JP2022059350A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空燃比の加振制御に伴う悪影響を最小限に抑える。【解決手段】車両に搭載され複数の気筒を具備する内燃機関を制御する制御装置であって、気筒から排出され排気浄化用の触媒に流入するガスの空燃比を強制的に増減させる加振制御を実施する際、ある気筒にて燃焼させるガスの空燃比をリッチに変化させるのと同期して、他の気筒にて燃焼させるガスの空燃比をリーンに変化させる内燃機関の制御装置を構成した。これにより、空燃比の加振制御に伴うエンジントルクの変動を十分に抑制でき、車両のＮＶ性能やドライバビリティを高く維持することが可能となる。【選択図】図３

Description

本発明は、車両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、従来より、内燃機関の排気通路に空燃比センサを設置し、空燃比センサの出力信号を参照して、排気通路を流れるガスの空燃比を理論空燃比またはその近傍の目標空燃比にフィードバック制御している。内燃機関の運転制御を司る制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）は、気筒に吸入される空気（新気）の量に比例する基本噴射量に、ガスの実測空燃比に応じて変動するフィードバック補正係数を乗じることで、インジェクタからの燃料噴射量を決定する（例えば、下記特許文献を参照）。

特開２０１０－１３８７９１号公報

現行の三元触媒は、内部に酸素を吸蔵する能力を有しており、空燃比リッチのガスが流入するときに蓄えていた酸素を放出し、また空燃比リーンのガスが流入するときに余剰の酸素を吸着する。

この種の触媒は、ある程度ガスの空燃比が変動していないと却って有害物質の浄化能率が低下する性質を帯びている。例えば、一定の車速またはエンジン回転数で車両が定常走行を続け、アクセル開度が安定していると、空燃比が理論空燃比近傍に収束している状態が継続し、（特に、空燃比がリッチまたはリーンに偏った履歴の後に理論空燃比近傍に安定したときに）その帰結として有害物質の排出量が増加することが起こり得る。

そのような事象を回避するべく、一時的に敢えてガスの空燃比を理論空燃比を跨ぐようにリッチ及びリーンに強制振動させる加振制御を実施し、以て触媒内の酸素吸蔵量を適正化し、触媒による有害物質の浄化能率を高く保つようにしている。

また、空燃比の加振制御を内燃機関の冷間始動直後の時期等に実施すれば、低温化していた触媒の昇温を促して触媒を早期に活性化させることができ、有害物質の排出抑制に奏効する。

だが、空燃比の加振制御により、内燃機関の出力するエンジントルクの大きさは増減する。このエンジントルクの変動が、運転者を含む車両の搭乗者に体感される程度まで大きくなり、車両のＮＶ（Ｎｏｉｓｅ ａｎｄ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ）性能またはドライバビリティを低下させる懸念がある。

以上の問題に初めて着目してなされた本発明は、空燃比の加振制御に伴う悪影響を最小限に抑えることを所期の目的としている。

本発明では、車両に搭載され複数の気筒を具備する内燃機関を制御する制御装置であって、気筒から排出され排気浄化用の触媒に流入するガスの空燃比を強制的に増減させる加振制御を実施する際、ある気筒にて燃焼させるガスの空燃比をリッチに変化させるのと同期して、他の気筒にて燃焼させるガスの空燃比をリーンに変化させる内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、空燃比の加振制御に伴う悪影響を最小限に抑えることができる。

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。 同実施形態の制御装置による制御の内容を説明するタイミング図。 同実施形態の制御装置による制御の内容を説明するタイミング図。 同実施形態の制御装置によ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。

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または吸気マニホルド３４）に接続している。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ０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または吸気マニホルド３４）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、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を求め、その吸入空気量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。吸入空気量は、エンジン回転数及び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に流入するガスの実測空燃比と目標空燃比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。

ＥＣＵ０は、原則として、理論空燃比またはその近傍の空燃比を目標空燃比とし、そのような空燃比を達成できるように燃料噴射量を調整する。燃料としてガソリンを使用する内燃機関であれば、平常の目標空燃比は１４．６ないしその近傍の値となる。

現行の三元触媒４１は、その温度が所定値以上の高温となっていないと、有害物質の浄化性能を十分に発揮することができない。内燃機関の冷間始動直後等、触媒４１の温度が低下しているときには、有害物質が外部に排出されやすくなる。

