JP5512154B2 - エンジン - Google Patents

Description

本発明は、排気通路内に触媒装置を備えるエンジンに関し、より詳細には、排気通路内に発生する凝縮水対策の技術に関する。

従来、排気通路内に触媒装置を備えるエンジンにおいて、排気通路内に発生する凝縮水対策の技術は公知となっている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のエンジンは、凝縮水を排出するドレンを排気マニホールドに備える。特許文献１に記載のエンジンは、排気マニホールドに貯溜した凝縮水をドレンから排出することができる。

特開２００４−２９３４０４号公報

しかし、特許文献１に記載のエンジンは、エンジンの運転中に凝縮水が発生した場合に凝縮水の発生を抑制できず、凝縮水によって触媒装置の活性が上がらない、という問題があった。

本発明の解決しようとする課題は以上のとおりであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

すなわち、請求項１においては、排気通路内に触媒装置を備えるエンジンであって、前記排気通路内における凝縮水を検出する凝縮水検出手段と、前記触媒装置の活性を検出する触媒活性検出手段と、前記エンジンの運転状態を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記エンジンの点火時期について規定する点火時期マップと、前記エンジンの空燃比について規定する空燃比マップと、を記憶し、前記エンジンが起動してから所定の時間が経過するまでは、前記点火時期マップの点火時期をリタードするとともに、前記空燃比マップの空燃比をリーン化し、前記所定の時間が経過した後、前記凝縮水検出手段の検出値に基づいて凝縮水が発生していないと判断すると前記空燃比マップの空燃比をリッチ化し、その後、前記触媒活性検出手段の検出値に基づいて前記触媒装置が活性化していると判断すると前記点火時期マップおよび前記空燃比マップに従って制御するものである。

請求項２においては、請求項１記載のエンジンにおいて、前記凝縮水検出手段および前記触媒活性検出手段は、排気ガスの温度を検出する排気温度検出手段であり、前記制御手段は、排気ガスの温度にかかる第一の閾値と、前記第一の閾値よりも高い排気ガスの温度にかかる第二の閾値と、を記憶し、前記所定の時間が経過した後、検出された排気ガスの温度が第一の閾値未満であると、凝縮水が発生していると判断して、再度点火時期をリタードするとともに、空燃比をリーン化し、次に、検出された排気ガスの温度が前記第一の閾値以上であると、凝縮水が発生していないと判断して前記空燃比マップの空燃比をリッチ化し、その後、検出された排気ガスの温度が前記第二の閾値以上になると、前記触媒装置が活性化していると判断して、前記点火時期マップおよび前記空燃比マップに従って制御するものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、エンジンの運転中に凝縮水が発生しているか否かを判断して凝縮水が発生した場合に凝縮水の発生を抑制するように制御して、触媒装置を活性化することが可能である。

請求項２においては、排気ガスの温度を検出して排気ガスの温度にかかる閾値を基準に凝縮水が発生している否かを判断することにより、精度の高い制御が可能である。

本発明の一実施例に係るエンジンを模式的に示した図。 触媒装置を示した断面図。 点火時期マップ図。 空燃比マップ図。 制御装置の制御フロー図。

次に、発明の実施の形態を説明する。

先ず、本発明の一実施例に係るエンジン１について、図１により説明する。

なお、以下では便宜上、エンジン１において重力が作用する方向を「下方」と定義するとともに重力が作用する方向の逆方向を「上方」と定義することにより「上下方向」を定義し、これら定義された方向を用いて説明を行う。

図１に示すように、エンジン１は、天然ガス等の気体状の燃料を用いるいわゆるガスエンジンである。エンジン１は、エンジン本体１０と、排気通路１１と、マフラー１２と、触媒装置１３と、排気熱交換器１４と、排気温度検出センサー１５と、制御装置１６と、を備える。

エンジン本体１０は、シリンダ、シリンダブロック、およびシリンダヘッド等によって構成されエンジン１の本体を成す。エンジン本体１０のシリンダヘッドには、シリンダから排出される排気ガスを集める排気マニホールド（図示省略）が設けられ、前記排気マニホールドに排気通路１１の一端部が接続される。

排気通路１１は、配管等によって構成され、前記シリンダからの排気ガスを大気中に排出する。排気通路１１の他端部には、排気ガスの排出に伴う騒音を低下させるマフラー１２が接続される。排気通路１１の途中には触媒装置１３が設けられるとともに、排気通路１１において触媒装置１３よりもマフラー１２側には、排気熱交換器１４が設けられる。

