JP4492403B2 - 変速時空燃比制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ダウンシフト時にエンジン出力を増大制御する際の空燃比制御に関し、特に、排気浄化性能向上を図った技術に関する。

特許文献１には、ダウンシフト時にエンジン出力を増大して、エンジン回転速度を変速後の変速機入力側回転速度に近づける回転同期制御を行うことにより、変速ショックを回避する技術が開示されている。
特開平５-２２９３６８号公報

上記特許文献１に記載されたエンジンの回転同期制御では、目標回転速度と実回転速度との差に応じた目標トルクによってスロットルを開くようにしているので、通常一旦スロットルが全開まで開いてしまって、過渡的な吸入空気流量変化が大きすぎ、空燃比制御が間に合わずリーン化されてしまうこととなる。
また、燃料噴射量に関しては通常制御同様に、吸入空気流量に応じて設定しているだけなので、減速時に燃料カットによって、排気浄化触媒に多量の酸素がストレージされた状態で、ダウンシフト操作により前記回転同期制御が行われると、燃料供給再開時の空燃比が過渡的に過剰にリーンとなって、ＮＯｘ排出量がより増加してしまうという問題があった。

本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、ダウンシフト時のエンジン出力増大制御時における排気浄化性能を、良好に維持できるようにしたエンジンの変速時空燃比制御装置を提供することを目的とする。

このため本発明は、燃料カットが行われる減速後のダウンシフト時に行うエンジン出力の増大制御時に、排気系に装着された排気浄化触媒の酸素ストレージ量に応じて、燃料供給量を増量して空燃比を理論空燃比よりリッチに制御することで、排気浄化触媒内の酸素ストレージ量を減少させる構成とした。

本発明の構成によると、燃料カットが行われる減速後のダウンシフト時にエンジン出力の増大制御が行われ、排気浄化触媒に酸素が多量にストレージされたような場合には、空燃比をリッチに制御することにより、余剰の燃料（ＨＣ）を還元剤としてストレージされた酸素を速やかに消費して、通常運転時の適性なストレージ量まで減少させることができる。

この結果、触媒内の雰囲気が速やかに理論空燃比程度となって、エンジン出力増大制御（回転同期制御）時のＮＯｘ排出量を良好に低減することができる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す車両の構成を示す概略図である。
車両には、エンジン（内燃機関）１と、このエンジン１にクラッチ２を介して接続される手動の変速機３とが搭載されている。
エンジン１の吸気通路１１には、スロットルアクチュエータ１２で駆動されるスロットル弁１３が設けられ、気筒毎の吸気ポートには、燃料噴射弁１４が設けられている。

前記スロットル弁１２上流の吸気通路１１には、吸入空気流量Ｑａを検出するエアフローメータ１５が装着されており、前記スロットル弁１３の開度（スロットル開度）ＴＶＯを検出するスロットルセンサ１６が設けられている。
エンジン１の排気通路１７には、排気中汚染物質を酸化・還元して浄化する三元触媒等の排気浄化触媒１８が装着され、該排気浄化触媒１８の上流には、排気中酸素濃度等によって空燃比を検出する空燃比センサ１９が設けられている。

また、クラッチペダル踏み込みを検出するクラッチスイッチ２０が設けられ、変速時には、クラッチペダルが踏み込まれるので、変速操作が検出される。
さらに、アクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）ＡＰＯを検出するアクセル開度センサ２１、エンジン回転速度Ｎｅを検出する回転速度センサ２２、変速機３のシフトレバー位置ＳＰを検出するシフト位置センサ２３、車両の速度ＶＳＰを検出する車速センサ２４が設けられる。

前記各種センサ類からの検出信号は、エンジンコントロールユニット（図ではＥＣＵと記す）２５に入力される。
エンジンコントロールユニット２５は、変速時に、エンジン１の回転速度を、当該変速による変速後の変速機入力側回転速度に同期させる回転同期制御を実行する。特に、ダウンシフト時には、エンジン１の出力を増大させて上記回転同期制御を行うが、その際に、本発明に係る空燃比のリッチ制御を実行する。

