JP2004360569A

JP2004360569A - 内燃機関の排気浄化制御装置

Info

Publication number: JP2004360569A
Application number: JP2003159787A
Authority: JP
Inventors: Takao Yonetani; 孝雄米谷
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-06-04
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2004-12-24

Abstract

【課題】内燃機関の触媒の被毒物質解除制御を行える運転領域を拡大して排気浄化性能を向上する。
【解決手段】触媒の被毒物質（イオウ酸化物等）付着量が増大して解除条件が成立すると（Ｓ１→Ｓ２）、運転領域を判別し、低出力域では吸気行程と圧縮行程とで分割噴射する排温上昇成層燃焼を排温上昇効果を最大一定として行い（Ｓ４）、中出力域では出力の増大に応じて上記排温上昇成層燃焼を圧縮行程燃料噴射量割合を減少させたり、圧縮行程燃料噴射時期を進角させたりしてＳ２温上昇効果を抑制しつつ排温上昇成層燃焼を被毒物質が解除するまで行わせて（Ｓ５）、被毒物質解除制御用の排温上昇成層燃焼を実行できる領域を拡大する。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化制御装置に関し、詳しくは、排気浄化触媒へ付着する被毒物質を解除する制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
排気浄化触媒、特に空燃比リーン制御中のＮＯｘを吸着して還元浄化するＮＯｘトラップ触媒では、ＮＯｘ吸着と略同様の作用で被毒物質（ＳＯｘ；イオウ酸化物等）が付着しやすく、該被毒物質の付着量が増大すると触媒作用（ＮＯｘトラップ触媒ではＮＯｘ吸着作用）が低下する。このため被毒物質が一定以上付着すると該被毒物質を除去（解除）するため、空燃比をリッチ化しつつ点火時期をリタードして排気温度を上昇させ、昇温によって解除する制御が行われているが、この制御方式では、被毒物質を解除可能な機会が不足し、十分に解除できないことがあった。
【０００３】
一方、燃焼室内に直接燃料を噴射供給して成層燃焼を行わせる直噴火花点火式内燃機関において、燃料を吸気行程と圧縮行程とで分割して噴射することにより、点火栓周りの空燃比をその外側の空燃比よりリッチな成層混合気を形成して燃焼させる成層燃焼（排温上昇成層燃焼）を行って、排温上昇効果を高めて排気浄化触媒の昇温活性化を促進させる技術が知られる。
【０００４】
かかる排温上昇成層燃焼において、機関温度の上昇に応じて圧縮行程の燃料噴射時期（以下、圧縮行程噴射時期という）を遅角したり、圧縮行程の燃料噴射量割合（以下、圧縮行程噴射量割合という）を大きくして、さらに排温上昇効果を高めるようにしたものがある（特許文献１参照）。
【０００５】
また、同じく排温上昇成層燃焼において、機関負荷の増大に応じて圧縮行程噴射量割合を減少して、出力増大を図ったものもある（特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−７３８２０号公報
【特許文献２】
特開平１０−２１２９８７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記排温上昇成層燃焼を行えば排温上昇効果が得られるので、前記触媒の被毒物質の解除も可能となるが、従来、排温上昇成層燃焼は、触媒の暖機促進のため行われていたので暖機完了後は行われず、効果的に被毒物質解除を行えるものではなかった。
【０００８】