なお、以下では便宜上、排気通路１１においてエンジン本体１０側を「排気上流側」と定義するとともに、排気通路１１においてマフラー１２側を「排気下流側」と定義し、これら定義された方向を用いて説明を行う。

触媒装置１３は、排気ガスに含まれる一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）等を酸化・消滅させる。触媒装置１３は、酸化触媒式等とされる。なお、前記排気マニホールドに触媒装置１３の一端部を接続する（前記排気マニホールドに触媒装置１３を直接接続する）構成でもよい。排気熱交換器１４は、排気ガスの熱を取得して水等の流体に熱エネルギーを伝達することによって熱交換を行う。

次に、触媒装置１３について、図２により説明する。図２に示すように、触媒装置１３は、フィルターとなる触媒本体１３１と、触媒本体１３１を収容する触媒ケース１３２と、を有する。

触媒ケース１３２は略箱状の長手部材である。触媒ケース１３２の長手方向両端部は、排気通路１１に連通し、触媒ケース１３２の長手方向は、触媒装置１３内を通過する排気ガスの流れ方向に沿う。触媒ケース１３２には、凝縮水貯溜部１３２Ａが設けられる。

凝縮水貯溜部１３２Ａは、排気通路１１で発生した凝縮水を貯溜する。ここで「凝縮水」とは、排気通路１１内の空気に含まれる水分が外気によって冷却されて液化したものをいう。凝縮水貯溜部１３２Ａは、触媒ケース１３２の下部に設けられる。凝縮水貯溜部１３２Ａは、触媒ケース１３２の下面が略四角形状に下方に膨出する形状である。

凝縮水貯溜部１３２Ａは、触媒装置１３において排気上流側に設けられる。つまり、凝縮水貯溜部１３２Ａは、触媒装置１３内を通過する排気ガスの流れ方向に対して直交する方向から見たとき、触媒ケース１３２の長手方向中心１３２Ｂよりも排気上流側に設けられる。凝縮水貯溜部１３２Ａ内には、排気温度検出センサー１５が取り付けられる。

排気温度検出センサー１５は、本発明に係る凝縮水検出手段、触媒活性検出手段および排気温度検出手段の実施の一形態である。排気温度検出センサー１５は、排気ガスの温度（以下「排気温度」という。）Ｔｅを検出する。なお、凝縮水検出手段はフロート等により凝縮水を検出する構成でもよい。排気温度検出センサー１５（検出部１５１）は、触媒装置１３において排気上流側に設けられた凝縮水貯溜部１３２Ａ内に差し込まれる。つまり、排気温度検出センサー１５は、触媒装置１３において排気上流側で排気温度Ｔｅを検出する。

制御装置１６は、本発明に係る制御手段の実施の一形態である。制御装置１６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、およびＲＡＭ等がバスで接続される構成、あるいはワンチップのＬＳＩ等からなる構成とされる。制御装置１６は、排気ガスの温度にかかる閾値Ｔｚを記憶する。閾値Ｔｚは、例えば凝縮水の沸点（約１００度）等とされる。制御装置１６には、排気温度検出センサー１５、回転数センサー１７、空燃比センサー１８、およびエンジン１の点火装置１９が接続される（図１参照）。回転数センサー１７は、本実施例ではエンジン１のクランク軸１０１の回転速度を検出する。空燃比センサー１８は、排気通路１１内に設けられ、エンジン１の空燃比を検出する。なお、「空燃比」は、混合気における空気質量を燃料質量で割った比によって表される。

制御装置１６は、排気ガスの温度にかかる第一の閾値Ｔｚ１と、第一の閾値Ｔｚ１よりも高い排気ガスの温度にかかる第二の閾値Ｔｚ２と、点火時期マップ１６１（図３参照）と、空燃比マップ１６２（図４参照）と、を記憶する。

第一の閾値Ｔｚ１は、第二の閾値Ｔｚ２よりも低い温度とされ、エンジン１の起動直後（冷態起動時）における凝縮水の発生を抑制する観点から規定される。第一の閾値Ｔｚ１は、例えば凝縮水の沸点（約１００度）等とされる。

点火時期マップ１６１は、エンジン１の点火時期について規定する。図３に示すように、点火時期マップ１６１は、横軸がエンジン回転数Ｎ（単位：ｍｉｎ−１）によって表され、縦軸が点火時期Ｔ（単位：ｄｅｇ）によって表される。ここで「点火時期」は、エンジン１のピストン（図示省略）上死点を０度とするクランク軸１０１（図１参照）の回転角度によって表され、「点火時期のリタード」とは、クランク軸１０１の回転角度が小さくなる方向で点火する（点火時期を遅くらせる）ことを意味する。

