JP6468241B2

JP6468241B2 - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP6468241B2
Application number: JP2016095290A
Authority: JP
Inventors: 広矩伊藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-05-11
Filing date: 2016-05-11
Publication date: 2019-02-13
Anticipated expiration: 2036-05-11
Also published as: US20170328291A1; JP2017203413A; DE102017106620A1; CN107366589A

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、詳しくは、排気還流装置を備えた内燃機関の制御装置に関する。

例えば、特許文献１には、燃費改善を目的として触媒通過後の排気ガスを吸気へ還流させる排気還流装置（以下、「ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置」とも称する）を備える内燃機関が開示されている。このようなＥＧＲ装置付き内燃機関では、燃費改善効果を運転条件に応じて最大にするためにＥＧＲの量を制御する必要があり、この制御には排気を還流させる通路に配置されたＥＧＲ弁が使用されている。

特開２０１０−１５０９３０号公報特開２０１３−１６２６６３号公報特開２００５−０６９１３６号公報

ＥＧＲ装置では、排気通路と吸気通路の圧力差を利用して排気ガスを還流させている。このため、例えば排気通路の排気口が浸水した場合には、背圧の上昇によって必要以上の排気ガスが吸気へ還流され、燃焼が不安定になるおそれがある。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、ＥＧＲ装置を備えた内燃機関において、排気通路の浸水に起因する燃焼不安定を抑制することのできる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、内燃機関の制御装置であって、
内燃機関の吸気通路と排気通路とを接続するＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲ通路の途中に設けられたＥＧＲ弁と、
前記内燃機関の運転状態に基づいて前記ＥＧＲ弁の開度を制御する開度制御装置と、を備え、
前記開度制御装置は、
前記排気通路の排気口が浸水する可能性があるか否かを判定し、
前記排気口が浸水する可能性があると判定された場合には、前記ＥＧＲ弁の開度を全閉に操作する
ように構成されていることを特徴としている。

第２の発明は、第１の発明において、
前記開度制御装置は、前記内燃機関が搭載された車両の走行抵抗を算出し、前記走行抵抗が閾値以上である場合に、前記排気口が浸水する可能性があると判定することを特徴としている。

第１の発明によれば、排気通路の排気口が浸水する可能性があると判定された場合にＥＧＲ弁が全閉に操作される。これにより、排気ガスの吸気への還流を完全に停止させることができるので、排気通路が浸水したときの燃焼不安定を確実に抑止することが可能となる。

第２の発明によれば、内燃機関が搭載された車両の走行抵抗が閾値以上であるか否かによって排気口が浸水する可能性があるか否かが判定される。浸水深さが深いほど車両の走行抵抗は増加する。このため、車両の走行抵抗は、排気通路の排気口が浸水するか否かの指標となり得る。このため、本発明によれば、排気通路への浸水の可能性を高精度に判定することが可能となる。

本発明の実施の形態１としての制御装置が適用される内燃機関が搭載されたシステムの概略構成を示す図である。エンジンを搭載した車両が浸水した際の各種状態量の変化を示すタイムチャートである。通常のＥＧＲ制御におけるＥＧＲ弁の開度マップの一例を示している。浸水時のＥＧＲ制御におけるＥＧＲ弁の開度マップの一例を示している。本発明の実施の形態１でＥＣＵにより実行される制御ルーチンを示すフローチャートである。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１について図を参照して説明する。

［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１としての制御装置が適用される内燃機関（以下、単にエンジンという）が搭載されたシステムの概略構成を示す図である。図１に示すエンジン１０は、火花点火式の４ストロークレシプロエンジンであり車両に搭載される。エンジン１０は、各気筒の燃焼室内に空気を供給するための吸気系、排気ガスを排出するための排気系、排気系の排気ガスの一部を吸気系へ還流させるＥＧＲ系、およびエンジン１０の運転を制御するための制御系の構成を有している。以下、これらの構成についてそれぞれ詳細に説明する。

エンジン１０の吸気系は吸気通路１２を備えている。吸気通路１２の入口側にはエアクリーナ１４が取り付けられている。吸気通路１２におけるエアクリーナ１４の下流側には、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ーメータ１６が取り付けられている。吸気通路１２の出口側は、吸気マニホールド１８を介して各気筒の燃焼室に接続されている。

吸気通路１２におけるエアフローメータ１６の下流側にはターボ過給機２２のコンプレッサ２２ａが配置されている。コンプレッサ２２ａの下流側の吸気通路１２には、コンプレッサ２２ａによって圧縮された吸気を冷却するためのインタークーラ２４が配置されている。インタークーラ２４の下流側の吸気通路には、エンジン１０内に供給される空気量を調整するためのスロットルバルブ２６が配置されている。

