JP2009144675A - 内燃機関の掃気制御装置。 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の気筒内に空気を強制的に圧送することにより気筒内に残留する排気の排出を促進する掃気手段の異常を判定する内燃機関の掃気制御装置を提供することを課題とする。
【解決手段】エンジン１０は、気筒１２内に空気を強制的に圧送することにより気筒１２内に残留する排気の排出を促進する掃気処理を実行する掃気装置６０と、気筒１２内の圧力を検出する筒内圧力センサ７８と、筒内圧力センサ７８の検出結果に基づいて燃焼速度を算出し、この算出結果に基づいて掃気装置６０の異常を判定するＥＣＵ９０とを備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の掃気制御装置に関する。

特許文献１には、内燃機関の気筒内に残留した排気の排出を促進することを目的として、気筒内に空気を供給する装置が開示されている。気筒内に残留した排気の排出が促進されることにより、機関出力の向上等を図っている。

特開平７−２２４６７１号公報 特開２００２−２７６４１８号公報 特開２００１−２８０１４３号公報 特開２００６−２９１７４７号公報

しかしながら、このような装置に異常が発生した場合には、気筒内に導入される空気量や、残留ガスの低減による効果にバラつきが発生し、装置を設けたことによるメリットを教授することはできない。上記特許文献には、このような装置の異常を判定する技術については開示されていない。

そこで本発明は、内燃機関の気筒内に空気を強制的に圧送することにより気筒内に残留する排気の排出を促進する掃気手段の異常を判定する内燃機関の掃気制御装置を提供することを目的とする。

上記目的は、内燃機関の気筒内に空気を強制的に圧送することにより前記気筒内に残留する排気の排出を促進する掃気処理を実行する掃気手段と、前記気筒内の圧力を検出する筒内圧力検出手段と、前記筒内圧力検出手段の検出結果に基づいて燃焼速度を算出する燃焼速度算出手段と、前記燃焼速度算出手段の算出結果に基づいて前記掃気手段の異常を判定する異常判定手段とを備えた、ことを特徴とする内燃機関の掃気制御装置によって達成できる。

掃気手段が正常に作動している場合と異常がある場合とでは、筒内圧力が変動し、この結果燃焼速度も異なってくる。この燃焼速度に基づいて、掃気手段の異常を判定することにより、精度よく掃気手段の正常又は異常を判定できる。

上記構成において、前記異常判定手段の判定結果に基づいて点火時期を補正する点火時期補正手段を備えた、構成を採用できる。これにより、掃気手段に異常が発生した場合であっても、点火時期を補正することにより、排気エミッションの悪化やノッキングの発生を防止できる。

上記構成において、前記掃気手段は、前記気筒に向けて空気を噴射するノズルを含み、前記異常判定手段の判定結果が前記掃気手段の異常を示している場合には、前記ノズルを塞ぐ堆積物が存在していると判断して前記堆積物の除去を促進する堆積物除去処理を実行する堆積物除去手段を備えた、構成を採用できる。これにより、ノズルへの堆積物を除去し、掃気手段の正常な動作を確保することができる。

上記構成において、前記堆積物除去処理は、前記掃気処理実行時での前記ノズルから噴射される空気よりも高い圧力で空気が噴射される処理であると共に、前記掃気手段が前記掃気処理を実行しない運転領域で実行される、構成を採用できる。これにより、ノズルへの堆積物を吹き飛ばすことができる。

上記構成において、前記ノズルは、前記堆積物の酸化を促進する触媒がコーティングされていると共に吸気通路内に設けられ、前記堆積物除処理は、前記気筒内からの前記吸気通路へのガスの吹き返しが増大するように、前記吸気弁及び排気弁の双方が開弁状態となるオーバーラップ期間を拡大する処理である、構成を採用できる。これにより、吸気通路内の温度を上昇させることができ、ノズルにコーティングされた触媒を活性化することができる。これにより、ノズルへの堆積物の酸化を促進することができる。

本発明によれば、内燃機関の気筒内に空気を強制的に圧送することにより気筒内に残留する排気の排出を促進する掃気手段の異常を判定する内燃機関の掃気制御装置を提供できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

