JP2017198099A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】昇温された新気を燃焼室へ安定的に供給可能な内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】内燃機関の制御装置は、内燃機関に接続された排気管と、前記内燃機関に接続された吸気管と、前記排気管と前記吸気管とを接続するＥＧＲ管と、前記吸気管と前記ＥＧＲ管の接続部分より上流から分岐され、前記排気管を覆い、前記ＥＧＲ管と接続された分岐管と、前記ＥＧＲ管と前記分岐管の接続部分に配置され、前記排気管から排気が流れる第１の状態と前記分岐管から新気が流れる第２の状態のいずれかに切り替える切り替え弁と、前記内燃機関が冷間状態であるか否かを判定する判定手段と、前記内燃機関が冷間状態である場合に、前記切り替え弁を前記第２の状態に切り替える制御手段と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

排気の一部を吸気経路に設置した熱交換機に分流して新気を昇温させ、内燃機関を迅速に暖機する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１５−３１１６２号公報

しかしながら、上述した技術では排気の一部を熱交換機だけでなくＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）クーラが配置された循環路（以下、ＥＧＲ管という）にも分流している。軽負荷領域では排気の量が少ないため、熱交換機とＥＧＲ管の両方に排気の一部を分流すると、熱交換機に供給される排気の量が少なく、新気の昇温効果が低い可能性がある。

本発明では、昇温された新気を燃焼室へ安定的に供給可能な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、内燃機関に接続された排気管と、前記内燃機関に接続された吸気管と、前記排気管と前記吸気管とを接続するＥＧＲ管と、前記吸気管と前記ＥＧＲ管の接続部分より上流から分岐され、前記排気管を覆い、前記ＥＧＲ管と接続された分岐管と、前記ＥＧＲ管と前記分岐管の接続部分に配置され、前記排気管から排気が流れる第１の状態と前記分岐管から新気が流れる第２の状態のいずれかに切り替える切り替え弁と、前記内燃機関が冷間状態であるか否かを判定する判定手段と、前記内燃機関が冷間状態である場合に、前記切り替え弁を前記第２の状態に切り替える制御手段と、を備える内燃機関の制御装置である。

本発明によれば、昇温された新気を燃焼室へ安定的に供給することができる。

内燃機関の概略構成の一例を示す図である。 ＥＣＵの動作の一例を示すフローチャート（その１）である。 ＥＣＵの動作の一例を示すフローチャート（その２）である。

以下、本件を実施するための形態について図面を参照して説明する。

図１は内燃機関１００の概略構成の一例を示す図である。内燃機関１００には吸気マニホールド３の一端が接続されている。吸気マニホールド３の他端には吸気管２が接続されている。したがって、内燃機関１００には吸気マニホールド３を介して吸気管２が接続されている。吸気管２の途中にはメインスロットル１２が配置されている。メインスロットル１２はスロットルの開度を調整することにより燃焼室１内に吸入する新気の吸入量を変更する。

メインスロットル１２よりも上流側にはエアクリーナ１０が設けられている。エアクリーナ１０はエアフロメータ１１を備えている。エアフロメータ１１は新気の吸入量を計測する。メインスロットル１２よりも下流側にはインタークーラ２６が設けられている。インタークーラ２６は新気又は新気と排気が混合したＥＧＲガスの温度を安定させる。また、吸気管２はメインスロットル１２とインタークーラ２６の間にコンプレッサホイール２８を収容している。吸気管２と吸気マニホールド３の接続部分にはサージタンク２３が形成されている。サージタンク２３は吸気圧力センサ２４を備えている。吸気圧力センサ２４は吸気圧力を検出する。