エンジン１０の排気系は排気通路３０を備えている。排気通路３０の一端側は排気マニホールド２８を介して各気筒の燃焼室に接続されている。排気通路３０の途中には、ターボ過給機２２のタービン２２ｂが配置されている。タービン２２ｂの下流側の排気通路３０には、上流側触媒３２および下流側触媒３４がこの順に配置されている。また、下流側触媒３４の下流側の排気通路３０には、消音のためのマフラー３６が配置されている。排気通路３０の排気口３８は、地面から所定の高さの位置において、車両の後方に向かって開口している。

また、エンジン１０のＥＧＲ系はＥＧＲ通路４０を備えている。ＥＧＲ通路４０は、その一端が上流側触媒３２と下流側触媒３４との間の排気通路３０に接続され、他端がエアフローメータ１６とコンプレッサ２２ａとの間の吸気通路１２に接続されている。ＥＧＲ通路４０の途中には、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ４２、ＥＧＲガス中の微粒子を除去するためのＥＧＲフィルタ４４および当該ＥＧＲ通路４０を開閉するためのＥＧＲ弁４６が、排気通路３０との連通側から順に設けられている。

本実施形態のエンジン１０は、その制御系としてＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０は、少なくとも入出力インタフェースとメモリとＣＰＵ（プロセッサ）とを備えている。入出力インタフェースは、内燃機関に取り付けられた各種センサからセンサ信号を取り込むとともに、内燃機関が備えるアクチュエータに対して操作信号を出力するために設けられている。ＥＣＵ５０が信号を取り込むセンサには、上述したエアフローメータ１６の他、クランク角センサやアクセルポジションセンサ等、内燃機関の制御に必要な各種のセンサが含まれる。ＥＣＵ５０が操作信号を出すアクチュエータには、上述したスロットルバルブ２６、ＥＧＲ弁４６等の各種アクチュエータが含まれる。メモリには、内燃機関を制御するための各種の制御プログラム、マップ等が記憶されている。ＣＰＵ（プロセッサ）は、制御プログラム等をメモリから読み出して実行し、取り込んだセンサ信号に基づいて操作信号を生成する。

［実施の形態１の動作］
次に、図面を参照して実施の形態１の動作について説明する。図１に示すように、本実施の形態のエンジン１０は燃費改善等を目的として、上流側触媒３２を通過して圧力が低下した排気ガスの一部を吸気系へ還流させるＥＧＲ装置を備えている。ＥＧＲ装置は、主にＥＧＲ通路４０、ＥＧＲ弁４６及びＥＧＲ弁４６の開度を制御する開度制御装置によって構成されている。開度制御装置は、ＥＣＵ５０の処理回路の一部であり、吸気通路１２へと還流させる排気ガスの割合を調整するための機能を実現するためのものである。ＥＧＲ弁４６の開度は、エンジン回転速度とエンジントルクにより定まる運転条件に関連付けて開度制御装置に記憶されている。これにより、燃費改善効果を最大にするためのＥＧＲ率が運転状態に応じて実現される仕組みになっている。

ここで、ＥＧＲ装置では、上流側触媒３２と下流側触媒３４との間の排気通路３０の圧力と、エアクリーナ１４とコンプレッサ２２ａの間の吸気通路１２圧力との差圧を利用してＥＧＲ通路４０を通過するＥＧＲガスを吸気通路１２へと導入する。このため、排気通路３０の排気口３８が浸水した場合、排気通路３０の圧力の上昇によってＥＧＲガスの還流量が過多になり燃焼が不安定になるおそれがある。そこで、本実施の形態１のシステムでは、排気口３８から水が浸水する可能性がある場合に、同一の運転状態における通常時よりもＥＧＲ弁４６を閉じ側に操作する。以下、排気口３８の浸水時のＥＧＲ弁４６の開度制御方法について詳細に説明する。

図２は、エンジン１０を搭載した車両が浸水した際の各種状態量の変化を示すタイムチャートである。この図において１段目のチャートは車両の走行抵抗ｆ_２の時間変化を、２段目のチャートはＥＧＲ弁開度の時間変化を、３段目のチャートは車両の車速の時間変化を、４段目のチャートは車両の浸水深さの時間変化を、５段目のチャートはＥＧＲ率の時間変化を、そして６段目のチャートはエンジン負荷の時間変化を、それぞれ示している。

