JP2016014340A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 排気系に三元触媒を備える機関においてストイキ運転からリーン運転に切り換える際の空燃比の変更をより適切に行い、三元触媒下流側におけるNOx濃度の一時的な増加を抑制することができる制御装置を提供する。
【解決手段】 ストイキ運転からリーン運転へ切り換えるときに空燃比移行制御を行い、空燃比移行制御の開始時刻tSから所定リッチ制御時間TRICHが経過するまでの期間において空燃比を理論空燃比よりさらにリッチ側の空燃比へ変更する空燃比リッチ制御を行う。所定リッチ制御時間TRICH経過後にリーン空燃比AFLN1に向けて徐々に変更する制御を行う。空燃比リッチ制御により、三元触媒10における酸化していない(還元されている)貴金属の比率を増加させ、空燃比切換時に三元触媒10の下流側におけるNOx濃度CNOxの一時的な増加を抑制する。
【選択図】 図12
【解決手段】 ストイキ運転からリーン運転へ切り換えるときに空燃比移行制御を行い、空燃比移行制御の開始時刻tSから所定リッチ制御時間TRICHが経過するまでの期間において空燃比を理論空燃比よりさらにリッチ側の空燃比へ変更する空燃比リッチ制御を行う。所定リッチ制御時間TRICH経過後にリーン空燃比AFLN1に向けて徐々に変更する制御を行う。空燃比リッチ制御により、三元触媒10における酸化していない(還元されている)貴金属の比率を増加させ、空燃比切換時に三元触媒10の下流側におけるNOx濃度CNOxの一時的な増加を抑制する。
【選択図】 図12
Description
本発明は、排気系に排気浄化用の三元触媒を備える内燃機関の制御装置に関し、特に燃焼室内の混合気の空燃比を理論空燃比近傍の空燃比及び理論空燃比よりリーン側のリーン空燃比に制御する制御装置に関する。
特許文献1には、空燃比を理論空燃比に制御するストイキ運転と、理論空燃比よりリーン側のリーン空燃比に制御するリーン運転とを行う内燃機関の制御方法が示されている。この制御方法によれば、ストイキ運転からリーン運転へ切り換えるときは、先ず吸入空気量の増量制御が開始され、その後実際の吸入空気量の増加が開始されたタイミングで点火時期が遅角側に変更され、次いで空燃比がリーン空燃比に変更されるとともに、点火時期が進角側に変更される。これにより、機関出力の変動及び窒素酸化物の発生を抑制しつつ、運転の切換を行うことが可能となる。
上記特許文献1に示された制御方法によれば、ストイキ運転からリーン運転に切り換えるときの移行制御では、空燃比は最初、理論空燃比に維持され、点火時期の進角を開始する時点からリーン空燃比に向けて徐々に変更される。
排気系に設けられる三元触媒は、パラジウムなどの貴金属を含んでおり、この貴金属がリーン運転中は主としてNOxの浄化を行うことで酸化され、ストイキ運転中は排気中の炭化水素(HC)や一酸化炭素COが還元剤として作用するため、酸化された貴金属と還元された貴金属とが混在する状態となる。したがって、上記従来の方法で、ストイキ運転からリーン運転に切り換える移行制御を行った場合において還元された貴金属の比率が低いときは、三元触媒の下流側におけるNOx濃度が移行制御中に一時的に増加することがあった。
本発明はこの点に着目してなされたものであり、排気系に三元触媒を備える機関においてストイキ運転からリーン運転に切り換える際の空燃比の変更をより適切に行い、三元触媒下流側におけるNOx濃度の一時的な増加を抑制することができる制御装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため請求項1に記載の発明は、排気系に三元触媒(10)を備える内燃機関(1)の制御装置において、前記機関の運転状態に応じて、前記燃焼室内の混合気の空燃比(AF)を理論空燃比近傍のリッチ空燃比(AFST)と、理論空燃比よりリーン側のリーン空燃比(AFLN1)とに制御する空燃比制御手段と、前記空燃比を前記リッチ空燃比(AFST)から前記リーン空燃比(AFLN1)へ切り換えるときに空燃比移行制御を行う過渡制御手段とを備え、前記過渡制御手段は、前記空燃比移行制御の開始時点(tS)から所定時間(TRICH)経過するまでの期間において前記空燃比を前記リッチ空燃比よりさらにリッチ側の空燃比へ変更し、前記所定時間経過後に前記リーン空燃比に向けて徐々に変更することを特徴とする。
