JP2016113910A - エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アルコール濃度が高い燃料を用いる場合にも、他の有害成分の排出量の増大を抑制しながらＨＣ、ＣＯの排出量増加を防止可能なエンジンの制御装置を提供する。【解決手段】排気通路に排気ガスを浄化する三元触媒が設けられたエンジンの制御装置は、混合気における空燃比を検出する空燃比検出部と、目標空燃比を設定する目標空燃比設定部と、燃料のアルコール濃度を検出するアルコール濃度検出部と、検出されたアルコール濃度を基に、燃料の理論空燃比を検出する理論空燃比検出部とを備える。目標空燃比は、アルコール濃度が高いほど、検出された理論空燃比からリーン側にシフトした値に設定される。【選択図】図５

Description

本発明は、アルコールを含有する燃料を使用可能なエンジンを制御するエンジンの制御装置に関する。

一般的に、車両用のエンジンでは、燃費向上の観点から、燃焼室に供給される空気と燃料の質量混合比（空燃比：空気の質量／燃料の質量）が、酸素と燃料が過不足なく反応するときの値（理論空燃比）またはこれに近い値に設定される。具体的には、排気ガス中の残存酸素濃度を測定して、当該濃度が高いときには空燃比を小さくし（リッチ側にシフトさせ）、当該濃度が低いときには空燃比を大きくする（リーン側にシフトさせる）制御が行われる。

上記燃料として一般的にはガソリンや軽油が用いられるが、石油の消費量や排気ガス中の二酸化炭素を削減するといった目的のため、エタノールやメタノール等のアルコールを含有する燃料を使用可能なエンジンが実用化されている。アルコール分子は酸素原子を含むため、燃料のアルコール濃度が高いほど上記理論空燃比は小さくなる。理論空燃比は、Ｅ０（ガソリン１００％）では約１４．７であり、Ｅ１００（エタノール１００％、実際には水を約５％含む含水エタノール）では約９．０である。

例えば特許文献１には、三元触媒による排気浄化効率を向上させる目的で、燃料のアルコール濃度を検出し、検出したアルコール濃度に応じた理論空燃比を算出し、当該アルコール濃度が高いほど空燃比の目標値（目標空燃比）を上記理論空燃比からリッチ側にシフトさせるように構成されたエンジンの制御装置が開示されている。

ここで、燃料の燃焼により発生する排気ガスには、ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）等の有害物質が含まれる。これらの有害物質は、エンジンの排気通路に設けられた三元触媒により酸化または還元されて除去される。しかし、三元触媒による各有害物質の浄化率は、ＨＣとＣＯについては空燃比が理論空燃比よりリッチになるほど低下し、ＮＯｘについてはリーンになるほど低下する。

特開昭６２−２９４７４０号公報

上記の通り、燃料のアルコール濃度が高いほど理論空燃比が小さくなり、同じ吸入空気量に対して供給すべき燃料の量が増加する。また、アルコールの単位質量当たりのエネルギ発生量はガソリン等に比べて小さいため、同じ要求駆動力を満足するために供給すべき燃料の量はアルコール濃度が高いほどさらに増加する。従って、特許文献１のように、アルコール濃度が高くなるほど、三元触媒によるＨＣとＣＯの浄化率が低いリッチ側に目標空燃比をシフトさせると、三元触媒により浄化されずに車外へ排出されるＨＣとＣＯの量が増加する。

本発明は、アルコール濃度が高い燃料を用いる場合にも、他の有害成分の排出量の増大を抑制しながらＨＣ、ＣＯの排出量増加を防止可能なエンジンの制御装置を提供することを課題とする。

本発明は、エンジンの排気通路に設けられた三元触媒が劣化した場合であっても、他の有害成分の排出量の増大を抑制しながらＨＣ、ＣＯの排出量増加を防止可能なエンジンの制御装置を提供することを更なる課題とする。