図２に示すチャートでは、時間ｔ１において車両の浸水が開始され、時間とともに浸水深さが深くなっている場合を示している。１段目のチャートの走行抵抗ｆ_２は、車両の速度の二乗に比例する抵抗であり、水の抵抗や空気の抵抗がこれに含まれる。時間ｔ１以降浸水深さが深くなると水の抵抗が増大するため、これに伴い走行抵抗ｆ_２が増大している。また、図２に示すチャートでは、この間の車速を一定に保つべく時間ｔ１以降のエンジン負荷が上昇している。

浸水深さが排気口３８の地上高となる時間ｔ３に到達すると、排気口３８からの浸水によって背圧が上昇してしまう。この際ＥＧＲ弁４６の通常の制御を継続すると、５段目のチャートの点線で示すようにＥＧＲ率が上昇し、エンジン１０の燃焼が失火限界に到達してしまうおそれがある。

そこで、本実施の形態１のシステムでは、排気口３８が浸水する時間ｔ３の前の時間ｔ２において、ＥＧＲ弁４６の開度を閉じ側に操作している。このような制御によれば、５段目のチャートに実線で示すように、ＥＧＲ率を時間ｔ２において低下させることができるので、その後の時間ｔ３において背圧が上昇したとしても、ＥＧＲ過多による燃焼不安定を抑制することが可能となる。

なお、時間ｔ２のタイミングは、排気口３８が浸水する可能性があるタイミングに相当する。上述したように、走行抵抗ｆ_２は浸水深さが深くなるほど大きくなる。このため、浸水深さが排気口３８の高さに到達する直前となる場合の走行抵抗ｆ_２を閾値として予め実験等により特定しておき、走行抵抗ｆ_２がこの閾値を超えるか否かによって排気口３８が浸水する可能性があるか否かを判定することができる。

また、浸水を判定した場合にＥＧＲ弁４６の開度を閉じ側に操作する方法としては種々の方法が考えられるが、例えば、ＥＧＲ弁４６の開度マップを切り替えることにより実現することができる、図３は、通常のＥＧＲ制御におけるＥＧＲ弁の開度マップの一例を示している。また、図４は、浸水時のＥＧＲ制御におけるＥＧＲ弁の開度マップの一例を示している。図３及び図４に示すマップは、ＥＧＲ弁開度がエンジン回転速度とエンジントルクに関連付けられて記憶されている。図４に示すマップでは、図３に示すマップよりも同運転条件でのＥＧＲ弁開度が小開度に設定されている。このため、ＥＧＲ弁の開度制御において浸水の可能性があることを判定した場合に図３に示すマップから図４に示すマップへと切り替えることとすれば、排気口３８が浸水する前にＥＧＲ弁４６の開度を閉じ側の開度とすることが可能となる。

［実施の形態１の具体的処理］
次に、図５を参照して本実施の形態１のシステムにおいて実行されるＥＧＲ弁４６の開度制御の具体的処理について説明する。図５は、本実施の形態でＥＣＵ５０により実行される制御ルーチンを示すフローチャートである。なお、図５に示すルーチンは、エンジン１０の運転中に所定の制御周期で繰り返し実行される。

図５に示す制御ルーチンでは、先ず、エンジン１０の運転状態に基づいて車両の走行抵抗ｆ_２が算出される（ステップＳ２）。ここでは、具体的には、次式（１）に従い走行抵抗ｆ_２が算出される。なお、次式（１）において、Ｍは車重[Kg]を示し、ｖは車速[m/s]を示し、ａは車両の加速度[m/s²]を示し、Ｆ_ｔは車両のタイヤから地面に伝わる力[N]を示し、ｇは重力加速度[m/s²]を示し、θは車両の傾斜角[rad]を示し、ｆ_１は速度にかかわらず発生する抵抗[N]を示し、ｆ_２は速度の二乗に比例する抵抗[N・s²/m²]を示し、Teはエンジントルク[Nm]を示し、Ｎｔは車両のタイヤの回転速度[rpm]を示し、そしてＮｅはエンジン回転速度[rpm]を示している。なお、何れの値も公知のセンサの検出値や、予め記憶された設計値や実験値から求めることができる。

次に、算出された走行抵抗ｆ_２が閾値よりも小さいか否かが判定される（ステップＳ４）。ＥＣＵ５０は、浸水深さが排気口３８の高さに到達する直前となる場合の走行抵抗ｆ_２の値を閾値として記憶している。ここでは、ＥＣＵ５０に記憶されている閾値が読み込まれ、ステップＳ２において算出された走行抵抗ｆ_２と比較される。その結果、走行抵抗ｆ_２＜閾値の成立が認められた場合には、浸水深さが排気口３８の高さに到達するおそれがないと判断されて、次のステップに移行し、通常のＥＧＲ制御が行われる（ステップＳ６）。ここでは、具体的には、図３に示すマップを用いたＥＧＲ制御が行われる。

