JP4742911B2

JP4742911B2 - 内燃機関の空燃比制御装置

Info

Publication number: JP4742911B2
Application number: JP2006053205A
Authority: JP
Inventors: 泰之入澤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2026-02-28
Also published as: JP2007231807A

Description

本発明は、内燃機関の空燃比制御装置に関する。

機関運転状態に応じて、燃焼空燃比を理論空燃比からリーン空燃比へ切り換えたり、その逆に切り換えたりする内燃機関が公知である。このような燃焼空燃比の切り換え時に発生する機関出力変化を燃料噴射量制御により抑制することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、燃料噴射量だけで機関出力変化を抑制することは困難であり、一般的には、点火時期制御も実施される。

特開２０００−２１４２特開２００１−２４８４８４特開２００３−２２７３９５

点火時期制御は、応答良く発生トルクを変化させることができる。しかしながら、機関負荷が高くなるほど、点火時期の変化量に対する発生トルクの変化量が大きくなるために、特に機関高負荷時において、燃焼空燃比の切り換え時にそのまま点火時期制御を実施する時には、僅かな点火時期のずれが発生トルクを目標値から大きく外すこととなるために、機関出力変化を良好に抑制するには点火時期制御の制御精度を非常に高めなければならない。

従って、本発明の目的は、燃焼空燃比の切り換え時に点火時期制御によって機関出力変化を抑制する内燃機関の空燃比制御装置において、点火時期制御の制御精度をそれほど高めなくても機関出力変化を良好に抑制可能とすることである。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置は、燃焼空燃比の切り換え時に点火時期制御によって機関出力変化を抑制する内燃機関の空燃比制御装置において、燃焼空燃比の切り換え時に点火時期制御を開始する際には、変速器により機関出力を変化させずに機関運転状態を高回転低負荷側へ変化させて点火時期変化量に対する発生トルク変化量を小さくすることを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置によれば、燃焼空燃比の切り換え時に点火時期制御を開始する際には、機関出力を変化させずに点火時期の変化量に対する発生トルクの変化量を小さくするようになっているために、点火時期制御の制御精度をそれほど高めなくても良好に機関出力変化を抑制することができる。ここで、機関出力を変化させずに点火時期変化量に対する発生トルク変化量を小さくするには、発生トルクの絶対値が小さい低負荷側とすれば良いために、変速器により機関運転状態を高回転低負荷側へ変化させている。

図１は、本発明による空燃比制御装置により燃焼空燃比が切り換えられる内燃機関を示す概略図である。本内燃機関は、例えば、第１バンク１ａ及び第２バンク１ｂを有するＶ型内燃機関である。２は吸気通路であり、３は吸気通路２に配置されたエアフローメータである。吸気通路２のエアフローメータ３より上流側は、エアクリーナ（図示せず）を介して大気に開放している。吸気通路２は、エアフローメータ３の下流側において、二股に分岐し、その一方は第１バンク１ａ側の第１ターボチャージャ４ａのコンプレッサを介して第１インタークーラ５ａへ通じ、他方は第２バンク１ｂ側の第２ターボチャージャ４ｂのコンプレッサを介して第２インタークーラ５ｂへ通じている。

第１インタークーラ５ａ及び第２インタークーラ５ｂの下流側において、吸気通路２は合流し、この合流部の下流側にはスロットル弁６が配置されている。スロットル弁６の下流側において、吸気通路２は再び二股に分岐して、第１バンク１ａの第１吸気マニホルド７ａと、第２バンク１ｂの第２吸気マニホルド７ｂとにそれぞれ接続される。

８は排気通路であり、９は排気通路８に配置されたＮＯ_X触媒装置である。排気通路８のＮＯ_X触媒装置９より下流側は、マフラ（図示せず）を介して大気に開放している。排気通路８は、ＮＯ_X触媒装置９の上流側において、二股に分岐し、その一方は第１三元触媒装置１０ａに通じている。第１三元触媒装置１０ａの上流側においては、第１ターボチャージャ４ａのタービンを介して第１バンク１ａの第１排気マニホルド１１ａに接続される。二股に分岐した排気通路８の他方は、第２三元触媒装置１０ｂに通じ、第２三元触媒装置１０ｂの上流側において、第２ターボチャージャ４ｂのタービンを介して第２バンク１ｂの第２排気マニホルド１１ｂに接続される。

