JP4345389B2

JP4345389B2 - 内燃機関の触媒昇温装置

Info

Publication number: JP4345389B2
Application number: JP2003204613A
Authority: JP
Inventors: 知広品川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2023-07-31
Also published as: JP2005048631A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関の触媒昇温装置に関し、更に詳しくは、始動時の排気温度を上昇させ触媒暖機を適切に行いつつ、全炭化水素（以下、ＴＨＣと記す）の排出量を低減できる内燃機関の触媒昇温装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリンを燃料とする内燃機関において、始動時の触媒暖機が早期になるほど、浄化されない排気ガスの排出量が少ないことが知られている。そこで、意図的に点火時期を大幅に遅角制御して燃焼を悪化させ、排気温度を高くして触媒の暖機を早期に終了するように制御する技術が知られている。
【０００３】
すなわち、たとえば、始動時に点火遅角制御を行って燃焼を緩慢にし、排気温度の上昇を図る内燃機関の点火時期制御装置（特許文献１参照）や、点火時期を遅角制御して触媒コンバータを急速に暖機し、同時にこの暖機中における機関出力の損失または燃費の損失を最小化する内燃機関の制御方法（特許文献２参照）が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−３１５７４１号公報
【特許文献２】
特開平８−２１８８５２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のように点火時期を大幅に遅角制御して燃焼を悪化させ、排気温度を高くして触媒の暖機を早期に終了するように制御すると、触媒の暖機そのものは早期に終了するが、燃焼が悪化するため、暖機中のＴＨＣの量は逆に増加してしまうこととなっていた。
【０００６】
この触媒床温が上昇するまでの時間は短時間ではあるが、この間の排出ガス成分は浄化が困難である。これは、ＴＨＣの排出量と点火時期（排気温度）は相関があるため、ＴＨＣの量を下げようとすると排気温度が下がってしまい、触媒暖機に時間がかかってしまうという相反する関係が存在するからである。
【０００７】
また、触媒暖機までに要する時間が短時間で、かつ、ＴＨＣの排出量の抑制が困難であっても、これはモード域でもあるので排出ガス規制の対象になり、ＴＨＣの排出量を減少させる必要がある。
【０００８】
この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、始動時の排気温度を上昇させ、触媒暖機を適切に行いつつ、ＴＨＣの排出量を低減できる内燃機関の触媒昇温装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明に係る内燃機関の触媒昇温装置は、機関始動時に点火時期を遅角し排気昇温を行う内燃機関において、前記排気昇温時に主燃料に加え、水素を添加する手段と、水素の添加割合をパラメータとした排気温度および全炭化水素の排出量と点火時期との関係を記憶する手段と、排気温度、全炭化水素の排出量および失火限界を考慮して水素の添加量および点火時期を設定する手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
機関始動時に主燃料に水素を添加して点火時期を遅角制御すると、排気温度が上昇するとともに、水素添加による燃焼促進効果によって未燃であったＴＨＣが燃焼し、ＴＨＣの排出量が低減する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明に係る内燃機関の触媒昇温装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１２】
実施の形態１．
先ず、水素添加手段を備えた自動車のエンジンシステムを図４に基づいて説明する。ここで、図４は、水素添加のための手段を備えた自動車のエンジンシステムを示す概略構成図である。図４に示すように、このシステムにおけるエンジン１は、吸気系２と、燃焼室３と、排気系４とに大別されて構成されている。
【００１３】
