JP5843478B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、触媒による排出ガスの浄化能率を保つ目的で実施される空燃比の制御に関する。

一般に、自動車等の排気通路には、内燃機関から排出される排気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触媒が装着されている。ＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_xの全てを効率よく浄化するには、排出ガスの空燃比をウィンドウと称する理論空燃比近傍の一定範囲に収束させる必要がある。そのために、触媒の上流及び下流にそれぞれ空燃比センサを配し、フロント、リア両センサの出力信号を用いる二重のフィードバックループを構築して空燃比をフィードバック制御することが行われている（例えば、下記特許文献を参照）。

このようなフィードバック制御は、アイドル運転中も継続している。制御されるガスの空燃比は、触媒の排気ガス浄化能率を維持するべく、目標空燃比（理論空燃比またはその近傍）を中心としてゆっくりとリッチ／リーンを繰り返すように振動する。

アイドル運転中にエアコンディショナや前照灯等の電気負荷がＯＮになると、内燃機関にかかる負荷が大きくなり、エンジン回転数が落ち込む。そこで、電気負荷のスイッチがＯＦＦからＯＮに切替操作された時点で吸入空気量及び燃料噴射量を所定量増加させ、エンジン出力を上げて回転数の落ち込みを予防、耐エンスト性を高めることが行われている。

しかしながら、気筒に充填されたガスの空燃比がリッチである期間とリーンである期間とでは、内燃機関の元々の出力に差異があり、電気負荷ＯＮによるエンジン回転数の落ち込みの度合いが異なってくる。空燃比リーンの期間に電気負荷がＯＮになった場合、エンジン回転数の落ち込みを抑止できないおそれがあった。

特開２０１０−１３８７９１号公報

本発明は、上記の問題に初めて着目してなされたものであり、アイドルまたは低負荷低回転の運転領域にて内燃機関に対する外部負荷が増大するときにエンジン回転数が落ち込む問題を回避することを所期の目的としている。

本発明では、アイドルまたは低負荷低回転の運転領域にて内燃機関に対する外部負荷が増大するときにＩＳＣ（Ｉｄｌｅ Ｓｐｅｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ）バルブまたはスロットルバルブの開度を拡大させる操作を行うとともに燃料噴射量を増量する内燃機関の制御装置であって、前記操作において、フロントＯ₂センサの出力により示される、理論空燃比またはその近傍にある目標空燃比を中心としてリッチ／リーンを繰り返すように振動する触媒上流側の空燃比が、前記外部負荷が増大する時点で目標空燃比よりもリーンである場合に、外部負荷が増大する時点で目標空燃比よりもリッチである場合と比較してＩＳＣバルブまたはスロットルバルブの開度の拡大量をより大きく設定することを特徴とする制御装置を構成した。

つまり、空燃比リーンの期間に電気負荷に代表される外部負荷が増大する場合には、空燃比リッチの期間に比べて吸入空気量及び燃料噴射量をより多く増量することとし、エンジン回転数の落ち込みを抑制するようにした。

本発明によれば、アイドルまたは低負荷低回転の運転領域にて内燃機関に対する外部負荷が増大するときにエンジン回転数が落ち込む問題を有効に回避できる。

本発明の一実施形態の空燃比制御装置のハードウェア資源構成を示す図。 フロントＯ₂センサの出力を参照した空燃比フィードバック制御の模様を示すタイミング図。 制御中心補正量ＦＡＣＦと遅延時間ＴＤＲ、ＴＤＬとの関係を例示するグラフ。 リアＯ₂センサの出力を参照した空燃比フィードバック制御の模様を示すタイミング図。 アイドル運転中に電気負荷がＯＮになった場合のＩＳＣバルブ開度の補正の模様を示すタイミング図。 触媒を流通するガスの空燃比とＩＳＣ補正量ＤＳＫＩＰとの関係を示すグラフ。

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０の概要を示す。本実施形態の内燃機関０は、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）と、各気筒１内に燃料を噴射するインジェクタ１１と、各気筒１に吸気を供給するための吸気通路３と、各気筒１から排気を排出するための排気通路４と、吸気通路３を流通する吸気を過給する排気ターボ過給機５と、排気通路４から吸気通路３に向けてＥＧＲガスを還流させる外部ＥＧＲ通路２とを備えている。

吸気通路３は、外部から空気を取り入れて気筒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、過給機５のコンプレッサ５１、インタクーラ３２、スロットルバルブ３３、サージタンク３４、吸気マニホルド３５を、上流からこの順序に配置している。

また、吸気系において、スロットルバルブ３３を迂回する迂回通路上にＩＳＣバルブ３６を設けている。スロットルバルブ３３がアクセルペダルの踏込量に応じて開閉する一方、ＩＳＣバルブはアクセルペダルが踏まれていないアイドル運転時にＥＣＵ（電子制御装置）６から制御信号ｎの入力を受けて開閉する。

