JP2020023905A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排気通路に設置された三元触媒装置を効率的に昇温する。【解決手段】車両の惰性走行中（Ｓ１１０：ＹＥＳ）に車速Ｖが規定の開始許可速度β以上であること（Ｓ１３０：ＹＥＳ）を条件に、燃料噴射弁が噴射した燃料を含む混合気を気筒で燃焼せずに排気通路に導入する燃料導入処理を開始する（Ｓ１４０）ようにした。【選択図】図２

Description

本発明は、車両に搭載されるとともに排気通路に三元触媒装置が設置された火花点火式の内燃機関の制御装置に関する。

火花点火式の内燃機関は、気筒内に導入した空気と燃料との混合気を点火プラグのスパークにより点火することで燃焼を行っている。このとき、混合気中の燃料の一部の燃焼が不完全となり、炭素質の微粒子物質（以下、パティキュレートと記載する）が生成されることがある。

特許文献１には、排気通路に設置された三元触媒装置と、同排気通路における三元触媒装置よりも下流側の部分に設置されたパティキュレート捕集用のフィルタと、を備える車載用の火花点火式内燃機関が記載されている。こうした内燃機関では、気筒内で生成されたパティキュレートをフィルタに捕集することで、同パティキュレートの外気放出を抑制できる。フィルタには捕集したパティキュレートが次第に堆積していくことから、その堆積を放置しておくと、やがて堆積したパティキュレートによってフィルタが目詰まりする虞がある。

これに対して同文献の内燃機関では、車両の惰性走行中に三元触媒装置を昇温するための燃料導入処理を実施することで、フィルタに堆積したパティキュレートを燃焼浄化している。燃料導入処理では、点火プラグのスパークを停止した状態で燃料噴射を実施することで、混合気を気筒内で燃焼せずに排気通路に導入する。このときの排気通路に導入された未燃の混合気は、三元触媒装置に流入して同三元触媒装置内で燃焼する。そして、燃焼により生じた熱で三元触媒装置の温度が高められる。三元触媒装置の温度が高くなると、同三元触媒装置から流出してフィルタに流入するガスの温度も高くなる。高温のガスの熱を受けてフィルタの温度がパティキュレートの発火点以上となると、フィルタに堆積したパティキュレートが燃焼して、浄化されるようになる。

三元触媒装置の昇温のための燃料導入処理は、内燃機関の燃焼を停止した状態で行われる。一方、気筒内の混合気を排気通路に送り出すため、燃料導入処理の実施中も内燃機関のクランク軸の回転を維持する必要がある。その点、車両の惰性走行中は、走行に内燃機関の動力が不要なため、内燃機関の燃焼を停止でき、また車輪からの動力伝達でクランク軸を回転できる。そのため、上記従来の内燃機関では、車両の惰性走行中に燃料導入処理を実施している。

米国特許出願公開第２０１４／００４１３６２号明細書

ところで、車両の惰性走行が短い時間で終わってしまい、三元触媒装置が十分に昇温するまで燃料導入処理を続けられないことがある。そうした場合、そのときの燃料導入処理で消費した燃料が無駄となってしまう。

なお、上記燃料導入処理による三元触媒装置の昇温は、フィルタに堆積したパティキュレートの燃焼浄化以外の目的で実施することが考えられる。例えば、車両減速時の内燃機関の燃料カット中に触媒温度が低下して三元触媒装置の排気浄化能力が低下した場合に、触媒昇温制御を実行して三元触媒装置の排気浄化能力を回復することが考えられる。こうした場合にも、上記課題は同様に生じ得る。このように上記の課題は、目的の如何に依らず、車両の惰性走行中に燃料導入処理を実施して三元触媒装置を昇温する場合に共通したものとなっている。

上記課題を解決する内燃機関の制御装置は、車両に搭載されるとともに、燃料噴射弁と、同燃料噴射弁が噴射した燃料を含む混合気が導入される気筒と、同気筒に導入された混合気をスパークにより点火する点火装置と、気筒内から排出されたガスが流れる排気通路と、排気通路に設置された三元触媒装置と、を備える内燃機関に適用される。そして、同内燃機関の制御装置は、車両の惰性走行中に車速が規定の開始許可速度以上であることを条件に、燃料噴射弁が噴射した燃料を含む混合気を気筒で燃焼させずに排気通路に導入する燃料導入処理を開始するようにしている。

