JP2001234751A - 内燃機関の過給圧制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 過給手段の応答性や機関の燃費を損なうこと
なく過給圧を制御する。 【解決手段】 排気ターボ式過給器１５への排気ガス導
入をバイパスするバイパス路１６と、バイパス路１６を
開閉するW/G-V １７とを備え、ストイキ運転モード（ま
たはエンリッチ運転モード）より圧縮リーン運転モード
でW/G-V １７の開度が大きくなるように制御すると共
に、同一運転状態における圧縮リーン運転モードでの過
給圧がストイキ運転モード（またはエンリッチ運転モー
ド）での過給圧よりも高くなるようにW/G-V １７の開閉
を制御し、吸入空気量が多い圧縮リーン運転モードでの
運転時における排気ターボ式過給器１５の排気ポンプ仕
事を低減しつつ応答性を向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、過給手段を備えた
内燃機関における過給圧制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、燃費の向上を図るため、リーン空
燃比での燃焼を可能とした希薄燃焼内燃機関が実用化さ
れている。そして、排気ガスによって吸気を過給する排
気ターボ式過給器を備えた希薄燃焼内燃機関が、例え
ば、特開平11-36867号公報等で周知となっている。従来
の排気ターボ式過給器を備えた希薄燃焼内燃機関では、
燃料を増加した際に過給も増加させてリーン空燃比での
燃焼領域を増やしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】希薄燃焼内燃機関に
は、燃焼室に直接燃料を噴射する筒内噴射式内燃機関の
ように、負荷領域に応じて運転モードが切り換えられる
ものがある。筒内噴射式内燃機関は、例えば、理論空燃
比（ストイキ）での運転モードや、圧縮行程で点火プラ
グの周囲に理論空燃比近傍の混合気を形成したうえで超
リーンな全体空燃比を実現して燃料噴射を行う圧縮行程
噴射モードを有している。このような希薄燃焼内燃機関
で排気ターボ式過給器を備えたものでは、過給器の応答
性や機関の燃費を考慮した状態で運転モードに応じて排
気ターボ式過給器の過給圧を制御する必要がある。しか
しながら、運転モードが切り換えられる希薄燃焼内燃機
関における過給圧制御については、最適な技術が確立し
てないのが現状である。

【０００４】本発明は上記状況に鑑みてなされたもの
で、過給手段の応答性や機関の燃費を損なうことなく過
給圧を制御することができる内燃機関の過給圧制御装置
を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
請求項１の本発明では、第１の所定空燃比で運転する第
１燃焼モードと第１燃焼モードの所定空燃比よりも希薄
側の空燃比で運転する第２燃焼モードとを備える内燃機
関において、内燃機関へ供給される吸気を過給する過給
手段と、同一運転状態における第２燃焼モードでの過給
圧を前記第１燃焼モードでの過給圧よりも高く設定する
制御手段とを備え、第２燃焼モードへの切り換え時にお
ける過給手段の応答性を向上させる。

【０００６】そして、請求項２では、過給手段は排気ガ
スによって吸気を過給する排気ターボ式過給器であり、
制御手段は、排気ターボ式過給器への排気ガス導入をバ
イパスするバイパス路と、バイパス路を開閉するバイパ
ス制御弁と、バイパス制御弁の開閉を制御する開閉制御
手段とで構成され、開閉制御手段には、第１燃焼モード
より第２燃焼モードでバイパス制御弁の開度が大きくな
るようにバイパス制御弁の開閉を制御すると共に、同一
運転状態における第２燃焼モードでの過給圧が第１燃焼
モードでの過給圧よりも高くなるようにバイパス制御弁
の開閉を制御する機能が備えられ、吸入空気量が多い第
２燃焼モードでの運転時における排気ターボ式過給器の
排気ポンプ仕事を低減しつつ応答性を向上させる。

