JP2016017505A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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小林 辰夫
Tatsuo Kobayashi
辰夫 小林
西田 秀之
Hideyuki Nishida
秀之 西田
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Abstract

【課題】デコンプ機能を有するエンジンにおいて、燃料供給の停止に関連したデコンプ機構の動作に起因するエミッションの悪化を抑制する。
【課題手段】フューエルカット運転が開始されても、デコンプ機構の動作の開始が、フューエルカット運転の開始(ii)前の最も遅い時点で燃料噴射を行った気筒の膨張行程の終了まで遅延され、当該膨張行程の終了後に初めて許容(iii)されて、デコンプ機構による燃焼室と排気通路との連通が開始されることになる(iv)。したがって燃料供給の停止に関連したデコンプ機構の動作に起因するエミッションの悪化を抑制することができる。
【選択図】図8

Description

本発明は内燃機関の制御装置に係り、特に、筒内圧縮圧を解放するためのデコンプ機構を備えた内燃機関の制御装置に関する。
少なくとも圧縮行程中に筒内圧を解放するために筒内燃焼室を排気通路に連通させるデコンプ機構(もしくは減圧装置)を備えた内燃機関が公知である。かかるデコンプ機構は、内燃機関の停止時や始動時に、内燃機関の振動騒音および回転変動を抑制する目的で使用され、また内燃機関の始動時に圧縮負荷ひいては始動用モーターの負荷を低減し、バッテリ消費電力等を抑制する目的で使用される。
特許文献1が開示する装置は、2つのバンク(気筒群)を有し、且つ惰性走行中の車速が予め設定されたフューエルカット車速よりも高い場合に燃料供給を停止するフューエルカット機能を有するエンジンにおいて、デコンプ機構の動作をエンジンの回生制動状態に関連付けて変化させている。この装置では、回生制動中であることが検出されない場合には両バンクをコンプレッション状態とし、回生制動中であることが検出された場合には、片方のバンクのみをデコンプ状態とする。
特許文献2が開示する装置は、デコンプ機構として、エンジン始動時に排気側の油圧ラッシュアジャスタを偏心カムによって押し上げることでロッカーアームの揺動中心を移動させ、これによって排気弁を開弁させている。
特開2004−293556号公報 特開2007−024030号公報
ところで、燃料供給状態から燃料供給を停止すると同時に、デコンプ機構を作動させると、未燃燃料がデコンプ機構の作動によって燃焼室から排気通路に排出され、エミッションを悪化させるおそれがある。上記特許文献1,2のいずれも、このような態様のエミッションの悪化を抑制する手段を提供していない。
そこで本発明は、上記事情に鑑みて創案され、その目的はデコンプ機能を有するエンジンにおいて、燃料供給の停止に関連したデコンプ機構の動作に起因するエミッションの悪化を抑制することができる内燃機関の制御装置を提供することにある。
本発明の一の態様によれば、
少なくとも圧縮行程中に筒内圧を解放するために内燃機関の燃焼室を排気通路に連通させるデコンプ機構と、
前記内燃機関に燃料を供給する燃料噴射弁と、
前記内燃機関に接続され電力を回生可能な回転電機と、
前記デコンプ機構と前記燃料噴射弁とを制御するようにプログラムされたコントローラと、を備え、
前記コントローラは更に、所定条件下で前記内燃機関への燃料供給の停止を実行するようにプログラムされている内燃機関の制御装置であって、
前記コントローラは更に、前記燃料供給の停止前の最も遅い時点で燃料噴射を行った気筒の膨張行程の終了後に、前記デコンプ機構による前記連通を開始するようにプログラムされていることを特徴とする内燃機関の制御装置
が提供される。
本発明によれば、燃料供給の停止前の最も遅い時点で燃料噴射を行った気筒の膨張行程の終了後に、デコンプ機構による前記連通を開始するので、燃料供給の停止に関連したデコンプ機構の動作に起因するエミッションの悪化を抑制することができるという、優れた効果が発揮される。
