JP5765495B2 - 可変圧縮比内燃機関の制御装置および制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、機械的圧縮比を変更可能な可変圧縮比内燃機関に関し、特に、ＮＯｘ排出量の低減のために可変圧縮比手段の制御を行う制御装置および制御方法に関する。

内燃機関の分野においては、従来から種々の形式の可変圧縮比機構が知られている。例えば、ピストンとシリンダとの相対的位置関係を変化させることにより機械的な圧縮比を可変とする可変圧縮比機構や、燃焼室の容積を補助ピストン・シリンダによって変化させる形式のものなどが広く知られている。

一方、特許文献１には、このような可変圧縮比機構を利用して、燃料カット中に排気浄化触媒の温度が閾値以下にまで低下した場合に、燃料リカバリから所定期間の間、機械的圧縮比を低下させる技術が開示されている。つまり、燃料カット中には、触媒における酸素吸蔵量が増加するが、この燃料カットにより排気浄化触媒の温度が過度に低下すると、燃料リカバリ後、吸蔵されていた酸素が効率よく低減せず、その間、ＮＯｘの還元作用が低下する。特許文献１の技術は、排気浄化触媒の温度が閾値以下にまで低下したときに、機械的圧縮比を低下させることで触媒温度の早期昇温を図り、燃料リカバリ後、触媒に吸蔵された酸素を急速に消費させることで、ＮＯｘ増加を抑制するようにしている。

特許文献１は、排気浄化触媒の温度が閾値以下となったときに機械的圧縮比の低下により触媒温度の昇温を図るものであるが、燃料カット時間が短い場合やアイドルストップ時間が短い場合など、触媒温度の低下が小さい一方で排気浄化触媒における酸素吸蔵量が十分に多くなる状況も考えられる。このような場合に上記特許文献１の技術は有効ではなく、内燃機関から排出されるＮＯｘの低減の上でなお改善の余地があった。

特開２００９−２５０１６３号公報

この発明に係る可変圧縮比内燃機関の制御装置は、内燃機関の機械的圧縮比を変更可能な可変圧縮比手段と、上記内燃機関の排気系に設けられた排気浄化触媒の酸素吸蔵量を求める酸素吸蔵量取得手段と、を有し、上記酸素吸蔵量に応じて上記機械的圧縮比を変更する。

例えば、機械的圧縮比を低くし、燃焼温度を低下させることで、燃焼に伴うＮＯｘの生成量自体が減少し、燃焼室から排気浄化触媒に流入するＮＯｘ量が少なくなる。従って、酸素吸蔵量によって左右される排気浄化触媒の実際のＮＯｘ浄化能力に対応するように機械的圧縮比を変更することにより、外部へ排出されるＮＯｘ排出量の低減が図れる。

この発明によれば、排気浄化触媒における酸素吸蔵量が多くＮＯｘ浄化能力が低いときに、機械的圧縮比の変更により燃焼室で発生するＮＯｘを抑制するので、外部へ排出されるＮＯｘ排出量が低減する。

この発明の一実施例を示す構成説明図。 この実施例の圧縮比制御についてのブロック図。 この実施例の圧縮比制御を示すフローチャート。 この実施例の作用を説明するためのタイミングチャート。 冷却水温が上昇している場合の作用の例を示すタイミングチャート。 燃料カットおよび燃料リカバリを伴う場合の作用の例を示すタイミングチャート。

図１は、この発明に係る制御装置を備えた可変圧縮比内燃機関１のシステム構成を示す構成説明図である。

内燃機関１は、複リンク式ピストンクランク機構のリンクジオメトリの変更によってピストン上死点位置を上下に変位させるようにした公知の可変圧縮比機構２を備えており、リンクジオメトリの変更つまり機械的圧縮比の変更のために、例えば電動モータなどからなる圧縮比制御アクチュエータ３を備えている。

