JP2010096146A - 内燃機関の運転制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】気筒単位で燃焼を休止し得るエンジンにおいて、エンジン回転数や負荷により判定する負荷領域単位で、燃焼を休止する気筒数を制御するだけでは、負荷領域が変化する場合のトルクの変動が大きくなり、しかも負荷領域単位で燃焼を休止する気筒数を決定すると、その負荷領域内で負荷が変化しても、その負荷の変化は燃焼を休止する気筒数には反映されず、要求されるエンジン出力を満たさない場合が生じた。
【解決手段】気筒ごとに燃焼を休止し得る内燃機関において、低負荷運転領域では１点火サイクルあたりの燃焼を実行する回数を固定して機関出力を制御し、中負荷及び高負荷運転領域では要求される運転状態に応じて単位時間内に燃焼を実行する回数を変更して機関出力を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、負荷の状態に応じて燃焼を休止する内燃機関の運転制御方法に関するものである。

従来、例えば自動車に搭載されるエンジンでは、燃料を無駄に消費しないように、エンジンの負荷の状態に合わせて、一般的には部分負荷の運転状態においてある気筒において燃焼を休止するように、エンジンの運転状態を制御するものが知られている。例えば、自動車に搭載されるＶ型６気筒エンジンにおいては、片方のバンクの３気筒を全て、低負荷の運転状態では燃焼を休止するものである。しかしながら、このように、一方のバンクの気筒のみ燃焼を休止すると、休止中にそれらの気筒が冷えてしまい、燃焼を再開する場合に失火する恐れが生じる。また、気筒数が通常の運転状態の半数となるため、休止する場合にトルクの変動も大きくなるものである。

このような不具合に対して、例えば特許文献１には、エンジンが部分負荷で運転している場合に、各気筒の点火を順に交替させて同じ頻度で気筒を休止させる運転方法が記載されている。このような構成においては、各気筒における燃焼を、同じ頻度で休止させるので、上述したような不具合は発生しない。
特開昭５９‐１１５４７０号公報

ところで、エンジン回転数や負荷により判定する負荷領域単位で、燃焼を休止する気筒数を制御するだけでは、同じ負荷領域内で運転者の要求するトルクが微妙に異なった場合、その負荷の変化は燃焼を休止する気筒数には反映されないものである。それゆえ、円滑な運転を実施するために部分負荷運転を実施し、燃料を無駄に消費しているという問題が生じていた。

そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。

すなわち、本発明の内燃機関の運転制御方法は、燃焼を休止し得る内燃機関において、低負荷運転領域では１点火サイクルあたりの燃焼を実行する回数を固定して機関出力を制御し、中負荷及び高負荷運転領域では要求される運転状態に応じて単位時間内に燃焼を実行する回数を変更して機関出力を制御することを特徴とする。

このような構成によれば、中負荷及び高負荷運転領域では、火花点火式の内燃機関における充填効率（吸入空気量）、ディーゼル機関における燃料噴射量を調整して機関出力を制御するのではなく、単位時間内に燃焼を実行する回数、つまり単位時間あたりの燃焼実行率を変更することにより、要求される運転状態に応じて機関出力を制御する。したがって、負荷の変化に対してほぼ全負荷運転を実施することが可能になった。

本発明は、以上説明したような構成であり、要求される運転状態つまり負荷の変化に対して部分負荷運転を実施せずに機関出力の制御を実現することができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１に１気筒の構成を概略的に示して説明するエンジン１００は、車両特には自動車に搭載される火花点火式内燃機関である４気筒のガソリンエンジンで、気筒毎に燃焼を休止し得る構成を有するものである。

エンジン１００の吸気系１には、低負荷運転領域では、図示しないアクセルペダルの踏度に応じて開閉するとともに、中負荷及び高負荷運転領域では、アクセルペダルの踏度に無関係に全開に保持されるスロットルバルブ２が配設され、そのスロットルバルブ２の下流にはサージタンク３が設けられている。サージタンク３が連通するシリンダヘッド４側の端部近傍には、吸気ポート５に燃料を噴射するように燃料噴射弁６が取り付けてあり、この燃料噴射弁６を電子制御装置７により制御するようにしている。シリンダヘッド４の燃焼室８の天井部分には、点火プラグ９が取り付けてあるとともに、吸気弁及１０及び排気弁１１が設けてある。吸気弁及１０及び排気弁１１はそれぞれ、電磁アクチュエータ１２、１３により独立に開閉し得るように構成してある。