吸気系２は、その上流よりエアクリーナ（図示せず）、スロットルバルブ５、およびサージタンク６を有して構成されている。また、これらの各部には、吸入空気の流量を検出する吸気量センサ７、アクセルペダル５ａの操作に基づき開閉されるスロットルバルブ５の開閉状態を検出するスロットルポジションセンサ８、および吸入空気の温度を検出する吸気温センサ９等がそれぞれ設けられている。
【００１４】
また、この吸気系２には、ガソリン（主燃料）を噴射する燃料噴射弁１０と、燃焼を促進させるための水素を噴射する水素噴射弁（水素を添加する手段）２７とが設けられている。図示しない燃料タンクから圧送されるガソリンは、この燃料噴射弁１０の操作に応じてエンジン１内に噴射供給され、吸気系２を通じて吸入される空気と混合される。
【００１５】
水素は、水素供給手段（水素を添加する手段）２５から水素噴射弁２７を介してエンジン１内に吸気と非同期で噴射供給され、ガソリンと水素とが十分に混合できるタイミングで噴射される。また、この水素の供給時期は、後述するように触媒暖機時かつ大幅な遅角実施時である。
【００１６】
また、図示例を省略するが、上記水素供給手段２５は、水素を貯留するための水素ボンベと、この水素ボンベから水素噴射弁２７に至る配管と、水素の温度を検出する温度センサと、水素の圧力を検出する圧力センサと、所定の供給圧力に調節するレギュレータ等とを備えて構成されている。
【００１７】
なお、上記図示例においては、水素の噴射形態として、吸気ポート噴射を行うものとして示したが、これに限定されず、たとえば、燃焼室３内に水素を直接噴射するように構成してもよい。この場合、水素の噴射時期は吸気と同期させ、ガソリンと水素とが十分に混合できるタイミングとする。
【００１８】
また、排気系４は、三元触媒２０と、酸素センサ１１とを備えて構成されている。この三元触媒２０は、燃焼室３から排出される排気ガス中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、および酸化窒素（ＮＯｘ）を浄化するために設けられている。
【００１９】
また、酸素センサ１１は、この三元触媒２０の上流に設けられ、三元触媒２０通過前における排気中の酸素濃度ＶOを検出するためのものである。また、三元触媒２０には、その触媒床温を検出するための図示しない温度センサが設けられている。
【００２０】
また、エンジン１には、点火装置であるイグナイタ１２、分配器であるディストリビュータ１３が設けられ、その分配された点火電圧が、各気筒の燃焼室３に設けられた点火プラグ１４に印加されるようになっている。
【００２１】
また、上記ディストリビュータ１３には、回転数センサ１５および気筒判別センサ１６が設けられ、これらのセンサ１５，１６を通じて、エンジン１のエンジン回転数ＮＥが検出され、また燃焼気筒が判別される。
【００２２】
また、エンジン１は、そのシリンダブロック１ａ内を循環する冷却水によって冷却されるように構成されている。その冷却水の水温は、シリンダブロック１ａに設けられた水温センサ１７によって検出される。この水温検出データは、後述するように、供給水素量の決定や点火時期の決定に際して用いられる。
【００２３】
このように構成されたエンジンシステムにおいて、上述した各センサの出力は、エンジン１の各種制御を行う電子制御装置（ＥＣＵ）３０に入力され、この電子制御装置（ＥＣＵ）３０は、予め定められた各種制御マップに基づいて、エンジン１へのガソリンおよび水素の噴射量や点火時期等に係る各種制御を実行する。
【００２４】
つぎに、水素の添加割合をパラメータとした排気温度およびＴＨＣの排出量と点火時期との関係について図１に基づいて説明する。ここで、図１は、水素の添加割合をパラメータとした排気温度およびＴＨＣの排出量と点火時期との関係を示すグラフである。すなわち、このグラフは、水素の添加割合をパラメータとした排気温度と点火時期との関係と、水素の添加割合をパラメータとしたＴＨＣの排出量と点火時期との関係を併せて示したものである。
【００２５】
なお、説明の便宜上、図１中には、各点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ、これらの点Ａ，Ｂ，Ｃに対応する点Ａ’，Ｂ’，Ｃ’、水素の添加割合Ｑ1（％），Ｑ2（％），Ｑ3（％）、点火時期ＳA，ＳB，ＳC、ＴＨＣ排出量ＴA，ＴB，ＴC、失火境界線Ｆを示してある。水素の添加割合の大小関係は、Ｑ1＜Ｑ2＜Ｑ3となっている。また、失火境界線Ｆよりも上側の範囲が失火する範囲であり、下側の範囲が失火しない範囲である。
【００２６】
