JP2017198109A - 内燃機関の排気還流制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＧＲガス分配の気筒間ばらつきを抑えて、燃費を向上させることができる内燃機関の排気還流制御装置を提供すること。【解決手段】排気の一部を各気筒のインテークマニホールド１３に還流させる排気還流管４１と、各気筒に対応した排気の還流量を調整するＥＧＲバルブ４２と、エンジン２のノッキング振動の大きさに応じたノック信号を出力するノックセンサ４７と、ノックセンサ４７の出力するノック信号に基づいて算出した気筒毎のノック強度に基づいてＥＧＲガス分配のばらつきが大きいと判定した場合、ＥＧＲバルブ４２により気筒毎のＥＧＲガスの還流量を調整するＥＣＵ３と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気還流制御装置に関する。

内燃機関において、排気をＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガスとして吸気側に還流させる排気還流管を備えることにより、排気のＮＯx低減および燃費の改善を実現するＥＧＲが知られている。

ＥＧＲでは、ＥＧＲガス分配の気筒間ばらつきや、デポジット堆積によるＥＧＲガス流量の気筒間ばらつきが発生し、気筒間の燃焼のばらつきにつながる。

特許文献１では、各気筒につながる吸気枝通路にそれぞれ吸気温センサを配置し、各気筒の吸気温のばらつきからＥＧＲガス分配の気筒間バラつきを判定し、吸気マニホールド前に設けられたＥＧＲ弁の弁開度を小さくすることによりばらつきを解消している。

特許文献２では、触媒前センサにより空燃比ずれ異常が発生している気筒を判定し、異常発生前後のノック指標値により、空燃比ずれ異常が、ＥＧＲガス分配のばらつきによるものか、燃料噴射量のばらつきによるものかを判定している。

特開平１１−２５７１６２号公報 特許第５２３４１４３号公報

しかしながら、特許文献１に記載のものは、ＥＧＲガス分配の気筒間ばらつきがあると判定した場合、ＥＧＲ弁の弁開度を小さくしてＥＧＲガス量を減らすことでばらつきを解消しているため、ＥＧＲ率の低下により燃費の悪化や排気のＮＯx増大につながる。

特許文献２に記載のものは、ＥＧＲガス分配のばらつきが発生している気筒を特定することは可能であるが、ＥＧＲガス分配のばらつきの気筒間差は計測していない。このため、燃焼のばらつきを抑制する際に、ばらつきを抑制するための制御量を算出することができない。

そこで、本発明は、ＥＧＲガス分配の気筒間ばらつきを抑えて、燃費を向上させることができる内燃機関の排気還流制御装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため本発明は、複数の気筒と、前記気筒のそれぞれに吸気を導入する複数の吸気分岐管とを備えた内燃機関の排気還流制御装置であって、前記内燃機関の排気の一部をＥＧＲガスとして前記吸気分岐管のそれぞれへ還流させる排気還流管と、前記内燃機関の運転状態に基づいて前記ＥＧＲガスの還流量を調整するよう前記吸気分岐管のそれぞれに設けられたＥＧＲバルブと、前記内燃機関のノッキング振動を検出するノックセンサと、前記ノックセンサの検出結果に基づいて前記内燃機関の気筒毎のノック強度を検出し、前記気筒毎のノック強度に基づいて前記気筒毎の前記ＥＧＲガスの還流量を調整する制御部と、を備えるものである。

このように本発明によれば、ＥＧＲガス分配の気筒間ばらつきを抑えて、燃費を向上させることができる内燃機関の排気還流制御装置を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気還流制御装置の概略構成図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気還流制御装置の各気筒のノック強度の記憶方法を示す図である。 図３は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気還流制御装置の排気還流制御処理手順を示すフローチャートである。 図４は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気還流制御装置の排気還流制御と気筒別ノック制御処理手順を示すフローチャートである。 図５は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気還流制御装置の気筒別ノック制御処理によるノック強度による処理を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る内燃機関の排気還流制御装置について詳細に説明する。

