JP2005140041A

JP2005140041A - 内燃機関の空燃比制御装置

Info

Publication number: JP2005140041A
Application number: JP2003378539A
Authority: JP
Inventors: Shoji Tashiro; 庄司田代; Satoshi Kasai; 聡笠井
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2003-11-07
Filing date: 2003-11-07
Publication date: 2005-06-02
Also published as: DE102004053808A1; CN100342124C; CN1614215A

Abstract

【課題】内燃機関の冷態時において簡単な構成にしてＨＣ、ＣＯの低減と運転性との両立を実現可能な内燃機関の空燃比制御装置を提供する。
【解決手段】内燃機関が冷機状態にあることが検出されると、全気筒のうちの所定の複数気筒については空燃比がストイキ近傍値となるように運転を行う一方、所定の複数気筒以外の所定の単数または複数の気筒については空燃比がストイキ近傍値よりも所定割合だけリーン空燃比側（ストイキ近傍値×最適領域内のリーン化係数Ａ）となるように運転を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の空燃比制御装置に係り、詳しくは、内燃機関の冷態時における空燃比制御技術に関する。

内燃機関（エンジン）が冷機状態（冷態）にあるときには、排気系に設けられた触媒コンバータや空燃比センサ等も活性状態にない場合が多く、エンジンから排出される排気中のＨＣ（炭化水素）やＣＯ（一酸化炭素）を触媒コンバータで十分に浄化できない、或いは空燃比を適切にフィードバック制御できないという問題がある。
このようなことから、ＨＣやＣＯの低減を目的とすれば、エンジンの冷態時には空燃比を理論空燃比（ストイキ）よりもリーン空燃比寄りに設定することが有効である。さらに、このようにリーン空燃比寄りにすることで、燃費低減効果の他、排気温度が上昇することによる触媒活性化促進の効果や、酸素を多く含むことによる酸化反応促進の効果もある。

また、触媒コンバータの早期活性化を目的とすれば、エンジンの冷態時において空燃比を一部の気筒についてリッチ空燃比に設定する一方、残りの気筒についてリーン空燃比に設定することも有効である（特許文献１参照）。
特開平９−１０５３４５号公報（請求項１等）

ところで、全気筒についてリーン空燃比寄りに設定したり上記特許文献１に開示されるように比較的多くの気筒についてリーン空燃比に設定したりすると、リーン空燃比に設定した気筒では燃料量が低減するため、燃焼悪化を引き起こし易く、アイドル安定性の低下や運転性の悪化に繋がり好ましいことではない。
この場合、可変動弁機構を有する内燃機関であれば、吸気弁或いは排気弁の開閉弁時期やバルブリフト量を適正化することでこのような燃焼悪化を抑制することも可能であるが、可変動弁機構を有しない内燃機関においてこの問題は顕著である。

燃料量の低減による具体的な燃焼悪化の要因としては、製造ばらつき等による気筒間の空燃比分配不良や、燃料を噴射するインジェクタの詰まり等に伴う燃料噴射量変化や、燃料性状の変化等が揚げられる。
従って、これら燃焼悪化の要因を排除することができれば、可変動弁機構を有しない内燃機関においても運転性の悪化を防止できることになる。

しかしながら、気筒間の空燃比分配不良に対しては、空燃比分配を均等化すべく気筒別に補正制御を実施したり或いは製造精度を向上させなければならず、制御の複雑化や生産管理工数の増大に繋がり好ましいことではない。
また、燃料噴射量変化に対しては、気筒毎に空燃比を補正できればよいが、やはり制御の複雑化を招くことになり、斯かる補正は現実的には困難である。