請求項１に記載の発明は、排気通路に排気ガスを浄化する三元触媒が設けられ、アルコールを含有する燃料を使用可能なエンジンを制御するエンジンの制御装置であって、
空気と燃料の混合気における空燃比を検出する空燃比検出部と、
前記空燃比の目標値である目標空燃比を設定する目標空燃比設定部と、
前記燃料のアルコール濃度を検出するアルコール濃度検出部と、
前記アルコール濃度検出部により検出されたアルコール濃度を基に、前記燃料の理論空燃比を検出する理論空燃比検出部とを備え、
前記目標空燃比設定部は、前記アルコール濃度が高いほど、前記理論空燃比検出部により検出された理論空燃比からリーン側にシフトした目標空燃比を設定することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記三元触媒の劣化を検出する劣化検出部を備え、
前記目標空燃比設定部は、前記劣化検出部により前記三元触媒の劣化が検出されたときに、前記目標空燃比設定部により設定された目標空燃比をリッチ側に所定量補正することを特徴とする。

本願の請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、
前記所定量は、前記アルコール濃度が高いほど小さいことを特徴とする。

本願請求項１に記載の発明によれば、燃料のアルコール濃度が高いほど、三元触媒によるＨＣとＣＯの浄化率が高いリーン側に目標空燃比がシフトするので、浄化されずに車外へ排出されるＨＣとＣＯの量を充分に削減できる。また、アルコールはガソリン等よりも燃焼温度が低く、燃料のアルコール濃度が高いほどＮＯｘの発生量が低下するので、目標空燃比がシフトしたとしてもＮＯｘの排出量の増大が抑制される。
このようにして、アルコール濃度が高い燃料を用いる場合にも、他の有害成分の排出量の増大を抑制しながらＨＣ、ＣＯの排出量増加を防止可能なエンジンの制御装置が実現する。

本願請求項２に記載の発明によれば、三元触媒が劣化するとリーン側でＮＯｘの浄化率が低下してしまうという事実に鑑みて、三元触媒の劣化が検出されると目標空燃比がリッチ側に補正され、これによりＮＯｘの排出量の増大が抑制される。
このようにして、三元触媒が劣化した場合であっても、他の有害成分の排出量の増大を抑制しながらＨＣ、ＣＯの排出量増加を防止可能なエンジンの制御装置が実現する。

請求項３に記載の発明によれば、燃料のアルコール濃度が高いほどＮＯｘの発生量が低下するという事実に鑑みて、燃料のアルコール濃度が高いほど、請求項２における目標空燃比のリッチ側へのシフト量が小さくされるので、ＮＯｘの排出量の増大を抑制しつつＨＣ、ＣＯについても排出量の増大を抑制することが可能となる。

本発明の実施の形態によるエンジンの制御装置を示す図である。 エタノール濃度と理論空燃比の関係を示す図である。 エタノール濃度に応じた目標空燃比の設定方法を示す図である。 （ａ）は、エタノール濃度に応じた目標空燃比の補正方法を示す図であり、（ｂ）は、エタノール濃度に応じた目標空燃比の補正量を示す図である。 目標空燃比の設定方法を示すフローチャートである。 空気過剰率と三元触媒による有害物質の浄化率との関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態によるエンジンの制御装置を示す図である。
エンジン１は、エタノール等のアルコールを含有する燃料を使用することが可能なエンジンであり、フレックス燃料車（ＦＦＶ：Flexible Fuel Vehicle）に搭載される。以下では、アルコールがエタノールである場合について説明するが、アルコールはメタノール等であってもよい。

エンジン１は、図示しないクランクシャフトに連結されて摺動自在に設けられたピストン１１、ピストン１１の上方に形成された燃焼室１２、燃焼室１２内に燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射弁）１３、燃焼室１２内に供給される空気と燃料との混合気に火花点火する点火プラグ１４などを備える。エンジン１は、燃焼室１２内に直接燃料が噴射されるいわゆる直噴エンジンであるが、吸気ポート内に燃料を噴射するいわゆるポート噴射式エンジンであってもよい。また、図１にはエンジン１として１つの気筒を図示しているが、実際には複数の気筒が備えられている。

エンジン１の吸気通路１５には、エンジン１の空気吸入量を調節するスロットル弁（図示せず）などが設けられている。エンジン１の排気通路１６には、排気ガスを浄化する触媒装置が接続されている。本実施形態で、触媒装置は直キャタリスト（以下、直キャタと称す）２１とアンダーフットキャタリスト（以下、アンダーフットキャタと称す）２２から構成されている。直キャタ２１とアンダーフットキャタ２２はそれぞれ三元触媒を含有する。アンダーフットキャタ２２は直キャタ２１を補助する機能を有する。

