JP2014173495A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃費のより一層の改善を図りながら、アイドルストップ後の再始動におけるＮＯ_xの排出を抑制する。
【解決手段】所定の燃料カット条件の成立に伴いＳ１Ｙ、燃料噴射を一時中止する燃料カットを開始した後Ｓ２、所定のアイドルストップ条件が成立してＳ８Ｙ、内燃機関のアイドル回転を停止させるアイドルストップを開始する場合に、燃料蒸発ガス排出抑制装置に捕捉されている燃料蒸気を排気浄化用の触媒に流入させるパージ制御を実行するＳ９。これにより、触媒の吸蔵酸素量を減らし、ＮＯ_xの還元能力を高める。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両に搭載された内燃機関を制御する制御装置に関する。

車両に搭載される内燃機関では、その運転状況に応じて燃料噴射を中断する燃料カットを行うことが知られている（例えば、下記特許文献１を参照）。通常、アクセルペダルの踏込量が０または０に近い閾値以下となり、かつエンジン回転数が燃料カット許可回転数以上あるときに、燃料カット条件が成立したものとして燃料カットを開始する。そして、アクセルペダルの踏込量が閾値を上回った、エンジン回転数が燃料カット復帰回転数まで低下した等の何れかの燃料カット終了条件が成立したときに、燃料カットを終了、燃料噴射を再開する。

また、近時では、信号待ち等による車両の停車中に、内燃機関のアイドル回転を停止させるアイドルストップを実施することも普遍化している（例えば、下記特許文献２を参照）。既知のアイドリングストップシステムでは、車速が所定以下で、ブレーキペダルが踏み込まれており、冷却水温及びバッテリ電圧が十分高い、といった諸条件が成立したときに、内燃機関を停止させる。アイドルストップ後、運転者がブレーキペダルから足を離すかアクセルペダルを踏み込む等の再始動要求があったとき、またはアイドルストップしている期間の長さが所定以上となったときには、内燃機関を再始動する。

車両の走行中に運転者がアクセルペダルから足を離し、車両が減速して停止する際には、まず燃料カット条件が成立して燃料カットが開始され、その後アイドルストップへと移行する。だが、燃料カットの開始からアイドルストップまでの間に、全く燃料噴射が行われないわけではない。実際には、車両の車速が１０ｋｍ／ｈ程度まで低下した頃に燃料カット終了条件が成立し、一時的に燃料噴射が再開される。そして、９ｋｍ／ｈ程度の車速にてアイドルストップ条件が成立し、再び燃料噴射が打ち切られることで、内燃機関及び車両がさらに減速してアイドルストップ及び停車に至る。

燃料カットとアイドルストップとの間に発生する一時的な燃料噴射は、実効燃費を悪化させる要因となる。そこで、アイドルストップ条件の一である車速の条件を引き上げる、例えば車速が１３ｋｍ／ｈ以下となったら（他の条件が成立していることを前提に）アイドルストップを許可するようにして、燃料カットからアイドルストップまでを一貫して連続させることが考えられる。

特開平１０−０３０４７７号公報 特開２０１２−１３７０１８号公報

燃料噴射を行わない燃料カット中は、燃料成分を含まない空気が気筒から排気通路を経由して排気浄化用の触媒に流入する。このことから、触媒に多量の酸素が吸蔵されて、触媒によるＮＯ_xの還元能力が低下する。そのような状態でアイドルストップが実施されると、内燃機関の再始動時にＮＯ_xの排出量が増加する懸念がある。

本発明は、燃費のより一層の改善を図りながら、内燃機関のアイドルストップ後の再始動におけるＮＯ_xの排出を抑制することを所期の目的としている。

上述した課題を解決するべく、本発明では、所定の燃料カット条件の成立に伴い燃料噴射を一時中止する燃料カットを実施し、また、所定のアイドルストップ条件の成立に伴い内燃機関のアイドル回転を停止させるアイドルストップを実施するものであって、燃料カット条件が成立して燃料カットを開始した後、アイドルストップ条件が成立してアイドルストップを開始する場合に、燃料蒸発ガス排出抑制装置に捕捉されている燃料蒸気を排気浄化用の触媒に流入させるパージ制御を実行する内燃機関の制御装置を構成した。

