JP2005233038A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 本発明は、燃焼室容積を変更することにより圧縮比を変化させる可変圧縮比機構を備えた内燃機関において、燃焼室容積の変更に伴う空燃比の乱れを抑制できるようにする。
【解決手段】 可変圧縮比機構６により実現されている実際の燃焼室容積を燃焼室容積検出手段４２により検出し、検出した実際燃焼室容積に基づいて制御手段４０により空燃比を支配する要因（例えば、燃料噴射量、シリンダ吸入空気量、ＥＧＲ量）を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃焼室容積を変更することにより圧縮比を変化させる可変圧縮比機構を備えた内燃機関の制御技術に関する。
従来、例えば特許文献１に記載されるように、燃焼室容積を機械的に変更することによりシリンダ容積と燃焼室容積との比である圧縮比（機械圧縮比）を変化させる可変圧縮比機構が知られている。可変圧縮比機構を備えた内燃機関によれば、運転状態に応じて圧縮比を変化させることで出力及び燃費の向上とノッキングの防止とを高い次元でバランスさせることが可能になる。
特開昭６０−２３０５２２号公報 再公表９７−１３０６３号公報 特開昭６３−１８１４２号公報 特開平２−４００５６号公報
ところで、特許文献１に記載されるような燃焼室容積可変型の可変圧縮比機構では、圧縮比の変化に伴い新気の吸入特性も変化するという特徴がある。例えば、圧縮比を小さくするためには燃焼室容積を増大させることになるが、燃焼室容積が増大すれば気筒内の燃焼ガスの残留量も増大することになる。このとき、燃焼室容積の増大分だけ燃焼ガスの残留体積が増大するならば新気の吸入特性に変化はないが、残留した燃焼ガスはシリンダ内で膨張するため、実際の燃焼ガスの残留体積は燃焼室容積の増大分を超えることになり、その分、新気の吸入量は減少することになる。逆に、燃焼室容積が減少するときには燃焼ガスの残留体積は燃焼室容積の減少量を超えて減少することになり、その分、新気の吸入量は増大することになる。
このように新気の吸入特性が変化する状況では正確な空燃比制御を行うことは難しい。また、可変圧縮比機構における燃焼室容積の変更は瞬間的に完了されるものではなく、変更完了までに複数サイクル費やされる場合もある。燃焼室容積が変更されている過渡運転時には、排気空燃比フィードバックによる燃料噴射量の調整が吸入特性の変化に間に合わないために空燃比の乱れが特に大きく、排ガス性能の悪化や燃費の悪化を招いてしまう可能性が高くなる。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃焼室容積を変更することにより圧縮比を変化させる可変圧縮比機構を備えた内燃機関において、燃焼室容積の変更に伴う空燃比の乱れを抑制できるようにした、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、
燃焼室容積を変更することにより圧縮比を変更する可変圧縮比機構と、
前記可変圧縮比機構により実現されている実際の燃焼室容積を検出する燃焼室容積検出手段と、
前記燃焼室容積検出手段により検出される前記実際燃焼室容積に基づいて空燃比を支配する要因を制御する制御手段と、
を備えることを特徴としている。
また、第２の発明は、第１の発明において、前記制御手段は、前記実際燃焼室容積に基づいて燃料噴射量を制御することを特徴としている。
また、第３の発明は、第１の発明において、吸気弁及び／又は排気弁の開弁特性を変化させる可変動弁機構を備え、
前記制御手段は、前記内燃機関の運転状態に応じた目標シリンダ吸入空気量を求め、前記目標シリンダ吸入空気量と前記実際燃焼室容積とに基づいて前記可変動弁機構の作動を制御することを特徴としている。
また、第４の発明は、第１の発明において、ＥＧＲ量を変化させるＥＧＲ手段を備え、
前記制御手段は、前記内燃機関の運転状態に応じた目標ＥＧＲ量を求め、前記目標ＥＧＲ量と前記実際燃焼室容積とに基づいて前記ＥＧＲ手段の作動を制御することを特徴としている。
また、第５の発明は、第１乃至第４の何れかの１つの発明において、前記制御手段は、前記可変圧縮比機構により圧縮比が変更されている時に前記燃焼室容積検出手段により検出される前記実際燃焼室容積に基づいて空燃比を支配する要因を制御することを特徴としている。
第１の発明によれば、燃焼室容積の変化に伴い新気の吸入特性が変化したとしても、実際の燃焼室容積に基づいて空燃比を支配する要因が制御されるので、空燃比の乱れは抑制される。
また、燃焼室容積が変化すると残留ガス量の変化と同時に新気の吸入量も変化するが、第２の発明によれば、実際の燃焼室容積に基づいて燃料噴射量が制御されるので、新気の吸入量に応じた燃料噴射量を実現することが可能になり、空燃比の乱れは抑制される。
