JP2018141395A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】揮発性が比較的低い燃料が使用された場合における、内燃機関の始動後のアイドル回転数の不当な低落を抑止する。【解決手段】内燃機関の始動のためのクランキング中の所定時間内にエンジン回転数が閾値まで上昇しなかった場合、そうでない場合と比較して、その後の燃料噴射量を増量補正し、かつ内燃機関の始動が完了した後に開始する空燃比のフィードバック制御における目標空燃比をよりリッチに設定する内燃機関の制御装置を構成した。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の運転制御を司る制御装置に関する。

内燃機関の排気通路には、内燃機関の気筒から排出される排気ガス中に含まれる有害物質ＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_xを酸化／還元して無害化する三元触媒が装着されている。三元触媒による有害物質の浄化処理の能率を高めるには、触媒に流入するガスの空燃比を理論空燃比近傍の一定の範囲内に収束させることが求められる。そのために、排気通路を流れるガスの空燃比を空燃比センサを介して計測し、その実測空燃比と目標空燃比即ち理論空燃比との偏差を縮小する方向に燃料噴射量を増減操作するフィードバック制御を実施することが通例となっている。

停止していた内燃機関を始動する際には、内燃機関の出力軸であるクランクシャフトを電動機により回転駆動しつつ、インジェクタから燃料を噴射してこれを気筒において燃焼させ、クランクシャフトの回転を加速す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、クランクシャフトの回転速度即ちエンジン回転数が内燃機関の冷却水温等に応じて定まる閾値を超えたときに、完爆したものと見なして終了する。その上で、内燃機関の始動直後の時期には、燃料噴射量を空燃比が理論空燃比よりもリッチとなるように調整しているが、エミッションの悪化を抑止するためには、内燃機関の始動後可及的速やかに空燃比を理論空燃比に近づけるフィードバック制御を開始することが望ましい（例えば、下記特許文献を参照）。

特開平１０−２８８０７５号公報

揮発性の低い重質燃料が使用される場合、内燃機関の始動のためのクランキング中にエンジン回転数が十分に加速せず、始動が遅れることがある。そこで、重質燃料が使用されたとしても内燃機関を確実に始動できるよう、従来より、クランキング中の所定時間内にエンジン回転数が閾値に到達しない場合には、燃料噴射量を平常よりもさらに増量することで、混合気の燃焼を安定させるようにしている。

一方で、内燃機関の始動完了後速やかに空燃比フィードバック制御を開始すると、それまで燃料噴射量を増量補正することで燃焼が安定していたにもかかわらず、実測空燃比を理論空燃比に追従させるために燃料噴射量が急速に減量されてしまい、その結果として燃焼が不安定化し、または失火が起こってエンジン回転数が低落する。

本発明は、以上の問題に初めて着目してなされたものであり、揮発性が比較的低い燃料が使用された場合における、内燃機関の始動後のアイドル回転数の不当な低落を抑止することを所期の目的としている。

本発明では、内燃機関の始動のためのクランキング中の所定時間内にエンジン回転数が閾値まで上昇しなかった場合、そうでない場合と比較して、その後の燃料噴射量を増量補正し、かつ内燃機関の始動が完了した後に開始する空燃比のフィードバック制御における目標空燃比をよりリッチに設定する内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、揮発性が比較的低い燃料が使用された場合における、内燃機関の始動後のアイドル回転数の不当な低落を抑止できる。

本発明の一実施形態における内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。 同実施形態の制御装置が実施する制御の内容を説明するタイミング図。

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、火花点火式の４ストローク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。点火プラグ１２は、点火コイル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。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

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ことで生じる排気を各気筒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。

排気通路４における触媒４１の上流及び下流には、排気通路を流通する排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ４３、４４を設置する。空燃比センサ４３、４４はそれぞれ、排気ガスの空燃比に対して非線形な出力特性を有するＯ₂センサであってもよく、排気ガスの空燃比に比例した出力特性を有するリニアＡ／Ｆセンサであってもよい。Ｏ₂センサの出力特性は、理論空燃比近傍の範囲では空燃比に対する出力の変化率が大きく急峻な傾きを示し、それよりも空燃比が大きいリーン領域では低位飽和値に漸近し、空燃比が小さいリッチ領域では高位飽和値に漸近する、いわゆるＺ特性曲線を描く。本実施形態では、触媒４１の上流側の空燃比センサ４３としてリニアＡ／Ｆセンサを想定し、下流側の空燃比センサ４４としてＯ₂センサを想定している。

