JP2010236398A - 触媒暖機制御される内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】点火時期を減筒暖機モードで必要とする進角位置に切り替えるとき、吸気管の移送遅及び不快なトルク変動の発生を抑制する。
【解決手段】内燃機関はプログラム制御の電子制御装置を備え、触媒暖機制御時に一部の気筒への燃料噴射を停止して残りの気筒で運転するよう構成されている。電子制御装置は一部の気筒への燃料供給をカットして二次空気を触媒に供給し、残りの気筒の空燃比をリッチ化して触媒で未燃燃料を二次空気と反応させる減筒暖機モードに切り替える遷移状態において、点火時期を徐々に遅角させるとともにスロットル開度を増大させ、減筒暖機モードに切り替えるとき点火時期を進角に切り替える。一部の気筒への燃料カットを行う減筒暖機モードに切り替える遷移状態において、点火時期を徐々に遅角させながらスロットル開度をこの減筒暖機モードの開度まで開く。
【選択図】図５

Description

この発明は、内燃機関を始動したときの触媒暖機技術に関する。

特許文献１には、過給機のタービンをバイパスするようにして触媒暖機を図る過給機付きエンジンの制御装置が記載されている。直噴タイプのエンジンを用いることにより、噴射される燃料の気化潜熱を利用して燃焼室の混合気の温度を直接下げ、吸気の充填効率を向上させている。

特許文献２には、触媒の温度を判定してこの温度に応じて、排気による触媒暖機または触媒の反応熱による触媒暖機を行うことが記載されている。触媒の温度の判定は、Ｏ２センサ、排気温度と排気流量との積算値または、触媒に取り付けられた温度センサによって行われている。

特許文献２のように触媒の温度判定にＯ２センサを用いると、Ｏ２センサの活性が遅いためエンジン起動後の早い時期に温度判定を行うことができないおそれがある。触媒温度センサを用いた場合には触媒の温度を早期に判定することが可能であるが、コストがかかるという問題があった。

特許文献３には、運転状態に応じて一部の気筒を休止させて運転することができるエンジンにおいて、稼働する気筒の数を変えるとき、トルクショックが発生するのを防止するため、吸入空気量を調整すると同時に点火時期を遅角させることが記載されている。

特許文献３は、車両の走行中のエンジンの負荷状態に応じて稼働する気筒の数を変える技術に関するもので、気筒を切り替える瞬間にスロットルを作動させている。この場合、吸気管に空気を充填するのに時間遅れを生じるので、トルク変動の発生を避けることができない。特許文献３の技術では、車両の走行中のことなので多少のトルク変動は問題にならないが、本願発明が対象としているエンジン始動後のアイドル状態での触媒暖機運転では、トルク変動は搭乗者に不快な振動として伝わる。

特開2006-322427 特開2006-220020 特開平7-208222

したがって、一部の気筒への燃料カットを実施する時のトルク変動を抑制して、振動を抑制しつつ、燃料カットにより二次空気を触媒に送り込み，排ガス温度が上がらない場合においても触媒の暖機を促進する技術が必要とされている。

この発明の内燃機関は、プログラム制御の電子制御装置を備え、触媒暖機制御時に一部の気筒への燃料噴射を停止して残りの気筒で運転するよう構成されている。電子制御装置は、一部の気筒への燃料供給をカットして二次空気を触媒に供給し、残りの気筒の空燃比をリッチ化して触媒で未燃燃料を前記二次空気と反応させる減筒暖機モードに切り替える遷移状態において、点火時期を徐々に遅角させるとともにスロットル開度を増大させ、前記減筒暖機モードに切り替えるとき、点火時期を進角に切り替える。

この発明によると、一部の気筒への燃料カットを行う減筒暖機モードに切り替える遷移状態において、点火時期を徐々に遅角させながらスロットル開度をこの減筒暖機モードの開度まで開くので、点火時期をこの減筒暖機モードで必要とする進角位置に切り替えるときには、スロットルがこの減筒暖機モードの開弁位置まで開かれており、吸気管の移送遅れも解消されているので、不快なトルク変動の発生を抑制することができる。

この発明の一実施形態では、電子制御装置は、減筒暖機モードから通常の全気筒運転に切り替えるとき、点火時期を進角から遅角に切り替え該遅角の点火時期を徐々に進角させるとともにスロットル開度を減少させる。

