JP2011220305A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＧＲ弁を設置することなく、ＥＧＲ量の制御を可能とする。
【解決手段】内燃機関の複数の気筒のうち、第１気筒群に属する気筒は、排気ガスがＥＧＲ通路を介して内燃機関の吸気通路に環流するように構成し、一方、第２気筒群に属する気筒は、排気ガスが、吸気通路に環流されずに外部に排出されるように構成する。また、第１気筒群に属する少なくとも１の気筒と、第２気筒群に属する少なくとも１の気筒とは、それぞれ独立に、休止させることができるものとする。制御装置は、気筒休止手段によって休止させる気筒を、第１気筒群に属する気筒とするか、第２気筒群に属する気筒とするかによって、ＥＧＲ率を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、詳しくは、ＥＧＲ機構を備えた内燃機関の制御装置に関する。

特許文献１には、ターボ過給機とＥＧＲ装置とを備えた内燃機関の制御に関する発明が開示されている。特許文献１に記載の発明においては、複数の気筒のうち１気筒の排気通路のみがＥＧＲ通路によって直接吸気通路に接続され、かつ、このＥＧＲ通路にはＥＧＲ弁等の弁が設けられていない構成とされている。特許文献１に記載の発明はＥＧＲの大量化を図ることを課題として発明されたものである。

特開２００３−５０６６１９号公報 特許第４１３５４６５号

上記の特許文献１に記載の発明では、１の気筒の排気通路が直接吸気通路に接続され、ＥＧＲ弁は備えられていない。このため特許文献１の発明においては全運転領域に渡り、その１の気筒の排気ガス全量がＥＧＲとして供給されることとなる。このため、特許文献１の発明では細かなＥＧＲ量を制御することができず、ＥＧＲ量の過不足が生じる運転領域が生じることが考えられる。ＥＧＲ量の過不足は、排気エミッションの低下や燃料消費量増大といった事態を引き起し得るものであり、好ましいものではない。

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、ＥＧＲ弁を設置することなく、ＥＧＲ量の制御を可能とする改良された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、
排気ガスがＥＧＲ通路を介して内燃機関の吸気通路に環流するように構成された少なくとも１の気筒を含む第１気筒群と、
排気ガスが、吸気通路に環流されずに外部に排出されるように構成された少なくとも１の気筒を含む第２気筒群と、を有する内燃機関の制御装置であって、
前記第１気筒群に属する少なくとも１の気筒と、前記第２気筒群に属する少なくとも１の気筒とを、それぞれ独立に、休止させる気筒休止手段と、
前記気筒休止手段によって休止させる気筒を、前記第１気筒群に属する気筒とするか、前記第２気筒群に属する気筒とするかによって、ＥＧＲ率を制御するＥＧＲ率制御手段と、
を備える。

第２の発明において、前記ＥＧＲ率制御手段は、次式（１）に従って算出されるＥＧＲ率が、要求されるＥＧＲ率を満たすように、休止させる気筒を決定するものである。
ＥＧＲ率＝稼動中の第１気筒群の気筒の数／稼動中の全気筒数 ・・・（１）

第１の発明によれば、休止させる気筒を、排気ガスがＥＧＲ通路を介して内燃機関の吸気通路にＥＧＲガスとして環流される第１気筒群から選択するか、あるいは、排気ガスが環流されない第２気筒群から選択するかにより、稼動中の気筒からの全排気に対して環流され気筒に戻されるＥＧＲガスの割合（ＥＧＲ率）を変化させることができる。従って、ＥＧＲ通路にＥＧＲ弁が設置されていない場合であっても、内燃機関の運転領域に応じて、適したＥＧＲ量に制御することができ、ＥＧＲ量の過不足が生じるのを抑えることができる。

