JP6747595B2 - 内燃機関の制御方法および制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関のスロットル弁下流の吸気圧を制御する制御方法および制御装置に関し、特に、触媒コンバータの暖機促進制御に関する。

特許文献１には、内燃機関の冷間始動後の触媒暖機促進制御として、アイドル時に、吸入空気量の増量（補助空気量の増量もしくはスロットル弁開度の増加）を行うとともに、点火時期リタードを行うことが記載されている。そして、ブレーキブースタ内の負圧と大気圧との差圧が所定圧力よりも小さくなったら、これらの吸入空気量の増量と点火時期リタードとによる触媒暖機促進制御を徐々に抑制することが開示されている。

しかしながら、特許文献１の発明は、触媒暖機促進制御の実行中にブレーキブースタ内の負圧と大気圧との差圧が徐々に小さくなっていくような状況を想定した制御となっており、大気圧の低い高地において内燃機関を始動した場合に、ブレーキブースタの負圧を直ちに確保することができない。また、一定の大気圧の下では、ブレーキブースタの負圧が不足すると吸入空気量が減少し、かつブレーキブースタの負圧が回復すると吸入空気量が増加するように制御がなされるので、回転速度変動の要因となる。

特開２００２−１８８５００号公報

この発明は、排気浄化用触媒コンバータを備えるとともに、スロットル弁下流から負圧が供給されるブレーキブースタを備えた内燃機関において、上記触媒コンバータの暖機を促進すべきアイドル運転時に、大気圧を検出し、検出した大気圧を所定の大気圧閾値と比較し、大気圧が上記大気圧閾値よりも高いときは、所定のアイドル回転速度の維持に必要な吸気圧に上記触媒コンバータの暖機を促進するために必要な熱効率低下相当分を上乗せした第１の目標吸気圧に吸気圧を制御し、大気圧が上記大気圧閾値よりも低いときは、上記ブレーキブースタに必要な差圧が得られる範囲内で最も高い第２の目標吸気圧に吸気圧を制御する。上記大気圧閾値は、標高に対して変化する上記第１の目標吸気圧と上記第２の目標吸気圧とが互いに一致する標高における大気圧に設定される。

従って、標高に応じて変化する大気圧が所定の圧力閾値よりも高いときには、吸入空気量の大幅な増量により触媒コンバータの早期暖機を達成でき、大気圧が所定の圧力閾値よりも低いときは、始動直後からブレーキブースタに必要な負圧を確保することができる。

この発明に係る内燃機関のシステム構成を示す構成説明図。 触媒暖機運転時の制御の流れを示すフローチャート。 点火時期フィードバック補正の制御の流れを示すフローチャート。 標高に対する吸気圧等の関係を示す特性図。 触媒暖機運転時の点火時期リタードの特性を示す特性図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明が適用された自動車用内燃機関１のシステム構成を示している。この実施例の内燃機関１は、いわゆる自然給気による４ストロークサイクルの火花点火式内燃機関であって、各シリンダ３の天井壁面に、一対の吸気弁４および一対の排気弁５が配置されているとともに、これらの吸気弁４および排気弁５に囲まれた中央部に点火プラグ６が配置されている。

上記吸気弁４を介して燃焼室１３に接続される吸気通路１４には、各気筒毎にポート噴射用燃料噴射弁１５が配置されている。また、各シリンダ３の中へ直接に燃料を噴射するように、筒内噴射用燃料噴射弁１６が設けられている。すなわち、図示例は、いわゆるデュアルインジェクション方式の燃料噴射システムとなっており、負荷等に応じてポート噴射用燃料噴射弁１５と筒内噴射用燃料噴射弁１６とを適宜に用いて燃料供給を行っている。吸気通路１４の吸気コレクタ１８よりも上流側には、エンジンコントローラ１０からの制御信号によって開度が制御される電子制御型スロットル弁１９が介装されている。スロットル弁１９の上流には、エアクリーナ２１が配設されている。スロットル弁１９とエアクリーナ２１との間には、吸入空気量を検出するエアフロメータ２０と、大気圧を検出する大気圧センサ２２と、が配置されている。

