JP2015113806A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】均質リーン燃焼とストイキあるいはリッチでの燃焼とを切り替える場合に、良好な燃焼安定性および燃費抑制を達成することのできる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】内燃機関は、可変動弁機構および点火プラグを備えている。制御装置は、第１負荷域に定めた均質リーン運転領域と第１負荷域よりも高負荷側の第２負荷域に定めたストイキまたはリッチ運転領域である非リーン運転領域との間で、可変動弁機構の制御量および点火プラグの制御量を互いに相違させる。制御装置は、第１負荷域と第２負荷域の間の第３負荷域に定めた運転領域においては空燃比をストイキに制御する。制御装置は、アクセルペダル操作量に対して、可変動弁機構を均質リーン運転領域と同じ制御量で制御し、点火プラグを非リーン運転領域と同じ制御量で制御する。
【選択図】図７

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。
従来、例えば、特開平１１−２８０５０５号公報に開示されているように、リッチ運転とリーン運転とを切り替える際にバルブオーバーラップ量を調整する内燃機関の制御装置が知られている。この公報にかかる内燃機関では、バルブオーバーラップ量における目標値と実際の値との偏差を算出するとともに、ストイキ運転とリーン運転とを切り替えるときに、バルブオーバーラップ量が有する偏差に応じて目標空燃比を連続的に切り替えている。
リーン運転領域とストイキあるいはリッチ運転領域とでは、内燃機関の機器（例えば可変動弁機構および点火プラグ等）の最適な制御量が互いに異なっている。一般的には、制御装置は、運転領域ごとのマップに従って、リーン運転領域とストイキあるいはリッチ運転領域とでそれぞれ定めた制御量を切り替えて内燃機関を制御する。これにより、それぞれの運転領域での制御量を最適化し、良好な燃費を得ることができる。
特開平１１−２８０５０５号公報 特開２００３−３２８８０９号公報
リーン燃焼の形態には、成層リーン燃焼と均質リーン燃焼という２つの種類がある。均質リーン燃焼を行う内燃機関は、成層リーン燃焼を行う内燃機関と比べて、排出されるＮＯｘおよびＰＭの量が少なかったり低コストであるといった利点がある。理想的には、均質リーン燃焼を行う内燃機関でも、リーンからストイキあるいはリーンからリッチへの空燃比切り替えの都度、内燃機関の制御量を変更したい。
内燃機関の制御量を変更した後、吸気量等の調整や燃料噴射の調整が実現されるまでには、応答遅れがある。内燃機関の制御量を切り替えたとしても、この応答遅れに起因してリーン運転領域で実現すべき吸気量等の調整が間に合わない場合がある。このような事態を招くと均質リーン燃焼では燃焼安定性への悪影響が大きいという問題がある。
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、均質リーン運転とストイキあるいはリッチでの運転とを切り替える場合に、良好な燃焼安定性および燃費抑制を達成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、
可変動弁機構および点火プラグを備えた内燃機関を制御する制御装置であって、
前記制御装置は、
第１負荷域に定めた均質リーン運転領域と前記第１負荷域よりも高負荷側の第２負荷域に定めたストイキまたはリッチ運転領域である非リーン運転領域との間で、前記可変動弁機構の制御量および前記点火プラグの制御量を互いに相違させ、
前記第１負荷域と前記第２負荷域の間の第３負荷域に定めた運転領域においては空燃比を前記非リーン運転領域と同じ空燃比に制御し、アクセルペダル操作量に対して、前記可変動弁機構を前記均質リーン運転領域と同じ制御量で制御し、前記点火プラグを前記非リーン運転領域と同じ制御量で制御す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、
前記内燃機関が、ポート噴射弁および筒内噴射弁を備え、
前記制御装置は、
前記均質リーン運転領域と前記非リーン運転領域との間で、前記ポート噴射弁および前記筒内噴射弁の噴き分け比率と前記筒内噴射弁の燃圧の少なくとも一方を互いに相違させ、
