JP6176276B2 - エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の気筒を有するエンジン本体と、エンジン本体から外部に排気を排出するための排気システムと、エンジン本体および排気システムに含まれる各種機器を制御する制御手段とを備えたエンジンの制御装置に関する。

従来、例えば、特許文献１に示されるように、エンジン負荷が比較的高い高負荷領域では火花点火燃焼を実施する一方、エンジン負荷が比較的低い低負荷領域では圧縮自己着火燃焼を実施するよう構成されたエンジンにおいて、上記高負荷領域において排気通路に発生する負圧を利用して掃気性を高め、これによりエンジン出力の向上を図ることが検討されている。

具体的には、特許文献１のエンジンには、排気ポートよりも下流側の部分の負圧を高めることが可能な装置が排気通路に設けられており、上記高負荷領域においてこの負圧を高めることで掃気性を高めている。

また、特許文献１には、上記低負荷領域において圧縮自己着火燃焼を促進するために、排気弁を排気行程だけでなく吸気行程でも開弁させ、一旦排気ポートに排出された高温の排気（内部ＥＧＲガス）を気筒内に逆流させて気筒内の温度を高めるという構成、および、この排気の逆流量を多くするために低負荷領域において上記負圧を低く抑えるという構成が開示されている。

特開２０１３−２２７９４２号公報

上記特許文献１のエンジンでは、エンジン負荷が低く排気温度が低くなりやすい低負荷領域において排気ポートから多量の排気を気筒内に逆流させているため、触媒の活性化が阻害されるおそれがある。すなわち、このエンジンでは、排気温度が低く触媒の温度が活性温度以下になりやすい運転条件において、さらに触媒に導入される排気の流量が少なく抑えられるため、触媒が活性せず排気の浄化性能が悪化するおそれがある。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、より確実に触媒を活性化させて排気性能を良好にすることができるエンジンの制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためのものとして、本発明は、複数の気筒を有するエンジンの制御装置であって、複数の気筒の各排気ポートから延びる複数の独立排気通路と、上記各独立排気通路の下流側において、上記各独立排気通路と連通する共通の空間を形成し、且つ、上記各独立排気通路内の排気が流入するのに伴いエゼクタ効果によって負圧が生成されるように構成された排気集合部と、上記排気集合部で発生する負圧を変更可能な負圧変更手段と、上記排気集合部の下流側に設けられた触媒と、上記触媒を通過した後の排気を上記排気集合部に還流させる排気還流装置と、上記負圧変更手段を含むエンジンの各部を制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、上記触媒の未活性時において、上記触媒よりも上流側における排気の温度が当該触媒の温度よりも高い場合には、上記排気還流装置によって上記触媒を通過した後の排気を上記排気集合部に還流させるとともに、上記各独立排気通路の下流端に作用する負圧が大きくなるように上記排気集合部内の負圧が大きくなる方向に上記負圧変更手段を制御することを特徴とする（請求項１）。

本発明によれば、触媒の未活性時において、触媒よりも上流側における排気の温度が触媒の温度よりも高い場合に、この高温の排気を触媒通過後、再度排気集合部に還流させて触媒に流入させているため、この高温の排気によって触媒の温度を高めることができ、より迅速かつ確実に触媒を活性化させて排気性能を良好にすることができる。

しかも、本発明では、上記触媒へ排気を再流入させる際に、排気集合部に発生する負圧を高めている。そのため、排気集合部に還流する高温の排気の流量を多くすることができ、触媒の活性化をより確実に促進することができる。

本発明において、上記制御手段は、エンジン負荷が所定の基準負荷よりも低い低負荷領域において、燃料と空気の混合気を圧縮自己着火燃焼させるのが好ましい（請求項２）。

このようにすれば、エンジン負荷が比較的低い領域で圧縮自己着火燃焼が実施される場合であって排気温度が低く触媒が未活性状態になりやすい場合であっても、高温の排気を触媒に再流入させることで触媒の活性化を促進することができ、排気性能を高く維持することができる。

上記構成において、各気筒の排気弁を駆動する排気弁駆動機構を備え、上記排気弁駆動機構は、各気筒の排気ポートに一旦排出された排気が内部ＥＧＲガスとして各気筒内に逆流するように各気筒の排気弁を排気行程に加えて吸気行程でも開弁する内部ＥＧＲモードで開閉可能であり、上記制御手段は、上記低負荷領域において、上記排気弁駆動機構によって上記排気弁を上記内部ＥＧＲモードで開閉させるとともに、当該低負荷領域において、上記触媒が活性しているときは、上記触媒が活性していないときよりも上記排気集合部内の負圧が小さくなるように上記負圧変更手段を制御するのが好ましい（請求項３）。

この構成によれば、触媒の活性時には、排気集合部内の負圧が小さく抑えられることでより多くの内部ＥＧＲガスを各気筒内に逆流させることができ筒内の温度を高めて混合気の着火性を高めることができる。そのため、触媒未活性時において触媒の活性化を促進しつつ、触媒活性時において圧縮自己着火燃焼を促進することができる。

以上説明したように、本発明のエンジンの制御装置によれば、より確実に触媒を活性化させて排気性能を良好にすることができる。

本発明の一実施形態にかかるエンジンの構成を示す平面図である。 上記エンジンのエンジン本体の構成を示す断面図である。 内部ＥＧＲモードにおける排気弁および吸気弁の開閉状態を示した図である。 図１のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 図４のＶ矢示図である。 最上流位置にあるスライド部周辺を示した図である。 最上流位置にあるスライド部周辺を示した断面図である。 最下流位置にあるスライド部周辺を示した図である。 最下流位置にあるスライド部周辺を示した断面図である。 排気システムの一部を示した側面図である。 排気システムの一部を示した正面図である。 上記エンジンの制御系を示すブロック図である。 全体の制御の流れを示したフローチャートである。 エンジンの運転中に使用される制御マップを概念的に示す図である。 エンジン負荷の変化に応じて筒内への充填ガスの成分割合や各種制御パラメータがどのように変化するかを示す図である。

