JP2017044173A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の冷間始動時における燃料の燃焼をより一層安定化させて白煙の発生を抑制する。【解決手段】内燃機関を始動するにあたり、電動機によりクランクシャフトを回転駆動するクランキング中に、排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路を開閉するＥＧＲバルブを閉弁しつつ、排気通路に設けられた背圧可変手段により背圧を高めた後、ＥＧＲバルブを開弁して燃料噴射を開始し、クランクシャフトの回転速度が閾値以上に上昇したならば、背圧可変手段により背圧をそれまでと比較して低下させ、かつＥＧＲバルブの開度をそれまでと比較して縮小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、内燃機関の運転を制御する制御装置に関する。

ディーゼルエンジンに代表される圧縮着火式の内燃機関では、気筒内でピストンにより圧縮し高温高圧となった空気に燃料を噴射することで自着火させ、燃焼させてエンジントルクを得る。

この種の内燃機関において、近時、圧縮比を低下させて燃費性能の良化及びＮＯ_xの排出量の低減を図る試みがなされている。圧縮比の低下は、気筒内で圧縮した空気の温度の低下を意味し、特に冷間始動時の着火性を悪化させ、燃焼を不安定にさせる。

冷間始動の際の燃焼の安定化のための手法の一として、クランキング中に、排気通路上の排気絞りバルブや可変ターボ過給機のノズルベーンを閉じて背圧を高めるとともに、吸気バルブと排気バルブとがともに開くバルブオーバラップ期間を拡大して気筒の実圧縮比を高める、即ち筒内圧力及び筒内温度を高めることが考えらえる（例えば、下記特許文献を参照）。

しかしながら、排気絞りバルブまたはノズルベーンを閉じてバルブオーバラップ期間を長くしたとしても、気筒の実圧縮比が高まるまでには数サイクルを必要とし、その間の燃料の燃焼が不安定となる問題は完全には避けられず、なお一定量の白煙が発生することは否めない。

特開２００９−１９１７４５号公報

本発明は、内燃機関の冷間始動時における燃料の燃焼をより一層安定化させ白煙の発生を抑制す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、内燃機関を始動するにあたり、電動機によりクランクシャフトを回転駆動するクランキング中に、排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路を開閉するＥＧＲバルブを閉弁しつつ、排気通路に設けられた背圧可変手段により背圧を高めた後、ＥＧＲバルブを開弁して燃料噴射を開始し、クランクシャフトの回転速度が閾値以上に上昇したならば、背圧可変手段により背圧をそれまでと比較して低下させ、かつＥＧＲバルブの開度をそれまでと比較して縮小する内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、内燃機関の冷間始動時における燃料の燃焼をより一層安定化させて白煙の発生を抑制することができる。

本発明の一実施形態の車両用内燃機関及び制御装置の構成を示す図。 同実施形態の内燃機関の制御装置が実行する制御の内容を示すタイミング図。

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。本実施形態の内燃機関は、例えばディーゼルエンジンやＨＣＣＩ（Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ−Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）エンジン等のような圧縮着火式の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の燃焼室の天井部には、当該気筒１の燃焼室内に直接に燃料を噴射するインジェクタ１１を設置している。また、各気筒１の吸気ポート近傍に、グロープラグ（余熱プラグ）１２及びスワールコントロールバルブ１３を設けている。

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、排気ターボ過給機６のコンプレッサ６１、水冷式インタクーラ３５、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３及び吸気マニホルド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、排気ターボ過給機６の排気タービン６２、排気ターボ過給機５の排気タービン５２及び排気浄化装置４１を配置している。排気浄化装置４１は、排気ガス中に含まれるＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）を漉し取るフィルタ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐｒａｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）及び有害物質の酸化／還元を促す三元触媒を包含する。

排気ターボ過給機５、６は、排気タービン５２、６２とコンプレッサ５１、６１のインペラとをシャフト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、６２及びコンプレッサ５１、６１のインペラ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。

