JP5773640B2

JP5773640B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP5773640B2
Application number: JP2010288239A
Authority: JP
Inventors: 光祐西野; 貴裕尾崎
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2010-12-24
Filing date: 2010-12-24
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2030-12-24
Also published as: JP2012136960A

Description

本発明は、排気ガス再循環（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置が付帯した内燃機関の制御装置に関する。

自動車等に搭載される内燃機関では、吸気系と排気系とを連通するＥＧＲ通路を介して排気ガスの一部を吸気系に還流する排気ガス再循環を行っている。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、内燃機関の運転領域に応じてＥＧＲバルブの開度を操作し、排気ガスの還流率（または、還流量）を制御する。

この種のＥＧＲ装置では、経年使用により、ＥＧＲバルブ周りやＥＧＲ通路にデポジットが堆積したり、異物を噛み込んだり、バルブを駆動するステッピングモータの性能が劣化したりする。そして、要求されるＥＧＲバルブ開度に対応した制御入力を電子制御装置（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）からＥＧＲバルブに与えたとしても、ＥＧＲバルブまたは通路の実開度が一定以上開かない、あるいはＥＧＲバルブが固着して全く作動しない状況に陥ることがあり得る。

一般に、ＥＧＲを行う運転時には、燃料室の温度が低下することから、点火時期を進角することが許される。ＥＣＵは、要求されるＥＧＲバルブ開度が制御入力により実現されているものとして、点火時期を決定する。だが、ＥＧＲ装置の故障により実開度がその要求開度に満たず、実際の吸気のＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率よりも低い状態で点火時期を進角してしまうと、ノッキングの発生を招く。

上記の事象に対処するべく、従来より、ＥＧＲを行っている運転時のノッキングの発生状況を基にＥＧＲ装置の故障の有無を判定し、故障がある場合にインジケータランプを点灯させて運転者にその旨を報知するようにしている（例えば、下記特許文献を参照）。しかしながら、インジケータランプが点灯しているにもかかわらず運転者が運転を続行することも間々あり、ノッキングを繰り返して機関の破損に至るおそれを否定できなかった。

特開昭６３−２３９３５１号公報

本発明は、ＥＧＲバルブまたは通路の実開度が一定以上開かない、あるいはＥＧＲバルブが固着して作動しない状況において、ノッキングの発生を好適に抑制することを所期の目的としている。

本発明では、ＥＧＲ装置が付帯した内燃機関におけるＥＧＲバルブの制御を行うものであって、ＥＧＲバルブに制御入力として与える開度が大きいほど点火時期を進角することとし、要求されるＥＧＲバルブ開度に対応した制御入力をＥＧＲバルブに与えた場合のノッキングの発生の度合いを検知することによりＥＧＲバルブまたは通路の実開度の上限値を推測し、以後ＥＧＲバルブに与える制御入力を推測した上限値以下に制限することを特徴とする内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、ＥＧＲバルブまたは通路の実開度が一定以上開かない、あるいはＥＧＲバルブが固着して作動しない状況において、ノッキングの発生を好適に抑制することができる。

本発明の一実施形態における内燃機関の構成を示す図。同実施形態における要求負荷と要求ＥＧＲバルブ開度との関係を示す図。ＥＧＲ装置の故障時のＥＧＲバルブ開度及び点火時期の遅角補正量の推移を示すタイミングチャート。同実施形態における点火時期の遅角補正量とＥＧＲバルブまたは通路の実開度との関係を示す図。同実施形態の制御方法を採用した場合のＥＧＲバルブ開度及び点火時期の遅角補正量の推移を示すタイミングチャート。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に一気筒の構成を概略的に示した内燃機関０は、例えば自動車に搭載されるものである。内燃機関０の吸気系１には、アクセルペダルの踏込量に応じて開閉するスロットルバルブ１１を設けており、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を取り付けている。サージタンク１３には、吸気管内圧力（または、吸気負圧）を検出する圧力センサ７１を配している。

排気系５には、排気マニホルド５１を取り付け、排出ガス浄化用の三元触媒５２を装着している。そして、触媒５２の上流にフロントＯ₂センサ５３を、下流にリアＯ₂センサ５４を、それぞれ配している。Ｏ₂センサ５３、５４は、排出ガスに接触して反応することにより、排出ガス中の酸素濃度に応じた電圧信号を出力する。

