JP2017150457A

JP2017150457A - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2017150457A
Application number: JP2016036264A
Authority: JP
Inventors: 良行正源寺; Yoshiyuki Shogenji; 啓一明城; Keiichi Myojo; 勇喜野瀬; Yuki Nose; 英二生田; Eiji Ikuta
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-02-26
Filing date: 2016-02-26
Publication date: 2017-08-31

Abstract

【課題】触媒暖機制御中に、気筒内での燃焼悪化又は失火の発生を低減する。
【解決手段】内燃機関の制御装置は、排気通路に設けられた触媒と、排気通路から吸気通路に排気ガスを還流させる外部ＥＧＲ通路と、バルブオーバーラップ量を変更する可変動弁機構と、の少なくとも一方と、単気筒の場合リッチ燃焼とリーン燃焼とを周期的に切り替え、複数気筒の場合、複数の気筒の任意の気筒でリッチ燃焼させ、他の気筒でリーン燃焼させ触媒を暖機する触媒暖機制御を実行する制御部と、を備え、制御部は、外部ＥＧＲ通路及び可変動弁機構が備えられている場合、触媒暖機制御を実行している間、外部ＥＧＲ量を触媒暖機制御を実行していないときの外部ＥＧＲ量よりも減少させる外部ＥＧＲ制御と、バルブオーバーラップ量を触媒暖機制御を実行していないときのバルブオーバーラップ量よりも減少させる内部ＥＧＲ制御との少なくとも一方を実行する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

自動車等の内燃機関から排出される炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）などの有害成分を同時にかつ効率的に浄化するための排ガス浄化触媒として、貴金属である白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）を主な活性種（触媒金属）とした三元触媒が広く用いられている。

触媒の排ガス浄化能力を有効に発揮させるためには、触媒暖機を行い、触媒の温度を活性化温度まで上昇させる必要がある。

特許文献１では、複数の気筒のうち任意の気筒において筒内における燃焼時の空燃比が理論空燃比よりも小さいリッチ燃焼を実行し、他の気筒において筒内における燃焼時の空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン燃焼を実行し、複数の気筒の空燃比の平均が理論空燃比となるよう各気筒での燃料噴射量を制御することで、触媒暖機を促進している。単気筒エンジンの場合には、リッチ燃焼とリーン燃焼とを単気筒において周期的（１サイクル毎、又は、複数サイクル毎）に切り替えることで、同様の効果を得ることができる。

特開２０１２−５７４９２号公報

特許文献１に記載の制御によって触媒を昇温させる場合、リーン燃焼を行う気筒での空燃比とリッチ燃焼を行う気筒での空燃比との差が大きいほど、触媒の昇温効果が高い。しかしながら、空燃比の差を大きくすると、特にリーン燃焼を行う気筒では緩慢な燃焼となり、ＥＧＲガスを通常時と同様に制御すると燃焼悪化が起こったり失火が発生したりするおそれがある。

そこで、本明細書開示の内燃機関の制御装置は、内燃機関が単気筒エンジンの場合、筒内における燃焼時の空燃比が理論空燃比よりも小さいリッチ燃焼と、大きいリーン燃焼とを周期的に切り替え、複数気筒エンジンの場合、複数の気筒のうち任意の気筒でリッチ燃焼させ、他の気筒でリーン燃焼させ触媒を暖機する触媒暖機制御中に、気筒内での燃焼悪化又は失火の発生を低減することを課題とする。

かかる課題を解決するために、本明細書に開示された内燃機関の制御装置は、内燃機関の排気通路に設けられた触媒と、前記内燃機関の前記排気通路から吸気通路に排気ガスを還流させる外部ＥＧＲ通路と、吸気バルブと排気バルブとの開弁期間が重なるバルブオーバーラップ量を変更する可変動弁機構と、の少なくとも一方と、前記内燃機関が単気筒エンジンの場合、筒内における燃焼時の空燃比が理論空燃比よりも小さいリッチ燃焼と、大きいリーン燃焼とを周期的に切り替え、複数気筒エンジンの場合、複数の気筒のうち任意の気筒でリッチ燃焼させ、他の気筒でリーン燃焼させ前記触媒を暖機する触媒暖機制御を実行する制御部と、を備え、前記制御部は、前記外部ＥＧＲ通路と、前記可変動弁機構との両方が備えられている場合、前記触媒暖機制御を実行している間、前記ＥＧＲ通路により前記吸気通路に還流される排気ガスの量である外部ＥＧＲ量を、前記触媒暖機制御を実行していないときの外部ＥＧＲ量よりも減少させる外部ＥＧＲ制御と、前記バルブオーバーラップ量を前記触媒暖機制御を実行していないときのバルブオーバーラップ量よりも減少させる内部ＥＧＲ制御との少なくとも一方を実行し、前記外部ＥＧＲ通路が備えられ、前記可変動弁機構が備えられていない場合、前記外部ＥＧＲ制御を実行し、前記外部ＥＧＲ通路が備えられておらず、前記可変動弁機構が備えられている場合、前記内部ＥＧＲ制御を実行する。

