JP6699272B2 - エンジンおよびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、空燃比を複数の空燃比の間で切り換えて運転するエンジンおよびその制御方法に関する。

空燃比を複数の空燃比の間で切り換えて運転するエンジンが、特許文献等を通じて既に知られている。エンジンの運転時において、現在設定されている空燃比よりも相対的に高い空燃比への切換え、具体的には、理論空燃比から希薄空燃比への切換えに際し、エンジントルクの変動を抑制しつつ、吸入空気量の増大により空燃比を変化させる場合がある。この場合は、吸入空気量の変化における遅れに起因した、次のような問題がある。吸入空気量の変化には、空気力学的な応答遅れが内在する。よって、吸入空気量の変化を待たずに即座に切換えを実行したとすれば、吸入空気量の不足に応じた分だけ燃料噴射量に不足が生じ、必要なエンジントルクが得られず、もって、運転性を悪化させてしまうことである。このようなトルクショックの問題を解消するための対策として、空燃比の切換えを、吸入空気量の変化を待って行うことが考えられる（特許文献１）。

特開２０１５−０８６７８０号公報

しかし、吸入空気量の変化を待って空燃比を切り換えることとすると、当然ながらその分だけ空燃比の切換えに時間を要することとなる。近年における排出ガス低減および燃費改善等の要請を背景に、従来よりもさらに高い空燃比で運転するエンジンの開発が進められているところ、そのような極希薄燃焼エンジンでは、空燃比の切換えに際して吸入空気量を大幅に変化させなければならず、吸入空気量の応答遅れにより、空燃比の切換えに要する時間が長期化する懸念がある。

そこで、本発明は、トルクショックを抑制しつつ、空燃比の切換えを速やかに達成することを目的とする。

本発明は、一形態において、エンジンの制御方法を提供する。

本発明の一形態に係るエンジンの制御方法は、第１空燃比と第１空燃比よりも高い第２空燃比とを切り換えてエンジンを運転する方法であり、エンジンの運転状態に応じてエンジンを運転する空燃比を選択する。そして、第１空燃比から第２空燃比へのまたは第２空燃比から第１空燃比への切換時において、吸入空気量に関わるエンジン制御量を切換後の空燃比に応じた定常状態での吸入空気量に基づくエンジン制御量よりも増大または減少させる空気量補正制御を実行する。

本発明によれば、第１空燃比および第２空燃比の間で空燃比を切り換えて運転することで、車両の運転性と燃費との両立を図るとともに、空燃比の切換えに際し、空気量補正制御を通じて切換時における吸入空気量の応答性を補正することが可能となる。よって、切換後の目標空気量に向けて実際の吸入空気量を速やかに変化させ、もって、切換えに要する時間を短縮することが可能となり、トルクショックを抑制しつつ、空燃比の切換えを速やかに達成することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係るエンジンの全体構成図である。 図２は、エンジンの運転領域マップの傾向を示す概略図である。 図３は、本発明の第１実施形態に係る空気量制御による車両の挙動を示すタイミングチャートである。 図４は、同上空気量制御の具体的な内容を示すタイミングチャートである。 図５は、同上空気量制御の具体的な内容を示すタイミングチャートである。 図６は、本発明の第１実施形態に係る空気量制御の基本的な流れを示すフローチャートである。 図７は、同上空気量制御の空気量補正処理の流れを示すフローチャートである。 図８は、同上空気量補正処理によるバルブタイミングの設定例を示す説明図である。 図９は、本発明の第１実施形態の変形形態に係るエンジンの全体構成図である。 図１０は、同上変形形態に係る空気量制御の具体的な内容を示すタイミングチャートである。 図１１は、本発明の第２実施形態に係る空気量制御による車両の挙動を示すタイミングチャートである。 図１２は、同上空気量制御の具体的な内容を示すタイミングチャートである。 図１３は、本発明の第３実施形態に係る空気量制御による車両の挙動を示すタイミングチャートである。 図１４は、同上空気量制御の具体的な内容を示すタイミングチャートである。 図１５は、同上空気量制御の具体的な内容を示すタイミングチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

（全体構成の説明）
図１は、本発明の第１実施形態に係るエンジン１の全体的な構成を示している。

図１において、太線は、気体（空気または排気）が流れる通路を示し、点線は、信号が伝わる経路を示す。

本実施形態において、エンジン１は、ガソリンを燃料とする内燃エンジン（ガソリンエンジン）であり、複数の気筒＃１〜＃４を有する。

エンジン１の吸気通路１１には、導入部にエアクリーナ１２が取り付けられ、エアクリーナ１２により、吸入された空気中の粉塵等、異物が除去される。吸気通路１１には、ターボチャージャ１３のコンプレッサ部１３１が介装され、吸入空気は、ターボチャージャ１３により圧縮された後、マニホールド部１１１を介してエンジン１の本体Ｅに供給される。

本実施形態では、コンプレッサ部１３１の下流側にインタークーラ１４が設置され、インタークーラ１４により、ターボチャージャ１３により圧縮された空気が冷却される。コレクタ部の上流側、本実施形態において、インタークーラ１４の下流側には、吸気絞り弁１５が設置され、吸気絞り弁１５により、エンジン本体Ｅに供給される吸入空気の流量（吸入空気量）が制御される。ターボチャージャ１３には、コンプレッサ部１３１を迂回する通路が形成され、この通路にブローオフ弁１３ａが介装されている。吸気絞り弁１５を閉じた際にブローオフ弁１３ａが開駆動することで、コンプレッサ部１３１の下流側に生じる余剰の過給圧がコンプレッサ部１３１の上流側に解放される。

エンジン本体Ｅには、４つの気筒＃１〜＃４が形成されている。本実施形態では、各気筒に対して個別に燃料を供給可能に構成されており、気筒ごとに燃料インジェクタ（図示せず）が設けられている。燃料インジェクタは、エンジン本体Ｅのシリンダヘッドに、各気筒のポート部に向けて燃料を噴射可能に埋設されている。燃料インジェクタとして、筒内に燃料を直接噴射するタイプのものを採用してもよい。さらに、シリンダヘッドには、気筒ごとに点火プラグ（図示せず）が設置されており、点火プラグにより、筒内に形成された所定空燃比の混合気に着火される。