また、第３の発明によれば、実際の燃焼室容積に基づいて可変動弁機構の作動が制御されるので、燃焼室容積の変化により新気の吸入量が変化したとしても実際のシリンダ吸入空気量を目標シリンダ吸入空気量に近づけることが可能になり、空燃比の乱れは抑制される。
また、燃焼室容積が変化すると残留ガス量、すなわちＥＧＲ量が変化するが、第４の発明によれば、実際の燃焼室容積に基づいてＥＧＲ手段の作動が制御されるので、燃焼室容積が変化しても実際のＥＧＲ量を目標ＥＧＲ量に近づけることが可能になり、空燃比の乱れは抑制される。
さらに、圧縮比が変更されている過渡運転時には、排気空燃比フィードバックによる燃料噴射量の調整が新気の吸入特性の変化に間に合わないために空燃比の乱れが特に大きくなりやすいが、第５の発明によれば、このような過渡運転時において実際の燃焼室容積に基づいて空燃比を支配する要因が制御されるので、吸入特性の変化にかかわらず空燃比の乱れは抑制される。
実施の形態１．
以下、図１乃至図３を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。
図１は本発明の実施の形態１にかかる内燃機関の概略構成示す図である。この図に示すように、本実施形態の内燃機関は、可変圧縮比機構６を備えている。可変圧縮比機構６として、ここでは、特開２００３−２０６７７１号公報で提案された構成が用いられている。これは、クランクケース２に対してシリンダブロック４をシリンダの軸方向に移動させることで圧縮比を変更するものであり、シリンダブロック４を移動させる手段としてカム軸が用いられている。カム軸は軸部６ａと、軸部６ａの中心軸に対して偏心された状態で軸部６ａに固定された正円形のカムプロフィールを有するカム部６ｂと、カム部６ｂと同一外形を有し軸部６ａに対して偏心した状態で回転可能に取り付けられた可動軸受部６ｃとから構成される。カム部６ｂはシリンダブロック４に、可動軸受部６ｃはクランクケース２にそれぞれ回転可能に取り付けられており、軸部６ａがモータ６ｄによって回転駆動されることで、カム部６ｂと可動軸受部６ｃとの軸間距離が変化してクランクケース２に対してシリンダブロック４が移動するようになっている。
この可変圧縮比機構６では、クランクケース２に対してシリンダブロック４が移動することでシリンダ内でのピストン８の往復位置が変化する。この結果、ピストン８のストロークで決まる行程容積は変わらないものの、ピストン８が上死点にあるときの燃焼室１０の隙間容積、すなわち燃焼室容積が変化することになり、これにより燃焼室容積とシリンダ容積の比である圧縮比が変更される。なお、圧縮比の変更速度はモータ６ｄの速度によって決まるが、何れにしても圧縮比は瞬間的に変更されるのではなく、圧縮比の変更完了までに複数サイクル費やされる場合もある。
燃焼室１０はシリンダブロック４及びピストン８と、シリンダブロック４に一体的に取り付けられたシリンダヘッド１２とにより囲まれる空間として構成されている。シリンダヘッド１２は燃焼室１０の頂部を構成するとともに、燃焼室１０を外部に連通させる吸気ポート１４と排気ポート１６とを備えている。吸気ポート１４には吸気管１８、排気ポート１６には排気管２０がそれぞれ接続されており、吸気管１８から供給される新気は吸気ポート１４を介して燃焼室１０内に吸気され、燃焼後の燃焼ガスは燃焼室１０から排気ポート１６を介して排気管２０に排気されるようになっている。
シリンダヘッド１２には吸気ポート１４と燃焼室１０との連通状態を制御する吸気弁２２と、排気ポート１６と燃焼室１０との連通状態を制御する排気弁２４が設けられている。吸気弁２２、排気弁２４のそれぞれには、これら弁２２，２４を開閉駆動するための動弁機構２６，２８が備えられている。動弁機構２６，２８としてはカム機構のような機械的なものや電磁ソレノイドのような電気的なものを用いることができる。ここでは、特に吸気弁２２の動弁機構２６として、電磁ソレノイド２６ａによって吸気弁２２を開閉駆動することで開閉タイミングを可変制御できる可変動弁機構が用いられている。
吸気管１８には吸気管１８の下流側に向けて燃料噴射弁（インジェクタ）３０が取り付けられている。図示は省略するがシリンダヘッド１２には気筒毎に吸気ポート１４が形成され、吸気管１８の先端は気筒毎に枝分かれして各吸気ポート１４に接続されている。燃料噴射弁３０は吸気管１８の気筒毎に枝分かれした各部に設けられ、気筒単位で燃料を供給できるようになっている。
また、吸気管１８と排気管２０との間には、排気管２０を通過する燃焼ガスの一部を吸気管１８に還流させるためのＥＧＲ装置３２が設けられている。燃焼ガスの一部を燃焼室１０に再循環させることによって燃焼温度を下げ、これによって燃焼時のＮＯｘの生成を抑制しＮＯｘ排出量を低減することが可能になる。ＥＧＲ装置３２は排気管２０と吸気管１８とを接続するＥＧＲ管３４と、ＥＧＲ管３４の途中に設けられたＥＧＲ弁３６とから構成されている。ＥＧＲ弁３６はＥＧＲ管３４を通って吸気管１８に還流される燃焼ガス（ＥＧＲガス）の量を制御するための手段であり、弁体の開度或いは開時間を制御することで燃焼ガスの還流量を調整できるようになっている。
