JP6253335B2

JP6253335B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP6253335B2
Application number: JP2013215253A
Authority: JP
Inventors: 伊藤　彰; 彰伊藤; 拓真大芝
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2013-10-16
Filing date: 2013-10-16
Publication date: 2017-12-27
Anticipated expiration: 2033-10-16
Also published as: JP2015078627A

Description

本発明は、可変バルブタイミング機構及び排気ガス再循環（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置が付帯した内燃機関を制御する制御装置に関する。

気筒での混合気の燃焼温度を低下させてＮＯ_xの排出量を削減しつつ、ポンピングロスの低減を図るＥＧＲ装置が周知である（例えば、下記特許文献１を参照）。ＥＧＲ装置は、排気経路と吸気経路とを外部ＥＧＲ通路を介して接続し、気筒内で発生する燃焼ガスの一部をＥＧＲ通路経由で吸気経路に還流させて吸気に混交するものである。

近時では、エミッション及び燃費性能に対する要求が益々高まっており、ＥＧＲガスの還流量も増大する傾向にある。多量のＥＧＲガスを吸気通路に還流させている状況下で、アクセルペダルの踏み込みが緩められる減速要求が発生したとき、これに対応してスロットルバルブの開度を絞ると、吸気に含まれる新気の量が急減し、吸気のＥＧＲ率が上昇して、燃焼の不安定ないし失火を招くおそれがある。

無論、減速時にはスロットルバルブとともにＥＧＲバルブの開度も縮小するのであるが、吸気に混入するＥＧＲガスの量の減少はＥＧＲバルブの開度操作に対して遅れることから、燃焼の不安定化を回避できるわけではない。

とりわけ、ＥＧＲ通路の入口を排気マニホルドまたはその下流に接続し、出口をスロットルバルブの下流またはサージタンクに接続している高圧ループＥＧＲ装置においては、スロットルバルブの開度を絞ることで生じる吸気負圧がＥＧＲガスを吸気通路側に引き込むことになってしまう。故に、減速時に失火を起こす危険性を無視することはできない。

失火を確実に予防するためには、ＥＧＲを実施する際の吸気のＥＧＲ率に大きな安全余裕を加味した上限を設けざるを得ない。だが、その分だけ、ＮＯ_xの排出削減及び燃費性能の良化という本来の効用が減殺されることになる。

特開２０１２−１６７６０１号公報

本発明は、減速要求があったときの吸気のＥＧＲ率の上昇を効果的に抑制し、ＥＧＲ過多に起因した燃焼不安定ないし失火を防止することを所期の目的とする。

上述した課題を解決するべく、本発明では、吸気バルブの閉タイミングを変更可能な可変バルブタイミング機構、及び排気通路を流れる排気ガスの一部を吸気通路に還流させ得るＥＧＲ装置が付帯した内燃機関を制御するものであって、ＥＧＲを実施しているときにアクセルペダルの踏込量が所定以下まで減少した場合、ＥＧＲを実施していないときアクセルペダルの踏込量が所定以下まで減少した場合と比較して、スロットルバルブの開度をより拡大させるとともに吸気バルブの閉タイミングをより遅角させて気筒の圧縮行程中にも吸気バルブが開いている期間を設ける過渡制御を行うこととし、前記過渡制御では、スロットルバルブの開度をアクセルペダルの踏込量によらないある開度まで速やかに縮小しかつその開度を維持しながら、吸気バルブの閉タイミングをより遅角させて気筒の圧縮行程中にも吸気バルブが開いている期間を設ける内燃機関の制御装置を構成した。

即ち、ＥＧＲの実施中に減速要求があったときには、スロットルバルブを敢えてアクセルペダルの踏込量に見合った開度まで絞らずに開いておき、気筒に充填される吸気のＥＧＲ率の上昇を防ぐ。

しかしながら、このままでは、気筒に充填される新気量が増加し、これに見合った量の燃料を噴射することでエンジントルクが不必要に大きくなってしまう。そこで、当該気筒の吸気バルブの閉じるタイミングを吸気下死点よりも遅くし、その遅角量を大きくとることで、一旦気筒に吸入された吸気の一部を吸気通路に吐き戻し、気筒の燃焼室内に留まって圧縮される実効的な吸気量を減少させるようにした。