図１は、本実施例に係るエンジン１０の模式図である。図１に示すエンジン１０は、複数の気筒１２（図１では１つのみ図示）を有している。このエンジン１０においては、吸気通路１３を流れる空気が燃焼室１５に充填され、燃焼室１５内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁１４によって、空気と燃料との混合気が生成される。この混合気に対し点火プラグ１６による点火が行われると、混合気が燃焼してピストン１７が往復動し、エンジン１０の出力軸であるクランク軸１８が回転駆動される。そして、各燃焼室１５での燃焼により生じた排気は排気通路１９等を通ってエンジン１０の外部へ排出される。

エンジン１０の出力調整は、吸気通路１３に設けられたスロットル弁２１をアクチュエータ２２等によって駆動して、そのスロットル弁２１の開度を調節することによって実現される。スロットル開度の開度調節は、運転者によって操作されるアクセルペダル２３の踏込み量に応じてアクチュエータ２２が駆動されることにより行われる。

エンジン１０には、吸気弁２４及び排気弁２５が気筒１２毎に設けられている。吸気弁２４、排気弁２５はそれぞれ、クランク軸１８の回転が伝達されて回転する吸気カム軸２６、排気カム軸２７によって作動する。この作動により、各吸気弁２４は燃焼室１５と吸気通路１３との連結部分を開閉し、各排気弁２５は燃焼室１５と排気通路１９との連結部分を開閉する。

エンジン１０には、機関バルブの作動タイミング（動作特性）を変更するためのバルブタイミング可変装置（ＶＶＴ）が複数設けられている。本実施形態では、吸気弁２４の作動タイミングをクランク軸１８の角度に対して連続的に変更するための吸気側バルブタイミング可変装置２８と、排気弁２５の作動タイミングをクランク角に対して連続的に変更するための排気側バルブタイミング可変装置２９とが設けられている。吸気側バルブタイミング可変装置２８、排気側バルブタイミング可変装置２９は、ＥＣＵ９０からの指令に基づいて、それぞれ、吸気弁２４、排気弁２５の、開閉タイミングを制御する。

エンジン１０には、クランク軸１８が一定角度回転する毎にパルス状の信号を発生するクランク角センサ７１が設けられている。また、吸気通路１３内のスロットル弁２１よりも下流には、吸入空気の圧力（吸気圧）を検出するための吸気圧センサ７４が設けられている。また、運転者による同アクセルペダル２３の踏込み量を検出するアクセルセンサ７５、スロットル開度を検出するスロットルセンサ７６、エンジン１０を冷却するため冷却水の温度を検出する水温センサ７７、気筒１２内の圧力を検出する筒内圧力センサ７８を備えている。これら各センサは、ＥＣＵ９０に検出信号を出力する。

吸気通路１３には、掃気装置６０が設けられている。掃気装置６０は、気筒１２内に空気を強制的に圧送することにより気筒１２内に残留する排気の排出を促進する掃気処理を実行する。詳細には、掃気装置６０は、吸気通路１３側から気筒１２を向いたノズル６１と、外気を加圧してノズル６１へと送るポンプ６２とを含む。ＥＣＵ９０は、吸気弁２４と排気弁２５との双方が開弁状態となるオーバーラップ期間に、掃気処理を実行する。これにより、気筒１２内に残留した排気が、ノズル６１から噴射された空気によって、排気通路１９へと押し出される。

ノズル６１は、細い管状に形成され、また、燃焼による高温にも耐えられる高剛性の材料によって形成されている。また、ノズル６１の先端部６１ａには、酸化チタンなどの触媒がコーティングされている。触媒は、先端部６１ａに堆積したデポジットを酸化させる機能を有している。ポンプ６２は、ノズル６１から噴射させるための空気を、２段階の圧力で圧縮可能に構成されている。詳しくは後述するが、掃気処理を実行する際に設定される圧力と、その圧力よりも高い、堆積物除去処理の際に設定される圧力との２段階の圧力である。

ＥＣＵ９０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などから構成され、各センサからの出力に基づいて、エンジン１０全体の作動を制御する。また、ＥＣＵ９０は、詳しくは後述するが、筒内圧力センサ７８の検出結果に基づいて燃焼速度を算出してこの算出結果に基づいて掃気装置６０の異常を判定し、判定結果が以上である場合に点火時期を制御する点火制御処理、ノズル６１の先端部６１ａへの堆積物であるデポジットを除去する堆積物除去処理を実行する。

