JP2017190728A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リーン運転中にトルクの低減要求が出された場合に、排気エミッションの悪化を抑制しつつトルクの実現性を高め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、全気筒の目標空燃比をリーン空燃比とするリーン運転と、一部の気筒の燃料カットを行うとともに稼働気筒の目標空燃比をリーン空燃比よりもリッチな減筒時目標空燃比とする減筒運転とを切り替え可能に構成されている。制御装置は、トルク低減要求を受けて所定の切り替え条件が成立した場合に、リーン運転から減筒運転へと切り替える。切り替え時の減筒時目標空燃比及び稼働気筒数は、減筒運転への切り替え直前の吸入空気量及びトルクと等空気量且つ等トルクの減筒運転となるように設定する。また、制御装置は、減筒運転への切り替え後のトルクが要求トルクとなるように吸入空気量の減量または点火時期の遅角を行う。【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

特許文献１には、希薄燃焼を行う内燃機関において、迅速なトルク変更の要求を満たすための制御装置に関する技術が開示されている。より詳しくは、この制御装置では、希薄燃焼時に変速時等の迅速なトルク低減要求が出された場合に、一部の気筒の燃料カットによりトルク低減量を要求値に近づけるとともに、稼働気筒のトルクを燃料供給量等により調整してトルク低減要求値を実現することが行なわれる。

特開２００２−３６４３９４号公報 特開２０１５−２１２５３４号公報

上記特許文献１の制御装置では、トルク低減要求の大部分が一部の気筒の燃料カットにより実現されるため、稼働気筒の燃料量の増減による空燃比の変化は比較的小さい。このため、トルク低減時の稼働気筒の空燃比が変化して例えば１６〜２０程度の空燃比になると、ＮＯｘ排出量が増大するおそれがある。このように、上記特許文献１の技術では、トルク低減要求が出された場合に、ＮＯｘ排出量の観点から稼働気筒の空燃比に制限を設けていないため、排気エミッションが悪化を防ぐことができないおそれがある。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、リーン空燃比によるリーン運転中にトルクの低減要求が出された場合に、排気エミッションの悪化を抑制しつつトルクの実現性を高め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。

本発明は、多気筒の内燃機関の全気筒の目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比とするリーン運転と、内燃機関の一部の気筒の燃料カットを行うとともに燃料カットを行わない残りの稼働気筒の目標空燃比をリーン空燃比よりもリッチな減筒時目標空燃比とする減筒運転とを切り替え可能に構成された内燃機関を制御する制御装置を対象としている。制御装置は、トルク低減要求を受けて所定の切り替え条件が成立した場合に、リーン運転から前記減筒運転へと切り替えるように構成されている。減筒運転における稼働気筒の数及び減筒時目標空燃比は、減筒運転への切り替え直前の吸入空気量及びトルクと等空気量且つ等トルクの減筒運転となるように設定される。また、制御装置は、減筒運転への切り替え後のトルクがトルク低減要求から算出される要求トルクとなるようにアクチュエータを制御するように構成されている。

本発明の構成によれば、トルク低減要求を受けてリーン運転から減筒運転へと切り替えられる場合に、減筒運転時の空燃比がリーン空燃比よりもリッチな減筒時目標空燃比に制御される。これにより、トルク低減時の空燃比をリッチ側に変化させることができるので、燃焼安定性を確保することができる。また、減筒運転への切り替え時に減筒時目標空燃比まで瞬時に切り替えることができるので、ＮＯｘ排出量が増大する空燃比領域等を避けてリッチ化することが可能となる。さらに、減筒運転への切り替え前後のトルク及び吸入空気量が変化しないため、即時に減筒運転へと移行することができ、また、トルク段差によるドライバビリティの悪化も回避することができる。このように、本発明によれば、トルク低減時の排気エミッションの悪化を抑制するとともにトルクの実現性を確保することが可能となる。

