JP6961308B2

JP6961308B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP6961308B2
Application number: JP2017230028A
Authority: JP
Inventors: 哲郎大西
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2021-11-05
Anticipated expiration: 2037-11-30
Also published as: JP2019100227A

Description

本発明は、内燃機関における燃料噴射量を調整して空燃比を制御する制御装置に関する。

一般に、内燃機関の排気通路には、気筒から排出される排気ガス中に含まれる有害物質ＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_xを酸化／還元して無害化する三元触媒が装着されている。ＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_xの全てを効率よく浄化するには、混合気の空燃比をウィンドウと称する理論空燃比近傍の一定範囲に収める必要がある。そのために、予め排気通路に設置された空燃比センサの出力信号を参照して、同出力信号が示す空燃比を理論空燃比近傍に収束させるフィードバック制御を実施することが通例となっている。

内燃機関を冷間始動した直後は、空燃比センサの温度も冷めており、空燃比センサが混合気の空燃比に対応した適正な出力信号を出力することができない。空燃比のフィードバック制御を開始するためには、空燃比センサが昇温して活性化する必要がある。

他方、内燃機関の冷間始動直後は、ＨＣの発生量が増加する傾向にある。そこで、従来より、冷間始動直後の時期に燃料噴射量を削減して空燃比をリーン化し、以てＨＣの排出の抑制を図っている（例えば、下記特許文献を参照）。また、このようなリーン制御により、排気浄化用の触媒に余剰の酸素が供給され、触媒内に滞留する未燃燃料成分の酸化（または、燃焼）が促されて、触媒の温度が高まる。

特開２００９−２２１８８５号公報

内燃機関の冷間始動後、空燃比センサが活性化したか否かを判断するには、燃料噴射量を増量して空燃比をリーンからリッチに操作し、それに追随して空燃比センサの出力信号が適切に変化する（Ｏ₂センサであれば、その出力電圧が所定値（０．５５Ｖ）を超える）かどうかを確認する。

しかしながら、空燃比をリッチ化することは、燃料の浪費、燃費性能の低下に繋がり得る上、ＨＣの排出増を招く可能性も完全には否定できない。

本発明は、以上の問題に初めて着目してなされたものであり、内燃機関の始動直後の時期における燃料消費を極力低減しながら、空燃比センサの活性化を速やかに検知することを所期の目的としている。

本発明では、内燃機関の始動直後に、複数の気筒に充填される空気の合計量とそれら気筒に対して噴射する燃料の合計量との比を理論空燃比よりもリーンに制御するリーン制御期間を設け、前記リーン制御期間中に、複数の気筒のうちの特定の気筒についてのみ、当該気筒に充填される空気の量と同気筒に対して噴射する燃料の量との比を理論空燃比よりもリッチに制御し、その結果として各気筒から排出されるガスが流れる排気通路に設置された空燃比センサの出力信号が理論空燃比よりもリッチを示すように変化したことを確認した後、空燃比センサの出力信号を参照する空燃比のフィードバック制御を開始する内燃機関の制御装置を構成した。

前記特定の気筒は、例えば、内燃機関が備える複数の気筒のうちの、その気筒から排出されるガスに触れた空燃比センサの出力信号が最も大きく変化し得る気筒とする。

前記リーン制御期間中に空燃比センサの出力信号が理論空燃比よりもリッチを示すように変化したことを確認した後、前記特定の気筒に充填される空気の量と同気筒に対して噴射する燃料の量との比を一旦理論空燃比よりもリーンに制御して、しかる後に前記フィードバック制御を開始することとしてもよい。

前記リーン制御期間の開始から前記フィードバック制御の開始までの間は、複数の気筒に充填される空気の合計量とそれら気筒に対して噴射する燃料の合計量との比を理論空燃比よりもリーンな略一定値に保つことが好ましい。

本発明によれば、内燃機関の始動直後の時期における燃料消費を極力低減しながら、空燃比センサの活性化を速やかに検知することができる。

本発明の一実施形態における内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。同実施形態の制御装置が実施する制御の内容を説明するタイミング図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の４ストロークガソリンエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、各気筒１に対して燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させたことで生じる排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

排気通路４における触媒４１の上流及び下流には、排気通路４を流通する排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ４３、４４を設置する。空燃比センサ４３、４４はそれぞれ、排気ガスの空燃比に対して非線形な出力特性を有するＯ₂センサであってもよいし、排気ガスの空燃比に比例した出力特性を有するリニアＡ／Ｆセンサであってもよい。本実施形態では、触媒４１の上流側及び下流側の各空燃比センサ４３、４４について、排気ガス中の酸素濃度に応じた電圧信号を出力するＯ₂センサを想定している。Ｏ₂センサ４３、４４の出力特性は、理論空燃比近傍の一定範囲（ウィンドウ）では空燃比に対する出力の変化率が大きく急峻な傾きを示し、それよりも空燃比が大きいリーン領域では低位飽和値に漸近し、それよりも空燃比が小さいリッチ領域では高位飽和値に漸近する、いわゆるＺ特性曲線を描く。

