JP6638499B2 - エンジンおよびエンジンの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、空燃比を複数の空燃比の間で切り換えて運転するエンジンおよびその制御方法に関する。

空燃比を理論空燃比と希薄空燃比との間で切り換えて運転するエンジンが、特許文献等を通じて既に知られている。空燃比を理論空燃比から希薄空燃比に切り換える際（例えば、減速時）の制御として、特許文献１には、次のようなものが記載されている。

複数の気筒を有するエンジンにおいて、一部の気筒で希薄空燃比による燃焼を行い、残りの気筒で理論空燃比による燃焼を行った場合にエンジンが生じるトルク（ｎ気筒リーンＭＢＴトルク）を算出し、ｎ気筒リーンＭＢＴトルク（ｎ＝１、２…）が切換中の目標トルクに達したか否かを判定する。目標トルクに達した場合は、当該一部の気筒に対する要求空燃比を理論空燃比から希薄空燃比に切り換え、残りの気筒に対する要求空燃比を理論空燃比に維持する。そして、吸入空気量が増大し、全ての気筒で希薄空燃比による燃焼を行った場合のｎ気筒リーンＭＢＴトルク（４気筒エンジンの場合に、ｎ＝４）が目標トルクに達した場合に、全ての気筒に対する要求空燃比を希薄空燃比に切り換える。これにより、空燃比の切換えを、エンジンのトルクに変動を生じさせることなく実行することを可能とするものである（段落０００５、００２５〜００３０）。

特開２０１５−０８６７８０号公報

しかし、特許文献１では、空燃比の切換中に、ｎ気筒リーンＭＢＴトルクが目標トルクに達するまでの間、全部または一部の気筒で理論空燃比による燃焼が維持されることから、希薄空燃比による燃焼に切り換えられる気筒と、理論空燃比による燃焼が維持される気筒とが混在することとなり、制御が煩雑になるという問題がある。

具体的には、切換後の目標空燃比に向けた吸入空気量の変化に対し、当該全部または一部の気筒について、燃料供給量を増大するとともに、燃料供給量の増大による目標トルクからのずれを補償するため、点火時期を遅らせる制御を行っている（段落００４８、００４９）。よって、切換中の一時期にしろ、気筒ごとに個別の点火制御等が必要となるからである。

さらに、切換えの指標として用いられるｎ気筒リーンＭＢＴトルクの増大が吸入空気量の変化に依存することから、全ての気筒に対する要求空燃比を希薄空燃比として切換えを完了するまでに、相応の時間を要するという問題も考えられる。

そこで、本発明は、多気筒エンジンにおいて、運転領域に応じた空燃比の切換えをより簡易に実行可能とすることを目的とする。

本発明は、一形態において、エンジンの制御方法を提供する。

本発明の一形態に係る方法は、複数の気筒を有するエンジンの制御方法であって、少なくとも気筒グループごとに吸入空気量を制御可能に構成し、エンジンの運転領域として、第１領域と、エンジンを第１領域とは異なる空燃比により運転する第２領域とを設定する。そして、エンジンの運転状態が第１領域から第２領域へまたは第２領域から第１領域へ移行する領域移行時において、同じサイクルのなかで、第１グループの気筒を第１空燃比に、第１グループとは異なる気筒からなる第２グループの気筒を第１空燃比とは異なる第２空燃比に夫々設定し、同じグループの気筒について、同じ空気量制御を実行するとともに、空気量制御を当該グループの全ての気筒が吸気行程以外の行程にある期間に実行する。

本発明によれば、少なくとも気筒グループごとに吸入空気量を制御可能であることで、運転領域の移行に際し、吸入空気量を、移行後の領域における目標空燃比に応じた量に速やかに変更することが可能である。よって、吸入空気量が移行後の目標吸入量に達するまでの間、運転空燃比を切換前の空燃比に維持したり、エンジンのトルクに生じる変動の抑制を目的として点火時期を遅らせたりする必要がないため、運転領域の移行、換言すれば、空燃比の切換えを簡易に実行することができる。

さらに、運転領域の移行に際し、全ての気筒の空燃比を同じサイクルのなかで切り換えるのではなく、第１空燃比による燃焼を行う気筒（第１グループ）と、第２空燃比による燃焼を行う気筒（第２グループ）とが混在する期間を設けたことで、トルク変動を可及的に抑制しつつ、移行を達成することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るエンジンの全体構成図である。 図２は、エンジンの運転領域マップの傾向を示す概略図である。 図３は、空燃比に応じた排気有害成分濃度の変化を示す説明図である。 図４は、本発明の一実施形態に係る燃焼形態切換制御の基本的な動作を示す説明図である。 図５は、λ１領域からλ２領域への移行時における燃焼形態切換制御の具体例を示す説明図である。 図６は、λ２領域からλ１領域への移行時における燃焼形態切換制御の具体例を示す説明図である。 図７は、異なる空燃比による燃焼を行う気筒を混在させる移行期間を設けた場合の燃焼形態切換制御の具体例を示す説明図である。 図８は、本発明の他の実施形態に係るエンジンの全体構成図である。 図９は、本発明を３気筒エンジンに適用した場合の燃焼形態切換制御の具体例を示す説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

