WO2016088191A1 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Abstract

燃焼室内に直接燃料を噴射する第１燃料噴射弁を有し、車両の走行中に所定の燃料カット条件が成立すると第１燃料噴射弁からの燃料噴射を中止する燃料カットを実施し、上記燃料カット中に所定の燃料カットリカバー条件が成立すると、第１燃料噴射弁からの燃料噴射を再開する。そして、第１燃料噴射弁からの燃料噴射を再開してから所定時間経過後に、第１燃料噴射弁からの燃料噴射量を一時的に増量するリッチスパイクを実施する。これにより、リッチスパイク開始時の燃焼室の壁面温度を予め上昇させておくことができるため、リッチスパイク時に燃焼室の壁面への燃料付着が低減され、排気微粒子の排出数を低減できる。

Description

内燃機関の制御装置
　本発明は、燃焼室内に直接燃料が噴射される内燃機関の制御装置に関する。
　車両に搭載された内燃機関においては、減速時のような出力が必要とされない運転条件で燃焼室への燃焼供給を停止するいわゆる燃料カットを実施して燃費の向上が図られている。
　例えば、特許文献１においては、燃料カット状態から燃料噴射を再開する際に、燃料噴射量を一時的に増量するリッチスパイクを実施することで、燃料カット中の過剰な酸素供給により低下した触媒の排気浄化性能を回復させる技術が開示されている。
　しかしながら、この特許文献１においては、燃料カット中に燃焼室の壁面温度が低下することを考慮していない。そのため、燃料カット状態から燃料噴射を再開する際にリッチスパイクを行うと、温度が低下した燃焼室内の壁面に燃料が気化することなく付着しやすくなり、排気中の排気微粒子の排出数が増大することになる。つまり、リッチスパイクにより触媒の排気浄化性能の回復は促進されるものの、排気微粒子の排出数が増大することになり、全体として排気性能が悪化してしまう虞がある。
特開２００９－１６２１９５号公報
　本発明の内燃機関の制御装置は、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を有し、車両の走行中に所定の燃料カット条件が成立すると上記燃料噴射弁からの燃料噴射を中止する燃料カットを実施し、上記燃料カット中に所定の燃料カットリカバー条件が成立すると、上記燃料噴射弁からの燃料噴射を再開する。そして、上記燃料噴射弁からの燃料噴射を再開してから所定時間経過後に、上記燃料噴射弁からの燃料噴射量を一時的に増量するリッチスパイクを実施する。
　本発明によれば、リッチスパイク開始時のピストンやシリンダ内壁面等の燃焼室の壁面の温度を予め上昇させておくことができるため、リッチスパイク時に燃焼室の壁面への燃料付着が低減され、排気微粒子の排出数を低減できる。
本発明が適用される内燃機関の概略構成を模式的に示した説明図。 燃料カット制御から燃料カット終了後のリッチスパイクまでの状態を示すタイミングチャート。 本発明に係るリッチスパイクに関する制御の流れを示すフローチャート。 ディレイ時間算出マップ。 点火時期補正量算出マップ。 ディレイ時間算出マップ。 本発明に係るリッチスパイクに関する制御の流れを示すフローチャート。
　以下、本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、本発明が適用される内燃機関１の概略構成を示している。なお、内燃機関１は、例えばガソリンを燃料とするものである。
　内燃機関１の燃焼室２には、吸気弁３を介して吸気通路４が接続されているとともに、排気弁５を介して排気通路６が接続されている。
　吸気通路４には、電子制御式のスロットル弁７が配置されている。スロットル弁７の上流側には、吸入空気量を検出するエアフローメータ８が設けられている。エアフローメータ８の検出信号は、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）２０に入力されている。
