JP2013007375A - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料噴射ポートの壁流量が変動しても触媒床温を精度良く推定できる内燃機関の燃料噴射制御装置を提供する。
【解決手段】吸気通路１１１の燃料噴射ポート１１１ａへの燃料噴射量を制御する内燃機関の燃料噴射制御装置において、排気通路１２５に設けられた触媒１２７の触媒床温を推定する触媒床温推定手段１１と、前記触媒床温に基づいて前記燃料噴射量を制御する制御手段１１と、前記燃料噴射ポートの壁流量を推定する壁流量推定手段１１と、を備え、前記触媒床温推定手段は、前記壁流量に応じて前記触媒床温を補正する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射制御装置に関するものである。

内燃機関の運転状態に応じて排気浄化触媒の触媒床温（以下、ＢＥＤ温ともいう）が過熱状態になるのを抑制するために、排気から触媒に与えられる熱量のみならず触媒反応による熱量に基づいて、燃料噴射量の増量制御を実行するものが知られている（特許文献１）。

特開２００４−６０５６３号公報

しかしながら、燃料カット制御時や吸入空気量の急激な低下時には、吸気通路の燃料噴射ポートの壁面に付着した燃料（壁流）が未燃状態で触媒に流入するため、壁流量の大きさによっては、触媒床温の推定精度が低下し、あるいは、触媒床温が高くなり過ぎるという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、燃料噴射ポートの壁流量が変動しても触媒床温を精度良く推定でき、あるいは、触媒床温が高くなり過ぎないようにすることができる内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することである。

本発明は、燃料噴射ポートの壁流量を推定し、推定された壁流量に基づいて触媒反応の熱量を求め、触媒床温を補正する、あるいは、燃料カット制御時や吸入空気量の急激な低下時に、推定された壁流量に基づいて燃料増量を行なうことによって上記課題を解決する。

本発明によれば、燃料噴射ポートの壁流量を考慮して触媒反応の熱量、ひいては触媒床温が求められるので、触媒床温の推定精度が向上する。また、燃料噴射ポートの壁流量を考慮して、燃料カット制御時や吸入空気量の急激な低下時に燃料増量を行なうので、触媒床温が高くなり過ぎることが防止される。

本発明の一実施の形態を適用した内燃機関を示すブロック図である。 図１のエンジンコントロールユニットの燃料噴射制御の一例を示すフローチャートである。 図１の燃料噴射制御の基本的な時間的制御内容を示すタイムチャートである。 壁流量制御の内容を説明するためのグラフである。 燃料カット時に壁流量補正を実行したときの推定ＢＥＤ温等を示すグラフである。 燃料カット時に壁流量補正を実行しなかったときの推定ＢＥＤ温等を示すグラフである。 エンジン負荷（吸入空気量）低下時に壁流量補正を実行したときの推定ＢＥＤ温等を示すグラフである。 エンジン負荷（吸入空気量）低下時に壁流量補正を実行しなかったときの推定ＢＥＤ温等を示すグラフである。 本発明の他の実施の形態に係る制御マップである。 本発明のさらに他の実施の形態に係る制御マップである。 本発明のさらに他の実施の形態に係る制御マップである。 本発明のさらに他の実施の形態に係る制御マップである。 本発明のさらに他の実施の形態に係る制御マップである。

図１は、本発明の一実施の形態を適用した内燃機関を示すブロック図であり、火花点火式エンジンＥＧに本発明の燃料噴射制御装置を適用した例を説明する。

図１において、エンジンＥＧの吸気通路１１１には、エアーフィルタ１１２、吸入空気流量を検出するエアフローメータ１１３、吸入空気流量を制御するスロットルバルブ１１４およびコレクタ１１５が設けられている。

スロットルバルブ１１４には、当該スロットルバルブ１１４の開度を調整するＤＣモータ等のアクチュエータ１１６が設けられている。このスロットルバルブアクチュエータ１１６は、運転者のアクセルペダル操作量等に基づき演算される要求トルクを達成するように、エンジンコントロールユニット１１からの駆動信号に基づき、スロットルバルブ１１４の開度を電子制御する。また、スロットルバルブ１１４の開度を検出するスロットルセンサ１１７が設けられて、その検出信号をエンジンコントロールユニット１へ出力する。なお、スロットルセンサ１１７はアイドルスイッチとしても機能させることができる。