（エンジンの全体構成）
図１は、本発明の一実施形態に係るエンジン１の全体的な構成を示している。

図１において、太線は、気体（空気または排気）が流れる通路を示し、点線は、信号が伝わる経路を示す。

本実施形態において、エンジン１は、ガソリンを燃料とする内燃エンジン（ガソリンエンジン）であり、４つの気筒を有している。

エンジン１の吸気通路１１には、導入部にエアクリーナ１２が取り付けられ、エアクリーナ１２により、吸入された空気中の粉塵等、異物が除去される。吸気通路１１には、ターボチャージャ１３のコンプレッサ部１３１が介装され、吸入空気は、ターボチャージャ１３により圧縮された後、マニホールド部１１１を介してエンジン本体Ｅに供給される。本実施形態では、コンプレッサ部１３１の下流側にインタークーラ１４が設置され、インタークーラ１４により、ターボチャージャ１３により圧縮された空気が冷却される。コレクタ部の下流側、換言すれば、吸気通路１１のマニホールド部１１１には、気筒ごとにスロットル弁１５ａ〜１５ｄが設置され、気筒ごとに吸入空気量が制御可能に構成されている。ターボチャージャ１３には、コンプレッサ部１３１を迂回する通路が形成され、この通路にブローオフ弁１３ａが介装されている。スロットル弁１５ａ〜１５ｄを閉じた際にブローオフ弁１３ａが開駆動し、コンプレッサ部１３１の下流側に生じる余剰の過給圧力がコンプレッサ部１３１の上流側に解放される。

このように、本実施形態において、エンジン１は、ターボチャージャ１３を備えた過給エンジンであるが、これに限らず、スーパーチャージャ等の機械式または電動式の過給機を備えたエンジンであってもよい。そして、過給を行う条件でのλ１領域からλ２領域への移行時では、スーパーチャージャ等による過給の方がむしろ適用が容易である。さらに、過給エンジンに限らず、自然吸気エンジンを採用することも可能である。

本実施形態では、４つの気筒＃１〜＃４を２つのグループに分類し、第１気筒＃１および第４気筒＃４を第１グループの気筒とし、残りの第２および第３気筒＃２、＃３が属するグループを第２とする。第１〜第４気筒＃１〜＃４は、クランク角で１８０°ずつ、位相がずれている。

ここで、「グループ」としたのは、概念上の区別のために過ぎない。第１グループの第１および第４気筒＃１、＃４は、互いに対向関係にあり、第２グループの第２および第３気筒＃２、＃３は、互いに対向関係にある。本実施形態において、「対向関係」とは、互いの位相がクランク角で３６０°だけずれた関係にあることをいう。具体的には、対向関係にある気筒とは、第１、第３、第４、第２気筒の順で点火時期を迎える４気筒エンジン１において、第１気筒＃１および第４気筒＃４、第２気筒＃２および第３気筒＃３である。

そして、第１気筒＃１に対するスロットル弁１５ａと、第４気筒＃４に対するスロットル弁１５ｄとは、それらの回転軸が互いに機械的に連結され、連携動作可能とされている。機械的な連結は、異なるスロットル弁の間で回転軸を共通のものとしたり、別体の回転軸である場合に、互いの回転軸を歯車等を介して連動させたりすればよい。同様に、第２気筒＃２に対するスロットル弁１５ｂと、第３気筒＃３に対するスロットル弁１５ｃとは、回転軸が互いに機械的に連結され、連携動作可能とされている。図１中、一点鎖線は、機械的な連結を示し、第１グループのスロットル弁１５ａ、１５ｄは、第１アクチュエータ１６ａにより、第２グループのスロットル弁１５ｂ、１５ｃは、第２アクチュエータ１６ｂにより、夫々駆動される。

スロットル弁１５ａ〜１５ｄおよびアクチュエータ１６ａ、１６ｂは、「吸気制御装置」を構成する。

エンジン１の本体Ｅには、４つの気筒＃１〜＃４が形成されている（よって、スロットル弁の数も４つである）。本実施形態では、各気筒に対して個別に燃料を供給可能に構成されており、気筒ごとに燃料インジェクタ（図示せず）が設けられている。燃料インジェクタは、エンジン本体Ｅのシリンダヘッドに、各気筒のポート部に向けて燃料を噴射可能に埋設されている。燃料インジェクタとして、筒内に燃料を直接噴射するタイプのものを採用してもよい。さらに、シリンダヘッドには、気筒ごとに点火プラグ（図示せず）が設置されており、点火プラグにより、筒内に形成された所定空燃比の混合気に着火される。

エンジン１の排気通路２１には、マニホールド部２１１の下流側にターボチャージャ１３のタービン部１３２が介装されている。排気エネルギーによりタービン部１３２が駆動され、タービン部１３２の回転運動がコンプレッサ部１３１に伝達されることで、ターボチャージャ１３が機能する。ターボチャージャ１３には、タービン部１３２を迂回する通路が形成され、この通路にウエストゲート弁１３ｂが介装されている。ウエストゲート弁１３ｂの開駆動により、過給圧力の過度な上昇が抑制される。タービン部１３２の下流側には、触媒コンバータ２２が設置されている。触媒コンバータ２２には、排気浄化用の触媒が内蔵され、これにより、排気中の有害成分である窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）および炭化水素（ＨＣ）が浄化される。

