JP6197275B2 - エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気通路に設置された触媒の温度を活性化温度以上に上げるためにエンジンの運転状態を制御する制御装置に関する。

排気通路に設置される排気浄化触媒は、活性化温度以下になると性能が低下する。したがってエンジンを始動させた後、速やかに触媒の温度を上昇させ活性化温度に維持することが重要である。

エンジンが「温態」すなわち冷却水温度が一定の温度以上ある状態であってアイドル運転である間に触媒温度が低下してしまった場合、車両を発進させる初期段階の排ガスを適正に浄化するために、ブレーキペダルの踏込解除を検出すると、点火時期をリタードさせるとともにスロットル弁の開度を増大させる制御を行なうことが特許文献１に記載されている。また、特許文献１では、触媒温度が所定温度以下である状態をアイドル状態の時に一定時間以上継続して検出した場合、点火時期をリタードさせるとともにスロットル弁の開度を増大させる制御を行なっている。点火時期をリタードさせることで、触媒温度が低下することを抑制している。また、特許文献１において、点火時期をリタードさせたことに伴うトルクの低下は、スロットル弁の開度を増大させることによって、補償している。そして、アクセルペダルが踏み込まれたことを検出すると同時に、点火時期を本来の点火時期である進角側へ変更している。

また、「冷間状態（冷態）」すなわち冷却水温度が一定の温度以下である状態でエンジンを始動させる場合に、触媒の暖機促進を図りながら、アイドル中の目標回転速度にエンジン回転速度を収束させるとともに、空燃比をリーンに偏らせず、ＨＣ（炭化水素）の発生量を増やさないようにエンジンを制御することが特許文献２に記載されている。特許文献２によれば、クランキング後にエンジン回転速度がアイドル中の目標回転速度に達したら、点火時期を始動用の点火時期から触媒暖機促進用の点火時期へステップ的に（一気に）遅角（リタード）させる。また、エンジン回転速度がアイドル時の目標回転速度に到達するときにエンジン回転速度をアイドル時の目標回転速度に保持させるために必要な吸入空気量が燃焼室に供給されるように、エンジン回転速度がアイドル時の目標回転速度に達するよりも一定時間前にスロットル弁を開き始める。エンジン回転速度がアイドル時の目標回転速度に達した後、吸気圧又は吸気ポートの吸気流量の変化の割合が所定の範囲内になるまで、燃料噴射量を増量する。

エンジンの冷態始動時におけるアイドル運転において、点火時期をリタードさせて排気ガスの浄化触媒の暖機を促進するとともに、エンジン駆動手段としてスタータ及びオルタネータが一体になったモータあるいは発電機によって、エンジンに対して不足するトルクを補うトルクアシストを行なってエンジンの安定性を確保するように制御するエンジンが特許文献３に記載されている。

また、触媒が活性化温度になる前にＨＣ（炭化水素）の排出量を減らすための３つの方法が特許文献４に記載されている。この特許文献４によると、１つ目の方法は、点火時期をリタードさせる方法である。２つ目の方法は、バルブタイミング変更機構によって吸気弁及び排気弁が同時に開いているバルブオーバーラップ量を所定値以上に大きくする方法である。バルブオーバーラップ量を大きくすると燃焼ガスが吸気ポートに吹き返されるので、その燃焼ガスに含まれるＨＣも吹き戻されることで、ＨＣの排出量を減らしている。３つ目の方法は、空燃比をリーンにする方法である。燃料を減らすことでＨＣのもととなる炭素量を減らし、ＨＣの排出量を減らす。しかし、いずれの方法も、エンジンの冷態始動直後には実現が困難であると記載されている。始動後に一定の時間が経過するまでエンジンに供給する空気流量を小さくする、すなわちスロットルバルブの開度を小さくすることで、排気量を減らし、冷態始動のＨＣの排出量を減らすことが提案されている。

特許第４０２３４６７号公報 特許第４８７２６５５号公報 特許第３８４６３４９号公報 特開２００５−９４７４号公報

触媒の温度を活性化温度以上にするために点火時期をリタードさせる場合、リタード量が小さい時はスロットルの開度も小さいので、リタード量を変えることでアイドル運転のエンジン回転数を調整することができる。しかしながら、触媒の温度を上げるために必要となるリタード量が大きくなり過ぎるとスロットルの開度も大きくなるので、リタード量やスロットルの開度を調整することでアイドル運転のエンジン回転数を調整しようとすると応答性が鈍く、安定させにくい。