【０００７】内燃機関が、燃焼室内に燃料を直接噴射す
る噴射弁を備えた筒内噴射型内燃機関であれば、例え
ば、第１燃焼モードは、吸気行程で燃料噴射を行って理
論空燃比で運転を行うストイキ運転モード、もしくは、
吸気行程で燃料噴射を行って理論空燃比よりも希薄側の
空燃比であるリーン空燃比での運転を行う吸気リーン運
転モードであり、第１燃焼モードがストイキ運転モード
もしくは吸気リーン運転モードであれば、第２燃焼モー
ドは、圧縮行程で燃料噴射を行って理論空燃比よりも超
希薄側の空燃比である超リーン空燃比での運転を行う圧
縮リーン運転モードである。また、第１燃焼モードがス
トイキ運転モードであれば、第２燃焼モードは、吸気リ
ーン運転モードもしくは圧縮リーン運転モードである。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下図面に基づいて本発明の一実
施形態例を説明する。本実施形態例は、混合気の空燃比
を理論空燃比よりも燃料希薄側に制御して燃焼室内に燃
料を直接噴射するようにした火花点火式の多気筒型筒内
噴射内燃機関を適用した例を挙げて説明してある。図１
には本発明の一実施形態例に係る過給圧制御装置を備え
た内燃機関の概略構成、図２には制御手段の制御フロー
チャート、図３にはバイパス制御弁の開度状況を表すグ
ラフ、図４には負荷に対する各種状態の関係を表すグラ
フを示してある。

【０００９】多気筒型筒内噴射内燃機関としては、例え
ば、燃料を直接燃焼室に噴射する筒内噴射型直列４気筒
ガソリンエンジン（筒内噴射エンジン）１が適用され
る。筒内噴射エンジン１は、例えば、燃焼モード（運転
モード）を切り換えることで、吸気行程での燃料噴射ま
たは圧縮行程での燃料噴射が実施可能となっている。そ
して、この筒内噴射エンジン１は、第１の所定空燃比で
ある理論空燃比（ストイキ）での運転（ストイキ運転モ
ード）やリッチ空燃比での運転の他、リーン空燃比での
運転（リーン空燃比運転）が実現可能となっている。そ
して、リーン空燃比運転における圧縮行程噴射モードで
は、吸気行程でのリーン空燃比運転よりも大きな空燃比
（希薄側の空燃比）となる超リーン空燃比での運転（圧
縮リーン運転モード）が可能となっている。

【００１０】図１に示すように、筒内噴射エンジン（エ
ンジン）１のシリンダヘッド２には各気筒毎に点火プラ
グ３が取り付けられると共に、各気筒毎に電磁式の燃料
噴射弁４が取り付けられている。燃焼室５内には燃料噴
射弁４の噴射口が開口し、燃料噴射弁４から噴射される
燃料が燃焼室５内に直接噴射されるようになっている。
筒内噴射エンジン１のシリンダ６にはピストン７が上下
方向に摺動自在に支持され、ピストン７の頂面には半球
状に窪んだキャビティ８が形成されている。キャビティ
８により、図１では時計回りの逆タンブル流を発生させ
るようになっている。

【００１１】シリンダヘッド２には、各気筒毎に略直立
方向に吸気ポートが形成され、各吸気ポートには吸気管
９の一端がそれぞれ接続されている。吸気管９の空気取
入口にはエアクリーナ１０が取り付けられ、吸気管９に
はドライブバイワイヤ（ＤＢＷ）方式の電動のスロット
ル弁１１が取り付けられ、スロットル弁１１にはスロッ
トル開度θthを検出するスロットルポジションセンサ１
３が設けられている。また、シリンダヘッド２には、各
気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成され、各排気ポ
ートには排気管１２の一端がそれぞれ接続されている。
エンジン１には、クランク角を検出するクランク角セン
サ１４が設けられ、クランク角センサ１４はエンジン回
転速度Neを検出可能となっている。

【００１２】一方、エアクリーナ１０及びスロットル弁
１１の間における吸気管９と排気管１２とにわたり過給
手段としての排気ターボ式過給器１５が設けられ、排気
ターボ式過給器１５は排気管１２側のタービン15a と吸
気管９側のコンプレッサ15bとで構成され、タービン15a
とコンプレッサ15b が一軸状に連結して配置されてい
る。つまり、排ガスにより排気管１２側のタービン15a
が駆動され、吸気管９側のコンプレッサ15b により筒内
噴射エンジン１に供給される吸気管９からの吸気が過給
されるようになっている。排気管１２には、排気ターボ
式過給器１５のタービン15a をバイパスして排気ターボ
式過給器１５への排ガス導入をバイパスするバイパス路
１６が設けられ、バイパス路１６にはバイパス路１６の
流路を開閉するバイパス制御弁としてのウエストゲート
バルブ（W/G-V ）１７が備えられている。尚、図中の符
号で１８は排気管１２に設けられた触媒装置である。