本願発明者は、上記排温上昇成層燃焼を触媒の被毒物質解除に利用できることに着目したが、一方、触媒活性化中のように排温上昇効果を最大限高めるように燃焼させると、必要以上に排温が上昇して触媒の劣化が問題となることを明らかにした。特に、排気浄化触媒として、前記被毒物質解除制御が要求されるＮＯｘトラップ触媒と共に空燃比ストイキ制御中に排気浄化を行う三元触媒をＮＯｘトラップ触媒の上流に備える場合が多く、その場合、ＮＯｘトラップ触媒の温度を最大限高めるように排温を上昇させると、上流側の三元触媒の温度が過度に上昇して劣化してしまうことが判明した。
【０００９】
上記特許文献１の圧縮行程噴射時期の遅角制御は、さらに排温上昇効果を高めるもので触媒劣化防止とは逆行する制御であり、上記特許文献２の圧縮行程噴射量割合の減少制御も出力増大要求時に行われるものであって触媒温度を適正に維持する制御ではないから、触媒劣化を防止できるものではない。
【００１０】
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、排温上昇成層燃焼を利用した触媒の被毒解除制御を、過度の昇温を抑制して触媒の劣化を防止しつつ実行することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このため本発明は、排気浄化触媒の被毒物質を解除するために排温上昇成層燃焼を行う一方、排気浄化触媒の温度に相関する機関出力パラメータに基づいて、該排気浄化触媒の温度（触媒流入排気温度）を目標温度に近づけるように前記排温上昇成層燃焼における燃料噴射状態を制御する構成とした。
【００１２】
このようにすれば、触媒温度を劣化を防止しつつ被毒物質解除効果が得られる適正温度に制御することができ、触媒の被毒物質解除と耐久性を両立できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を、添付の図面に基づいて説明する。
本発明の実施形態のシステム構成を示す図１において、機関１の吸気通路２には吸入空気流量Ｑａを検出するエアフローメータ３及び吸入空気流量Ｑａを制御するスロットル弁４が設けられると共に、各気筒の燃焼室に臨ませて、燃料噴射弁５が設けられている。
【００１４】
前記燃料噴射弁５は、コントロールユニット５０において設定される駆動パルス信号によって開弁駆動され、燃料を燃焼室内に直接噴射供給することができるようになっている。
【００１５】
なお、燃焼室に臨んで装着されて、コントロールユニット５０からの点火信号に基づいて吸入混合気に対して点火を行う点火栓（点火プラグ）６が、各気筒に設けられている。
【００１６】
一方、排気通路７には、排気中の特定成分（例えば、酸素）濃度を検出することによって排気延いては吸入混合気の空燃比を検出する空燃比センサ８（リッチ・リーン出力する酸素センサであっても良いし、空燃比をリニアに広域に亘って検出する広域空燃比センサであってもよい）が設けられ、その下流側には、排気を浄化するため三元触媒９及びＮＯｘトラップ触媒１０が順次設けられる。ここで、前記三元触媒９は、ストイキつまり理論空燃比｛λ＝１、Ａ／Ｆ（空気重量／燃料重量）・１４．７｝近傍において排気中のＣＯ，ＨＣの酸化とＮＯｘの還元を行って排気を浄化し、前記ＮＯｘトラップ触媒１０は、リーン空燃比において排気中のＮＯｘをトラップし、ストイキ乃至リッチ空燃比になったときにトラップしたＮＯｘを放出還元して処理する。
【００１７】
ところで、空燃比センサ８は、三元触媒９の排気上流側に設けられ、かつ熱容量も小さいので、三元触媒９に比べれば、活性化速度は極めて速い。また、空燃比センサ８を電熱ヒータ等により強制的に昇温（活性化）させることもできるから、後述する排温上昇成層燃焼中（触媒９，１０の暖機過程中および被毒物質解除中）に、当該空燃比センサ８の検出結果に基づく空燃比フィードバック制御を行うことは可能である。そこで、本実施の形態では、始動後直ちに空燃比センサ８を活性化させて、排温上昇成層燃焼時に、空燃比センサ８の検出値に基づいて、フィードバック制御することもできるし、簡易的にフィードフォワード制御で排温上昇成層燃焼を行ってもよい。
