JP5099233B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、詳しくは、ＥＧＲ装置を備え、且つ、稼動気筒数を全気筒と一部気筒との間で切り替えることが可能な内燃機関の制御装置に関する。
排気ガスの一部を吸気系に還流させるＥＧＲ装置が知られている。ＥＧＲ装置は、排気通路と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路と、ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ弁とから構成されている。吸気系に還流させるＥＧＲガスの量（以下、ＥＧＲ量）はＥＧＲ弁の開度によって調整することができる。そのようなＥＧＲ装置を備える内燃機関に関して、例えば、特開平７−３３２１６５号公報、特開２００７−３０９２９８号公報、或いは、特開２００４−２７９７１号公報に開示されているように様々な制御技術が提案されている。
また、稼動気筒数を全気筒と一部気筒との間で切り替えることが可能な内燃機関が知られている。前掲の特開２００４−２７９７１号公報に開示されているように、ＥＧＲ装置はそのような内燃機関にも搭載することができる。
ＥＧＲ装置を備える内燃機関では、負荷が変化する過渡運転時には、スロットルの開度を変化させるのと併せてＥＧＲ弁の開度を変化させることも行われる。吸気系に還流するＥＧＲガスの量はサージタンクの負圧とＥＧＲ弁の開度とによって決まるが、スロットルの開度が変化すればサージタンクの負圧も変化するからである。負荷の変化に合わせてＥＧＲ弁の開度を変化させることで、吸気系に還流するＥＧＲガスの量を制御することができ、過渡運転時においても目標とするＥＧＲ率を保つことができるようになる。
このように負荷の変化に合わせてＥＧＲ弁の開度を変化させることは、稼動気筒数を切り替え可能な内燃機関においても同様に行うことができる。ただし、負荷が同じであっても、全気筒稼動時と一部気筒稼動時とではサージタンクの負圧には違いが有る。また、負荷の変化量が同じであっても、必要なサージタンクの負圧の変化量は全気筒稼動時と一部気筒稼動時とでは異なっている。ＥＧＲ量にはサージタンクの負圧が密接に関係していることを考慮すると、全気筒稼動か一部気筒稼動かによらず過渡運転時のＥＧＲ率を適正に保つためには、稼動気筒数に応じた方法でＥＧＲ弁の開度を制御することが望ましいと考えられる。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、全気筒稼動時と一部気筒稼動時の何れであっても過渡運転時のＥＧＲ率を適正に保つ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。
本発明にかかる制御装置は、サージタンクより上流の吸気通路にスロットルを備え、スロットルより下流の吸気通路と排気通路とを結ぶＥＧＲ通路にＥＧＲ弁を備え、且つ、稼動気筒数を全気筒と一部気筒との間で切り替え可能な内燃機関を制御対象とする制御装置である。本発明にかかる制御装置は、そのような内燃機関を制御するための手段として、スロットル操作手段とＥＧＲ弁操作手段とを備える。スロットル操作手段は、全気筒稼動時と一部気筒稼動時とでアクセル操作量に対する出力が等しくなるように、アクセル操作量と稼動気筒数とに応じた開度にスロットルを操作する。ＥＧＲ弁操作手段は、ＥＧＲ率が目標値になるように、スロットル開度と稼動気筒数とに応じた開度にＥＧＲ弁を操作する。詳しくは、ＥＧＲ弁操作手段は、アクセル操作量の変化によってスロットルの開度が変化する場合、全気筒稼動時か一部気筒稼動時かによって動作速度を変えてＥＧＲ弁の開度を変化させる。より詳しくは、一部気筒稼動時は全気筒稼動時よりも遅い速度でＥＧＲ弁の開度を変化させる。
