JP5679776B2

JP5679776B2 - 内燃機関の排気ガス再循環制御方法

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Publication number: JP5679776B2
Application number: JP2010258537A
Authority: JP
Inventors: 健治中嶋; 健児鷺森; 丹羽　伸二; 伸二丹羽
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2010-11-19
Filing date: 2010-11-19
Publication date: 2015-03-04
Anticipated expiration: 2030-11-19
Also published as: JP2012107594A

Description

本発明は、二種類の排気ガス再循環方式を選択的に併用する内燃機関の排気ガス再循環制御方法に関するものである。

従来、自動車などに搭載される内燃機関（以下、エンジンと称する）は、排気ガスの質及び燃費の向上を目的として、排気ガスの一部を吸入空気に混合する排気ガス再循環装置（以下、ＥＧＲ装置と称する）を備えている。その中で近年、ターボチャージャを備えるエンジンにおいて、ターボチャージャのタービンよりも下流の排気通路から排気ガスの一部を取り出し、ターボチャージャのコンプレッサよりも上流の吸気通路に再循環させるように構成する、低圧ループＥＧＲ方式（以下、ＬＰＬ方式と称する）と呼ばれている外部ＥＧＲ装置を備えるものが知られている（例えば、特許文献１）。

特許文献１に記載のエンジンにあっては、ＬＰＬ方式の外部ＥＧＲ装置に加え、タービンよりも上流の排気通路から排気ガスの一部（以下、ＥＧＲガスと称する）を取り出し、コンプレッサよりも下流の吸気通路に再循環させるように構成するいわゆる高圧ループＥＧＲ方式（以下、ＨＰＬ方式と称する）の外部ＥＧＲ装置を備えている。そして特許文献１のエンジンは、両方式を併用するとともに、加速時には、可変バルブタイミング機構に排気弁の閉弁時期を遅角させ内燃機関の内部ＥＧＲガス量を増加させる構成である。

ところで、このようなＬＰＬ方式の外部ＥＧＲ装置にあっては、その管路容積がＨＰＬ方式のものに比べて大きくなるため、応答性が低下する傾向にある。このような構成のエンジンにあって、排気ガスの再循環量（以下、ＥＧＲ量と称する）はエンジンの運転状態により増減する。例えば、減速時にあっては、ＥＧＲ量を減らすように外部ＥＧＲ装置を制御するが、応答性が低いことにより外部ＥＧＲ装置には、大量のＥＧＲ量が残留しているので、減速時のエンジンの運転状態に対して設定される目標ＥＧＲ量より、実際のＥＧＲ量が多い状態になることがある。すなわち、減速時にあっては、吸入する新気の量が減少するので、その新気量に対するＥＧＲ量は、少量もしくはほぼない状態でよいが、外部ＥＧＲ装置に残るＥＧＲガスが大量であるので、吸入空気量に対するＥＧＲ量の割合を示すＥＧＲ率が高くなり、燃焼が低下する。このため、失火することがある。

特開２００８‐１５０９５７号公報

そこで本発明は以上の点に着目し、減速時にＥＧＲガスが過多であるために生じる失火の抑制を図ることを目的としている。

すなわち、本発明の内燃機関の排気ガス再循環制御方法は、吸気弁と排気弁との少なくとも一つの開閉時期を可変可能な可変バルブタイミング装置と、排気エネルギにより駆動されるタービンとタービンにより駆動されて吸入空気を圧縮するコンプレッサとを有する過給機と、コンプレッサの上流にタービンから排出される排気ガスの一部を再循環させる排気ガス再循環装置と、新気をシリンダに流入させる新気バイパス通路とを備える内燃機関において、排気ガス再循環装置による一部の排気ガスの再循環と可変バルブタイミング装置による筒内での排気ガスの再循環とを選択的に併用する内燃機関の排気ガス再循環制御方法であって、減速時に、筒内に残留する排気ガスが減少するように可変バルブタイミング装置を制御するとともに、当該制御によっても実際のＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率に達しなかった場合は、新気バイパス通路による新気の供給を増加させることを特徴とする。

