JP2010111202A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】例えば、部品コストが増大することを極力抑制しつつ、エンジン等の内燃機関の振動を低減する。
【解決手段】ECU及びMGCUは、エンジンで発生するスラスト力の合計の大きさが最大になる期間、即ち、図中ハッチングで示した所定期間(θ1)において、MG)及び、動力分割機構、並びにインバータの動作に応じてクランク軸からピストンに伝達される駆動力を増大させるように、MG及び、動力分割機構、並びにインバータの動作を制御し、ピストンの速度を通常の速度(V0)から速度(V1)に増大させる。
【選択図】図4
【解決手段】ECU及びMGCUは、エンジンで発生するスラスト力の合計の大きさが最大になる期間、即ち、図中ハッチングで示した所定期間(θ1)において、MG)及び、動力分割機構、並びにインバータの動作に応じてクランク軸からピストンに伝達される駆動力を増大させるように、MG及び、動力分割機構、並びにインバータの動作を制御し、ピストンの速度を通常の速度(V0)から速度(V1)に増大させる。
【選択図】図4
Description
本発明は、例えば、ハイブリッド車両の動力源として当該車両に搭載されたエンジン等の内燃機関を制御するための内燃機関の制御装置の技術分野に関する。
この種の内燃機関の一例であるエンジンでは、当該エンジンの動作時にエンジン本体が振動することによって生じる騒音を低減可能な騒音制御装置が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。また、この種のエンジンでは、ノッキングを低減することが可能なエンジンの制御装置が開示されている(例えば、特許文献2参照。)。
一方、この種のエンジンでは、ピストンの速度を変更することによって燃料の燃焼安定性を高める技術(例えば、特許文献3参照。)や、エンジンの気筒に排気を還流させる技術(EGR:Exhaust Gas Recirculation)によって、排気に含まれる窒素酸化物(所謂、ノックス(NOx))を低減する技術が開示されている。
しかしながら、エンジンの振動を低減することを目的として車両に騒音制御装置を搭載した場合、部品点数が増加し、車両の部品コストが増大する問題点が生じる。特に、ハイブリッド車両等の車両では、部品コストを低減することを目的として、エンジンの振動を低減することが4気筒のエンジンに比べて技術的に難しい2気筒又は3気筒のエンジンが動力源として採用される可能性もあり、エンジンの振動を低減することがより一層技術的に困難になる。
また、エンジンの熱効率を向上させることを目的として、エンジンが低回転で駆動されている期間から、EGRガス、即ち、排気のうちエンジンの気筒に還流されるガスの還流量を増大させようとすると、エンジンの気筒における排気行程から吸気行程に亘って、気筒の内部と気筒の外部との間の圧力差である差圧が不足し、十分な量のEGRガスを気筒に還流させることが困難となる。したがって、気筒に還流されるEGRガスの還流量を増大させることによってエンジンの熱効率を高めることが技術的に困難になる問題点が生じる。加えて、気筒へ還流されるEGRガスの還流量を増大させることを目的として、EGRガスを気筒に導く配管のサイズを大きくしたり、当該配管から気筒へ向かって供給されるEGRガスの圧力を高めたりした場合、配管等の部材の設計を変更することによって部品コストが増大する問題点が生じる。
よって、本発明は上記問題点等に鑑みてなされたものであり、例えば、部品コストが増大することを極力抑制しつつ、エンジン等の内燃機関の振動を低減可能な内燃機関の制御装置を提供する。また、本発明は、気筒へ還流されるEGRガスの還流量を増大させることによって、内燃機関の熱効率を向上させることが可能な内燃機関の制御装置を提供することを課題とする。
本発明の第1の発明に係る内燃機関の制御装置は上記課題を解決するために、内燃機関が有する気筒の内部を往復可能なピストンに接続されたクランク軸の回転速度を変更可能な変更手段と、前記気筒における膨張行程の前半の少なくとも一部である所定期間において、前記ピストンの速度が増大するように、前記変更手段を制御する制御手段とを備える。
