JP2015004282A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】デポジットに起因したプレイグの発生リスクを良好に軽減可能な内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本実施の形態では、点火プラグ１１による点火時期を進角して強制的にノッキングを発生させて、デポジットを剥離させる。またこの際、吸気バルブ６１と排気バルブ６２の開弁時期を制御してこれらをオーバーラップさせ、尚且つ、このオーバーラップの継続期間を充填効率ＫＬおよび回転数Ｎｅに応じて設定する。充填効率ＫＬや回転数Ｎｅは、剥離デポジットが燃焼室１の内部に残留する確率と相関があるので、これらに応じてオーバーラップの継続期間を設定すれば、剥離デポジットを燃焼室１の外部に効率的に排出できる。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

従来、燃料と空気との混合気を点火プラグの火花により着火、燃焼させる内燃機関においては、点火プラグによる点火の前に、気筒内の混合気が自己着火して大きなノッキングを伴う異常燃焼（以下、「プレイグ」ともいう。）が発生することが知られている。また、燃焼室内に堆積したデポジットがプレイグの発生要因のひとつであることも知られている。

プレイグの発生の抑制を目的としたデポジット除去技術として、例えば、特許文献１には、ピストンの頂面に付着するデポジット量をセンサで検出または推定し、このデポジット量が規定量を超えた場合に、点火プラグの点火時期を進角させる制御と、インジェクタから噴射した燃料をピストン頂面に衝突させる制御のうちの少なくとも一方を実行する内燃機関の制御装置が開示されている。点火時期を進角すれば燃焼室内の圧力を上昇できるので、ピストン頂面に付着したデポジットを剥離できる。噴射燃料をピストン頂面に衝突させれば、衝突エネルギーによってデポジットを剥離できる。

また、特許文献１の制御装置においては、噴射燃料を衝突させる制御の実行に際し、吸気バルブのバルブタイミングを進角し、尚且つ、排気バルブのバルブタイミングを遅角させる制御を実行する。このような制御を実行すれば、吸・排気バルブの開弁時期をオーバーラップさせて燃焼室内に排気ガスの一部を残留させることができるので、燃焼室内の温度を高めて衝突燃料を迅速に気化できる。

特開２０１１−２０２５２８号公報 特開２００６−１１８４８３号公報 特開平９−２２２０３０号公報 特開２００８−２６７２９３号公報 特開２００６−３２２４６４号公報 特開２００７−３２７３８６号公報 特開２０００−３２８９７０号公報

ところで、上記バルブタイミング制御を実行すれば、剥離させたデポジットを燃焼室の外部に排出できるという副次的な効果も期待できる。しかし、デポジットは剥離後ただちに燃焼室外に排出される訳ではない。即ち、デポジットが燃焼室内で浮遊し続け、或いは、浮遊した後にピストン頂面や当該燃焼室の内壁に再び付着する可能性もある。従って、上記バルブタイミング制御を上記燃料衝突制御と同時に実行した場合でも、デポジットに起因したプレイグが発生する可能性が依然として残る。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものである。即ち、デポジットに起因したプレイグの発生リスクを良好に軽減可能な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、
内燃機関の燃焼室に設けられた点火プラグと、
前記燃焼室に設けられた吸気バルブと排気バルブの間のバルブオーバーラップ量を変更する可変動弁機構と、
前記内燃機関の回転数および充填効率の少なくとも一方を用いて算出した期間に亘って前記バルブオーバーラップ量を拡大するように前記可変動弁機構を操作し、尚且つ、前記可変動弁機構の操作中に前記点火プラグの点火時期を進角させる制御手段と、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、内燃機関の回転数および充填効率の少なくとも一方を用いて算出した期間に亘ってバルブオーバーラップ量を拡大させると共に、この期間中に点火プラグの点火時期を進角させることができる。点火時期を進角させれば燃焼室内のデポジットを剥離できる。また、充填効率ＫＬや回転数Ｎｅは、剥離デポジットの残留し易さと相関があるので、これらのうちの少なくとも一方を用いて算出した期間に亘ってバルブオーバーラップ量を拡大させれば、剥離デポジットを燃焼室外に効率的に排出できる。従って、剥離デポジットからプレイグが発生して不必要にエンジンに負荷をかけることを回避できる。

