JP2016169710A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【構成】酸素濃度センサ５２および５４の各々は、ジルコニア素子を有し、空燃比制御のために排気通路３４の酸素濃度を検知する。ＥＣＵ６４は、ジルコニア素子ＺＥ１の抵抗値を測定して燃料カット期間におけるジルコニア素子の温度低下量を検出し、温度低下量に基づいて燃料のリッチ噴射量を調整する。リッチ噴射は燃料カット期間の経過後に実行され、これによって燃料カット期間に触媒５０に吸蔵された酸素が消費される。
【効果】燃料カット期間の経過後のリッチ噴射量を高精度に制御することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に、燃料カット期間に排気浄化触媒（以下、単に「触媒」と言う。）に吸蔵された酸素を消費するべく燃料カット期間の経過後に燃料のリッチ噴射を行う内燃機関の制御装置に関する。

燃料カット機能を有する車両では、燃料噴射は、下り坂などでアクセルペダルから足が離されたときに停止され、アクセルペダルが再度踏み込まれたときに再開される。ただし、燃料噴射が停止されると、酸素が触媒に吸蔵され、窒素酸化物の還元能力つまり浄化能力が低下する。そこで、通常は、燃料噴射の再開時にリッチ噴射を実行し、触媒の浄化能力を回復させるようにしている。

これに関連して、特許文献１では、コーストストップ条件が成立した場合に内燃機関の燃焼が停止され、内燃機関の回転が停止する直前に燃料が噴射される。燃料噴射量は触媒に吸着した酸素の量に基づいて調整され、これによって燃料カットによる触媒の過酸素状態を適切に解消することができる。

特開２０１３−１８９９５１号公報

しかし、特許文献１では、触媒に吸着した酸素の量の検出方法が詳しく開示されておらず、燃料のリッチ噴射量を高精度で調整することができない。

それゆえに、この発明の主たる目的は、燃料カット期間の経過後のリッチ噴射量を高精度に制御することができる、内燃機関の制御装置を提供することである。

この発明に係る内燃機関の制御装置は、燃料カット期間に触媒に吸蔵された酸素を消費するべく燃料カット期間の経過後に燃料のリッチ噴射を行う内燃機関の制御装置において、ジルコニア素子を有し、空燃比制御のために排気系の酸素濃度を検知する酸素濃度センサ、ジルコニア素子の抵抗値を測定して燃料カット期間におけるジルコニア素子の温度低下量を検出する検出手段、および検出手段によって検出された温度低下量に基づいて燃料のリッチ噴射量を調整する調整手段を備える。

燃料カット期間におけるジルコニア素子の温度低下量を検出することで、触媒の温度が正確に判明する。これによって、燃料カット期間の経過後のリッチ噴射量を高精度に制御することができる。また、酸素濃度センサという既存のデバイスで対応できるため、精度を高めるためのコストを抑制することができる。

この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。

この実施例の車両の要部構成の一部を示すブロック図である。 この実施例の車両の要部構成の他の一部を示すブロック図である。 （Ａ）起電力を発生させるときの酸素濃度センサの設定状態の一例を示す図解図であり、（Ｂ）は抵抗を測定するときの酸素濃度センサの設定状態の一例を示す図解図である。 燃料カット時の吸入空気量と外気温と触媒の温度低下量との関係の一例を示すグラフである。 アイドルストップ時間と触媒の温度低下量との関係の一例を示すグラフである。 触媒温度と酸素吸蔵量との関係の一例を示すグラフである。 （Ａ）は燃料カット期間を示す波形図であり、（Ｂ）は燃料カット期間における積算吸入空気量の変化の一例を示す波形図であり、（Ｃ）は吸気管の壁面に付着するために増量される燃料量の変化の一例を示す波形図である。 図１に示すＥＣＵの動作の一部を示すフロー図である。 図１に示すＥＣＵの動作の他の一部を示すフロー図である。 図１に示すＥＣＵの動作のその他の一部を示すフロー図である。