また、この内燃機関１が搭載される車両の制動システムは、負圧式のブレーキブースタ８を備えている。このブレーキブースタ８には、吸気コレクタ１８から負圧配管９を介して作動源となる負圧が供給される。なお、負圧配管９は、図示せぬ逆止弁を備えている。

上記排気弁５を介して燃焼室１３に接続される排気通路２５には、三元触媒からなる触媒コンバータ２６が配設されている。なお、触媒コンバータ２６は、例えば、比較的上流に配置されるプリ触媒コンバータと車両床下等に配置されるメイン触媒コンバータとを含んで構成されるが、図では１つのものとして簡略化して示している。排気弁５と触媒コンバータ２６との間には、空燃比を検出する空燃比センサ２８が配置されている。触媒コンバータ２６には、この触媒コンバータ２６の触媒温度を検出する触媒温度センサ２７が配置されている。なお、触媒コンバータ２６の入口に排気温度を検出する排気温度センサを設け、ここで検出した排気温度から触媒コンバータ２６の触媒温度を推定するようにしてもよい。

また、内燃機関１のシリンダ３を囲むウォータジャケット３０には、内燃機関１の温度を代表する冷却水温度を検出する水温センサ３１が設けられている。

上記エンジンコントローラ１０には、上記のエアフロメータ２０、大気圧センサ２２、触媒温度センサ２７、空燃比センサ２８、水温センサ３１のほか、機関回転速度を検出するためのクランク角センサ３４、運転者により操作されるアクセルペダルの踏込量を検出するアクセル開度センサ３６、等のセンサ類の検出信号が入力されている。エンジンコントローラ１０は、これらの検出信号に基づき、燃料噴射弁１５，１６による燃料噴射量および噴射時期、点火プラグ６による点火時期、スロットル弁１９の開度、等を最適に制御している。

以下、図２のフローチャートに基づいて、内燃機関１の冷間始動時に触媒コンバータ２６の早期活性化のためにエンジンコントローラ１０が実行する触媒暖機促進制御を具体的に説明する。なお、このフローチャートに示すルーチンは、適宜な間隔（例えば微小時間間隔）で繰り返し実行される。

ステップ１（図中ではＳ１等と記す）では、制御に必要な種々のパラメータを読み込む。例えば、内燃機関１の目標トルクｔＴｑ、機関回転速度Ｎｅ、冷却水温度Ｔｗ、大気圧Ｐａ、触媒温度Ｔｃ、等を読み込む。次に、ステップ２では、冷却水温度Ｔｗや触媒温度Ｔｃ等に基づいて、触媒暖機要求の有無を判定する。触媒暖機の要求がなければ、ステップ２から後述するステップ１２へ進む。

触媒暖機要求があれば、ステップ２からステップ３へ進み、アイドル運転であるか否かを判定する。例えば、車両が停止していて、アクセル開度センサ３６によって検出されるアクセルペダルの踏込量が実質的に０であり、かつ変速機の変速位置がニュートラル位置にあるときに、アイドル運転であると判定する。アイドル運転でなければ、ステップ３から後述するステップ１２へ進む。

ステップ３でアイドル運転であると判定したら、ステップ４へ進む。ステップ４では、そのときの大気圧Ｐａを所定の圧力閾値Ｐａｔｈと比較する。大気圧Ｐａが所定の圧力閾値Ｐａｔｈよりも大きければ、ステップ４からステップ５へ進む。ステップ５では、目標吸気圧（吸気コレクタ１８内の圧力）として、触媒コンバータ２６の暖機を促進するために必要な吸入空気量が得られる吸気圧Ｐｃを、そのときの大気圧Ｐａに基づいて求める。この触媒コンバータ２６の暖機を促進するために必要な吸入空気量が得られる吸気圧Ｐｃの値は、例えば大気圧Ｐａをパラメータとしたテーブルとして予め与えられている。