この構成によれば、空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比へ切り換えるときに空燃比移行制御が行われ、空燃比移行制御の開始時点から所定時間経過するまでの期間において空燃比をリッチ空燃比よりさらにリッチ側の空燃比へ変更し、所定時間経過後にリーン空燃比に向けて徐々に変更する制御が行われる。これにより、還元されている貴金属の比率を増加させ、空燃比切換時に三元触媒下流側におけるNOx濃度の一時的な増加を抑制することができる。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の内燃機関の制御装置において、前記機関は、前記機関の吸気弁の閉弁時期(CAIVC)を圧縮行程中の時期まで遅角可能な吸気弁閉弁時期可変機構(41,42)と、前記機関の燃焼室内に吸入された混合気の流動を生成する流動生成手段(2a,4)とを備え、前記過渡制御手段は、前記吸気弁の閉弁時期(CAIVC)を圧縮行程内の所定遅角時期(CARTDX)に制御するとともに、前記混合気の流動の強度が高くなるように前記流動生成手段を制御することを特徴とする。
上記「所定遅角時期(CARTDX)」は、出力変動の増大及びノッキングの発生を防止する効果を確実なものとするためには、圧縮行程内においてクランク角度(クランク軸回転位相)が圧縮行程開始角度位置から70度以上遅角側の角度位置に設定することが望ましい。ただし、遅角量が過大となれば、安定した燃焼は得られなくなるので、圧縮行程開始角度位置から例えば100度の角度位置より進角側とする。
この構成によれば、空燃比移行制御中は吸気弁の閉弁時期が圧縮行程内の所定遅角時期に制御されるとともに、混合気の流動の強度が高くなるように制御される。吸気弁の閉弁時期を圧縮行程内の比較的遅い時期に設定して実効圧縮比を低下させることで、ノッキングの発生を防止することが可能となり、さらに混合気流動の強度を高めることによって、空燃比を増加させるような空燃比移行制御中において混合気の良好な着火性を維持し、燃焼を安定化することができる。その結果、空燃比切換時において、出力変動の増大及びノッキングの発生を防止することが可能となる。
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の内燃機関の制御装置において、前記機関は、吸入空気量(GA)を制御する吸入空気量制御弁(3)と、前記機関の排気を吸気系に還流する排気還流通路(20)、及び該排気還流通路に設けられ、排気還流量を制御する排気還流制御弁(21)を備える排気還流機構とを備え、前記過渡制御手段は、前記吸入空気量制御弁の開度(TH)を増加させるとともに、前記排気還流制御弁の開度(LFT)を減少させ、前記吸入空気量(GA)を増加させる制御を行うことを特徴とする。
この構成によれば、空燃比移行制御では、吸入空気量制御弁の開度を増加させるとともに、排気還流制御弁の開度を減少させ、吸入空気量を増加させる制御が行われので、空燃比切換の前後での機関出力の変化を抑制し、円滑な切換を行うことが可能となる。
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の内燃機関の制御装置において、前記機関は、前記燃焼室内の混合気の火花点火を行う火花点火手段(7,8)を備え、前記過渡制御手段は、前記空燃比移行制御中は、前記排気還流機構を介して還流される排気量の割合を示す排気還流率(REGR)に応じて前記火花点火手段による点火時期(IG)を制御することを特徴とする。
この構成によれば、空燃比移行制御中は排気還流率に応じて点火時期が制御されるので、空燃比移行制御中における出力変動の増大及びノッキングの発生を確実に防止することができる。
請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の内燃機関の制御装置において、前記機関は、前記機関の吸気通路(2)内に燃料を微粒化して噴射可能な燃料噴射弁(6)を備え、前記火花点火手段は、点火プラグ(8)と、該点火プラグに放電を発生させるための複数の点火コイル対(71,72)とを備え、前記点火プラグにおける放電の継続時間(TSPK)を変更可能なものであり、前記空燃比(AF)を前記リーン空燃比(AFLN1)に制御するときは、前記リーン空燃比が増加するほど、前記点火時期(IG)を進角させるとともに前記放電継続時間(TSPK)を長く設定する点火制御手段を備えることを特徴とする。
この構成によれば、微粒化された燃料が吸気通路内に噴射されるので、比較的均質な混合気が吸気通路内において形成され、さらに燃焼室内に吸入されることによって、より均質度の高い混合気を形成することができる。また点火プラグにおける放電継続時間が変更可能であるため、点火時期及び放電継続時間を適切に設定することにより、すなわち、点火時期を比較的進角側に設定することによって、放電継続時間を長く設定することを可能とし、空燃比を「30」程度に設定しても確実に着火させることができる。またリーン空燃比が増加するほど、点火時期を進角させるとともに放電継続時間を長く設定することによって、目標空燃比が変化しても確実に着火させることができる。
