JP2012036849A - 内燃機関の空燃比制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アイドルストップ後の再始動の際にＮＯｘが増加することを抑制することができる内燃機関の空燃比制御方法を提供する。
【解決手段】排気経路に酸素ストレージ機能を有する排気浄化触媒を備え、車両の停止により運転が停止され、かつ発進のための操作がなされた際に再始動される内燃機関における再始動後の空燃比制御方法であって、再始動直後のアイドリング時に、排気浄化触媒内部の空燃比がリッチ状態になるように燃料噴射量を増量し、空燃比がリッチである状態を継続させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両の停止時に内燃機関を自動停止し、その後に再始動する内燃機関における空燃比制御方法に関するものである。

従来、例えば自動車に搭載されるエンジンにおいて、走行の途中で例えば信号などにより一時的に自動車が停止した場合に、エンジンを自動的に停止してアイドル運転状態をなくす、いわゆるアイドルストップ機能を備えたものが知られている。また近年、排気系には、排気ガスを浄化するための、酸素貯蔵能力のある三元触媒を備えている。

アイドルストップ機能を備えるエンジンでは、アイドル運転を行わないため、エンジン再始動時に三元触媒内の酸素ストレージ量を、高い浄化率が得られる理論空燃比相当の中立状態に維持することが難しい。このため、エンジンの自動停止前及び再始動時における空燃比を制御して、上述の中立状態を維持することが様々に試みられている。

例えば、特許文献１に記載のものでは、エンジン停止直前においては空燃比がリッチとなるように燃料噴射量を設定し、再始動時においては、燃料噴射前のエンジン空回し回数に応じて燃料噴射量を設定するものを記載している。このように、停止時の燃料カットと再始動時のエンジンの空転において空燃比がリーンになることを見越して、エンジン停止直前に空燃比をリッチにしておくことで、再始動完了時には三元触媒の酸素ストレージ量が中立状態となるようにしている。

ところで、手動変速装置に組み合わされるエンジンにあっては、加速するために変速段を変更する、つまりシフトアップをする毎に燃料カットを実行している。このように、燃料カットを連続して実行することにより、加速中に三元触媒の酸素ストレージ量が増加する、つまり三元触媒内の空燃比がリーンな状態になる。

このため、特許文献１に記載の燃料噴射量の設定方法を手動変速機付のエンジンに適用すると、加速中に酸素ストレージ量が増加し、エンジン停止直前に空燃比をリッチにしても、エンジン停止時に三元触媒内の空燃比がリーンになることがある。この結果、再始動時には、NOｘが還元されず、排気ガス中のNOｘ排出量が増加することになった。

特開２００７‐１５４６６４号公報

そこで本発明は以上の点に着目し、アイドルストップ後の再始動の際にＮＯｘが増加することの抑制を図ることを目的としている。

すなわち、本発明の内燃機関の空燃比制御方法は、排気経路に酸素ストレージ機能を有する排気浄化触媒を備え、車両の停止により運転が停止され、かつ発進のための操作がなされた際に再始動される内燃機関における再始動後の空燃比制御方法であって、再始動直後のアイドリング時に、排気浄化触媒内部の空燃比がリッチ状態になるように燃料噴射量を増量し、空燃比がリッチである状態を継続させることを特徴とする。

このような構成によれば、再始動直後のアイドリング時に、燃料噴射量を増量して排気浄化触媒内部の空燃比をリッチ状態にすることが可能になる。このため、車両の発進よりも前の状態において排気浄化触媒内部の空燃比がリッチであるので、車両を加速する際の燃料カットにより排気浄化触媒の酸素ストレージ量が飽和することを抑制することが可能になり、ＮＯｘ排出量を低減することが可能になる。また、アイドリング中は、吸入空気量が少ないため、空燃比をリッチにするための燃料も少なくてすむため、燃料消費を抑制することが可能になる。

アイドリング中の燃料噴射量の増量による効果を補い、確実に排気浄化触媒内部の空燃比をリッチ状態に遷移させるためには、再始動後のアイドリング時に排気浄化触媒内部の空燃比がリッチ状態になっていないことを判定し、車両が発進した後においても所定時間空燃比がリッチである状態を維持するものが好ましい。この場合、再始動後のアイドリング時間が長いほど、発進後の空燃比はリッチ状態でリーン側に制御するものが好ましい。

本発明は、以上説明したような構成であり、車両を加速する際の燃料カットにより排気浄化触媒の酸素ストレージ量が飽和することを抑制することができ、ＮＯｘ排出量を低減することができる。しかも、アイドリング中は、吸入空気量が少ないため、空燃比をリッチにするための燃料も少なくて済み、燃料消費を抑えることができる。

