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JP4609541B2 - 過給機付き内燃機関の制御装置 - Google Patents

過給機付き内燃機関の制御装置 Download PDF

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Description

この発明は、過給機付き内燃機関の制御装置に関する。
従来、例えば特許文献１には、ターボチャージャを備える内燃機関（独立排気エンジン）が開示されている。この特許文献１に記載の内燃機関は、タービンに通じる第１排気通路を開閉する第１排気弁と、タービンを通らない第２排気通路を開閉する第２排気弁とを備えている。この従来内燃機関によれば、第１排気弁を開弁することにより、排気エネルギをタービンに導くことができる。さらに、第２排気弁を開弁することにより、タービンをバイパスして排気ガスを排出することができ、排気ポンピングロスを低減することができる。
特開平１０−８９１０６号公報 特表２００２−５２６７１３号公報
ところで、過給機付き内燃機関においては、吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間との間にバルブオーバーラップ期間が設けられていると、高負荷時に過給圧が背圧よりも高まっている際に、空気や燃料が燃焼室を介して吸気側から排気側へ吹き抜ける現象が生じ得る。上記従来の技術では、そのような空気や燃料の吹き抜け発生時の空燃比の制御については、何ら言及されていない。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、過給機付き内燃機関において、高負荷時のエンジン出力向上と排気エミッション低減とを好適に両立させ得る過給機付き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、過給機付き内燃機関の制御装置であって、
吸入空気を過給する過給機と、
前記過給機のタービンに通じる第１排気通路と、
前記第１排気通路を開閉する第１排気弁と、
前記タービンを通らない第２排気通路と、
前記第２排気通路を開閉する第２排気弁と、
前記第１排気通路と前記第２排気通路とが合流した後の合流後排気通路と、
前記合流後排気通路に配置され、排気ガスを浄化可能な触媒と、
内燃機関の過給圧が背圧よりも高い高負荷時に、前記第２排気弁の開弁期間と吸気弁の開弁期間とが重なるバルブオーバーラップ期間が確保されるように、前記第２排気弁の閉じ時期および前記吸気弁の開き時期の少なくとも一方を制御する掃気制御実行手段と、
前記高負荷時に、筒内充填ガスの空燃比が出力空燃比近傍の値となり、かつ、前記触媒に流入するガスの空燃比が理論空燃比近傍の値となるように制御する空燃比制御手段と、
を備えることを特徴とする。
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記空燃比制御手段は、
前記第１排気通路に配置され、その位置での排気ガスの空燃比に応じた出力を発する第１空燃比センサと、
前記触媒よりも上流側および／または下流側の前記合流後排気通路に配置され、その位置での排気ガスの空燃比に応じた出力を発する第２空燃比センサと、
前記第１空燃比センサの出力に基づいて、筒内充填ガスの前記空燃比が出力空燃比近傍の値を維持するように制御する第１空燃比フィードバック制御実行手段と、
前記第２空燃比センサの出力に基づいて、前記触媒に流入するガスの前記空燃比が理論空燃比を維持するように制御する第２空燃比フィードバック制御実行手段と、
を含むことを特徴とする。
また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記空燃比制御手段は、機関回転数が所定値以上である場合に、筒内充填ガスの前記空燃比と前記触媒に流入するガスの前記空燃比との空燃比差が小さくなるように、筒内充填ガスの前記空燃比および前記触媒に流入するガスの前記空燃比の少なくとも一方を制御する空燃比差制御手段を含むことを特徴とする。
また、第４の発明は、第３の発明において、
前記空燃比差制御手段は、前記空燃比差を小さくする際に、筒内充填ガスの前記空燃比が前記触媒に流入するガスの前記空燃比に近づくように、前記第２排気弁の開弁特性と燃料噴射量とを調整するエミッション優先空燃比差制御手段を含むことを特徴とする。
また、第５の発明は、第３の発明において、
前記空燃比差制御手段は、前記空燃比差を小さくする際に、前記触媒に流入するガスの前記空燃比が筒内充填ガスの前記空燃比に近づくように、前記第２排気弁の開弁特性を調整する出力優先空燃比差制御手段を含むことを特徴とする。
第１の発明によれば、筒内充填ガスの空燃比（以下、「筒内Ａ／Ｆ」）が出力空燃比とされることで、エンジン出力を最大限に高めることができる。そして、触媒に流入するガスの空燃比（以下、「トータルＡ／Ｆ」）が理論空燃比とされることで、良好な排気ガスのエミッション特性を得ることができる。このように、本発明によれば、高いエンジン出力が要求される高負荷時において、エンジン出力向上と排気エミッション低減とを好適に両立させることが可能となる。
