JP2009162108A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の制御装置に関し、低負荷時において、ＴＨＣ排出量の増加を抑制しつつ、燃費改善を図ることのできるバルブ制御を実現する。
【解決手段】排気弁５４の開弁特性を変更可能とする排気可変動弁機構５８を備える。内燃機関１０の冷却水温度が低くなるほど、内燃機関１０の暖機完了状態での排気弁５４の開き時期に対する当該開き時期の進角量を大きくする。
【選択図】図２

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、エンジンの運転状態に応じて吸排気弁の作動時期を制御するようにしたエンジンの吸排気制御装置が開示されている。この従来の制御装置では、エンジンが低負荷域にあるときに、吸排気のバルブタイミングを何れも大幅に遅角側に制御し、吸気弁の遅閉じと排気弁の遅開きとによって高膨張比サイクルを実現して、熱効率を向上し、かつ、吸気損失を低減可能にしている。そして、吸気弁の遅開きと排気弁の遅閉じとによって、吸気行程の初期に気筒内に排気を吸い戻すようにしている。更に、各気筒に２つ配置される排気弁のうちの一方の排気弁を他方よりも遅く閉じるようにし、これにより、気筒内に強い排気スワール流が生成されている期間において、当該気筒内に燃料を供給するようにしている。

特開２００６−１６１６６６号公報

上述した従来の技術のように、低負荷領域において排気弁の開き時期を遅らせることとすれば、膨張仕事が増加することで燃費が改善されるものの、燃料噴射量が減ることで筒内温度が低下することになる。その結果、ＴＨＣ（未燃ＨＣ）の排出量が増加してしまう。

また、低負荷領域において吸気弁の開き時期を吸気上死点よりも早めることとすれば、吸気行程の初期に吸気弁のリフト量が増加することで、筒内に吸入されるガス量を多くすることができる。これにより、吸気ポートの流量係数の低下（すなわち、ポンプ損失の増大）による燃費悪化を招くことなく、スワール比を高めることが可能となる。しかしながら、スワール比の向上に伴う筒内の噴霧の過拡散によって、ＴＨＣの排出量が増加してしまう。

以上のように、排気弁の開き時期の調整および吸気弁の開き時期の調整の何れに対しても、ＴＨＣ排出量と燃費とは、トレードオフの関係にあるといえる。

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、低負荷時において、ＴＨＣ排出量の増加を抑制しつつ、燃費改善を図ることのできるバルブ制御を実現し得る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、内燃機関の制御装置であって、
排気弁の開弁特性を変更可能とする排気可変動弁機構と、
内燃機関の冷却水温度が低くなるほど、内燃機関の暖機完了状態での前記排気弁の開き時期に対する当該開き時期の進角量を大きくする排気弁制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、内燃機関の制御装置であって、
吸気弁の開弁特性を変更可能とする吸気可変動弁機構と、
内燃機関の冷却水温度が低くなるほど、吸気上死点に対する前記吸気弁の開き時期の進角量を小さくする吸気弁制御手段と、
を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、冷却水温度の低い状況下においてＴＨＣ排出量を適切に抑制しつつ、冷却水温度の上昇とともに、排気弁の開き時期が遅角されていくことで、燃費の改善を図ることができるようになる。このように、本発明によれば、低負荷時において、ＴＨＣ排出量の増加を抑制しつつ、燃費改善を図ることのできる吸気弁の制御を実現することが可能となる。

第２の発明によれば、冷却水温度の低い状況下においてＴＨＣ排出量を適切に抑制しつつ、冷却水温度の上昇とともに、吸気弁の開き時期が進角されていくことで、燃費の改善を図ることができるようになる。このように、本発明によれば、低負荷時において、ＴＨＣ排出量の増加を抑制しつつ、燃費改善を図ることのできる吸気弁の制御を実現することが可能となる。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すシステムは、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は、４サイクルのディーゼルエンジン（圧縮着火式内燃機関）である。内燃機関１０の各気筒には、燃料を筒内に直接噴射するインジェクタ１２が設置されている。各気筒のインジェクタ１２は、共通のコモンレール１４に接続されている。図示しない燃料タンク内の燃料は、サプライポンプ１６によって所定の燃圧まで加圧されて、コモンレール１４内に蓄えられ、コモンレール１４から各インジェクタ１２に供給される。