エンジン１の排気通路２１には、マニホールド部２１１の下流側にターボチャージャ１３のタービン部１３２が介装されている。排気エネルギーによりタービン部１３２が駆動され、タービン部１３２の回転運動がコンプレッサ部１３１に伝達されることで、ターボチャージャ１３が機能する。ターボチャージャ１３には、タービン部１３２を迂回する通路が形成され、この通路にウエストゲート弁１３ｂが介装されている。ウエストゲート弁１３ｂの開駆動により、排気の一部がタービン部１３２を迂回して流れ、過給圧の過度な上昇が抑制される。

タービン部１３２の下流側には、触媒コンバータ２２が設置されている。触媒コンバータ２２には、排気浄化用の触媒が内蔵され、これにより、排気中の有害成分である窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）および炭化水素（ＨＣ）が浄化される。本実施形態では、排気浄化触媒として、三元触媒２２１およびＮＯｘトラップ触媒２２２が設けられている。ＮＯｘトラップ触媒２２２により、希薄空燃比での燃焼時に排気中のＮＯｘがトラップされ、排気が浄化される。ＮＯｘトラップ触媒２２２にトラップされているＮＯｘは、空燃比を一時的に理論空燃比よりも低下させ、排気中の未燃燃料成分を増大させることで、触媒から脱離させ、還元させることが可能である。このような操作により、ＮＯｘトラップ触媒２２２を再生することができる。

さらに、触媒コンバータ２２の下流側の排気通路２１と、ターボチャージャ１３のコンプレッサ部１３１の上流側の吸気通路１１とがＥＧＲ管２３を介して接続され、有害成分が浄化された排気の一部が、ＥＧＲ管２３を通じて吸気通路１１に還流される。ＥＧＲ管２３には、ＥＧＲ弁２４が介装され、ＥＲＧ弁２４により、ＥＧＲ管２３の開口面積が変更され、ＥＧＲ管２３を通じて還流される排気の流量が調整される。還流された排気は、吸入空気と混合し、再度各気筒＃１〜＃４に分配される。残余の排気は、図示しないマフラーを介して大気中に放出される。

エンジン１の運転は、電子制御ユニット１０１により制御される。電子制御ユニット１０１へは、アクセルセンサ２０１、回転速度センサ２０２および冷却水温度センサ２０３の検出信号が入力されるほか、エアフローメータ２０４、吸気圧センサ２０５および空燃比センサ２０６等の検出信号が入力される。アクセルセンサ２０１は、運転者によるアクセルペダルの操作量を検出する。回転速度センサ２０２は、エンジン１の回転数を検出する。回転速度センサ２０２として、クランク角センサを採用することが可能である。冷却水温度センサ２０３は、エンジン冷却水の温度を検出する。エンジン冷却水の温度に代えて、エンジン潤滑油の温度を採用してもよい。エアフローメータ２０４は、吸入空気量を検出する。吸気圧センサ２０５は、ターボチャージャ１３のコンプレッサ部１３１の下流側における吸気通路１１内の圧力を検出する。空燃比センサ２０６は、排気の空燃比を検出する。電子制御ユニット１０１は、各種センサからの信号をもとに、燃料噴射量、点火時期等を設定するとともに、吸気絞り弁１５およびＥＧＲ弁２４の開度を設定して、エンジン１の運転を制御する。

本実施形態では、吸気弁および排気弁（図示せず）の動弁装置３１、３２として可変式のものが採用され、吸気弁および排気弁のバルブタイミングが変更可能に構成されている。可変動弁装置３１、３２は、機械的に駆動するタイプのものであっても、電磁的に駆動するタイプのものであってもよい。機械式可変動弁装置として、クランクシャフトに対するカムシャフトの位相を変化させることによりバルブタイミングを変更するように構成された、いわゆるＶＴＣシステムのほか、吸気弁の作動角およびリフト量を連続的に変更するものとして実用されているＶＶＥＬシステムを挙げることができる。そして、電磁式可変動弁装置として、ソレノイドを駆動源とする電磁駆動動弁装置を挙げることができる。

電子制御ユニット１０１は、「燃焼制御装置」を構成し、アクセルセンサ２０１および回転速度センサ２０２は、「状態検出装置」を構成する。

（エンジン制御の概要）
電子制御ユニット１０１が実行する制御の内容について説明する。

本実施形態では、エンジン１は、運転領域として複数の領域を有し、領域ごとに空燃比を切り換えて運転する。

図２は、エンジン１に関して予め作成された運転領域マップを示し、このような傾向を有するマップデータが、電子制御ユニット１０１に予め記憶されている。本実施形態において、電子制御ユニット１０１は、上記傾向のマップデータが格納された記憶ユニットを備える。

具体的には、エンジン１の運転領域は、低回転および低負荷側の領域（図２中、「λ２」により示し、以下「λ２領域」という）と、それ以外の領域（同図中、λ１により示し、以下「λ１領域」という）とに区画されている。後者のλ１領域では、エンジン１を定常状態で運転する際の空燃比の目標値（以下「定常目標空燃比」という）が理論空燃比に設定され、前者のλ２領域では、エンジン１の定常目標空燃比が理論空燃比よりも高い希薄空燃比に設定されている。本実施形態では、希薄空燃比として、空気過剰率換算（＝空燃比／理論空燃比）でほぼ２となる、２４〜２９の範囲の空燃比を採用する。この希薄空燃比は、「第２空燃比」に相当する。

電子制御ユニット１０１は、エンジン１の運転を制御するに際し、アクセルセンサ２０１および回転速度センサ２０２の検出信号をもとに、エンジン１の運転状態を判断する。そして、図２に示す傾向のマップデータを参照して、エンジン１の運転状態が属する領域（λ１領域またはλ２領域）を判定し、その判定結果に応じてエンジン１の運転空燃比（定常目標空燃比）を切り換えるとともに、吸入空気量を運転空燃比に応じた目標空気量に制御する。

さらに、電子制御ユニット１０１は、ＮＯｘトラップ触媒２２２にトラップされているＮＯｘの量を監視し、ＮＯｘトラップ量が許容限界量に達した場合に、空燃比を一時的に理論空燃比よりも低下させるリッチスパイク操作を実行する。この理論空燃比よりも低い空燃比は、本実施形態に関する「第１空燃比」に相当する。

