JP4703622B2 - 気筒休止機構を備えた内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、気筒休止機構を備えた内燃機関の制御装置に関する。

複数の気筒を備え、運転状態に応じて該複数の気筒の一部を休止する気筒休止機構を備えた内燃機関が提案されている。このような内燃機関において、稼働気筒数を減らす際に、新たに休止する気筒において燃料噴射を停止した状態で空気が供給されると、排気の雰囲気が希薄化（リーン化）になり、エミッションが低下するおそれがある。

下記の特許文献１には、上記のような排気雰囲気のリーン化を抑制するため、休止気筒の排気弁を停止させた後、所定の時間間隔をおいて吸気弁を停止させる手法が開示されている。
特開２０００−１７０５６０号公報

上記手法によれば、先に排気弁を停止してから吸気弁を停止することで空気の排出を防止することができるため、排気の空燃比のリーン化を抑制することができる。しかしながら、吸排気弁の停止タイミングは、該吸排気弁の動作を制御する機構の応答特性によっては変動が生じるおそれがあり、よって、燃料噴射の停止タイミングと吸排気弁の停止タイミングのずれにも変動が生じるおそれがある。特に、吸排気弁を油圧によって作動させる場合には、このような応答特性の変動が生じやすいおそれがある。燃料噴射の停止タイミングと吸排気弁の停止タイミングがずれると、排気の空燃比がリーンになり、エミッション低下を起こすおそれがある。したがって、このようなずれによって生じる排気空燃比のリーン化をより効果的に抑制する手法が望まれている。

また、上記手法では、排気空燃比のリーン化を一層確実に防止するため、稼働気筒に対して燃料の増量を行い、該稼働気筒の空燃比のリッチ化が行われる。この点につき、燃費の観点から、さらなる改善の余地が存在する。

上記の目的を達成するため、請求項１に係る発明は、内燃機関（２）の燃焼室（３１）に直接燃料を噴射する燃料噴射弁（３８）と、該燃料噴射弁から噴射された燃料を含む混合気を燃焼させるための点火装置（４２、４１）と、稼働気筒数を変更可能な可変気筒制御機構（２１ａ、２１ｂ）を備えた内燃機関の制御装置であって、可変気筒制御機構によって稼働気筒数を減らす運転状態に移行する減筒移行手段（５３）と、該移行によって休止すべき気筒への燃料噴射の停止によって内燃機関の排気の雰囲気が希薄となる状態を、内燃機関の運転状態に基づいて予測する予測手段（５５）と、該予測手段によって希薄雰囲気が予測されたならば、該予測を行った燃焼サイクル中の点火装置による点火後に、該休止すべき気筒に対し、燃料噴射弁から追加の燃料を噴射する追加燃料制御手段（５７）と、を備える。

本願発明者は、燃焼室に燃料を直接噴射する内燃機関の場合には、燃焼サイクル中のいずれにおいても燃料を噴射することが可能である点に着目した。この着目に基づき、稼動気筒数を減らす運転状態に移行する際に、休止すべき気筒への燃料噴射停止によって排気の雰囲気が希薄（リーン）となることを予測したならば、該予測を行った燃焼サイクル中に追加の燃料を噴射する。燃焼サイクルは、一般に、吸気、圧縮、膨張および排気の行程から成るが、たとえば膨張行程や排気行程で追加の燃料を噴射することができる。こうして、１燃焼サイクル中に、休止気筒への燃料噴射停止によって排気空燃比がリーン化されることを予測し、同じ該燃焼サイクル中に、該リーン化を防止するための追加燃料を該休止気筒に噴射するので、休止すべき気筒において燃料噴射の停止後になお吸排気弁が稼働していても、排気空燃比のリーン化を防ぐことができる。

この発明の一実施形態によると、上記の追加される燃料は、排気の雰囲気が理論空燃比になるよう決定される。こうして、理論空燃比で排気を行うことで、エミッション低下をより抑制することができる。

次に図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。図１は、この発明の一実施形態に従う、内燃機関（以下、エンジンと呼ぶ）およびその制御装置の全体的な構成図である。

