JPWO2019123624A1 - 内燃機関およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

内燃機関（１）は、ターボチャージャ（２）を備え、かつ、理論空燃比を目標空燃比としたストイキ燃焼モードとリーン空燃比を目標空燃比としたリーン燃焼モードとに切換可能である。スロットル弁（１２）下流のコレクタ（１１ａ）と吸気通路（１１）のコンプレッサ（２ｂ）の上流側とを連通するエアバイパス通路（１９）に、エアバイパス弁（２０）が設けられている。リーン燃焼モードからストイキ燃焼モードへの移行時には、スロットル弁（１２）を閉じるとともに、エアバイパス弁（２０）を一時的に開いて、コレクタ（１１ａ）内の圧力を速やかに低下させる。

Description

この発明は、理論空燃比を目標空燃比としたストイキ燃焼モードとリーン空燃比を目標空燃比としたリーン燃焼モードとに切換可能な内燃機関およびその制御方法に関し、特に、リーン燃焼モードでの吸気量確保のためにターボチャージャを備えた内燃機関およびその制御方法に関する。

燃費低減のために、理論空燃比を目標空燃比としたストイキ燃焼モードとリーン空燃比を目標空燃比としたリーン燃焼モードとに切換可能な内燃機関が知られている。特許文献１には、ターボチャージャを用いた過給を行いつつ目標空燃比をリーン空燃比とした過給リーン燃焼モードと、過給を行わずに目標空燃比を理論空燃比とした無過給ストイキ燃焼モードと、を備えた内燃機関が開示されている。このような内燃機関においては、過給リーン燃焼モードから無過給ストイキ燃焼モードへ切り換えたときに、シリンダ内に吸入される吸気量を低下させる必要がある。そのため、特許文献１には、ターボチャージャのコンプレッサの下流側と該コンプレッサの上流側とを連通可能なエアバイパス弁を、過給リーン燃焼モードから無過給ストイキ燃焼モードへの切換時に開放し、余分な圧縮空気をコンプレッサ上流側へ戻すことが記載されている。

しかしながら、特許文献１においては、ターボチャージャのコンプレッサの下流側にスロットル弁が位置しており、これらのコンプレッサとスロットル弁との間からエアバイパス弁を介して圧縮空気を逃がす構成となっている。そのため、過給リーン燃焼モードから無過給ストイキ燃焼モードへ移行したときに吸気量を低減すべくスロットル弁が閉じると、スロットル弁よりも下流側の領域は実質的に密閉空間となり、その圧力をエアバイパス弁を介して逃がすことはできない。従って、リーン燃焼モードからストイキ燃焼モードへの移行時における吸気量低下の応答性が低く、例えば一時的なトルク変動が生じる。

この発明は、リーン燃焼モードからストイキ燃焼モードへの移行時に吸気弁上流のコレクタ内の圧力を速やかに低減させ、シリンダに過剰に吸気が取り込まれないようにすることを目的としている。

特開２００８−１２１５１１号公報

この発明は、ターボチャージャを備えるとともに、このターボチャージャのコンプレッサの下流側にスロットル弁を備え、かつ、理論空燃比を目標空燃比としたストイキ燃焼モードとリーン空燃比を目標空燃比としたリーン燃焼モードとに切換可能な内燃機関において、上記リーン燃焼モードから上記ストイキ燃焼モードに移行するときに、上記スロットル弁の開度を低下させるとともに、上記スロットル弁よりも下流側の位置に連通したエアバイパス弁を一時的に開いてコレクタ内の吸気を上記コンプレッサの上流側にバイパスさせる。

このようにスロットル弁の下流側からエアバイパス弁を介して過給吸気を逃がすことでコレクタ内の圧力が速やかに低減する。従って、リーン燃焼モードからストイキ燃焼モードへの移行時における吸気量低下の応答性が高くなり、トルク変動等が抑制される。

この発明の一実施例となる内燃機関のシステム構成を示す構成説明図。 ストイキ燃焼運転領域とリーン燃焼運転領域とを設定した制御マップの説明図。 リーン燃焼モードからストイキ燃焼モードへの移行時の動作を示すタイムチャート。

