JP6573281B2

JP6573281B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP6573281B2
Application number: JP2016014728A
Authority: JP
Inventors: 貴裕尾崎; 哲也入谷
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2016-01-28
Filing date: 2016-01-28
Publication date: 2019-09-11
Anticipated expiration: 2036-01-28
Also published as: JP2017133439A

Description

本発明は、排気ガス再循環（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置が付帯した内燃機関を制御する制御装置に関する。

ＥＧＲ装置は、排気通路の所定箇所と吸気通路の所定箇所とをＥＧＲ通路により接続し、排気の一部を当該ＥＧＲ通路を介して吸気通路に還流させて吸気に混交するものである。ＥＧＲにより、燃焼温度が低下し、ＮＯ_xの排出量の削減を図ることができる。ＥＧＲ通路上には、排気通路から吸気通路に還流させるＥＧＲガスの量を調整するためのＥＧＲバルブが設けられる。当該ＥＧＲバルブの開度を拡大すれば、吸気に混交するＥＧＲガス量が増す。

ＥＧＲバルブの弁体は、ステッピングモータにより駆動される。ステッピングモータは、ステータコイルに制御信号として通電されるパルスの数に比例した角度だけ回動し、その回動角度に応じた量だけ弁体を変位させる。内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）は、ステッピングモータのステータコイルにパルス電流を印加してＥＧＲバルブを必要な開度に操作するとともに、入力した制御パルスの数を積算することでＥＧＲバルブの開度即ち現在の弁体の位置を推定する。

ＥＣＵは、ＥＧＲバルブの弁体の位置を直接にはセンシングしない。ＥＣＵは、内燃機関の始動時や内燃機関の運転中の適宜の機会に、ステッピングモータのステータコイルに所定数の制御パルスを入力し、ＥＧＲバルブの弁体を強制的に弁座に着座させる。このような初期化処理を完了した時点で、ＥＧＲバルブの開度が全閉であることが確定し、以降、ステータコイルに与えた制御パルスの数を計数してＥＧＲバルブの現在の開度を知得する（以上、下記特許文献を参照）。

特開２００２−０４４９９３号公報

上述の初期化処理の実行開始時に、ＥＧＲバルブの弁体がどの位置にあるかは定かではない。従って、初期化処理においては、ＥＧＲバルブを確実に全閉できるよう、ステッピングモータのステータコイルに与える制御パルスの数を多めに設定している。

だが、初期化処理の最中にステッピングモータに対する印加電圧が大きく低下した場合には、弁体が制御パルスの入力数に比例した変位量だけ変位することが保証されない。印加電圧の顕著な降下は、車載のバッテリが経年劣化している状況下で電装系の電気負荷が急増したとき等に起こる可能性がある。このようなケースはごく希であると思われるが、初期化処理においてＥＧＲバルブの弁体が弁座に着座するに至らず、その結果としてＥＣＵが認識しているＥＧＲバルブの開度と実際のＥＧＲバルブの開度とが乖離すると、内燃機関のエミッションの悪化や、アイドル運転または低負荷運転における混合気の燃焼の不安定化を招くことになりかねない。

本発明は、以上の問題に初めて着目してなされたものであり、初期化処理によるＥＧＲバルブの開度の誤認識を防止することを所期の目的としている。

本発明では、吸気通路と排気通路とを連通させるＥＧＲ通路及びこのＥＧＲ通路を開閉するＥＧＲバルブを備えた排気ガス再循環装置が付帯する内燃機関の制御装置であって、ＥＧＲバルブの弁体を駆動するステッピングモータのコイルに所定数の制御パルスを入力してＥＧＲバルブの弁体を強制的にその可動範囲の限界位置に変位させる初期化処理の最中に、ステッピングモータのコイルに印加される電圧が所定値以下に低落したことを感知した場合、その初期化処理の終了後に再度初期化処理を実行する内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、初期化処理によるＥＧＲバルブの開度の誤認識を防止することができる。

本発明の一実施形態における車両用内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。ＥＧＲバルブの弁体を駆動するステッピングモータを制御するための電気回路の基本構成を示す図。本実施形態の制御装置が実行するＥＧＲバルブの開度の初期化処理の手順例を示すフロー図。本実施形態の制御装置によるＥＧＲバルブの開度の初期化処理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、ポート噴射式の４ストローク火花点火エンジンであり、複数の気筒１（例えば、三気筒。図１には、そのうち一つを図示している）を具備する。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を気筒１毎に設けている。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。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

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、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。

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外部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、特にサージタンク３３に接続している。

