车辆用内燃机的控制方法以及控制装置
阅读说明：本技术 车辆用内燃机的控制方法以及控制装置 (Method and device for controlling internal combustion engine for vehicle ) 是由 越后亮 于 2017-11-29 设计创作，主要内容包括：内燃机(1)具有由车载电池驱动的电动增压器(2),并且能够切换为将理论空燃比附近设为目标空燃比的化学计量燃烧模式以及将稀薄空燃比设为目标空燃比的稀薄燃烧模式。在需要设为稀薄燃烧模式的稀薄燃烧运转区域(L)的一部分(L2),电动增压器(2)负担进气量的一部分。如果在该第2稀薄燃烧运转区域(L2)内持续运转而充电状态(SOC)小于或等于下限值(SOClim),则使电动增压器(2)停止,强制地切换为化学计量燃烧模式。由此使得空燃比阶梯式地变化,因此能避免因以中间的空燃比的运转导致的NOx变差。(An internal combustion engine (1) is provided with an electric supercharger (2) driven by an on-vehicle battery, and is capable of switching between a stoichiometric combustion mode in which the vicinity of a stoichiometric air-fuel ratio is set as a target air-fuel ratio and a lean combustion mode in which a lean air-fuel ratio is set as a target air-fuel ratio.A part (L2) of a lean combustion operation region (L) in which the lean combustion mode needs to be set is loaded with a part of an intake air amount.A state of charge (SOC) is less than or equal to a lower limit value (SOClim) if the operation is continued in the 2 nd lean combustion operation region (L2), the electric supercharger (2) is stopped, and the stoichiometric combustion mode is forcibly switched.)
技术领域
本发明涉及能够切换为将理论空燃比附近设为目标空燃比的化学计量燃烧模式、以及将稀薄空燃比设为目标空燃比的稀薄燃烧模式的车辆用内燃机的控制方法以及控制装置，特别是涉及在稀薄燃烧模式的一部分运转条件下需要电动式进气供给装置的运转的车辆用内燃机的控制方法以及控制装置。
背景技术
为了降低油耗，已知能够切换为将理论空燃比设为目标空燃比的化学计量燃烧模式、和将稀薄空燃比设为目标空燃比的稀薄燃烧模式的内燃机。在这种内燃机中，在降低油耗的方面，优选在更广泛的内燃机运转条件(扭矩以及内燃机旋转速度)下设为稀薄燃烧模式。
另外，专利文献1中公开了如下技术，即，利用由车载电池驱动的电动压缩机进行内燃机的增压。而且，在电动压缩机的电机温度处于受到工作限制的温度区域时，即使在增压区域实质上也变为无增压(自然供气)状态。
