WO2012070148A1

WO2012070148A1 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: WO2012070148A1
Application number: PCT/JP2010/071138
Authority: WO
Inventors: 小郷知由; 小川孝; 伊藤勝広; 岩田一康
Original assignee: トヨタ自動車株式会社
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2012-05-31
Also published as: EP2644871B1; JP5429404B2; EP2644871A4; JPWO2012070148A1; EP2644871A1

Abstract

　エンジンシステム１は、エンジンＥＣＵ１０と、排気マニホルド１３と吸気マニホルド１１とを連通するＥＧＲ通路１６と、ＥＧＲ通路１６の排ガス入口部分を遮断可能な遮断弁１６３と、ディーゼルスロットル１９と、を備え、排気浄化装置３０の再生処理を実行する間に遮断弁１６３を開いてＥＧＲ通路１６を開放しつつ、吸入空気量に応じてディーゼルスロットル１９の弁開度を調節する。更に、エンジンシステム１は、遮断弁１６３の開放制御とともに、ＥＧＲバルブ１６２の開度を増大し、ターボチャージャ１４の可変ノズルベーン機構１４１の開度を大きくする。　

Description

内燃機関の制御装置

　本発明は内燃機関の制御装置に関する。

　内燃機関（特にディーゼル機関）では、排ガス中の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する浄化触媒、および粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ　Ｍａｔｔｅｒ，以下、ＰＭと略記する）を捕集するパティキュレートフィルタ（Ｄｉｅｓｅｌ　Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ　Ｆｉｌｔｅｒ，以下、ＤＰＦと略記する）を有する排気浄化装置を排気通路に配置することで低エミッション化を実現している。

　このような排気浄化装置は、機関の運転に伴って排ガス中の硫黄酸化物による触媒成分の被毒が進行するために、徐々に排ガスの浄化能力が低下してゆく。また、例えばＮＯｘ吸蔵還元型の浄化触媒では、機関の運転に伴って浄化触媒に吸着されるＮＯｘが飽和状態に近づく。そのため、内燃機関の空燃比を目標空燃比よりも燃料過剰側へ調整する空燃比リッチ制御を定期的に実行することで、排気浄化装置に堆積された硫黄酸化物を分解・除去したり、吸蔵されたＮＯｘを還元除去したりする（再生処理）。

　このような空燃比リッチ制御については、浄化触媒の再生処理の際に燃料噴射量を増大させつつスロットル開度を低下させることにより、内燃機関の急激なトルク変化を抑制しつつ浄化触媒の再生処理を実行する技術が特許文献１に開示されている。

　また、減速リッチスパイクの実行に応じてスロットル弁の開度を低下させつつＥＧＲ通路の開度を小さく変更するようにＥＧＲバルブを制御することにより、内燃機関の筒内圧を低下させて噴射燃料が燃焼することを抑制する技術が特許文献２に開示されている。

　そして、その他本発明と関連性があると考えられる技術が特許文献３に開示されている。

特開平１０－１８４４１８号公報特開２０１０－０２４８６５号公報特開２００９－１３８７３３号公報

　排気浄化装置の再生処理においては、燃料噴射量を増大することで空燃比を燃料リッチ側に調整することができるが、過剰に燃料を噴射するために内燃機関の燃費が悪化してしまう。一方、内燃機関の吸入空気量を低減することで、燃料噴射量の増大を最低限に抑制しつつ空燃比を燃料リッチ側に調整することができる。しかしながら、吸入空気量を低減するためにスロットル弁の開度を低下させる（絞る）と内燃機関のポンプ損失（ポンピングロス）が増大する。ポンピングロスが増大するとエンジン出力が低下するため、例えば、低下したエンジン出力を目標出力に補正するために燃料噴射量を増大することが要求されることで、結果的に内燃機関の燃費が悪化してしまう。このような空燃比リッチ制御時のポンピングロスの増大は、例えば排気側に過給機を備えるディーゼル機関において顕著に発生する。

　本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、空燃比リッチ制御時における内燃機関のポンプ損失の増大を抑制することが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。

　上記目的を達成するために、本発明の内燃機関の制御装置は、内燃機関の排気側に設けられ、排ガスのエネルギを利用して吸入空気を過給する過給機と、前記内燃機関の排気マニホルドの容積と前記排気マニホルドに連通する空間の容積との和である排気系容積を変更可能な排気系容積変更手段と、前記内燃機関の吸気通路に設けられたスロットル弁の開度を制御する弁開度制御手段と、前記内燃機関の運転状態に応じて空燃比を制御する空燃比制御手段と、を備え、前記空燃比制御手段が前記内燃機関の空燃比をリッチ側に制御するとともに、前記排気系容積変更手段が前記排気系容積を拡大しつつ、前記弁開度制御手段が吸入空気量に応じて前記スロットル弁の開度を調節することを特徴とする。
　上記の構成により、内燃機関の空燃比リッチ制御時に排気系容積を拡大することで、排ガスの圧力の脈動（排気脈動）を低減する、すなわち排ガスの運動エネルギを減少させることができる。これによって過給機の過給効率が低下して吸入空気量が減少するために、スロットル弁の開度を増大させて内燃機関のポンプ損失を低減することができる。よって、空燃比リッチ制御時における内燃機関のポンプ損失の増大を抑制することができる。

　特に、本発明の内燃機関の制御装置は、前記過給機よりも上流の排気側と吸気側とを連通し、排ガスの一部を前記吸気通路に還流させる排ガス還流通路を備え、前記排気系容積変更手段が、前記排ガス還流通路の連通状態を変化させることで前記排気系容積を変更する構成であってもよい。
　上記の構成により、内燃機関の空燃比リッチ制御時に排ガス還流通路を連通させて排気系容積を拡大することで、排ガスの運動エネルギを低減することができる。これによって過給機の過給効率が低下して吸入空気量が減少するためにスロットル弁の開度を増大させることができる。よって、空燃比リッチ制御時における内燃機関のポンプ損失の増大を抑制することができる。

