JP5871654B2

JP5871654B2 - 制御装置

Info

Publication number: JP5871654B2
Application number: JP2012041403A
Authority: JP
Inventors: 雅人仲井
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2016-03-01
Anticipated expiration: 2032-02-28
Also published as: JP2013177839A

Description

本発明は、車両に搭載され、排気ガス再循環装置と、気筒内に電磁波を照射することにより混合気の燃焼を促進するアクティブ着火機構とを有する内燃機関を制御する制御装置に関する。

従来より、燃費の向上及び排気ガス中のＮＯｘ量減少を図るべく、排気通路から吸気通路に排気ガスを還流させる排気ガス再循環装置を内燃機関に設けることが知られている。このような排気ガス再循環装置の一例として、排気通路に設けられたタービンと、吸気通路に設けられ前記タービンにより駆動されるコンプレッサと、前記吸気通路における前記コンプレッサの下流側に設けられたスロットルバルブと、前記吸気通路における前記コンプレッサの上流側に設けられた吸気絞りバルブとを備える内燃機関に設けられ、前記排気通路と前記吸気通路における前記コンプレッサの上流側とを接続するＥＧＲ通路、及びこのＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲバルブを有する排気ガス再循環装置が挙げられる（例えば、特許文献１を参照）。

ところで、このような排気ガス再循環装置を備える内燃機関の運転にあたって、減速時等、要求負荷が減少した際には、要求負荷が減少する以前と吸気通路に還流される排気ガス（以下、ＥＧＲガスと称する）の量を等しくすると、ＥＧＲガスの量が新気と比較して多くなりすぎることに起因する失火が発生する不具合が発生することがある。この不具合を解消するための方法の一つとして、前記吸気通路における前記コンプレッサの上流側に吸気絞りバルブを設け、要求負荷が減少した際にはこの吸気絞りバルブを開弁し新気が吸気通路内に取り込まれる量を多くすることが考えられている。

しかして、減速など要求負荷の減少の開始に伴い吸気絞りバルブを開弁しても、吸気絞りバルブを開弁した時点では、吸気通路のＥＧＲ通路から気筒に至る領域内にはＥＧＲガスが残留しているので、燃焼が不安定となる不具合が依然として発生しうる。

特開２０１２−７５４７号公報

本発明は以上の点に着目し、減速時等要求負荷が減少した際に、吸気通路のＥＧＲ通路から気筒に至る領域内にはＥＧＲガスが残留していることに伴い燃焼が不安定となる不具合を解消することを目的とする。

すなわち本発明に係る制御装置は、車両に搭載され、排気通路に設けられたタービンと、吸気通路に設けられ前記タービンにより駆動されるコンプレッサと、前記吸気通路における前記コンプレッサの下流側に設けられたスロットルバルブと、前記排気通路と前記吸気通路における前記コンプレッサの上流側とを接続するＥＧＲ通路及びこのＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲバルブを有する排気ガス再循環装置と、気筒内に電磁波を照射することにより混合気の燃焼を促進するアクティブ着火機構とを備える内燃機関を制御するものであって、前記ＥＧＲ通路内を流通する排気ガスの還流量を減少させる際に、前記ＥＧＲバルブの開度を減少させ、少なくとも吸気通路内に残留している排気ガスの全量が気筒内に供給されるまでの期間は前記アクティブ着火機構を作動させる制御を行うことを特徴とする。

このようなものであれば、アクティブ着火機構を作動させることにより気筒内の混合気の燃焼を促進することができるので、減速時等要求負荷が減少した際に、吸気通路内に残留しているＥＧＲガスが気筒内に達してＥＧＲ量が過剰である場合であっても、燃焼が不安定となる不具合の発生を抑制することができる。

このようなアクティブ着火機構を利用した制御を行うにあたって、電力消費の削減を図るための態様として、車両の減速が検知されてから、吸気行程１回あたりの吸気量と吸気行程の回数とを積算した値が吸気通路におけるＥＧＲ通路との合流箇所から吸気弁に至る部分の容積に達するまでの期間だけ、前記アクティブ着火機構を作動させる制御を行うものが挙げられる。