さらに、触媒コンバータ２２の下流側の排気通路２１と、ターボチャージャ１３のコンプレッサ部１３１の上流側の吸気通路１１とがＥＧＲ管２３を介して接続され、有害成分が浄化された排気の一部が、ＥＧＲ管２３を通じて吸気通路１１に還流される。ＥＧＲ管２３には、ＥＧＲ弁２４が介装され、ＥＲＧ弁２４により、ＥＧＲ管２３の開口面積が変更され、ＥＧＲ管２３を通じて還流される排気の流量が調整される。還流された排気は、吸入空気と混合し、再度各気筒に分配される。残余の排気は、図示しないマフラーを介して大気中に放出される。

エンジン１は、排気還流（ＥＧＲ）を行うエンジンばかりでなく、ＥＧＲ管２３およびＥＧＲ弁２４を備えず、排気還流を行わないエンジンであってもよい。

エンジン１の運転は、電子制御ユニット１０１により制御される。電子制御ユニット１０１へは、アクセルセンサ２０１、回転速度センサ２０２および冷却水温度センサ２０３の検出信号が入力されるほか、エアフローメータ２０４、吸気温度センサ２０５および空燃比センサ２０６等の検出信号が入力される。アクセルセンサ２０１は、運転者によるアクセルペダルの操作量を検出する。回転速度センサ２０２は、エンジン１の回転速度を検出する。回転速度センサ２０２として、クランク角センサを採用することが可能である。冷却水温度センサ２０３は、エンジン冷却水の温度を検出する。エンジン冷却水の温度に代えて、エンジン潤滑油の温度を採用してもよい。エアフローメータ２０４は、吸入空気量（以下、気筒ごとの吸入空気量との区別のため、気筒ごとの吸入空気量を「シリンダ吸入量」という）を検出する。吸気温度センサ２０５は、吸入空気の温度を検出する。空燃比センサ２０６は、排気の空燃比を検出する。電子制御ユニット１０１は、各種センサからの信号をもとに、燃料噴射量、点火時期等を設定するとともに、スロットル弁１５ａ〜１５ｄおよびＥＧＲ弁２４の開度を設定して、エンジン１の運転を制御する。

電子制御ユニット１０１は、「エンジン制御装置」を構成し、アクセルセンサ２０１および回転速度センサ２０２は、「状態検出装置」を構成する。

（燃焼制御の概略）
電子制御ユニット１０１が実行する制御の内容について説明する。

本実施形態では、エンジン１は、運転領域として複数の領域を有し、領域ごとに空燃比を切り換えて運転する。

図２は、エンジン１に関して予め作成された運転領域マップを示し、このような傾向を有するマップデータが、電子制御ユニット１０１に記憶されている。具体的には、電子制御ユニット１０１は、上記傾向のマップデータが格納された記憶ユニットを備える。

具体的には、エンジン１の運転領域は、低回転および低負荷側の領域（図２中、「λ２」により示し、以下「λ２領域」という）と、それ以外の領域（同図中、λ１により示し、以下「λ１領域」という）とに区画されている。後者のλ１領域では、エンジン１の運転空燃比が理論空燃比に設定され、前者のλ２領域では、エンジン１の運転空燃比が理論空燃比よりも高い希薄空燃比に設定されている。ここで、λ１領域が「第１領域」に相当する一方、λ２領域が「第２領域」に相当し、希薄空燃比は、「第２空燃比」に相当する。本実施形態では、希薄空燃比として、空気過剰率換算（＝空燃比／理論空燃比）でほぼ２となる、２４〜２９の範囲の空燃比を採用する。「運転空燃比」とは、エンジン単位で設定される空燃比をいい、気筒ごとに設定される空燃比とは区別する。

電子制御ユニット１０１は、エンジン１の運転を制御するに際し、アクセルセンサ２０１および回転速度センサ２０２の検出信号をもとに、エンジン１の運転状態を判断する。そして、図２に示す傾向のマップデータを参照し、エンジン１の運転状態が属する領域（λ１領域またはλ２領域）を判定し、その判定結果に応じ、エンジン１の運転空燃比を切り換える。

図３は、燃焼室からの排出直後における排気中の有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）の濃度を示している。

理論空燃比付近では、燃焼生成物質として、ＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘがいずれも排出されるのに対し、理論空燃比よりもリッチ側（図３中、左側）であると、ＮＯｘの排出量が急激に減少する一方、他のＨＣおよびＣＯの排出量が増加する傾向にある。これに対し、理論空燃比よりもリーン側（同図中、右側）では、ＨＣが一定の排出量を維持するものの、ＣＯおよびＮＯｘの排出量が減少する傾向にあり、この傾向は、よりリーン側であるほど顕著となることが分かる。よって、理論空燃比による運転により、排気中の有害成分を効率的に浄化する一方、理論空燃比よりも大幅にリーン側の空燃比による運転により、ＮＯｘの排出量自体を抑えながら、排気中に残存する酸素によりＨＣを浄化することが可能である。