この発明において、第１気筒群の気筒の排気ガスは全量、ＥＧＲ通路を介してＥＧＲガスとして環流され、一方、第２気筒群の排気ガスは環流されない構成となっている。従って、ＥＧＲ率は、稼動中の第１気筒群の気筒数と、稼動中の全気筒数に応じて決定することができる。この点、第２の発明によれば、式（１）に従って算出されるＥＧＲ率が、要求されるＥＧＲ率を満たすように、休止させる気筒を選択することで、ＥＧＲ率を制御することができる。

本発明の実施の形態の制御装置が適用される内燃機関のシステム構成を示す図である。 本発明の実施の形態にかかるＥＧＲ率の制御について説明するための図である。 本発明の実施の形態にかかるＥＧＲ率の制御の手順について説明するためのタイミングチャートである。 本発明の実施の形態にかかるＥＧＲ率の制御の手順について説明するためのタイミングチャートである。 本発明の実施の形態にかかる運転領域に応じたＥＧＲ制御領域について説明するためのグラフである。 本発明の実施の形態にかかる運転領域に応じたＥＧＲ制御領域について説明するためのグラフである。

以下、本発明の実施の形態について図１乃至図６の各図を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態の制御装置が適用される内燃機関のシステム構成を示す図である。本実施の形態にかかる内燃機関２は、♯１〜♯８の８気筒を有する火花点火式の４ストローク機関である。この内燃機関２における気筒の点火順序は、♯１→♯８→♯４→♯３→♯６→♯５→♯７→♯２に設定されている。

内燃機関２の各気筒の吸気弁及び排気弁には、それぞれの弁の開弁特性（開閉時期や閉弁時期）等を変更する可変動弁機構４が設置されている。この可変動弁機構４により、各気筒の吸気弁（又は排気弁）を、別個に停止・復帰（稼動）させことができる。可変動弁機構４の構成や動作は、例えば特許第４１３５４６５号等に開示されているものなど種々に知られており、ここでの詳細な説明は省略するものとする。

本実施の形態において、内燃機関２の♯１、♯３、♯５気筒の排気ポートは排気管１０ａに接続されている。また♯２、♯４、♯６気筒の排気ポートは、排気管１０ｂに接続されている。排気管１０ａ、１０ｂそれぞれは、排気ガスのエネルギを利用して新気を圧縮するターボ過給機１２ａ、１２ｂの排気タービンに接続されている。♯１〜♯６気筒（第２気筒群）から排出される排気ガスは、排気タービンに導かれた後、触媒１４ａ、１４ｂのいずれかを通過して大気に放出される。

一方、♯７気筒の排気ポートにはＥＧＲ通路１６ａの一端が接続され、♯８気筒の排気ポートにはＥＧＲ通路１６ｂ一端が接続されている。ＥＧＲ通路１６ａ、１６ｂの他端は共に内燃機関２のサージタンク１８に接続されている。これにより♯７気筒及び♯８気筒から排出される排気ガスは、全量、内燃機関２の吸気系にＥＧＲガスとして環流される構成となっている。なお、この実施の形態において排気ガスがＥＧＲガスとして環流される気筒（第１気筒群）を、便宜的に「ＥＧＲ気筒」と称するものとする。

本実施の形態にかかる内燃機関２の制御系には、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２０が備えられる。ＥＣＵ２０は、内燃機関２のシステム全体を総合制御する制御装置である。ＥＣＵ２０の出力側には、各種アクチュエータが接続され、ＥＣＵ２０の入力側には、過給圧センサ、排気圧センサ、排気温度センサ、ノックセンサ等のセンサが接続されている。ＥＣＵ２０は、各センサからの信号を受けて所定の制御プログラムにしたがって各アクチュエータを操作する。なお、ＥＣＵ２０に接続されるアクチュエータやセンサは多数存在するが、本明細書においてはその説明は省略する。

ＥＣＵ２０によって実施される各種制御には、基本的な制御として、複数の気筒のうち１又は２以上の気筒を休止させる制御が含まれる。なお、ここで気筒の「休止」とは、休止させる気筒の吸・排気弁の少なくとも一方を閉弁状態で停止させ、かつ、その気筒への燃料噴射を停止させることを意味するものとする。また、この実施の形態において、少なくとも１の気筒を休止させ、残りの気筒を燃焼させている状態を「減筒運転」と称するものとし、ここで休止させている気筒を「減筒気筒」、稼動している気筒を「稼動気筒」、休止させている気筒の数を「減筒数」と称するものとする。

