JP2008280941A - エンジンの残留ガス推定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】極めてシンプルな方法で残留ガスを推定し得る装置を提供する。
【解決手段】燃料供給装置（２１）と、点火装置（１４）と、エンジンのアイドル回転状態で一時的にエンジン回転速度を低下させるアイドル回転速度低下手段（３１）と、前記アイドル回転速度の低下代またはアイドル回転速度の低下率に基づいて燃焼室内の残留ガスを推定する残留ガス推定手段（３１）とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明はエンジンの残留ガス推定装置に関する。

エンジン回転速度の爆発行程中の上昇率を検出し、この値に基づいて燃焼室内の残留ガス率を推定するものがある（特許文献１参照）。
特開２００４−１７６６６９号公報

ところで、燃焼室内での燃焼にはサイクル毎でばらつきがあるため、上記特許文献１の技術のように、１回の爆発行程における回転速度上昇率に基づいて燃焼室内の残留ガス率を求めるのでは燃焼室内の残留ガス率を精度良く推定することができない。

そこで本発明は、極めてシンプルな方法で残留ガスを推定し得る装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、燃料供給装置と、点火装置と、エンジンのアイドル回転状態で一時的にエンジン回転速度を低下させるアイドル回転速度低下手段とを備え、このアイドル回転速度低下手段がアイドル回転状態でのエンジン回転速度であるアイドル回転速度を低下させるときに、そのアイドル回転速度の低下代またはアイドル回転速度の低下率に基づいて燃焼室内の残留ガスを推定するように構成する。

本発明によれば、アイドル回転速度を一時的に低下させるときの、アイドル回転速度の低下代またはアイドル回転速度の低下率に基づいて燃焼室内の残留ガスを推定するので、極めてシンプルな測定方法で残留ガスを推定できる。また、新たなセンサは必要とせず、エンジン回転速度を測定できる、エンジンに既に備えられている回転速度センサがあればよいので、コストアップを防止できる。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１はエンジンの残留ガス推定装置の概略構成を示している。

吸気絞り弁２３により調量される空気は、吸気コレクタ２に蓄えられた後、吸気マニホールド３を介して各気筒の燃焼室５に導入される。燃料は各気筒の吸気ポート４に配置された燃料噴射弁２１（燃料供給装置）より、所定のタイミングで吸気ポート４内に噴射供給される。燃料噴射弁２１に与える燃料噴射量は、エンジンコントローラ３１がエアフローメータ３２により検出される吸入空気流量と、クランク角センサ（３３、３４）からの信号に基づいて演算されるエンジン回転速度とに応じて算出している。

吸気弁１５に向けて噴射された燃料は吸気と混合して混合気を作り、この混合気は吸気バルブ１５を閉じることで燃焼室５内に閉じこめられ、ピストン６の上昇によって圧縮され、点火プラグ１４（点火装置）により着火されて燃焼する。この燃焼によるガス圧がピストン６を押し下げる仕事を行い、このピストン６の往復運動はクランクシャフト７の回転運動へと変換される。燃焼後のガス（排気）は排気バルブ１６が開いたとき排気通路８へと排出される。

上記の吸気絞り弁２３はスロットルモータ２４により駆動される。運転者が要求するトルクはアクセルペダル４１の踏み込み量（アクセル開度）に現れるので、エンジンコントローラ３１ではアクセルセンサ４２からの信号に基づいて目標トルクを定め、この目標トルクを実現するための目標空気量を定め、この目標空気量が得られるようにスロットルモータ２４を介して吸気絞り弁２３の開度を制御する。

上記吸気バルブ１５のバルブリフト量及び作動角を連続的に可変制御する多節リンク状の機構で構成される可変バルブ機構（以下、「ＶＥＬ機構」という。）２６と、クランクシャフト７と吸気バルブ用カムシャフト２５との回転位相差を連続的に可変制御して、吸気バルブ１５のバルブタイミングを進遅角する可変バルブタイミング機構（以下「ＶＴＣ機構」という。）２７とを備える。これらＶＥＬ機構２６とＶＴＣ機構２７とから可変動弁装置が構成されている。これら各機構２６、２７の具体的な構成は特開２００３−３８７２号公報により公知であるのでその詳しい説明は省略する。なお、この場合に限られず、２つの機構２６、２７のうちいずれか一方だけを備える場合でもかまわない。可変動弁機構は排気バルブ１６の側に設けることもできる。