このような構成によれば、可変バルブタイミング装置を制御することにより、筒内に残留する排気ガスが減少するため、筒内残留の排気ガスと排気ガス再循環装置により再循環される排気ガスとの合計量が減少する。このため、減速時の新気の量に対する適正な排気ガス量（ＥＧＲガス量）となり、失火の発生を抑制することが可能になる。このようにＥＧＲガスを制御することにより、排気ガス再循環制御を実施できる運転領域を拡張することが可能になり、燃費の向上を図ることが可能になる。

本発明は、以上説明したような構成であり、失火の発生を抑制することができるとともに、排気ガス再循環制御を実施できる運転領域を拡張することができ、燃費を向上させることができる。

本発明の実施形態のエンジンの概略構成説明図。同実施形態の参考例を示すフローチャート。本発明の実施形態の制御手順を示すフローチャート。

以下、本発明の参考例及び一実施形態を、図面を参照して説明する。

このエンジン１００は、二気筒３６０°位相のもので、シリンダ１と、各シリンダ１に吸入空気を供給するための吸気通路２と、排気ガスを排出するための排気通路３と、排気通路３に配置されるタービン４ａ及び吸気通路２に配置されるコンプレッサ４ｂを備える排気タービン式のターボチャージャ４とを基本的に備えている。

吸気通路２には、コンプレッサ４ｂ以外に、エアクリーナ７、エアフロメータ６、吸気絞り弁８、インタークーラ９及び電子制御式スロットルバルブ１０を、吸気通路２の上流から下流に向かってこの順に配置している。すなわち、エアクリーナ７の下流、したがって吸気絞り弁８の上流に、空気流量を検出するためのエアフロメータ６を配置する。このように、吸気通路２は、エアクリーナ７の下流に、エアフロメータ６、吸気絞り弁８、インタークーラ９及び電子制御式スロットルバルブ１０を配置しているので、その全長が長くなる。

また、エアフロメータ６と吸気絞り弁８との間の吸気通路２には、スロットルバルブ１０の下流に通じる新気バイパス通路１２ａ、及びスロットルバルブ１０の上流でインタークーラ９の下流に通じる吸気バイパス通路２４ａと吸気バイパス通路２４ａを開閉する吸気バイパス弁２４ｂとからなる過給圧迂回機構２４が設けてある。新気バイパス通路１２ａには、流通する新気の量を制御する新気バイパス弁１２ｂが設けてある。

インタークーラ９には、吸入空気がインタークーラ９を迂回するためのインタークーラバイパス通路１１ａが設けてあり、インタークーラバイパス通路１１ａにはインタークーラバイパス弁１１ｂが取り付けてある。図中、１３は、燃料タンク内に発生した燃料蒸発ガスを吸着するキャニスタであり、パージ弁１４が開かれることにより吸着された燃料蒸発ガスがスロットルバルブ１０下流位置で吸気通路２に導入される。

各シリンダ１に対して、点火プラグ１５及び燃料噴射弁１６が取り付けてある。燃料噴射弁１６には、デリバリパイプ１７を介して高圧燃料ポンプ１８から燃料が供給される。同様にして、各シリンダ１に対して、シリンダ１内に旋回流を発生させるためのスワールコントロールバルブ１９が取り付けてある。

排気通路３には、タービン５以外に、空燃比センサ２０、三元触媒２１及びリアＯ₂センサ２２を、排気通路３の上流から下流に向かってこの順に配置している。すなわち、タービン５の下流に空燃比センサ２０が配置され、その空燃比センサ２０の下流に三元触媒２１が、さらに三元触媒２１の下流にリアＯ₂センサ２２が配置される構成である。空燃比センサ２０及びリアＯ₂センサ２２は、後述する電子制御装置３３に電気的に接続される。

ターボチャージャ４は、この分野でよく知られたものを適用することができ、過給圧を制御するために、タービン５の上流と下流とを連通可能にする排気バイパス通路２３ａを備え、その排気バイパス通路２３ａを開閉するウェイストゲート弁２３ｂを備えている。

