JP7045223B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Description
図1は、本発明に係る制御装置を適用する内燃機関の一態様を示す図である。
図1に示す内燃機関1は、車両用の火花点火ガソリン機関であり、機関本体1aに点火装置4、燃料噴射装置5及び回転数検出装置6などが取り付けられている。
なお、内燃機関1は、燃料噴射装置5が燃焼室10内に燃料を直接噴射する筒内直接噴射式内燃機関とすることができる。
電制スロットル8の上流側には流量検出装置9が配置され、流量検出装置9は、内燃機関1の吸入空気流量QARを計測する。
また、排気管3aには三元触媒を有する触媒装置12が設置され、触媒装置12は、内燃機関1の排気成分である、一酸化炭素CO,炭化水素類HC,窒素酸化物NOxを浄化する。
触媒装置12の三元触媒は、排気空燃比が理論空燃比(例えば、理論空燃比=14.6-14.7)よりもリーンになるとNOxの浄化率が低下し、逆に、排気空燃比が理論空燃比よりもリッチになるとCO,HCの浄化率が低下し、理論空燃比近傍の浄化ウインドウ内の排気空燃比であるときに最も有効に働く。
なお、触媒装置12の浄化ウインドウは、NOx,HC,COすべてが約90%の除去率で浄化される排気空燃比領域であり、例えば、14.5-15.0程度の空燃比範囲である。
また、触媒装置12の下流側の排気管3aには、排気空燃比の理論空燃比に対するリッチ・リーンを示す検出信号VO2Rを出力する酸素センサ15(リッチ・リーンセンサ)が配置される。
また、触媒装置12の入口での排気温度TEXは触媒装置12の温度に相関し、排気温度センサ16は触媒装置12(三元触媒)の温度を検出する触媒温度センサに相当する。
また、内燃機関1は、触媒装置12のベッド温度を検出する温度センサを触媒温度センサとして備えることができる。
燃料噴射装置5には、図示省略した燃料供給装置によって燃料タンク内の燃料が所定圧力に調整されて供給される。
制御装置13は、流量検出装置9で測定した吸入空気流量QAR、回転数検出装置6が出力するクランクシャフトの回転角信号NEなどを取り込み、これらに基づき燃料噴射量(燃料噴射パルス幅)TIを演算し、燃料噴射量TIに基づく噴射パルス信号を燃料噴射装置5に出力して、燃料噴射装置5による燃料噴射を制御する。
更に、制御装置13は、点火装置4、電制スロットル8にも操作量を出力し、点火装置4の点火時期やスロットルバルブ8aの開度を制御して、内燃機関1の運転を制御する。
また、制御装置13は、データの演算処理を行うために、MPU26、ROM27、RAM28を含むマイクロコンピュータを備えている。
アナログ入力回路20に入力された吸入空気流量QAR、スロットルバルブ開度信号TPS、上流側排気空燃比RABF、下流側排気空燃比VO2R、及び冷却水温度TWの信号は、それぞれA/D変換回路21に供給されてデジタル信号に変換され、バス25上に出力される。
バス25には、MPU26、ROM27、RAM28、タイマ/カウンタ(TMR/CNT)29等が接続されており、当該バス25を介してデータの授受を行うようになっている。
ROM27は、例えばデータの消去と書き換えが可能なEEPROMで構成され、制御装置13を動作させるためのプログラム、設定データ及び初期値等が記憶されており、エンジンスイッチのオン等によりこれらの情報がバス25を介してRAM28及びMPU26に読み込まれる。
MPU26による演算結果や処理結果はバス25上に出力され、I/O回路24を介して出力回路23から点火装置4、燃料噴射装置5及び電制スロットル8(スロットルモータ8b)などに供給される。
