JP6257350B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気ターボ過給機が付帯した内燃機関を制御する制御装置に関する。

気筒から排出される排気ガスの持つエネルギを利用して排気タービン（タービンホイール）を回転させ、その回転をコンプレッサのインペラ（コンプレッサホイール）に伝達し、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒へと送り込む排気ターボ過給機が周知である。

排気ターボ過給機を備える内燃機関には、ウェイストゲートを付設することが通例である。ウェイストゲートバルブは、排気通路におけるタービンの上流側と下流側とを接続するバイパスを開閉するものであり、吸気通路を流通する吸気の圧力が過剰な大きさにならないよう抑制する役割を担う。

一般的なウェイストゲートバルブは、ダイアフラム室に供給される過給気の圧力を利用するダイアフラム式アクチュエータにより駆動される（例えば、下記特許文献１を参照）。このアクチュエータには、ダイアフラム室を大気に開放し得る調整バルブ（Ｖａｃｕｕｍ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｖａｌｖｅ）が付随しており、ＶＳＶの開度をデューティ制御することを通じてウェイストゲートバルブの開度を調節し、以て過給圧の制御を実現することができる。

吸気通路からダイアフラム室に過給気を送り込むための流路が詰まったり、アクチュエータが破損したり、ウェイストゲートバルブが固着したりすると、ウェイストゲートを介して排気ガスのタービンへの流入を制限することができなくなり、過給圧が過大となって内燃機関の損壊を招くおそれがある。このような危険を防止するため、従来より、過給圧を常時センシングしておき、過給圧が閾値を超えたときに気筒への燃料供給を一時中断する燃料カットを実施するようにしている（例えば、下記特許文献２を参照）。

特開２００９−１８０１１２号公報 特開平０８−０６１１０４号公報

過給圧が閾値を超えた場合のフェイルセーフ制御では、燃料カットを行う一方で、気筒に設置されている点火プラグによる火花点火は続行していた。

点火プラグの中心電極と接地電極との間で火花放電を発生させるために必要となる電圧は、気筒に充填され圧縮される吸気の圧力（密度）が高いほど大きくなり、また、空燃比がリーンになるほど大きくなる。故に、フェイルセーフ制御中に点火プラグの中心電極に印加される電圧は顕著に大きくなる。そして、点火プラグの耐電圧性能を上回る大電圧が印加された結果として、中心電極を被覆する絶縁材（碍子）が割れる等の損傷を点火プラグにもたらす懸念があった。

以上の問題に初めて着目してなされた本発明は、排気ターボ過給機が付帯した内燃機関における過過給を防止しながら、点火プラグの損傷を回避することを所期の目的とする。

本発明では、排気ターボ過給機が付帯した内燃機関を制御するものであって、排気ターボ過給機により過給された吸気の圧力が閾値を超えた場合に、気筒への燃料供給を中断する燃料カットを実施し、前記燃料カットを開始した後、点火プラグによる火花点火を数回実行してもなお吸気の圧力が前記閾値よりも低位の安全値まで低下しなければ、燃料カットとともに点火プラグにおける火花放電を休止する点火カットを実施し、吸気の圧力が前記安全値まで低下したことを条件として前記燃料カット及び前記点火カットを終了する内燃機関の制御装置を構成した。

過給圧が過大化する直前の時期には、内燃機関が高回転数かつ高負荷の領域で運転されていた可能性が高い。つまり、インジェクタから多量の燃料が噴射されており、その一部が液状となって吸気ポートの内壁面等に付着して残留していることが想定される。過給気の圧力が閾値を超えた場合に即時に点火カットを開始すると、残留していた燃料を燃焼させる機会が与えられず、未燃の燃料成分が気筒から排気通路に流れ込み、排気浄化用の触媒において酸化反応して触媒を昇温させたり、あるいはそのまま外部に放出されたりする。これを阻止するためには、前記燃料カットを開始してから、点火プラグによる火花点火を数回実行し、しかる後に前記点火カットを開始することが好ましい。

