JP2007064030A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 排気温度を低下させるための燃料増量を抑制し、燃費向上を図る。
【解決手段】 吸気を過給する過給機１３と、吸気通路１６に設けられ、燃焼室内へ流入する吸気に流動成分を付与する吸気流動制御弁２１と、実排気温度を検出する排気温度センサ２７と、を備える。この実排気温度が所定の排気温度以上のときに、吸気流動制御弁２１を閉として、燃焼室内へ流入する吸気に流動成分を強化して、排気温度を低下させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、過給機を備える内燃機関に関し、特に、過給による排気温度の上昇を抑制する技術に関する。

特許文献１には、吸気を過給する過給機を備えた内燃機関が開示されている。また、排気の一部を吸気系に還流する排気還流装置を備えるとともに、主として低回転低負荷域での排気還流率を高めるために、燃焼室内に流入する吸気にスワール流動やタンブル流動を付与する吸気流動制御弁が設けられている。
特開平５−８６９１３号公報

過給機を備える内燃機関においては、周知のように、過給圧が大気圧以上となる過給領域での排気温度の過度な上昇やノッキングの発生が大きな課題である。排気温度の過度な上昇を抑制するために、従来より、過給領域では燃料噴射量の増量が行われが、これによって燃費性能の低下を招いていた。特に、内燃機関の小排気量化・コンパクト化による燃費向上を図るために過給機を利用する場合、所期の目的である燃費性能が損なわれるために、その対策が望まれていた。本発明はこのような課題に鑑みてなされたものである。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、内燃機関の吸気を過給する過給機と、吸気通路に設けられ、燃焼室内へ流入する吸気に流動成分を付与する吸気流動制御弁と、実排気温度を検出する排温検出手段と、上記実排気温度に基づいて、吸気流動制御弁を開閉する排温低下手段と、を有することを特徴としている。

本発明によれば、吸気流動制御弁を利用して排気温度を低下させることができ、排気温度を低下させるための燃料噴射量の増量幅を小さくすることができる。従って、過給領域における排気温度の低下と燃費性能の向上とを良好に両立することが可能となる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明に係る内燃機関のシステム構成の一例を示している。内燃機関１０は、点火プラグ１９を備えた火花点火式のガソリンエンジンであり、火花点火により燃料を燃焼することにより回転動力を発生するものである。この内燃機関１０には、排気エネルギーを利用して吸気の過給を行うターボ過給機１３と、排気の一部を吸気系へ還流する排気還流（ＥＧＲ）装置３１と、が設けられている。排気還流装置３１は、排気通路１４と吸気通路１６とを接続する排気還流通路１２と、この排気還流通路１２に設けられた電制の排気還流制御弁１１と、を有し、排気還流制御弁１１の開度を調整することにより、排気通路１４から吸気通路１６へ還流される排気の排気還流率（排気還流量）を調整する。過給機１３は、周知のように、排気通路１４に設けられたタービン１５と、吸気通路１６に設けられた圧縮機１７と、両者１５，１７を一体回転するように連結する回転軸１８と、を有しており、排気量（排気エネルギー）に応じてタービン１５が回転すると、回転軸１８を介して圧縮機１７が回転駆動されて、吸入空気量の過給を行うものである。

吸気通路１６には、吸気通路１６を開閉する電子制御式のスロットルバルブ２０が圧縮機１７よりも上流側に設けられているとともに、内燃機関１０の各シリンダへ接続する複数の吸気分岐通路１６Ａに、各シリンダの燃焼室内へ流入する吸気のタンブル流動を制御する吸気流動制御弁としてのタンブル制御弁２１が設けられている。また、排気通路１４には、タービン１５をバイパスするバイパス通路２２が設けられるともに、このバイパス通路２２を開閉する電子制御式のウエイストゲートバルブ２３が設けられている。