前記第３負荷域に定めた前記運転領域においては、アクセルペダル操作量に対して、前記噴き分け比率と前記燃圧の少なくとも一方を、前記均質リーン運転領域の値と等しくす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、
前記内燃機関が、ウェイストゲートバルブを備え、
前記制御装置は、
前記均質リーン運転領域では前記ウェイストゲートバルブを全閉じ又は第１開度に制御し、前記非リーン運転領域では前記ウェイストゲートバルブの開度を前記均質リーン運転領域の制御量よりも大きくし、
前記第３負荷域に定めた前記運転領域においては、前記ウェイストゲートバルブの開度を前記均質リーン運転領域の値と等しくすることを特徴とする。
また、第４の発明は、第１〜３の発明のいずれか１つにおいて、
前記内燃機関が、タンブルコントロールバルブを備え、
前記制御装置は、
前記均質リーン運転領域では前記タンブルコントロールバルブを全閉じ又は第１開度に制御し、前記非リーン運転領域では前記タンブルコントロールバルブの開度を前記均質リーン運転領域の制御量よりも大きくし、
前記第３負荷域に定めた前記運転領域においては、前記タンブルコントロールバルブの開度を前記均質リーン運転領域の値と等しくすることを特徴とする。
第５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、
可変動弁機構および点火プラグを備えた内燃機関を制御する制御装置であって、
前記制御装置は、
第１負荷域に定めた均質リーン運転領域と前記第１負荷域よりも高負荷側の第２負荷域に定めたストイキまたはリッチ運転領域である非リーン運転領域との間で、前記可変動弁機構の制御量および前記点火プラグの制御量を互いに相違させるものであり、
前記均質リーン運転領域における一時的なストイキまたはリッチ運転であるリッチスパイクの実行時には、前記可変動弁機構を前記均質リーン運転領域と同じ制御量で制御し、前記点火プラグを前記非リーン運転領域と同じ制御量で制御することを特徴とする。
また、第６の発明は、第５の発明において、
前記内燃機関が、ポート噴射弁および筒内噴射弁を備え、
前記制御装置は、
前記均質リーン運転領域と前記非リーン運転領域との間で、前記ポート噴射弁および前記筒内噴射弁の噴き分け比率と前記筒内噴射弁の燃圧の少なくとも一方を互いに相違させ、
前記リッチスパイクの実行時には、アクセルペダル操作量に対して、前記噴き分け比率と前記燃圧の少なくとも一方を、前記均質リーン運転領域の値と等しくすることを特徴とする。
また、第７の発明は、第５または第６の発明において、
前記内燃機関が、ウェイストゲートバルブを備え、
前記制御装置は、
前記均質リーン運転領域では前記ウェイストゲートバルブを全閉じ又は第１開度に制御し、前記非リーン運転領域では前記ウェイストゲートバルブの開度を前記均質リーン運転領域の制御量よりも大きくし、
前記リッチスパイクの実行時には、前記ウェイストゲートバルブの開度を前記均質リーン運転領域の値と等しくすることを特徴とする。
また、第８の発明は、第５〜７の発明のいずれか１つにおいて、
前記内燃機関が、タンブルコントロールバルブを備え、
前記制御装置は、
前記均質リーン運転領域では前記タンブルコントロールバルブを全閉じ又は第１開度に制御し、前記非リーン運転領域では前記タンブルコントロールバルブの開度を前記均質リーン運転領域の制御量よりも大きくし、
前記リッチスパイクの実行時には、前記タンブルコントロールバルブの開度を前記均質リーン運転領域の値と等しくすることを特徴とする。
本発明によれば、均質リーン運転とストイキあるいはリッチでの運転とを切り替える場合に、良好な燃焼安定性および燃費抑制を達成することができる。
本発明の実施の形態にかかる内燃機関の制御装置を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる内燃機関の制御装置の制御内容を説明するための図である。 本発明の実施の形態にかかる内燃機関の制御装置の制御内容を説明するための図である。 本発明の実施の形態にかかる内燃機関の制御装置の動作を示す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内燃機関の制御装置の効果を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内燃機関の制御装置の動作を示す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内燃機関の制御装置において実行される制御内容を示すフローチャートである。
