JP2007239571A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】暖機完了に伴い流路切換弁５が開いたときのトルク段差を防止しつつ点火時期の遅角による燃焼不安定化や燃費の悪化を抑制する。
【解決手段】排気ポート２にメイン通路３が接続され、下流側に、メイン触媒コンバータ４が配置される。メイン通路３の途中に、該メイン通路３を開閉する流路切換弁５が設けられている。メイン通路３から通路断面積の小さなバイパス通路７が分岐し、その途中に小型のバイパス触媒コンバータ８が介装される。冷間始動直後は、バイパス通路７側に排気が案内され、排気浄化がなされる。暖機完了に伴い流路切換弁５が開くときに、背圧の減少によりトルク段差が生じるので、スワール制御弁３１を閉じ、かつ点火時期の遅角補正を行う。点火時期の遅角補正のみの場合よりも遅角補正量が小さくなり、ガス流動強化により遅角に伴うサージが抑制される。
【選択図】図１

Description

この発明は、冷間始動直後に、排気系の比較的上流に触媒コンバータを備えたバイパス流路側に流路切換弁により排気を案内するようにした排気装置に関し、特に、その流路切換弁切換時の補正制御に関する。

従来から知られているように、車両の床下などの排気系の比較的下流側にメイン触媒コンバータを配置した構成では、内燃機関の冷間始動後、触媒コンバータの温度が上昇して活性化するまでの間、十分な排気浄化作用を期待することができない。また一方、触媒コンバータを排気系の上流側つまり内燃機関側に近付けるほど、触媒の熱劣化による耐久性低下が問題となる。

そのため、特許文献１に開示されているように、メイン触媒コンバータを備えたメイン流路の上流側部分と並列にバイパス流路を設けるとともに、このバイパス流路に、別のバイパス触媒コンバータを介装し、両者を切り換える切換弁によって、冷間始動直後は、バイパス流路側に排気を案内するようにした排気装置が、従来から提案されている。この構成では、バイパス触媒コンバータは排気系の中でメイン触媒コンバータよりも相対的に上流側に位置しており、相対的に早期に活性化するので、より早い段階から排気浄化を開始することができる。
特開平５−３２１６４４号公報

上記のような構成においては、メイン触媒コンバータの暖機が完了してメイン流路側へ排気が流れるように切換弁が切り換えられたときに、通路抵抗となるバイパス触媒コンバータを通らずに排気が流れることから、背圧が急激に低下し、トルク段差（具体的にはトルクの上昇）が発生する。

このようなトルク段差に対しては、例えば自動変速機の変速時のトルク段差吸収などと同様に、点火時期の一時的な遅角補正によりトルクを低下させることで、実際に生じるトルク段差を緩和することが考えられるが、点火時期の遅角補正によるトルク段差の吸収は、応答性が高い反面、吸収しうるトルク段差が比較的小さく、大きなトルク段差に対応すべく遅角補正量を大とすると、燃焼の不安定化（具体的には筒内圧サージの悪化など）や燃料消費率の悪化を招来する不具合がある。

そこで、この発明は、吸気系の吸気弁上流側に、筒内のガス流動を強化すべく吸気通路の一部を遮蔽するスワール制御弁などの吸気制御弁を備え、かつ、排気装置として、メイン触媒コンバータを下流側に備えたメイン通路の上流側部分と並列にバイパス通路が設けられるとともに、このバイパス通路にバイパス触媒コンバータを備え、かつ上記メイン通路の上記上流側部分に該メイン通路を閉塞する流路切換弁を備えてなる内燃機関において、上記流路切換弁を閉状態から開状態へ切り換えるトリガー条件の成立時に、流路切換弁の切換に先行して、上記吸気制御弁を閉作動させることを特徴としている。

そして、望ましくは、さらに、流路切換弁の切換時にトルク段差を抑制するように点火時期を遅角補正する。

すなわち、流路切換弁を切り換えるときに、吸気弁上流の容積が大きいほど、空気が一気に流入して空燃比がずれたり壁流の流入を誘発してトルク段差を生じる。スワール制御弁などの吸気制御弁を備えた内燃機関においては、流路切換弁の切換に先行して吸気制御弁を閉じることで、吸気弁上流の容積が実質的に小さくなることになり、トルク段差が抑制される。

さらに、点火時期の遅角補正と組み合わせる場合、吸気制御弁を閉じることで通路抵抗が増加し、トルクが低下する方向に作用するので、流路切換弁の切換に伴うトルク段差（トルク上昇）の抑制のために必要な点火時期の遅角補正量が相対的に小さくなる。しかも、吸気制御弁が閉じることで、スワールなどの筒内のガス流動が強化され、この結果、点火時期の遅角補正による燃焼の不安定化（例えば筒内圧サージの悪化）や燃料消費率の悪化がさらに抑制される。

