JP2017115615A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の始動直後のエミッション性能をより向上させる。【解決手段】エンジンＥＣＵは、エンジンの始動に際して、目標空燃比ＡＦｔａｇを理論空燃比よりも大きいリーン目標値に設定すると共に、所定条件の成立に伴って目標空燃比ＡＦｔａｇを理論空燃比よりも小さいリッチ目標値に設定するエミッション低減処理を実行し（ステップＳ１２０）、エミッション低減処理が実行されていない際にエンジンの運転状態に応じて目標空燃比ＡＦｔａｇを補正する一方（ステップＳ１３０）、エミッション低減処理が実行されている際には、エンジン１の運転状態に応じた目標空燃比ＡＦｔａｇの補正を行わない。【選択図】図２

Description

本開示は、燃焼室から排出される排ガスを浄化するための触媒を含む排ガス浄化装置と、燃焼室から排出される排ガスの空燃比を検出する空燃比センサとを有する内燃機関の制御装置に関する。

従来、この種の制御装置として、内燃機関の冷間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機に係る補正量だけさらに遅角側に補正し、当該所定時期以後に、空燃比をリーンに維持するとともに燃料噴射量の減少およ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ものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この制御装置は、触媒暖機後に速やかに空燃比をリーンに維持することで、冷間始動時のＨＣ（炭化水素）の排出量を低減化すると共に燃費を向上させようとしている。また、従来、エンジンの空燃比制御装置として、排気浄化装置の上流側における第１の空燃比を検出するための手段と、排気浄化装置の下流側における第２の空燃比を検出するための手段と、エンジンの運転状態を検出するための運転状態検出手段と、第２の空燃比および運転状態に基づいて、エンジンの空燃比の補正値を算出する算出手段と、第１の空燃比および補正値に基づいて、エンジンの空燃比を制御する制御手段とを含むものが知られている（例えば、特許文献２参照）。この空燃比制御装置によれば、エンジンの出力が高くなって予め定められた空燃比の範囲（ウインド）がリッチ側へと動くときに、エンジンの出力が高いほどリッチ側への空燃比の変動量を大きくして空燃比をウインド内の値にすることができる。また、検出された空燃比がリッチである場合には、リーンである場合に比べてリッチ側への空燃比の変動量を小さくすることで、オーバーリッチとなって空燃比がウインドから外れることを抑制し、排気浄化装置により排ガスを良好に浄化することができる。

特開２０１４−２１４６６７号公報 特開２００５−３５１１７７号公報

内燃機関のエミッション性能とドライバビリティーとを両立させるためには、触媒暖機後に速やかに空燃比をリーンに維持する処理（特許文献１）と、運転状態に応じた空燃比の補正値の設定処理（特許文献２）とを組み合わせることが考えられる。しかしながら、内燃機関の始動直後に空燃比をリーンに維持している際に当該内燃機関の運転状態に応じて空燃比の目標値がリッチ側に補正されてしまうと、ＨＣ排出量を低減化し得なくなるおそれがある。

そこで、本開示の発明は、内燃機関の始動直後のエミッション性能をより向上させることを主目的とする。

本開示の内燃機関の制御装置は、燃焼室から排出される排ガスを浄化するための触媒を含む排ガス浄化装置と、前記排ガス浄化装置の上流側で前記排ガスの空燃比を検出する空燃比センサとを有する内燃機関の制御装置であって、前記空燃比センサにより検出される空燃比が目標空燃比になるように前記内燃機関を制御する制御装置において、前記内燃機関の始動に際して、前記目標空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン目標値にすると共に、所定条件の成立に伴って前記目標空燃比を前記理論空燃比よりも小さいリッチ目標値にするエミッション低減処理を実行するエミッション低減処理手段と、前記エミッション低減処理が実行されていない際には、前記内燃機関の運転状態に応じて前記目標空燃比を補正し、前記エミッション低減処理が実行されている際には、前記内燃機関の運転状態に応じて前記目標空燃比を補正しない補正手段とを備えるものである。

