JP2013185536A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】確実な掃気を実施すると共に、誤判定を防止できる内燃機関の制御装置を提供。
【解決手段】内燃機関１の吸気バルブ２２と排気バルブ３３との開閉時期を変更する可変動弁装置３６と、内燃機関の吸気管の圧力を上昇させる過給機２９と、内燃機関が過給領域のとき、可変動弁装置３６により吸気バルブ２２と排気バルブ３３とのオーバーラップ期間を増加させる掃気量増加手段４８と、少なくとも吸気管を通過する吸気量に基づいて掃気量を演算する掃気量演算手段４９と、掃気量演算手段４９により求められた掃気量が所定値以上である場合、可変動弁装置３６によりオーバーラップ期間を減少させる掃気量減少手段５０と、を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は過給機が適用された内燃機関の制御装置に係り、特に、過給に伴う内燃機関の吸気圧と排気圧との差圧を利用し燃焼室の掃気を行う内燃機関の制御装置に関する。

従来、内燃機関の制御装置においては、内燃機関が低負荷領域（部分負荷領域）で運転中のとき、可変動弁装置を制御して吸気バルブの開弁時期を進角方向へ、又は排気バルブの閉弁時期を遅角方向へ移動させ、吸気バルブと排気バルブとが開弁しているオーバーラップ期間を設ける内燃機関の制御装置が知られている。内燃機関は、このオーバーラップ期間を設けると、燃焼室に残留する既燃ガス、いわゆる内部ＥＧＲが発生する。そして、内燃機関は、この内部ＥＧＲを発生させることで、燃料消費量の低減や排気中のＮＯＸを低減することができることが知られている。
特に、過給機を備えた内燃機関において、ターボラグ改善やノック改善ため、過給領域でオーバーラップ時に、吸気側のポート圧力が排気側のポート圧力に比べて高いとき、この圧力差を利用して吸気側から燃焼室を経て排気側へ新気を吹き抜けさせ、排気ガスを追い出すことを、スカベンジング（掃気）という。スカベンジングを行うことで、排気ガスの掃気量が増加して過給機のタービンの回転数が増加するので、コンプレッサの回転数が増加して吸気充填効率が増し、トルクが増大することが知られている。
また、スカベンジングを行うと、排気管中のガスは希薄（リーン）となるため、所謂燃料フィードバック制御により燃料噴射量が増加する。このとき、理論上は理論空燃比となるように制御されるが、一般的には燃料が多めに噴射され、燃焼状態がリッチになる。このリッチ燃焼状態により発生するガスは、未燃焼の蒸発燃料を含む。このため、未燃焼の蒸発燃料が排気管（特に触媒）へ進入し、先にスカベンジングにより吹き抜けた空気と接触して後燃えし、排気系が過熱するという問題があった。また、この問題はターボラグ改善やノック改善のため、オーバーラップによる新気吹き抜け量が多くなるほど、または吹き抜け時間が長いほど、排気系（特に触媒）が高温になりやすいという傾向があった。
この問題に対し、特許文献１においては、排気管への未燃ガスの吹き抜けを検出する手段が備えられ、未燃ガスの吹き技けが有ると判別された場合、オーバーラップ期間を減じるように可変動弁装置を制御し、未燃ガスの吹き抜けを抑止する内燃機関の制御装置が開示されている。

特許第４２５３３３９号公報

しかしながら、上記特許文献１のような内燃機関の制御装置では、内燃機関の急加速や急減速などの運転状態の変動により燃焼状態が悪化した場合、内部ＥＧＲとは別に未然ガスが発生し、排気管中に進入する場合があるため、未燃ガスの吹き技けの判定に誤判定を招く虞がある。

そこで、この発明は、上記の問題点に鑑みて成されたものであり、確実な掃気を実施すると共に誤判定を防止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。