さらに、減速時にアクティブ着火機構を作動させることにより出力が上昇し運転者に違和感を与える不具合を解消するための構成として、自動変速機を搭載する車両に用いられ、前記アクティブ着火機構を作動させる制御を行っている間は変速比を低速側に変更する制御を行うものが挙げられる。

本発明によれば、減速時等要求負荷が減少した際に、吸気通路のＥＧＲ通路から気筒に至る領域内にはＥＧＲガスが残留していることに伴い燃焼が不安定となる不具合を解消することができる。

本発明の実施形態の内燃機関の概略構成説明図。同実施形態における火花点火装置の回路図。同実施形態における火花点火装置の回路図。同実施形態における電界発生装置の要素であるＨブリッジの回路図。同実施形態の制御手順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１００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。

図２に、火花点火用の電気回路を示している。点火プラグ１２は、点火コイル１４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１４は、半導体スイッチング素子であるイグナイタ１３とともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

本実施形態の内燃機関には、気筒１の燃焼室内に電界を発生させる電界発生装置を付帯させている。この電界発生装置は、燃焼室内でプラズマを生成する目的のものである。電界発生装置の例としては、高周波の交流電圧を印加する交流電圧発生回路や、高周波の脈流電圧を印加する脈流電圧発生回路等を挙げることができる。この電界発生装置は、請求項中のアクティブ着火機構として機能する。

図３ないし図４に示すように、高周波を発生させる電界発生装置は、車載バッテリを電源とし、低圧直流を高圧交流に変換する回路を含む。具体的には、バッテリが提供する約１２Ｖの直流電圧を３００Ｖ〜５００Ｖに昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータ６１と、ＤＣ−ＤＣコンバータ６１が出力する直流を交流に変換するＨブリッジ回路６２と、Ｈブリッジ回路６２が出力する交流をさらに高い電圧に昇圧する昇圧トランス６３とを構成要素とする。

電界発生装置の出力端には、第一ダイオード６４及び第二ダイオード６５を介設することが好ましい。第一ダイオード６４は、カソードが昇圧トランス６３の二次側巻線の信号ラインに接続し、アノードが点火コイル１４との結節点であるミキサ６６に接続している。第二ダイオード６５は、アノードが昇圧トランス６３の二次側巻線のグランドラインに接続し、カソードが接地している。これら第一ダイオード６４及び第二ダイオード６５は、点火タイミングにおいて点火コイル１４の二次側から流れ込む負の高圧パルス電流を遮る役割を担う。

電界発生装置が発振する高周波電圧は、通常、火花放電開始と略同時、火花放電開始直前または火花放電開始直後に、点火プラグ１２の中心電極に印加する。つまり、気筒１の燃焼室内に臨む点火プラグ１２の中心電極を、電界を放射するアンテナとする。これにより、燃焼室内における、点火プラグ１２の中心電極と接地電極との間の空間に、高周波電界が形成される。そして、高周波電界中で火花放電を行うことによりプラズマが発生し、このプラズマが火炎伝搬燃焼の始まりとなる大きなラジカルプラズマ火炎核を生成する。

上記は、火花放電による電子の流れ及び火花放電によって生じたイオンやラジカルが、電界の影響を受け振動、蛇行することで行路長が長くなり、周囲の水分子や窒素分子と衝突する回数が飛躍的に増加することによるものである。イオンやラジカルの衝突を受けた水分子や窒素分子は、ＯＨラジカルやＮラジカルになるとともに、イオンやラジカルの衝突を受けた周囲の気体も電離した状態、即ちプラズマ状態となることで、飛躍的に混合気への着火領域が大きくなり、火炎核も大きくなるのである。この結果、火花放電のみによる二次元的な着火から三次元的な着火に増幅され、燃焼が燃焼室内に急速に伝播、高い燃焼速度で拡大することとなる。

