JP7086728B2

JP7086728B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP7086728B2
Application number: JP2018106060A
Authority: JP
Inventors: 勇介北田; 圭佑福田
Original assignee: Denso Corp; Suzuki Motor Co Ltd
Current assignee: Denso Corp; Suzuki Motor Co Ltd
Priority date: 2018-06-01
Filing date: 2018-06-01
Publication date: 2022-06-20
Anticipated expiration: 2038-06-01
Also published as: JP2019210835A

Description

本開示は、内燃機関の制御装置に関する。

一般に、内燃機関の冷機時には排気通路に設けられた触媒装置も冷機状態にあり、触媒装置が活性温度になるまでは排気ガスの浄化性能が十分に得られない。このため、触媒装置の冷機時に点火時期を遅角させることで、触媒装置の早期暖機を図る制御が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の制御は、触媒装置の冷機時に点火時期を遅角させることで、内燃機関の排気行程に近いタイミングで燃料を燃焼させて、高温の排気ガスを触媒装置に導入して触媒装置を活性温度まで早期に暖機することが可能になっている。

特開平６－２８０７２９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の制御では、吸気温度を基準にして点火時期が遅角されているが、触媒温度は常に吸気温度に近い温度になっているわけではなく、例えば、吸気温度よりも遥かに高くなっている場合もある。このため、吸気温度を基準とした点火時期の遅角量では、必要以上に触媒装置を加熱して燃費が悪化する可能性があった。

本開示はかかる点に鑑みてなされたものであり、最適な点火時期に調整することで、過剰な加熱を抑えつつ触媒装置の早期活性を実現し、燃費を向上させるという効果を奏しうる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

本開示の一態様の内燃機関の制御装置は、触媒装置を暖機させるために点火時期を制御する内燃機関の制御装置であって、外気温度を測定する外気温センサと、排気温度を測定する排気温センサと、外気温度と排気温度の差分温度を算出する算出部と、前記触媒装置の冷機状態を基準にした遅角量で点火時期を制御する制御部と、差分温度が所定温度差以上の場合に点火時期の遅角量を補正する補正部とを備えたことを特徴とする。

本開示の一態様の内燃機関の制御装置によれば、外気温度と排気温度の差分温度が所定温度差未満の場合には、触媒装置が外気温度に近い冷機状態と推定され、触媒装置の冷機状態を基準にした遅角量で点火時期が制御される。一方で、外気温度と排気温度の差分が所定温度差以上の場合には、触媒装置が冷機状態よりも暖かい中冷機状態と推定され、触媒装置の冷機状態を基準にした遅角量が補正されて補正後の遅角量で点火時期が制御される。よって、触媒装置の暖まり具合に応じた最適な点火時期に調整することで、過剰な加熱を抑えつつ触媒装置の早期活性を実現し、燃費を向上させることができる。

本実施の形態の内燃機関の周辺模式図である。本実施の形態の内燃機関の制御装置の制御ブロックである。本実施の形態の点火時期の制御動作のフローチャートである。

以下、本実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施の形態の内燃機関の周辺模式図である。なお、以下の説明では、本開示の技術を車両に適用する構成について説明するが、触媒装置が設置される他の乗り物に適用することが可能である。

図１に示すように、内燃機関１は、吸気通路１１を通じて取り込まれた空気に燃料を混合して、燃焼室１２内で燃焼させて動力を発生し、排気通路１３を通じて燃焼後の排気ガスを外部に排出するように構成されている。吸気通路１１には、アクセルペダル１５の踏込量に応じて開閉するスロットルバルブ１６と、吸気通路１１内の圧力を測定する圧力センサ１７と、吸気通路１１内の吸気温度を測定する吸気温センサ１８とが設置されている。スロットルバルブ１６のバルブ開度に応じて燃焼室１２に送り込まれる空気量が調整され、圧力センサ１７で測定された圧力に応じて燃料噴射量等が制御され、吸気温センサ１８で測定された吸気温度に応じて酸素濃度が推定される。

内燃機関１のシリンダ２１には、吸気通路１１の吸気ポート２２に燃料を噴射するポートインジェクタ２６が設置されている。ポートインジェクタ２６によって内燃機関１の吸気行程で燃料が噴射される。ここではポートインジェクタ２６を例示しているが、シリンダ２１に筒内インジェクタを設置して内燃機関１の圧縮行程で燃料を噴射してもよい。また、シリンダ２１には、吸気通路１１の吸気ポート２２を開閉する吸気バルブ２３と、排気通路１３の排気ポート２４を開閉する排気バルブ２５とが設置されている。燃焼室１２の上部には点火プラグ２８が突設され、点火プラグ２８には点火コイル２９が接続されている。