本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置の全体構成を示す概略図である。 内燃機関とその制御装置の構成を示す概略図である。 デコンプ機構の拡大正面断面図である。 デコンプ機構の拡大側面断面図である。 デコンプ機構の非作動時における、吸気弁および排気弁のリフト量と、吸気流量および排気流量との変化を示すタイムチャートである。 デコンプ機構の作動時における、吸気弁および排気弁のリフト量と、吸気流量および排気流量との変化を示すタイムチャートである。 エンジン停止・再始動制御のルーチンを示すフローチャートである。 本実施形態のエンジン停止・再始動制御を説明するためのタイムチャートである。 デコンプ機構の変形例を示す拡大正面断面図である。 デコンプ機構の変形例を示す拡大側面断面図である。
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき説明する。
図1に、本実施形態に係る内燃機関の制御装置の全体構成を概略的に示す。本実施形態に係る内燃機関(エンジン)1は車両に搭載されており、特に、エンジン1とモータジェネレータとの2つの動力源を備えるハイブリッド車両に搭載されている。当該ハイブリッド車両には、車両およびエンジン1を制御するように構成された制御ユニットとしての電子制御ユニット(以下ECUと称す)20が設けられる。
第1モータジェネレータMG1と第2モータジェネレータMG2の2つのモータジェネレータが設けられる。第1及び第2のモータジェネレータは、いずれも回転電機、例えば同期電動発電機である。第1のモータジェネレータMG1は、主にエンジン始動用に用いられる。第2のモータジェネレータMG2は、主に車両を走行させるための動力源として用いられると共に、減速時などにおいて電力を回生するための発電機として用いられる。
ECU20は、第1および第2のモータジェネレータMG1,MG2と、エンジン1とを制御する。但し、第1および第2のモータジェネレータMG1,MG2を制御するためのパワーマネジメントECUと、エンジン1を制御するためのエンジンECUとを互いに通信可能に備えても構わない。
本実施形態のエンジン1は、多気筒(例えば直列4気筒)の火花点火式内燃機関として構成されている。但しエンジン1の種類、気筒数、シリンダ配置形式(直列、V型、水平対向等)、着火方式等は特に限定されず、例えばエンジン1は圧縮着火式内燃機関(ディーゼルエンジン)であってもよい。
図2には、エンジン1とその制御装置の構成を示す。エンジン1のシリンダブロック2に形成されたシリンダ(気筒)2a内には、ピストン3が往復動可能に収容され、ピストン3はピストンロッドによってクランクシャフト4に連結されている。エンジン1のシリンダヘッド5には、吸気ポート6を開閉する吸気弁7と、排気ポート8を開閉する排気弁9とが、気筒ごとに2つずつ配設されている。各吸気弁7および各排気弁9は、カムシャフト10,11を含む動弁機構によって開閉駆動される。シリンダヘッド5の頂部には、筒内燃焼室12内の混合気に点火するための点火プラグ13が、気筒ごとに取り付けられている。なお、吸気弁7および排気弁9の少なくとも一方の開弁特性を変更するための可変バルブ機構(例えば可変バルブタイミング機構)が設けられてもよい。
各気筒の吸気ポート6は、気筒毎の吸気マニフォールドもしくは枝管14を介して、吸気集合室であるサージタンク15に接続されている。サージタンク15の上流側には吸気管16が接続されており、吸気管16の上流端にはエアクリーナ(図示せず)が設けられている。そして吸気管16には、上流側から順に、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ17と、電子制御式のスロットルバルブ18とが組み込まれている。吸気ポート6、枝管14、サージタンク15及び吸気管16により吸気通路が形成される。吸気通路、特に吸気ポート内6に燃料を噴射するためのインジェクタ19が、気筒ごとに配設されている。