以下、本実施形態に係る制御（以下「燃焼形態切換制御」という）について、その基本的な動作を説明した後、４気筒エンジンに適用した具体例に即して説明する。

（燃焼形態切換制御の内容）
図４は、燃焼形態切換制御の基本的な動作を、エンジン１の運転状態がλ１領域からλ２領域へ移行する場合について示している。λ１領域からλ２領域への移行に伴い、エンジン１の運転空燃比が理論空燃比から希薄空燃比に切り換えられる。このような場合の例として、減速時を挙げることができるが、便宜上、エンジン１に対する要求負荷を一定とし、平均軸トルクを一定として説明する。

本実施形態では、燃焼形態切換制御の対象となる気筒が吸気行程以外の行程にある期間にスロットル弁を駆動し、次サイクルの吸気行程から移行後の領域における目標空燃比に切り換える。

具体的には、理論空燃比による燃焼を行っているサイクルの圧縮行程から排気行程までの間にスロットル弁を開駆動し、その直後に迎える吸気行程から希薄空燃比による燃焼に必要なシリンダ吸入量を供給可能として、希薄空燃比による燃焼に切り換える。ここで、切換前後で目標空燃比が空気過剰率換算で１から２に変更されるものの、燃料供給量に変化はなく、平均軸トルクは、一定に維持される。よって、エンジン１のトルクに変動が生じることもなく、トルク変動を補償するための点火制御等も不要である。ただし、これは、トルク等の微調整を目的とした点火制御を排除することまでを意図するものではない。

図５および６は、燃焼形態切換制御を４気筒エンジンに適用した具体例に即して示しており、図５は、同制御の動作をエンジン１の運転状態がλ１領域からλ２領域へ移行する場合（例えば、減速時）について、図６は、λ２領域からλ１領域へ移行する場合（例えば、加速時）について、夫々示している。両図において、黒で塗り潰した枠は、いずれも吸気行程を示しており、各枠の後に、圧縮行程、膨張行程および排気行程が、この順で続いている。

先に述べたように、本実施形態では、４つの気筒＃１〜＃４を２つのグループ（第１グループ、第２グループ）に分類し、第１グループの気筒（第１気筒＃１、第４気筒＃４）に対するスロットル弁１５ａ、１５ｄを互いに連携動作可能に構成するとともに、第２グループの気筒（第２気筒＃２、第３気筒＃３）に対するスロットル弁１５ｂ、１５ｃを互いに連携動作可能に構成する。そして、第１グループのスロットル弁１５ａ、１５ｄを第１アクチュエータ１６ａにより、第２グループのスロットル弁１５ｂ、１５ｃを第２アクチュエータ１６ｂにより、夫々駆動する。

図５において、クランク角Ｃｒ１よりも前では、エンジン１の運転状態は、λ１領域にあり、全ての気筒＃１〜＃４で理論空燃比による燃焼が行われている。この状態でアクセルペダルが戻されるなどして、エンジン１の運転状態がマップ上でλ２領域に移行し、減速運転状態となると、第１グループについて、第１気筒＃１および第４気筒＃４の双方が吸気行程以外の行程にある期間にスロットル弁１５ａ、１５ｄを開駆動し、次サイクルの吸気行程から増大後のシリンダ吸入量を供給可能とする。例えば、第４気筒＃４の吸気行程が終わるクランク角Ｃｒ１から次に第１気筒＃１の吸気行程が始まるクランク角Ｃｒ２までの間にスロットル弁１５ａ、１５ｄを開駆動し、クランク角Ｃｒ２に吸気行程を迎えるサイクルから、第１気筒＃１および第４気筒＃４の目標空燃比を希薄空燃比に設定する。

一方で、第２グループについても第１グループと同様に、第２気筒＃２および第３気筒＃３の双方が吸気行程以外の行程にある期間にスロットル弁１５ｂ、１５ｃを開駆動し、次サイクルの吸気行程から増大後のシリンダ吸入量を供給可能とする。例えば、第２気筒＃２の吸気行程が終わるクランク角Ｃｒ２から次に第３気筒＃３の吸気行程が始まるクランク角Ｃｒ３までの間にスロットル弁１５ｂ、１５ｃを開駆動し、クランク角Ｃｒ３に吸気行程を迎えるサイクルから、第２気筒＃２および第３気筒＃３の目標空燃比を希薄空燃比に設定する。

このように、本実施形態では、互いに対向関係にある気筒＃１および＃４、＃２および＃３を同じグループとし、一行程相当の期間、換言すれば、クランク角で１８０°の期間にスロットル弁１５ａおよび１５ｄ、１５ｂおよび１５ｃの駆動を終えることとする。しかし、気筒の組合せを変更し、例えば、位相がクランク角で１８０°だけずれた気筒同士（例えば、第１気筒＃１および第３気筒＃３、第２気筒＃２および第４気筒＃４）を同じグループに分類し、互いに連携動作可能とすることで、スロットル弁を駆動するためのより長い期間を確保することが可能となる。図５の二転鎖線は、位相が１８０°だけずれた気筒同士を同じグループとすることで、スロットル弁１５ａおよび１５ｃ、１５ｂおよび１５ｄを駆動するための期間として、クランク角で３６０°の期間を確保し得ることを示している。

