JP2010116894A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＧＲ系を備える内燃機関において、簡易な構成で確実にＥＧＲを行うことを可能とした内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】内燃機関１０の吸気通路１２に配置されたスロットル弁２４と、内燃機関１０から排出される排気ガスが流れる排気通路２６と、吸気通路１２におけるスロットル弁２４の下流側と、排気通路２６とを接続するＥＧＲ通路３６と、ＥＧＲ通路３６に配置されたＥＧＲ弁３８と、内燃機関１０の機関要求に応じてＥＧＲを行うＥＧＲ実行手段と、を備える。ＥＧＲ実行手段は、吸気弁が開いている吸気行程中の一時期にスロットル弁２４を閉じるとともに、スロットル弁２４を閉じている期間の少なくとも一時期にＥＧＲ弁３８を開弁する。
【選択図】図４

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、ＥＧＲ系を備える内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関の排気還流（ＥＧＲ）装置では、排気圧と吸気圧との差圧を利用して、排気系を流れる排気ガス（ＥＧＲガス）を吸気系へ導入する仕組みになっている。このため、ＥＧＲガスを確実に導入するためには、排気圧と吸気圧との差圧を確保することが重要となる。従来、例えば、特開２００７−２７８１１０号公報には、排気還流システムを有する内燃機関において、複数の排気還流経路を選択的に切り替える装置が開示されている。この装置では、より具体的には、排気管流通路の上流側端部は、第１切換弁を介して、ターボ過給機の排気タービンの上流側に位置する第１排気取り出し口と、触媒コンバータの下流側に位置する第２排気取り出し口と、に選択的に接続され、また、下流側端部は、第２切換弁を介して、スロットル弁下流に位置する導入口と、ターボ過給機のコンプレッサの上流側に位置する導入口と、に選択的に接続される仕組みになっている。そして、排気圧と吸気圧との差圧が低下しないように、これらの切換弁を制御することにより、過給域でも確実に排気還流を行うことができる。

特開２００７−２７８１１０号公報

しかしながら、上述した従来の装置では、複数のＥＧＲ経路、およびこれらを切り替えるための複数のアクチュエータが必要となる。このため、部品点数が多くなる上に、ＥＧＲガス導入のための制御が複雑になってしまう。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ＥＧＲ系を備える内燃機関において、簡易な構成で確実にＥＧＲを行うことを可能とした内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
内燃機関の吸気通路に配置されたスロットル弁と、
前記内燃機関から排出される排気ガスが流れる排気通路と、
前記吸気通路における前記スロットル弁の下流側と、前記排気通路とを接続するＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲ通路に配置されたＥＧＲ弁と、
前記内燃機関の機関要求に応じてＥＧＲを行うＥＧＲ実行手段と、を備え、
前記ＥＧＲ実行手段は、
吸気弁が開いている吸気行程中の一時期に前記スロットル弁を閉じるとともに、前記スロットル弁を閉じている期間の少なくとも一時期に前記ＥＧＲ弁を開弁することを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、
前記内燃機関は過給機を備えた過給機付き内燃機関であることを特徴とする。

第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記ＥＧＲ実行手段は、前記ＥＧＲ通路と前記吸気通路との接続部の圧力が、前記ＥＧＲ通路と前記排気通路との接続部のそれに比して大きい場合に前記ＥＧＲを実行することを特徴とする。

内燃機関では、吸気弁が開いている吸気行程中に吸気通路内の空気がシリンダ内の燃焼室へ吸入される。この吸気行程にスロットル弁を一時的に閉弁すると、該スロットル弁の下流の圧力が減少する。第１の発明によれば、かかるスロットル弁を閉弁している期間の少なくとも一時期にＥＧＲ弁が開弁される。スロットル弁を閉弁している期間は吸気圧が減少するため、吸気圧と排気圧との差圧が大きくなる。このため、本発明によれば、かかる期間にＥＧＲ弁を開弁することにより、簡易な構成でＥＧＲガスを効率よく導入することができる。

過給機を備えた内燃機関の高負荷運転時には、過給によって吸気圧が上昇している。このため、かかる過給域においては、吸気圧と排気圧との差圧が確保し難い。このため、第２の発明によれば、過給機を備えた内燃機関についてＥＧＲ制御手段を実行することにより、吸気圧と排気圧との差圧を効果的に確保して、ＥＧＲガスを効率よく導入することができる。

ＥＧＲ通路と吸気通路との接続部の圧力（吸気圧）が、ＥＧＲ通路と排気通路との接続部の圧力（排気圧）に比して大きい場合には、単にＥＧＲ弁を開弁してもＥＧＲを行うことができない。第３の発明によれば、かかる運転状態の場合にＥＧＲ実行手段が実行されるので、吸気圧の大きさと排気圧の大きさとを効果的に逆転させて、ＥＧＲガスを効率よく導入することができる。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
［実施の形態の構成］
図１は、本発明の実施の形態としてのシステム構成を説明するための概略構成図である。より具体的には、図１は、１つの気筒を有する内燃機関１０の当該気筒の断面を示す図である。内燃機関１０の吸気系は、吸気通路１２を備えている。空気は大気中から吸気通路１２へ取り込まれ燃焼室１４へ導入される。吸気通路１２の入口には、エアクリーナ１６が取り付けられている。

