JP2017089541A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１燃焼サイクル中の点火回数の増加を最小限に抑えつつ、内燃機関の減速時に生じる一時的なＥＧＲガス濃度の増加に起因する失火の発生を抑制できるようにした内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】点火装置と、スロットルバルブと、ＥＧＲ装置とを備える内燃機関を制御する制御装置において、ＥＧＲ装置を用いてＥＧＲガスの導入を行っている状況下において行われる内燃機関の減速時に、スロットルバルブを用いて吸入空気の流量を減少させた場合には、内燃機関の運転状態に基づいて決定される通常点火時期での点火と、通常点火時期よりも遅角側の時期であって圧縮上死点またはその近傍の時期であるＴＤＣ近傍点火時期での追加の点火とが、同一燃焼サイクル中に実行されるように点火装置を制御する。【選択図】図４

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、排気ガスの一部を再循環排気ガス（ＥＧＲガス）として吸気通路に還流させる排気ガス再循環装置（ＥＧＲ装置）を備える内燃機関を制御する装置として好適な内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、排気ガスの一部を再循環排気ガス（ＥＧＲガス）として吸気通路に還流させる排気再循環装置（ＥＧＲ装置）と、スロットルバルブとを備える火花点火式の内燃機関を制御する制御装置が開示されている。このようなＥＧＲ装置を備える内燃機関では、減速時にスロットルバルブを閉じ側の開度に制御することで筒内に吸入される空気の流量（新気流量）が減らされた場合には、ＥＧＲバルブを閉じるようになっていたとしても、吸気通路に還流するＥＧＲガスの流量が相対的に増加することになる。その結果、筒内のＥＧＲガス濃度が一時的に高い状態になる。これにより、失火が発生し易くなる。

上記制御装置では、上述の態様での失火を回避するための失火回避制御が実行される。この失火回避制御には、１燃焼サイクル中の点火回数の増加によって点火エネルギを増大させることが含まれている。

特開２０１４−２１１０９０号公報 特開２０１４−０５１９３４号公報

内燃機関の減速時における上述の態様の失火の抑制に関して、特別な配慮なしに１燃焼サイクル中の点火回数を闇雲に増加させることは、不必要な点火のために電力が消費される結果を招くおそれがある。その結果、内燃機関の燃費悪化が懸念される。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、１燃焼サイクル中の点火回数の増加を最小限に抑えつつ、内燃機関の減速時に生じる一時的なＥＧＲガス濃度の増加に起因する失火の発生を抑制できるようにした内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、筒内の混合気に点火するための点火装置と、筒内に吸入される吸入空気の流量を制御する空気流量制御アクチュエータと、排気ガスの一部を再循環排気ガスとして吸気通路に還流させる排気ガス再循環装置と、を備える内燃機関を制御する。前記制御装置は、前記排気ガス再循環装置を用いて再循環排気ガスの導入を行っている状況下において行われる前記内燃機関の減速時に、前記空気流量制御アクチュエータを用いて前記吸入空気の流量を減少させた場合には、前記内燃機関の運転状態に基づいて決定される通常点火時期での点火と、前記通常点火時期よりも遅角側の時期であって圧縮上死点またはその近傍の時期での追加の点火とが同一燃焼サイクル中に実行されるように前記点火装置を制御する。

本発明によれば、排気ガス再循環装置を用いて再循環排気ガスの導入を行っている状況下において行われる内燃機関の減速時に、空気流量制御アクチュエータを用いて吸入空気の流量を減少させた場合には、通常点火時期での点火とともに、圧縮上死点またはその近傍の時期での追加の点火が同一燃焼サイクル中に実行される。追加の点火が行われる上記時期は、筒内ガス温度が高く、かつ、点火プラグの周辺のガス流速が低いために混合気が着火する確率が相対的に高い状況下である。このような時期を特定して追加の点火が行われるようにすることで、１燃焼サイクル中の点火回数の増加を最小限に抑えつつ、内燃機関の減速時に生じる一時的なＥＧＲガス濃度の増加に起因する失火の発生を抑制できるようになる。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。 実際に計測されたプラグ部ガス流速（より具体的には、プラグ部平均流速）とクランク角度との関係を示す実験結果を表した図である。 着火限界空燃比（Ａ／Ｆ）とプラグ部ガス流速との関係を示す実験結果を表した図である。 本発明の実施の形態１において、内燃機関の減速時に用いられる特徴的な点火制御を説明するための図である。 内燃機関の減速時に実行される特徴的な点火制御の流れを表したフローチャートである。