図１において、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気還流制御装置を搭載した車両１は、内燃機関型のエンジン２と、制御部としてのＥＣＵ（Engine Control Unit）３とを含んで構成されている。

エンジン２は、少なくとも１つ以上、例えば４つの気筒を有する直列４気筒で構成されている。なお、エンジン２は、直列４気筒に限らず、例えばＶ型エンジン等であってもよいし、気筒数も特に４つに限定されるものではない。

エンジン２は、不図示のピストン、シリンダ、コネクティングロッド等を備え、ピストンが気筒を２往復する間に吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程からなる一連の４行程を行なう４サイクルのエンジンによって構成されている。

シリンダに収納されたピストンは、コネクティングロッドを介してクランクシャフトに連結されている。コネクティングロッドは、ピストンの往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換するようになっている。

シリンダヘッドには、点火プラグ４と、吸気ポート１１と、排気ポート２１とが設けられている。点火プラグ４は、燃焼室内に電極を突出させた状態でシリンダヘッドに配設され、ＥＣＵ３によってその点火時期が調整される。

吸気ポート１１には、吸気分岐管としてのインテークマニホールド１３が設けられている。インテークマニホールド１３は、空気を燃焼室に導入する。インテークマニホールド１３は、外気を吸入するための吸気管１４に接続されている。この吸気管１４の内部には、吸気ポート１１と連通する吸気通路１４ａが形成されている。

吸気ポート１１には、吸気弁１２が設けられている。吸気弁１２は、吸気通路１４ａと燃焼室とを連通または遮断するように開閉されるようになっている。

排気ポート２１には、燃焼室のなかで混合気の燃焼によって発生した排気を車外に排出するためのエキゾーストマニホールド２３が設けられている。エキゾーストマニホールド２３は、排気管２４に接続されている。この排気管２４の内部には、排気ポート２１と連通する排気通路２４ａが形成されている。

排気ポート２１には、排気弁２２が設けられている。排気弁２２は、排気通路２４ａと燃焼室とを連通または遮断するように開閉されるようになっている。

この排気管２４には、三元触媒２５が設けられている。三元触媒２５は、エンジン２の燃焼室から排出された排ガス、すなわち既燃ガスを浄化するようになっている。

このエンジン２には、吸気通路１４ａと排気通路２４ａとを連通する排気還流管４１が設けられている。排気還流管４１は、排気の一部を吸気側に還流させるＥＧＲを行なわせるようになっている。排気還流管４１は、分岐して各気筒のインテークマニホールド１３に接続する。排気還流管４１のインテークマニホールド１３との接続部の排気が還流してくる方向の上流側には、各気筒に対応した排気の還流量を調整する排気還流制御弁としてのＥＧＲバルブ４２が設けられている。

ＥＧＲバルブ４２は、ＥＣＵ３に電気的に接続されている。ＥＧＲバルブ４２は、ＥＣＵ３からの指令信号に応じてバルブ開度が制御されることで、各気筒に還流させる排気の量を調整するようになっている。

ＥＣＵ３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、フラッシュメモリと、入力ポートと、出力ポートとを備えたコンピュータユニットによって構成されている。

このコンピュータユニットのＲＯＭには、各種制御定数や各種マップ等とともに、当該コンピュータユニットをＥＣＵ３として機能させるためのプログラムが記憶されている。すなわち、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されたプログラムを実行することにより、当該コンピュータユニットは、ＥＣＵ３として機能する。

ＥＣＵ３の入力ポートには、クランク角度センサ４５、アクセル開度センサ４６、ノックセンサ４７等の各種センサ類が接続されている。

クランク角度センサ４５は、エンジン２の回転に伴い所定クランク角度毎に矩形状のクランク角信号を出力する。ＥＣＵ３は、このクランク角信号に基づいてエンジン２の機関回転数であるエンジン回転数を算出する。

アクセル開度センサ４６は、運転者による図示しないアクセルペダルの踏み込み量をアクセル開度として検出する。ノックセンサ４７は、エンジン２のノッキング振動を検出し、ノッキング振動の大きさに応じたノック信号を出力する。

