JP2015113717A - Control device for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に、過給機と低圧EGR機構とを有する内燃機関の制御装置に関する。 The present invention relates to a control device for an internal combustion engine, and more particularly to a control device for an internal combustion engine having a supercharger and a low pressure EGR mechanism.
従来、例えば、特許文献1には、ウエストゲートバルブを有する過給機付き内燃機関の制御装置が開示されている。この制御装置は、内燃機関の加速による過渡運転時のターボラグを抑制するため、内燃機関に対する所定の加速要求が検出された場合には、ウエストゲートバルブを閉じ側に動作させる制御を実行する。また、ウエストゲートバルブを閉じ側に動作させることで、過給機上流の背圧と過給圧との差圧が過渡的に上昇するため、EGR量が増大することが考えられる。このため特許文献1の制御装置においては、ウエストゲートバルブを閉じ側に動作させている期間、EGR弁の開度を目標開度よりも減少させる制御が実行され、これによりEGR量の増大が抑制されている。
Conventionally, for example,
低負荷運転からの加速要求があった場合、過給圧が上昇するまでの遅れによって、加速のレスポンスが遅れる場合がある。特に、理論空燃比よりリーンな空燃比の混合気を燃焼させるリーン燃焼運転中は、空気量に対する燃料噴射量の比率が小さいため、排気エネルギーが小さい。このため、加速要求時に同じ吸入空気量に達するまでのターボラグは、理論空燃比近傍の混合気燃焼させるストイキ燃焼運転に比べると大きくなる。また、等トルクを実現するために必要となる吸入空気量は、ストイキ燃焼運転の場合に比べ、リーン燃焼運転の場合の方が大きくなる。このためリーン燃焼運転の場合の方が、より過給圧を上げる必要があるため、ターボラグの影響が大きくなる。 When there is a request for acceleration from low-load operation, the acceleration response may be delayed due to a delay until the boost pressure increases. In particular, during the lean combustion operation in which the air-fuel mixture leaner than the stoichiometric air-fuel ratio is burned, the ratio of the fuel injection amount to the air amount is small, so the exhaust energy is small. For this reason, the turbo lag until the same intake air amount is reached at the time of acceleration request is larger than that in the stoichiometric combustion operation in which the air-fuel mixture is burned near the stoichiometric air-fuel ratio. In addition, the amount of intake air necessary to achieve equal torque is greater in the lean combustion operation than in the stoichiometric combustion operation. For this reason, in the case of the lean combustion operation, it is necessary to increase the supercharging pressure, so that the influence of the turbo lag becomes larger.
加速のレスポンス向上のためにはリーン燃焼からストイキ燃焼に切り替えることも考えられる。しかし、リーン燃焼運転とストイキ燃焼運転との切り替え時、弱リーン領域を通過することにより、NOxの排出量が増大する。増加したNOxを浄化するためリッチスパイク制御の頻度が増加し、却って燃費が悪化することが考えられる。また、リッチスパイク制御の頻度の増加を抑制するため、弱リーン領域を使わず、切り替え中のトルクを、ストイキ燃焼かつ点火時期遅角でつなぐことも考えられる。しかしこの制御はトルク効率が低くなりやすく、却って燃費が低下することが考えられる。 In order to improve acceleration response, switching from lean combustion to stoichiometric combustion may be considered. However, when switching between the lean combustion operation and the stoichiometric combustion operation, the NOx emission amount increases by passing through the weak lean region. It is conceivable that the frequency of rich spike control increases to purify the increased NOx, and the fuel consumption deteriorates. In order to suppress an increase in the frequency of rich spike control, it is also conceivable that the torque being switched is connected by stoichiometric combustion and ignition timing retardation without using the weak lean region. However, this control tends to lower the torque efficiency, and it is conceivable that the fuel consumption will decrease.