実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すシステムは、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０の各気筒の燃焼室１２には、吸気通路１４および排気通路１６が連通している。

吸気通路１４の入口付近には、エアクリーナ１８が取り付けられている。エアクリーナ１８には、吸気通路１４に吸入される空気（新気）の流量を検出するエアフローセンサ２０が設けられている。エアクリーナ１８の下流には、電子制御式のスロットルバルブ２２が設けられている。

また、内燃機関１０は、排気ガスの一部を再循環排気ガス（ＥＧＲガス）として吸気通路１４に還流させる排気ガス再循環装置（ＥＧＲ装置）２４を備えている。ＥＧＲ装置２４は、ＥＧＲ通路２６と、ＥＧＲバルブ２８と、ＥＧＲクーラ３０とを備えている。ＥＧＲ通路２６は、排気通路１６と吸気通路１４（図１に示す例では、スロットルバルブ２２よりも上流側の吸気通路１４）とを接続する。ＥＧＲバルブ２８とＥＧＲクーラ３０は、ＥＧＲ通路２６に設けられている。ＥＧＲバルブ２８は、ＥＧＲ通路２６を通って吸気通路１４に還流されるＥＧＲガスの流量を調整するために備えられ、ＥＧＲクーラ３０は、ＥＧＲ通路２６を流れるＥＧＲガスを冷却するために備えられている。

さらに、内燃機関１０は、筒内（燃焼室１２内）に燃料を直接噴射する燃料噴射弁３２と、筒内の混合気に点火するための点火装置３４とを備えている。点火装置３４は、一対の電極が燃焼室１２内に突き出すように配置された点火プラグ３４ａと、点火コイル３４ｂとを含んで構成されている。なお、筒内に燃料を供給するための燃料噴射弁は、上述の筒内直接噴射式の燃料噴射弁３２に代え、あるいはそれとともに、吸気通路１４の吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁を利用するものであってもよい。

さらに、図１に示すシステムは、内燃機関１０を制御する制御装置として、電子制御ユニット（ＥＣＵ）３６とともに、下記の各種アクチュエータを駆動するための駆動回路（図示省略）などを備えている。ＥＣＵ３６には、上述したエアフローセンサ２０に加え、クランク軸３８の回転位置およびエンジン回転速度を取得するためのクランク角センサ４０等のエンジン運転状態を取得するための各種センサが電気的に接続されている。また、ＥＣＵ３６には、内燃機関１０を搭載する車両のアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出するためのアクセルポジションセンサ４２、および、車両の速度を検出する車速センサ４４も電気的に接続されている。さらに、ＥＣＵ３６には、上述したスロットルバルブ２２、ＥＧＲバルブ２８、燃料噴射弁３２および点火装置３４等の内燃機関１０の運転を制御するための各種アクチュエータが電気的に接続されている。

［実施の形態１の制御］
（ＥＧＲガスの導入を伴う減速時の課題）
内燃機関１０の運転中に減速のためにアクセルペダルがオフとされた場合には、スロットルバルブ２２が閉じ側の開度に制御される。ＥＧＲ装置２４を用いてＥＧＲガスの導入を行っている状況下において減速が行われた場合には、スロットルバルブ２２の閉じ動作に伴って筒内に吸入される空気の流量（新気流量）が減らされることで、吸気通路に還流するＥＧＲガスの流量が相対的に増加することになる。その結果、筒内のＥＧＲガス濃度が一時的に（過渡的に）高い状態になる。このようなＥＧＲガス濃度の一時的な増大は、新気流量の変化に対するＥＧＲガス流量の変化の遅れの影響で、減速時にＥＧＲガス流量を減らすためにＥＧＲバルブ２８が閉じられるか否かに関係なく生じ得る。このような要因によって筒内のＥＧＲガス濃度が一時的に増大すると、失火が発生し易くなる。なお、内燃機関１０では、スロットルバルブ２２よりも上流側の吸気通路１４においてＥＧＲ通路２６が接続されているが、このような減速時の課題は、吸気通路に対するＥＧＲ通路の接続位置がスロットルバルブよりも下流側となる内燃機関においても生じる。

