JP6528591B2 - エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、排気ガス再循環装置を備えたエンジンの制御装置に関する。

車両等に搭載されるエンジンには、排気ガス再循環装置が備えられる場合が多い。排気ガス再循環装置は、エンジンの燃焼室から排気通路を通じて大気に排出される排気ガスの一部を、排気側と吸気側とを結ぶ排気還流通路を通じて吸気通路に還流させることにより、燃焼室内における燃焼温度を低下させ、排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）等の排出を抑制している。

排気側から吸気側へと導入される排気ガス（以下、還流ガスと称する。）は、排気還流通路に設けられた弁装置や、吸気通路に設けられた吸気スロットル弁の開閉により、燃焼室へと通じるインマニ部の吸気の実酸素濃度が目標値となるよう、その実酸素濃度をフィードバック制御して還流ガスの導入量を制御している。

例えば、特許文献１では、還流ガスと吸入空気との合流位置よりも下流側の吸気通路に酸素センサを設け、還流ガスが混入した吸入空気中の酸素濃度から、燃焼室に導入される吸気中に実際に含まれる還流ガスの比率（実還流ガス率）を算出している。エンジンは、この実還流ガス率と、目標とする還流ガス率とが一致するように制御され、それらの偏差に基づいて装置の不具合の有無も検出している。

特開平５−１８３２４号公報

上記のように、還流ガス導入後の吸入空気の酸素濃度を直接計測し、その計測結果を基に還流ガス制御に反映すること、及び、その計測結果を基に排気ガス再循環装置の不具合を検出することは公知である。

しかし、複数の気筒を備えるエンジンでは、実還流ガス率は全ての気筒で同一ではなく、その数値は気筒毎に異なる場合が多い。このため、上記の技術では、その気筒毎に異なる実還流ガス率を、エンジンの燃料制御や燃焼制御、不具合の検出制御に反映することはできない。

そこで、この発明の課題は、実還流ガス率をより正確にエンジンの制御に反映できるようにすることである。

上記の課題を解決するために、この発明は、複数の気筒の燃焼室に接続される吸気通路及び排気通路と、前記排気通路と前記吸気通路とを結ぶ排気還流通路を通じて排気の一部を還流ガスとして吸気に導入する排気ガス再循環装置と、前記吸気通路の下流側端部に設けられ各気筒の前記燃焼室にそれぞれ通じる接続流路が分岐する吸気マニホールドと、前記各接続流路に開口し吸気を取り入れるための流入口と前記接続流路よりも上流側の前記吸気通路に開口し前記取り入れた吸気を送り出すための流出口を有するバイパス通路と、前記バイパス通路に設けられ取り入れた吸気の実酸素濃度を検知する吸気酸素濃度検知手段と、前記吸気酸素濃度検知手段により検知された実酸素濃度と運転状況に応じた前記吸気通路内の目標酸素濃度とに基づいて前記燃焼室への吸気の導入や前記燃焼室内における燃焼の制御を行う吸気燃焼制御手段と、を備えるエンジンの制御装置を採用した。

ここで、前記バイパス通路に前記流入口から前記流出口へと気体を送り出すポンプ装置
を備える構成を採用することができる。

また、前記吸気酸素濃度検知手段によって検知する吸気の取り入れ先を複数の前記接続流路の中から選択するために前記バイパス通路に設けられる取入バルブと、前記取入バルブの開閉を制御する取入バルブ制御手段と、を備える構成を採用することができる。

さらに、前記取入バルブの開閉によって複数の前記接続流路の中から選択される単一の又は複数の流路から取り入れた吸気の実酸素濃度をその選択された接続流路の情報とともに記憶する濃度記憶手段を備える構成を採用することができる。

前記実酸素濃度と前記目標酸素濃度とに基づいて前記排気通路又は前記排気還流通路のいずれかの部分の不具合の有無を判定する異常判定手段を備える構成を採用することができる。

