JP2015055220A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の油温の上昇による油圧の低下を抑制し、且つ燃費の悪化を抑制できる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】油温ＴＯが暖機完了後の機関温度よりも高い場合に、有効圧縮比及び有効燃焼圧力の少なくとも一方を変更して機関出力を低下させる、ことを特徴とする。機関出力を低下させて発熱量を下げることで、油温を低下または油温の上昇を抑制し、高油温による粘度の低下によって油圧が下がるのを抑制できる。また、機関出力を低下させるので、燃費の悪化を抑制できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の油圧を制御する制御装置に関する。

内燃機関にあっては、エンジンオイルの油温が暖機完了後の油温よりも高いと、粘度が低下して油圧が下がり、油圧で作動する機構に支障をきたしたり、潤滑や冷却が不十分となってメタルの焼き付き等が生じたりする惧れがある。そこで、特許文献１には、エンジン油温を推定し、推定したエンジン油温が高いときにはアイドル回転数を高く設定することで、エンジンオイルの粘度の低下に対してオイルポンプの吐出力を増大させて油圧を確保する技術が記載されている。

特開２００２−１７４１３７号公報

しかしながら、上記従来の技術は、アイドル時のエンジン回転数を上昇させて油圧を確保するため、燃費が悪化する、という課題がある。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、内燃機関の油温の上昇による油圧の低下を抑制し、且つ燃費の悪化を抑制できる内燃機関の制御装置を提供することにある。

本発明の内燃機関の制御装置は、油温が暖機完了後の油温よりも高い場合に、有効圧縮比及び有効燃焼圧力の少なくとも一方を変更して機関出力を低下させる、ことを特徴とする。

本発明によれば、機関出力を低下させて発熱量を下げることで、内燃機関の油温の上昇による油圧の低下を抑制できる。また、機関出力を低下させるので、燃費の悪化を抑制できる。

本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置におけるシステム構成を示す概略構成図である。 図１に示した制御装置におけるバルブタイミングの制御例を示す模式図である。 図１に示した制御装置におけるバルブタイミングの第１の制御動作を示すフローチャートである。 （ａ）図は図１に示した制御装置におけるバルブタイミングの第２の制御動作を示すフローチャート、（ｂ）図及び（ｃ）図はそれぞれ排気バルブの開時期と吸気バルブの閉時期の設定を説明する特性図である。 （ａ）図は図１に示した制御装置におけるバルブタイミングの第３の制御動作を示すフローチャート、（ｂ）図は排気バルブの開時期の設定を説明する特性図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１に示す内燃機関の制御装置は、車両に搭載されるエンジン１の油圧を制御するものであり、吸気バルブの開閉時期（バルブタイミング）を可変とする吸気側可変バルブタイミング（ＶＴＣ：Variable valve Timing Control）機構１４と、排気バルブのバルブタイミングを可変とする排気側ＶＴＣ機構１７とを備えている。エンジン１は、図示する直列型の他、Ｖ型あるいは水平対向型等の様々な形式とすることができる。また、ここでは燃料噴射弁６が吸気管２内に燃料を噴射するものを例に取るが、燃焼室４内に直接燃料を噴射する筒内直接噴射式内燃機関であっても良い。

エンジン１の各気筒に空気を導入するための吸気管２には、エンジン１の吸入空気流量ＱＡを検出する吸入空気量センサ３を設けてある。吸入空気量センサ３として、例えば吸気の質量流量を検出する熱線式流量計等を用いることができる。
吸気バルブ５は、各気筒の燃焼室４の吸気口を開閉し、吸気バルブ５の上流側の吸気管２に、気筒毎に燃料噴射弁６を備えている。
燃料噴射弁６から噴射された燃料は、吸気バルブ５を介して燃焼室４内に空気と共に吸引され、点火プラグ７による火花点火によって着火燃焼し、該燃焼による圧力がピストン８をクランクシャフト９に向けて押し下げることで、クランクシャフト９を回転駆動する。

点火プラグ７それぞれには、点火プラグ７に対して点火エネルギを供給する点火モジュール１９が直付けされている。点火モジュール１９は、点火コイル及び点火コイルへの通電を制御するパワートランジスタを備えている。
排気バルブ１０は、燃焼室４の排気口を開閉し、排気バルブ１０が開くことで排気ガスが排気管１１に排出される。排気管１１には、三元触媒等を備えた触媒コンバータ１２が設置され、触媒コンバータ１２によって排気を浄化する。