排気ガス再循環（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通する外部ＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３３に接続している。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

ＥＣＵ０の入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するクランク角センサ（エンジン回転センサ）から出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求されるエンジン負荷率）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｄ、内燃機関の温度を示唆する冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｅ、触媒４１の上流側における排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ４３から出力される空燃比信号ｆ、触媒４１の下流側における排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ４４から出力される空燃比信号ｇ、セレクタレバー（シフトレバー）の位置を検出するシフトポジションスイッチから出力されるシフトポジション信号ｈ等が入力される。

ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、要求燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、要求ＥＧＲ量（または、ＥＧＲ率）等といった運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌを出力インタフェースを介して印加する。

内燃機関の運転中、ＥＣＵ０は、気筒１に充填される混合気の空燃比、ひいては気筒１から排出され触媒４１へと導かれる排気ガスの空燃比をフィードバック制御する。ＥＣＵ０は、まず、吸気圧及び吸気温、エンジン回転数、要求ＥＧＲ率等から、気筒１に充填される空気の量を算出し、これに見合った基本噴射量ＴＰを決定する。

次いで、この基本噴射量ＴＰを、触媒４１の上流側及び／または下流側の空燃比に応じて定まるフィードバック補正係数ＦＡＦで補正する。フィードバック補正係数ＦＡＦは、空燃比センサ４３、４４を介して実測されるガスの空燃比と目標空燃比（平常時は理論空燃比１４．６またはその近傍）との偏差に応じて調整され、実測空燃比が目標空燃比に対してリーンであるときには増加し、実測空燃比が目標空燃比に対してリッチであるときには減少する。

そして、状況に応じて定まる各種補正係数Ｋや、インジェクタ１１の無効噴射時間ＴＡＵＶをも加味して、最終的な燃料噴射時間（インジェクタ１１に対する通電時間）Ｔを算定する。燃料噴射時間Ｔは、
Ｔ＝ＴＰ×ＦＡＦ×Ｋ＋ＴＡＵＶ
となる。しかして、燃料噴射時間Ｔだけインジェクタ１１に信号ｊを入力、インジェクタ１１を開弁して燃料を噴射させる。

触媒４１の上流側及び／または下流側の空燃比信号ｆ、ｇを参照したフィードバック制御は、例えば、内燃機関の始動からある程度以上の時間が経過し、空燃比センサ４３、４４が活性中、内燃機関の冷却水温が所定温度以上、燃料カット中でなく、パワー増量中でなく、吸気圧が正常である、等の諸条件がおしなべて成立している場合に実行する。

また、ＥＣＵ０は、停止した内燃機関を始動するにあたり、電動機（スタータモータまたはＩＳＧ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＳｔａｒｔｅｒＧｅｎｅｒａｔｏｒ））を稼働させるための制御信号ｏを電動機に入力し、当該電動機により内燃機関の出力軸であるクランクシャフトを回転させるクランキングを行う。内燃機関の始動のためのクランキングは、内燃機関が初爆から連爆へと至り、エンジン回転数即ちクランクシャフトの回転速度が閾値を超えたときに、完爆したものと見なして終了する。クランキングの終了条件となる閾値は、内燃機関の温度等に応じて上下し得る。具体的には、内燃機関の冷却水温が低いほど高く設定することとなる。

内燃機関の冷間始動直後は、内燃機関の温度が低く、有害物質であるＨＣの発生量が増加する傾向にある。そこで、内燃機関の始動直後の時期に、各気筒１から排出され排気通路４を流通するガスの空燃比を総体として理論空燃比よりもリーンに制御し、ＨＣの排出を抑制する期間を設ける。

図２において、時点ｔ₁から時点ｔ₃までの期間が、このリーン制御期間である。なお、時点ｔ₁は内燃機関が始動してクランキングを終了した後の時点であり、時点ｔ₃は空燃比のフィードバック制御を開始する時点である。リーン制御期間中、ＥＣＵ０は、排気通路４を流通するガスの総体的な空燃比、換言すれば、内燃機関が備える各気筒１に充填される空気の（全気筒１分の）合計量と、それら気筒１の各々に連なる各吸気ポートに設置した気筒１毎のインジェクタ１１から噴射する燃料の（全気筒１分の）合計量との比を、理論空燃比よりもリーンに制御する。