さらに、燃料性状の変化に対しては、燃料性状の検出に高い精度と信頼性が要求されるという問題がある。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、内燃機関の冷態時においてＨＣ、ＣＯの低減と運転性との両立を簡単な構成にして実現可能な内燃機関の空燃比制御装置を提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１の内燃機関の空燃比制御装置では、多気筒からなる内燃機関の空燃比制御装置において、内燃機関が冷機状態にあることを検出する冷態検出手段と、前記冷態検出手段により内燃機関が冷機状態にあることが検出されると、全気筒のうちの所定の複数気筒については空燃比が理論空燃比近傍値或いはリッチ側空燃比となるように運転を行う一方、前記所定の複数気筒以外の所定の単数または複数の気筒については空燃比が前記理論空燃比近傍値或いはリッチ側空燃比よりも所定割合だけリーン側となるように運転を行う空燃比制御手段とを備えたことを特徴としている。

また、請求項２の内燃機関の空燃比制御装置では、前記空燃比制御手段は、前記理論空燃比近傍値或いはリッチ側空燃比とする気筒数を全気筒のうちの半数を超える複数気筒数として制御を行うことを特徴としている。
即ち、例えば内燃機関が４気筒である場合には、内燃機関が冷機状態において、４気筒のうちの所定の３気筒について空燃比が理論空燃比近傍値或いはリッチ側空燃比となるように運転を行い、所定の１気筒についてのみ空燃比が理論空燃比近傍値或いはリッチ側空燃比よりも所定割合だけリーン側となるように運転を行うようにする。また、例えば内燃機関が６気筒である場合には、６気筒のうちの所定の５または４気筒について空燃比が理論空燃比近傍値或いはリッチ側空燃比となるように運転を行い、所定の１または２気筒についてのみ空燃比が理論空燃比近傍値或いはリッチ側空燃比よりも所定割合だけリーン側となるように運転を行うようにする。

また、請求項３の内燃機関の空燃比制御装置では、多気筒からなる内燃機関の空燃比制御装置において、内燃機関が冷機状態にあることを検出する冷態検出手段と、前記冷態検出手段により内燃機関が冷機状態にあることが検出されると、全気筒のうちの所定の複数気筒については空燃比が理論空燃比近傍或いはリッチ側の第１空燃比となるように運転を行う一方、前記所定の複数気筒以外の所定の単数または複数の気筒については空燃比が前記所定の複数気筒における前記第１空燃比に対して所定割合だけリーン側の第２空燃比となるように運転を行う空燃比制御手段とを備えたことを特徴としている。

また、請求項４の内燃機関の空燃比制御装置では、前記空燃比制御手段は、前記第１空燃比とする気筒数を全気筒のうちの半数を超える複数気筒数として制御を行うことを特徴としている。
即ち、例えば内燃機関が４気筒である場合には、内燃機関が冷機状態において、４気筒のうちの所定の３気筒について空燃比が理論空燃比近傍或いはリッチ側の第１空燃比となるように運転を行い、所定の１気筒についてのみ空燃比が所定の複数気筒における第１空燃比に対して所定割合だけリーン側の第２空燃比となるように運転を行うようにする。また、例えば内燃機関が６気筒である場合には、６気筒のうちの所定の５または４気筒について空燃比が理論空燃比近傍或いはリッチ側の第１空燃比となるように運転を行い、所定の１または２気筒についてのみ空燃比が所定の複数気筒における第１空燃比に対して所定割合だけリーン側の第２空燃比となるように運転を行うようにする。

また、請求項５の内燃機関の空燃比制御装置では、前記空燃比制御手段は、前記所定割合を予め定められた値に固定し、前記第２空燃比が前記第１空燃比に対して該固定された所定割合だけリーン側の空燃比となるように制御を行うことを特徴としている。
また、請求項６の内燃機関の空燃比制御装置では、前記空燃比制御手段は、内燃機関の燃焼状態の不良を判定する燃焼状態判定手段を含み、該燃焼状態判定手段の判定に基づく前記燃焼状態の不良の有無に応じて前記所定割合を増減補正して制御を行うことを特徴としている。

請求項１、２の内燃機関の空燃比制御装置によれば、内燃機関が冷機状態において、所定の単数または複数の気筒（例えば、特定の１または２気筒）についてのみ空燃比が理論空燃比近傍値或いはリッチ側空燃比よりも所定割合（所定％）だけリーン側空燃比となるように運転を行うようにするので、一定の少ない頻度で間欠的に排気系へ酸素を供給するようにでき、可変動弁機構を有しない内燃機関であっても、特に運転性悪化の要因を考慮することもなく、簡単な構成でありながら、内燃機関の出力低下を防止しつつＨＣ、ＣＯの排出を良好に低減することができる。

