JP2021076102A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料カットからの復帰後において早期に触媒の浄化性能が回復する内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】内燃機関10は、排気通路13に設けられた触媒18と、触媒18を通過したガスの酸素濃度に比例した信号を出力する第2空燃比センサ20とを備える。制御装置100は、燃料カットからの復帰時に混合気の空燃比が理論空燃比よりもリッチになるように目標当量比を設定して燃料噴射を行うリッチ制御を実行する。また、制御装置100は、リッチ制御を開始するときの第2空燃比センサ20の出力値から算出される空気過剰率が大きいほど、リッチ制御の実行中に保持する目標当量比が大きい値となるように目標当量比を設定する目標当量比設定処理を実行する。
【選択図】図1

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関するものである。
内燃機関において燃料カットが実行されると、排気通路に設けられた触媒の酸素吸蔵量は増加していくが、そうした酸素吸蔵量が適正値を超えて過剰に多くなると、燃料カットの復帰後において混合気の燃焼が開始されたときに触媒でのNOx還元が進みにくくなる。
そこで、例えば特許文献1に記載の制御装置は、燃料カットの実行中において触媒の酸素吸蔵量が規定値を超えた場合には、燃料カットからの復帰時において混合気の空燃比が理論空燃比よりもリッチになるように燃料噴射を行うリッチ制御を行うようにしている。
このリッチ制御を実施すると触媒はリッチ雰囲気に曝されるため、吸蔵した酸素の放出が促進されるようになり、触媒のNOx還元作用が回復するようになる。
特開2005−201112号公報
ここで、リッチ制御の実行中には、触媒を通過したガスの空気過剰率がリーン側からストイキ側へと変化していく。そうした実際の空気過剰率の変化に追従させてリッチ制御中の混合気の目標当量比を算出する場合には、リッチ制御の実施による空気過剰率の低下に応じて目標当量比の値も小さくなっていくため、徐々に触媒からの酸素放出が進みにくくなり、早期に触媒の浄化性能を回復することができなくなるおそれがある。
上記課題を解決する内燃機関の制御装置は、排気通路に設けられた触媒と、前記触媒を通過したガスの酸素濃度に比例した信号を出力する空燃比センサとを備える内燃機関に適用されて、燃料カットからの復帰時に混合気の空燃比が理論空燃比よりもリッチになるように目標当量比を設定して燃料噴射を行うリッチ制御を実行する。この制御装置は、前記リッチ制御を開始するときの前記空燃比センサの出力値から算出される空気過剰率が大きいほど、前記リッチ制御の実行中に保持する前記目標当量比が大きい値となるように当該目標当量比を設定する目標当量比設定処理を実行する。
リッチ制御が開始されるときの上記空気過剰率は、燃料カットの実行中に触媒が吸蔵した酸素の量が多いほど大きい値になる。そこで同構成では、そうしたリッチ制御が開始されるときの上記空気過剰率に応じて目標当量比が設定されるとともにその設定された目標当量比の値が保持されるため、リッチ制御の実行中において目標当量比はリッチ側に大きい値のまま維持される。その結果、触媒からの酸素放出が進みやすくなるため、早期に触媒の浄化性能を回復することができる。
また、上記課題を解決する内燃機関の制御装置は、排気通路に設けられた触媒と、前記触媒を通過したガスの酸素濃度に比例した信号を出力する空燃比センサとを備える内燃機関に適用されて、燃料カットからの復帰時に混合気の空燃比が理論空燃比よりもリッチになるように目標当量比を設定して燃料噴射を行うリッチ制御を実行する。この制御装置は、前記リッチ制御を開始するときの前記空燃比センサの出力値から算出される空気過剰率を過剰率記憶値の初期値に設定する設定処理と、前記過剰率記憶値が大きい値であるほど、前記リッチ制御の実行中に保持する前記目標当量比が大きい値となるように当該目標当量比を設定する目標当量比設定処理と、前記リッチ制御の実行中に前記空燃比センサの出力値から算出される空気過剰率が前記過剰率記憶値を超える毎に、その算出された空気過剰率を前記過剰率記憶値として設定する更新処理とを実行する。
