JP2018031270A

JP2018031270A - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP2018031270A
Application number: JP2016162505A
Authority: JP
Inventors: 貴裕尾崎; Takahiro Ozaki
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2016-08-23
Filing date: 2016-08-23
Publication date: 2018-03-01
Anticipated expiration: 2036-08-23
Also published as: JP6866008B2

Abstract

【課題】従来ＥＧＲを禁止していた状況下においてもできる限りＥＧＲを実施する機会を増やし、内燃機関の燃費性能の一層の向上を図る。【解決手段】気筒に向かって吸気通路を流れる吸気の流量と、気筒に充填される吸気のうちＥＧＲガスが占める割合若しくは量と、外気温、吸気温若しくは冷却水温とに基づき、ＥＧＲを禁止する必要があるかどうかを判断する内燃機関の制御装置を構成した。【選択図】図２

Description

本発明は、排気ガス再循環（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置が付帯した内燃機関の制御に関する。

外部ＥＧＲ装置は、内燃機関の排気通路と吸気通路とをＥＧＲ通路により接続し、排気の一部をＥＧＲ通路経由で吸気通路に還流させて吸気に混交するものである（例えば、下記特許文献を参照）。ＥＧＲにより、気筒の燃焼室における混合気の燃焼温度を低下させてＮＯ_xの排出量を抑制し、かつポンピングロスの低減を図ることができる。

排気中には、燃料に由来する水蒸気または水分が含まれている。ＥＧＲガスを吸気に混入する過程で、ＥＧＲガスに含まれる水蒸気または水分が凝縮して凝縮水が発生する。この凝縮水が特定の箇所に滞留し、それに燃料成分中の硫黄分と結びついた硫酸が溶け込むと、吸気系統の部材、例えば流路の配管やバルブ等が腐食される懸念が生じる。また、まとまった量の凝縮水が一時に気筒の燃焼室に流入することで、失火を惹起する可能性もある。

そこで、従来より、吸気通路を凝縮水が一箇所に溜まりにくい形状に設計するとともに、吸気通路内で凝縮水が多く発生する蓋然性の高い状況、つまりは外気温または吸気温が低温（例えば、５℃以下）であるときに、一律にＥＧＲを禁止、即ちＥＧＲバルブを全閉しＥＧＲ通路を遮断するようにしている。しかしながら、ＥＧＲを禁止することは、燃料噴射量の削減及びポンピングロスの低減というＥＧＲの効用を放棄することにつながる。

特開２０１６−０６５５１０号公報

本発明は、従来ＥＧＲを禁止していた状況下においてもできる限りＥＧＲを実施する機会を増やし、内燃機関の燃費性能の一層の向上を図ることを所期の目的としている。

上述した課題を解決するべく、本発明では、気筒に向かって吸気通路を流れる吸気の流量と、気筒に充填される吸気のうちＥＧＲガスが占める割合若しくは量と、外気温、吸気温若しくは冷却水温とに基づき、ＥＧＲを禁止する必要があるかどうかを判断する内燃機関の制御装置を構成した。

具体的には、吸気の流量、吸気のうちＥＧＲガスが占める割合若しくは量、並びに、外気温、吸気温若しくは冷却水温と、吸気通路に溜まる凝縮水の単位時間あたりの変化量を示唆する値との関係を規定したマップデータを記憶保持し、単位時間毎に、そのときの吸気の流量、吸気のうちＥＧＲガスが占める割合若しくは量、並びに、外気温、吸気温若しくは冷却水温に対応する値を前記マップデータから読み出し、読み出した値を積算し、その積算値を判定閾値と比較することで、ＥＧＲを禁止する必要があるかどうかを判断することが考えられる。

本発明によれば、従来はＥＧＲを禁止していた状況下においてもＥＧＲを実施する機会を増やすことができ、内燃機関の燃費性能の一層の向上に寄与し得る。

本発明の一実施形態における車両用内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。同実施形態の制御装置がプログラムに従い実行する処理の手順例を示すフロー図。吸気の流量、吸気のＥＧＲガス分圧及び外気温と、単位時間あたりの凝縮水の変化量Δｅｃｅｇｒｗａｔｅｒとの関係を例示した図。