（空気量制御の説明）
以下、本実施形態に係る空気量制御（以下、単に「空気量制御」という）について、タイミングチャートによりその全体的な動作を説明した後、フローチャートを参照して制御の流れを説明する。

本実施形態では、アクセルペダルの操作量に変化はなく、ＮＯｘトラップ触媒２２２の再生要求に基づき空燃比の切換えが生じる場合を想定する。具体的には、エンジン１の運転状態はλ２領域にあって（例えば、図２に示す点Ａ）、空燃比の切換えの前後を通じて運転領域の移行はなく、ＮＯｘトラップ触媒２２２の再生要求に応じて空燃比が一時的に理論空燃比よりも低い空燃比に設定され、その後、再生終了の判断により、再びもとの希薄空燃比に切り換えられる。この一連のリッチスパイク操作を通じて、エンジン回転数および車速は、一定に維持される。ＮＯｘトラップ触媒２２２の再生要求は、電子制御ユニット１０１により生成される。電子制御ユニット１０１は、前回再生時からのエンジン回転数の累積値等をもとに、ＮＯｘトラップ触媒２２２にトラップされているＮＯｘが許容限界量に達したか否かを判断し、許容限界量に達した場合に、再生要求を生成し、空燃比を理論空燃比よりも低下させる。さらに、電子制御ユニット１０１は、空燃比を理論空燃比よりも低下させてからの経過時間を計算し、これが所定時間に達した時点で再生終了の判断を下し、空燃比をもとの希薄空燃比に切り換える。

図３〜５は、本実施形態に係る空気量制御の内容を示すタイミングチャートである。

図３は、空気量制御により車両に現れる挙動を示している。同図に示すように、車速、アクセル開度およびエンジン回転数に実質的な変化はなく、運転領域の移行はないものの、時刻ｔ６において、エンジントルクに若干の変動が生じている。このトルクショックは、再生終了後の希薄空燃比への切換えに伴うものである。本実施形態では、λ２領域において、空燃比を空気過剰率換算でほぼ２に設定する。このような高い空燃比での燃焼により、燃焼効率が改善される結果、同じエンジントルクを発生させるのに必要な燃料噴射量が少なくて済むことから、希薄空燃比への切換えに伴い、燃料噴射量を僅かに減少させるためである。

図４は、ＮＯｘトラップ触媒２２２の再生を終了した後、空燃比をもとの希薄空燃比に切り換える際の空気量制御の具体的な内容を示している。

ＮＯｘトラップ触媒２２２にトラップされているＮＯｘが許容限界量に達したと判断すると（時刻ｔ１）、ＮＯｘトラップ触媒２２２の再生要求を生成し、希薄燃焼許可条件を成立から不成立に変更する。これに伴い、空燃比を希薄空燃比から理論空燃比よりも低い空燃比に切り換えることで、リッチスパイク操作を開始する。リッチスパイク操作により、空燃比が理論空燃比よりも低い空燃比に設定されることで（時刻ｔ２）、排気中の未燃燃料成分が増加し、これが還元剤として機能することで、ＮＯｘトラップ触媒２２２から脱離したＮＯｘおよび排気中のＮＯｘを還元させる。そして、空燃比を理論空燃比よりも低下させてからの経過時間が所定時間に達した時点で再生終了の判断を下し（時刻ｔ３）、希薄燃焼許可条件を成立に変更する。

ＮＯｘトラップ触媒２２２の再生終了の判断に伴い、空燃比をもとの希薄空燃比に切り換える制御を開始する。本実施形態では、空燃比の切換えに際して空気量補正要求を生成し、これが解除されるまでの間（時刻ｔ３〜ｔ８）、吸入空気量または吸気圧に関わるエンジン制御量を切換後の希薄空燃比（定常目標空燃比）に応じた目標吸気圧に基づく制御量よりも増大させる制御（以下「空気量補正制御」という）を実行する。空気量補正制御により、これを実行しない場合と比較して、空燃比を切り換える際の過給圧の応答性を補正し、もって、吸入空気量の応答性を補正する。

本実施形態では、上記「吸入空気量に関わるエンジン制御量」としてターボチャージャ１３の回転数（過給機回転数）Ｎｃｈｇを採用する。切換時における吸気圧の目標値（以下「補正目標吸気圧」という）Ｐａｍｄを、切換後の希薄空燃比に応じた目標吸気圧（以下「定常目標吸気圧」という）Ｐｔｒｇよりも増大させ、切換時におけるターボチャージャ１３の回転数Ｎｃｈｇ（Ｎｃｈｇａ）を、補正目標吸気圧Ｐａｍｄを実現するように制御する。これにより、切換時における吸気圧Ｐｉｎｔａを、ターボチャージャ１３の回転数を切換後の定常目標吸気圧Ｐｔｒｇに基づき制御した場合の吸気圧Ｐｉｎｔｂよりも増大させる。

空気量補正要求の生成に伴い、空気量補正制御を開始する（時刻ｔ３）。空気量補正制御により、これを実行しない場合（吸気圧Ｐｉｎｔｂ）と比較して、吸気圧Ｐｉｎｔａを速やかに増大させ、吸入空気量の応答性を補正する。そして、吸気圧Ｐｉｎｔａを監視し、これが所定圧力Ｐｄｔｍに達したことを検知したときに（時刻ｔ５）、空燃比を希薄空燃比に切り換え、これに併せて燃料噴射量を僅かに減少させる（時刻ｔ６）。よって、本実施形態では、希薄燃焼許可条件が成立して空燃比を切り換える制御を開始した後（時刻ｔ３）、実際に空燃比の切換えを達成するまでに（時刻６）、時間遅れＤＬＹが存在する。既に述べたように、燃料噴射量の減少は、エンジントルクに若干の変動を生じさせる（図４）。所定圧力Ｐｄｔｍは、切換後の定常目標吸気圧Ｐｔｒｇよりも低く、定常目標吸気圧Ｐｔｒｇに１よりも小さな所定係数を乗じた圧力に設定される。

