JP2019044593A

JP2019044593A - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2019044593A
Application number: JP2017164611A
Authority: JP
Inventors: 稔朗今村; Toshiaki Imamura
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2017-08-29
Filing date: 2017-08-29
Publication date: 2019-03-22

Abstract

【課題】減筒運転から全筒運転への切替時に、気筒あたり吸入空気量の減少の遅れに起因するエミッションの悪化を抑制する。【解決手段】複数の気筒５ａ，５ｂを有し、全ての気筒内で混合気の燃焼が実施される全筒運転と、複数の気筒のうち特定の気筒５ｂ内での燃焼が停止される減筒運転との間で切り替え可能であるエンジン１を制御する装置。減筒運転から全筒運転への切り替え要求があると、ＥＧＲバルブ３３によって各気筒の吸入空気量を当該切り替え要求が出されていない通常の減筒運転時の吸入空気量よりも少ない値に減少させる吸入空気量減少制御を実施し、当該吸入空気量減少制御の終了後に全筒運転を開始させる。【選択図】図１

Description

本発明は、全ての気筒内で混合気の燃焼が実施される全筒運転と、特定の気筒内での燃焼が停止される減筒運転との間で切り替え可能な内燃機関を制御する装置に関する。

従来から、複数の気筒を有する多気筒エンジンの分野では、一部の気筒内での燃焼を停止して休止状態にする減筒運転の技術が知られている。

減筒運転時には、稼働気筒の数すなわち出力する気筒の数が減少するため、エンジン全体での出力が低下するおそれがある。そこで、通常、減筒運転時には、稼働気筒の出力を増大させるべく、稼働気筒に供給される燃料量と吸入空気量とを増大させる制御が実施される。

ここで、吸入空気量の制御の実行時点から、制御された量の空気が気筒に到達する時点までには遅れが存在する。このため、減筒運転の開始と同時に吸入空気量を増大させるのでは、吸入空気量の変化の遅れに起因して、減筒運転開始時に吸入空気量が不足し、エンジン出力の一時的な低下すなわちトルクショックが発生するおそれがある。このため特許文献１の装置では、減筒運転の開始前に各気筒の吸入空気量を予め増大させている。

特開２０１６−１５１２３２号公報

ところで、特許文献１では、減筒運転から全筒運転に移行（復帰）する際における空気量の制御の遅れについては、特段の考慮がされていない。しかしながら、減筒運転から全筒運転に移行（復帰）する際には、減筒運転時に増大された気筒あたりの吸入空気量を、全筒運転相当の量まで減少させるまでに遅れが生じるため、この遅れに起因して、気筒あたり吸入空気量の一時的な過剰により、エミッションの悪化が生じるおそれがある。

本発明は、前記のような事情に鑑みてなされたものであり、減筒運転から全筒運転への切替時に、気筒あたり吸入空気量の減少の遅れに起因するエミッションの悪化を抑制することを目的とする。

前記課題を解決するためのものとして、本発明は、
複数の気筒を有し、全ての気筒内で混合気の燃焼が実施される全筒運転と、複数の気筒のうち特定の気筒内での燃焼が停止される減筒運転との間で切り替え可能である内燃機関を制御する装置であって、
各気筒に吸入される空気量である吸入空気量を変更可能な吸入空気量変更手段と、
前記吸入空気量変更手段を含むエンジンの各部を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、減筒運転から全筒運転への切り替え要求があると、前記吸入空気量変更手段によって各気筒の吸入空気量を当該切り替え要求が出されていない通常の減筒運転時の吸入空気量よりも少ない値に減少させる吸入空気量減少制御を実施し、当該吸入空気量減少制御の終了後に全筒運転を開始させるように構成されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、減筒運転から全筒運転への切り替え要求があると、吸入空気量変更手段によって各気筒の吸入空気量を当該切り替え要求が出されていない通常の減筒運転時の吸入空気量よりも少ない値に減少させる吸入空気量減少制御を実施し、当該吸入空気量減少制御の終了後に全筒運転を開始させるので、全筒運転の開始の際には吸入空気量を、エミッションの観点から許容しうる値にまで低下させることが可能になる。

