JP2017218915A - ディーゼルエンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヘリカルポートとタンジェンシャルポートとが同一の気筒に接続されたディーゼルエンジンにおいて、始動時の着火性を向上させられるようにする。
【解決手段】気筒に接続されたヘリカルポート１４に配置された第１吸気バルブ１６と、上記気筒に接続されたタンジェンシャルポート１２に配置され、第１吸気バルブ１６よりも作用角の大きい第２吸気バルブ１８と、第１吸気バルブ１６の開き時期を第２吸気バルブ１８の開き時期と独立して変更可能な可変動弁機構２０と、を備えるディーゼルエンジン１０において、始動時に、第１吸気バルブ１６の開き時期が第２吸気バルブ１８の開き時期よりも遅角するように可変動弁機構２０を制御する。
【選択図】図６

Description

この発明は、ディーゼルエンジンの制御装置に係り、特に、燃焼室内にスワールを生成するために吸気ポートとしてタンジェンシャルポートとヘリカルポートとを同一気筒に備えるディーゼルエンジンの制御装置に関する。

例えば、特許文献１には、ヘリカルポートとタンジェンシャルポートとが同一の気筒に接続されたエンジンの吸気システムが開示されている。この吸気システムでは、ヘリカルポートおよびタンジェンシャルポートを開閉するそれぞれの吸気バルブのバルブタイミングが、エンジン負荷やエンジン回転速度に応じて制御される。

特開平０８−２６０９２５号公報

特許文献１に記載のエンジンのようにヘリカルポートとタンジェンシャルポートとが同一の気筒に接続されたディーゼルエンジンにおいて、ヘリカルポートに配置された吸気バルブの開き時期が、タンジェンシャルポートに配置された吸気バルブの開き時期と等しくされていると、筒内に生成されるスワールの渦中心が気筒中心に十分に近い状態となる。その結果、隣接噴霧の干渉が抑制されるので、局所的に当量比が高い領域の形成が抑制される。しかしながら、本件発明者の鋭意研究により、始動時においては、筒内の燃料濃度分布に偏りを持たせて局所的に当量比を高めることで着火性を向上させられることが明らかになった。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ヘリカルポートとタンジェンシャルポートとが同一の気筒に接続されたディーゼルエンジンにおいて、始動時の着火性を向上させることにある。

本発明に係るディーゼルエンジンの制御装置は、気筒に接続されたヘリカルポートに配置された第１吸気バルブと、前記気筒に接続されたタンジェンシャルポートに配置され、前記第１吸気バルブよりも作用角の大きい第２吸気バルブと、前記第１吸気バルブの開き時期を前記第２吸気バルブの開き時期と独立して変更可能な可変動弁機構と、を備えるディーゼルエンジンを制御する。前記制御装置は、前記ディーゼルエンジンの始動時に、前記第１吸気バルブの開き時期が前記第２吸気バルブの開き時期よりも遅角するように前記可変動弁機構を制御する。

本発明によれば、始動時には、ヘリカルポート側の第１吸気バルブの開き時期がタンジェンシャルポート側の第２吸気バルブの開き時期よりも遅角されるように可変動弁機構が制御される。このように、タンジェンシャルポート側の第２吸気バルブが先に開かれることで、筒内のスワールの渦中心の気筒中心に対するずれを大きくすることができる。これにより、筒内の燃料濃度分布に偏りを持たせて局所的に当量比を高めることができるので、始動時の着火性を向上させられるようになる。

本発明の実施の形態に係るシステム構成を説明するための図である。 ＳＶＶＴ機構を備える可変動弁機構により制御される２つの吸気バルブのバルブリフトカーブを表した図である。 エンジンの通常運転時の第１吸気バルブの開閉時期の制御を説明するための図である。 エンジンの始動時の第１吸気バルブの開閉時期の制御を説明するための図である。 図４に示す始動ＳＶＶＴ制御の効果を説明するための図である。 本発明の実施の形態においてＥＣＵが実行する処理の一例を示すフローチャートである。 図６に示すルーチンの制御の動作を表したタイムチャートである。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態に係るシステム構成を説明するための図である。本実施形態のシステムは、図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、「エンジン」と略する）１０を備えている。図１は、エンジン１０の構成のうちの本発明に特に関連する部分の構成を示している。

