JP4431865B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は内燃機関の制御装置に係り、特に、経年劣化した触媒においても、あるいは揮発性の低い重質燃料を使用した場合においても、始動直後におけるＨＣ及びＮＯｘの排出量の低減とドライバビリティの安定とを両立することができる内燃機関の制御装置に関する。

車両に搭載した内燃機関には、排気通路に設けた触媒の上流側に第１酸素濃度検出手段を備え、触媒の下流側に第２酸素濃度検出手段を備え、第１酸素濃度検出手段が活性化したか否かを判定可能な活性化判定手段を備え、排気通路の排気ガスの一部を内燃機関の吸気通路に再循環させる排気ガス再循環装置を備え、空燃比制御を行うとともに排気ガス還流制御を行う内燃機関の制御装置を設けたものがある。

従来の内燃機関の制御装置には、酸素濃度センサが活性化しているか否か判定するとともにフィードバック制御可能であるか否かを判定し、酸素濃度センサが活性化してフィードバック制御可能であるときは燃料噴射時間をフィードバック補正して算出し、また、フィードバック制御可能であるか否かに基づいてＥＧＲ弁開度を取り込むマップを選択し、空燃比制御に対応したＥＧＲ量となるようにＥＧＲ制御することにより、内燃機関の始動時における安定運転を図るとともに有害排気ガス成分を低減させるものがある。
特開平８−１６５９４３号公報

ところで、内燃機関の冷機始動後においては、触媒浄化機能を有効活用することができないため、ＨＣ及びＮＯｘの排出量を低減させることができない問題がある。特に、触媒が経年劣化した場合には、触媒浄化機能が低下してＨＣ及びＮＯｘを十分に低減させることができない問題がある。

また、近時は、内燃機関の冷機始動後のある一定時間におけるＨＣ及びＮＯｘを十分に低減させることを要求され、且つ揮発性の低い重質燃料が使用された場合にドライバビリティを満足できるように重質燃料にも対応可能であることを要求されている。

このため、内燃機関においては、冷機始動直後に触媒浄化機能を有効活用すると同時にＨＣ及びＮＯｘの排出量を低減でき、且つドライバビリティを安定させることができる燃焼速度を調整可能な制御装置の実現が望まれている。

この発明は、内燃機関の排気通路に設けられた触媒より上流側に位置し排気ガス中の酸素濃度を検出する第１酸素濃度検出手段と、前記触媒より下流側に位置し排気ガス中の酸素濃度を検出する第２酸素濃度検出手段と、前記第１酸素濃度検出手段が活性化したか否かを判定可能な活性化判定手段と、前記排気通路の排気ガスの一部を前記内燃機関の吸気通路に再循環させる排気ガス再循環装置とを備えた内燃機関の制御装置において、前記内燃機関の始動後の経過時間が第１設定時間よりも短く、前記活性化判定手段により前記第１酸素濃度検出手段が活性化していると判定され、第１に前記第２酸素濃度検出手段の出力する電圧が第１設定電圧未満である状態が、第２設定時間を越えて継続しているときは、目標空燃比をベース空燃比よりもリッチ側に変更し、第２に前記目標空燃比をベース空燃比よりもリッチ側に変更した後、前記第２酸素濃度検出手段の出力する電圧が前記第１設定電圧よりも高い第２設定電圧未満である状態が、第３設定時間未満であると判定されたときは、前記排気ガス再循環装置の作動時の開度をベース開度より増加するように変更し、第３に前記排気ガス再循環装置の作動時の開度を変更した後、ドライバビリティの状態を判定し、ドライバビリティの状態が不良であると判定された場合には、前記吸気通路に設けられた燃焼速度を変更可能な燃焼速度変更手段により燃焼速度を高めるように制御する制御手段を設けたことを特徴とする。

この発明の内燃機関の制御装置は、目標空燃比のリッチ側への変更による触媒浄化の有効活用だけでは触媒が経年劣化したときのＨＣ及びＮＯｘの排出量を低減できない問題と、排気ガス再循環装置の作動による排気ガスの再循環量の調整だけでは重質燃料を使用したときのドライバビリティを満足できない問題との両者を、燃焼室内の燃焼速度を高めることによって満足することができ、このため、経年劣化した触媒においても、あるいは揮発性の低い重質燃料を使用した場合においても、始動直後におけるＨＣ及びＮＯｘの排出量の低減とドライバビリティの安定とを両立することができる。

