JP4269922B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気ガス浄化用の触媒を早期に暖機するために点火時期を遅角させる触媒暖機制御を行う内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関においては、排気ガス浄化用の触媒を早期に暖機するために点火時期を遅角させることで排気温度を上昇させる触媒暖機制御が行われている。この触媒暖機制御を行う従来例が特開２００２−２６６６８８号公報（特許文献１）に開示されている。特許文献１においては、内燃機関の冷間始動時に、触媒暖機制御を行って点火時期を遅角させるとともに、吸入空気量調整弁の開度を増大させてアイドル回転速度を上昇させている。そして、触媒暖機制御により触媒の暖機が完了したと判定されたときに、吸入空気量調整弁の開度を徐々に小さくして吸入空気量を徐々に減少させながら点火時期を徐々に進角させる徐変制御を実行してから通常制御に切り換えている。これによって、触媒暖機制御から通常制御に切り換える際のトルクショックの低減を図っている。

その他にも、点火時期を遅角させる触媒暖機制御を行う従来例が特許文献２〜４に開示されている。

特開２００２−２６６６８８号公報 特開平９−８８５６４号公報 特開２００３−１９３８９０号公報 特開２００１−５９４７０号公報

燃料をシリンダ内に直接噴射する筒内噴射式内燃機関においても、触媒を早期に暖機するために点火時期を遅角させる触媒暖機制御を行うことが考えられる。ただし、筒内噴射式内燃機関において、点火時期を遅角させた後に徐々に進角させる制御を行ったときは、燃焼室内に適切な混合気が形成されていない状態で混合気の点火が行われてしまう場合が発生する。その場合は、失火や不整燃焼が発生してしまうという問題点がある。

本発明は、筒内噴射式内燃機関において触媒を早期に暖機するために点火時期を遅角させた後に徐々に進角させる制御を行うとき、失火や不整燃焼の発生を確実に防止することができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、筒内噴射式内燃機関の排気ガス浄化用の触媒を早期に暖機するために、点火時期及びシリンダ内への燃料噴射開始時期を遅角させる触媒暖機制御を行う内燃機関の制御装置であって、前記触媒暖機制御を行って、内燃機関の始動時または前記触媒暖機制御開始時からの積算吸気量が第１所定値以上になる、触媒の暖機状態に関する第１所定条件が成立した場合は、点火時期を徐々に進角させるとともにシリンダ内への燃料噴射開始時期を徐々に進角させる徐変制御を行い、前記徐変制御を行うときは、シリンダ内への燃料噴射開始時期から点火時期までのクランク角度が所定範囲内となるように、点火時期及びシリンダ内への燃料噴射開始時期を徐々に進角させることを要旨とする。

本発明においては、触媒を早期に暖機するために点火時期及びシリンダ内への燃料噴射時期を遅角させた後に点火時期を進角させるときは、点火時期を徐々に進角させるとともにシリンダ内への燃料噴射時期を徐々に進角させている。このように、点火時期だけでなくシリンダ内への燃料噴射時期も徐々に進角させることにより、燃焼室内に適切な混合気が形成された状態で混合気の点火を行うことができる。したがって、本発明によれば、筒内噴射式内燃機関において触媒を早期に暖機するために点火時期を遅角させた後に徐々に進角させる制御を行うとき、失火や不整燃焼の発生を確実に防止することができる。

さらに、本発明において、前記徐変制御を行うときは、シリンダ内への燃料噴射時期から点火時期までのクランク角度が所定範囲内となるように、点火時期及びシリンダ内への燃料噴射時期を徐々に進角させる。こうすれば、点火が行われる前に燃焼室内に適切な混合気を安定して形成することができるので、失火や不整燃焼の発生をより確実に防止することができる。

さらに、本発明において、前記徐変制御を行って、前記積算吸気量が前記第１所定値よりも大きい第２所定値以上になる、触媒の暖機状態に関する第２所定条件が成立した場合は、前記徐変制御を終了する。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置を含む全体構成の概略を示す図である。本実施形態の内燃機関１０は、燃焼室内の混合気を点火プラグ３２により点火することで燃料させる火花点火式内燃機関であり、さらに、燃料噴射弁３４から燃料をシリンダ１２内に直接噴射する筒内噴射式内燃機関である。なお、本実施形態の内燃機関１０は、例えば車両に搭載されるものである。