内燃機関１０の排気通路１８は、排気マニホールド２０により枝分かれして、各気筒の排気ポート４８（図２参照）に接続されている。本実施形態の内燃機関１０は、ターボ過給機２２を備えている。排気通路１８は、ターボ過給機２２の排気タービンに接続されている。また、排気通路１８におけるターボ過給機２２の下流側には、排気ガスを浄化するための排気浄化装置２４が設けられている。

内燃機関１０の吸気通路２６の入口付近には、エアクリーナ２８が設けられている。エアクリーナ２８を通って吸入された空気は、ターボ過給機２２の吸気圧縮機で圧縮された後、インタークーラ３０で冷却される。インタークーラ３０を通過した吸入空気は、吸気マニホールド３２により、各気筒の吸気ポート５０（図２参照）に分配される。

インタークーラ３０と吸気マニホールド３２との間には、吸気絞り弁３４が設置されている。また、エアクリーナ２８の下流近傍には、吸入空気量を検出するエアフローメータ３６が設置されている。また、吸気絞り弁３４の下流側には、吸気通路２６内の圧力を検出する吸気圧力センサ３８が設置されている。

また、本実施形態のシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０を備えている。ＥＣＵ４０には、上述した各種のセンサに加え、エンジン回転数を検出するためのクランク角センサ４２やアクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ４４、内燃機関１０の冷却水温度を検出するための水温センサ４６等が接続されているとともに、上述した各種のアクチュエータが接続されている。ＥＣＵ４０は、それらのセンサ信号や情報に基づき、所定のプログラムに従って各アクチュエータを駆動させることにより、内燃機関１０の運転状態を制御する。

図２は、図１に示すシステムにおける内燃機関１０の一つの気筒の断面を示す図である。尚、本実施形態の内燃機関１０には、気筒毎に、２つの吸気弁５２と２つの排気弁５４が備えられているものとする。
内燃機関１０は、吸気弁５２の開弁特性を可変とする吸気可変動弁機構５６と、排気弁５４の開弁特性を可変とする排気可変動弁機構５８とを備えている。吸気可変動弁機構５６および排気可変動弁機構５８の具体的な構成は、特に限定されるものではなく、カムシャフトの位相を変化させることによって開閉時期を連続的に可変とする位相可変機構のほか、カムを電気モータで駆動する機構、電磁駆動弁、油圧駆動弁などを用いることもできる。また、吸気カム軸および排気カム軸の近傍には、それぞれのカム軸の回転角度、すなわち、吸気カム角および排気カム角を検出するための吸気カム角センサ６０および排気カム角センサ６２がそれぞれ配置されている。これらのセンサ６０、６２は、ＥＣＵ４０に接続されている。ＥＣＵ４０は、これらのセンサ６０、６２の検出信号に基づいて、吸気弁５２および排気弁５４の開閉時期の進角量を算出することもできる。

［低負荷時におけるＴＨＣ排出量および燃費への排気弁の開き時期の影響］
図３は、低負荷時におけるＴＨＣ排出量および燃費への排気弁５４の遅開きの影響を説明するための図である。より具体的には、図３（Ａ）は、ＮＯｘ排出量と排気弁５４の開き時期の遅角量（閉じ時期は一定値）との関係を表しており、図３（Ｂ）は、実燃料噴射量と排気弁５４の開き時期の遅角量（閉じ時期は一定値）との関係を表している。

