JP6230337B2

JP6230337B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP6230337B2
Application number: JP2013179156A
Authority: JP
Inventors: 直裕下町
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2017-11-15
Anticipated expiration: 2033-08-30
Also published as: JP2015048721A

Description

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

内燃機関の気筒における混合気の燃焼温度を低下させてＮＯ_xの排出量を削減しつつ、ポンピングロスの低減を図るＥＧＲ装置が周知である（例えば、下記特許文献を参照）。ＥＧＲ装置は、内燃機関の排気通路と吸気通路とをＥＧＲ通路を介して接続し、気筒で発生する燃焼ガスの一部をＥＧＲ通路経由で吸気経路に還流させて吸気に混入するものである。

ＥＧＲ通路上に設けられてＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブは、元からある個体差や経年変化等により、個体毎にその入出力特性、即ちバルブ開度とＥＧＲガス流量との関係にばらつきが発生する。

また、エンジン回転数及びサージタンク内の吸気圧に基づいて燃料噴射量を決定するシステムでは、新気の流量をエアフローメータで直接計測することがない。それ故、ＥＧＲバルブの入出力特性のばらつきにより、気筒に充填される新気量の見積もりを誤ることがあり、燃料噴射量が不適正となるおそれがある。

ＥＧＲバルブ個体毎のＥＧＲガス流量のばらつきは、ＥＧＲバルブの開度が小さい領域において顕著となる。そして、ＥＧＲバルブの開度を絞る運転領域とは、吸気に要求されるＥＧＲ率が低い領域である。そのような運転領域において、実際の吸気のＥＧＲ率が要求ＥＧＲ率から乖離すると、気筒において混合気の燃焼が不安定化し、時には失火に至るおそれも否定できない。

そこで、従来より、ＥＧＲバルブの開度に下限値を設定しておき、ＥＧＲバルブの開度が当該下限値を下回る場合には、ＥＧＲバルブを全閉してＥＧＲを停止する制御を行っている。

特開２０１２−２４１５７５号公報

従来の制御では、上述の下限値を単一の定数値としている。一方、ＥＧＲバルブ開度及びＥＧＲバルブの前後差圧が一定の条件下では、エンジン回転数が低いほど吸気のＥＧＲ率が高まる傾向にある。よって、低回転域において混合気の燃焼不安定ないし失火を確実に予防できるように、安全余裕を加味してＥＧＲバルブ開度の下限値を定めている。

しかしながら、低回転域における耐ストール性の向上、ドライバビリティの維持及びエミッションの抑制に主眼を置いてＥＧＲバルブ開度の下限値を定めた結果、高回転域または高負荷域においてもＥＧＲを実行する機会が奪われてしまい、ＮＯ_xの排出削減及びポンピングロスの低減（ひいては、燃費性能の向上）というＥＧＲ装置本来の効用が減殺されることとなる。高回転域では、ＥＧＲバルブ毎のＥＧＲガス流量のばらつきが比較的小さい。また、高負荷域では、気筒に充填される新気の量がそもそも多く、ＥＧＲガス流量のばらつきが燃焼の安定性にあまり影響を与えない。

本発明は、以上の問題に初めて着目してなされたものであり、気筒における混合気の燃焼の不安定ないし失火を回避しながら、ＥＧＲの実行機会を増すことを所期の目的としている。

本発明では、排気通路と吸気通路とを連通させるＥＧＲ通路上に当該ＥＧＲ通路を開閉するＥＧＲバルブを設けたＥＧＲ装置が付帯する内燃機関を制御するものであって、ＥＧＲバルブの開度に下限値を設定し、ＥＧＲバルブの開度が当該下限値を下回る場合にはＥＧＲバルブを全閉してＥＧＲを停止するものとし、前記下限値を、気筒に充填される吸気量（新気量にＥＧＲガス量等を含めた総和であることもあれば、新気量のみであることもある）が多いほど引き下げることを特徴とする内燃機関の制御装置を構成した。

なお、気筒に充填される吸気量が一定である条件下では、吸気通路内圧力が高いほど前記下限値を低く設定することが好ましい。

本発明によれば、気筒における混合気の燃焼の不安定ないし失火を回避しながら、ＥＧＲの実行機会を増すことが可能となる。

本発明の一実施形態における内燃機関の概略構成を示す図。同実施形態の制御装置による、目標ＥＧＲバルブ開度と比較するべき下限値の設定の態様を示す図。同実施形態の制御装置がＥＧＲを実行する領域を示す図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の４ストロークガソリンエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

本実施形態の内燃機関には、外部ＥＧＲ装置２が付帯している。外部ＥＧＲ装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通するＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。

ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。そして、ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３３に接続している。故に、全ての気筒１に分配されるべきＥＧＲガスは、一旦サージタンク３３に流入した後、吸気マニホルド３４を経由して各気筒１に向かうこととなる。ＥＧＲクーラ２２は、ＥＧＲ通路２１を還流するＥＧＲガスの持つ高い熱を内燃機関の冷却水（冷却液）と交換することを通じて、ＥＧＲガスの温度を降下させる熱交換器である。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有した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には、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気の温度及び圧力を検出する吸気温・吸気圧センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｄ、外気の温度を検出する気温センサから出力される外気温信号ｅ、内燃機関の温度を示唆する冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、シフトレバーのレンジを知得するためのセンサ（または、シフトポジションスイッチ）から出力されるシフトレンジ信号ｇ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０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を入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌを出力インタフェースを介して印加する。

ＥＣＵ０は、現在の内燃機関の運転領域［エンジン回転数，要求負荷（または、サージタンク３３内吸気圧、気筒１に充填される吸気量、燃料噴射量）］、冷却水温、外気温、ＥＧＲ通路２１におけるＥＧＲバルブ２３の前後差圧等に基づいて、ＥＧＲバルブ２３の目標開度を決定する。基本的に、目標ＥＧＲバルブ２３開度は、内燃機関に対する要求負荷が中程度の領域において最も大きく、要求負荷が当該領域から減少するほど小さくなり、また、要求負荷が当該領域から増大するほど小さくなる。アイドリング中やアイドリングに近い低負荷運転領域、並びに全負荷運転領域では、ＥＧＲを行わないため、目標ＥＧＲバルブ２３開度は０となる。

ＥＣＵ０のメモリには予め、エンジン回転数、要求負荷等のパラメータと、目標ＥＧＲバルブ２３開度との関係を規定したマップデータが格納されている。ＥＣＵ０は、現在のエンジン回転数、要求負荷等をキーとして当該マップを検索し、目標ＥＧＲバルブ２３開度を得る。因みに、ＥＧＲバルブ２３の上流側の圧力（排気圧）は気筒１に充填される吸気量から推測でき、下流側の圧力（吸気圧）はサージタンク３３内圧力として知得できる。

なお、ＥＣＵ０は、吸気のＥＧＲ率を目標ＥＧＲ率に追従させる（実際の吸気のＥＧＲ率と目標ＥＧＲ率との偏差を縮小する）ように目標ＥＧＲバルブ２３開度を補正する、フィードバック制御を実施することがある。

しかして、ＥＣＵ０は、ＥＧＲバルブ２３を目標開度に操作して、吸気に混交するＥＧＲガスの量を制御する。但し、目標ＥＧＲバルブ２３開度が下限値を下回っている場合には、ＥＧＲガス流量のばらつきにより混合気の燃焼が不安定化するリスクが高いことから、ＥＧＲバルブ２３の開度を全閉してＥＧＲの実行を停止する。

その上で、本実施形態では、目標ＥＧＲバルブ２３開度と比較するべき下限値（いわば、ＥＧＲ実行の許可条件）を、気筒１に充填される吸気量が多いほど引き下げることとしている。

図２に、エンジン回転数及びサージタンク３３内吸気圧と、ＥＧＲバルブ２３開度の下限値との関係を示している。エンジン回転数その他の条件が一定であるとき、気筒１に充填される吸気量は、吸気圧が高いほど多くなる。同様に、吸気圧その他の条件が一定であるとき、気筒１に充填される吸気量は、エンジン回転数が高いほど多くなる。よって、ＥＧＲバルブ２３開度の下限値は、現在のエンジン回転数が高いほど小さくし、また、現在の吸気圧が高いほど小さくする。

下限値が小さいということは、ＥＧＲバルブ２３の目標開度がこれを下回る可能性が低い、即ちＥＧＲが停止されにくいということを意味する。気筒１に充填される吸気量が多いほど下限値を小さくするのは、吸気量が多いほど吸気に含まれる新気の量も多く、ＥＧＲバルブ２３の特性の個体差に由来するＥＧＲガス流量のばらつきが混合気の燃焼の安定性に及ぼす悪影響が小さくなる（確実に着火燃焼し、失火しにくい）と考えられるからである。

さらに、気筒１に充填される吸気量が一定（エンジン回転数と吸気圧との和、エンジン回転数と吸気圧との積、またはエンジン回転数の二乗と吸気圧の二乗との和が一定であり、その他の条件も一定）である条件下では、サージタンク３３吸気圧が高いほど、下限値を小さくする。これは、吸気圧が高いほどＥＧＲ通路２１を通じたＥＧＲガスの還流量が少なく、吸気に含まれる新気の量が多いことによる。

