JP6766500B2 - エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、排気ガスの一部を吸気に還流する排気ガス再循環装置を備えたエンジンの制御装置に関する。

排気ガスの一部を吸気に還流する排気ガス再循環装置を備えたエンジンが広く採用されている。排気ガス再循環装置は、燃焼室から引き出された排気通路と燃焼室へ通じる吸気通路とを結ぶ排気還流通路を介して、燃焼室から排出される排気ガスの一部を、排気還流ガスとして吸気通路に還流している。

排気ガス再循環装置を備えたエンジンでは、吸気への排気還流ガスの導入量が少ないと、ノッキングを発生させやすい。ノッキングの発生を防止するためには、例えば、ガソリンエンジンでは、点火時期を遅角させる等のノック制御を行うことで、ある程度の対応が可能である。また、ディーゼルエンジンにおいても、運転状況に応じた種々のノック制御を行っている。

しかし、高圧縮比エンジンでは、通常のエンジンよりも相対的にノッキングを生じやすいという傾向がある。このため、空冷式や水冷式の排気還流ガス用冷却装置を配置し、排気還流ガスを冷却することにより、吸気への排気還流ガスの導入量を増やす対策を行っている。このように、冷却された排気還流ガスを導入することは、燃費の向上にも効果がある。

しかし、エンジンの高負荷域では、吸気負圧が不足することから、充分な量の排気還流ガスを吸気に導入できない場合があるという問題がある。

なお、例えば、特許文献１では、排気還流ガスの流量低下が発生している場合に、スロットルバルブより下流の吸気通路内の圧力が低下するように、可変動弁機構を制御している。可変動弁機構によって、吸気バルブの閉弁タイミングを進角させたり、又は、バルブオーバーラップを減少させたりすることによって、吸気通路内の圧力、すなわち吸気管圧力を低下させ、排気還流ガスの導入量増加を図っている。

特開２０１１−１１２０３１号公報（例えば、請求項３、段落００１３等参照）

しかし、可変動弁機構の制御による吸気管圧力の低減は、例えば、エンジンの高負荷域等、運転状況によっては制限される場合もある。このため、特に、エンジンの高負荷域等、運転状況によっては、さらに効果的なノック制御の手法が求められる。

そこで、この発明の課題は、主としてエンジンの高負荷域等において、充分な吸気負圧を確保することにより、排気還流ガスを円滑に導入することである。

上記の課題を解決するために、この発明は、燃焼室へ通じる吸気通路と、前記燃焼室から引き出された排気通路と、前記排気通路と前記吸気通路とを結ぶ排気還流通路を介して前記燃焼室から排出される排気ガスの一部を排気還流ガスとして吸気通路に還流する排気ガス再循環装置と、前記吸気通路の前記燃焼室への開口を開閉する吸気バルブと、前記排気通路の前記燃焼室への開口を開閉する排気バルブと、前記吸気バルブ及び前記排気バルブの開閉を制御する吸排気バルブ制御手段と、前記吸気通路における前記排気還流ガスの導入部よりも上流側に配置されるスロットルバルブと、前記スロットルバルブの開閉を制御するスロットルバルブ制御手段とを備え、前記排気還流ガスの導入時におけるノッキングの発生が予測されるノック予測運転領域において、前記吸排気バルブ制御手段は前記吸気バルブの開弁時期をその時点での運転条件に対応する標準時期よりも進角させ、且つ、前記スロットルバルブ制御手段は前記スロットルバルブの開度をその時点でのアクセル開度に対応する標準開度よりも絞り側に設定することにより、前記排気還流ガスの前記吸気通路への導入量を増大させるノック制御を行うエンジンの制御装置を採用した。

ここで、前記ノック制御を行う前記ノック予測運転領域はエンジンの高負荷域である構成を採用することができる。

また、これらの各態様において、前記スロットルバルブの開度の絞り量は、前記スロットルバルブより下流の前記吸気通路に前記排気還流ガスを導入するのに必要な負圧を発生しうる量を下限とし、前記アクセル開度に対応する所定の吸気量の確保が可能な量を上限とする範囲内で設定される構成を採用することができる。

