JP2014034883A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気筒の内壁に燃料が付着することに伴う潤滑油の希釈等の不具合と、上死点後吸気弁が開弁するまでの真空引き期間中のポンピングロスの発生に伴う燃費の悪化とを同時に解消する。
【解決手段】機関温度又は吸入空気温度が所定温度より低い場合に吸気弁の開弁タイミングを上死点後に設定し、吸気弁が開弁している期間に燃料を噴射する燃料直噴式の内燃機関の制御装置が、機関温度又は吸入空気温度の少なくとも一方が高くなるにつれ上死点後吸気弁が開弁するまでの真空引き期間を短くする制御を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、可変バルブタイミング機構を備えた燃料筒内噴射方式の内燃機関に用いられる内燃機関の制御装置に関する。

従来より、冬季等の外気温が低い大気条件において、燃料が十分気化せず気筒の内壁に付着することにより以下の不具合が発生することが知られている。すなわち、気筒の内壁に付着した燃料が気筒下方のオイルパンに落下し、潤滑油が希釈されて潤滑不良が発生することがあるという不具合が知られている。

この不具合の発生を防止するための手段の一つとして、燃料噴射のタイミングまで筒内温度を高く維持するために吸気弁の開弁タイミングを上死点よりも後に設定し、吸気弁が開弁しているタイミングで燃料を噴射する制御を行うことが考えられている（例えば、特許文献１を参照）。

しかし、このような制御を行った場合、上死点後吸気弁が開弁するまでの真空引き期間が存在することになる。そのため、ポンピングロスが発生し、燃費が悪化するという別の不具合が生じる。

特開２００９−１０３１０１号公報

本発明は以上の点に着目し、気筒の内壁に燃料が付着することに伴う潤滑油の希釈等の不具合と、上死点後吸気弁が開弁するまでの真空引き期間中のポンピングロスの発生に伴う燃費の悪化とを同時に解消することを目的とする。

以上の課題を解決すべく、本発明に係る内燃機関の制御装置は、以下に述べるような制御を行う。すなわち本発明に係る内燃機関の制御装置は、機関温度又は吸入空気温度が所定温度より低い場合に吸気弁の開弁タイミングを排気上死点後に設定し、吸気弁が開弁している期間に燃料を噴射する燃料筒内噴射方式の内燃機関を制御する制御装置であって、機関温度又は吸入空気温度の少なくとも一方が高くなるにつれ排気上死点後吸気弁が開弁するまでの真空引き期間を短くする制御を行う。

このような制御を行えば、機関温度又は吸入空気温度の少なくとも一方が高くなると筒内温度が高くなるので気筒の内壁への燃料付着及びこの燃料付着による潤滑油の希釈が発生しにくくなることに基づき、潤滑油の希釈を防ぎつつ、前記真空引き期間を短くし、燃費の向上を図ることができる。

特に、前記真空引き期間中の筒内ガス温度の低下量を推定し、吸入空気温度と前記筒内ガス温度の低下量と負荷とに基づき燃料噴射タイミングにおける筒内ガス温度を推定し、機関温度に応じて筒内ガス温度が所定温度を上回るように前記真空引き期間を設定し、機関温度が高くなるにつれ前記所定温度を低く設定する制御を行えば、潤滑油の希釈を防ぎつつ、燃費を最大限向上させることができる。

本発明によれば、気筒の内壁に燃料が付着することに伴う潤滑油の希釈等の不具合と、上死点後吸気弁が開弁するまでの真空引き期間中のポンピングロスの発生に伴う燃費の悪化とを同時に解消することができる。

本発明の一実施形態における内燃機関を示す概略構成図。 同実施形態の制御装置が制御する可変バルブタイミング機構を示す概略図。 同実施形態における内燃機関の制御装置が行う制御の手順を示すフローチャート。 同実施形態における内燃機関の制御装置による制御の作用を示す概略図。

本実施形態における内燃機関は、火花点火式ガソリンエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の燃焼室の天井部には、燃料を噴射するインジェクタ１１及び点火プラグ１２を取り付けてある。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

また、図２に示すように、本実施形態における内燃機関では、クランクスプロケット７１、吸気側スプロケット７２及び排気側スプロケット７３にタイミングチェーン７４を巻き掛け、このタイミングチェーン７４により、クランクシャフトからもたらされる回転駆動力を吸気側スプロケット７２を介して吸気カムシャフト６３に、排気側スプロケット７３を介して排気カムシャフトに、それぞれ伝達している。