（通常点火時期）
内燃機関１０の通常の運転中に用いられることとされている点火時期（以下、「通常点火時期」と称する）は、内燃機関１０の運転状態（例えば、エンジン回転速度とエンジントルク（吸入空気流量））に応じた値として事前の適合によって決定されている。後述の図４中に一例として示すように、この通常点火時期は、基本的には、圧縮上死点に対して進角側の時期（より具体的には、クランク角度で数十度のオーダーで進角側の時期）となる最適点火時期（ＭＢＴ点火時期）である。

（追加のＴＤＣ近傍点火）
本件の発明者等による鋭意研究の結果、筒内環境が上述の高ＥＧＲガス濃度状態のような難着火環境にある場合における混合気の着火性は、筒内ガス温度が高く、かつ、点火プラグ３４ａの周辺のガス流速（プラグ部ガス流速）が低いときに良いということが分かった。

ここで、混合気の着火性に関するプラグ部ガス流速の影響について、以下に図２および図３を参照して、より具体的に説明する。図２は、実際に計測されたプラグ部ガス流速（より具体的には、プラグ部平均流速）とクランク角度との関係を示す実験結果であり、図３は、着火限界空燃比（Ａ／Ｆ）とプラグ部ガス流速との関係を示す実験結果である。なお、ここでいう着火限界空燃比とは、いわゆる半失火ではなく、完全な失火に至る空燃比の最小値のことである。

クランク角度が圧縮上死点（ＴＤＣ）に近づくにつれ、燃焼室容積が狭くなり、渦流れが崩壊する。このため、図２に示すように、クランク角度が圧縮上死点に近づくにつれ、プラグ部ガス流速は低くなる。そして、図３に示す実験結果より、プラグ部ガス流速が低いほど、着火限界空燃比が大きくなることが分かる（すなわち、より難着火な筒内環境下であっても着火可能となることが分かる）。

図４は、本発明の実施の形態１において、内燃機関１０の減速時に用いられる特徴的な点火制御を説明するための図である。図２および図３を参照して上述した知見により、プラグ部ガス流速の観点において混合気の良好な着火性を確保するためには、圧縮上死点近傍は、追加の点火を行う時期として好ましいといえる。また、圧縮上死点近傍は、ピストン４６による筒内ガスの圧縮によって筒内ガスの温度が最も高くなるタイミングである。したがって、筒内ガス温度の観点から混合気の良好な着火性を確保するという点においても、圧縮上死点近傍は、追加の点火を行う時期として好ましいといえる。

そこで、本実施形態では、ＥＧＲガスの導入を行っている状況下において行われる内燃機関１０の減速時に、スロットルバルブ２２を用いて吸入空気の流量を減少させた場合には、以下に説明する例外的な状況を除き、次のような点火制御を実施することとした。具体的には、図４に示すように、内燃機関１０の運転状態に基づいて決定される通常点火時期での点火と、通常点火時期よりも遅角側の時期であって圧縮上死点近傍の時期（以下、「ＴＤＣ近傍点火時期」と称する）での追加の点火とが同一燃焼サイクル中に実行されるように点火装置３４を制御することとした。なお、上記の例外的な状況とは、内燃機関１０の減速要求が出されたときに用いられている通常点火時期が、既に圧縮上死点近傍の時期とされている状況のことである。

ＴＤＣ近傍点火時期は、圧縮上死点を含み、かつ、圧縮上死点近傍の所定クランク角度範囲の時期である。この所定クランク角度範囲は、より具体的には、圧縮上死点前５°ＣＡから圧縮上死点後５°ＣＡまでであることが好ましい。その理由は、次の通りである。すなわち、仮に通常点火時期での点火に失敗した場合、筒内ガスは、クランク角度が通常点火時期から圧縮上死点に向かう過程において燃焼に付されない。このため、この過程における筒内ガスは、モータリング状態でピストン４６による圧縮に起因する温度上昇の対象となる。その結果、筒内ガス温度は、圧縮上死点においてピーク値を示すことになる。既述したように、筒内ガス温度が高いほど混合気の着火性が良くなる。そして、ＴＤＣ近傍点火時期が圧縮上死点前５°ＣＡから圧縮上死点後５°ＣＡまでのクランク角度範囲内の値であれば、ＴＤＣ近傍点火時期での筒内ガス温度と、クランク角度が圧縮上死点にあるときの筒内ガス温度との差は、５℃程度であり、問題ないレベルといえる。

