JP2014238074A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＧＲクーラによるＥＧＲガスの冷却性能の変化に対応して点火タイミングを最適化する。【解決手段】ＥＧＲクーラに供給される冷媒の温度及び排気通路を流れる排気ガスの温度を参照してＥＧＲ通路におけるＥＧＲクーラの下流側のＥＧＲガスの温度を推定し、その推定したＥＧＲガスの温度及び気筒に充填される吸気の温度に基づいて点火タイミングを補正することとした。【選択図】図２

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。

内燃機関の気筒における混合気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（例えば、下記特許文献を参照）。ＥＧＲ装置は、内燃機関の排気通路と吸気通路とをＥＧＲ通路を介して接続し、気筒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。

ＥＧＲを実施すると、ノッキングを引き起こす危険性が低減する反面、混合気の着火燃焼が不安定化する。よって、気筒に充填される吸気のＥＧＲ率に応じて点火タイミングの進角補正量を調整し、燃焼の安定性を確保することが通例となっている。

特開２０１２−２４１５７５号公報

ＥＧＲの効能を最大限に享受するためには、ＥＧＲ通路を還流するＥＧＲガスを十分に冷ますことが望ましい。そのために、ＥＧＲ通路上に、ＥＧＲガスを冷却する熱交換器であるＥＧＲクーラを配設することが少なくない。ＥＧＲクーラにおいて用いられる冷媒は、典型的には内燃機関の冷却水である。

ＥＧＲクーラによるＥＧＲガスの冷却性能は、恒常的に一定ではない。ＥＧＲクーラの性能が低下すると、ＥＧＲ通路を介して吸気通路に合流するＥＧＲガスの温度が上昇し、ＥＧＲガスの質量流量が減少して、気筒に充填される新気の量が相対的に増加する。つまり、吸気のＥＧＲ率が低下する。逆に、ＥＧＲクーラの性能が向上すると、吸気通路に合流するＥＧＲガスの温度が低下し、ＥＧＲガスの質量流量が増加して、気筒に充填される新気の量が相対的に減少する。つまり、吸気のＥＧＲ率が上昇する。

吸気のＥＧＲ率がＥＧＲクーラの状態如何により変動するにもかかわらず、常に所望のＥＧＲ率が実現されているものとして点火タイミングを設定すると、気筒において混合気の着火燃焼が不安定となり、失火に至るおそれがある。燃焼不安定ないし失火を予防するには、吸気に混交するＥＧＲガス量や点火タイミングの進角量に安全余裕を加味した制限をかけることが効果的であるが、ＮＯ_xの排出量の削減及び燃費の良化という本来の目的の達成にとっては不利となる。

以上に鑑みてなされた本発明は、ＥＧＲクーラの性能の変化に対応して点火タイミングを最適化しようとするものである。

本発明では、排気通路と吸気通路とを連通させるＥＧＲ通路上に当該ＥＧＲ通路を還流するＥＧＲガスを冷ますＥＧＲクーラを配設した排気ガス再循環装置が付帯する内燃機関を制御するものであって、ＥＧＲクーラに供給される冷媒の温度及び排気通路を流れる排気ガスの温度を参照してＥＧＲ通路におけるＥＧＲクーラの下流側のＥＧＲガスの温度を推定し、その推定したＥＧＲガスの温度及び気筒に充填される吸気の温度に基づいて点火タイミングを補正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、ＥＧＲクーラによるＥＧＲガスの冷却性能の変化に対応して点火タイミングを最適化することが可能である。

本発明の一実施形態における内燃機関の概略構成を示す図。 同実施形態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。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、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及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

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。そして、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。故に、全ての気筒１に分配されるべきＥＧＲガスは、一旦サージタンク３３に流入した後、吸気マニホルド３４を経由して各気筒１に向かうこととなる。

