧＥＧＲを目標
ＥＧＲ率マップＭＥＧＲから得られる値とする。なお、引数はＴｇＴｃ，Ｎｅとしている。それ以外のときはＴｇＥＧＲ＝０とする。ここで
ＴＧＥＧＲ：目標ＥＧＲ率
Ｔｃｎ：ＨＣ吸着燃焼触媒下流温度
ＴｇＴｃ：目標トルク
Ｎｅ：エンジン回転数
である。ＴｃｎＬは、ＨＣ吸着燃焼触媒内に吸着されたＨＣの脱離が始まる温度に設定するのが望ましく、センサの位置などにもよるが、一般的に１００〜２００℃となるが、実機性能に応じて決めるのがよい。

（実施の形態２）
本実施の形態では、ＨＣ吸着燃焼触媒１１の下流側の温度に基づいて、成層燃焼を行うことで燃焼温度を下げた緩昇温制御を行いＨＣ吸着性能を十分に発揮させるものである。

なお、エンジンシステムの概略、そのコントロールユニット、及び制御全体を表したブロック図は実施の形態１と同じである。

以下、図１０で示した各制御ブロックにおける目標当量比演算部について図１２を用いて説明する。目標当量比演算部では、燃焼状態の決定と目標当量比の演算を行う。FPSTRは成層燃焼許可フラグであり、ＦＰＳＴＲ＝１のとき成層燃焼を行うべく、噴射時期，点火時期，噴射量，空気量が制御される。具体的には、ＦＰＳＴＲは、Ｔｃｎ≦ＴｃｎＬのとき、成層許可フラグＦＰＳＴＲ＝１とする。それ以外のときはＦＰＳＴＲ＝０とする。ここで、
Ｔｃｎ：ＨＣ吸着燃焼触媒下流温度
ＴｇＴｃ：目標トルク
Ｎｅ：エンジン回転数
である。また、ＴｃｎＬは、ＨＣ吸着触媒内の吸着ＨＣが脱離し始める温度に設定するのが望ましく、センサの位置などにもよるが、一般的に１００〜２００℃となる。成層燃焼許可時は成層燃焼用目標当量比マップＭｔｇｆｂａ＿ｓを目標トルクＴｇＴｃと回転数
Ｎｅから参照される値を目標当量比ＴｇＦｂｙａとする。ＴｇＦｂｙａ＝０のときは均質燃焼とし、均質燃焼用目標当量比マップＭｔｇｆｂａを目標燃焼圧トルクＴｇＴｃと回転数Ｎｅから参照される値を目標当量比ＴｇＦｂｙａとする。成層燃焼用目標当量比マップＭｔｇｆｂａ＿ｓおよび均質燃焼用目標当量比マップＭｔｇｆｂａの設定値は実機データから決定するのが望ましい。本実施例では、成層許可をＨＣ吸着触媒温度のみに依存する使用としたが、燃費向上の観点から、成層可能な運転領域を別途判断させて、成層許可するのも良い。例えば、ＦＰＳＴＲは、水温Ｔｗｎ，アクセル開度Ａｐｏ，回転数Ｎｅの各値が条件を満たしていればＦＰＳＴＲ＝１とし、成層燃焼を許可する仕様も付け加えてもよい。

（実施の形態３）
本実施の形態では、ＨＣ吸着燃焼触媒１１の下流側の温度に基づいて、ＥＧＲを用いて燃焼温度を下げた緩昇温制御と点火リタードを用いた急昇温制御を行い、ＨＣ吸着性能及びＨＣ燃焼性能を十分に発揮させるものである。

