JP5640955B2

JP5640955B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP5640955B2
Application number: JP2011251791A
Authority: JP
Inventors: 哲生大村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-11-17
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2031-11-17
Also published as: JP2013108363A

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、排気ガス再循環装置を備えた直列３気筒又はＶ型６気筒の内燃機関の制御を実行するのに好適な内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１に開示されるように、排気ガス再循環装置（ＥＧＲ装置：Exhaust gas recirculation system）を備えた内燃機関が知られている。排気ガス再循環装置は、排気通路を流れる排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気通路に還流させる。燃焼温度を抑えてエミッション改善や燃費改善を図ることができる。また、本公報には、ＥＧＲガスを還流させるためのＥＧＲ通路の連通による吸気脈動効果の弊害を回避するため、ＥＧＲ通路と吸気通路の長さの関係を規定することが開示されている。

特開２００４−２７０５３８号公報特開２００５−０５４７７８号公報

ガソリン内燃機関の熱効率向上手法の１つとして、大量ＣｏｏｌｅｄＥＧＲの活用が挙げられる。大量ＥＧＲにより、ポンプ損の低減と高負荷でのノック改善による等容度の向上が図られる。大量ＥＧＲを実現するためには、ＥＧＲ経路の圧損を最小限に抑える必要があるが、有効な手法の１つであるＥＧＲバルブ径の拡大は、減速時に失火などの問題を発生させてしまうため、ＥＧＲ経路の圧損低減と減速失火抑制の両立は難しい。そのため、ＥＧＲバルブ径を拡大することなく、大量ＥＧＲを実現することが望まれる。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、減速失火を抑制しつつ大量ＥＧＲを実現することのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、排気通路を流れる排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気通路に還流させるＥＧＲ通路を備え、３気筒を１気筒群とする直列３気筒又はＶ型６気筒の内燃機関の制御装置において、
前記吸気通路近傍の前記ＥＧＲ通路に設けられ、還流するＥＧＲガスの排気脈動を検出する圧力センサと、
前記排気通路と各気筒との間を開閉する排気バルブの開き時期を変更可能な可変動弁装置と、
前記気筒群のうち所定気筒の吸気行程におけるピストン速度がピークとなるクランク角に、前記所定気筒の次に燃焼行程が設定された次気筒による排気脈動のピーク値が前記圧力センサにより検出されるクランク角を一致させるように、前記次気筒の排気バルブの開き時期を変更する排気バルブ開弁時期変更手段と、を備えることを特徴とする。

直列３気筒又はＶ型６気筒における気筒間の爆発間隔が２４０［ｄｅｇ］毎であり、排気バルブが開く際の高圧のガスによる排気ブローダウン波のピーク値も２４０［ｄｅｇ］毎に生じる。一方、ピストンの上下運動間隔は３６０［ｄｅｇ］毎であり、当該ピストン速度のピーク値は３６０［ｄｅｇ］毎に生じる。そのため、所定気筒の吸気行程でピストン速度のピークが生じるクランク角と、所定気筒の次に燃焼行程が設定された次気筒による排気脈動のピーク値が検出されるクランク角とが重なる状態が生じうる。第１の発明によれば、排気バルブの開き時期を変更させて、次気筒による排気脈動のピーク値が検出されるクランク角を、当該所定気筒の吸気行程におけるピストン速度がピークとなるクランク角に一致させる。最も吸入ガス量が多くなるピストンスピード最大のタイミングに排気脈動のピークを合わせることで、ＥＧＲガスの気筒内への導入が促進され、減速失火を抑制しつつ大量ＥＧＲを実現することができる。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための概略構成図である。本発明の実施の形態１における＃１気筒のピストン速度、位置Ａの排気脈動、バルブリフトの変化について説明するための図である。本発明の実施の形態１における排気バルブの開き時期と、位置Ａにおける排気脈動との関係を示す図である。ピストン速度のピークと排気脈動のピークとを合わせた場合に導入されるＥＧＲ率について説明するための図である。本発明の実施の形態２のシステム構成を説明するための概略構成図である。本発明の実施の形態２における＃１気筒のピストン速度、位置Ａ及び位置Ｂの排気脈動、バルブリフトの変化について説明するための図である。本発明の実施の形態２における排気バルブの開き時期と、位置Ａ又は位置Ｂにおける排気脈動との関係を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための概略構成図である。図１に示すシステムは、４ストローク機関である内燃機関（以下、単にエンジンという。）１０を備えている。エンジン１０の各気筒１２には、筒内の混合気に点火する点火プラグ（図示省略）と、筒内に燃料を供給する燃料噴射弁（図示省略）が設けられている。また、エンジン１０には、クランク軸の回転角（以下、クランク角という。）を検出するためのクランク角センサ１４が取り付けられている。エンジン１０は、３気筒を１つの気筒群とする直列３気筒エンジンであり、気筒間の爆発間隔は２４０［ｄｅｇ］である。