エンジン１０は、同一の気筒に接続される吸気ポートとして、タンジェンシャルポート１２とヘリカルポート１４とを備えている。なお、エンジン１０は、これらの２つの吸気ポート（１２、１４）とともに、２つの排気ポート（図示省略）を備えている。また、エンジン１０の各気筒には、合計４つの吸排気ポート（１２、１４等）の開口部によって囲まれる箇所に、燃料を気筒内に放射状に噴射する燃料噴射弁（図示省略）が設置されている。

タンジェンシャルポート１２は、気筒側の端部が気筒円周方向に向けられた形状を有している。タンジェンシャルポート１２の開口部から筒内に導入された吸気は、主に気筒外周側を旋回するスワールを生成する。一方、ヘリカルポート１４は、気筒側の端部が渦巻状に湾曲する形状を有している。ヘリカルポート１４の開口部から筒内に導入された吸気は、主に気筒内周側を旋回するスワールを生成する。

ヘリカルポート１４には、第１吸気バルブ１６が配置されており、ヘリカルポート１４は、第１吸気バルブ１６により開閉される。一方、タンジェンシャルポート１２には、第２吸気バルブ１８が配置されており、タンジェンシャルポート１２は、第２吸気バルブ１８により開閉される。エンジン１０は、第１吸気バルブ１６および第２吸気バルブ１８を駆動する可変動弁機構２０を備えている。

可変動弁機構２０は、カムシャフト２２を備えている。カムシャフト２２は、外側シャフト２２ａと、外側シャフト２２ａの内側に同心状に挿入された内側シャフト２２ｂとによって構成されている。内側シャフト２２ｂには、ヘリカルポート１４に配置された第１吸気バルブ１６を駆動するための第１カムロブ２４が、ピン２６を介して固定されている。一方、外側シャフト２２ａには、タンジェンシャルポート１２に配置された第２吸気バルブ１８を駆動するための第２カムロブ２８が固定されている。また、第１吸気バルブ１６と第１カムロブ２４との間には、第１ロッカーアーム３０が介在している。一方、第２吸気バルブ１８と第２カムロブ２８との間には、第２ロッカーアーム３２が介在している。

外側シャフト２２ａの一端には、タイミングチェーン（図示省略）が巻き掛けられるカムスプロケット２２ａ１が固定されている。つまり、外側シャフト２２ａおよびこれに固定された第２カムロブ２８は、タイミングチェーンに直結されている。このため、タイミングチェーンからの動力を受けて外側シャフト２２ａが回転すると、第２カムロブ２８も回転し、第２カムロブ２８のノーズ部分が第２ロッカーアーム３２を回動させる。第２ロッカーアーム３２が回動することで、第２吸気バルブ１８が駆動される。また、この動力により外側シャフト２２ａが回転すると、後述のようにＳＶＶＴ機構３４を介して外側シャフト２２ａと連結された内側シャフト２２ｂも回転する。その結果、第１カムロブ２４も回転し、第１カムロブ２４のノーズ部分が第１ロッカーアーム３０を回動させる。第１ロッカーアーム３０が回動することで、第１吸気バルブ１６が駆動される。