なお、エンジンシステムの概略、コントロールユニット、及び制御全体を表したブロック図は、実施の形態１と同じである。

以下、図１０で示した各制御ブロックにおける目標点火時期演算部について図１３を用いて説明する。目標点火時期演算部では、点火時期の演算を行う。図１３に示されるように、点火時期ＡＤＶは、ＴｇＴｃとＮｅを用いて、点火時期ＭＡＤＶを参照して得られる。ＡＤＶＴＲＴＤはリタード量であり、Ｔｃｎ≧ＴｃｎＬかつＴｃｎ≦ＴｃｎＨのとき、ＡＤＶＲＴＤ＝ＡＤＶＲＴＤ０とし、それ以外のときは、ＡＤＶＲＴＤ＝０とする。ここで、
Ｔｃｎ：ＨＣ吸着燃焼触媒下流温度
ＴｇＴｃ：目標トルク
Ｎｅ：エンジン回転数
である。ＡＤＶＴＲＴＤ０は個々のシステムに合わせて最適となるよう決めるのが望ましい。また、ＭＡＤＶの値は、エンジンの性能に応じて決めるのが望ましい。ＴｃｎＬは、ＨＣ吸着燃焼触媒内に吸着されたＨＣの脱離が始まる温度に設定するのが望ましく、センサの位置などにもよるが、一般的に１００〜２００℃となるが、実機性能に応じて決めるのがよい。ＴｃｎＨは三元触媒の活性温度に設定するのが望ましく、触媒性能にもよるが、２５０℃〜４００℃となる。

（実施の形態４）
ここで、触媒温度制御手段１００の別の具体的構成を図１４に示す。この触媒温度制御手段１００は、急昇温制御手段に相当するもので、エンジン９は、空燃比が理論空燃比より薄いリーン燃焼を行うリーンバーンエンジンであり、触媒温度制御装置は、リーンバーンエンジンに対しリーン燃焼を行うかを許可するリーン燃焼許可手段１００ｌと、リーン燃焼許可手段１００ｌの結果に基づいて目標点火時期を演算する目標点火時期演算手段
１００ｍと、リーン燃焼許可手段１００ｌの結果に基づいて目標燃料噴射量及び目標燃料噴射時期を演算する目標燃料噴射量・噴射時期演算手段１００ｎと、リーン燃焼許可手段の結果に基づいて目標空気量演算手段１００ｐと、該目標点火時期演算手段の結果に基づいて点火時期を制御する点火時期制御装置１００ｑと、目標燃料噴射量・燃料噴射時期演算手段１００ｎの結果に基づいて燃料噴射量及び燃料噴射時期を制御する燃料噴射弁と、目標空気流量演算手段の結果に基づいて空気流量を制御する空気流量制御装置とを有する。ここで、空気流量制御装置は電子スロットルが該当する。

リーン燃焼を行うと、ＨＣ吸着燃焼触媒の燃焼温度が下がるので、ＨＣ吸着燃焼触媒の緩昇温手段として用いるものである。そして、リーン燃焼を実施するためには、空気流量，燃料噴射量、或いは、点火時期を最適に制御する必要がある。

（実施の形態５）
本実施の形態では、ＨＣ吸着燃焼触媒１１の下流側の温度に基づいて、ＥＧＲを用いて燃焼温度を下げた緩昇温制御と気筒別の空燃比をリッチ・リーンにばらつかせ三元触媒の反応温度を用いた急昇温制御を行い、ＨＣ吸着性能およびＨＣ燃焼性能を十分に発揮させるものである。

図１５はエンジンシステムの概略図であり、実施の形態１におけるエンジンシステムの概略図（図８）におけるＨＣ吸着燃焼触媒１１の上流側に三元触媒３０を備えたものである。そのコントロールユニット１６、及び制御全体を表したブロック図は、実施の形態１と同じである。

以下、図１０で示した各制御ブロックにおける目標燃料噴射量演算部について図１６を用いて説明する。

目標燃料噴射量演算部は、図１６に示すように、基本燃料噴射量演算部，１番気筒空燃比補正量演算部，２番気筒空燃比補正量演算部，３番気筒空燃比補正量演算部，４番気筒空燃比補正量演算部，リッチ・リーン制御許可判定部からなる。リッチ・リーン制御不許可時は、全気筒の空燃比が一定となるよう各気筒燃料噴射量が演算される。リッチ・リーン制御許可時は、三元触媒３０の入口にリッチ排気とリーン排気を供給し、三元触媒での反応熱向上を図るべく、各気筒の空燃比を所定量変化させる。リッチ・リーン制御許可判定部では、リッチ・リーン制御の許可判定を行う。

