JP4510319B2 - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガスを浄化する触媒を有する内燃機関に供給する混合気の空燃比を制御する内燃機関の空燃比制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の空燃比制御装置として、例えば特開平１１−２１０５３６号公報に開示されたものが知られている。この空燃比制御装置はガソリンエンジンに適用されたものであり、エンジンの排気系には、排気ガスを浄化するための三元触媒が設けられている。この空燃比制御装置では、アイドル運転状態から加速運転が開始されたか否かを、例えばスロットル弁開度の変化量に基づいて判定し、加速運転が開始されたと判定したときに、燃料噴射量を増量補正することで、燃焼室に供給される混合気の空燃比をリッチ化し、発進性を確保するようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の空燃比制御装置では、アイドル運転状態からの加速運転が実際に開始されたときに、空燃比がリッチ側に制御される。しかし、加速運転の開始後に直ちに燃料噴射量が増量補正されたとしても、燃料の供給遅れにより、混合気が実際にリッチ化されるまでに時間がかかるため、その間、リーンな混合気が供給され続けてしまう。その結果、三元触媒が一時的に酸化状態になり、排気ガス中のＮＯｘが十分に還元されずに排出されるため、発進時にＮＯｘの排出量が一時的に増大するおそれがある。
【０００４】
この問題は特に、触媒として、貴金属系三元触媒よりも貴金属の使用量が少ない低貴金属三元触媒や、結晶構造を有する複合酸化物を主な触媒成分としたタイプの三元触媒（以下「結晶構造型三元触媒」という）を用いた場合、以下の理由から、顕著になる。図６および図７は、そのような結晶構造型三元触媒および貴金属系三元触媒のＮＯｘの浄化特性の一例を示している。両図に示すように、結晶構造型三元触媒は、貴金属系三元触媒と比較し、活性温度が高く、触媒が低温状態のときや、排気ガスの空間速度が高いときに、ＮＯｘ浄化率が低くなるという特性がある。一方、アイドル運転状態では、排気ガスの温度が低くかつ流量が少ないことで、触媒への供給熱量が少ないため、触媒床の温度が低下する傾向にあり、また、発進時には、エンジンの回転数および負荷がともに増大するため、排気ガスの空間速度が高くなる。このため、アイドル運転状態から発進状態への移行時には、ＮＯｘ浄化率が低い低温状態の結晶構造型三元触媒に、大きな空間速度の排気ガスが供給されるという悪条件が重なる結果、ＮＯｘの排出量が増大し、排気特性が悪化してしまう。
【０００５】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、アイドル運転状態からの発進時におけるＮＯｘの排出量を低減することにより、排気特性を向上させることができる内燃機関の空燃比制御装置を提供することを目的とする。
【０００８】
この目的を達成するため、請求項１に係る発明は、排気ガスを浄化する触媒１２を有する内燃機関１に供給する混合気の空燃比を制御する内燃機関の空燃比制御装置であって、触媒１２は結晶構造型三元触媒であり、内燃機関１がアイドル運転状態にあることを検出するアイドル運転状態検出手段（スロットル弁開度センサ４、エンジン回転数センサ１５、ＥＣＵ５（図４のステップ４１））と、触媒１２の温度（触媒温度ＴＣＡＴ）を取得する触媒温度取得手段（触媒温度センサ１３）と、アイドル運転状態検出手段により内燃機関１がアイドル運転状態にあることが検出され、かつ取得された触媒の温度が所定の活性温度（所定温度ＴＲＥＦ）まで低下したときに、空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に制御するアイドル運転時リッチ化手段（ＥＣＵ５（図４のステップ４１、４４、４７））と、を備えていることを特徴とする。