本明細書開示の内燃機関の制御装置によれば、内燃機関が単気筒エンジンの場合、筒内における燃焼時の空燃比が理論空燃比よりも小さいリッチ燃焼と、大きいリーン燃焼とを周期的に切り替え、複数気筒エンジンの場合、複数の気筒のうち任意の気筒でリッチ燃焼させ、他の気筒でリーン燃焼させ触媒を暖機する触媒暖機制御中に、気筒内での燃焼悪化又は失火の発生を低減することができる。

図１は、実施形態に係る内燃機関の制御装置を適用したエンジンシステムの構成を示す概略図である。図２は、ＥＣＵが実行する触媒暖機制御の一例を示すフローチャートである。図３は、触媒暖機要求のＯＮ／ＯＦＦと各部の制御量との関係の一例を示すタイムチャートである。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されて描かれている場合もある。

まず、図１を参照し、一実施形態に係る内燃機関の制御装置が適用されたエンジンシステムについて説明する。図１は、一実施形態に係る内燃機関の制御装置が適用されたエンジンシステム１の構成を示す概略図である。

図１に示すように、エンジンシステム１は、内燃機関２０を備えている。内燃機関２０は、車両に搭載され、その動力源として機能する。本実施形態において、内燃機関２０は、４つの気筒を有する直列４気筒エンジンであるものとするが、内燃機関２０の気筒数および気筒配置はこれに限定されるものではない。

内燃機関２０の各気筒には、燃料を筒内に直接噴射するインジェクタ２１が設置されている。また、各気筒には、吸気通路１０を筒内に対して開閉する吸気バルブ（不図示）と、排気通路３０を筒内に対して開閉する排気バルブ（不図示）とが設けられている。

また、エンジンシステム１は、ＶＶＴ（Variable Valve Timing system）５０を備えている。ＶＶＴ５０は、可変動弁機構の一例であり、吸気バルブと排気バルブの開弁期間が重なるバルブオーバーラップ量を変更する機能を備えている。ＶＶＴ５０は、例えば、吸気バルブの開閉時期を変更することで、バルブオーバーラップ量を変更する。ＶＶＴ５０は、吸気バルブ及び排気バルブ双方の開閉時期を変更することで、バルブオーバーラップ量を変更してもよい。バルブオーバーラップ量をＶＶＴ５０により変更することで、気筒内に残留する既燃ガスの量（以下、内部ＥＧＲ量と称する）を変更することができる。

内燃機関２０の排気通路３０は、排気マニホールド３１により枝分かれして、各気筒の排気ポートに接続されている。また、排気通路３０には、三元触媒３２が設けられている。

内燃機関２０の吸気通路１０の入口付近には、エアクリーナ１１が設けられている。エアクリーナ１１を通って吸入された空気は、吸気マニホールド１３により、各気筒の吸気ポートに分配される。

吸気通路１０の、エアクリーナ１１と吸気マニホールド１３との間には、スロットルバルブ１４が設置されている。

吸気通路１０の吸気マニホールド１３の近傍には、外部ＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation)通路４０の一端が接続されている。外部ＥＧＲ通路４０の他端は、排気通路３０の排気マニホールド３１近傍に接続されている。この外部ＥＧＲ通路４０を通して、排気ガス（ＥＧＲガス）の一部を吸気通路１０に還流させることができる。以下、外部ＥＧＲ通路４０を通って還流する排気ガスのことを「外部ＥＧＲガス」と称する。

外部ＥＧＲ通路４０の途中には、外部ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ４２が設けられている。外部ＥＧＲ通路４０におけるＥＧＲクーラ４２の下流には、ＥＧＲ弁４４が設けられている。このＥＧＲ弁４４の開度を変えることにより、外部ＥＧＲ通路４０を通る排気ガス量、すなわち外部ＥＧＲ量を調整することができる。

