JP5049926B2 - 内燃機関の排気ガス還流制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、排気ガスを吸気系に還流させる排気ガス還流装置及び少なくとも吸気弁と排気弁との一方の開閉タイミングを制御する可変バルブタイミング機構を備える内燃機関におけるガス還流制御方法に関するものである。

従来、排気ガスを吸入空気に混合する排気ガスの還流を実施する内燃機関にあっては、長年の使用により燃焼室内に煤などを含むデポジットが付着することがある。デポジットが付着することにより、燃焼室内の温度が上昇したり圧縮比が高くなるなどの変化が生じ、排気ガス還流の制御を実施している場合にノッキングが発生しやすくなる。したがって、この種の内燃機関では、点火時期を遅角することによりノッキングの発生を防ぐように、点火時期制御を実施するものである。

例えば、特許文献１に記載にものでは、点火時期制御の結果、点火時期もしくは点火時期の遅角量がサージ発生域に入っているか否かを判定し、点火時期がサージ発生域に入っていると判定した場合には排気ガスの還流を停止させるか、あるいは排気ガスの還流量を通常の場合より減少させるように制御している。
特開平４‐３２５７５２号公報

ところが、このような構成のものであると、燃焼室内の経年変化により点火時期を遅角するように制御し、点火時期がサージ発生域に入った際には排気ガスの還流を停止するなどするので、ノッキングによるサージングを防止することはできるものの、排気ガスの還流による燃費の改善は見込めない。つまり、サージングを防止するために、燃費を維持することが困難になる可能性が高くなる不具合を生じた。

そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。

すなわち、本発明の内燃機関の排気ガス還流制御方法は、排気ガスを吸気系のスロットルバルブよりも下流側に還流させる排気ガス還流管路と、この排気ガス還流管路を通過する排気ガスの流量を調整する排気ガス還流制御弁とを備えてなる排気ガス還流装置、及び吸気弁と排気弁との少なくとも一方の開閉タイミングを制御する可変バルブタイミング機構を備えてなる内燃機関において、運転状態に応じて排気ガス還流装置による排気ガス還流と可変バルブタイミング機構によるバルブタイミングの制御とを切り替える内燃機関の排気ガス還流制御方法であって、排気ガス還流装置による排気ガスの還流を実施している際の点火時期の遅角量を学習し、学習した遅角量が燃費率に基づいて設定される還流実施判定量を上回っている場合は排気ガス還流装置による排気ガスの還流を停止し、その後はその遅角量における燃費率が排気ガス還流装置による排気ガス還流よりも良好な可変バルブタイミング機構によるバルブタイミングの制御を実施することを特徴とする。

このような構成によれば、例えば、排気ガス還流装置による排気ガスの還流を実施していて、内燃機関の燃焼室内にデポジットが付着し、ノッキングなどを抑制するために点火時期を遅角させる制御をした場合、学習した遅角量が還流実施判定量を上回る燃費率が低下する可能性がある状態を判定して、排気ガス還流装置による排気ガスの還流を停止する。そして、排気ガス還流装置による排気ガスの還流に代えて、可変バルブタイミング機構によるバルブタイミングの制御を実施することにより、排気ガスの還流を気筒内で実施し、燃費率の低下とノッキングの発生などを抑制することが可能になる。

内燃機関の運転を再開する場合における燃費率を向上させるためには、学習した遅角量が機関停止後も記憶されるものであって、機関停止時点において学習した遅角量が還流実施判定量を上回って記憶され、その状態で内燃機関の運転が再開された場合は、強制的に排気ガス還流装置による排気ガスの還流を所定時間実施し、所定時間内における点火時期の遅角量を学習し、学習した遅角量が排気ガスの還流実施判定量以下である場合は排気ガス還流装置による排気ガスの還流を再開することが好ましい。

本発明は、以上説明したような構成であり、点火時期の遅角量が、排気ガス還流装置による排気ガスの還流の実施を判定する還流実施判定量を上回った場合に、排気ガス還流装置による排気ガスの還流に代えて、可変バルブタイミング機構によるバルブタイミングの制御を実施することにより、排気ガスの還流を気筒内で実施し、燃費率の低下とノッキングなどを抑制することができる。