【０００９】
この空燃比制御装置によれば、内燃機関がアイドル運転状態にあるときには、アイドル運転時リッチ化手段により、空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に制御する。したがって、上述した請求項１の場合と同様、アイドル運転状態からの発進に先立ち、空燃比をリッチ化し、触媒をあらかじめ還元状態に保持できるので、発進時に排出されるＮＯｘを触媒で十分に還元でき、ＮＯｘの排出量を低減することができる。
また、触媒は結晶構造型三元触媒であり、取得された触媒の温度が所定の活性温度まで低下したときに、空燃比をリッチ化するので、触媒の温度低下を防止しながら、最小限の燃料の増量によって、触媒を還元状態に効果的に保持することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。図１は、本実施形態による空燃比制御装置、およびこれを適用した内燃機関の概略構成を示している。
【００１１】
この内燃機関（以下「エンジン」という）１は、例えば、図示しないオートマチック・トランスミッション車（以下「ＡＴ車」という）に搭載された４気筒タイプのガソリンエンジンである。エンジン１の吸気管２にはスロットル弁３が設けられており、このスロットル弁３の開度（スロットル弁開度）θＴＨは、スロットル弁開度センサ４（アイドル運転状態検出手段）で検出され、その検出信号は、後述するＥＣＵ５に送られる。また、吸気管２のスロットル弁３よりも下流側には、吸気管内絶対圧センサ６が取り付けられており、吸気管２内の圧力を吸気管内絶対圧ＰＢＡとして検出し、その検出信号をＥＣＵ５に送る。
【００１２】
また、吸気管２のスロットル弁３よりも下流側には、燃料噴射弁（以下「インジェクタ」という）７が気筒ごとに設けられている（１つのみ図示）。インジェクタ７は、燃料ポンプ（図示せず）などに接続され、その開弁により燃料を各気筒の吸気ポート（図示せず）に向けて噴射する。インジェクタ７の燃料噴射時間（開弁時間）ＴＯＵＴ、すなわちエンジン１への供給燃料量は、ＥＣＵ５からの駆動信号によって制御される。また、エンジン１の各気筒には、点火プラグ２１が設けられており、その点火時期もまた、ＥＣＵ５からの駆動信号によって制御される。
【００１３】
一方、エンジン１の排気管１０には、空燃比（ＬＡＦ）センサ１１が取り付けられている。この空燃比センサ１１は、排気ガス中の酸素濃度（空燃比）をリニアに検出し、ＥＣＵ５に出力するものであり、その検出値ＶＬＡＦは、酸素濃度が低いほど、すなわち空燃比がリッチ側であるほど、低くなるように設定されている。また、排気管１０の空燃比センサ１１よりも下流側には、排気ガス中のＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯを浄化するための触媒１２が設けられている。この触媒１２は、本実施形態では、前述した結晶構造型三元触媒で構成されている。触媒１２には、その触媒床の温度（触媒温度）ＴＣＡＴを検出する触媒温度センサ１３が取り付けられており、その検出信号もＥＣＵ５に出力される。
【００１４】
また、エンジン１のクランク軸（図示せず）の周囲には、エンジン回転数（ＮＥ）センサ１５（アイドル運転状態検出手段）が設けられている。エンジン回転数センサ１５は、エンジン１の各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）よりも所定角度前のクランク角度位置で、ＴＤＣ信号パルスを出力する。ＥＣＵ５は、このＴＤＣ信号パルスから、エンジン回転数ＮＥを算出する。
【００１５】
