JP2017025770A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低圧時や低温時において、煤のデポジット化を抑制しつつ所望のトルクの出力を実現する、過給機を備える内燃機関の制御装置を提供すること。【解決手段】吸入空気を過給する過給機２９と、吸気バルブ２２と排気バルブ２３との開閉時期を変更する可変動弁装置３７、３８と、を備えるエンジン１の制御部４０が、クランク角センサ４５により検出されたエンジンの回転数が設定閾値Ne_1以下、かつ、圧力センサ４４により検出されたエンジン負荷が設定閾値Nl_1以上という駆動条件と、大気圧センサ４８により検出された大気圧が設定閾値Pa_1より小さい、または、外気温度センサ４９により検出された外気温度が設定閾値Ta_1以下という外部環境条件と、を満たすときに、可変動弁装置を制御して吸気バルブと排気バルブのオーバーラップ期間を増加させる。【選択図】図１

Description

本発明は、過給機を備える内燃機関の駆動を制御する制御装置に関する。

内燃機関は、過給機を備えることにより吸気量を効果的に増加させて駆動トルクを効率よく増加させる駆動制御を実行することができ、また、吸気バルブの開閉タイミングを進角させて吸気バルブと排気バルブとを同時に開弁状態にするオーバーラップ期間を大きく取ることにより駆動トルクを増加させることもできる。

また、特許文献１には、過給機を備える内燃機関において、低速高負荷領域で吸気バルブの開閉タイミングを進角させることにより、オーバーラップ期間を大きく取って燃焼室内の掃気性能を高めることが提案されている。

特開平５−３４０２９０号公報

しかしながら、特許文献１に記載のような過給機付き内燃機関にあっては、例えば、車両に搭載されて、ドライバがアクセルペダルを踏み込んで加速を指示する際の外部環境が低圧や低温であるとき、ドライバによるアクセルペダルの踏込量ほどに加速度が増加しない場合がある。

この場合には、ドライバは加速応答遅れ（ヘジテーション）が発生して、アクセルペダルの踏込量に対する出力トルクが足りない（トルクリニアティ欠如）と感じてしまう、ドライバビリティの低下が発生するときがある。

このときに、ドライバがアクセルペダルを大きく踏み込むと、燃焼させる燃料の噴射量が増加して煤が発生する場合がある。その煤は、吸気バルブ側に吹き返されて吸気口側に堆積するデポジットとなって、そのデポジットが増加してしまう場合がある。

そこで、本発明は、低圧時や低温時において、煤のデポジット化を抑制しつつ所望のトルクの出力を実現する、過給機を備える内燃機関の制御装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決する内燃機関の制御装置の発明の一態様は、吸入空気を過給する過給機と、吸気バルブと排気バルブとの開閉時期を変更する可変動弁装置と、を備える内燃機関の制御装置であって、前記内燃機関の回転数を検出する回転数検出部と、前記内燃機関の負荷を検出する負荷検出部と、大気圧を検出する大気圧検出部と外気温度を検出する外気温度検出部との少なくとも一方を備える外部環境検出部と、前記可変動弁装置を制御して前記吸気バルブおよび前記排気バルブが同時に開弁しているオーバーラップ期間を設定する制御部と、を有し、前記制御部は、前記回転数検出部により検出された回転数が予め設定された回転数以下で、かつ前記負荷検出部により検出された負荷が予め設定された負荷以上という駆動条件と、前記外部環境検出部の前記大気圧検出部により検出された大気圧が予め設定された大気圧より小さい、または、前記外気温度検出部により検出された外気温度が予め設定された外気温度以下であるという外部環境条件と、を満たすときに、前記吸気バルブと前記排気バルブとの前記オーバーラップ期間を増加させるようになっている。

このように本発明の一態様によれば、低圧時や低温時において、煤のデポジット化を抑制しつつ所望のトルクを内燃機関から出力させることができる、過給機を備える内燃機関の制御装置を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置を搭載する車両の一例を示す図であり、その概略全体構成を示す概念図である。 図２は、制御装置が実行する制御処理を説明するフローチャートである。 図３は、制御装置が実行する制御処理による開弁期間を説明するタイミングチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１〜図３は本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置を搭載する車両の一例を示す図である。