一方、ＥＣＵ３の出力ポートには、上述の点火プラグ４、ＥＧＲバルブ４２等の各種制御対象類が接続されている。

ＥＣＵ３は、運転者の操作によるアクセル開度に基づきエンジン２の要求負荷を算出し、その要求負荷に応じてエンジン２の吸入空気量や燃料噴射量や点火時期を算出する。そして、ＥＣＵ３は、算出した吸入空気量や燃料噴射量や点火時期になるように不図示のスロットルバルブやインジェクタや点火プラグ４を制御してエンジン２の運転状態を制御する。

ＥＣＵ３は、エンジン２の運転状態に応じてＥＧＲを実行させる（オン）か、または実行させない（オフ）か、を切り替えるようになっている。例えば、ＥＣＵ３は、エンジン回転数とエンジン負荷とによってオンまたはオフが決まるＥＧＲマップによりＥＧＲのオンとオフを切り替える。このＥＧＲマップは、ＥＧＲをオンにするＥＧＲオン領域と、ＥＧＲをオフにするＥＧＲオフ領域とに分けられていて、エンジン回転数とエンジン負荷とによってどちらの領域に入るかが決まるようになっている。このＥＧＲマップは、予め実験的に求められ、ＥＣＵ３のＲＯＭに記憶されている。

ＥＣＵ３は、例えば、エンジン回転数とアクセル開度からエンジン負荷が決まるマップによりエンジン負荷を求めるようになっている。エンジン負荷のマップは、予め実験的に求められ、ＥＣＵ３のＲＯＭに記憶されている。

ＥＣＵ３は、ＥＧＲがオンの状態において、気筒毎のノック強度に基づき、ＥＧＲガス分配の気筒間ばらつきが大きいと判定したとき、各気筒のＥＧＲガス量を調整する。

ＥＣＵ３は、各気筒の燃焼時期に基づき、ノックセンサ４７により各気筒のノック強度を算出する。ＥＣＵ３は、例えば、ノックセンサ４７が検出したエンジン２のシリンダブロックの振動周波数から各気筒のノック強度ＫＳｉ（ｉは、気筒番号）を算出する。

ＥＣＵ３は、各気筒のノック強度ＫＳｉの差分値の最大値が所定値を超える状態が所定時間Ｙ[s]以上継続した場合、ＥＧＲガス分配の気筒間ばらつきが大きいと判定する。所定値及び所定時間は、予め実験的に求められ、ＥＣＵ３のＲＯＭに記憶されている。

ＥＣＵ３は、例えば、図２に示すように、各気筒のノック強度ＫＳｉを記憶している。ＥＣＵ３は、ある気筒の新しいノック強度ＫＳｉを算出すると、当該気筒の記憶しているノック強度ＫＳｉを消去し、新しいノック強度ＫＳｉで更新する。ＥＣＵ３は、新しいノック強度ＫＳｉを算出するごとに各気筒のノック強度の差分値を算出し、ＥＧＲ分配の気筒間ばらつきを判定する。

ＥＣＵ３は、各気筒のノック強度ＫＳｉが予め設定されたノック閾値以上であれば点火リタード要求とする。ＥＣＵ３は、ノック強度ＫＳｉとノック閾値との差分に応じて点火リタード要求量を算出する。点火リタード要求量は、ノック強度ＫＳｉとノック閾値との差分が大きいほど大きい値となる。

ＥＣＵ３は、各気筒のノック強度ＫＳｉが予め設定されたノック閾値未満であれば点火進角要求とする。ＥＣＵ３は、ノック強度ＫＳｉとノック閾値との差分に応じて点火進角要求量を算出する。点火進角要求量は、ノック強度ＫＳｉとノック閾値との差分が大きいほど大きい値となる。

ＥＣＵ３は、点火リタード要求となった気筒については、ＥＧＲガス量が少ないと判定し、点火リタード要求量からＥＧＲバルブ開度増加分補正値を算出し、ＥＧＲバルブ４２の開度を増やす。