ステップ５からステップ６へ進み、このステップ６では、大気圧Ｐａと目標吸気圧Ｐｃとから、目標Ｂｏｏｓｔ比を「Ｐｃ／Ｐａ」として求める。Ｂｏｏｓｔ比は、大気圧（そのときの大気圧）と吸気コレクタ１８内の吸気圧との比である。目標Ｂｏｏｓｔ比は、スロットル弁１９の開度制御により達成すべきＢｏｏｓｔ比である。

ステップ６からステップ７へ進み、このステップ７では、目標Ｂｏｏｓｔ比と、機関回転速度Ｎｅと、シリンダ３の有効排気量と、に基づいてスロットル弁１９の目標開度ｔＴＶＯを求める。シリンダ３の有効排気量は、バルブタイミング等による充填効率を考慮したシリンダ３の実質的な排気量である。すなわち、吸気コレクタ１８内の吸気圧は、単位時間当たりに吸気コレクタ１８から流出する空気量（つまりシリンダ３へ吸入される空気量）と、同じく単位時間当たりにスロットル弁１９を通過して吸気コレクタ１８内へ流入する空気量と、によって定まる。吸気コレクタ１８から流出する空気量およびスロットル弁１９を介して吸気コレクタ１８内へ流入する空気量は、それぞれベルヌーイの式を用いて求めることができ、従って、目標Ｂｏｏｓｔ比（Ｐｃ／Ｐａ）を実現するのに必要なスロットル弁１９の目標開度ｔＴＶＯが定まる。なお、このときの目標開度ｔＴＶＯは、触媒暖機要求がないときのアイドル運転時のスロットル弁１９の開度に比較して大きな開度となっており、触媒暖機に必要な過剰な吸入空気量が内燃機関１に与えられることとなる。そして、燃料噴射弁１５，１６の燃料噴射量は、基本的に、吸入空気量に比例して制御される。

次にステップ７からステップ８へ進み、このステップ８において、点火時期（特にそのフィードフォワード制御分ＦＦ）を、目標トルクｔＴｑと目標の吸気圧Ｐｃと機関回転速度Ｎｅとに基づいて算出する。具体的には、上記のような過剰な吸入空気量および燃料噴射量に対して、熱効率を低下させて発生するトルクを目標トルクｔＴｑと合致させるように、ＭＢＴ点から大幅に遅角させたものとして点火時期が求められる。

一方、ステップ４において、そのときの大気圧Ｐａが所定の圧力閾値Ｐａｔｈよりも低ければ（フローチャート上では、圧力閾値Ｐａｔｈ以下であれば）、ステップ４からステップ９へ進み、ブレーキブースタ８に必要な差圧Ｐｂが得られるように、目標Ｂｏｏｓｔ比を設定する。具体的には、そのときの大気圧Ｐａに対してブレーキブースタ８に必要な差圧Ｐｂが得られる吸気圧（Ｐａ−Ｐｂ）を目標の吸気圧とし、これに基づき、目標Ｂｏｏｓｔ比を「（Ｐａ−Ｐｂ）／Ｐａ」とする。なお、ブレーキブースタ８に必要な差圧Ｐｂが得られる吸気圧（Ｐａ−Ｐｂ）は、例えば大気圧Ｐａをパラメータとしたテーブルとして予め与えられている。

ステップ９からステップ１０へ進み、前述したステップ７と同様に、目標Ｂｏｏｓｔ比と、機関回転速度Ｎｅと、シリンダ３の有効排気量と、に基づいてスロットル弁１９の目標開度ｔＴＶＯを求める。ここでは、やはり触媒暖機要求がないときのアイドル運転時のスロットル弁１９の開度よりも大きな目標開度ｔＴＶＯが与えられる。そして、ステップ１０からステップ１１へ進み、前述したステップ８と同様に、点火時期（特にそのフィードフォワード制御分ＦＦ）を、目標トルクｔＴｑと目標の吸気圧（Ｐａ−Ｐｂ）と機関回転速度Ｎｅとに基づいて算出する。このときの点火時期は、やはりＭＢＴ点から遅角したものとなり、熱効率を低下させることで発生するトルクが目標トルクｔＴｑと合致するようになる。