機関運転状態を検出する各種センサ類として、スロットルバルブ２０よりも下流側の吸気通路１６内の圧力つまり過給圧を検出する過給圧センサ２４、運転者の加速要求・加速意図に対応するアクセルペダルの開度を検出するアクセル開度センサ２５、内燃機関１０の燃焼室内で生じるノッキングの発生を検出するノックセンサ２６、及び排気通路１４内の排気の温度を検出する排気温度センサ２７等が設けられている。機関制御部（コントロールユニット：Ｃ／Ｕ）３０は、マイクロコンピュータを主体として構成されており、上記の各種センサ類からの検出信号に基づいて、燃料噴射制御や点火プラグ１９による点火時期制御等の機関制御処理や、スロットルバルブ２０，ウエイストゲートバルブ２３及び排気還流制御弁１１の開度制御の他、タンブル制御弁２１の開閉切換制御などの制御処理を記憶及び実行するものである。

例えば、排気温度センサ２７及びノックセンサ２６からの検出信号に基づいて、排気温度の過度な上昇やノッキングの発生を監視しつつ、過給圧センサ２４の出力信号に基づいて、実過給圧が目標過給圧の近傍に維持されるように、過給圧、具体的にはスロットルバルブ２０の開度やウエイストゲートバルブ２３の開度をフィードバック制御している。このため、過給圧の設定に対し、部品のばらつきや寸法公差を見越した過度なマージンを設ける必要がなく、設定過給圧を十分に高めることができ、機関出力を向上することができる。

図２は、本実施例の要部をなす制御の流れを示すフローチャートであり、本ルーチンは上記の機関制御部３０により極短い短期間（例えば１０ｍｓあるいは所定クランク角）毎に繰り返し実行される。また、図３は、本実施例に係るタイムチャートである。この図３中の破線は比較例に係る特性を示しており、この比較例では、排気温度低下のためのタンブル制御弁２１の閉動作が行われない。また、図４及び図５は機関回転数−機関要求トルクの特性図で、図４は比較例、図５は本実施例に対応している。

ステップＳ１１では、ノックセンサ２６の検出信号に基づいて、所定レベルのノッキングが発生しているかを判定する。ノッキングの発生が検知されると、ステップＳ１２へ進み、ノッキングを速やかに回避するために点火時期ＡＤＶをリタードして本ルーチンを終了する。

ステップＳ１３では、機関回転数及び機関要求トルク（負荷）に基づいて、所定のＥＧＲ領域Ｒｅｇｒであるかが判定される。機関回転数は、例えば周知のクランク角センサやカム角センサの検出信号から演算される。機関要求トルクは上記のアクセル開度センサ２５により検出されるアクセル開度等に基づいて演算される。図４及び図５にも示すように、ＥＧＲ領域Ｒｅｇｒは、過給圧が大気圧相当の０ｋＰａよりも低い負圧領域Ｒｌｏｗの中でも特に低回転・低負荷側の領域である。

ＥＧＲ領域Ｒｅｇｒであれば、ステップＳ１４へ進み、タンブル制御弁（ＴＣＶ）２１を閉として、本ルーチンを終了する。このように、低回転・低負荷域であるＥＧＲ領域Ｒｅｇｒで、タンブル制御弁２１を閉とすることにより、燃焼室内に生成されるタンブル流（縦旋回流）の作用によって、混合気が均一化されて燃焼が安定化されるために、排気還流率（量）を大幅に増加させることができ、ひいては燃費性能を向上することができる。

ステップＳ１５では、過給圧センサ２４により検出される過給圧の現在値つまり実過給圧に基づいて、過給圧が大気圧相当の０ｋＰａよりも高い過給領域Ｒｈｉｇｈであるかを判定する。過給領域Ｒｈｉｇｈでなければ、つまり負圧領域Ｒｌｏｗであれば、ステップＳ１６へ進み、タンブル制御弁２１を開として、本ルーチンを終了する。

