JP2009191660A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、内燃機関の制御装置に関し、小ターボチャージャと大ターボチャージャとを備えた内燃機関において、ＮＯｘ排出量を確実に低減することを目的とする。
【解決手段】本発明の内燃機関の制御装置は、小ターボチャージャ１６を主として使用する小ターボ使用状態と、大ターボチャージャ１８を併用または単独で使用する大ターボ使用状態とを、運転領域に応じて切り替える。小ターボチャージャ１６は、可変ノズル１６ｃを備える。小ターボ使用状態では、ＥＧＲ弁４２をオープンループ制御するとともに、過給圧センサ４４またはエアフローメータ４３で検出される過給圧または吸入空気量が目標値に一致するように可変ノズル１６ｃをフィードバック制御する。大ターボ使用状態では、可変ノズル１６ｃのフィードバック制御を停止するとともに、吸入空気量が目標値に一致するようにＥＧＲ弁をフィードバック制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

特開２００５−３３０８１１号公報には、小ターボチャージャと大ターボチャージャとを直列に配置した内燃機関用多段過給システムが開示されている。小ターボチャージャおよび大ターボチャージャには、可変ノズルがそれぞれ設けられている。また、このシステムは、ＥＧＲ装置を更に備えている。このシステムでは、ＥＧＲ領域にあるときには、目標新気量が得られるように、スロットル弁あるいはＥＧＲ弁の開度がフィードバック制御される（上記公報の段落００６６）。そして、ＥＧＲ領域では、小ターボチャージャの可変ノズル開度は、フィードバック制御されない（上記公報の段落００６４、００６９）。これにより、ＥＧＲ率の制御と過給圧の制御との干渉が抑制される、と上記公報には記載されている。

特開２００５−３３０８１１号公報 特開２００６−５７５７０号公報 特開２００７−１５４６８４号公報

図６は、筒内ガス量およびＮＯｘ排出量を示すグラフである。ＥＧＲの実行中は、筒内ガス量は、新気とＥＧＲガスとの合計となる。図６の中央のグラフは、多段過給エンジンの場合であって小ターボチャージャが主として使用される、比較的低回転低負荷側の運転領域の場合を示す。これに対し、図６の左側のグラフは、一つのターボチャージャを備えた通常のターボエンジンの場合であって同様の負荷および回転数の場合を示す。これらのグラフに示すように、多段過給エンジンでは、比較的低回転低負荷側の領域においても小ターボチャージャによって高い過給圧が得られる。このため、多段過給エンジンでは、通常のターボエンジンと比べ、筒内ガス量を大幅に多くすることができ、その増分をＥＧＲガスの増量に充当することができる。その結果、燃焼温度を十分に低下させることができ、ＮＯｘ排出量を大幅に低減することができる。

しかしながら、状況によっては、小ターボチャージャによって所期の過給圧が得られない状態が発生する場合がある。図６の右側のグラフは、そのような場合、すなわち、多段過給エンジンにおいて過給圧が不足している場合を示す。過給圧が不足すると、筒内ガス量が目標値よりも少なくなる。上記従来の技術では、前述したように、ＥＧＲ領域にあるときには、ＥＧＲ弁（あるいはスロットル弁）をフィードバック制御することによって新気量を目標値に一致させる。このため、過給圧不足によって筒内ガス量が不足している場合であっても、新気量は一定に保たれるので、筒内ガス量が減った分だけＥＧＲガス量が減少してしまう。その結果、図６の右側のグラフに示すように、ＥＧＲガス量が目標値より少なくなり、ＮＯｘ排出量を十分に低減することができなくなる。

上述したような点において、上記従来の技術は、未だ改良の余地を残すものであった。

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、小ターボチャージャと大ターボチャージャとを備えた内燃機関において、ＮＯｘ排出量を確実に低減することのできる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、内燃機関の制御装置であって、
小ターボチャージャと、前記小ターボチャージャより大容量の大ターボチャージャとを有する内燃機関と、
前記小ターボチャージャを主として使用する小ターボ使用状態と、前記大ターボチャージャを併用または単独で使用する大ターボ使用状態とを、運転領域に応じて切り替えるターボ切替手段と、
前記小ターボチャージャのタービンの入口面積を可変とする可変ノズルと、
前記内燃機関の排気ガスの一部を吸気通路に還流させるＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ弁と、
過給圧を検出する過給圧検出手段と、
吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
前記小ターボ使用状態では、前記ＥＧＲ弁をオープンループ制御するとともに、前記検出される過給圧または吸入空気量が目標値に一致するように前記可変ノズルをフィードバック制御する第１のＥＧＲ制御手段と、
前記大ターボ使用状態では、前記可変ノズルのフィードバック制御を停止するとともに、前記検出される吸入空気量が目標値に一致するように前記ＥＧＲ弁をフィードバック制御する第２のＥＧＲ制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記内燃機関の吸気弁の閉じ時期を変化させることにより実圧縮比を可変とする実圧縮比可変手段と、
吸気温度を検出する吸気温検出手段と、
前記検出される吸気温度および／または過給圧に応じて、実圧縮比を補正する実圧縮比補正手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記小ターボチャージャのタービンをバイパスして排気ガスを通す小タービンバイパス通路と、
前記小タービンバイパス通路を開閉する小タービンバイパス通路開閉弁と、
を備え、
前記小ターボ使用状態では、前記小タービンバイパス通路開閉弁を閉じ、前記大ターボ使用状態では、前記小タービンバイパス通路開閉弁を開くことを特徴とする。

