JP6337819B2 - 内燃機関 - Google Patents
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Description
最初に、図1〜図13を参照して本発明の第1実施形態について説明する。
図2は、図1において吸気弁6を駆動するためのカムシャフト70aに対して設けられている可変バルブタイミング機構Bを示している。図2に示したように可変バルブタイミング機構Bはカムシャフト70aの一端に取付けられてカムシャフト70aのカムの位相を変更するためのカム位相変更部B1と、カムシャフト70aと吸気弁6のバルブリフタ26との間に配置されてカムシャフト70aのカムの作用角を異なる作用角に変更して吸気弁6に伝達するカム作用角変更部B2とから構成されている。なお、カム作用角変更部B2については図2に側面断面図と平面図とが示されている。
上流側排気浄化触媒20及び下流側排気浄化触媒24は、いずれも同様な構成を有する。排気浄化触媒20、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))を担持させたものである。排気浄化触媒20、24は、所定の活性温度に達すると、未燃ガス(HCやCO等)と窒素酸化物(NOx)とを同時に浄化する触媒作用に加えて、酸素吸蔵能力を発揮する。
次に、図5を参照して、本実施形態における空燃比センサ40、41の構成について説明する。図5は、空燃比センサ40、41の概略的な断面図である。図5から分かるように、本実施形態における空燃比センサ40、41は、固体電解質層及び一対の電極から成るセルが1つである1セル型の空燃比センサである。
次に、本発明の内燃機関の制御装置における基本的な空燃比制御の概要を説明する。本実施形態の空燃比制御では、上流側空燃比センサ40の出力空燃比に基づいて上流側空燃比センサ40の出力空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射弁11からの燃料噴射量を制御するフィードバック制御が行われる。なお、「出力空燃比」は、空燃比センサの出力値に相当する空燃比を意味する。
OED=0.23×(AFup−AFR)×Qi …(1)
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、理論空燃比(14.6))をそれぞれ表している。
図8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8は、本実施形態の空燃比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、積算酸素過不足量ΣOED、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwn及び上流側排気浄化触媒20から流出する排気ガス(以下、単に「流出排気ガス」と称する。)中のNOx濃度のタイムチャートである。
ところで、空燃比センサは、使用に伴って徐々に劣化し、そのゲイン特性が変化することがある。例えば、上流側空燃比センサ40のゲイン特性が変化すると、上流側空燃比センサ40の出力空燃比と排気ガスの実際の空燃比との間にずれが生じる場合がある。この場合、上流側空燃比センサ40の出力空燃比は排気ガスの実際の空燃比よりもリッチ側又はリーン側にずれることになる。
そこで、本実施形態では、上流側空燃比センサ40の出力空燃比におけるずれを補償すべく、通常運転中(すなわち、上述したような目標空燃比に基づいてフィードバック制御を行っているとき)に学習制御が行われる。
sfbg(n)=sfbg(n−1)+k1×ΔΣOED …(2)
AFR=AFRbase+sfbg(n) …(3)
なお、上記式(2)において、nは計算回数又は時間を表している。したがって、sfbg(n)は今回の計算又は現在の学習値である。加えて、上記式(2)におけるk1は、過不足量誤差ΔΣOEDを制御中心空燃比AFRに反映させる程度を表すゲインである。ゲインk1の値が大きいほど制御中心空燃比AFRの補正量が大きくなる。さらに、上記式(3)において、基本制御中心空燃比AFRbaseは、基本となる制御中心空燃比であり、本実施形態では理論空燃比である。
ところで、吸気ポート7内の圧力が排気ポート9内の圧力よりも高いときにバルブオーバーラップが発生すると、空気が吸気通路から筒内を通って排気通路に吹き抜けるスカベンジが発生する。なお、バルブオーバーラップとは、吸気弁6の開弁期間と排気弁8の開弁期間とが部分的に重なることを意味する。ECU31によって吸気弁6の可変バルブタイミング機構B及び排気弁8の可変バルブタイミング機構Cの少なくともいずれか一方を制御することによってバルブオーバーラップを発生させることができる。具体的には、バルブオーバーラップは、吸気弁6の開弁時期を進角させること及び排気弁8の閉弁時期を遅角させることの少なくともいずれか一方によって発生せしめられる。
上述したように、本実施形態では、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupが目標空燃比となるように燃焼室5に供給する燃料量がフィードバック制御される。また、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupに基づいて積算酸素過不足量ΣOEDが算出され、積算酸素過不足量ΣOEDに基づいて目標空燃比が設定される。なお、スカベンジ発生中には、吸気通路から筒内を通って排気通路に吹き抜ける空気を含めて流入排気ガスの平均空燃比が目標空燃比となるように燃焼室5に供給する燃料量がフィードバック制御される。
図11は、本発明の第1実施形態における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実行される。
BFI=IA/TAF …(4)
第1実施形態では、空燃比制御装置は、流入排気ガスの目標空燃比を、理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比TAFrichと、理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比TAFleanとに交互に設定する。
OED=0.23×(TAF−AFR)×Qi …(6)
ここで、0.23は空気中の酸素濃度、Qiは燃料噴射量、AFRは制御中心となる空燃比(本実施形態では、理論空燃比(14.6))をそれぞれ表している。
ステップS206の後、本制御ルーチンはステップS207へと進む。
図13は、本発明の第1実施形態におけるスカベンジ判定処理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実行される。
次に、図14〜図17を参照して本発明の第2実施形態について説明する。なお、第2実施形態の内燃機関の構成及び制御は基本的に第1実施形態の内燃機関と同様であるため、以下の説明では、第1実施形態と異なる部分を中心に説明する。
