JP2011196196A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、気筒間のＥＧＲばらつきを抑制し、また、スカベンジ制御を広い運転領域で実行することを目的とする。
【解決手段】各気筒に２個ずつ設けられた排気ポートのうち、第１の排気ポート２０Ａを排気通路３０に接続し、第２の排気ポート２０ＢをＥＧＲ通路３４に接続する。排気ポート２０Ａ，２０Ｂには、それぞれ第１，第２の排気バルブ４２Ａ，４２Ｂを設ける。ＥＣＵ６０は、可変動弁機構４４により排気バルブ４２Ｂのリフト量を変化させ、ＥＧＲ制御を行う。また、可変動弁機構４４により吸気バルブ４０と排気バルブ４２Ｂとのオーバーラップ期間を制御し、吸気通路２２から筒内を介してＥＧＲ通路３４に流出する掃気流を発生させる。これにより、気筒間のＥＧＲばらつきを抑制することができ、また、過給圧が背圧以下となる運転領域でもスカベンジ制御を実行することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、過給機とＥＧＲ機構とを備えた内燃機関の制御装置に関する。

第１の従来技術として、例えば特許文献１（特表２００３−５０６６１９号公報）に開示されているように、過給機とＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）機構とを備えた内燃機関の制御装置が知られている。この従来技術では、内燃機関に搭載された４気筒のうち、３気筒の排気通路を過給機の排気タービンに接続し、残り１気筒の排気通路をＥＧＲ機構に接続する構成としている。これにより、従来技術では、吸気系に還流するＥＧＲガスの量（ＥＧＲ量）を十分に確保するようにしている。

また、第２の従来技術として、例えば特許文献２（特開２０１０−２４９７４号公報）に開示されているように、１気筒に設けられた２つの排気ポートをそれぞれ排気通路の異なる位置に接続する構成とした内燃機関が知られている。この従来技術では、排気通路に過給機のタービンが設けられている。そして、２つの排気ポートのうち一方の排気ポートは、タービンの上流側で排気通路に接続されると共に、ＥＧＲ通路に接続されている。また、他方の排気ポートはタービンの下流側で排気通路に接続されている。

特表２００３−５０６６１９号公報 特開２０１０−２４９７４号公報

ところで、上述した第１の従来技術では、特定気筒の排気ガスをＥＧＲガスとして使用している。しかしながら、この構成では、ＥＧＲ量が特定気筒の燃焼サイクルに同期して変動し、気筒間でＥＧＲ量やＥＧＲ率のばらつき（ＥＧＲばらつき）が生じるという問題がある。また、第２の従来技術では、各気筒の一方の排気ポートをＥＧＲ通路に接続している。しかしながら、一方の排気ポートは、タービンの上流側にも接続されているため、運転状態によっては、ＥＧＲ量が過給機の作動によって変動したり、過給制御またはＥＧＲ制御の実行領域が相互に干渉しないように制限されるという問題がある。

一方、内燃機関においては、スカベンジ制御により筒内のガス交換を促進したい場合がある。スカベンジ制御とは、吸気バルブと排気バルブの両方が開弁するオーバーラップ期間を利用して、吸入空気を筒内の燃焼ガスと共に排気通路に流出させるものである。しかしながら、第１，第２の従来技術では、排気ガスが排気通路から筒内に逆流するのを防止するために、過給圧が背圧よりも高くなる狭い運転領域でしかスカベンジ制御を実行できず、制御の実行領域が制限されるという問題がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、本発明の目的は、過給機を備えた内燃機関において、気筒間のＥＧＲばらつきを抑制し、ＥＧＲ率を安定的に制御することができ、また、スカベンジ制御を広い運転領域で実行することが可能な内燃機関の制御装置を提供することにある。

第１の発明は、内燃機関の複数気筒にそれぞれ設けられた第１，第２の排気ポートと、
前記第１，第２の排気ポートをそれぞれ開，閉する前記第１，第２の排気バルブと、
各気筒の前記第１の排気ポートにそれぞれ接続され、各気筒から排気ガスが排出される排気通路と、
各気筒の前記第２の排気ポートにそれぞれ接続され、各気筒の排気ガスをＥＧＲガスとして吸気通路に還流させるＥＧＲ通路と、
前記排気通路に生じる排気圧を利用して吸入空気を過給する過給機と、
各気筒の前記第２の排気バルブの作用角及びリフト量を、弁停止を含む範囲で可変に設定することが可能な可変動弁機構と、
前記可変動弁機構により各気筒の前記第２の排気バルブのリフト量を変化させ、前記ＥＧＲガスの量を制御するＥＧＲ制御手段と、
前記可変動弁機構により各気筒で前記第２の排気バルブと吸気バルブとのオーバーラップ期間を変化させ、前記吸気通路から筒内を介して前記ＥＧＲ通路に流出する掃気流を発生させる掃気制御手段と、
を備えることを特徴とする。