ガソリン単体での燃焼では、その希薄燃焼に限界があるので、燃焼速度の速い水素をガソリンに添加することにより燃焼を促進することができる。また、ガソリン単体での燃焼と比べると、水素を添加することで燃焼速度が速くなることから、同じ点火時期ではガソリン単体の場合よりも仕事量が増加して排気温度が低下する。そして、大幅遅角時にガソリンだけでは燃えなかったＴＨＣが水素添加の効果で燃焼し、未燃ＴＨＣの排出量が減少すると考えられる。これを図１を用いて説明すると、以下のようになる。
【００２７】
すなわち、燃焼室３への噴射がガソリン単体の場合は、点火する範囲（失火境界線Ｆよりも下側の範囲）で触媒暖機に必要な排気温度を確保でき、かつ、排出されるＴＨＣ量が最も少ない点Ａ（その時の点火時期ＳA）で運転する必要がある。この時のＴＨＣ量は、ＴAである。
【００２８】
一方、水素の添加割合をＱ1（％）とした場合、上記ガソリンのみを噴射する場合と同様に考えて、点火する範囲内で排気温度を確保でき、かつ、ＴＨＣ排出量が最少となるように、点Ｂで運転する必要があり、点火時期はＳBとなる。この時のＴＨＣ量はＴBとなり、上記ＴAよりも減少する。
【００２９】
また、上記と同様の要領で考えると、水素の添加割合をＱ2（％）とした場合には、ＴＨＣ量はＴCとなり、更に減少する。したがって、ガソリン単体の場合と比較すると、減少分は（ＴA−ＴC）となる。
【００３０】
そして、水素の添加割合をＱ3（％）とした場合には、触媒暖機に必要な排気温度を確保するためには点Ｄでの運転が必要であるが、失火範囲（失火境界線Ｆよりも上側の範囲）に入っており、運転は不可能となる。
【００３１】
このように、水素の添加割合が少なすぎると上記効果が少なく、逆に多すぎると、ＭＢＴ（トルクが最も大きくなる点火時期に対する最小進角）自体が遅角され、大幅遅角しても排気温度がそれほど大きくならない。
【００３２】
以上のことから、ＴＨＣ量をできるだけ低い値にし、かつ、点火する範囲内で触媒暖機に必要な最低限の排気温度を確保するためには、点Ｃでの運転を行えばよいことが分かる。
【００３３】
つぎに、エンジン１始動時の冷却水温に対する感度について図２に基づいて説明する。ここで、図２は、エンジン始動時の冷却水温に対する排気温度の感度を示すグラフであり、その感度を白抜きの矢印で表示してある。この矢印の方向に向かうと、始動時の水温が低いことを示す。
【００３４】
図２に示すように、ガソリンの割合を０（％）、水素の添加割合をＱ2（％）とした時の排気温度（右上がりの太線）は、燃焼が悪化するため、等点火時期では上昇する。
【００３５】
また、失火限界（Ｆで示す右下がりの太線）では、燃焼が悪化し燃えにくくなるため、進角側に推移する。そして、触媒暖機に必要な排気温度（破線）は、初期の触媒床温が低いため上昇する。
【００３６】
以上のように、始動初期のエンジン１の冷却水温に対する感度はマップ化され、このマップに基づいて、ＴＨＣ量をできるだけ低い値にし、かつ、点火する範囲内で触媒暖機に必要な最低限の排気温度を確保できるように、供給する水素量と点火時期の設定が行われる。このマップは予め実験等により定められ、電子制御装置（ＥＣＵ）３０に記憶してある。
【００３７】
つぎに、エンジン１の始動時の制御方法について図３および図４に基づいて説明する。ここで、図３は、この発明の実施の形態１に係るエンジン始動時の制御方法を示すフローチャートである。図３に示すように、先ず、エンジン１の始動時における冷却水の温度を水温センサ１７によりモニタリングする（ステップＳ１０）。
【００３８】
そして、このモニタリングした初期の水温から、予め実験的に作成され電子制御装置（ＥＣＵ）３０内に記憶された上記マップにより、主燃料であるガソリンに加え、水素噴射弁２７から供給すべき水素量と、点火時期とを決定する（ステップＳ１１）。これらの水素量と点火時期は、前述した関係が予めマップ化されて電子制御装置（ＥＣＵ）３０に記憶してあるので、このマップに基づいて最適値が選択される。
【００３９】
つぎに、図示しない温度センサにより三元触媒２０の触媒床温をモニタリングし（ステップＳ１２）、この触媒床温が暖機に必要な所定温度ＴCATよりも大きいか否かを判断する（ステップＳ１３）。
【００４０】
そして、触媒床温が所定温度ＴCATよりも大きい場合には（ステップＳ１３肯定）、暖機が適切に行われているので制御を終了する。一方、触媒床温が所定温度ＴCATよりも小さい場合には、必要な暖機が行われていないので、触媒床温が所定温度ＴCATを超えるまで上記温度センサによる触媒床温のモニタリングを続ける（ステップＳ１３否定、ステップＳ１２）。
【００４１】