また、図３（Ａ）は、低負荷運転時において、ＴＨＣ（未燃ＨＣ）の排出量をそれぞれ４００ｐｐｍおよび５００ｐｐｍで一定として行った試験結果を表したものである。図３（Ａ）に示すように、ＮＯｘの排出量は、排気弁５４の開き時期の遅角量が大きくなると増加している。この理由は、以下の通りであると考えられる。すなわち、当該遅角量が大きくなると、膨張仕事が増えることで、内燃機関１０が同じトルクを発生させるために必要な燃料噴射量が少なくて済むようになるが、筒内温度が低下してしまう。その結果、ＴＨＣの排出量が増加する状況となる。ＮＯｘの排出量を減らすためには、内部ＥＧＲガス量を増やすことが好適であるが、内部ＥＧＲガス量を増やすとＴＨＣの排出量が増えてしまう。従って、ＴＨＣの排出量を一定として行う試験時においては、上記遅角量が大きくされてＴＨＣの排出量が増えるほど、内部ＥＧＲガス量の増量がより制限されることになり、その結果として、上記遅角量が大きくなると、ＮＯｘの排出量が多くなる。尚、ＥＧＲ率を一定とする状況下において、縦軸をＴＨＣの排出量にした場合にも、図３（Ａ）と同様の傾向の試験結果が得られるものと考えられる。

上記のように、排気弁５４の開き時期の遅角量が大きくなると、ＴＨＣの排出量は増えることになる。また、図３（Ｂ）に示すように、上記遅角量が大きくなると、内燃機関１０が同じトルクを出せるようにするための実燃料噴射量が少なくなる（つまり、燃費が向上する）。この理由は、排気弁５４の開き時期の遅角により、膨張仕事が増加するためである。以上の図３（Ａ）と図３（Ｂ）より、排気弁５４の開き時期の遅角量の調整に対して、ＴＨＣと燃費はトレードオフの関係にあるといえる。

［ＴＨＣ排出量と冷却水温度との関係］
図４は、ＴＨＣの排出量と内燃機関１０の冷却水温度との関係を表した図である。
図４に示すように、冷却水温度が低くなるほど、ＴＨＣの排出量が増加する。この理由は、冷却水温度が低いと、燃焼室壁面温度が低くなるためである。上述したように、排気弁５４の開き時期の遅角量の調整に対して、ＴＨＣと燃費はトレードオフの関係にあるといえる。従って、燃費を考えると、本来的には上記遅角量を大きくしたいところであるが、図４に示すように、ＴＨＣの排出量は、冷却水温度に対して敏感な特性を有し、低水温状況下においては、ＴＨＣの排出量は、冷却水温度の低下に伴い大きく増加してしまう。

［実施の形態１における排気弁の制御の特徴的な設定］
図５は、本発明の実施の形態１における排気弁５４の制御の特徴的な設定を説明するための図である。
上記の課題を解消すべく、本実施形態では、図５に示すように、冷却水温度が低くなるほど、内燃機関１０の暖機完了状態での排気弁５４の開き時期に対する当該開き時期の進角量を徐々に大きくするようにした。言い換えれば、冷却水温度の上昇とともに、内燃機関１０の暖機完了状態での排気弁５４の開き時期に向けて、当該開き時期の遅角量を徐々に大きくするようにした。

図６は、上記の機能を実現するために、本実施の形態１においてＥＣＵ４０が実行するルーチンのフローチャートである。
図６に示すルーチンでは、先ず、内燃機関１０の冷却水温度が水温センサ４６の出力に従って取得される（ステップ１００）。

次に、現在の冷却水温度が所定の温度よりも低いか否か、つまり、内燃機関１０が暖機過程にあるか否かが判別される（ステップ１０２）。その結果、冷却水温度が上記所定の温度よりも低いことで、内燃機関１０が暖機過程にあると判定された場合には、冷却水温度に応じて、排気弁５４の開き時期の遅角量が決定される（ステップ１０４）。より具体的には、ＥＣＵ４０は、上記図５に示すような関係をマップとして記憶しており、そのようなマップを参照して、冷却水温度が低くなるほど、排気弁５４の開き時期を徐々に早めるように調整する。