図１および図２を参照して、この実施例の車両１０は、予混合燃焼方式を採用する４ストローク型のエンジン（内燃機関）１２を動力源として備える。気筒１４に設けられた燃焼室１６には、吸気弁１８を介して吸気通路（吸気系）３２が接続され、排気弁２０を介して排気通路（排気系）３４が接続される。なお、図１では単一の気筒１４しか示していないが、エンジン１２は複数の気筒１４，１４，…を有する。吸気通路３２は、吸気弁１８の上流の位置で各気筒１４に分岐する。

吸気通路３２には、バルブモータ４０によって開度が調整される単一のスロットルバルブ３６と、吸気通路３２に燃料を噴射するべく各気筒１４に割り当てられた燃料噴射装置３８とが設けられる。スロットルバルブ３６よりも下流でかつ燃料噴射装置３８よりも上流の位置（吸気通路３２の分岐位置）には、空気流量を平準化するためのサージタンク４２が設けられる。

イグニッションキー（図示せず）によってＩＧオン操作が行われると、ＥＣＵ（制御装置）６４は、エンジン１２を始動するべく図２に示すリレー７６をオンする。バッテリ７８の電力はオン状態のリレー７６を介してスタータ７０に供給され、スタータ７０はバッテリ７８の電力によってクランキングを実行する。これによって、エンジン１２が始動する。

アイドル状態では、スロットルバルブ３６は、アイドル状態を維持できる開度を示すように、バルブモータ４０によって調整される。吸入空気量および燃料噴射装置３８の燃料噴射量は、スロットルバルブ３６の開度によって規定される。空気と燃料とを混合した混合気は、後述するリッチ噴射時を除いて、理論空燃比を示す。この状態からアクセルペダル４４が踏み込まれると、バルブモータ４０によってスロットルバルブ３６が開かれる。これによって、理論空燃比を保ちつつ吸入空気量および燃料噴射装置３８の燃料噴射量が増大する。

なお、予混合燃料方式では、燃料噴射装置３８から噴射された燃料は、吸気通路３２の壁面に吹き付けられる。壁面に付着した燃料は吸気通路３２の熱や吸入空気の熱によって気化し、これによって混合気が生成される。

混合気は、吸気弁１８が開かれたときに燃焼室１６に供給される。供給された混合気は、コンロッド２４を介してクランクシャフト２６と結合されたピストン２２が上死点に達する直前に、図示しない点火プラグによって点火される。ピストン２２は、混合気の爆発によって上下動し、これによってクランクシャフト２６が回転する。

クランクシャフト２６にはフライホイール２８が装着され、クランクシャフト２６の回転数つまりエンジン１２の回転数のぶれはフライホイール２８によって抑制される。なお、エンジン１２の回転数は、フライホイール２８の近傍に設けられたロータリエンコーダ４６によって測定される。

クランクシャフト２６の回転力は、図２に示すトルクコンバータ６６および無段変速機６８を介して、ドライブシャフト（図示せず）に伝達される。これによって、車両１０が前進または後進する。クランクシャフト２６の回転力はまた、ベルト７２を介してオルタネータ７４の回転軸７４ｓに伝達される。回転軸７４ｓの回転力は電力に変換され、変換された電力はバッテリ７８に蓄えられる。

図１に戻って、混合気を燃焼した後の空気つまり燃焼ガスは、排気弁２０が開かれたときに燃焼室１６から排出され、排気通路３４を介してマフラー４８に供給される。マフラー４８に設けられた触媒５０は、燃焼ガスに含まれる一酸化炭素，炭化水素および窒素酸化物を酸化・還元し、水，二酸化炭素および窒素を生成する。車両１０からは、こうして浄化されたガスが排出される。