（１）エンジンの全体構成
図１および図２は、本発明の一実施形態にかかるエンジンの制御装置の構成を示す図である。当実施形態のエンジンは、４ストロークのエンジン本体１と、エンジン本体１に燃焼用の空気（吸気）を導入するための吸気マニホールド２０と、エンジン本体１から外部に排気を排出するための排気システム３０とを備えている。

ここでは、エンジン本体１が、特定方向に並ぶ４つの気筒２Ａ〜２Ｄを有する４気筒エンジンであって、主としてガソリンを燃料とするガソリンエンジンの場合について説明する。

エンジン本体１は、気筒２Ａ〜２Ｄが内部に形成されたシリンダブロック２と、シリンダブロック２の上面に設けられたシリンダヘッド３と、気筒２Ａ〜２Ｄに往復摺動可能に挿入されたピストン４とを有している。

ピストン４の上方には燃焼室５が形成されており、この燃焼室５には、燃料が、インジェクタ１０からの噴射によって供給される。噴射された燃料と空気との混合気は燃焼室５で燃焼し、ピストン４はその燃焼による膨張力で押し下げられて上下に往復運動する。

ピストン４はコネクティングロッド１６を介してクランク軸１５と連結されており、ピストン４の往復運動に応じて、クランク軸１５は中心軸回りに回転する。

シリンダブロック２には、クランク軸１５の回転速度をエンジンの回転速度として検出するエンジン回転速度センサＳＷ１が設けられている。

シリンダヘッド３には、燃料を燃焼室５に向けて噴射するインジェクタ１０と、インジェクタ１０から噴射された燃料と空気との混合気に対し火花放電による点火を行う点火プラグ１１とが、各気筒２Ａ〜２Ｄにつきそれぞれ１組ずつ設けられている。

インジェクタ１０は、燃料の噴射口となる複数の噴孔を先端部に有しており、各気筒２Ａ〜２Ｄの燃焼室５をその吸気側の側方から臨むように設けられている。インジェクタ１０から噴射される燃料の噴射圧力は、３０ＭＰａ以上という、ガソリンエンジンとしてはかなり高い値に設定されている。

点火プラグ１１は、火花を放電するための電極を先端部に有しており、各気筒２Ａ〜２Ｄの燃焼室５を上方から臨むように設けられている。

当実施形態のエンジン本体１は、その幾何学的圧縮比（ピストン４が下死点にあるときの燃焼室容積とピストン４が上死点にあるときの燃焼室容積との比）が、１５以上２０以下という、ガソリンエンジンとしてはかなり高い値に設定されている。このように高い幾何学的圧縮比を設定しているのは、理論熱効率の向上や、後述するＣＩ燃焼（圧縮自己着火燃焼）での着火性確保のためである。

また、当実施形態のような４ストローク４気筒のエンジンでは、各気筒２Ａ〜２Ｄに設けられたピストン４がクランク角で１８０°（１８０°ＣＡ）の位相差をもって上下運動するため、これに対応して、各気筒２Ａ〜２Ｄでの点火のタイミングも、１８０°ＣＡずつ位相をずらしたタイミングに設定される。具体的には、気筒２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄの気筒番号をそれぞれ１番、２番、３番、４番とすると、１番気筒２Ａ→３番気筒２Ｃ→４番気筒２Ｄ→２番気筒２Ｂの順に点火が行われる。このため、例えば１番気筒２Ａが膨張行程であれば、３番気筒２Ｃ、４番気筒２Ｄ、２番気筒２Ｂは、それぞれ、圧縮行程、吸気行程、排気行程となる。

シリンダヘッド３には、吸気マニホールド２０から供給される空気を各気筒２Ａ〜２Ｄの燃焼室５に導入するための吸気ポート６と、吸気ポート６を開閉する吸気弁８と、各気筒２Ａ〜２Ｄの燃焼室５で生成された排気を排気システム３０に導出するための排気ポート７と、排気ポート７を開閉する排気弁９とが設けられている。なお、図例のエンジンはいわゆるダブルオーバーヘッドカムシャフト式（ＤＯＨＣ）エンジンであり、１つの気筒につき吸気弁８および排気弁９が２つずつ設けられている。

吸気弁８および排気弁９は、それぞれ、シリンダヘッド３に配設された一対のカムシャフト等を含む動弁機構１３，１４により、クランク軸１５の回転に連動して開閉駆動される。

吸気弁８用の動弁機構１３には、吸気弁８の開閉時期を変更可能な可変機構１３ａが設けられている。

排気弁９用の動弁機構１４には、排気行程中にのみ排気弁９を開弁させる第１のカムと、排気行程に加えて吸気行程にも排気弁９を開弁させる第２のカムと、排気弁９に駆動力を伝達するカムをこれら第１カムと第２カムとの間で切り替える切替機構１４ａが組み込まれている。すなわち、この切替機構１４ａは、排気弁９を排気行程だけでなく吸気行程でも開弁可能にするとともに、この吸気行程中の排気弁９の開弁動作（内部ＥＧＲモード）を実行するか停止するかを切り替える機能を有している。

切替機構１４ａによって排気弁９に駆動力を伝達するカムとして第２のカムが選択されると、図３に示すように、排気弁９が排気行程だけでなく吸気行程中にも開弁するので、高温の排気（既燃ガス）が内部ＥＧＲガス（ＥＧＲ：Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）として排気ポート７から燃焼室５に逆流する。当実施形態では、図３に示すように、内部ＥＧＲモードでは、排気弁９のリフト量は、ピーク位置から減少した後所定期間一定量で維持される。このように、当実施形態では、排気弁９が内部ＥＧＲモードで開閉されることで、高温の排気を筒内に残留させる内部ＥＧＲが実現される。なお、図３は、吸気弁８および排気弁９のバルブリフトを示したものであり、‘ＥＸ’が排気弁９のリフトを示し、‘ＩＮ’が吸気弁８のリフトを示している。