さらに、可変動弁機構２０は、カムスプロケット２２ａ１が設けられる側のカムシャフト２２の端部に、ＳＶＶＴ（Simple Variable Valve Timing）機構３４を備えている。より具体的には、ＳＶＶＴ機構３４は、外側シャフト２２ａと内側シャフト２２ｂとの間に介在しており、外側シャフト２２ａに対する内側シャフト２２ｂの回転位相を変更可能に構成されている。ＳＶＶＴ機構３４によって外側シャフト２２ａの回転位相に対する内側シャフト２２ｂの回転位相を変更することで、外側シャフト２２ａ側の第２カムロブ２８の回転位相に対する内側シャフト２２ｂ側の第１カムロブ２４の回転位相が変更される。その結果、第１カムロブ２４により押圧される第１吸気バルブ１６の開閉時期が変更されることになる。一方、外側シャフト２２ａは上述のようにタイミングチェーンに直結されているため、第２吸気バルブ１８の開閉時期は固定されている。つまり、可変動弁機構２０によれば、タンジェンシャルポート１２側の第２吸気バルブ１８の開閉時期が固定される一方で、ＳＶＶＴ機構３４による位相制御により、ヘリカルポート１４側の第１吸気バルブ１６の開閉時期を所定のクランク角度範囲（後述の図２参照）内で可変とすることができる。

図２は、ＳＶＶＴ機構３４を備える可変動弁機構２０により制御される吸気バルブ１６、１８のバルブリフトカーブを表した図である。なお、排気バルブは排気上死点（ＴＤＣ）近傍で閉じられるようになっている。また、図２中に「ヘリカル」と付して表されたバルブリフトカーブは第１吸気バルブ１６のものであり、同図中に「タンジェンシャル」と付して表されたバルブリフトカーブは第２吸気バルブ１８のものである。また、図２に示すように、排気バルブの開弁期間と第２吸気バルブ１８の開弁期間との間には、少量の正のバルブオーバーラップ期間が設けられている。

図２に示すように、可変動弁機構２０では、第１吸気バルブ１６の作用角（およびリフト量）よりも第２吸気バルブ１８の作用角（およびリフト量）が大きくなるようにカムロブ２４、２８のそれぞれのカムプロフィールが設定されている。そのうえで、第２カムロブ２８のカムプロフィールは、タンジェンシャルポート１２側の第２吸気バルブ１８の開き時期が排気上死点近傍となるように設定されている。

また、ＳＶＶＴ機構３４による位相制御によれば、図２に示すように、ヘリカルポート１４側の第１吸気バルブ１６の開閉時期を、開き時期が第２吸気バルブ１８と同様に排気上死点近傍となる動作状態と、閉じ時期が第２吸気バルブ１８の閉じ時期近傍となる動作状態との間で連続的に変更することができる。

さらに、図１に示すように、本実施形態のシステムは、電子制御ユニット（ＥＣＵ）４０を備えている。ＥＣＵ４０は、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等を備えている。ＥＣＵ４０は、エンジン１０を搭載する車両に搭載された各種センサの信号を取り込んで処理する。各種センサには、クランク軸（図示省略）の回転角度およびエンジン回転速度Ｎｅを検出するクランク角センサ４２が少なくとも含まれる。ＥＣＵ４０は、取り込んだ各センサの信号を処理して所定の制御プログラムに従って各種アクチュエータを操作する。ＥＣＵ４０によって操作されるアクチュエータには、上述したＳＶＶＴ機構３４が少なくとも含まれる。

［第１吸気バルブの開閉時期の制御］
（通常ＳＶＶＴ制御）
図３は、エンジン１０の通常運転時の第１吸気バルブ１６の開閉時期の制御（以下、「通常ＳＶＶＴ制御」と称する）を説明するための図である。ここでいう通常運転とは、エンジン１０の停止直前および始動直後を除く運転時のことをいう。

エンジン１０の運転領域は、図３（Ａ）に示すように、エンジン負荷とエンジン回転速度とで規定することができる。まず、軽負荷領域では、ＨＣの排出抑制のために、スワール比を低くしつつ内部ＥＧＲガス量を増やすことが望ましい。そこで、図３（Ｄ）に示すように、第１吸気バルブ１６の開き時期が第２吸気バルブ１８の開き時期と同等になるように、第１吸気バルブ１６の開閉時期がＳＶＶＴ機構３４を用いて進角される。このように２つの吸気バルブ１６、１８の開き時期を揃えることで、スワール比を低くすることができる。また、第１吸気バルブ１６と排気バルブとの間でも正のバルブオーバーラップ期間が設けられることになるので、内部ＥＧＲガス量を増やすことができる。