車速が低い状態から車両の惰性走行が開始されたときには、車速が高い状態から開始された場合よりも、惰性走行の継続時間が短くなりやすい。そのため、車両の惰性走行中の燃料導入処理を車速が低い状態から開始した場合には、三元触媒装置を十分に昇温できるまで燃料導入処理を継続できない可能性が高くなる。その点、上記内燃機関の制御装置では、車両の惰性走行中に車速が規定の開始許可速度以上であることを燃料導入処理の開始の条件としており、車速がある程度よりも高い状態でしか燃料導入処理を開始しないようにしている。すなわち、三元触媒装置を十分に昇温できない可能性が高い場合には、燃料導入処理の実施を見合わせている。したがって、上記内燃機関の制御装置によれば、内燃機関の排気通路に設置された三元触媒装置を効率的に昇温することが可能となる。

内燃機関の制御装置の実施形態の構成を示す模式図。 同実施形態において制御装置が実行する開始判定ルーチンのフローチャート。 同実施形態における燃料導入処理の実施態様の一例を示すタイムチャート。

以下、内燃機関の制御装置の一実施形態を、図１〜図３を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、車両に搭載される内燃機関１０は、ピストン１１が往復動可能に収容された気筒１２を備える。ピストン１１は、コネクティングロッド１３を介してクランク軸１４に連結されている。そして、気筒１２内でのピストン１１の往復動がクランク軸１４の回転運動に変換される。

気筒１２には、同気筒１２への空気の導入路である吸気通路１５が接続されている。吸気通路１５には、同吸気通路１５を流れる空気の流量（吸入空気量ＧＡ）を検出するエアフローメータ１６が設けられている。吸気通路１５におけるエアフローメータ１６よりも下流側の部分には、スロットルバルブ１７が設けられている。また、吸気通路１５におけるスロットルバルブ１７よりも下流側の部分には、燃料噴射弁１８が設置されている。燃料噴射弁１８は、吸気通路１５を流れる空気中に燃料を噴射することで、空気と燃料との混合気を形成する。

気筒１２には、同気筒１２に対して吸気通路１５を開閉する吸気バルブ１９が設けられている。また、気筒１２には、吸気バルブ１９の開弁に応じて吸気通路１５から混合気が導入される。気筒１２には、スパークにより気筒１２内の混合気を点火して燃焼させる点火装置２０が設置されている。

気筒１２には、混合気の燃焼により生じた排ガスの排出路である排気通路２１が接続されている。また、気筒１２には、同気筒１２に対して排気通路２１を開閉する排気バルブ２２が設けられている。排気通路２１には、排気バルブ２２の開弁に応じて気筒１２内から排ガスが導入される。排気通路２１には、排ガス中のＣＯ、ＨＣを酸化すると同時にＮＯｘを還元する三元触媒装置２３が設置されている。また、排気通路２１における三元触媒装置２３よりも下流側の部分には、パティキュレート捕集用のフィルタ２４が設置されている。さらに、排気通路２１における三元触媒装置２３よりも上流側の部分には、排気通路２１を流れるガスの酸素濃度を、すなわち混合気の空燃比ＡＢＹＦを検出する空燃比センサ２５が設置されている。また、排気通路２１における三元触媒装置２３とフィルタ２４との間の部分には、三元触媒装置２３から流出したガスの温度である触媒出ガス温度ＴＨＣを検出する触媒出ガス温度センサ２６が設置されている。

なお、車両において内燃機関１０のクランク軸１４は、トルクコンバータ５０とトランスミッション５１とを介して車輪５２に連結されている。トルクコンバータ５０には、クランク軸１４をトランスミッション５１に直結するロックアップを実施するロックアップ機構５３が設けられている。

内燃機関１０の制御装置２７は、制御のための演算処理を実行する演算処理回路と、制御用のプログラムやデータを記憶したメモリと、を有したマイクロコンピュータとして構成されている。制御装置２７には、上述のエアフローメータ１６、空燃比センサ２５、触媒出ガス温度センサ２６の検出信号が入力されている。また、制御装置２７には、クランク軸１４の回転角であるクランク角θｃを検出するクランク角センサ２８の検出信号が入力されている。そして、制御装置２７は、クランク角θｃの検出結果から内燃機関１０の回転数（機関回転数ＮＥ）を演算している。さらに、制御装置２７には、車両の走行速度である車速Ｖを検出する車速センサ２９、及びアクセルペダル３０の操作量であるアクセル開度ＡＣＣを検出するアクセルポジションセンサ３１の検出信号も入力されている。そして、制御装置２７は、これらセンサの検出結果に基づき、スロットルバルブ１７の開度、燃料噴射弁１８の燃料噴射の量や時期、点火装置２０のスパークの実施時期（点火時期）等を制御することで、車両の走行状況に応じて内燃機関１０の運転状態を制御している。