排気通路３４のうち触媒５０の上流側の位置には酸素濃度センサ５２が設けられ、排気通路３４のうち触媒５０の下流側の位置には酸素濃度センサ５４が設けられる。ＥＣＵ６４は、酸素濃度センサ５２および５４の検知結果に基づいて、燃料噴射量を理論空燃比に対応する量に調整する。

図３（Ａ）〜図３（Ｂ）を参照して、酸素濃度センサ５２および５４の各々は、ジルコニア素子ＺＥ１と、図示しないヒータとを有する。図３（Ａ）はヒータがオン状態のときの動作を示し、図３（Ｂ）はヒータがオフ状態のときの動作を示す。

図３（Ａ）では、ジルコニア素子ＺＥ１は高温に保たれ、イオン伝導性を示す。これによって、酸素濃度の高い大気側から酸素濃度の低い排気ガス側に向かう酸素イオン流が発生する。 酸素イオンは負の電荷となるため、ジルコニア素子ＺＥ１の両端電極間に起電力が発生する。こうして発生した起電力の値によって、酸素濃度が判明する。

図３（Ｂ）では、低温のジルコニア素子ＺＥ１に電流が供給される。ジルコニア素子ＺＥ１の両端電極間の電圧値Ｖを供給電流値Ｉで割り算すると、ジルコニア素子ＺＥ１の抵抗値が求められる。ジルコニア素子ＺＥ１の抵抗値は温度依存性を示すため、ジルコニア素子ＺＥ１の抵抗値が求められると、ジルコニア素子ＺＥ１の温度が判明する。

図１に戻って、車両１０が坂を下り始めたときや交差点で減速するときにアクセルペダル５６から足が離されると、ＥＣＵ６４は、燃料カット条件が満足されたとみなし、燃料カットを実行する。これによって、燃料噴射装置３８からの燃料の噴射が停止される。車両１０が停止する前にアクセルペダル５６が再度踏み込まれると、ＥＣＵ６４は、燃料噴射条件が満足されたとみなし、燃料噴射を再開する。燃料噴射装置３８は燃料を噴射し、これによって車両１０が加速する。

また、ブレーキペダル５８の踏み込みによって車両１０が停止すると、ＥＣＵ６４は、アイドルストップ条件が満足されたとみなし、アイドリングを停止する。この状態でブレーキペダル５８から足が離されると、ＥＣＵ６４は、アイドルスタート条件が満足されたとみなし、リレー７６をオンする。この結果、クランキングが実行され、アイドリングが再開される。

このように、車両１０は、燃料カット条件が満足されたときにエンジン１２への燃料の噴射を中断する燃料カット機能を有し、さらにアイドルストップ条件が満足されたときにアイドリングを停止するアイドルストップ機能を有する。

ただし、燃料カットが実行されると、吸気通路３２の壁面に付着した燃料が気化して減少ないし消失する。また、燃料成分を含まない空気が触媒５０に供給され、触媒５０の温度に依存する量の酸素が触媒５０に吸蔵される。触媒５０による窒素酸化物の還元能力つまり浄化能力は、触媒５０に酸素が吸蔵されることで低下する。

ここで、吸気通路３２の壁面に付着する燃料量ならびに触媒５０の浄化能力は、燃料噴射の再開時にリッチ噴射を実行することで回復する。しかし、リッチ噴射のために上乗せすべき燃料量を適正化するには、吸気通路３２の壁面への燃料の付着状態および触媒５０への酸素の吸蔵状態を正確に検出する必要がある。

そこで、この実施例では、図４〜図６に示すグラフを参照した図８〜図１０のフロー図に従う処理をＥＣＵ６４に実行させるようにしている。

なお、図４のグラフは、燃料カット時の吸入空気量と外気温と触媒５０の温度低下量との関係を示す。図５のグラフは、アイドルストップ時間と触媒５０の温度低下量との関係を示す。図６のグラフは、触媒５０の温度と触媒５０に吸蔵された酸素の量との関係を示す。また、図８〜図１０に示すフロー図に対応する制御プログラムは、ＥＣＵ６４に設けられた不揮発性のメモリ６４ｍに記憶される。

