JP6166646B2

JP6166646B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP6166646B2
Application number: JP2013239759A
Authority: JP
Inventors: 光浩高見
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2017-07-19
Anticipated expiration: 2033-11-20
Also published as: JP2015098845A

Description

本発明は、内燃機関を制御する制御装置に関し、特に排気浄化用の触媒の自己診断機能を有する制御装置に関する。

一般に、内燃機関の排気通路には、内燃機関の気筒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三元触媒が装着されている。

触媒の酸素吸蔵能力（ＯＳＣ：Ｏ₂ ＳｔｏｒａｇｅＣａｐａｃｉｔｙ）は、経年劣化により減退する。触媒による排気ガスの浄化率は、触媒内に吸着できる酸素量に依存する。触媒の劣化が進行すると、排出される有害物質の量も増大する。一方で、触媒の劣化は、車両自体の運転性能にはほとんど影響を与えない。それ故、異常な排出ガス車が長期間、無意識に使用され続けるおそれがある。

そのような事象に対処するべく、触媒の経年劣化の度合いを自己診断するダイアグノーシス機能を車両に実装することが通例となっている（例えば、下記特許文献を参照）。具体的には、触媒から酸素を完全に放出した状態で、触媒に流入するガスの空燃比を強制的にリーンに操作し、触媒上流の空燃比センサの出力信号がリーンに切り替わってから触媒下流の空燃比センサの出力信号がリーンに切り替わるまでの間の経過時間を計測することにより、現在触媒に吸蔵している酸素量を推算する。下流側センサ出力がリーンに反転した瞬間の酸素吸蔵量が、当該触媒の最大酸素吸蔵能力となる。

また、触媒に酸素吸蔵能力一杯まで酸素を吸蔵した状態で、触媒に流入するガスの空燃比を強制的にリッチに操作し、上流側センサ出力がリーンに切り替わってから下流側センサ出力がリッチに切り替わるまでの間の経過時間を計測することにより、触媒が放出した酸素の量、即ち酸素吸蔵能力一杯まで酸素を吸蔵した状態を基準とした酸素吸蔵量を推算することもできる。下流側センサ出力がリッチに反転した瞬間の酸素吸蔵量が、当該触媒の最大酸素放出能力、換言すれば最大酸素吸蔵能力ということになる。

特開平０５−１３３２６４号公報

上述した通り、触媒のダイアグノーシスにおいては、触媒に流入するガスの空燃比を強制的に操作するアクティブ制御を実行する。このようなアクティブ制御は、内燃機関に対する要求負荷が高くない状況で行われることが望ましい。そのため、気筒に充填される新気量がある上限値以下であるという条件を満足する場合に限り、アクティブ制御を開始するようにしている。

排気通路を流れる排気ガスの一部を吸気通路に還流させる排気ガス再循環（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置が付帯した内燃機関であれば、ＥＧＲを停止（ＥＧＲバルブを全閉）した上で、アクティブ制御を開始する。これは、気筒における混合気の燃焼の不安定化を防止しながら、触媒の酸素吸蔵能力の推定の精度を高める意図である。

ところが、ＥＧＲを停止すると、吸気通路へのＥＧＲガスの還流が失われる分、新気の流量が増加するため、「気筒に充填される新気量が上限値以下」という条件が満たされなくなる。従って、アクティブ制御を開始できないので、触媒のダイアグノーシスを断念してＥＧＲを再開することになる。

つまり、触媒のダイアグノーシスの準備としてのＥＧＲの停止、アクティブ制御開始条件の不成立、ＥＧＲの再開、ダイアグノーシスの準備としてのＥＧＲの停止、アクティブ制御開始条件の不成立、ＥＧＲの再開、……、というように処理が反復することとなる。結果、触媒の劣化の有無を診断できないだけでなく、ＥＧＲの停止と再開とが繰り返されてドライバビリティに悪影響を及ぼす懸念があった。