実施の形態のシステム構成を説明するための図である。 サイクル数と筒内圧力最大値との関係を示した図である。 デポジット除去操作の実行後のサイクル数と、燃焼室内の剥離デポジット数との関係を示した図である。 実施の形態においてＥＣＵ４より実行されるルーチンを示すフローチャートである。 運転制限領域の一例を示した図である。 暖機後の運転制限領域の一例を示した図である。 充填効率ＫＬおよび回転数Ｎｅと、バルブオーバーラップの継続サイクル数との関係を示した図である。 実施の形態の変形例を説明するための図である。 バルブオーバーラップ期間と回転数Ｎｅとの関係を示した図である。 実施の形態の変形例を説明するための図である。 実施の形態の変形例を説明するための図である。 制御サイクル数とノックセンサの出力との関係を示した図である。 実施の形態の変形例を説明するための図である。 実施の形態の変形例を説明するための図である。 制御サイクル数とノックセンサの出力との関係を示した図である。 実施の形態の変形例を説明するための図である。 実施の形態およびその変形例で示した各種制御の実行による効果を説明するための図である。 実施の形態の変形例を説明するための図である。 実施の形態の変形例を説明するための図である。

以下、図１乃至図１９を参照しながら本発明の実施の形態について詳細に説明する。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。

［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態のシステム構成を説明するための図である。本実施の形態のシステムは、多気筒の内燃機関に適用されるものであり、図１の燃焼室１は、そのうちの１気筒のエンジン燃焼室を表したものである。燃焼室１には、点火プラグ１１と、燃料噴射弁５と、吸気バルブ６１と、排気バルブ６２とが取り付けられている。点火プラグ１１には点火コイル１２が接続されている。

本実施の形態のシステムは、エンジンの冷却水路の出口に取り付けられた水温センサ３と、回転角センサ８と、エンジンの側面に取り付けられたノックセンサ９と、吸気管７の上流に設けられたスロットル７１と、ターボチャージャー７２とエアクリーナ７３とを備えている。エアクリーナ７３には流量計７４が取り付けられている。また、スロットル７１と吸気バルブ６１の間の吸気管７には吸気圧センサ７６が、排気バルブ６２とターボチャージャー７２との間の排気管２には排気圧センサ２１が、それぞれ取り付けられている。吸気バルブ６１上流の吸気管７には気流制御弁１０が取り付けられている。

本実施の形態のシステムは、制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）４を備えている。ＥＣＵ４からの出力は、燃料噴射弁５、気流制御弁１０、点火コイル１２、吸気バルブタイミング制御機構６３、排気バルブタイミング制御機構６４に入力される。ＥＣＵ４は、回転角センサ８および流量計７４の出力から回転数Ｎｅと充填効率ＫＬを算出する。また、ＥＣＵ４は、吸気圧センサ７６および排気圧センサ２１の出力から吸気圧に対し排気圧がどの程度高いかを示す吸排気差圧ΔＰを算出する。

［本実施の形態の特徴］
プレイグの発生要因の一つに、デポジットがある。このデポジットは、燃焼室の内壁に付着しているものであるが、低回転高負荷運転中に何らかの影響で剥がれ、燃焼しながら浮遊し、次サイクル以降に残留し、着火源となる。図２は、サイクル数と筒内圧力最大値との関係を示した図である。図２に示すように、デポジットの付着量が多くなる領域や条件（例えば冷却水温が８０℃未満の冷間時）での運転後、低回転高負荷運転すると、プレイグが高確率で発生する。そこで、本実施の形態では、このようなプレイグの発生を予防するため、デポジット除去操作を実行する。具体的には、点火プラグ１１による点火時期を進角して強制的にノッキングを発生させる。これにより、エンジン許容筒内圧範囲内でノッキングを発生させて短時間でデポジットを剥離させる。

また、デポジットは剥離後ただちに燃焼室１の外に排出される訳ではない。図３は、デポジット除去操作の実行後のサイクル数と、燃焼室内の剥離デポジット数との関係を示した図である。図３に示すように、剥離デポジットの多くは数サイクルに亘って燃焼室内に残留する。つまり、デポジット除去操作の実行後の一定期間は、プレイグが依然として発生し易い環境にあるといえる。

そこで、本実施の形態では、デポジット除去操作を実行する際に、吸気バルブ６１と排気バルブ６２の開弁時期を制御してこれらをオーバーラップさせ、尚且つ、このオーバーラップの継続期間を充填効率ＫＬおよび回転数Ｎｅに応じて設定する。吸気バルブ６１と排気バルブ６２をオーバーラップさせれば剥離デポジットを燃焼室１の外に排出できる。また、充填効率ＫＬや回転数Ｎｅは、剥離デポジットが燃焼室１内に残留する確率と相関がある。即ち、剥離デポジットは、充填効率ＫＬや回転数Ｎｅが低い場合は残留し易く、充填効率ＫＬや回転数Ｎｅが高い場合は排出され易い。従って、充填効率ＫＬおよび回転数Ｎｅに応じてオーバーラップの継続期間を設定すれば、剥離デポジットを燃焼室１の外に効率的に排出できる。即ち、本実施の形態によれば、剥離デポジットが燃焼室１の内部に残留する確率を良好に低減できるので、剥離デポジットからプレイグが発生して不必要にエンジンに負荷をかけることを回避できる。