図示例の内燃機関は、排気ターボ過給機５、６を二基備える、いわゆる２ステージターボ（シーケンシャルターボ）エンジンである。排気ターボ過給機５は、エンジン回転数が比較的高い運転領域で仕事をする高速用ターボ過給機である。他方、排気ターボ過給機６は、エンジン回転数が比較的低い運転領域で仕事をする低速用ターボ過給機である。低速用ターボ過給機６の容量は、高速用ターボ過給機５の容量と比較して小さい。

吸気通路３においては、低速用ターボ過給機６のコンプレッサ６１を迂回する吸気バイパス通路３６を設け、かつこの吸気バイパス通路３６の出口を開閉するバルブ３７を設置している。吸気バイパスバルブ３７は、吸気バイパス通路３６を流通する吸気の流量を制御する。高速用ターボ過給機５のコンプレッサ５１を迂回する吸気バイパス通路は、存在しない。

さらに、排気通路４においても、低速用ターボ過給機６のタービン６２を迂回する排気バイパス通路４３、及び高速用ターボ過給機５のタービン５２を迂回する排気バイパス通路４４を設けており、かつこれら排気バイパス通路４３、４４のそれぞれの入口を開閉する排気バイパスバルブ４５、４６を設置している。バルブ４５は排気バイパス通路４３を流通する排気の流量を制御し、バルブ４６は排気バイパス通路４４を流通する排気の流量を制御する。排気バイパスバルブ４５、４６は、ＷＧＶ（Ｗａｓｔｅ Ｇａｔｅ Ｖａｌｖｅ）と呼称されることもある。

バルブ３７、４６は、負圧アクチュエータ３７１、４６１を使用したＶＳＶ（Ｖａｃｕｕｍ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｖａｌｖｅ）である。負圧アクチュエータ３７１、４６１はダイヤフラム式アクチュエータであり、そのダイヤフラムの一方の面には負圧及び内蔵のスプリングによる弾性付勢力が、他方の面には大気圧が加わる。負圧は、バキュームポンプ９１から供給される。バキュームポンプ９１は、一定の大きさの負圧を発生させる。ダイヤフラム式アクチュエータ３７１、４６１とバキュームポンプ９１とを接続する管路上にはそれぞれ、電磁ソレノイドバルブ３７２、４６２を設置している。ダイヤフラム式アクチュエータ３７１、４６１のダイヤフラムの一方の面に実際に作用する負圧の大きさは、電磁ソレノイドバルブ３７２、４６２の開度に応じて変化する。そして、バルブ３７、４６の開度は、ダイヤフラムの両面に作用する負圧及び大気圧の差圧と、ダイヤフラムを弾性付勢するスプリングの弾性付勢力との差に応じて変化する。つまり、電磁ソレノイドバルブ３７２、４６２の開度の操作を通じて、バルブ３７、４６の開度を操作することが可能である。

これに対し、バルブ４５は、電磁バルブであるＥＶＲＶ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｖａｃｕｕｍ Ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ Ｖａｌｖｅ）である。

外部ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２、７は、排気通路４を流れる排気の一部を吸気通路３に還流して吸気に混交せしめるものである。本実施形態の内燃機関は、ＥＧＲ装置２、７を二基備える。ＥＧＲ装置２は、いわゆる低圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における排気浄化装置４１の下流側を吸気通路３における高速用ターボ過給機５のコンプレッサ５１の上流側に連通させるＥＧＲ通路２１と、当該ＥＧＲ通路２１を開閉するＥＧＲバルブ２２とを要素に含む。ＥＧＲバルブ２２は、ＥＧＲ通路２１を流通する低圧ループＥＧＲガスの流量を制御する。

ＥＧＲ装置７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における低速用ターボ過給機６のタービン６２の上流側を吸気通路３におけるインタクーラ３５の下流側に連通させるＥＧＲ通路７１と、当該ＥＧＲ通路７１を開閉するＥＧＲバルブ７２とを要素に含む。ＥＧＲバルブ７２は、ＥＧＲ通路７１を流通する高圧ループＥＧＲガスの流量を制御する。