　また、本発明の内燃機関の制御装置は、前記排ガス還流通路に設けられた制御弁の開度を調節することで、前記排ガス還流通路を通じて前記吸気通路に流入する排ガスの還流量を制御する排ガス還流量制御手段を備え、前記排気系容積変更手段が前記排ガス還流通路を連通させるとともに、前記排ガス還流量制御手段が前記制御弁の開度を増大する構成であってもよい。
　上記の構成により、内燃機関の空燃比リッチ制御時に排気系容積をより拡大することができることから、排ガスの運動エネルギをより低減することができる。更に、制御弁の開度を増大することで吸気側への排ガス還流量が増大し、それに伴って過給機への排ガス流入量が減少する。そのため、過給機の過給効率をより低下させることができる。よって、スロットル弁の開度をより増大させて内燃機関のポンプ損失を効果的に低減することができる。

　そして、本発明の内燃機関の制御装置は、前記過給機の過給効率を制御する過給効率制御手段を備え、前記空燃比制御手段が前記内燃機関の空燃比をリッチ側に制御するとともに、前記過給効率制御手段が前記過給機の過給効率を低下させる構成であってもよい。
　上記の構成により、内燃機関の空燃比リッチ制御時に過給機の過給効率を低下させて吸入空気量をより減少させることができ、これによってスロットル弁の開度を増大させることができる。よって、空燃比リッチ制御時における内燃機関のポンプ損失の増大を抑制することができる。

　更に、本発明の内燃機関の制御装置は、前記過給機よりも下流の排気側に設けられ、前記内燃機関の排ガスを浄化する排気浄化装置と、前記排気浄化装置の排ガス浄化能力を認識する浄化能力認識手段と、を備え、前記空燃比制御手段が、前記浄化能力認識手段の認識結果に基づいて前記内燃機関の空燃比をリッチ側に制御する構成であってもよい。
　上記の構成により、排気浄化装置の再生処理時における燃費の悪化を抑制することができる。

　また、本発明の内燃機関の制御装置は、前記排気系容積変更手段が、前記排ガス還流通路の排ガス入口部分の近傍に設けられた遮断弁である構成であってもよい。
　上記の構成により、内燃機関の排気系容積の変更量をより大きくすることができる。すなわち、内燃機関の空燃比リッチ制御時に排気系容積をより拡大することができることから、排ガスの運動エネルギをより低減することができる。これによってスロットル弁の開度を増大させることができることから、空燃比リッチ制御時における内燃機関のポンプ損失の増大を抑制することができる。

　本発明によれば、空燃比リッチ制御時における内燃機関のポンプ損失の増大を抑制することができる。

図１は、実施例のエンジンシステムの一構成例を示した図である。図２は、実施例のエンジンの一気筒の構成例を示した断面図である。図３は、エンジンの吸気圧力および排気圧力とクランク角度との相関例を示している。図４は、エンジンの排気系容積と排気脈動振幅との相関例を示している。図５は、エンジンの排気系容積とエンジン出力との相関例を示している。図６は、エンジンＥＣＵの処理の一例を示すフローチャートである。

　以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。

　本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の内燃機関の制御装置を搭載したエンジンシステム１の一構成例を示した図である。なお、図１にはエンジンの一部の構成のみを示している。

　図１に示すエンジンシステム１は、動力源であるエンジン１００を備えており、エンジン１００の運転動作を総括的に制御するエンジンＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）１０を備えている。エンジン１００は、排気マニホルド１３の下流側にターボチャージャ１４および排気浄化装置３０を備えており、吸気弁２２および排気弁２３のバルブタイミングを変更する電動ＶＶＴ機構２６および油圧ＶＶＴ機構２７を備えている。また、エンジン１００は、ＥＧＲ通路１６の排ガス入口部分に遮断弁１６３を備えている。そして、エンジン１００は、吸気通路１２に吸入空気量を調節するディーゼルスロットル１９を備えている。更に、エンジン１００は、排気浄化装置３０の上流側の排気通路１５に圧力センサ４２およびＮＯｘセンサ４５を備えている。

　図２は、実施例のエンジン１００の一気筒の構成例を示した断面図である。エンジン１００は、車両に搭載される多気筒ディーゼルエンジンであって、各気筒は燃焼室を構成するピストンを備えている。各燃焼室のピストンは、エンジン１００のシリンダに摺動自在に嵌合されており、それぞれコネクティングロッドを介して出力軸部材であるクランクシャフト２１に連結されている。

　エンジンＥＣＵ１０は、エアフロメータ４６からの吸入空気量、クランク角センサ４１からのピストンの位置等の情報に基づき、燃料の噴射量および噴射タイミングを決定しインジェクタ１７に信号を送る。インジェクタ１７は、エンジンＥＣＵ１０の信号に従って、指示された燃料噴射量および噴射タイミングで燃焼室内に燃料を噴射する。インジェクタ１７より噴射された燃料は、燃焼室内で霧化し、吸気弁の開弁に伴って燃焼室内へ流入する吸入空気と混合気を形成する。そして、混合気は、ピストンの上昇運動により燃焼室内で圧縮されて着火することで燃焼し、燃焼室内を膨張させてピストンを下降させる。この下降運動がコネクティングロッドを介してクランクシャフト２１の軸回転に変更されることにより、エンジン１００は動力を得る。この場合、エンジン１００は、軽油を燃料とするディーゼルエンジンが好ましいが、それに限定されない。
　なお、エンジン１００は、本発明の内燃機関の一構成例である。

　クランクシャフト２１の軸の近傍には、クランク角センサ４１が設けられている。クランク角センサ４１は、クランクシャフト２１軸の回転角度を検出するように構成されており、検出結果をエンジンＥＣＵ１０に送信する。それにより、エンジンＥＣＵ１０は、運転時のクランクシャフト２１軸の回転数や回転角速度など、クランク角に関する情報を取得する。そして、エンジンＥＣＵ１０は、取得したクランクシャフト２１軸の回転数や回転角速度に基づきエンジン回転数やエンジントルクを算出してエンジン１００の出力を認識する。

　各燃焼室には複数の吸気弁、排気弁が設けられている。図２には吸気弁、排気弁をそれぞれ１つずつ示している。燃焼室の各吸気ポートには、それぞれ吸気弁２２が配置されており、吸気弁２２を開閉駆動させるための吸気カムシャフト２４が配置されている。更に、燃焼室の各排気ポートには、それぞれ排気弁２３が配置されており、排気弁２３を開閉駆動させるための排気カムシャフト２５が配置されている。

