JP2023147998A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】実際にＥＧＲバルブを通過するＥＧＲガスの分圧または流量に応じた補正を加えて、内燃機関の性能のより一層の向上を図る。【解決手段】排気通路を吸気通路におけるスロットルバルブの下流に連通させるＥＧＲ通路と、ＥＧＲ通路を開閉するＥＧＲバルブとを有する排気ガス再循環装置が付帯した内燃機関を制御するものであって、エンジン回転数及びスロットルバルブ開度、並びにある制御入力をＥＧＲバルブに与えているときの、吸気通路におけるスロットルバルブの下流の吸気温または吸気圧を、センサを介して検出し、検出した吸気温または吸気圧に応じて、以後の運転制御における燃料噴射量、点火タイミング、ＥＧＲバルブに与える制御入力のうちの少なくとも一つを補正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（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置が付帯した内燃機関の制御装置に関する。

車両等に搭載される内燃機関には、気筒の燃焼室内での混合気の燃焼温度を低下させてＮＯ_xの排出量を削減しつつ、ポンピングロスの低減を図るべく、ＥＧＲ装置が付随していることが多い。ＥＧＲ装置は、内燃機関の排気通路と吸気通路とをＥＧＲ通路を介して接続し、気筒から排出される燃焼ガスの一部をＥＧＲ通路経由で吸気通路に還流させて吸入空気（新気）に混交するものである。ＥＧＲ通路上には、これを開閉するＥＧＲバルブが設けられており、このＥＧＲバルブの開度操作を通じてＥＧＲガスの還流量を調節することができる。

ＥＧＲバルブに故障が生じると、適正なＥＧＲ制御の妨げとなり、燃焼の不安定化やエミッションの悪化、あるいはノッキングの発生につながる。故に、車両には、ＥＧＲバルブの故障の有無をオンラインで診断し、故障を検出した暁にはその事実を運転者に告知するとともに記憶装置に記録を残すダイアグノーシス（自己診断）機構が実装される。例えば、気筒への燃料供給を一時中断する燃料カット中にＥＧＲバルブを敢えて開閉操作し、閉弁時及び開弁時の吸気通路内の吸気圧力をそれぞれ計測して、これを基にＥＧＲバルブの故障の有無の判定を行う（例えば、下記特許文献を参照）。

特開２０１９－０２３４４４号公報

ＥＧＲバルブの弁体を駆動するステッピングモータ（ステッパモータ）またはサーボモータに与える制御入力と、その制御入力を与えたときのＥＧＲバルブの実開度、換言すれば実際にＥＧＲ通路経由で吸気通路に流入するＥＧＲガスの分圧または流量との関係は、恒常的に一定ではない。即ち、個々の内燃機関毎の個体差や、異物（デポジット）がＥＧＲ通路やＥＧＲバルブの弁体若しくは弁座に付着し堆積する経年変化により、変動し得る。

内燃機関を運転するにあたり、実際に吸気通路に還流するＥＧＲガスの量が想定と異なっていると、燃料噴射量や点火タイミングが最適化されない。その帰結として、気筒における混合気の燃焼が不安定化し、または失火を起こして、エンジントルクの不当な低落を招くおそれがある。そうでなくとも、混合気の実際の空燃比が想定と異なり、有害物質の排出量が増加する懸念もある。

従来の内燃機関の制御では、個体差または経年変化による入出力特性のばらつきを考慮し、ＥＧＲバルブに与える制御入力を安全余裕を加味して設定していた。これは、ＥＧＲバルブの開度を縮小することを意味する。このため、吸気に占めるＥＧＲガスの割合であるＥＧＲ率が理想よりも低下し、内燃機関の効率を最大限に高めることができないでいる。

以上の問題に着目してなされた本発明は、実際にＥＧＲバルブを通過するＥＧＲガスの分圧または流量に応じた補正を加えて、内燃機関の性能のより一層の向上を図ることを所期の目的とする。

本発明では、排気通路を吸気通路におけるスロットルバルブの下流に連通させるＥＧＲ通路と、ＥＧＲ通路を開閉するＥＧＲバルブとを有する排気ガス再循環装置が付帯した内燃機関を制御するものであって、あるエンジン回転数及びスロットルバルブ開度、並びにある制御入力をＥＧＲバルブに与えているときの、吸気通路におけるスロットルバルブの下流の吸気温または吸気圧をセンサを介して検出し、その検出した吸気温または吸気圧に応じて、以後の運転制御における燃料噴射量、点火タイミング、ＥＧＲバルブに与える制御入力のうちの少なくとも一つを補正する内燃機関の制御装置を構成した。

