JP2015169164A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の燃料カット制御に起因したエミッションの悪化及びドライバビリティの低下を抑制する。
【解決手段】排気通路を流れる排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路に還流させ吸気に混交することのでき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、気筒への燃料供給を一時中断する燃料カットの実行中、気筒に流入する吸気の圧力を目標吸気圧に収束させるように吸気通路上の吸気絞りバルブの開度及びＥＧＲ通路上のＥＧＲバルブの開度を操作するとともに、排気通路の温度または排気浄化用の触媒の温度が低いほど気筒に流入する吸気中に占めるＥＧＲガスの割合であるＥＧＲ率を高くする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装置が公知である（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。

また、車両に搭載される内燃機関では、その運転状況に応じて燃料噴射を一時的に停止する燃料カットを行うことが知られている（例えば、下記特許文献２を参照）。通常、アクセルペダルの踏込量が０または０に近い閾値以下となり、かつエンジン回転数が燃料カット許可回転数以上あるときに、燃料カット条件が成立したものとして燃料カットを開始する。そして、アクセルペダルの踏込量が閾値を上回った、エンジン回転数が燃料カット復帰回転数まで低下した等の何れかの燃料カット終了条件が成立したときに、燃料カットを終了、燃料噴射を再開する。

特開２０１２−１６７６０１号公報 特開平１０−０３０４７７号公報

燃料カット中は、気筒において燃料の燃焼が起こらず、燃焼ガスを含まない低温の空気が排気通路を介して排気浄化用の三元触媒に流入する。結果、触媒内に多量の酸素が充満する上、触媒の温度も低下することから、触媒による有害物質の浄化能率が低減して、燃料噴射の再開後にエミッションの悪化を招く懸念がある。

また、内燃機関の経年変化として、吸気通路上の吸気絞りバルブ（スロットルバルブやＩＳＣ（Ｉｄｌｅ Ｓｐｅｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ）バルブ等）にデポジットが付着堆積し、吸気絞りバルブの開度に対する吸気流量が減少してゆく。このような経年変化により、燃料カット中のエンジンブレーキ作用の強さを一定の度合いに保つために必要となる吸気絞りバルブの開度の大きさは変わる。にもかかわらず、従前は、燃料カット中に吸気バルブをある一定の開度に操作していた。そのため、燃料カット中の内燃機関及び車両の減速度が変化することになり、ドライバビリティの低下につながり得る。

本発明は、内燃機関の燃料カット制御に起因するエミッションの悪化及びドライバビリティの低下を抑制することを所期の目的としている。

本発明では、排気通路を流れる排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路に還流させ吸気に混交することのできるＥＧＲ装置が付帯した内燃機関を制御するものであって、気筒への燃料供給を一時中断する燃料カットの実行中、気筒に流入する吸気の圧力を目標吸気圧に収束させるように吸気通路上の吸気絞りバルブの開度及びＥＧＲ通路上のＥＧＲバルブの開度を操作するとともに、排気通路の温度または排気浄化用の触媒の温度が低いほど気筒に流入する吸気中に占めるＥＧＲガスの割合であるＥＧＲ率を高くする内燃機関の制御装置を構成した。

つまり、燃料カット中に必要に応じてＥＧＲバルブを開弁してＥＧＲを行い、気筒に流入する吸気の酸素濃度を引き下げつつ吸気の温度を高めるようにしたのである。なお、ＥＧＲを行うと内燃機関のポンピングロスが低減し、内燃機関及び車両の減速度が低下することになるが、本発明にあっては、予め目標吸気圧を設定し、気筒に流入する吸気の圧力をこの目標吸気圧に追従させることでポンピングロスの変動を抑え、ひいては減速度の変動を抑制する。

また、燃料カット中、上記のＥＧＲ率が高いほど目標吸気圧を低くすることが好ましい。さすれば、ＥＧＲ率即ち排気通路の温度如何によらず内燃機関及び車両の減速度を好適な大きさに調整でき、ドライバビリティを高く保つことができる。

本発明によれば、内燃機関の燃料カット制御に起因したエミッションの悪化及びドライバビリティの低下を抑制できる。

本発明の一実施形態における内燃機関及び制御装置の構成を示す図。 同実施形態の制御装置が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。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の４ストロークエンジンであり、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。

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、吸気絞りバルブた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。

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。

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。

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（運転者が要求する機関出力、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、シフトレバーのレンジを知得するためのセンサ（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、外気温を検出する気温センサから出力される外気温信号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。