本実施形態の内燃機関は、内燃機関の運転を制御する制御装置としてＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０を備えている。ＥＣＵ４０は、その出力側に可変圧縮比機構６のモータ６ｄ、可変動弁機構２８の電磁ソレノイド２８ａ、燃料噴射弁３０、ＥＧＲ弁３６等の機器が接続され、その入力側に圧縮比センサ４２等の各種センサが接続されている。圧縮比センサ４２は、クランクケース２に対するシリンダブロック４の相対位置から内燃機関の圧縮比を検出するセンサである。なお、可変圧縮比機構６のモータ６ｄがサーボモータの場合には、モータ６ｄへの指令値から圧縮比を算出してもよい。ＥＣＵ４０は、圧縮比センサ４２からの圧縮比情報や、他のセンサからの機関回転数情報、アクセル開度情報、水温情報、吸気温情報等の各種情報に基づき、上記の各機器６ｄ，２８ａ，３０，３６を制御している。
ＥＣＵ４０により行われる制御の一つとして、可変圧縮比機構６を駆動して内燃機関の機械圧縮比を変化させる圧縮比制御がある。この圧縮比制御では、まず、センサによりアクセル開度や機関回転数等の内燃機関の運転状態が検出され、検出された運転状態に基づきマップから目標シリンダ吸入空気量が算出される。そして、機関回転数と目標シリンダ吸入空気量とをパラメータとするマップから目標圧縮比が算出され、圧縮比センサ４２で検出される内燃機関の実圧縮比が目標圧縮比に一致するように可変圧縮比機構６のモータ６ｄの回転量が制御される。機関回転数や目標シリンダ吸入空気量に対する目標圧縮比の設定は設計事項であって特に限定はないが、例えば以下のように設定することができる。
本実施形態の内燃機関はガソリンエンジンを想定しているが、一般にガソリンエンジンでは高負荷時のノッキングの発生を考慮して圧縮比は低めに設定されている。このためノッキングが発生しにくい部分負荷時には圧縮比には余裕があり、圧縮比を高めることで出力及び燃費を向上させる余地がある。そこで、可変圧縮比機構６を用いた圧縮比制御では、高負荷時の目標圧縮比を基準目標圧縮比とし、機関回転数や目標シリンダ吸入空気量から機関の負荷が部分負荷であると判定されるときには目標圧縮比を基準目標圧縮比よりも高めるようにする。このように機関負荷に応じて目標圧縮比を変化させることで、出力及び燃費の向上とノッキングの防止とを高次元で両立させることができる。なお、上記の目標圧縮比の設定例はあくまでも一例であり、他の設定を用いることは勿論可能である。
ＥＣＵ４０は上記の圧縮比制御とは別に、燃料噴射弁３０から噴射する燃料量（燃料噴射量）の制御も行っている。圧縮比が固定されている定常運転時には、ＥＣＵ４０は図示しない排気空燃比センサにより排気空燃比を検出し、排気空燃比が目標空燃比になるようにサイクル毎、気筒毎に燃料噴射量をフィードバック制御している。ところが、可変圧縮比機構６により圧縮比が変更されている間、すなわち過渡運転時は、燃焼室容積の変化に伴い新気の吸入特性が変化するため、排気空燃比フィードバック制御のみでは燃料噴射量の調整が間に合わず空燃比の乱れが生じてしまう。そこで、ＥＣＵ４０は、燃焼室容積の変更に伴う空燃比の乱れを抑制すべく、圧縮比制御によって圧縮比の変更が実施されている間は、図２及び図３にフローチャートで示されるルーチンに従って燃料噴射量の補正を行うようにしている。
図２に示すルーチンでは燃焼室容積が算出される。このルーチンはサイクル毎、気筒毎に実行される。ルーチンについて具体的に説明すると、まず、最初のステップ１００で可変圧縮比機構６の状態量が読込まれる。ここでは状態量として圧縮比センサ４２の検出値が読み込まれる。続くステップ１０２では、ステップ１００で読込まれた状態量に基づいて実際圧縮比が算出され、さらに、実際圧縮比から燃焼室１０の実際の燃焼室容積が算出される。
図３に示すルーチンでは実際の燃焼室容積に基づき燃料噴射量の補正量（燃料噴射補正量）が算出される。このルーチンもサイクル毎、気筒毎に実行される。ルーチンについて具体的に説明すると、まず、最初のステップ２００で燃焼室容積、機関回転数、機関負荷等の情報が読込まれる。燃焼室容積はステップ１０２で算出されたものが読み込まれる。また、機関回転数は図示しないクランク角センサの検出情報に基づき算出されたものが読み込まれ、機関負荷は図示しない吸入空気量センサの検出情報と機関回転数とに基づき算出されたものが読み込まれる。
