JP2018193956A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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文鋒 梁
Wenfeng Liang
文鋒 梁
翔 中村
Sho Nakamura
翔 中村
真介 青柳
Shinsuke Aoyagi
真介 青柳
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トヨタ自動車株式会社
Toyota Motor Corp
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Abstract

【課題】燃料カット中の触媒の温度低下を十分に抑制しつつ、燃焼再開時に良好な燃焼を確保する。【解決手段】内燃機関の制御装置は、機関吸気通路内に配置されたスロットル弁11と、排気弁の開弁時期を変更可能な排気可変動弁機構と、機関排気通路内に配置された触媒15と、機関減速運転時の燃料カット時に、排気可変動弁機構を制御して排気弁の開弁時期を圧縮上死点から排気下死点までの間に設定するとともに、スロットル弁を開弁状態に維持する、ように構成されている、電子制御ユニット50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。
機関排気通路内に配置された触媒と、スロットル弁下流の機関吸気通路と機関排気通路とを互いに連結するEGR(排気ガス再循環)通路と、EGR通路内に配置されたEGR制御弁と、EGR通路内に配置されたEGRクーラと、を備え、機関減速運転時の燃料カット時に、EGR制御弁を開弁してEGRガスを気筒に供給するとともに、触媒の温度が低いときほど気筒に流入する吸気中に占めるEGRガスの割合を高くする、内燃機関が公知である(例えば、特許文献1参照)。燃料カット中は燃焼室内で燃焼が行われないけれども、燃料カット中に燃焼室内に流入したガスはシリンダブロック壁面、シリンダヘッド壁面、及びピストン頂面などにより温度が高められ、次いで燃焼室から排出される。特許文献1では、温度が高められた空気の一部がEGR通路を介して再度、燃焼室内に供給され、次いで触媒に送られる。それにより、燃料カット中の触媒の温度低下ができるだけ抑制されるようにしている。
特開2015−169164号公報
しかしながら、ガスがEGR通路を流れると、EGR通路から周囲環境に放熱されるだけでなく、EGR通路に設けられたEGRクーラによって冷却される。したがって、特許文献1では、燃料カット中の触媒の温度低下を十分に抑制するのが困難である。
本発明によれば、機関吸気通路内に配置されたスロットル弁と、排気弁の開弁時期を変更可能な排気可変動弁機構と、機関排気通路内に配置された触媒と、機関減速運転時の燃料カット時に、前記排気可変動弁機構を制御して前記排気弁の開弁時期を圧縮上死点から排気下死点までの間に設定するとともに、前記スロットル弁を開弁状態に維持する、ように構成されている、電子制御ユニットと、を備える、内燃機関の制御装置が提供される。
燃料カット中の触媒の温度低下を十分に抑制しつつ、燃焼再開時に良好な燃焼を確保することができる。
内燃機関の全体図である。 内燃機関の部分縦断面図である。 クランク角に対する排気弁リフト量、筒内圧、及び排気弁を通過するガス流量の変化を示す線図である。 目標差圧を示す線図である。 燃料カット中の種々のパラメータの変化を示すタイムチャートである。 本発明による実施例の差圧制御ルーチンを示すフローチャートである。 本発明による実施例の空気量制御ルーチンを示すフローチャートである。
図1を参照すると、内燃機関1は、複数、例えば4つの気筒2aを含む機関本体2を備える。気筒2aは吸気枝管3を介してサージタンク4に連結され、サージタンク4は吸気ダクト5を介して排気過給器6のコンプレッサ6cの出口に連結される。コンプレッサ6cの入口は吸気導入管7を介してエアクリーナ8に連結される。吸気導入管7内には吸入空気量を検出するためのエアフローメータ9が配置される。吸気ダクト5には吸入空気を冷却するための冷却器10と、電磁駆動式のスロットル弁11とが順次配置される。
また、気筒2aは排気マニホルド12及び排気管13を順次介して排気過給器6のタービン6tの入口に連結される。タービン6tの出口は排気管14を介して、排気を浄化するための触媒15に連結される。本発明による実施例では、タービン6tは可変ノズル6nを備えたタービンから構成される。可変ノズル6nはタービン6tのタービンインペラに向かう排気ガス流路内に配置された複数のノズルを有し、ノズルの流路面積を変更可能になっている。例えば、ノズルの流路面積が小さくされると、ノズルを流れる排気ガスの流速が高められ、したがって過給圧が高められる。
更に、サージタンク4と排気マニホルド12とは、排気ガス再循環(以下、EGRという。)通路16によって互いに連結される。EGR通路16内には、EGRガス量を制御するための電磁駆動式のEGR制御弁17と、EGRガスを冷却するための冷却器18とが配置される。