本実施形態のエンジンシステム１は、制御部としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）６０を備えている。ＥＣＵ６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及び記憶装置等を備える。ＥＣＵ６０は、ＲＯＭや記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより各種制御を行う。

ＥＣＵ６０には、前述のインジェクタ２１、スロットルバルブ１４、ＶＶＴ５０、ＥＧＲ弁４４の他、点火プラグ（図示せず）等の種々のアクチュエータが接続されている。また、ＥＣＵ６０には、内燃機関２０のクランク角を検出するクランク角センサ、吸入空気量を検出するエアフロメータ、アクセル開度センサ等の各種のセンサから、エンジンの運転状態や運転条件に関する様々な情報や信号が入力される。ＥＣＵ６０は、上述した情報や信号に基づいて、インジェクタ２１、スロットルバルブ１４等の各種のアクチュエータを制御する。

また、本実施形態において、ＥＣＵ６０は、三元触媒３２の暖機を要求する触媒暖機要求がＯＮの場合、触媒暖機制御を実行する。

以下、ＥＣＵ６０が実行する触媒暖機制御の詳細について、図２および図３を参照して説明する。図２は、ＥＣＵ６０が実行する触媒暖機制御の一例を示すフローチャートであり、図３は、触媒暖機要求のＯＮ／ＯＦＦと各部の制御量との関係の一例を示すタイムチャートである。なお、図２の処理は、所定時間毎に繰り返し実行される。

図２の処理において、ＥＣＵ６０は、まず、触媒暖機要求がＯＮか否かを判断する（ステップＳ１１）。触媒暖機要求がＯＦＦの場合（ステップＳ１１／ＮＯ）、ＥＣＵ６０は、図２の処理を終了する。

一方、触媒暖機要求がＯＮの場合（ステップＳ１１／ＹＥＳ）、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１３及びＳ１４、Ｓ１５、並びにＳ１７の処理を並行して実行する。

ステップＳ１３において、ＥＣＵ６０は、４つの気筒のうち任意の気筒を、筒内における燃焼時の空燃比が理論空燃比よりも小さいリッチ燃焼が実行されるリッチ気筒に設定する。また、ＥＣＵ６０は、他の気筒を、筒内における燃焼時の空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン燃焼が実行されるリーン気筒に設定する。

続くステップＳ１４において、ＥＣＵ６０は、リッチ気筒においてリッチ燃焼が実行され、リーン気筒においてリーン燃焼が実行されるよう、各気筒での燃料噴射量を制御する。なお、このとき、ＥＣＵ６０は、全ての気筒の空燃比の平均が理論空燃比となるよう、各気筒での燃料噴射量を制御するのが好ましい。例えば、図３に示すように、触媒暖機要求がＯＮになった時刻ｔ１において、ＥＣＵ６０は、リッチ気筒の目標空燃比を理論空燃比よりも小さなリッチ空燃比とし、リーン気筒の目標空燃比を理論空燃比よりも大きなリーン空燃比とする。これにより、図３に実線で示すように、触媒暖機制御を実行しない場合（破線）の触媒温度よりも、触媒温度を上昇させることができる。

また、ステップＳ１５において、ＥＣＵ６０は、ＥＧＲ弁４４の開度を変更し、図３に示すように、外部ＥＧＲ量を、触媒暖機要求がＯＦＦの場合の外部ＥＧＲ量Ｖ_ＥＧＲ１よりも小さいＶ_ＥＧＲ２とする。ＥＣＵ６０は、外部ＥＧＲ量をゼロにしてもよい。これにより、各気筒に供給される外部ＥＧＲ量が減少するため、リーン燃焼を行うリーン気筒において、外部ＥＧＲ過多による燃焼悪化又は失火の発生を低減することができる。

また、ステップＳ１７において、ＥＣＵ６０は、ＶＶＴ５０を制御して、図３に示すように、バルブオーバーラップ量を、触媒暖機要求がＯＦＦの場合のバルブオーバーラップ量Ｖ_ＶＡＬ１よりも小さいＶ_ＶＡＬ２とする。ＥＣＵ６０は、バルブオーバーラップ量をゼロにしてもよい。これにより、内部ＥＧＲ量が減少するため、リーン気筒において、内部ＥＧＲ過多による燃焼悪化又は失火の発生を低減することができる。

