JP2010163931A - エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン始動時に点火時期と空気量とを適正に制御し、空燃比リーンによる運転状態の不安定化を招くことなく早期に触媒を活性化させる。
【解決手段】エンジンがクランキングされると、始動時のエンジン水温に基づいて決定される触媒昇温のための点火時期リタード量によるトルクダウンを補うための増量分を加算した目標空気量に制御される。そして、時刻ｔ3でエンジン完爆と判定された後、エンジン回転数が目標アイドル回転数を超えて時刻ｔ4で上昇が止まると、触媒昇温のための点火時期リタード制御が開始される。これにより、触媒昇温のための点火時期リタード制御の途中で空気量が大きく増加することがなく、空燃比リーンになることがない。更に、空燃比リーンによる不安定な挙動がなくなるため、触媒昇温のための点火時期リタード量を大きくすることができ、触媒を有効に昇温させて早期活性化を図ることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、点火時期を遅角制御し、排気系に介装した触媒の早期活性化を促進するエンジンの制御装置に関する。

エンジンの排気ガスを浄化するため排気系に介装された触媒は、エンジンの冷態始動直後等には温度が低いため、十分な排気ガス浄化性能を得られない。このため、従来から、エンジンでの燃焼タイミングを遅くして後燃えにより生じる高温の排気ガスを積極的に触媒に送り込み、触媒の温度を早期に上げる早期触媒昇温制御が行われている。

この早期触媒昇温制御としては、点火時期を遅角（リタード）することにより排気行程に近い段階で燃焼を行わせ、温度の高い排気ガスを触媒に導いて触媒の早期活性化を促進する技術（触媒昇温リタード制御）が一般的に採用されている。

例えば、特許文献１には、エンジンの始動と同時に触媒昇温リタード制御を行う技術が開示されているが、触媒昇温リタード制御を実施すると、点火時期のリタードに伴ったエンジンのトルクダウンが生じるため、空気量を増量補正してトルクダウンを補う必要がある。この空気量の増量補正は、点火時期リタードによるトルクダウンを補うために行われる故に、点火時期リタードが徐々に実行されると同期して行われる。

しかしながら、エンジンの始動と同時に触媒昇温のための点火時期リタードと空気量増量補正を行うと、始動性に影響を与える虞がある。このため、特許文献２では、エンジン回転数が所定値に達した後、点火時期リタードとそれに伴う空気量の増量補正を行うことが提案されている。
特開平６−１０１４５号公報 国際出願ＷＯ２００４／０１８８６９号公報

特許文献２に開示されているように、エンジン回転が安定した後に空気量を増量した場合、空燃比が一時的にリーン化してしまい、運転状態が不安定となる場合がある。このため、排気ガスが悪化したり、点火時期リタードを実施するスピードや量に制限がかかってしまい、十分に触媒を昇温できない虞がある。

この空燃比リーンの問題を解決するためには、通常運転時の空気量の増量の際に行われる燃料の加速増量を行うことが考えられるが、アイドル運転時は元々エンジン回転数が低く吸入空気量が少ない上に、その空気量変化も小さい。更には、この現象が生じるのは、エンジンの冷態始動時のごく短期間だけであることから、最適な燃料の増量量を導き出すのが極めて困難である。従って、点火時期リタードの際の空気量増量による空燃比リーン化の問題を燃料増量によって対応することは、現実的な解決策とはならない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、エンジン始動時に点火時期と空気量とを適正に制御し、空燃比リーンによる運転状態の不安定化を招くことなく早期に触媒を活性化させることのできるエンジンの制御装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明によるエンジンの制御装置は、点火時期を遅角制御し、排気系に介装した触媒の早期活性化を促進するエンジンの制御装置において、点火時期を遅角した状態で所定の目標アイドル回転数を維持可能なエンジンの空気量を決定し、この空気量を目標空気量としてエンジン始動時の吸入空気量を制御する始動時空気量制御部と、点火時期を遅角制御して上記触媒を昇温させる触媒昇温点火時期遅角制御部と、エンジン始動時に、エンジンのクランキング開始と共に上記始動時空気量制御部による上記目標空気量への制御を開始させ、エンジン完爆後にエンジン回転数が目標アイドル回転数を超えてエンジン回転数の上昇が止まったとき、上記触媒昇温点火時期遅角制御部による点火時期の遅角制御を開始させるエンジン始動制御部とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、エンジン始動時に点火時期と空気量とを適正に制御し、空燃比リーンによる運転状態の不安定化を招くことなく早期に触媒を活性化させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１〜図３は本発明の実施の一形態に係り、図１はエンジン制御系の構成図、図２は触媒早期活性化に係る制御機能のブロック図、図３はエンジン始動時の制御状態の遷移を示すタイムチャートである。

