JP2013133725A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内部ＥＧＲ機構において、要求ＥＧＲ量を満たしつつ、膨張仕事の低減を抑制する。
【解決手段】この内燃機関の制御装置は、内燃機関の各気筒における膨張行程から排気行程の間に、一時的に吸気弁を開くことで、内燃機関の吸気経路に排気ガスを還流させる機構と、吸気弁の開閉時期を変化させることができる手段と、排気弁の開閉時期を変化させることができる手段とを備える。更に、この制御装置は、吸気弁開弁時期設定手段と排気弁開弁時期設定手段とを備える。吸気弁開弁時期設定手段は、排気ガスを還流させる運転状態において、吸気弁の開弁時期を、排気下死点に設定する。排気弁開弁時期設定手段は、排気ガスを還流させる運転状態において、排気弁の開弁時期を、排気ガスを還流させない運転状態における該排気弁の開弁時期よりも遅い時期に設定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、詳しくは、内部ＥＧＲ機構を備えた内燃機関の制御装置に関する。

従来、排気ガスを各気筒の吸気行程で各気筒内に排気ガスを還流させる排気ガス還流機構（ＥＧＲ機構）が知られている。このＥＧＲ機構には、排気経路と吸気経路とを繋ぐ配管を設け、排気経路内の排気ガスを、配管を介して吸気経路側に還流させる外部ＥＧＲ機構と、所定のタイミングで吸気弁を開くことで排気ガスを吸気ポートに還流させる内部ＥＧＲ機構とがある。

特許文献１には内部ＥＧＲ機構が開示されている。特許文献１の機構では、膨張行程から排気行程の間に一時的に吸気弁を開弁して吸気ポートに排気ガス（ＥＧＲガス）を還流させ、還流したＥＧＲガスを、吸気行程において再び気筒内に流入させる。また、特許文献１では、ＥＧＲガスを吸気ポート側に還流させる際の吸気弁の開口面積を、ＥＧＲ率に応じて変化させる。

特開２００７−０３２４０２号公報

通常、排気弁の開弁時期は、弁径、リフト量の他、負荷や回転数に応じて最適な開弁時期に設定される。上記特許文献１の技術において、排気弁開弁時期は、ＥＧＲ運転か否かに関わらず適正なタイミングに設定され、設定された排気弁開弁時期と同じ開弁時期で吸気弁が開かれる。このため、特許文献１の技術では、吸気弁の開放により膨張仕事が減少することが考えられる。膨張仕事の減少は、燃費改善の観点からは好ましいものではない。

また、例えば、ＥＧＲ運転時の吸気弁の開弁時期を排気下死点とすることで、必要な膨張仕事を確保することができる。しかし、高負荷や高回転域においては掃気に必要な開口面積が確保できない場合がある。これはポンプ損失や燃費の改善の観点から好ましいものではない。また、ＥＧＲ運転時の吸気弁の開弁時期を排気下死点より遅くすることで膨張仕事を確保することはできる。しかし、ＥＧＲを確保できる開口時間面積が減少するため、要求ＥＧＲ量を確保できない事態が生じ得る。

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、要求ＥＧＲ量を満たしつつ、膨張仕事の低減を抑制する改良された内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の各気筒における膨張行程から排気行程の間に、一時的に吸気弁を開くことで、内燃機関の吸気経路に排気ガスを還流させる内燃機関の制御装置であって、吸気弁の開閉時期を変化させることができる手段と、排気弁の開閉時期を変化させることができる手段と、を備える。更に、この内燃機関の制御装置は、吸気弁開弁時期設定手段と排気弁開弁時期設定手段とを備える。吸気弁開弁時期設定手段は、排気ガスを還流させる運転状態において、吸気弁の開弁時期を、排気下死点に設定する。排気弁開弁時期設定手段は、排気ガスを還流させる運転状態において、排気弁の開弁時期を、排気ガスを還流させない運転状態における該排気弁の開弁時期よりも遅い時期に設定する。

また、本発明は、吸気弁の、リフト量を時間で積分した値である開口時間面積を変化させる吸気弁作用角を変化させることができる手段を更に備えるものとしてもよい。この場合、排気ガスを還流させる運転状態において、吸気弁作用角を、要求ＥＧＲ率に応じて設定するのが好適である。

