JPWO2014020982A1 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

低負荷運転領域である非ＥＧＲ領域では、点火時期に影響を及ぼさない程度の微小ＥＧＲ率に相当する所定の微小開度Ｍで、ＥＧＲ制御弁（２１）を開弁する。これによって、ＥＧＲ通路（２０）内は基本的にＥＧＲガスで満たされた状態となるので、運転状態が非ＥＧＲ領域からＥＧＲ領域に変化し、目標ＥＧＲ率となるようにＥＧＲ制御弁（２１）を開弁する際には、ＥＧＲ制御弁（２１）の開弁とほぼ同時に所望の量のＥＧＲガスが吸気通路（２）に導入されることになり、実際のＥＧＲ率を応答性良く目標ＥＧＲ率に追従させることができる。

Description

本発明は、過給機の上流側に排気の一部を還流する内燃機関の制御装置に関する。

排気通路と吸気通路とに接続されたＥＧＲ通路と、ＥＧＲ通路に介装されたＥＧＲ制御弁と、を有し、運転状態に応じて排気ガスの一部を吸気系に導入するＥＧＲを実施することで、内燃機関の排気性能向上や燃費改善を図る技術が従来から知られている。

例えば、特許文献１には、スロットル弁の下流側に位置する各気筒の吸気管のそれぞれに配置され、シャフトとともに回転して上記吸気管の開口面積を変化させる吸気制御弁を有し、排気通路から分岐したＥＧＲ通路に接続される上記各気筒の吸気管に形成されたＥＧＲガス噴出孔が、上記吸気制御弁または上記シャフトにより閉塞可能な構成が開示されている。

このような特許文献１では、ＥＧＲガス噴出孔が上記吸気制御弁または上記シャフトにより閉じられていれば、上記ＥＧＲ通路に配置されたＥＧＲ制御弁を開弁しても、ＥＧＲガスが上記吸気管内に流入することはない。そのため、ＥＧＲガスを上記吸気管内に導入しない運転状態のときは、上記ＥＧＲガス噴出孔をＥＧＲ制御弁等で閉塞しつつ、上記ＥＧＲ通路内をＥＧＲガスで満たしておけば、ＥＧＲガスを上記吸気管内に導入する運転状態になったときに、上記ＥＧＲガス噴出孔を開き、かつ上記ＥＧＲ制御弁を目標開度で開弁すれば、応答性よくＥＧＲ率を制御することが可能である。

しかしながら、この特許文献１では、ＥＧＲの制御を行うにあたって、ＥＧＲ制御弁のほかに、吸気制御弁等のＥＧＲガス噴出孔を塞ぐことができる構成要素が必要であり、ＥＧＲの制御を行う上で部品点数が増加してしまうという問題がある。

特開２００７−２７８１１６号公報

本発明は、スロットル弁の上流側に位置する過給機と、該過給機よりも上流側から排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路に導入するＥＧＲ通路と、上記ＥＧＲ通路に配置されたＥＧＲ制御弁と、を有し、運転状態がＥＧＲ領域以外の非ＥＧＲ領域にある場合には、上記ＥＧＲ制御弁の開度を所定の微小開度にすることを特徴としている。

本発明によれば、ＥＧＲ通路内は基本的にＥＧＲガスで満たされた状態となるので、運転状態が非ＥＧＲ領域からＥＧＲ領域に変化し、目標ＥＧＲ率となるようにＥＧＲ制御弁を開弁する際には、ＥＧＲ制御弁の開弁とほぼ同時に所望の量のＥＧＲガスが吸気通路に導入されることになり、実際のＥＧＲ率を応答性良く目標ＥＧＲ率に追従させることができる。

本発明に係る内燃機関の制御装置の全体構成を示すシステム図。 ＥＧＲ領域及び非ＥＧＲ領域と運転状態の相関を模式的に示した説明図。 ＥＧＲ通路内のＥＧＲガスの分布状態を模式的に示した説明図であり、（ａ）はＥＧＲ制御弁が閉弁状態のときを示し、（ｂ）はＥＧＲ制御弁を閉弁状態から開弁した直後を示す。 ＥＧＲ制御弁の制御の一例を示したタイミングチャート。

