JP5098985B2

JP5098985B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP5098985B2
Application number: JP2008315138A
Authority: JP
Inventors: 南　　雄太郎; 大羽　　拓
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2008-12-11
Filing date: 2008-12-11
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2028-12-11
Also published as: JP2010138772A

Description

この発明は、空燃比が相対的にリーンな第１燃焼モードと相対的にリッチな第２燃焼モードとの切換を行う内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関の燃費向上のために、従来から、空燃比を大幅なリーンとしてポンプ損失を低減するようにした所謂リーンバーン技術が知られている。このリーンバーン技術を採用する内燃機関（所謂リーンバーンエンジン）は、可及的に広い運転領域でリーン燃焼を行うことが望ましいが、運転条件によっては、空燃比を理論空燃比もしくはそれよりもリッチな空燃比に切り換える必要が生じる。

ここで、リーン空燃比での燃焼と理論空燃比での燃焼とでは、同トルクを得るために必要な空気量が大幅に異なるため、切換時に空気の応答性が問題になる。つまり、例えばスロットル弁の開度をステップ的に変化させても、シリンダ内に流入する空気量の変化は緩慢となるため、要求トルクを維持しつつ空気の応答に合わせて徐々に空燃比を変化させていくと、ＮＯｘ生成量が急激に増加する空燃比領域（所謂弱リーンの領域）を比較的長い時間に亘って通過し、ＮＯｘ排出量が増加する。従って、このようなＮＯｘ排出量が増加する空燃比領域を実質的に通らないようにする制御が必要になる。

このような空燃比切換時の問題に対処するために、特許文献１では、理論空燃比からリーン空燃比に切り換える際に、切換初期の機関吸入空気量が十分に増大していない間は空燃比が理論空燃比となるように燃料供給量を制御し、遅れて増加する空気によるトルク増大（トルク段差）は点火時期の遅角で抑制するようにしている。

なお、特許文献２は、圧縮仕事の低減のために、ピストンの下降に伴う吸気の導入に代えて、圧縮機で生成した圧縮空気をシリンダ内に直接に供給するようにした内燃機関を開示している。この特許文献２では、所定の圧縮比とした空気をリザーバ内に蓄え、ピストン上昇行程の後半において、この圧縮空気をシリンダ内に供給するようにしており、必要な空気量の全量が圧縮空気として与えられる。
特開２００５−０６９０２９号公報特表２００６−５１７６３８号公報

特許文献１では、点火時期の遅角によって所謂弱リーンの空燃比領域の使用を回避するようにしているが、点火時期を遅角させていくと燃焼安定性が低下するため、必ず点火時期の遅角限界が存在する。しかも、空燃比がリーンになるほど、理論空燃比（あるいはさらにリッチな空燃比）への切換時に必要な点火時期の遅角量が大きくなるので、結果的に、トルク段差を防止できる空燃比のリーン領域が限られてしまう。従って、燃費性能の向上代が制限されてしまうという問題がある。

そこで、この発明は、シリンダ内に応答性よく供給し得る圧縮空気を利用して、空燃比切換時の排気性能の悪化ならびにトルク段差を回避しようとするものである。

すなわち、この発明に係る内燃機関の制御装置は、吸気弁を介してシリンダ内に流入する新気量を制御する新気量制御手段と、圧縮空気を貯蔵する圧縮空気タンクと、この圧縮空気を計量してシリンダ内に供給する圧縮空気供給手段と、要求負荷に応じた燃料をシリンダ内に供給する燃料噴射装置と、を備え、機関運転条件に応じて、空燃比が相対的にリーンとなる第１燃焼モードと相対的にリッチとなる第２燃焼モードとが切り換えられるようになっている。そして、燃焼モードの切換が要求されたときに、上記新気量制御手段の制御状態を、切換後の燃焼モードでの要求新気量に対応するように切り換えるとともに、吸気弁を介してシリンダ内に実際に流入する新気量が切換後の燃焼モードでの要求新気量に到達するまでの過渡期間の間、上記圧縮空気供給手段によりシリンダ内に圧縮空気を供給して第１燃焼モードの空燃比を維持することを特徴としている。