この実施の形態において減筒運転は、ＥＣＵ２０が可変動弁機構４に必要な制御信号を発し、減筒気筒の吸気弁及び/又は排気弁の弁を閉弁状態で停止させ、かつ燃料噴射をしないことで実行される。

この実施の形態において、ＥＣＵ２０により実施される各種の制御には、更に、ＥＧＲ率の制御が含まれる。ここでＥＧＲ率は、内燃機関２の排気ガス全体に対して、気筒に戻されるＥＧＲガスの割合とする。この実施の形態においては、ＥＧＲ通路１６ａ、１６ｂには、ＥＧＲ流量を制御するＥＧＲ弁が設置されておらず、内燃機関２の♯７、♯８気筒の排気ガス全量が、常にＥＧＲとしてサージタンク１８に供給されることになる。このため、本実施の形態において制御装置としてのＥＣＵ２０は、減筒運転を以下に説明するように制御することで、ＥＧＲ率を制御する。

上記したように、この内燃機関２においては、♯７、♯８気筒の排気ガスがＥＧＲとして環流され、♯１〜♯６気筒の排気ガスは最終的に大気に排出される。従って、稼動中のＥＧＲ気筒からの排気ガスは全量がＥＧＲガスとして、内燃機関２の吸気系に環流され稼動中の気筒に供給されることとなる。従って、減筒運転における減筒数と、このとき休止させる減筒気筒との組み合わせを変化させることで、ＥＧＲ率を変化させることができる。具体的に、ＥＧＲ率は、次式（２）によって算出することができる。
ＥＧＲ率＝（稼動中のＥＧＲ気筒の数／全稼動気筒数）×100[%] ・・・（２）

図２は、この発明の実施の形態にかかるＥＧＲ率制御について説明するための図である。図２を用いて、より具体的に減筒数及び減筒気筒と、ＥＧＲ率との関係について説明する。

[減筒数０の場合]
減筒数が０である場合、稼動気筒の数は８であり、稼動中のＥＧＲ気筒の数は♯７、♯８気筒の２気筒である。従って、ＥＧＲ率[%]は常に２５[%]となる。

[減筒数１の場合]
減筒数１の状態では、稼動気筒数は７である。
ＥＧＲ気筒のいずれか一方が減筒気筒とされると、稼動気筒の数は７気筒であり、この７気筒のうち、稼動中のＥＧＲ気筒は１気筒となる。従って、ＥＧＲ率[%]は約１４[%]（＝１/７）となる。
♯１〜♯６にいずれかの気筒が減筒気筒とされると、稼動気筒数７のうち、稼動中のＥＧＲ気筒は２気筒となる。従って、ＥＧＲ率[%]は、約２８[%]（＝２/７）となる。

[減筒数２の場合]
減筒数２の状態では、稼動気筒数は６である。
２つのＥＧＲ気筒が共に減筒気筒とされると、排気ガスの環流はなくＥＧＲ率は０[%]となる。
ＥＧＲ気筒のいずれか一方の気筒と、♯１〜♯６のいずれか１の気筒とがそれぞれ減筒気筒となると、稼動気筒数６のうち、稼動中のＥＧＲ気筒は１気筒となる。従って、このときＥＧＲ率[%]は約１７[%]（＝１/６）となる。
♯１〜♯６のいずれか２気筒が減筒気筒とされると、２つのＥＧＲ気筒はいずれも稼動中となる。従って、このとき、ＥＧＲ率[%]は約３３[%]（＝２/６）となる。

