JP2013024131A

JP2013024131A - 内燃機関の燃料噴射制御装置

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Publication number: JP2013024131A
Application number: JP2011159589A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Takahashi; 秀明高橋
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2011-07-21
Publication date: 2013-02-04

Abstract

【課題】短時間で触媒のＮＯｘ処理能力を回復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】燃料カット制御が終了した後の運転領域において、排気通路１２５に設けられた触媒１２７の酸素吸着能力に応じた燃料噴射量の増量制御を実行する内燃機関の燃料噴射制御装置であって、前記燃料カット制御の終了を検出する燃料カット制御検出手段１１と、前記燃料カット制御の終了を検出した場合に、噴射燃料の空燃比をリッチ側に制御する制御手段１１と、を備え、前記制御手段は、前記燃料カット制御の終了を検出した場合に、噴射燃料の目標空燃比をストイキよりリッチな第１のリッチ化度合いに固定して燃料噴射量を制御する第１ステップと、前記第１ステップを実行した後に、噴射燃料の目標空燃比を前記第１のリッチ化度合いよりリッチな第２のリッチ化度合いに設定して燃料噴射量をフィードバック制御する第２ステップと、を実行する。
【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。

燃料カットからの復帰時に空燃比をリッチ側に設定することにより、触媒のＮＯｘ処理能力を回復させる燃料噴射制御装置が知られている（特許文献１）。この特許文献１では、燃料カット復帰時のリッチ化制御において、噴射燃料のリッチ化度合いをある固定値に設定している（同文献の参照）。

特開２００９−３６１１７号公報

しかしながら、上記従来技術のように噴射燃料の空燃比をある固定値に設定するにしても、エアフローメータの検出誤差や燃料噴射弁の噴射誤差があるため、リッチ化度合いにも限界があり、失火等が発生する限界までリッチ化度合いを高めることはできない。したがって、そのぶんだけＮＯｘ処理能力の回復に時間がかかるという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、短時間で触媒のＮＯｘ処理能力を回復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、制御の第１ステップにおいて目標空燃比を失火等が生じない第１のリッチ化度合いに固定したのち、第２ステップでは目標空燃比を第１のリッチ化度合いより高い第２のリッチ化度合いに設定して空燃比フィードバック制御を実行することによって、上記課題を解決する。

本発明によれば、第１ステップでは目標空燃比を第１のリッチ化度合いに固定するので、失火等が生じるおそれもないし、またフィードバック制御に見られるオーバーシュートも抑制される。そして、第２ステップにおいては、目標空燃比を第１のリッチ度合いより高いものの差が大きくない第２のリッチ度合いに設定して空燃比フィードバック制御を実行するので、フィードバック制御のオーバーシュートが抑制でき、しかも失火等が生じる限界まで空燃比をリッチ側に設定することができる。この結果、短時間で触媒のＮＯｘ処理能力を回復することができる。

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２の燃料噴射制御の時間的制御内容を示すタイムチャートである。図２の燃料噴射制御（二段リッチスパイク制御）を比較例と対比して説明するための図である。燃料カット復帰時における空燃比とＮＯｘ排出量の関係を示すグラフである。空燃比と燃焼安定度の関係を示すグラフである。

図１は、本発明の一実施の形態に係る燃料噴射制御装置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。なお、本発明の燃料噴射制御装置は、燃料噴射バルブ１１８からの燃料が燃焼室１２３に直接噴射される直噴型内燃機関に適用してもよい。本発明は、燃料カット制御が終了した後において、排気浄化触媒１２７のＮＯｘ処理能力を回復させるために、燃料を増量し、排気浄化触媒１２７に吸着された酸素を消費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、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る。

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など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、図２に示す排気浄化触媒１２７のＮＯｘ処理能力の回復制御の終了タイミングを判断するために当該酸素センサ１２８を設けているが、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ため（いわゆるダブル空燃比センサシステム採用のため）に、当該下流側酸素センサ１２８を用いてもよい。
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。燃料噴射量は、例えば、検出した吸気量と、運転状態に応じて予め設定された所定の空燃比とから基本燃料噴射量を算出し、これに各種補正を施して最終燃料噴射量とする。後述のように燃料噴射量を増量補正する場合、例えば、基本燃料噴射量に対して所定の係数（ゲイン）をかけ合わせることによって実現することができる。

ところで、アクセル開度が全閉になり、エンジン回転速度が所定値以上の運転条件などでは、燃料噴射バルブ１１８から燃料の噴射が停止される。こうした燃料カットが行われている間は、吸気通路１１１から吸入した空気は燃料と混合されることなくそのまま燃焼室１２３を介して排気通路１２５へ流れ、排気浄化触媒１２７を通過する。これにより、空気中の酸素が排気浄化触媒１２７に吸着し、ＮＯｘの還元能力が一時的に低下する。