図１は、本発明の実施の形態にかかる内燃機関の制御装置５０を、内燃機関１０のシステム構成とともに示す図である。図１に示すように、本発明の実施の形態のシステムは、例えば車両の動力源として搭載される内燃機関１０（以下、単に「エンジン１０」とも称す）を備えている。エンジン１０の各気筒には、ピストン１２と、吸気弁１４と、排気弁１６と、点火プラグ１８と、吸気ポート内に燃料を噴射するポート噴射弁２０と、筒内（燃焼室内）に直接に燃料を噴射する筒内噴射弁２２とが設けられている。筒内噴射弁２２には、燃料タンクに接続した高圧燃料ポンプを介して燃圧が高められた状態で燃料が供給されている。
図示の構成では、エンジン１０には、吸気弁１４の開弁特性を可変とする吸気可変動弁機構２４と、排気弁１６の開弁特性を可変とする排気可変動弁機構２６とが設けられている。これらの可変動弁機構には、バルブタイミング、バルブリフト量、および作用角の少なくとも一つを可変にする公知の動弁機構を適用することができる。
エンジン１０は、ターボ過給機２８を有している。ターボ過給機２８は、吸気圧縮機２８ａと排気タービン２８ｂとを有している。吸気圧縮機２８ａは、吸気通路３０の途中に配置されており、排気タービン２８ｂは、排気通路３２の途中に配置されている。排気通路３２には、三元触媒およびＮＯｘ浄化触媒が設けられている。
吸気圧縮機２８ａより上流側の吸気通路３０には、吸入空気量Gaを検出するエアフローメータ３４が設置されている。吸気圧縮機２８ａの下流側には、吸気圧縮機２８ａで圧縮された吸入空気を冷却するインタークーラ３６が設置されている。インタークーラ３６の下流側には、吸気温度Tmpを検出する吸気温センサ３８が設置されている。吸気温センサ３８の下流側には、吸入空気量を調節するための電子制御式のスロットル弁４０が設置されている。スロットル弁４０の近傍には、スロットル弁４０の開度（以下「スロットル開度」という）を検出するスロットルポジションセンサ４２が設置されている。
吸気通路３０には、タンブルコントロールバルブ１９が設けられている。タンブルコントロールバルブ１９は制御装置５０により開度制御される。タンブルコントロールバルブ１９の制御量をＴＣＶ制御量とも称す。
排気タービン２８ｂの近傍には、排気タービン２８ｂの上流側と下流側とをバイパスするバイパス通路４４が設けられている。バイパス通路４４には、ウェイストゲートバルブ４６が設置されている。ウェイストゲートバルブ４６が開くと、排気ガスの一部は、排気タービン２８ｂを通らずにバイパス通路４４を通って流れる。ウェイストゲートバルブ４６は、アクチュエータ４８により駆動されて、その開度が電子制御される。ウェイストゲートバルブ４６の制御量をＷＧＶ制御量とも称す。
また、本実施形態のシステムには、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５２と、エンジン１０のクランク角度を検出するクランク角センサ５４と、エンジン１０に生ずるノッキングを検知するノックセンサ５６とを有している。
上述した各種のセンサおよびアクチュエータは、制御装置５０に電気的に接続されている。制御装置５０はＥＣＵ(Electronic Control Unit)である。制御装置５０は、各センサからの信号に基づいて、各アクチュエータの作動を制御することにより、エンジン１０を制御する。具体的には、制御装置５０は、先ずアクセルペダルの踏み込み量に応じて要求トルクを算出し、次にこの要求トルクから換算した要求負荷（すなわち要求吸気量）および現在の機関回転数を入力値として後述する領域Ａ用のマップまたは領域Ｃ用のマップを参照し、次に参照したマップに従って制御量をそれぞれ算出する。算出した制御量に従って各アクチュエータが制御される。
図２は、本発明の実施の形態にかかる内燃機関の制御装置の制御内容を説明するための図である。図２には、均質リーン運転領域Ａ（以下、単に「領域Ａ」とも称す）と、ストイキ運転領域Ｃ（以下、単に「領域Ｃ」とも称す）と、これらの間に定めた領域Ｂとが図示されている。