但是，内燃机排出的NOx的排出量(所谓的来自发动机的NOx排出量)在空燃比充分稀薄时降低，如果稀薄程度不充分则增大。此外，在这种稀薄燃烧下，通常的三元催化剂不起作用。因此，为了实现油耗的降低、且减少来自发动机的NOx排出量，优选避免利用充分稀薄的稀薄空燃比与理论空燃比之间的中间的空燃比。
为了获得充分高的空燃比，需要向气缸内供给大量空气，在大气压下无法确保充分的空气量的情况下，有时需要某种增压单元或进气供给装置。
如果作为这种用于稀薄燃烧的进气供给装置而使用电动压缩机之类的电动式进气供给装置，则在电池的充电状态不充分时电机旋转速度降低而空气供给相对于目标稀薄空燃比不充分，实际的空燃比有可能会低于目标稀薄空燃比。在这种情况下，来自发动机的NOx排出量增加。
因此，本发明的目的在于，尽量排除以NOx排出量较少的稀薄空燃比与理论空燃比之间的并非优选的中间的稀薄空燃比的运转，避免来自发动机的NOx排出量的增加。
专利文献1：日本特开2009-228586号公报
发明内容
本发明所涉及的车辆用内燃机的控制方法以及控制装置具有：内燃机，其能够切换为将理论空燃比附近设为目标空燃比的化学计量燃烧模式以及将稀薄空燃比设为目标空燃比的稀薄燃烧模式；以及电动式进气供给装置，其由车载电池驱动，至少在稀薄燃烧模式的一部分运转条件下负担进气量的一部分。
在本发明中，以内燃机的扭矩以及旋转速度为参数而预先设定设为上述化学计量燃烧模式的化学计量燃烧运转区域以及设为上述稀薄燃烧模式的稀薄燃烧运转区域，并且求出在处于上述稀薄燃烧运转区域时维持上述稀薄燃烧模式的目标空燃比所需的上述电动式进气供给装置的电力量，在针对该电力量而上述电池的充电状态不充分时，从上述稀薄燃烧模式切换为上述化学计量燃烧模式。
即，在电池的充电状态不充分而无法维持稀薄燃烧模式的原本的目标空燃比时，切换为化学计量燃烧模式而设为理论空燃比附近的运转。如果处于理论空燃比附近，则能够利用三元催化剂对排气进行净化。
附图说明
图1是表示作为本发明的一个实施例的内燃机的系统结构的结构说明图。
图2是设定有化学计量燃烧运转区域和稀薄燃烧运转区域的控制对应图的说明图。
图3是表示燃烧模式切换的控制流程的流程图。
图4是表示具有第3空燃比对应图的实施例的要部的流程图。
图5是表示一个实施例中的SOC等的变化的时序图。
具体实施方式
下面，基于附图对本发明的一个实施例进行详细说明。
图1表示作为本发明的一个实施例的内燃机1的系统结构。该实施例为同时使用电动增压器2和涡轮增压器3作为增压单元的结构。
内燃机1例如是4冲程循环的火花点火式汽油内燃机，特别是能够切换为将理论空燃比附近(即，空气过剩率λ＝1)设为目标空燃比的化学计量燃烧模式、和将稀薄空燃比(例如，λ＝2附近)设为目标空燃比的稀薄燃烧模式的结构。
在内燃机1的排气通路6配置有涡轮增压器3的排气涡轮4，在该排气涡轮4的下游侧配置有例如使用三元催化剂的上游侧催化剂变换器7以及下游侧催化剂变换器8。作为上游侧催化剂变换器7或者下游侧催化剂变换器8，可以使用所谓NOx吸储催化剂。在排气通路6的更下游侧设置有排气消音器9，排气通路6经由该排气消音器9而向外部敞开。上述排气涡轮4具有用于增压压力控制的公知的废气门阀(未图示)。
内燃机1具有例如作为活塞-曲柄机构而利用多连杆机构的可变压缩比机构，设置有用于对压缩比进行变更的电动致动器10。另外，可以在进气阀以及排气阀中的至少一者具有电动式的可变阀正时机构或者可变阀升降机构。
在内燃机1的进气通路11配置有上述涡轮增压器3的压缩机5，在比该压缩机5更靠下游侧的位置配置有对进气量进行控制的电子控制型的节流阀12。上述节流阀12位于总管部11a的入口部，在比该总管部11a更靠下游侧的位置，进气通路11作为进气歧管而向各气缸分支。在上述总管部11a的内部设置有对增压进气进行冷却的中间冷却器13。该中间冷却器13为如下水冷式的结构，即，通过泵31的作用而使冷却水在其与散热器32之间循环。