エンジン１００は、エアクリーナ７を介して吸気通路２に流入する新気に排気ガスを混合するためのいわゆる低圧ループ式のＥＧＲ装置２５を、吸気通路２と排気通路３との間に備えている。ＥＧＲ装置２５は、吸気通路２と排気通路３とを選択的に連通する排気ガス再循環管路（以下、ＥＧＲ管路と称する）２６と、ＥＧＲ管路２６に設けられてＥＧＲ管路２６を通過するＥＧＲガスの量を制御する排気ガス再循環制御弁（以下、ＥＧＲ弁と称する）２７と、ＥＧＲ弁２７の上流に設けられＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ２８とを備えている。ＥＧＲ管路２６は、その一端が吸気通路２の吸気絞り弁８より下流の部位に接続され、かつその他端が排気通路３の三元触媒２０より下流の部位に接続される。

この実施形態のエンジン１００はさらに、可変バルブタイミング装置２９を備え、排気弁の開閉のバルブタイミングと吸気弁の開閉のバルブタイミングとを独立に制御し得るものである。可変バルブタイミング装置２９の構成自体は、当該分野で知られている油圧式や電磁式のものを用いることができる。

そして、排気弁と吸気弁との少なくとも一つのバルブタイミングを変更することにより、筒内に排気すべき既燃ガスしたがって排気ガスを吸気行程まで残留させることにより、吸気行程において新気に排気ガスを混合するいわゆる内部排気ガス再循環（以下、内部ＥＧＲと称する）を実現するものである。この内部ＥＧＲについては、排気弁の閉弁タイミングを進角して、筒内に排出されなかった排気ガスを残留させてＥＧＲガスとする方法と、排気行程後半及び吸気行程前半において、排気弁と吸気弁とが同時に開弁している期間、すなわちバルブオーバーラップ期間を形成し、吸気ポートに流入する排気ガスをＥＧＲガスとする方法とがある。可変バルブタイミング装置２９は、電子制御装置３３により制御される。

電子制御装置３３は、プロセッサ３３ａ、メモリ３３ｂ、入力インターフェース３３ｃ、出力インターフェース３３ｄなどを備えるコンピュータシステムである。入力インターフェース３３ｃには、エアフロメータ６から出力される空気流量信号ａ、車速を検出する車速センサから出力される車速信号ｂ、エンジン回転数を検出する回転数センサから出力される回転数信号ｃ、スロットルバルブ１０の開度すなわちスロットル開度を検出するスロットルセンサから出力されるスロットル開度信号ｄ、吸気通路２のスロットルセンサより下流つまりサージタンク（図示しない）に取り付けられて吸気管圧力を検出する吸気圧センサ３８から出力される吸気圧信号ｅ、冷却水温を検出する水温センサから出力される水温信号ｆ、空燃比センサ２０から出力される第一空燃比信号ｇ、リアＯ₂センサから出力される第二空燃比信号ｈなどが入力される。また出力インターフェース３３ｄからは、吸気絞り弁８に対して絞り弁開度信号ｋ、スロットルバルブ１０に対して弁駆動信号ｍ、ＥＧＲ弁２７に対してＥＧＲ弁開度信号、燃料噴射弁１５に対して燃料噴射信号ｏ、点火プラグ１６に対して点火信号ｐ、可変バルブタイミング装置２９に対して排気弁及び吸気弁それぞれのバルブタイミングに対するバルブタイミング信号ｑ、ｒなどが出力される。

このような構成において、電子制御装置３３は、減速時に、筒内に残留する排気ガスが減少するように可変バルブタイミング装置２９を制御するようにプログラムされた排気ガス再循環制御プログラム（以下、ＥＧＲ制御プログラムと称する）を実行する。以下に、図２により、このＥＧＲ制御プログラムによる制御手順を説明する。

