JP2017145808A

JP2017145808A - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2017145808A
Application number: JP2016030147A
Authority: JP
Inventors: 晋伍岡屋; Shingo Okaya; 望横尾; Nozomi Yokoo
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-02-19
Filing date: 2016-02-19
Publication date: 2017-08-24

Abstract

【課題】自着火を抑制する。【解決手段】内燃機関の圧縮行程開始時点よりも後であって点火プラグにより電気火花を発生させる時点よりも前に気筒内の圧力に基づいて熱発生量を求めると共に該熱発生量を積算し、点火プラグにより電気火花を発生させる時点よりも前に熱発生量の積算値が所定値以上になる場合には、所定値未満になる場合よりも、次回以降のサイクルにおいて内燃機関の有効圧縮比を低下させる。【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

圧縮比を変更可能な可変圧縮比エンジンにおいて、自着火が発生した場合には、次の吸気行程において圧縮比を低下させることで、連続して自着火が生じることを抑制する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１２−２０２２３９号公報特開２０１０−０３１６９６号公報特開２００１−３５５４８４号公報

上記技術では、自着火が実際に発生したことを検出する必要があるため、自着火が発生する前に自着火の発生を抑制することはできない。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、自着火を抑制することにある。

上記課題を解決するために、内燃機関の気筒内に電気火花を発生させる点火プラグと、前記気筒内の圧力を検出する圧力センサと、前記内燃機関の有効圧縮比を変化させる圧縮比変更装置と、前記内燃機関の圧縮行程開始時点よりも後であって前記点火プラグにより電気火花を発生させる時点よりも前に前記圧力センサにより検出される圧力に基づいて熱発生量を求めると共に該熱発生量を積算し、前記点火プラグにより電気火花を発生させる時点よりも前に熱発生量の積算値が所定値以上になる場合には、所定値未満になる場合よりも、次回以降のサイクルにおいて前記圧縮比変更装置により前記内燃機関の有効圧縮比を低下させる制御部と、を備える。

本発明によれば、自着火を抑制することができる。

実施例に係る内燃機関の概略構成を表す図である。熱発生率の推移を示した図である。実施例に係る自着火の発生を抑制するためのフローを示したフローチャートである。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜実施例＞
図１は、本実施例に係る内燃機関１の概略構成を表す図である。なお、本実施例においては、内燃機関１を簡潔に表示するため、一部の構成要素の表示を省略している。内燃機関１は、火花点火式のガソリン機関である。内燃機関１は、たとえば車両に搭載される。また、図１には１つの気筒２のみを記載しているが、内燃機関１は、複数の気筒２を有していてもよい。

内燃機関１のシリンダヘッド１０には、吸気管４２及び排気管７２が接続されている。シリンダヘッド１０には、吸気管４２から気筒２に通じる吸気ポート４１、及び、排気管７２から気筒２に通じる排気ポート７１が形成されている。吸気ポート４１の気筒２側の端部には、吸気弁５が備わる。吸気弁５の開閉は、吸気側カム６によって行われる。また、排気ポート７１の気筒２側の端部には、排気弁９が備わる。排気弁９の開閉は排気側カム１１によって行われる。吸気ポート４１及び吸気管４２は、吸気通路４に含まれている。排気ポート７１及び排気管７２は、排気通路７に含まれている。

吸気側カム６は吸気側カムシャフト２２に取り付けられ、更に吸気側カムシャフト２２の端部には吸気側プーリ２４が設けられている。吸気側カムシャフト２２と吸気側プーリ２４との間には、吸気側カムシャフト２２と吸気側プーリ２４との相対的な回転位相を変更可能とする可変回転位相機構２３（以下、「ＶＶＴ２３」という）が設けられている。

そして、吸気側プーリ２４は、クランクシャフト１３から駆動力を得て回転する。ＶＶＴ２３は、クランクシャフト１３の回転角と吸気側カムシャフト２２との回転角との関係を変更することで、吸気弁５の開閉時期を変更することができる。なお、吸気弁５の開閉時期を変更する機構はこれに限らず、他の機構を用いることもできる。また、排気弁９についても同様の機構により開閉時期を変更してもよい。また、本実施例に係るＶＶＴ２３では、吸気弁５の開弁時期及び閉弁時期が同角度変更されることになるが、本実施例では、少なくとも吸気弁５の閉弁時期を変化させることができればよい。なお、本実施例においてはＶＶＴ２３が、本発明における圧縮比変更装置に相当する。また、内燃機関１の圧縮比を変更可能な他の機構であっても、圧縮比変更装置として用いることができる。

