JP2016070122A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の冷間始動時におけるエミッションの悪化を抑制する。
【解決手段】吸気バルブ及び排気バルブがともに開弁するバルブオーバラップ期間の長さを増減させることができる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、内燃機関の冷間始動時において、エンジン回転数の変動及び混合気の燃焼に起因して点火プラグの電極を流れるイオン電流に基づいてバルブオーバラップ期間を調整する内燃機関の制御装置を構成した。
【選択図】図４

Description

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

車両等に搭載される内燃機関について、吸気バルブ及び／または排気バルブの開閉タイミングを可変制御できるＶＶＴ機構を備えたものが公知である（例えば、下記特許文献を参照）。

特開２０１４−０３１７６３号公報

インジェクタを吸気ポートに配置したポート噴射式の内燃機関の冷間始動時には、吸気ポート周辺の温度が低い状態にあることから、インジェクタから噴射された燃料が液状となって吸気ポートの壁面に付着するポートウェットが発生しやすい。そして、このポートウェットの燃料が、液状のままで吸気ポート及びシリンダボアの壁面に沿って燃焼室内に流入すると、混合気の燃焼が不安定または不完全となって、排出ガスに含まれる有害物質の量が増加する。

本発明は、内燃機関の冷間始動時におけるエミッションの悪化を抑制することを所期の目的としている。

上述した課題を解決するべく、本発明では、吸気バルブ及び排気バルブがともに開弁するバルブオーバラップ期間の長さを増減させることができるＶＶＴ機構が付帯した内燃機関を制御するものであって、内燃機関の冷間始動時において、エンジン回転数の変動及び混合気の燃焼に起因して点火プラグの電極を流れるイオン電流に基づいてバルブオーバラップ期間を調整する内燃機関の制御装置を構成した。

即ち、エンジン回転数の変動及びイオン電流を監視して混合気の燃焼状態を把握しておき、ポートウェットが発生して燃焼状態が悪化しつつあるときに、バルブオーバラップ期間を増大させることで燃焼室から排出される排気を一部吸気ポートに流出させ、吸気ポートの壁面に付着した液状燃料の霧化を促進するようにしたのである。

本発明によれば、内燃機関の冷間始動時におけるエミッションの悪化を抑制することができる。

本発明の一実施形態における内燃機関の概略構成を示す図。 同実施形態における火花点火装置の回路図。 内燃機関の気筒における燃焼圧及びイオン電流のそれぞれの推移を示す図。 同実施形態の制御装置が実施する制御の模様を示すタイミング図。

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。

図２に、火花点火用の電気回路を示している。点火プラグ１２は、点火コイル１４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１４は、半導体スイッチング素子１３１を有するイグナイタ１３とともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０からの点火信号ｉをイグナイタ１３が受けると、まずイグナイタ１３の半導体スイッチ１３１が点弧して点火コイル１４の一次側に電流が流れ、その直後の火花点火のタイミングで半導体スイッチ１３１が消弧してこの電流が遮断される。すると、自己誘導作用が起こり、一次側に高電圧が発生する。そして、一次側と二次側とは磁気回路及び磁束を共有するので、二次側にさらに高い誘導電圧が発生する。二次側の誘導電圧は、１０ｋＶないし３０ｋＶに達する。この高い誘導電圧が点火プラグ１２の中心電極に印加され、中心電極と接地電極との間で火花放電する。

点火コイル１４の一次側コイルは、半導体スイッチ１３１を介して車載の電源バッテリ１７に接続する。半導体スイッチ１３１を点弧し、バッテリ１７から供給される直流電圧を一次側コイルに印加して通電を開始すると、一次側コイルを含む一次側（低圧系）の回路を流れる一次電流は逓増する。

イグナイタ１３は、一次電流の過大化を抑制する電流制限機能を有している。この電流制限機能は、今日普及している既製のイグナイタのそれと同様である。具体的には、制御回路１３２が、検出抵抗１３３を介して、一次電流を当該抵抗１３３の両端間電圧の形で恒常的に計測する。そして、その一次電流（抵抗１３３の両端間電圧）の大きさが規定値以下である間は半導体スイッチ１３１を点弧する一方、規定値を超えたときには半導体スイッチ１３１を消弧する。

因みに、イグナイタ１３は、点火コイル１４またはイグナイタ１３自身の温度が上限値を超えるような異常発熱を感知した場合に、一次側コイルへの通電を強制的に遮断する機能をも有している。

本実施形態のＥＣＵ０は、燃料の燃焼の際に気筒１の燃焼室内に発生するイオン電流を検出し、そのイオン電流を参照して燃焼状態の判定を行うことができる。

図２に示しているように、本実施形態では、火花点火用の電気回路に、イオン電流を検出するための回路を付加している。この検出回路は、イオン電流を効果的に検出するためのバイアス電源部１５と、イオン電流の多寡に応じた検出電圧を増幅して出力する増幅部１６とを備える。バイアス電源部１５は、バイアス電圧を蓄えるキャパシタ１５１と、キャパシタ１５１の電圧を所定電圧まで高めるためのツェナーダイオード１５２と、電流阻止用のダイオード１５３、１５４と、イオン電流に応じた電圧を出力する負荷抵抗１５５とを含む。増幅部１６は、オペアンプに代表される電圧増幅器１６１を含む。