触媒暖機要求がないときおよび非アイドル運転時には、ステップ２，３からステップ１２へ進む。ステップ１２において、目標トルクｔＴｑに基づいて目標Ｂｏｏｓｔ比を算出する。つまり、そのときの大気圧Ｐａの下で目標トルクｔＴｑを得るのに必要な吸気圧と、そのときの大気圧Ｐａと、の比が目標Ｂｏｏｓｔ比となる。ステップ１２からステップ１３へ進み、ステップ７，１０と同様に、目標Ｂｏｏｓｔ比と、機関回転速度Ｎｅと、シリンダ３の有効排気量と、に基づいてスロットル弁１９の目標開度ｔＴＶＯを求める。このときの目標開度ｔＴＶＯは、運転者が要求する目標トルクｔＴｑに見合ったものとなる。そして、ステップ１３からステップ１４へ進み、点火時期を算出する。このときの点火時期は、通常運転に対応する点火時期であり、ＭＢＴ点近傍に設定される。

図３のフローチャートは、触媒暖機要求に対応したアイドル運転時のアイドル回転速度制御のための点火時期フィードバック制御を示している。すなわち、図２のフローチャートに示した触媒暖機促進制御では、アイドル回転速度制御が吸入空気量の可変制御によらずに点火時期制御によって行われる。このフローチャートに示すルーチンは、適宜な間隔例えば微小時間間隔で繰り返し実行されるものであって、ステップ２１では触媒暖機要求があるか否かを判定し、ステップ２２ではアイドル運転であるか否かを判定する。触媒暖機要求がないときあるいは非アイドル運転時には、アイドル回転速度制御のための点火時期フィードバック制御は行わない。なお、触媒暖機要求がないときのアイドル運転時には、例えば、目標アイドル回転速度と実アイドル回転速度との偏差に基づくスロットル弁１９の開度のフィードバック制御によって、アイドル回転速度制御がなされる。

触媒暖機要求がありかつアイドル運転であれば、ステップ２２からステップ２３へ進み、目標アイドル回転速度ｔＮｅと実際の機関回転速度Ｎｅとを比較する。目標アイドル回転速度ｔＮｅがそのときの機関回転速度Ｎｅよりも高ければ、ステップ２３からステップ２４へ進み、点火時期を例えば一定の微小量だけ進角側へフィードバック補正する。この進角補正により熱効率が向上し、アイドル回転速度が上昇しようとする。目標アイドル回転速度ｔＮｅがそのときの機関回転速度Ｎｅ以下であれば、ステップ２３からステップ２５へ進み、点火時期を例えば一定の微小量だけ遅角側へフィードバック補正する。この遅角補正により熱効率が低下し、アイドル回転速度が低下しようとする。

従って、触媒暖機要求がありかつアイドル運転であるときの最終的な点火時期は、ステップ８，１１において求められるフィードフォワード分にステップ２４，２５のフィードバック分を加えたものとなる。これにより、機関回転速度Ｎｅが所望の目標アイドル回転速度ｔＮｅに維持される。

図４は、標高を横軸として、大気圧Ｐａ、触媒コンバータ２６の暖機を促進するために必要な吸入空気量が得られる吸気圧Ｐｃ、ブレーキブースタ８に必要な差圧Ｐｂが得られる吸気圧（Ｐａ−Ｐｂ）、触媒暖機完了後におけるアイドル運転時に必要な吸気圧Ｐｉｄ、の各々の特性を示したものである。図示するように、標高が高くなるほど大気圧Ｐａは低くなる。アイドル運転時に必要な吸気圧Ｐｉｄ、詳しくは一定のアイドル回転速度を維持するのに必要な吸気圧Ｐｉｄは、大気圧が低いほどポンピングロスが低下することから、標高が高くなるほど低下する傾向を有する。但し、大気圧Ｐａの低下の勾配に比較して、アイドル運転時に必要な吸気圧Ｐｉｄの低下勾配は緩やかである。

