JP2014088779A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気のＥＧＲ率をできるだけ高めながら、混合気の燃焼の不安定化をより確実に防止できる制御装置を提供する。
【解決手段】目標ＥＧＲ率が高くなるほど目標冷却液温を高く設定するとともに、目標ＥＧＲ率及び目標冷却液温が上昇したときに、実際のＥＧＲ率を即時には上昇させず、目標冷却液温に追従する実際の冷却液温を計測した上で、その冷却液温の上昇の推移に応じて徐々に上昇させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置が付帯した内燃機関を制御する制御装置に関する。

気筒内の燃焼温度を低下させてＮＯ_xの排出量を削減しつつ、ポンピングロスの低減を図るＥＧＲ装置が公知である。ＥＧＲ装置は、排気経路と吸気経路とをＥＧＲ通路を介して接続し、気筒内で発生する燃焼ガスの一部をＥＧＲ通路経由で吸気経路に還流させて吸気に混入するものである。

近時では、エミッション及び燃費性能に対する要求が益々高まっており、ＥＧＲガスの還流量も増大する傾向にある。多量のＥＧＲガスを還流させている状況下で、気筒の燃焼室内の温度が低下すると、混合気の燃焼が不安定となり、時には失火に至る。

このような燃焼の不安定化を抑止するべく、内燃機関の冷却液（冷却水）が循環する流路上に設けられたサーモスタットの開弁温度をＥＧＲガス量に応じて調整し、ＥＧＲガス量が多いほど冷却液温が高くなるように制御することが試みられている（例えば、下記特許文献を参照）。

しかしながら、ＥＧＲガス量が増加したときに冷却液温が上昇するようにサーモスタットの開弁温度を調整したとしても、冷却液の熱容量の存在により、実際の冷却液温の上昇には遅れが発生する。つまり、吸気のＥＧＲ率の増加に冷却液温の上昇が必ずしも追従せず、気筒の燃焼室内の温度が低い状況下で混合気の燃焼が不安定化する問題を十分に解消するには至っていない。

実開昭６０−０９５１２７号公報

本発明は、吸気のＥＧＲ率をできるだけ高めながら、混合気の燃焼の不安定化をより確実に防止することを所期の目的とする。

本発明では、排気ガス再循環装置が付帯した液体冷却式の内燃機関を制御するものであって、目標ＥＧＲ率が高くなるほど目標冷却液温を高く設定するとともに、目標ＥＧＲ率及び目標冷却液温が変動したときに、実際のＥＧＲ率を即時には変動させず、目標冷却液温に追従する実際の冷却液温を計測した上で、その冷却液温の変動の推移に応じて徐々に変動させることを特徴とする内燃機関の制御装置を構成した。

センサを介して計測される冷却液温の上昇の推移は、気筒の燃焼室内の温度の上昇の推移に対して遅れると予想される。そこで、目標ＥＧＲ率と目標ＥＧＲ率が上昇する直前のＥＧＲ率との差分に対する、単位時間あたりの実際のＥＧＲ率の上昇の割合を、目標冷却液温と目標冷却液温が上昇する直前の冷却液温との差分に対する、単位時間あたりの実際の冷却液温の上昇の割合よりも大きくすることが好ましい。いわば、ＥＧＲ率を冷却液温よりも幾分速く上昇させることで、燃焼の不安定化を回避しつつポンピングロスの一層の削減を追求する。

尤も、目標ＥＧＲ率及び目標冷却液温が上昇したときに、計測した実際の冷却液温が既に目標冷却液温よりも高いならば、実際のＥＧＲ率を即時に目標ＥＧＲ率まで上昇させて構わない。

本発明によれば、吸気のＥＧＲ率をできるだけ高めながら、混合気の燃焼の不安定化をより確実に防止することが可能となる。

本発明の一実施形態における車両用内燃機関の全体構成を示す図。 同実施形態における内燃機関の冷却系統の構成を示す図。 要求負荷と目標ＥＧＲ率との関係を示す図。 同実施形態の内燃機関の制御装置が実行する制御の内容を説明するタイミング図。 同実施形態の内燃機関の制御装置が実行する制御の内容を説明するタイミング図。 同実施形態の内燃機関の制御装置が実行する制御の内容を説明するタイミング図。 同実施形態の内燃機関の制御装置が実行する制御の内容を説明するタイミング図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の４ストロークエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、排気ターボ過給機５のコンプレッサ５１、インタクーラ３５、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２、排気ターボ過給機５の駆動タービン５２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。加えて、タービン５２を迂回する排気バイパス通路４３、及びこのバイパス通路４３の入口を開閉するバイパス弁であるウェイストゲートバルブ４４を設けてある。ウェイストゲートバルブ４４は、アクチュエータに制御信号ｍを入力することで開閉操作することが可能な電動ウェイストゲートバルブであり、そのアクチュエータとしてＤＣサーボモータを用いている。