同構成では、リッチ制御を開始するときの上記空気過剰率を過剰率記憶値の初期値として設定するようにしている。そして、リッチ制御実行中の上記空気過剰率が上記過剰率記憶値を超えることがなければ、同初期値が上記過剰率記憶値として維持され、その初期値に基づいて目標当量比が算出される。
ここで、上記初期値、つまりリッチ制御が開始されるときの上記空気過剰率は、燃料カットの実行中に触媒が吸蔵した酸素の量が多いほど大きい値になる。この点、同構成では、リッチ制御実行中の上記空気過剰率が上記過剰率記憶値を超えない場合には、そうしたリッチ制御が開始されるときの上記空気過剰率に応じて目標当量比が設定されるとともにその設定された目標当量比の値が保持されるため、リッチ制御の実行中において目標当量比はリッチ側に大きい値のまま維持される。その結果、触媒からの酸素放出が進みやすくなるため、早期に触媒の浄化性能を回復することができる。
一方、リッチ制御実行中の上記空気過剰率が上記過剰率記憶値を超える場合には、当該過剰率記憶値を超えた空気過剰率が新たな過剰率記憶値として設定されることにより同過剰率記憶値は更新される。この更新後の過剰率記憶値は、更新前の過剰率記憶値よりも大きい値であるため、更新後の過剰率記憶値に基づいて算出される目標当量比の値は、更新前の過剰率記憶値に基づいて算出される目標当量比よりも大きい値になる。そのため、触媒は更にリッチな雰囲気に曝されるようになり、吸蔵していた酸素の放出が更に促進される。従って、より早期に触媒の浄化性能を回復することができる。
内燃機関の制御装置を具体化した第1実施形態にあって、これが適用される内燃機関及びその周辺構造を示す模式図。 同実施形態の制御装置が実行する処理の手順を示すフローチャート。 同実施形態の作用を示すタイミングチャート。 第2実施形態の制御装置が実行する処理の手順を示すフローチャート。
(第1実施形態)
以下、内燃機関の制御装置を具体化した第1実施形態について、図1〜図3を参照して説明する。
図1に示すように、内燃機関10には吸気通路11が接続されている。この吸気通路11には、通路面積を可変とするスロットルバルブ15が設けられており、その開度制御によりエアクリーナ14を通じて吸入される空気の量が調整される。また、吸入された空気の量である吸入空気量GAは、エアフロメータ16にて検出される。吸気通路11に吸入された空気は、スロットルバルブ15の下流に設けられたインジェクタ17から噴射される燃料と混合された後、内燃機関10の燃焼室に送られて燃焼される。
燃焼室での燃焼により生じた排気が送られる排気通路13には、排気中の成分を浄化する排気浄化用の触媒18が設けられている。この触媒18は、理論空燃比近傍での燃焼が行われる状態において、排気中のHCやCOを酸化するとともに同排気中のNOxを還元して排気を浄化する作用を有している。また、この触媒18は、リーン雰囲気に曝されると酸素を吸蔵する一方、リッチ雰囲気に曝されると吸蔵した酸素を放出する酸素ストレージ機能を有している。
触媒18の上流側には第1空燃比センサ19が設けられており、触媒18の下流側には第2空燃比センサ20が設けられている。
これら第1空燃比センサ19及び第2空燃比センサ20は、周知の限界電流式酸素センサである。この限界電流式酸素センサは、濃淡電池式酸素センサの検出部に拡散律速層と呼ばれるセラミック層を備えることにより排気の酸素濃度に比例した出力電流が得られるセンサであり、排気中の酸素濃度と密接な関係にある空燃比が理論空燃比である場合には、その出力電流は「0」になる。また、空燃比がリッチになるにつれて出力電流は負の方向に大きくなり、空燃比がリーンになるにつれて出力電流は正の方向に大きくなる。
第1空燃比センサ19は、触媒18を通過する前のガス(排気)の酸素濃度に比例した信号、つまり燃焼室で燃焼した混合気の空燃比に比例した信号を出力する。また、第2空燃比センサ20は、触媒18を通過したガス(排気)の酸素濃度に比例した信号を出力する。