なお、この参考例におけるＥＧＲ制御は、アイドリング運転領域及びスロットルバルブ１０を全開にする高負荷運転領域を除いて、ＥＧＲ装置２５と内部ＥＧＲとによりそれぞれの運転領域において必要なＥＧＲ量を確保している。ＥＧＲ装置２５によるＥＧＲ量は、ＥＧＲ弁２７及び吸気絞り弁８の開度を制御することにより調整する。また、内部ＥＧＲによるＥＧＲ量は、運転領域毎に制御可能な限界量にほぼ等しくなるように、可変バルブタイミング装置２９を制御することにより調整する。

図２において、ステップＳ１では、スロットルバルブ１０の開度が減少したか否かを判定する。すなわちスロットルバルブ１０が閉じる方向つまりスロットル開度が減少する方向の変化は、エンジン１００が減速されることを意図しているので、スロットル開度の減少により、減速時を検出するものである。

ステップＳ２では、減速時を検出した時点のスロットル開度を検出する。ステップＳ３では、検出したスロットル開度に基づいて減量する内部ＥＧＲ量を演算する。減量する内部ＥＧＲ量は、スロットル開度と減速時の運転領域に対応して設定されるＥＧＲ率とに基づいて設定されるマップを検索して演算する。

ステップＳ４では、演算した内部ＥＧＲ量に基づいて、可変バルブタイミング装置２９を制御する。具体的には、可変バルブタイミング装置２９により、排気弁のバルブタイミングを進角し、かつ吸気弁のバルブタイミングを遅角して、バルブオーバーラップ期間を減速前の状態より短縮するか、若しくはほぼ０にする。

このような構成において、可変バルブタイミング装置２９及びＥＧＲ装置２５を制御して、その時の運転状態に対応するＥＧＲ量となるように、可変バルブタイミング装置２９による内部ＥＧＲ量とＥＧＲ装置２５による外部ＥＧＲ量とを調整している際に、車両を減速すべく、エンジン１００を減速すると（ステップＳ１にて「Ｙｅｓ」）、スロットル開度に応じて減量する内部ＥＧＲ量を演算する（ステップＳ２及びステップＳ３）。そして、現在の内部ＥＧＲ量から演算した内部ＥＧＲ量となるように可変バルブタイミング装置２９を制御する（ステップＳ４）。

したがって、減速前に比べて内部ＥＧＲ量を減量した分だけ、ＥＧＲ量の全量が減少するので、ＥＧＲ装置２５のＥＧＲ通路２６に残留するＥＧＲガスが、この時のエンジン１００の運転状態に過多になることを抑制することができる。この場合、内部ＥＧＲ量を、可変バルブタイミング装置２９を制御することにより減量しているので、制御速度が速く、応答性よく内部ＥＧＲ量の減量を実施することができる。それゆえ、失火が発生することを防止することができる。しかもこのことは、失火が生じる限界の運転状態になるまでＥＧＲガスを再循環させることができるので、ＥＧＲ制御が可能な運転領域を拡張させることができ、よって燃費を向上させることができる。

上記参考例では、内部ＥＧＲ量を減量して、再循環するＥＧＲ量が過多になることを抑制したが、本実施形態のエンジン１００にあっては、新気バイパス通路１２ａと新気バイパス弁１２ｂとを備えているので、新気を増加させる制御を併用することにより、さらに迅速にＥＧＲ量を制御することが可能になる。このように、新気バイパス通路１２ａによる新気の供給を、内部ＥＧＲ量の減量に伴い増加させる場合の制御について、図３を交えて説明する。

まず、ステップＳ１１では、スロットルバルブ１０の開度が減少したか否かを判定することで、減速時であるか否かを検出する。ステップＳ１２では、減速時である時点のスロットル開度を検出する。

ステップＳ１３では、目標ＥＧＲ率を演算する。目標ＥＧＲ率は、運転領域毎に設定してあり、例えばスロットル開度とエンジン回転数とに基づいて設定されるマップを用いて演算する。

ステップＳ１４では、検出したスロットル開度に基づいて減量する内部ＥＧＲ量を演算する。内部ＥＧＲ量の演算は、上述した参考例と同じ方法であってよい。ステップＳ１５では、演算した内部ＥＧＲ量に基づいて、可変バルブタイミング装置２９を制御する。

