JP4254652B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関の排気ガス中には、ＮＯ_X、ＣＯ、及びＨＣ等が含まれており、これらの物質を浄化するために機関排気系には三元触媒装置が配置されている。三元触媒装置において、排気ガスの空燃比が理論空燃比であれば、これらの物質は良好に浄化されるが、排気ガスの空燃比がリーンであると、還元作用が不活発となってＮＯ_Xの浄化が不十分となり、排気ガスの空燃比がリッチであると、酸化作用が不活発となってＣＯ及びＨＣの浄化が不十分となる。

しかしながら、排気ガスの空燃比を常に理論空燃比に維持することは困難である。それにより、三元触媒装置にＯ₂ストレージ能力を持たせ、排気ガスの空燃比がリーンである時には余剰酸素を吸蔵し、排気ガスの空燃比がリッチとなった時には吸蔵した酸素を放出することにより、排気ガスの空燃比が理論空燃比に対して変動しても、三元触媒装置内の雰囲気を理論空燃比近傍に維持してＮＯ_X、ＣＯ、及びＨＣを良好に浄化することが可能となる。

ところで、機関減速時においては、一般的に燃料を節約するためにフューエルカットが実施される。このフューエルカット時においては多量の酸素が三元触媒装置へ流入し、Ｏ₂ストレージ能力により三元触媒装置には新たに多量の酸素が吸蔵される。こうして吸蔵された多量の酸素は、フューエルカット完了直後には放出させてリーン空燃比の排気ガスから余剰酸素を吸蔵するのに備えなければならず、そのための排気ガス空燃比のリッチ化には比較的多量の燃料が必要とされ、燃料消費を悪化させる。

機関減速中のフューエルカット時間を短縮することによりフューエルカット時に三元触媒装置へ新たに吸蔵される酸素量を減少させることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−２２７３８３号公報 特開平５−１６３９４１号公報 特開平６−２００８０３号公報 特開昭５８−１５００４９号公報 特開昭５８−１５５２３０号公報 特開２００３−１７２１７６号公報

しかしながら、機関減速中のフューエルカット時間を短縮させたのでは、フューエルカット時における燃料の節約が不十分となり、やはり燃料消費が悪化する。

従って、本発明の目的は、フューエルカット時間を短縮させることなくフューエルカット時に三元触媒装置へ新たに多量の酸素が吸蔵される機会を減少させて燃料消費の悪化を改善する内燃機関の制御装置を提供することである。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の制御装置は、三元触媒装置の現在のＯ₂ストレージ能力を推定する推定手段と、前記推定手段により推定された現在のＯ₂ストレージ能力に応じてフューエルカット時の吸気量を制御する吸気量制御手段とを具備し、前記吸気量制御手段は、前記推定手段により推定された現在のＯ ₂ ストレージ能力が高いほどフューエルカット時の吸気量を減少させることを特徴とする。

また、本発明による請求項２に記載の内燃機関の制御装置は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、フューエルカット時間が設定時間以上であった場合に、前記推定手段により推定された現在のＯ₂ストレージ能力に応じてフューエルカット完了直後における排気ガス空燃比のリッチ化程度を制御するリッチ化制御手段をさらに具備し、前記リッチ化制御手段は、前記推定手段により推定された現在のＯ ₂ ストレージ能力が高いほどフューエルカット完了直後における排気ガス空燃比を大幅にリッチ化させることを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の制御装置によれば、吸気量制御手段は、推定手段により推定された現在のＯ₂ストレージ能力が高いほどフューエルカット時の吸気量を減少させるために、フューエルカット中に多量の酸素を吸蔵可能な時ほど吸気量は少なくされ、フューエルカット時間を短縮することなくフューエルカット時に三元触媒装置へ新たに多量の酸素が吸蔵される機会をさらに減少させ、燃料消費の悪化を改善することが可能となる。

また、本発明による請求項２に記載の内燃機関の制御装置によれば、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、フューエルカット時間が設定時間以上であった場合には、フューエルカット中に吸気量を減少させてもＯ₂ストレージ能力の限界まで酸素が吸蔵されてしまう。それにより、この場合において、リッチ化制御手段は、推定手段により推定された現在のＯ₂ストレージ能力が高いほどフューエルカット中に多量の酸素が吸蔵されるために、現在のＯ ₂ ストレージ能力が高いほどフューエルカット完了直後における排気ガスの空燃比を大幅にリッチ化させるようになっており、フューエルカット中に吸蔵された酸素量に応じた無駄の少ない排気ガスの空燃比のリッチ化制御を実現することができる。

