JP5182139B2

JP5182139B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP5182139B2
Application number: JP2009036008A
Authority: JP
Inventors: 卓角岡; 重正広岡; 信一三谷; 哲佐藤; 繁幸浦野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-02-19
Filing date: 2009-02-19
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2029-02-19
Also published as: JP2010190133A

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関の排気を冷却する冷却装置がある。冷却装置としては、内燃機関の排気ポートと排気マニホールドとの間に設けられているものや、排気マニホールド周囲に設けられているものがある（特許文献１参照）。冷却装置内部に冷媒が流通することにより、排気が冷却される。

特開昭６３−２０８６０７号公報

冷却装置内を流れる冷媒はラジエータ等によって放熱される。しかしながら、内燃機関の運転状況や条件などに起因して冷却水がラジエータで充分に放熱されない場合には、排気の冷却効率が低下する恐れがある。

本発明の目的は、排気の冷却効率の低下が抑制された内燃機関の制御装置を提供することである。

上記目的は、冷媒が流通する経路上に設けられ前記冷媒が内部を流通することにより内燃機関の排気を冷却する冷却装置と、前記冷却装置内で前記排気から前記冷却水へと伝達する熱量を推定する熱量推定部と、前記熱量に応じて、前記排気の温度を抑制する排気温度抑制制御の実行の可否を決定する機関制御部と、を備えた内燃機関の制御装置によって達成できる。

冷却装置内で排気から冷却水へと伝達する熱量に応じて、排気温度を抑制する制御の実行の可否を決定するので、例えば、推定された熱量が閾値以上の場合には、排気温度を抑制することにより、排気から冷却水へと伝達される熱量を抑制することができる。これにより、冷却水の温度を低下させることができ、排気の冷却効率の低下を防止することができる。

上記構成において、前記熱量推定部は、前記排気から前記冷却水へと伝達される熱量を所定時間にわたって積算した積算熱量を推定する、構成を採用できる。

上記構成において、前記冷媒の経路上に配置されたラジエータを備え、前記機関制御部は、前記ラジエータで前記冷媒が放熱される放熱許容熱量を推定し、前記熱量と前記放熱許容熱量とに応じて、前記排気温度抑制制御の実行の可否を決定する、構成を採用できる。

上記構成において、前記冷媒の経路上に配置されたラジエータを備え、前記機関制御部は、前記ラジエータで前記冷媒が放熱される放熱許容熱量を推定し、前記積算熱量と前記放熱許容熱量とに応じて、前記排気温度抑制制御の実行の可否を決定する、構成を採用できる。

本発明によれば、排気の冷却効率の低下が抑制された内燃機関の制御装置を提供できる。

図１は、内燃機関の制御装置の一実施形態の説明図である。図２は、冷却水の経路を示した図である。図３は、ＥＣＵが実行する制御の一例を示したフローチャートである。図４は、排気温度抑制制御が実行される場合を示したタイミングチャート図である。図５は、積算熱量に基づいて排気温度抑制制御が実行される場合を示したタイミングチャート図である。

以下、図面を参照して実施例について説明する。

図１は、内燃機関の制御装置の一実施形態の説明図である。エンジン１０は、一対のバンク１２Ｌ、１２Ｒを有している。バンク１２Ｌ、１２Ｒは、互いに傾けて配置されている。エンジン１０は、いわゆるＶ型エンジンである。バンク１２Ｌには３つの気筒１４Ｌからなる気筒群を有している。バンク１２Ｒにも同様に気筒１４Ｒを有している。

また、バンク１２Ｌには、気筒１４Ｌ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁１５Ｌが設けられている。同様に、バンク１２Ｒにも、気筒１４Ｒ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁１５Ｒが設けられている。バンク１２Ｌに対しては吸気通路４Ｌ及び排気マニホールド５Ｌが接続され、バンク１２Ｒに対しては吸気通路４Ｒ及び排気マニホールド５Ｒが接続されている。吸気通路４Ｌ、４Ｒは、上流側で合流しており、合流した箇所には吸入空気量を調整するためのスロットル弁６、吸入空気量を検出するエアフロメータ１８が設けられている。

