JP6287980B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の第一実施形態に係る制御装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。図1を参照すると1は機関本体、2はシリンダブロック、3はシリンダブロック2内で往復動するピストン、4はシリンダブロック2上に固定されたシリンダヘッド、5はピストン3とシリンダヘッド4との間に形成された燃焼室、6は吸気弁、7は吸気ポート、8は排気弁、9は排気ポートをそれぞれ示す。吸気弁6は吸気ポート7を開閉し、排気弁8は排気ポート9を開閉する。
上流側排気浄化触媒20及び下流側排気浄化触媒24は、酸素吸蔵能力を有する三元触媒である。具体的には、排気浄化触媒20、24は、セラミックから成る担体に、触媒作用を有する貴金属(例えば、白金(Pt))及び酸素吸蔵能力を有する物質(例えば、セリア(CeO2))を担持させた三元触媒である。三元触媒は、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比に維持されていると、未燃HC、CO等(以下、「未燃ガス」という)及びNOxを同時に浄化する機能を有する。加えて、排気浄化触媒20、24に或る程度の酸素が吸蔵されている場合には、排気浄化触媒20、24に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比に対してリッチ側或いはリーン側に若干ずれたとしても未燃ガス及びNOxとが同時に浄化される。
本実施形態では、空燃比センサ40、41として、コップ型の限界電流式空燃比センサが用いられる。図2を用いて、空燃比センサ40、41の構造について簡単に説明する。空燃比センサ40、41は、固体電解質層51と、その一方の側面上に配置された排気側電極52と、その他方の側面上に配置された大気側電極53と、通過する排気ガスの拡散律速を行う拡散律速層54と、基準ガス室55と、空燃比センサ40、41の加熱、特に固体電解質層51の加熱を行うヒータ部56とを具備する。
次に、本実施形態の内燃機関の制御装置における空燃比制御の概要を説明する。本実施形態の制御装置では、基本的に、上流側空燃比センサ40の出力及び下流側空燃比センサの出力に基づいて排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御する両フィードバック制御(以下、「両FB制御」という)が実行される。したがって、まず、本実施形態における両FB制御について説明する。
図5を参照して、固定両破綻制御について具体的に説明する。図5は、固定両破綻制御を行った場合における、空燃比補正量AFC、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFup、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSA、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwn、上流側空燃比センサ40の温度Tup及び下流側空燃比センサ41の温度Tdwnのタイムチャートである。
ところで、空燃比センサ40、41は、その温度がそれぞれの空燃比センサの活性温度(例えば、500℃)未満であると、空燃比センサ40、41周りの排気ガスの空燃比に応じた電流を出力することができない。したがって、空燃比センサ40、41が活性温度未満であると、空燃比センサ41によって空燃比センサ41周りの排気ガスの空燃比を正確に検出することができない。このため、空燃比センサ40、41によって排気ガスの空燃比を検出するときには、空燃比センサ40、41の温度を活性温度以上に維持することが必要になる。
ところで、内燃機関を搭載した車両の一部は、イグニッションキーがONになった状態で内燃機関が一時的に自動停止する自動停止機能を有する。このような自動停止が行われる機構の一つの例としては、機関自動停止・再始動機構が挙げられる。機関自動停止・再始動機構では、例えば、車両が信号待ち等によって停車しているときに一時的に内燃機関が自動的に停止せしめられる。
ところで、内燃機関の停止中には上述した両FB制御を行う必要がない。したがって、内燃機関の停止中には、空燃比センサ40、41の出力は内燃機関や車両の制御のために利用されない。一方、空燃比センサ40、41においてヒータ部56により空燃比センサ40、41の温度を活性温度Tact以上に保つには相当な電力を消費する。特に、内燃機関の停止中には空燃比センサ40、41の周りに高温の排気ガスが流れてこないため、空燃比センサ40、41の温度を活性温度Tact以上に保つのに必要な電力が増大する。
そこで、本実施形態の内燃機関の制御装置では、加熱制御部は、自動停止による内燃機関の停止中には、上流側空燃比センサ40の温度がその活性温度未満になるように上流側空燃比センサ40のヒータ部56を制御するようにしている。加えて、加熱制御部は、自動停止による内燃機関の停止中には、下流側空燃比センサ41の温度がその活性温度以上になるように下流側空燃比センサ41のヒータ部56を制御するようにしている。また、加熱制御部は、自動停止後に内燃機関が再始動された後には、下流側空燃比センサ40のみならず下流側空燃比センサ41の温度がその活性温度以上になるように下流側空燃比センサ41のヒータ部56を制御するようにしている。
次に、片FB制御について説明する。本実施形態の片FB制御においては、上述した両FB制御と同様に、固定両破綻制御により、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnに基づいて目標空燃比が設定される。一方、上述した両FB制御では、上流側空燃比センサ40の出力空燃比に基づいて上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比となるようにフィードバック制御が行われる。これに対して、片FB制御では、上流側空燃比センサ40の出力は利用されず、燃焼室5内に供給される吸入空気量と目標空燃比とに基づいて、燃料噴射弁11からの燃料噴射量が、すなわち上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比が制御される。
