JP2016011652A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の気筒におけるノッキングの抑制と、排気浄化用の触媒に対する熱害の防止との両立を図る。【解決手段】気筒におけるノッキングの発生を感知したときに、点火タイミングを一旦遅角させ、その後気筒に充填する新気の量を減少させるとともに遅角させた点火タイミングを再び進角させる内燃機関の制御装置を構成した。【選択図】図３

Description

本発明は、車両等に搭載される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）。

ノッキングは、内燃機関を高負荷で運転している場合に起こりやすい。そして、ノッキングを鎮圧する目的で点火タイミングを遅角させると、気筒から排気通路に流入する排気ガスの温度が顕著に高まり、排気浄化用の三元触媒が過熱されて触媒の溶損を招くおそれがある。そこで、従来より、触媒に対する熱害が懸念される状況下において燃料噴射量を増量し、燃料の気化熱を利用して排気の温度を低下させることで、触媒の保護を図る制御が実施されている（例えば、下記特許文献２を参照）。

しかしながら、触媒の保護を目的とした燃料噴射量の増量は、燃費性能の低下につながる上、空燃比のリッチ化により有害物質の排出量が増大する懸念も否定できない。故に、そのような燃料噴射量の増量によらずに触媒の熱害を回避することが望ましい。

排気マニホルドの表面積を大きくしたり、排気ポートから触媒までの管路長を長くしたりして、触媒に流入する排気ガスの温度降下を促すことは、触媒の溶損防止の面では有効である。だが、冷間始動の際に触媒を早期に活性化（昇温）させるためには不利となる。

他の方法として、排気ガスと冷媒との間で熱交換して排気ガスを冷却する熱交換器を排気通路に付設することも考えられるものの、内燃機関全体が肥大化してエンジンルーム内の限られた空間を圧迫してしまうきらいがある。無論、熱交換器を実装することに伴う構造の複雑化、そしてコストの増加も見過ごせない。

特開２０００−０７３８４７号公報 特開２０１３−１３６９４６号公報

本発明は、内燃機関の気筒におけるノッキングの抑制と、排気浄化用の触媒に対する熱害の防止との両立を図ることを所期の目的とする。

上述した課題を解決するべく、本発明では、気筒におけるノッキングの発生を感知したときに、点火タイミングを一旦遅角させ、その後気筒に充填する新気の量を減少させるとともに遅角させた点火タイミングを進角させる内燃機関の制御装置を構成した。このようなものであれば、ノッキングの抑制のために点火タイミングを遅角させている期間を短縮することができるため、触媒に高温の排気ガスが流入し続けることによる触媒の昇温を回避して、触媒を熱害から防護することが可能となる。

加えて、点火タイミングを一旦遅角させる際の遅角量が大きいほど、その後の気筒に充填する新気の減少量を大きくとることが好ましい。

並びに、本発明では、内燃機関をある運転領域で運転している状況下で、気筒におけるノッキングの発生を感知したときに、ノッキングが感知されなくなるまで点火タイミングを遅角させるとともに、ノッキングが沈静化した段階での点火タイミングの遅角量またはその遅角量に対応した新気の減少量を学習値として当該運転領域に関連付けて記憶し、以後に再び内燃機関が同等の運転領域に遷移した際に、先に記憶した学習値に基づき、前記遅角量に対応した減少量分だけ気筒に充填する新気の量を減少させる内燃機関の制御装置を構成した。このようなものであれば、過去に学習した学習値を用いてノッキングの発生を予防できる上、点火タイミングを徒に遅角させる必要がなく、触媒を熱害から防護することが可能となる。

本発明によれば、内燃機関の気筒におけるノッキングの抑制と、排気浄化用の触媒に対する熱害の防止との両立を図り得る。

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。 同実施形態の内燃機関に付帯する可変バルブタイミング機構を示す図。 同実施形態の制御装置が実施する処理の手順例を示すフロー図。 ノッキングを鎮圧するために要した点火タイミングの遅角補正量と、気筒に充填するべき吸気若しくは新気の減少量との対応関係を例示する図。 同実施形態の制御装置が実施する制御の過程での点火タイミング及びエンジントルクの推移を示す図。

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。

排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）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外部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、内燃機関の温度を示唆する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、気筒１に充填される吸気（新気）の量に見合った要求燃料噴射量とともに、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）、吸気バルブタイミング等といった各種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にてノッキングは起こっていないと判定する。