排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通するＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３３に接続している。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０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クランク角センサから出力されるクランク角信号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、要求される負荷率）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、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ｄ、内燃機関の温度を示唆する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ｅ、触媒４１の上流側における排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ４３から出力される空燃比信号ｆ、触媒４１の下流側における排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ４４から出力される空燃比信号ｇ、大気圧を検出する大気圧センサから出力される大気圧信号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、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ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、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、要求ＥＧＲ量（または、ＥＧＲ率）等といった運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌを出力インタフェースを介して印加する。

ＥＣＵ０は、内燃機関のクランキング中や始動直後その他の例外的な場合を除き、気筒１に充填される混合気の空燃比、ひいては気筒１から排出され触媒４１へと導かれる排気ガスの空燃比をフィードバック制御する。ＥＣＵ０は、まず、吸気圧及び吸気温、エンジン回転数、要求ＥＧＲ率等から、気筒１に充填される新気の量を算出し、これに見合った基本噴射量ＴＰを決定する。

次いで、この基本噴射量ＴＰを、触媒４１の上流側及び／または下流側の空燃比に応じて定まるフィードバック補正係数ＦＡＦで補正する。一般に、フィードバック補正係数ＦＡＦは、空燃比センサ４３、４４を介して実測されるガスの空燃比と目標空燃比との偏差に応じて調整され、実測空燃比が目標空燃比に対してリーンであるときには増加し、実測空燃比が目標空燃比に対してリッチであるときには減少する。平常の目標空燃比は、理論空燃比またはその近傍に設定する。

そして、内燃機関の状況に応じて定まる各種補正係数Ｋや、インジェクタ１１の無効噴射時間ＴＡＵＶをも加味して、最終的な燃料噴射時間（インジェクタ１１に対する通電時間）Ｔを算定する。燃料噴射時間Ｔは、
Ｔ＝ＴＰ×ＦＡＦ×Ｋ＋ＴＡＵＶ
となる。しかして、燃料噴射時間Ｔだけインジェクタ１１に信号ｊを入力、インジェクタ１１を開弁して燃料を噴射させる。

触媒４１の上流側及び／または下流側の空燃比信号ｆ、ｇを参照したフィードバック制御は、例えば、内燃機関の冷却水温が所定温度以上であり、燃料カット中でなく、パワー増量中でなく、内燃機関の始動からある程度の時間が経過し、空燃比センサ４３、４３の温度が高まり空燃比センサ４３、４４が活性中、吸気圧が正常である、等の諸条件がおしなべて成立しているときに実施する。

また、ＥＣＵ０は、停止している内燃機関を始動するにあたり、電動機（スタータモータまたはＩＳＧ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｔａｒｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ））を稼働させるための制御信号ｏを電動機に入力し、当該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。内燃機関の始動のためのクランキングは、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閾値を超えたときに、完爆したものと見なして終了する。クランキングの終了条件となる閾値は、内燃機関の温度等に応じて上下し得る。具体的には、内燃機関の冷却水温が低いほど高く設定することとなる。

しかして、本実施形態のＥＣＵ０は、内燃機関の始動のためのクランキング中の所定時間内にエンジン回転数が閾値まで上昇しなかった場合、そうでない場合と比較して、その後の燃料噴射量を増量補正し、かつ内燃機関の始動が完了した後に開始する空燃比のフィードバック制御における目標空燃比をよりリッチに設定する。

図２に、本実施形態のＥＣＵ０による、内燃機関の始動時及び始動後の制御の模様を示している。この図２に示しているのは、揮発性の低い重質燃料が使用されたときの、エンジン回転数、燃料噴射量及び実測空燃比のそれぞれの推移である。内燃機関の始動のためのクランキングの開始時点ｔ₀から所定時間が経過した時点ｔ₁において、エンジン回転数が閾値に到達していない場合、ＥＣＵ０は、燃料噴射量をさらに増量する補正を加えることで、混合気の燃焼の安定化を図り、以て内燃機関を確実に完爆まで持っていくようにする。