電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」）という）１は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）およびメモリを備えるコンピュータである。メモリには、車両の様々な制御を実現するためのコンピュータ・プログラムおよび該プログラムの実施に必要なデータ（マップを含む）を格納することができる。ＥＣＵ１は、車両の各部から信号を受取ると共に、該メモリに記憶されたデータおよびプログラムに従って演算を行い、車両の各部を制御するための制御信号を生成する。

エンジン２は、可変気筒数のエンジンであり、Ｃ１からＣ３の３気筒を有する第１のバンクと、Ｃ４からＣ６の３気筒を有する第２のバンクを備える。各気筒には、吸気管３および排気管４が連結されている。

各気筒の吸気管３の集合部の上流の吸気通路６には、スロットル弁７が設けられている。スロットル弁７の開度は、ＥＣＵ１からの制御信号に従って制御される。スロットル弁７の開度を制御することにより、エンジン２に吸入される空気の量を制御することができる。

スロットル弁７の上流には、吸気通路６を流れる空気の量を検出するエアフローメータ（ＡＦＭ）８と、吸気通路６の温度を検出する吸気温（ＴＡ）センサ１１が設けられている。該エアフローメータ８およびＴＡセンサ１１の検出値は、ＥＣＵ１に送られる。スロットル弁７の下流には、吸気通路６の圧力（絶対圧）を検出するためのＰＢセンサ１０が設けられており、該ＰＢセンサ１０の検出値はＥＣＵ１に送られる。

第１のバンクには、気筒Ｃ１からＣ３の稼動および休止を切換える気筒休止機構２１ａが設けられ、第２のバンクには、気筒Ｃ４の稼動および休止を切換える気筒休止機構２１ｂが設けられる。第１および第２の気筒休止機構２１ａおよび２１ｂには、気筒休止のための油路２２が接続されており、油路２２は、制御弁２３を介してオイルポンプ２４に接続されており、オイルポンプ２４には、オイルタンク（図示せず）が接続されている。

気筒休止機構２１ａおよび２１ｂは、クランク軸の動力によって駆動されるオイルポンプから吐出される潤滑油を作動油とする油圧作動式の機構であり、この実施例では、高圧の作動油が作用した休止機構は作動状態となって、対応する気筒を休止させ、低圧の作動油が作用された休止機構は非作動状態となって、対応する気筒を稼働させる。制御弁２３は、ＥＣＵ１からの制御信号に従って、第１および第２の気筒休止機構２１ａおよび２１ｂに対して作用する油圧を低圧と高圧との間で切り換えることによって、所望の気筒の稼動および休止を切換えるよう構成されている。

これらの気筒休止機構は、既知の任意の手段によって構成されることができ、たとえば、該機構の詳細な構成は、特開２００５−１０５８６９号公報に示されている。

この実施例では、３つの運転モードがある。第１のモードは、気筒Ｃ１からＣ６のすべての吸気弁および排気弁を稼動させる全筒運転である。第２のモードは、第２のバンクの気筒Ｃ４の吸気弁および排気弁の稼動を休止する１筒休止運転である。第３のモードは、第１のバンクの気筒Ｃ１からＣ３の３つの気筒の吸気弁および排気弁の稼動を休止する３筒休止運転である。これらの運転モードは一例であり、当然ながら、様々な他の運転モードを実現するよう、気筒休止機構を構成してよい。

第１のモードである全筒運転を行うときには、休止機構２１ａおよび２１ｂが非作動状態になるように、制御弁２３が制御され、いずれの休止機構に対しても低圧の作動油を作用させる。第２のモードである１筒休止運転を行うときには、休止機構２１ｂが作動状態になるよう、制御弁２３によって高圧の作動油を作用させると共に、休止機構２１ａが非作動状態になるように、制御弁２３によって低圧の作動油を作用させる。第３のモードである３筒休止運転を行うときには、第１のバンクの休止機構２１ａが作動状態になるように、制御弁２３によって高圧の作動油を作用させると共に、休止機構２１ｂが非作動状態になるように、制御弁２３によって低圧の作動油を作用させる。

ＥＣＵ１は、上記各種センサからの入力信号に応じて、メモリに記憶されたプログラムおよびデータ（マップを含む）に従い、エンジン２の運転状態を検出すると共に、スロットル弁７および制御弁２３を制御するための制御信号を生成する。

