JP5598370B2

JP5598370B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP5598370B2
Application number: JP2011033420A
Authority: JP
Inventors: 剛小渕; 健治櫻井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-02-18
Filing date: 2011-02-18
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2031-02-18
Also published as: JP2012172548A

Description

本発明は、ＥＧＲ触媒とＥＧＲクーラとを備えるＥＧＲ装置付きの内燃機関の制御装置に関し、特に、排気空燃比をリッチ化させるリッチ制御が行われる内燃機関の制御装置に関する。

今日使用されている車両用の内燃機関の一部は、排気ガス性能の改善を目的として、排気ガスの一部を吸気側に再循環させるＥＧＲ装置を備えている。特開２０１１−０００５１４号公報に開示されているＥＧＲ装置は、排気通路から吸気通路に再循環される排気ガス（ＥＧＲガス）の量を制御するためのＥＧＲ弁と、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラと、ＥＧＲガスを浄化するためのＥＧＲ触媒とを備えている。ＥＧＲクーラはＥＧＲ通路においてＥＧＲ弁よりも排気通路の側に設けられ、ＥＧＲ触媒はＥＧＲ通路においてＥＧＲクーラよりもさらに排気通路の側に設けられている。

特開２０１１−０００５１４号公報特開２００６−１０５０４８号公報

上述のＥＧＲ装置はリーンバーンエンジンにも用いることができる。ところが、リーンバーンエンジンの場合、ＥＧＲ装置の使用を続けているとＥＧＲクーラに腐食が発生するという問題があった。腐食の要因について調査した結果、ＥＧＲ触媒で発生するＮＨ_３が腐食に関わっていることがわかった。詳しく説明すると、リーンバーンエンジンでは、触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元して除去するため、定期的に排気空燃比をリッチ化することが行なわれている。このような排気空燃比のリッチ制御時には、ＥＧＲ触媒には空燃比がストイキよりもリッチなガスが流入する。すると、排気ガス中のＮ_２（或いはＮＯｘ）とＨ_２（或いはＨＣ）とが反応することによって多くのＮＨ_３が発生する。図７は単位時間当たりのＮＨ_３の発生量（ＥＧＲ触媒を通過した排気ガス中のＮＨ_３の濃度）がＥＧＲ触媒に流入するガスの空燃比によってどのように変わるかを調べた結果を示すグラフである。このグラフに示すように、ＥＧＲ触媒に流入するガスの空燃比がストイキよりもリッチになったとき、ＮＨ_３の発生量は急増する。このようにして発生したＮＨ_３と燃料に含まれるＣｌとが反応することで、固体のＮＨ_４Ｃｌが生成する。それが通路内に残留して高濃度の強酸水ができることで、ＥＧＲクーラの腐食を促進させるのである。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、ＥＧＲ装置付きの内燃機関に関し、ＥＧＲクーラの腐食の原因となるＮＨ_３の発生を抑えながら排気空燃比のリッチ制御を実施できるようにすることを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するため、少なくとも２つのグループに分けられた複数の気筒と、前記グループごとに設けられた排気マニホールドと、各グループの排気マニホールドを１つに集合させてなる排気通路と、前記排気通路に配置された触媒と、一部の排気マニホールドから排気ガスを取り出して吸気通路に再循環させるためのＥＧＲ通路を有し、同ＥＧＲ通路中にＥＧＲ触媒及びＥＧＲクーラを装備するＥＧＲ装置と、を備える内燃機関のための制御装置において、
前記触媒にストイキよりもリッチな空燃比の排気ガスを供給したいという要求を取得する要求取得手段と、
前記要求を取得した場合、前記ＥＧＲ通路が接続された排気マニホールド内の排気空燃比をストイキ近傍或いはストイキよりもリーンにするように同排気マニホールドに接続される各気筒の空燃比を制御する第１の空燃比制御手段と、
前記要求を取得した場合、前記ＥＧＲ通路が接続されていない排気マニホールド内の排気空燃比をストイキよりもリッチにして前記排気通路内の排気空燃比がストイキよりもリッチになるように同排気マニホールドに接続される各気筒の空燃比を制御する第２の空燃比制御手段と、
を備え、
前記ＥＧＲ通路が接続された排気マニホールドには複数の気筒が接続され、
前記第１の空燃比制御手段は、一部の気筒の空燃比はストイキよりもリッチになるように制御し、残りの気筒の空燃比はストイキよりもリーンになるように制御することを特徴としている。

