JP7498642B2 - 内燃機関の制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、ターボチャージャによる過給を利用して空燃比（Ａ／ＦもしくはＧ／Ｆ）が大きなリーン燃焼を実現する内燃機関に関し、特にその触媒温度の低下を回避するため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、過給により多量の吸気（新気およびＥＧＲガス）をシリンダ内に供給できることから、空燃比（Ａ／ＦもしくはＧ／Ｆ）が大きなリーン燃焼、例えば空気過剰率λが２前後となるようなリーン燃焼が可能となる。

特開２００８－１２１５１１号公報

ターボチャージャを備えた内燃機関においては、排気浄化のための触媒は、排気系の中でタービン下流側に配置される。リーン燃焼においてはそもそもの排気温度が比較的低く、さらに、タービンの仕事により排気エネルギが消費される結果、触媒入口での排気温度が低くなる。そのため、運転条件によっては、リーン燃焼中に触媒温度が過度に低下してしまうことがある。

第１の発明においては、
過給を伴うリーン燃焼での運転中に、触媒温度が触媒活性温度に相当する所定温度よりも低いかどうかを判定し、
触媒温度が所定温度よりも低いときには、変速比の変更により回転速度を上昇させるとともに、内燃機関の軸出力を実質的に一定に保つように目標負荷を低くして、内燃機関の運転点を現在の運転点から高速低負荷側へ変更し、
上記目標負荷の低下に伴って低くなる目標過給圧を得るように上記ターボチャージャのウェストゲートバルブの開度を増加する。

また第２の発明においては、
上記内燃機関はシリーズハイブリッド車両において発電機が接続された発電用内燃機関であり、
過給を伴うリーン燃焼での運転中に、触媒温度が触媒活性温度に相当する所定温度よりも低いかどうかを判定し、
触媒温度が所定温度よりも低いときには、上記発電機の回転数制御により回転速度を上昇させるとともに、内燃機関の軸出力を実質的に一定に保つように目標負荷を低くして、内燃機関の運転点を現在の運転点から高速低負荷側へ変更し、
上記目標負荷の低下に伴って低くなる目標過給圧を得るように上記ターボチャージャのウェストゲートバルブの開度を増加する。

一つの態様では、過給圧がリーン燃焼の維持に必要な下限の過給圧に対応した所定圧力よりも低い場合は、上記の運転点の変更およびウェストゲートバルブの開度の増加は行わない。

この発明によれば、触媒温度が低いときにターボチャージャのウェストゲートバルブの開度を増加することで、タービンでの排熱回収が少なくなり、下流の触媒に流入する排気温度が高くなる。これにより触媒の過度の温度低下を抑制できる。

内燃機関の概略的なシステム構成を示す説明図。 第１実施例の触媒温度制御の処理の流れを示すフローチャート。

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の概略的なシステム構成を示している。この実施例の内燃機関１は、過給手段としてターボチャージャ１２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１２による過給を前提として目標空燃比が設定されている。

第１実施例においては、内燃機関１は、図示しない有段の自動変速機もしくは無段の自動変速機（例えばベルト式ＣＶＴ）と組み合わされて車両に搭載されている。つまり、車両は、基本的に内燃機関１を駆動源として走行を行う。

内燃機関１は、リーン燃焼に適した構成であることが望ましく、例えば、ピストン２によって形成される燃焼室３の天井壁面に、一対の吸気弁４および一対の排気弁５が配置されているとともに、これらの吸気弁４および排気弁５に囲まれた中央部に点火プラグ６および燃料噴射弁７が配置されている。

上記燃料噴射弁７は、駆動パルス信号が印加されることによって開弁する電磁式ないし圧電式の噴射弁であって、駆動パルス信号のパルス幅に実質的に比例した量の燃料を筒内へ噴射する。

上記吸気ポート８に接続された吸気通路９のコレクタ部９ａ上流側には、エンジンコントローラ１０からの制御信号によって開度が制御される電子制御型スロットルバルブ１１が介装されており、さらにその上流側に、ターボチャージャ１２のコンプレッサ１２Ａが配設されている。このコンプレッサ１２Ａの上流側に、吸入空気量を検出するエアフロメータ１３ならびにエアクリーナ１４が配設されている。なお、コンプレッサ１２Ａとスロットルバルブ１１との間には、インタークーラ１６が設けられている。コレクタ部９ａには、過給圧（Ｐｂ）を検出する過給圧センサ１７が配置されている。

一方、排気弁５が開閉する排気ポート２１に接続された排気通路２２には、ターボチャージャ１２のタービン１２Ｂが配置されており、このタービン１２Ｂの下流側に例えば三元触媒からなる触媒２３が介装されている。上記タービン１２Ｂの入口部には、過給圧制御のために、排気の一部をタービン１２Ｂをバイパスして案内するウェストゲートバルブ２４が設けられている。このウェストゲートバルブ２４は、電動アクチュエータ２５によって開度が制御される電子制御型の構成である。