第２の発明によると、前記掃気制御手段は、前記過給機による過給圧が前記排気通路の背圧以下となる運転領域で、前記掃気流を発生させる構成としている。

第１の発明によれば、ＥＧＲ制御手段は、可変動弁機構により第２の排気バルブのリフト量を変化させ、ＥＧＲ量を制御することができる。このとき、ＥＧＲガスは、各気筒から第２の排気ポートを介してＥＧＲ通路に供給される。即ち、全ての気筒の排気行程でＥＧＲガスを均等に供給することができ、ＥＧＲガスの供給が特定気筒の排気行程に偏ることがない。従って、ＥＧＲ量を十分に確保しつつ、気筒間のＥＧＲばらつきを抑制することができ、ＥＧＲ制御を安定的に行うことができる。また、第１の排気ポートに排気通路を接続し、第２の排気ポートにＥＧＲ通路を接続しているので、筒内の排気ガスを過給機とＥＧＲ通路にそれぞれ独立に供給することができる。従って、過給機の作動状態に応じてＥＧＲ量が変動するのを抑制し、ＥＧＲ率の制御を過給制御と干渉させずに安定的に実行することができる。

一方、掃気制御手段は、可変動弁機構により各気筒で第２の排気バルブと吸気バルブとのオーバーラップ期間を変化させ、吸気通路から筒内を介してＥＧＲ通路に流出する掃気流を発生させることができる。この掃気流により、筒内の残留燃焼ガスを排出するスカベンジ制御を実行することができる。この場合、筒内のガスを、排気通路と比較して低圧なＥＧＲ通路に流出させることができるので、例えば過給圧が比較的低い運転領域でも、スカベンジ制御を実行することができる。従って、スカベンジ制御の実行領域を拡大することができ、筒内の掃気を促進することができる。

第２の発明によれば、掃気制御手段は、過給圧が前記排気通路の背圧以下となる運転領域で、スカベンジ制御を行うことができる。これにより、スカベンジ制御を広い運転領域で実行することができる。

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全体構成図である。 エンジンの排気系を模式的に示す構成図である。 スカベンジ制御が実行される運転領域を示す説明図である。 本発明の実施の形態１において、ＥＣＵにより実行される制御のフローチャートである。 従来技術のシステム構成を比較例として示す説明図である。 従来技術の構成におけるＥＧＲ率の時間的な変化を示す特性線図である。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
以下、図１乃至図４を参照しつつ、本発明の実施の形態１について説明する。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全体構成図である。なお、図１は、エンジン１０を一組のポート１８，２０の位置で破断した断面図を示している。また、図２は、エンジンの排気系を模式的に示す構成図である。本実施の形態のシステムは、内燃機関としてのエンジン１０を備えており、エンジン１０は、例えば４気筒型のディーゼルエンジンにより構成されている。エンジン１０の各気筒には、ピストン１２により燃焼室１４が形成されている。ピストン１２はクランク軸１６に連結されている。

また、各気筒には、吸気ポート１８と排気ポート２０がそれぞれ２個ずつ設けられている。吸気ポート１８には、図１に示すように、吸入空気を吸込む吸気通路２２が接続されている。吸気通路２２には、吸気脈動を低減するサージタンク２４が設けられており、サージタンク２４は吸気通路２２の一部を構成している。また、吸気通路２２には、吸入空気量を調整する電子制御式のスロットルバルブ２６と、吸入空気を冷却するインタークーラ２８とが設けられている。

また、各気筒に２個ずつ設けられた排気ポート２０のうち、第１の排気ポート２０Ａには、図２に示すように、各気筒から排気ガスが排出される排気通路３０がそれぞれ接続されている。排気通路３０には、排気ガスを浄化する触媒３２が設けられている。また、第２の排気ポート２０Ｂには、各気筒の排気ガスをＥＧＲガスとして吸気通路２２に還流させるＥＧＲ通路３４がそれぞれ接続されている。ＥＧＲ通路３４は、その上流側が分岐して各気筒の排気ポート２０Ｂに接続されている。ＥＧＲ通路３４の下流側は合流して１つの通路となり、サージタンク２４に接続されている。また、ＥＧＲ通路３４には、ＥＧＲガスを浄化するＥＧＲ触媒３６が設けられている。