電磁アクチュエータ１２、１３は、シリンダヘッド４に取り付けられるものである。電磁アクチュエータ１２、１３は、鉄心と、その鉄心に巻回される２個の電磁コイルと、鉄心内の空間を往復作動する駆動軸と、その駆動軸に固定される可動子と、駆動軸を吸気弁１０及び排気弁１１が開弁する方向に付勢するコイルスプリングと、駆動軸を支持する支持部材と、コイルスプリングの付勢力を調整するネジ部材とを具備している。

この電磁アクチュエータ１２、１３は、それぞれの電磁コイルに電圧が印加されない場合は、可動子に電磁力が作用せず、鉄心を構成する第１鉄心部材と第２鉄心部材とで構成される内部空間の中央位置で釣り合って静止する。この状態では、吸気弁１０及び排気弁１１は、全閉と全開との中間位置で開成しており、上側の電磁コイルに電圧が印加されると、コイルスプリングの付勢力に抗し、かつ吸気弁１０及び排気弁１１を全閉方向に付勢するように吸気弁１０及び排気弁１１の弁ステム部分に取り付けられる弁体コイルスプリングに付勢されて可動子が上側に引き上げられ、駆動軸が上側に移動して吸気弁１０及び排気弁１１が全閉となる。一方、上側の電磁コイルを断電し、下側の電磁コイルに通電すると、コイルスプリングに付勢され、弁体コイルスプリングの付勢力に抗して可動子は下側に引き下げられ、駆動軸が吸気弁１０及び排気弁１１を押し下げて開成させる。

また、排気系１４には、図示しないマフラに至るまでの管路に三元触媒１５が配設され、その上流にはＯ₂センサ１６が取り付けられている。

電子制御装置７は、中央演算処理装置１８と、記憶装置１９と、入力インターフェース２０と、出力インターフェース２１とを具備してなるマイクロコンピュータシステムを主体に構成されている。中央演算処理装置１８は、記憶装置１９に格納された後述のプログラムを実行して、エンジン１００の運転制御を行うものである。

そしてエンジン１００の運転制御を行うために必要な情報が入力インターフェース２０を介して中央演算処理装置１８に入力されるとともに、中央演算処理装置１８は出力インターフェース２１を介して制御のための信号を燃料噴射弁５などに出力する。

具体的には、入力インターフェース２０には、サージタンク３内の圧力（吸気管圧力）を検出するための吸気圧センサ２２から出力される吸気圧信号ａ、エンジン回転数を検出するための回転数センサ２３から出力される回転数信号ｂ、クランクセンサ２４から出力されるクランク角度信号ｄ、スロットルバルブ２の開閉状態を検出するためのアイドルスイッチ２５から出力されるＩＤＬ信号ｅ、アクセルペダルの踏度を検出するための踏度センサ２６から出力される踏度信号ｆ、エンジン１００の冷却水温を検出するための水温センサ１７から出力される水温信号ｇ、上記したＯ₂ センサ１６から出力される電圧信号ｈ等が入力される。一方、出力インターフェース２１からは、インジェクタ６に対して燃料噴射信号ｐが、またスパークプラグ９に対して点火信号ｑが、スロットルバルブ２の開閉させる駆動モータ（図示しない）に対して開度信号が、さらには、電磁アクチュエータ１２、１３には弁開閉信号ｍ、ｎが出力されるようになっている。弁開閉信号ｍ、ｎは、それぞれの気筒に対して独立して出力されるものである。

このような構成において、吸気圧センサ２２から出力される吸気圧信号ａと回転数センサ２３から出力される回転数信号ｂとを主な情報として燃料噴射量を演算し、演算した燃料噴射量に対応する通電時間を示す燃料噴射信号ｐを、燃焼を決定した気筒の燃料噴射弁６に出力するプログラムが電子制御装置７に格納してある。さらにまた、電子制御装置７には、低負荷運転領域では１点火サイクルあたりの燃焼を実行する回数を固定してエンジン出力を制御し、中負荷及び高負荷運転領域では要求される運転状態に応じて単位時間内に燃焼を実行する回数を変更してエンジン出力を制御する運転制御プログラムが格納してある。この運転制御プログラムは、エンジン１００の運転中において所定時間毎に繰り返し実行されるものである。運転制御プログラムの概略制御手順を図２に示す。

まず、ステップＳ１において、現在の要求される運転状態を検出する。要求される運転状態つまり要求負荷は、アクセルペダルの踏度により検出する。アクセルペダルの踏度は、踏度センサ２６から出力される踏度信号ｆに基づいて検出する。