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、この発明の一実施例となる内燃機関１のシステム構成を示している。この実施例は、過給手段としてターボチャージャ２を備えている。内燃機関１は、例えば４ストロークサイクルの火花点火式ガソリン機関であって、特に、理論空燃比（すなわち、空気過剰率λ＝１）を目標空燃比としたストイキ燃焼モードとリーン空燃比（例えば、λ＝２近傍）を目標空燃比としたリーン燃焼モードとに切換可能な構成となっている。リーン燃焼モードでは、ストイキ燃焼モードに比較してより多量の空気が必要であり、ターボチャージャ２による過給を前提として目標空燃比が設定されている。

内燃機関１の排気通路３には、ターボチャージャ２の排気タービン２ａが配置され、該排気タービン２ａの下流側に、例えば三元触媒を用いた触媒コンバータ４が配置されている。排気通路３のさらに下流側には、図示せぬ排気消音器が設けられており、該排気消音器を介して排気通路３は外部へ開放されている。上記ターボチャージャ２は、過給圧制御のために排気タービン２ａの出口側と入口側とを連通するバイパス通路５および該バイパス通路５を開閉するウェストゲートバルブ６を備えている。このウェストゲートバルブ６は、電動モータ等からなる図示せぬ電動アクチュエータを具備しており、エンジンコントローラ７からの制御信号に基づき、電動アクチュエータによって開度が制御される構成となっている。

内燃機関１の吸気通路１１には、上記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ｂが配置されており、このコンプレッサ２ｂよりも下流側に、吸入空気量を制御する電子制御型のスロットル弁１２が配置されている。上記スロットル弁１２は、比較的大きな容積を有するコレクタ１１ａの入口側に位置する。コレクタ１１ａよりも下流側では、吸気通路１１は、ブランチ部１１ｂとして各気筒毎に分岐している。上記スロットル弁１２は、電気的なアクチュエータを具備し、後述するアクセルペダル開度などに基づいてエンジンコントローラ７によって開度が制御される構成となっている。

上記コンプレッサ２ｂと上記スロットル弁１２との間には、過給吸気を冷却するインタークーラ１３が設けられている。このインタークーラ１３は、例えば冷却水が循環する水冷式の構成である。

また上記コンプレッサ２ｂの出口側を入口側に連通するようにリサーキュレーションバルブ１４を備えたリサーキュレーション通路１５が設けられている。リサーキュレーションバルブ１４は、エンジンコントローラ７からの制御信号に基づいて開閉されるもので、基本的に、内燃機関１の減速時つまりスロットル弁１２が急に閉じたときに開状態に制御される。これにより、加圧された吸気がリサーキュレーション通路１５を介してコンプレッサ２ｂに循環する。

上記吸気通路１１の上流部には、エアクリーナ１６が配置されており、このエアクリーナ１６の下流側に、吸入空気量の検出を行うエアフロメータ１７が配置されている。

また、吸気通路１１のスロットル弁１２よりも下流側の位置からコンプレッサ２ｂの上流側に至るエアバイパス通路１９が設けられているとともに、このエアバイパス通路１９を開閉するエアバイパス弁２０が設けられている。図示例では、エアバイパス通路１９は、一端がコレクタ１１ａに接続されており、他端がエアフロメータ１７よりも下流でかつコンプレッサ２ｂよりも上流となる位置に接続されている。またエアバイパス弁２０は、コレクタ１１ａの実質的な容積が不必要に大きくならないように、エアバイパス通路１９の中でコレクタ１１ａに比較的近い位置に配置されている。エアバイパス弁２０は、やはりエンジンコントローラ７からの制御信号によって開閉される。

