JP4952687B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に、複数のトルク調整要素を有する内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関において、そのトルクを調整するための要素は複数存在する。スロットル弁開度はそのようなトルク調整要素の主たるものであり、吸気バルブや排気バルブのバルブタイミング、点火時期、或いは空燃比等もトルク調整要素に含まれる。内燃機関を制御する制御装置、特に、いわゆるトルクデマンド制御によって内燃機関を制御する制御装置では、それら複数のトルク調整要素を適宜に操作することによって、内燃機関へのトルク要求に応えている。例えば、特開平８−１２１２０４号公報に開示された技術では、トルクの低減要求があった場合、全負荷域では吸排気バルブのバルブタイミングを出力が低下する位置に設定し、部分負荷域では残留ガス分を低下する方向に設定するようにしている。
特開平８−１２１２０４号公報 特開２００２−１８８４９１号公報 特開平４−２５２８３８号公報

ところで、内燃機関が有するトルク調整要素の多くは、その操作がトルク以外の内燃機関の出力、例えば排気温度や排気エミッション等にも影響する。このため、トルク要求のみに基づいてトルク調整要素の操作を行ったのでは、内燃機関全体としての性能を低下させてしまうことになりかねない。このことはトルクの低減要求があった場合にも当てはまることである。特に、燃料カットの前後のような小トルク領域はトルクの制御性自体にも困難さがあるので、トルクの低減要求に応じて使用するトルク調整要素には、内燃機関全体としての性能を維持しつつ小トルク領域でも高いトルク制御性を得られるものであることが求められる。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、内燃機関全体として性能を維持しつつ小トルク領域でのトルクの制御性を向上させた内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置において、
前記内燃機関へのトルク要求を取得するトルク要求取得手段と、
前記内燃機関の排気通路に配置される排気浄化触媒の温度を取得する触媒温度取得手段と、
排気バルブの開きタイミングの進角によって排気温度を高めながらトルクを低減させる第１のトルク低減手段と、
空燃比のリッチ化と点火時期の遅角との組み合わせによって排気温度を下げながらトルクを低減させる第２のトルク低減手段と、
取得したトルク要求にトルクの低減要求が含まれる場合には、取得した触媒温度に応じて前記第１のトルク低減手段と前記第２のトルク低減手段の少なくも一方を選択し、選択したトルク低減手段を操作してトルクを制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、取得した触媒温度が所定の下限温度よりも低い場合には、前記第１のトルク低減手段を操作してトルクを制御することを特徴としている。

第２の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置において、
前記内燃機関へのトルク要求を取得するトルク要求取得手段と、
前記内燃機関の排気通路に配置される排気浄化触媒の温度を取得する触媒温度取得手段と、
排気バルブの開きタイミングの進角によって排気温度を高めながらトルクを低減させる第１のトルク低減手段と、
空燃比のリッチ化と点火時期の遅角との組み合わせによって排気温度を下げながらトルクを低減させる第２のトルク低減手段と、
取得したトルク要求にトルクの低減要求が含まれる場合には、取得した触媒温度に応じて前記第１のトルク低減手段と前記第２のトルク低減手段の少なくも一方を選択し、選択したトルク低減手段を操作してトルクを制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、取得した触媒温度が所定の上限温度よりも高い場合には、前記第２のトルク低減手段を操作してトルクを制御することを特徴とするとしている。

第３の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置において、
前記内燃機関へのトルク要求を取得するトルク要求取得手段と、
前記内燃機関の排気通路に配置される排気浄化触媒の温度を取得する触媒温度取得手段と、
排気バルブの開きタイミングの進角によって排気温度を高めながらトルクを低減させる第１のトルク低減手段と、
空燃比のリッチ化と点火時期の遅角との組み合わせによって排気温度を下げながらトルクを低減させる第２のトルク低減手段と、
取得したトルク要求にトルクの低減要求が含まれる場合には、取得した触媒温度に応じて前記第１のトルク低減手段と前記第２のトルク低減手段の少なくも一方を選択し、選択したトルク低減手段を操作してトルクを制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、取得した触媒温度が低温域にある場合には、前記第１のトルク低減手段を操作してトルクを制御し、取得した触媒温度が高温域にある場合には、前記第２のトルク低減手段を操作してトルクを制御し、取得した触媒温度が前記低温域と前記高温域との間の中温域にある場合には、前記第１のトルク低減手段と前記第２のトルク低減手段の双方を操作してトルクを制御することを特徴としている。