吸気管１６の最上流部にはエアクリーナ１４が設けられており、エアクリーナ１４の下流側には吸入空気量を検出するエアフローメータ４２が設けられている。そして、エアフローメータ４２の下流側にはスロットル弁１８が設けられている。本実施形態のスロットル弁１８は電制スロットルであり、コントローラ３０によってスロットルモータ２０の駆動を制御することで、スロットル弁１８の開度がコントローラ３０によって制御される。スロットル弁１８の開度はスロットル開度センサ４４により検出される。

スロットル弁１８の下流側にはサージタンク２２が設けられており、サージタンク２２には吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ４６が設けられている。そして、サージタンク２２には内燃機関１０の各気筒に吸気ガスを導入するための吸気マニホールド２４が接続されており、吸気マニホールド２４にはシリンダ１２内への吸気ガスの流れを制御するための気流制御弁２６が設けられている。

シリンダヘッド６２には、燃料をシリンダ１２内に直接噴射するための燃料噴射弁３４と、混合気を点火して燃焼させるための点火プラグ３２と、が各気筒に対応して設けられている。筒内噴射式内燃機関では、吸気行程または圧縮行程にて燃料噴射弁３４から燃料がシリンダ１２内に直接噴射されることで、シリンダ１２内に混合気が形成される。その後、点火プラグ３２による混合気の点火が行われることで、混合気が燃焼してクランク軸３６に回転力が発生する。燃焼後の排気ガスは、排気行程にて排気管３８へ排出される。そして、排気管３８には排気ガスを浄化するための触媒４０が設けられている。

また、シリンダブロック６０には、冷却水温を検出する水温センサ４８と、クランク軸３６の角度を検出するクランク角センサ５０と、が設けられている。

コントローラ３０には、エアフローメータ４２、スロットル開度センサ４４、吸気管圧力センサ４６、水温センサ４８、及びクランク角センサ５０による検出信号が入力される。そして、コントローラ３０は、それらの検出信号に基づいて、スロットル弁１８の開度、点火プラグ３２の点火時期、及び燃料噴射弁３４の燃料噴射時期を制御する。さらに、コントローラ３０は、触媒を早期に暖機するために点火時期を通常制御時より遅角させる触媒暖機制御と、点火時期を通常制御時より遅角させた後に徐々に進角させる徐変制御と、を行う。

次に、コントローラ３０によって実行される触媒暖機制御及び徐変制御の詳細について、図２に示すフローチャート、及び図３に示すタイムチャートを用いて説明する。なお、図３（Ａ）は点火プラグ３２の点火時期、図３（Ｂ）は燃料噴射弁３４の燃料噴射開始時期、図３（Ｃ）は空燃比（シリンダ１２内平均）、図３（Ｄ）は触媒暖機制御開始時からの積算吸気量、図３（Ｅ）は触媒温度の時系列波形の一例である。ただし図３では、説明の便宜上、時系列波形を連続的なものとして図示している。

まずステップ（以下Ｓとする）１においては、内燃機関１０の始動直後であるか否かが判定される。ここでの判定については、例えば内燃機関１０の回転速度（クランク角センサ５０により検出）の時間変化を調べることにより行うことができる。Ｓ１の判定結果がＮＯの場合は、Ｓ１の判定結果がＹＥＳになるまでＳ１の判定が繰り返される。一方、Ｓ１の判定結果がＹＥＳの場合は、Ｓ２に進む。

Ｓ２においては、触媒４０を早期に暖機するために点火時期を遅角させる触媒暖機制御を行うか否かが判定される。ここでの触媒暖機制御を行う条件としては、例えば水温センサ４８により検出した冷却水温が所定温度以下でかつ車速（図示しないセンサにより検出）が０である条件が挙げられる。あるいは、上記の条件で冷却水温を用いる代わりに温度センサ（図示せず）により検出した触媒４０の温度を用いても判定を行うことができる。上記の条件が成立しない場合、すなわちＳ２の判定結果がＮＯの場合は、触媒暖機制御を行わずにＳ１に戻る。一方、上記の条件が成立している場合、すなわちＳ２の判定結果がＹＥＳの場合は、Ｓ３に進む。

Ｓ３においては、点火時期を遅角させる触媒暖機制御が実行される。そして、Ｓ４に進む。この触媒暖機制御を行うことにより、排気温度が上昇して触媒４０の早期暖機が行われる。図３のタイムチャートでは、点火時期を遅角させる触媒暖機制御を時刻ｔ１から開始している。本実施形態の触媒暖機制御においては、点火時期を所定クランク角度θ１分遅角させるとともに、シリンダ１２内への燃料噴射開始時期を所定クランク角度θ２分遅角させる。そして、燃料噴射開始時期については、内燃機関１０の始動開始直後における吸気行程噴射から圧縮行程噴射まで遅角させる。ここでの所定クランク角度θ１，θ２については、触媒４０の早期暖機性能を向上させようとするほど大きい値が設定され、さらに、所定クランク角度θ１と所定クランク角度θ２との差の絶対値が所定値以下となるように設定される。