排気ターボ過給機５は、駆動タービン５２とコンプレッサ５１とを同軸で連結し連動するように構成したものである。そして、駆動タービン５２を排気のエネルギを利用して回転駆動し、その回転力を以てコンプレッサ５１にポンプ作用を営ませることにより、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒１に送り込む。

本実施形態の内燃機関には、外部ＥＧＲ装置２が付帯している。外部ＥＧＲ装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通するＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３３に接続している。

本実施形態の内燃機関は、液体冷却式のものである。図２に、内燃機関の冷却系統を示す。内燃機関のシリンダブロック６１の内部、及びシリンダヘッド６２の内部にはそれぞれ、冷却液（冷却水）が流通するウォータジャケットが形成されている。内燃機関の外部には、これらシリンダブロック６１及びシリンダヘッド６２を冷却する過程で昇温した冷却液の温度を低下させるための放熱手段６３、６４が配設されている。かかる放熱手段としては、車両のキャビン側に設置される暖房用のヒータ６３や、車両のフロントグリルの後背に設置されるラジエータ６４が挙げられる。

ラジエータ６４には、ファン６５が付設されている。ラジエータファン６５は、電動のファンモータにより回転駆動される。ファンモータは、車載のバッテリから電力の供給を受ける。ラジエータ６４に流入する冷却液の流量は、サーモスタット（または、流量制御バルブ）６７によって調節される。例えば、内燃機関の冷間始動直後等、冷却液温が低いときにはサーモスタット６７は閉弁し、ラジエータ６４に冷却液が流れ込まない。

ウォータポンプ６６は、内燃機関のクランクシャフトから駆動力の伝達を受けて回転する機械式のものである。ウォータポンプ６６は、放熱手段６３、６４において放熱し温度が低下した冷却液を吸引し、その冷却液をシリンダブロックに向けて再び送り出す。ウォータポンプ６６による冷却液の吐出量、即ち冷却系統を循環する冷却液の流量は、エンジン回転数に依存する。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号（Ｎ信号）ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、ブレーキペダルの踏込量を検出するセンサから出力されるブレーキ踏量信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、内燃機関の冷却液温を検出する液温センサから出力される冷却液温信号ｆ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号（Ｇ信号）ｇ、シリンダブロック６１に設置され気筒１でのノッキングに起因した振動を検出するノックセンサから出力されるノック信号ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ、ウェイストゲートバルブ４４に対して開度操作信号ｍ、ファンモータに対してラジエータファン６５の回転をＯＮ／ＯＦＦさせまたは回転速度を調節するための制御信号ｎ、サーモスタット６７に対してその開弁温度を指令する信号（または、流量制御バルブ６７に対して開度操作信号）ｏ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、要求されるＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）といった各種運転パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能である。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍ、ｎ、ｏを出力インタフェースを介して印加する。

本実施形態のＥＣＵ０は、気筒１に充填される吸気のＥＧＲ率の制御に際し、現在の内燃機関の運転領域［エンジン回転数，要求負荷（即ち、アクセル開度、気筒１に充填される吸気量、またはサージタンク３３内の吸気圧力）］に応じた目標ＥＧＲ率を設定する。

図３に、アクセル開度に基づく要求負荷と、気筒１に充填される吸気について要求されるＥＧＲガス量を示す目標ＥＧＲ率との関係の概略を示す。特に、要求負荷との関係において、目標ＥＧＲ率は、中負荷領域で最も高く、低負荷領域及び高負荷領域ではそれよりも低い。低負荷領域では、要求負荷が低くなるほど目標ＥＧＲ率が低下する。高負荷領域では、要求負荷が高くなるほど目標ＥＧＲ率が低下する。

ＥＣＵ０のメモリには予め、運転領域の指標値［エンジン回転数，要求負荷］と目標過給圧との関係を規定したマップデータが格納されている。ＥＣＵ０は、現在の運転領域［エンジン回転数，要求負荷］をキーとして当該マップを検索し、設定するべき目標ＥＧＲ率を読み出す。そして、読み出した目標ＥＧＲ率を具現するために必要となるＥＧＲバルブ２３の開度を演算して、ＥＧＲバルブ２３をその開度に操作する。