第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記第１のトルク低減手段は、排気バルブの開きタイミングの進角と併せて点火時期の遅角も行なうことを特徴としている。

第１、第２及び第３の発明によれば、トルクを低減させるための手段として、排気バルブの開きタイミングの進角によってトルクを低減させる第１のトルク低減手段と、空燃比のリッチ化と点火時期の遅角との組み合わせによってトルクを低減させる第２のトルク低減手段とを用いることができる。第１のトルク低減手段、第２のトルク低減手段ともに小トルク領域でのトルク制御性に優れているだけでなく、第１のトルク低減手段には排気温度を高める効果があり、逆に、第２のトルク低減手段には排気温度を下げる効果がある。公知のように、排気温度は排気浄化触媒の浄化性能に影響する。したがって、第１、第２及び第３の発明によれば、触媒温度に応じて第１、第２のトルク低減手段を適宜に選択して操作することで、排気浄化触媒の浄化性能を高く維持したまま、高いトルク制御性をもってトルクの低減要求に応えることができる。

特に第１の発明によれば、触媒温度が下限温度よりも低い場合には、排気バルブの開きタイミングを進角することによって、トルクを低減しつつ排気温度を高めて触媒温度を早期に上昇させることができる。

特に第２の発明によれば、触媒温度が上限温度よりも高い場合には、空燃比のリッチ化と点火時期の遅角とを組み合わせることによって、トルクを低減しつつ排気温度を下げて排気浄化触媒の過熱を防止することができる。

特に第３の発明によれば、触媒温度が低温域にある場合には、排気バルブの開きタイミングの進角によって排気温度を高め、それにより触媒温度を早期に上昇させることができる。逆に、触媒温度が高温域にある場合には、空燃比のリッチ化と点火時期の遅角との組み合わせによって排気温度を下げ、それにより排気浄化触媒の過熱を防止することができる。そして、触媒温度が中温域にある場合には、排気バルブの開きタイミングの進角によるトルク低減方法と、空燃比のリッチ化と点火時期の遅角との組み合わせによるトルク低減方法とを併用することで、要求どおりにトルクを低減しつつ排気温度を好適な範囲に維持することができる。

第４の発明によれば、排気バルブの開きタイミングの進角と併せて点火時期の遅角も行なうことで、より高いトルクの低減効果と排気温度の昇温効果とを得ることができる。

本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は本発明の実施の形態としての内燃機関の制御装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態にかかる内燃機関は火花点火式の内燃機関であり、そのトルクを調整するためのアクチュエータとして、少なくともスロットル弁２、排気バルブタイミング可変装置（以下、排気ＶＶＴ）４、点火装置６及び燃料噴射装置８を備えている。これらのアクチュエータ２，４，６，８は、制御装置のトルク制御部１０からの指示に基づいて動作する。トルク制御部１０は、スロットル弁２に対してはスロットル弁開度（ＴＡ）を指示し、排気ＶＶＴ４に対しては排気バルブの開タイミング（ＥＶＯ）を指示し、点火装置６に対しては点火時期（ＳＡ）を指示し、燃料噴射装置８に対しては空燃比（Ａ／Ｆ）を指示している。

トルク制御部１０には、トルク要求取得部１２で取得されたトルク要求が供給される。トルク要求取得部１２は、アクセルペダル操作量に基づいてドライバが要求するトルクを計算している。トルク制御部１０は、供給されたトルク要求を実現すべく、そのトルク要求の内容に応じた指示によって各アクチュエータ２，４，６，８の動作を適宜に制御している。つまり、本実施の形態の制御装置は、いわゆるトルクデマンド制御によって内燃機関を制御する制御装置として構成されている。

また、トルク制御部１０には、触媒温度取得部１４で取得された排気浄化触媒の温度も供給されている。触媒温度取得部１４による触媒温度の取得方法には限定はない。排気浄化触媒の温度（触媒床温）を直接計測するのでもよいし、排気浄化触媒を通過する排気ガスの温度から計算するのでもよい。或いは、内燃機関の排気系の物理モデルや統計モデルを用いて触媒温度を推定するのでもよい。トルク制御部１０は、後述するように、供給された触媒温度をトルク制御のための情報として使用する。

