JP2017007516A - 制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】グリルシャッタを適切に制御して車両の走行抵抗の低減と内燃機関の熱機関変換効率の維持との両立を図る。【解決手段】車両に設けられた開口部から内燃機関を収容しているエンジンルーム内に流入する走行風の風量を調整するグリルシャッタの開度を制御するものであって、グリルシャッタの開度を縮小することによる車両の走行抵抗の低減効果が、グリルシャッタの開度の縮小に伴い内燃機関の気筒における混合気への点火タイミングが遅角することによる効率の悪化を上回る場合にグリルシャッタの開度を縮小し、そうでない場合にはグリルシャッタの開度を縮小しないことを特徴とする制御装置を構成した。【選択図】図４

Description

本発明は、車両のエンジンルームに吹き込む走行風の風量を調節するグリルシャッタを制御するための制御装置に関する。

近時、車両のフロントグリルの開口部に、これを開閉可能なグリルシャッタを付設することが増えつつある（例えば、下記特許文献を参照）。グリルシャッタを閉じることで、フロントグリルの開口部が閉塞され、当該開口部から走行風がエンジンルームに流れ込むことが阻止される。結果、走行中の車両の空気抵抗を低減せしめることができ、特に高速走行における燃費性能や走行性能の向上に寄与し得る。

特開２０１３−２２６９５８号公報

グリルシャッタを閉じると、車両の走行抵抗が低下する反面、エンジンルーム内の温度が上昇する。エンジンルーム内の温度の上昇は、内燃機関自体の温度及び気筒に充填される吸気の温度の上昇をもたらす。近時の車両用内燃機関は、気筒の圧縮比が高められており、吸気の温度が上昇することで、気筒においてノッキングやプレイグニッションを惹起するリスクが顕著に増大する。

ノッキングやプレイグニッションの発生を抑止するためには、混合気への点火のタイミングを遅角する必要がある。従って、グリルシャッタを閉じて車両の走行抵抗を低下させたとしても、点火タイミングの遅角による熱機械変換効率の悪化がその効果を上回り、総合的に見て車両の燃費性能や走行性能の低下を招くことがあった。

本発明は、以上の問題に初めて着目してなされたものであり、車両の走行抵抗の低減と内燃機関の熱機関変換効率の維持との両立を図ることを所期の目的としている。

本発明では、車両に設けられた開口部から内燃機関を収容しているエンジンルーム内に流入する走行風の風量を調整するグリルシャッタの開度を制御するものであって、グリルシャッタの開度を縮小することによる車両の走行抵抗の低減効果が、グリルシャッタの開度の縮小に伴い内燃機関の気筒における混合気への点火タイミングが遅角することによる効率の悪化を上回る場合にグリルシャッタの開度を縮小し、そうでない場合にはグリルシャッタの開度を縮小しないことを特徴とする制御装置を構成した。

本発明によれば、車両の走行抵抗の低減と内燃機関の熱機関変換効率の維持との両立を図ることができる。

本発明の一実施形態における内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。 同実施形態の車両においてグリルシャッタを開いた状態を示す要部側面図。 同実施形態の車両においてグリルシャッタを閉じた状態を示す要部側面図。 車速とグリルシャッタを閉じることによる車両の空気抵抗の低減の効果との関係を示す図。 吸気温と点火タイミングとの関係を示す図。 点火タイミングとエンジントルクとの関係を示す図。 異常燃焼を惹起するリスクの高い運転領域を示す図。

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０の概要を示す。本実施形態における内燃機関０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。各気筒１の燃焼室の天井部には、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。

外部ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものである。ＥＧＲ装置２は、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外部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０は、これを搭載する車両のエンジンルーム１０１に収められる。車両のボディには、内燃機関０や補機（図示せず）、変速機（図示せず）等を冷却する目的で、外気を取り入れるための開口部を開設して、外気をエンジンルーム１０１に供給し得るようにしている。図２及び図３は、ＦＦ車またはＦＲ車の例を示しており、エンジンルーム１０１は車両の前方部位にあって、車両の前方に設けたフロントグリルの開口部から、走行風（図２中矢印で示す）をエンジンルーム１０１へと導く。走行風は、エンジンルーム１０１内で、内燃機関０自体及び内燃機関０の冷却水の放熱用ラジエータ、エアコンディショナの冷媒の放熱用コンデンサ等と熱交換してこれらを空冷する。その後、走行風は、ホイールルームやボンネット等に開設した排出口から排出される。

