JP2009085034A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒の劣化を抑制しつつ、機関要求出力を実現することが可能な内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】最大トルク要求があり、推定触媒床温Tscが所定値Tth未満である場合には、トルクを最大とする目標吹き抜け空気量が算出される（ステップ１１０）。推定触媒床温Tscが所定値Tth以上である場合には、上記ステップ１１０で算出された目標吹き抜け空気量よりも小さく、定常的に触媒床温Tscが過上昇（ＯＴ）しない目標吹き抜け空気量が算出される（ステップ１１２）。
【選択図】図４

Description

本発明は、過給機付き内燃機関の制御装置に係り、特に触媒の劣化抑制に関する。

タービンに通じる第１排気通路を開閉する第１排気弁と、タービンを通らない第２排気通路を開閉する第２排気弁とを備えた装置（独立排気エンジン）が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この装置によれば、第１排気弁を開弁することにより、排気エネルギをタービンに導くことができる。さらに、第２排気弁を開弁することにより、排気ガスをタービンを通さずに排出することができ、排気ポンピングロスを低減することができる。また、第２排気弁と吸気弁のオーバラップにより、吸気系から排気系に空気が吹き抜ける状態（スカベンジング）を実現することができる。

特開平１０−８９１０６号公報 特表２００２−５２６７１３号公報

しかしながら、運転状態によっては、吸気系から排気系に吹き抜けた空気と、排気ガス中の未燃ＨＣやＣＯ等が触媒で反応してしまい、触媒床温が過上昇する可能性がある。
また、吹き抜け空気量を定常的に制限すると、エンジンに対する要求出力が制限されてしまい、エンジン性能が過剰に制限されてしまう可能性がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、触媒の劣化を抑制しつつ、機関要求出力を実現することが可能な内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、過給機付き内燃機関の制御装置であって、
前記過給機のタービンに通じる第１排気通路を開閉する第１排気弁と、
前記タービンの下流に通じる第２排気通路を開閉する第２排気弁と、
前記第２排気弁の開弁特性を変更可能な可変動弁機構と、
前記第１排気通路と前記第２排気通路の合流点よりも下流に配置された触媒と、
前記内燃機関の吸気系から前記第２排気通路に吹き抜ける空気量である吹き抜け空気量を算出する吹き抜け空気量算出手段と、
前記吹き抜け空気量算出手段により算出された吹き抜け空気量に基づいて、前記触媒の触媒床温を推定する触媒床温推定手段と、
前記内燃機関の出力要求が所定値以上であるとき、前記触媒床温推定手段により推定された触媒床温が所定値未満である場合には、前記内燃機関の出力が最大となる吹き抜け空気量を目標吹き抜け空気量として算出し、前記触媒床温推定手段により推定された触媒床温が所定値以上である場合には、前記内燃機関の出力が最大となる吹き抜け空気量よりも小さく、触媒床温が所定値未満となる吹き抜け空気量を目標吹き抜け空気量として算出する目標吹き抜け空気量算出手段と、
前記目標吹き抜け空気量を実現するように、前記可変動弁機構を用いて前記第２排気弁の開弁特性を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記触媒床温推定手段は、前記制御手段により前記第２排気弁の開弁特性を制御してから所定時間経過後に収束する触媒床温を推定することを特徴とする。

また、第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記出力要求が最大となる場合に、前記目標吹き抜け空気量算出手段が目標吹き抜け空気量を算出すると共に、前記制御手段は該目標吹き抜け空気量を実現するように前記第２排気弁の開弁特性を制御することを特徴とする。

第１の発明では、吹き抜け空気量に基づいて触媒床温が推定される。そして、内燃機関の出力要求が所定値以上であるとき、推定された触媒床温が所定値以上である場合には、内燃機関出力が最大となる吹き抜け空気量よりも小さく、触媒床温が所定値未満となる吹き抜け空気量が目標吹き抜け空気量として算出され、この目標吹き抜け空気量を実現するように第２排気弁の開弁特性が制御される。従って、吹き抜け空気による触媒床温の過上昇を抑制しつつ、内燃機関出力を最大にすることができる。よって、触媒の劣化を抑制しつつ、内燃機関の要求出力を実現することができる。

