(57)【要約】【課題】リーン燃焼運転中の加速要求時におけるターボラグを抑制する。【解決手段】本発明の制御装置はリーン燃焼運転が可能な内燃機関であって、過給機と、低圧ＥＧＲ機構とを有する内燃機関に適用される。この内燃機関の制御装置は、リーン燃焼運転における加速時に過給圧が目標過給圧より低い場合には、過給圧が目標過給圧に到達するまでの期間、低圧ＥＧＲ機構のＥＧＲ弁を開弁側に制御し、過給圧が目標過給圧に到達した後、ＥＧＲ弁を閉弁側に制御する。更に、過給圧が目標過給圧に到達するまでの期間を含む所定の期間、ガス燃料比の変化が一定範囲内となるように燃料噴射量を制御する。【選択図】図２
2015113717.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
理論空燃比よりリーンな空燃比の混合気を燃焼させるリーン燃焼運転が可能な内燃機関の制御装置であって、
内燃機関の吸気通路に配置されたコンプレッサと排気通路に配置されたタービンとを有し、排気圧を利用して吸入空気を過給する過給機と、
前記タービンより下流側から、前記コンプレッサの上流側に排気ガスの一部を還流させるための低圧ＥＧＲ通路と、
前記低圧ＥＧＲ通路に設置され、前記低圧ＥＧＲ通路の流路断面積を変更するためのＥＧＲ弁と、
前記リーン燃焼運転における加速時に、過給圧が目標過給圧より低い場合には、過給圧が目標過給圧に到達するまでの期間、前記ＥＧＲ弁を開弁側に制御する手段と、
前記過給圧が前記目標過給圧に到達した後、前記ＥＧＲ弁を閉弁側に制御する手段と、
前記過給圧が前記目標過給圧に到達するまでの期間を含む所定の期間、ガス燃料比の変化が一定範囲内となるように燃料噴射量を制御する手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に、過給機と低圧ＥＧＲ機構とを有する内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、特許文献１には、ウエストゲートバルブを有する過給機付き内燃機関の制御装置が開示されている。この制御装置は、内燃機関の加速による過渡運転時のターボラグを抑制するため、内燃機関に対する所定の加速要求が検出された場合には、ウエストゲートバルブを閉じ側に動作させる制御を実行する。また、ウエストゲートバルブを閉じ側に動作させることで、過給機上流の背圧と過給圧との差圧が過渡的に上昇するため、ＥＧＲ量が増大することが考えられる。このため特許文献１の制御装置においては、ウエストゲートバルブを閉じ側に動作させている期間、ＥＧＲ弁の開度を目標開度よりも減少させる制御が実行され、これによりＥＧＲ量の増大が抑制されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−０９６０４９号公報
【特許文献２】特開２０１２−２０２３１５号公報
【特許文献３】特開２００８−２２３７１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
低負荷運転からの加速要求があった場合、過給圧が上昇するまでの遅れによって、加速のレスポンスが遅れる場合がある。特に、理論空燃比よりリーンな空燃比の混合気を燃焼させるリーン燃焼運転中は、空気量に対する燃料噴射量の比率が小さいため、排気エネルギーが小さい。このため、加速要求時に同じ吸入空気量に達するまでのターボラグは、理論空燃比近傍の混合気燃焼させるストイキ燃焼運転に比べると大きくなる。また、等トルクを実現するために必要となる吸入空気量は、ストイキ燃焼運転の場合に比べ、リーン燃焼運転の場合の方が大きくなる。このためリーン燃焼運転の場合の方が、より過給圧を上げる必要があるため、ターボラグの影響が大きくなる。
【０００５】
