JP2013227881A

JP2013227881A - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2013227881A
Application number: JP2012098779A
Authority: JP
Inventors: Kotaro Suzuki; 宏太朗鈴木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-04-24
Filing date: 2012-04-24
Publication date: 2013-11-07
Anticipated expiration: 2032-04-24
Also published as: JP5772702B2

Abstract

【課題】排気還流動作と排気弁の作用角可変動作とを同時期に行うことのある内燃機関において、ノッキングの発生を有効に抑制することのできる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】内燃機関１０の排気弁３４の作用角を少なくとも２段階に切替可能な作用角可変機構３８と、内燃機関１０の筒内から排気された既燃ガスの一部を筒内へ還流させる排気還流装置と、内燃機関１０の点火時期を変更可能な点火装置と、作用角可変機構３８および点火装置を動作させて、排気弁３４の作用角を所定の大作用角から所定の小作用角に切り替えるとともに、点火時期を小作用角に対応した進角側の点火時期へ変更する制御手段と、を備え、制御手段は、排気還流装置による排気還流動作を実行している期間には、作用角可変機構による切替動作の後、所定期間を経過してから点火装置による点火時期の変更動作を行う。
【選択図】図５

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、排気弁の作用角を変更可能な内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特開２００９−１５０３２０号公報に開示されるように、作用角の異なる複数のカムを切り替え可能な可変動弁システムと、排気系を通過する排気の一部を吸気系に再循環する外部ＥＧＲと、を備えるシステムが知られている。このシステムでは、通常の作用角を有する第１カムが用いられ外部ＥＧＲが併用される第１モードと、より小さい作用角の第２カムが用いられ内部ＥＧＲが併用される第２モードの２種類のモードを切り替え可能に構成されている。そして、内燃機関の温度に応じてこれらのモードを切り替えることにより、燃費の向上を図ることとしている。

特開２００９−１５０３２０号公報

ところで、排気弁の作用角を可変させるためのカムが、より小さい作用角のカムに切り替えられると、点火時期は、小作用角に対応したより進角側の適合値へと可変される。ここで、排気還流（ＥＧＲ）動作の実行中に排気弁の作用角が小さくされると、切り替え直後の数サイクルは、大作用角時の高温の排気がＥＧＲガスとして還流されることとなる。この場合、筒内の吸気温度が小作用角の想定よりも上昇してしまい、より進角側の点火時期との組み合わせによってノッキングが発生するおそれがある。

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、排気還流動作と排気弁の作用角可変動作とを同時期に行うことのある内燃機関において、ノッキングの発生を有効に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、
内燃機関の排気弁の作用角を少なくとも２段階に切替可能な作用角可変機構と、
前記内燃機関の筒内から排気された既燃ガスの一部を前記筒内へ還流させる排気還流装置と、
前記内燃機関の点火時期を変更可能な点火装置と、
前記作用角可変機構および前記点火装置を動作させて、前記排気弁の作用角を所定の大作用角から所定の小作用角に切り替えるとともに、前記点火時期を前記小作用角に対応した進角側の点火時期へ変更する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記排気還流装置による排気還流動作を実行している期間には、前記作用角可変機構による切替動作の後、所定期間を経過してから前記点火装置による点火時期の変更動作を行うことを特徴としている。

第２の発明は、第１の発明において、
前記所定期間は、前記小作用角への切替後の既燃ガスが前記排気還流装置により前記筒内へ還流されるまでの期間であることを特徴としている。

第１の発明によれば、作用角可変機構および点火装置を動作させて、排気弁の作用角を所定の大作用角から所定の小作用角に切り替えるとともに、点火時期を小作用角に対応した進角側の点火時期へ変更する制御において、排気還流装置による排気還流動作を実行している期間に当該制御が実行される場合には、作用角可変機構による切替動作の後、所定期間を経過してから点火装置による点火時期の変更動作が行われる。排気還流動作の実行中に排気弁の作用角が小作用角へ切り替えられると、その切り替え後の数サイクルは切り替え前に筒内から排気された高温の既燃ガスが筒内へ還流されることとなる。本発明によれば、作用角可変機構による切替動作の後、所定期間を経過してから点火時期が進角側に変更されるので、筒内の吸気温度が想定よりも高温である状態で点火時期が進角されてノッキングが発生する事態を有効に抑制することができる。

第２の発明によれば、小作用角への切り替え後に筒内から排気された既燃ガスが排気還流装置により筒内へ還流される期間が経過した後に、点火時期の変更動作が行われる。このため、本発明によれば、筒内の吸気温度が想定よりも高温の状態で点火時期が進角側に変更されることを回避することができるので、ノッキングの発生を有効に抑制することができる。