ステップ２０２では、ステップ２００で読み込まれた各種情報に基づいてシリンダの充填効率が算出される。ここでは、燃焼室容積、機関回転数、機関負荷をパラメータとする三次元マップが用意されており、マップから各パラメータの現在値に応じた充填効率が算出されるようになっている。なお、各パラメータに対する充填効率の傾向としては、少なくとも燃焼室容積に関しては燃焼室容積が大きくなるほど充填効率が低くなるように設定されている。これは、燃焼室容積が大きくなるとシリンダ内の燃焼ガスの残留体積はそれ以上に大きくなり、その分、新気の吸入量が減少することによる。
次のステップ２０４では、ステップ２０２で算出された充填効率に基づいて燃料噴射補正係数が算出される。燃料噴射補正係数の算出には、例えば次の式（１）、或いは式（２）を用いることができる。
補正係数 ＝ 充填効率今回値／充填効率前回値 ・・・（１）
補正係数 ＝ 充填効率今回値／基準値 ・・・（２）
上記の（１）式における充填効率今回値は今回ステップ２０２で算出された充填効率の値であり、充填効率前回値は同気筒の前回サイクルで算出された充填効率の値である。また、上記の（２）式における基準値は機関回転数や機関負荷で変わる変数であり、機関回転数及び機関負荷をパラメータとするマップから読み込まれる。
ＥＣＵ４０は、上記の式（１）、或いは式（２）により算出される補正係数を基本燃料噴射量に乗算し、得られた値を燃料噴射量信号として燃料噴射弁３０に出力する。基本燃料噴射量は内燃機関の運転状態に基づきマップから算出してもよく、排気空燃比フィードバック制御によって得られる燃料噴射量でもよい。各式（１），（２）を見て分かるように燃料噴射量は充填効率の上昇により増量補正され、充填効率の低下により減量補正されるようになっている。なお、各式（１），（２）は何れも基本燃料噴射量に対する補正係数を求める式であるが、これらの式を燃料補正量を求める式に変形して、求めた燃料補正量を基本燃料噴射量に加算（或いは減算）するようにしてもよい。また、このように式を用いることなく、充填効率をパラメータとするマップから燃料補正量を算出してもよい。或いは充填効率を算出することなく、燃焼室容積、機関回転数、機関負荷をパラメータとする三次元マップから直接、燃料補正量を算出してもよい。
図３のルーチンが実行されることで、燃料噴射量は実際の燃焼室容積の変化に応じて補正される。具体的には、圧縮比を下げるために燃焼室容積が増大しているときには、充填効率の低下に応じて燃料噴射量は減量される。逆に圧縮比を高めるために燃焼室容積が減少しているときには、充填効率の上昇に応じて燃料噴射量は増量される。このように実際の燃焼室容積に基づいて燃料噴射量が制御されることで新気の吸入量に応じた燃料噴射量を実現することが可能になる。したがって、本実施形態の制御装置によれば、燃焼室容積の変更に伴う空燃比の乱れは抑制され、排ガス性能の悪化や燃費の悪化が抑制される。
上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ４０による図２のルーチンの実行により第１の発明の「燃焼室容積検出手段」が実現され、図３のルーチンの実行により第１の発明、第２の発明及び第５の発明の「制御手段」が実現されている。
実施の形態２．
以下、図４及び図５を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施形態の制御装置は、実施の形態１において、ＥＣＵ４０に図３に示すルーチンに代えて図４及び図５に示すルーチンを実行させることにより実現することができる
燃焼室容積の変更に伴う空燃比の乱れは、燃焼ガスの残留量の変化による影響で実際のシリンダ吸入空気量が目標シリンダ吸入空気量からずれることに起因している。実施の形態１では実際の燃焼室容積に基づいて燃料噴射量を補正することで空燃比の乱れを抑制しているが、実際のシリンダ吸入空気量を目標シリンダ吸入空気量に近づけることができれば、燃料噴射量を補正せずとも空燃比の乱れを抑制することができる。本実施形態では、可変動弁機構２６により吸気弁２２の閉タイミングを可変制御することで実際のシリンダ吸入空気量を変化させ、目標シリンダ吸入空気量に近づけるようにしている。可変圧縮比機構６では圧縮比の変更に若干の時間を要するのに比べ、可変動弁機構２６によるバルブタイミング制御は応答性が優れており、シリンダ吸入空気量の調整は瞬時に行うことができる。図４及び図５に示すルーチンは吸気弁２２の閉タイミングを算出するためのルーチンである。
図４に示すルーチンでは目標シリンダ吸入空気量が算出される。このルーチンはサイクル毎、気筒毎に実行される。ストイキ運転されるガソリン機関では出力トルクは空気量によって決まるので、目標シリンダ吸入空気量は運転状態に応じた目標トルクにおよそ対応している。ルーチンについて具体的に説明すると、まず、最初のステップ３００で内燃機関の運転状態が読込まれる。ここでいう運転状態とは、アクセル開度や機関回転数等、目標トルクを定めるのに必要な情報である。続くステップ３０２では、ステップ３００で読込まれた運転状態に基づいて、図示しないマップから目標シリンダ吸入空気量が算出される。なお、目標圧縮比の設定のために既に目標シリンダ吸入空気量が算出されている場合には、そこで算出された目標シリンダ吸入空気量を用いるようにしてもよい。