特許文献３では、点火時期をリタードさせたことに伴ってエンジン目標トルクが不足する分を補うためにトルクアシストを行なっているが、エンジン回転数を安定化させることについて検討されていない。また、特許文献４では、冷態始動から触媒暖機運転が完了するまでの間のＨＣ（炭化水素）の総排出量を減らすことを目的としており、特許文献３と同様にエンジン回転数を安定化させることについて配慮されていない。

そこで、本発明は、冷態始動直後の触媒を活性化温度まで昇温する際にアイドル運転のエンジン回転数を既存の装備で安定化させる制御装置を提供する。

本発明に係る制御装置は、エンジンの回転数を計測する回転数計測手段と、エンジンの冷却水の水温検出手段と、点火プラグと、エンジンの出力軸に負荷を加える電気負荷手段と、吸気弁及び排気弁の開放時期のオーバーラップ量を調整する可変バルブタイミング機構と、に接続されている。そして、この制御装置は、冷態始動直後のアイドル運転における点火プラグの点火時期を目標点火時期にリタードさせた後で、回転数計測手段によって検出された回転数が目標回転数に対する第１の変動範囲を超えている場合、回転数が目標回転数に対して大きいか小さいかに応じて、電気負荷手段による負荷または可変バルブタイミング機構によるオーバーラップ量の少なくとも一方を調整して制御する手順を異ならせ、回転数が目標回転数に対する第１の変動範囲内に入るよう制御する。

このとき、この制御装置は、回転数が第１の変動範囲よりも大きい第２の変動範囲を超える場合、吸気通路に設置されたスロットルの開度を電気負荷手段による負荷または可燃バルブタイミング機構によるオーバーラップ量の調整に先立って優先的に調整し、回転数を第１の変動範囲よりも大きく、且つ、第２の変動範囲よりも小さい回転数に制御する。また、回転数が第２の変動範囲内であって、第１の変動範囲の上限を超える場合は電気負荷手段の負荷を大きくする。さらに、第１の変動範囲の下限を超える場合は、可変バルブタイミング機構によるオーバーラップ量を小さくする。

また、制御装置は、目標点火時期に向けて点火時期を徐々にリタードさせるときの変化量に比例して、スロットルの開度を大きくする。このときのスロットルの開度は、水温検出手段で検出された水温及びリタードされた点火時期に対応して設定される。

本発明に係る制御装置によれば、エンジンの回転数を目標回転数に対する第１の変動範囲に制御するために、電気負荷手段の負荷または可変バルブタイミング機構によるオーバーラップ量を調整する。回転数を制御するために調整される、電気負荷手段、および可変バルブタイミング機構は、既存のエンジンが備える構成であり、エンジンがさらに複雑化することを回避しつつ、冷態始動直後の触媒を活性化温度まで昇温する触媒昇温モードにおけるアイドル運転のエンジン回転を目標回転数の第１の変動範囲に対して、精度よく調整することを可能にしている。

エンジンの回転数が目標回転数に対する第１の変動範囲よりも大きい第２の変動範囲を超えている場合、吸気通路に設置されたスロットルの開度を優先的に調整し、回転数を第１の変動範囲よりも大きく、且つ、第２の変動範囲よりも小さい回転数に制御する発明の制御装置によれば、エンジン回転数を目標回転数に速やかに調整することができる。

また、回転数が第２の変動範囲内であって、第１の変動範囲の上限を超える場合は電気負荷手段の負荷を大きくする発明の制御装置によれば、燃料噴射量や空気量を変化させることなくエンジン回転数を目標回転数に調整することができるため、排ガス性状を悪化させることもない。

また、第１の変動範囲の下限を超える場合は、可変バルブタイミング機構によるオーバーラップ量を小さくする発明の制御装置によれば、内部ＥＧＲを減らして燃焼を改善しつつ、エンジン回転数を目標回転数に調整することができる。

