JP5164619B2 - 内燃機関の運転制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、始動後における燃料噴射量を増減する内燃機関の運転制御方法に関するものである。

従来、内燃機関であるガソリンを燃料とするエンジンでは、始動を良好にするために、燃料噴射量を一時的に多くして、その後は漸次燃料噴射量を減量して空燃比が理論空燃比となるように運転を制御することが知られている。この場合に、燃料噴射量を減量する量は、例えばガソリンの性状による影響やシステムのばらつきにより空燃比がリーンになり、回転変動が生じることを防止するために、そのような場合においても空燃比がリッチになるように設定してある。

その一方で、始動時の、Ｏ₂センサが活性するまでの間の、全炭化水素（ＴＨＣ）の排出量を低減するために、その間において空燃比をできる限りリーンにしてエンジンを運転する傾向にある。例えば、特許文献１に記載のものでは、エンジンの回転変動をモニタしながら、始動時に燃料噴射量を補正して増量し、その増量した燃料噴射量を減量することにより、冷間始動直後から空燃比をリーンにして、運転を制御するものである。この場合に、始動完了後の所定期間においては燃料噴射量の減量を、その所定期間の経過後の減量よりも多くするように設定している。

また、冷間始動時に、エンジン回転数を比較的高くするファストアイドル運転において、燃料の性状に応じて点火時期の遅角量を可変にすることにより、排気ガス中の有害成分の排出量を削減することが知られている（例えば特許文献２）。具体的には、重質燃料を検出した場合には、軽質燃料の場合に比べて、遅角量を大きくするものである。
特開平１０-１８４４２２号公報 特開平５-７１４５５号公報

ところが、特許文献１の構成では、空燃比がリーンである運転状態から、空燃比フィードバック制御を開始することになるので、Ｏ₂センサの活性を判定できない可能性が生じる。すなわち、一般的にＯ₂センサは、空燃比がリッチな排気ガスにより信号を出力するもので、活性化していない場合は、出力された信号を検出することにより活性判定をするものである。したがって、このように、空燃比がリーンな運転状態であると、Ｏ₂センサが信号を出力しないために、Ｏ₂センサによる有効な空燃比フィードバック制御が不可能となる。その結果、燃焼が不安定になる可能性が高くなる。

また、特許文献２の構成のもののように、排気ガスの浄化を目的として点火時期を遅角させる制御を行う場合に、空燃比フィードバック制御を開始する前に点火時期を大量に遅角させると、燃焼が低下して、失火する可能性が生じた。

そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。

すなわち、本発明の内燃機関の運転制御方法は、内燃機関の始動後において、空燃比がリッチである状態で内燃機関の運転を確実に継続し得る限界適合噴射量を設定し、限界適合噴射量よりも少ない燃料噴射量で運転する場合のリーン適合噴射量を設定し、内燃機関の始動後は、燃焼が安定していると判定される場合にリーン適合噴射量によりリーン適合運転を継続する一方、燃焼が安定していないと判定される場合には限界適合噴射量により運転を行うかまたはリーン適合噴射量よりも燃料噴射量を増量して運転を行い、リーン適合運転の開始から所定時間経過するまでに空燃比のリッチを検出しない場合には限界適合噴射量に切り替えて空燃比フィードバック制御を開始するものであり、前記リーン適合運転の開始から所定時間経過するまでに空燃比のリッチを検出しない場合における限界適合噴射量による運転は、排気ガス中の酸素濃度を測定するためのＯ ₂ センサが活性化したと判定されるまで継続することを特徴とする。

このような構成によれば、始動後は、リーン適合噴射量により内燃機関を、リーン適合運転で継続するので、排気ガス中の全炭化水素の排出量は低減される。そして、リーン適合運転の開始から所定時間経過するまでに空燃比のリッチを検出しない場合には、限界適合噴射量に切り替えることにより、空燃比を一時的にリッチにしてＯ₂センサの活性化を判定し得るようにしている。このようにして、Ｏ₂センサの活性化状態を判定して、空燃比がリッチである状態で空燃比フィードバック制御を開始することにより、燃焼を安定させることが可能になる。この結果、空燃比フィードバック制御と同時に、触媒を活性化させる目的で点火時期を大量に遅角することが可能であり、しかも燃焼が不安定になることを防止することが可能である。