排気マニホールド５Ｌ、５Ｒの下端部には、それぞれ触媒２０Ｌ、２０Ｒが設けられている。触媒２０Ｌ、２０Ｒは、それぞれバンク１２Ｌ，１２Ｒ側の気筒から排出された排気を浄化する。排気マニホールド５Ｌ、５Ｒには、それぞれ空燃比センサ９Ｌ、９Ｒが取り付けられている。

バンク１２Ｌの排気ポート（不図示）と排気マニホールド５Ｌとの間には、冷却装置４０Ｌが設けられている。同様に、バンク１２Ｒの排気ポート（不図示）と排気マニホールド５Ｒとの間には、冷却装置４０Ｒが設けられている。冷却装置４０Ｌ、４０Ｒは、冷却装置に相当する。

冷却装置４０Ｌ、４０Ｒは、それぞれ排気マニホールド５Ｌ、５Ｒの管の周囲を冷却水が流れるように構成されている。冷却装置４０Ｌ、４０Ｒについては詳しくは後述する。排気マニホールド５Ｌには、冷却装置４０Ｌを挟むようにして温度センサ９ａＬ、９ｂＬが設けられている。冷却装置４０Ｌよりも上流側に温度センサ９ｂＬが配置され、冷却装置４０Ｌよりも下流側に温度センサ９ａＬが配置されている。同様に、排気マニホールド５Ｒには、温度センサ９ａＲ、９ｂＲが配置されている。

スロットル弁６の開度は、ＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）７Ｌ、７Ｒにより、バンク１２Ｌ、１２Ｒ毎に個別に制御される。また、燃料噴射弁１５Ｌ、１５Ｒから噴射される燃料量も、ＥＣＵ７Ｌ、７Ｒにより個別に制御される。ＥＣＵ７Ｌ、７Ｒは、燃料噴射弁１５Ｌ、１５Ｒから噴射される燃料をカットすることができる。ＥＣＵ７Ｌ、７Ｒは、詳しくは後述するが、熱量推定部、機関制御部に相当する。

また、空燃比センサ９Ｌ、９Ｒは、排気の空燃比に応じた検出信号をそれぞれＥＣＵ７Ｌ、７Ｒに出力する。ＥＣＵ７Ｌ、７Ｒは、それぞれ空燃比センサ９Ｌ、９Ｒからの出力に基づいて、それぞれ気筒１４Ｌ、１４Ｒへの燃料噴射量を制御することにより、空燃比をフィードバック制御する。フィードバック制御とは、検出された排気の空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射量などを制御することである。ＥＣＵ７Ｌ、７Ｒは通信回線８を介して双方向に通信可能である。通信回線８を介して情報を交換することにより、ＥＣＵ７Ｌ、７Ｒは、担当するバンクの運転制御のために、他のバンクの運転状態に関する情報を参照可能である。

温度センサ９ａＬ、９ｂＬ、９ａＲ、９ｂＲは、排気の温度に応じた検出信号を、それぞれＥＣＵ７Ｌ、７Ｒに出力する。温度センサ９ｂＬからの信号により、ＥＣＵ７Ｌは、冷却装置４０Ｌにより冷却される前の排気の温度、即ち冷却装置４０Ｌに流入前の排気の温度を検出する。また、温度センサ９ａＬからの信号により、ＥＣＵ７Ｌは、冷却装置４０Ｌにより冷却された後の排気の温度、即ち冷却装置４０Ｌから流出後の排気の温度を検出する。ＥＣＵ７Ｒについても同様に、冷却装置４０Ｒの流入前後での排気の温度を検出する。