［具体的処理］
次に、図４を参照しながら、上述した機能を実現するための具体的処理について説明する。図４は、本実施の形態においてＥＣＵ４より実行されるルーチンを示すフローチャートである。本実施の形態においては、先ず、エンジン運転領域の制限がなされる（ステップ１００〜１０４）。このような制限を行うのは、プレイグが多発する運転領域を事前に回避するためである。図５は、運転制限領域の一例を示した図である。図５に示す破線で囲まれた運転領域は、冷間時にプレイグが多発し易い運転領域である。但し、冷却水温が８０℃以上まで上昇した場合（つまり、暖機が完了した場合）においては、運転制限領域の一部が解除される。図６は、暖機後の運転制限領域の一例を示した図である。

続いて、エンジン運転条件の読み込みがなされ（ステップ１０６）、充填効率ＫＬと吸排気差圧ΔＰについて、所定の条件が成立するか否かが判定される（ステップ１０８，１１０）。本実施の形態においては、充填効率ＫＬ≧１００％、かつ、吸排気差圧ΔＰ≧５ｋＰａが成立するか否かが判定される。両条件が成立するまではステップ１０８，１１０の処理が繰り返される。

続いて、バルブオーバーラップ期間が変更される（ステップ１１２）。具体的には、吸気バルブ６１の開弁時期が５°ＣＡだけ進角され（ステップ１１４）、排気バルブ６２の閉弁時期が２０°ＣＡだけ遅角される（ステップ１１６）。これにより、吸気バルブ６１と排気バルブ６２の開弁時期をオーバーラップさせる。

続いて、デポジット除去操作がなされる（ステップ１１８）。具体的には、点火プラグ１１の点火時期を徐々に進角させる（ステップ１２０）。これにより、燃焼室１内で強制的にノッキングを発生させてデポジットを剥離させる。

続いて、バルブオーバーラップの継続期間（継続サイクル数）が読み込まれる（ステップ１２２）。バルブオーバーラップの継続サイクル数は、剥離デポジットが燃焼室１内に残留する確率と相関がある。つまり、バルブオーバーラップの継続サイクル数は、充填効率ＫＬおよび回転数Ｎｅと相関がある。図７は、充填効率ＫＬおよび回転数Ｎｅと、バルブオーバーラップの継続サイクル数との関係を示した図である。バルブオーバーラップの継続サイクル数の読み込みは、図７に示した関係に、現在の充填効率ＫＬと回転数Ｎｅを適用することにより行われる。なお、図７の関係は、例えばマップとして予めＥＣＵ４内に記憶されているものとする。

ステップ１２２で読み込んだ継続期間の経過後、バルブオーバーラップ期間が変更される（ステップ１２４）。これにより、吸気バルブ６１、排気バルブ６２の開弁時期が通常のバルブタイミングに戻される。また、ステップ１００〜１０４で設定したエンジン運転領域の制限が解除される（ステップ１２６）。

以上、図４に示したルーチンによれば、点火時期の進角によって剥離させたデポジットを、上記バルブオーバーラップ継続期間中に燃焼室１の外部に排出できる。従って、剥離デポジットが燃焼室１の内部に残留する確率を良好に低減できる。

ところで、上記実施の形態においては、オーバーラップの継続期間を充填効率ＫＬおよび回転数Ｎｅに応じて設定したが、充填効率ＫＬおよび回転数Ｎｅのうちの何れかによって設定することもできる。

また、上記実施の形態においては、図４のルーチンの処理により剥離デポジットを排出させたが、この処理ルーチンの一部を変更することも可能である。

例えば、上記実施の形態では、バルブオーバーラップ期間の変更に際し、ステップ１１４，１１６の処理によって吸気バルブ６１、排気バルブ６２のバルブタイミングを変更した。しかし、図８に示すように、デポジット除去用の適合値を読み込むことによってこれらのバルブタイミングを変更してもよい（ステップ１２８）。図９は、バルブオーバーラップ期間と回転数Ｎｅとの関係を示した図である。図９に示すように、デポジット除去に適したバルブオーバーラップ期間は、回転数Ｎｅと相関がある。そこで、図９に示した関係に、現在の回転数Ｎｅを適用することで求めたバルブオーバーラップ期間に基づいて、吸気バルブ６１の開弁時期、排気バルブ６２の閉弁時期の各適合値を求め、これらのバルブタイミングを変更してもよい。