図８を参照して、ステップＳ１では燃料カット条件が満足されたか否かを繰り返し判別する。判別結果がＮＯからＹＥＳに更新されるとステップＳ３に進み、燃料カットを実行する。これによって、燃料噴射装置３８からの燃料の噴射が停止される。ステップＳ５では、スロットルバルブ３６の開度に基づいて単位時間当たりの吸入空気量を算出し、ロータリエンコーダ４６の出力に基づいてエンジン１２の回転数を算出し、こうして得られた吸入空気量および回転数に基づいて現時点の触媒５０の温度を算出する。

ステップＳ７では、酸素濃度センサ５４を図３（Ｂ）に示す状態に設定して、ジルコニア素子ＺＥ１の現時点の抵抗値を測定する。なお、酸素濃度センサ５４に設けられたヒータがオン状態であれば、ステップＳ７の処理に先立ってこのヒータをオフする。

ステップＳ９では燃料噴射条件が満足されたか否かを判別し、ステップＳ１１ではアイドルストップ条件が満足されたか否かを判別する。ステップＳ１１の判別結果がＹＥＳであれば、ステップＳ１３でアイドルストップを実行し、ステップＳ１５でアイドルスタート条件が満足されたか否かを繰り返し判別する。

ステップＳ９の判別結果がＹＥＳであるか、或いはステップＳ１５の判別結果がＹＥＳであれば、ステップＳ１７に進み、燃料カット中に吸入した空気量をエンジン１２の回転数と燃料カットが実行された時間とに基づいて算出する。ステップＳ１９では、温度センサ６０を通して外気温を測定する。

ステップＳ２１では、ステップＳ１７で算出された空気量とステップＳ１９で測定された外気温とを図４に示すグラフに相当する関数に適用して、燃料カットに起因する触媒５０の温度の低下量を算出する。

ステップＳ２３ではエンジン１２がアイドルストップ状態であるか否かを判別し、判別結果がＮＯであればそのままステップＳ２９に進む一方、判別結果がＹＥＳであればステップＳ２５およびＳ２７で以下の処理を実行してからステップＳ２９に進む。ステップＳ２５では、アイドルストップ時間を時計回路６２の出力に基づいて測定する。ステップＳ２７では、測定されたアイドルストップ時間を図５に示すグラフに相当する関数に適用して、アイドルストップに起因する触媒５０の温度の低下量を算出する。

ステップＳ２９では、上述したステップＳ７と同様の処理を実行して、酸素濃度センサ５４に設けられたジルコニア素子ＺＥ１の現時点の抵抗値を測定する。ステップＳ３１では、燃料カットと必要に応じて実行されたアイドルストップとに起因するジルコニア素子ＺＥ１の温度の低下量を、ステップＳ７およびＳ２９の各々で測定された抵抗値に基づいて算出する。

ステップＳ３３では、ステップＳ２１で算出された低下量と必要に応じてステップＳ２７で算出された低下量とステップＳ５で算出された温度から減算し、かつステップＳ３１で算出された低下量を参照した補正演算を実行して、現時点の触媒５０の温度を算出する。ステップＳ３５では、ステップＳ３３で算出された温度を図６に示すグラフに相当する関数に適用して、触媒５０の酸素吸蔵量を取得する。ステップＳ３７では、触媒５０に吸蔵された酸素の消化に要する燃料の量をステップＳ３５で取得した酸素吸蔵量に基づいて算出する。

ステップＳ３９では、燃料カット期間およびアイドルストップ期間における吸入空気量をスロットルバルブ３６の開度に基づいて算出し、外気温を温度センサ６０を通して測定し、そして算出された吸入空気量と測定された外気温とに基づいて吸気通路３２の壁面に付着させるべき燃料の量を算出する。したがって、ステップＳ３９で算出される燃料量は、車速が速いほど或いは外気温が高いほど増量され、車速が遅いほど或いは外気温が低いほど減量される。

