JP5285474B2 - 内燃機関の排気ガス再循環制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、主として車両に搭載される内燃機関の排気ガス再循環制御方法に関するものである。

従来、内燃機関の燃焼状態を検出する方法として、点火直後に燃焼室内に発生するイオン電流を検出し、検出したイオン電流の状態から燃焼状態を検出することが知られている。このようなイオン電流の検出結果を応用して、排気ガスの再循環制御を行うことが、例えば特許文献１に記載されている。すなわち、特許文献１では、気筒内圧の最大値の平均値に対する同最大値の変化量の比率である燃焼ラフネス値を、所定時間に流れるイオン電流の有無により変化する点火電圧に基づいて演算する比較判定パルス幅により検出し、検出した燃焼ラフネス値が目標ラフネス値に一致するように、再循環する排気ガス量すなわちＥＧＲ量をフィードバック制御するものである。

特開平６‐１９３５１４号公報

ところが、このような構成のものであると、燃焼ラフネス値を検出するまでに、点火電圧のピークホールド値から得る比較レベルを演算し、その比較レベルと点火電圧との比較により得られる比較判定パルス幅を得るために、制御アルゴリズムが複雑になる。

そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。

すなわち、本発明の内燃機関の排気ガス再循環制御方法は、吸気系に再循環する排気ガス量を調整する再循環弁、及び内燃機関の燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段を備え、燃焼状態検出手段が、点火プラグの電極を流れるイオン電流または筒内圧力を検出するものであり、その検出した燃焼状態に応じて再循環弁を制御して再循環する排気ガス量を調整する内燃機関の排気ガス再循環制御方法において、燃焼が所定の条件を満たす場合に前記排気ガス量を制御するものであって、燃焼状態検出手段を介して検出されるイオン電流または筒内圧力が閾値を上回る時点が、排気ガス再循環により燃費率がほぼ最小値となる燃費ボトム運転状態においてイオン電流または筒内圧力が同閾値を上回る時点よりも遅いことを前記所定の条件に含むことを特徴とする。

このような構成によれば、主燃焼の開始位置（燃焼状態検出手段を介して検出されるイオン電流または筒内圧力が閾値を上回る時点）が第一所定位置（前記燃費ボトム運転状態においてイオン電流または筒内圧力が同閾値を上回る時点）を超えるか否かにより、燃焼状態を判定する。そして判定した燃焼状態に基づいて排気ガス量を制御するので、簡素なアルゴリズムにより、最適な排気ガス量をフィードバック制御することが可能になる。従って、燃費の向上を図ることができる。

燃焼状態の判定精度を高くするためには、燃焼状態検出手段を介して検出されるイオン電流または筒内圧力が閾値を下回る時点が、前記燃費ボトム運転状態においてイオン電流または筒内圧力が同閾値を下回る時点よりも遅いことを前記所定の条件に含める、すなわち、所定の条件が、基準となる機関回転位置の後に機関出力に影響する主燃焼が始まる開始位置が第一所定位置を超え、かつ燃焼の終了する終了位置（燃焼状態検出手段を介して検出されるイオン電流または筒内圧力が閾値を下回る時点）が第二所定位置（前記燃費ボトム運転状態においてイオン電流または筒内圧力が同閾値を下回る時点）を超えることを含むものが好ましい。

以上の構成において、前記排気ガス量の制御は、再循環弁の開度に対する補正ゲインを乗算することにより実施するものが好ましい。補正ゲインは、具体的には、前記開始位置をクランク角度により検出して、所定のクランク角度で主燃焼が開始するように決定するものが挙げられる。

本発明は、以上説明したよう構成であるので、検出した開始位置が第一所定位置を超え、かつ検出した終了位置が第二所定位置を超えることにより、燃焼状態を判定し、燃焼状態に基づいて排気ガス量を増減するので、簡素なアルゴリズムにより、最適な排気ガス量をフィードバック制御することができ、燃費の向上を図ることができる。

本発明の実施形態のエンジン及び電子制御装置の概略構成を示す概略構成説明図。 同実施形態におけるイオン電流波形を示すグラフ 同実施形態の制御手順を示すフローチャート。 本発明の他の同実施形態の制御手順を示すフローチャート。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１に概略的に示したエンジン１００は自動車用の４気筒のもので、その１気筒の構成を示している。エンジン１００の吸気系１には、図示しないアクセルペダルに応動して開閉するスロットルバルブ２が配設され、その下流側にはサージタンク３が設けられている。サージタンク３に連通する一方の端部近傍には、さらに燃料噴射弁５が設けてあり、この燃料噴射弁５を、電子制御装置６により後述する基本噴射量に基づいて開成制御するようにしている。また排気系２０には、排気ガス中の酸素濃度を測定するためのＯ₂センサ２１が、図示しないマフラに至るまでの管路に配設された三元触媒２２の上流の位置に取り付けられている。