前記流出口は、前記バイパス通路の前記各接続流路又は前記各接続流路への分岐部に対向する位置に臨んでそれぞれ設けられ、前記バイパス通路に取り入れられた吸気の送り出し先を複数の前記接続流路の中から選択するための送出バルブと、前記送出バルブの開閉を制御する送出バルブ制御手段と、を備える構成を採用することができる。

前記送出バルブは、検知した前記実酸素濃度が各接続流路の前記実酸素濃度の平均値よりも小さい時はその取り入れた吸気を実酸素濃度が前記平均値よりも高い接続流路に送り出すように制御され、検知した前記実酸素濃度が各接続流路の前記実酸素濃度の平均値よりも高い時はその取り入れた吸気を実酸素濃度が前記平均値よりも低い接続流路に送り出すように制御される構成を採用することができる。

この発明は、各燃焼室にそれぞれ通じる吸気マニホールドの接続流路と、その接続流路よりも上流側の吸気通路とをバイパス通路で結び、バイパス通路に設けられた吸気酸素濃度検知手段により検知された実酸素濃度と、運転状況に応じた吸気通路内の目標酸素濃度とに基づいて、燃焼室への吸気の導入や燃焼室内における燃焼の制御を行うようにしたので、吸気マニホールドの各燃焼室への接続流路である複数の吸気ポートから、気筒分配に影響されない吸気の計測が可能である。このため、実還流ガス率をより正確にエンジンの制御に反映できるようになる。

この発明の一実施形態を示すエンジンの模式図である。 他の実施形態を示すエンジンの模式図である。 この発明のエンジンの制御のグラフ図である

この発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。図１は、この発明のエンジン１の模式図である。

この実施形態のエンジン１は、自動車用のディーゼルエンジンである。エンジン１のシリンダ内にはピストンが収容され、シリンダの内壁面、及び、ピストンの上面等により燃焼室２が形成されている。

エンジン１は、各シリンダの燃焼室２内に吸気を送り込む吸気通路４、燃焼室２から引き出された排気通路５、燃焼室２内に燃料を噴射する燃料噴射装置（図示せず）等を備えている。

図面では、この発明に直接関係する部材、手段を中心に示し、他の部材等については図示省略している。また、エンジン１の気筒数は複数であればよく、この実施形態のように四気筒であってもよいし、二気筒、三気筒、あるいは、四気筒よりも気筒数が多い多気筒エンジンであってもよい。

各シリンダの吸気通路４の燃焼室２への開口部である吸気弁孔は、吸気バルブによって開閉される。また、燃焼室２から引き出された排気通路５の燃焼室２への開口部である排気弁孔は、排気バルブによって開閉される。

吸気通路４には、各燃焼室２へ通じる接続流路である吸気ポート４ａから上流側に向かって、サージタンク、吸気通路４を流れる吸気を冷却する吸気冷却装置、過給機、吸気通路４の流路面積を調節する吸気スロットル弁３、エアクリーナ等が設けられる。吸気スロットル弁３は、バタフライ弁形式の弁体の動作により、吸気通路４の流路の断面積を増減させて、吸気通路４への空気（新気）の導入量を調整する。

燃焼室２へ通じる接続流路は、気筒数と同数のものが吸気マニホールド内に形成された吸気ポート４ａとなっている。以下、吸気ポート４ａを接続流路４ａと称する。吸気通路４は、吸気マニホールド内において上流側では１つの空間を形成しており、そこから下流側に向かって気筒数と同数の流路に分岐してその接続流路４ａを形成している。この実施形態では、４気筒に対応して４本の接続流路４ａを備えている。

排気通路５には、燃焼室から引き出された排気ポート５ａから下流側に向かって、過給機、排気中の有害物を除去する触媒等を備えた排気浄化装置、マフラ等が設けられる。

また、エンジン１には、クランクシャフトの回転角速度や回転角加速度を検出することにより、エンジンの回転数を検出する回転センサを備えている。

これらの吸気バルブや排気バルブ、燃料噴射装置、吸気スロットル弁３、排気浄化装置、その他エンジンの動作に必要な機器は、それぞれケーブルを通じて、電子制御ユニット（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）３０に備えられた制御手段によって制御される。また、エンジンやその周囲に設けられるセンサ類からの必要な情報は、電子制御ユニット３０が取得する。電子制御ユニット３０は、これらのセンサ類からの情報により、エンジン１の回転数とエンジン負荷等、エンジンの制御に必要な各種情報を得ることができる。