リッチ・リーン制御許可判定部は、図１７に示すように、Ｔｃｎ≧ＴｗｎＬかつＴｃｎ≦ＴｗｎＨのとき、リッチ・リーン制御許可フラグＦｐＲＬ＝１とし、リッチ・リーン制御を許可する。それ以外のときはリッチ・リーン制御を禁止し、ＦｐＲＬ＝０とする。ここで、
Ｔｃｎ：ＨＣ吸着燃焼触媒下流温度
である。

ＴｃｎＬは、ＨＣ吸着燃焼触媒内に吸着されたＨＣの脱離が始まる温度に設定するのが望ましく、センサの位置などにもよるが、一般的に１００〜２００℃となるが、実機性能に応じて決めるのがよい。ＴｃｎＨは三元触媒の活性温度に設定するのが望ましく、触媒性能にもよるが、２５０〜４００℃となる。

ここで、１番気筒空燃比補正量演算部について、図１８を用いて説明する。

本ブロックでは１番気筒の空燃比補正量の演算を行う。ＦｐＲＬ＝０のときは、１番気筒空燃比補正量Ｃｈｏｓ１は０とし、前述のＴｐおよびＬａｌｐｈａにより理論空燃比となるよう各気筒燃料噴射量が演算される。ＦｐＲＬ＝１のときは、三元触媒の入口でリッチ・リーン排気を供給すべく１番気筒の空燃比を所定量Ｋｃｈｏｓ１だけ変化させる。すなわちＦｐＲＬ＝１のときは１番気筒当量比変化量Ｃｈｏｓ１＝Ｋｃｈｏｓ１とし、FpRL＝０のときはＣｈｏｓ１＝０とする。なお、Ｋｃｈｏｓ１の値はエンジンおよび三元触媒の特性に応じて、三元触媒温度上昇度と排気との性能から設定するのが好ましい。

次に、２番気筒空燃比補正量演算部について、図１９を用いて説明する。

本ブロックでは２番気筒の空燃比補正量の演算を行う。ＦｐＲＬ＝０のときは、１番気筒空燃比補正量Ｃｈｏｓ２は０とし、前述のＴｐおよびＬａｌｐｈａにより理論空燃比となるよう各気筒燃料噴射量が演算される。ＦｐＲＬ＝１のときは、三元触媒の入口でリッチ・リーン排気を供給すべく１番気筒の空燃比を所定量Ｋｃｈｏｓ２だけ変化させる。すなわちＦｐＲＬ＝１のときは２番気筒当量比変化量Ｃｈｏｓ２＝Ｋｃｈｏｓ２とし、FpRL＝０のときはＣｈｏｓ２＝０とする。なお、Ｋｃｈｏｓ２の値はエンジンおよび三元触媒の特性に応じて、三元触媒温度上昇度と排気との性能から設定するのが好ましい。

次に、３番気筒空燃比補正量演算部について、図２０を用いて説明する。

本ブロックでは３番気筒の空燃比補正量の演算を行う。ＦｐＲＬ＝０のときは、３番気筒空燃比補正量Ｃｈｏｓ３は０とし、前述のＴｐおよびＬａｌｐｈａにより理論空燃比となるよう各気筒燃料噴射量が演算される。ＦｐＲＬ＝１のときは、三元触媒の入口でリッチ・リーン排気を供給すべく３番気筒の空燃比を所定量Ｋｃｈｏｓ３だけ変化させる。すなわちＦｐＲＬ＝１のときは３番気筒当量比変化量Ｃｈｏｓ３＝Ｋｃｈｏｓ３とし、FpRL＝０のときはＣｈｏｓ３＝０とする。なお、Ｋｃｈｏｓ３の値はエンジンおよび三元触媒の特性に応じて、三元触媒温度上昇度と排気との性能から設定するのが好ましい。