[減筒数４の場合]
減筒数４の状態では、全稼動気筒数は４である。
例えば、４気筒のうち、ＥＧＲ気筒のいずれか一方と、♯１〜♯６気筒のうちいずれか３気筒が減筒気筒とされた場合、稼動気筒４気筒のうち、稼動中のＥＧＲ気筒は１つとなる。従って、このときＥＧＲ率は２５[%]（＝１/４）となる。

図３及び図４は、本実施の形態におけるＥＧＲ率の制御の手順について説明するためのタイミングチャートである。図３のタイミングチャートは、減筒数を０から２まで増加させる場合の例を示している。具体的に、図３のタイミングチャートでは、減筒数０、ＥＧＲ率２５[%]の運転状態から、時刻ｔ１において減筒数１、減筒気筒を♯８とすることで、ＥＧＲ率を約１４[%]に減少させている。同時に、減筒によるトルク減少分、及びＥＧＲ率変更によるトルク補正を行なうため、スロットル開度を開き負荷を増加して等トルクとしている。

次に、時刻ｔ２において減筒数２、減筒気筒を♯８気筒及び♯５気筒とすることで、ＥＧＲ率を約１７[%]に変更している。同様に、減筒によるトルク減少分、及びＥＧＲ率変更によるトルク補正を行うため、スロットル開度を開き負荷を増加して等トルクとしている。

図４のタイミングチャートは、減筒数が１のまま、ＥＧＲ率を変更させる例である。まず、減筒気筒が♯８の状態ではＥＧＲ率約１４[%]となっている。この状態から、時刻ｔ３において、減筒数１のまま減筒気筒を♯３に変更することで、ＥＧＲ気筒の２気筒を稼動状態としている。これによりＥＧＲ率を約２８[%]に増加させることができる。同時にトルク減少分、スロットル開度を開き負荷を増加して等トルクとしている。

時刻ｔ４において、再び、減筒気筒を♯８に戻すことで、ＥＧＲ率は約１４[%]に減少させている。同時に、トルク増加分、スロットル開度を小さくし負荷を減少させて等トルクとしている。

以上のように、この実施の形態において制御装置としてのＥＣＵ２０は、減筒数と減筒気筒との組み合わせを制御することでＥＧＲ率をある程度の幅で変更し、制御することが可能となる。

図５及び図６は、この発明の実施の形態における制御領域について説明するためのグラフである。図５及び図６において、横軸は機関回転数、縦軸はトルクを表している。図５及び図６に示されるような関係に基づき、減筒運転とＥＧＲ率は、機関回転数とトルクとの関係によって決定される。

具体的に、図５は、減筒数１の場合の例を示している。図５に示されるように、１気筒減筒すると、出力可能なトルクは、全気筒を稼動させている場合に比べて低下する。減筒数１で減筒運転される運転領域は、要求トルク及び機関回転数等との関係において設定されＥＣＵ２０に予め記憶される。

減筒数１での減筒運転が行なわれる運転領域では、図５に示されるように、燃焼が安定する中負荷域において高ＥＧＲ（約２８[%]）とされ、減筒気筒は、ＥＧＲ気筒以外の気筒（♯１〜♯６）とされる。それ以外の領域では、ＥＧＲ気筒♯７又は♯８が減筒気筒とされ、ＥＧＲ率は約１４[%]とされる。

図６は、減筒数２の場合の例を示している。２気筒減筒することで、出力可能なトルクは、減筒数１の場合よりも更に低くなる。減筒数２で減筒運転される運転領域は、要求トルク及び機関回転数等との関係で設定され、ＥＣＵ２０に記憶される。

減筒数２での減筒運転が行なわれる運転領域では、図６に示されるように、燃焼が安定する中負荷領域において、ＥＧＲ率を高ＥＧＲ率（約３３[%]）とされ、減筒気筒は、ＥＧＲ気筒以外の気筒（♯１〜♯６）とされる。それ以外の領域でＥＧＲ率は、約１７％とされ、減筒気筒は、一方のＥＧＲ気筒（♯７又は♯８）及び、ＥＧＲ気筒以外の気筒（♯１〜♯６）のいずれか１気筒とされる。更に、失火などが懸念される燃焼不安定な領域ではＥＧＲ率は０[%]とされ、ＥＧＲ気筒（♯７及び♯８）の２気筒が減筒気筒とされる。