また、本発明において、排気弁開弁時期設定手段は、排気ガスを還流させない運転状態における該排気弁の開弁時期が、排気下死点以降である場合、排気ガスを還流させる運転状態における排気弁の開弁時期を、排気下死点とするものであってもよい。

本発明により、排気ガスを還流する場合には、吸気弁は排気下死点で開弁される。これにより、膨張仕事の損失を抑えることができる。また吸気弁を開弁する場合に、排気弁の開弁時期が、ＥＧＲ運転でない場合よりも遅く制御される。これにより、膨張仕事を増加させ、ポンプ損失を低減させることができる。

本発明の実施の形態に係る内燃機関の制御装置を示す図である。 本発明の実施の形態に係る内燃機関の制御装置における、吸気弁と排気弁とのそれぞれの動弁特性について説明するための図である。 本発明の実施の形態における要求ＥＧＲ率と吸気弁作用角との関係について説明するための図である。 本発明の実施の形態における吸気弁作用角と排気弁開弁時期との関係について説明するための図である。 本発明の実施の形態において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。 本発明の実施の形態における吸気弁開弁時期に対する、ＢＳＦＣとＥＧＲ率について説明するための図である。 本発明の実施の形態の、吸気弁と排気弁とのそれぞれの動弁特性の変形例について説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態について図１乃至図７の各図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態の制御装置が適用される内燃機関の制御装置の全体構成を示す図である。本発明の内燃機関の制御装置は、車両に搭載されて用いられる。

本実施の形態にかかる内燃機関２は複数の気筒４を有する。内燃機関２の各気筒４には、吸気弁及び排気弁（図示せず）が設置される。吸気弁及び排気弁のそれぞれには、弁の動弁特性（位相や作用角）等を変更する可変動弁機構（図示せず）が設置されている。可変動弁機構により、各気筒４の吸気弁又は排気弁を、別個に停止・復帰（稼動）させことができる。具体的に、各弁の位相が変更されることで、各弁の開閉時期が変更される。また、作用角が変更されることで、各弁のリフト量を時間で積分した値である開口時間面積が変更される。即ち、作用角の変更により、リフト量や開弁期間が変更される。可変動弁機構の構成や動作は種々に知られており、ここでの詳細な説明は省略するものとする。

各気筒の吸気ポートには、吸気マニホールド１０の分岐管部が接続されている。吸気マニホールド１０内には、熱交換器１２が設置されている。熱交換器１２には配管１４の両端が設置されている。配管１４の途中にはラジエータ１６及びウォータポンプ１８が設置されている。配管１４内及び熱交換器１２には、冷却水がウォータポンプ１８により循環している。冷却水は、熱交換器１２において、吸気マニホールド１０内のガスの熱により加熱され、ラジエータ１６で放熱される。これにより吸気マニホールド１０内のガスが冷却される。なお、シリンダヘッドと熱交換器１２との間には気筒間隔壁１０ａ〜１０ｃが設けられており、吸気ポートから吹き返されるＥＧＲガスが他の気筒に回り込まずに、効果的に熱交換器１２を通過するようにシールされている。

吸気マニホールド１０の上流側端部は吸気経路２０に接続している。吸気経路２０の上流にはエアクリーナ２２が設置されている。吸気経路２０のエアクリーナ２２より下流には、ターボチャージャのコンプレッサ２４が設置され、その下流にはインタクーラ２６が設置されている。インタクーラ２６下流には、電子制御式のスロットル弁２８が配置されている。

一方、内燃機関２の各気筒４の排気ポートそれぞれには、排気マニホールド３０の分岐管部がそれぞれ連通している。排気マニホールド３０の下流側の端部は排気経路３２に連通している。排気経路３２には、ターボチャージャのタービン３４が配置されている。排気経路３２のタービン３４より下流には、酸化触媒３６及びＤＰＦ（Ｄｉｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）３８が接続している。排気経路３２のＤＰＦ３８の下流にはＡ/Ｆセンサ４０が設置されている。

