JP2010209683A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、６サイクル内燃機関の制御装置に関し、燃焼室の冷却によるノッキングの防止に加えて、ＮＯｘ浄化率の低下を抑制することのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】第１吸気行程、圧縮行程、膨張行程、第１排気行程、第２吸気行程及び第２排気行程を順次実行する６サイクル内燃機関において、燃焼室に接続された吸気通路及び排気通路を備える。排気通路の上流端には第１排気バルブを設け、その下流には触媒を設ける。また、一端が燃焼室に接続され、他端が吸気通路に接続された掃気還流通路を備える。掃気還流通路の上流端には第２排気バルブを設ける。加えて、第１排気行程で第１排気バルブを開閉し、第２排気行程で第２排気バルブを開閉する。
【選択図】図２

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、車両に搭載される６サイクル内燃機関の制御を実行するのに好適な内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特許文献４に開示されるように、第１吸気、圧縮、膨張、第１排気、第２吸気及び第２排気の各行程を順次実行する６サイクルガソリンエンジンが知られている。また、本公報には、排ガス浄化システムを備えた排気通路が開示されている。このような技術によれば、第２吸気行程及び第２排気行程において、空気（新気）を掃気ガスとして吸入・排出し、燃焼室内を冷却することができる。燃焼室内を冷却することでノッキングを防止することができる。

特開２００４−５２６９４号公報 特開２００２−３２２９２８号公報 特開２００３−２６２１３７号公報 特開２０００−１７０５５９号公報

ところで、排ガス浄化システムとして用いられる三元触媒は、一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）の酸化と、窒素酸化物（ＮＯｘ）の還元とを同時に行うものであり、理論空燃比付近のウィンドウと呼ばれる領域で三者が好適に浄化される。しかしながら、上記従来の６サイクル内燃機関においては、掃気ガスとして利用する新気をそのまま排気通路に排出するため、排気通路に配置された三元触媒では酸素が過剰な状態となる。酸素が過剰な状態になると、ＣＯやＨＣの浄化率は維持されるものの、ＮＯｘ浄化率は大幅に低下してしまう。

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、燃焼室の冷却によるノッキングの防止に加えて、ＮＯｘ浄化率の低下を抑制することのでき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、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、
第１吸気行程、圧縮行程、膨張行程、第１排気行程、第２吸気行程及び第２排気行程を順次実行する６サイクル内燃機関と、
前記６サイクル内燃機関の燃焼室に接続された吸気通路及び排気通路と、
前記排気通路の上流端に設けられた第１排気バルブと、
前記第１排気バルブの下流に配置された触媒と、
一端が前記燃焼室に接続され、他端が前記吸気通路に接続された掃気還流通路と、
前記掃気還流通路の上流端に設けられた第２排気バルブと、
前記第１排気行程で前記第１排気バルブを開閉し、前記第２排気行程で前記第２排気バルブを開閉する排気バルブ制御手段と、を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記掃気還流通路に設けられた還流バルブと、
一端が前記掃気還流通路の還流バルブ上流に接続され、他端が前記排気通路の触媒上流に接続された排気接続通路と、
前記排気接続通路に設けられた接続バルブと、
運転領域が低負荷領域であるか否かを判定する運転領域判定手段と、
前記運転領域が前記低負荷領域である場合に、前記接続バルブを開き、前記還流バルブを閉じた排気通路接続状態とし、前記運転領域が前記低負荷領域でない場合に、前記接続バルブを閉じ、前記還流バルブを開いた還流通路接続状態とする接続・還流バルブ制御手段と、
前記排気通路接続状態において、前記第１排気行程で前記第１及び第２排気バルブを開閉し、前記第２排気行程で前記第１及び第２排気バルブを閉じた状態とする低負荷領域バルブ制御手段と、を備え、
前記排気バルブ制御手段は、前記還流通路接続状態において、前記第１排気行程で前記第１排気バルブを開閉し、前記第２排気行程で前記第２排気バルブを開閉すること、を特徴とする。

第１の発明によれば、第２吸気行程と第２排気行程において、空気（新気）を掃気ガスとして吸入・排出する。そのため、燃焼室内を冷却することができ、ノッキングを防止することができる。また、第１排気行程で第１排気バルブを開閉することで、触媒を備えた排気通路に燃焼ガスを流して好適に浄化させる一方で、第２排気行程で第２排気バルブを開閉することで、掃気還元通路に掃気ガスを流して吸気通路に還流させることができる。未燃の空気である掃気ガスを触媒に流さないことで、触媒で酸素過剰な状態になることを防止し、排ガス性能の低下を防止することができる。このように、本発明によれば、燃焼室内を冷却してノッキングを防止しつつ、排ガス性能の低下を防止することができる。