第２の発明では、第２排気弁の開弁特性を制御してから所定時間経過後に収束する触媒床温が触媒床温推定手段により推定される。よって、現在の触媒床温は所定値未満である場合であっても、所定時間経過後に収束する触媒床温が所定値以上である場合に、目標吹き抜け空気量算出手段により目標吹き抜け空気量が算出される。従って、所定時間経過後の触媒床温の過上昇を防ぐことができる。

第３の発明では、内燃機関の出力要求が最大となる場合に算出された標吹き抜け空気量を実現するように第２排気弁の開弁特性が制御される。従って、吹き抜け空気による触媒床温の過上昇を抑制しつつ、内燃機関出力を最大にすることができる。よって、触媒の劣化を抑制しつつ、内燃機関に対して要求される最大出力を実現することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態によるシステム構成を示す図である。本実施の形態のシステムは、過給機（ダーボチャージャ）を有する独立排気エンジンシステムである。
図１に示すシステムは、複数の気筒２を有するエンジン１を備えている。各気筒２のピストンは、それぞれクランク機構を介して共通のクランク軸４に接続されている。クランク軸４の近傍には、クランク角CAを検出するクランク角センサ５が設けられている。

エンジン１は、各気筒２に対応して、インジェクタ６を有している。インジェクタ６は、高圧の燃料を気筒２内に直接噴射するように構成されている。各インジェクタ６は、共通のデリバリーパイプ７に接続されている。デリバリーパイプ７は、燃料ポンプ８を介して燃料タンク９に連通している。

また、エンジン１は、各気筒２に対応して吸気ポート１０を有している。吸気ポート１０には、複数の吸気弁１２（符号「In」を付すこともある。）が設けられている。

また、各吸気ポート１０は、吸気マニホールド１４に接続されている。吸気マニホールド１４には、過給圧センサ１５が設けられている。過給圧センサ１５は、後述するコンプレッサ２４ａによって過給された空気（以下「過給空気」という。）の圧力、すなわち、過給圧PIMを測定するように構成されている。

吸気マニホールド１４には吸気通路１６が接続されている。吸気通路１６の途中には、スロットルバルブ１７が設けられている。スロットルバルブ１７は、スロットルモータ１８により駆動される電子制御式のバルブである。スロットルバルブ１７は、アクセル開度センサ２０により検出されるアクセル開度AA等に基づいて駆動されるものである。スロットルバルブ１７の近傍には、スロットル開度センサ１９が設けられている。スロットル開度センサ１９は、スロットル開度TAを検出するように構成されている。スロットルバルブ１７の上流には、インタークーラ２２が設けられている。インタークーラ２２は、過給空気を冷却するように構成されている。

インタークーラ２２の上流には、過給機２４のコンプレッサ２４ａが設けられている。コンプレッサ２４ａは、図示しない連結軸を介してタービン２４ｂと連結されている。タービン２４ｂは、後述する第１排気通路３２に設けられている。このタービン２４ｂが排気動圧（排気エネルギ）により回転駆動されることによって、コンプレッサ２４ａが回転駆動される。

コンプレッサ２４ａの上流にはエアフロメータ２６が設けられている。エアフロメータ２６は、吸入空気量Gaを検出するように構成されている。エアフロメータ２６の上流にはエアクリーナ２８が設けられている。

