JP4046087B2

JP4046087B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP4046087B2
Application number: JP2004021640A
Authority: JP
Inventors: 康広大井; 将男八木橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2024-01-29
Also published as: DE102005004119B4; DE102005004119A1; JP2005214072A; US6997160B2; US20050166894A1

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

冷間始動時において、機関排気系に設けられている触媒装置を早期に暖機し、機関始動後早くから排気ガスを浄化することが望ましい。触媒装置の早期暖機のために、機関始動時に吹き上がる機関回転数を点火時期の遅角により目標回転数へ収束させることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

前述の技術は、点火時期の遅角により排気ガス温度を高めて触媒装置の暖機を促進するものであり、さらに、点火時期が目標点火時期まで遅角されても機関回転数が依然として目標回転数より高い場合には、吸入空気を減量して機関回転数を目標回転数へ収束させることも開示している。

特開２００３−２５４１４１号公報特開２００１−９０５８１号公報

ところで、機関毎のばらつきにより、点火時期が目標点火時期へ遅角される以前に機関回転数が目標回転数に収束することがある。このような場合において、前述の技術では、点火時期は目標点火時期より進角側とされるために、排気ガス温度は十分に高められず、触媒装置を早期に暖機することができない。

従って、本発明の目的は、触媒装置の早期暖機を確実に実現可能な内燃機関の制御装置を提供することである。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の制御装置は、機関始動時に吹き上がる機関回転数を点火時期のフィードバック遅角制御により目標回転数に収束させる内燃機関の制御装置において、機関回転数を前記目標回転数に収束させた時の点火時期が目標点火時期より進角側である時には、点火時期を前記目標点火時期まで遅角させると共に吸入空気を増量し、機関回転数を前記目標回転数に収束させた時の点火時期が前記目標点火時期より設定量以上進角側である時には、吸入空気を増量することなく前記点火時期をそのまま維持することを特徴とする。

また、本発明による請求項２に記載の内燃機関の制御装置は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、機関回転数を前記目標回転数に収束させた時の点火時期が前記目標点火時期より遅角側である時には、前記点火時期をそのまま維持することを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の制御装置によれば、機関回転数を目標回転数に収束させた時の点火時期が目標点火時期より進角側である時には、点火時期を目標点火時期まで遅角させるようになっているために、排気ガス温度は十分に高められ触媒装置を早期に暖機することができる。この時、そのままでは機関回転数が目標回転数より低下してしまうが、吸入空気を増量することにより機関回転数を目標回転数に維持することができる。また、機関回転数を目標回転数に収束させた時の点火時期が目標点火時期より設定量以上進角側である時には、気筒内へ重質燃料が供給されて不十分な燃料気化により燃焼悪化している可能性があり、この時に吸入空気を増量すると吸気管圧力が大気圧に近づいて燃料気化をさらに悪化させることとなるために、この時には、点火時期を目標点火時期へ遅角することは断念し、吸入空気を増量することなく点火時期をそのまま維持するようになっている。それにより、燃焼悪化による機関回転数の低下を回避することができる。

また、本発明による請求項２に記載の内燃機関の制御装置によれば、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、機関回転数を目標回転数に収束させた時の点火時期が目標点火時期より遅角側である時には、点火時期は、目標点火時期より遅角側の点火時期にそのまま維持されるようになっているために、排気ガス温度はさらに十分に高められ触媒装置をより早期に暖機することができる。

図１は本発明による制御装置が取り付けられる内燃機関を示す概略図である。同図において、１は機関本体であり、２は各気筒共通のサージタンクである。３はサージタンク２と各気筒とを連通する吸気ポートであり、４はサージタンク２の上流側の吸気通路である。吸気通路４におけるサージタンク２の直上流側にはスロットル弁５が配置されている。６は各気筒に連通する排気マニホルドである。

機関本体１において、７は吸気弁、８は排気弁、９はピストン、１０は点火プラグである。１１は各吸気ポート３に配置された燃料噴射弁である。１２はスロットル弁５をバイパスするように吸気通路４に接続されたバイパス通路であり、アイドルスピードコントロールバルブ（以下、ＩＳＣバルブ）１３が配置されている。

１４は、機関排気系において排気マニホルド６の排気集合部の下流側に配置された触媒装置である。触媒装置１４は、本実施形態のように理論空燃比での燃焼を実施する内燃機関の場合には、例えば三元触媒装置とされ、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁を有する筒内噴射式火花点火内燃機関のようにリーン空燃比での燃焼を実施する内燃機関の場合には、例えばＮＯ_X吸蔵還元触媒装置とされる。いずれの触媒装置１４も排気ガスを浄化するためには、担持した触媒を活性化温度以上に昇温することが必要であり、機関始動時において始動後早くから排気ガスを浄化させるために触媒装置の早期暖機が望まれている。

