JP2014001649A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、空燃比切換制御の実行中において、空気の応答遅れに起因する制御性の悪化をＥＧＲ機構により回避することを目的とする。
【解決手段】エンジン１０は、ＮＯｘ吸蔵還元型の触媒２８、ＥＧＲ機構３６等を備える。ＥＣＵ７０は、触媒２８に吸蔵されたＮＯｘの還元浄化を行う場合に、空燃比切換制御を実行する。空燃比切換制御では、空燃比をリーン化するリーン制御と、空燃比をリッチ化するリッチスパイク制御とを交互に実行する。また、ＥＣＵ７０は、空燃比切換制御の実行時にスロットル弁２０の開度を一定値に保持し、かつ、リッチスパイク制御の実行時には、リーン制御の実行時よりもＥＧＲガスの還流量を増量する。これにより、筒内の総ガス量を変更することなく、空燃比をリッチ化及びリーン化することができ、トルクショックを軽減して運転性を向上させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車等の車両に搭載される内燃機関の制御装置に関し、特に、ＮＯｘ吸蔵還元触媒とＥＧＲ機構とを備えた内燃機関の制御装置に関する。

従来技術として、例えば特許文献１（特開２０１１−４７３７５号公報）に開示されているように、ＮＯｘ吸蔵還元型の触媒を備えた内燃機関の制御装置が知られている。ＮＯｘ吸蔵還元型の触媒は、空燃比が理論空燃比（ストイキ）よりもリーンのときに排気ガス中のＮＯｘを吸蔵し、空燃比がストイキと等しくなるか、またはストイキよりもリッチになると、吸蔵していたＮＯｘを還元浄化するものである。従来技術では、触媒に吸蔵されたＮＯｘの還元浄化を行う場合に、空燃比をリッチ及びリーンに交互に切換える空燃比切換制御を実行する構成としている。

特開２０１１−４７３７５号公報 特開２００９−２８１２６１号公報

上述した従来技術では、空燃比切換制御を実行する場合に、吸入空気量が一定であると、トルクが発生し過ぎるので、例えばスロットル開度を制御して吸入空気量を調整する必要がある。しかしながら、スロットル弁の下流には、一定の容積をもつサージタンクが存在している。このため、従来技術では、空燃比切換制御中にスロットル開度に基いてトルク（筒内に流入する空気量）を制御しようとしても、サージタンク内の空気によってスロットル開度の変化と筒内流入空気量の変化との間に応答遅れが生じ、トルクの制御性が悪化するという問題がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、本発明の目的は、空燃比切換制御の実行中において、空気の応答遅れに起因する制御性の悪化をＥＧＲ機構により回避し、運転性を向上させることが可能な内燃機関の制御装置を提供することにある。

第１の発明は、内燃機関の吸気通路に設けられ、吸入空気量を調整することが可能なスロットル弁と、
前記スロットル弁の下流側で前記吸気通路に設けられたサージタンクと、
内燃機関の排気通路に設けられた触媒であって、理論空燃比を基準として空燃比がリーンのときに排気ガス中のＮＯｘを吸蔵し、空燃比がリッチになると、吸蔵していたＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ吸蔵還元型の触媒と、
一端側が前記排気通路に接続されると共に他端側が前記サージタンクの下流側で前記吸気通路に接続され、排気ガスの一部をＥＧＲガスとして前記吸気通路に還流させるＥＧＲ機構と、
前記触媒に吸蔵されたＮＯｘの還元浄化を行う場合に、空燃比をリーン化するリーン制御と空燃比をリッチ化するリッチ制御とを交互に行う制御である空燃比切換制御を実行する制御手段と、を備え、
前記空燃比切換制御手段は、前記空燃比切換制御の実行時に前記スロットル弁の開度を一定値に保持し、かつ、前記リッチ制御の実行時には、前記リーン制御の実行時と比較して前記ＥＧＲガスの還流量を増量する構成としたことを特徴とする。