このような構成において、上記所定時間としては、内燃機関の温度が高いほど短い時間に設定するものが好適である。なお、内燃機関の温度は、Ｏ₂センサが活性するのに要する時間から推定するものであり、冷却水温度、潤滑油温度、吸入空気温度などを含むものである。このように、内燃機関の温度が高いほど所定時間を短い時間に設定することにより、適切なタイミングで空燃比フィードバック制御を開始することができる。

本発明は、以上説明したような構成であり、Ｏ₂センサの活性化状態を判定して、空燃比がリッチである状態で空燃比フィードバック制御を開始することにより、燃焼を安定させることができる。そしてこの結果、空燃比フィードバック制御と同時に、触媒を活性化させる目的で点火時期を大量に遅角することができ、しかも燃焼が不安定になることを防止することができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１に概略的に示したエンジン１００は、自動車用の火花点火式４サイクル４気筒のもので、その吸気系１には図示しないアクセルペダルに応動してモータを駆動して開閉するいわゆる電子式のスロットルバルブ２が配設され、その下流側にはサージタンク３が設けられている。サージタンク３に連通する一方の端部近傍には、さらに燃料噴射弁４が設けてあり、その燃料噴射弁４を、電子制御装置５により制御するようにしている。燃焼室６を形成するシリンダヘッド７には、吸気弁８及び排気弁９が配設されるとともに、火花を発生するスパークプラグ１０が取り付けてある。また排気系１１には、排気ガス中の酸素濃度を測定するための空燃比検出手段を構成するＯ₂ センサ１２が、図示しないマフラに至るまでの管路に配設された触媒である三元触媒１３の上流の位置に取り付けられている。この実施形態のＯ₂センサ１２は、その内部に、早期に活性化させるためのヒータを内蔵するものである。なお、図１にあっては、エンジン１００の１気筒の構成を代表して図示している。

エンジン１００の運転状態を検出して制御する電子制御装置５は、中央演算処理装置１４と、記憶装置１５と、入力インターフェース１６と、出力インターフェース１７とを具備してなるマイクロコンピュータシステムを主体に構成されている。入力インターフェース１６には、サージタンク３内の圧力すなわち吸気管圧力を検出するための吸気圧センサ１８から出力される吸気圧信号ａ、エンジン１００の回転状態を検出するためのカムポジションセンサ１９から出力される気筒判別信号Ｇ１とクランク角度基準位置信号Ｇ２とエンジン回転数信号ｂ、車速を検出するための車速センサ２０から出力される車速信号ｃ、スロットルバルブ２の開閉状態を検出するためのアイドルスイッチ２１から出力されるＩＤＬ信号ｄ、エンジン１００の冷却水温を検出するための水温センサ２２から出力される水温信号ｅ、上記したＯ₂ センサ１２から出力される電流信号ｈ等が入力される。一方、出力インターフェース１７からは、燃料噴射弁４に対して燃料噴射信号ｆが、またスパークプラグ１０に対してイグニションパルスｇが出力されるようになっている。

電子制御装置５には、吸気圧センサ１８から出力される吸気圧信号ａとカムポジションセンサ１９から出力される回転数信号ｂとを主な情報とし、エンジン１００の運転状態に応じて決まる各種の補正係数で基本噴射時間（基本噴射量）を補正して燃料噴射弁開成時間すなわちインジェクタ最終通電時間Ｔを決定し、その決定された通電時間により燃料噴射弁４を制御して、エンジン負荷に応じた燃料を吸気系１に噴射させるためのプログラムが内蔵してある。また、このようにエンジン１００の燃料噴射を制御する一方、エンジン１００の始動後において、空燃比がリッチである状態でエンジン１００の運転を確実に継続し得る限界適合噴射量を設定し、限界適合噴射量よりも少ない燃料噴射量で運転する場合のリーン適合噴射量を設定し、エンジン１００の始動後はリーン適合噴射量によりリーン適合運転を継続し、リーン適合運転の開始から所定時間経過するまでに空燃比のリッチを検出しない場合には限界適合噴射量に切り替えて空燃比フィードバック制御を開始する運転制御プログラムが、電子制御装置５に内蔵してある。

図２のフローチャートを交えて、この運転時期制御プログラムの動作を説明する。なお、この運転時期制御プログラムは、エンジン１００が始動された後、Ｏ₂センサ１２が活性して空燃比フィードバック制御を実行するまでの間に実行されるものである。この運転制御プログラムには、始動時における制御データとして、冷却水温度、負荷（吸入空気量又は吸入空気圧）、エンジン回転数に対応して、各適合噴射量の初期値を、例えばマップにして設定してある。マップは、限界適合噴射量のためのものと、リーン適合噴射量のためのものとを備えるものである。