ＥＧＲクーラ２２は、ＥＧＲ通路２１を還流するＥＧＲガスの持つ高い熱を内燃機関の冷却水（冷却液）と交換することを通じて、当該ＥＧＲガスの温度を降下させる熱交換器である。

内燃機関の運転制御を司る制御装置たる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、気筒１に充填される吸気の（特に、サージタンク３３内での）温度及び圧力を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｄ、外気の温度を検出する気温センサから出力される外気温信号ｅ、内燃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、シフトレバーのレンジを知得するためのセンサ（または、シフトポジションスイッチ）から出力されるシフトレンジ信号ｇ、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）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。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌを出力インタフェースを介して印加する。

図２に、ＥＧＲを実施するに際してＥＣＵ０が実行する処理を示す。ＥＣＵ０は、現在のエンジン回転数及びアクセル開度（要求負荷）、つまりは内燃機関の運転領域に基づき、混合気が失火せず燃焼可能であるようなＥＧＲ率を要求ＥＧＲ率として設定する（ステップＳ１）。要求ＥＧＲ率は、要求負荷が中程度の領域において最も大きく、当該領域から要求負荷が減少するほど小さくなり、また、当該領域から要求負荷が増大するほど小さくなる。ＥＣＵ０のメモリには予め、エンジン回転数及びアクセル開度と、要求ＥＧＲ率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、現在のエンジン回転数及びアクセル開度をキーとして当該マップを検索し、設定するべき要求ＥＧＲ率を知得する。

その上で、本実施形態のＥＣＵ０は、ＥＧＲクーラ２２に供給される冷媒即ち内燃機関の冷却水の温度と、排気通路４を流れる排気ガスの温度とを参照して、ＥＧＲ通路２１におけるＥＧＲクーラ２２の下流側のＥＧＲガスの温度を推定する（ステップＳ３）。そして、そのＥＧＲガスの温度と、気筒１に充填される吸気の温度に基づき、点火タイミングの補正を行う（ステップＳ４）。

既に述べた通り、内燃機関の冷却水温や気筒１に充填される吸気温は、センサを介して実測することができる。これに対し、排気通路４を流れる排気ガスの温度は、例えば、気筒１に充填される吸気量（新気量）または燃料噴射量を参照して推定する（ステップＳ２）。基本的に、排気ガスの温度は、吸気量または燃料噴射量が多いほど高くなる傾向にある。ＥＣＵ０のメモリには予め、吸気量または燃料噴射量と、排気ガスの推定温度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、現在の吸気量または燃料噴射量をキーとして当該マップを検索し、排気ガスの推定温度を知得する。

ＥＧＲクーラ２２を経て吸気通路３に合流しようとするＥＧＲガスの温度は、排気通路４からＥＧＲ通路２１に流入する排気ガスの温度と、そのときのＥＧＲクーラ２２の冷却性能とに依存する。言うまでもなく、ＥＧＲガスの温度は、ＥＧＲ通路２１に流入する排気ガスの温度が高いほど高くなり、ＥＧＲクーラ２２の冷却性能が高いほど低くなる。ＥＧＲクーラ２２の冷却性能は、熱交換媒体である内燃機関の冷却水の温度が低いほど高くなる。加えて、ＥＧＲ通路２１自体が内燃機関から受熱するということもあり、内燃機関の温度（冷却水温により示唆される）が高いほどＥＧＲガスは昇温する。ＥＣＵ０のメモリには予め、排気ガスの温度及び冷却水の温度と、ＥＧＲクーラ２２の下流側のＥＧＲガスの推定温度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、現在の排気ガスの推定温度及び冷却水の実測温度をキーとして当該マップを検索し、ＥＧＲガスの推定温度を知得する。