原則として、気筒１に充填される吸気について要求されるＥＧＲ率は、アクセル開度が中程度の中負荷運転領域において最も高く、そこからアクセル開度が縮小するほど低下し、またアクセル開度が拡大するほど低下する。アクセル開度が全開または全開に近い全負荷運転領域では、要求ＥＧＲ率は０となり、ＥＧＲバルブ２３を全閉する。

また、ＥＣＵ０は、運転状況に応じてインジェクタ１１からの燃料噴射を一時的に停止する燃料カットを実行する。ＥＣＵ０は、アクセル開度が０または０に近い閾値以下となり、かつエンジン回転数が燃料カット許可回転数以上あることを少なくとも条件として、燃料カット条件が成立したものと判断する。

因みに、燃焼カット条件が成立したとしても、即座に気筒１への燃料噴射を停止するわけではない。ＥＣＵ０は、燃料カット条件の成立後も気筒１に燃料を噴射して燃焼させる運転を維持しつつ、燃料噴射を停止してよい状況が整ったときにはじめて燃料噴射（及び、点火）を停止する。燃料噴射を停止してよい状況とは、エンジントルクが必要十分に低下し、燃料噴射を停止しても大きなトルクショックを引き起こさないような状況のことである。燃料カット条件の成立時点から燃料カットの開始時点までの遅延時間においては、点火タイミングを遅角して積極的にエンジントルクを低下させる。

燃料カット条件の成立後、燃料カット終了条件が成立したならば、燃料カットを終了して燃料噴射（及び、点火）を再開する。ＥＣＵ０は、運転者によりアクセルペダルが踏まれてアクセル開度が閾値を上回った、エンジン回転数が燃料カット復帰回転数まで低下した等の何れかが成立したときに、燃料カット終了条件が成立したものと判断する。

しかして、本実施形態のＥＣＵ０は、アクセル開度が０または０に近い閾値以下であって、エンジン回転数が所定のアイドル回転数を上回っている減速要求下での惰性走行時（降坂路上の走行を含む）に、気筒１に流入する吸気の圧力を目標吸気圧に収束させるフィードバック制御を実施する。

図２に、本実施形態のＥＣＵ０が実行する処理の手順例を示す。ＥＣＵ０は、アクセル開度が０または０に近い閾値以下、かつエンジン回転数が所定回転数以上である（ステップＳ１）状況下において、燃料カットを実行している最中であるか否かに応じて以降の処理を選択する（ステップＳ２）。

現在燃料カットを実行していない、つまりインジェクタ１１から燃料を噴射して燃焼させている低負荷運転領域にあるならば、要求ＥＧＲ率を０としてＥＧＲバルブ２３を全閉した上、センサを介して実測されるサージタンク３３内吸気圧と目標吸気圧との偏差を縮小するようにスロットルバルブ３２の開度を操作するフィードバック制御を行う（ステップＳ３）。

サージタンク３３内吸気圧、換言すればスロットルバルブ３２下流の吸気負圧の目標吸気圧へのフィードバック制御は、内燃機関のポンピングロスの変動を抑制する働きをする。このフィードバック制御は、内燃機関の経年変化、例えばスロットルバルブ３２にデポジットが付着堆積することによる吸気の流量の減少等を吸収し、エンジンブレーキの強さ即ち内燃機関及び車両の減速度を一定に保つために寄与する。

目標吸気圧は、エンジン回転数に基づいて設定する。この目標吸気圧は、内燃機関及び車速の減速度が好適な大きさとなるよう、また吸気負圧により潤滑油が気筒１から吸気通路３に持ち去られるのをできる限り抑えるように定める。無論、燃料を噴射して燃焼させる運転中であれば、燃焼不良を招かないように最低限の吸気圧ひいては酸素量を確保する必要がある。ＥＣＵ０のメモリには予め、エンジン回転数と目標吸気圧との関係を規定したマップデータが格納されている。ＥＣＵ０は、現在のエンジン回転数をキーとして当該マップを検索し、設定するべき目標吸気圧を知得する。

他方、現在燃料カットを実行しているのであれば、次に、現在の排気通路４の温度及び／または触媒４１の温度の高低に応じて以降の処理を選択する（ステップＳ４）。

排気通路４内の温度を検出するセンサまたは触媒４１の温度を検出するセンサが内燃機関に実装されている場合には、排気通路４内の温度や触媒４１の温度を実測することができる。そのようなセンサが存在しないならば、排気通路４内の温度または触媒４１の温度をＥＣＵ０において推定することとなる。例えば、燃料カット中の排気通路４を流れる排気の温度は、外気温、内燃機関の冷却水温、エンジン回転数及びサージタンク３３内吸気圧（即ち、気筒１に充填される吸気量）等から推定が可能である。