第２の発明によれば、内燃機関の高負荷運転中に、筒内Ａ／Ｆを出力空燃比近傍の値に成り行きではなく確実に維持することができ、また、トータルＡ／Ｆをストイキ近傍の値に成り行きではなく確実に維持することが可能となる。
第３の発明によれば、高負荷領域において吸気側から排気側への新気の吹き抜けを利用する掃気制御を伴う上記空燃比制御が実行されている場合であっても、触媒内での余剰燃料量の燃焼を抑制することができる。このため、高回転領域において、触媒床温がクライテリアを越えて過上昇するのを良好に回避することができる。
第４の発明によれば、筒内Ａ／ＦとトータルＡ／Ｆとの空燃比差を小さくする際に、筒内Ａ／ＦをトータルＡ／Ｆに近づけることにより、筒内から排出される余剰燃料量を少なくすることができる。これにより、当該触媒内での余剰燃料量の燃焼を抑制することができる。また、本発明の手法によれば、高負荷時の機関回転数の高低に関係なくトータルＡ／Ｆが常にストイキに維持されるようになるので、出力向上に対して排気エミッション低減を優先させつつ、触媒床温の過上昇を回避することができる。
第５の発明によれば、筒内Ａ／ＦとトータルＡ／Ｆとの空燃比差を小さくする際に、トータルＡ／Ｆを筒内Ａ／Ｆに近づけることにより、筒内を吹き抜ける余剰の新気量を少なくすることができる。このように、触媒内において余剰燃料量との反応に用いられる余剰の新気量（酸素量）が少なくされているので、当該触媒内での余剰燃料量の燃焼を抑制することができる。また、本発明の手法によれば、高負荷時の機関回転数の高低に関係なく筒内Ａ／Ｆが常に出力空燃比に維持されるようになるので、排気エミッション低減に対して出力向上を優先させつつ、触媒床温の過上昇を回避することができる。
実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１によるシステム構成を示す図である。本実施の形態１のシステムは、過給機（ターボチャージャ）を有する独立排気エンジンシステムである。
図１に示すシステムは、複数の気筒２を有するエンジン１を備えている。各気筒２のピストン（図示せず）は、それぞれクランク機構を介して共通のクランク軸４に接続されている。クランク軸４の近傍には、クランク軸４の回転角度（クランク角ＣＡ）を検出するクランク角センサ５が設けられている。また、エンジン１には、冷却水温Ｔｗを検出する水温センサ３が設けられている。
エンジン１は、各気筒２に対応して、インジェクタ６を有している。インジェクタ６は、高圧の燃料を気筒２内に直接噴射するように構成されている。各インジェクタ６は、共通のデリバリーパイプ７に接続されている。デリバリーパイプ７は、燃料ポンプ８を介して燃料タンク９に連通している。
また、エンジン１は、各気筒２に対応して吸気ポート１０を有している。吸気ポート１０には、複数の吸気弁１１が設けられている。吸気弁１１は、吸気可変動弁機構１３により開閉駆動される。ここでは、吸気可変動弁機構１３は、吸気カム軸１２の位相を変更可能とする公知のＶＶＴ機構を備えているものとする。
また、各吸気ポート１０は、共通のサージタンク（吸気マニホールド）１６に接続されている。サージタンク１６には、過給圧センサ１７が設けられている。過給圧センサ１７は、後述するコンプレッサ２４ａによって過給された空気（以下「過給空気」という。）の圧力、すなわち、吸気系圧力である過給圧を測定するように構成されている。
サージタンク１６には、吸気通路１８が接続されている。吸気通路１８の途中には、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は、スロットルモータ２１により駆動される電子制御式のバルブである。スロットルバルブ２０は、アクセル開度センサ２３により検出されるアクセル開度ＡＡ等に基づいて駆動されるものである。スロットルバルブ２０の近傍には、スロットル開度ＴＡを検出するスロットル開度センサ２２が設けられている。スロットルバルブ２０の上流には、過給空気を冷却するためのインタークーラ２５が設けられている。
インタークーラ２５の上流には、過給機２４のコンプレッサ２４ａが設けられている。コンプレッサ２４ａは、図示しない連結軸を介してタービン２４ｂと連結されている。タービン２４ｂは、後述する第１排気通路３２に設けられている。このタービン２４ｂが排気動圧（排気エネルギ）により回転駆動されることに伴って、コンプレッサ２４ａが回転駆動される。コンプレッサ２４ａの上流には、エアフロメータ２６が設けられている。エアフロメータ２６は、吸入空気量Ｇａを検出するように構成されている。
また、エンジン１には、各気筒２に対応して第１排気弁３０Ａ（符号「Ex1」を付すこともある。）と第２排気弁３０Ｂ（符号「Ex2」を付すこともある。）とが設けられている。この第１排気弁３０Ａは、タービン２４ｂに通じる第１排気通路３２を開閉するものである。タービン２４ｂは、第１排気通路３２を流通する排気動圧によって回転駆動されるように構成されている。また、第２排気弁３０Ｂは、タービン２４ｂに通じない第２排気通路３４を開閉するものである。