ステップＳ２では、検出した要求される運転状態が、中負荷運転領域以上に当てはまるか否かを判定する。すなわち、エンジン１００の運転制御は、低負荷運転領域、中負荷領域及び高負荷領域の負荷領域により、エンジン出力を制御する手段を切り替えるものである。

ステップＳ２において、要求される運転状態が中負荷運転領域以上に当てはまらないつまり低負荷運転領域に当てはまると判定した場合は、ステップＳ３において、例えば１点火サイクルあたりの燃焼を実行する回数を固定する。１点火サイクルとは、エンジン１００を構成する全てのシリンダにおいて点火を完了するに要する期間である。この実施形態の場合、固定する回数は、４気筒つまり全気筒において燃焼を実行する回数とする。これは、アイドリング運転の場合に、燃焼を休止する気筒があることで回転が円滑でなくなることのないようにするためである。したがって、要求される運転状態が低負荷運転領域に当てはまる場合は、エンジン出力の制御を、燃焼を実行する回数を調整することなく、燃焼の実行を休止する以外の手段で実行するものである。なお、気筒数が多い場合、例えばＶ型１２気筒といった気筒配列のエンジンでは、この１点火サイクルにおける燃焼を実行する回数を減らして、燃焼を休止する気筒を設定するものであってもよい。

次に、ステップＳ４において、要求される運転状態が低負荷運転領域に当てはまる場合は、アクセルペダルの踏度に対応してスロットルバルブ２の開度（スロットル開度）を調整する。具体的には、アクセルペダルの踏度に応じて、スロットルバルブ２を駆動する駆動モータに開閉信号を印加するものである。このように、スロットルバルブ２の開度を調整することにより、吸入空気量つまり充填効率を調整してエンジン出力を調整するものである。

以上に対して、ステップＳ２において、要求される運転状態が中負荷運転領域以上に当てはまる場合は、ステップＳ５においてスロットルバルブ２を全開にする。つまり、この場合には、スロットルバルブ２により吸入空気の充填効率の調整は実施しない。このように、スロットルバルブ２を全開にすることにより、スロットルバルブ２によるポンピングロスを抑制することができる。この場合、理論的には、スロットルバルブ２を全開にするものであるが、実際には、中負荷運転領域の始めにおいて、瞬時に全開とはならず、スロットルバルブ２の駆動モータの機械的応答遅れを含んで全開となるものである。このスロットルバルブ２の開度の変化を、図３に示す。

このようにスロットルバルブ２を全開にした状態で、ステップＳ６において要求される運転状態に対応して単位時間内の燃焼を実行する回数、言い換えれば単位時間あたりの燃焼実行率を設定する。そして、ステップＳ７において、ステップＳ６において設定した燃焼実行率となるように、電磁アクチュエータ１２の作動を休止して、燃焼の実行を休止する気筒の吸気弁１０を閉じる。続いて、ステップＳ８において、吸気弁１０を閉じた気筒の燃料の噴射を休止する。この場合、燃焼を実行する気筒と燃焼を休止する気筒とを固定つまり不変にしてしまうのではなく、単位時間内で４気筒の任意の気筒で燃焼を実行するものである。つまり、例えば燃焼実行率が低い場合は、ある１点火サイクルにあっては第１気筒及び第４気筒で燃焼を実行し、別の１点火サイクルでは第１気筒及び第３気筒で燃焼を実行するといった具合である。

上述したように、この実施形態においては、燃焼を休止する気筒の吸気弁１０は、電磁アクチュエータ１２に通電することなく閉弁状態を維持し、吸入空気が排気系１４に排出されて、三元触媒１５の温度が低下することを防止している。この場合に、排気弁１１は、電磁アクチュエータ１３に通電して、開弁状態を維持して、他の気筒の排気ガスが気筒内に流入する状態にしておく。このように排気弁１１を制御することにより、燃焼を休止している気筒が過度に冷えることを抑制するものである。

以上の構成において、低負荷運転領域に当てはまる運転状態が要求される場合は、ステップＳ１〜ステップＳ４を順に実行して、スロットルバルブ２の開度調整によって充填効率を調整することでエンジン出力を制御する。図３に示すように、低負荷運転領域から中負荷運転領域に負荷が変化する場合、スロットルバルブ２のスロットル開度を大きくすることでエンジン出力を増加させるものである。

次に、中負荷及び高負荷運転領域においては、ステップＳ１、ステップＳ２及びステップＳ５〜ステップＳ７を順に実行して、負荷の増加に伴って、燃焼実行率を高くすることによりエンジン出力を制御する。つまり、中負荷運転領域では急速にスロットルバルブ２のスロットル開度を全開にし、そのスロットル開度の変更に対応させて燃焼実行率を減少し、したがって単位時間内の燃焼の実行を間引いて、エンジン出力をアクセルペダルの踏度で示される要求負荷に対応させるものである。この場合、エンジン出力が１００パーセントとなる大きさの負荷で、燃焼実行率が１００パーセントとなるように、設定してある。