触媒２３の上流側には、いわゆる排気空燃比を検出するための空燃比センサ２６が設けられている。また触媒２３の入口には、触媒温度（Ｔ＿ｃａｔ）に相当するパラメータとして触媒２３に流入する排気の温度を検出する触媒入口温度センサ１８が設けられている。触媒温度（Ｔ＿ｃａｔ）としては、触媒担体の温度（いわゆるベッド温度）を直接に検出するようにしてもよい。なお、触媒２３は、１つの触媒として図示されているが、一般に、車両のエンジンルーム内に位置するプリ触媒と車両床下に位置するメイン触媒とから構成されている。このように複数の触媒を備える場合には、各々の温度を個々の温度センサによって検出し、いずれかの触媒温度が低下したときに後述する温度制御を実行することが望ましい。

スロットルバルブ１１の開度制御のほか、燃料噴射弁７による燃料噴射量や噴射時期、点火プラグ６による点火時期等は、エンジンコントローラ１０によって制御される。空燃比センサ２６を用いた空燃比制御も同様にエンジンコントローラ１０によって行われる。

また、エンジンコントローラ１０は、ウェストゲートバルブ２４の開度を制御し、これによって、過給圧ひいては内燃機関１のトルクを制御している。

エンジンコントローラ１０には、入力信号として、上述したエアフロメータ１３、過給圧センサ１７、触媒入口温度センサ１８、空燃比センサ２６、の各々の検出信号が入力されているほか、機関回転速度（Ｎｅ）を検出するクランク角センサ３１、冷却水温（ＴＷ）を検出する水温センサ３２、運転者によるアクセルペダルの踏込に応じたアクセル開度（ＡＰＯ）を検出するアクセル開度センサ３３等の検出信号が入力されている。

またエンジンコントローラ１０は、図示しない変速機コントローラにＣＡＮ通信等を介して接続されており、相互に必要な信号の授受を行っている。

エンジンコントローラ１０の記憶装置には、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とリーン燃焼モードとすべきリーン燃焼運転領域とを設定した制御マップが格納されている。さらに、ストイキ燃焼運転領域とリーン燃焼運転領域とに基本的に対応した形で、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目標空燃比マップが同様に格納されている。リーン燃焼運転領域は、比較的トルクが小さな低・中速域に設定されており、このリーン燃焼運転領域における目標空燃比は、ＮＯｘ排出量がある程度低くなるリーン側の空燃比、例えば、「λ＝２」付近の２８～３２程度の空燃比となる。

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ことから、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の量を確保している。なお、図１には排気還流装置が図示されていないが、比較的多量の排気還流によってリーン化を図ってもよい。

次に、本発明の要部であるリーン燃焼中の触媒２３の温度低下時の制御について説明する。前述したように、リーン燃焼中はそもそもの排気温度が比較的に低く、かつ、過給のために排気がタービン１２Ｂを通過することでタービン１２Ｂの仕事により排気エネルギが消費される（換言すれば排熱回収がなされる）ことから、触媒２３の温度が低下しやすい。触媒２３の温度がその活性温度を下回ると、触媒２３の所期の排気浄化性能が得られない。そのため、本発明では、主にウェストゲートバルブ２４の開度を増加することで、触媒２３の温度を回復する。

図２は、第１実施例の触媒温度制御の処理の流れを示すフローチャートである。このフローチャートに示すルーチンは、過給を前提としたリーン燃焼中にエンジンコントローラ１０によって繰り返し実行される。ステップ１では、過給圧Ｐｂが所定のクライテリア♯２よりも高いか否かを判定する。ＮＯであれば、ルーチンを終了する。ＹＥＳであれば、ステップ２へ進む。クライテリア♯２は、リーン燃焼の維持に必要な下限の過給圧に対応して設定される。ステップ２では、触媒温度Ｔ＿ｃａｔが所定のクライテリア♯１よりも低いか否かを判定する。ＮＯであれば、ルーチンを終了する。ＹＥＳであれば、ステップ３へ進む。クライテリア♯１は、触媒活性温度よりも僅かに高い温度に設定される。

ステップ３では、内燃機関１の軸出力を実質的に一定に保ちつつ内燃機関１の運転点を現在の運転点から高速低負荷側へ変更する。例えば、無段変速機の場合は、予め定めた一定量βだけ機関回転速度Ｎｅが高くなるように、変速機コントローラを介して変速を行う。同時に、内燃機関１の目標負荷Ｔｅを、上昇した機関回転速度Ｎｅの下で目標の軸出力Ｐｅｎｇが得られるように次式のように演算する。なお、Ｖｃｃは内燃機関１の排気量である。

Ｔｅ＝２×Ｎｅ×Ｖｃｃ／（１２００×Ｐｅｎｇ）
有段変速機の場合は、「５速→４速」、「４速→３速」等のように機関回転速度Ｎｅが高くなるように変速を行う。この場合は、機関回転速度Ｎｅの変化量βは、変速段に応じて定まる。

このように運転点を高速低負荷側へ変更することで、目標負荷の低下に伴い目標とする過給圧が低くなり、ウェストゲートバルブ２４の開度が増加することとなる。

ステップ３で運転点を変更した後、ステップ４へ進み、一定サイクル（ｎサイクル）待機する。サイクル数に代えて一定時間であってもよい。これは、運転点を変更してから触媒温度Ｔ＿ｃａｔが安定するまでの遅れ時間を考慮して設定される。