図7は、図6の時刻t2前後における空燃比補正量AFC等のタイムチャートである。図7に示した例では、時刻t3において上流側空燃比センサ40の温度Tupがその活性温度Tact以上になっている(図6の時刻t2に相当)。したがって、時刻t3以前においては片FB制御が行われていると共に、時刻t3以降は両FB制御が行われている。
上述したように、本実施形態によれば、自動停止による内燃機関の停止中に、上流側空燃比センサ40の温度が活性温度Tact未満に低下せしめられる。このため、内燃機関の停止中に上流側空燃比センサ40の温度Tdwnを活性温度Tact以上に維持するために電力が消費されるのが抑制される。その結果、本実施形態によれば、内燃機関における燃費を改善することができる。
次に、図9〜図12を参照して、上記実施形態における制御装置について具体的に説明する。図9は、本実施形態における制御装置によって行われる温度制御及び空燃比制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、一定時間間隔の割り込みによって行われる。
本実施形態において空燃比制御を行う空燃比制御部は、機能ブロック図である図10に示したように、A1〜A7の各機能ブロックを含んで構成されている。以下、図10を参照しながら各機能ブロックについて説明する。これら各機能ブロックA1〜A7における操作は、基本的にECU31において実行される。
まず、燃料噴射量の算出について説明する。燃料噴射量の算出に当たっては、筒内吸入空気量算出手段A1、基本燃料噴射量算出手段A2、及び燃料噴射量算出手段A3が用いられる。
次に、目標空燃比の算出について説明する。目標空燃比の算出に当たっては、空燃比補正量算出手段A4、及び目標空燃比設定手段A5が用いられる。
次に、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupに基づいたF/B補正量の算出について説明する。F/B補正量の算出に当たっては、空燃比偏差算出手段A6、F/B補正量算出手段A7が用いられる。
DFi=Kp・DAF+Ki・SDAF+Kd・DDAF …(1)
図12は、両FB制御及び片FB制御における固定両破綻制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、一定時間間隔の割り込みによって行われる。
次に、図13〜図15を参照して、本発明の第二実施形態の制御装置について説明する。第二実施形態の制御装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態の制御装置の構成及び制御と同様である。
図14は、図6の時刻t2前後における空燃比補正量AFC等のタイムチャートである。図14に示した例では、時刻t5において上流側空燃比センサ40の温度Tupがその活性温度Tact以上になっている(図6の時刻t2に相当)。したがって、時刻t5以前においては片FB制御が行われていると共に、時刻t5以降は両FB制御が行われている。
本実施形態では、変動両破綻制御が実行される。このため、図13の時刻t1直前における排気ガスのリッチ度合いが低いため、時刻t1において上流側排気浄化触媒20から流出する未燃ガスを少なく抑えることができる。加えて、時刻t1直後において、排気ガスのリーン度合いが高いため、時刻t1においてリッチ空燃比だった上流側排気浄化触媒20から流出する排気ガスの空燃比を迅速に理論空燃比に戻すことができる。この結果、本実施形態では、上流側排気浄化触媒20から流出する未燃ガスを少なく抑えることができる。同様なことが、時刻t3においても言え、よって本実施形態では上流側排気浄化触媒20から流出するNOxを少なく抑えることができる。
図15は、本実施形態における制御装置によって行われる温度制御及び空燃比制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、一定時間間隔の割り込みによって行われる。図15のステップS41〜S50、S52〜S53は、図9のステップS11〜S20、S22〜S23と同様であるため説明を省略する。
次に、図17を参照して、本発明の第三実施形態の制御装置について説明する。第三実施形態の制御装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態及び第二実施形態の制御装置の構成及び制御と同様である。
次に、図18〜図21を参照して、本発明の第四実施形態の制御装置について説明する。第四実施形態の制御装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態〜第三実施形態の制御装置の構成及び制御と同様である。
本実施形態の両FB制御では、上流側空燃比センサ40の出力空燃比に基づいたフィードバック制御が行われると共に、リッチ破綻制御により目標空燃比が設定される。以下では、リッチ破綻制御について説明する。
OED=0.23×Qi×(AFup−AFR) …(2)
ここで、0.23は空気中の酸素濃度、Qiは燃料噴射量、AFupは上流側空燃比センサ40の出力空燃比、AFRは制御中心となる空燃比(本実施形態では、基本的には理論空燃比)をそれぞれ表している。
図18を参照して、上述したような操作について具体的に説明する。図18は、本実施形態の両FB制御を行った場合における、空燃比補正量AFC等のタイムチャートである。図示した例では、時刻t1以前の状態では、空燃比補正量AFCがリッチ設定補正量AFCrich(リッチ設定空燃比に相当)とされている。このため、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSAは徐々に減少していく。
ところで、本実施形態では両FB制御においてリッチ破綻制御が行われるが、リッチ破綻制御では上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量を推定することが必要になる。そして、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量を推定するためには、上述したように上流側空燃比センサ40の出力空燃比が必要になる。一方、片FB制御中では、上流側空燃比センサ40の温度が基本的に活性温度以下であるため、上流側空燃比センサ40の出力を利用することができない。したがって、片FB制御においては、リッチ破綻制御を実行することはできない。