限界適合噴射量は、冷間始動において、燃料である一般的に使用可能なガソリンの性状の如何によらず、エンジン１００を始動し、かつＯ₂センサ１２が活性して空燃比フィードバック制御を実行し得る状態まで、エンジン１００を運転し続けることができる量に演算により設定するものである。特には、例えば、重質ガソリンを使用する場合においても、冷間時においてエンジン１００を始動することができ、しかも始動後、例えばアイドル運転が継続されて理論空燃比になるように空燃比フィードバック制御を実行し得るような空燃比を維持するように、限界適合噴射量及び限界適合吸気補正量を設定するものである。図３及び図４において、実線により限界適合噴射量を噴射した場合の空燃比の変化を示す。

一方、リーン適合噴射量は、限界適合噴射量により始動した直後から、Ｏ₂センサ１２が活性するまでの期間において、できうる限り早期に空燃比を理論空燃比近傍から若干リーンになるように演算により設定するもので、始動直後に空燃比をリッチにする時点までは、限界適合噴射量と同等である。特には、例えば、重質ガソリンとは反対の性状の良質のガソリンを使用する場合において、限界適合噴射量の変化より急激に噴射量を減量しても、アイドル運転を継続し得るように、リーン適合噴射量を設定するものである。図３及び図４において、点線によりリーン適合噴射量を噴射した場合の空燃比の変化を示す。

運転制御プログラムを実行すると、まずステップＳ１では、限界適合噴射量を演算する。この演算に際しては、限界適合噴射量の初期値を、この時点の冷却水温度及び負荷に基づいて決定した後、そのそれぞれの初期値に基づいて演算するものである。

ステップＳ２では、限界適合噴射量の演算と同様にして、リーン適合噴射量を演算する。そしてステップＳ３では、演算したリーン適合噴射量により燃料を噴射して、限界適合噴射量の場合に比較してリーンな空燃比によりエンジン１００を運転する。この場合に、例えば重質ガソリンを使用している場合には、空燃比が限界適合噴射量による運転の場合よりリーンであるために、燃焼が不安定になることがある。

そのような状態に対応して、ステップＳ４では、燃焼が安定しているか否かを判定する。この判定は、例えばエンジン回転数の変動状態や、点火後に燃焼室６内に発生するイオン電流の性状に基づいて、行うものであってよい。つまり、始動後において、空燃比がリーン気味になることによる燃焼の不安定な状態を検出し得るものであれば、いずれの方法、手段であってもよい。そして燃焼が不安定であると判定した場合は、ステップＳ５に進み、演算した限界適合噴射量により燃料を噴射して、空燃比がそれまでよりリッチにしてエンジン１００を運転する。

ステップＳ６では、始動から所定時間が経過したか否かを判定する。判定の結果、所定時間が経過していない場合ステップＳ７に進み、所定時間が経過した場合はステップＳ８に進む。この所定時間は、この実施形態においては、エンジン１００の冷却水温に基づいて設定するもので、冷却水温が高くなるほど短い時間に設定してある。なお、設定時間は、ヒータに通電して後、Ｏ₂センサ１２を活性させるのに必要な時間に対応して設定するものである。

ステップＳ７では、この時点の空燃比がリッチか否かを判定する。すなわち、空燃比がリッチである場合、Ｏ₂センサ１２が電流信号ｈを出力するものである。ステップＳ７において、空燃比がリッチであることを判定できなかった場合は、ステップＳ１に戻る。

ステップＳ８では、この時点における限界適合噴射量により燃料を噴射する。これによって、空燃比を一時的にリッチにするものである。これは、Ｏ₂センサ１２が活性していることを確認するためのものである。この後、ステップＳ９において、Ｏ₂センサ１２が電流信号ｈを出力しているか否かにより、Ｏ₂センサ１２の活性状態を判定する。Ｏ₂センサ１２が活性してた場合は、ステップＳ１０において、空燃比フィードバック制御を開始し、活性していない場合は、ステップＳ８に戻る。