さらに、排気系２０には、Ｏ₂センサ２１の取り付けてある近傍に連通する導入パイプ４１が接続される。この導入パイプ４１には、再循環させる排気ガス量（以下、ＥＧＲ量と記す）を制御するための排気ガス再循環弁（以下、ＥＧＲ弁と記す）４０が接続される。ＥＧＲ弁４０は、電子制御装置６により、後述するようにその開度が制御される。さらに、このＥＧＲ弁４０には、導入パイプ４１からの排気ガスを吸気系１に導出する導出パイプ４２が接続される。このＥＧＲ弁４０とそれぞれのパイプ４１、４２とにより排気ガス再循環系５０が構成されている。この排気ガス再循環系５０それ自体は、当該分野で良く知られているものと同様の構成であってよい。

ＥＧＲ弁４０は、円錐台形の内面を有する貫通孔と、その貫通孔内部に配置されて貫通孔を開閉する貫通孔と同形の円錐台形の弁体と、弁体に接続される軸と、軸に接続され弁体を貫通孔の中心軸方向に往復移動させるモータとを備える構成である。このようなＥＧＲ弁４０において、モータとしては、ステッパモータ、ＤＣモータなどを使用することができる。ステッパモータを使用する場合、ＥＧＲ弁４０の弁開度をステッパモータに供給する信号のステップ数により制御する。また、ＤＣモータの場合は、例えばＰＭＷ（パルス幅変調）制御などにより通電を制御して、開度を制御するものである。

そして、燃焼室１０の天井部分に対応する位置には、スパークプラグ１８が取り付けてある。スパークプラグ１８には、イグナイタ３２とイグニションコイル３３が電気的に接続されている。スパークプラグ１８、イグナイタ３２及びイグニションコイル３３を、標準的には点火系６０としている。イグナイタ３２を除くこの点火系６０は、図１には１系統しか図示していないが、それぞれの気筒に対して１系統ずつ接続されるものである。なお、エンジン１００は、４気筒のものに限定されるものではなく、３気筒や１２気筒等のものであってもよい。

電子制御装置６は、中央演算処理装置７と、記憶装置８と、入力インターフェース９と、出力インターフェース１１とを具備してなるマイクロコンピュータシステムを主体に構成されており、その入力インターフェース９には、サージタンク３内の圧力を検出するための吸気圧センサ１３から出力される吸気圧信号ａ、エンジン１００の回転状態を検出するためのカムポジションセンサ１４から出力される気筒判別信号Ｇ１とクランク角度基準位置信号Ｇ２とエンジン回転数信号ｂ、車速を検出するための車速センサ１５から出力される車速信号ｃ、スロットルバルブ２の開閉状態を検出するためのアイドルスイッチ１６からのアイドル信号ｄ、エンジンの冷却水温を検出するための水温センサ１７からの水温信号ｅ、上記した空燃比センサ２１からの電流信号ｈなどが入力される。一方、出力インターフェース１１からは、燃料噴射弁５に対して燃料噴射信号ｆが、またイグナイタ３２に対して点火信号を含む複数の信号が出力されるようになっている。なお、図示しないが、電子制御装置６には、アナロク信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器が内蔵されている。

また点火プラグ１８には、イオン電流を測定するためのバイアス用電源２４が接続され、入力インターフェース１１とこのバイアス電源２４との間にはイオン電流測定用回路２５が接続されている。点火プラグ１８、バイアス用電源２４及びイオン電流測定用回路２５によりイオン電流検出系７０が構成される。バイアス用電源２４は、点火プラグ１８にイオン電流測定のための測定用電圧（バイアス電圧）を印加するものである。そして、測定用電圧の印加により、燃焼室１０の内壁と点火プラグ１８の中心電極との間、及び点火プラグ１８の電極間に流れたイオン電流は、イオン電流測定用回路２５により測定される。このようなバイアス用電源２４と電流測定用回路２５とは、当該分野でよく知られている種々のものを適用することができる。又、バイアス用電源２４と電流測定用回路２５とは、気筒毎のイオン電流を検出するために、気筒数と同数が、つまり１つの気筒に対して１つのイオン電流検出系７０が設けられるものである。

