JP2013238136A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＧＲ装置が付帯した内燃機関における、減速時の失火を有効に回避する。
【解決手段】排気ガス再循環装置が付帯する内燃機関を制御するものにおいて、要求負荷の低下に伴いＥＧＲバルブの開度を縮小する方向に操作する際Ｓ２、気筒に充填される吸気のＥＧＲ率が失火限界を上回るような状況においてはＳ３、気筒で反復的に行われている燃焼の回数を間引くＳ５。燃焼回数の間引きを行うことにより、燃焼を休止しない稼働気筒に充填する吸気量及び当該気筒への燃料噴射量を増加させることができるため、当該気筒において燃焼が不安定化せず、失火が回避される。
【選択図】図３

Description

本発明は、排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置が付帯した内燃機関を制御する制御装置に関する。

気筒内の燃焼温度を低下させてＮＯ_xの排出量を削減しつつ、ポンピングロスの低減を図るＥＧＲ装置が周知である。ＥＧＲ装置は、排気経路と吸気経路とをＥＧＲ通路を介して接続し、気筒内で発生する燃焼ガスの一部をＥＧＲ通路経由で吸気経路に還流させて吸気に混入するものである。

低圧ループＥＧＲでは、排気ターボ過給機のタービン及び排気ガス浄化用の触媒を通過した排気ガスを吸気通路に還流する。低圧ループＥＧＲは、大量のＥＧＲガスを吸気通路に還流させることができる点で有利である。

その一方で、低圧ループＥＧＲガスは大気圧に近い低圧低温のガスであり、吸気通路内の新気の圧力が高い時期にはＥＧＲガスの還流が困難になる。そこで、吸気通路における、ＥＧＲ通路の出口よりも上流側に吸気絞りバルブを設け、この吸気絞りバルブを絞ることでＥＧＲ通路の出口周辺に負圧を作り出し、ＥＧＲガスの還流を促すようにしている。

運転者がアクセルペダルの踏み込みを緩め、またはアクセルペダルから足を離す減速要求があったとき、換言すれば要求負荷が低減するときには、吸気量及び燃料噴射量を減らすだけでなく、吸気のＥＧＲ率を速やかに低下させる必要がある。

だが、ＥＧＲバルブを閉止したとしても、ＥＧＲ通路の出口以降の吸気通路内にはＥＧＲガスが残存しており、気筒に充填される吸気のＥＧＲ率は即座には低下しない。吸気量及び燃焼噴射量が少ない状況でＥＧＲ率が過多となると、気筒での燃焼が不安定化し、時に失火することもある。

この問題は、低圧ループＥＧＲにおいて顕著となる。大気圧に近いＥＧＲガスを還流させる都合上、低圧ループＥＧＲでは、ＥＧＲ通路の出口を排気ターボ過給機のコンプレッサの上流側に接続している。つまり、ＥＧＲ通路から吸気通路へと合流したＥＧＲガスは、コンプレッサ、スロットル弁、サージタンク及び吸気マニホルドを経由する長い経路を通って気筒に到達する。その長い経路上に少なからぬ量のＥＧＲガスが残留することから、減速時にＥＧＲ過多となりやすい。

減速時の失火を防ぐ目的で、吸気通路におけるコンプレッサの上流側とスロットルバルブの下流側とを連通する新気バイパス通路を付設し、減速時に当該バイパス通路経由で新気を気筒に向けて送り込み、吸気のＥＧＲ率を低下させることも試みられている（例えば、下記特許文献を参照）。しかしながら、バイパス通路を設けることによるコスト増を招くきらいがある。

あるいは、中高負荷の運転領域において、予め安全マージンを持たせてＥＧＲ率を抑制しておくことも考えられるが、ＥＧＲ本来の効用を損ない、燃費が低下する。

特開２０１２−００７５４７号公報

本発明は、ＥＧＲ装置が付帯した内燃機関における、減速時の失火を有効に回避することを所期の目的とする。

本発明では、排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路にＥＧＲバルブが設けられた排気ガス再循環装置が付帯する内燃機関を制御するものであって、要求負荷の低下に伴いＥＧＲバルブの開度を縮小する方向に操作する際、気筒に充填される吸気のＥＧＲ率が失火限界を上回るような状況においては、気筒で反復的に行われている燃焼の回数を間引くことを特徴とする内燃機関の制御装置を構成した。