加速のレスポンス向上のためにはリーン燃焼からストイキ燃焼に切り替えることも考えられる。しかし、リーン燃焼運転とストイキ燃焼運転との切り替え時、弱リーン領域を通過することにより、ＮＯｘの排出量が増大する。増加したＮＯｘを浄化するためリッチスパイク制御の頻度が増加し、却って燃費が悪化することが考えられる。また、リッチスパイク制御の頻度の増加を抑制するため、弱リーン領域を使わず、切り替え中のトルクを、ストイキ燃焼かつ点火時期遅角でつなぐことも考えられる。しかしこの制御はトルク効率が低くなりやすく、却って燃費が低下することが考えられる。
【０００６】
以上のように、リーン燃焼運転からストイキ燃焼運転への切り替えにより加速レスポンスを向上させることは、燃費改善の観点からは好ましいものではない。従って、リーン燃焼運転中における加速要求にも、可能な限りリーン燃焼運転を持続しつつ、高い加速レスポンスの応答性を確保できるシステムが望まれる。
【０００７】
この点、上記特許文献１の制御によれば、ウエストゲートバルブの閉弁により、加速要求時のターボラグが抑制されている。しかしながら、特許文献１の技術は、高圧ＥＧＲ機構を備えることを前提としており、特許文献１の技術をそのまま低圧ＥＧＲ機構を有する内燃機関に適用しても、ターボラグを抑制する効果を得ることは難しい。
【０００８】
この発明は上記課題を解決することを目的とし、リーン燃焼運転中の加速要求時において、ターボラグを抑制することができるよう、改良した内燃機関の制御装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記の目的を達成するため、理論空燃比よりリーンな空燃比の混合気を燃焼させるリーン燃焼運転が可能な内燃機関の制御装置であって、
内燃機関の吸気通路に配置されたコンプレッサと排気通路に配置されたタービンとを有し、排気圧を利用して吸入空気を過給する過給機と、
前記タービンより下流側から、前記コンプレッサの上流側に排気ガスの一部を還流させるための低圧ＥＧＲ通路と、
前記低圧ＥＧＲ通路に設置され、前記低圧ＥＧＲ通路の流路断面積を変更するためのＥＧＲ弁と、
前記リーン燃焼運転における加速時に、過給圧が目標過給圧より低い場合には、過給圧が目標過給圧に到達するまでの期間、前記ＥＧＲ弁を開弁側に制御する手段と、
前記過給圧が前記目標過給圧に到達した後、前記ＥＧＲ弁を閉弁側に制御する手段と、
前記過給圧が前記目標過給圧に到達するまでの期間を含む所定の期間、ガス燃料比の変化が一定範囲内となるように燃料噴射量を制御する手段と、
を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、低圧ＥＧＲ機構を有する内燃機関のリーン燃焼運転中の加速時にＥＧＲ弁が開弁側に制御することで、過給機下流の背圧を小さくすることができる。従って過給機のタービン上下流の差圧を大きくすることができ、過給圧を早期に上昇させることができる。また、少なくともＥＧＲ弁を閉弁側に制御している間は、ガス燃料比（Ｇ/Ｆ）の変化が一定範囲となるように制御される。これによりリーン燃焼運転時のトルク変動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態におけるシステムの全体構成について説明するための模式図である。
【図２】本発明の実施の形態における制御について説明するためのタイミングチャートである。
【図３】本発明の実施の形態においてＥＣＵが実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。
【００１３】
実施の形態．