また、請求項３、４の内燃機関の空燃比制御装置によれば、内燃機関が冷機状態において、所定の単数または複数の気筒（例えば、特定の１または２気筒）についてのみ空燃比が理論空燃比近傍或いはリッチ側の第１空燃比よりも所定割合（所定％）だけリーン側の第２空燃比となるように運転を行うようにするので、一定の少ない頻度で間欠的に排気系へ酸素を供給するようにでき、可変動弁機構を有しない内燃機関であっても、特に運転性悪化の要因を考慮することもなく、簡単な構成でありながら、内燃機関の出力低下を防止しつつＨＣ、ＣＯの排出を良好に低減することができる。

また、請求項５の内燃機関の空燃比制御装置によれば、第２空燃比が第１空燃比に対して固定された所定割合だけリーン側の空燃比となるようにして制御を行うようにするので、適正な所定割合に基づいて、簡単な構成でありながら、内燃機関の出力低下を防止しつつＨＣ、ＣＯの排出を良好に低減することができる。
また、請求項６の内燃機関の空燃比制御装置では、燃焼状態の不良の有無に応じて所定割合を増減補正して制御を行うようにするので、所定割合の最適化を図りつつ、簡単な構成でありながら、内燃機関の出力低下を防止しつつＨＣ、ＣＯの排出を良好に低減することができる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１を参照すると、車両に搭載された本発明に係る内燃機関の空燃比制御装置の概略構成図が示されており、以下、当該空燃比制御装置の構成を説明する。
同図に示すように、内燃機関であるエンジン本体（以下、単にエンジンという）１としては、吸気管噴射型（Multi Point Injection：ＭＰＩ）４気筒ガソリンエンジンが採用される。

エンジン１のシリンダヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ４が取り付けられており、点火プラグ４には高電圧を出力する点火コイル８が接続されている。
シリンダヘッド２には、各気筒毎に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド１０の一端がそれぞれ接続されている。吸気マニホールド１０には、電磁式の燃料噴射弁６が取り付けられており、燃料噴射弁６には、燃料パイプ７を介して燃料タンクを擁した燃料供給装置（図示せず）が接続されている。

吸気マニホールド１０の燃料噴射弁６よりも上流側には、吸入空気量を調節する電磁式のスロットル弁１４が設けられており、併せてスロットル弁１４の弁開度θthを検出するスロットルポジションセンサ（ＴＰＳ）１６が設けられている。さらに、スロットル弁１４の上流には、吸入空気量を計測するエアフローセンサ１８が介装されている。エアフローセンサ１８としては、カルマン渦式エアフローセンサが使用される。

また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に排気ポートが形成されており、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド１２の一端がそれぞれ接続されている。
なお、当該ＭＰＩエンジンは公知のものであるため、その構成の詳細については説明を省略する。
排気マニホールド１２の他端には排気管２０が接続されており、当該排気管２０には、排気浄化触媒装置として三元触媒（触媒コンバータ）３０が介装されている。

三元触媒３０は、担体に活性貴金属として銅（Ｃｕ），コバルト（Ｃｏ），銀（Ａｇ），白金（Ｐｔ），ロジウム（Ｒｈ），パラジウム（Ｐｄ）のいずれかを有しており、当該三元触媒３０により、排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯxを良好に浄化可能である。
また、排気管２０の三元触媒３０よりも上流側には、排気中の酸素濃度を検出することで排気空燃比（排気Ａ／Ｆ）を検出するＯ₂センサ２２が配設されている。

