JP2004308542A

JP2004308542A - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2004308542A
Application number: JP2003102543A
Authority: JP
Inventors: Kengo Kubo; 賢吾久保
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-04-07
Filing date: 2003-04-07
Publication date: 2004-11-04

Abstract

【課題】減速時に燃料カットを行う場合に、偏温による触媒の劣化を抑制することにある。
【解決手段】車両の減速時に燃料カットを行う燃料カット手段を備える内燃機関の制御装置において、排気通路に配置された触媒の温度ＴＣＡを取得する温度取得手段と、取得された触媒の温度を第１温度ＴＣＨ１と比較する第１温度比較手段と、減速時に燃料カットを行う際、触媒温度ＴＣＡが第１温度ＴＣＨ１以上である場合に、第１温度ＴＣＨ１未満の場合よりも吸入空気量を減少させる第１空気量決定手段とを備える。
【選択図】図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の制御装置、特に、車両の減速時に燃料カットを行う燃料カット手段を備える内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両の減速時に内燃機関の燃料カットを行うことが従来より行われているが、このような場合に、燃料カットと併せて吸入空気量の制御を行うための制御装置が、例えば特許文献１に示されている。この制御装置では、減速時に燃料カットが行われると、スロットルバルブを全開にして吸入空気量を増加させ、これによりポンプ損失を低減している。
【０００３】
【特許文献１】
特許第３１７７１５３号公報（第９−１１頁、第２３図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に記載の制御装置では、減速時に燃料カットを行う際、スロットルバルブをほぼ全開にして、外気温相当の空気を大量に吸入するため、この空気が燃焼をともなわずに内燃機関の排気側に排出される。この結果、高温の触媒の上流側に低温の空気が大量に当たることにより、触媒の下流側が高温に保たれたまま上流側で急激に温度が低下することになり、触媒の下流側と上流側とで偏温が大きくなり、触媒の劣化を招くおそれがある。
【０００５】
本発明の目的は、減速時に燃料カットを行う場合に、偏温による触媒の劣化を抑制することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る内燃機関の制御装置は、車両の減速時に燃料カットを行う燃料カット手段を備える内燃機関の制御装置において、排気通路に配置された触媒の温度を取得する温度取得手段と、取得された触媒の温度を第１温度と比較する第１温度比較手段と、減速時の燃料カットを行う際、触媒の温度が第１温度以上である場合に第１温度未満の場合よりも吸入空気量を減少させる第１空気量決定手段とを備える。この制御装置では、減速時の燃料カットを行う場合に、排気通路に配置された触媒の温度を取得し、取得した触媒温度を第１温度と比較する。その比較の結果、触媒の温度が第１温度以上である場合には、第１温度未満の場合よりも吸入空気量を減少させる。
【０００７】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料カット時において、触媒の温度が第１温度以上の場合に第１温度未満の場合よりも吸入空気量を減少させるので、高温の触媒に当たる空気の量が抑制され、空気が直接当たる触媒上流側での温度低下が緩やかになり、触媒の上流側と下流側とで偏温が大きくなるのを抑制できる。この結果、減速時の燃料カットにおいて触媒の劣化を抑制できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
（１）構成