この実施形態によると、減筒暖機モードから全気筒運転に切り替えるとき、一旦点火時期を遅角に切換、この遅角位置から全気筒運転で要求される位置まで徐々に進角させながらスロットル弁を全気筒運転で要求される位置まで閉じるので、滑らかに全気筒運転で要求される点火時期、スロットル開度に移行することができ、不快なトルク変動の発生を抑制することができる。

この発明の一実施例の内燃機関の全体的構成を示す図。 この発明のベースとなる減筒暖機の原理を示す図。 この発明の一実施例における各パラメータの挙動を示す図。 減筒暖機の開始点および終了点を求めるためのマップの一例を示す図。 この発明の一実施例におけるタイミング図。 この発明の一実施例における全体的なプロセスの流れを示す図。 この発明の一実施例における、遷移状態１を経て減筒暖機モードに入るプロセスの流れを示す図。 この発明の一実施例における、遷移状態２を経て通常モードに入るプロセスを示す図。 吸気ポートインジェクタおよび筒内直噴インジェクタの使用領域を示すマップ。 筒内直噴インジェクタおよび吸気ポートインジェクタを備えるエンジンにおける燃料噴射制御、および直噴インジェクタだけを備えるエンジンにおける燃料噴射制御を示す流れ図。

次に図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。図１は、この発明の実施形態による内燃機関（以下、「エンジン」という）およびその制御装置の全体的なシステム構成図である。

電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」）という）１は、車両の各部から送られてくるデータを受け入れる入力インターフェース１ａ、車両の各部の制御を行うための演算を実行するＣＰＵ１ｂ、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）および一時記憶用のランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を有するメモリ１ｃ、および車両の各部に制御信号を送る出力インターフェース１ｄを備えている。ＲＯＭには、車両の各部の制御を行うためのプログラムおよび各種のデータが格納されている。この発明に従う触媒昇温制御および該制御の故障を判定するためのプログラム、および該プログラムの実行の際に用いるデータおよびテーブルは、このＲＯＭに格納されている。読み取り専用メモリは、ＥＰＲＯＭのような書き換え可能なＲＯＭであってもよい。ＲＡＭには、ＣＰＵ１ａによる演算の作業領域が設けられ、車両の各部から送られてくるデータおよび車両の各部に送り出す制御信号が一時的に記憶される。

エンジン２は、たとえば４気筒エンジンであり、吸気ポートに設けられた燃料噴射弁８および各気筒の燃焼室に燃料を直接噴射する筒内噴射式の燃料噴射弁２２を備えている。燃料噴射弁８および２２の開弁時間は、ＥＣＵ１からの制御信号によって個別に制御される。吸気管３の上流側にはスロットル弁４が設けられている。スロットル弁４に連結されたスロットル弁開度センサ（θＴＨ）５は、スロットル弁４の開度を検出し、これをＥＣＵ１に供給する。燃料噴射弁（インジェクタ）８は、エンジン２とスロットル弁４の間に気筒毎に設けられている。燃料噴射弁８および２２は、図示しない燃料タンクから燃料の供給を受ける。

ターボ過給機２３は、吸気管３に設けられたコンプレッサ２４と、排気管１５に設けられたタービン２５と、コンプレッサ２４およびタービン２５を連結する回転軸２６を備える。タービン２５は、排気ガスのエネルギーにより回転駆動される。タービン２５の回転によりコンプレッサ２４が回転し、コンプレッサ２４は、圧縮した空気を生成する。

コンプレッサ２４の下流には、過給圧（Ｐｃ）センサ２７が設けられる。過給圧センサ２７は、コンプレッサ２４によって生成された空気の圧力、すなわち過給圧Ｐｃを検出し、これをＥＣＵ１に送る。

スロットル弁４の上流には、エアフローメータ（ＡＦＭ）９が設けられている。エアフローメータ９は、スロットル弁４を通過する空気量を検出し、それをＥＣＵ１に送る。エアフローメータ９は、ベーン式エアフローメータ、カルマン渦式エアフローメータ、および熱線式エアフローメータ等であることができる。

吸気管圧力（Ｐｂ）センサ１０および吸気温（Ｔａ）センサ１１は、吸気管３のスロットル弁４の下流側に設けられており、吸気管圧力Ｐｂおよび吸気温ＴＡをそれぞれ検出し、それをＥＣＵ１に送る。

エンジン水温（ＴＷ）センサ１２は、エンジン２のシリンダブロックの、冷却水が充満した気筒周壁（図示せず）に取り付けられ、エンジン冷却水の温度ＴＷを検出し、それをＥＣＵ１に送る。