図１は本発明の実施の形態１におけるシステムの全体構成について説明するための模式図である。図１のシステムにおいて、内燃機関２は、理論空燃比よりリーンな空燃比の混合気を燃焼させるリーン燃焼運転と理論空燃比近傍の空燃比の混合気を燃焼させるストイキ燃焼運転とが可能な内燃機関である。また内燃機関２は、排気圧を利用して吸入空気を過給する過給機４と、排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気側に還流するＬＰＬ−ＥＧＲ機構（低圧ＥＧＲ機構）６を備えている。
【００１４】
内燃機関２の各気筒の吸気ポートには、吸気マニホールド１２が連通し、吸気マニホールド１２には吸気通路１４が連通している。吸気通路１４には、吸気上流側から順に、エアクリーナ１６、過給機４のコンプレッサ１８、及びスロットル弁２０が設置されている。内燃機関２の各気筒の排気ポートには、排気マニホールド２２が連通し、排気マニホールド２２には排気通路２４が連通している。排気通路２４には、過給機４のタービン２６が設置されると共に、タービン２６をバイパスするバイパス通路２８が接続されている。バイパス通路２８にはＷＧＶ（ウエストゲートバルブ）３０が設置されている。排気通路２４のタービン２６下流にはＳ/Ｃ触媒３２が設置されている。
【００１５】
図１のシステムにおいて、ＬＰＬ−ＥＧＲ機構６は、ＥＧＲ通路４０（低圧ＥＧＲ通路）を備えている。ＥＧＲ通路４０の入口側の端部は、排気通路２４の、タービン２６より下流かつＳ/Ｃ触媒３２より下流側に接続している。ＥＧＲ通路４０の出口側の端部は、吸気通路１４のエアクリーナ１６の下流であって、かつ、コンプレッサ１８の上流側に接続している。ＥＧＲ通路４０には、ＥＧＲクーラ４２とＥＧＲ弁４４とが設置されている。ＥＧＲ弁４４は、その開度の変更によりＥＧＲ通路４０の流路断面積を変更する弁である。
【００１６】
図１のシステムはＥＣＵ５０を備えている。ＥＣＵ５０は、内燃機関２の制御装置である。ＥＣＵ５０は空燃比センサ５２を含む各種センサの信号を取り込み処理する。センサは空燃比センサ５２の他にも、内燃機関２及び車両の各所に取り付けられている。例えば、吸気通路１４の入口には図示しないエアフローメータが取り付けられている。ＥＣＵ５０は取り込んだ各センサの信号を処理して、所定の制御プログラムに従って各アクチュエータを操作する。ＥＣＵ５０によって操作されるアクチュエータには、スロットル弁２０、ＷＧＶ３０、及び、ＥＧＲ弁４４の他、図示しない内燃機関２の燃料噴射弁や点火プラグなども含まれている。ＥＣＵ５０に接続されるアクチュエータやセンサは上記以外にも多数存在するが、本明細書においてはその説明は省略する。
【００１７】
本実施の形態においてＥＣＵ５０が実行する制御には、リーン燃焼運転中の緩加速要求時のスロットル弁２０、ＷＧＶ３０、及び、ＥＧＲ弁４４の制御が含まれる。ここで「緩加速要求」とは、リーン燃焼運転領域を超えない範囲で実現できるトルク要求かつ過給域を意味するものとする。なお、緩加速要求以外の加速要求、例えばＷＯＴ加速のようなドライバーからの強い加速要求があった場合には、空燃比を理論空燃比又は出力空燃比にして、迅速な加速が実行される。
【００１８】
図２は、本発明の実施の形態における緩加速要求時の制御について説明するためのタイミングチャートである。図２において、（ａ）はスロットル弁２０の開度、（ｂ）はＷＧＶ３０の開度、（ｃ）はＥＧＲ弁４４の開度、（ｄ）はＥＧＲ率、（ｅ）は空燃比Ａ/Ｆ、（ｆ）はガス燃料比Ｇ/Ｆ、（ｇ）はタービン２６の前圧（タービン２６上流側の圧力）、（ｈ）はタービン２６の後圧（タービン２６下流側の背圧）、（ｉ）は過給圧を表している。また、（ｇ）〜（ｉ）それぞれ、実線Ａは本実施の形態の制御を実行した場合であり、破線Ｂは本実施の形態の制御を実行しない場合を示している。また、図２は、時点ｔ０において緩加速要求があった場合の例を示している。
【００１９】