一方、切替機構１４ａによって第１のカムが選択された場合には、排気弁９が排気行程のみで開弁するようになるので、内部ＥＧＲが停止される（排気の逆流が停止される）。

また、排気弁９用の動弁機構１４には、排気弁９の閉弁時期を変更することが可能な排気閉弁時期変更機構１４ｂが組み込まれている。本実施形態では、排気弁９の開弁期間は一定に維持しつつ閉弁時期が変更される。このような構成の機構は既に公知であり、その詳細な構造の説明は省略する。

吸気マニホールド２０は、単一の吸気管２３の上流端部に接続された所定容積のサージタンク２２と、サージタンク２２と各気筒２Ａ〜２Ｄの吸気ポート６とを連結する複数の（４本の）独立吸気通路２１とを有している。

吸気管２３の途中部には、吸気管２３の通路を開閉可能なスロットル弁２５と、エンジン本体１に吸入される空気（新気）の流量を検出するためのエアフローセンサＳＷ２とが設けられている。

サージタンク２２には、外部ＥＧＲ装置５０が接続されている。外部ＥＧＲ装置５０は、後述する中間排気管４０と吸気マニホールド２０とを連結するＥＧＲ通路５１と、ＥＧＲ通路５１の途中部に設けられてＥＧＲ通路５１を開閉可能なＥＧＲ弁５２とを含む。外部ＥＧＲ装置５０は、さらに、ＥＧＲ通路５１の途中部に設けられてエンジンの冷却水等を利用した熱交換器からなるＥＧＲクーラ５３を有している。

外部ＥＧＲ装置５０は、外部ＥＧＲを行うため、すなわち、エンジン本体１から排出されて中間排気管４０を流下する排気の一部を外部ＥＧＲガスとして吸気マニホールド２０を介して各気筒２Ａ〜２Ｄに還流させるために用いられる。

具体的には、ＥＧＲ弁５２が開弁すると、中間排気管４０を流れる排気の一部は、ＥＧＲ通路５１を通ってサージタンク２２へと還流され、再び各気筒２Ａ〜２Ｄに導入される。外部ＥＧＲガスは、ＥＧＲ通路５１の通過中に冷却される。従って、各気筒２Ａ〜２Ｄに還流される外部ＥＧＲガスは、比較的低温である。特に、当実施形態では、ＥＧＲ通路５１にＥＧＲクーラ５３が設けられている。そのため、各気筒２Ａ〜２Ｄに導入される外部ＥＧＲガスは、中間排気管４０を通過する排気の温度よりも大幅に低いものとなる。一方、ＥＧＲ弁５２が全閉になると、中間排気管４０からＥＧＲ通路５１に排気は流れず、外部ＥＧＲは停止される。

排気システム３０は、各気筒２Ａ〜２Ｄの排気ポート７にそれぞれ上流端部が接続されてこれら排気ポート７から延びる複数の独立排気通路３１と、各独立排気通路３１の下流端部（エンジン本体１から遠ざかる側の端部）が独立状態を維持したまま互いに近接するように束ねられた集約部３４と、集約部３４の下流側に設けられて独立排気通路３１の全てと連通する共通の空間が内部に形成されたスライド部（排気集合部）３５と、スライド部３５の下流側にディフューザー部３６を介して接続された単一の中間排気管４０と、中間排気管４０の下流側に設けられて触媒４８ａを内蔵する触媒コンバータ４８と、触媒コンバータ４８から下流側には下流側排気通路４１と、この下流側排気通路４１内の排気をスライド部３５に還流する排気還流装置９０とを有している。触媒コンバータ４８には、例えば三元触媒からなる触媒４８ａが内蔵されている。排気システム３０のこれらの詳細構造については後述する。

また、排気システム３０には、排気の温度を検出するための排気温度センサＳＷ４が設けられている。当実施形態では、触媒コンバータ４８に流入する前の排気の温度を検出しており、スライド部３５に排気温度センサＳＷ４が取り付けられている。また、触媒コンバータ４８には、触媒４８ａの温度を検出するための触媒温度センサＳＷ５が設けられている。

（２）排気システムの詳細構造
排気還流装置９０は、下流側排気通路４１のうち触媒コンバータ４８のすぐ下流側の部分と、スライド部３５とを連結する排気還流通路９１と、排気還流通路９１の途中部に設けられて排気還流通路９１を開閉可能な切替弁９２とを含んでいる。

この排気還流装置９０では、切替弁９２が開弁されるとともに、後述するように、スライド部３５内に生じる負圧が増大されると、触媒コンバータ４８から排出された排気の一部が、下流側排気通路４１から排気還流通路９１内に流入するとともに排気還流通路９１を通ってスライド部３５に還流され、その後、再び触媒コンバータ４８に導入される。一方、スライド部３５内に生じる負圧が低減されるとともに、切替弁９２が閉弁された場合には、下流側排気通路４１から排気還流通路９１に排気は流れず、排気還流通路９１を介した排気の還流は停止される。

各独立排気通路３１は、その各下流端部３１ａの位置が一致するように、気筒列方向の中央側を指向して延びている。これら独立排気通路３１の各下流端部３１ａは、エンジン本体１の排気側の壁面中央（上面視で２番気筒２Ｂと３番気筒２Ｃの間に対応する位置）から下流側に離れた位置において１箇所に束ねられており、束ねられた各独立排気通路３１の各下流端部３１ａと、これらを束ねた状態に保持する保持部材等により、集約部３４が形成されている。

当実施形態では、集約部３４の中央に排気還流通路９１の下流端が配置されており、排気還流通路９１は各独立排気通路３１とともに束ねられて保持されている。

具体的には、図１のＩＶ−ＩＶ線断面図である図４に示すように、各独立排気通路３１の各下流端部３１ａと排気還流通路９１の下流端９１ａとは、中央に排気還流通路９１の下流端９１ａが位置し、その周囲に各独立排気通路３１の各下流端部３１ａ周方向に等間隔で位置して、全体として略円形の断面を有する状態で保持されている。