【００１３】車両には電子制御ユニット（ＥＣＵ）２１
が設けられ、このＥＣＵ２１には、入出力装置、制御プ
ログラムや制御マップ等の記憶を行う記憶装置、中央処
理装置及びタイマやカウンタ類が備えられている。ＥＣ
Ｕ２１によってエンジン１を含めた本実施形態の過給圧
制御装置の総合的な制御が実施される。各種センサ類の
検出情報はＥＣＵ２１に入力され、ＥＣＵ２１は各種セ
ンサ類の検出情報に基づいて、燃料噴射モードや燃料噴
射量を始めとして点火時期等を決定し、燃料噴射弁４や
点火プラグ３等を駆動制御すると共にW/G-V １７を開閉
制御する。

【００１４】エンジン１では、吸気管９から燃焼室５内
に流入した吸気流が逆タンブル流を形成し、圧縮行程中
期以降に燃料を噴射して逆タンブル流を利用しながら燃
焼室５の頂部中央に配設された点火プラグ３の近傍のみ
に少量の燃料を集め、点火プラグ３から離隔した部分で
極めてリーンな空燃比状態とする。点火プラグ３の近傍
のみを理論空燃比又はリッチな空燃比とすることで、安
定した層状燃焼（層状超リーン燃焼）を実現しながら燃
料消費を抑制する。

【００１５】また、エンジン１から高出力を得る場合に
は、燃料噴射弁４からの燃料を吸気行程に噴射すること
により燃焼室５全体に均質化し、燃焼室５内を理論空燃
比やリーン空燃比の混合気状態にさせて予混合燃焼を行
う。もちろん、理論空燃比もしくはリッチ空燃比の方が
リーン空燃比よりも高出力が得られるため、この際に
も、燃料の霧化及び気化が十分に行なわれるようなタイ
ミングで燃料噴射を行ない、効率よく高出力を得るよう
にしている。

【００１６】ＥＣＵ２１では、図示しないアクセルポジ
ションセンサからのアクセル開度θとクランク角センサ
１４からのエンジン回転速度Neとに基づいてエンジン負
荷Peが求められ、更に、このエンジン負荷Peとエンジン
回転速度Neとに応じてマップ（図示せず）より燃料噴射
モードが設定される。例えば、エンジン負荷Peとエンジ
ン回転速度Neとが共に小さいときは、燃料噴射モードは
圧縮行程噴射モードとされて燃料が圧縮行程で噴射さ
れ、一方、エンジン負荷Peが大きくなり、あるいはエン
ジン回転速度Neが大きくなると燃料噴射モードは吸気行
程噴射モードとされ、燃料が吸気行程で噴射される。そ
して、エンジン負荷Peとエンジン回転速度Neとから各燃
料噴射モードでの制御目標となる目標空燃比（目標Ａ／
Ｆ）が設定され、適正量の燃料噴射量がこの目標Ａ／Ｆ
に基づいて決定される。

【００１７】上述したエンジン１における過給圧制御
は、過給圧が過大となる場合にW/G-V１７を開けて過給
圧を適正に保ち、通常時はW/G-V １７を全閉状態とす
る。ところで、圧縮リーン運転モードでは吸入空気量が
多いため、排気ターボ式過給器１５の回転数が高くなり
応答性が良好になる利点がある。反面、タービン15a の
上流側の排圧が高いためにタービン15a の仕事が大きく
燃費の点では不利となる。そこで、本実施形態例は、圧
縮リーン運転モードの時には、同一負荷でのストイキ運
転モード（またはエンリッチ運転モード）の時よりも、
W/G-V １７の開度を大きくして、タービン15a の上流側
の排圧を低下させてタービン15a の仕事を小さくする。
ただし、圧縮リーン運転モードで低下させた排圧は、ス
トイキ運転モード（またはエンリッチ運転モード）の時
の排圧よりも高くなるようにW/G-V １７の開度を制御
し、応答性を確保する。つまり、過給圧を設定するため
の制御手段は、バイパス路１６、W/G-V １７及びW/G-V
１７を開閉するＥＣＵ２１の機能により構成されてい
る。

【００１８】尚、W/G-V １７の開度を制御して、第１燃
焼モードであるストイキ運転モードの時の排圧よりも第
２燃焼モードである圧縮リーン運転モードでの時の排圧
が高くなるようにしているが、この制御を適用する過給
手段としては、排気ターボ式過給器１５の他に、ベーン
式等の軸流型過給器やルーツ式等の容積型過給器を適用
することも可能である。