内燃機関が完爆状態に至った時点ｔ₂で、クランキングを終了する。そして、完爆後ある程度の時間が経過した時点ｔ₃で、空燃比センサ４３、４４を介して計測される実測空燃比を目標空燃比に追従させる空燃比フィードバック制御を開始する。なお、空燃比フィードバックを開始するまでの間は、燃料噴射量を増量していることから、ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチ化する。

通常の揮発性を有した燃料が使用されている場合、即ちクランキング中の所定時間内にエンジン回転数が閾値まで上昇した場合においては、空燃比フィードバック制御の目標空燃比を、当該フィードバック制御の開始後直ちに理論空燃比またはその近傍の値に設定する。だが、揮発性の低い燃料が使用され、クランキング中の所定時間内にエンジン回転数が閾値まで上昇しなかった場合において、目標空燃比を空燃比フィードバック制御の開始後直ちに理論空燃比またはその近傍の値に設定してしまうと、実測空燃比と目標空燃比との偏差を縮小するべく燃料噴射量が急速に減量されて、混合気の燃焼の不安定化または失火を招く。その結果として、図２に破線で表しているように、エンジン回転数が目標アイドル回転数を下回る回転変動が起こる、つまりはアイドリング中の内燃機関の回転が不安定となるおそれが生じる。エンジンストールに陥る可能性も、完全には否定できない。

そこで、本実施形態のＥＣＵ０は、空燃比フィードバック制御の目標空燃比を、当該フィードバック制御の開始時点ｔ₃以後暫くの間、理論空燃比よりもリッチとなる値に維持する。このときの目標空燃比は、クランキング中及び完爆直後の時期（換言すれば、空燃比フィードバック制御の開始時点ｔ₃前）に噴射していた（増量補正を含む）燃料の量から燃料噴射量が大きく減少しないような（空燃比フィードバック制御の開始時点ｔ₃の直前と直後とで燃料噴射量がほぼ同等となるような）値に設定する。これにより、重質燃料が使用されたとしても、空燃比フィードバック制御の開始後の混合気の燃焼の不安定化は回避され、図２に実線で表しているように、エンジン回転数が低落せず適切に目標アイドル回転数に収束するようになる。ひいては、内燃機関の始動後のアイドリングの回転が安定する。

理論空燃比よりもリッチとなる値に設定した目標空燃比は、その後の内燃機関の温度（冷却水温）の上昇とともに、徐々に平常の値、即ち理論空燃比またはその近傍の値に近づけてゆく。

本実施形態では、内燃機関の始動のためのクランキング中の所定時間内にエンジン回転数が閾値まで上昇しなかった場合、そうでない場合と比較して、その後の燃料噴射量を増量補正し、かつ内燃機関の始動が完了した後に開始する空燃比のフィードバック制御における目標空燃比をよりリッチに設定する内燃機関の制御装置０を構成した。本実施形態によれば、揮発性が比較的低い燃料が使用された場合における、内燃機関の始動後のアイドル回転数の不当な低落を抑止できる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態には限られない。各部の具体的構成は、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、車両等に搭載される内燃機関の制御に適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１１…インジェクタ
４…排気通路
４１…触媒
４３…触媒上流の空燃比センサ
４４…触媒下流の空燃比センサ
ｆ…触媒上流の空燃比信号
ｇ…触媒下流の空燃比信号
ｊ…燃料噴射信号
ｏ…クランキング用の電動機の制御信号

Claims (1)

1. 内燃機関の始動のためのクランキング中の所定時間内にエンジン回転数が閾値まで上昇しなかった場合、そうでない場合と比較して、その後の燃料噴射量を増量補正し、かつ内燃機関の始動が完了した後に開始する空燃比のフィードバック制御における目標空燃比をよりリッチに設定する内燃機関の制御装置。

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