本発明に係る内燃機関の制御装置によれば、減筒運転から全筒運転に移行する際における吸入空気量の変化の遅れに起因するエミッションの悪化を抑制することができる。

本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置の機械系及び制御系の全体構成を示す概略平面図である。全筒運転領域と減筒運転領域とを示した図である。減筒運転及び全筒運転に係る各条件の成立から実行までの制御の手順を示すフローチャートである。実施形態に係る制御を実施した際の各パラメータの時間変化を示したタイミングチャートである。

以下、本発明の実施形態につき図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置の機械系及び制御系の全体構成を示す。エンジン１は、車両（図示せず）に搭載された多気筒内燃機関である。本実施形態において、車両はトラック等の大型車両であり、これに搭載される車両動力源としてのエンジン１は、直列４気筒ディーゼルエンジンである。しかしながら、車両および内燃機関の種類、形式、用途等に特に限定はなく、例えば車両は乗用車等の小型車両であってもよいし、エンジン１はガソリンエンジンであってもよい。

エンジン１は、エンジン本体２と、エンジン本体２に接続された吸気通路３および排気通路４と、ターボチャージャ１４と、燃料噴射弁３７とを備える。エンジン本体２は、シリンダヘッド、シリンダブロック、クランクケース等の構造部品と、その内部に収容されたピストン、クランクシャフト、吸気弁、排気弁等の可動部品とを含む。

吸気通路３は、エンジン本体２のシリンダヘッドに接続された吸気マニホールド１０と、吸気マニホールド１０の上流端に接続された吸気管１１とにより主に画成される。吸気マニホールド１０は、吸気管１１から送られてきた吸気を各気筒の吸気ポートに分配供給する。吸気管１１には、上流側から順に、エアクリーナ１２、エアフローメータ１３、ターボチャージャ１４のコンプレッサ１４Ｃ、インタークーラ１５、および電子制御式の吸気スロットルバルブ１６が設けられる。エアフローメータ１３は、エンジン１の単位時間当たりの吸入空気量すなわち空気流量を検出するためのセンサであり、マスエアフロー（ＭＡＦ）センサ等とも称される。

排気通路４は、エンジン本体２（特にシリンダヘッド）に接続された排気マニホールド２０と、排気マニホールド２０の下流側に接続された排気管２１とにより主に画成される。排気マニホールド２０は、各気筒の排気ポートから送られてきた排気ガスを集合させる。排気管２１には、ターボチャージャ１４のタービン１４Ｔが設けられる。タービン１４Ｔより下流側の排気通路４には、排気スロットルバルブ１７及び排気後処理装置２２が設けられる。排気後処理装置２２の内部には、上流側から順に、酸化触媒、フィルタ、選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ）およびアンモニア酸化触媒が配置される。

エンジン１は更に、排気ガス再循環装置３０（以下ＥＧＲ装置３０という）を備える。ＥＧＲ装置３０は、排気通路４内（特に排気マニホールド２０内）の排気ガスの一部（以下ＥＧＲガスという）を吸気通路３内（特に吸気マニホールド１０内）に還流させるためのＥＧＲ通路３１と、ＥＧＲ通路３１を流れるＥＧＲガスを冷却する水冷式のＥＧＲクーラ３２と、ＥＧＲガスの流量を調節するためのＥＧＲバルブ３３とを備える。

エンジン本体２が有する４つのシリンダのうち、＃１及び＃４が通常気筒５ａであり、＃２及び＃３が休止可能気筒５ｂである。本実施形態に係るエンジン１は、吸気弁及び排気弁（いずれも図示せず）の動作を制御するための可変動弁機構３６を備えている。可変動弁機構３６は、吸気弁及び排気弁の開弁時期及びリフト量を可変とする機能を有する。本実施形態における可変動弁機構３６は、減筒運転の際にも通常気筒５ａ及び休止可能気筒５ｂの吸気弁及び排気弁の動作を維持するものである。可変動弁機構３６は、２つの休止可能気筒５ｂが互いに独立して休止及び再作動させることができるように構成しても良い。