フロントグリルの開口部には、その開度を可変制御することのできるグリルシャッタ１０２を付設する。グリルシャッタ１０２は、例えば電動（サーボまたはステッピング）モータにより回動駆動される可変ルーバである。図３に示すように、グリルシャッタ１０２を閉じた状態では、フロントグリルの開口部が閉塞され、当該開口部を介して走行風がエンジンルーム１０１に流入することが抑止される。

本実施形態の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）９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。

ＥＣＵ９の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（クランク角センサ）から出力されるエンジン回転信号ｂ、運転者による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、内燃機関０に対する要求負荷）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、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ｄ、内燃機関０の温度を示唆する冷却水温を検出する水温センサから出力される水温信号ｅ、外気温を検出する外気温センサから出力される外気温信号ｆ、大気圧を検出する大気圧センサから出力される大気圧信号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ｈ等が入力される。

ＥＣＵ９の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、グリルシャッタ１０２に対して開度操作信号ｍ等を出力する。

ＥＣＵ９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０の運転を制御する。ＥＣＵ９は、内燃機関０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に基づき、吸気量に見合った要求燃料噴射量、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、グリルシャッタ１０２の開閉状態または開度（角度）等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ９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ＥＣＵ９は、車両の燃費性能や走行性能の一層の向上を図るべく、車両の走行中に適宜グリルシャッタ１０２を開閉操作する。

図４に示すように、グリルシャッタ１０２を閉じることによる走行抵抗即ち車両の空気抵抗の低減の効果は、走行中の車両の車速が高いほど大きくなる。

一方で、グリルシャッタ１０２を閉じてエンジンルーム１０１への走行風の流入を制限することは、内燃機関０自体の温度を上昇させ、かつ内燃機関０の吸気通路３に取り入れられる吸気の温度を上昇させるように作用する。気筒１に充填される吸気の温度上昇は、気筒１においてノッキングやプレイグニッションといった異常燃焼を惹起するリスクを高める。そのような異常燃焼の発生を防ぐためには、図５に示すように、吸気温が高いほど気筒１における混合気への点火のタイミングを遅角化しなければならない。

そして、図６に示すように、内燃機関０が出力するエンジントルクは、点火タイミングをＭＢＴ（Ｍｉｎｉｍｕｍ ａｄｖａｎｃｅ ｆｏｒ Ｂｅｓｔ Ｔｏｒｑｕｅ）点に設定したときに最大化し、点火タイミングをＭＢＴ点から遅角（または、進角）させるほど低下する。つまり、グリルシャッタ１０２を閉じることにより、車両の走行抵抗が減少する反面、内燃機関０の熱機械変換効率が悪化することから、状況によっては後者の副作用が前者の効用を上回り、総体的に見て車両の燃費性能または走行性能が低下する可能性がある。

そこで、本実施形態のＥＣＵ９は、グリルシャッタ１０２の開度を縮小することによる車両の走行抵抗の低減効果が、グリルシャッタ１０２の開度の縮小に伴って点火タイミングが遅角することによる効率の悪化を上回る場合にグリルシャッタ１０２の開度を縮小し、そうでない場合にはグリルシャッタ１０２の開度を縮小しないようにする。

基本的には、車速が閾値以上に高い場合にグリルシャッタ１０２を閉じ、閾値よりも低い場合にグリルシャッタ１０２を開く。あるいは、車速が高いほどグリルシャッタ１０２の開度を縮小し、車速が低いほどグリルシャッタ１０２の開度を拡大する。その上で、グリルシャッタ１０２をある基準開度（全開であることがある）に開いたときに実現可能な（異常燃焼を惹起するリスクが十分に小さい）点火タイミングｔ’により発生するエンジントルクＴ’と、グリルシャッタ１０２を当該基準開度よりも閉じたときに実現可能な（異常燃焼を惹起するリスクが十分に小さい）点火タイミングｔにより発生するエンジントルクＴとの差分ΔＴが、グリルシャッタ１０２を当該基準開度よりも閉じることで得られる走行抵抗の低減効果分（のトルク換算）ΔＲを上回ることのないように、上記の閾値を設定し、またはグリルシャッタ１０２の開度の基準開度からの縮小量を決定する。