各気筒の排気ポート8には、図示しない排気マニフォールドおよび排気管が接続され、排気管には三元触媒からなる触媒が設置されている。触媒の上流側及び下流側には、排気ガスの空燃比を検出するための上流側及び下流側空燃比センサが設置されている。ECU20は、これら空燃比センサの出力に基づき、各空燃比をストイキ(理論空燃比)に制御するための空燃比フィードバック制御を実行する。
センサ類に関し、上述のエアフローメータ17、上流側及び下流側空燃比センサに加え、エンジン1のクランク角を検出するためのクランク角センサ35、及びアクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ36が、ECU20に電気的に接続されている。また、エンジン1と第1および第2モータジェネレータMG1,MG2を作動可能な状態(オン)または停止状態(オフ)にするためのパワースイッチ39が、ECU20に電気的に接続されている。ECU20は、これらセンサ類の検出値に基づいて、点火プラグ13、スロットルバルブ18、インジェクタ19、第1および第2モータジェネレータMG1,MG2を制御する。そして点火時期、燃料噴射量、燃料噴射時期、スロットル開度、モータジェネレータ出力等を制御する。
加えて、本実施形態のエンジン1においては、少なくともエンジンの圧縮行程中に筒内圧を解放するため、筒内燃焼室12を排気通路(排気ポート8)に連通させるデコンプ機構(もしくは減圧装置)50が設けられている。
以下、図3及び図4を参照してデコンプ機構50を説明する。本実施形態のデコンプ機構50は、エンジン1の排気弁9を一定量リフト(開弁)させることにより、少なくとも圧縮行程中の筒内圧すなわち圧縮圧を解放するよう構成されている。よって本実施形態のデコンプ機構50はその構成要素として排気弁9を備えるが、このように排気弁9を流用せず、別個かつ専用のデコンプ機構を設けてもよい。排気弁9は、デコンプ機構50の構成要素としてのデコンプバルブをなす。
図示されるように、シリンダヘッド5には、排気弁9用の動弁機構の構成要素として排気カムシャフト11、排気バルブスプリング51、ロッカーアーム52および油圧式ラッシュアジャスター(以下、HLAという)53が設けられる。排気バルブスプリング51、ロッカーアーム52およびHLA53は、排気弁9毎に設けられる。なお吸気弁7用の動弁機構も同様に構成される。排気カムシャフト11は、ロッカーアーム52を介して、排気バルブスプリング51により閉方向に付勢されている排気弁9を昇降(開閉)駆動する。
HLA53は周知のように、排気カムシャフト11とロッカーアーム52のクリアランスを常時なくすように作動する。HLA53は、HLA本体53Aと、HLA本体53Aから上方に突出されHLA本体53A内を昇降可能なプランジャ53Bとを有する。なお、排気カムシャフト11とロッカーアーム52の間にローラーアームを介設してもよい。この場合、HLA53は、ローラーアームとロッカーアーム52のクリアランスを常時なくすように作動する。
これら排気カムシャフト11、排気バルブスプリング51、ロッカーアーム52およびHLA53は、デコンプ機構50の構成要素をもなす。これらに加え、デコンプ機構50は、シリンダヘッド5に固定されHLA52を昇降可能に収容する有底円筒状の複数のHLAホルダ54と、各HLA53の底部に存し全てのHLAホルダ54を挿通するよう気筒列方向(すなわちクランクシャフトの軸方向)に延ばされた単一のスライダ55と、スライダ55のカム面55AとHLA53との間の隙間に配設された複数のHLAリフタ56と、スライダ55を気筒列方向にスライド移動させるための電動式のデコンプアクチュエータ57とを備える。
デコンプアクチュエータ57は、ECU20に電気的に接続され、ECU20により制御される。ECU20からデコンプアクチュエータ57に、オン/オフ信号およびデコンプアクチュエータ57の目標変位量を示す信号が送られ、デコンプアクチュエータ57からECU20に、デコンプアクチュエータ57の実際の変位量を示す信号が送られる。
デコンプ機構50の作動時、デコンプアクチュエータ57がオンされ、デコンプアクチュエータ57は目標変位量に等しい量だけ、その長手方向に変位して、スライダ55を図4に実線で示す停止位置から、より左側の作動位置(仮想線で示す)にスライド移動させる。するとスライダ55のカム面55Aが、HLAリフタ56を介してHLA53を上方にリフトさせる。これによりロッカーアーム52が、図3における反時計回りに回転し、排気弁9を開方向(下方)にリフトさせる。