図６の説明に移り、クランク角Ｃｒ４よりも前では、エンジン１の運転状態は、λ２領域にあり、全ての気筒＃１〜＃４で希薄空燃比による燃焼が行われている。この状態でアクセルペダルが踏み込まれるなどして、エンジン１の運転状態がマップ上でλ１領域に移行し、加速運転状態となると、第１グループについて、第１気筒＃１および第４気筒＃４の双方が吸気行程以外の行程にある期間（クランク角でＣｒ４〜Ｃｒ５）にスロットル弁１５ａ、１５ｄを閉駆動し、クランク角Ｃｒ５に吸気行程を迎えるサイクルから、第１気筒＃１および第４気筒＃４の目標空燃比を理論空燃比に設定する。

一方で、第２グループについて、第２気筒＃２および第３気筒＃３の双方が吸気行程以外の行程にある期間（クランク角でＣｒ５〜Ｃｒ６）にスロットル弁１５ｂ、１５ｃを閉駆動し、クランク角Ｃｒ６に吸気行程を迎えるサイクルから、第２気筒＃２および第３気筒＃３の目標空燃比を理論空燃比に設定する。

そして、グループに属する気筒の組合せを変更し、同じグループの気筒を互いに連携動作可能とすることで、スロットル弁を駆動するためのより長い期間を確保し得ることは、先に述べたところと同様である。例えば、位相が１８０°だけずれた気筒同士（例えば、第１気筒＃１および第３気筒＃３、第２気筒＃２および第４気筒＃４）を同じグループとすることで、スロットル弁を駆動するための期間として、クランク角で３６０°の期間を確保することが可能となる。

図７は、図５等におけると同様に、燃焼形態切換制御を４気筒エンジンに適用した具体例に即して示している。

先に示した例では、目標空燃比を、全ての気筒＃１〜＃４について同じサイクルのなかで切り換えた。ここで、「同じサイクル」とは、点火時期を迎える順に、第１気筒＃１から第４気筒＃４までの全ての気筒が吸気、圧縮、膨張および排気の各行程を終える一連のサイクルをいうものとする。本実施形態では、第１、第３、第４および第２気筒の順で点火時期を迎える設定であるので、第１気筒＃１が吸気行程を迎えてから第２気筒＃２が排気行程を終えるまでのサイクルが「同じサイクル」である。図５の例では、クランク角Ｃｒ２に始まるサイクルの一つ前のサイクルのなかで、全ての気筒＃１〜＃４について目標空燃比の切換えを完了している。

これに対し、図７の例では、エンジン１の運転状態がλ２領域からλ１領域に移行する場合に、同じサイクルのなかで、理論空燃比よりもリッチ側の空燃比による燃焼を行う気筒（＃１、＃４）と、希薄空燃比による燃焼を維持する気筒（＃２、＃３）とを混在させる移行期間を設定する。ここで、上記「リッチ側の空燃比」は、「第１空燃比」に相当する。

本実施形態では、クランク角Ｃｒ２から始まる二回りのサイクルを移行期間とする。そして、この移行期間において、第１グループの第１および第４気筒＃１、＃４の目標空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に設定するとともに、第２グループの第２および第３気筒＃２、＃３の目標空燃比を希薄空燃比に設定する。空燃比のリッチ化は、例えば、シリンダ吸入量を移行後の領域における目標空燃比（理論空燃比）に応じた量に設定する一方、燃料噴射量を僅かに増量することによる。燃料噴射量の増量によるトルクの変化は、点火時期を遅らせることにより補償する。このような移行期間を設けることで、排気に未燃燃料成分と酸素とを含ませることが可能となり、理論空燃比による燃焼を行う準備として、排気中の未燃燃料成分と酸素とを排気浄化触媒上で反応させ、触媒の温度を上げておくことができる。触媒の暖機が必要か否かは、λ２領域での運転がどの程度継続したかで判断することが可能であり、さらに、エンジン回転数および吸入空気量等から触媒の温度を推定したり、触媒コンバータ２２に温度センサを設置し、触媒の温度を直接測定したりして判断してもよい。

図７において、クランク角Ｃｒ１よりも前では、エンジン１の運転状態は、λ２領域にあり、全ての気筒＃１〜＃４で希薄空燃比（空気過剰率換算でほぼ２）による燃焼が行われている。この状態でアクセルペダルが踏み込まれるなどして、エンジン１の運転状態がマップ上でλ１領域に移行し、加速運転状態となると、第１グループについて、第１気筒＃１および第４気筒＃４の双方が吸気行程以外の行程にある期間にスロットル弁１５ａ、１５ｄを閉駆動し、その直後に迎える吸気行程からシリンダ吸入量を減少させる。例えば、第４気筒＃４の吸気行程が終わるクランク角Ｃｒ１から次に第１気筒＃１の吸気行程が始まるクランク角Ｃｒ２までの間にスロットル弁１５ａ、１５ｄを閉駆動し、クランク角Ｃｒ２に吸気行程を迎えるサイクルから、第１気筒＃１および第４気筒＃４の目標空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に設定する。一方で、第２グループの気筒＃２、＃３については希薄空燃比による燃焼を維持する。これにより、第１および第４気筒＃１、＃４からの排気には未燃燃料成分が含まれ、第２および第３気筒＃２、＃３からの排気には酸素が含まれることとなり、これらの成分が排気浄化触媒に供給される。

