JPH0441957A - 過給希薄燃焼ガソリン内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は過給時に希薄燃焼を行うガソリン内燃機関の
空燃比制御装置に関する。

〔従来技術〕

特願平１−１５６６８５号は過給機を備えたガソリンを
燃料とする内燃機関において、過給機が本来の能力を発
揮するエンジン高回転・高負荷側で空燃比を希薄側で運
転する内燃機関（以下高密度過給希薄燃焼内燃機関）を
提案している。強力な過給を行うことにより混合気の密
度が上がり、空燃比としては希薄側でも混合気の単位体
積当たりの燃料量は多くなる。これにより、高負荷であ
るにも係わらす安定な希薄燃焼を狙ったものである。

従来のシステムでは過給効果が得られないとき（即ちブ
ーストがθ以下（負圧）のとき）空燃比を理論空燃比に
制御し、過給効果が得られた後は空燃比を希薄空燃比に
切り換えている。空燃比は理論空燃比（：１４．５）か
ら希薄空燃比（例えば１９、０）にステップ的に切り替
えるのが理想的である。これは中間的な空燃比ではＮｏ
ｘ成分の排出量が多くなるからである。ところが、ステ
ップ的に空燃比の切替えを行うと、切替えライン付近で
微妙にスロットル弁を操作した場合には、スロットル弁
を開けているのに燃料噴射量が減少するという不自然な
ことが起こるおそれがある。そこで、理論空燃比域と希
薄空燃比域との間には中間の空燃比（例えば１６．０）
域を持たせている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来技術では理論空燃比と希薄空燃比との間の中間領域
では機関の負荷と回転数とに応じて空燃比の値を決めて
いる。中間域の大きさは通常の加速において回転数の変
化に対する適当な空燃比の変化が得られるように設定さ
れている。ところがこの設定では急加速において空燃比
の移行が遅れる。急加速では空燃比を早く変えることが
できるのに、実際は緩慢にしか空燃比が変化しないため
中間空燃比で運転される期間が長くなり、窒素酸化物成
分の排出量が多くなる欠点がある。

〔課題を解決するための手段〕

この発明によれば、第１図において、過給機を備えたガ
ソリンを燃料とする内燃機関において、過給機Ａにより
実質的に過給が行われる状態を検出する過給状態検出手
段Ｂと、非過給状態と判別したときに非希薄空燃比を設
定する手段Ｃと、過給状態において非希薄空燃比より幾
分希薄側の中間空燃比を経由して目標希薄空燃比に設定
する手段りと、機関の加速状態を検出する手段Ｅと、加
速状態において目標希薄空燃比への移行を早めるように
空燃比変化速度を調整する手段Ｇとを備える。

〔作用〕

過給状態検出手段Ｂは過給機Ａにより過給が実質的に行
われる状態を検出する。

非希薄空燃比設定手段Ｃは非過給状態と判別したときに
非希薄空燃比を設定する。

希薄空燃比設定手段りは過給状態において非希薄空燃比
より幾分希薄側の中間空燃比を経由して本来の目標希薄
空燃比に設定する。

加速検出手段Ｅは加速状態を検出し、空燃比変化速度調
整手段Ｇは加速状態において目標希薄空燃比への移行を
早めるように空燃比変化速度を調整する。

〔実施例〕

第２図はこの発明の実施例を示しており、１０はエンジ
ン本体であり、吸気管１２と排気管１４とが接続される
。吸気管１２は燃料インジェクタ１５と、スロットル弁
１６を有する。大型ターボチャージャ１７と小型ターボ
チャージャ１８とが直列に配置される。大型ターボチャ
ージャ１７はコンプレッサ２Ｑと、タービン２２と、回
転軸２４とから構成される。小型ターボチャージャ１８
はコンプレッサ２６と、タービン２８と、回転軸２５と
から構成される。吸気管１２において吸入空気の流れ方
向に、大型ターボチャージャ１７のコンプレッサ２０、
小型ターボチャージャ１８のコンプレッサ２６の順で配
置され、その下流にインタクーラ２９が配置され、イン
タクーラ２９の下流にスロットル弁１６が配置される。