この内燃機関１の排気系には、例えば三元触媒からなる排気浄化触媒４が介装されている。また、内燃機関１の運転条件として、運転者によって操作されるアクセルペダルの開度（要求負荷ｔＴ）を検出するアクセルペダルセンサ５、および、内燃機関１の回転数Ｎｅを検出する回転数センサ６、を備えているほか、吸気通路において吸入空気量Ｑａを計測するエアフローメータ７、内燃機関１の冷却水温を検出する水温センサ８、排気通路の排気浄化触媒４上流側において排気空燃比を計測する空燃比センサ９、などの種々のセンサ類を備えている。これらのセンサ類の検出信号は、エンジンコントロールユニット１０に入力され、機械的圧縮比を制御する圧縮比制御アクチュエータ３は、これらの検出信号に基づいて目標とする圧縮比となるように駆動される。

図２は、上記エンジンコントロールユニット１０によって実現される圧縮比制御の制御ブロック図を示している。基本目標圧縮比演算部１１は、アクセルペダルセンサ５により検出される要求負荷ｔＴと、回転数センサ６により検出される機関回転数Ｎｅと、に基づいて、機械的圧縮比の基本値つまり基本目標圧縮比bｔＣＲを算出する。酸素吸蔵量演算部１２は、エアフロメータ７により検出される吸入空気量Ｑａと、空燃比センサ９により検出される空燃比（Ａ／Ｆ）とから、そのときに排気浄化触媒４に吸蔵されている酸素吸蔵量ｒＯＳを算出する。排気空燃比としてリーンなガスが排気浄化触媒４に通流すれば酸素吸蔵量は増加し、逆に排気空燃比としてリッチなガスが排気浄化触媒４に通流すれば酸素吸蔵量が減少していくので、吸入空気量Ｑａと空燃比（Ａ／Ｆ）とから酸素吸蔵量ｒＯＳを逐次求めることができる。目標圧縮比補正部１３は、上記の基本目標圧縮比ｂｔＣＲ、酸素吸蔵量ｒＯＳおよび冷却水温Ｔｗに基づき、後述するように、補正後目標圧縮比（ｔＣＲ）を算出し、これに沿って圧縮比制御アクチュエータ３を駆動する。

図３は、上記エンジンコントロールユニット１０における圧縮比制御の処理の流れを示すフローチャートである。ステップ１では、要求負荷ｔＴ、機関回転数Ｎｅ、吸入空気量Ｑａ、空燃比Ａ／Ｆ、冷却水温Ｔｗ、をそれぞれ読み込む。ステップ２では、そのときの要求負荷ｔＴと機関回転数Ｎｅとに対し、予めマップとして記憶させておいた基本目標圧縮比ｂｔＣＲを算出する。ステップ３では、吸入空気量Ｑａと空燃比Ａ／Ｆとから、そのときの排気浄化触媒４における酸素吸蔵量ｒＯＳを算出する。

次のステップ４では、酸素吸蔵量ｒＯＳが所定の閾値よりも大であるか否かを判定し、閾値より大ならばステップ５へ進み、閾値以下であればステップ８へ進む。ステップ５では、排気浄化触媒４の温度に相関する冷却水温Ｔｗが高温側の第１の閾値と低温側の第２の閾値の間にあるか否かを判定し、第１の閾値と第２の閾値の間にあればステップ６へ進み、第１の閾値以上の場合および第２の閾値以下の場合はステップ８へ進む。

ステップ６では、酸素吸蔵量ｒＯＳに基づいて目標圧縮比補正値を算出する。一つの実施例では、酸素吸蔵量ｒＯＳから上記閾値を差し引いた差分に対し比例的に目標圧縮比補正値が与えられる。つまり、閾値を越えた酸素吸蔵量ｒＯＳが大きいほど目標圧縮比補正値が大きく与えられる。そして、ステップ７では、基本目標圧縮比ｂｔＣＲと目標圧縮比補正値とから最終的な補正後目標圧縮比ｔＣＲを算出する。一つの実施例では、基本目標圧縮比ｂｔＣＲから目標圧縮比補正値を減算することで、補正後目標圧縮比ｔＣＲが求められる。