このような作動は、全ての排気弁9に対して同時に行われる。これにより排気カムシャフト11のベース円拡大と同様の効果を得られ、各排気弁9は全閉にならず、少なくとも、全開時のリフト量より遙かに少ない微小量だけリフトされる。
HLA53はエンジン運転中、オイルポンプから油圧が供給されているときに、排気カムシャフト11とロッカーアーム52のクリアランスをなくすように伸長状態となるが、エンジン停止時等に油圧が供給されなくなると収縮状態になる。例えば、伸長状態から収縮状態までの収縮量が1.5mm程度であるとする。例えば、スライダ55が停止位置から作動位置に移動したときのカム面55Aのリフト量(HLAリフタ56のリフト量に等しい)を2.3mmに設定すると、エンジン停止時等においてデコンプ機構50を作動させたとき、HLA53は油圧が供給されなくなることによる収縮分である1.5mmを差し引いて、0.8mmリフトする(2.3−1.5=0.8)。例えばロッカーアーム52のレバー比が約1.5:1であると、デコンプ機構50の作動による排気弁9のリフト量Ldは約0.5mmとなる。以下、このリフト量Ldをデコンプリフト量という。
ここで、エンジン停止時等にはオイルポンプからの油圧供給が不十分または皆無となり、またエンジン回転数が低回転でもあるので、デコンプアクチュエータ57には作動の確実性を考慮し、油圧式ではなく電動式を用いている。また本実施形態のデコンプ機構50は、排気弁およびその動弁機構の構成要素を利用して構成されているため、コスト削減に大変有利である。
図5および図6は、ある特定気筒における吸気弁7および排気弁9のリフト量((A)図)と、吸気流量および排気流量((B)図)との変化を示す。図5はデコンプ機構50の非作動時を示し、図6はデコンプ機構50の作動時を示す。(B)図において、吸気流量は筒内燃焼室12に流入する方向が正であり、排気流量は筒内燃焼室12から流出する方向が正である。なお図5,6はエンジンが1000rpmでモータリングされているときのデータを示す。
図6(A)から分かるように、デコンプ機構50の作動時には排気弁9が常時開とされ、デコンプ機構50の非作動時であれば閉となっている期間(図5(A)参照)でも、排気弁9は所定のデコンプリフト量Ldだけリフトされる。これにより、筒内燃焼室12は排気通路(特に排気ポート8)に常時連通させられる。デコンプリフト量Ldは、デコンプ機構50の作動時における排気弁9の最小リフト量を規定する。
また、ECU20は、慣性走行(駆動力源ブレーキ走行)あるいは制動中において、エンジン1への燃料供給を一時的にカットするフューエルカット制御を行って燃費の向上を図ると共に、その際に、車両の運動エネルギによってモータジェネレータMG2を回転駆動させ、それから電気エネルギを取り出して二次電池を充電する回生制動を実行する。そしてECU20は、このフューエルカット制御に関連して、デコンプ機構50の作動を実行して、フリクションなどの駆動力源ブレーキトルクを低減し、これによって回生制動時の電力回生を促進している。
ところで、フューエルカット機能を有するエンジンにおいて、フューエルカット運転の開始と同時にデコンプ機構を作動させると、未燃燃料がデコンプ機構の作動によって排気側に排出され、エミッションを悪化させるおそれがある。
そこで本実施形態は、フューエルカット運転の開始時にデコンプの効果を確保しつつ排気通路への未燃燃料の排出を抑制するため、以下に述べるようなエンジン停止・再始動制御をECU20により実行する。
本実施形態において実行されるエンジン停止・再始動制御のルーチンについて、図7のフローチャート及び図8のタイミングチャートを参照して説明する。なお、図8において、燃料噴射信号(G)は本来は気筒ごとに互いに独立した信号であるが、理解の容易のためにそれらをまとめて表示している。