図６に示すように、集約部３４の下流端部は、集約部３４の中心軸ｘを中心として下流に向かうに従って縮径する略円錐台形状をなす外形を有しており、各独立排気通路３１の下流端部３１ａには、それぞれ、その下流側先端に、下流に向かうに従って中心軸ｘ側に向かって傾斜する独立排気通路側傾斜部３１ｂが設けられている。これに伴い、各独立排気通路３１の下流端部３１ａの流路面積は、下流側の方が上流側よりも小さくなっている。

このように各独立排気通路３１の下流端部３１ａの流路面積が下流に向かうに従って小さくされていることで、各独立排気通路３１を通過する排気の速度はこの下流端部３１ａの通過中に高められる。

図４のＶ矢示図である図５に示すように、各独立排気通路側傾斜部３１ｂには、それぞれ独立排気通路３１の内側と外側とを連通する開口部３１ｃが形成されている。当実施形態では、各傾斜部３１ｂの一部が、下流端から上流に向かって略半円状に切り欠かれることで、開口部３１ｃが形成されている。

図６に示すように、スライド部３５は、単管状を有し、集約部３４（各独立排気通路３１の下流端部３１ａ）の下流側部分が内側に挿入された状態で、集約部３４の中心軸ｘと同軸で集約部３４から下流側に延びている。各独立排気通路３１（集約部３４）を通過した排気は、このスライド部３５の内側で集合する。

スライド部３５は、軸ｘを中心軸とする円筒状を有し流路面積一定で上下流方向に延びる上流端部分３５ａと、この上流端部分３５ａから下流に延びるスライド部側傾斜部（ノズル部）３５ｂと、軸ｘを中心軸とする円筒状を有し流路面積一定でスライド部側傾斜部３５ｂから下流に延びるストレート部３５ｃとからなる。スライド部３５は、上下流方向にスライド変位可能に取り付けられており、集約部３４に対して上下流方向に相対変位される。

スライド部側傾斜部３５ｂは、独立排気通路側傾斜部３１ｂに沿って延びる形状を有しており、軸ｘを中心として下流に向かうに従って縮径する略円錐台形状をなす外形を有している。これに伴い、スライド部側傾斜部３５ｂの流路面積は下流側ほど小さくなっている。また、これに伴い、スライド部３５は、スライド部側傾斜部３５ｂと独立排気通路側傾斜部３１ｂとが接触（当接）する位置よりも上流側へスライド変位できないようになっている。以下、これらが接触する状態にあるスライド部６２の位置を、スライド部３５の最上流位置と称する。

図６および図７に示されるように、スライド部３５が最上流位置にある状態において、スライド部側傾斜部３５ｂの内周面は各独立排気通路側傾斜部３１ｂの外周面（集約部３４の下流端部の外周面）全体と接触し、各開口部３１ｃはスライド部側傾斜部３５ｂの内周面により塞がれる。従って、スライド部３５が最上流位置にある状態では、各独立排気通路３１を通過した排気は、開口部３１ｃから独立排気通路３１の外周側に流出することなくスライド部３５内に流入する。

ここで、スライド部３５が最上流位置にある状態において、スライド部側傾斜部３５ｂは、独立排気通路３１の下流端よりも下流側に延びており、スライド部３５の流路面積は独立排気通路３１の下流端よりも下流側においても下流ほど小さくなっている。従って、各独立排気通路３１を通過した排気は、スライド部側傾斜部３５ｂにおいてもその速度を高められる。

上記のように各独立排気通路３１からスライド部３５に向けて排気が高速で噴出されると、スライド部３５内において、その噴出ガスの周囲には相対的に圧力の低い負圧部が生成される。したがって、ある気筒の独立排気通路３１からスライド部３５に排気が噴出されると、他の独立排気通路３１に負圧が作用して、そこから排気が下流側へと吸い出されることになる。また、排気還流通路９１の下流端に負圧が作用して、排気還流通路９１には、その内側からスライド部３５側に向かって排気を吸い出す力が作用する。これは、エゼクタ効果として知られている。

一方、図８および図９に示されるように、スライド部３５が最上流位置から下流側にスライド変位すると、スライド部側傾斜部３５ｂは独立排気通路側傾斜部３１ｂから下流側に離間する。この状態において、これら傾斜部３５ｂ、３１ｃ間には通路が区画されるとともに、各開口部３１ｃは開放される。そのため、この状態では、各独立排気通路３１を通過した排気の一部は、開口部３１ｃを通って傾斜部３５ｂ、３１ｃ間の通路（以下、外部通路という場合がある）を通って流下する。すなわち、図９の矢印で示すように、独立排気通路３１を流下した排気は、独立排気通路３１内の通路に加えてこの外部通路を通過してスライド部３５に流入することになり、スライド部３５に流入する前に排気が通過する部分の流路面積は大きくなる。

このように流路面積が拡大されると、スライド部３５に流入する際の排気の速度は小さく抑えられる。従って、スライド部３５が最上流位置から下流側にスライド変位した状態では、スライド部３５内に生成される負圧は、スライド部３５が最上流位置にあるときよりも小さくなる。このようにスライド部３５に生成される負圧が小さくなると、他の独立排気通路３１および排気還流通路９１に作用する排気を吸い出す力は小さくなる。

ここで、外部通路の流路面積はスライド部３５の下流側への変位量が大きいほど大きくなる。従って、スライド部３５の下流側への変位量が大きいほどスライド部３５内に生成される負圧は小さくなる。このように、当実施形態では、スライド部３５が変位することで、スライド部３５内に生成される負圧が変更される。

スライド部３５の下流側には、単管状のディフューザー部３６が設けられている。ディフューザー部３６は、下流に向かうに従って流路面積が拡大するよう構成されている。具体的には、ディフューザー部３６の上流端部は略円筒状の外形を有し、この上流端部よりも下流側の部分は軸ｘを中心とする略円錐台形状の外形を有している。ディフューザー部３６の内側には上流からスライド部３５の下流端部が挿入されており、スライド部３５は、ディフューザー部６３によりスライド可能に支持されている。