電子制御装置６には、吸気圧センサ１３から出力される吸気圧信号ａとカムポジションセンサ１４から出力される回転数信号ｂとをおもな情報とし、エンジンの運転状態に応じて決まる各種の補正係数で基本噴射時間を補正して燃料噴射弁開成時間すなわちインジェクタ最終通電時間を決定し、その決定された通電時間により燃料噴射弁５を制御して、エンジン負荷に応じた燃料を該燃料噴射弁５から吸気系１に噴射させるためのプログラムが内蔵してある。

また、記憶装置８には、基準となる機関回転位置の後に機関出力に影響する主燃焼が始まる開始位置を検出し、燃焼が終了する終了位置を検出し、検出した開始位置が第一所定位置を超え、かつ検出した終了位置が第二所定位置を超える場合に前記排気ガス量を制御するＥＧＲ制御プログラムが記憶されている。すなわち、この実施形態においては、排気ガス量を制御するための所定の条件が、基準となる機関回転位置の後に機関出力に影響する主燃焼が始まる開始位置が第一所定位置を超えること、及び燃焼の終了する終了位置が第二所定位置を超えることを含むものである。そして、この実施形態の場合、主燃焼が始まる開始位置及び燃焼が終了する終了位置は、イオン電流に基づく電流信号により、例えば点火からの経過時間を測定することにより検出する構成である。

点火後に発生するイオン電流は、図２に示すように、正常な燃焼の場合、点火後に一旦大きくなり、その後に減少した後に増加し続け、燃焼圧力が最大となる上死点近傍において最大電流値となり、その後は漸次減衰する。このような変化を呈するイオン電流に対して、イオン電流の特性を検出するための閾値を設定する。そして、イオン電流が点火後でしかも点火ノイズなどで瞬間的に大きくなるノイズ期間の燃焼の後に、設定した閾値を上回る時点を、主燃焼が始まる開始位置とする。従って、開始位置は、点火からの経過時間により検出することができるものである。同様にして、燃焼の終了位置は、イオン電流が、開始位置を検出した後、閾値を下回る時点を当てはめるものである。従って、開始位置と同様に、点火からの経過時間により検出することができるものである。このように、主燃焼とは、実質的にエンジン出力に関与する燃焼を指すものである。

運転状態に応じてＥＧＲ量を制御する場合に、運転状態に対応したＥＧＲ量を導入することにより燃費率がほぼ最小値となる。この燃費率が最小となる運転状態（以下、燃費ボトムと記す）におけるイオン電流を検出し、検出したイオン電流より主燃焼の開始位置と燃焼の終了位置とを検出して、上述した第一所定位置及び第二所定位置を適合により設定するものである。

次に、図３を交えて、電子制御装置６が実行するＥＧＲ制御プログラムにおける制御手順を説明する。

まずステップＳ１では、排気ガス量を制御するための所定の条件を判定するために、検出したイオン電流に基づいて、主燃焼の開始位置及び終了位置をそれぞれ検出する。上述したように、この実施形態においては、開始位置及び終了位置を、点火からの経過時間で検出するものである。すなわち、点火のタイミングで計時を開始し、点火後の急峻な変化の後にイオン電流が閾値を上回る時点までの経過時間により開始位置を検出し、さらに計時を継続してイオン電流が閾値以下になる時点までの経過時間により終了位置を検出する。

ステップＳ２では、検出した開始位置が第一所定位置を超えているか否かを判定する。具体的には、開始位置は経過時間により検出しているので、点火からの開始位置に対応する経過時間が、第一所定位置に対応する第一所定時間を超えている、つまり上回っているか否かを判定するものである。判定の結果、経過時間が第一所定時間を上回っている、すなわち主燃焼の開始位置に対する条件を満たす場合は、ステップＳ３に進み、そうでない場合はステップＳ５に進む。

ステップＳ３では、検出した終了位置が第二所定位置を超えているか否かを判定する。開始位置同様に、終了位置も経過時間により検出しているので、燃焼の終了位置に対応する経過時間が、第二所定位置に対応する第二所定時間を超えている、つまり上回っているか否かを判定するものである。判定の結果、経過時間が第一所定時間を上回っている場合、すなわち燃焼の終了位置に対する条件を満たすは、ステップＳ４に進み、そうでない場合はステップＳ５に進む。ステップＳ２及びステップＳ３が、燃焼状態検出手段を構成するものである。