前記パージ制御は、前記燃料カットの終了から前記アイドルストップの開始までの期間の長さを計数し、その期間の長さが所定以下であることを条件として実行することが好ましい。即ち、前記期間の長さは、アイドルストップ開始時（そして、アイドルストップ終了時）に触媒に吸蔵されている酸素量を示唆する指標値となる。前記期間の長さが所定以下であることは、吸蔵酸素量が所定以上であることを意味するため、パージ制御により触媒内の吸蔵酸素を燃料蒸気と反応させて消費し、内燃機関の再始動時におけるＮＯ_xの浄化能率を高める。

なお、前記期間の長さは、０であることがある。燃料カット中、燃料カット終了条件が成立する前にアイドルストップ条件が成立し、燃料噴射の一時的再開を挟むことなく燃料カットからアイドルストップまでが一貫して連続するケースがこれに該当する。

本発明によれば、燃費のより一層の改善を図りながら、アイドルストップ後の再始動におけるＮＯ_xの排出を抑制することができる。

本発明の一実施形態における内燃機関の概略構成を示す図。 同実施形態の内燃機関の制御装置が実施する処理の手順例を示すフロー図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の４ストロークガソリンエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

内燃機関には、燃料蒸発ガス排出抑制装置が付随している。普遍的な燃料蒸発ガス排出抑制装置は、チャコールキャニスタと呼称され、燃料タンクにおいて蒸発した燃料蒸気を活性炭を充填したキャニスタ３５に吸着させて捕捉し、適時その燃料蒸気を吸気通路３に送出して吸気に混交し、気筒１にて燃焼処理するものである。

キャニスタ３５は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側の所定部位（サージタンク３３または吸気マニホルド３４）に接続している。キャニスタ３５と吸気通路３とを接続する流路上には、当該流路を開閉する制御バルブであるパージＶＳＶ（Ｖａｃｕｕｍ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｖａｌｖｅ）３６を設けてある。ＶＳＶ３６を開弁している間、当該流路を介してキャニスタ３５と吸気通路３とが連通し、スロットルバルブ３２の下流に発生する吸気負圧によってキャニスタ３５内の燃料蒸気が吸気通路３に引き込まれる。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有した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には、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（運転者が要求する機関出力、いわば要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、ブレーキペダルの踏込量を検出するセンサから出力されるブレーキ踏量信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、内燃機関の温度を示唆する冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｇ、車載バッテリの充電状態を示唆するバッテリ電流（または、電圧）及びバッテリ温度を検出するセンサから出力されるバッテリ状態信号ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、パージＶＳＶ３６に対して開閉制御信号ｌ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング、燃料噴射圧、点火タイミングといった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌを出力インタフェースを介して印加する。

また、ＥＣＵ０は、内燃機関の始動（冷間始動であることもあれば、アイドリングストップからの復帰であることもある）時において、電動機（スタータモータまたはモータジェネレータ）に制御信号ｏを入力し、電動機によりクランクシャフトを回転させるクランキングを行う。クランキングは、内燃機関が初爆から連爆へと至り、エンジン回転数即ちクランクシャフトの回転速度が冷却水温等に応じて定まる判定値を超えたときに（完爆したものと見なして）終了する。

本実施形態のＥＣＵ０は、運転状況に応じて、気筒１への燃料供給を一時中止する燃料カットを実施する。並びに、ＥＣＵ０は、信号待ち等による車両の停車の際に、内燃機関のアイドル回転を停止させるアイドルストップをも実施する。

図２に、車両が減速して停止する際にＥＣＵ０が実行する処理の手順例を示す。ＥＣＵ０は、所定の燃料カット条件が成立したときに（ステップＳ１）、インジェクタ１１からの燃料噴射を停止し、かつ点火プラグ１２による火花点火を停止する燃料カットを行う（ステップＳ２）。ステップＳ１では、少なくとも、アクセルペダルの踏込量が０または０に近い閾値以下となり、かつエンジン回転数が燃料カット許可回転数以上あることを以て、燃料カット条件が成立したものと判断する。

因みに、燃料カット条件が成立したとしても、即時に燃料噴射を停止するわけではない。エンジントルクが比較的大きい段階で、急に燃料供給を遮断すると、エンジン回転数や車速がステップ的に急落するトルクショックが発生し、運転者を含む搭乗者に衝撃を感じさせる。このトルクショックを軽減するべく、燃料カット条件が成立した後、遅延時間の経過を待ってから、はじめて燃料噴射を停止する。この遅延時間中には、点火タイミングを遅角補正し、エンジントルクを積極的に低下させる。

