JP2017115775A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空燃比振動制御中のトルクショックを低減できる内燃機関の制御装置を提供すること。【解決手段】ＥＣＭ２０は、所定条件が成立したとき、内燃機関１０の燃焼状態がリッチ燃焼状態とリーン燃焼状態とに交互に振動するように空燃比を制御する空燃比振動制御を行う空燃比振動制御部２１と、アクセル開度と内燃機関１０の運転状態とに基づいて、第１の目標トルクと、第１の目標トルクよりも小さい第２の目標トルクとを、内燃機関１０の目標トルクとして算出する目標トルク算出部２２と、を備える。空燃比振動制御部２１は、所定条件の成立時に、第１の目標トルクに基づいて空燃比振動制御を実施し、空燃比振動制御の実施中に点火時期が遅角された場合、目標トルクを、第１の目標トルクから第２の目標トルクへ変更する。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

車両等に搭載される内燃機関には、排気ガスを浄化する触媒が設けられおり、この触媒は、活性温度範囲において所望の浄化作用を発揮する。このため、触媒の温度を活性温度範囲内に維持することが求められている。

従来、この種の内燃機関の制御装置として特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１に記載のものは、触媒制御のために、理論空燃比よりも空気過剰なリーン燃焼状態と、燃料過剰なリッチ燃焼状態とを切り替えている。また、特許文献１に記載のものは、リーン燃焼状態とリッチ燃焼状態との切替の際にトルク値が段差状に変動してしまうことを抑制するため、目標空燃比と空燃比センサによる実測空燃比の比を補正ゲインとして算出し、前記補正ゲインの値に応じてシリンダ内に供給される空気量である新気量をトルク差が低減する方向に調整している。

特開２００８−２９７９６８号公報

ここで、エンジンが発生するトルクは、空燃比がリッチのときに大きく、空燃比がリーンのときに小さくなる。また、エンジンが発生するトルクは、点火時期が進角されると大きくなり、点火時期が遅角されると小さくなる。また、エンジンの点火時期は、ノッキングの発生に応じて遅角（リタード）される。

このため、従来の内燃機関の制御装置においては、リーン側での燃焼中にノッキングが発生した場合、リーン燃焼によりトルクが小さくなっている状態で、点火時期の遅角によりさらにトルクが小さくなるため、トルクの低下量が大きくなってしまい、トルクショックが発生するおそれがあった。なお、リッチ側での燃焼中にノッキングが発生して点火時期が遅角された場合は、トルクの低下量が小さいため、問題となるトルクショックは発生しない。

本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので、空燃比振動制御中のトルクショックを低減でき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、排気通路に触媒が設けられた内燃機関の制御装置であって、所定条件が成立したとき、内燃機関の燃焼状態がリッチ燃焼状態とリーン燃焼状態とに交互に振動するように空燃比を制御する空燃比振動制御を行う空燃比振動制御部と、アクセル開度と前記内燃機関の運転状態とに基づいて、第１の目標トルクと、前記第１の目標トルクよりも小さい第２の目標トルクとを、前記内燃機関の目標トルクとして算出する目標トルク算出部と、を備え、前記空燃比振動制御部は、前記所定条件の成立時に、前記第１の目標トルクに基づいて前記空燃比振動制御を実施し、前記空燃比振動制御の実施中に点火時期が遅角された場合、前記目標トルクを、前記第１の目標トルクから前記第２の目標トルクへ変更することを特徴とする。

本発明によれば、空燃比振動制御中のトルクショックを低減できる。

図１は、本発明の実施の形態に係る内燃機関の制御装置の構成図である。 図２は、本発明の実施の形態に係る内燃機関の制御装置において実施されるトルクショック低減動作の流れを説明するフローチャートである。 図３は、本発明の実施の形態に係る内燃機関の制御装置によりトルクショック低減動作が実施されたときの内燃機関の運転状態を示すタイミングチャートである。

以下、図１〜図３を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図１は、内燃機関１０と、この内燃機関１０を電気的に制御する制御装置としてのＥＣＭ２０（Engine Control Module）を示している。

図１において、内燃機関１０は、例えばガソリンを燃料として運転する直列４気筒のガソリンエンジンで構成されている。内燃機関１０は、図示しないシリンダとピストンを備えており、シリンダ内でピストンが２往復する間に、吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程からなる一連の４行程を行う、いわゆる４サイクルのガソリンエンジンである。