【００１９】図２、図３に基づいて過給圧を設定するた
めの制御手段の作用を説明する。

【００２０】図２に示すように、ステップＳ１でエンジ
ン回転速度Neが読み込まれ、ステップＳ２でエンジン負
荷Peが読み込まれる。ステップＳ３で運転モードが圧縮
リーン運転モードであるか否かが判断され、圧縮リーン
運転モードであると判断された場合、ステップＳ４に移
行し、圧縮リーン運転モードではないと判断された場
合、ステップＳ５に移行する。

【００２１】ステップＳ４では、圧縮リーン運転モード
用のW/G-V １７の目標開度が検索・決定される。即ち、
圧縮リーン運転モードでは吸入空気量が多いため、同一
負荷でのストイキ運転モードの時よりもW/G-V １７の開
度を大きくするように、圧縮リーン運転モード用の目標
開度が検索されて決定される。圧縮リーン運転モード用
の目標開度は、例えば、図３に示すように、エンジン回
転速度Neとエンジン負荷Peとの関係により設定されてマ
ップ化されている。圧縮リーン運転モード用の目標開度
は、ストイキ運転モードの時よりもW/G-V １７の開度を
大きくしてタービン15a の上流側の排圧を低下させるよ
うにしているが、ストイキ運転モードの時の排圧よりは
高くなるように設定されている。

【００２２】ステップＳ５では、圧縮リーン運転モード
用以外の通常の開閉制御用のW/G-V１７の目標開度が、
図示しないマップ等により検索・決定される。即ち、過
給圧が過大となる場合にW/G-V １７が開き、通常はW/G-
V １７が全閉となるように設定された目標開度が検索・
決定される。

【００２３】ステップＳ４もしくはステップＳ５でW/G-
V １７の目標開度が検索・決定された後、検索・決定さ
れた目標開度になるようにステップＳ６でW/G-V １７の
開度が制御される。つまり、圧縮リーン運転モードで
は、ストイキ運転モードの時よりは高い排圧を維持する
状態に排圧を低下させるように、W/G-V １７の開度が大
きく制御され、圧縮リーン運転モード以外ではW/G-V １
７の開度が過給圧が過大とならないように制御される。

【００２４】図４に基づいて、上述した過給圧制御にお
けるタービン15a の仕事状況、排圧状況、W/G-V １７の
開度状況及び燃費率の状況を、圧縮リーン運転モードの
場合とストイキ運転モード（またはエンリッチ運転モー
ド）の場合とを比較して説明する。図４(a) にはエンジ
ン負荷Peに対するW/G-V １７の開度状況、図４(b) には
排気ターボ式過給器１５の上流側におけるエンジン負荷
Peに対する排圧状況、図４(c) にはエンジン負荷Peに対
するタービン15a の仕事状況、図４(d) にはエンジン負
荷Peに対する燃費率の状況を示してある。図中、点線は
ストイキ運転モード（またはエンリッチ運転モード）の
場合で、一点鎖線は圧縮リーン運転モードでW/G-V １７
の制御を実施しない場合で、実線は圧縮リーン運転モー
ドでW/G-V １７の制御を実施した場合である。

【００２５】図４(a) に示すように、過給圧制御を実施
する場合、エンジン負荷Peが所定値に至るまでの間W/G-
V １７を開いて（図中実線）排ガスをバイパス路１６に
バイパスさせる。過給圧制御を実施しない場合、及び、
ストイキ運転モード（またはエンリッチ運転モード）の
場合は、W/G-V １７は全閉（図中一点鎖線）となる。こ
の状態では、図４(b) に示すように、過給圧制御を実施
しない時の圧縮リーン運転モードでの排圧（図中一点鎖
線）よりも過給圧制御を実施した時の排圧（図中実線）
が低下し、過給圧制御を実施した時の圧縮リーン運転モ
ードでの排圧は、ストイキ運転モード（またはエンリッ
チ運転モード）での排圧（図中点線）よりは高くなる。
このため、圧縮リーン運転モードでの応答性の優位を保
つことができる。

【００２６】図４(c) に示すように、過給圧制御を実施
しない時の圧縮リーン運転モードでのタービン15a の仕
事（図中一点鎖線）よりも過給圧制御を実施した時の仕
事（図中実線）が少なくなるが、過給圧制御を実施した
時の圧縮リーン運転モードでの仕事は、ストイキ運転モ
ード（またはエンリッチ運転モード）での排圧（図中点
線）よりは多くなる。また、図４(d) に示すように、燃
費率は、過給圧制御を実施した時の圧縮リーン運転モー
ドの場合（図中実線）は、過給圧制御を実施しない時
（図中一点鎖線）よりも低くなる。このため、排圧を低
下させて燃費を向上させることができる。