さらに、前記吸気バルブの開弁時期の進角量は、前記スロットルバルブの絞り側への移行後において、前記スロットルバルブより下流の前記吸気通路に前記排気還流ガスを導入するのに必要な負圧を発生しうる最低限の量に設定される構成を採用することができる。

これらの各態様において、前記燃料室内の燃料を燃焼させるための火花を生じさせる点火装置と、前記点火装置による点火時期を制御する点火時期制御手段とを備え、前記ノック制御は前記点火時期制御手段による点火時期の進角を伴う構成を採用することができる。

このとき、前記点火時期の進角は燃費が最高となる時期まで行うことが望ましい。

この発明は、排気還流ガスの導入時におけるノッキングの発生が予測されるノック予測運転領域において、吸気バルブの開弁時期をその時点での運転条件に対応する標準時期よりも進角させ、且つ、スロットルバルブの開度をその時点でのアクセル開度に対応する標準開度よりも絞り側に設定するようにしたので、主としてエンジンの高負荷域等において、充分な吸気負圧を確保することにより、排気還流ガスを円滑に導入することができる。

この発明の一実施形態のエンジンの構成を示す模式図である。 （ａ）〜（ｄ）は、この発明の制御を示すグラフ図である。 この発明の制御におけるバルブタイミングを示す模式図である。

この発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。図１は、この発明のエンジンＥ及び
エンジンＥの制御装置の構成を示す全体図である。この実施形態のエンジンＥは、過給機を備えない自然吸気式のガソリンエンジンである。

エンジンＥの構成は、ピストン４を収容したシリンダ２の燃焼室３内に吸気を送り込む吸気通路１１、燃焼室３から引き出された排気通路１２、吸気通路１１内に又は燃焼室３内に臨む燃料噴射弁１０等を備えている。吸気通路１１の燃焼室３への開口である吸気ポート、及び、排気通路１２の燃焼室３への開口である排気ポートは、それぞれ吸気バルブ８、排気バルブ９によって開閉される。

吸気通路１１には、吸気ポートから上流側に向かって、吸気通路１１の流路面積を調節するスロットルバルブ１６、燃焼室３へ導入される吸気量を検出するエアフローセンサ１４，エアクリーナ１３等が設けられる。

排気通路１２には、排気ポートから下流側に向かって、排気の成分を検出する空燃比検出手段１７、排気中の有害物を除去する触媒等を備えた排気浄化部１８、消音器（図示せず）等が設けられる。

また、排気通路１２と吸気通路１１との間は、排気ガス再循環装置２０を構成する排気還流通路２１によって連通している。排気還流通路２１を介して、燃焼室３から排出される排気ガスの一部が、排気還流ガスとして吸気通路１１に還流する。排気還流通路２１に設けられた排気還流弁２２の開閉とスロットルバルブ１６の開閉に伴う吸気通路１１内の圧力状態に応じて、排気還流ガスが吸気通路１１内の吸気に合流するようになっている。

なお、排気還流通路２１の途中に、空冷式、水冷式等、種々の方式の排気還流ガス用冷却装置を配置してもよい。

このエンジンＥへの燃料や空気の供給、燃料の噴射時期及び噴射量の制御、バルブ類の開閉の制御全般、点火装置５の制御、その他の制御は、エンジンＥを搭載する車両が備える電子制御ユニット（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）３０が行っている。

また、特に、吸気バルブ８、排気バルブ９の開閉の制御は、電子制御ユニット３０が備える吸排気バルブ制御手段３１によって行われる。さらに、スロットルバルブ１６の開閉の制御は、電子制御ユニット３０が備えるスロットルバルブ制御手段３２が、排気ガス再循環装置２０による排気還流ガスの吸気への導入の制御は、電子制御ユニット３０が備える排気ガス再循環装置制御手段３３によって行われる。

この発明のエンジンＥの制御装置では、排気還流ガスの導入時におけるノッキングの発生が予測されるノック予測運転領域において、ノッキングの発生を防止するためのノック制御が行われる。ノック予測運転領域は、エンジンＥの仕様に応じて、そのエンジンＥの回転数や負荷、アクセル開度、要求トルク、その他運転条件によって定められる。ノック制御は、エンジンＥの運転状態が、その定められたノック予測運転領域に入った際に、自動的に行われるように設定されている。