排気浄化触媒の温度が上がり、触媒の暖機が完了すると、第２グループについても第１グループと同様に、第２気筒＃２および第３気筒＃３の双方が吸気行程以外の行程にある期間にスロットル弁１５ｂ、１５ｃを閉駆動し、その直後に迎える吸気行程からシリンダ吸入量を減少させる。例えば、第２気筒＃２の吸気行程が終わるクランク角Ｃｒ３から次に第３気筒＃３の吸気行程が始まるクランク角Ｃｒ４までの間にスロットル弁１５ｂ、１５ｃを閉駆動し、クランク角Ｃｒ４に吸気行程を迎えるサイクルから、第２気筒＃２および第３気筒＃３の目標空燃比を理論空燃比に設定する。

そして、第２および第３気筒＃２、＃３について目標空燃比の切換えを終えた後、第１グループの気筒＃１、＃４が最初に吸気行程（クランク角Ｃｒ５に始まる吸気行程）を迎えるサイクルから、第１および第４気筒＃１、＃４の目標空燃比を理論空燃比に設定する。これにより、全ての気筒＃１〜＃４の目標空燃比を理論空燃比として、移行期間を終え、目標空燃比の切換えを完了する。

以上が燃焼形態切換制御の内容であり、以下、本実施形態により得られる効果をまとめる。

（作用効果の説明）
第１に、本実施形態では、気筒＃１〜＃４ごとにスロットル弁１５ａ〜１５ｄを設置し、気筒ごとに吸入空気量（シリンダ吸入量）を制御可能とした。これにより、λ１領域からλ２領域へのまたはλ２領域からλ１領域への移行に際し、シリンダ吸入量を、移行後の領域における目標空燃比に応じた量に速やかに変更することが可能である。よって、吸入空気量が移行後の目標吸入量に達するまでの間、運転空燃比を切換前の空燃比に維持したり、エンジンのトルクに生じる変動の抑制を目的として点火時期を遅らせたりすることが不要となる。従って、運転領域の移行およびこれに伴う空燃比の切換えを簡易に実行することができる。

ここで、運転領域の移行に際し、全ての気筒＃１〜＃４の目標空燃比を同じサイクルのなかで切り換えるのではなく、移行期間を設け、第１グループの気筒＃１、＃４と第２グループの気筒＃２、＃３との間で目標空燃比を異ならせることで、トルク変動を可及的に抑制しつつ、移行を達成することが可能となる。具体的には、λ２領域からλ１領域への移行に際し、第１グループの気筒＃１、＃４の目標空燃比を変更する一方、第２グループの気筒＃２、＃３の目標空燃比を切換前の希薄空燃比に維持することで、トルク変動を抑制することができる。

さらに、移行期間において、目標空燃比を変更する第１グループの気筒（第１気筒＃１、第４気筒＃４）について、シリンダ吸入量を個別に制御するのではなく、第１グループの全ての気筒＃１、＃４について、同じ空気量制御を実行することで、移行時に行う制御がより簡単となる。ここで、「同じ空気量制御」とは、一サイクル当たりのシリンダ吸入量が各気筒で同じになる制御をいう。よって、吸気側に可変動弁装置を備えるエンジンでは、吸気弁の作動特性を変更することにより「同じ空気量制御」を具現することが可能である。可変動弁装置は、機械的に駆動するタイプのものであっても、電磁的に駆動するタイプのものであってもよい。前者の機械式可変動弁装置として、吸気弁の作動角およびリフト量を連続的に変更可能に構成されたＶＶＥＬシステムを挙げることができ、後者の電磁式可変動弁装置として、ソレノイドを駆動源とする電磁駆動動弁装置を挙げることができる。

第２に、λ２領域からλ１領域へ移行する際の移行期間において、第２グループの気筒＃２、＃３の目標空燃比を希薄空燃比に維持する一方、第１グループの気筒＃１、＃４の目標空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に設定した。これにより、排気に未燃燃料成分および空気を含ませることが可能となり、これらの成分を排気浄化触媒上で反応させて、触媒の温度を上げることができる。よって、λ１領域への移行に際し、λ２領域での運転が継続したことにより触媒の温度が低下していたとしても、予め触媒の暖機を完了させ、排気性能の悪化を抑制することができる。

目標空燃比のリッチ化は、λ２領域からλ１領域への移行時に限らず、λ１領域からλ２領域への移行時に行ってもよい。これにより、例えば、移行期間において、ターボチャージャの駆動に要する排気ボリュームを確保し、エンジン１のトルクに不足が生じるのを回避することが可能となる。ここで、λ２領域からλ１領域への移行時と、λ１領域からλ２領域への移行時とで、リッチ化の程度を異ならせてもよい。これにより、目的に応じた最適な目標空燃比を設定することが可能となる。例えば、λ１領域への移行に際して設定する目標空燃比（図３に示すλａ）を、λ２領域への移行に際して設定する目標空燃比（λｂ）よりもリッチ側に設定する。これらの目標空燃比λａ、λｂは、いずれも「第１空燃比」に相当する。