図１において、車両１００は、内燃機関型エンジン１を搭載して走行する駆動力を得るようになっており、エンジン１は制御部（制御装置）４０により統括制御されて最適条件で駆動するようになっている。

エンジン１は、クランクシャフト２にコネクティングロッド３を介して連結されているピストン４が上下動可能にシリンダ５内に収容されており、ピストン４の上面とシリンダヘッド１０との間に形成される燃焼室６内に、燃料のガソリンと吸入空気との混合気を供給して燃焼させることにより、そのピストン４を上下動させるようになっている。

これにより、エンジン１は、燃焼室６内の混合気の燃焼によりピストン４を上下動させてクランクシャフト２を回転させることができ、混合気の燃焼エネルギを回転運動に変換して車両１００を走行させる駆動力として出力することができる。

エンジン１は、シリンダヘッド１０に吸気ポート７と排気ポート８が形成されており、吸気ポート７と排気ポート８は、燃焼室６を形成するシリンダヘッド１０下面に開口する吸気口７ａと排気口８ａとを備えて、その燃焼室６に連通されている。

エンジン１は、吸気ポート７の上流側に吸気マニホールド１６が接続されて吸気管９に連続する吸気経路を備えており、吸気管９にエアクリーナ１３とスロットルバルブ１４とが配置されている。この構造により、エンジン１は、エアクリーナ１３で清浄化されて燃焼室６内に供給される吸入空気の吸気量がスロットルバルブ１４の開度で調整されるようになっている。

エンジン１は、排気ポート８の下流側に排気マニホールド１８が接続されて排気管１２に連続する排気経路を備えており、排気管１２に触媒１９が配置されている。この構造により、エンジン１は、燃焼室６内から排気された排ガスが触媒１９で清浄化された後に外部に排出されるようになっている。

エンジン１は、吸気ポート７の吸気口７ａに向けてガソリンを噴射するインジェクタ１７が吸気マニホールド１６に配置されており、吸気ポート７の吸気口７ａから吸入空気を吸気させるとともに、インジェクタ１７からガソリンを噴射させて燃焼室６内に混合気を導入するようになっている。

エンジン１は、燃焼室６の上部に位置するように点火プラグ（点火コイル）２０がシリンダヘッド１０に配置されており、吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程からなる一連の４行程における、圧縮行程および膨張行程の間に点火プラグ２０を点火させることにより、燃焼室６内で吸気圧縮させた混合気を燃焼膨張させて排気するようになっている。

エンジン１は、吸気ポート７の吸気口７ａを開閉する吸気バルブ２２と、排気ポート８の排気口８ａを開閉する排気バルブ２３と、を備えている。吸気バルブ２２は、吸気カム２４が回転して吸気口７ａに向けて進退移動することにより、その吸気口７ａを開閉するようになっている。排気バルブ２３は、排気カム２５が回転して排気口８ａに向けて進退移動することにより、その排気口８ａを開閉するようになっている。

このエンジン１は、吸気カム２４と排気カム２５の図示しない吸気カムシャフトと排気カムシャフトのそれぞれに可変動弁装置３７、３８が配置されている。可変動弁装置３７は、吸気バルブ２２が吸気カム２４のカム面に接触する接触点の回転位相を調整することにより、吸気バルブ２２の開閉時期を変更するようになっている。可変動弁装置３８は、排気バルブ２３が排気カム２５のカム面に接触する接触点の回転位相を調整することにより、排気バルブ２３の開閉時期を変更するようになっている。

また、エンジン１は、吸気管９の途中にコンプレッサ羽３０が設置されるとともに、排気管１２の途中にタービン羽３１が設置される過給機２９を備えている。過給機２９は、排気管１２内を流れる排ガスによりタービン羽３１が回転されて、そのタービン羽３１と一体回転するコンプレッサ羽３０によりエアクリーナ１３側から積極的に燃焼用空気を吸入し、下流側の吸気管９内に吸入空気を押し込んで（過給させて）吸気圧力を上昇させるようになっている。