このように、スロットルバルブ２により充填効率を調整することなく、単位時間における燃焼実行率つまりは単位時間内の燃焼を実行する回数を調整することにより、全ての点火時期に全気筒において燃焼を実行している場合に比較して燃焼を実行する気筒が減るので、エンジン出力を要求された運転状態に合わせることができる。つまり、単位時間内において点火毎に燃焼を実行する回数に対する燃焼の実行を休止する回数の割合を調整することにより、燃焼の実行を休止する回数分だけトルクが減少し、エンジン出力を制御できるものである。そして、燃焼の実行回数を、全気筒において燃焼を実行している場合に近づけることにより、エンジン出力を増して、要求された運転状態に合わすことができる。

しかも、単位時間内に燃焼を実行する回数を設定するのみで、燃焼を実行する気筒つまりは燃焼の実行を休止する気筒を設定してその気筒のみで燃焼の実行を休止するものではないので、この制御を長時間にわたって実行しても、それぞれの気筒において冷え方が異なることがない。つまり、特定の気筒のみが、他の気筒に比べて特に冷えるものではない。加えて、この実施形態にあっては、燃焼の実行を休止している気筒では、排気弁１１を開いておき、他の気筒の排気ガスが流入するようにしている。したがって、中負荷運転領域から低負荷運転領域での運転状態を要求された場合であっても、燃焼の実行を休止した気筒において、燃焼が不安定になるなどの不具合が発生することを抑制することができる。

その上、このような燃焼実行率の増減を、アクセルペダルの踏度により制御するので、運転者の意思を反映してきめ細かく要求負荷に対してエンジン出力を制御し得るものとなる。そのため、エンジン出力が急激に変化することなく、円滑にエンジン１００を運転することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

上述の実施形態においては、４気筒のガソリンエンジンを説明したが、要求される運転状態が中負荷運転領域以上である場合において、単位時間内の燃焼の実行の回数を増減してエンジン出力を制御するものであるので、単気筒エンジンに対しても適用することができる。多気筒エンジンにあっては、気筒毎に燃焼を休止し得る構成を備えるものであれば、直列型エンジン、Ｖ型エンジン、さらには水平対向型エンジンなど、各種の気筒数及び気筒配列のエンジンに対して適用することができる。

また、吸気弁１０及び排気弁１１を電磁アクチュエータにより開閉するものを説明したが、吸気弁及び排気弁を気筒毎に個別に閉弁し得るものであれば、電磁アクチュエータに限定されるものではなく、機械式の可変バルブ機構などで構成するものであってよい。

上述の実施形態においては、燃焼を休止する気筒では吸気弁１０を閉じ排気弁１１を開いた状態に維持したが、排気弁１１を吸気弁１０とともに閉弁するものであってもよい。

加えて、本発明はディーゼルエンジンにも適用することができる。ディーゼルエンジンの場合は、要求される運転状態が低負荷運転領域においては、ガソリンエンジンの充填効率に代えて燃料噴射量を調整することにより、エンジン出力を制御するものである。また、同じく中負荷運転領域においては、図３に点線で示すように、燃料噴射量を例えば７５パーセント程度に絞った状態で、単位時間内における燃焼の実行回数を調整することにより、エンジン出力を制御するものである。そして、中負荷運転領域を上回る高負荷運転領域にあっては、燃料噴射量をアクセルペダルの踏度に応じて制御することにより、エンジン出力を制御する。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の活用例として、車両、特には自動車に搭載した場合に、燃費を向上させることに活用することができる。

本発明の実施形態の概略構成を示す構成説明図。 同実施形態の制御手順を示すフローチャート。 同実施形態の作用説明図。

符号の説明

７…電子制御装置
１０…吸気弁
１１…排気弁
１２…電磁アクチュエータ
１３…電磁アクチュエータ
１８…中央演算制御装置
１９…記憶装置
２０…入力インターフェース
２１…出力インターフェース

Claims (1)

1. 燃焼を休止し得る内燃機関において、低負荷運転領域では１点火サイクルあたりの燃焼を実行する回数を固定して機関出力を制御し、
   中負荷及び高負荷運転領域では要求される運転状態に応じて単位時間内に燃焼を実行する回数を変更して機関出力を制御する内燃機関の運転制御方法。

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