スロットル弁や可変動弁装置などからなる新気量制御手段の制御状態が切り換えられても、吸気弁を介して実際にシリンダ内に流入する新気量はステップ的には変化せず、徐々に変化する。本発明では、この実際の新気量が切換後の燃焼モードでの要求新気量に到達するまでの過渡期間の間、シリンダ内に直接に供給される圧縮空気を利用して、第１燃焼モードの空燃比に維持される。従って、排気組成が急激に増加する中間的な空燃比領域を実質的に使用せずに、かつトルク段差を生じることなく空燃比切換が可能となる。

この発明によれば、空燃比の切換の際に、排気組成が急激に増加する中間的な空燃比領域を実質的に使用しないため、全体的な排気性能の向上が図れ、また従来のように点火時期の遅角に依存しないので、点火時期の遅角に伴う効率の低下を回避できる。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明に係る内燃機関の制御装置のシステム構成を示す構成説明図であって、内燃機関１は、シリンダヘッド４とシリンダブロック５とピストン６とによって画成される燃焼室７を有し、かつ吸気弁８を介して燃焼室７に連通する吸気通路２および排気弁９を介して燃焼室７に連通する排気通路３を備えている。

上記吸気通路２には、新気量制御手段となる電子制御型のスロットル弁１０が設けられており、このスロットル弁１０の開度によって、吸気弁８を介してシリンダ内に流入する空気量を制御することができる。

なお、吸気弁８の開閉時期（少なくとも閉時期）を可変制御し得る可変動弁機構を設け、スロットル弁１０に代えて、この可変動弁装置により吸気弁８を介してシリンダ内に流入する空気量を制御することもできる。あるいは、スロットル弁１０と可変動弁装置の双方を用いてシリンダ内に流入する空気量を制御するようにしてもよい。あるいは、外部排気還流を行う排気還流制御弁の制御によりシリンダ内に流入する新気量を制御することもできる。

燃焼室７には、燃料タンク１１から送られた燃料を燃焼室７内に噴射供給する燃料噴射弁１２と、圧縮空気タンク１３内に蓄えられた圧縮空気を燃焼室７内に直接に供給する圧縮空気噴射弁１４と、燃焼室７内の混合気を着火・燃焼させるための点火プラグ１５と、を備えている。圧縮空気タンク１３には、内部の圧縮空気の圧力を検出する圧力センサ１６が設けられている。ここで、圧縮空気は、図示せぬ圧縮機等の適宜な手段で生成されて圧縮空気タンク１３に蓄えられるが、例えば車両の減速エネルギ等の一般に無駄に捨てられてしまうエネルギを利用して圧縮空気を生成するようにすれば、燃費低減の上でより望ましいものとなる。

また、この内燃機関１は、上記圧力センサ１６のほかに、図示せぬクランク角度センサ、アクセル開度センサ、水温センサ等の一般的なセンサ類を備えており、コントロールユニット１７は、これらのセンサ類からの検出信号に基づいて、上記のスロットル弁１０、燃料噴射弁１２、圧縮空気噴射弁１４、点火プラグ１５等を統合的に制御している。

