JP2021102933A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気浄化用の触媒の劣化の度合いに応じて触媒暖機制御を実施する期間の長さを調整できる内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】内燃機関の始動直後に、目標エンジン回転数を平時よりも高く引き上げ、または点火タイミングを平時よりも遅角させることにより、内燃機関の排気通路に装着した排気ガス浄化用の触媒の昇温を促す。その際、触媒に流入するガスの空燃比を触媒暖機制御中でない平時と比較してより大きな幅で振動させる（図３（ａ））。そして、触媒の下流に設置した空燃比センサの出力信号の極大値と極小値との差が所定値以下に縮小した（図３（ｃ））ことを条件として触媒暖機制御を終了する。これにより、劣化が進んでいる触媒に対しては触媒暖機制御の期間を長くして確実に触媒を活性化させ、触媒による有害物質の浄化能率を高めて有害物質の排出増を抑止することができる。【選択図】図３

Description

本発明は、車両等に搭載される内燃機関を制御する制御装置に関する。

一般に、内燃機関の排気通路には、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（例えば、下記特許文献を参照）。

触媒が高い浄化性能を発揮できるようになるためには、触媒を必要十分な高温度まで昇温させなければならない。そこで、従来より、内燃機関の冷間始動直後の時期には、目標エンジン回転数を平時よりも高く引き上げ、及び／または、混合気への点火のタイミングを平時よりも遅角させて触媒の昇温を促す触媒暖機制御を実施している。目標エンジン回転数を引き上げれば、気筒から排出され触媒に流入する排気ガスの量が増加する。また、点火タイミングを遅角化すれば、気筒から排出され触媒に流入する排気ガスの温度がより高まる。

特開２０１８−１７３００５号公報

従前の内燃機関の制御では、内燃機関の始動からの累積の燃料噴射量を積算したり、触媒の現在温度を推定したりして、それらが所定の閾値を上回ったならば触媒暖機制御を終了する、即ち引き上げていた目標エンジン回転数を平時の値まで引き下げ、及び／または、遅角補正していた点火タイミングを平時のタイミングに復帰させるようにしていた。

触媒による有害物質の浄化能率は恒常的に一定ではない。経年劣化により、触媒の酸素吸蔵能力は減退し、それに伴って有害物質の浄化能率も低下してゆく。経年劣化の影響が及んでも有害物質の排出量が増加しないよう、これまでは、経年劣化がある程度以上進んだ触媒を想定して、触媒暖機制御の終了条件となる上記の閾値を設定していた。要するに、内燃機関の始動後の触媒暖機制御の期間を、余裕を持って長めに設けていた。

しかしながら、新品の触媒や劣化が進んでいない触媒は、触媒暖機制御の期間を長くとらなくとも、早い時点から適切に有害物質を浄化処理することが可能である。つまり、新品の触媒や劣化が進んでいない触媒に対しては、不必要に長く触媒暖機制御を実施しているわけである。触媒暖機制御の一環としての目標エンジン回転数の引き上げは、燃料消費量及び排気ガス量の増加を意味し、内燃機関の燃費性能及びエミッションの悪化という不利益をもたらす。点火タイミングの遅角化は、内燃機関の熱機械変換効率を低下させることに等しい。

以上の問題に着目してなされた本発明は、排気浄化用の触媒の劣化の度合いに応じて触媒暖機制御を実施する期間の長さを調整できるようにすることを所期の目的としている。

本発明では、内燃機関の始動直後の時期に、目標エンジン回転数を平時よりも高く引き上げ、及び／または、点火タイミングを平時よりも遅角させることにより、内燃機関の排気通路に装着した排気ガス浄化用の触媒の昇温を促す触媒暖機制御を実施するものであって、排気通路における触媒の下流に設置した空燃比センサの出力信号の極大値と極小値との差が所定値以下に縮小したことを条件として前記触媒暖機制御を終了する内燃機関の制御装置を構成した。

前記触媒暖機制御中は、触媒に流入するガスの空燃比を平時と比較してより大きな幅で振動させることが好ましい。

本発明によれば、排気浄化用の触媒の劣化の度合いに応じて触媒暖機制御を実施する期間の長さを調整できるようになる。

本発明の一実施形態における車両用内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。 同実施形態の内燃機関の制御装置がプログラムに従い実行する処理の手順例を示すフロー図。 同実施形態において実施する触媒暖機制御中の触媒の下流の空燃比センサの出力信号の推移を示すタイミング図。 同実施形態において実施する触媒暖機制御中の触媒の下流の空燃比センサの出力信号の振幅と触媒の劣化の度合いとの関係を示す図。