これらの排気弁３０Ａ、３０Ｂは、排気可変動弁機構３１によって開閉駆動される。ここでは、排気可変動弁機構３１は、各気筒２の排気弁３０Ａ、３０Ｂの開弁特性を連続的に変更可能とする機構であるものとする。より具体的には、排気可変動弁機構３１は、排気弁３０Ａ、３０Ｂの開閉時期を調整すべく、排気カム軸２９の位相を変更可能とする公知のＶＶＴ機構を備えているものとする。また、排気可変動弁機構３１は、第２排気弁３０Ｂのリフト量および作用角を連続的に変更可能とする公知のリフト量（および作用角）可変機構を備えているものとする。
第１排気通路３２には、当該第１排気通路３２を流れる排気ガスの空燃比を検出する第１空燃比センサ３７が設けられている。また、第１排気通路３２と第２排気通路３４の合流点３５よりも下流の合流後排気通路３６には、排気ガスを浄化可能な三元触媒（Ｓ／Ｃ）３８が設けられている。更に、当該三元触媒３８よりも下流側の合流後排気通路３６には、その位置での排気ガスの空燃比を検出する第２空燃比センサ３９が設けられている。
本実施の形態１のシステムは、制御装置であるＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０を備えている。ＥＣＵ４０の入力側には、水温センサ３、クランク角センサ５、過給圧センサ１７、スロットル開度センサ２２、アクセル開度センサ２３、エアフロメータ２６、第１空燃比センサ３７、および第２空燃比センサ３９等が接続されている。また、ＥＣＵ４０の出力側には、インジェクタ６、燃料ポンプ８、吸気可変動弁機構１３、スロットルモータ２１、および排気可変動弁機構３１等が接続されている。ＥＣＵ４０は、各センサからの信号に基づき、所定のプログラムに従って各アクチュエータを作動させることにより、エンジン１の運転状態を制御する。
（新気の吹き抜けによる筒内残留ガスの掃気（スカベンジング）制御について）
図２は、本実施形態において用いられる吸排気弁のバルブタイミングを説明するためのリフトカーブである。
より具体的には、図２に示す吸排気弁のバルブタイミングは、燃焼室を介して吸気側から排気側に向けて新気を吹き抜けさせて、筒内の残留ガス（内部ＥＧＲガス）を掃気する（スカベンジング）際に用いられるものである。このような場合には、排気可変動弁機構３１を用いて、図２に示すように、第２排気弁Ex2の閉じ時期が第１排気弁Ex1に比して遅角されるようになっている。これにより、第２排気弁Ex2の開弁期間と吸気弁Inの開弁期間とが重なるバルブオーバーラップ期間が確保されるようになっている。
更に、第２排気弁Ex2の開き時期が第１排気弁Ex1に比して遅角されるとともに当該第２排気弁Ex2のリフト量が第１排気弁Ex1のリフト量に比して小さくされるようになっている。これにより、タービン２４ｂに供給される排気エネルギ量が高められ、過給圧がより速やかに高められるようになっている。
以上のような吸排気弁のバルブタイミングによれば、高負荷時に過給圧（サージタンク圧）が背圧よりも高くなっている状況下において、吸気側から排気側（第２排気通路３４側）への新気の吹き抜けを効果的に生じさせることができる。また、図２に示すように、排気可変動弁機構３１によって第２排気弁Ex2のリフト量を調整することで、当該吹き抜けの量（スカベンジ量）を調整することができる。更には、このような排気可変動弁機構３１による第２排気弁Ex2の制御とともに、或いは当該第２排気弁Ex2の制御に代え、吸気弁１１の開き時期の進角量の調整によるバルブオーバーラップ期間の制御を行うようにして、新気の吹き抜け量が調整されるようになっていてもよい。
［実施の形態１の特徴部分］
図３は、本発明の実施の形態１における特徴的な空燃比制御を説明するための図である。より具体的には、図３（Ａ）は、高負荷時（特には、全負荷（ＷＯＴ）時）における新気の吹き抜け率と機関回転数ＮＥとの関係を、図３（Ｂ）は、高負荷時における空燃比Ａ／Ｆと機関回転数ＮＥとの関係を、それぞれ示している。ここで、当該吹き抜け率とは、図３に示すように、燃料１サイクル中に筒内に取り込まれるトータルの新気量Ａｔｏｔ中に占める吹き抜け新気量（Ａｔｏｔ−Ａｃｙｌ）の割合をいう。尚、当該Ａｃｙｌは、排気側に吹き抜けることなく筒内に充填された新気量である。
上述したように、過給機付き内燃機関においては、バルブオーバーラップ期間が設けられていると、高負荷時に過給圧が背圧よりも高くなっている状況下において、燃焼室を介した吸気側から排気側への新気の吹き抜けが発生する。
図３（Ａ）中に破線で示す波形は、本実施形態の排気系のような、タービン２４ｂをバイパスする第２排気通路３４を備えていない通常の排気系における新気の吹き抜け率の傾向を示している。図３（Ａ）に示すように、通常の排気系の場合には、機関回転数ＮＥが高くなるにつれ、背圧が増加するので、吹き抜け率が減少する。