本発明によれば、減速要求があったときの吸気のＥＧＲ率の上昇を効果的に抑制し、ＥＧＲ過多に起因した燃焼不安定ないし失火を防止することができる。

本発明の一実施形態における内燃機関の概略構成を示す図。同実施形態における可変バルブタイミング機構を示す図。同実施形態の制御装置による過渡制御の内容を説明するタイミング図。

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は、火花点火式の４ストローク（吸気−圧縮−膨張−排気の一連を一サイクルとする）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。点火プラグ１２は、点火コイル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。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

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、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及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

本実施形態の内燃機関には、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における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通する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。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはそ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におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３３に接続している。

図２に示すように、本実施形態における内燃機関では、クランクスプロケット７１、吸気側スプロケット７２及び排気側スプロケット７３にタイミングチェーン７４を巻き掛け、このタイミングチェーン７４により、クランクシャフトからもたらされる回転駆動力を吸気側スプロケット７２を介して吸気カムシャフトに、排気側スプロケット７３を介して排気カムシャフトに、それぞれ伝達している。

その上で、吸気側スプロケット７２と吸気カムシャフトとの間に、可変バルブタイミング機構６を介設している。本実施形態における可変バルブタイミング機構６は、クランクシャフトに対する吸気カムシャフトの回転位相を変化させることにより吸気バルブの開閉タイミングを変化させるものである。

可変バルブタイミング機構６のハウジング６１は、吸気側スプロケット７２に固着しており、吸気側スプロケット７２とハウジング６１とは一体となってクランクシャフトに同期して回転する。これに対し、吸気カムシャフトの一端部に固着したロータ６２は、ハウジング６１内に収納され、吸気側スプロケット７２及びハウジング６１に対して相対的に回動することが可能である。ハウジング６１の内部には、作動液が流出入する複数の流体室が形成され、各流体室は、ロータ６２の外周部に成形されたベーン６２１によって進角室６１２と遅角室６１１とに区画されている。

可変バルブタイミング機構６の液圧（油圧）回路には、オイルパン８１内に蓄えられた作動液が液圧ポンプ８２より供給される。液圧ポンプ８２は、内燃機関からの動力で駆動される。液圧ポンプ８２と可変バルブタイミング機構６との間には、切換制御弁であるＯＣＶ（ＯｉｌＣｏｎｔｒｏｌＶａｌｖｅ）９を設けている。作動液の流量及び方向をこのＯＣＶ９を介して操作することで、オイルパン８１から汲み上げた作動液を進角室６１２または遅角室６１１に選択的に供給することができる。さすれば、ハウジング６１がロータ６２に対して相対回動し、吸気バルブの開閉タイミングを進角または遅角させることができる。

ＯＣＶ９は、いわゆる電磁式の四方向スプール弁である。図２に示すように、ＯＣＶ９は、液圧ポンプ８２の吐出口と接続する供給ポート９１、ハウジング６１の進角室６１２と接続するＡポート９２、ハウジング６１の遅角室６１１と接続するＢポート９３、並びにオイルパン８１と接続するドレインポート９４、９５を有している。ＯＣＶ９のスプールは、進退動作により内部粒体経路を切り換えて、Ａポート９２及びＢポート９３をそれぞれ供給ポート９１、ドレインポート９４、９５の何れかに連通させる。また、スプール９６が中立位置をとるときには内部流体経路が断絶し、Ａポート９２及びＢポート９３を供給ポート９１にもドレインポート９４、９５にも連通させない。図２では、スプール９６が中立位置にある状態を示している。

スプール９６はソレノイド９７によって駆動する。即ち、制御信号ｍとしてソレノイド９７に入力するパルス電流（または、電圧）のデューティ比に応じて、スプール９６の進退の距離が変化する。

制御信号ｍのデューティ比が比較的大きい場合には、液圧ポンプ８２から吐出される作動液圧がＡポート９２を通じて進角室６１２に供給される一方、既に遅角室６１１に貯留していた作動液がＢポート９３を通じてオイルパン８１に向けて流下することとなり、進角室６１２の容積が拡大、遅角室６１１の容積が縮小するようにベーン６２１及びロータ６２が回動する。結果、吸気カムシャフトの回転位相、換言すれば吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する変位角が進角して、吸気バルブのバルブタイミングが進角化する。