本発明の第1の発明に係る内燃機関の制御装置によれば、内燃機関の振動が発生しやすい所定期間においてピストンの速度を増大させることによって、ピストンから気筒の内壁に作用するスラスト力を低減でき、内燃機関の振動を低減可能である。したがって、本発明に係る内燃機関の制御装置によれば、部品コストの増大を極力抑制しつつ、エンジン等の内燃機関の振動を低減できる。本発明の第1の発明に係る内燃機関の制御装置によれば、特に、4気筒より振動の低減が技術的に困難である2気筒又は3気筒のエンジンにおいて、部品コストの増大を抑制し、且つ振動を低減できる。したがって、本発明の第1の発明に係る内燃機関の制御装置によれば、ハイブリッド車両の動力源として当該車両に搭載されたエンジン等の内燃機関で発生し得る振動を、ハイブリッド車両全体の部品コストが増大することを極力抑制しつつ、低減可能である。
本発明の第1の発明に係る内燃機関の制御装置の一の態様では、前記所定期間は、前記クランク軸のクランク角が、前記ピストンの上死点から20°経過し、且つ前記上死点から90°経過するまでの期間であってもよい。
この態様によれば、ピストンから気筒の内壁に作用するスラスト力が他の期間に比べて相対的に大きい期間において、当該スラスト力を低減できる。
本発明の第1の発明に係る内燃機関の制御装置の他の態様では、前記ピストンの速度を増大させる増速量は、前記内燃機関の回転数が低いほど大きくてもよい。
この態様によれば、エンジン等の内燃機関の振動が発生しやすい低回転領域において、振動を低減できる。
本発明の第1の発明に係る内燃機関の制御装置の他の態様では、前記ピストンの速度を増大させる増速量は、前記内燃機関が出力するトルクが高いほど大きくてもよい。
この態様によれば、エンジン等の内燃機関の振動が発生しやすい高トルク領域において、振動を低減できる。
本発明の第2の発明に係る内燃機関の制御装置は上記課題を解決するために、内燃機関が有する気筒の内部を往復可能なピストンに接続されたクランク軸の回転速度を変更可能な変更手段と、前記内部にEGRガスを誘導可能な誘導手段と、前記気筒の吸気行程において、前記ピストンの速度が増大するように、前記変更手段を制御する制御手段とを備える。
本発明の第2の発明に係る内燃機関の制御装置によれば、エンジンの気筒における排気行程から吸気行程に亘って、気筒に還流されるEGRガスを増大させるために十分な差圧を気筒の内部と気筒の外部との間に発生させることが可能である。したがって、本発明の第2の発明に係る内燃機関の制御装置によれば、気筒に還流されるEGRガスの還流量を増大させることによって、エンジンの熱効率を高めることが可能である。加えて、EGRガスを気筒に導く配管のサイズを大きくしたり、当該配管から気筒へ向かって供給されるEGRガスの圧力を高めたりしなくてもEGRガスの還流量を増大させることができるため、配管等の部材の設計を変更することによって部品コストが増大することを抑制できる。
本発明のこのような作用及び他の利得は次に説明する実施形態から明らかにされる。
以下、図面を参照しながら、本発明に係る内燃機関の制御装置の実施形態を説明する。
<第1実施形態>
先ず、図1乃至図5を参照しながら、本発明の第1の発明に係る内燃機関の制御装置の実施形態を説明する。本実施形態では、ハイブリッド車両の動力源として当該車両に搭載されたエンジンの制御装置を内燃機関の制御装置の一例として挙げる。
先ず、図1乃至図5を参照しながら、本発明の第1の発明に係る内燃機関の制御装置の実施形態を説明する。本実施形態では、ハイブリッド車両の動力源として当該車両に搭載されたエンジンの制御装置を内燃機関の制御装置の一例として挙げる。
図1は、本発明の第1の発明に係る内燃機関の制御装置の一実施形態である制御装置を備えたハイブリッド車両100の主要な構成を図式的に示したブロック図である。図2は、エンジン1aの構成を示した断面図である。図3は、エンジン1に発生する振動を図式的に示した斜視図である。図4は、エンジン1の各気筒2においてピストンから気筒の内壁に作用するスラスト力、及びこれら気筒におけるスラスト力の合計の大きさと、ピストンの速度との夫々をクランク角に対して示してタイムチャートである。図5は、ピストンの速度を増大させる増速量と、エンジン回転数及びエンジントルクとの関係を概念的に示した概念図である。以下で詳細に説明するように、本実施形態に係る内燃機関の制御装置は、本発明の「制御手段」の一例を構成するMGCU50及びECU30と、本発明の「変更手段」の一例を構成するMG40及び41、動力分割機構42、並びにインバータ51とを備えて構成されている。