なお、流路切換弁の実際の切換開始までの間は、等トルクを維持するようにスロットル弁開度を増加補正するようにしてもよい。

この発明によれば、例えばメイン触媒コンバータが活性したときの流路の切換に対して大きなトルク段差を生じることがなく、かつ点火時期の大幅な遅角補正による燃焼の不安定化や燃料消費率の悪化を招来することがない。

以下、この発明を直列４気筒内燃機関の制御装置として適用した一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この内燃機関の排気装置の配管レイアウトならびに制御システムを模式的に示した説明図であり、始めに、この図１に基づいて、排気装置の構成を説明する。

内燃機関１のシリンダヘッド１ａには、直列に配置された♯１気筒〜♯４気筒の各気筒の排気ポート２がそれぞれ側面に向かって開口するように形成されており、この排気ポート２のそれぞれに、メイン通路３が接続されている。♯１気筒〜♯４気筒の４本のメイン通路３は、１本の流路に合流しており、その下流側に、メイン触媒コンバータ４が配置されている。このメイン触媒コンバータ４は、車両の床下に配置される容量の大きなものであって、触媒としては、例えば、三元触媒とＨＣトラップ触媒とを含んでいる。上記のメイン通路３およびメイン触媒コンバータ４によって、通常の運転時に排気が通流するメイン流路が構成される。また、各気筒からの４本のメイン通路３の合流点には、流路切換手段として各メイン通路３を一斉に開閉する流路切換弁５が設けられている。この流路切換弁５は、適宜なアクチュエータ５ａによって開閉駆動される。

一方、バイパス流路として、各気筒のメイン通路３の各々から、該メイン通路３よりも通路断面積の小さなバイパス通路７がそれぞれ分岐している。各バイパス通路７の上流端となる分岐点６は、メイン通路３のできるだけ上流側の位置に設定されている。４本のバイパス通路７は、下流側で１本の流路に合流しており、その合流点の直後に、三元触媒を用いたバイパス触媒コンバータ８が介装されている。このバイパス触媒コンバータ８は、メイン触媒コンバータ４に比べて容量が小さな小型のものであり、望ましくは、低温活性に優れた触媒が用いられる。バイパス触媒コンバータ８の出口側から延びるバイパス通路７の下流端は、メイン通路３におけるメイン触媒コンバータ４上流側でかつ流路切換弁５よりも下流側の合流点１２において該メイン通路３に接続されている。

なお、メイン触媒コンバータ４の入口部ならびに出口部、およびバイパス触媒コンバータ８の入口部ならびに出口部には、それぞれ空燃比センサ１０，１１，１３，１４が配置されている。

内燃機関１は、点火プラグ２１を備え、その吸気通路２２には、燃料噴射弁２３が配置されている。さらに、吸気通路２２の上流側に、モータ等のアクチュエータによって開閉駆動される所謂電子制御型スロットル弁２４が配置されているとともに、吸入空気量を検出するエアフロメータ２５がエアクリーナ２６下流に設けられている。

また、上記吸気通路２２の吸気ポート近傍には、筒内にスワールを生成するためのスワール制御弁３１が設けられている。上記スワール制御弁３１は、図示せぬ適宜なアクチュエータを介して開閉され、その閉時に、吸気通路２２の通路断面の一部を遮蔽することで、スワールが生成される。このスワール制御弁３１としては、板状の弁体の一部に切欠部を有するバタフライバルブ型の構成のものや、一対の吸気ポートの一方を開閉する形式のものなど、公知の種々の形式のものを用いることが可能である。なお、このほか、吸気制御弁として、筒内にタンブル流を生成するタンブル制御弁を用いることもできる。

内燃機関１の種々の制御パラメータ、例えば、上記燃料噴射弁２３による燃料噴射量、点火プラグ２１による点火時期、スロットル弁２４の開度、流路切換弁５やスワール制御弁３１の開閉状態、などは、エンジンコントロールユニット２７によって制御される。このエンジンコントロールユニット２７には、上述したセンサ類のほか、冷却水温センサ２８、運転者により操作されるアクセルペダルの開度（踏込量）を検出するアクセル開度センサ２９、などの種々のセンサ類の検出信号が入力されている。

このような構成においては、冷間始動後の機関温度ないしは排気温度が低い段階では、アクチュエータ５ａを介して流路切換弁５が閉じられ、メイン通路３が遮断される。そのため、各気筒から吐出された排気は、その全量が分岐点６からバイパス通路７を通してバイパス触媒コンバータ８へと流れる。バイパス触媒コンバータ８は、排気系の上流側つまり排気ポート２に近い位置にあり、かつ小型のものであるので、速やかに活性化し、早期に排気浄化が開始される。