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の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、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。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、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ことで生じる排気を各気筒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装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、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部位に接続している。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の下流の所定部位、特にサージタンク３３に接続している。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）０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。

ＥＣＵ０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から出力されるクランク角信号ｂ、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、内燃機関に要求されるエンジン負荷、要求出力）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、内燃機関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冷却水温信号ｄ、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ｅ、外気温（または、新気温）を検出する温度センサから出力される外気温信号ｆ、車載のバッテリの端子電流または端子電圧を検出するセンサから出力されるバッテリ電流／電圧信号ｇ、ブレーキペダルの踏込量またはマスタシリンダ圧を検出するセンサから出力されるブレーキ踏量信号ｈ等が入力される。

ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、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等を出力する。

ＥＣＵ０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の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関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等に基づき、要求される燃料噴射量、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（または、ＥＧＲガス量）、吸気バルブの開閉タイミング等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌを出力インタフェースを介して印加する。

また、ＥＣＵ０は、内燃機関の始動（冷間始動であることもあれば、アイドリングストップからの復帰であることもある）時において、電動機（スタータモータまたはＩＳＧ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＳｔａｒｔｅｒＧｅｎｅｒａｔｏｒ））を稼働させるための制御信号ｏを電動機に入力し、当該電動機によりクランクシャフトを回転させるクランキングを行う。クランキングは、内燃機関が初爆から連爆へと至り、エンジン回転数即ちクランクシャフトの回転速度が内燃機関の冷却水温等に応じて定まる判定値を超えたときに（完爆したものと見なして）終了する。

ＥＣＵ０は、所定のアイドルストップ条件が成立したときに、内燃機関のアイドル回転を停止させるアイドルストップを実行する。ＥＣＵ０は、まず、内燃機関の冷間始動後、冷却水温が所定値以上に高まり、かつ車載のバッテリの充電量または端子電圧が所定値以上となっていることを条件として、アイドルストップの実行を許可する（それまでは、アイドルストップの実行を許可しない）。その上で、ブレーキペダルの踏込量またはマスタシリンダ圧が閾値以上であり（ブレーキペダルが踏まれた）、車室内空調用のエアコンディショナの冷媒圧縮用コンプレッサが稼働しておらず、シフトポジションが走行レンジであり、前回のアイドルストップ終了からある車速以上まで加速した経歴があり、かつ現在の車速がある車速以下である（例えば、車速が１３．５ｋｍ／ｈ以上から１３ｋｍ／ｈまで低下した、または９．５ｋｍ／ｈ以上から７ｋｍ／ｈまで低下した）、といった諸条件がおしなべて成立したときに、アイドルストップを実行する。

アイドルストップ条件の成立後、所定のアイドルストップ終了条件が成立したときには、内燃機関を再始動する。ＥＣＵ０は、ブレーキペダルの踏込量またはマスタシリンダ圧が０または０に近い閾値未満となった（ブレーキペダルが踏まれなくなった）、逆にブレーキペダルの踏込量またはマスタシリンダ圧がさらに増大した（ブレーキペダルがさらに強く踏み込まれた）、アクセル開度が増大した（アクセルペダルが踏まれた）、アイドルストップ状態で所定時間（３分）が経過した、等のうちの何れかが成立したときに、アイドルストップを終了、内燃機関を再始動する。

気筒１に充填される吸気に占めるＥＧＲガスの割合であるＥＧＲ率は、そのときの内燃機関に対する要求負荷に応じて決定する。要求ＥＧＲ率は、中負荷の運転領域において最も高く、そこからエンジン負荷が増大するほど低下し、またエンジン負荷が減少するほど低下する。全負荷ないし全負荷に近い高負荷の運転領域や、アイドル運転ないしアイドル運転に近い低負荷の運転領域では、要求ＥＧＲ率は０となり、ＥＧＲバルブ２３を全閉してＥＧＲ通路２１を遮断することとなる。

要求ＥＧＲ率は、そのときの内燃機関の温度の影響を受ける。一般に、内燃機関の温度が低いほど、気筒１の燃焼室での混合気の燃焼が不安定となる。故に、内燃機関の冷却水温が低い場合には、冷却水温が高い場合と比較して、要求ＥＧＲ率を引き下げる。