吸気のＥＧＲ率を高める、即ちＥＧＲバルブ２３の開度を大きく開ければ、内燃機関のポンピングロスが低下し、実効的な燃費の向上を期待できる。だが、気筒１の燃焼室内の温度が低い状況で、ＥＧＲ率を過剰に高めると、混合気の燃焼が不安定となり、失火に至るおそれもある。燃焼の不安定化は、内燃機関の回転速度の変動や、未燃燃料成分を含んだ排気ガスの排出につながるため、避けなければならない。

よって、本実施形態では、目標ＥＧＲ率が高くなるほど目標冷却液温を高く設定することで、吸気のＥＧＲ率が高いほど気筒１のボアから熱が奪われにくくなるようにする、ひいては気筒１の燃焼室内温度を高めるようにしている。例えば、目標ＥＧＲが２０％以下の状況では目標冷却液温を８０℃に設定し、目標ＥＧＲが２５％の状況では目標冷却液温を８５℃に設定し、目標ＥＧＲが３０％の状況では目標冷却液温を９０℃に設定する。

本実施形態のＥＣＵ０は、内燃機関の運転領域が遷移して目標ＥＧＲ率及び目標冷却液温が上昇したときに、実際のＥＧＲ率を即時には上昇させず、実際の冷却液温をセンサを介して計測した上で、その冷却液温の上昇の推移に応じて徐々に上昇させる制御を行う。

図４ないし図７に、本実施形態のＥＣＵ０によるＥＧＲ率及び冷却液温の制御の例を示す。図中、細い実線は目標ＥＧＲ率及び目標冷却液温を表し、太い破線は実際のＥＧＲ率及び実際の冷却液温を表している。

図４に示すように、目標ＥＧＲ率が２０％から３０％に上昇すると、目標冷却液温も８０℃から９０℃へと上昇する。ＥＣＵ０は、実際の冷却液温をこの目標冷却液温に追従させるべく、ラジエータファン６５の回転を操作したり、サーモスタット（または、流量制御弁）６７の開度を操作したりするフィードバック制御を行う。

だが、実際の冷却液温の上昇は、目標冷却液温の上昇に対して必然的に遅れる。実際の吸気のＥＧＲ率を目標ＥＧＲ率に即時的に追従させてしまうと、実際の冷却液温が未だ目標冷却液温に到達していない、例えば冷却液温が８２℃であるにもかかわらず、吸気のＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率である３０％まで上昇してしまう。さすれば、気筒１の燃焼室内温度が低い状況で多量のＥＧＲガスを含む吸気が充填されることとなり、燃焼の不安定化または失火を招来する。

そこで、本実施形態のＥＣＵ０は、図４に示している通り、センサを介して計測される冷却液温が目標冷却液温に到達するのに要する時間と同程度の時間をかけて、ＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率に到達するよう、ＥＧＲバルブ２３の開度を操作する。これにより、燃焼の不安定化を回避しつつ、可及的にＥＧＲ率を増大させてポンピングロスを低減せしめることができる。

なお、図５に示しているように、ＥＧＲ率を冷却液温よりも幾分速く上昇させることで、ポンピングロスの一層の削減を追求してもよい。この場合、ＥＣＵ０は、目標ＥＧＲ率と目標ＥＧＲ率が上昇する直前のＥＧＲ率との差分（１０％）に対する単位時間あたりの実際のＥＧＲ率の上昇の割合を、目標冷却液温と目標冷却液温が上昇する直前の冷却液温との差分（１０℃）に対する単位時間あたりの実際の冷却液温の上昇の割合よりも大きくする。例えば、計測された冷却液温の上昇の割合が単位時間あたり一割（１℃）であるときに、実際のＥＧＲ率の上昇の割合が単位時間あたり二割（２％）となるように、ＥＧＲバルブ２３の開度を操作する。

但し、目標ＥＧＲ率及び目標冷却液温が上昇したときに、センサを介して計測された実際の冷却液温が既に目標冷却液温よりも高いならば、気筒１の燃焼室内の温度が十分に高く、混合気の燃焼の不安定化に対して余裕があると考えられるので、実際のＥＧＲ率を即時に目標ＥＧＲ率まで上昇させる。

図６に示す例では、目標ＥＧＲ率が０％から３０％に上昇し、目標冷却液温も８０℃から９０℃へと上昇したが、実際の冷却液温は既に９５℃となっている。このような状況は、高負荷の運転領域から中負荷の運転領域に遷移するような場合に起こる。ＥＣＵ０は、実際のＥＧＲ率を目標ＥＧＲ率である３０％に即時に上昇させるべく、ＥＧＲバルブ２３を速やかに開放する。

