JP2010265814A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷間暖機中からＥＧＲを実施しても、燃焼安定性を確保できるようにして、ＥＧＲによる冷間暖機中の燃費向上を可能にする。
【解決手段】エンジンの冷間暖機中に、排気バルブ７を排気上死点より早く且つ吸気バルブ５の開時期より早く閉じると共に、ＥＧＲを実施する。排気バルブ７の早閉じにより、圧縮作用で筒内温度を上昇させ、吸気バルブ５が開いたときに、その温かいガスの吸気側への吹き返しを行わせることで、吸気ポート６ａでのインジェクタ１２による噴射燃料の霧化を促進し、燃焼安定性を向上させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に燃費向上のための冷間暖機中の制御技術に関する。

特許文献１では、燃焼行程終期から吸気行程初期までの間の所定期間だけ、吸気バルブを微小量開弁して、既燃ガスを吸気ポートに還流（ブローバック）させることにより、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧に衝突させ、燃料の気化を促進すると共に、内部ＥＧＲ効果によりＮＯｘ排出量を低減している。また、上記既燃ガスの還流を冷間時に行うことにより、冷間時に燃料噴射弁から噴射される粗大液滴が分裂・崩壊して、気化が促進されるため、燃焼室内に流入する燃料の壁面付着量が減少し、ＨＣ排出量が大幅に低減される効果があるとしている。

特開平８−０２８３１１号公報

近年、とみに高まる燃費向上の社会的要請や、排気規制の強化に伴い、排気系から排気の一部を取出して吸気系に再循環するＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation ）装置に関する技術が脚光を浴びている。これは、大量ＥＧＲによるポンプ損失低減及びノック改善により燃費向上を図るものである。

しかしながら、ＥＧＲガス（既燃ガス）は、低温状態では、燃焼を不安定にさせる要因となる。すなわち、低温のＥＧＲガスでは、燃料が完全に霧化されず、既燃ガスの混入により、燃焼反応が緩慢になる。さらに、混合状態も悪くなるため、燃焼が不安定となる。

このため、冷間暖機中にＥＧＲを実施すると、燃焼変動が大きくなり、それによる振動が商品性を損なうため、冷間暖機中のＥＧＲは困難で、それゆえ冷間暖機中の燃費向上にはなお改善の余地があった。

尚、特許文献１に記載の技術は、吸気バルブを通常の開期間とは別に一時的に微小量開弁させるもので制御的に難しいと共に、内部ＥＧＲだけでは大幅な燃費向上は期待できない。

本発明は、このような実状に鑑み、冷間暖機中からＥＧＲを実施しても、燃焼安定性を確保できるようにして、ＥＧＲによる冷間暖機中の燃費向上を可能にすることを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、機関の冷間暖機中に、可変動弁装置により排気バルブの閉時期を排気上死点より早く且つ吸気バルブの開時期よりも早くすると共に、ＥＧＲ装置を作動させる構成とする。

本発明によれば、排気バルブの早閉じにより、筒内温度を上昇させて、その温かいガスの吸気側へ吹き返しを行わせることで、燃料の霧化を促進し、燃焼安定性を向上させることができる。これにより、ＥＧＲを実施しても燃焼変動を抑制でき、ＥＧＲによって冷間燃費を向上させることができる。

本発明の一実施形態を示す内燃機関のシステム図 同上実施形態での冷間暖機中の制御のフローチャート 同上実施形態での排気行程中盤〜吸気行程初期の状態変化を示す図 同上実施形態でのＰＶ線図

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明の一実施形態を示す自動車用内燃機関（以下エンジンという）のシステム図である。

エンジンにおいて、シリンダヘッド１、シリンダブロック２及びピストン３によって画成される各気筒の燃焼室４は、吸気バルブ５を介して吸気通路６（シリンダヘッド１の各吸気ポート６ａ）と接続され、また排気バルブ７を介して排気通路８（シリンダヘッド１の各排気ポート８ａ）と接続されている。