　吸気弁２２および排気弁２３はクランクシャフト２１の回転が連結機構（例えばタイミングベルト、タイミングチェーンなど）により伝達された吸気カムシャフト２４および排気カムシャフト２５の回転により開閉され、吸気ポートおよび排気ポートと燃焼室とを連通・遮断する。なお、吸気弁２２、および排気弁２３の位相は、クランク角を基準にして表される。

　吸気カムシャフト２４は可変動弁機構（以下、ＶＶＴ機構という）である電動ＶＶＴ機構２６を有している。この電動ＶＶＴ機構２６はエンジンＥＣＵ１０の指示により電動モータで吸気カムシャフト２４を回転させる。それにより吸気カムシャフト２４のクランクシャフト２１に対する回転位相が変更されることから、吸気弁２２のバルブタイミングが変更される。この場合、吸気カムシャフト２４の回転位相は、吸気カム角センサ４８にて検出され、エンジンＥＣＵ１０へと出力される。それにより、エンジンＥＣＵ１０は、吸気カムシャフト２４の位相を取得することができるとともに、吸気弁２２の位相を取得することができる。また、吸気カムシャフト２４の位相は、クランク角を基準にして表される。

　排気カムシャフト２５は油圧ＶＶＴ機構２７を有している。この油圧ＶＶＴ機構２７はエンジンＥＣＵ１０の指示によりオイルコントロールバルブ（以下、ＯＣＶという）で排気カムシャフト２５を回転させる。それにより排気カムシャフト２５のクランクシャフト２１に対する回転位相が変更されることから、排気弁２３のバルブタイミングが変更される。この場合、排気カムシャフト２５の回転位相は、排気カム角センサ４９にて検出され、エンジンＥＣＵ１０へと出力される。それにより、エンジンＥＣＵ１０は、排気カムシャフト２５の位相を取得することができるとともに、排気弁２３の位相を取得することができる。また、排気カムシャフト２５の位相は、クランク角を基準にして表される。

　図１に戻り、エンジン１００は、インジェクタ１７、コモンレール１８、低圧燃料ポンプ、高圧燃料ポンプ等より構成されるコモンレール式燃料噴射システムを備えている。燃料タンクより低圧燃料ポンプにより吸引された燃料は、高圧燃料ポンプにてコモンレール１８へ高圧で吐出し蓄圧される。

　コモンレール１８は、インジェクタ１７に供給する高圧燃料を蓄圧する容器である。高圧燃料ポンプから圧送された燃料は、コモンレール１８内で噴射に必要な圧力まで蓄圧され、高圧配管を通じて各燃焼室のインジェクタ１７に供給される。また、コモンレール１８にはレール圧センサおよび減圧弁が設けられている。エンジンＥＣＵ１０は、レール圧センサから出力されたコモンレール１８内部の燃圧が規定値を超えた場合に、減圧弁を開放するように指示する。そして、減圧弁より燃料を排出することで、コモンレール圧が常に規定値以下になるよう調整する。減圧弁より排出された燃料は、リリーフ配管を通って燃料タンクへと戻される。

　各燃焼室には、それぞれインジェクタ１７が装着されている。コモンレール１８より高圧配管を通じて供給された燃料は、エンジンＥＣＵ１０の指示によりインジェクタ１７にてエンジン気筒内の燃焼室に噴射供給される。エンジンＥＣＵ１０は、エアフロメータ４６からの吸入空気量、およびクランク角センサ４１からのピストンの位置の情報等に基づき、燃料噴射量と噴射タイミングを決定しインジェクタ１７に信号を送る。インジェクタ１７はエンジンＥＣＵ１０の信号に従って、指示された燃料噴射量・噴射タイミングにて燃焼室内へ燃料を高圧噴射する。インジェクタ１７のリーク燃料は、リリーフ配管を通じて燃料タンクへと戻される。この場合、インジェクタ１７は、エンジン１００の仕様に応じて燃焼室の任意の位置に装着することができる。

　エンジン１００の各燃焼室には、それぞれの燃焼室と連通する吸気マニホルド１１が接続されている。吸気マニホルド１１は、吸気通路１２によってエアフロメータ４６、ディーゼルスロットル１９、インタークーラ、ターボチャージャ１４のコンプレッサを介してエアクリーナに連結されており、エンジン１００の外部から取り込まれた吸入空気を各燃焼室内へ導入する。
　なお、吸気マニホルド１１および吸気通路１２は、本発明の吸気通路の一構成例である。

　ディーゼルスロットル１９にはスロットルポジションセンサ４７が設けられている。エアフロメータ４６およびスロットルポジションセンサ４７は、それぞれ吸気通路１２を通過する吸入空気量、およびディーゼルスロットル１９の弁開度を検出し、検出結果をエンジンＥＣＵ１０に送信する。エンジンＥＣＵ１０は、送信された検出結果に基づいて吸気マニホルド１１へ導入される吸入空気量を認識し、ディーゼルスロットル１９の弁開度を調節することでエンジン１００の運転に必要な吸入空気を燃焼室へ取り込む。
　ディーゼルスロットル１９は、ステップモータを用いたスロットルバイワイヤ方式を適用することが好ましいが、ディーゼルスロットル１９の弁開度を任意に変更可能なその他の機構を適用してもよい。
　なお、ディーゼルスロットル１９は、本発明のスロットル弁の一構成例である。

　更に、エンジン１００の各燃焼室には、それぞれの燃焼室と連通する排気マニホルド１３が接続されている。排気マニホルド１３は、排気通路１５によってターボチャージャ１４の排気タービンを介して排気浄化装置３０に連結されており、燃焼後の排ガスをエンジン１００の外部へと排出させる。