エンジン２には、クランク角（ＣＲＫ）センサ１３が設けられている。クランク角センサ１３は、クランクシャフトの回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号およびＴＤＣ信号をＥＣＵ１に出力する。ＣＲＫ信号は、所定のクランク角（たとえば、３０度）で出力されるパルス信号である。ＥＣＵ１は、該ＣＲＫ信号に応じ、エンジン２の回転数ＮＥを算出する。さらに、ＴＤＣ信号が、ピストンのＴＤＣ位置に関連したクランク角度で出力され、ＥＣＵ１に送られる。

点火プラグ１４は、エンジン２の気筒毎に設けられている。点火プラグ１４は、ＥＣＵ１からの点火信号に従って駆動される。

エンジン２の下流側には排気管１５が連結されており、排気管１５には、電動ウエストゲートバルブ２８が設けられている。電動ウエストゲートバルブ２８の開度は、アクチュエータ28AがＥＣＵ１からの制御信号に従って制御する。

ウエストゲートバルブ２８の開度を大きくするほど、バイパス通路２９に流入する排ガス量が増える。バイパス通路２９に流れる排ガス量が多くなるほど、タービン２５の回転が抑えられ、コンプレッサ２４によって生成される過給圧が低くなる。電動ウエストゲートバルブ２８の開弁量を制御することにより、過給圧を制御することができる。

過給機23を備えたエンジンでは、排気ガスがタービン25を駆動する際、排気ガスの温度が低下する。ゲートバルブ28が開けられて排気ガスがバイパス29を通る場合であっても、排気ガスの通路が長くなるので、排気ガスの温度が低下する。したがって、触媒16を暖機するための排気ガスの温度を高くするのに時間を要し、エミッションの悪化を招く。

エンジン２は、排気管１５に設けられた排気ガス浄化触媒装置１６を介して排気する。広域空燃比センサ（ＬＡＦ）センサ17は、触媒装置１６の上流に設けられている。ＬＡＦセンサ17は、リーンからリッチにわたる広範囲の空燃比を検出し、これをＥＣＵ１に送る。

Ｏ２（排ガス）センサ１８は、触媒装置１６の下流に設けられている。Ｏ２センサ１８は２値型の排気ガス濃度センサである。Ｏ２センサ１８は、空燃比が理論空燃比よりもリッチであるとき高レベルの信号を出力し、空燃比が理論空燃比よりもリーンであるとき低レベルの信号を出力する。出力された電気信号は、ＥＣＵ１に送られる。

エンジン２によって駆動される車両の走行速度（車速）ＶＰを検出するセンサ１９、大気圧（Ｐａ）を検出するセンサ２０、および該車両の自動変速機のシフト位置を検出するシフト位置センサ２１がＥＣＵ１に接続されており、これらのセンサからの検出信号はＥＣＵ１に送られる。

ＥＣＵ１に向けて送られた信号は入力インターフェース１ａに渡される。入力インターフェース１ａは、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する。ＣＰＵ１ｂは、変換されたデジタル信号を処理し、メモリ１ｃに格納されているプログラムに従って演算を実行し、車両の各部のアクチュエータに送る制御信号を作り出す。出力インターフェース１ｄは、これらの制御信号を、吸気ポートの燃料噴射弁８、筒内の燃料噴射弁２２、点火プラグ１４、その他のアクチュエータに送る。

図２は、この発明で用いる減筒暖機モードの原理を示す図である。この例は４気筒のエンジンを示している。イグニションキーがオンにされ、エンジンが回転を始めると、触媒16を活性化するための暖機運転が行われる。図３を参照すると、エンジン始動直後の暖機運転がファイア（FIRE）暖機モードで示される。FIRE暖機モードの暖機運転により、曲線EEで示す排気ガスの温度、または曲線DDで示す触媒16の温度が所定の値に達するとき、４気筒のうち２気筒への燃料供給を停止して２気筒による減筒暖機モードに入る。

減筒暖機モードに入る時点は、排気ガスがたとえば摂氏250度のように、触媒16内での未燃燃料と酸素との反応を可能にする温度に達した時点とすることができる。

排気ガスまたは触媒16の温度はセンサにより検出して決定することができるが、この実施例では、始動時のエンジン水温をパラメータとして、始動から排気ガスの触媒入り口での温度がたとえば摂氏250度などの所定の温度に達する時間を予め実験により求めてマップを作成しておき、このマップを参照して決定する。