この制御装置は、内燃機関の始動に際して、目標空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン目標値にすると共に、所定条件の成立に伴って目標空燃比を理論空燃比よりも小さいリッチ目標値にするエミッション低減処理を実行する。これにより、内燃機関の始動後に目標空燃比をリーン目標値にして触媒の暖機を促進させつつＨＣ排出量を低減化すると共に、所定条件の成立に伴って目標空燃比をリッチ目標値にすることで、触媒雰囲気がリーン雰囲気になってＮＯｘの浄化性能が低下してしまうのを抑制することができる。また、この制御装置は、エミッション低減処理が実行されていない際に内燃機関の運転状態に応じて目標空燃比を補正する一方で、エミッション低減処理が実行されている際には、内燃機関の運転状態に応じた目標空燃比の補正を実行しない。これにより、エミッション低減処理により目標空燃比がリーン目標値に設定されている際に、当該目標空燃比がリッチ側に補正されることによってＨＣ排出量が増加してしまうのを抑制することが可能となる。更に、エミッション低減処理により目標空燃比がリッチ目標値に設定されている際には、当該目標空燃比がリッチ側に補正されることでＨＣ排出量が増加したり、触媒に吸蔵された酸素が過剰に還元されたりするのを抑制することができる。この結果、この制御装置によれば、内燃機関の始動直後のエミッション性能をより向上させることが可能となる。

本開示の制御装置により制御される内燃機関を例示する概略構成図である。 本開示の制御装置により実行される目標空燃比設定ルーチンの一例を示すフローチャートである。

次に、図面を参照しながら、本開示の発明を実施するための形態について説明する。

図１は、本開示の制御装置により制御される内燃機関としてのエンジン１を例示する概略構成図である。同図に示すエンジン１は、エンジン電子制御ユニット（以下、「エンジンＥＣＵ」という）１０により制御され、ガソリンや軽油といった炭化水素系の燃料と空気との混合気を複数（本実施形態では、４つ）の燃焼室２内で爆発燃焼させ、混合気の爆発燃焼に伴う図示しないピストンの往復運動をクランクシャフト（図示省略）の回転運動へと変換することにより動力を出力するものである。本実施形態のエンジン１は、当該エンジン１に加えて、モータジェネレータ（同期発電電動機）ＭＧを走行用動力の発生源として含むハイブリッド車両に搭載される。

エンジン１が搭載されるハイブリッド車両は、図１に示すように、車両全体を統括的に制御するハイブリッド電子制御装置（以下、「ＨＶＥＣＵ」という）２０や、モータジェネレータＭＧを駆動するインバータ３０、当該インバータ３０を介してモータジェネレータＭＧと電力をやり取り可能なバッテリ４０、ＨＶＥＣＵ２０と各種信号をやり取りしてインバータ３０を制御するモータ電子制御装置（以下、「ＭＧＥＣＵ」という）５０を含む。かかるハイブリッド車両は、運転者の出力要求やバッテリ４０の状態に基づいてエンジン１を間欠的に停止または始動（再始動）させることができるように構成されている。

ＨＶＥＣＵ２０は、図示しないＣＰＵ等を含むマイクロコンピュータであり、ハイブリッド車両の走行に際して、アクセル開度と車速とに基づいて走行に要求される要求トルクＴｒ＊を設定する。更に、ＨＶＥＣＵ２０は、当該要求トルクＴｒ＊等に基づいて、エンジン１の目標トルクＴｅ＊や目標パワーＰｅ＊、モータジェネレータＭＧへのトルク指令Ｔｍ＊を設定し、目標トルクＴｅ＊や目標パワーＰｅ＊をエンジンＥＣＵ１０に送信すると共に、トルク指令Ｔｍ＊をＭＧＥＣＵ５０に送信する。また、ＨＶＥＣＵ２０は、要求トルクＴｒ＊や目標パワーＰｅ＊（運転者の出力要求）、バッテリ４０の状態等に基づいてエンジンＥＣＵ１０に対するエンジン停止指令やエンジン始動指令を設定する。ＭＧＥＣＵ５０は、図示しないＣＰＵ等を含むマイクロコンピュータであり、ＨＶＥＣＵ２０からのトルク指令に基づいてインバータ３０をスイッチング制御する。