図１において、符号１はエンジンであり、このエンジン１の上部にシリンダヘッド２が設けられ、このシリンダヘッド２に、エンジン１の燃焼室１ａに連通する吸気ポート３と排気ポート４とが設けられている。また、シリンダヘッド２には、吸気ポート３を開閉する吸気弁５と排気ポート４を開閉する排気弁６とが配設され、更に、燃焼室１ａ内に先端の放電電極を露呈する点火プラグ７が取り付けられている。

また、吸気ポート３には、吸気マニホルド８が連通され、この吸気マニホルド８の吸気ポート３直上流側に、インジェクタ９が燃料噴射口を吸気弁５の方向へ指向した状態で配設されている。吸気マニホルド８は吸気通路１０に連通され、この吸気通路１０の中途にスロットル弁１１が配設されている。

スロットル弁１１は、本実施の形態においては、その弁開度を電子制御される電子制御式スロットル弁であり、スロットル弁１１を駆動するモータ等のスロットルアクチュエータ２０が連設され、このスロットル弁１１の上流側に、エアクリーナ１２が配設されている。一方、排気ポート４は、排気マニホルド１３を介して排気通路１４に連通され、この排気通路１４の中途に触媒１５が介装されている。

一方、符号５０は、エンジン１を電子的に制御する電子制御装置（ＥＣＵ）であり、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ｉ／Ｏインターフェイス等からなるマイクロコンピュータを中心として構成され、その他、Ａ／Ｄ変換器、タイマ、カウンタ、各種ロジック回路等の周辺回路を備えている。ＥＣＵ５０には、運転状態を検出する各種スイッチ・センサ類が入力側に接続され、また、エンジン１に備えられた各種機器類が出力側に接続されている。

更には、ＥＣＵ５０は、例えばＣＡＮ（Controller Area Network）等の通信プロトコルに基づく車内ネットワーク（図示せず）に接続される他の複数のＥＣＵ、例えば、変速機を制御するトランスミッションＥＣＵやブレーキを制御するブレーキＥＣＵ等の他の複数のＥＣＵとのデータ通信により各種制御情報が入力される。

ＥＣＵ５０の入力側に接続されるセンサ類としては、吸気通路１０のエアクリーナ１２直下流に設けられて吸入空気量を検出する吸入空気量センサ３０、エンジン１の冷却水温を検出する水温センサ３１、排気通路１４の触媒１５上流側に配設された空燃比センサ３２、クランク角を検出するクランク角センサ３３、アクセルペダル（図示せず）の踏込量を検出するアクセル開度センサ３４、スロットル弁１１の開度を検出するスロットル開度センサ３５等が備えられている。また、スイッチ類として、スタータスイッチ３６等がＥＣＵ５０の入力側に接続されている。

一方、ＥＣＵ５０の出力側に接続される機器類としては、上述のインジェクタ９、スロットルアクチュエータ２０、点火プラグ７に接続される点火コイル（図示せず）をＯＮ，ＯＦＦするイグナイタ２１、その他、エアコン用コンプレッサ、発電機、油圧ポンプ等の補機類の作動を制御する制御弁やリレー等が備えられている。

ＥＣＵ５０は、エンジン運転状態を検出するセンサ・スイッチ類からの信号、車内ネットワークを介して入力される各種制御情報に基づいて、各種制御量を演算し、燃料噴射量制御、点火時期制御等のエンジン制御を実行する。燃料噴射量制御においては、例えば、アクセルペダルの踏込量から運転者の要求するエンジントルク（目標エンジントルク）を演算し、この目標エンジントルクに対応した吸入空気量の目標値（目標吸入空気量）から所定の空燃比とするための燃料量を決定し、この燃料量の燃料をインジェクタ９を介して吸気ポート３に噴射する。

また、点火時期制御においては、例えば、吸入空気量及びエンジン回転数に基づいて基本点火時期を設定し、この基本点火時期に、ノッキング、冷却水温等による各種補正を加えて最終的な点火時期を演算する。そして、この最終的な点火時期に対応する点火コイルの通電開始タイミング及び通電終了タイミングをセットし、セットされたタイミングでイグナイタ２１を介して点火プラグ７をスパークさせ、筒内の混合気を燃焼させる。

また、ＥＣＵ５０は、エンジン始動時等の触媒１５が十分に活性していない運転状態において、点火時期の遅角（リタード）制御を実施して触媒を早期に昇温させ、触媒１５で排気を良好に浄化可能とする。更に、この触媒１５を早期に昇温させるための点火時期リタードによるエンジンのトルクダウンを補うため、空気量を増量補正する。このエンジン始動時の空気量の増量補正は、従来のようにエンジンの完爆を判定したときに増量補正されるのではなく、エンジンがクランキングされて点火が開始される前に、予め空気量の増量分を見込んだ目標空気量としてセットされ、エンジンの完爆後に、触媒昇温のための点火時期リタードが早期に開始される。

