JP2005315140A - 火花点火式エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 シリンダ内に大量のＥＧＲガスを導入してエンジンのポンピングロス低減がはかれる火花点火式エンジンの制御装置を提供する。
【解決手段】 車両に搭載された火花点火式エンジンの制御装置において、エンジンの吸気通路２からシリンダ１０に吸入される吸気量を調節するスロットルバルブ（吸気量調節手段）８と、エンジンの排気ガスの一部をＥＧＲガスとしてシリンダ１０に再循環させるＥＧＲ通路４と、このＥＧＲ通路４からシリンダ１０に再循環されるＥＧＲガスの量を調節するＥＧＲ弁５と、車両の要求トルクを検出する要求トルク検出手段と、この検出した要求トルクに応じてスロットルバルブ８とＥＧＲ弁５の開度を連携して制御するコントローラとを備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、火花点火式エンジンの制御装置の改良に関するものである。

従来、ディーゼルエンジンのＥＧＲ装置として、エンジンの往復動するピストンによりその下死点付近でのみシリンダ内に開口するガス溜め室を設け、ガス溜め室に排気ガスの一部を溜めてＥＧＲ作用を持たせるようにして、ＮＯｘの生成を抑制しつつスモークの悪化を防止するものがある。
実開平６−５８１４８号公報

しかしながら、このようなＥＧＲ装置を火花点火式エンジンに適用した場合、ＥＧＲ量の増減によって吸気通路からシリンダに吸入される吸気量が増減して混合気の空燃比が乱れるため、過渡運転時にエンジンの燃焼性が悪化したり、エンジンのポンピングロスが増大する可能性があった。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、シリンダ内に大量のＥＧＲガスを導入してエンジンのポンピングロス低減がはかれる火花点火式エンジンの制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、車両に搭載されたエンジンの吸気通路からシリンダに吸入される吸気量を調節する吸気量調節手段と、エンジンの排気ガスの一部をＥＧＲガスとしてシリンダに再循環させるＥＧＲ通路と、このＥＧＲ通路からシリンダに再循環されるＥＧＲガスの量を調節するＥＧＲ弁と、車両の要求トルクを検出する要求トルク検出手段と、この検出した要求トルクに応じて前記吸気量調節手段と前記ＥＧＲ弁の開度を連携して制御するコントローラとを備えた。

本発明によると、車両の要求トルクに応じて吸気量調節手段とＥＧＲ弁の開度を連携して制御することにより、ＥＧＲ量を増減して吸気量が調節される。例えば車両の要求トルクが低下するのに伴ってＥＧＲ弁の開度を大きくすることにより、吸気通路からシリンダに吸入される吸気量が減り、この吸気量に応じて燃料供給量を減らすことによってエンジンの発生トルクを低下させる。こうして過渡運転時にシリンダ内に大量のＥＧＲガスを導入することが可能となりエンジンのポンピングロス低減がはかれる。

本発明の実施形態の構成を説明する。

図１は、車両に搭載されたエンジンのシステム構成を示す。図１において、１０はシリンダ、１１はピストン、１は燃焼室、２は吸気通路、３は排気通路、４はＥＧＲ通路、６は燃料インジェクタ、７は点火プラグ、８はスロットルバルブ（吸気量調節手段）を示す。

ピストン１１が下降する吸気行程にて、吸気バルブ（図示せず）が開かれるのに伴って吸気通路２から吸気がシリンダ１０内に流入する。エンジンはスワール生成手段を備えており、シリンダ１０内に流入する吸気流は、図中矢印で示すように、シリンダ１０内においてピストン１１の冠部上でシリンダ中心軸を中心に旋回するスワールを生起する。スワール生成手段は吸気通路２に介装される公知のスワールコントロールバルブ等によって構成される。

ＥＧＲ通路４は、その一端が排気通路３に開口し、その他端４ａがシリンダ１０の一側面に開口する。これにより排気通路３を流れる排気の一部がＥＧＲガスとしてＥＧＲ通路４に取り込まれる。吸気行程でピストン１１が下死点の近傍まで下降するとピストン１１によってＥＧＲ通路４は開かれ、不活性のＥＧＲガスがシリンダ１０内に流入する。ピストン１１が下死点から所定のストローク以上に上昇すると、ＥＧＲ通路４はピストン１１の側面によって閉じられ、不活性のＥＧＲガスがクランク室に充満することが回避される。