（実施の形態１における具体的な処理）
図５は、内燃機関１０の減速時に実行される特徴的な点火制御の流れを表したフローチャートである。

図５に示すように、ＥＣＵ３６は、まず、ステップ１００に進み、内燃機関１０の減速要求があるか否かを判定する。本ステップ１００の判定は、アクセルポジションセンサ４２を用いてアクセルペダルを戻す操作が検出された場合に成立する。アクセルペダルを戻す操作には、アクセルペダルの踏み込み量をゼロとする操作だけでなく、アクセルペダルの踏み込み量をある量だけ戻す操作も含まれる。また、本判定は、アクセルペダルの操作に伴って開始された減速が収まったことが車速センサ４４を用いて検出されるまで成立する。

ステップ１００において減速要求が認められなかった場合には、ＥＣＵ３６は、ステップ１０２に進み、現在の運転状態に応じた通常点火時期において点火が行われるように点火装置３４を制御する。一方、ステップ１００において減速要求が認められた場合には、ＥＣＵ３６は、ステップ１０４に進む。ステップ１０４では、ステップ１００の処理のために取得されたアクセルペダルの踏み込み量に応じたスロットル開度となるようにスロットルバルブ２２を閉じる動作が実行される。

次に、ＥＣＵ３６は、ステップ１０６に進み、現在の運転条件がＥＧＲガス導入条件であるか否か、すなわち、ＥＧＲガスの導入中に今回の減速要求が成立したものであるかどうかを判定する。その結果、本判定が不成立となる場合には、ＥＣＵ３６はステップ１０２に進み、通常点火時期を使用する。

ステップ１０６においてＥＧＲガス導入条件であると判断した場合には、ＥＣＵ３６は、ステップ１０８に進む。ステップ１０８では、現在の通常点火時期が、圧縮上死点近傍の所定クランク角度範囲（ここでは、圧縮上死点前５°ＣＡから圧縮上死点後５°ＣＡまで）内の値ではないか否かが判定される。その結果、本判定が不成立となる場合、すなわち、既述した例外的な状況に該当する場合には、ステップ１０２において、ＴＤＣ近傍点火時期に相当する通常点火時期のみで点火が実行される。

一方、ステップ１０８の判定が成立する場合には、ＥＣＵ３６は、ステップ１１０に進む。ステップ１１０では、ステップ１０２と同様の処理により、通常点火時期での点火が実行される。この場合には、ＥＣＵ３６は、ステップ１１２に進み、通常点火時期での上記点火に加え、ＴＤＣ近傍点火時期での追加の点火が実行されるように点火装置３４を制御する。本ステップ１１２で用いられるＴＤＣ近傍点火時期は、上述したクランク角度範囲（圧縮上死点前５°ＣＡから圧縮上死点後５°ＣＡまで）内の値とされている。その結果、同一燃焼サイクルにおいて、通常点火時期およびＴＤＣ近傍点火時期でのそれぞれの点火が続けて実行されるようになる。

次に、ＥＣＵ３６は、ステップ１１４に進み、今回の減速時においてＴＤＣ近傍点火時期での追加の点火を実施した燃焼サイクルの数が所定回数に達したか否かを判定する。本ステップ１１４で用いられる所定回数とは、減速に伴うＥＧＲガス濃度の一時的な増大の解消に必要とされる燃焼サイクル数のことであり、事前に決定された値である。この所定回数は、固定値であってもよいし、内燃機関１０の運転状態（例えば、エンジン回転速度とエンジントルク（吸入空気流量））に応じて変化する値として事前に決定されたものであってもよい。

ステップ１１４の判定が不成立となる場合には、ステップ１０８以降の処理が繰り返し実行される。ステップ１１４の処理によれば、通常点火時期での点火とともにＴＤＣ近傍点火時期での追加の点火を行う点火制御を行う燃焼サイクルの数が上記所定回数に到達するまで、当該点火制御が継続されることになる。