さらに、エンジン１の本体には、エンジン水温センサ１６が取り付けられている。エンジン水温センサ１６は、エンジン１の本体内を循環する冷却水の温度であるエンジン水温ＴＷを検出し、その検出信号をＥＣＵ５に出力する。ＥＣＵ５にはさらに、車速センサ１７およびブレーキ（ＢＲ）スイッチ１８（発進加速予測手段）が接続されている。車速センサ１７は、エンジン１を搭載した車両の速度（車速）Ｖを検出する。ブレーキスイッチ１８は、フットブレーキ（図示せず）の踏込み状態を検出するものであり、踏込み時にＯＮ信号を出力する。
【００１６】
ＥＣＵ５は、本実施形態において、アイドル運転状態検出手段、発進加速予測手段、発進時予リッチ化手段、およびアイドル運転時リッチ化手段を構成するものである。ＥＣＵ５は、Ｉ／Ｏインターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示せず）などからなるマイクロコンピュータで構成されている。前述した吸気管内絶対圧センサ６などの各種センサや、ブレーキスイッチ１８からの検出信号は、それぞれＩ／ＯインターフェースでＡ／Ｄ変換や整形がなされた後、ＣＰＵに入力される。
【００１７】
ＣＰＵは、これらの検出信号に応じ、ＲＯＭに記憶された制御プログラムなどに従って、エンジン１のアイドル運転状態を含む運転状態を判別するとともに、判別した運転状態に応じ、インジェクタ７の燃料噴射時間ＴＯＵＴを次式（１）で算出することによって、エンジン１に供給される混合気の空燃比を制御する。
ＴＯＵＴ＝ＴＩＭ×ＫＣＭＤ×ＫＡＦ×ＫＴＯＴＡＬ ・・・（１）
【００１８】
ここで、ＴＩＭは、基本燃料噴射時間であり、エンジン回転数ＮＥおよび吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じて設定されたＴＩマップ（図示せず）を検索することによって、算出される。ＫＣＭＤは、エンジン回転数ＮＥおよび吸気管内絶対圧ＰＢＡなどに応じて設定される目標空燃比係数である。具体的には、目標空燃比係数ＫＣＭＤは、目標空燃比が理論空燃比のときには値１．０に設定され、目標空燃比が理論空燃比よりもリッチ側のときには１．０よりも大きな値に、リーン側のときには１．０よりも小さな値にそれぞれ設定される。
【００１９】
また、式（１）中のＫＡＦは、空燃比のフィードバック制御運転領域において、目標空燃比係数ＫＣＭＤと空燃比センサ１１の出力値ＶＬＡＦの変換値ＫＡＣＴとの偏差に応じて、ＰＩＤフィードバック制御により算出されるフィードバック補正係数である。なお、フィードバック補正係数ＫＡＦは、空燃比のフィードフォアード制御運転領域では、値１．０に設定される。
【００２０】
ＫＴＯＴＡＬは、エンジン水温ＴＷに応じて設定される水温補正係数ＫＴＷや、排気還流制御装置（図示せず）による排気還流（ＥＧＲ）の実行中にＥＧＲ量に応じて設定されるＥＧＲ補正係数ＫＥＧＲなど、フィードフォアード系補正係数をのすべてを乗算したものである。
【００２１】
以下、図２〜図５を参照しながら、ＥＣＵ５で実行される空燃比制御処理について説明する。この制御処理は、ＴＤＣ信号の発生に同期して実行される。図２は、本発明の第１実施形態による空燃比制御処理のフローチャートを示している。
【００２２】
本処理ではまず、ステップ２１（「Ｓ２１」と図示。以下同じ）において、エンジン１がアイドル運転状態にあるか否かを判別する。この判別は、例えばスロットル弁開度θＴＨとエンジン回転数ＮＥに基づいて行われ、θＴＨ値がほぼ０で、かつＮＥ値が所定値（例えば１０００ｒｐｍ）以下のときに、アイドル運転状態と判別される。このステップ２１の答がＮＯで、エンジン１がアイドル運転状態にないときには、エンジン回転数ＮＥや吸気管内絶対圧ＰＢＡなどの運転状態に応じて、目標空燃比係数ＫＣＭＤを設定する（ステップ２２）。次いで、フィードバック補正係数ＫＡＦを、設定した目標空燃比係数ＫＣＭＤなどに基づき、前述したようにして算出し（ステップ２３）、本プログラムを終了する。