図５に示すルーチンでは目標シリンダ吸入空気量を実現するための吸気弁２２の目標バルブタイミングが算出される。このルーチンもサイクル毎、気筒毎に実行される。なお、ここでいう目標バルブタイミングは吸気弁２２の閉タイミングであり、吸気弁２２の開タイミングは内燃機関の運転状態から決まる通常のバルブタイミングに設定される。吸気弁２２の閉タイミングは、それが下死点に近づけられることでシリンダ吸入空気量を増大させることができ、下死点に対して進角側に設定されている場合にはより進角させることで、遅角側に設定されている場合にはより遅角させることでシリンダ吸入空気量を減少させることができる。ステップ４００では目標バルブタイミングの算出に必要な情報が読み込まれる。ここでは、図２のルーチンで算出される燃焼室容積と図４のルーチンで算出される目標シリンダ吸入空気量が読み込まれる。
ステップ４０２では、ステップ４００で読み込まれた情報に基づいて吸気弁２２の目標バルブタイミングが算出される。目標バルブタイミングの算出方法としては、例えば燃焼室容積の影響を考慮に入れた物理モデルを用いて目標シリンダ吸入空気量を実現するための目標バルブタイミングを算出する方法や、目標シリンダ吸入空気量から目標バルブタイミングの基本値を算出するとともに、燃焼室容積から導出される充填効率の変化をパラメータとしてマップから目標バルブタイミングの補正値を算出する方法がある。何れにしても、燃焼室容積が小さくなるほど吸入空気量を減らすように目標バルブタイミングの設定が行われる。これは、燃焼室容積が小さくなると燃焼室容積が大きいときよりも充填効率が上昇するからであり、燃焼室容積が大きいときと同じバルブタイミングでは目標シリンダ吸入空気量を超えた過剰の空気を吸入してしまうことになるからである。
図５のルーチンが実行されることで、吸気弁２２の閉タイミングは実際の燃焼室容積の変化に応じて調整される。具体的には、圧縮比を下げるために燃焼室容積が増大しているときには、充填効率の低下を補償すべくシリンダ吸入空気量を増大させるように吸気弁２２の閉タイミングが調整され、逆に圧縮比を高めるために燃焼室容積が減少しているときには、充填効率の上昇を補償すべくシリンダ吸入空気量を低下させるように吸気弁２２の閉タイミングが調整される。このように実際の燃焼室容積に基づいて吸気弁２２の閉タイミングが制御されることで実際のシリンダ吸入空気量を目標シリンダ吸入空気量に近づけることが可能になる。したがって、本実施形態の制御装置によれば、実施の形態１と同様、燃焼室容積の変更に伴う空燃比の乱れは抑制され、排ガス性能の悪化や燃費の悪化が抑制される。しかも、本実施形態の制御装置によれば、目標シリンダ吸入空気量が実現されることでトルクの変動も抑制されるという効果もある。
上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ４０による図４及び図５のルーチンの実行により第１の発明、第３の発明及び第５の発明の「制御手段」が実現されている。
実施の形態３．
以下、図６及び図７を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。
本実施形態の制御装置は、実施の形態２において、ＥＣＵ４０に図４に示すルーチンに代えて図６に示すルーチンを実行させ、図５に示すルーチンに代えて図７に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
実施の形態２では可変動弁機構２６を制御してシリンダ吸入空気量を目標シリンダ吸入空気量に積極的に近づけることで空燃比の乱れを抑制しているが、シリンダ内の燃焼ガスの残留量、すなわちＥＧＲ量を内燃機関の運転状態に応じた目標ＥＧＲ量に近づけるようにしてもよい。ＥＧＲ量を調整する手段としては、吸気弁２２の開タイミングを可変制御することがその一つとして挙げられる。吸気弁２２の開タイミングを変更することで吸気弁２２と排気弁２４のオーバーラップ期間が変化し、これによりいわゆる内部ＥＧＲ量が調整される。本実施形態では、可変動弁機構２６により吸気弁２２の開タイミングを可変制御することで内部ＥＧＲ量を変化させ、目標ＥＧＲ量に近づけるとともに、さらに実施の形態２と同様、吸気弁２２の閉タイミングも可変制御することで実際のシリンダ吸入空気量を目標シリンダ吸入空気量にさらに近づけるようにしている。電磁ソレノイド２６ａを用いた可変動弁機構２６であれば、吸気弁２２の閉タイミング、開タイミングをそれぞれ任意のタイミングに調整することができる。図６及び図７に示すルーチンは吸気弁２２の開閉タイミングを算出するためのルーチンである。