另外，以将上述压缩机5的出口侧与入口侧连通的方式设置有具有再循环阀34的再循环通路35。再循环阀34在内燃机1减速时即节流阀12急剧关闭时控制为打开状态，由此经由再循环通路35而使得加压后的进气向压缩机5循环。
在上述进气通路11的最上游部配置有空气滤清器14，在该空气滤清器14的下游侧配置有对吸入空气量进行检测的空气流量计15。而且，在上述压缩机5与上述总管部11a之间配置有上述电动增压器2。即，涡轮增压器3的压缩机5和电动增压器2在进气通路11以电动增压器2相对地处于下游侧的方式彼此串联配置。
另外，以不经由电动增压器2将上述电动增压器2的入口侧和出口侧连接的方式设置有旁通通路16。在该旁通通路16设置有对该旁通通路16进行开闭的旁通阀17。在电动增压器2停止时，该旁通阀17变为打开状态。
上述电动增压器2具有：介于进气通路11的压缩机部2a；以及对上述压缩机部2a进行驱动的电动机2b。此外，图1中与涡轮增压器3的压缩机5同样地作为离心型压缩机而示出了压缩机部2a，在本发明中，能够利用罗茨鼓风机、螺旋式压缩机等任意方式的压缩机。将未图示的车载电池作为电源而对电动机2b进行驱动。即，在本实施例中，电动增压器2相当于“电动式进气供给装置”。
在上述排气通路6与上述进气通路11之间设置有用于使排气的一部分向进气系统回流的排气回流通路21。该排气回流通路21的作为上游端的一端21a从排气通路6的排气涡轮4下游侧分支，详细而言，从上游侧催化剂变换器7与下游侧催化剂变换器8之间分支。而且，作为下游端的另一端21b在压缩机5上游侧的位置与进气通路11连接。在上述排气回流通路21的中途安装有根据运转条件对开度进行可变控制的排气回流控制阀22，并且，在比该排气回流控制阀22更靠排气通路6侧的位置，设置有进行回流排气的冷却的EGR气体冷却器23。
利用发动机控制器37统一对上述内燃机1进行控制。除了上述空气流量计15以外，用于对内燃机旋转速度进行检测的曲轴转角传感器38、对冷却水温进行检测的水温传感器39、作为对驾驶者的扭矩请求进行检测的传感器的对由驾驶者操作的加速器踏板的踩踏量进行检测的加速器开度传感器40、对总管部11a的增压压力(进气压力)进行检测的增压压力传感器41、对排气空燃比进行检测的空燃比传感器42等各种传感器类的检测信号输入至发动机控制器37。另外，对未图示的电池的充电状态即SOC(state of charge)进行检测的电池控制器43与发动机控制器37连接，表示SOC的信号从电池控制器43输入至发动机控制器37。发动机控制器37基于上述检测信号而将内燃机1的燃料喷射量、喷射时机以及点火时机、节流阀12的开度、电动增压器2的动作、旁通阀17的开度、未图示的废气门阀的开度、再循环阀34的开度、排气回流控制阀22的开度等控制为最佳。
图2示出了以内燃机1的扭矩(换言之负荷)和旋转速度为参数而设定有需要设为化学计量燃烧模式的化学计量燃烧运转区域S、以及需要设为稀薄燃烧模式的稀薄燃烧运转区域L的控制对应图。该控制对应图与后述的目标空燃比对应图一起预先储存于发动机控制器37的存储装置。稀薄燃烧运转区域L设定为扭矩较小的低/中速区域。除了稀薄燃烧运转区域L以外的其他区域基本上为化学计量燃烧运转区域S。此外，并未详细图示，但在化学计量燃烧运转区域S中，接近完全打开的区域的目标空燃比与理论空燃比相比略微稀薄。这里，稀薄燃烧运转区域L包含：使得空气的供给不依赖于电动增压器2的第1稀薄燃烧运转区域L1；以及使得一部分空气的供给依赖于电动增压器2的第2稀薄燃烧运转区域L2。第2稀薄燃烧运转区域L2在稀薄燃烧运转区域L中是低速高负荷侧的区域。即，在该第2稀薄燃烧运转区域L2中，电动增压器2负担进气量的一部分。