図２は、冷却水（冷媒）の経路を示した図である。図２に示すように、冷却水の経路上には、ラジエータ７２、インレット７４、ポンプ７６などが配置されている。主経路８２は、インレット７４、ポンプ７６、エンジン１０、ラジエータ７２の順に冷却水を循環させる。主経路８２は、エンジン１０のリアジョイント部１９からラジエータ７２に冷却水を循環させる。補助経路８８は、インレット７４、ポンプ７６、エンジン１０、冷却装置４０Ｌ、４０Ｒ、Ｖバンクパイプ６０の順に冷却水を循環させる。補助経路８８は、リアジョイント部１９から分岐して、それぞれ冷却装置４０Ｌ、４０Ｒ内に冷却水を流通させる分岐経路８６Ｌ、８６Ｒを含む。

ポンプ７６は電動式であり、ＥＣＵ７Ｌ、７Ｒからの指令に基づいて作動する。冷却水は、インレット７４からエンジン１０へと流れる。冷却水は、まずエンジン１０のブロック側ウォータジャケット１１ｗに流入し、次に、ヘッド側ウォータジャケット１２Ｌｗ、１２Ｒｗに流入する。ヘッド側ウォータジャケット１２Ｌｗ、１２Ｒｗから排出された冷却水は、リアジョイント部１９で合流する。リアジョイント部１９には、主経路８２と補助経路８８とが連結されている。主経路８２を流れる冷却水は、リアジョイント部１９からラジエータ７２に流れ、ラジエータ７２で冷却水は放熱する。

分岐経路８６Ｌには、流量センサ３４Ｌ、冷却装置４０Ｌが配置されている。冷却装置４０Ｌ内に冷却水が流通する。冷却装置４０Ｌ内に冷却水が流通することにより、バンク１２Ｌの気筒１４Ｌから排出された排気の温度を低下させることができる。分岐経路８６Ｒ、流量センサ３４Ｒ、冷却装置４０Ｒについても同様である。

冷却装置４０Ｌの前後には、水温センサ５２Ｌ、５４Ｌがそれぞれ配置されている。同様に、冷却装置４０Ｒの前後には、水温センサ５２Ｒ、５４Ｒがそれぞれ配置されている。水温センサ５２Ｌ、５４Ｌは、検出信号をＥＣＵ７Ｌに出力し、水温センサ５２Ｒ、５４Ｒは、検出信号をＥＣＵ７Ｒに出力する。ＥＣＵ７Ｌは、水温センサ５２Ｌからの出力により冷却装置４０Ｌに流入する前の冷却水の温度を検出でき、水温センサ５４Ｌからの出力により冷却装置４０Ｌから流出した冷却水の温度を検出できる。ＥＣＵ７Ｒも、同様に、水温センサ５２Ｒ、５４Ｒからの出力により冷却装置４０Ｒに流入する前の冷却水の温度、流出後の冷却水の温度を検出できる。

ＥＣＵ７Ｌ、７Ｒは、水温センサ５２Ｌ、５４Ｌ、５２Ｒ、５４Ｒからの出力に応じて、冷却装置４０Ｌ、４０Ｒ内の冷却水の状態を判定し、判定結果に応じてエンジン１０の運転状態を変更する。以下に、ＥＣＵ７Ｌ、７Ｒが実行する制御について説明する。

図３は、ＥＣＵ７Ｌ、７Ｒが実行する制御の一例を示したフローチャートである。ＥＣＵ７Ｌ、７Ｒは、水温センサ５２Ｌ、５４Ｌ、５２Ｒ、５４Ｒからの出力に基づいて、冷却水の温度を検出し、更に流量センサ３４Ｌ、３４Ｒからの出力に基づいて、冷却水の流量を検出する（ステップＳ１）。

詳細には、ＥＣＵ７Ｌは、水温センサ５２Ｌからの出力に基づいて流入前の温度ＴＬｉｎ、水温センサ５４Ｌから出力される流出後の温度ＴＬｏｕｔを検出する。ＥＣＵ７Ｒは、水温センサ５２Ｒからの出力に基づいて流入前の温度ＴＲｉｎ、水温センサ５４Ｒから出力される流出後の温度ＴＲｏｕｔを検出する。また、ＥＣＵ７Ｌは、流量センサ３４Ｌからの出力に基づいて冷却装置４０Ｌに流入する冷却水の流量ＱＬを検出する。ＥＣＵ７Ｒは、流量センサ３４Ｒからの出力に基づいて冷却装置４０Ｒに流入する冷却水の流量ＱＲを検出する。