図２を参照すると、エンジン２に搭載された気筒のうちの１つが示されている。なお、この図では、図１の気筒休止機構は省略されている。燃焼室３１が、ピストン３２とシリンダヘッド３３の間に形成され、燃焼室３１は、吸気バルブ３５を介して吸気管３に連結され、排気バルブ３６を介して排気管４に連結されている。

エンジン２は、燃料を直接燃料室３１に噴射する直接噴射式エンジンであり、燃料噴射弁３８が燃焼室３１に臨むように取り付けられている。燃料噴射弁３８は、コモンレール（図示せず）を介して、高圧ポンプ３９および燃料タンク（図示せず）に接続されている。高圧ポンプ３９は、燃料タンク内の燃料を昇圧した後、コモンレールを介して燃料噴射弁３８に送り、燃料噴射弁３８は、受取った燃料を燃焼室３１内に噴射する。燃料の噴射圧力（燃料圧と呼ぶ）は、ＥＣＵ１からの制御信号によって高圧ポンプ３９を制御することによって変更されることができる。燃料圧は、コモンレールに設けられた燃圧センサによって検出され、その検出信号はＥＣＵ１に送られる。また、燃料噴射弁３８の噴射時間および噴射時期は、ＥＣＵ１からの制御信号に従って制御される。

点火プラグ４１が、燃焼室３１に臨むように取り付けられている。点火プラグ４１は、点火コイルを含む点火装置４２から点火のためのエネルギーの供給を受け、ＥＣＵ１からの制御信号に従う点火時期において、燃料噴射弁からの燃料と吸気バルブ３５からの吸入空気との混合気を点火する。点火により、混合気は燃焼する。燃焼により混合気の体積は増大し、これによりピストン３２を下方に押し下げる。ピストン３２の往復運動は、クランク軸４５の回転運動に変換される。

エンジン２には、クランク角センサ４６が設けられている。クランク角センサ４６は、クランク軸４５の回転に従って、パルス信号であるＣＲＫ信号およびＴＤＣ信号をＥＣＵ１に出力する。ＣＲＫ信号は、所定のクランク角毎に出力される。ＥＣＵ１は、ＣＲＫ信号に応じ、エンジン２の回転数ＮＥを算出する。ＴＤＣ信号は、ピストン３２の上死点（ＴＤＣ）位置に関連したクランク角度で出力される。

また、エンジン２の各気筒の排気管４の集合部の下流には、排ガスを浄化する装置（触媒）５１が設けられている。該排ガス浄化装置の上流には、空燃比（ＬＡＦ）センサ５２が設けられており、エンジン２のリーンからリッチにわたる領域の空燃比をリニアに検出する。空燃比センサ５２の検出値は、ＥＣＵ１に送られる。

以下の説明において、１燃焼サイクルは、吸気、圧縮、膨張および排気行程から成る。直接噴射式エンジンの場合、燃料は昇圧されて直接燃焼室内に噴射されるので、１燃焼サイクル中のどの行程でも噴射することが可能である。本願発明者はこの点に着目し、気筒を稼働状態から休止状態に移行させる際に、該気筒について、燃料噴射が停止されているにかかわらず吸排気弁が稼動している状態を検出する。以下、このような状態を、「エアサイクル」と呼ぶ。エアサイクルは、燃料噴射停止タイミングと、吸排気弁停止タイミングとがずれている状態である。エアサイクルを検出することにより、その燃焼サイクルにおける排気空燃比がリーン化されることが予測される。したがって、その同じ該燃焼サイクル中に、追加の燃料を噴射する。これにより、エアサイクルによって排気空燃比がリーン化されることを抑制する。

図３は、この発明の一実施形態に従う、制御装置の機能ブロック図である。各機能は、ＥＣＵ１において実現される。

運転モード選択部５１は、エンジン２の運転状態に従って、前述した第１〜第３の運転モードのうちの１つを選択する。たとえば、アクセルペダルの開度を検出するアクセルセンサ（図示せず）の検出値から、エンジンの負荷を判断し、該エンジン負荷と、クランク軸の回転角度位置を検出するクランク角センサ４６から算出されることのできるエンジン回転数とに基づいて、運転モードを選択することができる。たとえば、負荷が高いほど、またエンジン回転数が高いほど、稼動気筒数が多くなるよう運転モードを選択することができる。

