JP2018071383A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低回転高負荷の運転領域において気筒に供給するべき過吸気の過給圧をより高める。【解決手段】排気通路上に配置したタービンにより吸気通路上に配置したコンプレッサを駆動する排気ターボ過給機、及び、排気通路におけるタービンの上流側と吸気通路におけるコンプレッサの下流側とをＥＧＲ通路により接続し当該ＥＧＲ通路を介してＥＧＲガスを還流させて吸気に混交する排気ガス再循環装置が付帯した内燃機関を制御するものであって、エンジン回転数が所定以下かつアクセル開度が所定以上であるときに、気筒に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりもリッチとなるように燃料噴射量を増量し、なおかつＥＧＲ通路を開閉するＥＧＲバルブを開弁してＥＧＲ通路を介して吸気通路から排気通路に新気を送り込む内燃機関の制御装置を構成した。【選択図】図２

Description

本発明は、排気ターボ過給機及び排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置が付帯した内燃機関を制御する制御装置に関する。

気筒から排出される排気ガスの持つエネルギを利用して排気タービン（タービンホイール）を回転させ、その回転をコンプレッサのインペラ（コンプレッサホイール）に伝達し、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒へと送り込む排気ターボ過給機が周知である。

排気ターボ過給機を備える内燃機関には、ウェイストゲートを付設することが通例である。ウェイストゲートバルブは、排気通路におけるタービンの上流側と下流側とを接続するバイパスを開閉するものであり、吸気通路を流通する吸気の圧力が過剰に大きくならないよう抑制する役割を担う。ウェイストゲートバルブが開くのは、通常、スロットルバルブが全開または全開に近い全負荷ないし高負荷の運転領域においてである。

一般的なウェイストゲートバルブは、過給気の圧力をダイアフラム室に導入しその過給圧を利用してダイアフラム及びこれに接続したウェイストゲートバルブを駆動する態様のアクチュエータにより駆動される。このダイアフラム式アクチュエータには、ダイアフラム室を大気に開放し得る調整バルブ（Ｖａｃｕｕｍ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｖａｌｖｅ）が付随しており、ＶＳＶの開度をデューティ制御することを通じてウェイストゲートバルブの開度を調節し、以て過給圧の制御を実現することができる（以上、例えば下記特許文献を参照）。

アクセル開度即ち内燃機関に対する要求負荷が大きいがエンジン回転数は低い低回転高負荷の運転領域では、ＶＳＶを全閉してダイアフラム室に過給圧の全部を印加したとしても、ウェイストゲートバルブが開かず、排気ガスが全て排気タービンに流入する。それにもかかわらず、気筒に供給するべき吸気の圧力が要求負荷に見合うほど十分には高まらず、エンジントルクが不足して加速性能に不満が残ることがあった。

特開２０１５−１４０６９７号公報

本発明は、低回転高負荷の運転領域において気筒に供給するべき過給気の圧力をより高めることを所期の目的としている。

上述した課題を解決するべく、本発明では、排気通路上に配置したタービンにより吸気通路上に配置したコンプレッサを駆動する排気ターボ過給機、及び、排気通路におけるタービンの上流側と吸気通路におけるコンプレッサの下流側とをＥＧＲ通路により接続し当該ＥＧＲ通路を介してＥＧＲガスを還流させて吸気に混交するＥＧＲ装置が付帯した内燃機関を制御するものであって、エンジン回転数が所定以下かつアクセル開度が所定以上であるときに、気筒に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりもリッチとなるように燃料噴射量を増量し、なおかつＥＧＲ通路を開閉するＥＧＲバルブを開弁してＥＧＲ通路を介して吸気通路から排気通路に新気を送り込む内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、低回転高負荷の運転領域において気筒に供給するべき過吸気の圧力をより高めることができる。

本発明の一実施形態における車両用内燃機関の全体構成を示す図。 同実施形態の制御装置がプログラムに従い実行する処理の手順例を示すフロー図。

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。本実施形態の内燃機関は、火花点火式の４ストローク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。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起こすものである。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、排気ターボ過給機５のコンプレッサ５１、インタクーラ３５、吸気絞り用のバルブである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する排気を各気筒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の排気タービン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弁であるウェイストゲートバルブ４４を設けてある。

排気ターボ過給機５は、排気タービン５２とコンプレッサのインペラ５１とをシャフト５３を介して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、タービン５２及びインペラ５１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。

