JP2017044173A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】内燃機関の冷間始動時における燃料の燃焼をより一層安定化させて白煙の発生を抑制する。【解決手段】内燃機関を始動するにあたり、電動機によりクランクシャフトを回転駆動するクランキング中に、排気通路と吸気通路とを連通するEGR通路を開閉するEGRバルブを閉弁しつつ、排気通路に設けられた背圧可変手段により背圧を高めた後、EGRバルブを開弁して燃料噴射を開始し、クランクシャフトの回転速度が閾値以上に上昇したならば、背圧可変手段により背圧をそれまでと比較して低下させ、かつEGRバルブの開度をそれまでと比較して縮小する内燃機関の制御装置を構成した。【選択図】図2
Description
本発明は、内燃機関の運転を制御する制御装置に関する。
ディーゼルエンジンに代表される圧縮着火式の内燃機関では、気筒内でピストンにより圧縮し高温高圧となった空気に燃料を噴射することで自着火させ、燃焼させてエンジントルクを得る。
この種の内燃機関において、近時、圧縮比を低下させて燃費性能の良化及びNOxの排出量の低減を図る試みがなされている。圧縮比の低下は、気筒内で圧縮した空気の温度の低下を意味し、特に冷間始動時の着火性を悪化させ、燃焼を不安定にさせる。
冷間始動の際の燃焼の安定化のための手法の一として、クランキング中に、排気通路上の排気絞りバルブや可変ターボ過給機のノズルベーンを閉じて背圧を高めるとともに、吸気バルブと排気バルブとがともに開くバルブオーバラップ期間を拡大して気筒の実圧縮比を高める、即ち筒内圧力及び筒内温度を高めることが考えらえる(例えば、下記特許文献を参照)。
しかしながら、排気絞りバルブまたはノズルベーンを閉じてバルブオーバラップ期間を長くしたとしても、気筒の実圧縮比が高まるまでには数サイクルを必要とし、その間の燃料の燃焼が不安定となる問題は完全には避けられず、なお一定量の白煙が発生することは否めない。
本発明は、内燃機関の冷間始動時における燃料の燃焼をより一層安定化させ白煙の発生を抑制することを所期の目的としている。
上述した課題を解決するべく、本発明では、内燃機関を始動するにあたり、電動機によりクランクシャフトを回転駆動するクランキング中に、排気通路と吸気通路とを連通するEGR通路を開閉するEGRバルブを閉弁しつつ、排気通路に設けられた背圧可変手段により背圧を高めた後、EGRバルブを開弁して燃料噴射を開始し、クランクシャフトの回転速度が閾値以上に上昇したならば、背圧可変手段により背圧をそれまでと比較して低下させ、かつEGRバルブの開度をそれまでと比較して縮小する内燃機関の制御装置を構成した。
本発明によれば、内燃機関の冷間始動時における燃料の燃焼をより一層安定化させて白煙の発生を抑制することができる。
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。本実施形態の内燃機関は、例えばディーゼルエンジンやHCCI(Homogeneous−Charge Compression Ignition)エンジン等のような圧縮着火式の4ストロークエンジンであり、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の燃焼室の天井部には、当該気筒1の燃焼室内に直接に燃料を噴射するインジェクタ11を設置している。また、各気筒1の吸気ポート近傍に、グロープラグ(余熱プラグ)12及びスワールコントロールバルブ13を設けている。
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、排気ターボ過給機5のコンプレッサ51、排気ターボ過給機6のコンプレッサ61、水冷式インタクーラ35、電子スロットルバルブ32、サージタンク33及び吸気マニホルド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6の排気タービン62、排気ターボ過給機5の排気タービン52及び排気浄化装置41を配置している。排気浄化装置41は、排気ガス中に含まれるPM(Particulate Matter)を漉し取るフィルタ(Diesel Praticulate Filter)及び有害物質の酸化/還元を促す三元触媒を包含する。
排気ターボ過給機5、6は、排気タービン52、62とコンプレッサ51、61のインペラとをシャフトを介して同軸で連結し、連動するように構成したものである。そして、タービン52、62及びコンプレッサ51、61のインペラ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。
