JP6544363B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に関する。

特開２０１３−７２３４２号公報には、排気系から吸気系に排気の一部を外部ＥＧＲガスとして再循環させるエンジンを制御する内燃機関の制御装置が開示されている。この従来の制御装置では、エンジン回転速度および負荷で定められる運転領域と、外部ＥＧＲガスの目標量（以下、「目標ＥＧＲ量」ともいう。）と、の関係を定めたマップに基づいて、ＥＧＲバルブの開度が制御される。このマップでは、目標ＥＧＲ量の等高線によって運転領域が区分けされている。このマップによると、中回転速度・中負荷域を含む区域において目標ＥＧＲ量が最大となり、この区域から周辺の区域に向かうほど目標ＥＧＲ量が減少している。

特開２０１３−７２３４２号公報

上述したマップの目標ＥＧＲ量は、事前の実験またはシミュレーションによって求められたものである。そのため、上述したマップによれば、目標ＥＧＲ量が同一の区域にエンジンの運転状態が留まる定常運転時において、実際の外部ＥＧＲガス量（以下、「実ＥＧＲ量」ともいう。）を最適値に保つことができる。一方、目標ＥＧＲ量の等高線を跨ぐようにエンジンの運転状態が移行する過渡運転時においては、時間遅れの影響が大きくなる。時間遅れの影響が大きくなると、例えば、目標ＥＧＲ量の低い区域から高い区域にエンジンの運転状態が移行する場合に、目標ＥＧＲ量に対して実ＥＧＲ量が不足する期間が生じ、その期間にノッキングが起こり易くなる。従って、このような過渡運転時のノッキング対策が望まれる。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものである。即ち、外部ＥＧＲガスの目標量とエンジンの運転領域との関係を規定したマップに基づいてＥＧＲバルブの開度を制御する場合において、当該目標量の低い区域から高い区域にエンジンの運転状態が移行するときのノッキング対策を講じることを目的とする。

第１の発明は、上述した課題を解決するため、排気系から吸気系に排気の一部を外部ＥＧＲガスとして再循環させるエンジンを制御する内燃機関の制御装置であって、
エンジン回転速度および負荷で定められる運転領域と、外部ＥＧＲ率の目標値との関係を規定したＥＧＲマップであって、前記目標値が最大となる所定区域が設定されているＥＧＲマップと、
前記運転領域と、前記エンジンの吸気バルブを駆動する吸気カムの作用角との関係を規定した作用角マップであって、前記所定区域に相当する領域を含む第１領域においては、吸入効率が最も高くなるクランク角を含む第１クランク角区間において前記吸気バルブを閉じることが可能な大作用角を選択し、前記第１領域よりもエンジン負荷の高い第２領域においては、前記第１クランク角区間よりも下死点側に位置する第２クランク角区間において前記吸気バルブを閉じることが可能な小作用角を選択するように設定されている作用角マップと、を備え、
前記ＥＧＲマップにおける前記目標値の等しい区域に前記エンジンの運転状態が留まると予測した場合は前記作用角マップに従って前記作用角を選択し、
前記ＥＧＲマップにおける前記目標値の低い区域から高い区域に前記エンジンの運転状態が移行すると予測した場合、前記第１領域と前記第２領域の境界を低負荷方向に変更してから、前記作用角マップに従って前記作用角の選択を行うことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、
前記ＥＧＲマップにおける前記目標値の低い区域から高い区域に前記エンジンの運転状態が移行すると予測した場合において、エンジン回転速度および負荷が上昇する方向に前記エンジンの運転状態が移行しているときは、前記エンジンのアクセル開度の正の変化率が大きいほど前記境界の変更の度合いを大きくし、エンジン回転速度および負荷が低下する方向に前記エンジンの運転状態が移行しているときは、前記アクセル開度の負の変化率が大きいほど前記境界の変更の度合いを大きくすることを特徴とする。

第３の発明は、第１の発明において、
前記ＥＧＲマップにおける前記目標値の低い区域から高い区域に前記エンジンの運転状態が移行すると予測した場合において、前記ＥＧＲマップに従って設定された前記目標値の変更時点から、実際の外部ＥＧＲ率の上昇開始時点までの時間間隔を算出し、前記時間間隔が大きいほど前記境界の変更の度合いを大きくすることを特徴とする。

第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
前記エンジンがコンプレッサとタービンとを有するターボ過給機を備え、前記タービンの下流から前記コンプレッサの上流に外部ＥＧＲガスを再循環させることを特徴とする。

第１の発明によれば、ＥＧＲマップにおける外部ＥＧＲ率の目標値の低い区域から高い区域にエンジンの運転状態が移行することが予測された場合に、作用角マップにおける第１領域と第２領域の境界を低負荷方向に変更してから、当該作用角マップに従って作用角を選択することができる。そのため、外部ＥＧＲ率の目標値が上昇する場合において、この目標値に対して実際の外部ＥＧＲ率が不足する期間に、小作用角を選択することが可能となる。小作用角を選択すれば第２クランク角区間で吸気バルブを閉じることができるので、大作用角を選択して吸入効率が最も高くなるクランク角を含む第１クランク角区間で吸気バルブを閉じる場合に比べて吸入効率を下げることができる。従って、目標ＥＧＲ率に対して実ＥＧＲ率が不足する期間における筒内状態を改善して、ノッキングが起こり易い状況を回避することができる。また、第２クランク角区間は第１クランク角よりも下死点側に位置するので、吸気バルブの開弁中に筒内から吸気ポートに戻されるガス量を減らして、筒内のガスの温度の上昇を抑えることもできる。従って、小作用角を選択したにも関わらず、大作用角を選択した場合に比べて吸入効率が下がらないような場合であっても、ノッキングが起こり易い状況を回避することができる。