図1において、本発明の「内燃機関」の一例であるエンジン1は、ハイブリッド車両100に走行用動力源として搭載され、3つの気筒2が一方向に沿って並べられた火花点火式の内燃機関である。なお、各気筒2にはそれらの並び方向一端から他端に向かって#1〜#3の気筒番号を付して互いに区別する。各気筒2の内部で燃料が爆発する爆発順序は、#1、#2、#2の順である。各気筒2には吸気通路3及び排気通路4がそれぞれ接続され、吸気通路3には吸入空気量に対応する信号を出力するエアフローメータ5と、吸入空気量を調整するためのスロットルバルブ6とが設けられている。
図2において、クランク軸7にコンロッド8を介して連結されたピストン9が気筒2の内部の空間で往復運動可能な状態で気筒2に挿入されている。尚、図2には#1の気筒2の断面を示しているが、他の気筒2も同様の構造である。また、各気筒2には点火プラグ10がその電極部を気筒2内に突出させるようにして気筒2の略中心線上に設けられている。各気筒2に形成される燃焼室11と吸気通路3とは吸気弁12にて開閉され、燃焼室11と排気通路4とは排気弁13にて開閉される。吸気弁12及び排気弁13の開閉駆動は周知の動弁機構によって実行される。尚、これらは周知のエンジンと同様のものでよいため、詳細な説明は省略する。
図1及び図2において、エンジン1は、燃料供給装置20を備えている。燃料供給装置20は、燃料タンク21と、各気筒2の吸気ポート3aにそれぞれ設けられる燃料噴射弁としてのインジェクタ22と、各インジェクタ22から噴射する高圧の燃料を蓄えるデリバリパイプ23と、燃料タンク21からデリバリパイプ23に燃料を送る燃料ポンプ24とを備えている。エンジン1は、エタノールなどのアルコール燃料とガソリンなどの炭化水素燃料とを混合したアルコール混合燃料を燃料として使用することが可能であり、燃料タンク21にはそのアルコール混合燃料が入れられる場合がある。そのため、燃料タンク21には燃料のアルコール濃度に対応する信号を出力するアルコール濃度取得手段としてのアルコール濃度センサ25が設けられている。アルコール濃度センサ25は周知のセンサを使用すればよく、例えばガソリンなどの炭化水素燃料の電気抵抗値とアルコール燃料の電気抵抗値とが異なることを利用してアルコール濃度を検出するセンサが使用される。
エンジン1の運転状態は、エンジンコントロールユニット(ECU)30にて制御される。ECU30は、マイクロプロセッサ、及びその動作に必要なRAM、ROM等の周辺機器を含んだコンピュータとして構成され、エンジン1に設けられた各種センサの出力信号に基づいてエンジン1の運転状態を制御する周知のコンピュータユニットである。ECU30は、例えばエンジン1の回転数及び負荷などに基づいて各気筒2に供給すべき燃料量を算出し、算出した燃料量の燃料が各気筒2の供給されるように各インジェクタ22の動作を制御する。また、ECU30は、各気筒2内の燃料混合気に適切な時期に点火されるように各気筒2の点火プラグ10の動作を制御する。ECU30に接続されるセンサとしては、例えばクランク軸7の回転速度に対応する信号を出力するクランク角センサ31、外気温に対応する信号を出力する外気温センサ32、エンジン1の冷却水の温度に対応する信号を出力する水温センサ33、エアフローメータ5、及びアルコール濃度センサ25等がある。
ハイブリッド車両100は、電動機及び発電機として機能する2台のモータジェネレータ(MG)40、41を備えている。エンジン1のクランク軸7、MG40の出力軸、及びMG41の出力軸はそれぞれ動力分割機構42に接続されている。動力分割機構42は、エンジン1、MG40、及びMG41の接続状態を切り替えてエンジン1、MG40、及びMG41の出力の伝達先を切り替える周知のものである。動力分割機構42には、例えば遊星歯車機構などが用いられる。動力分割機構42からの出力は、伝達機構43を介して車両の駆動輪44に伝達される。