第１の発明によれば、小ターボ使用状態では、ＥＧＲ弁をオープンループ制御するとともに、過給圧または吸入空気量が目標値に一致するように可変ノズルをフィードバック制御することができる。このような制御によれば、何らかの原因によって過給圧が不足した際には、その過給圧不足が可変ノズルの開度にフィードバックされ、可変ノズルが閉じ方向に駆動される。これにより、小ターボチャージャの回転数が上昇して、実過給圧を目標値まで迅速に高めることができる。その結果、筒内ガス量が増大し、筒内のＥＧＲガス量を迅速に目標値まで高めることができる。よって、ＮＯｘ排出量を目標レベルにまで確実に低下させることができる。また、小ターボチャージャは、通常のターボチャージャと比べて、小型であるため、回転部分の慣性質量も小さい。このため、回転数を迅速に変化させることが可能であり、応答遅れが少ない。従って、可変ノズルの開度によって過給圧を良好に制御することができ、応答遅れやハンチングなどを確実に抑制することができる。一方、可変ノズルによるＥＧＲ制御の応答性が低下し易い大ターボ使用状態では、可変ノズルのフィードバック制御を停止するとともに、応答性に優れたＥＧＲ弁によってＥＧＲをフィードバック制御することができる。このため、大ターボ使用状態においても良好なＥＧＲ制御を行うことができる。また、第１の発明によれば、ＥＧＲを制御する二つのアクチュエータ（可変ノズル、ＥＧＲ弁）が同時にフィードバック制御されることはない。このため、二つのフィードバック制御が干渉して制御性が悪化することがなく、安定したＥＧＲ制御を行うことができる。

第２の発明によれば、吸気弁閉じ時期を変化させて実圧縮比を変化させることができる。このため、実圧縮比を小さくすることによって燃焼温度を低くする制御が可能であるので、ＮＯｘやスモークの排出量を更に低減することができる。更に、第２の発明によれば、吸気温度あるいは過給圧に応じて、実圧縮比を補正することができる。このため、吸気温度や過給圧が目標値より低い場合であっても、実圧縮比が大きくなる方向に補正することにより、失火の発生やＨＣ排出量の増大等を確実に抑制することができる。

第３の発明によれば、小タービンバイパス通路開閉弁の状態を制御することにより、小ターボ使用状態と大ターボ使用状態とを容易且つ確実に切り替えることができる。

以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。なお、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。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すシステムは、４サイクルのディーゼル機関１０を備えている。ディーゼル機関１０は、車両に搭載され、その動力源とされているものとする。なお、本実施形態のディーゼル機関１０は、直列４気筒型であるが、本発明におけるディーゼル機関の気筒数および気筒配置はこれに限定されるものではない。

ディーゼル機関１０の各気筒から排出される排気ガスは、排気マニホールド１２によって集合され、排気通路１４に流入する。ディーゼル機関１０は、小ターボチャージャ１６と、この小ターボチャージャ１６より大容量の（高流量に適した）大ターボチャージャ１８とを備えている。排気マニホールド１２の直下の排気通路１４は、小ターボチャージャ１６のタービン１６ａの入口に接続されている。そして、小ターボチャージャ１６のタービン１６ａの出口から延びる排気通路１７は、大ターボチャージャ１８のタービン１８ａの入口に接続されている。すなわち、大ターボチャージャ１８のタービン１８ａは、小ターボチャージャ１６のタービン１６ａの下流側に配置されている。

小ターボチャージャ１６は、タービン１６ａの入口面積を可変とする可変ノズル１６ｃを備えている。この可変ノズル１６ｃは、アクチュエータ２４により駆動されて開閉する。可変ノズル１６ｃの開度を小さくするほど、タービン１６ａに流入する排気ガスの流速が速くなる。よって、可変ノズル１６ｃの開度を小さくすることにより、小ターボチャージャ１６の回転数が上昇するので、小ターボチャージャ１６による過給圧を増大させることができる。

小ターボチャージャ１６のタービン１６ａの上流側の排気通路１４と下流側の排気通路１７とは、小タービンバイパス通路２０によって接続されている。小タービンバイパス通路２０の途中には、この通路を開閉する開閉弁２２が設置されている。