図示例の内燃機関は、排気ターボ過給機5、6を二基備える、いわゆる2ステージターボ(シーケンシャルターボ)エンジンである。排気ターボ過給機5は、エンジン回転数が比較的高い運転領域で仕事をする高速用ターボ過給機である。他方、排気ターボ過給機6は、エンジン回転数が比較的低い運転領域で仕事をする低速用ターボ過給機である。低速用ターボ過給機6の容量は、高速用ターボ過給機5の容量と比較して小さい。
吸気通路3においては、低速用ターボ過給機6のコンプレッサ61を迂回する吸気バイパス通路36を設け、かつこの吸気バイパス通路36の出口を開閉するバルブ37を設置している。吸気バイパスバルブ37は、吸気バイパス通路36を流通する吸気の流量を制御する。高速用ターボ過給機5のコンプレッサ51を迂回する吸気バイパス通路は、存在しない。
さらに、排気通路4においても、低速用ターボ過給機6のタービン62を迂回する排気バイパス通路43、及び高速用ターボ過給機5のタービン52を迂回する排気バイパス通路44を設けており、かつこれら排気バイパス通路43、44のそれぞれの入口を開閉する排気バイパスバルブ45、46を設置している。バルブ45は排気バイパス通路43を流通する排気の流量を制御し、バルブ46は排気バイパス通路44を流通する排気の流量を制御する。排気バイパスバルブ45、46は、WGV(Waste Gate Valve)と呼称されることもある。
バルブ37、46は、負圧アクチュエータ371、461を使用したVSV(Vacuum Switching Valve)である。負圧アクチュエータ371、461はダイヤフラム式アクチュエータであり、そのダイヤフラムの一方の面には負圧及び内蔵のスプリングによる弾性付勢力が、他方の面には大気圧が加わる。負圧は、バキュームポンプ91から供給される。バキュームポンプ91は、一定の大きさの負圧を発生させる。ダイヤフラム式アクチュエータ371、461とバキュームポンプ91とを接続する管路上にはそれぞれ、電磁ソレノイドバルブ372、462を設置している。ダイヤフラム式アクチュエータ371、461のダイヤフラムの一方の面に実際に作用する負圧の大きさは、電磁ソレノイドバルブ372、462の開度に応じて変化する。そして、バルブ37、46の開度は、ダイヤフラムの両面に作用する負圧及び大気圧の差圧と、ダイヤフラムを弾性付勢するスプリングの弾性付勢力との差に応じて変化する。つまり、電磁ソレノイドバルブ372、462の開度の操作を通じて、バルブ37、46の開度を操作することが可能である。
これに対し、バルブ45は、電磁バルブであるEVRV(Electronic Vacuum Regulating Valve)である。
外部EGR(Exhaust Gas Recirculation)装置2、7は、排気通路4を流れる排気の一部を吸気通路3に還流して吸気に混交せしめるものである。本実施形態の内燃機関は、EGR装置2、7を二基備える。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における排気浄化装置41の下流側を吸気通路3における高速用ターボ過給機5のコンプレッサ51の上流側に連通させるEGR通路21と、当該EGR通路21を開閉するEGRバルブ22とを要素に含む。EGRバルブ22は、EGR通路21を流通する低圧ループEGRガスの流量を制御する。
EGR装置7は、いわゆる高圧ループEGRを実現するものであり、排気通路4における低速用ターボ過給機6のタービン62の上流側を吸気通路3におけるインタクーラ35の下流側に連通させるEGR通路71と、当該EGR通路71を開閉するEGRバルブ72とを要素に含む。EGRバルブ72は、EGR通路71を流通する高圧ループEGRガスの流量を制御する。
加えて、排気通路4における、低圧ループEGR通路21の接続箇所よりも下流の箇所に、排気絞りバルブ47を設置している。低圧ループEGR通路21が接続している吸気通路のコンプレッサ51の上流側の圧力は、当該コンプレッサ51による過給の度合いに応じて変動する。その結果として、低圧ループEGR通路21を流れるEGRガスの流量が変化する。排気絞りバルブ47は、EGRバルブ22とともに、低圧ループEGRガスの流量、ひいては気筒1に充填される吸気に占めるEGRガスの割合であるEGR率を目標値に収束させるために機能する。
本実施形態の内燃機関の制御装置たる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。