以上のように、この実施の形態１に係る内燃機関の触媒昇温装置によれば、エンジン１の始動時にガソリンに加え水素を添加し、大幅な遅角点火時期制御を行うことにより、始動時の排気温度を上昇させ、触媒暖機を適切に行いつつ、ＴＨＣの排出量を低減することができる。
【００４２】
実施の形態２．
上記実施の形態１においては、図３に示したように、ステップＳ１２において触媒床温をモニタリングし、この触媒床温が所定温度に達していれば触媒暖機が適切に行われていると判断するものとして説明したが、これに限定されず、たとえば、本実施の形態２のように排気ガス中の酸素濃度をモニタリングすることにより、ＴＨＣの排出量を予測判断して制御することもできる。
【００４３】
この制御方法を図５および図４に基づいて説明する。ここで、図５は、この発明の実施の形態２に係るエンジン始動時の制御方法を示すフローチャートである。図５に示すように、先ず、エンジン１の始動時における冷却水の温度を水温センサ１７によりモニタリングする（ステップＳ２０）。
【００４４】
そして、このモニタリングした初期の水温から、予め実験的に作成され電子制御装置（ＥＣＵ）３０内に記憶された上記マップにより、主燃料であるガソリンに加え、水素噴射弁２７から供給すべき水素量と、点火時期とを決定する（ステップＳ２１）。これらの水素量と点火時期は、前述した関係が予めマップ化されて電子制御装置（ＥＣＵ）３０に記憶してあるので、このマップに基づいて最適値が選択される。
【００４５】
つぎに、酸素センサ１１により排気ガス中の酸素濃度ＶOをモニタリングし（ステップＳ２２）、この酸素濃度ＶOが、所定の酸素濃度ＶCATよりも小さいか否かを判断する（ステップＳ２３）。ここで、この所定の酸素濃度ＶCATは、モニタリングされた酸素濃度ＶOがこれよりも小さい場合には、排気温度を上昇でき、かつ、ＴＨＣの排出量を低減できると判断できる酸素濃度であり、予め実験等で定められ、各種制御条件に応じてマップ化されているものである。
【００４６】
そして、モニタリングされた酸素濃度ＶOが、所定の酸素濃度ＶCATよりも小さい場合には（ステップＳ２３肯定）、排気温度を上昇でき、かつ、ＴＨＣの排出量を低減できるので、制御を終了する。一方、モニタリングされた酸素濃度ＶOが、所定の酸素濃度ＶCATよりも大きい場合には、所定の酸素濃度ＶCATよりも小さくなるまで上記酸素センサ１１による酸素濃度ＶOのモニタリングを続ける（ステップＳ２３否定、ステップＳ２２）。
【００４７】
以上のように、この実施の形態２に係る内燃機関の触媒昇温装置によれば、エンジン１の始動時にガソリンに加え水素を添加し、大幅な遅角点火時期制御を行うことにより、始動時の排気温度を上昇させ、触媒暖機を適切に行いつつ、ＴＨＣの排出量を低減することができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係る内燃機関の触媒昇温装置によれば、始動時の排気温度を上昇させ、触媒暖機を適切に行いつつ、ＴＨＣの排出量を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】水素の添加割合をパラメータとした排気温度およびＴＨＣの排出量と点火時期との関係を示すグラフである。
【図２】エンジン始動時の冷却水温に対する排気温度の感度を示すグラフである。
【図３】この発明の実施の形態１に係るエンジン始動時の制御方法を示すフローチャートである。
【図４】水素添加のための手段を備えた自動車のエンジンシステムを示す概略構成図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係るエンジン始動時の制御方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１エンジン
２吸気系
３燃焼室
４排気系
１０燃料噴射弁
１１酸素センサ
１７水温センサ
２０三元触媒
２５水素供給手段（水素を添加する手段）
２７水素噴射弁（水素を添加する手段）
３０電子制御装置（ＥＣＵ）
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点
Ａ’，Ｂ’，Ｃ’ 点
Ｆ失火境界線
Ｑ1，Ｑ2，Ｑ3 水素の添加割合
ＳA，ＳB，ＳC 点火時期
ＴA，ＴB，ＴC ＴＨＣ排出量

Claims

機関始動時に点火時期を遅角し排気昇温を行う内燃機関において、
前記排気昇温時に主燃料に加え、水素を添加する手段と、
水素の添加割合をパラメータとした排気温度および全炭化水素の排出量と点火時期との関係を記憶する手段と、
排気温度、全炭化水素の排出量および失火限界を考慮して水素の添加量および点火時期を設定する手段とを備えたことを特徴とする内燃機関の触媒昇温装置。