このエンジン１は、吸気管９の過給機２９の下流側にインタークーラ３２が配置されており、過給機２９による圧力上昇により高温になる吸入空気をインタークーラ３２により冷却して混合気の燃焼効率が低下してしまうことを回避するようになっている。

また、このエンジン１は、過給機２９のタービン羽３１の設置箇所を迂回するバイパス通路３３が排気管１２に形成されており、バイパス通路３３は、アクチュエータ３５により作動するウエストゲートバルブ３４によって開閉されるようになっている。過給機２９は、コンプレッサ羽３０の下流側の吸気管９内の過給圧に応じてバイパス通路３３が排気管１２と連通され、またはその連通が遮断されることにより、吸気管９内の過給圧が設定圧力になるように調整されるようになっている。

そして、制御部４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリなどを搭載して、エンジン１の駆動を統括制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）により構築されている。

制御部４０は、スロットルセンサ４１と、吸気量センサ４２と、酸素濃度センサ４３と、圧力センサ４４と、クランク角センサ（回転数検出部）４５と、吸気カム角センサ４６と、排気カム角センサ４７と、大気圧センサ（大気圧検出部、外部環境検出部）４８と、外気温度センサ（外気温度検出部、外部環境検出部）４９と、を含むセンサ群がセンサ情報を取得可能に接続されている。

スロットルセンサ４１は、スロットルバルブ１４のスロットル開度を検出する。吸気量センサ４２は、吸気管９内に配置されて、その吸気管９内を流れる吸入空気量を検出する。酸素濃度センサ４３は、触媒１９の前後に配置されて、排ガスの清浄化能力を確認するために触媒１９の前後の酸素濃度を検出する。

圧力センサ４４は、コンプレッサ羽３０よりも下流側に配置されて、過給機２９による過給圧を含む吸気管９内の圧力を検出する。ここで、圧力センサ４４は、吸気管９内の吸入空気の圧力を検出するので、エンジン１に要求される負荷に応じて燃焼室６にガソリンと共に導入される燃焼用空気量に対応するセンサ情報を取得することができる。すなわち、この圧力センサ４４が、エンジン１の負荷を検出する負荷検出部として機能するようになっている。

クランク角センサ４５は、クランクシャフト２の回転角を検出してエンジン１の回転数を検出する。吸気カム角センサ４６は、吸気カム２４の回転角を検出する。排気カム角センサ４７は、排気カム２５の回転角を検出する。大気圧センサ４８は、車両１００が走行する外部環境に応じた大気圧を検出する。外気温度センサ４９は、車両１００が走行する外部環境に応じた外気温度を検出する。

また、制御部４０は、インジェクタ１７、点火プラグ２０、可変動弁装置３７、３８に、それぞれの作動を制御するように接続されており、各種センサ４１〜４９などからの各種センサ情報を受け取って、ＣＰＵがメモリ内に予め格納されている制御プログラムに従って制御処理を実行するようになっている。

この制御部４０は、受け取るセンサ情報を含む各種パラメータに基づいて、インジェクタ１７から噴射させる燃料噴射量を調整するフィードバック制御を実行して燃料噴射学習値を学習し取得する学習部（燃料噴射量学習部）４０ａとしても機能するようになっている。学習部４０ａは、予めメモリ内に設定されている燃料噴射量中心値から調整を開始して、燃料噴射学習値が燃料噴射量中心値よりも大きいほど燃料噴射量を増量し、また、燃料噴射学習値が燃料噴射量中心値よりも小さいほど燃料噴射量を減量する制御処理を実行するようになっている。

また、この制御部４０は、受け取るセンサ情報を含む各種パラメータに基づいて、可変動弁装置３７、３８の駆動を制御することにより、吸気カム２４や排気カム２５のカム面に接触する接触点の回転位相を調整して、吸気バルブ２２と排気バルブ２３の開閉時期をそれぞれ変更する制御処理を実行するようになっている。