この発明は、内燃機関の吸気バルブと排気バルブとの開閉時期を変更する可変動弁装置と、前記内燃機関の吸気管の圧力を上昇させる過給機と、前記内燃機関が過給領域のとき前記可変動弁装置により前記吸気バルブと排気バルブとのオーバーラップ期間を増加させる掃気量増加手段と、少なくとも前記吸気管を通過する吸気量に基づいて掃気量を演算する掃気量演算手段と、前記掃気量演算手段により求められた掃気量が所定値以上である場合、前記可変動弁装置により前記オーバーラップ期間を減少させる掃気量減少手段と、を備えたことを特徴とする。

この発明では、吸気バルブと排気バルブとのオーバーラップ期間中の掃気量が所定値以上である場合に、未燃ガスが排気管中に進入することを予測している。このとき、掃気量は、吸気量を元に算出されるため、内燃機関の変動によらず確実に未然ガスの進入を予測することができる。

図１は内燃機関の制御装置のシステム構成図である。（実施例） 図２は吸気バルブと排気バルブとのオーバーラップ期間中の吹き抜けの概略図である。（実施例） 図３（Ａ）は吸気バルブと排気バルブとのオーバーラップが殆ど形成されていない状態の説明図、図３（Ｂ）は吸気バルブの位相が進角方向に制御され、オーバーラップ期間が増加された状態の説明図、図３（Ｃ）は排気バルブの位相が遅角方向に制御され、オーバーラップ期間が増加された状態の説明図、図３（Ｄ）は吸気バルブの位相が進角方向に制御され且つ排気バルブの位相が遅角方向に制御され、オーバーラップ期間がさらに増加された状態の説明図である。（実施例） 図４は内燃機関の制御装置による制御のメインフローチャートである。（実施例） 図５は内燃機関の制御装置による掃気量演算処理のフローチャートである。（実施例） 図６は掃気量の変化と排気系温度の変化とを示す図である。（実施例） 図７は内燃機関の回転数−負荷条件による掃気開始・停止を示す図である。（変形例）

以下、図面に基づいて、この発明の実施例を説明する。

図１〜図６は、この発明の実施例を示すものである。図１において、１は車両に搭載された内燃機関、２はクランク軸、３はコネクティングロッド、４はピストン、５はシリンダ、６は燃焼室、７は吸気ポート、８は排気ポートである。内燃機関１は、吸気通路９を形成する吸気管１０を設け、排気通路１１を形成する排気管１２を設けている。前記吸気管１０には、上流端から吸気ポート７に向かって、エアクリーナ１３とスロットルバルブ１４を備えたスロットルボディ１５と吸気マニホルド１６とが設けられている。吸気マニホルド１６には、燃料噴射弁１７が設けられている。前記排気管１２には、排気ポート８から下流端に向かって、排気マニホルド１８と触媒１９とが設けられている。
前記内燃機関１は、燃焼室６に臨ませて点火プラグ２０を設け、この点火プラグ２０に飛び火させる点火コイル２１を設けている。前記内燃機関１は、吸気ポート７を開閉する吸気バルブ２２及び排気ポート８を開閉する排気バルブ２３を備え、吸気バルブ２２を動作する吸気カム軸２４及び排気バルブ２３を動作する排気カム軸２５を備えている。また、内燃機関１は、排気マニホルド１８と吸気マニホルド１６とを連絡するＥＧＲ管２６を設けている。ＥＧＲ管２６には、排気マニホルド１８の排気通路１１と吸気マニホルド１６の吸気通路９とを連通するＥＧＲ通路２７を開閉するＥＧＲ制御バルブ２８を設けている。ＥＧＲ制御バルブ２８は、排気通路１１からＥＧＲ通路２７を介して吸気通路９に還流される排気ガスのＥＧＲ量を調整する。
前記内燃機関１は、吸気管１０の圧力を上昇させる過給機２９を備えている。過給機２９は、吸気管１０途中の吸気通路９にコンプレッサ３０を設け、排気管１２途中の排気通路１１にコンプレッサ３０を駆動するタービン３１を設けている。内燃機関１は、コンプレッサ３０よりも下流側の吸気管１０にインタクーラ３２を設けている。
過給機２９は、タービン３１を迂回して排気通路１１を連通するバイパス通路３３を設け、バイパス通路３３を開閉するウエイストゲートバルブ３４を設け、ウエイストゲートバルブ３４を動作するウエイストゲートアクチュエータ３５を設けている。ウエイストゲートアクチュエータ３５は、コンプレッサ３０下流側の吸気通路９の過給圧により動作し、ウエイストゲートバルブ３４を動作してバイパス通路３３を開閉し、過給圧を設定過給圧に調整する。