　燃焼室２の頂部には、ピストン９と対向するように点火プラグ１０が配置されている。この燃焼室２の吸気通路側の側部には、燃焼室２内に燃料を直接噴射する第１燃料噴射弁１１が配置されている。
　第１燃料噴射弁１１には、高圧燃料ポンプ（図示せず）により加圧された比較的高い圧力の燃料がプレッシャレギュレータ１２を介して導入されている。プレッシャレギュレータ１２はＥＣＵ２０からの制御指令に基づいて第１燃料噴射弁１１に供給される燃料の圧力（燃圧）を変化させることが可能となっている。
　排気通路６には、三元触媒１３が介装されている。また、排気通路６には、三元触媒１３の上流側に第１空燃比センサ１４が配置され、三元触媒１３の下流側に第２空燃比センサ１５が配置されている。空燃比センサ１４、１５は、空燃比のリッチ、リーンのみを検出する酸素センサであってもよく、あるいは空燃比の値に応じた出力が得られる広域型空燃比センサであってもよい。
　ＥＣＵ２０は、マイクロコンピュータを内蔵し、内燃機関１の種々の制御を行うものであって、各種のセンサからの信号を基に処理を行うようになっている。各種のセンサとしては、上述したエアフローメータ８、第１、第２空燃比センサ１４、１５のほかに、運転者により操作されるアクセルペダルの開度（踏込量）を検出するアクセル開度センサ２１、クランクシャフト１７のクランク角度と共に機関回転数を検出可能なクランク角センサ２２、スロットル弁７の開度を検出するスロットルセンサ２３、内燃機関１の冷却水温を検出する水温センサ２４、エンジンオイルの油温を検出する油温センサ２５、車速を検出する車速センサ２６、第１燃料噴射弁１１に供給される燃料圧力を検出する燃圧センサ２７、等がある。
　そして、ＥＣＵ２０では、これらの検出信号に基づいて、第１燃料噴射弁１１の噴射量や噴射時期、点火プラグ１０による点火時期、スロットル弁７の開度等を制御する。
　なお、内燃機関１は、スロットル弁７下流側に、気筒毎に吸気通路４内に燃料を噴射する第２燃料噴射弁１６が配置されており、いわゆるポート噴射により燃焼室２に燃料を供給することも可能となっている。
　ＥＣＵ２０は、車両の減速時に所定の燃料カット条件が成立すると、第１燃料噴射弁１１及び第２燃料噴射弁１６の燃料噴射を停止する燃料カット制御を実施する。例えば、暖機完了後に機関回転数が所定の燃料カット回転数以上で、スロットル弁７が全閉となっている場合に、ＥＣＵ２０は、燃料カット条件が成立しているものとして、燃料カット制御を実施する。そして、ＥＣＵ２０は、燃料カット制御実施中に、所定の燃料カットリカバー条件が成立すると、第１燃料噴射弁１１の燃料噴射を再開する。例えば、燃料カット制御中に、アクセルペダルが踏み込まれてスロットル弁７が全閉状態ではなくなった場合や、アクセルペダルが踏み込まれることなく機関回転数が所定の燃料カットリカバー回転数以下となった場合に、ＥＣＵ２０は、燃料カットリカバー条件が成立しているものとして燃料カット制御を終了する。
　燃料カット制御を実施すると、三元触媒１３に比較的多くの酸素が供給される。つまり、三元触媒１３は、燃料カット制御中に、多量の酸素を吸着することになり、燃料カット制御終了時に排気中のＮＯｘから酸素を奪ってＮＯｘを還元しにくくなる虞がある。そのため、本実施例では、燃料カット制御が終了して燃料噴射を再開する際に、第１燃料噴射弁１１から噴射される燃料噴射量を一時的に増量するリッチスパイクを実施することで、三元触媒１３の排気浄化能力（ＮＯｘ還元能力）の再生を促進させている。
　ここで、燃料カット制御中は内燃機関１の燃焼が停止しているので燃焼室２の温度、すなわちピストン９やシリンダ内壁面等の温度が低下する。そのため、燃焼カット制御が終了して第１燃料噴射弁１１の燃料噴射を再開した際に、第１燃料噴射弁１１から燃焼室２内に噴射された燃料のピストン９等への付着量が増加し、排気微粒子の排出数が増加する虞がある。