このため、本例のエンジンコントロールユニット１１は、燃料カット制御が終了した後において、排気浄化触媒１２７に吸着された酸素量が減少してＮＯｘの還元能力が回復するまで燃料を増量する（以下、リッチスパイク制御ともいう。）。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、時間ｔ０〜ｔ１が燃料カット制御を実行している期間であり、時間ｔ１〜ｔ３が燃料増量制御を実行している期間である。

さて、燃料カットにより吸着酸素量が増加した排気浄化触媒１２７に対し、噴射燃料の増量制御を行う場合に、図５に示すように空燃比がリッチなほど排気浄化触媒１２７を通過するＮＯｘ量は減少する。換言すれば空燃比がリッチなほど排気浄化触媒１２７のＮＯｘ処理能力は向上する。一方において、噴射燃料の空燃比と燃焼安定性に関しては、図６に示すように、ある程度までは空燃比がリッチなほど燃焼安定性が良好であるが、リッチ化度合いが過ぎると燃焼安定性が低下し、失火することになる。すなわち、燃料カット制御を終了した後の燃料の増量にも一定の限界がある。

このため、図４（Ｃ）に示す従来技術のように燃料の増加量（目標空燃比）をリッチ限界の近傍に固定すると、エアフローメータ１１３による吸入空気量の検出誤差や燃料噴射バルブ１１８による燃料の噴射量誤差によって、実際の燃料の増加量がリッチ限界を超え、失火等に繋がるおそれがある。

一方、図４（Ｂ）に示すように燃料カット制御を終了した後に目標空燃比をリッチ限界の近傍に設定して空燃比フィードバック制御を実行すると、それまで∞であった空燃比が１４．７未満の小さな値に急激に変化するため、フィードバック制御によるオーバーシュートが生じ、やはりリッチ限界を超えて失火等に繋がるおそれがある。

そこで本例では、図４（Ａ）に示すように、燃料カット制御が終了した時点ｔ１では、エアフローメータ１１３による吸入空気量の誤差及び燃料噴射バルブ１１８による燃料の噴射量誤差を勘案した空燃比（当量比Ａ）に目標空燃比を固定する。すなわち、同図に示すリッチ限界までの噴射量に誤差が含まれる値に固定したオープンループ制御を実行する（時間ｔ１〜ｔ２）。そして、排気浄化触媒１２７の入口の排気の空燃比が目標空燃比に近づいたタイミング（時間ｔ２）において、目標空燃比を当量比Ａよりリッチな当量比Ｂに切り換え、空燃比フィードバック制御を実行する。

当量比ＡとＢは、∞と当量比Ｂの差ほど差がないため、リッチ限界の近傍に目標空燃比を設定して空燃比フィードバック制御を実行してもオーバーシュートのおそれが少ない。

以下、本例のエンジンコントロールユニット１１における制御手順を説明する。まず、図２のステップＳＴ１において、燃料カット制御が終了したか否かを判定する。燃料カット制御のＯＮ／ＯＦＦはエンジンコントロールユニット１１内で演算されるため、ユニット内部の信号により判断することができる。燃料カット制御が継続している場合はステップＳＴ１を繰り返す。

ステップＳＴ１にて燃料カット制御が終了したことを判断するとステップＳＴ２へ進み、前回のループで燃料カット制御がＯＮであったか否かを判断する。このステップＳＴ２は、燃料カット制御が終了した直後のループではステップＳＴ３〜ＳＴ６を実行し、燃料カット制御が終了してから２回目以降のループではステップＳＴ７を実行するための処理ステップである。

燃料カット制御が終了した直後のループではステップＳＴ３へ進み、目標空燃比を当量比Ａに固定する。この当量比は、図３の目標空燃比及び図４（Ａ）に示すようにストイキよりリッチな第１のリッチ化度合いであって、上述したとおりエアフローメータ１１３による吸入空気量の誤差及び燃料噴射バルブ１１８による燃料の噴射量誤差が最も悪い条件になってもリッチ限界を超えない値とすることが望ましい。

ステップＳＴ４ではエンジンコントロールユニット１１内のカウンタをリセットし、ステップＳＴ５では燃料の増量制御（リッチスパイク）をＯＮにし、ステップＳＴ６では空燃比フィードバック制御をＯＦＦにする。これにより、目標空燃比を当量比Ａに固定されたオープンループ制御が実行される。図３において時間ｔ１〜ｔ２の期間に相当する。

次のループのステップＳＴ２では、前回ループにおいて燃料カット制御はＯＦＦであったためステップＳＴ７へ進み、リッチスパイクがＯＮか否かを判断する。前回のループではステップＳＴ５にてリッチスパイクをＯＮにしたため、ステップＳＴ８へ進む。

ステップＳＴ８では、排気浄化触媒１２７の下流の酸素センサ１２８の出力が所定値（たとえばストイキに相当する出力値）未満か否かを判定する。このステップＳＴ８は、リッチスパイク制御を終了する際の判断ステップである。