気筒休止部５３は、選択された運転モードに応じて、新たに休止すべき気筒が発生したならば、該休止すべき気筒に対し、燃料噴射を停止すると共に、吸排気弁の作動停止を行うよう制御する。たとえば、全筒運転の第１のモードから、３筒運転の第３のモードに切り換えられた場合、気筒Ｃ１〜Ｃ３を新たに休止することとなる。したがって、これらの気筒に対し、燃料噴射を停止するよう燃料噴射弁３８に制御信号を送ると共に、休止機構２１ａを介して吸排気弁の作動停止を行うよう制御弁２３に制御信号を送る。

エアサイクル検出部５５は、クランク角センサ４６から受け取ったクランクパルス（ＣＲＫ信号）に基づいて、クランク軸４５の角速度（rad／秒）を算出する。クランクパルスの発生時間間隔から、該角速度を算出することができる。

ここで、図４を参照すると、一例として、気筒数が６である場合の、（ａ）全気筒運転および（ｂ）１気筒運転におけるクランク角速度の挙動が示されている。（ａ）および（ｂ）は、同じスケールで示されている。すべての気筒が稼働している場合、クランク角１２０度毎に各気筒において点火装置４２による点火による混合気の爆発が生じる。気筒数が６であるので、６個の爆発を完了するのに要する１サイクルは、７２０度のクランク角度である。

各気筒において、クランク角速度は、爆発によって一旦上昇した後に下降する、という挙動を示す。したがって、（ａ）に示されるように、１サイクル（７２０度）の間に、このような挙動が６回現れる。クランク角速度の波高は、αで示されているように、ほぼ所定範囲内に収まる。

他方、（ｂ）は、１サイクル中の６個の気筒のうち、１つの気筒について燃料供給が停止しているが、吸排気弁が作動しているエアサイクの状態を示している。この例では、１サイクル中、６番目に爆発すべき気筒に対する燃料供給が停止している。時間ｔ１から始まる１サイクルのうち、時間ｔ２において６番目の気筒の爆発が開始されるべきであるが、燃料供給が停止しているために爆発が生じず、符号１０１によって示されるように、時間ｔ２において、角速度が、上昇することなく急速に減少していることがわかる。これは、いわゆる失火の状態と同等と考えることができる。このような燃料供給停止によって生じるクランク角速度の減少幅がβで示されており、これは、αに比べて非常に大きい。

したがって、クランク角速度の減少幅をモニターすることにより、燃料供給が停止されているにかかわらず吸排気動作が行われているエアサイクルの状態を検出することができる。

また、図５を参照すると、（ａ）には、図４の（ｂ）と同じものが示されており、前述したように、１つの気筒について燃料供給が停止しているにもかかわらず、該気筒の吸排気弁が作動しているエアサイクルの状態を示す。他方、（ｂ）には、６個の気筒のうちの１つの気筒について燃料供給が停止しており、かつ、該気筒の吸排気弁が作動していない状態を示す。（ｂ）において、時間ｔ１からから始まる１サイクルのうち、６番目に爆発すべき気筒について燃料供給が停止していると共に吸排気動作が停止しているので、符号１０３によって示されるように、角速度が上昇することなく減少している。この減少幅は、ｃによって示されている。なお、（ａ）および（ｂ）は、同じスケールで示されている。

（ａ）および（ｂ）を比較して明らかなように、両者は同様の波形形状を有する。しかしながら、（ｂ）の場合は、吸排気動作も停止されているので、（ｂ）の場合のクランク角速度の減少幅ｃは、吸排気動作は行われる（ａ）のクランク角速度の減少幅βに比べて小さい。

このように、クランク角速度の減少幅に基づいて、燃料供給が停止されているにかかわらず吸排気動作が行われているエアサイクルの状態を、燃料供給が停止され、かつ吸排気動作も停止している状態と区別して検出することができる。

図３に戻り、エアサイクル検出部５５は、角速度の減少幅に基づいて、このようなエアサイクルを検出する。一実施例では、所定の時間間隔でクランク角度の変化を算出し、該変化が減少方向に向かっている間にわたって該変化の大きさ（絶対値）を積算していくことで、減少幅を算出する。該減少幅が所定のしきい値を超えた場合には、エアサイクルが生じたと判断する。該減少幅が生じたクランク角度範囲から、どの気筒にエアサイクルが生じたかについても判断することができる。