図２は、本発明による制御装置によって実施される機関始動時制御を示すフローチャートである。本フローチャートは、機関始動時において、各気筒の完爆が完了して機関回転数がアイドル時の目標回転数を超えた時に開始される。先ず、ステップ１０１において、水温センサ（図示せず）により検出される機関温度としての機関冷却水温ＴＨＷが設定水温ＴＨＷ１以上であるか否かが判断される。この判断が肯定される時には、触媒装置１４の温度もそれほど低くはなく、特に排気ガス温度を高めなくても触媒装置１４の早期暖機が可能である。それにより、機関始動時に吹き上がる機関回転数は、燃料の減量によりアイドル時の目標回転数に収束させる一般的な機関始動時制御を実施すれば良く、本フローチャートを終了する。

一方、ステップ１０１における判断が否定される時には、触媒装置１４の温度がかなり低く、排気ガス温度を高めて触媒装置１４を早期暖機させることが必要であり、ステップ１０２へ進む。ステップ１０２では、回転センサ（図示せず）により検出される現在の機関回転数Ｎとアイドル時の目標回転数ＮＴとの差が設定回転数ａより大きいか否かが判断される。この設定回転数ａは小さく設定され、ステップ１０２における判断が否定される時には、機関回転数Ｎが目標回転数ＮＴに収束したと判断される。

当初、この判断は肯定され、ステップ１０３に進んで、点火時期Ｉは遅角量ｂだけ遅角される。この遅角量ｂは、定数としても良いが、機関回転数Ｎと目標回転数ＮＴとの差が大きいほど大きく設定される変数としても良い。こうして、点火時期Ｉのフィードバック遅角制御によって排気ガスの温度は徐々に高められるために、触媒装置１４の暖機が促進される。一方、点火時期Ｉの遅角に伴う機関出力低下によって機関回転数Ｎは徐々に低下する。

それにより、機関始動時に吹き上がった機関回転数Ｎは目標回転数ＮＴへ収束し、ステップ１０２における判断が否定されると、ステップ１０４へ進む。ステップ１０４では、現在の点火時期Ｉと、排気ガス温度を十分に高くする目標点火時期ＩＴとの差が０以下となっているか否かが判断される。この判断が肯定される時には、現在の点火時期Ｉは、目標点火時期ＩＴより遅角側とされ、排気ガス温度はさらに高められているために、触媒装置１４の早期暖機にとって有利であり、この点火時期Ｉをそのまま維持して触媒装置１４を暖機する。この時、機関回転数Ｎは目標回転数ＮＴに収束したまま維持される。

一方、ステップ１０４における判断が否定される時には、ステップ１０５において、現在の点火時期Ｉと目標点火時期ＩＴとの差が設定値ｃより大きいか否かが判断される。この設定値ｃは比較的大きくされているために、一般的には、この判断は否定され、ステップ１０６に進む。ステップ１０４における判断が否定される時には、現在の点火時期Ｉ、すなわち、機関回転数Ｎが目標回転数ＮＴに収束した時の点火時期Ｉは、目標点火時期ＩＴより進角側であるために、排気ガス温度は十分に高められていない。この時には、ステップ１０６において、点火時期Ｉを目標点火時期ＩＴまで遅角する。

こうして、排気ガスの温度は十分に高められ、触媒装置１４の早期暖機が確実に実現される。しかしながら、このままでは、点火時期のさらなる遅角に伴う機関出力の低下によって、目標回転数ＮＴに収束している機関回転数Ｎは低下してしまう。それにより、ステップ１０７において、ＩＳＣバルブ１３を開弁して、又は、スロットル弁５を開弁して、吸入空気を増量し、それに伴って噴射燃料も増量され、機関回転数Ｎを目標回転数ＮＴに維持する。

もちろん、この吸入空気の増量は、現在の点火時期Ｉと目標点火時期ＩＴとの差が大きいほど多くされる。すなわち、現在の点火時期Ｉと目標点火時期ＩＴとの差が大きいほどＩＳＣバルブ１３又はスロットル弁５の開弁に際しての開度を大きく設定する。また、ＩＳＣバルブ１３及びスロットル弁５のいずれを開弁させる際も、吸入空気の増量は、比較的大きな応答遅れを有するために、瞬間的に所望量の吸入空気を増加させて点火時期の遅角分を相殺するように機関出力を高めることはできない。それにより、点火時期の目標点火時期ＩＴへの遅角は、実際の吸入空気量の増加に合わせて徐々に実施することが好ましい。こうすることにより、点火時期の目標点火時期ＩＴへの遅角に際して、機関回転数Ｎを目標回転数ＮＴに維持させることができる。

ところで、機関始動時に機関回転数を吹き上げるための燃料噴射量及び吸入空気量は、点火時期を目標点火時期ＩＴとした時に機関回転数が目標回転数ＮＴとなるように設定されている。実際には、機関毎のばらつきにより、前述したように、機関回転数が目標回転数ＮＴに収束した際の点火時期は目標点火時期とはならないことがある。しかしながら、ステップ１０５における判断が肯定される時、すなわち、機関回転数が目標回転数ＮＴに収束した時の点火時期Ｉと目標点火時期ＩＴとの差が設定値ｃより大きく、現在の点火時期Ｉが目標点火時期ＩＴから懸け離れている時には、機関毎のばらつきではなく、重質燃料が気筒内へ供給されて燃料気化が不十分となって燃焼が悪化している可能性が高いと考えられる。