最後に、４番気筒空燃比補正量演算部について、図２１を用いて説明する。

本ブロックでは４番気筒の空燃比補正量の演算を行う。ＦｐＲＬ＝０のときは、４番気筒空燃比補正量Ｃｈｏｓ４は０とし、前述のＴｐおよびＬａｌｐｈａにより理論空燃比となるよう各気筒燃料噴射量が演算される。ＦｐＲＬ＝１のときは、三元触媒の入口でリッチ・リーン排気を供給すべく４番気筒の空燃比を所定量Ｋｃｈｏｓ４だけ変化させる。すなわちＦｐＲＬ＝１のときは４番気筒当量比変化量Ｃｈｏｓ４＝Ｋｃｈｏｓ４とし、FpRL＝０のときはＣｈｏｓ４＝０とする。なお、Ｋｃｈｏｓ４の値はエンジンおよび三元触媒の特性に応じて、三元触媒温度上昇度と排気との性能から設定するのが好ましい。

（実施の形態６）
本実施の形態における、エンジンシステムは、実施の形態１におけるエンジンシステムの概略図（図８）と同じであるが、ＨＣ吸着燃焼触媒１１の位置を図２２に示すように、エンジン始動後Ｔ１［ｓ］経過したときに、脱離開始温度Ｔ２［℃］に達するように調整するものである。たとえば、特定の走行モードなどで、始動後のアイドル時間相当をＴ１として、その後の加速に伴う、排熱上昇を利用して、脱離ＨＣを抑制し、高効率に浄化できるようにするものである。

（実施の形態７）
本実施の形態における、エンジンシステムは、実施の形態５におけるエンジンシステムの概略図（図１６）と同じであるが、ＨＣ吸着燃焼触媒１１の位置を、図２３に示すように、三元触媒３０の温度が浄化開始温度Ｔ３［℃］に達したときに、脱離開始温度Ｔ２
［℃］に達するように決めるものである。すなわち、三元触媒活性化までは、エンジンから排出されるＨＣをＨＣ吸着燃焼触媒で吸着し、三元触媒活性化後は、脱離および浄化性能を発揮させることで、高効率にＨＣを浄化できるようにするものである。

本発明の基本概念を示す図。 ＨＣ吸着燃焼触媒の特性を示す図。 本発明の基本概念を示す図。 触媒温度制御手段の緩・急昇温制御実施判定手段の第一の具体的構成を示す図。 触媒温度制御手段の緩・急昇温制御実施判定手段の第二の具体的構成を示す図。 触媒温度制御手段の緩・急昇温制御実施判定手段の第三の具体的構成を示す図。 本発明の基本概念を示す図。 本発明の一実施の形態であるエンジンシステムの概略を示す図。 コントロールユニットの内部を示す図。 ＲＯＭに書き込まれる制御プログラムを示す図。 目標ＥＧＲバルブ開度演算部を示す図。 目標当量比演算部を示す図。 目標点火時期演算部を示す図。 触媒温度制御手段の具体的構成を示す図。 本発明の一実施の形態であるエンジンシステムの概略を示す図。 目標燃料噴射量演算部を示す図。 リッチ・リーン制御許可判定部を示す図。 １番気筒空燃比補正量演算部を示す図。 ２番気筒空燃比補正量演算部を示す図。 ３番気筒空燃比補正量演算部を示す図。 ４番気筒空燃比補正量演算部を示す図。 ＨＣ吸着燃焼触媒の位置調整を説明する図。 ＨＣ吸着燃焼触媒の位置調整を説明する図。

符号の説明

１…エアクリーナ、２…エアフロセンサ、３…電子スロットル、４…吸気管、５…コレクタ、６…アクセル、７…燃料噴射弁、８…点火プラグ、９…エンジン、１０…排気管、１１，３０…ＨＣ吸着燃焼触媒、１２…Ａ／Ｆセンサ、１３…アクセル開度センサ、１４…水温センサ、１５…クランク角センサ、１６…コントロールユニット、１７…スロットル弁開度センサ、１８…排気還流管、１９…ＥＧＲバルブ、２５…点火出力回路、２６…燃料噴射弁駆動回路、２７…電子スロットル駆動回路、２８…温度センサ、２９…ＥＧＲバルブ駆動回路、１００…触媒温度制御手段。

