JP6579121B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。
内燃機関の複数の気筒のうち、一の気筒の空燃比をリッチ空燃比に制御し、他の気筒の空燃比をリーン空燃比に制御して、触媒を昇温させる昇温処理が知られている（例えば特許文献１参照）。
特開２０１２−０５７４９２号公報
上記のような昇温処理の実行中において燃料カットが実行されると、内燃機関での燃料噴射は停止される。このため、触媒には燃料が供給されずに吸入空気のみが通過し、触媒の温度が低下する可能性がある。
そこで本発明は、燃料カット要求があった場合に触媒の温度の低下を抑制できる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
上記目的は、内燃機関が有する複数の気筒のうち少なくとも一の前記気筒での空燃比を理論空燃比よりも小さいリッチ空燃比に制御し、残りの他の前記気筒での空燃比を前記理論空燃比よりも大きいリーン空燃比に制御し、燃料への点火を実行して、前記気筒からの排気を浄化する触媒を昇温させる昇温処理を実行する昇温処理部と、前記昇温処理の実行中であるか否かを判定する昇温処理判定部と、前記昇温処理の実行中に前記内燃機関の燃料噴射を停止させる燃料カットの要求があるか否かを判定する燃料カット要求判定部と、前記触媒の温度に相関するパラメータが前記触媒の温度が閾値以上であることを示しているか否かを判定する触媒温度判定部と、備え、前記昇温処理部は、前記昇温処理の実行中に前記燃料カット要求があり前記触媒の温度が前記閾値以上の場合に、燃料への点火を禁止しつつ燃料の噴射を継続して、前記昇温処理を継続し、前記昇温処理部は、前記リッチ空燃比と前記リーン空燃比との差分を、燃料への点火が禁止される場合の方が燃料への点火が実行される場合よりも小さく制御する、内燃機関の制御装置によって達成できる。
昇温処理の実行中に燃料カット要求があり触媒の温度が閾値以上の場合に、燃料への点火を禁止しつつ燃料の噴射が継続されるので、点火されていない未燃燃料が触媒に供給されて、触媒の温度により触媒周辺で燃焼する。このため、燃料カット要求がある場合であっても昇温処理が継続され、触媒の温度の低下が抑制される。
前記パラメータが前記触媒の温度が前記閾値未満であることを示している場合に、前記昇温処理を禁止して燃料カットを実行する燃料カット実行部を備えていてもよい。
本発明によれば、燃料カット要求があった場合に触媒の温度の低下を抑制できる内燃機関の制御装置を提供できる。
図１は、エンジンシステムの概略構成図である。 図２は、ＥＣＵが実行する制御の一例を示すフローチャートである。 図３は、昇温処理が継続される場合のタイムチャートである。 図４は、変形例における昇温処理が継続される場合のタイムチャートである。
図１は、エンジンシステム１の概略構成図である。エンジンシステム１は、走行のための動力源としてエンジン２０を搭載し、エンジン２０からの排気を浄化する三元触媒３１も搭載されている。エンジン２０は、シリンダブロック２１の上部に配置されたシリンダヘッド２２の燃焼室２３内で混合気を燃焼させて、ピストン２４を往復動させる。エンジン２０は、内燃機関の一例であり、４つの気筒を有した直列４気筒エンジンであるが、複数の気筒を有していればこれに限定されない。
エンジン２０のシリンダヘッド２２には、吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅとが気筒ごとに設けられている。また、シリンダヘッド２２の頂部には、燃焼室２３内の混合気に点火するための点火プラグ２７が気筒ごとに取り付けられている。
各気筒の吸気ポートは気筒毎の枝管を介してサージタンク１８に接続されている。サージタンク１８の上流側には吸気管１０が接続されており、吸気管１０の上流端にはエアクリーナ１９が設けられている。そして吸気管１０には、上流側から順に、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ１５と、電子制御式のスロットルバルブ１３とが設けられている。
また、各気筒の吸気ポートには、燃料を吸気ポート内に噴射する燃料噴射弁１２が設置されている。燃料噴射弁１２から噴射された燃料は吸入空気と混合されて混合気をなし、この混合気が吸気弁Ｖｉの開弁時に燃焼室２３に吸入され、ピストン２４で圧縮され、点火プラグ２７で点火燃焼させられる。尚、吸気ポート内に燃料を噴射する燃料噴射弁１２の代わりに、気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を設けてもよいし、吸気ポート内及び気筒内にそれぞれ燃料を噴射する燃料噴射弁の双方を備えていてもよい。