第２の発明によれば、第１領域と第２領域の境界の変更の度合いを、アクセル開度の変化率に応じて変えることができる。従って、外部ＥＧＲ率の目標値に対して実際の外部ＥＧＲ率が不足する期間における筒内状態を、時間遅れの影響の程度に応じて改善して、ノッキングが起こり易い状況を回避することができる。

第３の発明によれば、ＥＧＲマップに従って設定された外部ＥＧＲ率の目標値の変更時点から、外部ＥＧＲ率の実際の値の上昇開始時点までの時間遅れを直接的に算出して、当該時間遅れが大きくなるほど第１領域と第２領域の境界の変更の度合いを大きくすることができる。従って、外部ＥＧＲ率の目標値に対して実際の外部ＥＧＲ率が不足する期間における筒内状態を改善して、ノッキングが起こり易い状況を回避することができる。

第４の発明によれば、ＬＰＬ−ＥＧＲ装置を備える内燃機関の外部ＥＧＲ率の目標値に対して実際の外部ＥＧＲ率が不足する期間における筒内状態を改善して、ノッキングが起こり易い状況を回避することができる。

本発明の実施の形態１に係るシステムの構成例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るシステムが備える２種類の吸気カムのカムプロフィールの一例を説明する図である。 エンジンの運転領域と目標ＥＧＲ率の関係の一例を示す図である。 エンジンの運転領域と、吸気バルブを駆動するカムとの関係の一例を示す図である。 吸気バルブの閉じ時期の一例を説明する図である。 過渡運転（加速運転）の一例を示した図である。 本発明の実施の形態１における切り替え境界の変更手法を説明する図である。 図６に示した運転点がＰＡからＰＢへと移る場合における、アクセル開度、エンジン負荷および外部ＥＧＲ率の推移と、駆動カムとの関係を説明する図である。 過渡運転（減速運転）の一例を示した図である。 本発明の実施の形態２における切り替え境界の変更手法を説明する図である。 図１０に示した運転点がＰＢからＰＡへと移る場合における、アクセル開度、エンジン負荷および外部ＥＧＲ率の推移と、駆動カムとの関係を説明する図である。 加速運転中におけるアクセル開度の変化率および外部ＥＧＲ率の推移を説明する図である。 減速運転中におけるアクセル開度の変化率および外部ＥＧＲ率の推移を説明する図である。 本発明の実施の形態３における切り替え境界の調整手法を説明する図である。 本発明の実施の形態４における切り替え境界の調整手法を説明する図である。 本発明を適用可能な３種類の内燃機関における、吸気温度および筒内圧が最も高くなるクランク角（最大筒内圧発生時期）と、外部ＥＧＲ率との関係を示した図である。 本発明の実施の形態１や２で説明した手法が適用可能な運転点の移行例を説明する図である。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
先ず、本発明の実施の形態１について図１乃至図８を参照しながら説明する。

［システム構成例の説明］
図１は、本発明の実施の形態１に係るシステムの構成例を示す図である。図１に示すシステムは、車両に搭載される内燃機関のシステムである。図１に示すシステムは、駆動源としての内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は、４ストローク型のレシプロエンジンであり、直列３気筒型のエンジンでもある。なお、内燃機関１０の気筒数および気筒配列は特に限定されない。内燃機関１０の各気筒には、吸気管１２および排気管１４が連通している。

先ず、内燃機関１０の吸気系について説明する。吸気管１２の入口近傍には、エアクリーナ１６が取り付けられている。エアクリーナ１６の下流には、ターボ過給機１８のコンプレッサ１８ａが設けられている。コンプレッサ１８ａは、排気管１４に設けられたタービン１８ｂの回転により駆動して、吸気を圧縮する。コンプレッサ１８ａの下流には、電子制御式のスロットルバルブ２０が設けられている。スロットルバルブ２０の下流には、各気筒の吸気ポートに接続される吸気マニホールド２２が設けられている。吸気マニホールド２２には、水冷式のインタークーラ２４が内蔵されている。インタークーラ２４に流入した吸気は、冷却管２６を流れる冷却水との熱交換によって冷却される。

次に、内燃機関１０の排気系について説明する。排気管１４には、ターボ過給機１８のタービン１８ｂが取り付けられている。タービン１８ｂはコンプレッサ１８ａと連結されている。排気管１４を流れる排気のエネルギによりタービン１８ｂが回転する。排気管１４の途中には、タービン１８ｂを迂回するバイパス管２８が設けられている。バイパス管２８には、ＷＧＶ（ウェイストゲートバルブ）３０が設けられている。ＷＧＶ３０は、タービン１８ｂよりも上流側の排気管圧（背圧）が規定値よりも高くなると開かれる。ＷＧＶ３０が開かれると、タービン１８ｂの上流を流れる排気の一部がバイパス管２８を経由してタービン１８ｂの下流に流入する。タービン１８ｂの下流には、排気を浄化するための触媒３２，３４が備えられている。