一方、各気筒には、図１、図２に示すように、燃焼室１４内（筒内）に燃料を噴射する燃料噴射弁３８と、各吸気ポート１８をそれぞれ開，閉する２つの吸気バルブ４０（１個のみ図示）と、第１，第２の排気ポート２０Ａ，２０Ｂをそれぞれ開，閉する第１，第２の排気バルブ４２Ａ，４２Ｂとが設けられている。また、エンジン１０は、各気筒の排気バルブ４２Ｂの作用角及びリフト量を弁停止を含む範囲で可変に設定する可変動弁機構４４を備えている。可変動弁機構４４は、例えば特開２００８−４５４６０号公報に記載されているような公知の構成を有し、排気バルブ４２Ｂの作用角及びリフト量を連続的に変化させる機能と、排気バルブ４２Ｂの動作を停止させる弁停止機能とを備えている。

具体的に説明すると、まず、可変動弁機構４４は、それぞれ揺動可能に支持された３本のアームである第１，第２，第３アームを備えている。これらのアームは、エンジンのカムシャフトに設けられた駆動カムと、排気バルブとの間に配置されている。駆動カムの入力は、第１アームにより受承され、第２，第３アームに順次伝達された後に、第３アームから排気バルブに伝達され、これにより排気バルブが開，閉する。また、可変動弁機構４４は、第１，第２アーム間に介在する可変機構と、第２，第３アーム間に介在する弁停止機構とを備えている。

可変機構は、駆動カムの入力を第１アームに伝達するローラを備えており、このローラは、リンク機構を介して制御軸に連結されている。そして、制御軸を回転させると、その回転角に応じてローラの位置が第１アームの基端側から先端側に向けて変位し、ローラの位置に応じて駆動カムの入力に対する第１アームの揺動量及び揺動タイミングが変化する。これにより、排気バルブの作用角及びリフト量は、制御軸の回転角に応じて制御される。一方、弁停止機構は、第２，第３アームを連結及び連結解除する連結ピンを備えており、この連結ピンはアクチュエータにより駆動される。第２，第３アームが連結ピンを介して連結された状態では、駆動カムの入力が第２アームから第３アームに伝達されるため、排気バルブが駆動される。これに対し、アクチュエータにより連結ピンを駆動して第２，第３アームの連結状態を解除すると、第２アームの揺動が第３アームに伝達されなくなり、排気バルブが閉弁状態で弁停止されるものである。

また、エンジン１０は、図１に示すように、排気通路３０に生じる排気圧を利用して吸入空気を過給する過給機４６を備えている。過給機４６は、排気通路３０に設けられたタービン４８と、吸気通路２２に設けられたコンプレッサ５０とを備えている。過給機４６の作動時には、排気圧を受けて回転するタービン４８によりコンプレッサ５０が駆動され、コンプレッサ５０により吸入空気が過給される。また、排気通路３０には、タービン４８をバイパスするバイパス通路５２と、バイパス通路５２を流れる排気ガスの量を調整するウェイストゲートバルブ５４とが設けられている。

さらに、本実施の形態のシステムは、クランク角センサ５６、エアフローセンサ５８等を含むセンサ系統と、エンジン１０の運転状態を制御するＥＣＵ(Electronic Control Unit)６０とを備えている。まず、センサ系統について説明すると、クランク角センサ５６は、クランク軸１６の回転に同期した信号を出力するもので、ＥＣＵ６０は、この出力に基いてエンジン回転数及びクランク角を検出することができる。また、エアフローセンサ５８は、吸入空気量を検出するものである。

センサ系統には、これらのセンサ５６，５８に加えて、車両やエンジンの制御に必要な各種のセンサ（例えばエンジン冷却水の温度を検出する水温センサ、吸気通路２２の過給圧を検出する過給圧センサ、排気空燃比を検出する空燃比センサ、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ等）が含まれており、これらのセンサはＥＣＵ６０の入力側に接続されている。また、ＥＣＵ６０の出力側には、スロットルバルブ２６、燃料噴射弁３８、可変動弁機構４４、ウェイストゲートバルブ５４等を含む各種のアクチュエータが接続されている。