本発明は、以上の問題に初めて着目してなされたものであって、ＥＧＲ装置が付帯した内燃機関について、排気浄化用の触媒のダイアグノーシスの実行機会を確保し、かつＥＧＲの停止と再開との反復によるドライバビリティの悪化を抑制することを所期の目的とする。

本発明では、内燃機関の排気通路に装着される排気ガス浄化用の触媒の上流側の空燃比が変動してから下流側の空燃比が変動するまでの間の経過時間を計測することを通じて、触媒の酸素吸蔵能力を推測するダイアグノーシスを実施するものであって、少なくとも気筒に充填される新気の量が上限値以下であることを前記ダイアグノーシスの実行開始条件としており、排気通路から吸気通路に排気ガスを還流させるＥＧＲ中にダイアグノーシスを実行しようとする場合、ＥＧＲを停止するとともに、その停止直前のＥＧＲガス量からＥＧＲを停止することにより増加する新気の量を推算して、その増加量分だけ前記上限値を嵩上げして前記ダイアグノーシスの実行開始の可否を判断する内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、ＥＧＲ装置が付帯した内燃機関について、排気浄化用の触媒のダイアグノーシスの実行機会を確保し、かつＥＧＲの停止と再開との反復によるドライバビリティの悪化を抑制することができる。

本発明の一実施形態における内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。同実施形態における触媒のダイアグノーシスのためのアクティブ制御の内容を説明するタイミング図。同実施形態の制御装置が実行する制御の内容を示すタイミング図。

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の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の４ストロークエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒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、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させたことで生じる排気を各気筒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及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

排気通路４における触媒４１の上流及び下流には、排気通路を流通する排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ４３、４４を設置する。空燃比センサ４３、４４はそれぞれ、排気ガスの空燃比に対して非線形な出力特性を有するＯ₂センサであってもよく、排気ガスの空燃比に比例した出力特性を有するリニアＡ／Ｆセンサであってもよい。本実施形態では、触媒４１の上流側及び下流側の各空燃比センサ４３、４４について、排気ガス中の酸素濃度に応じた電圧信号を出力するＯ₂センサを想定している。Ｏ₂センサ４３、４４の出力特性は、理論空燃比近傍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。

本実施形態の内燃機関には、外部ＥＧＲ装置２が付帯している。ＥＧＲ装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通するＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３３に接続している。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ０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、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｄ、機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｅ、触媒４１の上流側における排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ４３から出力される空燃比信号ｆ、触媒４１の下流側における排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ４４から出力される空燃比信号ｇ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ等を出力する。

ＥＣＵ０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、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、要求ＥＧＲ量（または、ＥＧＲ率）等といった運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌを出力インタフェースを介して印加する。

また、ＥＣＵ０は、触媒４１の最大酸素吸蔵能力を推定するとともに、推定した最大酸素吸蔵能力値を劣化判定値と比較して、当該触媒４１が正常であるか異常であるかを判定するダイアグノーシスを行う。

触媒４１の酸素吸蔵能力は既知の任意の手法を採用して推算することができるが、ここではその一典型例を示す。内燃機関の気筒１に空燃比リーンの混合気を供給して触媒４１の酸素吸蔵能力一杯まで酸素を吸蔵している状態から、気筒１に供給する混合気を意図的に空燃比リッチに操作するアクティブ制御を実行する。すると、フロントＯ₂センサ４３の出力信号ｆは即座に空燃比リッチを示す。これに対し、リアＯ₂センサ４４の出力信号ｇは、フロントＯ₂センサ４３の出力信号ｆに遅れて空燃比リッチを示す。フロントＯ₂センサ４３の出力信号ｆが空燃比リッチを示してから（または、混合気を空燃比リッチに操作してから）リアＯ₂センサ４４の出力信号ｇが空燃比リッチを示すまでの間、触媒４１に吸蔵していた酸素が放出されて酸素の不足が補われるためである。

