JP2023142713A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の冷間始動直後の時期の触媒の昇温、活性化を促進し、有害物質の排出増を抑制する。【解決手段】複数の気筒１を包有し各気筒から排出されるガスを排気通路４において合流させて同一の排気浄化用触媒４１に流入させる内燃機関を制御するものであり、内燃機関の冷間始動直後の時期に、ある気筒１から排出されるガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチとなるように当該気筒１に対して噴射する燃料の量を調整し、かつ、他の気筒１から排出されるガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンとなるように当該気筒１に対して噴射する燃料の量を調整し、それら気筒１から排出されるガスの総体の空燃比が理論空燃比またはその近傍となるように制御する内燃機関の制御装置を構成した。【選択図】図３

Description

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の運転を制御する制御装置に関する。

内燃機関の排気通路には、気筒から排出される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。この種の触媒は、空燃比リーンのガスが流入したときに余剰の酸素を吸蔵する能力（Ｏ₂ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｃａｐａｃｉｔｙ）を有している。そして、空燃比リッチのガスが流入したときに、吸蔵していた酸素を放出する。これにより、空燃比リーンのガスに含まれるＮＯ_xを適切に還元処理でき、また空燃比リッチのガスに含まれるＨＣ、ＣＯを適切に酸化処理できる。

ＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_xの全てを効率よく浄化するには、ガスの空燃比を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、内燃機関の排気通路上に空燃比センサを設置して、当該センサが検出する空燃比を所要の目標値に追従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（例えば、下記特許文献を参照）。

特開２０２１－１３９３４０号公報

内燃機関の冷間始動直後は、排気浄化用の触媒の温度も低下している。触媒による有害物質の浄化性能を高く維持するためには、可及的速やかに触媒を昇温させることが望まれる。

本発明は、内燃機関の冷間始動直後の時期の触媒の昇温、活性化を促進し、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、複数の気筒を包有し各気筒から排出されるガスを、排気通路を通じて同一の排気浄化用触媒に流入させる内燃機関を制御するものであり、当該内燃機関の冷間始動直後の時期に、前記複数の気筒における一部の気筒から排出されるガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチとなるように前記一部の気筒に対して噴射する燃料の量を調整し、かつ、前記一部の気筒とは異なる他の気筒から排出されるガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンとなるように前記他の気筒に対して噴射する燃料の量を調整し、前記一部の気筒及び前記他の気筒から排出されるガスの総体の空燃比が、理論空燃比またはその近傍となるように制御する内燃機関の制御装置を構成した。

より具体的には、前記排気浄化用触媒から最も距離の遠い気筒から排出されるガスの空燃比と、前記排気浄化用触媒から最も距離の近い気筒から排出されるガスの空燃比とを異ならせる。とりわけ、前記排気浄化用触媒から最も距離の遠い気筒から排出されるガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチとし、前記排気浄化用触媒から最も距離の近い気筒から排出されるガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンとすることが考えられる。

本発明によれば、内燃機関の冷間始動直後の時期の触媒の昇温、活性化を促進し、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触媒の早期暖機のための空燃比制御の例を示す図。

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（例えば、三気筒エンジン。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を気筒１毎に設けている。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。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

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ことで生じる排気を各気筒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を設けている。空燃比センサ４３、４４はそれぞれ、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、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の上流の空燃比センサ４３、下流の空燃比センサ４４ともに、Ｏ₂センサを想定している。

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（または、車輪の回転速度）を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、内燃機関の出力軸である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、運転者による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、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、気筒１に連なる吸気通路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、排気浄化用の触媒４１の上流側におけるガスの空燃比を検出する空燃比センサ４３から出力される空燃比信号ｆ、触媒４１の下流側におけるガスの空燃比を検出する空燃比センサ４４から出力される空燃比信号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、内燃機関の点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号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の弁体を駆動するモータに対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３の弁体を駆動するモータ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、内燃機関及び車両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、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、点火タイミング（一度の燃焼に対する点火の回数を含む）、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲガス量）等といった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。

インジェクタ１１からの燃料噴射量を決定するにあたり、ＥＣＵ０は、まず、吸気圧及び吸気温、エンジン回転数、要求ＥＧＲ率等から、気筒１に吸入される空気（新気）の量を算出し、これに見合った基本噴射量ＴＰを決定する。基本噴射量ＴＰは、吸入空気量に比例する、目標空燃比を具現するために必要な燃料の量である。目標空燃比は、通常、理論空燃比またはその近傍の値である。但し、後述するように、本実施形態では、各気筒１毎にインジェクタ１１から噴射する燃料の量、ひいては各気筒１に充填される混合気の空燃比を不均等に大きくばらつかせることがある。

