JP2014088782A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の減速時の燃焼の不安定化を回避しつつ、再加速時の加速のもたつき感を解消することができる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】減速要求に対して即時にウェイストゲートバルブ４４を開放することで、気筒１に充填される吸気のＥＧＲ率を速やかに低下させ、ＥＧＲ過多に起因した燃焼不安定または失火を防止する。その上で、一旦開放したウェイストゲートバルブ４４の開度を、再加速要求の有無によらず（機関の減速が続いていたとしても）、燃焼が不安定化しない限度においてできるだけ縮小することにより、再加速要求があったときに過給圧を速やかに高められるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気ターボ過給機及び排気ガス再循環（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装置が周知である。ＥＧＲ装置は、排気経路と吸気経路とを外部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ガスを吸気通路に還流させている状況下で、スロットルバルブの開度が絞られる減速要求が発生すると、気筒に充填される吸気に含まれる新気の量が急減して燃料が不安定化し、時には失火に至る。

このような減速時の失火を防止するべく、減速要求があったときに、排気ターボ過給機のタービンに付随しているウェイストゲートを開放し、背圧を低下させて気筒内に残留する内部ＥＧＲガスの量を減少させることが行われる（例えば、下記特許文献を参照）。

特開２０１２−１６７６０１号公報

しかしながら、機関の減速中にウェイストゲートを開放した状態のままにしておくと、運転者によって再びアクセルペダルが踏み込まれた際に、吸気の過給が遅れて再加速がもたついてしまうきらいがある。

本発明は、上述の問題に初めて着目してなされたものであり、減速時の燃焼の不安定化を回避しつつ、再加速時の加速のもたつき感の解消を図ることを所期の目的としている。

本発明では、排気ターボ過給機及び排気ガス再循環装置が付帯した内燃機関を制御するものであって、吸気通路に設けられたスロットルバルブの開度が縮小する減速要求があったとき、排気通路におけるタービンの上流側と下流側とを連通させるバイパス通路に設けられたウェイストゲートバルブを一旦開く操作を行い、その後、スロットルバルブの開度が拡大せず機関の減速が続いたとしても前記ウェイストゲートバルブの開度を縮小することを特徴とする内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、減速時の燃焼の不安定化を回避しつつ、再加速時の加速のもたつき感を解消することができる。

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火花点火装置の回路図。 内燃機関の気筒における燃焼圧及びイオン電流のそれぞれの推移を示す図。 同実施形態の内燃機関の制御装置が実行する処理の手順例を示すフロー図。

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ストロークガソリンエンジンであり、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。

図２に、火花点火用の電気回路を示している。点火プラグ１２は、点火コイル１４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１４は、半導体スイッチング素子であるイグナイタ１３とともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０からの点火信号ｉをイグナイタ１３が受けると、まずイグナイタ１３が点弧して点火コイル１４の一次側に電流が流れ、その直後の点火タイミングでイグナイタ１３が消弧してこの電流が遮断される。すると、自己誘導作用が起こり、一次側に高電圧が発生する。そして、一次側と二次側とは磁気回路及び磁束を共有するので、二次側にさらに高い誘導電圧が発生する。この高い誘導電圧が点火プラグ１２の中心電極に印加され、中心電極と接地電極との間で火花放電する。

ＥＣＵ０は、燃料の爆発燃焼の際に気筒１の燃焼室内に発生するイオン電流を検出し、そのイオン電流を参照して燃焼状態の判定を行う。

図２に示すように、本実施形態では、火花点火用の電気回路に、イオン電流を検出するための回路を付加している。この検出回路は、イオン電流を効果的に検出するためのバイアス電源部１５と、イオン電流の多寡に応じた検出電圧を増幅して出力する増幅部１６とを備える。バイアス電源部１５は、バイアス電圧を蓄えるキャパシタ１５１と、キャパシタ１５１の電圧を所定電圧まで高めるためのツェナーダイオード１５２と、電流阻止用のダイオード１５３、１５４と、イオン電流に応じた電圧を出力する負荷抵抗１５５とを含む。増幅部１６は、オペアンプに代表される電圧増幅器１６１を含む。