如果内燃机1的运转条件(扭矩以及旋转速度)处于化学计量燃烧运转区域S内，则作为目标空燃比对应图而使用化学计量空燃比对应图，并且进行将燃料喷射时机、点火时机等设定为适合于化学计量燃烧的化学计量燃烧模式下的运转。目标空燃比对应图是对根据扭矩以及旋转速度而规定的各运转点分配了目标空燃比的对应图，在用于化学计量燃烧模式的化学计量空燃比对应图中，对包含化学计量燃烧运转区域S以及稀薄燃烧运转区域L这两者在内的运转区域的各运转点，分配理论空燃比附近的目标空燃比。此外，在本发明中，理论空燃比的“附近”是指能够实现三元催化作用的空燃比范围，例如，在理论空燃比设为14.7时是14.5～15.0的范围的值。化学计量空燃比对应图中的各运转点的目标空燃比例如全部都可以是“14.7”，也可以考虑其他条件而对一部分运转点分配如“14.6”、“14.8”这样不同的值。
另一方面，如果内燃机1的运转条件处于稀薄燃烧运转区域L内，则作为目标空燃比对应图而使用稀薄空燃比对应图，并且进行将燃料喷射时机、点火时机等设定为适合于稀薄燃烧的稀薄燃烧模式下的运转。稀薄空燃比对应图对稀薄燃烧运转区域L的各运转点分别分配了作为稀薄空燃比的目标空燃比。这里，在稀薄燃烧模式下达到目标空燃比的“稀薄空燃比”是来自发动机的NOx排出量降低至某种程度的稀薄侧的空燃比，在一个实施例中，例如为“λ＝2”附近的25～33的范围的空燃比。此外，该稀薄空燃比的值不过是示例，在本发明中，作为稀薄燃烧模式下的稀薄空燃比，化学计量空燃比对应图中的理论空燃比附近的空燃比范围只要处于不连续(换言之为彼此分离的数值范围)的稀薄侧的空燃比范围即可。在稀薄空燃比对应图中，各运转点处的目标空燃比的值通常并非恒定值，根据扭矩以及旋转速度而设定为略微不同的值。此外，稀薄空燃比对应图可以是相对于化学计量燃烧运转区域S内的运转点也具有目标空燃比的数据结构，但在该情况下，针对化学计量燃烧运转区域S内的运转点的目标空燃比是与化学计量空燃比对应图相同的理论空燃比附近的值。
在稀薄燃烧运转区域L中的第1稀薄燃烧运转区域L1和第2稀薄燃烧运转区域L2，目标空燃比没有较大的差异，上述“λ＝2”附近的稀薄空燃比均设定为目标空燃比。然而，在第1稀薄燃烧运转区域L1中能够不依赖于电动增压器2而实现作为目标的稀薄空燃比，与此相对，在第2稀薄燃烧运转区域L2中以电动增压器2的运转为前提而设定目标空燃比，因此假设如果电动增压器2未实现期望的动作，则在第2稀薄燃烧运转区域L2中无法实现作为目标的稀薄空燃比。
这里，如果稀薄燃烧运转区域L特别是第2稀薄燃烧运转区域L2内的运转持续且使得由包含电动增压器2的车载的电子仪器引起的消耗电力超过由内燃机1驱动的发电机的发电量的状态持续，则车载电池的SOC逐渐降低。因此，供给至电动增压器2的电力变得不充分而基于电动增压器2的进气供给减少，有可能无法维持作为目标的稀薄空燃比。在这种情况下，如果根据能够供给的进气量而使得实际空燃比降低，则如前所述那样来自发动机的NOx排出量增加。
因此，在本实施例中，当在第2稀薄燃烧运转区域L2电池的SOC小于或等于规定的阈值(即，下限值)时，强制地切换为化学计量燃烧模式，将目标空燃比设为基于化学计量空燃比对应图的理论空燃比附近的空燃比。如果是理论空燃比附近的空燃比，则能够实现基于三元催化剂的排气净化，其结果，向外部释放的NOx减少。