図４はそのようなマップの一例を示す。始動時のエンジン水温TWを横軸として曲線51が図５の遷移状態１に入る時間を示し、曲線53がこの実施例では２つの気筒への燃料供給を停止する時間を示す。

減筒暖機モードでは、気筒30Aおよび30Dへの燃料供給が停止され（フューエルカット、F/C）、この２つの気筒は吸入バルブから吸い込んだ空気を排気バルブを経て排気管15に送り出すポンプとして働く。ECU1は、残りの２つの気筒30Bおよび30Cへの燃料の供給量を増やしリッチ空燃比で稼働させる。これにより、この２つの気筒からは未燃焼の燃料成分であるHCおよびCOが排気管15に送り出される。

この未燃焼の燃料がフューエルカットされた気筒から送られてきた空気中の酸素と触媒において反応して反応熱により触媒の温度を上昇させるので、急速な温度上昇を達成することができる。

触媒16の温度がたとえば摂氏500度のような所定の値に達すると、減筒暖機モードを終了して、通常のエンジンの負荷状態に応じた運転モードに移る。この終了時点も、センサにより触媒16の温度を検出して決定することができるが、この実施例では、始動時のエンジン水温をパラメータとして図４のマップを参照して決定する。図４で曲線55がフューエルカットされていた２つの気筒への燃料供給を再開して全筒モードに入る時間を示す。この時間は、図５に示す遷移状態２に入る時間でもある。曲線57は、遷移状態２を終了する時間を示す。

図３の上部のチャートは、エンジン始動から通常運転に至るまでの点火時期（曲線BB）とエンジン回転数（曲線AA）の挙動を示している。エンジンが始動して回転が上昇すると、触媒暖機のためのFIRE（ファイア）暖機モードに入る。FIRE暖機モードでは、点火時期を遅角してFIRE暖機モード用の回転数でエンジンを回転させる。曲線CCはこのエンジンを搭載した車両の速度を表す。

触媒16の温度がたとえば摂氏250度になると、４気筒エンジンの場合、二つの気筒への燃料供給を停止して、減筒暖機モードに入る。減筒暖機モードにおいて触媒16の温度がたとえば摂氏500度のような所定の温度に達すると、減筒暖機モードを終了し、通常の運転に移行する。

図５は、FIRE暖機モードから減筒暖機モードに移行する遷移期間におけるそれぞれのパラメータの挙動、および減筒暖機モードから通常運転モードに移行する遷移期間におけるそれぞれのパラメータの挙動を模型的に示す。簡単のため、エンジン回転数は、ほぼ一定に保たれるものとしている。

図５および図６を参照して、全体的な制御の流れを説明する。図６の制御フローは、クランク角180度の周期で実施される。イグニションキーがオンにされ、エンジンの自力回転（完爆と呼ぶ。）がはじまると(101)、ステップ103から113でFIREモードに入る条件が成立しているかどうかを判断する。これらのステップの順序は任意であり、並行して同時に実行してもよい。回転数の変動がたとえば50rpmのような所定値未満であり（103）、アイドリング状態であり（105）、シフトギアの位置がPまたはNであり(107)、エンジン回転数NEがたとえば1800rpmのような所定値未満であり(109)、吸気管圧力PBがたとえば600mmHGのような所定値未満であり(111)、センサ12により検出されるエンジン冷却水温TWがたとえば摂氏60度のような所定値未満である(113)とき、FIRE暖機モードに入る(115)。

FIRE暖機モードでは、全気筒が稼働しており、トルクを小さくしながら回転数を上げて触媒15に高温の排気ガスを送るため、点火時期は通常モードにおける値よりも遅角させている。排気ガスの温度がたとえば摂氏250度のような第１所定値を超えると(117)、遷移状態１（図５）を経て減筒暖機モードに入る(119)。

図７は、遷移状態１を経て減筒暖機モードに入るプロセスを示す。減筒暖機モードでは、燃料カットされた気筒のポンプ作用によって二次空気を触媒に送る必要があるので、スロットル弁を開かなければならない。スロットル弁は、ECU1からの信号でアクチュエータを駆動することにより動かされるが、機械的構造を駆動するので、ECU1が信号を送ってからスロットル弁が指令された位置まで駆動されるのに時間遅れが生じる。図５に示すように、遷移状態１では、スロットル弁を開くよう駆動すると同時にトルクが一定になるよう、点火時期を徐々に遅角させる(131)。前述したように、遷移状態１に入る時間は、エンジン始動時のエンジン水温TWに応じて図４のマップの曲線51で求められる。