以上説明した図６に示すルーチンによれば、冷却水温度の低い状況下においてＴＨＣ排出量を適切に抑制しつつ、冷却水温度の上昇とともに、排気弁５４の開き時期が遅角されていくことで、燃費の改善を図ることができるようになる。このように、暖機過程においても、排気弁５４の開き時期を適切に制御することで、トレードオフの関係にあるＴＨＣ排出量と燃費の両者を最大限に低減することが可能となる。また、本実施形態の制御は、排気側にのみバルブの開弁特性を変更可能とする可変動弁機構を備えるシステムにおいて、冷間時のＴＨＣ排出抑制と燃費の改善とを図るうえで好適なものである。

尚、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ４０が上記ステップ１０〜１０４の処理を実行することにより前記第１の発明における「排気弁制御手段」が実現されている。

実施の形態２．
次に、図７乃至図１０を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ４０に図６に示すルーチンとともに後述する図１０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ものである。

［吸気弁の両弁早開き制御によるスワール向上の利点］
図７は、吸気弁５２の両弁早開き制御によるスワール向上の利点を説明するための図である。尚、図７に示すデータは、吸気弁５２の作用角を一定にした条件下のものである。
同一気筒内に配置される２つの吸気弁５２の開き時期をともに吸気上死点よりも進角側の値に制御（以下、「両弁早開き制御」と称する）することとすれば、吸気行程初期段階（上死点後０〜９０°ＣＡ辺り）において、すなわち、筒内に吸入されるガス量が多くなる段階において、吸気弁５２のリフト量が高められることになる。これにより、吸気が筒内に勢い良く吸入されるので、スワールを高めることが可能となる。このような吸気弁５２の両弁早開き制御によれば、図７に示すように、吸気弁５２の進角量を大きくしていった際に、流量係数の悪化（すなわち、ポンプ損失の増大）を招くことなく、スワール比を高めることができる。

尚、両弁早開き制御の実行時に効果的にスワール比を高められるようにするためには、同一気筒内に配置される２つの吸気ポート５０のうちの少なくとも一方を、内部を通過する空気量が多くなるに従ってスワール比が高くなる特性を有するポートとして構成することが望ましい。より具体的には、そのような特性を有するポートは、何れか一方の吸気ポート５０を、例えば、タンジェンシャルポートやヘリカルポートとして構成することにより実現することができる。また、これ以外にも、例えば、スワールの生成を主として担う方の吸気ポート（主流ポート）をタンジェンシャルポートとして構成するとともに、もう一方の吸気ポート（従属ポート）をヘリカルポートとして構成することによっても実現することができる。

［低負荷時におけるＴＨＣ排出量および燃費への吸気弁の開き時期の影響］
図８は、低負荷時におけるＴＨＣ排出量および燃費への吸気弁５２の早開きの影響を説明するための図である。より具体的には、図８（Ａ）は、ＮＯｘ排出量と吸気弁５２の開き時期の進角量（閉じ時期は一定値）との関係を表しており、図８（Ｂ）は、実燃料噴射量と吸気弁５２の開き時期の進角量（閉じ時期は一定値）との関係を表している。

また、図８（Ａ）および（Ｂ）は、ＴＨＣの排出量を一定とする低負荷運転時における試験結果を表したものである。図８（Ａ）に示すように、ＮＯｘの排出量は、吸気弁５２の開き時期の進角量が大きくなるに従って増加している。この理由は、以下の通りであると考えられる。すなわち、当該進角量が大きくなると、スワールが強くなり、その結果、筒内の噴霧が過拡散することでＴＨＣの排出量が増加する状況となる。また、既述したように、ＮＯｘの排出量を減らすためには、内部ＥＧＲガス量を増やすことが好適であるが、内部ＥＧＲガス量を増やすとＴＨＣの排出量が増えてしまう。従って、ＴＨＣの排出量を一定として行う試験時においては、上記進角量が大きくされてＴＨＣの排出量が増えるほど、内部ＥＧＲガス量の増量がより制限されることになり、その結果として、上記進角量が大きくなるに従って、ＮＯｘの排出量が多くなる。