本発明の実施形態のエンジンの概略構成説明図。 同実施形態の制御手順を示すフローチャート。 同実施形態の制御手順を示すフローチャート。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に１気筒の構成を概略的に示した内燃機関１００は、手動変速装置に連結されて例えば自動車に搭載されるものである。内燃機関１００の吸気系１には、アクセルペダル（図示せず）の踏込量に応じて開閉するスロットルバルブ１１を設けており、スロットルバルブ１１の下流にはサージタンク１３を有する吸気マニホルド１２を取り付けている。シリンダ２上部に形成される燃焼室２１の天井部には点火プラグ８を、吸気マニホルド１２の吸気ポート側端部には燃料噴射弁３を、それぞれ設けている。

内燃機関１００の排気系５には、排気マニホルド５１を取り付け、その排気マニホルド５１に排気ガス浄化用の排気浄化触媒である三元触媒５２を接続している。そして、触媒５２の上流にフロントＯ₂センサ５３を、下流にリアＯ₂センサ５４を、それぞれ設けている。これらＯ₂センサ５３、５４は、排気ガスに接触して反応することにより、排気ガス中の酸素濃度に応じた電圧信号を出力する。Ｏ₂センサ５３、５４自体は、この分野でよく知られたものを用いることができる。

吸気系１と排気系５との間は、ＥＧＲ（排気ガス再循環）装置６を介して接続する。ＥＧＲ装置６は、始端が排気マニホルド５１に連通し終端がサージタンク１３に連通するＥＧＲ通路６１と、ＥＧＲ通路６１上に設けた外部ＥＧＲバルブ６２とを要素とする。

内燃機関１００の運転を制御する電子制御装置４は、中央演算装置４１、記憶装置４２、入力インタフェース４３、出力インタフェース４４等を有するマイクロコンピュータシステムである。入力インタフェース４３には、吸気圧を検出する圧力センサ７１から出力される吸気圧信号ａ、エンジン回転数を検出する回転数センサ７２から出力される回転数信号ｂ、車速を検出する車速センサ７３から出力される車速信号ｃ、アイドルスイッチ７４から出力されるＩＤＬ信号ｄ、冷却水温を検出する水温センサ７６から出力される水温信号ｆ、吸気カムシャフト９１の端部にあるタイミングセンサ９２から出力されるクランク角度信号及び気筒判別用信号ｇ、フロントＯ₂センサ５３から出力される上流側空燃比信号ｈ、リアＯ₂センサ５４から出力される下流側空燃比信号ｋ、クラッチの切断を検出するクラッチセンサ７５から出力されるクラッチ信号ｅ等が入力される。

出力インタフェース４４からは、燃料噴射弁３に対して燃料噴射信号ｎ、点火プラグ８に対して点火信号ｍ、ＥＧＲバルブ６２に対してバルブ開度信号ｏ等を出力する。

又、電子制御装置４には、排気系１に酸素ストレージ機能を有する三元触媒５２を備え、自動車の停止により運転が停止され、かつ発進のための操作がなされた際に再始動されるエンジン１００におけるものであって、再始動直後のアイドリング時に、三元触媒５２内部の空燃比がリッチ状態になるように燃料噴射量を増量し、空燃比がリッチである状態を継続させるとともに、再始動後のアイドリング時に三元触媒５２内部の空燃比がリッチ状態になっていないことを判定し、自動車が発進した後においても所定時間空燃比がリッチである状態を維持する空燃比制御プログラムが格納してある。この空燃比制御プログラムは、アイドルストップ中に実行されるものである。

なお、自動車が走行の途中で一時的に停止した場合、エンジン１００の運転を自動停止し、発進のための操作として例えばクラッチを接続する操作が実行された場合にエンジン１００を再始動するアイドルストップ機能のための制御プログラムは、この分野で知られているものを用いることができる。この実施形態における三元触媒内の空燃比制御の手順を、図２により説明する。

まず、ステップＳ１において、アイドルストップ後においてエンジン１００を再始動するか否かを判定する。再始動の判定は、クラッチセンサ７５からのクラッチ信号ｅが出力された際に、エンジン１００を再始動すると判定する。

ステップＳ２では、三元触媒５２内部の空燃比がリッチに設定された目標空燃比になるように、アイドル運転中の燃料噴射量を増量する。この場合、増量する燃料噴射量は、一定量とし、目標空燃比は、リッチを示す定数とする。