この発明は、目標空燃比をリッチ側に変更し、排気ガス再循環装置を作動させ、且つ燃焼室内の燃焼速度を高めるように制御することによって、経年劣化した触媒においても、あるいは揮発性の低い重質燃料を使用した場合においても、始動直後におけるＨＣ及びＮＯｘの排出量の低減とドライバビリティの安定との両立を実現するものである。
以下、図面に基づいてこの発明の実施例を詳細且つ具体的に説明する。

図１〜図４は、この発明の実施例を示すものである。図３において、２は車両（図示せず）に搭載される内燃機関、４はシリンダブロック、６はシリンダヘッド、８はピストン、１０は燃焼室である。内燃機関２のシリンダヘッド６には、燃焼室１０に連通する吸気ポート１２と排気ポート１４とを設け、吸気ポート１２と排気ポート１４とを夫々開閉する吸気弁１６と排気弁１８とを設けている。

シリンダヘッド６には、吸気ポート１２に連通する吸気通路２０を形成した吸気管２２を連結して設け、排気ポート１４に連通する排気通路２４を形成した排気管２６を連結して設け、燃焼室１０に臨ませて点火プラグ２８を取付けて設けている。

前記吸気管２２には、取付部３０を設け、この取付部３０に吸気通路２０に臨ませて且つ吸気弁１６に指向させて燃料噴射弁３２を取付けて設けている。また、吸気管２２の吸気通路２０には、燃焼速度を変更可能な燃焼速度変更手段として、燃焼室１０内のガス流動を強化して燃焼速度を高めるガス流動強化装置の１つであるスワールコントロールバルブ３４を設けている。スワールコントロールバルブ３４は、燃焼室１０内の吸気に周方向の旋回流を生じさせて燃焼速度を高めるように、吸気通路２０の吸気流をコントロールする。

前記排気管２６には、排気通路２４に臨ませて触媒３６を設け、この触媒３６より上流側の排気通路２４に位置し排気ガス中の酸素濃度を検出する第１酸素濃度検出手段であるリニア空燃比センサ３８を設け、前記触媒３６より下流側の排気通路２４に位置し排気ガス中の酸素濃度を検出する第２酸素濃度検出手段であるリアＯ２センサ４０を設けている。

触媒３６は、ＣＯ、ＨＣ及びＮＯｘを酸化・還元作用により分解して浄化する。リニア空燃比センサ３８は、排気ガス中の酸素濃度から空燃比を検出してその検出値を出力する。リアＯ２センサ４０は、排気ガス中の酸素濃度を検出してその検出値を出力する。

この内燃機関２には、排気通路２４の排気ガスの一部を吸気通路２０に再循環させる排気ガス再循環装置４２を設けている。排気ガス再循環装置４２は、触媒３６より上流側の排気通路２６に一端側を連通し他端側を燃焼速度変更手段であるスワールコントロールバルブ３４より上流側の吸気通路２０に連通する排気ガス再循環通路４４を設け、排気ガス再循環通路４４の吸気通路２０側端に吸気通路２０に再循環させる排気ガスの再循環量（ＥＧＲ量）を調整するＥＧＲ調整弁４６を設けている。

このように、内燃機関２は、図４に示す如く、排気通路２４に設けられた触媒３６より上流側に位置し排気ガス中の酸素濃度を検出する第１酸素濃度検出手段であるリニア空燃比センサ３８と、触媒３６より下流側に位置し排気ガス中の酸素濃度を検出する第２酸素濃度検出手段であるリアＯ２センサ４０と、排気通路２４の排気ガスの一部を内燃機関２の吸気通路２０に再循環させる排気ガス再循環装置４２とを備えている。

前記点火プラグ２８と燃料噴射弁３２とスワールコントロールバルブ３４とリニア空燃比センサ３８とリアＯ２センサ４０とＥＧＲ調整弁４６とは、内燃機関２の制御装置４８を構成する制御手段５０に接続して設けている。

