JP4415864B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関し、詳しくは、アイドリング時のエンジン回転数の急激な低下を防止するための制御技術に関する。

特許文献１に記載されるように、内燃機関のアイドリング時には、エンジン回転数を一定に保つべく目標アイドル回転数と実回転数との差に応じた吸入空気量のフィードバック制御が行われている。特許文献１に記載された従来技術では、何等かの原因でエンジン回転数が急激に低下した場合には、スロットルバルブを開くことで吸入空気量を増大させ、エンジン回転数の低下にともなうエンジンストールを防止するようにしている。
特開昭５９−１１０８４３号公報 特開２００２−１４７２８７号公報

しかし、上記従来技術のように、スロットルバルブを開いて吸入空気量を増大させると、それに応じて燃料噴射量も増大することになる。燃料噴射量は、空燃比が一定（例えば理論空燃比）になるように吸入空気量に応じて決定されるからである。アイドリング時のエンジンストールは防止する必要があるものの、燃料の余分な消費は可能な限り抑えたいという要求もある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料消費量を増大させることなくアイドリング時のエンジン回転数の急激な低下を防止できるようにした内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
吸気通路に配置されたスロットルバルブと、
ＥＧＲ量を調整するＥＧＲ量調整手段と、
アイドリング時における内燃機関の実回転数を検出する回転数検出手段と、
検出された実回転数をアイドリング時の目標回転数よりも低く設定された所定の基準回転数と比較する比較手段と、
実回転数が前記基準回転数よりも低下したときには、前記ＥＧＲ量調整手段の作動量を増大させるとともに、実回転数が前記目標回転数まで復帰するように前記スロットルバルブの開度を前記ＥＧＲ量調整手段の作動量に応じて制御する制御手段と、
を備えることを特徴としている。

第２の発明は、前記の第１の発明において、前記ＥＧＲ量調整手段は、排気通路から前記吸気通路への排出ガスの再循環量を調整するＥＧＲバルブであり、
前記制御手段は、排出ガスの再循環量を増大させることで前記吸気通路内の負圧を減少させるように前記ＥＧＲバルブを開弁させるとともに、前記ＥＧＲバルブの開弁に伴い減少する新規ガスの吸入量を補償するように、前記ＥＧＲバルブの開度に応じて前記スロットルバルブの開度を制御することを特徴としている。

第３の発明は、前記の第１の発明において、前記ＥＧＲ量調整手段は、排気バルブと吸気バルブのオーバーラップ期間を変化させて排気通路から前記吸気通路への排出ガスの吹き戻し量を調整するバルブタイミング可変機構であり、
前記制御手段は、排出ガスの吹き戻し量を増大させることで前記吸気通路内の負圧を減少させるように前記バルブタイミング可変機構を作動させるとともに、前記バルブタイミング可変機構の作動に伴い減少する新規ガスの吸入量を補償するように、前記オーバーラップ期間に応じて前記スロットルバルブの開度を制御することを特徴としている。

第４の発明は、前記の第１乃至第３の何れか１つの発明において、実回転数が前記基準回転数よりも低下したときには、目標空燃比をストイキよりもリッチな所定のリッチ空燃比に設定する目標空燃比設定手段をさらに備えたことを特徴としている。

第１の発明によれば、実回転数が基準回転数よりも低下したときには、ＥＧＲ量調整手段の作動量が増大することによってＥＧＲ量は増大する。ＥＧＲ量が増大すると吸気通路内の負圧は減少して内燃機関のポンピングロスは軽減される。このようにポンピングロスが軽減される分、内燃機関の正味トルクは向上することになるので、実回転数を目標回転数まで復帰させるのに必要な新規ガスの吸入量は少なくてすみ、燃料の余分な消費も抑制される。つまり、第１の発明によれば、燃料消費量を増大させることなくアイドリング時のエンジン回転数の急激な低下を防止することができる。

特に、第２の発明によれば、排気通路から吸気通路への排出ガスの再循環量を増大させることによって吸気通路内の負圧を減少させ、内燃機関のポンピングロスを軽減することができる。また、第３の発明によれば、排気通路から吸気通路への排出ガスの吹き戻し量を増大させることによって吸気通路内の負圧を減少させ、内燃機関のポンピングロスを軽減することができる。