一方、機関の暖機が進行して、機関温度ないしは排気温度が十分に高くなったら、トリガー条件の一つとして、メイン触媒コンバータ４の触媒が活性したとみなし、流路切換弁５が開放される。これにより、各気筒から吐出された排気は、主に、メイン通路３からメイン触媒コンバータ４を通過する。このときバイパス通路７側は特に遮断されていないが、バイパス通路７側の方がメイン通路３側よりも通路断面積が小さく、かつバイパス触媒コンバータ８が介在しているので、両者の通路抵抗の差により、排気流の大部分はメイン通路３側を通り、バイパス通路７側には殆ど流れない。従って、バイパス触媒コンバータ８の熱劣化は十分に抑制される。

ここで、上記のように流路切換弁５がメイン通路３を開放したときに、メイン通路３の通路抵抗が小さいことから、背圧が急激に低下し、そのままではトルク段差つまりトルクの上昇が発生する。特に、分岐点６から合流点１２までの間のバイパス通路７の容積に比べて、分岐点６から合流点１２までの間のメイン通路３の容積は非常に大きいので、流路切換弁５がメイン通路３を開いたときに、一時的に背圧がより大きく低下し、一時的なトルク上昇がより顕著に発生する。

なお、流路切換弁５が閉じていて排気流がバイパス通路７側を流れる状態では、排気流量が大となる高速域ないしは高負荷域に対応できないため、流路切換弁５が閉状態に制御されるのは、機関運転条件（負荷および機関回転数）が低速低負荷側の所定の領域内にある場合に限定され、これ以外の領域では、メイン触媒コンバータ４が未活性であっても、流路切換弁５は開状態となる。

次に、流路切換弁５の切換、特に、閉から開へと切り換える際の制御について説明する。

図２は、冷間始動後の定常運転中にメイン触媒コンバータ４の活性に伴って切換が行われる場合の種々の制御パラメータの変化を示すタイムチャートである。ここでは機関回転数は変化しないものと仮定している。図のＴＶＯはスロットル弁開度、ＡＤＶは点火時期、である。この例では、例えば機関冷却水温等に基づいて時間ｔ１において触媒活性と判定され、これから僅かに遅れた時間ｔ２において流路切換弁５の実際の切換が開始する。

時間ｔ１において、触媒活性判定フラグ（図示せず）が１となると、スワール制御弁３１が閉じられ、かつこれに合わせて、スロットル弁開度ＴＶＯが増加補正される。つまり、スワール制御弁３１が閉じることによるトルク低下を補うようにスロットル弁開度ＴＶＯが増加し、基本的に等トルク状態を維持する。

その後、時間ｔ２において流路切換許可フラグ（図示せず）が１となると、流路切換弁５が閉位置から開位置へと切り換えられる。この切換は、例えば時間ｔ３において完了する。流路切換に伴う急激なトルク上昇を抑制するために、流路切換許可フラグが１となると、同時に、点火時期ＡＤＶが遅角補正される。また同時に、スワール制御弁３１がさらに限界位置まで閉じられる。一方、時間ｔ２からｔ３の間、スロットル弁開度ＴＶＯは、そのままの開度に維持される。このようにスロットル弁開度ＴＶＯを一定に保ちつつスワール制御弁３１をさらに閉じることで吸気量が抑制され、かつ点火時期の遅角によって、応答性よくトルクが低下するので、流路切換に伴うトルク上昇が相殺され、図示するように、実際に得られるトルクは、概ね一定となる。

このように、流路切換弁５の切換に伴うトルク上昇に対し、スワール制御弁３１によるトルク抑制と点火時期ＡＤＶの遅角補正とを併せて行うことで、必要な点火時期の遅角補正量が小さくなり、しかも、スワール制御弁３１を閉じることで、ガス流動が強化され、燃焼安定性が向上することから、点火時期の遅角に伴う燃焼の不安定化や燃費の悪化が抑制される。換言すれば、ガス流動の強化により点火時期のサージ限界がより遅角側となり、点火時期を遅角補正したときの余裕代が大となる。

なお、本実施例におけるスワール制御弁３１は、基本的に、冷間始動直後のごく僅かの期間にのみ実行される排気温度上昇のために点火時期を大幅に遅角した運転モードの際に、筒内のガス流動の強化のために閉じられるものであり、従って、メイン触媒コンバータ４が活性に至る段階（つまり時間ｔ１）では、上記の運転モードは既に完了しており、スワール制御弁３１は原則として開いた状態となっている。