吸気系１と排気系５との間には、ＥＧＲ装置６を介設する。ＥＧＲ装置６は、始端が排気マニホルド５１に連通し終端がサージタンク１３に連通する外部ＥＧＲ通路６１と、ＥＧＲ通路６１上に設けた外部ＥＧＲバルブ６２とを要素としてなる。ＥＧＲバルブ６２を開放すれば、排出ガスを排気系５から吸気系１へと還流して吸気に混合する外部ＥＧＲを実現できる。本実施形態において、ＥＧＲセンサ６２は、その実開度を検知するリフトセンサを具備するものではない。

気筒２上部に形成される燃焼室の天井部（シリンダヘッド）には、吸気バルブ２１、排気バルブ２２、インジェクタ３及び点火プラグ２３を設ける。

内燃機関０の運転制御を司るＥＣＵ４は、中央演算装置４１、記憶装置４２、入力インタフェース４３、出力インタフェース４４等を有するマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェース４３には、吸気管内圧力を検出する圧力センサ７１から出力される吸気圧信号ａ、エンジン回転数を検出する回転数センサ７２から出力される回転数信号ｂ、車速を検出する車速センサ７３から出力される車速信号ｃ、アクセルペダルの踏込量（または、スロットルバルブ１１の開度）を検出するスロットルポジションセンサ７４から出力されるスロットル開度信号ｄ、燃焼圧の変化によりノッキングの状態を検出するノックセンサ７５から出力されるノッキング信号ｅ、冷却水の温度を検出する水温センサ７６から出力される水温信号ｆ、気筒２に充填される吸気の温度を検出する温度センサ７７から出力される吸気温信号ｋ、吸気カムシャフト９１の端部にあるタイミングセンサ９３から出力されるクランク角度信号及び気筒判別用信号ｇ、排気カムシャフト９２の端部にあるタイミングセンサ９４から２４０°ＣＡ（クランク角度）回転毎に出力される排気カム信号ｈ、フロントＯ₂センサ５３から出力される上流側空燃比信号ｉ、リアＯ₂センサ５４から出力される下流側空燃比信号ｊ等が入力される。ノックセンサ７５は、ノッキング発生時の振動を検出する態様のものであってもよく、点火プラグ２３を介して計測されるイオン電流信号の振幅やパルス幅を参照する態様のものであってもよい。

出力インタフェース４４からは、インジェクタ３に対して燃料噴射信号ｎ、点火プラグ８に対して点火信号ｍ、ＥＧＲバルブ６２に対してＥＧＲバルブ開度信号ｏ等を出力する。

中央演算装置４１は、記憶装置４２に予め格納しているプログラムを解釈、実行して、内燃機関０の燃料噴射量、気筒２に充填される吸気に混入するＥＧＲガスの還流量またはＥＧＲ率、点火時期等の制御を遂行する。

内燃機関の運転制御において、ＥＣＵ４は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｉ、ｊ、ｋを入力インタフェース４３を介して取得し、それらに基づいて制御入力である燃料噴射量（インジェクタ３の開弁時間）、ＥＧＲバルブ６２の開度（ＥＧＲステップ数）、点火時期等を演算する。

燃料噴射量は、気筒２に充填される吸入空気量（新気量及びＥＧＲガス量）の予測値に対して所要の目標空燃比を達成するために必要な基本噴射量を演算し、この基本噴射量に、エンジン冷却水温等の環境条件に応じた補正係数や、Ｏ₂センサ５３、５４を介して検出した実測空燃比と目標空燃比との偏差に基づくフィードバック補正係数等を乗じ、さらに無効噴射時間を加味して決定する。

ＥＧＲバルブ６２の開度は、運転領域、特にアクセルペダルの踏量（または、スロットルバルブ１１の開度）によって示される機関０の要求負荷に基づいて決定する。図２に、要求負荷と、要求されるＥＧＲバルブ開度（または、ＥＧＲガス量）との関係を示す。アイドル運転に近い低負荷域では、ＥＧＲを行わず、ＥＧＲバルブ６２を全閉する。低負荷域から徐々に要求負荷が増大するにつれて、要求されるＥＧＲガス量が増加し、要求されるＥＧＲバルブ開度も大きくなる。その後、中負荷域にあるピークを境に、要求されるＥＧＲガス量及びＥＧＲバルブ開度は減少に転する。スロットル全開に近い高負荷域では、やはりＥＧＲを行わず、ＥＧＲバルブ６２を全閉する。