このため、ＥＣＵ５０は、エンジン始動時の触媒１５の早期活性化に係る制御機能として、図２に示すように、始動時空気量制御部５１，触媒昇温点火時期遅角制御部５２，エンジン始動制御部５３を備えている。

始動時空気量制御部５１は、水温センサ３１で検出したエンジン始動時の水温を用いて目標空気量Ｑｓを決定し、この目標空気量Ｑｓに対応するスロットル開度となるようスロットルアクチュエータ２０を介してスロットル弁１１の開度を制御する。目標空気量Ｑｓは、エンジン始動時の水温に基づくベース空気量に、触媒昇温点火時期遅角制御部５２で決定した点火時期リタード量に対応する空気量増量分を加えて決定する。水温に基づくベース空気量は、予め実験或いはシミュレーションによってエンジン始動時に適合する空気量を求めてマップ化しておき、このマップを参照して求める。

触媒昇温点火時期遅角制御部５２は、エンジン始動時の目標点火時期ＴIGを、エンジン回転数に基づく基本値に水温に基づく補正値を加えて設定する。更に、エンジン始動制御部５３から触媒昇温のための点火時期リタード制御の実行を指示されたときには、エンジン水温に基づく点火時期リタード量により目標点火時期ＴIGを遅角補正する。

触媒昇温のための点火時期リタード量は、触媒１５の容量やエンジン特性等を考慮し、触媒１５を設定温度に昇温可能なリタード量をエンジン水温との関係から予め実験或いはシミュレーションによってマップ化しておき、このマップを参照して求める。詳細には、エンジン始動時の目標点火時期が所定時間毎に設定値ずつ一定の傾きで遅角補正され、最終的にマップ参照のリタード量だけ遅角された点火時期となるように制御される。

エンジン始動制御部５３は、エンジン始動時、エンジンのクランキングが開始されてエンジンが回転し始めると、始動時空気量制御部５１に目標空気量への制御を開始するよう指示する。さらに、始動時空気量制御部５１によってエンジンの吸入空気量が目標空気量に制御されている状態でエンジンが完爆し、エンジン回転数が目標アイドル回転数を超え、その後、エンジン回転数の上昇が止まると、触媒昇温点火時期遅角制御部５２に触媒昇温のための点火時期リタード制御の開始を指示する。

すなわち、触媒昇温のための点火時期リタードは、予めエンジン始動時の水温に基づいてリタード量を決定できるため、点火時期リタードによるトルク減少分を見込んで空気量の増量分を予め設定しておき、この増量分を見込んだ目標空気量を、スタータスイッチ３６がＯＮされてエンジンのクランキングが開始されるまでに、ＥＣＵ５０の制御パラメータとして確定しておく。

また、この空気量の増量補正をエンジン始動時に予めセットしておくことに対応して、触媒昇温のための点火時期リタード制御も従来より開始タイミングが早められる。すなわち、従来のように、エンジン完爆後の空気量の増量補正が終了してエンジン回転数が目標アイドル回転数に収束した後に点火時期のリタードを開始するのではなく、エンジン完爆後にエンジン回転数の上昇が止まった時点で、触媒昇温のための点火時期リタード制御が開始される。

このように、空気量の増量と点火時期リタードとを早期に開始することにより、エンジン始動性を確保ししつつ触媒１５の早期活性化を促進することができ、しかも、点火時期リタードが終了するまでに空気量が途中で大きく増加することがなく、空燃比リーンを防止することができる。

次に、ＥＣＵ５０によるエンジン始動時の制御状態の遷移について、図３のタイムチャートを用いて説明する。

先ず、時刻ｔ0でＥＣＵ５０の電源がＯＮされると、ＥＣＵ５０によるエンジン制御システムの初期化が実行される。このとき、エンジンが未だ回転していないため、点火時期、吸入空気量、燃料噴射量の全て不定で確定しておらず、各制御量のマップ参照値やエンジン水温による補正値等がセットされる。

次に、時刻ｔ1でスタータスイッチ３６がＯＮされ、エンジンがクランキングされて回転し始めると、クランク角センサ３３によりクランク角が検出され、エンジン回転数が算出される。そして、エンジン回転数に基づいてエンジン始動時の点火時期がマップから参照され、このマップ参照の点火時期をエンジン水温に基づいて補正した目標点火時期が設定される。

このとき、エンジンの吸入空気量は、エンジン水温に基づくマップ参照値に、始動時のエンジン水温に基づいて決定される触媒昇温のための点火時期リタード量によるトルクダウンを補うための増量分を加算した目標空気量に制御される。また、この目標空気量に対応して、燃料噴射量がエンジン回転数と吸入管負圧とに基づくマップ参照値に水温補正及び始動時増量補正を加えた目標燃料噴射量に制御される。