また、目標点火時期に向けて点火時期を徐々にリタードさせるときの変化量に比例して、スロットルの開度を大きくする発明の制御装置によれば、点火時期に合わせて圧縮圧を高めてエンジンの失火を予防することができる。また、エンジンの回転数に変化が生じたときに速やかに対応することができ、目標回転数から大きく変動してしまうことを予防できる。このときのスロットルの開度を水温検出手段で検出された水温及びリタードされた点火時期に対応して設定する発明の制御装置によれば、エンジンの回転数を制御しやすい。

いずれの場合も制御性が向上するので、冷態始動直後の触媒を活性化温度まで昇温する際にアイドル運転のエンジン回転数を既存の装備で安定化させることができ、この制御装置を備える車両のドライバビリティが向上する。

本発明に係る制御装置を備えるエンジンのブロック図。 図１の制御装置がエンジンの冷態始動時に実施する制御のフローチャート。 図２のフローチャートによって制御されたエンジンの各部の状態を示すタイムチャート。

本発明に係る一実施形態の制御装置１０について、図１から図３を参照して説明する。この制御装置１０は、内燃機関であるエンジン１の冷態始動の直後のアイドル運転において、触媒の温度を活性化温度まで昇温させる際のエンジン１の回転数Ｎｅを安定させる。図１に示すエンジン１は、制御装置１０の他に、シリンダブロック２と、吸気通路３、排気通路４、シリンダヘッド５、ピストン６、出力軸（クランクシャフト）７、オルタネータ８、吸気弁３１、スロットル３２、排気弁４１、触媒４２、点火プラグ５１、可変バルブタイミング（ＶＶＴ）機構５２を含む。

シリンダブロック２は、冷却水Ｗを流すために、シリンダヘッド５とピストン６との間に形成される燃焼室２０の周囲を取り囲むように形成された循環路２１を有している。水温センサ２２は、水温検出手段としてシリンダブロック２に取り付けられ、冷却水Ｗの温度を計測する。スロットル３２は、吸気通路３の途中に設置され、サーボモータ等の駆動装置で開度を調整される。スロットル３２の開度は、スロットルポジションセンサ３３によって検出される。

出力軸７には回転角度センサ７１が設置されている。この回転角度センサ７１は、出力軸７の回転角度を検出するとともに、出力軸７の回転数、すなわちエンジン１の回転数Ｎｅを計測する回転数計測手段として機能する。触媒４２は、排気通路４の途中に設置されている。触媒４２の温度を推定するために、触媒４２の上流側の排気通路４に、触媒温度センサ４３が設置されている。

可変バルブタイミング機構５２は、シリンダヘッド５に設置されており、ロッカーアームのレバー比を変化させることで、吸気弁３１及び排気弁４１のリフト量及び開放時期を個別に変化させることができる。この機能を利用して、可変バルブタイミング機構５２は、吸気弁３１及び排気弁４１の開放時期のオーバーラップ量を調整する。オルタネータ８は、出力軸７に連結されており、発電するときの電磁抵抗によって出力軸７に負荷を加える電気負荷手段として機能する。

制御装置１０は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）であって、エンジン１の運転を制御するとともに、このエンジン１が搭載される車両の各部に設置されたセンサの信号検出及び動作制御を行う。制御装置１０は、回転角度センサ７１と水温センサ２２と点火プラグ５１とスロットル３２とオルタネータ８と可変バルブタイミング機構５２とに接続されている。この制御装置１０は、回転角度センサ７１から出力される信号を基に、エンジン１の回転数Ｎｅを算出するとともに、点火プラグ５１の点火時期の調整、可変バルブタイミング機構５２による吸気弁３１及び排気弁４１の開放時期及びオーバーラップ量の調整、スロットル３２の開度の調整を行う。

この制御装置１０は、エンジン１が一定の温度よりも低い冷態の時に始動させる場合、始動した直後に点火プラグ５１の点火時期をリタードさせて排気温度を高くすることによって、触媒４２の温度を活性化温度まで上昇させる。このときのアイドル運転中のエンジン１の回転数Ｎｅを安定させるために、制御装置１０は、スロットル３２の開度、オルタネータ８の負荷、可変バルブタイミング機構５２によるオーバーラップ量の少なくとも１つを調整する制御を行なう。この制御について、図２及び図３を参照してさらに詳しく説明する。

