JP4696226B2 - 内燃機関の吸気制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の吸気制御装置に係り、詳しくは、燃焼室内に流入する吸気の流れを制御する技術に関する。

内燃機関（エンジン）の排気の一部を吸気系に還流させるＥＧＲ（排気還流）装置が知られている。ＥＧＲ装置は、吸気通路と排気通路とを連通し排気を吸気通路に導入するＥＧＲ通路と、このＥＧＲ通路を開閉するＥＧＲ弁とを備えており、ＥＧＲ弁はエンジンの運転状態に基づいて開閉制御される。
一方、エンジンの燃焼室内に流入する吸気の流れを制御して、燃焼室内で吸気に回転流を発生させ、燃料の燃焼を促進させる吸気制御装置が知られている。この吸気制御装置では、吸気通路に開閉弁であるＦＣＶ（フローコントロールバルブ：吸気流制御弁）を設け、例えば吸気通路の下部を閉塞することで、吸気を吸気通路内で上方に片寄らせて流通させタンブル流（回転流）を発生させる。ＦＣＶは、一般的に、ＥＧＲ弁の切り換えに伴って切り換えられる。例えば、エンジンが高負荷高回転となり、ＥＧＲ弁が開状態から閉作動したときには、このＥＧＲ弁の閉作動に伴ってＦＣＶを開作動させる（特許文献１）。
特許第３４０７６４８号公報

しかしながら、ＦＣＶは、閉作動時に燃焼室内で回転流を強く発生させるために、エンジンの吸気ポートに極力近接して配置されている。また、ＥＧＲ通路は構造上ＦＣＶの上流で吸気通路と接続している。このため、ＦＣＶが開状態から閉作動するとすぐに回転流が強まるものの、ＥＧＲ弁が閉作動してから燃焼室内における実際のＥＧＲ率が目標値に低下するまで応答遅れが発生してしまう。したがって、エンジンの回転速度や負荷が上昇して、ＥＧＲ弁が開状態から閉作動したときに、上記のような応答遅れにより、燃焼室内に還流した排気が残留しているうちにＦＣＶが開作動すると、燃焼性が悪化しドライバビリティが低下する可能性がある。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、還流した排気が燃焼室内に残留している状態で吸気流制御弁が開作動することによる燃焼性の悪化を防止する内燃機関の吸気制御装置を得ることにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の内燃機関の吸気制御装置では、内燃機関の吸気通路に設けられ、吸気通路を開閉して、内燃機関の燃焼室に流入する吸気の流れを制御する吸気流制御弁と、内燃機関の排気を吸気通路に導入する排気還流通路と、排気還流通路を開閉する排気還流弁と、排気還流通路による排気の還流率を推定する還流率推定手段と、排気還流弁が開閉するとき、還流率推定手段により推定された還流率に基づいて吸気流制御弁の作動を制御する制御手段とを含んで構成され、前記制御手段は、前記排気還流弁が閉作動して、前記還流率推定手段により推定された還流率が低下し第１の所定値に達したときに、前記吸気流制御弁を閉状態から開状態に切り換え、前記排気還流弁が開作動して、該還流率推定手段により推定された還流率が上昇し、前記第１の所定値より小さい第２の所定値に達したときに、該吸気流制御弁を開状態から閉状態に切り換えることを特徴とする。

本発明の請求項１の内燃機関の吸気制御装置によれば、排気還流弁が閉作動するときには、排気の還流率が第１の所定値に低下するまで吸気流制御弁の開作動が規制されるので、排気還流弁が開状態から閉作動したときに還流率がすぐに低下しなくとも、還流した排気が燃焼室内に残留している状態での吸気流制御弁の開作動を防止することができる。また、排気還流弁が開作動するときには、排気の還流率が第１の所定値より小さい第２の所定値に上昇するまで吸気流制御弁の閉作動を規制することができるので、排気の還流開始から比較的すぐに吸気流制御弁が閉作動することとなり、還流開始時において燃焼室内での混合気の流動をすぐに強くすることができる。
従って、還流した排気が燃焼室内に残留している状態での燃焼室内での混合気の流動の低下を抑制して燃焼性の悪化を防止することができる。

以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る内燃機関の吸気系の構成図である。
図１に示すように、内燃機関であるエンジン１のシリンダヘッド２には、吸気ポート３及び排気ポート４が形成されている。吸気ポート３の燃焼室５側には吸気ポート３と燃焼室５との連通と遮断とを行う吸気弁６が、排気ポート４の燃焼室５側には排気ポート４と燃焼室５との連通と遮断とを行う排気弁７が各気筒毎にそれぞれ設けられている。吸気弁６及び排気弁７は、エンジン回転に応じて回転するカムシャフトのカムに倣って作動し、吸気弁６は吸気ポート３を、排気弁７は排気ポート４を開閉する。

