JP6614221B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Description
吸気通路を流れる吸気を過給する過給機と、
前記吸気通路の気筒側の端部に設けられた吸気弁、および、排気通路の前記気筒側の端部に設けられた排気弁と、
前記排気通路と前記気筒とを接続するEGR通路と、前記EGR通路の前記気筒側の端部に設けられたEGR弁とを有する外部EGR装置と、
前記EGR弁の開弁特性、および前記吸気弁の開弁特性のうちの少なくとも一方を可変とする可変動弁装置と、
を備える内燃機関を制御する。
前記EGR弁が開くEGR弁リフト期間は、吸気行程の一部に、または、排気行程の一部と吸気行程の一部とに跨るように設けられている。
前記制御装置は、前記吸気通路の吸気ポート内の圧力が前記EGR通路のEGRポート内の圧力よりも高い高吸気圧条件が満たされ、かつ、前記外部EGR装置によるEGRガス導入要求がない場合に、前記可変動弁装置を用いてEGRカット制御を実行する。
前記制御装置は、前記EGRカット制御において、前記吸気弁が前記EGR弁よりも後に前記吸気行程において開き、かつ、前記EGR弁を介した前記気筒内から前記EGR通路への流出ガス量が前記EGR弁を介した前記EGR通路から前記気筒内への流入ガス量と等しくなるように、前記EGR弁のリフトカーブと前記吸気弁のリフトカーブとが重なる部分の面積であるオーバーラップ面積を調整する。
前記EGR通路は、前記EGRカット制御の実行中に前記EGR弁を介して前記気筒内から前記EGR通路に流出するガスを蓄えられるように構成されている。
まず、図1〜図7を参照して、本発明の実施の形態1について説明する。
図1は、本発明の実施の形態1に係るシステムの構成を説明するための図である。図1に示すシステムは、圧縮着火式の内燃機関(ディーゼルエンジン)10を備えている。内燃機関10は、例えば、車両に搭載される。内燃機関10は、一例として直列4気筒型エンジンであるが、内燃機関の気筒数は、4つ以外の任意の1または複数であってもよい。また、本発明の対象となる内燃機関は、圧縮着火式の内燃機関に代え、例えば、火花点火式の内燃機関(例えば、ガソリンエンジン)であってもよい。
内燃機関10は、過給エンジンであり、過給機の一例として、ターボ過給機20を備えている。より詳細には、ターボ過給機20は、一例として、タービン22とコンプレッサ24と可変ノズル機構26とを備える可変ノズル式ターボ過給機である。タービン22は排気エネルギによって回転駆動される。コンプレッサ24はタービン22とともに回転して吸入空気を過給する。可変ノズル機構26によれば、複数の可変ノズルベーンの開度(VN開度)を変更してタービン22に流入する排気ガスの流速を変化させることで、過給圧を調整することができる。
内燃機関10の各気筒12には、吸気通路30が連通している。具体的には、吸気通路30の入口付近には、エアクリーナ32が取り付けられている。エアクリーナ32には、吸気通路30に取り入れられた空気(新気)の流量に応じた信号を出力するエアフローセンサ34と、この空気の湿度に応じた信号を出力する湿度センサ36とが設けられている。
また、各気筒12には、排気通路60が連通している。具体的には、シリンダヘッド14の内部には、各気筒(各燃焼室)12と排気マニホールド62とを接続する排気ポート64が形成されている。排気マニホールド62および排気ポート64内の通路は排気通路60の一部として機能する。図1に示す例では、排気ポート64は、気筒12毎に1つ設けられている。
図1に示す内燃機関10は、外部EGR装置(以下、単に「EGR装置」とも称する)80を備えている。EGR装置80は、EGR通路82とEGR弁84とEGRクーラ86とを備えている。EGR通路82は、排気通路60と各気筒12とを接続する。EGRガス流量の制御は、後述のように可変動弁装置100を用いて行われる。
EGR通路82は、後述のEGRカット制御の実行中にEGR弁84を介して気筒12内からEGR通路82に流出するガス(主に新気)を蓄えられるように構成されている。より詳細には、内燃機関10は、複数(4つ)の気筒12を有しているため、EGR通路82は、EGRカット制御の実行中に各気筒12からEGR通路82に流出したガスをEGR通路82の外(すなわち、排気通路60内)にまで流出させない大きさの容積が確保されるように構成されている。