制御装置２７は、内燃機関１０の制御の一環として、排気通路２１に設置された三元触媒装置２３を昇温するための燃料導入処理を実施している。制御装置２７は、開始判定ルーチンにおいて燃料導入処理を開始するかどうかの判定を行っている。

図２に、開始判定ルーチンのフローチャートを示す。制御装置２７は、燃料導入処理を実施していないときに、同ルーチンの処理を規定の制御周期毎に繰り返し実行している。
本ルーチンの処理が開始されると、まずステップＳ１００において、三元触媒装置２３の昇温の要求（触媒昇温要求）の有無が判定される。そして、三元触媒装置２３の昇温が要求されている場合（ＹＥＳ）にはステップＳ１１０に処理が進められ、要求されていない場合（ＮＯ）にはそのまま今回の本ルーチンの処理が終了される。なお、本実施形態では、燃料導入処理を、三元触媒装置２３の昇温を通じてフィルタ２４に堆積したパティキュレートを燃焼浄化するために実施している。そして、フィルタ２４のパティキュレートの堆積量が一定の量を超えた状態となっているときに、三元触媒装置２３の昇温を要求している。

ステップＳ１１０に処理が進められると、そのステップＳ１１０において、車両が惰性走行中であるか否かが判定される。そして、惰性走行中の場合（ＹＥＳ）にはステップＳ１２０に処理が進められ、そうでない場合（ＮＯ）にはそのまま今回の本ルーチンの処理が終了される。なお、本実施形態では、アクセル開度ＡＣＣが「０」であり、且つ車速Ｖが「０」でないことをもって、車両の惰性走行中であると判定している。

ステップＳ１２０に処理が進められると、そのステップＳ１２０において、内燃機関１０の燃焼の停止が可能であるか否かの判定が行われる。そして、燃焼停止が可能な場合（ＹＥＳ）にはステップＳ１３０に処理が進められ、そうでない場合（ＮＯ）にはそのまま今回の本ルーチンの処理が終了される。

ちなみに、車両の惰性走行中は、走行に内燃機関１０の動力を必要としないため、内燃機関１０の燃焼を停止しても、車両の走行は続けられる。ただし、燃焼停止後に機関回転数ＮＥが低下し過ぎると、内燃機関１０は自力で燃焼を再開できなくなる。そのため、内燃機関１０の燃焼を停止した場合には、自力での燃焼の再開が可能な機関回転数ＮＥの下限値（以下、燃焼復帰回転数と記載する）を下回る前に、内燃機関１０の燃焼を再開する必要がある。そのため、機関回転数ＮＥが燃焼復帰回転数未満の場合には、内燃機関１０の燃焼は停止できないことになる。また、機関回転数ＮＥが燃焼復帰回転数以上であっても、それらの差が小さい場合には、燃焼停止後、直ぐに燃焼の再開が必要となる可能性が高いため、ここでは、そうした場合にも内燃機関１０の燃焼停止は不可としている。一方、ロックアップ機構５３によるロックアップが実施されていないときには、実施されているときよりも、燃焼停止中の機関回転数ＮＥの低下が速くなる。そこで、本実施形態では、ロックアップ機構５３によるロックアップを実施しているときには、実施していないときよりも、低い機関回転数ＮＥを燃焼停止許可回転数の値として設定するとともに、機関回転数ＮＥが燃焼停止許可回転数以上である場合に燃料の停止が可能であると判定している。

なお、本実施形態の制御装置２７が適用される車両では、惰性走行の開始前にロックアップが実施されている場合にはそのままロックアップを継続し、実施されていない場合には惰性走行の開始後にロックアップを実施するようにしている。また、惰性走行中には、トランスミッション５１の変速を車速Ｖに応じて行っている。そのため、惰性走行中の機関回転数ＮＥが上記燃焼復帰回転数となるときの車速Ｖは一定の速度（以下、燃焼復帰速度と記載する）となる。そこで、本実施形態では、内燃機関１０の燃焼停止中に車速Ｖが燃焼復帰速度以下となったことをもって、内燃機関１０の燃焼を再開するようにしている。

さて、ステップＳ１２０において燃焼停止が可能と判定されてステップＳ１３０に処理が進められると、そのステップＳ１３０において、車速Ｖが規定の開始許可速度β以上であるか否かが判定される。そして、車速Ｖが開始許可速度β未満の場合（ＮＯ）にはそのまま今回の本ルーチンの処理が終了される。一方、車速Ｖが開始許可速度β以上の場合（ＹＥＳ）にはステップＳ１４０において燃料導入処理が開始される。