空燃比マップ１６２は、エンジン１の空燃比について規定する。図４に示すように、空燃比マップ１６２は、横軸がエンジン回転数Ｎ（単位：ｍｉｎ−１）によって表され、縦軸が空燃比Ａ／Ｆによって表される。ここで「空燃比のリーン化」とは、空気質量が増加若しくは燃料質量が低減することにより、空燃比が大きくなって混合気が薄くなることを意味し、「空燃比をリッチ化」とは、空気質量が低減若しくは燃料質量が増加することにより、空燃比が小さくなって混合気が濃くなることを意味する。

次に、制御装置１６の制御フローについて、図５により説明する。

図５に示すように、制御装置１６は、エンジン１が起動してから所定の時間ｔｚが経過するまでは（Ｓ１：Ｎｏ）、点火時期マップ１６１の点火時期Ｔをリタードする（Ｓ２）。例えば、図３においてエンジン回転数がＮｘである場合、制御装置１６はエンジン回転数Ｎｘに対応する点火時期Ｔｘを選択せずに、エンジン回転数Ｎ（ｘ−１）に対応する点火時期Ｔｘ−１を選択する。なお、所定の時間ｔｚは、例えばエンジン１の暖機運転に要する時間等とされる。

合わせて、制御装置１６は、エンジン１が起動してから所定の時間ｔｚが経過するまでは（Ｓ１：Ｎｏ）、空燃比マップ１６２の空燃比Ａ／Ｆをリーン化する（Ｓ３）。例えば、図４においてエンジン回転数がＮｘである場合、制御装置１６はエンジン回転数Ｎｘに対応する空燃比Ａ／Ｆ（ｘ）を選択せずに、エンジン回転数Ｎ（ｘ−１）に対応する空燃比Ａ／Ｆ（ｘ−１）を選択する。

続いて、制御装置１６は、エンジン１が起動してから所定の時間ｔｚが経過した後（Ｓ１：Ｙｅｓ）、排気温度検出センサー１５が検出した排気温度Ｔｅを読み込み（Ｓ４）、排気温度Ｔｅが第一の閾値Ｔｚ１以上（Ｓ５：Ｙｅｓ）であると、凝縮水が発生していないと判断して（Ｓ６）空燃比マップ１６２の空燃比Ａ／Ｆをリッチ化する（Ｓ７）。
例えば、図４においてエンジン回転数がＮｘである場合、制御装置１６はエンジン回転数Ｎｘに対応する空燃比Ａ／Ｆ（ｘ）を選択せずに、エンジン回転数Ｎ（ｘ＋１）に対応する空燃比Ａ／Ｆ（ｘ＋１）を選択する。一方、排気温度Ｔｅが第一の閾値Ｔｚ１未満（Ｓ５：Ｎｏ）であると、制御装置１６は、凝縮水が発生していると判断して（Ｓ８）、再度点火時期Ｔをリタードするとともに（Ｓ２）、空燃比Ａ／Ｆをリーン化する（Ｓ３）。

そして、空燃比Ａ／Ｆをリッチ化（Ｓ７）した後、排気温度Ｔｅが第二の閾値Ｔｚ２以上になると（Ｓ９：Ｙｅｓ）、制御装置１６は、触媒装置１３が活性化していると判断して（Ｓ１０）点火時期マップ１６１および空燃比マップ１６２に従って制御する（Ｓ１１）。例えば、図３および図４においてエンジン回転数がＮｘである場合、制御装置１６はエンジン回転数Ｎｘに対応する点火時期Ｔｘを選択するとともに（図３参照）エンジン回転数Ｎｘに対応する空燃比Ａ／Ｆ（ｘ）を選択する（図４参照）。一方、排気温度Ｔｅが第二の閾値Ｔｚ２未満（Ｓ９：Ｎｏ）であると、制御装置１６は、触媒装置１３が活性化していないと判断して（Ｓ１２）、再度空燃比Ａ／Ｆをリッチ化する（Ｓ７）。