フロントＯ₂センサ４３の出力信号ｆが空燃比リッチを示してから、リアＯ₂センサ４４の出力信号ｇが空燃比リッチを示すまでの間に経過した時間をＴ_Rとおき、このＴ_Rの間に供給した燃料の総重量をＧ_F、理論空燃比とリッチ時の空燃比との差分をΔＡ／Ｆ_Rとおくと、Ｔ_Rの間に触媒４１中で不足した酸素量は、
（α・ΔＡ／Ｆ_R・Ｇ_F）
となる。αは、空気中に占める酸素の重量割合（≒０．２３）である。

上式は、Ｔ_Rの時点までに触媒４１が放出した酸素の量を表している。供給した燃料の総重量Ｇ_Fは、ＥＣＵ０において演算することができる。即ち、一回の燃料噴射機会における燃料噴射量は、空燃比を理論空燃比よりもリッチな（１４．６よりも小さい）所定値とするために必要な量であり、その噴射量に単位時間当たりの膨張行程回数（エンジン回転数に比例）を乗じれば、単位時間当たりの燃料供給量となる。そして、単位時間当たりの燃料供給量に経過時間Ｔ_Rを乗じれば、供給した燃料の総重量Ｇ_Fとなる。要するに、リアＯ₂センサ４４の出力信号ｇが空燃比リッチを示した時点での経過時間Ｔ_Rに基づいて、触媒４１の最大酸素放出能力を算出することが可能である。この最大酸素放出能力は、最大酸素吸蔵能力と同義である。

あるいは、内燃機関の気筒１に空燃比リッチの混合気を供給して触媒４１に酸素を全く吸蔵していない状態から、気筒１に供給する混合気を意図的に空燃比リーンに操作するアクティブ制御を実行する。すると、フロントＯ₂センサ４３の出力信号ｆは即座に空燃比リーンを示す。これに対し、リアＯ₂センサ４４の出力信号ｇは、フロントＯ₂センサ４３の出力信号ｆに遅れて空燃比リーンを示す。フロントＯ₂センサ４３の出力信号ｆが空燃比リーンを示してから（または、混合気を空燃比リーンに操作してから）リアＯ₂センサ４４の出力信号ｇが空燃比リーンを示すまでの間、過剰な酸素が触媒４１に吸着するためである。

フロントＯ₂センサ４３の出力信号ｆが空燃比リーンを示してから、リアＯ₂センサ４４の出力信号ｇが空燃比リーンを示すまでの間に経過した時間をＴ_Lとおき、このＴ_Lの間に供給した燃料の総重量をＧ_F、リーン時の空燃比と理論空燃比との差分をΔＡ／Ｆ_Lとおくと、Ｔ_Lの間に触媒４１中で過剰となった酸素量は、
（α・ΔＡ／Ｆ_L・Ｇ_F）
となる。

上式は、Ｔ_Lの時点で触媒４１が吸蔵している酸素の量を表している。供給した燃料の総重量Ｇ_Fはやはり、ＥＣＵ０において演算することができる。即ち、一回の燃料噴射機会における燃料噴射量は、空燃比を理論空燃比よりもリーンな（１４．６よりも大きい）所定値とするために必要な量であり、その噴射量に単位時間当たりの膨張行程回数を乗じれば単位時間当たりの燃料供給量となる。そして、単位時間当たりの燃料供給量に経過時間Ｔ_Lを乗じれば、供給した燃料の総重量Ｇ_Fとなる。要するに、リアＯ₂センサ４４の出力信号が空燃比リーンを示した時点での経過時間Ｔ_Lに基づいて、触媒４１の最大酸素吸蔵能力を算出することが可能である。