このエンジン１で採用されている制御系の中核要素としての制御ユニット５０は、ＥＣＵと称されるものであり、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭに記憶されたプログラムを実行することで、エンジン１の制御に関する種々の機能を作り出す。上述したエアフローメータ１３に加え、不図示のクランクシャフトの近傍に設けられ回転位置を検出するクランク角センサ５１、アクセルペダルの開度を検出するためのアクセル開度センサ５２、不図示の駆動輪の近傍に設けられ車両の走行速度を検出する車速センサ５３、シリンダブロック内のウォータジャケットに設けられ冷却水温を検出する冷却水温センサ５４などの各種センサの検出信号が、制御ユニット５０に入力される。また制御ユニット５０は制御信号を出力し、可変動弁機構３６、燃料噴射弁３７、ＥＧＲバルブ３３、吸気スロットルバルブ１６、排気スロットルバルブ１７などの動作を制御する。

本実施形態では、制御ユニット５０は、エンジン１が作動しているときに、クランク角センサ５１、アクセル開度センサ５２、車速センサ５３、冷却水温センサ５４等の検出信号に基づいて、燃料噴射弁３７の噴射量を制御して休止可能気筒５ｂを休止状態あるいは作動状態にさせる。

例えば、図２に示すように、制御ユニット５０は、アクセル開度センサ５２によって検出されるエンジン負荷、およびクランク角センサ５１によって検出されるエンジン回転数が比較的低い特定の運転領域Ｒ１にあるときに、休止可能気筒５ｂを休止させる（通常気筒５ａのみを稼働させる）減筒運転の要求があると判定する。逆に、エンジン負荷およびエンジン回転数が前記特定の運転領域Ｒ１を除く残余の運転領域Ｒ２にあるときには、気筒５ａ，５ｂを全て稼働させる全筒運転の要求があると判定する。また、制御ユニット５０は、冷間時や加減速が激しい場合には、全筒運転の要求があると判定する。例えば、制御ユニット５０は、冷却水温センサ５４により検出された冷却水温が所定値以下の場合や、アクセル開度センサ５２により検出されたアクセル開度の変化率が大きい場合には、全筒運転の要求があると判定する。

吸入空気量の制御はＥＧＲバルブ３３によって行われ、ＥＧＲバルブ３３を開くことによって吸入空気量が減少させられる。ここで、吸入空気量の制御の実行時点から、制御された量の空気が気筒に到達する時点までには遅れが存在する。このため、減筒運転から全筒運転に移行（復帰）する際には、減筒運転時に増大された気筒あたりの吸入空気量を、全筒運転相当の量まで減少させるまでに遅れが生じるため、この遅れに起因して、気筒あたり吸入空気量の一時的な過剰により、ＮＯｘの増大など、エミッションの悪化が生じるおそれがある。

そこで本実施形態では、減筒運転から全筒運転への切り替え要求があると、吸入空気量変更手段によって各気筒の吸入空気量を当該切り替え要求が出されていない通常の減筒運転時の吸入空気量よりも少ない値に減少させる吸入空気量減少制御を実施し、当該吸入空気量減少制御の終了後に全筒運転を開始させる。

以下、制御ユニット５０において実行される制御処理につき説明する。図３のフローチャートに係る処理は、制御ユニット５０において所定の制御周期Δｔごとに繰り返し実行される。

図３において、まず制御ユニット５０は各センサの検出値を読み込む（Ｓ１０）。ここで読み込まれる検出値には、クランク角センサ５１、アクセル開度センサ５２、車速センサ５３、冷却水温センサ５４、エアフローメータ１３等の検出値が含まれる。

次に制御ユニット５０は、これらクランク角センサ５１、アクセル開度センサ５２、車速センサ５３及び冷却水温センサ５４の検出信号に基づいて、減筒運転条件が成立しているかを判断する（Ｓ２０）。この減筒運転条件は、上述のとおり、エンジン負荷およびエンジン回転数が比較的低い特定の運転領域Ｒ１（図２）にあること、及び、冷間時や加減速が激しい場合でないことである。