図６に示すルーチンでは目標シリンダ吸入空気量と目標ＥＧＲ量が算出される。このルーチンはサイクル毎、気筒毎に実行される。ルーチンについて具体的に説明すると、まず、最初のステップ５００で内燃機関の運転状態が読込まれる。ここでいう運転状態とは、アクセル開度や機関回転数等、目標トルクを定めるのに必要な情報である。続くステップ５０２では、ステップ５００で読込まれた運転状態に基づいて、図示しないマップから目標シリンダ吸入空気量と目標ＥＧＲ量が算出される。
図７に示すルーチンでは目標シリンダ吸入空気量及び目標ＥＧＲ量を実現するための吸気弁２２の目標バルブタイミングが算出される。このルーチンもサイクル毎、気筒毎に実行される。ここでいう目標バルブタイミングは吸気弁２２の開タイミングと閉タイミングの双方を指す。吸気弁２２の開タイミングは、吸気弁２２と排気弁２４のオーバーラップ期間が長くなる方向に調整されることで内部ＥＧＲ量を増大させることができ、オーバーラップ期間が短くなる方向に調整されることで内部ＥＧＲ量を減少させることができる。一方、吸気弁２２の閉タイミングは、それが下死点に近づけられることでシリンダ吸入空気量を増大させることができ、下死点に対して進角側に設定されている場合にはより進角させることで、遅角側に設定されている場合にはより遅角させることでシリンダ吸入空気量を減少させることができる。ステップ６００では目標バルブタイミングの算出に必要な情報が読み込まれる。ここでは、図２のルーチンで算出される燃焼室容積と図６のルーチンで算出される目標シリンダ吸入空気量及び目標ＥＧＲ量が読み込まれる。
ステップ６０２では、ステップ６００で読み込まれた情報に基づいて吸気弁２２の目標バルブタイミング、すなわち、目標ＥＧＲ量を実現するための吸気弁２２の開タイミングと目標シリンダ吸入空気量を実現するための吸気弁２２の閉タイミングが算出される。目標バルブタイミングの算出方法としては、例えば燃焼室容積の影響を考慮に入れた物理モデルを用いて目標シリンダ吸入空気量及び目標ＥＧＲ量を実現するための目標バルブタイミングを算出する方法がある。また、目標シリンダ吸入空気量から目標バルブタイミングの基本値を算出するとともに、燃焼室容積から導出される充填効率の変化をパラメータとしてマップから開タイミングの補正値を算出し、さらに充填効率の変化と目標ＥＧＲ量をパラメータとしてマップから閉タイミングの補正値を算出する方法もある。何れにしても、内燃機関の運転状態に応じた内部ＥＧＲ量になるように開タイミングが設定され、さらに内燃機関の運転状態に応じたシリンダ吸入空気量になるように開タイミングの設定が行われる。
図７のルーチンが実行されることで、吸気弁２２の開閉タイミングは実際の燃焼室容積の変化に応じて調整される。吸気弁２２の開タイミングの具体的な設定は内燃機関の運転状態に対してＥＧＲ量をどのように設定するかという設計事項に関係するため一概には言えないが、例えば、燃焼室容積の変化に伴う充填効率の変化を防止するように吸気弁２２の開タイミングを設定してもよい。この場合、吸気弁２２の開タイミングは、圧縮比を下げるために燃焼室容積が増大しているときには、充填効率の低下を抑制すべく内部ＥＧＲ量を減少させるように調整され、圧縮比を高めるために燃焼室容積が減少しているときには、充填効率の上昇を抑制すべく内部ＥＧＲ量を増大させるように調整されることになる。本実施形態の制御装置によれば、実際の燃焼室容積に基づいて吸気弁２２の開閉タイミングが制御されることでシリンダ吸入空気量及びＥＧＲ量をそれぞれの目標値に近づけることが可能になる。その結果、燃焼室容積の変更に伴う空燃比の乱れは抑制され、排ガス性能の悪化や燃費の悪化は抑制される。
上述した実施の形態３においては、可変動弁機構２６が第４の発明の「ＥＧＲ手段」に相当している。また、ＥＣＵ４０による図６及び図７のルーチンの実行により第１の発明、第４の発明及び第５の発明の「制御手段」が実現され、同時に第３の発明の「制御手段」も実現されている。
実施の形態４．
以下、図８を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。
本実施形態の制御装置は、実施の形態３において、ＥＣＵ４０に図７に示すルーチンに代えて図８に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
実施の形態３では吸気弁２２の開タイミングを可変制御することで内部ＥＧＲ量を調整しているが、ＥＧＲ装置３２を制御して排気管２０から吸気管１８への燃焼ガスの還流量、すなわち外部ＥＧＲ量を調整するようにしてもよい。本実施形態では、ＥＧＲ装置３２のＥＧＲ弁３６を可変制御することで外部ＥＧＲ量を変化させ、外部ＥＧＲ量と内部ＥＧＲ量を足した全体のＥＧＲ量を目標ＥＧＲ量に近づけるようにしている。図８に示すルーチンはＥＧＲ装置３２のＥＧＲ弁３６の開度を算出するためのルーチンである。