図1に示す内燃機関10の例では、気筒12(燃焼室)を開閉するバルブとして、4つの弁が設けられている。そのうちの2つは、吸気通路30(吸気ポート44)の気筒12側の端部に設けられた吸気弁50であり、他の1つは、排気通路60の気筒12側の端部に設けられた排気弁72であり、残りの1つは、上記のEGR弁84である。これらの弁50、72、84は、典型的には、何れもポペット型のバルブである。なお、これらの弁50、72、84のそれぞれの数は、上記の例に限定されず、他の任意の数であってもよい。
図1に示すように、本実施形態のシステムは、さらに電子制御ユニット(ECU)110を備えている。ECU110には、内燃機関10およびこれを搭載する車両に搭載された各種センサと、内燃機関10の運転を制御するための各種アクチュエータとが電気的に接続されている。
(高過給とEGRガス導入の両立)
本実施形態の外部EGR装置80と異なり、高圧ループ(HPL:High Pressure Loop)式のEGR装置では、EGR通路は、タービンよりも上流側の排気通路に接続される。このため、EGRガスの導入が行われるときには、タービンに流入する排気ガスの量が減少してしまう。また、EGR通路がタービンよりも上流側の排気通路に接続されていると、タービンよりも上流側の排気通路の容積がEGR通路分だけ増加する。その結果、排気脈動が減衰してしまい、タービン仕事の低下が懸念される。これらの理由により、HPL式のEGR装置が採用されると、過給圧を高くすることが困難になる可能性がある。
また、HPL式のEGR装置では、EGR通路は、スロットルよりも下流側の吸気通路に接続される。このような構成では、ターボ効率が良いために吸気通路内の圧力が排気通路内の圧力よりも高い条件においては、EGR通路を開閉するEGR弁が開かれると、吸気通路を流れる新気がEGR通路に吹き抜けてしまう。このため、この条件では、EGRガスの導入を行うことが困難となる。
排気通路と吸気通路とを接続するEGR通路を備える構成(例えば、上記のHPL式または、低圧ループ(LPL:Low Pressure Loop)式のEGR装置)では、EGR弁から気筒までの距離が長くなるため、EGR弁の開度を調整しても、気筒内に吸入されるEGRガスの量が実際に変化するまでに時間を要する(すなわち、EGRガスの導入遅れが大きい)。
2−1.EGRガスの導入およびEGRガス流量の調整
上述の外部EGR装置80および可変動弁装置100を備える内燃機関10では、EGRガスの導入およびEGRガス流量の調整は、吸気弁50の開弁特性の制御およびEGR弁84の開弁特性の制御によって実行される。
内燃機関10では、エンジン負荷(燃料噴射量)とエンジン回転速度とにより特定されるエンジン運転領域内の個々のエンジン動作点に対して、目標EGR率が設定されている。また、内燃機関10では、エンジン運転領域内の個々のエンジン動作点に対して、目標新気量が設定されている。新気量の制御は、例えば、スロットル40の開度とVN開度の調整によって行うことができる。
図3は、EGRガスの導入時に用いられるマップM1における吸気弁50およびEGR弁84の位相、リフト量および作用角の設定例を示している。図3に示す例は、吸気ポート44内の圧力が排気ポート64内の圧力よりも低い条件を対象としている。この例では、吸気行程においてEGR弁84および吸気弁50が順に開き、かつ、EGR弁84のリフトカーブの一部が吸気弁50のリフトカーブの一部と重なっている。EGR弁84と吸気弁50の両方が開いていると、EGR弁84が単独で開いているときと比べて、吸気弁50を介した新気の流入量分だけEGRガスの流入量が減少する。したがって、吸気弁50の開弁特性およびEGR弁84の開弁特性のうちの少なくとも一方の調整によってこれらのリフトカーブが重なる部分の面積であるオーバーラップ面積(以下、「O/L面積」と称する)が広くなると、EGRガス流量が減少し、EGR率が低くなる。