本発明によれば、触媒にストイキよりもリッチな空燃比の排気ガスを供給したいという要求がある場合には、触媒に通じる排気通路内の排気空燃比はストイキよりもリッチにしながら、ＥＧＲ通路が接続された排気マニホールド内の排気空燃比はストイキ近傍或いはストイキよりもリーンにすることができる。これにより、ＥＧＲ触媒に流入する排気ガスの空燃比がストイキよりリッチになることは避けられ、ＥＧＲクーラの腐食の原因となるＮＨ３の発生は抑制される。また、ＥＧＲ触媒にはストイキよりもリッチな空燃比の排気ガスとリーンな空燃比の排気ガスとが混合したものが流れ込むようになるので、ＥＧＲ触媒での発熱反応が激しくなる。これにより、ＥＧＲ触媒の床温が上昇してＮＨ３の発生はさらに抑制される。

本発明の実施の形態１の制御装置が適用されるＥＧＲ装置付きリーンバーンエンジンの構成を示す図である。本発明の実施の形態１にて実行されるリッチ制御の内容を示すフローチャートである。本発明の実施の形態１にて実行されるリッチ制御時の空燃比プロファイルを示す図である。本発明の実施の形態２にて実行されるリッチ制御の内容を示すフローチャートである。本発明の実施の形態２にて実行されるリッチ制御時の空燃比プロファイルを示す図である。ＥＧＲ触媒の床温とＮＨ_３の発生量との関係を示すグラフである。排気空燃比とＮＨ_３の発生量との関係を示すグラフである。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１について図を参照して説明する。

本発明の実施の形態１の制御装置が適用される内燃機関は、リーンバーン運転が可能な火花点火式のガソリンエンジンである。また、ツインエントリー型のターボ過給機を備えた過給機付きエンジンである。さらに、排気ガスの一部を吸気側に再循環させることのできるＥＧＲ装置付のエンジンでもある。

図１は、本発明の実施の形態１の制御装置が適用される内燃機関の構成を示す概略図である。本実施の形態にかかる内燃機関は、そのエンジン本体２に４つの気筒を備えている。エンジン本体２が備える４つの気筒は、第１気筒（＃１）及び第４気筒（＃４）からなる気筒グループと、第２気筒（＃２）及び第３気筒（＃３）からなる気筒グループとに分けられている。

排気マニホールドは気筒のグループごとに備えられている。第１気筒及び第４気筒のグループには排気マニホールド２２が接続され、第２気筒及び第３気筒のグループには排気マニホールド２４が接続されている。２つの排気マニホールド２２、２４はターボ過給機４のタービン８に接続され、タービン８において１つに集合させられている。タービン８の出口側には排気通路２０が接続されている。排気通路２０の途中には触媒２６が設けられている。

一方、吸気通路１０にはターボ過給機４のコンプレッサ６が配置されている。吸気通路１０におけるコンプレッサ６の下流にはインタクーラ１８が取り付けられ、さらにその下流にはスロットル１６が配置されている。吸気通路１０におけるスロットル１６の下流には吸気マニホールド１４が設けられ、吸気マニホールド１４はエンジン本体２の各気筒に接続されている。

本実施の形態にかかる内燃機関は、排気系から吸気系へ排気ガスを再循環させるＥＧＲ装置３０を搭載している。ＥＧＲ装置３０は、第２気筒及び第３気筒のグループの排気マニホールド２４と吸気マニホールド１４とを接続するＥＧＲ通路３２と、ＥＧＲ通路３２に配置されるＥＧＲ弁３４、ＥＧＲクーラ３６及びＥＧＲ触媒３８とよって構成されている。ＥＧＲ弁３４は最も吸気マニホールド１４に近い位置に配置され、ＥＧＲ触媒３８は排気マニホールド２４に近い位置に配置されている。ＥＧＲクーラ３６は、ＥＧＲ弁３４とＥＧＲ触媒３８の間に配置されている。