一方、本実施形態の排気系では、タービン２４ｂに通じる第１排気通路３２側の背圧は、上記通常の排気系と同様に、機関回転数ＮＥが高くなるにつれ、増加することになる。しかし、タービン２４ｂをバイパスする第２排気通路３４側の背圧は、タービン２４ｂによる排気抵抗がないため、機関回転数ＮＥが高くなっても、過給圧が第２排気通路３４側の背圧よりも高い状態が確保されるようになる。このため、本実施形態の排気系によれば、上述した第２排気弁Ex2の開弁特性の制御による新気の吹き抜け量の調整を行うことで、図３（Ａ）中に実線で示すように、中回転から高回転領域においても、所望の吹き抜け率を確保することが可能となる。
そこで、本実施形態では、本実施形態の排気系を用いて広い機関回転数範囲で実現できる新気の吹き抜けによる上記掃気制御を利用して、高負荷時に、筒内充填ガスの空燃比（以下、「筒内Ａ／Ｆ」と称することがある）と三元触媒３８に流入するガスの空燃比（以下、「トータルＡ／Ｆ」と称することがある）とを以下のように制御するようにした。すなわち、図３（Ｂ）に示すように、筒内Ａ／Ｆが出力空燃比（１２．５）近傍となるように燃料噴射量を設定するようにした。そして、筒内を吹き抜ける新気分を含めたトータルＡ／Ｆが理論空燃比（ストイキ）近傍となるように、第２排気弁Ex2を通じて吹き抜ける新気量を第２排気弁Ex2の開弁特性の調整によって制御するようにした。
図４は、上記の機能を実現するために、本実施の形態１においてＥＣＵ４０が実行するルーチンのフローチャートである。
図４に示すルーチンでは、先ず、エンジン１の機関負荷が所定値ＬＴＨ以上であるか否かが判別される（ステップ１００）。具体的には、ここでは、吸入空気量Ｇａや機関回転数ＮＥ等に基づいた判定が行われる。また、当該所定値ＬＴＨは、機関負荷が上記掃気制御を適切に実現できる程度にまで比較的高くなっているか否かを判断できる値として予め設定されたものである。
その結果、上記ステップ１００において、現在の機関負荷が所定値ＬＴＨ以上であると判定された場合、すなわち、機関負荷が上記掃気制御を適切に実現できる程度にまで比較的高まった状態にあると判断できる場合には、筒内Ａ／Ｆが出力空燃比近傍の値となり、かつ、トータルＡ／Ｆがストイキ近傍の値となるように、上記掃気制御の実行を伴う空燃比制御が実行される（ステップ１０２）。
具体的には、本ステップ１０２では、筒内Ａ／Ｆを出力空燃比とするために必要な燃料噴射量Ｆで燃料噴射が実行される。また、この場合の燃料噴射は、上記掃気制御によって新気とともに燃料が吹き抜けないタイミング（つまり、第２排気弁Ex2が閉弁した後のタイミング）で実行される。ＥＣＵ４０は、この場合の燃料噴射量Ｆを決定するために、エンジン１の運転状態（機関負荷や機関回転数ＮＥ等）との関係で燃料噴射量Ｆを定めたマップ（図示省略）を記憶しており、本ステップ１０２では、そのようなマップが参照され、上記筒内Ａ／Ｆを実現するための適切な燃料噴射量Ｆが算出される。
また、本ステップ１０２では、第２排気通路３４側に吹き抜ける新気分を含めて、トータルＡ／Ｆがストイキとなるように、第２排気弁Ex2を通じて吹き抜ける新気量（Ａｔｏｔ−Ａｃｙｌ）が第２排気弁Ex2の開弁特性の調整によって制御される。ＥＣＵ４０は、この場合の第２排気弁Ex2の開弁特性を決定するために、エンジン１の運転状態との関係で第２排気弁Ex2の開弁特性（開閉時期、リフト量、作用角）を定めたマップ（図示省略）を記憶しており、本ステップ１０２では、そのようなマップが参照され、上記の新気吹き抜け量（Ａｔｏｔ−Ａｃｙｌ）を実現するための適切な第２排気弁Ex2の開弁特性が算出される。
更に、本ステップ１０２では、第１空燃比センサ３７の出力に基づいて、筒内Ａ／Ｆが出力空燃比近傍の値を維持するように燃料噴射量Ｆが補正される。第１空燃比センサ３７によれば、新気の吹き抜けが生じない側である第１排気通路３２を流れる排気ガスの空燃比、つまり、筒内Ａ／Ｆを検出することができる。このため、第１空燃比センサ３７の出力を利用して、筒内Ａ／Ｆが出力空燃比近傍の値を維持するように、筒内Ａ／Ｆのフィードバック制御を実行することができる。
更に、本ステップ１０２では、第２空燃比センサ３９の出力に基づいて、トータルＡ／Ｆがストイキ近傍の値を維持するように、第２排気弁Ex2の開弁特性の調整に基づき新気吹き抜け量（Ａｔｏｔ−Ａｃｙｌ）が補正される。第２空燃比センサ３９によれば、新気の吹き抜けが生じない側の第１排気通路３２を通った排気ガスと新気の吹き抜けが生じる側の第２排気通路３４を通った排気ガスとが合流した後の排気ガスの空燃比、つまり、トータルＡ／Ｆを検出することができる。このため、第２空燃比センサ３９の出力によれば、トータルＡ／Ｆがストイキ近傍の値を維持するように、トータルＡ／Ｆのフィードバック制御を実行することができる。
以上説明した図４に示すルーチンによれば、機関負荷が比較的高い場合には、筒内Ａ／Ｆが出力空燃比近傍の値となり、かつ、トータルＡ／Ｆがストイキ近傍の値となるように、上記掃気制御の実行を伴う空燃比制御が実行される。このような空燃比制御によれば、筒内Ａ／Ｆが出力空燃比とされることで、エンジン出力を最大限に高めることができる。そして、三元触媒３８に流入するガスの空燃比（トータルＡ／Ｆ）がストイキとされることで、良好な排気ガスのエミッション特性を得ることができる。このように、本実施形態のシステムによれば、高いエンジン出力が要求される高負荷時において、エンジン出力向上と排気エミッション低減とを好適に両立させることが可能となる。