ステップＳ４では、ステップＳ２及びステップＳ３における両方の条件が成立したことを受けて、ＥＧＲ量を減量する。すなわち、ステップＳ２及びステップＳ３における両方の条件が成立することにより、燃費ボトムを超えた運転条件であることを判定するものである。従って、燃費ボトムになるように、ＥＧＲ量を減量する。これに対して、ステップＳ５では、燃費ボトムまでには余裕があるので、ＥＧＲ量を増量する。

ＥＧＲ量の増減は、ＥＧＲ弁４０の開度を増減して行う。この場合に、ＥＧＲ弁４０の公差を考慮して、運転状態に応じて設定する基本となるＥＧＲ量つまりＥＧＲ弁４０のベース開度に対して補正ゲインを乗じて、弁開度を決定する。補正ゲインは、具体的には、標準となるＥＧＲ弁と最大の公差及び最小の公差のそれぞれのＥＧＲ弁とが、同一のＥＧＲ量となる弁開度の比率により決定する。この実施形態の場合、ＥＧＲ弁４０は、ステッパモータにより開閉されるので、弁開度はステッパモータの駆動信号のステップ数により表すことができるものである。

このような構成において、ＥＧＲ制御を行っている場合に、イオン電流により燃焼の開始位置と終了位置とを検出することで、その時点の燃費率が燃費ボトムであるか否かを判定し（ステップＳ１）、燃費ボトムを超えて燃費率が低下していることを判定した場合（ステップＳ２、ステップＳ３）は、ＥＧＲ量を減量する（ステップＳ４）。ＥＧＲ量が多いと、燃焼が緩慢になる傾向があるので、イオン電流に基づいて検出した主燃焼の開始位置及び終了位置は、図２に点線で示すように、燃費ボトムにおける場合に比べて遅くなる。従って、このような場合は、開始位置及び終了位置が、第一所定位置及び第二所定位置を超えることになる。それゆえ、ＥＧＲ量が減少するように決定した補正ゲインによりベース開度を補正して、ＥＧＲ量を減量するようにＥＧＲ弁４０を制御する。

これとは逆に、ＥＧＲ量が少ないと、燃焼が良好になる傾向があるので、イオン電流に基づいて検出した主燃焼の開始位置及び終了位置は、燃費ボトムにおける場合に比べて早くなる。従って、このような場合は、開始位置及び終了位置が、第一所定位置及び第二所定位置を超えないことになる。それゆえ、ＥＧＲ量が増加するように決定した補正ゲインによりベース開度を補正して、ＥＧＲ量を増量するようにＥＧＲ弁４０を制御する。

従って、簡素な制御アルゴリズムにより、最適なフィードバック制御を行うことができ、燃費の向上を図ることができる。

この場合に、増減するＥＧＲ量、言い換えればＥＧＲ弁４０の弁開度は、標準となるＥＧＲ弁と最大の公差及び最小の公差のＥＧＲ弁とが同一のＥＧＲ量となる弁開度の比率により決定する補正ゲインにより補正するので、排気ガス再循環系ＥＧＳに使用するＥＧＲ弁４０の有する公差に左右されることなく、適切なＥＧＲ量を制御することができる。

上述の実施形態にあっては、イオン電流に基づいてその時点の燃焼状態が燃費ボトムであるか否かを点火からの経過時間に基づく主燃焼の開始時間と終了時間とにより判定し、燃費ボトムでない場合は、燃費ボトムとなるように補正ゲインをベース開度に乗じてＥＧＲ弁４０の開度を増減、従ってＥＧＲ量を増減するものを説明したが、以下に、燃費ボトムとなるクランク角度において燃焼がはじまるように、ＥＧＲ量の補正ゲインを決定して、ＥＧＲ制御時の燃費率を最小にするようにフィードバック制御する実施形態を、図４を交えて説明する。なお、上述の実施形態においては主燃焼の開始時間と終了時間とを検出するのに、点火からの経過時間を用いたが、この他の実施形態は、クランク角度を用いて検出するものである。

まずステップＳ１１では、主燃焼の開始位置及び終了位置をクランク角度で検出する。すなわち、イオン電流が閾値を上回る時点及び以下になる時点におけるクランク角度を検出することで、主燃焼の開始位置及び終了位置を検出するものである。

ステップＳ１２では、検出した開始位置が第一所定位置を超えたか否かを判定し、ステップＳ１３では検出した終了位置が第二所定位置を超えたか否かを判定する。ステップＳ１２において、超えていると判定した場合はステップＳ１４に進み、超えていないと判定した場合はステップＳ１５に進む。

