JP2022154624A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気成分の比率が変更される装置を備えた内燃機関において、排気空燃比を目標値に精度良く制御する内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】エンジン２の排気通路１０に設けられ、空燃比を検出するＬＡＦＳ２２と、ＬＡＦＳ２２の検出値が目標空燃比となるようにエンジンの空燃比を制御するエンジンコントロールユニット３０と、ＥＧＲ通路１７及びＥＧＲバルブ１８からなるＥＧＲ装置と、を備え、エンジンコントロールユニット３０は、点火時期を変更する機能を有するとともに、ＥＧＲ装置の作動あるいは点火時期の変更により排気中のＮＯｘとＣＯの比率が変更された場合に目標空燃比を変更する第２補正部３７を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気空燃比の検出技術に関する。

内燃機関の排気通路には、内燃機関の空燃比を制御して排気を良化したり燃費や運転性を向上させたりするために、排気通路の空燃比を検出するセンサが設けられている。
例えば特許文献１には、排気通路に設けられた排気浄化触媒の近傍に空燃比センサとＯ2センサ（酸素濃度検出手段）を備え、空燃比センサの検出値に基づいて空燃比をフィードバックするとともに、Ｏ2センサの検出値に基づいて空燃比フィードバック制御の制御中心を移動させることによって、空燃比フィードバック制御の精度を向上させている。

特許第２７９０８９６号公報

ところでエンジンの多くには、排気浄化装置の１つとしてＥＧＲ装置が備えられていたり、ノッキング防止等のために点火時期を変更する点火時期変更装置(機能)が備えられていたりする。ＥＧＲ装置や点火時期変更装置等は、その作動により排気中におけるＮＯｘとＣＯとの比率が変更される。
しかしながら、特許文献１にはＥＧＲ装置や点火時期変更装置等の作動により変更される排気中におけるＮＯｘとＣＯとの比率を考慮してフィードバック制御の制御中心、すなわち目標空燃比を変更することは記載されていない。排気中におけるＮＯｘとＣＯとの比率が変化すると、排ガス良化等を考慮した適切な空燃比が変化する。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ＥＧＲ装置や点火時期変更装置のような排気中における排気成分の比率が変更される装置を備えた内燃機関において、排気空燃比をより適切に制御する内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の内燃機関の制御装置は、内燃機関の排気通路に設けられ、空燃比を検出する空燃比検出手段と、前記空燃比検出手段の検出値が目標値となるように前記内燃機関の空燃比を制御する空燃比制御手段と、排気中の窒素酸化物と一酸化炭素の比率を変更する比率変更手段と、前記比率変更手段により排気中の窒素酸化物と一酸化炭素の比率が変更された場合、前記目標値を変更する目標値変更手段と、を備えることを特徴とする。

これにより、比率変更手段により排気中の窒素酸化物と一酸化炭素の比率が変更されたとしても、空燃比制御手段における目標空燃比が変更されることで、排気の空燃比を適切に制御することが可能になる。
好ましくは、前記目標値変更手段は、前記比率変更手段により窒素酸化物の比率が大きくなるほど、前記目標値をリッチ側へ変更するとよい。

これにより、排気の空燃比を窒素酸化物及び一酸化炭素（ＣＯ）の排出が低下する適正範囲における中央部分に目標値を変更することができる。したがって、排気空燃比が変動した際に適正範囲から逸脱し難くなり、排気性能を向上させることができる。
好ましくは、前記比率変更手段は排気還流手段であり、前記目標値変更手段は、前記排気還流手段による排気の還流量が多くなるほど、前記目標値をリーン側へ変更するとよい。

これにより、排気の空燃比を窒素酸化物及び一酸化炭素の排出が低下する適正範囲における中央部分に目標値を変更することができる。
好ましくは、前記比率変更手段は点火時期変更手段であり、前記目標値変更手段は、前記点火時期変更手段により点火時期が遅角されるほど、前記目標値をリッチ側へ変更するとよい。