この内燃機関１は、吸気バルブ２２と排気バルブ２３との開閉時期を変更する可変動弁装置３６を備えている。可変動弁装置３６は、吸気バルブ２２の開閉時期を変更する吸気可変バルブ機構３７を吸気カム軸２４に設け、排気バルブ２３の開閉時期を変更する排気可変バルブ機構３８を排気カム軸２５に設けている。吸気可変バルブ機構３７は、クランク軸２に対する吸気カム軸２４の回転位相を変化させて吸気バルブ２２の開閉時期を変更する。排気可変バルブ機構３８は、クランク軸２に対する排気カム軸２５の回転位相を変化させて排気バルブ２３の開閉時期を変更する。
ここで、可変動弁装置３６の吸気可変バルブ機構３７及び排気可変バルブ機構３８による吸気バルブ２２及び排気弁２３の位相変化を、図３により説明する。図３においては、ＴＤＣに対して排気行程側のＢＤＣの方向が「進角」、ＴＤＣに対して吸気行程側のＢＤＣの方向が「遅角」となる。
図３（Ａ）では、吸気バルブ２２の位相が遅角位置に保持され、排気バルブ２３の位相が進角位置に保持され、吸気バルブ２２と排気バルブ２３とのオーバーラップ期間が殆ど形成されていない。
図３（Ｂ）では、吸気可変バルブ機構３７により吸気バルブ２２の位相が進角方向に制御され、これにより吸気バルブ２２の開時期が上死点（ＴＤＣ）以前となり、所定のオーバーラップ期間が形成される。
図３（Ｃ）では、排気可変バルブ機構３８により排気バルブ２３の位相が遅角方向に制御され、これにより排気バルブ２３の閉時期が上死点（ＴＤＣ）以降となり、所定のオーバーラップ期間が形成される。
図３（Ｄ）では、吸気可変バルブ機構３７により吸気バルブ２２の位相が進角方向に制御され且つ排気可変バルブ機構３８により排気バルブ２３の位相が遅角方向に制御され、これによりオーバーラップ期間がさらに増加される。
内燃機関１は、可変動弁装置３６により吸気バルブ２２の開弁時期を進角方向へ、又は排気バルブ２３の閉弁時期を遅角方向へ移動させ、吸気バルブ２２と排気バルブ２３とが開弁しているオーバーラップ期間を設けることで、燃焼室６に残留する既燃ガス、いわゆる内部ＥＧＲが発生する。内燃機関１は、この内部ＥＧＲを発生させることで、燃料消費量の低減や排気中のＮＯＸを低減している。
また、過給機２９を備えた内燃機関１においては、図２に示すように、過給域でのオーバーラップ時に、吸気ポート７の圧力が排気ポート８の圧力に比べて高いとき、この圧力差を利用して吸気ポート７側から燃焼室６を経て排気ポート８側へ新気を吹き抜けさせ、排気ガス（燃焼ガス）の掃気（スカベンジング）を行うことで、排気ガスの掃気量が増加して過給機２９のタービン３１の回転数が増加し、コンプレッサ３０の回転数が増加して吸気充填効率が増し、トルクが増大する。
このような内燃機関１では、急加速や急減速などにより燃焼状態が悪化した場合、内部ＥＧＲとは別に未然ガスが発生し、排気管１２の排気通路１１中に進入する場合があるため、未燃ガスの吹き技けの判定に誤判定を招く虞がある。