また、エンジン１の排気通路１６には、直キャタ２１の上流側にＡ／Ｆセンサ（リニアＯ_２センサ）３１が設けられ、直キャタ２１とアンダーフットキャタ２２との間にＯ_２センサ３２が設けられている。Ａ／Ｆセンサ３１は、排気ガス中の酸素濃度と未燃ガス濃度を基に、燃焼室に供給される空気と燃料の混合気における空燃比を検出するラフ（ＬＡＦ：Linear Air Fuel Ratio）センサである。Ａ／Ｆセンサ３１は空燃比検出部の一例である。Ｏ_２センサ３２は、直キャタ２１により浄化された排気ガス中の酸素濃度を検出する。

Ａ／Ｆセンサ３１とＯ_２センサ３２はＰＣＭ(パワートレインコントロールモジュール)４０に接続されている。ＰＣＭ４０は、ＣＰＵ（中央処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリーメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）などから構成されるマイクロプロセッサである。以下、ＲＯＭとＲＡＭを区別せず単にメモリと称す。

ＰＣＭ４０は、Ａ／Ｆセンサ３１とＯ_２センサ３２からの信号を受信し、インジェクタ１３と点火プラグ１４へ制御信号を送信する。なお、図示していないが、ＰＣＭ４０はエンジン回転数センサやアクセル開度センサなどからも信号を受信し、スロットル弁アクチュエータなどへも制御信号を送信する。

ＰＣＭ４０により、エタノール濃度検出部、理論空燃比検出部、劣化検出部および目標空燃比設定部が実現される。以下、これらの構成について説明する。

エタノール濃度検出部．
ＰＣＭ４０のエタノール濃度検出部は、燃料のエタノール濃度を検出するように構成されている。
ＰＣＭ４０のメモリには、図２に示すエタノール濃度Ｅ−理論空燃比Ｔのマップが記憶されている。理論空燃比Ｔは、エタノール濃度Ｅが高いほど小さくなり、エタノール０％で１４．７、エタノール１００％で９．０である。エタノール濃度検出部は、（１）エタノールの濃度を仮設定し、（２）仮設定した濃度についての理論空燃比（仮理論空燃比）を図２のマップから決定し、（３）仮理論空燃比で燃料を噴射するようにインジェクタ１３に制御信号を送信する。

このとき、Ａ／Ｆセンサ３１により検出された空燃比が仮理論空燃比より大きければ、実際のエタノール濃度は仮設定した濃度よりも高かったと判定し、空燃比が仮理論空燃比より小さければ、実際のエタノール濃度は仮設定した濃度よりも小さかったと判定する。仮設定するエタノールの濃度を修正しつつ上記（１）から（３）を繰り返し、Ａ／Ｆセンサ３１により検出される空燃比が仮理論空燃比に一致したときのエタノール濃度Ｅを検出値として決定する。

あるいは、燃料のエタノール濃度を直接に検出するセンサが設けられてもよい。例えば、屈折率や誘電率を測定するセンサが設けられてもよい。

理論空燃比検出部．
ＰＣＭ４０の理論空燃比検出部は、燃料の理論空燃比を検出するように構成されている。理論空燃比検出部は、図２のマップを用いて、エタノール濃度検出部により検出されたエタノール濃度Ｅに対応する理論空燃比Ｔを決定する。

劣化検出部．
ＰＣＭ４０の劣化検出部は、直キャタ２１に含有される三元触媒の劣化を検出するように構成されている。
三元触媒は、劣化すると酸素吸蔵能が低下する。従って、酸素吸蔵能の低下を検出することで直キャタ２１に含有される三元触媒の劣化を検出できる。酸素吸蔵能の低下は、いわゆるＣｍａｘ法により検出される。例えば、直キャタ２１の上流側で排気ガスの空燃比をリッチ・リーンに交互に制御し、その間にＯ_２センサ３２により直キャタ２１が吸放出する酸素量を計測し、酸素吸蔵能を検出する。劣化検出部は、直キャタ２１の酸素吸蔵能の低下量がしきい値を超えているときに、直キャタ２１に含有される三元触媒が劣化していると決定する。