以上、詳細に説明したように、エンジンシステム１は、内燃機関２０の排気通路３０に設けられた三元触媒３２と、内燃機関２０の排気通路３０から吸気通路１０に排気ガスを還流させる外部ＥＧＲ通路４０及び吸気バルブと排気バルブとの開弁期間が重なるバルブオーバーラップ量を変更するＶＶＴ５０と、筒内における燃焼時の空燃比が理論空燃比よりも小さいリッチ燃焼と、筒内における燃焼時の空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン燃焼とが、複数の気筒においてそれぞれ異なる気筒で継続されるよう気筒毎に燃料噴射量を制御し三元触媒３２を暖機する触媒暖機制御を実行するＥＣＵ５０と、を備える。そして、ＥＣＵ５０は、触媒暖機制御を実行している間、外部ＥＧＲ通路４０により吸気通路１０に還流される排気ガスの量である外部ＥＧＲ量を、触媒暖機制御を実行していないときの外部ＥＧＲ量よりも減少させ、バルブオーバーラップ量を触媒暖機制御を実行していないときのバルブオーバーラップ量よりも減少させる。これにより、リーン気筒において、外部ＥＧＲ過多、及び、内部ＥＧＲ過多による燃焼悪化又は失火の発生を低減することができる。

上記実施形態は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。

なお、上記実施形態において、ＥＣＵ６０は、触媒暖機要求がＯＮの場合、ステップＳ１５及びＳ１７の両方の処理を実行したが、いずれか一方の処理を実行してもよい。

また、上記実施形態において、エンジンシステム１は、外部ＥＧＲ通路４０と、ＶＶＴ５０とを備えていたが、エンジンシステム１は、外部ＥＧＲ通路４０と、ＶＶＴ５０との少なくとも一方を備えていればよい。エンジンシステム１が、外部ＥＧＲ通路４０を備え、ＶＶＴ５０を備えていない場合、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１７の処理を行わず、ステップＳ１５の処理を実行すればよい。また、エンジンシステム１が、ＶＶＴ５０を備え、外部ＥＧＲ通路４０を備えていない場合、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１５の処理を行わず、ステップＳ１７の処理を実行すればよい。

また、上記実施形態において、エンジンシステム１の内燃機関２０は、複数の気筒を備える複数気筒エンジンであったが、単気筒エンジンであってもよい。この場合、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１３の処理を行わず、ステップＳ１４において、リーン燃焼とリッチ燃焼とが周期的（例えば、１サイクル毎、又は複数サイクル毎）に切り替えられるよう、燃料噴射量を制御すればよい。単気筒エンジンの場合にも、外部ＥＧＲ量及びバルブオーバーラップ量をそれぞれ触媒暖機制御を実行していないときの外部ＥＧＲ量及びバルブオーバーラップ量よりも減少させることで、ＥＧＲ過多による燃焼悪化及び失火の発生を低減することができる。

１エンジンシステム（内燃機関の制御装置）
２０内燃機関
４０外部ＥＧＲ通路
５０ＶＶＴ（可変動弁機構）
６０ＥＣＵ（制御部）

Claims

内燃機関の排気通路に設けられた触媒と、
前記内燃機関の前記排気通路から吸気通路に排気ガスを還流させる外部ＥＧＲ通路と、吸気バルブと排気バルブとの開弁期間が重なるバルブオーバーラップ量を変更する可変動弁機構と、の少なくとも一方と、
前記内燃機関が単気筒エンジンの場合、筒内における燃焼時の空燃比が理論空燃比よりも小さいリッチ燃焼と、大きいリーン燃焼とを周期的に切り替え、複数気筒エンジンの場合、複数の気筒のうち任意の気筒でリッチ燃焼させ、他の気筒でリーン燃焼させ前記触媒を暖機する触媒暖機制御を実行する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記外部ＥＧＲ通路と、前記可変動弁機構との両方が備えられている場合、前記触媒暖機制御を実行している間、前記ＥＧＲ通路により前記吸気通路に還流される排気ガスの量である外部ＥＧＲ量を、前記触媒暖機制御を実行していないときの外部ＥＧＲ量よりも減少させる外部ＥＧＲ制御と、前記バルブオーバーラップ量を前記触媒暖機制御を実行していないときのバルブオーバーラップ量よりも減少させる内部ＥＧＲ制御との少なくとも一方を実行し、
前記外部ＥＧＲ通路が備えられ、前記可変動弁機構が備えられていない場合、前記外部ＥＧＲ制御を実行し、
前記外部ＥＧＲ通路が備えられておらず、前記可変動弁機構が備えられている場合、前記内部ＥＧＲ制御を実行する
内燃機関の制御装置。