また、触媒４１の温度が十分に暖まった後であっても、これに流入するガスの空燃比がある程度以上増減変動していないと、却って有害物質の浄化能率が低下してしまうことがある。

図２に示すように、本実施形態のＥＣＵ０は、空燃比を変動させるべき状況にあって（ステップＳ１）、一時的に触媒４１に流入するガスの空燃比を強制的に増減させる加振制御を実施する（ステップＳ２）。

ステップＳ１にいう、空燃比を変動させるべき状況とは、典型的には、内燃機関の冷間始動直後の時期等、触媒４１が低温化しているときである。

これに加えて、空燃比を変動させるべき状況として、車速またはエンジン回転数の単位時間あたりの変化量の絶対値が閾値よりも小さく、かつアクセル開度の単位時間あたりの変化量の絶対値が閾値よりも小さいような定常走行が一定時間以上継続しているときを含めてもよい。既に述べた通り、このような状況下では、ガスの空燃比が理論空燃比近傍に収束している状態が続き、その帰結として有害物質の排出量が増加することがあり得る。

ステップＳ２の加振制御では、ガスの空燃比を、理論空燃比を跨ぐようにリッチとリーンとの間で振動させる。燃料としてガソリンを使用する内燃機関であれば、例えば、空燃比を、理論空燃比よりもリッチな１３．３程度まで低減させる期間と、理論空燃比よりもリーンな１６程度まで増加させる期間とを設ける。

その上で、本実施形態では、（特に、触媒４１が低温化しているときに実施する）空燃比の加振制御において、内燃機関のある気筒１にて燃焼させるガスの空燃比をリッチに変化させるのと同期して、他の気筒１にて燃焼させるガスの空燃比をリーンに変化させる。

例えば、＃１気筒、＃２気筒、＃３気筒及び＃４気筒がクランクシャフトの伸長する方向に沿って直列に並び、＃１気筒－＃３気筒－＃４気筒－＃２気筒の順で点火燃焼を行う四気筒エンジンである場合、図３に示すように、＃１気筒及び＃４気筒にて燃焼させるガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチ化する期間では、＃２気筒及び＃３気筒にて燃焼させるガスの空燃比を理論空燃比よりもリーン化する。

翻って、＃１気筒及び＃４気筒にて燃焼させるガスの空燃比を理論空燃比よりもリーン化する期間では、＃２気筒及び＃３気筒にて燃焼させるガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチ化する。

気筒１にて燃焼させるガスの空燃比をリッチ化すると、当該気筒１における熱機械変換により出力されるエンジントルクが増大する。逆に、気筒１にて燃焼させるガスの空燃比をリーン化すると、当該気筒１における熱機械変換により出力されるエンジントルクが減少する。本実施形態では、一部の気筒１で空燃比をリッチ化することで増大するエンジントルクを、残りの気筒１で空燃比をリーン化することで相殺し、全気筒１の出力トルクの総和を大きく変動させず一定化するように制御するのである。

ステップＳ２の加振制御を実施している間、触媒４１には、理論空燃比よりもリッチなガスと、理論空燃比よりもリーンなガスとが交互に流入する。これにより、触媒４１内で燃料成分の酸化（または、燃焼）等の反応が起こり、触媒４１の温度が上昇する。内燃機関の冷間始動直後等、触媒４１の温度が低いときには、触媒４１の昇温が促されて触媒４１が早期に活性化するようになり、有害物質の排出を効果的に抑制することができる。

なお、ステップＳ２の加振制御において、図４または図５に示すように、各気筒１における燃焼の機会（即ち、サイクル）毎または単位時間あたりの空燃比の変化量を、エンジントルクの変動量が車両のＮＶ性能及びドライバビリティを低下させないような許容範囲に収まると考えられる所要値以下に設定し、空燃比を急変させず徐変させるようにすることも好ましい。このとき、燃料噴射量Ｔの燃焼機会毎または単位時間あたりの変化量も、エンジントルクの変動量が許容範囲に収まる所要値以下となる。

空燃比がリッチ側の下限（例えば、１３．３）まで低減する期間における空燃比の燃焼機会毎または単位時間あたりの変化量ΔＲ、空燃比がリーン側の上限（例えば、１６）まで増加する期間における空燃比の燃焼機会毎または単位時間あたりの変化量ΔＬはそれぞれ、そのときの車速、エンジン回転数、エンジン負荷率等のうちの何れか一つまたは複数に応じて可変に調整してよい。