時間ｔ３での流路切換の完了後、時間ｔ４において、点火時期ＡＤＶの遅角補正が解除され、通常の点火時期に向けて進角する。点火時期ＡＤＶは、実際には徐々に変化し、時刻ｔ５において、通常の点火時期となる。なお、流路切換弁５が閉状態にあるときの最適点火時期（目標点火時期）と開状態にあるときの最適点火時期（目標点火時期）とは互いに異なり、それぞれ異なる点火時期マップに基づいて制御されるので、時間ｔ２における点火時期と時間ｔ５における点火時期とは必ずしも一致しない。また、時間ｔ４から時間ｔ５の間における点火時期ＡＤＶの進角に合わせて、やはり等トルクを維持するように、スロットル弁開度ＴＶＯが徐々に縮小制御される。一方、点火時期ＡＤＶを通常の点火時期まで進角させる時間ｔ４から時間ｔ５の間、スワール制御弁３１は閉状態のまま保持される。これにより、実際の点火時期ＡＤＶが最適点火時期よりも遅角側にある間、筒内のガス流動を強化したままの状態に保持されることになり、サージの悪化が確実に回避される。

なお、時間ｔ３から時間ｔ４までの遅れ期間は、実際の制御動作の安定化のために適宜に設定されるものであり、この期間は、０であってもよい。

時間ｔ５において点火時期ＡＤＶが最適点火時期まで進角したら、それまで閉じていたスワール制御弁３１を徐々に開く。そして、やはり等トルクを維持するように、このスワール制御弁３１の開作動と合わせてスロットル弁開度ＴＶＯが徐々に縮小補正する。時間ｔ６において、スワール制御弁３１は全開となり、かつスロットル弁開度ＴＶＯが運転条件に応じた目標開度となる。なお、スロットル弁開度ＴＶＯは、流路切換弁５の閉状態と開状態とでは、それぞれ異なる制御マップに基づいて制御され、同じ運転条件に対して、開状態のマップの設定値の方が相対的に小さい。これは、通路抵抗の差を考慮したものである。従って、流路切換弁５の切換開始前と切換完了後とでは目標のスロットル弁開度ＴＶＯに差がある。

図２の点火時期ＡＤＶ、Ｐｉサージおよび燃費の欄において、それぞれ破線で示した特性は、上記実施例のように流路切換弁５の切換の際にスワール制御弁３１を閉じることなく、点火時期ＡＤＶの遅角補正のみでトルク段差吸収を図った場合の特性を示しており、図示するように、この場合は、大きな遅角補正量が必要であり、サージや燃費が極端に赤してしまう。例えば、許容し得るサージ限界Ｌを越えることがある。

なお、運転条件により適したトルク段差の吸収を行うために、運転条件（負荷、機関回転速度）に応じて流路切換弁５の開度変化速度を変えるようにしてもよい。

この発明に係る内燃機関の吸排気系の構成ならびに制御システムの一例を示す構成説明図。 定常運転中に流路切換弁の切換が行われる場合のタイムチャート。

符号の説明

３…メイン通路
４…メイン触媒コンバータ
５…流路切換弁
６…分岐点
７…バイパス通路
８…バイパス触媒コンバータ
１２…合流点
２７…エンジンコントロールユニット
３１…スワール制御弁

Claims (7)

1. 吸気系の吸気弁上流側に、筒内のガス流動を強化すべく吸気通路の一部を遮蔽する吸気制御弁を備え、かつ、
   排気装置として、メイン触媒コンバータを下流側に備えたメイン通路の上流側部分と並列にバイパス通路が設けられるとともに、このバイパス通路にバイパス触媒コンバータを備え、かつ上記メイン通路の上記上流側部分に該メイン通路を閉塞する流路切換弁を備えてなる内燃機関において、
   上記流路切換弁を閉状態から開状態へ切り換えるトリガー条件の成立時に、流路切換弁の切換に先行して、上記吸気制御弁を閉作動させることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 上記流路切換弁の切換時にトルク段差を抑制するように点火時期を遅角補正することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 上記吸気制御弁の閉作動に合わせて、流路切換弁の切換開始まで等トルクを維持するようにスロットル弁開度を増加補正することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 流路切換弁の切換完了後に、吸気制御弁の開作動に先行して点火時期を通常の点火時期まで進角させることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
5. 点火時期の進角に合わせてスロットル弁開度を減少させることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の制御装置。
6. 上記吸気制御弁は、筒内にスワールを生成するためのスワール制御弁であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
7. 上記メイン触媒コンバータが所定の活性状態に達したことを上記トリガー条件とすることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
   

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