この内燃機関１の制御装置３９は、前記燃料噴射弁１７と点火コイル２１とＥＧＲ制御バルブ２８と吸気可変バルブ機構３７と排気可変バルブ機構３８とを、制御手段４０に連絡している。制御手段４０には、スロットルバルブ１４のスロットル開度を検出するスロットルセンサ４１と、吸気通路９を流れる吸気量を検出する吸気量センサ４２と、排気通路１１を流れる排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ４３、コンプレッサ３０下流側の吸気通路９の圧力を検出する圧力センサ４４と、クランク軸２の回転を検出して内燃機関１の機関回転数センサとしても機能するクランク角センサ４５と、吸気カム軸２４の回転を検出する吸気カム角センサ４６と、排気カム軸２５の回転を検出する排気カム角センサ４７と、を連絡している。
制御装置３９は、制御手段４０によって、各種センサ４１〜４７が検出する内燃機関１の運転状態を示す信号に応じて、燃料噴射弁１７の燃料噴射量と点火プラグ２０の点火時期とＥＧＲ制御バルブ２８のＥＧＲ量と吸気バルブ２２および排気バルブ２３の開閉時期と〜制御する。
前記制御装置３９は、制御手段４０に掃気量増加手段４８と掃気量演算手段４９と掃気量減少手段５０とを備えている。前記掃気量増加手段４８は、内燃機関１の運転状態が過給領域のとき、可変動弁装置３６により吸気バルブ２２と排気バルブ２３とのオーバーラップ期間を増加させる。前記掃気量演算手段４９は、少なくとも吸気管１０の吸気通路９を通過する吸気量に基づいて掃気量を演算する。この実施例において、掃気量演算手段４９は、吸気量センサ４２が検出する吸気管１０を通過する吸気量と掃気量増加手段４８による掃気量増加開始からの経過時間とに基づいて掃気量を算出する。前記掃気量減少手段５０は、掃気量演算手段４９により求められた掃気量が所定値以上である場合、可変動弁装置３６によりオーバーラップ期間を減少させる。