第２の発明によると、前記リッチ制御の実行時には、前記リーン制御の実行時よりも燃料噴射量を増量する構成としている。

第３の発明によると、前記リーン制御の実行時には、前記ＥＧＲガスの還流を停止させる構成としている。

第１の発明によれば、空燃比切換制御の実行時には、スロットル弁の開度を一定値に保持した状態で、ＥＧＲ機構を利用して空燃比を制御することができる。これにより、リッチ制御の実行時には、筒内において、リーン制御時から継続して総ガス量を一定に保持しつつ、ＥＧＲガス量を増量した分だけ新気ガス量を減少させることができる。この結果、例えば燃料噴射量をリーン制御時の噴射量と等しく設定した状態でも、空燃比を相対的にリッチ化することができる。さらに、燃料噴射量を増量して空燃比を効率よくリッチ化することもできる。従って、筒内の総ガス量を変更することなく、空燃比をリッチ化及びリーン化することができ、空気の応答遅れやターボラグ等が発生しないので、燃焼の制御が容易となり、トルクショックを軽減して運転性を向上させることができる。

第２の発明によれば、リッチ制御の実行時には、ＥＧＲガスの還流量を増量して空燃比を相対的にリッチ化しつつ、リーン制御の実行時よりも燃料噴射量を増量することにより、空燃比を効率よくリッチ化することができる。

第３の発明によれば、リーン制御の実行時には、ＥＧＲガスの還流を停止させることができ、希薄燃焼を安定的に継続することができる。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための全体構成図である。 本発明の実施の形態１において、リーン制御及びリッチスパイク制御を実行した場合の空燃比、ＥＧＲ率及び総ガス量（スロットル開度）の挙動を示すタイミングチャートである。 リーン制御及びリッチスパイク制御を実行した場合の筒内のガス組成と燃料量とをそれぞれ示す説明図である。 本発明の実施の形態１において、ＥＣＵにより実行される制御を示すフローチャートである。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
以下、図１乃至図４を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための全体構成図である。本実施の形態のシステムは、内燃機関としてのエンジン１０を備えている。エンジン１０の各気筒には、ピストンにより燃焼室１２が形成されており、各気筒のピストンはクランク軸に連結されている。また、各気筒には、吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁と、混合気に点火する点火プラグ１４と、吸気ポートを開閉する吸気バルブと、排気ポートを開閉する排気バルブとが設けられている。

エンジン１０は、吸入空気を吸込む吸気通路１６と、排気ガスを排出する排気通路２４とを備えている。吸気通路１６の下流側は、各気筒の吸気ポートに接続された吸気マニホールド１８により構成されている。また、吸気通路１６には、電子制御式のスロットル弁２０と、スロットル弁２０の下流側に配置されたサージタンク２２とが設けられている。スロットル弁２０は、その開度（スロットル開度）に基いて吸入空気量を調整する。

一方、排気通路２４の下流側は、各気筒の排気ポートに接続された排気マニホールド２６により構成されている。また、排気通路２４には、排気ガスを浄化するＮＯｘ吸蔵還元型の触媒２８が設けられている。ＮＯｘ吸蔵還元型の触媒２８は、空燃比（排気空燃比）がストイキよりもリーンのときに排気ガス中のＮＯｘを吸蔵し、空燃比がストイキと等しくなるか、またはストイキよりもリッチになると、吸蔵していたＮＯｘを還元浄化するように構成されている。なお、以下の説明では、理論空燃比を基準とした空燃比の状態を「リーン」及び「リッチ」と表記し、触媒２８に吸蔵されたＮＯｘを「吸蔵ＮＯｘ」と表記するものとする。

また、エンジン１０は、排気圧を利用して吸入空気を過給する過給機３０と、排気ガスの一部を吸気通路１６に還流させるＥＧＲ機構３６とを備えている。過給機３０は、排気圧を受けて回転するタービン３２と、タービン３２により駆動されて吸入空気を圧縮するコンプレッサ３４とを備えている。また、ＥＧＲ機構３６は、排気ガスが流通するＥＧＲ通路３８と、ＥＧＲ通路３８を流れる排気ガス（ＥＧＲガス）の量を調整する電磁駆動式のＥＧＲ弁４０とを備えている。ＥＧＲ通路３８の一端側（流入側）は、例えば排気通路２４の排気マニホールド２６に接続されている。また、ＥＧＲ通路３８の他端側は、吸気通路１６のうちサージタンク２２よりも下流側の部位（例えば、吸気マニホールド１８）に接続されている。また、吸気通路１６に還流されるＥＧＲガスの還流量は、ＥＧＲ弁４０の開度に基いて制御される。

