JP2014040806A

JP2014040806A - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2014040806A
Application number: JP2012183751A
Authority: JP
Inventors: Yuta Sekine; 雄太關根
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2012-08-23
Filing date: 2012-08-23
Publication date: 2014-03-06
Anticipated expiration: 2032-08-23
Also published as: JP6041574B2

Abstract

【課題】吸気弁の閉弁タイミングを吸気下死点後に設定可能な内燃機関において、混合気が吸気ポートに吹き返されることに伴う不具合を解消する。
【解決手段】吸気弁の閉弁タイミングを吸気下死点後に設定可能な内燃機関を制御する制御装置であるＥＣＵが、吸気下死点後に混合気が吸気ポートに吹き戻されるときに吸気ポートに付着する付着燃料量Ｆａを求め、吸気ポートから吸入空気が流入するときに気筒内に入る流入燃料量Ｆｉを求め、前記付着燃料量Ｆａ及び前記流入燃料量Ｆｉに基づき燃料噴射量を補正する
【選択図】図３

Description

本発明は、吸気弁の閉弁タイミングを吸気下死点後に設定可能な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、吸気弁の開閉弁タイミングを変更するための可変バルブタイミング機構を設け、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）。

ところで、このような内燃機関において、上述したように吸気弁の開弁タイミングを遅角させると、多くの可変バルブタイミング機構では開弁タイミングの遅角量と同程度閉弁タイミングも遅角することとなる。このことから、吸気弁の閉弁タイミングも吸気下死点後となる。そのため、混合気の一部が吸気ポートに吹き返される。このことに伴い、特に機関温度が低い場合において、以下に述べるような不具合が発生する。すなわち、吹き返された混合気に含まれる燃料が吸気ポートに付着し、空燃比が意図したものよりリーン側となる不具合が生じる。

以上に述べた不具合は、可変バルブタイミング機構により吸気弁の開弁タイミング及び閉弁タイミングを同時に遅角する内燃機関に限らず、吸気弁の閉弁タイミングのみを吸気下死点後まで遅角させるミラーサイクルと呼ばれる制御を利用した高膨張率エンジン等、吸気弁の閉弁タイミングを吸気下死点後に設定可能な内燃機関全般において発生しうる。

特開２００９−１０３１０１号公報

本発明は以上の点に着目し、吸気弁の閉弁タイミングを吸気下死点後に設定可能な内燃機関において、混合気が吸気ポートに吹き返されることに伴う不具合を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、吸気弁の閉弁タイミングを吸気下死点後に設定可能な内燃機関を制御するものであって、吸気下死点後に混合気が吸気ポートに吹き戻されるときに吸気ポートに付着する付着燃料量を求め、吸気ポートから吸入空気が流入するときに気筒内に入る流入燃料量を求め、前記付着燃料量及び前記流入燃料量に基づき燃料噴射量を補正する。

このようなものであれば、混合気が吸気ポートに吹き戻されるときに吸気ポートに付着する付着燃料量及び混合気が吸気ポートに吹き戻され次回の吸気弁の開弁まで気化したまま吸気ポート内に残留するポート残留燃料量を求め、吸気ポートから吸入空気が流入するときに気筒内に入る流入燃料量、すなわち前記ポート残留燃料量と吸気ポートに付着した状態から放出される放出燃料量との和を求め、これら付着燃料量、ポート残留燃料量及び流入燃料量に基づき燃料噴射量を補正することにより、吸気弁の閉弁タイミングを吸気下死点後に設定可能な内燃機関においても燃焼室内の空燃比が理論空燃比となるように燃料噴射量を設定できる。

本発明によれば、吸気弁の閉弁タイミングを吸気下死点後に設定可能な燃料筒内噴射方式の内燃機関において、混合気が吸気ポートに吹き返されることに伴う不具合を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。

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（ＯｉｌＣｏｎｔｒｏｌＶａｌｖｅ）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。

また、ＥＣＵ０は、始動時において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排気上死点後に設定する制御を行う。具体的には、吸気弁３５が排気上死点後の、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。すなわち、吸気弁３５の開弁タイミングを排気上死点後のある目標値ｔ₁に設定する。換言すれば、吸気弁３５の開弁タイミングを排気上死点後３０〜４０°ＣＡ程度の目標値に設定する。この目標値は、吸気弁３５の開弁タイミングの現時点の遅角量、クランク角信号（Ｎ信号）ｂが示すエンジン回転数、吸気温・吸気圧信号ｅが示す吸気温、吸気量及び冷却水温信号ｆが示す冷却水温をパラメータとして決定され、吸気温又は冷却水温が高くなるにつれ遅角量が少なくなるように設定している。ＣＵ０は、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。