制御装置２７は、燃料導入処理を開始すると、点火装置２０のスパーク及び燃料噴射弁１８の燃料噴射を停止して、内燃機関１０の燃焼を停止する。そして、制御装置２７は、排気通路２１内の既燃ガスの掃気に必要な期間、点火装置２０のスパーク及び燃料噴射弁１８の燃料噴射の停止を継続した後、点火装置２０のスパークを停止したまま、燃料噴射弁１８の燃料噴射を開始する。このときの内燃機関１０では、燃料噴射弁１８が噴射した燃料を含む混合気が気筒１２内で燃焼されずに未燃のまま排気通路２１に導入される。排気通路２１に導入された未燃の混合気は、三元触媒装置２３に流入し、同三元触媒装置２３の内部で燃焼する。そして、そうした混合気の燃焼による熱を受けて三元触媒装置２３の温度が上昇するようになる。三元触媒装置２３の温度が高くなると、同三元触媒装置２３から流出してフィルタ２４に流入するガスの温度も高くなる。そして、高温のガスの熱を受けてフィルタ２４の温度がパティキュレートの発火点以上に高まると、同フィルタ２４に堆積したパティキュレートの燃焼浄化が可能となる。制御装置２７は、こうした燃料導入処理を、車速Ｖが上述の燃焼復帰速度以下に低下するまで継続する。そして、制御装置２７は、車速Ｖが上述の燃焼復帰速度以下に低下すると、燃料導入処理を終了するとともに、内燃機関１０の燃焼を再開する。

ちなみに、制御装置２７は、車両の惰性走行中、且つ燃焼停止が可能な状態で燃料導入処理を開始しない場合には、内燃機関１０の燃料カットを開始する。このときの燃料カットを開始する場合とは、車両の惰性走行中、且つ燃焼停止が可能であって、三元触媒装置２３の昇温が要求されていない場合と、車両の惰性走行中、且つ燃焼停止が可能であって、車速Ｖが開始許可速度β未満の場合と、の２つの場合である。制御装置２７は、燃料カットを開始すると、車速Ｖが燃焼復帰速度まで低下して内燃機関１０燃焼を再開するまでの期間、点火装置２０のスパーク、及び燃料噴射弁１８の燃料噴射を停止する。

以上のように本実施形態の制御装置２７は、車両の惰性走行中に車速Ｖが規定の開始許可速度β以上であることを条件に燃料導入処理を開始するようにしている。開始許可速度βは、次のような値として設定されている。

三元触媒装置２３を十分に昇温するために必要な燃料導入処理の継続時間の標準値を標準昇温時間とする。そして、開始許可速度βには、惰性走行中の燃焼復帰速度への車速Ｖの低下に要する時間が標準昇温時間となる惰性走行開始時の車速Ｖの標準値がその値として設定されている。こうした開始許可速度βには当然ながら、燃焼復帰速度よりも高い速度がその値として設定される。

なお、上記十分な昇温に必要な燃料導入処理の継続時間は、同処理の開始時の三元触媒装置２３の温度や、外気温などの環境条件によって変化する。そのため、様々な条件下で測定した上記継続時間の平均値等を標準昇温時間の値として設定するとよい。また、惰性走行中の車両の減速度は状況により変化する。そのため、開始許可速度βの値は例えば次の態様で設定するとよい。すなわち、標準的な環境（気圧、気温など）における平地での車両の惰性走行を行うとともに、そのときの車速Ｖの推移を測定する。そして、車速Ｖが燃焼復帰速度に低下した時刻よりも標準昇温時間分前の時刻における車速Ｖを開始許可速度βの値として設定する。

本実施形態の作用及び効果を説明する。
本実施形態において制御装置２７は、車両の惰性走行中に、車速Ｖが規定の開始許可判定速度β以上であることを条件に燃料導入処理を開始している。そして、制御装置２７は、燃料導入処理の開始後、車速Ｖが燃焼復帰速度まで低下して内燃機関１０の燃焼が再開されるまで同燃料導入処理を継続している。

図３に、実施形態における燃料導入処理の実施態様の一例を示す。同図に示すように、このときの車両は加減速を繰り返して走行している。そして、このときの車両が惰性走行し、且つ内燃機関１０の燃焼停止が可能となっている期間は、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間（以下、期間Ｔ１２と記載する）、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間（以下、期間Ｔ３４と記載する）、及び時刻ｔ５から時刻ｔ６までの期間（以下、期間Ｔ５６と記載する）となっている。

