JP6565109B2 - 内燃機関の制御方法及び制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の制御に関する。
車両用の内燃機関、特にガソリン内燃機関では、昨今、過給機により排気量を低減させることにより燃費性能の向上を図り、出力性能を両立させる、いわゆるダウンサイジングターボ内燃機関が主流になりつつある。このような内燃機関において、排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気通路へ還流するＥＧＲ装置を用い、ポンピングロスの改善を図ると共に高負荷域でのノッキングを改善することにより燃費を向上させる技術が知られている。特に近年では、燃費向上の観点からＥＧＲ率（新気量に対するＥＧＲガス量の割合）の増加の要求はますます高まり、幅広い機関運転領域（機関回転数・負荷領域）で高いＥＧＲ率を得るための技術が要求されている。
ところで、特許文献１には、筒内噴射型のディーゼルエンジンにおけるアイドル運転時の燃焼騒音を抑制する技術として、吸気通路に吸気絞り弁を設け、アイドル運転時には吸気絞り弁を閉じて吸気量を減少させ、気筒内の空燃比を理論空燃比よりも小さくなるように制御することにより、アイドル運転時の燃焼騒音を低減している。
特開２００１−１９３５３８号公報
上述した特許文献１に記載の発明は、燃料噴射量によりトルクを制御するディーゼルエンジンに特化した技術であり、吸入空気量によりトルクを制御する火花点火式のガソリン内燃機関に適したものではない。
ところで、ＥＧＲ通路が吸気通路に合流する合流位置よりも上流側の吸気通路に負圧制御弁を設けることで、低負荷時にも負圧制御弁を閉じ方向に制御して、排気通路と吸気通路との差圧を確保することで、ＥＧＲガスを吸気通路に吸引可能とし、ＥＧＲを行なう運転領域を拡大することが可能である。
本発明は、このような負圧制御弁を利用して、ＥＧＲを行なう運転領域よりも低負荷側の運転領域における燃焼騒音の発生を効果的に抑制することを目的としている。
ＥＧＲ通路が吸気通路に合流する合流位置よりも上流側の吸気通路に負圧制御弁を設ける。ＥＧＲ通路を通してＥＧＲガスを吸気通路へ還流するＥＧＲ領域では、上記排気通路と上記吸気通路との間の差圧を確保するように、上記負圧制御弁を閉方向に制御する。また、ＥＧＲ領域よりも高負荷側の運転領域では、吸入空気量の低下やポンピングロスの増加を抑制するために、負圧制御弁を開方向に制御する。そして、負圧制御弁を閉方向に制御する。
本発明によれば、ＥＧＲ領域における差圧を確保するために設けられる負圧制御弁を有効に利用して、ＥＧＲ領域よりも低負荷側の運転領域における騒音の発生を抑制し、静粛性を向上することができる。
本発明の一実施例に係る制御方法及び制御装置が適用される内燃機関のシステム構成を簡略的に示す構成図。 上記実施例の制御の流れを示すフローチャート。 ＥＧＲ領域の設定マップを示す特性図。 負圧制御弁の動作を示す説明図。
以下、図示実施例により本発明を説明する。図１は、本発明の第１実施例に係る制御装置及び制御方法が適用された内燃機関のシステム構成を簡略的に示している。
この内燃機関１０は、直列４気筒型の火花点火式ガソリン内燃機関であり、各気筒の燃焼室１１には吸気通路１２と排気通路１３とが接続している。吸気通路１２は、吸気マニホールドの４本の吸気ブランチ通路１６を経由して各気筒の吸気ポートへ接続し、排気通路１３は、排気マニホールド１７の４本の排気ブランチ通路１８を経由して各気筒の排気ポートへ接続している。
この内燃機関１０には、ターボ式の過給機２０が設けられている。この過給機２０は、排気通路１３に設けられたタービン２１と、吸気通路１２に設けられたコンプレッサ２２と、が一本のシャフト２３上に背中合わせに同軸上に設けられ、排気エネルギーによりタービン２１がコンプレッサ２２を回転駆動することにより過給が行なわれる。排気通路１３にはタービン２１をバイパスするバイパス通路２４が設けられ、このバイパス通路２４に、過給圧を調整するウェイストゲートバルブ２５が設けられている。