図２は、上記ダウンシフト制御のブロック図を示す。
（Ａ）は、吸入空気流量制御部、（Ｂ）は燃料噴射量制御部を示す。
吸入空気流量制御部は、回転同期制御部分と、スロットル開度制限部分とを備える。
回転同期制御部分において、変速時制御判定部Ａ１は、前記クラッチスイッチ１６の信号に基づいて、変速時制御（回転同期制御）を行うか否かを判定する。

目標ギア位置設定部Ａ２は、前記シフト位置センサ１９からによって検出されたシフトレバー位置に基づいて、変速後のギア位置を目標ギア位置Ｇｐｔとして設定する。
目標回転速度演算部Ａ３は、前記車速センサ２０によって検出された車速ＶＳＰと、前記目標ギア位置設定部Ａ２で設定された目標ギア位置Ｇｐｔとに基づいて、変速時の目標回転速度Ｎｅｔを演算する。具体的には、現状運転状態においてギア位置を目標ギア位置Ｇｐｔとした場合の変速機入力側回転速度を、エンジン回転速度を同期させる目標回転速度Ｎｅｔとして算出する。

回転速度フィードバック制御部Ａ４は、前記変速時制御判定部Ａ１から変速時制御を行うとの判定結果を入力したときに、目標回転速度演算部Ａ３で演算された目標回転速度と前記回転速度センサ８によって検出された実回転速度との差に基づいて、回転同期制御におけるエンジントルクのフィードバック制御量を演算する。
目標スロットル開度演算部Ａ５は、前記変速時制御判定部Ａ１からの判定結果に基づいて、非変速時は、前記アクセル開度センサ５によって検出されるアクセル開度ＡＰＯに基づいて、目標トルクＴｅｔに対応した目標スロットル開度ＴＶＯｔを演算し、変速時は、前記回転同期制御におけるフィードバック制御量に対応した目標スロットル開度ＴＶＯｔを演算する。

スロットル開度制限部分は、前記変速時制御判定部Ａ１からの判定結果に基づいて、スロットル開度制御信号を前記スロットルアクチュエータに出力する。
具体的には、出力信号切換部Ａ６は、非変速時には、前記アクセル開度ＡＰＯに対応して演算された目標スロットル開度ＴＶＯｔに応じたスロットル開度制御信号をそのまま出力する。

一方、出力信号切換部Ａ６は、変速時には、前記回転同期制御によって演算された目標スロットル開度ＴＶＯｔを上限リミッタＡ７によって制限したスロットル開度制御信号を出力する。
次に、燃料噴射量制御部について説明する。
ＯＳＣ（酸素蓄積量）演算部Ｂ１は、前記エアフロメータ１５で検出される吸入空気流量Ｑａ等の検出信号に基づいて、前記排気浄化触媒１８内の酸素ストレージ量（蓄積酸素量）ＯＳＣを推定する。

該酸素ストレージ量ＯＳＣの推定としては、例えば、リーン空燃比運転時の、理論空燃比に対するリーン分と吸入空気流量Ｑａとから、排気浄化触媒に流入する酸素量ＦＯ２を算出し、該酸素量ＦＯ２に触媒の酸素ストレージ率Ｋを乗じた値を積算して演算するなどの方法が知られる。なお、前記酸素ストレージ率Ｋは、触媒内の逐次の酸素ストレージ量ＯＳＣが増大するほど減少し、あるＯＳＣ以上でＫが略０となって酸素ストレージ量ＯＳＣが飽和する。

しかし、本実施形態のように、変速時に直前の減速運転で燃料カットされる場合は、該燃料カット中にストレージされる量が支配的なので、この間の吸入空気中の酸素量に、上記触媒のストレージ率Ｋを乗算した値の積算値として推定することができる。
このほか、簡易的には、燃料カット期間中の平均的な吸入空気流量と燃料カット時間とに基づいて推定することもできる。

燃料増量演算部Ｂ２は、上記のようにして推定された酸素ストレージ量ＯＳＣ（及び吸入空気流量Ｑａ）に基づいて、燃料増量マップを参照して、燃料増量を演算する。
上記燃料増量マップは、所定の当量比となるように酸素ストレージ量ＯＳＣが大きくなるほど、燃料増量が大きい値となるように設定されている。なお、燃料増量を絶対量の代わりに通常運転（理論空燃比運転）で設定される基本燃料噴射量に乗じる増量係数で設定してもよい。