例えば、制御部４０は、圧力センサ４４と、クランク角センサ４５と、大気圧センサ４８と、外気温度センサ４９とから受け取るセンサ情報に基づいて、ＣＰＵがメモリ内の制御プログラムに従って図２のフローチャートに示す開弁期間の設定制御処理を実行するようになっている。この開弁期間の設定制御処理では、可変動弁装置３７、３８が吸気カム２４や排気カム２５の回転位相を調整して、吸気バルブ２２と排気バルブ２３の開閉時期をそれぞれ変更することによって、吸気バルブ２２と排気バルブ２３とが同時に開弁するオーバーラップ期間を設定するようになっている。

これにより、制御部４０は、例えば、図３（Ａ）に示すように、定常運転時において、ピストン４が上死点（ＴＤＣ：Top Dead Center）に移動するタイミングに、吸気バルブ２２と排気バルブ２３の開弁期間が小さく重なるオーバーラップ期間となるように、吸気カム２４や排気カム２５の回転位相を可変動弁装置３７、３８により調整している。

このとき、制御部４０は、排気行程中に新たな混合気（新気）が燃焼室６内に十分に流入することのできるオーバーラップ期間を設定することにより、燃焼室６に残留する既燃ガス、所謂、内部ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガスを利用して燃焼効率を上げることができ、駆動トルクの向上と共に燃料消費量の低減や排ガス中のＮＯＸを低減することができる。

また、制御部４０は、過給機２９により吸気ポート７の圧力を排気ポート８の圧力よりも高くしてオーバーラップ期間を設定することにより、吸入側と排気側との間の圧力差を利用して吸気ポート７側から排気ポート８側へ新気の混合気を吹き抜けさせることができる。これにより、制御部４０は、燃焼室６内の排ガス（燃焼ガス）の掃気（スカベンジング）を行って排ガスの掃気量を増加させることによって、過給機２９のタービン羽３１の回転数を増加させることができ、コンプレッサ羽３０の回転数を増加させて吸気充填効率を高くし駆動トルクを増大させることができる。

この制御部４０は、図２のフローチャートに示す、吸気バルブ２２と排気バルブ２３とを開弁するオーバーラップ期間の調整処理を繰り返し実行するようになっており、上記センサ４１〜４９を含む各種センサ群から取得するエンジン１の回転速度などの駆動状況を取得して、予めメモリ内に設定されている各種の調整制御閾値と比較してインジェクタ１７、点火プラグ２０、可変動弁装置３７、３８などの駆動条件を調整する制御処理を実行する。これにより、制御部４０は、エンジン１の駆動状況に応じて高燃費かつ高出力な高効率運転と共に煤などの発生を抑える高品質運転を実現するように、吸気バルブ２２と排気バルブ２３の開閉時期を進角または遅角させてオーバーラップ期間を調整するようになっている。

具体的に、制御部４０は、図２のフローチャートに示すように、まず、ステップＳ１においては、大気圧センサ４８が検出する大気圧測定値Ｐａ（ｈＰａ）、外気温度センサ４９が検出する外気の温度測定値Ｔａ（ｄｅｇＣ）、クランク角センサ４５が検出するエンジン回転数Ｎｅ（ｒｐｍ）を取得するとともに、圧力センサ４４が検出する吸気管９内の吸入空気の圧力（燃焼用空気量）からエンジン１に要求される運転負荷Ｎｌ（％）を演算して取得し、また、学習部４０ａとして機能することにより燃料噴射学習値ＮＬｎを演算して取得する。

次いで、ステップＳ２においては、次の外部環境条件の少なくとも１つを満たしているか否かを確認して、いずれか１つの条件も満たしていないことが確認された場合にはステップＳ１に戻って同様の処理を繰り返し、また、いずれか１つの条件または双方の条件を満たしていることが確認された場合には次のステップＳ３に進む。