ＥＧＲバルブ２３の弁体は、ステッピングモータ５により駆動される。図２に、ステッピングモータ５を制御するための電気回路の基本的な構造を示している。図示例は、ユニポーラ型のステッピングモータ５の制御回路であり、ステッピングモータ５が有する二つのステータコイル５１の各々の中間点からタップが出ている、換言すればステータコイル５１がバイファイラ巻線となっているものである。その上で、半導体スイッチング素子（例えば、パワートランジスタやパワーＭＯＳＦＥＴ等に代表されるパワーデバイス（電力用半導体素子））７を順次点弧／消弧することで、ステータコイル５１の各相に順次パルス電流を通電し、ステッピングモータ５のロータ５２を正方向または逆方向に回動させ、その駆動力を利用してＥＧＲバルブ２３の弁体を進退動作させる。

また、図２に、車両に実装される電装系の電気回路の構造を示している。発電機（オルタネータ。但し、電動機６３と一体化したＩＳＧ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＳｔａｒｔｅｒＧｅｎｅｒａｔｏｒ）であることがある）１１０は、ベルト及びプーリを要素とする巻掛伝動機構等を介して内燃機関の出力軸であるクランクシャフトに接続しており、クランクシャフトの回転に従動して回転し、発電した電力を車載のバッテリ１２０に充電し、または車両に実装された各種の電気負荷に給電する。バッテリ１２０は、車両用として周知の鉛バッテリや、ニッケル水素バッテリ、リチウムイオンバッテリ等である。

電気負荷の具体例としては、エアコンディショナの送風用ブロワ、リアガラスの曇りを取るデフォッガ、オーディオ機器、カーナビゲーションシステム、照明灯（ヘッドランプ、テールランプ、フォグランプ、ウィンカ（ターンシグナルランプ）等）、内燃機関の冷却水を空冷するラジエータのファン、電動パワーステアリング装置、内燃機関のクランクシャフトを回転駆動する電動機（スタータモータ。但し、発電機１１０と一体化したＩＳＧであることがある）６３等が挙げられる。

エアコンディショナの冷媒圧縮用コンプレッサは、内燃機関のクランクシャフトから回転駆動力の伝達を受けて回転駆動され、冷媒を圧縮する。図２に示すように、コンプレッサとクランクシャフトとの間には、断接切換可能なマグネットクラッチ６１が介在している。エアコンディショナを稼働するときには、マグネットクラッチ６１に車載のバッテリ１２０及び／または発電機１１０からの電流を通電し、マグネットクラッチ６１を締結する。逆に、エアコンディショナを稼働しないときには、マグネットクラッチ６１に通電せず、クラッチ６１を切断する。マグネットクラッチ６１への通電及びその遮断は、リレースイッチ６２のＯＮ／ＯＦＦによって行う。

送風用ブロワの回転駆動用の電動機や、デフォッガとしてリアガラスに敷設された電熱線ヒータ６５、クランクシャフトの回転駆動用の電動機６３等は、バッテリ１２０及び／または発電機１１０から電力供給を受けて作動する。電動機６３やヒータ６５への通電及びその遮断は、リレースイッチ６４のＯＮ／ＯＦＦ、または半導体スイッチング素子６６の点弧／消弧によって行う。

オーディオ機器、カーナビゲーションシステム、照明灯、ラジエータファンの回転駆動用の電動機その他の電気負荷についても、上記と同様である。

電気負荷への電力供給の源である発電機１１０は、内燃機関のクランクシャフトから回転トルクの伝達を受けて回転駆動され、発電を行う。また、発電機１１０は、回生発電を行うことがある。即ち、運転者がアクセルペダルを踏んでおらず、車両の加速を要求していない（減速を容認している）場合において、クランクシャフト及び車軸（駆動輪）の回転のエネルギを電気エネルギに変換して回収しつつ、内燃機関及び車両を減速させる。

発電機１１０に付随するレギュレータ１３０は、発電機１１０が発電して出力する電圧の大きさを制御するＩＣ式のものである。レギュレータ１３０は、半導体スイッチング素子を用いた切替回路１３１を介してフィールドコイル１１２に通電する。

レギュレータ１３０の電圧制御回路は、ＥＣＵ０から発電機１１０の目標電圧を指令する信号ｍを受け付け、バッテリ１２０の端子電圧、換言すれば電装系のシステム電圧をその指令された目標電圧に追従させるべくＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御を行う。発電機１１０の出力電圧、即ち発電機１１０のステータコイルに誘起される電圧は、発電機１１０のフィールドコイルを流れる励磁電流のＤＵＴＹ比であるｆＤＵＴＹに比例して大きくなる。発電機１１０による発電量、換言すればバッテリ１２０への充電量及び／または電気負荷への給電量は、ｆＤＵＴＹが高いほど増加し、ｆＤＵＴＹが低いほど減少する。