図2は、本発明による実施例の機関本体2を詳細に示している。図2を参照すると、20はシリンダブロック、21はシリンダヘッド、22はピストン、23は燃焼室、24は吸気ポート、25は吸気弁、25aは吸気弁25の開弁時期を変更可能な吸気可変動弁機構、26は排気ポート、27は排気弁、27aは排気弁27の開弁時期を変更可能な排気可変動弁機構、28は電子制御式の燃料噴射弁、をそれぞれ示す。本発明による実施例では、内燃機関1は圧縮着火式内燃機関から構成され、燃料として例えば軽油が燃料噴射弁28に供給される。別の実施例(図示しない)では内燃機関1は火花点火式内燃機関から構成され、燃料として例えばガソリンが燃料噴射弁28に供給される。
再び図1を参照すると、本発明による実施例では、サージタンク4にはサージタンク4内の圧力である吸気圧Pinを検出するための吸気圧センサ30が取り付けられる。また、排気マニホルド12には排気マニホルド12内の圧力である排気圧Pexを検出するための排気圧センサ31が取り付けられる。これらセンサ30,31の検出結果から、排気圧Pexに対する吸気圧Pinの差圧dP(=Pex−Pin)が算出される。別の実施例(図示しない)では差圧dPを検出するための差圧センサが設けられる。
電子制御ユニット50はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス51によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)52、RAM(ランダムアクセスメモリ)53、CPU(マイクロプロセッサ)54、入力ポート55及び出力ポート56を具備する。エアフローメータ9、吸気圧センサ30、及び排気圧センサ31の出力電圧は対応するA/D変換器57を介して入力ポート55に入力される。更に、アクセルペダル59にはアクセルペダル59の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ60が接続され、負荷センサ60の出力電圧は対応するAD変換器57を介して入力ポート55に入力される。更に、クランク角CAを検出するためのクランク角センサ61が入力ポート55に接続される。CPU54ではクランク角センサ61からの出力パルスに基づいて機関回転数が算出される。一方、出力ポート56はそれぞれ対応する駆動回路58を介して、可変ノズル6n、スロットル弁11のアクチュエータ、EGR制御弁17のアクチュエータ、吸気可変動弁機構25a、排気可変動弁機構27a、及び燃料噴射弁28にそれぞれ接続される。
本発明による実施例では、機関減速運転時に燃料カットが行われる。すなわち、例えば、機関負荷を表すアクセルペダル59の踏み込み量がゼロであり、かつ、機関回転数があらかじめ定められた第1の設定回転数よりも高いときには、燃料噴射が停止される。その結果、機関回転数は次第に低下する。次いで、機関回転数があらかじめ定められた第2の設定回転数よりも低くなると、燃料噴射が再開され、燃焼が再開される。あるいは、アクセルペダル59が踏み込まれると、燃料噴射及び燃焼が再開される。このようにすると、燃料消費量を低減することができる。
次に、本発明による実施例における燃料カット中の制御について、図3を参照しながら説明する。図3は、排気弁27の弁リフト量VLexと、筒内圧Pc、及び、排気弁27を通過するガス流量qexvの一例を示す図である。なお、ガスが燃焼室23から排気ポート26に流れるときにはガス流量qexvは正値となり、ガスが排気ポート26から燃焼室23に流れるときにはガス流量qexvは負値となる。
本発明による実施例では、燃料カット中に、差圧dPが目標差圧dPTになるように制御される。この目標差圧dPは正値であり、したがって排気圧Pexが吸気圧Pinよりも高くなるように制御される。その結果、図3に示されるように、筒内圧Pcは、クランク角が圧縮上死点から排気下死点に向かう途中で排気圧Pexを下回り、排気下死点の直前において吸気圧Pinとほぼ一致する。図3に示される例では、ハッチングが付された領域Xにおいて、筒内圧Pcが排気圧Pexよりも高くなっている。
一方、本発明による実施例では、図3に示されるように、排気弁27の開弁時期EVOPが圧縮上死点から排気下死点までの間に設定される。特に、図3に示される例では、筒内圧Pcが吸気圧Pinとほぼ一致する時期に排気弁27の開弁時期EVOPが設定される。また、本発明による実施例では、排気弁27の閉弁時期は排気下死点から排気上死点までの間に設定される。別の実施例(図示しない)では、排気弁27の閉弁時期は排気上死点から吸気下死点までの間に設定される。言い換えると、筒内圧Pcが排気圧Pexよりも低くなっている時期に排気弁27が開弁状態にあるように、排気弁27の開弁時期及び閉弁時期が設定される。その結果、排気弁27が開弁されると、図3に示されるように、排気弁27を通過するガス流量qexvが負値となり、すなわちガスが排気ポート26から燃焼室23内に逆流する。なお、図3においてハッチングが付された領域Yは排気弁27を介して燃焼室23内に逆流したガス量を表している。