以下、本発明の一実施形態を、図１〜３を参照して説明する。

図１に１気筒の構成を概略的に示したエンジン１００は、例えば自動車に搭載されるものである。このエンジン１００は、吸気系１、シリンダ２及び排気系５を備えている。吸気系１には、図示しないアクセルペダルに応じて開閉するスロットルバルブ１１が設けてあり、そのスロットルバルブ１１の下流には、サージタンク１３を一体に有する吸気マニホルド１２が取り付けてある。シリンダ２上部に形成される燃焼室２３の天井部には、点火プラグ８が取り付けてある。吸気マニホルド１２の吸気ポート側端部には、燃料噴射弁３が取り付けてある。この燃料噴射弁３は、後述する電子制御装置４により制御される。さらに、サージタンク１３と、Ｏ₂センサ５１、三元触媒５２及び排気マニホルド５３を備える排気系５との間には、排気ガス還流装置６が接続される。

排気ガス還流装置６は、サージタンク１３に連通するように一方の端部が接続される排気ガス還流管路６１と、その排気ガス還流管路６１に設けられて排気ガス還流管路６１を通過する排気ガスの流量を制御する排気ガス還流制御弁６２とを備えて構成される。排気ガス還流管路６１の他方の端部は、排気５系に設けられる三元触媒５２の上流において排気系５に連通するように排気マニホルド５３に接続される。排気ガス還流装置６は、排気ガス還流制御弁６２が制御されるつまり開かれると、排気ガスが排気ガス還流制御弁６２の開度に応じた流量で排気ガス還流管路６１を通過して、スロットルバルブ１１よりも下流側つまりサージタンク１３内に還流させるものである。還流される排気ガスの流量は、排気ガス還流制御弁６２の開度に依存するもので、排気ガス還流制御弁６２の開度の制御は、電子制御装置４により行われる。

このエンジン１００は、排気弁２４の開閉タイミングを変更するための可変バルブタイミング機構９を備えている。可変バルブタイミング機構９は、いわゆる揺動シリンダ機構を利用したもので、吸気カムシャフト９１に固定されたロータと、ロータの外側に嵌められるハウジングと、ロータに対してハウジングを回動させるための電磁式４方向切換制御弁であるオイルコントロールバルブ９２と、互いに噛み合うように一方をハウジングに取り付けて他方を排気カムシャフト９３に固定した一対のギア９４，９５と、吸気カムシャフト９１の端部に取り付けられてクランク角度信号及び気筒判別用信号を出力するクランクセンサ９６と、排気カムシャフト９３の端部に取り付けられて２４０°ＣＡ（クランク角度）回転する毎に排気カム信号を出力するタイミングセンサ９７とを備える構成である。

このような構成において、排気弁２４の開閉タイミング、つまりバルブタイミングは、電子制御装置４から出力される開閉タイミング信号ｐにより可変バルブタイミング機構９が作動して変更されるものである。すなわち、可変バルブタイミング機構９は、開閉タイミング信号ｐを受けると、ハウジングに流出入する作動油の方向及び量をオイルコントロールバルブ９２により制御する。これにより、ロータに対するハウジングの相対角度が変化し、吸気カムシャフト９１と排気カムシャフト９３との間に所望の回転位相差を生じさせて、バルブタイミングを可変制御するものである。つまり、クランクシャフトの回転に対して、吸気弁２１を常に一定のタイミングで開閉させつつ、排気弁２４の開閉タイミングを変化させることにより、吸気弁２１の開閉タイミングと排気弁２４の開閉タイミングとの相対位相差を所定角度範囲内で自在に変化させることができる。そして、排気弁２４の閉じタイミングを早くすることにより、シリンダ２内に排気ガスを残留させることができ、排気ガスをシリンダ２の内部において還流するあるいは吸入空気に混合する状態、いわゆる内部ＥＧＲの実施となる。