本内燃機関は、理論空燃比よりリーンな設定リーン空燃比の均質混合気を燃焼させる均質リーン燃焼を実施して、燃料消費を低減している。しかしながら、機関始動時においては、着火性を向上するために、理論空燃比（又は理論空燃比よりリッチなリッチ空燃比）の均質混合気を燃焼させる均質燃焼が実施される。機関本体近傍に配置されて比較的小さな熱容量しか有しない第１三元触媒装置１０ａ及び第２三元触媒装置１０ｂは、この機関始動時において排気ガスを良好に浄化する。また、均質リーン燃焼の運転領域を超えて機関負荷が高くなる時にも、理論空燃比（又はリッチ空燃比）の運転が実施され、この時にも、第１三元触媒装置１０ａ及び第２三元触媒装置１０ｂが排気ガスを浄化する。

本内燃機関は、第１及び第２の二つのターボチャージャ４ａ及び４ｂにより過給を実施することにより第１バンク１ａ及び第２バンク１ｂの各気筒へは非常に多量の吸気を供給することができ、比較的多量の燃料による均質リーン燃焼が可能となるために、前述の均質リーン燃焼の運転領域を高負荷側へ拡大することができる。各気筒の燃料噴射弁は、均質混合気の形成に有利なように、各気筒の吸気ポートへ燃料を噴射するものとされている。

前述の均質リーン燃焼の設定リーン空燃比は、ＮＯ_X生成量が比較的少なくなる空燃比に設定される。しかしながら、依然としてＮＯ_Xが生成されるために、排気通路８には、排気ガスの空燃比がリーンである時にＮＯ_Xを良好に吸蔵するＮＯ_X触媒装置９が配置され、ＮＯ_Xの大気放出量を抑制している。ＮＯ_X触媒装置９のＮＯ_X吸蔵可能量は有限であり、吸蔵されたＮＯ_XがＮＯ_X吸蔵可能量に達する以前にＮＯ_X触媒装置９からＮＯ_Xを放出させて還元浄化する再生処理が必要となる。また、排気ガス中のＳＯ_XもＮＯ_Xと同様にＮＯ_X触媒装置９に吸蔵されるために、吸蔵されたＳＯ_Xを放出させるための回復処理も必要である。

再生処理及び回復処理のためには、排気ガスの空燃比をリッチすることが必要であり、燃料噴射弁が吸気ポートに燃料を噴射するものである場合には、燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチな設定リッチ空燃比とする均質リッチ燃焼が実施される。回復処理に際しては、ＮＯ_X触媒装置９を比較的高温にすることも必要とされる。もし、燃料噴射弁が気筒内へ直接的に燃料を噴射するものである場合には、再生処理に際して、燃焼空燃比をリッチすることなく、膨張行程又は排気行程において気筒内へ追加燃料を供給するようにしても良い。

本内燃機関は、このように、機関運転状態に応じて燃焼空燃比が切り換えられる。図２は、僅かな機関負荷の上昇及び低下に伴って、燃焼空燃比が設定リーン空燃比から理論空燃比へ及び理論空燃比から設定リーン空燃比へ切り換えられる場合のスロットル弁開度、吸気量、及び、燃料噴射量のタイムチャートを示している。この時において、切り換え前後において要求されている設定リーン空燃比のリーン運転（以下、リーン運転）及びストイキ運転の第１燃料噴射量Ｆ１及び第２燃料噴射量Ｆ２は、ストイキ運転の機関負荷がリーン運転より僅かに高いことと、リーン運転の燃料消費がストイキ運転より少ないこととによって、ストイキ運転の第２燃料噴射量Ｆ２はリーン運転の第１燃料噴射量Ｆ１より僅かに多くなっている。また、切り換え前後において機関回転数はほぼ一定である。

図２のタイムチャートを参照すると、時刻ｔ１において、燃焼空燃比を設定リーン空燃比から理論空燃比（ストイキ）へ切り換える要求があり、スロットル弁開度は、第１燃料噴射量Ｆ１のリーン運転から第２燃料噴射量Ｆ２（第１燃料噴射量Ｆ１より僅かしか多くない）のストイキ運転へ切り換えるために吸気量を大幅に減少させなければならず、第１燃料噴射量Ｆ１のリーン運転に適した第１スロットル弁開度ＴＨ１から第２燃料噴射量Ｆ２のストイキ運転に適した第２スロットル弁開度ＴＨ２へ急激に減少させられる。しかしながら、実際に気筒内へ供給される吸気量は応答遅れによって徐々にしか減少せず、時刻ｔ１において第１燃料噴射量Ｆ１のリーン運転に適した第１吸気量Ｑ１であった吸気量は、時刻ｔ２において第２燃料噴射量Ｆ２のストイキ運転に適した第２吸気量Ｑ２となる。それにより、時刻ｔ１からｔ２の間における吸気量は、第２吸気量Ｑ２より多くなる。

