JP6156485B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Description

この発明は内燃機関の制御装置に関するものである。更に具体的には、内燃機関の吸気通路に、スロットル弁の上流側と下流側とを接続するバイパス通路を備える内燃機関の制御装置に関するものである。
従来、例えば、特許文献１には過給機付きの内燃機関の制御装置が開示されている。また特許文献１には、要求トルクに応じて定められる目標吸気と実際の吸気量とが異なる場合に生じる出力変動を抑制するための点火時期の制御が提案されている。具体的に、特許文献１の制御装置は、内燃機関の運転中、目標吸気量より実際の吸気量が大きいオーバーシュート時には点火時期を遅角し、目標吸気量より実際の吸気量が小さいアンダーシュート時には点火時期を進角する制御を行う。また、特許文献２には、過給機付き内燃機関の制御装置において、内燃機関の吸気通路に設置されたスロットル弁と、吸気通路の、スロットル弁の上流側と下流側とを接続するバイパス通路７と、所定の開度に制御されることでＩＳＣ通路に流れる空気量を調節するバイパス弁７１と、運転者がアクセルペダルの踏込みを緩める減速要求がなされた場合に、ＩＳＣ弁の開度を基準開度より大きな開度とする開弁制御を実行する制御手段と、を備える内燃機関の制御装置が記載されている。
日本特開２００４−３４６９１７号公報 日本特開２０１２−１０２６１７号公報
上記特許文献１の制御では、目標吸気量が実際の吸気量とは異なる場合に生じる出力変動を、点火時期の進角又は遅角により抑制する。しかし過給機を有する内燃機関の場合、過給領域では、ノッキングを抑制するため、点火時期がＭＢＴより遅角側に設定されている場合がある。このような場合、点火時期の遅角限界までの余裕が少ない。このような場合には、実際の吸気量が目標吸気量より大きく出力トルクの低減が必要となっても、点火時期の遅角制御だけでは十分にトルク低減できないことが考えられる。
ここで、スロットル弁の上流と下流とを接続するＩＳＣ通路を有し、ＩＳＣ通路にＩＳＣ弁を有する内燃機関の場合、ＩＳＣ弁を開弁してＩＳＣ通路から吸入空気を上流側に逆流させることも考えられる。これにより筒内に流入する吸気量を減らすことができ、トルクを低減させることができる。
しかしこのようにＩＳＣ弁を開弁する制御では、吸入空気がＩＳＣ通路を逆流することとなる。このため運転状態によっては、ＩＳＣ弁の開弁により筒内でのスワール流やタンブル流が不足することにより、燃焼の悪化やリーン燃焼限界の低下が起こることが考えられる。
この発明は、上記課題を解決することを目的とし、出力トルクを低減する要求がある場合において、ＩＳＣ弁の制御による要求トルク実現により燃焼が不安定となるのを抑制するよう改良した内燃機関の制御装置を提供するものである。
第１の発明は、上記の目的を達成するため、理論空燃比よりリーンな空燃比の混合気を燃焼させるリーン燃焼運転と、空燃比が理論空燃比近傍の混合気を燃焼させるストイキ燃焼運転と、を切り替え可能な過給機付き内燃機関の制御装置であって、
前記内燃機関の吸気通路に設置された前記過給機のコンプレッサと、
前記吸気通路の、前記コンプレッサの下流に設置されたスロットル弁と、
前記吸気通路の、前記コンプレッサの上流側と前記スロットル弁の下流側とを接続するＩＳＣ通路と、
所定の開度に制御されることで前記ＩＳＣ通路に流れる空気量を調節するＩＳＣ弁と、
前記内燃機関に要求される要求トルクが、現在設定されている制御目標値から予想される予想発生トルクより小さく、且つ前記スロットル弁の下流側の吸気圧が前記コンプレッサの上流側の吸気圧よりも大きい場合に、前記ＩＳＣ弁の開度を全開とする開弁制御を実行する制御手段と、
前記開弁制御の実行中、前記リーン燃焼運転への切り替えを禁止する手段と、
を備えるものである。
第２の発明は、第１の発明において、前記リーン燃焼運転が行われている場合、前記開弁制御の実行を禁止する開弁制御禁止手段を、更に、備えるものである。
発生トルク低減のためＩＳＣ弁を開くことで、吸気が上流側に逆流すると考えられる。このため、ＩＳＣ弁が開かれている間は、スワール流やタンブル流が不足し、リーン燃焼が不安定となりリーン燃焼限界が低下することが考えられる。この点、第１の発明によれば、ＩＳＣ弁が全開に制御されている間、リーン燃焼運転が禁止される。これによりＩＳＣ弁開弁時に、燃焼の安定化を図ることができる。