上記のように独立排気通路３１の下流端部３１ａおよびスライド部側傾斜部３５ｂにおいて高速とされた排気は、流路面積一定で上下流に延びるスライド部３５のストレート部３５ｃおよびディフューザー部３６を通過するにつれて減速され、これに伴って排気の圧力は回復する。

上記集約部３４、スライド部３５およびディフューザー部３６は、アウターシェル３８の内側にそれぞれ収容されている。すなわち、排気システム３０には、これらを収容するアウターシェル３８が設けられており、このアウターシェル３８から下流側に下流側排気管４１が延びている。

図８に示すように、アウターシェル３８のうちスライド部側傾斜部３５ｂの外側を囲む部分は、このスライド部側傾斜部３５ｂと平行に延びており、下流に向かうに従って中心軸ｘ側に傾斜するアウターシェル側傾斜部３８ａを構成している。図８に示すように、このアウターシェル側傾斜部３８ａは、スライド部側傾斜部３５ｂが下流側にスライド変位した際にスライド部側傾斜部３５ｂに下流側から当接するように設けられており、スライド部３５は、この当接位置よりも下流側には変位することができないようになっている。すなわち、スライド部３５は、この当接位置を最下流位置としてこの最下流位置と上記最上流位置との間でのみスライド変位可能となっている。

スライド部３５は、スライドアクチュエータ（負圧変更手段）３９によってスライド変位される。

当実施形態では、スライドアクチュエータ３９は、ダイアフラム式であり、図１０および図１１に示すように、ダイアフラム本体３９ａと、ダイアフラム本体３９ａから所定の方向に延びてダイアフラム本体３９ａによってこのダイアフラム本体３９ａと接離する方向にスライド変位される第１シャフト３９ｂと、第１シャフト３９ｂの先端（反ダイアフラム本体側）に接続されるレバー部３９ｃと、レバー部３９ｃに固定される第２シャフト３９ｄと、第２シャフト３９ｄの先端（反レバー部側）に接続されるとともにスライド部３５に接続されるフォーク部３９ｅ（図６）とを有している。

さらに、図６に示すように、フォーク部３９ｅは、アウターシェル３８の内側に収容されてスライド部３５の外側面に取り付けられた半円状のフォーク部本体と、フォーク部本体の中央からアウターシェル３８を貫通してアウターシェル３８外に延びる接続部とを有し、この接続部において、第２シャフト３９ｄの先端に固定されている。

このように構成されたスライドアクチュエータ３９は、ダイアフラム本体３９ａによって第１シャフト３９ｂがスライド変位されると、レバー部３９ｃが第２シャフト３９ｄの中心軸が通る部分を支点として搖動し、これに伴い第２シャフト３９ｄがその中心軸を中心として回転し、この第２シャフト３９ｄの回転に伴ってフォーク部３９ｅがその接続部を支点として回動することで、スライド部３５をスライド変位させる。例えば、図６に示す状態から第１シャフト３９ｂがスライド変位することで、フォーク部３９ｅが接続部を支点として回動して図８に示す状態となる。

（３）制御系
次に、図１２を用いて、エンジンの制御系について説明する。当実施形態のエンジンは、自動車等の車両に搭載されており、車両に備わるＥＣＵ（エンジン制御ユニット）６０によって制御される。ＥＣＵ６０は、周知のとおり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるマイクロプロセッサであり、本発明にかかる制御手段に相当するものである。

ＥＣＵ６０には、各種センサからの情報が入力される。例えば、ＥＣＵ６０は、エンジンに設けられたエンジン回転速度センサＳＷ１、エアフローセンサＳＷ２、運転者により操作される図外のアクセルペダルの開度を検出するアクセル開度センサＳＷ３、および、排気システム３０に設けられた排気温度センサＳＷ４、触媒温度センサＳＷ５と電気的に接続されており、これらのセンサからの入力信号（エンジン回転速度、吸気流量、アクセルペダルの開度、排気温度、触媒温度の情報）を受け付ける。

ＥＣＵ６０は、各センサ（ＳＷ１〜ＳＷ５等）からの入力信号に基づいて種々の演算等を実行しつつ、エンジンの各部を制御する。すなわち、ＥＣＵ６０は、インジェクタ１０、点火プラグ１１、可変機構１３ａ、切替機構１４ａ、排気閉弁時期変更機構１４ｂ、スライドアクチュエータ３９、スロットル弁２５、ＥＧＲ弁５２、切替弁９２等と電気的に接続されており、上記演算の結果等に基づいて、これらの機器にそれぞれ駆動用の制御信号を出力する。なお、当実施形態では、ポンピングロスを小さく抑えるべくスロットル弁２５はほぼ常時全開とされている。

（４）制御内容
（４−１）全体の制御の流れ
図１３は、全体の制御の流れを示したフローチャートである。このフローチャートに沿って、当実施形態における全体の制御の流れを説明する。

まず、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１にて触媒４８ａが未活性状態であるか否かを判定する。例えば、ＥＣＵ６０は、触媒温度センサＳＷ５で検出された触媒４８ａの温度推移に基づいて、触媒４８ａの活性状態を判定する。

ステップＳ１の判定がＮＯの場合、すなわち、触媒４８ａが活性状態である場合は、ステップＳ２に進み、後述する通常制御を実施する。

一方、ステップＳ１の判定がＹＥＳであって触媒４８ａが未活性状態である場合は、ステップＳ３に進む。ステップＳ３では、気筒から排出された排気の温度であって触媒４８ａに流入する前の温度が触媒温度よりも高いか否かを判定する。当実施形態では、排気温度センサＳＷ４で検出された排気温度が、触媒温度センサＳＷ５で検出された触媒温度よりも高いか否かを判定する。

ステップＳ３の判定がＮＯの場合、すなわち、触媒４８ａに流入する排気の温度が触媒温度以下の場合は、ステップＳ２に進む。

一方、ステップＳ３の判定がＹＥＳであって触媒４８ａに流入する排気の温度が触媒温度よりも高い場合は、ステップＳ４に進む。ステップＳ４では、切替弁９２を開弁するとともに、スライド部３５の位置を最上流位置にする。