その上で、吸気側スプロケット７２と吸気カムシャフト６３との間に、可変バルブタイミング機構６を介設している。本実施形態における可変バルブタイミング機構６は、クランクシャフトに対する吸気カムシャフト６３の回転位相を変化させることにより吸気弁３５の開閉タイミングを変化させるものである。

可変バルブタイミング機構６のハウジング６１は、吸気側スプロケット７２に固着しており、吸気側スプロケット７２とハウジング６１とは一体となってクランクシャフトに同期して回転する。これに対し、吸気カムシャフト６３の一端部に固着したロータ６２は、ハウジング６１内に収納され、吸気側スプロケット７２及びハウジング６１に対して相対的に回動することが可能である。ハウジング６１の内部には、作動液が流出入する複数の流体室が形成され、各流体室は、ロータ６２の外周部に成形されたベーン６２１によって進角室６１１と遅角室６１２とに区画されている。

可変バルブタイミング機構６の液圧（特に、油圧）回路には、オイルパン８１内に蓄えられた作動液が液圧ポンプ８２より供給される。液圧ポンプ８２は、内燃機関からの動力で駆動される。液圧ポンプ８２と可変バルブタイミング機構６との間には、切換制御弁であるＯＣＶ（Ｏｉｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｖａｌｖｅ）９を設けている。作動液の流量及び方向をこのＯＣＶ９を介して操作することで、オイルパン８１から汲み上げた作動液を進角室６１１または遅角室６１２に選択的に供給することができる。さすれば、ハウジング６１がロータ６２に対して相対回動し、吸気弁３５の開閉タイミングを進角または遅角させることができる。

ＯＣＶ９は、いわゆる電磁式の四方向スプール弁である。図２に示すように、ＯＣＶ９は、液圧ポンプ８２の吐出口と接続する供給ポート９１、ハウジング６１の進角室６１１と接続するＡポート９２、ハウジング６１の遅角室６１２と接続するＢポート９３、並びにオイルパン８１と接続するドレインポート９４、９５を有している。ＯＣＶ９のスプールは、進退動作により内部粒体経路を切り換えて、Ａポート９２及びＢポート９３をそれぞれ供給ポート９１、ドレインポート９４、９５の何れかに連通させる。また、スプール９６が中立位置をとるときには内部流体経路が断絶し、Ａポート９２及びＢポート９３を供給ポート９１にもドレインポート９４、９５にも連通させない。図２では、スプール９６が中立位置にある状態を示している。

スプール９６はソレノイド９７によって駆動する。即ち、制御信号ｍとしてソレノイド９７に入力するパルス電流（または、電圧）のデューティ比に応じて、スプール９６の進退の距離が変化する。

制御信号ｍのデューティ比が比較的大きい場合には、液圧ポンプ８２から吐出される作動液圧がＡポート９２を通じて進角室６１１に供給される一方、既に遅角室６１２に貯留していた作動液がＢポート９３を通じてオイルパン８１に向けて流下することとなり、進角室６１１の容積が拡大、遅角室６１２の容積が縮小するようにベーン６２１及びロータ６２が回動する。結果、吸気カムシャフト６３の回転位相、換言すれば吸気カムシャフト６３のクランクシャフトに対する変位角が進角して、吸気弁３５のバルブタイミングが進角化する。

逆に、制御信号ｍのデューティ比が比較的小さい場合には、液圧ポンプ８２から吐出される作動液圧がＢポート９３を通じて遅角室６１２に供給される一方、既に進角室６１１に貯留していた作動液がＡポート９２を通じてオイルパン８１に向けて流下することとなり、遅角室６１２の容積が拡大、進角室６１１の容積が縮小するようにベーン６２１及びロータ６２が回動する。結果、吸気カムシャフト６３のクランクシャフトに対する変位角が遅角して、吸気弁３５のバルブタイミングが遅角化する。

総じて言えば、制御信号ｍのデューティ比が大きいほど吸気弁３５のバルブタイミングが進角し、デューティ比が小さいほど吸気弁３５のバルブタイミングが遅角する。

内燃機関の運転制御を司る制御装置であるＥＣＵ０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号（Ｎ信号）ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、ブレーキペダルの踏込量を検出するセンサから出力されるブレーキ踏量信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフト６３または排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号（Ｇ信号）ｇ、排気ガス温を検出する温度センサから出力される排気ガス温信号ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２に対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＯＣＶ９に対して制御信号ｍ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミングといった各種運転パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能である。しかして、ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｍを出力インタフェースを介して印加する。