以下、本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、本発明が適用される内燃機関１の全体構成を示すシステム図である。

内燃機関１は、駆動源として自動車等の車両に搭載されるものであって、内燃機関１のシリンダ１ａには、吸気通路２と排気通路３とが接続されている。吸気マニホールド４を介して内燃機関１に接続された吸気通路２には、スロットル弁５が設けられていると共に、その上流側には吸入空気量を検出するエアフローメータ６、エアクリーナ７が設けられている。排気マニホールド８を介して内燃機関１に接続された排気通路３には、排気浄化用として、三元触媒等の排気触媒９が設けられている。

また、この内燃機関１は、吸気通路２に配置されたコンプレッサ１１と排気通路３に配置されたタービン１２とを同軸上に備えたターボ過給機１０を有している。コンプレッサ１１は、スロットル弁５よりも上流側に位置していると共に、エアフローメータ６よりも下流側に位置している。タービン１２は、排気触媒９よりも上流側に位置している。なお、図１中の１３は、スロットル弁５の下流側に設けられたインタークーラである。

吸気通路２には、コンプレッサ１１を迂回してコンプレッサ１１の上流側と下流側とを接続するリサーキュレーション通路１４が接続されている。リサーキュレーション通路１４には、リサーキュレーション通路１４内の吸気流量を制御するリサーキュレーション弁１５が介装されている。

排気通路３には、タービン１２を迂回してタービン１２の上流側と下流側とを接続する排気バイパス通路１６が接続されている。排気バイパス通路１６には、排気バイパス通路１６内の排気流量を制御するウエストゲート弁１７が介装されている。

また、内燃機関１は、排気還流（ＥＧＲ）が実施可能なものであって、排気通路３と吸気通路２との間には、ＥＧＲ通路２０が設けられている。ＥＧＲ通路２０は、その一端が排気触媒９の下流側の位置で排気通路３に接続され、その他端がエアクリーナ７の下流側となりコンプレッサ１１の上流側となる位置で吸気通路２に接続されている。このＥＧＲ通路２０には、電制のＥＧＲ制御弁２１とＥＧＲクーラ２２が介装されている。ＥＧＲ制御弁２１の開度は、運転条件に応じた所定のＥＧＲ率が得られるように、コントロールユニット２５によって制御される。

コントロールユニット２５は、上述したエアフローメータ６の検出信号のほか、クランクシャフト（図示せず）のクランク角を検出するクランク角センサ２６、アクセルペダル（図示せず）の踏込量を検出するアクセル開度センサ２７、吸気温度を検出する吸気温度センサ２８、内燃機関１の冷却水温度を検出する冷却水温度センサ２９等のセンサ類の検出信号が入力されている。

そして、コントロールユニット２５は、これらの検出信号に基づいて、内燃機関１の点火時期や空燃比等の制御を実施すると共に、ＥＧＲ制御弁２１の開度を制御して排気通路３から吸気通路２に排気の一部を還流する排気還流制御（ＥＧＲ制御）を実施している。なお、スロットル弁５、リサーキュレーション弁１５、ウエストゲート弁１７の開度もコントロールユニット２５により制御されている。リサーキュレーション弁１５としては、コントロールユニット２５により開閉制御されるものではなく、コンプレッサ１１下流側の圧力が所定圧力以上となったときのみ開弁するようないわゆる逆止弁を用いることも可能である。

吸気通路２に設けられたターボ過給機１０のコンプレッサ１１の上流側からＥＧＲが導入される構成では、ＥＧＲ通路２０が接続された位置の排気通路３内の排気圧力Ｐｅと、ＥＧＲ通路２０が接続された位置の吸気通路２内の吸気圧力Ｐｉとの圧力差でＥＧＲが導入される。

ここで、ベルヌーイの定理に基づく関係から、吸入空気量と、排気圧力Ｐｅと吸気圧力Ｐｉとの圧力差の平方根との間には、比例関係が成立する。また排気圧力Ｐｅと吸気圧力Ｐｉの圧力差の平方根と、ＥＧＲ量（排気還流量）との間にも比例関係が成立する。従って、吸入空気量とＥＧＲ量の間にも比例関係（ＥＧＲ率一定）が成立することになる。つまり、吸気圧力Ｐｉと排気圧力Ｐｅの圧力差を利用して排気の一部を吸気通路２に還流させる構成では、ＥＧＲ制御弁２１の開度（開口面積）が一定であれば、吸入空気量が変化しても、吸入空気量とＥＧＲ量の比率は一定となるので、ＥＧＲ率は一定となる。