吸気バルブ２３の開弁により吸気通路１１を通じて混合気が燃焼室１２に送り込まれて、点火コイル２９の高圧電流で点火プラグ２８が放電されて燃焼室１２内の混合気が着火される。燃料の燃焼によってクランクケース内のピストン３２が一気に押下げられて、ピストン３２の下動がコンロッド３３を介してクランクシャフト３４に伝達される。そして、排気バルブ２５の開弁によって排気ポート２４から排気ガスが排出され、排気通路１３に設置された触媒装置３８によって排気ガスに含まれる一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等の大気汚染物質が浄化される。

触媒装置３８は、容器内にハニカム状又は格子状の仕切板を設置して、仕切板の表面に触媒物質を付着して構成されている。この触媒物質は低温時には大気汚染物質に対する浄化性能を十分に発揮できないため、通常は排気通路１３の排気マニホールド（不図示）の直後に触媒装置３８が設置されている。触媒装置３８は低温では十分に機能しないが、高温になり過ぎると正常に機能せずに破損する恐れがある。このため、排気通路１３には触媒装置３８周りの排気温度を測定する排気温センサ３９が設置され、触媒装置３８に対する異常な加熱が防止されている。

内燃機関１には、上記した以外にも各種センサが設置されており、例えば、クランクケース３１にはクランクシャフト３４の回転数を測定する回転数センサ３５が設置され、シリンダ２１のウォータジャケットには冷却水温度を測定する水温センサ３６が設置されている。また、車両（不図示）のエンジンルーム内には外気温度を測定する外気温センサ４３（図２参照）が設置されている。これらのセンサはＥＣＵ（Electrical Control Unit）５０に接続されており、センサからＥＣＵ５０に対して信号が入力されて車両全体が統括制御されている。

このような内燃機関１の始動直後は、触媒装置３８の触媒物質が低温であり、大気汚染物質に対する浄化性能を十分に発揮することができない。内燃機関１の点火時期を遅角させて燃焼タイミングを排気行程に近づけることで、触媒装置３８に送り込まれる排気ガスの余熱を高めて、高温の排気ガスによって触媒装置３８の早期活性化を図ることができる。通常は内燃機関１の始動直後は触媒温度が吸気温度に近い冷機状態であるという前提で、吸気温度や内燃機関１の冷却水温度を基準にして点火時期が遅角されるが、内燃機関１の始動直後であっても触媒装置３８が常に冷機状態であるとは限らない。

実際には吸気温度等は触媒装置３８の活性状況に対応してはいないため、吸気温度等を基準にした遅角量では点火時期を最適に制御できず、必要以上に触媒装置３８を加熱する場合がある。また、排気温センサ３９によって触媒装置３８周りの排気温度を検出できるが、内燃機関１の始動時の触媒温度までは精度良く推定することができない。内燃機関１の始動時には、触媒装置３８周りの排気温度が、少なくとも触媒温度と外気温度の影響を受けているため、排気温センサ３９で検出した排気温度だけでは触媒温度を推定することが難しい。

例えば、排気温センサ３９で同じ排気温度が検出されても、外気温度が低ければ触媒温度が排気温度の増加に寄与した割合が大きく、外気温度が高ければ触媒温度が排気温度の増加に寄与した割合が小さいはずである。このように、排気温度だけでは適切な遅角量で内燃機関１の点火時期を制御することはできない。そこで、本実施の形態では、外気温度と排気温度の差分温度から触媒装置３８が排気温度に与えた影響を間接的に検出して、差分温度が所定温度差以上の場合に触媒装置３８が冷機状態よりも暖かい中冷機状態と推定し、吸気温度等を基準にした遅角量を補正するようにしている。

以下、図２を参照して、内燃機関の制御構成について説明する。図２は、本実施の形態の内燃機関の制御装置の制御ブロックである。なお、図２には、説明の便宜上、本開示の技術を説明するために簡略化したものであり、車両が通常備える構成については備えているものとする。