本発明によれば、排気ターボ過給機が付帯した内燃機関における過過給を防止しながら、点火プラグの損傷を回避することができる。

本発明の一実施形態における車両用内燃機関の全体構成を示す図。 同実施形態の制御装置が実行する処理の手順例を示すフロー図。

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、排気ターボ過給機５のコンプレッサ５１、インタクーラ３５、吸気絞り用のバルブである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、排気ターボ過給機５の排気タービン５２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。加えて、タービン５２を迂回する排気バイパス通路４３、及びこのバイパス通路４３の入口を開閉するバイパス弁であるウェイストゲートバルブ４４を設けてある。ウェイストゲートバルブ４４は、アクチュエータ６により駆動する。

アクチュエータ６は、ダイアフラム室６１及び定圧室６２を有し、ダイアフラム室６１と定圧室６２との差圧を利用して、バイパス４３を閉鎖するウェイストゲートバルブ４４を開放させるものである。即ち、ダイアフラム室６１と定圧室６２との差圧が所定のセット圧を超えたときに、バルブロッド６３がスプリング６４の弾性付勢力に抗して変位し、ウェイストゲートバルブ４４を開く。ダイアフラム室６１と定圧室６２との差圧がセット圧以下である場合には、スプリング６４の弾性付勢力によりバルブロッド６３が元の位置に復帰し、ウェイストゲートバルブ４４が完全に閉じる。

アクチュエータ６のダイアフラム室６１には、吸気通路３における、コンプレッサ５１の下流側かつスロットルバルブ３２の上流側の部位の吸気の圧力、即ち過給圧を導入する。ダイアフラム室６１と吸気通路３の当該部位との間には、両者を連通させる過給圧導入流路７１と、過給圧導入流路７１（または、ダイアフラム室６１）を大気に開放する圧抜流路７２と、圧抜流路７２を開閉するＶＳＶ７３とを設けている。

ＶＳＶ７３は、制御信号ｌを受けてその開度を変化させるソレノイドバルブ等の流量制御弁である。ＶＳＶ７３の開度を操作すれば、吸気通路３から過給圧導入流路７１に流入する過給気の一部を圧抜流路７２経由で大気に逃がし、ダイアフラム室６１の圧力の大きさを制御することができる。

なお、アクチュエータ６の定圧室６２には通常、大気圧を導入する。

排気ターボ過給機５は、排気タービン５２とコンプレッサのインペラ５１とをシャフト５３を介して同軸で連結し連動するように構成したものである。そして、タービン５２及びインペラ５１を排気のエネルギを利用して回転駆動し、その回転力を以てコンプレッサにポンプ作用を営ませることにより、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒１に送り込む。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ０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、ブレーキペダルの踏込量を検出するセンサから出力されるブレーキ踏量信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する吸気温・吸気圧センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、内燃機関の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、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ｇ、バッテリ６２の充電状態を示唆する指標（バッテリ電流及び／またはバッテリ電圧）を検出するセンサから出力されるバッテリ状態信号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、ＶＳＶ７３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、点火タイミング等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。

しかして、本実施形態のＥＣＵ０は、排気ターボ過給機５により過給された吸気の圧力が閾値を超えた場合に、フェイルセーフ制御として、気筒１への燃料供給を中断する燃料カットを実施するとともに、点火プラグ１２における火花放電を休止する点火カットを実施する。

図２に、ＥＣＵ０がプログラムに従い実行する処理の手順例を示している。ＥＣＵ０は、過給圧としてサージタンク３３内の吸気圧を恒常的にセンシングしている。そして、その過給圧が閾値を超えて過大となったとき（ステップＳ２）、過過給による内燃機関の損壊を防止するべく、燃料カット即ちインジェクタ１１からの燃料噴射を一時停止して（ステップＳ３）、燃料の燃焼を中止し、排気タービン５２に流入する排気ガスのエネルギを低減せしめ、過給圧の低下を図る。