また、第４の発明によれば、実回転数が基準回転数よりも低下したときには、ストイキよりも燃焼速度が速いリッチ空燃比に目標空燃比が変更されるので、燃焼変動を抑えることができ、エンジン回転数の低下をより確実に防止することができる。

実施の形態１．
以下、図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。
図１は本発明の実施の形態１としての内燃機関の制御装置が適用されるエンジンシステムの概略構成を示す図である。本実施形態にかかる内燃機関（以下、単にエンジンという）は、その内部にピストン８が配置されたシリンダブロック６と、シリンダブロック６に組み付けられたシリンダヘッド４を備えている。ピストン８の上面からシリンダヘッド４までの空間は燃焼室１０を形成しており、この燃焼室１０に連通するように吸気ポート１８と排気ポート２０がシリンダヘッド４に形成されている。吸気ポート１８と燃焼室１０との接続部には、吸気ポート１８と燃焼室１０との連通状態を制御する吸気バルブ１２が設けられ、排気ポート２０と燃焼室１０との接続部には、排気ポート２０と燃焼室１０との連通状態を制御する排気バルブ１４が設けられている。吸気バルブ１２には、そのバルブタイミングを変更するためのバルブタイミング可変機構（ＶＶＴ）７０が設けられている。また、シリンダヘッド４には、燃焼室１０の頂部から燃焼室１０内に突出するように点火プラグ１６が取り付けられている。

シリンダヘッド４の吸気ポート１８には、新規ガスを燃焼室１０内に導入するための吸気通路３０が接続されている。吸気通路３０の上流端にはエアクリーナ３２が設けられ、新規ガスはエアクリーナ３２を介して吸気通路３０内に取り込まれる。エアクリーナ３２の下流には、新規ガスの吸入量を検出するためのエアフローメータ５６が配置されている。吸気通路３０の下流部は気筒毎（吸気ポート１８毎）に分岐しており、その分岐部にはサージタンク３４が設けられている。吸気通路３０のサージタンク３４の上流には電子制御式のスロットルバルブ３６が配置されている。スロットルバルブ３６には、その開度を検出するためのスロットルセンサ５４が付設されている。また、吸気通路３０の吸気ポート１８の近傍には、燃料を噴射するためのインジェクタ３８が気筒毎に設けられている。

一方、シリンダヘッド４の排気ポート２０には、燃焼室１０内での燃焼により生成された燃焼ガスを排出ガスとして排出するための排気通路４０が接続されている。排気通路４０には、排出ガスを浄化するための触媒４２が設けられている。また、排気通路４０には、排気通路４０から排出ガスを分流するためのＥＧＲ通路６０が接続されている。ＥＧＲ通路６０の他方の端部は吸気通路３０のサージタンク３４の上流に接続されている。ＥＧＲ通路６０と吸気通路３０との接続部には、ＥＧＲ通路６０と吸気通路３０との連通状態を制御するＥＧＲバルブ６２が設けられている。排出ガスの一部はＥＧＲ通路６０を通って吸気通路３０内に供給され、燃焼室１０に再循環される。排出ガスの再循環量（ＥＧＲ量）はＥＧＲバルブ６２の開度によって調整される。

また、内燃機関は、その制御装置としてＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０の出力側には前述のインジェクタ３８，スロットルバルブ３６，点火プラグ１６，ＥＧＲバルブ６２，バルブタイミング可変機構７０等の種々の機器が接続されている。ＥＣＵ５０の入力側には、前述のエアフローメータ５６やスロットルセンサ５４の他、クランク軸２４の回転角度を検出するクランク角センサ５２等の種々のセンサ類が接続されている。ＥＣＵ５０は、各センサの出力に基づき、所定の制御プログラムにしたがって各機器を駆動するようになっている。

図２は、本実施形態においてＥＣＵ５０により実行されるエンジン制御の内容をフローチャートで示したものである。図２に示すルーチンは、一定のクランク角毎に周期的に実行される。本ルーチンの最初のステップ１００では、イグニッションスイッチがオンとなっているか否か判定される。イグニッションスイッチが未だオフの場合には、本ルーチンは開始されない。また、本ルーチンの実行中にイグニッションスイッチがオフにされた場合には、本ルーチンは終了する。