図１は機関排気系の一部を示す概略図である。同図において、１は三元触媒装置であり、２は三元触媒装置１へ流入する排気ガスの空燃比を検出する上流側空燃比センサであり、３は三元触媒装置１から流出する排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比センサである。上流側空燃比センサ２は、排気ガスの空燃比に対応する電圧を出力するリニア出力型とすることが好ましい。一方、下流側空燃比センサ３は、上流側空燃比センサ２と同様にリニア出力型としても良いが、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリッチであるかリーンであるかを検出可能なステップ出力型としても良い。

三元触媒装置１は、排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍である時に、排気ガス中のＮＯ_X、ＣＯ、及びＨＣを良好に浄化する。しかしながら、排気ガスの空燃比を常に理論空燃比近傍に維持することは困難であるために、三元触媒装置１にはセリア等を担持させてＯ₂ストレージ能力を持たせ、排気ガスの空燃比がリーンとなる時には余剰酸素を吸蔵し、排気ガスの空燃比がリッチとなる時には吸蔵した酸素を放出することにより、排気ガスの空燃比に係らずに三元触媒装置１内の雰囲気を理論空燃比近傍にすることを可能としている。

三元触媒装置１のＯ₂ストレージ能力（吸蔵可能最大酸素量）は、三元触媒装置１の浄化能力と共に劣化するものであるために、現在のＯ₂ストレージ能力が推定されれば、これを空燃比制御及び異臭（Ｈ₂Ｓ）対策に利用することができるだけでなく、三元触媒装置１の劣化の指標として使用することもできる。三元触媒装置１に吸蔵されている酸素量は、現在のＯ₂ストレージ能力の約半分に制御されることが好ましく、それにより、排気ガスの空燃比がリッチとなってもリーンとなっても三元触媒装置１内の雰囲気を理論空燃比近傍に維持することができる。

ところで、機関減速時において、燃料を節約するためにフューエルカットを実施することが一般的である。この時には、通常、Ｏ₂ストレージ能力の限界まで酸素が吸蔵されてしまう。それにより、フューエルカット完了直後にリーン空燃比での運転が実施されると、三元触媒装置１は、この時の余剰酸素を吸蔵することはできず、三元触媒装置１内の雰囲気はリーンのままとなるために、還元作用が不活発となってＮＯ_Xを十分に浄化することができない。従って、フューエルカット完了直後には、排気ガスの空燃比をリッチにし、フューエルカット中に吸蔵された酸素を放出させることが必要となる。この時において、Ｏ₂ストレージ能力が高い場合には、フューエルカット中に多量の酸素が吸蔵されるために、排気ガスの空燃比のリッチ化において比較的多量の燃料が必要とされ、燃料消費を悪化させる。

本実施形態の制御装置は、図３に示すフローチャートによりフューエルカット中の吸気量制御及びフューエルカット完了直後のリッチ化制御を実施し、燃料消費の悪化を改善している。先ず、ステップ１０１において、三元触媒装置１の現在のＯ₂ストレージ能力（吸蔵可能最大酸素量）Ｃｍａｘに基づきフューエルカット中の吸気増減量ΔＧを算出する。現在のＯ₂ストレージ能力は、例えば、三元触媒装置１においてＯ₂ストレージ能力の限界まで吸蔵されている酸素を全て放出させ、それに使用された燃料量を算出すれば、放出酸素量と燃料量とは対応するために推定可能である。

この推定方法を下流側空燃比センサ３の出力を示す図２を使用してさらに具体的に説明する。リーン空燃比での運転を持続すると、下流側空燃比センサ３の出力はリーン空燃比を示す０Ｖとなっており、この時には、現在のＯ₂ストレージ能力の限界まで三元触媒装置１に酸素が吸蔵されている。任意の時刻ｔ１において、燃焼空燃比のリッチ化、又は、膨張又は排気行程での追加燃料噴射等によって排気ガスの空燃比をリッチ化させると、三元触媒装置１から酸素が放出され、全ての酸素が放出される直前において下流側空燃比センサ３の出力は急激に変化し、理論空燃比を示す０．４５Ｖとなった時刻ｔ２において、全ての酸素が放出されたとすることができる。それにより、次式により算出される各時刻のリッチ化に使用された燃料量ｑを時刻ｔ１からｔ２まで積算すれば、この積算燃料量を三元触媒装置１の現在のＯ₂ストレージ能力Ｃｍａｘとすることができる。
ｑ＝Ｇｉ／ＡＦ−Ｇｉ／１４．６
ここで、Ｇｉは各時刻の吸入空気量であり、ＡＦは各時刻の排気ガスのリッチ化空燃比である。