一方、ステップ４あるいはステップ５でＮＯのときに進むステップ８では、目標圧縮比補正値をゼロとして、ステップ７へ進む。つまり、この場合には、酸素吸蔵量ｒＯＳに基づく補正は行わず、基本目標圧縮比ｂｔＣＲがそのまま最終的な補正後目標圧縮比ｔＣＲとなる。

次に、上記の圧縮比制御の作用を図４のタイミングチャートに基づいて説明する。この図４では、冷却水温Ｔｗが高温側の第１の閾値と低温側の第２の閾値との間に略一定に保たれているものと仮定している。なお、排気浄化触媒４における酸素吸蔵量ｒＯＳは、図示せぬ他のルーチンによる酸素吸蔵量制御つまり空燃比制御によって、基本的に適当な範囲内に維持されるが、図４は、何らかの理由により酸素吸蔵量ｒＯＳが比較的大きく増加していく状況を説明している。

図示するように徐々に増加する酸素吸蔵量ｒＯＳは、時間ｔ１で所定の閾値を超える。そのため、時間ｔ１において、目標圧縮比ｔＣＲを低下させる補正が開始され、時間ｔ２までは、酸素吸蔵量ｒＯＳの増加に伴って、閾値からの差分に比例した目標圧縮比補正値でもって目標圧縮比ｔＣＲが低下する。時間ｔ２において、図示せぬルーチンによる酸素吸蔵量制御によって空燃比がリッチ化され、これにより、以後は、酸素吸蔵量ｒＯＳが徐々に減少していく。このように酸素吸蔵量ｒＯＳが減少する結果、目標圧縮比補正値は徐々に小さくなり、従って、目標圧縮比ｔＣＲは、基本目標圧縮比ｂｔＣＲに近付くように上昇していく。時間ｔ３において酸素吸蔵量ｒＯＳが閾値を下回るので、目標圧縮比補正値はゼロとなり、時間ｔ３以後は、基本目標圧縮比ｂｔＣＲと補正後目標圧縮比ｔＣＲとが一致する。なお、空燃比のリッチ化は時間ｔ４まで継続する。

図５は、冷却水温Ｔｗに基づく圧縮比補正の制限を説明するためのタイミングチャートであり、図示するように、冷却水温Ｔｗが冷機状態から徐々に上昇していく状態を示している。なお、この図５では、説明の単純化のために、図示する温度上昇期間の間、酸素吸蔵量ｒＯＳが閾値を超えたままとしているが、実際は、図４に示したように、酸素吸蔵量制御としての空燃比の制御によって酸素吸蔵量ｒＯＳの低下が生じる。

この例では、時間ｔ１までは冷却水温Ｔｗが低温側の第２の閾値よりも低い。従って、酸素吸蔵量ｒＯＳが閾値を超えていても、この酸素吸蔵量ｒＯＳに基づく目標圧縮比ｔＣＲの補正が禁止される。このような未暖機時つまり排気浄化触媒４の温度が低い状況では、図示せぬ他のルーチンによる触媒昇温のための圧縮比制御が優先的に実行される。

時間ｔ１から時間ｔ２の間は、冷却水温Ｔｗが高温側の第１の閾値と低温側の第２の閾値との範囲内となる。従って、酸素吸蔵量ｒＯＳに基づく目標圧縮比ｔＣＲの補正が実行される。つまり基本目標圧縮比ｂｔＣＲに対して補正後目標圧縮比ｔＣＲは低下したものとなる。

図５の例では、時間ｔ２において、冷却水温Ｔｗが高温側の第１の閾値を超える。従って、目標圧縮比ｔＣＲの補正が禁止され、基本目標圧縮比ｂｔＣＲと等しい目標圧縮比ｔＣＲとなる。このように排気浄化触媒４の温度を代替的に示す冷却水温Ｔｗが高いときに目標圧縮比ｔＣＲの低下補正を禁止することで、排気浄化触媒４の過熱による劣化を抑制することができる。