ｎサイクル経過後、ステップ５では、過給圧Ｐｂが所定のクライテリア♯２よりも高いか否かを判定する。ＮＯであれば、ルーチンを終了する。ステップ５でＹＥＳであれば、ステップ６へ進む。ステップ６では、触媒温度Ｔ＿ｃａｔが所定のクライテリア♯１’よりも高いか否かを判定する。クライテリア♯１’は、ステップ２のクライテリア♯１よりも僅かに高い温度に設定することが望ましい。ＹＥＳであれば、ルーチンを終了する。

一方、ステップ６でＮＯであれば、ステップ３へ戻り、さらに機関回転速度Ｎｅがβだけ変化するように運転点を高速低負荷側へ変更する。つまり、過給圧Ｐｂがクライテリア♯２よりも高いことを条件として、触媒温度Ｔ＿ｃａｔがクライテリア♯１’を越えるまで、運転点の高速低負荷側への変更が繰り返される。そして、クライテリア♯１’を越えるとルーチンを終了する。なお、ルーチンの終了時に、それまでに変更された運転点の変更をそのまま維持するようにしてもよく、あるいは、ルーチン終了時に運転点の一時的な変更を終了して通常の運転点の設定に復帰するようにしてもよい。

第１実施例では、このような処理により、軸出力Ｐｅｎｇを実質的に一定に保ちつつウェストゲートバルブ２４の開度を大きくすることができ、触媒温度Ｔ＿ｃａｔが活性温度よりも高く維持される。

なお、徐々に低く設定される目標負荷Ｔｅは、ウェストゲートバルブ２４を全開としたときの負荷の値によって制限される。

以上、この発明の一実施例を説明した。

また、触媒２３を複数具備する場合には、例えばいずれか１つの触媒２３の温度Ｔ＿ｃａｔがクライテリア♯１よりも低下したときに上述した温度上昇のための処理を行うようにするとよい。

なお、第１実施例においては変速機の変速により内燃機関１の運転点を高速低負荷側へ変更するようにしたが、内燃機関１が発電用として用いられるシリーズハイブリッド形式の車両の場合は、内燃機関１に接続された発電機の回転数制御によって内燃機関１の回転数の変更が可能である。

また、過給圧Ｐｂはリーン燃焼を維持するために下限となるクライテリア♯２が設定されているが、過給圧Ｐｂそのものに代えて、過給圧Ｐｂに関与するウェストゲートバルブ２４の開度（アクチュエータ２５の位置）やターボチャージャ１２の回転速度等のパラメータを用いてもよい。

また、運転点の変更等により触媒温度Ｔ＿ｃａｔがクライテリア♯１’に達したときに、それまでの運転点の変更等を維持するようにし、このクライテリア♯１’よりも高い温度に設定されるクライテリア♯１”に達したときに、運転点等を通常の設定に復帰させるようにしてもよい。

１…内燃機関
１０…エンジンコントローラ
１２…ターボチャージャ
１７…過給圧センサ
１８…触媒入口温度センサ
２３…触媒

Claims (3)

1. ターボチャージャを有するとともに、このターボチャージャのタービンの下流側に触媒が位置し、かつリーン燃焼が可能な内燃機関の制御方法であって、
   過給を伴うリーン燃焼での運転中に、触媒温度が触媒活性温度に相当する所定温度よりも低いかどうかを判定し、
   触媒温度が所定温度よりも低いときには、変速比の変更により回転速度を上昇させるとともに、内燃機関の軸出力を実質的に一定に保つように目標負荷を低くして、内燃機関の運転点を現在の運転点から高速低負荷側へ変更し、
   上記目標負荷の低下に伴って低くなる目標過給圧を得るように上記ターボチャージャのウェストゲートバルブの開度を増加する、
   内燃機関の制御方法。
2. 過給圧がリーン燃焼の維持に必要な下限の過給圧に対応した所定圧力よりも低い場合は、上記の運転点の変更およびウェストゲートバルブの開度の増加は行わない、請求項１に記載の内燃機関の制御方法。
3. ターボチャージャを有するとともに、このターボチャージャのタービンの下流側に触媒が位置し、かつリーン燃焼が可能な内燃機関の制御方法であって、
   上記内燃機関はシリーズハイブリッド車両において発電機が接続された発電用内燃機関であり、
   過給を伴うリーン燃焼での運転中に、触媒温度が触媒活性温度に相当する所定温度よりも低いかどうかを判定し、
   触媒温度が所定温度よりも低いときには、上記発電機の回転数制御により回転速度を上昇させるとともに、内燃機関の軸出力を実質的に一定に保つように目標負荷を低くして、内燃機関の運転点を現在の運転点から高速低負荷側へ変更し、
   上記目標負荷の低下に伴って低くなる目標過給圧を得るように上記ターボチャージャのウェストゲートバルブの開度を増加する、
   内燃機関の制御方法。

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