本実施形態において、目標空燃比のリッチ化は、タービン部１３２よりも上流側の排気通路２１内での発熱量を増やし（換言すれば、排気ボリュームを増やし）、過給圧を増大させる目的もあるが、排気浄化触媒上でのＮＯｘの還元にむしろ重きを置いている。過給エンジンであっても自然吸気エンジンであっても、領域移行時では、目標空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に設定する。λ１領域からλ２領域への移行時では、触媒の酸素ストレージ量が適正であり、還元に対する余力を残しているため、リッチ化の程度は小さくてよい（λｂ）。これに対し、λ２領域からλ１領域への移行時では、空気が過剰な状態での運転が続いたことから、酸素ストレージ量が過剰で、還元に対する余力がなく、還元剤となる燃料をより多く供給する必要があるためである。このようにして、λ１領域への移行に際して設定される目標空燃比（λａ）をよりリッチ側に設定することで、触媒に燃料を供給するとともに、触媒の還元力が確保されるまでの間、エンジン１からのＮＯｘの排出自体を抑制するのである。

第３に、各グループのスロットル弁１５ａ〜１５ｄを、当該グループの全ての気筒＃１〜＃４が吸気行程以外の行程にある期間に駆動することとした。これにより、空燃比の切換えをスロットル弁により簡易に実現するとともに、駆動直後に吸気行程を迎えるサイクルから移行後の領域における目標空燃比に切り換えることが可能となる。

第４に、各グループのスロットル弁１５ａ〜１５ｄを互いに連携動作可能に構成したことで、スロットル弁の駆動に要するアクチュエータの数を削減することができる。本実施形態では、各グループのスロットル弁１５ａおよび１５ｄ、１５ｂおよび１５ｃを互いに連携動作可能とし、グループごとに１つのスロットルアクチュエータ（第１アクチュエータ１６ａ、第２アクチュエータ１６ｂ）により駆動可能としたことで、スロットルアクチュエータの数を減らし、搭載スペースを削減することができる。

ここで、各グループの気筒を互いに対向関係にある気筒とすることで、目標空燃比の切換えに要する期間を短縮することができる。例えば、４気筒エンジンにおいて、位相が３６０°だけずれた気筒（第１気筒＃１および第４気筒＃４、第２気筒＃２および第３気筒＃３）で同じグループを構成することで、クランク角で１８０°という短い期間のうちに切換えを達成することができる。

第５に、λ２領域における目標空燃比を空気過剰率換算でほぼ２とすることで、燃料消費量を削減するとともに、ＮＯｘおよびＣＯの排出量を抑えることができる。ここで、ＨＣについては一定の排出量が維持されるが（図３）、このＨＣは、排気中の酸素を用いて後処理により浄化することが可能である。よって、燃費性能と排気性能とを両立することができる。

（他の実施形態の説明）
以上の説明では、気筒ごとにスロットル弁を設置し、これらのスロットル弁をグループごとに連携動作可能とすることにより、各グループの気筒について、同じ空気量制御を実行する例について述べた。しかし、同じ空気量制御は、これに限らず、吸気通路のマニホールド部をグループごとに統合し、グループごとに共通のスロットル弁を設置することでも実行することができる。

図８は、本発明の他の実施形態に係るエンジン１’の全体的な構成を示している。

先に述べたエンジン１との相違点について説明すると、本実施形態では、マニホールド部１１１が集合部から２つに分岐され、分岐部ｂ１、ｂ２ごとに１つずつスロットル弁１５ａ、１５ｂが介装されている。そして、スロットル弁１５ａ、１５ｂの下流側で第１分岐部ｂ１がさらに２つに分岐されるとともに（ｂ１１、ｂ１２）、第２分岐部ｂ２も２つに分岐され（ｂ２１、ｂ２２）、各グループの気筒＃１〜＃４に接続されている。このような構成とすることで、スロットルアクチュエータ１６ａ、１６ｂだけでなく、スロットル弁１５ａ、１５ｂの数も減らすことができる。

スロットル弁１５ａ、１５ｂおよびアクチュエータ１６ａ、１６ｂは、「吸気制御装置」を構成する。

さらに、本発明に適用可能なエンジンは、４気筒エンジンに限定されるものではない。本発明は、例えば、２気筒エンジン、３気筒エンジン、５気筒エンジン、６気筒エンジン等、他の気筒数のエンジンに適用することも可能である。並列およびＶ型等、気筒の配列形式を適宜選択し得ることはいうまでもない。

図９は、３気筒エンジンに適用した場合の燃焼形態切換制御の具体例を示している。

第１気筒＃１および第３気筒＃３を第１グループの気筒とし、残りの第２気筒＃２を第２グループの気筒とする。この意味で、「グループ」とは、１つの気筒のみからなる場合も想定した概念である。気筒ごとにスロットル弁を設置し、第１グループのスロットル弁を互いに連携動作可能として、３つのスロットル弁を２つのアクチュエータにより駆動してもよいし、吸気通路のマニホールド部をグループごとに統合し、２つのスロットル弁をこれと同数のアクチュエータにより駆動してもよい。