図１は、本発明の一実施形態に係る制御装置が適用される内燃機関の概略図である。機関本体１には、燃焼室に連通する吸気ポート１ａ及び排気ポート１ｂが形成されており、吸気ポート１ａ及び排気ポート１ｂにはそれぞれ吸気管２及び排気管３が接続されている。吸気管２の上流側には、エアクリーナ４、吸入空気量Ｑを検出するエアフローメータ５、アクセルペダルと連動して吸入空気量Ｑを制御するスロットル弁６が設けられている。スロットル弁６には、スロットル開度ＴＶＯを検出するとともに、スロットル全閉位置を検出するアイドルスイッチを兼ねるスロットルセンサ９が設けられている。また、吸気管２には、スロットル弁６をバイパスする補助空気通路７が設けられており、補助空気通路７には補助空気制御弁８が介装されている。補助空気制御弁８は、後述するコントロールユニット２０により開閉制御されることにより、減速時の吸入空気量を制御する。
【０００９】
また、吸気管２の吸気ポート１ａ近傍には気筒毎に、燃料供給手段としての電磁式の燃料噴射弁１０が設けられている。燃料噴射弁１０は、コントロールユニット２０からの噴射パルス信号によって開弁駆動され、図示しない燃料ポンプから圧送されてプッシャーレギュレータにより所定圧力に制御された燃料を吸気管２内に噴射供給する。また、排気管３の下流側には、排気浄化触媒としての三元触媒を備える触媒コンバータ１２が介装されている。三元触媒は、ＣＯ、ＨＣを酸化すると共にＮＯｘを還元する排気浄化触媒であり、理論空燃比において高いＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣの浄化率を発揮する。三元触媒は、ハニカム形状等のモノリス触媒、ペレット形状、或いはメタル触媒、ステンレスウール製等如何なるものであっても良い。ここでは三元触媒を例に挙げたが、酸化触媒、還元触媒であっても良い。排気管３には、触媒コンバータ１２の上流側に排気中の酸素濃度を検出する酸素センサ１１が設けられている。
【００１０】
さらに、機関本体１には、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１３及びクランク軸の回転に同期してクランク単位角信号及びクランク基準信号を出力するクランク角センサ１４が設けられている。このクランク角センサ１４からのクランク単位角信号を一定時間カウントするか、又はクランク基準信号の同期を計測して機関回転速度Ｎが検出される。また、スタートスイッチ１７が車室内のキースイッチに設けられ、スタートスイッチ１７からはスタート信号がコントロールユニット２０に出力される。
【００１１】
コントロールユニット２０は、ＣＰＵ２１、ＲＯＭ２２、ＲＡＭ２３及び入出力ポート（Ｉ／Ｏポート）２４を備えたマイクロコンピュータを内蔵しており、エアフローメータ５からの吸入空気量Ｑ、スロットルセンサ９からのスロットル開度ＴＶＯ及びスロットル全閉位置信号、スタートスイッチ１７からのスタート信号、酸素センサ１１からの酸素濃度、温度センサ１３からの冷却水温度ＴＷ、クランク角センサ１４からの機関回転速度Ｎの各種信号を読み込む。コントロールユニット２０は、吸入空気量Ｑ、機関回転速度Ｎに基づいて、機関負荷に対応する基本燃料噴射量ＴＰを式（１）によって演算する。
ＴＰ＝Ｋ・Ｑ／Ｎ，Ｋは定数（１）
また、コントロールユニット２０は、酸素センサ１１で検出される酸素濃度に基づいて、空燃比を目標空燃比（理論空燃比１４．７）に近づけるように、空燃比フィードバック補正係数αを比例積分制御によって演算する。そして、基本燃料噴射量ＴＰを空燃比フィードバック補正係数α及び各種補正係数ＣＯＥＦと電圧補正分ＴＳとによって式（２）のように補正して燃料噴射量ＴＩを演算し、この燃料噴射量ＴＩに従って燃料噴射弁１０を駆動制御する。
ＴＩ＝ＴＰ×α×ＣＯＥＦ＋ＴＳ（２）
また、クランク角センサ１４からのクランク単位角信号に基づいて所定の時期に点火信号を発生し、点火プラグ１６を点火させて混合気を燃焼させる。また、コントロールユニット２０は、スロットルセンサ９からスロットル全閉信号が発生したとき、即ち車両の減速時に、クランク角センサ１４からの機関回転速度Ｎ信号等に基づいて燃料供給を停止する燃料カット機能を有する。
【００１２】
（２）触媒の温度変化
