JP2015135087A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジントルクの低下をできるだけ回避しつつ、ノッキング等の異常燃焼を抑止する。
【解決手段】エンジン回転数が所定以下の低回転かつ負荷が所定以上の高負荷の運転領域において、吸気バルブタイミングの遅角補正量を、そのときの気筒へのデポジットの堆積量に応じて調整するものとし、推定されるデポジットの堆積量が多いほど吸気バルブタイミングを大きく遅角することとした。
【選択図】図３

Description

本発明は、可変バルブタイミング（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｔｉｍｉｎｇ）機構が付帯した内燃機関を制御する制御装置に関する。

内燃機関のシリンダブロックに設置した振動式のノックセンサを介して気筒におけるノッキングの発生を感知し、ノッキングが起こらなくなるまで点火タイミングを遅角させるとともに、ノッキングが起こらない限りにおいて点火タイミングを進角させるノックコントロールシステムが周知である（例えば、下記特許文献１を参照）。

近時では、燃費性能の一層の向上を目論み、内燃機関の気筒の圧縮比をより高める方向に研究開発が進んでいる。だが、圧縮比の向上は、ノッキングの発生リスクを高める。さらには、通常のノッキングよりも遙かに強いノッキングや、点火前に混合気に自着火するプレイグニッション等の異常燃焼を引き起こす懸念もある。

ノッキングその他の異常燃焼は、低回転かつ高負荷の運転領域で発生しやすい。そこで、低回転高負荷の運転領域において、ＶＶＴ機構の操作を通じて吸気バルブタイミングを遅角化し、気筒に充填され圧縮される吸気の量を減らして実圧縮比（有効圧縮比）を低下させることが行われる（例えば、下記特許文献２を参照）。

特開２０００−０７３８４７号公報 特開２００５−０７６５７９号公報

吸気バルブタイミングの遅角化は、ノッキングやプレイグニッションを予防するために有効である反面、内燃機関が出力するエンジントルクの低下を招く。エンジントルクの低下はドライバビリティに悪影響を及ぼし得るので、好ましいとは言えない。

エンジントルクを低下させずにノッキングを抑制する方法として、燃料噴射量を増量し、その燃料の気化熱を利用して気筒の燃焼室内温度を下げることも考えられる。しかしながら、燃費が悪化する上、空燃比がリッチとなって有害物質の排出量が増加するきらいがある。

本発明は、エンジントルクの低下をできるだけ回避しつつ、ノッキング等の異常燃焼を抑止することを所期の目的としている。

本発明では、吸気バルブタイミング（吸気バルブの開タイミング及び／または閉タイミング）を変更可能な可変バルブタイミング機構が付帯した内燃機関を制御するものであって、エンジン回転数が所定以下の低回転かつ負荷が所定以上の高負荷の運転領域において、吸気バルブタイミングの遅角補正量を、そのときの気筒へのデポジットの堆積量に応じて調整するものとし、推定されるデポジットの堆積量が多いほど吸気バルブタイミングを大きく遅角する内燃機関の制御装置を構成した。

内燃機関の気筒には、経年劣化としてカーボンやカルボン酸塩、シリカ等のデポジットが徐々に付着し、堆積してゆく。このようなデポジットの堆積量が増すと、ノッキング等の異常燃焼が起こる可能性が高くなる。本発明では、推定されるデポジットの堆積量に応じて吸気バルブタイミングの遅角補正量を調整することで、エンジントルクの低下の抑制と異常燃焼の防止との両立を図ることとした。

本発明によれば、エンジントルクの低下をできるだけ回避しながら、ノッキング等の異常燃焼を抑止することができる。

本発明の一実施形態における内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。 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図。 吸気の温度及び気筒へのデポジットの堆積量と、低回転高負荷域における吸気バルブタイミングの遅角補正量との関係を示す図。 車両の走行距離及びスロットルバルブへのデポジットの堆積量と、気筒へのデポジットの堆積量との関係を示す図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の４ストローク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の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

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ことで生じる排気を各気筒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。

本実施形態の内燃機関には、外部ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２が付帯している。ＥＧＲ装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通するＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３３に接続している。

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との間に、ＶＶＴ機構６を介設している。本実施形態のＶＶＴ機構６は、クランクシャフトに対する吸気カムシャフトの回転位相を変化させることにより吸気バルブの開閉タイミングを変化させるものである。