また、エンジン１は、各気筒２に対応して第１排気ポート２９Ａと第２排気ポート２９Ｂとを有している。第１排気ポート２９Ａには第１排気弁３０Ａ（符号「Ex1」を付すこともある。）が設けられ、第２排気ポート２９Ｂには第２排気弁３０Ｂ（符号「Ex2」を付すこともある。）が設けられている。この第１排気弁３０Ａは、タービン２４ｂに通じる第１排気通路３２を開閉するものである。タービン２４ｂは、第１排気通路３２を流通する排気動圧によって回転駆動されるように構成されている。また、第２排気弁３０Ｂは、タービン２４ｂを通らずタービン２４ｂの下流に通じる第２排気通路３４を開閉するものである。

これらの排気弁３０Ａ，３０Ｂには、排気弁３０Ａ，３０Ｂの開弁特性（開閉時期及びリフト量）を独立して変更可能な可変動弁機構３１が接続されている。可変動弁機構３１としては、公知の電磁駆動弁機構や機械式可変動弁機構等を用いることができる。

第１排気通路３２におけるタービン２４ｂ上流には、第１排気通路３２の空燃比を検出する第１空燃比センサ３６が設けられている。また、第２排気通路３４における第１排気通路３２との合流点よりも上流には、第２排気通路３４の空燃比を検出する第２空燃比センサ３８が設けられている。

第１排気通路３２と第２排気通路３４の合流点よりも下流の排気通路４０には、始動時触媒（Ｓ／Ｃ）４２が設けられている。この始動時触媒４２の下流には、排気ガス中のＮＯｘを浄化するためのＮＯｘ触媒４４が設けられている。

本実施の形態のシステムは、制御装置であるＥＣＵ（Electronic Control Unit）６０を備えている。
ＥＣＵ６０の入力側には、クランク角センサ５、過給圧センサ１５、スロットル開度センサ１９、アクセル開度センサ２０、エアフロメータ２６、空燃比センサ３６，３８等が接続されている。また、ＥＣＵ６０の出力側には、インジェクタ６、燃料ポンプ８、スロットルモータ１８、可変動弁機構３３等が接続されている。
ＥＣＵ６０は、クランク角CAに基づいて、エンジン回転数NEを算出する。また、ＥＣＵ６０は、吸入空気量Gaや点火時期等に基づいて、エンジントルクTRQを算出する。
また、ＥＣＵ６０は、目標空燃比（理論空燃比）と吸入空気量Gaとから基本燃料噴射量Qbaseを算出する空燃比制御を実行する。

［実施の形態の特徴］
上記システムにおいて、背圧（排気圧）に比して過給圧PIMを高めると共に、図２に示すように第２排気弁Ex2と吸気弁Inのオーバラップ量を制御することで、吸気系の空気（新気）を排気系に吹き抜けさせることができる。この空気の吹き抜けにより、空気と気筒内の既燃ガス（残留ガス）とのガス交換（以下「掃気」という。）が起こる。この掃気により、気筒内における空気に対する残留ガスの割合を低くすることが可能になるため、エンジントルク（エンジン出力）を向上させることができる。

ところで、冷間始動時の暖機性の要求から、始動時触媒４２は排気ポート２９Ｂから比較的近い場所に設けられている。すなわち、第２排気通路３４の長さが短く設計されている。さらに、第１排気通路とは異なり、第２排気通路３４には、タービンが配置されていない。このため、第２排気通路３４の熱容量は非常に小さく、第２排気通路３４における排気ガス温度の低下は非常に小さい。

よって、運転状態によっては、高温の排気ガスが多量に始動時触媒４２に流入し、始動時触媒４２の床温Tscが過上昇して高温（例えば、９００℃以上）になってしまう可能性がある。
さらに、運転状態によっては、吹き抜けた空気と、排気ガス中の還元剤（ＨＣやＣＯ等）とが始動時触媒４２において反応し発熱することで、始動時触媒４２の床温Tscが過上昇してしまう可能性がある。始動時触媒４２の劣化を抑制するためには、始動時触媒４２の床温Tscの過上昇を抑制する必要がある。