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施形態にかかる内燃機関(以下「エンジン」という)及びその制御装置の構成を示す図であり、例えば4気筒のエンジン1の吸気通路2の途中にはスロットル弁(吸入空気量制御弁)3が配置されている。スロットル弁3はアクチュエータ19によって駆動可能に構成されており、アクチュエータ19は電子制御ユニット(以下「ECU」という)5に接続されている。スロットル弁3の開度は、アクチュエータ19を介してECU5によって制御される。吸気通路2のスロットル弁3の下流側には、燃料噴射弁6が各気筒に対応して設けられており、その作動はECU5により制御される。
図1は、本発明の一実施形態にかかる内燃機関(以下「エンジン」という)及びその制御装置の構成を示す図であり、例えば4気筒のエンジン1の吸気通路2の途中にはスロットル弁(吸入空気量制御弁)3が配置されている。スロットル弁3はアクチュエータ19によって駆動可能に構成されており、アクチュエータ19は電子制御ユニット(以下「ECU」という)5に接続されている。スロットル弁3の開度は、アクチュエータ19を介してECU5によって制御される。吸気通路2のスロットル弁3の下流側には、燃料噴射弁6が各気筒に対応して設けられており、その作動はECU5により制御される。
図2に示すように、吸気通路2の、吸気弁22の直ぐ上流側には、隔壁2aと、隔壁2aによって形成される一方の流路に配置されたタンブル流動制御弁4とが設けられており、タンブル流動制御弁4はアクチュエータ4aによって開閉駆動可能に構成されている。アクチュエータ4aはECU5に接続されており、その作動はECU5によって制御される。タンブル流動制御弁4によって、燃焼室1a内に混合気のタンブル流動が生成される。
エンジン1の各気筒には点火プラグ8が装着されており、点火プラグ8は点火回路ユニット7を介してECU5に接続されている。ECU5は、後述するように点火プラグ8における放電開始時期CAIG及び放電継続時間TSPKの制御を行う。なお、放電開始時期CAIGは、「点火時期IG」と表記する場合もある。
ECU5には、エンジン1の吸入空気流量GAIRを検出する吸入空気流量センサ11、吸気温TAを検出する吸気温センサ12、スロットル弁開度THを検出するスロットル弁開度センサ13、吸気圧PBAを検出する吸気圧センサ14、エンジン冷却水温TWを検出する冷却水温センサ15、及び図示しない他のセンサ(例えばエンジン1により駆動される車両のアクセルペダル操作量APを検出するアクセルセンサ、車速センサなど)が接続されており、これらのセンサの検出信号がECU5に供給される。
ECU5には、エンジン1のクランク軸(図示せず)の回転角度を検出するクランク角度位置センサ16が接続されており、クランク軸の回転角度に応じたパルス信号がECU5に供給される。クランク角度位置センサ16は、クランク角度位置を示す複数のパルス信号を出力するものであり、このパルス信号は、燃料噴射時期、点火時期(点火プラグ8の放電開始時期)等の各種タイミング制御、及びエンジン回転数NEの検出に使用される。エンジン1は、後述するように吸気弁作動位相を連続的に変更する機構を備えており、クランク角度位置センサ16より出力されるパルス信号に基づいて、吸気弁22を駆動するカム軸の実際の作動位相(吸気弁作動位相)CAINを検出することができる。本実施形態では、吸気弁作動位相CAINの増加は位相の進角に対応する。
排気通路9には排気浄化用のパラジウムを含む三元触媒10が設けられている。三元触媒10の上流側であって各気筒に連通する排気マニホールドの集合部より下流側には、比例型酸素濃度センサ17(以下「LAFセンサ17」という)が装着されており、このLAFセンサ17は排気中の酸素濃度(空燃比AF)にほぼ比例した検出信号を出力し、ECU5に供給する。
エンジン1は排気還流機構を備えており、この排気還流機構は、排気通路9と吸気通路2と接続する排気還流通路20と、排気還流通路20を通過する排気の流量を制御する排気還流制御弁(以下「EGR弁」という)21とを有する。EGR弁21の作動は、ECU5によって制御される。
エンジン1は吸気弁22の弁リフト量及び開角(リフト量が「0」より大きい角度期間)を、機械的に2段階に切り換える第1弁作動特性可変機構41と、吸気弁22の作動位相を連続的に変更する第2弁作動特性可変機構42とを有する弁作動特性可変装置40を備えている。機械的に2段階に切り換える第1弁作動特性可変機構41を採用することによって、吸気弁作動特性の迅速な変更が可能となる。第1弁作動特性可変機構41は、吸気弁22のリフト量及び開角を第1作動特性VT1と第2作動特性VT2とに切り換える。弁作動特性可変装置40は、第1弁作動特性可変機構41を駆動するための油圧制御機構43と、第2弁作動特性可変機構42を駆動するための油圧制御機構44とを備えている。油圧制御機構43及び油圧制御機構44の作動はECU5により制御される。以下の説明では、第1弁作動特性可変機構41により切り換えられる作動特性を、「吸気弁作動特性VT」という。