図１に示すように、エンジン１は、各燃焼室２の吸入ポートに接続された吸気管（吸気マニホールド）３や、吸入空気を清浄するエアクリーナ４、電子制御式のスロットルバルブ５、各燃焼室２に燃料を供給するための複数の燃料噴射弁６、燃焼室２ごとに設置された複数の点火プラグ７、各燃焼室２の排気ポートに接続された排気管（排気マニホールド）８、排気管８に接続された排ガス浄化装置９等を含む。燃料噴射弁６は、図示するように、対応する燃焼室２内（筒内）に燃料を直接噴射するものであるが、対応する燃焼室２の吸気ポートに燃焼を噴射するものであってもよい。排ガス浄化装置９は、図示しない排気バルブや排気管８を介して各燃焼室２から流入する排ガス中のＣＯ（一酸化炭素）やＨＣ、ＮＯｘといった有害成分を浄化するＮＯｘ吸蔵型の三元触媒９０を有している。

エンジン１では、エアクリーナ４にて清浄された空気がスロットルバルブ５や吸気管３、図示しない吸気バルブを介して各燃焼室２内に吸入され、吸入空気に対しては、各燃焼室２内で燃料噴射弁６から燃料が噴射される。空気と燃料との混合気は、各燃焼室２で点火プラグ７からの電気火花によって爆発燃焼させられる。エンジン１からの排ガスは、図示しない排気バルブや排気管８を介して排ガス浄化装置９へと送出され、排ガス浄化装置９にて浄化された後、外部へと排出される。

エンジンＥＣＵ１０は、図示しないＣＰＵや、各種制御プログラムを記憶するＲＯＭ、データを一時的に記憶するＲＡＭ、入出力ポート、通信ポート（何れも図示省略）等を含むマイクロコンピュータである。エンジンＥＣＵ１０は、図示しない入力ポートを介して、エンジン１の状態等を検出する各種センサからの信号を入力する。例えば、エンジンＥＣＵ１０は、図示しないクランクポジションセンサにより検出されるクランクシャフトの回転位置（クランクポジション）や、図示しないスロットルバルブポジションセンサにより検出されるスロットルバルブ５の弁体位置（スロットルポジション）、エアフローメータ１１により検出されるエンジン１の吸入空気量Ｇａ、吸気圧センサ１２により検出される吸気管３内の圧力（吸気管圧）、空燃比センサ１５により検出される空燃比ＡＦ、水温センサ１９により検出されるエンジン１の冷却水温度Ｔｗ等を入力する。空燃比センサ１５は、例えば固体電解質層と一対の電極とを有するものであり、排ガス浄化装置９の上流側すなわち各燃焼室２と排ガス浄化装置９との間で、各燃焼室２から排出される排ガスの空燃比ＡＦを検出する。

また、エンジンＥＣＵ１０は、ＨＶＥＣＵ２０に接続されており、当該ＨＶＥＣＵ２０と各種信号をやり取りする。更に、エンジンＥＣＵ１０は、クランクポジションセンサからのクランクポジションに基づいてエンジン１（クランクシャフト）の回転数Ｎｅを算出すると共に、エアフローメータ１１からの吸入空気量Ｇａに基づいて、エンジン１が始動されてからの積算吸入空気量Ｑｉや、最大吸入空気量に対する吸入空気量ＧＡの割合である負荷率ＫＬを算出する。加えて、エンジンＥＣＵ１０は、吸入空気量ＧＡや冷却水温度Ｔｗ、空燃比ＡＦ、点火時期の遅角量等に基づいて三元触媒９０の触媒床温（触媒温度）Ｔｃａｔを推定する。

