JP7124536B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関するものである。
特許文献１には、火花点火式の内燃機関が開示されている。この内燃機関は、排気通路に設けられた三元触媒や、三元触媒よりも下流の排気通路に配置されており排気中の粒子状物質を捕集するフィルタを備えている。
この特許文献１では、車両の惰性走行中に三元触媒を昇温するための燃料導入処理を実施することで、フィルタに堆積した粒子状物質を燃焼浄化している。燃料導入処理では、車両の惰性走行中であって内燃機関のクランク軸が回転しているときに点火プラグの火花放電を停止した状態で燃料噴射を実施することにより、混合気を気筒で燃焼せずに排気通路に導入する。このときに排気通路へ導入された未燃の混合気は、三元触媒に流入して同三元触媒にて燃焼する。その燃焼により生じた熱で三元触媒の温度が高められると、同三元触媒から流出してフィルタに流入するガスの温度も高くなる。そして、高温のガスの熱を受けてフィルタの温度が粒子状物質の発火点以上に上昇すると、同フィルタに堆積した粒子状物質が燃焼して浄化される。
米国特許出願公開第２０１４／４１３６２号明細書
ところで、上記特許文献１の内燃機関では、燃料導入処理の実行中に燃料噴射を行う一方で点火プラグの火花放電を停止するため、その燃料導入処理の実行中には点火プラグの電極温度が低下する。このようにして点火プラグの電極温度が低下すると、燃料導入処理の実行中に燃料噴射弁から噴射された燃料が点火プラグの電極に付着してカーボン化した場合に、そのカーボンを電極の熱で燃焼除去することが困難になり、点火プラグのくすぶりが起きるおそれがある。ちなみに、燃料導入処理の実行中に点火プラグのくすぶりが起きると、例えば燃料導入処理が終了して、再び気筒での混合気の燃焼を再開する際に混合気が点火せず、失火するおそれがある。
上記課題を解決するための内燃機関の制御装置は、燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁が噴射した燃料を含む混合気が導入される気筒と、前記気筒に導入された混合気を火花放電により点火する点火プラグと、前記気筒内から排出されたガスが流れる排気通路と、前記排気通路に設けられた三元触媒と、を備える内燃機関に適用される。この制御装置は、前記内燃機関のクランク軸が回転している状態において、前記燃料噴射弁が噴射した燃料を含む混合気を前記気筒で燃焼させずに前記排気通路に導入する燃料導入処理を実行する。そして、この制御装置は、前記点火プラグの火花放電を実施しても前記気筒で混合気が燃焼しない期間内の時期を非燃焼点火時期としたときに、前記燃料導入処理の実行中は前記非燃焼点火時期に前記点火プラグの火花放電を実施する放電処理を実行する。
同構成によれば、燃料導入処理の実行中は、上記非燃焼点火時期に点火プラグの火花放電が実施されるため、燃料噴射弁から噴射された燃料は気筒で燃焼することなく排気通路に導入される。また、そうした火花放電の実施により、燃料導入処理の実行中において点火プラグの電極温度は高い状態に維持される。そのため、燃料導入処理の実行中でも電極に付着したカーボンを燃焼させることが可能になり、これにより燃料導入処理の実行中に点火プラグのくすぶりが起きることを抑えることができる。
点火プラグの火花放電により気筒内の混合気の点火が可能な時期は、気筒の筒内圧が混合気の点火に必要な最低圧以上になる圧縮上死点付近の期間に限られている。従って、筒内圧がそうした最低圧よりも低い期間であれば、点火プラグに火花放電を生じさせても気筒では混合気の点火が起きず、同混合気は燃焼しない。
そこで、上記非燃焼点火時期として、前記気筒の筒内圧が混合気の点火に必要な最低圧よりも低くなる期間内の時期を設定することにより、燃料導入処理の実行中に気筒で混合気を燃焼させることなく点火プラグの火花放電を実施することができるようになる。
