JP2007218199A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関から排出される炭化水素成分を低減することにより、排気エミッションの悪化を抑制できる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】本発明の内燃機関の制御装置は、ターボ過給機７と、そのタービン７ａの下流側に設けられた三元触媒８とが設けられた内燃機関に適用され、吸気通路３内に燃料を噴射するポート噴射弁５及び気筒２内に燃料を直接噴射する筒内噴射弁６の少なくとも一方から燃料を噴射させる。内燃機関１の運転状態に応じて設定される目標燃料噴射量はポート噴射弁５から噴射されるべき筒外噴射量と筒内噴射弁６から噴射されるべき筒内噴射量とに配分される。三元触媒８の温度が基準温度よりも低い場合には、目標燃料噴射量に対する筒外噴射量の割合が増加するように筒外噴射量及び筒内噴射量を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気エネルギを利用して過給するターボ過給機が設けられた内燃機関に適用される内燃機関の制御装置に関する。

燃費及び出力の向上を両立させるために、内燃機関の気筒内に空気を供給する吸気通路に燃料を噴射する筒外噴射弁と、その気筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射弁とを併用するとともに、これらの噴射弁から噴射されるべき噴射量を内燃機関の運転状態に応じて設定する内燃機関の制御装置がある（特許文献１）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２が存在する。

特開２００２−３６４５０３号公報 特開２００５−１７１８２１号公報

このような制御装置では、筒内噴射弁による噴射割合が高い場合は低い場合に比べて排気ガス中の炭化水素成分が増加する。このような制御装置を、ターボ過給機と、そのターボ過給機のタービンの下流に位置する排気浄化装置とが設けられた内燃機関に適用した場合には種々の問題が生じるおそれがある。即ち、ターボ過給機が設けられた内燃機関の場合、排気がタービンを通過する際に排気の熱がタービンによって奪われる。そのため、低速走行が連続した場合やアイドルが長い場合等の排気ガスの温度を低下させる要因が生じると、タービンの下流側に設けられた排気浄化装置の温度が低下して排気浄化装置による排気ガスの浄化能力が悪化するおそれがある。排気浄化装置の浄化能力が悪化した状況で、内燃機関の運転状態に応じて設定された配分によって筒外噴射弁及び筒内噴射弁のそれぞれから燃料噴射が行われると、内燃機関から排出される排気中の炭化水素成分を十分に浄化できず、排気エミッションが悪化するおそれがある。

そこで、本発明は、内燃機関から排出される炭化水素成分を低減することにより、排気エミッションの悪化を抑制できる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の制御装置は、内燃機関の排気エネルギを利用して過給するターボ過給機と、前記ターボ過給機のタービンの下流側の排気通路に設けられた排気浄化手段と、前記内燃機関の気筒内に空気を供給する吸気通路内に燃料を噴射する筒外噴射弁と、前記気筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射弁と、前記筒外噴射弁及び前記筒内噴射弁のうちの少なくとも一方から燃料を噴射させる燃料噴射制御手段と、前記内燃機関の運転状態に応じて設定される目標燃料噴射量を、前記筒外噴射弁から噴射されるべき筒外噴射量と前記筒内噴射弁から噴射されるべき筒内噴射量とに配分する噴射量算出手段と、前記排気浄化手段の温度に基づいて前記排気浄化手段による排気の浄化能力の悪化を判定する浄化能力判定手段と、前記浄化能力判定手段が前記浄化能力の悪化を判定した場合、前記目標燃料噴射量に対する前記筒外噴射量の割合が増加するように前記噴射量算出手段の算出結果を補正する噴射量補正手段と、を備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

この制御装置によれば、排気浄化手段の浄化能力が悪化した状態で、目標燃料噴射量に対する筒外噴射量の割合が増加するように噴射量算出手段の算出結果が噴射量補正手段にて補正される。この補正に伴って筒内噴射量が減少するので、内燃機関から排出される炭化水素成分の排出量が低減する。従って、排気浄化手段の浄化能力が悪化した状況でも、排気ガス中の炭化水素成分の絶対量が減るので、排気エミッションの悪化を抑制することができる。