MG40、MG41、及び動力分割機構42の夫々の動作は、ハイブリッド車両100の動作時において、モータジェネレータコントロールユニット(MGCU)50によって制御される。MGCU50は、マイクロプロセッサ及びその動作に必要なRAM、ROM等の周辺機器を含んだコンピュータとして構成され、例えば要求される駆動力及びMG40、MG41に接続されたバッテリ(不図示)の充電状態などに基づいてMG40及びMG41を電動機又は発電機として機能させる。この際、MGCU50は、インバータ51を介してMG40及び41の動作を制御する。MGCU50は、例えば車両の加速時にエンジン1の出力及びMG40の出力の両方が駆動輪44に伝達されるように動力分割機構42の動作を制御するとともにMG40を電動機として機能させる。ピストン9は、ECU30及びMGCU50の制御下で動作するMG40及び41、インバータ51、並びに動力分割機構42によって回転するクランク軸7から駆動力の供給を受け、気筒2の内部で往復可能なように動作する。
その他、MGCU50は車両の走行状態などに応じてMG40、MG41の動作を制御するが、これら制御方法は周知の制御方法と同様でよいため、詳細な説明は省略する。図1に示したようにMGCU50及びECU30は、互いの情報を共有可能なように電気的に相互に接続されている。
MGCU50は、エンジン1の停止時に所定の機関始動条件が成立した場合、MG41の出力がエンジン1のクランク軸7に伝達されるように動力分割機構42の動作を制御するとともにMG41を電動機として機能させ、MG41でクランク軸7を駆動してエンジン1を始動する。この際、MGCU50は、停止しているエンジン1の状態に応じてクランク軸7が一定速度で回転するようにMG41の動作を制御する。加えて、MGCU50は、ECU30と共に、各気筒2における膨張行程の前半の少なくとも一部である所定期間において、ピストン9の速度が増大するように、MG40及び41、インバータ51、並びに動力分割機構42の夫々の動作を制御する。
ここで、図2及び図3に示すように、エンジン1の動作時において、気筒2の内部でピストン9が往復すると、ピストン9から気筒2の内壁に作用するスラスト力を一因として、エンジン1に振動が生じる。より具体的には、図3中矢印で示すように、エンジン1にロール振動が発生する。特に、本実施形態では、エンジン1は、4気筒のエンジンに比べて、エンジンの部品コストを低減できる利点がある一方で、4気筒のエンジンに比べて、技術的に振動を低減し難い3気筒のエンジンである。したがって、エンジン1に発生するロール振動は、4気筒のエンジンに比べて、ハイブリッド車両100の乗り心地を低下させたり、騒音を発生させたりする問題をより一層顕在化させてしまう。
次に、図4を参照して、ECU30及びMGCU50によって実行されるエンジン1の制御方法を詳細に説明する。以下で詳細に説明するように、ECU30及びMGCU50によって実行されるエンジン1の制御方法によれば、ハイブリッド車両100の部品コストの増大を抑制し、且つエンジン1のロール振動を低減できる。
図4に示すように、各気筒2、即ち気筒♯1、♯2及び♯3の夫々におけるピストン9の上死点(以下、“TDC”と称す。)は、クランク角の角度に対して、♯1、♯2及び♯3の順に到来する。各気筒2におけるスラスト力は、TDCを経過した後に到来する膨張行程中で最大になる。より具体的には、各気筒2におけるスラスト力が最大になるタイミングは、膨張行程の前半の期間に存在する。気筒♯1、♯2及び♯3において順次燃料混合気が爆発すると、気筒♯1、♯2及び♯3の夫々で発生するスラスト力の合計の大きさ、即ち、エンジン1で発生するスラスト力の合計の大きさは、各気筒2における膨張行程の前半の少なくとも一部である所定期間θ1で最大になる。より具体的には、エンジン1で発生するスラスト力の合計の大きさは、クランク軸7のクランク角度が、ピストン9のTDCから20°経過し、且つTDCから90°経過するまでの期間である所定期間θ1において最大になる。