また、コレクタ１１５から各気筒に分岐した吸気通路の燃料噴射ポート１１１ａに臨ませて、燃料噴射バルブ１１８が設けられている。燃料噴射バルブ１１８は、エンジンコントロールユニット１１において設定される駆動パルス信号によって開弁駆動され、図外の燃料ポンプから圧送されてプレッシャレギュレータにより所定圧力に制御された燃料を燃料噴射ポート１１１ａ内に噴射する。本発明は、排気浄化触媒の触媒床温が過熱状態になるのを防止するために触媒床温が上昇したときに燃料を増量し、当該触媒床温を低下させる制御を実行する。この燃料増量制御の詳細は後述する。

シリンダ１１９と、当該シリンダ内を往復移動するピストン１２０の冠面と、吸気バルブ１２１及び排気バルブ１２２が設けられたシリンダヘッドとで囲まれる空間が燃焼室１２３を構成する。点火プラグ１２４は、各気筒の燃焼室１２３に臨んで装着され、エンジンコントロールユニット１１からの点火信号に基づいて吸入混合気に対して点火を行う。

一方、排気通路１２５には、排気中の特定成分、たとえば酸素濃度を検出することにより排気、ひいては吸入混合気の空燃比を検出する空燃比センサ１２６が設けられ、その検出信号はエンジンコントロールユニット１１へ出力される。この空燃比センサ１２６は、リッチ・リーン出力する酸素センサであっても良いし、空燃比をリニアに広域に亘って検出する広域空燃比センサであってもよい。

また、排気通路１２５には、排気を浄化するための排気浄化触媒１２７が設けられている。この排気浄化触媒１２７としては、ストイキ（理論空燃比，λ＝１、空気重量／燃料重量＝１４．７）近傍において排気中の一酸化炭素ＣＯと炭化水素ＨＣを酸化するとともに、窒素酸化物ＮＯｘの還元を行って排気を浄化することができる三元触媒、或いは排気中の一酸化炭素ＣＯと炭化水素ＨＣの酸化を行う酸化触媒を用いることができる。

排気通路１２５の排気浄化触媒１２７の下流側には、排気中の特定成分、たとえば酸素濃度を検出し、リッチ・リーン出力する酸素センサ１２８が設けられ、その検出信号はエンジンコントロールユニット１１へ出力される。ここでは、酸素センサ１２８の検出値により、空燃比センサ１２６の検出値に基づく空燃比フィードバック制御を補正することで、排気浄化触媒１２７の劣化等に伴う制御誤差を抑制する等のために（いわゆるダブル空燃比センサシステム採用のために）、下流側酸素センサ１２８を設けて構成したが、空燃比センサ１２６の検出値に基づく空燃比フィードバック制御を行なわせるだけで良い場合には、酸素センサ１２８を省略することができる。

排気通路１２５の排気浄化触媒１２７の入口近傍には排気温度を検出する排気温度センサ１４０が設けられ、その検出信号はエンジンコントロールユニット１１へ出力される。排気浄化触媒１２７の触媒床温は、この排気温度センサ１４０で検出された入口温度と、空燃比センサ１２６にて検出された排気中の空燃比による触媒反応熱と、排気温度センサ１４０などのセンサ応答遅れや排気浄化触媒１２７の過渡応答遅れなどによる補正値とに基づいて、エンジンコントロールユニット１１に設定された所定の演算式により推定される。
なお、図１において１２９はマフラである。

エンジンＥＧのクランク軸１３０にはクランク角センサ１３１が設けられ、エンジンコントロールユニット１１は、クランク角センサ１３１から機関回転と同期して出力されるクランク単位角信号を一定時間カウントすることで、又は、クランク基準角信号の周期を計測することで、エンジン回転速度Ｎｅを検出することができる。