この制御手段５０には、内燃機関２の冷却水温度を検出する水温センサ５２と、内燃機関２の吸気温度を検出する吸気温センサ５４と、内燃機関２の回転数を検出する回転数センサ５６と、図示しないスロットル弁のスロット開度を検出するスロットルセンサ５８とを接続して設け、また、リニア空燃比センサ３８が活性化したか否かを判定可能な活性化判定手段６０を備えている。

内燃機関２の制御装置４８は、リニア空燃比センサ３８とリアＯ２センサ４０と水温センサ５２と吸気温センサ５４と回転数センサ５６とスロットルセンサ５８との出力する検出値を制御手段５０に入力し、燃料噴射弁３２により空燃比制御を行うとともにＥＧＲ調整弁４６により排気ガス還流制御を行う。

この内燃機関２の制御装置４８は、制御手段５０によって、内燃機関２の始動後の経過時間が第１設定時間よりも短く、活性化判定手段６０によりリニア空燃比センサ３８が活性化していると判定され、且つリアＯ２センサ４０の検出する酸素濃度が第２設定時間以上リーン状態を継続しているときは、空燃比制御の目標空燃比をリッチ側に変更し、排気ガス再循環装置４２を作動させて排気ガスを吸気通路２０に導入し、且つスワールコントロールバルブ３４により燃焼速度を高めるように制御する。前記制御手段５０は、排気ガス再循環装置４２の作動により吸気通路２０に導入される排気ガスが基本設定量より多くなるように制御する。

次に、この実施例の作用を説明する。

内燃機関２の制御装置４８は、図１に示す如く、図示しないイグニションスイッチＩＧのＯＮにより内燃機関２の始動を開始して制御がスタートすると（１０２）、始動時水温Ｔｗが低側設定水温Ｔｗ−Ｌ（例えば、摂氏−１０度）を越えて高側設定水温Ｔｗ−Ｈ（例えば、摂氏４０度）未満であり、始動時吸気温Ｔａが低側設定吸気温Ｔａ−Ｌ（例えば、摂氏−１０度）を越えて高側設定吸気温Ｔａ−Ｈ未満（例えば、摂氏４０度）であり、且つ再始動でないか否かを判断する（１０４）。

この判断（１０４）がＹＥＳの場合は、始動後の経過時間が第１設定時間ｔ１（例えば、１００秒）未満であり、且つリニア空燃比センサ３８が活性化しているか否かを判断する（１０６）。

この判断（１０６）がＹＥＳの場合は、リアＯ２センサ４０の出力する検出値としての電圧が設定電圧Ｙ（例えば、４００ｍＶ）未満であり、且つリアＯ２センサ４０の電圧が設定電圧Ｙ未満の滞留時間が第２設定時間Ｓ（例えば、２．０秒）を越えているか否かを判断する（１０８）。

前記リアＯ２センサ４０の出力する電圧と比較される設定電圧Ｙは、スライスレベル電圧であり、よって、リアＯ２センサ４０の電圧が設定電圧Ｙよりも高い場合は酸素濃度がリッチ状態であることを示し、リアＯ２センサ４０の電圧が設定電圧Ｙよりも低い場合は酸素濃度がリーン状態であることを示している。

前記リアＯ２センサ４０の出力する電圧が第２設定時間Ｓ以上設定電圧Ｙ未満であるリーン状態を継続して、判断（１０８）がＹＥＳの場合は、リアＯ２センサ４０の信号より目標空燃比を算出する（１１０）。

従来における目標空燃比の算出は、目標空燃比：ＴＡＢＦ、目標空燃比基本値：ＭＡＰＴＡＦ、リアＯ２センサ制御補正値：ＲＥＡＲＡＦとすると、
ＴＡＢＦ＝ＭＡＰＴＡＦ＋ＲＥＡＲＡＦ
として求めている。
（ＲＥＡＲＡＦ＝リアＯ２センサＩ分補正＋リアＯ２センサＰ分補正＋前回計算のＲＥＡＲＡＦ）