なお、膨張行程でピストン１１が下死点の近傍まで下降すると、ピストン１１によってＥＧＲ通路４は開かれるが、このときシリンダ１０内の圧力が高く、燃焼したガスの一部がＥＧＲ通路４を逆流する。次の吸気行程でピストン１１が下死点の近傍まで下降すると、ピストン１１によってＥＧＲ通路４は再び開かれるが、このときシリンダ１０内の圧力が低く、ＥＧＲ通路４からシリンダ１０内へと不活性のＥＧＲガスが流入する。

シリンダ１０に開口するＥＧＲ通路４の端部４ａはシリンダ１０の接線方向に向けられる。これにより、ＥＧＲ通路４からシリンダ１０内に流入するＥＧＲガス流は、図中矢印で示すように、ピストン１１の冠部上でシリンダ中心軸を中心に旋回するスワールを生起する。

こうしてＥＧＲガスをシリンダ１０内の下部に集め、吸気をシリンダ１０内の上部に集めることにより、インジェクタ６から所定のタイミングで燃焼室１に直接噴射される燃料噴霧は、点火プラグ７の周辺に可燃混合気を層状に形成する。こうして形成された層状の混合気は、ピストン１１によって圧縮された状態で点火プラグ７を介して燃料が着火し、成層燃焼が行われる。こうして成層燃焼が行われることによって、エンジンの燃焼安定度を確保しながらシリンダ１０内に大量のＥＧＲガスを導入することが可能となり、エンジンのポンピングロスが小さくなり、エンジンの燃費向上がはかれる。

また、シリンダ１０に開口するＥＧＲ通路４に対してＥＧＲガスがシリンダ１０内に直接出入りするため、ＥＧＲガスの流れに対する圧力損失が小さく抑えられることによって、エンジンのポンピングロスが小さくなり、エンジンの燃費向上がはかれる。そして、不活性のＥＧＲガスをシリンダ１０に再循環させることにより、燃焼室１における燃料の燃焼温度を下げてＮＯｘの発生を抑制する。

燃焼したガスはピストン１１を下降させてコンロッドおよびクランクシャフト（図示せず）を介して回転力を取り出した後、ピストン１１が上昇する排気行程中に排気バルブ（図示せず）が開かれるのに伴って排気通路３から排出される。エンジンは上記した各行程を連続して繰り返すことによって運転が行われる。

ＥＧＲ通路４の途中にはＥＧＲ弁５を介装し、このＥＧＲ弁５によってＥＧＲ通路４からシリンダ１０に吸入されるＥＧＲ量を調節する。ＥＧＲ弁５の開度はコントローラ２０によってアクチュエータ（図示せず）を介して制御される。ＥＧＲ弁５の開度が大きくなるほど、ＥＧＲ通路４を介してシリンダ１０に還流されるＥＧＲ量は増大する。

一方、吸気通路２の途中には吸気量調節手段としてスロットルバルブ８を介装する。このスロットルバルブ８の開度はコントローラ２０によってアクチュエータ（図示せず）を介して制御される。スロットルバルブ８の開度が大きくなるほど、吸気通路２を介してシリンダ１０に吸入される吸気量は増大する。

コントローラ２０には、エアフロメータ２１によって検出される吸気量と、エンジン回転数センサ２２によって検出されるエンジン回転数と、冷却水温センサ２３によって検出される冷却水温度と、アクセル開度センサ２４によって検出される要求トルク等を入力する。アクセル開度センサ２４は、ドライバによって踏み込まれたアクセルペダルの踏込み量を要求トルクとして検出する。

コントローラ２０は、これらによって検出される運転状態に応じてインジェクタ６からの燃料噴射量と燃料噴射時期、ＥＧＲ弁５の開度、スロットルバルブ８の開度、点火プラグ７の点火時期等をそれぞれ制御する。

コントローラ２０は、所定の成層燃焼領域でインジェクタ６からの燃料噴射時期をピストン１１が上昇する圧縮行程の後半に設定するとともに、空燃比を理論空燃比より希薄側に制御する。一方、所定の均質燃焼領域でインジェクタ６からの燃料噴射時期をピストン１１が下降する吸気行程に設定するとともに、空燃比を理論空燃比を中心とした狭い範囲に収める制御をする。