第２の発明によれば、ノッキングが生じ難い低負荷の運転領域においては、第１排気行程で第１及び第２バルブを開閉して、燃焼ガスを排出することができる。そのため、ポンプ損失の悪化を防止することができる。一方で、ノッキングを生じ易い運転領域においては、第１の発明と同様の制御がなされ、ノッキングを防止しつつ、排ガス性能の低下を防止することができる。このように、本発明によれば、ノッキング領域では、第１の発明と同様の効果を得つつ、低負荷領域では、ポンプ損失を悪化させない好適な運転を実現することができる。

実施の形態１におけるシステム構成を説明するための図である。 実施の形態１における６サイクル運転の動作を示すタイムチャートである。 実施の形態２におけるシステム構成を説明するための図である。 実施の形態２における制御の概要を示す図である。 実施の形態２における６サイクル運転の低負荷領域での動作を示すタイムチャートである。 実施の形態２における６サイクル運転のノック領域での動作を示すタイムチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、実施の形態１における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は複数の気筒を有しており、図１にはそのうちの一つの気筒１２が示されている。各気筒１２内の燃焼室１４には、点火プラグ１６と、ガソリン燃料を噴射するインジェクタ（図示略）が配置されている。また、燃焼室１４には、吸気通路１８と排気通路２０と掃気還流通路２２とが接続されている。

吸気通路１８の上流には、エアフロメータ２４が配置されている。エアフロメータ２４の下流には、スロットルバルブ２６が配置されている。スロットルバルブ２６の下流には、サージタンク２８が設けられている。また、吸気通路１８の下流端には、吸気通路１８を燃焼室１４に対して開閉する２つの電磁駆動式の吸気バルブ３０が設けられている。

排気通路２０の上流端には、排気通路２０を燃焼室１４に対して開閉する電磁駆動式の第１排気バルブ３２が設けられている。第１排気バルブ３２の下流には三元触媒３４が配置されている。

掃気還流通路２２の上流端には、掃気還流通路２２を燃焼室１４に対して開閉する電磁駆動式の第２排気バルブ３６が設けられている。掃気還流通路２２の下流端は、吸気通路１８のスロットルバルブ２６上流近傍に接続されている。また、掃気還流通路２２の途中には、掃気ガスを冷却するための熱交換器３８（例えば、水冷式とする。）が設けられている。

本実施形態のシステムはＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０の入力側には、前述のエアフロメータ２４の他、クランク角度ＣＡを検出するクランク角センサ等が接続されている。ＥＣＵ５０の出力側には、前述の点火プラグ１６、インジェクタ、スロットルバルブ２６、電磁駆動式の吸気バルブ３０、電磁駆動式の第１排気バルブ３２及び第２排気バルブ３６等が接続されている。また、ＥＣＵ５０は、クランク角度ＣＡに基づきエンジン回転数ＮＥを算出する。なお、電磁駆動式の吸気バルブ３０、第１排気バルブ３２及び第２排気バルブ３６は、それぞれ可変動弁機構を備えており、ＥＣＵ５０からの制御信号により駆動制御されて、各バルブの開閉タイミングを可変制御している。可変動弁機構の構成及び動作は、本発明の本質的部分ではなく、また公知の手法であるため、その詳細な説明は省略する。

［実施の形態１における特徴的制御］
次に、本実施形態のシステムが実現する６サイクル運転について説明する。ＥＣＵ５０は、点火プラグ１６、インジェクタ、電磁駆動式の吸気バルブ３０、電磁駆動式の第１排気バルブ３２及び第２排気バルブ３６を制御することにより、本実施形態における６ストローク１サイクル（以下、６サイクルという。）運転を実現している。

図２は、本実施形態における６サイクル運転の１サイクルの動作を示すタイムチャートである。本実施形態の６サイクル運転では、図２に示すように、（ａ）第１吸気行程、（ｂ）圧縮行程、（ｃ）膨張行程、（ｄ）第１排気行程、（ｅ）第２吸気行程、（ｆ）第２排気行程の６行程を順次実行する。