全気筒稼動時と一部気筒稼動時とでは、一定出力を発生させるための時間当たり空気量は略同じであるが、気筒当たりの空気の充填効率差に応じてサージタンク内の圧力は異なり、サージタンク内に存在する空気量も異なる。アクセル操作量が変化したときには、その変化量に応じた出力の変化を実現するようにスロットルの操作によってサージタンク内の圧力が調整される。その際、スロットルを通過してサージタンク内の圧力を変化させるのに必要となる空気量は稼動気筒数によって異なる。具体的には、全気筒稼動時のほうが必要な空気量は少なく、一部気筒稼動時のほうが必要な空気量は多い。スロットルを空気が通過する際の通過速度は略一定であることから、圧力変化に必要な空気量が異なれば圧力変化に要する時間も異なったものになる。つまり、全気筒稼動時のほうが圧力変化に要する時間は短く、一部気筒稼動時のほうが圧力変化に要する時間は長くなる。
本発明にかかる制御装置によれば、全気筒稼動時か一部気筒稼動時かによって動作速度を変えてＥＧＲ弁の開度を変化させ、一部気筒稼動時は全気筒稼動時よりも遅い速度でＥＧＲ弁の開度を変化させるので、全気筒稼動時はサージタンク内の速い圧力変化にＥＧＲ弁の開度の変化を合わせることができ、一部気筒稼動時はサージタンク内の遅い圧力変化にＥＧＲ弁の開度の変化を合わせることができる。このように、本発明にかかる制御装置によれば、サージタンク内の圧力変化に合わせてＥＧＲ弁の開度を変化させることができるので、全気筒稼動時と一部気筒稼動時の何れであっても過渡運転時のＥＧＲ率を適正に保つことができる。
また、本発明の別の態様では、稼動気筒数が一部気筒から全気筒へ切り替えられる場合、稼動気筒数が全気筒へ切り替えられた後或いはその時点で、スロットルを全気筒稼動に対応した開度まで閉じ、スロットルが全気筒稼動に対応した開度まで閉じられる前に、ＥＧＲ弁を全気筒稼動時のスロットル開度に対応した開度まで閉じる。
このようなタイミングでスロットルの閉操作及びＥＧＲ弁の閉操作を行うことで、稼動気筒数が一部気筒から全気筒へ切り替わる過渡時にトルク不足が生じるのを防止することができ、また、ＥＧＲ率が過剰になることも防止することができる。
本発明のさらに別の態様では、稼動気筒数が全部気筒から一部気筒へ切り替えられる場合、稼動気筒数が一部気筒へ切り替えられる前或いはその時点で、スロットルを一部気筒稼動に対応した開度まで開き、スロットルが一部気筒稼動に対応した開度まで開かれた後に、ＥＧＲ弁を一部気筒稼動時のスロットル開度に対応した開度まで開く。
このようなタイミングでスロットルの開操作及びＥＧＲ弁の開操作を行うことで、稼動気筒数が全気筒から一部気筒へ切り替わる過渡時にトルク不足が生じるのを防止することができ、また、ＥＧＲ率が過剰になることも防止することができる。
本発明が適用される内燃機関の概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態にかかるＥＧＲ弁の動作速度の設定について説明するための図である。 稼動気筒数を一部気筒から全気筒へ切り替える場合のスロットルの閉タイミング及びＥＧＲ弁の閉タイミングを示すタイミングチャートである。 図３の比較例としてのタイミングチャートである。 稼動気筒数を全気筒から一部気筒へ切り替える場合のスロットルの開タイミング及びＥＧＲ弁の開タイミングを示すタイミングチャートである。 図５の比較例としてのタイミングチャートである。