そして本発明の要旨とするところであるが、コントローラ２０は、車両の要求トルクに応じてスロットルバルブ８の開度とＥＧＲ弁５の開度を連携して制御する構成とした。

コントローラ２０は、車両の要求トルクが低下するトルク要求低下時を判定すると、このトルク要求低下時にＥＧＲ弁５の開度を大きくしてエンジンの発生トルクを低下させ、このとき、エンジンの燃焼安定度が限界値まで低下する燃焼安定限界時を判定したら、その後はＥＧＲ弁５の開度を保持したまま、スロットルバルブ８の開度を小さくしてエンジンの発生トルクを低下させる。この場合、要求トルク値がエアフロメータ２１で計測する吸気量から換算したエンジン発生トルク値と一致するまでこの制御を行う。

なお、コントローラ２０は、例えばエンジンの回転速度とエンジン負荷と冷却水温度等の運転状態に応じて燃焼安定度が限界値以上に確保される領域を決めたマップデータを格納している。

さらに、コントローラ２０は、車両の要求トルクが増大するトルク要求増大時を判定し、このトルク要求増大時にまずスロットルバルブ８の開度を大きくし、その後にＥＧＲ弁５の開度を小さくする制御を行う。

図２のタイミングチャートは上記したコントローラ２０の制御例を示している。これについて説明すると、車両の要求トルクが低下するトルク要求低下時（ａ）にて、要求トルクが低下するのに伴ってＥＧＲ弁５の開度を大きくしてエンジンの発生トルクを低下させる制御が行われる。このとき、スロットルバルブ８の開度は一定に保たれており、ＥＧＲ弁５の開度を大きくすることにより、吸気通路２からシリンダ１０に吸入される吸気量（新気量）が相対的に減り、エアフロメータ２１で計測するこの吸気量に応じてインジェクタ６からの燃料噴射量を減らすことによってエンジンの発生トルクを低下させる。ただし、新気量に応じて燃料噴射量を減らしても、混合気の空燃比は所定値を維持する。

シリンダ１０に開口するＥＧＲ通路４の端部４ａがピストン１１によって開かれることによってＥＧＲガスがシリンダ１０内に吸入されるため、ＥＧＲガスをシリンダ１０内の下部に集められ、吸気通路２から吸入される吸気を上部に集められ、点火プラグ７の周辺に可燃混合気が層状に形成される。こうして成層燃焼が行われることによって、シリンダ１０内に大量のＥＧＲガスを導入することが可能となり、エンジンのポンピングロスが小さくなり、エンジンの燃費向上がはかれる。

トルク要求低下時（ａ）にてＥＧＲ通路４からシリンダ１０内に導入されるＥＧＲ量が増えることによってエンジンの燃焼安定度が低下していき、やがて燃焼安定限界に至る。この燃焼安定限界よりも燃焼安定度を低下させるわけにはいかないので、それ以上に要求トルクが低下する領域（ｂ）では、ＥＧＲ弁５の開度をその開度に維持したままこんどはスロットルバルブ８の開度を小さくしてエンジンの発生トルクを低下させる。こうしてエンジンの燃焼安定度が限界値（燃焼安定しきい値）より低下することが回避されることにより、エンジンの燃焼安定性が維持され、エンスト等の発生を防止できる。

車両の要求トルクが一定となる領域（ｃ）では、スロットルバルブ８の開度とＥＧＲ弁５の開度は一定に保たれる。

車両の要求トルクが増大するトルク要求増大時（ｄ）では、要求トルクが増大するのに伴ってまずスロットルバルブ８の開度を大きくして吸気通路２からシリンダ１０に吸入される吸気量を増やす。やがてスロットルバルブ８の開度が最大になった後に車両の要求トルクが増大するトルク要求増大時（ｅ）にて、要求トルクが増大するのに伴ってＥＧＲ弁５の開度を小さくすることで、吸気通路２からシリンダ１０に吸入される吸気量が相対的に増やされる。このトルク要求増大時（ｄ），（ｅ）においても、ＥＧＲガスがＥＧＲ通路４からシリンダ１０内に導入されることによってエンジンのポンピングロスが小さくなり、エンジンの燃費向上がはかれる。なお、トルク要求増大時（ｄ），（ｅ）においては、シリンダ１０内に形成される混合気量が増え、かつ実質的なＥＧＲ率が低下することにより、エンジンの燃焼安定度は向上するので、限界値より低下する心配はない。

図３のフローチャートは車両の要求トルクに応じてスロットルバルブ８の開度とＥＧＲ弁５の開度を連携して制御するルーチンを示しており、コントローラ２０において一定周期毎に実行される。