ステップＳ４１では、エンジン１２がアイドルストップ状態であるか否かを再度判別し、判別結果がＮＯであればそのままステップＳ４５に進む一方、判別結果がＹＥＳであればステップＳ４３でアイドルスタート（リレー７６のオン）を行ってからステップＳ４５に進む。ステップＳ４３の処理の結果、クランキングが実行され、アイドリングが再開される。

ステップＳ４５では、ステップＳ３７およびＳ３９で算出された量の燃料を上乗せしたリッチ噴射を実行する。このとき、酸素濃度センサ５２および５４は図３（Ａ）に示す状態に設定され（必要であればヒータをオン）、理論空燃比が得られる燃料量が算出される。算出された燃料量には、ステップＳ３７で算出された燃料量とＳ３９で算出された燃料量との合計量に所定の上限値および下限値でガードした燃料量が加算される。燃料噴射装置３８からは、こうして求められた量の燃料が噴射される。

この結果、噴射された燃料の一部は吸気通路３２の壁面に付着し、噴射された燃料の他の一部は不燃ガスとして触媒５０に供給される。図７（Ａ）〜図７（Ｃ）を参照して、壁面に付着する燃料の量は、燃料カット期間における積算吸入空気量の増大に応じて増大する。また、触媒５０に吸蔵された酸素は、供給された不燃ガスによって消費される。

なお、上述のように所定の上限値および下限値でガードをかけるようにしたのは、増量の過少または過多に起因する燃料噴射量の不安定化を回避するためである。

リッチ噴射が完了すると、ステップＳ４７で通常噴射を実行する。燃料噴射装置３８からは、理論空燃比が得られる量の燃料が噴射される。これによって、エンジン１２が通常状態で稼働する。ステップＳ４７の処理が完了すると、ステップＳ１に戻る。

以上の説明から分かるように、酸素濃度センサ５２および５４の各々は、ジルコニア素子ＺＥ１を有し、空燃比制御のために排気通路３４の酸素濃度を検知する。ＥＣＵ６４は、ジルコニア素子ＺＥ１の抵抗値を測定して燃料カット期間におけるジルコニア素子ＺＥ１の温度低下量を検出し(S31)、温度低下量に基づいて燃料のリッチ噴射量を調整する(S35, S37)。リッチ噴射は燃料カット期間の経過後に実行され(S45)、これによって燃料カット期間に触媒５０に吸蔵された酸素が消費される。

燃料カット期間におけるジルコニア素子ＺＥ１の温度低下量を検出することで、触媒５０の温度が正確に判明する。これによって、燃料カット期間の経過後のリッチ噴射量を高精度に制御することができる。また、酸素濃度センサという既存のデバイスで対応できるため、精度を高めるためのコストを抑制することができる。

１０ …車両
１２ …エンジン
１６ …燃焼室
３２ …吸気通路
３４ …排気通路
５０ …触媒
５２，５４ …酸素濃度センサ
６０ …温度センサ
６２ …時計回路
６４ …ＥＣＵ
ＺＥ１ …ジルコニア素子

Claims (1)

1. 燃料カット期間に排気浄化触媒に吸蔵された酸素を消費するべく前記燃料カット期間の経過後に燃料のリッチ噴射を行う内燃機関の制御装置において、
   ジルコニア素子を有し、空燃比制御のために排気系の酸素濃度を検知する酸素濃度センサ、
   前記ジルコニア素子の抵抗値を測定して前記燃料カット期間における前記ジルコニア素子の温度低下量を検出する検出手段、および
   前記検出手段によって検出された温度低下量に基づいて前記燃料のリッチ噴射量を調整する調整手段を備える、内燃機関の制御装置。

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