ここで、異常燃焼を惹起しないような点火タイミングｔ及びｔ’は、グリルシャッタ１０２の開閉を通じて変動する吸気温に依存するだけでなく、現在の内燃機関０の運転領域［エンジン回転数，アクセル開度（または、サージタンク３３内吸気圧、気筒１に充填される吸気量若しくは燃料噴射量）］等によっても変動する。エンジントルクＴ’及びＴもまた、現在の内燃機関０の運転領域及び吸気温等によって変動する。即ち、図５及び図６に示している曲線の形状が、内燃機関０の運転領域等に応じて変化する。加えて、グリルシャッタ１０２の開度の縮小による走行抵抗の低減効果は、大気圧等によって変動する。即ち、図４に示している曲線の形状が、大気圧等に応じて変化する。要するに、グリルシャッタ１０２を開くか閉じるか、またはその開度を決定するに際しては、現在の車速及び吸気温だけでなく、内燃機関０の運転領域等をも参照する必要がある。

ＥＣＵ９のメモリには予め、車速、吸気温、大気圧及び内燃機関０の運転領域等と、グリルシャッタ１０２の開閉またはグリルシャッタ１０２の開度との関係を規定したマップデータが格納されている。このようなマップは、適合試験等により実験的に作成することが可能である。ＥＣＵ９は、現在の車速、大気圧及び内燃機関０の運転領域等をキーとして当該マップを検索し、グリルシャッタ１０２を開くか閉じるかを決定し、またはグリルシャッタ１０２の開度を決定して、グリルシャッタ１０２を操作する。

なお、図７に網点を付して表している、気筒１においてノッキング等の異常燃焼を起こしやすい運転領域では、現在の吸気温等如何を問わず、予防的にグリルシャッタ１０２をある開度以上に開くようにしても構わない。

本実施形態では、車両に設けられた開口部から内燃機関０を収容しているエンジンルーム１０１内に流入する走行風の風量を調整するグリルシャッタ１０２の開度を制御するものであって、グリルシャッタ１０２の開度を縮小することによる車両の走行抵抗の低減効果ΔＲが、グリルシャッタ１０２の開度の縮小に伴い内燃機関０の気筒１における混合気への点火タイミングｔが遅角することによる効率の悪化ΔＴを上回る場合にグリルシャッタ１０２の開度を縮小し、そうでない場合にはグリルシャッタ１０２の開度を縮小しないことを特徴とする制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、グリルシャッタ１０２を適切に制御して、車両の走行抵抗の低減と内燃機関０の熱機関変換効率の維持との両立を図ることが可能となる。吸気温がある程度以上高い状況において、車速及びエンジン回転の減速期に、後の再加速に備えてグリルシャッタ１０２を開放し、エンジンルーム内の空冷ひいては吸気温の低下を促進して点火タイミングの遅角化を抑制することも可能となる。

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。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、車両に搭載されている内燃機関の制御に適用できる。

０…内燃機関
１…気筒
１２…点火プラグ
３…吸気通路
９…制御装置（ＥＣＵ）
１０１…エンジンルーム
１０２…グリルシャッタ

Claims (1)

1. 車両に設けられた開口部から内燃機関を収容しているエンジンルーム内に流入する走行風の風量を調整するグリルシャッタの開度を制御するものであって、
   グリルシャッタの開度を縮小することによる車両の走行抵抗の低減効果が、グリルシャッタの開度の縮小に伴い内燃機関の気筒における混合気への点火タイミングが遅角することによる効率の悪化を上回る場合にグリルシャッタの開度を縮小し、そうでない場合にはグリルシャッタの開度を縮小しないことを特徴とする制御装置。

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