後述するように、ディーゼル機関１０では、比較的低回転低負荷側の運転領域では小ターボチャージャ１６が主として使用され、比較的高回転高負荷側の運転領域では大ターボチャージャ１８が主として使用される。大ターボチャージャ１８のタービン１８ａの下流側の排気通路２６の途中には、排気ガスを浄化するための排気浄化触媒２８が設置されている。

ディーゼル機関１０の吸気通路３２の入口付近には、エアクリーナ３４が設けられている。吸気通路３２は、エアクリーナ３４の下流側で、第１通路３２ａと第２通路３２ｂとに分岐している。第１通路３２ａの途中には小ターボチャージャ１６のコンプレッサ１６ｂが配置されており、第２通路３２ｂの途中には大ターボチャージャ１８のコンプレッサ１８ｂが配置されている。両コンプレッサ１６ｂ，１８ｂの下流側で、第１通路３２ａおよび第２通路３２ｂは再度合流し、インタークーラ３６へと接続されている。インタークーラ３６の下流側の吸気通路３２は、吸気マニホールド３８に接続されている。

エアクリーナ３４を通って吸入された空気は、小ターボチャージャ１６のコンプレッサ１６ｂあるいは大ターボチャージャ１８のコンプレッサ１８ｂで圧縮された後、インタークーラ３６で冷却され、吸気マニホールド３８を経て各気筒に流入する。インタークーラ３６と吸気マニホールド３８との間には、スロットル弁３９が設置されている。

ディーゼル機関１０は、更に、排気ガスの一部を吸気通路３２に還流させるＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation)を行うためのＥＧＲ装置を備えている。本実施形態のＥＧＲ装置は、排気マニホールド１２と吸気通路３２とを接続するＥＧＲ通路４０と、ＥＧＲ通路４０の途中に設置されたＥＧＲクーラ４１と、ＥＧＲクーラ４１の下流側に設置されたＥＧＲ弁４２とを有している。以下の説明では、このようなＥＧＲ装置によって行われる外部ＥＧＲを単に「ＥＧＲ」と称する。

また、本実施形態のシステムは、吸入空気量を検出するエアフローメータ４３と、過給圧（吸気圧力）を検出する過給圧センサ４４と、吸気温度（吸気マニホールド温度）を検出する吸気温センサ４５と、ディーゼル機関１０が搭載された車両のアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出するアクセルポジションセンサ４６と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０とを更に備えている。

図２は、図１に示すシステムにおけるディーゼル機関１０の一つの気筒の断面を示す図である。以下、同図を参照して、本実施形態のディーゼル機関１０について更に説明する。ディーゼル機関１０の気筒には、燃料を筒内に直接噴射するインジェクタ４７が設置されている。各気筒のインジェクタ４７は、図示しないコモンレールに接続されている。そのコモンレール内には、図示しないサプライポンプによって加圧された高圧の燃料が貯留されている。そして、上記コモンレール内から、各気筒のインジェクタ４７へ燃料が供給される。

ディーゼル機関１０のクランク軸４８の近傍には、クランク軸４８の回転角度を検出するクランク角センサ４９が取り付けられている。ＥＣＵ５０は、クランク角センサ４９の信号に基づいて機関回転数を算出することができる。

また、ディーゼル機関１０は、吸気弁５２のバルブタイミングを可変とする吸気可変動弁装置５４を備えている。本実施形態の吸気可変動弁装置５４は、吸気弁５２の少なくとも閉じ時期を可変とするものであれば、いかなる構成のものでもよく、次に例示するような機構を用いることができる。
（１）吸気弁５２を駆動するカムシャフトの位相を変化させることにより、吸気弁５２の開弁期間を一定としたままで吸気弁の開き時期および閉じ時期を連続的に進角したり遅角したりすることができる位相可変機構。
（２）吸気弁５２とカムシャフトとの間に揺動カムなどを介在させることにより、吸気弁５２の開き時期を作用角（開弁期間）とともに変化させる作用角可変機構。
（３）吸気弁５２を開くためのカムを電気モータによって回転駆動することにより、吸気弁５２を任意の時期に開閉可能とする機構。
（４）吸気弁５２を電磁力によって駆動することにより任意の時期に開閉可能とする機構（電磁駆動弁）。

なお、図２の構成では、ディーゼル機関１０は、排気弁５６のバルブタイミングを可変とする排気可変動弁装置５８を更に備えているが、本発明では、排気弁５６の開弁特性は固定とされていてもよい。すなわち、本発明では、通常の動弁機構により排気弁５６を駆動してもよい。

ＥＣＵ５０には、上述したエアフローメータ４３、過給圧センサ４４、吸気温センサ４５、アクセルポジションセンサ４６、クランク角センサ４９を含む各種センサ、並びに、上述した開閉弁２２、アクチュエータ２４、スロットル弁３９、ＥＧＲ弁４２、インジェクタ４７、吸気可変動弁装置５４、排気可変動弁装置５８を含む各種アクチュエータがそれぞれ電気的に接続されている。ＥＣＵ５０は、各センサの出力に基づき、所定のプログラムに従って各アクチュエータを作動させることにより、ディーゼル機関１０の運転状態を制御する。