エンジンＥＧの冷却ジャケット１３２には、水温センサ１３３が当該冷却ジャケットに臨んで設けられ、冷却ジャケット１３１内の冷却水温度Ｔｗを検出し、これをエンジンコントロールユニット１１へ出力する。

既述したように、各種センサ類１１３，１１７，１２６，１２８，１３１，１３３からの検出信号は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェース等を含んで構成されるマイクロコンピュータからなるエンジンコントロールユニット１１に入力され、当該エンジンコントロールユニット１１は、センサ類からの信号に基づいて検出される運転状態に応じて、スロットルバルブ１１４の開度を制御し、燃料噴射バルブ１１８を駆動して燃料噴射量と燃料噴射時期を制御する。

また、排気浄化触媒１２７の触媒床温を推定し、所定の上限温度に達すると燃料噴射量を増量し、排気浄化触媒１２７の過熱を防止する。図３はこの制御内容の一例を示すタイムチャートであり、エンジン負荷が上昇して排気浄化触媒１２７の触媒床温（同図では触媒内部温度と称する）が増量開始クライテリアに達すると燃料噴射バルブ１１８からの燃料噴射量の増量制御を開始し、推定した触媒床温が増量開始クライテリア以下になるまで増量制御を継続することを示す。

さて、燃料カット制御時や吸入空気量の急激な低下時には、吸気通路の燃料噴射ポート１１１ａの壁面に付着した燃料が未燃状態で排気浄化触媒１２７に流入する。この壁流量は燃料カット制御や吸入空気量の急激な低下直前の燃料噴射量によって変動し、このため触媒床温の推定精度が低下する。すなわち、壁流量が多いと排気浄化触媒１２７に流入する未燃燃料ＨＣが増加し、ＨＣと触媒との発熱反応熱が増加するため、通常の推定温度より実際の温度が高くなる。

図５Ｂ及び図６Ｂにこの様子を示す。図５Ｂに示すように、エンジン負荷の増加などによって燃料噴射量が増量されるとこれにともない壁流量も増加するが、時間ｔにて燃料カットがなされると燃料噴射ポート１１１ａの壁面に付着した燃料が燃焼室１２３を介して排気浄化触媒１２７に流入し（同図に壁流量の低下にて示す）、この発熱反応熱により実際の触媒床温が推定温度に比べて高くなる。また、図６Ｂに示すように、エンジン負荷が増加すると燃料噴射量が増量されるのでこれにともない壁流量も増加するが、時間ｔにて負荷が急激に低下して吸入空気量が急激に低下すると燃料噴射ポート１１１ａの壁面に付着した燃料が燃焼室１２３を介して排気浄化触媒１２７に流入し（同図に壁流量の低下にて示す）、この発熱反応熱により実際の触媒床温が推定温度に比べて高くなる。

なお、燃料を噴射している間の壁流量は、燃料噴射バルブ１１８からの燃料噴射量と燃料消費量との差を演算することで求めることができる。燃料消費量は、たとえば空燃比センサ１２６の出力とエアフローメータ１１３による吸入空気量により求めることができる。また、燃料の噴射を停止している間の壁流量は、たとえば水温毎のブーストと気化割合のマップを用いて求めることができ、燃料噴射停止時の壁流量＝前回壁流量×（１−壁流気化割合）となる。

以下、燃料噴射ポート１１１ａの壁流量を考慮した本例の燃料噴射量の制御手順について、図２を参照しながら説明する。

排気浄化触媒１２７の過熱防止のための燃料噴射量の増量制御は、まずステップＳ１にて燃料カット制御又は吸入空気量の低下がされたか否かを判断する。燃料カット制御は、たとえばエンジン負荷がゼロでエンジン回転速度が所定値以上のときに成立し、エンジンコントロールユニット１１の情報により取得される。また、吸入空気量の低下についてはエアフローメータ１１３からの検出信号により取得される。なお、吸入空気量の低下はアクセル開度センサの検出信号に代えることもできる。