点火プラグ１２の中心電極と接地電極との間のアーク放電時にはキャパシタ１５１が充電され、その後キャパシタ１５１に充電されたバイアス電圧により負荷抵抗１５５にイオン電流が流れる。イオン電流が流れることで生じる抵抗１５５の両端間の電圧は、増幅部１６により増幅されてイオン電流信号ｈとしてＥＣＵ０に受信される。

図３に、正常燃焼における、イオン電流（図中実線で示す）及び気筒１内の燃焼圧力（筒内圧。図中破線で示す）のそれぞれの推移を例示している。イオン電流は、点火のための放電中は検出することができない。正常燃焼の場合のイオン電流は、火花点火の終了後、化学反応により、圧縮上死点の手前で減少した後、熱解離によって再び増加する。また、燃焼圧がピークを迎えるのとほぼ同時にイオン電流も極大となる。

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。

内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ０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、機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号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、燃焼室内での混合気の燃焼に伴って生じるイオン電流を検出する回路から出力されるイオン電流信号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１３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、アクセルペダルの踏込量が減少する減速要求があり、スロットルバルブ３２の開度を縮小するときに、ウェイストゲートバルブ４４の開度を拡大させる制御を行う。

これは、減速時に気筒１に充填される吸気に含まれる新気の量が不足してＥＧＲ過多となり、気筒１における燃料の燃焼が不安定化することを回避する意図である。減速時にバイパス通路４３経由で排気ガスを流通させることで、背圧（排気マニホルド４２内の圧力）ひいてはＥＧＲ通路２１の上流側圧力が低下する。さすれば、気筒１内に残留する内部ＥＧＲガスの量と、排気通路４から吸気通路３に還流する外部ＥＧＲガスの量とがともに減少することから、減速要求に対応して吸気のＥＧＲ率を速やかに低減せしめることができる。

その上で、本実施形態のＥＣＵ０は、減速中に一旦開いたウェイストゲートバルブ４４の開度を、機関の減速が継続しているか否かにかかわらず、早い時期に再び縮小する制御を行う。

減速中にウェイストゲートバルブ４４が開放した状態のままであると、運転者がアクセルペダルを踏み込む再加速要求があったときに、排気ターボ過給機５による吸気の過給に遅れが生じてしまう。気筒１に充填される吸気の過給圧の立ち上がりが遅れることは、燃料噴射量の増量の遅れにつながり、アクセルペダルの踏み込みに対して機関及び車両が即時に応答しない「加速のもたつき感」を運転者に与えることになる。

他方、減速時のＥＧＲ過多による燃焼不安定または失火は、スロットルバルブ３２の開度が縮小した直後に発生しやすい。換言すれば、スロットルバルブ３２の開度を縮小した直後の時期を経た後は、燃焼不安定または失火に陥るおそれは低くなり、再加速に備えてウェイストゲートバルブ４４の開度を縮小することが許される。

図４に、減速時にＥＣＵ０がプログラムに従い実行する処理の手順例を示す。減速要求があったとき（ステップＳ１）、ＥＣＵ０は即座にウェイストゲートバルブ４４を一旦開く操作を行う（ステップＳ２）。ステップＳ２では、ウェイストゲートバルブ４４を全開まで開くことが好ましい。そして、内燃機関のクランクシャフトが数回転するまで（ステップＳ３）、ウェイストゲートバルブ４４を大きく開いた状態を維持する。

しかる後、ＥＣＵ０は、アクセルペダルの踏込量が増大せず、またはスロットルバルブ３２の開度が拡大しなくとも、開いていたウェイストゲートバルブ４４の開度を絞ってゆく。

具体的には、アクセルペダルの踏込量が増す（スロットルバルブ３２の開度を拡大する）加速要求がなく（ステップＳ４）、燃料カットを行っていない（ステップＳ５）状況下において、各気筒１における燃料の燃焼状態を知得し、燃焼が不安定化しない限度で（ステップＳ６）ウェイストゲートバルブ４４の開度を徐々に縮小してゆく（ステップＳ７）。燃焼の不安定化を検出した場合には（ステップＳ６）、燃焼の不安定化を検出しなくなるまでウェイストゲートバルブ４４の開度を徐々に拡大する（ステップＳ８）。