また、上記ルーチンによれば、上記の空燃比制御が実行される際に、筒内Ａ／Ｆのフィードバック制御とトータルＡ／Ｆのフィードバック制御とがそれぞれ実行される。これにより、エンジン１の高負荷運転中に、筒内Ａ／Ｆを出力空燃比近傍の値に成り行きではなく確実に維持することができ、また、トータルＡ／Ｆをストイキ近傍の値に成り行きではなく確実に維持することが可能となる。
ところで、上述した実施の形態１においては、機関負荷が比較的高い場合に、筒内Ａ／Ｆのフィードバック制御とトータルＡ／Ｆのフィードバック制御とを行うようにしている。しかしながら、本発明においては、このようなフィードバック制御の一方または双方は、必ずしも行われていなくてもよい。
また、上述した実施の形態１においては、筒内Ａ／Ｆのフィードバック制御を燃料噴射量の補正によって行うようにし、また、トータルＡ／Ｆのフィードバック制御を第２排気弁Ex2の開弁特性の補正によって行うようにしている。しかしながら、本発明におけるこれらのフィードバック制御の実施態様は、これに限定されるものではない。すなわち、例えば、筒内Ａ／Ｆのフィードバック制御を第２排気弁Ex2の開弁特性の補正による新気吹き抜け量の調整によって行うようにしてもよい。また、例えば、トータルＡ／Ｆのフィードバック制御を燃料噴射量の補正によって行うようにしてもよい。
尚、上述した実施の形態１においては、過給機２４が前記第１の発明における「過給機」に、タービン２４ｂが前記第１の発明における「タービン」に、第１排気通路３２が前記第１の発明における「第１排気通路」に、第１排気弁３０Ａが前記第１の発明における「第１排気弁」に、第２排気通路３４が前記第１の発明における「第２排気通路」に、第２排気弁３０Ｂが前記第１の発明における「第２排気弁」に、合流後排気通路３６が前記第１の発明における「合流後排気通路」に、三元触媒３８が前記第１の発明における「触媒」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ４０が上記ステップ１００の判定が成立する場合に上記ステップ１０２の処理を実行することにより、前記第１の発明における「掃気制御実行手段」および「空燃比制御手段」がそれぞれ実現されている。
また、第１空燃比センサ３７が前記第２の発明における「第１空燃比センサ」に、第２空燃比センサ３９が前記第２の発明における「第２空燃比センサ」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ４０が上記ステップ１００の判定が成立する場合に上記ステップ１０２の処理を実行することにより、前記第２の発明における「第１空燃比フィードバック制御実行手段」および「第２空燃比フィードバック制御実行手段」がそれぞれ実現されている。
実施の形態２．
次に、図５乃至図７を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ４０に図４に示すルーチンに代えて後述する図７に示すルーチンを実行させることにより実現することができるものである。
図５は、高負荷時における触媒温度と機関回転数ＮＥとの関係を表した図である。
高負荷時において、三元触媒３８に流入する排気ガスの温度（触媒入口ガス温度）は、図５に示すように、機関回転数ＮＥが高くなるにつれ、排気系を流通する高温の排気ガス流量が増加し、また、当該排気ガス流量の増加に伴って排気圧が上昇するため、高くなる。これに伴い、図５に示すように、三元触媒３８の床温についても、機関回転数ＮＥが高くなるにつれ高くなる。
更に、高負荷高回転時に触媒温度が高くなる理由として、次のようなものがある。すなわち、上述した実施の形態１のように、筒内Ａ／Ｆをストイキよりもリッチな出力空燃比に制御しつつ、新気の吹き抜けを実行した場合には、筒内の燃焼時に余剰となった燃料と筒内を吹き抜けた新気とが三元触媒３８に供給されることになる。尚、筒内において余剰な燃料が生ずる理由は、燃料と空気に含まれる酸素とが過不足なく燃焼する際の空燃比（ストイキ）よりもリッチな出力空燃比化で燃焼が実行されるためである。
その結果、三元触媒３８内において、当該余剰燃料と筒内を吹き抜けた新気中の酸素とが反応し、これにより、三元触媒３８の床温の上昇を引き起こしてしまう。その結果、図５に示すように、高回転領域においては、触媒床温が所定の温度上限値（クライテリア）を超えてしまう。
［実施の形態２の特徴部分］
図６は、本発明の実施の形態２における特徴的な制御を説明するための図である。より具体的には、図６（Ａ）は、高負荷時における新気の吹き抜け率と機関回転数ＮＥとの関係を、図６（Ｂ）は、高負荷時における空燃比（Ａ／Ｆ）と機関回転数ＮＥとの関係を、図６（Ｃ）は、高負荷時における触媒温度と機関回転数ＮＥとの関係を、それぞれ示している。