图3是表示这种燃烧模式切换的控制流程的流程图。该流程图所示的流程在发动机控制器37中每隔规定的运算周期而反复执行。在步骤1中，基于从上述传感器类输入的信号、在发动机控制器37内运算所得的内部信号而读入各种参数。详细而言，读入加速器开度(加速器踏板的踩踏量)APO、内燃机1的旋转速度Ne、内燃机1的扭矩Te等。
在步骤2中，判别当前的运转模式是否为稀薄燃烧模式。如果是化学计量燃烧模式，则从步骤2进入步骤4，作为目标空燃比对应图而选择化学计量空燃比对应图，并且进入步骤5，持续进行化学计量燃烧模式下的运转。此外，关于从化学计量燃烧模式向稀薄燃烧模式的切换(从化学计量燃烧运转区域S向稀薄燃烧运转区域L的变换)，基于未图示的其他流程进行处理。
如果当前的运转模式是稀薄燃烧模式，则从步骤2进入步骤3，基于当前的运转点和加速器开度APO的变化量等而判别从稀薄燃烧模式向化学计量燃烧模式的切换请求的有无(换言之，从稀薄燃烧运转区域L向化学计量燃烧运转区域S的变换请求的有无)。如果存在向化学计量燃烧模式的切换请求，则从步骤3进入步骤4，作为目标空燃比对应图而选择化学计量空燃比对应图，并且进入步骤5而切换为化学计量燃烧模式的运转。
如果不存在从稀薄燃烧模式向化学计量燃烧模式的切换请求，则进入步骤6，判别稀薄燃烧是否需要电动增压器2。换言之，判别当前的运转点是处于第2稀薄燃烧运转区域L2内还是处于第1稀薄燃烧运转区域L1内。如果不需要电动增压器2即处于第1稀薄燃烧运转区域L1内，则从步骤6进入步骤7，作为目标空燃比对应图而选择稀薄空燃比对应图，并且进入步骤8而持续进行稀薄燃烧模式的运转。
如果需要电动增压器2即处于第2稀薄燃烧运转区域L2内，则从步骤6进入步骤9，判别电池的SOC是否超过规定的下限值SOClim。该下限值SOClim设定为满足维持第2稀薄燃烧运转区域L2内的稀薄燃烧模式的目标空燃比所需的电动增压器2的电力量。详细而言，基于维持第2稀薄燃烧运转区域L2内的稀薄燃烧模式的目标空燃比所需的电动增压器2的电力量、和包含可变压缩比机构用电动致动器10等附加于内燃机1的电子仪器在内的其他电子仪器所需的电力量的总和(即，总电力请求)进行设定。电动增压器2所需的电力量与请求的电动增压器2的入口侧压力与出口侧压力的压力差相关，能够根据包含内燃机1的扭矩Te、旋转速度Ne在内的各种参数进行推定。因此，对于下限值SOClim，可以逐次运算而求出，或者也可以预先对第2稀薄燃烧运转区域L2内的各运转点分配值。或者，为了控制的简化也可以是预设出适当的余量的固定值。
如果在步骤9中电池的SOC超过下限值SOClim，则进入步骤7、8，持续进行利用稀薄空燃比对应图的稀薄燃烧模式下的运转。
如果在步骤9中电池的SOC小于或等于下限值SOClim，则进入步骤10，判别是否需要通过由内燃机1具有的发电机产生的发电量的增加而维持稀薄空燃比。例如，在发电机的发电容量存有余量、且伴随着发电量的增加的燃料消耗量的增加与伴随着稀薄燃烧的燃料消耗量的减少相比更少的情况下，选择发电量的增加。在该情况下，从步骤10进入步骤11而增加发电量。然后，进入步骤7、8，持续进行利用稀薄空燃比对应图的稀薄燃烧模式下的运转。
与此相对，在发电机的发电容量不具有充分的余量的情况下、伴随着发电量增加的燃料消耗量的增加与伴随着稀薄燃烧的燃料消耗量的减少相比更大的情况下、或者不希望与发电量的增加相伴的运转点的变化的情况下，步骤10的判别结果为NO。在该情况下，从步骤10进入步骤4、5，作为目标空燃比对应图而选择化学计量空燃比对应图，并且切换为化学计量燃烧模式下的运转。