このステップＳ２においては、
２−１．大気圧測定値Ｐａが調整制御閾値Ｐａ_１（ｈＰａ）未満であること、すなわち、外部環境がエンジン１を定常運転時の駆動条件で高効率に稼動させるのが難しくなるほど気圧が低い低圧条件であること、
２−２．外気の温度測定値Ｔａが調整制御閾値Ｔａ_１（ｄｅｇＣ）以下であること、すなわち、外部環境がエンジン１を定常運転時の駆動条件で高効率に稼動させるのが難しくなるほど外気温度が低い低温条件であること、
という外部環境条件を満たしているか否かをそれぞれについて確認する。

次いで、ステップＳ３においては、次の駆動条件を同時に満たしているか否かを確認して、いずれか１つ以上の条件を満たしていないことが確認された場合にはステップＳ１に戻って同様の処理を繰り返し、また、全ての条件を満たしていることが確認された場合には次のステップＳ４に進む。

このステップＳ３においては、
３−１．エンジン回転数Ｎｅが調整制御閾値Ｎｅ_１（ｒｐｍ）以下であること、すなわち、エンジン１の駆動条件が燃焼室６にＥＧＲガスを有効利用可能に残留させつつ、燃焼室６内の燃焼により生じた煤を吸気口７ａ側に吹き返されることなく排気管１２側に吹き出させる掃気（スカベンジング）を実行するのに適している適性速度運転状態であること、
３−２．エンジン１の要求運転負荷ＮｌがＮｌ_１（％）以上であること、すなわち、エンジン１の駆動条件が上記の掃気運転の実行に適する吸気量で燃焼用空気を吸入する適正負荷運転状態であること、
３−３．燃料噴射学習値ＮＬｎが調整制御閾値ＮＬｎ_１以下であること、すなわち、燃料噴射量が燃焼室６内の燃焼により生じた煤がオーバーラップ期間における掃気処理で残留してしまうほどに過大でないこと、
という駆動条件を満たしているか否かをそれぞれについて確認する。

次いで、ステップＳ４においては、インジェクタ１７、点火プラグ２０、可変動弁装置３７、３８などの駆動条件を調整する制御処理を実行して、エンジン１の現状の運転状況に応じて高効率運転と高品質運転を実現するように、図３（Ａ）に示す定常運転時におけるオーバーラップ期間から、例えば、図３（Ｂ）に示すように、吸気バルブ２２の開閉時期を進角させて、オーバーラップ期間が増加するように調整する。

ここで、このステップＳ４では、吸気バルブ２２の開閉時期の進角に限らず、例えば、図３（Ｃ）に示すように、排気バルブ２３の開閉時期を遅角させることにより、あるいは、例えば、図３（Ｄ）に示すように、吸気バルブ２２の開閉時期を進角させるとともに排気バルブ２３の開閉時期を遅角させることにより、オーバーラップ期間が増加するように調整しても良い。

これにより、エンジン１は、外部環境が低圧または低温で直ちに高効率運転に移行することができない場合に、吸気バルブと排気バルブのオーバーラップ期間を増加させて出力トルクを増大させることができ、ドライバのアクセルペダルの踏込操作に遅れることなく、車両１００を加速させることができる。

また、このとき、フィードバック制御により取得（学習）した燃料噴射量が調整制御閾値以下である場合にオーバーラップ期間を増加させる調整制御を実行するので、燃料噴射量が調整制御閾値を越えているために、燃焼により生成される煤がデポジットとして吸気側に堆積させてしまうことを抑制することができる。

このように、本実施形態の制御部４０においては、クランク角センサ４５により検出されるエンジン回転数Ｎｅが調整制御閾値Ｎｅ_１以下で、かつ圧力センサ４４により検出されるエンジン１の要求される運転負荷Ｎｌが調整制御閾値Ｎｌ_１以上で、かつ、学習部４０ａにより取得される燃料噴射学習値ＮＬｎが調整制御閾値ＮＬｎ_１以下である駆動条件下に、大気圧センサ４８により検出される大気圧測定値Ｐａが調整制御閾値Ｐａ_１未満、または、外気温度センサ４９が検出する外気の温度測定値Ｔａが調整制御閾値Ｔａ_１以下という外部環境条件を満たすときに、吸気バルブ２２と排気バルブ２３とを開弁させるオーバーラップ期間を増加させる。