そして、ＥＣＵ６０は、エンジンの運転情報をセンサ系統により検出しつつ、各アクチュエータを駆動することにより、運転状態を制御する。具体的には、クランク角センサ５６の出力に基いてエンジン回転数とクランク角とを検出し、エアフローセンサ５８の出力に基いて吸入空気量を算出する。また、吸入空気量、エンジン回転数等に基いてエンジンの負荷（負荷率）を算出し、クランク角に基いて燃料噴射時期等を決定する。そして、吸入空気量、負荷等に基いて燃料噴射量を算出し、燃料噴射時期が到来したときに燃料噴射弁３８を駆動する。また、ＥＣＵ６０は、可変動弁機構４４を駆動することにより、排気バルブ４２Ｂの作用角及びリフト量を変化させ、以下に述べるＥＧＲ制御と、スカベンジ制御とを実行する。

［実施の形態１の動作］
（ＥＧＲ制御）
まず、図５及び図６を参照して、第１の従来技術におけるＥＧＲシステムの問題点について説明する。図５は、従来技術のシステム構成を比較例として示す説明図である。この図に示すように、第１の従来技術では、エンジン１００に搭載された４つの気筒１０２のうち３気筒を排気通路１０４に接続し、その排気ガスを過給機１０６に供給している。また、残り１気筒はＥＧＲ通路１０８に接続し、その排気ガスを吸気通路１１０のサージタンク１１２に還流させる構成としている。

図６は、従来技術の構成におけるＥＧＲ率の時間的な変化を示す特性線図である。従来技術のように、１つの気筒によりＥＧＲガスを供給した場合には、全ての気筒が順次排気行程を行う間に１度しかＥＧＲガスが供給されず、このＥＧＲガスは、ガスの供給タイミングと同期して吸気行程を迎える特定の気筒に偏って流入することになる。この結果、ＥＧＲ量は、１燃焼サイクル（７２０°ＣＡ）に対応した周期で大きく変化するようになる。この変化は、ランダムに生じる通常のＥＧＲばらつきとは異なるものであり、気筒間のＥＧＲ率に大きなばらつきを生じさせる。

これに対し、本実施の形態では、前述したように、各気筒の排気ポート２０ＢがＥＧＲ通路３４に接続されている。そして、ＥＧＲ制御において、ＥＣＵ６０は、可変動弁機構４４により各気筒の排気バルブ４２Ｂのリフト量を変化させるか、または排気バルブ４２Ｂを弁停止させ、排気バルブ４２Ｂのリフト量に応じてＥＧＲ量を制御する。これにより、全ての気筒の排気行程でＥＧＲガスを均等に供給することができ、第１の従来技術のように、ＥＧＲガスの供給が特定気筒の排気行程に偏ることがない。従って、本実施の形態によれば、全気筒の排気ガスによりＥＧＲ量を十分に確保しつつ、気筒間のＥＧＲばらつきを抑制することができ、ＥＧＲ制御を安定的に行うことができる。

しかも、本実施の形態では、第１の排気ポート２０Ａに排気通路３０（過給機４６のタービン４８）を接続し、第２の排気ポート２０ＢにＥＧＲ通路３４を接続している。即ち、第２の従来技術とは異なり、筒内の排気ガスを過給機４６とＥＧＲ通路３４にそれぞれ独立に供給することができる。従って、過給機４６の作動状態に応じてＥＧＲ量が変動するのを抑制することができる。そして、ＥＧＲ率の制御を、過給制御と干渉させずに安定的に実行することができる。

（スカベンジ制御）
一般に、過給機を搭載したエンジンでは、図３に示すように、過給により吸気通路内の圧力（過給圧）が排気通路側の背圧よりも高くなる運転領域（以下、通常のスカベンジ領域と称す）が存在する。ここで、図３は、スカベンジ制御が実行される運転領域を示す説明図である。通常のスカベンジ領域では、吸気バルブと排気バルブの両方が開弁するオーバーラップ期間を利用して、高圧の吸気通路から筒内を介して排気通路に流出する空気の流れ（掃気流）を発生させ、スカベンジ制御を実行する。スカベンジ制御によれば、掃気流により筒内の残留燃焼ガスを掃気（排出）し、筒内のガス交換を促進することができる。一方、通常のスカベンジ領域以外の運転領域、即ち、過給圧が背圧以下となる運転領域では、排気ガスが筒内に逆流する虞れがあるので、従来技術では、スカベンジ制御を実行するのが困難であった。

これに対し、本実施の形態では、過給圧が背圧以下となる運転領域（例えば、図３中に示す拡大スカベンジ領域）でも、筒内のガスを、排気通路３０と比較して低圧なＥＧＲ通路３４に流出させ、スカベンジ制御を実行することができる。具体的に述べると、ＥＣＵ６０は、可変動弁機構４４により第２の排気バルブ４２Ｂの作用角（開弁期間）を変化させ、吸気バルブ４０と排気バルブ４２Ｂの両方が開弁するオーバーラップ期間を設けるか、または必要に応じてオーバーラップ期間を拡大させる。これにより、吸気通路２２から筒内を介してＥＧＲ通路３４に流出する掃気流を発生させることができ、この掃気流により筒内の残留燃焼ガスを掃気することができる。