ステップ１００の判定でイグニッションスイッチがオンの場合、ステップ１０２において、エンジンがアイドル状態か否か判定される。アイドル状態か否かは、アイドルスイッチ（図示略）のオン／オフによって判定することができる。エンジンがアイドル状態にある場合にはステップ１０４に進み、エンジン回転数（一分間当たりの回転数）Neが取得される。エンジン回転数Neは、クランク角センサ５２からのクランク角信号を処理することによって算出することができる。

次のステップ１０６では、取得されたエンジン回転数Neが所定の基準回転数Necrより小さいか否か判定される。基準回転数Necrは、これよりもエンジン回転数Neが低いとエンジンストールに至る可能性が高くなると判断される回転数である。当然、アイドリング時の目標回転数Netよりも低い回転数に設定されている。エンジン回転数Neが基準回転数Necr以上の場合にはステップ２００に進み、通常のアイドル制御が実行される。つまり、目標回転数Netとエンジン回転数Neとの差に応じて、スロットルバルブ３６の開度のフィードバック制御が行われる。

一方、ステップ１０６の判定でエンジン回転数Neが基準回転数Necrよりも低い場合には、ステップ１０８以降の処理が実行される。先ず、ステップ１０８では、現在のエンジンの負荷率KLが取得される。負荷率KLは、エアフローメータ５６により検出される吸入空気量から求められる。ステップ１１０では、スロットルセンサ５４により検出されたスロットル開度TAが取得される。

次のステップ１１２では、通常のアイドル制御時に設定される理論空燃比よりもややリッチな所定の空燃比（12.5前後）へ目標空燃比AFtが変更される。燃焼室１０内での混合気の燃焼速度は空燃比が12.5前後にあるときに最も速くなり、燃焼変動も小さくなる。したがって、上記のように目標空燃比AFtを変更することで、エンジン回転数Neの急激な低下を燃焼の改善によってある程度抑えることが可能になる。

次のステップ１１４では、ＥＧＲバルブ６２が所定開度まで開弁される。通常のアイドル制御時にはＥＧＲバルブ６２は閉弁されており、吸気通路３０への排出ガス（ＥＧＲガス）の導入行われていない。本ステップでは、ＥＧＲバルブ６２を開弁し、吸気通路３０へＥＧＲガスを導入することによって吸気通路３０内の負圧の低減を図っている。吸気通路３０内の負圧が低減されることによって、エンジンのポンピングロスは軽減される。

しかし、吸気通路３０へＥＧＲガスが導入されると、その分、燃焼室１０内に吸入される新規ガスの吸入量は減少する。新規ガスの吸入量の減少はエンジンの発生トルクを減少させることになるため、ＥＧＲガスの導入によるポンピングロスの軽減だけでは、エンジン回転数Neを目標回転数Netまで復帰させることはできない。そこで、次のステップ１１６では、エンジン回転数Neを目標回転数Netに復帰させるのに必要なスロットル開度TAの増分ΔTA1が算出される。スロットル開度増分ΔTA1は、エンジン回転数Ne、負荷率KL、スロットル開度TA、目標回転数Netとエンジン回転数Neとの差、及びＥＧＲバルブ６２の開度をパラメータとして変化する。スロットル開度増分ΔTA1の上記各パラメータとの関係は計算等によって予め求められ、各パラメータをそれぞれ軸とする多次元マップとして記憶されている。ステップ１１６では、ステップ１０４で取得されたエンジン回転数Ne、ステップ１０８で取得された負荷率KL、ステップ１１０で取得されたスロットル開度TA、目標回転数Netとエンジン回転数Neとの差、及びステップ１１４で設定されたＥＧＲバルブ６２の開度に応じたスロットル開度増分ΔTA1が上記の多次元マップから取得される。

次のステップ１１８では、ステップ１１６で算出されたスロットル開度増分ΔTA1に応じてスロットルバルブ３６が駆動される。これにより、吸気通路３０内への新規ガスの吸入量が増加することになり、ＥＧＲガスの導入に伴い減少する新規ガスの吸入量は補償される。また、同時に、吸気通路３０内への新規ガスの吸入量の増加によって負圧は減少し、エンジンのポンピングロスはさらに軽減される。その結果、エンジンの発生トルク（正味トルク）は向上し、エンジン回転数Neは目標回転数Netまで回復するようになる。