内燃機関１は、エンジンコントローラ７によって統合的に制御される。エンジンコントローラ７には、上記のエアフロメータ１７のほか、機関回転速度を検出するためのクランク角センサ２１、運転者によるトルク要求を検出するセンサとして運転者により操作されるアクセルペダルの踏込量（アクセルペダル開度）を検出するアクセル開度センサ２２、コレクタ１１ａにおける過給圧（吸気圧）を検出する過給圧センサ２３、排気空燃比を検出する空燃比センサ２４、冷却水温を検出する水温センサ２５、等の種々のセンサ類の検出信号が入力されている。エンジンコントローラ７は、これらの検出信号に基づき、内燃機関１の燃料噴射量や噴射時期ならびに点火時期、スロットル弁１２の開度、ウェストゲートバルブ６の開度、リサーキュレーションバルブ１４の開度、エアバイパス弁２０の開度、等を最適に制御している。

さらに、この実施例では、吸気弁のバルブタイミング（開時期および閉時期）を変更する可変バルブタイミング機構２６を備えており、エンジンコントローラ７は、この可変バルブタイミング機構２６を介して吸気弁の開閉時期の進角量を最適に制御している。

図２は、内燃機関１のトルク（換言すれば負荷）と回転速度とをパラメータとして、ストイキ燃焼モードとすべきストイキ燃焼運転領域Ｓとリーン燃焼モードとすべきリーン燃焼運転領域Ｌとを設定した制御マップを示している。この制御マップは、後述する目標空燃比マップとともにエンジンコントローラ７の記憶装置に予め格納されている。リーン燃焼運転領域Ｌは、比較的トルクが小さな低・中速域に設定されている。リーン燃焼運転領域Ｌを除く他の領域は、基本的にストイキ燃焼運転領域Ｓである。なお、詳しくは図示していないが、ストイキ燃焼運転領域Ｓの中で、全開に近い領域は、目標空燃比が理論空燃比よりも僅かにリッチとなっている。ここで、リーン燃焼運転領域Ｌは、基本的に過給域となっている。つまり、目標空燃比であるリーン空燃比の実現に必要な空気の供給がターボチャージャ２を用いた過給によってなされる。

内燃機関１の運転条件（トルクおよび回転速度）がストイキ燃焼運転領域Ｓ内にあれば、目標空燃比マップとしてストイキ空燃比マップを用い、かつ燃料噴射時期や点火時期等をストイキ燃焼に適したものに設定したストイキ燃焼モードでの運転を行う。目標空燃比マップは、トルクおよび回転速度から定まる各運転点に対して目標空燃比を割り付けたマップであり、ストイキ燃焼モードで用いるストイキ空燃比マップでは、各運転点に対して理論空燃比ないしその近傍（三元触媒作用が得られる空燃比範囲）の目標空燃比が割り付けられている。なお、ストイキ空燃比マップにおける各運転点の目標空燃比は、例えば全てが「１４．７」であってもよく、他の条件を考慮して一部の運転点で「１４．６」や「１４．８」のように異なる値が割り付けられていてもよい。

一方、内燃機関１の運転条件がリーン燃焼運転領域Ｌ内にあれば、目標空燃比マップとしてリーン空燃比マップを用い、かつ燃料噴射時期や点火時期等をリーン燃焼に適したものに設定したリーン燃焼モードでの運転を行う。リーン空燃比マップは、リーン燃焼運転領域Ｌの各運転点に対しリーン空燃比である目標空燃比をそれぞれ割り付けたものである。ここで、リーン燃焼モードにおいて目標空燃比となる「リーン空燃比」は、ＮＯｘ排出量がある程度低くなるリーン側の空燃比であり、一実施例では、例えば、「λ＝２」付近の２５〜３３の範囲の空燃比となる。なお、このリーン空燃比の値は例示に過ぎず、本発明においては、リーン燃焼モードでのリーン空燃比としては、ストイキ空燃比マップにおける理論空燃比近傍の空燃比範囲とは不連続（換言すれば互いに離れた数値範囲）となるリーン側の空燃比範囲であればよい。リーン空燃比マップにおいては、各運転点における目標空燃比の値は、通常は一定値ではなく、トルクおよび回転速度に応じて僅かに異なる値に設定される。

