JP7424541B2 - 内燃機関の制御方法および制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の排気還流の制御、特に高負荷域における排気還流の制御に関する。

排気還流技術は、主に中負荷域でのＮＯｘ低減のために発展してきたが、近年では、特許文献１に開示されているように、高負荷域においてノッキング抑制ならびに排気温度低減を主たる目的として排気還流を行うことが試みられている。

しかし、最高出力運転点を含む高負荷域において排気還流を行う場合、標高が上昇しこれに伴って吸気の密度が低下すると、最高出力が大幅に低下する、という問題がある。

特開２０１０－２４２６３０号公報

この発明に係る内燃機関の制御においては、新気として取り込まれる吸気の密度に関連する情報を取得し、この情報に基づいて吸気密度を算出し、高負荷運転時に、この吸気密度が密度閾値よりも低いときは排気還流を停止する。そして、生じているノッキングの程度もしくはノッキングの生じやすさを示す指標を取得し、この指標から、ノッキングが生じやすい条件であるほど上記密度閾値を低密度側に設定する。

このように吸気密度が低いときに排気還流を停止することで、出力低下が抑制される。そして、ノッキングが生じやすい条件である場合には、比較的に標高が高い（つまり密度が低い）ところでも排気還流が行われることとなり、排気還流によるノッキング抑制が図れる。

この発明が適用される内燃機関のシステム構成を示す構成説明図。 最高出力運転時の排気還流率の制御を示すフローチャート。 一実施例の外気圧力変化に対する出力変化の特性を示す特性図。 標高が低い場所での排気還流の有無による出力制限の特性を示す特性図。 標高が高い場所での排気還流の有無による出力制限の特性を示す特性図。 外気温が低い場合の高い密度閾値設定による出力特性を示す特性図。 外気温が高い場合の低い密度閾値設定による出力特性を示す特性図。 密度閾値を設定するためのフローチャート。 点火時期リタード量と密度閾値との関係を示す特性図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明が適用される例えば自動車用の内燃機関１のシステム構成を示している。この内燃機関１は、例えばターボチャージャ２を備えた４ストロークサイクルの火花点火式内燃機関である。内燃機関１の排気通路４には例えば三元触媒からなる触媒装置３が設けられており、ターボチャージャ２のタービン２Ｂが触媒装置３よりも上流側に配置されている。なお、タービン２Ｂは、過給圧制御のために、公知の電動式ウェストゲートバルブ（図示せず）を備えている。

内燃機関１の吸気通路１２は、通路途中にスロットルバルブ９を備えており、このスロットルバルブ９よりも上流側にターボチャージャ２のコンプレッサ２Ａが配置されている。また、コンプレッサ２Ａよりも上流側に、負圧を生成するための負圧バルブ８が設けられている。また、コンプレッサ２Ａと内燃機関１との間には、高温高圧となった吸気を冷却する例えば水冷式のインタークーラ１１が設けられている。図示例では、インタークーラ１１は吸気マニホルドの直上流に配置されている。

内燃機関１は、排気還流装置として、排気通路４から吸気通路１２へ排気の一部を還流する排気還流通路５を備えている。例えば、排気通路４の触媒装置３の下流側に排気還流通路５の一端が接続され、吸気通路１２の負圧バルブ８とコンプレッサ２Ａとの間に排気還流通路５の他端が接続されている。この排気還流通路５は、還流排気を冷却する例えば水冷式のＥＧＲガスクーラ６と、排気還流量を制御するＥＧＲバルブ７と、を備えている。ＥＧＲバルブ７の開度は、内燃機関１全体の制御を行うエンジンコントローラ１３によって制御される。

内燃機関１の本体部分には、ノッキングによる振動を検出するためのノッキングセンサ１０が配置されている。このノッキングセンサ１０の出力を用いて、エンジンコントローラ１３によって、公知の点火時期リタード制御が行われる。

上記エンジンコントローラ１３には、上記のノッキングセンサ１０のほか、吸入空気量を検出するエアフロメータ１５、機関回転速度を検出するクランク角センサ１６、空燃比フィードバック制御のために排気空燃比を検出する空燃比センサ１７、冷却水温を検出する水温センサ１８、運転者により操作されるアクセルペダルの踏込量を検出するアクセル開度センサ１９、車速を直接ないし間接に検出する車速センサ２０、大気圧（外気圧力）を検出する大気圧センサ２１、外気温を検出する外気温センサ２２、過給圧を検出する過給圧センサ２３、等のセンサ類の検出信号が入力されている。エンジンコントローラ１３は、これらの検出信号に基づき、燃料噴射量および噴射時期、点火時期、スロットルバルブ９の開度、ＥＧＲバルブ７の開度、過給圧、等を最適に制御している。