以上説明したルーチンによれば、エンジン回転数Neが基準回転数Necrよりも低下したときには、ＥＧＲバルブ６２の開弁によって吸気通路３０へＥＧＲガスが導入され、これによりエンジンのポンピングロスは軽減される。ポンピングロスが軽減される分、エンジンの正味トルクは向上することになるので、エンジン回転数Neを目標回転数Netまで復帰させるのに必要な新規ガス吸入量の増量分は少なくてすみ、燃料の余分な消費も抑制される。つまり、上記ルーチンに従いエンジン制御を行うことにより、燃料消費量を増大させることなくアイドリング時のエンジン回転数の急激な低下を防止し、エンジンストールを回避することができる。

なお、上記実施の形態においては、ＥＣＵ５０による上記ステップ１０４の処理の実行により、第１の発明の「回転数検出手段」が実現され、上記ステップ１０６の処理の実行により、第１の発明の「比較手段」が実現されている。また、ＥＣＵ５０による、上記ステップ１１４，１１６，１１８の処理の実行により、第１及び第２の発明の「制御手段」が実現されている。

実施の形態２.
以下、図１及び図３を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施形態の内燃機関の制御装置は、図１に示す構成のエンジンシステムにおいて、ＥＣＵ５０に、図３のルーチンを実行させることにより実現することができる。図３は、本実施形態においてＥＣＵ５０により実行されるエンジン制御の内容をフローチャートで示したものである。図３に示すルーチンで実行される各処理のうち、実施の形態１にかかるルーチン（図２参照）で実行される処理と同一の処理については、同一のステップ番号を付している。

本ルーチンでは、実施の形態１にかかるステップ１１４の処理の代わりにステップ１１４−２の処理が実行され、ステップ１１６の処理の代わりにステップ１１６−２の処理が実行される。本ルーチンのステップ１１４−２では、吸気バルブ１２と排気バルブ１４のバルブオーバーラップ期間が増大する方向にバルブタイミング可変機構７０が駆動される。バルブオーバーラップ期間が増大することで、排気通路４０から吸気通路３０への排出ガス（内部ＥＧＲガス）の吹き戻し量が増大する。その結果、ＥＧＲバルブ６２の開度を大きくしたときと同様に、内部ＥＧＲガスの増大によって吸気通路３０内の負圧は低減され、エンジンのポンピングロスは軽減される。

また、内部ＥＧＲガスの増大に伴い燃焼室１０内に吸入される新規ガスの吸入量は減少する。このため、ステップ１１６−２では、エンジン回転数Neを目標回転数Netに復帰させるのに必要なスロットル開度TAの増分ΔTA2が算出される。スロットル開度増分ΔTA2は、エンジン回転数Ne、負荷率KL、スロットル開度TA、目標回転数Netとエンジン回転数Neとの差、及びバルブオーバーラップ期間をパラメータとして変化する。スロットル開度増分ΔTA2の上記各パラメータとの関係は計算等によって予め求められ、各パラメータをそれぞれ軸とする多次元マップとして記憶されている。ステップ１１６−２では、ステップ１０４で取得されたエンジン回転数Ne、ステップ１０８で取得された負荷率KL、ステップ１１０で取得されたスロットル開度TA、目標回転数Netとエンジン回転数Neとの差、及びステップ１１４−２で設定されたバルブオーバーラップ期間に応じたスロットル開度増分ΔTA2が上記の多次元マップから取得される。

次のステップ１１８では、ステップ１１６−２で算出されたスロットル開度増分ΔTA2に応じてスロットルバルブ３６が駆動される。これにより、内部ＥＧＲガスの増加に伴う新規ガス吸入量の減少は、吸気通路３０内への新規ガス吸入量の増加によって補償される。同時に、吸気通路３０内への新規ガスの吸入量の増加によって負圧は減少し、エンジンのポンピングロスはさらに軽減される。その結果、エンジンの正味トルクは向上し、エンジン回転数Neは目標回転数Netまで回復するようになる。