そこで、始動時触媒４２の床温Tscが定常的に所定値以上（例えば、９００℃以上）にならないように、第２排気弁Ex2の開弁特性を制御して吹き抜け空気量を制限することが考えられる。
ここで、上記システムでは、吸気抵抗を低くするためスロットルバルブ１７を所定開度以上に開くＷＯＴ（wide open throttle）が行われている。ＷＯＴで低速時には、例えば、図３に示すように、第１排気弁Ex1のみが作動され、第２排気弁Ex2が停止される。一方、ＷＯＴで中高速時には、掃気によるエンジントルク（エンジン出力）向上効果を得るべく、例えば、図２に示すように、第２排気弁Ex2の開弁特性が制御されている。
このため、吹き抜け空気量を制限すると、ＷＯＴ性能による効果が制限されると共に、所望のエンジントルク（エンジン出力）向上効果が得られなくなる可能性がある。

そこで、本実施の形態では、最大トルクが要求され、始動時触媒４２の床温Tscが過上昇しないと推定される場合には、掃気によるエンジントルク（エンジン出力）向上効果が最大となる吹き抜け空気量が目標吹き抜け空気量として算出される。

一方、最大トルクが要求され、始動時触媒４２の床温Tscが過上昇すると推定される場合には、掃気によるエンジントルク（エンジン出力）向上効果が最大となる吹き抜け空気量よりも小さく、定常的に始動時触媒４２の床温Tscが所定値以上にならない最大吹き抜け空気量が目標吹き抜け空気量として算出される。すなわち、始動時触媒４２の床温Tscの過上昇を抑制する範囲内で最大のトルクが得られる吹き抜け空気量が目標吹き抜け空気量として算出される。

そして、算出された目標吹き抜け空気量を実現すべく、第２排気弁Ex2の開弁特性（リフト量及びバルブタイミング）を算出し、算出された第２排気弁Ex2の開弁特性に可変動弁機構３１により制御する。

本実施の形態によれば、最大トルクが要求され、始動時触媒４２の床温Tscが過上昇すると推定される場合には、床温Tscが過上昇しないと推定される場合に比して、目標吹き抜け空気量が小さく算出される。このため、始動時触媒４２の床温Tscが過上昇すると推定される場合の方が、第２排気弁Ex2のリフト量（及び／又は作用角）が小さくされる。これにより、最大トルクが要求される場合であっても、始動時触媒４２の床温Tscの過上昇を抑制することでき、始動時触媒４２の劣化を確実に抑制することができる。さらに、始動時触媒４２の床温Tscの過上昇を抑制する範囲内で、エンジントルク向上効果を最大に得ることができる。

一方、最大トルクが要求され、始動時触媒４２の床温Tscが過上昇しないと推定される場合には、エンジントルク（エンジントルク向上効果）が最大となる吹き抜け空気量を実現するための排気弁Ex2開弁特性に制御される。これにより、エンジントルク向上効果を最大に得ることができる。

［実施の形態における具体的処理］
図４は、本実施の形態において、ＥＣＵ６０が実行するルーチンを示すフローチャートである。
図４に示すルーチンによれば、先ず、エンジン１に対して最大トルクが要求されているか否かを判別する（ステップ１００）。このステップ１００では、例えば、アクセル開度AAが所定値AAth以上である場合に、最大トルクが要求されていると判別される。このステップ１００で最大トルクが要求されていないと判別された場合、すなわち、エンジン１に対する要求トルクが小さいと判別された場合には、最大トルク要求ではないときの第２排気弁Ex2の開弁特性（リフト量及びバルブタイミング）を算出し、算出された開弁特性となるように可変動弁機構３１を制御する（ステップ１０２）。例えば、トルク要求が非常に小さい場合には、図３に示すように、第２排気弁Ex2のリフト量がゼロに（弁停止）される。その後、本ルーチンを一旦終了する。