また、排気通路５と吸気通路４とは、排気ガス再循環装置１０を構成する排気還流通路１１によって連通している。排気ガス再循環装置１０は、エンジンから排出される排気ガスの一部を、還流ガスとして吸気通路４に還流する機能を有する。この実施形態の排気ガス再循環装置１０は、排気還流通路１１が、過給機の上流側の排気通路５から引き出されて、過給機の下流側の吸気通路４に接続されている高圧排気ガス再循環装置としているが、この排気ガス再循環装置１０として、排気還流通路１１が過給機の下流側の排気通路５から引き出され、過給機の上流側の吸気通路４に接続される低圧排気ガス再循環装置を採用してもよい。

また、排気ガス再循環装置１０は、排気還流通路１１を通過する還流ガスの流量を調整する還流ガス調整弁１２を備えている。

電子制御ユニット３０が備える流量調整制御手段３６が、これらの還流ガス調整弁１２やスロットルバルブ３の動作を制御する。還流ガス調整弁１２を閉鎖すれば、排気側から吸気側への還流ガスの導入が停止する。還流ガス調整弁１２を開放すれば、スロットルバルブ３の動作に基づく吸気通路４内の圧力状態に応じて、排気側から吸気側への還流ガスの導入が開始される。

吸気通路４には、各接続流路４ａに開口し吸気を取り入れるための流入口２１ｂと、接続流路４ａよりも上流側の吸気通路４に開口し取り入れた吸気を送り出すための流出口２１ａを有するバイパス通路２１が設けられている。

図１に示すように、バイパス通路２１の流入口２１ｂ側の端部は、各接続流路４ａに開口する４本の流入管に分岐し、その４本の流入管の各先端が接続流路４ａ内に臨む流入口２１ｂとなっている。

４本の流入管には、それぞれ、そのバイパス通路２１内への吸気の取り入れ先を複数の接続流路４ａの中から選択するための取入バルブ２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄが設けられている。取入バルブ２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄの開閉は、電子制御ユニット３０が備える取入バルブ制御手段３２がその制御を行う。

バイパス通路２１の流出口２１ａ側の端部は、各接続流路４ａ又は各接続流路４ａへの分岐部（入口）に対向する位置に臨んで開口する４本の流出管に分岐し、その４本の流出管の各先端が流出口２１ａとなっている。流出口２１ａから送り出される吸気は、その流出口２１ａに対向する接続流路４ａに流れ込むようになっている。

４本の流出管には、それぞれ、そのバイパス通路２１に取り入れられた吸気の送り出し先を、複数の接続流路４ａの中から選択するための送出バルブ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄが設けられている。送出バルブ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄの開閉は、電子制御ユニット３０が備える送出バルブ制御手段３３がその制御を行う。

また、バイパス通路２１には、流入口２１ｂから流出口２１ａへと気体を送り出すポンプ装置２２が備えられている。なお、バイパス通路２１内への吸気の取り入れが円滑に行われる限りにおいて、ポンプ装置２２の設置は省略することもできる。

さらに、バイパス通路２１には、そのバイパス通路２１内に取り入れた吸気の実酸素濃度を検知する吸気酸素濃度検知手段２３が備えられている。

吸気酸素濃度検知手段２３としては、例えば、リニア・エアー・フューエルセンサ（Ｌｉｎｅａｒ Ａｉｒ−Ｆｕｅｌ ｒａｔｉｏ ｓｅｎｓｏｒ）等を採用することができ、燃焼室２へ導入される直前の位置で吸気の実酸素濃度を検知することができる。なお、吸気酸素濃度検知手段２３は、例えば、Ｏ_２センサのようにリーンかリッチかのみを検出する物ではなく、連続的な空燃比（酸素濃度）の変化を数値でもって検出できる機能を有するものが好ましい。