図８に示すルーチンでは目標ＥＧＲ量を実現するためのＥＧＲ弁３６の開度が算出される。ＥＧＲ弁３６の開度を大きくすることで外部ＥＧＲ量を増大させることができ、逆にＥＧＲ弁３６の開度を小さくすることで外部ＥＧＲ量を減少させることができる。ステップ７００ではＥＧＲ弁３６の開度の算出に必要な情報が読み込まれる。ここでは、図２のルーチンで算出される燃焼室容積と図６のルーチンで算出される目標ＥＧＲ量が読み込まれる。なお、図６のルーチンで算出される目標シリンダ吸入空気量は本実施形態では使用していない。
ステップ７０２では、ステップ７００で読み込まれた情報に基づいてＥＧＲ弁３６の開度が算出される。ＥＧＲ弁３６の開度の算出は例えば次のような方法で行うことができる。まず、燃焼室容積の変化から充填効率の変化を算出し、さらに充填効率の変化から吸気管圧力の変化を推定する。吸気管圧力はシリンダ内の燃焼ガスの残留量が多くなるほど、すなわち充填効率が低下するほど高くなり、シリンダ内の燃焼ガスの残留量が少なくなるほど、すなわち充填効率が上昇するほど低くなる。外部ＥＧＲ量はＥＧＲ弁３６の開度とＥＧＲ弁３６の上下流における差圧、すなわち、燃焼ガスの圧力と吸気管圧力との差圧により決まるので、推定した吸気管圧力の変化から差圧を算出し、差圧と目標ＥＧＲ量とからＥＧＲ弁３６の開度を算出する。なお、燃焼ガスの圧力はＥＧＲ管３４に設けた図示しない圧力センサで検出することができる。
図８のルーチンが実行されることで、ＥＧＲ弁３６の開度は実際の燃焼室容積の変化に応じて調整される。ＥＧＲ弁３６の開度の具体的な設定は内燃機関の運転状態に対してＥＧＲ量をどのように設定するかという設計事項に関係するため一概には言えないが、例えば、燃焼室容積の変化に伴う充填効率の変化を防止するようにＥＧＲ弁３６の開度を設定してもよい。この場合、ＥＧＲ弁３６の開度は、圧縮比を下げるために燃焼室容積が増大しているときには、外部ＥＧＲ量を減少させて充填効率の低下を抑制すべく閉じ側に調整され、圧縮比を高めるために燃焼室容積が減少しているときには、外部ＥＧＲ量を増大させて充填効率の上昇を抑制すべく開き側に調整されることになる。なお、これはあくまでも一例であり、圧縮比を下げようとしている場合でも一時的には開き側に調整されることもありうる。本実施形態の制御装置によれば、実際の燃焼室容積に基づいてＥＧＲ弁３６の開度が制御されることで実際のＥＧＲ量を目標ＥＧＲ量に近づけることができ、その結果、燃焼室容積の変更に伴う空燃比の乱れは抑制され、排ガス性能の悪化や燃費の悪化はさらに抑制される。
上述した実施の形態４においては、ＥＧＲ装置３２が第４の発明の「ＥＧＲ手段」に相当している。また、ＥＣＵ４０による図６及び図８のルーチンの実行により第１の発明、第４の発明及び第５の発明の「制御手段」が実現されている。
その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、上述の実施の形態で用いている可変圧縮比機構の構成はあくまでも一例であり、少なくとも燃焼室容積を変更することにより圧縮比を変更するものであれば他の構成を採ることも可能である。
また、実施の形態１で実行される図２及び図３の一連のルーチンは、図１に示す構造の内燃機関以外にも適用可能である。これら一連のルーチンを実行するためには、少なくとも可変圧縮比機構と燃料噴射弁を備えていればよく、可変動弁機構やＥＧＲ装置は無くてもよい。実施の形態２で実行される図２，図４及び図５の一連のルーチン、実施の形態３で実行される図２，図６及び図７の一連のルーチンについても、図１に示す構造の内燃機関以外にも適用可能である。これらの一連のルーチンを実行するためには、少なくとも可変圧縮比機構と可変動弁機構を備えていればよく、ＥＧＲ装置は無くてもよい。また、実施の形態４で実行される図２，図６及び図８の一連のルーチンも、図１に示す構造の内燃機関以外にも適用可能である。これら一連のルーチンを実行するためには、少なくとも可変圧縮比機構とＥＧＲ装置を備えていればよく、可変動弁機構は無くてもよい。
また、上述の実施の形態で用いている可変動弁機構の構成はあくまでも一例であり、電磁駆動弁の他、カムシャフトの位相を変化させる形式のものや、リフト量の異なるカムを切り換える形式のもの、或いは、リフト量・作用角を同時に連続的に切り換える形式のもの等、その形式には限定はない。また、吸気弁のみならず排気弁にも可変動弁機構を備えてもよく、排気弁のみに可変動弁機構を備えてもよい。例えば、実施の形態２，３ではシリンダ吸入空気量を調整するために吸気弁の閉タイミングを制御しているが、吸気弁のリフト量を代わりに或いは共に制御してもよい。また、実施の形態３では内部ＥＧＲ量を調整するために吸気弁の開タイミングを制御しているが、排気弁の閉タイミングを代わりに或いは共に制御してもよい。