吸気圧Ｐｉｎｔａを引き続き監視し、これが切換後の定常目標吸気圧Ｐｔｒｇを超えたことを検知したときに（時刻ｔ７）、目標吸気圧を補正目標吸気圧Ｐａｍｄから定常目標吸気圧Ｐｔｒｇに変更し、定常目標吸気圧Ｐｔｒｇを実現するように、ターボチャージャ１３の回転数Ｎｃｈｇを制御する。その後、吸気圧Ｐｉｎｔａが切換後の定常目標吸気圧Ｐｔｒｇに達したことを検知したときに（時刻ｔ８）、空気量補正要求を解除して空気量補正制御を終了し、通常制御に移行する。

図５は、過給圧の応答性を補正するための具体的な方法を示している。

本実施形態では、過給圧の応答性を補正するため、ターボチャージャ１３のタービン部１３２の回転数を上昇させる。これにより、タービン部１３２に連結されたコンプレッサ部１３１の回転数を上昇させ、ターボチャージャ１３の回転数Ｎｃｈｇ（Ｎｃｈｇａ）を、切換後の定常目標吸気圧Ｐｔｒｇに基づき制御した場合の回転数Ｎｃｈｇｂよりも上昇させる。

本実施形態では、リッチスパイク操作において、ウエストゲート弁１３ｂを開いて、λ２領域におけるよりも過給圧を低下させるとともに、点火時期を、エンジントルクが最大となる点火時期に設定する。そして、空気量補正要求の生成に伴い（時刻ｔ３）、ウエストゲート弁１３ｂの開度を減少させて、タービン部１３２のホイール上を流れる排気の流量を増大させるとともに、点火時期を遅角させ、排気の温度を上昇させる。これにより、タービン部１３２の回転数を上昇させる。その後、希薄空燃比への切換えに併せ（時刻ｔ６）、点火時期を希薄空燃比での燃焼に適した点火時期に変更し、切換後の定常目標吸気圧Ｐｔｒｇへの変更に併せ（時刻ｔ７）、ウエストゲート弁１３ｂの開度を所定開度だけ増大させて、タービン部１３２の回転数を低下させる。

図６および７は、本実施形態に係る空気量制御の流れを示すフローチャートである。

本実施形態において、電子制御ユニット１０１は、タイマー機能を有しており、空気量制御を所定周期で実行する。

図６は、空気量制御の全体的な流れを示している。

Ｓ１０１では、エンジン１の運転領域を判定する。運転領域の判定には、図２に示す傾向のマップデータが用いられる。電子制御ユニット１０１は、アクセルセンサ２０１および回転速度センサ２０２の検出信号をもとに算出したエンジン１の運転状態（トルクおよび回転数）が、マップ上のどの領域にあるかを判定する。λ１領域にある場合は、Ｓ１０４へ進み、λ２領域にある場合は、Ｓ１０２へ進む。

Ｓ１０２では、希薄燃焼許可条件が成立しているか否かを判定する。希薄燃焼許可条件は、基本的には、エンジン１の運転状態がλ２領域にある場合に成立するが、λ２領域にある場合であってもリッチスパイク操作により空燃比が一時的に理論空燃比よりも低く設定される期間は（時刻ｔ１〜ｔ３）、不成立とされる。希薄燃焼許可条件が成立している場合は、Ｓ１０３へ進み、不成立である場合は、Ｓ１０４へ進む。

Ｓ１０３では、希薄空燃比での燃焼に適した目標空気量を設定する。

Ｓ１０４では、理論空燃比での燃焼に適した目標空気量を設定する。

ここで、本実施形態では、ＮＯｘトラップ触媒２２２の再生時に空燃比を理論空燃比よりも低下させるリッチスパイク操作を実行する。この場合において、Ｓ１０４の処理により設定される目標空気量は、理論空燃比よりも低い空燃比での燃焼に適した目標空気量となる。

Ｓ１０５では、空気量補正要求があるか否かを判定する。空気量補正要求がある場合は、Ｓ１０６へ進み、空気量補正要求がない場合は、Ｓ１０７へ進む。

Ｓ１０６では、空気量補正制御を実行する。

Ｓ１０７では、通常制御を実行する。通常制御において、電子制御ユニット１０１は、吸入空気量をＳ１０３またはＳ１０４で設定した目標空気量に制御する。

図７は、空気量補正制御の具体的な内容を示している。

Ｓ２０１では、吸気圧Ｐｉｎｔを読み込む。吸気圧Ｐｉｎｔは、吸気圧センサ２０５の検出信号をもとに算出される。

Ｓ２０２では、目標吸気圧切換フラグＦｓｗｃが０であるか否かを判定する。目標吸気圧切換フラグＦｓｗｃは、エンジン始動時の初期化により０に設定され、先に述べたように、空燃比の切換時における吸気圧Ｐｉｎｔａが切換後の定常目標吸気圧Ｐｔｒｇに達した場合（時刻ｔ７）に１に切り換えられる。目標吸気圧切換フラグＦｓｃｗが０である場合は、Ｓ２０３へ進み、１である場合は、Ｓ２０８へ進む。

Ｓ２０３では、目標吸気圧を補正目標吸気圧Ｐａｍｄに設定する。これにより、ターボチャージャ１３の回転数Ｎｃｈｇが補正目標吸気圧Ｐａｍｄを実現するように制御され（Ｎｃｈｇａ）、切換時における過給圧の応答性が高められ、吸入空気量が速やかに増大する。

Ｓ２０４では、吸気圧Ｐｉｎｔａが空燃比切換判定圧Ｐｄｔｍに達したか否かを判定する。空燃比切換判定値Ｐｄｔｍに達した場合は、Ｓ２０５へ進み、達していない場合は、本ルーチンの制御を終了する。

Ｓ２０５では、空燃比の切換えを実行する。

Ｓ２０６では、吸気圧Ｐｉｎｔａが切換後の定常目標吸気圧Ｐｔｒｇに達したか否かを判定する。定常目標吸気圧Ｐｔｒｇに達した場合は、Ｓ２０７へ進み、達していない場合は、本ルーチンの制御を終了する。

Ｓ２０７では、目標吸気圧切換フラグＦｓｗｃを１に切り換える。

Ｓ２０８では、目標吸気圧を切換後の定常目標吸気圧Ｐｔｒｇに設定する。これにより、ターボチャージャ１３の回転数Ｎｃｈｇ（Ｎｃｈｇａ）が定常目標吸気圧Ｐｔｒｇを実現するように制御され、吸気圧Ｐｉｎｔａが定常目標吸気圧Ｐｔｒｇに収束する。