以上のように、当実施形態では、触媒４８ａが未活性状態であり、かつ、触媒４８ａに流入する排気の温度が触媒温度よりも高い場合、切替弁９２が開弁されるとともにスライド部３５の位置が最上流位置とされる。

上記のように、スライド部３５が最上流位置とされるとスライド部３５に生じる負圧は最大となり、排気還流通路９１の下流側（スライド部３５側）には、排気還流通路９１内のガスをスライド部３５側に吸い出す大きな力が作用する。従って、スライド部３５が最上流位置にされるとともに切替弁９２が開弁されると、排気還流通路９１を通って触媒コンバータ４８を通過した後の排気がスライド部３５に還流され、この排気は、再び触媒コンバータ４８に流入する。

（４−２）通常制御の制御概要
次に、ステップＳ２にて実施される通常制御、すなわち、触媒４８ａが活性状態にある、あるいは、排気温度が触媒温度以下の通常時に実施される通常制御について説明する。この通常制御では、切替弁９２は閉弁され、排気の触媒コンバータ４８への再流入は停止される。

図１４は、エンジンの運転中にＥＣＵ６０によって参照される制御マップを概念的に示した図である。この制御マップでは、エンジンの運転領域が第１運転領域（低負荷領域）Ａ１、第２運転領域Ａ２、第３運転領域Ａ３の３つに分割されている。ＥＣＵ６０は、エンジンの運転中、負荷（アクセル開度に基づく要求トルク）および回転速度の各値から、エンジンが図１４のマップ中のどの運転領域で運転されているかを逐次判定し、各運転領域に応じてインジェクタ１０等を制御する。

当実施形態では、エンジン負荷が第２基準負荷Ｔ２以上となる高負荷側およびエンジン回転数が基準回転数Ｎ１以上となる高回転数側の領域に設定された第３運転領域Ａ３では、点火プラグ１１からの火花放電による強制点火をきっかけに混合気を火炎伝播により燃焼させる火花点火燃焼（以下、ＳＩ燃焼という場合がある）が実施される。一方、他の領域に設定された第１、第２運転領域Ａ１、Ａ２では、ピストン４の圧縮作用により混合気を高温、高圧化して圧縮上死点（圧縮行程と排気行程の間のＴＤＣ）付近で自着火させる圧縮自着火燃焼（以下、ＣＩ燃焼という場合がある）が実施される。第１運転領域Ａ１は、エンジン負荷が第１基準負荷Ｔ１以下且つエンジン回転数が基準回転数Ｎ１以下の低負荷領域に設定されており、第２運転領域Ａ２は、エンジン負荷が第２基準負荷Ｔ１から第２基準負荷Ｔ２まで且つエンジン回転数が第１基準回転数Ｎ１までの中負荷領域に設定されている。

図１５は、横軸をエンジン負荷として、エンジン負荷の変化に応じて筒内のガス成分がどのように変化するかを示した図である。破線は、空気過剰率λ＝１の線である。

図１５に示すように、第１運転領域Ａ１では、リーンＣＩ燃焼（混合気の空気過剰率λが１より大きくされた状態でのＣＩ燃焼）が実施され、第２運転領域Ａ２では、空気過剰率λ＝１のＣＩ燃焼が実施される。また、第３運転領域Ａ３では空気過剰率λ＝１のＳＩが実行される。

（ｉ）第１運転領域
第１運転領域Ａ１は、エンジン負荷が低い領域である。そのため、燃焼によって得られるエネルギーは小さく筒内の温度が低くなりやすい。

そこで、第１運転領域Ａ１では、安定したＣＩ燃焼を実現するために筒内に逆流する高温の排気の量すなわち内部ＥＧＲガス量を多くするべく、排気弁９を内部ＥＧＲモードで開弁させるとともに、ＥＧＲ弁５２を閉弁して外部ＥＧＲを停止する。また、内部ＥＧＲガス量をより多く確保するべく、スライド部３５を最上流位置よりも下流側の位置にしてスライド部３５に生じる負圧を小さく抑える。当実施形態では、スライド部３５を最下流位置として、負圧を最小とする。すなわち、スライド部３５に生じる負圧が大きいと、独立排気通路３１を介して筒内および排気ポート７内のガスを下流側へ吸い出す力が大きくなり、排気が排気ポート７から筒内へ逆流しにくくなる。そこで、第１運転領域Ａ１では、上記のように、スライド部３５に生じる負圧を小さく抑えて、筒内への排気の逆流量すなわち内部ＥＧＲガス量を多く確保する。

ただし、第１運転領域Ａ１においても、エンジン負荷が高くなると筒内の温度は高くなる。そして、この温度が過剰に高くなると過早着火等の異常燃焼の発生や燃焼騒音の増大のおそれがある。そこで、第１運転領域Ａ１では、エンジン負荷が高いほど内部ＥＧＲ率（筒内の全ガス量のうち内部ＥＧＲガスが占める割合）を小さくする。当実施形態では、エンジン負荷が高いほど排気弁９の閉弁時期を進角側にし、吸気行程中に排気弁９が開弁している期間を短くすることで内部ＥＧＲ率を小さくする。

（ｉｉ）第２運転領域
上記のように、第２運転領域Ａ２でもＣＩ燃焼が実施される。しかし、この領域Ａ２は、エンジン負荷が比較的高く燃焼によって筒内の温度が高くなりやすい領域である。そのため、第１運転領域Ａ１と異なり、第２運転領域Ａ２では、ＣＩ燃焼実施時に過早着火等の異常燃焼の発生や燃焼騒音の増大が生じやすくなるという問題がある。