加えて、排気通路４における、低圧ループＥＧＲ通路２１の接続箇所よりも下流の箇所に、排気絞りバルブ４７を設置している。低圧ループＥＧＲ通路２１が接続している吸気通路のコンプレッサ５１の上流側の圧力は、当該コンプレッサ５１による過給の度合いに応じて変動する。その結果として、低圧ループＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量が変化する。排気絞りバルブ４７は、ＥＧＲバルブ２２とともに、低圧ループＥＧＲガスの流量、ひいては気筒１に充填される吸気に占めるＥＧＲガスの割合であるＥＧＲ率を目標値に収束させるために機能する。

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、要求されるエンジントルクまたは負荷）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、吸気通路３のサージタンク３３内の（即ち、気筒１に流入する）吸気の温度及び圧力（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ｄ、大気圧を検出する大気圧センサから出力される大気圧信号ｅ、吸気通路３の最上流即ちエアクリーナ３１の下流かつ低圧ループＥＧＲ通路２１の接続箇所の上流における新気の流量及び温度を検出するエアフローメータ・新気温センサから出力される新気流量・温度信号ｆ、吸気通路３のコンプレッサ５１の下流かつコンプレッサ６１の上流における吸気の圧力（高速用ターボ過給機５による過給圧）を検出する吸気圧センサから出力される吸気圧信号ｇ、内燃機関の温度を示唆する冷却水温を検出するセンサから出力される冷却水温信号ｈ等が入力される。

ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｉ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｊ、ＥＧＲバルブ２２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ７２に対して開度操作信号ｌ、ＶＳＶ３７の開閉駆動を司る電磁ソレノイドバルブ３７２に対して開度操作信号ｍ、ＥＶＲＶ４５に対して開度操作信号ｎ、ＶＳＶ４６の開閉駆動を司る電磁ソレノイドバルブ４６２に対して開度操作信号ｏ、排気絞りバルブ４７に対して開度操作信号ｐ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（新気）量に見合った燃料噴射量を推算する。また、それとともに、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）、排気ターボ過給機５、６による過給の目標過給圧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、ｎ、ｏ、ｐを出力インタフェースを介して印加する。

また、ＥＣＵ０は、内燃機関の始動（冷間始動であることもあれば、アイドリングストップからの復帰であることもある）時において、電動機（スタータモータまたはＩＳＧ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｔａｒｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ））に制御信号ｑを入力し、当該電動機によりクランクシャフトを回転させるクランキングを行う。クランキングは、内燃機関が初爆から連爆へと至り、エンジン回転数即ちクランクシャフトの回転速度が冷却水温等に応じて定まる閾値を超えたときに（完爆したものと見なして）終了する。

しかして、本実施形態のＥＣＵ０は、冷却水温が所定値以下の低温状態で内燃機関を始動する冷間始動時において、燃料の燃焼の安定化させて白煙の発生を抑制するべく、以下に述べる制御を実施する。

図２に、ＥＣＵ０が冷間始動時に実施する制御の模様を示している。ＥＣＵ０は、内燃機関の始動のためのクランキングの開始時点ｔ₀以降、背圧可変手段として機能する排気絞りバルブ４７の開度を縮小するかこれを全閉し、背圧即ち排気通路４内の圧力を高める。なおかつ、高圧ループＥＧＲ通路７１を開閉するＥＧＲバルブ７２を全閉することで、ＥＧＲ通路７１内の圧力を高める。このとき、低圧ループＥＧＲ通路２１を開閉するＥＧＲバルブ２２も、全閉しておくことが望ましい。インジェクタ１１からの燃料噴射は、まだ開始しない。