ECU0の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b、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ32の開度をアクセル開度(いわば、要求されるエンジントルクまたは負荷)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、吸気通路3のサージタンク33内の(即ち、気筒1に流入する)吸気の温度及び圧力(過給圧)を検出する吸気温・吸気圧センサから出力される吸気温・吸気圧信号d、大気圧を検出する大気圧センサから出力される大気圧信号e、吸気通路3の最上流即ちエアクリーナ31の下流かつ低圧ループEGR通路21の接続箇所の上流における新気の流量及び温度を検出するエアフローメータ・新気温センサから出力される新気流量・温度信号f、吸気通路3のコンプレッサ51の下流かつコンプレッサ61の上流における吸気の圧力(高速用ターボ過給機5による過給圧)を検出する吸気圧センサから出力される吸気圧信号g、内燃機関の温度を示唆する冷却水温を検出するセンサから出力される冷却水温信号h等が入力される。
ECU0の出力インタフェースからは、インジェクタ11に対して燃料噴射信号i、スロットルバルブ32に対して開度操作信号j、EGRバルブ22に対して開度操作信号k、EGRバルブ72に対して開度操作信号l、VSV37の開閉駆動を司る電磁ソレノイドバルブ372に対して開度操作信号m、EVRV45に対して開度操作信号n、VSV46の開閉駆動を司る電磁ソレノイドバルブ462に対して開度操作信号o、排気絞りバルブ47に対して開度操作信号p等を出力する。
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(新気)量に見合った燃料噴射量を推算する。また、それとともに、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、要求EGR率(または、EGR量)、排気ターボ過給機5、6による過給の目標過給圧等といった各種運転パラメータを決定する。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、o、pを出力インタフェースを介して印加する。
また、ECU0は、内燃機関の始動(冷間始動であることもあれば、アイドリングストップからの復帰であることもある)時において、電動機(スタータモータまたはISG(Integrated Starter Generator))に制御信号qを入力し、当該電動機によりクランクシャフトを回転させるクランキングを行う。クランキングは、内燃機関が初爆から連爆へと至り、エンジン回転数即ちクランクシャフトの回転速度が冷却水温等に応じて定まる閾値を超えたときに(完爆したものと見なして)終了する。
しかして、本実施形態のECU0は、冷却水温が所定値以下の低温状態で内燃機関を始動する冷間始動時において、燃料の燃焼の安定化させて白煙の発生を抑制するべく、以下に述べる制御を実施する。
図2に、ECU0が冷間始動時に実施する制御の模様を示している。ECU0は、内燃機関の始動のためのクランキングの開始時点t0以降、背圧可変手段として機能する排気絞りバルブ47の開度を縮小するかこれを全閉し、背圧即ち排気通路4内の圧力を高める。なおかつ、高圧ループEGR通路71を開閉するEGRバルブ72を全閉することで、EGR通路71内の圧力を高める。このとき、低圧ループEGR通路21を開閉するEGRバルブ22も、全閉しておくことが望ましい。インジェクタ11からの燃料噴射は、まだ開始しない。
そして、排気通路4及びEGR通路71内の圧力が必要十分に高まったと思しき時点t1において、EGRバルブ72を開弁して圧縮空気を吸気通路3ひいては気筒1に供給するとともに、インジェクタ11からの燃料噴射を開始する。いわば、燃料噴射に先んじて吸気を「過給」する。クランキングの開始時点t0から燃料噴射の開始時点t1までの期間は、数サイクル程度となる。このような処理により、気筒1の実圧縮比を高めた状態、即ち筒内圧力及び筒内温度を高めた状態で燃料を噴射できるため、着火及び燃焼が安定して白煙の発生を効果的に抑止することができる。
エンジン回転数が閾値以上に上昇した完爆時点t2以降は、排気絞りバルブ47の開度を拡開して、背圧をそれまでと比較して低下させる。なおかつ、EGRバルブ72の開度をそれまでと比較して縮小し、またはこれを全閉する。