　また、燃料カットリカバー条件の成立と同時にリッチスパイクを実施した場合、三元触媒１３の排気浄化性能の早期に回復するものの、リッチスパイクによりピストン９等への燃料の付着量が一層増加し、全体として排気性能が悪化してしまう虞がある。
　そこで、本実施例においては、燃料カットリカバー条件が成立してから所定のディレイ時間経過後にリッチスパイクを実施する。なお、第１燃料噴射弁１１は、燃料カットリカバー条件が成立した時点から吸気行程中に燃料噴射を再開する。
　図２は、本実施例における燃料カット制御から燃料カット終了後の過渡時の状態を示すタイミングチャートである。
　図２においては、時刻ｔ１において燃料カット条件が成立し、時刻ｔ２において燃料カットリカバー条件が成立している。第１燃料噴射弁１１は、時刻ｔ２から燃料噴射を再開する。第１燃料噴射弁１１によるリッチスパイクは、時刻ｔ２から上記ディレイ時間が経過した時刻ｔ３から所定期間の実施される。このリッチスパイクにより、時刻ｔ３から排気空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比に対してリッチ側の値となる。また、燃料カット制御の実施により温度が低下した燃焼室２の壁面温度を上昇させるために、時刻ｔ２～時刻３の間、点火プラグによる点火時期を通常よりも進角させる。通常の点火時期は、機関負荷と機関回転数に応じて決定されるいわゆるＭＢＴ（ｍｉｎｉｍｕｍ　ａｄｖａｎｃｅ　ｆｏｒ　ｂｅｓｔ　ｔｏｒｑｕｅ）である。つまり、時刻ｔ２～時刻ｔ３の点火時期は、図２中に破線で示すＭＢＴ（最適点火時期）よりも所定の点火時期進角補正量だけ進角させた点火時期となっている。
　第１燃料噴射弁１１の燃料噴射を再開する時刻ｔ２からリッチスパイクを実施する場合、排気空燃比は図２中に破線で示すように時刻ｔ２から理論空燃比に対してリッチ側の値となる。この場合には、燃料カット直後の冷えた燃焼室２に対してリッチスパイクを実施するため、燃焼室２内に噴射された燃料のピストン９等への付着量が増加することになり、排気微粒子の排出数は図２中に破線で示すように増加する。
　これに対して、第１燃料噴射弁１１によるリッチスパイクを時刻ｔ２から上記ディレイ時間経過後の時刻ｔ３に遅らせた場合には、リッチスパイクの実施までに燃焼室２の壁面温度を予め上昇させておくことができる。そのため排気微粒子の排出数の増加を図２中の実線で示すように大幅に抑制することができ、ひいては排気微粒子の排出量を抑制できる。
　そして、時刻ｔ２から時刻ｔ３の間点火時期を進角側へ補正することで、リッチスパイクの実施前に燃焼室２の壁面温度の上昇が促進される。そのため、リッチスパイクを実施した際に、燃焼室２の壁面への燃料付着を一層低減することができる。
　また、上記ディレイ時間は、時刻ｔ１から燃料カットリカバー条件が成立するまでの時間が長くなるほど、つまり時刻ｔ１から燃料カットリカバー条件が成立するまで一定時間毎にカウントされる燃料カット期間カウンタが大きくなるほど、長くなるように設定されている。そして、上記点火時期進角補正量は、時刻ｔ１から燃料カットリカバー条件が成立するまでの時間が長くなるほど、つまり時刻ｔ１から燃料カットリカバー条件が成立するまで一定時間毎にカウントされる燃料カット期間カウンタが大きくなるほど、長くなるように設定されている。
　このように上記ディレイ時間と上記点火時期進角補正量が設定されるのは、直前の燃料カット制御が長くなるほど燃焼室２の温度が低下し、第１燃料噴射弁１１の燃料噴射再開時に噴射された燃料のピストン９等への付着量が増加しやすくなるためである。
　そのため、燃料カット期間カウンタが大きくなるほど上記ディレイ時間を長く設定し、燃料カット期間カウンタが大きくなるほど上記点火時期進角補正量を大きく設定することで、リッチスパイク開始前の燃焼室２の壁面温度を確実に高くしておくことができる。