なお、図示例は火花点火機関となっているが、この発明は、圧縮自己着火の内燃機関にも適用できる。

この内燃機関１は、機関運転条件に応じて、空燃比がリーンとなるリーン燃焼モードと空燃比が理論空燃比となるストイキ燃焼モードとに切り換えられるものであり、図２に示すように、基本的に低負荷側でリーン燃焼モードとなり、高負荷側でストイキ燃焼モードとなる。図２は、負荷（トルク）に対する、燃料量、スロットル弁開度、空燃比の関係を示しており、スロットル弁開度の変化は、吸気弁８を介してシリンダ内に流入する新気量を実質的に表している。燃料量は基本的に要求負荷に応じて増加するが、各々の燃焼モードで僅かに効率が異なるため、燃焼モードの切換に伴って、必要な燃料量が僅かに変化する。スロットル弁開度は、リーン燃焼モードの方がストイキ燃焼モードに比べて大であり、負荷増加に対し低負荷時には一定のリーン空燃比が維持されるが、ある負荷の段階でスロットル弁開度が全開に達するため、これよりも負荷の大きな領域では、空燃比が減少していく。そして、このリーン空燃比が所定の排気悪化空燃比領域に入らないように、ある負荷Ｔ０でストイキ燃焼モードに切り換えられる。従って、リーン燃焼モードでは、常に、排気悪化空燃比領域よりもリーン側の空燃比が用いられ、リーン燃焼モードとストイキ燃焼モードとで空燃比が不連続な特性となる。ここで、燃焼モードの切換時には、スロットル弁開度が図２のようにステップ的に変化しても、シリンダ内に流入する新気量は実際には遅れを伴って徐々に変化し、排気悪化空燃比領域に長く留まる可能性がある。そこで、本発明は、圧縮空気の供給を利用して、空燃比をステップ的に変化させるのである。

図３は、この実施例における吸気制御の流れを示すフローチャートであって、先ずステップ１で、アクセル開度等に基づいて要求負荷つまり要求エンジントルクを算出し、ステップ２で要求空燃比を算出する。この空燃比は、勿論、リーン燃焼モードであるかストイキ燃焼モードであるかによって異なる値となる。そして、この空燃比に対応して、ステップ３で、スロットル弁１０の目標開度を算出する。

ステップ４では、燃焼モードの切換の過渡期間であるか否かを判定する。これは、燃焼モードの切換から所定期間（吸気弁８を介した新気量の応答期間を含むように予め設定する）内かどうかで判定してもよく、あるいは、吸気弁８を介してシリンダ内に流入する新気量を検出もしくは推定して要求新気量との差を算出することにより判定してもよい。このステップ４でＮＯであれば、ステップ８へ進み、圧縮空気供給は行わない。一方、ＹＥＳであれば、ステップ５へ進み、圧縮空気供給量を算出し、さらに、ステップ６で、そのときの圧縮空気タンク１３のタンク内圧力を読み込み、このタンク内圧力に基づき、ステップ７で、圧縮空気供給タイミングを決定する。この圧縮空気供給タイミングについては後述する。

図４は、リーン燃焼モードからストイキ燃焼モードへの切換の際のタイムチャートを示している。この例では、時間ｔ１において要求トルクが所定の切換トルクＴ０（図２参照）に到達し、リーン燃焼モードからストイキ燃焼モードへの切換が要求される。つまり、時間ｔ１以降の要求空燃比は、破線Ｄ１で示すように理論空燃比となる。この理論空燃比に対応して、筒内要求新気量も破線Ａ１のように変化し、スロットル弁１０の開度が制御される。ここで、スロットル弁１０の開度が時間ｔ１でステップ的に変化しても、実際のシリンダ内に流入する新気量は、実線Ａ２のように応答遅れを伴って変化する。そして、仮に、実際にシリンダ内に流入する新気量（実線Ａ２）に合わせて理論空燃比となるように燃料量（破線Ｂ１）を制御すると、トルクが過大となり、破線Ｆ１で示すようにトルク段差が生じてしまう。

そのため、従来の一つの手法では、破線Ｃ１のように点火時期を遅らせて、トルクを抑制し、実線Ｆ２で示す所望のトルク特性に沿うようにしていたのである。しかし、このような点火時期の遅角によりトルク段差を抑制する手法では、効率の悪化を招来する。