ここで、本実施形態のＶＶＴ６は前述したような構成を有することから、吸気弁３５の開弁タイミングを遅角させた場合、吸気弁３５の閉弁タイミングも同じ量だけ遅角する。すなわち、吸気弁３５の閉弁タイミングは吸気下死点より後に設定される。このように吸気弁３５の開弁タイミングを遅角させた場合において、ＥＣＵ０は、メモリに内蔵した燃料噴射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、吸気下死点後に混合気が吸気ポートに吹き戻されるときに吸気ポートに吹き戻される流出燃料量Ｆｏを求め、吸気ポートから吸入空気が流入するときに気筒内に入る流入燃料量Ｆｉを求め、前記流出燃料量Ｆｏ及び前記流入燃料量Ｆｉに基づき燃料噴射量を補正する制御を行う。

ここで、前記流出燃料量Ｆｏは、以下のようにして求める。すなわち、クランク角信号（Ｎ信号）ｂが示すエンジン回転数、吸気温・吸気圧信号ｅが示す吸気管圧力及び吸気弁３５の開弁タイミングの遅角量をパラメータとして吹き戻し混合気量Ａを求め、吸気温・吸気圧信号ｅが示す吸入空気量及び燃料噴射量をパラメータとして基本となる混合気の燃料濃度Ｃｂを求め、燃料噴射タイミングでの筒内ガス温度及び燃料噴射タイミングをパラメータとして前記混合気の燃料濃度を補正して吹き戻し混合気の燃料成分濃度Ｃを求め、これら吹き戻し混合気量と吹き戻し混合気の燃料成分濃度の積として流出燃料量Ｆｏを求める。さらに具体的には、メモリの所定領域には、代表的なエンジン回転数、吸気管圧力及び前記遅角量に対応する吹き戻し混合気量ＡをＣＡＥ解析等を利用した実験により求めたものを吹き戻し混合気量マップとして記憶しており、エンジン回転数、吸気管圧力及び吸気弁３５の開弁タイミングの遅角量をパラメータとしてこの吹き戻し混合気量マップを参照し補間計算により吹き戻し混合気量を求める。また、メモリの他の所定領域には、代表的な燃料噴射タイミングでの筒内ガス温度及び燃料噴射タイミングに対応する燃料成分濃度の補正係数を燃料濃度補正マップとして記憶しており、燃料噴射タイミングでの筒内ガス温度及び燃料噴射タイミングをパラメータとしてこの燃料濃度補正マップを参照し補間計算により燃料成分濃度補正係数Ｋｃを求める。燃料噴射タイミングでの筒内ガス温度が高くなるにつれ筒内で霧化する燃料の割合が高くなるので、前記燃料成分濃度補正係数Ｋｃも燃料噴射タイミングでの筒内ガス温度が高くなるにつれ大きな値に設定している。また、燃料噴射タイミングが早くなるすなわち進角側になるにつれ筒内で霧化する燃料の割合が高くなるので、前記燃料成分濃度補正係数Ｋｃも燃料噴射タイミングが早くなるにつれ大きな値に設定している。ここで、燃料噴射タイミングでの筒内ガス温度は、吸気温・吸気圧信号ｅが示す吸入空気温度、吸入空気圧、アクセル開度信号ｃが示す要求負荷及び冷却水温信号ｆが示す機関温度をパラメータとしてメモリの所定領域に記憶した筒内ガス温度マップを参照することにより求めるようにしている。

一方、前記流入燃料量Ｆｉは、以下のようにして求める。まず、前記吹き戻し混合気量Ａ及び吹き戻し混合気の燃料成分濃度Ｃの積に比例する量である基本ポート付着量Ｆａ０を求め、機関温度、前記筒内ガス温度、吸気管圧力及び回転数をパラメータとして付着量補正係数Ｋｆを決定して吸気ポートに付着した付着燃料量Ｆａを求める。次いで、従来の内燃機関の制御に用いられる方法と同様の方法で吸気ポートに付着した状態から放出される放出燃料量Ｆｒを吸入空気量、吸入空気温度、吸気管圧力及び機関温度をパラメータとして求め、吸気ポート内に気化した状態で残留している燃料の量であるポート残留燃料量Ｆｓを前記流出燃料量Ｆｏから前記付着燃料量Ｆａを減算したものとして求め、これら放出燃料量Ｆｒとポート残留燃料量Ｆｓとの和を流入燃料量Ｆｉとして求める。なお、付着量補正係数Ｋｆは、メモリの所定領域に記憶した付着量補正係数マップを参照し補間計算を行うことにより求める。この付着量補正係数マップは、代表的な機関温度、前記筒内ガス温度、吸気管圧力及び回転数に対応する付着量補正係数Ｋｆを実験的に求めたものを記憶したものである。ここで、機関温度及び筒内ガス温度が高くなるにつれ燃料が吸気ポート内で気化した状態が維持される比率が高くなるので、機関温度及び筒内ガス温度が高くなるにつれ付着量補正係数Ｋｆは小さな値となる。また、吸気管圧力が低くなるにつれ燃料が吸気ポート内で気化した状態が維持される比率が高くなるので、吸気管圧力が低くなるにつれ付着量補正係数Ｋｆは小さな値となる。そして、回転数が低くなるにつれ吸気弁の閉弁から次回の吸気弁の開弁までの時間が長く吸気ポート内に混合気が滞在する時間が長くなり燃料が付着する量が多くなることから、回転数が低くなるにつれ付着量補正係数Ｋｆは大きな値となる。