排気通路４から吸気通路３に還流するＥＧＲガスには、燃料に由来した水蒸気または水分が含まれている。そして、ＥＧＲガスが吸気通路３を流通する過程で、ＥＧＲガスに含まれる水蒸気または水分が凝縮する。その凝縮水が特定の箇所に滞留し、それに燃料成分中の硫黄分と結びついた硫酸が溶け込むと、吸気通路３の配管やサージタンク３３、吸気マニホルド３４、またはスロットルバルブ３２等が腐食されるおそれがある。のみならず、まとまった量の凝縮水が一時に気筒１の燃焼室に流入することで、失火を惹起する可能性もある。

そこで、本実施形態のＥＣＵ０は、気筒１に向かって吸気通路３を流れる吸気の流量、気筒１に充填される吸気のＥＧＲ率（または、ＥＧＲガス量）、並びに、外気温、吸気温若しくは内燃機関の冷却水温に基づき、吸気通路３内に存留する凝縮水の量を推測するとともに、その凝縮水の量の多寡に応じて、ＥＧＲを禁止する必要があるかどうかを判断する。

図に、本実施形態のＥＣＵ０が実行する処理の手順例を示している。まず、ＥＣＵ０は、停止していた内燃機関の始動後、所定の時間が経過するまでの期間中は（ステップＳ１）、吸気通路３内に存留している凝縮水の推定量ｅｃｅｇｒｗａｔｅｒを、そのときの外気温に応じた初期値に設定する（ステップＳ２）。ＥＣＵ０のメモリには予め、外気温と、凝縮水の推定量ｅｃｅｇｒｗａｔｅｒの初期値との関係を規定したマップデータが格納されている。ＥＣＵ０は、内燃機関の冷間始動時または始動直後の時期における外気温をキーとして当該マップデータを検索し、凝縮水の推定量ｅｃｅｇｒｗａｔｅｒの初期値を得る。一般に、凝縮水の推定量ｅｃｅｇｒｗａｔｅｒの初期値は、外気温が低いほど大きな値となる。

一方、内燃機関の始動から既に所定の時間が経過した後の時期においては、現在吸気通路３内に存留している凝縮水の推定量ｅｃｅｇｒｗａｔｅｒを、直近の過去に演算した推定量ｅｃｅｇｒｗａｔｅｒ’に、単位時間あたりの凝縮水の変化量Δｅｃｅｇｒｗａｔｅｒを加算することによって求める（ステップＳ３）。変化量Δｅｃｅｇｒｗａｔｅｒは、そのときの吸気の流量、吸気のＥＧＲ率若しくはＥＧＲガス量を示唆するＥＧＲガス分圧、及び外気温に応じた値とする。変化量Δｅｃｅｇｒｗａｔｅｒは、正値即ち増加量であることもあれば、負値即ち減少量であることもある。ＥＣＵ０のメモリには予め、吸気流量、ＥＧＲガス分圧及び外気温と、変化量Δｅｃｅｇｒｗａｔｅｒとの関係を規定したマップデータが格納されている。ＥＣＵ０は、現在の吸気流量、ＥＧＲガス分圧及び外気温をキーとして当該マップデータを検索し、変化量Δｅｃｅｇｒｗａｔｅｒを得る。

図３に、吸気の流量、吸気のＥＧＲガス分圧及び外気温と、単位時間あたりの凝縮水の変化量Δｅｃｅｇｒｗａｔｅｒとの関係を例示している。変化量Δｅｃｅｇｒｗａｔｅｒは、吸気通路３を流れる吸気の流量が多いほど小さな値となり、場合によっては負値となる。これは、吸気流量が多いほど、吸気通路３内に凝縮水が溜まりにくいことによる。吸気の流量は、エンジン回転数及びサージタンク３３内吸気圧から推定することができる。ＥＣＵ０のメモリには予め、エンジン回転数及びサージタンク３３内吸気圧と、吸気流量との関係を規定したマップデータが格納されている。ＥＣＵ０は、現在のエンジン回転数及びサージタンク３３内吸気圧をキーとして当該マップデータを検索し、現在の吸気の流量の推定値を得る。尤も、吸気通路３にエアフローメータが設置されている場合には、当該エアフローメータを介して吸気の流量を直接計測することが可能である。