次に、内燃機関１０のＥＧＲ系について説明する。内燃機関１０は、ＬＰＬ−ＥＧＲ（低圧ループ−ＥＧＲ）装置３６を備えている。ＬＰＬ−ＥＧＲ装置３６は、触媒３２，３４の間の排気管１４と、コンプレッサ１８ａよりも上流側の吸気管１２とを接続するＥＧＲ管３８を備えている。ＥＧＲ管３８の途中には、水冷式のＥＧＲクーラ４０が設けられている。ＥＧＲクーラ４０に流入した排気（即ち、外部ＥＧＲガス）は、冷却管４２を流れる冷却水との熱交換によって冷却される。ＥＧＲクーラ４０の下流には、電子制御式のＥＧＲバルブ４４が設けられている。ＥＧＲバルブ４４の開度を変更すると、ＥＧＲ管３８から吸気管１２に流入する外部ＥＧＲガスの流量が変化する。ＥＧＲバルブ４４の開度が大きくなると、外部ＥＧＲ率が高くなる。

次に、内燃機関１０の動弁系について説明する。図２は、本発明の実施の形態１に係るシステムが備える２種類の吸気カムのカムプロフィール（リフト量および作用角の少なくとも一方を意味する。以下同じ。）の一例を説明する図である。図２に示すように、本実施の形態１に係るシステムは、２種類の吸気カムとして大カムと小カムを備えている。小カムは、大カムよりも小さい作用角とリフト量を有している。大カムと小カムは、クランクシャフトと同期して回転するカムシャフトに担持されている。また、大カムと小カムは、１気筒あたり２組担持されている。この理由は、１気筒あたり２つの吸気バルブが配設されているためである。但し、本発明における１気筒あたりの吸気バルブの数は１つでもよいし、３つ以上でもよい。大カムと小カムは、吸気バルブを駆動する吸気カム（以下、「駆動カム」ともいう。）として、切り替えて使用される。駆動カムの切り替えは、カム切り換え機構の切り替え動作によって行われる。

大カムと小カムを担持するカムシャフトには、ＶＶＴ（可変バルブタイミング機構）が設けられている。ＶＶＴは、クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相差を変更することによって、吸気バルブの開弁特性を変更する機構である。ＶＶＴは、タイミングチェーン等を介してクランクシャフトと連結されたハウジングと、ハウジング内に設けられてカムシャフトの端部に取り付けられたベーン体と、を備えている。ハウジングとベーン体とによって区画された油圧室内に油圧を供給することで、ベーン体をハウジングに対して相対回転させ、ひいては、クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相差を変更することができる。ＶＶＴに供給する油圧の制御は、油圧供給ラインに設けた油圧制御弁によって行われる。ＶＶＴの仕組みは公知であり、また、本発明においてその構成に限定はないので、ＶＶＴに関するこれ以上の説明は省略する。

図１に戻り、システムの構成例の説明を続ける。図１に示すシステムは、制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０は、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）等を備えている。ＥＣＵ５０は、車両に搭載された各種センサの信号を取り込み処理する。各種センサには、エアフローメータ５２、クランク角センサ５４、アクセル開度センサ５６および過給圧センサ５８が含まれる。エアフローメータ５２は、エアクリーナ１６の近傍に設けられて吸入空気量を検出する。クランク角センサ５４は、クランクシャフトの回転角度に応じた信号を出力する。アクセル開度センサ５６は、ドライバによるアクセルペダルの踏み込み量を検出する。過給圧センサ５８は、スロットルバルブ２０よりも上流側の吸気管圧（過給圧）を検出する。ＥＣＵ５０は、取り込んだ各種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種アクチュエータを操作する。各種アクチュエータには、上述したスロットルバルブ２０およびＷＧＶ３０が含まれる。また、各種アクチュエータには、ＶＶＴ６０およびカム切り替え機構６２も含まれる。

［実施の形態１の制御の特徴］
図３は、エンジンの運転領域と目標ＥＧＲ率の関係の一例を示す図である。図３の関係は、事前のシミュレーションに基づいて作成されたものである。なお、目標ＥＧＲ率とは、外部ＥＧＲガス量を吸入空気量で除した値の目標値を意味し、上述した目標ＥＧＲ量を吸入空気量で除した値と言うこともできる。図３に示す等高線で区分けされているように、目標ＥＧＲ率は、中回転速度・中負荷域を含む区域において最も高い値に設定されている。これは、使用頻度が特に高い中回転速度・中負荷域の外部ＥＧＲ率を高めて吸気温度を下げ、熱効率を向上させるためである。また、目標ＥＧＲ率は、使用頻度が相対的に低い運転領域ほど低い値に設定されている。具体的に、高負荷域や低負荷域を含む区域では、中負荷域を含む区域に比べて目標ＥＧＲ率が低い値に設定されている。同様に、高回転速度域や低回転速度域を含む区域では、中回転速度域を含む区域に比べて目標ＥＧＲ率が低い値に設定されている。本実施の形態１では、図３に示した関係がマップとしてＥＣＵのＲＯＭに記憶されており、このマップに実際の運転状態を適用することによってＥＧＲバルブの開度が制御される。