吸気バルブ５及び排気バルブ１０（エンジンバルブ）は、クランクシャフト９によって回転駆動される吸気カムシャフト１３及び排気カムシャフト１６の回転に伴って動作する。吸気バルブ５は、吸気カムシャフト１３に設けられたカムによって開閉駆動され、吸気側ＶＴＣ機構１４によって、その作動角（開弁作用角）の中心位相が可変とされる。また、排気バルブ１０は、排気カムシャフト１６に設けられたカムによって開閉駆動され、吸気側ＶＴＣ機構１４と同様な構成の排気側ＶＴＣ機構１７によって、その作動角（開弁作用角）の中心位相が可変とされる。

吸気側ＶＴＣ機構１４は、クランクシャフト９に対する吸気カムシャフト１３の回転位相を、電動アクチュエータで制御軸を回動させることによって可変し、吸気バルブ５の作動角の中心位相を連続的に変更できるものであり、これにより吸気バルブ５のバルブタイミングが進遅角される。
排気側ＶＴＣ機構１７は、クランクシャフト９に対する排気カムシャフト１６の回転位相を、電動アクチュエータで制御軸を回動させることによって可変し、排気バルブ１０の作動角の中心位相を連続的に変更できるものであり、これにより排気バルブ１０のバルブタイミングが進遅角される。

エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２２は、マイクロコンピュータを備え、各種のセンサ及びスイッチからの信号を入力し、予め記憶されたプログラムに従って演算処理を行い、燃料噴射弁６、ＶＴＣ機構１４，１７及び点火モジュール１９等の各種装置の操作量あるいは制御量を算出し、これらの装置に制御信号を出力して制御する。
ＥＣＵ２２には、例えば吸入空気量センサ３、クランク角センサ２３、アクセル開度センサ２５、水温センサ２６、カム角センサ１５，１８、空燃比センサ２７、及び油温センサ２９等からの出力信号を入力し、更に、エンジン１の運転及び停止のメインスイッチであるイグニッションスイッチ（ＩＧＮスイッチ）２８の信号を入力する。

吸入空気量センサ３は、上述したようにエンジン１の吸入空気流量ＱＡを検出するものである。クランク角センサ２３は、クランクシャフト９の回転角を検出し、基準位置信号ＲＥＦ及び単位角度信号ＰＯＳを出力する。アクセル開度センサ２５は、アクセルペダル２４の踏込み量（アクセル開度ＡＣＣ）を検出する。カム角センサ１５は、吸気カムシャフト１３から基準位置信号（吸気カムシャフトの回転角信号）ＣＡＭｉを取り出す。同様に、カム角センサ１８は、排気カムシャフト１６から基準位置信号（吸気カムシャフトの回転角信号）ＣＡＭｅを取り出す。水温センサ２６は、エンジン１の冷却水の温度ＴＷを検出する。また、空燃比センサ２７は、触媒コンバータ１２の上流側の排気管１１に設置され、排気中の酸素濃度に基づいて空燃比ＡＦを検出する。更に、油温センサ２９は、オイルパン内またはエンジンオイルの循環経路におけるエンジンオイルの油温ＴＯを検出する。

ＥＣＵ２２は、クランク角センサ２３の出力信号ＲＥＦ，ＰＯＳから検出したクランクシャフト９の基準角度位置と、カム角センサ１５の出力信号ＣＡＭｉから検出した吸気カムシャフト１３の基準角度位置との間の位相差角度から、クランクシャフト９に対する吸気カムシャフト１３の実際の回転位相を検出する。同様に、クランク角センサ２３の出力信号ＲＥＦ，ＰＯＳから検出したクランクシャフト９の基準角度位置と、カム角センサ１８の出力信号ＣＡＭｅから検出した排気カムシャフト１６の基準角度位置との間の位相差角度から、クランクシャフト９に対する排気カムシャフト１６の実際の回転位相を検出する。そして、エンジン運転条件（例えば、エンジン負荷及びエンジン回転速度）に基づいて設定した目標回転位相に実際の回転位相を近づけるように、吸気側ＶＴＣ機構１４と排気側ＶＴＣ機構１７の電動アクチュエータをそれぞれ制御する。

上記のような構成において、機関温度、例えば油温センサ２９で検出したエンジンオイルの油温ＴＯが暖機完了後の油温よりも高い場合に、吸気側ＶＴＣ機構１４と排気側ＶＴＣ機構１７をＥＣＵ２２で制御し、有効圧縮比及び有効燃焼圧力を低下させて機関出力を低下させ、油温を低下または油温の上昇を抑制するようにしている。すなわち、図２に示すように、吸気バルブの閉時期ＩＶＣを、破線で示す通常動作時よりも遅角側に変更することで、吸気充填効率ηｖを低下させて有効圧縮比を低下させると共に、排気バルブの開時期ＥＶＯを、破線で示す通常動作時よりも進角側に変更して筒内の燃焼ガスを排出して有効燃焼圧力を低下させる。