ここで、しきい値は、シミュレーション等によって決定されることができ、図４の例では、αより大きく、βより小さく設定される。また、しきい値は、図５の例で示すように、ｃより大きくなるよう設定されるのが好ましい。こうして、符号１０１で示されるようなクランク角速度の急減速を検出することができる。

代替的に、休止すべき気筒についてのクランク角速度のみをモニターするようにしてもよい。たとえば、第１〜第３の気筒を休止させる場合には、それに対応するクランク角速度をモニターし、減少方向への変動幅が所定のしきい値を超えた場合には、エアサイクルが発生したと判断する。図４の（ｂ）では、時間ｔ２からのクランク角度１２０度の範囲において６番目に爆発すべき気筒の減少幅が、β’で示されており、これが、所定のしきい値より大きければ、該気筒についてエアサイクルが生じたと判断することができる。この場合のしきい値も、シミュレーション等によって決定されることができる。

エアサイクルが発生した燃焼サイクルでは、その後の排気行程で排気される空気によって、内燃機関の空燃比が希薄（リーン）化することが予測される。たとえば、図４の（ｂ）に示すように、６番目の気筒について、上記のようなエアサイクルが生じたとする。ここで図６を参照すると、該気筒の燃焼サイクルが示されており、エアサイクルは、点火後の膨張行程で検出される。同じ該燃焼サイクルの排気行程において、排気バルブが開かれて燃焼室内の気体が排気されるが、燃料が供給されていないために、排気されるのは空気である。したがって、内燃機関の空燃比はリーン化され、エミッション低下のおそれがある。

そこで、図３に示すように、追加燃料制御部５７を設け、エアサイクルが検出されたことに応じて、該検出された燃焼サイクルと同じ燃焼サイクル中に追加の燃料を噴射するよう、燃料噴射弁を制御する。図６の例では、エアサイクル検出後の排気行程中に追加燃料が噴射される。これにより、追加燃料は、排気行程中に、燃焼室内の空気と共に排気管へと排気されることとなる。結果として、空燃比のリーン化を抑制することができる。

なお、追加燃料噴射は、エアサイクル検出後に噴射することができ、排気行程に限定されない。たとえば、符号１０２に示されるように、膨張行程の後半から排気行程にわたる期間中の任意の適切な時に、追加燃料を噴射することができる。

追加燃料制御部５７は、好ましくは、追加として供給する燃料の量を、理論空燃比になるよう算出する。一実施例では、たとえばエアフローメータ８（図１）によって検出される吸入空気量に基づいて、理論空燃比を実現するためのマップを参照し、対応する燃料噴射量を求める。こうして求めた燃料噴射量の燃料が噴射されるよう、燃料噴射弁３８を制御する。

図７は、この発明の一実施例に従う、制御プロセスのフローである。該プロセスは、ＥＣＵ１のＣＰＵにより、より具体的には、図３に示される各機能ブロックにより、所定の時間間隔で実行される。

ステップＳ１１において、エンジンの運転状態に基づいて、運転モードを選択する。この実施例では、前述したように、第１から第３の運転モードのうちの１つが選択されるが、これに限定されるわけではない。

ステップＳ１２において、選択された運転モードによって、稼働気筒数が減らされるかどうかを判断する。言い換えれば、休止気筒数が増やされるかどうか判断する。この判断がＹｅｓならば、新たに休止される気筒が存在することを示すので、ステップＳ１３において、該休止すべき気筒に対し、燃料噴射を停止するための制御信号を燃料噴射弁に送ると共に、休止機構２１ａまたは２１ｂを介して吸排気弁の作動を停止するための制御信号を制御弁２３に送る。

ステップＳ１４において、クランク軸の角速度が減少したかどうかを判断する。減少したならば、ステップＳ１５において、該減少方向への変化を算出する。より具体的には、前回検出された角速度Ｖ（ｎ−１）と、今回検出された角速度Ｖ（ｎ）の差ｄＶを算出することにより、該減少方向への変化を算出する。ステップＳ１６において、該変化の積算値の前回値σ（ｎ−１）に、今回算出された変化ｄＶ（ｎ）を加算して、該変化の積算値の今回値すなわち減少幅σ（ｎ）を算出する。