なお、内燃機関１０の気筒数は４気筒に限られない。また、内燃機関１０は、ガソリンエンジンに限らず、天然ガスを燃料として運転する天然ガスエンジンであってもよい。

内燃機関１０はインジェクタ１２を備えており、このインジェクタ１２は、燃料を図示しない吸気ポートまたは燃焼室に噴射する。インジェクタ１２は、ＥＣＭ２０に電気的に接続されており、ＥＣＭ２０によって燃料噴射量および燃料噴射タイミングが調整される。

内燃機関１０は、電子制御式の図示しないスロットルバルブを備えている。スロットルバルブは、ＥＣＭ２０からの指令信号に応じてスロットル開度が制御されることで、内燃機関１０の吸入空気量を調整する。

内燃機関１０はイグニッションコイル１１と点火プラグ１７とを備えている。点火プラグ１７は、イグニッションコイル１１を介してＥＣＭ２０に電気的に接続されている。イグニッションコイル１１は、ＥＣＭ２０から受け取った点火信号を高電圧に昇圧して点火プラグ１７に供給する。

点火プラグ１７は、高電圧の電気を放電する際に火花を発生することで混合気を着火する。点火プラグ１７の点火時期および放電エネルギー量は、ＥＣＭ２０により制御される。

内燃機関１０は排気管１３を備えており、この排気管１３の内部空間は、内燃機関１０の燃焼室で発生した排気ガスを通過させる排気通路１３Ａを形成している。

排気通路１３Ａには触媒１４が設けられており、この触媒１４は排気ガスを浄化する。具体的には、触媒１４は、三元触媒からなり、排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）および窒素酸化物（ＮＯｘ）の３種類の有害成分を還元および酸化によって同時に浄化する。

内燃機関１０は、排気通路１３Ａにおける触媒１４よりも上流側に、空燃比センサ１６を備えている。空燃比センサ１６は、排気ガス中の酸素濃度を検出することで、空燃比が理論空燃比に対してリッチ側またはリーン側の何れ側であるかを検出し、検出信号（空燃比情報）をＥＣＭ２０に送信する。

内燃機関１０はノックセンサ１５を備えており、このノックセンサ１５は、ノッキングによる振動を検出し、検出信号（ノック信号）をＥＣＭ２０に送信する。

ＥＣＭ２０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、入出力インターフェース等を備えるマイクロコンピュータを含んで構成されており、内燃機関１０の運転状態を電気的に制御するようになっている。このＥＣＭ２０は、内燃機関１０とともに図示しない車両に搭載される。

ＣＰＵは、ＲＡＭの一時記憶機能を利用するとともにＲＯＭに予め記憶されたプログラムに従って信号処理を行うようになっている。ＲＯＭには、各種制御定数や各種マップ等が予め記憶されている。

ＥＣＭ２０の入力側には、ノックセンサ１５、空燃比センサ１６、アクセルペダルセンサ１８を含む各種センサ類が接続されている。アクセルペダルセンサ１８は、図示しない車両の運転席に設けられたアクセルペダル１８Ａの操作量（以下、アクセル開度という）を検出し、検出信号をＥＣＭ２０に送信している。

ＥＣＭ２０の出力側には、インジェクタ１２、点火プラグ１７、スロットルバルブを含む各種の制御対象が接続されている。

ＥＣＭ２０は、ノックセンサ１５、空燃比センサ１６、アクセルペダルセンサ１８からの検出信号に基づいて、インジェクタ１２の燃料噴射量および燃料噴射タイミングと、点火プラグ１７の点火時期と、スロットルバルブのスロットル開度とを制御することで、内燃機関１０の運転状態を制御する。

ＥＣＭ２０は、ノックセンサ１５からのノック信号に応じて点火時期を制御する点火時期補正制御を実行する。この点火時期補正制御は、内燃機関１０の出力と燃費を向上させるために、ノッキングの発生する直前のタイミングに点火時期を調整する制御である。

ＥＣＭ２０は、ノッキングが検出されると点火時期を大きく遅角し、ノッキングがなくなれば点火時期を少しずつ進角させ、この遅角と進角を繰り返す態様で点火時期補正制御を実行する。