逆に、制御信号ｍのデューティ比が比較的小さい場合には、液圧ポンプ８２から吐出される作動液圧がＢポート９３を通じて遅角室６１１に供給される一方、既に進角室６１２に貯留していた作動液がＡポート９２を通じてオイルパン８１に向けて流下することとなり、遅角室６１１の容積が拡大、進角室６１２の容積が縮小するようにベーン６２１及びロータ６２が回動する。結果、吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する変位角が遅角して、吸気バルブのバルブタイミングが遅角化する。

総じて言えば、制御信号ｍのデューティ比が中立より大きいほど吸気バルブのバルブタイミングが速く進角し、デューティ比が中立より小さいほど吸気バルブのバルブタイミングが速く遅角する。

本実施形態の内燃機関の制御装置たる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ｂ、アクセルペダルの踏込量をアクセル開度（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、内燃機関の冷却水温（機関の温度を示唆する）を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、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、大気圧を検出するセンサから出力される大気圧信号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１３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２３に対して開度操作信号ｌ、ＯＣＶ９に対して制御信号ｍ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、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）、点火タイミング、吸気バルブタイミング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を出力インタフェースを介して印加する。

ＥＣＵ０は、アクセルペダルの踏込量が多いほど、スロットルバルブ３２の開度を大きく開き、吸気通路３を気筒１に向かって流れる新気の量を増加させる。

また、ＥＣＵ０は、現在の内燃機関の運転領域［エンジン回転数，要求負荷（または、吸気圧、吸気量、燃料噴射量）］等に基づき、気筒１に充填される吸気中に占めるＥＧＲガスの割合であるＥＧＲ率を決定し、そのＥＧＲ率を実現するようにＥＧＲバルブ２３の開度を操作する。吸気について要求されるＥＧＲ率は、中負荷運転領域において最も高く、負荷が低くなるか高くなるほど低下する。アイドリング中やアイドリングに近い低負荷領域では、要求ＥＧＲ率は０となるので、ＥＧＲバルブ２３を全閉する。

加えて、ＥＣＵ０は、現在の内燃機関の運転領域等に基づき、吸気バルブの開閉タイミングを決定する。因みに、吸気バルブタイミングの制御の態様は、アトキンソン（ミラー）サイクルであるかオットーサイクルであるかによって異なる。アトキンソンサイクルでは、吸気バルブの閉タイミングを吸気下死点よりも大きく遅らせるが、そのタイミングは中負荷運転領域において最も遅角し、負荷が低くなるか高くなるほど進角する傾向にある。他方、オットーサイクルエンジンでは、通常、負荷または回転数が高くなるほど吸気バルブタイミングが進角する。

しかして、本実施形態のＥＣＵ０は、ＥＧＲバルブ２３を開いてＥＧＲを実施しているときに、アクセルペダルの踏込量が０または０に近い所定量以下となる減速要求が発生した場合、気筒１における混合気の燃焼不安定ないし失火を回避するための過渡制御を実行する。図３に、過渡制御の内容を示す。

スロットルバルブ３２の開度は、アクセルペダルの踏込量に応じて定めることが原則である。ＥＧＲバルブ２３を開かずＥＧＲを実施していないときに減速要求が発生した場合には、アクセルペダルの踏込量が０またはほぼ０であることに対応して、スロットルバルブ３２を全閉または全閉に近い小開度に絞る。だが、過渡制御においては、スロットルバルブ３２を、アクセルペダルの踏込量によらず、ある程度以上の開度に開く。これは、吸気通路３を気筒１に向かって流れる新気の流量を確保して、吸気のＥＧＲ率が不当に上昇することを抑止するためである。

但し、単純に新気の流量を増加させるのみであると、気筒１に充填される吸気量に比例して燃料を噴射する（即ち、空燃比を一定範囲内に制御する）都合上、減速要求であるにもかかわらずエンジントルクが増大しかねない。そこで、過渡制御においては、可変バルブタイミング機構６を介して吸気バルブの開閉タイミングを顕著に遅角化し、気筒１のピストンが吸気下死点から圧縮上死点に向かって上動する圧縮行程中にも長期間吸気バルブが開いているようにする。さすれば、一旦気筒１に吸入された混合気の一部を圧縮行程中に吸気通路３側に押し出し、気筒１内に留まる混合気の量が減らすことができる。