これに対し、この発明による目標空燃比の算出においては、目標空燃比：ＴＡＢＦを、
ＴＡＢＦ＝ＱＭＡＰ
として求め（１１０）、ベース目標空燃比よりもリッチ側空燃比に瞬時に移行する。
（ＱＭＡＰは、内燃機関２の回転数及び負荷のマップ補間）

算出された目標空燃比は、リニア空燃比センサ３８による空燃比制御に用いられる。リニア空燃比センサ３８による空燃比制御の流れは、図２に示す如く、リニア空燃比センサ３８の活性化を判断し（２０２）、目標空燃比を計算し（２０４）、空燃比偏差を計算し（２０６）、目標空燃比に収束するように燃料噴射弁３２の噴射燃料をＰＩ制御する（２０８）ものである。

この空燃比制御による排気ガス中の酸素濃度をリアＯ２センサ４０により検出し、リアＯ２センサ４０の出力する電圧が設定電圧Ｚ（例えば、６５０ｍＶ）未満であり、且つリアＯ２センサ４０の電圧が設定電圧Ｚ未満の滞留時間が第３設定時間Ｐ（例えば、２０秒）未満であるか否かを判断する（１１２）。

リアＯ２センサ４０の出力する電圧が第３設定時間Ｐ内において設定電圧Ｚ未満であるリーン状態を継続して、判断（１１２）がＹＥＳの場合は、リアＯ２センサ４０の信号よりＥＧＲ調整弁４６の開度を算出する（１１４）。

従来におけるＥＧＲ調整弁４６の開度の算出は、目標ＥＧＲ位置：ＥＧＲＳＴＤ、ＥＧＲ基本マップ：ＥＧＲＭＡＰ、ＥＧＲ水温補正値：ＫＥＧＲＴＷとすると、
ＥＧＲＳＴＤ＝ＥＧＲＭＡＰ＊ＫＥＧＲＴＷとし、
水温補正により冷機時はドライバビリティの安定上から排気ガスの再循環量を減少し、若しくは排気ガスの再循環を停止していた。

これに対し、この発明によるＥＧＲ調整弁４６の開度の算出においては、目標ＥＧＲ位置：ＥＧＲＳＴＤ、ＥＧＲ基本マップ：ＥＧＲＭＡＰ、ＥＧＲ水温補正値：ＫＥＧＲＴＷとすると、冷機時にも排気ガスを再循環させないとＮＯｘを減らせないことから、
ＥＧＲＳＴＤ＝ＥＧＲＭＡＰ＊ＫＥＧＲＴＷ＊ＫＥＧＲＥＭＳ＊ＫＥＧＲＳＴＤ
とし（１１４）、ＥＧＲ調整弁４６の開度をベースＥＧＲ開度よりも増加させる。
（ＫＥＧＲＥＭＳ：ＥＧＲエミッション補正値（起動条件は目標空燃比算出後の前記（１１２）におけるリアＯ２センサ電圧条件）、ＫＥＧＲＳＴＤ＞１．０、ＫＥＧＲＥＭＳ＞１．０）

この処理（１１４）により排気ガスを再循環させると、ドライバビリティの不良を起こしやすいので、ドライバビリティの不良を、△θ：設定時間（例えば、１０ｍｓｅｃ）内に変化したスロットル開度（ｄｅｇ）、△Ｎｅ：設定時間（例えば、１０ｍｓｅｃ）内に生じた回転差（ｒｐｍ）とし、
△θ＞Ｑ（ｄｅｇ）であるときに△Ｎｅ＜Ｒ（ｒｐｍ）であるか否かにより判断する（１１６）。（Ｑ：設定スロットル開度、Ｒ：設定回転差）

この判断（１１６）がＹＥＳの場合は、ガス流動強化装置であるスワールコントロールバルブ３４の開度を算出する。

従来におけるスワールコントロールバルブ３４の開度の算出は、目標ＳＣＶ開度：ＳＣＶＳＴＤＡ、ＳＣＶ基本マップ：ＭＳＣＶＢＳＡ（内燃機関２の回転数及び負荷によるマップ）、アイドルスイッチＯＦＦ時は、ＳＣＶＳＴＤ＝ＭＳＣＶＢＳＡとする。（ＭＳＣＶＢＳＡ＝全開）