本発明の実施の形態について図１乃至図６の各図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態の制御装置が適用される内燃機関の概略構成を示す図である。本実施の形態の内燃機関２は、８つの気筒を有するＶ型の火花点火式４ストローク機関である。内燃機関２が有する８つの気筒は、片バンク２気筒ずつＡ、Ｂのグループに分けられている。Ｂグループに属する４つの気筒には図示しない弁停止機構が備えられ、当該気筒の吸気弁及び排気弁を閉じた状態で停止できるようになっている。吸気弁及び排気弁が停止されると気筒は休止状態となり、当該気筒への燃料供給も停止される。つまり、本実施の形態の内燃機関２は、稼動気筒数を全気筒（８気筒）と一部気筒（４気筒）との間で切り替え可能な可変気筒機関である。なお、本発明に関しては、少なくとも稼動気筒数の切り替えさえできればよいので、弁停止機構の構成や仕組みには限定はない。
各気筒に空気を供給する吸気通路４にはサージタンク６が形成されている。サージタンク６より上流の吸気通路には電子制御式のスロットル８が設けられている。また、サージタンク６には排気通路１０に繋がるＥＧＲ通路１２が接続されている。ＥＧＲ通路１２にはＥＧＲ弁１４が設けられている。スロットル８及びＥＧＲ弁１４の操作は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２０によって行われる。ＥＣＵ２０は内燃機関２のシステム全体を総合制御する制御装置であって、稼動気筒数の切り替えもＥＣＵ２０によって行われている。
ＥＣＵ２０は、車速や内燃機関２の負荷状態から判断して稼動気筒数の切り替えを実施する。また、アクセル操作量からスロットル開度を決定するためのマップを稼動気筒数に応じて切り替える。８気筒稼動か４気筒稼動かによって、一定のスロットル開度で実現できる内燃機関２の出力には差が生じるからである。ＥＣＵ２０は、８気筒稼動時と４気筒稼動時とでアクセル操作量に対する内燃機関２の出力が等しくなるように、アクセル操作量と稼動気筒数とに応じた開度にスロットル８を操作する。
また、ＥＣＵ２０は、負荷からＥＧＲ弁開度を決定するためのマップを稼動気筒数に応じて切り替える。８気筒稼動時と４気筒稼動時とでは、内燃機関２に一定出力を発生させるための時間当たり空気量（単位：ｇ／ｓ）は略同じであるが、気筒当たりの空気の充填効率には違いがある。例えば、８気筒稼動時の充填効率が２５％であったとすると、４気筒稼動時にはおよそ５０％の充填効率が必要となる。充填効率差に応じてサージタンク６内の圧力にも差が生じるため、同じＥＧＲ率を達成するのに必要となるＥＧＲ弁開度は、８気筒稼動時と４気筒稼動時とでは異なったものになる。ＥＣＵ２０は、８気筒稼動時と４気筒稼動時とで負荷に対するＥＧＲ率が一定となるように、負荷と稼動気筒数とに応じた開度にＥＧＲ弁１４を操作する。なお、負荷はスロットル開度から計算される。
図２は、アクセル操作量とスロットル開度及びＥＧＲ弁開度との関係を８気筒稼動時と４気筒稼動時のそれぞれについて示す図である。図２に示すように、同一のアクセル操作量に対応するスロットル開度は８気筒稼動時よりも４気筒稼動時のほうが大きい。また、同一のアクセル操作量に対応するＥＧＲ弁開度は８気筒稼動時よりも４気筒稼動時のほうが大きい。したがって、アクセル操作量が増大したときのスロットル開度の増大量、及び、ＥＧＲ弁開度の増大量は、何れも８気筒稼動時よりも４気筒稼動時のほうが大きくなる。
ＥＣＵ２０は、アクセル操作量が増大した場合、アクセル操作量の変化量に応じてスロットル８の開度を変化させ、また、スロットル開度から決まる負荷の変化に応じてＥＧＲ弁１４の開度を変化させる。その際、ＥＣＵ２０は、スロットル８に関しては稼動気筒数にかかわらずアクセル操作量の変化速度に応じた速度でスロットル開度を変化させる。一方、ＥＧＲ弁１４に関しては、ＥＣＵ２０は、８気筒稼動時には比較的速い速度でＥＧＲ弁開度を変化させ、４気筒稼動時には比較的遅い速度でＥＧＲ弁開度を変化させる。