冒頭で説明したように、燃料カット中は燃焼室23内で燃焼が行われないけれども、燃料カット中に燃焼室23内に流入したガスはシリンダブロック20の壁面、シリンダヘッド21の壁面、及びピストン22の頂面などにより温度が高められ、次いで燃焼室23から排出される。本発明による実施例では、燃焼室23から流出したガスの一部が上述したように燃焼室23に戻され、次いで触媒15内に流入する。この場合、ガスは、EGR通路16を介することなく、燃焼室23に戻される。したがって、ガスの温度低下をかなり小さくすることができる。その結果、触媒15内に流入するガスの温度をより高めることができる。したがって、燃料カット中の触媒15の温度低下を十分に抑制することができる。このため、燃焼が再開されたときに、触媒15によるより良好な排気浄化作用を確保することができる。
本発明による実施例では、上述したように、燃料カット中に差圧dPが目標差圧dPTになるように制御される。この目標差圧dPTは例えば、ガスの逆流が走行性能に悪影響を及ぼさない限りで、図3に示される領域Xにおいて燃焼室23に逆流するガスの温度ができるだけ高くなるように、設定される。図4には目標差圧dPTの一例が示される。図4に示される例では目標差圧dPは機関回転数Neの関数としてあらかじめ設定される。図4に示される例では、目標差圧dPTは機関回転数Neが高くなるにつれて大きくなる。なお、目標差圧dPTは図4に示されるマップの下腿であらかじめROM52内に記憶されている。
差圧dPは例えば次のようにして制御される。一例では、差圧dPが目標差圧dPTになるように、スロットル弁11の開度がフィードバック制御される。別の例では、差圧dPが目標差圧dPTになるように、可変ノズル6nの開度がフィードバック制御される。更に別の例では、差圧dPが目標差圧dPTになるように、スロットル弁11の開度及び可変ノズル6nの開度がそれぞれフィードバック制御される。更に別の例では、差圧dPが目標差圧dPTになるように、吸気弁25の開弁時期及び排気弁27の開弁時期の一方又は両方がフィードバック制御される。
また、本発明による実施例では、燃料カット中にスロットル弁11が開弁状態に維持される。その結果、燃焼室23内に新気が供給されるので、燃料カットが終了して燃焼が再開されるときに、良好な燃焼を確保することができる。すなわち、例えば、失火が回避され、スモークが低減される。
しかも、本発明による実施例では、燃料カット中に吸入空気量があらかじめ定められた目標空気量になるように制御される。本発明による実施例では、この目標空気量は燃焼再開時に良好な燃焼を得るのに必要な空気量に設定される。目標空気量は例えば機関回転数の関数としてあらかじめ求められており、あらかじめROM52内に記憶されている。
本発明による実施例では、燃料カット中に吸入空気量が目標空気量になるように、EGR制御弁17の開度がフィードバック制御される。
図5には、本発明による実施例における燃料カット中の種々のパラメータの変化の一例が示される。図5においてtxは燃料カットが開始されたタイミングを示している。図5に示される例では、燃料カットが開始されると、燃料噴射量QFがゼロとされ、機関回転数Neが次第に低下する。また、図5に示される例では、差圧dPが目標差圧dPTになるようにスロットル開度Dthが制御される。その結果、排気弁27を通過するガスの温度Texが高く維持される。図5に示される例では更に、吸入空気量Qaが目標空気量になるようにEGR制御弁17の開度Degrが制御される。
したがって、概念的に表現すると、電子制御ユニット50は、機関減速運転時の燃料カット時に、排気可変動弁機構を制御して排気弁の開弁時期を圧縮上死点から排気下死点までの間に設定するとともに、スロットル弁を開弁状態に維持する、ように構成されている。
図6は本発明による実施例の差圧制御を実行するルーチンを示している。このルーチンはあらかじめ定められた設定時間ごとの割り込みによって実行される。図6を参照すると、ステップ100では燃料カットが行われているか否かが判別される。燃料カット中でないときには処理サイクルを終了する。燃料カット中のときには次いでステップ101に進み、目標差圧dPTが算出される。続くステップ102では目標差圧dPTになるように差圧dPがフィードバック制御(F/B)される。
図7は本発明による実施例の空気量制御を実行するルーチンを示している。このルーチンはあらかじめ定められた設定時間ごとの割り込みによって実行される。図7を参照すると、ステップ200では燃料カットが行われているか否かが判別される。燃料カット中でないときには処理サイクルを終了する。燃料カット中のときには次いでステップ201に進み、目標空気量QaTが算出される。続くステップ202では目標空気量QaTになるように吸入空気量Qaがフィードバック制御(F/B)される。
1 内燃機関
5 吸気ダクト
11 スロットル弁
15 触媒
26 排気ポート
12 排気マニホルド
27 排気弁
27a 排気可変動弁機構
50 電子制御ユニット

Claims (1)

  1. 機関吸気通路内に配置されたスロットル弁と、
    排気弁の開弁時期を変更可能な排気可変動弁機構と、
    機関排気通路内に配置された触媒と、
    機関減速運転時の燃料カット時に、前記排気可変動弁機構を制御して前記排気弁の開弁時期を圧縮上死点から排気下死点までの間に設定するとともに、前記スロットル弁を開弁状態に維持する、ように構成されている、電子制御ユニットと、
    を備える、内燃機関の制御装置。
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