減筒運転条件が成立している場合には、ステップＳ２０で肯定され、ステップＳ３０〜Ｓ７０の処理が行われる。まず、制御ユニット５０は、現在の気筒あたり吸入空気量が基準値Ａ１より大であるかを判断する（Ｓ３０）。この基準値Ａ１は、その状態で減筒運転を開始した場合に減速ショックを実質的に生じない（あるいは、減速ショックが許容しうる範囲内である）ような気筒あたり吸入空気量である。気筒あたり吸入空気量は、エアフローメータ１３によって検出されるエンジン全体の吸入空気量を気筒数（＝４）で除することによって算出することができる。このステップＳ３０で否定、すなわち現在の気筒あたり吸入空気量が基準値Ａ１以下である間は、ＥＧＲバルブ３３を閉じ側に制御することによって、気筒あたりの吸入空気量が増大させられる（Ｓ７０）。

気筒あたり吸入空気量が基準値Ａ１より大になると、次に制御ユニット５０は、減筒運転を実行する（Ｓ４０）。すなわち、制御ユニット５０は燃料噴射弁３７への制御出力を行って休止可能気筒５ｂにおける燃焼を停止させる。そして、制御ユニット５０における所定のメモリ領域に設けられた減筒フラグがセット（＝１）される（Ｓ５０）。次に制御ユニット５０は、現在の気筒あたり吸入空気量が基準値ＡＨより大であるかを判断する（Ｓ６０）。この基準値ＡＨは、減筒運転中における気筒あたり吸入空気量の目標値であり、減筒運転の開始前後でエンジントルクが概ね等しくなるような値に設定される。否定の場合には、ＥＧＲバルブ３３を更に閉じ側に制御することによって、気筒あたりの吸入空気量が増大させられる（Ｓ７０）。このようにして、減筒運転中における気筒あたり吸入空気量は基準値ＡＨに一致させられる。

減筒運転条件が成立しなくなった場合には、ステップＳ２０で否定され、全筒運転への切替え要求があったものとして、ステップＳ８０〜Ｓ１３０の処理が行われる。まず、制御ユニット５０は、上述した減筒フラグを参照し、同フラグがセットされているかを判断する（Ｓ８０）。そして同フラグがセットされていない（＝０）場合には、全筒運転が実行される（Ｓ１２０）。すなわち、通常気筒５ａだけでなく休止可能気筒５ｂについても、燃料噴射弁３７による燃料噴射が実行され燃焼が行われる。

他方、ステップＳ８０において減筒フラグがセットされている状態は、減筒運転中に全筒運転への切替え要求があったときに生じる。この場合には、次に制御ユニット５０は、気筒あたりの吸入空気量が基準値Ａ２以下であるかを判断する（Ｓ９０）。この基準値Ａ２は、その状態で全筒運転を開始した場合に排ガス中のＮＯｘ濃度が許容しうる範囲内となるような気筒あたり吸入空気量である。基準値Ａ２は、例えば全筒運転開始後の空気過剰率λが３以下となるように設定するのが好適である。このステップＳ９０で否定、すなわち気筒あたりの吸入空気量が基準値Ａ２より大である間は、ＥＧＲバルブ３３を開き側に制御することによって、吸入空気量が減少させられる（Ｓ１００）。この吸入空気量の減少は、本発明における吸入空気量減少制御に相当するものであり、気筒あたり吸入空気量が基準値Ａ２以下になるまで継続される。

気筒あたり吸入空気量が基準値Ａ２以下になると、ステップＳ９０で肯定され、減筒フラグがリセット（＝０）されると共に（Ｓ１１０）、全筒運転が実行される（Ｓ１２０）。すなわち、制御ユニット５０は燃料噴射弁３７への制御出力を行って休止可能気筒５ｂにおける燃焼を再開させる。次に制御ユニット５０は、現在の気筒あたり吸入空気量が基準値ＡＬ以下であるかを判断する（Ｓ１３０）。この基準値ＡＬは、全筒運転中における気筒あたり吸入空気量の目標値であり、全筒運転の開始前後でエンジントルクが概ね等しくなるような値に設定される。否定の場合には、ＥＧＲバルブ３３を更に開き側に制御することによって、気筒あたりの吸入空気量が減少させられる（Ｓ１１０）。このようにして、全筒運転中における気筒あたり吸入空気量は基準値ＡＬに一致させられる。