より具体的には、あるエンジン回転数及びスロットルバルブ開度、並びにある制御入力をＥＧＲバルブに与えているときの、吸気通路におけるスロットルバルブの下流の吸気温または吸気圧をセンサを介して検出し、その検出した吸気温または吸気圧に、さらにそのときの外気温、大気圧、内燃機関の冷却水温、空燃比フィードバック補正量のうちの少なくとも一つを加味して、ある制御入力を与えているときの実際のＥＧＲガスの流量を推算し、その推算したＥＧＲガスの流量に応じて、以後の運転制御における燃料噴射量、点火タイミング、ＥＧＲバルブに与える制御入力のうちの少なくとも一つを補正する。

また、現在の内燃機関の運転領域に対応する燃料噴射量、点火タイミングまたはＥＧＲバルブ開度のマップデータを記憶保持しており、そのマップデータに規定された燃料噴射量、点火タイミングまたはＥＧＲバルブ開度を補正する。

本発明によれば、実際にＥＧＲバルブを通過するＥＧＲガスの分圧または流量に応じた補正を加えて、内燃機関の性能のより一層の向上を図ることができる。

本発明の一実施形態における内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。 同実施形態の内燃機関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。

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ストロークガソリンエンジンであり、複数の気筒１（例えば、三気筒エンジン。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、吸気ポートに向けて燃料を噴射するインジェクタ１１を気筒１毎に設けている。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。

排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、排気通路４と吸気通路３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における触媒４１の下流の所定箇所に接続している。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の下流の所定箇所（特に、サージタンク３３または吸気マニホルド３４）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（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）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は、複数基のＥＣＵまたはコントローラが、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の電気通信回線を介して相互に通信可能に接続されてなるものであることがある。

ＥＣＵ０の入力インタフェースには、車両の実車速（または、車輪の回転速度）を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、内燃機関の出力軸である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クランク角センサから出力されるクランク角信号ｂ、運転者による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、要求されるエンジン負荷率またはエンジントルク）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、気筒１に連なる吸気通路３（特に、サージタンク３３または吸気マニホルド３４）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ｄ、内燃機関の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ｅ、排気通路４を流れるガスの空燃比を検出する空燃比センサから出力される空燃比信号ｆ、外気温やエンジンコンパートメント（エンジンルーム）内の温度を検出する温度センサから出力される信号ｇ、大気圧を検出する大気圧センサから出力される大気圧信号ｈ等が入力される。

ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、内燃機関の点火プラグ１２の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の弁体を駆動するモータに対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３の弁体を駆動するモータ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、内燃機関及び車両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、要求燃料噴射量、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（一度の燃焼に対する点火の回数を含む）、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲガス量）等といった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。

ＥＣＵ０は、現在の内燃機関の運転領域［エンジン回転数，サージタンク３３内吸気圧（または、アクセル開度等）］に応じて、インジェクタ１１から気筒１に対し噴射する燃料の基本量ＴＰを決定する。基本噴射量ＴＰは、気筒１に吸入される空気（新気）量に比例した、目標空燃比（通常、理論空燃比またはその近傍の値）を具現するために必要な燃料の量である。ＥＣＵ０のメモリには予め、内燃機関の運転領域と基本噴射量ＴＰ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、現在の内燃機関の運転領域のパラメータをキーとして当該マップを検索し、基本噴射量ＴＰを得る。加えて、内燃機関の運転状況や環境条件等に応じて定まる各種補正係数Ｋを、基本噴射量ＴＰに乗じる。

混合気の空燃比をフィードバック制御する際には、さらに、上記の基本噴射量ＴＰを、排気通路４における触媒４１の上流側及び／または下流側のガスの空燃比に応じて定まるフィードバック補正係数ＦＡＦで補正する。フィードバック補正係数ＦＡＦは、空燃比センサを介して実測されるガスの空燃比と目標空燃比との偏差に応じて調整され、実測空燃比が目標空燃比に対してリーンであるときには増加し、実測空燃比が目標空燃比に対してリッチであるときには減少する。

最後に、インジェクタ１１の無効噴射時間ＴＡＵＶを加味して、最終的な燃料噴射時間Ｔを算定する。燃料噴射時間Ｔは、
Ｔ＝ＴＰ×Ｋ×ＦＡＦ＋ＴＡＵＶ
となる。ＥＣＵ０は、燃料噴射時間Ｔだけインジェクタ１１に信号ｊを通電し、インジェクタ１１を開弁して燃料を噴射させる。