本実施の形態では、トルク制御部１０によって実行されるトルク制御として、通常のトルク制御とは別に、小トルク領域でのトルク制御が用意されている。ここでいう小トルク領域とは、例えば、スロットル弁開度の調整のみでは実現できず、また、スロットル弁開度と点火時期の遅角の組み合わせによっても実現できないようなトルク領域を指している。このような小トルク領域では、後述するように、排気バルブ開タイミングか、若しくは、点火時期及び空燃比がトルク調整要素として使用される。これに対して通常のトルク制御はスロットル弁２と点火装置６とを主体とするトルク制御であって、スロットル弁開度と点火時期とが主たるトルク調整要素として使用される。

本実施の形態では、小トルク領域でのトルク制御の方法として、次に説明する２つの方法が選択可能になっている。

最初に説明するのが、排気バルブの開タイミングによってトルクを制御する方法である。図２は排気バルブの開タイミングと内燃機関の各出力パラメータとの関係を示す図である。図２に示すように、排気バルブの開タイミングを進角するにつれて内燃機関のトルクは低下していく。これは、排気バルブが膨張行程の途中で開くことになるため、筒内の燃焼ガスの仕事が軸トルクに変換されなくなるからである。結果、トルクが低下した分だけ排気温度は上昇することになる。また、排気バルブが早開きする分、膨張行程で生成されるＮＯｘの量は減少することになり、結果、内燃機関から排出されるＮＯｘは低減されることになる。

排気バルブの開タイミングの進角によれば、内燃機関のトルクを大きく低下させることができることに加えて、その副次的な効果として、排気温度を上昇させることができ、また、ＮＯｘ排出量を低減することができる。トルクの制御性に関してさらに言えば、排気バルブの開タイミングによるトルク制御は、点火装置６による着火後にトルクを制御できる点が有利である。これによれば、安定した燃焼状態を確保することができるので、極小トルク領域であってもトルクの制御性を担保することができる。

なお、図２中に示すオーバーラップの有無は、排気バルブと吸気バルブとの間のバルブオーバーラップの有無を示している。排気ＶＶＴ４を操作することで、排気バルブの開タイミングと同時に閉タイミングも連動して変化する。排気バルブの閉タイミングが遅角されると、やがて、吸気バルブとの間で開期間がオーバーラップするようになる。バルブオーバーラップが生じた場合には、その期間に応じてトルク、排気温度及びＮＯｘ排出量が変化することになる。図２に示すように、バルブオーバーラップによってもトルクの低減は可能であるが、トルクの低減効果を含めたトルクの制御性は排気バルブの開タイミングのほうが優れている。

次に説明するのが、空燃比のリッチ化と点火時期の遅角との組み合わせによってトルクを制御する方法である。図３は空燃比（Ａ／Ｆ）と点火時期−トルク特性との関係を示す図である。図３に示すように、同一の点火時期で比較した場合には、空燃比をリッチ化することによってトルクも増大することになる。しかし、空燃比のリッチ化には燃焼状態を安定させて燃焼限界を高める効果がある。このため、空燃比をリッチ化することでストイキの場合よりも点火時期を大きく遅角させることが可能となり、結果、図３に示すようにトルクを更に低下させることができるようになる。

空燃比のリッチ化と点火時期の遅角との組み合わせによれば、内燃機関のトルクを大きく低下させることができ、小トルク領域でのトルクの制御性を担保することができる。また、空燃比のリッチ化によれば、その副次的な効果として排気温度を低下させることができる。図４は空燃比と触媒温度との関係を示す図である。空燃比をリッチ化すると未燃燃料の割合が増大することになり、その気化潜熱の効果によって排気温度は低下することになる。

以上のように、排気バルブの開タイミングの進角による方法と、空燃比のリッチ化と点火時期の遅角との組み合わせによる方法の何れの方法でも、小トルク領域において高いトルク制御性を得ることができる。前者による方法には排気温度を高める効果があるのに対し、後者の方法には排気温度を下げる効果がある。つまり、排気温度に与える影響に関しては、前者と後者とで全く逆の効果を得ることができる。