図7のルーチンはECU20により実行される。まずステップS10で、アクセル開度が所定値より小であるか、及びアクセルオフ後の経過時間が所定値より大であるかが判断される。この判断はアクセル開度センサ36の検出値に基づいて行われる。ドライバがアクセルペダルをオンして走行中である状態から、アクセルペダルをオフ操作(例えばアクセル開度ゼロすなわち全閉状態)すると、その時点(i)から所定の経過時間が経過した時点で、ステップS10で肯定されて、処理はステップS20に移行する。また、アクセル操作のオフ操作(i)に応答して、スロットル開度が減少するため、車両は惰性走行に移行し、車速(B)とエンジン回転数(C)は低下を開始する。
ステップS20では、フューエルカットフラグ(F)がオンされる(ii)。これに応答して、フューエルカット運転が開始される。フューエルカット運転では、噴射信号(G)がオフされてインジェクタ19による燃料噴射が禁止もしくは停止され、併せて点火プラグ13による点火も禁止もしくは停止される。そしてECU20の制御により、第2モータジェネレータMG2によって電力が回生される。
しかしながら、本実施形態では、フューエルカットフラグ(F)がオンされても、デコンプフラグ(E)は同時にはオンされない。すなわち本実施形態では、フューエルカットフラグ(F)がオンされると(S20)、次にステップS30で、フューエルカット運転の開始前の最も遅い時点で燃料噴射を行った気筒が判別され、更にステップS40で、その気筒における膨張行程が終了したかが判断される。膨張行程の終了は、例えばクランク角センサ35によって検出されるクランク角が、排気弁の開時期よりも大になったかによって行われる。
そして、フューエルカット運転の開始前の最も遅い時点で燃料噴射を行った気筒、すなわち最終噴射セット気筒における膨張行程が終了したことを条件として、デコンプフラグ(E)がオンされ(ステップS50)、デコンプ機構50による燃焼室12と排気通路8との連通が開始される(iv)。換言すれば、本実施形態では、フューエルカットフラグ(F)がオンされた後、デコンプ機構50の動作が行われるまでの間に、時間差が設けられ、この時間差によって、デコンプ機構50の動作の開始前に、最終噴射セット気筒における膨張行程が終了(iii)することが保証される。
デコンプフラグ(E)がオンされると、これに応答してECU20は、設定リフトまでデコンプ機構を駆動する(ステップS60)。これによって排気弁の開度(H)は、リフト量Ldにわたってリフトされる。
次にECU20は、エンジン回転数が所定値(例えば400rpm)より小かを判断し、ここで肯定されるまでの間当該判断を繰り返す(ステップS70)。エンジン回転数が所定値(例えば400rpm)より小となったことを条件に(v)、エンジン停止フラグ(D)がオンされて(vi)、処理がリターンされる。
次に、この状態からドライバによりアクセルペダルがオン操作され、アクセル開度が所定値より大になると(vii)、ステップS10での否定判断を経て、処理はステップS90に移行し、ECU20はエンジン停止フラグ(D)をオフする(viii)。
アクセルペダルのオン操作に応答して開始されるモータリング、すなわち燃料の供給及び着火を伴わない第1のモータジェネレータMG1によるエンジン1の駆動によって、エンジン回転数が所定値(例えば400rpm)より大になると(ix)、ステップS110でデコンプフラグ(E)がオフされ(x)、これによってデコンプ機構50がノーマル位置、すなわちリフト量ゼロの位置まで駆動される。そして、ステップS120でフューエルカットフラグ(F)がオフすなわち噴射許可とされ(xi)、ステップS140で噴射信号がセットされる(xii)。これによって燃料噴射及び点火が再開され、エンジンが再始動されて、処理がリターンされる。
以上の処理の結果、本実施形態では、フューエルカット運転が開始されても、デコンプ機構の動作の開始が、フューエルカット運転の開始(ii)前の最も遅い時点で燃料噴射を行った気筒の膨張行程の終了まで遅延され、当該膨張行程の終了後に初めて許容(iii)されて、デコンプ機構50による燃焼室12と排気通路8との連通が開始されることになる(iv)。
以上のとおり、本実施形態では、デコンプ機構50を有するエンジンにおいて、燃料供給の停止(ii)前の最も遅い時点で燃料噴射を行った気筒の膨張行程の終了後に、デコンプ機構50による燃焼室12と排気通路8との連通が開始される。したがって本実施形態によれば、燃料供給の停止に関連したデコンプ機構50の動作に起因するエミッションの悪化を抑制することができる。