排気管１４において排気ガスの流れ方向に、小型ターボ
チャージャ１８のタービン２８、大型ターボチャージャ
１７のタービン２２の順で配置される。

大型ターボチャージャ１７のタービンを迂回して第１の
排気バイパス通路３０が排気管に接続され、第１の排気
バイパス通路３０にスイングドア型弁であるウェイスト
ゲート弁３２が配置される。

ウェイストゲート弁３２はダイヤフラムアクチュエータ
３４に連結され、そのダイヤフラム３４ａはウニイスト
ゲ−１・弁３２に連結される。ウェイストゲート弁３２
はスプリング３４ｂによって通常は閉鎖するべく付勢さ
れるが、ダイヤフラム３４２に加わる正圧によってスプ
リング３４ｂに抗してウェイストゲート弁３２の開弁が
行われる。

小型ターボチャージャー１８のタービン２８を迂回して
第２の排気バイパス通路３６が設けられ、この第２のバ
イパス通路３６に蝶型弁としての排気切替弁３８が設け
られる。排気切替弁３８はそのアクチュエータ４０に連
結され、アクチュエータ４０は２段ダイヤフラム機構と
して構成される。

このアクチュエータ４０は、後述のように、大型ターボ
チャージャ１７が全過給能力を発揮するまでは排気切替
弁３８を閉鎖し、大型ターボチャージャ１７がその全過
給能力を発揮するに至ると排気切替弁３８を急速に開放
せしめる特性を持っている。アクチュエータ４０はダイ
ヤフラム４０ａ。

４０ｂ　と、スプリング４０ｃ、　４０ｄを供え、一方
のダイヤフラム４０ａはロッド４．Ｏｅを介して排気切
替弁３８に連結され、もう一つのダイヤフラム４０ｂは
ロッド４０ｆに連結される。ロッド４０ｆは図の左方（
排気切替弁３８を開ける方向）にはロッド４０ｅと連動
して移動するが、図の右方へはロッド４０ｅと独立して
動くことができる。ダイヤフラム４０ａに過給圧を作用
させるか、ダイヤフラム４０ｂに過給圧を作用させるか
、で排気切替弁３８のステップ的な開放特性が得られる
。即ち、ダイヤフラム４０ｂに過給圧を作用させた場合
、スプリング４０ｃの力と、スプリング４０ｄと合力に
抗して排気切替弁３８を開弁させるため、開弁は緩慢に
行われる。ダイヤフラム４０ａに過給圧が作用した場合
はスプリング４０ｃの力のみに抗して排気切替弁３８の
開弁が行われため、その開弁作動は迅速となる。

小型ターボチャージャ１８のコンプレッサ２６を迂回す
る吸気バイパス通路４４が設けられ、この吸気バイパス
通路４４に吸気バイパス弁４６が配置される。吸気バイ
パス弁４６はダイヤフラムアクチュエータ４８に連結さ
れ、そのダイヤフラム４８ａに加わる圧力により吸気バ
イパス弁４６の作動が制御される。この吸気バイパス弁
４６は大型ターボチャージャ１７の立ち上がりが完了し
ない小型ターボチャージャ１８の作動域では吸気バイパ
ス通路４４を閉鎖するも、その完了の後は過給圧がダイ
ヤフラム４８ａに下側から作用し、吸気バイパス弁４６
の開弁が行われる。

この実施例では内燃機関は排気ガス再循環（ＥＧＲ）装
置を供え、このＥＧＲ装置は排気ガス再循環通路（ＥＧ
Ｒ通路）５０と、ＥＧＲ通路５０上の排気ガス再循環制
御弁（ＥＧＲ弁）５２とからなり、ＥＧＲ弁５２はダイ
ヤフラム５２ａを供え、ダイヤフラム５２λに加わる圧
力に応じてその開弁、閉弁が制御される。

ウェイストゲート弁３２のアクチュエータ３４への圧力
制御のため３方電磁弁（ＶＳＶＩ）　５４が設けられ、
この電磁弁５４はダイヤフラム３４ａに大気圧を導入す
る位置と、小型ターボチャージャ１８のコンプレッサ２
６下流で、インタクーラ２９の上流の位置５６の過給圧
を導入する位置とで切り替わる。大気圧導入時に、スプ
リング３４ｂによってウェイストゲート弁３２は閉鎖駆
動され、過給圧導入時にスプリング３４ｂに抗してウェ
イストゲート弁３２の開弁が行われる。