この燃料噴射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、吹き戻し混合気量Ａを求め（Ｓ１）、次いで、吹き戻し混合気の燃料成分濃度Ｃを求める（Ｓ２）。ここで、吹き戻し混合気量Ａは、上述したように、エンジン回転数、吸気管圧力及び吸気弁３５の開弁タイミングの遅角量をパラメータとして求める。一方、吹き戻し混合気の燃料成分濃度Ｃは、吸入空気量、要求燃料噴射量、機関温度、燃料噴射タイミングでの筒内ガス温度及び燃料噴射タイミングをパラメータとして上述したような方法で求める。これら吹き戻し混合気量Ａ及び前記燃料成分濃度の積として前記流出燃料量Ｆｏを求める（Ｓ３）。それから、吹き戻した混合気中のポートに付着する燃料の量すなわち付着燃料量Ｆａを求める（Ｓ４）。さらに、吸入空気量、吸入空気の流速、吸入空気温度、吸気管負圧及び機関温度をパラメータとして放出燃料量Ｆｒを求め（Ｓ５）、次いでポート残留燃料量Ｆｓを求め（Ｓ６）、それから前記放出燃料量Ｆｒとポート残留燃料量Ｆｓとの和である流入燃料量Ｔｉを求める（Ｓ７）。その後、要求燃料噴射量Ｆ０と前記流入燃料量Ｆｉとの合計から前記流出燃料量Ｆｏを減算した量である実効燃料噴射量Ｆ１を算出し（Ｓ８）、この実効燃料噴射量Ｆ１の要求燃料噴射量Ｆ０に対する比率である燃料噴射量補正係数Ｋｊを求める（Ｓ９）。そして、要求燃料噴射量Ｆ０に前記燃料噴射量補正係数Ｋｊの逆数を乗算した補正後燃料噴射量Ｆの燃料を噴射させる制御を行う（Ｓ１０）。

すなわち、本実施形態によれば、吸気弁の閉弁タイミングを吸気下死点後に設定した場合において、前記付着燃料量Ｆａ及び前記ポート残留燃料量Ｆｓを求め、吸気ポートから吸入空気が流入するときに気筒内に入る流入燃料量Ｆｉ、すなわち前記ポート残留燃料量Ｆｓと前記放出燃料量Ｆｒとの和を求め、これら付着燃料量Ｆｉ、ポート残留燃料量Ｆｓ及び流入燃料量Ｆｉに基づき燃料噴射量を補正することにより、吸気弁の閉弁タイミングを吸気下死点後に設定可能な内燃機関においても燃焼室内の空燃比が理論空燃比となるように燃料噴射量を設定できる。換言すれば、混合気が吸気ポートに吹き返されることに伴う不具合を解消することができる。

なお、本発明は以上に述べた実施形態に限らない。

例えば、上述した実施形態では、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するとともに吸気弁の閉弁タイミングを吸気下死点後に設定可能な内燃機関に本発明を適用しているが、吸気弁の閉弁タイミングのみを吸気下死点後まで遅角させるミラーサイクルと呼ばれる制御を利用した高膨張率エンジンに本発明を適用してもよい。

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…ＥＣＵ
１１…インジェクタ
３５…吸気弁

Claims

吸気弁の閉弁タイミングを吸気下死点後に設定可能な内燃機関を制御するものであって、
吸気下死点後に混合気が吸気ポートに吹き戻されるときに吸気ポートに付着する付着燃料量を求め、
吸気ポートから吸入空気が流入するときに気筒内に入る流入燃料量を求め、
前記付着燃料量及び前記流入燃料量に基づき燃料噴射量を補正することを特徴とする内燃機関の制御装置。