以上のように、リーン燃焼運転からストイキ燃焼運転への切り替えにより加速レスポンスを向上させることは、燃費改善の観点からは好ましいものではない。従って、リーン燃焼運転中における加速要求にも、可能な限りリーン燃焼運転を持続しつつ、高い加速レスポンスの応答性を確保できるシステムが望まれる。 As described above, it is not preferable to improve the acceleration response by switching from the lean combustion operation to the stoichiometric combustion operation from the viewpoint of improving fuel consumption. Therefore, a system capable of ensuring high acceleration response responsiveness while maintaining the lean combustion operation as much as possible in response to the acceleration request during the lean combustion operation is desired.
この点、上記特許文献1の制御によれば、ウエストゲートバルブの閉弁により、加速要求時のターボラグが抑制されている。しかしながら、特許文献1の技術は、高圧EGR機構を備えることを前提としており、特許文献1の技術をそのまま低圧EGR機構を有する内燃機関に適用しても、ターボラグを抑制する効果を得ることは難しい。
In this regard, according to the control of
この発明は上記課題を解決することを目的とし、リーン燃焼運転中の加速要求時において、ターボラグを抑制することができるよう、改良した内燃機関の制御装置を提供するものである。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an improved control device for an internal combustion engine so that turbo lag can be suppressed when acceleration is requested during lean combustion operation.
本発明は、上記の目的を達成するため、理論空燃比よりリーンな空燃比の混合気を燃焼させるリーン燃焼運転が可能な内燃機関の制御装置であって、
内燃機関の吸気通路に配置されたコンプレッサと排気通路に配置されたタービンとを有し、排気圧を利用して吸入空気を過給する過給機と、
前記タービンより下流側から、前記コンプレッサの上流側に排気ガスの一部を還流させるための低圧EGR通路と、
前記低圧EGR通路に設置され、前記低圧EGR通路の流路断面積を変更するためのEGR弁と、
前記リーン燃焼運転における加速時に、過給圧が目標過給圧より低い場合には、過給圧が目標過給圧に到達するまでの期間、前記EGR弁を開弁側に制御する手段と、
前記過給圧が前記目標過給圧に到達した後、前記EGR弁を閉弁側に制御する手段と、
前記過給圧が前記目標過給圧に到達するまでの期間を含む所定の期間、ガス燃料比の変化が一定範囲内となるように燃料噴射量を制御する手段と、
を備える。
In order to achieve the above object, the present invention is a control device for an internal combustion engine capable of a lean combustion operation for burning an air-fuel mixture leaner than a stoichiometric air-fuel ratio,
A turbocharger having a compressor disposed in an intake passage of an internal combustion engine and a turbine disposed in an exhaust passage, and supercharging intake air using exhaust pressure;
A low pressure EGR passage for recirculating part of the exhaust gas from the downstream side of the turbine to the upstream side of the compressor;
An EGR valve installed in the low-pressure EGR passage, for changing a flow passage cross-sectional area of the low-pressure EGR passage;
Means for controlling the EGR valve to the valve opening side during a period until the boost pressure reaches the target boost pressure when the boost pressure is lower than the target boost pressure during acceleration in the lean combustion operation;
Means for controlling the EGR valve to the valve closing side after the supercharging pressure reaches the target supercharging pressure;
Means for controlling the fuel injection amount so that the change of the gas fuel ratio is within a predetermined range for a predetermined period including a period until the supercharging pressure reaches the target supercharging pressure;
Is provided.
本発明によれば、低圧EGR機構を有する内燃機関のリーン燃焼運転中の加速時にEGR弁が開弁側に制御することで、過給機下流の背圧を小さくすることができる。従って過給機のタービン上下流の差圧を大きくすることができ、過給圧を早期に上昇させることができる。また、少なくともEGR弁を閉弁側に制御している間は、ガス燃料比(G/F)の変化が一定範囲となるように制御される。これによりリーン燃焼運転時のトルク変動を抑制することができる。 According to the present invention, the back pressure downstream of the supercharger can be reduced by controlling the EGR valve to the valve opening side at the time of acceleration during the lean combustion operation of the internal combustion engine having the low pressure EGR mechanism. Therefore, the differential pressure between the upstream and downstream of the turbine of the supercharger can be increased, and the supercharging pressure can be increased early. Further, at least while the EGR valve is controlled to the valve closing side, the control is performed so that the change of the gas fuel ratio (G / F) is within a certain range. Thereby, the torque fluctuation at the time of lean combustion operation can be suppressed.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is simplified or omitted.