ＥＣＵ９０は、筒内圧力に基づいて燃焼速度を算出する。具体的には、まず、ＥＣＵ９０は、熱発生量ｑ、定積比熱Ｃｖ、燃焼室容積Ｖ、筒内圧力ｐ、ガス定数Ｒ、クランク角θとして、以下の式により熱発生率（ｄｑ／ｄθ）を算出する。

この式によって算出された熱発生率（ｄｑ／ｄθ）に基づいて、ＥＣＵ９０は、１サイクルにおける燃焼開始（燃焼割合０パーセント）から燃焼終了（燃焼割合１００パーセント）までの熱発生量を算出する。次に、ＥＣＵ９０は、主燃焼期間（燃焼割合１０〜９０パーセント）に対応するクランク角θを算出する。主燃焼期間とは、１サイクルにおける熱発生量を１００パーセントとした場合における、１０パーセントの熱量が発生した時から９０パーセントの熱量を発生した時までの期間をいう。ＥＣＵ９０は、１サイクルにおける主燃焼期間を算出することができる。この主燃焼期間に対応するクランク角θが小さいほど、燃焼速度速く、大きいほど、燃焼速度が遅いといえる。ＥＣＵ９０は、この主燃焼期間を燃焼速度θ_{１０−９０}として算出する。

例えば、掃気装置６０に何らかの異常が発生して正常に作動しない場合には、気筒１２内に排気が残留しうるが、気筒１２内に排気が残留しない場合と、残留する場合とでは、燃焼速度が異なることになる。即ち、気筒１２内に排気が残留していると、残留していない場合と比較して、燃焼速度が低下することが知られている。

気筒１２内に残留した排気を起因とする燃焼速度の低下は、上記式を用いて判定できる。気筒１２内に排気が残留していると、残留していない場合と比較して、燃焼に起因する気筒１２内の圧力は緩やかに上昇することになる。筒内圧力センサ７８からの出力に基づいて算出された筒内圧力を、上記式の筒内圧力ｐとして代入することによって燃焼速度を算出することができる。

次に、ＥＣＵ９０が実行する点火時期制御処理について説明する。図２は、ＥＣＵ９０が実行する点火時期制御処理の一例を示したフローチャートである。ＥＣＵ９０は、筒内圧力センサ７８からの出力に基づいて、現時点でのサイクル（ｉ）までの過去１０サイクル分の平均燃焼速度θ_{１０−９０（ｉ）}を算出する（ステップＳ１）。尚、この平均燃焼速度θ_{１０−９０（ｉ）}は、前述した主燃焼期間での平均燃焼速度である。

次に、ＲＯＭに予め記憶された、現在の運転状態における燃焼速度の閾値θ_{１０−９０（ｔ）}と、算出された平均燃焼速度θ_{１０−９０（ｉ）}とを比較し、平均燃焼速度θ_{１０−９０（ｉ）}が閾値θ_{１０−９０（ｔ）}よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ２）。ここで閾値θ_{１０−９０（ｔ）}とは、掃気装置６０が正常に作動しているか否かの基準となる値であり、掃気装置６０が正常に作動して気筒１２内にある排気が適切に排出された場合に予想される燃焼速度の値である。この燃焼速度の閾値θ_{１０−９０（ｔ）}は、現在の運転状態に応じて予めマップにより規定されている。このマップは、ＲＯＭに記憶されている。否定判定の場合、即ち、平均燃焼速度θ_{１０−９０（ｉ）}が閾値θ_{１０−９０（ｔ）}よりも大きい場合、ＥＣＵ９０は、掃気装置６０は正常に作動しているとして、この処理を終了する。

肯定判定の場合、即ち、平均燃焼速度θ_{１０−９０（ｉ）}が閾値θ_{１０−９０（ｔ）}よりも小さい場合、ＥＣＵ９０は、掃気装置６０は正常に作動していないとして異常と判断する（ステップＳ３）。尚、この場合には、ノズル６１にデポジットが堆積したことによって、ノズル６１の先端部６１ａが塞がれている恐れがある。

次に、ＥＣＵ９０は、前述した平均燃焼速度θ_{１０−９０（ｉ）}と閾値θ_{１０−９０（ｔ）}との差から、点火時期の補正進角量ａを算出する（ステップＳ４）。具体的には、残留した排気に起因する燃焼速度の低下による点火時期の進角量と、排気が残留したことに起因するノッキングの発生を抑制するための点火時期の遅角量とのに基づいて、補正進角量ａを算出する。尚、燃焼速度の低下による点火時期の進角量、排気が残留したことに起因するノッキングの発生を抑制するための点火時期の遅角量は、それぞれ予め実験などにより算出されたマップがＲＯＭに記憶されている。