そこで、第２運転領域Ａ２では、過早着火等を回避するために筒内の温度を低く抑えるべく、内部ＥＧＲガス量を少なくするとともに、外部ＥＧＲを実施する。すなわち、第２運転領域Ａ２では、比較的高温の内部ＥＧＲガス量を減少させることで圧縮開始前の筒内の温度を低下させる。また、比較的低温の外部ＥＧＲガスを導入することで、ＥＧＲガスによる筒内のガス温度の上昇を抑制しつつトータルのＥＧＲガス（内部ＥＧＲガスと外部ＥＧＲガスとからなる）量すなわち比熱比が高い不活性ガス量をある程度確保し、これにより燃焼開始前の筒内の温度を低く抑えるとともに燃焼温度を低く抑える。ここで、燃焼温度が低下すれば排気の温度が低下して、ＥＧＲガスの温度、特に、内部ＥＧＲガスの温度が低下するため、これによって、圧縮開始前の筒内の温度はさらに低下する。

具体的には、第２運転領域Ａ２においても、排気弁９の開閉モードを内部ＥＧＲモードとして内部ＥＧＲガスを筒内に導入するが、排気閉弁時期を第１、第２運転領域Ａ１よりも進角側にすることで、内部ＥＧＲガス量を少なく抑える。また、スライド部３５を最上流位置としてスライド部３５に生じる負圧を高め、これにより、排気の筒内への逆流量を抑えるとともに、外部ＥＧＲ通路５１に流入する排気の量を多くして外部ＥＧＲガスを多く確保する。すなわち、スライド部３５に生じる負圧が高められると、筒内から排出される排気の量すなわち排気流量が多くなるため、外部ＥＧＲ通路５１に流入する排気の量を多くすることができる。

なお、当実施形態では、上記のように、第２運転領域Ａ２では空気過剰率λ＝１の燃焼を実施しており、上記ＥＧＲガス量の調整によって新気量が空気過剰率λ＝１となるように調整される。また、当実施形態では、図１５に示すように、第１運転領域Ａ１のうち第２運転領域Ａ２と隣接する領域では、第２運転領域Ａ２に向けて外部ＥＧＲガスを徐々に導入する。

（ｉｉｉ）第３運転領域
第３運転領域Ａ３では、上記のように空気過剰率λ＝１のＳＩ燃焼が実施される。当実施形態では、圧縮行程の後期のような比較的遅いタイミングでインジェクタ１０から燃料を噴射させるとともにこの燃料噴射の後に点火プラグ１１に火花点火を行わせ、これにより、圧縮上死点を少し過ぎたタイミング（膨張行程の初期）から火炎伝播により混合気を燃焼させる。

また、第３運転領域Ａ３では、排気弁９は通常モード（排気行程でのみ開弁するモード）とされて内部ＥＧＲガスの導入が停止されるとともに、エンジン負荷の増大に伴って外部ＥＧＲガス量が低減され混合気の空気過剰率λが１となるように新気量が増大される。

さらに、当実施形態では、第３運転領域Ａ３において、エンジン回転数が高い側では、新気量確保のためにエンジンの背圧を小さく抑えるべく、スライド部３５を最下流位置としてスライド部３５に生じる負圧を小さく抑える一方、エンジン回転数が低く負荷が高い側では、エンジン出力確保のために掃気性を高めるべく、スライド部３５を最上流位置としてスライド部３５に生じる負圧を大きくする。

なお、吸気弁８は、新気量等に応じて可変機構１３ａによってその開閉時期が変更される。例えば、ＣＩ燃焼が実施される第１、第２運転領域Ａ１、Ａ２では、吸気弁８の閉弁時期は比較的進角側とされ、ＳＩ燃焼が実施される第３運転領域Ａ３では、吸気弁８の閉弁時期は遅角側とされ開弁期間が長くされる。

（５）作用等
以上のように、当実施形態に係るエンジンの制御装置では、触媒の未活性時において、触媒４８ａ（触媒コンバータ４８）よりも上流側における排気の温度すなわち触媒４８ａに流入する排気の温度が触媒温度よりも高い場合に、スライド部３５を最上流位置にするとともに切替弁９２を開弁させて、高温の排気を触媒通過後に再び触媒４８ａに流入させている。そのため、この高温の排気によって触媒４８ａの温度を高めることができ、より確実に、かつ、より早期に触媒を活性化させることができ、排気性能を良好にすることができる。

特に、この装置では、高温の排気を触媒４８ａへ再流入させる際に、スライド部３５が最上流位置とされてスライド部３５に発生する負圧が高められている。そのため、下流側排気通路４１から排気還流通路９１に流入して、スライド部３５に向かう排気の流量を多くして、触媒４８ａに再流入する高温の排気の量を多くすることができる。また、エンジン本体から排出される排気流量全体をも多くすることができる。従って、多量の高温の排気によって触媒４８ａの活性化を促進することができる。

また、当実施形態に係る装置では、燃焼により得られるエネルギーが小さく筒内の温度が低くなりやすい第１運転領域Ａ１において、排気弁９を内部ＥＧＲモードで開閉させるとともにスライド部３５を最下流位置としてスライド部３５に生じる負圧を最小としている。そのため、排気ポート７から下流側へ吸い出される排気量を少なく抑えて、高温の内部ＥＧＲガスを筒内に多量に導入することができ、安定したＣＩ燃焼を実現することができる。

ここで、この第１運転領域Ａ１では、燃焼により得られるエネルギーが小さいことに伴い排気温度が低く、触媒４８ａが未活性状態に陥るおそれがあるが、この場合には、上記のようにスライド部３５が最上流位置にされるとともに切替弁９２が開弁されて触媒４８ａに高温の排気が再流入されることで触媒４８ａの活性が促進されるため、通常時においてＣＩ燃焼を促進しつつ、触媒４８ａの活性化を促進することができる。

具体的には、第１運転領域Ａ１のうちエンジン回転数が低い領域（例えば、図１４に示すように所定の回転数Ｎ０よりも低回転数側の領域Ａ１＿ａ）では、特に、筒内に供給される燃料量が少なく燃焼により得られるエネルギーが小さく、排気温度が低くなる。そのため、例えば、この領域Ａ１＿ａで継続して運転した場合には、触媒４８ａの温度が活性温度以下に低下して未活性状態に陥るおそれがある。