【００２３】
一方、前記ステップ２１の答がＹＥＳで、エンジン１がアイドル運転状態にあるときには、エンジン１がアイドル運転状態から発進加速へ移行しようする状態にあるか否かを予測する（ステップ２４）。この発進加速の予測は、例えばブレーキスイッチ１８の検出信号に基づいて行われ、それがＯＮ状態からＯＦＦ状態から切り換わったときに、発進加速へ移行しようする状態と予測する。これは、このエンジン１を搭載したＡＴ車の場合、停止時には、クリープによる発進を防ぐためにフットブレーキが踏まれていて、発進の際に、フットブレーキから足を離してアクセルペダルを踏むという操作が通常、行われるためである。したがって、上記の手法によって、発進加速の予測を適切に行うことができる。
【００２４】
このステップ２４の答がＮＯで、エンジン１の発進加速が予測されないときには、目標空燃比係数ＫＣＭＤを値１．０に設定する（ステップ２５）。次いで、フィードバック補正係数ＫＡＦをフィードバック制御によって算出し（ステップ２６）、本プログラムを終了する。具体的には、設定した目標空燃比係数ＫＣＭＤ（＝１．０）と空燃比センサ１１の出力値ＶＬＡＦの変換値ＫＡＣＴとの偏差に応じ、ＰＩＤ制御によってフィードバック補正係数ＫＡＦを算出する（ステップ２６）。これにより、アイドル運転状態において、空燃比が理論空燃比に制御される。
【００２５】
一方、前記ステップ２４の答がＹＥＳ、すなわちエンジン１の発進加速が予測されたときには、目標空燃比係数ＫＣＭＤを、値１．０よりも大きな発進予リッチ化用の所定値ＫＲＩＣＨＡＣＣ（例えば１．０２）に設定する（ステップ２７）。また、フィードバック補正係数ＫＡＦを値１．０に設定し（ステップ２８）、本プログラムを終了する。以上の設定により、アイドル運転状態においてエンジン１の発進加速が予測されたときには、空燃比が理論空燃比よりもリッチ側に直ちに制御される。
【００２６】
図３は、上述した図２の空燃比制御処理によって得られる動作の一例を示している。なお、同図（ｃ）（ｄ）の１点鎖線は、従来の例、すなわち発進加速が開始された後に燃料を増量補正した場合の動作例を、比較のために示したものである。同図（ａ）に示すように、車両が時刻ｔ１で停止した後、アイドル運転が行われ、時刻ｔ３で発進されるものとすると、車両の停止とほぼ同時にフットブレーキが踏まれることにより、時刻ｔ１以降、ブレーキスイッチ１８の検出信号はＯＮ状態に維持される。そしてこの間、図２のステップ２４の答がＮＯになり、目標空燃比係数ＫＣＭＤが値１．０に設定される（ステップ２５）ことで、空燃比は理論空燃比に制御される。
【００２７】
一方、車両を発進させるために、時刻ｔ３の前の時刻ｔ２でフットブレーキから足が離されると、ブレーキスイッチ１８の検出信号がＯＦＦ状態に切り換わる。これに伴い、ステップ２４の答がＹＥＳになり、エンジン１の発進加速が予測されたとして、目標空燃比係数ＫＣＭＤは所定値ＫＲＩＣＨＡＣＣに設定される（ステップ２７）。これにより、空燃比が理論空燃比よりもリッチ側に直ちに制御され、その状態が実際の発進時（ｔ３）まで継続される。
【００２８】
以上のように、本実施形態によれば、エンジン１の発進加速に先立ち、空燃比をあらかじめリッチ化するので、燃料の供給遅れを補償しながら、触媒１２をあらかじめ還元状態に確実に保持できる。したがって、その後の発進時に排出されるＮＯｘを触媒１２で十分に還元でき、その結果、同図（ｄ）に実線で示すように、従来の場合（１点鎖線）よりもＮＯｘの排出量を低減することができる。また、エンジン１の発進加速が予測されたときのみ空燃比をリッチ化するので、上記の効果を、最小限の燃料の増量によって効果的に得ることができる。
【００２９】