以上の処理の結果、図４に示されるように、減筒運転条件の成立前（＝ａ）には、ステップＳ２０及びＳ８０での否定を経て、全筒運転が実行、すなわち休止可能気筒５ｂが運転状態にされる（Ｓ１２０）。

他方、減筒運転条件が成立すると（ｔ１＝ステップＳ２０で肯定）、気筒あたり吸入空気量が基準値Ａ１以下であるとしてＥＧＲバルブ３３が閉じ側に制御され（ｂ＝Ｓ７０）、これによって気筒あたりＥＧＲ量が減少させられ（ｃ）、気筒あたり吸入空気量が増大させられる（ｄ）。そして気筒あたり吸入空気量が基準値Ａ１より大となったことを条件に（ｔ２＝ｅ）、減筒運転の実行が開始（ｆ＝Ｓ４０）、すなわち休止可能気筒５ｂについての燃料噴射弁３７による燃料噴射が停止される。この際の気筒あたりの燃料噴射量は、トルク減による減速ショックを生じないように増大され、減筒運転時相当量Ｑ２とされる。このように、減筒運転の開始は気筒あたり吸入空気量が基準値Ａ１以下になったことを条件として行われるため、減筒運転を開始した場合の減速ショックが、許容しうる範囲内に抑制される。なお、ＥＧＲバルブ３３を閉じ側に制御することによる吸入空気量の増大（Ｓ７０）は、気筒あたり吸入空気量が基準値ＡＨより大となる時点（ｔ３）まで繰り返し実行され、これによりＥＧＲバルブ３３の開度はＶＡ１とされ、減筒運転中の気筒あたり吸入空気量は、基準値ＡＨ近傍の値とされる。

さて、このような減筒運転中において、減筒運転条件が成立しなくなった場合には（ｔ４）、全筒運転への切替え要求があったものとして、ステップＳ２０で否定される。ここで減筒運転中であった場合（減筒フラグ＝１）にはステップＳ８０で肯定され、気筒あたり吸入空気量が基準値Ａ２より大であるとしてＥＧＲバルブ３３が開き側に制御され（ｔ４＝ｇ）、これによって気筒あたりＥＧＲ量が増大させられ（ｈ）、気筒あたり吸入空気量が減少させられる（ｉ）。そして気筒あたり吸入空気量が基準値Ａ２以下となったことを条件に（ｔ５＝ｊ）、全筒運転の実行が開始（ｋ＝Ｓ１２０）、すなわち休止可能気筒５ｂについての燃料噴射弁３７による燃料噴射が再開される。この際の気筒あたり燃料噴射量は、全筒運転時相当量Ｑ１とされる。なお、ＥＧＲバルブ３３を開き側に制御することによる吸入空気量の減少（Ｓ１００）は、気筒あたり吸入空気量が基準値ＡＬ以下となる時点（ｔ６）まで繰り返し実行され、これによりＥＧＲバルブ３３の開度はＶＡ２とされ、全筒運転中の気筒あたり吸入空気量は、基準値ＡＬ近傍の値とされる。

以上のとおり、本実施形態では、制御ユニット５０は、減筒運転から全筒運転への切り替え要求があると（ｔ４）、ＥＧＲバルブ３３によって各気筒の吸入空気量を当該切り替え要求が出されていない通常の減筒運転時の吸入空気量よりも少ない値に減少させる吸入空気量減少制御を実施し、当該吸入空気量減少制御の終了後に全筒運転を開始させる（Ｓ９０，Ｓ１２０）。このように、本実施形態では、全筒運転の開始が気筒あたり吸入空気量が基準値Ａ２以下になったことを条件として行われるため、全筒運転を開始した際の排ガス中のＮＯｘ濃度が、許容しうる範囲内に抑制される。したがって本実施形態によれば、減筒運転から全筒運転に移行する際における吸入空気量の変化の遅れに起因するエミッション上の弊害を抑制することができる。

