JP2008106624A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒排出ＮＯｘ量がその許容上限を越えないように維持しつつトルク変動量を最適に維持する。
【解決手段】点火時期を変化させていくと触媒流入ＮＯｘ量とトルク変動量とが変化する内燃機関において、触媒排出ＮＯｘ量がその許容上限を越えないようにする点火時期のうち、トルク変動量がほぼ最小となる点火時期を、主触媒３３のＮＯｘ浄化率の関数としてあらかじめ求めておき、目標点火時期として記憶しておく。ＮＯｘセンサ３６，３７の出力から主触媒３３のＮＯｘ浄化率を求め、このＮＯｘ浄化率に基づき目標点火時期を求め、実際の点火時期を目標点火時期に一致させる。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関する。

火花点火式内燃機関では大まかに言えば、点火時期を遅角すると機関排出ＮＯｘ量が減少し、点火時期を進角すると機関出力が増大する。そこで、機関排気通路内に配置された触媒の排気浄化率と加速要求値とを検出し、触媒の排気浄化率が低いときほど点火時期を遅角し、加速要求値が大きいときほど点火時期を進角するようにした内燃機関が公知である（特許文献１参照）。

特開平９−１９５８１６号公報

しかしながら、点火時期を遅角すると機関排出ＮＯｘ量は減少するが機関出力も低下し、点火時期を進角すると機関出力は増大するが機関排出ＮＯｘ量も増大する。したがって、このように互いに背反的に変化する機関排出ＮＯｘ量と機関出力とをバランスよく制御する必要がある。上述の内燃機関ではこの点についてなんら考慮されていない。

前記課題を解決するために本発明によれば、機関排気通路内に触媒が配置されており、機関制御パラメータを変化させていくと機関排出ＮＯｘ量とトルク変動量とが変化する内燃機関において、触媒排出ＮＯｘ量がその許容上限を越えないようにする機関制御パラメータのうちトルク変動量がほぼ最小となる機関制御パラメータを、触媒のＮＯｘ浄化率の関数としてあらかじめ求めると共に機関制御パラメータの目標値として記憶しておき、触媒のＮＯｘ浄化率を求めると共に該ＮＯｘ浄化率に基づき機関制御パラメータの目標値を求め、該目標値に一致するように実際の機関制御パラメータを制御している。

触媒排出ＮＯｘ量がその許容上限を越えないように維持しつつトルク変動量を最適に維持することができる。

図１を参照すると、１は例えば四つの気筒を備えた機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポート、１０は点火栓をそれぞれ示す。吸気ポート７は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介してエアクリーナ１４に連結される。吸気ダクト１３内には吸入空気質量流量Ｇａを検出するためのエアフローメータ１５と、ステップモータ１６により駆動されるスロットル弁１７とが配置される。吸気弁６には吸気弁６の開弁動作を変更する可変動弁機構１８が設けられる。ここで、開弁動作は例えばリフト量、開弁期間（作用角）及び開弁開始時期ＩＶＣのうち一つ又は複数によって定められる。排気弁８に可変動弁機構を設けることもできる。また、機関本体１には機関冷却水温を検出するための水温センサ１９が取り付けられる。

また、吸気ポート７内には吸気ポート７内に燃料を噴射する電気制御式の燃料噴射弁２０が配置される。燃料噴射弁２０は燃料蓄圧室すなわちデリバリパイプ２１と、電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２２とを介して燃料タンク２３に連結される。デリバリパイプ２１にはデリバリパイプ２１内の燃料圧を検出する燃料圧センサ（図示しない）が取り付けられており、デリバリパイプ２１内の燃料圧が目標となる燃料圧に一致するように燃料ポンプ２２の吐出圧が制御される。

一方、排気ポート９は排気マニホルド３０を介して小容量の補助触媒３１に連結され、補助触媒３１は排気管３２を介して大容量の主触媒３３に連結され、主触媒３３は排気管３４に連結される。排気管３２には空燃比を検出するための空燃比センサ３５と、機関から排出されるＮＯｘ量である機関排出ＮＯｘ量すなわち主触媒３３内に流入するＮＯｘ量である触媒流入ＮＯｘ量ＮＯＸＩＮを検出するためのＮＯｘセンサ３６とが取り付けられ、排気管３４には主触媒３３から大気中に排出されるＮＯｘの量である触媒排出ＮＯｘ量ＮＯＸＥＸを検出するためのＮＯｘセンサ３７が取り付けられる。

電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５及び出力ポート４６を具備する。また、アクセルペダル４９にはアクセルペダル４９の踏み込み量を検出するための負荷センサ５０が接続される。エアフローメータ１５、水温センサ１９、空燃比センサ３５、ＮＯｘセンサ３６，３７、及び負荷センサ５０の出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。更に入力ポート４５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５１が接続される。ＣＰＵ４４ではクランク角センサ５１の出力パルスに基づいて機関回転数Ｎｅが算出される。一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介して点火栓１０、ステップモータ１６、可変動弁機構１８、燃料噴射弁２０、及び燃料ポンプ２２にそれぞれ接続され、これらは電子制御ユニット４０からの出力信号に基づいて制御される。