機関の減速中に加速要求があったときには、再加速のために可及的速やかにウェイストゲートバルブ４４を全閉する（ステップＳ９）。

気筒１への燃料供給を一時停止する燃料カットに突入した場合にも、再加速に備えてウェイストゲートバルブ４４を全閉する（ステップＳ９）。通常、燃料カットは、アクセルペダルの踏込量が０または０に近い所定値以下であり、かつエンジン回転数が所定値以上であるときに実施される。

また、ステップＳ６に関して、気筒１における燃焼状態を知得する手法は幾つか存在するが、既に述べた通り、本実施形態では、膨張行程において発生するイオン電流信号ｈを参照して、燃焼状態を推定するものとしている。即ち、図３に示しているように、ＥＣＵ０は、イオン電流信号ｈが閾値Ｔを上回る期間Ｓの長さ（クランク角度（°ＣＡ）単位または時間（ｍｓｅｃ）単位）を計測し、その期間Ｓの長さが判定値を下回っている場合に、当該気筒１の今回の膨張行程での燃焼が不安定であった、または失火したと判断する。逆に、期間Ｓの長さが判定値以上であれば、当該気筒１の今回の膨張行程での燃焼は安定的であったと判断する。

本実施形態では、排気ターボ過給機５及びＥＧＲ装置２が付帯した内燃機関を制御するものであって、吸気通路３に設けられたスロットルバルブの開度３２が縮小する減速要求があったとき、排気通路４におけるタービン５２の上流側と下流側とを連通させるバイパス通路４３に設けられたウェイストゲートバルブ４４を一旦開く操作を行い、その後、スロットルバルブ３２の開度が拡大せず機関の減速が続いたとしても前記ウェイストゲートバルブ４４の開度を縮小す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、減速要求に対して即時にウェイストゲートバルブ４４を開放することで、気筒１に充填される吸気のＥＧＲ率を速やかに低下させ、ＥＧＲ過多に起因した燃焼不安定または失火を防止することができる。しかも、一旦開放したウェイストゲートバルブ４４の開度を、再加速要求の有無によらず、つまりは機関の減速が続いていたとしても、燃焼が不安定化しない限度においてできるだけ絞るようにしたため、再加速要求があったときに過給圧を速やかに高めることが可能となり、加速のもたつき感が緩和ないし解消される。

また、減速中にウェイストゲートバルブ４４の開度を縮小することは、三元触媒４１の温度を維持するためにも役立つ。減速中は燃料噴射量が低減し、排気ガスの温度が低下する。低温の排気ガスを直接に触媒４１に流入させると、触媒４１が冷却されて有害物質の浄化性能が低下してしまう。だが、減速前の高負荷運転中に高温の排気ガスに曝され続けたタービン５２は昇温しており、ウェイストゲートバルブ４４を閉じて排気ガスをタービン５２に流入させるようにすれば、タービン５２の持つ熱によって排気ガスを暖めた上で触媒４１に流入させることができ、触媒４１の温度降下を抑制することができる。

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、上記実施形態におけるＥＧＲ装置は高圧ループＥＧＲを実現するものであったが、排気通路におけるタービンの下流と吸気通路におけるコンプレッサの上流とを接続するＥＧＲ通路を備えた低圧ループＥＧＲ装置が付帯した内燃機関の制御に、本発明を適用することも当然に可能である。

また、ステップＳ６おいて、気筒１の燃料室内圧力（筒内圧、燃焼圧）を圧力センサを介して測定し、その燃焼室内圧力を基に燃焼状態を推定して、ウェイストゲートバルブ４４の開度制御に供することも考えられる。あるいは、気筒１の燃料室内温度（燃焼温）を温度センサを介して測定し、燃焼状態を推定してもよい。

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…ＥＧＲ装置
３…吸気通路
３２…スロットルバルブ
４…排気通路
４３…バイパス通路
４４…ウェイストゲートバルブ
５…排気ターボ過給機
５２…タービン

Claims (1)

1. 排気ターボ過給機及び排気ガス再循環装置が付帯した内燃機関を制御するものであって、
   吸気通路に設けられたスロットルバルブの開度が縮小する減速要求があったとき、排気通路におけるタービンの上流側と下流側とを連通させるバイパス通路に設けられたウェイストゲートバルブを一旦開く操作を行い、
   その後、スロットルバルブの開度が拡大せず機関の減速が続いたとしても前記ウェイストゲートバルブの開度を縮小する
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。

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