図２に示しているように、アクティブ制御では、リアＯ₂センサ４４の出力電圧ｇが所定のリッチ判定値に到達した、即ち出力ｇがリーンからリッチへと切り替わったタイミングで、制御目標空燃比をリーン側の所定空燃比に設定し、フロントＯ₂センサ４３の出力電圧ｆが当該制御目標に対応した値をとるように燃料噴射量を補正する。これにより、触媒４１に流入するガスの空燃比を強制的にリーン化する。そして、フロントＯ₂センサ４３の出力電圧ｆが前記制御目標に対応した値に到達してから、リアＯ₂センサ４４の出力電圧ｇが所定のリーン判定値に到達するまでの間の経過時間Ｔ_L、即ち出力ｇが再度リーンへと切り替わるまでの経過時間Ｔ_Lを計測する。リッチ判定値とリーン判定値とは、相異なる値であってもよく、同一の値であってもよい。

並びに、リアＯ₂センサ４４の出力ｇがリッチからリーンへと切り替わったタイミングで、制御目標空燃比をリッチ側の所定空燃比に設定し、フロントＯ₂センサ４３の出力電圧ｆが当該制御目標に対応した値をとるように燃料噴射量を補正する。これにより、触媒４１に流入するガスの空燃比を強制的にリッチ化する。そして、フロントＯ₂センサ４３の出力電圧ｆが前記制御目標に対応した値に到達してから、リアＯ₂センサ４４の出力電圧ｇが所定のリーン判定値に到達するまでの間の経過時間Ｔ_R、即ち出力ｇが再度リッチへと切り替わるまでの経過時間Ｔ_Rを計測する。

ＥＣＵ０は、酸素吸蔵能力一杯まで酸素を吸蔵していた触媒４１がその酸素の全てを放出するのに要した時間Ｔ_R、及び、酸素を吸蔵していない触媒４１が酸素吸蔵能力一杯まで酸素を吸蔵するのに要した時間Ｔ_Lをそれぞれ一回以上計測し、計測したＴ_R、Ｔ_Lを基に最大酸素吸蔵能力（α・ΔＡ／Ｆ_R・Ｇ_F）、（α・ΔＡ／Ｆ_L・Ｇ_F）を算出して、それらの平均値を求める。

しかる後、ＥＣＵ０は、算出した上記の最大酸素吸蔵能力の平均値を劣化判定値と比較し、その値が劣化判定値を下回っているならば、触媒４１が異常である旨の情報をＲＡＭに書き込み記録するとともに、運転者の視覚または聴覚に訴えかける態様で報知、例えばコックピット内のエンジンチェックランプを点灯させて、触媒４１の点検及び交換を促す。

以上に述べた触媒４１のダイアグノーシスは、触媒４１の劣化の兆候を感知したことを契機として実施する。その兆候の例としては、内燃機関の運転中に刻々と変動するリアＯ₂センサ４４の出力電圧ｇの振動の周波数が閾値よりも高く（または、振動の周期が閾値よりも短く）なったことや、フロントＯ₂センサ４３の出力電圧ｆの変動とリアＯ₂センサ４４の出力電圧ｇの変動との時間差が閾値よりも短くなったこと等が挙げられる。

触媒４１のダイアグノーシスを目的とするアクティブ制御を実行開始するためには、少なくとも、気筒１に充填される新気の量が上限値以下であることを必要とする。ＥＣＵ０は、アクティブ制御を実行するにあたり、ＥＧＲバルブ２３を全閉してＥＧＲを停止する。

その上で、本実施形態のＥＣＵ０は、ＥＧＲの停止直前のＥＧＲガス量から、ＥＧＲを停止することにより増加する新気の量を推算し、その増加量分だけ前記上限値を嵩上げして、アクティブ制御の実行を開始するか否かの判断を下す。つまり、アクティブ制御の実行の可否の判断の基準となる上限値が、その実行開始前にＥＧＲを行っていたか、行っていなかったかによって変化する。