このシステムは制御装置５０を備えている。制御装置５０の入力側には、Ａ／Ｆセンサ４０の他、内燃機関２の各種センサが接続されている。また、制御装置５０の出力側には、可変動弁機構や、その他各種のアクチュエータが接続されている。制御装置５０は、各種センサからの入力情報に基づいて所定のプログラムを実行し、各種アクチュエータ等を作動させることにより、内燃機関２の運転に関する種々の制御を実行する。

本実施の形態において、制御装置５０が行う制御には、吸気弁及び排気弁の動弁特性の制御による内部ＥＧＲの制御が含まれる。図２は、吸気弁と排気弁の動弁特性を説明するための図であり、図２（ａ）は、ＥＧＲを還流させない運転状態にある場合、即ち、ＥＧＲがＯＦＦの時の動弁特性であり、図２（ｂ）は、ＥＧＲを還流させるＥＧＲ運転領域にある場合の動弁特性を表している。

ＥＧＲがＯＦＦの状態では、吸気弁、排気弁は、図２（ａ）に示されるような動弁特性で制御される。図２（ａ）の例では、排気弁はクランク角９０［°CA］近傍で開弁し、上死点（３６０［°CA］）後に閉弁する。一方、吸気弁は、吸気行程の上死点（３６０［°CA］）前に開弁し、吸気下死点（５４０［°CA］）後、６３０［°CA］近傍で閉弁する。但し、図２は、動弁特性の１例であり、実際の制御において吸気弁、排気弁は、所定の制御プログラムに従って、弁径、リフト長、負荷や回転数等に応じ最適な動弁特性に制御される。

一方、ＥＧＲ運転領域にある場合、ＥＧＲガス還流のために、図２（ｂ）の中の（Ａ）で示される期間に吸気弁が開閉されると共に、排気弁は遅角側に制御される。以下、具体的な、図２（ｂ）中の（Ａ）の期間の吸気弁の作用角（以下、これを「排気行程中の吸気弁作用角」とも称する）と排気弁の位相の設定について説明する。図３は、本発明の実施の形態における要求ＥＧＲ率と排気行程中の吸気弁作用角との関係を説明するための図である。図３において横軸は要求ＥＧＲ率、縦軸は吸気弁作用角である。

ＥＧＲ運転領域にあるとき、要求ＥＧＲ率は、例えば、機関回転数や負荷など内燃機関２の複数のパラメータを軸とするマップに従って設定される。要求ＥＧＲ率が設定されると、吸気弁の開弁時期を排気下死点とした場合における排気行程中の吸気弁作用角が、要求ＥＧＲ率に応じて決定される。具体的には、本実施の形態において、排気行程中の吸気弁作用角は、図３に示されるように、要求ＥＧＲ率が大きくなるにつれて大きくなるように設定される。

つまり、ＥＧＲ運転領域では、吸気弁の開弁時期は、排気下死点とされる。一方、排気行程中の吸気弁作用角は、要求ＥＧＲ率が大きい場合ほど大きくなるように設定される。つまり、要求ＥＧＲ率が大きい場合ほど、吸気弁のリフト量を時間で積分した値である吸気弁開口時間面積（Ａ）が大きくなるように、吸気弁の開弁期間とリフト量とが共に大きくなる排気行程中の吸気弁作用角に設定される。これにより、要求ＥＧＲ率が満たされるように、吸気弁の動弁特性が制御される。

なお、要求ＥＧＲ率と、これを満足させるための排気行程中の吸気弁作用角との、図３に示されるような具体的な関係は、実験等により求められてマップ等として定められ、予め制御装置５０に記憶される。

図４は、本発明の実施の形態における排気行程中の吸気弁作用角と排気弁開弁時期との関係について説明するための図である。図４において横軸は排気行程中の吸気弁作用角、縦軸は排気弁開弁時期を表している。ＥＧＲ運転領域では、上記のような排気行程中の吸気弁作用角の制御により開口時間面積が増大する。掃気においては、吸気弁開口時間面積と排気弁の開口時間面積とを合わせて、必要な開口時間面積が確保されればよい。従って、吸気弁開弁による開口時間面積の増大分、排気弁開弁時期を遅らせることができる。

従って、ＥＧＲ運転領域における排気弁の開弁時期は、図４に示されるように、排気行程中の吸気弁作用角に応じて設定される。具体的に、排気行程中の吸気弁作用角が小さい場合（吸気弁開口時間面積が小さい場合）ほど排気弁開弁時期が早く、即ち、ＥＧＲ運転領域でない場合の排気弁開弁時期に近くなるように設定される。