本発明の実施の形態１のシステムの構成を示す図である。 減筒時Ａ／Ｆ算出手段の概要を説明するためのブロック図である。 本実施の形態のシステムが実行するルーチンのフローチャートである。 リーン運転中のトルク低減要求によって減筒運転への切り替えが行なわれた場合の各種状態量の変化を示すタイムチャートである。

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。ただし、以下に示す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、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、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。

実施の形態１．
［システムの構成］
図１は、本発明の実施の形態１のシステムの構成を示す図である。図１に示すシステムは、内燃機関（エンジン）１０を備えている。エンジン１０は、本実施の形態における制御対象であり、火花点火式の多気筒４サイクルレシプロエンジンである。また、このエンジンは、均質リーン燃焼を行うリーンバーンエンジンであり、エンジンの運転形態として、全気筒の目標空燃比を理論空燃比よりもリーンな空燃比（例えばＡ／Ｆ＝２４）とする運転（以下、リーン運転）と、一部気筒の燃料カットを行うとともに残りの稼働気筒の目標空燃比である減筒時目標Ａ／Ｆを理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチな所定範囲（例えば、Ａ／Ｆ＝９〜１５）の空燃比とする運転（以下、減筒運転）とを選択可能に構成されている。

車両に搭載されている制御装置としてのＥＣＵ（Electronic control Unit）１００は、エンジン１０に備えられる各種のアクチュエータを操作することでエンジン１０の運転を制御する。ＥＣＵ１００により操作されるアクチュエータには、空気量を変化させるスロットル、筒内に燃料を供給するインジェクタ、筒内の混合気に点火する点火装置が含まれる。ＥＣＵ１００はこれらのアクチュエータを操作してエンジン１０の運転を制御する。ＥＣＵ１００によるエンジン１０の制御には、リーン運転から減筒運転へ、或いは、減筒運転からリーン運転への運転形態の切り替えが含まれている。

図１には、本実施の形態に係るＥＣＵ１００のロジックがブロック図で示されている。ＥＣＵ１００は、燃焼状態判定手段１０１、トルク低減量判定手段１０２、及び軽負荷判定手段１０３を含む。燃焼状態判定手段１０１は、エンジン１０がリーン運転中か否かをエンジン１０の回転速度、負荷、空燃比等の運転状態から判定する。トルク低減量判定手段１０２は、トルク低減要求が出される前後のトルク要求値の差からトルク低減要求量を求め、その値が所定値以上かを判定する。また、軽負荷判定手段１０３は、トルク低減要求が出された後のトルク要求値が所定以下の軽負荷か否かを判定する。

ＥＣＵ１００は、減筒時Ａ／Ｆ算出手段１１０を含む。図２は、減筒時Ａ／Ｆ算出手段１１０の概要を説明するためのブロック図である。この図に示すように、減筒時Ａ／Ｆ算出手段１１０は、さらにマップ１１１とマップ１１２を含む。マップ１１１は、筒内に吸入される現在の空気量の推定値（以下、推定吸入空気量）とリーン運転における現在の空燃比の入力を受けて、入力された空燃比による燃焼が全ての気筒において行なわれた場合のトルクの推定値（以下、推定トルク）を算出するように構成されている。また、マップ１１２は、マップ１１１において算出された推定トルク、推定吸入空気量、及び燃料カットを行う気筒の数（以下、減筒数）の入力を受けて、推定吸入空気量及び推定トルクと等空気量且つ等トルクとなる減筒運転が、減筒数から特定される数の稼働気筒によって行なわれるための空燃比を逆算し、これを減筒時目標Ａ／Ｆとして算出する。

再び図１に戻り、ＥＣＵ１００は、さらにＡ／Ｆ上限制限手段１２０とＡ／Ｆ下限制限手段１２２を含む。Ａ／Ｆ上限制限手段１２０は、減筒時Ａ／Ｆ算出手段１１０により算出された減筒時目標Ａ／ＦがＮＯｘ排出量の許容限界（例えばＡ／Ｆ＝１５）よりもリッチか否かを判定する。また、Ａ／Ｆ下限制限手段１２２は、減筒時Ａ／Ｆ算出手段１１０により算出された減筒時目標Ａ／Ｆが燃焼限界（例えばＡ／Ｆ＝９）よりもリーンか否かを判定する。