第２の発明によれば、リーン燃焼運転が行われている場合には、ＩＳＣ弁を全開にする開弁制御が禁止される。これによりリーン燃焼運転時の燃焼の安定化を図ることができる。
本発明の実施の形態１のシステムの全体構成について説明するための模式図である。 本発明の実施の形態１において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。 本発明の実施の形態１において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。 本発明の実施の形態１において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
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模式図である。本実施形態のシステムは、制御装置の適用対象となる火花点火式の内燃機関２を備えている。内燃機関２はガソリンを燃料とするものであり、例えば、車両の動力源として好ましく使用することができる。内燃機関２は、空燃比が理論空燃比（以下「ストイキ」）近傍の混合気を燃焼させるストイキ燃焼運転と、所定のリーン燃焼運転領域で理論空燃比より大幅にリーンな空燃比の混合気を燃焼させるリーン燃焼運転と、を切り替えて行うことができる。また、図１では、内燃機関２の１つの気筒のみを図示しているが、内燃機関２は複数の気筒を備えている。内燃機関２の気筒数および気筒配置は特に限定されるものではない。
内燃機関２の各気筒には、筒内インジェクタ４及び点火プラグ６が設けられている。筒内インジェクタ４は、内燃機関２の各気筒内に燃料を噴射するように設置されている。図１の構成では、筒内インジェクタ４が設けられているが、吸気ポート内に燃料を噴射するポートインジェクタを用いるものであってもよい。内燃機関２の各気筒には吸気弁８及び排気弁１０が設けられている。このシステムには、吸気弁８及び排気弁１０それぞれの開閉を制御する可変動弁機構（図示せず）が設置されている。
各気筒には吸気通路１２の下流側端部と、排気通路１４の上流側端部とがそれぞれ連通している。吸気通路１２の入口近傍には、エアクリーナ２０が取り付けられている。エアクリーナ２０の下流近傍には、吸気通路１２に吸入される空気の流量に応じた信号を出力するエアフロメータ２２が設けられている。エアフロメータ２２の下流には、ターボ過給機のコンプレッサ２４が設置されている。
吸気通路１２のコンプレッサ２４の下流には、圧縮された空気を冷却するインタークーラ２６が設けられている。インタークーラ２６の下流には、電子制御式のスロットル弁２８が設けられている。スロットル弁２８の下流にはサージタンク３０が設けられている。
図１のシステムは、吸気通路１２の、スロットル弁２８の上流側とスロットル弁２８の下流側とを接続するＩＳＣ（Idle Speed Control）通路３２を有している。具体的にＩＳＣ通路３２の一端は、吸気通路１２のエアクリーナ２０の下流かつコンプレッサ２４の上流に接続されている。ＩＳＣ通路３２の他端は、吸気通路１２の、サージタンク３０の下流に接続されている。ＩＳＣ通路３２には、ＩＳＣ通路３２を開閉するＩＳＣ弁３４が設置されている。ＩＳＣ弁３４は、その開度が所定の開度に制御されることでＩＳＣ通路３２の流路断面積を変化させ、ＩＳＣ通路３２に流れるガスの流量を調節するための弁である。
排気通路１４には、過給機の排気タービン３６が設置されている。排気タービン３６の下流には排気ガスを浄化するための触媒３８が設置され、更にその下流に消音器４０が設置されている。
図１のシステムは、第１圧力センサ４２と第２圧力センサ４４とを有している。第１圧力センサ４２は、吸気通路１２のエアクリーナ２０とコンプレッサ２４との間の、ＩＳＣ通路３２の接続部近傍に設置されている。第１圧力センサ４２によって、ＩＳＣ通路３２と吸気通路１２との接続部付近の吸気圧である第１圧力Ｐ１が取得される。第２圧力センサ４４はサージタンク３０内に設置されている。第２圧力センサ４４の出力に基づき、サージタンク３０内の吸気圧である第２圧力Ｐ２が取得される。