そこで、ECU30及びMGCU50は、エンジン1で発生するスラスト力の合計の大きさが最大になる期間、即ち、図4中ハッチングで示した所定期間θ1において、MG40及び41、動力分割機構42、並びにインバータ51の動作に応じてクランク軸7からピストン9に伝達される駆動力を増大させるように、MG40及び41、動力分割機構42、並びにインバータ51の動作を制御し、ピストン9の速度を通常の速度V0から速度V1に増大させる。これにより、ピストン9の速度が、ECU30及びMGCU50によって制御されていない通常の速度V0である場合に比べて、ピストン9から気筒2の内壁に作用するスラスト力を低減することができ、エンジン1の振動を低減することが可能である。尚、所定期間θ1は、クランク軸7のクランク角度が、ピストン9のTDCから20°経過し、且つTDCから90°経過するまでの期間に限定されるものではなく、膨張行程の前半の一部の期間であれば、スラスト力を低減する効果は相応に得られる。
特に、本実施形態では、エンジン1の振動が最も発生しやすい所定期間θ1においてピストン9の速度を増大させることによって、ピストン9から気筒2の内壁に作用するスラスト力が他の期間に比べて相対的に大きい期間においてスラスト力を低減できる。
したがって、ECU30及びMGCU50によれば、振動低減装置等の装置部を設けなくてもエンジン1のロール振動を低減でき、ハイブリッド車両100の乗り心地を向上させることができると共に、エンジン1の動作時に発生する騒音を低減できる。特に、本実施形態では、4気筒より振動の低減が技術的に困難である3気筒又はそれより気筒数が少ない2気筒のエンジンにおいて、部品コストの増大を抑制し、且つエンジンの振動を低減できるため、ハイブリッド車両100の部品コストを低減することが可能であり、ユーザがハイブリッド車両100を購入し易くなる効果も奏される。
加えて、図4及び図5に示すように、ECU30及びMGCU50は、エンジン1の出力トルク及び回転数に関する一定の条件下において、ピストン9の速度を速度V1より大きい速度V2に増やしてもよい。より具体的には、図5に示すように、エンジン1の回転数が高い回転数領域やエンジン1の出力トルクが高いトルク領域では、ピストン9から気筒2の内壁に作用するスラスト力は、他の回転数及びトルク領域に比べて増大するため、エンジン1にロール振動が発生し易くなる。したがって、当該領域でピストン9の速度がより大きい速度に設定されることによって、エンジン1に生じるロール振動がより効果的に低減可能になる。尚、エンジン1の回転数が所定の回転数Rより大きい回転数領域では、気筒2の内壁に作用するスラスト力が小さくなるため、ECU30及びMGCU50によるピストン9の速度の制御は行われなくてもよい。
<第2実施形態>
次に、図6乃至図9を参照しながら、本発明の第2の発明に係る内燃機関の制御装置の実施形態を説明する。図6は、本発明の第2の発明に係る内燃機関の制御装置の一実施形態である制御装置を備えたハイブリッド車両200の主要な構成を図式的に示したブロック図である。図7は、エンジン1aの構成を示した断面図である。図8は、エンジン1aの各気筒2における膨張、排気、吸気及び圧縮の各行程と、ピストンの速度との夫々をクランク角に対して示してタイムチャートである。図9は、ピストン9の速度を増やす増速期間の一例を、クランク角の位相中に図式的に示した位相図である。尚、以下では、第1実施形態と共通する部分に共通の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
次に、図6乃至図9を参照しながら、本発明の第2の発明に係る内燃機関の制御装置の実施形態を説明する。図6は、本発明の第2の発明に係る内燃機関の制御装置の一実施形態である制御装置を備えたハイブリッド車両200の主要な構成を図式的に示したブロック図である。図7は、エンジン1aの構成を示した断面図である。図8は、エンジン1aの各気筒2における膨張、排気、吸気及び圧縮の各行程と、ピストンの速度との夫々をクランク角に対して示してタイムチャートである。図9は、ピストン9の速度を増やす増速期間の一例を、クランク角の位相中に図式的に示した位相図である。尚、以下では、第1実施形態と共通する部分に共通の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
図6及び図7に示すように、ハイブリッド車両200に搭載されたエンジン1aは4つの気筒2を備えた4気筒のエンジンである。本実施形態に係る内燃機関の制御装置は、本発明の「変更手段」の一例を構成するMGCU50及びECU30と、本発明の「変更手段」の一例を構成するMG40及び41、動力分割機構42、並びにインバータ51と、本発明の「誘導手段」の一例を構成する吸気バルブ12、EGRガス供給路19及び吸気ポート3aとを備えて構成されている。