また、実施の形態３で実行される一連のルーチンに実施の形態４で実行される図８のルーチンを組み合わせてもよい。実施の形態３では吸気弁の開タイミングで内部ＥＧＲ量を調整しているが、その後、吸気弁が閉じられてシリンダ吸入空気量が調整されるまでの間に内部ＥＧＲ量が変化することも考えられる。このような場合、内部ＥＧＲ量を補正するように外部ＥＧＲ量を制御することで、例えば内部ＥＧＲ量が増えれば代わりに外部ＥＧＲ量を減らすことで全体のＥＧＲ量を目標ＥＧＲ量により近づけることができる。
また、図１に示す内燃機関の構成はガソリンエンジンを想定したものであるが、本発明の内燃機関の制御装置はディーゼルエンジンにも適用することができる。ただし、ディーゼルエンジンはガソリンエンジンに比較して元々高圧縮比であるので、可変圧縮機構による圧縮比制御では、部分負荷時の目標圧縮比を基準目標圧縮比とし、機関の負荷が高負荷であると判定されるときには目標圧縮比を基準目標圧縮比よりも低めるようにする。なお、これはあくまでも目標圧縮比を設定する上での一例であり、他の設定を用いることは勿論可能である。
本発明の実施の形態１にかかる内燃機関の概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態１において実行される燃焼室容積算出ルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態１において実行される燃料噴射量算出ルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態２において実行される目標シリンダ吸入空気量算出ルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態２において実行される目標バルブタイミング算出ルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態２において実行される目標シリンダ吸入空気量及び目標ＥＧＲ量算出ルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態３において実行される目標バルブタイミング算出ルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態４において実行されるＥＧＲ弁開度算出ルーチンのフローチャートである。
符号の説明
２ クランクケース
４ シリンダブロック
６ 可変圧縮比機構
６ａ 軸部
６ｂ カム部
６ｃ 可動軸受部
６ｄ モータ
８ ピストン
１０ 燃焼室
１２ シリンダヘッド
１４ 吸気ポート
１６ 排気ポート
１８ 吸気管
２０ 排気管
２２ 吸気弁
２４ 排気弁
２６ 可変動弁機構
２６ａ 電磁ソレノイド
２８ 動弁機構
３０ 燃料噴射弁
３２ ＥＧＲ装置
３４ ＥＧＲ管
３６ ＥＧＲ弁
４０ ＥＣＵ
４２ 圧縮比センサ

Claims (5)

  1. 燃焼室容積を変更することにより圧縮比を変更する可変圧縮比機構と、
    前記可変圧縮比機構により実現されている実際の燃焼室容積を検出する燃焼室容積検出手段と、
    前記燃焼室容積検出手段により検出される前記実際燃焼室容積に基づいて空燃比を支配する要因を制御する制御手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  2. 前記制御手段は、前記実際燃焼室容積に基づいて燃料噴射量を制御す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. 吸気弁及び／又は排気弁の開弁特性を変化させる可変動弁機構を備え、
    前記制御手段は、前記内燃機関の運転状態に応じた目標シリンダ吸入空気量を求め、前記目標シリンダ吸入空気量と前記実際燃焼室容積とに基づいて前記可変動弁機構の作動を制御す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。
  4. ＥＧＲ量を変化させるＥＧＲ手段を備え、
    前記制御手段は、前記内燃機関の運転状態に応じた目標ＥＧＲ量を求め、前記目標ＥＧＲ量と前記実際燃焼室容積とに基づいて前記ＥＧＲ手段の作動を制御す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。
  5. 前記制御手段は、前記可変圧縮比機構により圧縮比が変更されている時に前記燃焼室容積検出手段により検出される前記実際燃焼室容積に基づいて空燃比を支配する要因を制御することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
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