(57)【要約】【課題】リッチ化に伴う内燃機関の燃焼安定性の悪化を改善する。【解決手段】内燃機関の燃焼室に設けられ、通電により加熱するグロープラグと、前記内燃機関の排気系に備えられる排気浄化手段と、前記排気浄化手段に流入する排気の空気過剰率を低下させるための条件が成立したか否かを判断する判断手段と、前記条件が成立したとき、前記グロープラグに通電を開始する通電制御手段と、通電開始後所定時間経過したときに空気過剰率の低下を開始する排気制御手段と、を有する内燃機関の空燃比制御装置を提供する。内燃機関の燃焼室内の温度が高い状態で燃料リッチの燃焼が行われるので、燃焼安定性が改善される。【選択図】図２
2004360620.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室に設けられ、通電により加熱するグロープラグと、
前記内燃機関の排気系に備えられる排気浄化手段と、
前記排気浄化手段に流入する排気の空気過剰率を低下させるための条件が成立したか否かを判断する判断手段と、
前記条件が成立したとき、前記グロープラグに通電を開始する通電制御手段と、
通電開始後所定時間経過したときに空気過剰率の低下を開始する排気制御手段と、
を有する内燃機関の空燃比制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、理論空燃比よりもリーンの状態で主に運転される内燃機関の空燃比制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンでは、冷間始動時や低負荷回転域での運転のために、一般に燃焼室に燃料の予熱のためのグロープラグが設けられており、燃焼室温度が低いときにはグロープラグを加熱することで着火補助を行うようにしている。このグロープラグを、空気過剰率が小さいとき（つまり、燃料リッチ時）に通電して燃焼室温度を高め、燃焼安定性を改善する手法が知られている（特許文献３参照）。この手法を用いれば、燃料リッチ化のために吸入空気量を減少させたときでも、燃焼の安定性を改善できる。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−４９４８５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、グロープラグの昇温特性のために、適当な温度にまで昇温するにはある程度の時間を要するので、ＮＯｘ捕捉触媒の再生時のリッチスパイクのように、排気の空気過剰率を短時間だけ低下させるような場合には、空気過剰率低下を実行するための条件が成立し、空気過剰率の低下を実行したときにグロープラグに通電を開始しても、グロープラグの昇温が間に合わず、結果として燃焼安定性の改善につながらない場合が生じうる。
【０００５】
従って、本発明は、空気過剰率の低下に伴う内燃機関の燃焼安定性の悪化を改善することのできる空燃比制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の一形態は、内燃機関の燃焼室に設けられ、通電により加熱するグロープラグと、前記内燃機関の排気系に備えられる排気浄化手段と、前記排気浄化手段に流入する排気の空気過剰率を低下させるための条件が成立したか否かを判断する判断手段と、前記条件が成立したとき、前記グロープラグに通電を開始する通電制御手段と、通電開始後所定時間経過したときに空気過剰率の低下を開始する排気制御手段と、を有する内燃機関の空燃比制御装置を提供する。
【０００７】
この形態によると、排気の空気過剰率を低下させるための条件が成立した場合、空気過剰率の低下を開始する前にグロープラグを通電し、通電開始後所定時間経過したときに空気過剰率の低下を開始するので、内燃機関の燃焼室内の温度が高い状態で燃料リッチの燃焼が行われることになり、燃焼安定性が改善される。
【０００８】
排気の空気過剰率を低下させるための条件は、例えば、排気浄化装置に捕捉されたＮＯｘの推定積算値が所定値を超えたか否かで判断される。代替的に、排気浄化装置の下流に設けられたＮＯｘセンサまたはＬＡＦセンサの信号に基づいて判断しても良い。
【０００９】