ハイブリッド車両の走行に際して、エンジンＥＣＵ１０は、ＨＶＥＣＵ２０からの目標トルクＴｅ＊に基づいて目標吸入吸気量Ｇａ＊を設定すると共に、当該目標吸入吸気量Ｇａ＊に基づいてスロットルバルブ５を制御する。更に、エンジンＥＣＵ１０は、目標吸入空気量Ｇａ＊と、空燃比センサ１５により検出された空燃比ＡＦｆと、別途設定した目標空燃比ＡＦｔａｇとに基づいて、当該上流側空燃比ＡＦｆが目標空燃比ＡＦｔａｇになるように目標燃料噴射量を設定し、当該目標燃料噴射量に基づいて燃料噴射弁６を制御すると共に点火プラグ７を制御する。すなわち、エンジンＥＣＵ１０は、目標空燃比ＡＦｔａｇと空燃比センサ１５により検出される空燃比ＡＦとの偏差に基づいて各燃料噴射弁６をフィードバック制御する。また、エンジンＥＣＵ１０は、ＨＶＥＣＵ２０からのエンジン停止指令やエンジン始動指令に応じてエンジン１を停止または始動させる。

次に、エンジン１の目標空燃比ＡＦｔａｇの設定手順について説明する。図２は、エンジン１が運転される際にエンジンＥＣＵ１０により所定時間おきに実行される目標空燃比設定ルーチンの一例を示すフローチャートである。

図２の目標空燃比設定ルーチンの開始に際して、エンジンＥＣＵ１０の図示しないＣＰＵは、まずエミッション低減処理フラグＦｅｍの値を入力し（ステップＳ１００）、エミッション低減処理フラグＦｅｍが値０であるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。エミッション低減処理フラグＦｅｍは、図示しないスタートスイッチがオンされた後にエンジン１が最初に始動された際や、エンジン停止指令に応じて運転停止されていたエンジンが再始動された際に、排ガス浄化装置９の三元触媒９０によりＨＣやＮＯｘといった有害成分を良好に処理するためのエミッション低減処理が実行されるように値１に設定されるものである。ステップＳ１１０にてエミッション低減処理フラグＦｅｍが値１であると判断した場合、エンジンＥＣＵ１０は、エミッション低減処理として、目標空燃比ＡＦｔａｇをリーン目標値またはリッチ目標値に設定し（ステップＳ１２０）、所定時間経過後に再度ステップＳ１００以降の処理を実行する。

ステップＳ１２０におけるエミッション低減処理について具体的に説明する。ステップＳ１２０において、エンジンＥＣＵ１０は、エンジン１が始動（再始動）されてから、積算吸入空気量Ｑｉが所定量に達し、かつ推定された触媒床温Ｔｃａｔが所定温度に達するまで、目標空燃比ＡＦｔａｇを理論空燃比（ストイキオメトリ＝１４．６）よりも大きい予め定められた一定のリーン目標値に設定する。また、ステップＳ１２０において、エンジンＥＣＵ１０は、積算吸入空気量Ｑｉが所定量に達し、かつ推定された触媒床温Ｔｃａｔが所定温度に達すると、目標空燃比ＡＦｔａｇを理論空燃比よりも小さいリッチ目標値に設定する。本実施形態では、吸入空気量ＧＡおよび冷却水温度Ｔｗと、理論空燃比よりも小さいリッチ目標値との関係を規定する図示しない目標値マップが予め用意されてエンジンＥＣＵ１０のＲＯＭに格納されており、エンジンＥＣＵ１０は、当該目標値マップから吸入空気量ＧＡおよび冷却水温度Ｔｗに対応したリッチ目標値を導出して目標空燃比ＡＦｔａｇに設定する。

このように、エンジン１の始動後に目標空燃比ＡＦｔａｇをリーン目標値に設定することで、三元触媒９０の暖機を促進させつつＨＣ排出量を低減化することができる。また、触媒雰囲気がリーン雰囲気になると三元触媒９０のＮＯｘの浄化性能が低下してしまうが、積算吸入空気量Ｑｉが所定量に達し、かつ推定された触媒床温Ｔｃａｔが所定温度に達した段階から目標空燃比ＡＦｔａｇを吸入空気量ＧＡおよび冷却水温度Ｔｗに応じたリッチ目標値に設定することで、三元触媒９０のＮＯｘの浄化性能を維持してＮＯｘの排出を良好に抑制することが可能となる。そして、ステップＳ１２０において、エンジンＥＣＵ１０は、空燃比センサ１５により検出される空燃比ＡＦがリッチ目標値（目標空燃比ＡＦｔａｇ）に一致した段階でエミッション低減処理フラグＦｅｍを値０に設定する。