従って、本実施の形態によれば、拡大スカベンジ領域でも、スカベンジ制御を実行することができる。このため、スカベンジ制御の実行領域を、過給圧が比較的低い運転領域にも拡大することができ、筒内の掃気を促進することができる。しかも、拡大スカベンジ領域では、スカベンジ制御中に新気を排気通路３０に流出させずに済むので、触媒３２を酸素の過剰供給による過熱等から保護することができる。なお、図３中に示すＯＴ領域は、排気温度を低下させるために、噴射燃料の増量制御を実行する運転領域である。また、通常のスカベンジ領域でスカベンジ制御を行う場合には、他の可変動弁機構により吸気バルブ４０または第１の排気バルブ４２Ａの作用角を変化させる構成とすればよい。

［実施の形態１を実現するための具体的な処理］
図４は、本発明の実施の形態１において、ＥＣＵにより実行される制御のフローチャートである。図４に示すルーチンは、内燃機関の運転中に繰返し実行されるものとする。図４に示すルーチンでは、まず、ＥＧＲ制御に適した運転条件が成立したか否かを判定し（ステップ１００）、この判定成立時には、可変動弁機構４４を駆動することにより、前述したＥＧＲ制御を実行する（ステップ１０２）。

また、ステップ１００の判定が不成立の場合には、スカベンジ制御に適した運転条件が成立したか否かを判定する（ステップ１０４）。この判定成立時には、通常のスカベンジ領域であるか否かを判定し（ステップ１０６）、通常のスカベンジ領域である場合には、高過給圧を利用したスカベンジ制御を実行する（ステップ１０８）。また、ステップ１０６の判定が不成立の場合には、拡大スカベンジ領域であるか否かを判定し（ステップ１１０）、この判定成立時には、可変動弁機構４４を駆動することにより、前述したスカベンジ制御を実行する（ステップ１１２）。

なお、前記実施の形態１では、図４中に示すステップ１０２がＥＧＲ制御手段の具体例を示し、ステップ１１２が掃気制御手段の具体例を示している。

また、実施の形態では、ディーゼルエンジンからなるエンジン１０に適用する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、ガソリンエンジンを含む各種の内燃機関に適用し得るものである。

１０ エンジン（内燃機関）
１２ ピストン
１４ 燃焼室
１６ クランク軸
１８ 吸気ポート
２０（２０Ａ，２０Ｂ） 第１，第２の排気ポート
２２ 吸気通路
２４ サージタンク
２６ スロットルバルブ
２８ インタークーラ
３０ 排気通路
３２ 触媒
３４ ＥＧＲ通路
３６ ＥＧＲ触媒
３８ 燃料噴射弁
４０ 吸気バルブ
４２（４２Ａ，４２Ｂ） 第１，第２の排気バルブ
４４ 可変動弁機構
４６ 過給機
５６ クランク角センサ
５８ エアフローセンサ
６０ ＥＣＵ

Claims (2)

1. 内燃機関の複数気筒にそれぞれ設けられた第１，第２の排気ポートと、
   前記第１，第２の排気ポートをそれぞれ開，閉する前記第１，第２の排気バルブと、
   各気筒の前記第１の排気ポートにそれぞれ接続され、各気筒から排気ガスが排出される排気通路と、
   各気筒の前記第２の排気ポートにそれぞれ接続され、各気筒の排気ガスをＥＧＲガスとして吸気通路に還流させるＥＧＲ通路と、
   前記排気通路に生じる排気圧を利用して吸入空気を過給する過給機と、
   各気筒の前記第２の排気バルブの作用角及びリフト量を、弁停止を含む範囲で可変に設定することが可能な可変動弁機構と、
   前記可変動弁機構により各気筒の前記第２の排気バルブのリフト量を変化させ、前記ＥＧＲガスの量を制御するＥＧＲ制御手段と、
   前記可変動弁機構により各気筒で前記第２の排気バルブと吸気バルブとのオーバーラップ期間を変化させ、前記吸気通路から筒内を介して前記ＥＧＲ通路に流出する掃気流を発生させる掃気制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記掃気制御手段は、前記過給機による過給圧が前記排気通路の背圧以下となる運転領域で、前記掃気流を発生させる構成としてなる請求項１に記載の内燃機関の制御装置。

Images