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。

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結果発生した排気ガスを各気筒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４を流通する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。本実施形態では、触媒４１の上流側及び下流側の各空燃比センサ４３、４４について、排気ガス中の酸素濃度に応じた電圧信号を出力するＯ₂センサを想定している。周知の通り、Ｏ₂センサ４３、４４の出力特性は、理論空燃比近傍の一定範囲（ウィンドウ）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。

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と吸気通路３とを連通する外部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における触媒４１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。ＥＣＵ０は、複数基のＥＣＵまたはコントローラがＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の電気通信回線を介して相互に通信可能に接続されてなるものであることがある。

ＥＣＵ０の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、内燃機関の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、内燃機関に要求されるエンジントルクまたはエンジン負荷率）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。ＥＣＵ０が空燃比センサ４３、４４から受け取る信号ｇ、ｇは、排気ガスの空燃比に応じて増減する電圧信号若しくは電流信号、並びに空燃比センサ４３、４４の内部抵抗の大きさを示す信号である。空燃比センサ４３、４４の内部抵抗は、当該空燃比センサ４３、４４の現在の温度を示唆する。

ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタ１３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、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に吸入される空気（新気）量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸入空気量等に基づき、要求燃料噴射量、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、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲガス量）、点火タイミング（一度の燃焼に対する火花点火の回数を含む）等といった各種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。

燃料噴射量を決定するにあたり、ＥＣＵ０は、まず、気筒１に吸入される空気の量Ｇ_aを求め、その吸入空気量Ｇ_aに比例する（吸入空気量Ｇ_aに応じて理論空燃比またはその近傍の空燃比を実現できような）燃料噴射量の基本量ＴＰを決定する。吸入空気量Ｇ_aは、エンジン回転数及びサージタンク３３内吸気圧を基に推算する。必要であれば、その推算値に、吸気温や大気圧等に応じた補正を加えることができる。なお、吸気通路３にエアフローメータが設置されているならば、エアフローメータを介して吸入空気量Ｇ_aを直接計測することが可能である。

次いで、この基本噴射量ＴＰを、触媒４１に流入するガスの空燃比とその目標値との偏差に応じたフィードバック補正係数ＦＡＦや、環境条件その他の状況に応じて定まる各種補正係数Ｋにより補正する。補正係数ＦＡＦ、Ｋはそれぞれ、１を中心に増減する正数である。さらに、インジェクタ１１を開弁しても燃料が噴出しない無効噴射時間ＴＡＵＶを加味して、最終的な燃料噴射時間Ｔ、即ちインジェクタ１１を開弁するべくこれに通電する時間を算定する。燃料噴射時間Ｔは、
Ｔ＝ＴＰ×ＦＡＦ×Ｋ＋ＴＡＵＶ
となる。ＥＣＵ０は、燃料噴射時間Ｔだけインジェクタ１１に対して信号ｊを入力し、インジェクタ１１を開弁して燃料を噴射させる。

また、ＥＣＵ０は、停止した内燃機関を始動するとき、電動機（スタータまたはＩＳＧ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｔａｒｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）。図示せず）に制御信号ｏを入力し、当該電動機により内燃機関のクランクシャフトを回転駆動しながら、インジェクタ１１から燃料を噴射し、点火プラグ１２により火花点火して燃料を燃焼させ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、エンジン回転数が加速、上昇して完爆判定値を超えたときに、完爆したものと見なして終了する。完爆判定値は、内燃機関の温度等に応じて上下し得る。基本的には、内燃機関の冷却水温が低いほど完爆判定値を高く引き上げる。

ＥＣＵ０は、特にアイドル運転中、エンジン回転数を目標回転数に収束させるフィードバック制御を行う。即ち、クランク角信号ｂを参照して知得した実測のエンジン回転数と目標回転数との偏差を縮小する方向にスロットルバルブ３２の開度を操作して気筒１に吸入される空気量を増減させ、それに呼応してインジェクタ１１から噴射する燃料の噴射量を増減させる。及び／または、実測回転数と目標回転数との偏差を縮小する方向に点火タイミングを進角／遅角させる。