これらのバイパス通路２１、取入バルブ２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ、送出バルブ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ、ポンプ装置２２、吸気酸素濃度検知手段２３等により、濃度検知バイパス装置２０を構成している。

電子制御ユニット３０は、吸気酸素濃度検知手段２３により検知された実酸素濃度と、運転状況に応じた吸気通路４内の目標酸素濃度とに基づいて、燃焼室２への吸気の導入や燃焼室２内における燃焼の制御を行う吸気燃焼制御手段３１を備える。吸気燃焼制御手段３１は、その実酸素濃度と目標酸素濃度の情報に基づいて、吸気制御、燃料制御、燃焼制御等、エンジンの稼働に必要な各種制御を行う。

また、電子制御ユニット３０は、実酸素濃度と、運転状況に応じた吸気通路４内の目標酸素濃度との濃度差に基づいて、排気通路５又は排気還流通路１０のいずれかの部分の不具合の有無を判定する異常判定手段３５を備える。

さらに、電子制御ユニット３０は、取入バルブ２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄの開閉によって、複数の接続流路４ａの中から選択される単一の又は複数の接続流路４ａから取り入れた吸気の実酸素濃度を、その選択された接続流路４ａの情報とともに記憶する濃度記憶手段３４を備える。濃度記憶手段３４は、各気筒の燃焼室２に導入される吸気における吸気量、還流ガスの導入量、実還流ガス率等を、その気筒の番号とともに記憶する。その記憶する情報は、選択された一つずつの気筒に対する情報であってもよいし、同時に選択された複数の気筒に対する情報であってもよい。

以下、このエンジンの制御方法及びその流れについて、図３のグラフ図に基づいて説明する。

まず、排気ガス再循環装置１０がクローズループ制御（フィードバック制御）を行っている場合を想定する。フィードバック制御は、入力に対する出力の信号を次なる入力に反映し、繰り返しその入力と出力を行いながら、適切な目標値又は基準値になるように出力を制御する。ここでは、吸気の実酸素濃度が目標値になるように、還流ガス調整弁１２と吸気スロットル弁３の開度をフィードバック制御している。

排気ガス再循環装置１０が、排気側から吸気側への還流ガスの導入を開始する。燃焼室２に導入される吸気の実酸素濃度の情報を吸気酸素濃度検知手段２３から取得する。この情報の取得は、各気筒について１気筒づつ行われ、それぞれの気筒の情報が記憶される。

ここで、計測した実酸素濃度をＸとすると、還流ガス量は、外気からの吸入空気量の［（０．２−Ｘ）÷Ｘ］倍となり、実還流ガス率は、［（１−５Ｘ）×１００］％となる。０．２は、空気を１．０とした場合のその空気中の酸素の含有比率である。

そして、吸気酸素濃度検知手段２３により検知された吸気の実酸素濃度に対する、運転状況に応じた吸気通路４内の吸気の目標酸素濃度の濃度差の絶対値が、所定値よりも大きいどうかが判断される。この判断は吸気燃焼制御手段３１が行い、吸気燃焼制御手段３１は、その判断結果に応じた制御を行う。

例えば、図３に示す符号＃１の気筒では、実酸素濃度と目標酸素濃度とがほぼ一致しており、吸気は正しい実還流ガス率となっている。

図３に示す符号＃２、＃３，＃４の気筒では、それぞれ実酸素濃度と目標酸素濃度とが一致していない。

ここで、仮に、その濃度差の絶対値が、予め決められた所定値よりも大きくなっている場合を想定する。この場合、異常判定手段３５は、例えば、還流ガスが導入されていないにもかかわらず、実酸素濃度が目標酸素濃度よりも極端に低い場合は、還流ガス調整弁１２が固着して閉鎖できなくなっている異常状態、と判定する。逆に、例えば、還流ガスが導入されているにもかかわらず、実酸素濃度が目標酸素濃度よりも極端に高い場合は、排気通路５又は排気還流通路１１のいずれかの部分に付着物による通路の閉塞がある異常状態、と判定する。異常状態と判定された場合は、速やかに還流ガスを導入しない運転モードに移行することが警報等により運転者に促されるようになっている。