Ｓ２０９では、吸気圧Ｐｉｎｔａが切換後の定常目標吸気圧Ｐｔｒｇに達したか否か（本実施形態では、定常目標吸気圧Ｐｔｒｇを超えた後、再びＰｔｒｇにまで減じたか否か）を判定する。定常目標吸気圧Ｐｔｒｇに達した場合は、Ｓ２１０へ進み、達していない場合は、本ルーチンの制御を終了する。

Ｓ２１０では、空気量補正要求を解除する。これにより、空気量補正制御を終了し、通常制御に移行する。

Ｓ２１１では、目標吸気圧切換フラグＦｓｗｃを０に設定する。

以上が空気量制御（切換時における空気量補正制御を含む）の内容であり、以下、本実施形態により得られる効果をまとめる。

（作用効果の説明）
第１に、エンジン１を運転する際の空燃比を複数の空燃比の間で切り換え、低回転および低負荷側の領域（λ２領域）では、空燃比を理論空燃比よりも高い空燃比に設定し、それ以外の領域（λ１領域）では、理論空燃比に設定することとした。これにより、λ１領域では、理論空燃比での燃焼により車両の運転性を確保し、λ２領域では、希薄空燃比での燃焼により燃料消費量を削減することができる。

第２に、空燃比の切換えに際し、吸入空気量（本実施形態では、吸気圧）に関わるエンジン制御量を積極的に増大または減少させる空気量補正制御を通じて切換時における吸入空気量の応答性を補正することとした。これにより、切換後の空燃比（定常目標空燃比）に応じた目標空気量に向けて実際の吸入空気量を速やかに変化させ、もって、切換えに要する時間（ＤＬＹ）を短縮することが可能となる。よって、トルクショックを抑制しつつ、空燃比の切換えを速やかに達成することができる。

第３に、切換時における吸気圧の目標値に、切換後の定常目標吸気圧Ｐｔｒｇよりも高い補正目標吸気圧Ｐａｍｄを設定し、エンジン制御量をこの補正目標吸気圧Ｐａｍｄをもとに設定することとした。これにより、吸気圧Ｐｉｎｔａ（換言すれば、過給圧）を積極的に増大または減少させ、吸入空気量を速やかに変化させることができる。

第４に、エンジン制御量としてターボチャージャ１３の回転数Ｎｃｈｇを採用し、空気量補正制御により過給圧の応答性を補正することで、過給を行うエンジン１において、吸入空気量の補正を容易に実現することができる。そして、相対的に高い空燃比への切換え、例えば、リッチスパイク操作を終了する際の希薄空燃比への切換えに際し、ターボチャージャ１３のタービン部１３２の回転数を上昇させることで、過給圧の応答性を容易に補正することができる。

第５に、切換後の目標噴射量に向けた燃料噴射量の変更（換言すれば、空燃比の実際の切換え）を、空気量補正制御を開始した後、吸気圧Ｐｉｎｔａが切換後の定常目標吸気圧Ｐｔｒｇよりも低い所定圧力（空燃比切換判定圧）Ｐｄｔｍに達した時点で実行することとした。これにより、吸入空気量が切換後の目標空気量に近付いた状態で燃料噴射量の変更を実行することが可能となるので、トルクショックをより小さく抑えるとともに、ＮＯｘの排出自体を抑制することができる。

（変形態様の説明）
以上の説明では、切換時における過給圧の応答性を補正するため、点火時期の遅角操作により排気温度を上昇させ、排気エネルギーの増大によりターボチャージャ１３のタービン部１３２の回転数を増大させることとした。排気温度を上昇させるには、上記以外に、バルブタイミングの変更により吸気弁および排気弁の間にオーバーラップ期間を設定し、スカベンジング効果により燃焼ガスの排出効率を増大させたり、排気に対して二次空気を供給し、排気通路内で未燃燃料成分の再燃焼を生じさせたりしてもよい。

図８は、バルブタイミングの変更による場合の動作を示している。図８（ｂ）に示すように、通常時（同図（ａ））に対して吸気弁開時期ＩＶＯを進角側に移動させるとともに、排気弁閉時期ＥＶＣを遅角側に移動させることで、バルブオーバーラップ期間ＯＶＬを形成する。

さらに、過給圧の応答性を補正するには、ターボチャージャ１３自体の回転数を上昇させることのほか、ターボチャージャ１３以外に第２過給機５１を設け、空燃比の切換えに際してこの第２過給機５１を作動させることとしてもよい。

図９は、第２過給機５１による場合のエンジン１’の全体的な構成を示している。吸気通路１１に第２過給機５１のコンプレッサ部５１１が設置され、吸入空気をターボチャージャ１３および第２過給機５１により多段式で過給するように構成されている。ここで、第２過給機５１は、排気タービン以外の駆動源を有するものであり、例えば、機械駆動式または電動式の過給機である。本実施形態において、第２過給機５１は、電動過給機であり、駆動源として電動モータ５１２を備え、電動モータ５１２の動力によりコンプレッサ部５１１が駆動される。機械駆動過給機による場合は、コンプレッサ部５１１に対してエンジン１’のクランクシャフトの動力を伝達させる。

図１０は、第２過給機５１による場合の空気量制御の内容を具体的に示している。

先に述べた空気量制御（図４、５）との相違を中心に説明すると、ＮＯｘトラップ触媒２２２の再生終了の判断に伴い（時刻ｔ３）、空気量補正要求を生成し、これが解除されるまでの間（時刻ｔ３〜ｔ８）、空気量補正制御を実行する。空気量補正制御により、空燃比を切り換える際の過給圧の応答性を補正し、もって、吸入空気量の応答性を補正する。

空気量補正制御において、切換後の定常目標吸気圧Ｐｔｒｇよりも高い補正目標吸気圧Ｐａｍｄを設定し、ターボチャージャ１３に加えて第２過給機５１を作動させる。そして、ターボチャージャ１３および第２過給機５１のそれぞれの回転数Ｎｃｈｇ１、Ｎｃｈｇ２を、補正目標吸気圧Ｐａｍｄを実現するように制御することで、切換時における吸気圧Ｐｉｎｔａを、ターボチャージャ１３のみを作動させた場合の吸気圧Ｐｉｎｔｂよりも増大させる。