ＥＣＵ（電子コントロールユニット）４０は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えており、当該ＥＣＵ４０により、エンジン１を含めた空燃比制御装置の総合的な制御が行われる。
ＥＣＵ４０の入力側には、上述したＴＰＳ１６、エアフローセンサ１８、Ｏ₂センサ２２の他、エンジン１のクランク角を検出するクランク角センサ４２、冷却水温度Ｔwを検出する水温センサ（冷態検出手段）４４等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力される。なお、クランク角センサ４２からのクランク角情報に基づいてエンジン回転速度Ｎeが検出される。

一方、ＥＣＵ４０の出力側には、上述の燃料噴射弁６、点火コイル８、スロットル弁１４等の各種出力デバイスが接続されており、これら各種出力デバイスには各種センサ類からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期等がそれぞれ出力される。詳しくは、各種センサ類からの検出情報に基づき各気筒における空燃比が適正な目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）に設定され、当該目標Ａ／Ｆに応じた量の燃料が適正なタイミングで燃料噴射弁６からそれぞれ噴射され、またスロットル弁１４が適正な開度に調整され、点火プラグ４により適正なタイミングで火花点火が実施される。詳しくは、Ｏ₂センサ２２からの排気Ａ／Ｆ情報に基づいて、空燃比が目標Ａ／Ｆに向けてフィードバック制御（Ｏ₂Ｆ／Ｂ制御）される。

以下、上記のように構成された内燃機関の空燃比制御装置の本発明に係る冷態時における空燃比制御について説明する。
水温センサ４４からの冷却水温度情報Ｔwに基づき、エンジン１が冷機状態（例えば、Ｔwが零下を含む常温以下）にあるときには、三元触媒３０は活性状態になく、排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯxを十分に浄化することができない。また、Ｏ₂センサ２２も活性状態になく、Ｏ₂Ｆ／Ｂ制御についても十分に実施することができない。

そこで、ここでは、エンジン１が冷機状態にあるときには、４気筒のうちの半数（値２）を超える所定の３気筒については空燃比（第１空燃比）がストイキ近傍値或いはリッチＡ／Ｆとなるように運転を行い、一方、これら３気筒以外の所定の１気筒については空燃比（第２空燃比）がストイキ近傍値或いはリッチＡ／Ｆよりも所定％（所定割合）だけリーンＡ／Ｆ側となるように運転を行うようにする（空燃比制御手段）。具体的には、所定の３気筒における空燃比（ストイキ近傍値）に予め定められた所定のリーン化係数Ａ（Ａ＝１−所定％/100）を乗算することで所定の１気筒における空燃比を設定する。

このように、エンジン１が冷機状態にあるとき、４気筒のうちの所定の１気筒についてのみ空燃比がストイキ近傍値よりも所定％だけリーンＡ／Ｆ側となるように運転を行うようにすると、当該所定の１気筒で燃焼が生起される毎の一定の周期で、即ち少ない頻度で間欠的に排気系へＯ₂（酸素）を排出するようにでき、三元触媒３０の活性化を促進することによりＨＣ、ＣＯの排出量を低減できる。

従って、上述したようにエンジン１は冷態時におけるリーンＡ／Ｆでの運転時には種々の要因により運転性悪化を引き起こし易いのであるが、このような運転性悪化の要因を考慮する必要もなく、簡単な構成にしてエンジン１の出力低下を防止しつつＨＣ、ＣＯの排出を良好に低減することができる。
特に、当該実施形態においては、エンジン１は可変動弁機構を有していないため、上記効果は顕著である。つまり、エンジン１が可変動弁機構（ＶＶＴ等）を有している場合には、吸気弁或いは排気弁の開閉弁時期やバルブリフト量を適正化することで燃焼悪化ひいては運転性悪化を抑制することも可能であるが、エンジン１が可変動弁機構（ＶＶＴ等）を有していない場合には、このような可変動弁機構による運転性悪化の抑制を期待できず、本発明の効果は極めて大きいものとなる。

詳しくは、図２を参照すると、所定の１気筒についてのリーン化係数ＡとＨＣ排出量（実線）及び運転性（破線）との関係が実験データにより示されているが、実際には、リーン化係数Ａは、同図に基づいて、ＨＣ排出量が極力少なく且つ運転性が極力高くなる最適領域内の値（図２中斜線で示す領域内の値であって、例えば、外気温−７℃の冷機状態で値０．８近傍）に設定される。