エンジン１０の吸気系には、各気筒１２に接続された吸気通路１６が設けられている。吸気通路１６には、電子制御式のスロットル１８が設けられている。スロットル１８の近傍には、スロットル１８の開度を検出するためのスロットル開度センサ（図示省略）が取り付けられている。スロットル１８下流には、サージタンク２０が設けられている。サージタンク２０下流の吸気通路１６は、吸気ポート２２として分岐している。吸気ポート２２の各下流端には、吸気通路１６と気筒１２の燃焼室との間を開閉する吸気バルブ（図示省略）が設けられている。

エンジン１０の排気系には、各気筒１２に接続された排気通路２４が設けられている。排気通路２４の上流部は、排気ポート２６として分岐して各気筒１２に接続されている。排気ポート２６の各上流端には、排気通路２４と気筒１２の燃焼室との間を開閉する排気バルブ（図示省略）が設けられている。また、少なくとも排気バルブの開き時期を変更可能な可変動弁装置２７が設けられている。具体的には、排気バルブは、クランク軸の回転力が伝達されて回転するカムの作用角に応じて開閉される。このカムの作用角を可変制御して、排気バルブの開き時期を変更することのできる排気カム作用角可変システムが設けられている。

また、排気ポート２６合流部の下流には、三元触媒等の触媒２８が設けられている。排気ポート２６合流部と触媒２８との間の排気通路２４には、サージタンク２０下流の吸気通路１６に接続されるＥＧＲ通路３０が設けられている。ＥＧＲ通路３０にはＥＧＲクーラ３２が設けられている。ＥＧＲ通路３０のＥＧＲクーラ３２下流には、ＥＧＲバルブ３４が設けられている。ＥＧＲ通路３０、ＥＧＲクーラ３２、ＥＧＲバルブ３４を有するＣｏｏｌｅｄＥＧＲ導入経路により、排気通路２４を流れる排気ガスの一部が冷却され、ＥＧＲガスとして吸気通路１６に還流される。

ＥＧＲバルブ３４下流のＥＧＲ通路３０には、ＥＧＲガスの排気脈動を検出するための圧力センサ３６が設けられている。圧力センサ３６は、吸気通路１６のＥＧＲ導入口直前の位置Ａに設けられている。

エンジン１０の制御系には、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０が設けられている。ＥＣＵ５０の入力部には、上述したクランク角センサ１４、スロットル開度センサ、圧力センサ３６の他、運転状態を検出するための各種センサが接続されている。また、ＥＣＵ５０の出力部には、上述した点火プラグ、燃料噴射弁、スロットル１８、可変動弁装置２７、ＥＧＲバルブ３４の他、運転状態を制御するための各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ５０は、上述した各種センサの出力に基づき、所定のプログラムに従って各種アクチュエータを作動させることにより、エンジン１０の運転状態を制御する。例えば、ＥＣＵ５０は、圧力センサ３６やクランク角センサ１４の出力に基づき可変動弁装置２７を制御する。直列３気筒のエンジン１０は、２４０［ｄｅｇ］間隔で気筒間の燃焼行程が設定されており、第１気筒（＃１気筒）、第２気筒（＃２気筒）、第３気筒（＃３気筒）の順序で点火される。

図２は、実施の形態１のシステムにおける＃１気筒のピストン速度、位置Ａの排気脈動、バルブリフトの変化について説明するための図である。（Ａ）の線６０は、＃１気筒のピストン速度とクランク角との関係を表している。（Ｂ）の線６２は、圧力センサ３６により検出されるＥＧＲガスの排気脈動とクランク角との関係を表している。（Ｃ）には、＃１吸気・排気バルブ及び＃２排気バルブのクランク角に応じたバルブリフト量が表されている。

上述したように直列３気筒のエンジン１０は、気筒間の爆発間隔が２４０［ｄｅｇ］毎であり、排気バルブが開く際の高圧のガスによる排気ブローダウン波のピーク値も２４０［ｄｅｇ］毎に生じる。一方、ピストンの上下運動間隔は３６０［ｄｅｇ］毎であり、当該ピストン速度のピーク値は３６０［ｄｅｇ］毎に生じる。