一方、排気行程中の吸気弁作用角が大きくなるにつれて、吸気弁開口時間面積が大きく確保されるため、排気弁の開弁時期は、ＥＧＲ運転領域でない場合の排気弁開弁時期に比べて、遅くなるように設定される。但し、排気下死点よりも遅くに排気弁が開弁されると、逆にポンプ仕事が増加する。従って、排気弁は遅い場合でも、排気下死点までには開弁されるように制御される。

なお、本実施の形態では、排気弁の作用角は変更せず、位相のみを遅角させることで排気弁の開弁時期が遅くなるように設定する。また、排気行程中の吸気弁作用角とこれに対する排気弁開弁時期（位相）との具体的な関係は、予め実験等により求められてマップ等として定められ、予め制御装置５０に記憶される。

図５は、本発明の実施の形態において制御装置５０が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図５のルーチンは内燃機関２の運転中、一定期間ごとに繰り返し実行される。図５のルーチンでは、まず、ＥＧＲ運転領域であるか否かが判別される（Ｓ１００）。ＥＧＲ運転領域であるか否かは、予め制御装置５０に記憶されたＥＧＲ運転の条件を満たすか否かに基づいて、判別される。ステップＳ１００において、ＥＧＲ運転領域であることが認められない場合、今回の処理はそのまま終了する。

一方、ステップＳ１００において、ＥＧＲ運転領域であることが認められると、次に、要求ＥＧＲ率が演算される（Ｓ１０２）。要求ＥＧＲ率は、機関回転数や負荷等の所定のパラメータに応じ、予め制御装置５０に記憶されたマップに従って演算される。

次に、排気行程中の吸気弁作用角が演算される（Ｓ１０４）。排気行程中の吸気弁作用角は、Ｓ１０２において演算された要求ＥＧＲ率に応じて、制御装置５０に予め記憶された要求ＥＧＲ率と排気行程中の吸気弁作用角との関係を定めたマップ等に基づいて演算される。

次に、現在の排気弁の開弁時期が、排気下死点に設定されているか否かが判別される（Ｓ１０６）。排気弁の開弁時期が、排気弁下死点であることが認められない場合、次に、排気弁の開弁時期が演算される（Ｓ１０８）。排気弁開弁時期は、ステップＳ１０４の排気行程中の吸気弁作用角に応じて、制御装置５０に予め記憶された排気行程中の吸気弁作用角と排気弁開弁時期との関係を定めたマップ等に基づいて演算される。

ステップＳ１０６において、排気弁開弁時期が排気下死点であることが認められた場合、あるいは、ステップＳ１０８において排気弁開弁時期が演算された場合、次に吸・排気弁が制御される（Ｓ１１０）。ここでは制御装置５０から可変動弁機構に所定の制御信号が発せられ、これにより排気行程中の吸気弁の位相及び作用角と、排気弁の位相とが制御される。即ち、吸気弁は排気下死点で開弁し、かつ、ステップＳ１０４で演算された排気行程中の吸気弁作用角に制御される。また、排気弁は、ステップＳ１０８で設定された排気弁開弁時期、あるいは、ステップＳ１０６において開弁時期が排気下死点であることが認められたときは、そのまま排気下死点の開弁時期になるように、その位相が制御される。その後、今回の処理は終了する。

以上のように吸気弁を排気下死点で開弁し、かつ要求ＥＧＲ率に応じた排気行程中の吸気弁作用角に制御することで、膨張仕事を損なうことなく必要なＥＧＲ量を確保できる。また、このとき、排気弁開弁時期も、必要な開口面積時間を確保できるように遅角側に補正される。これにより、膨張仕事の増加とポンプ損失の低減とを両立させることができる。