図１のシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。本発明の制御装置は、ＥＣＵ５０の一機能として実現される。ＥＣＵ５０には、上述したエアフロメータ２２、第１、第２圧力センサ４２、４４等の内燃機関２の運転状態を検知するための各種センサが接続されている。また、ＥＣＵ５０には、上述したスロットル弁２８、筒内インジェクタ４、点火プラグ６等の内燃機関２の運転状態を制御する各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ５０は、各センサの出力を取得された内燃機関の運転状態に関するパラメータに応じて、メモリに予め記憶された制御プログラムを実行することで、内燃機関２の運転状態を制御する。
［本実施の形態のＩＳＣ弁全開制御の概要］
本実施の形態において制御装置が実行する制御には、ＩＳＣ弁３４の開閉状態に関する制御が含まれる。この制御において、制御装置は要求トルクと、内燃機関で発生し得るトルクである予想発生トルク（推定トルクとも称する）とを取得する。要求トルクと予想発生トルクとは既知の手法により演算され、ここではその演算手法は限定されない。また、要求トルクと予想発生トルクとは、本実施の形態における制御装置が直接的に演算するものに限らず、制御装置の上位に配置されたシステムより入力されるものであってもよい。
制御装置は、取得された予想発生トルクが要求トルクより大きいこと、かつ、第２圧力Ｐ２が第１圧力Ｐ１より大きいことを条件として、ＩＳＣ弁３４を全開とする制御を行う。吸気通路１２の下流側の第２圧力Ｐ２が、上流側の第１圧力Ｐ１より大きい状態でＩＳＣ弁３４を全開とすることで、吸気を上流側に逆流させてサージタンク３０の内圧を低下させることができる。これにより、予想発生トルクが要求トルクを上回る場合のトルク変動を抑制する。なお、以下の実施の形態において、上記条件（即ち、予想発生トルクが要求トルクより大きく、かつ、第２圧力Ｐ２が第１圧力Ｐ１より大きいこと）を満たす場合に、ＩＳＣ弁３４を全開とする開弁制御を「ＩＳＣ弁全開制御」とも称することとする。また、この条件を、「ＩＳＣ弁全開条件」とも称することとする。
図２は、本発明の実施の形態１において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するフローチャートである。図２のルーチンは、内燃機関２の運転中一定時間ごとに繰り返し実行されるルーチンである。図２のルーチンでは、まず、ＩＳＣ弁全開禁止フラグがＯＦＦとなっているか否かが判別される（Ｓ１０）。ＩＳＣ弁全開禁止フラグは、後述する処理により、ＯＮ/ＯＦＦが切り替えられるフラグであり、このフラグがＯＮとなっている間、ＩＳＣ弁全開制御が禁止される。従って、ステップＳ１０において、ＩＳＣ弁全開禁止フラグがＯＦＦとなっていることが認められない場合には、今回の処理は一旦終了する。
一方、ステップＳ１０において、ＩＳＣ弁全開禁止フラグがＯＦＦであることが認められると、次に要求トルクが取得される（Ｓ１２）。次に、エンジン制御目標値が取得される（Ｓ１４）。エンジン制御目標値は、例えば、現在設定されているスロットル弁２８の目標開度、目標点火時期、ＩＳＣ弁３４の目標開度等である。次に、これらの制御目標値に応じて、予想発生トルクが算出される（Ｓ１６）。
次に、ステップＳ１６において算出された予想発生トルクが、ステップＳ１２において取得された要求トルクより大きいか否かが判別される（Ｓ１８）。ステップＳ１８において、予想発生トルクが要求トルクより大きいことが認められない場合、今回の処理は一旦終了する。
一方、ステップＳ１８において予想発生トルクが要求トルクより大きいことが認められると、次に、第２圧力Ｐ２が第１圧力Ｐ１より大きいか否かが判別される（Ｓ２０）。ステップＳ２０において、第２圧力Ｐ２が第１圧力Ｐ１より大きいことが認められない場合には、今回の処理は終了する。
一方ステップＳ２０において、第２圧力Ｐ２が第１圧力Ｐ１より大きいことが認められると、ＩＳＣ弁３４が全開とされる（Ｓ２２）。第２圧力Ｐ２が第１圧力Ｐ１より大きい状態でＩＳＣ弁３４が全開とされることで、吸気の一部はＩＳＣ通路３２を通って、吸気通路１２のサージタンク３０より下流側から、吸気通路１２の上流側に逆流する。これにより、サージタンク内圧が低下し、トルクが抑制される。その後、今回の処理は終了する。