始動時にはスタータモータでクランクシャフト７をクランキングしながら燃料噴射弁２１による燃料噴射と点火プラグ１４による火花点火とを適切に行うと、クランクシャフト７の回転速度（＝エンジン回転速度）はオーバーシュート気味に上昇し（吹き上がり）、ピークをとった後反転してアイドル回転状態のエンジン回転速度へと落ち着く。

一方、排気通路８には三元触媒９、１０を備える。このうち上流側の三元触媒９は高い排気温度の得られるエンジン出口近くに取付けるため排気マニフォルドと一体に、また下流側の三元触媒１０は車両の床下位置に設けられている。これら三元触媒９、１０はエンジンからの排気の空燃比が前述したウインドウにあるとき、ＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣの転化効率が最適になるのであるが、三元触媒９、１０は温度上昇して活性化してからでないと十分な転化率が得られないので、冷間始動直後には特に上流側の三元触媒９の入口温度を早期に上昇させる必要がある。

こうした冷間始動直後の上流側三元触媒９の早期昇温への要求を満たすと共に、始動からアイドル回転状態への移行時（始動過程）に生じるエンジン回転速度のオーバーシュートを抑制するため、エンジンコントローラ３１では、アイドル回転状態でのエンジン回転速度（以下「アイドル回転速度」という。）のフィードバック制御を行う。このアイドル回転速度のフィードバック制御には点火時期のフィードバック制御や吸気量のフィードバック制御がある。例えば、吸気量を初期状態に保ったまま実際のアイドル回転速度がアイドル時の目標回転速度（以下単に「目標回転速度」という。）を中心として設けた許容幅を超えて高いときには点火時期を遅角することによってアイドル回転速度を目標回転速度へと戻し、この逆に実際のアイドル回転速度が目標回転速度をを中心として設けた許容幅を超えて低いときには点火時期を進角することによってアイドル回転速度を目標回転速度へと戻す。また、点火時期を初期状態に保ったまま実際のアイドル回転速度が目標回転速度を中心として設けた許容幅を超えて高いときには吸気絞り弁２３の開度（吸気量）を減少することによってアイドル回転速度を目標回転速度へと戻し、この逆に実際のアイドル回転速度が目標回転速度をを中心として設けた許容幅を超えて低いときには吸気絞り弁２３の開度（吸気量）を増大することによってアイドル回転速度を目標回転速度へと戻す。

また、本発明ではアイドル回転状態へと移行した直後にアイドル回転速度を一時的に低下させ、そのときのアイドル回転速度の低下代またはアイドル回転速度の低下率に基づいて燃焼室内の残留ガスを推定する。

ここで、残留ガスの推定原理を説明すると、図２はアイドル回転状態において吸気量（吸入空気量）Ｑａを一定に保った状態で点火時期を始動時の点火時期ＡＤＶ０より所定値ΔＡＤＶだけ遅角したとき（アイドル回転速度を一時的に低下させたとき）、実際のアイドル回転速度がどのように変化するのかを示している。すなわち、アイドル回転速度は、点火時期を所定値ΔＡＤＶだけリタードしたｔ１のタイミングより８００ｒｐｍ（目標回転速度）を離れて低下してゆき、ｔ１より所定時間Δｔ経過後のｔ２のタイミングで一定値のエンジン回転速度（８００−Δｎ_e）に落ち着く。この場合に、アイドル回転速度の低下代Δｎ_eを所定時間Δｔで除算した値は、実際のアイドル回転速度の低下率を表し、この実際のアイドル回転速度の低下率Δｎ_e／Δｔは燃焼室５内の残留ガスに依存することとなる。すなわち、アイドル回転速度の低下率Δｎ_e／Δｔが大きいと燃焼室内の残留ガスは多いと、これに対してアイドル回転速度の低下率Δｎ_e／Δｔが小さいときには燃焼室内の残留ガスは少ないと考えられる。なお、アイドル回転速度の低下率Δｎ_e／Δｔを算出するには、所定時間Δｔが経過するのを待つ必要はなく、要はアイドル回転速度は直線的に低下するとみなしてその直線の傾きを算出すればよい。