図９に示すように、第１グループについて、第１および第３気筒＃１、＃３の双方が吸気行程以外の行程にある期間Ａにスロットル弁を駆動し、次に吸気行程を迎えるサイクルから、移行後の領域における目標空燃比に切り換える。一方で、第２グループについて、第２気筒＃２が吸気行程以外の行程にある期間にスロットル弁を駆動し、次に吸気行程を迎えるサイクルから、移行後の領域における目標空燃比に切り換える。ここで、同じサイクルのなかで目標空燃比の切換えを完了し、移行の完了を優先する場合は、第２グループのスロットル弁を駆動する期間を、第１グループのスロットル弁を駆動する期間Ａに最も近い期間Ｂ１に設定する。移行に際し、触媒暖機等を目的として異なる目標空燃比による燃焼を行う気筒を混在させる場合は、上記期間Ｂ１よりも後の期間Ｂ２に設定する。

このように、３気筒エンジンにおいても上記同様の効果を得ることが可能である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内において、様々な変更および修正を成し得ることはいうまでもない。

１、１’…エンジン
１１…吸気通路
１１１…マニホールド部（吸気マニホールド）
１２…エアクリーナ
１３…ターボチャージャ
１３１…コンプレッサ部
１３２…タービン部
１３ａ…ブローオフ弁
１３ｂ…ウエストゲート弁
１４…インタークーラ
１５ａ〜１５ｄ…スロットル弁
１６ａ、１６ｂ…スロットルアクチュエータ
２１…排気通路
２１１…マニホールド部（排気マニホールド）
ｂ１、ｂ２…分岐管
ｂ１１、ｂ１２、ｂ２１、ｂ２２…分岐管
２２…触媒コンバータ
２３…ＥＧＲ管
２４…ＥＧＲ弁
Ｅ…エンジン本体
＃１〜＃４…気筒
１０１…電子制御ユニット（エンジンコントローラ）
２０１…アクセルセンサ
２０２…回転速度センサ
２０３…冷却水温度センサ
２０４…エアフローメータ
２０５…吸気温度センサ
２０６…空燃比センサ

Claims (9)

1. 複数の気筒を有するエンジンの制御方法であって、
   少なくとも気筒グループごとに吸入空気量を制御可能に構成し、
   前記エンジンの運転領域として、第１領域と、前記エンジンを前記第１領域とは異なる空燃比により運転する第２領域とを設定し、
   前記エンジンの運転状態が前記第１領域から前記第２領域へまたは前記第２領域から前記第１領域へ移行する領域移行時において、同じサイクルのなかで、第１グループの気筒を第１空燃比に、前記第１グループとは異なる気筒からなる第２グループの気筒を前記第１空燃比とは異なる第２空燃比に夫々設定し、同じグループの気筒について、同じ空気量制御を実行するとともに、
   前記空気量制御を当該グループの全ての気筒が吸気行程以外の行程にある期間に実行する、エンジンの制御方法。
2. 前記第２空燃比を、理論空燃比よりも高い空燃比に設定し、
   前記第２領域において、前記エンジンを前記第２空燃比により運転する、請求項１に記載のエンジンの制御方法。
3. 前記第２空燃比を、空気過剰率換算でほぼ２とする、請求項２に記載のエンジンの制御方法。
4. 排気通路に排気浄化用の触媒を配設し、
   前記第１領域において、前記エンジンを理論空燃比により運転し、
   前記第２領域から前記第１領域への領域移行時において、前記第１空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に設定する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のエンジンの制御方法。
5. 各グループの前記空気量制御を、グループごとに設置したスロットル弁により行う、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のエンジンの制御方法。
6. 気筒ごとにスロットル弁を設置し、
   各グループのスロットル弁を、互いに連携動作可能に構成する、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のエンジンの制御方法。
7. 各グループの気筒を、互いに対向関係にある気筒とする、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のエンジンの制御方法。
8. 複数の気筒を有するエンジンであって、
   エンジンの運転状態を検出する状態検出装置と、
   少なくとも気筒グループごとに吸入空気量を制御可能に構成された吸気制御装置と、
   エンジンの燃焼状態を制御するエンジン制御装置と、を備え、
   前記エンジン制御装置は、
   前記エンジンの運転領域として、第１領域と、前記エンジンを前記第１領域とは異なる空燃比により運転する第２領域とを記憶した記憶ユニットを備え、
   前記エンジンの運転状態が前記第１領域から前記第２領域へまたは前記第２領域から前記第１領域へ移行する領域移行時において、同じサイクルのなかで、第１グループの気筒を第１空燃比に、前記第１グループとは異なる気筒からなる第２グループの気筒を前記第１空燃比とは異なる第２空燃比に夫々設定し、同じグループの気筒について、前記吸気制御装置により同じ空気量制御を実行するとともに、
   前記空気量制御を当該グループの全ての気筒が吸気行程以外の行程にある期間に実行する、エンジン。
9. 各グループの前記空気量制御を、グループごとに設置したスロットル弁により行う、請求項８に記載のエンジン。

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