エンジンのクランキング開始後の点火は、エンジンが回転し始めてクランク角度が特定された後に開始される。点火開始の後、条件がそろった気筒から着火し始め（時刻ｔ2）、スタータによるモータリングからエンジンの自発的な回転に切り換る。その後、エンジン回転数が上昇し、時刻ｔ3でエンジン回転数が予め設定した完爆判定回転数に到達すると、エンジン完爆と判定される。

従来では、このエンジン完爆判定がなされると同時に、図３中に破線で示すように、空気量が所定量増量され、時間の経過と共に減少するように設定されている（始動時空気量増量補正）。この始動時空気量増量補正は、エンジン回転を確実に上昇させてストールを防止すると共に、エンジン回転の上昇を判り易くしてエンジンの始動を運転者に報知するために行われるものであるが、本実施の形態では、完爆判定前から既に空気量が増量されており、同等の効果を得ることができる。

尚、エンジン自体が始動性が良く確実に始動できる場合、始動時空気量増量補正は不要であり、この場合、エンジン回転数は目標アイドル回転数を超えず、下から収束するように上昇する。

その後、エンジン回転数が上昇を続け、目標アイドル回転数を超えて時刻ｔ4でエンジン回転数の上昇が止まると、この時点で、触媒昇温のための点火時期リタード制御が開始される。すなわち、エンジンの空気量は、触媒昇温の点火時期リタード制御が開始される前に、この点火時期リタードによるトルク減少分を見込んで増量されており、それに伴い燃料量も増えていることから、点火時期リタード制御が開始されるまでのエンジン回転数は、目標アイドル回転数を超えて増量された空気量に応じた回転数まで上昇する。従って、このエンジン回転数が目標アイドル回転数を超えて上昇が止まったタイミングを、触媒昇温の点火時期リタード制御の開始タイミングとする。

この点火時期リタード制御は、エンジン水温に基づくマップ参照値を水温補正したエンジン始動時の目標点火時期を、所定時間経過毎に設定値ずつ遅角させ、エンジン水温に基づいて決定した触媒昇温のリタード量に達するまで一定の傾きで実施される（時刻ｔ4〜ｔ5）。その後、運転者がアクセルを踏み込んでアイドルスイッチがＯＦＦ（エンジン回転数が上昇）する、或いは触媒１５の暖機が完了すると、点火時期リタード制御が終了して通常制御に移行する。

従来、触媒昇温の点火時期リタード制御は、図３中に破線で示すように、エンジン回転数が目標アイドル回転数に到達後、所定時間が経過してエンジン回転が安定した時点で開始され、所定時間経過毎に所定値ずつ遅角される（時刻ｔ6〜ｔ7）。このとき、同時に、空気量も時間経過毎に点火時期リタード量に応じた増量分ずつ増加補正されるが、それにつられて空燃比のリーン状態が発生し、その速度と絶対量の限界が低くなってしまう。

これに対して、本実施の形態では、始動時水温により最終的に入る点火時期リタードの量は算出されているため、それにより空気量も決定することができ、決定した空気量を始動時から投入しておくことにより、途中で空気量が大きく増加することがなく、空燃比リーンになることがない。更に、空燃比リーンによる不安定な挙動がなくなるため、触媒昇温のための点火時期リタード量を大きくすることができ、触媒を有効に昇温させて早期活性化を図ることができる。

エンジン制御系の構成図 触媒早期活性化に係る制御機能のブロック図 エンジン始動時の制御状態の遷移を示すタイムチャート

１ エンジン
１４ 排気通路
１５ 触媒
５０ 電子制御装置
５１ 始動時空気量制御部
５２ 触媒昇温点火時期遅角制御部
５３ エンジン始動制御部

Claims (2)

1. 点火時期を遅角制御し、排気系に介装した触媒の早期活性化を促進するエンジンの制御装置において、
   点火時期を遅角した状態で所定の目標アイドル回転数を維持可能なエンジンの空気量を決定し、この空気量を目標空気量としてエンジン始動時の吸入空気量を制御する始動時空気量制御部と、
   点火時期を遅角制御して上記触媒を昇温させる触媒昇温点火時期遅角制御部と、
   エンジン始動時に、エンジンのクランキング開始と共に上記始動時空気量制御部による上記目標空気量への制御を開始させ、エンジン完爆後にエンジン回転数が目標アイドル回転数を超えてエンジン回転数の上昇が止まったとき、上記触媒昇温点火時期遅角制御部による点火時期の遅角制御を開始させるエンジン始動制御部と
   を備えることを特徴とするエンジンの制御装置。
2. 上記始動時空気量制御部による上記目標空気量への制御を、上記触媒昇温点火時期遅角制御部による点火時期の遅角制御が終了するまで継続させることを特徴とする請求項1記載のエンジンの制御装置。

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