JP7586313B2 - 内燃機関の排気還流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制御、特に燃焼変動の検出に基づいて適切な目標排気還流率を決定する排気還流制御に関する。

排気の一部を吸気系に還流する排気還流（ＥＧＲとも略称される）は、燃費の向上に寄与するが、過大な排気還流は燃焼を不安定とし、失火を生じる。そのため、排気還流を行いつつ燃焼安定性を検知することで、過度の燃焼不安定化を招来しない範囲で最も高い排気還流率（ＥＧＲ率）つまり限界排気還流率を探索することが知られている。

特許文献１には、ＥＧＲ率を増減変化させながら点火プラグを介してイオン電流の検出を行い、燃焼不安定化に起因する排気行程中のイオン電流の発生を検出したときのＥＧＲ率が失火直前の限界排気還流率である、とする技術が開示されている。

燃費を最良とするために点火時期をＭＢＴ点もしくはＭＢＴ点付近とした一般的な内燃機関の運転においては、例えばＥＧＲ率を徐々に高くしていったときに、ＥＧＲ率の変化に対する燃焼安定度の変化は比較的に小さく、なおかつ、ある段階でサイクルばらつきをも含めて突発的に失火が生じる。このような特性から、限界排気還流率の探索は一般に困難である。例えば図示平均有効圧変動率ＣＰｉ等の燃焼変動を示す指標を用いてＥＧＲ率に対する燃焼安定度の関係を評価しようとした場合に、失火サイクルの影響を受けて適切な評価を行うことができない。

これは、特許文献１の技術においても同様であり、ＥＧＲ率を増減変化させている間の突発的な失火サイクルの発生により限界排気還流率の探索が影響されてしまう。

特開平１１－３２４８８１号公報

この発明は、目標排気還流率の決定のために点火時期を基本点火時期よりもリタードしたサンプリング用点火時期に設定し、このサンプリング用点火時期の下での排気還流率と燃焼変動との関係から上記目標排気還流率を決定する。

点火時期をリタードすることで、燃焼変動は全体として僅かに悪化するが、失火は生じにくくなり、基本点火時期の下で限界排気還流率付近となるＥＧＲ率においても、失火を生じずにＥＧＲ率に応じて燃焼変動が変化する特性が得られる。

従って、失火サイクルに影響されずに限界となる目標排気還流率を求めることができる。

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。 目標ＥＧＲ率の探索の動作を比較例と対比して示した説明図。 一実施例の処理の流れを示すフローチャート。

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自動車用内燃機関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って、各シリンダ３の天井壁面に、一対の吸気弁４および一対の排気弁５が配置されているとともに、これらの吸気弁４および排気弁５に囲まれた中央部に点火プラグ６が配置されている。吸気弁４の下方には、シリンダ３内へ燃料を供給する燃料噴射弁７が設けられている。点火プラグ６の点火時期および燃料噴射弁７による燃料の噴射時期ならびに噴射量はエンジンコントローラ９によって制御される。

点火プラグ６が取り付けられる座部には、筒内圧を検出するために座金状の筒内圧センサ８が設けられている。なお、点火プラグ６とは別に、検出部が燃焼室１０に臨んだ形式の筒内圧センサを用いるようにしてもよい。

吸気弁４を介して燃焼室１０に接続される吸気通路１１は、吸気コレクタ１１ａを有し、この吸気コレクタ１１ａよりも上流側に、エンジンコントローラ９からの制御信号によって開度が制御される電子制御型スロットルバルブ１２が設けられている。スロットルバルブ１２の上流側に、ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａが位置し、このコンプレッサ２ａよりも上流に、吸入空気量を検出するエアフロメータ１４およびエアクリーナ１５が配設されている。コンプレッサ２ａとスロットルバルブ１２との間には、例えば水冷式のインタークーラ１６が設けられている。また、コンプレッサ２ａの吐出側と吸入側とを連通するようにリサーキュレーションバルブ１７が設けられている。このリサーキュレーションバルブ１７は、スロットルバルブ１２が閉じる減速時に開弁される。

排気弁５を介して燃焼室１０に接続される排気通路２０には、ターボチャージャ２のタービン２ｂが介装されており、その下流側にそれぞれ三元触媒からなるプリ触媒装置２１およびメイン触媒装置２２が配設されている。排気通路２０のタービン２ｂよりも上流側に、空燃比を検出する空燃比センサ２３が配置されている。タービン２ｂは、過給圧を制御するために過給圧に応じて排気の一部をバイパスするウェストゲートバルブ２４を備えている。ウェストゲートバルブ２４は、例えば、エンジンコントローラ９によって開度が制御される電動型の構成のものが用いられている。