エミッション低減処理フラグＦｅｍが値０に設定された後に、ステップＳ１００以降の処理が実行される場合、ステップＳ１１０では、肯定判断がなされることになる。この場合、エンジンＥＣＵ１０は、エンジン１の運転状態を示すパラ-メータである回転数Ｎｅ、吸入空気量ＧＡ、負荷率ＫＬおよび冷却水温度Ｔｗに基づいて目標空燃比ＡＦｔａｇの補正量ΔＡＦを設定する（ステップＳ１３０）。本実施形態では、回転数Ｎｅ、吸入空気量ＧＡ、負荷率ＫＬおよび冷却水温度Ｔｗと、補正量ΔＡＦとの関係を規定する図示しない補正量マップが予め用意されてエンジンＥＣＵ１０のＲＯＭに格納されており、エンジンＥＣＵ１０は、当該補正量マップからエンジン１の運転状態に応じた補正量ΔＡＦを導出・設定する。補正量マップは、エンジン１の出力パワーが高いほど、補正量ΔＡＦを小さくにするように作成される。なお、補正量マップは、所定の運転状態に対応した補正量ΔＡＦを正の値にするように作成されてもよい。

ステップＳ１３０の処理の後、エンジンＥＣＵ１０は、ベース値としての理論空燃比に補正量ΔＡＦを加算した値を目標空燃比ＡＦｔａｇに設定する（ステップＳ１４０）。この際、ステップＳ１３０にて設定された補正量ΔＡＦが値０であれば、理論空燃比が目標空燃比ＡＦｔａｇとされ、補正量ΔＡＦが負の値であれば、リッチ側の空燃比が目標空燃比ＡＦｔａｇとされ、補正量ΔＡＦが正の値であれば、リーン側の空燃比が目標空燃比ＡＦｔａｇされる。これにより、各燃焼室２内における空燃比を基本的に理論空燃比付近にしつつ、運転者により大きなエンジン出力が要求された際に要求されたトルクをエンジン１から速やかに出力させ得るようにしてドライバビリティーを向上させることが可能となる。エンジンＥＣＵ１０は、ステップＳ１４０にて目標空燃比ＡＦｔａｇを設定してから所定時間が経過した後に、再度ステップＳ１００以降の処理を実行する。

上述のような目標空燃比設定ルーチンが実行される結果、エンジン１では、エミッション低減処理（ステップＳ１２０）が実行されていない際、エンジン１の運転状態に応じて目標空燃比ＡＦｔａｇが補正される（ステップＳ１３０，Ｓ１４０）。これに対して、ステップＳ１２０にてエミッション低減処理が実行されている際には、エンジン１の運転状態に応じた目標空燃比ＡＦｔａｇの補正が行われない。これにより、エミッション低減処理により目標空燃比ＡＦｔａｇがリーン目標値に設定されている際に、当該目標空燃比ＡＦｔａｇがリッチ側に補正されることによってＨＣ排出量が増加してしまうのを抑制することが可能となる。更に、エミッション低減処理により目標空燃比ＡＦｔａｇがリッチ目標値に設定されている際には、当該目標空燃比ＡＦｔａｇがリッチ側に補正されることでＨＣ排出量が増加したり、三元触媒９０に吸蔵された酸素が過剰に還元されたりするのを抑制することができる。この結果、エンジン１の始動直後のエミッション性能をより向上させることが可能となる。

また、エンジン１が搭載されるハイブリッド車両では、運転者の出力要求やバッテリ４０の状態に応じてエンジン１が間欠的に停止または始動される。従って、エミッション低減処理の実行中にエンジン１の運転状態に応じた目標空燃比ＡＦｔａｇの補正を禁止することは、ハイブリッド車両におけるエミッション性能を向上させる上で、極めて有用である。加えて、三元触媒９０の活性度の変化に合わせて補正量マップを適合するのは非常に困難であることから、エミッション低減処理の実行中にエンジン１の運転状態に応じた目標空燃比ＡＦｔａｇの補正を禁止することで、補正量マップの適合負担を軽減することも可能となる。