また、上記実施の形態では、デポジット除去操作に際し、ステップ１２０の処理によって点火プラグ１１の点火時期を徐々に進角させた。しかし、図１０に示すように、デポジット除去用の点火時期（設定値）を読み込み（ステップ１３０）、この点火時期を数サイクル（例えば１０サイクル）に亘って継続させてもよい（ステップ１３２）。或いは、図１１に示すように、デポジット除去用の点火時期（設定値）を読み込み（ステップ１３４）、この点火時期へと進角しつつ（ステップ１３６）、この進角中のノックセンサ９の出力に応じて当該点火時期の継続サイクル数を決定してもよい（ステップ１３８〜１４２）。当該継続サイクル数の決定に際しては、図１２の関係を用いることができる。図１２は、制御サイクル数（継続サイクル数）とノックセンサの出力との関係を示した図である。或いは、図１３に示すように、点火時期を０．５°ＣＡ単位で徐々に進角させ（ステップ１４４）、ノックセンサ９の出力レベルが任意のレベル（例えば出力ピーク値が５Ｖ）以上となったときに点火時期の進角を中断し、その点火時期で数サイクル（例えば１０サイクル）に亘って継続させてもよい（ステップ１４６，１４８）。

また、デポジット除去操作に際しては、プレイグの発生を回避する制御を同時に実行することもできる。当該回避制御として、例えば、燃料噴射弁５から噴射する燃料量を増加する制御が挙げられる。図１４に示すように、デポジット除去用の点火時期（設定値）を読み込み（ステップ１５０）、この点火時期へと進角しつつ（ステップ１５２）、この進角中のノックセンサ９の出力に応じて、当該点火時期の継続サイクル数と、燃料噴射弁５からの燃料噴射量の増加サイクル数を決定してもよい（ステップ１５４〜１５８）。当該継続サイクル数、増加サイクル数の決定に際しては、図１５の関係を用いることができる。図１５は、制御サイクル数（点火時期の継続サイクル数および燃料噴射量の増加サイクル数）と、ノックセンサの出力との関係を示した図である。

また、デポジット除去操作に際しては、気流制御弁１０の開閉制御を同時に実行することもできる。図１６に示すように、気流制御弁１０を閉じておき（ステップ１６０）、デポジット除去用の点火時期（設定値）を読み込み（ステップ１６２）、この点火時期を数サイクル（例えば１０サイクル）に亘って継続させる（ステップ１６４）。そして、バルブオーバーラップの継続期間（継続サイクル数）を読み込みつつ（ステップ１２２）、気流制御弁１０を開く（ステップ１６６）。これにより、燃焼室内に強い気流を流入させて剥離デポジットを排気管２側に排出できる。

なお、図１７は、上記実施の形態およびその変形例で示した各種制御の実行による効果を説明するための図である。図１７に示すように、バルブオーバーラップの継続期間を設定することで、当該継続期間を設定しない場合（通常の場合）に比してプレイグ発生頻度を下げることができる。また、気流制御弁の開閉制御（気流強化）や、燃料噴射弁５からの噴射燃料量の増加制御（Ａ／Ｆリッチ）を実行することで、このプレイグ発生頻度をより一層下げることができる。

また、上記実施の形態では、エンジン運転条件の読み込み後、ステップ１０８，１１０の処理によって所定の条件の成否を判定した。しかし、当該所定の条件に回転数Ｎｅを加えることもできる。例えば、図１８に示すように、回転数Ｎｅ≦２０００ｒ／ｍｉｎ、かつ、充填効率ＫＬ≧１００％が成立するか否かを判定してもよい（ステップ１６８，１７０）。或いは、図１９に示すように、回転数Ｎｅ≦２０００ｒ／ｍｉｎ、かつ、吸排気差圧ΔＰ≧５ｋＰａが成立するか否かを判定してもよい（ステップ１７２，１７４）。

また、上記実施の形態では、ステップ１０４の処理によって運転制限領域の一部を解除した。しかし、この処理をスキップしてステップ１０６以降の処理を行ってもよい。更には、ステップ１００〜１０４の処理自体をスキップしてもよい。

なお、上記実施の形態においては点火プラグ１１が上記第１の発明における「点火プラグ」に、吸気バルブタイミング制御機構６３および排気バルブタイミング制御機構６４が同発明における「可変動弁機構」に、夫々相当する。
また、ＥＣＵ４が図４のステップ１１２〜１２２の処理を実行することにより上記第１の発明における「制御手段」が実現されている。

１ 燃焼室
４ ＥＣＵ
１１ 点火プラグ
６１ 吸気バルブ
６２ 排気バルブ
６３ 吸気バルブタイミング制御機構
６４ 排気バルブタイミング制御機構

Claims (1)

1. 内燃機関の燃焼室に設けられた点火プラグと、
   前記燃焼室に設けられた吸気バルブと排気バルブの間のバルブオーバーラップ量を変更する可変動弁機構と、
   前記内燃機関の回転数および充填効率の少なくとも一方を用いて算出した期間に亘って前記バルブオーバーラップ量を拡大するように前記可変動弁機構を操作し、尚且つ、前記可変動弁機構の操作中に前記点火プラグの点火時期を進角させる制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。

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