その上で、本実施形態のＥＣＵ０は、気筒１におけるノッキングの発生を感知した場合において、そのノッキングを鎮圧するための制御を実施する。

図３に、この制御の手順を示す。ＥＣＵ０は、高負荷及び／または高回転の運転領域下において、ノッキングが起こったと判定したとき（ステップＳ１）、点火タイミングを一旦遅角させる（ステップＳ２）。そして、ノッキングが感知されなくなるまで（ステップＳ３）点火タイミングを遅角補正した後、今度は気筒１に充填される吸気量若しくは新気量（及び、燃料噴射量）を徐々に減少させ（ステップ４）、これと同時に遅角させていた点火タイミングを徐々に進角させる（ステップＳ５）。

ステップＳ４の吸気量若しくは新気量の減量は、吸気ＶＶＴ機構６を介した吸気バルブタイミングの操作、スロットルバルブ３２の開度操作、ＥＧＲバルブ２３の開度操作、またはこれらのうちの二つ以上の組み合わせによって実現する。ＶＶＴ機構６を介して吸気バルブの開タイミングを遅らせれば、吸気通路３から気筒１に流入する吸気（及び、新気）の量が減少し、吸気バルブの閉タイミングを遅らせれば、一度は気筒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（及び、新気）の量を減少させ、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でノッキングが発生する可能性も低下する。スロットルバルブ３２の開度を縮小すれば、吸気通路３から気筒１に流入する吸気の量が減少することは言うまでもない。また、ＥＧＲバルブ２３の開度を拡大すれば、気筒１に充填されるＥＧＲガス量が増加する分、新気量が減少し、それに応じて燃料噴射量を減量できるので、気筒１内での混合気の燃焼温度が低下し、やはり当該気筒１でノッキングが発生する可能性が低下する。

ステップＳ４における吸気量若しくは新気量の減量は、ステップＳ２における点火タイミングの遅角量に対応した減少量を達成するまで（ステップＳ６）継続する。上記の減少量は、ステップＳ１にて感知したノッキングが鎮圧されて感知されなくなるまでの間、即ちステップＳ３が真となるまでの間における点火タイミングの累積の遅角補正量が大きいほど、大きく設定する。図４に、ノッキングを鎮圧するために要した点火タイミングの遅角補正量と、気筒１に充填するべき吸気若しくは新気の減少量との関係を例示している。

図５に、ステップＳ１ないしＳ６を実施する過程での点火タイミング及びエンジントルクの推移を示す。図５中、破線はステップＳ１の直前の点火タイミングとエンジントルクとの関係特性を表しており、鎖線はステップＳ４により吸気量若しくは新気量を減量した後の点火タイミングとエンジントルクとの関係特性を表している。

図５中の点Ｘは、ステップＳ１の直前の点火タイミング及びエンジントルクである。ステップＳ１でノッキングの発生を感知し、ステップＳ２の点火タイミングの遅角補正を実行することにより、点火タイミング及びエンジントルクが図５中の破線に沿って点Ｘから点Ｙに遷移する。

しかる後、ステップＳ４の吸気（新気）量の減量補正及びステップＳ５の点火タイミングの進角補正を実行することで、点火タイミング及びエンジントルクが破線上の点Ｙから鎖線上の点Ｚに遷移する。ステップＳ５における点火タイミングの進角は、点Ｚのエンジントルクの大きさが点Ｙのエンジントルクと同等またはそれに近いエンジントルクとなるまで継続することが好ましい。

さらに、ＥＣＵ０は、ノッキングが起こらない限りにおいて（ステップＳ７）、気筒１に充填される吸気量若しくは新気量（及び、燃料噴射量）を、ステップＳ１の直前の量またはその近傍まで徐々に増大させてゆく（ステップＳ８、Ｓ９）。ノッキングが再発しなければ、点火タイミング及びエンジントルクが図５中の点Ｚから当初の点Ｘへと復帰することとなる。

本実施形態では、気筒１におけるノッキングの発生を感知したときに、点火タイミングを一旦遅角させ、その後気筒１に充填する新気の量を減少させるとともに遅角させた点火タイミングを元のタイミングに近づけるよう進角させ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、ノッキングの抑制のために点火タイミングを遅角させている期間を短縮することができ、触媒４１に高温の排気ガスが流入し続けることによる触媒４１の昇温を回避して、触媒４１を熱害から防護することが可能となる。そして、触媒４１の保護を目的とした燃料噴射量の増量が不要となり、全運転領域において空燃比を理論空燃比またはその近傍に維持できるため、燃費性能の向上及び有害物質の排出量の削減に寄与し得る。