本発明の実施の形態のシステムの構成を説明するための図である。排気カム毎の排気弁のリフト量および作用角を示す図である。内燃機関の運転領域と作用角との関係を示す図である。クランク角に対する筒内温度を示す図である。ＥＧＲ導入領域における作用角可変機構の動作および点火時期の可変動作のタイミングを示すタイミングチャートである。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。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。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
［実施の形態の構成］
図１は、本発明の実施の形態のシステムの構成を説明するための図である。図１に示すシステムは、車両に搭載された内燃機関１０を備えている。本実施形態の内燃機関１０は、直列４気筒型であるものとする。図１には、そのうちの一つの気筒の断面が示されている。内燃機関１０の各気筒内には、ピストン１２が設けられている。各気筒内には、吸気通路１４および排気通路１６が連通している。

吸気通路１４の途中には、電子制御式のスロットル弁１８と、サージタンク２０とが設けられている。サージタンク２０は、スロットル弁１８の下流側に配置されている。また、スロットル弁１８の上流側には、吸入空気量を検出するエアフローメータ２２が設置されている。排気通路１６には、排気ガスを浄化する排気浄化触媒２６が配置されている。

内燃機関１０の各気筒には、吸気ポート内に燃料を噴射する燃料インジェクタ２８と、燃焼室内の混合気に点火するための点火プラグ３０と、吸気弁３２と、排気弁３４とが設けられている。また、内燃機関１０のクランク軸２４の近傍には、クランク軸２４の回転角度（クランク角）を検出するためのクランク角センサ３６が設けられている。また、アクセルペダルの近傍には、アクセルペダル位置を検出するアクセルポジションセンサ４４が設置されている。

また、内燃機関１０は、排気通路１６内の排気ガスの一部を吸気通路１４に還流させる、いわゆるＥＧＲを実行するためのＥＧＲ装置４０を備えている。ＥＧＲ装置４０は、一端が排気通路１６に接続され、他端がサージタンク２０の下流側の吸気通路１４に接続されたＥＧＲ通路４６と、該ＥＧＲ通路４６の途中に設けられ、このＥＧＲ通路４６を開閉することによって排気還流量を制御するためのＥＧＲバルブ４８と、により構成されている。

排気弁３４には、当該排気弁３４の開弁特性である開弁期間（作用角）の変更を行う作用角可変機構３８が設けられている。尚、本実施の形態における作用角可変機構３８は、２つの排気カムを切り替えることにより、排気弁３４のリフト量と共に作用角を２段階に変更する機構である。以下、本実施の形態では、作用角可変機構３８として、排気弁３４のリフト量と共にバルブ作用角を２段階に変更する機構を中心に説明するが、本発明に適用可能な作用角可変機構３８としては、作用角を少なくとも２段階に変更できればその機構は特に限定しない。すなわち、作用角可変機構３８としては、例えば、３つ以上の排気カムを備えることでバルブ作用角を３段階以上に変更できる機構を適用してもよいし、また、制御軸を回転させることで作用角を連続的に変更できる機構を適用してもよい。

本実施の形態の内燃機関システムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０を備えている。ＥＣＵ５０の入力側には、上述した各種センサ類が接続されている。また、ＥＣＵ５０の出力側には、上述したＥＧＲバルブ４８、点火プラグ３０、作用角可変機構３８等の各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ５０は、それらのセンサ出力に基づいて、内燃機関１０の運転状態を制御することができる。

［実施の形態の動作］
上述したとおり、本実施の形態のシステムは、２つの排気カムを切り替えることにより、排気弁３４の作用角を２段階に切り替え可能な作用角可変機構３８を備えている。図２は、排気カム毎の排気弁のリフト量および作用角を示す図である。この図に示すとおり、本実施の形態のシステムの排気カムは、排気弁３４のリフト量及び作用角が小さい小作用角に対応した排気カムと、排気弁３４のリフト量及びバルブ作用角が大きい大作用角に対応した排気カムと、を有している。小作用角用の排気カムは、大作用角用の排気カムよりも排気開き時期ＥＶＯが遅角化されるように、そのプロファイルが規定されている。

作用角可変機構３８は、内燃機関１０の運転状態に応じて制御される。図３は、内燃機関の運転領域と作用角との関係を示す図である。この図に示すとおり、内燃機関１０の運転領域は、小作用角が使用される低回転低負荷側の領域と大作用が使用される高回転高負荷側の領域とに分けられている。そこで、先ず、エアフローメータ２２、クランク角センサ３６およびアクセルポジションセンサ４４等を用いてエンジン回転数およびエンジン負荷を算出し、これらの値から特定される運転状態が大作用角の領域から小作用角の領域へ移行した場合（例えば、減速時）に、作用角可変機構３８による切り替え動作が行われる。