ＥＣＵ３のＲＯＭには、ＥＧＲ率増大による失火を防ぐため、ＥＧＲバルブ開度増の制限値が予め記憶されている。ＥＣＵ３は、ＥＧＲバルブ開度増加分補正値が開度増制限値以下であれば、ＥＧＲバルブ開度増加分補正値だけＥＧＲバルブ４２の開度を増やす。

ＥＣＵ３は、ＥＧＲバルブ開度増加分補正値が開度増制限値を超えていれば、開度増制限値だけＥＧＲバルブ４２の開度を増やし、ＥＧＲバルブ開度増加分補正値からの不足分だけ点火リタードを実行する。

ＥＣＵ３は、点火進角要求となった気筒については、ＥＧＲガス量が多いと判定する。ＥＣＵ３は、点火進角要求量が予め設定された進角制限値を超えた場合は、ＥＧＲ過多による過進角と判定し、点火進角要求量からＥＧＲバルブ開度減少分補正値を算出し、ＥＧＲバルブ４２の開度を減らす。点火進角要求量が予め設定された進角制限値以下の場合、ＥＣＵ３は、点火進角要求量だけ点火時期を進角させる。

ＥＣＵ３のＲＯＭには、ＥＧＲ率減少によるノックの発生を防ぐため、ＥＧＲバルブ開度減の制限値が予め設定されている。ＥＣＵ３は、ＥＧＲバルブ開度減少分補正値が開度減制限値以下であれば、ＥＧＲバルブ開度減少分補正値だけＥＧＲバルブ４２の開度を減らす。

ＥＣＵ３は、ＥＧＲバルブ開度減少分補正値が開度減制限値を超えていれば、開度減制限値だけＥＧＲバルブ４２の開度を減らし、ＥＧＲバルブ開度減少分補正値からの不足分だけ点火進角を実行する。

ノック強度の判定は、各気筒の燃焼時期に合わせて実行され、判定の結果に基づくＥＧＲバルブ４２の制御や点火時期の制御は、該当気筒の次回の燃焼時期に合わせて実行される。

以上のように構成された本実施形態に係る内燃機関の排気還流制御装置による排気還流制御処理について、図３及び図４を参照して説明する。なお、以下に説明する排気還流制御処理は、ＥＣＵ３が動作を開始すると開始され、各気筒の燃焼時期に同期して実行される。

ステップＳ１において、ＥＣＵ３は、エンジン回転数と、エンジン負荷と、エンジン２の冷却水温度とからエンジン２の運転状態がＥＧＲオン領域か否かを判定する。ＥＧＲオン領域でないと判定した場合、ＥＣＵ３は、処理を終了する。

ＥＧＲオン領域であると判定した場合、ステップＳ２において、ＥＣＵ３は、ノックセンサ４７により今回燃焼時期の気筒のノック強度を算出し、該当気筒のノック強度を更新する。

ステップＳ３において、ＥＣＵ３は、気筒毎のノック強度の差分値の最大値が所定値を超える状態が所定時間Ｙ[s]以上継続しているか否かを判定する。

気筒毎のノック強度の差分値の最大値が所定値を超える状態が所定時間Ｙ[s]以上継続していると判定した場合、ステップＳ４において、ＥＣＵ３は、今回燃焼時期の気筒について、図４に示すような、気筒別ノック制御を実行する。

一方、気筒毎のノック強度の差分値の最大値が所定値を超える状態が所定時間Ｙ[s]以上継続していないと判定した場合、ステップＳ５において、ＥＣＵ３は、全気筒の点火時期を制御するような通常のノック制御を実行する。

次に、図４を参照して、排気還流制御と気筒別ノック制御を説明する。
ステップＳ１１において、ＥＣＵ３は、今回燃焼時期である該当気筒のノック強度が予め設定されたノック閾値以上か否かを判定する。

該当気筒のノック強度が予め設定されたノック閾値以上であると判定した場合、ステップＳ１２において、ＥＣＵ３は、ノック強度とノック閾値との差分から点火リタード要求値を算出する。