主触媒３３のＮＯｘ浄化率ＥＦＦは例えば次式（１）で表される。
ＥＦＦ＝（ＮＯＸＩＮ−ＮＯＸＥＸ）／ＮＯＸＩＮ （１）

したがって、触媒流入ＮＯｘ量ＮＯＸＩＮは次式（２）で表すことができる。
ＮＯＸＩＮ＝ＮＯＸＥＸ／（１−ＥＦＦ） （２）

さて、触媒排出ＮＯｘ量ＮＯＸＥＸがあらかじめ定められた上限値ＵＬＮＯＸＥＸを越えないように機関制御を行うのが一般的である。ここで、触媒排出ＮＯｘ量ＮＯＸＥＸと触媒流入ＮＯｘ量ＮＯＸＩＮとの間には上述の式（２）の関係がある。そうすると、触媒流入ＮＯｘ量ＮＯＸＩＮが次式（３）で定められる上限値ＵＬＮＯＸＩＮを越えないように機関制御パラメータ例えば点火時期ＩＧを制御すれば、触媒排出ＮＯｘ量ＮＯＸＥＸが触媒排出ＮＯｘ量上限値ＵＬＮＯＸＥＸを越えないようにすることが可能となる。
ＵＬＮＯＸＩＮ＝ＵＬＮＯＸＥＸ／（１−ＥＦＦ） （３）

図２は、図１の内燃機関において機関回転数Ｎｅ及び機関負荷率ＫＬを一定に維持しつつ点火時期ＩＧを変化させた場合の触媒流入ＮＯｘ量ＮＯＸＩＮ及びトルク変動量ＴＦの変化を概略的に示している。ここで、機関負荷率ＫＬは全負荷に対する機関負荷の割合を表すものである。図２に示される例では、点火時期ＩＧを遅角していくと、触媒流入ＮＯｘ量ＮＯＸＩＮが減少し、しかしながらトルク変動量ＴＦが増大する。すなわち、図２に示される例では点火時期ＩＧを変化させていくと触媒流入ＮＯｘ量ＮＯＸＩＮとトルク変動量ＴＦとがおおむね互いに背反的に変化する。

図２に示される例では点火時期ＩＧ＝ＩＧＸのときにＮＯＸＩＮ＝ＵＬＮＯＸＩＮとなっているので、点火時期ＩＧをＩＧＸ又はそれよりも遅角側にすれば、触媒流入ＮＯｘ量ＮＯＸＩＮが触媒流入ＮＯｘ量上限値ＵＬＮＯＸＩＮを越えないようにすることができる。すなわち、触媒流入ＮＯｘ量ＮＯＸＩＮの観点からすると、ＩＧＸよりも進角側でなければ点火時期ＩＧをどのように設定しても構わない。触媒流入ＮＯｘ量ＮＯＸＩＮができるだけ少ないほうが好ましいことを考えると、点火時期ＩＧをできるだけ遅角させるのが好ましいということになる。

しかしながら、点火時期ＩＧを過度に遅角させるとトルク変動量ＴＦが好ましくなく増大する。

そこで本発明による実施例では、触媒流入ＮＯｘ量ＮＯＸＩＮが触媒流入ＮＯｘ量上限値ＵＬＮＯＸＩＮを越えないようにする点火時期ＩＧのうち、トルク変動量ＴＦが最小となる点火時期ＩＧを目標点火時期ＩＧＴに設定し、実際の点火時期ＩＧがこの目標点火時期ＩＧＴに一致するように点火栓１０を制御している。

すなわち、図２に示される例では、ＩＧＸ又はＩＧＸよりも遅角側の点火時期ＩＧのうち、トルク変動量ＴＦが最小となる点火時期ＩＧはＩＧＸであるので、このＩＧＸが目標点火時期ＩＧＴに設定される。

一方、図３に示されるように点火時期ＩＧを遅角していくと触媒流入ＮＯｘ量ＮＯＸＩＮが減少しトルク変動量ＴＦが減少し、点火時期ＩＧを更に遅角していくと触媒流入ＮＯｘ量ＮＯＸＩＮが更に減少しトルク変動量ＴＦが増大する内燃機関の場合には、ＩＧＸ又はＩＧＸよりも遅角側の点火時期ＩＧのうちトルク変動量ＴＦが最小となる点火時期ＩＧはＩＧＹであるので、このＩＧＹが目標点火時期ＩＧＴに設定される。