ＥＧＲ制御弁２１は、基本的には、図２に示すように、ＥＧＲ領域では目標ＥＧＲ率となるようにその開度が制御され、非ＥＧＲ領域では閉弁する。ＥＧＲ領域とは、例えば内燃機関１が中高負荷状態のときであり、非ＥＧＲ領域とは、例えば内燃機関１が低負荷状態のときである。ＥＧＲ領域では、目標ＥＧＲ率となるようにＥＧＲ制御弁２１の開度が制御される。目標ＥＧＲ率は、例えば、内燃機関１の負荷と機関回転数から算出される。内燃機関１の負荷は、アクセル開度センサ２７の検出値に基づいて算出され、機関回転数は、クランク角センサ２６の検出値に基づいて算出される。

図３は、ＥＧＲ通路２１内のＥＧＲガスの分布状態を模式的に示した説明図であり、図３（ａ）はＥＧＲ制御弁２１が閉弁（全閉）状態のときを示し、図３（ｂ）はＥＧＲ制御弁２１を閉弁（全閉）状態から開弁した直後を示している。図３中において、吸気通路２内の矢印の向きは吸気の流れ方向を示し、排気通路３内の矢印の向きは排気の流れ方向を示している。

図３（ａ）に示すように、ＥＧＲ制御弁２１が閉弁状態のときには、ＥＧＲ通路２０内のうち、ＥＧＲ制御弁２１よりも排気通路３側の部分ＡはＥＧＲガス（排気）で満たされた状態となり、ＥＧＲ制御弁２１よりも吸気通路２側の部分Ｂは新気で満たされた状態となる。従って、ＥＧＲ制御弁２１を開弁直後は、上記部分Ｂ内の新気がＥＧＲガスによって吸気通路２内に押し出されることになるので、上記部分Ｂ内がＥＧＲガスで満たされるまでは、吸気通路２にＥＧＲ制御弁２１の開度に応じたＥＧＲ量が導入されないため、目標ＥＧＲ率に対して実際のＥＧＲ率が乖離することになる。

そこで、本実施例では、低負荷運転領域である非ＥＧＲ領域では、点火時期に影響を及ぼさない程度の微小ＥＧＲ率（例えば、ＥＧＲ率１％以下）に相当する所定の微小開度Ｍで、ＥＧＲ制御弁２１を開弁する。すなわち、非ＥＧＲ領域においては、燃焼に影響しない量のＥＧＲガスが流れるように、ＥＧＲ制御弁２１を所定の微小開度Ｍで開弁する。なお、本実施例とは異なり、上述した特許文献１に開示された構成のように、スロットル弁よりも下流側からＥＧＲガスを吸気通路に導入するような構成では、ＥＧＲ通路と吸気通路との合流部分の負圧がスロットル開度が小さくなるほど大きくなるため、ＥＧＲ制御弁の開度を所定の微小開度にしたからといって、この微小開度に応じた微小ＥＧＲ率に保つことはできない。

このような本実施例では、基本的には、ＥＧＲ通路２０内が常にＥＧＲガスで満たされた状態となる。そのため、運転状態が非ＥＧＲ領域から中高負荷運転領域であるＥＧＲ領域に変化した直後から、ＥＧＲ制御弁２１の開度に応じた量のＥＧＲガスが吸気通路２に導入されることになるので、実際のＥＧＲ率を応答性良く目標ＥＧＲ率に追従させることができる。

但し、運転状態が低負荷運転領域である非ＥＧＲ領域にあっても、内燃機関１への燃料供給を停止する燃料カット制御が実施されている場合や、吸気温度が予めされた所定温度以下の場合や、内燃機関の冷却水温度が予めされた所定温度以下の場合や、吸入空気量が予め設定された所定量以下の場合には、ＥＧＲ制御弁２１を所定の微小開度Ｍで開弁するのではなく、閉弁（全閉）する。