各吸気ポート３には吸気マニホールド１０の一端が、排気ポート４には排気マニホールド１１の一端が夫々接続され連通している。吸気マニホールド１０の他端には吸気管１２が、排気マニホールド１１の他端には排気管１３が接続され連通している。
また、シリンダヘッド２には各気筒毎に電磁式の燃料噴射弁（図示せず）が取り付けられている。燃料噴射弁は、図示しない燃料タンクから供給された燃料を燃焼室５内に噴射する。

吸気管１２には、吸入空気量を調節する電磁式のスロットル弁２０が設けられている。スロットル弁２０と吸気マニホールド１０との間の吸気管１２には、サージタンク２１が介装されている。サージタンク２１と排気マニホールド１１との間には、吸気通路と排気通路とを接続し連通するＥＧＲ管（排気還流通路）２２が設けられている。ＥＧＲ管２２は排気の一部をサージタンク２１に導入する機能を有し、サージタンク２１はスロットル弁２０を通過した吸気にＥＧＲ管２２によって導入された排気を混合させる機能を有している。ＥＧＲ管２２には電磁式の開閉弁であるＥＧＲ弁（排気還流弁）２３が介装されている。

吸気マニホールド１０にはＦＣＶ（吸気流制御弁）２４が設けられている。ＦＣＶ２４は、例えば、バタフライバルブあるいはシャッターバルブのような開閉弁であって、内蔵するステップモータによって作動する。ＦＣＶ２４は、吸気マニホールド１０内の吸気通路の断面の下側半分を開閉する。即ち、ＦＣＶ２４は、吸気通路の断面の上側に開口部を形成し、その開口部の開口面積を調節する。

ＥＣＵ（電子コントロールユニット、本発明の制御手段に該当する）３０は、エンジン１等の制御を行うよう構成され、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成されている。
ＥＣＵ３０の入力側には、図示しない空燃比センサ等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力される。

一方、ＥＣＵ３０の出力側には、スロットル弁２０、燃料噴射弁等の各種出力デバイスが接続されており、これら各種出力デバイスには各種センサ類からの検出情報に基づきＥＣＵ３０において演算された燃料噴射量、燃料噴射時期等がそれぞれ出力され、これにより、適正なタイミングでスロットル弁２０が開閉操作されるとともに、燃料噴射弁から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射される。

更に、ＥＣＵ３０には、実際の排気還流率（実ＥＧＲ率）Ｒeを推定する実ＥＧＲ率推定機能（本発明の還流率推定手段に該当する）が備えられている。実ＥＧＲ率Ｒeは、例えば特開２００４−１１６１８号公報に記載されているように、ＥＧＲ弁２３の開度及びＥＧＲ管２２を通過する排気の流速等に基づいて推定される。あるいは、吸気マニホールド１０内に酸素濃度センサまたは二酸化炭素濃度センサを備え、これらのセンサの検出値に基づいて実ＥＧＲ率Ｒeを推定してもよい。これより、ＥＣＵ３０は、エンジン１の回転速度Ｎe及び負荷に基づいて目標ＥＧＲ率Ｒtを設定し、ＥＧＲ率推定機能により推定された実ＥＧＲ率Ｒeが目標ＥＧＲ率Ｒtに一致するように、ＥＧＲ弁２３を開閉制御する。

また、ＥＣＵ３０は、エンジン１の回転速度Ｎe及び負荷（体積効率Ｅv）に基づいてＦＣＶ２４を開閉制御して燃焼室１１内での吸気のタンブル流（回転流）の強さを切り換える。このＦＣＶ２４の開閉は、図２に示すようなマップを用いて判定される。図２に示すように、エンジン１が低回転または低負荷時では、ＦＣＶ２４を閉作動させることでタンブル流を強くして燃焼性を向上させ燃焼の安定化を図る一方、高回転高負荷時ではＦＣＶ２４を開作動させることで吸気抵抗の上昇を抑制して高出力を確保するようにしている。

本発明の吸気制御装置は、更にＥＧＲ率に基づいてＦＣＶ２４を開閉制御するものであり、以下にその制御について詳述する。
ＥＣＵ３０は、上述の回転速度Ｎe及び体積効率Ｅvに基づくＦＣＶ２４の開閉制御において、開フラグがＯＮであるときにＦＣＶ２４の閉状態から開状態への切換作動を許容し、開フラグがＯＦＦであるときにＦＣＶ２４の開状態から閉状態への切換作動を禁止する。