排気還流装置として、排気通路２０から吸気通路１１へ排気の一部を還流する排気還流通路２５が設けられている。例えば、排気通路２０のプリ触媒装置２１とメイン触媒装置２２との間に排気還流通路２５の一端が接続され、吸気通路１１のコンプレッサ２ａ上流側の位置に排気還流通路２５の他端が接続されている。この排気還流通路２５は、還流排気を冷却する例えば水冷式のＥＧＲガスクーラ２７と、排気還流量を制御するＥＧＲバルブ２８と、を備えている。ＥＧＲバルブ２８の開度は、エンジンコントローラ９によって制御される。

上記エンジンコントローラ９には、上記の筒内圧センサ８、エアフロメータ１４、空燃比センサ２３のほか、機関回転速度を検出するためのクランク角センサ３１、冷却水温を検出する水温センサ３２、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３３、車速を直接ないし間接に検出する車速センサ３４、大気圧を検出する大気圧センサ３５、外気温を検出する外気温センサ３６、過給圧を検出する過給圧センサ３７、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９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１２の開度、ＥＧＲバルブ２８の開度（換言すればＥＧＲ率）、過給圧、等を最適に制御している。

また、エンジンコントローラ９は、筒内圧センサ８の検出信号を処理することで、燃焼変動を示す指標となる図示平均有効圧変動率ＣＰｉ（以下、単に変動率ＣＰｉと記す）を算出する。そして、後述するように、排気還流の開始初期に、機関運転条件（負荷および回転速度）毎に設定される目標ＥＧＲ率の探索ないし決定を変動率ＣＰｉを用いて行う。目標ＥＧＲ率は、過度の燃焼不安定化を招来しない範囲で最も高いＥＧＲ率であり、ある運転条件に対して排気還流の開始初期に目標ＥＧＲ率を決定した後は、当該運転条件の下ではこの目標ＥＧＲ率に沿って排気還流量（ＥＧＲバルブ２８の開度）が制御されることとなる。

次に、本発明の要部である排気還流の制御、特に目標ＥＧＲ率の探索ないし決定について説明する。

図２は、本発明の原理を説明するための説明図であり、（ａ）ＥＧＲ率と（ｂ）点火時期と（ｃ）変動率ＣＰｉとを対比して示している。横軸は時間であり、燃焼安定度の限界となる目標ＥＧＲ率の探索のために（ａ）欄に示すようにＥＧＲ率をステップ的に増加させていったときの変動率ＣＰｉの変化を示している。

ここで（ｂ），（ｃ）欄における破線は比較例を示しており、この比較例では、点火時期は基本点火時期（例えばＭＢＴ）に保たれている。比較例では、ＥＧＲ率が徐々に増加していくと、変動率ＣＰｉはＥＧＲ率増加に伴って徐々に大きくなっていくが、ある段階で突発的に失火（（ｃ）欄に符号ＭＦとして示す）が発生する。この失火ＭＦはサイクルばらつき等によって突発的に生じるので、燃焼変動の評価を困難にする要因となる。例えば図示例では、燃焼変動の許容限界となる閾値ＣＰｉ♯２に達する前に失火ＭＦが生じてしまい、閾値ＣＰｉ♯２による判定が不能となる。

これに対し、本発明の実施例では、目標ＥＧＲ率の探索のために点火時期を基本点火時期（例えばＭＢＴ）から所定量リタードしたサンプリング用点火時期とする。そして、ＥＧＲ率を徐々に増加させていき、例えば変動率ＣＰｉが所定の閾値ＣＰｉ♯に達したときのＥＧＲ率を限界のＥＧＲ率つまり目標ＥＧＲ率とするのである。サンプリング用点火時期のリタード量としては、例えば、５～１５°ＣＡ程度に設定すればよく、一例では１０°ＣＡである。このリタード量は、運転条件によらずに一定値であってもよく、あるいは、実時間の変化を考慮して、回転速度が高いほど小さな値となるように、回転速度に応じて設定するようにしてもよい。