次に、エンジン１０の制御系等について説明する。本実施の形態のシステムは、エンジン及び車両の運転に必要な各種のセンサにより構成されたセンサ系統と、エンジンの運転状態を制御するＥＣＵ（Engine Control Unit）７０とを備えている。まず、センサ系統について述べると、クランク角センサ５０は、クランク軸の回転に同期した信号を出力するもので、エアフローセンサ５２は吸入空気量を検出し、アクセル開度センサ５４は、運転者によるアクセルの操作量（アクセル開度）を検出する。また、水温センサ５６はエンジン冷却水の水温を検出し、吸気圧センサ５８は吸気圧を検出し、空燃比センサ６０は排気空燃比を検出する。センサ系統には、この他にも、スロットル開度を検出するスロットルセンサ等が含まれている。

ＥＣＵ７０は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性メモリ等からなる記憶回路と入出力ポートとを備えた演算処理装置により構成されている。ＥＣＵ７０の入力側には、センサ系統の各センサが接続されている。ＥＣＵ７０の出力側には、スロットル弁２０、燃料噴射弁、点火プラグ１４、ＥＧＲ弁４０等のアクチュエータが接続されている。そして、ＥＣＵ７０は、センサ系統により検出したエンジンの運転情報に基いて各アクチュエータを駆動し、運転制御を行う。具体的には、クランク角センサ５０の出力に基いてエンジン回転数とクランク角とを検出し、エアフローセンサ５２により吸入空気量を検出する。また、エンジン回転数と吸入空気量とに基いて機関負荷（負荷率）を算出し、吸入空気量、機関負荷、水温、アクセル開度等に基いて燃料噴射量を算出すると共に、クランク角に基いて燃料噴射時期及び点火時期を決定する。そして、燃料噴射時期が到来した時点で燃料噴射弁を駆動し、点火時期が到来した時点で点火プラグ１４を駆動する。これにより、各気筒で混合気を燃焼させ、エンジンを運転する。

また、ＥＣＵ７０は、ＥＧＲ制御及び空燃比切換制御を実行する。ＥＧＲ制御は、エンジンの運転状態に応じてＥＧＲ弁４０の開度を制御し、排気ガスの一部をＥＧＲガスとしてＥＧＲ通路３８から吸気通路１６に還流させるものである。一方、空燃比切換制御は、例えば特開２０１１−４７３７５号公報に記載されている公知の制御と類似した制御であり、吸蔵ＮＯｘの還元浄化を行う場合に、リーン制御とリッチ制御とを交互に実行するものである。ここで、本実施の形態は、混合気をリーン状態で燃焼させる希薄燃焼（リーンバーン）を実行する構成としており、リーン制御は、希薄燃焼を実現するために空燃比をリーン化するベースの制御に対応している。また、リッチ制御は、リーン制御の途中で空燃比を間欠的にリッチ化するリッチスパイク制御に対応しているが、必ずしも燃料噴射量の増量を必要としない点で、従来のリッチスパイク制御とは異なっている。

［実施の形態１の特徴］
希薄燃焼時には、吸蔵ＮＯｘの還元浄化を行うために、リッチスパイク制御を実行する必要がある。リッチスパイク制御の実行時には、リーン制御時と比較してトルクが増加するので、従来技術では、例えば吸入空気量の絞りと点火時期の遅角とを実行することにより、リッチスパイク制御時のトルクをリーン制御時と一致させるようにしている。しかしながら、リッチスパイク制御の実行時間は短いので、この実行時間中に行われる制御は過渡的なものとなり、点火時期が即座に変更されるのに対し、吸入空気量の変更には、サージタンク２２内の空気やターボラグ等に起因する応答遅れが生じる。この結果、従来技術では、リッチスパイク制御の実行時にトルクの急変（トルクショック）が発生し易い。