本実施の形態にかかる内燃機関は、その運転を図示しないＥＣＵ（Electronic Control Unit）によって制御される。ＥＣＵは、内燃機関のリーンバーン運転の実施中に定期的に空燃比のリッチ制御を実施する。リッチ制御は、リーンバーン運転中に触媒２６に吸蔵されたＮＯｘを還元して除去するための処理（いわゆるリッチスパイク）や、触媒２６に付着した硫黄成分を除去するための処理（いわゆるＳパージ）で行われる空燃比制御であって、触媒２６に供給される排気ガスの空燃比がストイキよりもリッチになるように各気筒の空燃比が制御される。従来行われているリッチ制御では、全ての気筒の空燃比が一律にリッチ化されていた。しかし、本実施の形態にかかるリッチ制御では、気筒グループごとに次のような空燃比制御が実施される。

図２は、本実施の形態にて実行されるリッチ制御の内容を示すフローチャートである。最初のステップＳ１１では、触媒２６にリッチガス（空燃比がストイキよりもリッチな排気ガス）を供給したいという要求の有無が判定される。この判定は、従来のリッチ制御の実施時にも行われている判定であって、具体的には、リッチスパイクやＳパージの実施条件が満たされたかどうかが判定される。

ステップＳ１１の判定結果が肯定になった場合、ステップＳ１２の処理が実施される。このステップで行われる内容が、本実施の形態にかかるリッチ制御の内容にあたる。このステップでは、第２気筒及び第３気筒のグループはその空燃比をストイキに制御し、第１気筒及び第４気筒のグループはその空燃比をストイキよりも強くリッチに制御することが行われる。第２気筒及び第３気筒のグループは排気マニホールド２４がＥＧＲ通路３２に接続されている気筒グループである。このグループの排気空燃比はリッチ化せずにストイキに止めることで、ＥＧＲ触媒３８にリッチガスが流入するのを避けることができる。また、第１気筒及び第４気筒のグループの排気マニホールド２２はＥＧＲ通路３２に接続されていないので、空燃比を大きくリッチ化したとしてもＥＧＲ触媒３８にリッチガスが流れることはない。

ステップＳ１２で行われる処理の内容は、図３により詳しく示されている。図３は、本実施の形態にて実行されるリッチ制御時の空燃比プロファイルを示す図である。図３の最上段には第２気筒及び第３気筒から排出される排気ガスの空燃比のプロファイルが示されている。中段には第１気筒及び第４気筒から排出される排気ガスの空燃比のプロファイルが示されている。そして、最下段には触媒２６に流入する排気ガスの空燃比のプロファイルが示されている。また、図中にはリッチ制御時の目標空燃比がストイキと対比して示されている。この図に示すように、第２気筒及び第３気筒に関しては、それらから排出される排気ガスの空燃比がストイキになるように空燃比制御が実施される。一方、第１気筒及び第４気筒に関しては、それらから排出される排気ガスの空燃比がリッチ制御時の目標空燃比よりもさらにリッチになるように空燃比制御が実施される。より詳しくは、２つの排気マニホールド２２、２４内の排気ガスが混合した後の空燃比、すなわち、触媒２６に流入する排気ガスの空燃比がリッチ制御時の目標空燃比に一致するように、第１気筒及び第４気筒の空燃比制御が行われる。

このような内容のリッチ制御によれば、触媒２６にはストイキよりもリッチな空燃比の排気ガスを供給しながら、ＥＧＲ触媒３８に流入する排気ガスの空燃比がストイキよりリッチになることを回避することができる。図７のグラフに示す排気空燃比とＮＨ_３の発生量との関係からわかるように、ＥＧＲ触媒３８に流入する排気ガスの空燃比がストイキ近傍或いはストイキよりもリーンであれば、ＮＨ_３の発生量は低く抑えることができる。したがって、本実施の形態によれば、リッチスパイクやＳパージといったリッチ制御の本来の目的を達成しながら、ＥＧＲクーラ３６の腐食の原因となるＮＨ_３がＥＧＲ触媒３８で発生するのを抑制することができる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図を参照して説明する。