図２に示すように、制御装置１０は、エンジン１が始動されると冷態始動であるか否かを判定するために、車速センサの信号を基に車両が停車中であるか否かを判断（Ｓ１）する。停車中であると判定された場合、アクセルペダルが操作されていないこと、すなわちアイドルスイッチ（ＩＤ−ＳＷ）がＯＮになっているかを判断（Ｓ２）する。アイドルスイッチがＯＦＦである場合、運転者がアクセルペダルを踏んでおり、意図的にエンジン１の回転数Ｎｅを高くしている状態である。アイドルスイッチがＯＮである場合、さらに水温センサ２２によって検出された水温が所定値以下、すなわちエンジン１が冷えた状態であるか判定（Ｓ３）する。

エンジン１が冷態状態である場合、未燃燃料を排出しないように、圧縮行程において燃料量を少なくするスライトリーンモードを開始（Ｓ４）する。スライトリーンモードが開始されると、制御装置１０は、図３に示すように点火プラグ５１の点火時期をピストンの上死点に対して徐々に遅らせる、すなわちリタードさせる（Ｓ５）。

制御装置１０は、水温センサ２２で検出された水温、及び点火時期のリタード量を変数に、スロットル３２の開度を設定するためのマップを有しており、水温及びリタード量の変化に伴ってスロットルの開度を調整（Ｓ６）する。この制御の場合、図３に示すように、リタード量が大きくなるにしたがって、スロットルの開度が大きくなるように設定されている。

また、この実施形態のエンジン１は、可変バルブタイミング機構５２を備えている。この可変バルブタイミング機構５２を備える場合、オーバーラップ量によってスロットル３２の開度が異なってくる。そこで、制御装置１０は、可変バルブタイミング機構５２から得られるオーバーラップ量に応じてスロットル３２の開度の補正（Ｓ７）を行なう。

点火プラグ５１の点火時期をリタードしながらスロットル３２の開度を大きくする間、点火プラグ５１の点火時期が予め設定された目標点火時期に到達したか判断（Ｓ８）される。目標点火時期に達していない場合は、Ｓ５に戻り、点火プラグ５１の点火時期を引き続きリタードさせ、これに伴うスロットル３２の開度を増大させる。また、点火時期をリタードさせるタイミングに合わせて、可変バルブタイミング機構５２の吸気側では目標位相角まで進角させ、排気側では目標位相角まで遅角させる。進角又は遅角させる大きさは、バルブオーバーラップ量の大きさによって変わる。

点火時期が目標点火時期に到達すると、制御装置１０は、エンジン１の回転数Ｎｅが目標回転数Ｍｅに対する第１の変動範囲Ｐ１に入っているか判断（Ｓ９）する。第１の変動範囲Ｐ１に入っている場合は、そのままの運転状態が維持される。第１の変動範囲Ｐ１以内に回転数Ｎｅが入っていない場合、第１の変動範囲Ｐ１よりも大きい第２の変動範囲Ｐ２に入っているかさらに判断（Ｓ１０）する。エンジン１の回転数Ｎｅが目標回転数Ｍｅの第２の変動範囲Ｐ２を超えている場合、制御装置１０は、回転数Ｎｅを目標回転数Ｍｅの第１の変動範囲Ｐ１以内にするために、スロットル３２の開度によって調整する。

このとき、回転数Ｎｅが目標回転数Ｍｅに対して大きいか判断（Ｓ１１）される。回転数Ｎｅが目標回転数Ｍｅに対して大きい側へ第２の変動範囲Ｐ２を超えている場合、すなわち、回転数Ｎｅが大きすぎる場合、スロットル３２の開度を小さくし（Ｓ１２）、回転数Ｎｅを小さくする。また、回転数Ｎｅが目標回転数Ｍｅに対して小さい側へ第２の変動範囲Ｐ２を超えている場合、すなわち回転数Ｎｅが小さ過ぎる場合、スロットル３２が全開になっていないか確認（Ｓ１３）したのち、スロットル３２の開度にまだ余裕がある場合は、スロットル３２の開度を大きくする（Ｓ１４）ことによって回転数Ｎｅを大きくする。スロットル３２が既に全開であった場合、回転数Ｎｅを大きくするためにスロットル３２をこれ以上開くことができないので、他の手段、すなわちオルタネータ８の負荷の調整もしくは可変バルブタイミング機構５２によるオーバーラップ量（ＶＯＬ）の調整よってエンジン１の回転数Ｎｅを大きくするように調整する。オルタネータ８および可変バルブタイミング機構５２による回転数Ｎｅの調整は、回転数Ｎｅが目標回転数Ｍｅに対して小さい側へ第１の変動範囲Ｐ１から第２の変動範囲Ｐ２の間である場合と同じである。これについては、後述する。

