JP4872793B2

JP4872793B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP4872793B2
Application number: JP2007129562A
Authority: JP
Inventors: 幸一星
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-05-15
Filing date: 2007-05-15
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2027-05-15
Also published as: JP2008286025A

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

従来より、内燃機関においては、排気通路内に空燃比センサや酸素センサなどのセンサ配置されている。このようなセンサは、センサ素子と、センサ素子を活性化させるヒータとを有している。

一方、内燃機関の始動時には、排気通路内に前回の機関停止後の排気通路内に排気ガスが凝縮して水が残っていたり、始動後に機関より排出される排気ガスが低温の排気通路の内壁に触れて凝縮水が発生する場合がある。

ヒータによりセンサが加熱状態にある場合に、この凝縮水がセンサにかかると、センサ素子の素子割れなどが発生するおそれがある。特許文献１は、このような問題への対策がなされたセンサのヒータ制御装置が開示されている。

特開２００１−７３８２７号公報

特許文献１に開示されている装置は、内燃機関の始動時の冷却水温度が所定の温度に達した場合に、ヒータを通電することにより、センサの破損を防止するものである。

ところで、気圧の変動に伴って水の沸点も変動することが従来から知られている。例えば、標準大気圧よりも低い気圧においては、水の沸点は１００℃よりも低い値となる。排気通路内に発生する凝縮水についても同様であり、標準大気圧よりも低い場合、標準大気圧での場合よりも早期に凝縮水が蒸発する。

従って、標準大気圧よりも低い気圧環境下においては、ヒータの通電開始時を、標準大気圧環境下の場合よりも、早期に設定した場合であっても、既に凝縮水が蒸発している場合には、センサの素子割れは起きないことになる。しかしながら特許文献１に開示されている装置では、このような観点から考察がなされていない。

したがって本発明の目的は、大気圧の変動を考慮してガスセンサを早期に活性化させ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。

上記目的は、排気通路に設置され、センサ素子と、前記センサ素子を活性化する加熱手段と、を含むガスセンサと、前記加熱手段の作動を制御する加熱制御手段とを備え、前記加熱制御手段は、大気圧に応じて前記加熱手段の作動を制御する、ことを特徴とする内燃機関の制御装置によって達成できる。
このように構成することにより、大気圧を考慮して加熱手段の作動が制御されるため、大気圧によって変動する水分の沸点の変動を考慮してガスセンサのセンサ素子を活性化させることができる。従って、大気圧が標準大気圧よりも低い環境下では、標準大気圧による環境下よりも早期に加熱手段を作動させることができる。これにより、ガスセンサによる検出結果に応じた制御を早期に実行することが可能となる。

上記構成において、前記加熱制御手段は、大気圧が低いほど前記加熱手段の作動を早期に開始する、構成を採用できる。

上記構成において、前記排気ガスセンサからの出力に基づいて機関の空燃比を目標空燃比に近づけるようにフィードバック制御する空燃比フィードバック制御手段を備え、前記空燃比フィードバック制御手段は、大気圧に応じてフィードバック制御を実行する、構成を採用できる。
この構成により、大気圧が標準大気圧よりも低い環境下では、標準大気圧による環境下よりも早期にフィードバック制御を実行することができ、エミッションの悪化、ドライバビリティの悪化などを防止できる。

上記構成において、前記空燃比フィードバック制御手段は、大気圧が低いほど前記フィードバック制御を早期に実行する、構成を採用できる。

本発明によれば、大気圧の変動を考慮してガスセンサを早期に活性化させることができる内燃機関の制御装置を提供できる。

以下、図面を参照して本発明に係る実施例について説明する。

図１は、本実施例に係るエンジンシステムの構成を示した模式図であり、自動車に搭載された多気筒の筒内噴射型ガソリンエンジン（以下「エンジン」と略す）２及びその電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」と称す）４の概略構成を示している。図１では１つの気筒の構成を中心として示している。
ここでエンジン２の出力は変速機（図示略）を介して最終的に車輪に走行駆動力として伝達される。エンジン２には、燃焼室１０内に燃料を直接噴射する燃料噴射バルブ１２と、この噴射された燃料に点火する点火プラグ１４とがそれぞれ設けられている。