因みに、電界発生装置として脈流電圧発生回路を採用する場合、当該脈流電圧発生回路は周期的に電圧が変化する直流電圧を発生させるものであればよく、その波形も任意であってよい。脈流電圧は、基準電圧（０Ｖであることがある）から一定周期で一定電圧まで変動するパルス電圧、交流電圧を半波整流した電圧、交流電圧に直流バイアスを加味した電圧等をおしなべて含む。電界発生装置が発振する高周波電圧は、周波数が２００ｋＨｚ〜１０００ｋＨｚ程度、振幅が３ｋＶｐ−ｐ〜１０ｋＶｐ−ｐ程度であることが好ましい。

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バルブ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１００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。

さらに、本実施形態の内燃機関１００は、図示は省略するが、駆動系としてトルクコンバータ及び自動変速機を備えてなる。特に、本実施形態では、自動変速機の構成要素として、遊星歯車機構を利用した前後進切換装置、及び無段変速機の一種であるベルト式ＣＶＴ（ＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙＶａｒｉａｂｌｅＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）を採用している。

本実施形態の制御装置たるＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）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、シフトレバーのレンジを知得するためのセンサ（または、シフトポジションスイッチ）から出力されるシフトレンジ信号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２２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、電界発生装置に対して電界（即ち、高周波）発生指令信号ｐ、ＣＶＴに対して変速比制御信号ｑ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、燃焼室内に電界を発生させるか否かやその電界発生のタイミング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。しかして、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、ｐ、ｑ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、スタータモータ（セルモータ、図示せず）に制御信号ｏを入力し、スタータモータのピニオンギアをドライブプレート外周のリングギアに噛合させて機関を回転させるクランキングを行う。クランキングは、初爆から連爆へと至り、エンジン回転数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では、要求負荷の減少を検知した際に、ＥＣＵ０のメモリに内蔵した減速時ＥＧＲ制御プログラムをプロセッサが実行することにより、気筒内に供給されるＥＧＲガスの量を減少させるべくＥＧＲバルブ２３の開度を減少させる制御、及び吸気通路内に残留しているＥＧＲガスの全量が気筒内に供給されるまでの期間だけ前記電界発生装置を作動させる制御を行う。この減速時ＥＧＲ制御プログラムは、要求負荷の減少を検知した際に実行が開始される。この減速時ＥＧＲ制御プログラムによる制御の手順についてフローチャートである図５を参照しつつ以下に述べる。

まず、ＥＧＲバルブの開度を減少させる（Ｓ１）。次いで、電界発生装置を作動させ（Ｓ２）、ＣＶＴの減速比を低速側に変更し（Ｓ３）、吸気圧に基づき吸気量Ｖを求める（Ｓ４）。それから、今回の吸気量Ｖを減速を検知してからの吸気量の積算値Ｖ_ｓｕｍに加算し（Ｓ５）、この積算値Ｖ_ｓｕｍが吸気通路におけるＥＧＲ通路との合流箇所から吸気弁に至る部分の容積Ｖ_０に達しているか否かを判定し（Ｓ６）、吸気量の積算値Ｖ_ｓｕｍが前記容積Ｖ_０に達していない場合には次回の吸気量を求めるべくステップＳ４に戻る。一方、吸気量の積算値Ｖ_ｓｕｍが前記容積Ｖ_０に達した場合には電界発生装置の作動、及びＣＶＴの減速比を低速側に変更する制御を終了する（Ｓ７）。なお、ＣＶＴの減速比の低速側への変更は、減速時に電界発生装置を作動させることにより出力が上昇し運転者に違和感を与える不具合を解消するためのものであり、その変更幅は回転数や吸気量等の運転状態を示す量をパラメータとして予め実験により定めた値を用いる。

このような制御を行えば、要求負荷の減少に伴い気筒内への新気の供給量が減少する一方で吸気通路内にＥＧＲガスが残留しＥＧＲ量が過剰となる場合であっても、電界発生装置が作動することにより混合気の燃焼が促進されるので、ＥＧＲ量が過剰となることによる失火等を抑止することができる。