ステップＳ１７では、排気温度センサ２７により検出される排気温度の検出値に相当する実排気温度が所定の判定温度Ｔｈ（図２参照）以上であるかを判定する。この判定温度Ｔｈは、許容される排気温度の上限値に相当する。実排気温度が判定温度Ｔｈ未満であれば、ステップＳ１８へ進み、タンブル制御弁２１を開として、本ルーチンを終了する。

実排気温度が判定温度Ｔｈ以上である場合、ステップＳ１７からステップＳ１９へ進み、機関回転数及び機関要求トルクに基づいて、所定のＴＣＶ閉作動領域Ｒｔｃｖであるかを判定する。図５に示すように、このＴＣＶ閉作動領域Ｒｔｃｖは、機関回転数Ｎｅが下限値ＮｅＡから上限値ＮｅＢの間の範囲であって、かつ、機関要求トルクが大気圧相当（０ｋＰａ）の下限値ＴｑＡから上限値ＴｑＢまでの範囲である。ＴＣＶ閉作動領域Ｒｔｃｖでなければ、ステップＳ２０へ進み、タンブル制御弁２１を開として、後述するステップＳ２４以降へ進む。つまり、過給領域Ｒｈｉｇｈの中で、ＴＣＶ閉作動領域Ｒｔｃｖから外れた領域、例えば、機関回転数が下限値ＮｅＡより低い領域Ｒａと、機関要求トルクが上限値ＴｑＢより高い領域Ｒｂなどでは、タンブル制御弁２１の閉作動が禁止される。

ＴＣＶ閉作動領域Ｒｔｃｖであれば、ステップＳ１９からステップＳ２１へ進み、タンブル制御弁２１が既に閉であるかを判定する。タンブル制御弁２１が開いていれば、ステップＳ２２へ進み、タンブル制御弁２１を閉に切り換えるとともに、ステップＳ２３において、このタンブル制御弁２１の閉動作に応じて点火時期ＡＤＶを補正して、本ルーチンを終了する。

上記の如くタンブル制御弁２１を閉として、燃焼室内に流入する吸気の流動成分、具体的にはタンブル流動成分を強化することによって、燃焼効率を向上させて排気損失を低減し、排気温度を低下することができる。このように主としてＥＧＲ領域Ｒｅｇｒでの排気還流率の増加のために用いられるタンブル制御弁２１を利用して、過給領域Ｒｈｉｇｈでの排気温度を有効に低下させて、排気温度を低下させるための燃料増量を抑制することができ、既存のタンブル制御弁２１を用いた簡素な構成でありながら、排気温度の抑制と燃費の向上とを良好に両立することができる。

ステップ２１の判定処理において、タンブル制御弁２１が既に閉じられている場合、ステップＳ２４へ進む。このステップＳ２４では、ステップＳ２５での燃料増量が既に行われているかを判定する。例えば、ステップＳ２５での燃料増量後にフラグを立てて燃料増量の有無を検知することができ、あるいは、排気通路１４に設けられた空燃比センサ２８により検出される空燃比が所定値を越えているかを判定することによって燃料増量の有無を正確に検出するようにしても良い。燃料増量が未だ行われていなければ、ステップＳ２５へ進み、燃料の増量を行い、本ルーチンを終了する。つまり、機関要求トルクや機関回転数等に応じて設定される目標燃料噴射量を増加側へ補正する。

燃料増量が既に行われている場合には、ステップＳ２４からステップＳ２６へ進み、設定過給圧を低下側へ補正する。設定過給圧の変更は、例えばスロットルバルブ２０の開度やウエイストゲートバルブ２３の開度を調整することにより行われる。続くステップＳ２７で、上記設定過給圧の低下に応じて点火時期ＡＤＶを進角側へ補正し、本ルーチンを終了する。

次に、本実施例の特徴的な技術思想及びその作用効果について列記する。但し、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変形・変更を含むものである。例えば、吸気流動制御弁として、上記実施例のようなタンブル制御弁２１に代えて、燃焼室内にスワール（旋回）流動を付与するスワール制御弁を用いても良い。また、上記実施例では簡易的にタンブル制御弁２１を「開」と「閉」の二位置切換型としているが、開度を多段階もしくは連続的に変更可能な吸気流動制御弁を用いるようにしても良い。