まず、ＥＣＵ５０は、図２に示す（ａ）第１吸気行程において、吸気バルブ３０を開閉させて空気を燃焼室１４内に吸入する。なお、このバルブ開閉時期は、当該行程以外の前行程や後行程の一部分にも係り、他のバルブとオーバーラップする時期が生じる。この点、以下のバルブ開閉時期についても同様である。ＥＣＵ５０は、（ｂ）圧縮行程において、インジェクタに燃料を燃焼室１４内へ噴射させる。その後、圧縮上死点近傍において、点火プラグ１６に火花点火を実施させる。噴射燃料は、火花点火により主に（ｃ）膨張行程において燃焼し、燃焼ガスを生じさせる。また、空燃比は目標空燃比（例えば、理論空燃比とする。）に制御されている。なお、燃料噴射時期は、（ａ）第１吸気行程中としてもよい。

続いて、ＥＣＵ５０は、（ｄ）第１排気行程において、第２排気バルブ３６を閉じた状態のまま、第１排気バルブ３２のみを開閉させる。排気行程において第１排気バルブ３２を開閉させることで、燃焼室１４内に生じた燃焼ガスは排気通路２０に排出される。燃焼ガスは、排気通路２０に配置された三元触媒３４において浄化される。

さらに、ＥＣＵ５０は、（ｅ）第２吸気行程において、吸気バルブ３０を開閉させて新気を掃気ガスとして燃焼室１４内に吸入する。そして、ＥＣＵ５０は、（ｆ）第２排気行程において、第１排気バルブ３２を閉じた状態のまま、第２排気バルブ３６のみを開閉させる。第２排気バルブ３２のみを開閉させることで、未燃の空気である掃気ガスは、掃気還流通路２２に排出されて、熱交換器３８で冷却された後、吸気通路１８に還流される。還流された空気は次サイクル以降で再利用される。

以上説明したように、図２で説明した制御によれば、（ｅ）第２吸気行程と（ｆ）第２排気行程とからなる掃気行程により、燃焼室内に新気を吸入・排出して、燃焼室内を冷却することができる。そのため、ノッキングを防止することができる。
また、（ｆ）第２排気行程において、第１排気バルブ３２を閉じたまま第２排気バルブ３６のみを開けることで、掃気ガスを吸気通路１８に還流させることができる。未燃の空気である排気ガスを三元触媒３４へ送り込まないため、三元触媒３４が酸素過剰な状態になることを防止することができる。そのため、三元触媒３４を好適なウィンドウに保つことができ、ＮＯｘ浄化率の低下を防止することができる。このように、本実施形態のシステムによれば、掃気行程によりノッキングを防止しつつ、三元触媒３４での酸素過剰状態を抑制し、排ガス性能の低下を防止することができる。

尚、上述した実施の形態１においては、内燃機関１０が前記第１の発明における「６サイクル内燃機関」に、吸気通路１８が前記第１の発明における「吸気通路」に、排気通路２０が前記第１の発明における「排気通路」に、第１排気バルブ３２が前記第１の発明における「第１排気バルブ」に、掃気還流通路２２が前記第１の発明における「掃気還流通路」に、第２排気バルブ３６が前記第１の発明における「第２排気バルブ」に、それぞれ相当している。また、ここでは、ＥＣＵ５０が、上述した図２の（ｄ）第１排気行程と（ｆ）第２排気行程とにおける第１及び第２排気バルブの開閉制御により前記第１の発明における「排気バルブ制御手段」が実現されている。

実施の形態２．
次に、図３〜図６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後述する図３に示す構成において、ＥＣＵ５０に後述する図４〜図６の制御を実施させることで実現することができる。

上述した実施の形態１では、第２排気行程において、掃気ガスを排気通路２０に流さずに掃気還流通路２２に流して吸気通路１８に還流させることで、三元触媒３４での空気過剰状態を抑制し、排ガス性能の低下（ＮＯｘ浄化率の低下）を防止することができる。しかしながら、第１排気行程及び第２排気行程では、２つの排気バルブの一方しか開かないため、ポンプ損失が増大することとなる。特に、低負荷領域においては、ノッキングは生じ難く、相対的にポンプ損失の増大が問題となる。

そこで、本実施形態のシステムでは、運転領域が低負荷領域である場合には、ポンプ損失の低減を図るべく、第１排気行程において第１及び第２排気バルブを開閉することとした。

［実施の形態２のシステム構成］
まず、本実施形態のシステム構成について説明する。図３は、実施の形態２におけるシステム構成を説明するための図である。図３に示すシステム構成は、図１と同様の構成を含むため、共通する構成については共通する符号を付してその説明を簡略又は省略する。