図３は点火時期のリタード量と燃焼室内の残留ガス率を０〜３０％の範囲で変化させたときにアイドル回転速度Ｎ_eがどのように変化するのかをモデルで示したものである。図３によれば、同じ点火時期リタード量であれば燃焼室内の残留ガス率が０％→１０％→２０％→３０％と大きくなるほど、点火時期リタード量がゼロのときのアイドル回転速度からのアイドル回転速度Ｎ_eの低下代が大きくなっていることがわかる。

そこで、改めて横軸に残留ガスの量（あるいは残留ガス率）を、縦軸にアイドル回転速度の低下率Δｎ_e／Δｔを取り直してみると、図４の特性が得られる。図４は残留ガスの量（残留ガス率）が大きくなるほどアイドル回転速度の低下率Δｎ_e／Δｔが大きくなる傾向にあることを示している。このようにして、燃焼室内の残留ガスの量とアイドル回転速度の低下率Δｎ_e／Δｔとの関係を表す特性が得られたので、図４よりアイドル回転速度の低下率Δｎ_e／Δｔに基づけば燃焼室内の残留ガスの量を推定できる。

このエンジンコントローラ３１で実行されるこの制御の内容を、図２のフローチャートにしたがって詳述する。

図２のフローチャートは時系列的な処理手順を示すものである。ただし、アイドル回転状態であることを前提としている。

ステップ１０では水温センサ３７（図１参照）により検出される冷却水温を読込み、ステップ１１でこの読み込んだ冷却水温が８０℃付近で安定しているか否かをみる。冷却水温が８０℃以下で安定していないときには冷間始動直後にあると判断してステップ１０に戻る。

冷却水温が８０℃付近で安定していればステップ１２に進んで実際のアイドル回転速度（図では「ＥＮＧ回転数」で略記）を読込み、ステップ１３でこの実際のアイドル回転速度が８００ｒｐｍ（目標回転速度）の付近で安定しているか否かをみる。実際のアイドル回転速度が８００ｒｐｍ付近で安定していないときにはステップ１２に戻る。なお、エンジン回転速度はＰＯＳセンサ（ポジションセンサ）３３、ＰＨＡＳＥセンサ（フェーズセンサ）３４からの信号に基づいて演算されている。

実際のアイドル回転速度が８００ｒｐｍ付近で安定していればステップ１３よりステップ１４に進み、アイドル回転速度を目標回転速度付近に落ち着かせるための、点火時期（図では「ＡＤＶ」で略記）のフィードバック制御や吸気量のフィードバック制御を停止する。

ステップ１５では再び実際のアイドル回転速度を読込み、ステップ１６で実際のアイドル回転速度が８００ｒｐｍ付近で安定しているか否かをみる。実際のアイドル回転速度が８００ｒｐｍ付近で安定していないときにはステップ１４に戻る。

点火時期のフィードバック制御や吸気量のフィードバック制御を停止した状態でも実際のアイドル回転速度が８００ｒｐｍ付近で安定すればステップ１６よりステップ１７に進み点火時期を所定値ΔＡＤＶだけリタード（遅角）する。所定値ΔＡＤＶはマッチングにより予め定めておく。

点火時期をリタードさせる理由は、点火時期をリタードさせるとアイドル回転速度が低下し、そのアイドル回転速度の低下率Δｎ_e／Δｔが燃焼室内の残留ガスの量に依存しているので、アイドル回転速度の低下率Δｎ_e／Δｔより燃焼室内の残留ガスの量を推定するためである。