上記ステップ１００で最大トルクが要求されていると判別された場合には、現在の吹き抜け空気量を算出する（ステップ１０４）。このステップ１０４では、例えば、空燃比センサ３４出力（該空燃比センサ３４出力と目標空燃比との差分）に基づいて吹き抜けガス量を算出することができる。

次に、上記ステップ１０４で算出された現在の吹き抜け空気量と、エンジン回転数NEと、吸入空気量Gaとから、第２排気弁Ex2の開弁特性を制御してから所定時間経過後の始動時触媒４２の床温Tscを推定する（ステップ１０６）。このステップ１０６では、ＥＣＵ６０内に予め格納されたマップを参照して、上記現在の吹き抜け空気量と、エンジン回転数NEと、吸入空気量Gaとに応じた、所定時間経過後の床温Tscが算出される。ここで、所定時間は、例えば、３０ｓｅｃ〜１ｍｉｎである。

次に、上記ステップ１０６で推定された所定時間経過後の床温Tscが所定値Tth以上であるか否かを判別する（ステップ１０８）。この所定値Tthは、始動時触媒４２の床温Tscが過上昇（ＯＴ）するか否かを判別するための基準値であり、例えば、９００℃である。

上記ステップ１０８で推定床温Tscが所定値Tth未満であると判別された場合には、所定時間経過後に始動時触媒４２がＯＴしないと判断される。この場合、エンジントルクが最大となる目標吹き抜け空気量を算出する（ステップ１１０）。このステップ１１０では、ＥＣＵ６０内に予め格納されたテーブルを参照して、エンジン回転数NEに応じた目標吹き抜け空気量が算出される。その後、下記ステップ１１４の処理に移行する。

一方、上記ステップ１０８で推定床温Tscが所定値Tth以上であると判別された場合には、所定時間経過後に始動時触媒４２がＯＴとなると判断される。この場合、上記ステップ１１０で算出された目標吹き抜け空気量よりも小さく、定常的にＯＴしない最大の吹き抜け空気量を目標吹き抜け空気量として算出する（ステップ１１２）。このステップ１１２では、ＥＣＵ６０内に予め格納されたマップを参照して、エンジン回転数NEと吸入空気量Gaとに応じた、目標吹き抜け空気量が算出される。

その後、上記のステップ１１０又は１１２で算出された目標吹き抜け空気量を実現するように、第２排気弁Ex2の開弁特性（リフト量／バルブタイミング）を算出し、算出された開弁特性となるように可変動弁機構３１を制御する。ここで、その後、本ルーチンを終了する。

以上説明したように、図４に示すルーチンでは、最大トルク要求があり、推定触媒床温Tscが所定値Tth未満である場合には、エンジントルクが最大となる目標吹き抜け空気量が算出される。一方、最大トルク要求があり、推定触媒床温Tscが所定値Tth以上である場合には、エンジントルクが最大となる目標吹き抜け空気量よりも小さく、定常的に始動時触媒４２の床温Tscが所定値以上にならない最大吹き抜け空気量が目標吹き抜け空気量として算出される。その後、これらの目標吹き抜け空気量を実現するように、第２排気弁Ex2の開弁特性の算出・制御が行われる。

よって、図４に示すルーチンによれば、最大トルク要求があり、推定触媒床温Tscが所定値Tth以上である場合には、推定触媒床温Tscが所定値Tth未満である場合に比して、目標吹き抜け空気量が小さく算出されるため、第２排気弁Ex2のリフト量（及び／又は作用角）が小さくされる。これにより、始動時触媒４２の劣化を抑制することができる。
また、定常的に始動時触媒４２の床温Tscが所定値以上にならない範囲で最大のリフト量にされるため、始動時触媒４２の劣化を抑制する範囲内で最大のエンジントルクを得ることができる。