次に、ＥＣＵ９０は、前述した補正進角量ａを今回（ｉ）の点火時期での点火時期に加算することにより、次回のサイクル（ｉ＋１）での点火時期を設定する（ステップＳ５）。尚、図２に示したａｏｐ（ｉ）とは、現時点のサイクルでの点火時期を示している。

以上のように、ＥＣＵ９０は、筒内圧力センサ７８からの出力に基づいて燃焼速度を算出し（ステップＳ１）、この算出結果に基づいて掃気装置６０の異常を判定する（ステップＳ２、Ｓ３）。筒内圧力センサ７８からの出力に基づいて燃焼速度を算出することにより、気筒１２内に排気が残留しているか否かを精度よく判定することができる。また、既存の筒内圧力センサ７８を用いて、掃気装置６０の異常の発生を精度よく判定することができる。

尚、掃気装置６０の異常を判定する方法としては、筒内圧力センサ７８の出力に基づいて、即ち気筒１２内の圧力に基づいて、気筒１２内に排気が残留しているか否かを判定することも考えられる。気筒１２内に排気が残留した場合と、気筒１２内に排気が残留していない場合とでは、気筒１２内の最大圧力値が異なると想定されるからである。しかしながら、このような最大圧力値の差は、それほど大きくはなく、圧力値のみに基づいて掃気装置６０の異常を判定した場合には、誤判定する恐れがある。本実施例のように、筒内圧力センサ７８の出力に基づいて燃焼速度を算出し、この燃焼速度に基づいて掃気装置６０の異常を判定することにより、掃気装置６０の異常の誤判定を防止できる。

また、ＥＣＵ９０は、算出された燃焼速度に基づいて点火時期を設定する（ステップＳ５）ことにより、掃気装置６０に異常が発生した場合であっても、エミッションの悪化やノッキングの発生を防止することができる。

次に、ＥＣＵ９０が実行する堆積物除去処理について説明する。図３は、ＥＣＵ９０が実行する堆積物除去処理の一例を示したフローチャートである。尚、本堆積物除去処理は、図２に示した点火時期制御処理において、掃気装置６０に異常が発生していると判定された場合に実行される処理である。

まず、ＥＣＵ９０は、現在のエンジン１０の運転状態が掃気処理を実行しない領域にあるか否かを判定する（ステップＳ１０）。掃気処理を実行しない領域とは、掃気処理を実行する必要がない運転領域、即ち、掃気装置６０を作動させなくても気筒１２内に排気が残留しにくい領域をいう。否定判定の場合には、ＥＣＵ９０は再度ステップＳ１０の処理を実行する。

肯定判定の場合には、ＥＣＵ９０は、ポンプ６２の作動を制御することにより、掃気処理を実行する場合における空気の圧力よりも、更に高い圧力となるように昇圧させる（ステップＳ１１）。

次に、ＥＣＵ９０は、現在のエンジン１０の運転サイクルが、吸気行程であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。否定判定の場合には、ＥＣＵ９０は、再度ステップＳ１２の処理を繰り返す。尚、ＥＣＵ９０は、クランク角センサ７１からの出力などにより、現在のエンジン１０のサイクルが吸気行程にあるか否かを判定する。

肯定判定の場合、即ち、エンジン１０の運転サイクルが吸気行程である場合には、ＥＣＵ９０は、ノズル６１から圧縮空気を噴射させる（ステップＳ１３）。具体的には、ノズル６１とポンプ６２との間に配置された電磁弁（不図示）を開くことにより圧縮空気を噴射させる。これにより、先端部６１ａに堆積したデポジットを吹き飛ばすことができ、掃気装置６０を正常な状態に復帰させることができる。また、吸気行程においてこのようなデポジットを吹き飛ばす処理を実行することにより、吹き飛ばされたデポジットが吸気弁２４に堆積することを防止できる。

次に、ＥＣＵ９０が実行する堆積物除去処理の変形例について説明する。図４は、ＥＣＵ９０が実行する堆積物除去処理の変形例を示したフローチャートである。尚、図３、及び図４に示した処理を同時に実行するようにしてもよい。