本実施例では、吸気弁８を介して実際にシリンダ内に流入する新気量の変化（実線Ａ２）に合わせて、実線Ｄ２で示すように空燃比がリーン燃焼モード時のままとなるように、筒内に直接圧縮空気を供給する（実線Ｅ）。つまり、シリンダ内の新気量（吸気弁８を介して流入した新気量と圧縮空気量との和）を、実線Ａ３のように、リーン燃焼で要求トルクを実現できる新気量とし、リーン燃焼を行う。なお、燃料噴射量は実線Ｂ２、点火時期は実線Ｃ２にそれぞれ沿った特性となる。

そして、吸気弁８を介してシリンダ内に流入する新気量（実線Ａ２）が切換後のストイキ燃焼モードでの要求新気量にまで減少したら（時間ｔ２）、圧縮空気の供給を停止してストイキ燃焼モードへ完全に切り換わる。なお、実線Ｅに示すように、時間ｔ１からｔ２の間に、必要な圧縮空気供給量は徐々に増加する。

このようにして、本実施例では、トルク段差を生じることなく、かつ排気悪化空燃比領域に実質的に留まることなく、リーン燃焼モードからストイキ燃焼モードへの燃焼モードの切換を行うことができる。

次に、図５は、ストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへの切換の際のタイムチャートを示している。この例では、時間ｔ１において要求トルクが所定の切換トルクＴ０まで低下し、ストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへの切換が要求される。つまり、時間ｔ１以降の要求空燃比は、破線Ｄ１で示すようにリーンとなる。このリーン空燃比に対応して、筒内要求新気量も実線Ａ１のように変化し、スロットル弁１０の開度が制御される。ここで、スロットル弁１０の開度がステップ的に変化しても、実際のシリンダ内に流入する新気量は、実線Ａ２のように応答遅れを伴って変化する。そして、仮に、実際にシリンダ内に流入する新気量に合わせて所定のリーン空燃比になるように燃料量を制御すると、トルクが不足し、トルク段差が生じる。

そのため、従来の一つの手法では、筒内新気量が要求値に到達するまで（つまり時間ｔ１〜ｔ２の間）、理論空燃比での燃焼（燃料噴射量は破線Ｂ１のようになり、空燃比は破線Ｄ２のようになる）とし、破線Ｆ１のように過大となるトルクを点火時期の遅角（破線Ｃ１）により抑制して、実線Ｆ２で示す所望のトルク特性に沿うようにしていた。しかし、このような手法では、効率が悪化する。

本実施例では、吸気弁８を介して実際にシリンダ内に流入する新気量の変化（実線Ａ２）に合わせて、実線Ｄ１で示すように空燃比が切換後のリーン燃焼モードでのリーン空燃比となるように、筒内に直接圧縮空気を供給する（実線Ｅ）。つまり、シリンダ内の新気量（吸気弁８を介して流入した新気量と圧縮空気量との和）を、実線Ａ１のように、リーン燃焼で要求トルクを実現できる新気量とし、リーン燃焼を行う。なお、燃料噴射量は実線Ｂ２、点火時期は実線Ｃ２にそれぞれ沿った特性となる。

そして、吸気弁８を介してシリンダ内に流入する新気量（実線Ａ２）が増加するに従って、圧縮空気供給量は減少（実線Ｅ）し、この吸気弁８を介してシリンダ内に流入する新気量が切換後のリーン燃焼モードでの要求新気量に達したら（時間ｔ２）、圧縮空気の供給量が０となり、リーン燃焼モードへ完全に切り換わる。

このようにして、やはりトルク段差を生じることなく、かつ排気悪化空燃比領域に実質的に留まることなく、ストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへの燃焼モードの切換を行うことができる。

次に、各サイクル中の圧縮空気供給タイミングについて説明する。図６は、燃焼モードの切換の際の過渡期間（例えば図４、図５の時間ｔ３）におけるサイクルのＰＶ線図を示している。