この時刻ｔ１からｔ２の間において、リーン運転の第１燃料噴射量Ｆ１が維持されると、燃焼空燃比は、設定リーン空燃比よりは理論空燃比側のリーン空燃比となり、多量のＮＯ_Xが生成されてしまう。それにより、この間においてはストイキ運転が実施され、燃料噴射量は、第２燃料噴射量Ｆ２より多くされて、図２に示すように、吸気量に応じて理論空燃比となるように制御される。こうして、時刻ｔ１からｔ２の間において、発生トルクは、図２の燃料噴射量に対応して、第１燃料噴射量Ｆ１のリーン運転及び第２燃料噴射量Ｆ２のストイキ運転よりかなり大きくなり、機関回転数はほぼ一定に推移するために、機関出力も発生トルクと同様な傾向となる。

図２のタイムチャートを参照すると、時刻ｔ３において、燃焼空燃比を理論空燃比から設定リーン空燃比へ切り換える要求があり、スロットル弁開度は、第２スロットル弁開度ＴＨ２から第１スロットル弁開度ＴＨ１へ急激に減少させられる。この時にも応答遅れによって第１燃料噴射量Ｆ１のリーン運転に適した第１吸気量Ｑ１が実現されるのは時刻ｔ４であり、やはり、時刻ｔ３からｔ４の間においては、第２吸気量Ｑ２より多い吸気量に対してストイキ運転が実施され、この間の発生トルク及び機関出力は、図２の燃料噴射量に対応して、第１燃料噴射量Ｆ１のリーン運転及び第２燃料噴射量Ｆ２のストイキ運転よりかなり大きくなる。

それにより、このままでは、時刻ｔ１及びｔ３直後において、大きな機関出力変化がもたらされる。この機関出力変化を抑制するために、一般的には、時刻ｔ１からｔ２の間及び時刻ｔ３からｔ４の間において、燃料噴射量が多いほど大きく点火時期を遅角して発生トルクを大きく低下させる点火時期制御が実施される。

図３は、各機関負荷において、ＭＢＴ（最適点火時期）からの点火時期遅角量と、発生トルク低減量との関係を示すグラフである。同図に示すように、機関負荷が高いほど、点火時期遅角量に対する発生トルク低減量が大きくなる。それにより、本実施形態のように、リーン燃焼の運転領域が比較的高負荷側へ拡大されているような場合においては、機関高負荷時の点火時期制御が必要となるが、この時には、僅かな点火時期のずれでも発生トルクが目標値から大きく外れてしまうために、点火時期制御の制御精度を非常に高くしないと、良好に機関出力を抑制することができないこととなる。

本実施形態では、図４に示すフローチャートにより出力変化抑制制御を実施し、点火時期制御の制御精度をそれほど高くしなくても燃焼空燃比の切り換え時の出力変化を良好に抑制することを可能としている。先ず、ステップ１０１において、燃焼空燃比の切り換え要求があるか否かが判断される。この判断が否定される時にはそのまま終了するが、ステップ１０１の判断が肯定される時には、ステップ１０２において、空燃比切り換えに対応して前述したようなスロットル弁の開度制御が実施される。次いで、ステップ１０３において、吸気量の応答遅れに対して、ストイキ運転を実施するように燃料噴射量の制御が開始される。それと同時に、トルク変化量減少制御及び点火時期制御が開始される。

トルク変化量減少制御は、機関出力を変化させずに点火時期変化量に対する発生トルク変化量を小さくする制御である。図３に示すように、機関負荷が高いほど、点火時期遅角量に対する発生トルク低減量は大きくなるが、これは、当然のこととして、機関負荷が高いほど、発生トルクの絶対値自身が大きくなるためである。それにより、機関負荷を低負荷側とすることにより、点火時期変化量に対する発生トルク変化量を小さくすることができる。そのために、トルク変化量減少制御として、ハイブリッド車等に搭載されている無段変速器を制御して、機関回転数を高めると共に機関負荷を減少させて、機関運転状態を高回転低負荷側とすれば良い。この時には、機関負荷の減少に伴って各気筒の吸気量及び燃料噴射量は減少するが、同時に、機関回転数が高められるために、全気筒を合わせた単位時間当たりの吸気量及び燃料噴射量は殆ど変化しない。