次に、ＥＣＵ７Ｌ、７Ｒは、それぞれ冷却装置４０Ｌ、４０Ｒ内で排気から冷却水に伝達する熱量Ｑａを推定する（ステップＳ２）。ＥＣＵ７Ｌ、７Ｒは、熱量推定部に相当する。熱量Ｑａの推定は以下の式を用いて行う。

Ｑａ＝ｋＬ＊（ＴＬｏｕｔ−ＴＬｉｎ）＊ＱＬ＋ｋＲ＊（ＴＲｏｕｔ−ＴＲｉｎ）＊ＱＲ・・・（１）

上記式（１）において、ｋＬ、ｋＲは補正係数である。補正係数ｋＬ、ｋＲは、それぞれ、排気系の表面積、熱伝達率、熱伝導率、排気管の厚さ、を考慮して定められた値である。排気系の表面積とは、例えば、冷却装置４０Ｌ内で冷却水に晒される排気マニホールド５Ｌの管の表面積である。熱伝達率とは、例えば、排気マニホールド５Ｌの熱伝達率である。熱伝導率とは、例えば、冷却水の熱伝達率である。排気管の厚さとは、例えば、冷却装置４０Ｌ内での排気マニホールド５Ｌの管の厚さである。

次に、ＥＣＵ７Ｌ、７Ｒは、放熱許容熱量Ｑｍａｘを推定する（ステップＳ３）。放熱許容熱量Ｑｍａｘは以下の式を用いて行う。

Ｑｍａｘ＝ｋ＊（Ｔα−Ｔａ）＊Ｓ・・・（２）

上記式（２）において、Ｔαは、エンジン１０の運転状態から求められる冷却水の上限温度である。上限温度Ｔαは、例えばＥＣＵ７Ｌ、７Ｒの何れかのＲＯＭに予め記憶されたマップに基づいて算出する。このマップは、例えば、機関回転数や機関負荷等に、冷却水の上限温度Ｔαが関連付けされている。冷却水の上限温度Ｔαは、エンジン１０の運転に支障がでない程度の上限に設定されている。

Ｔａは、外気温度である。外気温度Ｔａは、例えば、車両に搭載された外気温センサ（不図示）に基づいて算出してもよいし、その他公知の推定方法によって推定してもよい。Ｓは、ラジエータ７２が外気に晒されて冷却水が放熱される放熱面積である。ｋは、熱伝達率、熱伝導率、車速等を考慮して定められた補正係数である。補正係数ｋは、車速に応じて変更するものであってもよい。例えば、車速が速いほど補正係数ｋは大きな値となるようにしてもよい。放熱許容熱量Ｑｍａｘは、ラジエータ７２にて冷却水が外気へ放熱可能な熱量である。ラジエータ７２により放熱可能な熱量は車速などによって変動する。上記式（２）によれば、外気温度Ｔａが高いほど、又はラジエータ７２の放熱面積Ｓが小さいほど、放熱許容熱量Ｑｍａｘは小さくなる。

次に、ＥＣＵ７Ｌ、７Ｒは、熱量Ｑａが放熱許容熱量Ｑｍａｘを超えたか否かを判定する（ステップＳ４）。熱量Ｑａが放熱許容熱量Ｑｍａｘ未満の場合には、ＥＣＵ７Ｌ、７Ｒは、この一連の制御を終了する。熱量Ｑａが放熱許容熱量Ｑｍａｘを超えている場合には、ＥＣＵ７Ｌ、７Ｒは、排気温度抑制制御を実行する（ステップＳ５）。

排気温度抑制制御とは、燃料噴射量を制御することにより、通常のフィードバック制御時での空燃比と比較して、リッチ側に制御することである。これにより、排気温度の上昇が抑制される。また、排気温度抑制制御は、吸入空気量を制限することによって、排気温度の上昇を抑制する制御であってもよい。例えば、スロットル弁６の開度が一定値未満となるように、吸入空気量を制御する。これにより、燃焼される酸素量が減るため、排気の温度上昇が抑制される。