以上説明したルーチンによれば、エンジン回転数Neが基準回転数Necrよりも低下したときには、バルブタイミング可変機構７０によるバルブオーバーラップ期間の変更によって排気通路４０から吸気通路４０へ吹き戻される内部ＥＧＲガスの量が増やされ、これによりエンジンのポンピングロスは軽減される。ポンピングロスが軽減される分、エンジンの正味トルクは向上することになるので、エンジン回転数Neを目標回転数Netまで復帰させるのに必要な新規ガス吸入量の増量分は少なくてすみ、燃料の余分な消費も抑制される。つまり、上記ルーチンに従いエンジン制御を行うことによっても、実施の形態１と同様、燃料消費量を増大させることなくアイドリング時のエンジン回転数の急激な低下を防止し、エンジンストールを回避することができる。

なお、上記実施の形態においては、ＥＣＵ５０による、上記ステップ１１４−２，１１６−２，１１８の処理の実行により、第１及び第３の発明の「制御手段」が実現されている。

その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において変形して実施することもできる。例えば、次のように変形して実施してもよい。

実施の形態１では、ＥＧＲバルブ６２を開弁する際の開度を所定開度に固定しているが、エンジン回転数Neの目標回転数Netからの低下量に応じてＥＧＲバルブ６２の開度を変化せるようにしてもよい。実施の形態２についても同様であり、エンジン回転数Neの目標回転数Netからの低下量に応じてバルブオーバーラップ期間を変化せるようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、エアフローメータ５６により検出される吸入空気量によってエンジンの負荷率KLを求めているが、吸気通路３０内の圧力（吸気通路圧）を検出する吸気通路圧センサを備える場合には、吸気通路圧を負荷率KLの代わりに用いてもよい。

本発明の実施の形態１としての内燃機関の制御装置が適用されるエンジンシステムの概略構成図である。 本発明の実施の形態１において実行されるエンジン制御ルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態２において実行されるエンジン制御ルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０ 燃焼室
１２ 吸気バルブ
１４ 排気バルブ
１６ 点火プラグ
１８ 吸気ポート
２０ 排気ポート
２４ クランク軸
３０ 吸気通路
３６ スロットルバルブ
３８ インジェクタ
４０ 排気通路
５０ ＥＣＵ
５２ クランク角センサ
５４ スロットルセンサ
５６ エアフローメータ
６０ ＥＧＲ通路
６２ ＥＧＲバルブ
７０ バルブタイミング可変機構

Claims (4)

1. 吸気通路に配置されたスロットルバルブと、
   ＥＧＲ量を調整するＥＧＲ量調整手段と、
   アイドリング時における内燃機関の実回転数を検出する回転数検出手段と、
   検出された実回転数をアイドリング時の目標回転数よりも低く設定された所定の基準回転数と比較する比較手段と、
   実回転数が前記基準回転数よりも低下したときには、前記ＥＧＲ量調整手段の作動量を増大させるとともに、実回転数が前記目標回転数まで復帰するように前記スロットルバルブの開度を前記ＥＧＲ量調整手段の作動量に応じて制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記ＥＧＲ量調整手段は、排気通路から前記吸気通路への排出ガスの再循環量を調整するＥＧＲバルブであり、
   前記制御手段は、排出ガスの再循環量を増大させることで前記吸気通路内の負圧を減少させるように前記ＥＧＲバルブを開弁させるとともに、前記ＥＧＲバルブの開弁に伴い減少する新規ガスの吸入量を補償するように、前記ＥＧＲバルブの開度に応じて前記スロットルバルブの開度を制御することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記ＥＧＲ量調整手段は、排気バルブと吸気バルブのオーバーラップ期間を変化させて排気通路から前記吸気通路への排出ガスの吹き戻し量を調整するバルブタイミング可変機構であり、
   前記制御手段は、排出ガスの吹き戻し量を増大させることで前記吸気通路内の負圧を減少させるように前記バルブタイミング可変機構を作動させるとともに、前記バルブタイミング可変機構の作動に伴い減少する新規ガスの吸入量を補償するように、前記オーバーラップ期間に応じて前記スロットルバルブの開度を制御することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
4. 実回転数が前記基準回転数よりも低下したときには、目標空燃比をストイキよりもリッチな所定のリッチ空燃比に設定する目標空燃比設定手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
   
   

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