内燃機関の制御装置の一実施形態における構成を示す模式図。 同実施形態における燃料導入処理の処理手順を示すフローチャート。 同燃料導入処理の実施中に設定される点火時期を示すタイミングチャート。 同燃料導入処理の実施態様を示すタイミングチャート。
以下、内燃機関の制御装置の一実施形態について、図１～図４を参照して説明する。
図１に示すように、車両に搭載される内燃機関１０は、ピストン１１が往復動可能に収容された気筒１２を備えている。ピストン１１は、コネクティングロッド１３を介してクランク軸１４に連結されている。そして、気筒１２内でのピストン１１の往復動がクランク軸１４の回転運動に変換される。
気筒１２には、同気筒１２への空気の導入路である吸気通路１５が接続されている。吸気通路１５には、同吸気通路１５を流れる空気の流量（吸入空気量ＧＡ）を検出するエアフローメータ１６が設けられている。吸気通路１５におけるエアフローメータ１６よりも下流側の部分には、スロットルバルブ１７が設けられている。また、吸気通路１５におけるスロットルバルブ１７よりも下流側の部分には、燃料噴射弁１８が設置されている。燃料噴射弁１８は、吸気通路１５を流れる空気中に燃料を噴射することで、空気と燃料との混合気を形成する。
気筒１２には、同気筒１２に対して吸気通路１５を開閉する吸気バルブ１９が設けられている。気筒１２には、吸気バルブ１９の開弁に応じて吸気通路１５から混合気が導入される。また、気筒１２には、火花放電により気筒１２内の混合気を点火して燃焼させる点火プラグ２０が設置されている。この点火プラグ２０の先端には、火花放電用の電極が設けられている。
気筒１２には、混合気の燃焼により生じた排気の排出路である排気通路２１が接続されている。また、気筒１２には、同気筒１２に対して排気通路２１を開閉する排気バルブ２２が設けられている。排気通路２１には、排気バルブ２２の開弁に応じて気筒１２内から排気が導入される。排気通路２１には、排気中のＣＯやＨＣを酸化すると同時にＮＯｘを還元する三元触媒２３が設置されている。また、排気通路２１における三元触媒２３よりも下流側の部分には、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタ２４が設置されている。さらに、排気通路２１における三元触媒２３よりも上流側の部分には、排気通路２１を流れるガスの酸素濃度を、すなわち混合気の空燃比を検出する空燃比センサ２５が設置されている。また、排気通路２１における三元触媒２３とフィルタ２４との間の部分には、三元触媒２３から流出したガスの温度である触媒出ガス温度ＴＨＣを検出する触媒出ガス温度センサ２６が設置されている。
内燃機関１０の制御装置２７は、中央処理装置（以下、ＣＰＵという）２７Ａや、制御用のプログラムやデータが記憶されたメモリ２７Ｂを備えている。そして、メモリ２７Ｂに記憶されたプログラムをＣＰＵ２７Ａが実行することにより、各種の機関制御を実行する。
制御装置２７には、上述のエアフローメータ１６、空燃比センサ２５、触媒出ガス温度センサ２６の検出信号が入力されている。また、制御装置２７には、クランク軸１４の回転角であるクランク角θｃを検出するクランク角センサ２８の検出信号が入力されている。さらに、制御装置２７には、車両の走行速度である車速Ｖを検出する車速センサ２９、及びアクセルペダル３０の操作量であるアクセル開度ＡＣＣを検出するアクセルポジションセンサ３１の検出信号も入力されている。
そして、制御装置２７は、これらセンサの検出結果に基づき、スロットルバルブ１７の開度、燃料噴射弁１８の燃料噴射の量や時期、点火プラグ２０の火花放電の実施時期（点火時期）等を制御することで、車両の走行状況に応じて内燃機関１０の運転状態を制御している。なお、制御装置２７は、内燃機関１０の回転速度（機関回転速度ＮＥ）を、クランク角センサ２８によるクランク角θｃの検出結果から演算している。