この過渡期間中は、吸気弁８を介してシリンダ内に流入する新気量の応答遅れに対し、圧縮空気を供給して所定のリーン空燃比での燃焼を行うのであるが、この圧縮空気の供給は、当然のことながら、サイクル（７２０°ＣＡ）の間、連続的に行われる訳ではなく、吸気弁８が閉じている間、特に圧縮仕事の低減のために、望ましくは図６のように圧縮行程中に行われる。良く知られているように、ハッチング（斜線）を施した領域Ａが、損失となる圧縮仕事であり、ドットを付して示す領域Ｂが、外部へ取り出せる仕事である。本発明では、圧縮空気の導入によって、領域Ａの面積で示される圧縮仕事の低減が図れる。

ここで、圧縮空気の供給タイミングとしては、圧縮行程の中で遅い（つまり上死点に近い）ほど、圧縮仕事（領域Ａ）が小さくなり、取り出せる仕事（領域Ｂ）が大きくなるので、より効率が向上する。しかし、上死点に近いタイミングで圧縮空気を供給するためには、高い吐出圧力が必要になるので、本実施例では、圧縮空気タンク１３のタンク内圧力に応じて供給タイミングを変更する。すなわち、タンク内圧力が高い（例えばＰ１）場合は、図６（ａ）に示すように供給タイミングを遅くして上死点寄りとし、タンク内圧力が低い（例えばＰ２）場合は、図６（ｂ）に示すように圧縮行程の中で供給タイミングを早くする。なお、２つの状態のみを例示したが、供給タイミングは、タンク内圧力に応じて連続的に変化する。このようにタンク内圧力に応じて圧縮空気の供給タイミングを変更することで、そのときのタンク内圧力に応じて最大限の圧縮仕事の低減が図れる。

この発明に係る制御装置のシステム構成図。負荷に対する空燃比等の特性を示す特性図。この実施例の制御の流れを示すフローチャート。リーン燃焼モードからストイキ燃焼モードへの切換時のタイムチャート。ストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへの切換時のタイムチャート。タンク内圧力に応じて供給タイミングをそれぞれ変更した場合のＰＶ線図。

符号の説明

１…内燃機関
２…吸気通路
８…吸気弁
１０…スロットル弁
１３…圧縮空気タンク
１４…圧縮空気噴射弁
１６…圧力センサ

Claims

吸気弁を介してシリンダ内に流入する新気量を制御する新気量制御手段と、
圧縮空気を貯蔵する圧縮空気タンクと、
この圧縮空気を計量してシリンダ内に供給する圧縮空気供給手段と、
要求負荷に応じた燃料をシリンダ内に供給する燃料噴射装置と、
を備え、
機関運転条件に応じて、空燃比が相対的にリーンとなる第１燃焼モードと相対的にリッチとなる第２燃焼モードとが切り換えられる内燃機関の制御装置において、
燃焼モードの切換が要求されたときに、上記新気量制御手段の制御状態を、切換後の燃焼モードでの要求新気量に対応するように切り換えるとともに、
吸気弁を介してシリンダ内に実際に流入する新気量が切換後の燃焼モードでの要求新気量に到達するまでの過渡期間の間、上記圧縮空気供給手段によりシリンダ内に圧縮空気を供給して第１燃焼モードの空燃比を維持することを特徴とする内燃機関の制御装置。
第１燃焼モードから第２燃焼モードへの切換が要求されたときに、上記新気量制御手段の制御状態の切換後、吸気弁を介して実際にシリンダ内に流入する新気量の減少に合わせて圧縮空気供給量を増加させ、上記過渡期間の終了時に圧縮空気の供給を停止して第２燃焼モードに移行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。
第２燃焼モードから第１燃焼モードへの切換が要求されたときに、第１燃焼モードの空燃比に対応した量の圧縮空気の供給を開始し、上記過渡期間の間、吸気弁を介して実際にシリンダ内に流入する新気量の増加に合わせて圧縮空気供給量を減少させ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。
サイクルの圧縮行程中に圧縮空気の供給を行うとともに、上記圧縮空気タンクのタンク内圧力が高いほど、この圧縮空気の供給時期を遅らせて上死点寄りとすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。