本実施形態においても、両FB制御と片FB制御との切替は、図9に示したようなフローチャートによって行われる。また、片FB制御が行われているときには、図12に示したようなフローチャートにより固定両破綻制御によって目標空空燃比が設定される。加えて、両FB制御が行われているときには、具体的には、図20に示したブロック図に基づいて空燃比制御が行われる。
次に、図22及び図23を参照して、本発明の第五実施形態の制御装置について説明する。第四実施形態の制御装置の構成は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態〜第四実施形態の制御装置の構成と同様である。
AFT(n)=AFT(n−1)+kp・ΔV+ki・SΔV+kd・DΔV …(3)
5 燃焼室
7 吸気ポート
9 排気ポート
19 排気マニホルド
20 上流側排気浄化触媒
24 下流側排気浄化触媒
31 ECU
40 上流側空燃比センサ
41 下流側空燃比センサ
Claims (13)
- 内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒と、該排気浄化触媒よりも排気流れ方向上流側において前記排気通路に設けられた上流側空燃比センサと、前記排気浄化触媒よりも排気流れ方向下流側において前記排気通路に設けられた下流側空燃比センサと、前記上流側空燃比センサを加熱する上流側センサヒータと、前記下流側空燃比センサを加熱する下流側センサヒータとを具備する、自動停止可能な内燃機関に用いられる内燃機関の制御装置であって、
前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御部と、前記上流側センサヒータによる前記上流側空燃比センサの加熱及び前記下流側センサヒータによる前記下流側空燃比センサの加熱を制御する加熱制御部とを具備し、
前記加熱制御部は、自動停止による前記内燃機関の停止中には、前記上流側空燃比センサの温度が活性温度未満になるように前記上流側センサヒータを制御すると共に前記下流側空燃比センサの温度が前記上流側空燃比センサよりも高い温度になるように前記下流側センサヒータによって前記下流側空燃比センサを加熱し、
前記空燃比制御部は、機関運転中において、前記上流側空燃比センサの出力と前記下流側空燃比センサの出力とに基づいて前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御する両フィードバック制御を実行し、前記内燃機関が自動停止による停止後に再始動された場合、機関運転中であっても再始動時点から一時的に、前記上流側空燃比センサの出力を利用せずに前記下流側空燃比センサの出力に基づいて前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御する片フィードバック制御を実行する、内燃機関の制御装置。 - 前記加熱制御部は、自動停止による前記内燃機関の停止中には、前記下流側空燃比センサの温度を活性温度未満であって所定温度以上に維持するように前記下流側センサヒータを制御し、
前記所定温度は、前記内燃機関が自動停止による停止後に再始動されたときに前記上流側センサヒータ及び前記下流側センサヒータによって前記上流側空燃比センサ及び前記下流側空燃比センサをそれぞれ加熱した場合に、前記下流側空燃比センサの温度の方が前記上流側空燃比センサの温度よりも早く活性温度に到達する温度である、請求項1に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記加熱制御部は、自動停止による前記内燃機関の停止中には、前記下流側空燃比センサの温度を活性温度以上に維持するように前記下流側センサヒータを制御する、請求項1に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記加熱制御部は、自動停止による前記内燃機関の停止中には、機関運転中に比べて、前記下流側空燃比センサの温度が低くなるように、前記下流側センサヒータを制御する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記空燃比制御部は、前記両フィードバック制御においても前記片フィードバック制御においても、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下になったときに前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比に切り替え、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比以上になったときに前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比に切り替える両破綻制御を実行し、
前記空燃比制御部は、前記両フィードバック制御の実行時には、前記上流側空燃比センサの出力空燃比が前記目標空燃比になるように該上流側空燃比センサの出力空燃比に基づくフィードバック制御を行う、請求項1〜4のいずれか1項に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記空燃比制御部は、前記目標空燃比がリッチ空燃比に設定されている間における該目標空燃比のリッチ度合いの平均値及び前記目標空燃比がリーン空燃比に設定されている間における該目標空燃比のリーン度合いの平均値は、前記両フィードバック制御の実行時の方が前記片フィードバック制御の実行時に比べて大きくなるように、前記目標空燃比を設定する、請求項5に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記空燃比制御部は、前記両フィードバック制御において、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になったときから前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になるまでのリーン期間中に前記目標空燃比をリーン空燃比に維持すると共に該リーン期間中に前記目標空燃比のリーン度合いを低下させ、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になったときから前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になるまでのリッチ期間中に前記目標空燃比をリッチ空燃比に維持すると共に該リッチ期間中に前記目標空燃比のリッチ度合いを低下させる変動両破綻制御を実行し、