稼動気筒数に応じてＥＧＲ弁１４の動作速度を異ならせるのは次のような理由による。アクセル操作量が変化したときには、その変化量に応じた出力の変化を実現するようにスロットル８の開度が変更され、サージタンク６内の圧力が調整される。その際、スロットル８を通過してサージタンク６内の圧力を変化させるのに必要となる空気量（単位：ｇ）は、稼動気筒数によって異なる。８気筒稼動時のほうが必要な空気量は少なく、４気筒稼動時のほうが必要な空気量は多い。例えば、８気筒稼動時に必要となるサージタンク６内空気量の増分が２ｇであったとすると、４気筒稼動時にはおよそ４ｇの空気量の増分が必要となる。スロットル８を空気が通過する際の通過速度は略一定であることから、圧力変化に必要な空気量が異なれば圧力変化に要する時間も異なったものになる。つまり、８気筒稼動時のほうが圧力変化に要する時間は短く、４気筒稼動時のほうが圧力変化に要する時間は長くなる。例えば、８気筒稼動時に必要となるサージタンク６内圧力の変化時間が０．１秒であったとすると、４気筒稼動時にはおよそ０．２秒の変化時間が必要となる。
以上のことから、８気筒稼動時は比較的速い速度でＥＧＲ弁１４を開けば、サージタンク６内の速い圧力上昇にＥＧＲ弁１４の開度の変化を合わせることができる。逆に、４気筒稼動時は比較的遅い速度でＥＧＲ弁１４を開けば、サージタンク６内の遅い圧力上昇にＥＧＲ弁１４の開度の変化を合わせることができる。このようにサージタンク６内の圧力上昇に合わせてＥＧＲ弁１４の開度を変化させることで、８気筒稼動時と４気筒稼動時の何れであっても加速時のＥＧＲ率を適正に保つことが可能となる。
なお、上述のＥＧＲ弁１４の動作速度に関する取り決めはアクセル操作量が減少した場合にも適用される。つまり、アクセル操作量が減少した場合、８気筒稼動時は比較的速い速度でＥＧＲ弁１４を閉じ、４気筒稼動時は比較的遅い速度でＥＧＲ弁１４を閉じるようにする。そのようにすることで、サージタンク６内の圧力低下に合わせてＥＧＲ弁１４の開度を変化させることができ、８気筒稼動時と４気筒稼動時の何れであっても減速時のＥＧＲ率を適正に保つことが可能となる。
次に、稼動気筒数を切り替える際のスロットル８及びＥＧＲ弁１４の各操作について説明する。内燃機関２の出力を一定に保ちながら稼動気筒数を切り替える場合、スロットル８の開度を変化させてサージタンク６内の圧力を調整するとともに、ＥＧＲ弁１４の開度を変化させてＥＧＲ率を目標値に保つ必要がある。その場合のスロットル８及びＥＧＲ弁１４の各操作タイミングとしては、図４、図６の各タイミングチャートに示すように、稼動気筒数の切り替えと同時のタイミングが一案として考えられる。
図４のタイミングチャートに示す例では、４気筒稼動から８気筒稼動への切り替えタイミングに合わせてスロットル８を閉じ側に操作し、且つ、同タイミングでＥＧＲ弁１４を閉じ側に操作している。また、図６のタイミングチャートに示す例では、８気筒稼動から４気筒稼動への切り替えタイミングに合わせてスロットル８を開き側に操作し、且つ、同タイミングでＥＧＲ弁１４を開き側に操作している。しかし、各図に示すＥＧＲ率の時間変化のチャートから分かるように、このようなタイミングを採った場合には、過渡的に圧力バランスが崩れることによってＥＧＲ率が大きく変動してしまうおそれがある。
このようなＥＧＲ率の変動のうち特に注意しなければならないのがＥＧＲ率の急増である。ＥＧＲ率が急増したときには燃焼が不安定になって失火が発生する可能性がある。失火はトルク変動を招き、多量の未燃ガスを発生させ、さらには、触媒の劣化を招くおそれもある。一方、ＥＧＲ率が急減したときにはノックが発生する可能性があるものの、ノックは他の方法、例えば、点火時期の遅角によって対処することができる。
また、稼動気筒数の切り替えのタイミングとスロットル８の操作タイミングとが上手く合っていない場合には、トルク変動が生じる可能性がある。例えば、４気筒稼動から８気筒稼動への切り替えが完了する前にサージタンク圧が低下した場合、過渡的には空気の不足によって内燃機関２の出力低下を招いてしまう。出力の低下は他の手段によって補うことはできない。また、それとは逆に、空気の過剰により内燃機関２の出力が過大になってしまう場合もある。しかし、その場合は点火時期の遅角等によって出力を調整することができる。