　ターボチャージャ１４は、排ガスの運動エネルギを利用して排気タービンを回転させ、エアクリーナを通過した吸入空気を圧縮してインタークーラへと送り込む。圧縮された吸入空気は、インタークーラで冷却された後に吸気マニホルド１１へと導入される。
　ターボチャージャ１４は、可変ノズル式ターボチャージャ（Ｖａｒｉａｂｌｅ　Ｎｏｚｚｌｅ　Ｔｕｒｂｏ，以下、ＶＮＴと略記する）であって、排気タービン側に可変ノズルベーン機構１４１が設けられている。この可変ノズルベーン機構１４１の開度を調整することにより、タービンインペラ翼への排ガスの流入角度を制御して、吸気マニホルド１１へ導入する吸入空気の過給圧を調節する。例えば、可変ノズルベーン機構１４１の開度をより小さくすると、より多くの排ガスがタービンインペラ翼に流入するために排ガスのエネルギ利用率が高くなって過給効率が向上する。また、可変ノズルベーン機構１４１の開度をより大きくすると、タービンインペラ翼に流入する排ガス量がより少なくなるために排ガスのエネルギ利用率が低くなって過給効率が低下する。この場合、ターボチャージャ１４はＶＮＴに限られず、ウェイストゲートによって過給圧の調節（排ガスのエネルギ利用率の制御）を行う構成であってもよい。
　なお、ターボチャージャ１４は、本発明の過給機の一構成例である。また、可変ノズルベーン機構１４１は、本発明の過給効率制御手段の一構成例である。

　排気浄化装置３０は、エンジン１００の排ガスを浄化するものであって、排ガス中のＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯを浄化する浄化触媒３１と、煤などの粒子状物質（ＰＭ）を捕集するＤＰＦ３２とを有している。

　浄化触媒３１は、ＤＰＦ３２の上流側に設けられており、エンジン１００の排ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化することができる三元触媒である。浄化触媒３１は、複合酸化物に貴金属を担持したものを多孔質のハニカム構造の触媒担体にコートしたものであって、その内部を排ガスが通過可能な周知の構成である。本実施例の浄化触媒３１は、空燃比がリーンの時に排ガス中に含まれるＮＯｘを吸蔵し、空燃比がストイキまたはリッチの時に排ガス中に含まれる還元成分（ＨＣ，ＣＯ）によってＮＯｘを還元するＮＯｘ吸蔵還元型であるが、これに限られない。浄化触媒３１は、エンジン１００の排気量、使用地域等の違いによって複数個組み合わせて用いてもよい。

　ＤＰＦ３２は、浄化触媒３１の下流側に設けられており、多孔質のコーディライトセラミックスからなる周知のウォールフロー型フィルタである。ＤＰＦ３２としてはコーディライトに限られず、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の他のセラミックスを適用してもよい。この場合、排気浄化装置３０は、上流側にＤＰＦ３２を設けて下流側に浄化触媒３１を設ける構成であってもよい。また、パティキュレートフィルタにＮＯｘ吸蔵還元触媒を組み合わせたＤＰＮＲ（Ｄｉｅｓｅｌ　Ｐａｒｔｉｃｌａｔｅ　ＮＯｘ　Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ）を排気浄化装置３０として適用してもよい。

　温度センサ４３は、排気浄化装置３０に設けられており、浄化触媒３１およびＤＰＦ３２の床温度を検出し、検出結果をエンジンＥＣＵ１０に送信する。エンジンＥＣＵ１０は、送信された検出結果に基づいて浄化触媒３１およびＤＰＦ３２の実温度を認識し、浄化触媒３１およびＤＰＦ３２の温度が再生処理に要する温度に達しているか否かを判断する。例えば、ＤＰＦ３２に捕集され堆積したＰＭは所定の温度（例えば、６００℃）以上で燃焼し除去されることから、ＤＰＦ３２の床温度を検出することで、ＤＰＦ３２の温度が再生処理に要する温度に達しているか否かを認識することができる。この場合、温度センサ４３は浄化触媒３１およびＤＰＦ３２の複数箇所に設けて温度を検出してもよい。

　圧力センサ４２は、排気浄化装置３０の上流側の入口付近に設けられており、排気浄化装置３０の入口の排ガス圧力を検出し、検出結果をエンジンＥＣＵ１０に送信する。エンジンＥＣＵ１０は、送信された検出結果に基づいてＤＰＦ３２の目詰まり度合いを認識し、それによって排気浄化装置３０の排ガス浄化能力を認識する。この場合、圧力センサ４２を排気浄化装置３０の上流側のみならず下流側の出口付近にも設けて、排気浄化装置３０の入口圧力と出口圧力とを検出し、それらの差圧からＤＰＦ３２の目詰まり度合いを認識する構成としてもよい。
　なお、圧力センサ４２は、本発明の浄化能力認識手段の一構成例である。

　Ａ／Ｆセンサ４４は、排気浄化装置３０の上流側に設けられており、排ガス中の酸素濃度と未燃ガス濃度からエンジン１００内の空燃比を検出し、その結果をエンジンＥＣＵ１０へと送信する。それにより、エンジンＥＣＵ１０は、様々な負荷状態におけるエンジン１００の空燃比情報を取得することができる。Ａ／Ｆセンサ４４としては、ジルコニア表面に白金をコートし、外側電極の外周に拡散律速層を設けたものを適用するが、これに限られない。Ａ／Ｆセンサ４４は、素子に電圧を印加するとリーン側（Ａ／Ｆ＞１４．６）で排ガス中の酸素濃度に、リッチ側（Ａ／Ｆ＜１４．６）で未燃ガス濃度に応じた酸素イオン電流が発生する。この場合、Ａ／Ｆセンサ４４の出力電流は空燃比に対して正の相関があることから、これにより広範囲での空燃比の検出が可能になる。

　ＮＯｘセンサ４５は、排気浄化装置３０の上流側に設けられており、排ガス中のＮＯｘ濃度を検出し、その結果をエンジンＥＣＵ１０へと送信する。エンジンＥＣＵ１０は、ＮＯｘセンサ４５の検出結果の積算値から浄化触媒３１のＮＯｘ吸蔵量を認識し、それに基づき排気浄化装置３０の排ガス浄化能力を認識する。ＮＯｘセンサ４５としては、Ａ／Ｆセンサ４４と類似構造であって、ジルコニア表面に白金をコートしたものを適用するが、これに限られない。また、ＮＯｘセンサ４５を排気浄化装置３０の下流側に設けて、排気浄化装置３０を通過した排ガス中のＮＯｘ濃度を検出する構成であってもよい。
　なお、ＮＯｘセンサ４５は、本発明の浄化能力認識手段の一構成例である。