排気温度が抑制されることにより、冷却装置４０Ｌ、４０Ｒ内にて排気から冷却水へと伝達する熱量を抑制することができる。これにより、冷却水はラジエータ７２にて放熱可能な熱量に維持することができる。以上のようにして、排気の冷却効率の低下が抑制される。

図４は、排気温度抑制制御が実行される場合を示したタイミングチャート図である。放熱許容熱量Ｑｍａｘは、運転状態により変動するが、熱量Ｑａが放熱許容熱量Ｑｍａｘを超えた場合にのみ、排気温度抑制制御が実行される。これにより、排気温度抑制制御の実行に伴うエミッションの悪化などを抑制できる。

次に、排気から冷却水へ伝達する熱量の推定の変形例について説明する。ＥＣＵ７Ｌ、７Ｒは、上記式（１）で推定した熱量Ｑａを所定時間にわたって積算することにより、積算熱量ΣＱａを推定する。ＥＣＵ７Ｌ、７Ｒは、積算熱量ΣＱａが放熱許容熱量Ｑｍａｘを超えた場合にのみ、排気温度抑制制御を実行する。図５は、積算熱量に基づいて排気温度抑制制御が実行される場合を示したタイミングチャート図である。積算した熱量に基づいて、排気温度抑制制御の実行の可否を決定することにより、短期間で排気温度抑制制御の実行及び停止が繰り返されることが防止される。これにより、ドライバビリティの悪化が抑制される。

次に、熱量Ｑａの推定方法の変形例について説明する。以下に、熱量Ｑａを推定する式の変形例を記載する。

Ｑａ＝ｋｖＬ＊（ＴｖＬｏｕｔ−ＴｖＬｉｎ）＊ＱｖＬ＋ｋｖＲ＊（ＴｖＲｏｕｔ−ＴｖＲｉｎ）＊ＱｖＲ・・・（３）

上記式（３）は、排気温度から熱量Ｑａを推定する式である。ｋｖＬ、ｋｖＲは、補正係数である。補正係数ｋｖＬ、ｋｖＲは、それぞれ、排気系の表面積、熱伝達率、熱伝導率、排気管の厚さ、を考慮して定められた値である。

ＴｖＬｏｕｔは、冷却装置４０Ｌを通過した後の排気の温度であり、温度センサ９ａＬにより検出される。ＴｖＬｉｎは、冷却装置４０Ｌを通過する前の排気の温度であり、温度センサ９ｂＬにより検出される。ＴｖＲｏｕｔは、冷却装置４０Ｒを通過した後の排気の温度であり、温度センサ９ａＲにより検出される。ＴｖＲｉｎは、冷却装置４０Ｒを通過する前の排気の温度であり、温度センサ９ｂＲにより検出される。ＱｖＬ、ＱｖＲは、それぞれ冷却装置４０Ｌ、４０Ｒに流入する排気の流量を示している。排気流量ＱｖＬ、ＱｖＲは、それぞれ排気マニホールド５Ｌ、５Ｒに設けられた排気流量センサ（不図示）からの出力に基づいてＥＣＵ７Ｌ、７Ｒが検出する。排気流量センサは、公知のセンサである。上記式（３）は、冷却装置４０Ｌ、４０Ｒ内への流入前後での冷却水の温度を検出する水温センサを設けることが出来ない場合に有用である。

次に、排気流量を検出せずに熱量Ｑａを推定する方法について説明する。以下の式を用いることにより、排気流量を検出せずに熱量Ｑａを推定することができる。

Ｑａ＝ｋｖＬ＊（ＴｖＬｏｕｔ−ＴｖＬｉｎ）＊Ｇａ／２＋ｋｖＲ＊（ＴｖＲｏｕｔ−ＴｖＲｉｎ）＊Ｇａ／２・・・（４）

上記式（４）において、Ｇａは、吸入空気量である。上記式（４）においては、エアフロメータ１８で検出される吸入空気量Ｇａの半分が、バンク１２Ｌ、１２Ｒにそれぞれ導入され、この吸入空気量Ｇａと排気流量とが比例すると仮定している。上記式（４）は、排気流量センサを設けることが出来ない場合に有用である。