また、本実施の形態１では、上述した目標ＥＧＲ率に、吸気バルブの閉じ時期を組み合わせるエンジン制御が行われる。図４は、エンジンの運転領域と、吸気バルブを駆動するカムとの関係の一例を示す図である。図４に示すように、中回転速度・中負荷域および低回転速度・低負荷域においては大カムが選択され、高回転速度・高負荷域においては小カムが選択される。本実施の形態１では、図４に示した関係がマップとしてＥＣＵのＲＯＭに記憶されており、このマップに実際の運転状態を適用することによってカム切り替え機構による切り替え動作が制御される。

図５は、吸気バルブの閉じ時期の一例を説明する図である。図５に示すように、駆動カムが大カムの場合は、下死点（ＡＢＤＣ＝０）よりも遅いクランク角区間ＣＡ_１において吸気バルブが閉じられる。一方、駆動カムが小カムの場合は、下死点を含むクランク角区間ＣＡ_２において吸気バルブが早閉じされる。図５に示すクランク角区間ＣＡ_１，ＣＡ_２に幅があるのは、ＶＶＴによって吸気バルブの閉じ時期が変更されるためである。但し、エンジン出力を向上させるため、大カムを駆動カムとする場合は、吸入効率が最大となるクランク角が含まれるようにクランク角区間ＣＡ_１が設定される。一方、リフト量の小さい小カムを駆動カムとする場合は、吸入効率が最大となるクランク角が含まれないようにクランク角区間ＣＡ_２が設定される。なお、図５に示す吸入効率は、例えば、エンジン回転速度を固定した運転条件下で求めることができる。

ところで、図３に示した関係に基づいてＥＧＲバルブの制御を行う場合は、目標ＥＧＲ率が同一の区域にエンジンの運転状態が留まる定常運転時において、実際の外部ＥＧＲ率（以下、「実ＥＧＲ率」ともいう。）を最適値に制御することができる。一方、目標ＥＧＲ率の等高線を跨いでエンジンの運転状態が移行する過渡運転時において、時間遅れの影響が大きくなる。この問題について、図６を参照しながら説明する。図６は、過渡運転の一例を示した図である。図６は、図３と図４に示した関係を１つに纏めた図に相当している。図６は加速運転の例を示しており、この例では運転点がＰＡからＰＢまでエンジンの運転状態が変化すると仮定している。運転点がＰＡからＰＢまで変化すると、運転点は区域Ｒ_２から区域Ｒ_１に移り、更に区域Ｒ_１から区域Ｒ_２を経由して区域Ｒ_３に移る。

ここで、目標ＥＧＲ率は区域Ｒ_１が最も高く、区域Ｒ_２、区域Ｒ_３、区域Ｒ_４の順に低くなる。そのため、運転点がＰＡからＰＢまで変化すると、目標ＥＧＲ率が一旦上昇し、その後、低下することになる。しかし、時間遅れが影響することで、目標ＥＧＲ率の上昇中に目標ＥＧＲ率に対して実ＥＧＲ率が不足する期間が生じる。そして、目標ＥＧＲ率に対して実ＥＧＲ率が不足すれば、高い外部ＥＧＲ率によって担保されていた熱効率が下がるだけでなく、ノッキングが起こり易くなってしまう。

そこで、本実施の形態１では、目標ＥＧＲ率が図３に示した等高線を跨いで上昇することが予測された場合に、駆動カムを切り替える運転領域の境界（以下「切り替え境界」ともいう。）を低負荷方向に変更する。図７は、本発明の実施の形態１における切り替え境界の変更手法を説明する図である。図７に示す運転点ＰＡ，ＰＢおよび区域Ｒ_１〜Ｒ_４は、図６に示した運転点ＰＡ，ＰＢおよび区域Ｒ_１〜Ｒ_４に対応している。図６と図７を比較すると分かるように、図７では切り替え境界が低負荷方向に変更されている。このような変更を行うことで、運転点が区域Ｒ_２から区域Ｒ_１に移る前に、大カムから小カムへと駆動カムが切り替えられることになる。

図５から分かるように、駆動カムが小カムの場合はクランク角区間ＣＡ _２ において吸気バルブが閉じられる。そのため、クランク角区間ＣＡ _１ において吸気バルブが閉じられる場合、つまり、駆動カムが大カムの場合に比べて、吸入効率が低くなることが多くなる。そのため、運転点が区域Ｒ_２から区域Ｒ_１に移る前に駆動カムを小カムに切り替えておけば、多くの場合において吸入効率を下げることができる。従って、多くの場合において、目標ＥＧＲ率に対して実ＥＧＲ率が不足する期間における筒内状態を改善して、ノッキングが起こり易い状況を回避することができる。

また、図５から分かるように、クランク角区間ＣＡ_１はクランク角区間ＣＡ_２よりも下死点側に位置している。そのため、吸気バルブの開弁中に吸気ポートから筒内に吸入された後、ピストンの上昇に伴って再び吸気ポートへと戻されるガス量を減らすことができる。吸気バルブの開弁中に筒内から吸気ポートに戻されるガス量が増えると、吸気ポートの温度が上昇する。吸気ポートの温度が上昇すれば、吸気ポート内のガスの温度が上昇するので、結果として筒内のガスの温度が上昇する。この点、運転点が区域Ｒ_２から区域Ｒ_１に移る前に駆動カムを小カムに切り替えておけば、吸気バルブの閉じ時期を下死点側に近付けることができる。よって、吸気バルブの開弁中に筒内から吸気ポートに戻されるガス量を減らして、筒内のガスの温度の上昇を抑えることができる。よって、仮に、上述した吸入効率の低下が十分でない場合であったとしても、目標ＥＧＲ率に対して実ＥＧＲ率が不足する期間における筒内状態を改善して、ノッキングが起こり易い状況を回避することができる。