図５は、エンジン動作線を示すグラフであり、内燃機関に無段変速器が取り付けられる場合には、要求機関出力に対して内燃機関を最も燃料消費が少ないように運転することが好ましく、この各運転状態を示すのがエンジン動作線である。すなわち、内燃機関は、一般的に、エンジン動作線に沿って運転されることとなる。前述のトルク変化量減少制御は、例えば、燃焼空燃比を切り換えるためにスロットル弁開度が制御されてストイキ運転を開始する時の運転状態が図５中のＡであるならば、無段変速器により運転状態Ａを同じ機関出力の運転状態Ｂとして、高回転低負荷側とするのである。

こうして、トルク減少制御により点火時期変化量に対する発生トルク変化量を小さくすると同時に、機関出力変化を抑制するように点火時期を遅角する点火時期制御が開始される。それにより、点火時期制御の制御精度をそれほど高めなくても良好に機関出力変化を抑制することができる。図４のフローチャートに戻ると、次いで、ステップ１０４において、スロットル弁制御に伴う要求吸気量（リーン運転からストイキ運転への切り換え時には第２吸気量Ｑ２であり、ストイキ運転からリーン運転への切り換え時には第１吸気量Ｑ１である）が実現されたか否かが判断される。これは、エアフローメータ３の出力に基づき判断しても良いし、また、切り換え前後の運転状態に基づき時間設定して、スロットル弁制御開始から設定された時間の経過により判断するようにしても良い。要求吸気量が実現されていない時には、ステップ１０３の燃料噴射量制御、トルク変化量減少制御、及び、点火時期制御を継続する。一方、要求吸気量が実現された時（図２において時刻ｔ２又はｔ４）には、出力変化抑制は必要なくなり、ステップ１０５において、ステップ１０３の全制御、すなわち、出力変化抑制制御を終了する。

図６は、本空燃比制御装置によって燃焼空燃比が切り換えられる前述の内燃機関のシリンダヘッドの底面図である。同図において、２０は一対の吸気弁であり、３０は一対の排気弁である。吸気弁２０の一方には、ヘリカルポート４０が連通され、吸気弁２０の他方にはストレートポート５０が連通されている。ストレートポート５０には吸気流制御弁５１が配置されている。このような構成により、吸気流制御弁５１の開度を大きくすれば、ストレートポート５０を通過する吸気量が増加し、ヘリカルポート４０から気筒内へ供給された吸気が気筒内にスワール流（横旋回流）を生成しようとする際に、ストレートポート５０から気筒内へ供給された吸気がスワール流の生成を抑制する。一方、吸気流制御弁５１の開度を小さくすれば、ストレートポート５０を通過する吸気量が減少し、スワール流の生成を抑制し難くなるために、気筒内には強いスワールが生成される。

本内燃機関は、強いスワールを気筒内に生成することにより、スワール流を圧縮行程の点火時期においても持続させて気筒内に乱れを発生させることにより、燃焼速度を速めている。ところで、点火時期変化量に対する発生トルク変化量は、燃焼を緩慢にして燃焼速度を遅くすることによっても小さくすることができる。

それにより、図４のフローチャートのステップ１０３におけるトルク変化量減少制御として、燃焼空燃比を切り換えるためにスロットル弁の開度を変化させた時に、吸気流制御弁５１を開き側として、スワール流の生成を抑制するようにしても、燃焼速度が遅くなって点火時期変化量に対する発生トルク変化量が小さくなるために、点火時期制御の制御精度をそれほど高めなくても良好に機関出力変化を抑制することが可能となる。本内燃機関は、燃焼速度を速めるためにスワール流を利用するものであるが、タンブル流（縦旋回流）を利用するものであれば、燃焼空燃比を切り換える時には、燃焼速度を遅くするためにタンブル流を抑制するようにすれば良い。

図７は、特定燃料噴射量のストイキ運転時における点火時期と発生トルクとの関係を示すグラフであり、燃焼速度が速い場合には実線のように、特にＭＢＴより遅角側において、点火時期変化量に対する発生トルク変化量が大きくなる。一方、燃焼速度を遅くすると点線のようになり、特にＭＢＴより遅角側において点火時期変化量に対する発生トルク変化量が小さくなる。また、ＭＢＴの時の発生トルクは燃焼速度が速い場合のＭＢＴの時の発生トルクとほぼ等しく、燃焼速度の遅い時のＭＢＴは燃焼速度が速い時のＭＢＴより進角側となる。こうして、燃焼速度を遅くするために吸気流制御弁５１を開き側とすると同時に、機関出力が変化しないように、点線で示すグラフに基づき点火時期制御を開始することとなる。ストイキ運転時における点火時期と発生トルクとの関係は、燃焼速度に応じて変化すると共に、燃料噴射量が多いほどＭＢＴの時の発生トルク高くなるために、燃料噴射量に応じても変化する。