燃料噴射量切換部Ｂ３は、通常は、エアフロメータ１４で検出された吸入空気流量Ｑａに対し通常運転での空燃比（理論空燃比）に応じて設定された燃料噴射量Ｔｉをそのまま出力するが、変速後の燃料カットから回転同期制御における燃料供給再開（再噴射）時には、加算部Ｂ４によって前記通常運転時の燃料噴射量に前記燃料増量を加算して増量補正した燃料噴射量Ｔｉを出力する。

図３は、上記ダウンシフト時の回転同期制御による各種状態量の変化を、本発明に係るリッチ制御を行わなかった場合と比較して示す。
変速前の燃料カット中に、排気浄化触媒１８内の酸素ストレージ量は飽和状態となっており、この状態でダウンシフト操作を行って回転同期制御が開始されると、目標回転速度と実回転速度との差に応じてスロットル開度を増大させて吸入空気流量を増大させるが、上限リミッタによってスロットル開度の増大が制限され、吸入空気流量の増大が制限される。

一方、上記のように制御された吸入空気流量Ｑａに応じて理論空燃比に対応して設定された基本燃料噴射量Ｔｐに、酸素ストレージ量ＯＳＣ（及び吸入空気流量Ｑａ）に応じて設定された増量分が加算される。
これにより、酸素ストレージ量ＯＳＣが大きいときほど空燃比が大きくリッチ化され、該リッチ化により、上記飽和状態にあった酸素ストレージ量ＯＳＣが略０状態となるまで減少する。

エンジンの実回転速度Ｎｅが目標回転速度ＴＮｅに収束すると、スロットル弁１３を閉じて吸入空気流量Ｑａの増量制御を停止しつつ燃料噴射量Ｔｉの増量制御が停止され、理論空燃比相当の燃料噴射量Ｔｐに制御される。
クラッチペダルを離し変速を終了すると、回転同期制御が停止され、ドライバがアクセル操作（加速操作）を行うまでは、スロットル弁１３が全閉に戻され、再度燃料カットが行われる。

なお、詳細には、回転同期制御中にオーバーシュートによって実回転速度が目標回転速度より増大したときは、スロットル弁が閉じられ、燃料カットが行われることもあるが、簡明のため、図では省略してある。
このようにすれば、ダウンシフト時に回転同期制御のためエンジン出力を増大する際に、燃料カットによって排気浄化触媒１８内の酸素ストレージ量ＯＳＣが大きくなっている場合でも、該酸素ストレージ量ＯＳＣが大きいときほど燃料噴射量の増量補正量を大きくするので、増量された燃料（ＨＣ）によってストレージされた酸素を速やかに還元処理して減少させることができるので、ＮＯｘ排出量を効果的に低減することができる。

また、この際、吸入空気流量を上限リミッタで制限する制御を併用したことにより、吸入空気流量の過剰な増大を抑制しつつ上記燃料噴射量増量によるリッチ度合いを高めることができ、ＮＯｘ低減効果が増大する。
図４は、本実施形態による効果を示す。
図で、従来の回転同期制御のように、スロットル開度の増大を制限せず全開とし、燃料噴射量の増量も行わなかった場合に比較し、スロットル開度の増大を制限（全開の８／８から４／８開度に制限）しただけで、燃料噴射量の増量を行わない場合は、リーン度合いの減少によってＮＯｘ低減に多少の効果は得られるものの、スロットル全開で燃料噴射量の増量（リッチ化）を行った場合の方がＮＯｘ排出量を大きく低減できることが明らかである。

最も基本的な実施形態では、上記のようにスロットル開度（吸入空気流量）の制限を行わず、燃料噴射量の増量のみでリッチ化するようにしてもよい。
また、本実施形態のように、スロットル開度の増大を制限しつつ燃料噴射量の増量を行って当量比を高めた場合は、スロットル開度の増大を制限せずに当量比を高めた場合に比べて、その効果代が大きく、当量比を高めた場合におけるスロットル開度の制限は特に有効である。