触媒４１の温度であれば、当該触媒４１の単位時間あたりの受熱量及び放熱量の積算（時間積分）に基づいて推定可能である。単位時間あたりの受熱量は、燃料を噴射して燃焼させている運転中における、エンジン回転数及びサージタンク３３内吸気圧、燃料噴射量（増量補正分または減量補正分）、点火タイミング等から推算される。単位時間あたりの放熱量は、燃料を噴射して燃焼させている運転中であれば、エンジンルームに吹き込む走行風の流量を示唆する車速及びその走行風の温度を示唆する外気温等から推算される。燃料カット中であれば、これら車速及び外気温に加えて、排気通路４を流れる排気の温度並びにエンジン回転数及びサージタンク３３内吸気圧（即ち、排気の流量）等から推算される。

その上で、排気通路４の温度が所定値以上、及び／または、触媒４１の温度が所定値であるときには、ステップＳ３と同様、要求ＥＧＲ率を０としてＥＧＲバルブ２３を全閉し、センサを介して実測されるサージタンク３３内吸気圧と目標吸気圧との偏差を縮小するようにスロットルバルブ３２の開度を操作する（ステップＳ５）。これは、現状触媒４１の温度降下が小さく、または燃料カットの開始直後であって触媒４１に吸蔵された酸素量が過大ではなく、有害物質の浄化性能の低下の問題は顕在化しないと考えられることによる。また、燃料カット終了条件が成立して燃料噴射を再開する際の内燃機関はアイドル運転または低負荷運転領域にある蓋然性が高く、当該運転領域での要求ＥＧＲ率は０ないし極小であるので、燃料カット終了条件の成立に備えてＥＧＲバルブ２３を閉じておくという意味合いもある。

翻って、排気通路４の温度が所定値未満、及び／または、触媒４１の温度が所定値未満であるときには、ステップＳ５と異なり、ＥＧＲバルブ２３を開弁し、センサを介して実測されるサージタンク３３内吸気圧と目標吸気圧との偏差を縮小するようにスロットルバルブ３２の開度及びＥＧＲバルブ２３の開度を操作する（ステップＳ６）。ＥＧＲバルブ２３を開いてＥＧＲを行うのは、気筒１から排出され排気通路４経由で触媒４１に流入するガスの温度を高めて触媒４１の温度降下を抑制するとともに、触媒４１に流入するガスの酸素濃度を低下させて触媒４１に吸蔵される酸素量を少しでも減らす意図である。

触媒４１をより的確に保温するために、ステップＳ６における要求ＥＧＲ率は、排気通路４の温度が低いほど高く設定し、及び／または、触媒４１の温度が低いほど高く設定することが好ましい。要求ＥＧＲ率を引き上げる結果、ＥＧＲバルブ２３の開度が相対的に拡大し、スロットルバルブ３２の開度が相対的に縮小する。ＥＣＵ０のメモリには予め、排気通路４の温度及び／または触媒４１の温度と要求ＥＧＲ率との関係を規定したマップデータが格納されている。ＥＣＵ０は、現在の排気通路４の温度及び／または触媒４１の温度をキーとして当該マップを検索し、設定するべき要求ＥＧＲ率を知得する。

ステップＳ６における目標吸気圧は、エンジン回転数並びに排気通路４の温度及び／または触媒４１の温度に基づいて設定する。より具体的には、要求ＥＧＲ率が高くなるほど目標吸気圧を低くすることで、ＥＧＲバルブ２３の開度の過度の拡大つまりはポンピングロスの過度の減少を回避し、内燃機関及び車両の減速度をある程度以上確保する。ＥＣＵ０のメモリには予め、エンジン回転数並びに排気通路４の温度及び／または触媒４１の温度（または、要求ＥＧＲ率）と目標吸気圧との関係を規定したマップデータが格納されている。ＥＣＵ０は、現在のエンジン回転数並びに排気通路４の温度及び／または触媒４１の温度をキーとして当該マップを検索し、設定するべき目標吸気圧を知得する。

燃料カット中にＥＧＲバルブ２３を開弁してサージタンク３３内吸気圧のフィードバック制御を実施しているときに、燃料カット終了条件が成立した場合には、燃料噴射を再開する以前にＥＧＲバルブ２３を全閉することが理想的である。特に、運転者の意思による燃料カットの終了、即ちアクセル開度が閾値を上回った場合には、ＥＧＲ２３バルブを閉じる操作を実行し、その開度が０ないし極小となってから燃料噴射を再開することが望ましい。これに対し、運転者の意思によらない燃料カットの終了、例えばエンジン回転数が燃料カット復帰回転数まで低下した場合には、エンジンストールに陥るリスクがあるので、ＥＧＲバルブ２３の開度如何を問わず、可及的速やかに燃料噴射を再開する。