このように、減筒数ごとに、機関回転数とトルクと、それに応じて要求されるＥＧＲ率を実現するための減筒気筒との関係が、予め実験等において求められ、ＥＣＵ２０に記憶される。内燃機関２の運転に際しては、ＥＣＵ２０に記憶された関係に基づいて、機関回転数や要求トルク等に応じて減筒数及びその際の減筒気筒が決定される。

以上説明したように、この発明の実施の形態においては、内燃機関２の８気筒うち２気筒の排気ガスをＥＧＲガスとして環流させる構成により、減筒数と減筒気筒とを制御することで、ＥＧＲ通路１６ａ、１６ｂに特にＥＧＲ弁を設置することなく、ＥＧＲ率を制御することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施することもできる。

変形例１．
ＥＧＲとして導入される排気ガスは、ＥＧＲ通路１６ａ、１６ｂを通過しサージタンク１８に到達する。従って、減筒気筒の変更後、ＥＧＲ通路１６ａ、１６ｂの容量やサージタンク１８の容量分、ＥＧＲ率の変化に遅れが生じる場合がある。このようなＥＧＲ過渡期においては、上記式（２）だけでＥＧＲ率を正確に推定することができない。また、トルク変動や新気空気量の変更などの運転条件の変更の過渡時にも同様にＥＧＲ率が変化し正確な把握が難しい。

このような過渡時には、各気筒のＫＣＳ遅角量（即ち、ノック発生度合い）により、各気筒ごとにＥＧＲ率を補正する。また、遅角制御時は、推定ＥＧＲ率を更に減少させる。ＥＧＲガスを等分配できない場合があるため、この補正は気筒ごとに行なうことが好ましい。

変形例２．
上記実施の形態においては、気筒数が８気筒である場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、例えば４気筒など、他の気筒数の内燃機関にも適用することができる。この場合にも、複数の気筒のうちいずれか１以上の気筒の排気ポートをＥＧＲ通路に連通させてＥＧＲガスとして環流させるとともに、他の気筒の排気ガスは吸気系に環流させずに排出するように構成する。ここで、ＥＧＲ率は内燃機関の気筒数が異なる場合であっても、式（１）に従って算出することができる。従って、気筒数が異なる場合でも、減筒数と減筒気筒を制御することで、ＥＧＲ率を変化させることにより、ＥＧＲ率の制御を行なうことができる。

なお、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、この実施の形態において説明する構造や方法等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

２ 内燃機関
４ 可変動弁機構
１０ａ、１０ｂ 排気管
１２ａ、１２ｂ ターボ過給機
１４ａ、１４ｂ 触媒
１６ａ、１６ｂ ＥＧＲ通路
１８ サージタンク

Claims (2)

1. 排気ガスがＥＧＲ通路を介して内燃機関の吸気通路に環流するように構成された少なくとも１の気筒を含む第１気筒群と、
   排気ガスが、吸気通路に環流されずに外部に排出されるように構成された少なくとも１の気筒を含む第２気筒群と、を有する内燃機関の制御装置であって、
   前記第１気筒群に属する少なくとも１の気筒と、前記第２気筒群に属する少なくとも１の気筒とを、それぞれ独立に、休止させる気筒休止手段と、
   前記気筒休止手段によって休止させる気筒を、前記第１気筒群に属する気筒とするか、前記第２気筒群に属する気筒とするかによって、ＥＧＲ率を制御するＥＧＲ率制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記ＥＧＲ率制御手段は、次式（１）に従って算出されるＥＧＲ率が、要求されるＥＧＲ率を満たすように、休止させる気筒を決定するものであ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。
   ＥＧＲ率＝稼動中の第１気筒群の気筒の数／稼動中の全気筒数 ・・・（１）

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