燃料カットの開始後、後述するアイドルストップ条件が成立する前に、所定の燃料カット終了条件が成立したときには（ステップＳ３）、燃料カットを終了することとし、燃料噴射（及び、点火）を再開する（ステップＳ４）。ステップＳ３では、アクセルペダルの踏込量が閾値を上回った、エンジン回転数が燃料カット復帰回転数まで低下した等のうちの何れかを以て、燃料カット終了条件が成立したものと判断する。

また、ＥＣＵ０は、所定のアイドルストップ条件が成立したときに（ステップＳ６、Ｓ８）、内燃機関のアイドル回転を停止させるアイドルストップを実行する（ステップＳ１０、Ｓ１１）。ステップＳ６、Ｓ８では、車速が所定値（例えば、１０ｋｍ／ｈないし１３ｋｍ／ｈの値）以下で、ブレーキペダルが踏み込まれており、冷却水温及びバッテリ電圧が十分高い、といった諸条件がおしなべて成立したことを以て、アイドルストップ条件が成立したものと判断する。

燃料カットの開始後、燃料カット終了条件が成立することなく、アイドルストップ条件が成立したならば（ステップＳ８）、燃料噴射を再開せず、燃料カット状態のままアイドルストップへと移行する（ステップＳ１１）こととなる。

しかして、ＥＣＵ０は、燃料カットの実施後、アイドルストップ条件が成立してアイドルストップを開始する場合において、ＶＳＶ３６を開弁してキャニスタ３５に捕捉した燃料蒸気を吸気通路３に送出し、かつ気筒１における点火を禁止して、未燃焼の燃料蒸気を含んだガスを触媒４１に流入させるパージ制御を実行する。パージ制御は、燃料カット中に触媒４１内に吸蔵された酸素を消費させて、アイドルストップ後の再始動時におけるＮＯ_xの還元反応を促進し、ＮＯ_xの排出を抑制するためのものである。

ＥＣＵ０は、アイドルストップを開始する直前に触媒４１に吸蔵されている酸素量を示唆する指標値を取得する（ステップＳ５）。このステップＳ５では、例えば、燃料カット終了条件の成立に伴う燃料噴射の一時的再開から、アイドルストップ条件の成立に伴うアイドルストップの開始までの期間の長さを計数して、当該期間の長さを吸蔵酸素量を示唆する指標値とする。期間の長さとは、経過時間またはクランクシャフトの回転した回数である。当該期間が短いほど、触媒４１に吸蔵されている酸素量が多いと捉えることができる。

その上で、吸蔵酸素量を示唆する指標値に基づき、触媒４１に吸蔵された酸素をパージする必要があるか否かを判断する（ステップＳ７）。具体的には、ステップＳ５にて計数した、燃料カット終了条件の成立からアイドルストップ条件の成立までの期間の長さが所定以下である場合に、吸蔵酸素をパージする必要があるとの判断を下す。燃料カット中にアイドルストップ条件が成立し（ステップＳ８）、燃料噴射の一時的な再開を挟むことなく燃料カット（ステップＳ２）からアイドルストップ（ステップＳ１１）まで一貫して連続するケースでは、上記期間の長さが０であり、当然に吸蔵酸素をパージする必要があると判断される。

吸蔵酸素のパージの必要が認められたならば、アイドルストップ条件の成立後にパージ制御を実行する（ステップＳ９）。既に述べた通り、パージ制御ステップＳ９では、ＶＳＶ３６を開弁するとともに、点火プラグ１２による火花点火を停止して、燃料蒸気を含むガスを気筒１及び排気通路４を経由して触媒４１に流入させる。触媒４１に流入した未燃の燃料蒸気は、触媒４１に吸蔵された酸素と反応（酸化または燃焼）する。これにより、触媒４１に吸蔵されていた酸素が消費されて減少し、ＮＯ_xの還元能率が高まる。

パージ制御は、アイドルストップ条件の成立直後から実行することが許される。キャニスタ３５から吸気通路３への燃料蒸気の吸引には、スロットルバルブ３２の下流側の吸気負圧が利用されるため、パージ制御は内燃機関が回転している最中に行う必要がある。本実施形態では、アイドルストップにより機関の回転が停止する前にパージ制御ステップＳ９を実行することとしているが、アイドルストップ後の再始動の際（クランキング中等）にこれを実行することも不可能ではない。