発電機１１０の出力電圧がバッテリ１２０の端子電圧を超越するとき、バッテリ１２０が充電され、かつ発電機１１０から電気負荷に電力が供給される。つまり、発電機１１０がクランクシャフトの回転のエネルギを費やして電気エネルギを生成する仕事をする。逆に、発電機１１０の出力電圧がバッテリ１２０電圧に満たないか、バッテリ１２０電圧に近いときには、バッテリ１２０が充電されず、また発電機１１０から電気負荷に電力が供給されない（バッテリ１２０から電気負荷に電力供給されることはある）。つまり、発電機１１０がクランクシャフトの回転のエネルギを費やす仕事をしないか、またはその仕事が小さくなる。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ０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クランク角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、気筒１に連なる吸気通路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、バッテリ１２０の端子電圧または電装系のシステム電圧を検出するセンサから出力される電圧信号ｈ等が入力される。

ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、イグナイタに対して点火信号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。発電機１１０の出力電圧を制御する電圧レギュレータ１３０に対して電圧指令信号ｍ、マグネットクラッチ６１に通電する電気回路上のスイッチ６２に対してクラッチ締結信号ｏ、電動機６３やヒータ６５その他の電気負荷に通電する電気回路上のスイッチ６４、６６に対してスイッチＯＮ信号ｐ、ｑ等を出力する。開度操作信号ｌは、具体的には、ステッピングモータ５のステータコイル５１の各相に所要のパルス電流を通電するべく電気回路上のスイッチ７を順次点弧／消弧させる制御パルス信号である。

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、点火タイミング、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）、発電機１１０の出力電圧（発電量）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、ｏ、ｐ、ｑを出力インタフェースを介して印加する。

本実施形態のＥＣＵ０は、内燃機関の始動時や運転中の適宜の機会に、ＥＧＲバルブ２３の弁体をその可動範囲の限界位置、即ち弁体が弁座に着座してＥＧＲバルブ２３の開度が全閉となる位置まで変位させる初期化処理を実行する。この初期化処理の実行機会の具体例としては、車両に実装されたイグニッションスイッチまたはスタートスイッチがＯＦＦからＯＮに操作されてＥＣＵ０が起動し内燃機関を始動させる冷間始動時や、内燃機関を運転している最中に要求ＥＧＲ率が０となりＥＧＲバルブ２３を全閉する時期、即ちアクセル開度が０または０に近い閾値以下となった減速要求時（気筒１に対する燃料噴射を一時的に中止する燃料カットを伴っていることがある）や停車中のアイドル運転時等が挙げられる。

図３に、ＥＧＲバルブ２３の開度の初期化処理においてＥＣＵ０が実行する処理の手順例を示す。ＥＣＵ０は、初期化処理の実行機会が訪れたときに（ステップＳ１）、ステッピングモータ５のステータコイル５１に開度操作信号ｌである制御パルスを入力する（ステップＳ２）ことで、ＥＧＲバルブ２３の弁体を強制的にその可動範囲の限界位置である全閉位置に向かって変位させる。しかして、制御パルスの入力数を計数し（ステップＳ３）、その入力数が所定数に到達したら（ステップＳ６）一旦初期化処理を終了する。ここに言う所定数、即ち一度の初期化処理においてステッピングモータ５のステータコイル５１に入力する制御パルスの個数は、ＥＧＲバルブ２３の弁体を弁座に確実に着座させ得るような多めの数に設定する。また、所定数は、常に一定の値であるとは限られず、初期化処理を実行する都度異なることがあり得る。例えば、初期化処理の実行開始時においてＥＣＵ０が認識しているＥＧＲバルブ２３の開度に一定のマージンを加算した開度分だけ弁体を変位させるのに必要な制御パルス数を、所定数として設定する。

一方で、ＥＣＵ０は、初期化処理の実行中、電圧信号ｈを参照して、バッテリ１２０の端子電圧または電装系のシステム電圧を監視する。この電圧は、ステッピングモータ５のステータコイル５１に印加される電圧の大きさに等しいかまたはこれに近い。そして、初期化処理中にこの電圧が所定値以下に低落したことを感知した場合には（ステップＳ４）、そのような電圧降下が発生した事実を示す情報をメモリに記憶保持しておく（ステップＳ５）。初期化処理中の印加電圧の降下は、例えば、発電機１１０の出力電圧が小さい状況下でヘッドランプその他複数の電気負荷が同時にＯＮにされたときや、車載のバッテリが経年劣化しているとき等に起こり得る。