また、この内燃機関１０には、排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気通路１２へ還流する外部ＥＧＲ装置が設けられている。この外部ＥＧＲ装置は、吸気通路１２と排気通路１３とを接続するＥＧＲ通路２７と、このＥＧＲ通路２７に設けられ、ＥＧＲ通路２７を開閉することによって、新気に対するＥＧＲガスの割合であるＥＧＲ率及びＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲ制御弁２８と、ＥＧＲ通路２７内を流れるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラー２９と、が設けられている。
また、この外部ＥＧＲ装置は、ＥＧＲ通路２７が吸気通路１２に接続するＥＧＲ導入口となる合流位置３０がコンプレッサ２２よりも上流側に配置された、いわゆるロープレッシャー型のＥＧＲ装置である。ＥＧＲ通路２７が排気通路１３に接続するＥＧＲ取出口３１は、タービン２１の下流側に設けられた三元触媒等の触媒３２よりも更に下流側に配置されている。
吸気通路１２には、コンプレッサ２２よりも下流側に、吸入空気量を調整する電子制御式の吸入空気量調整弁３３（いわゆる、スロットル弁）と、吸気を冷却するインタークーラー３４と、が配設されている。吸入空気量調整弁３３の上流側には、過給圧を検出する過給圧センサ３５が設けられている。
また、減速時等にコンプレッサ２２に発生する圧力を逃すように、コンプレッサ２２の上流側の吸気通路１２と下流側の吸気通路１２とを接続するリサーキュレーション通路３６が設けられるとともに、このリサーキュレーション通路３６には、当該リサーキュレーション通路３６を通過する吸気の流量を調整するためのリサーキュレーション弁３７が設けられている。また、コンプレッサ２２には、ターボ回転数（ターボスピード）を検出するターボスピードセンサ３８が設けられている。
上述したＥＧＲ通路２７の合流位置３０よりも上流側の吸気通路１２には、上流側より順に、吸気中の異物を除去するエアークリーナー４１と、吸入空気量を検出するエアーフローメータ４２と、大気圧を検出する大気圧センサ４３と、負圧制御弁４４と、が設けられている。
負圧制御弁４４は、基本的には、ＥＧＲ領域Ｒｅｇｒにおいてその開度を制御することで、ＥＧＲ通路２７が接続する合流位置３０を含めた負圧制御弁４４の下流側の吸気通路１２に負圧を生成して、排気通路１３と吸気通路１２との差圧を確保することにより、ＥＧＲガスの導入安定性を確保するとともに、排気脈動の影響を低減するために設けられるものである。
制御部５０は、各種制御を記憶及び実行可能であり、上記の過給圧センサ３５，エアーフローメータ４２，大気圧センサ４３及びターボスピードセンサ３８等の機関運転状態を検出する各種センサの検出信号に基づいて、上述したウェイストゲートバルブ２５，ＥＧＲ制御弁２８，吸入空気量調整弁３３，リサーキュレーション弁３７及び負圧制御弁４４等へ制御信号を出力し、その動作を制御する。
図２は、負圧制御弁４４の制御の流れを示すフローチャートであり、本ルーチンは制御部５０により所定期間毎（例えば１０ｍｓ毎）に繰り返し実行される。
ステップＳ１１では、負圧制御弁４４が正常であるか否かを判定する。負圧制御弁４４が正常であると判定されると、ステップＳ１２へ進み、内燃機関１０の運転状態を表す機関回転数及機関負荷に基づいて、予め設定されている図３に示すようなＥＧＲマップを参照して、ＥＧＲ通路２７を通してＥＧＲガスを吸気通路１２へ還流する、いわゆるＥＧＲ運転を行なう所定のＥＧＲ領域Ｒｅｇｒであるか否かを判定する。図３に示すように、ＥＧＲ領域Ｒｅｇｒは、中回転・中負荷の比較的幅広い運転領域にわたって設定されている。図３で、右下がりの実線と１点鎖線はそれぞれ、吸入空気量の等しい運転状態を結んで構成した等空気量線である。
ＥＧＲ領域Ｒｅｇｒである場合、ステップＳ１３へ進み、機関運転状態に応じて求められる目標吸入空気量が、所定の設定空気量Ｑ１以下であるか否かを判定する。設定空気量Ｑ１は、予め設定される値であり、図３に示すように、負圧制御弁４４を閉方向に制御した場合に、目標とする吸入空気量が得られなくなる限界値に相当する値である。つまり、目標吸入空気量が設定空気量Ｑ１を超える領域では、吸入空気量を確保するために、負圧制御弁４４を全開にする必要がある。
