JP2014214667A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷間始動時の排気を改善しつつ燃費の向上にも資する内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】冷間始動時における始動直後に三元触媒４１が所定温度に達する所定時期ｘまで点火時期を触媒暖気に係る補正量だけさらに遅角側に補正し、前記所定時期以後は空燃比をリーンに維持するとともに燃料噴射量の減少及び点火時期の遅角量の減少を実行し、燃焼状態に応じて燃料噴射量を補正することを特徴とする。これにより、始動直後に三元触媒が速やかに暖気され、暖気後速やかに空燃比がリーンに維持されるので、冷間始動で排出される炭化水素の量を有効に抑制することが可能となる。
【選択図】図４

Description

本発明は、冷間始動時における内燃機関の制御装置に関するものである。

従来、冷間始動時の内燃機関の制御では、始動直後の回転数の急激な上昇を回避するために一時的に点火時期を遅角し、しかる後、完爆後において触媒の暖気を目的として再度点火時期を遅角に制御することにより触媒を正常に機能させるといった制御が行われてきた。これにより、冷間始動時であっても触媒の暖気が行われた後は排気中の炭化水素の量が有効に抑えられる。また近年、かかる制御が行われる内燃機関において、始動時の吸気温に応じて、冷間始動時の触媒暖気のための点火時期の遅角度合いを制御することにより、触媒の早期の暖気と内燃機関のストールの回避を併せて実現しようとする技術も開示されている(例えば、特許文献１参照)。

しかしながら、これまでの内燃機関では、冷間始動時における触媒の暖気が完了する前の段階では排気中に炭化水素（ＨＣ）が比較的多く含まれていることが知られている。上記特許文献１に係る制御によっても触媒の暖気が完了する前の段階では従来同様に排気中に炭化水素が多く含まれていると考えられる。なお一方で、冷間始動時ではＮＯｘは殆ど排出されることはない。そして近年、排気をより向上させるという目的、且つ、燃費をより改善していくという目的の下、上述した冷間始動時における無駄な炭化水素の排出をより低減させ得る技術が求められている。

特開平６−２８０７２９号公報

本発明は、上述したような不具合に着目したものであり、冷間始動時の排気を改善しつつ燃費の向上にも資する内燃機関の制御装置を提供することを目的としている。

本発明は、このような目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。

すなわち本発明に係る内燃機関の制御装置は、冷間始動時における始動直後に触媒が所定温度に達する所定時期まで点火時期を触媒暖気に係る補正量だけさらに遅角側に補正し、前記所定時期以後は空燃比をリーンに維持するとともに燃料噴射量の減少及び点火時期の遅角量の減少を実行し、燃焼状態に応じて燃料噴射量を補正することを特徴とする。

ここで、「触媒が所定温度に達する所定時期」とは、触媒の実際の温度を直接計測する態様に限られない。すなわち、適合により触媒が所定温度に至るまでの時間を予め計測しておく態様であってもよい。また同様に、適合により触媒が所定温度に至るまでの燃料噴射量や吸気量の積算量を定めておき、かかる燃料噴射量や吸気量を基に所定時期を決定しても良い。

このようなものであれば、始動直後に触媒が速やかに暖気され、暖気後速やかに空燃比がリーンに維持されるので、冷間始動で排出される炭化水素の量を有効に抑制することが可能となる。また空燃比がリーンに維持されるということは燃費が向上されたことをも意味する。すなわち本発明によれば、冷間始動時の排気を改善しつつ燃費の向上にも資する内燃機関の制御装置を提供することが可能となる。

本発明によれば、冷間始動時の排気を改善しつつ燃費の向上にも資する内燃機関の制御装置を提供することができる。

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。 同実施形態における火花点火装置の回路図。 内燃機関の気筒におけるイオン電流の推移を示す図。 同実施形態における制御を示すタイミング図。 同実施形態における制御を示す他のタイミング図。

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。

図２に、火花点火用の電気回路を示している。点火プラグ１２は、点火コイル１４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。点火コイル１４は、半導体スイッチング素子であるイグナイタ１３とともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０からの点火信号ｉをイグナイタ１３が受けると、まずイグナイタ１３が点弧して点火コイル１４の一次側に電流が流れ、その直後の点火タイミングでイグナイタ１３が消弧してこの電流が遮断される。すると、自己誘導作用が起こり、一次側に高電圧が発生する。そして、一次側と二次側とは磁気回路及び磁束を共有するので、二次側にさらに高い誘導電圧が発生する。この高い誘導電圧が点火プラグ１２の中心電極に印加され、中心電極と接地電極との間で火花放電する。

ＥＣＵ０は、燃料の爆発燃焼の際に気筒１の燃焼室内に発生するイオン電流を検出し、そのイオン電流を参照して燃焼状態の判定を行う。

図２に示すように、本実施形態では、火花点火用の電気回路に、イオン電流を検出するための回路を付加している。この検出回路は、イオン電流を効果的に検出するためのバイアス電源部１５と、イオン電流の多寡に応じた検出電圧を増幅して出力する増幅部１６とを備える。バイアス電源部１５は、バイアス電圧を蓄えるキャパシタ１５１と、キャパシタ１５１の電圧を所定電圧まで高めるためのツェナーダイオード１５２と、電流阻止用のダイオード１５３、１５４と、イオン電流に応じた電圧を出力する負荷抵抗１５５とを含む。増幅部１６は、オペアンプに代表される電圧増幅器１６１を含む。