さらに制御装置２７は、排気通路２１に設置された三元触媒２３を昇温するために、燃料噴射弁１８が噴射した燃料を含む混合気を１２気筒で燃焼させずに排気通路２１に導入する燃料導入処理を実施する。なお、燃料噴射弁１８が噴射した燃料を含む混合気を排気通路２１に導入するには、気筒１２で吸排気が行われている必要がある。そのため、制御装置２７は、クランク軸１４が回転しており気筒１２で吸排気が行われている状態のときに燃料導入処理を実施する。また、本実施形態では、フィルタ２４の目詰まりの防止を目的に燃料導入処理を実施している。
図２に、燃料導入処理の手順を示す。なお、図２に示す一連の処理は、制御装置２７の起動中において、制御装置２７のメモリ２７Ｂに記憶されたプログラムをＣＰＵ２７Ａが規定の制御周期毎に繰り返し実行することにより実現される。また、以下では、先頭に「Ｓ」が付与された数字によって、ステップ番号を表現する。
本処理を開始すると、ＣＰＵ２７Ａは、まず、燃料導入処理の実施フラグがセットされているか否かを判定する（Ｓ１００）。そして、燃料導入処理の実施フラグがクリアされている場合には（Ｓ１００：ＮＯ）、ＣＰＵ２７Ａは、本処理を一旦終了する。一方、実施フラグがセットされている場合には（Ｓ１００：ＹＥＳ）、ＣＰＵ２７Ａは、Ｓ１１０に処理を進める。なお、燃料導入処理の実施フラグは、セットされていることをもって燃料導入処理の実施条件の成立を、クリアされていることをもって同実施条件の不成立を示すフラグである。本実施形態では、下記の条件（イ）～条件（ハ）の全てが満たされている場合に燃料導入処理の実施条件が成立するものとして、燃料導入処理の実施フラグがセットされる。一方、下記の条件（イ）～条件（ハ）のいずれかが満たされない場合には燃料導入処理の実施条件が不成立であるとして、燃料導入処理の実施フラグはクリアされる。
（イ）燃料カット実行フラグがセットされていること。燃料カット実行フラグは、車両の惰性走行中に燃料噴射弁１８の燃料噴射及び点火プラグ２０の火花放電を停止して内燃機関１０の燃焼運転を停止させる、いわゆる減速時燃料カットの実行条件が成立していることを示すフラグである。具体的には、アクセル開度ＡＣＣが０、且つ車速Ｖが一定の値以上である場合に、ＣＰＵ２７Ａは、燃料カット実行フラグをセットする。この燃料カット実行フラグがセットされると、ＣＰＵ２７Ａは、内燃機関１０の燃焼運転を停止する。そして、燃料カット実行フラグのセット後に、アクセルペダル３０が踏み込まれて車両の再加速が要求された場合、或いは車速Ｖが規定の復帰速度以下に低下した場合に、ＣＰＵ２７Ａは、燃料カット実行フラグをクリアする。この燃料カット実行フラグがクリアされている状態では、ＣＰＵ２７Ａは、内燃機関１０の燃焼運転を実施する。
なお、車両の惰性走行中は、内燃機関１０の燃焼運転が停止した状態でクランク軸１４が回転しているため、燃料導入処理の実施に適した状態になっている。
（ロ）三元触媒２３の昇温が要求されていること。上述のように本実施形態では、フィルタ２４に堆積している粒子状物質の燃焼浄化を目的とした三元触媒２３の昇温のために燃料導入処理を実施するようにしている。ＣＰＵ２７Ａは、内燃機関１０の運転状態からフィルタ２４に堆積している粒子状物質の量を推定しており、その推定量が一定の値を超えたときに三元触媒２３の昇温を要求している。
（ハ）排気通路２１内から既燃ガスが掃気されていること。内燃機関１０の燃焼停止の直後には、排気通路２１内に既燃ガスが残留している。本実施形態では、排気通路２１内のガスが既燃ガスから空気に置き換わった状態となってから、燃料導入処理を開始している。具体的には、減速時燃料カットが一定の時間以上継続したことをもって、ＣＰＵ２７Ａは、上記既燃ガスの掃気がなされたと判定している。
燃料導入処理の実施フラグがセットされており（Ｓ１００：ＹＥＳ）、その結果、Ｓ１１０に処理が進むと、ＣＰＵ２７Ａは、燃料噴射弁１８の燃料噴射を実施する（Ｓ１１０）。このときの燃料噴射弁１８の燃料噴射量は、混合気の空燃比が理論空燃比よりもリーンとなるように制御される。