なお、冷間始動直後は、排気浄化用の触媒４１の温度も低温となっている。触媒４１に高い浄化性能を発揮させるには、触媒４１の温度を必要十分に高めてこれを活性化しなければならない。そのために、ＥＣＵ０は、内燃機関の冷間始動の際のクランキングの終了後、触媒４１の昇温を促す触媒暖機制御を実施する。触媒暖機制御では、目標エンジン回転数を触媒暖機制御中でない平時よりも高く引き上げ、及び／または、混合気への火花点火のタイミングを触媒暖機制御中でない平時よりも遅角させる。

その上で、本実施形態のＥＣＵ０は、現在の触媒４１の経年劣化の度合いに応じて、触媒暖機制御を実施する期間の長さを調整する。即ち、劣化していない触媒４１に対しては触媒暖機制御の期間をより短縮し、触媒暖機制御に起因する燃料消費量及び排気ガス量の増加を抑制する。翻って、劣化が進んでいる触媒４１に対しては、触媒暖機制御を実施の期間をより延長し、触媒４１によって確実に有害物質を浄化できるようにする。

図２に示すように、本実施形態のＥＣＵ０は、冷間始動のためのクランキングの終了後（ステップＳ１）、触媒暖機制御を開始する（ステップＳ２）。加えて、触媒暖機制御中、気筒１に充填する混合気の空燃比、ひいては触媒４１に流入するガスの空燃比を、平時と比較してより大きな幅で敢えて振動させる（ステップＳ３）。内燃機関がガソリンエンジンである場合、平時の目標空燃比は理論空燃比またはその近傍の約１４．６に設定するが、触媒暖機制御中は、目標空燃比をその平時の空燃比の±１程度の範囲で周期的に上下させる。これにより、気筒１に吸入される空気量が一定であったとしても、インジェクタ１１から噴射する燃料の量は周期的に増減する。触媒４１に流入するガスの実際の空燃比は、排気通路４における触媒４１の上流に設置した空燃比センサ４３の出力信号ｆを参照して知得できる。

しかして、ＥＣＵ０は、触媒暖機制御中、排気通路４における触媒４１の下流に設置した空燃比センサ４４の出力信号ｇを参照し、現在時点から直近の過去の一定時間内における出力信号ｇの極大値と極小値との差分を求め（ステップＳ４）、その差分、換言すればＯ₂センサ４４の出力電圧ｇの振幅が所定値以下に縮小したことを条件として（ステップＳ５）、上記の触媒暖機制御を終了する（ステップＳ６）。触媒暖機制御の終了後は、目標エンジン回転数を平時の値まで引き下げ、及び／または、混合気への火花点火のタイミングを平時のタイミングまで進角させる。並びに、触媒４１に流入するガスの空燃比を平時と比較してより大きな幅で振動させる操作（ステップＳ３）も終了する。

ステップＳ５に関して補足する。図３に示すように、触媒４１の下流の空燃比センサ４４の出力信号ｇは、内燃機関の冷間始動後の触媒４１の温度が上昇して触媒４１が活性化するほど、その振幅が小さくなり、またその振動の周期が長くなる。図３（ａ）は、触媒暖機制御の開始直後、触媒４１が冷えており活性化していない状態における空燃比センサ４４の出力信号ｇを表している。図３（ｂ）は、触媒暖機制御を開始してからある程度の時間（数秒程度）が経過し、触媒４１がある程度昇温した状態における空燃比センサ４４の出力信号ｇを表している。並びに、図３（ｃ）は、触媒暖機制御を開始してから十分な時間（十秒程度）が経過し、触媒４１が十分に昇温して活性化した状態における空燃比センサ４４の出力信号ｇを表している。このように、空燃比センサ４４の出力信号ｇを参照すれば、現在の触媒４１の活性化の程度を推し量ることが可能である。

空燃比センサ４４の出力信号ｇに基づいて触媒４１が活性化したかどうかを判定するこの手法は、触媒４１の経年劣化の度合いをうまく取り入れることができる。劣化していない触媒４１であれば、空燃比センサ４４の出力信号ｇが図３（ａ）の形状から図３（ｃ）の形状に変化するまでに要する時間が比較的短い。劣化した触媒４１であれば、空燃比センサ４４の出力信号ｇが図３（ａ）の形状から図３（ｃ）の形状に変化するまでに要する時間が比較的長い。触媒暖機制御の開始（ステップＳ２）から、空燃比センサ４４の出力信号ｇの振幅が所定値以下に縮小する（ステップＳ５）までの所要時間の長さは、触媒４１の劣化の度合いを示唆している。これを援用して、触媒４１の劣化の度合いを診断することも可能である。