一方、上記ステップＳ４において、走行抵抗ｆ_２＜閾値の成立が認められない場合には、浸水深さが排気口３８の高さに到達する直前であると判断されて、浸水が判定される（ステップＳ８）。浸水が判定されると、次に浸水時のＥＧＲ制御が行われる（ステップＳ１０）。ここでは、具体的には、図４に示すマップを用いたＥＧＲ制御が行われる。

このように、本実施の形態１のＥＧＲ装置によれば、排気通路３０の排気口３８が浸水することによるＥＧＲ過多、およびこれに伴う燃焼不安定を有効に抑制することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態１のシステムについて説明したが、実施の形態１のシステムは更に以下のように変形して実施してもよい。

上述した実施の形態１のシステムでは、コンプレッサ２２ａの上流側にＥＧＲガスを還流させるいわゆるＬＰＬ−ＥＧＲを行う装置について説明したが、排気マニホールド２８の排気ガスを吸気マニホールド１８へと還流させるＨＰＬ−ＥＧＲを行うＥＧＲ装置において本発明を適用することとしてもよい。また、エンジン１０は火花点火式のガソリンエンジンに限らず、ディーゼルエンジン等、他の内燃機関に対して本発明を適用してもよい。

また、上述した実施の形態１のシステムでは、浸水判定を行う際の指標として走行抵抗ｆ_２を用いることとした。しかしながら、浸水の判定方法はこれに限られず、例えば液滴センサや光学センサを用いて水の浸水状況を直接検知する構成でもよい。また、エンジン出力と車両の傾斜角と車速の関係を予めマップ等に記憶しておき、実際の車速が当該マップにより特定される現在のエンジン出力及び傾斜角に対応する車速に対して想定以上に低い場合に浸水していると判定することとしてもよい。さらに、車両に搭載されている車載カメラの情報から浸水を判定する構成や、地図情報や気象情報等の外部情報から浸水を判定する構成でもよい。

また、上述した実施の形態１のシステムでは、浸水時のＥＧＲ制御としてＥＧＲ弁開度マップを切り替えることとしたが、浸水時のＥＧＲ制御はこれに限られない。すなわち、通常時のＥＧＲ弁開度に対して閉側の開度に操作されるのであれば、例えば浸水時にＥＧＲ弁開度を全閉にすることとしてもよいし、また、所定の割合でＥＧＲ弁開度を制限する構成でもよい。

車両が上り坂を走行している場合には、走行抵抗ｆ_２から判断するまでもなく排気口３８が浸水するおそれがないと判断することができる。そこで、実施の形態１のシステムでは、車両が上り坂を走行していることを傾斜センサ等によって検知した場合に、上記ステップＳ４の浸水判定を行なわずに上記ステップＳ６の処理へと移行し、通常のＥＧＲ制御を行うこととしてもよい。これにより、浸水の誤判定が行われる可能性を下げることが可能となる。

車両が後退している場合には、排気口３８が突然浸水するおそれがある。また、車両が後退時にはＥＧＲガスを還流させる必要性も乏しい。そこで、実施の形態１のシステムでは、車両が後退している場合にＥＧＲ弁４６を全閉に制御することとしてもよい。これにより、車両の後退時における突然の浸水にも備えることが可能となる。

１０内燃機関（エンジン）
１２吸気通路
１６エアフローメータ
２２ターボ過給機
２２ａコンプレッサ
２２ｂタービン
２６スロットルバルブ
３０排気通路
３２上流側触媒
３４下流側触媒
３８排気口
４０ＥＧＲ通路
４６ＥＧＲ弁
５０ＥＣＵ（Electronic Control Unit）

Claims

内燃機関の吸気通路と排気通路とを接続するＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲ通路の途中に設けられたＥＧＲ弁と、
前記内燃機関の運転状態に基づいて前記ＥＧＲ弁の開度を制御する開度制御装置と、を備え、
前記開度制御装置は、
前記排気通路の排気口が浸水する可能性があるか否かを判定し、
前記排気口が浸水する可能性があると判定された場合には、前記ＥＧＲ弁の開度を全閉に操作する
ように構成されていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記開度制御装置は、前記内燃機関が搭載された車両の走行抵抗を算出し、前記走行抵抗が閾値以上である場合に、前記排気口が浸水する可能性があると判定することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。