なお、電子制御ユニット３０は、ノッキングの発生を、エンジンの振動や音やその他方法により検知する、あるいは、ノッキングの発生を、予め記憶されたデータに基づいて予測するノック予測検知手段３４を備えている。

このため、ノック予測検知手段３４がノッキングの発生を検知した場合、あるいは、予測した場合に、運転状態がノック予測運転領域に入ったと認識してノック制御を自動的に行うように設定してもよい。ノッキングが発生する条件は、エンジンＥの経年とともに多少変化する場合があるので、このような場合には、ノック予測検知手段３４がノッキングの発生を検知又は予測した場合に自動的に行うノック制御が有効である。この場合、そのノック制御が行われた運転状態が、ノック予測運転領域として学習され、電子制御ユニット３０により以降の運転制御に反映される。

ノック制御が設定されるノック予測運転領域は、エンジンＥの高負荷域に設定される。ただし、エンジンＥの仕様によっては、ノック制御が設定されるノック予測運転領域を、エンジンＥの中負荷域にまで拡大してもよい。

ノック制御の内容は、次のようになっている。

エンジンＥの運転状態がノック予測運転領域に入ると、吸排気バルブ制御手段３１は、吸気バルブ８の開弁時期をその時点での運転条件に対応する標準時期よりも進角させる制御を行う。ここで、標準時期とは、その時点での運転条件において、ノック制御を行わないとした場合の吸気バルブの開弁時期をいう。

図３に、バルブタイミングの模式図を示す。図３（ａ）は、ノック制御を行わない通常の運転におけるバルブタイミング、図３（ｂ）は、ノック制御を行う場合におけるバルブタイミングである。図中の符号Ｘが吸気バルブ８の開弁期間、符号Ｙが排気バルブ９の開弁期間である。吸気バルブ８の開弁時期は、図３（ａ）の標準時期ａから、図３（ｂ）の進角時期ａ’へと進角されている。ここでは、標準時期ａが上死点から遅角側であったのに対し、進角時期ａ’は上死点からさらに進角側に設定されている。

なお、吸気バルブ８の閉弁時期も、開弁時期の進角量と同じ量だけ進角されている。また、排気バルブ９の開弁時期ｃ、閉弁時期ｄに変更はない。このため、バルブオーバーラップの期間は上死点側では拡大されており、下死点側では縮小されている。

このように、ノック予測運転領域に入った際に、吸気バルブ８の開弁時期を進角させることにより、燃焼室３への吸気量を増大させることができる。吸気バルブ８の閉弁時期が進角することによるバルブオーバーラップの期間の縮小も、この吸気量の増大に寄与している。

これにより、スロットルバルブ１６の開度をその時点でのアクセル開度に対応する標準開度よりも絞り側に設定することができる。すなわち、吸気バルブ８の開弁時期の進角により吸気量が増大するため、スロットルバルブ１６の開弁量を小さくしても、所定の吸気量の確保が可能だからである。

したがって、ノック制御では、スロットルバルブ制御手段３２は、スロットルバルブ１６の開度をその時点でのアクセル開度に対応する標準開度よりも絞り側に設定する。ここで、標準開度とは、その時点での運転条件において、ノック制御を行わないとした場合のスロットルバルブ１６の開度である。ノック制御を行わない通常の運転では、スロットルバルブ１６の開度は、アクセル開度が大きいほどその開度が大きくなるように決定される。

ここで、アクセルの開度は、アクセル開度センサ６がその情報を取得し、スロットルバルブ１６の開度は、スロットルポジションセンサ１５がその情報を取得し、電子制御ユニット３０の制御に用いられる。また、エンジンＥの回転数の情報は、回転センサ１９がその情報を取得し、電子制御ユニット３０の制御に用いられる。電子制御ユニット３０は、これらの情報に基づいてエンジンＥの負荷を算出することができ、また、運転状態が、低負荷域であるか、中負荷域であるか、高負荷域であるかを判別することもできる。