空気過剰率の低下は、グロープラグの通電開始後所定時間が経過したときに開始する代わりに、グロープラグの温度に関係するパラメータに基づいて開始しても良い。空気過剰率の低下を開始する手段には、ＤＢＷを制御して吸入空気量を減少させる手段と、ＥＧＲ量を増加させて吸入される新気の量を減少させる手段と、燃料噴射時期や燃料噴射量を制御して、排気系に流入する気体の量を減少させる手段が含まれる。前記判断手段が排気の空気過剰率を低下させるための条件が成立しなくなったと判断したときは、空気過剰率の低下を終了し、これに応じてグロープラグへの通電も停止する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。
【００１１】
図１は本発明の一実施形態である空燃比制御装置を備えた内燃機関（以下「エンジン」という）の概略構成図である。エンジン１は、ピストン１ａ及びシリンダ１ｂを備えた直列４気筒タイプのエンジン（図１には、一気筒のみを示す）であり、ピストンとシリンダヘッドの間には燃焼室１ｃが形成されている。燃焼室１ｃ内には燃料噴射弁６とグロープラグ１８が設けられている。燃料噴射弁６は燃料供給ポンプ（図示せず）に接続されており、電子制御装置（以下「ＥＣＵ」という）５の制御の下で燃料を噴射する。吸気管２から流入した吸気は燃焼室内で圧縮されて高温高圧化され、高圧燃料を燃料噴射弁６から噴射して気化燃料を自然着火させることで燃焼が行われ、その後排気管１４に排気が排出される。
【００１２】
グロープラグ１８は、通電により昇温して、吸入された空気を暖める。これによって着火が促進されるので、始動時や低温時でも燃焼が安定し、エミッションや振動の低減につながる。燃料噴射弁６及びグロープラグ１８は燃焼室１ｃ内に設けるほか、副燃焼室を有するタイプのエンジンにおいては副燃焼室内に設けても良い。エンジン１の各気筒には、吸気・排気を行う吸気弁１７と排気弁１９も備えられている。
【００１３】
吸気管２の途中には吸気管内を流れる空気の流量を調節する吸気絞り弁（ＤＢＷ：Ｄｒｉｖｅ  Ｂｙ  Ｗｉｒｅ）３が取り付けられ、開度θＴＨを制御するためのアクチュエータ（図示せず）に連結されている。アクチュエータはＥＣＵ５に電気的に接続されており、ＥＣＵ５からの信号によって吸気絞り弁開度θＴＨ、すなわち吸気量を変化させる。吸気管２の吸気絞り弁３より下流側には、吸気圧センサ８及び吸気温センサ９が取り付けられており、それぞれ吸気官内の圧力ＰＢ及び温度ＴＡを検出して、その信号をＥＣＵ５に送る。
【００１４】
エンジン１の本体には、水温センサ１０が取り付けられており、エンジンの冷却水温ＴＷを検出してその信号をＥＣＵ５に送る。またエンジンには回転数センサ１３も取り付けられており、エンジン回転数ＮＥを検出してその信号をＥＣＵ５に送る。
【００１５】
エンジンのクランクシャフト（図示せず）にはクランク角センサが取り付けられている。クランク角センサは、クランクシャフトの回転に伴い、各シリンダにおけるピストンの吸気行程開始時の上死点位置付近の所定タイミングでＴＤＣパルス信号を出力する。
【００１６】
排気管１４の途中には、排気管１４と吸気管２とを接続する排気再循環（ＥＧＲ：Ｅｘｈａｕｓｔ  ｇａｓ  ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）通路１２が設けられており、通路の途中にはＥＧＲ弁１１が配置されている。ＥＧＲ弁１１の開度を調整することで、排気管１４から吸気管２内に還流する排気量を制御する。ＥＧＲ通路１２を介して吸気管２に還流された排気は、吸気管２の上流から流れてきた新気と混ざり合ってエンジン１の各気筒の燃焼室へ導かれて燃焼される。ＥＧＲ弁１１にはＥＧＲ弁１１を駆動するアクチュエータ（図示せず）が取り付けられており、ＥＣＵ５からの信号により制御される。
【００１７】
排気管１４を通過した排気は、排気浄化装置１５に流入する。排気浄化装置１５には電気ヒータ、ＮＯｘ捕捉触媒及びディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）等が備えられる。
【００１８】
ＮＯｘ捕捉触媒は、排気の空燃比が理論空燃比より薄いリーン状態では、ＮＯｘ捕捉剤によりＮＯｘを捕捉する。排気の空燃比が理論空燃比より濃いリッチ状態においては、捕捉されたＮＯｘがＨＣ、ＣＯにより還元されて窒素ガスとして排出され、同時にＨＣ、ＣＯが酸化されて水蒸気及び二酸化炭素として排出される。