本発明の実施の形態２の制御装置は、実施の形態１の場合と同様、図１に示す構成の内燃機関に適用される。本実施の形態と実施の形態１との相違は、制御装置としてのＥＣＵの機能、より詳しくは、リーンバーン運転中に実施されるリッチ制御の内容に相違がある。

本実施の形態にて実行されるリッチ制御の内容は図４のフローチャートによって示される。最初のステップＳ２１では、触媒２６にリッチガスを供給したいという要求の有無が判定される。この判定の結果が肯定になった場合、ステップＳ２２の処理が実施される。このステップでは、第２気筒の空燃比はストイキよりもややリッチに制御し、第３気筒の空燃比はストイキよりもややリーンに制御し、そして、第１気筒及び第４気筒のグループはその空燃比をストイキよりも強くリッチに制御することが行われる。

ステップＳ２２で行われる処理の内容は、図５により詳しく示されている。図５は、本実施の形態にて実行されるリッチ制御時の空燃比プロファイルを示す図である。図５の最上段には第２気筒から排出される排気ガスの空燃比のプロファイルが示され、次段には第３気筒から排出される排気ガスの空燃比のプロファイルが示されている。第３段には第１気筒及び第４気筒から排出される排気ガスの空燃比のプロファイルが示されている。そして、最下段には触媒２６に流入する排気ガスの空燃比のプロファイルが示されている。また、図中にはリッチ制御時の目標空燃比がストイキと対比して示されている。この図に示すように、第２気筒及び第３気筒に関しては、その一方から排出される排気ガスの空燃比はストイキよりもリッチにし、もう一方から排出される排気ガスの空燃比はストイキよりもリーンにしつつ、両者を平均したものがほぼストイキになるように空燃比制御が実施される。これに対して、第１気筒及び第４気筒に関しては、それらから排出される排気ガスの空燃比がリッチ制御時の目標空燃比よりもさらにリッチになるように空燃比制御が実施される。より詳しくは、２つの排気マニホールド２２、２４内の排気ガスが混合した後の空燃比、すなわち、触媒２６に流入する排気ガスの空燃比がリッチ制御時の目標空燃比に一致するように、第１気筒及び第４気筒の空燃比制御が行われる。

このような内容のリッチ制御によれば、第２気筒及び第３気筒が接続される排気マニホールド２４内にはストイキよりもややリッチな排気ガスとストイキよりもややリーンな排気ガスとが交互に排出され、それらが混合したものがＥＧＲ通路３２を通ってＥＧＲ触媒３８に流入するようになる。ＥＧＲ触媒３８に流入する排気ガスの空燃比は、第２気筒から排出される排気ガスの空燃比と第３気筒から排出される排気ガスの空燃比とを平均したものとなり、それはほぼストイキであることから、ＥＧＲ触媒３８でのＮＨ_３の発生量は低く抑えられる。

さらに、本実施の形態の場合、ＥＧＲ触媒３８に流入する排気ガスはリッチガスとリーンガスとの混合ガスであることから、実施の形態１の場合に比較して、排気ガスには多くの未燃ＨＣと酸素とが含まれている。このため、ＥＧＲ触媒３８で起きる発熱反応は激しくなり、ＥＧＲ触媒３８の床温は上昇する。図６は単位時間当たりのＮＨ_３の発生量（ＥＧＲ触媒を通過した排気ガス中のＮＨ_３の濃度）がＥＧＲ触媒３８の床温によってどのように変わるかを調べた結果を示すグラフである。このグラフに示すように、ＮＨ_３が多く発生するのは３００℃から７００℃にかけての温度域であり、それよりも高温であればＮＨ_３の発生量は低く抑えられる。したがって、本実施の形態によれば、ＥＧＲ触媒３８上での発熱反応を促してＥＧＲ触媒３８の床温を上昇させることでＮＨ_３の発生をさらに抑制することができる。つまり、本実施の形態によれば、リッチスパイクやＳパージといったリッチ制御の本来の目的を達成しながら、ＥＧＲクーラ３６の腐食の原因となるＮＨ_３がＥＧＲ触媒３８で発生するのをさらに抑制することができる。