実施の形態.
図1は本発明の実施の形態1におけるシステムの全体構成について説明するための模式図である。図1のシステムにおいて、内燃機関2は、理論空燃比よりリーンな空燃比の混合気を燃焼させるリーン燃焼運転と理論空燃比近傍の空燃比の混合気を燃焼させるストイキ燃焼運転とが可能な内燃機関である。また内燃機関2は、排気圧を利用して吸入空気を過給する過給機4と、排気ガスの一部をEGRガスとして吸気側に還流するLPL−EGR機構(低圧EGR機構)6を備えている。
Embodiment.
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining an overall configuration of a system according to
内燃機関2の各気筒の吸気ポートには、吸気マニホールド12が連通し、吸気マニホールド12には吸気通路14が連通している。吸気通路14には、吸気上流側から順に、エアクリーナ16、過給機4のコンプレッサ18、及びスロットル弁20が設置されている。内燃機関2の各気筒の排気ポートには、排気マニホールド22が連通し、排気マニホールド22には排気通路24が連通している。排気通路24には、過給機4のタービン26が設置されると共に、タービン26をバイパスするバイパス通路28が接続されている。バイパス通路28にはWGV(ウエストゲートバルブ)30が設置されている。排気通路24のタービン26下流にはS/C触媒32が設置されている。
An
図1のシステムにおいて、LPL−EGR機構6は、EGR通路40(低圧EGR通路)を備えている。EGR通路40の入口側の端部は、排気通路24の、タービン26より下流かつS/C触媒32より下流側に接続している。EGR通路40の出口側の端部は、吸気通路14のエアクリーナ16の下流であって、かつ、コンプレッサ18の上流側に接続している。EGR通路40には、EGRクーラ42とEGR弁44とが設置されている。EGR弁44は、その開度の変更によりEGR通路40の流路断面積を変更する弁である。
In the system of FIG. 1, the LPL-EGR mechanism 6 includes an EGR passage 40 (low pressure EGR passage). The end of the EGR
図1のシステムはECU50を備えている。ECU50は、内燃機関2の制御装置である。ECU50は空燃比センサ52を含む各種センサの信号を取り込み処理する。センサは空燃比センサ52の他にも、内燃機関2及び車両の各所に取り付けられている。例えば、吸気通路14の入口には図示しないエアフローメータが取り付けられている。ECU50は取り込んだ各センサの信号を処理して、所定の制御プログラムに従って各アクチュエータを操作する。ECU50によって操作されるアクチュエータには、スロットル弁20、WGV30、及び、EGR弁44の他、図示しない内燃機関2の燃料噴射弁や点火プラグなども含まれている。ECU50に接続されるアクチュエータやセンサは上記以外にも多数存在するが、本明細書においてはその説明は省略する。
The system in FIG. 1 includes an
本実施の形態においてECU50が実行する制御には、リーン燃焼運転中の緩加速要求時のスロットル弁20、WGV30、及び、EGR弁44の制御が含まれる。ここで「緩加速要求」とは、リーン燃焼運転領域を超えない範囲で実現できるトルク要求かつ過給域を意味するものとする。なお、緩加速要求以外の加速要求、例えばWOT加速のようなドライバーからの強い加速要求があった場合には、空燃比を理論空燃比又は出力空燃比にして、迅速な加速が実行される。
The control executed by the
図2は、本発明の実施の形態における緩加速要求時の制御について説明するためのタイミングチャートである。図2において、(a)はスロットル弁20の開度、(b)はWGV30の開度、(c)はEGR弁44の開度、(d)はEGR率、(e)は空燃比A/F、(f)はガス燃料比G/F、(g)はタービン26の前圧(タービン26上流側の圧力)、(h)はタービン26の後圧(タービン26下流側の背圧)、(i)は過給圧を表している。また、(g)〜(i)それぞれ、実線Aは本実施の形態の制御を実行した場合であり、破線Bは本実施の形態の制御を実行しない場合を示している。また、図2は、時点t0において緩加速要求があった場合の例を示している。