ＥＣＵ０のメモリには予め、エンジン回転数及び吸気圧等と、ＥＧＲバルブ２３開度の下限値との関係を規定したマップデータが格納されている。ＥＣＵ０は、現在のエンジン回転数御及び吸気圧等をキーとして当該マップを検索し、目標ＥＧＲバルブ２３開度の下限値を得る。そして、当該下限値と、上述した目標ＥＧＲバルブ２３開度とを比較し、ＥＧＲの実行の可否を判断するのである。

本実施形態では、排気通路４と吸気通路３とを連通させるＥＧＲ通路２１上に当該ＥＧＲ通路２１を開閉するＥＧＲバルブ２３を設けたＥＧＲ装置２が付帯する内燃機関を制御するものであって、ＥＧＲバルブ２３の開度に下限値を設定し、ＥＧＲバルブ２３の開度が当該下限値を下回る場合にはＥＧＲバルブ２３を全閉してＥＧＲを停止するものとし、前記下限値を、気筒１に充填される吸気量が多いほど引き下げることを特徴とする内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、図３に示すように、従来の制御手法と比較して、ＥＧＲを実行する運転領域を拡張することができる。図３中、網点で表した領域が従来の制御におけるＥＧＲ実行領域、ハッチングで表した領域が本実施形態の制御におけるＥＧＲ実行領域である。高回転域では、ＥＧＲバルブ２３毎のＥＧＲガス流量のばらつきが比較的小さい。並びに、高負荷域では、気筒１に充填される新気の量がそもそも多く、ＥＧＲガス流量のばらつきが燃焼の安定性にあまり影響を与えない。つまり、高回転域及び／または高負荷域では、混合気の燃焼が不安定化し、または失火するリスクが低い。従って、本実施形態では、ＥＧＲバルブ２３開度と比較するべき下限値を引き下げることで、当該領域においてＥＧＲを実行する機会を増し、ＮＯ_xの排出削減及びポンピングロスの低減（燃費性能の向上）というＥＧＲ装置２本来の効用を十分に享受するようにした。

加えて、気筒１に充填される吸気量が一定である条件下では、吸気通路３内圧力が高いほど前記下限値を低く設定することとしており、燃費性能のより一層の向上に寄与し得る。

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。例えば、上記実施形態では、エンジン回転数及びサージタンク３３内吸気圧力等から気筒１に充填される新気及びＥＧＲガス、ブローバイガス等の総和である吸気量を求め、その吸気量が多いほどＥＧＲ許可条件であるＥＧＲバルブ２３開度の下限値を引き下げることとしていたが、気筒１に充填される新気量のみに基づき（新気量を吸気量として扱い）、その新気量が多いほどＥＧＲバルブ２３開度の下限値を引き下げるようにしてもよい。

具体的には、内燃機関の運転領域等及びＥＧＲバルブ２３開度と、サージタンク３３内圧力のうちのＥＧＲガスの分圧との関係を、予め適合により（実験的に）求めてマップ化し、制御装置たるＥＣＵ０のメモリに格納しておく。そして、現在の内燃機関の運転領域等及びＥＧＲバルブ２３開度をキーとして当該マップを検索し、現在のＥＧＲ分圧を知得し、その分圧を現在のサージタンク３３内圧力から減算して新気の分圧を得、エンジン回転数及び新気の分圧等から気筒１に充填される新気量を推算する。あるいは、吸気通路３上にエアフローメータが実装されている場合には、エアフローメータを介して新気の流量を計測することが可能であり、これにより気筒１に充填される新気の量を求める。そして、新気量に基づいてＥＧＲバルブ２３の下限値を設定する。

その他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、車両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…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
２…ＥＧＲ装置
２１…ＥＧＲ通路
２３…ＥＧＲバルブ
３…吸気通路
４…排気通路

Claims

排気通路と吸気通路とを連通させるＥＧＲ通路上に当該ＥＧＲ通路を開閉するＥＧＲバルブを設けたＥＧＲ装置が付帯する内燃機関を制御するものであって、
ＥＧＲバルブの開度に下限値を設定し、ＥＧＲバルブの開度が当該下限値を下回る場合にはＥＧＲバルブを全閉してＥＧＲを停止するものとし、
前記下限値を、気筒に充填される吸気量が多いほど引き下げることを特徴とする内燃機関の制御装置。
気筒に充填される吸気量が一定である条件下では、吸気通路内圧力が高いほど前記下限値を低く設定する請求項１記載の内燃機関の制御装置。