燃料カット制御中は、排気系が新気で満たされることになるため、ＥＧＲ制御弁２１を閉弁することで、ＥＧＲ通路２０を介して新気が還流することを防止することができる。

また、吸気温度や冷却水温度が低いと、ＥＧＲガス中の水分が凝縮する可能性あり、液化したＥＧＲガス中の水分の凝固によるスロットル弁５等のバルブ固着や、液化したＥＧＲガス中の水分にＥＧＲガスが溶け込み酸性となってスロットル弁５やターボ過給機１０のコンプレッサ１１などＥＧＲ制御弁２１よりも下流側の吸気系部品が腐食してしまう虞がある。そのため、運転状態が非ＥＧＲ領域にあっても、吸気温度や冷却水温度が低い場合には、ＥＧＲ制御弁２１を閉弁することで、ＥＧＲガス中の水分の凝縮により生じる可能性があるバルブ固着や、吸気系部品の腐食を回避する。

そして、燃料カット制御が終了しても、シリンダ１ａからＥＧＲ通路２０と排気通路３との接続部分までの排気通路３内が排気ガスで満たされる前にＥＧＲ制御弁２１を開弁すれば、排気通路３内の新気が吸気通路２へ導入されることになる。

そこで、上記燃料カット制御が終了しても、シリンダ１ａからＥＧＲ通路２０と排気通路３との接続部分までの排気通路３内が排気ガスで満たされるまでは、ＥＧＲ制御弁２１を閉弁状態にする。すなわち、燃料カット制御が終了してから所定時間が経過するまでは、ＥＧＲ制御弁２１は閉弁状態を維持することで、ＥＧＲ通路２０を介して新気が還流することを防止する。なお、上記所定時間は、例えば、シリンダ１ａからＥＧＲ通路２０と排気通路３との接続部分までの排気通路３内の容積と、燃料カット制御終了後の内燃機関１の運転状態（機関回転数や吸入空気量）に基づいて算出される。より簡易的には、燃料カット制御終了後の内燃機関１の運転状態として排気ガス流量が最小となる運転状態を想定し、その最小排気ガス流量のときに上記容積が排気ガスで満たされるまでの時間（想定される最長の時間）を予め算出しておき、上記所定時間を固定値としても良い。また、燃料カット制御は、例えば、アクセル開度が所定開度以下で、機関回転数が所定の回転数以上で、かつ車速が所定の速度以上のときに成立する。

燃料カット制御が終了し、排気通路３内がＥＧＲ通路２０と排気通路３との接続部分まで排気ガスで満たされ、運転状態がＥＧＲ領域になったとしても、ＥＧＥ通路２０内がＥＧＲガスで満たされる前に、ＥＧＲ制御弁２１の開度を目標ＥＧＲ率となるよう制御すれば、ＥＧＲ通路２０内の新気が吸気通路２へ導入されることになるので、実際のＥＧＲ率は目標ＥＧＲ率に対して乖離する。

そこで、燃料カット制御の終了後、ＥＧＲ通路２０内がＥＧＲガス（排気ガス）で満たされるまでは、運転状態がＥＧＲ領域にあっても、ＥＧＲ制御弁２１の開度を上記所定の微小開度Ｍに維持することで、ＥＧＲ領域において実際のＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率から乖離してしまうことを防止する。

なお、燃料カット制御の終了後、ＥＧＲ通路２０内がＥＧＲガスで満たされるタイミングは、燃料カット制御終了後にシリンダ１ａからＥＧＲ通路２０と排気通路３との接続部分までの排気通路３内が排気ガスで満たされるまでの所定時間が経過し、かつ該所定時間の経過後にＥＧＲ通路２０内がＥＧＲガス（排気ガス）で満たされるまでのＥＧＲ通路充填時間が経過したタイミングとなる。ＥＧＲ通路充填時間は、例えば、ＥＧＲ通路２０内の容積と、ＥＧＲ制御弁２１を上記微小開度Ｍで開弁してからの内燃機関１の運転状態（機関回転数や吸入空気量）と、によって算出される。より簡易的には、ＥＧＲ制御弁２１を上記微小開度Ｍとした場合の最小ＥＧＲ量とＥＧＲ通路２０内の容積とから最長充填時間を予め算出しておき、上記ＥＧＲ通路充填時間を固定値としても良い。