ＥＧＲの停止直前における、気筒１に充填される吸気に占めるＥＧＲガス量（または、その割合であるＥＧＲ率）は、気筒１に充填される吸気中のＥＧＲガスの分圧から把握される。ＥＧＲガスの分圧は、内燃機関の適合（試験）時に、ＥＧＲを実行したときと実行しないときとのそれぞれのサージタンク３３内吸気圧を計測し、両者の差をとることで求められる。ＥＣＵ０のメモリには予め、内燃機関の運転領域［エンジン回転数，要求負荷（または、吸気圧、吸気量）］、吸気温及びＥＧＲバルブ２３の開度等と、これに対応するＥＧＲガス分圧との関係を規定したマップデータが格納されている。ＥＣＵ０は、ＥＧＲの停止直前における運転領域、吸気温及びＥＧＲバルブ２３開度等をキーとして当該マップを検索して、そのときのＥＧＲガス分圧を知得する。

しかして、ＥＣＵ０は、ＥＧＲガス分圧の大きさに比例した量の新気が、ＥＧＲの停止によって気筒１に流入するようになるとの推定の下、この新気量の増加分を以て上限値を嵩上げする。即ち、図３に示しているように、ＥＧＲを実行していない場合における上限値に、新気量の増加分を加算して新たな上限値とする。なお、図３中、上限値を一点鎖線にて表している。そして、ＥＧＲの停止後において、気筒１に充填される吸気量の推算値（≒新気量）と、嵩上げされた新たな上限値とを比較する。前者が後者以下であるならば、アクティブ制御の実行を開始する。アクティブ制御中、ＥＧＲは停止したままとする。

翻って、前者が後者を上回るならば、アクティブ制御の実行を開始せず、可及的速やかにＥＧＲを再開する。

本実施形態では、内燃機関の排気通路４に装着される排気ガス浄化用の触媒４１の上流側の空燃比が変動してから下流側の空燃比が変動するまでの間の経過時間Ｔ_R、Ｔ_Lを計測することを通じて、触媒４１の酸素吸蔵能力を推測するダイアグノーシスを実施するものであって、少なくとも気筒１に充填される新気の量が上限値以下であることを前記ダイアグノーシスの実行開始条件としており、排気通路４から吸気通路３に排気ガスを還流させるＥＧＲ中にダイアグノーシスを実行しようとする場合、ＥＧＲを停止するとともに、その停止直前のＥＧＲガス量からＥＧＲを停止することにより増加する新気の量を推算して、その増加量分だけ前記上限値を嵩上げして前記ダイアグノーシスの実行開始の可否を判断する内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、ＥＧＲ装置２が付帯した内燃機関について、触媒４１のダイアグノーシスの実行機会を確保でき、触媒４１の劣化を適時に検出できるようになる。加えて、ＥＧＲの停止と再開とが繰り返されることも防止され、ドライバビリティの悪化を招かずに済む。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態には限られない。各部の具体的構成は、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…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１１…インジェクタ
２…ＥＧＲ装置
２３…ＥＧＲバルブ
４…排気通路
４１…触媒
４３…触媒上流の空燃比センサ（フロントＯ₂センサ）
４４…触媒下流の空燃比センサ（リアＯ₂センサ）
ｆ…触媒上流の空燃比センサの出力信号
ｇ…触媒下流の空燃比センサの出力信号

Claims

内燃機関の排気通路に装着される排気ガス浄化用の触媒の上流側の空燃比が変動してから下流側の空燃比が変動するまでの間の経過時間を計測することを通じて、触媒の酸素吸蔵能力を推測するダイアグノーシスを実施するものであって、
少なくとも気筒に充填される新気の量が上限値以下であることを前記ダイアグノーシスの実行開始条件としており、
排気通路から吸気通路に排気ガスを還流させるＥＧＲ中にダイアグノーシスを実行しようとする場合、ＥＧＲを停止するとともに、その停止直前のＥＧＲガス量からＥＧＲを停止することにより増加する新気の量を推算して、その増加量分だけ前記上限値を嵩上げして前記ダイアグノーシスの実行開始の可否を判断する内燃機関の制御装置。