制御装置５０は、領域Ａにおいて使用すべきマップおよび領域Ｃにおいて使用すべきマップを記憶している。これら複数のマップには、吸気可変動弁機構２４と排気可変動弁機構２６の制御量、燃料噴射に関する制御量、ＴＣＶ制御量、ＷＧＶ制御量、および点火時期の制御量がそれぞれ設定されている。制御装置５０は、領域Ａと領域Ｃとでマップを切り替えてエンジン制御を実施する。なお、領域Ａについて定めた固定値と領域Ｃについて定めた固定値との間で制御量を切り替えるのみの場合には、マップではなく領域Ａと領域Ｃで単に２つの制御量を切り替えるのみとしても良い。
図３は、本発明の実施の形態にかかる内燃機関の制御装置の制御内容を説明するための図である。図３は、領域Ａ，Ｂ，Ｃそれぞれにおける、可変動弁機構の制御量、燃料噴射に関する制御量、ＴＣＶ制御量、ＷＧＶ制御量、および点火時期の制御量をどのように設定するかを表している。なお、領域Ｂにおける設定は、後述するように領域Ａにおけるリッチスパイク時にも適用される。
先ず、可変動弁機構の制御量を説明する。図３に示すように、領域Ａと領域ＣにおけるＶＶＴ（Variable Valve Timing）および作用角は異なっており、領域Ｃのバルブオーバーラップ量が領域Ａよりも大きくなるように領域Ａ，Ｃごとにマップが設定されている。これにより領域Ａでは良好な燃焼性確保などの利点がある一方で、領域Ｃでは内部ＥＧＲ量を確保することができる利点がある。
次に燃料噴射に関する制御量、具体的には噴き分け比率および燃圧を説明する。先ず、領域Ａにおける噴き分け量のマップは、領域Ｃと比べて、ポート噴射弁２０の比率を大きくするように設定されている。これにより、均質性を確保することができる。一方、領域Ｃにおける噴き分け量のマップは、領域Ａと比べて、直噴比率すなわち筒内噴射弁２２の比率を大きくするように設定されている。これにより、燃焼速度、充填効率、およびノック改善の点において利益がある。
次に、筒内噴射弁２２の噴射燃料の燃圧に関しては、領域Ａにおける燃圧は領域Ｃよりも低めとするように高圧燃料ポンプの制御量を定めたマップが設定されている。領域Ａにおける燃圧を低くして筒内噴射弁２２の噴射量を少なく抑えることで、上記の噴き分け比率のように領域Ａにおけるポート噴射量を多くすることができる。その一方で、領域Ｃにおける燃圧は領域Ａよりも高くするようにマップが設定されており、領域Ｃにおける燃料噴射では燃料の微粒化が確保される。
ＴＣＶ制御量およびＷＧＶ制御量については、タンブルコントロールバルブ１９およびウェイストゲートバルブ４６において運転条件に応じた開度制御を行う場合には領域Ａと領域Ｃそれぞれのマップを作成してもよい。開度制御を行わず、タンブルコントロールバルブ１９およびウェイストゲートバルブ４６の開度がそれぞれ全閉と全開の二段階のみの場合には、マップの切り替えではなく単なる開度切り替えとしてもよい。
先ず、ＴＣＶ制御量すなわちＴＣＶ開度を説明すると、領域Ａにおいてはタンブルコントロールバルブ１９を閉じ気味とするようにマップが設定され、吸気の乱れが確保される。これに対し、領域Ｃでは領域Ａよりもタンブルコントロールバルブ１９を開くようにマップが設定されることで、流量係数が向上させられる。
次に、ＷＧＶ制御量すなわちＷＧＶ開度を説明すると、領域Ａにおいてはウェイストゲートバルブ４６を閉じることで、吸入空気量を確保する。これに対し、領域Ｃではウェイストゲートバルブ４６を開くことでポンプ損を低減する。
次に、点火プラグ１８の制御量すなわち点火時期を説明する。制御装置５０は、領域ＡのＭＢＴをマップ化した点火時期マップと領域ＣのＭＢＴをマップ化した点火時期マップとを記憶している。ＭＢＴは冷却損失と排気損失のバランスで決まるものであり、リーンではストイキよりも冷却損失が少ない。このような傾向を踏まえて、領域Ａにおいては、筒内圧力最大時期θＰｍａｘ＝１２°ＡＴＤＣとなる点火時期が設定されている。これに対し、領域Ｃにおいては、筒内圧力最大時期θＰｍａｘ＝１５°ＡＴＤＣとなる点火時期が設定されており、領域Ａよりも点火時期をθＰｍａｘ＝３°ＡＴＤＣだけ遅らされている。
次に、領域Ｂにおけるそれぞれの制御量を説明する。領域Ｂでは、ＶＶＴ、作用角、噴き分け量、燃圧、ＴＣＶ制御量、およびＷＧＶ制御量のそれぞれを、領域Ａ用の制御マップを用いて領域Ａと等しい制御量に設定する。これに対し、点火時期については、領域Ｂでは、領域Ｃ用の制御マップを用いて領域Ｃと等しい制御量に設定するものとする。