　排気マニホルド１３は、ＥＧＲ通路１６によって吸気マニホルド１１と連通されている。ＥＧＲ通路１６へと流入した排ガスは、ＥＧＲクーラ１６１にて冷却された後にＥＧＲバルブ１６２で流量を調節されつつ吸気マニホルド１１へ進み、吸入空気とともに燃焼室内へ導入される。ＥＧＲバルブ１６２は、エンジンＥＣＵ１０の指令に従ってバルブ開度を調節することで、吸気マニホルド１１への排ガスの還流量を適切な量へと調節する。このように、運転状態に応じた適切な量のＥＧＲガスを吸気マニホルド１１に還流供給することにより、エンジン１００の燃焼温度を低下させてＮＯｘ排出量の低減を図ることができる。
　なお、ＥＧＲ通路１６は本発明の排ガス還流通路の一構成例である。また、ＥＧＲバルブ１６２は、本発明の制御弁の一構成例である。

　遮断弁１６３は、排気マニホルド１３とＥＧＲ通路１６との接続部位、すなわちＥＧＲ通路１６の排ガス入口部分に設けられている。遮断弁１６３は、エンジンＥＣＵ１０の指示に従ってＥＧＲ通路１６を遮断可能に構成されている。遮断弁１６３によってＥＧＲ通路１６を遮断することで、エンジン１００の排気系容積（少なくとも排気マニホルド１３、排気通路１５およびＥＧＲ通路１６の容積の和）をＥＧＲ通路１６の容積分縮小することができる。一方、遮断弁１６３を開いてＥＧＲ通路１６を開放することで、エンジン１００の排気系容積をＥＧＲ通路１６の容積分拡大することができる。この場合、遮断弁１６３はＥＧＲ通路１６の任意の位置に設けることができるが、ＥＧＲ通路１６の排ガス入口部分に設けることで、エンジン１００の排気系容積をより大きく変更することができる。
　なお、遮断弁１６３は、本発明の排気系容積変更手段の一構成例である。

　エンジンＥＣＵ１０は、演算処理を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）と、プログラム等を記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）と、データ等を記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）やＮＶＲＡＭ（Ｎｏｎ　Ｖｏｌａｔｉｌｅ　ＲＡＭ）と、を備えるコンピュータである。エンジンＥＣＵ１０は、エンジン１００の各部に備えられた複数のセンサの検出結果を読み込み、それら検出結果に基づいてエンジン１００の運転動作を統合的に制御する。

　また、エンジンＥＣＵ１０は、電動ＶＶＴ機構２６および油圧ＶＶＴ機構２７を調節して吸気弁２２および排気弁２３のバルブオーバーラップ期間を調整し、エンジン１００の体積効率を高める制御を実行する。以下に、エンジンＥＣＵ１０が実行する体積効率の向上制御について説明する。

　エンジン１００の体積効率を高める要求（例えば、車両の加速要求）があった場合に、エンジンＥＣＵ１０は、受信したクランク角センサ４１およびエアフロメータ４６の検出結果からエンジン１００の回転数および吸入空気量を認識する。そして、エンジンＥＣＵ１０は、認識したエンジン１００の回転数および吸入空気量に基づいて、以下（１）～（２）のように電動ＶＶＴ機構２６および油圧ＶＶＴ機構２７を調節する。（１）吸気弁２２および排気弁２３の開弁時期を、エンジン１００の排気上死点（ＴＤＣ）近傍に排ガスの圧力の脈動（排気脈動）の谷がくるように調整する。（２）吸気弁２２および排気弁２３のバルブオーバーラップ期間を、ＴＤＣ近傍にシフトした排気脈動の谷と一致するよう調整する。この場合、エンジンＥＣＵ１０は、予め台上試験等にて作成した相関マップに基づいて電動ＶＶＴ機構２６および油圧ＶＶＴ機構２７の調節を行うことが望ましい。

　図３は、エンジン１００の吸気圧力および排気圧力とクランク角度との相関例を示している。内燃機関の吸気圧力はクランク角度に関わらずほぼ一定となるのに対し、排気圧力は各燃焼室から排ガスが間欠的に排出されるのに伴って周期的に変動（脈動）する。この排気脈動の位相はエンジン回転数や吸入空気量の変化に伴って変化するが、吸気弁２２および排気弁２３の開弁時期によっても大きく変化する。例えば、排気弁２３の開弁時期が遅くなるにつれて排ガスが排気マニホルド１３内に放出されるタイミングが遅くなり、排気脈動の位相がＴＤＣ側（図３の右側）にシフトする。このように、吸気弁２２および排気弁２３の開弁時期を変更することで排気脈動の位相を制御することができる。

　そして、排気上死点（ＴＤＣ）近傍にシフトした排気脈動の谷に一致するよう吸気弁２２および排気弁２３のバルブオーバーラップ期間を調整することで、バルブオーバーラップ期間において排気圧力よりも吸気圧力を高くすることができる。そのため、吸気弁２２を通じて燃焼室内に吸入空気が流入し易くなり、流入した吸入空気によって燃焼室内の排ガスが排気弁２３を通じて排出し易くなる。すなわち、掃気効果を発揮させることができる。

　上記の制御に加えて、エンジンＥＣＵ１０は、ＥＧＲ通路１６を遮断するよう遮断弁１６３に指令し、エンジン１００の排気系容積をＥＧＲ通路１６の容積分小さくして排気脈動の振幅を大きくする制御を実行する。