このうち、期間Ｔ１２及び期間Ｔ５６の開始時、すなわち時刻ｔ１及び時刻ｔ５における車速Ｖは開始許可速度β以上となっており、燃料導入処理の開始の条件が満たされている。そのため、これら期間Ｔ１２、Ｔ５６には、燃料導入処理が実施されている。

一方、期間Ｔ３４の開始時である時刻ｔ３には、車速Ｖが開始許可速度β未満となっており、燃料導入処理の開始の条件が満たされていない。そのため、期間Ｔ３４には燃料導入処理が実施されないようになる。ちなみに、期間Ｔ３４は、開始時（時刻ｔ３）の車速Ｖが低く、その分、車速Ｖが燃焼復帰速度に低下するまでの時間が短いことから、期間Ｔ１２、期間Ｔ５６に比べて短い期間となっている。

このように車速Ｖが低い状態から車両の惰性走行が開始されたときには、車速Ｖが高い状態から開始された場合よりも、内燃機関１０の燃焼を停止可能な期間が短くなりやすい。そのため、車両の惰性走行中の燃料導入処理を車速Ｖが低い状態から開始した場合には、三元触媒装置２３を十分に昇温できるまで燃料導入処理を継続できない可能性が高くなる。その点、本実施形態において制御装置２７は、車両の惰性走行中に車速Ｖが規定の開始許可速度β以上であることを燃料導入処理の開始の条件としており、車速Ｖがある程度よりも低いときには、燃料導入処理を開始しないようにしている。すなわち、三元触媒装置２３を十分に昇温できない可能性が高い場合には、燃料導入処理の実施を見合わせている。したがって、本実施形態によれば、内燃機関１０の排気通路２１に設置された三元触媒装置２３を効率的に昇温することが可能となる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・上記実施形態では、点火装置２０スパークを停止した状態で燃料噴射を行うことで、排気通路２１に未燃の混合気を導入していた。なお、点火装置２０のスパークにより気筒１２内の混合気の点火が可能な時期は、圧縮上死点付近の期間に限られている。すなわち、スパークを実行しても気筒１２内での混合気が燃焼しない期間が存在する。よって、そうした期間に点火装置２０のスパークを実行しつつ、燃料噴射を行うことでも、未燃の混合気を排気通路２１に導入する燃料導入処理は実施できる。

・上記実施形態では、フィルタ２４に堆積したパティキュレートの燃焼浄化を目的として燃料導入処理を実施していたが、それ以外の目的での三元触媒装置２３の昇温のために同燃料導入処理を行うようにしてもよい。例えば、触媒温度が低下して三元触媒装置２３の排気浄化能力が低下したときに、同排気浄化能力を回復するために触媒昇温制御を行うことが考えられる。

・上記実施形態では、燃料噴射弁１８による吸気通路１５内への燃料噴射を通じて燃料導入処理を実施していたが、気筒１２内に燃料を噴射する筒内噴射式の燃料噴射弁を備える内燃機関において気筒１２内への燃料噴射を通じて燃料導入処理を行うことも可能である。

１０…内燃機関、１１…ピストン、１２…気筒、１３…コネクティングロッド、１４…クランク軸、１５…吸気通路、１６…エアフローメータ、１７…スロットルバルブ、１８…燃料噴射弁、１９…吸気バルブ、２０…点火装置、２１…排気通路、２２
…排気バルブ、２３…三元触媒装置、２４…パティキュレート捕集用のフィルタ、２５…空燃比センサ、２６…触媒出ガス温度センサ、２７…制御装置、２８…クランク角センサ、２９…車速センサ、３０…アクセルペダル、３１…アクセルポジションセンサ、５０…トルクコンバータ、５１…トランスミッション、５２…車輪、５３…ロックアップ機構。

Claims (1)

1. 車両に搭載されるとともに、燃料噴射弁と、同燃料噴射弁が噴射した燃料を含む混合気が導入される気筒と、同気筒に導入された混合気をスパークにより点火する点火装置と、前記気筒内から排出されたガスが流れる排気通路と、前記排気通路に設置された三元触媒装置と、を備える内燃機関の制御装置において、
   前記車両の惰性走行中に車速が規定の開始許可速度以上であることを条件に、前記燃料噴射弁が噴射した燃料を含む混合気を前記気筒で燃焼させずに前記排気通路に導入する燃料導入処理を開始する
   内燃機関の制御装置。