電子制御装置４は、中央演算装置４１と、記憶装置４２と、入力インターフェース４３と、出力インターフェース４４とを備えてなるマイクロコンピュータシステムを主体に構成されている。中央演算装置４１は、記憶装置４２に格納された、以下に説明する種々のプログラムを実行して、エンジン１００の運転を制御するものである。中央演算装置４１には、エンジン１００の運転制御に必要な情報が入力インターフェース４３を介して入力されるとともに、中央演算装置４１は、燃料制御弁３、排気ガス還流制御弁６２、オイルコントロールバルブ９２などに対して制御信号を、出力インターフェース４４を介して出力する。

具体的には、入力インターフェース４３には、吸気マニホルド１２に流入する空気流量を検出するためのエアフロメータ７１から出力される空気流量信号ａ、エンジン回転数を検出するための回転数センサ７２から出力される回転数信号ｂ、車速を検出するための車速センサ７３から出力される車速信号ｃ、スロットルバルブ１１の開閉状態を検出するためのアイドルスイッチ７４から出力されるＩＤＬ信号ｄ、エンジン１００の冷却水温度を検出するための水温センサ７６から出力される水温信号ｆ、Ｏ₂センサ５１から出力される電圧信号ｈ、燃焼圧の変化によりノッキングの状態を検出するためのノッキングセンサ７５から出力されるノッキング信号ｅなどが入力される。一方、出力インターフェース４４からは、点火プラグ８に対して点火信号ｍ、燃料制御弁３に対して燃料噴射信号ｎ、排気ガス還流制御弁６２に対してバルブ開閉信号ｏ、可変バルブタイミング機構９のオイルコントロールバルブ９２に対して開閉タイミング信号ｐなどが出力される。

このような構成において、電子制御装置４は、エアフロメータ７１から出力される空気流量信号ａと回転数センサ７２から出力される回転数信号ｂとを主な情報として、運転状態に応じて設定される係数を用いて燃料噴射量を演算し、燃料噴射量に対応する燃料噴射時間つまり燃料噴射弁３に対する通電時間を決定し、その決定された通電時間により燃料噴射弁３を制御して、燃料を吸気系１に噴射させる。このような燃料噴射制御自体は、この分野で知られているものを適用するものであってよい。

また、電子制御装置４は、運転状況に応じて点火プラグ８の点火時期を決定し、点火プラグ８に点火信号ｍを出力するもので、ノッキングセンサ７５からのノッキング信号ｅに基づいて点火時期を遅角させるよう制御する。この点火時期の遅角制御において、電子制御装置４は、遅角した点火時期における遅角量を学習し、記憶装置４２に保存する。学習した遅角量つまり遅角学習量ａｋｇｒｇは、所定の時間毎に更新されるもので、イグニションスイッチをオフにした後も記憶装置４２に最新のものが保存されるものである。

さらに、エンジン１００が停止してピストン２５が下死点にある場合にシリンダ２内に入る空気量又は空気質量と、エンジン１００が運転中における同様にシリンダ２内に入る空気量又は空気質量との比である負荷率が所定の範囲にある場合に、排気ガス還流装置６による排気ガスの還流制御、すなわち外部ＥＧＲ制御を実施するＥＧＲ制御プログラムが電子制御装置４に格納してある。そして、このＥＧＲ制御プログラムにあっては、外部ＥＧＲ制御を実施している間に、点火時期を遅角させる点火時期制御を行った場合には点火時期の遅角量を学習し、遅角学習量ａｋｇｒｇが燃費率に基づいて設定される還流実施判定量を上回っている場合は外部ＥＧＲ制御における排気ガスの還流を停止して遅角学習量ａｋｇｒｇによる点火時期において燃費率が還流実施判定量以下である可変バルブタイミング機構９によるバルブタイミングの制御を実施するようプログラムしてある。ＥＧＲ制御プログラムの概略手順を、図２に示す。

なお、以下の説明においては、エンジン１００は、長年の使用により燃焼室２３内にはデポジットが付着していることを前提にするとともに、負荷率がＥＧＲ制御を実施する領域で運転されているものとする。また、点火時期の遅角制御にあっては、点火時期を進角した場合のノッキング限界設定値から、負荷率に応じて演算した遅角量だけ遅角して点火時期を設定するものである。あるいは、ノッキング限界設定値に対して全負荷率の領域において一律に遅角させて設定される最遅角量から、遅角学習量だけ進角させて得られる遅角量に対して、ノッキングセンサ７５のノッキング信号に基づく補正量により補正して、点火時期を遅角させる構成であってもよい。

