JP6236960B2 - 火花点火式内燃機関の制御装置および制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、ターボ過給機と電動過給機とを備えてなる内燃機関に関し、特に、これらの過給機を利用して排気浄化用触媒コンバータの早期昇温を行う制御装置および制御方法に関する。

内燃機関の冷機始動後に触媒コンバータを早期に昇温させることは、従来から知られた技術課題の一つである。特許文献１には、ターボ過給機を備えた内燃機関において、触媒温度が所定温度よりも低いときに、ターボ過給機の排気タービンをバイパスするウェストゲートバルブを開状態に維持することが開示されている。このようにウェストゲートバルブを開くことで、排気は排気タービンを経由せずに触媒コンバータに直接に流入するようになり、排気タービンに排気熱を奪われることが抑制される。

特開２００８−９５５４２号公報

しかしながら、特許文献１の技術は、ターボ過給機の排気タービンが排気通路に介在することによる触媒コンバータの暖機の遅れを回避しようとするものに過ぎず、機関冷機時に触媒コンバータの昇温を積極的に促進する技術ではない。

従って、本発明は、過給技術を利用して、冷機時の触媒コンバータの昇温をより効果的に行うようにすることを目的としている。

本発明は、吸気通路中に配置されるコンプレッサと排気通路中に配置される排気タービンと、を有し、かつ上記排気タービンにウェストゲートバルブが設けられたターボ過給機と、
上記排気通路において上記排気タービンの下流側に配置された触媒コンバータと、
上記吸気通路に配置された電動過給機と、
を備えてなる火花点火式内燃機関の制御装置であって、
上記触媒コンバータの昇温が要求される冷機時に、上記電動過給機を駆動するとともに、上記ウェストゲートバルブを開作動させ、かつ内燃機関の冷却水温が低いほど上記電動過給機の目標回転数を高く設定し、さらに、要求トルクに沿うように点火時期のリタードを行う、ことを特徴としている。

上記のように、冷機時に電動過給機を駆動することで実質的な過給が行われ、燃焼ガス量が増加する。そして、ウェストゲートバルブが開いているため、排気ガスは、排気タービンを経由せずに触媒コンバータへ流入する。従って、触媒コンバータへ与えられる熱量が増大し、早期に昇温する。

因みに、ターボ過給機を備えた内燃機関において、仮に、機関冷機時にターボ過給機の作動によって過給つまり燃焼ガス量の増量を行おうとしても、ターボ過給機の場合には、ターボ過給機の駆動のために排気エネルギが消費されてしまうので、触媒コンバータへ与える熱量を増大することはできない。これに対し、本発明では、電動過給機によって過給つまり燃焼ガス量の増量を行うので、排気熱を消費することがない。

そして、電動過給機による過給によって要求トルク以上のトルクが生じようとするが、これは、点火時期のリタードによって吸収される。

この発明によれば、冷機時に触媒コンバータの昇温を効果的に行うことができ、触媒の早期活性化が図れる。

この発明の一実施例のシステム構成を示す構成説明図。 この実施例の冷機時の制御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して、電動過給機２とターボ過給機３とを備えた内燃機関１を示している。この内燃機関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、その排気通路６には、ターボ過給機３の排気タービン４が配置され、該排気タービン４の下流側に、例えば三元触媒を用いた上流側触媒コンバータ７および下流側触媒コンバータ８が配置されている。排気通路２のさらに下流側には、排気消音器９が設けられており、該排気消音器９を介して排気通路６は外部へ開放されている。上流側触媒コンバータ７は、実際には、排気タービン４の排気出口部直下に接続されている比較的小容量のものであり、また、下流側触媒コンバータ８は、車両の床下に配置される比較的大きな容量のものである。

上記排気タービン４は、過給圧制御のためにバイパス通路１０ａを開閉するウェストゲートバルブ１０を備えている。このウェストゲートバルブ１０の開度は、過給圧センサ２２の検出信号に基づき目標過給圧となるようにエンジンコントロールユニット２１によって制御される。

内燃機関１は、例えば筒内直噴型の構成であり、シリンダ内に燃料を噴射する図示せぬ燃料噴射弁が各気筒毎に設けられているとともに、点火プラグ２０をそれぞれ備えている。上記燃料噴射弁の噴射時期ならびに噴射量、および上記点火プラグ２０の点火時期は、エンジンコントロールユニット２１によって制御される。