実施の形態１で説明した掃気還流通路２２に配置された熱交換器３８の上流には、還流バルブ４０が設けられている。また、掃気還流通路２２に設けられた還流バルブ４０の上流には、排気接続通路４２の一端が接続されている。排気接続通路４２の他端は、排気通路２０の三元触媒３４上流に接続されている。また、排気接続通路４２の途中には、接続バルブ４４が設けられている。

ＥＣＵ５０の出力側には、前述の還流バルブ４０と接続バルブ４４が接続されている。また、還流バルブ４０と接続バルブ４４は、ＥＣＵ５０からの制御信号に応じて開閉される。

［実施の形態２における特徴的制御］
図４は、実施の形態２においてＥＣＵ５０が実施する制御の概要を示す図である。まず、ＥＣＵ５０は、Ｓ１００において、現在の運転状態が低負荷領域における運転であるか否かを判定する。具体的には、ＥＣＵ５０は、実験等によりエンジン回転数ＮＥとエンジン負荷とに基づく運転領域を定めた回転数・負荷マップを記憶しており、回転数・負荷マップに基づいて運転状態を判定する。低負荷領域であると判定された場合には、Ｓ１１０において、後述する図５に示す「掃気行程吸排気バルブ休止運転」を実施する。一方、低負荷領域以外のノッキングが問題となるノック領域であると判定された場合には、Ｓ１２０において、後述する図６に示す「掃気行程運転」を実施する。

以下、低負荷領域における「掃気行程吸排気バルブ休止運転」（図５）と、ノック領域における「掃気行程運転」（図６）とを実現する制御についてそれぞれ説明する。図５は、本実施形態の低負荷領域における６サイクル運転の動作を示すタイムチャートである。低負荷領域であると判定された場合（Ｓ１１０）、ＥＣＵ５０は、図５（Ｂ）に示す通り、排気排出用の電磁弁である接続バルブ４４を開弁させる。これにより、燃焼室１４の第２排気バルブ３６側は、排気接続通路４２を介して排気通路２０に連通する。また、図５（Ｃ）に示す通り、吸気還流用の電磁弁である還流バルブ４０を閉弁させる。これにより、燃焼室１４の第２排気バルブ３６側から掃気還流通路２２を介して吸気通路１８へ至る経路は遮断される。

また、ＥＣＵ５０は、図５（Ａ）に示す（ａ）第１吸気行程において、吸気バルブ３０を開閉させて空気を燃焼室１４内に吸入する。なお、このバルブ開閉時期は、当該行程以外の前行程や後行程の一部分にも係り、他のバルブとオーバーラップする時期が生じる。この点、以下のバルブ開閉時期についても同様である。ＥＣＵ５０は、（ｂ）圧縮行程において、インジェクタに燃料を燃焼室１４内へ噴射させる。その後、圧縮上死点近傍において、点火プラグ１６に火花点火を実施させる。噴射燃料は、火花点火により主に（ｃ）膨張行程において燃焼し、燃焼ガスを生じさせる。また、空燃比は目標空燃比（例えば、理論空燃比とする。）に制御されている。なお、燃料噴射時期は、（ａ）第１吸気行程中としてもよい。

続いて、ＥＣＵ５０は、（ｄ）第１排気行程において、第１排気バルブ３２及び第２排気バルブ３６を開閉させる。（ｄ）第１排気行程において両排気バルブを開けることで、燃焼室１４内に生じた燃焼ガスは、効率よく排気通路２０に排出され、排気通路２０に配置された三元触媒３４において浄化される。

さらに、ＥＣＵ５０は、（ｅ）第２吸気行程及び（ｆ）第２排気行程において、吸気バルブ３０と第１排気バルブ３２と第２排気バルブ３６とを閉弁させた状態とする。そのため、掃気行程において、燃焼室への掃気ガスの吸入・排出は行われない。

図６は、本実施形態のノック領域における６サイクル運転の動作を示すタイムチャートである。ノック領域であると判定された場合（Ｓ１２０）、ＥＣＵ５０は、図６（Ｂ）に示す通り、排気排出用の電磁弁である接続バルブ４４を閉弁させる。これにより、燃焼室１４の第２排気バルブ３６側から排気接続通路４２を介して排気通路２０へ至る経路は遮断される。また、図６（Ｃ）に示す通り、吸気還流用の電磁弁である還流バルブ４０を開弁させる。これにより、燃焼室１４の第２排気バルブ３６側は、掃気還流通路２２を介して吸気通路１８に連通する。