図８は、図６に示した運転点がＰＡからＰＢへと移る場合における、アクセル開度、エンジン負荷および外部ＥＧＲ率の推移と、駆動カムとの関係を説明する図である。図８に示すように、アクセル開度が時刻ｔ_１から増加し始める。また、アクセル開度の増加に伴い、エンジン負荷がＬＡからＬＢへと上昇する。なお、図８に示す負荷ＬＡは、図６に示した運転点ＰＡにおけるエンジン負荷を表し、負荷ＬＢは、図６に示した運転点ＰＢにおけるエンジン負荷を表している。

目標ＥＧＲ率は図３に示した関係に従うことから、時刻ｔ_１以降のエンジン負荷の上昇に伴い、目標ＥＧＲ率が上昇する。また、目標ＥＧＲ率の上昇に伴ってＥＧＲバルブの開度が大きくされるので、実ＥＧＲ率も上昇する。但し、実ＥＧＲ率は時刻ｔ_１よりも後に上昇し始める。これは、上述した時間遅れが影響している。なお、目標ＥＧＲ率が最大値に到達した後に減少に転じているのは、運転点が図６に示した区域Ｒ_１から区域Ｒ_２に移ったためである。

目標ＥＧＲ率が図６に示した等高線を跨いで上昇するか否かは、時刻ｔ_１以降におけるアクセル開度の変化率に基づき、ＥＣＵにおいて予測される。例えば、ＥＣＵは、目標ＥＧＲ率の等高線の間隔に基づいて事前に設定した閾値をＲＯＭに記憶しており、この閾値とアクセル開度の変化率とを比較する。そして、時刻ｔ_１以降におけるアクセル開度の変化率が閾値を上回ると判定した場合、ＥＣＵは、目標ＥＧＲ率が図３に示した等高線を跨いで上昇すると予測する。

図８では、目標ＥＧＲ率が図３に示した等高線を跨いで上昇すると予測されている。そのため、図４に示した関係に基づき時刻ｔ_２まで駆動カムとして大カムを選択し続けた場合は、ノッキングが起こり易くなってしまう。この点、本実施の形態１では、切り替え境界を低負荷方向に変更しているので、時刻ｔ_２よりも早い時刻ｔ_３で大カムから小カムへの切り替えが行われることになる。従って、目標ＥＧＲ率に対して実ＥＧＲ率が不足する期間における筒内状態を改善して、ノッキングが起こり易い状況を回避することができる。

なお、上述した実施の形態１においては、図３に示した関係を定めたマップが第１の発明の「ＥＧＲマップ」に相当している。また、図４に示した関係を定めたマップが同発明の「作用角マップ」に相当している。また、図６に示した区域Ｒ_１が同発明の「所定区域」に相当している。また、図５で説明したクランク角区間ＣＡ_１が同発明の「第１クランク角区間」に相当している。また、クランク角区間ＣＡ_２が同発明の「第２クランク角区間」に相当している。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図９乃至図１１を参照しながら説明する。なお、本実施の形態２のシステムの基本的な構成は図１乃至図２で説明した構成例と共通する。また、エンジン制御において使用するマップは、図３乃至図４で説明した関係を定めたマップがそのまま適用される。また、吸気バルブの閉じ時期は、図５で説明したクランク角区間ＣＡ_１，ＣＡ_２がそのまま適用される。従って以下においては、実施の形態１と異なる部分に関して説明を行う。

［実施の形態２の制御の特徴］
上記実施の形態１では、過渡運転の一例として、加速運転を取り上げて説明した。しかし、過渡運転には加速運転だけでなく減速運転も含まれ、減速運転時にも上述した時間遅れの影響が大きくなる。この問題について、図９を参照しながら説明する。図９は、減速運転の例を示しており、この例では運転点がＰＢからＰＡまでエンジンの運転状態が変化すると仮定している。なお、図９に示す運転点ＰＡ，ＰＢおよび区域Ｒ_１〜Ｒ_４は、図６に示した運転点ＰＡ，ＰＢおよび区域Ｒ_１〜Ｒ_４に対応している。

図６で説明したように、目標ＥＧＲ率は区域Ｒ_１が最も高く、区域Ｒ_２、区域Ｒ_３、区域Ｒ_４の順に低くなる。そのため、運転点がＰＢからＰＡまで変化すると、目標ＥＧＲ率が一旦上昇し、その後、低下することになる。しかし、時間遅れが影響することで、目標ＥＧＲ率の上昇中に目標ＥＧＲ率に対して実ＥＧＲ率が不足する期間が生じる。よって、図６で説明した問題と同じ問題が、減速運転時にも発生する。

そこで、本実施の形態２では、上記実施の形態１と同様に、切り替え境界を低負荷方向に変更する。図１０は、本発明の実施の形態２における切り替え境界の変更手法を説明する図である。図１０に示す運転点ＰＡ，ＰＢおよび区域Ｒ_１〜Ｒ_４は、図６に示した運転点ＰＡ，ＰＢおよび区域Ｒ_１〜Ｒ_４に対応している。図９と図１０を比較すると分かるように、図１０では切り替え境界が低負荷方向に変更されている。このような変更を行うことで、運転点が区域Ｒ_２から区域Ｒ_１に移った後も、駆動カムとして小カムが選択され続けることになる。