また、ＥＣＵ１００は、減筒＆燃料増量同期手段１３０を含む。減筒＆燃料増量同期手段１３０は、上述した減筒運転を行う手段であり、減筒される気筒の燃料カットと、減筒時Ａ／Ｆ算出手段１１０により算出された減筒時目標Ａ／Ｆを満たすための稼働気筒の燃料増量を同一サイクルで実施するようにインジェクタを制御する。

さらに、ＥＣＵ１００は、トルク低減速度判定手段１４０と、吸入空気量減量手段１４１と、点火時期遅角手段１４２を含む。トルク低減速度判定手段１４０は、トルク低減要求の実現が吸入空気量の減量よりも早い速度で必要か否かを、その要求元（例えば、変速要求やペダル要求）から判定する。また、吸入空気量減量手段１４１は、トルク低減速度判定手段１４０によって、トルク低減要求の実現が吸入空気量の減量よりも早い速度で必要と判断されなかった場合に、減筒運転時の要求吸入空気量を要求トルクに対応する空気量まで減量するとともに、要求吸入空気量に基づきスロットルを制御する。また、点火時期遅角手段１４２は、トルク低減速度判定手段１４０によって、トルク低減要求の実現が吸入空気量の減量よりも早い速度で必要と判断された場合に、減筒運転時の要求点火時期を要求トルクに対応する点火時期まで遅角するとともに、要求点火時期に基づき点火装置を制御する。

［実施の形態のシステム動作］
本実施の形態のシステムでは、リーン運転中にトルク低減要求が出された場合に、リーン運転から減筒運転への切り替え制御が行われる。以下、フローチャートに沿って、当該制御について詳細に説明する。

図３は、本実施の形態のシステムが実行するルーチンのフローチャートである。なお、図３に示すルーチンは、エンジン１０の運転中にＥＣＵ１００によって所定の制御周期で繰り返し実行される。

図３に示すルーチンでは、先ずトルク低減要求があるか否かが判定される（ステップＳ２）。トルク低減要求の要求元としては、例えば、ＥＣＴ（Electronic Controlled Transmission）による変速動作の際に出される要求（以下、変速要求）や、アクセルペダルの操作量から出される要求（以下、ペダル要求）がある。ここでは、これらの要求元からのトルク低減要求を受信したか否かが判定される。その結果、トルク低減要求がないと判定された場合には、本ルーチンは速やかに終了され、トルク低減要求があると判定された場合には、次のステップに移行する。

次のステップでは、燃焼状態判定手段１０１によってリーン運転中か否かが判定される（ステップＳ４）。その結果、リーン運転中でない場合には後述するステップＳ２４に移行し、リーン運転中である場合には次のステップに移行する。

次のステップでは、トルク低減量判定手段１０２によって、トルク低減要求量が所定値以上か否かが判定される（ステップＳ６）。なお、ここでの所定値は、減筒運転によるトルク低減が必要か否かを判定するための閾値であって、例えばリーン運転中の吸入空気量の減量や点火時期の遅角によって達成し得るトルク低減要求量の上限値に設定される。その結果、トルク低減要求が所定値以上であると判定された場合には、減筒運転への切り替えが必要であると判断されて、後述するステップＳ１０へと移行する。