また、本実施例のように、吸気通路２に設けられたターボ過給機１０のコンプレッサ１１の上流側からＥＧＲが導入される構成では、一定量以上の吸入空気量がなければ、ＥＧＲ制御弁２１の前後差圧がＥＧＲ通路２０の圧力損失の影響により相対的に小さくなり、ＥＧＲ制御弁２１を開弁してもＥＧＲガスが還流しなくなる。そこで、運転状態が非ＥＧＲ領域にあっても、吸入空気量が予め設定された所定量以下となるような場合、例えば、アイドル運転のような低回転低負荷運転領域では、ＥＧＲ制御弁２１を閉弁してＥＧＲ制御弁２１を開弁する際の電力消費を節約する。

図４は、本実施例におけるＥＧＲ制御弁２１の制御の一例を示したタイミングチャートである。

時刻ｔ１において、内燃機関１の負荷が大きくなって運転状態が非ＥＧＲ領域からＥＧＲ領域に変化すると、ＥＧＲ制御弁２１の開度は所定の微小開度Ｍから目標ＥＧＲ率に応じた開度まで拡大する。時刻ｔ２において、内燃機関１の負荷が小さくなって運転状態がＥＧＲ領域から非ＥＧＲ領域に変化すると、ＥＧＲ制御弁２１は所定の微小開度Ｍまで閉じられる。そして、時刻ｔ３において、燃料カット制御が開始されると、ＥＧＲ制御弁２１は閉弁状態に制御される。燃料カット制御は、時刻ｔ４で終了（燃料カットリカバー）するが、ＥＧＲ制御弁２１は、ＥＧＲ通路２０と排気通路３との接続部分まで排気通路３内が排気ガスで満たされる時刻ｔ５になるまで閉弁状態を維持し、時刻ｔ５から所定の微小開度Ｍで開弁する。時刻ｔ６では、内燃機関１の負荷が大きくなって運転状態が非ＥＧＲ領域からＥＧＲ領域に変化するが、ＥＧＲ通路２０内の全てが排気ガスで満たされる時刻ｔ７になるまでは、ＥＧＲ制御弁２１の開度を所定の微小開度Ｍに維持される。

Claims (7)

1. スロットル弁の上流側に位置する過給機と、該過給機よりも上流側から排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路に導入するＥＧＲ通路と、上記ＥＧＲ通路に配置されたＥＧＲ制御弁と、を有し、運転状態がＥＧＲ領域にある場合には目標ＥＧＲ率となるようにＥＧＲ制御弁の開度を制御する内燃機関の制御装置において、
   運転状態が上記ＥＧＲ領域以外の非ＥＧＲ領域にある場合には、上記ＥＧＲ制御弁の開度を所定の微小開度にする内燃機関の制御装置。
2. 運転状態が上記非ＥＧＲ領域のときに、所定の条件が成立し、内燃機関への燃料供給を停止する燃料カット制御が実施される場合には、上記ＥＧＲ制御弁を閉弁する請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 上記燃料カット制御の終了後、内燃機関のシリンダからＥＧＲ通路と排気通路との接続部分までの排気通路内が排気ガスで満たされるまでは、上記ＥＧＲ制御弁を閉弁する請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 上記燃料カット制御の終了後、上記ＥＧＲ通路内がＥＧＲガスで満たされるまでは、上記ＥＧＲ制御弁の開度を上記目標ＥＧＲ率となるように制御することを禁止する請求項２または３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 吸気温度を検出する吸気温度センサを有し、運転状態が上記非ＥＧＲ領域のときに、吸気温度が予め設定された所定温度以下の場合には、上記ＥＧＲ制御弁を閉弁する請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
6. 冷却水温度を検出する冷却水温度センサを有し、運転状態が非ＥＧＲ領域のときに、冷却水温度が予め設定された所定温度以下の場合には、上記ＥＧＲ制御弁を閉弁する請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
7. 運転状態が非ＥＧＲ領域のときに、吸入空気量が予め設定された所定量以下となるような運転領域では、上記ＥＧＲ制御弁を閉弁する請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。

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