本実施形態では、内燃機関の始動直後の時期に、目標エンジン回転数を平時よりも高く引き上げ、及び／または、点火タイミングを平時よりも遅角させることにより、内燃機関の排気通路４に装着した排気ガス浄化用の触媒４１の昇温を促す触媒暖機制御を実施するものであって、排気通路４における触媒４１の下流に設置した空燃比センサ４４の出力信号ｇの極大値と極小値との差が所定値以下に縮小したことを条件として前記触媒暖機制御を終了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、触媒４１の劣化の度合いに応じて、内燃機関の始動直後の時期における触媒暖機制御を実施する期間の長さを適正な長さに調整できるようになる。新品または劣化の進んでいない触媒４１に対しては、触媒暖機制御の期間を短くして、燃料消費量を低減して燃費性能の一層の向上を図るとともに、排気ガスの排出量を削減してエミッションの良化を図ることができる。劣化が進んでいる触媒４１に対しては、触媒暖機制御の期間を長くし、確実に触媒４１を活性化させて、当該触媒４１による有害物質の浄化能率を高め、有害物質の排出増を抑止することができる。

さらに、本実施形態の制御装置０は、触媒暖機制御中に、触媒４１に流入するガスの空燃比を触媒暖機制御中でない平時と比較してより大きな幅で振動させる。このことは、劣化が進んでいない触媒４１の下流にある空燃比センサ４４が出力する信号ｇと、劣化が進んだ触媒４１の下流にある空燃比センサ４４が出力する信号ｇとの挙動の差をより際立たせ、触媒４１の活性化の程度、または触媒４１の経年劣化の度合いをより精確に見積もるために有効である。

図４の横軸は、触媒暖機制御を開始してから後の触媒４１の温度または活性化の程度（あるいは、触媒暖機制御を開始してから経過した時間）であり、図４の縦軸は、触媒４１の下流の空燃比センサの出力信号ｇの振幅である。太い線は、触媒暖機制御中に触媒４１に流入するガスの空燃比を一定以上の幅で強制的に振動させた場合における出力信号ｇの振幅の推移を表しており、細い線は、触媒暖機制御中に触媒４１に流入するガスの空燃比を特に振動させない場合における出力信号ｇの振幅の推移を表している。実線は、劣化していない触媒４１の下流の空燃比センサの出力信号ｇの振幅の推移であり、鎖線は、劣化した触媒４１の下流の空燃比センサの出力信号ｇの振幅の推移である。触媒４１に流入するガスの空燃比を振動させた場合における劣化していない触媒４１と劣化した触媒４１との差Ｄは、触媒４１に流入するガスの空燃比を振動させない場合における劣化していない触媒４１と劣化した触媒４１との差Ｄ’よりも拡大する。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、触媒暖機制御中、ステップＳ５の条件が成立する前の時期において、目標エンジン回転数を徐々に引き下げてゆく、及び／または、点火タイミングを徐々に進角させてゆくことを妨げない。その場合には、現在時点から直近の過去の一定時間内における空燃比センサ４４の出力信号ｇの極大値と極小値との差分が小さくなるほど、目標エンジン回転数を低くし、及び／または、点火タイミングを進角させることが好ましい。

その他、各部の具体的な構成や処理の手順等は、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に適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
４…排気通路
４１…触媒
４３…触媒の上流の空燃比センサ
４４…触媒の下流の空燃比センサ
ｆ…触媒の上流の空燃比センサの出力信号
ｇ…触媒の下流の空燃比センサの出力信号

Claims (2)

1. 内燃機関の始動直後の時期に、目標エンジン回転数を平時よりも高く引き上げ、または点火タイミングを平時よりも遅角させることにより、内燃機関の排気通路に装着した排気ガス浄化用の触媒の昇温を促す触媒暖機制御を実施するものであって、
   排気通路における触媒の下流に設置した空燃比センサの出力信号の極大値と極小値との差が所定値以下に縮小したことを条件として前記触媒暖機制御を終了する内燃機関の制御装置。
2. 前記触媒暖機制御中、触媒に流入するガスの空燃比を平時と比較してより大きな幅で振動させる請求項１記載の内燃機関の制御装置。

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