［実施の形態１の特徴］
（ターボ切替制御）
ターボチャージャは、内燃機関の排気エネルギによって駆動される。排気エネルギは、排気ガスの量、温度および圧力によって決定される値であり、高回転高負荷側ほど増大する。このため、一般に、ターボチャージャ付き内燃機関では、排気エネルギの小さい低回転低負荷側の運転領域においてタービンが効率良く作動しないため、トルク不足、燃費悪化、応答性悪化（いわゆるターボラグ）等を生じ易いという課題がある。

このような問題に鑑みて、本実施形態のディーゼル機関１０では、ターボ切替制御を実行する。すなわち、比較的低回転低負荷側の運転領域（好ましくは中回転中負荷以下の領域）では主として小ターボチャージャ１６を使用し、それより高回転高負荷側の運転領域では大ターボチャージャ１８を併用または単独で使用する。

小ターボチャージャ１６は、大ターボチャージャ１８に比して小容量とされているため、少ない排気エネルギでも高効率で作動する。このため、ディーゼル機関１０では、排気エネルギの少ない比較的低回転低負荷側の領域であっても、高い過給圧を得ることができる。

一方、排気ガス流量が多くなる高回転高負荷側の領域では、大容量の大ターボチャージャ１８を主として作動させることにより、優れた過給効率が得られる。このようなことから、本実施形態のディーゼル機関１０では、幅広い領域において高い過給圧を得ることができ、トルク、燃費、応答性、エミッション等の特性を十分に改善することができる。

以下の説明では、小ターボチャージャ１６を主として使用する状態（実質的に小ターボチャージャ１６のみを使用する状態）を「小ターボ使用状態」と称し、大ターボチャージャ１８を併用または単独で使用する状態を「大ターボ使用状態」と称する。

小ターボ使用状態においては、小タービンバイパス通路２０に設けられた開閉弁２２を閉状態とする。この状態では、排気マニホールド１２からの排気ガスは、小ターボチャージャ１６のタービン１６ａに流入し、このタービン１６ａを作動させる。そして、タービン１６ａを出た排気ガスは、大ターボチャージャ１８のタービン１８ａに流入する。この排気ガスは、小ターボチャージャ１６のタービン１６ａによって既にエネルギが回収されているので、エネルギが小さい。このため、大ターボチャージャ１８は有効に作動せず、実質的に小ターボチャージャ１６のみが作動することとなる。

一方、大ターボ使用状態においては、小タービンバイパス通路２０に設けられた開閉弁２２を開状態とする。開閉弁２２を開いた状態では、排気マニホールド１２を出た排気ガスの多くは、小タービンバイパス通路２０を通って、大ターボチャージャ１８のタービン１８ａに流入する。小タービンバイパス通路２０を通ってタービン１８ａに流入する排気ガスは、高い排気エネルギを持っている。このため、この排気ガスは、タービン１８ａを有効に作動させる。このようにして、大ターボ使用状態においては、開閉弁２２を開くことにより、大ターボチャージャ１８が作動する。このとき、小ターボチャージャ１６は、大ターボチャージャ１８と共に有効に作動してもよいし、実質的に作動しなくてもよい。

（小ターボ使用状態でのＥＧＲ制御）
図６を参照して既に説明したように、小ターボ使用状態において、新気量（すなわちエアフローメータ４３で検出される吸入空気量）が目標値に一致するようにＥＧＲ弁４２をフィードバック制御した場合には、何らかの原因によって過給圧が不足した際に、ＮＯｘ排出量が目標レベルより増加してしまうという問題がある。

本実施形態では、上記の問題を解決するため、小ターボ使用状態においては、ＥＧＲ弁４２の開度をオープンループ制御するとともに、過給圧センサ４４により検出される実過給圧が目標値に一致するように、可変ノズル１６ｃの開度をフィードバック制御することとした。このような制御によれば、何らかの原因によって過給圧が不足した際には、その過給圧不足が可変ノズル１６ｃの開度にフィードバックされ、可変ノズル１６ｃが閉じ方向に駆動される。これにより、小ターボチャージャ１６の回転数が上昇して、実過給圧を目標値まで高めることができる。その結果、筒内ガス量が増大し、筒内のＥＧＲガス量を目標値まで高めることができる。よって、ＮＯｘ排出量を目標レベルにまで確実に低下させることができる。