これにより、排気の空燃比を窒素酸化物及び一酸化炭素の排出が低下する適正範囲における中央部分に目標値を変更することができる。

本発明の内燃機関の制御装置によれば、排気浄化触媒に流入する排気における排気成分の比率に対応して、排気の空燃比を適切に制御することができる。

本発明の一実施形態に係るエンジンの給排気系の概略構成図である。 三元触媒における排気空燃比に対する各排気成分の浄化性能とＯ2センサの出力値を示すグラフである。 ＬＡＦＳ補正量の設定用マップの一例である。 ＥＧＲ量を変更した場合での、三元触媒における排気空燃比に対する各排気成分の浄化性能とＯ2センサの出力値を示すグラフである。 点火時期を変更した場合での、三元触媒における排気空燃比に対する各排気成分の浄化性能とＯ2センサの出力値を示すグラフである。 点火時期と排気成分排出量との関係を示すグラフである。

以下、図面に基づき本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る空燃比検出装置を適用したエンジン２(内燃機関)の給排気系の概略構成図である。
エンジン２は、走行駆動源として車両に搭載されている。
エンジン２は、多気筒のガソリンエンジンであって、図１では簡略して１つの気筒のみ記載している。エンジン２は、各気筒の吸気ポート４に設けられた燃料噴射弁３から、任意の噴射時期及び噴射量で各気筒の吸気ポート４内に燃料を噴射可能な構成となっている。

エンジン２の吸気通路５には、新気の流量を調整するためのスロットルバルブ６が設けられている。
一方、エンジン２の排気通路１０には、排気浄化装置として三元触媒１２が備えられている。
三元触媒１２は、理論空燃比において排気中のＨＣ、ＣＯを酸化させるとともにＮＯｘを還元し、これらの排気成分を排気中から除去する機能を有する。

また、エンジン２には、燃焼室１５に面して点火プラグ１６が備えられている。
更に、エンジン２には、三元触媒１２の上流側の排気通路１０と吸気通路５とを連通し、排気の一部を吸気通路５に還流するＥＧＲ通路１７が備えられている。ＥＧＲ通路１７には、開度を変更することで排気還流量を制御するＥＧＲバルブ１８が備えられている。
なお、ＥＧＲ通路１７及びＥＧＲバルブ１８によって、エンジン２の排気の一部が吸気通路５に還流するＥＧＲ装置（排気還流装置）が構成され、当該ＥＧＲ装置は本発明の排気還流手段（比率変更手段）に該当する。

エンジン２の排気通路１０には、三元触媒１２の上流側にＬＡＦＳ（リニア空燃比センサ、空燃比検出手段）２２を備えるとともに、三元触媒１２の下流側に排気空燃比を検出するＯ2センサ２３と排気温度を検出する排気温度センサ２４が設けられている。
エンジンコントロールユニット３０は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、タイマ及び中央演算処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成され、ＬＡＦＳ２２、Ｏ2センサ２３等の各種センサの検出情報と、その他車両のアクセル操作量等の車両運転情報を入力し、当該各種情報に基づいて、燃料噴射弁３からの燃料噴射量、 スロットルバルブ６の開度、点火プラグ１６による点火時期、ＥＧＲバルブ１８の開度を演算して、上記各種機器の作動制御を行うことで、エンジン２の運転制御を行う。

具体的には、エンジンコントロールユニット３０は、ＬＡＦＳ２２の検出値が目標空燃比（目標値）、例えば理論空燃比を示す値になるように燃料噴射量をフィードバック制御する（空燃比制御手段）。
また、エンジンコントロールユニット３０は、例えばノッキングを抑制するために点火プラグ１６による点火時期を遅角させる機能を有しており、このような点火時期の変更制御が本発明の点火時期変更手段（比率変更手段）に該当する。