一方、ステップＳ６の判定において、トルク低減要求が所定値以上はないと判定された場合には、軽負荷判定手段１０３によって、トルク低下に要求がなされた後のトルク要求値が所定値以下か否かが判定される（ステップＳ８）。なお、ここでの所定値は、リーン運転において燃焼が不安定となる軽負荷か否かを判定するための閾値であって、例えばリーン運転において燃焼安定性を担保しうるトルク要求値の下限値に設定される。その結果、ステップＳ８の判定の成立が認められない場合には、減筒運転に切り替える必要がないと判断されて、後述するステップＳ２４に移行する。一方、ステップＳ８の判定の成立が認められた場合には、減筒運転に切り替える必要があると判断されて、後述するステップＳ１０へと移行する。なお、上記ステップＳ４、Ｓ６及びＳ８の処理は、エンジン１０の運転形態をリーン運転から減筒運転へと切り替えるための切り替え条件の成立を判定する処理に相当している。

ステップＳ１０では、減筒時Ａ／Ｆ算出手段１１０によって、減筒運転時の目標空燃比である減筒時目標Ａ／Ｆが算出される（ステップＳ１０）。より詳しくは、減筒時Ａ／Ｆ算出手段１１０には、推定吸入空気量、空燃比及び減筒数が入力される。なお、減筒数の初期値は１に設定されている。減筒時Ａ／Ｆ算出手段１１０では、これらの入力を受けて、推定吸入空気量及び推定トルクと等空気量且つ等トルクとなる稼働気筒の目標空燃比（減筒時目標Ａ／Ｆ）が算出される。

次に、減筒時Ａ／Ｆ算出手段１１０により算出された減筒時目標Ａ／ＦがＮＯｘ排出量の許容限界（例えばＡ／Ｆ＝１５）よりもリッチか否かが、Ａ／Ｆ上限制限手段１２０によって判定される（ステップＳ１２）。その結果、ステップＳ１２の判定の成立が認められない場合には、減筒時目標Ａ／ＦがＮＯｘ排出量の許容限界を超えていると判断されて、次のステップにおいて減筒数に＋１が加算されて（ステップＳ１４）、再度上記ステップＳ１０の処理に移行する。ステップＳ１０では、減筒時目標Ａ／Ｆが新たな減筒数に対応する値に更新される。このような処理によれば、減筒時目標Ａ／ＦがＮＯｘ排出量の許容限界よりもリッチになるまで減筒数が加算される。

上記ステップＳ１２において、減筒時目標Ａ／ＦがＮＯｘ排出量の許容限界よりもリッチであると判定された場合には、次のステップに移行する。次のステップでは、減筒時Ａ／Ｆ算出手段１１０により算出された減筒時目標Ａ／Ｆが燃焼限界（例えばＡ／Ｆ＝９）よりもリーンか否かが、Ａ／Ｆ下限制限手段１２２によって判定される（ステップＳ１６）。その結果、ステップＳ１６の判定の成立が認められない場合には、減筒時目標Ａ／Ｆが燃焼限界を超えていると判断されて、次のステップにおいて減筒数に−１が加算されて（ステップＳ１８）、再度上記ステップＳ１０の処理に移行する。ステップＳ１０では、減筒時目標Ａ／Ｆが新たな減筒数に対応する値に更新される。このような処理によれば、減筒時目標Ａ／Ｆが燃焼限界よりもリーンになるまで減筒数が減算される。

上記ステップＳ１６において、減筒時目標Ａ／Ｆが燃焼限界よりもリーンであると判定された場合には、次のステップに移行する。次のステップでは、目標空燃比が上記ステップＳ１０の処理において算出された減筒時目標Ａ／Ｆに切り替えられる（ステップＳ２０）。次に、上記ステップＳ２０における目標空燃比の切り替えに応答して減筒運転が行われる（ステップＳ２２）。ここでは、具体的には、減筒＆燃料増量同期手段１３０によって、減筒時目標Ａ／Ｆに対応する減筒数の気筒の燃料カットが行われるとともに、稼働気筒の目標空燃比が減筒時目標Ａ／Ｆとなるように供給燃料が増量される。