本実施形態では、ＥＣＭ２０は、空燃比振動制御部２１と、目標トルク算出部２２とを備えている。

空燃比振動制御部２１は、所定条件が成立したとき、内燃機関１０の燃焼状態がリッチ燃焼状態とリーン燃焼状態とに交互に変化するように空燃比を振動させる空燃比振動制御を行う。ここで、所定条件とは、触媒温度が一定温度以上であること、かつ、エンジン回転速度および吸気圧が定常領域であり変動量が小さいことである。

空燃比振動制御とは、予め定めた所定期間毎にリッチ側とリーン側に振幅するように、燃焼噴射量を補正する制御である。空燃比振動制御部２１は、空燃比センサ１６からの空燃比情報を参照し、リッチ状態の目標空燃比とリーン状態の目標空燃比とに所定期間毎に切り替わるように、インジェクタ１２の燃料噴射量を調整する。この空燃比振動制御では、燃料噴射量を燃焼毎に増減させて空燃比を理論空燃比に対してリッチ側とリーン側に振ることで、リッチ燃焼とリーン燃焼が繰り返される。

これにより、リッチ燃焼時に発生する一酸化炭素と、リーン燃焼時に余剰となる酸素とが、酸化反応を起こして熱を発生する。この熱により排気ガス温度が上昇するため、触媒の温度が速やかに活性温度まで昇温され、あるいは昇温後の触媒の温度が活性温度に維持される。本実施形態では、内燃機関１０の暖機完了後にＮＯｘ（窒素酸化物）の発生を抑えつつ燃料消費量を低減するために、空燃比振動制御を行っている。なお、空燃比振動制御のことを空燃比ディザ制御と呼ぶこともある。

目標トルク算出部２２は、アクセル開度と内燃機関１０の運転状態とに基づいて、内燃機関１０の目標トルクを算出する。本実施形態では、目標トルク算出部２２は、第１の目標トルクと、第１の目標トルクよりも小さい第２の目標トルクとを、内燃機関１０の目標トルクとして算出する。

ここで、第１の目標トルクは、空燃比振動制御が実行中であり、かつ、ノッキングに起因する点火時期の遅角がされていない運転状態のための目標トルクである。一方、第２の目標トルクは、空燃比振動制御が実行中であり、かつ、ノッキングに起因して点火時期が遅角された運転状態のための目標トルクである。なお、空燃比振動制御の実行中は、実トルクが第１の目標トルクまたは第２の目標トルクに追従するように、空燃比以外の制御パラメータが変更される。

そして、空燃比振動制御部２１は、空燃比振動制御の実施中に点火時期が遅角された場合は、目標トルクを、第１の目標トルクから第２の目標トルクへ変更するようになっている。

詳しくは、空燃比振動制御の実施中のリーン燃焼時に、ノック信号に基づいて点火時期が遅角され、点火時期の遅角によりトルクが低下量△Ｑだけ低下した場合、空燃比振動制御部２１は、この低下量△Ｑ（点火時期の遅角に起因して減少するトルク分）だけ第１の目標トルクより低いトルクを、第２の目標トルクとして設定する。

これにより、ノッキングの発生以降は、第２の目標トルク、すなわち点火時期の遅角によって低下した後のトルクが維持される。

次に、図２を参照して、本実施の形態に係る内燃機関の制御装置においてＥＣＭ２０により実行されるトルクショック低減動作について説明する。このトルクショック低減動作は、空燃比振動制御の実行中に実行される。

図２に示すように、まず、ＥＣＭ２０は、空燃比振動制御が実施中であるか否かを判別する（ステップＳ１）。

ステップＳ１の判別がＮＯの場合（空燃比振動制御を実施中ではない場合）、ＥＣＭ２０は、このトルクショック低減動作の１回のルーチンを終了する。

一方、ステップＳ１の判別がＹＥＳの場合（空燃比振動制御を実施中である場合）、ＥＣＭ２０は、ノックセンサ１５の検出結果を監視し、ノッキングの有無を判別する（ステップＳ２）。

ステップＳ２の判別がＹＥＳの場合（ノッキングがある場合）、ＥＣＭ２０は、点火時期の遅角制御を実施する（ステップＳ３）。ここでは、ＥＣＭ２０は、イグニッションコイル１１への電気の通電と遮断のタイミングを調整することで、点火プラグ１７の点火時期を遅角（リタード）させる。