弁作動特性可変装置40によれば、吸気弁22は、図3に実線L1で示す第1作動特性VT1と、実線L2で示す第2作動特性VT2とを最遅角位相として、カムの作動位相(CAIN)の進角に伴って破線L3,L4で示す最進角位相までの間の位相で駆動される。なお、排気弁は実線L5で示す一定の作動特性で駆動される。図3から明らかなように、本実施形態では吸気弁の閉弁時期CAIVCが圧縮行程の開始後となるように設定され、アトキンソンサイクル運転が行われる。また第1作動特性VT1における吸気弁22の閉弁時期CAIVC1は、第2作動特性VT2における閉弁時期CAIVC2より遅角側にある。
ECU5は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット(CPU)、該CPUで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、燃料噴射弁6、点火回路ユニット7、アクチュエータ4aなどに駆動信号を供給する出力回路等から構成される。
燃料噴射弁6による燃料噴射量は、吸入空気流量GAIRに応じて算出される基本燃料量を、LAFセンサ17により検出される空燃比AFに応じた空燃比補正係数KAFによって補正することによって制御される。空燃比補正係数KAFは、検出される空燃比AFが目標空燃比AFCMDと一致するように算出される。
ECU5は、アクセルペダル操作量APなどに応じてスロットル弁3の目標開度THCMDを算出し、検出されるスロットル弁開度THが目標開度THCMDと一致するようにアクチュエータ19の駆動制御を行う。
図4は、1つの気筒に対応する点火回路ユニット7の構成を示す回路図であり、点火回路ユニット7は、一次コイル71a及び二次コイル71bからなる第1コイル対71と、一次コイル72a及び二次コイル72bからなる第2コイル対72と、バッテリ30の出力電圧VBATを昇圧して昇圧電圧VUPを出力する昇圧回路73と、一次コイル71a,72aの通電制御を行うトランジスタQ1,Q2と、二次コイル71b,72bと点火プラグ8との間に接続されたダイオードD1,D2とを備えている。
トランジスタQ1,Q2のベースはECU5に接続されており、ECU5によってオンオフ制御(一次コイルの通電制御)が行われる。2つの一次コイルの通電期間の一部を重複させつつ交互に通電を行うことによって、点火プラグ8における放電の継続時間(放電継続時間)TSPKをエンジン1の運転状態に応じて変更することができる。また一次コイルの最初の通電終了時期が放電開始時期CAIGに相当し、放電開始時期CAIGもエンジン1の運転状態に応じて変更可能である。
燃料噴射弁6は、燃料を微粒化して噴射可能なものであり、SMD(Sauter Mean Diameter:ザウター平均直径)が35μm程度(燃圧350kPaで噴射し、噴射口からの50mm下におけるSMD)の特性を有する。図5(a)は、この燃料噴射弁6による燃料の噴射状態(噴射された燃料の拡散状態)を模式的に示し、図5(b)は比較のために示す通常の燃料噴射弁による燃料の噴射状態を示す。通常の燃料噴射弁では、円錐状に分布する燃料の周辺部の燃料濃度が高くなるのに対し、燃料噴射弁6では微粒化した燃料の到達距離が短くなり、かつ拡散領域内における濃度分布の均質度が高く(濃度差が少なく)なる。
燃料を微粒化して噴射可能な燃料噴射弁6を用いることによって、検出空燃比AFを目標空燃比AFCMDと一致させるために必要とされる量の燃料を燃焼室に供給し、しかも燃焼室内における空燃比分布がほぼ一様な(均質度の高い)均質混合気を形成することができる。
本実施形態では、暖機完了後の目標空燃比AFCMDは、エンジン回転数NE及び要求トルクTRQCMDに応じて、例えば図6に示すように設定される。図6に示す領域RLNでは、目標空燃比AFCMDを例えば「24」から「35」程度の範囲(以下「超希薄空燃比範囲」という)に設定するリーン運転が行われ、領域RSTでは目標空燃比AFCMDを理論空燃比(14.7)に設定するストイキ運転が行われる。図6に示す領域RLNと領域RSTとの境界を示す実線は、リーン運転からストイキ運転へ切り換えるときの境界に対応し、破線はストイキ運転からリーン運転へ切り換えるときの境界に対応する。
リーン運転時の最小空燃比AFL1(例えば「24」)は、エンジン1からのNOx排出量が許容上限値CNOxHL(例えば120ppm)以下となるように設定される。最大空燃比AFL2(例えば「35」)は、必要なエンジン出力を得るための限界値として設定される空燃比である。
図7は、空燃比AFと三元触媒10の上流側における排気中のNOx濃度CNOxFとの関係を示す図であり、空燃比AFが「16」以上の範囲では、空燃比AFが増加するほど(リーン化するほど)、NOx濃度CNOxFが低下する。したがって、リーン運転中の最小空燃比AFL1は、許容上限値CNOxHLが低下するほど増加するように設定する必要がある。