ステップＳＴ８にて酸素センサ１２８の出力値が所定値未満である場合（酸素センサ１２８の出力値がリーン側）は、すなわち排気浄化触媒１２７の下流側の排気に含まれる酸素の量が多いので、当量比Ａの目標空燃比による増量燃料が排気浄化触媒１２７の還元能力を未だ回復させていないと判断できる。したがって、ステップＳＴ９へ進んでカウンタが所定値未満か否かを判断し、さらにカウンタが所定値未満である場合はステップＳＴ１０へ進んでカウンタを加算する。

ステップＳＴ１０のカウンタ加算は、前回のカウンタに、前回の計算（１ループぶん）からの吸入空気量積算値をエアフローメータ１１３の検出値に基づいて加算する。或いはこれに代えて、前回カウンタに、前回の計算（１ループぶん）のエンジン回転速度（排気量）積算値をクランク角センサ１３１の検出値に基づいて加算する。

ステップＳＴ９は、最初の段階で設定した当量比Ａの目標空燃比を、次の段階である当量比Ｂの目標空燃比に切り換えるタイミングとしての基準であり、本例では当量比Ａの増量燃料が空燃比センサ１２６で検出できる位置まで排気が排気通路１２５を流下したタイミングとしている。すなわち、ステップＳＴ１０で加算される空気量積算値又はエンジン回転速度（排気量）の積算値は、燃焼室１２３から空燃比センサ１２６が設けられた位置までの容積に相当する。このタイミングで目標空燃比を切り換えることで、第２段階で実施される空燃比フィードバック制御がオーバーシュートすることなく円滑に行われることになる。

このようにステップＳＴ９にてカウンタが所定値以上になると、ステップＳＴ１１へ進み、目標空燃比を当量比Ｂに切り換え、ステップＳＴ１２にて空燃比フィードバック制御をＯＮにする。これにより、図３の時間ｔ２〜ｔ３の期間に示すように、エアフローメータ１１３による吸入空気量と、燃料噴射バルブ１１８による燃料噴射量と、空燃比センサ１２６による実際の空燃比とをパラメータとする空燃比フィードバック制御が実行され、リッチ限界を超えることなく、当該リッチ限界の近傍においてリッチスパイク制御を継続することができる。

図２の時間ｔ２〜ｔ３の間に燃料を増量し続けると排気浄化触媒１２７に吸着された酸素が消費され、これにより酸素センサ１２８の出力値がリッチ側へ変化する。そして、ステップＳＴ８にて酸素センサ１２８の出力値が所定値以上（本例ではストイキ以上）になったら、ステップＳＴ１３へ進み、目標空燃比をストイキ（λ＝１）に設定し、ステップＳＴ１４にてリッチスパイク制御を終了する。なお、前回以前にステップＳＴ１２にて空燃比フィードバック制御がＯＮになっているので、これ以降は目標空燃比をλ＝１とする空燃比フィードバック制御に移行することになる。

以上のように、本例の燃料噴射制御装置によれば、リッチスパイク制御の第１ステップで、目標空燃比をストイキよりリッチな当量比Ａに固定するので、失火等が生じるおそれもないし、またフィードバック制御に見られるオーバーシュートも抑制される。そして、次の第２ステップにおいては、当量比Ａよりリッチであるものの、さほど差が大きくない当量比Ｂに設定して空燃比フィードバック制御を実行するので、フィードバック制御のオーバーシュートが抑制でき、しかも失火等が生じる限界近傍まで空燃比をリッチ側に設定することができる。この結果、短時間でＮＯｘ処理能力を回復することができる。

上記エンジンコントロールユニット１１は本発明に係る燃料カット制御検出手段、制御手段に相当し、上記空燃比センサ１２６は本発明に係る空燃比検出手段に相当し、上記酸素センサ１２８は本発明に係る酸素量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

Claims

燃料カット制御が終了した後の運転領域において、排気通路に設けられた触媒の酸素吸着能力に応じた燃料噴射量の増量制御を実行する内燃機関の燃料噴射制御装置であって、
前記燃料カット制御の終了を検出する燃料カット制御検出手段と、
前記燃料カット制御の終了を検出した場合に、噴射燃料の空燃比をリッチ側に制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、
前記燃料カット制御の終了を検出した場合に、噴射燃料の目標空燃比をストイキよりリッチな第１のリッチ化度合いに固定して燃料噴射量を制御する第１ステップと、
前記第１ステップを実行した後に、噴射燃料の目標空燃比を前記第１のリッチ化度合いよりリッチな第２のリッチ化度合いに設定して燃料噴射量をフィードバック制御する第２ステップと、を実行する内燃機関の燃料噴射制御装置。
前記触媒に流入する排気の空燃比を検出する空燃比検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記空燃比検出手段により前記触媒に流入する排気の空燃比が所定値に達したことを検出した場合に、前記目標空燃比を前記第２のリッチ化度合いに設定する請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
前記触媒から流出する排気の酸素量を検出する酸素量検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記酸素量検出手段により検出された酸素量が所定値以上になった場合に、前記第２ステップの制御を終了する請求項１又は２に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。