JP2014218962A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、圧縮行程時において、燃焼室内の空気が吸気弁よりも上流側へ押し戻されず、アトキンソンサイクルにて内燃機関を運転することを目的としている。【解決手段】このため、内燃機関の制御装置において、負荷状態検出手段と行程判別手段と空気量制御手段とを備え、高負荷状態であると検出された場合には、行程判別手段により次の行程が圧縮行程である気筒を特定し、次の工程が圧縮行程であると特定された気筒の吸気弁より上流側流路を空気量制御手段により閉鎖する。また、内燃機関の制御装置において、負荷状態検出手段と回転数検出手段と行程判別手段と空気量制御手段とを備え、高負荷状態であると検出され、かつ内燃機関の回転数が設定値以上であると検出された場合には、行程判別手段により次の行程が圧縮行程である気筒を特定し、次の工程が圧縮行程であると特定された気筒の吸気弁より上流側流路を空気量制御手段により閉鎖する。【選択図】図１

Description

この発明は内燃機関の制御装置に係り、特にバルブタイミング閉鎖時期（「ＩＶＣ」ともいう。）を遅らせるＩＶＣ遅閉じ機構（一般に、「アトキンソンサイクル」もしくは「遅閉じミラーサイクル」という。）を備え、高負荷における吸気吹き戻りによる空気量低下を抑制することでトルク向上の可能な内燃機関の制御装置に関するものである。

内燃機関の低燃費化のためには、吸気のバルブタイミング閉鎖時期であるＩＶＣを遅角してポンピングロスを低減したり、あるいは、高圧縮比化された内燃機関の高負荷異常燃焼を制御にも対応できるシステムとしてアトキンソンサイクルを使用していた。

参考までに記載すると、一般に、内燃機関のピストンは気筒（「シリンダボア」ともいう。）内を上下動し、当該気筒内での挙動は吸入・圧縮・燃焼・膨張・排気といった一連のサイクルで表現される。
従来から知られている燃焼サイクルとしては、オットーサイクルと称されるものが挙げられる。
このオットーサイクルにおいては、シリンダボア内の容積（ｖ）とシリンダボア内の圧力（ｐ）との関係は、ｐ−ｖ線図として表すことができる（下記の特許文献１の図７参照。）。
なお、このオットーサイクルは、膨張比と圧縮比とがほぼ等しい関係にある点に特徴を有している。

特開平９−１６６０３０号公報 特開２００２−２１３２４４号公報

ところで、上述したオットーサイクルにおいては、熱効率を上昇させようとする場合に、圧縮比（≒膨張比）を高めることが考えられるが、単に圧縮比を高めるだけでは、ノッキングという問題が起こってしまうという不都合がある。
このため、単に圧縮比を高めるにも限界があった。

また、上記のような欠点を有するオットーサイクルに対して、例えば、ＳＡＥ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒ Ｓｅｒｉｅｓ Ｎｏ．９１０４５１等においては、アトキンソンサイクルと称される技術（場合によっては、「ミラーサイクル」とも称される。）が開示されている。
このアトキンソンサイクルにおいては、膨張比を大きくとった上で吸気弁の閉鎖タイミングを変えることにより、実圧縮比を下げるようにしている。
通常は、吸気弁の閉鎖タイミングを吸気下死点よりも遅くすることで、実圧縮比が下げられる（勿論、早閉じの場合でも実圧縮比は下げられる）。
当該遅閉じタイプのアトキンソンサイクルにおいては、シリンダボア内の容積（ｖ）とシリンダボア内の圧力（ｐ）との関係は、ｐ−ｖ線図として表すことができる（上記の特許文献１の図８参照。）。