ステップＳ１で燃料カット制御又は吸入空気量の急激な低下が検出されない場合はステップＳ５へ進み、排気温度センサ１４０で検出された入口温度と、空燃比センサ１２６にて検出された排気中の空燃比による触媒反応熱と、排気温度センサ１４０などのセンサ応答遅れや排気浄化触媒１２７の過渡応答遅れなどによる補正値とに基づいて、エンジンコントロールユニット１１に設定された所定の演算式により排気浄化触媒１２７の触媒床温を推定する。

ステップＳ１で燃料カット制御又は吸入空気量の急激な低下が検出された場合にはステップＳ２へ進み、燃料噴射ポート１１１ａの壁面に付着した燃料の壁流量を演算する。この壁流量は燃料カット直前又は吸入空気量の急激な低下直前における壁流量を演算する。上述したとおり、燃料を噴射している間の壁流量は、燃料噴射バルブ１１８からの燃料噴射量と燃料消費量との差を演算することで求めることができ、燃料消費量は、たとえば空燃比センサ１２６の出力とエアフローメータ１１３による吸入空気量により求めることができる。

ステップＳ３では、ステップＳ２にて求められた壁流量と、予め実験的又はシミュレーションにより求められた壁流量と反応熱との関係をマップ化した制御マップとを用いて、この壁流量による反応熱を演算する。そして、ステップＳ４にて、ステップＳ３で求められた反応熱も加味し、排気温度センサ１４０で検出された入口温度と、空燃比センサ１２６にて検出された排気中の空燃比による触媒反応熱と、排気温度センサ１４０などのセンサ応答遅れや排気浄化触媒１２７の過渡応答遅れなどによる補正値とに基づいて、エンジンコントロールユニット１１に設定された所定の演算式により排気浄化触媒１２７の触媒床温を推定する。

ステップＳ６では、ステップＳ４又はＳ５で推定された触媒床温が、予め設定された増量開始閾値（図３の増量開始クライテリアに相当）以上か否かを判断し、推定された触媒床温が増量開始閾値以上の場合はステップＳ７に進んで、所定量だけ燃料噴射量を増量する。もし燃料カット条件が成立した状態でステップＳ７へ進んだ場合は、燃料カットが禁止される。推定された触媒床温が増量開始閾値未満の場合はステップＳ８により燃料噴射量を増量しない。このようにして、壁流量が、推定される触媒床温が閾値を超える程の壁流量（所定値を超える壁流量）になっている場合、燃料噴射量を増量補正し、あるいは燃料カットを禁止するとともに燃料噴射量を増量補正する。

なお、推定された触媒床温が増量開始閾値以上と判断されステップＳ７にて燃料噴射量を増量したあとは、ステップＳ１へ戻り、ステップＳ６にて推定された触媒床温が増量開始閾値未満になるまで増量制御を継続し、推定された触媒床温が増量開始閾値未満になったらステップＳ８にて燃料噴射量の増量を解除する。燃料カットがステップＳ７で一旦禁止された場合も、燃料増量によって触媒床温が十分低下させられた上でステップＳ８へと進み、燃料カットを許可する。

以上のとおり、本例の燃料噴射量の増量制御によれば、図４及び図５Ａに示すように、時間ｔにて燃料カットがなされると、その直前に、エンジン負荷の増加などによって燃料噴射量が増量され壁流量が増加した状態であっても、燃料噴射ポート１１１ａの壁面に付着した燃料の壁流量による反応熱の分も考慮して触媒床温を推定しているので、実際の触媒床温と近似する。これにより、排気浄化触媒１２７の過熱を防止することができる。また推定精度が高まるだけ燃料噴射量の増量を抑制でき、燃費が向上する。

なお、触媒床温の推定値を壁流量に応じて修正する本例は、言い換えれば、燃料噴射ポートの壁流量を考慮して、燃料カット制御時や吸入空気量の急激な低下時に燃料増量を行なうことでもある。従って、（触媒床温を推定することなく）吸入空気量の急低下時において、前記壁流量が所定値よりも多いとき、燃料噴射量を増量補正する、あるいは、所定の燃料カット条件の成立時において、前記壁流量が所定値よりも多いとき、燃料カットを禁止するとともに、燃料噴射量を増量補正する、という構成を採用することもできる。