　図４はエンジン１００の排気系容積と排気脈動振幅との相関例を示しており、図５はエンジン１００の排気系容積とエンジン出力との相関例を示している。図４に示すように、遮断弁１６３によってＥＧＲ通路１６を遮断するとエンジン１００の排気脈動の振幅がより大きくなる。また、図５に示すように、遮断弁１６３によってＥＧＲ通路１６を遮断するとエンジン１００の出力がより向上する。すなわち、遮断弁１６３によってＥＧＲ通路１６を遮断する（排気系容積を縮小する）と、排気脈動の振幅が大きくなる（排気脈動が強まる）ことでエンジン１００の掃気効果が高まってエンジン出力がより向上する。つまり、エンジン１００の体積効率がより向上する。このように、エンジン１００の排気系容積を小さくすることで体積効率をより向上させることができる。この場合、エンジン１００の排気脈動をより強めるために、排気系容積をより小さくできる位置（例えば、ＥＧＲ通路１６の排ガス入口部分の近傍）に遮断弁１６３を設けることが望ましい。

　更に、エンジンＥＣＵ１０は、排気浄化装置３０の再生処理を実行する間にエンジン１００のポンピングロスを低減する制御を実行する。以下に、エンジンＥＣＵ１０が実行するポンピングロスの低減制御について説明する。

　まず、エンジンＥＣＵ１０は、圧力センサ４２の検出結果からＤＰＦ３２の目詰まり度合いを認識し、ＮＯｘセンサ４５の検出結果の積算値から浄化触媒３１のＮＯｘ吸蔵量を認識する。すなわち、エンジンＥＣＵ１０は、圧力センサ４２およびＮＯｘセンサ４５の検出結果に基づいて排気浄化装置３０の排ガス浄化能力を認識する。具体的には、エンジンＥＣＵ１０は、圧力センサ４２の検出値およびＮＯｘセンサ４５の検出値の積算値がいずれも所定のしきい値未満であれば、排気浄化装置３０の排ガス浄化能力が要求値を満たしていると認識する。一方、エンジンＥＣＵ１０は、圧力センサ４２の検出値およびＮＯｘセンサ４５の検出値の積算値の少なくとも一方が所定のしきい値以上であれば、排気浄化装置３０の排ガス浄化能力が要求値を満たしていないと認識する。ここで、所定のしきい値とは、排気浄化装置３０が適切に排ガスを浄化できる圧力値またはＮＯｘ積算値であって、予め台上試験等で求めた任意の値を適用することができる。この場合、排気浄化装置３０の排ガス浄化能力の認識は、圧力センサ４２およびＮＯｘセンサ４５の検出結果に基づく手法に限られずに、例えばエンジン１００の運転状態（運転履歴）から推定する等、他の手法であってもよい。

　エンジンＥＣＵ１０は、圧力センサ４２の検出値およびＮＯｘセンサ４５の検出値の積算値の少なくとも一方が所定のしきい値以上である場合に、空燃比を目標空燃比よりも燃料過剰側へと調整する（空燃比リッチ制御）。具体的には、エンジンＥＣＵ１０は、温度センサ４３の検出結果に基づき排気浄化装置３０の温度が再生処理に必要な温度となるまでインジェクタ１７の燃料噴射量を増大しつつ、ディーゼルスロットル１９の弁開度を低下するよう指令する。エンジン１００の空燃比リッチ制御は、予め設定された所定の時間実行されるが、圧力センサ４２の検出値等に基づいて制御の終了を判断してもよい。この場合、エンジンＥＣＵ１０は、ディーゼルスロットル１９の弁開度調整のみを実行することで、空燃比リッチ制御を実行してもよい。

　つづいて、エンジンＥＣＵ１０は、ＥＧＲ通路１６を連通させる（開放する）よう遮断弁１６３に指令し、エンジン１００の排気系容積をＥＧＲ通路１６の容積分拡大する。これによって排気脈動を低減して（図４参照）、すなわち排気通路１５を通じてターボチャージャ１４に流入する排ガスのエンタルピー（運動エネルギ）を減少させて、ターボチャージャ１４の過給効率を低下させる。この場合、エンジンＥＣＵ１０は、エンジン１００の体積効率を高める要求の有無に関わらず遮断弁１６３に開放指令を実行する。

　上記の遮断弁１６３の開放制御とともに、エンジンＥＣＵ１０は、ＥＧＲバルブ１６２に弁開度を増大するよう指令し、ＥＧＲ通路１６と吸気マニホルド１１との連通率を向上させる。すなわち、ＥＧＲ通路１６と吸気マニホルド１１との連通率を向上させることで、エンジン１００の排気系容積をより拡大する。これによって排気脈動をより低減して、すなわちターボチャージャ１４に流入する排ガスの運動エネルギをより減少させて、ターボチャージャ１４の過給効率をより低下させる。また、ＥＧＲバルブ１６２の弁開度を増大することで吸気側への排ガス還流量が増大し、それに伴ってターボチャージャ１４への排ガス流入量が減少する。そのため、ターボチャージャ１４の過給効率がより低下する。更に、エンジンＥＣＵ１０は、ターボチャージャ１４の可変ノズルベーン機構１４１に開度を大きくする（例えば全開とする）よう指令する。これによって、タービンインペラ翼に流入する排ガス量を減少させてターボチャージャ１４の過給効率を更に低下させる。このようなターボチャージャ１４の過給効率を低下させる制御を実行することで、エンジン１００の吸入空気量を減少させる。この場合、ＥＧＲバルブ１６２および可変ノズルベーン機構１４１の少なくとも一方の開度を変更してもよいし、いずれの開度も変更しなくてもよい。

　つづいて、エンジンＥＣＵ１０は、エアフロメータ４６およびスロットルポジションセンサ４７の検出結果に基づいて、エンジン１００の空燃比を空燃比リッチ制御における目標空燃比に近づけるよう、ディーゼルスロットル１９の弁開度を調節する。すなわち、吸入空気量の減少に応じてディーゼルスロットル１９に弁開度を大きくする（開く）よう指令して、燃焼室に流入する吸入空気量を空燃比リッチ制御における目標空気量に近づける。これによって、ディーゼルスロットル１９の上流側と下流側との圧力差をより小さくしてエンジン１００のポンピングロスを低減させる。この場合、ディーゼルスロットル１９の弁開度の制御は、減少した吸入空気量を補正する分の開き量に限られずに、エンジン１００の出力等に応じてより多くの開き量を適用してもよい。また、エンジンＥＣＵ１０は、ディーゼルスロットル１９の弁開度の制御とあわせて、インジェクタ１７の燃料噴射量を減少させる制御を実行してもよい。
　エンジンＥＣＵ１０は、排気浄化装置３０の再生処理が終了するまで上記の処理を繰り返す。