ステップＳ１３において、ＥＣＵ３は、点火リタード要求値からＥＧＲバルブ開度増加分補正値を算出する。

ステップＳ１４において、ＥＣＵ３は、ＥＧＲバルブ開度増加分補正値が開度増制限値より大きいか否かを判定する。

ＥＧＲバルブ開度増加分補正値が開度増制限値より大きいと判定した場合、ステップＳ１５において、ＥＣＵ３は、該当気筒に対応するＥＧＲバルブ４２の開度を開度増制限値だけ増加させ、該当気筒に対応する点火時期をＥＧＲバルブ開度増加分補正値からの不足分だけ点火リタードさせ、処理を終了する。

一方、ＥＧＲバルブ開度増加分補正値が開度増制限値より大きくないと判定した場合、ステップＳ１６において、ＥＣＵ３は、該当気筒に対応するＥＧＲバルブ４２の開度をＥＧＲバルブ開度増加分補正値だけ増加させ、処理を終了する。

ステップＳ１１において該当気筒のノック強度が予め設定されたノック閾値以上でないと判定した場合、ステップＳ１７において、ＥＣＵ３は、ノック強度とノック閾値との差分から点火進角要求値を算出する。

ステップＳ１８において、ＥＣＵ３は、点火進角要求値が進角制限値より大きいか否かを判定する。

点火進角要求値が進角制限値より大きいと判定した場合、ステップＳ１９において、ＥＣＵ３は、点火進角要求値からＥＧＲバルブ開度減少分補正値を算出する。

ステップＳ２０において、ＥＣＵ３は、ＥＧＲバルブ開度減少分補正値が開度減制限値より大きいか否かを判定する。

ＥＧＲバルブ開度減少分補正値が開度減制限値より大きいと判定した場合、ステップＳ２１において、ＥＣＵ３は、該当気筒に対応するＥＧＲバルブ４２の開度を開度減制限値だけ減少させ、該当気筒に対応する点火時期をＥＧＲバルブ開度減少分補正値からの不足分だけ点火進角させ、処理を終了する。

一方、ＥＧＲバルブ開度減少分補正値が開度減制限値より大きくないと判定した場合、ステップＳ２２において、ＥＣＵ３は、該当気筒に対応するＥＧＲバルブ４２の開度をＥＧＲバルブ開度減少分補正値だけ減少させ、処理を終了する。

ステップＳ１８において点火進角要求値が進角制限値より大きくないと判定した場合、ステップＳ２３において、ＥＣＵ３は、該当気筒に対応する点火時期を点火進角要求値だけ進角させ、処理を終了する。

このような排気還流制御処理による動作について図５を参照して説明する。
図５に示すように、ノック強度が１番気筒＞２番気筒＞３番気筒＞４番気筒であった場合、ＥＧＲ率は、４番気筒＞３番気筒＞２番気筒＞１番気筒となる。

ノック強度がノック閾値以上となっている１番気筒と２番気筒は、点火リタード要求となる。１番気筒と２番気筒では、ノック強度とノック閾値との差分に応じてＥＧＲバルブ４２の開度が増加されＥＧＲ率が上がって、ＥＧＲ分配の気筒間ばらつきが抑制される。

ノック強度がノック閾値未満となっている３番気筒と４番気筒は、点火進角要求となる。３番気筒では、点火進角要求値が進角制限値以下であるため、点火進角要求値だけ点火進角されてノッキングが抑制される。

４番気筒では、点火進角要求値が進角制限値より大きくなり、ＥＧＲ過多の過進角であると判定され、ノック強度とノック閾値との差分に応じてＥＧＲバルブ４２の開度が減少されＥＧＲ率が下がって、ＥＧＲ分配の気筒間ばらつきが抑制される。

このように、上述の実施形態では、ノックセンサ４７の出力するノック信号に基づいて気筒毎のノック強度を算出し、このノック強度に基づいて気筒毎のＥＧＲガスの還流量を調整するＥＣＵ３を備える。