上記の構成においては、最高出力運転点を含む高負荷域においても排気還流装置を介して排気還流が行われ、排気還流によるノッキングの抑制および排気温度の抑制によって、理論空燃比（λ＝１）での運転がなされる。内燃機関１の負荷と回転速度とをパラメータとして予め基本排気還流率が設定されており、基本的にはこの基本排気還流率に沿うようにＥＧＲバルブ７の開度が制御される。

一方、標高が高く、新気として取り込まれる吸気の密度が低下すると、これに応じて内燃機関１の最高出力は低下する。図３は、内燃機関１の出力（ｋＷ）を縦軸、外気圧力（ｋＰａ）（標高に相当）を横軸として最高出力の低下を示しているが、特に、排気還流を伴う場合は、外気圧力に比例するようにして出力が低下し、排気還流を行わない場合に比較して標高が高いところでの出力低下が大となる。なお、以下において「ＥＧＲ」の語は排気還流を意味しており、図３等において、「ＥＧＲあり」は排気還流を伴う場合の特性、「ＥＧＲなし」は排気還流を行わない場合の特性である。

このような標高が高いところでの最高出力の低下を抑制するために、この実施例では、吸気密度が低いときに排気還流率が小さくなるように目標の排気還流率を変更する。

図２は、エンジンコントローラ１３によって実行される最高出力運転点での排気還流率変更処理の流れを示すフローチャートである。まず、ステップ１において、最高出力が要求されている条件であるか否かを判定する。例えば、アクセル開度センサ１９が検出するアクセルペダル踏込量が全開相当であるときに最高出力が要求されているものとする。ステップ１でＮＯであればルーチンを終了する。この場合、前述したように、各運転点に対応した基本排気還流率に沿って排気還流が実行される。

ステップ１でＹＥＳであれば、ステップ２に進み、吸気情報を取得する。例えば、大気圧センサ２１により検出される大気圧や外気温センサ２２が検出する外気温が吸気情報として読み込まれる。なお、大気圧としては、大気圧センサ２１の代替として、カーナビゲーションシステムにより得られる標高の情報を用いてもよい。

次にステップ３において、これらの吸気情報から、吸気密度ρを算出する。ステップ４において、この吸気密度ρが密度閾値ρ♯以下であるかどうか判定する。吸気密度ρが密度閾値ρ♯よりも大きければ、ステップ４からステップ５へ進み、基本排気還流率をそのまま目標の排気還流率として用いて排気還流を行う。吸気密度ρが密度閾値ρ♯以下であれば、ステップ４からステップ６へ進み、排気還流率を０とする。なお、完全に０とせずに僅かな排気還流を行うようにしてもよい。

このような制御を行うことで、図３に示すように、密度閾値ρ♯に相当する点よりも高い標高では排気還流が行われないこととなり、「ＥＧＲなし」の線に示すように「ＥＧＲあり」の特性に比較して高い出力が得られる。

図４および図５は、上記のような作用効果が得られることを説明するためにいくつかの出力制限の相関を示した説明図である。これらの図４、図５の縦軸は内燃機関１の出力（ｋＷ）、横軸は燃焼重心つまりＭＢ５０（°ＡＴＤＣ）である。ＭＢ５０は、点火時期に相関し、ここでは、点火時期の変更により任意に制御し得るパラメータであると仮定する。また、図中の「ＥＧＲなし」は排気還流率が０のときの特性、「ＥＧＲあり」は基本排気還流率の下での特性である。

図４は、標高０ｍにおいて最高出力が要求されているときの例を示している。火花点火式内燃機関である内燃機関１の高速高負荷域での出力は、まず、線Ｌ１１（ＥＧＲあり）および線Ｌ１２（ＥＧＲなし）で示すノッキング限界によって制限される。図４においてノッキング限界Ｌ１１，Ｌ１２よりも左上の領域では、ノッキング発生により運転が成立し得ず、ノッキング限界Ｌ１１，Ｌ１２よりも右下の領域でのみ運転が可能である。ノッキングは点火時期が早いほど生じやすく、従って出力が制限されるので、ノッキング限界Ｌ１１，Ｌ１２は、図示するように傾いた特性線となる。ＥＧＲによりノッキングが抑制されることから、ＥＧＲありのノッキング限界を示す線Ｌ１１は、ＥＧＲなしのノッキング限界を示す線Ｌ１２よりも上方（つまり高出力側）に位置する。