［本実施の形態のリーン燃焼運転の禁止制御の概要］
ところで、本実施の形態の内燃機関２はリーン燃焼運転が可能な内燃機関である。このようなリーン燃焼運転可能な内燃機関の場合、リーン燃焼を安定して行うために吸気ポート形状が最適化され、筒内に発生するスワール流やタンブル流を強化するように設計されている。しかし、ＩＳＣ弁全開制御の実行中は、ＩＳＣ通路３２を介して吸気が上流側に逆流する。このためＩＳＣ弁全開制御中は、吸気通路１２内での吸気の流れも大きく変化する。その結果、筒内に発生するスワール流やタンブル流が不足し、特に、リーン燃焼限界が低下し、あるいは、リーン燃焼が不安定となることが考えられる。
従って本実施の形態において制御装置は、ＩＳＣ弁全開制御中のリーン燃焼運転を禁止する制御を実行する。図３は、本発明の実施の形態１において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図３のルーチンは内燃機関２の運転中、一定時間ごとに繰り返し実行されるルーチンである。図３のルーチンでは、まず、ＩＳＣ弁全開制御の実行中であるか否かが判別される（Ｓ１０２）。ステップＳ１０２において、ＩＳＣ弁全開制御の実行中であることが認められた場合には、目標空燃比がストイキに設定される（Ｓ１０４）。これにより、リーン燃焼運転は禁止される。その後、今回の処理は終了する。
一方、ステップＳ１０２において、ＩＳＣ弁全開制御の実行中であることが認められない場合には、現在、Ｓ１０６においてリーン燃焼運転の条件が成立しているか否かが判別される。リーン燃焼運転条件は、予め制御装置に記憶されている。具体的には、例えば内燃機関２の機関回転数が所定以下であるなどの条件が挙げられる。
ステップＳ１０６において、リーン燃焼運転条件の成立が認められない場合には、ステップＳ１０４に進み、目標空燃比がストイキに設定される。その後今回の処理が終了する。
一方、ステップＳ１０６において、リーン燃焼運転条件の成立が認められた場合には、次に、目標空燃比が、所定のリーン空燃比に設定される（Ｓ１０８）。その後今回の処理が終了する。
以上の処理により、ＩＳＣ弁全開制御の実行中は、リーン燃焼運転が禁止され、ストイキ燃焼運転が実行される。これによりＩＳＣ弁全開制御中の燃焼の安定化を図ることができる。
［本実施の形態のＩＳＣ弁全開制御の禁止制御の概要］
更に、本実施の形態の制御装置は、リーン燃焼運転時には、ＩＳＣ弁全開制御を禁止する。つまり、リーン燃焼運転が行われている時には、ＩＳＣ弁全開条件が成立するような運転状態であっても、ＩＳＣ弁全開制御が行われない。
図４は、本発明の実施の形態１において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図４のルーチンは内燃機関２の運転中、一定時間ごとに繰り返し実行されるルーチンである。図４のルーチンでは、まず、リーン燃焼運転中であるか否かが判別される（Ｓ１１２）。
ステップＳ１１２においてリーン燃焼運転中であることが認められると、次に、ＩＳＣ弁全開禁止フラグがＯＮとされる（Ｓ１１４）。ＩＳＣ弁全開禁止フラグは、上述した図２のルーチンのステップＳ１０において、ＩＳＣ弁全開制御実行可否の判断に用いられるフラグであり、このフラグがＯＮとされることで、図２のルーチンによるＩＳＣ弁全開制御は禁止される。その後、今回の処理は終了する。この場合、ＩＳＣ弁３４は、別途ＥＣＵ５０に記憶されたＩＳＣ弁３４の通常時の制御プログラムに従って制御される。なお、この処理によりリーン燃焼運転時にはＩＳＣ弁全開制御は禁止される。但し、リーン燃焼運転中であっても、ＩＳＣ弁３４が通常時の制御フラグにより開弁され、全開とされる場合もある。
一方、ステップＳ１１２において、現在リーン燃焼運転中であることが認められない場合、ＩＳＣ弁全開禁止フラグがＯＦＦとされる（Ｓ１１６）。これにより図２のルーチンの実行が許可され、図２のルーチンで判別されるＩＳＣ弁全開条件が成立した場合には、ＩＳＣ弁３４が全開とされる。その後、今回の処理は終了する。