一方、ステップＳ２の判別がＮＯの場合（ノッキングがない場合）、ＥＣＭ２０は、後述するステップＳ４に進む。

ステップＳ４では、ＥＣＭ２０は、ノッキング有りから一定点火回数が経過したか否かを判別する。

次いで、ＥＣＭ２０は、現在の点火時期から推定トルクを算出する（ステップＳ５）。ここで、点火時期の制御は、ノッキングがあると点火時期を大きく遅角してノッキングを抑制し、その後徐々に点火時期を進角させるように行われる。このため、ステップＳ５における現在の点火時期とは、ステップＳ３で大きく遅角されてから一定点火回数を経て進角方向に変更された状態の点火時期である。

次いで、ステップＳ６において、ＥＣＭ２０は、ステップＳ５で算出した推定トルクと一致するように、リッチ燃焼時の点火時期の遅角量を算出する。ここで算出した遅角量は、後述するステップ１０で用いられる。

次いで、ステップＳ７において、ＥＣＭ２０は、ステップＳ５で算出した推定トルクと一致するように、リーン燃焼時の点火時期の遅角量を算出する。ここで算出した遅角量は、後述するステップ９で用いられる。

ステップＳ６、Ｓ７の後、ＥＣＭ２０は、リーン燃焼中であるか否かを、空燃比センサ１６からの検出信号に基づいて判別する（ステップＳ８）。

ＥＣＭ２０は、ステップＳ８の判別がＹＥＳの場合（リーン燃焼中である場合）、ステップＳ９に進み、ステップＳ８の判別がＮＯの場合（リッチ燃焼中である場合）、ステップＳ１０に進む。

ステップＳ９において、ＥＣＭ２０は、ステップＳ６で算出したリーン燃焼時の遅角量を、通常の点火時期補正制御に反映させる。

ステップＳ１０において、ＥＣＭ２０は、ステップＳ７で算出したリッチ燃焼時の遅角量を、通常の点火時期補正制御に反映させる。

ステップＳ９、Ｓ１０の後、ＥＣＭ２０は、このトルクショック低減動作の１回のルーチンを終了する。

図３は、空燃比振動制御中にトルクショック低減動作が実行されているときの、内燃機関の運転状態の変化を時系列で示すタイミングチャートである。図３において、縦軸は、内燃機関の運転状態としての、燃料噴射量、吸入空気量、点火時期、トルク［Ｎ・ｍ］、空燃比を示している。ここで、図３に示すトルクは、実トルクである。なお、トルクショック低減動作が実行されている場合の運転状態を実線で示し、トルクショック低減動作が実行されていない場合の運転状態を比較技術として破線で示している。

図３に示すように、時刻ｔ０では、空燃比がリッチ側に制御され、また、点火時期が進角側に制御されているため、トルクの値が大きな状態となっている。なお、点火時期は、通常の点火時期補正制御が行われているために、波打つように変動している。

その後、空燃比振動制御により、時刻ｔ１から時刻ｔ２に渡って、空燃比がリッチ側に制御され、かつ、点火時期が遅角側に制御される。

その後、時刻ｔ３でノッキングが発生すると、このノッキングをノックセンサ１５が検出したことで、ＥＣＭ２０により点火時期が遅角される。

時刻ｔ３で点火時期が遅角されたことを受けて、目標トルク算出部２２は、点火時期の遅角に起因して減少するトルク分を第１の目標トルクから減算したトルクを、第２の目標トルクとして算出する。なお、第２の目標トルクは、時刻ｔ３で大きく遅角されてから進角方向に少し変更された後の点火時期に応じたトルクである。

また、時刻ｔ３では、第２の目標トルクを実現するための点火時期の遅角量が、リッチ燃焼時用およびリーン燃焼用にそれぞれ算出される。このように、時刻ｔ３では、図２で説明したトルクショック低減動作のステップＳ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７が実行される。

また、ノックセンサ１５に基づく通常の点火時期補正制御により時刻ｔ４で点火時期が進角側に補正される際は、この進角側への補正量に対して、第２の目標トルクを実現するためのリーン燃焼時の点火時期の遅角量が反映される。換言すると、通常の点火時期補正制御の補正量に対して、第２の目標トルクを実現するためのリーン燃焼の遅角量を更に補正する。このため、時刻ｔ４で遅角された後の点火時期は、破線よりも遅角側の値となる。