排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を気筒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、過給機５の駆動タービン５２及び三元触媒４１を配置している。排気ターボ過給機５は、駆動タービン５２とコンプレッサ５１とを同軸で連結し連動するように構成したものである。そして、駆動タービン５２を排気のエネルギを利用して回転駆動し、その回転力を以てコンプレッサ５１にポンプ作用を営ませることにより、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒１に送り込む。

触媒４１の上流及び下流にはそれぞれ、排出ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ（図示せず）を設けている。各空燃比センサは、排出ガスに接触して反応することにより、当該ガスの酸素濃度に応じた電圧信号を出力する、排出ガスの空燃比に対して非線形な出力特性を有するＯ₂センサである。周知の通り、Ｏ₂センサの出力特性は、ウィンドウの範囲では空燃比に対する出力の変化率が大きく急峻な傾きを示し、それよりも空燃比が大きいリーン領域では低位飽和値に漸近し、空燃比が小さいリッチ領域では高位飽和値に漸近する、いわゆるＺ特性曲線を描く。

外部ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）通路２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものである。外部ＥＧＲ通路２の入口は、排気通路４におけるタービン５２の上流の所定箇所に接続している。外部ＥＧＲ通路２の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３３の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３４に接続している。外部ＥＧＲ通路２上にも、ＥＧＲクーラ２１及びＥＧＲバルブ２２を設けてある。

内燃機関０の運転制御を司るＥＣＵ６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。入力インタフェースには、車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、エンジン回転数を検出する回転数センサから出力される回転数信号ｂ、スロットルバルブ３３の開度を検出するスロットルポジションセンサから出力される開度信号ｃ、吸気通路３（特に、サージタンク３４）内の吸気圧（過給圧）を検出する圧力センサから出力される吸気圧信号ｄ、吸気通路３内の吸気温を検出する温度センサから出力される吸気温信号ｅ、吸気カムシャフトの端部にあるタイミングセンサから出力されるクランク角度信号及び気筒判別用信号ｆ、排気カムシャフトの端部にあるタイミングセンサから所定クランク角度の回転毎に出力される排気カム信号ｇ、触媒４１の上流側の排気ガスの空燃比を検出するフロントＯ₂センサから出力される信号ｈ、触媒４１の下流側の排気ガスの空燃比を検出するリアＯ₂センサから出力される信号ｉ、エアコンディショナや照明灯等の電気負荷のＯＮ／ＯＦＦを切り替えるスイッチの信号ｊ等が入力される。出力インタフェースからは、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｋ、点火プラグ（のイグニッションコイル）に対して点火信号ｌ、ＥＧＲバルブ２２に対して開度操作信号ｍ、ＩＳＣバルブ３６に対して開度操作信号ｎ等を出力する。

ＥＣＵ６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、実行して、内燃機関０の運転を制御する。ＥＣＵ６は、内燃機関０の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｉ、ｊを入力インタフェースを介して取得し、それらに基づいて吸気量や要求燃料噴射量、点火時期、要求ＥＧＲ量等を演算する。そして、演算結果に対応した各種制御信号ｋ、ｌ、ｍ、ｎを出力インタフェースを介して印加する。

空燃比制御に関して詳記する。本実施形態において、制御装置たるＥＣＵ６は、気筒に充填される混合気の空燃比を制御する。具体的には、まず、吸気圧信号ｄ及び吸気温信号ｅ、エンジン回転数信号ｂ等から吸入空気量を算出して基本噴射量ＴＰを決定する。次いで、この基本噴射量ＴＰを、上流側空燃比信号ｊに応じて定まるフィードバック補正係数ＦＡＦで補正し、さらには内燃機関０の状況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（インジェクタ１１に対する通電時間）Ｔを算定する。燃料噴射時間Ｔは、Ｔ＝ＴＰ×ＦＡＦ×Ｋ＋ＴＡＵＶとなる。そして、燃料噴射時間Ｔだけインジェクタ１１に信号ｋを入力、インジェクタ１１を開弁して燃料を噴射させる。

上流側空燃比信号ｊを参照したフィードバック制御は、例えば内燃機関０の冷却水温が所定温度以上で、燃料カット中でなく、パワー増量中でなく、内燃機関０の始動から所定時間が経過し、フロントＯ₂センサが活性中、吸気圧が正常である、等の諸条件が全て成立している場合に行う。このことは、アイドル運転中においても同様である。