図３に示すルーチンでは、次に、迅速なトルク低減を必要としているか否かが、トルク低減速度判定手段１４０によって判定される（ステップＳ２４）。その結果、迅速なトルク低減が不要であると判定された場合には、次のステップに移行して、吸入空気量減量手段１４１によってスロットルの開度が閉側に制御されることにより、減筒運転時の吸入空気量が減量される（ステップＳ２６）。一方、迅速なトルク低減が必要であると判定された場合には、次のステップに移行して、減筒運転時の点火時期が点火時期遅角手段１４２によって遅角される（ステップＳ２８）。ステップＳ２６又はＳ２８の処理が終了されると、本ルーチンは速やかに終了される。

本実施の形態のシステムの切り替え制御による効果について、タイムチャートを参照して説明する。図４は、リーン運転中のトルク低減要求によって減筒運転への切り替えが行なわれた場合の各種状態量の変化を示すタイムチャートである。なお、この図において、１段目のチャートはトルクの時間変化を、２段目のチャートは稼働気筒数の時間変化を、３段目のチャートはスロットルの開度の時間変化を、４段目のチャートは稼働気筒の燃料供給量の時間変化を、５段目のチャートは吸入空気量の時間変化を、そして６段目のチャートは空燃比（Ａ／Ｆ）の時間変化を、それぞれ示している。

図４のチャートに示す例では、時間ｔ１におけるトルク低減要求を受けてリーン運転から減筒運転へと切り替えられる際に、稼働気筒数が４気筒から２気筒へと減筒されるとともに稼働気筒の燃料供給量が増量されている。これにより、減筒運転の開始とともにリーン空燃比（Ａ／Ｆ＝２４）が所定範囲（９＜Ａ／Ｆ＝１２＜１５）まで瞬時にリッチ化されるので、減筒運転時の燃焼安定性を確保するとともに、減筒運転においてＮＯｘ排出量が増加する空燃比範囲（Ａ／Ｆ＝１６〜２０程度）に制御されることを回避することができる。また、減筒運転への切り替え時の稼働気筒への燃料供給量は、トルク低減要求前後の吸入空気量及びトルクが等空気量且つ等トルクとなるようにその増量分が定められるため、トルク低減要求前後のトルク段差によるドライバビリティの悪化を防ぐとともに、減筒前に吸入空気量を増量する等の動作を行うことなく即座に稼働気筒を減らすことが可能となる。また、図４のチャートに示す例では、減筒運転への切り替え時に要求吸入空気量が減量されているので、安定したトルクの低減を行うことが可能となる。

なお、図４には図示されていないが、本実施の形態のシステムによれば、トルク低減要求の実現が吸入空気量の減量よりも早い速度で必要と判断された場合に、点火時期の遅角によって対応することができる。

１０ 内燃機関（エンジン）
１００ ＥＣＵ
１０１ 燃焼状態判定手段
１０２ トルク低減量判定手段
１０３ 軽負荷判定手段
１１０ 減筒時Ａ／Ｆ算出手段
１１１，１１２ マップ
１２０ Ａ／Ｆ上限制限手段
１２２ Ａ／Ｆ下限制限手段
１３０ 燃料増量同期手段
１４０ トルク低減速度判定手段
１４１ 吸入空気量減量手段
１４２ 点火時期遅角手段

Claims (1)

1. 多気筒の内燃機関の全気筒の目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比とするリーン運転と、前記内燃機関の一部の気筒の燃料カットを行うとともに燃料カットを行わない残りの稼働気筒の目標空燃比を前記リーン空燃比よりもリッチな減筒時目標空燃比とする減筒運転とを切り替え可能に構成され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、
   トルク低減要求を受けて所定の切り替え条件が成立した場合に、前記リーン運転から前記減筒運転へと切り替えるように構成され、
   前記減筒運転における前記稼働気筒の数及び前記減筒時目標空燃比は、前記減筒運転への切り替え直前の吸入空気量及びトルクと等空気量且つ等トルクの減筒運転となるように設定され、
   前記減筒運転への切り替え後のトルクが前記トルク低減要求から算出される要求トルクとなるようにアクチュエータを制御する
   ように構成されていることを特徴とする内燃機関の制御装置。

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