JP2017180361A

JP2017180361A - エンジンの制御装置

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Publication number: JP2017180361A
Application number: JP2016070647A
Authority: JP
Inventors: 養祖　隆; Takashi Youso; 隆養祖; 高皓長野; Takaaki Nagano
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2016-03-31
Publication date: 2017-10-05
Anticipated expiration: 2036-03-31
Also published as: JP6395117B2

Abstract

【課題】排気行程において既燃ガスの排出効率を高めることにより、追従する吸気行程における新気の導入量を増加させることができるエンジンの制御装置を提供する。
【解決手段】燃焼室１９を開閉する吸気弁２１ａ，２１ｂ、及び排気弁２２ａ，２２ｂが設けられたエンジンの制御装置であって、吸気弁２１ａ，２１ｂを制御する吸気側可変動弁機構７１と、排気弁２２ａ，２２ｂをそれぞれ独立して制御する排気側可変動弁機構７２と、を備え、所定の低回転運転領域での排気行程において、排気側可変動弁機構７２によってピストンの上昇中に排気弁２２ａのみを開弁し、その後、吸気側可変動弁機構７１によって吸気弁２１ａ，２１ｂの少なくとも一方を開弁する。
【選択図】図４

Description

本発明は、エンジンの制御装置に関し、特に、可変動弁機構によって排気弁の開閉を制御するエンジンの制御装置に関する。

従来から、エンジンの制御装置においては、エンジンの吸気弁及び排気弁の開弁及び閉弁の時期を適切に制御することによりエンジンの運転効率を高める技術が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２０１２−３６７９８号公報

特許文献１では、同一のリフトカーブに従って開閉する吸気弁及び排気弁を１気筒毎にそれぞれ２つずつ備えるエンジンにおいて、吸気弁又は排気弁の開弁時期に位相差を設定することにより気筒内に旋回流を生じさせ、これにより、排気エミッション及び燃費を改善することとしている。

近年、排気エミッション及び燃費の更なる改善を目的として、ＨＣＣＩ燃焼方式を採用したエンジンの開発が進められている。そして、ＨＣＣＩ燃焼方式を採用したエンジンでは、エンジンの低回転領域からラムダ値を２程度にするリーン燃焼を行うため、吸気効率の向上が求められている。吸気行程において吸気効率を高めるためには、新気の導入量を向上させることの他に、直前の排気行程において燃焼室内の既燃ガスの排出効率を高めることが考えられる。

そこで本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、排気行程において既燃ガスの排出効率を高めることにより、追従する吸気行程における新気の導入量を増加させることができるエンジンの制御装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明は、
燃焼室を開閉する第１の吸気弁及び第２の吸気弁、並びに第１の排気弁及び第２の排気弁が設けられたエンジンの制御装置であって、
前記第１の吸気弁及び前記第２の吸気弁を制御する吸気側可変動弁機構と、
前記第１の排気弁及び前記第２の排気弁をそれぞれ独立して制御する第１の排気側可変動弁機構、及び第２の排気側可変動弁機構と、を備え、
所定の低回転運転領域での排気行程において、
前記第１の排気側可変動弁機構によってピストンの上昇中に前記第１の排気弁のみを開弁し、その後、前記吸気側可変動弁機構によって前記第１の吸気弁及び前記第２の排気弁の少なくとも一方を開弁する。

このように構成された本発明によれば、
所定の低回転運転領域の排気行程において、
ピストン上昇中に、第２の排気弁を閉弁したまま第１の排気弁のみを開弁する。これにより、燃焼室内の既燃ガスが第１の排気弁を介して排出される気流が形成される。このとき、第１の排気弁のみを開弁して第２の排気弁を閉弁したままにすることにより、第１の排気弁から排出される気流の流速が増加する。これにより、燃焼室内の既燃ガスの排出効率を高めることができる。そして燃焼室から排出される気流が形成されている状態で、第１の吸気弁及び第２の吸気弁の少なくとも一方を開弁することにより、開弁した吸気弁から燃焼室内に新気が流れ込む。このとき、燃焼室内には、第１の排気弁を開弁することによって形成された気流によってエンジンの排気側の負圧が発生しており、この負圧によって開弁した吸気弁から燃焼室内に流れ込む新気の量を増やすことができる。