本発明の内燃機関の制御装置においては、前記燃料噴射制御手段は、前記噴射量補正手段による補正によって前記筒内噴射量が許容最小噴射量よりも少なくなった場合に、前記筒外噴射弁のみから前記目標燃料噴射量に相当する燃料を噴射させてもよい（請求項２）。一般に燃料噴射弁には、噴射可能な噴射量の最小値である許容最小噴射量が存在する。その許容最小噴射量よりも少ない噴射量で燃料噴射を実行できないおそれがある。そのため、仮に、噴射量補正手段の補正により筒内噴射量が許容最小噴射量よりも少なくなり、その状態で筒内噴射弁及び筒外噴射弁のそれぞれから燃料を噴射させた場合には筒内噴射弁による噴射量が不足し、実際に噴射される燃料の噴射量が目標燃料噴射量よりも下回る可能性がある。そのようになると空燃比が目標値からずれるので、噴射量補正手段の補正により却って排気エミッションが悪化する。この態様によれば、筒内噴射量が許容最小噴射量よりも少ない場合には、筒外噴射弁のみによって目標燃料噴射量に相当する燃料が噴射されて必要な噴射量が確保される。そのため、排気エミッションの悪化を確実に防止できるようになる。

また、本発明の内燃機関の制御装置においては、前記ターボ過給機の前記タービンを迂回して前記排気浄化手段の上流に排気を導くバイパス通路と、前記バイパス通路を開閉するバイパス弁とを更に備え、前記燃料噴射制御手段は、前記浄化能力判定手段が前記浄化能力の悪化を判定した場合に、前記バイパス通路が開かれるように前記バイパス弁の動作を制御してもよい（請求項３）。この場合、排気浄化手段の浄化能力が悪化した場合に、ターボ過給機のタービンを迂回して排気が排気浄化手段に導かれるので、排気ガスの温度の低下が抑制される。そのため、排気浄化手段の浄化能力を速やかに回復することができる。

以上説明したように、本発明の内燃機関の制御装置によれば、排気浄化手段の浄化能力が悪化した状態で、目標燃料噴射量に対する筒外噴射量の割合が増加するように噴射量算出手段の算出結果が補正される。その結果、筒内噴射弁による燃料噴射量が減少し、内燃機関から排出される炭化水素成分の排出量が低減する。これにより、排気浄化手段の浄化能力が悪化した状況でも排気ガス中の炭化水素成分の絶対量が減るので、排気エミッションの悪化を抑制できる。

図１は本発明の制御装置が適用された内燃機関の一形態の要部を模式的に示している。内燃機関１は６つの気筒２を有したＶ型６気筒の火花点火型内燃機関である。各気筒２には気筒２に空気を供給する吸気通路３及び気筒２からの排気を導く排気通路４がそれぞれ接続されている。吸気通路３は気筒２毎に分岐された吸気ポート部３ａを有し、各吸気ポート部３ａには、吸気ポート部３ａ内に燃料を噴射する筒外噴射弁としてのポート噴射弁５が一つずつ設けられている。また、各気筒２には、気筒２内に燃料を直接噴射できる筒内噴射弁６が一つずつ設けられている。ポート噴射弁５及び筒内噴射弁６の少なくとも一方より噴射されて各気筒２に供給された燃料は、吸気通路３から供給された空気と気筒２内で混合される。その混合気は各気筒２に一つずつ設けられた点火プラグ（不図示）の火花点火により燃焼し、その燃焼後のガスは排気ガスとして排出されて排気通路４に導かれる。

内燃機関１には、排気エネルギを利用して過給するターボ過給機７が設けられている。ターボ過給機７は排気通路４に設けられたタービン７ａと、そのタービン７ａと一体回転可能な状態で吸気通路３に設けられたコンプレッサ７ｂとを有している。タービン７ａの下流側の排気通路４には、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）、炭化水素（ＨＣ）等の有害成分を浄化できる排気浄化手段としての三元触媒８が設けられている。タービン７ａと三元触媒８との間の排気通路４と、タービン７ａの上流側の排気通路４とはバイパス通路９にて結ばれており、そのバイパス通路９にはこれを開閉できるバイパス弁１０が設けられている。これにより、バイパス通路９がバイパス弁１０にて閉じられると、タービン７ａの上流側の排気はタービン７ａを通過して三元触媒８へ導かれる。一方、バイパス通路９が開かれると、タービン７ａの上流側の排気はタービン７ａを迂回するようにしてバイパス通路９に導かれてから三元触媒８へ導かれる。