図２に示すように、ＥＣＵ５０の入力ポートには、水温センサ３６、吸気温センサ１８、外気温センサ４３、排気温センサ３９、吸入空気量センサ１９、圧力センサ１７、回転数センサ３５等の各種センサが接続されている。ＥＣＵ５０の出力ポートには、点火コイル２９、ポートインジェクタ２６が接続されている。ＥＣＵ５０は、各種処理を実行するプロセッサやメモリ等によって構成されている。メモリは、用途に応じてＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の記憶媒体で構成されている。メモリには、各種パラメータや各種マップ情報の他、内燃機関１に遅角量の制御動作を実行させるためのプログラムが記憶されている。

ＥＣＵ５０は、暖機要求判定部５１、点火時期制御部（制御部）５２、差分温度算出部（算出部）５３、点火時期補正部（補正部）５４、要求噴射量算出部５５を備えている。暖機要求判定部５１は、水温センサ３６で測定された冷却水温度から暖機要求の有無を判定している。暖機要求判定部５１では、冷却水温度が所定温度未満の場合には、触媒温度が活性温度未満と推定して暖機要求有りと判定され、冷却水温度が所定温度以上の場合には、触媒温度が活性温度以上と推定して暖機要求無しと判定される。なお、暖機要求判定部５１では、冷却水温度の他、吸気温度、排気温度等の別のパラメータで判定されてもよい。

点火時期制御部５２では、触媒装置３８（図１参照）の冷機状態を基準にした遅角量で点火時期が制御される。触媒装置３８が冷機状態である場合には、最適な遅角量で点火時期が制御されて、触媒装置３８の過剰な加熱を抑えつつ早期暖機を図ることができる。なお、触媒装置３８の冷機状態は、水温センサ３６で測定された冷却水温度、吸気温センサ１８で測定された吸気温度、排気温センサ３９で測定された排気温度のいずれかで判定される。また、触媒装置３８の冷機状態とは、触媒温度が外気温度付近であり、外気温度から触媒温度を推定可能な状態である。

差分温度算出部５３では、外気温センサ４３で測定された外気温度と排気温センサ３９で測定された排気温度の差分温度が算出される。点火時期補正部５４では、差分温度が所定温度差以上の場合に、触媒装置３８の冷機状態を基準にした点火時期の遅角量が補正される。このように、差分温度が所定温度差未満の場合には、触媒温度が外気温度付近である冷機状態と推定されて、冷機状態を基準にした遅角量が使用される。差分温度が所定温度差以上の場合には、触媒装置３８が冷機状態よりも暖かい中冷機状態と推定されて、冷機状態を基準にした遅角量が補正されて補正後の遅角量が使用される。

また、外気温度と排気温度の差分温度が小さければ、触媒装置３８の余熱が排気温度の増加に寄与した割合が小さく、外気温度と排気温度の差分温度が大きければ、触媒装置３８の余熱が排気温度の増加に寄与した割合が大きい。差分温度が大きくなるほど、触媒装置３８が暖まっていると考えられるため、点火時期補正部５４では差分温度が大きくなるのに従って冷機状態を基準にした遅角量を減らすように補正される。遅角量を減らすことで触媒装置３８が過度に加熱されることがなく、適切な遅角量で点火時期が制御されて触媒装置３８の早期暖機を図ることができる。

さらに、外気温度が高くなるほど、差分温度が同じ場合であっても触媒装置３８の温度が高くなっていると考えられるため、点火時期補正部５４では外気温度が大きくなるのに従って冷機状態を基準にした遅角量を減らすように補正される。遅角量を減らすことで触媒装置３８が過度に加熱されることがなく、適切な遅角量で点火時期が制御されて触媒装置３８の早期暖機を図ることができる。また、排気温センサ３９は、触媒装置３８周りの排気温度を測定しているため、外気温度と排気温度の差分温度から触媒装置３８の暖まり具合をより精度よく推定することが可能になっている。

そして、点火時期制御部５２によって冷機状態に応じた遅角量、又は中冷機状態に応じた遅角量（補正後の遅角量）で点火コイル２９の点火時期が制御される。これにより、触媒装置３８の暖まり具合に応じた最適な点火時期で触媒装置３８の早期活性化を図ることができる。なお、外気温度と排気温度の差分温度で触媒装置３８が冷機状態か中冷機状態かが推定されているが、吸気温度と排気温度の差分温度によって触媒装置３８が冷機状態か中冷機状態かが推定されてもよい。したがって、外気温度とは外気温センサ４３で測定される車外の外気の温度に限らず、吸気温センサ１８で測定される車内の吸気の温度を含む概念である。