前者の変化量ΔＲの絶対値の大きさと、後者の変化量ΔＬの絶対値の大きさとが、均等であるとは限られない。図５に示す例は、空燃比の加振制御中に、各気筒１での混合気への火花点火のタイミングに補正を加えるものである。内燃機関の熱機械変換効率を最大化するべく、通常、点火タイミングは、ＭＢＴ（Ｍｉｎｉｍｕｍ ａｄｖａｎｃｅ ｆｏｒ Ｂｅｓｔ Ｔｏｒｑｕｅ）とし、またはノッキング等の異常燃焼を惹起しない限りにおいて可及的にＭＢＴに近づけている。図５に示す例では、空燃比をリッチに変化させる期間において、点火タイミングをそのような平常のタイミングよりも遅角させ、空燃比のリッチ化によるエンジントルクの増大を相殺している。その分、空燃比をリッチに変化させる期間における空燃比の変化量ΔＲの絶対値を、空燃比をリーンに変化させる期間における空燃比の変化量ΔＬの絶対値よりも大きくとることが許される。換言すれば、空燃比をリッチに変化させる期間では、より速やかに空燃比を変化させてよい。

本実施形態では、車両に搭載され複数の気筒を具備する内燃機関を制御する制御装置０であって、気筒１から排出され排気浄化用の触媒４１に流入するガスの空燃比を強制的に増減させる加振制御を実施する際、ある気筒１にて燃焼させるガスの空燃比をリッチに変化させるのと同期して、他の気筒１にて燃焼させるガスの空燃比をリーンに変化させ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、加振制御に伴うエンジントルクの変動を十分に抑制でき、車両のＮＶ性能やドライバビリティを高く維持することが可能となる。

特に、内燃機関の冷間始動直後等の触媒４１の温度が低温である時期に、空燃比の加振制御を実施することで、触媒４１を早期に昇温させてその活性化を促すことができる。触媒４１が早期に活性化すれば、その分だけ有害物質の排出量が削減されることになる。

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。ステップＳ２にて、空燃比の加振制御は、内燃機関が具備する複数の気筒１の全てにおいて実施してもよいが、一部の気筒１に限り加振制御を実施し、残余の気筒１では依然として空燃比を理論空燃比またはその近傍に維持することとしてもよい。

例えば、上述した直列四気筒エンジンにあって、＃１気筒及び＃４気筒に限り加振制御を実施することとし、＃１気筒にて燃焼させるガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチ化する期間に＃４気筒にて燃焼させるガスの空燃比を理論空燃比よりもリーン化し、＃４気筒にて燃焼させるガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチ化する期間に＃１気筒にて燃焼させるガスの空燃比を理論空燃比よりもリーン化する。そのときに、＃２気筒及び＃３気筒では燃焼させるガスの空燃比を振動させずに理論空燃比またはその近傍に保つ。

直列三気筒エンジンにあっては、＃１気筒及び＃３気筒に限り加振制御を実施することとし、＃１気筒にて燃焼させるガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチ化する期間に＃３気筒にて燃焼させるガスの空燃比を理論空燃比よりもリーン化し、＃３気筒にて燃焼させるガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチ化する期間に＃１気筒にて燃焼させるガスの空燃比を理論空燃比よりもリーン化する。そのときに、＃２気筒では燃焼させるガスの空燃比を振動させずに理論空燃比またはその近傍に保つ。

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
１２…点火プラグ
３…吸気通路
４…排気通路
４１…触媒
４３、４４…空燃比センサ
ａ…車速信号
ｂ…クランク角信号
ｃ…アクセル開度信号
ｆ、ｇ…空燃比信号
ｉ…点火信号
ｊ…燃料噴射信号

Claims (1)

1. 車両に搭載され複数の気筒を具備する内燃機関を制御する制御装置であって、
   気筒から排出され排気浄化用の触媒に流入するガスの空燃比を強制的に増減させる加振制御を実施する際、ある気筒にて燃焼させるガスの空燃比をリッチに変化させるのと同期して、他の気筒にて燃焼させるガスの空燃比をリーンに変化させる内燃機関の制御装置。

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