【００１８】
また、クランク角センサ１１が備えられており、コントロールユニット５０では、該クランク角センサ１１から機関回転と同期して出力されるクランク単位角信号を一定時間カウントして、又は、クランク基準角信号の周期を計測して機関回転速度Ｎｅを検出できるようになっている。
【００１９】
そして、機関１の冷却ジャケットに臨んで設けられ、冷却ジャケット内の冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ１２が設けられている。
また、前記スロットル弁４の開度を検出するスロットルセンサ１３（アイドルスイッチとしても機能させることができる）が設けられ、さらに、前記スロットル弁４の開度を、ＤＣモータ等のアクチュエータにより制御することができるスロットル弁制御装置１４が備えられている。
【００２０】
当該スロットル弁制御装置１４は、運転者のアクセルペダル操作量等に基づき演算される要求トルクを達成できるように、コントロールユニット５０からの駆動信号に基づき、スロットル弁４の開度を電子制御するものとして構成することができる。
【００２１】
前記各種センサ類からの検出信号は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェース等を含んで構成されるマイクロコンピュータからなるコントロールユニット５０へ入力され、当該コントロールユニット５０は、前記センサ類からの信号に基づいて検出される運転状態に応じて、前記スロットル弁制御装置１４を介してスロットル弁４の開度を制御し、前記燃料噴射弁５を駆動して燃料噴射量（燃料供給量）を制御し、点火時期を設定して該点火時期で前記点火栓６を点火させる制御を行う。
【００２２】
そして、所定運転状態（低・中負荷領域など）で燃焼室内に圧縮行程で燃料噴射して、燃焼室内の点火栓６周辺に可燃混合気を層状に形成して成層燃焼を行うことができ、特に、始動開始から触媒（三元触媒９及びＮＯｘトラップ触媒１０）を早期活性化させるための暖機中及びこれら触媒の被毒物質解除中は、大気中へのＨＣの排出を抑制しながら、吸気行程と圧縮行程とに分割して燃料噴射を行うことにより、点火栓周りの混合気の空燃比を外側の混合気の空燃比よりリッチとした成層混合気を形成して燃焼させる排温上昇効果大の排温上昇成層燃焼を行う（図２参照）。一方、他の運転状態（高負荷領域など）では燃焼室内に吸気行程で燃料噴射して、シリンダ全体に略均質な混合比の混合気を形成して均質燃焼を行う。
【００２３】
なお、前記均質燃焼と排温上昇成層燃焼との切り換え時は、均質燃焼で点火時期の遅角制御を行って出力トルクを低下させた後、点火時期をＭＢＴ（最大出力点火時期）近傍まで一気に進角させると同時に分割噴射による排温上昇成層燃焼に切り換えてトルク段差を吸収し、その後点火時期を遅角して所望の排温上昇効果が得られる排温上昇成層燃焼に移行させる。
【００２４】
そして、触媒温度が低い暖機中の排温上昇成層燃焼においては、最大の排温上昇が得られるように、点火時期及び圧縮行程噴射時期を最大限遅角させ、圧縮行程噴射量割合も最大限大きい値（例えば５０％）に制御するが、本発明にかかる被毒物質解除制御中の排温上昇成層燃焼においては、触媒の劣化を防止すべく機関出力状態に応じて、触媒温度を適正温度に維持できるように燃料噴射状態を可変制御する。
【００２５】
図３は、コントロールユニット５０による触媒の被毒物質解除制御を含む燃焼制御のフローを示す。
ステップ（図では、Ｓと記してある。以下、同様）１では、触媒（特にＮＯｘトラップ触媒１０）の被毒物質解除条件が成立しているかを判定する。具体的には、運転状態に応じた単位時間あたりの被毒物質の付着量を積算し、積算値（堆積量）が許容値以上に達したときに被毒物質解除条件が成立したと判定する。
【００２６】
前記被毒物質解除条件の非成立時は、ステップ７へジャンプして通常の燃焼を行う。被毒物質解除条件が成立したときはステップ２へ進んで、図４に示すマップに基づいて運転領域を判別する。