過給圧と比較するべき閾値は、そのときの内燃機関の状態に応じて定める（ステップＳ１）。例えば、現在のエンジン回転数が高いほど、閾値を高く設定する。ＥＣＵ０のメモリには予め、エンジン回転数、アクセル開度等と、過給圧の閾値との関係を規定したマップデータが格納されている。ステップＳ１にて、ＥＣＵ０は、現在のエンジン回転数等をキーとして当該マップを検索し、過給圧と比較するべき閾値を知得する。

さらに、ＥＣＵ０は、燃料カットの開始後、各気筒１に訪れた膨張行程の回数、換言すれば点火プラグ１２による火花点火の回数を計数し、その回数が所定回数に到達した（ステップＳ４）後、点火カット即ち点火コイルから点火プラグ１２への誘導電圧（火花放電用の電圧）の印加を停止する（ステップＳ５）。

燃料カットの開始直後から点火カットを開始せず、燃料カット中にもかかわらず所定回数火花点火を実行するのは、燃料カット開始前にインジェクタ１１から噴射され吸気ポートの内壁面等に付着した液状燃料（ポートウェット）が残存しており、このポートウェットが燃料カット中に気化して気筒１に吸引される可能性があることによる。燃料カットの開始後もしばらくの間火花点火を続行していれば、気筒１に吸引されたポートウェット分の燃料を燃焼させる機会を得られ、未燃燃料が排気通路４に流入してしまうことを抑止できる。

燃料カットの開始後、過給圧が上記の閾値に安全余裕を加味した値（この値は、閾値よりも低位の値である）まで低下したならば（ステップＳ６、Ｓ７）、燃料カット及び点火カットを終了、インジェクタ１１からの燃料噴射及び点火プラグ１２による火花点火を再開する（ステップＳ８）。

本実施形態では、排気ターボ過給機５が付帯した内燃機関を制御するものであって、排気ターボ過給機５により過給された吸気の圧力が閾値を超えた場合に、気筒１への燃料供給を中断する燃料カットを実施するとともに、点火プラグ１２における火花放電を休止する点火カットを実施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、フェイルセーフ制御を通じて、吸気通路３を流れる吸気の圧力が過大化する過過給を防止することができる。その上で、フェイルセーフ制御中に点火プラグ１２が損傷して内燃機関の運転及び車両の退避走行の妨げとなることを回避できる。

また、燃料カット中は本来、点火プラグ１２による火花点火を必要としない。燃料カット中に点火プラグ１２における火花放電を休止することで、電気エネルギの浪費を抑制できる。

加えて、排気ターボ過給機５により過給された吸気の圧力が閾値を超えた場合に、前記燃料カットを開始してから、点火プラグ１２による火花点火を数回実行し、しかる後に前記点火カットを開始するようにしているため、吸気ポートの内壁面等に付着して残留した燃料を燃料カット中に燃焼させる機会を確保できる。

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。各部の具体的構成や処理の手順等は、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
１１…インジェクタ
１２…点火プラグ
５…排気ターボ過給機
ｂ…クランク角信号
ｃ…アクセル開度信号
ｅ…吸気圧信号

Claims (1)

1. 排気ターボ過給機が付帯した内燃機関を制御するものであって、
   排気ターボ過給機により過給された吸気の圧力が閾値を超えた場合に、気筒への燃料供給を中断する燃料カットを実施し、
   前記燃料カットを開始した後、点火プラグによる火花点火を数回実行してもなお吸気の圧力が前記閾値よりも低位の安全値まで低下しなければ、燃料カットとともに点火プラグにおける火花放電を休止する点火カットを実施し、
   吸気の圧力が前記安全値まで低下したことを条件として前記燃料カット及び前記点火カットを終了する内燃機関の制御装置。

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