ＶＶＴおよび作用角、ＴＣＶ制御量、およびＷＧＶ制御量をそれぞれ変更したとしても、狙いの吸気量、吸気乱れ、および過給圧が達成されるまで応答遅れがある。以下、この応答遅れを「吸気応答遅れ」とも称す。領域Ｂにある段階では、運転領域が領域Ａから領域Ｃに移行することが予想される場合であっても、領域Ｃへと到達することなく再び領域Ａに戻る可能性がある。再び領域Ａに戻った場合、短時間で空燃比をリーン→ストイキ→リーンと制御することになる。また、領域Ａにおけるリッチスパイクにおいても、短時間で空燃比をリーン→ストイキ（あるいはリッチ）→リーンと制御する。これらの状況下でリーン用制御量とストイキ用の制御量とを変更したとしても、吸気応答遅れに起因して燃焼安定性の確保が難しくなり、均質リーン燃焼を行うことは困難となる。
また、高圧燃料ポンプの制御から実際に燃圧が調整されるまで時間がかかるので、筒内噴射弁２２の燃圧制御にも応答遅れがある。
そこで、上記列挙した吸気応答遅れを伴う制御量および燃圧制御の制御量については、領域Ｂでの運転時あるいは領域Ａ中のリッチスパイク時は、領域Ａの制御量を用いる。これにより、領域Ｂから領域Ａへと戻ったときやリッチスパイク中においても燃焼安定性を確保することができる。
また、ポート噴射量と直噴量の噴き分け比率を変更する場合、噴き分け比率を頻繁に切り替えることは好ましくない。ポート噴射量と直噴量とでは噴射量の学習値も異なるなどの理由から正確なＡ／Ｆ制御が困難となり、Ａ／Ｆ荒れが生ずるおそれがあるからである。そこで、本実施の形態では、領域Ａに戻る可能性があるので領域Ｂでは噴き分け比率は変更せず、領域Ｃに至った段階で噴き分け比率を変更するものとする。リッチスパイクにおいても噴き分け比率を固定し、噴き分け比率を頻繁に変更することは避けることにする。
一方、点火時期は燃焼サイクルごとに応答遅れなく変更可能である。そこで、ストイキ運転用に点火時期を定めた領域Ｃの制御量を、領域Ｂにおいて使用する。これにより、リーンとストイキとで点火時期をＭＢＴに設定することができ、燃料消費量を抑制することができる。
図４は、本発明の実施の形態にかかる内燃機関の制御装置の動作を示すタイミングチャートである。図４は、均質リーン運転領域Ａとストイキ運転領域Ｃとをまたぐ領域Ｂでの動作を示すタイムチャートである。領域Ａで運転中の要求Ａ／Ｆはリーンである。図４は、領域Ａ→領域Ｂ→領域Ｃに移行する様子と、領域Ｃ→領域Ｂ→領域Ａに移行する様子とを、それぞれ図示している。なお、図４においては実線が実施の形態にかかる制御動作を示しており、破線は比較のために示したものである。
（１）領域Ａ→領域Ｂへの移行時の制御
本実施形態では領域Ａと領域Ｂとの間の切り替え時において、目標Ａ／Ｆをリーン（例えばＡ／Ｆ＝２６）からストイキに不連続的に切り替えることとし、Ａ／Ｆ＝１８などのいわゆる中間Ａ／Ｆは使用しない。吸入空気量は目標Ａ／Ｆに合わせて変更され、スロットル弁４０の開度も領域Ａから領域Ｂに移行した段階で徐々に低減される。
領域Ｂにおける点火時期は、上述したとおり、領域Ｃにおける制御量を使用する。つまり、領域ＡではθＰｍａｘ＝１２°ＡＴＤＣとなるように点火時期を制御していたところを、領域Ｂにおけるストイキ制御開始に応じてθＰｍａｘ＝１５°ＡＴＤＣとなるように点火時期を調整する。
なお、本実施の形態では、点火時期を領域Ａの制御量から領域Ｂの制御量に切り替える際、一旦は点火遅角して徐々に領域Ｂの制御量に変化させることでトルク変動を抑制する。また、本実施の形態では、点火時期を領域Ｂの制御量から領域Ａの制御量に切り替える際は、逆に、徐々に点火遅角してから領域Ａの制御量に切り替えることでトルク変動を抑制する。
ＶＶＴ、噴き分け比率、筒内噴射弁２２の燃圧、ＷＧＶについては、領域Ａおよび領域Ｂにおいては、領域Ａの制御量のままとする。したがって図４に実線で示すように、領域Ａから領域Ｂへの移行中においてそれぞれの制御量に変更は無い。なお、図示しないが、作用角およびＴＣＶ制御量についても、図３に示すとおり切り替えるものとする。なお、図４では比較のため、破線で領域Ｃのマップを用いた場合にＶＶＴ、噴き分け比率、燃圧、およびＷＧＶ制御量が変化する様子も示している。
（２）領域Ｂから領域Ｃへの移行時の制御
領域Ｂから領域Ｃへの移行時には、次のようにする。領域Ｃのスロットル開度は、領域Ｂよりも大きくかつ領域Ａよりは小さい。領域Ｂから領域Ｃへの移行時のスロットル開度増加は不連続的であり、領域Ａから領域Ｂへ移行するとき徐々に開度を低減したのと異なる。