図２に示すように、ＥＣＵ６は、触媒４１を流れるガスの空燃比を検出するセンサであるフロントＯ₂センサの出力電圧ｈを、所定の判定値と比較して、判定値よりも高ければリッチ、判定値よりも低ければリーンと判定する。そして、センサ出力ｈがリーンからリッチに切り替わったときには、リッチ判定遅延時間ＴＤＲの経過を待って、フィードバック補正係数ＦＡＦをスキップ値ＲＳＭだけ減少させる。その後、補正係数ＦＡＦを所定時間当たりリーン積分値ＫＩＭだけ逓減させる。補正係数ＦＡＦの減少に伴い、燃料噴射量が絞られて、混合気の空燃比がリーンへと向かう。

あるいは、センサ出力ｈがリッチからリーンに切り替わったときには、リーン判定遅延時間ＴＤＬの経過を待って、フィードバック補正係数ＦＡＦをスキップ値ＲＳＰだけ増加させる。その後、補正係数ＦＡＦを所定時間当たりリッチ積分値ＫＩＰだけ逓増させる。補正係数ＦＡＦの増加に伴い、燃料噴射量が上積みされて、混合気の空燃比がリッチへと向かう。

遅延時間ＴＤＲ、ＴＤＬは、制御中心補正量ＦＡＣＦに応じて増減する。図３に、補正量ＦＡＣＦと遅延時間ＴＤＲ、ＴＤＬとの関係を例示する。補正量ＦＡＣＦが大きくなるほど、リッチ判定遅延時間ＴＤＲは延長され、リーン判定遅延時間ＴＤＬは短縮される。さすれば、フィードバック補正係数ＦＡＦが増加から減少に転じる時期が遅れ、減少から増加に転じる時期が早まる。結果として、燃料噴射量が平均的に増すこととなり、空燃比フィードバック制御の制御中心がリッチ側に変位する。

他方、補正量ＦＡＣＦが小さくなるほど、リッチ判定遅延時間ＴＤＲは短縮され、リーン判定遅延時間ＴＤＬは延長される。さすれば、フィードバック補正係数ＦＡＦが増加から減少に転じる時期が早まり、減少から増加に転じる時期が遅れる。結果として、燃料噴射量が平均的に減ることとなり、空燃比フィードバック制御の制御中心がリーン側に変位する。

ＥＣＵ６は、フィードバック制御中、上記の制御中心補正量ＦＡＣＦをも算出する。下流側空燃比信号ｉを参照したフィードバック制御は、例えば冷却水温が所定温度以上で、空燃比フィードバック制御の開始から所定時間が経過し、フロントＯ₂センサが活性してから所定時間が経過し、過渡期の燃料補正量が所定値を下回り、アイドル状態で車速が０若しくは０に近い所定閾値以下であるかまたは非アイドル状態で所定の運転領域にある、等の諸条件が全て成立している場合に行う。

図４に示すように、ＥＣＵ６は、リアＯ₂センサの出力電圧ｉを所定の判定値と比較して、判定値よりも高ければリッチ、判定値よりも低ければリーンと判定する。そして、センサ出力ｉがリッチである間は、制御中心補正量ＦＡＣＦを所定時間当たりリーン積分値ＦＡＣＦＫＩＭだけ逓減させる。既に述べたように、補正量ＦＡＣＦの減少に伴い、空燃比フィードバック制御の制御中心はリーンへと向かう。

逆に、センサ出力ｉがリーンである間は、制御中心補正量ＦＡＣＦを所定時間当たりリッチ積分値ＦＡＣＦＫＩＰだけ逓増させる。補正量ＦＡＣＦの増加に伴い、空燃比フィードバック制御の制御中心はリッチへと向かう。

しかして、本実施形態では、アイドル運転中、電気負荷がＯＦＦからＯＮに切り替わる等して内燃機関０に対する外部負荷が増大するときに、ＩＳＣバルブ３６の開度を拡大させる操作を行い、それとともに燃料噴射量を増量する制御を行う。

アイドル運転中、ＥＣＵ６は、エンジン回転数を所定の目標アイドル回転数（例えば、約８００ｒｐｍ）に維持する目的で、実測回転数と目標アイドル回転数との偏差を参照し、その偏差を縮小するようにＩＳＣバルブ３６を操作、即ち吸気量（さらには、燃料噴射量）を制御している。その上で、電気負荷のスイッチがＯＦＦからＯＮに切り替えられたことを感知した暁には、図５に示すように、ＩＳＣバルブ３６の開度を、空燃比フィードバックに基づいて算定される値からＤＳＥＴだけ拡大する。図５中、ｔ１及びｔ２がそれぞれ、電気負荷がＯＮに切り替わった時点である。吸気量の増分となるＤＳＥＴは、増大する電気負荷の多寡に応じた量に設定することが望ましい。つまり、内燃機関０に新たに加わる外部負荷が大きいほど大きくする。