ところで、通常のターボチャージャにおいて、可変ノズルによって過給圧をフィードバック制御する際には、一般に、応答性に関して、次のような懸念がある。ターボチャージャの回転数は急には上昇しにくい。すなわち、可変ノズルの開度を小さくしてから過給圧（筒内ガス量）が実際に上昇するまでには、ある程度の時間遅れが生ずる。このため、過給圧（筒内ガス量）の応答遅れやハンチングなどが生じ易くなり、安定したＥＧＲ制御がしにくいという懸念がある。

これに対し、本実施形態でフィードバック制御の対象とする小ターボチャージャ１６は、通常のターボチャージャと比べて、小型であるため、回転部分の慣性質量も小さい。このため、回転数を迅速に変化させることが可能であり、応答遅れが少ない。従って、可変ノズル１６ｃの開度によって過給圧を良好に制御することができ、応答遅れやハンチングなどを確実に抑制することができる。

（大ターボ使用状態でのＥＧＲ制御）
一方、大ターボ使用状態においては、可変ノズル１６ｃによって過給圧（筒内ガス量）をフィードバック制御しようとすると、応答性が低下し易い。そこで、本実施形態では、大ターボ使用状態においては、可変ノズル１６ｃをオープンループ制御するとともに、新気量（エアフローメータ４３で検出される吸入空気量）が目標値に一致するように、ＥＧＲ弁４２の開度をフィードバック制御することとした。ＥＧＲ弁４２によれば、ＥＧＲ量を応答性良く制御することができる。このため、大ターボ使用状態において良好なＥＧＲ制御を行うことができる。

このように、本実施形態では、小ターボ使用状態と大ターボ使用状態とでＥＧＲ制御の手法を切り替えることにより、何れの状態においても筒内のＥＧＲガス量が所期の量（目標値）となるように精度良く制御することができる。このため、ＮＯｘ排出量を目標レベルにまで確実に低下させることができる。

また、本実施形態のＥＧＲ制御においては、可変ノズル１６ｃをフィードバック制御する際にはＥＧＲ弁４２がオープンループ制御とされ、ＥＧＲ弁４２をフィードバック制御する際には可変ノズル１６ｃがオープンループ制御とされる。つまり、ＥＧＲを制御する二つのアクチュエータが同時にフィードバック制御されることはない。このため、二つのフィードバック制御が干渉して制御性が悪化することがなく、安定したＥＧＲ制御を行うことができる。

［実施の形態１における具体的処理］
図３は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図３に示すルーチンによれば、まず、現在のディーゼル機関１０の運転領域が小ターボ領域であるか大ターボ領域であるかが判別される（ステップ１００）。ＥＣＵ５０には、比較的低回転低負荷側の小ターボ領域と、その小ターボ領域より機関回転数および機関負荷の高い大ターボ領域とを定めたマップが記憶されている。ステップ１００においては、クランク角センサ４９やアクセルポジションセンサ４６等の検出信号に基づいて算出される機関回転数および機関負荷が読み込まれ、上記マップを参照することにより小ターボ領域であるか大ターボ領域であるかが判定される。

上記ステップ１００で、小ターボ領域であると判別された場合には、小タービンバイパス通路２０の開閉弁２２が閉状態とされる（ステップ１０２）。これにより、ディーゼル機関１０は、小ターボ使用状態となる。この小ターボ使用状態においては、ＥＧＲ弁４２がオープンループ制御される（ステップ１０４）。ＥＣＵ５０には、機関回転数および機関負荷と、予め適合されたＥＧＲ弁開度との関係を定めたＥＧＲ弁開度マップが記憶されている。このＥＧＲ弁開度マップにおけるＥＧＲ弁開度は、目標過給圧が実現されている状態において、筒内の新気量とＥＧＲガス量とをそれぞれの目標値に一致させることができるように適合されている。ステップ１０４では、上記ＥＧＲ弁開度マップを参照することにより現在の機関回転数および機関負荷におけるＥＧＲ弁開度の適合値が算出され、その適合値に一致するようにＥＧＲ弁４２が制御される。

また、小ターボ使用状態においては、可変ノズル１６ｃの開度がフィードバック制御される（ステップ１０６）。ＥＣＵ５０には、機関回転数および機関負荷と、目標過給圧との関係を定めた過給圧マップが記憶されている。ステップ１０６では、その過給圧マップを参照することにより現在の機関回転数および機関負荷における目標過給圧が算出される。そして、その目標過給圧と、過給圧センサ４４により検出される実過給圧との偏差を可変ノズル１６ｃの開度にフィードバックすることにより、実過給圧が目標過給圧に一致するように制御される。

このような小ターボ使用状態におけるＥＧＲ制御によれば、何らかの原因によって過給圧が不足した場合であっても、可変ノズル１６ｃの開度が補正されることにより、過給圧不足を迅速に解消し、実過給圧を目標過給圧に一致させることができる。ＥＧＲ弁４２の開度が上記マップにより算出される適合値に制御されている状態で、目標過給圧が実現されれば、筒内の新気量とＥＧＲガス量とはそれぞれの目標値に一致する。このため、本実施形態によれば、筒内に十分な新気量およびＥＧＲガス量を確実に確保することができる。よって、スモークの排出を抑制しつつ、ＮＯｘ排出量を目標レベルにまで確実に低減させることができる。