前記空燃比制御部は、前記片フィードバック制御において、前記リーン期間中に前記目標空燃比を一定のリーン設定空燃比に維持し、前記リッチ期間中に前記目標空燃比を一定のリッチ空燃比に維持する固定両破綻制御を実行する、請求項5に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記空燃比制御部は、前記両フィードバック制御において、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下になったときに前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比に切り替え、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量の推定値が最大吸蔵可能酸素量よりも少ない切替基準吸蔵量以上になったときに前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比に切り替えるリッチ破綻制御を実行し、
前記空燃比制御部は、前記片フィードバック制御において、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下になったときに前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比に切り替え、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比以上になったときに前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比に切り替える両破綻制御を実行する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記空燃比制御部は、前記片フィードバック制御において、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になったときから前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になるまでのリーン期間中に前記目標空燃比を一定のリーン設定空燃比に維持し、前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリーン判定空燃比以上になったときから前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ判定空燃比以下になるまでのリッチ期間中に前記目標空燃比を一定のリッチ空燃比に維持する固定両破綻制御を実行する、請求項8に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記加熱制御部は、前記内燃機関が自動停止による停止後に再始動された後には、前記下流側空燃比センサの温度がその活性温度以上になるように前記下流側センサヒータを制御し、
前記空燃比制御部は、前記内燃機関が自動停止による停止後に再始動された場合、前記下流側空燃比センサの温度がその活性温度以上になったとき以降に、前記片フィードバック制御から両フィードバック制御に切り替えられ、
前記片フィードバック制御から前記両フィードバック制御に切り替えられたときには、まず、前記目標空燃比がリッチ空燃比に設定される、請求項8又は9に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記下流側空燃比センサは排気ガス中の酸素濃度に応じた起電力に基づいて酸素濃度を検出する酸素センサであり、
前記空燃比制御部は、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比に近づくように前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御し、且つ前記片フィードバック制御の実行時には前記両フィードバック制御の実行時に比べて、前記下流側空燃比センサの出力空燃比の変化量に対する前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比の変化量が小さくなるように、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記空燃比制御部は、前記両フィードバック制御においても前記片フィードバック制御においても、前記下流側空燃比センサの出力空燃比と理論空燃比との差分に基づいて該差分が小さくなるように目標空燃比をPID制御し、
前記片フィードバック制御の実行時には、前記両フィードバック制御の実行時に比べて、前記PID制御における比例ゲイン、積分ゲイン及び微分ゲインのうちの少なくともいずれか一つのゲインが小さくされる、請求項11に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記空燃比制御部は、前記両フィードバック制御においても前記片フィードバック制御においても、前記下流側空燃比センサの出力空燃比と理論空燃比との差分に基づいて該差分が小さくなるように目標空燃比をPI制御し、
前記片フィードバック制御の実行時には、前記両フィードバック制御の実行時に比べて、前記PI制御における比例ゲイン及び積分ゲインのうちの少なくともいずれか一方のゲインが小さくされる、請求項11に記載の内燃機関の制御装置。
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