ところで、上記実施の形態では、最大トルクが要求された場合の制御について説明したが、エンジンに対する要求トルク（要求出力）が所定値以上である場合には、すなわち、掃気によるエンジントルク（エンジン出力）向上効果を得る場合には、本実施の形態による制御を適用することができる。

また、上記実施の形態では、空燃比センサ３８出力（と目標空燃比の差分）に基づいて現在の吹き抜け空気量を算出しているが、空燃比センサ３６出力と空燃比センサ３８出力の差分に基づいて現在の吹き抜け空気量を算出してもよい。

尚、本実施の形態においては、過給機２４が第１の発明における「過給機」に、タービン２４ｂが第１の発明における「タービン」に、第１排気通路３２が第１の発明における「第１排気通路」に、第１排気弁３０Ａが第１の発明における「第１排気弁」に、第２排気通路３４が第１の発明における「第２排気通路」に、第２排気弁３０Ｂが第１の発明における「第２排気弁」に、可変動弁機構３１が第１の発明における「可変動弁機構」に、始動時触媒４２が第１の発明における「触媒」に、それぞれ相当する。
また、本実施の形態においては、ＥＣＵ６０が、ステップ１０４の処理を実行することにより第１の発明における「吹き抜け空気量算出手段」が、ステップ１０６の処理を実行することにより第１及び第２の発明における「触媒床温推定手段」が、ステップ１００，１０８，１１０，１１２の処理を実行することにより第１の発明における「目標吹き抜け空気量算出手段」が、ステップ１１４の処理を実行することにより第１の発明における「制御手段」が、それぞれ実現されている。

本発明の実施の形態によるシステム構成を示す図である。 ＷＯＴで中高速時におけるバルブ開弁特性を示す図である。 ＷＯＴで低速速時におけるバルブ開弁特性を示す図である。 本発明の実施の形態において、ＥＣＵ６０が実行するルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

１ エンジン
２４ 過給機
２４ｂ タービン
３０Ａ 第１排気弁
３０Ｂ 第２排気弁
３２ 第１排気通路
３４ 第２排気通路
４２ 始動時触媒
６０ ＥＣＵ

Claims (3)

1. 過給機付き内燃機関の制御装置であって、
   前記過給機のタービンに通じる第１排気通路を開閉する第１排気弁と、
   前記タービンの下流に通じる第２排気通路を開閉する第２排気弁と、
   前記第２排気弁の開弁特性を変更可能な可変動弁機構と、
   前記第１排気通路と前記第２排気通路の合流点よりも下流に配置された触媒と、
   前記内燃機関の吸気系から前記第２排気通路に吹き抜ける空気量である吹き抜け空気量を算出する吹き抜け空気量算出手段と、
   前記吹き抜け空気量算出手段により算出された吹き抜け空気量に基づいて、前記触媒の触媒床温を推定する触媒床温推定手段と、
   前記内燃機関の出力要求が所定値以上であるとき、前記触媒床温推定手段により推定された触媒床温が所定値未満である場合には、前記内燃機関の出力が最大となる吹き抜け空気量を目標吹き抜け空気量として算出し、前記触媒床温推定手段により推定された触媒床温が所定値以上である場合には、前記内燃機関の出力が最大となる吹き抜け空気量よりも小さく、触媒床温が所定値未満となる吹き抜け空気量を目標吹き抜け空気量として算出する目標吹き抜け空気量算出手段と、
   前記目標吹き抜け空気量を実現するように、前記可変動弁機構を用いて前記第２排気弁の開弁特性を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記触媒床温推定手段は、前記制御手段により前記第２排気弁の開弁特性を制御してから所定時間経過後に収束する触媒床温を推定することを特徴とする内燃機関の制御装置。
3. 請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記出力要求が最大となる場合に、前記目標吹き抜け空気量算出手段が目標吹き抜け空気量を算出すると共に、前記制御手段は該目標吹き抜け空気量を実現するように前記第２排気弁の開弁特性を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。

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