ステップ１８では再び実際のアイドル回転速度を読込み、ステップ１９で実際のアイドル回転速度が８００ｒｐｍ未満に低下しているか否かをみる。点火時期のリタードによって実際のアイドル回転速度が８００ｒｐｍ未満に低下しているときにはステップ１９よりステップ２０に進み、実際のアイドル回転速度の低下率Δｎ_e／Δｔを算出する。これは、前述のように、アイドル回転速度が低下した後に一定値に落ち着くのを待ってアイドル回転速度の低下率Δｎ_e／Δｔを算出する必要はなく、実際のアイドル回転速度は直線的に低下するとみなしてその直線の傾きを算出すればよい。

ステップ２１ではこの実際のアイドル回転速度の低下率Δｎ_e／Δｔと所定値（図４参照）を比較する。実際のアイドル回転速度の低下率Δｎ_e／Δｔが所定値以上であるときにはステップ２２に進んで燃焼室内の残留ガスは多い（燃焼室内の残留ガス率は大きい）と、これに対して実際のアイドル回転速度の低下率Δｎ_e／Δｔが所定値未満であるときにはステップ２３に進んで燃焼室内の残留ガスは少ない（燃焼室内の残留ガス率は小さい）と判定する。

このように、所定値によって、燃焼室内の残留ガスが多いか少ないか（燃焼室内の残留ガス率が大きいか小さいか）が判定されるので、所定値はマッチングにより予め定めておく。

一方、ステップ１７で点火時期をリタードしてもステップ１９で実際のアイドル回転速度が８００ｒｐｍ未満に低下していないときにはステップ１９よりステップ２４に進みＶＥＬ機構２６とＶＴＣ機構２７とからなる可変動弁装置を用いて吸排気バルブ１５、１６のバルブオーバーラップ幅を減らし、かつ点火時期をさらに所定値だけリタード（遅角）する。点火時期をさらにリタードさせるのは、点火時期のリタードにより排気温度を上昇させ、触媒の活性化を促進するためである。その際に、オーバーラップ幅を減らすのは、次の理由からである。すなわち、点火時期のリタードにより排気温度は上昇するものの、燃焼は不安定になる。そこで、吸排気バルブ１５、１６のオーバーラップを減らすことによって燃焼室内の残留ガスを減らし、点火時期をリタードさせても燃焼が不安定にならないようにするためである。

ここで、本実施形態の作用効果を説明する。

本実施形態（請求項１に記載の発明）によれば、燃料噴射弁２１（燃料供給装置）と、点火プラグ１４（点火装置）と、アイドル回転速度を一時的に低下させるアイドル回転速度低下手段（図５のステップ１７参照）とを備え、このアイドル回転速度低下手段がアイドル回転速度を一時的に低下させるときの、アイドル回転速度の低下率Δｎ_e／Δｔに基づいて燃焼室内の残留ガスを推定するので（図５のステップ２０〜２３参照）、極めてシンプルな測定方法で燃焼室内の残留ガスが多いか少ないかを推定できる。

また、新たなセンサは必要とせず、エンジン回転速度を測定できる、エンジンに既に備えられているエンジン回転速度センサ（３３、３４）があればよいので、コストアップを防止できる。

本実施形態（請求項２に記載の発明）によれば、実際のアイドル回転速度の低下率Δｎ_e／Δｔと所定値を比較し、アイドル回転速度の低下率Δｎ_e／Δｔが所定値より大きいとき燃焼室内の残留ガス量が多いと、これに対してアイドル回転速度の低下率Δｎ_e／Δｔが所定値より小さいとき燃焼室内の残留ガス量が少ないと推定するので（図５のステップ２１参照）、本実施形態においては所定値を適合するだけで足り、従って、エンジンの負荷と回転速度とをパラメータとして残留ガス率のマップを作成して予め持たせている従来装置より、マッチングの工数を大幅に減らすことができる。

本実施形態（請求項３に記載の発明）によれば、排気中の有害成分を浄化する触媒９を備え、この触媒９が暖機を完了する前に点火時期を遅角させることによってアイドル回転速度を低下させるので、触媒９の活性化を促進することができる。

本実施形態（請求項４に記載の発明）によれば、可変動弁装置（２６、２７）を備え、点火時期をリタード（遅角）したときアイドル回転速度が低下しない場合に、この可変動弁装置を用いて吸排気バルブのバルブオーバラップ幅を減らし、かつ点火時期をさらにリタード（遅角）するので（図５のステップ１７〜１９、２４参照）、排気温度をさらに上げることができ、触媒９の活性化を促進できる。