【００２７】
ステップ２で機関の所定以上の高出力域（高回転高負荷領域）Ｈと判別されたときは、排温上昇成層燃焼を行わなくても発熱量が大きいので均質燃焼における点火時期遅角制御のみで十分排温が上昇して被毒物質解除制御を行える。したがって、ステップ３へ進んで、上記均質燃焼で点火時期遅角制御を行って被毒物質解除制御を行う。
【００２８】
前記高出力域Ｈ以外では、排温上昇成層燃焼を行うが、出力レベルに応じて排温上昇効果が変わるように燃料噴射制御する。
すなわち、出力レベル小の低出力域（低回転低負荷域）Ｌと判別されたときは、燃料供給量が少なく発熱量が小さいので、ステップ４へ進んで排温上昇成層燃焼の排温上昇効果を最大限高めて排温を十分上昇させるように燃料噴射制御を行う。
【００２９】
具体的には、図５に示すように、圧縮行程噴射量割合を触媒暖機中の排温上昇成層燃焼と同様に最大の排温上昇効果が得られるように最大限大きい値、例えば５０％一定に制御する。また、図６に示すように、圧縮行程噴射時期も触媒暖機中の排温上昇成層燃焼と同様最大限遅角した値に維持する。
【００３０】
また、ステップ２で、出力レベル中の中出力域（中回転ないし中負荷域）Ｍと判別されたときは、低出力域Ｌに対し出力レベルの増大にしたがって燃焼による発熱量が増大するので、排温上昇効果を最大限高める排温上昇成層燃焼を行うと排温が上がり過ぎて触媒を劣化させてしまう。そこで、ステップ５へ進んで触媒温度の過度の上昇を抑制し適性温度（目標温度）に維持するため出力レベルの増大に応じて排温上昇効果を弱めるように燃料噴射状態を調整する制御を行う。
【００３１】
具体的には、圧縮行程噴射量割合で上記制御を行う場合は、図５に示すように、出力レベルの増大に応じて圧縮行程噴射量割合を徐々に減少するように制御する。なお、最大限減少させたときの圧縮行程噴射量割合は、燃料噴射弁が圧縮行程で安定した下限燃料噴射量を確保できる値（例えば３０％）とする。
【００３２】
また、圧縮行程噴射時期で上記制御を行う場合は、図６に示すように、出力レベルの増大に応じて圧縮行程噴射時期を徐々に進角するように制御する。
あるいは、これら圧縮行程噴射量割合減少制御と圧縮行程噴射時期進角制御を併用した制御とすることもでき、併用によって排温上昇効果をより大きく下げることが可能となり、排温上昇成層燃焼による被毒物質解除制御を行える領域をより高出力側に拡大することも可能となる。簡易的に単独で行う場合は、圧縮行程噴射量割合減少制御の方が、圧縮行程噴射時期進角制御より排温上昇効果の低下代を大きくすることができる。
【００３３】
なお、点火時期を進角することによっても排温上昇効果は低下するが進角制御幅に対する低下代が小さく、単独の制御では良好な排温上昇抑制効果が得られないので一般的には最大限遅角してもよい。また、点火時期進角制御を行う場合は、点火時期進角によって噴射燃料の点火時期までの気化時間が短縮しスモーク発生傾向が増大するので、前記圧縮行程噴射量割合の減少制御、圧縮行程噴射時期の進角制御の少なくとも一方と併用するようにする。
【００３４】
このようにすれば、被毒物質解除制御を行うときの機関出力レベルが大きく触媒温度が上昇しやすくなるにしたがって、排温上昇成層燃焼の排温上昇効果を弱めるように燃料噴射制御を行うことにより、触媒、特に上流側の三元触媒９の温度を適正温度以下に維持することができる。この結果、触媒の耐久性を確保しながら排温上昇成層燃焼による被毒物質解除制御を行える運転領域を可能な限り拡大することができ、触媒（本実施形態では特にＮＯｘトラップ触媒１０）性能を高性能に維持して排気浄化性能を高めることができる。
【００３５】