以上説明したように、本実施の形態によれば、ＩＳＣ弁全開制御実行中は、リーン燃焼運転への切り替えが禁止される一方、リーン燃焼運転中は、ＩＳＣ弁全開制御が禁止される。これにより、リーン燃焼運転領域で、安定的な燃焼を確保しつつ、リーン燃焼運転領域外ではトルク変動の抑制を図ることができる。
なお、本実施の形態では、ＩＳＣ弁全開条件が成立した場合に、ＩＳＣ弁３４の開度を最大開度である全開にする場合について説明した。しかし、本発明はこれに限られるものではなく、ＩＳＣ弁３４の開度を所定の基準開度より大きくするものであってもよい。ここで基準開度は、ＩＳＣ弁の開弁により早期に吸気を逆流させて発生トルク低減を図ることができる程度に大きな開度に、適宜設定することができる。これは他の実施の形態においても同様である。
また、本実施の形態のシステムは、第１圧力センサ４２と第２圧力センサ４４とを備え、これらセンサの出力に基づき第１圧力Ｐ１及び第２圧力Ｐ２を取得する場合について説明した。しかし本発明は、第１圧力センサ４２及び第２圧力センサ４４の両者又は一方を有さない構成であってもよい。このような場合、第１圧力Ｐ１と第２圧力Ｐ２として、各部分の圧力の推定値を用いることができる。これは他の実施の形態においても同様である。
また、本実施の形態では、制御装置は図３及び図４のルーチンの双方を実行することで、ＩＳＣ弁全開制御中にはリーン燃焼運転への切り替えを禁止し、リーン燃焼運転中にはＩＳＣ弁全開制御の実行を禁止する場合について説明した。しかし、本発明は、両制御を実行するものに限られず、いずれか一方の制御のみを行うものであってもよい。これは他の実施の形態においても同様である。
なお、本実施の形態において、図２のステップＳ１２〜Ｓ２２の処理が実行されることで、本発明の「開弁制御を実行する手段」が実現し、図３のＳ１０２〜Ｓ１０４の処理が実行されることで、「リーン燃焼運転への切り替えを禁止する手段」が実現し、図４のＳ１１２とＳ１１４及び図２のＳ１０の処理が実行されることで「開弁制御禁止手段」が実現する。
なお、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、この実施の形態において説明する構造や方法等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
２ 内燃機関
４ 筒内インジェクタ
６ 点火プラグ
８ 吸気弁
１０ 排気弁
１２ 吸気通路
１４ 排気通路
２０ エアクリーナ
２２ エアフロメータ
２４ コンプレッサ
２６ インタークーラ
２８ スロットル弁
３０ サージタンク
３２ ＩＳＣ通路
３４ ＩＳＣ弁
３６ 排気タービン
３８ 触媒
４０ 消音器
４２ 第１圧力センサ
４４ 第２圧力センサ
５０ ＥＣＵ

Claims (2)

  1. 理論空燃比よりリーンな空燃比の混合気を燃焼させるリーン燃焼運転と、空燃比が理論空燃比近傍の混合気を燃焼させるストイキ燃焼運転と、を切り替え可能な過給機付き内燃機関の制御装置であって、
    前記内燃機関の吸気通路に設置された前記過給機のコンプレッサと、
    前記吸気通路の、前記コンプレッサの下流に設置されたスロットル弁と、
    前記吸気通路の、前記コンプレッサの上流側と前記スロットル弁の下流側とを接続するＩＳＣ通路と、
    所定の開度に制御されることで前記ＩＳＣ通路に流れる空気量を調節するＩＳＣ弁と、
    前記内燃機関に要求される要求トルクが、現在設定されている制御目標値から予想される予想発生トルクより小さく、且つ前記スロットル弁の下流側の吸気圧が前記コンプレッサの上流側の吸気圧よりも大きい場合に、前記ＩＳＣ弁の開度を全開とする開弁制御を実行する制御手段と、
    前記開弁制御の実行中、前記リーン燃焼運転への切り替えを禁止する手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  2. 前記リーン燃焼運転が行われている場合、前記開弁制御の実行を禁止する開弁制御禁止手段を、更に、備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
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