一方、各気筒の排気ポートは気筒毎の枝管を介して排気管３０に接続されている。排気管３０には、三元触媒３１が設けられている。三元触媒３１は、酸素吸蔵能を有し、ＮＯｘ，ＨＣおよびＣＯを浄化する。三元触媒３１は、例えば、コージェライト等の基材、特にはハニカム基材上に、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）等の触媒担体と、当該触媒担体上に担持された白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の触媒金属とを含む１つ又は複数の触媒層を形成したものである。三元触媒３１は、エンジン２０が有する複数の気筒から排出された排気を浄化する触媒の一例であって、酸化触媒や、酸化触媒でコートされたガソリンパティキュレートフィルターであってもよい。
三元触媒３１の上流側には、排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ３３が設置されている。空燃比センサ３３は、いわゆる広域空燃比センサであり、比較的広範囲に亘る空燃比を連続的に検出可能で、その空燃比に比例した値の信号を出力する。
エンジンシステム１は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及び記憶装置等を備える。ＥＣＵ５０は、ＲＯＭや記憶装置に記憶されたプログラムを実行することによりエンジン２０を制御し、エンジン２０の制御装置の一例である。またＥＣＵ５０は、後述する所定の制御を実行する。この制御は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭにより機能的に実現される、ＥＣＵ５０の昇温処理部、昇温処理判定部、燃料カット要求判定部、触媒温度判定部、及び燃料カット実行部により実現される。詳しくは後述する。
ＥＣＵ５０には、上述の点火プラグ２７、スロットルバルブ１３及び燃料噴射弁１２等が電気的に接続されている。またＥＣＵ５０には、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１１、スロットルバルブ１３のスロットル開度を検出するスロットル開度センサ１４、吸入空気量を検出するエアフローメータ１５、空燃比センサ３３、クランクシャフト２６のクランク角を検出するクランク角センサ２５、エンジン２０の冷却水の温度を検出する水温センサ２９や、その他の各種センサが図示されないＡ／Ｄ変換器等を介して電気的に接続されている。ＥＣＵ５０は、各種センサの検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、点火プラグ２７、スロットルバルブ１３、燃料噴射弁１２等を制御し、点火時期、燃料噴射量、燃料噴射時期、スロットル開度等を制御する。
次に、ＥＣＵ５０による目標空燃比の設定について説明する。エンジン２０の状態に応じて目標空燃比が設定される。目標空燃比は、過渡的ではない定常的な通常運転状態では、理論空燃比に設定される。目標空燃比が設定されると、空燃比センサ３３により検出された空燃比が目標空燃比に一致するように、各気筒への燃料噴射量がフィードバック制御される。
また、ＥＣＵ５０は、三元触媒３１が活性化する活性化温度や、三元触媒３１に堆積した硫黄化合物（ＳＯＸ）が離脱する再生温度にまで三元触媒３１を昇温させる昇温処理を実行する。具体的には、ＥＣＵ５０は、エンジン２０が有する複数の気筒のうち少なくとも一の気筒での空燃比を理論空燃比よりも小さいリッチ空燃比に制御し、残りの他の気筒での空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比に制御し、燃料への点火を実行して、気筒からの排気を浄化する三元触媒３１を昇温させる昇温処理を実行する昇温処理部の一例である。昇温処理は、ディザ制御とも称され、本実施例では、複数の気筒♯１〜♯４のうち気筒♯１での空燃比が理論空燃比よりも小さいリッチ空燃比に制御され、気筒♯２〜♯４での各空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン空燃比に制御される。