スロットル弁の開度が目標開度に達すると（133）、一部の気筒への燃料供給をオフにして、すなわち燃料供給を停止して減筒暖機モードに入る（135）。これと同時に点火時期を進角させ(137)、残りの気筒でエンジン回転数を維持する。代替的に、一部の気筒への燃料供給を停止して減筒モードに入る時間は、エンジン始動時のエンジン水温に基づいて図４のマップの曲線53から求めてもよい。

再び図６を参照すると、減筒暖機モード119に入った後に、触媒16の温度がたとえば摂氏500度のような第２の所定値に達すると(121)、遷移状態２（図５）を経て通常モードに入る(123)。

図８は、遷移状態２を経て通常モードに入るプロセスを示す。図５のタイミング図の「気筒数」の曲線に示すように、まずフューエルカットを中止して全気筒への燃料供給を開始して全筒モードに入る(143)。全筒モードに入る時点は、エンジン始動時のエンジン水温に基づいて図４のマップの曲線55から決定してもよい。「点火時期」の曲線に示すように、同時に点火時期を一旦遅角に切り替える（145）。これと同時に、「TH」および「点火時期」の曲線に見られるように、スロットル弁を閉じる方向に駆動するとともにトルクが一定になるよう点火時期を徐々に進角させる（147）。こうして、スロットル弁の開度が通常モードにおける目標開度に達すると(149)、通常状態の制御に入る（123）。この時点は、エンジン始動時のエンジン水温に基づいて図４のマップの曲線57から決定してもよい。

図９は、筒内直噴のインジェクタおよび吸気ポートのインジェクタ（PI）の両方を備えたエンジンにおける筒内直噴インジェクタの作動領域DIおよびポート噴射のインジェクタの作動領域PIを示すマップである。横軸がエンジン回転数Ne(rpm)で、縦軸が正味有効平均圧力(Brake Mean Effective Pressure, BMEP)である。BMEPは、エンジンから得られる仕事を気筒の行程容積で割った値で、エンジンの負荷を判断する目安となる。暖機運転は、エンジン始動直後に行われるから、吸気ポートのインジェクタだけを使い、直噴インジェクタは使用しない。

なお、インジェクタの作動領域は図９に示す形態に限定されない。暖機運転中に筒内噴射インジェクタの作動領域があってもよく、また暖機運転中に両方のインジェクタの作動領域があってもよい。

図１０（A）は、直噴インジェクタおよび吸気ポートインジェクタの両方を備えるエンジンにおける燃料噴射制御のフローを示す。ステップ201では、図９のマップを参照して作動領域が直噴領域にあるかどうかを判定する。直噴領域にあれば、直噴インジェクタに供給すべき燃料量を算出し(203)、直噴を開始する（205）。

ステップ201で直噴領域にないときは、吸気ポートのインジェクタに供給すべき燃料量を算出し(207)、ポートのインジェクタによる燃料噴射を開始する(209)。

図１０（B）は、吸気ポートにインジェクタを備えない筒内直噴エンジンにおける燃料噴射制御の流れを示す。この場合、直噴インジェクタに供給すべき燃料量を算出し(211)、直噴インジェクタによる燃料噴射を開始する(213)。

以上に、この発明を具体的な実施例について説明したが、この発明は、このような実施例に限定されるものではない。

Claims (3)

1. プログラム制御の電子制御装置を備え、触媒暖機制御時に一部の気筒への燃料噴射を停止して残りの気筒で運転する内燃機関において、
   前記電子制御装置は、前記一部の気筒への燃料供給をカットして二次空気を触媒に供給し、残りの気筒の空燃比をリッチ化して触媒で未燃燃料を前記二次空気と反応させる減筒暖機モードに切り替える遷移状態において、点火時期を徐々に遅角させるとともにスロットル開度を増大させ、前記減筒暖機モードに切り替えるとき、前記点火時期を進角に切り替えるよう構成されている、内燃機関。
2. 前記電子制御装置は、前記減筒暖機モードから通常の全気筒運転に切り替える遷移状態において、点火時期を進角から遅角に切り替え該遅角の点火時期を徐々に進角させるとともにスロットル開度を減少させるよう構成されている、請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記内燃機関は、前記触媒の上流で分岐する排気通路に流入する排気ガスで駆動される過給機を備える、請求項１または２に記載の内燃機関。

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