上述した実施の形態では、燃料噴射量と燃料消費量との差を演算することで燃料噴射ポート１１１ａの壁流量を求めた（図２のステップＳ２）が、以下の種々のエンジン制御により壁流量を補正することもできる。

図７は、吸入空気量の急低下時あるいは燃料カット条件の成立時に、壁流燃料の触媒への流入によって生じる触媒反応熱が直前の排気温度によって変化することが分かったため、これを考慮して、吸入空気量の急激な低下（または燃料カット）を検出する直前の排気温度により、増量する燃料の量を補正するものである。何故このような現象が生じるのか詳しいことは不明であるが、排気温度が低いほど、同じ壁流量（触媒へ流入する燃料量が同じ）でも反応熱が大きくなって触媒床温が高めになるので、推定した触媒温度を高く補正し、あるいは燃料噴射量の増量補正量を増やす側に補正する。これにより、排気温度に拘らず触媒床温の推定精度が向上する。排気温度は排気温度センサ１４０で検出することができる。

図８は、燃料カット制御においては燃料カット後にリカバーするための燃料噴射量の増量制御が実行されるため、これを考慮して、吸入空気量の急激な低下を検出する直前の燃料カットと次の燃料カットとの時間的間隔（燃料カット間隔）により壁流量を補正するものである。燃料カット間隔が短いと燃料カット後のリカバー増量が増加して壁流量も増加するため、燃料カット間隔が短いほど反応熱が大きくなる。したがって、燃料カット間隔が短いほど、壁流量を多めに推定（補正）することによって、燃料噴射量の増量補正量を多くする。これにより、燃料カットの時間間隔に拘らず触媒床温が高くなり過ぎることが防止される。

図９は、車両の駆動源としてモータと内燃機関を備え、走行条件によって内燃機関を一時的に停止するハイブリッド車両などを想定したものである。走行中に内燃機関が再始動すると燃料噴射量を増量制御するため、そのエンジン停止間隔が短いと壁流量も増加する。したがって、エンジン停止間隔が短いほど反応熱が大きくなる。このことからエンジン停止間隔が短いほど、壁流量を多めに推定（補正）することによって、燃料噴射量の増量補正量を多くする。これにより、エンジンの停止間隔に拘らず触媒床温が高くなり過ぎることが防止される。

図１０は、吸気バルブ１２１と排気バルブ１２２の開閉タイミングが制御可能な内燃機関などを考慮したものである。吸気バルブ１２１と排気バルブ１２２との両方が開状態にあるバルブオーバーラップ中は燃焼ガスが吸気通路１１１へ廻り込み、燃料噴射ポート１１１ａの壁面に付着した燃料を蒸発させる。すなわち、バルブオーバーラップ量が大きいほど壁流量は小さくなり、バルブオーバーラップ量が小さいほど壁流量は大きくなる。したがって、燃料カットや吸入空気量の急激な低下直前のバルブオーバーラップ量が小さいほど反応熱が大きくなる。このことからバルブオーバーラップ量が小さいほど、壁流量を多めに推定（補正）することによって、燃料噴射量の増量補正量を多くする。これにより、バルブオーバーラップ量に拘らず触媒床温が高くなり過ぎることが防止される。

図１１は、水温センサ１３３で検出されるエンジン冷却水の温度を考慮したものである。エンジン冷却水の温度が高いほど、燃料噴射ポート１１１ａの壁面に付着した燃料を蒸発させ壁流量は小さくなり、エンジン冷却水が低いほど壁流量は大きくなる。したがって、燃料カットや吸入空気量の急激な低下直前のエンジン冷却水の温度が低いほど反応熱が大きくなる。このことからエンジン冷却水の温度が低いほど、壁流量を多めに推定（補正）することによって、燃料噴射量の増量補正量を多くする。これにより、エンジン冷却水の水温に拘らず触媒床温が高くなり過ぎることが防止される。