図２に示すように、＃１燃焼ＴＤＣ付近における点火後、＃１排気ＢＤＣ付近で＃１排気バルブが開弁され、位置Ａにおいて＃１排気ブローダウン波のピーク値が検出される。＃１気筒での点火から２４０［ｄｅｇ］後には＃２気筒で点火される。そのため、位置Ａにおいて＃１排気ブローダウン波のピーク値が検出された後、約２４０［ｄｅｇ］後に＃２排気ブローダウン波のピーク値が検出される。このとき、＃１気筒は吸気行程にあり、そのピストン速度はピーク値近傍となっている。

このように、＃１気筒の吸気行程でピストン速度のピークが生じるクランク角と、位置Ａで＃２気筒による＃２排気ブローダウン波のピーク値が検出されるクランク角とが重なる状態が生じうる。この状態にすることで、ＥＧＲガスの気筒内への導入が促進され、筒内に導入されるＥＧＲ率を高めることができる。

［実施の形態１における特徴的制御］
図３は、排気バルブの開き時期と、位置Ａにおける排気脈動との関係を示す図である。位置Ａの排気脈動は、圧力センサ３６により検出される。本発明では、排気バルブの開き時期を変化させることで、位置Ａの脈動ピーク位置をコントロールする。具体的には、排気バルブの開き時期を変化させて、排気ブローダウン波のピーク値が生じるクランク角を変化させる。図３の例では、排気バルブの開き時期を遅角制御し、＃２排気ブローダウン波のピーク値が検出されるクランク角を遅角させて、＃１気筒の吸気行程でピストン速度がピークとなるクランク角に一致させている。同様に、排気バルブの開き時期を進角制御することで、＃２排気ブローダウン波のピーク値を進角させることができる。

そこで、本実施形態のシステムでは、ＥＣＵ５０が可変動弁装置２７に排気バルブの開き時期を進角・遅角制御させる。この制御により、所定気筒（例えば＃１気筒）の次に燃焼行程が設定された次気筒（例えば＃２気筒）による排気脈動のピーク値が検出されるクランク角を、当該所定気筒の吸気行程におけるピストン速度がピークとなるクランク角に一致させることとした。最も吸入ガス量が多くなるピストンスピード最大のタイミングに排気脈動のピークを合わせることで、ＥＧＲガスの気筒内への導入が促進され、過給機等を有すること無く、筒内に導入されるＥＧＲ率を高めることができる（図４）。

具体的には、例えば、実際に＃２排気ブローダウン波のピーク値が検出されたクランク角と、＃１気筒の吸気行程におけるピストン速度がピークとなるクランク角とを検出する。そして、ＥＣＵ５０が、これらのクランク角の差を０にするように排気バルブの開き時期を進角・遅角させる。これにより、次サイクル以降において、これらのクランク角を一致させることができる。

また、次サイクルを待たずに一致させることも可能である。すなわち、＃１気筒の排気ブローダウン波のピーク値が検出されたクランク角に２４０［ｄｅｇ］を加えたクランク角が、＃２気筒の排気ブローダウン波のピーク値となることが推定される。そのため、＃１排気ブローダウン波のピーク値が検出された後、当該ピーク値が検出されたクランク角に２４０［ｄｅｇ］を加えたクランク角が、＃１気筒の吸気行程におけるピストン速度のピークとなるクランク角と一致するように、ＥＣＵ５０が＃２気筒の排気バルブの開き時期を進角・遅角させることで、１サイクル中でこれらのクランク角を一致させることができる。

尚、上述した実施の形態１においては、ＥＧＲ通路３０が前記第１の発明における「ＥＧＲ通路」に、圧力センサ３６が前記第１の発明における「圧力センサ」に、可変動弁装置２７が前記第１の発明における「可変動弁装置」に、ＥＣＵ５０が前記第１の発明における「排気バルブ開弁時期変更手段」に、それぞれ相当している。

実施の形態２．
次に、図５〜図７を参照して本発明の実施の形態２について説明する。実施の形態１は直列３気筒エンジンを対象とするものであるのに対し、本実施の形態はＶ型６気筒エンジンを対象とするものである。

図５は、本発明の実施の形態２のシステム構成を説明するための概略構成図である。実施の形態１と同様の機能を有する構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。図１に示すエンジン８０は、片バンク３気筒の２つの気筒群からなるＶ型６気筒の４ストローク機関である。エンジン８０は、第１気筒（＃１気筒）、第２気筒（＃２気筒）、第３気筒（＃３気筒）、第４気筒（＃４気筒）、第５気筒（＃５気筒）、第６気筒（＃６気筒）の順序で１２０［ｄｅｇ］毎に点火される。すなわち、エンジン８０は、１つの気筒群における気筒間の燃焼行程が２４０［ｄｅｇ］間隔で設定されている。また、ＥＧＲバルブ３４下流のＥＧＲ通路３０には、ＥＧＲガスの排気脈動を検出するための圧力センサ３６が設けられている。圧力センサ３６は、吸気通路１６のＥＧＲ導入口直前の位置Ａ、Ｂの少なくとも一方に設けられている。