これは、空燃比センサ11が酸素センサ15よりも上流側に位置するため、内燃機関1の始動後の暖機状態で、酸素センサ15よりも空燃比センサ11が先に活性化して排気空燃比の検出が可能になり、その後に遅れて酸素センサ15が活性化して排気空燃比の検出が可能になるためである。
図3のフローチャートは、制御装置13による第1段階空燃比制御の処理手順を示す。
制御装置13は、ステップS101にて、内燃機関1の始動処理の開始時点での冷却水温度TW(換言すれば、機関温度)が、極寒始動判定温度TWIC(例えば、-10℃)以上であるか否か、つまり、内燃機関1の極寒始動状態であるか否かを判断する。
つまり、制御装置13は、内燃機関1の極寒始動状態では、後述するNOxや臭い成分を抑えるための空燃比制御を実施せず、内燃機関1の始動を優先する制御を実施する。
制御装置13は、ステップS102で、オープンループ制御によって燃料噴射量(燃焼空燃比)を制御する。
制御装置13は、空燃比センサ11の出力変化に基づき空燃比センサ11が活性化したか否かを判定することができ、また、冷却水温度TW、排気温度TEX、外気温、燃料噴射量の積算値などの運転条件に基づき空燃比センサ11が活性化したか否か(活性温度に達しているか否か)を推定することができる。
したがって、制御装置13は、空燃比センサ11の活性化を判断するまでステップS103の判断処理を繰り返し、オープンループ制御を継続する。
そして、制御装置13は、空燃比センサ11が活性化したことを判定すると、空燃比センサ11の出力に基づく第1段階空燃比制御を開始するが、ステップS104以降では、排気温度TEX(三元触媒の温度)に応じた第1段階空燃比制御における目標空燃比の設定を実施する。
例えば、触媒装置12の活性状態とは例えばNOx、CO、HCの浄化率が略95%に達した状態であり、触媒活性判定温度TCAは350℃程度の温度である。
そして、制御装置13は、空燃比センサ11で検出される排気空燃比が目標空燃比AFTG1に近づくように燃料噴射量(燃焼空燃比)を制御する、空燃比フィードバック制御を実施する。
触媒装置12の非活性状態では浄化率(転換率)が低いため、触媒装置12の入口での排気空燃比の理論空燃比に対するリッチ化が大きいと、HCの排出量が多くなる。
また、触媒装置12の非活性状態では、酸素の吸蔵能力は活性後に比べて低いが、温度上昇が早い触媒装置12の入口付近では酸素が吸着される場合があり、非活性状態での酸素吸蔵量が多くなると活性状態に達したときのNOxの還元性能が低下し、NOxの排出量が多くなってしまう。
そこで、制御装置13は、触媒装置12の非活性状態での目標空燃比AFTG1を、HC排出量を十分に抑制できる空燃比域内の可及的にリッチな空燃比とすることで、HCの排出量を抑制しつつ、触媒活性時にNOxの浄化率を維持できるようにする。
また、触媒装置12の三元触媒の活性状態におけるリッチな排気空燃比の導入は、触媒出口でのイオウ濃度(二酸化硫黄の排出量)を増やすことになり、更に、同じ排気空燃比でも触媒温度の上昇に応じてイオウ濃度が増える。
制御装置13は、ステップS106で、排気温度TEXに応じて触媒活性後の目標空燃比AFTG1を記憶したテーブルを参照し、現時点での排気温度TEXに対応する目標空燃比AFTG1を検索する。
つまり、制御装置13が、空燃比センサ11で検出される排気空燃比(触媒上流排気空燃比)が目標空燃比AFTG1に近づくように燃焼空燃比を制御することで、イオウ濃度を許容最大濃度以下に抑制しつつ、酸素吸蔵量の増大を可及的に抑制することができる。
また、制御装置13は、触媒装置12の浄化ウンドウ内の理論空燃比よりもリッチな領域(例えば、14.5-14.7の空燃比域)を理論空燃比よりも弱リッチな領域とし、係る弱リッチ領域で目標空燃比AFTG1を設定する構成とすることができる。
更に、制御装置13は、酸素センサ15がリニアに空燃比を検出できる理論空燃比近傍の領域(例えば、空気過剰率が0.996-1.004の領域)のうちの理論空燃比よりもリッチな領域内で目標空燃比AFTG1を設定する構成とすることができる。