点火プラグ8における放電開始時期CAIGは、超希薄空燃比範囲における目標空燃比AFCMDに対応して、上死点前50度から15度の範囲に設定され、放電継続時間TSPKは均質希薄混合気を確実に着火させるべく、1.8〜3msecに設定される。このように放電継続時間TSPKを設定したときの放電エネルギが150〜600mJとなるように昇圧電圧VUPが設定されている。従来の火花点火による希薄混合気燃焼は、点火プラグ近傍の空燃比が相対的に小さくなるように燃焼室内の流動を生成することによって実現される成層混合気燃焼であるのに対し、本実施形態の均質希薄混合気燃焼は、放電継続時間TSPKを比較的長く設定し、その放電継続時間TSPKを確保できるように放電開始時期CAIGは、成層混合気燃焼の点火時期(例えば8.0度)より進角側に設定されている。超希薄空燃比範囲では、目標空燃比AFCMDが増加するほど放電開始時期CAIGを進角させるとともに放電継続時間TSPKを長く設定する。
さらにエンジン1の幾何学的圧縮比(ピストンが下死点に位置するときの燃焼室容積と、上死点に位置するときの燃焼室容積との比)は、最低実効圧縮比が9.0程度となるように、通常の火花点火エンジンの幾何学的圧縮比より若干大きく設定されている。
またタンブル流動制御弁4の開度を変更することによって、流速5〜15m/sec程度(エンジン回転数NEが1500rpmであるとき流速)のタンブル流動を発生させるタンブル流動生成制御が行われる。
放電継続時間TSPKを比較的長く設定するとともに、燃焼室内にタンブル流動を生成することによって、希薄混合気燃焼において強力な初期火炎核を形成し、その火炎核を成長させることによって、圧縮上死点における未燃混合気の温度を1000度K以上の温度まで高めて、層流燃焼速度を支配する素反応を、過酸化水素が分解してOHラジカルを生成する反応に変化させ、圧縮上死点後において燃焼を確実に完結させることが可能となる。
次に本実施形態においてストイキ運転からリーン運転へ切り換えるときの空燃比移行制御の概要を、図8及び図9を参照して説明する。
図8は、ストイキ運転からリーン運転への切換時における空燃比移行制御を説明するためのタイムチャートであり、図8(a)〜(g)は、それぞれスロットル弁開度TH、EGR弁リフト量LFT、吸気弁作動位相CAIN、吸気弁作動特性VT、タンブル流動制御弁4の開度TCV、燃料噴射時間(燃料噴射量)TI、及び点火時期IGの推移を示す。また時刻tSが移行制御開始時刻であり、時刻tEが移行制御終了時刻である。図8(a),(b),(c),及び(e)に示す破線は、それぞれ目標開度THCMD、EGR弁リフト量指令値LFTCMD、吸気弁作動位相指令値CAINCMD、及びタンブル流動制御弁開度指令値TCVCMDを示す。各制御パラメータは、下記のように制御される。
図8は、ストイキ運転からリーン運転への切換時における空燃比移行制御を説明するためのタイムチャートであり、図8(a)〜(g)は、それぞれスロットル弁開度TH、EGR弁リフト量LFT、吸気弁作動位相CAIN、吸気弁作動特性VT、タンブル流動制御弁4の開度TCV、燃料噴射時間(燃料噴射量)TI、及び点火時期IGの推移を示す。また時刻tSが移行制御開始時刻であり、時刻tEが移行制御終了時刻である。図8(a),(b),(c),及び(e)に示す破線は、それぞれ目標開度THCMD、EGR弁リフト量指令値LFTCMD、吸気弁作動位相指令値CAINCMD、及びタンブル流動制御弁開度指令値TCVCMDを示す。各制御パラメータは、下記のように制御される。
スロットル弁の目標開度THCMD:時刻tSからリーン運転開度THLNに向けて徐々の増加させ、リーン運転開度THLNに達する時刻t11以後はリーン運転開度THLNに維持する。
EGR弁リフト量LFTの指令値LFTCMD:時刻tSにおいて、リーン運転リフト量である「0」までステップ的に減少させ、その後は「0」に維持する。リーン運転中は、エンジン1からのNOx排出量が小さいため、排気還流率REGRは「0」に設定される。
吸気弁作動位相指令値CAINCMD:時刻tSにおいて初期位相CAINIまでステップ的に進角させ、その後はリーン運転位相CALNに達する時刻t12まで徐々に進角させる。時刻t12以後は、リーン運転位相CALNに維持する。
吸気弁作動位相指令値CAINCMD:時刻tSにおいて初期位相CAINIまでステップ的に進角させ、その後はリーン運転位相CALNに達する時刻t12まで徐々に進角させる。時刻t12以後は、リーン運転位相CALNに維持する。
吸気弁作動特性VT:時刻tSからtEまで第1作動特性VT1に維持し、時刻tEにおいて第2作動特性VT2に切り換える。
タンブル流動制御弁4の開度指令値TCVCMD:時刻tSにおいて、0度(強流動制御値)までステップ的に減少させ、以後0度に維持する。
タンブル流動制御弁4の開度指令値TCVCMD:時刻tSにおいて、0度(強流動制御値)までステップ的に減少させ、以後0度に維持する。
燃料噴射時間TI:空燃比AFの変更は主として吸入空気量の変更によって行われるため、時刻tSからtEまでほぼ一定値に保持する。ただし、検出空燃比AFが目標空燃比AFCMDと一致するように、フィードバック制御による微調整を行うとともに、空燃比移行制御開始直後に燃料噴射時間TI(燃料噴射量)を所定リッチ制御時間TRICHに亘って若干増加させる空燃比リッチ制御を行う。