次に、作用を説明する
内燃機関１の制御装置３９は、図４に示すように、制御のプログラムがスタートすると（Ａ０１）、前回の掃気を停止してから停止時間タイマの計時する停止時間が閾値の所定時間を経過したか（停止時間≧所定時間）を判断する（Ａ０２）。これは、未燃ガスが発生する状態を解消するためである。掃気停止後は後燃えがなくなり、排気系の温度上昇が抑制されるため、掃気停止後に所定時間が経過してから再び掃気を実行可能とする。
この判断（Ａ０２）がＮＯの場合は、スタート（Ａ０１）にリターンする（Ａ０９）。この判断（Ａ０２）がＹＥＳの場合は、内燃機関１が過給領域であるかを判断する（Ａ０３）。過給領域であるかの判断（Ａ０３）は、例えば、圧力センサ４４が検出するコンプレッサ３０下流側の吸気管１０の圧力が所定値以上であるとき、又はスロットルセンサ４１が検出するスロットル開度、クランク角センサ４５が検出する機関回転数により開度内燃機関１の負荷が所定以上であるときに、過給領域であると判断する。
前記判断（Ａ０３）がＮＯの場合は、スタート（Ａ０１）にリターンする（Ａ０９）。前記判断（Ａ０３）がＹＥＳの場合は、アクセルペダルがＯＮであるかを判断する（Ａ０４）。内燃機関１の減速中には掃気を行う必要は無いので、アクセルペダルの状態を掃気量制御の条件の一つとしている。この判断（Ａ０４）においては、スロットルセンサ４１の検出するスロットル開度によって、アクセルペダルが踏み込まれているか（ＯＮ）を判断する。
前記判断（Ａ０４）がＮＯの場合は、スタート（Ａ０１）にリターンする（Ａ０９）。前記判断（Ａ０４）がＹＥＳの場合は、可変動弁装置３６により吸気バルブ２２と排気バルブ２３とのオーバーラップ期間を増加させ（Ａ０５）、この増加させたオーバーラップ期間の掃気開始から掃気停止までの掃気量を演算処理する（Ａ０６）。掃気量は、掃気により追い出された排気ガスの質量流量と排気ガス中の酸素濃度および掃気の経過時間に依存する。
前記増加させたオーバーラップ期間の掃気量の演算処理（Ａ０６）においては、図５に示すように、掃気開始により掃気時間タイマをスタートし（Ｂ０１）、吸気量センサ４２が検出する吸気通路９の吸気量と酸素濃度センサ４３センサが検出する排気中の酸素濃度とから、掃気質量流量［ｇ／秒］と酸素濃度［％］とを取得し（Ｂ０２）、掃気質量流量［ｇ／秒］と酸素濃度［％］と掃気時間タイマによる掃気開始から掃気停止までの経過時間［秒］とから増加した掃気量（増加させたオーバーラップ期間の総掃気量）［ｇ］を演算する（Ｂ０３）。なお、掃気質量流量は、内燃機関の運転状態に応じて所謂マップ制御により設定されても良い。具体的には、可変動弁バルブの進角量（または遅角量）により算出されるオーバーラップ量と、内燃機関の回転数と、負荷により掃気質量流量が推定できるため、これらの値を検出して掃気質量流量を設定することができる。
演算（Ｂ０３）により求められた掃気量［ｇ］が閾値の所定値以上であるか（掃気量≧所定値）を判断する（Ｂ０４）。この判断（Ｂ０４）がＮＯの場合は、掃気質量流量［ｇ／秒］と酸素濃度［％］との取得（Ｂ０２）に戻る。この判断（Ｂ０４）がＹＥＳの場合は、前記（Ａ０６）に戻る。
増加した掃気量［ｇ］が所定値以上となって、前記掃気量を演算処理（Ａ０６）が終了した後には、可変動弁装置３６により吸気バルブ２２と排気バルブ２３とのオーバーラップ期間を減少させ（Ａ０７）、停止時間タイマをスタートさせ（Ａ０８）、スタート（Ａ０１）にリターンする（Ａ０９）。

このように、内燃機関１の制御装置３９は、内燃機関１の運転状態が過給領域のとき、可変動弁装置３６により吸気バルブ２２と排気バルブ２３とのオーバーラップ期間を増加させ、吸気管１０を通過する吸気量と掃気量増加開始からの経過時間とに基づいて掃気量を算出し、求められた掃気量が所定値以上である場合、オーバーラップ期間を減少させる制御を行う。
これにより、内燃機関１の制御装置３９は、吸気バルブ２２と排気バルブ２３とのオーバーラップ期間中の掃気量が所定値以上である場合に、未燃ガスが排気管１２中に進入することを予測している。このとき、掃気量は、吸気量を元に算出されるため、内燃機関１の急加速や急減速などの運転状態の変動によらず、確実に未然ガスの進入を予測することができる。
また、内燃機関１の制御装置３９は、図６に示すように、掃気の開始（ｔ１）によって掃気量（新気吹き抜け総量）を増加していくほど、排気系において後燃えも多くなり、掃気なしの状態に比べて排気系の温度が上昇する。このため、掃気量に制限を設け、掃気量が所定値以上（掃気量≧所定値）となった場合（ｔ２）、掃気を停止させることで、排気系の保護を図ることができる。掃気量の上限値である所定値は、内燃機関の回転数−負荷のマップで持たせる。一方、掃気の停止後は、後燃えがなくなり、温度上昇が抑制されるため、掃気を停止してからの停止時間が所定時間を経過した場合、再び掃気を実行可能とする。
前記掃気量の制御手段として、吸気バルブ２２・排気バルブ２３のバルブ開閉タイミングを変更する可変動弁装置３６を用いたが、吸気バルブ２２・排気バルブ２３のバルブリフトタイミングを変更する可変動弁装置を用いることもできる。また、掃気された排気ガス中の酸素濃度の制御手段として、吸気通路９に還流される排気ガスのＥＧＲ量を調整するＥＧＲ制御バルブ２８を用いることもできる。これによって、新気を吹き抜けさせずに、不活性ガスを含んだ気体を掃気させることで、掃気ガス中の酸素濃度を低減し、排気系での後燃えを抑制することができる。