しかし、上記した従来技術のアトキンソンサイクルにおいては、実圧縮比（諸元上の機械圧縮比ではなく、吸気のバルブタイミング閉鎖時期であるＩＶＣを考慮した実際の圧縮比）を制御することができるものの、アトキンソンサイクルは圧縮行程の中〜後半にＩＶＣがくるため、燃焼室内に一旦吸入された空気が吸気弁よりも上流側へ押し戻されてしまい、排気量当たりのスロットル全開（「ＷＯＴ」、「Ｗｉｄｅ−Ｏｐｅｎ Ｔｈｒｏｔｔｌｅ」ともいう。）トルクが低下するという不都合がある。

この発明は、圧縮行程時において、燃焼室内に一旦吸入された空気が吸気弁よりも上流側へ押し戻されることがなく、アトキンソンサイクルにて内燃機関を運転することを目的とする。

そこで、この発明は、上述不都合を除去するために、アトキンソンサイクルを利用した複数の気筒を有する内燃機関の制御装置において、前記内燃機関の負荷状態を検出する負荷状態検出手段と、前記サイクルの行程を判別する行程判別手段と、前記内燃機関の運転状態に応じて、吸気弁より上流側流路を開閉して気筒に流入する空気量を制御する空気量制御手段とを備え、前記負荷状態検出手段により前記内燃機関の負荷状態が高負荷状態であると検出された場合には、前記行程判別手段により次の行程が圧縮行程である気筒を特定し、前記次の工程が圧縮行程であると特定された気筒の吸気弁より上流側流路を、前記空気量制御手段により閉鎖することを特徴とする。
また、アトキンソンサイクルを利用した複数の気筒を有する内燃機関の制御装置において、前記内燃機関の負荷状態を検出する負荷状態検出手段と、前記内燃機関の回転数を検出する回転数検出手段と、前記サイクルの行程を判別する行程判別手段と、前記内燃機関の運転状態に応じて、吸気弁より上流側流路を開閉して気筒に流入する空気量を制御する空気量制御手段とを備え、前記負荷状態検出手段により前記内燃機関の負荷状態が高負荷状態であると検出され、かつ前記回転数検出手段により前記内燃機関の回転数が設定値以上であると検出された場合には、前記行程判別手段により次の行程が圧縮行程である気筒を特定し、前記次の工程が圧縮行程であると特定された気筒の吸気弁より上流側流路を、前記空気量制御手段により閉鎖することを特徴とする。

この発明によれば、高負荷運転時には圧縮行程にある気筒の吸気上流側が空気量制御手段により閉鎖されるので、燃焼室内に一旦吸入された空気が吸気弁よりも上流側へ押し戻されることがない。
これにより、高負荷運転時においても、アトキンソンサイクルにて内燃機関を運転することができる。
また、高負荷高回転運転時には圧縮行程にある気筒の吸気上流側が空気量制御手段により空気量制御手段閉鎖されるので、燃焼室内に一旦吸入された空気が吸気弁よりも上流側へ押し戻されることがない。
これにより、高負荷高回転運転時においても、アトキンソンサイクルにて内燃機関を運転することができる。

図１は内燃機関の制御装置の制御用フローチャートである。（実施例１） 図２は内燃機関の制御装置の構成図である。（実施例１） 図３は内燃機関の制御装置のブロック図である。（実施例１） 図４は内燃機関の制御装置の制御用タイムチャートである。（実施例１） 図５は内燃機関の制御装置の制御用フローチャートである。（実施例２） 図６は内燃機関の制御装置の構成図である。（実施例２） 図７は内燃機関の制御装置のブロック図である。（実施例２）