ＶＶＴ、噴き分け比率、燃圧、ＷＧＶについては、領域Ｂから領域Ｃに移行した段階で、図３にそれぞれ示した領域Ｃの制御量に切り替える。具体的には、本実施の形態では、図４に示すように、ＶＶＴについては、吸気側の可変動弁機構の制御量を低減し、排気側の可変動弁機構の制御量を増加させ、バルブオーバーラップ量を増加させる。噴き分け比率についてはポート噴射弁２０の割合を低下させて直噴比率を増加させ、燃圧は増加させる。ＷＧＶ制御量については、ウェイストゲートバルブ４６を開く。
（３）領域Ｃ→領域Ｂの移行時は領域Ｂ→領域Ｃの移行時の制御を逆方向に行えばよく、領域Ｂ→領域Ａの移行時は領域Ａ→領域Ｂの移行時の制御を逆方向に行えばよい。
図５は、本発明の実施の形態にかかる内燃機関の制御装置の効果を説明するためのグラフである。具体的には、図５は、均質リーン運転領域でポート噴射比率を大きくすることの利点を示している。図５（ａ）は、Ａ／Ｆとトルク変動（すなわち燃焼安定性）の関係を示すグラフである。ポート噴射のほうがリーン限界を向上させられるので、均質リーン運転領域Ａでポート噴射比率を大きくすることが好ましい。図５（ｂ）は、Ａ／Ｆと均質性指標ＣＯとの関係を示すグラフであり、図中矢印に示すようにポート噴射のほうが均質性を向上させることができる。図５（ｃ）は、ＮＯｘとトルク変動（燃焼安定性）の関係を示しており、上述した図５（ａ）（ｂ）に示したリーン限界および均質性の向上効果によってポート噴射のほうがＮＯｘを低減させることができる。
図６は、本発明の実施の形態にかかる内燃機関の制御装置の動作を示すタイミングチャートである。図４は、均質リーン運転領域Ａにおいてリッチスパイクを行っている動作を示すタイムチャートを示す。領域Ａで運転中の要求Ａ／Ｆはリーンである。このとき、リッチスパイクにより空燃比は一時的にリッチ側に制御され、運転領域は領域Ｂとなる。
本実施形態では目標Ａ／Ｆをリーン（例えばＡ／Ｆ＝２６）からリッチに不連続的に切り替えることとし、Ａ／Ｆ＝１８などのいわゆる中間Ａ／Ｆは使用しない。吸入空気量は目標Ａ／Ｆに合わせて変更され、スロットル弁４０の開度も領域Ｂでは低減される。
領域Ｂにおける点火時期は、上述したとおり、領域Ｃにおける制御量を使用する。つまり、領域ＡではθＰｍａｘ＝１２°ＡＴＤＣとなるように点火時期を制御していたところを、リッチスパイクの開始に伴う領域Ｂへの切り替えに応じてθＰｍａｘ＝１５°ＡＴＤＣとなるように点火時期を調整する。
なお、本実施の形態では、点火時期を領域Ａの制御量から領域Ｂの制御量に切り替える際、一旦は点火遅角して徐々に領域Ｂの制御量に変化させることでトルクを合わせる。また、本実施の形態では、点火時期を領域Ｂの制御量から領域Ａの制御量に切り替える際は、逆に、徐々に点火遅角してから領域Ａの制御量に切り替えることでトルクを合わせる。
ＶＶＴ、噴き分け比率、燃圧、ＷＧＶについては、領域Ａ→領域Ｂ→領域Ａの切り替えの間、領域Ａの制御量のままとする。したがって図４に示すようにそれぞれの制御量に変更は無い。なお、図示しないが、ＴＣＶ制御量についても、図３に示すとおり切り替えるものとする。
図７は、本発明の実施の形態にかかる内燃機関の制御装置において実行される制御内容を示すフローチャートである。図７のルーチンでは、先ず、制御装置５０は、エンジン水温が所定値以上か否かを判定する処理を実行する（ステップＳ１００）。このステップの条件が不成立である場合には、制御装置５０は、通常ストイキ運転領域Ｃでのエンジン制御を実施する（ステップＳ１１０）。その後、今回のルーチンが終了する。
ステップＳ１００でエンジン水温が所定値以上である場合には、制御装置５０は、次に、運転領域が領域Ｃか否かを判定する処理を実行する（ステップＳ１０２）。ステップＳ１０２の条件が成立している場合には、制御装置５０は、通常ストイキ運転領域Ｃでのエンジン制御を実施する（ステップＳ１１０）。その後、今回のルーチンが終了する。
ステップＳ１０２で運転領域が領域Ｃであると判定されなかった場合には、制御装置５０は、次に、運転領域が領域Ｂか否かを判定する処理を実行する（ステップＳ１０３）。ステップＳ１０３の条件が成立している場合には、制御装置５０は、領域Ｂでのエンジン制御を実施する（ステップＳ１０６）。その後、今回のルーチンが終了する。
ステップＳ１０３で運転領域が領域Ｂであると判定されなかった場合には、制御装置５０は、次に、リッチスパイクを実行すべきタイミングに該当するか否かを判定する処理を実行する（ステップＳ１０４）。ステップＳ１０４の条件が不成立である場合には、制御装置５０は、均質リーン運転領域Ａでのエンジン制御を実施する（ステップＳ１０８）。その後、今回のルーチンが終了する。