燃焼室１０に接続している吸気ポート１６は吸気バルブ（図示略）の駆動により開閉される。吸気ポート１６に接続された吸気通路２０の途中にはサージタンク２２が設けられ、サージタンク２２の上流側にはスロットルモータ２４によって開度が調節されるスロットルバルブ２６が設けられている。

このスロットルバルブ２６の開度（スロットル開度ＴＡ）により吸気量が調整される。スロットル開度ＴＡはスロットル開度センサ２８により検出され、サージタンク２２内の吸気圧ＰＭは、サージタンク２２に設けられた吸気圧センサ３０により検出されて、ＥＣＵ４に読み込まれている。また、吸気通路２０にはエアフロメータ２１が配置されて、吸入空気量をＥＣＵ４に出力する。

燃焼室１０に接続している排気ポート３２は排気バルブ（図示略）の駆動により開閉される。排気ポート３２に接続された排気通路３６には、排気ガス中の未燃成分（ＨＣ，ＣＯ）の酸化と窒素酸化物（ＮＯｘ）の還元とを行い、酸素吸蔵、放出機能を有する三元触媒であるスタートキャタリスト３８が設けられている。また、排気通路３６には、スタートキャタリスト（以下、単に「触媒」という。）３８の下流にＮＯｘ吸蔵還元触媒４０が設けられている。

また、排気通路３６には、触媒３８の上流側に、空燃比センサ６４が、触媒３８とＮＯｘ吸蔵還元触媒４０との間に酸素センサ６６が配置されている。空燃比センサ６４として、触媒３８に流入する排気ガスの空燃比に応じた電圧信号を出力するリニア空燃比センサが使用されている。酸素センサ６６は、排気ガス中の残留酸素濃度に基づき空燃比が理論空燃比よりもリッチかリーンかを感知するセンサである。

ＥＣＵ４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などから構成され、エンジン全体の作動を制御する。

このＥＣＵ４は、スロットル開度センサ２８及び吸気圧センサ３０以外に、アクセルペダル４４の踏み込み量（アクセル開度ＡＣＣＰ）を検出するアクセル開度センサ５６からの信号を入力している。更に、ＥＣＵ４は、クランク軸５４の回転からエンジン回転数ＮＥを検出するエンジン回転数センサ５８、空燃比センサ６４、酸素センサ６６からそれぞれ信号を入力している。また、エンジン冷却水温度を検出する水温センサ４１が設けられ、検出したエンジン冷却水温度は、ＥＣＵ４に出力される。

ＥＣＵ４は、上述した各種センサからの検出内容に基づいて、エンジン２の燃料噴射時期、燃料噴射量、及びスロットル開度ＴＡを適宜制御する。これにより、燃焼形態については、成層燃焼と均質燃焼との間で切り替えがなされる。

ＥＣＵ４は、触媒３８の酸化・還元能力を高めるために、触媒３８に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比になるように、燃料噴射量を、空燃比センサ６４の出力、或いはその出力と酸素センサ６６の出力とに基づいて空燃比フィードバック制御する。

空燃比フィードバック制御では、空燃比が理論空燃比よりもリッチ側である場合には燃料噴射量が減量され、リーン側である場合には燃料噴射量が増量されることにより、空燃比が理論空燃比近傍の所定範囲内に維持される。上記した触媒３８は、空燃比が理論空燃比近傍である場合に、高い浄化性能を発揮する。

次に、空燃比センサ６４の構成について簡単に説明する。図２は、空燃比センサ６４の模式図である。
図２に示すように、空燃比センサ６４は、その内部に、例えばジルコニア等の材料により構成されたセンサ素子６５ａと、センサ素子６５ａを加熱するヒータ６５ｂとを備えている。

センサ素子６５ａは、一方の端子は定電圧源（不図示）に接続され、また、他方の端子はＥＣＵ４に接続されていると共に接地されている。センサ素子６５ａが活性化する温度（６５０℃程度）においては、排気通路３６内の酸素濃度に応じてセンサ素子６５ａに流れる電流は変化する。

一方、ヒータ６５ｂは、ＥＣＵ４によりその作動が制御される。ＥＣＵ４によってヒータ６５ｂを作動させることにより、センサ素子６５ａが加熱して早期に活性化温度へと上昇させることができる。尚、酸素センサ６６も略同様の構成であり、センサ素子とヒータとを備えている。