図７は、通常走行において車速の変化に対する排温変化を示す。車速Ａで排温上昇成層燃焼による被毒物質解除が可能となって、さらに車速Ａ’で目標排温に達するようになると、出力レベル変化に応じてこれまで説明してきたような圧縮行程噴射量割合の減少制御あるいは圧縮行程噴射時期の進角制御によって目標排温を維持し、車速Ｂで点火時期遅角による被毒物質解除制御に切り換えられる。このように、排温上昇効果を抑制しつつ排温上昇成層燃焼を用いることにより、被毒物質解除制御な車速領域をＢからＡまで低速側に拡大できる。
【００３６】
なお、前記運転領域Ｍにおける出力レベル変化に応じた圧縮行程噴射量割合の減少制御、圧縮行程噴射時期の進角制御の制御量は、図４に示したマップの中で中出力域Ｍにおいて機関の回転速度及び負荷が増大するほど排温上昇効果を下げる制御量を大きくするように設定してもよいが、機関出力を代表する単一のパラメータ、例えば吸入空気流量や車速に応じて（それぞれ増大するほど排温上昇効果を下げる制御量を大きくする）簡易に設定することもできる。また、より簡易的には、出力パラメータとして機関回転速度のみ、あるいは機関負荷（総燃料噴射量、スロットル開度等）のみを出力パラメータとして制御量を設定してもよい。
【００３７】
また、前記ステップ２の領域判定で排温上昇成層燃焼を行うときに、均質燃焼から排温上昇成層燃焼に切り換えられる場合は、既述したように、まず均質燃焼で点火時期の遅角制御を行って出力トルクを低下させた後、点火時期をＭＢＴ（最大出力点火時期）近傍まで一気に進角させると同時に分割噴射による排温上昇成層燃焼に切り換えてトルク段差を吸収する。そして、その後点火時期を遅角しつつ前記所望の排温上昇効果が得られる燃料噴射制御を行って排温上昇成層燃焼に移行させる。圧縮行程１回燃料噴射による成層燃焼から分割噴射による排温上昇成層燃焼に切り換える場合は、簡易的には一気に目標とする圧縮行程噴射量割合に切り換えてもよいが、分割噴射で吸気行程の最低噴射量を確保できる（燃料噴射弁の性能に基づく）最大の圧縮行程噴射量割合（例えば７０％、吸気行程噴射量割合３０％）から目標圧縮行程噴射量割合まで徐々に減少して切り換えることもできる。また、１回噴射から分割噴射への切換時の総燃料噴射量を減少して、切換時のトルク段差を吸収することもできる。
【００３８】
図３に戻って、上記ステップ３での均質燃焼の点火時期遅角制御またはステップ４，５の排温上昇成層燃焼を行って触媒の被毒物質解除制御を開始してからステップ６で該被毒物質が解除されたかを判定する。具体的には、既述した被毒物質積算値から被毒物質解除制御による逐次の解除量を減算していって付着量を算出し、該付着量が所定値以下（または０）となったときにステップ７へ進んで被毒物質解除制御を終了させ、前記排温上昇成層燃焼からトルク段差を吸収する燃焼切換制御を行って、一回の燃料噴射による通常時の燃焼へ切り換える。該通常時の燃焼として均質燃焼（均質ストイキ燃焼及び均質リーン燃焼）と前記圧縮行程１回燃料噴射の成層燃焼がある。
【００３９】
均質燃焼の点火時期遅角制御から通常の均質燃焼への切換は点火時期を進角制御すればよく、排温上昇成層燃焼から上記通常時の燃焼への切換は、上記ステップ２での通常燃焼から排温上昇成層燃焼への切換の場合と全く逆の経過を辿る。
【００４０】
すなわち、均質燃焼へ切り換える場合は、排温上昇成層燃焼で点火時期を最大進角位置まで徐々に進角させた後、同一出力トルクとなるように一気に大きく遅角して均質燃焼に切り換え、次いで均質燃焼での最大進角位置まで徐々に点火時期を進角させる。また、圧縮行程１回燃料噴射の成層燃焼への切換は、簡易的には一気に圧縮行程噴射量割合１００％として圧縮行程１回燃料噴射に切り換えてもよいが、前記最大の圧縮行程噴射量割合まで徐々に増大させた後、１００％に切り換えることもできる。最後の切換時の総噴射量を増大して、切換時のトルク段差を吸収することもできる。
【００４１】
図８は、均質燃焼から圧縮行程噴射量割合制御と圧縮行程噴射時期制御を用いた排温上昇成層燃焼による被毒物質解除制御を行い、制御終了後に均質燃焼に切り換えた場合の各種状態量の変化の様子を示す。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るシステム構成図。