吸気バルブ５及び排気バルブ７のバルブタイミング（開閉時期）は、それぞれ、可変動弁装置９、１０により制御可能である。

各可変動弁装置９、１０としては、例えば、クランク軸とカム軸との回転位相を変更して吸・排気バルブのバルブタイミングを連続的に変化させることができる可変バルブタイミング機構（ＶＶＴ）を備えるものを用い、これは後述する電子制御ユニット（以下ＥＣＵという）２０からの信号により制御する。尚、上記ＶＶＴに、吸・排気バルブのバルブリフト量を連続的に変化させることができる機構を組合わせたものを用いてもよい。

エンジンの吸気通路６（吸気ポート６ａ上流の吸気通路６）には、スロットルバルブ１１が設けられている。このスロットルバルブ１１は、ＥＣＵ２０からの信号により作動するステップモータ等により開度制御されて、吸入空気量を制御する。

また、吸気通路６には、各気筒の吸気ポート６ａ毎に、燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射弁）１２が設けられている。

インジェクタ１２は、ＥＣＵ２０からエンジン回転に同期して出力される噴射パルス信号によりソレノイドに通電されて開弁し、プレッシャレギュレータ（図示せず）により所定圧力に調圧された燃料を噴射するようになっている。従って、噴射パルス信号のパルス幅により燃料噴射量が制御される。吸気ポート６ａへの燃料噴射は、通常、排気行程にて、吸気バルブ５の傘裏部を指向させて行い、吸気ポート６ａ内に形成された混合気が吸気行程にて燃焼室４内に吸入される。

エンジンの燃焼室４には、点火プラグ１３が設置されている。点火プラグ１３は、ＥＣＵ２０からの点火信号に基づくタイミングで、混合気に点火して、燃焼させる。

燃焼後の排気は、排気バルブ７を介して、排気通路８へ排出される。排気通路８には、排気中のＨＣ、ＣＯの酸化とＮＯｘの還元とを行う三元触媒等の排気浄化触媒１４が設けられている。

また、排気通路８（排気浄化触媒１４より上流側、あるいは下流側）から排気の一部を取出して吸気通路６へ再循環するＥＧＲ装置として、ＥＧＲ通路１５と、その途中に介装されたＥＧＲバルブ１６とが設けられている。ＥＧＲバルブ１６は、ＥＣＵ２０からの信号により開度制御されて、ＥＧＲ量（ＥＧＲ率）を制御する。

尚、ＥＧＲ通路１５の吸気通路６へのＥＧＲガスの導入口１５ａは、全気筒共通として、吸気通路６の集合部に開口させもよいが、各気筒毎に、すなわちＥＧＲ通路１５の下流側を分岐させて、各分岐通路を各吸気ポート６ａに開口させるようにするとよい。このようにすれば、各気筒へのＥＧＲガスの均一な分配が容易となる。また、ＥＧＲバルブ１６のＯＮ・ＯＦＦによる気筒内へのＥＧＲガスの導入・停止の応答性を向上させることができる。

ＥＣＵ２０は、マイクロコンピュータにより構成され、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力インターフェイスなどを含んでいる。また、一部のＲＡＭはエンジンキーオフ後もバックアップ電源により記憶内容が保持されるようにしてある。

ＥＣＵ２０には、クランク角センサ（気筒判別センサを含む）２１から信号が入力されており、この信号よりクランク角位置（気筒判別を含む）と共にエンジン回転数ＮＥを検出可能である。また、アクセルペダルに連係させたアクセル開度センサ２２により検出されるアクセル開度Ａｃｃ、吸気通路６に設けた熱線式エアフローメータ２３により検出される吸入空気量Ｑａ、エンジンのウォータジャケットに臨ませた水温センサ２４により検出されるエンジン冷却水温度（水温）ＴＷなどが入力されている。この水温センサ２４は、冷間暖機中か否かの判定に使用することができる。この他、空燃比センサ、触媒温度センサなど、各種のセンサが設けられるが、図示は省略した。