上記実施の形態１で説明したように、駆動カムが小カムの場合は、クランク角区間ＣＡ _２ において吸気バルブが閉じられるので、駆動カムが大カムの場合に比べて吸入効率が低くなることが多くなる。また、クランク角区間ＣＡ _２ はクランク角区間ＣＡ _１ よりも下死点側に位置するので、吸気バルブの開弁中に筒内から吸気ポートに戻されるガス量を減らして、筒内のガスの温度の上昇を抑えることもできる。そのため、運転点が区域Ｒ_２から区域Ｒ_１に移った後も駆動カムとして小カムを選択し続ければ、目標ＥＧＲ率に対して実ＥＧＲ率が不足する期間における筒内状態を改善して、ノッキングが起こり易い状況を回避することができる。

図１１は、図１０に示した運転点がＰＢからＰＡへと移る場合における、アクセル開度、エンジン負荷および外部ＥＧＲ率の推移と、駆動カムとの関係を説明する図である。図１０に示すように、アクセル開度が時刻ｔ_４から減少し始める。また、アクセル開度の減少に伴い、エンジン負荷がＬＢからＬＡへと低下する。なお、図１１に示す負荷ＬＡは、図１０に示した運転点ＰＡにおけるエンジン負荷を表し、負荷ＬＢは、図１０に示した運転点ＰＢにおけるエンジン負荷を表している。

目標ＥＧＲ率は図３に示した関係に従うことから、時刻ｔ_４以降のエンジン負荷の低下に伴い、目標ＥＧＲ率が上昇する。また、目標ＥＧＲ率の上昇に伴ってＥＧＲバルブの開度が大きくされるので、実ＥＧＲ率も上昇する。但し、実ＥＧＲ率は時刻ｔ_４よりも後に上昇し始める。これは、上述した時間遅れが影響している。なお、目標ＥＧＲ率が最大値に到達した後に減少に転じているのは、運転点が図１０に示した区域Ｒ_１から区域Ｒ_２に移ったためである。

目標ＥＧＲ率が図１０に示した等高線を跨いで低下するか否かは、時刻ｔ_４以降におけるアクセル開度の変化率に基づき、ＥＣＵにおいて予測される。この予測手法の例については、上記実施の形態１で説明した例が挙げられる。

図１１では、目標ＥＧＲ率が図３に示した等高線を跨いで低下すると予測されている。そのため、図４に示した関係に基づき時刻ｔ_５で小カムから大カムへの切り替えが行われた場合には、ノッキングが起こり易くなってしまう。この点、本実施の形態２では、切り替え境界を低負荷方向に変更しているので、時刻ｔ_５よりも遅い時刻ｔ_６まで大カムへの切り替えが待機されることになる。従って、目標ＥＧＲ率に対して実ＥＧＲ率が不足する期間における筒内状態を改善して、ノッキングが起こり易い状況を回避することができる。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について図１２乃至図１４を参照しながら説明する。

［実施の形態３の制御の特徴］
上記実施の形態１では、目標ＥＧＲ率が図３に示した等高線を跨いで上昇することが予測された場合に、切り替え境界を低負荷方向に変更した。上記実施の形態２では、目標ＥＧＲ率が図３に示した等高線を跨いで低下することが予測された場合に、切り替え境界を低負荷方向に変更した。本実施の形態３では、上記実施の形態１または２で説明した切り替え境界の変更に際し、過渡運転中のアクセル開度の変化率を考慮する。

図１２は、加速運転中におけるアクセル開度の変化率および外部ＥＧＲ率の推移を説明する図である。図１２の１段目には、加速運転中のアクセル開度の変化率として３つの例が示され、これらの例に対応する外部ＥＧＲ率が同図の２段目〜４段目に示されている。図１２の２段目に示すように、アクセル開度の変化率（正の変化率）が大きい場合は、目標ＥＧＲ率および実ＥＧＲ率が短時間で変化する。また、図１２の３，４段目に示すように、アクセル開度の正の変化率が小さくなるほど、これらのＥＧＲ率の変化が緩やかになる。つまり、アクセル開度の正の変化率が小さくなるほど、目標ＥＧＲ率と実ＥＧＲ率の乖離が小さくなり、上述した時間遅れの影響が弱くなる。

図１３は、減速運転中におけるアクセル開度の変化率および外部ＥＧＲ率の推移を説明する図である。図１３の１段目には、減速運転中のアクセル開度の変化率として３つの例が示され、これらの例に対応する外部ＥＧＲ率が同図の２段目〜４段目に示されている。図１３の２段目に示すように、アクセル開度の変化率（負の変化率）が大きい場合は、目標ＥＧＲ率および実ＥＧＲ率が短時間で変化する。また、図１３の３，４段目に示すように、アクセル開度の負の変化率が小さくなるほど、これらのＥＧＲ率の変化が緩やかになる。つまり、アクセル開度の負の変化率が小さくなるほど、目標ＥＧＲ率と実ＥＧＲ率の乖離が小さくなり、上述した時間遅れの影響が弱くなる。