目標空燃比設定部．
ＰＣＭ４０の目標空燃比設定部は、空燃比の目標値である目標空燃比を設定するように構成されている。
まず、目標空燃比設定部は、理論空燃比検出部により検出された理論空燃比Ｔからリーン側にシフトした目標空燃比Ａ１を図３のように設定する。図３において、実線は目標空燃比Ａ１を、破線は理論空燃比Ｔを示す。目標空燃比設定部は、ＰＣＭ４０のメモリに記憶されたエタノール濃度Ｅ−シフト量のマップを呼び出し、エタノール濃度Ｅに対応するシフト量を決定する。図３に示すように、シフト量（Ａ１−Ｔ）は、エタノール濃度Ｅが高いほど大きい。なお、図３では、シフト量がエタノール濃度に対して直線的に変化するように図示しているが、これに限定されることはない。

次に、目標空燃比設定部は、劣化検出部により直キャタ２１が劣化していると決定されたときに、設定した目標空燃比Ａ１を図４（ａ）のようにリッチ側に補正して目標空燃比Ａ２を得る。図４（ａ）において、実線は目標空燃比Ａ２を、一点鎖線は目標空燃比Ａ１を、破線は理論空燃比Ｔを示す。目標空燃比設定部は、ＰＣＭ４０のメモリに記憶された図４（ｂ）のエタノール濃度Ｅ−補正量のマップを呼び出し、エタノール濃度Ｅに対応する補正量を決定する。図４（ｂ）に示すように、補正量（Ａ１−Ａ２）は、エタノール濃度Ｅが高いほど小さい。図４（ａ）に示すように、目標空燃比Ａ２は理論空燃比Ｔより小さくてもよい。なお、図４（ｂ）では、補正量がエタノール濃度に応じて直線的に変化するように図示しているが、これに限定されることはない。

次に、図５のフローチャートを用いて、ＰＣＭ４０による処理手順のステップＳ１〜８について説明する。

（Ｓ１）Ａ／Ｆセンサ３１、Ｏ_２センサ３２などからの信号がＰＣＭ４０に入力される。
（Ｓ２）エタノール濃度検出部により、Ａ／Ｆセンサ３１からの信号を基に燃料のエタノール濃度Ｅが検出される。
（Ｓ３）理論空燃比検出部により、ステップＳ２で検出されたエタノール濃度Ｅを基に理論空燃比Ｔが検出される。
（Ｓ４）目標空燃比設定部により、エタノール濃度Ｅを基に目標空燃比の理論空燃比Ｔからのシフト量が決定される。
（Ｓ５）目標空燃比設定部により目標空燃比Ａ１が設定される。

（Ｓ６）劣化検出部により、Ｏ_２センサ３２からの信号を基に直キャタ２１が劣化しているか否かが決定される。劣化していない場合（Ｎｏ）には、目標空燃比Ａ１で燃料を噴射するようにインジェクタ１３に制御信号が送信される。
（Ｓ７）ステップＳ６で、経年劣化やその他の異常により直キャタ２１が劣化していると決定された場合（Ｙｅｓ）、目標空燃比設定部によりエタノール濃度Ｅを基に目標空燃比の補正量が決定される。
（Ｓ８）目標空燃比設定部により目標空燃比Ａ１が目標空燃比Ａ２に補正される。

次に、空気過剰率と三元触媒による有害物質の浄化率との関係を示す図６を用いて、本実施形態による作用を説明する。
図６の上側の図は、三元触媒が劣化していないときの浄化率特性を、下側の図は、三元触媒が劣化したときの浄化率特性を示す。図６の横軸は空気過剰率λ（空燃比／理論空燃比）を示す。空気過剰率λが大きいほど空燃比はリーン（酸素過剰）である。図６の縦軸は三元触媒による各有害物質の浄化率を示す。実線はＮＯｘ、破線はＨＣ、一点鎖線はＣＯの浄化率を示す。三元触媒によるＨＣとＣＯの浄化率は、空燃比が理論空燃比よりリッチになるほど低下し、ＮＯｘの浄化率はリーンになるほど低下する傾向がある。また、三元触媒が劣化するとリーン側でＮＯｘの浄化率が低下する傾向がある。なお、図６は、本発明者らによりＯ_２センサを用いて測定したものであるが、他の測定方法でも図６と同様の傾向が得られる。