さらに、上記内燃機関１は、吸気弁３１の開閉時期を可変制御できる吸気側可変動弁機構３２と、排気弁３３の開閉時期を可変制御できる排気側可変動弁機構３４と、を備えている。これらの可変動弁機構３２，３４は、開時期および閉時期を個々に独立して変更できるものであってもよく、開時期および閉時期が同時に遅進する構成のものであってもよい。本実施例では、吸気側カムシャフトおよび排気側カムシャフトのクランクシャフトに対する位相を遅進させる後者の形式のものが用いられている。これらの可変動弁機構３２，３４の遅進量によってバルブオーバラップ量を可変制御することが可能である。なお、吸気弁３１および排気弁３３のいずれか一方のみに可変動弁機構を備えた構成であってもよい。

内燃機関１の吸気通路１１には、上記ターボ過給機３のコンプレッサ５が配置されており、このコンプレッサ５よりも下流側に、吸入空気量を制御する電子制御型のスロットル弁１２が配置されている。上記スロットル弁１２は、電動モータ等のアクチュエータを具備したものであり、上記エンジンコントロールユニット２１からの制御信号によって、その開度が制御される。またスロットル弁１２は、コレクタ部１１ａの入口部に位置し、このコレクタ部１１ａよりも下流側では、吸気通路１１は、吸気マニホルドとして各気筒毎に分岐している。上記吸気通路１１の上記コンプレッサ５と上記スロットル弁１２との間には、過給吸気を冷却するインタークーラ１３が設けられている。前述した過給圧センサ２２は、インタークーラ１３より下流の吸気通路１１、例えばコレクタ部１１ａに配置されている。

一方、上記吸気通路１１の最上流部には、エアクリーナ１４が配置されており、このエアクリーナ１４の下流側に、吸入空気量の検出を行うエアフロメータ１５が配置されている。そして、上記エアフロメータ１５と上記コンプレッサ５との間に、上記電動過給機２が配置されている。つまり、ターボ過給機３のコンプレッサ５と電動過給機２とは、吸気通路１１において、電動過給機２が相対的に上流側となるように互いに直列に配置されている。

また、上記電動過給機２の入口側と出口側とを電動過給機２を経由せずに接続するように、バイパス通路１６が設けられている。つまり、エアフロメータ１５とコンプレッサ５との間において、吸気通路１１の一部が、互いに並列となる主吸気通路１１ｂとバイパス通路１６とに分岐しており、一方の主吸気通路１１ｂに電動過給機２が配置されている。そして、他方のバイパス通路１６には、該バイパス通路１６を開閉するバイパス弁１７が設けられている。

上記電動過給機２は、主吸気通路１１ｂに介在するコンプレッサ部２ａと、このコンプレッサ部２ａを駆動する電動モータ２ｂと、を有している。なお、図１には、コンプレッサ部２ａがターボ過給機３のコンプレッサ５と同様に遠心形コンプレッサとして図示されているが、本発明においては、ルーツブロアやスクリュー形コンプレッサなど任意の形式のコンプレッサを利用することが可能である。

上記電動過給機２は、エンジンコントロールユニット２１によって、回転速度を含めて駆動制御されるものであり、基本的には、ターボ過給機３の過給の応答遅れ（いわゆるターボラグ）を補うように、機関加速時に一時的に駆動される。バイパス弁１７は、同じく、エンジンコントロールユニット２１によって開閉制御されるものであり、電動過給機２が作動しているとき（電動過給機２による過給時）にはバイパス通路１６を閉路し、電動過給機２の非作動時にはバイパス通路１６を開路して、電動過給機２が通気抵抗とならないようにしている。

上記エンジンコントロールユニット２１には、上述したセンサ類の検出信号のほか、機関回転速度Ｎｅを示すクランク角センサ２３からの検出信号、内燃機関１の冷却水温Ｔｗを示す水温センサ２４からの検出信号、図示せぬアクセルペダルの開度が０のときにＯＮとなるアイドルスイッチ２５からのアイドル検出信号Ｉｓｗ、などが入力されている。なお、アイドルスイッチ２５としては、物理的なスイッチのほか、アクセル開度からアイドル状態の判定を行ういわゆるソフトアイドルスイッチであってもよい。

次に、図２は、上記エンジンコントロールユニット２１において実行される機関冷間時の触媒コンバータ昇温制御を示すフローチャートであり、以下、これを説明する。なお、このルーチンは、内燃機関１の運転中、所定時間毎に繰り返し実行される。

ステップ１では、エアフロメータ１５により検出される吸入空気量Ｑａと、クランク角センサ２３により検出される機関回転速度Ｎｅと、水温センサ２４により検出される冷却水温Ｔｗと、アイドルスイッチ２５が出力するアイドル検出信号Ｉｓｗと、を読み込む。ステップ２では、内燃機関１の吸入空気量Ｑａと機関回転速度Ｎｅとに基づき、理論空燃比相当の基本燃料噴射量（基本燃料噴射パルス幅）Ｔｐを設定し、ステップ３では、同じく、吸入空気量Ｑａと機関回転速度Ｎｅとに基づき、基本点火時期ＡＤＶ０を設定する。