この結果、時刻ｔ４移行も、トルクの大きさが、時刻ｔ３で減少した後の値に維持される。このため、時刻ｔ４で、トルクが破線のように時刻ｔ３以前の値まで段差状に増加することがない。このため、時刻ｔ３から時刻ｔ４に渡って破線のような段差状のトルクショックが発生することが抑制される。

また、時刻ｔ４から時刻ｔ５に渡って空燃比がリッチ側に変化した後は、第２の目標トルクを実現するためのリッチ燃焼時の点火時期の遅角量（補正量）が反映される。

そして、第１の目標トルクを実現するための点火時期よりも、第２の目標トルクを実現するための点火時期の方が、より遅角された点火時期であるため、時刻ｔ６から時刻ｔ７に渡って空燃比がリーン側に制御された後であっても、リーン燃焼中にノッキングが発生することがない。

一方、トルクショック低減動作を実行していない場合は、破線で示すように点火時期が時刻ｔ４移行も遅角側に補正されていないため、リーン燃焼中の時刻ｔ８においてノッキングが発生し、このノッキングに応じて再び点火時期が進角側から遅角側に変更されている。このため、トルクショック低減動作を実行していない場合は、破線で示すようにトルクが時刻ｔ８から時刻ｔ９の期間で段差状に減少および増大してしまい、トルクショックを引き起こしている。

また、時刻ｔ９から時刻ｔ１０に渡って空燃比がリッチ側に変化した後は、第２の目標トルクを実現するためのリッチ燃焼時の点火時期の遅角量（補正量）が反映される。

以上説明したように、本実施形態の内燃機関の制御装置によれば、ＥＣＭ２０は、所定条件が成立したとき、内燃機関１０の燃焼状態がリッチ燃焼状態とリーン燃焼状態とに交互に振動するように空燃比を制御する空燃比振動制御を行う空燃比振動制御部２１と、アクセル開度と内燃機関１０の運転状態とに基づいて、第１の目標トルクと、第１の目標トルクよりも小さい第２の目標トルクとを、内燃機関１０の目標トルクとして算出する目標トルク算出部２２と、を備えている。

そして、空燃比振動制御部２１は、所定条件の成立時に、第１の目標トルクに基づいて空燃比振動制御を実施し、空燃比振動制御の実施中に点火時期が遅角された場合、目標トルクを、第１の目標トルクから第２の目標トルクへ変更するようになっている。

この構成により、空燃比振動制御の実施中のリーン燃焼中に点火時期が遅角された場合、目標トルクが、第１の目標トルクから第２の目標トルクへ変更されるため、第２の目標トルクに応じて点火時期が更に遅角側に制御される。この結果、空燃比振動制御中のトルクショックを低減できる。

また、内燃機関の制御装置において、目標トルク算出部２２は、点火時期の遅角に起因して減少するトルク分を第１の目標トルクから減算することで、第２の目標トルクを算出するようになっている。

この構成により、目標トルクが第１の目標トルクから第２の目標トルクへ変更されると、トルクは、点火時期の遅角に応じた減少分だけ適切に減少される。このため、トルクショックを適切に低減することができる。

上述の通り、本発明の実施の形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

１０ 内燃機関
２０ ＥＣＭ（内燃機関の制御装置）
２１ 空燃比振動制御部
２２ 目標トルク算出部

Claims (2)

1. 排気通路に触媒が設けられた内燃機関の制御装置であって、
   所定条件が成立したとき、内燃機関の燃焼状態がリッチ燃焼状態とリーン燃焼状態とに交互に振動するように空燃比を制御する空燃比振動制御を行う空燃比振動制御部と、
   アクセル開度と前記内燃機関の運転状態とに基づいて、第１の目標トルクと、前記第１の目標トルクよりも小さい第２の目標トルクとを、前記内燃機関の目標トルクとして算出する目標トルク算出部と、を備え、
   前記空燃比振動制御部は、
   前記所定条件の成立時に、前記第１の目標トルクに基づいて前記空燃比振動制御を実施し、
   前記空燃比振動制御の実施中に点火時期が遅角された場合、前記目標トルクを、前記第１の目標トルクから前記第２の目標トルクへ変更することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記目標トルク算出部は、点火時期の遅角に起因して減少するトルク分を前記第１の目標トルクから減算することで、前記第２の目標トルクを算出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。

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