これに対して、第１運転領域Ａ１のうちエンジン回転数が高い領域（例えば、図１３に示す領域Ａ１＿ｂ）では、燃料量が比較的多く排気温度は比較的高くなる。そのため、低回転数側の領域Ａ１＿ａで継続して運転されこれに伴い触媒４８ａが未活性状態になった後、この高回転数側の領域Ａ１＿ｂでの運転が開始されてスライド部３５が最上流位置に変更されることで、触媒４８ａを再び活性状態にすることができる。そして、触媒４８ａが再び活性状態となった後は、スライド部３５が最下流位置に変更されることで再び筒内に多量の内部ＥＧＲガスが導入されるため、ＣＩ燃焼を促進することができる。

（６）変形例
上記実施形態では、触媒が未活性、かつ、触媒４８ａ（触媒コンバータ４８）よりも上流側における排気の温度すなわち触媒４８ａに流入する排気の温度が触媒温度よりも高い場合に、スライド部３５を最上流位置にしてスライド部３５の負圧を最大とする場合について説明したが、この負圧は最小値よりも大きければよく、スライド部３５の位置は最下流位置よりも上流側の位置であればよい。

また、第１運転領域Ａ１において、触媒４８ａが活性しているときのスライド部３５の位置および負圧も最上流位置および最大値に限らず、触媒が未活性のときのスライド部３５の位置よりも上流側およびこの場合における負圧よりも小さければよい。

また、上記実施形態では、排気還流装置９０に、排気還流通路９１を開閉可能な切替弁９２を設けた場合について説明したが、この切替弁９２は省略してもよい。すなわち、排気還流通路９１の下流側（スライド部３５側）の部分の負圧が大きくない場合には、この通路９１を通ってスライド部３５に還流する量は少なく抑えられるため、切替弁９２を省略して、この負圧すなわちスライド部３５の負圧の変更によってのみ、排気還流通路９１を介した排気の還流の実施、停止を切り替えてもよい。

また、排気還流通路９１は、触媒４８ａの下流側と、各独立排気通路３１を通過したガスが集合する部分とを連通していればよく、具体的な接続箇所は上記に限らない。

また、上記実施形態では、各独立排気通路３１を上記のように構成するとともにこれに対して上下流方向に変位するスライド部３５を設け、このスライド部３５の変位によってスライド部３５内の負圧が変更されるようにした場合について説明したが、上記負圧を変更するための具体的構成はこれに限らない。例えば、各独立排気通路３１の下流側に固定式の通路およびこの通路の流路面積を変更可能なバルブ等を設け、このバルブ等によって流路面積の絞り量を変更することで負圧を変更させてもよい。

また、スライド部３５を変位させるためのスライドアクチュエータ３９の具体的構成は上記に限らない。

また、上記実施形態では、４つの気筒２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄの各排気ポート７からそれぞれ個別に独立排気通路３１が延びる場合について説明したが、排気順序が連続しない気筒については、これら気筒の排気ポート７からそれぞれ延びる独立排気通路を下流側において一本の通路にまとめてもよい。例えば、４気筒エンジンにおいて、上流側が二股に分岐した独立排気通路を用意し、この独立排気通路の２つの上流端を排気順序が連続しない２番気筒２Ｂの排気ポートおよび３番気筒２Ｃに接続させるようにしてもよい。

また、各運転領域における燃焼形態は上記に限らず、エンジンは、第１運転領域Ａ１および第２運転領域Ａ２においてＳＩ燃焼が実施されるもの等であってもよい。

１ エンジン本体
２Ａ〜２Ｄ 気筒
７ 排気ポート
２０ 吸気マニホールド
３０ 排気システム
３１ 独立排気通路
３５ スライド部（排気集合部）
３９ スライドアクチュエータ（負圧変更手段）
４８ａ 触媒
４８ 触媒コンバータ
６０ ＥＣＵ（制御手段）
９０ 排気還流装置

Claims (3)

1. 複数の気筒を有するエンジンの制御装置であって、
   複数の気筒の各排気ポートから延びる複数の独立排気通路と、
   上記各独立排気通路の下流側において、上記各独立排気通路と連通する共通の空間を形成し、且つ、上記各独立排気通路内の排気が流入するのに伴いエゼクタ効果によって負圧が生成されるように構成された排気集合部と、
   上記排気集合部で発生する負圧を変更可能な負圧変更手段と、
   上記排気集合部の下流側に設けられた触媒と、
   上記触媒を通過した後の排気を上記排気集合部に還流させる排気還流装置と、
   上記負圧変更手段を含むエンジンの各部を制御する制御手段とを備え、
   上記制御手段は、上記触媒の未活性時において、上記触媒よりも上流側における排気の温度が当該触媒の温度よりも高い場合には、上記排気還流装置によって上記触媒を通過した後の排気を上記排気集合部に還流させるとともに、上記各独立排気通路の下流端に作用する負圧が大きくなるように上記排気集合部内の負圧が大きくなる方向に上記負圧変更手段を制御することを特徴とするエンジンの制御装置。
2. 請求項１に記載のエンジンの制御装置であって、
   上記制御手段は、エンジン負荷が所定の基準負荷よりも低い低負荷領域において、燃料と空気の混合気を圧縮自己着火燃焼させることを特徴とするエンジンの制御装置。
3. 請求項２に記載のエンジンの制御装置であって、
   各気筒の排気弁を駆動する排気弁駆動機構を備え、
   上記排気弁駆動機構は、各気筒の排気ポートに一旦排出された排気が内部ＥＧＲガスとして各気筒内に逆流するように各気筒の排気弁を排気行程に加えて吸気行程でも開弁する内部ＥＧＲモードで開閉可能であり、
   上記制御手段は、上記低負荷領域において、上記排気弁駆動機構によって上記排気弁を上記内部ＥＧＲモードで開閉させるとともに、当該低負荷領域において、上記触媒が活性しているときは、上記触媒が活性していないときよりも上記排気集合部内の負圧が小さくなるように上記負圧変更手段を制御することを特徴とするエンジンの制御装置。
   

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