ＥＣＵ２０は、予めＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、上記センサ類からの入力信号に基づいてエンジン運転条件を検出し、これに応じて、可変動弁装置９、１０による吸気バルブ５及び排気バルブ７の開閉時期、スロットルバルブ１１の開度、インジェクタ１２の燃料噴射時期及び燃料噴射量、点火プラグ１３の点火時期、ＥＧＲバルブ１６の開度などを制御する。

図２は本実施形態での冷間暖機中の制御のフローチャートである。本ルーチンは、ＥＣＵ２０への電源投入と共に実施される。

Ｓ１では、エンジンの始動後か否か、すなわち始動が完了したか否かを判定し、始動完了と共に、Ｓ２、Ｓ３へ進む。

Ｓ２では、水温センサ２４の信号に基づいて、水温ＴＷを検出する。そして、Ｓ３では、検出した水温ＴＷと所定値（予め定めた閾値）とを比較し、水温ＴＷ≦所定値か否か、すなわち、冷間暖機中か否かを判定する。

その結果、水温ＴＷ≦所定値（冷間暖機中）であれば、Ｓ４へ進む。

Ｓ４では、冷間暖機中制御として、可変動弁装置１０により、排気バルブ７を早閉じにすると共に、ＥＧＲ装置を作動させて（ＥＧＲバルブ１６を開弁させて）、ＥＧＲを実施する。

排気バルブ７の早閉じは、その閉時期を排気上死点（ＴＤＣ）より進角側に設定すると共に吸気バルブ５の開時期よりも進角側に設定し、排気バルブ７が排気上死点および吸気バルブ開時期より早く閉じるようにする。

Ｓ４の実行後は、Ｓ２、Ｓ３へ戻って、水温ＴＷの検出、判定を繰り返し、水温ＴＷ≦所定値（冷間暖機中）である限り、冷間暖機中制御（排気バルブ早閉じでの外部ＥＧＲ）を継続する。

その後、Ｓ３での判定で、ＮＯ（水温ＴＷ＞所定値）となり、暖機完了と判定されると、Ｓ５へ進み、通常制御へ移行する。通常制御では、排気バルブ７の閉時期を通常設定、すなわち排気上死点より遅らせて、吸気バルブ５との間にバルブオーバーラップを持たせる設定にする。

尚、上記のフローチャートでは、始動後より排気バルブ７の早閉じを実施するようにしたが、可能であれば、始動時より実施するようにし、Ｓ１を省略してもよい。この場合は排気バルブ７の初期位置を早閉じ位置（最進角位置）に設定することが可能である。

本実施形態の作用・効果を図３に基づいて説明する。

図３（Ａ）は排気行程中盤の状態を示している。この状態では、排気行程であるので、ピストン３は上昇しており、排気バルブ７もまだ開いているので、燃焼室４内のガスが排気バルブ７を通って排気ポート８ａに排出される。また、排気行程の適当な時期に、吸気ポート６ａ内にてインジェクタ１２による燃料噴射が開始される。

図３（Ｂ）は排気行程終盤の状態を示している。この状態では、ピストン３はまだ上昇しており、排気上死点に達する前に、排気バルブ７が閉じ、吸気バルブ５もまだ閉じている。従って、燃焼室４内のガスが排出されることなく、圧縮され、これによってガス温度が上昇する。すなわち、図４にＰＶ線図を示すように、排気バルブ早閉じにより、圧縮で筒内温度を上昇させることができる。

図３（Ｃ）は吸気行程初期（吸気バルブ５が開いたとき）の状態を示している。吸気バルブ５が開くと、燃焼室４内は圧縮により筒内圧が高い状態にあるので、燃焼室４内の温かいガスが吸気ポート６ａに吹き返す。これにより、吹き返した温かいガスが、インジェクタ１２から吸気ポート６ａ内に噴射された燃料（あるいは噴射されつつある燃料）に衝突して混合・撹拌することにより、燃料の霧化（微粒化）を促進でき、燃焼しやすい混合気となる。