ここで、本実施形態のＥＣＵ０は、始動時においてＥＣＵ０のメモリに内蔵した開弁時期制御プログラムをプロセッサが実行することにより、以下に述べるような制御を行う。すなわち、ＥＣＵ０は、冷却水温及び吸気温の少なくとも一方が所定温度を下回る場合に、吸気弁３５の開弁タイミングを遅角させて上死点後に設定する制御を行う。具体的には、吸気弁３５が排気上死点後、例えば３０〜４０°ＣＡ（クランク角）程度経過した時点で開弁するように制御する。また、吸気弁３５の開弁後さらに２０°ＣＡ経過した時点でインジェクタ１１から燃料の噴射を行う制御を行うようにしている。吸気弁３５の開弁タイミングの遅角量は、冷却水温信号ｆが示す機関の冷却水温が高くなるにつれて小さくしている。ここで、前記機関の冷却水温は、内燃機関の筒内温度を示すパラメータである。より具体的には、吸気弁３５の開弁タイミングの遅角量及びエンジン回転数をパラメータとして決定される真空引き期間から気体の状態方程式に基づき筒内ガスの温度低下量を推定し、推定した筒内ガスの温度低下量、吸気温・吸気圧信号ｅが示す吸気温及び燃料噴射量制御の際に算出された吸気量をパラメータとして筒内ガス温度を推定し、前記機関の冷却水温をパラメータとして吸気弁３５の開弁を許可するための筒内ガス温度の最低値である所定のガス温度閾値を決定し、推定された筒内ガス温度が前記ガス温度閾値を上回るように次回の真空引き期間の長さを決定する。ここで、前記吸気量は、内燃機関の負荷を示すパラメータである。さらに詳述すると、ＥＣＵ０のメモリの所定領域には、代表的な開弁タイミングの遅角量及びエンジン回転数に対応する真空引き期間及び筒内ガスの温度低下量を真空引き期間マップとして記憶しており、補間計算により真空引き期間を決定するとともに筒内ガスの温度低下量を推定する。また、代表的な筒内ガスの温度低下量、吸気温及び吸気量に対応する筒内ガス温度を筒内ガス温度マップとして記憶しており、補間計算により筒内ガス温度を推定する。そして、代表的な冷却水温に対応するガス温度閾値をガス温度閾値マップとして記憶しており、補間計算によりガス温度閾値を推定する。このガス温度閾値は、機関温度又は吸入空気温度の少なくとも一方が高くなると筒内温度が高くなるので気筒の内壁への燃料付着及びこの燃料付着による潤滑油の希釈が発生しにくくなることに基づき、冷却水温又は吸気温が上昇するにつれ低くなるように設定している。

ここで、この開弁時期制御プログラムによる制御の手順についてフローチャートである図３を参照しつつ以下に述べる。

まず、冷却水温及び吸気温を取得し（Ｓ１）、冷却水温及び吸気温の少なくとも一方が所定温度を下回るか否かを判定する（Ｓ２）。次いで、冷却水温及び吸気温の少なくとも一方が所定温度を下回る場合は、現時点の吸気弁３５の開弁タイミングの遅角量及びエンジン回転数をパラメータとして前記真空引き期間マップを参照して筒内ガスの温度低下量を推定し（Ｓ３）、推定した筒内ガスの温度低下量、吸気温及び吸気量をパラメータとして筒内ガス温度を推定し（Ｓ４）、前記機関の冷却水温をパラメータとして所定のガス温度閾値を決定し（Ｓ５）、推定された筒内ガス温度が前記ガス温度閾値を上回るように次回の真空引き期間の長さを決定する（Ｓ６）。ここで、次回の真空引き期間の長さの決定は、現時点の吸気温及び吸気量に対応する筒内ガス温度が前記ガス温度閾値となるような筒内ガスの温度低下量を前記真空引き期間マップを参照して求め、次いでこの筒内ガスの温度低下量に対応する真空引き期間の長さを真空引き期間マップを参照して求める。そして、この真空引き期間の長さ及び現時点のエンジン回転数に基づき、真空引き期間マップを参照して吸気弁３５の開弁タイミングの次回の遅角量を決定する。一方、冷却水温及び吸気温がいずれも所定温度を下回らない場合は、通常のタイミングで吸気弁３５を開弁させる制御を行う（Ｓ７）。