同様に、高速高負荷域においては排気温度が上昇するので、排気系部品の保護等の観点から、内燃機関１の出力が線Ｌ２１（ＥＧＲあり）および線Ｌ２２（ＥＧＲなし）で示す排気温度限界によって制限される。ＭＢ５０が遅角側であるほど排気温度が高くなるので、排気温度限界Ｌ２１，Ｌ２２は、図４においては、図示するように右下がりの特性線となり、この排気温度限界Ｌ２１，Ｌ２２よりも左下の領域でのみ運転が可能である。ＥＧＲにより排気温度が低下することから、ＥＧＲありの排気温度限界を示す線Ｌ２１は、ＥＧＲなしの排気温度限界を示す線Ｌ２２よりも上方（つまり高出力側）に位置する。

内燃機関１の出力は、さらに、ターボチャージャ２による空気量限界によって制限される。この空気量限界は、図４において線Ｌ３１（ＥＧＲあり）および線Ｌ３２（ＥＧＲなし）として示すように右下がりの曲線となる。これはターボチャージャ２の回転数限界による制約である。ターボチャージャ２によってシリンダに押し込められるガス量は一定であり、排気還流量が大であるほど空気量（酸素量）は少なくなる。従って、ＥＧＲありの空気量限界Ｌ３１は、ＥＧＲなしの空気量限界Ｌ３２よりも下側（つまり低出力側）となる。

従って、ノッキング限界および排気温度限界の観点から、特性線Ｌ１１，Ｌ１２と特性線Ｌ２１，Ｌ２２とで囲まれた領域でのみ運転が成立することとなり、さらに空気量限界Ｌ３１，Ｌ３２により制約されたものとして内燃機関１の最高出力が得られることとなる。図４の標高０ｍの場合、ＥＧＲなしのときは空気量限界Ｌ３２の制約を受けずにノッキング限界Ｌ１２と排気温度限界Ｌ２２との交点Ｃ２が最高出力となり、ＥＧＲありのときは、空気量限界Ｌ３１の制約により、ノッキング限界Ｌ１１と空気量限界Ｌ３１との交点Ｃ１が最高出力となる。

ここで、交点Ｃ１，Ｃ２のそれぞれの高さ位置から明らかなように、ＥＧＲありの交点Ｃ１の方が高い出力となる。つまり、基本的には、排気還流量が大であるほど、ノッキングが抑制されかつ排気温度が低下することから、最高出力はより大きく得られる。例えば排気還流によりΔＰ１の出力向上が図れる。

図５は、標高が高いときの特性を示しており、前述と同様に、線Ｌ１３（ＥＧＲあり）および線Ｌ１４（ＥＧＲなし）で示すノッキング限界、線Ｌ２３（ＥＧＲあり）および線Ｌ２４（ＥＧＲなし）で示す排気温度限界、線Ｌ３３（ＥＧＲあり）および線Ｌ３４（ＥＧＲなし）で示す空気量限界、によって最高出力が制約される。標高が高く従って吸気密度ρが低いと、ノッキング限界と排気温度限界との交点として得られる基本的な最高出力の点がそれぞれ標高０ｍのときよりも多少低くなるが、空気量限界Ｌ３３，Ｌ３４も低下し、特に、ＥＧＲありの空気量限界Ｌ３３が大きく低下する。そのため、ＥＧＲなしのときは、空気量限界Ｌ３４の制約によりノッキング限界Ｌ１４と空気量限界Ｌ３４との交点Ｃ４が最高出力となり、ＥＧＲありのときは、大きく低下した空気量限界Ｌ３３の制約により、ノッキング限界Ｌ１３と空気量限界Ｌ３３との交点Ｃ３が最高出力となる。

ここで、交点Ｃ３，Ｃ４のそれぞれの高さ位置から明らかなように、標高が高い場合は、ＥＧＲなしの交点Ｃ４の方が高い出力となる。つまり、排気還流の有無による最高出力の大小関係が標高０ｍの場合とは逆となる。従って、ここでは、排気還流を停止することにより、ΔＰ２の出力向上が図れる。