このような運転状態において、まず、ステップＳ１では、点火時期の遅角量を学習する。すなわち、経年変化により、燃焼室２３内にデポジットが付着することで、例えば燃焼室２３内の温度が高くなっており、ノッキングが生じやすい状態であり、ノックセンサ７５からのノッキング信号に基づいて点火時期を遅角制御しているものである。なお、点火時期の遅角量の学習条件は、この分野で知られている点火時期制御における遅角量学習のものを適用するものであってよい。

次に、ステップＳ２では、外部ＥＧＲ制御を実施中の遅角学習量ａｋｇｒｇと還流実施判定量とを比較し、遅角学習量ａｋｇｒｇが還流実施判定量を上回っているか否かを判定する。この還流実施判定量は、種々の負荷率において外部ＥＧＲ制御を実施した場合に、外部ＥＧＲ制御を継続することで燃費率（トルクに対する燃料消費量）が低下する遅角量に基づいて設定してある。外部ＥＧＲ制御における燃費率は、負荷率が高くなるほど低くなるもので、低負荷率での運転状態では高い値を示し、高負荷率になるにしたがって低下する。これに対して、可変バルブタイミング機構９により排気弁２４の開閉タイミングを制御した場合、燃費率は、ほぼ一定値に維持することが可能である。

ステップＳ２における判定の結果、遅角学習量ａｋｇｒｇが還流実施判定量以下である、つまり遅角学習量ａｋｇｒｇが還流実施判定量より進角されたものである場合は、外部ＥＧＲ制御を継続してステップＳ１に戻り、遅角学習量ａｋｇｒｇが還流実施判定量を上回る、つまり遅角学習量ａｋｇｒｇが還流実施判定量より遅角されたものである場合はステップＳ３に進む。

ステップＳ３では、排気ガス還流装置６の制御を停止する。つまり、排気ガス還流制御弁６２を全閉して排気ガス還流管路６１を介しての排気ガスの還流を停止する。そしてステップＳ４では、排気ガス還流装置６の制御に代えて可変バルブタイミング機構９の制御を開始する。なお、一旦、外部ＥＧＲ制御を停止した場合は、イグニションスイッチがオフになる、つまり今回の運転が終了するまで、可変バルブタイミング機構９により排気弁２４の開閉タイミングを制御して、吸入空気に混合する排気ガスの量を調整するものである。言い換えれば、外部ＥＧＲ制御は、ステップＳ３の実行以降は、更新された遅角学習量ａｋｇｒｇが還流実施判定量以下になることがあっても、実行されるものではない。可変バルブタイミング機構９は、具体的には、排気弁２４をピストン２５が上死点に達する前に閉じることにより、排気するべき排気ガスの一部をシリンダ２内に残すことになり、その状態で吸気弁２１を開いて吸入空気に排気ガスを混合するものである。

以上の構成において、経年変化により燃焼室２３内にデポジットが付着し、ノッキングを生じやすい環境において、排気ガス還流装置６を制御し、排気ガスをサージタンク１３に還流する外部ＥＧＲ制御を実施している間に、運転状態の変化に応じて点火時期を遅角する。点火時期を遅角する場合、その時の遅角量を学習し（ステップＳ１）、遅角学習量ａｋｇｒｇが還流実施判定量を上回るエンジン１００の運転状態を判定した場合（ステップＳ２、「Ｙｅｓ」）は、外部ＥＧＲ制御を停止して（ステップＳ３）、燃費率のよい可変バルブタイミング機構９の制御を実施する（ステップＳ４）ことで、燃費率の低下を抑制することができる。この場合、還流実施判定量を遅角学習量ａｋｇｒｇに対する燃費率により設定することにより、点火時期の遅角によるトルク変動を生じやすい、つまり車両のサージングが生じる運転状態となることを抑制することが可能である。