ＥＣＵ９０は、現在のエンジン１０の運転状態が、吸気通路１３内の圧力である吸気圧よりも排気通路１９内の圧力である背圧が大きくなる領域にあるか否かを判定する（ステップＳ２０）。具体的には、ＥＣＵ９０は、予め実験などにより算出されたマップに基づいて、エンジン１０の運転状態が吸気圧よりも背圧が大きくなる領域であるか否かを判定する。このマップは、ＲＯＭに記憶されている。吸気圧よりも背圧が大きくなる領域には、例えばアイドル運転領域や中負荷領域である。

否定判定の場合には、ＥＣＵ９０は再度ステップＳ２０の処理を実行する。肯定判定の場合には、ＥＣＵ９０は、吸気側バルブタイミング可変装置２８、排気側バルブタイミング可変装置２９に指令を出して、吸気弁２４、排気弁２５の双方が開弁状態となるオーバーラップ期間を拡大する（ステップＳ２１）。吸気圧よりも背圧が高くなる運転領域において、オーバーラップ期間を拡大することにより、燃焼室１５内にある、高温の排気の一部が、吸気通路１３へと吹き返されて、吸気通路１３内が高温化する。吸気通路１３内には、ノズル６１が配置されており、先端部６１ａには、前述したように触媒がコーティングされている。吸気通路１３内が高温化することにより、先端部６１ａが活性化温度まで昇温して、先端部６１ａに堆積したデポジットの酸化を促進させることができる。これにより、先端部６１ａに堆積したデポジットを除去することができる。尚、オーバーラップ期間を拡大する、とは、通常のエンジン１０の運転領域を考慮して予め設定されたオーバーラップ期間よりも、長くなるように設定することである。

上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

本実施例に係るエンジンの模式図である。 ＥＣＵが実行する点火時期制御処理の一例を示したフローチャートである。 ＥＣＵが実行する堆積物除去処理の一例を示したフローチャートである。 ＥＣＵが実行する堆積物除去処理の変形例を示したフローチャートである。

符号の説明

１０ エンジン
１３ 吸気通路
１９ 排気通路
２４ 吸気弁
２５ 排気弁
２６ 吸気カム軸
２７ 排気カム軸
２８ 吸気側バルブタイミング可変装置
２９ 排気側バルブタイミング可変装置
６０ 掃気装置（掃気手段）
６１ ノズル
６１ａ 先端部
６２ ポンプ
７８ 筒内圧力センサ
９０ ＥＣＵ（燃焼速度算出手段、異常判定手段、点火時期補正手段、堆積物除去手段）

Claims (5)

1. 内燃機関の気筒内に空気を強制的に圧送することにより前記気筒内に残留する排気の排出を促進する掃気処理を実行する掃気手段と、
   前記気筒内の圧力を検出する筒内圧力検出手段と、
   前記筒内圧力検出手段の検出結果に基づいて燃焼速度を算出する燃焼速度算出手段と、
   前記燃焼速度算出手段の算出結果に基づいて前記掃気手段の異常を判定する異常判定手段とを備えた、ことを特徴とする内燃機関の掃気制御装置。
2. 前記異常判定手段の判定結果に基づいて点火時期を補正する点火時期補正手段を備えた、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の掃気制御装置。
3. 前記掃気手段は、前記気筒に向けて空気を噴射するノズルを含み、
   前記異常判定手段の判定結果が前記掃気手段の異常を示している場合には、前記ノズルを塞ぐ堆積物が存在していると判断して前記堆積物の除去を促進する堆積物除去処理を実行する堆積物除去手段を備えた、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の掃気制御装置。
4. 前記堆積物除去処理は、前記掃気処理実行時での前記ノズルから噴射される空気よりも高い圧力で空気が噴射される処理であると共に、前記掃気手段が前記掃気処理を実行しない運転領域で実行される、ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の掃気制御装置。
5. 前記ノズルは、前記堆積物の酸化を促進する触媒がコーティングされていると共に吸気通路内に設けられ、
   前記堆積物除処理は、前記気筒内からの前記吸気通路へのガスの吹き返しが増大するように、前記吸気弁及び排気弁の双方が開弁状態となるオーバーラップ期間を拡大する処理である、ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の掃気制御装置。

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