以上説明した図５に従うフローチャートの処理によれば、ＥＧＲガスの導入を行っている状況下において行われる減速時に、スロットルバルブ２２を用いて吸入空気流量を減少させた場合には、上述の例外的な状況を除き、上記所定回数の燃焼サイクル数が経過するまでの期間中に到来する各燃焼サイクルにおいて、通常点火時期での点火とともに、ＴＤＣ近傍点火時期での追加の点火が実行される。ＴＤＣ近傍点火時期によれば、筒内ガス温度が高く、かつ、プラグ部ガス流速が低いために混合気が着火する確率が相対的に高い状況下において、追加の点火を実行できるようになる。これにより、このようなＴＤＣ近傍点火時期よりも進角側の時期である通常点火時期での点火では失火が生じてしまう場合であっても、追加の点火によって失火の発生を効果的に抑制することができる。さらに付け加えると、仮に通常点火時期での点火によって着火に成功したとしても、ＴＤＣ近傍点火時期での追加の点火の実施は、燃焼に悪影響を及ぼさない。また、通常点火時期での点火によって着火はするけれども燃焼が緩慢となるような場合には、通常点火時期での点火に伴う燃焼に起因する筒内圧の上昇によって筒内ガス温度が上昇した状態で、ＴＤＣ近傍点火時期での追加の点火が実施されることになり、混合気の着火をより確実に行えるようになる。

以上説明したように、本実施形態における減速時の点火制御によれば、１燃焼サイクル中の点火回数の増加を最小限に抑えつつ、内燃機関の減速時に生じる一時的なＥＧＲガス濃度の増加に起因する失火の発生を抑制できるようになる。また、本実施形態の制御による失火対策は、燃焼サイクル毎に制御可能な点火制御を利用している。このため、高い応答性で失火を対策できるようになる。そして、本実施形態の点火制御は、追加の点火を行わない場合と比べて点火コイルの仕様を特に変更する必要なしに実施することができる。このため、失火対策のためにコストの増加を招くこともない。

ところで、上述した実施の形態１における点火制御に対して、以下に説明する処理を加えるようにしてもよい。すなわち、減速時にスロットルバルブ２２を閉じたことに起因する筒内のＥＧＲガス濃度の一時的な増加の発生の有無およびその増加の程度は、スロットル開度の単位時間当たりの閉じ量によって変化する。より具体的には、スロットル開度の単位時間当たりの閉じ量が大きいと、筒内のＥＧＲガス濃度の増加量が大きくなる。その結果、進角側の通常点火時期のみでは失火が生じ易くなる。逆に、減速時にスロットル開度が徐々に（緩やかに）小さくされていく場合には、筒内のＥＧＲガス濃度の一時的な増加は生じないか、もしくは生じたとしても程度の小さなものとなる。その結果、失火が生じにくくなる。そこで、本点火制御に対して、減速時において吸入空気流量の単位時間当たりの減少量（空気流量制御アクチュエータとしてスロットルバルブ２２を用いる場合には、単位時間当たりのスロットル開度の閉じ量）が所定値以上であるか否かを判定する処理を追加してもよい。そして、この判定が成立する場合に限って、ＴＤＣ近傍点火時期での追加の点火を実施するようにしてもよい。

また、上述した実施の形態１においては、内燃機関１０の吸入空気流量を制御するための空気流量制御アクチュエータとして、スロットルバルブ２２を用いる例について説明を行った。しかしながら、本発明における空気流量制御アクチュエータは、スロットルバルブ２２に限られない。すなわち、スロットルバルブ２２に代え、あるいはそれとともに、例えば、吸気弁の開弁特性（作用角、リフト量、開き時期および閉じ時期のうちの少なくとも１つ）を変更可能とする可変動弁機構が空気流量制御アクチュエータとして用いられていてもよい。

１０ 内燃機関
１２ 燃焼室
１４ 吸気通路
１６ 排気通路
２２ スロットルバルブ
２４ 排気ガス再循環装置（ＥＧＲ装置）
３２ 燃料噴射弁
３４ 点火装置
３４ａ 点火プラグ
３４ｂ 点火コイル
３６ 電子制御ユニット
４２ アクセルポジションセンサ

Claims (1)

1. 筒内の混合気に点火するための点火装置と、
   筒内に吸入される吸入空気の流量を制御する空気流量制御アクチュエータと、
   排気ガスの一部を再循環排気ガスとして吸気通路に還流させる排気ガス再循環装置と、
   を備える内燃機関を制御する制御装置であって、
   前記制御装置は、前記排気ガス再循環装置を用いて再循環排気ガスの導入を行っている状況下において行われる前記内燃機関の減速時に、前記空気流量制御アクチュエータを用いて前記吸入空気の流量を減少させた場合には、前記内燃機関の運転状態に基づいて決定される通常点火時期での点火と、前記通常点火時期よりも遅角側の時期であって圧縮上死点またはその近傍の時期での追加の点火とが同一燃焼サイクル中に実行されるように前記点火装置を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。

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