ステップＳ３では、リアＯ₂センサ５４の出力信号ｋが空燃比のリッチを示しているか否かを判定する。すなわち、リアＯ₂センサ５４は、三元触媒５２内部の空燃比の変化を検出するものであるので、リアＯ₂センサ５４が空燃比のリッチを示す出力信号を出力した場合、再始動後のアイドル運転において三元触媒５２内部の空燃比がリッチであることを検出することになる。

ステップＳ４では、ステップＳ３において三元触媒５２内部の空燃比がリッチであると判定したことを受けて、三元触媒５２内部の空燃比がリッチである状態から理論空燃比の状態になるように、燃料噴射量を徐々に変更つまり上記定数から所定量を減量する。

この実施形態の空燃比制御プログラムにあっては、再始動から以下に説明する発進までのアイドル運転時間を計測するように構成されるとともに、以上のステップＳ１〜ステップＳ４で構成されるアイドル運転時の空燃比リッチ制御を実行した場合に、実行ありとする同空燃比リッチ制御の履歴を記録するように構成している。

このような構成において、自動車が停止し、エンジン１００がアイドルストップにより自動的に停止した後、運転者がクラッチペダルを操作すると、クラッチ信号ｅが電子制御装置４に入力されるので、ステップＳ１で再始動を判断し、三元触媒５２内部の空燃比がリッチになるように、設定された燃料噴射量を増量する。これにより、再始動後のアイドル運転時に、三元触媒５２に空燃比がリッチな排気ガスが流入することにより、三元触媒５２内部の空燃比がリッチになる。

このように、自動車が発進する以前に三元触媒５２内部の空燃比をリッチにしておくので、この後、自動車を加速させるために、シフトアップが繰り返し実行されて、シフトアップ毎に燃料カットが繰り返されて、三元触媒５２に排気ガスではない空気が流入しても、三元触媒５２内部の酸素ストレージ量が飽和することを抑制することができる。この結果、ＮＯｘの排出量が増加することを抑制することができる。

加えて、アイドリング中に燃料噴射量を増量して、三元触媒５２内部の空燃比をリッチにするように制御しているので、空燃比をリッチにするための燃料量が少なくて済み、燃料消費を抑制することができる。

次に、以上の制御の後、自動車が発進する場合の空燃比制御を図３により説明する。

まずステップＳ１１において、自動車の発進時であるか否かを判定する。この判定は、手動変速機がいずれかの変速段にセットされ、アクセルペダルが踏み込む方向に操作されたことを検出して行う。

自動車の発進時であると判定した場合は、ステップＳ１２において、リアＯ₂センサ５４が空燃比のリッチを示す出力信号ｋを出力しているか否かを判定する。空燃比のリッチを示す出力信号ｋが出力されていないと判定した場合は、ステップＳ１３において、再始動後の空燃比リッチ制御を使用したか否かを判定する。つまり、再始動後即座に自動車を発進した場合には、前述のステップＳ１〜ステップＳ４は実行できないので、再始動後の空燃比リッチ制御を使用していないと判定する。

ステップＳ１３で、再始動後の空燃比リッチ制御を使用していないと判定した場合は、ステップＳ１４において、前述のステップＳ２と同様に、三元触媒５２内部の空燃比がリッチに設定された目標空燃比になるように、発進後の燃料噴射量を増量する。

一方、すでにアイドル運転時に空燃比リッチ制御を行っていると判定した場合は、ステップＳ１５において、三元触媒５２内部の空燃比がリッチに設定された目標空燃比になるように、発進後の燃料噴射量を、アイドリング時間に応じた量にして増量する。すなわち、アイドリング時間、言い換えれば空燃比リッチ制御を使用した時間に応じて、三元触媒５２内部の空燃比をリッチにするための定数つまり所定量の燃料噴射量をリーン側に減量するための割合をマップにより設定しておく。この割合を燃料噴射量（定数）に乗じて、実際の燃料噴射量を決定して、リッチ化を実施する。割合は、アイドリング時間が長いほど、燃料噴射量が少なくなるように設定してある。

ステップＳ１６では、空燃比のリッチ化を実施した後、リアＯ₂センサ５４が空燃比のリッチを示す出力信号ｋを出力しているか否か、又はクラッチが切断（シフトアップのための燃料カット）されたか否かを判定する。リッチを示す出力信号ｋを出力していないか、又はクラッチが切断されていないと判断した場合は、ステップＳ１４を再度実行する。