また、図６に示すように、本内燃機関は、気筒上部略中心に配置された第１点火プラグ６０と、気筒上部周囲の吸気弁２０と排気弁３０との間に配置された第２点火プラグ７０とを備えており、これら二つの点火プラグ６０及び７０によって混合気を着火燃焼させることにより、燃焼速度を速めている。

それにより、図４のフローチャートのステップ１０３におけるトルク変化量減少制御として、燃焼空燃比を切り換えるためにスロットル弁の開度を変化させた時に、第１点火プラグ６０及び第２点火プラグ７０の一方の使用を中止し、他方だけを使用して混合気を着火燃焼させるようにしても、すなわち、混合気の点火に使用する点火プラグ数を減少させても、燃焼速度が遅くなって点火時期変化量に対する発生トルク変化量が小さくなるために、点火時期制御の制御精度をそれほど高めなくても良好に機関出力変化を抑制することが可能となる。本内燃機関は、燃焼速度を速めるために二つの点火プラグによる二点点火を利用するものであるが、さらに多数の点火プラグによる多点点火を実施するものであれば、燃焼空燃比を切り換える時には、少なくとも一つの点火プラグの使用を中止して混合気の点火に使用する点火プラグ数を減少させるようにすれば良い。

ところで、第１点火プラグ６０及び第２点火プラグ７０の他方だけを使用して混合気を着火燃焼させる際に、第１点火プラグ６０を使用すると、混合気は中心部から周囲部へ放射状に燃焼することとなる。また、第２点火プラグ７０を使用すると、混合気は周囲部から周囲部へ混合気を横断するように燃焼する。それにより、着火から燃焼終了までの時間は、第１点火プラグ６０を使用する方が第２点火プラグ７０を使用する場合に比較して短くなり、すなわち、第２点火プラグ７０を使用する方が第１点火プラグ６０を使用する場合に比較して燃焼速度をさらに遅くすることができる。

それにより、第２点火プラグ７０だけを点火に使用する方が点火時期変化量に対する発生トルク変化量をより小さくすることができ、機関高負荷時において燃焼空燃比を切り換える時には有利である。しかしながら、それほど機関負荷が高くない時に燃焼空燃比を切り換える際には、発生トルクの絶対値自身が小さいために、第１点火プラグ６０だけを点火に使用するようにしても、点火時期変化量に対する発生トルク変化量は十分に小さくなる。燃焼の安定性に関しては、混合気を中央部から周囲部へ燃焼させる方が有利である。それにより、燃焼空燃比の切り換えに際して、機関負荷が設定負荷以上である時には第１点火プラグ６０の使用を中止し、機関負荷が設定負荷未満である時には第２点火プラグ７０の使用を中止するようにすることが好ましい。

前述したように、燃焼空燃比の切り換え時のストイキ運転において、燃料噴射量毎及び燃焼速度毎に点火時期と発生トルクとの関係が異なるために、現在の燃料噴射量及び現在の燃焼速度に基づき点火時期と発生トルクとの現在の関係を把握し、機関出力変化を抑制するように点火時期を制御することとなる。

本発明による空燃比制御装置により燃焼空燃比が切り換えられる内燃機関を示す概略図である。燃焼空燃比の切り換え時のスロットル弁開度、吸気量、及び、燃料噴射量の変化を示すタイムチャートである。点火時期遅角量とトルク低減量との関係を示すグラフである。燃焼空燃比の切り換え時の出力変化抑制制御を示すフローチャートである。エンジン動作線を示す機関回転数と機関負荷とのマップである。図１の内燃機関のシリンダヘッドの底面図である。点火時期と発生トルクとん関係を示すグラフである。

符号の説明

１ａ第１バンク
１ｂ第２バンク
４ａ第１ターボチャージャ
４ｂ第２ターボチャージャ
２０吸気弁
３０排気弁
４０ヘリカルポート
５０ストレートポート
５１吸気流制御弁
６０第１点火プラグ
７０第２点火プラグ

Claims

燃焼空燃比の切り換え時に点火時期制御によって機関出力変化を抑制する内燃機関の空燃比制御装置において、燃焼空燃比の切り換え時に点火時期制御を開始する際には、変速器により機関出力を変化させずに機関運転状態を高回転低負荷側へ変化させて点火時期変化量に対する発生トルク変化量を小さくすることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。