また、変化量Δｅｃｅｇｒｗａｔｅｒは、吸気のＥＧＲガス分圧が低いほど、つまりは吸気に含まれるＥＧＲガスの量が少ないほど小さな値となり、場合によっては負値となる。これは、ＥＧＲ率が低いほど吸気に混入する水蒸気または水分が少なくなり、吸気通路３内で凝縮水が発生しにくくなることによる。吸気に占めるＥＧＲガスの分圧は、エンジン回転数及びＥＧＲバルブ２３の開度から推定することができる。ＥＣＵ０のメモリには予め、エンジン回転数及びＥＧＲバルブ２３開度と、ＥＧＲガス分圧との関係を規定したマップデータが格納されている。ＥＣＵ０は、現在のエンジン回転数及びＥＧＲバルブ２３開度をキーとして当該マップデータを検索し、現在の吸気のＥＧＲガス分圧の推定値を得る。

加えて、変化量Δｅｃｅｇｒｗａｔｅｒは、外気温が高いほど小さな値となり、場合によっては負値となる。これは、外気温が高いほど吸気通路３の管壁の温度が上昇して凝縮水が発生しにくく、逆に外気温が低いほど吸気通路３の管壁の温度が低下して凝縮水が発生しやすくなることによる。なお、ステップＳ２及びＳ３では、外気温信号ｆを参照することで知得される外気温、吸気温・吸気圧信号ｅを参照することで知得される吸気温、冷却水温信号ｄを参照することで知得される冷却水温のうちの最も小さい値を外気温と見なす。これにより、センサを介した外気温の検出精度を高め、ひいては凝縮水の推定量ｅｃｅｇｒｗａｔｅｒの演算精度を高めることができる。

しかして、ＥＣＵ０は、ステップＳ２またはＳ３を通じて演算した、吸気通路３内に存留している凝縮水の推定量ｅｃｅｇｒｗａｔｅｒを判定閾値と比較する。そして、凝縮水の推定量ｅｃｅｇｒｗａｔｅｒが判定閾値よりも小さいならば、ＥＧＲの実施を許可する（ステップＳ４）。

一方、凝縮水の推定量ｅｃｅｇｒｗａｔｅｒが判定閾値以上となっているならば、ＥＧＲの実施を禁止する（ステップＳ５）。ＥＧＲを禁止する場合、現在のエンジン負荷如何によらず、要求ＥＧＲ率を０と見なし、ＥＧＲバルブ２３を全閉してＥＧＲ通路２１を遮断する。ＥＧＲを禁止してＥＧＲガスの吸気通路３への流入を停止すれば、吸気通路３内に滞留する凝縮水の量を減少させることができる。このことは、吸気通路３の構成部材や吸気通路３上のバルブ等の腐食を抑制し、また多量の凝縮水が気筒１の燃焼室に流れ込むことによる失火の発生を防止することに寄与する。

ＥＣＵ０は、上記のステップＳ１ないしＳ５の処理を、単位時間毎に反復して実行する。ＥＧＲの実施を禁止している間は、ＥＧＲガスを含まない吸気即ち新気のみが吸気通路３を流通し、吸気通路３内に溜まった凝縮水をパージする。その凝縮水は、気筒１の燃焼室及び排気通路４を経て外部に排出される。同時に、吸気に占めるＥＧＲガスの分圧が０となり、凝縮水の推定量の単位時間あたりの変化量Δｅｃｅｇｒｗａｔｅｒが０または負値となって、ＥＣＵ０で反復的に演算している凝縮水の推定量ｅｃｅｇｒｗａｔｅｒが逓減してゆく。凝縮水の推定量ｅｃｅｇｒｗａｔｅｒが判定閾値を下回った暁には、ＥＧＲを再開することとなる。