吸気圧Ｐｉｎｔａを監視し、これが切換後の定常目標吸気圧Ｐｔｒｇを超えたことを検知したときに（時刻ｔ７）、第２過給機５１を停止させ、ターボチャージャ１３の回転数Ｎｃｈｇ１を、定常目標吸気圧Ｐｔｒｇを実現するように制御する。そして、吸気圧Ｐｉｎｔａが定常目標吸気圧Ｐｔｒｇに達したことを検知したときに（時刻ｔ８）、空気量補正要求を解除し、通常制御に移行する。

このように、過給機としてターボチャージャ１３以外に第２過給機５１を設け、相対的に高い空燃比への切換えに際してこの第２過給機５１を作動させることで、ターボチャージャ１３のみによる場合よりも吸気圧Ｐｉｎｔａを増大または減少させ、吸入空気量を補正することができる。

ここで、第２過給機５１に排気タービン以外の駆動源を有する過給機を採用することで、ターボチャージャ１３のみにより形成される過給圧の不足を高い精度をもって補い、吸気圧Ｐｉｎｔａを的確に増大または減少させることができる。

第２過給機５１は、排気タービンを駆動源とする空気駆動式の過給機であってもよい。例えば、第２過給機５１のコンプレッサ部に、ターボチャージャ１３と比較してより小径または低慣性のインペラを採用することで、電動式または機械駆動式の過給機同様の高い応答性を得て、吸気圧Ｐｉｎｔａを増大または減少させることができる。

（他の実施形態の説明）
以上の説明では、空燃比の切換えが運転領域の移行によらず、リッチスパイク操作からの復帰に伴って生じる場合について説明した。本発明は、これに限らず、空燃比の切換えが運転領域の移行による場合に適用することも可能である。そこで、以下、定速走行中にアクセルペダルを少しだけ戻すか、少しだけ踏み込むことにより、λ１領域およびλ２領域の間で運転領域が移行する場合について説明する。以下の説明において、λ１領域で設定する理論空燃比は、「第１空燃比」に相当する。

図１１および１２は、本発明の第２実施形態に係る空気量制御の内容を示すタイミングチャートである。

本実施形態では、比較的低速での一定走行中にアクセルペダルを微量だけ戻すことで、エンジン１の運転領域がλ１領域（例えば、図２中の点Ｂ１）からλ２領域（例えば、図２中の点Ｂ２）に移行した場合を想定する。

図１１は、本実施形態について、上記アクセル操作により車両に現れる挙動を示している。

本実施形態では、第１実施形態とは違い、エンジン回転数に実質的な変化はないものの、アクセルペダルが微量だけ戻されており（時刻ｔ３）、これに起因して、エンジントルクが減少し、車両に僅かな減速が生じている（時刻ｔ６）。

図１２は、空燃比をλ１領域における理論空燃比からλ２領域における希薄空燃比に切り換える際の空気量制御の具体的な内容を示している。

アクセルペダルが戻されることによりエンジン１の運転領域がλ１領域からλ２領域に移行すると（時刻ｔ３）、空気量補正要求を生成して、空燃比を希薄空燃比に切り換える制御を開始する。本実施形態では、「吸入空気量に関わるエンジン制御量」として、第１実施形態と同様にターボチャージャ１３の回転数Ｎｃｈｇを採用し、切換後の定常目標吸気圧Ｐｔｒｇよりも高い補正目標吸気圧Ｐａｍｄを設定することで、過給圧の応答性を補正する。具体的には、切換時におけるターボチャージャ１３の回転数Ｎｃｈｇ（Ｎｃｈｇａ）を、補正目標吸気圧Ｐａｍｄを実現するように制御することで、切換時における吸気圧Ｐｉｎｔａを、ターボチャージャ１３の回転数を切換後の定常目標吸気圧Ｐｔｒｇに基づき制御した場合の吸気圧Ｐｉｎｔｂよりも増大させる。そして、吸気圧Ｐｉｎｔａが空燃比切換判定圧Ｐｄｔｍに達したことを検知したときに（時刻ｔ５）、空燃比の切換えを実行して、燃料噴射量を切換後の目標噴射量にまで減少させる。さらに、吸気圧Ｐｉｎｔａが目標吸気圧Ｐｔｒｇを超えたことを検知したときに（時刻ｔ７）、目標吸気圧を補正目標吸気圧Ｐａｍｄから切換後の定常目標吸気圧Ｐｔｒｇに変更し、定常目標吸気圧Ｐｔｒｇを実現するように、ターボチャージャ１３の回転数Ｎｃｈｇ（Ｎｃｈｇａ）を制御する。その後、吸気圧Ｐｉｎｔａが定常目標吸気圧Ｐｔｒｇに達したことを検知したときに（時刻ｔ８）、空気量補正要求を解除して空気量補正制御を終了し、通常制御に移行する。

ターボチャージャ１３の回転数Ｎｃｈｇを上昇させるための手段は、第１実施形態と同様であってよく、ウエストゲート弁１３ｂの開度を減少させて、タービン部１３２のホイール上を流れる排気の流量を増大させたり、点火時期を遅角させて、排気の温度を上昇させたりすればよい。さらに、ターボチャージャ１３自体の回転数を上昇させるほか、第２過給機を設け、空燃比の切換時にこれを作動させるようにしてもよい。

図１３〜１５は、本発明の第３実施形態に係る空気量制御の内容を示すタイミングチャートである。

本実施形態では、比較的低速での一定走行中にアクセルペダルを微量だけ踏み込むことで、エンジン１の運転領域がλ２領域（点Ｂ２）からλ１領域（点Ｂ１）に移行した場合を想定する。

図１３は、本実施形態について、上記アクセル操作により車両に現れる挙動を示している。

本実施形態では、アクセルペダルが微量だけ踏み込まれている（時刻ｔ３）。これにより、エンジン回転数に実質的な変化はないものの、エンジントルクが増大し、車両に僅かな加速が生じている（時刻ｔ６）。