目標吸入空気量が設定空気量Ｑ１以下（図３で設定空気量Ｑ１を示す１点鎖線よりも左下の領域）である場合、ステップＳ１４へ進み、排気通路１３と吸気通路１２との間に目標ＥＧＲガス流量に応じた所定の差圧が得られるように、負圧制御弁４４の目標開度を算出する。この目標開度は、図３及び図４に示すように、機関回転数及び機関負荷が低くなるほど、換言すると目標空気量が小さくなるほど閉方向に、即ち開度が小さくなるように設定される。ステップＳ１５では、ステップＳ１４で設定された目標開度に基づいて負圧制御弁４４を駆動制御する。
上記のステップＳ１１において、負圧制御弁４４が正常で無いと判定された場合、ステップＳ１６へ進み、フェールセーフ制御として、ＥＧＲ制御弁２８の作動を禁止し、つまりＥＧＲ制御弁２８を全閉として、ＥＧＲガスの吸気通路１２への還流を禁止する。また、負圧制御弁４４を初期状態の全開とする。つまり、ＥＧＲ制御弁２８を全閉、負圧制御弁４４を全開とする。
上記のステップＳ１２において、ＥＧＲ領域Ｒｅｇｒで無いと判定された場合、ステップＳ１７へ進み、ＥＧＲ領域Ｒｅｇｒよりも低負荷側の運転領域Ｒ２であるか否かを判定する。ＥＧＲ領域Ｒｅｇｒよりも低負荷側の運転領域Ｒ２である場合、ステップＳ１８へ進み、負圧制御弁４４を閉方向に作動させるように、負圧制御弁４４の目標開度を設定する。つまり、図３に示すように、ＥＧＲ領域Ｒｅｇｒよりも低負荷側の非ＥＧＲ領域Ｒ２であるにもかかわらず、負圧制御弁４４を閉方向に制御する。この際、負圧制御弁４４の目標開度は、詳しくは図４を用いて後述するが、基本的には図３に示すように機関回転数及び機関負荷が低くなるほど閉方向に、即ち開度が小さくなるように設定される。
このように、ＥＧＲ領域Ｒｅｇｒよりも低負荷側の非ＥＧＲ領域Ｒ２においても、負圧制御弁４４を閉方向に制御することによって、負圧制御弁４４の下流側の吸気通路１２に負圧を発生させて、吸気側からの燃焼騒音を低減するとともに、加速時や減速時に過給機２０から発生する気流音を低減可能である。また、気流音の低下によって、音振対策部品の軽減や削減が可能となる。
また、このときの負圧制御弁４４の目標開度は、負圧制御弁４４の開口面積が機関運転状態に基づいて設定される吸入空気量調整弁３３の開口面積（開度）以上となるように設定される。これによって、負圧制御弁４４を閉方向に制御しているにもかかわらず、吸入空気量の減少を抑制するとともに、ポンピングロスの悪化を抑制することができる。
上記のステップＳ１７において、ＥＧＲ領域Ｒｅｇｒよりも高負荷側の運転領域Ｒ１である場合、上記のステップＳ１６へ進み、ＥＧＲ制御弁２８の作動を禁止し、つまりＥＧＲ制御弁２８を全閉として、ＥＧＲガスの吸気通路１２への還流付与を禁止する。また、負圧制御弁４４を初期状態の全開とする。つまり、ＥＧＲ制御弁２８を全閉、負圧制御弁４４を全開とする。
上記のステップＳ１３において、目標吸入空気量が設定空気量Ｑ１を超えている場合には、ステップＳ１９へ進み、負圧制御弁４４を作動停止、つまり全開とする。また、ＥＧＲ領域ＲｅｇｒであるためにＥＧＲ制御弁２８は目標ＥＧＲ率が得られるように開方向に制御される。
図４を参照して、符号Ｑ１は図３と同様に目標吸入空気量が設定空気量Ｑ１と等しくなるラインを示し、符号Ｌ０は負圧制御弁４４の開口面積と吸入空気量調整弁３３の開口面積とが等しくなるラインを示している。従って、このラインＬ０よりも右下の領域では、吸入空気量調整弁３３の下流側の負圧の絶対値に対して負圧制御弁４４の下流側の負圧の絶対値が大きくなる。
図４の実線Ｌ１は、ＥＧＲ領域Ｒｅｇｒのうち、目標空気量Ｑが設定空気量Ｑ１を超えないような内燃機関１０の運転状態における負圧制御弁４４の開度特性を示している。こうした運転状態では、排気通路１３と吸気通路１２との差圧を確保するために、負圧制御弁４４の目標開度を閉じ方向に制御している。具体的には、実線Ｌ１で示すように、ポンピングロスを最小限に抑制しつつ所定の差圧を確保するように、負圧制御弁４４の開口面積と吸入空気量調整弁３３の開口面積とが等しくなるラインＬ０よりも僅かに閉じ方向にオフセットしたラインＬ１に沿って目標空気量が少なくなるほど閉じ側（開度が小）となるように、目標開度が設定されている。