点火時期は、エンジン回転数の高低に応じた進角量に、ＥＧＲバルブ６２に与える制御入力に応じた進角を加味してその基本値を決定する。即ち、ＥＧＲバルブ６２に制御入力として与える開度が大きいほど、吸気系１に還流するＥＧＲガス量が多く、その分だけ気筒２での燃焼温度が低下してノッキングを起こしにくくなると考えられるため、点火時期を進角する。

これに加えて、内燃機関０のノッキングを抑制するノックコントロールシステムとして、ノックセンサ７５を介してノッキングを検知している間は点火時期の遅角補正量を漸増させ、ノッキングを検知していない間は点火時期の遅角補正量を漸減させる処理を実行する。

しかして、演算した制御入力に対応した制御信号ｍ、ｎ、ｏを、出力インタフェース４４を介して印加する。

通常、ＥＣＵ４は、ＥＧＲバルブ６２の開度を全閉から全開までの範囲で操作でき、かつＥＧＲ通路６１の狭窄もないものとして、ＥＧＲバルブ６２や点火プラグ８に与える制御入力、即ち要求されるＥＧＲバルブ開度及び点火時期を決定している。しかしながら、ＥＧＲバルブ６２の周囲やＥＧＲ通路６１へのデポジットの堆積、異物の噛み込みや、バルブ６２を駆動するステッピングモータの性能劣化等に起因して、ＥＧＲバルブ６２または通路６１の実開度が一定以上開かなくなり、あるいはＥＧＲバルブ６２が固着して全く作動しない状況に陥ることがある。さすれば、本来想定していたＥＧＲガス量を吸気系１に還流させることが困難になる。

にもかかわらず、ＥＣＵ４は、想定していたＥＧＲガス量が吸気系１に還流していることを前提に点火時期の基本値を決定する。その結果、吸気のＥＧＲ率が低い、換言すれば燃焼温度が高い状態で点火時期を過進角してしまうこととなり、ノッキングが発生する。

ノックコントロールシステムは、ノッキングが発生している間、点火時期の遅角補正量を徐々に増加してゆくので、いずれノッキングは沈静化する。そして、要求負荷が低下する等してノッキングの起こりにくい運転領域に遷移すると、点火時期の遅角補正量は再び減少してゆく。その後、要求負荷が上昇し、要求されるＥＧＲ開度が大きくなれば、点火時期の遅角補正量が小さくなっていることから、またもやノッキングを引き起こす。

この模様を、図３のタイミングチャートに例示している。図中、ＥＧＲについて、実線はＥＣＵ４がＥＧＲバルブ６２に与える制御入力、破線は故障を有しているＥＧＲバルブ６２またはＥＧＲ通路６１の実開度の上限である。つまり、ＥＣＵ４がこの上限を上回る制御入力をＥＧＲバルブ６２に与えたとしても、現実のＥＧＲバルブ６２またはＥＧＲ通路６１の開度は破線で示す上限を超えることはできず、要求負荷に対応した所要のＥＧＲ開度、ＥＧＲガス量は達成し得ない。Ｔ_kで示す期間がノッキングの発生期間であり、図示している通り、ＥＧＲ要求がある度にノッキングを繰り返してしまう。

以上の問題に鑑みて、本実施形態における制御装置たるＥＣＵ４は、運転領域に応じた所要のＥＧＲガス量を達成するべくＥＧＲバルブ６２に制御入力を与えつつ、ノッキングの発生頻度からＥＧＲバルブ６２またはＥＧＲ通路６１の実開度の上限を推測してＥＧＲ装置６の故障の有無を知得し、ＥＧＲ装置６に故障がある場合にはＥＧＲバルブ６２に与える制御入力をその上限にクリップする。

ＥＣＵ４は、ノッキングの発生の度合いの指標として、ノックコントロールシステムによる点火時期の遅角補正量を参照する。ＥＣＵ４の記憶装置４２には予め、適合によって得られた、点火時期の遅角補正量と、ＥＧＲバルブ６２またはＥＧＲ通路６１の実開度との関係を示すマップデータを格納している。図４に、マップデータを例示する。原則的に、点火時期の遅角補正量が大きいほど、ＥＣＵ４がＥＧＲバルブ６２に与える制御入力とＥＧＲバルブ６２またはＥＧＲ通路６１の実開度との乖離が大きいということになる。ＥＣＵ４は、発生していたノッキングが収まった時点での点火時期の遅角補正量をキーとしてこのマップを検索し、ＥＧＲバルブ６２またはＥＧＲ通路６１の実開度の上限値を知得する。