本実施形態では、気筒１に向かって吸気通路３を流れる吸気の流量と、気筒１に充填される吸気のうちＥＧＲガスが占める割合若しくは量と、外気温、吸気温若しくは冷却水温とに基づき、ＥＧＲを禁止する必要があるかどうかを判断する内燃機関の制御装置０を構成した。より具体的には、制御装置０が、吸気の流量、吸気のうちＥＧＲガスが占める割合若しくは量、並びに、外気温、吸気温若しくは冷却水温と、吸気通路３に溜まる凝縮水の単位時間あたりの変化量を示唆する値Δｅｃｅｇｒｗａｔｅｒとの関係を規定したマップデータを記憶保持しており、単位時間毎に、そのときの吸気の流量、吸気のうちＥＧＲガスが占める割合若しくは量、並びに、外気温、吸気温若しくは冷却水温に対応する値Δｅｃｅｇｒｗａｔｅｒを前記マップデータから読み出し、読み出した値Δｅｃｅｇｒｗａｔｅｒを積算（または、時間積分）して積算値ｅｃｅｇｒｗａｔｅｒを求め、その積算値ｅｃｅｇｒｗａｔｅｒを判定閾値と比較することで、ＥＧＲを禁止する必要があるかどうかを判断する。

本実施形態によれば、従来はＥＧＲを禁止していた状況、例えば外気温または吸気温が低温である状況下においても、吸気通路３内に存留している凝縮水の量ｅｃｅｇｒｗａｔｅｒが判定閾値を下回っている限り、ＥＧＲを実施することができる。つまり、ＥＧＲの機会が増し、燃料噴射量の削減及びポンピングロスの低減というＥＧＲの効用を十分に享受して、内燃機関の燃費性能をより一層向上させることが可能となる。

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。

上記実施形態では、内燃機関の始動後、所定の時間が経過するまでの期間中は、吸気通路３内に存留している凝縮水の推定量ｅｃｅｇｒｗａｔｅｒを、外気温に応じた初期値に設定していた。これに対し、内燃機関の始動前の停止時間の長さに応じて、当該期間中の凝縮水の推定量ｅｃｅｇｒｗａｔｅｒを決定することも考えられる。例えば、冷間始動時のように内燃機関の停止している時間が顕著に長かった場合には、上記実施形態と同様、当該期間中の凝縮水の推定量ｅｃｅｇｒｗａｔｅｒを、外気温に応じた初期値に設定する。一方で、アイドルストップ後の再始動時のように内燃機関の停止している時間が短かった場合には、内燃機関の直近の停止時の凝縮水の推定量ｅｃｅｇｒｗａｔｅｒを引き継いで、内燃機関の再始動後の凝縮水の推定量とする。内燃機関の停止時間の長さについては、内燃機関の直近の停止時に記憶した冷却水温と、内燃機関の始動直後の冷却水温との差分を参照して判断することが可能である。即ち、前者と後者との差分の絶対値が所定値よりも大きければ、内燃機関の停止時間が長かったと判断し、差分の絶対値が所定値以下であるならば、内燃機関の停止時間は短かったと判断する。

その他、各部の具体的構成や処理の内容等は、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、車両等に搭載される内燃機関の制御に用いることができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
２…排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置
２１…ＥＧＲ通路
２３…ＥＧＲバルブ
３…吸気通路
４…排気通路

Claims

気筒に向かって吸気通路を流れる吸気の流量と、気筒に充填される吸気のうちＥＧＲガスが占める割合若しくは量と、外気温、吸気温若しくは冷却水温とに基づき、ＥＧＲを禁止する必要があるかどうかを判断する内燃機関の制御装置。
吸気の流量、吸気のうちＥＧＲガスが占める割合若しくは量、並びに、外気温、吸気温若しくは冷却水温と、吸気通路に溜まる凝縮水の単位時間あたりの変化量を示唆する値との関係を規定したマップデータを記憶保持しており、
単位時間毎に、そのときの吸気の流量、吸気のうちＥＧＲガスが占める割合若しくは量、並びに、外気温、吸気温若しくは冷却水温に対応する値を前記マップデータから読み出し、読み出した値を積算し、その積算値を判定閾値と比較することでＥＧＲを禁止する必要があるかどうかを判断する請求項１記載の内燃機関の制御装置。