そして、内燃機関１のクランクシャフト１３にコンロッド１４を介して連結されたピストン１５が、気筒２内で往復する。吸気管４２には、燃料を吸気ポート４１へ向けて噴射する噴射弁８１が取り付けられている。さらに、内燃機関１には、気筒２内に電気火花を発生させる点火プラグ８３及び気筒２内の圧力を検出する圧力センサ８４が取り付けられている。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ９０が併設されている。このＥＣＵ９０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１を制御する。ＥＣＵ９０には、上記センサの他、運転者がアクセルペダルを踏み込んだ量に応じた信号を出力するアクセル開度センサ９１、およびクランクシャフト１３の回転角に応じた信号を出力するクランクポジションセンサ９２が電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がＥＣＵ９０に入力される。ＥＣＵ９０は、アクセル開度センサ９１からの信号に基づいて、機関負荷を算出する。また、ＥＣＵ９０は、クランクポジションセンサ９２からの信号に基づいて、機関回転速度を算出する。一方、ＥＣＵ９０には、ＶＶＴ２３、噴射弁８１、点火プラグ８３が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ９０によりこれらの機器が制御される。

ＥＣＵ９０は、内燃機関１の運転状態（例えば、機関回転速度及び機関負荷）に基づいて吸気弁５の開閉時期を設定する。そして、実際の吸気弁５の開閉時期が目標時期となるように、ＶＶＴ２３を制御する。機関負荷は、アクセル開度または燃料噴射量としてもよ
い。すなわち、ＥＣＵ９０は、内燃機関１の運転状態に基づいて、吸気弁５の開閉時期を制御する。吸気弁５の開閉時期は、燃費が最良となるように内燃機関１の運転状態と関連付けて予め実験またはシミュレーション等により求めてマップ化し、ＥＣＵ９０に記憶させておく。なお、このように内燃機関１の運転状態に基づいて設定される吸気弁５の開閉時期を、以下では「通常時期」という。通常時期は、さらに排気中の有害物質の量若しくは濃度が許容範囲内となるように設定してもよい。

また、ＥＣＵ９０は、圧力センサ８４の検出値及びその時の気筒２内の容積に基づいて熱発生量を計算する。そして、熱発生量の積算値が所定値以上となった場合には、ＶＶＴ２３により吸気弁５の開閉時期を通常時期よりも遅角させる。

ここで、吸気弁５は、吸気下死点よりも後に閉じる。すなわち、吸気弁５は圧縮行程が開始された後に閉じるため、吸気弁５の閉弁時期を遅角することにより、吸気弁５の閉弁時期が吸気下死点から遠ざかる。吸気下死点よりも後にはピストン１５が上昇を始めるため、吸気弁５の閉弁時期が遅くなるほど、ピストン１５によって気筒２から吸気ポート４１へ押し出される空気が多くなる。したがって、体積効率及び有効圧縮比が低下するため、燃焼ガスの圧力を低下させることができる。これにより、自着火が発生することを抑制できる。したがって、少なくとも吸気弁５の閉弁時期を通常時期よりも遅角すればよい。

図２は、熱発生率の推移を示した図である。横軸はクランク角度である。図２において「点火時期」で示される時点において点火プラグ８３により点火が行われる。それよりも前の期間では、点火が行われていないのにも関わらず、熱発生率が増加している（図２のハッチング部参照。）。ここで、自着火は主に内燃機関１の低回転高負荷時に発生し易い。このような運転領域では、気筒２内で自着火が起こる少し前（少し低い機関負荷）に、低温酸化反応が起こり、点火プラグ８３による点火前に熱が発生することが判明した。したがって、低温酸化反応が検出された場合には、自着火が発生しやすい状況であるため、有効圧縮比を低下させることにより自着火が発生する前に自着火を抑制できる。低温酸化反応は、特に低オクタン価の燃料を用いたときに顕著に表れる。