以下図面に基づいてこの発明の実施例を詳細に説明する。

図１〜図４はこの発明の実施例を示すものである。
図２及び図３において、１は内燃機関、２は内燃機関１の制御装置である。
この内燃機関１は、図２に示す如く、吸気側に吸気マニホルド３を配設するとともに、排気側には排気マニホルド４を配設している。
そして、前記吸気マニホルド３よりも上流側の吸気系に上流側からエアクリーナ５とスロットルバルブ６とを配設し、これらのエアクリーナ５とスロットルバルブ６間の吸気系にエアマスフローセンサ７や吸気温センサ８を配設している。
また、前記吸気マニホルド３の分岐管９部分には空気量制御手段１０を配設する。
この空気量制御手段１０は、ＴＣＶ（タンブル・コントロール・バルブ）やＳＣＶ（スワール・コントロール・バルブ）などのガス流動制御弁からなり、前記内燃機関１の運転状態に応じて、図示しない吸気弁より上流側流路である前記分岐管９の図示しない通路を開閉して気筒に流入する空気量を制御している。
前記内燃機関１には、図示しないクランク軸の角度を検出するクランク角センサ１１や、図示しないカム軸の角度を検出するカム角センサ１２、冷却水の温度を検出する水温センサ１３、可変バルブタイミング機構（「ＶＶＴ」ともいう。）１４を配設している。
更に、前記内燃機関１の排気側に配設した前記排気マニホルド４の下流側には、上流側から触媒１５とマフラ１６とを順次配設している。
このとき、前記触媒１５には、上流側第１排気センサ１７と下流側第２排気センサ１８とを配設している。

また、前記内燃機関１の制御装置２は、アトキンソンサイクルを利用した複数の気筒、例えば４気筒を有する構成とする。
このとき、前記内燃機関１の制御装置２は、前記内燃機関１の負荷状態を検出する負荷状態検出手段１９と、前記サイクルの行程を判別する行程判別手段２０と、前記空気量制御手段１０とを備え、前記負荷状態検出手段１９により前記内燃機関１の負荷状態が高負荷状態であると検出された場合には、前記行程判別手段２０により次の行程が圧縮行程である気筒を特定し、前記次の工程が圧縮行程であると特定された気筒の吸気弁より上流側流路を、前記空気量制御手段１０により閉鎖する制御手段（「ＥＣＵ」ともいう。）２１を備える構成とする。
詳述すれば、前記負荷状態検出手段１９は、前記内燃機関１の負荷状態を検出し、検出した信号を前記制御手段２１に出力している。
また、前記行程判別手段２０は、前記クランク角センサ１１の検出信号と前記カム角センサ１２の検出信号とを使用することによって行程を判別することが可能である。
なお、これらのクランク角センサ１１の検出信号とカム角センサ１２の検出信号とを使用すれば、気筒判別を行うことも可能である。
更に、前記制御手段２１は、図３に示す如く、入力側に前記負荷状態検出手段１９と前記行程判別手段２０と前記空気量制御手段１０とを接続し、前記負荷状態検出手段１９により前記内燃機関１の負荷状態を判断する。
そして、内燃機関１の負荷状態が高負荷状態であると検出された場合には、前記制御手段２１が、前記行程判別手段２０により次の行程が圧縮行程である気筒を特定する。
この気筒について追記すれば、図４に示す如く、４気筒の場合、圧縮行程の気筒順序は、「第１気筒（＃１）」、「第３気筒（＃３）」、「第４気筒（＃４）」、「第２気筒（＃２）」となる。
その後、前記制御手段２１は、前記次の工程が圧縮行程であると特定された気筒の吸気弁より上流側流路を、前記空気量制御手段１０により閉鎖するものである。

追記すれば、前記内燃機関１の制御装置２は、各気筒独立で動作可能、もしくは、グループ毎に動作可能なガス流動制御弁からなる前記空気量制御手段１０を設け、高負荷状態では空気量低下を防ぐため、次に燃焼する気筒が吸気下死点に達するか下死点に近づいた際に、その気筒の吸気側（「インマニブランチ」または「吸気ポート」とも換言できる。）に設定された前記空気量制御手段１０を閉鎖する。
さすれば、前記内燃機関１のアトキンソンサイクル化によって、吸気側への新気吹き戻りを防ぐことができ、図４のタイムチャートに示す如く、空気量の低下によるトルク低下を防ぐことが可能である。