また、その濃度差の絶対値が、予め決められた所定値以下である場合を想定する。実酸素濃度と目標酸素濃度との濃度差が所定値以下の場合、例えば、符号＃２の気筒では、実酸素濃度が目標酸素濃度よりも高くなっているので、それを補正すべく、燃料噴射の進角制御が行われる。逆に、符号＃３，＃４の気筒では、実酸素濃度が目標酸素濃度よりも低くなっているので、それを補正すべく、燃料噴射の遅角制御が行われる。これにより、還流ガスの気筒分配の偏りを反映したエンジンの制御が可能となる。このような進角、遅角の制御は、主として中高負荷領域で有効であり、アイドル時等の低負荷領域では行わない構成としてもよい。

また、吸気燃焼制御手段３１は、送出バルブ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄの制御を行い、実酸素濃度を検出するためにバイパス通路２１内に取り入れた吸気の送り出し先の接続流路４ａを選択する制御を行う。

例えば、一つの気筒の接続流路４ａの吸気から検知した実酸素濃度が、全ての接続流路４ａの実酸素濃度の平均値よりも小さい時は、その取り入れた吸気を、実酸素濃度が平均値よりも高い気筒の接続流路４ａに送り出すように送出バルブ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄを制御する。選択した気筒の実酸素濃度と全ての気筒の平均値との比較で、その差が所定の閾値以上の場合のみ、そのような送り出し先の選択制御を行うようにしてもよい。また、その送り出し先は、最も実酸素濃度が高い気筒の接続流路４ａ、あるいは、実酸素濃度が高い順に選択される複数の気筒の接続流路４ａを選択することができる。

また、例えば、一つの気筒の接続流路４ａの吸気から検知した実酸素濃度が、全ての接続流路４ａの実酸素濃度の平均値よりも大きい時は、その取り入れた吸気を、実酸素濃度が平均値よりも低い気筒の接続流路４ａに送り出すように送出バルブ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄを制御する。選択した気筒の実酸素濃度と全ての気筒の平均値との比較で、その差が所定の閾値以上の場合のみ、そのような送り出し先の選択制御を行うようにしてもよい。また、その送り出し先は、最も実酸素濃度が低い気筒の接続流路４ａ、あるいは、実酸素濃度が低い順に選択される複数の気筒の接続流路４ａを選択することができる。

上記の制御において、吸気酸素濃度検知手段２３により検知された吸気の実酸素濃度と、運転状況に応じた吸気通路４内の吸気の目標酸素濃度との濃度差を評価する際に用いられる所定値、あるいは、吸気の送り出し先の選択制御の際に用いられる閾値に関し、この所定値、閾値の設定は、例えば、エンジンの回転数とエンジン負荷の二つの要素に基づいてマップ等を用いて決定することができる。所定値は、エンジンの回転数が大きくなるほど高い数値となる傾向があり、また、エンジン負荷が大きくなるほど高い数値となる傾向がある。また、閾値についても同様である。

また、運転状況に応じた吸気通路４内の吸気の目標酸素濃度に関しても、この目標酸素濃度の設定は、例えば、エンジンの回転数とエンジン負荷の二つの要素に基づいてマップ等を用いて決定することができる。目標酸素濃度は、エンジンの回転数が大きくなるほど高い数値となる傾向があり、また、エンジン負荷が大きくなるほど高い数値となる傾向がある。

上記の実施形態では、バイパス通路２１の流出口２１ａを、複数の気筒に対応する各接続流路４ａに臨ませたが、例えば、図２に示すように、この流出口２１ａを単一として、その単一の流出口２１ａを、吸気マニホールドの最上流部やサージタンクの最上流部に臨ませた構成としてもよい。これにより、バイパス通路２１内の吸気は、各気筒に平均して分配されやすくなる。

さらに、特に、吸気の送り出し先の選択の必要がない場合は、送出バルブ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄの設置を省略することもできる。また、バイパス通路２１内に取り入れる吸気の取り入れ先を選択する必要がない場合には、取入バルブ２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄの設置を省略することもできる。この構成では、全ての気筒への吸気が同時に実酸素濃度検知の対象となるので、気筒分配に影響されない吸気の計測が可能である。このため、実還流ガス率をより正確にエンジンの制御に反映できるようになる。