また、ＥＣＵ０は、現在の内燃機関の運転領域［エンジン回転数，サージタンク３３内吸気圧（または、アクセル開度等）］に応じて、点火プラグ１２による混合気への火花点火のタイミングを決定する。ＥＣＵ０のメモリには予め、内燃機関の運転領域と点火タイミング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、現在の内燃機関の運転領域のパラメータをキーとして当該マップを検索し、点火タイミングを得る。

並びに、ＥＣＵ０は、現在の内燃機関の運転領域［エンジン回転数，サージタンク３３内吸気圧（または、アクセル開度等）］に応じて、ＥＧＲバルブ２３の開度を決定する。ＥＣＵ０のメモリには予め、内燃機関の運転領域とＥＧＲバルブ２３に開度操作信号ｌとして与える制御入力（例えば、弁体を駆動するステッピングモータに与える駆動パルスの数であるステップ数）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、現在の内燃機関の運転領域のパラメータをキーとして当該マップを検索し、ＥＧＲバルブ２３に与える制御入力ｌを得る。

上掲の燃料噴射量、点火タイミング及びＥＧＲバルブ２３開度のマップデータは、何れも、ＥＧＲバルブ２３の入出力特性が公称値（公差の中央値）通りであることを前提として作成されている。ＥＧＲバルブ２３の入出力特性とは即ち、ＥＧＲバルブ２３に与える制御入力ｌと、その制御入力ｌを与えたときのＥＧＲバルブ２３の実効的な開度、換言すれば実際にＥＧＲ通路２１経由で吸気通路３に流入するＥＧＲガスの分圧または流量との関係のことである。燃料噴射量は、吸気に占めるＥＧＲガスの割合が多いほど（新気の割合が少ないほど）減量するべきである。さもなくば、空燃比が不当にリッチ化する。また、点火タイミングは、吸気に占めるＥＧＲガスの割合が多いほど進角する傾向にある。ＥＧＲ率が高まれば、着火燃焼しにくくなるが、ノッキングに代表される異常燃焼も惹起しにくいからである。

ところが、ＥＧＲバルブ２３の入出力特性は、恒常的に一定ではない。個体差が存在する上に、異物がＥＧＲ通路２１やＥＧＲバルブ２３の弁体若しくは弁座に付着し堆積する経年変化の影響を受ける。

そこで、図２に示すように、本実施形態のＥＣＵ０は、内燃機関のファイアリング運転中（但し、燃料カット中やアイドリング中を除く）、エンジン回転数、スロットルバルブ３２の開度、ＥＧＲバルブ２３の開度の変化がそれぞれ所定幅の範囲内に収まっている状態が一定時間以上継続している定常運転中に（ステップＳ１）、排気通路４からＥＧＲバルブ２３を通過して吸気通路３に貫流するＥＧＲガスの実際の分圧または流量の推定を行う（ステップＳ２）。そして、その推定した実際のＥＧＲガス分圧または流量に応じて、以後の内燃機関の運転制御における燃料噴射量及び点火タイミング、またはＥＧＲバルブ３２に与える制御入力ｌに補正を加えるようにする（ステップＳ３）。

ステップＳ２に関して、ＥＣＵ０メモリには予め、内燃機関の運転領域［エンジン回転数，スロットルバルブ３２開度］及びＥＧＲバルブ３２開度の制御入力ｌと、そのときに想定される本来のサージタンク３３内吸気温または吸気圧の基準値の関係を規定したマップデータが格納されている。想定される本来の吸気温または吸気圧の基準値とは、ＥＧＲバルブ２３の入出力特性が公称値通りであるときの吸気温または吸気圧の値を言い、内燃機関の開発または適合の段階で実験的に求められる。ステップＳ２にて、ＥＣＵ０は、現在の内燃機関の運転領域及びＥＧＲバルブ３２開度の制御入力ｌをキーとして当該マップを検索し、吸気温または吸気圧の基準値を得る。そして、吸気温・吸気圧センサの出力信号ｄを参照して実測される吸気温または吸気圧と、上記の基準値とを比較することにより、現在のＥＧＲバルブ２３の入出力特性、即ち公称値よりも実際のＥＧＲガスの分圧が大きくまたはＥＧＲガスの流量が多いのか、あるいは逆に公称値よりも実際のＥＧＲガスの分圧が小さくまたはＥＧＲガスの流量が少ないのかを知得する。さらには、実際のＥＧＲガスの分圧または流量の公称値からの乖離の度合いをも求める。