実際のアイドル回転速度を目標回転速度に維持するための点火時期のフィードバック制御手段を備える場合に、この点火時期のフィードバック制御を続けたのでは、アイドル回転速度が目標回転速度から外れて低下していかないので、燃焼室内の残留ガスを推定することができなくなるのであるが、本実施形態（請求項５に記載の発明）によれば、実際のアイドル回転速度を目標回転速度に維持するための点火時期のフィードバック制御手段を備え、燃焼室内の残留ガスを推定する際はこの点火時期のフィードバック制御を停止するので（図５のステップ１４参照）、実際のアイドル回転速度を目標回転速度に維持するための点火時期のフィードバック制御手段を備える場合にも燃焼室内の残留ガスを推定することができる。

実施形態では、実際のアイドル回転速度の低下率Δｎ_e／Δｔに基づいて燃焼室内の残留ガスを推定する場合で説明したが、実際のアイドル回転速度の低下代Δｎ_eに基づいて燃焼室内の残留ガスを推定するようにしてもかまわない。例えば、実際のアイドル回転速度の低下代Δｎ_eと所定値を比較し、実際のアイドル回転速度の低下代Δｎ_eが所定値より大きいとき、燃焼室内の残留ガスが多いと、これに対して実際のアイドル回転速度の低下代Δｎ_eが所定値より小さいとき、燃焼室内の残留ガスが少ないと推定する。

本発明の第１実施形態のエンジンの残留ガス推定装置の概略構成図。 アイドル回転状態において点火時期をリタードしたとき実際のアイドル回転速度の変化を示す波形図。 点火時期リタード量と燃焼室内の残留ガス率とに対するアイドル回転速度の特性図。 燃焼室内の残留ガス率に対するアイドル回転速度の低下率の特性図。 燃焼室内の残留ガスの推定を説明するためのフローチャート。

符号の説明

４ 燃料噴射弁（燃料供給装置）
６ 点火プラグ（点火装置）
９ 上流側三元触媒（触媒）
２６ ＶＥＬ機構（可変動弁装置）
２７ ＶＴＣ機構（可変動弁装置）
３１ エンジンコントローラ
３３ ＰＯＳセンサ（エンジン回転速度センサ）
３４ ＰＨＡＳＥセンサ（エンジン回転速度センサ）

Claims (5)

1. 燃料供給装置と、
   点火装置と、
   エンジンのアイドル回転状態で一時的にエンジン回転速度を低下させるアイドル回転速度低下手段と、
   前記アイドル回転速度の低下代またはアイドル回転速度の低下率に基づいて燃焼室内の残留ガスを推定する残留ガス推定手段と
   を備えたことを特徴とするエンジンの残留ガス推定装置。
2. アイドル回転速度の低下代またはアイドル回転速度の低下率と所定値を比較し、アイドル回転速度の低下代またはアイドル回転速度の低下率が所定値より大きいとき、燃焼室内の残留ガス量が多いまたは燃焼室内の残留ガス率が大きいと、これに対してアイドル回転速度の低下代またはアイドル回転速度の低下率が所定値より小さいとき、燃焼室内の残留ガス量が少ないまたは燃焼室内の残留ガス率が小さいと推定することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの残留ガス推定装置。
3. 排気中の有害成分を浄化する触媒を備え、
   この触媒が暖機を完了する前に点火時期を遅角させることによってアイドル回転速度を低下させることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの残留ガス推定装置。
4. 可変動弁装置を備え、
   前記点火時期を遅角したときアイドル回転速度が低下しない場合に、この可変動弁装置を用いて吸排気バルブのバルブオーバラップ幅を減らし、かつ点火時期をさらに遅角することを特徴とする請求項３に記載のエンジンの残留ガス推定装置。
5. アイドル回転速度を目標回転速度に維持するための点火時期のフィードバック制御手段を備え、
   前記燃焼室内の残留ガスを推定する際はこの点火時期のフィードバック制御を停止することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの残留ガス推定装置。

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