また、ＥＣＵ５０は、図６（Ａ）に示す（ａ）第１吸気行程〜（ｆ）第２排気行程において、点火プラグ１６、インジェクタ、電磁駆動式の吸気バルブ３０、電磁駆動式の第１排気バルブ３２及び第２排気バルブ３６を制御する。この制御内容は上述した図２と同様であるため、その説明は省略する。

以上説明したように、図４に示す制御ルーチンによれば、低負荷領域における「掃気行程吸排気バルブ休止運転」（図５）では、（ｄ）第１排気行程において、両排気バルブを開けて好適に燃焼ガスを排気通路に流すことができる。加えて、（ｅ）第２吸気行程と（ｆ）第２排気行程とからなる掃気行程において、吸排気バルブを全て閉じることができる。これらにより、ポンプ損失の増大を防止しつつ、三元触媒３４の酸化過剰状態を抑制することができる。特にＭＢＴ領域で効果的である。一方で、ノック領域における「掃気行程運転」（図６）では、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
このように、本実施形態のシステムによれば、ノッキングが生じ難い低負荷領域において、ポンプ損失の増大を防止しつつ好適に排ガス性能を維持し、ノック領域においては、掃気行程によりノッキングを防止しつつ好適に排ガス性能を維持することができる。

ところで、上述した実施の形態２のシステムにおいては、Ｓ１１０に示す低負荷領域での運転を、吸排気バルブをすべて閉じた掃気行程を含む６サイクル運転としているが、低負荷領域での運転方法はこれに限定されるものではない、例えば、低負荷領域においては、通常の４サイクル１ストローク運転を実施することとしても良い。

尚、上述した実施の形態２においては、還流バルブ４０が前記第２の発明における「還流バルブ」に、排気接続通路４２が前記第２の発明における「排気接続通路」に、接続バルブ４４が、前記第２の発明における「接続バルブ」に、それぞれ相当している。
また、ここでは、ＥＣＵ５０が、上記Ｓ１００の処理を実行することにより前記第２の発明における「運転領域判定手段」が、上記Ｓ１１０とＳ１２０とにおける還流バルブ４０及び接続バルブ４４の開閉制御を実施することにより前記第２の発明における「接続・還流バルブ制御手段」が、上記Ｓ１１０の処理を実行することにより前記第２の発明における「低負荷領域バルブ制御手段」が、上記Ｓ１２０の処理を実行することにより前記第２の発明における「排気バルブ制御手段」が、それぞれ実現されている。

１０ 内燃機関
１４ 燃焼室
１６ 点火プラグ
１８ 吸気通路
２０ 排気通路
２２ 掃気還流通路
３０ 吸気バルブ
３２ 第１排気バルブ
３４ 三元触媒
３６ 第２排気バルブ
３８ 熱交換器
４０ 還流バルブ
４２ 排気接続通路
４４ 接続バルブ

Claims (2)

1. 第１吸気行程、圧縮行程、膨張行程、第１排気行程、第２吸気行程及び第２排気行程を順次実行する６サイクル内燃機関と、
   前記６サイクル内燃機関の燃焼室に接続された吸気通路及び排気通路と、
   前記排気通路の上流端に設けられた第１排気バルブと、
   前記第１排気バルブの下流に配置された触媒と、
   一端が前記燃焼室に接続され、他端が前記吸気通路に接続された掃気還流通路と、
   前記掃気還流通路の上流端に設けられた第２排気バルブと、
   前記第１排気行程で前記第１排気バルブを開閉し、前記第２排気行程で前記第２排気バルブを開閉する排気バルブ制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記掃気還流通路に設けられた還流バルブと、
   一端が前記掃気還流通路の還流バルブ上流に接続され、他端が前記排気通路の触媒上流に接続された排気接続通路と、
   前記排気接続通路に設けられた接続バルブと、
   運転領域が低負荷領域であるか否かを判定する運転領域判定手段と、
   前記運転領域が前記低負荷領域である場合に、前記接続バルブを開き、前記還流バルブを閉じた排気通路接続状態とし、前記運転領域が前記低負荷領域でない場合に、前記接続バルブを閉じ、前記還流バルブを開いた還流通路接続状態とする接続・還流バルブ制御手段と、
   前記排気通路接続状態において、前記第１排気行程で前記第１及び第２排気バルブを開閉し、前記第２排気行程で前記第１及び第２排気バルブを閉じた状態とする低負荷領域バルブ制御手段と、を備え、
   前記排気バルブ制御手段は、前記還流通路接続状態において、前記第１排気行程で前記第１排気バルブを開閉し、前記第２排気行程で前記第２排気バルブを開閉すること、
   を特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。

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