このようにすると、触媒排出ＮＯｘ量ＮＯＸＥＸが触媒排出ＮＯｘ量上限値ＵＬＮＯＸＥＸを越えないように維持しつつトルク変動量ＴＦを最適に維持することができる。

このようにして設定される目標点火時期ＩＧＴは触媒流入ＮＯｘ量上限値ＵＬＮＯＸＩＮに依存し、また、機関回転数Ｎｅ及び機関負荷率ＫＬにも依存する。ここで、触媒流入ＮＯｘ量上限値ＵＬＮＯＸＩＮは式（３）からわかるように主触媒３３のＮＯｘ浄化率ＥＦＦに依存する。そこで本発明による実施例では、目標点火時期ＩＧＴを主触媒３３のＮＯｘ浄化率ＥＦＦ、機関回転数Ｎｅ及び機関負荷率ＫＬの関数としてあらかじめ実験により求めておき、これらＥＦＦ，Ｎｅ，ＫＬの関数として図４に示されるマップの形であらかじめＲＯＭ４２内に記憶するようにしている。

すなわち、本発明による実施例ではまずＮＯｘセンサ３６，３７の出力に基づき上述の式（１）から主触媒３３のＮＯｘ浄化率ＥＦＦが算出される。次いで、ＮＯｘ浄化率ＥＦＦと機関回転数Ｎｅ及び機関負荷率ＫＬとから図４のマップを用いて目標点火時期ＩＧＴが算出される。次いで、実際の点火時期ＩＧがこの目標点火時期ＩＧＴに一致するように点火栓１０が制御される。

なお、目標点火時期ＩＧＴを触媒流入ＮＯｘ量上限値ＵＬＮＯＸＩＮと機関回転数Ｎｅ及び機関負荷率ＫＬとの関数として求めておくようにすることもできる。この場合、ＮＯｘ浄化率ＥＦＦを検出した後に、式（２）から触媒流入ＮＯｘ量上限値ＵＬＮＯＸＩＮが算出され、この触媒流入ＮＯｘ量上限値ＵＬＮＯＸＩＮを用いて目標点火時期ＩＧＴが算出される。

図５は本発明による実施例の点火時期制御ルーチンを示している。このルーチンはあらかじめ定められた設定クランク角ごとの割り込みによって実行される。

図５を参照すると、まずステップ１００では主触媒３３のＮＯｘ浄化率ＥＦＦが算出される。続くステップ１０１では目標点火時期ＩＧＴが図４のマップから算出される。続くステップ１０２では実際の点火時期ＩＧが目標点火時期ＩＧＴに一致するように点火栓１０が制御される。

本発明を、可変動弁機構１８による吸気弁動作例えば吸気弁開弁開始時期ＩＶＣの制御に適用することもできる。

図６は、機関回転数Ｎｅ及び機関負荷率ＫＬを一定に維持しつつ吸気弁開弁開始時期ＩＶＣを変化させた場合の触媒流入ＮＯｘ量ＮＯＸＩＮ及びトルク変動量ＴＦの変化を概略的に示している。図６に示される例では、吸気弁開弁開始時期ＩＶＣを遅角していくと、触媒流入ＮＯｘ量ＮＯＸＩＮが減少し、トルク変動量ＴＦが増大する。この場合、触媒流入ＮＯｘ量ＮＯＸＩＮが触媒流入ＮＯｘ量上限値ＵＬＮＯＸＩＮを越えないようにする点火時期ＩＧのうち、トルク変動量ＴＦが最小となる吸気弁開弁開始時期ＩＶＣが目標吸気弁開弁開始時期に設定され、実際の吸気弁開弁開始時期ＩＶＣがこの目標吸気弁開弁開始時期に一致するように可変動弁機構１８が制御される。

内燃機関の全体図である。 点火時期ＩＧを変化させた場合の触媒流入ＮＯｘ量ＮＯＸＩＮ及びトルク変動量ＴＦの変化を概略的に示す図である。 本発明による実施例を説明するための図である。 目標点火時期ＩＧＴのマップを示す図である。 点火時期制御ルーチンを実行するためのフローチャートである。 吸気弁開弁開始時期ＩＶＣを変化させた場合の触媒流入ＮＯｘ量ＮＯＸＩＮ及びトルク変動量ＴＦの変化を概略的に示す図である。

符号の説明

１ 機関本体
１０ 点火栓
３２，３４ 排気管
３３ 主触媒
３６，３７ ＮＯｘセンサ

Claims (1)

1. 機関排気通路内に触媒が配置されており、機関制御パラメータを変化させていくと機関排出ＮＯｘ量とトルク変動量とが変化する内燃機関において、触媒排出ＮＯｘ量がその許容上限を越えないようにする機関制御パラメータのうちトルク変動量がほぼ最小となる機関制御パラメータを、触媒のＮＯｘ浄化率の関数としてあらかじめ求めると共に機関制御パラメータの目標値として記憶しておき、触媒のＮＯｘ浄化率を求めると共に該ＮＯｘ浄化率に基づき機関制御パラメータの目標値を求め、該目標値に一致するように実際の機関制御パラメータを制御する制御装置。

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