これにより、気筒毎のノック強度に基づいてＥＧＲガス分配の気筒間ばらつきの有無が判定され、気筒毎のノック強度に基づいて気筒毎のＥＧＲガスの還流量が調整される。このため、ＥＧＲガス分配の気筒間ばらつきを抑えて、燃費を向上させることができる。

また、ＥＣＵ３は、気筒毎のノック強度の差分値の最大値が所定値を超える状態が所定時間Ｙ[s]以上継続した場合、気筒毎のＥＧＲガスの還流量を調整する。

これにより、気筒毎のノック強度の差分値の最大値が所定値を超える状態が所定時間Ｙ[s]以上継続した場合、ＥＧＲガス分配の気筒間ばらつきがあると判定される。このため、確実にＥＧＲガス分配の気筒間ばらつきがある場合を判定することができ、ＥＧＲガス分配の気筒間ばらつきを抑えて、燃費を向上させることができる。

また、ＥＣＵ３は、ノック強度とノック閾値との差分に基づいて点火リタード要求か点火進角要求かを判定し、点火リタード要求の気筒はＥＧＲバルブ４２の開度を増やし、点火進角要求の気筒はＥＧＲバルブ４２の開度を減らす。

これにより、ノック強度とノック閾値との差分に基づいて気筒毎のＥＧＲガスの還流量が調整される。このため、各気筒のノック強度がノック閾値に近づき、ＥＧＲガス分配の気筒間ばらつきを抑えて、燃費を向上させることができる。

また、ＥＣＵ３は、ノック強度とノック閾値との差分に基づいてＥＧＲバルブ４２の開度補正値を算出してＥＧＲバルブ４２の開度を補正する際、開度補正値が制限値より大きい場合は、制限値分だけ開度を補正し、不足分は点火時期を補正する。

これにより、気筒毎のＥＧＲガスの還流量が調整される際、ＥＧＲバルブ４２の開度が制限値で制限される。このため、ＥＧＲ率増大による失火や、ＥＧＲ率減少によるノックを抑えることができる。

本発明の実施形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

１ 車両
２ エンジン（内燃機関）
３ ＥＣＵ（制御部）
１３ インテークマニホールド（吸気分岐管）
２４ 排気管
２４ａ 排気通路
４１ 排気還流管
４２ ＥＧＲバルブ
４５ クランク角度センサ
４６ アクセル開度センサ
４７ ノックセンサ

Claims (4)

1. 複数の気筒と、前記気筒のそれぞれに吸気を導入する複数の吸気分岐管とを備えた内燃機関の排気還流制御装置であって、
   前記内燃機関の排気の一部をＥＧＲガスとして前記吸気分岐管のそれぞれへ還流させる排気還流管と、
   前記内燃機関の運転状態に基づいて前記ＥＧＲガスの還流量を調整するよう前記吸気分岐管のそれぞれに設けられたＥＧＲバルブと、
   前記内燃機関のノッキング振動を検出するノックセンサと、
   前記ノックセンサの検出結果に基づいて前記内燃機関の気筒毎のノック強度を検出し、前記気筒毎のノック強度に基づいて前記気筒毎の前記ＥＧＲガスの還流量を調整する制御部と、を備える内燃機関の排気還流制御装置。
2. 前記制御部は、前記気筒毎のノック強度の差分値の最大値が所定値を超える状態が所定時間以上継続した場合、前記気筒毎の前記ＥＧＲガスの還流量を調整する請求項１に記載の内燃機関の可変動弁制御装置。
3. 前記制御部は、前記気筒毎のノック強度と予め設定されたノック閾値との差分に基づいて前記気筒毎の前記ＥＧＲガスの還流量を調整する請求項１または２に記載の内燃機関の可変動弁制御装置。
4. 前記制御部は、前記気筒毎の前記ＥＧＲガスの還流量を調整する際、前記ＥＧＲバルブの開度を制限値で制限する請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関の可変動弁制御装置。

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