エアクリーナ１６の下流には、ターボ過給機２０が設けられている。ターボ過給機２０は、コンプレッサ２０ａとタービン２０ｂとを備えている。コンプレッサ２０ａとタービン２０ｂとは、連結軸によって一体に連結されている。コンプレッサ２０ａは、タービン２０ｂに入力される排気ガスの排気エネルギによって回転駆動される。

コンプレッサ２０ａの下流には、圧縮した空気を冷却するためのインタークーラ２２が設けられている。インタークーラ２２の下流には、スロットル弁２４が配置されている。スロットル弁２４は、アクセル開度に基づいてスロットルモータにより駆動される電子制御式のバルブである。

図１に示すとおり、内燃機関１０の排気系は、燃焼室１４から排出される排気ガスが流れる排気通路２６を備えている。この排気通路２６の途中には、上述したターボ過給機２０のタービン２０ｂが配置されている。また、排気通路２６には、タービン２０ｂをバイパスしてタービン２０ｂの入口側と出口側とを接続する排気バイパス通路２８が接続されている。排気バイパス通路２８の途中には、ウエストゲートバルブ（ＷＧＶ）３０が配置されている。

また、排気通路２６におけるタービン２０ｂの下流側には、排気ガスを浄化するための上流触媒（ＳＣ）３２と下流触媒（ＵＦＣ）３４とが直列に配置されている。これらの触媒３２、３４としては、三元触媒を用いることができる。

更に、内燃機関１０の排気系には、排気通路２６に接続され、吸気通路１２に向かうＥＧＲ通路３６が設けられている。また、ＥＧＲ通路３６には、ＥＧＲガスの流量を制御するためのＥＧＲ弁３８が設けられている。

本実施の形態のシステムは、図１に示すとおり、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)４０を備えている。ＥＣＵ４０の入力部には、クランク軸の回転位置を検知するためのクランク角センサ４２等の各種センサが接続されている。また、ＥＣＵ４０の出力部には、上述したスロットル弁２４やＥＧＲ弁３８等の各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ４０は、入力された各種の情報に基づいて、内燃機関１０の運転状態を制御する。

［実施の形態の動作］
内燃機関１０では、ＮＯｘの発生を抑制すること等を目的として、排気ガス（既燃ガス）の一部を該内燃機関１０の吸気通路１２へ環流させるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）が行われる。より具体的には、ＥＧＲ弁３８が開弁されると、排気通路２８→ＥＧＲ通路３６→吸気通路１２へと連通するＥＧＲ経路が形成される。ここで、吸気通路１２におけるＥＧＲ通路３６との接続部の圧力を吸気圧Ｐｉｎと称し、排気通路２６とＥＧＲ通路３６との接続部の圧力を排気圧Ｐｅｘと称することとする。排気通路２６を流れる排気ガスの一部は、排気圧Ｐｅｘと吸気圧Ｐｉｎとの差圧（Ｐｅｘ−Ｐｉｎ）によってＥＧＲ経路へ導入される。

ここで、本実施の形態における内燃機関１０は、ターボ過給機２０を備えている。このため、内燃機関１０のエンジン回転数やエンジン負荷によっては、十分な差圧が確保できないことも想定される。図２は、エンジンの運転状態に対する排気圧Ｐｅｘと吸気圧Ｐｉｎとの大小関係を示す図である。この図に示すとおり、エンジン負荷の小さな低負荷領域では、吸気圧Ｐｉｎに比して排気圧Ｐｅｘが大きくなっている。このため、内燃機関の運転状態がかかる低負荷領域に属する場合には、ＥＧＲ弁３８を開弁することにより、いつでもＥＧＲを行うことができる。

これに対して、図２示すとおり、エンジン負荷が大きな高負荷領域、すなわち高過給領域では、吸気圧Ｐｉｎが過給により上昇しているため、排気圧Ｐｅｘの大きさと吸気圧Ｐｉｎの大きさとが逆転してしまう。このため、かかる高負荷領域では、ＥＧＲ弁３８を開弁したとしてもＥＧＲガスを吸気系に導入することはできない。

そこで、本実施の形態では、スロットル弁２４とＥＧＲ弁３８とを協調制御することで、高負荷領域であっても、排気圧Ｐｅｘと吸気圧Ｐｉｎとの差圧を有効に発生させることとする。以下、図３および図４を参照して詳細に説明する。