まず、ステップ１にて、アクセル開度センサ２４によって検出される要求トルクを読み込み、車両の要求トルクが低下するトルク要求低下時か、車両の要求トルクが増大するトルク要求増大時かを判定する。

ここでトルク要求低下時と判定された場合、ステップ２に進んで、エンジンの燃焼安定度が限界値以上の許容範囲内かどうかを判定する。

ここでエンジンの燃焼安定度が許容範囲内と判定された場合、ステップ３に進んで、ＥＧＲ弁５の開度が最大開度にないことを判定した後、ステップ４に進んで、ＥＧＲ弁５の開度を大きするこど、相対的に吸気量（新気量）を減らしてエンジンの発生トルクを低下させる。

続いて、ステップ５に進んで、エンジンの燃焼安定度が許容範囲内かどうかを判定する。ここでエンジンの燃焼安定度が許容範囲内と判定された場合、ステップ１に戻って本ルーチンを繰り返し実行し、さらにＥＧＲ弁５の開度を大きくしていく。

ステップ３にて、ＥＧＲ弁５の開度を最大開度に達したことが判定された場合、さらに吸気量を減らすために、ステップ６に進んで、スロットルバルブ８の開度を小さくする。

また、ステップ５にて、エンジンの燃焼安定度が限界値まで低下し、燃焼安定限界に達したと判定された場合は、ＥＧＲ弁５の開度をそれ以上大きくすることなく、ステップ６に進んで、スロットルバルブ８の開度を小さくする。

ステップ６にて、スロットルバルブ８の開度を小さくした後、ステップ７に進んで、エンジンの燃焼安定度が許容範囲内かどうかを判定する。

ここでエンジンの燃焼安定度が許容範囲内と判定された場合、ステップ１に戻って本ルーチンを繰り返し実行し、スロットルバルブ８の開度をさらに小さくしていく。

一方、ステップ７にて、エンジンの燃焼安定度が限界値まで低下する燃焼安定限界時と判定された場合、ステップ８に進んで、スロットルバルブ８の開度を大きくする。

また、ステップ２にて、エンジンの燃焼安定度が限界値まで低下する燃焼安定限界時と判定された場合にも、ステップ８に進んで、スロットルバルブ８の開度を大きくする。

一方、ステップ１にて、トルク要求増大時と判定された場合、ステップ９にてスロットルバルブ８の開度が最大開度にないことを判定した場合、ステップ１０に進んで、スロットルバルブ８の開度を大きくし、吸気量（新気量）を増やし、ステップ１に戻る。

ステップ９にて、スロットルバルブ８の開度が最大開度に達したことを判定した場合、ステップ１１に進んで、ＥＧＲ弁５の開度を小さくし、ステップ１に戻る。

このステップ９〜１１にて行われる処理がトルク増大制御手段に相当する。

なお、ＥＧＲ通路に連通するＥＧＲガス溜め室を設け、このＥＧＲガス溜め室に排気ガスの一部を溜め、このＥＧＲガスをＥＧＲ通路からシリンダ内に再循環させる構成としてもよい。

以上のように、コントローラ２０は、車両の要求トルクの低下を判定すると、スロットルバルブ８を要求トルク変化検出時の開度に保持し、ＥＧＲ弁５の開度を大きくしてエンジンの発生トルクを低下させることにより、ＥＧＲ通路４からＥＧＲガスがシリンダ１０内に導入される分だけエンジンのポンピングロスが小さくなり、エンジンの燃費向上がはかれる
コントローラ２０は、エンジンの燃焼安定度が限界値まで低下すると、ＥＧＲ弁５の開度をその状態に保持する一方で、スロットルバルブ８の開度を小さくしてエンジンの発生トルクを低下させることにより、エンジンの燃焼安定性が維持され、エンスト等の発生を防止できる。

コントローラ２０は、車両の要求トルクが増大するトルク要求増大時を判定すると、ＥＧＲ弁５を要求トルク変化検出時の開度に保持し、スロットルバルブ８の開度を大きくした後に、ＥＧＲ弁５の開度を小さくすることにより、このトルク要求増大時においても、ＥＧＲガスがＥＧＲ通路４からシリンダ１０内に導入され、エンジンのポンピングロスが小さくなり、エンジンの燃費向上がはかれる。