なお、上記実施例では、排気浄化触媒４の温度を示す温度パラメータとして冷却水温Ｔｗを用いているが、本発明はこれに限定されず、排気浄化触媒４の温度を温度センサによって直接に検出するようにしてもよく、あるいは潤滑油温など他の温度パラメータを用いるようにしてもよい。

次に、図６は、減速時の燃料カットおよびその後の燃料リカバリの際の作用を説明するタイミングチャートである。この図６では、冷却水温Ｔｗは図示していないが、図４と同じく、低温側の第２の閾値と高温側の第１の閾値との間で一定に保たれている。また、運転条件に応じた基本目標圧縮比ｂｔＣＲも一定であると仮定している。

時間ｔ１までは、酸素吸蔵量ｒＯＳを所定の目標値に制御する空燃比フィードバック制御が行われ、酸素吸蔵量ｒＯＳは空燃比変化に伴って目標値の近傍で増加・減少を繰り返す。

時間ｔ１において燃料カットが実行される。燃料カットが行われると、排気浄化触媒４には空気のみが流入するので、酸素吸蔵量ｒＯＳは急激に増加する。

時間ｔ２において、酸素吸蔵量ｒＯＳが所定の閾値に到達し、これに伴って目標圧縮比ｔＣＲの低下補正制御が開始される。このタイミングチャートの例では、酸素吸蔵量ｒＯＳが比較的多い状態つまり閾値に近い状態で燃料カットが開始される（時間ｔ１における酸素吸蔵量ｒＯＳが比較的多い）ので、燃料カットを開始すると直ぐに酸素吸蔵量ｒＯＳが閾値に到達し、その結果、目標圧縮比ｔＣＲの低下補正が開始される。すなわち、前述した特許文献１とは異なり、燃料カットの継続時間が短くても、酸素吸蔵量ｒＯＳが閾値に達すれば目標圧縮比ｔＣＲの低下補正制御が行われる。これにより、酸素吸蔵量ｒＯＳが過大であることによる燃料リカバリ直後のＮＯｘ排出量の悪化が確実に回避される。

また、上記とは逆に、酸素吸蔵量ｒＯＳが比較的少ない状態で燃料カットが開始された場合には、酸素吸蔵量ｒＯＳが閾値に到達するまである程度時間がかかるので、仮にその間に燃料カット条件が不成立となって燃料噴射が再開されれば、目標圧縮比ｔＣＲの低下補正は行われない。従って、無用な圧縮比低下が回避されることになる。

時間ｔ２から時間ｔ３までの間は、燃料カットに伴って酸素吸蔵量ｒＯＳが徐々に増加しており、これに応じて目標圧縮比補正値も徐々に増加する。そして、時間ｔ３において、酸素吸蔵量ｒＯＳが排気浄化触媒４の最大酸素吸蔵量に達し、以後は、酸素吸蔵量ｒＯＳは一定となる。従って、時間ｔ３以後は、目標圧縮比補正値も一定となる。

時間ｔ４において、燃料カット条件が不成立となり、燃料噴射が再開（燃料リカバリ）される。燃料リカバリ直後には、酸素吸蔵量ｒＯＳを所定の目標値へ早急に戻すために、図示せぬ他のルーチンによる空燃比のリッチ化制御が実施される。これにより、酸素吸蔵量ｒＯＳは比較的大きな傾きを持って減少する。このリッチ化制御は、酸素吸蔵量ｒＯＳが所定の目標値近傍の範囲に戻るまで（時間ｔ６まで）継続して行われる。