上記の実施形態では、自動車用のディーゼルエンジンを例に、この発明の構成を説明したが、自動車用のガソリンエンジン、その他各種のエンジンにおいても、この発明を適用できる。

１ エンジン
２ 燃焼室
３ 吸気スロットル弁
４ 吸気通路
４ａ 吸気ポート（接続流路）
５ 排気通路
５ａ 排気ポート
１０ 排気ガス再循環装置
１１ 排気還流通路
１２ 還流ガス調整弁
２０ 濃度検知バイパス装置
２１ バイパス通路
２２ ポンプ装置
２３ 吸気酸素濃度検知手段
３０ 電子制御ユニット(Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ)
３１ 吸気燃焼制御手段
３２ 取入バルブ制御手段
３３ 送出バルブ制御手段
３４ 濃度記憶手段
３５ 異常判定手段
３６ 流量調整制御手段

Claims (7)

1. 複数の気筒の燃焼室に接続される吸気通路及び排気通路と、
   前記排気通路と前記吸気通路とを結ぶ排気還流通路を通じて排気の一部を還流ガスとして吸気に導入する排気ガス再循環装置と、
   前記吸気通路の下流側端部に設けられ各気筒の前記燃焼室にそれぞれ通じる接続流路が分岐する吸気マニホールドと、
   前記各接続流路に開口し吸気を取り入れるための流入口と前記接続流路よりも上流側の前記吸気通路に開口し前記取り入れた吸気を送り出すための流出口を有するバイパス通路と、
   前記バイパス通路に設けられ取り入れた吸気の実酸素濃度を検知する吸気酸素濃度検知手段と、
   前記吸気酸素濃度検知手段により検知された実酸素濃度と運転状況に応じた前記吸気通路内の目標酸素濃度とに基づいて前記燃焼室への吸気の導入や前記燃焼室内における燃焼の制御を行う吸気燃焼制御手段と、
   を備えるエンジンの制御装置。
2. 前記バイパス通路に前記流入口から前記流出口へと気体を送り出すポンプ装置
   を備える請求項１に記載のエンジンの制御装置。
3. 前記吸気酸素濃度検知手段によって検知する吸気の取り入れ先を複数の前記接続流路の中から選択するために前記バイパス通路に設けられる取入バルブと、
   前記取入バルブの開閉を制御する取入バルブ制御手段と、
   を備える請求項１又は２に記載のエンジンの制御装置。
4. 前記取入バルブの開閉によって複数の前記接続流路の中から選択される単一の又は複数の流路から取り入れた吸気の実酸素濃度をその選択された接続流路の情報とともに記憶する濃度記憶手段を備える
   請求項３に記載のエンジンの制御装置。
5. 前記実酸素濃度と前記目標酸素濃度とに基づいて前記排気通路又は前記排気還流通路のいずれかの部分の不具合の有無を判定する異常判定手段
   を備える請求項１〜４の何れか１項に記載のエンジンの制御装置。
6. 前記流出口は、前記バイパス通路の前記各接続流路又は前記各接続流路への分岐部に対向する位置に臨んでそれぞれ設けられ、
   前記バイパス通路に取り入れられた吸気の送り出し先を複数の前記接続流路の中から選択するための送出バルブと、
   前記送出バルブの開閉を制御する送出バルブ制御手段と、
   を備える請求項１から５の何れか１項に記載のエンジンの制御装置。
7. 前記送出バルブは、検知した前記実酸素濃度が各接続流路の前記実酸素濃度の平均値よりも小さい時はその取り入れた吸気を実酸素濃度が前記平均値よりも高い接続流路に送り出すように制御され、検知した前記実酸素濃度が各接続流路の前記実酸素濃度の平均値よりも高い時はその取り入れた吸気を実酸素濃度が前記平均値よりも低い接続流路に送り出すように制御される
   請求項６に記載のエンジンの制御装置。

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