　排気浄化装置の再生処理等で実行される空燃比リッチ制御においては、燃料噴射量の増大による燃費の悪化が懸念されるが、吸入空気量を低減することで燃料噴射量の増大を最低限に抑制することができる。しかしながら、吸入空気量を低減するためにスロットル弁を絞ると内燃機関のポンピングロスが増大してしまう。これによってエンジン出力が低下するために、例えば、低下したエンジン出力を目標出力に補正するために燃料噴射量を増大することが要求されるので、結果的に内燃機関の燃費が悪化してしまう。
　そこで、本発明では内燃機関の排気系容積と排気脈動との相関に着目した。すなわち、本実施例のエンジンシステム１は、排気浄化装置３０の再生処理（空燃比リッチ制御）を実行する間に、遮断弁１６３を開いてＥＧＲ通路１６を開放することで排気脈動を低減してターボチャージャ１４の過給効率を低下させる。そして、本実施例のエンジンシステム１は、過給効率の低下に基づく吸入空気量の減少に応じてディーゼルスロットル１９の弁開度を大きくすることで、エンジン１００のポンピングロスを低減する。これによって、空燃比リッチ制御時における内燃機関のポンプ損失の増大を抑制することができるために、ポンピングロスによるエンジン出力の低下を抑制し、燃料噴射量の増大を抑制することが可能になる。

　更に、本実施例のエンジンシステム１は、遮断弁１６３の開放制御とともにＥＧＲバルブ１６２の開度を増大して排気系容積をより拡大する。これによって、排気脈動をより低減する、すなわちターボチャージャ１４に流入する排ガスの運動エネルギをより減少させて、過給効率をより低下させる。また、本実施例のエンジンシステム１は、遮断弁１６３の開放制御とともにターボチャージャ１４の可変ノズルベーン機構１４１の開度を大きくする。これによって、ターボチャージャ１４の過給効率をより低下させる。すなわち、吸入空気量をより減少させることができるために、ディーゼルスロットル１９の弁開度をより大きくすることができる。よって、ポンピングロスをより低減することができることから、より効果的に空燃比リッチ制御時における内燃機関のポンプ損失の増大を抑制することができる。

　このように、本実施例のエンジンシステム１は、空燃比リッチ制御を実行する間に、遮断弁１６３を開いてＥＧＲ通路１６を開放しつつ、ディーゼルスロットル１９の弁開度を大きくしてエンジン１００のポンピングロスを低減する制御を実行することができる。この場合、空燃比リッチ制御の実行は排気浄化装置３０の再生処理時に限られない。すなわち、排気浄化装置３０の再生処理以外に実行される空燃比リッチ制御時においても上記のポンピングロス低減制御を実行することができる。
　なお、エンジンＥＣＵ１０は、本発明の排気系容積変更手段、弁開度制御手段、空燃比制御手段、排ガス還流量制御手段、過給効率制御手段および浄化能力認識手段の一構成例である。

　つづいて、エンジンＥＣＵ１０の制御の流れに沿って、エンジンシステム１の動作を説明する。図６は、エンジンＥＣＵ１０の処理の一例を示すフローチャートである。本実施例のエンジンシステム１は、ＥＧＲ通路１６を遮断可能な遮断弁１６３と、ディーゼルスロットル１９と、を備え、排気浄化装置３０の再生処理時に遮断弁１６３を開いてＥＧＲ通路１６を開放しつつ、ディーゼルスロットル１９の弁開度を大きくする制御をエンジンＥＣＵ１０が実行する。

　エンジンＥＣＵ１０の制御は、イグニッションスイッチがＯＮされてエンジン１００が始動されると開始し、エンジン１００の運転中に以下の制御の処理を繰り返す。また、エンジンＥＣＵ１０は、その制御の処理中、圧力センサ４２、ＮＯｘセンサ４５、エアフロメータ４６およびスロットルポジションセンサ４７の検出結果を常に受信する。

　まず、エンジンＥＣＵ１０はステップＳ１で、受信した圧力センサ４２の検出値およびＮＯｘセンサ４５の検出値の積算値の少なくとも一方が所定のしきい値以上であるか否かを判断する。ここで、所定のしきい値については前述したために、その詳細な説明は省略する。圧力センサ４２の検出値およびＮＯｘセンサ４５の検出値の積算値の少なくとも一方が所定のしきい値以上でない場合（ステップＳ１／ＮＯ）、エンジンＥＣＵ１０は、排気浄化装置３０の排ガス浄化能力が要求値を満たしていると認識し、制御の処理を終了する。圧力センサ４２の検出値およびＮＯｘセンサ４５の検出値の積算値の少なくとも一方が所定のしきい値以上である場合（ステップＳ１／ＹＥＳ）は、エンジンＥＣＵ１０は、排気浄化装置３０の排ガス浄化能力が要求値を満たしていないと認識し、次のステップＳ２へ進む。

　ステップＳ２で、エンジンＥＣＵ１０は、空燃比を目標空燃比よりも燃料過剰側へと調整する空燃比リッチ制御を実行する。具体的には、エンジンＥＣＵ１０は、温度センサ４３の検出結果に基づき排気浄化装置３０の温度が再生処理に必要な温度となるまでインジェクタ１７の燃料噴射量を増大しつつ、ディーゼルスロットル１９の弁開度を低下するよう指令する。エンジンＥＣＵ１０は、ステップＳ２の処理を終えると、次のステップＳ３へ進む。

　ステップＳ３で、エンジンＥＣＵ１０は、ＥＧＲ通路１６を連通させる（開放する）よう遮断弁１６３に指令し、エンジン１００の排気系容積を拡大することで排気脈動を低減する。エンジンＥＣＵ１０は、ステップＳ３の処理を終えると、次のステップＳ４へ進む。