（１）内燃機関１０の吸気を過給する過給機１３と、吸気通路１６に設けられ、燃焼室内へ流入する吸気に流動成分を付与する吸気流動制御弁２１と、実排気温度を検出する排温検出手段（排気温度センサ２７）と、この実排気温度に基づいて、吸気流動制御弁２１を開閉する排温低下手段（ステップＳ２３）と、を有する。

（２）より具体的には、上記排温低下手段は、上記実排気温度が所定の判定温度Ｔｈ以上のときに、排気温度を低下させるように、上記吸気流動制御弁２１を閉として、燃焼室内へ流入する吸気に流動成分を強化する。

このように、吸気流動制御弁２１を利用して排気温度を低下させることができるために、排気温度を低下させるための燃料噴射量の増量幅を小さくして、燃費性能を向上することができる。また、排気温度センサ２７等の排温検出手段により検出される実排気温度に基づいて制御を行っているために、実排気温度に応じて精度良く吸気流動制御弁２１の切換制御を行うことができる。仮に排気温度センサ２７等の排温検出手段を用いることなく、例えば機関負荷や機関回転数に基づく制御マップにより吸気流動制御弁２１の切換を行うようにすると、例えば排気温度を低下する必要がない状況で吸気流動制御弁２１を誤って閉じてしまったり、逆に排気温度を低下する必要がある状況で吸気流動制御弁２１が開いたままとなるといった誤作動を招くおそれがある。このように、排気温度の過度な上昇を確実に抑制しつつ、燃費性能を向上することができる。

（３）排気の一部を吸気に還流する排気還流装置３１を備え、上記吸気流動制御弁２１は、低回転・低負荷側の所定のＥＧＲ領域Ｒｅｇｒでは、燃焼室内へ流入する吸気に流動成分を強化して排気還流率を高めるために閉じられるものである。つまり、このような排気還流率を高めるための吸気流動制御弁２１を利用した簡素な構造で、上述したような作用効果を得ることができる。従って、予め吸気流動制御弁２１を備える内燃機関であれば、別途部品を追加することなく簡素かつ容易に本発明を適用することができる。

（４）排気温度の過度な上昇が問題となるのは、少なくとも過給圧が大気圧を越える過給領域Ｒｈｉｇｈのときである。従って、実過給圧を検出する過給圧検出手段（過給圧センサ２４）と、実過給圧が大気圧を越える過給領域Ｒｈｉｇｈであるかを判定する手段（ステップＳ１５）とを備え、過給領域Ｒｈｉｇｈである場合に、上記排温低下手段を作動させる（ステップＳ２２）。これにより、排気温度の過度な上昇が問題とならない負圧領域Ｒｌｏｗで、上記排温低下手段により誤って吸気流動制御弁２１が閉作動されることを防止できる。

（５）図５を参照して、過給領域Ｒｈｉｇｈの中でも機関回転数が所定の下限値ＮｅＡより低い領域Ｒａでは、吸気流動制御弁２１を閉じると吸気量の確保が困難となって燃焼安定性を損ねるおそれがある。そこで、上記の領域Ｒａでは、上記排温低下手段による吸気流動制御弁２１の閉作動を禁止する（ステップＳ１９）。これにより、燃焼安定性を損ねることなく吸気流動制御弁２１による排温低減効果を有効に得ることができる。

（６）機関要求トルク（負荷）が所定の上限値ＴｑＢを越える全開トルク付近の領域Ｒｂでは、仮に吸気流動制御弁２１を閉じると通気抵抗が増して所望の吸入空気量が得られず、出力低下を招くおそれがある。従って、上記の領域Ｒｂでは、上記排温低下手段による吸気流動制御弁２１の閉作動を禁止する。これにより、全開出力の低下を招くことなく吸気流動制御弁２１による排温低減効果を有効に得ることができる。