次に、冷却装置４０Ｌ、４０Ｒへの流入する前の排気温度を検出せずに熱量Ｑａを推定する方法について説明する。以下の式を用いることにより、冷却装置４０Ｌ、４０Ｒへの流入する前の排気温度を検出せずに熱量Ｑａを推定することができる。

Ｑａ＝ｋｖＬ＊（ＴｖＬｏｕｔ−Ｔｖ０）＊ＱｖＬ＋ｋｖＲ＊（ＴｖＲｏｕｔ−Ｔｖ０）＊ＱｖＲ・・・（５）

Ｔｖ０は、エンジン１０の運転条件により推定される排気温度である。例えば、ＥＣＵ７Ｌ、７Ｒは、エンジン１０の回転数、燃料噴射量、負荷等に、排気温度が関連付けられたマップに基づいて、排気温度Ｔｖ０を推定する。温度センサ９ｂＬ、９ｂＲを設けることが出来ない場合に有用である。

次に、排気流量及び冷却装置４０Ｌ、４０Ｒへの流入する前の排気温度を検出せずに熱量Ｑａを推定する方法について説明する。以下の式を用いることにより、排気流量及び冷却装置４０Ｌ、４０Ｒへの流入する前の排気温度を検出せずに熱量Ｑａを推定することができる。

Ｑａ＝ｋｖＬ＊（ＴｖＬｏｕｔ−Ｔｖ０）＊Ｇａ／２＋ｋｖＲ＊（ＴｖＲｏｕｔ−Ｔｖ０）＊Ｇａ／２・・・（５）

排気流量を検出するセンサや、温度センサ９ｂＬ、９ｂＲを設けることが出来ない場合に有用である。

尚、ＥＣＵ７Ｌ、７Ｒは、上記の式（３）〜（５）を用いて所定期間にわたって積算することにより積算熱量ΣＱａを推定し、上記式（２）により推定された放熱許容熱量Ｑｍａｘと比較することにより、排気温度抑制制御の実行の可否を決定してもよい。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

７Ｌ、７ＲＥＣＵ
１２Ｌ、１２Ｒバンク
５Ｌ、５Ｒ排気マニホールド
６スロットル弁
９Ｌ、９Ｒ空燃比センサ
９ａＬ、９ｂＬ、９ａＲ、９ｂＲ温度センサ
１０エンジン
１４Ｌ、１４Ｒ気筒
１５Ｌ、１５Ｒ燃料噴射弁
１８エアフロメータ
２０Ｌ、２０Ｒ触媒
４０Ｌ、４０Ｒ冷却装置
５２Ｌ、５２Ｒ、５４Ｌ、５４Ｒ水温センサ
８２主経路
８８補助経路

Claims

冷媒が流通する経路上に設けられ前記冷媒が内部を流通することにより内燃機関の排気を冷却する冷却装置と、
前記冷却装置内で前記排気から前記冷却水へと伝達する熱量を推定する熱量推定部と、
前記熱量に応じて、前記排気の温度を抑制する排気温度抑制制御の実行の可否を決定する機関制御部と、を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記熱量推定部は、前記排気から前記冷却水へと伝達される熱量を所定時間にわたって積算した積算熱量を推定する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
前記冷媒の経路上に配置されたラジエータを備え、
前記機関制御部は、前記ラジエータで前記冷媒が放熱される放熱許容熱量を推定し、前記熱量と前記放熱許容熱量とに応じて、前記排気温度抑制制御の実行の可否を決定する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
前記冷媒の経路上に配置されたラジエータを備え、
前記機関制御部は、前記ラジエータで前記冷媒が放熱される放熱許容熱量を推定し、前記積算熱量と前記放熱許容熱量とに応じて、前記排気温度抑制制御の実行の可否を決定する、ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。