重質燃料を使用した場合、点火時期を目標点火時期ＩＴへ遅角し、前述同様に吸入空気の増量を行うためにＩＳＣバルブ１３又はスロットル弁５を開弁させると、吸気管圧力が大気圧へ近づいて、燃料気化をさらに悪化させてしまう。それにより燃焼が悪化すれば、機関出力を高めて点火時期の遅角による機関出力の低下分を相殺することは不可能であり、機関回転数Ｎは目標回転数ＮＴより低下してしまう。

従って、この時には、点火時期Ｉを目標点火時期ＩＴへ遅角させることは困難であり、吸入空気を増量することなく、そのままの点火時期Ｉにより、機関回転数Ｎを目標回転数ＮＴに維持させるようになっている。

図３は、本発明の機関始動時制御による機関回転数Ｎと点火時期Ｉとの変化を示すタイムチャートである。各気筒の完爆により上昇する機関回転数Ｎは、時刻ｔ１において目標回転数ＮＴを超え、それと同時に図２のフローチャートが開始される。目標回転数ＮＴを上回る機関回転数Ｎに対して、実線で示すように点火時期Ｉが徐々に遅角され、時刻ｔ２において、機関回転数Ｎは目標回転数ＮＴに収束する。前述のフローチャートでは、この時刻ｔ２において、現在の点火時期Ｉが目標点火時期ＩＴに対して遅角側か進角側かを判断するようにしたが、実際的には、現在の点火時期Ｉによって目標回転数ＮＴが維持されることを見極めることが好ましく、もし、現在の点火時期Ｉでは機関回転数Ｎが目標回転数ＮＴを下回ることとなれば、点火時期Ｉの進角が必要となる。

現在の点火時期Ｉによって目標回転数ＮＴが維持されることを所定時間の間の機関回転数Ｎ及び点火時期Ｉの安定（変化率が設定値より小さい）により見極めた後、時刻ｔ３において点火時期Ｉの前述の判断が実施され、実線Ａで示す例においては、機関毎のばらつきにより、現在の点火時期Ｉは目標点火時期ＩＴより進角側となっている。

この場合において、点線Ｂに示すように、この点火時期Ｉを維持すると、排気ガス温度は十分に高くなっておらず、時刻ｔ３から設定時間後の触媒装置１４の暖機が完了するはずの時刻ｔ４において、触媒装置１４の暖機は完了しない。時刻ｔ４となると、点火時期Ｉは徐々に進角されるために、触媒装置１４の暖機完了はかなり遅くなってしまう。

これに対して、本始動時制御によれば、実線Ａで示すように、時刻ｔ３において、点火時期Ｉは目標点火時期ＩＴまで遅角されるために、時刻ｔ３の直後には排気ガス温度を十分に高めることができ、時刻ｔ４においては触媒装置１４を確実に暖機完了させることができる。同時に吸入空気が増量されるために、機関回転数Ｎを目標回転数ＮＴに維持することができる。

また、点線Ｃで示すように、機関毎のばらつきにより、時刻ｔ３における点火時期Ｉが目標点火時期ＩＴより遅角側である場合には、排気ガス温度はさらに十分に高くされており、この点火時期Ｉを維持することで、時刻ｔ４において触媒装置１４をさらに確実に暖機完了させることができる。もちろん、この場合において、機関回転数Ｎは目標回転数ＮＴを維持している。

また、点線Ｄで示すように、時刻ｔ３における点火時期Ｉが目標点火時期ＩＴより設定量以上進角側である場合には、機関毎のばらつきとは考えられず、重質燃料が気筒内へ供給されて不十分な燃料気化により燃焼が悪化している可能性が高い。この場合において、点火時期Ｉは維持され、吸入空気の増量を必要とする目標点火時期ＩＴへの点火時期の遅角は実施しない。それにより、吸入空気の増量に伴い吸気管圧力を大気圧へ近づけると、さらに重質燃料の気化を悪化させることとなるが、これを回避することができる。

本発明による制御装置が取り付けられる内燃機関を示す概略図である。本発明による制御装置により実施される機関始動時制御を示すフローチャートである。図２の機関始動時制御による機関回転数及び点火時期の変化を示すタイムチャートである。

符号の説明

１…機関本体
３…吸気ポート
１０…点火プラグ
１１…燃料噴射弁
１３…ＩＳＣバルブ
１４…触媒装置

Claims

機関始動時に吹き上がる機関回転数を点火時期のフィードバック遅角制御により目標回転数に収束させる内燃機関の制御装置において、機関回転数を前記目標回転数に収束させた時の点火時期が目標点火時期より進角側である時には、点火時期を前記目標点火時期まで遅角させると共に吸入空気を増量し、機関回転数を前記目標回転数に収束させた時の点火時期が前記目標点火時期より設定量以上進角側である時には、吸入空気を増量することなく前記点火時期をそのまま維持することを特徴とする内燃機関の制御装置。
機関回転数を前記目標回転数に収束させた時の点火時期が前記目標点火時期より遅角側である時には、前記点火時期をそのまま維持することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。