JP2021131032A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アルコールが混合された燃料が使用される場合にあっても、空燃比フィードバック制御の精度を高く維持し、有害物質の排出増を抑制する。【解決手段】内燃機関の排気通路に装着した排気浄化用の触媒に流入するガスの空燃比を空燃比センサを介して検出し、当該空燃比センサの出力信号が示す空燃比と目標空燃比との偏差に基づいて燃料噴射量を増減調整するフィードバック制御を実施する制御装置であって、使用される燃料に含まれるアルコールの濃度に応じて、前記フィードバック制御における燃料噴射量に補正を加え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、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。

ＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_xの全てを効率よく浄化するには、混合気の空燃比をウィンドウと称する理論空燃比近傍の一定範囲に収める必要がある。そのために、空燃比を理論空燃比またはその近傍に設定した目標空燃比に収束させ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。即ち、排気通路に設置した空燃比センサの出力信号が示す空燃比と目標空燃比との偏差を基に、インジェクタから気筒に対して噴射する燃料の量を増減調整する（例えば、下記特許文献を参照）。

特開２０１９−１００２２７号公報

近時、ガソリンにエタノールやメタノール等のアルコールを混合した燃料を使用して内燃機関を運転することが試みられている。アルコールはガソリンに比して沸点が高く、アルコール濃度が高くなるほど混合燃料は気化しにくくなる。それにより、インジェクタから噴射した燃料が直ちに気筒に吸引されず、液状燃料が吸気ポートの壁面や吸気バルブの弁体等に付着するポートウェットの量が増える。

空燃比フィードバック制御では、空燃比センサの出力信号がリーンを示しているときに燃料噴射量を増量し、空燃比センサの出力信号がリッチを示しているときに燃料噴射量を減量する。しかし、アルコール濃度の高い燃料が使用されていると、燃料噴射量を増量したとしても、その燃料のかなりの部分がポートウェットとなって気筒に吸引されない。このことから、触媒に流入するガスの空燃比が目標空燃比よりもリーンである状態が長引き、その間燃料噴射量を増量し続け、ポートウェットも堆積することになる。

その後、空燃比センサの出力がリーンからリッチに切り替わったことに伴い、燃料噴射量を減量したとしても、今度はポートウェットとなっていた燃料が徐々に揮発して気筒に吸引され続ける。このため、触媒に流入するガスの空燃比が目標空燃比よりもリッチである状態が長引く。

これらが相まって、空燃比が目標空燃比を跨いで大きく上下に振動するハンチングが生じ、有害物質の排出量の増加を招く懸念があった。

本発明は、以上の問題に着目してなされたものであり、アルコールが混合された燃料が使用される場合にあっても、空燃比フィードバック制御の精度を高く維持し、有害物質の排出増を抑制することを所期の目的としている。

本発明では、内燃機関の排気通路に装着した排気浄化用の触媒に流入するガスの空燃比を空燃比センサを介して検出し、当該空燃比センサの出力信号が示す空燃比と目標空燃比との偏差に基づいて燃料噴射量を増減調整するフィードバック制御を実施する制御装置であって、使用される燃料に含まれるアルコールの濃度に応じて、前記フィードバック制御における燃料噴射量に補正を加える内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、アルコールが混合された燃料が使用される場合にあっても、空燃比フィードバック制御の精度を高く維持し、有害物質の排出増を抑制することができる。

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。 同実施形態の内燃機関の制御装置による空燃比制御の模様を例示するタイミング図。

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またはフレックス燃料エンジンであり、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、吸気ポートに向けて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く、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い。因みに、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、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（特に、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負荷率またはエンジントルク）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、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（一度の燃焼に対する火花点火の回数を含む）、要求されるＥＧＲ率（または、ＥＧＲガス量）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、図２に示すように、まず気筒１に吸入される空気の量Ｇ_aを求め（ステップＳ１）、その吸入空気量Ｇ_aに比例する、即ち吸入空気量Ｇ_aに対して目標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（ステップＳ２）。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を設置してあるならば、当該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。目標空燃比は、通常、理論空燃比またはその近傍に設定する。

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目標空燃比との偏差に応じた空燃比フィードバック補正係数ＦＡＦや、環境条件その他に応じた各種補正係数Ｋ、さらに、燃料に混合されているアルコールの濃度等に応じた補正係数Ｘにより補正する（ステップＳ３ないしＳ５）。各補正係数ＦＡＦ、Ｋ、Ｘはそれぞれ、１を中心に増減する正数である。

その上で、ＥＣＵ０は、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、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（ステップＳ６）。燃料噴射時間Ｔは、
Ｔ＝ＴＰ×ＦＡＦ×Ｋ×Ｘ＋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。

ステップＳ３にて演算する空燃比フィードバック補正係数ＦＡＦは、触媒４１の上流側の空燃比センサ４３の出力信号ｆが示す空燃比が目標空燃比よりもリーンであるときに１よりも大きくする。これにより、燃料噴射量を（他の補正係数Ｋを無視すれば）基本噴射量ＴＰよりも増量する。その際、補正係数ＦＡＦの値を、空燃比センサ４３の出力信号ｆが示す空燃比と目標空燃比との偏差の絶対値が大きいほど大きくすることがある。