図３は、ＥＣＵ３０での開フラグ判定制御の制御手順を示すフローチャートである。
本ルーチンはエンジン１の作動開始に伴い実行が開始される。
先ず、ステップＳ１０では、エンジン１の負荷に相当する体積効率Ｅvを入力する。そして、ステップＳ１２に進む。なお、本実施形態ではエンジンの負荷として体積効率Ｅvを用いているが、この他に例えば燃料噴射圧等を用いてもよい。

ステップＳ１２では、例えば回転速度センサからエンジン１の回転速度Ｎeを入力する。そして、ステップＳ１４に進む。
ステップＳ１４では、ステップＳ１０において入力した体積効率Ｅv及びステップＳ１２において入力した回転速度Ｎeに基づいて、ＦＣＶ２４が開領域か否かを判別する。開領域である場合は、ステップＳ１６に進む。なお、この開領域か否かの判別は、前述した図２のマップを用いて、体積効率Ｅv及び回転速度Ｎeに基づいて判定すればよい。

ステップＳ１６では、ステップＳ１０において入力した体積効率Ｅv及びステップＳ１２において入力した回転速度Ｎeに基づいて、目標ＥＧＲ率Ｒtを設定する。目標ＥＧＲ率Ｒtの設定は、あらかじめＥＣＵ３０に記憶させておいたＦＣＶ開時におけるＥＧＲ率Ｒeのマップから体積効率Ｅv及び回転速度Ｎeに応じて読み出すことによって行なわれる。そして、ステップＳ１８に進む。

ステップＳ１８では、前述した実ＥＧＲ率推定機能により実ＥＧＲ率Ｒeを推定し、この推定された実ＥＧＲ率Ｒeが第１の所定値Ｒ1以下であるか否かを判別する。実ＥＧＲ率Ｒeが第１の所定値Ｒ1以下である場合はステップＳ２０に進む。実ＥＧＲ率Ｒeが第１の所定値Ｒ1より大きい場合は本制御を終了する。なお、この第１の所定値Ｒ1は、例えばアイドリング時等の低回転時においてＦＣＶ２４が開作動しても燃焼が不安定にならないようなＥＧＲ率に設定すればよい。

ステップＳ２０では、ＦＣＶ２４の開フラグをＯＮにする。そして、本制御を終了する。
一方、ステップＳ１４において、ＦＣＶ２４が開領域でない（閉領域である）と判定された場合は、ステップＳ３０に進む。
ステップＳ３０では、ステップＳ１０において入力した体積効率Ｅv及びステップＳ１２において入力した回転速度Ｎeに基づいて、目標ＥＧＲ率Ｒtを設定する。ここでの目標ＥＧＲ率Ｒtの設定は、あらかじめＥＣＵ３０に記憶させておいたＦＣＶ閉時における目標ＥＧＲ率Ｒtのマップから体積効率Ｅv及び回転速度Ｎeに応じて読み出すことによって行なわれる。そして、ステップＳ３２に進む。

ステップＳ３２では、ＦＣＶ２４の開フラグをＯＦＦにする。そして、本制御を終了する。
図４は、ＦＣＶ２４及びＥＧＲ弁２３の開閉タイミングを示すタイミングチャートである。図４に示すように、ＥＧＲ弁２３を開状態から閉作動させると、ＥＧＲ弁２３の応答遅れ及びＥＧＲガス（還流する排気）の輸送遅れにより実ＥＧＲ率Ｒeはすぐには低下せず徐々に低下する。本実施形態では、実ＥＧＲ率Ｒeが第１の所定値Ｒ1に達した時点でＦＣＶ２４の開フラグがＯＮとなり、ＦＣＶ２４の開作動が行われる。

このように、本実施形態では、実ＥＧＲ率Ｒeが第１の所定値Ｒ1以下になるとＦＣＶ２４の開作動が許可される、即ちＥＧＲ弁２３が開状態から閉作動したときに実ＥＧＲ率Ｒeが第１の所定値Ｒ1まで低下するまではＦＣＶ２４の開作動が禁止されるので、ＥＧＲガスが燃焼室内に多く残留している状態での燃焼室内での混合気の流動の低下を抑制して燃焼性の悪化を防止することができる。また、本実施形態では、実ＥＧＲ率Ｒeに基づいてＦＣＶ２４の開作動が制御されるので、例えＥＧＲ弁２３が閉作動してから実ＥＧＲ率Ｒeが十分に低下するまでの時間が変動する場合でも、実ＥＧＲ率Ｒeが十分に低下していない状態でＦＣＶ２４が開作動することを確実に防止することができる。