なお、前述したように、代替的に、ステップＳ１４〜Ｓ１６は、休止すべき気筒についてのみ算出するようにしてもよい。

ステップＳ１７において、ステップＳ１６で算出されたクランク角速度の減少幅が、所定のしきい値より大きいかどうかを判断する。この判断がＹｅｓならば、前述したようなエアサイクルが検出されたことを示し、よって、排気空燃比がリーン化されることが予測される。

ステップＳ１８において、追加で噴射すべき燃料量を求める。前述したように、好ましくは、追加噴射燃料量は、理論空燃比を実現するように算出される。ステップＳ１９において、該求めた量の追加燃料を、現在の燃焼サイクル（すなわち、エアサイクルが検出された燃焼サイクル）中の所定のタイミングで噴射するよう、燃料噴射弁を駆動するための制御信号を生成する。該所定のタイミングは、予め決めておいてもよいし、何らかの運転状態に応じて、たとえば図６に示すような膨張行程の後半から排気行程にわたる所定区間１０２内に噴射するよう、決定するようにしてもよい。

こうして、休止すべき気筒について、燃料噴射の停止タイミングと、吸排気弁の停止タイミングとがずれたとしても、エアサイクルの検出に応じて、その燃料サイクル中に追加の燃料が噴射されるので、排気空燃比がリーンになってエミッションが低下するのを防止することができる。

以上の実施形態では、運転モードが３つある場合について説明したが、この発明は、このような形態に制限されず、運転モードは、全筒運転と、複数の気筒のうちの一部を休止する部分運転との２つのモードでもよいし、３より多くのモードでもよい。また、この発明は、６気筒のエンジンに制限されず、任意の数の気筒のエンジンに適用可能である。また、休止すべき気筒を、どのバンクのどの気筒にすべきかについても、この実施形態に制限されることなく、他の形態となるよう設計することができる。また、この実施形態に示す直接噴射式エンジンは、ガソリンエンジンでもよいし、ディーゼルエンジンでもよい。

上記実施形態は、汎用の（例えば、船外機等の）内燃機関に適用可能である。

この発明の一実施例に従う、内燃機関および制御装置を概略的に示す図。 この発明の一実施例に従う、内燃機関および制御装置を概略的に示す図。 この発明の一実施例に従う、制御装置のブロック図。 この発明の一実施例に従う、全気筒が稼働している場合と１つの気筒がエアサイクル状態を示している場合のクランク角速度の挙動の一例を示す図。 この発明の一実施例に従う、１つの気筒がエアサイクル状態を示している場合と、１つの気筒の燃料供給停止および吸排気弁の停止が行われている場合のクランク角速度の挙動の一例を示す図。 この発明の一実施例に従う、エアサイクル検出と追加燃料噴射のタイミングを概略的に示す図。 この発明の一実施例に従う、制御プロセスのフローを示す図。

符号の説明

１ ＥＣＵ
２ エンジン
２１ａ、２１ｂ 休止機構
３８ 燃料噴射弁
４５ クランクシャフト
４６ クランク角センサ

Claims (2)

1. 内燃機関の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、該燃料噴射弁から噴射された燃料を含む混合気を燃焼させるための点火装置と、稼働気筒数を変更可能な可変気筒制御機構を備えた内燃機関の制御装置であって、
   前記可変気筒制御機構によって稼働気筒数を減らす運転状態に移行する減筒移行手段と、
   前記移行によって休止すべき気筒への燃料噴射の停止によって前記内燃機関の排気の雰囲気が希薄となる状態を、該内燃機関の運転状態に基づいて予測する予測手段と、
   前記予測手段によって希薄雰囲気が予測されたならば、該予測を行った燃焼サイクル中の前記点火装置による点火後に、前記休止すべき気筒に対し、前記燃料噴射弁から追加の燃料を噴射する追加燃料制御手段と、
   を備える、制御装置。
2. 前記追加される燃料は、前記排気の雰囲気が理論空燃比になるよう決定される、請求項１に記載の制御装置。

Images