図中の実線Ｌ２は本実施例の制御を適用せず、ＥＧＲ領域Ｒｅｇｒよりも低負荷側で負圧制御弁４４を全開とする比較例の特性を示している。一方、図中の実線Ｌ３は、ＥＧＲ領域Ｒｅｇｒよりも低負荷側で負圧制御弁４４を閉方向に制御する本実施例の制御を適用した場合の特性を示している。同図に示すように、この際の負圧制御弁４４の目標開度は、ＥＧＲガスの導入安定性確保のための差圧を確保する必要がないことから、ポンピングロスの悪化を確実に回避するように、上記のラインＬ０よりも開き側の位置で、目標空気量が少なくなるほど閉じ側となるように設定されている。つまり、ＥＧＲ領域Ｒｅｇｒよりも低負荷側の領域Ｒ２では、ＥＧＲ領域Ｒｅｇｒの場合に比して、同じ目標空気量Ｑ（但し、Ｑが設定空気量Ｑ１を超えない範囲）であっても目標開度が開き側に設定される。これにより、負圧制御弁４４を通過する空気量が、内燃機関の運転状態に基づいて設定される目標吸入空気量以上となる様にしている。一方、Ｑが設定空気量Ｑ１を超える範囲では、負圧制御弁４４を全開とし吸入空気量を確保する。
本実施例の制御（実線Ｌ３で示す特性）は、目標空気量Ｑが設定空気量Ｑ１を超えない範囲で適用可能であり、制御を適用する目標空気量Ｑの最大値（図４における実線Ｌ３の右端の位置）は、設定空気量Ｑ１を超えない範囲で、内燃機関１０の燃焼騒音や内燃機関１０が搭載される車両の静粛性能要求等を考慮して、変更することができる。
また、ＥＧＲ領域Ｒｅｇｒよりも高負荷側の運転領域Ｒ１では、図４の実線Ｌ４に示すように、負圧制御弁４４を全開とする。
［１］以上のように本実施例では、ＥＧＲ領域Ｒｅｇｒでは、負圧制御弁４４を制御することにより排気通路１３と吸気通路１２との間の差圧を確保する。そして、ＥＧＲ領域Ｒｅｇｒよりも低負荷側の運転領域Ｒ２においては、負圧制御弁４４を閉方向に制御することによって、この負圧制御弁４４よりも下流側に負圧を生成し、筒内圧の上昇を抑制して内燃機関の燃焼騒音を低減するとともに、過給機２０によって発生する気流音やリサーキュレーション弁３７の通過音を低減することができ、ひいては音振対策部品の低減化を図ることができる。特に、低負荷側の運転状態では、機関回転数や車速も比較的低いことから、内燃機関の燃焼騒音や走行による騒音そのものも小さく、比較的小さい騒音でも気になり易いことから、このような低負荷側での騒音の発生を抑制することで、静粛性を有効に高めることができる。
また、例えばＥＧＲ領域Ｒｅｇｒから低負荷側の運転領域Ｒ２へ運転状態が移行するような場合に、ＥＧＲ領域Ｒｅｇｒから継続して負圧制御弁４４を閉方向に作動することになるために、負圧制御弁４４が急激に閉状態から開作動することによる音色変化を軽減することができる。
［２］更に、ＥＧＲ領域Ｒｅｇｒよりも低負荷側の運転領域Ｒ２では、負圧制御弁４４を通過する空気量が、機関運転状態に基づいて設定される目標吸入空気量以上となるように、負圧制御弁４４の目標開度を制御している。従って、負圧制御弁４４を閉方向に制御しているにもかかわらず、目標吸入空気量に対して吸入空気量が低下するような事態を招くおそれがない。
［３］また、ＥＧＲ領域Ｒｅｇｒよりも低負荷側の運転領域Ｒ２では、図４に示すように、負圧制御弁４４の目標開度（Ｌ３）が、負圧制御弁４４の開口面積と吸入空気量調整弁３３の開口面積とが等しくなるラインＬ０よりも開き方向に設定されており、つまり、負圧制御弁４４の開口面積を、吸入空気量調整弁３３の開口面積以上となるように制御している。従って、負圧制御弁４４の下流側の負圧が過度に大きくなることがなく、ポンピングロスの悪化を抑制することができる。
［４］また、負圧制御弁４４をエアーフローメータ４２よりも下流側に配置しているために、負圧制御弁４４を閉方向に制御するときに、吸気の吹き返しによるエアーフローメータ４２の汚損を抑制することができる。