３方電磁弁（ＶＳＶ２）　５８は排気切替弁３８のアク
チュエータ４０のダイヤフラム４０ａへの圧力制御のた
め設けられ、この電磁弁５８はダイヤフラム４０ａに大
気圧を導入する位置と、小型ターボチャージャ１８のコ
ンプレッサ出口６０の過給圧を導入する位置とで切り替
わる。また、ダイヤフラム４０ｂには小型ターボチャー
ジャ１８のコンプレッサ出口６０の圧力が常時導入され
ている。

吸気バイパス弁４６のアクチュエータ４８への圧力制御
のため二つの３方電磁弁６４．６６が設けられる。３方
電磁弁（ＶＳＶ３）　６４は吸気バイパス弁４６のアク
チュエータ４８のダイヤフラム４８ａの上側へ圧力制御
のため設けられ、この電磁弁６４はダイヤフラム４８ａ
の上側に大気圧を導入する位置と、小型ターボチャージ
ャ１８のコンプレッサ出口６０の過給圧を導入する位置
とで切り替わる。また、３方電磁弁（ＶＳＶ４）　６６
は吸気バイパス弁４ｅのアクチュエータ４８のダイヤフ
ラム４８ａの下側への圧力制御のため設けられ、この電
磁弁６６はダイヤフラム４８ａの下側にスロットル弁１
６の下流の負圧ボート６８の負圧を導入する位置と、大
型ターボチャージャのコンプレッサ出口圧力Ｐ、を導入
する位置とで切り替わる。尚、負圧が足りない場合負圧
ボート６８の負圧を導入する代わりにエンジンにより駆
動される負圧ポンプからの負圧を導入するようにしても
よい。

３方電磁弁（ＶＳＶ５）　７０　ハＥＧＲ弁５２の作動
制御のため設けられ、この電磁弁７０はダイヤフラム５
２ａに大気圧を導入する位置と、負圧ボート６８からの
負圧を導入する位置ととで切り替わる。

制御回路７２はこの発明における過給制御のため設けら
れ、各電磁弁５４　（ＶＳＶＩ　）、　５８　（ＶＳＶ
２）、　６４　（ＶＳＶ３）、６６（ＶＳＶ４）　、燃
料インジェクタ１５の駆動を行う。また、ＥＧＲ用電磁
弁７０（ＶＳＶ５）、イグナイタ７４、ディストリビュ
ータ７６を介して点火栓の制御も行うが、これらの制御
はこの発明と直接に関係しないので詳細説明は省略する
。そして、制御回路７２にはこの発明に従った制御を実
行するため各種のセンサに接続される。まず、大型ター
ボチャージャ１７のコンプレッサ２０の出口圧力Ｐ１を
検出するため第１の圧力センサ７８が設けられ、また小
型ターボチャージャ１８のコンプレッサ２６の出口圧力
Ｐ、を検出するため第２の圧力センサ８０が設けられる
。大型ターボチャージャ１７のタービン２２の下流に空
燃比センサ８２が設けられる。その外、図示しないが吸
気空気量Ｑを計測するエアフローメータが具備され、ま
たタイミング制御のためクランク角度で３０°、７２０
°毎のパルス信号が入力される。

以下制御回路７２の作動を第３図−第５図のフローチャ
ートによって説明する。第３図は過給圧の制御のための
ルーチンを示す。ステップ１００では小型ターボチャー
ジャ１８のコンプレッサ出口圧力Ｐｔ　＞大型ターボチ
ャージャ１７のコンプレッサ出口圧力Ｐ１が成立するか
否か判別される。