　図３は、上述した本実施例のリッチスパイクに関する制御の流れを示すフローチャートである。Ｓ１では、燃料カット条件が成立したか否かを判定し、燃料カット条件が成立している場合にはＳ２へ進み、燃料カット条件が成立していない場合には今回のルーチンを終了する。Ｓ２では、燃料カット期間カウンタ（ＦＣＴＣＮＴ）を演算する。Ｓ３では、燃料カット終了か否かを判定する。すなわち燃料カットリカバー条件が成立したか否かを判定し、燃料カットリカバー条件が成立していればＳ４へ進み、燃料カットリカバー条件が成立していなければＳ２Ａへ進む。Ｓ４では、燃料カットリカバー条件の成立により第１燃料噴射弁１１の燃料噴射を再開してからリッチスパイクを実施するまでのディレイ時間（ＴＦＣＲＤ）を演算する。ディレイ時間（ＴＦＣＲＤ）は、例えば図４に示すようなディレイ時間算出マップを用いて演算され、燃料カット期間カウンタ（ＦＣＴＣＮＴ）が大きいほど長くなる。Ｓ５では、燃料カットリカバー条件の成立により第１燃料噴射弁１１の燃料噴射を再開してからリッチスパイクを実施するまでの間の点火時期の補正量である点火時期進角補正量（ＣＣＡＮＡＤ）を演算する。この点火時期進角補正量（ＣＣＡＮＡＤ）は、例えば図５に示すような点火時期補正量算出マップを用いて演算され、燃料カット期間カウンタ（ＦＣＴＣＮＴ）が大きいほど大きくなる。
　Ｓ６では、運転状態が高負荷運転状態であるか否かを判定し、高負荷運転状態であればＳ７へ進み、高負荷運転でなければＳ８へ進む。例えば、アクセルペダルの踏み込み量が所定量以上ある場合に、内燃機関１が高負荷運転状態であると判定する。Ｓ７では、点火時期進角補正量を用いて点火時期の進角側への補正を禁止する。Ｓ８では、Ｓ５で演算した点火時期進角補正量を用いて、通常よりも点火時期を進角させる。
　Ｓ９では、燃料カット制御が終了してからＳ４で演算されたディレイ時間（ＴＦＣＲＤ）が経過したか否かを判定し、経過していればＳ１０へ進み、経過していなければＳ６へ進む。Ｓ１０では、Ｓ５で演算された点火時期進角補正量（ＣＣＡＮＡＤ）を用いた点火時期の進角側への補正を終了する。Ｓ１１では、リッチスパイクを実施する。
　このように、内燃機関１の運転状態が高負荷運転状態であれば点火時期の進角側への補正は禁止されるので、燃料カットリカバー条件の成立により第１燃料噴射弁１１の燃料噴射を再開した際のノッキングの発生を抑制できる。
　また、上記ディレイ時間は、時刻ｔ１から燃料カットリカバー条件が成立するまでの時間ではなく、燃料カット制御中の燃焼室２の壁面温度に応じて設定するようにしてもよい。
　例えば、水温センサ２４や油温センサ２５の検出信号を用いて燃焼室２の壁面温度（ＣＣＷＴＥＭＰ）を推定し、この壁面温度（ＣＣＷＴＥＭＰ）が低いほど、上記ディレイ時間を長く設定するようにしてもよい。この場合ディレイ時間（ＴＦＣＲＤ）は、例えば図６に示すようなディレイ時間算出マップを用いて演算され、推定される燃焼室２の壁面温度（ＣＣＷＴＥＭＰ）が低くいほど長くなる。
　つまり、上記ディレイ時間を燃料カット制御中の燃焼室２の壁面温度に応じて設定するようにしても、リッチスパイク開始前の燃焼室２の壁面温度を予め上昇させておくことができ、リッチスパイク時における燃焼室の壁面への燃料付着を低減できる。
　図７は、上記ディレイ時間を燃焼室２の壁面温度に応じて設定する場合のリッチスパイクに関する制御の流れを示すフローチャートである。
　Ｓ２１では、燃料カット条件が成立したか否かを判定し、燃料カット条件が成立している場合にはＳ２２へ進み、燃料カット条件が成立していない場合には今回のルーチンを終了する。Ｓ２２では、燃料カット期間カウンタ（ＦＣＴＣＮＴ）を演算する。Ｓ２３では、燃焼室２の壁面温度（ＴＦＣＲＤ）を演算する。Ｓ２４では、燃料カット終了か否かを判定する。すなわち燃料カットリカバー条件が成立したか否かを判定し、燃料カットリカバー条件が成立していればＳ２５へ進み、燃料カットリカバー条件が成立していなければＳ２２へ進む。Ｓ２５では、燃料カットリカバー条件の成立により第１燃料噴射弁１１の燃料噴射を再開してからリッチスパイクを実施するまでのディレイ時間（ＴＦＣＲＤ）を演算する。ディレイ時間（ＴＦＣＲＤ）は、例えば上述した図６に示すようなディレイ時間算出マップを用いて演算され、燃焼室２の壁面温度（ＴＦＣＲＤ）が低いほど長くなる。Ｓ２６では、燃料カットリカバー条件の成立により第１燃料噴射弁１１の燃料噴射を再開してからリッチスパイクを実施するまでの間の点火時期の補正量である点火時期進角補正量（ＣＣＡＮＡＤ）を演算する。この点火時期進角補正量（ＣＣＡＮＡＤ）は、例えば上述した図５に示すような点火時期補正量算出マップを用いて演算され、燃料カット期間カウンタ（ＦＣＴＣＮＴ）が大きいほど大きくなる。