Claims (19)

1. 触媒温度が低温から高温になるにつれてＨＣ吸着フェーズ，ＨＣ脱離フェーズ、及びＨＣ浄化フェーズと遷移するＨＣ吸着燃焼触媒をエンジンの排気管に設け、該ＨＣ吸着燃焼触媒の温度を制御する触媒温度制御装置であって、
   前記ＨＣ吸着燃焼触媒の温度制御は、前記各フェーズに応じてＨＣ吸着燃焼触媒の昇温勾配を切り換えることを特徴とする触媒温度制御装置。
2. 請求項１に記載の触媒温度制御装置において、
   前記ＨＣ吸着燃焼触媒の温度制御は、前記ＨＣ吸着燃焼触媒がＨＣ吸着フェーズにあるときのＨＣ吸着燃焼触媒の昇温勾配を、前記ＨＣ吸着燃焼触媒がＨＣ脱離フェーズにあるときのＨＣ吸着燃焼触媒の昇温勾配より小さくすることを特徴とする触媒温度制御装置。
3. 請求項１に記載の触媒温度制御装置において、
   ＨＣ吸着燃焼触媒の温度を第一の勾配で昇温する緩昇温制御手段と、ＨＣ吸着燃焼触媒の温度を前記第一の勾配より大きい勾配で昇温する急昇温制御手段と、ＨＣ吸着燃焼触媒の温度の温度制御を前記緩昇温制御手段若しくは前記急昇温制御手段で行うかを判定する緩・急昇温制御実施判定手段と、前記緩・急昇温制御実施判定手段の判定結果に基づいて緩昇温制御手段若しくは急昇温制御手段に切り換える緩・急昇温制御切換手段と、から構成され、ＨＣ吸着燃焼触媒の温度を制御することを特徴とする触媒温度制御装置。
4. 請求項３に記載の触媒温度制御装置において、
   前記緩・急昇温制御実施判定手段は、エンジン始動後の経過時間を計測する経過時間計測手段と、該経過時間計測手段で得られるエンジン始動後の経過時間が所定値を超えているかどうかを判定する判定手段とで構成されていることを特徴とする触媒温度制御装置。
5. 請求項３に記載の触媒温度制御装置において、
   前記緩・急昇温制御実施判定手段は、ＨＣ吸着燃焼触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、該触媒温度検出手段で得られるＨＣ吸着燃焼触媒の温度が所定値を超えているかどうかを判定する判定手段とで構成されていることを特徴とする触媒温度制御装置。
6. 請求項３に記載の触媒温度制御装置において、
   前記緩・急昇温制御実施判定手段は、エンジンに流入する空気流量を検出する空気流量検出手段と、該空気流量検出手段で得られる空気流量が所定値を超えているかどうかを判定する判定手段とで構成されていることを特徴とする触媒温度制御装置。
7. 請求項３に記載の触媒温度制御装置において、
   前記緩昇温制御手段は、エンジンからの排気をエンジン吸気側へ還流する還流管と、該排気の還流量を調節する還流弁と、該還流弁を制御する還流弁制御手段と、から構成されることを特徴とする触媒温度制御装置。
8. 請求項３に記載の触媒温度制御装置において、
   前記急昇温制御手段は、点火時期をリタードするよう制御することを特徴とする触媒温度制御装置。
9. 請求項４に記載の触媒温度制御装置において、
   前記急昇温制御手段は、エンジンの空燃比を気筒別にリッチ・リーンに個々にばらつかせて運転するよう制御することを特徴とする触媒温度制御装置。
10. 請求項４に記載の触媒温度制御装置において、
    前記急昇温制御手段は、前記排気管に外部より空気若しくはＯ₂を導入して排気管内で未燃ＨＣを燃焼させるよう制御することを特徴とする触媒温度制御装置。