Ｓ１０において、回転数Ｎｅが目標回転数Ｍｅの第２の変動範囲Ｐ２以内である場合、すなわち、回転数Ｎｅが第１の変動範囲Ｐ１から第２の変動範囲Ｐ２の間である場合、オルタネータ８の負荷を調整する、または、可変バルブタイミング機構５２でオーバーラップ量（ＶＯＬ）を調整することによって、回転数Ｎｅを目標回転数Ｍｅの第１の変動範囲Ｐ１以内にする。このとき、エンジン１の回転数Ｎｅが目標回転数Ｍｅに対して大きい場合と小さい場合とで制御の手順が異なる。そこで、制御装置１０は、回転数Ｎｅが目標回転数Ｍｅよりも大きいか判断（Ｓ１５）する。

回転数Ｎｅが目標回転数Ｍｅよりも大きい側へ第１の変動範囲Ｐ１以上、第２の変動範囲Ｐ２以下の場合、制御装置１０は、可変バルブタイミング機構５２のオーバーラップ量ＶＯＬが予め設定された初期値ＶＯＬｐから変化していないか判断（Ｓ１６）する。オーバーラップ量ＶＯＬが初期値ＶＯＬｐから変わっていない場合、オルタネータ８の負荷を大きくする（Ｓ１７）ことによって、エンジン１の回転数Ｎｅを小さくする。また、オーバーラップ量ＶＯＬが初期値ＶＯＬｐから変化している場合、オーバーラップ量ＶＯＬを増大させて（Ｓ１８）回転数Ｎｅを小さくする。

Ｓ１５において回転数Ｎｅが目標回転数Ｍｅよりも小さい側へ第１の変動範囲Ｐ１以下、第２の変動範囲Ｐ２以上の場合、制御装置１０は、オルタネータ８の負荷がゼロであるか確認（Ｓ１９）する。オルタネータ８の負荷がゼロである場合、オルタネータ８によって、回転数Ｎｅを大きくすることができないので、可変バルブタイミング機構５２でオーバーラップ量ＶＯＬを小さくし（Ｓ２０）、回転数Ｎｅを大きくする。オルタネータ８の負荷がゼロではない場合、オルタネータ８の負荷を小さくする（Ｓ２１）ことで回転数Ｎｅを大きくする。Ｓ１９〜Ｓ２１の動作は、Ｓ１３においてスロットル３２が全開であった場合の対応となる。

以上のように、スロットル３２の開度、可変バルブタイミング機構５２で調整されるオーバーラップ量ＶＯＬ、オルタネータ８の負荷、の少なくとも１つによって、回転数Ｎｅを調整すると、制御装置１０は、スライトリーンモードの継続時間内であるか判断（Ｓ２２）し、時間内である場合は、Ｓ９に戻って、アイドル運転中の回転数Ｎｅが目標回転数Ｍｅの第１の変動範囲Ｐ１以内に安定するように制御する。継続時間を過ぎている場合は、スライトリーンモードを終了（Ｓ２３）する。

スライトリーンモードが終わると、可変バルブタイミング機構５２は、吸気側及び排気側ともにスライトリーンモードが始まる前の状態に戻される。また、スロットル３２の開度及び火プラグ５１の点火時期のリタード量は、スライトリーンモードが終了すると直ぐに所定位置まで戻す、すなわちスロットル開度を所定値まで小さくし、リタード量を所定値まで進角させる。その後、スロットル開度を小さくしたことに伴い実際の吸入空気量が減少するので、エンジン回転数が上昇しないようにこれに合わせて徐々に点火時期を進角させる。これにより、エンジン回転数Ｎｅは、通常の目標アイドル回転数向かって徐々に低下し、通常のアイドル運転へ移行（Ｓ２４）する。