ウェイストゲートバルブ４４は、ダイアフラム式のアクチュエータ６により開閉駆動する。アクチュエータ６は、ダイアフラム６０により隔てられたダイアフラム室６１及び定圧室６２を有し、ダイアフラム室６１と定圧室６２との差圧を利用してダイアフラム６０を変位させる。ダイアフラム６０とウェイストゲートバルブ４４とは、バルブロッド６３を介して連結している。ダイアフラム室６１と定圧室６２との差圧が所定のセット圧を超えると、ダイアフラム６０及びバルブロッド６３が、スプリング６４の弾性付勢力に抗して、ダイアフラム室６１側から定圧室６２側に向かって変位する。結果、バイパス通路４３を閉鎖していたウェイストゲートバルブ４４が駆動されて、バイパス通路４３が開放される。これに対し、ダイアフラム室６１と定圧室６２との差圧がセット圧以下であるときには、スプリング６４の弾性付勢力によりダイアフラム６０及びバルブロッド６３が元の位置に復帰し、ウェイストゲートバルブ４４が完全に閉じて、バイパス通路４３が閉鎖される。

アクチュエータ６のダイアフラム室６１には、吸気通路３におけるコンプレッサ５１の下流側かつスロットルバルブ３２の上流側の部位の吸気の圧力、つまりは過給圧を導入する。そのために、ダイアフラム室６１と吸気通路３の当該部位とを連通させる過給圧導入流路７１と、過給圧導入流路７１ひいてはダイアフラム室６１を大気に開放する圧抜流路７２と、圧抜流路７２を開閉する調整バルブ（Ｖａｃｕｕｍ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｖａｌｖｅ）７３とを設けている。

ＶＳＶ７３は、制御信号ｌを受けてその開度を変化させるソレノイドバルブ等の既知の流量制御弁である。ＶＳＶ７３の開度を操作すれば、吸気通路３から過給圧導入流路７１に流入する過給気の一部を圧抜流路７２経由で大気に逃がし、ダイアフラム室６１の圧力の大きさを制御することができる。アクチュエータ６の定圧室６２には、通常、大気圧を導入する。

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における排気タービン５２の上流側の所定箇所（排気マニホルド４２であることがある）と吸気通路３におけるインタクーラ３５及びスロットルバルブ３２の下流側の所定箇所（サージタンク３３であることがある）とを連通させる外部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。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）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。

ＥＣＵ０の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クランク角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、内燃機関に対する要求負荷、要求出力）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（過給圧）を検出する吸気温・吸気圧センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、内燃機関の温度を示唆する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、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、車載のバッテリの充電状態を示唆する指標（バッテリ電流及び／またはバッテリ電圧）を検出するセンサから出力されるバッテリ状態信号ｈ等が入力される。

ＥＣＵ０の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２３に対して開度操作信号ｌ、ＶＳＶ７３に対して開度操作信号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、点火タイミング、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲガス量）等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。

アクセル開度即ち内燃機関に対する要求負荷が大きいがエンジン回転数が低い低回転高負荷の運転領域では、ＶＳＶ７３を全閉してアクチュエータ６のダイアフラム室６１に過給圧の全部を印加したとしても、ダイアフラム６０及びバルブロッド６３が変位せずにウェイストゲートバルブ４４が開かず、排気ガスが全て排気タービン５２に流入する。なお、ＶＳＶ７３を全閉してもウェイストゲートバルブ４４が開かないようなエンジン回転数の上限は、インターセプトポイントと呼ばれる。エンジン回転数がインターセプトポイントを超えると、ウェイストゲートバルブ４４が開き始める。

低負荷高回転の運転領域では、全排気ガスがタービン５２に流入するにもかかわらず、排気ターボ過給機５の仕事が大きくならず、気筒１に供給するべき吸気の過給圧力が要求負荷に見合うほどに高まらないことがある。その結果、要求負荷に対してエンジントルクが不足し、十分な加速性能を得られないという問題がある。

そこで、図２に示すように、本実施形態のＥＣＵ０は、エンジン回転数がインターセプトポイントの回転数以下であり（ステップＳ１）、かつアクセル開度が全開または全開に近い閾値以上である（ステップＳ２）ときに、気筒１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりもリッチとなるようにインジェクタ１１から噴射する燃料の量を増量し（ステップＳ４）、なおかつＥＧＲバルブ２３を開弁してＥＧＲ通路２１を開通させる（ステップＳ５）処理を実行する。