【図２】本発明における排温上昇成層燃焼の吸気行程及び圧縮行程での燃料噴射による混合気形成の様子を示す断面図。
【図３】同上メインルーチンの後半を示すフローチャート。
【図４】運転領域毎の燃焼を判別するためのマップ。
【図５】機関出力レベルに応じた排温上昇成層燃焼における吸気行程と圧縮行程との燃料噴射量割合を示した図。
【図６】機関出力レベルに応じた排温上昇成層燃焼における圧縮行程の燃料噴射時期を示した図。
【図７】車速の変化に応じた排温変化の様子を示すタイムチャート。
【図８】均質燃焼と被毒物質解除制御用の排温上昇成層燃焼との切換時の各種状態量の変化の様子を示すタイムチャート。
【符号の説明】
１…機関
４…スロットル弁
５…燃料噴射弁
６…点火栓
７…排気通路
８…空燃比センサ
９…三元触媒
１０…ＮＯｘトラップ触媒
１１…クランク角センサ
１２…水温センサ
１３…スロットルセンサ
１６…キースイッチ
５０…コントロールニット

Claims

排気系に排気浄化触媒を備え、吸気行程と圧縮行程とに分割した燃料噴射によって点火栓周りの混合気の空燃比を外側の混合気の空燃比よりリッチとした成層混合気を形成して燃焼させる排温上昇効果大の排温上昇成層燃焼を行って、前記排気浄化触媒に付着する被毒物質を昇温によって解除する一方、
前記排気浄化触媒の温度に相関する機関出力パラメータに基づいて、該排気浄化触媒の温度を目標温度に近づけるように前記排温上昇成層燃焼における燃料噴射状態を制御することを特徴とする内燃機関の排気浄化制御装置。
前記排温上昇成層燃焼における燃料噴射状態の制御は、吸気行程に対する圧縮行程の燃料噴射量割合の制御を含むことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
前記圧縮行程における燃料噴射量割合を、機関出力の増大に応じて減少させることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
前記圧縮行程における燃料噴射量割合の機関出力の増大に応じた減少制御は、機関の中出力域でのみ行うことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
機関の低出力域での圧縮行程の燃料噴射量割合は、全出力域の中で最も大きくかつ一定であることを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
前記排温上昇成層燃焼における燃料噴射状態の制御は、圧縮行程の燃料噴射時期の制御を含むことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
前記圧縮行程における燃料噴射時期を、機関出力が増大するほど進角させることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
前記圧縮行程における燃料噴射時期の機関出力の増大に応じた進角制御は、機関の中出力域でのみ行うことを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
機関の低出力域での圧縮行程の燃料噴射時期は、全出力域の中で最も遅角され、かつ一定であることを特徴とする請求項６〜請求項８のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
機関の高出力域では、前記排温上昇成層燃焼以外の燃焼を行うことを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
排気浄化触媒として、ＮＯｘを吸着して還元浄化するＮＯｘトラップ触媒と、該ＮＯｘトラップ触媒上流に三元触媒を備えることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化制御装置。