昇温処理での空燃比の制御は、具体的には、気筒♯１での空燃比を、上述した目標空燃比に対応した燃料噴射量よりも所定の割合で増量補正をしてリッチ空燃比に制御し、気筒♯２〜♯４での各空燃比を、目標空燃比に対応した燃料噴射量よりも所定の割合だけ減量補正してリーン空燃比に制御される。また、増減割合が例えば２０％の場合には、気筒♯１での空燃比は、目標空燃比に対応した燃料噴射量に対して１５％の増量補正によりリッチ空燃比に制御され、気筒♯２〜♯４での各空燃比は、燃料噴射量に対して５％の減量補正をしてリーン空燃比に制御される。このように増減割合が規定されることにより、全気筒♯１〜♯４の空燃比の平均は理論空燃比に維持される。このようにして昇温処理が実行されると、リッチ空燃比に制御された気筒♯１から排出された余剰燃料が、三元触媒３１に付着し、リーン空燃比から排出された排気によりリーン雰囲気下で燃焼する。これにより三元触媒３１が昇温される。尚、昇温処理の実行が開始されると、昇温処理実行フラグがＯＦＦからＯＮに切り替えられる。また、昇温処理では、全気筒♯１〜♯４の空燃比の平均が理論空燃比となるように増減割合が規定されるが、平均の空燃比が理論空燃比を含む所定の範囲内にあり三元触媒３１を昇温できれば、これに限定されない。
また、ＥＣＵ５０は、エンジン２０での燃料噴射を停止する燃料カットが要求される場合がある。このような燃料カットが要求される場合とは、例えばアクセル開度がゼロになる場合等である。一方、燃料カット要求がなくなる場合とは、例えばアクセル開度がゼロより大きくなる場合等である。
上記の昇温処理の実行中に燃料カットが実行されて燃料噴射が停止すると、三元触媒３１にはエンジン２０の吸入空気しか供給されないことになる。このため、三元触媒３１の温度が低下する可能性がある。そこで、ＥＣＵ５０は、昇温処理の実行中に燃料カット要求があった場合に、燃料への点火を禁止しつつ燃料噴射を継続して昇温処理を継続する。
図２は、ＥＣＵ５０が実行する制御の一例を示すフローチャートである。図２の制御は、所定の周期で繰り返し実行される。ＥＣＵ５０は、昇温処理の実行中か否かを判定し（ステップＳ１）、否定判定の場合には本制御は終了する。ステップＳ１の処理は、昇温処理の実行中であるか否かを判定する昇温処理判定部が実行する処理の一例である。
ステップＳ１で肯定判定の場合には、ＥＣＵ５０は、燃料カット要求があるか否かを判定し（ステップＳ３）、否定判定の場合には本制御は終了する。ステップＳ３の処理は、昇温処理の実行中にエンジンの燃料噴射を停止させる燃料カットの要求があるか否かを判定する燃料カット要求判定部が実行する処理の一例である。
ステップＳ３で肯定判定の場合には、三元触媒３１の温度が閾値以上であるか否かが判定される（ステップＳ５）。この閾値は、後述するように未燃燃料を三元触媒３１に供給された場合に、未燃燃料が三元触媒３１の温度によって燃焼可能か否かを判別するための温度である。三元触媒３１の温度は、例えばエンジン２０の回転数及び負荷に基づいて推定してもよいし、温度センサによって検出してもよい。
尚、三元触媒３１の温度は、上記のように推定、検出されるものでなくてもよい。例えば、エンジン２０の冷却水の温度が低いほど三元触媒３１の温度も低い場合が多い。従って、エンジン２０の冷却水の温度が所定値未満の場合には、エンジン２０の冷間始動時であり、三元触媒３１の温度は閾値未満であると判定し、冷却水の温度が所定値以上の場合には、エンジン２０の暖機が完了した状態であり三元触媒３１の温度は閾値以上と判定してもよい。また、エンジン２０の始動開始から所定のクランク回転数までは、始動開始からのクランク回転数が増大するほど、三元触媒３１の温度も上昇する。従って、エンジン２０の始動開始からクランクシャフト２６が所定のクランク回転数未満の場合には、三元触媒３１は暖機が完了していないとして三元触媒３１の温度は閾値未満と判定し、クランクシャフト２６が所定のクランク回転数以上回転している場合には、三元触媒３１の温度は閾値以上と判定してもよい。以上のように、三元触媒３１の温度のみならず、冷却水の温度、エンジン２０の始動開始時からのクランクシャフト２６の回転数等は、三元触媒３１の温度に相関するパラメータに相当する。ステップＳ５の処理は、三元触媒３１の温度に相関するパラメータが三元触媒３１の温度が閾値以上であることを示しているか否かを判定する触媒温度判定部が実行する処理の一例である。