図３は、内燃機関の燃焼行程と吸気圧Ｐｉｎおよび排気圧Ｐｅｘとの関係を示す図である。尚、図３は、高負荷領域において、スロットル弁２４の開度を一定に制御し、且つＥＧＲ弁３８を閉弁した場合の圧力変化を示している。この図に示すとおり、吸気弁が開弁する吸気行程においては、排気圧Ｐｅｘは変化せず吸気圧Ｐｉｎが減少している。これは、吸気弁が開弁されることで、吸気通路１２内の空気がシリンダ内の燃焼室１４に吸入されるためである。しかしながら、このような吸気行程においても、吸気圧Ｐｉｎが排気圧Ｐｅｘよりも大きくなる状態には至っていない。このため、かかる状態においては、仮にＥＧＲ弁３８を開弁したとしても、ＥＧＲガスを吸気系へ導入することはできない。

そこで、本実施の形態では、吸気行程においてスロットル弁２４とＥＧＲ弁３８とを協調制御することする。図４は、吸気行程におけるスロットル弁２４とＥＧＲ弁３８との協調制御を説明するための図である。この図に示すとおり、先ず、吸気行程における吸気弁の開弁時にストットル弁２４を一時的に閉弁することとする。スロットル弁２４を閉弁している期間は吸気圧Ｐｉｎが減少する。このため、吸気行程中の一時期に吸気圧Ｐｉｎが排気圧Ｐｅｘよりも小さくなる期間、すなわちこれらの圧力が逆転する期間が発生する。ＥＧＲ弁３４は、少なくともかかる期間に開弁するように制御することとする。具体的には、ＥＧＲ弁３４は、スロットル弁２４の閉弁後速やかに開弁し、該スロットル弁２４の開弁と同時に閉弁することとする。これにより、内燃機関１０の高負荷領域であっても、簡易な構成でＥＧＲガスを吸気系へ導入することができる。

ところで、上述した実施の形態においては、単気筒エンジンとしての内燃機関１０において本発明を実行することとしているが、本発明を実現可能な内燃機関はこれに限られない。すなわち、多気筒エンジンにおいて、吸気弁の開弁期間が他の気筒のそれと干渉しないように、吸気弁の作用角を１８０ｄｅｇ以内に設定しているのであれば、多気筒エンジンを本発明の内燃機関として使用してもよい。

また、上述した実施の形態においては、ターボ過給機２０を備えた内燃機関１０において本発明を実行することとしているが、本発明を実現可能な内燃機関はこれに限られない。すなわち、ターボ過給機２０を有しない内燃機関であっても、吸気圧Ｐｉｎが排気圧Ｐｅｘよりも大きくなるのであれば、本発明を実行することにより、有効にＥＧＲを実行することができる。

また、上述した実施の形態においては、ＳＣ３２の下流側にＥＧＲ通路３６の導入口を設けることとしているが、ＥＧＲ通路３６の接続場所はこれに限られない。すなわち、ＥＧＲ通路３６に別途ＥＧＲ触媒を有するのであれば、タービン２０ｂの上流側に導入口を設けることとしてもよい。これにより、排気圧を効果的に高めることができる。

本発明の実施の形態としてのシステム構成を説明するための概略構成図である。 エンジンの運転状態に対する排気圧Ｐｅｘと吸気圧Ｐｉｎとの大小関係を示す図である。 内燃機関の燃焼行程と吸気圧Ｐｉｎおよび排気圧Ｐｅｘとの関係を示す図である。 吸気行程におけるスロットル弁２４とＥＧＲ弁３８との協調制御を説明するための図である。

符号の説明

１０ 内燃機関
１２ 吸気通路
１４ 燃焼室
１６ エアクリーナ
２０ ターボ過給機
２０ａ コンプレッサ
２０ｂ タービン
２２ インタークーラ
２４ スロットル弁
２６ 排気通路
２８ 排気バイパス通路
３０ ウエストゲートバルブ（ＷＧＶ）
３２ 上流触媒（ＳＣ）
３４ 下流触媒（ＵＦＣ）
３６ ＥＧＲ通路
３８ ＥＧＲ弁
４０ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
４２ クランク角センサ

Claims (3)

1. 内燃機関の吸気通路に配置されたスロットル弁と、
   前記内燃機関から排出される排気ガスが流れる排気通路と、
   前記吸気通路における前記スロットル弁の下流側と、前記排気通路とを接続するＥＧＲ通路と、
   前記ＥＧＲ通路に配置されたＥＧＲ弁と、
   前記内燃機関の機関要求に応じてＥＧＲを行うＥＧＲ実行手段と、を備え、
   前記ＥＧＲ実行手段は、
   吸気弁が開いている吸気行程中の一時期に前記スロットル弁を閉じるとともに、前記スロットル弁を閉じている期間の少なくとも一時期に前記ＥＧＲ弁を開弁することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記内燃機関は過給機を備えた過給機付き内燃機関であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記ＥＧＲ実行手段は、前記ＥＧＲ通路と前記吸気通路との接続部の圧力が、前記ＥＧＲ通路と前記排気通路との接続部のそれに比して大きい場合に前記ＥＧＲを実行することを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の制御装置。

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