また、内燃機関１００には排気マニホールド４の一端が接続されている。排気マニホールド４の他端には排気管６が接続されている。したがって、内燃機関１００には排気マニホールド４を介して排気管６が接続されている。排気マニホールド４はタービンホイール２７を収容している。排気管６がタービンホイール２７を収容していてもよい。排気マニホールド４と排気管６との接続部分には三元触媒１９が形成されている。三元触媒１９は排気を浄化する。尚、タービンホイール２７とコンプレッサホイール２８はタービンシャフト２９を介して接続されている。したがって、タービンホイール２７とコンプレッサホイール２８は一体的に回転する。

排気管６と吸気管２はＥＧＲ管３１によって接続されている。より詳しくは、排気管６における三元触媒１９の下流と吸気管２のメインスロットル１２の下流とはＥＧＲ管３１により連結されている。ＥＧＲ管３１は排気の一部を吸気管２に還流させる。ＥＧＲ管３１を介して吸気管２に還流した排気は吸気管２を流れる新気と混合してＥＧＲガスとして内燃機関１００に供給される。これにより、燃焼室１内の酸素濃度が低下して内燃機関１００の燃焼温度が低下し、窒素酸化物などの生成が抑制される。

ＥＧＲ管３１の途中にはサブスロットル１３が配置されている。サブスロットル１３はスロットルの開度を調整することにより吸気管２に還流する排気や後述する昇温した新気の量を変更する。ＥＧＲ管３１におけるサブスロットル１３よりも上流側には水冷式のガスクーラ２０が形成されている。ガスクーラ２０はクーラ冷却弁２０ａを備えている。クーラ冷却弁２０ａが閉弁すると、ガスクーラ２０を通過する排気又は新気の冷却が停止する。サブスロットル１３とガスクーラ２０と間にはガス温度センサ１４が設けられている。ガス温度センサ１４はＥＧＲ管３１に流れる排気又は新気の温度を検出する。

ここで、上述した吸気管２は吸気管２とＥＧＲ管３１との接続部分より上流（より詳しくはメインスロットル１２よりも上流）側で分岐管３２に分岐されている。本実施形態では、エアクリーナ１０が形成された部分で、吸気管２は分岐管３２に分岐されている。分岐管３２はガスクーラ２０よりも上流側でＥＧＲ管３１と接続されている。

分岐管３２についてさらに詳しく説明すると、分岐管３２の途中には二重管５が形成されている。二重管５は排気管６を覆っている。すなわち、排気管６の周囲を分岐管３２が部分的に覆うことにより二重管５が形成されている。したがって、二重管５を流れる新気は排気管６を流れる排気と熱交換する。これにより、新気は昇温する。分岐管３２とＥＧＲ管３１との接続部分にはガス切り替え弁２２が配置されている。ガス切り替え弁２２は排気管６から排気が流れる第１の状態と分岐管３２から新気が流れる第２の状態のいずれかに切り替える。具体的には、ガス切り替え弁２２が分岐管３２側を開弁すれば、排気は吸気管２に還流せず、昇温された新気が吸気管２に還流する。ガス切り替え弁２２が排気管６側を開弁すれば、昇温された新気は吸気管２に還流せず、排気が吸気管２に還流する。

次に、内燃機関１００の詳細について説明する。

内燃機関１００は燃焼室１に直接通じる吸気ポート３Ａを備えている。上述した吸気マニホールド３の一端は吸気ポート３Ａに接続される。吸気ポート３Ａには吸気弁３Ｂが設けられている。吸気弁３Ｂが開弁することにより新気が燃焼室１内へ供給される。また、内燃機関１００は燃焼室１に直接通じる排気ポート４Ａを備えている。上述した排気マニホールド４の一端は排気ポート４Ａに接続される。排気ポート４Ａには排気弁４Ｂが設けられている。排気弁４Ｂが開弁することにより燃焼後の排気が排気マニホールド４を介して排気管６へ排出される。尚、排気ポート４Ａはスワールコントロールバルブ８を備えている。