なお、上記実施形態では、減筒運転を開始する際の気筒あたり吸入空気量の基準値Ａ１と、全筒運転を開始する際の気筒あたり吸入空気量の基準値Ａ２とを異なる値としたが、両者は等しい値としても良い。また、基準値Ａ１よりも基準値Ａ２を大きい値としたが、両者の大小関係は逆であっても良い。また、上記実施形態では、減筒運転を開始する際に気筒あたり吸入空気量が基準値Ａ１より大となるまで待機したが（Ｓ３０〜Ｓ７０）、このような待機を行うことは本発明では必須でない。

また、基準値Ａ１と基準値ＡＨとを等しい値としても良く、また、基準値Ａ２と基準値ＡＬとを等しい値としても良い。すなわち、減筒運転の開始後に吸入空気量の増大を継続しなくても良く、全筒運転の開始後に吸入空気量の減少を継続しなくても良い。

また、上記実施形態では理解の容易のため、基準値Ａ１，Ａ２，ＡＨ，ＡＬをいずれも固定値として説明したが、これら基準値Ａ１，Ａ２，ＡＨ，ＡＬは、エンジン負荷、過給圧、冷却水温、吸入空気温度などの運転状態を示すパラメータに基づいて補正、変更ないし動的に設定することができる。例えば、エンジン負荷・過給圧がそれぞれ大きいほど、基準値Ａ１，Ａ２，ＡＨ，ＡＬを大きく設定することができる。また、冷却水温・吸入空気温度が低いほど、基準値Ａ１，Ａ２，ＡＨ，ＡＬを大きく設定することができる。なお、吸入空気温度は吸気通路３のうちインタークーラ１５よりも下流側の地点、例えば吸気マニホールド１０に設けられた吸気温センサ（図示せず）によって検出することができる。また、過給圧は吸気マニホールドに設けた圧力センサ（図示せず）によって直接推定するほか、例えば吸入空気量、吸入空気温度、タービン回転数などに基づいて推定することができる。

また、上記実施形態における可変動弁機構３６は、減筒運転の際にも通常気筒５ａ及び休止可能気筒５ｂの吸気弁及び排気弁の動作を維持するものとしたが、本発明は、減筒運転の際に休止可能気筒５ｂの吸気弁及び排気弁を閉状態で停止する動弁機構を備えた内燃機関にも適用することができる。その場合には、減筒運転開始の条件となる気筒あたり吸入空気量の算出（Ｓ３０）にあたって、減筒運転を行う場合の稼動気筒の数を考慮すべきことは勿論である。

また、本発明における吸入空気量変更手段としては、吸気スロットルバルブを用いることもできる。本発明は、複数の気筒を有し且つその一部の気筒が作動休止可能に構成されている内燃機関に広く適用することができる。

１内燃機関
５ａ通常気筒
５ｂ休止可能気筒
３０ＥＧＲ装置
３１ＥＧＲ通路
３３ＥＧＲバルブ
３７燃料噴射弁
５０制御ユニット

Claims

複数の気筒を有し、全ての気筒内で混合気の燃焼が実施される全筒運転と、複数の気筒のうち特定の気筒内での燃焼が停止される減筒運転との間で切り替え可能である内燃機関を制御する装置であって、
各気筒に吸入される空気量である吸入空気量を変更可能な吸入空気量変更手段と、
前記吸入空気量変更手段を含むエンジンの各部を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、減筒運転から全筒運転への切り替え要求があると、前記吸入空気量変更手段によって各気筒の吸入空気量を当該切り替え要求が出されていない通常の減筒運転時の吸入空気量よりも少ない値に減少させる吸入空気量減少制御を実施し、当該吸入空気量減少制御の終了後に全筒運転を開始させ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。