以上説明したように、本実施形態のエンジンＥＣＵ１０は、燃焼室２から排出される排ガスを浄化するための三元触媒９０を含む排ガス浄化装置９と、排ガス浄化装置９の上流側で排ガスの空燃比ＡＦを検出する空燃比センサ１５とを有するエンジン１の制御装置であって、空燃比センサ１５により検出される空燃比ＡＦが目標空燃比ＡＦｔａｇになるようにエンジン１（燃料噴射弁６）を制御するものである。そして、エンジンＥＣＵ１０は、エンジン１の始動に際して、目標空燃比ＡＦｔａｇを理論空燃比よりも大きいリーン目標値に設定すると共に、所定条件の成立、すなわち積算吸入空気量Ｑｉが所定量に達し、かつ推定された触媒床温Ｔｃａｔが所定温度に達したのに伴って目標空燃比ＡＦｔａｇを理論空燃比よりも小さいリッチ目標値に設定するエミッション低減処理を実行するエミッション低減処理手段（ステップＳ１２０）、およびエミッション低減処理が実行されていない際にエンジン１の運転状態に応じて目標空燃比ＡＦｔａｇを補正し、エミッション低減処理が実行されている際にエンジン１の運転状態に応じて目標空燃比ＡＦｔａｇを補正しない補正手段（ステップＳ１３０）として機能する。この結果、エンジンＥＣＵ１０により制御されるエンジン１では、始動直後のエミッション性能をより向上させることが可能となる。

なお、エンジンＥＣＵ１０により制御されるエンジン１が搭載されるハイブリッド車両は、複数のモータジェネレータＭＧを有してもよく、動力分配用の遊星歯車を有する２モータ式のハイブリッド車両であってもよく、シリーズ式のハイブリッド車両であってもよく、プラグイン式のハイブリッド車両であってもよい。また、上記エンジンＥＣＵ１０は、走行用の動力発生源としてエンジン１のみを有する車両（例えば、いわゆるアイドルストップを実行可能な車両）に適用されてもよい。

そして、本開示の発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本開示の外延の範囲内において様々な変更をなし得ることはいうまでもない。更に、上記実施形態は、あくまで発明の概要の欄に記載された発明の具体的な一形態に過ぎず、発明の概要の欄に記載された発明の要素を限定するものではない。

本開示の発明は、内燃機関や車両の製造産業等において利用可能である。

１ エンジン（内燃機関）、２ 燃焼室、３ 吸気管、４ エアクリーナ、５ スロットルバルブ、６ 燃料噴射弁、７ 点火プラグ、８ 排気管、９ 排ガス浄化装置、１０ エンジン電子制御装置（エンジンＥＣＵ）、１１ エアフローメータ、１２ 吸気圧センサ、１５ 空燃比センサ、１９ 水温センサ、２０ ハイブリッド電子制御装置（ＨＶＥＣＵ）、３０ インバータ、４０ バッテリ、５０ モータ電子制御装置（ＭＧＥＣＵ）、９０ 三元触媒、ＭＧ モータ。

Claims (1)

1. 燃焼室から排出される排ガスを浄化するための触媒を含む排ガス浄化装置と、前記排ガス浄化装置の上流側で前記排ガスの空燃比を検出する空燃比センサとを有する内燃機関の制御装置であって、前記空燃比センサにより検出される空燃比が目標空燃比になるように前記内燃機関を制御する制御装置において、
   前記内燃機関の始動に際して、前記目標空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン目標値にすると共に、所定条件の成立に伴って前記目標空燃比を前記理論空燃比よりも小さいリッチ目標値にするエミッション低減処理を実行するエミッション低減処理手段と、
   前記エミッション低減処理が実行されていない際には、前記内燃機関の運転状態に応じて前記目標空燃比を補正し、前記エミッション低減処理が実行されている際には、前記内燃機関の運転状態に応じて前記目標空燃比を補正しない補正手段と、
   を備える内燃機関の制御装置。

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