吸気弁３Ｂ及び排気弁４Ｂには、それぞれの弁の開閉時期（バルブタイミング）を変更可能とするバルブ駆動アクチュエータ７Ａ，７Ｂが設けられている。バルブ駆動アクチュエータ７Ａ，７Ｂで吸気弁３Ｂ及び排気弁４Ｂの開閉時期を制御することにより、排気行程から吸気行程にかけての期間中において、吸気弁３Ｂ及び排気弁４Ｂの両方を閉弁させた期間を作り出すことができる。

内燃機関１００の燃焼室１の斜め上側にはインジェクタ１５が配置されている。インジェクタ１５は燃焼室１内に燃料を直接噴射する。インジェクタ１５には燃料パイプを介して燃料タンクから燃料が供給される。内燃機関１００の燃焼室１上側には点火プラグ１６が配置されている。点火プラグ１６には点火コイル１７を通じて点火タイミングに高電圧が印加され、点火プラグ１６の対向電極に向けて火花放電が発生し、燃料に着火されて燃焼が行われる。

内燃機関１００の燃焼室１下側には、ピストンＰが配置されている。内燃機関１００の燃焼室１の周囲には水路Ｗが形成されている。水路Ｗには冷却水が流通する。内燃機関１００の側面には水温センサ１８が配置されている。水温センサ１８は水路Ｗを流通する冷却水の温度を検出する。内燃機関１００のクランク軸には回転角センサ２５が配置されている。回転角センサ２５はクランク軸から回転角パルス信号を検出し、回転角パルス信号からエンジン回転数を算出する。

内燃機関１００には、マイクロコンピュータ等からなるＥＣＵ（Engine Control Unit）３０が併設されている。ＥＣＵ３０には水温センサ１８及び回転角センサ２５が電気配線を介して接続されている。水温センサ１８及び回転角センサ２５から出力された信号がＥＣＵ３０に入力される。一方、ＥＣＵ３０にはメインスロットル１２、サブスロットル１３及びガス切り替え弁２２が電気配線を介して接続されている。ＥＣＵ３０は入力された信号に基づいて、メインスロットル１２、サブスロットル１３及びガス切り替え弁２２を制御する。

尚、ＥＣＵ３０にはエアフロメータ１１、ガス温度センサ１４、吸気圧力センサ２４、その他、内燃機関１００に配置された各種のセンサとも電気配線を介して接続されている。また、ＥＣＵ３０にはバルブ駆動アクチュエータ７Ａ，７Ｂ、インジェクタ１５、点火コイル１７、クーラ冷却弁２０ａといった制御対象とも電気配線を介して接続されている。ＥＣＵ３０はこれらのセンサから入力された信号に基づいて、制御対象を制御する。

続いて、図２及び図３を参照して、ＥＣＵ３０の動作について説明する。

図２はＥＣＵ３０の動作の一例を示すフローチャート（その１）である。図３はＥＣＵ３０の動作の一例を示すフローチャート（その２）である。尚、図２及び図３に示すフローチャートは例えば数マイクロ秒乃至数十マイクロ秒程度の極めて短いサイクルタイムで繰り返し実行される。また、図２及び図３に示すフローチャートは、単独で或いは他のフローチャートと並列的に実行される。

まず、図２に示すように、内燃機関１００が始動すると、ＥＣＵ３０はメインスロットル１２の開弁制御を実行し、サブスロットル１３の閉弁制御を実行する（ステップＳ１０１）。メインスロットル１２が開弁しているため、新気が吸気管２を通過して燃焼室１に供給される。一方で、サブスロットル１３は閉弁しているため、排気又は昇温した新気はＥＧＲ管３１から吸気管２に還流しない。燃焼室１では吸気管２を通過した新気の燃焼が行われ、排気が排気管６に流れる。ステップＳ１０１の処理が完了すると、ＥＣＵ３０は水温が閾値α未満であるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。すなわち、ＥＣＵ３０は水温センサ１８が検出した水温に基づいて内燃機関１００が冷間状態であるか否かを判定する。