この構成によって、前記内燃機関１の制御装置２においては、高負荷運転時には前記空気量制御手段１０が閉鎖されるので、圧縮行程時において、前記内燃機関１の燃焼室（図示せず）内に一旦吸入された空気が吸気弁よりも上流側へ押し戻されることがない。
これにより、高負荷運転時においても、アトキンソンサイクルにて内燃機関を運転することができる。

次に、図１の前記内燃機関１の制御装置２の制御用フローチャートに沿って作用を説明する。

この内燃機関１の制御装置２の制御用プログラムがスタート（１０１）すると、前記内燃機関１の負荷状態が高負荷状態であるか否かの高負荷判定を行う判断（１０２）に移行する。
この判断（１０２）においては、前記制御手段２１が、前記負荷状態検出手段１９からの信号によって前記内燃機関１の負荷状態を判断する。
そして、前記内燃機関１の負荷状態が高負荷状態であるか否かの高負荷判定を行う判断（１０２）がＮＯの場合には、この判断（１０２）がＹＥＳとなるまで、判断（１０２）を繰り返し行う。
この判断（１０２）がＹＥＳの場合には、前記内燃機関１の負荷状態が高負荷状態であると検出されたため、ガス流動制御弁からなる前記空気量制御手段１０の「閉フラグ」を「１」とする処理（１０３）に移行する（気筒順序に関しては、図４参照。）。
この処理（１０３）の後には、前記制御手段２１が、前記行程判別手段２０からの信号によって次の行程が圧縮行程である気筒を特定する処理（１０４）に移行する。
そして、この処理（１０４）の後には、前記空気量制御手段１０を閉鎖動作させる処理（１０５）に移行する。
この処理（１０５）においては、前記制御手段２１が、前記次の工程が圧縮行程であると特定された気筒の吸気弁より上流側流路を、ガス流動制御弁からなる前記空気量制御手段１０により閉鎖している。
このとき、前記制御手段２１は、ガス流動制御弁からなる前記空気量制御手段１０を、各気筒独立で、もしくは、グループ毎に動作させる。
上述の前記空気量制御手段１０を閉鎖動作させる処理（１０５）の後には、前記内燃機関１の負荷状態が高負荷状態であるか否かの高負荷判定を行う判断（１０６）に移行する。
そして、この判断（１０６）がＹＥＳの場合には、上述した前記内燃機関１の負荷状態が高負荷状態であると検出されたため、ガス流動制御弁からなる前記空気量制御手段１０の「閉フラグ」を「１」とする処理（１０３）に戻る。
判断（１０６）がＮＯの場合には、ガス流動制御弁からなる前記空気量制御手段１０の「閉フラグ」を「０」とする処理（１０７）に移行し、その後に、前記内燃機関１の制御装置２の制御用プログラムのエンド（１０８）に移行する。

図５〜図７はこの発明の第２実施例を示すものである。
この第２実施例において、上述第１実施例のものと同一機能を果たす箇所には、同一符号を付して説明する。

この第２実施例の特徴とするところは、前記内燃機関１の制御装置２の制御手段３１による判断条件として、前記内燃機関１の負荷状態と前記内燃機関の回転数とを勘案する構成とした点にある。