図３は、本実施例に係る自着火の発生を抑制するためのフローを示したフローチャートである。本フローチャートは、各気筒２の圧縮行程開始時点から点火プラグ８３により点火される時点までの間に、ＥＣＵ９０により所定の時間毎に繰り返し実行される。なお、本実施例においてはＥＣＵ９０が図３に示したフローチャートを実行することにより、本発明における制御部として機能する。

ステップＳ１０１では、気筒２内の圧力が読み込まれる。気筒２内の圧力は圧力センサ８４により検出される。

ステップＳ１０２では、気筒２内の熱発生量が算出される。熱発生量は、ステップＳ１０１で読み込まれる圧力、及び、その圧力が検出されたときの気筒２の容積に基づいて算出される。気筒２の容積は、混合気が存在し得る空間の容積であり、クランク角度と相関関係にあるため、クランク角度と関係付けて予め実験またはシミュレーション等により求めておくことができる。また、気筒２内の圧力、気筒２の容積、熱発生量の関係は、予め実験またはシミュレーション等により求めて、マップ若しくは計算式としてＥＣＵ９０に記憶させておく。

ステップＳ１０３では、前回に本フローチャートが実施されたときにステップＳ１０３で算出された熱発生量の積算値に、今回のステップＳ１０２で算出された熱発生量を加えることにより、熱発生量を積算する。

ステップＳ１０４では、気筒２内で熱の発生があったか否か判定される。ステップＳ１０３で得られる熱発生量の積算値が０よりも大きければ、熱の発生があったと判定される。ステップＳ１０４で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０５へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０７へ進む。

ステップＳ１０５では、ステップＳ１０３で算出された熱発生量の積算値が所定値以上であるか否か判定される。所定値は、自着火が発生する虞のある値として予め実験またはシミュレーション等により求めてＥＣＵ９０に記憶させておく。すなわち、本ステップＳ１０５では、自着火が発生する虞があるか否か判定しているといえる。ステップＳ１０５で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０６へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０７へ進む。

ステップＳ１０６では、ＶＶＴ２３により吸気弁５の開閉時期が通常時期よりも遅角される。この場合、次回以降のサイクルにおける吸気弁５の開閉時期が通常時期よりも遅角される。これにより、有効圧縮比が低下されるため、次回以降のサイクルにおいて自着火が発生することを抑制できる。この遅角量は、予め実験またはシミュレーション等により最適値を求めておく。一方、ステップＳ１０７では、自着火の虞がないため、吸気弁５の開閉時期が通常時期に設定される。また、ステップＳ１０７を実行したときに既に吸気弁５の開閉時期が遅角されている場合には、吸気弁５の開閉時期を通常時期に向けて進角してもよい。このときの進角量は、吸気弁５の開閉時期が通常時期になり得る量としてもよく、吸気弁５の開閉時期が通常時期になり得る量よりも少ない量としてもよい。

以上説明したように本実施例によれば、点火プラグ８３による点火よりも前に熱が発生した場合に有効圧縮比を低下させることにより、自着火が実際に発生する前に自着火が発生することを抑制できる。

１内燃機関
２気筒
４吸気通路
５吸気弁
６吸気側カム
１０シリンダヘッド
１３クランクシャフト
１５ピストン
２２吸気側カムシャフト
２３ＶＶＴ
２４吸気側プーリ
４１吸気ポート
４２吸気管
８１噴射弁
８３点火プラグ
８４圧力センサ
９０ＥＣＵ
９１アクセル開度センサ
９２クランクポジションセンサ

Claims

内燃機関の気筒内に電気火花を発生させる点火プラグと、
前記気筒内の圧力を検出する圧力センサと、
前記内燃機関の有効圧縮比を変化させる圧縮比変更装置と、
前記内燃機関の圧縮行程開始時点よりも後であって前記点火プラグにより電気火花を発生させる時点よりも前に前記圧力センサにより検出される圧力に基づいて熱発生量を求めると共に該熱発生量を積算し、前記点火プラグにより電気火花を発生させる時点よりも前に熱発生量の積算値が所定値以上になる場合には、所定値未満になる場合よりも、次回以降のサイクルにおいて前記圧縮比変更装置により前記内燃機関の有効圧縮比を低下させる制御部と、
を備える内燃機関の制御装置。