MG40及び41、動力分割機構42、並びにインバータ51は、MGCU50及びECU30の制御下において、後述するように、エンジン1が有する気筒2の内部を往復可能なピストン9に接続されたクランク軸7の回転速度を変更可能なように動作する。
吸気バルブ12、EGRガス供給路19及び吸気ポート3aは、エンジン1の排気側からEGRガス供給路19に還流されたEGRガスを気筒2の内部に誘導可能なように、EGRガスの流路を構成する。より具体的には、気筒2の吸気行程において吸気バルブ12が閉状態から開状態に切り替えられることによって、EGRガスを気筒2に誘導するための流路が構成される。
次に、図8及び図9を参照しながら、MGCU50及びECU30の制御下において、速度が変更されるピストンの速度と、クランク角との関係を説明する。
図8において、MGCU50及びECU30は、♯1〜♯4の夫々によって互いに区別された4つの気筒2の夫々における吸気行程において、ピストン9の速度が増大するように、MG40及び41、動力分割機構42、並びにインバータ51の夫々の動作を制御する。
より具体的には、MGCU50及びECU30は、気筒2の吸気バルブ12が開いてから閉じるまでの期間である吸気行程の一部であるピストン増速機関θ1において、通常の駆動力より大きな駆動力がクランク軸7からピストン9に伝達されるように、MG40及び41、動力分割機構42、並びにインバータ51の夫々の動作を制御する。このような制御によれば、エンジン1aの気筒2における排気行程から吸気行程に亘って、気筒2に還流されるEGRガスを増大させるために十分な差圧を気筒2の内部と気筒の外部との間に発生させることが可能である。
したがって、本実施形態に係る内燃機関の制御装置によれば、気筒2に還流されるEGRガスの還流量を増大させることによって、エンジン1aの熱効率を高めることが可能である。加えて、EGRガスを気筒2に導く配管のサイズを大きくしたり、当該配管から気筒へ向かって供給されるEGRガスの圧力を高めたりしなくてもEGRガスの還流量を増大させることができるため、配管等の部材の設計を変更することによって部品コストが増大することを抑制でき、ハイブリッド車両200全体の部品コストを低減することが可能である。
3a・・・吸気ポート、12・・・吸気バルブ、19・・・EGRガス供給路、100,200・・・ハイブリッド車両、30・・・ECU、50・・・MGCU、40,41・・・MG、42・・・動力分割機構、51・・・インバータ
Claims (5)
- 内燃機関が有する気筒の内部を往復可能なピストンに接続されたクランク軸の回転速度を変更可能な変更手段と、
前記気筒における膨張行程の前半の少なくとも一部である所定期間において、前記ピストンの速度が増大するように、前記変更手段を制御する制御手段と
を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。 - 前記所定期間は、前記クランク軸のクランク角が、前記ピストンの上死点から20°経過し、且つ前記上死点から90°経過するまでの期間であること
を特徴とする請求項1に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記ピストンの速度を増大させる増速量は、前記内燃機関の回転数が低いほど大きいこと
を特徴とする請求項1又は2に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記ピストンの速度を増大させる増速量は、前記内燃機関が出力するトルクが高いほど大きいこと
を特徴とする請求項1又は2に記載の内燃機関の制御装置。 - 内燃機関が有する気筒の内部を往復可能なピストンに接続されたクランク軸の回転速度を変更可能な変更手段と、
前記内部にEGRガスを誘導可能な誘導手段と、
前記気筒の吸気行程において、前記ピストンの速度が増大するように、前記変更手段を制御する制御手段と
を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
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