内燃機関10の運転中には、EGRガスの導入が必要とされない場合がある。EGR装置80および可変動弁装置100を備える内燃機関10では、吸気ポート44内の圧力がEGRポート90内の圧力よりも高い圧力条件(以下、単に「高吸気圧条件」と称する)においてEGRガス導入要求がない場合には、次のような「EGRカット制御」が実行される。
本実施形態のEGRカット制御では、一例として、上記のO/L面積の調整は、EGR弁84の位相、リフト量および作用角、ならびに吸気弁50の位相、リフト量および作用角の双方の調整によって実行される。しかしながら、以下に図4〜図6を参照して行われる排気ガスの再循環停止の原理についての説明では、説明の簡素化のために、EGRカット制御としてEGR弁84の位相の調整のみが行われる例を利用する。
図7は、本発明の実施の形態1に係るEGRカット制御に関する処理のルーチンを示すフローチャートである。ECU110は、内燃機関10の運転中に、本ルーチンの処理を所定の周期で繰り返し実行する。
以上説明した本実施形態のEGRカット制御によれば、吸気行程において開くEGR弁84よりも後に吸気弁50が吸気行程において開き、かつ、EGR弁84に関する流出ガス量Goutが流入ガス量Ginと等しくなるようにEGR弁84のリフトカーブと吸気弁50のリフトカーブについてのO/L面積が調整される。そして、EGR通路82は、EGRカット制御の実行中にEGR弁84を介して気筒12内からEGR通路82に流出するガスを蓄えられるように構成されている。したがって、EGRカット制御が実行されると、EGR弁リフト期間中には、EGR弁84を介して気筒12とEGR通路82との間でガスが出入りすることになる。このため、EGR通路82を介した気筒12から排気通路60への新気の吹き抜けを抑制しつつ、外部EGR装置80による排気ガスの再循環(すなわち、外部EGRガスの導入)を実質的に停止させられるようになる。
次に、図8を参照して、本発明の実施の形態2について説明する。
実施の形態2に係るシステムの構成は、可変動弁装置の構成において、実施の形態1に係るシステムの構成と相違している。具体的には、本実施形態で用いられる可変動弁装置は、吸気可変動弁装置を備えているがEGR可変動弁装置を備えていない。そして、この吸気可変動弁装置は、位相可変機能のみを備えている。EGR弁84は、EGR動弁装置によって一定の開弁特性で駆動される。
図8(A)、(B)は、高吸気圧条件におけるEGR弁84の通過ガス量[g]とEGR弁84と吸気弁50とのO/L期間との関係を表している。図8に示す例では、吸気弁50の位相の調整によってO/L期間が変更される。
以上説明した実施の形態2に係るEGRカット制御によれば、吸気弁50の位相の調整のみが可能な簡素な吸気可変動弁装置を備えさえすれば、EGR通路82を介した気筒12から排気通路60への新気の吹き抜けを抑制しつつ、外部EGR装置80による排気ガスの再循環を実質的に停止させられるようになる。このため、可変動弁装置に要するコストを低く抑えつつ、EGRカット機能を実現できる。
次に、図9を参照して、本発明の実施の形態3について説明する。
実施の形態3に係るシステムの構成は、可変動弁装置の構成において、実施の形態2に係るシステムの構成と相違している。具体的には、本実施形態で用いられる吸気可変動弁装置は、位相可変機能とともにリフト量&作用角連続可変機能を備えている。なお、吸気弁50の閉じ時期を略一定としつつリフト量および作用角を連続的に可変させられる機構を利用する場合であれば、本実施形態のEGRカット制御に用いられる吸気可変動弁装置は、位相可変機能を有していなくてもよい。
図9(A)、(B)は、高吸気圧条件におけるEGR弁84の通過ガス量[g]とEGR弁84と吸気弁50とのO/L期間との関係を表している。図9に示す例では、吸気弁50のリフト量および作用角(および位相)の調整によってO/L期間が変更される。
以上説明した実施の形態3に係るEGRカット制御によっても、EGR弁84の位相の調整を利用する例と比べてポンプロスの低減を図りつつ、EGRカット機能を実現できる。
1.実施の形態4に係るシステムの構成例