また、本発明において好ましくは、前記所定の低回転運転領域の排気行程において前記吸気側可変動弁機構は、上面視したときに前記燃焼室に対して前記第１の排気弁と対角線上に配置されている前記第１の吸気弁又は前記第２の吸気弁のみを開弁する。

このように構成された本発明によれば、排気行程において開弁する第１の排気弁と対角線上に配置されている吸気弁のみを開弁することで、燃焼室内を片寄り無く掃気することができる。

また、本発明において、好ましくは、前記排気行程における第１の排気弁のリフト量は、前記低回転運転領域以外の運転領域での排気行程における第１の排気弁のリフト量の少なくとも２倍である。

このように構成された本発明によれば、片方の排気弁しか開かなかったとしても、十分な量の排気流量を確保することができる。

以上のように、本発明によれば、排気行程において既燃ガスの排出効率を高めることにより、追従する吸気行程における新気の導入量を増加させることができる。

本発明の実施形態によるエンジンの概略構成図である。本発明の実施形態によるエンジンの概略構成図である。本発明の実施形態によるエンジンの制御ブロック図である。本発明の実施形態による吸気弁及び排気弁の動作を示すグラフである。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態によるエンジンについて説明する。

まず、図１を参照して、本発明の実施形態によるエンジンの構成について説明する。図１は、本発明の実施形態によるエンジンの概略構成図である。

図１に示すように、エンジン１は、車両に搭載される、少なくともガソリンを含有する燃料が供給されるガソリンエンジンである。エンジン１は、複数の気筒１８が設けられたシリンダブロック１１（なお、図１では、１つの気筒のみを図示するが、例えば４つの気筒が直列に設けられる）と、このシリンダブロック１１上に配設されたシリンダヘッド１２と、シリンダブロック１１の下側に配設され、エンジンオイルが貯留されたオイルパン１３とを有している。各気筒１８内には、コンロッド１４２を介してクランクシャフト１５と連結されているピストン１４が往復動可能に嵌挿されている。ピストン１４の頂面には、ディーゼルエンジンの燃焼室に適用されるリエントラント型燃焼室を形成するようなキャビティ１４１が設けられている。キャビティ１４１は、ピストン１４が圧縮上死点付近に位置するときには、インジェクタ６７に相対する。そして、シリンダヘッド１２と、気筒１８と、キャビティ１４１を有するピストン１４とが、燃焼室１９を画定する。なお、燃焼室１９の形状は、図示する形状に限定されるものではない。例えばキャビティ１４１の形状、ピストン１４の頂面形状、及び、燃焼室１９の天井部の形状等は、適宜変更することが可能である。

このエンジン１は、理論熱効率の向上や、圧縮着火燃焼の安定化等を目的として、１５以上の比較的高い幾何学的圧縮比に設定されている。なお、幾何学的圧縮比は１５以上２０以下程度の範囲で、適宜設定すればよい。

シリンダヘッド１２には、気筒１８毎に、燃焼室１９に連通する吸気ポート１６及び排気ポート１７が形成されていると共に、これら吸気ポート１６及び排気ポート１７には、燃焼室１９側の開口を開閉する吸気弁２１及び排気弁２２がそれぞれ配設されている。

シリンダヘッド１２には、気筒１８毎に、気筒１８内に燃料を直接噴射する（直噴）インジェクタ６７が取り付けられている。インジェクタ６７は、その噴口が燃焼室１９の天井面の中央部分から、その燃焼室１９内に臨むように配設されている。インジェクタ６７は、エンジン１の運転状態に応じて設定された噴射タイミングでかつ、エンジン１の運転状態に応じた量の燃料を、燃焼室１９内に直接噴射する。この例において、インジェクタ６７は、詳細な図示は省略するが、複数の噴口を有する多噴口型のインジェクタである。これによって、インジェクタ６７は、燃料噴霧が、燃焼室１９の中心位置から放射状に広がるように、燃料を噴射する。ピストン１４が圧縮上死点付近に位置するタイミングで、燃焼室１９の中央部分から放射状に広がるように噴射された燃料噴霧は、ピストン頂面に形成されたキャビティ１４１の壁面に沿って流動する。換言すれば、キャビティ１４１は、ピストン１４が圧縮上死点付近に位置するタイミングで噴射された燃料噴霧を、その内部に収めるように形成されている。この多噴口型のインジェクタ６７とキャビティ１４１との組み合わせは、燃料の噴射後、混合気形成期間を短くすると共に、燃焼期間を短くする上で有利な構成である。なお、インジェクタ６７は、多噴口型のインジェクタに限定されず、外開弁タイプのインジェクタを採用してもよい。