このため、制御部４０は、低圧時や低温時において、燃焼室６内で生成される煤がデポジットしてしまうことを抑制しつつ、ドライバが加速応答遅れ（ヘジテーション）やアクセルペダルの踏込量に対する出力トルクの不足（トルクリニアティ欠如）を感じてしまうことなく、そのドライバがアクセルペダルを踏み込む加速要求に直ちに応えるトルクをエンジン１から出力させることができる。

ここで、本実施形態では、燃焼室６内で掃気処理を実行するスカベンジング領域のエンジン回転数やエンジン運転負荷時にオーバーラップ期間を増加させる調整処理を実行する場合を一例にして説明するがこれに限るものではない。例えば、スカベンジング領域以外でも当該調整処理を実行してもよい。また、学習部４０ａにより取得される燃料噴射学習値が調整制御閾値以下である駆動条件を省いて、当該調整処理を実行しても良い。

また、本実施形態では、外部環境検出部として、大気圧センサ４８と外気温度センサ４９との双方を備える車両１００の制御部４０を一例にして説明するが、これに限るものではない。例えば、大気圧センサ４８または外気温度センサ４９の一方のみを備えて（一方のセンサ情報のみを取得可能に制御部に接続されている場合でもよい）、大気圧測定値Ｐａが調整制御閾値Ｐａ_１未満、または、外気の温度測定値Ｔａが調整制御閾値Ｔａ_１以下という外部環境条件の一方のみを満たすときにも、オーバーラップ期間を増加させる調整処理を実行するようにしても同様の作用効果が得られることはいうまでもない。

本発明の実施形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

１ エンジン（内燃機関）
６ 燃焼室
７ 吸気ポート
７ａ 吸気口
８ 排気ポート
８ａ 排気口
９ 吸気管
１２ 排気管
１７ インジェクタ
２０ 点火プラグ
２２ 吸気バルブ
２３ 排気バルブ
２９ 過給機
３０ コンプレッサ羽
３１ タービン羽
３７、３８ 可変動弁装置
４０ 制御部（制御装置）
４０ａ 学習部（燃料噴射量学習部）
４１ スロットルセンサ
４２ 吸気量センサ
４４ 圧力センサ（負荷検出部）
４５ クランク角センサ（回転数検出部）
４６ 吸気カム角センサ
４７ 排気カム角センサ
４８ 大気圧センサ（大気圧検出部、外部環境検出部）
４９ 外気温度センサ（外気温度検出部、外部環境検出部）
１００ 車両

Claims (2)

1. 吸入空気を過給する過給機と、吸気バルブと排気バルブとの開閉時期を変更する可変動弁装置と、を備える内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関の回転数を検出する回転数検出部と、
   前記内燃機関の負荷を検出する負荷検出部と、
   大気圧を検出する大気圧検出部と外気温度を検出する外気温度検出部との少なくとも一方を備える外部環境検出部と、
   前記可変動弁装置を制御して前記吸気バルブおよび前記排気バルブが同時に開弁しているオーバーラップ期間を設定する制御部と、を有し、
   前記制御部は、
   前記回転数検出部により検出された回転数が予め設定された回転数以下で、かつ前記負荷検出部により検出された負荷が予め設定された負荷以上という駆動条件と、
   前記外部環境検出部の前記大気圧検出部により検出された大気圧が予め設定された大気圧より小さい、または、前記外気温度検出部により検出された外気温度が予め設定された外気温度以下であるという外部環境条件と、を満たすときに、
   前記吸気バルブと前記排気バルブとの前記オーバーラップ期間を増加させる、内燃機関の制御装置。
2. 燃料噴射量を学習して燃料噴射量学習値を算出する燃料噴射量学習部を備え、
   前記制御部は、
   前記駆動条件に、前記燃料噴射量学習部により算出された前記燃料噴射量学習値が予め設定された閾値以下である、という条件を加えて、
   当該駆動条件と前記外部環境条件とを満たすときに、
   吸気バルブと排気バルブとのオーバーラップ期間を増加させる、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。

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