また、要求噴射量算出部５５では、吸入空気量センサ１９で測定された吸入空気量、圧力センサ１７で測定された吸気通路１１内の圧力、回転数センサ３５で測定された回転数に応じて要求噴射量が算出される。要求噴射量算出部５５によって算出された要求噴射量で、ポートインジェクタ２６で燃料が噴射されて、車両状態に応じた空燃比で内燃機関１が稼働されている。なお、要求噴射量算出部５５では、Ｏ_２センサ（不図示）で測定された酸素濃度情報を用いて、理論空燃比に近づけるように要求噴射量がフィードバック制御されている。

続いて、図３を参照して、本実施の形態の点火時期の制御フローについて説明する。図３は、本実施の形態の点火時期の制御動作のフローチャートである。なお、図３のフローチャートは一例を示すものであり、適宜変更が可能である。また、図３においては、説明の便宜上、図１及び図２の符号を適宜使用して説明する。

図３に示すように、内燃機関１が始動されると、暖機要求判定部５１によって水温センサ３６で測定された冷却水温度が、所定温度以上か否かに応じて触媒装置３８の暖機要求の有無が判定される（ステップＳ０１）。水温センサ３６の冷却水温度が所定温度以上の場合、触媒温度が活性温度以上であるとして暖機要求が無いと判定される。水温センサ３６の冷却水温度が所定温度未満の場合、触媒温度が活性温度未満であるとして暖機要求有りと判定される。これにより、触媒温度が活性温度ではない場合ついてのみ、点火時期の遅角量が制御されて触媒装置３８が暖機される。

触媒装置３８の暖機要求有りと判定された場合（ステップＳ０１でＹｅｓ）、点火時期制御部５２によって触媒装置３８の温度が外気温度に近い冷機状態と見做されて、触媒装置３８の冷機状態を基準にした遅角量が設定される（ステップＳ０２）。この場合、水温センサ３６で測定された冷却水温度等に応じた遅角量が設定される。次に、差分温度算出部５３によって外気温センサ４３で測定された外気温度Ｔ_１と排気温センサ３９で測定された排気温度Ｔ_２の差分温度ΔＴ_１２が算出される（ステップＳ０３）。次に、点火時期補正部５４によって差分温度ΔＴ_１２が所定温度差ΔＴ_ｔｈ以上か否かが判定される（ステップＳ０４）。

差分温度ΔＴ_１２が所定温度差ΔＴ_ｔｈ以上の場合（ステップＳ０４でＹｅｓ）、点火時期補正部５４によって触媒装置３８が中冷機状態であると推定されて、触媒装置３８の冷機状態を基準にした遅角量が補正される（ステップＳ０５）。この場合、差分温度ΔＴ_１２が大きくなるのに従って遅角量が減るように補正されると共に、外気温度Ｔ_１が大きくなるのに従って遅角量が減るように補正される。一方で、差分温度ΔＴ_１２が所定温度差ΔＴ_ｔｈ未満の場合（ステップＳ０４でＮｏ）、点火時期補正部５４によって触媒装置３８が冷機状態であると推定されて、触媒装置３８の冷機状態を基準にした遅角量が補正されることがない。

次に、点火時期制御部５２に設定された遅角量で点火時期が制御される（ステップＳ０６）。触媒装置３８が冷機状態であると推定された場合には、冷機状態を基準とした遅角量で点火時期が制御され、触媒装置３８が中冷機状態であると推定された場合には、補正後の遅角量で点火時期が制御される。触媒装置３８の温度が外気温度に近い冷機状態と冷機状態よりも温度が高い中冷機状態を区別して、それぞれの冷機状態に適した遅角量で点火時期を調整することが可能になっている。また、触媒温度を直に測定する必要がないため、新たなセンサを設ける必要もない。

以上のように、本実施の形態によれば、外気温度と排気温度の差分温度が所定温度差未満の場合には、触媒装置３８が外気温度に近い冷機状態と推定され、触媒装置３８の冷機状態を基準にした遅角量で点火時期が制御される。一方で、外気温度と排気温度の差分が所定温度差以上の場合には、触媒装置３８が冷機状態よりも暖かい中冷機状態と推定され、触媒装置３８の冷機状態を基準にした遅角量が補正されて補正後の遅角量で点火時期が制御される。よって、触媒装置３８の暖まり具合に応じた最適な点火時期に調整することで、過剰な加熱を抑えつつ触媒装置３８の早期活性を実現し、燃費を向上させることができる。