このように点火時期をＭＢＴ点よりもリタードすると、（ｃ）欄に示すように、変動率ＣＰｉは全体として増加するが、失火は生じにくくなり、ＥＧＲ率の増加に伴って増大する変動率ＣＰｉの傾向を失火に影響されずに把握することができる。そのため、例えば、サンプリング用点火時期の下での変動率ＣＰｉの閾値ＣＰｉ♯を適切に設定することにより、基本点火時期の下で変動率ＣＰｉが閾値ＣＰｉ♯２に達することとなるであろう限界のＥＧＲ率を探索することができる。例えば図示例では、（ａ）欄にＥＧＲ１として示すＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率となる。閾値ＣＰｉ♯２，ＣＰｉ♯は、どのレベルまで許容し得るか等によって異なるが、一例を挙げると、閾値ＣＰｉ♯２は２％程度であり、これに対応して閾値ＣＰｉ♯は例えば５％程度である。なお、点火時期をリタードしたときに、基本的に、そのリタード量が大きいほど変動率ＣＰｉが高くなる。従って、閾値ＣＰｉ♯は、サンプリング用点火時期のリタード量を考慮して設定される。

また、Ｃ欄に示すように、ＥＧＲ率の変化量（例えばａ欄にステップ状に示す単位変化量）に対するＣＰｉの変化量は、点火時期がＭＢＴ点である場合よりも点火時期がリタード側のサンプリング用点火時期である場合の方が大となり、特に、限界ＥＧＲ率に近いＥＧＲ率においては、サンプリング用点火時期の下での変動率ＣＰｉの変化量が顕著に大きくなる。従って、閾値ＣＰｉ♯との比較ではなく、ＥＧＲ率を徐々に増加していったときの変動率ＣＰｉの増加率が所定の大きさとなったときに限界ＥＧＲ率であると判定することもできる。

なお、（ｃ）欄の変動率ＣＰｉの変化は、理解を容易にするために模式的に描いたものであり、実際の波形を厳密に表したものではない。

次に一実施例の処理の流れを図３のフローチャートに従って説明する。図３は、エンジンコントローラ９において実行される処理の流れを示すフローチャートであり、このフローチャートに示すルーチンは、例えば一定時間毎に繰り返し実行される。ステップ１では、負荷および回転速度によって規定される運転条件ないし運転点が排気還流を行うべき所定のＥＧＲ領域にあるかどうかを判定する。ＥＧＲ領域外であれば、ルーチンを終了する。ＥＧＲ領域内であればステップ２へ進み、当該運転条件について目標ＥＧＲ率の学習（つまり探索ないし決定）がまだ行われていないかどうか判定する。初回は未学習であるので、ステップ２からステップ３へ進み、点火時期を基本点火時期（一実施例ではＭＢＴ）から所定量（例えば１０°ＣＡ）リタードしたサンプリング用点火時期に設定する。

ステップ４でＥＧＲ率を０に初期化した後、ステップ５，６の処理を繰り返し、限界となる目標ＥＧＲ率を探索する。すなわち、ステップ５では変動率ＣＰｉを所定の閾値（前述の閾値ＣＰｉ♯に相当する）と比較し、ステップ６では、そのときのＥＧＲ率に一定量αを加えて徐々に増加させる。前述したように、点火時期をサンプリング用点火時期までリタードした状態でＥＧＲ率を徐々に増加することによって、失火を伴わずに変動率ＣＰｉが徐々に増加し、やがて閾値に達する。ステップ５において変動率ＣＰｉが閾値以上であると判定したら、ステップ７へ進み、そのときのＥＧＲ率を目標ＥＧＲ率として学習する。そして、ステップ８へ進み、目標ＥＧＲ率の探索のための点火時期のリタードを終了する。なお、前述したように、ステップ５における閾値との比較に代えて、変動率ＣＰｉの増加率に基づく判定を行うことも可能である。

以後は、ステップ２からステップ９へ進み、学習した目標ＥＧＲ率に沿って排気還流が制御される。なお、目標ＥＧＲ率の探索ないし決定および学習した目標ＥＧＲ率を用いた排気還流制御は、機関運転条件（運転点）毎に行われる。例えば、負荷と回転速度とをパラメータとしたマップにそれぞれ学習した目標ＥＧＲ率が割り付けられることとなる。従って、運転条件が未学習の運転条件へと変化したら、当該運転条件について新たに学習がなされる。また、好ましい一実施例では、車両のトリップの開始時にマップ上の学習値である目標ＥＧＲ率が初期化される。