第６図はスロットル弁１６の全開（全負荷運転）時の小
型ターボチャージャ１８のコンプレッサ出口圧力Ｐ２の
変化、及び大型ターボチャージャ１７のコンプレッサ出
口圧力Ｐ、の変化を示す。小型ターボチャージャ出口圧
力Ｐ２の立ち上がりが大型ターボチャージャ出口圧力Ｐ
、の立ち上がりより早くなっている。したがって、エン
ジンの回転がまだ上がっていない状態ではｐ、＞Ｐ、が
成立し、ステップ１０２テ電磁弁５４（ＶＳＶＩ）がＯ
ＦＦ　サれ、ダイヤフラム３４ａに大気圧が導入され、
スプリング３４ｂによってウニイス］・ゲート弁３２は
閉鎖される。ステップ１０４で排気切替弁３８を制御す
る電磁弁５８　（ＶＳＶ２）がＯＦＦされる。そのため
、アクチュエータ４０のダイヤフラム４０ａに大気圧が
作用する。一方、ダイヤフラム４０ｂには小型ターボチ
ャージャ１８のコンプレッサ出口圧力が常に導入されて
いるため、スプリング４０ｃ、　４０ｄの合力に応じた
スプリング力に対抗する小型ターボチャージャ１８のコ
ンプレッサ出口圧力によって排気切替弁３８の作動が制
御される。即ち、過給圧Ｐ２が所定値Ｐ　ＳＥＴに到達
する回転数（第６図のＮＥ、）まではスプリングの付勢
力が優勢なので排気切替弁３８は全閉を維持し、Ｐ、＝
所定値ｐｓｅＴに到達した時点（点Ａ）で排気切替弁３
８はスプリング４０ｃ、　４０ｄの合力である閉鎖付勢
力に抗して徐々に開弁を開始することになる。

低回転時の吸気バイパス弁４６の作動についていうと、
ステップ１０６で電磁弁６４（ＶＳＶ３）はＯＮとなり
ターボチャージャ１８のコンプレッサ出口圧Ｐ２がダイ
ヤフラム４８ａの上側に作用するため吸気バイパス弁４
６は閉鎖される。また、ステップ１０８では電磁弁６６
（ＶＳＶ４）がＯＦＦされるためスロットル弁１６の下
流の吸気管負圧がダイヤフラム４８ａの下側に作用する
ため、ダイヤフラム４８ａは下側に引っ張られ、吸気バ
イパス弁４６の閉鎖力を上げ、その確実な閉弁を確保し
ている。

加速状態において、エンジンの回転数ＮＥがＮＥ。

まで上昇し、大型ターボチャージャ１７のコンプレッサ
出口圧力Ｐ＋の立ち上がりが小型ターボチャージャ１８
のコンプレッサ出口圧力Ｐ２に追いつき、Ｐ　２　＝　
Ｐ　＋　となるとステップ１００よりステップ１１０に
進み電磁弁５４（ＶＳＶＩ）がＯＮされ、ダイヤフラム
３４ａに位置５６からの過給圧が導入され、スプリング
３４ｄに抗してウェイストゲート弁３２は開放方向に付
勢される。ステップ１１２で排気切替弁３８の作動用電
磁弁５８（ＶＳＶ２）がＯＮされる。そのため、ダイヤ
フラム４０ａに過給圧が作用するため、過給圧に対抗す
る排気切替弁３８を閉じる力にスプリング４０ｄは関与
しなくなり、スプリング４０ｃの弱い付勢力のみが閉じ
る力に関与する。そのため、アクチュエータ４０は排気
切替弁３８を一気に開弁に至らしめる。

排気切替弁３８が全開となる領域での吸気バイパスの作
動を説明すると、ステップ１１４では電磁弁６４（ＶＳ
Ｖ３）がＯＦＦされるため大気圧がダイヤフラム４８ａ
の上側に作用し、ステップ１１６で電磁弁６６（ＶＳＶ
４　）がＯＮされ、過給圧がダイヤフラム４８ｂの下側
に作用するため、ダイヤフラム４８ａは上方に押圧され
、吸気バイパス弁４６は一気に開弁される。

第７図は負荷と回転数とに対して第６図に示すスロット
ル弁全開時の過給圧の特性を破線Ｘで示す。スロットル
弁全開時に排気切替弁３８が開弁を開始するＮＥＩの回
転数の点Ａより延びるラインｙはスロットル弁の非全開
時の排気切替弁の開弁開始ライン（Ｐ２＝Ｐ　、Ｅ工＞
Ｐ、となる等圧ライン）を示しており、スロットル弁開
度が小さい程開弁開始点は高回転側に移行する。スロッ
トル弁全開時に排気切替弁３８が全開を開始するＮＥ２
の回転数の点Ｂより延びるライン２はスロットル弁の非
全開時の排気切替弁の全開ライン（Ｐ２・Ｐ５．！工＝
Ｐ、）となる等圧ライン）を示しており、スロットル弁
開度が小さい程全開点は高回転側に移行する。