例えばリーン燃焼モードにおいて目標空燃比となるリーン空燃比が「λ＝２」相当であるとすると、理論空燃比の場合に比べて２倍の空気が必要である。上記の内燃機関１では、リーン燃焼モードにおいてターボチャージャ２による過給によって必要な吸気（新気）の量を確保している。そのため、リーン燃焼モードからストイキ燃焼モードへ移行するときには、必要な吸気量が半減するのに対し、スロットル弁１２の開度が減少してもターボチャージャ２の回転がすぐには低下しないことから、吸気量低下の応答遅れが生じる。従って、上記実施例では、運転条件がリーン燃焼運転領域Ｌ内からストイキ燃焼運転領域Ｓ内に移行してリーン燃焼モードからストイキ燃焼モードへの切換が行われるときに、エアバイパス弁２０を一時的に開いて、コレクタ１１ａ内の過給状態にある吸気をコンプレッサ２ｂの上流側にバイパスさせる。

図３は、上記実施例の燃焼モード切換時の動作を示すタイムチャートであり、（ａ）排気空燃比、（ｂ）過給圧、（ｃ）スロットル弁１２の開度、（ｄ）エアバイパス弁２０の開度、（ｅ）リサーキュレーションバルブ１４の開度、（ｆ）ウェストゲートバルブ６の開度、（ｇ）点火時期、（ｈ）トルク、（ｉ）可変バルブタイミング機構２６の制御位置、を対比して示してある。この例では、時間ｔ１までは運転条件がリーン燃焼運転領域Ｌ内にあってリーン燃焼モードで運転されており、時間ｔ１においてリーン燃焼運転領域Ｌからストイキ燃焼運転領域Ｓへ移行し、これに伴ってストイキ燃焼モードへの切換が行われる。

時間ｔ１までは目標空燃比は例えば「λ＝２」相当のリーン空燃比であり、時間ｔ１においてストイキ燃焼運転領域Ｓに移行するとストイキ燃焼モードに切り換えられて目標空燃比が理論空燃比となる。この目標空燃比の変化に伴い必要な吸気量が低下することから、スロットル弁１２の開度は低下する。しかし、コレクタ１１ａ内の過給圧は、ターボチャージャ２の回転がすぐには低下しないことから、何ら対策を講じない場合には、（ｂ）欄に破線で示すように緩慢に低下することとなる。これに対し、上記実施例では、（ｄ）欄に示すように、エアバイパス弁２０が一時的に開き、コレクタ１１ａ内の過給圧をコンプレッサ２ｂの上流側に開放する。これにより、スロットル弁１２よりも下流側に位置するコレクタ１１ａ内の圧力ひいては吸気弁直前の圧力が（ｂ）欄の実線で示すように速やかに低下する。

また、（ｅ）欄に示すように、リサーキュレーションバルブ１４の開度が一時的に開き、コンプレッサ２ｂの出口側と入口側とが連通することで、スロットル弁１２上流側での吸気圧力が低下する。さらに、（ｆ）欄に示すように、ウェストゲートバルブ６の開度が増大（例えば全開）し、これによってターボチャージャ２の回転数が低下する。なお、ターボチャージャ２が可変ノズル形式のものである場合には、可変ノズルの制御によりターボチャージャ２の回転を抑制するようにしてもよい。

エアバイパス弁２０およびリサーキュレーションバルブ１４は、それぞれ所定時間後（あるいは所定サイクル経過後）に閉状態に復帰する。ウェストゲートバルブ６は、所定時間後（あるいは所定サイクル経過後）は運転条件（換言すれば要求過給圧）に応じた開度に復帰するが、この例では、時間ｔ１において移行後の運転点が非過給域であり、ウェストゲートバルブ６は開状態のままとなっている。

このようなエアバイパス弁２０の制御等によって、燃焼モード切換時の吸気量低下の応答性が高くなり、（ａ）欄に示すように、排気空燃比を「λ＝２」相当の排気空燃比から理論空燃比相当にステップ的に変化させることができる。これにより、中間的な排気空燃比に起因した過渡的なＮＯｘの増加が抑制される。