エンジン回転数がインターセプトポイント以下の低回転領域で、アクセル開度、換言すればスロットルバルブ３２の開度が全開または全開に近くなっていると、排気通路４に接続しているＥＧＲ通路２１の入口の近傍の排気圧力が、吸気通路３に接続しているＥＧＲ通路２１の出口の近傍の吸気圧力を下回る。このときに、ＥＧＲバルブ２１を開弁すると、吸気通路３を流通する新気が、ＥＧＲ通路２１経由で排気通路４における排気タービン５２の上流側に流れ込むこととなる。その状態で、排気通路４に空燃比リッチの燃焼ガスが送り込まれると、燃焼ガスに含まれる未燃の燃料成分が新気に含まれる酸素と反応して酸化（または、燃焼）する。結果、排気タービン５２に流入するガスが高温高圧化し、排気ターボ過給機５による仕事が増大して、吸気通路３を気筒１に向けて流れる吸気の過給圧が高まる。ひいては、加速に必要となる十分なエンジントルクを得ることが可能となる。

本実施形態では、排気通路４上に配置したタービン５２により吸気通路３上に配置したコンプレッサ５１を駆動する排気ターボ過給機５、及び、排気通路４におけるタービン５２の上流側と吸気通路３におけるコンプレッサ５１の下流側とをＥＧＲ通路２１により接続し当該ＥＧＲ通路２１を介してＥＧＲガスを還流させて吸気に混交する排気ガス再循環装置２が付帯した内燃機関を制御するものであって、エンジン回転数が所定以下かつアクセル開度が所定以上であるときに、気筒１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりもリッチとなるように燃料噴射量を増量し、なおかつＥＧＲ通路２１を開閉するＥＧＲバルブ２３を開弁してＥＧＲ通路２１を介して吸気通路３から排気通路４に新気を送り込む内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、低回転高負荷の運転領域において、気筒１に供給するべき過吸気の圧力をより高めてエンジントルクを増大させることができる。また、エンジン回転数がインターセプトポイントの回転数以下であり、アクセル開度が全開または全開に近い閾値以上であることを条件として、ＥＧＲバルブ２３の開操作及び燃料噴射量の増量補正を行うこととしており、背圧即ち排気通路４の排気圧力を計測するためのセンサを設置せずとも、吸気通路３におけるコンプレッサ５１の下流から排気通路４におけるタービン５２の上流に新気を送り込む処理を実行することができる。

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、図２に示しているように、エンジン回転数が所定以下かつアクセル開度が所定以上であった（ステップＳ１及びＳ２）としても、排気通路４の温度が所定以下である（ステップＳＳ３）場合には、空燃比のリッチ化及びＥＧＲバルブ２３の開弁（ステップＳ４及びＳ５）を行わないこととしてもよい。排気通路４の温度が十分に高まっていない状況下で、排気通路４に未燃燃料及び新気を送り込んだとしても、燃料の酸化反応を生じない可能性があり、余剰の燃料が無駄となる上にエミッションの悪化をもたらす懸念が生じるからである。現在の排気通路４の温度は、当該排気通路４におけるタービン５２の上流側の部位（特に、排気マニホルド４２）に温度センサを設置して実測してもよいが、現在の内燃機関の冷却水温、及び／または、直近の過去の所定期間内における吸気量若しくは燃料噴射量の積算量（時間積分）を基に推定することもできる。言うまでもなく、冷却水温が高いほど、また直近の過去の所定期間内における吸気量若しくは燃料噴射量の積算量が多いほど、排気通路４の温度は高いと推定される。

その他、各部の具体的構成や処理の手順等は、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…排気ガス再循環（ＥＧＲ）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
３５…インタクーラ
４…排気通路
４３…バイパス通路
４４…ウェイストゲートバルブ
５…排気ターボ過給機
５１…コンプレッサ
５２…タービン
６…アクチュエータ
６０…ダイアフラム
６１…ダイアフラム室
６２…定圧室
７１…過給圧導入流路
７２…圧抜流路
７３…調整バルブ（ＶＳＶ）

Claims (1)

1. 排気通路上に配置したタービンにより吸気通路上に配置したコンプレッサを駆動する排気ターボ過給機、及び、排気通路におけるタービンの上流側と吸気通路におけるコンプレッサの下流側とをＥＧＲ通路により接続し当該ＥＧＲ通路を介してＥＧＲガスを還流させて吸気に混交する排気ガス再循環装置が付帯した内燃機関を制御するものであって、
   エンジン回転数が所定以下かつアクセル開度が所定以上であるときに、気筒に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりもリッチとなるように燃料噴射量を増量し、なおかつＥＧＲ通路を開閉するＥＧＲバルブを開弁してＥＧＲ通路を介して吸気通路から排気通路に新気を送り込む内燃機関の制御装置。

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