ここで、内燃機関全体の性能と排気温度との関係に着目すると、排気温度は排気浄化触媒の浄化性能に大きく影響する。排気温度が低い場合には、排気浄化触媒が活性化しないために十分な排気浄化性能を得ることができない可能性がある。一方、排気温度が高い場合には、過熱によって排気浄化触媒が劣化してしまう可能性がある。排気ガス性能は内燃機関に要求される各種性能の中でも特に重要な性能であり、それには排気浄化触媒の浄化性能が大いに寄与している。したがって、小トルク領域におけるトルクの制御性能を得ることも重要であるが、それによる排気温度の変化によって排気浄化性能が低下しないようにすることも重要である。望ましくは、トルクの制御性能のみならず、排気浄化性能も向上させるようにしたい。

そこで、本実施の形態では、以下に説明するように、触媒温度取得部１４で取得された触媒温度に応じて小トルク領域でのトルク制御の方法を切り替えるようにした。図５は本発明の実施の形態においてトルク制御部１０により実行されるトルク制御のルーチンを示すフローチャートである。

図５に示すルーチンの最初のステップＳ２では、トルク要求取得部１２で取得されたトルク要求にトルクの低減要求が含まれているかどうか判定される。ここでいうトルクの低減要求は、スロットル弁開度の調整のみでは実現することができず、スロットル弁開度と点火時期の遅角の組み合わせによっても実現できないようなトルク領域までトルクを低減させる要求である。このようなトルクの低減要求が取得されるのは、例えば、燃料カットの実行直前や燃料カットからの復帰直後である。

トルクの低減要求が無い場合には、ステップＳ１０に進む。ステップＳ１０では、スロットル弁開度と点火時期とを主たるトルク調整要素とした通常のトルク制御が行われる。

一方、トルクの低減要求が有る場合には、続いてステップＳ４の判定が行われる。ステップＳ４では、触媒温度取得部１４で取得された触媒温度が所定値以上かどうか判定される。

触媒温度が所定値以上であれば、ステップＳ６に進む。ステップＳ６では、空燃比のリッチ化と点火時期の遅角との組み合わせによるトルク制御が行われる。もちろん、この場合もスロットル弁２による吸入空気量の制御は行なわれていて、スロットル弁開度は可能なかぎり絞られている。つまり、この場合もベースとなるトルクの制御はやはりスロットル弁開度であり、さらなるトルクの低減のために空燃比のリッチ化と点火時期の遅角との組み合わせによるトルク制御が行なわれている。

ステップＳ６のトルク制御によれば、小トルク領域において高いトルク制御性を得ることができると同時に、排気温度を下げて排気浄化触媒の過熱を防止することができる。また、燃料カットからの復帰直後であれば、未燃燃料の供給によって排気浄化触媒からの酸素の脱離が促されることから、ＮＯｘ浄化性能の早期回復も可能になる。

ステップＳ４の判定で触媒温度が所定値未満の場合には、ステップＳ８に進む。触媒温度が低下する状況としては、例えば、燃料カットが長時間継続されたときである。長時間の燃料カットからの復帰時には、ステップＳ８のトルク制御が行われる。ステップＳ８で行われるトルク制御は、排気バルブの開きタイミングの進角によるトルク制御である。もちろん、この場合もスロットル弁２による吸入空気量の制御は行なわれていて、スロットル弁開度は可能なかぎり絞られている。つまり、この場合もベースとなるトルクの制御はやはりスロットル弁開度であり、さらなるトルクの低減のために排気バルブの開きタイミングの進角によるトルク制御が行なわれている。

ステップＳ６のトルク制御によれば、小トルク領域において高いトルク制御性を得ることができると同時に、排気温度を高めて排気浄化触媒の暖機を促進することができる。また、排気浄化触媒の活性度が低い状態での内燃機関からのＮＯｘの排出を抑えることもできる。

以上説明したルーチンを実行することで、排気バルブの開きタイミングの進角によるトルク制御と、空燃比のリッチ化と点火時期の遅角との組み合わせによるトルク制御とを触媒温度に応じて適宜に切り替えることができる。これにより、本実施の形態の制御装置によれば、排気浄化触媒の浄化性能を高く維持したまま、高いトルク制御性をもってトルクの低減要求に応えることが可能となった。

なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、触媒温度が所定値未満の場合のトルクの制御方法として、排気バルブの開きタイミングの進角と併せて点火時期の遅角を行なうようにしてもよい。そうすることで、より高いトルクの低減効果と排気温度の昇温効果とを得ることができる。