次に、上述したように、遅角学習量ａｋｇｒｇが還流実施判定量を上回り外部ＥＧＲ制御を停止した状態でエンジン１００の運転を停止し、その後、エンジン１００の運転を再開する場合について、図３を交えて説明する。なお、以下の説明においては、エンジン１００を再始動後、その運転状態つまり負荷率が外部ＥＧＲ制御を実施する領域に達したものとする。負荷率が外部ＥＧＲ制御を実施する領域に達していない場合は、前回の運転における遅角学習量ａｋｇｒｇが維持されて外部ＥＧＲ制御に代えて可変バルブタイミング機構９の制御を実施するものである。

このような状況においてステップＳ１１では、負荷率が外部ＥＧＲ制御の運転領域に達した時点から所定時間、強制的に外部ＥＧＲ制御を実施する。すなわち、エンジン１００の前回の運転において、外部ＥＧＲ制御を停止して、代わりに可変バルブタイミング機構９の制御を実施する運転状態に切り替えている。このため、還流実施判定量を上回る遅角学習量ａｋｇｒｇがイグニションスイッチをオフした後も記憶されており、よって今回の運転においては外部ＥＧＲ制御を実施しない状態になっている。このような状態において、排気ガス還流装置６の排気ガス還流制御弁６２を所定時間の間に限り開いて、排気ガス還流管路６１を介して排気ガスをサージタンク１３に還流する。所定時間は、負荷率が外部ＥＧＲ制御の運転領域に達した時点からの実際の経過時間であってもよいし、あるいは任意の気筒の点火回数を計数して時間を換算するものであってもよい。この実施形態にあっては、所定時間は、その間に、遅角量の学習、つまり遅角学習量ａｋｇｒｇの更新を、複数回、例えば３回行える長さに設定する。

ステップＳ１２では、以上のようにして外部ＥＧＲ制御を実施している間の点火時期の遅角量の学習、すなわち遅角学習量ａｋｇｒｇの更新を行う。このステップＳ１２では、上述したように、規定の更新回数である３回を行うものである。この後、ステップＳ１３では、遅角学習量ａｋｇｒｇと還流実施判定量とを比較し、今回更新した遅角学習量ａｋｇｒｇが還流実施判定量を上回る結果となった場合は、このプログラムを終了して、可変バルブタイミング機構９によるバルブタイミングの制御（内部ＥＧＲ制御）を実行する。これとは逆に、今回更新した遅角学習量ａｋｇｒｇが還流実施判定量以下である結果が出た場合は、ステップＳ１４に進む。つまり、今回の運転に際して、燃焼室２３内のデポジットの状態がさらに変化しており、強制的に外部ＥＧＲ制御を実施することで点火時期が進角され、その結果、遅角学習量ａｋｇｒｇが還流実施判定量以下になるものである。ステップＳ１４では、ステップＳ１３の結果を受けて、外部ＥＧＲ制御を実施する。

上述したステップＳ１１〜ステップＳ１４による制御は、エンジン１００の経年変化の状態、つまり燃焼室２３内のデポジットの付着状態の変化に対応するために有効である。すなわち、前回のエンジン１００の運転にあっては、燃焼室２３内のデポジットが付着することにより、ノッキングセンサ７５のノッキング信号ｅに基づいて点火時期を遅角制御する必要が生じる。そして、遅角制御の結果として、外部ＥＧＲ制御を停止し、代わりに可変バルブタイミング機構９の制御を実施した。外部ＥＧＲ制御を停止すると、その後はその遅角量における燃費率が外部ＥＧＲ制御より良好な可変バルブタイミング機構９の制御を継続する。つまり、還流実施判定量以下の遅角量に相当する遅角量に対応する燃費率で可変バルブタイミング機構９の制御を継続する。そして、その状態での運転を継続する間には、燃焼室２３内のデポジットが消滅することも起こり得るものである。