FIG. 2 is a timing chart for explaining the control at the time of request for slow acceleration in the embodiment of the present invention. 2, (a) is the opening degree of the
リーン燃焼運転中に緩加速要求が認められると、(a)に示されるように、スロットル弁20は全開とされる。また、WGV30は(b)に示されるように全閉とされる。更に、EGR弁44を全開とする。EGR通路40の出口(即ちEGR通路40と吸気通路14との接続部)の圧力は、大気圧からエアクリーナ16の圧力損失を減算した圧力と一致する。従って、EGR弁44が全開とされることで、タービン26後の背圧を低下させることができる。図2の(h)の実線Aと破線Bとの比較からも、EGR弁44を全開に制御することで、タービン26下流の背圧がより大きく低下していることがわかる。
When a slow acceleration request is recognized during the lean combustion operation, the
EGR弁44の全開により、タービン下流の背圧を低下させることでタービン膨張比を大きくとることができる。従って、図2の(i)に示されるように、本実施の形態の制御を行わない破線Bの場合と比較して、過給圧を早い段階で上昇させることができる。
By fully opening the
上記制御により、過給圧が目標過給圧まで上昇した時点t1において、EGR弁44は再び全閉とされる。これによりエアリーン燃焼に戻される。定常状態におけるリーン燃焼運転では、EGRガスを導入するよりもEGRガスの導入を停止したほうが、ガス燃料比(G/F)を大きくでき、リーン限界を伸ばすことができる。また比熱比κも空気の方がCO2より大きいため、エアリーンでの運転の方が、熱効率が高く燃費が良い。従って、過給圧が目標過給圧まで上昇した後は、EGR弁44を閉弁しエアリーン燃焼運転に切り替えることで、燃費の更なる向上を図ることができる。
By the above control, the
上記緩加速要求時の制御において、EGR弁44の全開した後から、少なくともEGR弁44を閉弁しEGR率がゼロ近傍に戻るまでの間、図2の(f)に示されるように、ガス燃料比G/Fが一定となるように燃料噴射量が制御される。つまり、新気の量GAに対してではなく、気筒に吸入される新気の量とEGRガス量をあわせたガス量と燃料噴射量との比率が一定となるように、燃料噴射量が決定される。このとき、例えばガス燃料比G/Fが24であり、EGR率が20%であれば、空燃比A/Fは19.2となる。ガス燃料比G/Fが概ね一定に制御されている間、図2の(d)、(e)に示されるように、EGR率が上昇すると空燃比A/Fは理論空燃比側の値に低下し、EGR率の下降に合わせて空燃比A/Fはリーン側に上昇する。
In the control at the time of the slow acceleration request, as shown in FIG. 2 (f), after the
リーン燃焼運転時に設定されるリーン空燃比A/Fの状態のままでEGRガスを導入すると、燃焼が不安定になりトルク変動や失火を招く場合がある。これに対し、リーン燃焼運転中、EGRガスを導入している間は、ガス燃料比G/Fを一定に制御することで、その間の燃焼の安定化を図り、トルク変動や失火を抑制することができる。 If the EGR gas is introduced with the lean air-fuel ratio A / F set during the lean combustion operation, combustion may become unstable and torque fluctuation or misfire may occur. On the other hand, during the lean combustion operation, while the EGR gas is being introduced, the gas fuel ratio G / F is controlled to be constant so that the combustion during that time is stabilized and torque fluctuation and misfire are suppressed. Can do.