【００２７】従って、ストイキ運転モード（またはエン
リッチ運転モード）の時には、過給圧が適正に保たれる
と共に、圧縮リーン運転モードの時には、応答性の優位
性を保ちながら排圧を低下させることができる。このた
め、圧縮リーン運転モードにおける排気ターボ式過給器
１５の応答性を良くした状態でコンプレッサ15a の上流
側の排圧を低下させてコンプレッサ15a の仕事を小さく
することができ、ターボレスポンスを低下させることな
くコンプレッサ15a での損失を下げて燃費を向上するこ
とが可能になる。

【００２８】

【発明の効果】請求項１に係る本発明の内燃機関の過給
圧制御装置は、同一運転状態における第２燃焼モードで
の過給圧を前記第１燃焼モードでの過給圧よりも高く設
定する制御手段とを備えたので、第２燃焼モードへの切
り換え時における過給手段の応答性を向上させることが
可能になる。

【００２９】請求項２に係る本発明の内燃機関の過給圧
制御装置は、排気ターボ式過給器への排気ガス導入をバ
イパスするバイパス路と、バイパス路を開閉するバイパ
ス制御弁と、バイパス制御弁の開閉を制御する開閉制御
手段とを備え、第１燃焼モードより第２燃焼モードでバ
イパス制御弁の開度が大きくなるようにバイパス制御弁
の開閉を制御すると共に、同一運転状態における第２燃
焼モードでの過給圧が第１燃焼モードでの過給圧よりも
高くなるようにバイパス制御弁の開閉を制御するように
したので、吸入空気量が多い第２燃焼モードでの運転時
における排気ターボ式過給器の排気ポンプ仕事を低減し
つつ応答性を向上させることが可能になる。この結果、
過給手段の応答性や機関の燃費を損なうことなく過給圧
を制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態例に係る過給圧制御装置を
備えた内燃機関の概略構成図。

【図２】制御手段の制御フローチャート。

【図３】バイパス制御弁の開度状況を表すグラフ。

【図４】負荷に対する各種状態の関係を表すグラフ。

【符号の説明】

１ 筒内噴射エンジン ４ 燃料噴射弁 １２ 排気管 １５ 排気ターボ式過給器 １６ バイパス路 １７ ウエストゲートバルブ(W/G-V) ２１ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｄ 41/02 ３０１ Ｆ０２Ｂ 37/00 ３０３Ｈ 41/04 ３０１ ３０３Ｂ 37/12 ３０１Ｅ Ｆターム(参考） 3G005 DA01 EA04 EA05 EA06 EA16 FA04 FA37 GA00 GB27 GD11 GD16 GE09 HA02 HA04 JA05 JA39 JA51 3G092 AA01 AA06 AA09 AA18 AB02 BA06 DB03 DC12 DF02 EA07 EA25 EA29 EC01 EC09 FA10 FA24 HA06Z HA11Z HE01Z HF08Z 3G301 HA01 HA11 JA02 JA03 LA00 MA01 NC02 ND01 ND42 NE15 PA11Z PE01Z PF03Z

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の所定空燃比で運転する第１燃焼モ
   ードと該第１燃焼モードの所定空燃比よりも希薄側の空
   燃比で運転する第２燃焼モードとを備える内燃機関にお
   いて、該内燃機関へ供給される吸気を過給する過給手段
   と、同一運転状態における前記第２燃焼モードでの過給
   圧を前記第１燃焼モードでの過給圧よりも高く設定する
   制御手段とを備えたことを特徴とする内燃機関の過給圧
   制御装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記過給手段は排気
   ガスによって吸気を過給する排気ターボ式過給器であ
   り、 前記制御手段は、該排気ターボ式過給器への排気ガス導
   入をバイパスするバイパス路と、該バイパス路を開閉す
   るバイパス制御弁と、該バイパス制御弁の開閉を制御す
   る開閉制御手段とで構成され、 該開閉制御手段には、前記第１燃焼モードより前記第２
   燃焼モードでバイパス制御弁の開度が大きくなるように
   バイパス制御弁の開閉を制御すると共に、同一運転状態
   における前記第２燃焼モードでの過給圧が前記第１燃焼
   モードでの過給圧よりも高くなるようにバイパス制御弁
   の開閉を制御する機能が備えられていることを特徴とす
   る内燃機関の過給圧制御装置。