ステップＳ３、Ｓ５またはＳ６のフィードバック制御において、実測のサージタンク３３内吸気圧と目標吸気圧との偏差の絶対値が所定値以下に収束した状態でのスロットルバルブ３２開度（のフィードバック補正量）及び／またはＥＧＲバルブ２３開度（のフィードバック補正量）を学習値として、そのときのエンジン回転数と紐付けしてＥＣＵ０のメモリに記憶保持させる学習制御を実行してもよい。後にステップＳ３、Ｓ５またはＳ６を再び実施することとなった暁には、現在のエンジン回転数をキーとして先にメモリに記憶したスロットルバルブ３２開度の学習値及び／またはＥＧＲバルブ２３開度の学習値を検索して読み出し、当該学習値の開度にスロットルバルブ３２及び／またはＥＧＲバルブ２３を操作する。

本実施形態では、排気通路４を流れる排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路３に還流させ吸気に混交することのでき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、気筒１への燃料供給を一時中断する燃料カットの実行中、気筒１に流入する吸気の圧力を目標吸気圧に収束させるように吸気通路３上の吸気絞りバルブ３２の開度及びＥＧＲ通路２１上のＥＧＲバルブ２３の開度を操作するとともに、排気通路４の温度及び／または排気浄化用の触媒４１の温度が低いほど気筒１に流入する吸気中に占めるＥＧＲガスの割合であるＥＧＲ率を高くする内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、内燃機関のポンピングロスの変動を抑えて内燃機関及び車両の減速度をできるだけ一定に保ちながら、気筒１に流入する吸気の酸素濃度を引き下げつつ吸気の温度を高め、触媒４１を保温しつつその吸蔵酸素量の過大化を防止することが可能である。従って、内燃機関の燃料カット制御に起因したエミッションの悪化及びドライバビリティの低下を抑制ないし回避することができる。

また、内燃機関の経年変化により、アクセル開度が０または０に近い減速要求下での燃焼運転中のエンジン回転数の吹き上がり及びエンジンストールを回避するために必要となる吸気絞りバルブ３２の開度や、燃料カット中のエンジンブレーキ作用の強さを一定に保つために必要となる吸気絞りバルブ３２の開度は変化する。本実施形態の制御装置０は、吸気圧のフィードバック制御を通じてこのような経年変化の影響を吸収するので、中長期に亘り減速要求下での燃焼運転中のエンジン回転数を好適な回転数に維持でき、また、燃料カット中のエンジンブレーキの強さを一定に保つことができる。

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、上記実施形態では、ステップＳ６のフィードバック制御におけるＥＧＲバルブ２３の開度を可変としていたが、ステップＳ６のフィードバック制御におけるＥＧＲバルブ２３の開度をある一定の大きさとしてもよい。この態様では、ステップＳ５にてＥＧＲバルブ２３を閉止、ステップＳ６にてＥＧＲバルブ２３を開放という、燃料カット中の排気通路４の温度及び／または触媒４１の温度の高低に応じた二段階の切り替えとなる。

上記実施形態では、サージタンク３３内吸気圧のフィードバック制御のために、電子スロットルバルブ３２の開度を操作していたが、吸気絞りバルブとしてＩＳＣバルブを実装している内燃機関においては、（ＥＧＲバルブ２３の開度とともに）このＩＳＣバルブの開度を操作して吸気圧をフィードバック制御するようにしてもよい。周知の通り、ＩＳＣバルブは、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の上流側と下流側とを連通するバイパスを開閉する流量制御バルブである。

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
１１…インジェクタ
２…排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置
２３…ＥＧＲバルブ
３…吸気通路
３２…吸気絞りバルブ（スロットルバルブ）
４…排気通路

Claims (2)

1. 排気通路を流れる排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路に還流させ吸気に混交することのでき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、
   気筒への燃料供給を一時中断する燃料カットの実行中、気筒に流入する吸気の圧力を目標吸気圧に収束させるように吸気通路上の吸気絞りバルブの開度及びＥＧＲ通路上のＥＧＲバルブの開度を操作するとともに、排気通路の温度または排気浄化用の触媒の温度が低いほど気筒に流入する吸気中に占めるＥＧＲガスの割合であるＥＧＲ率を高くする内燃機関の制御装置。
2. ＥＧＲ率が高いほど目標吸気圧を低くする請求項１記載の内燃機関の制御装置。

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