なお、上述実施例においては、掃気を実行可能な条件として掃気の停止からの停止時間が所定時間を経過したことを設定したが、図７に示すように、所定時間の経過の代わりに、掃気量をカウンタ化して表し、掃気の停止時に内燃機関１が低回転数−低負荷ほど速くカウンタが減量されるように回転数−負荷マップ等でカウンタ減量速度（傾き）を設定することで、カウンタが閾値以下で掃気を実行可能とすることも可能である。
図７においては、掃気を開始（ｔ１）してカウンタが閾値（カウンタ≧閾値）以上になると（ｔ２）、掃気を停止して回転数−負荷マップ等で設定した速度でカウンタを減量し、カウンタが閾値以下になると（ｔ３）、掃気を再び実行し、掃気を開始してカウンタが閾値以上になると（ｔ４）、掃気を停止している。
また、排気ガス中の酸素濃度については、掃気の実行時に、ＥＧＲ制御バルブ２８による排気ガス再循環の代わりに、別の不活性ガスを別途吸気系に導入することでも制御可能である。
また、上述実施例は、燃料噴射弁が吸気マニホルドに設置される所謂ポート噴射型の内燃機関により説明したが、この燃料噴射弁の噴射口が直接燃焼室に開口するように設置される所謂直接噴射型の内燃機関であっても同様の効果を奏する。

この発明は、内燃機関の確実な掃気を実施すると共に誤判定を防止できる内燃機関の制御装置を提供することかせで、直列型の内燃機関のほか、Ｖ型の内燃機関等のへ適応が可能である。

１ 内燃機関
６ 燃焼室
７ 吸気ポート
８ 排気ポート
９ 吸気通路
１０ 吸気管
１２ 排気管
２２ 吸気バルブ
３３ 排気バルブ
２４ 吸気カム軸
２５ 排気カム軸
２６ ＥＧＲ管
２８ ＥＧＲ制御バルブ
２９ 過給機
３６ 可変動弁装置
３７ 吸気可変バルブ機構
３８ 排気可変バルブ機構
３９ 制御装置
４０ 制御手段
４１ スロットルセンサ
４２ 吸気量センサ
４３ 酸素濃度センサ
４４ 圧力センサ
４５ クランク角センサ
４６ 吸気カム角センサ
４７ 排気カム角センサ
４８ 掃気量増加手段
４９ 掃気量演算手段
５０ 掃気量減少手段

Claims (2)

1. 内燃機関の吸気バルブと排気バルブとの開閉時期を変更する可変動弁装置と、前記内燃機関の吸気管の圧力を上昇させる過給機と、前記内燃機関が過給領域のとき前記可変動弁装置により前記吸気バルブと排気バルブとのオーバーラップ期間を増加させる掃気量増加手段と、少なくとも前記吸気管を通過する吸気量に基づいて掃気量を演算する掃気量演算手段と、前記掃気量演算手段により求められた掃気量が所定値以上である場合、前記可変動弁装置により前記オーバーラップ期間を減少させる掃気量減少手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記掃気量演算手段は、前記吸気管を通過する吸気量と前記掃気量増加手段による掃気量増加開始からの経過時間とに基づいて掃気量を算出す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。

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