第４図は空燃比制御ルーチンを示す。このルーチンは各
気筒の燃料噴射の演算タイミング（４気筒の内燃機関で
は１８０°ＣＡ毎に発生する）において実行される。こ
のタイミングは３０°ＣＡ信号、７２０°ＣＡ信号より
知ることができる。ステップ１２２では基本燃料噴射量
ＴＰが ＴＰ　＝Ｋ　Ｘ　（Ｑ／ＮＥ） によって算出される。ここにＫは定数であり、基本燃料
噴射量ＴＰはその回転数、負荷において理論空燃比を得
るための燃料噴射量に相当する。

ステップ１２４ではフィードバック制御状態か否か判別
される。第７図においてラインａは理論空燃比で制御す
る上限ラインを負荷（吸入空気量−エンジン回転数比Ｑ
／ＮＥ　）と回転軸回転数ＮＥとの組合せにおいて示し
たものである。ラインａは過給機により実質的に過給が
開始される吸入空気量−エンジン回転数比及び回転数を
示す。このラインａより下側の領域■で空燃比は理論空
燃比に制御され、上側の領域■及び■は希薄空燃比に制
御される。ステップ１２４ではその時の吸入空気量−エ
ンジン回転数比と、回転数とがラインａより下側にある
か否かが判別される。ラインａより下側にある、即ちフ
ィードバック状態と判別したときはステップ１２６に進
み燃料噴射量ＴＡＵがＴＡＵ＝Ｔｐ　Ｘ　ＦＡＦ によって算出される。ＦＡＦは空燃比フィードバック補
正係数であり、空燃比は理論空燃比にフィードバック制
御される。

フィードバック制御状態でない、即ち、吸入空気量−エ
ンジン回転数比と回転数とよりラインａの上側にあると
判別したときはステップ１２８に進み、設定空燃比が理
論空燃比と目標希薄空燃比との間の中間領域にあるか否
か判別する。ここに、中間希薄空燃比とは理論空燃比と
目標希薄空燃比との中間の希薄空燃比をいい、具体的な
値でいうと１６〜１８の範囲である。第６図においてラ
インｂを目標希薄空燃比に制御を開始するラインであり
、中間希薄空燃比領域■はａとｂとの間の斜線にて示す
。ラインｂより上側の領域■にあるとき、即ち空燃比を
設定希薄空燃比に制御するときはステップ１２８よりス
テップ１３２に進み、リーン補正係数ＫＬＥＡＮがマツ
プより算出される。ＫＬＥＡＮはＴＰによって得られる
理論空燃比に対して燃料噴射量を減量補正し、目標希薄
空燃比を得るための係数であり、ＫＬＥＡＮは１．０よ
り小さい値を持ち、吸入空気量−エンジン回転数比及び
エンジン回転数に応じて例えば１９．０〜２０．０の空
燃比が得られるうよなＫＬＥＡＮの値に設定されている
。吸入空気量−エンジン回転数比Ｑ／ＮＥと回転数ＮＥ
とのマツプとして構成され、そのときのＱ／ＮＥ及びＮ
Ｅとより補間によりＫＬＥＡＮが算出される。ステップ
１３４では燃料噴射量ＴＡＬＩが、 ＴＡＵ４ｐ　Ｘ　ＫＬＥＡＮ によって算出される。

ステップ１２８で中間空燃比制御域と判別したときはス
テップ１４０に進み、Ｑ／ＮＥ−Ｑ／ＮＥｏ≧Ｃか否か
判別される。Ｑ／ＮＥｏは前回（クランク角度で１８０
’　ＣＡ前）このルーチンを実行したときのＱ／ＮＥの
値である。Ｑ／ＮＥは機関の負荷因子であり、ステップ
１４０の判断によりエンジンが加速中にあるか否かを知
ることができる。加速でない場合は前記ステップ１３２
以下に分岐する。