なお、本実施の形態では、触媒装置の上流側に排気温センサが設置されているが、排気温センサは排気温度を測定可能な箇所に設置されていればよい。例えば、触媒装置自体に排気温センサが設置されてもよいし、触媒装置の下流側に排気温センサが設置されてもよい。

なお、本実施の形態を説明したが、他の実施の形態として、上記実施の形態及び変形例を全体的又は部分的に組み合わせたものでもよい。

また、本開示の技術は上記の実施の形態に限定されるものではなく、技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらには、技術の進歩又は派生する別技術によって、技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。

また、本実施の形態では、本発明を自動四輪車に適用した構成について説明したが、この構成に限定されない。触媒装置が設置される他の乗り物、例えば、自動二輪車、バギータイプの自動三輪車の他に、水上バイク、芝刈り機、船外機等の特機に適宜適用することも可能である。

下記に、本発明の実施形態における特徴点を整理する。
上記実施形態に記載の内燃機関の制御装置は、触媒装置を暖機させるために点火時期を制御する内燃機関の制御装置であって、外気温度を測定する外気温センサと、排気温度を測定する排気温センサと、外気温度と排気温度の差分温度を算出する算出部と、触媒装置の冷機状態を基準にした遅角量で点火時期を制御する制御部と、差分温度が所定温度差以上の場合に点火時期の遅角量を補正する補正部とを備えている。この構成によれば、外気温度と排気温度の差分温度が所定温度差未満の場合には、触媒装置が外気温度に近い冷機状態と推定され、触媒装置の冷機状態を基準にした遅角量で点火時期が制御される。一方で、外気温度と排気温度の差分が所定温度差以上の場合には、触媒装置が冷機状態よりも暖かい中冷機状態と推定され、触媒装置の冷機状態を基準にした遅角量が補正されて補正後の遅角量で点火時期が制御される。よって、触媒装置の暖まり具合に応じた最適な点火時期に調整することで、過剰な加熱を抑えつつ触媒装置の早期活性を実現し、燃費を向上させることができる。

上記実施形態に記載の内燃機関の制御装置において、排気温センサは、触媒装置周りの排気温度を測定する。この構成によれば、触媒装置周りの排気温度を測定することで、外気温度と排気温度の差分温度から触媒装置の暖まり具合をより精度よく推定することができる。

上記実施形態に記載の内燃機関の制御装置において、補正部は、差分温度が大きくなるのに従って遅角量を減らすように補正する。この構成によれば、差分温度が大きくなるほど、触媒装置が暖まっている状況と考えられるため、遅角量を減らすことで触媒装置の過度に加熱することなく、適切な遅角量で点火時期が制御されて触媒装置を早期暖機し、燃費を向上させることができる。

上記実施形態に記載の内燃機関の制御装置において、補正部は、外気温度が高くなるのに従って遅角量を減らすように補正する。この構成によれば、外気温度が高くなるほど、差分温度が同じであっても触媒装置の温度が高くなっているはずなので、遅角量を減らすことで触媒装置の過度に加熱することなく、適切な遅角量で点火時期が制御されて触媒装置を早期暖機し、燃費を向上させることができる。

１：内燃機関
３８：触媒装置
３９：排気温センサ
４３：外気温センサ
５２：点火時期制御部（制御部）
５３：差分温度算出部（算出部）
５４：点火時期補正部（補正部）

Claims

触媒装置を暖機させるために点火時期を制御する内燃機関の制御装置であって、
外気温度を測定する外気温センサと、
排気温度を測定する排気温センサと、
外気温度と排気温度の差分温度を算出する算出部と、
前記触媒装置の冷機状態を基準にした遅角量で点火時期を制御する制御部と、
差分温度が所定温度差以上の場合に点火時期の遅角量を補正する補正部とを備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記排気温センサは、前記触媒装置周りの排気温度を測定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
前記補正部は、差分温度が大きくなるのに従って遅角量を減らすように補正することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
前記補正部は、外気温度が高くなるのに従って遅角量を減らすように補正することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。