筒内噴射弁６、ポート噴射弁５及びバイパス弁１０のそれぞれの動作は、内燃機関１の運転状態を適切に制御するための制御装置としてのエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０にて制御される。ＥＣＵ２０はマイクロプロセッサ及びそれを動作する周辺装置を備え、記憶手段として内蔵するＲＯＭ等に記憶された種々のプログラムに基づいて所定の演算処理を行うように構成されたコンピュータである。ＥＣＵ２０には、内燃機関１の機関回転数（回転速度）に対応した信号を出力するクランク角センサ２１、内燃機関への吸入空気量に対応する信号を出力するエアフローメータ２２、及び内燃機関１が搭載された車両の車速に対応する信号を出力する車速センサ２３等の検出手段が接続されている。これらの他にＥＣＵ２０には各種の検出手段が接続されているがその図示は省略した。

図２及び図３はＥＣＵ２０が実行するルーチンの一例を示すフローチャートであり、図２は燃料噴射量を算出するための噴射量算出ルーチンを、図３はポート噴射弁５、筒内噴射弁６及びバイパス弁１０のそれぞれの動作を制御するための噴射制御ルーチンをそれぞれ示している。これらのルーチンは互いに並行してＥＣＵ２０にて所定の間隔で繰り返し実行される。

図２に示すように、ＥＣＵ２０は、まずステップＳ１においてクランク角センサ２１の出力信号を参照して内燃機関１の機関回転数を取得する。次に、ステップＳ２において、エアフローメータ２２の出力信号を参照して吸入空気量を取得する。次いで、ステップＳ３において、内燃機関１の運転状態に応じて目標燃料噴射量Ｑを設定する。具体的には、所定の空燃比（例えば理論空燃比）による燃焼が実現されるように、ステップＳ１及びステップＳ２で取得した機関回転数と吸入空気量とに基づいて目標燃料噴射量Ｑを設定する。その設定は、例えば機関回転数及び吸入空気量を変数として目標燃料噴射量Ｑを与えるマップをＥＣＵ２０のＲＯＭに予め記憶させておき、そのマップを参照して実現することができる。

次に、ステップＳ４において、目標燃料噴射量Ｑに対するポート噴射弁５の噴射量の割合（吹き分け率）ａ［％］を設定する。吹き分け率ａは内燃機関１の運転状態に応じて０％から１００％の間に設定される。即ち、吹き分け率ａが０％の場合にはポート噴射弁５からは燃料が噴射されず、筒内噴射弁６のみから燃料が噴射される。一方、吹き分け率ａが１００％の場合にはポート噴射弁５のみから燃料が噴射されて、筒内噴射弁６からは燃料が噴射されない。続くステップＳ５では、ステップＳ４で設定した吹き分け率ａに基づいてポート噴射弁５から噴射されるべき噴射量（筒外噴射量）ｑｐを算出する。筒外噴射量ｑｐは、目標燃料噴射量Ｑにａ／１００を乗じることによって得られる。次いでステップＳ６においては、筒内噴射弁６から噴射されるべき噴射量（筒内噴射量）ｑｃを算出して今回のルーチンを終了する。筒内噴射量ｑｃは、目標燃料噴射量Ｑに（１−ａ／１００）を乗じることによって得られる。