図２は、所定回転速度及び所定負荷でのエンジン２の運転時において、三元触媒１２における排気空燃比に対する各排気成分の浄化性能とＯ2センサ２３の出力値を示すグラフである。図２（Ａ）において、実線がＬＡＦＳ２２の出力値を示す。また、破線が一酸化炭素ＣＯ及び炭化水素ＨＣ、一点鎖線が窒素酸化物ＮＯｘの三元触媒１２からの排出量を示す。一酸化炭素ＣＯ、炭化水素ＨＣ、窒素酸化物ＮＯｘの三元触媒１２からの排出量が少なくなる空燃比、すなわち理論空燃比付近の領域（理論空燃比領域）を目標空燃比として、ＬＡＦＳ２２の検出値に基づき燃料噴射量をフィードバック制御する。図２（Ｂ）は、Ｏ2センサ２３の出力値を示す。図２（Ｂ）において、破線はＯ2センサ２３が高温状態であるときのＯ2センサ２３の出力値、一点鎖線はＯ2センサ２３が低温（常温、すなわちＯ2センサ２３の活性温度以上且つ上記高温状態未満の温度）であるときのＯ2センサ２３の出力値である。Ｏ2センサ２３の出力値は、理論空燃比領域において大きく変化し、理論空燃比領域よりもリッチ側及びリーン側では小さく変化する。そのため、理論空燃比領域とリッチ領域との境界（リッチ境界）におけるＯ2センサ２３の出力値と、理論空燃比領域とリーン領域との境界（リーン境界）におけるＯ2センサ２３の出力値との差は大きくなる。Ｏ2センサ２３は、例えばリッチ境界及びリーン境界における出力値にそれぞれリッチ閾値、リーン閾値を設けることで、Ｏ2センサ２３の出力値に基づいて三元触媒１２の下流側の排気空燃比の状態、すなわち排気空燃比が理論空燃比領域にあるか、若しくはリッチ、リーン状態にあるかを判定することができる。

エンジンコントロールユニット３０は、Ｏ2センサ２３の出力値に基づいて、ＬＡＦＳ２２の出力値を補正する機能を有する。
更に、本実施形態のエンジンコントロールユニット３０は、上記フィードバック制御における目標空燃比を補正する目標空燃比補正部１を備えている。目標空燃比補正部１は、排気温度センサ２４によって検出した排気温度に基づいてＯ2センサ２３の温度を取得する温度取得部３５と、Ｏ2センサ２３の温度に基づいて目標空燃比を補正する第１補正部３６と、を有する。

温度取得部３５は、排気温度センサ２４によって検出した排気温度をＯ2センサ２３の温度とする。
第１補正部３６は、Ｏ2センサ２３の出力値とＯ2センサ２３の温度とに基づいて目標空燃比を補正する。なお、具体的には、図３に示すようなマップを用いて、Ｏ2センサ２３の出力値とＯ2センサ２３の温度（排気温度)とに基づいて、ＬＡＦＳ補正量（目標空燃比の補正量）を設定する。図３に示すように、Ｏ2センサ２３の出力値が理論空燃比に近くなるほどＬＡＦＳ補正量（目標空燃比の補正量）の絶対値を小さくし、Ｏ2センサ２３の出力値がリッチになるほどあるいはリーンになるほどＬＡＦＳ補正量の絶対値を大きくする。即ち、Ｏ2センサ２３の出力値がリッチあるいはリーンになるほど、ＬＡＦＳ補正量の絶対値を大きくして、リッチとリーンとにおける目標空燃比を大きく変化させる。

また、排気温度が高くなるほど、即ちＯ2センサ２３の温度が高くなるほど、ＬＡＦＳ補正量（目標空燃比の補正量）の絶対値を大きくする。
このように補正することで、温度上昇によって出力値の変動範囲が狭くなるといったＯ2センサ２３の特性に対応して目標空燃比を変化させることができる。したがって、この補正された目標空燃比を使用して、ＬＡＦＳ２２の出力値に基く空燃比フィードバック制御を精度良く実行することができる。