制御装置13は、酸素センサ15の出力変化に基づき酸素センサ15が活性化したか否かを判定することができ、また、冷却水温度TW、排気温度TEX、外気温、燃料噴射量の積算値などの運転条件に基づき酸素センサ15が活性化したか否か(活性温度に達しているか否か)を判定することができる。
そして、制御装置13は、酸素センサ15の活性化を検出するまでは、ステップS104に戻って、イオウ濃度及び酸素吸蔵量の抑制を目的とする触媒活性後の空燃比制御(第1段階空燃比制御)を継続する。
制御装置13は、第2段階空燃比制御において、前述のように、空燃比センサ11の検出出力とともに下流空燃比センサである酸素センサ15の検出出力を用いて空燃比をフィードバック制御するので、HC及びNOxの排出量を抑制する高精度な空燃比制御が可能である。
これにより、空燃比センサ11の検出出力を用い酸素センサ15の検出出力を用いない第1段階空燃比制御が実施され、かつ、触媒装置12が活性化した状態で、酸素吸蔵量が増大してNOx排出量が増えることが抑止され、また、触媒出口でのイオウ濃度が増大して排ガスの臭い成分が増加することが抑制される。
この図4に示すように、触媒温度が350℃を超える触媒活性状態において、イオウ濃度は排気空燃比がリッチになるほど高くなる。
また、排気空燃比の弱リッチ領域において、イオウ濃度は触媒温度(排気温度)に応じて変動し、同じ弱リッチ空燃比のときに、活性温度(350℃程度)を超える領域で触媒温度が高くなるほどイオウ濃度は増加するが、活性温度よりも高いある温度(例えば550℃)を超える温度域では触媒温度が高くなるほどイオウ濃度が低下する傾向に切り替わる。
例えば、制御装置13は、第1段階空燃比制御における触媒活性状態で、目標空燃比AFTG1を一定の弱リッチ空燃比に維持することができる。
また、制御装置13は、第1段階空燃比制御において、触媒装置12が活性温度から上昇するにしたがって目標空燃比AFTG1を徐々にリーン化させ、触媒活性判定温度TCAよりも高い特性切換え温度TCCに達した後は、特性切換え温度TCCに達した時点での目標空燃比AFTG1を維持することができる。
また、排気温度TEXが触媒活性判定温度TCAよりも高い特性切換え温度TCCを超える前に酸素センサ15が活性化した場合、目標空燃比AFTG1が排気温度TEXの上昇に応じて徐々にリーン化されている状態で、第2空燃比制御に切り替わることになる。
Claims (2)
- 排気管に設置された三元触媒と、
前記三元触媒の上流側の排気空燃比を検出する上流空燃比センサと、
前記三元触媒の下流側の排気空燃比を検出する下流空燃比センサと、
を有する内燃機関に適用される制御装置であって、
前記上流空燃比センサが活性状態で前記下流空燃比センサが非活性状態であるときに、前記上流空燃比センサの出力に基づき燃焼空燃比を制御する第1空燃比制御手段であって、前記三元触媒の活性状態で前記三元触媒の上流側の排気空燃比を、理論空燃比近傍の弱リッチ空燃比であって、イオウの排出濃度が設定濃度を超えない空燃比範囲で可及的にリッチな弱リッチ空燃比に制御する前記第1空燃比制御手段と、
前記上流空燃比センサ及び下流空燃比センサが活性状態であるときに、前記上流空燃比センサの出力及び前記下流空燃比センサの出力に基づき燃焼空燃比を制御する第2空燃比制御手段と、
を有する、内燃機関の制御装置。 - 前記第1空燃比制御手段は、前記三元触媒の活性状態で、前記三元触媒の上流側の排気空燃比を、前記三元触媒の温度上昇に応じて理論空燃比近傍の弱リッチ空燃比域内でリーン方向に変化させる、
請求項1記載の内燃機関の制御装置。
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