点火時期IG:実際の排気還流率REGRに応じて、例えば図10に示すテーブルを用いて設定する。その結果、時刻tSの直後から比較的早い速度で遅角され、その後はリーン運転に適した値に向けて徐々に進角される。
図10に示すテーブルによれば、点火時期IGは排気還流率REGRが増加するほど進角するように設定される。なお、実際の排気還流率REGRは公知の手法(例えば特許第5270008号公報に示された手法)によって算出される。
移行制御終了時刻tEは、空燃比AFがリーン空燃比AFLN1に到達した時刻である。
移行制御終了時刻tEは、空燃比AFがリーン空燃比AFLN1に到達した時刻である。
図9(a)〜(d)は、図8に示す空燃比移行制御を行った場合の空燃比AF、吸入空気量GA、排気中(三元触媒10の下流側)のNOx濃度CNOx、及び排気中(三元触媒10の下流側)のHC濃度CHCの推移を示し、図9(a)の破線は、目標空燃比AFCMDの推移を示す。HC濃度CHCは、燃料に含まれる複数の炭化水素成分の全体としての濃度を示す。目標空燃比AFCMDは、空燃比移行制御中において空燃比AFの制御可能範囲を外れないように、理論空燃比からリーン空燃比に向けて徐々に変更される。このとき、目標空燃比AFCMDは、吸入空気量GA及び排気還流率REGRに応じて設定される。
図9によれば、スロットル弁開度THの増加によって吸入空気量GAが増加し、空燃比AFが理論空燃比AFSTからリーン空燃比AFLN1(「24」程度)へ円滑に移行し、かつ空燃比移行制御中においてNOx濃度CNOx及びHC濃度CHCが比較的小さく抑制されることが確認できる。
図11は、三元触媒10における排気の浄化を説明するための図であり、貴金属としてパラジウムPdが使用される例が示されている。前述したようにストイキ運転中においては、酸化パラジウムPdOと、酸化されていない(還元された)パラジウムPdとが混在している。排気中の一酸化窒素NOはパラジウムPdを酸化することによって、窒素N2に変化し、炭化水素(HC)及び一酸化炭素COは、酸化パラジウムPdOを還元することにより、二酸化炭素CO2と水H2Oに変化する。したがって、還元されたパラジウムPdの比率が低いときには、三元触媒10の下流側におけるNOx濃度CNOxが上昇する可能性が高くなる。
そこで本実施形態では、ストイキ運転からリーン運転への切換時における空燃比移行制御の開始直後に空燃比AFを一時的にリッチ化することより、還元されたパラジウムPdの比率を高めて、NOx濃度CNOxが一時的に増加することを防止するようにしている。
図12は、ストイキ運転からリーン運転への切換時に実行される空燃比移行制御を実行する処理の手順を示すフローチャートである。この処理は、例えば所定時間毎に実行される。
ステップS11では、ストイキ運転からリーン運転への切換要求フラグFSTLNが「1」であるか否かを判別し、この答が肯定(YES)であるとき、ステップS12〜S16の処理を実行する。切換要求フラグFASTLNは、エンジン運転状態が図6に示す領域RSTから領域RLNへ変化したとき「1」に設定される。ステップS11の答が否定(NO)であるときは、本処理を実行することなく、図示しない他の処理によってリーン運転からストイキ運転への空燃比移行制御または通常制御を行う。
ステップS12では、ステップS11の答が肯定(YES)となった時点(空燃比移行制御開始時点)から所定リッチ制御時間TRICH(例えば0.5秒)が経過したか否かを判別する。最初はこの答は否定(NO)となるので、燃料噴射時間TIを増加させることにより空燃比AFを0.5程度減少させる空燃比リッチ制御を実行する(ステップS13)。なお、所定リッチ制御時間TRICHは、三元触媒10に含まれるパラジウムの質量MPdに応じて設定することが望ましい。すなわち、パラジウムの質量MPdが大きいほど、所定リッチ制御時間TRICHを長く設定することが望ましい。
空燃比移行制御開始時点から所定リッチ制御時間TRICHが経過すると、ステップS12の答が肯定(YES)となり、以後はステップS12から直ちにステップS14に進む。
ステップS14では、図8及び図9を参照して説明したストイキ運転からリーン運転への空燃比移行制御を実行する。ステップS15では、空燃比移行制御が終了したか否かを判別し、その答が肯定(YES)となると、切換要求フラグFSTLNを「0」に戻す(ステップS16)。空燃比移行制御は、空燃比AFが移行後の空燃比に達した時点(tE)で終了する。
図13は、図12のステップS13における空燃比リッチ制御を説明するためのタイムチャートであり、空燃比リッチ制御中に燃料噴射時間TIの算出に適用される加算時間DTIの推移を示す。加算時間DTIは、時刻tSにおいてリッチ制御値DTIRまでステップ的に増加し、時刻tREにおいてステップ的に「0」まで減少するように設定される。リッチ制御値DTIRは、空燃比14.7を14.2程度までリッチ化する値であり、燃料噴射時間TIの3〜4%程度に相当する。時刻tREにおいて空燃比リッチ制御を終了する。