点火プラグ１２の中心電極と接地電極との間のアーク放電時にはキャパシタ１５１が充電され、その後キャパシタ１５１に充電されたバイアス電圧により負荷抵抗１５５にイオン電流が流れる。イオン電流が流れることで生じる抵抗１５５の両端間の電圧は、増幅部１６により増幅されてイオン電流信号ｈとしてＥＣＵ０に受信される。

図３に、正常燃焼における、イオン電流（図中実線で示す）及び気筒１内の燃焼圧力（筒内圧。図中破線で示す）のそれぞれの推移を例示している。イオン電流は、点火のための放電中は検出することができない。正常燃焼の場合のイオン電流は、火花点火の終了後、化学反応により、圧縮上死点の手前で減少した後、熱解離によって再び増加する。また、燃焼圧がピークを迎えるのとほぼ同時にイオン電流も極大となる。

そして本実施形態では、燃焼が正常燃焼であるか否かの判断を、イオン電流値が所定値を超える時間ｔの長さで行う。まず燃料が少なすぎて燃焼が起こらない、すなわち失火している場合にはイオン電流が流れないため時間ｔは検出されない。また燃焼はしているが正常燃焼のときよりも燃料噴射量が少ない場合には燃焼が緩慢であるため、時間ｔは図示の正常燃焼の場合よりも長く検出される。また燃料が多く噴射された場合には燃焼が速やかに終了する。すなわちかかる場合には時間ｔは図示の正常燃焼の場合よりも短く検出される。

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。

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。

内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ０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（Ｎ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（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、機関の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信号）ｇ、燃焼室内での混合気の燃焼に伴って生じるイオン電流を検出する回路から出力されるイオン電流信号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１３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（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、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。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能である。しかして、ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ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、図示しない電動機（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。

ここで、本実施形態に係る内燃機関の制御装置たるＥＣＵ０は、冷間始動時における始動直後に触媒すなわち三元触媒４１が所定温度に達する所定時期ｘまで点火時期触媒暖気に係る補正量だけさらに遅角側に補正し、前記所定時期ｘ以後は空燃比をリーンに維持するとともに燃料噴射量の減少及び点火時期の遅角量の減少を実行し、燃焼状態に応じて燃料噴射量を補正することを特徴とする。

以下、本実施形態における冷間始動時の制御について、図４及び図５に示して詳述する。

図４は、冷間始動時における吸気量、点火時期及び空燃比の制御と回転数及び触媒温度つまり三元触媒４１の温度との関係を示している。本実施形態に係る制御及び挙動を実線で示すとともに、従来の制御及び挙動を一点鎖線にて示している。同図において、一連の冷間始動時では従来、始動時（ａ）、始動後（ｂ）、そして（従来の）触媒暖気時（ｃ）、といった３つの時期に分けて制御が行われている。本実施形態でもこれら３つの時期に分けて説明する。

始動時（ａ）の期間では、回転数の吹き上がりすなわち急激な上昇を回避するための補正量と、触媒暖気に係る補正量に基づいて、点火時期を遅角側に補正する。このとき一点鎖線で示した従来の態様では回転数の吹き上がりを回避するためだけの量の点火時期の遅角のみを行っている。これに比べて本実施形態ではより大きく遅角側へ制御していることが分かる。また点火時期を大きく遅角側へ補正しても所望の回転数を得るべく本実施形態では、吸気量を従来のそれよりも大きく設定している。このとき従来に比べ空燃比が変わらないよう、燃料噴射量も大きくなるよう補正している。これにより、始動時（ａ）の回転数は従来と同じ挙動を示している。そして所定時期ｘにおいて、三元触媒４１の温度は十分に機能するに足る活性化された温度、例えば３５０度に達する。すると今度は速やかに空燃比がリーンとなるように燃料噴射量を減少する制御を行うとともに、点火時期の遅角量も０°ＣＡへ向けて逓減させていく。

始動後（ｂ）の時期では、空燃比をリーンに維持しつつ、図５に示すようなイオン電流の挙動に基づいた燃料噴射量の制御を開始する。かかる燃料噴射量の制御に関しては後述する。

そして、（従来の）触媒暖気時（ｃ）では、本実施形態では引き続きイオン電流の挙動に基づいた燃料噴射量の制御を継続する。ところで、同図に一点鎖線で示されるように従来では、この時期（ｃ）においてはじめて三元触媒４１の暖気を目的とした制御を開始していた。つまり、かかる時期（ｃ）において、再度点火時期を遅角側に補正するとともに、空燃比を適宜リッチとすべく燃料噴射量及び吸気量を増大させる制御を行っていた。これに対して本実施形態では三元触媒４１の暖気は始動時（ａ）において既に行っているため、上記のような一点鎖線に係る制御は行わない。つまりこの時期（ｃ）において空燃比をリーンに維持しつつ点火時期もより進角となるよう制御しているため、燃料噴射量の低減を実現している。