点火プラグ１２の中心電極と接地電極との間のアーク放電時にはキャパシタ１５１が充電され、その後キャパシタ１５１に充電されたバイアス電圧により負荷抵抗１５５にイオン電流が流れる。イオン電流が流れることで生じる抵抗１５５の両端間の電圧は、増幅部１６により増幅されてイオン電流信号ｈとしてＥＣＵ０に受信される。

図３に、正常燃焼における、イオン電流及び気筒１内の燃焼圧力（筒内圧）のそれぞれの推移を例示する。図３中、イオン電流を破線で描画し、燃焼圧力を実線で描画している。イオン電流は、点火のための放電中は検出することができない。正常燃焼の場合のイオン電流は、火花点火の終了後、化学反応により、圧縮上死点の手前で減少した後、熱解離によって再び増加する。また、燃焼圧がピークを迎えるのとほぼ同時にイオン電流も極大となる。

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結果発生した排気を各気筒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、特にサージタンク３３に接続している。

点火コイル１４への通電やバルブ２３、３２類の開閉駆動、車両に実装された電装系への電力供給源となる発電機（オルタネータまたはＩＳＧ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｔａｒｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ））１８は、内燃機関のクランクシャフトからエンジントルクの供給を受けて発電し、その発電した電力を車載のバッテリ１７に充電する。

本実施形態における内燃機関には、吸気バルブの開閉タイミングを可変制御できるＶＶＴ機構６が付随している。ＶＶＴ機構６は、各気筒１の吸気バルブを開閉させる吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を電動機によって変化させる既知のもの（モータドライブＶＶＴ）である。このＶＶＴ機構６の電動機もまた、車載のバッテリ１７から必要な電力の供給を受ける。

内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ０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、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ｄ、車載のバッテリ１７の電流及び／または電圧を検出する電流／電圧センサから出力されるバッテリ電流／電圧信号ｅ、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、気筒１の燃焼室内での混合気の燃焼に伴って生じるイオン電流を検出する回路から出力される電流信号ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、イグナイタ１３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、ＶＶＴ機構６に対して吸気バルブタイミングの制御信号ｎ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、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、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率（または、ＥＧＲ量）、吸気バルブの開閉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各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｎを出力インタフェースを介して印加する。

また、ＥＣＵ０は、内燃機関の始動（冷間始動であることもあれば、アイドリングストップからの復帰であることもある）時において、電動機（スタータモータまたはＩＳＧ）に制御信号ｏを入力し、当該電動機によりクランクシャフトを回転させるクランキングを行う。クランキングは、内燃機関が初爆から連爆へと至り、エンジン回転数即ちクランクシャフトの回転速度が冷却水温等に応じて定まる判定値を超えたときに（完爆したものと見なして）終了する。

しかして、本実施形態のＥＣＵ０は、内燃機関の冷間始動時において、気筒１の燃焼室での混合気の燃焼の状態を監視し、その燃焼状態が悪化しつつあるときに、ＶＶＴ機構６の操作を通じて吸気ポート及び排気ポートがともに開弁するバルブオーバラップ期間を増大させる制御を実施する。

完爆後の混合気の燃焼状態の把握は、以下に述べる二通りの手法を以て行う。第一は、エンジン回転数の変動の監視である。ＥＣＵ０は、冷間始動直後の時期、特にアイドリング中において、各気筒１のピストンが特定の位置、例えば圧縮上死点に到達する都度、クランクシャフトが所定角度回転するのに要した時間の長さを取得する。クランクシャフトの所定回転角度の所要時間はクランク角信号ｂを参照して計測でき、また、各気筒１の圧縮上死点はクランク角信号ｂ及びカム角信号ｇから判明する。そして、今回取得した所要時間から、前回取得した所要時間を減算する。その減算結果が正値であるならば、エンジン回転数が減速傾向にあり、ポートウェットの発生による混合気の燃焼状態の悪化が疑われる状況にあると判断できる。逆に、減算結果が負値であるならば、エンジン回転数が増速傾向にあり、ポートウェットの発生による燃焼状態の悪化の懸念が後退したと判断できる。

第二は、イオン電流信号ｈの監視である。図３に示しているように、ＥＣＵ０は、気筒１の燃焼室内での混合気の燃焼に起因して点火プラグ１２の電極を流れるイオン電流が閾値を上回っている期間Ｔの長さを計測する。その期間Ｔの長さがある値未満であるならば、ポートウェットの発生による混合気の燃焼状態の悪化が疑われる状況にあると判断できる。逆に、期間Ｔの長さがある値以上であるならば、ポートウェットの発生による燃焼状態の悪化の懸念が後退したと判断できる。