すなわち、前記内燃機関１の制御装置２は、図６に示す如く、ガス流動制御弁の代わりに、空気量制御弁からなる空気量制御手段３２を備えている。
そして、前記内燃機関１の制御装置２は、前記内燃機関１の負荷状態を検出する負荷状態検出手段１９と、前記内燃機関１の回転数を検出する回転数検出手段３３と、前記サイクルの行程を判別する行程判別手段２０と、前記内燃機関１の運転状態に応じて、吸気弁より上流側流路を開閉して気筒に流入する空気量を制御する前記空気量制御手段３２とを備え、前記負荷状態検出手段１９により前記内燃機関１の負荷状態が高負荷状態であると検出され、かつ前記回転数検出手段３３により前記内燃機関１の回転数が設定値以上であると検出された場合には、前記行程判別手段２０により次の行程が圧縮行程である気筒を特定し、前記次の工程が圧縮行程であると特定された気筒の吸気弁より上流側流路を、前記空気量制御手段３２により閉鎖する前記制御手段３１を備える構成とする。
詳述すれば、前記負荷状態検出手段１９は、前記内燃機関１の負荷状態を検出し、検出した信号を前記制御手段３１に出力している。
また、前記行程判別手段２０は、前記クランク角センサ１１の検出信号と前記カム角センサ１２の検出信号とを使用することによって行程を判別することが可能である。
なお、これらのクランク角センサ１１の検出信号とカム角センサ１２の検出信号とを使用すれば、気筒判別を行うことも可能である。
更に、前記回転数検出手段３３は、前記クランク角センサ１１からなる。
更にまた、前記制御手段３１は、図７に示す如く、入力側に前記負荷状態検出手段１９と前記行程判別手段２０と前記回転数検出手段３３と前記空気量制御手段３２とを接続し、前記負荷状態検出手段１９により前記内燃機関１の負荷状態を判断する一方、前記回転数検出手段３３により前記内燃機関１の回転数を判断する。
そして、内燃機関１の負荷状態が高負荷状態であると検出され、かつ前記回転数検出手段３３により前記内燃機関１の回転数が設定値以上であると検出された場合には、前記制御手段３１が、前記行程判別手段２０により次の行程が圧縮行程である気筒を特定する。
その後、前記制御手段３１は、前記次の工程が圧縮行程であると特定された気筒の吸気弁より上流側流路を、前記空気量制御手段３２により閉鎖するものである。

追記すれば、前記内燃機関１の制御装置２は、各気筒独立で動作可能、もしくは、グループ毎に動作可能な空気量制御弁からなる前記空気量制御手段３２を設け、ある回転および負荷以上では空気量の低下を防ぐため、次に燃焼する気筒が吸気下死点に達するか下死点に近づいた際に、その気筒の吸気側に設定された前記空気量制御手段３２を閉鎖する。
さすれば、前記内燃機関１のアトキンソンサイクル化によって、吸気側への新気吹き戻りを防ぐことができ、空気量の低下によるトルク低下を防ぐことが可能である（図４のタイムチャート参照。）。

この構成によって、前記内燃機関１の制御装置２においては、高負荷高回転運転時には前記空気量制御手段３２が閉鎖されるので、圧縮行程時において、前記内燃機関１の燃焼室（図示せず）内に一旦吸入された空気が吸気弁よりも上流側へ押し戻されることがない。
これにより、高負荷高回転運転時においても、アトキンソンサイクルにて内燃機関を運転することができる。