Ｓ４においては、触媒４０の暖機状態に関する第１条件が成立したか否かが判定される。ここでの第１条件の成立については、排気ガスの通過によって触媒４０が暖機されるため、例えば内燃機関１０の始動時または触媒暖機制御開始時からの積算吸気量ｇａｓｕｍが所定値Ａ＿ｇａｓｕｍ１以上になった場合に、触媒４０の暖機状態に関する第１条件が成立したと判定することができる。積算吸気量ｇａｓｕｍについては、エアフローメータ４２の検出値またはスロットル開度センサ４４の検出値に基づいて演算することができる。あるいは、内燃機関１０の始動時または触媒暖機制御の開始時から所定時間δｔ１経過した場合に、第１条件が成立したと判定することもできる。あるいは、温度センサ（図示せず）により検出した触媒４０の温度が所定温度Ｔ１以上である場合に、第１条件が成立したと判定することもできる。上記の条件が成立しない場合、すなわちＳ４の判定結果がＮＯの場合は、Ｓ３に戻り触媒暖機制御が引き続いて実行される。一方、上記の条件が成立した場合、すなわちＳ４の判定結果がＹＥＳの場合は、Ｓ５に進む。

Ｓ５においては、点火時期を遅角させる触媒暖機制御の実行が終了され、遅角させた点火時期を徐々に進角させる徐変制御が実行される。そして、Ｓ６に進む。この徐変制御を行うことにより、遅角させた点火時期を進角させる際のトルクショックが低減される。図３のタイムチャートでは、点火時期を徐々に進角させる徐変制御を時刻ｔ２から開始している。本実施形態の徐変制御においては、点火時期を１サイクルあたりのクランク角度変化率δθ１で徐々に進角させるとともに、シリンダ１２内への燃料噴射開始時期を１サイクルあたりのクランク角度変化率δθ２で徐々に進角させる。ここでのクランク角度変化率δθ１，δθ２については、略一定の値が設定される。

ここで、遅角させた点火時期を徐々に進角させる際に燃料噴射開始時期を遅角させたままだと、シリンダ１２内への燃料噴射開始時期から点火時期までのクランク角度（時間）が徐々に少なくなる。燃料がシリンダ１２内へ噴射されてから点火が行われるまでのクランク角度（時間）が少なすぎる場合は、燃焼室内に適切な混合気が形成される前に点火が行われてしまうため、失火や不整燃焼の原因となってしまう。

ただし、本実施形態の徐変制御では、点火時期を徐々に進角させるとともにシリンダ１２内への燃料噴射開始時期も徐々に進角させるので、燃料がシリンダ１２内へ噴射されてから点火が行われるまでのクランク角度（時間）を十分に確保することができる。したがって、点火が行われる前に燃焼室内に適切な混合気を形成することができるので、失火や不整燃焼の発生が確実に防止される。

徐変制御の実行時において、点火が行われる前に燃焼室内に適切な混合気を安定して形成するためには、シリンダ１２内への燃料噴射開始時期から点火時期までのクランク角度が適正範囲内に保たれるように、点火時期及びシリンダ１２内へ燃料噴射開始時期を徐々に進角させることが好ましい。そのためには、点火時期の１サイクルあたりのクランク角度変化率δθ１と燃料噴射開始時期の１サイクルあたりのクランク角度変化率δθ２との差の絶対値が所定値以下となるように、クランク角度変化率δθ１，δθ２を設定すればよい。より好ましくは、クランク角度変化率δθ１，δθ２を略等しく設定することにより、燃料噴射開始時期から点火時期までのクランク角度が略一定の適正角度となるように、点火時期及び燃料噴射開始時期を徐々に進角させる。なお、ここでの適正範囲または適正角度については、燃料がシリンダ１２内へ噴射されてから燃焼に最適な混合気が形成されるまでのクランク角度範囲またはクランク角度として設定され、例えば実験的または解析的に設定することができる。