触媒コンバータ２６の暖機を促進するために必要な吸入空気量が得られる吸気圧Ｐｃは、燃焼不安定化を招かない範囲内で最大の点火時期リタードを行うように設定されている。従って、基本的に、アイドル運転時に必要な吸気圧Ｐｉｄの特性と平行となるような特性、つまりアイドル運転時に必要な吸気圧Ｐｉｄに対して点火時期リタードによって低下する熱効率低下相当分を上乗せした特性に設定されている。

ブレーキブースタ８に必要な差圧Ｐｂが得られる吸気圧（Ｐａ−Ｐｂ）は、大気圧Ｐａから一定の差圧Ｐｂを差し引いた特性となる。

ここで、触媒コンバータ２６の暖機を促進するために必要な吸入空気量が得られる吸気圧Ｐｃと、ブレーキブースタ８に必要な差圧Ｐｂが得られる吸気圧（Ｐａ−Ｐｂ）と、は、平地（標高＝０）においては、後者のブレーキブースタ８に必要な差圧Ｐｂが得られる吸気圧（Ｐａ−Ｐｂ）の方が相対的に高い。そして、両者はある標高Ｈ１（つまりある大気圧）において、互いに一致する。このことは、平地においては、触媒暖機促進に十分なように点火時期リタードの限界まで吸入空気量を増加補正しても、ブレーキブースタ８に必要な差圧Ｐｂが確保できるものの、上記の標高Ｈ１よりも高地においては、仮に点火時期リタードの限界まで吸入空気量を増加補正するとブレーキブースタ８に必要な差圧Ｐｂを確保できない、ということを意味する。

上記実施例の圧力閾値Ｐａｔｈは、触媒コンバータ２６の暖機を促進するために必要な吸入空気量が得られる吸気圧Ｐｃと、ブレーキブースタ８に必要な差圧Ｐｂが得られる吸気圧（Ｐａ−Ｐｂ）と、が互いに一致する標高Ｈ１における大気圧Ｐａの値である。

従って、上記実施例によれば、標高Ｈ１よりも低い標高の地域においては、触媒コンバータ２６の暖機を促進するために必要な吸入空気量が得られる吸気圧Ｐｃが目標吸気圧となり、この目標吸気圧Ｐｃを得るようにスロットル弁１９の開度が制御される。そして、同時に、最大限の点火時期リタードが行われる。この標高Ｈ１よりも低い標高での目標吸気圧Ｐｃの特性は、前述したように、大気圧Ｐａが低いほど低くなる傾向を有する。これに対し、標高Ｈ１よりも高い高地においては、ブレーキブースタ８に必要な差圧Ｐｂが得られる吸気圧（Ｐａ−Ｐｂ）が目標吸気圧となり、この目標吸気圧（Ｐａ−Ｐｂ）を得るようにスロットル弁１９の開度が制御される。そして、同時に、過剰な吸入空気量および燃料噴射量を相殺するように、点火時期リタードが行われる。

図５は、標高に対する点火時期リタードの特性を示している。この図では、縦軸の上側が進角側となるようにしてアイドル運転時の点火時期に加えられる点火時期リタードの大きさが示されている。前述したように、圧力閾値Ｐａｔｈに対応する標高Ｈ１に達するまでは、燃焼安定性等の制限の上で可能な最大限の点火時期リタードが与えられる。そして、標高Ｈ１よりも高地においては、上乗せされる吸入空気量および燃料噴射量が標高に応じて減少していくことに対応して、点火時期リタードは徐々に小さくなっていく。

このように、上記実施例では、アイドル運転時に、標高に応じて変化する大気圧Ｐａが所定の圧力閾値Ｐａｔｈよりも高いときは、スロットル弁１９を介して、触媒コンバータ２６の暖機を促進するために必要な吸入空気量が得られる吸気圧Ｐｃに制御し、所定の圧力閾値Ｐａｔｈよりも低いときには、スロットル弁１９を介して、ブレーキブースタ８に必要な差圧Ｐｂが得られる吸気圧（Ｐａ−Ｐｂ）に制御する。