【００１９】
ディーゼルエンジンにおいては、通常の運転時にはリーン運転がされるため、ＮＯｘ捕捉触媒は排気中のＮＯｘを捕捉する。ＮＯｘ捕捉触媒の再生時には、吸入空気量を減少させるとともに燃料噴射量を増量し、噴射時期を遅角することにより、排気を一時的にリッチにする（リッチスパイク）。これによりエンジン出力トルクを低下させることなく排気の空気過剰率を低下させることができる。これについては図２を参照して詳述する。なお、ポストインジェクションは、燃料の燃焼により排気の温度を上昇させてＤＰＦを再生する役割も有する。
【００２０】
排気浄化装置１５の上流側には、広範囲に渡って排気の空燃比に比例したレベルの出力を生成する空燃比センサ（以下、「ＬＡＦセンサ」という）１６が設けられる。このセンサの出力は、ＥＣＵ５に送られる。下流側には、排気管内の温度を検出する温度センサも設けられる（図示せず）。これらセンサの出力は、ＥＣＵ５に送られる。
【００２１】
ＥＣＵ５はコンピュータで構成されており、各種センサからの入力信号を処理する入力インターフェース５ａ、プログラム及びデータを格納するＲＯＭや実行時に必要なプログラム及びデータを一時記憶して演算作業領域を提供するＲＡＭからなるメモリ５ｃ、各種制御プログラムを実行するＣＰＵ５ｂ、及び各部に制御信号を送る出力インターフェース５ｄを備えている。上記各センサからの信号は入力インターフェースにより受信され、ＲＯＭに格納されたプログラムに従って処理される。
【００２２】
ＥＣＵ５は、エンジン回転速度やアクセル開度といった運転条件を検出し、予め定められているマップを検索して要求トルクを算出する。続いて、要求トルクに対応した基本燃料噴射量を算出し、さらに燃料を噴射する時期を決定する。
【００２３】
またＥＣＵ５は、各センサの入力に基づいて、エンジン１の運転状態を判別する。そして、ＲＯＭに記憶された制御プログラム等に従って種々の演算を実行し、演算結果に応じた駆動信号を出力インターフェース５ｄを介して出力して、グロープラグ１８、吸気絞り弁３、吸気弁１７及び排気弁１９等を制御する。
【００２４】
図２は、ＮＯｘ捕捉触媒再生のために空気過剰率を低下させる制御の一実施形態のフローチャートである。まず、ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘの推定積算値を次式に従って計算する（Ｓ３０）。
【００２５】
【数１】
排気の空燃比がリッチの時
ΣＮＯｘ＝ΣＮＯｘ（前回値）＋Ｑａｉｒ×Ｍｎｏｘ×Ｋｔｅｍｐ１  （１）
排気の空燃比がリーンの時
ΣＮＯｘ＝ΣＮＯｘ（前回値）−Ｑａｉｒ×Ｄｎｏｘ×Ｋｔｅｍｐ２  （２）
ここで、Ｑａｉｒは排気流量（または、吸入空気量）であって、フローセンサ等で検出するか、またはエンジン回転数とトルクから算出される。Ｍｎｏｘは排気中のＮＯｘ濃度であり、エンジン回転数とトルクにより、予め定められたマップを検索することで求められる。ＫｔｅｍｐｌはＮＯｘ捕捉温度係数であり、排気温度においてＮＯｘ触媒に捕捉されるＮＯｘの割合を表している。排気温度は例えば温度センサにより取得される。
【００２６】
また、ＤｎｏｘはＮＯｘ触媒に捕捉されたＮＯｘの還元割合であり、エンジン回転数とトルクにより予め定められたマップを検索することで求められる。Ｋｔｅｍｐ２はＮＯｘ還元温度係数であり、排気温度において触媒から還元されるＮＯｘの割合を表している。
【００２７】
上式（１）、（２）それぞれにおいて、第１項は前回までにＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘ量であり、第２項は新たにＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘ量、またはＮＯｘ捕捉触媒から還元されたＮＯｘ量を表している。このように、排気の空燃比のリーン／リッチに応じてＮＯｘ量を加減算し、現在ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されているＮＯｘ積算値を推定する。
【００２８】