また、このＳ１１０での燃料噴射の実施に合わせて、ＣＰＵ２７Ａは、点火プラグ２０の火花放電を実施して（Ｓ１２０）、本処理を一旦終了する。このＳ１２０で実施される火花放電の時期、つまり点火時期は、点火プラグ２０に火花放電を生じさせても気筒１２で混合気の点火が行われず同混合気が燃焼しない時期（以下、非燃焼点火時期という）に設定される。具体的には、非燃焼点火時期ＡＯＰｉｎｊは、以下の期間内における時期である。
図３に示すように、点火プラグ２０の火花放電により気筒１２内の混合気の点火が可能な時期は、気筒１２の筒内圧が混合気の点火に必要な最低圧である点火要求圧α以上に高くなる圧縮上死点付近の期間に限られている。従って、筒内圧が点火要求圧αよりも低い期間であれば、点火プラグ２０に火花放電を生じさせても気筒１２内では混合気の点火が行われず、同混合気は燃焼しない。
そこで、本実施形態では、筒内圧が点火要求圧αよりも低い期間内の時期を非燃焼点火時期ＡＯＰｉｎｊとして設定している。より具体的には、そうした期間内の時期である圧縮上死点後１８０°（排気下死点）の時期を非燃焼点火時期ＡＯＰｉｎｊとして設定している。なお、本処理ではＳ１２０の処理が、燃料導入処理の実行中は非燃焼点火時期に点火プラグの火花放電を実施する放電処理に相当する。
ちなみに、ＣＰＵ２７Ａは、燃料カット実行フラグはセットされているが、燃料導入処理の実施フラグはクリアされている場合、内燃機関１０の減速時燃料カットを実行する。すなわち、この減速時燃料カットを実行するために、ＣＰＵ２７Ａは燃料噴射弁１８の燃料噴射を停止するとともに点火プラグ２０の火花放電を停止する。このように燃料カット実行フラグがセットされている場合には、減速時燃料カット及び燃料導入処理のいずれかが実施されるため、いずれにせよ、内燃機関１０の燃焼運転は停止される。
本実施形態の作用及び効果を説明する。
図４に、本実施形態における燃料導入処理の実施態様の一例を示す。同図では、時刻ｔ１から時刻ｔ３までの期間、燃料カット実行フラグがセットされており、その間、内燃機関１０の燃焼運転は停止した状態でクランク軸１４は回転している。
時刻ｔ１に燃料カット実行フラグがセットされると、点火プラグ２０の火花放電及び燃料噴射弁１８の燃料噴射が停止されて、内燃機関１０の減速時燃料カットが開始される。そしてその後、排気通路２１の掃気が完了した時刻ｔ２に燃料導入処理の実施フラグがセットされる。
時刻ｔ２に燃料導入処理の実施フラグがセットされると、燃料噴射弁１８の燃料噴射が開始される。また、このときには点火プラグ２０の火花放電も開始されるが、このときの点火時期は上記非燃焼点火時期ＡＯＰｉｎｊに設定されている。そのため、燃料噴射弁１８が噴射した燃料は、気筒１２で燃焼されずに排気通路２１に未燃のまま排出される。すなわち、気筒１２に導入された燃料と空気との混合気が、同気筒１２内で燃焼されずに未燃のまま排気通路２１に導入されるようになる。排気通路２１に導入された未燃の混合気は、三元触媒２３に流入して同三元触媒２３にて燃焼する。そして、その燃焼により生じた熱で三元触媒２３の温度（以下、触媒温度と記載する）が高められる。触媒温度が高まると、三元触媒２３から流出してフィルタ２４に流入するガスの温度も高くなり、そのガスの熱を受けてフィルタ２４の温度も高まるようになる。これにより、フィルタ２４の温度が粒子状物質の発火点以上となると、同フィルタ２４に堆積した粒子状物質が燃焼して浄化される。
時刻ｔ３に、燃料カット実行フラグがクリアされると、燃料導入処理の実施フラグも同時にクリアされる。そして、この時刻ｔ３以降は、内燃機関１０の燃焼運転が再開される。この燃焼運転の再開に際しては、燃料噴射弁１８の燃料噴射量が燃焼運転に適した量となるように制御されるとともに、それまで非燃焼点火時期ＡＯＰｉｎｊに設定されていた点火時期は、混合気が燃焼する点火時期ＡＯＰｂ（例えば圧縮上死点付近の時期）に変更される。