リーン燃焼運転中に緩加速要求が認められると、(ａ)に示されるように、スロットル弁２０は全開とされる。また、ＷＧＶ３０は（ｂ）に示されるように全閉とされる。更に、ＥＧＲ弁４４を全開とする。ＥＧＲ通路４０の出口（即ちＥＧＲ通路４０と吸気通路１４との接続部）の圧力は、大気圧からエアクリーナ１６の圧力損失を減算した圧力と一致する。従って、ＥＧＲ弁４４が全開とされることで、タービン２６後の背圧を低下させることができる。図２の（ｈ）の実線Ａと破線Ｂとの比較からも、ＥＧＲ弁４４を全開に制御することで、タービン２６下流の背圧がより大きく低下していることがわかる。
【００２０】
ＥＧＲ弁４４の全開により、タービン下流の背圧を低下させることでタービン膨張比を大きくとることができる。従って、図２の（ｉ）に示されるように、本実施の形態の制御を行わない破線Ｂの場合と比較して、過給圧を早い段階で上昇させることができる。
【００２１】
上記制御により、過給圧が目標過給圧まで上昇した時点ｔ１において、ＥＧＲ弁４４は再び全閉とされる。これによりエアリーン燃焼に戻される。定常状態におけるリーン燃焼運転では、ＥＧＲガスを導入するよりもＥＧＲガスの導入を停止したほうが、ガス燃料比（Ｇ/Ｆ）を大きくでき、リーン限界を伸ばすことができる。また比熱比κも空気の方がＣＯ２より大きいため、エアリーンでの運転の方が、熱効率が高く燃費が良い。従って、過給圧が目標過給圧まで上昇した後は、ＥＧＲ弁４４を閉弁しエアリーン燃焼運転に切り替えることで、燃費の更なる向上を図ることができる。
【００２２】
上記緩加速要求時の制御において、ＥＧＲ弁４４の全開した後から、少なくともＥＧＲ弁４４を閉弁しＥＧＲ率がゼロ近傍に戻るまでの間、図２の（ｆ）に示されるように、ガス燃料比Ｇ/Ｆが一定となるように燃料噴射量が制御される。つまり、新気の量ＧＡに対してではなく、気筒に吸入される新気の量とＥＧＲガス量をあわせたガス量と燃料噴射量との比率が一定となるように、燃料噴射量が決定される。このとき、例えばガス燃料比Ｇ/Ｆが２４であり、ＥＧＲ率が２０％であれば、空燃比Ａ/Ｆは１９．２となる。ガス燃料比Ｇ/Ｆが概ね一定に制御されている間、図２の（ｄ）、（ｅ）に示されるように、ＥＧＲ率が上昇すると空燃比Ａ/Ｆは理論空燃比側の値に低下し、ＥＧＲ率の下降に合わせて空燃比Ａ/Ｆはリーン側に上昇する。
【００２３】
リーン燃焼運転時に設定されるリーン空燃比Ａ/Ｆの状態のままでＥＧＲガスを導入すると、燃焼が不安定になりトルク変動や失火を招く場合がある。これに対し、リーン燃焼運転中、ＥＧＲガスを導入している間は、ガス燃料比Ｇ/Ｆを一定に制御することで、その間の燃焼の安定化を図り、トルク変動や失火を抑制することができる。
【００２４】
図３は本発明の実施の形態においてＥＣＵ５０が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図３のルーチンは、ＥＣＵ５０が実行するＥＧＲ弁４４の制御のルーチンを示すものであり、内燃機関２の運転中、一定期間ごとに繰り返し実行される。
【００２５】
図３のルーチンではまず要求された目標トルクがリーン燃焼運転領域内のトルクか否かが検出される。リーン燃焼運転領域内であることが認められると、次に、目標過給圧が算出される（Ｓ１０４）。目標過給圧は、目標トルクと目標空燃比に応じて算出される。
【００２６】
次に、現在ターボラグが発生しているか否かが判別される（Ｓ１０６）。ここでは目標過給圧が実過給圧（現在の過給圧）より大きいか否かに基づいて、ターボラグが発生しているか否かが判別される。ステップＳ１０６においてターボラグが発生していることが認められると、次に、ＥＧＲ弁４４の全開要求がＯＮとされる（Ｓ１０８）。ＥＧＲ弁４４の全開要求がＯＮとされることで、ＥＧＲ弁４４は全開に開かれる。その後、今回の処理は一旦終了する。