ノッキング限界を定めるノッキングの生じやすさは、外気温によっても影響を受ける。従って、好ましい一実施例においては、上述した密度閾値ρ♯が外気温に応じて設定される。具体的には、外気温が高いほど密度閾値ρ♯が低い値として設定される。図６および図７は、図３と同様の出力と外気圧力とをパラメータとした特性図であり、図６が外気温が低いときの特性、図７が外気温が高いときの特性、を示す。それぞれ、密度閾値ρ♯に相当する外気圧力よりも低い領域では排気還流率が０となる。図示するように、図６では密度閾値ρ♯が相対的に高く設定され、図７では密度閾値ρ♯が相対的に低く設定される。このようにノッキングが生じやすい外気温が高いときに密度閾値ρ♯を低密度側に設定することで、比較的に標高が高いところでも排気還流が行われることとなり、排気還流によるノッキング抑制ひいては点火時期進角作用と排気温度抑制とが得られ、最高出力の確保との両立が図れる。

なお、ノッキングの生じやすさを示す指標としては、上記の外気温のほか、燃料のオクタン価、吸気温、冷却水温、等を挙げることができ、外気温を含むこれらの指標のうちの１つあるいは複数のものに基づいて、上記と同様に密度閾値ρ♯を設定するようにしてもよい。

また外気温等によらず実際のノッキングの程度ないし生じやすさを示す指標として、ノッキングセンサ１０の出力に基づく点火時期リタード制御における点火時期リタード量を用いることもできる。図８および図９は、このように点火時期リタード量に基づいて密度閾値ρ♯を設定する実施例を示す。図８のフローチャートは、密度閾値ρ♯を設定するための処理を示しており、ステップ１１においてノッキングによる点火時期リタード量を読み込み、ステップ１２において所定のテーブルを用いて密度閾値ρ♯を設定する。図９は、ステップ１２において用いられるテーブルの特性例を示しており、点火時期リタード量が大きいほど密度閾値ρ♯が低く設定される。

以上、この発明の一実施例を説明したが、この発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、上記実施例では、還流排気がターボチャージャ２のコンプレッサ２Ａよりも上流側で吸気系に流入するいわゆるロープレッシャーＥＧＲシステムとなっているが、還流排気がコンプレッサ２Ａよりも下流側で吸気系に流入するいわゆるハイプレッシャーＥＧＲシステムであっても本発明は同様に適用できる。

さらに、本発明は、過給機を具備しない自然吸気機関にも適用が可能である。自然吸気機関であっても、吸気密度ρの低下に伴い空気量限界が低出力側へ移動する形となる。

Claims (6)

1. 高負荷運転時に排気還流を行う、ターボチャージャを備えた火花点火式内燃機関からなる内燃機関の制御方法であって、
   新気として取り込まれる吸気の密度に関連する情報を取得し、この情報に基づいて吸気密度を算出し、高負荷運転時に、この吸気密度が密度閾値よりも低いときは排気還流を停止し、
   生じているノッキングの程度もしくはノッキングの生じやすさを示す指標を取得し、この指標から、ノッキングが生じやすい条件であるほど上記密度閾値を低密度側に設定する、
   内燃機関の制御方法。
2. 上記指標は、燃料のオクタン価、外気温、吸気温、冷却水温、の少なくとも１つを含む、
   請求項１に記載の内燃機関の制御方法。
3. 上記指標は、
   ノッキングセンサの検出信号に基づき点火時期リタードを行うノッキング制御におけるリタード量である、
   請求項１に記載の内燃機関の制御方法。
4. 上記の吸気密度に基づく排気還流の停止を行う高負荷運転時は、上記ターボチャージャが回転数限界に達する最高出力運転時である、
   請求項１に記載の内燃機関の制御方法。
5. 標準の吸気密度の下では、最高出力運転時に、排気還流を行いつつ理論空燃比での燃焼を行う、
   請求項１に記載の内燃機関の制御方法。
6. 排気還流装置を備えるとともに、ターボチャージャを備えた火花点火式内燃機関からなる内燃機関の制御装置であって、
   高負荷域を含む運転領域で上記排気還流装置による排気還流を行うとともに、新気として取り込まれる吸気の密度に関連する情報を取得し、この情報に基づいて吸気密度を算出し、高負荷運転時に、この吸気密度が密度閾値よりも低いときは排気還流を停止し、
   生じているノッキングの程度もしくはノッキングの生じやすさを示す指標を取得し、この指標から、ノッキングが生じやすい条件であるほど上記密度閾値を低密度側に設定する、
   内燃機関の制御装置。

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