また、触媒温度が所定値以上かどうかでトルク制御の方法を切り替えるのではなく、温度域を３つに分けて温度域毎にトルク制御の方法を切り替えるのでもよい。この場合、触媒温度が高温域にある場合には、空燃比のリッチ化と点火時期の遅角との組み合わせによるトルク制御を選択する。また、触媒温度が低温域にある場合には、排気バルブの開きタイミングの進角によるトルク制御、若しくは、排気バルブの開きタイミングの進角と点火時期の遅角とによるトルク制御を選択する。そして、触媒温度が低温域と高温域との間の中温域にある場合には、排気バルブの開きタイミングの進角によるトルク低減方法と、空燃比のリッチ化と点火時期の遅角との組み合わせによるトルク低減方法とを併用してトルク制御を行う。このように３つの温度域に分けてトルク制御の方法を切り替えることで、要求どおりにトルクを低減しつつ排気温度を好適な範囲に維持することが可能になる。

本発明の実施の形態としての内燃機関の制御装置の構成を示すブロック図である。 排気バルブの開タイミングと内燃機関の各出力パラメータとの関係を示す図である。 空燃比と点火時期−トルク特性との関係を示す図である。 空燃比と触媒温度との関係を示す図である。 本発明の実施の形態において実行されるトルク制御のルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

２ スロットル弁
４ 排気ＶＶＴ
６ 点火装置
８ 燃料噴射装置
１０ トルク制御部
１２ トルク要求取得部
１４ 触媒温度取得部

Claims (4)

1. 内燃機関の制御装置において、
   前記内燃機関へのトルク要求を取得するトルク要求取得手段と、
   前記内燃機関の排気通路に配置される排気浄化触媒の温度を取得する触媒温度取得手段と、
   排気バルブの開きタイミングの進角によって排気温度を高めながらトルクを低減させる第１のトルク低減手段と、
   空燃比のリッチ化と点火時期の遅角との組み合わせによって排気温度を下げながらトルクを低減させる第２のトルク低減手段と、
   取得したトルク要求にトルクの低減要求が含まれる場合には、取得した触媒温度に応じて前記第１のトルク低減手段と前記第２のトルク低減手段の少なくも一方を選択し、選択したトルク低減手段を操作してトルクを制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、取得した触媒温度が所定の下限温度よりも低い場合には、前記第１のトルク低減手段を操作してトルクを制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 内燃機関の制御装置において、
   前記内燃機関へのトルク要求を取得するトルク要求取得手段と、
   前記内燃機関の排気通路に配置される排気浄化触媒の温度を取得する触媒温度取得手段と、
   排気バルブの開きタイミングの進角によって排気温度を高めながらトルクを低減させる第１のトルク低減手段と、
   空燃比のリッチ化と点火時期の遅角との組み合わせによって排気温度を下げながらトルクを低減させる第２のトルク低減手段と、
   取得したトルク要求にトルクの低減要求が含まれる場合には、取得した触媒温度に応じて前記第１のトルク低減手段と前記第２のトルク低減手段の少なくも一方を選択し、選択したトルク低減手段を操作してトルクを制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、取得した触媒温度が所定の上限温度よりも高い場合には、前記第２のトルク低減手段を操作してトルクを制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
3. 内燃機関の制御装置において、
   前記内燃機関へのトルク要求を取得するトルク要求取得手段と、
   前記内燃機関の排気通路に配置される排気浄化触媒の温度を取得する触媒温度取得手段と、
   排気バルブの開きタイミングの進角によって排気温度を高めながらトルクを低減させる第１のトルク低減手段と、
   空燃比のリッチ化と点火時期の遅角との組み合わせによって排気温度を下げながらトルクを低減させる第２のトルク低減手段と、
   取得したトルク要求にトルクの低減要求が含まれる場合には、取得した触媒温度に応じて前記第１のトルク低減手段と前記第２のトルク低減手段の少なくも一方を選択し、選択したトルク低減手段を操作してトルクを制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、取得した触媒温度が低温域にある場合には、前記第１のトルク低減手段を操作してトルクを制御し、取得した触媒温度が高温域にある場合には、前記第２のトルク低減手段を操作してトルクを制御し、取得した触媒温度が前記低温域と前記高温域との間の中温域にある場合には、前記第１のトルク低減手段と前記第２のトルク低減手段の双方を操作してトルクを制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
4. 前記第１のトルク低減手段は、排気バルブの開きタイミングの進角と併せて点火時期の遅角も行なうことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。

Images