実施の形態4に係るシステムの構成は、可変動弁装置の構成において、実施の形態1に係るシステムの構成と相違している。具体的には、本実施形態で用いられる可変動弁装置は、EGR可変動弁装置を備えているが吸気可変動弁装置を備えていない。そして、このEGR可変動弁装置は、位相可変機能のみを備えている。吸気弁50は、吸気動弁装置によって一定の開弁特性で駆動される。
ここでは、本実施形態のEGRカット制御の説明のために、実施の形態1の図4、5を参照する。既述したように、図4、5に示す例では、O/L2が選択されたときに、流入ガス量Ginと流出ガス量Goutとが等しくなり、その結果、EGR弁84の通過ガス量がゼロとなっている。
以上説明した実施の形態4に係るEGRカット制御によれば、EGR弁84の位相の調整のみが可能な簡素なEGR可変動弁装置を備えさえすれば、排気ガスの再循環を実質的に停止させられる。このため、可変動弁装置に要するコストを低く抑えつつ、EGRカット機能を実現できる。
次に、図10および図11を参照して、本発明の実施の形態5について説明する。なお、以下の説明では、実施の形態5に係るシステムの構成の一例として、図1に示す構成が用いられているものとする。
1−1.スロットルの制御領域
図10は、図1に示すスロットル40の制御領域の一例を説明するための図である。図10には、エンジン負荷(燃料噴射量)とエンジン回転速度とにより特定されるエンジン運転領域上に、スロットル40の制御領域R1およびR2が表されている。また、制御領域R2は、制御領域R3〜R5を含んでいる。
本実施形態のEGRカット制御の基本的な制御内容は、実施の形態1と同様である。そのうえで、このEGRカット制御では、ECU110は、スロットル40の開度が全開開度未満であり(すなわち、スロットル40の制御領域がR2であり)、かつ、EGRガス導入要求がないときには、スロットル40を開くことにより高吸気圧条件が満たされるか否かを判定する。そして、ECU110は、スロットル40を開くことにより高吸気圧条件が満たされる場合(すなわち、制御領域がR4である場合)には、スロットル40を開いて高吸気圧条件を満たしつつEGRカット制御を実行する。
図11は、本発明の実施の形態5に係るEGRカット制御に関する処理のルーチンを示すフローチャートである。図11に示すルーチン中のステップS100〜S108の処理については、実施の形態1において既述した通りである。
以上説明したように、本実施形態のEGRカット制御によれば、EGR導入要求がないときにスロットル40の開度が全開開度未満であっても、スロットル40を開くことにより高吸気圧条件が満たされる場合には、スロットル40を開いて高吸気圧条件を満たしつつEGRカット制御が実行される。これにより、このようなスロットル40の制御が行われない例と比べて、EGRカット制御の対象となるエンジン運転領域を広げることができる。
(EGR弁の開き時期が排気行程にある例)
上述した実施の形態1〜5においては、EGR弁リフト期間は吸気行程中にのみ設けられている。しかしながら、本発明に係るEGR弁リフト期間は、上記の例に代え、以下の図12に示す例のように排気行程の一部と吸気行程の一部とに跨るように設けられてもよい。
本発明に係るEGRカット制御において流出ガス量Goutを流入ガス量Ginと等しくさせるためのO/L面積の調整手法は、EGR弁84の開弁特性および吸気弁50の開弁特性のうちの少なくとも一方を利用して行われるものであれば、上述の例に限られない。そして、EGR弁84の開弁特性の調整対象は、例えば、EGR弁84の位相、リフト量および作用角のうちの少なくとも1つであってもよく、同様に、吸気弁50の開弁特性の調整対象は、例えば、吸気弁50の位相、リフト量および作用角のうちの少なくとも1つであってもよい。なお、EGR弁84および吸気弁50の少なくとも一方のリフト量のみが調整される例では、リフト量の調整により、O/L期間は変化せずにO/L面積が調整されることになる。
上述した内燃機関10においては、EGR通路82は、タービン22よりも下流側において排気通路60に接続されている。これにより、既述したように、高過給を実現しつつEGRガスを導入できるようになる。しかしながら、本発明に係るEGR通路は、上記の例に代え、タービンよりも上流側において排気通路に接続されてもよい。