そして、排気通路４及びＥＧＲ通路７１内の圧力が必要十分に高まったと思しき時点ｔ₁において、ＥＧＲバルブ７２を開弁して圧縮空気を吸気通路３ひいては気筒１に供給するとともに、インジェクタ１１からの燃料噴射を開始する。いわば、燃料噴射に先んじて吸気を「過給」する。クランキングの開始時点ｔ₀から燃料噴射の開始時点ｔ₁までの期間は、数サイクル程度となる。このような処理により、気筒１の実圧縮比を高めた状態、即ち筒内圧力及び筒内温度を高めた状態で燃料を噴射できるため、着火及び燃焼が安定して白煙の発生を効果的に抑止することができる。

エンジン回転数が閾値以上に上昇した完爆時点ｔ₂以降は、排気絞りバルブ４７の開度を拡開して、背圧をそれまでと比較して低下させる。なおかつ、ＥＧＲバルブ７２の開度をそれまでと比較して縮小し、またはこれを全閉する。

本実施形態では、内燃機関を始動するにあたり、電動機によりクランクシャフトを回転駆動するクランキング中に、排気通路４と吸気通路３とを連通するＥＧＲ通路７１を開閉するＥＧＲバルブ７２を閉弁しつつ、排気通路４に設けられた背圧可変手段４７により背圧を高めた後、ＥＧＲバルブ７２を開弁して燃料噴射を開始し、クランクシャフトの回転速度が閾値以上に上昇したならば、背圧可変手段４７により背圧をそれまでと比較して低下させ、かつＥＧＲバルブ７２の開度をそれまでと比較して縮小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、内燃機関の始動の際の燃料噴射に先んじて、気筒１のピストンにより空気をポンピングして加圧し、その加圧した空気をＥＧＲ通路７１に蓄えておき、これが良好な燃焼を得られる程度まで高圧となった時点で気筒１に供給することができる。しかる後に燃料噴射を開始すれば、初爆から良好な着火燃焼を得られ、白煙の発生を抑制できる。加えて、クランキング中の燃焼不安定ないし失火を回避できることは、内燃機関の始動に要する燃料の消費量を削減することにもつながる。

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、背圧可変手段は排気絞りバルブ４７には限定されない。排気絞りバルブ４７に替えて、または排気絞りバルブ４７とともに、可変ターボ過給機のノズルベーン等を背圧可変手段として用いてもよい。

燃料噴射の開始時点ｔ₁は、クランキングの開始時点ｔ₀から予め定められた時間が経過した後としてもよいし、クランキング中のエンジン回転数、冷却水温、吸気温及び／または新気（外気）温等を基に設定される遅延時間が経過した後としてもよい。換言すれば、背圧即ち排気通路４及びＥＧＲ通路７１内の圧力が必要な大きさまで高まる時点ｔ₁を、クランキング中のエンジン回転数、冷却水温、吸気温及び／または新気（外気）温等を基に推測してもよい。排気通路４に背圧（排気圧）センサが設置されている場合には、当該センサを介して検出される背圧がある大きさ以上となった時点を燃料噴射の開始時点ｔ₁とすることができる。

また、本発明を、火花点火式内燃機関の始動時の制御に適用することを妨げない。

その他、各部の具体的構成や具体的な処理の手順は、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
１１…インジェクタ
４…排気通路
４７…背圧可変手段（排気絞りバルブ）
７１…ＥＧＲ通路
７２…ＥＧＲバルブ

Claims (1)

1. 内燃機関を始動するにあたり、電動機によりクランクシャフトを回転駆動するクランキング中に、排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路を開閉するＥＧＲバルブを閉弁しつつ、排気通路に設けられた背圧可変手段により背圧を高めた後、ＥＧＲバルブを開弁して燃料噴射を開始し、
   クランクシャフトの回転速度が閾値以上に上昇したならば、背圧可変手段により背圧をそれまでと比較して低下させ、かつＥＧＲバルブの開度をそれまでと比較して縮小する内燃機関の制御装置。

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