燃焼回数の間引きを行うことにより、燃焼を休止しない稼働気筒に充填する吸気量及び当該気筒への燃料噴射量を増加させることができる。さすれば、当該気筒において燃焼が不安定化せず、失火が回避される。

本発明によれば、ＥＧＲ装置が付帯した内燃機関における、減速時の失火を有効に回避できる。

本発明の一実施形態における車両用内燃機関の全体構成を示す図。 要求負荷と要求ＥＧＲ率との関係を示す図。 同実施形態の制御装置が実行する処理の手順例を示すフローチャート。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。

本実施形態における内燃機関は、火花点火式ガソリンエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、吸気絞りバルブ３６、排気ターボ過給機５のコンプレッサ５１、インタクーラ３５、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２、排気ターボ過給機５の駆動タービン５２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。加えて、タービン５２を迂回する排気バイパス通路４３、及びこのバイパス通路４３の入口を開閉するバイパス弁であるウェイストゲートバルブ４４を設けてある。ウェイストゲートバルブ４４は、アクチュエータに制御信号ｎを入力することで開閉操作することが可能な電動ウェイストゲートバルブであり、そのアクチュエータとしてＤＣサーボモータを用いている。

排気ターボ過給機５は、駆動タービン５２とコンプレッサ５１とを同軸で連結し連動するように構成したものである。そして、駆動タービン５２を排気のエネルギを利用して回転駆動し、その回転力を以てコンプレッサ５１にポンプ作用を営ませることにより、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒１に送り込む。

本実施形態の内燃機関には、外部ＥＧＲ装置２が付帯している。外部ＥＧＲ装置２は、いわゆる低圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４におけるタービン５２の下流側と吸気通路３におけるコンプレッサ５１の上流側とを連通するＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。低圧ループＥＧＲ通路２１の圧力損失は、数百Ｐａ程度と非常に小さい。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における三元触媒４１の下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３における吸気絞りバルブ３６の下流かつコンプレッサ５１の上流の所定箇所に接続している。

低圧ループＥＧＲでは、大気圧に近い低圧の排気ガスをＥＧＲ通路２を通じて吸気通路３に還流する。そのために、ＥＧＲ通路２の出口の上流にある吸気絞りバルブ３６を絞ることで、ＥＧＲ通路２の出口の周囲を負圧化する。因みに、吸気通路３における、吸気絞りバルブ３６よりも上流側の圧力は略大気圧、またはコンプレッサ５１の稼働によって幾分負圧となる。

本実施形態の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号（Ｎ信号）ｂ、アクセルペダルの踏込量を要求負荷として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、ブレーキペダルの踏込量を検出するセンサから出力されるブレーキ踏量信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、燃料の燃焼の際に気筒１の燃焼室内に発生し点火プラグ１２の中心電極と接地電極との間を流れるイオン電流信号ｇ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号（Ｇ信号）ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ、吸気絞りバルブ３６に対して開度操作信号ｍ、ウェイストゲートバルブ４４に対して開度操作信号ｎ等を出力する。

内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）といった各種運転パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能である。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍ、ｎを出力インタフェースを介して印加する。

図２に、アクセルペダルの踏込量に応じた要求負荷と、気筒１に充填する吸気について要求されるＥＧＲ率との関係の概略を示す。基本的に、要求ＥＧＲ率は、中負荷領域において最も高く、低負荷領域、高負荷領域においてはそれよりも低い。低負荷領域では、要求負荷が低くなるほど要求ＥＧＲ率が低下する。高負荷領域では、要求負荷が高くなるほど要求ＥＧＲ率が低下する。中負荷程度の運転領域にあって、運転者が急にアクセルペダルの踏み込みを緩め、またはアクセルペダルから足を離した場合には、要求負荷が低負荷となり、要求ＥＧＲ率も急低下する。