リッチ化制御が実行されている途中のタイミングである時間ｔ５において、酸素吸蔵量ｒＯＳが閾値以下となる。燃料リカバリが行われた時間ｔ４からこの時間ｔ５までの間は、酸素吸蔵量ｒＯＳの減少に応じて目標圧縮比補正値も減少していく。時間ｔ４から時間ｔ５までの間は、酸素吸蔵量ｒＯＳが閾値よりも過多であり、排気浄化触媒４のＮＯｘ浄化能力が低い状態であるが、目標圧縮比ｔＣＲの低下補正が行われ、燃焼温度の低下によって内燃機関１の燃焼室から排出されるＮＯｘ量が抑制されるので、排気浄化触媒４を通過して外部へ放出されるＮＯｘ量も減少し、エミッションが良好となる。なお、燃焼室で発生するＮＯｘ抑制のための圧縮比の低下補正は、酸素吸蔵量ｒＯＳが過多の状況で実際に燃焼が行われる時間ｔ４から時間ｔ５の間でのみ実施すれば十分であるが、可変圧縮比機構２の圧縮比制御には遅れが伴うので、この例では、燃料カット中である時間ｔ２から圧縮比の低下補正を開始するようにしている。

時間ｔ６において、酸素吸蔵量ｒＯＳが所定の目標値近傍の範囲に戻る。この時点で燃料リカバリ直後のリッチ化制御が終了し、以後は、酸素吸蔵量ｒＯＳに基づく空燃比フィードバック制御が再開される。

このように、上記実施例によれば、排気浄化触媒４の酸素吸蔵量ｒＯＳに基づいて目標圧縮比ｔＣＲの低下補正が行われるので、例えば短時間の燃料カットでも酸素吸蔵量ｒＯＳが過大となる状況では圧縮比低下補正が実行され、燃料リカバリ直後のＮＯｘの悪化を確実に抑制できる。また、逆に比較的長時間の燃料カットでも酸素吸蔵量ｒＯＳが過大とならない状況であれば、無用な圧縮比低下が行われず、例えば排気浄化触媒４の過熱を抑制することができる。

なお、本発明は、上記実施例のような複リンク式ピストンクランク機構を利用した可変圧縮比機構のみならず、種々の形式の可変圧縮比機構を具備した内燃機関に適用が可能である。

Claims (5)

1. 内燃機関の機械的圧縮比を変更可能な可変圧縮比手段と、
   上記内燃機関の排気系に設けられた排気浄化触媒の酸素吸蔵量を求める酸素吸蔵量取得手段と、
   上記排気浄化触媒の温度に相関する温度パラメータを検出する手段と、
   を有し、
   上記酸素吸蔵量に応じて上記機械的圧縮比を変更するとともに、
   上記温度パラメータが所定の閾値よりも低温側である場合に、酸素吸蔵量に基づく機械的圧縮比の変更を禁止する、可変圧縮比内燃機関の制御装置。
2. 上記機械的圧縮比の基本値が機関運転条件に応じて設定され、
   上記酸素吸蔵量が閾値より多い場合に、上記基本値よりも機械的圧縮比を低下させる、請求項１に記載の可変圧縮比内燃機関の制御装置。
3. 酸素吸蔵量が閾値よりも多い場合に、酸素吸蔵量が多いほど上記基本値からの機械的圧縮比の低下幅が拡大する、請求項２に記載の可変圧縮比内燃機関の制御装置。
4. 上記温度パラメータが所定の高温側閾値よりも高温側である場合に、酸素吸蔵量に基づく機械的圧縮比の変更を禁止する、請求項１に記載の可変圧縮比内燃機関の制御装置。
5. 内燃機関の機械的圧縮比を変更可能な可変圧縮比内燃機関において、
   上記内燃機関の排気系に設けられた排気浄化触媒の酸素吸蔵量を求めるとともに、上記排気浄化触媒の温度に相関する温度パラメータを求め、
   上記酸素吸蔵量に応じて上記機械的圧縮比を変更するとともに、
   上記温度パラメータが所定の閾値よりも低温側である場合に、酸素吸蔵量に基づく機械的圧縮比の変更を禁止する、可変圧縮比内燃機関の制御方法。

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