スロットルバルブ１６の開度を絞ることにより、吸気通路１１内の負圧はより大きなものとなる。吸気負圧の確保により、排気還流ガスの吸気通路１１への導入量を増大させることができる。吸気通路１１内の負圧が高まれば、排気還流ガスを吸気に導入させやすいからである。このため、例えば、アクセルをある程度踏み込んだ際に、通常であれば、その踏み込みに対応してスロットルバルブ１６の開度が大きくなる制御が行われるべきところ、ノック制御下では、逆に、スロットルバルブ１６の開度が小さくなる制御が行われる場合も発生する。

また、このエンジンＥでは、燃料室３内の燃料を燃焼させるための火花を生じさせる点火装置（点火プラグ）５を備え、電子制御ユニット３０は、点火装置５による点火時期を制御する点火時期制御手段３５を備えている。

ノック制御では、点火時期制御手段３５による点火時期の進角が行われる。これは、吸気に占める排気還流ガスの比率が増大することにより点火時期の進角が可能となり、その点火時期の進角により、燃費を改善しようとするものである。

ここで、吸気バルブ８の開弁時期の進角量は、スロットルバルブ１６の絞り側への移行後において、運転状態に応じた所定の排気還流ガスを導入するのに必要な負圧を発生しうる最低限の量に設定される。また、点火時期の進角は、燃費が最高となる時期、すなわち、燃料の単位量当たりの走行可能距離の数値が最小となる時期まで行うように設定される。

また、スロットルバルブ１６の開度の絞り量は、スロットルバルブ１６より下流の吸気通路１１に、排気還流ガスを導入するのに必要な負圧を発生しうる量を下限とし、アクセル開度に対応する所定の吸気量の確保が可能な量を上限とする範囲内で設定される。

例えば、図２（ｄ）のグラフの矢印アのように、スロットルバルブ１６の開度を絞ると、図２（ｃ）のグラフの矢印イのように、吸気中の排気還流ガスの比率が増加する。これにより、図２（ｂ）のグラフの矢印ウのように、点火時期を進角することができる。点火時期の進角は、図２（ａ）のグラフの矢印エのように、燃費が最高（最良）となる時期まで行われる。

この一連のノック制御により、例えば、エンジンＥの中負荷域では最遅角設定（それ以上遅角できない最遅の時期）としている吸気バルブ８の開弁時期を、ノックが厳しい、すなわち、ノッキングが発生しやすい高負荷域では通常の設定よりも進角させることにより吸気負圧を確保し、排気還流ガスの導入量を増加させる。排気還流ガスの増加により、点火時期の進角が可能となるので燃費の改善が実現できる。

ここで、吸気バルブ８の開弁時期の進角により、図３（ｂ）中に鎖線で囲む上死点付近での吸気バルブ８の開弁期間が長くなり燃焼室への吸入量が増えるが、進角し過ぎると吸気量が増えすぎて、逆にノッキングが発生しやすい状態となってしまう。このため、吸気バルブ８の開弁時期の進角は、スロットルバルブ１６の開度の絞りにより、排気還流ガスを導入できるだけの負圧を発生しうる最低限の進角量で充分である。この最低限の進角量を下限進角量とし、吸気の入り過ぎによりノッキングが発生し始める進角量を上限進角量とし、下限進角量と上限進角量の範囲内で、最高の燃費となる進角量に設定することが望ましい。下限進角量と上限進角量は、予め実験等によって得られた情報を電子制御ユニット３０に記憶させて、その制御に用いることができる。

なお、この実施形態では、図２のように、エンジンＥの中負荷域と高負荷域との比較によりこの発明を説明したが、今回の発明を適用しない従来のエンジンＥの制御装置では、吸気バルブ８の開弁時期は、高負荷域は中負荷域と同じ設定とされている場合が多かった。このため、例えば、従来の吸気バルブ８の開弁時期が、中負荷域及び高負荷域の両方において、上死点後９°としていたところ、この発明では、中負荷域ではそのままで、高負荷域のノック制御では、例えば、上死点前１°と設定することができる。

ただし、アクセル開度を全開にするような加速状況では、吸気への排気還流ガスの導入量をゼロとする場合があるので、このような場合には、ノック制御は行わず、高負荷域であってもスロットル開度はアクセル開度に応じた標準開度とすることが望ましい。