本発明の第２の実施形態では、第１の実施形態におけるＦＣＶ２４の閉状態から開状態への切換作動を許容または禁止する制御の他に、更にＦＣＶ２４の開状態から閉状態への切換作動を許容または禁止する制御も実施する。ＥＣＵ３０は、更に、閉フラグがＯＮであるときにＦＣＶ２４の開状態から閉状態への切換作動を許容し、閉フラグがＯＦＦであるときにＦＣＶ２４の閉状態から開状態への切換作動を禁止する。

図５は、ＥＣＵ３０での開フラグ及び閉フラグ判定制御の制御手順を示すフローチャートである。以下、第１の実施形態における図３に示す開フラグ判定制御に対する相違点のみ説明する。
ステップＳ１６の後に、ステップＳ５０に進む。
ステップＳ５０では、ＦＣＶ２４の閉フラグをＯＦＦにする。そして、ステップＳ１８に進む。

一方、ステップＳ３２の後には、ステップＳ５２に進む。
ステップＳ５２では、前述した実ＥＧＲ率推定機能により実ＥＧＲ率Ｒeを推定し、この推定された実ＥＧＲ率Ｒeが第２の所定値Ｒ2以上であるか否かを判別する。実ＥＧＲ率Ｒeが第２の所定値Ｒ2以上である場合はステップＳ５４に進む。実ＥＧＲ率Ｒeが第２の所定値Ｒ2より小さい場合は本制御を終了する。なお、この第２の所定値Ｒ2は、第１の所定値Ｒ１より小さい値に設定すればよい。

ステップＳ５４では、ＦＣＶ２４の閉フラグをＯＮにする。そして、本制御を終了する。
以上のように制御することで、本発明の第２の実施形態では、実ＥＧＲ率Ｒeが第２の所定値Ｒ2以上になるとＦＣＶ２４の閉作動が許可される、即ちＥＧＲ弁２３が閉状態から開作動したときに実ＥＧＲ率Ｒeが第２の所定値Ｒ2まで上昇するまではＦＣＶ２４の閉作動が禁止される。ここで、第２の所定値Ｒ2は第１の所定値Ｒ１より小さく設定されているので、ＥＧＲ弁２３が開弁して比較的すぐにＦＣＶ２４が閉弁することとなる。したがって、排気還流開始時において燃焼室５内での混合気の流動がすぐに強くなるので、このとき実ＥＧＲ率Ｒeが急速に上昇しても燃焼性の低下を防止することができる。

なお、以上のような第２の実施形態では、ＥＧＲ弁２３が閉状態から開作動する場合では、実ＥＧＲ率Ｒeに基づいてＦＣＶ２４の開作動を許可するが、このような場合においてＥＧＲ弁２３の開作動と同時にＦＣＶ２４の閉作動を許可してもよい。このようにすれば、ＥＧＲ弁２３が開弁すると同時にＦＣＶ２４が閉弁することとなり、実ＥＧＲ率Ｒeが更に急速に上昇しても燃焼性の低下を確実に防止することができる。

本発明に係る内燃機関の吸排気系の構成図である。 ＦＣＶの開閉制御に用いられるマップである。 本発明の第１の実施形態における開フラグ判定制御手順を示すフローチャートである。 ＦＣＶ及びＥＧＲ弁の開閉タイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態における開フラグ及び閉フラグ判定制御手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ エンジン
２２ ＥＧＲ通路
２３ ＥＧＲ弁
２４ ＦＣＶ
３０ ＥＣＵ

Claims (1)

1. 内燃機関の吸気通路に設けられ、前記吸気通路を開閉して、前記内燃機関の燃焼室に流入する吸気の流れを制御する吸気流制御弁と、
   前記内燃機関の排気を前記吸気通路に導入する排気還流通路と、
   前記排気還流通路を開閉する排気還流弁と、
   前記排気還流通路による排気の還流率を推定する還流率推定手段と、
   前記排気還流弁が開閉するとき、前記還流率推定手段により推定された還流率に基づいて前記吸気流制御弁の作動を制御する制御手段とを含んで構成され、
   前記制御手段は、
   前記排気還流弁が閉作動して、前記還流率推定手段により推定された還流率が低下し第１の所定値に達したときに、前記吸気流制御弁を閉状態から開状態に切り換え、
   前記排気還流弁が開作動して、該還流率推定手段により推定された還流率が上昇し、前記第１の所定値より小さい第２の所定値に達したときに、該吸気流制御弁を開状態から閉状態に切り換えることを特徴とする内燃機関の吸気制御装置。

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