図１４は、空燃比をλ２領域における希薄空燃比からλ１領域における理論空燃比に切り換える際の空気量制御の具体的な内容を示している。

アクセルペダルが踏み込まれることによりエンジン１の運転領域がλ２領域からλ１領域に移行すると（時刻ｔ３）、空燃比を理論空燃比に切り換える制御を開始する。本実施形態では、相対的に低い空燃比への切換えに際し、第１実施形態と同様に空気量補正要求を生成し、これが解除されるまでの間（時刻ｔ３〜ｔ８）、吸入空気量に関わるエンジン制御量を切換後の空燃比（定常目標空燃比）に応じた定常目標吸気圧Ｐｔｒｇに基づく制御量よりも減少させる空気量補正制御を実行する。

本実施形態では、上記「吸入空気量に関わるエンジン制御量」としてターボチャージャ１３の回転数Ｎｃｈｇを採用するが、切換時における目標吸気圧である補正目標吸気圧Ｐａｍｄを、切換後の定常目標吸気圧Ｐｔｒｇよりも減少させる。そして、切換時におけるターボチャージャ１３の回転数Ｎｃｈｇ（Ｎｃｈｇａ）を、補正目標吸気圧Ｐａｍｄを実現するように制御することで、切換時における吸気圧Ｐｉｎｔａを、ターボチャージャ１３の回転数を切換後の定常目標吸気圧Ｐｔｒｇに基づき制御した場合の吸気圧Ｐｉｎｔｂよりも低下させる。

そして、吸気圧Ｐｉｎｔａを監視し、これが空燃比切換判定圧Ｐｄｔｍに達したことを検知したときに（時刻ｔ５）、空燃比の切換えを実行して、燃料噴射量を切換後の目標噴射量にまで増大させる。本実施形態において、空燃比切換判定圧Ｐｄｔｍは、切換後の定常目標吸気圧Ｐｔｒｇよりも高く、定常目標吸気圧Ｐｔｒｇに１よりも大きな所定係数を乗じた圧力に設定される。

吸気圧Ｐｉｎｔａを引き続き監視し、これが切換後の定常目標吸気圧Ｐｔｒｇに達したことを検知したときに（時刻ｔ７）、目標吸気圧を補正目標吸気圧Ｐａｍｄから定常目標吸気圧Ｐｔｒｇに変更し、定常目標吸気圧Ｐｔｒｇを実現するように、ターボチャージャ１３の回転数Ｎｃｈｇ（Ｎｃｈｇａ）を制御する。本実施形態では、吸気圧Ｐｉｎｔａが切換後の定常目標吸気圧Ｐｔｒｇに滑らかに収束しており、空気量補正要求が定常目標吸気圧Ｐｔｒｇへの変更と同時に解消し（時刻ｔ８）、通常制御に移行する。

図１５は、過給圧の応答性を補正するための具体的な方法を示している。

本実施形態では、過給圧の応答性を補正するため、ターボチャージャ１３の回転数Ｎｃｈｇを低下させる。

具体的には、空気量補正要求を生成すると（時刻ｔ３）、ウエストゲート弁１３ｂの開度を増大させて、タービン部１３２のホイール上を流れる排気の流量を減少させることで、タービン部１３２の回転数を低下させ、ターボチャージャ１３の回転数Ｎｃｈｇ（Ｎｃｈｇａ）を低下させる。その後、理論空燃比への切換えに併せ（時刻ｔ６）、点火時期を理論空燃比での燃焼に適した点火時期に変更し、切換後の定常目標吸気圧Ｐｔｒｇへの変更に併せ（時刻ｔ７）、ウエストゲート弁１３ｂの開度を所定開度だけ減少させる。理論空燃比での燃焼に適した点火時期は、一般的には、エンジントルクが最大となる点火時期であり、本実施形態でも、これを採用する。

このように、空燃比の切換えに際し、吸入空気量に関わるエンジン制御量を積極的に減少させる空気量補正制御を実行することで、切換後の空燃比（定常目標空燃比）に応じた目標空気量に向けて実際の吸入空気量を速やかに変化させ、切換えに要する時間（ＤＬＹ）を短縮し、空燃比の切換えを速やかに達成することができる。本実施形態によれば、相対的に低い空燃比への切換えに際し、切換時における吸気圧の目標値に、切換後の定常目標吸気圧Ｐｔｒｇよりも低い補正目標吸気圧Ｐａｍｄを設定し、ターボチャージャ１３の回転数Ｎｃｈｇ（Ｎｃｈｇａ）をこの補正目標吸気圧Ｐａｍｄをもとに設定することとした。これにより、ターボチャージャ１３の回転数Ｎｃｈｇ（Ｎｃｈｇａ）を積極的に低下させ、吸気圧Ｐｉｎｔａを減少させ、吸入空気量を速やかに変化させることができる。

過給圧の応答性の補正は、ターボチャージャ１３の回転数を低下させることのほか、吸気絞り弁１５を通過する空気の流量を減少させることでも可能である。具体的には、空気量補正要求に対してブローオフ弁１３ａを開き、ターボチャージャ１３により過給された空気の一部を、ブローオフ弁１３ａを介してコンプレッサ部１３１の上流側に還流させることで、吸気絞り弁１５を通過して燃焼室に供給される吸入空気の流量を減少させることができる。過給圧の応答性の補正は、吸気絞り弁１５を閉じることによっても可能である。図１５は、吸気絞り弁１５を閉じることによる場合の吸気絞り弁１５の開度の変化を二転鎖線により示している。このように、空気量補正制御の開始により吸気絞り弁１５を閉じ、吸気圧Ｐｉｎｔａが減少して、切換後の定常目標吸気圧Ｐｔｒｇに達したときに（時刻ｔ７）、所定開度だけ開く。

以上の説明では、エンジン１の運転領域のうち少なくともλ２領域において、ターボチャージャ１３を作動させて過給を行うこととした。しかし、本発明は、このような過給エンジンに限らず、定常目標空燃比での運転を目的とした過給を行わない自然吸入エンジンに適用することもできる。この場合は、吸気通路１１に吸気コンプレッサを設け、これを間欠的に作動させること、具体的には、相対的に高い空燃比への切換えに際して吸気コンプレッサを一時的に作動させることで、吸入空気量の応答性を補正することができる。