図２は、触媒コンバータ１２に配置される触媒担体１５の概略構成と温度勾配曲線である。上述した触媒コンバータ１２内には、図２に示すように三元触媒の触媒担体１５が配置されており、触媒担体１５を排気が通過する際にＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘが酸化又は還元されて排気が浄化される。触媒担体１５は、一体に形成されたモノリス触媒であり、図２の上部に示すように、排気の流通方向から見て多孔質のハニカム状に形成されており、この孔に排気を通過させて浄化する。
【００１３】
このような触媒担体１５では、運転中に燃料カットが行われ、吸気管２より吸入された外気温度相当の空気が燃焼をともなわずに排気管３に排出される場合には、低温の空気が排気管３から直接当たる上流側端面Ｓ１側と、触媒担体１５に形成された孔を介して空気が当たる下流側端面Ｓ２側とで偏温が生じる。例えば、触媒温度ＴＣＡが高温であり、上流側と下流側との温度差がΔＴ０（曲線ｌ０）で、大量の排気が触媒担体１５に供給されると、曲線ｌ１に示すように上流側端面Ｓ１側ほど温度低下が大きく、上流側端面Ｓ１と下流側端面Ｓ２との間の温度差はΔＴ１に増加する（曲線ｌ１）。この温度差ΔＴ１が大きくなり過ぎると、触媒担体１５が劣化するおそれがある。触媒温度ＴＣＡが高いほど、大量の空気により上流側端面Ｓ１側で急激に温度が低下して温度差ΔＴ１が大きくなり、触媒劣化のおそれが大きくなる。また、内燃機関の始動時に触媒温度ＴＣＡを速やかに上昇させる目的で触媒単体１５を形成する壁の厚さを薄く形成するほど、温度差ΔＴ１による触媒劣化のおそれが大きくなる。
【００１４】
（３）触媒保護の対策
そこで、本実施形態では、燃料カット時の触媒温度ＴＣＡが第１温度ＴＣＨ１以上の場合に補助空気通路７から導入される吸入空気量Ｑを減少させることにより、触媒担体１５に導入される空気の量を低減し、触媒担体１５の偏温を抑制する。また、さらに触媒温度ＴＣＡが第１温度ＴＣＨ１より高い第２温度ＴＣＨ２以上の場合には、燃料カット自体を禁止し、空燃比リッチ制御を実行することにより、外気温相当の空気が燃焼をともなわずに触媒担体１５に当たるのを防止し、触媒担体１５の偏温をより一層抑制する。具体的には、触媒温度ＴＣＡに応じて図４の曲線Ｉ〜ＩＩＩに示すように吸入空気量Ｑを制御する。ここで、第１温度ＴＣＨ１は、吸入空気量Ｑを減少させずに燃料カットを行っても、触媒担体１５が偏温により劣化しない範囲の上限温度であり、例えば、実験により計測しておく。また、第２温度ＴＣＨ２は、吸入空気量Ｑを減少させれば燃料カットを行っても、触媒担体１５が劣化しない程度に偏温を抑制することが可能な上限温度であり、例えば実験により計測しておく。
【００１５】
図４において、触媒推定温度ＴＣＡが第１温度ＴＣＨ１よりも小さい場合には、偏温による触媒担体１５の劣化のおそれがないため、曲線ＩＩＩで示すように機関回転速度Ｎに応じて吸入空気量ＴＱＢＣＶ３を決定する。吸入空気量ＴＱＢＣＶ３は、減速感を悪化させないように運転性の成立範囲内で設定する。
【００１６】
一方、機関回転速度Ｎが例えばＮ０（例えば、１０００ｒｐｍ）以上で燃料カット実行時に、触媒温度ＴＣＡが第１温度ＴＣＨ１以上かつ第２温度ＴＣＨ２未満であれば、触媒担体１５の偏温を緩和するために、曲線Ｉに示すように吸入空気量をＴＱＢＣＶ３からＴＱＢＣＶ１に減少させる。機関回転速度が高いほど、触媒温度ＴＣＡが高くなり偏温による影響を受けやすいので、ＴＱＢＣＶ３からの減少量を大きくする。
【００１７】
機関回転速度Ｎが例えばＮ０以上で減速時に、触媒温度ＴＣＡがＴＣＨ２以上となると、吸入空気量Ｑを減少させても、外気温相当の空気が燃焼をともなわずに触媒担体１５に当たると、触媒担体１５が劣化しない程度に偏温を抑制することができないので、燃料カットを禁止して空燃比リッチ制御を行う。この場合の吸入空気量は、曲線ＩＩで示すように機関回転速度Ｎに応じて吸入空気量ＴＱＢＣＶ２を決定する。ここで、本実施形態では、吸入空気量ＴＱＢＣＶ２は、触媒温度ＴＣＡが第１温度ＴＣＨ１未満で燃料カットを行う場合の吸入空気量ＴＱＢＣＶ３と同一とするが、空燃比リッチ制御において失火しない十分な空気量であればＴＱＢＣＶ３と同一でなくてもよい。本実施形態では、ＴＱＢＣＶ３をＴＱＢＣＶ２と同一とするため、同図に示すように曲線ＩＩ及びＩＩＩは重なっている。
【００１８】
（４）燃料供給制御動作