更に、目標空燃比補正部１は、ＥＧＲ装置による排気還流量及び点火時期に基づいて、目標空燃比を補正する第２補正部３７(目標値変更手段)を有する。なお、ＬＡＦＳ２２、ＥＧＲ通路１７、ＥＧＲバルブ１８、エンジンコントロールユニット３０における第２補正部３７とＥＧＲバルブ１８の制御機能と点火時期の制御機能と空燃比のフィードバック制御機能が本発明の制御装置に該当する。

図４は、ＥＧＲ量を変更した場合での、三元触媒１２における排気空燃比に対する各排気成分の浄化性能とＯ2センサの出力値を示すグラフである。図４において、実線がＬＡＦＳ２２の出力値を示す。また、破線が一酸化炭素ＣＯ、一点鎖線及び二点鎖線がＮＯxの排出量を示す。一点鎖線はＥＧＲ量小、二点鎖線はＥＧＲ量大である場合を示す。
ＥＧＲ量小である場合に、ＮＯｘの排出量及びＣＯの排出量が低下する（所定の排出量以下となる）理論空燃比領域は図４中に示すａである。これに対し、ＥＧＲ量を大にすると、ＮＯｘ排出量が低下する。したがって、理論空燃比領域は図４中に示すｂとなり、リーン側に拡大する。

第２補正部３７は、ＥＧＲ量が多くなるほど、目標空燃比をリーン側に補正する。好ましくは、目標空燃比をリーン側に拡大した理論空燃比領域の略中央部分に設定する。図４に示すように、ＥＧＲ量が大になることで、理論空燃比領域がリーン側に拡大するので、その領域の中央部分もリーン側に移動する。目標空燃比の補正量については、例えばＥＧＲバルブやスロットルバルブの開度からマップ等により補正量を読み出して使用すればよい。

このように目標空燃比を理論空燃比領域の略中央部分に設定することで、たとえ空燃比が変動しても理論空燃領域から逸脱し難くなり、三元触媒１２における排気浄化性能を向上させることができる。
図５は、点火時期を変更した場合での、三元触媒１２における排気空燃比に対する各排気成分の浄化性能とＯ2センサの出力値を示すグラフである。図６は、点火時期と排気成分排出量との関係を示すグラフである。図５において、実線がＬＡＦＳ２２の出力値を示す。また、破線及び二点鎖線が一酸化炭素ＣＯ、一点鎖線がＮＯxの排出量を示す。破線は点火時期通常時、二点鎖線は点火時期遅角時を示す。また、図６において、一点鎖線がＮＯxの排出量、破線がＣＯの排出量を示す。

点火時期通常時である場合に、ＮＯｘの排出量及びＣＯの排出量が低下する理論空燃比領域は図５中に示すｃである。これに対し、点火時期を遅角補正すると、ＣＯ及びＮＯｘの排出量が低下するが、図６に示すように、ＮＯｘに比べＣＯの方が大きく低下する。したがって、理論空燃比領域は図５中に示すｄとなり、リッチ側に拡大する。なお、図５において、点火時期を遅角補正すると実際にはＮＯｘも低下するため、理論空燃比領域はリーン側にも拡大する。しかし、ＮＯｘの低下量はＣＯの低下量に比べ小さいため、理論空燃比領域はリーン側への拡大量はリッチ側に比べ小さくなる。図５においては、ＮＯｘの低下量及び理論空燃比領域のリーン側への拡大量を極小として記載を省略している。

第２補正部３７は、点火時期を遅角させるほど、目標空燃比をリッチ側に補正する。好ましくは、目標空燃比をリッチ側に拡大した理論空燃比領域の略中央部分に設定する。図５に示すように、点火時期が遅角することで、理論空燃比領域がリッチ側に拡大するので、その中央部分もリッチ側に移動する。目標空燃比の補正量については、点火制御信号から、マップ等により理論空燃比領域の中央部分の移動量を読み出して目標空燃比を補正すればよい。