実開度の上限値の推測は、要求負荷、エンジン回転数及び／または吸気のＥＧＲ率が比較的ノッキングの発生しやすい所定の範囲内にあるときに行う。具体的には、要求負荷、エンジン回転数及び／またはＥＧＲ率がそれぞれ所定範囲内にある状況下で、ノックコントロールシステムによる、ノッキングを沈静化する点火時期の遅角補正量を取得し、遅角補正量に相当する実開度の上限値をマップから得て、これら遅角補正量及び上限値を学習値として記憶装置４２に一時記憶する。

このような遅角補正量及び上限値の学習は複数回、反復的に実行することが望ましい。新たに取得した遅角補正量が記憶装置４２に記憶している過去のそれよりも大きいならば、過去の遅角補正量及び上限値の組を破棄し、新たに取得した遅角補正量及び上限値の組を学習値として記憶装置４２に記憶する。

その上で、ＥＧＲバルブ６２に与える制御入力を、学習し記憶している実開度の上限値以下に制限する。即ち、図２に示している、要求負荷に基づいた要求ＥＧＲバルブ開度が実開度の上限値以下であるならば、これをそのまま制御入力としてＥＧＲバルブ６２に与える。他方、要求負荷に基づいた要求ＥＧＲバルブ開度が実開度の上限値を超越するならば、当該上限値を制御入力としてＥＧＲバルブ６２に与える。

なおかつ、ＥＧＲバルブ６２に与える制御入力に応じて、点火時期の基本値を決定する。従って、ＥＧＲバルブ６２に与える制御入力を実開度の上限値にクリップしている場合、点火時期の基本値は当該上限値に対応した値となり、徒に進角しなくなる。

ＥＧＲバルブ６２に与える制御入力を実開度の上限値にクリップする場合の模様を、図５のタイミングチャートに例示している。図中、ＥＧＲについて、実線はＥＣＵ４がＥＧＲバルブ６２に与える制御入力、破線は故障を有しているＥＧＲバルブ６２またはＥＧＲ通路６１の実開度の上限の学習値である。また、ノックコントロールシステムについて、実線はＥＣＵ４が反復演算している点火時期の遅角補正量、破線は最も大きい遅角補正量の学習値である。既に述べた通り、ＥＣＵ４がＥＧＲバルブ６２に制御入力として与える開度は、実開度の上限の学習値を超えない。内燃機関０の制御に用いる、点火時期の基本値に加味する遅角補正量は、破線の学習値ではなく実線の演算値である。

本実施形態によれば、ＥＧＲ装置６が付帯した内燃機関０におけるＥＧＲバルブ６２の制御を行うものであって、要求されるＥＧＲバルブ開度に対応した制御入力をＥＧＲバルブ６２に与えた場合のノッキングの発生の度合いを検知することによりＥＧＲバルブ６２または通路６１の実開度の上限値を推測し、以後ＥＧＲバルブ６２に与える制御入力を推測した上限値以下に制限することを特徴とする内燃機関０の制御装置４を構成したため、ＥＧＲ装置６が故障を有している場合のノッキングの頻発を抑制することができ、ドライバビリティを改善できる。また、実開度の上限値まではＥＧＲバルブ６２を開放操作する、つまりは可能な限りＥＧＲを行うので、燃費を確保することにもつながる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。各部の具体的構成は、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。

本発明は、自動車等に搭載される内燃機関の制御に適用することができる。

０…内燃機関
４…制御装置（ＥＣＵ）
６…外部ＥＧＲ装置
６１…ＥＧＲ通路
６２…ＥＧＲバルブ
７５…ノックセンサ
８…点火プラグ

Claims

排気ガス再循環装置が付帯した内燃機関におけるＥＧＲバルブの制御を行うものであって、
ＥＧＲバルブに制御入力として与える開度が大きいほど点火時期を進角することとし、
要求されるＥＧＲバルブ開度に対応した制御入力をＥＧＲバルブに与えた場合のノッキングの発生の度合いを検知することによりＥＧＲバルブまたは通路の実開度の上限値を推測し、以後ＥＧＲバルブに与える制御入力を推測した上限値以下に制限することを特徴とする内燃機関の制御装置。