これにより、簡単な構成、即ち所定の３気筒の空燃比に対して固定値であるリーン化係数Ａを乗算して所定の１気筒の空燃比を設定するというラフな制御手法でありながら、好適にＨＣ、ＣＯの低減と運転性との両立を図ることができる。
以上で、本発明に係る空燃比制御装置の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。

例えば、上記実施形態では、リーン化係数Ａを図２に基づき固定値としたが、例えばクランク角センサ４２の情報から角加速度変動を検出してエンジン１の燃焼不良状態（失火等）を判定し（燃焼状態判定手段）、当該燃焼不良状態が悪化しないようにリーン化係数Ａを増減補正するようにしてもよい。或いは、エンジン１の燃焼不良状態を判定した際、リーン化係数Ａを増減補正する代わりに所定の３気筒の空燃比を増減補正するようにしてもよい。また、冷却水温度域毎にリーン化係数Ａを予め設定しておき、冷却水温度Ｔwに応じてリーン化係数Ａを選択するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、エンジン１として４気筒ガソリンエンジンを用いたが、エンジン１は３気筒以上の複数気筒を有していれば本発明を良好に適用可能である。例えば、６気筒ガソリンエンジンの場合であれば、６気筒のうちの所定の５または４気筒について空燃比をストイキ近傍とし、これら以外の所定の１または２気筒について空燃比をリーンＡ／Ｆ側に設定すればよい。

車両に搭載された本発明に係る内燃機関の空燃比制御装置の概略構成図である。リーン化係数ＡとＨＣ排出量及び運転性との関係を示す実験データである。

符号の説明

１エンジン本体
６燃料噴射弁
４０ＥＣＵ（電子コントロールユニット）
４４水温センサ（冷態検出手段）

Claims

多気筒からなる内燃機関の空燃比制御装置において、
内燃機関が冷機状態にあることを検出する冷態検出手段と、
前記冷態検出手段により内燃機関が冷機状態にあることが検出されると、全気筒のうちの所定の複数気筒については空燃比が理論空燃比近傍値或いはリッチ側空燃比となるように運転を行う一方、前記所定の複数気筒以外の所定の単数または複数の気筒については空燃比が前記理論空燃比近傍値或いはリッチ側空燃比よりも所定割合だけリーン側となるように運転を行う空燃比制御手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
前記空燃比制御手段は、前記理論空燃比近傍値或いはリッチ側空燃比とする気筒数を全気筒のうちの半数を超える複数気筒数として制御を行うことを特徴とする、請求項１記載の内燃機関の空燃比制御装置。
多気筒からなる内燃機関の空燃比制御装置において、
内燃機関が冷機状態にあることを検出する冷態検出手段と、
前記冷態検出手段により内燃機関が冷機状態にあることが検出されると、全気筒のうちの所定の複数気筒については空燃比が理論空燃比近傍或いはリッチ側の第１空燃比となるように運転を行う一方、前記所定の複数気筒以外の所定の単数または複数の気筒については空燃比が前記所定の複数気筒における前記第１空燃比に対して所定割合だけリーン側の第２空燃比となるように運転を行う空燃比制御手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
前記空燃比制御手段は、前記第１空燃比とする気筒数を全気筒のうちの半数を超える複数気筒数として制御を行うことを特徴とする、請求項３記載の内燃機関の空燃比制御装置。
前記空燃比制御手段は、前記所定割合を予め定められた値に固定し、前記第２空燃比が前記第１空燃比に対して該固定された所定割合だけリーン側の空燃比となるように制御を行うことを特徴とする、請求項３または４記載の内燃機関の空燃比制御装置。
前記空燃比制御手段は、
内燃機関の燃焼状態の不良を判定する燃焼状態判定手段を含み、
該燃焼状態判定手段の判定に基づく前記燃焼状態の不良の有無に応じて前記所定割合を増減補正して制御を行うことを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか記載の内燃機関の空燃比制御装置。