図４に、内燃機関の冷間始動直後の時期におけるバルブオーバラップ期間の制御の模様を例示する。なお、図４の縦軸は、エンジン回転数に応じて定まる本来のバルブオーバラップ期間に加味するべき補正量である。ＥＣＵ０は、内燃機関の完爆後の時点ｔ₁から、バルブオーバラップ期間の補正量を初期値まで逓増させ、ＶＶＴ機構６を操作して吸気バルブの開弁タイミングを早める。時点ｔ₂は、バルブオーバラップ期間が初期値に到達した時点を表す。

しかる後、バルブオーバラップ期間の補正量を、エンジン回転数の変動及びイオン電流信号ｈに基づいて増減調整する。即ち、時点ｔ₂以降、ＥＣＵ０は、上述したクランクシャフトの所定回転角度の所要時間の減算結果が正値であるならばバルブオーバラップ期間を増大させるように修正し、負値であるならばバルブオーバラップ期間を減少させるように修正する。並びに、イオン電流信号ｈが閾値を上回る期間Ｔがある値よりも短ければバルブオーバラップ期間を増大させるように修正し、ある値以上に長ければバルブオーバラップ期間を減少させるように修正する。ＥＣＵ０は、下式に則り、バルブオーバラップ期間を所定周期で反復的に演算しながらＶＶＴ機構６を操作する。
（今回演算するバルブオーバラップ期間の補正量）＝（前回演算したバルブオーバラップ期間の補正量）＋（クランクシャフトの所定回転角度の所要時間の減算結果に応じた増大量または減少量）＋（イオン電流信号ｈが閾値を上回る期間Ｔの長さに応じた増大量または減少量）
さらに、バルブオーバラップ期間の補正量が一定値に収束、即ち今回演算したバルブオーバラップ期間の補正量と前回演算したそれとの差分が０ないし０に近い所定値以下に縮小した状態が一定時間以上継続したならば、その補正量を学習値として記憶する。この学習値は、内燃機関の次回の始動時におけるバルブオーバラップ期間の補正量の初期値として用いる。

ＥＣＵ０は、内燃機関の始動開始から、気筒１に充填される吸気量または燃料噴射量の積算（累積）量を計数する。そして、その積算量（いわば、時間積分）が所定値に到達したならば、内燃機関の各所がある程度以上暖機されたと考えられることから、以後、バルブオーバラップ期間の補正量を逓減させる。時点ｔ₃は、吸気量または燃料噴射量の積算量が所定値に到達した時点を表す。

上述したバルブオーバラップ期間の補正は、冷間始動時、即ち内燃機関の温度が所定値以下の低温状態での始動時にのみ実行する。内燃機関の温度は、冷却水温信号ｄを参照して知得できる。アイドルストップのような内燃機関の停止期間が短い場合において、始動時の内燃機関の温度が既に所定値以上であるならば、ポートウェットの発生量が少なく、バルブオーバラップ期間の増大補正は不要である。よって、バルブオーバラップ期間の補正量を０のままとする。

本実施形態では、吸気バルブ及び排気バルブがともに開弁するバルブオーバラップ期間の長さを増減させることができるＶＶＴ機構６が付帯した内燃機関を制御するものであって、内燃機関の冷間始動時において、エンジン回転数の変動及び混合気の燃焼に起因して点火プラグ１２の電極を流れるイオン電流ｈに基づいてバルブオーバラップ期間を調整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、ポートウェットが発生して燃焼状態が悪化するときに、バルブオーバラップ期間を増大させることで気筒１の燃焼室から排出される排気を一部吸気ポートに流出させ、吸気ポートの壁面に付着した液状燃料の霧化を促進することが可能となる。従って、内燃機関の冷間始動時における有害物質の排出量の増加を好適に抑止できる。また、冷間始動時のエミッションの悪化に備えて触媒４１に使用していた貴金属の量を削減することが許容されるようになるので、コストの低廉化に資する。

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。例えば、バルブオーバラップ期間を増減させるためのＶＶＴ機構の具体的態様は任意であり、一意に限定されない。吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を進角／遅角させるもの以外にも、排気バルブを開閉させる排気カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を進角／遅角させるもの、吸気バルブまたは排気バルブを開弁駆動する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機を介して変化させるもの、吸気バルブまたは排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
１２…点火プラグ
６…可変バルブタイミング（ＶＶＴ）機構
ｂ…クランク角信号
ｈ…イオン電流信号

Claims (1)

1. 吸気バルブ及び排気バルブがともに開弁するバルブオーバラップ期間の長さを増減させることができる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、
   内燃機関の冷間始動時において、エンジン回転数の変動及び混合気の燃焼に起因して点火プラグの電極を流れるイオン電流に基づいてバルブオーバラップ期間を調整する内燃機関の制御装置。

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