ここで、冷却水温及び吸気温が所定温度を下回る際に本実施形態の制御を行った場合において、排気行程及び吸気行程において筒内温度は図４の実線に示すように変化する。すなわち、排気行程の間すなわちクランク角が排気上死点に達するまでは筒内温度は徐々に下降する。その後、排気上死点を過ぎてから吸気弁３５を開弁するタイミングｔ₂までの真空引き期間は、筒内に残る排気ガスが膨張するので、筒内温度は排気行程中より速い速度で下降する。一方、冷却水温及び吸気温が所定温度を下回る際に吸気弁３５を通常のタイミングで開弁させる制御を行った場合において、排気行程及び吸気行程において筒内温度は図３の破線に示すように変化する。すなわち、排気行程において吸気弁３５が開弁するまでの間は筒内温度は徐々に下降する。その後、吸気弁３５が開弁すると、吸入空気により筒内が急速に冷却されるので、筒内温度は速い速度で下降する。ここで、吸気弁３５を通常のタイミングｔ₁で開弁させた場合の吸気弁３５が開弁した直後の温度低下は、本実施形態に係る制御を行った場合の真空引き期間中の温度低下よりも速く、上死点に達した後の温度低下速度も本実施形態に係る制御を行った場合の真空引き期間中の温度低下速度に近い。従って、本実施形態に係る制御を行うことにより、燃料噴射タイミングにおける筒内温度は吸気弁３５を通常のタイミングで開弁させる制御を行った場合よりも図３のΔＴだけ高くなる。そして、機関温度又は吸入空気温度の少なくとも一方が高くなると、前記ステップＳ３で求められる真空引き期間は短くなるが、筒内温度は高く保たれ、気筒の内壁への燃料付着及びこの燃料付着による潤滑油の希釈を発生しにくい。

以上に述べたように、本実施形態によれば、機関温度又は吸入空気温度の少なくとも一方が高くなると筒内温度が高くなるので気筒の内壁への燃料付着及びこの燃料付着による潤滑油の希釈が発生しにくくなることに基づき、潤滑油の希釈を防ぎつつ、前記真空引き期間を短くし、燃費の向上を図ることができる。

さらに、前記真空引き期間中の筒内ガス温度の低下量を推定し、吸入空気温度と前記筒内ガス温度の低下量と負荷とに基づき燃料噴射タイミングにおける筒内ガス温度を推定し、機関温度に応じて筒内ガス温度が所定温度を上回るように前記真空引き期間を設定し、機関温度が高くなるにつれ前記所定温度を低く設定する制御を行っているので、潤滑油の希釈を防ぎつつ、燃費を最大限向上させることができる。

なお、本実施形態は以上に述べた実施の形態に限らない。

例えば、上述した実施形態では冷却水温（機関温度）及び吸入空気温度の双方をパラメータとして真空引き期間を決定しているが、冷却水温（機関温度）のみをパラメータとして真空引き期間を決定してもよく、また、吸入空気温度のみをパラメータとして真空引き期間を決定してもよい。

また、上述した実施形態では吸入空気温度と真空引き期間中の筒内ガス温度の低下量と負荷とに基づき燃料噴射タイミングにおける筒内ガス温度を推定し、機関温度に応じて筒内ガス温度が所定温度を上回るように前記真空引き期間を設定した上で、機関温度が高くなるにつれ前記所定温度を低く設定しているが、例えば、前記所定温度は機関温度に係わらず一定であってもよい。

その他、本発明の趣旨を損ねない範囲で種々に変更してよい。

０…制御装置（ＥＣＵ）
６…可変バルブタイミング機構
１１…インジェクタ
ｅ…吸気温・吸気圧信号
ｆ…冷却水温信号

Claims (2)

1. 機関温度又は吸入空気温度が所定温度より低い場合に吸気弁の開弁タイミングを排気上死点後に設定し、吸気弁が開弁している期間に燃料を噴射する燃料筒内噴射方式の内燃機関を制御する制御装置であって、
   機関温度又は吸入空気温度の少なくとも一方が高くなるにつれ排気上死点後吸気弁が開弁するまでの真空引き期間を短くする制御を行うことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記真空引き期間中の筒内ガス温度の低下量を推定し、
   吸入空気温度と前記筒内ガス温度の低下量と負荷とに基づき燃料噴射タイミングにおける筒内ガス温度を推定し、
   機関温度に応じて筒内ガス温度が所定温度を上回るように前記真空引き期間を設定し、
   機関温度が高くなるにつれ前記所定温度を低く設定している請求項１記載の内燃機関の制御装置。

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