このように、吸気側ＶＴＣ機構１４で空気量を制御し、排気側ＶＴＣ機構１７により、筒内で燃えなければならない燃焼ガスを、あえて早めに排出することで、エンジン１の出力トルクを低下させる。これによって、エンジン１の発熱量を下げ、油温ＴＯの上昇を抑制、または油温ＴＯを低下させることができる。この結果、耐熱条件下において、高油温による粘度の低下で油圧が下がり、油圧で作動する機構に支障をきたしたり、潤滑や冷却が不十分になったりするのを抑制でき、エンジンオイルの劣化も抑制できる。しかも、エンジン１の回転数を下げられるので燃費が向上する。

［第１の制御動作］
次に、図１に示した制御装置によるバルブタイミングの第１の制御動作を、図３により詳しく説明する。
本第１の制御動作は、油温を低下させる目標バルブタイミングを定数で設定する方式であり、アイドル以外の状態で、エンジンオイルの油温がエンジン暖機後の油温よりも高いときに、目標バルブタイミングを所定値（吸気バルブの閉時期ＩＶＣを最遅角、排気バルブの開時期ＥＶＯを最進角）で固定するようにしている。

ＥＣＵ２２による吸気側ＶＴＣ機構１４と排気側ＶＴＣ機構１７の制御動作が開始されると、まず、エンジン１の運転条件の読み込みを行う（ステップＳ１）。続いて、読み込んだ運転条件に基づいて、吸気側ＶＴＣ機構１４と排気側ＶＴＣ機構１７に対して通常の目標バルブタイミングの設定を行う（ステップＳ２）。次に、ＥＣＵ２２で、油温センサ２９で検出したエンジンオイルの油温ＴＯを監視しつつ、吸気側ＶＴＣ機構１４と排気側ＶＴＣ機構１７を通常の目標バルブタイミングに設定してエンジン１を運転する。油温センサ２９で検出したエンジンオイルの油温ＴＯが、エンジン暖機後の油温よりも高いときには、ＥＣＵ２２から吸気側ＶＴＣ機構１４と排気側ＶＴＣ機構１７に対してエンジン油温の低下要求が出される。

そして、ＥＣＵ２２からエンジン油温の低下要求があるか否か判定し（ステップＳ３）、要求がある場合には、油温低下目標のバルブタイミングの読み込みを行う（ステップＳ４）。次に、最終の目標バルブタイミングを、ステップＳ４で読み込んだ油温低下目標のバルブタイミングに設定する（ステップＳ５）。その後、ＥＣＵ２２から吸気側ＶＴＣ機構１４と排気側ＶＴＣ機構１７にバルブタイミング指令値を出力し（ステップＳ６）、終了する。このバルブタイミング指令値は、アイドル以外の状態で、例えば吸気バルブの閉時期ＩＶＣと排気バルブの開時期ＥＶＯを所定値、例えば吸気バルブの閉時期ＩＶＣを最遅角、排気バルブの開時期ＥＶＯを最進角の状態で固定する。

一方、ステップＳ３で、エンジン油温の低下要求がない場合には、最終の目標バルブタイミングを通常のバルブタイミングに設定して（ステップＳ７）、ＥＣＵ２２から吸気側ＶＴＣ機構１４と排気側ＶＴＣ機構１７にバルブタイミング指令値を出力し（ステップＳ６）、終了する。
上記第１の制御動作では、油温ＴＯがエンジン暖機後の油温よりも高いと判定された場合に、吸気バルブ５の閉時期ＩＶＣを遅角させ、排気バルブ１０の開時期ＥＶＯを進角させる。これによって、有効圧縮比と有効燃焼圧力を低下させ、耐熱条件下でのエンジンオイルの油温の上昇を抑制、あるいは油温を低下させることができる。

［第２の制御動作］
本第２の制御動作は、油温を低下させる目標バルブタイミングを、通常のバルブタイミング（マップで求まる）に対して補正して設定する方式である。
ステップＳ１〜Ｓ３は、第１の制御動作と同様であるので、詳細な説明は省略する。
ステップＳ３で、エンジン油温の低下要求があると判定された場合には、エンジン負荷パラメータ及び油温ＴＯの読み込みを行う（ステップＳ８）。次に、これらのデータに基づきＥＣＵ２２で油温低下のバルブタイミング補正量を決定する（ステップＳ９）。このステップＳ９のバルブタイミングの補正量は、（ｂ）図に示すように、負荷が大きくなるのに従って排気バルブの開時期ＥＶＯの進角量を大きく、また、吸気バルブの閉時期ＩＶＣの遅角量を大きくするものである。あるいは、（ｃ）図に示すように、油温ＴＯが高くなるのに従って排気バルブの開時期ＥＶＯの進角量を大きく、また、吸気バルブの閉時期ＩＶＣの遅角量を大きくするものである。