このような構成において、始動時は、限界適合噴射量により空燃比をリッチにしている。そして、始動後において、ステップＳ１〜ステップＳ４を実行し、リーン適合噴射量により燃料を噴射して、限界適合噴射量の場合よりリーンな空燃比で運転を継続している場合に、燃焼が不安定になると限界適合噴射量による燃料噴射で運転を切り替えるものである（ステップＳ４、ステップＳ５）。なお、前述のように、限界適合噴射量による燃料噴射で運転を切り替えることに代えて、燃焼の不安定な状態の程度に応じて、燃料量を適宜追加（増量）するように、燃料噴射量を制御するものであってもよい。

そして、始動後、燃焼が安定していて、所定時間が経過しない間に、空燃比がリーン適合噴射量による空燃比よりリッチになったか否かを判定し（ステップＳ６、ステップＳ７）、リッチになっている場合は、Ｏ₂センサ１２が活性しているので、空燃比フィードバック制御を開始する（ステップＳ９）。

これに対して、所定時間が経過したにもかかわらず、Ｏ₂センサ１２の電流信号ｈが出力されない場合は、それまでのリーン適合噴射量から限界適合噴射量に燃料の噴射量を切り替え、強制的にＯ₂センサ１２の活性状態を判定する（ステップＳ８、ステップＳ９）。このＯ₂センサ１２の活性判定の結果、活性していると判定した場合に、限界適合噴射量による運転状態、つまりリーン適合噴射量による運転状態の空燃比よりリッチな空燃比の運転状態から空燃比フィードバック制御を開始するものである（ステップＳ１０）。

したがって、始動後は、リーン適合噴射量により運転するので、図３に点線で示すように、早期に空燃比をリーンにすることができる。したがって、限界適合噴射量による運転の場合に比較して、排気ガス中の汚染物質の排出量を低減することができる。そして、図３に点線の矢印で示すように、所定時間の経過後に空燃比をリッチにして、Ｏ₂センサ１２の活性状態を判定するので、早期に空燃比フィードバック制御を開始することができる。

この場合に、リッチな空燃比の状態でフィードバック制御を開始するので、燃焼が安定しており、空燃比フィードバック制御を開始するのと同時に、触媒１３を活性化させるために点火時期を大量に遅角させても、燃焼が不安定になることがない。したがって、早期に触媒１３を活性化させることができ、排気ガス中の汚染物質の排出量を低減することができる。

また、図４に点線で示すように、所定時間が経過する前に、何らかの理由で空燃比がリッチになった場合に、所定時間が経過した場合と同様に、Ｏ₂センサ１２の活性状態を判定するので、リッチな空燃比の運転状態から空燃比フィードバック制御を開始することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

上述の実施形態において、ステップＳ８で限界適合噴射量により燃料を噴射し、空燃比をリッチにしたが、例えば一回の燃料噴射のみをリーン適合噴射量より多くして瞬間的に空燃比をリッチにする、いわゆるリッチスパイクを形成するように構成するものであってもよい。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の実施形態のエンジンの概略構成を示す構成説明図。 同実施形態の制御手順を示すフローチャート。 同実施形態の限界適合噴射量及びリーン適合噴射量を噴射した場合の空燃比の変化とリーン適合噴射量の変更時を示すグラフ。 同実施形態の限界適合噴射量及びリーン適合噴射量を噴射した場合の空燃比の変化を示すグラフ。

符号の説明

５…電子制御装置
１４…中央演算装置
１５…記憶装置
１６…入力インターフェース
１７…出力インターフェース

Claims (2)

1. 内燃機関の始動後において、空燃比がリッチである状態で内燃機関の運転を確実に継続し得る限界適合噴射量を設定し、
   限界適合噴射量よりも少ない燃料噴射量で運転する場合のリーン適合噴射量を設定し、
   内燃機関の始動後は、燃焼が安定していると判定される場合にリーン適合噴射量によりリーン適合運転を継続する一方、燃焼が安定していないと判定される場合には限界適合噴射量により運転を行うかまたはリーン適合噴射量よりも燃料噴射量を増量して運転を行い、
   リーン適合運転の開始から所定時間経過するまでに空燃比のリッチを検出しない場合には限界適合噴射量に切り替えて空燃比フィードバック制御を開始するものであり、
   前記リーン適合運転の開始から所定時間経過するまでに空燃比のリッチを検出しない場合における限界適合噴射量による運転は、排気ガス中の酸素濃度を測定するためのＯ ₂ センサが活性化したと判定されるまで継続する内燃機関の運転制御方法。
2. 所定時間は、内燃機関の温度が高いほど短い時間に設定される請求項１記載の内燃機関の運転制御方法。

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