ここで、本実施形態では始動における（ａ）、（ｂ）、（ｃ）何れの時期においても、図示しないＯ２センサの活性化のための空燃比リッチ及び点火時期遅角制御を行わない。そこで（ｂ）、（ｃ）の時期及び、例えばＯ２センサが活性化されるまでの間の燃料噴射量の燃料噴射量の制御は、図３に示すようなイオン電流の挙動により行う。

図５は、始動後において燃料噴射量の制御を検出されるイオン電流の挙動に基づいて行う一態様を示している。まず、始動直後に燃料噴射量を減少させてゆくと、イオン電流がイオン電流値が所定値を超える時間ｔが検出されない失火フラグが１となる。この失火フラグが１となったときは、燃焼噴射量を逓増させる制御を行う。しかる後に同図では燃焼が現れるようになり、イオン電流値が所定値を超える時間ｔが正常よりも長く現れる燃焼時間ｔ長フラグが１となる。この燃焼時間ｔフラグが１となると、燃料噴射量の逓増度合いすなわちグラフの傾きを緩やかに補正する。そして、同図に示される失火フラグ、燃焼時間ｔ長フラグ、燃焼時間ｔ短フラグの何れも１とならない時は、図３に示す正常燃焼が行われていると判断する。正常燃焼時は、本実施形態では燃料噴射量を逓減させる制御を行う。また、図３に示す正常燃焼時よりも燃焼が活発である場合は燃焼時間ｔが短くなるため、図５のように燃焼時間ｔ短フラグが１となる。このときは燃料噴射量の逓減度合いを強くする。換言すれば、グラフの傾きが大きくなるように燃料噴射量を正常燃焼のときよりも一層大きく逓減させてゆく制御を行う。このようにして、Ｏ２センサによらない燃焼噴射量の制御を実現している。また勿論、上述した燃料噴射量の制御すなわちインジェクタ１１の制御に合わせて適宜吸気量の制御を電子スロットルバルブ３２を介して行っていることは言うまでもない。また、始動時からの時間の経過により図示しないＯ２センサが活性化されるようになれば、Ｏ２センサから得られる値に基づいた制御に適宜切り替えても良いことは言うまでもない。

以上のようにすることにより、本実施形態に係る内燃機関の制御装置つまりＥＣＵ０は、始動直後に三元触媒４１が速やかに暖気され、暖気後速やかに空燃比がリーンに維持される。これにより、冷間始動で排出される炭化水素の量が有効に抑制されている。また空燃比がリーンに維持されるということは燃費が向上されたことをも意味する。すなわち本実施形態によれば、冷間始動時の排気を改善しつつ燃費の向上にも資する内燃機関の制御装置つまりＥＣＵ０を実現している。

特に本実施形態では図示しないＯ２センサの活性化を始動時では行わない制御としているため、Ｏ２センサ活性のために必要な燃料も節約され、より一層の燃費の向上を実現している。なお本実施形態では上記の通り炭化水素の排出が大きく抑えられる反面、従来に比べＮＯｘの排出度合いが若干高くなることが考えられる。しかし冷間始動時の機関温度は低く推移するために通常ＮＯｘの絶対量は他の運転領域に比べて低い。つまりＮＯｘの排出度合いが多少変動しても絶対値がそもそも低いため、絶対値が大きく増加することは無い。

以上、本発明の実施形態について説明したが、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、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。

例えば、上記実施形態ではイオン電流による燃焼状態の判定を適用した態様を開示したが、勿論、気筒に筒内圧センサを設けたものにおいては、かかる筒内圧センサの検出値から燃焼圧を直接的に検出して燃料状態の判定を行うようにしても良い。また始動時において燃焼室の温度が低いときはイオン電流の挙動が相対的に小さく現れる場合があるが、このようなイオン電流の挙動を加味した燃焼状態の判定を適用したものであってもよい。また始動時から通常の運転時の制御に切り替える際の挙動や冷間始動か否かを判別するための具体的な態様は上記実施形態のものに限定されることはなく、既存のものを含め、種々の態様のものを適用することができる。

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。

本発明は冷間始動時における内燃機関の制御装置として利用することができる。

０…内燃機関の制御装置（ＥＣＵ）
１１…インジェクタ
１２…点火プラグ
３２…電子スロットルバルブ
４１…触媒（三元触媒）
ｘ…所定時期

Claims (1)

1. 冷間始動時における始動直後に触媒が所定温度に達する所定時期まで点火時期を触媒暖気に係る補正量だけさらに遅角側に補正し、
   前記所定時期以後は空燃比をリーンに維持するとともに燃料噴射量の減少及び点火時期の遅角量の減少を実行し、燃焼状態に応じて燃料噴射量を補正することを特徴とする内燃機関の制御装置。

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