しかして、ＥＣＵ０は、ＥＧＲ通路２１におけるＥＧＲクーラ２２の下流側のＥＧＲガスの推定温度、及び気筒１に充填される吸気の実測温度に応じて、点火タイミングの進角補正量を決定する。ＥＧＲクーラ２２を通過したＥＧＲガスの温度が高いと、気筒１に充填される吸気のＥＧＲ率が想定よりも低くなる可能性がある。逆に、ＥＧＲクーラ２２を通過したＥＧＲガスの温度が低いと、吸気のＥＧＲ率が想定よりも高くなる可能性がある。吸気のＥＧＲ率が高い場合には、ＥＧＲ率が低い場合と比べて点火タイミングを進角し、混合気を確実に着火燃焼させることができるようにする必要がある。ＥＣＵ０のメモリには予め、ＥＧＲガスの温度及び吸気の温度と、点火タイミングの進角補正量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ＥＧＲガスの推定温度及び吸気の実測温度をキーとして当該マップを検索し、点火タイミングの進角補正量を知得し、これを以て点火タイミングを補正する。

本実施形態では、排気通路４と吸気通路３とを連通させるＥＧＲ通路２１上に当該ＥＧＲ通路２１を還流するＥＧＲガスを冷ますＥＧＲクーラ２２を配設した排気ガス再循環装置２が付帯する内燃機関を制御するものであって、ＥＧＲクーラ２２に供給される冷媒の温度及び排気通路４を流れる排気ガスの温度を参照してＥＧＲ通路２１におけるＥＧＲクーラ２２の下流側のＥＧＲガスの温度を推定し、その推定したＥＧＲガスの温度及び気筒１に充填される吸気の温度に基づいて点火タイミングを補正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、ＥＧＲクーラ２２によるＥＧＲガスの冷却性能の変化に対応して点火タイミングを最適化することができる。ＥＧＲクーラ２２の性能の変化に起因した、実際の吸気のＥＧＲ率の要求ＥＧＲ率からの乖離に見合った分だけ点火タイミングを補正することより、気筒１における混合気の着火燃焼の不安定化ないし失火をより確実に防止できるようになる。従って、吸気に混交するＥＧＲガス量の上限や点火タイミングの進角量を引き上げることが可能となり、ＮＯ_xの排出量の削減及び燃費性能の向上に寄与し得る。

また、排気通路４を流通する排気ガスの温度を推定するようにしているので、排気ガスの温度を実測するための温度センサを実装する必要がなく、コスト増を招かない。

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、ＥＧＲクーラ２２の下流側のＥＧＲガスの温度を推定するにあたっては、ＥＧＲクーラ２２に供給される冷媒（内燃機関の冷却水）の温度に加えて、ＥＧＲ２２に供給される冷媒の流量を考慮に入れてもよい。この場合、冷媒の流量が多いほど、ＥＧＲクーラ２２の下流側のＥＧＲガスの温度を低く推定することになる。

排気通路４を流通する排気ガスの温度の推定は、触媒４１の温度を実測し、またはこれを推定することによって行ってもよい。この場合には、ＥＧＲクーラ２２に供給される冷媒の温度及び触媒４１の温度を参照して、ＥＧＲクーラ２２の下流側のＥＧＲガスの温度を推定する。

その他各部の具体的構成は、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点火制御に適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１２…点火プラグ
２…排気ガス再循環装置（ＥＧＲ装置）
２１…ＥＧＲ通路
２２…ＥＧＲクーラ
３…吸気通路
４…排気通路

Claims (1)

1. 排気通路と吸気通路とを連通させるＥＧＲ通路上に当該ＥＧＲ通路を還流するＥＧＲガスを冷ますＥＧＲクーラを配設した排気ガス再循環装置が付帯する内燃機関を制御するものであって、
   ＥＧＲクーラに供給される冷媒の温度及び排気通路を流れる排気ガスの温度を参照してＥＧＲ通路におけるＥＧＲクーラの下流側のＥＧＲガスの温度を推定し、
   その推定したＥＧＲガスの温度及び気筒に充填される吸気の温度に基づいて点火タイミングを補正することを特徴とする内燃機関の制御装置。

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