以上説明したように、本実施形態では、燃料導入処理の実行中は、点火プラグ２０の火花放電が上記非燃焼点火時期ＡＯＰｉｎｊに実施されるため、燃料噴射弁１８から噴射された燃料は気筒１２で燃焼することなく排気通路２１に導入される。また、そうした火花放電の実施により、燃料導入処理の実行中において点火プラグ２０の電極温度は高い状態に維持される。そのため、燃料導入処理の実行中でも電極に付着したカーボンを燃焼させることが可能になり、これにより燃料導入処理の実行中に点火プラグ２０のくすぶりが起きることを抑えることができる。従って、燃料導入処理が終了して、再び気筒１２内での混合気の燃焼を再開する際には混合気が点火されるようになる。
なお、本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・非燃焼点火時期ＡＯＰｉｎｊとして、圧縮上死点後１８０°（排気下死点）の時期を設定したが、筒内圧が上記点火要求圧αよりも低い期間内の時期であれば、他の時期を設定してもよい。
・フィルタ２４に堆積した粒子状物質の燃焼浄化を目的として燃料導入処理を実施していたが、それ以外の目的での三元触媒２３の昇温のために同燃料導入処理を行うようにしてもよい。例えば、触媒温度が低下して三元触媒２３の排気浄化能力が低下したときに、同排気浄化能力を回復するために燃料導入処理を行うことが考えられる。
・車両の惰性走行中に燃料導入処理を行うようにしていたが、内燃機関１０の燃焼を停止した状態でクランク軸１４の回転を維持可能な状況であれば、車両の惰性走行中以外の状況のもとで燃料導入処理を実施するようにしてもよい。
また、内燃機関の他にモータが駆動源として搭載されたハイブリッド車両では、内燃機関の燃焼運転を停止した状態でモータの動力でクランク軸を回転できるものがある。こうしたハイブリッド車両では、モータの動力でクランク軸を回転しながら燃料導入処理を実施することが可能である。
・燃料噴射弁１８による吸気通路１５内への燃料噴射を通じて燃料導入処理を実施していたが、気筒１２内に燃料を噴射する筒内噴射式の燃料噴射弁を備える内燃機関において気筒１２内への燃料噴射を通じて燃料導入処理を行うことも可能である。
１０…内燃機関、１１…ピストン、１２…気筒、１３…コネクティングロッド、１４…クランク軸、１５…吸気通路、１６…エアフローメータ、１７…スロットルバルブ、１８…燃料噴射弁、１９…吸気バルブ、２０…点火プラグ、２１…排気通路、２２…排気バルブ、２３…三元触媒、２４…フィルタ、２５…空燃比センサ、２６…触媒出ガス温度センサ、２７…制御装置、２７Ａ…中央処理装置（ＣＰＵ）、２７Ｂ…メモリ、２８…クランク角センサ、２９…車速センサ、３０…アクセルペダル、３１…アクセルポジションセンサ。

Claims (2)

  1. 燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁が噴射した燃料を含む混合気が導入される気筒と、前記気筒に導入された混合気を火花放電により点火する点火プラグと、前記気筒内から排出されたガスが流れる排気通路と、前記排気通路に設けられた三元触媒と、を備える内燃機関に適用されて、
    前記内燃機関のクランク軸が回転している状態において、前記燃料噴射弁の燃料噴射及び前記点火プラグの火花放電を停止して前記内燃機関の燃焼運転を停止させる燃料カット処理と、前記内燃機関のクランク軸が回転している状態において、前記燃料噴射弁が噴射した燃料を含む混合気を前記気筒で燃焼させずに前記排気通路に導入する燃料導入処理と、を実行する制御装置であって、
    前記点火プラグの火花放電を実施しても前記気筒で混合気が燃焼しない期間内の時期を非燃焼点火時期としたときに、前記燃料導入処理の実行中は前記非燃焼点火時期に前記点火プラグの火花放電を実施する放電処理を実行し、
    前記燃料導入処理を、前記燃料カット処理で前記排気通路内から既燃ガスの掃気がなされた後に実行する
    内燃機関の制御装置。
  2. 前記非燃焼点火時期として、前記気筒の筒内圧が混合気の点火に必要な最低圧よりも低くなる期間内の時期が設定されている
    請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
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