このようにして算出された筒外噴射量ｑｐ及び筒内噴射量ｑｃは図３の噴射制御ルーチンで補正等の各種処理が行われる。図３に示すように、ＥＣＵ２０は、まずステップＳ１１において三元触媒８の温度Ｔｃａｔを内燃機関１の運転状態に基づいて推定する。温度Ｔｃａｔの推定は、例えば燃料噴射量と吸入空気量を変数として温度Ｔｃａｔを与えるマップをＥＣＵ２０のＲＯＭに予め記憶させておき、そのマップを参照して実現できる。その他公知の推定ロジックを用いて温度Ｔｃａｔを推定してもよい。また、温度Ｔｃａｔを推定せずに、三元触媒８に温度センサ（不図示）を設置して温度Ｔｃａｔを直接検出することも可能である。

次に、ステップＳ１２において、三元触媒８の温度Ｔｃａｔが基準温度Ｔｃｒよりも低いか否かを判定する。基準温度Ｔｃｒは三元触媒８の浄化能力が悪化しない温度範囲、言い換えれば十分な浄化能力を発揮できる温度範囲の下限値として設定される。即ち、三元触媒８の温度Ｔｃａｔが基準温度Ｔｃｒよりも低い場合には浄化能力の悪化が推認される。温度Ｔｃａｔが基準温度Ｔｃｒ以上の場合にはステップＳ１８に進む。一方、温度Ｔｃａｔが基準温度Ｔｃｒよりも低い場合は、ステップＳ１３に進んでバイパス弁１０を開弁する。続くステップＳ１４では、目標燃料噴射量Ｑ（図２）に対するポート噴射弁５の噴射量の割合が増加するように筒外噴射量ｑｐを補正する。この形態では、筒外噴射量ｑｐに所定の補正噴射量βを加算して、指令値としての筒外噴射量ｑｐ’を得るとともに、筒内噴射量ｑｃから補正噴射量βを減算して、指令値としての筒内噴射量ｑｃ’を得る。同一の補正噴射量βを筒外噴射量ｑｐ及び筒内噴射量ｑｃにそれぞれ加減するので、目標燃料噴射量Ｑを変化させずにポート噴射弁５による燃料の噴射割合を増加させることができる。補正噴射量βは予め定めた一定値でもよいし、内燃機関１の運転状態に応じて変化させてもよい。

ステップＳ１５においては、補正によって得られた筒内噴射量ｑｃ’が筒内噴射弁６の許容最小噴射量ｑｃｍｉｎよりも少ないか否かを判定する。許容最小噴射量ｑｃｍｉｎは筒内噴射弁６が噴射できる噴射量の下限値である。筒内噴射量ｑｃ’が許容最小噴射量ｑｃｍｉｎよりも少ない場合（Ｙｅｓの場合）には、ステップＳ２２に進む。一方、筒内噴射量ｑｃ’が許容最小噴射量ｑｃｍｉｎ以上の場合（Ｎｏの場合）にはステップＳ１６進み、後述するカウンタＣを初期化する。そして、続くステップＳ１７において、筒外噴射量ｑｐ’の燃料をポート噴射弁５から、筒内噴射量ｑｃ’の燃料を筒内噴射弁６からそれぞれ噴射させて今回のルーチンを終了する。

ステップＳ１８においては、バイパス弁１０が開弁状態であるか否かを判定し、開弁状態の場合はステップＳ１９に進み、開弁状態でない場合つまり閉弁状態の場合にはステップＳ１９及びステップＳ２０をスキップしてステップＳ２１に進む。ステップＳ１９では、ハンチングを防止する趣旨で、三元触媒８の温度Ｔｃａｔが基準温度Ｔｃｒよりも所定値αだけ大きい温度Ｔｃｒ＋αよりも高いか否かを判定する。三元触媒８の温度Ｔｃａｔが温度Ｔｃｒ＋α以下の場合には、ステップＳ１４に進む。これにより、バイパス弁１０が開かれた状態で三元触媒８が十分に昇温されていない場合は、三元触媒８の温度Ｔｃａｔが基準温度Ｔｃｒ以上であってもバイパス弁１０は開弁状態に維持されるとともに、筒外噴射量ｑｐに対する補正が実行される。一方、三元触媒８の温度Ｔｃａｔが温度Ｔｃｒ＋αよりも高い場合にはステップＳ２０に進んでバイパス弁１０を閉弁し、続くステップＳ２１で、通常モードによる制御、即ち筒外噴射量ｑｐ及び筒内噴射量ｑｃを補正せずにそのまま指令値としての筒外噴射量ｑｐ’及び筒内噴射量ｑｃ’をそれぞれ得る。そしてステップＳ１６でカウンタＣを初期化して、続くステップＳ１７で筒外噴射量ｑｐ’の燃料をポート噴射弁５から、筒内噴射量ｑｃ’の燃料を筒内噴射弁６からそれぞれ噴射させて今回のルーチンを終了する。