上記のように、吸気弁５２の開き時期の進角量が大きくなるに従って、ＴＨＣの排出量は増えることになる。また、図８（Ｂ）に示すように、上記進角量が大きくなると、内燃機関１０が同じトルクを出せるようにするための実燃料噴射量が少なくなる（つまり、燃費が向上する）。この理由は、吸気弁５２の開き時期の進角により、流量係数が向上し、ポンプ損失が減少するためである。以上の図８（Ａ）と図８（Ｂ）より、吸気弁５２の開き時期の進角量の調整に対して、ＴＨＣと燃費はトレードオフの関係にあるといえる。

［実施の形態２における吸気弁の制御の特徴的な設定］
図９は、本発明の実施の形態２における吸気弁５２の制御の特徴的な設定を説明するための図である。
実施の形態１において述べたように、冷却水温度が低くなるほど、ＴＨＣの排出量が増加する。また、上述したように、吸気弁５２の開き時期の進角量の調整に対して、ＴＨＣと燃費はトレードオフの関係にあるといえる。従って、燃費を考えると、本来的には上記進角量を大きくしたいところであるが、低水温状況下においては、ＴＨＣの排出量は、冷却水温度の低下に伴い大きく増加してしまう。本実施形態では、そのような課題を解消すべく、図９に示すように、冷却水温度が低くなるほど、両弁早開き制御による吸気上死点に対する吸気弁５２の開き時期の進角量を徐々に小さくするようにした。言い換えれば、冷却水温度の上昇とともに、吸気弁５２の開き時期の進角量を徐々に大きくするようにした。

図１０は、上記の機能を実現するために、本実施の形態２においてＥＣＵ４０が実行するルーチンのフローチャートである。尚、図１０において、実施の形態１における図６に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
図１０に示すルーチンでは、冷却水温度が上記所定の温度よりも低いことで、内燃機関１０が暖機過程にあると判定された場合には（ステップ１０２）、冷却水温度に応じて、吸気弁５２の開き時期の進角量が決定される（ステップ２００）。

より具体的には、ＥＣＵ４０は、上記図９に示すような関係をマップとして記憶しており、そのようなマップを参照して、冷却水温度が低くなるほど、吸気上死点に対する吸気弁５２の開き時期の進角量が徐々に小さくなるように調整する。

以上説明した図１０に示すルーチンによれば、冷却水温度の低い状況下においてＴＨＣ排出量を適切に抑制しつつ、冷却水温度の上昇とともに、吸気弁５２の開き時期が進角されていくことで、燃費の改善を図ることができるようになる。このように、暖機過程においても、吸気弁５２の開き時期を適切に制御することで、トレードオフの関係にあるＴＨＣ排出量と燃費の両者を最大限に低減することが可能となる。

尚、上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ４０が上記ステップ１００、１０２、および２００の処理を実行することにより前記第２の発明における「吸気弁制御手段」が実現されている。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。 図１に示すシステムにおける内燃機関の一つの気筒の断面を示す図である。 低負荷時におけるＴＨＣ排出量および燃費への排気弁の遅開きの影響を説明するための図である。 ＴＨＣの排出量と内燃機関の冷却水温度との関係を表した図である。 本発明の実施の形態１における排気弁の制御の特徴的な設定を説明するための図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 吸気弁の両弁早開き制御によるスワール向上の利点を説明するための図である。 低負荷時におけるＴＨＣ排出量および燃費への吸気弁の早開きの影響を説明するための図である。 本発明の実施の形態２における吸気弁の制御の特徴的な設定を説明するための図である。 本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０ 内燃機関
１８ 排気通路
２６ 吸気通路
４０ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
４８ 排気ポート
５０ 吸気ポート
５２ 吸気弁
５４ 排気弁
５６ 吸気可変動弁機構
５８ 排気可変動弁機構

Claims (2)

1. 排気弁の開弁特性を変更可能とする排気可変動弁機構と、
   内燃機関の冷却水温度が低くなるほど、内燃機関の暖機完了状態での前記排気弁の開き時期に対する当該開き時期の進角量を大きくする排気弁制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 吸気弁の開弁特性を変更可能とする吸気可変動弁機構と、
   内燃機関の冷却水温度が低くなるほど、吸気上死点に対する前記吸気弁の開き時期の進角量を小さくする吸気弁制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。

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