上記エンジンコントロールユニット１１，空燃比センサ１２６，排気温度センサ１４０は本発明に係る触媒温度推定手段に相当し、上記エンジンコントロールユニット１１は本発明に係る制御手段，燃料カット間隔検出手段，エンジン停止間隔検出手段，バルブオーバーラップ量検出手段，壁流量推定手段に相当し、上記水温センサ１３３は本発明に係る冷却水温検出手段に相当する。

ＥＧ…エンジン（内燃機関）
１１…エンジンコントロールユニット
１１１…吸気通路
１１１ａ…燃料噴射ポート
１１２…エアーフィルタ
１１３…エアフローメータ
１１４…スロットルバルブ
１１５…コレクタ
１１６…スロットルバルブアクチュエータ
１１７…スロットルセンサ
１１８…燃料噴射バルブ
１１９…シリンダ
１２０…ピストン
１２１…吸気バルブ
１２２…排気バルブ
１２３…燃焼室
１２４…点火プラグ
１２５…排気通路
１２６…空燃比センサ
１２７…排気浄化触媒
１２８…酸素センサ
１２９…マフラ
１３０…クランク軸
１３１…クランク角センサ
１３２…冷却ジャケット
１３３…水温センサ
１４０…排気温度センサ

Claims (10)

1. 吸気通路の燃料噴射ポートへの燃料噴射量を制御する内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   排気通路に設けられた触媒の触媒床温を推定する触媒床温推定手段と、
   前記触媒床温に基づいて前記燃料噴射量を制御する制御手段と、
   前記燃料噴射ポートの壁流量を推定する壁流量推定手段と、を備え、
   前記触媒床温推定手段は、前記壁流量に応じて前記触媒床温を補正する内燃機関の燃料噴射制御装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   排気温度を検出する排気温度検出手段を備え、
   前記触媒床温推定手段は、さらに前記排気温度が低いほど推定触媒床温を高く補正する内燃機関の燃料噴射制御装置。
3. 吸気通路の燃料噴射ポートへの燃料噴射量を制御する内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   前記燃料噴射ポートの壁流量を推定する壁流量推定手段と、
   前記燃料噴射量を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、吸入空気量の急低下時において前記壁流量が所定値よりも多いときは、燃料噴射量を増量補正する内燃機関の燃料噴射制御装置。
4. 吸気通路の燃料噴射ポートへの燃料噴射量を制御する内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   前記燃料噴射ポートの壁流量を推定する壁流量推定手段と、
   前記燃料噴射量を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、所定の燃料カット条件の成立時において前記壁流量が所定値よりも多いときは、燃料カットを禁止するとともに、燃料噴射量を増量補正する内燃機関の燃料噴射制御装置。
5. 請求項３または４に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   排気通路に設けられた触媒の触媒床温を前記壁流量に応じて推定する触媒床温推定手段を備え、
   前記制御手段は、前記触媒床温に基づいて前記燃料噴射量を制御する内燃機関の燃料噴射制御装置。
6. 請求項３〜５のいずれか一項に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   排気温度を検出する排気温度検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記排気温度が低いほど前記燃料噴射量の増量補正量を増やす側に補正する内燃機関の燃料噴射制御装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   燃料カット制御の燃料カット間隔を検出する燃料カット間隔検出手段を備え、
   前記壁流量推定手段は、検出された燃料カットの間隔に応じて前記壁流量を補正する内燃機関の燃料噴射制御装置。
8. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   前記内燃機関が一時的に停止した間隔を検出するエンジン停止間隔検出手段を備え、
   前記壁流量推定手段は、検出されたエンジン停止間隔に応じて前記壁流量を補正する内燃機関の燃料噴射制御装置。
9. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   燃料カット制御における燃料カット直前のバルブオーバーラップ量を検出するバルブオーバーラップ量検出手段を備え、
   前記壁流量推定手段は、検出されたバルブオーバーラップ量に応じて前記壁流量を補正する内燃機関の燃料噴射制御装置。
10. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
    前記内燃機関の冷却水温を検出する冷却水温検出手段を備え、
    前記壁流量推定手段は、検出された冷却水温に応じて前記壁流量を補正する内燃機関の燃料噴射制御装置。

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