図６で符号ａを付した矢印は、エタノール濃度が低い場合の、図３で説明した目標空燃比Ａ１の理論空燃比Ｔからのシフトを示す。矢印ａで示すリーン側へのシフトにより、ＨＣとＣＯの浄化率が上昇する。一方、同シフトによりＮＯｘの浄化率は低下する。エタノール濃度が高い場合、シフト量は矢印ａよりも大きくなり、ＮＯｘの浄化率はより低下する。しかし、エタノール濃度Ｅが高いほどＮＯｘの発生量が低下するので、結果としてＮＯｘの排出量の増大が抑制される。

図６で符号ｂを付した矢印は、矢印ａと同じ低エタノール濃度についての、図４で説明した目標空燃比Ａ１の目標空燃比Ａ２への補正を示す。矢印ｂで示すリッチ側への補正により、ＮＯｘの浄化率が上昇する。三元触媒が劣化するとリーン側でＮＯｘの浄化率が低下するので、目標空燃比の補正によりＮＯｘの排出量の増大が抑制される。一方、同シフトによりＨＣとＣＯの浄化率は若干低下する。しかし、本実施形態では、アルコール濃度Ｅが高いほどＮＯｘの発生量が低下するという事実に鑑みて、エタノール濃度Ｅが高いほど目標設定値の補正量を小さくする制御が行われる。これにより、ＮＯｘの排出量の増大は抑制される一方、ＨＣ、ＣＯについても排出量の増大が抑制される。

以上、上記実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。また、上記実施形態には種々の変形、改良が加えられてよく、従って本発明には種々の変形例が存在する。

例えば、上記実施形態で、ＰＣＭ４０の劣化検出部は、直キャタ２１に含有される三元触媒が劣化しているか否かを決定したが、酸素吸蔵能の低下量についてしきい値を複数設定することにより、劣化の程度を連続的に検出してもよい。

以上のように、本発明によれば、アルコール濃度が高い燃料を用いる場合にも、他の有害成分の排出量の増大を抑制しながらＨＣ、ＣＯの排出量増加を防止可能なエンジンの制御装置が実現するから、この種の制御装置を備えた車両の製造産業分野において本発明が好適に利用される可能性がある。

１ エンジン
１２ 燃焼室
１３ インジェクタ
１５ 排気通路
２１ 直キャタリスト
３１ Ａ／Ｆセンサ
３２ Ｏ_２センサ
４０ ＰＣＭ
Ｅ エタノール濃度
Ｔ 理論空燃比
Ａ１ 目標空燃比
Ａ２ 目標空燃比

Claims (3)

1. 排気通路に排気ガスを浄化する三元触媒が設けられ、アルコールを含有する燃料を使用可能なエンジンを制御するエンジンの制御装置であって、
   空気と燃料の混合気における空燃比を検出する空燃比検出部と、
   前記空燃比の目標値である目標空燃比を設定する目標空燃比設定部と、
   前記燃料のアルコール濃度を検出するアルコール濃度検出部と、
   前記アルコール濃度検出部により検出されたアルコール濃度を基に、前記燃料の理論空燃比を検出する理論空燃比検出部とを備え、
   前記目標空燃比設定部は、前記アルコール濃度が高いほど、前記理論空燃比検出部により検出された理論空燃比からリーン側にシフトした目標空燃比を設定することを特徴とする、
   エンジンの制御装置。
2. 前記三元触媒の劣化を検出する劣化検出部を備え、
   前記目標空燃比設定部は、前記劣化検出部により前記三元触媒の劣化が検出されたときに、前記目標空燃比設定部により設定された目標空燃比をリッチ側に所定量補正することを特徴とする、
   請求項１に記載のエンジンの制御装置。
3. 前記所定量は、前記アルコール濃度が高いほど小さいことを特徴とする、
   請求項２に記載のエンジンの制御装置。

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