図14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14は、本発明の第2実施形態に係る内燃機関の空燃比制御装置による基本的な空燃比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、積算酸素過不足量ΣOED、及び下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnのタイムチャートである。
図15は、本発明の第2実施形態における目標空燃比設定処理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実行される。図15におけるステップS401〜ステップS407は、図12におけるステップS201〜ステップS207と同様であることから説明を省略する。
次に、図18及び図19を参照して本発明の第3実施形態について説明する。なお、第3実施形態の内燃機関の構成及び制御は基本的に第1実施形態及び第2実施形態の内燃機関と同様であるため、以下の説明では、第1実施形態及び第2実施形態と異なる部分を中心に説明する。
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、本発明の第3実施形態に係る内燃機関の空燃比制御装置による基本的な空燃比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、積算酸素過不足量ΣOED、及び下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnのタイムチャートである。
図19は、本発明の第3実施形態における目標空燃比設定処理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実行される。
次に、図20を参照して本発明の第4実施形態について説明する。なお、第4実施形態の内燃機関の構成及び制御は基本的に第1実施形態〜第3実施形態の内燃機関と同様であるため、以下の説明では、第1実施形態〜第3実施形態と異なる部分を中心に説明する。
図20は、本発明の第4実施形態における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実行される。図20におけるステップS801〜ステップS808は、図11におけるステップS101〜ステップS108と同様であることから説明を省略する。
5 燃焼室
7 吸気ポート
9 排気ポート
13 吸気枝管
14 サージタンク
18 スロットル弁
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
101 ターボチャージャ(過給機)
100 内燃機関
B、C 可変バルブタイミング機構
Claims (9)
- 燃焼室に供給する空気の圧力を変更可能な過給機と、
吸気弁と排気弁とのバルブオーバーラップ量を変更可能な可変バルブタイミング機構と、
排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な触媒と、
前記触媒の上流側に配置されると共に、前記触媒に流入する流入排気ガスの空燃比を検出可能な上流側空燃比センサと、
前記触媒の下流側に配置されると共に、前記触媒から流出する流出排気ガスの空燃比を検出可能な下流側空燃比センサと、
前記流入排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御装置と
を備えた内燃機関において、
前記空燃比制御装置は、バルブオーバーラップの発生によって吸入通路から筒内を通って前記排気通路に吹き抜ける空気の吹き抜け量が基準吹き抜け量以下のときには、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比に基づいて前記流入排気ガスの目標空燃比を設定すると共に、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記目標空燃比に一致するように前記燃焼室に供給する燃料量をフィードバック制御し、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量よりも多いときには、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比に基づいて前記流入排気ガスの目標空燃比を設定すると共に、前記フィードバック制御を実施することなく、前記目標空燃比から算出された燃料量を前記燃焼室に供給し、
前記空燃比制御装置は、前記触媒の酸素吸蔵量と、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比とに基づいて前記流入排気ガスの目標空燃比を更新し、前記触媒の酸素吸蔵量は、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量以下のときには、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比に基づいて算出され、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量よりも多いときには、前記流入排気ガスの目標空燃比に基づいて算出される、内燃機関。 - 前記基準吹き抜け量はゼロである、請求項1に記載の内燃機関。
- 前記目標空燃比は、理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比と、理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比とに交互に設定され、
前記空燃比制御装置は、前記目標空燃比が前記リッチ設定空燃比に設定されたリッチ制御において前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比に達したときに前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比に切り替え、前記目標空燃比が前記リーン設定空燃比に設定されたリーン制御において前記触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量よりも少ない基準酸素吸蔵量に達したと推定されたときに前記目標空燃比を前記リッチ設定空燃比に切り替え、
前記触媒の酸素吸蔵量は、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量以下のときには、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比に基づいて算出され、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量よりも多いときには、前記目標空燃比に基づいて算出される、請求項1に記載の内燃機関。 - 前記空燃比制御装置は、前記リーン制御において前記触媒の酸素吸蔵量が前記基準酸素吸蔵量に達したと推定される前に前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比に達した場合、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記リーン判定空燃比に達したときに前記目標空燃比を前記リッチ設定空燃比に切り替える、請求項3に記載の内燃機関。