11. 触媒温度が低温から高温になるにつれてＨＣ吸着フェーズ，ＨＣ脱離フェーズ、及びＨＣ浄化フェーズと遷移するＨＣ吸着燃焼触媒をエンジンの排気管に設け、該ＨＣ吸着燃焼触媒の温度を制御する触媒温度制御方法であって、前記各フェーズに応じてＨＣ吸着燃焼触媒の温度を制御することを特徴とする触媒温度制御方法。
12. 請求項１１に記載の触媒温度制御方法において、
    前記各フェーズに応じてＨＣ吸着燃焼触媒の昇温勾配を切り換えるよう制御することを特徴とする触媒温度制御方法。
13. 請求項１１に記載の触媒温度制御方法において、
    前記ＨＣ吸着燃焼触媒がＨＣ吸着フェーズにあるときのＨＣ吸着燃焼触媒の昇温勾配を、前記ＨＣ吸着燃焼触媒がＨＣ脱離フェーズにあるときのＨＣ吸着燃焼触媒の昇温勾配より小さくするよう制御することを特徴とする触媒温度制御方法。
14. 請求項１１に記載の触媒温度制御方法において、
    前記ＨＣ吸着燃焼触媒の昇温勾配の切り換えを、エンジン始動後の経過時間に基づき行うことを特徴とする触媒温度制御方法。
15. 請求項１２に記載の触媒温度制御方法において、
    前記ＨＣ吸着燃焼触媒の昇温勾配の切り換えを、ＨＣ吸着燃焼触媒の温度に基づき行うことを特徴とする触媒温度制御方法。
16. エンジンと、該エンジンの排気管に触媒温度が低温から高温になるにつれてＨＣ吸着フェーズ，ＨＣ脱離フェーズ、及びＨＣ浄化フェーズと遷移するＨＣ吸着燃焼触媒を備えたエンジンシステムにおいて、前記ＨＣ吸着燃焼触媒の各フェーズに応じて該ＨＣ吸着燃焼触媒の昇温勾配を切り換る触媒温度制御装置を設けたことを特徴とするエンジンシステム。
17. 請求項１６に記載のエンジンシステムにおいて、
    前記エンジンは、空燃比が理論空燃比より薄いリーン燃焼を行うリーンバーンエンジンであり、
    前記触媒温度制御装置は、前記リーンバーンエンジンに対しリーン燃焼を行うかを許可するリーン燃焼許可手段と、該リーン燃焼許可手段の結果に基づいて目標点火時期を演算する目標点火時期演算手段と、該リーン燃焼許可手段の結果に基づいて目標燃料噴射量及び目標燃料噴射時期を演算する目標燃料噴射量・噴射時期演算手段と、該リーン燃焼許可手段の結果に基づいて目標空気量演算手段と、該目標点火時期演算手段の結果に基づいて点火時期を制御する点火時期制御装置と、該目標燃料噴射量・燃料噴射時期演算手段の結果に基づいて燃料噴射量及び燃料噴射時期を制御する燃料噴射弁と、該目標空気流量演算手段の結果に基づいて空気流量を制御する空気流量制御装置と、を有することを特徴とするエンジンの制御装置。
18. 請求項１６に記載のエンジンシステムにおいて、
    前記触媒温度制御手段は、エンジン始動後の所定時間は、ＨＣ吸着燃焼触媒内にＨＣを吸着しうる吸着フェーズの温度となるような位置に前記ＨＣ吸着燃焼触媒を取付けることを特徴とするエンジンシステム。
19. 請求項１６に記載のエンジンシステムにおいて、
    前記ＨＣ吸着燃焼触媒の上流側の排気管に三元触媒を備え、三元触媒での浄化性能が開始される温度になるまでは、ＨＣ吸着燃焼触媒内にＨＣを吸着しうる吸着フェーズの温度となるような位置に前記ＨＣ吸着燃焼触媒を取付けることを特徴とするエンジンシステム。

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