（７）図２を参照して、ステップＳ２２でタンブル制御弁２１が既に閉とされても、実排気温度が所定の判定温度Ｔｈ以上である場合には、ステップＳ２１からステップＳ２４へ進み、燃料増量が行われる。すなわち、排温低下手段により吸気流動制御弁が閉とされ、かつ、上記実排気温度が所定の判定温度Ｔｈ以上のときには、燃料増量が行われる。このように、排気温度を低下させる場合に、先ず吸気流動制御弁２１を閉じ、それでも排気温度が十分に低下しなかった場合に限り、燃料増量を行うようにしている。従って、燃料増量が行われる頻度を抑制しつつ、排気温度を確実に低下させることができる。

（８）図２を参照して、ステップＳ２５で燃料増量が既に行われていても、実排気温度が所定の判定温度Ｔｈ以上であれば、ステップＳ２４からステップＳ２６へ進み、設定過給圧を低下させて、排気温度を低下させる。すなわち、燃料増量手段（ステップＳ２５）により燃料が増量され、かつ、上記実排気温度が所定の判定温度Ｔｈ以上のときに、過給圧を低下させる過給圧低下手段（ステップＳ２６）を有している。このように、排気温度を低下させる場合に、先ず吸気流動制御弁２１を閉じ、次いで燃料増量を行い、それでも排気温度が十分に低下しなかった場合に限り、出力低下を伴う設定過給圧の低下を行うようにしている。従って、過給圧の低下による出力低下を最小限に抑制しつつ排気温度を良好に低下させることができる。

本発明の一実施例に係る内燃機関のシステム構成図。 本実施例の制御の流れを示すフローチャート。 本実施例に係るタイムチャート。 比較例に係る機関回転数−機関要求トルクの特性図。 本実施例に係る機関回転数−機関要求トルクの特性図。

符号の説明

１０…内燃機関
１３…過給機
１４…排気通路
１６…吸気通路
２１…タンブル制御弁（吸気流動制御弁）
２４…過給圧センサ（過給圧検出手段）
２７…排気温度センサ（排温検出手段）
３０…機関制御部
３１…排気還流装置

Claims (8)

1. 内燃機関の吸気を過給する過給機と、
   吸気通路に設けられ、燃焼室内へ流入する吸気に流動成分を付与する吸気流動制御弁と、
   実排気温度を検出する排温検出手段と、
   上記実排気温度に基づいて、吸気流動制御弁を開閉する排温低下手段と、
   を有することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 上記排温低下手段は、上記実排気温度が所定の判定温度以上のときに、排気温度を低下させるように、上記吸気流動制御弁を閉として、燃焼室内へ流入する吸気に流動成分を強化することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 排気の一部を吸気に還流する排気還流装置を備え、
   低回転・低負荷側の所定のＥＧＲ領域では、排気還流率を高めるために、上記吸気流動制御弁が閉じられることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 実過給圧を検出する過給圧検出手段と、
   実過給圧が大気圧を越える過給領域であるかを判定する手段と、を有し、
   上記過給領域である場合に、上記排温低下手段を作動させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか２に記載の内燃機関の制御装置。
5. 機関回転数が所定の下限値より低い場合に、上記排温低下手段による吸気流動制御弁の閉作動を禁止することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
6. 機関要求トルクが所定の上限値より高い場合に、上記排温低下手段による吸気流動制御弁の閉作動を禁止することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
7. 上記排温低下手段により吸気流動制御弁が閉とされ、かつ、上記実排気温度が所定の判定温度以上のときに、燃料増量を行う燃料増量手段を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
8. 上記燃料増量手段により燃料が増量され、かつ、上記実排気温度が所定の判定温度以上のときに、過給圧を低下させる過給圧低下手段を有することを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の制御装置。
   

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