こうして得られたＮＯｘ積算値が所定の値を超えたか否かを判定する（Ｓ３２）。この所定値は、ＮＯｘ捕捉触媒の再生をするべきＮＯｘ量から、グロープラグの通電時間を考慮して通電中に蓄積されるＮＯｘ量を差し引いた値に設定される。超えていない場合は、引き続きＮＯｘ積算値の計算を継続する。超えた場合は、空気過剰率を低下させてＮＯｘ捕捉触媒の還元を行う前に、グロープラグの通電を開始する（Ｓ３４）。
【００２９】
ここで、グロープラグの昇温特性を図３に示す。図から分かるように、グロープラグへの通電を開始しても温度はすぐには上昇しないしないので、通電後数秒間（例えば、５秒）待機しないと、燃焼室内温度を高めることによる燃焼安定性の改善につながらないことがある。
【００３０】
グロープラグへの通電を所定の時間継続した後（Ｓ３６）、空気過剰率の低下を開始する（Ｓ３８）。または、グロープラグの温度が所定の温度になるまで通電を継続しても良い。空気過剰率の低下は、吸気絞りにより行う。この吸気絞りの実行には、ＤＢＷを制御して吸入空気量を減少させる手段と、ＥＧＲ量を増加させて吸入される新気の量を減少させる手段と、燃料噴射時期や燃料噴射量を制御して、排気管に流入する気体の量を減少させる手段とを含む。空気過剰率を低下させることによりＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘが還元されるので、次回Ｓ３０で算出されるＮＯｘ積算値が減少することになる。続いてＳ４０において、ＮＯｘ積算値が所定の値を下回ったか否かを判定する。所定値を下回った場合、空気過剰率の低下を終了し、グロープラグへの通電も終了する（Ｓ４２）。
【００３１】
空気過剰率の低下を実行するための条件は、上記のようにＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘの積算値を推定するほか、排気浄化装置の下流に設けられたＮＯｘセンサまたはＬＡＦセンサの信号に基づいて判断しても良い。
【００３２】
以上説明したように、空気過剰率の低下に先立ってグロープラグへの通電を行うため、ＮＯｘ捕捉触媒の再生のように短時間のリッチにおいても有効に燃焼安定性の改善が図れる。従って、燃焼悪化が課題であった吸気絞りによるリッチ化を主要な手段として使用することが可能となる。これに伴い、ポストインジェクションを最小限とすることができるので、ポストインジェクション特有の欠点（オイルダイリューションの発生、燃費の悪化）を抑制することもできる。
【００３３】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、エンジンは好適にはディーゼルエンジンであるが、本発明の適用範囲はディーゼルエンジンに限られず、燃料を燃焼室内に直接噴射する方式のガソリンエンジンにも適用可能である。また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンにも適用可能である。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、グロープラグ通電後、所定時間が経過した後に空気過剰率の低下を開始するため、グロープラグが加熱しており燃焼が起こりやすい状態で排気の空気過剰率を低下させるので、燃焼安定性が改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を適用した内燃機関の概略構成図である。
【図２】触媒再生のために空気過剰率を低下させる制御のフローチャートである。
【図３】グロープラグの昇温特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１    内燃機関（エンジン）
２    吸気管
３    吸気絞り弁
５    電子制御装置（ＥＣＵ）
６    燃料噴射弁
１１    ＥＧＲ通路
１２    ＥＧＲ弁
１５    排気浄化装置
１６    ＬＡＦセンサ
１７    吸気弁
１８    グロープラグ
１９    排気弁
【図１】
2004360620.tif 000003
【図２】
2004360620.tif 000004
【図３】
2004360620.tif 000005