内燃機関10の各種制御は、制御装置100によって行われる。制御装置100は、中央処理装置(以下、CPUという)110や、制御用のプログラムやデータが記憶されたメモリ120などを備えている。そして、制御装置100は、メモリ120に記憶されたプログラムをCPU110が実行することにより各種制御に関する処理を実行する。
制御装置100には、上記エアフロメータ16、上記第1空燃比センサ19、上記第2空燃比センサ20、アクセルペダルの操作量を検出するアクセルセンサ、機関回転速度NEを検出するクランク角21などの各種センサの検出信号が入力される。
そして、制御装置100は、上記各種センサの検出信号に基づいて機関運転状態を把握し、その把握した機関運転状態に応じてインジェクタ17の燃料噴射制御、スロットルバルブ15の開度制御等といった各種の機関制御を実施する。
制御装置100は、減速時や降坂時などのように機関トルクが不要な運転状態において、インジェクタ17の燃料噴射を中止する、いわゆる燃料カットを実行する。この燃料カットが実行されると、排気通路13には新気が導入されるため、触媒18はリーン雰囲気に曝されるようになり酸素を吸蔵する。そして、燃料カットが中止されて再び燃料噴射が開始される、いわゆる燃料カットの復帰が行われると、混合気の燃焼ガスが排気通路13に導入される。そして、触媒18がリッチ雰囲気に曝されると吸蔵した酸素を放出する。
制御装置100は、触媒18の酸素吸蔵量OSAを以下のようにして算出する。すなわち、次式(1)により、微小時間Δt毎の吸蔵酸素変化量ΔOSAを算出し、その吸蔵酸素変化量ΔOSAを逐次積算することにより触媒18の酸素吸蔵量OSAを算出する。
ΔOSA=0.23×ΔA/F×燃料噴射量Q…(1)
式(1)の「0.23」は空気中の酸素の割合であり、「ΔA/F」は第1空燃比センサ19によって検出された空燃比から理論空燃比を減じた値である。また、「燃料噴射量Q」は、微小時間Δtの間にインジェクタ17から噴射された燃料量である。上記式(1)において、「ΔA/F」が正の値である場合には、微小時間Δtの間に触媒18に吸蔵された酸素の量が算出される。一方、「ΔA/F」が負の値である場合には、微小時間Δtの間に触媒18から放出された酸素の量が算出される。
また、燃料カットの実行中は、新気が触媒18を通過するため、新気に含まれる酸素が触媒18に吸蔵される。この燃料カットの実行中において微小時間Δtの間に触媒18に吸蔵される酸素の量は、次式(2)に示す微小時間Δt毎の吸蔵酸素変化量ΔOSAを算出することにより求められる。
ΔOSA=0.23×微小時間Δtにおける吸入空気量…(2)
なお、微小時間Δtにおける吸入空気量は、エアフロメータ16により検出される。
ここで、燃料カットが実行されると触媒18の酸素吸蔵量OSAは増加していくが、そうした酸素吸蔵量OSAが適正値Cを超えて過剰に多くなると、燃料カットの復帰後において混合気の燃焼が開始されたときに触媒18でのNOx還元が進みにくくなる。
そこで、制御装置100は、燃料カットの実行中において吸入空気量の積算値を算出する。そして、この吸入空気量の積算値が規定値を超えた場合には、酸素吸蔵量OSAが適正値Cを超えて過剰に多くなっていると判断して、燃料カットからの復帰時にはリッチ制御を行う。
このリッチ制御は、混合気の空燃比が理論空燃比よりもリッチになるように当量比の目標値である目標当量比φtを「1」よりも大きい値に設定して燃料噴射を行う制御である。このリッチ制御を実施すると触媒18はリッチ雰囲気に曝されるため、吸蔵した酸素の放出が促進される。そして、第2空燃比センサ20の出力値から算出される空気過剰率が「1」近傍の値になる、あるいは酸素吸蔵量OSAが適正値Cにまで低下すると、制御装置100は、目標当量比φtを「1」に設定してリッチ制御を終了し、その後は例えばストイキ燃焼を実施する。
なお、周知のように上記当量比は、混合気における燃料濃度を表す指標値であり、理論空燃比となる燃料量を実際の燃料量で除した値である。この当量比は、混合気の空燃比が理論空燃比になっている場合には「1」になり、混合気の空燃比が理論空燃比よりもリッチになっている場合には「1」よりも大きい値になり、混合気の空燃比が理論空燃比よりもリーンになっている場合には「1」よりも小さい値になる。また、周知のように上記空気過剰率は、混合気における空気の過剰率を表す指標値であり、理論空燃比となる空気量を実際の空気量で除した値である。この空気余剰率は、混合気の空燃比が理論空燃比になっている場合には「1」になり、混合気の空燃比が理論空燃比よりもリーンになっている場合には「1」よりも大きい値になり、混合気の空燃比が理論空燃比よりもリッチになっている場合には「1」よりも小さい値になる。