一方、上記ステップ１００で、大ターボ領域であると判別された場合には、小タービンバイパス通路２０の開閉弁２２が開状態とされる（ステップ１０８）。これにより、ディーゼル機関１０は、大ターボ使用状態となる。この大ターボ使用状態においては、ＥＧＲ弁４２がフィードバック制御される（ステップ１１０）。ＥＣＵ５０には、機関回転数および機関負荷と、目標新気量（目標吸入空気量）との関係を定めた新気量マップが記憶されている。ステップ１１０では、その新気量マップを参照することにより現在の機関回転数および機関負荷における目標新気量が算出される。そして、その目標新気量と、エアフローメータ４３により検出される実新気量との偏差をＥＧＲ弁４２の開度にフィードバックすることにより、実新気量が目標新気量に一致するように制御される。

また、大ターボ使用状態においては、可変ノズル１６ｃの開度がオープンループ制御される（ステップ１１２）。ＥＣＵ５０には、機関回転数および機関負荷と、予め適合された可変ノズル開度との関係を定めた可変ノズル開度マップが記憶されている。ステップ１１２では、上記可変ノズル開度マップを参照することにより現在の機関回転数および機関負荷における可変ノズル開度の適合値が算出され、その適合値に一致するように可変ノズル１６ｃが制御される。

大ターボ使用状態においては、可変ノズル１６ｃによって過給圧（筒内ガス量）をフィードバック制御すると応答性が低下する。これに対し、図３に示すルーチンによれば、大ターボ使用状態においては、応答性の良いＥＧＲ弁４２をフィードバック制御するので、ＥＧＲ制御を高精度且つ安定して実行することができる。

なお、本実施形態では、小ターボ使用状態において、過給圧が目標値に一致するように可変ノズル１６ｃをフィードバック制御しているが（上記ステップ１０６）、本発明では、新気量（吸入空気量）が目標値に一致するように可変ノズル１６ｃをフィードバック制御してもよい。ＥＧＲ弁４２の開度が上記マップにより算出される適合値に制御されている状態で、新気量が目標値に一致すれば、過給圧（筒内ガス量）およびＥＧＲガス量もそれぞれの目標値に一致する。このため、新気量が目標値に一致するように可変ノズル１６ｃをフィードバック制御した場合であっても、上記と同様の効果が得られる。

（吸気弁遅閉じによる実圧縮比減制御）
前述したように、本実施形態のディーゼル機関１０は、吸気可変動弁装置５４により、吸気弁５２の閉じ時期（以下「吸気弁閉じ時期」と称する）を変化させることができる。ところで、実質的な圧縮行程は、吸気弁５２が閉じた位置から上死点までの間である。このため、吸気弁閉じ時期を変化させると、実質的な圧縮比ε（以下「実圧縮比」と称する）を変化させることができる。

実圧縮比を小さくすると、燃焼温度が低くなるので、ＮＯｘやスモークの排出量を更に低減することができる。ただし、実圧縮比を小さくするほど、圧縮端温度が低くなるので、筒内に噴射された燃料が着火しにくくなる傾向がある。

これに対し、ディーゼル機関１０では、小ターボチャージャ１６を設けたことにより、機関回転数および機関負荷が比較的低い領域においても、高い過給圧が得られ、大量のＥＧＲが可能となる。過給圧が高いほど、燃料は着火し易くなる。また、ＥＧＲガス量が多いほど、吸気マニホールド３８内の吸気ガスの温度（以下「吸気マニホールド温度」と称する）が高くなるので、燃料は着火し易くなる。このようなことから、本実施形態のディーゼル機関１０では、通常のエンジンと比べて、燃料が着火し易いので、実圧縮比を小さくすることが可能である。そこで、本実施形態では、実圧縮比が通常のエンジンよりも小さくなるように、吸気可変動弁装置５４を制御することとしている。これにより、燃焼温度を更に低くすることができるので、ＮＯｘやスモークの排出量を更に低減することができる。

ただし、実圧縮比を小さくすると、ロバスト性を確保することが困難となり易い。すなわち、過給圧や吸気マニホールド温度が何らかの原因によって目標値を下回る状況が生じた場合に、失火が生じたり、ＨＣ排出量が増加したりするおそれがある。そこで、本実施形態では、吸気マニホールド温度や過給圧に応じて、吸気弁閉じ時期を補正することとした。図４は、本実施形態の実圧縮比減制御を実行する場合における、吸気マニホールド温度あるいは過給圧と、吸気弁閉じ時期との関係を示す図である。この図に示すように、本実施形態では、吸気マニホールド温度や過給圧が目標値を下回っている場合には、吸気弁閉じ時期を早くする方向（下死点に近い方向）に補正することとした。これにより、吸気マニホールド温度や過給圧が目標値を下回っている場合には、実圧縮比を大きくすることができ、圧縮端温度をアップすることができる。よって、ロバスト性が高まり、失火が生じたりＨＣ排出量が増大したりすることを確実に回避することができる。