すなわち、本実施形態に係る制御を行えば、電界発生装置を作動させることにより気筒内の混合気の燃焼を促進することができるので、減速時等要求負荷が減少した際に、吸気通路内に残留しているＥＧＲガスが気筒内に達してＥＧＲ量が過剰である場合であっても、燃焼が不安定となる不具合の発生を抑制することができる。

また、車両の減速が検知されてから、吸気行程１回あたりの吸気量と吸気行程の回数とを積算した値が吸気通路におけるＥＧＲ通路との合流箇所から吸気弁に至る部分の容積に達するまでの期間だけ、前記電界発生装置を作動させる制御を行うようにしているので、必要最低限の時間だけ電界発生装置を作動させることとなり、従って電界発生装置を作動させることに伴う電力消費の削減を図ることができる。

そして、前記電界発生装置を作動させる制御を行っている間はＣＶＴの変速比を低速側に変更する制御を行うようにしているので、減速時に電界発生装置を作動させることにより出力が上昇し運転者に違和感を与える不具合を解消することができるとともに、内燃機関１００の回転数が上昇することに伴い吸気行程の回数が増えるため、吸気通路内に残留しているＥＧＲガスが短時間でなくなる。

なお、本発明は以上に述べた実施形態に限らない。

例えば、上述した実施形態では、高周波を発生させる電界発生装置をアクティブ着火機構として機能させているが、マイクロ波発生装置をアクティブ着火機構として機能させるようにしてももちろんよい。

また、上述した実施形態では、吸気行程１回あたりの吸気量と吸気行程の回数とを積算した値が吸気通路におけるＥＧＲ通路との合流箇所から吸気弁に至る部分の容積に達するまでの期間だけ、電界発生装置（アクティブ着火機構）を作動させるようにしているが、例えば、減速開始から所定時間の間だけアクティブ着火機構を作動させる等、他の態様を採用してもよい。

加えて、上述した実施形態では自動変速機としてＣＶＴを搭載し、アクティブ着火機構を作動させる制御を行っている間は変速比を低速側に変更する制御を行うようにしているが、歯車を採用した自動変速機を搭載した場合においても、アクティブ着火機構を作動させる制御を行っている間は変速比を低速側に変更する制御を行うようにしてもよい。あるいは、アクティブ着火機構を作動させる制御を行っている間に変速比を低速側に変更する制御は省略してもよい。

その他、本発明の趣旨を損ねない範囲で種々に変更してよい。

１００…内燃機関
０…ＥＣＵ（制御装置）
２…ＥＧＲ装置（排気ガス再循環装置）
２１…ＥＧＲ通路
２３…ＥＧＲバルブ
３…吸気通路
３２…スロットルバルブ
４…排気通路
５１…コンプレッサ
５２…タービン

Claims

車両に搭載され、排気通路に設けられたタービンと、吸気通路に設けられ前記タービンにより駆動されるコンプレッサと、前記吸気通路における前記コンプレッサの下流側に設けられたスロットルバルブと、前記吸気通路における前記コンプレッサの上流側に設けられた吸気絞りバルブと、前記排気通路と前記吸気通路における前記コンプレッサの上流側とを接続するＥＧＲ通路及びこのＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲバルブを有する排気ガス再循環装置と、気筒内に電磁波を照射することにより混合気の燃焼を促進するアクティブ着火機構とを備える内燃機関を制御するものであって、
前記ＥＧＲ通路内を流通する排気ガスの還流量を減少させる際に、前記ＥＧＲバルブの開度を減少させ、少なくとも吸気通路内に残留している排気ガスの全量が気筒内に供給されるまでの期間は前記アクティブ着火機構を作動させる制御を行うことを特徴とする制御装置。
車両の減速が検知されてから、吸気行程１回あたりの吸気量と吸気行程の回数とを積算した値が吸気通路におけるＥＧＲ通路との合流箇所から吸気弁に至る部分の容積に達するまでの期間だけ、前記アクティブ着火機構を作動させる制御を行う請求項１記載の制御装置。
自動変速機を搭載する車両に用いられ、前記アクティブ着火機構を作動させる制御を行っている間は変速比を低速側に変更する制御を行う請求項１又は２記載の制御装置。