ステップＳ２２では、カウンタＣを現在の値に１を加えた値に更新し、言い換えればカウンタＣを１インクリメントしてステップＳ２３に進む。ステップＳ２３では、カウンタＣが、最大値Ｃｍａｘを超えているか否かを判定し、超えていない場合にはステップＳ２４に進んで、ポート噴射弁５のみから目標燃料噴射量Ｑに相当する燃料を噴射させるため、指令値としての筒外噴射量ｑｐ’に目標燃料噴射量Ｑを代入するとともに、指令値としての筒内噴射量ｑｃ’に０を代入して次のステップＳ１７に進む。これは、吹き分け率ａを１００％に設定することと同義である。つまり、筒内噴射弁６から燃料が噴射されないようにする。

ここで、カウンタＣはポート噴射弁５のみからの燃料噴射が続く期間、言い換えれば筒内噴射弁６から燃料が噴射されない期間を管理する指標である。ステップＳ２４の処理はカウンタＣが最大値Ｃｍａｘ筒内を超えるまで繰り返される。ポート噴射弁５のみからの燃料噴霧が連続して実行されると、その間、筒内噴射弁６からは燃料が噴射されないので、筒内噴射弁６に残留した燃料が燃焼熱に曝されて固化し筒内噴射弁６が詰まる可能性がある。そのため、最大値Ｃｍａｘは筒内噴射弁６の詰りを防止できる範囲で適宜に設定される。カウンタＣが最大値Ｃｍａｘを超えた場合には、ステップＳ２４の処理（ポート噴射弁６のみからの燃料噴射）を行わず、ステップＳ２１に進んで筒外噴射量ｑｐ及び筒内噴射量ｑｃを補正せずにそのまま指令値としての筒外噴射量ｑｐ’及び筒内噴射量ｑｃ’をそれぞれ得るようにする。これによって、筒内噴射弁６からの燃料の噴射が行われることで詰りが防止される。

図４は、以上の制御ルーチンを実行した制御結果の一例を説明するタイミングチャートであり、内燃機関１を搭載した車両の車速［ｋｍ／ｈ］、三元触媒８の温度Ｔｃａｔ［℃］、バイパス弁１０の開度、及び吹き分け率ａ［％］のそれぞれが同一時間軸で示されている。内燃機関１を搭載した車両が低速で連続走行する（車速がゼロの停止時を含む）等により三元触媒８の浄化能力が悪化した場合、つまり図４の時刻ｔ１で示されるように三元触媒８の温度Ｔｃａｔが基準温度Ｔｃｒよりも低くなった場合には、バイパス弁１０が開かれることにより（図３のステップＳ１３も参照）、ターボ過給機７のタービン７ａを迂回して排気が三元触媒８に導かれて、排気ガスの温度の低下が抑制される。そのため、三元触媒８の昇温が促進されて排気浄化能力を速やかに回復できるようになる。また、吹き分け率ａが時刻ｔ１に増加するように図２の算出結果である筒外噴射量ｑｐ及び筒内噴射量ｑｃが補正される（図３のステップＳ１４も参照）。それにより筒内噴射量ｑｃが減少するので、内燃機関１から排出される炭化水素成分の排出量が低減し、排気ガス中の炭化水素成分の絶対量を減らすことができる。

また、図４には示されていないが、上記の補正により筒内噴射量ｑｃ’が許容最小噴射量ｑｃｍｉｎよりも少なくなる場合には、ポート噴射弁５のみによって目標燃料噴射量Ｑに相当する燃料が噴射されて必要な噴射量が確保されるので（図３のステップＳ２４参照）、排気エミッションの悪化を確実に防止できるようになる。この場合、図３のステップＳ２２及びステップＳ２３の処理によって、ポート噴射弁５のみによる燃料噴射が際限なく連続することが防止されるので、筒内噴射弁６の詰りを防止できる。