　Ｓ２７では、運転状態が高負荷運転状態であるか否かを判定し、高負荷運転状態であればＳ２８へ進み、高負荷運転でなければＳ２９へ進む。例えば、アクセルペダルの踏み込み量が所定量以上ある場合に、内燃機関１が高負荷運転状態であると判定する。Ｓ２８では、点火時期進角補正量を用いて点火時期の進角側への補正を禁止する。Ｓ２９では、Ｓ２６で演算した点火時期進角補正量を用いて、通常よりも点火時期を進角させる。
　Ｓ３０では、燃料カット制御が終了してからＳ２５で演算されたディレイ時間（ＴＦＣＲＤ）が経過したか否かを判定し、経過していればＳ３１へ進み、経過していなければＳ２７へ進む。Ｓ３１では、Ｓ２６で演算された点火時期進角補正量（ＣＣＡＮＡＤ）を用いた点火時期の進角側への進角補正を終了する。Ｓ３２では、リッチスパイクを実施する。
　なお、リッチスパイクを行う際には、排気空燃比が「１２．５」よりも大きく「１３」よりも小さくなるように調整すれば、排気微粒子の排出数の増加を抑制する上で有利である。
　また、上記ディレイ時間は、燃料カット期間カウンタと燃焼室壁面温度の双方を考慮して演算するようにしてもよい。この場合、燃料カット期間カウンタが大きくなるほど、また燃焼室壁面温度が低くなるほど、ディレイ時間は長くなるよう設定される。
　そして、燃料カット制御終了後の燃料噴射再開時の点火時期進角補正量は、燃焼室壁面温度のみや、燃料カット期間カウンタ及び燃焼室壁面温度の双方、を考慮して演算するようにしてもよい。この場合、燃料カット期間カウンタが大きくなるほど、また燃焼室壁面温度が低くなるほど、点火時期進角補正量は大きくなるよう設定される。

Claims (6)

  1. 　燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を有し、
    　車両の走行中に所定の燃料カット条件が成立すると上記燃料噴射弁からの燃料噴射を中止する燃料カットを実施し、
    　上記燃料カット中に所定の燃料カットリカバー条件が成立すると、上記燃料噴射弁からの燃料噴射を再開する内燃機関の制御装置において、
    　上記燃料噴射弁からの燃料噴射を再開してから所定時間経過後に、上記燃料噴射弁からの燃料噴射量を一時的に増量するリッチスパイクを実施する内燃機関の制御装置。
  2. 　上記燃料カットの時間が長くなるほど、上記所定時間を長く設定する請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
  3. 　燃焼室の壁面温度が低くなるほど、上記所定時間を長く設定する請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
  4. 　上記燃料カット終了から上記所定時間が経過するまでの間は、点火時期を進角させる請求項１～３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
  5. 　上記燃料カットの時間が長くなるほど、点火時期の進角量を大きく設定する請求項４に記載の内燃機関の制御装置。
  6. 　内燃機関が高負荷運転状態であれば、上記燃料カット終了から上記所定時間が経過するまでの間の点火時期の進角を禁止する請求項４または５に記載の内燃機関の制御装置。
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