以上のように本発明の一実施例に係るエンジン１は、排気通路１１内に触媒装置１３を備えるエンジン１であって、排気通路１１内における凝縮水を検出するとともに触媒装置１３の活性を検出する排気温度検出センサー１５と、エンジン１の運転状態を制御する制御装置１６と、備え、制御装置１６は、エンジン１の点火時期について規定する点火時期マップ１６１と、エンジン１の空燃比について規定する空燃比マップ１６２と、を記憶し、エンジン１が起動してから所定の時間ｔｚが経過するまでは、点火時期マップ１６１の点火時期をリタードするとともに、空燃比マップ１６２の空燃比をリーン化し、所定の時間ｔｚが経過した後、排気温度検出センサー１５の検出値に基づいて凝縮水が発生していないと判断すると空燃比マップ１６２の空燃比をリッチ化し、その後、排気温度検出センサー１５の検出値に基づいて触媒装置１３が活性化していると判断すると点火時期マップ１６１および空燃比マップ１６２に従って制御するものである。このような構成により、エンジン１の運転中に凝縮水が発生しているか否かを判断して凝縮水が発生した場合に凝縮水の発生を抑制するように制御して、触媒装置１３を活性化することが可能である。

そして、凝縮水検出手段は、排気ガスの温度を検出する排気温度検出センサー１５であり、制御装置１６は、排気ガスの温度にかかる第一の閾値Ｔｚ１と、第一の閾値Ｔｚ１よりも高い排気ガスの温度にかかる第二の閾値Ｔｚ２と、を記憶し、所定の時間ｔｚが経過した後、検出された排気温度Ｔｅが第一の閾値Ｔｚ１未満であると、制御装置１６は、凝縮水が発生していると判断して、再度点火時期Ｔをリタードするとともに、空燃比Ａ／Ｆをリーン化し、次に、検出された排気ガスの温度Ｔｅが第一の閾値Ｔｚ１以上第二の閾値Ｔｚ２未満であると、凝縮水が発生していないと判断して空燃比マップ１６２の空燃比をリッチ化し、その後、検出された排気ガスの温度Ｔｅが第二の閾値Ｔｚ２以上になると、凝縮水が発生していなくて，触媒装置は活性化していると判断して、点火時期マップ１６１および空燃比マップ１６２に従って制御するものである。このような構成により、排気ガスの温度Ｔｅを検出して排気ガスの温度にかかる閾値Ｔｚ１・Ｔｚ２を基準に凝縮水が発生している否かを判断することにより、精度の高い制御が可能である。

１ エンジン
１１ 排気通路
１３ 触媒装置
１５ 排気温度検出センサー（凝縮水検出手段、触媒活性検出手段、排気温度検出手段）
１６ 制御装置（制御手段）
１３２Ａ 凝縮水貯溜部
１６１ 点火時期マップ
１６２ 空燃比マップ
Ｔｅ 排気ガスの温度
Ｔｚ１ 第一の閾値
Ｔｚ２ 第二の閾値
ｔｚ 所定の時間

Claims (2)

1. 排気通路内に触媒装置を備えるエンジンであって、
   前記排気通路内における凝縮水を検出する凝縮水検出手段と、前記触媒装置の活性を検出する触媒活性検出手段と、前記エンジンの運転状態を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記エンジンの点火時期について規定する点火時期マップと、前記エンジンの空燃比について規定する空燃比マップと、を記憶し、
   前記エンジンが起動してから所定の時間が経過するまでは、前記点火時期マップの点火時期をリタードするとともに、前記空燃比マップの空燃比をリーン化し、
   前記所定の時間が経過した後、前記凝縮水検出手段の検出値に基づいて凝縮水が発生していないと判断すると、前記空燃比マップの空燃比をリッチ化し、
   その後、前記触媒活性検出手段の検出値に基づいて、前記触媒装置が活性化していると判断すると、前記点火時期マップおよび前記空燃比マップに従って制御する
   エンジン。
2. 前記凝縮水検出手段および前記触媒活性検出手段は、排気ガスの温度を検出する排気温度検出手段であり、
   前記制御手段は、排気ガスの温度にかかる第一の閾値と、前記第一の閾値よりも高い排気ガスの温度にかかる第二の閾値と、を記憶し、
   前記所定の時間が経過した後、検出された排気ガスの温度が第一の閾値未満であると、凝縮水が発生していると判断して、再度点火時期をリタードするとともに、空燃比をリーン化し、
   次に、検出された排気ガスの温度が前記第一の閾値以上であると、凝縮水が発生していないと判断して前記空燃比マップの空燃比をリッチ化し、
   その後、検出された排気ガスの温度が前記第二の閾値以上になると、前記触媒装置が活性化していると判断して、前記点火時期マップおよび前記空燃比マップに従って制御する
   請求項１に記載のエンジン。

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