上述した実施の形態1〜5においては、可変ノズル機構26を備えるターボ過給機20を例に挙げた。しかしながら、本発明に係る「過給機」は、上記の例に代え、例えば、可変ノズル機構を備えないターボ過給機、電動過給機、または、内燃機関のクランク軸のトルクを動力とする機械式過給機であってもよい。
12 気筒
14 シリンダヘッド
20 ターボ過給機
22 タービン
26 可変ノズル機構
30 吸気通路
34 エアフローセンサ
36 湿度センサ
40 スロットル
42 吸気マニホールド
44 吸気ポート
50 吸気弁
60 排気通路
62 排気マニホールド
64 排気ポート
72 排気弁
80 外部EGR装置
82 EGR通路
84 EGR弁
88 EGRマニホールド
90 EGRポート
100 可変動弁装置
102 吸気可変動弁装置
104 EGR可変動弁装置
110 電子制御ユニット(ECU)
Claims (5)
- 吸気通路を流れる吸気を過給する過給機と、
前記吸気通路の気筒側の端部に設けられた吸気弁、および、排気通路の前記気筒側の端部に設けられた排気弁と、
前記排気通路と前記気筒とを接続するEGR通路と、前記EGR通路の前記気筒側の端部に設けられたEGR弁とを有する外部EGR装置と、
前記EGR弁の開弁特性、および前記吸気弁の開弁特性のうちの少なくとも一方を可変とする可変動弁装置と、
を備える内燃機関を制御する制御装置であって、
前記EGR弁が開くEGR弁リフト期間は、吸気行程の一部に、または、排気行程の一部と吸気行程の一部とに跨るように設けられ、
前記制御装置は、前記吸気通路の吸気ポート内の圧力が前記EGR通路のEGRポート内の圧力よりも高い高吸気圧条件が満たされ、かつ、前記外部EGR装置によるEGRガス導入要求がない場合に、前記可変動弁装置を用いてEGRカット制御を実行し、
前記制御装置は、前記EGRカット制御において、
前記吸気弁が前記EGR弁よりも後に前記吸気行程において開き、かつ、
前記EGR弁を介した前記気筒内から前記EGR通路への流出ガス量が前記EGR弁を介した前記EGR通路から前記気筒内への流入ガス量と等しくなるように、前記EGR弁のリフトカーブと前記吸気弁のリフトカーブとが重なる部分の面積であるオーバーラップ面積を調整し、
前記EGR通路は、前記EGRカット制御の実行中に前記EGR弁を介して前記気筒内から前記EGR通路に流出するガスを蓄えられるように構成されている
ことを特徴とする内燃機関の制御装置。 - 前記可変動弁装置は、前記吸気弁の位相を可変とし、
前記制御装置は、前記EGRカット制御において、前記吸気弁の位相の調整によって、前記流出ガス量が前記流入ガス量と等しくなるように前記オーバーラップ面積を調整する
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。 - 前記可変動弁装置は、前記吸気弁のリフト量および作用角のうちの少なくとも一方を可変とし、
前記制御装置は、前記EGRカット制御において、前記吸気弁のリフト量および前記吸気弁の作用角のうちの少なくとも一方の調整によって、前記流出ガス量が前記流入ガス量と等しくなるように前記オーバーラップ面積を調整する
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。 - 前記内燃機関は、前記吸気通路に設けられたスロットルを含み、
前記制御装置は、前記スロットルの開度が全開開度未満であり、かつ、前記EGRガス導入要求がないときに、前記スロットルを開くことにより前記高吸気圧条件が満たされる場合には、前記スロットルを開いて前記高吸気圧条件を満たしつつ前記EGRカット制御を実行する
ことを特徴とする請求項1〜3の何れか1つに記載の内燃機関の制御装置。 - 前記過給機は、前記吸気通路に配置されたコンプレッサと、前記排気通路に配置されたタービンとを有するターボ過給機であって、
前記EGR通路は、前記タービンよりも下流側において前記排気通路に接続されている
ことを特徴とする請求項1〜4の何れか1つに記載の内燃機関の制御装置。
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