ステップＳ１６では、実際のＥＧＲ率（以下、実ＥＧＲ率と称する）が目標ＥＧＲ率に達したか否かを判定する。内部ＥＧＲ量を減量することで変化する実ＥＧＲ率は、次式により演算する。
実ＥＧＲ率＝１−（新気量÷総空気量）

ここで、新気量は、吸気絞り弁８を通過する新気の量であるので、エアフロメータ６が出力する空気流量信号ａに基づいて算出する。総空気量は、新気及びＥＧＲ量の合計であるので、スロットルバルブ１０の下流に設置される吸気圧センサ３８から出力される吸気圧信号ｅに基づいて算出する。

ステップＳ１７では、新気バイパス通路１２ａの新気バイパス弁１２ｂを開いて、新気を吸気通路２のスロットルバルブ１０下流に導入する。この後、ステップＳ１６に戻って、再度、実ＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率に達したか否かを判定し、実ＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率に達した場合はこの制御を終了する。

このような構成において、可変バルブタイミング装置２９を制御することで内部ＥＧＲ量を減量するが、可変バルブタイミング装置２０における制御遅れなどに起因して、実ＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率に達するまでの時間が長くなる場合がある。このような場合、この実施形態においては、実ＥＧＲ率と目標ＥＧＲ率とを比較し、その結果に基づいて新気バイパス弁を制御する（ステップＳ１６及びステップＳ１７）。

つまり、内部ＥＧＲ量の減量のために可変バルブタイミング装置２９を制御した後に、実ＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率に達しなかった場合は、減量後の内部ＥＧＲ量と外部ＥＧＲ量との合計の実際のＥＧＲ量が、吸入する新気に対して多い状態になっている。したがって、このような状態において新気バイパス弁１２ｂを開くと、減速時はスロットルバルブ１０の下流の吸気通路２が負圧であることから、新気バイパス弁１２ｂの開度に応じた新気が新気バイパス通路１２ａを介してスロットルバルブ１０の下流ひいてはエンジン１００のシリンダに流入する。

これにより、ＥＧＲガスと混合する新気の量が増加し、実ＥＧＲ率が目標ＥＧＲ量に達する。したがって、減速時に内部ＥＧＲ量を減らすことと新気を増量することにより、確実に、かつ迅速に、実ＥＧＲ率を目標ＥＧＲ率まで減少させることができる。

なお、上記実施形態にあっては、排気弁と吸気弁との両方のバルブタイミングを調整できる可変バルブタイミング装置を説明したが、排気弁のみ、または吸気弁のみのバルブタイミングを制御できる可変バルブタイミング装置であってもよい。

その他、各部の具体的構成についても上記参考例及び実施形態に限られるものではなく、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。

本発明の活用例として、内部ＥＧＲと外部ＥＧＲとを併用するガソリン及びディーゼルエンジンが挙げられる。

２９…可変バルブタイミング装置
４ａ…タービン
４ｂ…コンプレッサ
４…ターボチャージャ
２５…ＥＧＲ装置

Claims

吸気弁と排気弁との少なくとも一つの開閉時期を可変可能な可変バルブタイミング装置と、排気エネルギにより駆動されるタービンとタービンにより駆動されて吸入空気を圧縮するコンプレッサとを有する過給機と、コンプレッサの上流にタービンから排出される排気ガスの一部を再循環させる排気ガス再循環装置と、新気をシリンダに流入させる新気バイパス通路とを備える内燃機関において、排気ガス再循環装置による一部の排気ガスの再循環と可変バルブタイミング装置による筒内での排気ガスの再循環とを選択的に併用する内燃機関の排気ガス再循環制御方法であって、
減速時に、筒内に残留する排気ガスが減少するように可変バルブタイミング装置を制御するとともに、当該制御によっても実際のＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率に達しない場合は、新気バイパス通路による新気の供給を増加させる内燃機関の排気ガス再循環制御方法。