但し、個々の気筒１に着目した場合、リーン制御期間中であっても、気筒１に充填される混合気の空燃比が必ず理論空燃比よりもリーンであるとは限らない。後述するように、特定の気筒１に限れば、当該気筒１に充填される混合気の空燃比が理論空燃比よりもリッチとなることがある。

内燃機関の冷間始動直後は、空燃比センサ４３、４４の温度も低く、空燃比センサ４３、４４が未活性である。未活性の空燃比センサ４３、４４は、これに接触した排気ガスに含まれる酸素濃度に対応した適正な空燃比信号ｆ、ｇを出力することができない。それ故、内燃機関の始動直後から直ちに空燃比フィードバック制御を実行することはできない。空燃比フィードバック制御を開始するためには、空燃比センサ４３、４４が昇温して活性化するのを待たなければならない。

空燃比センサ４３、４４が活性化したことを検出するには、インジェクタ１１から噴射する燃料の量を増量して空燃比センサ４３、４４に接触する排気ガスの酸素濃度を低下させ、それに追随して空燃比センサ４３、４４の出力信号ｆ、ｇが適切に変化するかどうかを確認する必要がある。

本実施形態のＥＣＵ０は、リーン制御期間中に、内燃機関が備える複数の気筒１のうちの特定の気筒１についてのみ、当該気筒１に対して燃料を噴射するインジェクタ１１からの燃料噴射量を増量して、当該気筒１に充填される混合気の空燃比、即ち当該気筒１に充填される空気の量と同気筒１に対して噴射する燃料の量との比を、理論空燃比よりもリッチに制御する。そして、当該気筒１から排出される空燃比リッチのガスが空燃比センサ４３、４４に接触した結果、空燃比センサ４３、４４の出力信号ｆ、ｇが理論空燃比よりもリッチを示すように変化したかどうかを確認することで、空燃比センサ４３、４４が活性化したか否かを判定する。空燃比センサ４３、４４がＯ₂センサであるならば、その出力電圧が所定値（例えば、０．５５Ｖ）を超えて大きくなり空燃比リッチを示したことを以て、Ｏ₂センサ４３、４４が活性化したものと判断することができる。

図２において、リーン制御期間の開始時点ｔ₁から少しく時間が経過してから、特定の気筒１に充填される混合気の空燃比を理論空燃比よりもリッチ化する操作を行っている。これに起因して、空燃比センサ４３、４４の出力信号ｆ、ｇがリーン側からリッチ側に変化し、時点ｔ₂にて所定値を超えており、この時点ｔ₂で空燃比センサ４３、４４が活性化したことを検知できる。

なお、空燃比センサ４３、４４が活性化したか否かの判定を行うべく、特定の気筒１に対する燃料噴射量を増量する際、特定の気筒１以外の（少なくとも一つの）気筒１については、当該気筒１に対して燃料を噴射するインジェクタ１１からの燃料噴射量を減量して、当該気筒１に充填される混合気の空燃比をさらにリーン化する。これにより、図２に示すように、リーン制御期間中、排気通路４を流通するガスの総体的な空燃比を、理論空燃比よりもリーンな略一定値に保つ。

補足すると、内燃機関の個々の気筒１から排出されるガスが空燃比センサ４３、４４に接触する度合いは、各気筒１で均等でなく、気筒１の位置や排気マニホルド４２を含む排気通路４の形状等に依存して気筒１間でばらつく。つまり、排気ガスの流れが空燃比センサ４３、４４に当たりやすい気筒１と当たりにくい気筒１とが存在している。空燃比センサ４３、４４が活性化した事実を可及的速やかに検知し、かつ燃料噴射量をできるだけ少なく抑えるためには、排気ガスの流れが空燃比センサ４３、４４に当たりやすい気筒１を、上記の特定の気筒１として選定することが望ましい。

よって、例えば、理論空燃比よりもリッチまたはリーンな所定の空燃比を有するガスを各気筒１から略同量排気通路４に排出させた場合において、そのガスに触れた空燃比センサ４３、４４の出力信号ｆ、ｇが理論空燃比に相当する値から最も大きく変化する気筒１を、特定の気筒１に選定する。あるいは、各気筒１から略同量のガスを排気通路４に排出させた場合において、排気通路４に設置している空燃比センサ４３、４４の近傍を流れるガスの流量が最も大きくなる気筒１を、特定の気筒１に選定するようにしてもよい。