本発明は上述した態様のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。例えば、本発明は次のような変形が可能である。
(1)デコンプ機構50の構成を図9,10に示すように変更することが可能である。この変形実施例においては、前記スライダ55の代わりに、HLAリフタカムシャフト59を用いてHLA53をリフトさせるように構成されている。HLAリフタカムシャフト59は、各HLA53の底部に臨むようシリンダヘッド5に形成されたカムシャフト挿通孔60に回転自在に挿通支持されており、電動式デコンプアクチュエータ57’により回転駆動される。なお前記HLAホルダ54は省略され、代わりに、シリンダヘッド5に形成されたHLA支持孔61によりHLA53が昇降可能に支持される。
デコンプ機構50の作動時、デコンプアクチュエータ57’がオンされ、デコンプアクチュエータ57’はHLAリフタカムシャフト59を図10に示す停止位置から180°異なる作動位置(仮想線で示す)に回転させる。するとHLAリフタカムシャフト59のカム面59AがHLA53を直接押し上げ、上方にリフトさせる。その余は基本実施例と同様である。
(2)デコンプ機構の構成は、上記以外にも様々なものが可能である。例えば、排気弁を電磁アクチュエータで駆動する電磁駆動式排気弁を採用した場合、この電磁駆動式排気弁によりデコンプ機構を構成してもよい。排気弁を流用しない専用のデコンプ機構を設けてもよいことは前述した通りである。
(3)最終噴射セット気筒の燃焼が終了したかの判断は、クランク角に基づいて実行する構成に代えて、筒内圧センサを用いて検出した筒内圧を所定の基準値と比較する方法によって実行しても良い。この場合には、最終噴射セット気筒の筒内圧が基準値を下回った場合に、当該最終噴射セット気筒の燃焼が終了したものと判断することができる。
(4)エンジンの用途は任意であり、車両用でなくてもよい。また車両の種類も任意であり、ハイブリッド車両でない通常の車両、すなわち内燃機関であるエンジンを唯一の動力源とした車両であってもよい。通常の車両の場合、第2モータジェネレータMG2に代えて、走行のための動力源として用いられないオルタネータ(同期発電機)を電力の回生に用いることができる。
(5)本発明は、単気筒のエンジンにも適用することができる。この場合には、当該エンジンの唯一の気筒が、本発明における「最も遅い時点で燃料噴射を行った気筒」に該当するものと解することができる。
(6)本実施形態は、減速フューエルカット運転と、これに関連したデコンプ機構の作動とを実行した場合を示す。但し、この例に限らず、本実施形態の制御は、例えば通常のエンジン停止時(例えばパワースイッチ39のオフによるエンジン停止時)におけるフューエルカット運転の際にも適用可能であって、このような態様も本発明の範疇に属するものである。
1 内燃機関(エンジン)
8 排気通路
12 筒内燃焼室
19 インジェクタ
20 電子制御ユニット(ECU)
50 デコンプ機構
MG2 第2のモータジェネレータ

Claims (1)

  1. 少なくとも圧縮行程中に筒内圧を解放するために内燃機関の燃焼室を排気通路に連通させるデコンプ機構と、
    前記内燃機関に燃料を供給する燃料噴射弁と、
    前記内燃機関に接続され電力を回生可能な回転電機と、
    前記デコンプ機構と前記燃料噴射弁とを制御するようにプログラムされたコントローラと、を備え、
    前記コントローラは更に、所定条件下で前記内燃機関への燃料供給の停止を実行するようにプログラムされている内燃機関の制御装置であって、
    前記コントローラは更に、前記燃料供給の停止前の最も遅い時点で燃料噴射を行った気筒の膨張行程の終了後に、前記デコンプ機構による前記連通を開始するようにプログラムされていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
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