ＶＶＴ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６１２と遅角室６１１とに区画されている。

ＶＶＴ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ＶＶＴ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６１２または遅角室６１１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、吸気バルブ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４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６１２と接続するＡポート９２、ハウジング６１の遅角室６１１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４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６１２に供給される一方、既に遅角室６１１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６１２の容積が拡大、遅角室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、吸気カムシャフトの回転位相、換言すれば吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する変位角が進角して、吸気バルブ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６１１に供給される一方、既に進角室６１２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６１１の容積が拡大、進角室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、吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する変位角が遅角して、吸気バルブ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のデューティ比が中立より大きいほど吸気バルブのバルブタイミングが速く進角し、デューティ比が中立より小さいほど吸気バルブのバルブタイミングが速く遅角する。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０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、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ｄ、内燃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ｅ、気筒１を内包するシリンダブロックの振動の大きさを検出するノックセンサから出力されるノック信号ｆ、吸気カムシャフト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、シフトレバーのレンジを知得するためのセンサ（または、シフトポジションスイッチ）から出力されるシフトレンジ信号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のイグナイタに対して点火信号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、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ、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、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、要求ＥＧＲ量（または、ＥＧＲ率）等といった運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍを出力インタフェースを介して印加する。

また、ＥＣＵ０は、ノックセンサを介して取得されるノック信号ｆを参照して、各気筒１の膨張行程におけるノッキングやプレイグニッションの有無を、各気筒１毎に個別に判定する。ノッキングの有無の判定にあたり、ＥＣＵ０は予め、統計処理によりノック判定値を算定しておく。具体的には、ノッキングが起こっていないと思しき状況下で、気筒１の膨張行程中のシリンダブロックの振動をノックセンサを介してサンプリングし、ノック信号ｆを得る。そして、このノック信号ｆのサンプリング値のある期間内の時系列から、平均値及び標準偏差、ひいてはノック判定値を算出する。平均値をＸ、標準偏差をσとおくと、ノック判定値Ｊは、
Ｊ＝Ｘ＋Ｕσ
として求められる。上式における係数Ｕは、そのときの運転領域、即ちエンジン回転数及び要求負荷に応じて設定する。係数Ｕを、空燃比の高低や要求ＥＧＲ率等に応じて変えるようにしてもよい。また、ノック判定値は、各気筒１毎に個別に求めてもよいし、全気筒１で共通のものとしてもよい。

ＥＣＵ０は、ノックセンサが出力するノック信号ｆの現在のサンプリング値（現在の振動の強度）を、ノック判定値と比較する。気筒１の膨張行程中にノックセンサを介して検出されたノック信号ｆのサンプリング値がノック判定値を上回ったならば、当該気筒１にてノッキング等の異常燃焼が起こったと判定する。逆に、ノック信号ｆのサンプリング値がノック判定値以下であるならば、当該気筒１にて異常燃焼は起こっていないと判定する。

ＥＣＵ０は、混合気を燃焼させる際の点火タイミングを、そのときの内燃機関の運転領域［エンジン回転数，負荷（アクセル開度、サージタンク３３内吸気圧（新気の分圧であることがある）、気筒１に充填される吸気量（新気量であることがある）または燃料噴射量）］に応じた基本点火タイミングに、気筒１におけるノッキングの有無の判定結果に基づいて増減させる遅角補正量を加味することにより決定する。そして、当該タイミングにて点火プラグ１２による火花放電を惹起し、混合気に着火する。

さらに、本実施形態のＥＣＵ０は、エンジン回転数が所定以下の低回転であり、なおかつ負荷が所定以上の高負荷である運転領域において、ＶＶＴ機構６を通じて吸気バルブタイミングを遅角補正する。

吸気バルブの開タイミングを遅らせるほど、吸気通路３から気筒１に流入する吸気の量が減少し、吸気バルブの閉タイミングを遅らせるほど、一旦気筒１に流入したもののピストンにより再び吸気通路３に押し戻される吸気の量が増加する。何れも、気筒１にて圧縮される吸気量を減少させ、実圧縮比を低下させるように作用する。気筒１の実圧縮比が低下すれば、当該気筒１でノッキングやプレイグニッションが発生するリスクも低下する。低回転高負荷の運転領域で吸気バルブタイミングを遅角補正するのは、ノッキング等の異常燃焼を防止するためである。

その上で、本実施形態では、低回転高負荷域における吸気バルブタイミングの遅角補正量を、そのときのサージタンク３３内吸気温、及び気筒１へのデポジットの堆積量に応じて調整することとしている。

図３に、吸気温及びデポジットの堆積量と、吸気バルブタイミングの遅角補正量との関係を示す。ノッキングやプレイグニッションといった異常燃焼は、吸気温が高いほど、また気筒１に堆積したデポジット量が多いほど発生しやすくなる。気筒１に堆積したデポジットは、圧縮行程の終期及び膨張行程の初期における気筒１の燃焼室内容積を圧迫する（燃焼室内容積を縮小させる）側面がある。よって、吸気温が高いほど遅角補正量を大きくし、並びに、気筒１に堆積したデポジット量が多いほど遅角補正量を大きくする。