図５は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図５に示すルーチンによれば、まず、現在の機関回転数および機関負荷に基づいて、目標の吸気弁閉じ時期（または実圧縮比）が算出される（ステップ１２０）。ＥＣＵ５０には、機関回転数および機関負荷と、目標吸気弁閉じ時期（または目標実圧縮比）との関係を定めたマップが記憶されている。このマップにおいて、目標吸気弁閉じ時期は、比較的遅い時期（通常のエンジンより遅い時期）に設定されている。上記ステップ１２０では、そのマップを参照することにより、目標吸気弁閉じ時期が算出される。

次いで、目標過給圧および目標吸気マニホールド温度が算出される（ステップ１２２）。ＥＣＵ５０には、機関回転数および機関負荷と、目標過給圧および目標吸気マニホールド温度との関係を定めたマップが記憶されている。このステップ１２２では、そのマップを参照することにより、目標過給圧および目標吸気マニホールド温度が算出される。

続いて、吸気温センサ４５で検出される実吸気マニホールド温度が、上記ステップ１２２で算出された目標吸気マニホールド温度以上であるか否かが判別される（ステップ１２４）。このステップ１２４で、実吸気マニホールド温度が目標吸気マニホールド温度以上であった場合には、次に、過給圧センサ４４で検出される実過給圧が、上記ステップ１２２で算出された目標過給圧以上であるか否かが判別される（ステップ１２６）。

上記ステップ１２６の判断が肯定される場合は、吸気マニホールド温度および過給圧が共に目標値以上である場合に相当する。この場合には、実圧縮比を低減する制御を実行しても、燃料の着火が十分に確保されると判断できる。そこで、この場合には、実吸気弁閉じ時期が上記ステップ１２０で算出された目標値に一致するように、吸気可変動弁装置５４が制御される（ステップ１２８）。これにより、目標実圧縮比が実現でき、実圧縮比が低減されるので、燃焼温度を低くすることができる。その結果、ＮＯｘやスモークの排出量を更に少なくすることができる。

これに対し、上記ステップ１２６で実過給圧が目標過給圧より低いと判別された場合には、上記ステップ１２０で算出された目標吸気弁閉じ時期が早閉じ側（下死点に近い側）に補正され、その補正後の目標吸気弁閉じ時期trg2に実吸気弁閉じ時期が一致するように、吸気可変動弁装置５４が制御される（ステップ１３０）。これにより、実圧縮比を目標実圧縮比と比べて大きくする方向に補正することができる。その結果、過給圧が目標値に達しない分の着火性の低下を相殺することができる。よって、失火やＨＣの排出を確実に抑制することができる。

一方、上記ステップ１２４で、実吸気マニホールド温度が目標吸気マニホールド温度より低いと判別された場合には、次に、実過給圧が目標過給圧以上であるか否かが判別される（ステップ１３２）。このステップ１３２の判断が肯定される場合は、過給圧は目標値以上であるが、吸気マニホールド温度が目標値に達しない場合に相当する。この場合には、上記ステップ１２０で算出された目標吸気弁閉じ時期が早閉じ側に補正され、その補正後の目標吸気弁閉じ時期trg3に実吸気弁閉じ時期が一致するように、吸気可変動弁装置５４が制御される（ステップ１３４）。

ところで、失火の生じ易さに対する影響については、過給圧よりも吸気温度（吸気マニホールド温度）の方が感度が高い。すなわち、過給圧が目標値に達していない場合よりも、吸気マニホールド温度が目標値に達していない場合の方が、失火し易い。このため、上記ステップ１３４で算出される目標吸気弁閉じ時期trg3は、上記ステップ１２８で算出される吸気弁閉じ時期trg2よりも、早閉じ側とされる。これにより、実圧縮比を上記ステップ１２８よりも更に大きくすることができる。その結果、吸気マニホールド温度が目標値に達しない分の着火性の低下を相殺することができる。よって、失火やＨＣの排出を確実に抑制することができる。

また、上記ステップ１３２で、実過給圧が目標過給圧より低いと判別された場合は、過給圧と吸気マニホールド温度とが共に目標値を下回っている場合に相当する。この場合は、上記ステップ１３４の場合よりも失火し易い。そこで、この場合には、上記ステップ１３４で算出された目標吸気弁閉じ時期trg3よりも更に早閉じ側になるように目標吸気弁閉じ時期が補正され、その補正後の目標吸気弁閉じ時期trg4に実吸気弁閉じ時期が一致するように、吸気可変動弁装置５４が制御される（ステップ１３６）。この場合には、続いて、上記ステップ１３６で算出された目標吸気弁閉じ時期trg4を実現することによって失火を回避できるか否かが判別される（ステップ１３８）。