翻って、空燃比センサ４３の出力信号ｆが示す空燃比が目標空燃比よりもリッチであるときには、空燃比フィードバック補正係数を１よりも小さくする、即ち燃料噴射量を（他の補正係数Ｋを無視すれば）基本噴射量ＴＰよりも減量する。その際、補正係数ＦＡＦの値を、空燃比センサ４３の出力信号ｆが示す空燃比と目標空燃比との偏差の絶対値が大きいほど小さくすることがある。

ステップＳ５にて演算する補正係数Ｘは、使用される燃料に混合されているアルコールの濃度、及び内燃機関の冷却水温に応じて定める。

燃料のアルコールの濃度が高いほど、換言すればガソリンの濃度が低いほど、燃料の揮発性は低下する。そして、インジェクタ１１から噴射した燃料が気筒１に吸引されずに吸気ポートの壁面や吸気バルブの弁体等に付着するポートウェットの量が増加する。

空燃比センサ４３の出力信号ｆが示す空燃比がリーンであるときにインジェクタ１１から噴射した燃料のうちのポートウェット分は、直ちには空燃比の（リーンから目標空燃比に向かう方向への）改善に寄与しない。このことから、空燃比センサ４３の出力ｆがリーンである状態がどうしても長引き、その間燃料噴射量を増量し続け、ポートウェットも堆積することになる。

しかも、そのポートウェットの燃料が、空燃比センサ４３の出力信号ｆが示す空燃比がリーンからリッチに切り替わった後に気化して気筒１に吸引されることで、混合気の空燃比が目標空燃比から逸脱してリッチ化するおそれもある。

これらが相まって、図３中に鎖線で表しているように、空燃比が目標空燃比を跨いで大きく上下に振動するハンチングが起こる懸念が生じる。

そこで、本実施形態では、燃料のアルコールの濃度が高いほど、空燃比センサ４３の出力ｆが目標空燃比よりもリーンである期間における補正係数Ｘを小さくし、以て空燃比フィードバック補正係数ＦＡＦを加味した燃料噴射量を減量補正する。さすれば、当該期間中に多量のポートウェットが堆積することを防止でき、また、その後に訪れる空燃比センサ４３の出力ｆが目標空燃比よりもリッチである期間に気筒１に吸引される燃料の量を削減できる。ひいては、図３中に実線で表しているように、空燃比の変動をより小さくすることができる。

内燃機関の冷却水温についても、同様のことが言える。冷却水温が低いほど、つまりは内燃機関の温度が低いほど、燃料の揮発性は低下する。そこで、現在の冷却水温が低いほど、空燃比センサ４３の出力ｆが目標空燃比よりもリーンである期間における補正係数Ｘを小さくし、空燃比フィードバック補正係数ＦＡＦを加味した燃料噴射量を減量補正する。

ＥＣＵ０のメモリには予め、燃料のアルコール濃度及び内燃機関の冷却水温と、空燃比センサ４３の出力ｆが目標空燃比よりもリーンである期間における補正係数Ｘとの関係を規定したマップデータが格納されている。ステップＳ５にて、ＥＣＵ０は、使用されている燃料のアルコール濃度及び現在の内燃機関の冷却水温をキーとして当該マップを検索し、用いるべき補正係数Ｘの値を知得する。

使用されている燃料のアルコール濃度は、補正係数Ｘを所定値（典型的には、１）に固定した上で空燃比フィードバック制御を実施したときの補正係数ＦＡＦの推移から推定することが可能である。即ち、アルコール濃度が高いほど、空燃比フィードバック補正係数ＦＡＦの極大値が大きくなり、及び／または、同補正係数ＦＡＦの極小値が小さくなる。無論、燃料タンクに燃料のアルコール濃度を検出するセンサを設置し、当該センサを介してアルコール濃度を直接計測しても構わない。

本実施形態では、内燃機関の排気通路４に装着した排気浄化用の触媒４１に流入するガスの空燃比を空燃比センサ４３を介して検出し、当該空燃比センサ４３の出力信号ｆが示す空燃比と目標空燃比との偏差に基づいて燃料噴射量を増減調整するフィードバック制御を実施する制御装置０であって、使用される燃料に含まれるアルコールの濃度に応じて、前記フィードバック制御における燃料噴射量に補正を加える（補正係数Ｘを乗じる）内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、アルコールが混合された燃料が使用される場合にあっても、空燃比フィードバック制御の精度を高く維持することができ、有害物質の排出増を抑制することが可能となる。また、本実施形態の制御は、ポート噴射式の内燃機関の運転に適用することができる。超高圧の燃料ポンプやデリバリパイプ、インジェクタを使用する筒内直接噴射式の内燃機関と比較して、ポート噴射式の内燃機関はより低コストである。

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。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。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１１…インジェクタ
３…吸気通路
４…排気通路
４１…触媒
４３…空燃比センサ
ｅ…冷却水温信号
ｆ…空燃比センサの出力信号
ｊ…燃料噴射信号

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路に装着した排気浄化用の触媒に流入するガスの空燃比を空燃比センサを介して検出し、当該空燃比センサの出力信号が示す空燃比と目標空燃比との偏差に基づいて燃料噴射量を増減調整するフィードバック制御を実施する制御装置であって、
   使用される燃料に含まれるアルコールの濃度に応じて、前記フィードバック制御における燃料噴射量に補正を加える内燃機関の制御装置。

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