ステップＳ１０４の条件が成立している場合には、制御装置５０は、ステップＳ１０６に進みリッチスパイクを行うために領域Ｂの制御量を用いたエンジン制御を実施する。その後、今回のルーチンが終了する。
以上説明したルーチンによれば、エンジン水温および現在の運転領域に応じて、領域Ａ〜Ｃの制御を適切に使い分けることができる。
なお、上述した実施の形態では、リーン運転領域である領域Ａとストイキ運転領域である領域Ｃとを切り替える形態を説明したが、本発明はこれに限られるものではない。領域Ｃが、リッチ運転領域であってもよい。また、上述した実施の形態における「リッチスパイク」は、空燃比を一時的にリッチに振るものに限られず、空燃比を一時的にストイキに振るものも含む。
なお、特開平１１−２８０５０５号公報では、目標空燃比をリッチとリーンの間で連続的に変化させている。連続的に目標空燃比を変更すると、Ａ／Ｆ＝１８などのいわゆる中間Ａ／Ｆでの運転を行う期間が発生する。中間Ａ／Ｆでの運転はＮＯｘ発生量が増加するので好ましくない。これを避けるためには、リーンとストイキの間での運転領域変更あるいはリーンとリッチとの間の運転領域変更の際に、中間Ａ／Ｆを使用することなく空燃比を不連続的に切り替えることが考えられる。この点、実施の形態にかかる制御装置５０は、中間Ａ／Ｆを用いずにリーンとストイキあるいはリーンとリッチとを切り替えるものである。従って、実施の形態にかかる制御装置５０は、燃焼安定性および良好な燃費を両立するとともに、良好なエミッション特性を得ることができる。
なお、実施の形態では、図３に示したように、制御装置５０は、領域Ｂの運転時および領域Ａでのリッチスパイク実行時においては、ＶＶＴ、作用角、噴き分け比率、燃圧、ＴＣＶ開度、およびＷＧＶ開度の全てについて領域Ａの制御量を使用している。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。
上記列挙した制御項目のうち、ＶＶＴのみについて制御量を領域Ａと等しくして、残りの制御量を領域Ｃと等しくしてもよい。あるいは、作用角のみについて制御量を領域Ａと等しくして、残りの制御量を領域Ｃと等しくしてもよい。あるいは、噴き分け比率のみについて制御量を領域Ａと等しくして、残りの制御量を領域Ｃと等しくしてもよい。あるいは、燃圧のみについて制御量を領域Ａと等しくして、残りの制御量を領域Ｃと等しくしてもよい。あるいは、ＴＣＶ開度のみについて制御量を領域Ａと等しくして、残りの制御量を領域Ｃと等しくしてもよい。あるいは、ＷＧＶ開度のみについて制御量を領域Ａと等しくして、残りの制御量を領域Ｃと等しくしてもよい。あるいは、ＶＶＴ、作用角、噴き分け比率、燃圧、ＴＣＶ開度、およびＷＧＶ開度から複数選択した一部の制御量のみについて領域Ａと等しくし、残りの制御量を領域Ｃと等しくしてもよい。
１０ 内燃機関
１２ ピストン
１４ 吸気弁
１６ 排気弁
１８ 点火プラグ
１９ タンブルコントロールバルブ
２０ ポート噴射弁
２２ 筒内噴射弁
２４ 吸気可変動弁機構
２６ 排気可変動弁機構
２８ ターボ過給機
２８ａ 吸気圧縮機
２８ｂ 排気タービン
３０ 吸気通路
３２ 排気通路
３４ エアフローメータ
３６ インタークーラ
３８ 吸気温センサ
４０ スロットル弁
４２ スロットルポジションセンサ
４４ バイパス通路
４６ ウェイストゲートバルブ
４６ ウェイストゲートバルブ
４８ アクチュエータ
５０ 制御装置
５２ アクセルポジションセンサ
５４ クランク角センサ
５６ ノックセンサ

Claims (8)

  1. 可変動弁機構および点火プラグを備えた内燃機関を制御する制御装置であって、
    前記制御装置は、
    第１負荷域に定めた均質リーン運転領域と前記第１負荷域よりも高負荷側の第２負荷域に定めたストイキまたはリッチ運転領域である非リーン運転領域との間で、前記可変動弁機構の制御量および前記点火プラグの制御量を互いに相違させ、
    前記第１負荷域と前記第２負荷域の間の第３負荷域に定めた運転領域においては空燃比を前記非リーン運転領域と同じ空燃比に制御し、アクセルペダル操作量に対して、前記可変動弁機構を前記均質リーン運転領域と同じ制御量で制御し、前記点火プラグを前記非リーン運転領域と同じ制御量で制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