これに対し、この発明によるスワールコントロールバルブ３４の開度の算出においては、目標ＳＣＶ開度：ＳＣＶＳＴＤＡ、ＳＣＶＤＲマップ：ＤＲＳＣＶ（内燃機関２の回転数及び負荷によるマップ）、ＤＲＳＣＶ＜Ｕ（％）（例えば、Ｕ＜２０：開度を２０％未満にする。）とし、ベース開度とは異なる別マップに瞬時に移行するように、アイドルスイッチＯＮ・ＯＦＦにかかわらず、
ＳＣＶＳＴＤＡ＝ＤＲＳＣＶ
に瞬時に移行し（１１８）、エンドにする（１２０）。

なお、前記判断（１０４）、（１０６）、（１０８）、（１１２）、（１１６）において、ＮＯの場合は、エンドにする（１２０）。

このように、制御装置４８は、内燃機関２を始動すると、リアＯ２センサ４０の検出状態を判定して目標空燃比をリッチ側に変更し、リニア空燃比センサ３８により燃料を制御して触媒３８を活性化し、触媒浄化機能を有効活用する。この空燃比制御によりリアＯ２センサ４０の検出状態を判定し、内燃機関２が冷機状態にもかかわらずＥＧＲ調整弁４６の開度を増加させて、燃焼室１０に不活性ガスである排気ガスを基本設定量より多く送り込む。

内燃機関２は、不活性ガスの導入によりシリンダ内が冷却されてＮＯｘが減少されるが、不活性ガスの導入によりドライバビリティの不良が起こりやすくなる。

そこで、制御装置４８は、ドライバビリティ不良と判定された場合に、スワールコントロールバルブ３４によりガス流動を強化して燃焼速度を高めることで、燃焼室内圧を上昇させることができ、ドライバビリティ不良を回避することができる。

このように、この内燃機関２の制御装置４８は、内燃機関２の始動後の経過時間が第１設定時間ｔよりも短く、活性化判定手段６０によりリニア空燃比センサ３８が活性化していると判定され、且つリアＯ２センサ４０の検出する酸素濃度が第２設定時間Ｓ以上リーン状態を継続しているときは、目標空燃比をリッチ側に変更し、排気ガス再循環装置４２を作動させ、且つ吸気通路２０に設けられたスワールコントロールバルブ３４により燃焼速度を高めるように制御する。

これにより、この内燃機関２の制御装置４８は、冷機始動後の第１検出時間ｔ内におけるリアＯ２センサ４０の検出信号に応じて瞬時に触媒３６の雰囲気を検知し、リニア空燃比センサ３８に対しては目標空燃比をリッチ側に変更することにより触媒浄化機能を有効活用し、排気ガス再循環装置４２の作動により排気ガスの再循環量を調整してＮＯｘを減少させ、スワールコントロールバルブ３４の開度調整によりガス流動を強化して燃焼速度を調整し、燃焼室内温度を制御する。

この制御装置４８は、目標空燃比のリッチ側への変更による触媒浄化機能の有効活用だけでは触媒３６が経年劣化したときのＨＣ及びＮＯｘの排出量を低減できない問題があり、また、排気ガス再循環装置４２の作動による排気ガスの再循環量の調整だけでは重質燃料を使用したときのドライバビリティを満足できない問題があるため、燃焼室１０内の燃焼速度を高めることによって、触媒３６の経年劣化したときの問題と重質燃料を使用したときの問題との両者を満足することができる。

このため、この内燃機関２の制御装置４８は、経年劣化した触媒３６においても、あるいは揮発性の低い重質燃料を使用した場合においても、始動直後におけるＨＣ及びＮＯｘの排出量の低減とドライバビリティの安定とを両立することができる。

また、この内燃機関２の制御装置４８は、触媒３６より上流側に第１酸素濃度検出手段としてリニア空燃比センサ３８を設けたことにより、常時精度の高い空燃比を測定可能であるため、始動暖機時における排気ガス中の有害成分量を低減することができる。

さらに、この内燃機関２の制御装置４８は、冷機始動後の第１検出時間ｔ内に排気ガス再循環装置４２により吸気通路２０に導入される排気ガスの再循環量が基本設定量より多くなるように制御することにより、燃焼室１０内を冷却することができ、特にＮＯｘ量を低減することができる。