以上の考察のとおり、稼動気筒数を切り替える際のスロットル８及びＥＧＲ弁１４の各操作に関しては、ＥＧＲ率の変動、特に、ＥＧＲ率の急増を如何に防ぐかが重要である。また、内燃機関２の出力低下を如何に防ぐかも重要である。そこで、本実施の形態では、稼動気筒数を切り替える際には、次のようなタイミングでスロットル８の操作及びＥＧＲ弁１４の操作を実施する。
図３は、稼動気筒数を４気筒から８気筒へ切り替える際のスロットル８の閉操作のタイミングと、ＥＧＲ弁１４の閉操作のタイミングとを示すタイミングチャートである。図３にはサージタンク圧とＥＧＲ率の各時間変化のチャートを併せて示している。図３では、稼動気筒数を４気筒から８気筒へ切り替えるタイミングをｔ１０、スロットル８を８気筒稼動に対応した開度まで閉じるタイミングをｔ１１、そして、ＥＧＲ弁１４を８気筒稼動時のスロットル開度に対応した開度まで閉じるタイミングをｔ１２と表記している。
図３に示すように、スロットル８の閉操作のタイミングｔ１１は、稼動気筒数の切り替えタイミングｔ１０と同タイミングか、或いは、切り替えタイミングよりも後のタイミングに設定される。つまり、ＥＣＵ２０は、４気筒稼動から８気筒稼動への切り替えの完了以後にスロットル８を閉じ側に操作する。このようなタイミングでスロットル８の閉操作を行えば、稼動気筒数の切り替え時に空気量の不足が生じることはなく、過渡時の出力低下を防止することができる。
ＥＧＲ弁１４の閉操作のタイミングｔ１２は、スロットル８の閉操作のタイミングｔ１１よりも前のタイミングに設定される。つまり、ＥＣＵ２０は、ＥＧＲ弁１４を閉じ側に操作した後に、スロットル８を閉じ側に操作してサージタンク圧を減少させる。このようなタイミングの設定によれば、ＥＧＲ弁１４が閉じる前にサージタンク圧が減少することを回避することができるので、ＥＧＲ量の増大によってＥＧＲ率が過剰になることは防止される。なお、ＥＧＲ弁１４が閉じ側に操作されてからスロットル８が閉じ側に操作されるまでの間、ＥＧＲ量の減少によってＥＧＲ率は目標値よりも低い状態になる。この場合、ＥＧＲ率の不足によってノックが発生する可能性はあるが、ノックは点火時期の遅角によって抑えることができる。
稼動気筒数の切り替えタイミングｔ１０とＥＧＲ弁１４の閉操作のタイミングｔ１２との間の前後関係には限定はない。図３では、ＥＧＲ弁１４の閉操作を先に行っているが、稼動気筒数の切り替えを完了してからＥＧＲ弁１４を閉じ側に操作するのでもよい。
図５は、稼動気筒数を８気筒から４気筒へ切り替える際のスロットル８の開操作のタイミングと、ＥＧＲ弁１４の開操作のタイミングとを示すタイミングチャートである。図５にはサージタンク圧とＥＧＲ率の各時間変化のチャートを併せて示している。図５では、稼動気筒数を８気筒から４気筒へ切り替えるタイミングをｔ２０、スロットル８を４気筒稼動に対応した開度まで開くタイミングをｔ２１、そして、ＥＧＲ弁１４を４気筒稼動時のスロットル開度に対応した開度まで開くタイミングをｔ２２と表記している。
図５に示すように、スロットル８の開操作のタイミングｔ２１は、稼動気筒数の切り替えタイミングｔ２０と同タイミングか、或いは、切り替えタイミングよりも前のタイミングに設定される。つまり、ＥＣＵ２０は、８気筒稼動から４気筒稼動への切り替えの完了以前にスロットル８を開き側に操作する。このようなタイミングでスロットル８の開操作を行えば、稼動気筒数の切り替え時に空気量の不足が生じることはなく、過渡時の出力低下を防止することができる。