図外の燃料タンクとインジェクタ６７との間は、燃料供給経路によって互いに連結されている。この燃料供給経路上には、燃料ポンプ６３とコモンレール６４とを含み、かつ、インジェクタ６７に、比較的高い燃料圧力で燃料を供給することが可能な燃料供給システム６２が介設されている。燃料ポンプ６３は、燃料タンクからコモンレール６４に燃料を圧送し、コモンレール６４は圧送された燃料を、比較的高い燃料圧力で蓄えることが可能である。インジェクタ６７が開弁することによって、コモンレール６４に蓄えられている燃料がインジェクタ６７の噴口から噴射される。ここで、燃料ポンプ６３は、図示は省略するが、プランジャー式のポンプであり、エンジン１によって駆動される。このエンジン駆動のポンプを含む構成の燃料供給システム６２は、３０ＭＰａ以上の高い燃料圧力の燃料を、インジェクタ６７に供給することを可能にする。燃料圧力は、最高で１２０ＭＰａ程度に設定してもよい。インジェクタ６７に供給される燃料の圧力は、エンジン１の運転状態に応じて変更される。なお、燃料供給システム６２は、この構成に限定されるものではない。

シリンダヘッド１２にはまた、燃焼室１９内の混合気に強制点火（具体的には火花点火）する点火プラグ２５が取り付けられている。点火プラグ２５は、この例では、エンジン１の排気側から斜め下向きに延びるように、シリンダヘッド１２内を貫通して配置されている。点火プラグ２５の先端は、圧縮上死点に位置するピストン１４のキャビティ１４１内に臨んで配置される。

エンジン１の一側面には、各気筒１８の吸気ポート１６に連通するように吸気通路３０が接続されている。一方、エンジン１の他側面には、各気筒１８の燃焼室１９からの既燃ガス（排気ガス）を排出する排気通路４０が接続されている。

吸気通路３０の上流端部には、吸入空気を濾過するエアクリーナ３１が配設され、その下流側には、各気筒１８への吸入空気量を調節するスロットル弁３６が配設されている。また、吸気通路３０における下流端近傍には、サージタンク３３が配設されている。このサージタンク３３よりも下流側の吸気通路３０は、気筒１８毎に分岐する独立通路とされ、これら各独立通路の下流端が各気筒１８の吸気ポート１６にそれぞれ接続されている。

排気通路４０の上流側の部分は、気筒１８毎に分岐して排気ポート１７の外側端に接続された独立通路と該各独立通路が集合する集合部とを有する排気マニホールドによって構成されている。この排気通路４０における排気マニホールドよりも下流側には、排気ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置として、直キャタリスト４１とアンダーフットキャタリスト４２とがそれぞれ接続されている。直キャタリスト４１及びアンダーフットキャタリスト４２はそれぞれ、筒状ケースと、そのケース内の流路に配置した、例えば三元触媒とを備えて構成されている。

吸気通路３０におけるサージタンク３３とスロットル弁３６との間の部分と、排気通路４０における直キャタリスト４１よりも上流側の部分とは、排気ガスの一部を吸気通路３０に還流するためのＥＧＲ通路５０を介して接続されている。このＥＧＲ通路５０は、排気ガスをエンジン冷却水によって冷却するためのＥＧＲクーラ５２が配設された主通路５１を含んで構成されている。主通路５１には、排気ガスの吸気通路３０への還流量を調整するためのＥＧＲ弁５１１が配設されている。

また、エンジン１は、制御手段としてのパワートレイン・コントロール・モジュール（以下では「ＰＣＭ」と呼ぶ。）１０によって制御される。ＰＣＭ１０は、ＣＰＵ、メモリ、カウンタタイマ群、インターフェース及びこれらのユニットを接続するパスを有するマイクロプロセッサで構成されており、このＰＣＭ１０が制御器を構成する。