そこで、本実施の形態３では、過渡運転中のアクセル開度の正または負の変化率に応じて、切り替え境界の位置を調整する。図１４は、本発明の実施の形態３における切り替え境界の調整手法を説明する図である。図１４に示すように、アクセル開度の変化率が正の値となる加速運転中においては、正の変化率が大きくなるほど切り替え境界の負荷を低い値に設定する。つまり、加速運転中は、正の変化率が大きくなるほど、切り替え境界の変更の度合いを大きくする。また、アクセル開度の変化率が負の値となる減速運転中においては、負の変化率が大きくなるほど切り替え境界の負荷を低い値に設定する。つまり、減速運転中は、負の変化率が大きくなるほど、切り替え境界の変更の度合いを大きくする。

本実施の形態３によれば、上述した時間遅れの影響が強い場合に、図７に示した切り替え境界をより低負荷側に調整して早くから小カムに切り替えることができる（加速運転中）。または、図１０に示した切り替え境界をより低負荷側に調整して大カムへの切り替えを遅らせることができる（減速運転中）。また、上述した時間遅れの影響が弱い場合には、図７または図１０に示した切り替え境界を定常運転時の切り替え境界に近づけることができる。何れの場合であっても、目標ＥＧＲ率に対して実ＥＧＲ率が不足する期間における筒内状態を時間遅れの影響の程度に応じて改善して、ノッキングが起こり易い状況を回避することができる。なお、図１４に示すアクセル開度の変化率がゼロと等しいときの負荷の値は、図４に示した定常運転時の切り替え境界に相当している。

実施の形態４．
次に、本発明の実施の形態４について図１５を参照しながら説明する。

［実施の形態４の制御の特徴］
上記実施の形態１では、目標ＥＧＲ率が図３に示した等高線を跨いで上昇する場合に、切り替え境界を低負荷側に変更した。この理由は既に説明したように、時間遅れが影響することで、目標ＥＧＲ率に対して実ＥＧＲ率が不足する期間が生じるためである。本実施の形態４では、この時間遅れをＥＣＵにおいて予測すべく、過渡運転中の実ＥＧＲ率を算出する。実ＥＧＲ率は、例えば、吸入空気量、過給圧およびＥＧＲバルブの実際の開度に基づいて算出される。時間遅れは、過渡運転中における目標ＥＧＲ率の変更時点から、実ＥＧＲ率の上昇開始時点までの時間の間隔に相当する。そのため、過渡運転中の実ＥＧＲ率を算出して上述した時間の間隔を求めれば、実際の時間遅れΔｔを予測できる。

本実施の形態４では、予測した時間遅れΔｔに基づいて、切り替え境界の位置を調整する。図１５は、本発明の実施の形態４における切り替え境界の調整手法を説明する図である。図１５に示すように、予測した時間遅れΔｔが大きくなるほど、切り替え境界の変更の度合いを大きくする。つまり、予測した時間遅れΔｔが大きくなるほど、切り替え境界の負荷が低い値に設定される。なお、図１５に示す時間遅れΔｔがゼロと等しいときの負荷の値は、図４に示した定常運転時の切り替え境界に相当している。

以上、本実施の形態４によれば、目標ＥＧＲ率に対して実ＥＧＲ率が不足する期間における筒内状態を改善して、ノッキングが起こり易い状況を回避することができる。

その他の実施の形態．
ところで、上記実施の形態１乃至４では、内燃機関がＬＰＬ−ＥＧＲ装置を備えることを前提として説明した。しかし、ＬＰＬ−ＥＧＲ装置の代わりにＨＰＬ−ＥＧＲ（高圧ループ−ＥＧＲ）装置を内燃機関が備えていてもよい。ＬＰＬ−ＥＧＲ装置の代わりに、非過給式のＥＧＲ装置を内燃機関が備えていてもよい。ＬＰＬ−ＥＧＲ装置とＨＰＬ−ＥＧＲ装置の両方を内燃機関が備えていてもよい。但し、外部ＥＧＲ率が低下したときのノッキングの発生し易さを考慮すると、上記実施の形態１乃至４で説明した手法は、ＬＰＬ−ＥＧＲ装置を備える内燃機関に特に有効である。この理由について、図１６を参照しながら説明する。

図１６は、ＬＰＬ−ＥＧＲ装置を備える内燃機関ＬＰＬ、ＨＰＬ−ＥＧＲ装置を備える内燃機関ＨＰＬ、および、ＥＧＲ装置を備える非過給式の内燃機関ＮＡにおける、吸気温度および筒内圧が最も高くなるクランク角（最大筒内圧発生時期）と、外部ＥＧＲ率との関係を示した図である。図１６の上段に示すように、ＨＰＬおよびＮＡでは外部ＥＧＲ率が下がると吸気温度が下がり、ＬＰＬでは外部ＥＧＲ率が下がっても吸気温度は殆ど変わらない。この理由は、ＬＰＬでは排気タービンよりも下流側の比較的低温の排気を吸気系に再循環させるためである。また、図１６の下段に示すように、外部ＥＧＲ率が低下したときの最大筒内圧発生時期の変動幅は、ＨＰＬおよびＮＡにおいて小さく、ＬＰＬにおいて大きくなる。図１６の下段から分かるように、外部ＥＧＲ率が下がると最大筒内圧発生時期は進角側に移動する。つまり、ＬＰＬ，ＨＰＬ，ＮＡの何れにおいても、外部ＥＧＲ率が低下するとノッキングが起こり易くなる。但し、ＨＰＬおよびＮＡでは外部ＥＧＲ率が下がれば吸気温度が下がるので、筒内状態は多少改善される。これに対してＬＰＬでは、外部ＥＧＲ率が低下したときの最大筒内圧発生時期の変動幅が大きく、吸気温度も変わらない。そのため、ＨＰＬおよびＮＡに比べると、ＬＰＬは外部ＥＧＲ率が低下した場合にノッキングが特に起こり易い。故に、上記実施の形態１乃至４で説明した手法は、ＬＰＬ−ＥＧＲ装置を備える内燃機関に特に有効であると言える。