さらに、ステップ４では、吸入空気量Ｑａと機関回転速度Ｎｅとに基づき、吸気側可変動弁機構３２の進角量を示す吸気ＶＴＣ基本位相角ＶＴＣｉ０と、排気側可変動弁機構３４の遅角量を示す排気ＶＴＣ基本位相角ＶＴＣｅ０と、を設定する。吸気ＶＴＣ基本位相角ＶＴＣｉ０が大きいほど、吸気弁３１の開閉時期が進角し、排気ＶＴＣ基本位相角ＶＴＣｅ０が大きいほど、排気弁３３の開閉時期が遅角する。

ステップ５では、アイドル検出信号ＩｓｗがＯＮであるか否か、つまりアイドル状態であるか否かを判定する。アイドル状態でなければ、ステップ１６へ進み、通常制御を行う。アイドル状態のときは、さらにステップ６で、冷却水温Ｔｗが所定の暖機完了判定閾値Ｔｗｔｈ未満であるか否かを判定する。暖機完了判定閾値Ｔｗｔｈ以上であれば、ステップ１６へ進み、通常制御を行う。

ステップ６でＮＯつまりアイドル状態でかつ機関冷機時の場合には、ステップ７以降の触媒コンバータ昇温のための処理を行う。ステップ７では、目標スロットル弁開度ｔＴＶＯを全開とする。なお、スロットル弁１２は、目標スロットル弁開度ｔＴＶＯに沿って開度が制御される。

ステップ８では、冷却水温Ｔｗに基づいて、電動過給機２の回転数つまり目標電動過給機回転数ｔＮｅｃを設定する。具体的には、冷却水温Ｔｗが低いほど、目標電動過給機回転数ｔＮｅｃが高く与えられる。電動過給機２は、この目標電動過給機回転数ｔＮｅｃに沿って駆動される。なお、電動過給機２が作動するときには、前述したように、バイパス弁１７が閉となる。

ステップ９では、吸入空気量Ｑａおよび冷却水温Ｔｗに基づいて、点火時期遅角補正量ＲＴＤを求める。つまり、スロットル弁開度ＴＶＯを全開としかつ電動過給機２により過給を行うことによる吸入空気量Ｑａの増加分を相殺するように、点火時期ＡＤＶをリタードして、トルクを低下させるのである。

また、ステップ１０において、空燃比のリッチ化を行うために、冷却水温Ｔｗに基づいて目標当量比ＴＦＢＹＡを求める。ここでは、空燃比をリッチ化するために、目標当量比ＴＦＢＹＡが１よりも大きい値となる。

さらに、ステップ１１では、バルブオーバラップの拡大のために、吸気側可変動弁機構３２の吸気ＶＴＣ進角補正量ＶＴＣｉｈと、排気側可変動弁機構３４の排気ＶＴＣ遅角補正量ＶＴＣｅｈと、を冷却水温Ｔｗに基づいて設定する。吸気ＶＴＣ進角補正量ＶＴＣｉｈが大であるほど吸気弁３１の開時期が進角してバルブオーバラップが拡大し、同様に、排気ＶＴＣ遅角補正量ＶＴＣｅｈが大であるほど排気弁３３の閉時期が遅角してバルブオーバラップが拡大する。

上記のように種々のパラメータを求めた上で、ステップ１２において、燃料噴射パルス幅Ｔｉを、Ｔｉ＝Ｔｐ×ＴＦＢＹＡとして算出し、ステップ１３において、点火時期ＡＤＶを、ＡＤＶ＝ＡＤＶ０−ＲＴＤとして算出する。さらに、ステップ１４において、吸気側可変動弁機構３２の目標吸気ＶＴＣ位相角ｔＶＴＣｉおよび排気側可変動弁機構３４の目標排気ＶＴＣ位相角ｔＶＴＣｅを、それぞれ、ｔＶＴＣｉ＝ＶＴＣｉ０＋ＶＴＣｉｈ、ｔＶＴＣｅ＝ＶＴＣｅ＋ＶＴＣｅｈ、として算出する。そして、ステップ１５では、ウェストゲートバルブ１０の目標ウェストゲートバルブ開度ｔＷＧを、全開とする。