ＥＣＵ４は、エンジンの始動後、所定期間経過した後に、ヒータ６５ｂの作動を開始する。具体的には、排気通路３６内に発生する凝縮水が気化した後に、ヒータ６５ｂを作動させて、センサ素子６５ａを活性化させるためである。凝縮水が気化する前にヒータ６５ｂを作動させると、空燃比センサ６４が破損する恐れがあるからである。

次に、排気通路３６内に発生した凝縮水の消滅時間と大気圧との関係を説明する。
図３は、凝縮水の消滅時間と大気圧との関係を示したグラフである。縦軸には、排気通路３６内で発生した凝縮水が消滅するまでの時間を示しており、横軸には、大気圧を示している。尚、図３は、排気ガスの温度が１００℃以上の一定である場合を想定している。

図３に示すように、排気通路３６内に発生した凝縮水は、大気圧が低いほど、消滅するまでの時間が短時間となる。これは、大気圧が低いほど、水の沸点が低くなるため、凝縮水が気化するまでの時間についても短期間になる。
従って、例えば、平地などの標準大気圧下と、高地などの標準大気圧よりも低い大気圧下とでは、排気通路３６内に発生した凝縮水が消滅するまでの時間は変動することになる。

次に、ＥＣＵ４が実行する空燃比センサの通電制御処理について説明する。
図４は、ＥＣＵ４が実行する空燃比センサの通電制御処理の一例を示したフローチャートである。

ＥＣＵ４は、まず水温センサ４１からの出力に基づいて、エンジン冷却水の水温が所定値以下であるかどうかを判定する（ステップＳ１）。エンジン冷却水の水温から、エンジン始動直後であるかどうかを判定することができるからである。具体的には、エンジン冷却水の水温が０℃以下であるかどうかを判定する。

所定値以下の場合には、ＥＣＵ４は現在の大気圧を算出する（ステップＳ２）。具体的には、ＥＣＵ４は、標準大気圧下での、エンジン回転数ＮＥとスロットル開度ＴＡとに対応した、吸入空気重量のマップに基づいて、現在の吸入空気重量と、標準大気圧下での吸入空気重量とを比較することにより、現在の大気圧を算出する。現在の状態での吸入空気重量は、エンジン回転数ＮＥと、吸入空気量とから算出することができる。尚、吸入空気重量は、エアフロメータ２１から検出された吸入空気量と、エンジン回転数ＮＥとから、算出できる。

次に、ＥＣＵ４は、現在の大気圧に応じて、エンジン始動時からヒータ６５ｂへ通電を開始するまでの時間を設定する（ステップＳ３）。具体的には、図５に示すマップに基づいて、ヒータ６５ｂへの通電を開始するまでの時間を設定する。図５は、縦軸にヒータ６５ｂへ通電を開始するまでの時間を示しており、横軸に、算出された現在の大気圧を示している。大気圧が低いほど、ヒータ６５ｂへ通電するまでの時間が短くなるように設定される。即ち、大気圧が低いほどヒータ６５ｂの作動を早期に開始する。

ヒータ６５ｂへの通電開始時間が設定されると、ＥＣＵ４は、通電開始時間を経過したかどうかを判定する（ステップＳ４）。経過した場合には、ヒータ６５ｂを通電し（ステップＳ５）、経過していない場合には、ヒータ６５ｂへの通電は禁止する（ステップＳ６）。

このように、大気圧を考慮して加熱手段の作動が制御されるため、大気圧によって変動する水分の沸点の変動を考慮して空燃比センサ６４のセンサ素子６５ａを活性化させることができる。これにより、ＥＣＵ４は、空燃比センサ６４による検出結果に応じた制御を早期に実行することが可能となる。

次に、ＥＣＵ４は、空燃比センサ６４を早期に活性化させることができるようになったことに伴って、空燃比フィードバック制御についても、早期に実行する。図６は、ＥＣＵ４が実行する空燃比フィードバック制御処理の一例を示したフローチャートである。