図６は、本発明の実施の形態に説明した制御を行った場合の吸気弁開弁時期に対する、ＢＳＦＣ（Ｂｒａｋｅ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｆｕｅｌ Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ；正味燃料消費率）及びＥＧＲ率について説明するための図である。なお、図６において上側の図（ａ）は本実施の形態のＥＧＲ運転領域時の動弁特性を表し、横軸はクランク角、縦軸はリフト量である。図６の下側の図（ｂ）は、（ａ）の動弁特性で吸気弁、排気弁が制御された場合の、吸気弁開弁時期に対するＢＳＦＣを表し、横軸は吸気弁開弁時期（ＡＢＤＣ）、縦軸左側はＢＳＦＣ（ｇ/ｋＷｈ）、右側はＥＧＲ率である。図６からも、膨張仕事を損なうことなく、必要なＥＧＲ率が確保されていることが確認される。

[変形例]
本実施の形態では、ＥＧＲ運転領域において吸気弁を開弁する場合に、排気弁の位相を遅角させる場合について説明した。しかし、この発明において排気弁の位相を変更する場合に限らず、排気弁の開弁時期を遅くすると共に、排気弁の作用角を変更することで開弁期間を変更したものとしてもよい。図７は、このような変形例に示す場合の吸気弁と排気弁との動弁特性を表す図である。図７に示されるように、排気弁の作用角を小さくすることで、排気弁の開口時間面積が小さくなるよう調整される。このようにしても、膨張仕事の低減を抑制しつつ、ポンプ損失の低減を図ることができる。

なお、本実施の形態のルーチンでは、ステップＳ１０６において、現在の排気弁開弁時期が排気下死点であることが認められた場合、排気弁開弁時期を演算せず、排気弁開弁時期を排気下死点のままとする場合について説明した。しかし、本発明はこれに限るものではなく、ステップＳ１０６の判別処理を行わず、現在の排気弁開弁時期に関わらず、排気行程中の吸気弁作用角に応じて排気弁開弁時期を設定するようにしてもよい。

また、ＥＧＲ運転領域における吸気弁の開弁時期を排気下死点である場合について説明した。しかし、この発明は、排気下死点に限定されるものではなく、排気下死点を含む、排気下死点付近の領域で吸気弁が開弁されるものであってもよい。

また、本実施の形態では、吸気マニホールド１０内に熱交換器１２が設置されている場合について説明した。これにより吸気ポート側に還流された排気ガスを効果的に冷却して、再吸入することができる。従って、吸入空気量を増加させることができ、スモークの低減、燃料噴射量の増量、それによるトルクの向上を図ることができる。しかしながら、この発明は、このように熱交換器１２を有するものに限らず、他の冷却手段を有するものでもよく、また、冷却手段を有しないものであってもよい。

その他の構成についても、本発明は、上記実施の形態に説明したものに限定されるものではない。また、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、この実施の形態において説明する構造や方法等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

２ 内燃機関
４ 気筒
１０ 吸気マニホールド
１２ 熱交換器
１４ 配管
１６ ラジエータ
１８ ウォータポンプ
２０ 吸気経路
２２ エアクリーナ
２４ コンプレッサ
２６ インタクーラ
２８ スロットル弁
３０ 排気マニホールド
３２ 排気経路
３４ タービン
３６ 酸化触媒
３８ ＤＰＦ
４０ Ａ/Ｆセンサ
５０ 制御装置

Claims (3)

1. 内燃機関の各気筒における膨張行程から排気行程の間に、一時的に吸気弁を開くことで、前記内燃機関の吸気経路に排気ガスを還流させる内燃機関の制御装置であって、
   前記吸気弁の開閉時期を変化させることができる手段と、
   排気弁の開閉時期を変化させることができる手段と、
   前記排気ガスを還流させる運転状態において、前記吸気弁の開弁時期を、排気下死点に設定する吸気弁開弁時期設定手段と、
   前記排気ガスを還流させる運転状態において、排気弁の開弁時期を、前記排気ガスを還流させない運転状態における該排気弁の開弁時期よりも遅い時期に設定する排気弁開弁時期設定手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記吸気弁の、リフト量を時間で積分した値である開口時間面積を変化させる吸気弁作用角を変化させることができる手段と、
   前記排気ガスを還流させる運転状態において、前記吸気弁作用角を、要求ＥＧＲ率に応じて設定する手段と、
   を、更に備え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。
3. 前記排気弁開弁時期設定手段は、前記排気ガスを還流させない運転状態における該排気弁の開弁時期が、排気下死点以降である場合、前記排気ガスを還流させる運転状態における前記排気弁の開弁時期を、排気下死点とする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。

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