ところが、上述のステップＳ１〜ステップＳ４による制御において外部ＥＧＲ制御を停止した場合、次回にエンジン１００を運転する場合においても、遅角学習量ａｋｇｒｇはリセットあるいは初期化されないので、外部ＥＧＲ制御を停止したままでエンジン１００は運転される。しかしながら、この一方で、上述したように、可変バルブタイミング機構９の制御を実行している間に、燃焼室２３内のノッキングにかかわる要因が変化、つまり消滅することがある。このような運転状態の場合に、外部ＥＧＲ制御を停止したままであると、還流実施判定量以下の、ある遅角量に対する燃費率が可変バルブタイミング機構９の制御におけるものより良好な外部ＥＧＲ制御を実施することができない。つまり、燃費率を高くして運転を維持することができないと言う不具合が生じる。

それゆえ、前回の運転においては、外部ＥＧＲ制御を停止した運転を継続している間は、燃焼室２３内の変化にかかわらず可変バルブタイミング機構９の制御を継続するが、一旦この前回の運転を停止した場合、エンジン１００を改めて運転する時に、燃焼室２３内の変化を考慮するために、上述のステップＳ１１〜ステップＳ１４の制御を実行するものである。

したがって、強制的に外部ＥＧＲ制御を実施することにより、燃焼室２３内の状態が変化したか否かが、外部ＥＧＲ制御の強制実施中に点火時期の遅角量が変化することにより判定することができる。しかも、点火時期の遅角量つまり更新された遅角学習量ａｋｇｒｇが還流実施判定量以下になった場合に外部ＥＧＲ制御を再開するので、同じ遅角学習量ａｋｇｒｇにおいても可変バルブタイミング機構９の制御の場合より燃費率の高い運転状態にすることができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

上述の実施形態においては、吸気弁２１の開閉タイミングを排気弁２４の開閉タイミングに対して変更できるものを説明したが、排気弁２４の開閉タイミングを吸気弁２１の開閉タイミングに対して変更できるもの、さらには、吸気弁２１と排気弁２４との両方の開閉タイミングを相互に変更できるものであってもよい。そして、このような吸気弁２１及び排気弁２４のための可変バルブタイミング機構自体は、この分野で知られているものを適用するものであってもよい。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、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。

本発明の活用例として、排気ガス還流装置による外部ＥＧＲ制御と、可変バルブタイミング機構による排気ガスの制御とを、負荷率に応じて切り替えて実施する内燃機関に活用することができる。

本発明の実施形態の概略構成を示す構成説明図。 同実施形態の制御手順の概略を示すフローチャート。 同実施形態の制御手順の概略を示すフローチャート。

符号の説明

１…吸気系
４…電子制御装置
６…排気ガス還流装置
９…可変バルブタイミング機構
１１…スロットルバルブ
２１…吸気弁
２４…排気弁
６１…排気ガス還流管路
６２…排気ガス還流制御弁

Claims (2)

1. 排気ガスを吸気系のスロットルバルブよりも下流側に還流させる排気ガス還流管路と、この排気ガス還流管路を通過する排気ガスの流量を調整する排気ガス還流制御弁とを備えてなる排気ガス還流装置、及び吸気弁と排気弁との少なくとも一方の開閉タイミングを制御する可変バルブタイミング機構を備えてなる内燃機関において、
   運転状態に応じて排気ガス還流装置による排気ガス還流と可変バルブタイミング機構によるバルブタイミングの制御とを切り替える内燃機関の排気ガス還流制御方法であって、
   排気ガス還流装置による排気ガスの還流を実施している際の点火時期の遅角量を学習し、
   学習した遅角量が燃費率に基づいて設定される還流実施判定量を上回っている場合は排気ガス還流装置による排気ガスの還流を停止し、その後はその遅角量における燃費率が排気ガス還流装置による排気ガス還流よりも良好な可変バルブタイミング機構によるバルブタイミングの制御を実施する内燃機関の排気ガス還流制御方法。
2. 学習した遅角量が機関停止後も記憶されるものであって、
   機関停止時点において学習した遅角量が還流実施判定量を上回って記憶され、その状態で内燃機関の運転が再開された場合は、強制的に排気ガス還流装置による排気ガスの還流を所定時間実施し、
   所定時間内における点火時期の遅角量を学習し、
   学習した遅角量が排気ガスの還流実施判定量以下である場合は排気ガス還流装置による排気ガスの還流を再開する請求項１記載の内燃機関の排気ガス還流制御方法。

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