こうして、例えば機関始動毎に現在のＯ₂ストレージ能力Ｃｍａｘが推定され、このＯ₂ストレージ能力Ｃｍａｘに基づき、例えば、図４に示すマップから吸気増減量ΔＧが設定される。次いで、ステップ１０２において、フューエルカットが実施されるか否かが判断され、この判断が否定される時にはそのまま終了するが、フューエルカットが実施される時にはステップ１０３へ進む。ステップ１０３では、フューエルカット中の吸気量Ｇとして、アイドル時の通常吸気量Ｇ’をステップ１０１において算出された吸気増減量ΔＧだけ増減させる。次いで、ステップ１０４において、フューエルカットが完了したか否かが判断され、この判断が否定される限り、すなわち、フューエルカット中は、ステップ１０３における吸気量増減が実施される。吸気増減量ΔＧは、現在のＯ₂ストレージ能力Ｃｍａｘが高い時にはマイナス値となり、その絶対値はＯ₂ストレージ能力Ｃｍａｘが高いほど大きくなる。また、現在のＯ₂ストレージ能力Ｃｍａｘが低い時にはプラス値となり、その絶対値はＯ₂ストレージ能力Ｃｍａｘが低いほど大きくなる。

こうして、フューエルカット時の吸入空気量Ｇは、現在のＯ₂ストレージ能力が高いほど少なくされる。この吸気量制御は、スロットル弁がアクセルペダルと機械的に連動せずにアクチュエータにより自由に開度設定される場合には、スロットル弁の開度を変化させれば良く、また、スロットル弁と並列にアイドルスピードコントロールバルブ（ＩＳＣ）が設けられている場合には、ＩＳＣの開度を変化させても良い。また、可変バルブタイミング機構が設けられている場合には、吸気弁のリフト量又は開弁時間を変化させるようにしても良い。

このように推定された三元触媒装置１の現在のＯ₂ストレージ能力に応じてフューエルカット時の吸気量が制御され、Ｏ₂ストレージ能力が高くてフューエルカット中に多量の酸素を吸蔵可能な時には、Ｏ₂ストレージ能力が低くてフューエルカット中に多量の酸素を吸蔵不可能な時に比較して吸気量が少なくされるために、フューエルカット時間がそれほど長くなければ、フューエルカット時に三元触媒装置１へ新たに多量の酸素が吸蔵されることはなく、フューエルカット時に三元触媒装置１へ新たに多量の酸素が吸蔵される機会を減少させることができる。それにより、吸蔵された酸素を放出させるためのフューエルカット完了直後の排気ガスの空燃比のリッチ化において、燃料消費の悪化を改善することが可能となる。

また、吸気量制御において、現在のＯ₂ストレージ能力が高いほどフューエルカット時の吸気量を減少させるために、フューエルカット中に多量の酸素を吸蔵可能な時ほど吸気量は少なくされ、フューエルカット時間を短縮することなくフューエルカット時に三元触媒装置へ新たに多量の酸素が吸蔵される機会をさらに減少させ、燃料消費の悪化をさらに改善することが可能となる。

現在のＯ₂ストレージ能力に係らずにフューエルカット中の吸気量を減少させれば、フューエルカット完了直後のリッチ化において燃料消費を抑制するのに有利となるが、吸気量の減少は、フューエルカット中における気筒内の圧力を低下させ、オイル上がり及びオイル下がりを発生させ易くする。それにより、本実施形態において、現在のＯ₂ストレージ能力が低くフューエルカット中に新たに多量の酸素を吸蔵不可能な時には、フューエルカット中の吸気量Ｇをアイドル時の通常空気量Ｇ’より増加させるようにし、フューエルカット中におけるオイル上がり及びオイル下がりの発生の機会を減少させている。

ところで、前述の吸気量制御によってＯ₂ストレージ能力が高い時にフューエルカット中の吸気量を減少させても、フューエルカット時間が長い場合には、Ｏ₂ストレージ能力の限界まで酸素が吸蔵されてしまう。それにより、この場合には、フューエルカット完了直後において必要最小限のリッチ化によってフューエルカット中に吸蔵された酸素を放出させることが必要である。

それにより、フューエルカットが完了した時には、ステップ１０５において、今回のフューエルカット時間Ｔが設定時間Ｔ’以上であるか否かが判断され、この判断が否定される時、すなわち、フューエルカット時間がそれほど長くない時には、ステップ１０６において、リッチ化のための燃料噴射量Ｑ（理論空燃比とする燃料量に追加される燃料噴射量）は設定値Ｑｃとされる。フューエルカット時間がそれほど長くない場合においては、Ｏ₂ストレージ能力が高ければ吸気量の減少によりフューエルカット中に限界まで酸素が吸蔵されることはなく、新たに吸蔵された酸素を放出するためのリッチ化の燃料噴射量Ｑは比較的少ない設定値Ｑｃで十分である。また、Ｏ₂ストレージ能力が低い時にはフューエルカット中に限界まで酸素が吸蔵されるが、新たに吸蔵された酸素量はそれほど多くなく、この酸素を放出するためのリッチ化の燃料噴射量Ｑは比較的少ない設定値Ｑｃで十分である。こうして、Ｏ₂ストレージ能力に係らずに、リッチ化のための燃料噴射量Ｑは、同じ設定値とすることができる。この設定値Ｑｃは、フューエルカット時間が短いほど少なくするようにしても良い。