图5是用于对上述控制的作用进行说明的时序图。这里，示出了假设持续进行第2稀薄燃烧运转区域L2内的运转的情况下的作用。图中的(a)表示电池的SOC的变化，(b)表示供给至电动增压器2的电力的变化，(c)表示内燃机1的增压压力的变化，(d)表示内燃机1的空气过剩率的变化，(e)表示NOx排出量的变化。在第2稀薄燃烧运转区域L2内，如(b)所示，进行利用电动增压器2的稀薄燃烧模式下的运转，因此如(c)所示那样增压压力升高，如(d)所示那样空燃比维持为“λ＝2”附近。在该期间，由于电动增压器2的电力消耗，如(a)所示电池的SOC逐渐降低。在时间t1，电池的SOC降低至下限值SOClim，因此在本实施例中，如前所述，强制地切换为化学计量燃烧模式。即，电动增压器2停止，增压压力降低，并且空燃比处于理论空燃比附近。如图所示，空燃比阶梯式地从“λ＝2”附近向理论空燃比变化。此时，NOx排出量从中间的空燃比区域通过而暂时增加，但NOx变差的时间较短，因此NOx的总量的增加较少。
图5中的假想线表示即使电池的SOC降低也持续进行稀薄燃烧模式下的运转的第1对比例的情况下的特性。在该情况下，由于电池的SOC降低，向电动增压器2的电力供给变得不充分，增压压力降低。因此，空气过剩率无法维持作为目标的“λ＝2”，例如在电动增压器2停止的时间t3及其以后，处于“λ＝1.7”附近。由此，如(e)所示，NOx排出量增加。
另外，图5中的虚线表示在电动增压器2的旋转速度降低至某种程度的阶段(时间t2)强制地切换为化学计量燃烧模式的第2对比例。在该情况下，在空气过剩率略微低于作为目标的“λ＝2”时阶梯式地向理论空燃比附近变化。因此，在时间t3及其以后，NOx排出量少于第1对比例，但由于从时间t1至时间t2之间的NOx排出量的增加，与实施例相比NOx总量增加。
接下来，图4示出了与通常的化学计量空燃比对应图以及稀薄空燃比对应图不同地具有在电池的SOC降低时使用的第3空燃比对应图的第2实施例的流程图的要部。此外，流程图中未示出的部分与图3的流程图相同。第3空燃比对应图对包含化学计量燃烧运转区域S以及稀薄燃烧运转区域L这两者在内的运转区域的各运转点，以电动增压器2的停止为前提而分配了作为理论空燃比附近的目标空燃比或者稀薄空燃比的目标空燃比。例如，在化学计量燃烧运转区域S以及第2稀薄燃烧运转区域L2中，目标空燃比基本上处于理论空燃比附近，在第1稀薄燃烧运转区域L1中，目标空燃比基本上为相当于“λ＝2”的空燃比，但在第1稀薄燃烧运转区域L1和第2稀薄燃烧运转区域L2的边界附近，考虑电动增压器2的停止，即使在假设设为稀薄空燃比的情况下，也设定为相当于“λ＝2”的空燃比中较小的值(例如28.0等)，并且尽量确保稀薄空燃比的区域。
如图4所示，在电池的SOC小于或等于下限值SOClim、且未选择发电量的增加的情况下，从步骤10进入步骤12，作为目标空燃比对应图而选择第3空燃比对应图。而且，进入步骤13，根据对此时的运转点以第3空燃比对应图而分配的目标空燃比的值，判定是否需要作为包含点火时机等的燃烧模式而设为稀薄燃烧模式。这里如果为YES，则进入步骤14，以稀薄燃烧模式而使内燃机1运转。如果基于第3空燃比对应图的目标空燃比处于理论空燃比附近，则步骤13中判定为NO，因此进入步骤15，以化学计量燃烧模式而使内燃机1运转。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但本发明并不限定于上述实施例，可以进行各种变更。例如，在上述实施例中对稀薄燃烧模式的空燃比相当于“λ＝2”的例子进行了说明，但本发明并不局限于此，可以使用适当的稀薄空燃比。另外，在上述实施例中，作为电动式进气供给装置而具有电动增压器2，但例如也可以使用利用电动机对由排气能量驱动的转子的旋转进行辅助的电动辅助涡轮增压器等其他形式的电动式进气供给装置。另外，也可以设为同时使用电动增压器以及电动辅助涡轮增压器的结构。