以上の形態において、図２のルーチンがＥＣＵ２０にて実行されることにより、ＥＣＵ２０は本発明の噴射量算出手段として、図３のルーチンがＥＣＵ２０にて実行されることによりＥＣＵ２０は本発明の燃料噴射制御手段として、図３のステップＳ１２がＥＣＵ２０にて実行されることによりＥＣＵ２０は本発明の浄化能力判定手段として、図３のステップＳ１４がＥＣＵ２０にて実行されることによりＥＣＵ２０は本発明の噴射量補正手段として、それぞれ機能する。

但し、本発明は以上の各形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の形態にて実施できる。本発明の適用対象となる内燃機関は、Ｖ型の内燃機関に限定されず直列型の内燃機関に適用してもよい。以上の形態では、タービン７ａを迂回するバイパス通路９とこれを開閉するバイパス弁１０が設けられるとともに、三元触媒８の浄化能力が悪化した場合にバイパス弁１０を開弁することにより、タービン７ａを迂回させて排気を三元触媒８に導いているが、本発明はバイパス通路９及びバイパス弁１０を有していない形態で実施することもできる。

また、本発明の筒外噴射弁は、吸気ポートに設けたポート噴射弁５で実現する場合に限定されず、吸気ポートよりも上流側の吸気通路に設けた噴射弁で実現してもよい。

本発明の制御装置が適用された内燃機関の一形態の要部を模式的に示した図。 燃料噴射量を算出するための噴射量算出ルーチンの一例を示したフローチャート。 ポート噴射弁、筒内噴射弁及びバイパス弁のそれぞれの動作を制御するための噴射制御ルーチンの一例を示したフローチャート。 本発明の実施形態に係る制御結果の一例を説明するタイミングチャート。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 気筒
３ 吸気通路
４ 排気通路
５ ポート噴射弁（筒外噴射弁）
６ 筒内噴射弁
７ ターボ過給機
７ａ タービン
８ 三元触媒（排気浄化手段）
９ バイパス通路
１０ バイパス弁
２０ ＥＣＵ（燃料噴射制御手段、噴射量算出手段、浄化能力判定手段、噴射量補正手段）

Claims (3)

1. 内燃機関の排気エネルギを利用して過給するターボ過給機と、前記ターボ過給機のタービンの下流側の排気通路に設けられた排気浄化手段と、前記内燃機関の気筒内に空気を供給する吸気通路内に燃料を噴射する筒外噴射弁と、前記気筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射弁と、前記筒外噴射弁及び前記筒内噴射弁のうちの少なくとも一方から燃料を噴射させる燃料噴射制御手段と、前記内燃機関の運転状態に応じて設定される目標燃料噴射量を、前記筒外噴射弁から噴射されるべき筒外噴射量と前記筒内噴射弁から噴射されるべき筒内噴射量とに配分する噴射量算出手段と、前記排気浄化手段の温度に基づいて前記排気浄化手段による排気の浄化能力の悪化を判定する浄化能力判定手段と、前記浄化能力判定手段が前記浄化能力の悪化を判定した場合、前記目標燃料噴射量に対する前記筒外噴射量の割合が増加するように前記噴射量算出手段の算出結果を補正する噴射量補正手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記燃料噴射制御手段は、前記噴射量補正手段による補正によって前記筒内噴射量が許容最小噴射量よりも少なくなった場合に、前記筒外噴射弁のみから前記目標燃料噴射量に相当する燃料を噴射させ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。
3. 前記ターボ過給機の前記タービンを迂回して前記排気浄化手段の上流に排気を導くバイパス通路と、前記バイパス通路を開閉するバイパス弁とを更に備え、
   前記燃料噴射制御手段は、前記浄化能力判定手段が前記浄化能力の悪化を判定した場合に、前記バイパス通路が開かれるように前記バイパス弁の動作を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。

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