同様にして、ステップＳ１７では、空燃比のリッチ化を実施した後、リアＯ₂センサ５４が空燃比のリッチを示す出力信号ｋを出力しているか否か、又はクラッチが切断されたか否かを判定する。リッチを示す出力信号ｋを出力していないか、又はクラッチが切断されていないと判断した場合は、ステップＳ１５を再度実行する。

そして、ステップＳ１８では、ステップＳ１６又はステップＳ１７において三元触媒５２内部の空燃比がリッチである又はクラッチが切断されたと判定したことを受けて、三元触媒５２内部の空燃比がリッチである状態から理論空燃比の状態になるように、燃料噴射量を徐々に変更つまり上記定数から所定量を減量する。

このような構成において、再始動から発進までの時間がほぼなかった場合には、ステップＳ１１〜ステップＳ１４を実行し、三元触媒５２内部の空燃比がリッチになるように、燃料噴射量を所定量増量する。すなわち、アイドル運転中に三元触媒５２内部の空燃比のリッチ化を行った履歴がない場合は、シフトアップにより酸素ストレージ量が飽和する可能性があるので、履歴がある場合より燃料噴射量を多くして早期に三元触媒５２内部の空燃比がリッチになるようにする。その後、ステップＳ１６によりリアＯ₂センサ５４がリッチであることを示す出力信号ｋを出力するかクラッチが切断されたことを検出した（ステップＳ１６）場合に、三元触媒５２内部の空燃比を理論空燃比になるまで変化させる。

一方、アイドル運転があった場合は、ステップＳ１１〜ステップＳ１３及びステップＳ１５を実行して、計測されたそのアイドリング時間に対応した燃料噴射量により三元触媒５２内部の空燃比をリッチにする。すなわち、再始動後にアイドル運転を行った場合は、そのアイドル運転中に三元触媒５２内部の空燃比のリッチ化を実行しているので、三元触媒５２内部の空燃比はそのリッチ化を実行していた時間に応じて空燃比がリッチ側に変化している。それゆえ、発進後にあっては、三元触媒５２内部の空燃比が過度にリッチにならないように、燃料噴射量をアイドリング時間に応じて調整するものである（ステップＳ１５）。その後、ステップＳ１６によりリアＯ₂センサ５４がリッチであることを示す出力信号ｋを出力するかクラッチが切断されたことを検出した（ステップＳ１６）場合に、三元触媒５２内部の空燃比を理論空燃比になるまで変化させる。

このように、アイドリング時に引き続き、三元触媒５２内部の空燃比をリッチ化するよう空燃比制御を継続することにより、確実に空燃比をリッチ状態に遷移させることができる。すなわち、アイドリング時にあっては、燃料噴射量を増量することで、エンジン回転数が過剰に上昇する可能性がある。又、吸入空気量が少ないため、燃焼が不安定になる可能性もある。このため、アイドリング時には上述のような空燃比リッチ制御を実行するにしても、目標空燃比を一定以上にリッチにすることは、以上の理由から好ましくない。したがって、このように、自動車の発進に対応して空燃比リッチ制御を実行することで、不具合が生じることなく、三元触媒５２内部の空燃比をリッチにすることができる。

又、この実施形態にあっては、アイドリング時間が長いほど燃料噴射量が少なくなる、つまり空燃比がリッチな状態でリーン側に変化するように制御しているので、燃料を節約することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。

エンジン１００に組み合わされる変速機は、上述した手動変速機以外に、無段変速機を除く自動変速機であってもよい。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の活用例として、アイドルストップ機能を有するエンジンに適用することができる。

１…排気系
３…燃料噴射弁
４…電子制御装置
５２…三元触媒

Claims (3)

1. 排気経路に酸素ストレージ機能を有する排気浄化触媒を備え、車両の停止により運転が停止され、かつ発進のための操作がなされた際に再始動される内燃機関における再始動後の空燃比制御方法であって、
   再始動直後のアイドリング時に、排気浄化触媒内部の空燃比がリッチ状態になるように燃料噴射量を増量し、空燃比がリッチである状態を継続させる内燃機関の空燃比制御方法。
2. 再始動後のアイドリング時に排気浄化触媒内部の空燃比がリッチ状態になっていないことを判定し、
   車両が発進した後においても所定時間空燃比がリッチである状態を維持する請求項１記載の内燃機関の空燃比制御方法。
3. 再始動後のアイドリング時間が長いほど、発進後の空燃比はリッチ状態でリーン側に制御する請求項２記載の内燃機関の空燃比制御方法。