ノック制御時において、吸気バルブ８の開弁時期の進角時の体積効率の変化挙動は、図２のグラフ中における燃料消費率の挙動に類似する。ここで、図２のグラフにおいて、吸気バルブ８の開弁時期の進角により、その開弁時期が上死点前０゜付近を超える付近から、点火時期が遅角し始めている。これは、吸気バルブ８の開弁時期の進角に伴う体積効率の向上と、排気通路１２側から燃焼室３内に引き戻される排気ガスの増加による筒内の温度上昇が、排気還流ガスの導入量増大による筒内温度の低下効果を上回ることと、エンジンＥの出力を保つためには、スロットバルブ１６の開度を絞るにも限界があり、また、排気還流ガスの導入量を増大させるにも限界があることによるものと考えられる。

この実施形態のエンジンＥは、過給機を備えないガソリンエンジン（火花点火式エンジン）としたが、ターボチャージャー等の過給機を備えたエンジンＥにおいても、この発明を適用できる。

１ エンジン本体
２ シリンダ
３ 燃焼室
４ ピストン
５ 点火装置
６ アクセル開度センサ
８ 吸気バルブ
９ 排気バルブ
１０ 燃料噴射弁（インジェクタ）
１１ 吸気通路
１２ 排気通路
１３ エアクリーナ
１４ エアフローセンサ
１５ スロットルポジションセンサ
１６ スロットルバルブ
１７ 空燃比検出手段
１８ 排気浄化部
１９ 回転センサ
２０ 排気ガス再循環装置
２１ 排気還流通路
２２ 排気還流弁
３０ 電子制御ユニット
３１ 吸排気バルブ制御手段
３２ スロットルバルブ制御手段
３３ 排気ガス再循環装置制御手段
３４ ノック予測検知手段
３５ 点火時期制御手段

Claims (5)

1. 燃焼室へ通じる吸気通路と、
   前記燃焼室から引き出された排気通路と、
   前記排気通路と前記吸気通路とを結ぶ排気還流通路を介して前記燃焼室から排出される排気ガスの一部を排気還流ガスとして吸気通路に還流する排気ガス再循環装置と、
   前記吸気通路の前記燃焼室への開口を開閉する吸気バルブと、
   前記排気通路の前記燃焼室への開口を開閉する排気バルブと、
   前記吸気バルブ及び前記排気バルブの開閉を制御する吸排気バルブ制御手段と、
   前記吸気通路における前記排気還流ガスの導入部よりも上流側に配置されるスロットルバルブと、
   前記スロットルバルブの開閉を制御するスロットルバルブ制御手段と、
   を備え、
   前記排気還流ガスの導入時におけるノッキングの発生が予測されるエンジンの高負荷域において、前記吸排気バルブ制御手段は前記吸気バルブの開弁時期をその時点での運転条件に対応する標準時期よりも進角させ、且つ、前記スロットルバルブ制御手段は前記スロットルバルブの開度をその時点でのアクセル開度に対応する標準開度よりも絞り側に設定することにより、前記排気還流ガスの前記吸気通路への導入量を増大させるノック制御を行う
   エンジンの制御装置。
2. 前記スロットルバルブの開度の絞り量は、前記スロットルバルブより下流の前記吸気通路に前記排気還流ガスを導入するのに必要な負圧を発生しうる量を下限とし、前記アクセル開度に対応する所定の吸気量の確保が可能な量を上限とする範囲内で設定される
   請求項１に記載のエンジンの制御装置。
3. 前記吸気バルブの開弁時期の進角量は、前記スロットルバルブの絞り側への移行後において、前記スロットルバルブより下流の前記吸気通路に前記排気還流ガスを導入するのに必要な負圧を発生しうる最低限の量に設定される
   請求項２に記載のエンジンの制御装置。
4. 前記燃料室内の燃料を燃焼させるための火花を生じさせる点火装置と、
   前記点火装置による点火時期を制御する点火時期制御手段と、
   を備え、
   前記ノック制御は前記点火時期制御手段による点火時期の進角を伴う
   請求項１〜３の何れか１項に記載のエンジンの制御装置。
5. 前記点火時期の進角は燃費が最高となる時期まで行う
   請求項４に記載のエンジンの制御装置。

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