以下、制御装置100が上記目標当量比φtを設定するために実行する処理手順について図2を参照しつつ説明する。なお、同図に示す処理は、制御装置100のメモリ120に記憶されたプログラムをCPU110が実行することにより実現される処理であり、制御装置100は、リッチ制御の実行中にこの処理を繰り返し実行する。また、以下では、先頭に「S」が付与された数字によって、ステップ番号を表現する。
本処理を開始すると、制御装置100は、リア空気過剰率λrを取得する(S100)。このリア空気過剰率λrは、第2空燃比センサ20の出力信号から算出される空気過剰率である。
次に、制御装置100は、リッチ制御の開始直後であるか否かを判定する(S110)。そして、リッチ制御の開始直後であると判定する場合(S110:YES)、制御装置100は、S100で取得したリア空気過剰率λrを過剰率記憶値λmに設定する(S120)。このS120の処理は、リッチ制御を開始するときの空気過剰率を過剰率記憶値λmの初期値に設定する設定処理になっている。
このS120の処理を実行した後、あるいは上記S110にて否定判定した場合、制御装置100は、次の処理としてS130の処理を実行する。このS130の処理において、制御装置100は、S100で取得したリア空気過剰率λrが現在の過剰率記憶値λmを超えているか否かを判定する。なお、本処理を初めて実行した場合には、S100で取得したリア空気過剰率λrが現在の過剰率記憶値λmになっているため、S130では否定判定される。
S130の処理にて、S100で取得したリア空気過剰率λrが現在の過剰率記憶値λmを超えていると判定する場合(S130:YES)、制御装置100は、S100で取得したリア空気過剰率λrを新たな過剰率記憶値λmとして設定することにより当該過剰率記憶値λmを更新する(S140)。こうした過剰率記憶値λmの更新は、S100で取得したリア空気過剰率λrが現在の過剰率記憶値λmを超える毎に実施される。なお、S130及びS140の処理は、リッチ制御の実行中に空燃比センサの出力値から算出される空気過剰率が過剰率記憶値を超えるたびに、その算出された空気過剰率を過剰率記憶値として設定する更新処理となっている。
このS140の処理を実行した後、あるいは上記S130にて否定判定されることにより現在の過剰率記憶値λmが維持された場合、制御装置100は、次の処理としてS150の処理を実行する。このS150の処理において、制御装置100は、リッチ制御実行中の上記目標当量比φtを現在の過剰率記憶値λmに基づいて算出する目標当量比設定処理を実行する。この目標当量比設定処理において、制御装置100は、混合気の空燃比が理論空燃比よりもリッチになるように目標当量比φtを「1」よりも大きい値に設定する。また、制御装置100は、現在の過剰率記憶値λmの値が大きいほど目標当量比φtは大きい値となるように当該目標当量比φtを算出する。
次に、制御装置100は、S150で算出した目標当量比φtと現在の吸入空気量GAとに基づいてインジェクタ17の燃料噴射量Qを算出して(S160)、本処理を一旦終了する。そして、制御装置100は、S160で算出した燃料噴射量Qがインジェクタ17から噴射されるように同インジェクタ17の駆動制御を行う。
図3を参照して本実施形態の作用及び効果を説明する。
(1)図3の時刻t1において燃料カットが開始されると、新気が触媒18を通過するため、リア空気過剰率λrの値は徐々に「1」よりも大きい値に変化していき、触媒18の酸素吸蔵量OSAが限界に達すると、それ以降は新気の酸素濃度に応じた一定の値になる。この燃料カットの実行中において吸入空気量GAの積算値が上記規定値を超えていると、時刻t2において燃料カットから復帰する際にリッチ制御が開始される。このリッチ制御が開始されると、理論空燃比よりもリッチな混合気が燃焼されて触媒18はリッチ雰囲気に曝されるようになり、吸蔵していた酸素の放出が促される。そして放出された酸素の一部は未燃燃料と反応することにより、リア空気過剰率λrの値はリーン側の値からストイキ側の値へと徐々に小さくなっていく。そして、リア空気過剰率λrが「1」近傍の値になる、あるいは酸素吸蔵量OSAが適正値Cにまで低下するとリッチ制御は終了される(時刻t5)。