次に、図５のフローチャートに従って減速時の燃料供給制御動作を説明する。
【００１９】
ステップＳ１では、エアフローメータ５、スロットルセンサ９、クランク角センサ１４等の各センサ信号を読み込む。ステップＳ２では、クランク角センサ１４で検出される機関回転速度Ｎとエアフローメータ５で検出される吸入空気量Ｑとから基本燃料噴射量ＴＰを演算する。
【００２０】
ステップＳ３では、機関回転速度Ｎ及び基本燃料噴射量ＴＰから図３の触媒温度推定マップに基づいて触媒温度ＴＣＡを推定する。図３では、横軸は機関回転速度Ｎ、縦軸は機関負荷に対応する基本燃料噴射量ＴＰであり、各曲線は触媒温度ＴＣＡの推定値が一定の曲線である。同図に示すように、機関回転速度Ｎ又は基本燃料噴射量ＴＰが大きくなるほど、触媒温度ＴＣＡの推定値は高くなる。
【００２１】
ステップＳ４では、スロットルセンサ９の信号に基づきスロットル弁６が全閉の減速状態か否かを判定する。ここで、減速状態であれば（ＹＥＳ）ステップＳ５に移行し、減速でなければ（ＮＯ）ステップＳ１１に移行し、燃料カットをせず通常の空燃比制御を行う。
【００２２】
ステップＳ５に移行した場合は、機関回転速度Ｎ、冷却水温度ＴＷ等に基づいて燃料カット条件が成立しているか否かを判断する。燃料カット条件が成立していない場合（ＮＯ）はステップＳ１１の通常の空燃比制御を実行し、燃料カット条件が成立している場合はステップＳ６に移行する。
【００２３】
ステップＳ６では、ステップＳ３で推定した触媒温度ＴＣＡと第１温度ＴＣＨ１とを比較し、触媒温度ＴＣＡが第１温度ＴＣＨ１以上の場合はステップＳ７に移行する。
【００２４】
ステップＳ６で触媒温度ＴＣＡが第１温度ＴＣＨ１未満の場合は、触媒温度ＴＣＡが低く、吸入空気量Ｑを減少させずに燃料カットしても、触媒担体１５が劣化しない程度に偏温を抑制することが可能であり、ステップＳ８に移行して、燃料カットを実行する。このとき、吸入空気量を図４のＴＱＢＣＶ３に設定する。
【００２５】
ステップＳ６において触媒温度ＴＣＡが第１温度ＴＣＨ１以上でステップＳ７に進んだ場合は、さらに触媒温度ＴＣＡと第２温度ＴＣＨ２とを比較する。
【００２６】
ステップＳ７において触媒温度ＴＣＡが第２温度ＴＣＨ２未満の場合は、触媒温度ＴＣＡは高いが、吸入空気量Ｑを減少させれば燃料カットしても、触媒担体１５が劣化しない程度に偏温を抑制できるので、ステップＳ９に移行して、燃料カットを実行する。但し、触媒温度ＴＣＡが第１温度ＴＣＨ１以上であり、触媒担体１５が偏温により劣化する可能性があるので、吸入空気量をＴＱＢＣＶ３よりも小さいＴＱＢＣＶ１に設定する。
【００２７】
ステップＳ７において触媒温度ＴＣＡが第２温度ＴＣＨ２以上でステップＳ１０に移行した場合は、吸入空気量Ｑを減少させても、外気温相当の空気が燃焼をともなわずに触媒担体１５に当たると、触媒担体１５が劣化しない程度に偏温を抑制することができない。そのため、ステップＳ１０では、燃料カットを禁止し、吸入空気量ＴＱＢＣＶ２で燃料供給を行って空燃比リッチ制御を実行する。
（５）まとめ
以上説明したように、本実施形態では、燃料カット時において、触媒の温度ＴＣＡが第１温度ＴＣＨ１以上の場合に、図４に示すように、第１温度ＴＣＨ１未満の場合よりも吸入空気量Ｑを減少させるので、高温の触媒担体１５に当たる空気の量が抑制される。この結果空気が直接当たる触媒担体１５の上流側での温度低下が緩やかになり、触媒の上流側と下流側とで偏温が大きくなるのを抑制でき、減速時の燃料カットにおいて触媒の劣化を抑制できる。
【００２８】
また、触媒温度ＴＣＡが第１温度ＴＣＨ１以上かつ第２温度ＴＣＨ２未満の場合の吸入空気量ＴＱＢＣＶ１を、図４に示すように機関回転速度が高いほどＴＱＢＣＶ３からの大きく減少させるようにしたので、運転性を可能な限り維持しつつ、触媒劣化の可能性の高い高速回転時において触媒担体１５の偏温を確実に抑制することができる。
【００２９】
また、図３の触媒温度推定マップから機関回転数Ｎ及び基本燃料噴射量ＴＰに基づいて触媒温度ＴＣＡを推定するようにしたので、触媒温度ＴＣＡを直接検出するための温度センサを配置する必要がなく、コストダウンを図れる。
【００３０】