Ｓ６においては、点火時期の遅角状態に関する所定条件として、点火時期が所定のクランク角度θ３以上進角したか否かが判定される。ここでの判定に用いる所定のクランク角度θ３としては、例えば圧縮行程開始時の燃料噴射に対応する点火時期のクランク角度とすることが挙げられる。Ｓ６の判定結果がＮＯの場合は、Ｓ５に戻り徐変制御が引き続いて実行される。一方、Ｓ６の判定結果がＹＥＳの場合は、徐変制御の実行を終了し、点火時期を通常制御における点火時期に復帰させる。図３のタイムチャートでは、点火時期を時刻ｔ３から通常制御における点火時期に復帰させた場合を示している。

なお、Ｓ６においては、燃料噴射開始時期が所定のクランク角度θ４以上進角したか否かを判定してもよい。ここでの所定のクランク角度θ４としては、例えば圧縮行程開始時のクランク角度とすることが挙げられる。あるいは、Ｓ６において、触媒４０の暖機状態に関する第２条件が成立したか否かを判定してもよい。ここでの第２条件の成立については、例えば内燃機関１０の始動時または触媒暖機制御開始時からの積算吸気量ｇａｓｕｍが所定値Ａ＿ｇａｓｕｍ２以上になった場合に、触媒４０の暖機状態に関する第２条件が成立したと判定することができる。ここでの所定値Ａ＿ｇａｓｕｍ２については、Ａ＿ｇａｓｕｍ２＞Ａ＿ｇａｓｕｍ１である。あるいは、温度センサ（図示せず）により検出した触媒４０の温度が所定温度Ｔ２以上である場合に、第２条件が成立したと判定することもできる。ここでの所定温度Ｔ２については、Ｔ２＞Ｔ１である。

なお、触媒暖機制御及び徐変制御の実行時における空燃比（シリンダ１２内平均）については、略一定値（例えば理論空燃比より若干リーンな値）に保たれるように、スロットル弁１８の開度及び燃料噴射弁３４からシリンダ１２内への燃料噴射量がコントローラ３０によって制御される。

以上説明したように、本実施形態においては、通常制御時より遅角させた点火時期を徐々に進角させる徐変制御を行うときに、通常制御時より遅角させた燃料噴射開始時期も徐々に進角させている。これによって、燃料がシリンダ１２内へ噴射されてから点火が行われるまでのクランク角度（時間）を十分に確保することができるので、燃焼室内に適切な混合気が形成された状態で混合気の点火を行うことができる。したがって、失火や不整燃焼の発生を確実に防止することができる。

さらに、本実施形態においては、徐変制御を行うときに、シリンダ１２内への燃料噴射開始時期から点火時期までのクランク角度が適正範囲内に保たれるように、点火時期及びシリンダ１２内への燃料噴射開始時期を徐々に進角させている。これによって、点火が行われる前に燃焼室内に適切な混合気を安定して形成することができる。したがって、失火や不整燃焼の発生をより確実に防止することができる。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置を含む全体構成の概略を示す図である。 コントローラによって実行される処理を説明するフローチャートである。 触媒暖機制御及び徐変制御の動作を説明するタイムチャートである。

符号の説明

１０ 内燃機関、１２ シリンダ、１６ 吸気管、１８ スロットル弁、３０ コントローラ、３２ 点火プラグ、３４ 燃料噴射弁、３６ クランク軸、３８ 排気管、４０ 触媒、４２ エアフローメータ、４４ スロットル開度センサ、４６ 吸気管圧力センサ、４８ 水温センサ、５０ クランク角センサ。

Claims (1)

1. 筒内噴射式内燃機関の排気ガス浄化用の触媒を早期に暖機するために、点火時期及びシリンダ内への燃料噴射開始時期を遅角させる触媒暖機制御を行う内燃機関の制御装置であって、
   前記触媒暖機制御を行って、内燃機関の始動時または前記触媒暖機制御開始時からの積算吸気量が第１所定値以上になる、触媒の暖機状態に関する第１所定条件が成立した場合は、点火時期を徐々に進角させるとともにシリンダ内への燃料噴射開始時期を徐々に進角させる徐変制御を行い、
   前記徐変制御を行うときは、シリンダ内への燃料噴射開始時期から点火時期までのクランク角度が所定範囲内となるように、点火時期及びシリンダ内への燃料噴射開始時期を徐々に進角させ、
   前記徐変制御を行って、前記積算吸気量が前記第１所定値よりも大きい第２所定値以上になる、触媒の暖機状態に関する第２所定条件が成立した場合は、前記徐変制御を終了することを特徴とする内燃機関の制御装置。

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