ここで、図3において二点鎖線L2に示すように、仮に、リッチ制御中に変化していく実際のリア空気過剰率λrに追従させて目標当量比φtを算出する場合には、リッチ制御の実施によるリア空気過剰率λrの低下に応じて目標当量比φtの値も小さくなっていくため、徐々に触媒18からの酸素放出が進みにくくなる。そのため、リッチ制御の終了時期が遅くなり(時刻t6)、早期に触媒18の浄化性能を回復することができなくなるおそれがある。
この点、本実施形態では、図2に示した処理を実行することにより、早期に触媒18の浄化性能を回復することができる。
すなわち、時刻t2にて、リッチ制御が開始されると、当該リッチ制御が開始されるときのリア空気過剰率λra、つまり時刻t2におけるリア空気過剰率λraが、上記過剰率記憶値λmの初期値として設定される。
そして、時刻t2以降において、リッチ制御実行中のリア空気過剰率λrが過剰率記憶値λmの初期値を超えることがなければ、時刻t2におけるリア空気過剰率λraの値が過剰率記憶値λmとして維持され、そのリア空気過剰率λraに基づいて目標当量比φtaが算出される。
ここで、時刻t2におけるリア空気過剰率λra、つまりリッチ制御が開始されるときのリア空気過剰率λraは、燃料カットの実行中に触媒18が吸蔵した酸素の量が多いほど大きい値になる。そして、この時刻t2におけるリア空気過剰率λraに基づいて目標当量比φtが算出されるとともに、その算出された目標当量比φtの値が保持されるため、リッチ制御の実行中において目標当量比φtはリッチ側に大きい値のまま維持される。その結果、触媒18からの酸素放出が進みやすくなるため、早期に触媒18の浄化性能を回復することができる。
(2)また、図3に一点鎖線L1にて示すように、リッチ制御の実行中において、第2空燃比センサ20の出力信号が変動してリア空気過剰率λrbが過剰率記憶値λm(リア空気過剰率λra)を超えると(時刻t3)、時刻t3におけるリア空気過剰率λrbが新たな過剰率記憶値λmとして設定されることにより当該過剰率記憶値λmは更新される。この更新後の過剰率記憶値λmは、更新前の過剰率記憶値λmよりも大きい値であるため、更新後の過剰率記憶値λmに基づいて算出される目標当量比φtbの値は、更新前の過剰率記憶値λmに基づいて算出される目標当量比φtaよりも大きい値になる。そのため、触媒18は更にリッチな雰囲気に曝されるようになり、吸蔵していた酸素の放出を更に促進することができる。そのため、リッチ制御の終了時期が早くなり(時刻t4)、より早期に触媒18の浄化性能を回復することができる。
(第2実施形態)
次に、内燃機関の制御装置を具体化した第2実施形態について、図4を参照して説明する。
第1実施形態では、過剰率記憶値λmの更新処理を行うようにしたが、本実施形態ではそうした更新処理を省略するようにしている。以下、そうした相異点を中心にして本実施形態を説明する。
図4に、制御装置100が上記目標当量比φtを設定するために実行する処理手順を示す。なお、同図に示す処理は、制御装置100のメモリ120に記憶されたプログラムをCPU110が実行することにより実現される処理であり、制御装置100は、リッチ制御の開始に合わせてこの処理を実行する。また、以下では、先頭に「S」が付与された数字によって、ステップ番号を表現する。
本処理を開始すると、制御装置100は、リア空気過剰率λrを取得する(S200)。このリア空気過剰率λrは、第2空燃比センサ20の出力信号から算出される空気過剰率である。