  2. 前記内燃機関が、ポート噴射弁および筒内噴射弁を備え、
    前記制御装置は、
    前記均質リーン運転領域と前記非リーン運転領域との間で、前記ポート噴射弁および前記筒内噴射弁の噴き分け比率と前記筒内噴射弁の燃圧の少なくとも一方を互いに相違させ、
    前記第３負荷域に定めた前記運転領域においては、アクセルペダル操作量に対して、前記噴き分け比率と前記燃圧の少なくとも一方を、前記均質リーン運転領域の値と等しく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. 前記内燃機関が、ウェイストゲートバルブを備え、
    前記制御装置は、
    前記均質リーン運転領域では前記ウェイストゲートバルブを全閉じ又は第１開度に制御し、前記非リーン運転領域では前記ウェイストゲートバルブの開度を前記均質リーン運転領域の制御量よりも大きくし、
    前記第３負荷域に定めた前記運転領域においては、前記ウェイストゲートバルブの開度を前記均質リーン運転領域の値と等しく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. 前記内燃機関が、タンブルコントロールバルブを備え、
    前記制御装置は、
    前記均質リーン運転領域では前記タンブルコントロールバルブを全閉じ又は第１開度に制御し、前記非リーン運転領域では前記タンブルコントロールバルブの開度を前記均質リーン運転領域の制御量よりも大きくし、
    前記第３負荷域に定めた前記運転領域においては、前記タンブルコントロールバルブの開度を前記均質リーン運転領域の値と等しくすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
  5. 可変動弁機構および点火プラグを備えた内燃機関を制御する制御装置であって、
    前記制御装置は、
    第１負荷域に定めた均質リーン運転領域と前記第１負荷域よりも高負荷側の第２負荷域に定めたストイキまたはリッチ運転領域である非リーン運転領域との間で、前記可変動弁機構の制御量および前記点火プラグの制御量を互いに相違させるものであり、
    前記均質リーン運転領域における一時的なストイキまたはリッチ運転であるリッチスパイクの実行時には、前記可変動弁機構を前記均質リーン運転領域と同じ制御量で制御し、前記点火プラグを前記非リーン運転領域と同じ制御量で制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
  6. 前記内燃機関が、ポート噴射弁および筒内噴射弁を備え、
    前記制御装置は、
    前記均質リーン運転領域と前記非リーン運転領域との間で、前記ポート噴射弁および前記筒内噴射弁の噴き分け比率と前記筒内噴射弁の燃圧の少なくとも一方を互いに相違させ、
    前記リッチスパイクの実行時には、アクセルペダル操作量に対して、前記噴き分け比率と前記燃圧の少なくとも一方を、前記均質リーン運転領域の値と等しくすることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の制御装置。
  7. 前記内燃機関が、ウェイストゲートバルブを備え、
    前記制御装置は、
    前記均質リーン運転領域では前記ウェイストゲートバルブを全閉じ又は第１開度に制御し、前記非リーン運転領域では前記ウェイストゲートバルブの開度を前記均質リーン運転領域の制御量よりも大きくし、
    前記リッチスパイクの実行時には、前記ウェイストゲートバルブの開度を前記均質リーン運転領域の値と等しくすることを特徴とする請求項５または６に記載の内燃機関の制御装置。
  8. 前記内燃機関が、タンブルコントロールバルブを備え、
    前記制御装置は、
    前記均質リーン運転領域では前記タンブルコントロールバルブを全閉じ又は第１開度に制御し、前記非リーン運転領域では前記タンブルコントロールバルブの開度を前記均質リーン運転領域の制御量よりも大きくし、
    前記リッチスパイクの実行時には、前記タンブルコントロールバルブの開度を前記均質リーン運転領域の値と等しくすることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
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