従って、燃焼安定性が大幅に向上し、ＥＧＲを実施しても、燃焼変動が抑制することができる。従って、冷間時から大量ＥＧＲを導入でき、冷間時の燃費が向上する。

以上説明したように、本実施形態によれば、排気バルブの早閉じにより、圧縮作用で筒内温度を上昇させて、その温かいガスの吸気側へ吹き返しを行わせることで、燃料の霧化を促進し、燃焼安定性（冷間における燃焼能力、燃焼耐性）を向上させることができる。

これにより、大量ＥＧＲを実施しても燃焼変動を抑制でき、大量ＥＧＲによって冷間燃費を向上させることができる。

言い換えれば、燃焼変動を招くことなく、外部ＥＧＲを冷間状態から入れられるようになり、ＥＧＲ装置の冷間活用域拡大によって、実用燃費向上を達成することができる。

しかも、コストアップ無しで、燃費を改善できるため、コストパフォーマンスが大きいと言える。

また、本実施形態によれば、エンジンへの燃料供給用のインジェクタ１２を吸気通路６に備えることで、当該インジェクタ（ポート噴射用インジェクタ）１２からの噴射燃料の微粒化を吸気吹き返しにより確実に促進できる。この場合、エンジンとしては、燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射用インジェクタと、吸気ポート内に燃料を噴射するポート噴射用インジェクタとを備え、エンジン運転条件に応じて選択的に少なくとも一方のインジェクタから燃料を噴射供給するものであってもよい。

また、本実施形態によれば、ＥＧＲ装置が、吸気通路６のインジェクタ１２より上流側に、吸気通路６へのＥＧＲガスの導入口１５ａを有することにより、インジェクタ１２からの噴射燃料をＥＧＲガスと吹き返しガスとにより挟み撃ちにして微粒化及び混合をより促進できる。この場合、気筒毎にインジェクタ１２を設ける他、気筒毎にＥＧＲガスの導入口１５ａを設けると、効果が大きい。

また、本実施形態によれば、エンジンの冷間暖機中か否かの判定を、エンジン冷却水温ＴＷに基づいて行うことで、新たにセンサを追加することなく実施可能となる。

１ シリンダヘッド
２ シリンダブロック
３ ピストン
４ 燃焼室
５ 吸気バルブ
６ 吸気通路
６ａ 吸気ポート
７ 排気バルブ
８ 排気通路
８ａ 排気ポート
９ 吸気バルブの可変動弁装置
１０ 排気バルブの可変動弁装置
１１ スロットルバルブ
１２ インジェクタ
１３ 点火プラグ
１４ 排気浄化触媒
１５ ＥＧＲ通路
１５ａ ＥＧＲガス導入口
１６ ＥＧＲバルブ
２０ ＥＣＵ
２１ クランク角センサ
２２ アクセル開度センサ
２３ エアフローメータ
２４ 水温センサ

Claims (4)

1. 排気バルブのバルブタイミングを制御可能な可変動弁装置と、排気通路から排気の一部を吸気通路に再循環するＥＧＲ装置と、を備える内燃機関において、
   機関の冷間暖機中に、前記可変動弁装置により排気バルブの閉時期を排気上死点より早く且つ吸気バルブの開時期より早くすると共に、前記ＥＧＲ装置を作動させることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 機関への燃料供給用のインジェクタを吸気通路に備え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。
3. 前記ＥＧＲ装置は、吸気通路の前記インジェクタより上流側に、吸気通路へのＥＧＲガスの導入口を有することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の制御装置。
4. 機関の冷間暖機中か否かの判定を、機関の冷却水温度に基づいて行うことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。

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