のみならず、電気負荷がＯＮに切り替わった瞬間のエンジン回転数の落下を抑制するために、電気負荷がＯＮに切り替わった時点で、ＩＳＣバルブ３６の開度を上記のＤＳＥＴからさらにＤＳＫＩＰだけ大きく瞬間的に拡開した後、徐々にＤＳＥＴまで絞る操作を行う。吸気量のスキップ増分ＤＳＫＩＰは、Ｏ₂センサを介して検出している空燃比に応じて変化する。

図６に、触媒４１を流通するガスの空燃比とＤＳＫＩＰとの関係を示す。ＤＳＫＩＰは、空燃比がリーンであるほど大きく、リッチであるほど小さい。ＥＣＵ６は、フロントＯ₂センサの出力ｈによって示される触媒４１の上流側の空燃比がリーンであるほどＤＳＫＩＰを大きく設定し、リッチであるほどＤＳＫＩＰを小さく設定する。さらに、ＥＣＵ６は、リアＯ₂センサの出力ｉによって示される触媒４１の下流側の空燃比がリーンであるほどＤＳＫＩＰを大きく補正し、リッチであるほどＤＳＫＩＰを小さく補正する。図５に示しているように、フロントＯ₂センサの出力ｈがリーンを示す期間にある時点ｔ１におけるＤＳＫＩＰは、同出力ｈがリッチを示す期間にある時点ｔ２におけるＤＳＫＩＰよりも大きくなる。

ＩＳＣバルブ３６開度の拡大による吸気量の増加に伴い、ＥＣＵ６が（空燃比フィードバック制御として）算出する燃料噴射量が増加することは言うまでもない。

本実施形態では、アイドル運転領域にて内燃機関０に対する外部負荷が増大するときにＩＳＣバルブ３６の開度を拡大させる操作を行うとともに燃料噴射量を増量する内燃機関０の制御装置６であって、前記操作において、フロントＯ₂センサを介して検出される触媒４１上流側の空燃比がリーンである場合にはリッチである場合と比較してＩＳＣバルブ３６の開度の拡大量ＤＳＫＩＰをより大きく設定し、並びに、リアＯ₂センサを介して検出される触媒４１下流側の空燃比がリーンである場合にはリッチである場合と比較してＩＳＣバルブ３６の開度の拡大量ＤＳＫＩＰをより大きく補正することを特徴とする制御装置６を構成した。

本実施形態によれば、空燃比リーンの期間に電気負荷に代表される外部負荷が増大した場合に、空燃比リッチの期間に比べて吸入空気量及び燃料噴射量をより多く増量し、エンジン回転数の落ち込みを抑制できる。線形な出力特性を持つ高価なリニア空燃比センサを用いず、非線形な出力特性を持つ安価なＯ₂センサを用いながらも、アイドル回転を安定化させることができるので、コスト低減に寄与し得る。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、ＩＳＣバルブ３６を実装せず電子スロットルバルブ３３を実装した内燃機関０に本発明を適用する場合には、内燃機関０に対する外部負荷が増大するときに電子スロットルバルブ３３の開度を拡大させる操作を行うとともに燃料噴射量を増量する。そして、前記操作において、フロントＯ₂センサを介して検出される触媒４１上流側の空燃比がリーンである場合にはリッチである場合と比較して電子スロットルバルブ３３の開度の拡大量ＤＳＫＩＰをより大きく設定し、並びに、リアＯ₂センサを介して検出される触媒４１下流側の空燃比がリーンである場合にはリッチである場合と比較して電子スロットルバルブ３３の開度の拡大量ＤＳＫＩＰをより大きく補正する。

上記実施形態では、アイドル運転中にＩＳＣバルブ３６または電子スロットルバルブ３３の開度をＤＳＫＩＰにより拡大する操作を行うとしていたが、アイドル運転中以外にも、アイドル運転に近い所定閾値以下の低負荷、所定閾値以下の低回転数の運転領域にて同様の操作を行ってもよい。さすれば、低負荷低回転域における、電気負荷等の増大に起因したエンジン回転数の落下、エンジン回転の不安定化を予防することができる。

その他、各部の具体的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。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御に適用することができる。

０…内燃機関
３６…ＩＳＣバルブ
６…制御装置（ＥＣＵ）

Claims (1)

1. アイドルまたは低負荷低回転の運転領域にて内燃機関に対する外部負荷が増大するときにＩＳＣバルブまたはスロットルバルブの開度を拡大させる操作を行うとともに燃料噴射量を増量する内燃機関の制御装置であって、
   前記操作において、フロントＯ₂センサの出力により示される、理論空燃比またはその近傍にある目標空燃比を中心としてリッチ／リーンを繰り返すように振動する触媒上流側の空燃比が、前記外部負荷が増大する時点で目標空燃比よりもリーンである場合に、外部負荷が増大する時点で目標空燃比よりもリッチである場合と比較してＩＳＣバルブまたはスロットルバルブの開度の拡大量をより大きく設定することを特徴とする内燃機関の制御装置。

Images