続いて、最終の目標バルブタイミングを、通常のバルブタイミングに対してステップＳ９で読み込んだ補正量を加算したバルブタイミングに設定する（ステップＳ１０）。そして、ＥＣＵ２２から吸気側ＶＴＣ機構１４と排気側ＶＴＣ機構１７に補正後のバルブタイミング指令値を出力し（ステップＳ６）、終了する。
一方、ステップＳ３で、エンジン油温の低下要求がない場合には、最終の目標バルブタイミングを通常のバルブタイミングに設定して（ステップＳ７）、ＥＣＵ２２から吸気側ＶＴＣ機構１４と排気側ＶＴＣ機構１７にバルブタイミング指令値を出力し（ステップＳ６）、終了する。

上記第２の制御動作によれば、エンジン負荷が大きいほど、あるいは油温ＴＯが高いほど、より排気バルブの開時期ＥＶＯの進角量を大きくすると共に、吸気バルブの閉時期ＩＶＣの遅角量を大きくすることで、エンジン負荷の大きさ、あるいは油温ＴＯの高さに応じた制御ができ、第１の制御動作に比べて効果的に油温ＴＯを下げることができる。

［第３の制御動作］
本第３の制御動作は、油温ＴＯを低下させる排気バルブの開時期ＥＶＯを負荷（燃焼期間）に応じて補正する方式である。すなわち、アイドル以外の負荷を含めて補正するもので、エンジン負荷に応じた排気バルブの開時期ＥＶＯを設定する。
ステップＳ１〜Ｓ３は、第１、第２の制御動作と同様であるので、詳細な説明は省略する。

ステップＳ３で、エンジン油温の低下要求があると判定された場合には、油温低下目標の吸気バルブの閉時期ＩＶＣの読み込みを行う（ステップＳ１１）。次に、エンジン負荷パラメータの読み込みを行う（ステップＳ１２）。その後、ＥＣＵ２２で目標排気バルブの開時期ＥＶＯの補正量を決定する（ステップＳ１３）。このステップＳ１３の目標排気バルブの開時期ＥＶＯの補正量は、（ｂ）図に示すように、エンジン負荷が大きくなるのに従って排気バルブ１０の開時期ＥＶＯの進角量を大きくするものである。

続いて、最終の目標バルブタイミングを、吸気バルブの閉時期ＩＶＣは油温低下の目標吸気バルブの閉時期ＩＶＣに、排気バルブの開時期ＥＶＯは通常の排気バルブの開時期ＥＶＯにステップＳ１３で読み込んだ補正量を加算したバルブタイミングに設定する（ステップＳ１４）。そして、ＥＣＵ２２から吸気側ＶＴＣ機構１４と排気側ＶＴＣ機構１７に補正後のバルブタイミング指令値を出力し（ステップＳ６）、終了する。
一方、ステップＳ３で、エンジン油温の低下要求がない場合には、最終の目標バルブタイミングを通常のバルブタイミングに設定して（ステップＳ７）、ＥＣＵ２２から吸気側ＶＴＣ機構１４と排気側ＶＴＣ機構１７にバルブタイミング指令値を出力し（ステップＳ６）、終了する。

上記第３の制御動作では、高負荷時は燃焼期間が短いため、排気バルブの開時期ＥＶＯの進角量を大きく設定している。すなわち、高負荷の方がガスの流動性が高いので、点火すると一気に燃え広がっていくので、高負荷ほど排気バルブ１０の開時期ＥＶＯをより進角させるようにしている。これによって、エンジン負荷の大きさに応じた制御ができ、第１の制御動作に比べてより効果的に油温ＴＯを下げることができる。

上述したように、吸気側ＶＴＣ機構１４と排気側ＶＴＣ機構１７により空気量と膨張比を制御し、吸気バルブ５の閉時期を遅くすることで有効圧縮比を低下させ、排気バルブ１０の開時期を早めることで燃焼圧力がより早期に排気通路に排出される。この結果、燃焼圧力の上昇が抑制され、エンジン１が発生する出力トルクを低下させることで、エンジン１の油温ＴＯの上昇を抑制、あるいは油温ＴＯを低下させることができる。
従って、耐熱条件において、吸気側ＶＴＣ機構１４と排気側ＶＴＣ機構１７の制御により、エンジンオイルの油温の上昇による油圧低下の抑制と、燃費悪化の抑制を両立させることができる。