図14は、上述した空燃比リッチ制御を実行することによる効果を説明するためのタイムチャートであり、図14(a)は、検出される空燃比AFの推移を拡大して示し、図14(b)は、三元触媒10の下流側におけるNOx濃度CNOxの推移を示す。図14(a)(b)に示す破線は、空燃比リッチ制御を行わない場合に対応する。
空燃比リッチ制御は時刻tSから所定リッチ制御時間TRICHが経過するまでの期間において実行されるが、そのリッチ制御による排気通路での検出空燃比AFの変化は若干遅れて図14(a)に示すように検出され、時刻t21において最小となる。空燃比リッチ制御を行わない場合には、図14(b)に破線で示すように、NOx濃度CNOxの増加量が大きくなるが、空燃比リッチ制御を行うことによって、実線で示す程度まで改善することができる。
以上のように本実施形態では、ストイキ運転からリーン運転へ切り換えるときに空燃比移行制御が行われ、空燃比移行制御の開始時刻tSから所定リッチ制御時間TRICHが経過するまでの期間において空燃比を理論空燃比よりさらにリッチ側の空燃比(例えば14.2程度)へ変更し、所定リッチ制御時間TRICH経過後にリーン空燃比AFLN1に向けて徐々に変更する制御が行われる。これにより、還元されているパラジウムPdの比率を増加させ、空燃比切換時(ストイキ運転からリーン運転への切換時)に三元触媒10の下流側におけるNOx濃度CNOxの一時的な増加を抑制することができる。
また空燃比移行制御中は、吸気弁作動特性VTを第1作動特性VT1に設定するとともに、吸気弁作動位相CAINを比較的小さな値に設定することによって、吸気弁22の閉弁時期CAICが圧縮行程内の所定遅角時期CARTDX(図8に示す例では70度である)に制御されるとともに、燃焼室内における混合気流動の強度が高くなるようにタンブル流動制御弁4が制御される。吸気弁の閉弁時期CAIVCを圧縮行程内の比較的遅い時期に設定して実効圧縮比を低下させることで、ノッキングの発生を防止することが可能となり、さらに混合気流動の強度を高めることによって、空燃比を増加させるような空燃比移行制御中において混合気の良好な着火性を維持し、燃焼を安定化することができる。その結果、空燃比切換時において、出力変動の増大及びノッキングの発生を防止することが可能となる。
またストイキ運転からリーン運転への切換を行うときは、スロットル弁開度THを増加させるとともにEGR弁リフト量LFTを減少させて、吸入空気量を増加させる制御が行われる。このような吸入空気量及び排気還流量の制御を行うことにより、空燃比切換の前後でのエンジン出力の変化を抑制し、円滑な切換を行うことができる。
また空燃比移行制御中は排気還流率REGRに応じて点火時期IGが制御されるので、空燃比移行制御中における出力変動の増大及びノッキングの発生を確実に防止することができる。
また燃料噴射弁6によって微粒化された燃料が吸気通路2内に噴射されるので、比較的均質な混合気が吸気通路2内において形成され、さらに燃焼室内に吸入されることによって、より均質度の高い混合気を形成することができる。また点火プラグ8における放電継続時間TSPKが変更可能であるため、放電開始時期CAIG(=点火時期IG)及び放電継続時間TSPKを適切に設定することにより、すなわち、放電開始時期CAIGを比較的進角側に設定することによって、放電継続時間TSPKを長く設定することを可能とし、空燃比AFを「30」程度に設定しても確実に着火させることができる。また目標空燃比AFCMDがリーン空燃比であるときは、リーン空燃比が増加するほど、放電開始時期CAIGを進角させるとともに放電継続時間TSPKを長く設定することによって、目標空燃比AFCMDが変化しても確実に着火させることができる。
本実施形態では、スロットル弁3が吸入空気量制御弁に相当し、第1及び第2弁作動特性可変機構41,42が吸気弁閉弁時期可変機構を構成し、点火回路ユニット7及び点火プラグ8が火花点火手段に相当し、隔壁2a及びタンブル流動制御弁4が流動生成手段に相当する。またECU5が空燃比制御手段、過渡制御手段、及び点火制御手段を構成する。
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、第1及び第2弁作動特性可変機構41,42によって、吸気弁閉弁時期可変機構を構成したが、第2弁作動特性可変機構42のみによって吸気弁閉弁時期可変機構を構成するようにしてもよい。また、請求項1の発明は吸気弁閉弁時期可変機構及び燃焼室内に混合気の流動を生成するための機構を備えていない内燃機関の制御装置にも適用可能である。
また上述した実施形態では流動生成手段として、タンブル流動を生成する機構を使用したが、スワール流動を生成する機構を採用してもよい。また、燃焼室1a及びピストン頂部の形状を、スキッシュ流動が生成されるように構成してもよい。