また、何らかの理由により、内燃機関の冷却液温を引き下げる必要が生じたときには、目標液温が現状の液温よりも低い温度に再設定される。これに伴い、目標ＥＧＲ率も低下することとなるが、このような場合においても、目標ＥＧＲ率の変動と実際のＥＧＲ率の変動との間に遅延を設ければ、ポンピングロスを少しでも多く減少させることに奏効する。即ち、図７に示している通り、センサを介して計測される冷却液温が目標冷却液温に到達するのに要する時間と同程度の時間をかけて、ＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率に到達するよう、ＥＧＲバルブ２３の開度を操作する。

とは言え、運転領域の遷移により目標ＥＧＲ率が低下する過程では、目標ＥＧＲ率の変動と実際のＥＧＲ率の変動との間に必ずしも遅延を設ける必要はなく、実際のＥＧＲ率を即時に目標ＥＧＲ率に追従させてもよい。ＥＧＲ率を低下させることは、混合気の燃焼をより安定なものとするからである。

本実施形態では、排気ガス再循環装置２が付帯した液体冷却式の内燃機関を制御するものであって、目標ＥＧＲ率が高くなるほど目標冷却液温を高く設定するとともに、目標ＥＧＲ率及び目標冷却液温が変動したときに、実際のＥＧＲ率を即時には変動させず、目標冷却液温に追従する実際の冷却液温を計測した上で、その冷却液温の変動の推移に応じて徐々に変動させることを特徴とする内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、吸気のＥＧＲ率をできるだけ高めながら、混合気の燃焼の不安定化をより確実に防止することが可能となる。燃焼不安定または失火に対する耐力が向上することは、目標ＥＧＲ率をより高く設定できることにつながり、ポンピングロスの低減、燃費の良化に貢献する。

また、センサを介して計測される冷却液温の上昇の推移は、気筒の燃焼室内の温度の上昇の推移に対して遅れると予想される。目標ＥＧＲ率と目標ＥＧＲ率が上昇する直前のＥＧＲ率との差分に対する、単位時間あたりの実際のＥＧＲ率の上昇の割合を、目標冷却液温と目標冷却液温が上昇する直前の冷却液温との差分に対する、単位時間あたりの実際の冷却液温の上昇の割合よりも大きくすれば、燃焼の不安定化を回避しつつポンピングロスをより一層削減できる。

加えて、目標ＥＧＲ率及び目標冷却液温が上昇したときに、計測した実際の冷却液温が目標冷却液温よりも高いならば、実際のＥＧＲ率を即時に目標ＥＧＲ率まで上昇させるようにしているので、燃焼の不安定化の懸念に乏しい状況においてＥＧＲガスの還流量を速やかに増大させることができ、実用燃費性能の向上に資する。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、冷却液温を制御するための具体的手段は、ラジエータファン６５やサーモスタット（または、流量制御弁）６７に限定されない。ウォータポンプ６６が電動ポンプである場合には、このウォータポンプ６６による冷却液の吐出量を操作することで、冷却液温を制御することが可能である。

その他、各部の具体的構成や処理の手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御に適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
２…排気ガス再循環装置
２３…ＥＧＲバルブ
６５…ラジエータファン
６７…サーモスタット（または、流量制御弁）

Claims (3)

1. 排気ガス再循環装置が付帯した液体冷却式の内燃機関を制御するものであって、
   目標ＥＧＲ率が高くなるほど目標冷却液温を高く設定するとともに、
   目標ＥＧＲ率及び目標冷却液温が変動したときに、実際のＥＧＲ率を即時には変動させず、目標冷却液温に追従する実際の冷却液温を計測した上で、その冷却液温の変動の推移に応じて徐々に変動させる
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 目標ＥＧＲ率と目標ＥＧＲ率が上昇する直前のＥＧＲ率との差分に対する、単位時間あたりの実際のＥＧＲ率の上昇の割合を、目標冷却液温と目標冷却液温が上昇する直前の冷却液温との差分に対する、単位時間あたりの実際の冷却液温の上昇の割合よりも大きくする請求項１記載の制御装置。
3. 目標ＥＧＲ率及び目標冷却液温が上昇したときに、計測した実際の冷却液温が目標冷却液温よりも高いならば、実際のＥＧＲ率を即時に目標ＥＧＲ率まで上昇させる請求項１または２記載の内燃機関の制御装置。

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