さらにまた、この内燃機関２の制御装置４８は、燃焼速度変更手段をスワールコントロールバルブ３４としていることにより、特別な燃焼速度変更手段を新たに設ける必要が無く、内燃機関２に既設のスワールコントロールバルブ３４を利用して燃焼速度を変更することができ、安価で安定した制御を実現可能である。

なお、この実施例においては、燃焼速度変更手段としてスワールコントロールバルブ３４の開度調整によりガス流動を強化して燃焼速度を変更したが、内燃機関２に既設のタンブルコントロールバルブ（図示せず）の開度調整によりガス流動を強化して燃焼速度を変更することができ、また、点火プラグ２８の点火タイミング変更により燃焼速度を変更することができ、さらに、これらスワールコントロールバルブ３４の開度調整とタンブルコントロールバルブの開度調整と点火プラグ２８の点火タイミング変更との組み合わせることにより燃焼速度を精細に変更することができる。

この発明の内燃機関の制御装置は、目標空燃比をリッチ側に変更し、排気ガス再循環装置を作動させ、且つ燃焼室内の燃焼速度を高めるように制御することによって、経年劣化した触媒においても、あるいは揮発性の低い重質燃料を使用した場合においても、始動直後におけるＨＣ及びＮＯｘの排出量の低減とドライバビリティの安定との両立を実現することができ、原動機としての各種の内燃機関に適用することができる。

内燃機関の制御装置の実施例を示す制御のフローチャートである。 リニア空燃比センサの空燃比制御のフローチャートである。 内燃機関の制御装置のシステム構成図である。 内燃機関の制御装置の概略構成図である。

符号の説明

２ 内燃機関
４ シリンダブロック
６ シリンダヘッド
８ ピストン
１０ 燃焼室
２０ 吸気通路
２４ 排気通路
２８ 点火プラグ
３２ 燃料噴射弁
３４ スワールコントロールバルブ
３６ 触媒
３８ リニア空燃比センサ
４０ リアＯ２センサ
４２ 排気ガス再循環装置
４４ 排気ガス再循環通路
４６ ＥＧＲ調整弁
４８ 制御装置
５０ 制御手段
５２ 水温センサ
５４ 吸気温センサ
５６ 回転数センサ
５８ スロットルセンサ
６０ 活性化判定手段

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた触媒より上流側に位置し排気ガス中の酸素濃度を検出する第１酸素濃度検出手段と、
   前記触媒より下流側に位置し排気ガス中の酸素濃度を検出する第２酸素濃度検出手段と、
   前記第１酸素濃度検出手段が活性化したか否かを判定可能な活性化判定手段と、
   前記排気通路の排気ガスの一部を前記内燃機関の吸気通路に再循環させる排気ガス再循環装置とを備えた内燃機関の制御装置において、
   前記内燃機関の始動後の経過時間が第１設定時間よりも短く、前記活性化判定手段により前記第１酸素濃度検出手段が活性化していると判定され、
   第１に前記第２酸素濃度検出手段の出力する電圧が第１設定電圧未満である状態が、第２設定時間を越えて継続しているときは、目標空燃比をベース空燃比よりもリッチ側に変更し、
   第２に前記目標空燃比をベース空燃比よりもリッチ側に変更した後、前記第２酸素濃度検出手段の出力する電圧が前記第１設定電圧よりも高い第２設定電圧未満である状態が、第３設定時間未満であると判定されたときは、前記排気ガス再循環装置の作動時の開度をベース開度より増加するように変更し、
   第３に前記排気ガス再循環装置の作動時の開度を変更した後、ドライバビリティの状態を判定し、ドライバビリティの状態が不良であると判定された場合には、前記吸気通路に設けられた燃焼速度を変更可能な燃焼速度変更手段により燃焼速度を高めるように制御する制御手段を設けたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記第１酸素濃度検出手段は、リニア空燃比センサであ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。
3. 前記制御手段は、前記排気ガス再循環装置により吸気通路に導入される排気ガスが基本設定量より多くなるように制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記燃焼速度変更手段は、スワールコントロールバルブであ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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