低圧ループＥＧＲには、吸気のＥＧＲ率の制御の即応性、応答性が低いという弱みがある。そこで、本実施形態では、要求負荷が低下する減速の過渡期において、気筒１で反復的に行われている燃焼の回数を間引くとともに、スロットルバルブ３２の開度を、アクセルペダルの踏込量に応じた平時の開度よりも大きく開く過渡制御を実施することとし、ＥＧＲ制御の遅れを補償するようにしている。

図３に、ＥＣＵ０がプログラムに従い実行する処理の手順例を示す。ＥＣＵ０は、中負荷または高負荷の運転領域から要求負荷が低下する減速要求のあったとき（ステップＳ１）、その要求負荷に応じてＥＧＲバルブ２３の開度を縮小する方向に操作する（ステップＳ２）。

その上で、気筒１に充填される吸気のＥＧＲ率が失火限界を上回るような状況に陥っているか否かを判断する（ステップＳ３、Ｓ４）。ステップＳ３では、減速要求直前の中負荷または高負荷の時点における（中負荷または高負荷に応じた）ＥＧＲ率と、現在の要求負荷に応じた失火限界ＥＧＲ率とを比較して、前者が後者を上回る場合に、吸気のＥＧＲ率が失火限界を上回る状況にあると判断する。ＥＣＵ０のメモリには予め、現在の要求負荷と、その要求負荷における失火限界ＥＧＲ率とを関連付けたマップデータが格納されている。ＥＣＵ０は、現在の要求負荷をキーとして当該マップを検索し、現在の要求負荷に対応する失火限界ＥＧＲ率を読み出して知得する。

ステップＳ４では、気筒１における燃焼の不良または失火が疑われる事象の有無を感知する。気筒１の燃焼室内での燃焼状態を推測する手法の一として、燃料の燃焼に伴い点火プラグ１２の電極を流れるイオン電流を検出、参照することが知られている。不良燃焼時には、正常燃焼時と比べてイオン電流のピークが低くなる。また、失火時には、そもそもイオン電流を検出できない。イオン電流の推移を計測し、計測値を判定のための閾値と比較することにより、気筒１での燃焼が正常であるか否かの判定を下すことが可能である。燃焼不良または失火が発生したならば、それは正しく吸気のＥＧＲ率が失火限界を上回っていることを意味する。

吸気のＥＧＲ率が失火限界を上回る状況にあると判断した暁には、燃焼回数を間引く過渡制御へと移行する（ステップＳ５）。そのために、間引き対象である休止気筒１（に充填される吸気）への燃料噴射を停止し、当該気筒１内での点火を停止する。

複数の気筒１のうちの何れの気筒１で燃焼を休止するかは、燃焼回数の間引き割合による。例えば、燃焼回数を１／３（３３％）間引くには、複数の気筒１にて順次行われる燃焼を、一回休止の後、二回行うようにする。三気筒エンジンであれば、第一気筒１で一回燃焼を休止した後、第二気筒１及び第三気筒１で一回ずつ燃焼を行い、その後第一気筒１で一回燃焼を休止し、第二気筒１及び第三気筒１で燃焼を一回行う、というように制御する。燃焼回数を１／２（５０％）間引くには、燃焼の休止と燃焼とを交互に行う。三気筒エンジンであれば、第一気筒１で燃焼を休止し、第二気筒１で燃焼を行い、第三気筒１で燃焼を休止し、第一気筒１で燃焼を行い、というように制御する。

さらに、過渡制御の期間においては、スロットルバルブ３２の開度を拡大する補正を加える（ステップＳ６）。平時は、アクセルペダルの踏込量に応じてスロットルバルブ３２の開度を定めるが、過渡制御では、アクセルペダルの踏込量に応じた開度よりも大きな開度にスロットルバルブ３２を操作する。これは、休止しない気筒１での燃料の燃焼により、休止した気筒１の分の出力を補う必要があるからである。換言すれば、休止せず稼働する気筒１に充填する吸気量（及び、燃料噴射量）を増量するのである。減速時にもかかわらず、燃焼を行う気筒１への吸気量が増す結果、当該気筒１については実効的に失火限界ＥＧＲ率が高まる。よって、当該気筒１に充填される吸気のＥＧＲ率の低下が遅れたとしても、燃焼不安定または失火のおそれがなくなる。