＜変形例１＞
上記第１乃至第３の実施形態では、有効圧縮比を可変とする機構として、吸気側ＶＴＣ機構を例に取って説明したが、ピストンストロークを変更して実圧縮比を変更する可変圧縮比機構を用いることもできる。
＜変形例２＞
有効燃焼圧力を可変とする機構として、排気側ＶＴＣ機構を例に取って説明したが、点火時期を変更して同様な制御を行うこともできる。

＜変形例３＞
エンジンオイルの油温が暖機完了後の油温よりも高い温度状態において、油温を低下あるいは上昇を抑制する制御動作について説明したが、各油圧アクチュエータの作動に影響しない油圧状態の油温を設定し、この油温より高いときに制御するようにしても良い。この場合には、設定した油温に低下するまで制御を行うと良い。
ここで、エンジンオイルの油温が暖機完了後の機関温度よりも高い温度状態は、油温の上昇による油圧の低下が発生する前の状態であって、油圧低下を予防するために、事前にバルブタイミングの変更を行う構成でも良いし、油圧低下が発生している状態でバルブタイミングを変更しても良い。
＜変形例４＞
油温センサ２９でエンジンオイルの油温ＴＯを直接検出する例を示したが、例えば冷却水の水温ＴＷから油温を推定するようにしても良く、油温ＴＯが暖機完了後の油温より高いことを検知できれば、機関温度を検出する他のセンサの出力や推定方法を用いることもできる。

＜変形例５＞
吸気側ＶＴＣ機構及び排気側ＶＴＣ機構は、機関温度（例えばエンジンオイルの油温）の影響を受け難く、エンジン回転が低速であっても制御し易いので、上記実施形態で説明したような電動式が好ましい。また、吸気バルブと排気バルブのバルブタイミングの両方の制御を行うことで、たとえ油圧が不足する状態になっても、その回復時間を短縮することができる。
しかし、吸気側ＶＴＣ機構と排気側ＶＴＣ機構のいずれか一方を制御するようにしても良く、電動式ＶＴＣと油圧式ＶＴＣが組み合わされたエンジン、すなわち吸気側電動ＶＴＣ機構と排気側油圧ＶＴＣ機構の組み合わせ、または吸気側油圧ＶＴＣ機構と排気側電動ＶＴＣ機構の組み合わせにも適用可能である。電動式ＶＴＣ機構と油圧式ＶＴＣ機構の組み合わせの場合には、電動式ＶＴＣ機構の方を制御すれば良い。
尚、暖機完了後の油温以上であっても、エンジンオイルの粘度の低下が比較的少ない状態で、バルブタイミングの制御を行うようにすれば、油圧式ＶＴＣ機構への適用も可能である。油圧式ＶＴＣ機構を先行して制御し、温度の上昇が抑えられない場合に、電動式ＶＴＣ機構を動かしても良い。これによって、運転性の低下（出力低下）を抑制できる。

ここで、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術的思想について、以下に効果と共に記載する。
（イ）請求項２記載の内燃機関の制御装置において、機関負荷の増大または油温の上昇に伴って、前記吸気バルブの閉時期をより遅角側に変更する、内燃機関の制御装置。
上記構成によると、機関負荷または油温に応じて有効圧縮比を低下させることで、内燃機関の運転状況に応じた抑制ができる。

（ロ）請求項３記載の内燃機関の制御装置において、機関負荷の増大または油温の上昇に伴って、排気バルブの開時期をより進角させる、内燃機関の制御装置。
上記構成によると、機関負荷または油温に応じて有効燃焼圧力を低下させることで、内燃機関の運転状況に応じた抑制ができる。

１…エンジン（内燃機関）、５…吸気バルブ、１０…排気バルブ、１４…吸気側ＶＴＣ機構、１７…排気側ＶＴＣ機構、２２…ＥＣＵ、２９…油温センサ

Claims (3)

1. 油温が暖機完了後の油温よりも高い場合に、有効圧縮比及び有効燃焼圧力の少なくとも一方を変更して機関出力を低下させる、ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記内燃機関は、吸気バルブの開閉時期を可変とする吸気側可変バルブタイミング機構を備え、前記吸気バルブの閉時期を遅角側に変更することで、前記有効圧縮比を低下させる、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記内燃機関は、排気バルブの開閉時期を可変とする排気側可変バルブタイミング機構を備え、前記排気バルブの開時期を進角側に変更することで、前記有効燃焼圧力を低下させる、請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。