［５］ターボ式過給機２０のコンプレッサ２２、更にはリサーキュレーション通路３６が吸気通路１２と接続する位置が、ＥＧＲ通路２７の合流位置３０よりも下流側の吸気通路１２に配置されている。この場合、減速時にリサーキュレーション弁３７が開くことで、ＥＧＲガスの吹き返しが生じるものの、上述したように、負圧制御弁４４をエアーフローメータ４２よりも下流側に配置していれば、エアーフローメータ４２の汚損を抑制すことができる。
以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変形・変更を含むものである。例えば、ターボ式過給機２０を具備しない内燃機関にも本発明を同様に適用可能である。
１０…内燃機関
１１…燃焼室
１２…吸気通路
１３…排気通路
２０…過給機
２２…コンプレッサ
２５…ウェイストゲートバルブ
２７…ＥＧＲ通路
２８…ＥＧＲ制御弁
３０…ＥＧＲ取出口
３３…吸入空気量調整弁
３６…リサーキュレーション通路
３７…リサーキュレーション弁
４２…エアーフローメータ
４４…負圧制御弁
５０…制御部

Claims (5)

  1. 排気通路と吸気通路とを接続し、排気ガスの一部であるＥＧＲガスを吸気通路へ還流するＥＧＲ通路と、
    上記ＥＧＲ通路が吸気通路に合流する合流位置よりも上流側の吸気通路に設けられ、この吸気通路を開閉する負圧制御弁と、を備えた内燃機関の制御方法であって、
    上記内燃機関の運転状態が上記ＥＧＲ通路を通して上記ＥＧＲガスを吸気通路へ還流するＥＧＲ領域にあるときは、上記排気通路と上記吸気通路との間の差圧を確保するように、上記負圧制御弁を制御し、
    かつ、上記内燃機関の運転状態が上記ＥＧＲ領域よりも低負荷側の運転領域にあるときは、上記負圧制御弁を閉方向に制御するとともに、上記負圧制御弁を通過する空気量が、上記内燃機関の運転状態に基づいて設定される目標吸入空気量以上となるように、上記負圧制御弁の開度を制御する、
    内燃機関の制御方法。
  2. 上記合流位置よりも下流側の吸気通路に、この吸気通路を開閉する吸入空気量調整弁が設けられ、
    上記内燃機関の運転状態が上記ＥＧＲ領域よりも低負荷側の運転領域にあるときは、上記負圧制御弁の開口面積を、上記吸入空気量調整弁の開口面積以上となるように制御する、
    請求項１に記載の内燃機関の制御方法。
  3. 上記吸気通路を流れる吸入空気量を検出するエアーフローメータを備え、
    上記負圧制御弁を、上記エアーフローメータよりも下流側に配置する、
    請求項１又は２に記載の内燃機関の制御方法。
  4. 吸気を過給する過給機のコンプレッサと、このコンプレッサをバイパスしてこのコンプレッサの上流側の吸気通路と下流側の吸気通路とを接続するリサーキュレーション通路と、このリサーキュレーション通路に配置されたリサーキュレーション弁と、を有し、
    上記コンプレッサは、上記合流位置よりも下流側の吸気通路に配置される、
    請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の制御方法。
  5. 排気通路と吸気通路とを接続し、排気ガスの一部であるＥＧＲガスを吸気通路へ還流するＥＧＲ通路と、
    上記ＥＧＲ通路が吸気通路に合流する合流位置よりも上流側の吸気通路に設けられ、この吸気通路を開閉する負圧制御弁と、
    上記負圧制御弁の動作を制御する制御部と、を有し、
    この制御部は、上記ＥＧＲ通路を通して上記ＥＧＲガスを吸気通路へ還流するＥＧＲ領域では、上記排気通路と上記吸気通路との間の差圧を確保するように、上記負圧制御弁を制御し、
    かつ、上記ＥＧＲ領域よりも低負荷側の運転領域では、上記負圧制御弁を閉方向に制御するとともに、上記負圧制御弁を通過する空気量が、上記内燃機関の運転状態に基づいて設定される目標吸入空気量以上となるように、上記負圧制御弁の開度を制御する、
    内燃機関の制御装置。
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