パージ制御ステップＳ９にてＶＳＶ３６を開弁する時間の長さ、及び／または、ＶＳＶ３６の開度の大きさは、そのときの内燃機関の冷却水温及び／または吸気温の高低に応じて設定する。これは、気筒１の燃焼室内または排気通路４内で燃料蒸気が自着火して爆発燃焼することを予防する意図である。それ故、ＶＳＶ３６の開弁時間及び／または開度の上限は、冷却水温が高いほど小さくし、また吸気温が高いほど小さくする。

因みに、パージ制御ステップＳ９におけるＶＳＶ３６の開弁時間及び／または開度を、ステップＳ５にて知得した吸蔵酸素量を示唆する指標値の多寡に応じて調節しても構わない。具体的には、燃料カット終了条件の成立からアイドルストップ条件の成立までの期間が短いほど、ＶＳＶ３６の開弁時間を長く、またはＶＳＶ３６の開度を大きくする。上記の期間が長い場合には、アイドルストップ開始時点における触媒４１の酸素吸蔵量が十分に低下していると考えられるので、ＶＳＶ３６の開弁時間または開度を０として、事実上パージ制御を実行しないこともあり得る。

パージ制御は、ＶＳＶ３６の所要の開弁時間が経過したとき（ステップＳ１５）や、内燃機関の回転が停止した（エンジン回転数が０または０に近い閾値以下となった）ときに終了する（ステップＳ１６）。

アイドルストップ条件の成立後、所定のアイドルストップ終了条件が成立した暁には（ステップＳ１２、Ｓ１３）、内燃機関を再始動する（ステップＳ１４）。ステップＳ１２、Ｓ１３では、運転者がブレーキペダルから足を離した、逆にブレーキペダルがさらに強く踏み込まれた、アクセルペダルが踏み込まれた、アイドルストップ状態で所定時間（例えば、３分）が経過した等のうち何れかを以て、アイドルストップ終了条件が成立したものと判断する。

パージ制御が終了する前にアイドルストップ終了条件が成立した場合においては、パージ制御を中断（ＶＳＶ３６を閉弁）して速やかに内燃機関の再始動へと移行する。この再始動では、始動のために必要な量の燃料を各気筒１のインジェクタ１１から噴射し、かつ各気筒１の点火プラグ１２による火花点火を許可する。

本実施形態では、所定の燃料カット条件の成立に伴い燃料噴射を一時中止する燃料カットを実施し、また、所定のアイドルストップ条件の成立に伴い内燃機関のアイドル回転を停止させるアイドルストップを実施するものであって、燃料カット条件が成立して燃料カットを開始した後、アイドルストップ条件が成立してアイドルストップを開始する場合に、燃料蒸発ガス排出抑制装置３５に捕捉されている燃料蒸気を排気浄化用の触媒４１に流入させるパージ制御を実行する内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、燃料カットの後アイドルストップへと移行するに際して、燃料カット中に触媒４１に吸蔵された過剰な酸素を消化することができるので、アイドルストップ後の機関の再始動におけるＮＯ_xの排出を抑制することが可能となる。本実施形態の如く、アイドルストップ条件の一である車速の条件を（例えば、１０ｋｍ／ｈないし１３ｋｍ／ｈに）引き上げ、燃料カット終了からアイドルストップ開始までの間の一時的な燃料噴射の期間を短縮し、または当該期間をなくして燃料カット状態のままアイドルストップへと移行するようにしたとしても、エミッションの悪化は回避される。従って、燃費性能のより一層の向上に寄与する。

燃料蒸発ガス排出抑制装置３５に捕捉されている燃料蒸気は、インジェクタ１１から噴射する燃料と異なり、吸気ポートの内壁に液状となって付着（ポートウェット）するおそれが小さい。つまり、パージ制御の際に未燃の燃料成分を確実に触媒４１に送り込むことができる上、内燃機関の再始動の際に気筒１に充填される吸気の空燃比のばらつきを招きにくい（ポートウェットが揮発して空燃比をリッチ化させる事象を回避できる）。