また、本実施の形態のシステムでは、作用角可変機構３８によって排気弁３４の作用角が切り替えられた場合に、これに伴って点火プラグ３０による点火時期も大作用角に対応した適合値から小作用角に対応した適合値へと可変される。具体的には、排気弁３４の作用角が大作用角から小作用角へと切り替えられた場合には、小作用角に対応する最適点火時期として、大作用角に対応する点火時期よりも進角側の適合値に可変される。

更に、本実施の形態のシステムでは、燃費の向上を目的とした排気還流動作が行われる。具体的には、内燃機関１０の運転状態が図３に示すＥＧＲ導入領域に属する場合に、ＥＧＲバルブ４８が開弁される。これにより、筒内から排気通路１６へ排気された既燃ガスが、ＥＧＲ通路４６を介して吸気通路１４に還流される。還流された既燃ガス（ＥＧＲガス）は、新気とともに内燃機関１０の筒内に吸入されて燃焼に供される。

ここで、排気弁３４の作用角が大作用角から小作用角へ切り替えられると、筒内から排気される既燃ガスの温度も変化する。図４は、クランク角に対する筒内温度を示す図である。上述したとおり、排気弁３４の作用角が大作用角から小作用角へ切り替えられると、排気開き時期ＥＶＯが遅角化される。このため、この図に示すとおり、排気弁３４の作用角が大作用角のときに排気される既燃ガスは、小作用角のときに排気されるそれよりもその温度が高いものとなる。したがって、ＥＧＲ導入領域において排気弁３４の作用角が大作用角から小作用角へ切り替えられた場合には、切り替え後の数サイクルにおいて、大作用角時に筒内から排気された高温の既燃ガスが筒内へ還流されてしまう。この場合、筒内の吸気温度が小作用角時の想定よりも上昇してしまい、小作用角時の点火時期の適合値との組み合わせによってノッキングが発生するおそれがある。

そこで、本実施の形態のシステムでは、ＥＧＲ導入領域において排気弁３４の作用角が大作用角から小作用角へ切り替えられた場合に、点火時期の可変時期を遅らすこととする。図５は、ＥＧＲ導入領域における作用角可変機構の動作および点火時期の可変動作のタイミングを示すタイミングチャートである。この図に示すとおり、排気弁３４の作用角が大作用角から小作用角へ切り替えられた場合に、切り替え後の所定期間は大作用角に対応した点火時期の適合値のまま点火時期を保持することとし、所定期間の経過後に小作用角に対応した点火時期の適合値に変化させることとする。これにより、切り替え直後におけるノッキングの発生を有効に抑止することが可能となる。

尚、作用角の切り替え後において点火時期を保持する期間は、小作用角時に筒内から排気された既燃ガスがＥＧＲガスとして筒内に還流されるまでの期間に設定することが好ましい。これにより、筒内の吸気温度が想定よりも高温の状態で点火時期が進角側に変更されることを回避することができるので、ノッキングの発生を有効に抑制することができる。

ところで、本実施の形態では、ＥＧＲ導入領域において排気弁３４の作用角を大作用角から小作用角へ切り替える場合に、点火時期の可変動作を所定期間遅らすこととしているが、上記制御を行う領域をノッキングが発生し易い領域に限定することとしてもよい。これにより、不要な制御が行われる事態を有効に回避することが可能となる。

また、本実施の形態では、小作用角の排気開き時期ＥＶＯが大作用のそれよりも遅角化されるように構成された作用角可変機構３８を用いることとしているが、小作用角の排気閉じ時期ＥＶＣが大作用のそれよりも進角化されるように構成された作用角可変機構を用いることとしてもよい。

１０内燃機関
１２ピストン
１４吸気通路
１６排気通路
１８スロットル弁
２０サージタンク
２２エアフローメータ
２４クランク軸
２６排気浄化触媒
２８燃料インジェクタ
３０点火プラグ
３２吸気弁
３４排気弁
３６クランク角センサ
３８作用角可変機構
４０ＥＧＲ装置
４４アクセルポジションセンサ
４６ＥＧＲ通路
４８ＥＧＲバルブ
５０ＥＣＵ（Electronic Control Unit）

Claims

内燃機関の排気弁の作用角を少なくとも２段階に切替可能な作用角可変機構と、
前記内燃機関の筒内から排気された既燃ガスの一部を前記筒内へ還流させる排気還流装置と、
前記内燃機関の点火時期を変更可能な点火装置と、
前記作用角可変機構および前記点火装置を動作させて、前記排気弁の作用角を所定の大作用角から所定の小作用角に切り替えるとともに、前記点火時期を前記小作用角に対応した進角側の点火時期へ変更する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記排気還流装置による排気還流動作を実行している期間には、前記作用角可変機構による切替動作の後、所定期間を経過してから前記点火装置による点火時期の変更動作を行うことを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記所定期間は、前記小作用角への切替後に前記筒内から排気された既燃ガスの一部が前記排気還流装置により前記筒内へ還流されるまでの期間であ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。