本実施形態では、図６（Ａ）に示すように、上記掃気制御は、機関回転数ＮＥが所定回転数ＮＥ１よりも高い場合に実行され、これにより、所望の吹き抜け率が確保される。そして、当該回転数ＮＥ１よりも機関回転数ＮＥが高い領域において、図６（Ｂ）に示すように、上述した実施の形態１の空燃比制御（筒内Ａ／Ｆを出力空燃比とし、トータルＡ／Ｆをストイキとする制御）が実行される。
そのうえで、本実施形態では、全開加速時や高速走行時のような高負荷高回転領域における触媒床温の過上昇を回避すべく、図６（Ｂ）に示すように、機関回転数ＮＥが触媒床温の過上昇が懸念される所定回転数ＮＥＴＨよりも高い領域において、筒内Ａ／ＦとトータルＡ／Ｆとの空燃比差が小さくなるようにした。より具体的には、本実施形態では、筒内Ａ／ＦをトータルＡ／Ｆに近づけるようにした。また、機関回転数ＮＥが高くなるほど、当該空燃比差が小さくなるようにした。
そして、本実施形態では、上記のような空燃比差の調整を、新気の吹き抜け量（吹き抜け率）および燃料噴射量Ｆの調整によって行うようにした。より具体的には、筒内に充填される空気量Ａｃｙｌが変化しないようにしつつ、第２排気弁Ex2の開弁特性の調整によって新気の吹き抜け量（Ａｔｏｔ−Ａｃｙｌ）が減少するようにしている。更に、そのような吹き抜け量（Ａｔｏｔ−Ａｃｙｌ）の減少と比例して燃料噴射量Ｆを減らすようにしている。
このような手法によれば、図６（Ｂ）に示すように、吹き抜け量（Ａｔｏｔ−Ａｃｙｌ）の減少と比例させて燃料噴射量Ｆが減らされるので、トータルＡ／Ｆをストイキに維持できる。また、筒内に充填される空気量Ａｃｙｌが変化しないようにしつつ燃料噴射量Ｆが減らされるので、筒内Ａ／Ｆをリーン側（ストイキ側）の空燃比に補正することができ、トータルＡ／Ｆに近づけることができる。これにより、筒内から排出される余剰燃料量を少なくすることができる。
以上のような制御によれば、図６（Ｃ）に示すように、高負荷領域において上記掃気制御を伴う上記空燃比制御が実行されている場合であっても、三元触媒３８内において燃焼する余剰燃料量が少なくされているので、当該三元触媒３８内での余剰燃料量の燃焼を抑制することができる。このため、高回転領域において、触媒床温がクライテリアを越えて過上昇するのを良好に回避することができる。また、図６（Ｂ）に示すように、筒内Ａ／ＦをトータルＡ／Ｆに近づけることによって、上記空燃比差を小さくする手法によれば、高負荷時の機関回転数ＮＥの高低に関係なくトータルＡ／Ｆが常にストイキに維持されるようになるので、出力向上に対して排気エミッション低減を優先させつつ、触媒床温の過上昇を回避することができる。
図７は、上記の機能を実現するために、本実施の形態２においてＥＣＵ４０が実行するルーチンのフローチャートである。尚、図７において、実施の形態１における図４に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
図７に示すルーチンでは、上記ステップ１０２において高負荷時の上記空燃比制御（筒内Ａ／Ｆを出力空燃比とし、トータルＡ／Ｆをストイキとする制御）が実行された後は、次いで、現在の機関回転数ＮＥが所定回転数ＮＥＴＨ以上であるか否かが判別される（ステップ２００）。当該所定回転数ＮＥＴＨは、上記掃気制御を伴う上記空燃比制御の実行によって機関回転数ＮＥが触媒床温の過上昇の懸念される回転数領域にあるか否かを判断できる値として予め設定された値である。
その結果、上記ステップ２００において、現在の機関回転数ＮＥが所定回転数ＮＥＴＨ以上であると判定された場合、すなわち、機関回転数ＮＥが触媒床温の過上昇の懸念される回転数領域にあると判断できる場合には、筒内Ａ／ＦとトータルＡ／Ｆとの空燃比差が小さくなるように、筒内Ａ／ＦをトータルＡ／Ｆに近づけるための処理（ステップ２０２および２０４）が実行される。
当該ステップ２０２では、筒内に充填される空気量Ａｃｙｌが変化しないようにしつつ、第２排気弁Ex2の開弁特性（開閉時期、リフト量、作用角）の調整によって新気の吹き抜け量（Ａｔｏｔ−Ａｃｙｌ）が減少される。これにより、三元触媒３８に流入するトータルでの空気量Ａｔｏｔが減少される。
次いで、当該ステップ２０４では、当該ステップ２０２における新気の吹き抜け量（Ａｔｏｔ−Ａｃｙｌ）の減少と比例して燃料噴射量Ｆが減らされる。
以上説明した図７に示すルーチンによれば、図６（Ｃ）を参照して既述したように、エンジン１が高負荷領域において上記掃気制御を伴う上記空燃比制御が実行されている場合であっても、高回転領域において、出力向上に対して排気エミッション低減を優先させつつ、触媒床温の過上昇を回避することができる。
尚、上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ４０が上記ステップ２００の判定が成立する場合に上記ステップ２０２および２０４の処理を実行することにより、前記第３の発明における「空燃比差制御手段」が実現されている。
また、ＥＣＵ４０が上記ステップ２００の判定が成立する場合に上記ステップ２０２および２０４の処理を実行することにより、前記第４の発明における「エミッション優先空燃比差制御手段」が実現されている。