図４は、本発明の第２実施形態による空燃比制御処理のフローチャートを示している。本処理ではまず、図２の制御処理の場合と同様、エンジン１がアイドル運転状態にあるか否かを判別し（ステップ４１）、アイドル運転状態にないときには、目標空燃比係数ＫＣＭＤを設定する（ステップ４２）とともに、フィードバック補正係数ＫＡＦを算出する（ステップ４３）。
【００３０】
前記ステップ４１の答がＹＥＳで、エンジン１がアイドル運転状態にあるときには、触媒温度ＴＣＡＴが所定温度ＴＲＥＦ（例えば３５０℃）よりも高いか否かを判別する（ステップ４４）。この答がＹＥＳで、ＴＣＡＴ＞ＴＲＥＦのときには、触媒１２の活性状態が保たれているとして、図２のステップ２５および２６と同様、目標空燃比係数ＫＣＭＤを値１．０に設定する（ステップ４５）とともに、この目標空燃比係数ＫＣＭＤに基づくフィードバック補正係数ＫＡＦのフィードバック制御を行う（ステップ４６）ことで、空燃比を理論空燃比に制御する。
【００３１】
一方、前記ステップ４４の答がＮＯで、ＴＣＡＴ≦ＴＲＥＦのときには、アイドル運転の継続により触媒温度ＴＣＡＴが活性温度付近まで低下していて、触媒１２の浄化性能が低下するおそれがあるとして、目標空燃比係数ＫＣＭＤを、値１．０よりも大きなリッチ化用の所定値ＫＲＩＣＨＩＤＬＥ（例えば１．０２）に設定する（ステップ４７）。次いで、前記ステップ４６に進み、設定した目標空燃比係数ＫＣＭＤに基づき、フィードバック補正係数ＫＡＦをフィードバック制御するとともに、ステップ４８において、点火時期をリタードさせる。以上の制御により、空燃比が理論空燃比よりもリッチ化されることによって、触媒１２が還元雰囲気に保たれるとともに、点火時期のリタードによって、排気ガス温度が上昇し、触媒１２のそれ以上の温度低下が防止される。
【００３２】
図５は、上述した図４の空燃比制御処理によって得られる動作の一例を示している。この例においても、図３と同様、車両が時刻ｔ１で停止し、時刻ｔ３で発進されるとすると、車両の停止直後は触媒温度ＴＣＡＴが高いことで、図４のステップ４４の答がＹＥＳになり、目標空燃比係数ＫＣＭＤを値１．０とするフィードバック補正係数ＫＡＦのフィードバック制御が行われる（ステップ４５、４６）ことで、空燃比は理論空燃比に制御される。
【００３３】
一方、アイドル運転の継続により触媒１２の温度が低下し、触媒温度ＴＣＡＴが所定温度ＴＲＥＦ以下になると（時刻ｔ２）、ステップ４４の答がＮＯになり、目標空燃比係数ＫＣＭＤをリッチ化用の所定値ＫＲＩＣＨＩＤＬＥとするフィードバック補正係数ＫＡＦのフィードバック制御が行われる（ステップ４７、４６）ことで、空燃比は理論空燃比よりもリッチ側に制御される。
【００３４】
以上のように、本実施形態によれば、エンジン１の発進加速に先立ち、アイドル運転状態において空燃比をリッチ化するので、第１実施形態と同様、燃料の供給遅れを補償しながら、触媒１２をあらかじめ還元状態に確実に保持できる。したがって、発進時に排出されるＮＯｘを触媒１２で十分に還元でき、その結果、同図（ｄ）に実線で示すように、アイドル運転状態で空燃比を理論空燃比に制御した場合（１点鎖線）よりも、ＮＯｘの排出量を低減することができる。また、触媒温度ＴＣＡＴが所定温度ＴＲＥＦ以下に低下したときに、空燃比をリッチ化するとともに、点火時期をリタードさせるので、触媒１２の温度低下を防止しながら、上記の効果を、最小限の燃料の増量によって効果的に得ることができる。
【００３５】
なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、上記の第２実施形態では、アイドル運転状態における空燃比のリッチ化を、触媒温度ＴＣＡＴが所定温度ＴＲＥＦ以下のときにのみ行っているが、これを触媒温度ＴＣＡＴにかかわらず行ってもよく、それにより、触媒１２をあらかじめ還元状態に保持することで、発進時のＮＯｘの排出量を低減できる。この場合には、目標空燃比係数ＫＣＭＤは、アイドル運転の継続に伴い、触媒１２が過度の還元状態になることでＨＣおよびＣＯの浄化率が低下しないように、触媒１２の浄化特性などに応じて設定することが好ましい。また、第２実施形態では、アイドル運転時における空燃比のリッチ化を、目標空燃比係数ＫＣＭＤをリッチ側に変更することにより行っているが、これに代えて、フィードバック補正係数ＫＡＦのＰＩＤ制御の積分項（Ｉ項）を、リーン側よりもリッチ側で大きな値に設定することにより行ってもよい。さらに、触媒温度ＴＣＡＴを触媒温度センサ１３によって検出しているが、エンジン回転数ＮＥや吸気管内絶対圧ＰＢＡなどから推定によって求めてもよい。
【００３６】
さらに、第１実施形態では、ＡＴ車の例であることから、エンジン１の発進加速予測手段として、ブレーキスイッチ１８の検出信号を用いているが、これに代えて、シフトレバー位置を検出し、ＮまたはＰポジションからＤポジションにシフトされたことをもって、発進加速を予測してもよい。また、ＭＴ車の場合には、クラッチを踏み、変速機をつないでから発進するのが通常であるので、クラッチの操作状態を検出するクラッチスイッチを、発進加速予測手段として採用することが可能である。あるいは、前車との車間距離を計測し、保ちながら自動的に追従する追従走行装置を備えた車両の場合には、車間距離が離れたことをもって、発進加速を予測してもよい。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の内燃機関の空燃比制御装置は、内燃機関のアイドル運転状態からの発進加速に先立ち、空燃比をリッチ化することで、燃料の供給遅れを補償しながら、触媒をあらかじめ還元状態に確実に保持でき、したがって、アイドル運転状態からの発進時におけるＮＯｘの排出量を低減することにより、排気特性を向上させることができるなどの効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態による空燃比制御装置、およびこれを適用した内燃機関の概略構成を示す図である。
【図２】第１実施形態による空燃比制御処理を示すフローチャートである。
【図３】図２の空燃比制御処理によって得られる動作の一例を、比較例とともに示すタイミングチャートである。
【図４】第２実施形態による空燃比制御処理を示すフローチャートである。
【図５】図４の空燃比制御処理によって得られる動作の一例を、比較例とともに示すタイミングチャートである。
【図６】結晶構造型三元触媒および貴金属系三元触媒のＮＯｘの浄化特性を示す図である。
【図７】図６と同様の図である。
【符号の説明】
１ 内燃機関
４ スロットル弁開度センサ（アイドル運転状態検出手段）
５ ＥＣＵ（アイドル運転状態検出手段、発進加速予測手段、発進時予リッチ化手段、およびアイドル運転時リッチ化手段）
１２ 触媒
１５ エンジン回転数センサ（アイドル運転状態検出手段）
１８ ブレーキスイッチ（発進加速予測手段）

Claims (1)

1. 排気ガスを浄化する触媒を有する内燃機関に供給する混合気の空燃比を制御する内燃機関の空燃比制御装置であって、
   前記触媒は結晶構造型三元触媒であり、
   前記内燃機関がアイドル運転状態にあることを検出するアイドル運転状態検出手段と、
   前記触媒の温度を取得する触媒温度取得手段と、
   前記アイドル運転状態検出手段により前記内燃機関がアイドル運転状態にあることが検出され、かつ前記取得された触媒の温度が所定の活性温度まで低下したときに、前記空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に制御するアイドル運転時リッチ化手段と、
   を備えていることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。

Images