ここで、ＥＣＵ３０は水温が閾値α未満であると判定した場合（ステップＳ１０２：ＹＥＳ）、ガス切り替え弁２２を新気側に切り替える（ステップＳ１０３）。すなわち、ＥＣＵ３０は内燃機関１００が冷間状態であると判定した場合、ガス切り替え弁２２を分岐管３２から新気が流れる第２の状態に切り替える。これにより、二重管５に滞留していた昇温した新気が閉弁制御されたサブスロットル１３の位置までＥＧＲ管３１内を流れる。

ステップＳ１０３の処理が完了すると、次いで、ＥＣＵ３０はサブスロットル１３の開弁制御と、クーラ冷却弁２０ａの閉弁制御を実行する（ステップＳ１０４）。クーラ冷却弁２０ａが閉弁するとガスクーラ２０には冷却水が流れず、ガスクーラ２０を通過する新気の温度は保たれる。したがって、吸気管２を流れていた新気とＥＧＲ管３１から吸気管２に流入した昇温した新気の両方が燃焼室１に供給される。したがって、内燃機関１００は暖機する。

ステップＳ１０４の処理が完了すると、次いで、ＥＣＵ３０はメインスロットル１２の閉弁制御を実行する（ステップＳ１０５）。具体的には、ＥＣＵ３０はメインスロットル１２を全閉する。これにより、メインスロットル１２を通過していた新気が流れなくなり、ＥＧＲ管３１から吸気管２に流入していた昇温した新気が燃焼室１に供給される。昇温していない大気温の新気が燃焼室１に供給されず、昇温した新気が燃焼室１に供給されるため、内燃機関１００はさらに暖機する。ステップＳ１０５の処理が完了すると、次いで、ＥＣＵ３０はメインスロットル１２の閉弁制御とサブスロットル１３の開弁制御を所定時間が経過するまで維持する（ステップＳ１０６）。ＥＣＵ３０はステップＳ１０６の処理を終えると、ステップＳ１０２の処理に戻る。

以上の結果、内燃機関１００が冷間状態にある場合であっても、暖機が促進され、燃焼を安定させるために増量していた燃料を控えることができ燃費が向上する。また、内燃機関１００が冷間状態にある場合であっても、暖機が促進されて、低温に起因する不完全燃焼によって発生するエミッションが抑制される。

内燃機関１００の暖機が促進すると水路Ｗに流通する冷却水の水温が上昇する。したがって、ＥＣＵ３０は水温が閾値α未満でないと判定した場合（ステップＳ１０２：ＮＯ）、図３に示すように、ガス切り替え弁２２を排気が流れる側に切り替える（ステップＳ１０７）。すなわち、ＥＣＵ３０は内燃機関１００が冷間状態でないと判定した場合、ガス切り替え弁２２を排気管６から排気が流れる第１の状態に切り替える。これにより、昇温した新気の分岐管３２からＥＧＲ管３１への流入が停止する。尚、ステップＳ１０７の処理の際にメインスロットル１２が閉弁しサブスロットル１３が開弁している場合には、ＥＣＵ３０はメインスロットル１２の開弁制御を実行し、サブスロットル１３の閉弁制御を実行する。これにより、排気のＥＧＲ管３１から吸気管２への流入が停止する。

ステップＳ１０７の処理が完了すると、次いで、ＥＣＵ３０はエンジン回転数及びエンジン負荷が閾値βより大きいか否かを判定する（ステップＳ１０８）。すなわち、ＥＣＵ３０は窒素酸化物の生成状況を判定する。エンジン負荷としては、例えばスロットル開度、エンジントルク、車速、過給圧などがある。ＥＣＵ３０はエンジン回転数及びエンジン負荷が閾値β以下であると判定した場合（ステップＳ１０８：ＮＯ）、メインスロットル１２の開弁制御とサブスロットル１３の閉弁制御を所定時間が経過するまで維持する（ステップＳ１０９）。すなわち、窒素酸化物の生成を抑制するまでに至らない軽負荷領域である場合には、メインスロットル１２を通過した新気が吸気管２を流れて燃焼室１に供給される。ＥＣＵ３０はステップＳ１０９の処理を終えると、ステップＳ１０８の処理に戻る。