図２は、エンジンの概略構成図であり、特定の気筒を上面視したときの概略構成図である。図２に示すように、一つの気筒１８には、燃焼室１９に連通された２つの吸気口２３ａ，２３ｂ及び２つの排気口２４ａ，２４ｂが設けられている。そして、各吸気口２３ａ，２３ｂは、それぞれ、吸気弁２１ａ，２１ｂによって開閉され、各排気口２４ａ，２４ｂは、それぞれ、排気弁２２ａ，２２ｂによって開閉される。吸気ポート１６は、吸気口２３ａ，２３ｂの上流側で分岐しており、分岐した通路が、それぞれ吸気口２３ａ，２３ｂに接続されている。

図３は、本発明の実施形態によるエンジンの制御ブロック図である。図５に示すように、ＰＣＭ１０には、各種のセンサＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ４〜ＳＷ１８の検出信号が入力される。具体的には、ＰＣＭ１０には、エアクリーナ３１の下流側で、新気の流量を検出するエアフローセンサＳＷ１の検出信号と、新気の温度を検出する吸気温度センサＳＷ２の検出信号と、ＥＧＲ通路５０における吸気通路３０との接続部近傍に配置されかつ、外部ＥＧＲガスの温度を検出するＥＧＲガス温センサＳＷ４の検出信号と、吸気ポート１６に取り付けられかつ、気筒１８内に流入する直前の吸気の温度を検出する吸気ポート温度センサＳＷ５の検出信号と、シリンダヘッド１２に取り付けられかつ、気筒１８内の圧力を検出する筒内圧センサＳＷ６の検出信号と、排気通路４０におけるＥＧＲ通路５０の接続部近傍に配置されかつ、それぞれ排気温度及び排気圧力を検出する排気温センサＳＷ７及び排気圧センサＳＷ８の検出信号と、直キャタリスト４１の上流側に配置されかつ、排気中の酸素濃度を検出するリニアＯ₂センサＳＷ９の検出信号と、直キャタリスト４１とアンダーフットキャタリスト４２との間に配置されかつ、排気中の酸素濃度を検出するラムダＯ₂センサＳＷ１０の検出信号と、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサＳＷ１１の検出信号と、クランクシャフト１５の回転角を検出するクランク角センサＳＷ１２の検出信号と、車両のアクセルペダル（図示省略）の操作量に対応したアクセル開度を検出するアクセル開度センサＳＷ１３の検出信号と、吸気側及び排気側のカム角センサＳＷ１４、ＳＷ１５の検出信号と、燃料供給システム６２のコモンレール６４に取り付けられかつ、インジェクタ６７に供給する燃料圧力を検出する燃圧センサＳＷ１６の検出信号と、エンジン１の油圧を検出する油圧センサＳＷ１７の検出信号と、エンジンオイルの油温を検出する油温センサＳＷ１８の検出信号と、が入力される。

ＰＣＭ１０は、これらの検出信号に基づいて種々の演算を行うことによってエンジン１や車両の状態を判定し、これに応じて、（直噴）インジェクタ６７、点火プラグ２５、吸気弁２１ａ，２１ｂを制御する吸気側可変動弁機構７１、排気弁２２ａ，２２ｂを制御する排気側可変動弁機構７２、燃料供給システム６２、及び、各種の弁（スロットル弁３６、ＥＧＲ弁５１１）のアクチュエータに対して制御信号を出力する。こうしてＰＣＭ１０は、エンジン１を運転する。