さらに、触媒温度ＴＣＡがＴＣＨ２以上の場合、吸入空気量Ｑを減少させても、外気温相当の空気が燃焼をともなわずに触媒担体１５に当たると、触媒担体１５が劣化しない程度に偏温を抑制することができないので、燃料カットを禁止して空燃比リッチ制御を行う。この場合に一行程当たりの吸入空気量が燃焼限界を下回る状況で燃料が噴射されると失火のおそれがある。本実施形態では、燃料カットを禁止して空燃比リッチ制御を行う場合に、吸入空気量ＴＱＢＣＶ２を失火防止に必要な量に設定するので、吸気不足による失火を確実に防止できる。即ち、本実施形態によれば、減速時燃料カットを行う場合には触媒劣化を抑制することができると共に、減速時燃料カットを禁止する場合には失火を防止できる。
【００３１】
なお、燃料カット時には、触媒担体１５の上流側と下流側との偏温に加えて、触媒担体１５の同一箇所（例えば上流側端面Ｓ１）での急激な温度変化によるヒートショックによっても、触媒担体１５の劣化が生じるおそれがある。本実施形態によれば、触媒温度ＴＣＡが高温の場合に吸入空気量を減少させて、大量の空気により触媒担体１５が急激に温度低下するのを抑制できるため、ヒートショックによる触媒担体１５の劣化も同時に抑制できる。
（６）他の実施形態
上記実施形態では、スロットル弁６がアクセルペダルに連動して開閉される機械式のものであり、スロットル弁６が全閉の減速状態か否かに基づいて減速判定を行ったが、スロットル弁６が電気的に開閉される電磁式のものである場合には、アクセルオフ信号等に基づいて減速状態の判定を行う。この場合には、減速時に燃料カットする場合に、スロットル弁６を僅かに開けて吸気を導入及び制御し、補助空気通路７及び補助空気制御弁８を設けない構成にしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る制御装置が適用される内燃機関の概略図。
【図２】触媒の温度分布図。
【図３】触媒温度推定マップ。
【図４】吸入空気量と回転速度との関係。
【図５】燃料供給動作のフローチャート。
【符号の説明】
１機関本体
２吸気通路
３排気通路
４エアクリーナ
５エアフローメータ
６スロットル
７補助空気通路
８補助空気制御弁
９スロットルセンサ
１０燃料噴射弁
１１酸素センサ
１２触媒コンバータ
１３水温センサ
１４クランク角センサ
１５触媒担体
１６点火プラグ
１７スタートスイッチ
２０コントロールユニット
２１ＣＰＵ
２２ＲＯＭ
２３ＲＡＭ
２４入出力ポート

Claims

車両の減速時に燃料カットを行う燃料カット手段を備える内燃機関の制御装置において、
排気通路に配置された触媒の温度を取得する温度取得手段と、
取得された触媒の温度を第１温度と比較する第１温度比較手段と、
減速時に燃料カットを行う際、触媒の温度が第１温度以上である場合に第１温度未満の場合よりも吸入空気量を減少させる第１空気量決定手段と、
を備える内燃機関の制御装置。
第１空気量決定手段は、機関回転速度が高いほど吸入空気量の減少分を大きくする、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
第１空気量決定手段は、機関回転速度が所定回転速度以上である場合に、吸入空気量を減少させる、請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
温度取得手段は、触媒温度を機関回転速度及び機関負荷に基づいて推定する、請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
温度取得手段は、吸入空気量及び機関回転速度に基づいて演算される基本燃料噴射量を機関負荷として用いる、請求項４に記載の内燃機関の制御装置。
取得された触媒の温度を前記第１温度よりも高い第２温度と比較する第２温度比較手段と、
触媒の温度が第２温度以上である場合に、減速時の燃料カットを禁止する燃料カット禁止手段と、
触媒の温度が第２温度以上である場合に、失火を起こさない範囲に吸気空気量を決定する第２空気量決定手段と、
をさらに備える請求項１から５のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
前記第２空気量決定手段は、吸入空気量を、触媒の温度が第１温度未満で減速時の燃料カットを行う場合の吸入空気量と略同一に決定する、
請求項６に記載の内燃機関の制御装置。