まず、ＥＣＵ４は、エンジン冷却水の水温が所定値以下であるかどうかを判定し（ステップＳ１１）、所定値以下の場合には、現在の大気圧を算出する（ステップＳ１２）。
次にＥＣＵ４は、大気圧に応じて、エンジン始動時から空燃比フィードバック制御を開始するまでの時間を設定する（ステップＳ１３）。具体的には、図７に示すマップに基づいて、空燃比フィードバック制御を開始するまでの時間を設定する。図７は、縦軸に空燃比フィードバック制御を開始するまでの時間、横軸に、算出された現在の大気圧を示している。大気圧が低いほど、空燃比フィードバック制御を開始するまでの時間が短くなるように設定される。即ち、大気圧が低いほど、空燃比フィードバック制御が早期に実行される。

次に、空燃比フィードバック制御を開始するまでの時間が設定されると、ＥＣＵ４は、空燃比フィードバック制御開始時間を経過したかどうかを判定し（ステップＳ１４）、経過した場合には、空燃比フィードバック制御を開始し（ステップＳ１５）、経過していない場合には、空燃比フィードバック制御は禁止する（ステップＳ１６）。

このように、大気圧が標準大気圧よりも低い環境下では、前述したように早期に空燃比センサ６４が活性化されるので、空燃比フィードバック制御についても早期に実行することができ、エミッションの悪化、ドライバビリティの悪化などを防止できる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

尚、空燃比センサ６４のみならず、酸素センサ６６についても空燃比センサ６４と同様に、通電制御処理を実行してもよい。これに伴って、ＥＣＵ４は、酸素センサ６６の出力に基づいて、サブフィードバック制御を実行するようにしてもよい。

ヒータ６５ｂへの通電制御がデューティ制御である場合には、凝縮水消滅する時間によってデューティ比を変化させてもよい。

また、エンジンの冷間始動時からの経過時間を吸入空気量で積算して、ヒータ６５ｂへの通電開始時間を制御している場合には、大気圧に応じて、この積算した吸入空気量を補正してもよい。即ち、大気圧が低いほど、現実に積算された吸入空気量の値が大きくなるように補正することにより、早期にヒータ６５ｂへの通電を開始することができる。

大気圧を検出する大気圧センサを設けて、この大気圧センサの出力に応じて、ＥＣＵ４が、上述した処理を実行するようにしてもよい。

本実施例に係るエンジンシステムの構成を示した模式図である。空燃比センサの模式図である。凝縮水の消滅時間と大気圧との関係を示したグラフである。ＥＣＵが実行する空燃比センサの通電制御処理の一例を示したフローチャートである。ヒータへの通電開始時間を設定するためのマップである。ＥＣＵが実行する空燃比フィードバック制御処理の一例を示したフローチャートである。空燃比フィードバック制御の開始時間を設定するためのマップである。

符号の説明

２エンジン
４ＥＣＵ（加熱制御手段、空燃比フィードバック制御手段）
１０燃焼室
１２燃料噴射バルブ
１４点火プラグ
１６吸気ポート
２０吸気通路
２２サージタンク
２４スロットルモータ
２６スロットルバルブ
２８スロットル開度センサ
３０吸気圧センサ
３２排気ポート
３６排気通路
３８触媒
４０ＮＯｘ吸蔵還元触媒
４１水温センサ
４４アクセルペダル
５４クランク軸
５６アクセル開度センサ
５８エンジン回転数センサ
６４空燃比センサ
６５ａセンサ素子
６５ｂヒータ（加熱手段）
６６酸素センサ

Claims

排気通路に設置され、センサ素子と、前記センサ素子を活性化する加熱手段と、を含むガスセンサと、
前記加熱手段の作動を制御する加熱制御手段と、
前記排気ガスセンサからの出力に基づいて機関の空燃比を目標空燃比に近づけるようにフィードバック制御する空燃比フィードバック制御手段と、を備え、
前記加熱制御手段は、大気圧のみに応じて、前記加熱手段が作動していない時から前記加熱手段の作動を開始する時までの期間である通電開始時間を設定し、大気圧が低いほど前記通電開始時間を短期に設定し、
前記空燃比フィードバック制御手段は、大気圧のみに応じて、前記フィードバック制御が実行されていない時から前記フィードバック制御の実行を開始する時までの期間であるフィードバック制御開始時間を設定し、大気圧が低いほど前記フィードバック制御開始時間を短期に設定する、ことを特徴とする内燃機関の制御装置。