以上のように、この制御装置１０は、冷態始動時にスロットル３２の開度、可変バルブタイミング機構５２のオーバーラップ量、オルタネータ８の負荷の少なくとも１つを用いて、エンジン１の回転数Ｎｅを目標回転数Ｍｅの第１の変動範囲Ｐ１以内になるように制御する。エンジン１の運転状態に応じた手段で回転数Ｎｅの調整を行うので、触媒昇温モードにおけるアイドル運転のエンジン回転を精度よく安定させることができる。

特に、エンジンの回転数が目標回転数に対する第１の変動範囲よりも大きい第２の変動範囲を超えている場合はスロットルの開度を調整することにより、エンジン回転数を目標回転数に速やかに調整することができる。

また、回転数が第２の変動範囲内であって第１の変動範囲の上限を超える場合は電気負荷手段の負荷を大きくすることにより、燃料噴射量や空気量を変化させることなくエンジン回転数を目標回転数に調整することができるため、排ガス性状を悪化させることもない。

また、回転数が第２の変動範囲内であって第１の変動範囲の下限を超える場合は、可変バルブタイミング機構によるオーバーラップ量を小さくすることにより、内部ＥＧＲを減らして燃焼を改善しつつ、エンジン回転数を目標回転数に調整することができる。

さらに、目標点火時期に向けて点火時期を徐々にリタードさせるときの変化量に比例してスロットルの開度を大きくすることにより、点火時期に合わせて圧縮圧を高めてエンジンの失火を予防することができる。また、エンジンの回転数に変化が生じたときに速やかに対応することができ、目標回転数から大きく変動してしまうことを予防できる。このときのスロットルの開度を水温検出手段で検出された水温及びリタードされた点火時期に対応して設定する発明の制御装置によれば、エンジンの回転数を制御しやすい。

１…エンジン、１０…制御装置、７…出力軸、７１…回転角度センサ、８…オルタネータ（電気負荷手段）、２２…水温センサ（水温検出手段）、３１…吸気弁、４１…排気弁、５１…点火プラグ、５２…可変バルブタイミング機構、Ｎｅ…（エンジンの）回転数、Ｍｅ…目標回転数、Ｐ１…第１の変動範囲、Ｐ２…第２の変動範囲、ＶＯＬ…オーバーラップ量。

Claims (5)

1. エンジンの回転数を計測する回転数計測手段と、
   前記エンジンの冷却水の水温検出手段と、
   点火プラグと、
   前記エンジンの出力軸に負荷を加える電気負荷手段と、
   吸気弁及び排気弁の開放時期のオーバーラップ量を調整する可変バルブタイミング機構と、に接続された制御装置であって、
   前記制御装置は、冷態始動直後のアイドル運転で前記点火プラグの前記点火時期を目標点火時期にリタードさせた後で、前記回転数計測手段によって検出された回転数が目標回転数に対する第１の変動範囲を超えている場合、前記回転数が前記目標回転数に対して大きいか小さいかに応じて、前記電気負荷手段による前記負荷または前記可変バルブタイミング機構による前記オーバーラップ量の少なくとも一方を調整して制御する手順を異ならせ、前記回転数が前記目標回転数の前記第１の変動範囲内に入るよう制御する
   ことを特徴とする制御装置。
2. 前記制御装置は、前記回転数が前記第１の変動範囲よりも大きい第２の変動範囲を超える場合、吸気通路に設置されたスロットルの開度を前記電気負荷手段による負荷または前記可変バルブタイミング機構による前記オーバーラップ量の調整に先立って優先的に調整し、前記回転数を前記第１の変動範囲よりも大きく、且つ、前記第２の変動範囲よりも小さい回転数に制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載された制御装置。
3. 前記回転数が前記第２の変動範囲内であって、前記第１の変動範囲の上限を超える場合、前記電気負荷手段の負荷を大きくする
   ことを特徴とする請求項２に記載された制御装置。
4. 前記回転数が前記第２の変動範囲内であって、前記第１の変動範囲の下限を超える場合、前記可変バルブタイミング機構による前記オーバーラップ量を小さくする
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載された制御装置。
5. 前記目標点火時期に向けて前記点火時期を徐々にリタードさせる変化量に比例して前記スロットルの開度を大きくする
   ことを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１項に記載された制御装置。

Images