過渡制御中のスロットルバルブ３２の開度は、現在の要求負荷、及び燃焼回数の間引き割合に基づいて算定する。燃焼回数を１／３間引いているとき、内燃機関の出力を要求負荷に見合った大きさとするためには、スロットルバルブ３２の開度を平時の開度と比較して３／２（１．５）倍とする。即ち、休止せず稼働する気筒１に充填する吸気量を平時の３／２倍に増量する。燃焼回数を１／２間引いているとき、内燃機関の出力を要求負荷に見合った大きさとするためには、スロットルバルブ３２の開度を平時の開度と比較して２倍とする。即ち、休止せず稼働する気筒１に充填する吸気量を平時の２倍に増量する。

なお、過渡制御中の燃焼回数の間引きの割合は、減速要求直前の中負荷または高負荷の時点におけるＥＧＲ率と、現在の要求負荷に応じた失火限界ＥＧＲ率との差分が大きいほど高くすることが好ましい。気筒１における燃焼不良または失火を検知した場合には、燃焼回数の間引きの割合を可及的に高くして、稼働する気筒１に充填する吸気量を十分に増量し、失火の続発を予防する。

しかして、過渡制御は、ＥＧＲバルブ２３の下流から気筒１の吸気ポートに至るまでの吸気通路３上に残留しているＥＧＲガスの掃気が完了するのに必要十分な時間が経過するまで続行する（ステップＳ７）。

本実施形態では、排気通路４と吸気通路３とを連通するＥＧＲ通路２１にＥＧＲバルブ２３が設けられたＥＧＲ装置２が付帯する内燃機関を制御するものであって、要求負荷の低下に伴いＥＧＲバルブ２３の開度を縮小する方向に操作する際、気筒１に充填される吸気のＥＧＲ率が失火限界を上回るような状況においては、気筒１で反復的に行われている燃焼の回数を間引くことを特徴とする内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、燃焼回数の間引きを行うことにより、要求負荷が低下する減速期にもかかわらず、燃焼を休止しない稼働気筒１に充填する吸気量及び当該気筒１への燃料噴射量は増量することができる。従って、当該気筒１において燃焼が不安定化せず、失火が回避される。

そして、減速時の失火を防ぐ目的で、吸気通路を短絡する新気バイパス通路を付設するようなコスト増を避けることができる。並びに、中高負荷の運転領域において、予め安全マージンを持たせてＥＧＲ率を抑制しておく必要もなく、より多量のＥＧＲガスを排気通路４から吸気通路３へと還流させることが許容されるため、ＥＧＲ本来の効用が損なわれず、燃費の向上に資する。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。上記実施形態におけるＥＧＲ装置２は低圧ループＥＧＲを実現するものであったが、排気通路におけるタービンの上流側から吸気通路におけるスロットルバルブの上流側にＥＧＲガスを還流させる高圧ループＥＧＲ装置が付帯した内燃機関の制御に、本発明に係る制御装置を用いることも当然に可能である。

その他、各部の具体的構成や処理の手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両に搭載される内燃機関の制御に適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
２…ＥＧＲ装置
２１…ＥＧＲ通路
２３…ＥＧＲバルブ
３…吸気通路
４…排気通路

Claims (1)

1. 排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路にＥＧＲバルブが設けられた排気ガス再循環装置が付帯する内燃機関を制御するものであって、
   要求負荷の低下に伴いＥＧＲバルブの開度を縮小する方向に操作する際、気筒に充填される吸気のＥＧＲ率が失火限界を上回るような状況においては、気筒で反復的に行われている燃焼の回数を間引く
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。

Images