このため、本実施の形態では、空燃比切換制御の実行時にスロットル開度を一定値に保持し、かつ、リッチスパイク制御の実行時には、リーン制御の実行時と比較してＥＧＲガスの還流量を増量する構成としている。以下、図２及び図３を参照して、この制御について説明する。図２は、本発明の実施の形態１において、リーン制御及びリッチスパイク制御を実行した場合の空燃比、ＥＧＲ率及び総ガス量（スロットル開度）の挙動を示すタイミングチャートである。また、図３は、リーン制御及びリッチスパイク制御を実行した場合の筒内のガス組成と燃料量とをそれぞれ示す説明図である。これらの図に示す一例では、リーン制御時の空燃比を２７（Ａ／Ｆ＝２７）に設定している。また、リッチスパイク時には、空燃比を１４（Ａ／Ｆ＝１４）に設定し、ＥＧＲ率（筒内の総ガス量に対するＥＧＲガス量の割合）を３０％に設定している。

空燃比切換制御の実行時には、まず、図２に示すように、スロットル開度を一定値に保持し、筒内に流入する総ガス量を一定とした状態で、リーン制御とリッチスパイク制御とを交互に実行する。そして、リーン制御の実行時には、空燃比が所定の目標リーン空燃比（例えば、Ａ／Ｆ＝２７）と一致するように燃料噴射量を設定し、希薄燃焼を実現する。また、リーン制御の実行時には、ＥＧＲ弁４０を全閉してＥＧＲガスの還流を停止させるのが好ましい。これにより、筒内のＥＧＲガス量は、図３に示すように零となるので、希薄燃焼を安定的に継続することができる。

一方、リッチスパイク制御は、図２に示すように、リーン制御の途中で間欠的に実行されるもので、空燃比が所定の目標リッチ空燃比（例えば、Ａ／Ｆ＝１４）と一致するように、燃料噴射量をリーン制御時よりも増量する。また、リッチスパイク制御の実行時には、ＥＧＲ弁４０を開弁側に駆動することにより、吸気通路１６へのＥＧＲガスの還流量をリーン制御時よりも増量する。このとき、ＥＧＲガスの還流量は、ＥＧＲ率が所定の目標ＥＧＲ率（例えば、３０％）となるように、ＥＧＲ弁４０の開度に基いて制御される。

上記制御によれば、リッチスパイク制御の実行時には、図３に示すように、リーン制御時から継続して筒内の総ガス量（＝新気ガス量Ｇａ＋ＥＧＲガス量Ｇｅ）を一定に保持しつつ、ＥＧＲガス量Ｇｅを増量した分だけ新気ガス量Ｇａを減少させることができる。この結果、例えば燃料噴射量をリーン制御時の噴射量と等しく設定した状態でも、空燃比を相対的にリッチ化することができる。さらに、燃料噴射量を増量することにより、筒内の燃料量Ｇｆをリーン制御時よりも増加させ、空燃比を効率よくリッチ化することができる。従って、筒内の総ガス量を変更することなく、空燃比をリッチ化及びリーン化することができ、空気の応答遅れやターボラグ等が発生しないので、燃焼の制御が容易となり、トルクショックを軽減できると共に、燃費を改善することができる。

また、リッチスパイク制御の実行時には、ＥＧＲ率を上昇させることにより、筒内の新気の一部をＥＧＲガスに交換することになるので、筒内ガスの比熱比が小さくなる分だけ効率が低下する可能性がある。しかし、この場合でも、筒内の総ガス量Ｇと燃料量Ｇｆとの比率Ｇ／Ｆは、リーン制御時から継続して一定に保持されるので、リーン制御時とほぼ同一の点火時期でリッチスパイク制御を行うことができ、制御切換時の安定性をより高めることができる。

また、本実施の形態では、リッチスパイク制御の実行時に、例えば燃料噴射量をリーン制御時の噴射量と等しく設定した状態で、ＥＧＲガスの還流量をリーン制御時よりも増量することにより、空燃比を相対的にリッチ化する構成としてもよい。但し、この場合には、例えば筒内の総ガス量と燃料量との比率Ｇ／Ｆ＝２６を実現するために、Ａ／Ｆ＝１３及びＥＧＲ率＝５０％という目標設定が必要となる。この目標設定では、燃焼の維持が難しい場合もあり得るため、本実施の形態では、ＥＧＲ率を３０％程度に抑制して燃料噴射量を増量することにより、目標とするリッチ空燃比を実現する構成を例示している。なお、ＥＧＲ率を抑制して燃料噴射量を増量することにより、トルクが若干増加する場合には、点火時期の遅角によりトルクの増加を抑制すればよい。