【００２７】
上述したように、図３のルーチンは、内燃機関２の運転中一定期間ごとに繰り返し実行される。ＥＧＲ弁４４の全開要求がＯＮとされ、ＥＧＲ弁４４が全開とされた後、ステップＳ１０６において、ターボラグが発生していることが認められなくなった場合、即ち、実過給圧が目標過給圧に到達した場合、ＥＧＲ弁４４の全開要求がＯＦＦとされる（Ｓ１１０）。これにより、ＥＧＲ弁４４は通常の運転条件に応じた制御に戻される。例えば、上述したエアリーン燃焼運転が実行される場合には、別途設定された制御ルーチンに従いＥＧＲ弁４４は全閉に制御される。その後、今回の処理は一旦終了する。また、ステップＳ１０２において目標トルクがリーン燃焼運転領域であることが認められない場合、ＥＧＲ弁４４の全開要求がＯＦＦとされ（Ｓ１１０）、今回の処理は一旦終了する。
【００２８】
以上説明したように、本実施の形態によれば、緩加速要求が有った場合に、ＥＧＲ弁４４を全開とすることで、過給圧を早期に上昇させることができる。従って、リーン燃焼運転中における加速レスポンスの遅れを低減することができるとともに、リーン燃焼運転領域の拡大化を図ることができる。
【００２９】
また、本実施の形態では、少なくともＥＧＲ弁４４を全開とする期間を含む所定の期間、ガス燃料比Ｇ/Ｆが一定に制御される。これにより、リーン燃焼運転時の加速要求時における燃焼を安定化させることができ、トルク変動及び失火の発生を抑制することができる。なお、本実施の形態においては、加速要求によりＥＧＲ弁４４を全開とする制御を開始した後、再びＥＧＲ弁４４が全閉とされＥＧＲ率がゼロ近傍に低下するまでの期間を所定の期間として、ガス燃料比Ｇ/Ｆを一定に制御する場合について説明した。しかし、本発明において所定の期間は、この期間に限られず、リーン燃焼運転時の加速要求に対してＥＧＲ弁４４を全開としている期間を含む期間であればよい。
【００３０】
また、本実施の形態ではガス燃料比Ｇ/Ｆを一定とするとして説明した。しかしながら、本発明において、ガス燃料比Ｇ/Ｆの制御は、ガス燃料比の変化が許容される一定範囲内に制御されているものであればよい。
【００３１】
また、本実施の形態では、緩加速要求時に、ＥＧＲ弁４４を全開とする場合について説明した。しかし、本発明はこれに限られるものではなく、ＥＧＲ弁４４が開き側に制御されるものであればよい。ＥＧＲ弁４４が開き側に制御されることで、多少はタービン２６の背圧を低下させる効果を得ることができ、ターボラグを抑制することができる。
【００３２】
また、本実施の形態では、ＥＧＲ弁４４を全開とし、過給圧が目標過給圧に達した後、ＥＧＲ弁４４を全閉とする場合について説明した。しかし、本発明はこれに限られるものではなく、ＥＧＲ弁４４が全開とされた後、例えば目標開度に応じて、閉じ側に制御されるものであってもよい。
【００３３】
なお、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、この実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【符号の説明】
【００３４】
２    内燃機関
４    過給機
６    ＬＰＬ−ＥＧＲ機構
１２  吸気マニホールド
１４  吸気通路
１６  エアクリーナ
１８  コンプレッサ
２０  スロットル弁
２２  排気マニホールド
２４  排気通路
２６  タービン
２８  バイパス通路
３０  ＷＧＶ
３２  Ｓ/Ｃ触媒
４０  ＥＧＲ通路
４２  ＥＧＲクーラ
４４  ＥＧＲ弁
５０  ＥＣＵ
５２  空燃比センサ
【図１】
2015113717.tif 000003
【図２】
2015113717.tif 000004
【図３】
2015113717.tif 000005