なお、スロットル開度（吸入空気流量）の制限を、ある程度以上大きくしても（例えば４／８開度から２／８開度）、ＮＯｘ排出量の低減効果をさらに高められるものではないことが示されている。
これは、吸入空気流量が絞られすぎると回転同期制御時間が長引くためと考えられる。よって、実験等を行って、より効果的な制限量に設定するのが好ましい。

なお、通常（従来）のダウンシフト時の回転同期制御で、吸入空気流量の増大によって、燃料増量領域に入って燃料増量が行われる場合がありえるが、空燃比制御遅れを抑制できる程度の増量であり、燃料カット等で酸素ストレージ量が飽和しているような場合には、ＮＯｘ排出量の低減効果は乏しい。
なお、本実施形態のようにスロットル開度によって吸入空気流量を制限した場合には、上記のような燃料増量領域に入る確率は低いが、入った場合には、必要以上のリッチ化を回避するため該燃料増量領域における燃料増量の設定はキャンセルし、本発明に係る酸素ストレージ量に応じた燃料増量設定のみを行うようにする。

また、上記実施形態では、手動変速機を搭載したものに適用したため、変速時にクラッチが切り離されるので、エンジン回転同期制御による乗員への運転性を考慮することなく
最大限リッチ化を行うことができる。
一方、自動変速機に本発明にかかる回転同期制御を適用した場合は、エンジン駆動力の伝達が完全に切り離されるわけではないが、トルクコンバータによってある程度のトルク変動を吸収でき、特に吸入空気流量を制限することでトルクアップの急激な上昇を抑制しながらリッチ化を高めることができるので、乗員への運転性の影響を抑制しつつ本制御を実行することができる。

自動変速機搭載車に適用した場合は、図２の制御ブロック図において、自動変速機の変速制御におけるダウンシフト時の回転同期制御要求信号を変速時制御判定部Ａ１に入力し、目標ギア位置設定部Ａ２を省略し、同じく自動変速機の変速制御における変速要求時の変速後ギア位置を目標ギア位置として目標回転速度演算部Ａ３に入力させるようにすればよい。

本発明の一実施形態を示す車両の概略構成図である。 同上実施形態のダウンシフト時におけるエンジン回転同期制御のブロック図である。 同上回転同期制御時の各種状態量の変化を示すタイムチャートである。 同上回転制御における効果を示すグラフである。

１…エンジン、２…クラッチ、３…変速機、１２…スロットル弁、１３…スロットルアクチュエータ、１４…燃料噴射弁、１５…エアフロメータ、１６…スロットルセンサ、１８…排気浄化触媒、１９…空燃比センサ、２０…クラッチスイッチ、２１…アクセル開度センサ、２２…回転速度センサ、２３…シフト位置センサ、２４…車速センサ、２５…エンジンコントロールユニット

Claims (7)

1. 燃料カットが行われる減速後のダウンシフト時に行うエンジン出力の増大制御時に、排気系に装着された排気浄化触媒の酸素ストレージ量に応じて、燃料供給量を増量して空燃比を理論空燃比よりリッチに制御することで、排気浄化触媒内の酸素ストレージ量を減少させることを特徴とするエンジンの変速時空燃比制御装置。
2. 前記空燃比のリッチ制御時に、吸入空気流量を上限リミッタで制限することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの変速時空燃比制御装置。
3. 前記空燃比のリッチ制御時に、燃料噴射量を排気浄化触媒の酸素ストレージ量に応じて設定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエンジンの変速時空燃比制御装置。
4. 前記排気浄化触媒の酸素ストレージ量を、運転状態に基づいて推定することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のエンジンの変速時空燃比制御装置。
5. 前記排気浄化触媒の酸素ストレージ量を、変速操作前の燃料カット状態に基づいて推定することを特徴とする請求項４に記載のエンジンの変速時空燃比制御装置。
6. 前記エンジン出力の増大制御は、エンジン回転速度をダウンシフト変速後の変速機入力側回転速度に同期させる制御であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載のエンジンの変速時空燃比制御装置。
7. エンジンにクラッチを介して手動変速機が連結された車両において、前記ダウンシフトを検出して、エンジン出力を増大制御しているときに、上記空燃比のリッチ制御を行うことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載のエンジンの変速時空燃比制御装置。

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