その他．
本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施することもできる。

実施の形態１において、リッチ制御時の第２気筒及び第３気筒の空燃比はストイキよりリーンであってもよい。例えば、第２気筒及び第３気筒に関しては、リーンバーン運転時の空燃比をそのまま維持するようにしてもよい。ただし、触媒流入ガスの排気空燃比をリッチ制御時の目標空燃比にするためには、第２気筒及び第３気筒の空燃比をよりリーンにするほど、第１気筒及び第４気筒の空燃比はよりリッチにしなければならない。その場合、空燃比を過度にリッチ化してしまうと燃焼限界を超えることになって失火が生じてしまう。したがって、第２気筒及び第３気筒が採りうる空燃比には、リッチ制御時の目標空燃比と第１気筒及び第４気筒の燃焼限界空燃比とから決まるリーン限界が存在する。そのリーン限界からストイキまでの範囲内であれば、リッチ制御時の第２気筒及び第３気筒の空燃比は任意に設定することできる。

実施の形態２において、第２気筒の空燃比と第３気筒の空燃比とを平均したものがストイキよりリーンになっていてもよい。ただし、ＥＧＲ触媒３８において発熱反応を起こし、それによりＥＧＲ触媒３８の床温を上昇させたいのであれば、第２気筒か第３気筒の何れか一方の空燃比はストイキよりリッチであることが望ましい。また、第２気筒と第３気筒のうち空燃比をリッチにする気筒に関しては、第２気筒と第３気筒の空燃比を平均したものがストイキよりもリーンになっている限り、燃焼限界ぎりぎりまでリッチにすることができる。

また、図１に示す内燃機関はツインエントリー型のターボ過給機を備えた過給機付きエンジンであるが、本発明は自然吸気型のエンジンにも適用することができる。また、本発明は火花点火式のガソリンエンジンのみならず、ディーゼルエンジンにも適用することができる。

２エンジン本体
４ターボ過給機
１０吸気通路
１４吸気マニホールド
１６スロットル
１８インタクーラ
２０排気通路
２２排気マニホールド（＃１、＃４側）
２４排気マニホールド（＃２、＃３側）
２６触媒
３０ＥＧＲ装置
３２ＥＧＲ通路
３４ＥＧＲ弁
３６ＥＧＲクーラ
３８ＥＧＲ触媒

Claims

少なくとも２つのグループに分けられた複数の気筒と、
前記グループごとに設けられた排気マニホールドと、
各グループの排気マニホールドを１つに集合させてなる排気通路と、
前記排気通路に配置された触媒と、
一部の排気マニホールドから排気ガスを取り出して吸気通路に再循環させるためのＥＧＲ通路を有し、同ＥＧＲ通路中にＥＧＲ触媒及びＥＧＲクーラを装備するＥＧＲ装置と、
を備える内燃機関のための制御装置において、
前記触媒にストイキよりもリッチな空燃比の排気ガスを供給したいという要求を取得する要求取得手段と、
前記要求を取得した場合、前記ＥＧＲ通路が接続された排気マニホールド内の排気空燃比をストイキ近傍或いはストイキよりもリーンにするように同排気マニホールドに接続される各気筒の空燃比を制御する第１の空燃比制御手段と、
前記要求を取得した場合、前記ＥＧＲ通路が接続されていない排気マニホールド内の排気空燃比をストイキよりもリッチにして前記排気通路内の排気空燃比がストイキよりもリッチになるように同排気マニホールドに接続される各気筒の空燃比を制御する第２の空燃比制御手段と、
を備え、
前記ＥＧＲ通路が接続された排気マニホールドには複数の気筒が接続され、
前記第１の空燃比制御手段は、一部の気筒の空燃比はストイキよりもリッチになるように制御し、残りの気筒の空燃比はストイキよりもリーンになるように制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。