　ステップＳ４で、エンジンＥＣＵ１０は、ＥＧＲバルブ１６２に弁開度を全開にするよう指令し、ＥＧＲ通路１６と吸気マニホルド１１との連通率を向上させる。すなわち、ＥＧＲ通路１６と吸気マニホルド１１との連通率を向上させて、エンジン１００の排気系容積をより拡大する。エンジンＥＣＵ１０は、ステップＳ４の処理を終えると、次のステップＳ５へ進む。

　ステップＳ５で、エンジンＥＣＵ１０は、可変ノズルベーン機構１４１を全開にするよう指令し、ターボチャージャ１４の過給効率を低下させて吸入空気量を減少させる。エンジンＥＣＵ１０は、ステップＳ５の処理を終えると、次のステップＳ６へ進む。

　ステップＳ６で、エンジンＥＣＵ１０は、エアフロメータ４６およびスロットルポジションセンサ４７の検出結果に基づいて、減少した吸入空気量に応じてディーゼルスロットル１９の弁開度を開放方向へ調節（増大）するように指令する。エンジンＥＣＵ１０は、ステップＳ６の処理を終えると、制御の処理を終了する。

　この制御を実行することで、排気浄化装置３０の再生処理（空燃比リッチ制御）を実行する間にエンジン１００のポンピングロスを低減することができる。よって、空燃比リッチ制御時における内燃機関のポンプ損失の増大を抑制することができることから、ポンピングロスによるエンジン出力の低下を抑制し、燃料噴射量の増大を抑制することができる。
　なお、エンジンＥＣＵ１０は、ステップＳ４およびステップＳ５のいずれか一方の処理を実行してもよいし、いずれの処理も実行しなくてもよい。

　以上のように、本実施例のエンジンシステムは、エンジンＥＣＵと、ＥＧＲ通路を遮断可能な遮断弁と、ディーゼルスロットルと、を備え、排気浄化装置の再生処理を実行する間に遮断弁を開いてＥＧＲ通路を開放しつつ、ディーゼルスロットルの弁開度を大きくする。これによって、空燃比リッチ制御時における内燃機関のポンプ損失の増大を抑制することができる。

　また、本実施例のエンジンシステムは、遮断弁の開放制御とあわせて、ＥＧＲバルブの開度を増大し、ターボチャージャの可変ノズルベーン機構の開度を大きくする。これによって、エンジンのポンピングロスをより低減することができることから、より効果的に空燃比リッチ制御時における内燃機関のポンプ損失の増大を抑制することができる。

　上記実施例は本発明を実施するための一例にすぎない。よって本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

　例えば、本発明の適用範囲はＶＶＴ等の可変動弁機構を備えた内燃機関に限定されるものではない。すなわち、体積効率の向上制御を実行する内燃機関に限られない。

　また、内燃機関の排気系容積を変更する手段はＥＧＲ通路の開閉制御に限られない。例えば、別途、排気マニホルドに所定の容積を有する副室を設けて、排気マニホルドと副室との連通を制御することによって排気系容積を変更する構成であってもよいし、排気系容積を変更可能なその他の構成であってもよい。

　１　エンジンシステム
　１０　エンジンＥＣＵ（排気系容積変更手段，弁開度制御手段、空燃比制御手段，排ガス還流量制御手段，過給効率制御手段，浄化能力認識手段）
　１３　排気マニホルド
　１４　ターボチャージャ（過給機）
　１５　排気通路
　１６　ＥＧＲ通路（排ガス還流通路）
　１７　インジェクタ
　１９　ディーゼルスロットル（スロットル弁）
　３０　排気浄化装置
　３１　浄化触媒
　３２　ＤＰＦ
　４２　圧力センサ（浄化能力認識手段）
　４５　ＮＯｘセンサ（浄化能力認識手段）
　１００　エンジン
　１４１　可変ノズルベーン機構（過給効率制御手段）
　１６２　ＥＧＲバルブ（制御弁）
　１６３　遮断弁（排気系容積変更手段）

Claims

　内燃機関の排気側に設けられ、排ガスのエネルギを利用して吸入空気を過給する過給機と、
　前記内燃機関の排気マニホルドの容積と前記排気マニホルドに連通する空間の容積との和である排気系容積を変更可能な排気系容積変更手段と、
　前記内燃機関の吸気通路に設けられたスロットル弁の開度を制御する弁開度制御手段と、
　前記内燃機関の運転状態に応じて空燃比を制御する空燃比制御手段と、を備え、
　前記空燃比制御手段が前記内燃機関の空燃比をリッチ側に制御するとともに、前記排気系容積変更手段が前記排気系容積を拡大しつつ、前記弁開度制御手段が吸入空気量に応じて前記スロットル弁の開度を調節することを特徴とする内燃機関の制御装置。
　前記過給機よりも上流の排気側と吸気側とを連通し、排ガスの一部を前記吸気通路に還流させる排ガス還流通路を備え、
　前記排気系容積変更手段は、前記排ガス還流通路の連通状態を変化させることで前記排気系容積を変更することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
　前記排ガス還流通路に設けられた制御弁の開度を調節することで、前記排ガス還流通路を通じて前記吸気通路に流入する排ガスの還流量を制御する排ガス還流量制御手段を備え、
　前記排気系容積変更手段が前記排ガス還流通路を連通させるとともに、前記排ガス還流量制御手段が前記制御弁の開度を増大することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の制御装置。
　前記過給機の過給効率を制御する過給効率制御手段を備え、
　前記空燃比制御手段が前記内燃機関の空燃比をリッチ側に制御するとともに、前記過給効率制御手段が前記過給機の過給効率を低下させることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の内燃機関の制御装置。
　前記過給機よりも下流の排気側に設けられ、前記内燃機関の排ガスを浄化する排気浄化装置と、
　前記排気浄化装置の排ガス浄化能力を認識する浄化能力認識手段と、を備え、
　前記空燃比制御手段は、前記浄化能力認識手段の認識結果に基づいて前記内燃機関の空燃比をリッチ側に制御することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の内燃機関の制御装置。
　前記排気系容積変更手段は、前記排ガス還流通路の排ガス入口部分の近傍に設けられた遮断弁であることを特徴とする請求項２から５のいずれか１項記載の内燃機関の制御装置。