吸気側可変動弁機構７１、及び排気側可変動弁機構７２としては、ＶＶＴ、ＶＶＬ等、公知の可変動弁機構を用いることができる。

次に、本実施形態の作用について詳述する。

図４は、例えば、エンジン回転数が３０００ＲＰＭ以下である低回転数運転領域での排気行程における排気弁２１及び吸気弁２２の動作を示すグラフである。図４の実線Ｌ１は、２つの排気弁のうちの一方、例えば排気弁２１ａのリフト量とクランク角との関係を示し、実線Ｌ２は、２つの吸気弁のうちの少なくとも一方のリフト量とクランク角との関係を示す。図４に示すように、排気行程においては、ピストンが下死点から上死点に向かっている間、排気側可変動弁機構７２は、排気弁２２ａを開弁する。このとき、他方の第２の排気弁２２ｂは、閉弁したままである。燃焼室１９の圧縮中に一方の排気弁を開弁すると、燃焼室１９内の高圧既燃ガスは、排気口２４ａを介して低圧の排気ポート１７に排出される。そして、このとき、排気弁２２ｂは開弁しておらず、排気弁２２ａが設けられた排気口２４ａのみが開口しているため、排気口２４ａから排出される既燃ガスの気流の速度は、排気口２４ａ及び排気口２４ｂの両方が開口している場合と比べて約２倍となり、さらに気流によって排気ポート１７内に負圧が発生する。そして、ピストンが上死点に達する直前の時刻ｔ１において、少なくとも一方の吸気弁２１を開弁すると、燃焼室１９から排気ポート１７に向かう気流、及び排気ポート１７内の負圧によって、開口した吸気弁２１から燃焼室１９内に大量の新気が流れ込む。また、吸気弁２１を開弁した時刻ｔ１から、排気弁２１ａが閉弁する時刻ｔ２までは、燃焼室１９内に流入した新気の一部が燃焼室１９を通過して排気ポート１７まで至るため、燃焼室１９内の既燃ガスを効率的に排気ポート１７に排出することができる。このように、ピストンの上死点付近において、排気弁２２を片方のみ開弁し、吸気弁２１と排気弁２２の開弁時期をオーバーラップさせることにより既燃ガスの排出効率及び新気の導入効率を高めることができる。

また、低回転運転領域の排気行程では、片方の排気弁２２しか開弁しないため、排気流量を確保するために、排気弁２２のリフト量を、高回転運転領域の排気行程における排気弁２２のリフト量の２倍にすることが好ましい。

上述したように、低回転運転領域での排気行程では、一方の排気弁２２のみを開弁することとしたが、２つの吸気弁２１の開閉に関しては、様々な組み合わせをすることができる。例えば、吸気弁２１を片方だけ開弁し、又は両方開弁することも可能である。さらには、図２に示すように、２つの吸気弁２１と２つの排気弁は、燃焼室１９を挟んで平行に配列されているが、燃焼室１９を横切る対角線上の吸気弁２１ａ及び排気弁２２ｂを開弁させてもよい。これにより、吸気口２３ａから入った新気が燃焼室１９を横切って対角線上にある排気口２４ｂから流れる気流を作り出すことができ、燃焼室１９内の掃気効率を高めることができる。また、吸気弁２１ａ及びこれと対角線上にある排気弁２２ｂを開いた後、次のサイクルでは、吸気弁２１ｂ及びこれと対角線上にある排気弁２２ａを開くというような切り替え制御を行うことも可能である。このような切り替え制御により掃気効率を更に高めることができる。

１エンジン
１０ＰＣＭ
１８気筒
２１吸気弁
２２排気弁
７１吸気側可変動弁機構
７２排気側可変動弁機構

Claims

燃焼室を開閉する第１の吸気弁及び第２の吸気弁、並びに第１の排気弁及び第２の排気弁が設けられたエンジンの制御装置であって、
前記第１の吸気弁及び前記第２の吸気弁を制御する吸気側可変動弁機構と、
前記第１の排気弁及び前記第２の排気弁をそれぞれ独立して制御する第１の排気側可変動弁機構、及び第２の排気側可変動弁機構と、を備え、
所定の低回転運転領域での排気行程において、前記第１の排気側可変動弁機構によってピストンの上昇中に前記第１の排気弁のみを開弁し、その後、前記吸気側可変動弁機構によって前記第１の吸気弁及び前記第２の排気弁の少なくとも一方を開弁する、エンジンの制御装置。
前記所定の低回転運転領域の排気行程において前記吸気側可変動弁機構は、上面視したときに前記燃焼室に対して前記第１の排気弁と対角線上に配置されている前記第１の吸気弁又は前記第２の吸気弁のみを開弁する、請求項１に記載のエンジンの制御装置。
前記排気行程における第１の排気弁のリフト量は、前記低回転運転領域以外の運転領域での排気行程における第１の排気弁のリフト量の少なくとも２倍である、請求項１又は２に記載のエンジンの制御装置。