コントローラ２０は、要求トルクの変化を検出したら、スロットルバルブ８とＥＧＲ弁５とのどちらか一方を、要求トルク変化検出時の開度に保持し、他方の開度を変化させることにより、吸気量が調節される。これにより、過渡運転時にエンジンの燃焼性を悪化させることなくシリンダ１０内に大量のＥＧＲガスを導入することが可能となりエンジンのポンピングロス低減がはかれる。

ＥＧＲ通路４は、シリンダ１０下方の側面からＥＧＲガスをシリンダ１０内に直接流入させる通路であるため、ＥＧＲガスの流れに対する圧力損失が小さく抑えられ、エンジンのポンピングロスが小さくして、エンジンの燃費向上がはかれる。そして、ＥＧＲガスをシリンダ１０内の下部に集められ、点火プラグ７の周辺に可燃混合気が層状に形成される成層燃焼が行われることによって、シリンダ１０内に大量のＥＧＲガスを導入することが可能となり、エンジンのポンピングロスが小さくなり、エンジンの燃費向上がはかれる。

また、本発明は燃料インジェクタが燃焼室に臨む直噴式エンジンに限らず、燃料インジェクタ等の燃料供給手段が吸気通路に臨むエンジンにも適用できる。

吸気量調節手段として、燃焼室に開口する吸気ポートを開閉する吸気バルブのリフト量を可変制御する機構を設け、この吸気バルブがシリンダに吸入される吸気量を調節するスロットルバルブの機能を果たす構成としてもよい。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

本発明は、例えば車両等に搭載される火花点火式エンジンの制御装置に適用できる。

本発明の実施形態を示す火花点火式エンジンのシステム図。 同じくコントローラの制御例を示すタイミングチャート。 同じくコントローラの制内容例を示すフローチャート。

符号の説明

１ 燃焼室
２ 吸気通路
３ 排気通路
４ ＥＧＲ通路
５ ＥＧＲ弁
６ 燃料インジェクタ
７ 点火プラグ
８ スロットルバルブ（吸気量調節手段）
１０ シリンダ
１１ ピストン
２０ コントローラ

Claims (8)

1. 車両に搭載されたエンジンの吸気通路からシリンダに吸入される吸気量を調節する吸気量調節手段と、
   エンジンの排気ガスの一部をＥＧＲガスとして前記シリンダに再循環させるＥＧＲ通路と、
   このＥＧＲ通路から前記シリンダに再循環されるＥＧＲガスの量を調節するＥＧＲ弁と、
   車両の要求トルクを検出する要求トルク検出手段と、
   この検出した要求トルクに応じて前記吸気量調節手段と前記ＥＧＲ弁の開度を連携して制御するコントローラとを備えたことを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
2. 前記コントローラは、前記要求トルクの変化を検出したら、前記吸気量調節手段と前記ＥＧＲ弁とのどちらか一方を、前記要求トルク変化検出時の開度に保持する構成としたことを特徴とする請求項１に記載の火花点火式エンジンの制御装置。
3. 前記コントローラは、前記要求トルクの低下を検出したら、前記吸気量調節手段を前記要求トルク変化検出時の開度に保持する構成としたことを特徴とする請求項２に記載の火花点火式エンジンの制御装置。
4. 前記コントローラは、前記要求トルクの増大を検出したら、前記ＥＧＲ弁を前記要求トルク変化検出時の開度に保持する構成としたことを特徴とする請求項２に記載の火花点火式エンジンの制御装置。
5. 前記コントローラは、前記要求トルクの低下を検出したら、前記吸気量調節手段を前記要求トルク変化検出時の開度に保持しつつ、前記ＥＧＲ弁を所定開度まで開く構成としたことを特徴とする請求項３に記載の火花点火式エンジンの制御装置。
6. 前記コントローラは、前記要求トルクの増大を検出したら、前記ＥＧＲ弁を前記要求トルク変化検出時の開度に保持しつつ、前記吸気量調節手段を所定開度まで開く構成としたことを特徴とする請求項４に記載の火花点火式エンジンの制御装置。
7. 前記ＥＧＲ弁の所定開度は、燃焼安定度が保たれる開度であることを特徴とする請求項５に記載の火花点火式エンジンの制御装置。
8. 前記ＥＧＲ通路は、前記シリンダ下方の側面からＥＧＲガスを前記シリンダ内に直接流入させる通路であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の火花点火式エンジンの制御装置。