なお、内燃機関１がリサーキュレーションバルブ１４を具備しない場合には、当然のことながら、燃焼モード切換時のリサーキュレーションバルブ１４の開動作は行われない。

また、図示例では、吸気量低下の応答遅れによる過渡的なトルク上昇（要求トルクに比較しての実トルクの上昇）を抑制するために、燃焼モード切換時に、（ｇ）欄に示すように、一時的な点火時期の遅角制御が実行される。このような点火時期遅角によってトルクが低下するため、過渡的なトルク上昇が抑制される。時間ｔ１において遅角した点火時期は、所定時間後（あるいは所定サイクル経過後）は運転条件に応じた点火時期に復帰する。さらに、可変バルブタイミング機構２６によって、吸気弁開閉時期が一時的に遅角される。つまり、吸気弁閉時期が下死点よりも比較的大きく遅れたいわゆる遅閉じ状態となり、これによって、体積効率が低下する。従って、仮にコレクタ１１ａ内の過給圧が同一であってもシリンダ内に実際に吸入される吸気量が少なくなる。可変バルブタイミング機構２６は、所定時間後（あるいは所定サイクル経過後）は運転条件に応じた進角位置に復帰する。従って、モード切換時の過給圧低下の遅れによるトルク上昇の抑制が図れる。ここで、図示例は、要求トルクの低下（換言すればアクセルペダル開度の減少）に伴ってリーン燃焼モードからストイキ燃焼モードへ移行した例を示しており、従って、（ｈ）欄に示すトルクは、時間ｔ１以後、要求トルクに対応して低くなっている。

なお、上記の点火時期の遅角制御および可変バルブタイミング機構２６の制御は、省略することも可能である。

また、可変動弁機構として吸気弁のリフト量を変更可能な可変バルブリフト機構を備えていてもよく、この場合には、リーン燃焼モードからストイキ燃焼モードへの移行時に、やはり体積効率が低下するようにリフト量を減少させればよい。吸気弁の開閉時期およびリフト量の双方が変化する可変動弁機構であってもよい。

Claims (5)

1. ターボチャージャを備えるとともに、このターボチャージャのコンプレッサの吸気通路における下流側にスロットル弁を備え、かつ、理論空燃比を目標空燃比としたストイキ燃焼モードとリーン空燃比を目標空燃比としたリーン燃焼モードとに切換可能な内燃機関の制御方法であって、
   上記リーン燃焼モードから上記ストイキ燃焼モードに移行するときに、上記スロットル弁の開度を低下させるとともに、上記スロットル弁よりも吸気通路における下流側の位置に連通したエアバイパス弁を一時的に開いてコレクタ内の吸気を上記コンプレッサの上流側にバイパスさせる、内燃機関の制御方法。
2. さらに、吸気通路における上記コンプレッサの下流側と上流側とを接続したリサーキュレーション通路に設けられたリサーキュレーションバルブを一時的に開いて、上記コンプレッサと上記スロットル弁との間の吸気を上記コンプレッサの上流側に戻す、請求項１に記載の内燃機関の制御方法。
3. さらに、吸気弁の開閉時期もしくはリフト量の少なくとも一方を変更可能な可変動弁機構を、体積効率が低下する制御位置に一時的に制御する、請求項１または２に記載の内燃機関の制御方法。
4. 上記リーン燃焼モードから上記ストイキ燃焼モードへの移行時に点火時期リタードを行う、請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の制御方法。
5. ターボチャージャを備えるとともに、このターボチャージャのコンプレッサの吸気通路における下流側にスロットル弁を備え、かつ、理論空燃比を目標空燃比としたストイキ燃焼モードとリーン空燃比を目標空燃比としたリーン燃焼モードとに切換可能な内燃機関において、
   上記スロットル弁よりも吸気通路における下流側の位置から上記コンプレッサの上流側に至るエアバイパス通路と、このエアバイパス通路を開閉するエアバイパス弁と、コントローラと、を備え、
   上記リーン燃焼モードから上記ストイキ燃焼モードに移行するときに、上記コントローラは、上記スロットル弁の開度を低下させるとともに、上記エアバイパス弁を一時的に開いてコレクタ内の吸気を上記コンプレッサの上流側にバイパスさせる、内燃機関。

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