図3は本発明の実施の形態においてECU50が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図3のルーチンは、ECU50が実行するEGR弁44の制御のルーチンを示すものであり、内燃機関2の運転中、一定期間ごとに繰り返し実行される。
FIG. 3 is a flowchart for illustrating a control routine executed by
図3のルーチンではまず要求された目標トルクがリーン燃焼運転領域内のトルクか否かが検出される。リーン燃焼運転領域内であることが認められると、次に、目標過給圧が算出される(S104)。目標過給圧は、目標トルクと目標空燃比に応じて算出される。 In the routine of FIG. 3, it is first detected whether or not the requested target torque is within the lean combustion operation region. If it is recognized that the fuel is in the lean combustion operation region, then the target boost pressure is calculated (S104). The target boost pressure is calculated according to the target torque and the target air / fuel ratio.
次に、現在ターボラグが発生しているか否かが判別される(S106)。ここでは目標過給圧が実過給圧(現在の過給圧)より大きいか否かに基づいて、ターボラグが発生しているか否かが判別される。ステップS106においてターボラグが発生していることが認められると、次に、EGR弁44の全開要求がONとされる(S108)。EGR弁44の全開要求がONとされることで、EGR弁44は全開に開かれる。その後、今回の処理は一旦終了する。
Next, it is determined whether a turbo lag is currently occurring (S106). Here, based on whether or not the target boost pressure is greater than the actual boost pressure (current boost pressure), it is determined whether or not a turbo lag has occurred. If it is determined in step S106 that a turbo lag has occurred, then the fully open request for the
上述したように、図3のルーチンは、内燃機関2の運転中一定期間ごとに繰り返し実行される。EGR弁44の全開要求がONとされ、EGR弁44が全開とされた後、ステップS106において、ターボラグが発生していることが認められなくなった場合、即ち、実過給圧が目標過給圧に到達した場合、EGR弁44の全開要求がOFFとされる(S110)。これにより、EGR弁44は通常の運転条件に応じた制御に戻される。例えば、上述したエアリーン燃焼運転が実行される場合には、別途設定された制御ルーチンに従いEGR弁44は全閉に制御される。その後、今回の処理は一旦終了する。また、ステップS102において目標トルクがリーン燃焼運転領域であることが認められない場合、EGR弁44の全開要求がOFFとされ(S110)、今回の処理は一旦終了する。
As described above, the routine of FIG. 3 is repeatedly executed at regular intervals during the operation of the
以上説明したように、本実施の形態によれば、緩加速要求が有った場合に、EGR弁44を全開とすることで、過給圧を早期に上昇させることができる。従って、リーン燃焼運転中における加速レスポンスの遅れを低減することができるとともに、リーン燃焼運転領域の拡大化を図ることができる。
As described above, according to the present embodiment, the supercharging pressure can be increased early by fully opening the
また、本実施の形態では、少なくともEGR弁44を全開とする期間を含む所定の期間、ガス燃料比G/Fが一定に制御される。これにより、リーン燃焼運転時の加速要求時における燃焼を安定化させることができ、トルク変動及び失火の発生を抑制することができる。なお、本実施の形態においては、加速要求によりEGR弁44を全開とする制御を開始した後、再びEGR弁44が全閉とされEGR率がゼロ近傍に低下するまでの期間を所定の期間として、ガス燃料比G/Fを一定に制御する場合について説明した。しかし、本発明において所定の期間は、この期間に限られず、リーン燃焼運転時の加速要求に対してEGR弁44を全開としている期間を含む期間であればよい。
In the present embodiment, the gas / fuel ratio G / F is controlled to be constant for a predetermined period including at least a period in which the
また、本実施の形態ではガス燃料比G/Fを一定とするとして説明した。しかしながら、本発明において、ガス燃料比G/Fの制御は、ガス燃料比の変化が許容される一定範囲内に制御されているものであればよい。 In the present embodiment, the gas fuel ratio G / F is assumed to be constant. However, in the present invention, the control of the gas fuel ratio G / F only needs to be controlled within a certain range in which the change of the gas fuel ratio is allowed.