ステップＳ５で肯定判定の場合、点火プラグ２７による燃料への点火を禁止しつつ（ステップＳ７ａ）、燃料噴射が継続される（ステップＳ９ａ）。これにより、エンジン２０では燃料は燃焼されないが、三元触媒３１に燃料が供給されて、三元触媒３１の温度により三元触媒３１周辺で燃料が燃焼する。即ち、昇温処理が継続される。このため、三元触媒３１の温度の低下が抑制される。尚、点火が禁止された状態での各気筒の空燃比は、点火が実行される状態での昇温処理の空燃比と同じに制御されている。
また、燃料への点火は禁止されているため、燃料の噴射が継続されてもエンジン２０の出力は増大しない。従って、燃料カットが実行される場合と、燃料カット要求がある場合に点火を伴わずに昇温処理が継続される場合とで、エンジン２０の出力状態は実質的に同じである。このため、燃料カット要求に対応した内燃機関の出力状態で、昇温処理を継続することができる。ステップＳ７ａ及びＳ９ａの処理は、昇温処理部が実行する、昇温処理の実行中に燃料カット要求がある場合には、燃料への点火を禁止しつつ燃料の噴射を継続して、昇温処理を継続する処理の一例である。
次に、再度燃料カット要求があるか否かが判定される（ステップＳ１１ａ）。肯定判定の場合には、ステップＳ７ａ及び９ａの処理が継続される。否定判定の場合には、燃料への点火の禁止が解除される（ステップＳ１３ａ）。これにより、昇温要求がある限り、燃料への点火を伴った昇温処理が実行される。
ステップＳ５で否定判定の場合には、昇温処理が禁止されて（ステップＳ７ｂ）、燃料カットが実行される（ステップＳ９ｂ）。即ち、燃料への点火のみならず燃料噴射自体も禁止される。三元触媒３１の温度が低い状態においてもステップＳ７ａ及びＳ９ａと同様の処理が実行されると、未燃燃料が三元触媒３１の熱により燃焼せずに三元触媒３１を通過して排気エミッションが悪化し、燃料が浪費される可能性がある。このため本実施例では、上述したように、三元触媒３１の温度が低い状態では昇温処理が禁止されて燃料カットが実行されるため、排気エミッションの悪化や燃料の浪費が抑制されている。ステップＳ７ｂ及びＳ９ｂの処理は、三元触媒３１の温度が閾値未満の場合に、昇温処理を禁止して燃料カットを実行する燃料カット実行部が実行する処理の一例である。
次に、再度燃料カット要求があるか否かが判定される（ステップＳ１１ｂ）。肯定判定の場合には、ステップＳ７ｂ及びＳ９ｂの処理が継続される。否定判定の場合には、昇温処理の禁止が解除され（ステップＳ１３ｂ）、燃料カットから通常運転状態へと復帰される（ステップＳ１５ｂ）。この場合、燃料カットの実行により三元触媒３１の温度は低下していると考えられるため、燃料カットからの復帰後に再び、点火を伴った昇温処理が実行される。
次に、タイムチャートを用いて昇温処理が継続される場合について説明する。図３は、昇温処理が継続される場合のタイムチャートである。図３には、昇温処理実行フラグ、燃料カット要求フラグ、燃料カット実行フラグ、点火禁止フラグ、及び燃料噴射量を示している。
時刻ｔ１で、昇温処理が実行されると、昇温処理実行フラグがＯＦＦからＯＮに切り替えられ、気筒♯１での燃料噴射量が増量補正されてリッチ空燃比に制御され、気筒♯２〜♯４での各燃料噴射量が減量補正されてリーン空燃比に制御される。また、点火禁止フラグはＯＦＦの状態であり、点火を伴った昇温処理が実行される。尚、燃料噴射は気筒♯１、♯３、♯４、♯２の順に実行される。
時刻ｔ２で、昇温処理の実行中に燃料カット要求フラグがＯＦＦからＯＮに切り替えられると、燃料カット実行フラグはＯＦＦに維持されたまま、点火禁止フラグはＯＦＦからＯＮに切り替えられ、燃料噴射は継続される。即ち、点火を伴わない昇温処理が継続され、三元触媒３１の温度の低下が抑制される。尚、昇温処理実行フラグはＯＮに維持される。
時刻ｔ３で燃料カット要求フラグがＯＮからＯＦＦに切り替えられると、点火禁止フラグはＯＮからＯＦＦに切り替えられて、点火を伴った昇温処理が再び実行される。時刻ｔ４で昇温処理が停止されると、昇温処理実行フラグはＯＮからＯＦＦに切り替えられる。