図６は、実施の形態１のシステムにおける＃１気筒のピストン速度、位置Ａ及び位置Ｂの排気脈動、バルブリフトの変化について説明するための図である。（Ａ）の線８２は、＃１気筒のピストン速度とクランク角との関係を表している。（Ｂ）の線８４、線８６は、それぞれ位置Ａ、Ｂにおいて圧力センサ３６により検出されるＥＧＲガスの排気脈動とクランク角との関係を表している。（Ｃ）には、＃１吸気・排気バルブ及び＃３排気バルブのクランク角に応じたバルブリフト量が表されている。

上述したようにＶ型６気筒のエンジン８０は、気筒群の３気筒間の爆発間隔が２４０［ｄｅｇ］毎であり、排気ブローダウン波のピーク値も２４０［ｄｅｇ］毎に生じる。一方、ピストンの上下運動間隔は３６０［ｄｅｇ］毎であり、当該ピストン速度のピーク値は３６０［ｄｅｇ］毎に生じる。

図６に示すように、＃１燃焼ＴＤＣ付近における点火後、＃１排気ＢＤＣ付近で＃１排気バルブが開弁され、位置Ａにおいて＃１排気ブローダウン波のピーク値が検出される。＃１気筒での点火から２４０［ｄｅｇ］後には、＃３気筒で点火される。そのため、位置Ａにおいて＃１排気ブローダウン波のピーク値が検出された後、約２４０［ｄｅｇ］後に＃３排気ブローダウン波のピーク値が検出される。このとき、＃１気筒は吸気行程にあり、ピストン速度がピーク値近傍となっている。

このように、＃１気筒の吸気行程でピストン速度のピークが生じるクランク角と、位置Ａで＃３気筒による＃３排気ブローダウン波のピーク値が検出されるクランク角とが重なる状態が生じうる。この状態にすることで、ＥＧＲガスの気筒内への導入が促進され、筒内に導入されるＥＧＲ率を高めることができる。

図７は、排気バルブの開き時期と、位置Ａ又は位置Ｂにおける排気脈動との関係を示す図である。本発明では、排気バルブの開き時期を変化させることで、位置Ａ、Ｂの脈動ピーク位置をコントロールする。この内容は図３と同様であるため説明は省略する。

そこで、本実施形態のシステムでは、実施の形態１と同様に、ＥＣＵ５０が可変動弁装置２７に排気バルブの開き時期を進角・遅角制御させる。この制御により、１気筒群のうち所定気筒（例えば＃１気筒）の次に燃焼行程が設定された次気筒（例えば＃３気筒）による排気脈動のピーク値が検出されるクランク角を、当該所定気筒の吸気行程におけるピストン速度がピークとなるクランク角に一致させることとした。最も吸入ガス量が多くなるピストンスピード最大のタイミングに排気脈動のピークを合わせることで、ＥＧＲガスの気筒内への導入が促進され、過給機等を有すること無く、筒内に導入されるＥＧＲ率を高めることができる（図４）。なお、他方のバンクについても同様に上記制御を実施することができる。

１０、８０エンジン
１２気筒
１４クランク角センサ
１６吸気通路
１８スロットル
２０サージタンク
２２吸気ポート
２４排気通路
２６排気ポート
２７可変動弁装置
２８触媒
３０ＥＧＲ通路
３２ＥＧＲクーラ
３４ＥＧＲバルブ
３６圧力センサ
５０ＥＣＵ

Claims

排気通路を流れる排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気通路に還流させるＥＧＲ通路を備え、３気筒を１気筒群とする直列３気筒又はＶ型６気筒の内燃機関の制御装置において、
前記吸気通路近傍の前記ＥＧＲ通路に設けられ、還流するＥＧＲガスの排気脈動を検出する圧力センサと、
前記排気通路と各気筒との間を開閉する排気バルブの開き時期を変更可能な可変動弁装置と、
前記気筒群のうち所定気筒の吸気行程におけるピストン速度がピークとなるクランク角に、前記所定気筒の次に燃焼行程が設定された次気筒による排気脈動のピーク値が前記圧力センサにより検出されるクランク角を一致させるように、前記次気筒の排気バルブの開き時期を変更する排気バルブ開弁時期変更手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。