その上で、既に述べた通り、ステッピングモータ５のステータコイル５１に所定数の制御パルスを入力し終えたときに初期化処理を終了するのであるが、今回の初期化処理中にステータコイル５１への印加電圧が所定値以下に低落した事実を示す情報をメモリに記憶保持しているならば（ステップＳ７）、その情報をメモリから消去するとともに（ステップＳ８）初期化処理を再び実行する。これにより、初期化処理中の印加電圧の降下に起因してＥＧＲバルブ２３の弁体が弁座に着座するに至らず、ＥＣＵ０が初期化処理終了時点のＥＧＲバルブ２３の開度を（実際には全閉でないにもかかわらず、全閉であると）誤認識してしまう問題を防止できる。

初期化処理の終了時において、初期化処理中にステータコイル５１への印加電圧が所定値以下に低落した事実を示す情報をメモリに記憶保持していなければ、ＥＣＵ０がそのときのＥＧＲバルブ２３の開度を０即ち全閉であると認識する（ステップＳ９）。

図４に、ＥＧＲバルブ２３の開度の初期化処理の再実行の模様を示している。図４において、太い破線は実際のＥＧＲバルブ２３の開度を表し、細い実線はＥＣＵ０が認識している現在のＥＧＲバルブ２３の開度を表している。時点ｔ₀は初回の初期化処理の実行開始時点、時点ｔ₁は初回の初期化処理の実行中にステータコイル５１への印加電圧が所定値以下に低落したことを感知した時点、時点ｔ₂は初回の初期化処理の終了時点かつ再度の初期化処理の実行開始時点、時点ｔ₃は再度の初期化処理の終了時点である。

本実施形態では、吸気通路３と排気通路４とを連通させるＥＧＲ通路２１及びこのＥＧＲ通路２１を開閉するＥＧＲバルブ２３を備えた排気ガス再循環装置２が付帯する内燃機関の制御装置０であって、ＥＧＲバルブ２３の弁体を駆動するステッピングモータ５のコイル５１に所定数の制御パルスを入力してＥＧＲバルブ２３の弁体を強制的にその可動範囲の限界位置に変位させる初期化処理の最中に、ステッピングモータ５のコイル５１に印加される電圧が所定値以下に低落したことを感知した場合、その初期化処理の終了後に再度初期化処理を実行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、ＥＧＲバルブ２３の開度の初期化処理において、ステッピングモータ５に対する印加電圧の降下が起こったとしても、ＥＧＲバルブ２３の弁体を可動範囲の限界位置まで確実に変位させることが可能となる。従って、ＥＣＵ０が認識しているＥＧＲバルブ２３の開度と実際のＥＧＲバルブ２３の開度との乖離を回避することができ、ＥＧＲバルブ２３の現在の開度の誤認識に起因した内燃機関のエミッションの悪化や、アイドル運転または低負荷運転における混合気の燃焼の不安定化を抑止できる。

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。上記実施形態では、内燃機関の始動の際の初期化処理において、ＥＧＲバルブ２３の弁体を可動範囲の限界位置である全閉位置まで変位させることとしていたが、気筒１に対する燃料噴射を一時的に中止する燃料カット中等に初期化処理を実行する場合には、ＥＧＲバルブ２３の弁体を、ＥＧＲバルブ２３の開度を最大に拡大させる全開位置まで変位させるようにしても構わない。

その他、各部の具体的構成や処理の内容等は、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、車両等に搭載される内燃機関の制御に用いることができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
２…排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置
２１…ＥＧＲ通路
２３…ＥＧＲバルブ
５…ステッピングモータ
５１…ステータコイル
ｌ…制御パルス信号

Claims

吸気通路と排気通路とを連通させるＥＧＲ通路及びこのＥＧＲ通路を開閉するＥＧＲバルブを備えた排気ガス再循環装置が付帯する内燃機関の制御装置であって、
ＥＧＲバルブの弁体を駆動するステッピングモータのコイルに所定数の制御パルスを入力してＥＧＲバルブの弁体を強制的にその可動範囲の限界位置に変位させる初期化処理の最中に、ステッピングモータのコイルに印加される電圧が所定値以下に低落したことを感知した場合、その初期化処理の終了後に再度初期化処理を実行する内燃機関の制御装置。