次に、点火を伴わない昇温処理の変形例について説明する。本変形例では、点火を伴わない昇温処理で制御されるリッチ空燃比とリーン空燃比との差分を、点火を伴う昇温処理で制御されたリッチ空燃比とリーン空燃比との差分よりも小さく制御される。図４は、変形例における昇温処理が継続される場合のタイムチャートである。点火を伴わない昇温処理が実行される時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間での燃料噴射量の増減割合は、点火を伴う昇温処理の実行中の期間での増減割合よりも減少されている。例えば、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間と、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間での、点火を伴う昇温処理での増量割合及び減量割合は、それぞれ１５％及び５％である。これに対して、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間での、点火を伴わない昇温処理の増量割合及び減量割合は、それぞれ７．５％及び２．５％である。
ここで、増量割合と減量割合との合計である増減割合が小さいほど、即ちリッチ空燃比とリーン空燃比との差分が小さいほど、三元触媒３１の昇温度合は小さくなる傾向となることが知られている。リッチ空燃比とリーン空燃比との差分が小さいほど、各気筒の空燃比は理論空燃比に近づくからである。このため、点火を伴わない昇温処理の実行中に、三元触媒３１が過昇温することが抑制される。
変形例での点火を伴わない昇温処理では、気筒全体の空燃比の平均が理論空燃比となるように燃料噴射が継続されるが、これに限定されない。例えば、リッチ空燃比を実現するための燃料の増量割合のみを、点火を伴う昇温処理での増量割合よりも減少させてもよいし、リーン空燃比を実現するための燃料の減量割合のみを、点火を伴う昇温処理での減量割合よりも減少させてもよい。燃料カット要求がある場合には、エンジン２０の出力を確保する必要がないため、エンジン２０の出力を確保する観点からの制約を受けずに、各気筒での空燃比をリッチ空燃比又はリーン空燃比に制御できるからである。
また、変形例においては、燃料カット要求フラグ及び点火禁止フラグがＯＦＦからＯＮに切り替えられる時刻ｔ２は、気筒♯１及び♯３の噴射時期の間であって１サイクルの途中であり、この場合、１サイクルが終了した後の次の気筒♯１から、増減割合が減少されるがこれに限定されない。燃料カット要求フラグ及び点火禁止フラグがＯＦＦからＯＮに切り替えられた直後に噴射する気筒での増減割合を減少させてもよい。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
上記実施例及び変形例では、昇温処理において、目標空燃比を実現する燃料噴射量に対して増減補正によりリッチ空燃比及びリーン空燃比を実現していたが、これに限定されない。即ち、昇温処理において、何れか一の気筒の目標空燃比をリッチ空燃比に設定し、残りの他の気筒の目標空燃比をリーン空燃比に直接設定してもよい。
１ エンジンシステム
２０ エンジン（内燃機関）
３１ 三元触媒（触媒）
５０ ＥＣＵ（内燃機関の制御装置、昇温処理部、昇温処理判定部、燃料カット要求判定部、触媒温度判定部、及び燃料カット実行部）

Claims (2)

  1. 内燃機関が有する複数の気筒のうち少なくとも一の前記気筒での空燃比を理論空燃比よりも小さいリッチ空燃比に制御し、残りの他の前記気筒での空燃比を前記理論空燃比よりも大きいリーン空燃比に制御し、燃料への点火を実行して、前記気筒からの排気を浄化する触媒を昇温させる昇温処理を実行する昇温処理部と、
    前記昇温処理の実行中であるか否かを判定する昇温処理判定部と、
    前記昇温処理の実行中に前記内燃機関の燃料噴射を停止させる燃料カットの要求があるか否かを判定する燃料カット要求判定部と、
    前記触媒の温度に相関するパラメータが前記触媒の温度が閾値以上であることを示しているか否かを判定する触媒温度判定部と、
    を備え、
    前記昇温処理部は、前記昇温処理の実行中に前記燃料カット要求があり前記触媒の温度が前記閾値以上の場合に、燃料への点火を禁止しつつ燃料の噴射を継続して、前記昇温処理を継続し、
    前記昇温処理部は、前記リッチ空燃比と前記リーン空燃比との差分を、燃料への点火が禁止される場合の方が燃料への点火が実行される場合よりも小さく制御する、内燃機関の制御装置。
  2. 前記パラメータが前記触媒の温度が前記閾値未満であることを示している場合に、前記昇温処理を禁止して燃料カットを実行する燃料カット実行部を備えている、請求項１の内燃機関の制御装置。
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