一方、フューエルカット時間Ｔが長く、ステップ１０５における判断が肯定される時には、フューエルカット中の吸気量を少なくしても、Ｏ₂ストレージ能力に係らずに限界まで酸素が吸蔵されてしまう。すなわち、Ｏ₂ストレージ能力が高いほど多くの酸素が吸蔵される。それにより、ステップ１０７において、リッチ化のための燃料噴射量Ｑは、現在のＯ₂ストレージ能力Ｃｍａｘに基づき算出される。図５は、Ｏ₂ストレージ能力Ｃｍａｘによって燃料噴射量Ｑを設定するためのマップであり、Ｏ₂ストレージ能力Ｃｍａｘが高いほど燃料噴射量Ｑは多く設定されている。

こうして、ステップ１０６又は１０７においてリッチ化のための燃料噴射量Ｑが決定され、ステップ１０８において、フューエルカットの完了と同時に、決定された燃料噴射量Ｑを各気筒の燃料噴射弁により分割して各気筒内へ一斉に噴射する。このように、フューエルカットの完了時の吸気行程に同期させることない各気筒への一斉燃料噴射により（一気筒では吸気行程となるが）、リッチ化のための燃料を早期に三元触媒装置１へ流入させて早期に三元触媒装置１から酸素を放出させることができる。

こうして、本実施形態によれば、フューエルカット時間Ｔが設定時間Ｔ’以上であった場合には、推定された現在のＯ₂ストレージ能力に応じてフューエルカット完了直後における排気ガス空燃比のリッチ化のための燃料噴射量、すなわち、リッチ化程度を制御するために、Ｏ₂ストレージ能力が高くてフューエルカット中に多量の酸素を吸蔵した時には、Ｏ₂ストレージ能力が低くてフューエルカット中に少量の酸素しか吸蔵しなかった時に比較してフューエルカット完了直後における排気ガスの空燃比をよりリッチ化させることができ、特に、フューエルカット中に三元触媒装置１に吸蔵された酸素量を監視することなく、フューエルカット中に吸蔵された酸素量に応じた無駄の少ない排気ガス空燃比のリッチ化制御を実現することができる。

また、フューエルカット時間Ｔが設定時間Ｔ’以上であった場合には、現在のＯ₂ストレージ能力が高いほどフューエルカット中に多量の酸素が吸蔵されるために、現在のＯ₂ストレージ能力が高いほどフューエルカット完了直後におけるリッチ化のための燃料噴射量Ｑを多くして排気ガスの空燃比を大幅にリッチ化させるようになっており、フューエルカット中に吸蔵された酸素量に応じたさらに無駄の少ない排気ガスの空燃比のリッチ化制御を実現することができる。

フューエルカット完了直後における排気ガス空燃比のリッチ化制御は、フューエルカット完了時の各気筒への一斉燃料噴射に限定されることなく、各気筒の吸気行程での燃料噴射量を増量したり、各気筒の膨張行程又は排気行程で気筒内へ燃料を噴射したり、又は、排気通路へ燃料を噴射したりして、三元触媒装置１へ流入する排気ガスの空燃比をリッチ化しても良い。

機関排気系の一部を示す概略図である。 下流側空燃比センサの出力変化を示すタイムチャートである。 本発明の制御装置によって実施される吸気量制御及びリッチ化制御のためのフローチャートである。 図３のフローチャートで使用されるＯ₂ストレージ能力に対する吸気増減量を示すマップである。 図３のフローチャートで使用されるＯ₂ストレージ能力に対するリッチ化のための燃料噴射量を示すマップである。

符号の説明

１ 三元触媒装置
２ 上流側空燃比センサ
３ 下流側空燃比センサ

Claims (2)

1. 三元触媒装置の現在のＯ₂ストレージ能力を推定する推定手段と、前記推定手段により推定された現在のＯ₂ストレージ能力に応じてフューエルカット時の吸気量を制御する吸気量制御手段とを具備し、前記吸気量制御手段は、前記推定手段により推定された現在のＯ ₂ ストレージ能力が高いほどフューエルカット時の吸気量を減少させることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. フューエルカット時間が設定時間以上であった場合に、前記推定手段により推定された現在のＯ ₂ ストレージ能力に応じてフューエルカット完了直後における排気ガス空燃比のリッチ化程度を制御するリッチ化制御手段をさらに具備し、前記リッチ化制御手段は、前記推定手段により推定された現在のＯ ₂ ストレージ能力が高いほどフューエルカット完了直後における排気ガス空燃比を大幅にリッチ化させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。

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