- 前記目標空燃比は、理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比と、理論空燃比よりもリッチであり且つ前記リッチ設定空燃比よりも理論空燃比に近い弱リッチ設定空燃比と、理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比と、理論空燃比よりもリーンであり且つ前記リーン設定空燃比よりも理論空燃比に近い弱リーン設定空燃比とのうちのいずれか一つに設定され、
前記空燃比制御装置は、前記目標空燃比が前記リッチ設定空燃比に設定されたリッチ制御において、前記触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量よりも少ない第1基準酸素吸蔵量に達した推定されたときに前記目標空燃比を前記弱リッチ設定空燃比に切り替え、前記目標空燃比が前記弱リッチ設定空燃比に設定された弱リッチ制御において、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比がリッチ判定空燃比に達したときに前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比に切り替え、前記目標空燃比が前記リーン設定空燃比に設定されたリーン制御において、前記触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量よりも少ない第2基準酸素吸蔵量に達したと推定されたときに前記目標空燃比を前記弱リーン設定空燃比に切り替え、前記目標空燃比が前記弱リーン設定空燃比に設定された弱リーン制御において、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比がリーン判定空燃比に達したときに前記目標空燃比を前記リッチ設定空燃比に切り替え、
前記触媒の酸素吸蔵量は、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量以下のときには、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比に基づいて算出され、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量よりも多いときには、前記目標空燃比に基づいて算出される、請求項1に記載の内燃機関。 - 前記空燃比制御装置は、前記リッチ制御において前記触媒の酸素吸蔵量が前記第1基準酸素吸蔵量に達したと推定される前に前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記リッチ判定空燃比に達した場合、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記リッチ判定空燃比に達したときに前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比に切り替え、前記リーン制御において前記触媒の酸素吸蔵量が前記第2基準酸素吸蔵量に達したと推定される前に前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記リーン判定空燃比に達した場合、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記リーン判定空燃比に達したときに前記目標空燃比を前記リッチ設定空燃比に切り替える、請求項5に記載の内燃機関。
- 前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量よりも多いときにおける前記弱リーン設定空燃比が、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量以下のときにおける前記弱リーン設定空燃比よりも大きく、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量よりも多いときにおける前記弱リッチ設定空燃比が、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量以下のときにおける前記弱リッチ設定空燃比よりも小さい、請求項5又は6に記載の内燃機関。
- 前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量よりも多いときにおける前記リーン設定空燃比が、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量以下のときにおける前記リーン設定空燃比よりも大きく、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量よりも多いときにおける前記リッチ設定空燃比が、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量以下のときにおける前記リッチ設定空燃比よりも小さい、請求項3〜7のいずれか1項に記載の内燃機関。
- 前記空燃比制御装置は、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比に基づいて、前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比に切り替えてから前記目標空燃比を前記リッチ設定空燃比に切り替えるまでの期間に前記触媒に吸蔵される酸素の量である第1酸素量と、前記目標空燃比を前記リッチ設定空燃比に切り替えてから前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比に切り替えるまでの期間に前記触媒から放出される酸素の量である第2酸素量とを算出し、
前記空燃比制御装置は、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量以下のときには、前記第1酸素量と前記第2酸素量との差に基づいて学習値を更新し、該更新された学習値に基づいて、前記第1酸素量と前記第2酸素量との差が小さくなるように空燃比に関するパラメータを補正し、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量よりも多いときには、前記学習値を更新することなく現在の学習値に基づいて前記パラメータを補正する、請求項3〜8のいずれか1項に記載の内燃機関。
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