気筒１の燃焼室内に堆積したデポジット量を直接計測することは難しい。故に、本実施形態のＥＣＵ０は、内燃機関が搭載された車両の走行距離（または、当該車両若しくは内燃機関の稼働時間、気筒１における混合気の燃焼回数（気筒１で迎えた膨張行程の回数）等）及びスロットルバルブ３２に付着し堆積したデポジットの量を基に推定する。

図４に、累積走行距離（または、累積稼働時間、累積燃焼回数等）及びスロットルバルブ３２へのデポジットの堆積量と、気筒１へのデポジットの堆積量との関係を示す。気筒１へのデポジットの堆積量は、走行距離が長いほど多くなり、スロットルバルブ３２のデポジットの堆積量が多いほど多くなる。

スロットルバルブ３２に堆積したデポジット量は、例えば、内燃機関のアイドル運転中にエンジン回転数を目標アイドル回転数にフィードバック制御したときのスロットルバルブ３２の開度（または、そのフィードバック補正量）から推測することが可能である。即ち、アイドル運転中のスロットルバルブ３２開度が大きいほど、スロットルバルブ３２に堆積したデポジット量が多いと見なされる。

本実施形態のＥＣＵ０のメモリには予め、吸気の温度、累積走行距離及びスロットルバルブ３２へのデポジットの堆積量と、低回転高負荷域における吸気バルブタイミングの遅角補正量との関係を規定したマップデータが格納されている。ＥＣＵ０は、低回転高負荷域において、現在の吸気温、累積走行距離及びスロットルバルブ３２へのデポジット堆積量をキーとして当該マップを検索し、吸気バルブタイミングの遅角補正量を知得する。そして、その遅角補正量の分だけ、吸気バルブタイミングを遅角させる操作を行う。

吸気温やデポジットの堆積量如何によっては、低回転高負荷域における吸気バルブの開くタイミングが、気筒１の排気上死点よりも遅れる。また、低回転高負荷域における吸気バルブの閉タイミングも、気筒１の吸気下死点より大きく遅れることがある。

本実施形態では、吸気バルブタイミングを変更可能な可変バルブタイミング機構６が付帯した内燃機関を制御するものであって、エンジン回転数が所定以下の低回転かつ負荷が所定以上の高負荷の運転領域において、吸気バルブタイミングの遅角補正量を、そのときの気筒１へのデポジットの堆積量に応じて調整するものとし、推定されるデポジットの堆積量が多いほど吸気バルブタイミングを大きく遅角する内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、気筒１へのデポジットの堆積量が比較的少なく、ノッキング等の異常燃焼の発生リスクが必ずしも高くない状況下では、吸気バルブタイミングの遅角補正量を小さくして、エンジントルクの低下を抑制、ドライバビリティを高く保つことができる。翻って、気筒１へのデポジットの堆積量が多くなり、異常燃焼の発生リスクが高まった状況下では、吸気バルブタイミングの遅角補正量を大きくして、確実に異常燃焼を抑止することができる。

従って、気筒１の圧縮比を（例えば、１１．５ないし１３程度以上に）高めて熱機械変換効率の向上を実現しながら、低回転高負荷域における異常燃焼の発生を防ぎ、内燃機関の損傷を回避することが可能となる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態には限られない。例えば、可変バルブタイミング機構６の具体的態様は任意であり、一意に限定されない。クランクシャフトに対する吸気カムシャフトの回転位相を液圧により進角／遅角させるもの以外にも、吸気カムシャフトの回転位相を電動モータにより進角／遅角させるもの（モータドライブＶＶＴ）や、吸気バルブを開弁駆動する吸気カムを複数用意しておきそれらカムを適宜使い分けるもの、ロッカーアームのレバー比を電動モータで変化させるもの、吸気バルブを電磁ソレノイドバルブとしたもの等が知られており、それら種々の機構の中から選択して採用することが許される。

その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御に適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
３…吸気通路
６…可変バルブタイミング機構

Claims (1)

1. 吸気バルブタイミングを変更可能な可変バルブタイミング機構が付帯した内燃機関を制御するものであって、
   エンジン回転数が所定以下の低回転かつ負荷が所定以上の高負荷の運転領域において、吸気バルブタイミングの遅角補正量を、そのときの気筒へのデポジットの堆積量に応じて調整するものとし、
   推定されるデポジットの堆積量が多いほど吸気バルブタイミングを大きく遅角する内燃機関の制御装置。

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