また、本実施の形態では、緩加速要求時に、EGR弁44を全開とする場合について説明した。しかし、本発明はこれに限られるものではなく、EGR弁44が開き側に制御されるものであればよい。EGR弁44が開き側に制御されることで、多少はタービン26の背圧を低下させる効果を得ることができ、ターボラグを抑制することができる。
Further, in the present embodiment, the case where the
また、本実施の形態では、EGR弁44を全開とし、過給圧が目標過給圧に達した後、EGR弁44を全閉とする場合について説明した。しかし、本発明はこれに限られるものではなく、EGR弁44が全開とされた後、例えば目標開度に応じて、閉じ側に制御されるものであってもよい。
In the present embodiment, the case where the
なお、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、この実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。 In the above embodiment, when referring to the number of each element, quantity, quantity, range, etc., the reference is made unless otherwise specified or the number is clearly specified in principle. The invention is not limited to the numbers. The structures, steps, and the like described in this embodiment are not necessarily essential to the present invention unless otherwise specified or clearly specified in principle.
2 内燃機関
4 過給機
6 LPL−EGR機構
12 吸気マニホールド
14 吸気通路
16 エアクリーナ
18 コンプレッサ
20 スロットル弁
22 排気マニホールド
24 排気通路
26 タービン
28 バイパス通路
30 WGV
32 S/C触媒
40 EGR通路
42 EGRクーラ
44 EGR弁
50 ECU
52 空燃比センサ
2
32 S /
52 Air-fuel ratio sensor
Claims (1)
内燃機関の吸気通路に配置されたコンプレッサと排気通路に配置されたタービンとを有し、排気圧を利用して吸入空気を過給する過給機と、
前記タービンより下流側から、前記コンプレッサの上流側に排気ガスの一部を還流させるための低圧EGR通路と、
前記低圧EGR通路に設置され、前記低圧EGR通路の流路断面積を変更するためのEGR弁と、
前記リーン燃焼運転における加速時に、過給圧が目標過給圧より低い場合には、過給圧が目標過給圧に到達するまでの期間、前記EGR弁を開弁側に制御する手段と、
前記過給圧が前記目標過給圧に到達した後、前記EGR弁を閉弁側に制御する手段と、
前記過給圧が前記目標過給圧に到達するまでの期間を含む所定の期間、ガス燃料比の変化が一定範囲内となるように燃料噴射量を制御する手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。 A control device for an internal combustion engine capable of a lean combustion operation for burning an air-fuel mixture leaner than a theoretical air-fuel ratio,
A turbocharger having a compressor disposed in an intake passage of an internal combustion engine and a turbine disposed in an exhaust passage, and supercharging intake air using exhaust pressure;
A low pressure EGR passage for recirculating part of the exhaust gas from the downstream side of the turbine to the upstream side of the compressor;
An EGR valve installed in the low-pressure EGR passage, for changing a flow passage cross-sectional area of the low-pressure EGR passage;
Means for controlling the EGR valve to the valve opening side during a period until the boost pressure reaches the target boost pressure when the boost pressure is lower than the target boost pressure during acceleration in the lean combustion operation;
Means for controlling the EGR valve to the valve closing side after the supercharging pressure reaches the target supercharging pressure;
Means for controlling the fuel injection amount so that the change of the gas fuel ratio is within a predetermined range for a predetermined period including a period until the supercharging pressure reaches the target supercharging pressure;
A control device for an internal combustion engine, comprising:
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JP2018013118A (en) * | 2016-07-22 | 2018-01-25 | トヨタ自動車株式会社 | Control device for internal combustion engine |
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