このように目標空燃比を理論空燃比領域の略中央部分に設定することで、たとえ空燃比が変動しても空燃比が理論空燃領域から逸脱し難くなり、排気浄化性能を向上させることができる。
本実施形態では、第２補正部３７は、ＥＧＲ量に基づいた目標空燃比の補正量と、点火時期に基づいた目標空燃比の補正量とを足し合わせることで、最終的な目標空燃比の補正量を決定する。そして、第２補正部３７で決定した補正量と第１補正部３６で決定した補正量とにより、目標空燃比が補正される。

以上で本発明の説明を終了するが、本発明は上記の実施形態に限定するものではない。
例えば、上記実施形態では、排気還流量及び点火時期の夫々に基づいて目標空燃比を補正したが、排気還流量及び点火時期のうち一方のみに基づいて目標空燃比を補正してもよい。
また、ＥＧＲ制御及び点火時期制御以外に、エンジン２の排気中の窒素酸化物と一酸化炭素との比率を変更する装置を備えている場合には、当該装置の作動に基づいて目標空燃比を補正してもよい。この場合、目標空燃比が理論空燃比の場合は排気中のＮＯｘの比率が大きくなるほど目標空燃比をリッチ側へ変更し、排気中のＣＯの比率が大きくなるほど目標空燃比をリーン側へ変更すればよい。また、目標空燃比を理論空燃比以外にする場合、例えば三元触媒やその他の触媒の状況に応じてＮＯｘ若しくはＣＯの排出量（触媒への供給量）を増やしたい場合は、排気中のＮＯｘの比率が大きくなるほど目標空燃比をリーン側へ変更し、排気中のＣＯの比率が大きくなるほど目標空燃比をリッチ側へ変更してもよい。

また、排気浄化装置は三元触媒１２に限らず、燃料噴射量をフィードバック制御する際のＬＡＦＳ２２の検出値の目標空燃比は理論空燃比でなくともよい。また、燃料噴射量のフィードバック制御が排気浄化装置に流入する排気の空燃比を制御するため以外のものであってもよい。
また、車両の走行駆動用以外のエンジンについても、排気通路に空燃比検出手段を備え、空燃比検出手段の検出値に基づいて空燃比をフィードバック制御する内燃機関に対して広く適用することができる。

１ 目標空燃比補正部
２ エンジン（内燃機関）
１０ 排気通路
１７ ＥＧＲ通路（排気還流手段、比率変更手段）
１８ ＥＧＲバルブ（排気還流手段、比率変更手段）
２２ ＬＡＦＳ（空燃比検出手段）
３０ エンジンコントロールユニット（空燃比制御手段、点火時期変更手段、比率変更手段）
３７ 第２補正部（目標値変更手段）

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、空燃比を検出する空燃比検出手段と、
   前記空燃比検出手段の検出値が目標値となるように前記内燃機関の空燃比を制御する空燃比制御手段と、
   排気中の窒素酸化物と一酸化炭素の比率を変更する比率変更手段と、
   前記比率変更手段により排気中の窒素酸化物と一酸化炭素の比率が変更された場合、前記目標値を変更する目標値変更手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記目標値変更手段は、前記比率変更手段により窒素酸化物の比率が大きくなるほど、前記目標値をリッチ側へ変更する請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記比率変更手段は排気還流手段であり、
   前記目標値変更手段は、前記排気還流手段による排気の還流量が多くなるほど、前記目標値をリーン側へ変更する請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記比率変更手段は点火時期変更手段であり、
   前記目標値変更手段は、前記点火時期変更手段により点火時期が遅角されるほど、前記目標値をリッチ側へ変更する請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。

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