［実施の形態１を実現するための具体的な処理］
次に、図４を参照して、上述した制御を実現するための具体的な処理について説明する。図４は、本発明の実施の形態１において、ＥＣＵにより実行される制御のフローチャートである。この図に示すルーチンは、エンジンの運転中に繰り返し実行されるものとする。図４に示すルーチンでは、まず、ステップ１００において、リッチスパイク制御が必要な状態であるか否かを判定する。この判定処理の一例を挙げると、前回のリッチスパイク制御を終了した後に、吸蔵ＮＯｘの還元浄化が再び必要となる所定の時間が経過したか否かを判定する。そして、ステップ１００の判定が成立した場合には、リッチスパイク制御を実行するために、まず、ステップ１０２において、スロットル開度を一定値に保持（固定）する。
次に、ステップ１０４では、エンジンの運転状態が反映された各種のパラメータ（エンジン回転数、機関負荷等）に基いて制御用のマップを参照し、このマップからリッチスパイク制御時の適合値を算出する。なお、適当値とは、予め適切な値に設定された目標リッチ空燃比、ＥＧＲ弁４０の開度、リッチスパイク制御の実行時間等である。次に、ステップ１０６では、ステップ１０４の算出結果を用いてリッチスパイク制御を実行する。具体的には、ＥＧＲ弁４０を開弁側に駆動してＥＧＲガスの還流量（ＥＧＲ量）を増量し、また、必要に応じて燃料噴射量を増量する。

以上詳述した通り、本実施の形態によれば、空燃比切換制御の実行時には、スロットル開度を一定値に保持した状態で、ＥＧＲ機構３６を利用して空燃比を制御することができる。これにより、空気の応答遅れに起因する制御性の悪化を回避することができ、トルクショックを軽減して運転性を向上させることができる。なお、前記実施の形態では、過給機付きのエンジン１０を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず、過給機をもたない内燃機関に適用してもよい。

１０ エンジン
１２ 燃焼室
１４ 点火プラグ
１６ 吸気通路
１８ 吸気マニホールド
２０ スロットル弁
２２ サージタンク
２４ 排気通路
２６ 排気マニホールド
２８ 触媒
３０ 過給機
３２ タービン
３４ コンプレッサ
３６ ＥＧＲ機構
３８ ＥＧＲ通路
４０ ＥＧＲ弁
５０ クランク角センサ
５２ エアフローセンサ
５４ アクセル開度センサ
５６ 水温センサ
５８ 吸気圧センサ
６０ 空燃比センサ
７０ ＥＣＵ

Claims (3)

1. 内燃機関の吸気通路に設けられ、吸入空気量を調整することが可能なスロットル弁と、
   前記スロットル弁の下流側で前記吸気通路に設けられたサージタンクと、
   内燃機関の排気通路に設けられた触媒であって、理論空燃比を基準として空燃比がリーンのときに排気ガス中のＮＯｘを吸蔵し、空燃比がリッチになると、吸蔵していたＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ吸蔵還元型の触媒と、
   一端側が前記排気通路に接続されると共に他端側が前記サージタンクの下流側で前記吸気通路に接続され、排気ガスの一部をＥＧＲガスとして前記吸気通路に還流させるＥＧＲ機構と、
   前記触媒に吸蔵されたＮＯｘの還元浄化を行う場合に、空燃比をリーン化するリーン制御と空燃比をリッチ化するリッチ制御とを交互に行う制御である空燃比切換制御を実行する制御手段と、を備え、
   前記空燃比切換制御手段は、前記空燃比切換制御の実行時に前記スロットル弁の開度を一定値に保持し、かつ、前記リッチ制御の実行時には、前記リーン制御の実行時と比較して前記ＥＧＲガスの還流量を増量する構成としたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記リッチ制御の実行時には、前記リーン制御の実行時よりも燃料噴射量を増量する構成としてなる請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記リーン制御の実行時には、前記ＥＧＲガスの還流を停止させる構成としてなる請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。

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