次に、図５の内燃機関１の制御装置２の制御用フローチャートに沿って作用を説明する。

この内燃機関１の制御装置２の制御用プログラムがスタート（２０１）すると、前記内燃機関１の負荷状態が高負荷状態であると検出され、かつ前記内燃機関１の回転数が設定値以上であるか否かの判断（２０２）に移行する。
この判断（２０２）においては、前記制御手段２１が、前記負荷状態検出手段１９からの信号によって前記内燃機関１の負荷状態を判断する一方、前記回転数検出手段３３により前記内燃機関１の回転数を判断している。
そして、前記内燃機関１の負荷状態が高負荷状態であると検出され、かつ前記内燃機関１の回転数が設定値以上であるか否かの判断（２０２）がＮＯの場合には、この判断（２０２）がＹＥＳとなるまで、判断（２０２）を繰り返し行う。
この判断（２０２）がＹＥＳの場合には、前記内燃機関１の負荷状態が高負荷状態であると検出され、かつ前記内燃機関１の回転数が設定値以上であると検出されたため、空気量制御弁からなる前記空気量制御手段３２の「閉フラグ」を「１」とする処理（２０３）に移行する（気筒順序に関しては、図４参照。）。
この処理（２０３）の後には、前記制御手段３１が、前記行程判別手段２０からの信号によって次の行程が圧縮行程である気筒を特定する処理（２０４）に移行する。
そして、この処理（２０４）の後には、前記空気量制御手段３２を閉鎖動作させる処理（２０５）に移行する。
この処理（２０５）においては、前記制御手段３１が、前記次の工程が圧縮行程であると特定された気筒の吸気弁より上流側流路を、空気量制御弁からなる前記空気量制御手段３２により閉鎖している。
このとき、前記制御手段３１は、空気量制御弁からなる前記空気量制御手段３２を、各気筒独立で、もしくは、グループ毎に動作させる。
上述の前記空気量制御手段３２を閉鎖動作させる処理（２０５）の後には、前記内燃機関１の負荷状態が高負荷状態であると検出され、かつ前記内燃機関１の回転数が設定値以上であるか否かの判断（２０６）に移行する。
そして、この判断（２０６）がＹＥＳの場合には、前記内燃機関１の負荷状態が高負荷状態であると検出され、かつ前記内燃機関１の回転数が設定値以上であると検出されたため、空気量制御弁からなる前記空気量制御手段３２の「閉フラグ」を「１」とする処理（２０３）に戻る。
判断（２０６）がＮＯの場合には、空気量制御弁からなる前記空気量制御手段３２の「閉フラグ」を「０」とする処理（２０７）に移行し、その後に、前記内燃機関１の制御装置２の制御用プログラムのエンド（２０８）に移行する。

１ 内燃機関
２ 内燃機関の制御装置
３ 吸気マニホルド
４ 排気マニホルド
６ スロットルバルブ
７ エアマスフローセンサ
８ 吸気温センサ
１０ 空気量制御手段
１１ クランク角センサ
１２ カム角センサ
１３ 水温センサ
１４ 可変バルブタイミング機構（「ＶＶＴ」ともいう。）
１５ 触媒
１６ マフラ
１７ 上流側第１排気センサ
１８ 下流側第２排気センサ
１９ 負荷状態検出手段
２０ 行程判別手段
２１ 制御手段（「ＥＣＵ」ともいう。）

Claims (2)

1. アトキンソンサイクルを利用した複数の気筒を有する内燃機関の制御装置において、前記内燃機関の負荷状態を検出する負荷状態検出手段と、前記サイクルの行程を判別する行程判別手段と、前記内燃機関の運転状態に応じて、吸気弁より上流側流路を開閉して気筒に流入する空気量を制御する空気量制御手段とを備え、前記負荷状態検出手段により前記内燃機関の負荷状態が高負荷状態であると検出された場合には、前記行程判別手段により次の行程が圧縮行程である気筒を特定し、前記次の工程が圧縮行程であると特定された気筒の吸気弁より上流側流路を、前記空気量制御手段により閉鎖することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. アトキンソンサイクルを利用した複数の気筒を有する内燃機関の制御装置において、前記内燃機関の負荷状態を検出する負荷状態検出手段と、前記内燃機関の回転数を検出する回転数検出手段と、前記サイクルの行程を判別する行程判別手段と、前記内燃機関の運転状態に応じて、吸気弁より上流側流路を開閉して気筒に流入する空気量を制御する空気量制御手段とを備え、前記負荷状態検出手段により前記内燃機関の負荷状態が高負荷状態であると検出され、かつ前記回転数検出手段により前記内燃機関の回転数が設定値以上であると検出された場合には、前記行程判別手段により次の行程が圧縮行程である気筒を特定し、前記次の工程が圧縮行程であると特定された気筒の吸気弁より上流側流路を、前記空気量制御手段により閉鎖することを特徴とする内燃機関の制御装置。

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