実施の形態３．
次に、図８および図９を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。
本実施形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ４０に図７に示すルーチンに代えて後述する図９に示すルーチンを実行させることにより実現することができるものである。
［実施の形態３の特徴部分］
図８は、本発明の実施の形態３における特徴的な制御を説明するための図である。より具体的には、図８（Ａ）は、高負荷時における新気の吹き抜け率と機関回転数ＮＥとの関係を、図８（Ｂ）は、高負荷時における空燃比（Ａ／Ｆ）と機関回転数ＮＥとの関係を、図８（Ｃ）は、高負荷時における触媒温度と機関回転数ＮＥとの関係を、それぞれ示している。
本実施形態においても、図８（Ａ）に示すように、上記掃気制御は、機関回転数ＮＥが所定回転数ＮＥ１よりも高い場合に実行され、これにより、所望の吹き抜け率が確保される。そして、当該回転数ＮＥ１よりも機関回転数ＮＥが高い領域において、図８（Ｂ）に示すように、上述した実施の形態１の空燃比制御（筒内Ａ／Ｆを出力空燃比とし、トータルＡ／Ｆをストイキとする制御）が実行される。
そのうえで、本実施形態においても、全開加速時や高速走行時のような高負荷高回転領域における触媒床温の過上昇を回避すべく、図８（Ｂ）に示すように、機関回転数ＮＥが触媒床温の過上昇が懸念される所定回転数ＮＥＴＨよりも高い領域において、筒内Ａ／ＦとトータルＡ／Ｆとの空燃比差が小さくなるようにしている。この場合に、本実施形態では、上述した実施の形態２とは異なり、トータルＡ／Ｆを筒内Ａ／Ｆに近づけるようにしている。また、機関回転数ＮＥが高くなるほど、当該空燃比差が小さくなるようにしている。
また、本実施形態では、上述した実施の形態２とは異なり、上記のような空燃比差の調整を、新気の吹き抜け量（吹き抜け率）のみの調整によって行うようにした。より具体的には、燃料噴射量Ｆを当該空燃比差の調整のためには変化させないようにしたうえで、更に、筒内に充填される空気量Ａｃｙｌが変化しないようにしつつ、第２排気弁Ex2の開弁特性の調整によって新気の吹き抜け量（Ａｔｏｔ−Ａｃｙｌ）が減少するようにしている。
このような手法によれば、図８（Ｂ）に示すように、筒内に充填される空気量Ａｃｙｌおよび燃料噴射量Ｆが変化しないようにしつつ新気の吹き抜け量（Ａｔｏｔ−Ａｃｙｌ）が減らされるので、筒内Ａ／Ｆを出力空燃比に維持しつつ、トータルＡ／Ｆをリッチ側の空燃比に補正することができる。その結果、トータルＡ／Ｆを筒内Ａ／Ｆに近づけることができる。これにより、筒内を吹き抜ける余剰の新気量（Ａｔｏｔ−Ａｃｙｌ）を少なくすることができる。
以上のような制御によれば、図８（Ｃ）に示すように、高負荷領域において上記掃気制御を伴う上記空燃比制御が実行されている場合であっても、三元触媒３８内において余剰燃料量との反応に用いられる余剰の新気量（酸素量）が少なくされているので、当該三元触媒３８内での余剰燃料量の燃焼を抑制することができる。このため、高回転領域において、触媒床温がクライテリアを越えて過上昇するのを良好に回避することができる。また、図８（Ｂ）に示すように、トータルＡ／Ｆを筒内Ａ／Ｆに近づけることによって、上記空燃比差を小さくする手法によれば、高負荷時の機関回転数ＮＥの高低に関係なく筒内Ａ／Ｆが常に出力空燃比に維持されるようになるので、排気エミッション低減に対して出力向上を優先させつつ、触媒床温の過上昇を回避することができる。
図９は、上記の機能を実現するために、本実施の形態３においてＥＣＵ４０が実行するルーチンのフローチャートである。尚、図９において、実施の形態１における図７に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
図９に示すルーチンでは、上記ステップ２００において現在の機関回転数ＮＥが所定回転数ＮＥＴＨ以上であると判定された場合、すなわち、機関回転数ＮＥが触媒床温の過上昇の懸念される回転数領域にあると判断できる場合には、筒内Ａ／ＦとトータルＡ／Ｆとの空燃比差が小さくなるように、トータルＡ／Ｆを筒内Ａ／Ｆに近づけるための処理（ステップ３００）が実行される。
当該ステップ３００では、筒内に充填される空気量Ａｃｙｌおよび燃料噴射量Ｆが変化しないようにしつつ、第２排気弁Ex2の開弁特性（開閉時期、リフト量、作用角）の調整によって新気の吹き抜け量（Ａｔｏｔ−Ａｃｙｌ）が減少される。これにより、三元触媒３８に流入するトータルでの空気量Ａｔｏｔが減少される。
以上説明した図９に示すルーチンによれば、図８（Ｃ）を参照して既述したように、エンジン１が高負荷領域において上記掃気制御を伴う上記空燃比制御が実行されている場合であっても、高回転領域において、排気エミッション低減に対して出力向上を優先させつつ、触媒床温の過上昇を回避することができる。