また上述した実施形態では、リーン運転における空燃比AFは、超希薄空燃比範囲(例えば24〜35)に設定するようにしたが、本発明はリーン運転における空燃比AFがより理論空燃比に近い値(例えば16〜22)に設定する制御装置にも適用可能である。また、上述した実施形態では、空燃比を理論空燃比に設定するとストイキ運転と、理論空燃比よりリーン側の空燃比に設定するリーン運転との切換時における空燃比移行制御を示したが、本発明は、空燃比を理論空燃比近傍で理論空燃比より若干リッチ側の空燃比に設定するリッチ運転と、リーン運転との切換時にも適用可能である。
また上述した実施形態では4気筒エンジンの例を示したが、本発明は気筒数に関わらず適用可能である。また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの制御装置にも適用が可能である。
1 内燃機関
2 吸気通路
2b 隔壁(流動生成手段)
3 スロットル弁(吸入空気量制御弁)
4 タンブル流動制御弁(流動生成手段)
5 電子制御ユニット(空燃比制御手段、過渡制御手段、点火制御手段)
6 燃料噴射弁
7 点火回路ユニット(火花点火手段)
8 点火プラグ(火花点火手段)
41 第1弁作動特性可変機構(吸気弁閉弁時期可変機構)
42 第2弁作動特性可変機構(吸気弁閉弁時期可変機構)
AF 空燃比
TH スロットル弁開度
LFT EGR弁リフト量
CAIN 吸気弁作動位相
VT 吸気弁作動特性
TCV タンブル流動制御弁開度
TI 燃料噴射時間
IG 点火時期
2 吸気通路
2b 隔壁(流動生成手段)
3 スロットル弁(吸入空気量制御弁)
4 タンブル流動制御弁(流動生成手段)
5 電子制御ユニット(空燃比制御手段、過渡制御手段、点火制御手段)
6 燃料噴射弁
7 点火回路ユニット(火花点火手段)
8 点火プラグ(火花点火手段)
41 第1弁作動特性可変機構(吸気弁閉弁時期可変機構)
42 第2弁作動特性可変機構(吸気弁閉弁時期可変機構)
AF 空燃比
TH スロットル弁開度
LFT EGR弁リフト量
CAIN 吸気弁作動位相
VT 吸気弁作動特性
TCV タンブル流動制御弁開度
TI 燃料噴射時間
IG 点火時期
Claims (5)
- 排気系に三元触媒を備える内燃機関の制御装置において、
前記機関の運転状態に応じて、前記燃焼室内の混合気の空燃比を理論空燃比近傍のリッチ空燃比と、理論空燃比よりリーン側のリーン空燃比とに制御する空燃比制御手段と、
前記空燃比を前記リッチ空燃比から前記リーン空燃比へ切り換えるときに空燃比移行制御を行う過渡制御手段とを備え、
前記過渡制御手段は、前記空燃比移行制御の開始時点から所定時間経過するまでの期間において前記空燃比を前記リッチ空燃比よりさらにリッチ側の空燃比へ変更し、前記所定時間経過後に前記リーン空燃比に向けて徐々に変更することを特徴とする内燃機関の制御装置。 - 前記機関は、前記機関の吸気弁の閉弁時期を圧縮行程中の時期まで遅角可能な吸気弁閉弁時期可変機構と、前記機関の燃焼室内に吸入された混合気の流動を生成する流動生成手段とを備え、
前記過渡制御手段は、前記吸気弁の閉弁時期を圧縮行程内の所定遅角時期に制御するとともに、前記混合気の流動の強度が高くなるように前記流動生成手段を制御することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記機関は、吸入空気量を制御する吸入空気量制御弁と、前記機関の排気を吸気系に還流する排気還流通路、及び該排気還流通路に設けられ、排気還流量を制御する排気還流制御弁を備える排気還流機構とを備え、
前記過渡制御手段は、前記吸入空気量制御弁の開度を増加させるとともに、前記排気還流制御弁の開度を減少させ、前記吸入空気量を増加させる制御を行うことを特徴とする請求項1または2に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記機関は、前記燃焼室内の混合気の火花点火を行う火花点火手段を備え、
前記過渡制御手段は、前記空燃比移行制御中は、前記排気還流機構を介して還流される排気量の割合を示す排気還流率に応じて前記火花点火手段による点火時期を制御することを特徴とする請求項3に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記機関は、前記機関の吸気通路内に燃料を微粒化して噴射可能な燃料噴射弁を備え、 前記火花点火手段は、点火プラグと、該点火プラグに放電を発生させるための複数の点火コイル対とを備え、前記点火プラグにおける放電の継続時間を変更可能なものであり、
前記空燃比を前記リーン空燃比に制御するときは、前記リーン空燃比が増加するほど、前記点火時期を進角させるとともに前記放電継続時間を長く設定する点火制御手段を備えることを特徴とする請求項4に記載の内燃機関の制御装置。
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