また、吸気バルブの開くタイミングを遅くすることは、吸気バルブ及び排気バルブがともに開くバルブオーバラップ期間を短縮して内部ＥＧＲ量を減少させることにもつながる。

過渡制御における吸気バルブの開閉タイミングは、大気圧が高いほど遅角させることができる。吸気バルブタイミングを遅角した分、スロットルバルブ３２を大きく開くようにすれば、吸気のＥＧＲ率が低下し、混合気の燃焼がより一層安定化する。

吸気バルブタイミングを遅角すると、吸気バルブの開くタイミングが気筒１の排気上死点よりも遅くなることがある。さらに吸気バルブタイミングを遅角化すると、内燃機関を自律運転できない状況に至る懸念があるが、車両が減速する際には車軸（駆動輪）側から駆動系を介して内燃機関のクランクシャフトにトルクが伝達されるので、内燃機関の回転は維持される。

上記の過渡制御は、エンジン回転数が所定以下となる、車速が所定以下となる、燃料噴射を中断する燃料カットを開始する、または、アクセルペダルが踏まれて踏込量が所定以上となる、のうちの何れかが成立したときに終了する。あるいは、過渡制御を開始してから所定時間が経過したら過渡制御を終了するようにしてもよい。過渡制御の終了後は、スロットルバルブ３２をアクセルペダルの踏込量に応じた本来の開度に操作するとともに、吸気バルブの開閉タイミングを内燃機関の運転領域等に対応した本来のタイミングに設定する。

本実施形態では、吸気バルブの閉タイミングを変更可能な可変バルブタイミング機構６、及び排気通路４を流れる排気ガスの一部を吸気通路３に還流させ得るＥＧＲ装置２が付帯した内燃機関を制御するものであって、ＥＧＲを実施しているときにアクセルペダルの踏込量が所定以下まで減少した場合、ＥＧＲを実施していないときアクセルペダルの踏込量が所定以下まで減少した場合と比較して、スロットルバルブ３２の開度をより拡大させるとともに吸気バルブの閉タイミングをより遅角させる過渡制御を行う内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、減速要求があったときの吸気のＥＧＲ率の上昇を効果的に抑制し、ＥＧＲ過多に起因した燃焼不安定ないし失火を防止することができる。気筒１における混合気の失火の危険性が低下することから、ＥＧＲ率の上限を引き上げたり、ＥＧＲを実施する運転領域を拡大したりすることが許容され、ＮＯ_xの排出量の一層の削減、及び燃費性能の一層の向上に寄与し得る。

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、可変バルブタイミング機構６の具体的態様は任意であり、一意に限定されない。クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を液圧により進角／遅角させるもの以外にも、バルブを電磁ソレノイドバルブとしたものや、バルブを開弁駆動するカムをそれぞれ複数用意しておきそれらカムを適宜使い分けるもの、ロッカーアームのレバー比を電動モータで変化させるもの等が知られており、それら種々の機構の中から選択して採用することが許される。

その他各部の具体的構成は、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
２…ＥＧＲ装置
６…可変バルブタイミング機構

Claims

吸気バルブの閉タイミングを変更可能な可変バルブタイミング機構、及び排気通路を流れる排気ガスの一部を吸気通路に還流させ得るＥＧＲ装置が付帯した内燃機関を制御するものであって、
ＥＧＲを実施しているときにアクセルペダルの踏込量が所定以下まで減少した場合、ＥＧＲを実施していないときアクセルペダルの踏込量が所定以下まで減少した場合と比較して、スロットルバルブの開度をより拡大させるとともに吸気バルブの閉タイミングをより遅角させて気筒の圧縮行程中にも吸気バルブが開いている期間を設ける過渡制御を行うこととし、
前記過渡制御では、スロットルバルブの開度をアクセルペダルの踏込量によらないある開度まで速やかに縮小しかつその開度を維持しながら、吸気バルブの閉タイミングをより遅角させて気筒の圧縮行程中にも吸気バルブが開いている期間を設ける内燃機関の制御装置。