尚、上述した実施の形態３においては、ＥＣＵ４０が上記ステップ２００の判定が成立する場合に上記ステップ３００の処理を実行することにより、前記第３の発明における「空燃比差制御手段」が実現されている。
また、ＥＣＵ４０が上記ステップ２００の判定が成立する場合に上記ステップ３００の処理を実行することにより、前記第５の発明における「出力優先空燃比差制御手段」が実現されている。
ところで、上述した実施の形態１乃至３においては、トータルＡ／Ｆを検出するための第２空燃比センサ３９を三元触媒３８の下流側に配置するようにしている。しかしながら、本発明における第２空燃比センサの配置場所は、これに限定されるものではなく、例えば、触媒（三元触媒３８）の上流側の合流後排気通路（合流後排気通路３６）であってもよく、更には、当該配置場所は、触媒の下流側および上流側の合流後排気通路であってもよい。
本発明の実施の形態１によるシステム構成を示す図である。 本発明の実施の形態１において用いられる吸排気弁のバルブタイミングを説明するためのリフトカーブである。 本発明の実施の形態１における特徴的な空燃比制御を説明するための図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 高負荷時における触媒温度と機関回転数ＮＥとの関係を表した図である。 本発明の実施の形態２における特徴的な制御を説明するための図である。 本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態３における特徴的な制御を説明するための図である。 本発明の実施の形態３において実行されるルーチンのフローチャートである。
符号の説明
１ エンジン
６ インジェクタ
１１ 吸気弁In
１３ 吸気可変動弁機構
１６ サージタンク
１８ 吸気通路
２４ 過給機
２４ａ コンプレッサ
２４ｂ タービン
３０Ａ 第１排気弁Ex1
３０Ｂ 第２排気弁Ex2
３１ 排気可変動弁機構
３２ 第１排気通路
３４ 第２排気通路
３６ 合流後排気通路
３７ 第１空燃比センサ
３８ 三元触媒
３９ 第２空燃比センサ
４０ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)

Claims (5)

  1. 吸入空気を過給する過給機と、
    前記過給機のタービンに通じる第１排気通路と、
    前記第１排気通路を開閉する第１排気弁と、
    前記タービンを通らない第２排気通路と、
    前記第２排気通路を開閉する第２排気弁と、
    前記第１排気通路と前記第２排気通路とが合流した後の合流後排気通路と、
    前記合流後排気通路に配置され、排気ガスを浄化可能な触媒と、
    内燃機関の過給圧が背圧よりも高い高負荷時に、前記第２排気弁の開弁期間と吸気弁の開弁期間とが重なるバルブオーバーラップ期間が確保されるように、前記第２排気弁の閉じ時期および前記吸気弁の開き時期の少なくとも一方を制御する掃気制御実行手段と、
    前記高負荷時に、筒内充填ガスの空燃比が出力空燃比近傍の値となり、かつ、前記触媒に流入するガスの空燃比が理論空燃比近傍の値となるように制御する空燃比制御手段と、
    を備えることを特徴とする過給機付き内燃機関の制御装置。
  2. 前記空燃比制御手段は、
    前記第１排気通路に配置され、その位置での排気ガスの空燃比に応じた出力を発する第１空燃比センサと、
    前記触媒よりも上流側および／または下流側の前記合流後排気通路に配置され、その位置での排気ガスの空燃比に応じた出力を発する第２空燃比センサと、
    前記第１空燃比センサの出力に基づいて、筒内充填ガスの前記空燃比が出力空燃比近傍の値を維持するように制御する第１空燃比フィードバック制御実行手段と、
    前記第２空燃比センサの出力に基づいて、前記触媒に流入するガスの前記空燃比が理論空燃比を維持するように制御する第２空燃比フィードバック制御実行手段と、
    を含むことを特徴とする請求項１記載の過給機付き内燃機関の制御装置。
  3. 前記空燃比制御手段は、機関回転数が所定値以上である場合に、筒内充填ガスの前記空燃比と前記触媒に流入するガスの前記空燃比との空燃比差が小さくなるように、筒内充填ガスの前記空燃比および前記触媒に流入するガスの前記空燃比の少なくとも一方を制御する空燃比差制御手段を含むことを特徴とする請求項１または２記載の過給機付き内燃機関の制御装置。
  4. 前記空燃比差制御手段は、前記空燃比差を小さくする際に、筒内充填ガスの前記空燃比が前記触媒に流入するガスの前記空燃比に近づくように、前記第２排気弁の開弁特性と燃料噴射量とを調整するエミッション優先空燃比差制御手段を含むことを特徴とする請求項３記載の過給機付き内燃機関の制御装置。
  5. 前記空燃比差制御手段は、前記空燃比差を小さくする際に、前記触媒に流入するガスの前記空燃比が筒内充填ガスの前記空燃比に近づくように、前記第２排気弁の開弁特性を調整する出力優先空燃比差制御手段を含むことを特徴とする請求項３記載の過給機付き内燃機関の制御装置。
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