ステップ９に続くステップ１０は、学習値（目標ＥＧＲ率）の適否を再確認すべきタイミングであるかどうかを判定する。一実施例では、（１）目標ＥＧＲ率を学習した直後（つまり初回にステップ１０に進んだとき）、（２）同じ運転条件の積算運転時間が一定時間（例えば５分、等）に達した、あるいは、（３）失火を検出した、のいずれかによって目標ＥＧＲ率の再確認が必要であると判定される。上記の（１）の条件は、ステップ５～７で設定した目標ＥＧＲ率が適切であるかどうかを再確認するためである。上記の（２）の条件は、運転を継続する中で実際に燃焼安定度の限界となるＥＧＲ率が変化することがあることを考慮したものである。上記の（３）の条件は、目標ＥＧＲ率の下で失火が生じた場合に直ちに再学習を行うためのものである。

ステップ１０でＹＥＳの場合は、ステップ１１～１３において、目標ＥＧＲ率に沿った排気還流を行いながら、サンプリング用点火時期よりもリタード量が小さな点火時期の下で変動率ＣＰｉが上記の閾値以上となるかどうかの判定を行う。すなわち、ステップ１１ではリタード量をサンプリング用点火時期のリタード量である所定リタード量（例えば１０°ＣＡ）と比較する。所定リタード量未満であれば、ステップ１２で変動率ＣＰｉが閾値未満であるか判定する。ステップ１２でＹＥＳであれば、ステップ１３へ進んでリタード量を一定量βずつインクリメントする。

前述したように、点火時期をリタードすると、変動率ＣＰｉは基本的にリタード量に応じて増加する。リタード量を増加させていったときにリタード量が所定リタード量に達する前に変動率ＣＰｉが閾値以上となった場合は、ステップ１２からステップ１４へと進むこととなる。これは学習した目標ＥＧＲ率が過大であることを意味し、ステップ１４～１８において、目標ＥＧＲ率を低下させる方向に再学習を行う。すなわち、ステップ１４でリタード量を再びサンプリング用点火時期に設定し、ステップ１５において変動率ＣＰｉが閾値未満であるかどうかの判定を行うとともに、ステップ１６においてＥＧＲ率を一定量γずつデクリメントする。ステップ１５，１６を繰り返すことで、変動率ＣＰｉが閾値を下回るときのＥＧＲ率が探索される。ステップ１５でＹＥＳとなったときにステップ１５からステップ１７へ進み、そのときのＥＧＲ率を目標ＥＧＲ率として設定（つまり学習）し、ステップ１８において点火時期を基本点火時期（例えばＭＢＴ）に戻す。

なお、ステップ１５～１８の処理に代えて、ステップ１４から再学習のためにステップ４へ処理を戻すようにしてもよい。

一方、リタード量を徐々にインクリメントしていく上述したステップ１１～１３の処理を繰り返す中で、変動率ＣＰｉが閾値以上以上となる前にリタード量が所定リタード量に達した場合は、ステップ１１からステップ５へ進み、所定量リタード量つまりサンプリング用点火時期の下で再学習を行う。これは、現在の学習値である目標ＥＧＲ率が少なくとも過大ではないものの、逆に過小である可能性があることを考慮したものである。ステップ５，６の処理により、再度、サンプリング用点火時期の下で適切な目標ＥＧＲ率の探索が行われる。従って、この実施例では、仮に同じ運転条件で運転を継続したときに、少なくとも一定時間（例えば５分、等）毎に目標ＥＧＲ率の学習・更新が行われることとなる。なお、必ずしも一定間隔ではなく適当なタイミングにステップ１１以降の確認処理を行うようにしてもよい。

また多気筒内燃機関の場合、一部の気筒例えば特定の１気筒のみにおいて目標ＥＧＲ率の探索のための点火時期リタードを行い、当該気筒について変動率ＣＰｉの算出を行うようにしてもよい。このようにすれば、学習ならびに再学習の際に他の気筒は基本点火時期（例えばＭＢＴ）での運転が継続されるので、点火時期リタードに伴う燃費悪化が最小限となる。