ステップＳ２では、現在の外気温、大気圧、内燃機関の冷却水温、空燃比フィードバック補正量ＦＡＦのうちの少なくとも一つを考慮に入れることが好ましい。吸気温または吸気圧の基準値のマップデータは、外気温、大気圧、冷却水温がそれぞれ所定値、しかも混合気の空燃比が目標空燃比に正しく制御されているという前提の下で作成されている。現実には、そのときの外気温や大気圧、冷却水温が高いほど、サージタンク３３内の吸気温または吸気圧も高くなる。そこで、実測の吸気温または吸気圧と比較するべき基準値を、現在の外気温が高いほど、大気圧が高いほど、または冷却水温が高いほど、高い値に引き上げる。または、吸気温または吸気圧の基準値と比較するべき実測値を、現在の外気温が高いほど、大気圧が高いほど、または冷却水温が高いほど、低い値に引き下げる。

空燃比フィードバック補正量ＦＡＦは、気筒１に充填される混合気の空燃比の目標空燃比からの乖離を示唆する。補正量ＦＡＦが大きい、即ち空燃比がリーン気味であるということは、想定よりもＥＧＲ分圧が小さく新気（特に、酸素）分圧が大きいことを示唆する。補正量ＦＡＦが小さい、即ち空燃比がリッチ気味であるということは、想定よりもＥＧＲ分圧が大きく新気分圧が小さいことを示唆する。そこで、ＦＡＦが大きいほど、実際のＥＧＲガスの分圧が小さくまたはＥＧＲガスの流量が少ないと判断するのである。

ステップＳ３では、以後の内燃機関の制御における、燃料噴射量及び点火タイミングのマップデータの値に加味するべき補正量、またはＥＧＲバルブ２３開度のマップデータの値に加味するべき補正量を決定する。実際のＥＧＲガスの分圧が小さくまたはＥＧＲガスの流量が少ないほど、燃料噴射量を増量補正し、及び／または、点火タイミングを遅角補正する。あるいは、ＥＧＲバルブ２３に制御入力ｌとして与える開度を縮小補正する。逆に、実際のＥＧＲガスの分圧が大きくまたはＥＧＲガスの流量が多いほど、燃料噴射量を減量補正し、及び／または、点火タイミングを進角補正する。あるいは、ＥＧＲバルブ２３に制御入力ｌとして与える開度を拡大補正する。

その上で、ステップＳ３にて決定した補正量により補正を加えた燃料噴射量、点火タイミング、ＥＧＲバルブ２３開度に則り、内燃機関を運転制御するのである。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態には限定されない。各部の具体的な構成や処理の手順等は、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。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１１…インジェクタ
１２…点火プラグ
２…排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置
３２…ＥＧＲバルブ
３…吸気通路
３２…スロットルバルブ
４…排気通路
ａ…車速信号
ｂ…クランク角信号
ｃ…アクセル開度信号
ｄ…吸気温・吸気圧信号
ｅ…冷却水温信号
ｉ…点火信号
ｊ…燃料噴射信号
ｋ…スロットルバルブ開度操作信号
ｌ…ＥＧＲバルブ開度操作信号

Claims (3)

1. 排気通路を吸気通路におけるスロットルバルブの下流に連通させるＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路を開閉するＥＧＲバルブとを有する排気ガス再循環装置が付帯した内燃機関を制御するものであって、
   エンジン回転数及びスロットルバルブ開度、並びに制御入力を所定条件下にてＥＧＲバルブに与えているときの、前記吸気通路におけるスロットルバルブの下流の吸気温または吸気圧を、センサを介して検出し、
   検出した前記吸気温または前記吸気圧に応じて、以後の運転制御における燃料噴射量、点火タイミング、ＥＧＲバルブに与える制御入力のうちの少なくとも一つを補正する内燃機関の制御装置。
2. 検出した前記吸気温または前記吸気圧に、さらに検出時の外気温、大気圧、当該内燃機関の冷却水温、空燃比フィードバック補正量のうちの少なくとも一つを加味して、前記制御入力を前記ＥＧＲバルブに与えているときの実際のＥＧＲガスの流量を推算し、
   推算した前記ＥＧＲガスの流量に応じて、以後の運転制御における前記燃料噴射量、前記点火タイミング、前記ＥＧＲバルブに与える制御入力のうちの少なくとも一つを補正する請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 当該内燃機関の運転領域に対応する前記燃料噴射量、前記点火タイミングまたは前記ＥＧＲバルブ開度のマップデータを記憶保持しており、
   前記マップデータに規定された前記燃料噴射量、前記点火タイミングまたは前記ＥＧＲバルブ開度を補正するものである請求項１または２記載の内燃機関の制御装置。

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