本実施形態では、内燃機関を始動するにあたり、電動機によりクランクシャフトを回転駆動するクランキング中に、排気通路4と吸気通路3とを連通するEGR通路71を開閉するEGRバルブ72を閉弁しつつ、排気通路4に設けられた背圧可変手段47により背圧を高めた後、EGRバルブ72を開弁して燃料噴射を開始し、クランクシャフトの回転速度が閾値以上に上昇したならば、背圧可変手段47により背圧をそれまでと比較して低下させ、かつEGRバルブ72の開度をそれまでと比較して縮小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、内燃機関の始動の際の燃料噴射に先んじて、気筒1のピストンにより空気をポンピングして加圧し、その加圧した空気をEGR通路71に蓄えておき、これが良好な燃焼を得られる程度まで高圧となった時点で気筒1に供給することができる。しかる後に燃料噴射を開始すれば、初爆から良好な着火燃焼を得られ、白煙の発生を抑制できる。加えて、クランキング中の燃焼不安定ないし失火を回避できることは、内燃機関の始動に要する燃料の消費量を削減することにもつながる。
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。例えば、背圧可変手段は排気絞りバルブ47には限定されない。排気絞りバルブ47に替えて、または排気絞りバルブ47とともに、可変ターボ過給機のノズルベーン等を背圧可変手段として用いてもよい。
燃料噴射の開始時点t1は、クランキングの開始時点t0から予め定められた時間が経過した後としてもよいし、クランキング中のエンジン回転数、冷却水温、吸気温及び/または新気(外気)温等を基に設定される遅延時間が経過した後としてもよい。換言すれば、背圧即ち排気通路4及びEGR通路71内の圧力が必要な大きさまで高まる時点t1を、クランキング中のエンジン回転数、冷却水温、吸気温及び/または新気(外気)温等を基に推測してもよい。排気通路4に背圧(排気圧)センサが設置されている場合には、当該センサを介して検出される背圧がある大きさ以上となった時点を燃料噴射の開始時点t1とすることができる。
また、本発明を、火花点火式内燃機関の始動時の制御に適用することを妨げない。
その他、各部の具体的構成や具体的な処理の手順は、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、車両等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
11…インジェクタ
4…排気通路
47…背圧可変手段(排気絞りバルブ)
71…EGR通路
72…EGRバルブ
1…気筒
11…インジェクタ
4…排気通路
47…背圧可変手段(排気絞りバルブ)
71…EGR通路
72…EGRバルブ
Claims (1)
- 内燃機関を始動するにあたり、電動機によりクランクシャフトを回転駆動するクランキング中に、排気通路と吸気通路とを連通するEGR通路を開閉するEGRバルブを閉弁しつつ、排気通路に設けられた背圧可変手段により背圧を高めた後、EGRバルブを開弁して燃料噴射を開始し、
クランクシャフトの回転速度が閾値以上に上昇したならば、背圧可変手段により背圧をそれまでと比較して低下させ、かつEGRバルブの開度をそれまでと比較して縮小する内燃機関の制御装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015168431A JP2017044173A (ja) | 2015-08-28 | 2015-08-28 | 内燃機関の制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015168431A JP2017044173A (ja) | 2015-08-28 | 2015-08-28 | 内燃機関の制御装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2017044173A true JP2017044173A (ja) | 2017-03-02 |
Family
ID=58212080
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2015168431A Pending JP2017044173A (ja) | 2015-08-28 | 2015-08-28 | 内燃機関の制御装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2017044173A (ja) |
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2015
- 2015-08-28 JP JP2015168431A patent/JP2017044173A/ja active Pending
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