一方、ＥＣＵ３０はエンジン回転数及びエンジン負荷が閾値βより大きいと判定した場合（ステップＳ１０８：ＹＥＳ）、サブスロットル１３の開弁制御とクーラ冷却弁２０ａの閉弁制御を実行する（ステップＳ１１０）。クーラ冷却弁２０ａが閉弁するとガスクーラ２０には冷却水が流れず、ガスクーラ２０を通過する排気の温度は保たれる。したがって、吸気管２を流れていた新気とＥＧＲ管３１から吸気管２に流入した排気の両方がＥＧＲガスとして燃焼室１に供給される。

ステップＳ１１０の処理が完了すると、メインスロットル１２の開弁制御とサブスロットル１３の開弁制御を所定時間が経過するまで維持する（ステップＳ１１１）。すなわち、窒素酸化物の生成を抑制した方が望ましい高負荷領域である場合には、ＥＧＲガスが吸気管２を流れて燃焼室１に供給される。ＥＣＵ３０はステップＳ１１１の処理を終えると、ステップＳ１０８の処理に戻る。

以上、本実施形態に係る内燃機関１００の制御装置は、内燃機関１００に接続された排気管６、内燃機関１００に接続された吸気管２、及び排気管６と吸気管２とを接続するＥＧＲ管３１を備えている。また、内燃機関１００の制御装置は、吸気管２とＥＧＲ管３１の接続部分より上流から分岐され、排気管６を覆い、ＥＧＲ管３１と接続された分岐管３２、及びＥＧＲ管３１と分岐管３２の接続部分に配置され、排気管６から排気が流れる第１の状態と分岐管３２から新気が流れる第２の状態のいずれかに切り替えるガス切り替え弁２２を備えている。さらに、内燃機関１００の制御装置は、内燃機関１００が冷間状態であるか否かを判定し、内燃機関１００が冷間状態である場合に、ガス切り替え弁２２を第２の状態に切り替えるＥＣＵ３０と、を備えている。

この構成によれば、軽負荷領域によって排気の量が少なくとも、ＥＧＲ管３１以外に排気の一部が分流しない。したがって、ＥＧＲ管３１に排気の一部を分流しなければ、排気の全部が排気管６を流れ、二重管５では新気に対して高い昇温効果が得られる。これにより、昇温された新気を燃焼室１へ安定的に供給することができる。特に、排気を流す場合と新気を流す場合においてＥＧＲ管３１を共用しているため、熱交換機とＥＧＲ管３１の両方に排気の一部を分流する場合と比べて、部品点数を削減することができる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１ 燃焼室
２ 吸気管
６ 排気管
１２ メインスロットル
１３ サブスロットル
１８ 水温センサ
２２ ガス切り替え弁
２５ 回転角センサ
３０ ＥＣＵ
３１ ＥＧＲ管
３２ 分岐管
１００ 内燃機関

Claims (1)

1. 内燃機関に接続された排気管と、
   前記内燃機関に接続された吸気管と、
   前記排気管と前記吸気管とを接続するＥＧＲ管と、
   前記吸気管と前記ＥＧＲ管の接続部分より上流から分岐され、前記排気管を覆い、前記ＥＧＲ管と接続された分岐管と、
   前記ＥＧＲ管と前記分岐管の接続部分に配置され、前記排気管から排気が流れる第１の状態と前記分岐管から新気が流れる第２の状態のいずれかに切り替える切り替え弁と、
   前記内燃機関が冷間状態であるか否かを判定する判定手段と、
   前記内燃機関が冷間状態である場合に、前記切り替え弁を前記第２の状態に切り替える制御手段と、
   を備える内燃機関の制御装置。

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