ステップＳ１４では、設定されたクランク角度になるように補正ゲインを決定してＥＧＲ量を減量する。ここで、設定された所定クランク角度は、燃費ボトムに対応するもので、適合により設定するものである。同様にして、ステップＳ１５では、設定されたクランク角度になるように補正ゲインを決定してＥＧＲ量を増量する。

補正ゲインは、設定された所定クランク角度において主燃焼が開始するように決定するものである。従って、ステップＳ１４において決定する、ＥＧＲ量を減量するための補正ゲインは、検出したクランク角度と所定クランク角度との差が大きいほど小さくなるように決定する。一方、ステップＳ１５において決定する、ＥＧＲ量を増量するための補正ゲインは、検出したクランク角度と所定クランク角度との差が大きいほど大きくなるように決定する。従って、ＥＧＲ量は、所定クランク角度における運転の際に最適な量となるように収束する。

このように、補正ゲインを、所定クランク角度において主燃焼が開始するように、検出した主燃焼の開始位置におけるクランク角度に基づいて決定することにより、ＥＧＲ量を燃費が最少となる燃費ボトムにするための最適量にほぼ維持することができる。

また、燃焼状態を検出するためのイオン電流検出系７０を使用してＥＧＲ量を制御するようにしているので、専用の部品などを追加する必要がなく、費用をかけずに高性能なＥＧＲ制御を実施することができる。

なお、以上に説明した各実施形態では、イオン電流を使用して主燃焼の開始位置と終了位置とを検出したが、燃焼状態は、燃焼圧により検出することが可能であるので、シリンダ内の圧力を検出する筒内圧センサを用いて実施することも可能である。

また、上述の各実施形態においては、再循環する排気ガス量を制御するための所定の条件として、主燃焼が始まる開始位置が第一所定位置を超えること、及び燃焼の終了する終了位置が第二所定位置を超えることを設定するものを説明したが、後者を省略するものであってもよい。すなわち、イオン電流においては、主燃焼の開始位置が第一所定位置より遠ざかる場合に燃費率が下がることが知見により確認されている。そしてこのような主燃焼の開始位置と燃費率との関連を示すイオン電流の特性は、燃焼の終了位置と燃費率との関連性よりも顕著である。従って、このような構成であっても、燃費ボトムを検出することができ、ＥＧＲ量を適切に制御することができ、しかもアルゴリズムをさらに簡素化することができる。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、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、自動車などの車両に搭載される火花点火式の内燃機関に対して利用が可能である。

１…吸気系
６…電子制御装置
７…中央演算処理装置
８…記憶装置
９…入力インターフェース
１１…出力インターフェース
５０…排気ガス再循環系
７０…イオン電流検出系

Claims (4)

1. 吸気系に再循環する排気ガス量を調整する再循環弁、及び内燃機関の燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段を備え、燃焼状態検出手段が、点火プラグの電極を流れるイオン電流または筒内圧力を検出するものであり、その検出した燃焼状態に応じて再循環弁を制御して再循環する排気ガス量を調整する内燃機関の排気ガス再循環制御方法において、
   燃焼が所定の条件を満たす場合に前記排気ガス量を制御するものであって、
   燃焼状態検出手段を介して検出されるイオン電流または筒内圧力が閾値を上回る時点が、排気ガス再循環により燃費率がほぼ最小値となる燃費ボトム運転状態においてイオン電流または筒内圧力が同閾値を上回る時点よりも遅いことを前記所定の条件に含む、内燃機関の排気ガス再循環制御方法。
2. 燃焼状態検出手段を介して検出されるイオン電流または筒内圧力が閾値を下回る時点が、前記燃費ボトム運転状態においてイオン電流または筒内圧力が同閾値を下回る時点よりも遅いことを前記所定の条件に含む、請求項１記載の内燃機関の排気ガス再循環制御方法。
3. 前記排気ガス量の制御は、再循環弁の開度に対する補正ゲインを乗算することにより実施する請求項１又は２記載の内燃機関の排気ガス再循環制御方法。
4. 補正ゲインは、燃焼状態検出手段を介して検出されるイオン電流または筒内圧力が閾値を上回る時点をクランク角度により検出し、そのクランク角度が前記燃費ボトム運転状態においてイオン電流または筒内圧力が同閾値を上回る時点に対応するクランク角度となるように決定する請求項３記載の内燃機関の排気ガス再循環制御方法。