加えて、点火タイミングを一旦遅角させる際の遅角量が大きいほど、その後の気筒１に充填する新気の減少量を大きくとるようにしているため、点火タイミングを再び進角させたとしてもノッキングの再発を確実に阻止することができる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。特に、ステップＳ２における点火タイミングの遅角量（ステップＳ１の後、ステップＳ３が真となるまでの間における点火タイミングの累積の遅角補正量）、またはこれに対応した吸気量若しくは新気量の減少量（図４に例示）を、学習値として制御装置たるＥＣＵ０のメモリに記憶保持しておき、以後の内燃機関の制御に活用することが好ましい。

その場合のＥＣＵ０は、ある運転領域下において、気筒１におけるノッキングの発生を感知したとき（ステップＳ１）に、ノッキングが感知されなくなるまで点火タイミングを遅角させる（ステップＳ２、Ｓ３）とともに、ノッキングが沈静化した段階での点火タイミングの遅角量またはその遅角量に対応した新気の減少量を学習値として、当該運転領域を示すパラメータ［エンジン回転数，要求負荷（または、サージタンク３３内吸気圧、気筒１に充填される吸気量若しくは燃料噴射量］に関連付けて記憶する。

しかる後、再び同じ運転領域に遷移した際には、メモリに記憶保持した（現在の運転領域に関連付けられている）学習値を読み出し、当該学習値に基づいて、先のノッキングが沈静化した段階での点火タイミングの遅角量に対応した減少量分だけ、気筒１に充填する吸気若しくは新気の量を減少させる。このようなものであれば、過去に学習した学習値を用いてノッキングの発生を予防できる上、点火タイミングを徒に遅角させる必要がなくなり、触媒４１を熱害から防護することが可能となる。

各気筒１におけるノッキングの発生を感知する手段は、振動式のノックセンサには限定されない。混合気の燃焼の際に点火プラグ１２の電極を流れるイオン電流の信号波形を参照する手法や、気筒１の筒内圧を参照する手法を採用することも可能である。

ＶＶＴ機構６の具体的態様もまた任意であり、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。

ＶＶＴ機構６を操作して気筒１に充填される吸気若しくは新気の量を減少させる場合、吸気バルブタイミングを遅角させるのではなく、進角させるようにすることも考えられる。吸気バルブタイミングの進角は、吸気バルブ及び排気バルブがともに開弁しているバルブオーバーラップ期間の拡大を意味する。吸気バルブタイミングの進角量を増大させれば、気筒１に残留する内部ＥＧＲガス量が増加して気筒１に充填される新気量が減少することから、その分だけ燃料噴射量を減量することが可能となる。ひいては、気筒１内での混合気の燃焼温度が低下し、当該気筒１でノッキングが発生する可能性が低下する。

その他、各部の具体的構成や具体的な処理の手順は、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
１１…インジェクタ
１２…点火プラグ
２…排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置
２１…ＥＧＲ通路
２３…ＥＧＲバルブ
３…吸気通路
３２…スロットルバルブ
４…排気通路
４１…触媒
６…可変バルブタイミング（ＶＶＴ）機構

Claims (3)

1. 気筒におけるノッキングの発生を感知したときに、点火タイミングを一旦遅角させ、その後気筒に充填する新気の量を減少させるとともに遅角させた点火タイミングを進角させる内燃機関の制御装置。
2. 点火タイミングを一旦遅角させる際の遅角量が大きいほど、その後の気筒に充填する新気の減少量を大きくとる請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 内燃機関をある運転領域で運転している状況下で、気筒におけるノッキングの発生を感知したときに、ノッキングが感知されなくなるまで点火タイミングを遅角させるとともに、ノッキングが沈静化した段階での点火タイミングの遅角量またはその遅角量に対応した新気の減少量を学習値として当該運転領域に関連付けて記憶し、
   以後に再び内燃機関が同等の運転領域に遷移した際に、先に記憶した学習値に基づき、前記遅角量に対応した減少量分だけ気筒に充填する新気の量を減少させる内燃機関の制御装置。

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