空燃比センサ４３、４４が活性化したことを検知した後、即時に空燃比フィードバック制御の実行を開始してもよいが、図２に示しているように、空燃比センサ４３、４４の活性化を検知した時点ｔ₂後、時間が経過した時点ｔ₃から空燃比フィードバック制御の実行を開始してもよい。

その上で、前者の時点ｔ₂から後者の時点ｔ₃までの間は、特定の気筒１に対する燃料噴射量を減量するとともに、特定の気筒１以外の気筒１に対する燃料噴射量を増量して、各気筒１に充填される混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンに制御することが好ましい。さすれば、各気筒１毎の混合気の空燃比が均等化し、各気筒１で発生するエンジントルクが均一となって、内燃機関のクランクシャフトの回転速度の変動（振動、脈動）を小さくし、回転を安定化させることができる。加えて、時点ｔ₂から時点ｔ₃までの間、排気通路４を流れるガスの空燃比をリーンに維持することで、触媒４１に余剰の酸素を供給し、触媒４１の温度上昇を促進することにもなる。とは言え、空燃比センサ４３、４４の活性化を検知した時点ｔ₂後、運転者によりアクセルペダルが踏まれたり、セレクタレバーが非走行レンジ（Ｐ、Ｎ等）から走行レンジ（Ｄ等）に操作されたりしたならば、直ちに空燃比フィードバック制御の実行を開始して構わない。

本実施形態では、内燃機関の始動直後に、複数の気筒１に充填される空気の合計量とそれら気筒１に対して噴射する燃料の合計量との比を理論空燃比よりもリーンに制御するリーン制御期間を設け、前記リーン制御期間中に、複数の気筒１のうちの特定の気筒１についてのみ、当該気筒１に充填される空気の量と同気筒１に対して噴射する燃料の量との比を理論空燃比よりもリッチに制御し、その結果として各気筒１から排出されるガスが流れる排気通路４に設置された空燃比センサ４３、４４の出力信号ｆ、ｇが理論空燃比よりもリッチを示すように変化したことを確認した時点ｔ₂後、空燃比センサ４３、４４の出力信号ｆ、ｇを参照する空燃比のフィードバック制御を開始する内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、内燃機関の始動直後の時期における燃料消費を極力低減しながらも、空燃比センサ４３、４４の活性化を速やかに検知して、早期に空燃比フィードバック制御を実行開始することが可能となる。また、各気筒１に充填される混合気の総体の空燃比、排気通路４を流れるガスの総体の空燃比が徒にリッチ化せず、ＨＣの排出増を招くことを回避できる。

さらに、本実施形態の内燃機関の制御装置０は、前記リーン制御期間の開始時点ｔ₁から前記フィードバック制御の開始時点ｔ₃までの間、複数の気筒１に充填される空気の合計量とそれら気筒１に対して噴射する燃料の合計量との比を理論空燃比よりもリーンな略一定値に保つ。これにより、内燃機関の始動後の触媒４１の温度上昇が促進され、触媒４１による有害物質の浄化能率がより一層向上する。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態には限られない。各部の具体的構成や具体的な処理の手順は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御に適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１１…インジェクタ
４…排気通路
４１…触媒
４３…触媒の上流の空燃比センサ
４４…触媒の下流の空燃比センサ
ｆ…触媒の上流の空燃比信号
ｇ…触媒の下流の空燃比信号

Claims

内燃機関の始動直後に、複数の気筒に充填される空気の合計量とそれら気筒に対して噴射する燃料の合計量との比を理論空燃比よりもリーンに制御するリーン制御期間を設け、
前記リーン制御期間中に、複数の気筒のうちの特定の気筒についてのみ、当該気筒に充填される空気の量と同気筒に対して噴射する燃料の量との比を理論空燃比よりもリッチに制御し、その結果として各気筒から排出されるガスが流れる排気通路に設置された空燃比センサの出力信号が理論空燃比よりもリッチを示すように変化したことを確認した後、前記特定の気筒に充填される空気の量と同気筒に対して噴射する燃料の量との比を一旦理論空燃比よりもリーンに制御して、しかる後に前記空燃比センサの出力信号を参照する空燃比のフィードバック制御を開始する内燃機関の制御装置。
前記特定の気筒は、内燃機関が備える複数の気筒のうちの、その気筒から排出されるガスに触れた空燃比センサの出力信号が最も大きく変化し得る気筒である請求項１記載の内燃機関の制御装置。
前記リーン制御期間の開始から前記フィードバック制御の開始までの間、複数の気筒に充填される空気の合計量とそれら気筒に対して噴射する燃料の合計量との比を理論空燃比よりもリーンな略一定値に保つ請求項１または２記載の内燃機関の制御装置。