以上の説明から導き出される概念の幾つかを、以下に列挙する。

空気量補正制御において、切換時における吸気圧の目標値を切換後の空燃比に応じた定常状態での吸気圧または切換後の目標吸気圧よりも増大または減少させ、エンジン制御量を吸気圧の目標値をもとに設定する、エンジンの制御方法である。

第１空燃比から第２空燃比への切換時において、過給機の排気タービンの回転数を切換後の空燃比に応じた定常状態での吸気圧に基づく回転数よりも上昇させる、エンジンの制御方法である。

第１過給機および第２過給機を設け、第２空燃比による運転時では、第１および第２過給機のうち第１過給機のみを作動させ、第１空燃比から第２空燃比への切換時では、第１および第２過給機の双方を作動させる、エンジンの制御方法である。

第２過給機を、排気タービン以外の駆動源を有する過給機とする、エンジンの制御方法である。

第２過給機を、第１過給機よりも排気の流量に対する応答性が高い過給機とする、エンジンの制御方法である。

第２空燃比から第１空燃比への切換時において、過給機の排気タービンの回転数を切換後の空燃比に応じた定常状態での吸気圧に基づく回転数よりも低下させる、エンジンの制御方法である。

過給機のコンプレッサ部よりも下流側の吸気通路に吸気絞り弁を設け、
第２空燃比から第１空燃比への切換時において、この吸気絞り弁を通過する空気の流量を減少させる、エンジンの制御方法である。

切換後の目標噴射量に向けた燃料噴射量の変更を、空気量補正制御を開始した後、実際の吸入空気量の変化に応じて実行する、エンジンの制御方法である。

なお、吸入空気量に関わるエンジン制御量としてターボチャージャ１３の回転数Ｎｃｈｇを採用した場合を例に説明したが、上記「エンジン制御量」は、これに限らず、ターボチャージャ１３による過給圧、エンジン回転数、排気の流量、排気の温度等、相関を有するものであればいかなるパラメータであってもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内において、様々な変更および修正を成し得ることはいうまでもない。

１、１’…エンジン
１１…吸気通路
１１１…マニホールド部（吸気マニホールド）
１２…エアクリーナ
１３…ターボチャージャ（第１過給機）
１３１…コンプレッサ部（吸気コンプレッサ）
１３２…タービン部（排気タービン）
１３ａ…ブローオフ弁
１３ｂ…ウエストゲート弁
１４…インタークーラ
１５…吸気絞り弁
２１…排気通路
２１１…マニホールド部（排気マニホールド）
２２…触媒コンバータ
２２１…三元触媒
２２２…ＮＯｘトラップ触媒
２３…ＥＧＲ管
２４…ＥＧＲ弁
３１…吸気側可変動弁装置
３２…排気側可変動弁装置
５１…第２過給機
５１１…コンプレッサ部
５２２…電動モータ
Ｅ…エンジン本体
＃１〜＃４…気筒
１０１…電子制御ユニット（エンジンコントローラ）
２０１…アクセルセンサ
２０２…回転速度センサ
２０３…冷却水温度センサ
２０４…エアフローメータ
２０５…吸気圧センサ
２０６…空燃比センサ

Claims (6)

1. 第１空燃比と前記第１空燃比よりも高い第２空燃比とを切り換えて運転するエンジンの制御方法であって、
   エンジンの運転状態に応じて前記エンジンを運転する空燃比を選択し、
   前記第１空燃比から前記第２空燃比への切換時において、吸入空気量に関わるエンジン制御量を切換後の空燃比に応じた定常状態での吸入空気量に基づくエンジン制御量よりも増大させる空気量補正制御を実行する、エンジンの制御方法。
2. 第１空燃比と前記第１空燃比よりも高い第２空燃比とを切り換えて運転するエンジンの制御方法であって、
   エンジンの運転状態に応じて前記エンジンを運転する空燃比を選択し、
   前記第２空燃比から前記第１空燃比への切換開始時において、吸入空気量に関わるエンジン制御量を、前記切換開始時の吸入空気量に関わるエンジン制御量、及び、切換後の空燃比に応じた定常状態での吸入空気量に基づくエンジン制御量よりも減少させるように低下させる空気量補正制御を実行する、エンジンの制御方法。
3. 前記エンジンの出力するトルクが同一となる条件のもとで、前記第１空燃比と前記第２空燃比とを切り換えて運転する、請求項１または請求項２に記載のエンジンの制御方法。
4. 過給機を設け、
   前記第２空燃比による運転時において、前記第１空燃比による運転時よりも相対的に過給圧を増大させる、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のエンジンの制御方法。
5. エンジンの運転状態を検出する状態検出装置と、
   エンジンの燃焼状態を制御する燃焼制御装置と、を備え、
   前記燃焼制御装置は、
   前記エンジンを第１空燃比で運転する条件と前記第１空燃比よりも高い第２空燃比で運転する条件とが、前記エンジンの運転状態に応じて設定された記憶ユニットを備え、
   前記状態検出装置により検出されたエンジンの運転状態をもとに、前記記憶ユニットにより前記エンジンを運転する空燃比を選択し、
   前記第１空燃比から前記第２空燃比への切換時において、吸入空気量に関わるエンジン制御量を切換後の空燃比に応じた定常状態での吸入空気量に基づくエンジン制御量よりも増大させる空気量補正制御を実行する、エンジン。
6. エンジンの運転状態を検出する状態検出装置と、
   エンジンの燃焼状態を制御する燃焼制御装置と、を備え、
   前記燃焼制御装置は、
   前記エンジンを第１空燃比で運転する条件と前記第１空燃比よりも高い第２空燃比で運転する条件とが、前記エンジンの運転状態に応じて設定された記憶ユニットを備え、
   前記状態検出装置により検出されたエンジンの運転状態をもとに、前記記憶ユニットにより前記エンジンを運転する空燃比を選択し、
   前記第２空燃比から前記第１空燃比への切換開始時において、吸入空気量に関わるエンジン制御量を、前記切換開始時の吸入空気量に関わるエンジン制御量、及び、切換後の空燃比に応じた定常状態での吸入空気量に基づくエンジン制御量よりも減少させるように低下させる空気量補正制御を実行する、エンジン。

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