また、上記実施の形態１乃至４では、リフト量および作用角の小さい小カムと、リフト量および作用角の大きい大カムとを前提として説明した。しかし、図７や図１０で説明した吸入効率の低下は、小カムの作用角と小カムを駆動カムとした吸気バルブの閉じ時期に依るところが大きい。従って、小カムのリフト量が、大カムのリフト量より小さい必要はなく、大カムのリフト量と等しくてもよい。更に言えば、上記実施の形態１乃至４では、大カムから小カムに切り替えることで吸気バルブの閉じ時期を変更して吸入効率を低下させた。しかし、これらの２種類の吸気カムの代わりに、単一の吸気カムの姿勢や形状を調節することによって吸気バルブの閉じ時期を変更して吸入効率を低下させてもよい。

また、上記実施の形態１では運転点がＰＡからＰＢまで移る例を説明し、上記実施の形態２では運転点がＰＢからＰＡまで移る例を説明した。しかし、上記実施の形態１や２で説明した手法は、目標ＥＧＲ率が低い区域から高い区域に運転点が移る場合に広く適用できる。図１７は、上記実施の形態１や２で説明した手法が適用可能な運転点の移行例を説明する図である。図１７に示すように、運転点がＰＡからＰＢに移る場合は、区域Ｒ_２から区域Ｒ_１に運転点が移ることになる。また、運転点がＰＢからＰＤに映る場合は、区域Ｒ_３から区域Ｒ_１に運転点が移る。これらの場合は何れも、目標ＥＧＲ率が低い区域から高い区域に運転点が移るので、上述した時間遅れが影響する。従って、上記実施の形態１や２で説明した手法を適用することで、目標ＥＧＲ率に対して実ＥＧＲ率が不足する期間における筒内状態を改善して、ノッキングが起こり易い状況を回避することができる。

１０ 内燃機関
１２ 吸気管
１４ 排気管
１８ ターボ過給機
１８ａ コンプレッサ
１８ｂ タービン
２４ インタークーラ
３６ ＬＰＬ−ＥＧＲ装置
３８ ＥＧＲ管
４０ ＥＧＲクーラ
４４ ＥＧＲバルブ
５０ ＥＣＵ

Claims (4)

1. 排気系から吸気系に排気の一部を外部ＥＧＲガスとして再循環させるエンジンを制御する内燃機関の制御装置であって、
   エンジン回転速度および負荷で定められる運転領域と、外部ＥＧＲ率の目標値との関係を規定したＥＧＲマップであって、前記目標値が最大となる所定区域が設定されているＥＧＲマップと、
   前記運転領域と、前記エンジンの吸気バルブを駆動する吸気カムの作用角との関係を規定した作用角マップであって、前記所定区域に相当する領域を含む第１領域においては、吸入効率が最も高くなるクランク角を含む第１クランク角区間において前記吸気バルブを閉じることが可能な大作用角を選択し、前記第１領域よりもエンジン負荷の高い第２領域においては、前記第１クランク角区間よりも下死点側に位置する第２クランク角区間において前記吸気バルブを閉じることが可能な小作用角を選択するように設定されている作用角マップと、を備え、
   前記ＥＧＲマップにおける前記目標値の等しい区域に前記エンジンの運転状態が留まると予測した場合は前記作用角マップに従って前記作用角を選択し、
   前記ＥＧＲマップにおける前記目標値の低い区域から高い区域に前記エンジンの運転状態が移行すると予測した場合、前記第１領域と前記第２領域の境界を低負荷方向に変更してから、前記作用角マップに従って前記作用角の選択を行うことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記ＥＧＲマップにおける前記目標値の低い区域から高い区域に前記エンジンの運転状態が移行すると予測した場合において、エンジン回転速度および負荷が上昇する方向に前記エンジンの運転状態が移行しているときは、前記エンジンのアクセル開度の正の変化率が大きいほど前記境界の変更の度合いを大きくし、エンジン回転速度および負荷が低下する方向に前記エンジンの運転状態が移行しているときは、前記アクセル開度の負の変化率が大きいほど前記境界の変更の度合いを大きくすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記ＥＧＲマップにおける前記目標値の低い区域から高い区域に前記エンジンの運転状態が移行すると予測した場合において、前記ＥＧＲマップに従って設定された前記目標値の変更時点から、実際の外部ＥＧＲ率の上昇開始時点までの時間間隔を算出し、前記時間間隔が大きいほど前記境界の変更の度合いを大きくすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記エンジンがコンプレッサとタービンとを有するターボ過給機を備え、前記タービンの下流から前記コンプレッサの上流に外部ＥＧＲガスを再循環させることを特徴とする請求項１乃至３何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。

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