上述したように、サンプリング用点火時期のリタード量は、回転速度が高いほど小さな値となるように、回転速度に応じて設定するようにしてもよく、またサンプリング用点火時期の下での変動率ＣＰｉはリタード量の影響を受ける。従って、各運転条件の下での最適なリタード量および変動率ＣＰｉの閾値を実験ないしシミュレーション等によって予め求めておき、負荷と回転速度とをパラメータとしたマップに、これらのリタード量および閾値をマッピングしておくようにしてもよい。

以上、この発明の一実施例を詳細に説明したが、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燃焼変動を示す指標として筒内圧センサ８の検出信号に基づく図示平均有効圧変動率ＣＰｉを用いているが、燃焼変動を示す指標としては図示平均有効圧変動率ＣＰｉに限らず、適当な他の指標であってもよい。また、クランクシャフトの回転速度の変化から燃焼変動を示す適当な指標を求めるようにしてもよい。

Claims (9)

1. 排気還流率を変化させつつ燃焼変動を検出し、この燃焼変動に基づき内燃機関の負荷と回転速度とに対応した目標排気還流率を決定する内燃機関の排気還流制御方法において、
   目標排気還流率の決定のために点火時期をＭＢＴ点に沿った基本点火時期よりもリタードしたサンプリング用点火時期に設定し、
   このサンプリング用点火時期の下で排気還流率を徐々に増加していき、この排気還流率の増加に伴う燃焼変動を示す指標の変化から基本点火時期の下での目標となる上記目標排気還流率を決定し、
   上記目標排気還流率を決定した後に、目標排気還流率の決定のための点火時期リタードを終了する、
   内燃機関の排気還流制御方法。
2. 内燃機関の運転開始後、内燃機関の運転条件が排気還流領域に入ったときに、サンプリング用点火時期にリタードして目標排気還流率の決定を行う、
   請求項１に記載の内燃機関の排気還流制御方法。
3. 排気還流率を徐々に増加していき、燃焼変動を示す指標が所定の閾値に達したときの排気還流率を目標排気還流率とする、
   請求項１または２に記載の内燃機関の排気還流制御方法。
4. 排気還流率を徐々に増加していき、燃焼変動を示す指標の増加率が所定の大きさに達したときの排気還流率を目標排気還流率とする、
   請求項１または２に記載の内燃機関の排気還流制御方法。
5. 上記基本点火時期からサンプリング用点火時期までのリタード量が、回転速度が高いほど小さくなるように、回転速度に応じて設定される、
   請求項１～４のいずれかに記載の内燃機関の排気還流制御方法。
6. 上記閾値と、上記基本点火時期からサンプリング用点火時期までのリタード量と、が、負荷と回転速度とに対応して予め設定されている、
   請求項３に記載の内燃機関の排気還流制御方法。
7. 内燃機関に含まれる複数の気筒の中の一部の気筒の点火時期をサンプリング用点火時期にリタードし、
   この点火時期をリタードした一部の気筒の燃焼変動に基づき目標排気還流率を決定する、
   請求項１～６のいずれかに記載の内燃機関の排気還流制御方法。
8. さらに、決定された目標排気還流率に従った内燃機関の運転中、定期的もしくは不定期的な間隔で、目標排気還流率の適否の確認を実行し、
   この目標排気還流率の適否の確認は、
   目標排気還流率に沿った排気還流を行いつつ点火時期を徐々にリタードし、
   サンプリング用点火時期に達する前に燃焼変動を示す指標が所定の閾値以上となった場合は目標排気還流率が過大であると判定し、
   燃焼変動を示す指標が所定の閾値以上となる前にサンプリング用点火時期に達した場合は目標排気還流率が過小であると判定する、
   請求項１～７のいずれかに記載の内燃機関の排気還流制御方法。
9. 排気還流装置と、
   燃焼変動を直接にもしくは間接に検出するための燃焼変動検出デバイスと、
   内燃機関の負荷と回転速度とに対応した目標排気還流率に沿って上記排気還流装置を制御するとともに、上記目標排気還流率の決定の際に点火時期をＭＢＴ点に沿った基本点火時期よりもリタードしたサンプリング用点火時期に設定し、このサンプリング用点火時期の下で排気還流率を徐々に増加していき、この排気還流率の増加に伴う燃焼変動を示す指標の変化から基本点火時期の下での目標となる上記目標排気還流率を決定し、かつこの目標排気還流率の決定後に目標排気還流率の決定のための点火時期リタードを終了する、コントローラと、
   を備えた内燃機関の排気還流制御装置。

Images