上記のような処理により、この実施例では、アイドル状態でかつ機関冷機時には、スロットル弁１２が全開となり、かつ電動過給機２による過給が実行される。これにより吸入空気量Ｑａは増加し、これに応じた量の燃料が噴射供給されるが、同時に、空燃比が理論空燃比よりもリッチとなるため、吸入空気量Ｑａに対し過剰な燃料が供給される。そして、ターボ過給機３におけるウェストゲートバルブ１０が全開となる。

従って、燃焼室内で生じる燃焼ガスの量が過給およびスロットル弁１２の全開により増大し、かつこの燃焼ガスが排気タービン４を経由せずに上流側触媒コンバータ７に流入する。そのため、排気タービン４で温度低下することなく上流側触媒コンバータ７に多量の排気熱が与えられる。また、空燃比のリッチ化によって燃料の一部が燃焼室内で燃えずに未燃燃料として排気通路６に流出するが、可変動弁機構３２，３４によるバルブオーバラップの拡大さらには過給によって、吸気通路１１から排気通路６へ吹き抜ける空気（新気）が増大するため、排気通路６内での未燃燃料成分の酸化反応（いわゆる後燃え）が促進され、上流側触媒コンバータ７に流入する排気の温度がさらに上昇する。

また、過給およびスロットル弁１２を全開とすることによるトルク上昇を抑制するために、点火時期がリタードされる。この点火時期リタードによっても、排気温度が上昇する。

従って、上流側触媒コンバータ７の昇温を効果的に行うことができ、上流側触媒コンバータ７は、短時間で活性化温度に到達する。

このように、上記実施例では、電動過給機２を用いて燃焼ガス量の増量を実現するので、ターボ過給機３のように燃焼ガス量の増量のために排気エネルギを使用することがなく、燃焼により生じた熱を上流側触媒コンバータ７に最大限に与える上で有利となる。また、バルブオーバラップの拡大と過給との組み合わせによって排気通路６に比較的多量の新気を導入することができ、排気系へのいわゆる二次空気の導入のために専用の二次空気導入装置を設ける必要がない。

以上、この発明の一実施例を詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。

例えば、上記実施例では、可変動弁機構３２，３４によってバルブオーバラップを可変制御できる構成となっているが、バルブオーバラップが固定的に設定されているものであってもよく、この場合も電動過給機２による過給によって新気の吹き抜けが増えるため、排気通路６での酸化反応が促進される。

また上記実施例では、ターボ過給機３のコンプレッサ５と電動過給機２とが吸気通路１１において直列に配置されているが、ターボ過給機３のコンプレッサ５と電動過給機２とが並列に配置された構成であっても本発明は同様に適用することが可能である。

１…内燃機関
２…電動過給機
３…ターボ過給機
４…排気タービン
５…コンプレッサ
１０…ウェストゲートバルブ
２１…エンジンコントロールユニット
２４…水温センサ

Claims (4)

1. 吸気通路中に配置されるコンプレッサと排気通路中に配置される排気タービンと、を有し、かつ上記排気タービンにウェストゲートバルブが設けられたターボ過給機と、
   上記排気通路において上記排気タービンの下流側に配置された触媒コンバータと、
   上記吸気通路に配置された電動過給機と、
   を備えてなる火花点火式内燃機関の制御装置であって、
   上記触媒コンバータの昇温が要求される冷機時に、上記電動過給機を駆動するとともに、上記ウェストゲートバルブを開作動させ、かつ内燃機関の冷却水温が低いほど上記電動過給機の目標回転数を高く設定し、さらに、要求トルクに沿うように点火時期のリタードを行う、ことを特徴とする火花点火式内燃機関の制御装置。
2. 上記内燃機関は、吸気弁および排気弁の少なくとも一方に可変動弁機構を備えており、
   上記制御装置は、上記冷機時に、さらに、吸気弁と排気弁とのバルブオーバラップが生じるように上記可変動弁機構を制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の火花点火式内燃機関の制御装置。
3. 上記制御装置は、上記冷機時に、さらに、空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に制御する、ことを特徴とする請求項２に記載の火花点火式内燃機関の制御装置。
4. 吸気通路中に配置されるコンプレッサと排気通路中に配置される排気タービンと、を有し、かつ上記排気タービンにウェストゲートバルブが設けられたターボ過給機と、
   上記排気通路において上記排気タービンの下流側に配置された触媒コンバータと、
   上記吸気通路に配置された電動過給機と、
   を備えてなる火花点火式内燃機関において、
   上記触媒コンバータの昇温が要求される冷機時に、上記電動過給機を駆動するとともに、上記ウェストゲートバルブを開作動させ、かつ内燃機関の冷却水温が低いほど上記電動過給機の目標回転数を高く設定し、さらに、要求トルクに沿うように点火時期のリタードを行う、ことを特徴とする火花点火式内燃機関の制御方法。

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