加えて、本実施形態にあっては、燃料カットの終了からアイドルストップの開始までの期間の長さを計数し、その期間の長さが所定以下であることを条件として、パージ制御を実行する。触媒４１に吸蔵された酸素の量が所定の限度よりも多く、これをパージする必要があると考えられる場合に限り、ＶＳＶ３６を開弁して燃料蒸気を供給するので、ＮＯ_xの排出を抑止しながらも燃料消費を節約でき、また、機関の再始動の際の燃焼の安定化にも資する。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。パージ制御の実行の要否を判断する材料となる、触媒４１の酸素吸蔵量を示唆する指標値は、燃料カットの終了からアイドルストップの開始までの期間の長さには限定されない。例えば、アイドルストップの直前に実施された燃料カット期間の長さ、即ち、燃料カットを開始してから燃料カットを終了するまでの期間の長さ、または燃料カットを開始してから（燃料カット終了条件が成立することなく）アイドルストップ条件が成立するまでの期間の長さを計数して、これを触媒４１の吸蔵酸素量を示唆する指標値として扱うようにしてもよい。その場合、計数した上記の期間の長さが所定以下であることを条件として、パージ制御を実行する。

燃料カット中に触媒４１に流入した吸気の総量を計数して触媒４１に吸蔵された酸素の量を推定し、その酸素量が所定以上であることを条件としてパージ制御を実行することも考えられる。一度の吸気行程で一つの気筒１に充填される吸気の量は、そのときのサージタンク３３内圧力及びエンジン回転数等を基に推算でき、その充填吸気量を燃料カット期間に亘って積算（または、時間積分）すれば、触媒４１に流入した吸気の総量となる。燃料カット中に触媒４１に流入した吸気の総量が多いほど、触媒４１に吸蔵された酸素量が多くなることは言うまでもない。

触媒４１の酸素吸蔵能力には上限が存在し、燃料カット中に触媒４１が吸蔵する酸素の量は酸素吸蔵能力を超えない。触媒４１の酸素吸蔵能力は、触媒４１の経年劣化とともに減少してゆく。ＥＣＵ０は、ダイアグノーシスとして、触媒４１の酸素吸蔵能力を適宜推測している。燃料カット中に触媒４１に吸蔵された酸素量を推定する、ひいてはパージ制御の実行の要否を判断するにあたり、その酸素吸蔵能力を考慮に入れてもよい。

触媒４１のダイアグノーシスでは、触媒４１から酸素を完全に放出した状況の下で、触媒４１に流入するガスの空燃比を強制的にリーンに操作し、しかる後に触媒４１下流の空燃比センサの出力信号がリーンに切り替わるまでの間の経過時間を計測することにより、現在触媒４１に吸蔵している酸素量を推算する。触媒４１下流の空燃比センサの出力信号がリーンに反転した瞬間の酸素吸蔵量が、触媒４１の最大酸素吸蔵能力となる。

あるいは、触媒４１に酸素吸蔵能力一杯まで酸素を吸蔵した状況の下で、触媒４１に流入するガスの空燃比を強制的にリッチに操作し、しかる後に触媒４１下流の空燃比センサの出力信号がリッチに切り替わるまでの間の経過時間を計測することにより、触媒４１が放出した酸素の量、つまり酸素吸蔵能力一杯まで酸素を吸蔵した状態を基準とした酸素吸蔵量を推算することもできる。触媒４１下流の空燃比センサの出力信号がリッチに反転した瞬間の酸素吸蔵量が、触媒４１の最大酸素放出能力、即ち最大酸素吸蔵能力となる。

燃料カット条件やアイドルストップ条件の内容は、上記実施形態におけるものには限定されず、適宜に変更することが許される。同様に、燃料カット終了条件やアイドルストップ終了条件の内容も適宜に変更してよい。

その他、各部の具体的構成や処理の手順等は、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。

本発明は、車両に搭載される内燃機関の制御に適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１１…インジェクタ
１２…点火プラグ
３５…燃料蒸発ガス排出抑制装置（キャニスタ）
４１…触媒

Claims (2)

1. 所定の燃料カット条件の成立に伴い燃料噴射を一時中止する燃料カットを実施し、また、所定のアイドルストップ条件の成立に伴い内燃機関のアイドル回転を停止させるアイドルストップを実施するものであって、
   燃料カット条件が成立して燃料カットを開始した後、アイドルストップ条件が成立してアイドルストップを開始する場合に、燃料蒸発ガス排出抑制装置に捕捉されている燃料蒸気を排気浄化用の触媒に流入させるパージ制御を実行する内燃機関の制御装置。
2. 前記燃料カットの終了から前記アイドルストップの開始までの期間の長さを計数し、その期間の長さが所定以下であることを条件として前記パージ制御を実行する請求項１記載の内燃機関の制御装置。

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