混合気の空燃比をフィードバック制御する際には、上記の基本噴射量ＴＰを、排気通路４における触媒４１の上流側及び／または下流側のガスの空燃比に応じて定まるフィードバック補正係数ＦＡＦで補正する。フィードバック補正係数ＦＡＦは、１を中心とする正数であり、空燃比センサ４３、４４を介して実測されるガスの空燃比と目標空燃比との偏差に応じて調整され、実測空燃比が目標空燃比に対してリーンであるときには増加し、実測空燃比が目標空燃比に対してリッチであるときには減少する。

その上で、内燃機関の運転状況や環境条件等に応じて定まる各種補正係数Ｋや、インジェクタ１１の無効噴射時間ＴＡＵＶをも加味して、最終的な燃料噴射時間Ｔ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に信号ｊを通電し、インジェクタ１１を開弁して燃料を噴射させる。

しかして、本実施形態のＥＣＵ０は、図２に示すように、内燃機関の冷間始動直後であるか、その時期を過ぎて内燃機関及び触媒の暖機がある程度以上完了しているかに応じて（ステップＳ１）、各気筒１に相対するインジェクタ１１から当該気筒１に噴射する燃料の量の制御を変更する（ステップＳ２、Ｓ３）。

内燃機関の冷間始動直後の時期、例えば、内燃機関の冷却水の温度が所定値以下の低温である、触媒４１の温度が所定値以下の低温である、または冷間始動から経過した時間若しくはサイクル数が所定値以下であるときには（ステップＳ１）、図３に例示するように、各気筒１に充填される混合気の空燃比を、それら気筒１間で均一化せずに大きくばらつかせる（ステップＳ２）。

燃料としてガソリンを使用する場合、理論空燃比は約１４．６である。ステップＳ２にて、ＥＣＵ０は、触媒４１から最も距離の遠い気筒１における混合気の空燃比を理論空燃比よりも過剰にリッチ化した約１２．６とするべく、当該気筒１に対してインジェクタ１１から噴射する燃料の量を増量する。対して、触媒４１から最も距離の近い気筒１、及び中間の気筒１における混合気の空燃比は、理論空燃比よりも過剰にリーン化した約１５．９とするべく、当該気筒１に対してインジェクタ１１から噴射する燃料の量を減量する。

上掲の各気筒１から排出されるガスの総和の空燃比は、理論空燃比またはその近傍の値、例えば約１４．８になるようにする。１４．８は、ガソリン燃料の理論空燃比１４．６よりも若干リーンであるが、これは、内燃機関の冷間始動直後の時期には有害物質ＨＣが排出されやすいことによる。ＨＣを触媒４１において酸化処理して無害化するためには、触媒４１内の雰囲気を幾分リーン寄りにする方が有利である。

ステップＳ２にて、点火タイミングは、各気筒１毎に均等としてもよいが、各気筒１間で異ならせてもよい。一般に、内燃機関の冷間始動直後の時期は、気筒１から排出され触媒４１に流入するガスの温度を高温化するべく、点火タイミングを平常よりも遅角補正する。が、混合気が燃焼しにくい気筒１は、燃焼しやすい気筒１に比して点火タイミングをより進角してもよい。

その後、内燃機関の冷却水の温度が所定値以上に昇温し、触媒４１の温度が所定値以上に昇温し、または冷間始動から経過した時間若しくはサイクル数が所定値を超えたならば（ステップＳ１）、平常の制御、即ち各気筒１に充填される混合気の空燃比を均一化する制御へと移行する（ステップＳ３）。ステップＳ３では、例えば、各気筒１における混合気の空燃比をそれぞれ理論空燃比に近い約１４．６とするべく、各気筒１に対してインジェクタ１１から噴射する燃料の量を制御する。

本実施形態によれば、内燃機関の冷間始動直後の時期に、各気筒１から触媒４１に順次流れ込むガスの空燃比が大きく増減し、触媒４１にて大きな反応熱が発生して、触媒４１の早期の昇温が促進される。そして、有害物質の排出量をより一層低減することができる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態には限定されない。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
４…排気通路
４１…触媒

Claims (3)

1. 複数の気筒を包有し各気筒から排出されるガスを、排気通路を通じて同一の排気浄化用触媒に流入させる内燃機関を制御するものであり、
   当該内燃機関の冷間始動直後の時期に、
   前記複数の気筒における一部の気筒から排出されるガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチとなるように前記一部の気筒に対して噴射する燃料の量を調整し、
   かつ、前記一部の気筒とは異なる他の気筒から排出されるガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンとなるように前記他の気筒に対して噴射する燃料の量を調整し、
   前記一部の気筒及び前記他の気筒から排出されるガスの総体の空燃比が、理論空燃比またはその近傍となるように制御する内燃機関の制御装置。
2. 前記排気浄化用触媒から最も距離の遠い気筒から排出されるガスの空燃比と、前記排気浄化用触媒から最も距離の近い気筒から排出されるガスの空燃比とを異ならせる請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記排気浄化用触媒から最も距離の遠い気筒から排出されるガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチとし、前記排気浄化用触媒から最も距離の近い気筒から排出されるガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンとする請求項２記載の内燃機関の制御装置。

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