従って、アイドル時に触媒暖機促進を図りつつブレーキブースタ８の負圧を確保することができる。特に、上記実施例では、大気圧Ｐａが所定の圧力閾値Ｐａｔｈよりも低いときに、ブレーキブースタ８に必要な差圧Ｐｂが得られる範囲内で最も高い吸気圧（Ｐａ−Ｐｂ）に制御するので、大気圧Ｐａが低い状況下でも最大限の触媒暖機促進が図れる。内燃機関１の始動直後から標高（大気圧Ｐａ）に応じた適切な制御がなされるので、高地においても、初期からブレーキブースタ８の負圧が確実に確保される。

なお、上記実施例では、スロットル弁１９の開度制御によって吸気圧の制御がなされているが、スロットル弁１９をバイパスするバイパス通路および該バイパス通路の流量を可変制御するバイパス制御弁を設けて、バイパス制御弁の制御によって触媒暖機促進のための吸入空気量の制御を行うように構成することも可能である。

あるいは、機械式過給機等の利用により吸気圧を直接に制御する構成も可能である。

Claims (5)

1. 排気浄化用触媒コンバータを備えるとともに、スロットル弁下流から負圧が供給されるブレーキブースタを備えた内燃機関の制御方法であって、
   上記触媒コンバータの暖機を促進すべきアイドル運転時に、
   大気圧を検出し、
   検出した大気圧を所定の大気圧閾値と比較し、
   大気圧が上記大気圧閾値よりも高いときは、所定のアイドル回転速度の維持に必要な吸気圧に上記触媒コンバータの暖機を促進するために必要な熱効率低下相当分を上乗せした第１の目標吸気圧に吸気圧を制御し、
   大気圧が上記大気圧閾値よりも低いときは、上記ブレーキブースタに必要な差圧が得られる範囲内で最も高い第２の目標吸気圧に吸気圧を制御し、
   ここで、上記大気圧閾値は、標高に対して変化する上記第１の目標吸気圧と上記第２の目標吸気圧とが互いに一致する標高における大気圧に設定される、内燃機関の制御方法。
2. 上記触媒コンバータの暖機を促進すべきアイドル運転時に、点火時期リタードを併せて行う、請求項１に記載の内燃機関の制御方法。
3. 上記第１の目標吸気圧は、大気圧が低いほど低くなる傾向の特性を有する、請求項１または２に記載の内燃機関の制御方法。
4. 上記スロットル弁の開度制御により上記の吸気圧の制御を行う、請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の制御方法。
5. 排気浄化用触媒コンバータを備えるとともに、スロットル弁下流から負圧が供給されるブレーキブースタを備えた内燃機関の制御装置であって、
   上記触媒コンバータの暖機状態を検出する温度検出部と、
   内燃機関がアイドル運転にあることを検出するアイドル検出部と、
   大気圧を検出する大気圧検出部と、
   検出した大気圧を所定の大気圧閾値と比較する比較部と、
   上記触媒コンバータの暖機を促進すべきアイドル運転時に、大気圧が上記大気圧閾値よりも高いときは、所定のアイドル回転速度の維持に必要な吸気圧に上記触媒コンバータの暖機を促進するために必要な熱効率低下相当分を上乗せした第１の目標吸気圧を得るようにスロットル開度を制御し、大気圧が上記大気圧閾値よりも低いときは、上記ブレーキブースタに必要な差圧が得られる範囲内で最も高い第２の目標吸気圧を得るようにスロットル開度を制御する、スロットル制御部と、
   を備えてなり、
   上記大気圧閾値は、標高に対して変化する上記第１の目標吸気圧と上記第２の目標吸気圧とが互いに一致する標高における大気圧に設定されている、内燃機関の制御装置。

Images