Ｑ／ＮＥ−Ｑ／ＮＥＯ≧Ｃ１即ち加速中と判断したとき
はステップ１４２に進み、Ｑ／ＮＥ＋　Ａ　Ｘ　ｃをＱ
／ＮＥに入れ、ステップ１４４でＫＬＥＡＮを補間演算
する。即ち、加速時はリーン補正係数に１、ＥＡＮを算
出するＱ／ＮＨの値が本来の値大きくなるように補正さ
れる。そのため、加速時は設定希薄空燃比への希薄制御
が早めに行われる。Ａ、Ｃの値は適当に決められる。ス
テツブ１４６は燃料噴射量の算出を示しており、ステッ
プ１３４と同様である。ステップ１５０ではＴＡＵ＞Ｔ
ＡＵ　ｏが成立するか否か判別される。ＴＡＵ、は前回
このルーチンを実行したときステップ１４６で得られた
燃料噴射量ＴＡＵの値であり、燃料噴射量が増加してい
るか否かの判断である。増加している場合はそのままス
テップ１５４に進が、増加していない場合はステップ１
５２に進み、ＴＡＵ、がＴＡＵに入れられる。ステップ
１５４はＱ／ＮＥがＱ／ＮＥＯに入れられ、ステップ１
５６でＴＡＵがＴＡＵｏに入れられる。これは次回（即
ち１８０°ＣＡ後）の燃料噴射処理においてステップで
使用するためである。

ステップ１５８ではステップ１２６．１３４．１４６．
１５２で算出された量ＴＡＵの燃料噴射を行うべくイン
ジェクタ１５への燃料噴射信号が形成される。

第５図は空燃比のフィードバック制御ルーチンを概略的
に示している。ステップ１６０ではフィードバック制御
か否か判別され、非フイードバツク時はステップ１６１
に進み、ＦＡＦ＝１．０とされる。空燃比フィードバッ
クを行うときはステップ１６０よリステップ１６２に進
み空燃比センサ８２の信号が入力され、ステップ１６４
では空燃比センサの信号より空燃比が理論空燃比よりリ
ーン側か否か判別され、リーン側と判別されたときはス
テップ１６６に進み、フィードバック補正係数ＦＡＦが
増加され、リッチ側と判別されたときはステップ１６８
に進みフィードバック補正係数が減少される。

第８図は機関回転数を固定した場合における吸入空気量
−エンジン回転数比に対する空燃比、燃料噴射量の変化
を模式的に示す。■が理論空燃比制御域、■が中間空燃
比域、■が希薄空燃比域である。中間空燃比域■では理
論空燃比から希薄空燃比に徐々に空燃比が増大される。

破線で示す加速時ｍは空燃比は通常時ｌより急に変化さ
れる。

そのため、希薄空燃比域への移行を定常時より早めるこ
とができる。

〔効果〕

この発明では高密度過給希薄燃焼内燃機関において、理
論空燃比から希薄空燃比に制御する中間域において加速
程度に応じて希薄空燃比への変化速度を変えることによ
り運転性を悪化されることなく迅速に希薄空燃比に制御
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の機能構成を示す図。 第２図はこの発明の実施例の構成を示す図。 第、３図から第５図はこの第２図の制御回路の作動を説
明するフローチャート。 第６図はこの発明の過給装置による回転数に対する過給
圧特性図。 第７図は作動タイミングを模式的に示す図。 第８図はこの発明の詳細な説明するタイミング図。 ＩＯ・・・エンジン本体、１２・・・吸気管、１４・・
・排気管、１７・・・大型ターボチャージャ、■８・・
・小型ターボチャージャ、 ３０・・・第１排気バイパス通路、 ３２・・−ウェイストゲート弁、 ３６・・・第２排気バイパス通路、

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 過給機を備えたガソリンを燃料とする内燃機関において
   、過給機により実質的に過給が行われる状態を検出する
   過給状態検出手段と、非過給状態と判別したときに非希
   薄空燃比を設定する手段と、過給状態において非希薄空
   燃比より幾分希薄側の中間空燃比を介して目標希薄空燃
   比に設定する手段と、機関の加速状態を検出する手段と
   、加速状態において前記目標希薄空燃比への移行を早め
   るように空燃比変化速度を調整する手段とを備える過給
   希薄燃焼ガソリン内燃機関の空燃比制御装置。