ＥＧＲ弁１４の開操作のタイミングｔ２２は、スロットル８の開操作のタイミングｔ２１よりも後のタイミングに設定される。つまり、ＥＣＵ２０は、スロットル８を開き側に操作してサージタンク圧を増大させた後に、ＥＧＲ弁１４を開き側に操作する。このようなタイミングの設定によれば、サージタンク圧が低い状態でＥＧＲ弁１４が開くことを回避することができるので、ＥＧＲ量の増大によってＥＧＲ率が過剰になることは防止される。なお、スロットル８が開き側に操作されてからＥＧＲ弁１４が開き側に操作されるまでの間、ＥＧＲ量の減少によってＥＧＲ率は目標値よりも低い状態になる。この場合、ＥＧＲ率の不足によってノックが発生する可能性はあるが、ノックは点火時期の遅角によって抑えることができる。
稼動気筒数の切り替えタイミングｔ２０とＥＧＲ弁１４の開操作のタイミングｔ２２との間の前後関係には限定はない。図３では、ＥＧＲ弁１４の開操作を後で行っているが、稼動気筒数の切り替えを完了する前にＥＧＲ弁１４を開き側に操作するのでもよい。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、本発明は８気筒機関以外の他の多気筒機関、例えば、６気筒機関や４気筒機関にも適用することができる。
２ 内燃機関
４ 吸気通路
６ サージタンク
８ スロットル
１０ 排気通路
１２ ＥＧＲ通路
１４ ＥＧＲ弁
２０ ＥＣＵ

Claims (4)

  1. サージタンクより上流の吸気通路にスロットルを備え、前記スロットルより下流の吸気通路と排気通路とを結ぶＥＧＲ通路にＥＧＲ弁を備え、且つ、稼動気筒数を全気筒と一部気筒との間で切り替え可能な内燃機関の制御装置において、
    全気筒稼動時と一部気筒稼動時とでアクセル操作量に対する出力が等しくなるように、アクセル操作量と稼動気筒数とに応じた開度に前記スロットルを操作するスロットル操作手段と、
    ＥＧＲ率が目標値になるように、前記スロットルの開度と稼動気筒数とに応じた開度に前記ＥＧＲ弁を操作するＥＧＲ弁操作手段と
    を備え、
    前記ＥＧＲ弁操作手段は、アクセル操作量の変化によって前記スロットルの開度が変化する場合、全気筒稼動時か一部気筒稼動時かによって動作速度を変えて前記ＥＧＲ弁の開度を変化させるようになっており、一部気筒稼動時は全気筒稼動時よりも遅い速度で前記ＥＧＲ弁の開度を変化させることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  2. 前記ＥＧＲ弁操作手段は、前記サージタンク内の圧力の変化速度に応じた速度で前記ＥＧＲ弁の開度を変化させることを特徴とする請求の範囲１に記載の内燃機関の制御装置。
  3. 前記内燃機関の稼動気筒数が一部気筒から全気筒へ切り替えられる場合、
    前記スロットル操作手段は、稼動気筒数が全気筒へ切り替えられた後或いはその時点で、前記スロットルを全気筒稼動に対応した開度まで閉じ、
    前記ＥＧＲ弁操作手段は、前記スロットルが全気筒稼動に対応した開度まで閉じられる前に、前記ＥＧＲ弁を全気筒稼動時のスロットル開度に対応した開度まで閉じることを特徴とする請求の範囲１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
  4. 前記内燃機関の稼動気筒数が全気筒から一部気筒へ切り替えられる場合、
    前記スロットル操作手段は、稼動気筒数が一部気筒へ切り替えられる前或いはその時点で、前記スロットルを一部気筒稼動に対応した開度まで開き、
    前記ＥＧＲ弁操作手段は、前記スロットルが一部気筒稼動に対応した開度まで開かれた後に、前記ＥＧＲ弁を一部気筒稼動時のスロットル開度に対応した開度まで開くことを特徴とする請求の範囲１乃至３の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
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