吸気弁閉じ時期の補正による実圧縮比のアップには限界がある。すなわち、吸気弁閉じ時期を下死点とする状態以上に実圧縮比をアップさせることはできない。このため、吸気マニホールド温度や過給圧が極めて低い場合には、上記ステップ１３６で算出された目標吸気弁閉じ時期trg4を実現しても失火が回避できない場合もあり得る。そこで、上記ステップ１３８で、目標吸気弁閉じ時期trg4を実現しても失火が回避できない可能性があると判断された場合には、燃料インジェクタ４７からの燃料噴射タイミングを進角方向に補正する処理が実行される（ステップ１４０）。これにより、失火余裕が確保され、失火を確実に防止することができる。

一方、上記ステップ１３８で、目標吸気弁閉じ時期trg4を実現すれば失火を回避できると判断された場合には、燃料噴射タイミングの進角を行うことなく、本ルーチンの処理が終了される。

上述した実施の形態１においては、過給圧センサ４４が前記第１の発明における「過給圧検出手段」に、エアフローメータ４３が前記第１の発明における「吸入空気量検出手段」に、吸気可変動弁装置５４が前記第２の発明における「実圧縮比可変手段」に、吸気温センサ４５が前記第２の発明における「吸気温検出手段」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１００，１０２および１０８の処理を実行することにより前記第１の発明における「ターボ切替手段」が、上記ステップ１０４および１０６の処理を実行することにより前記第１の発明における「第１のＥＧＲ制御手段」が、上記ステップ１１０，１１２の処理を実行することにより前記第１の発明における「第２のＥＧＲ制御手段」が、図５に示すルーチンの処理を実行することにより前記第２の発明における「実圧縮比補正手段」が、それぞれ実現されている。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態１のシステムにおけるディーゼル機関の一つの気筒の断面を示す図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態１における、吸気マニホールド温度あるいは過給圧と、吸気弁閉じ時期との関係を示す図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 筒内ガス量およびＮＯｘ排出量を示すグラフである。

符号の説明

１０ ディーゼル機関
１２ 排気マニホールド
１４，１７，２６ 排気通路
１６ 小ターボチャージャ
１６ａ タービン
１６ｂ コンプレッサ
１６ｃ 可変ノズル
１８ 大ターボチャージャ
１８ａ タービン
１８ｂ コンプレッサ
２０ 小タービンバイパス通路
２２ 開閉弁
２４ アクチュエータ
３２ 吸気通路
３４ エアクリーナ
３６ インタークーラ
３８ 吸気マニホールド
４０ ＥＧＲ通路
４１ ＥＧＲクーラ
４２ ＥＧＲ弁
４３ エアフローメータ
４４ 過給圧センサ
４５ 吸気温センサ
５０ ＥＣＵ
５２ 吸気弁
５４ 吸気可変動弁装置
５６ 排気弁
５８ 排気可変動弁装置

Claims (3)

1. 小ターボチャージャと、前記小ターボチャージャより大容量の大ターボチャージャとを有する内燃機関と、
   前記小ターボチャージャを主として使用する小ターボ使用状態と、前記大ターボチャージャを併用または単独で使用する大ターボ使用状態とを、運転領域に応じて切り替えるターボ切替手段と、
   前記小ターボチャージャのタービンの入口面積を可変とする可変ノズルと、
   前記内燃機関の排気ガスの一部を吸気通路に還流させるＥＧＲ通路と、
   前記ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ弁と、
   過給圧を検出する過給圧検出手段と、
   吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
   前記小ターボ使用状態では、前記ＥＧＲ弁をオープンループ制御するとともに、前記検出される過給圧または吸入空気量が目標値に一致するように前記可変ノズルをフィードバック制御する第１のＥＧＲ制御手段と、
   前記大ターボ使用状態では、前記可変ノズルのフィードバック制御を停止するとともに、前記検出される吸入空気量が目標値に一致するように前記ＥＧＲ弁をフィードバック制御する第２のＥＧＲ制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記内燃機関の吸気弁の閉じ時期を変化させることにより実圧縮比を可変とする実圧縮比可変手段と、
   吸気温度を検出する吸気温検出手段と、
   前記検出される吸気温度および／または過給圧に応じて、実圧縮比を補正する実圧縮比補正手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記小ターボチャージャのタービンをバイパスして排気ガスを通す小タービンバイパス通路と、
   前記小タービンバイパス通路を開閉する小タービンバイパス通路開閉弁と、
   を備え、
   前記小ターボ使用状態では、前記小タービンバイパス通路開閉弁を閉じ、前記大ターボ使用状態では、前記小タービンバイパス通路開閉弁を開くことを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の制御装置。

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