次に、制御装置100は、S200で取得したリア空気過剰率λrに基づいてリッチ制御実行中の上記目標当量比φtを算出する目標当量比設定処理を実行する(S210)。この目標当量比設定処理において、制御装置100は、混合気の空燃比が理論空燃比よりもリッチになるように目標当量比φtを「1」よりも大きい値に設定する。また、制御装置100は、S200で取得したリア空気過剰率λrの値が大きいほど目標当量比φtは大きい値となるように当該目標当量比φtを算出する。
次に、制御装置100は、S210で算出した目標当量比φtと現在の吸入空気量GAとに基づいてインジェクタ17の燃料噴射量Qを算出して(S220)、本処理を終了する。そして、制御装置100は、S220で算出した燃料噴射量Qがインジェクタ17から噴射されるように同インジェクタ17の駆動制御を行う。
この実施形態でも、リッチ制御が開始されるときのリア空気過剰率λrに基づいて目標当量比φtが算出されるとともに、その算出された目標当量比φtの値が保持されるため、リッチ制御の実行中において目標当量比φtはリッチ側に大きい値のまま維持される。従って、本実施形態でも、上記(1)と同様の作用効果が得られるようになり、触媒18からの酸素放出が進みやすくなるため、早期に触媒18の浄化性能を回復することができる。
なお、各実施形態は、以下のように変更して実施することができる。各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。
・リッチ制御の実行条件や、終了条件は適宜変更することができる。
・制御装置100はCPU110とメモリ120とを備えており、ソフトウェア処理を実行するものに限らない。例えば、上記実施形態において実行されるソフトウェア処理の少なくとも一部を処理する専用のハードウェア回路(たとえばASIC等)を備えてもよい。すなわち、制御装置100は、以下の(a)〜(c)のいずれかの構成であればよい。(a)上記処理の全てをプログラムに従って実行する処理装置と、プログラムを記憶するメモリ等のプログラム格納装置とを備える。(b)上記処理の一部をプログラムに従って実行する処理装置及びプログラム格納装置と、残りの処理を実行する専用のハードウェア回路とを備える。(c)上記処理の全てを実行する専用のハードウェア回路を備える。ここで、処理装置及びプログラム格納装置を備えたソフトウェア処理回路や、専用のハードウェア回路は複数であってもよい。すなわち、上記処理は、1または複数のソフトウェア処理回路及び1または複数の専用のハードウェア回路の少なくとも一方を備えた処理回路によって実行されればよい。
10…内燃機関
11…吸気通路
13…排気通路
17…インジェクタ
18…触媒
20…第2空燃比センサ
100…制御装置

Claims (2)

  1. 排気通路に設けられた触媒と、前記触媒を通過したガスの酸素濃度に比例した信号を出力する空燃比センサとを備える内燃機関に適用されて、燃料カットからの復帰時に混合気の空燃比が理論空燃比よりもリッチになるように目標当量比を設定して燃料噴射を行うリッチ制御を実行する制御装置であって、
    前記リッチ制御を開始するときの前記空燃比センサの出力値から算出される空気過剰率が大きいほど、前記リッチ制御の実行中に保持する前記目標当量比が大きい値となるように当該目標当量比を設定する目標当量比設定処理を実行する
    内燃機関の制御装置。
  2. 排気通路に設けられた触媒と、前記触媒を通過したガスの酸素濃度に比例した信号を出力する空燃比センサとを備える内燃機関に適用されて、燃料カットからの復帰時に混合気の空燃比が理論空燃比よりもリッチになるように目標当量比を設定して燃料噴射を行うリッチ制御を実行する制御装置であって、
    前記リッチ制御を開始するときの前記空燃比センサの出力値から算出される空気過剰率を過剰率記憶値の初期値に設定する設定処理と、
    前記過剰率記憶値が大きい値であるほど、前記リッチ制御の実行中に保持する前記目標当量比が大きい値となるように当該目標当量比を設定する目標当量比設定処理と、
    前記リッチ制御の実行中に前記空燃比センサの出力値から算出される空気過剰率が前記過剰率記憶値を超える毎に、その算出された空気過剰率を前記過剰率記憶値として設定する更新処理とを実行する
    内燃機関の制御装置。
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