次に、上記軽負荷領域よりも高負荷側の中負荷領域では、スモークの排出抑制のために、スワール比を高くしつつ内部ＥＧＲガス量を減らすことが望ましい。そこで、図３（Ｃ）に示すように、第１吸気バルブ１６の閉じ時期が第２吸気バルブ１８の閉じ時期と同等になるように、第１吸気バルブ１６の開閉時期がＳＶＶＴ機構３４を用いて遅角される。このように２つの吸気バルブ１６、１８の開き時期の位相差を大きくすることで、スワール比を高くすることができる。また、第１吸気バルブ１６と排気バルブとの間での正のバルブオーバーラップ期間が解消されるので、図３（Ｄ）に示す進角状態と比べて、内部ＥＧＲガス量を減らすことができる。

次に、上記中負荷領域よりも高負荷側の高負荷領域では、スモークの排出抑制と吸入空気量の確保とが最も重要な要件となる。そこで、図３（Ｂ）に示すように（図３（Ｄ）と同様に）、第１吸気バルブ１６の開き時期が第２吸気バルブ１８の開き時期と同等になるように、第１吸気バルブ１６の開閉時期がＳＶＶＴ機構３４を用いて進角される。高負荷領域において第１吸気バルブ１６の開閉時期をこのように制御することで、吸気の体積効率ηｖｂを効果的に高めることができる。その結果、スモークの排出抑制と吸入空気量の確保とが効果的に実現される。

（始動ＳＶＶＴ制御）
図４は、エンジン１０の始動時の第１吸気バルブ１６の開閉時期の制御（以下、「始動ＳＶＶＴ制御」と称する）を説明するための図である。エンジン１０の始動性を高く確保するためには、筒内での着火性を十分に確保することが望ましい。また、着火性の向上は、近年開発が進んでいる低圧縮比化されたエンジンでは、筒内ガス温度が低くなるため、より高く要求される。

本件発明者は、スワールの質を検討し、スワールの渦中心が気筒中心からずれていると、放射状に噴射された燃料の隣接噴霧同士の干渉によって着火性が向上することを発見した。より具体的には、スワールの渦中心の気筒中心からのずれが大きくなることで、燃料噴霧内の当量比分布（燃料濃度分布）に偏りを持たせることができる。これにより、局所的に燃料濃度が過濃な領域を形成することができるので、着火性が向上する。

そこで、本実施形態では、始動時には、図４に示すように、スワールの渦中心が気筒中心からずれるようにするために、ＳＶＶＴ機構３４を用いてヘリカルポート１４側の第１吸気バルブ１６の開き時期がタンジェンシャルポート１２側の第２吸気バルブ１８の開き時期と比べて遅角される。

また、本実施形態では、上述のように、タンジェンシャルポート１２側の第２吸気バルブ１８の開き時期は、排気上死点近傍とされている。さらに、この第２吸気バルブ１８の作用角が、ヘリカルポート１４側の第１吸気バルブ１６の作用角よりも大きくなるように設定されている。始動ＳＶＶＴ制御では、このような作用角設定を有しつつ、図４に示すように第１吸気バルブ１６の閉じ時期が第２吸気バルブ１８の閉じ時期と同等となる態様で第１吸気バルブ１６の開き時期の進角が実行される。

図５は、図４に示す始動ＳＶＶＴ制御の効果を説明するための図である。より具体的には、図５（Ａ）は、始動ＳＶＶＴ制御が実行されたときのバルブリフトカーブを表している。図５（Ｂ）および図５（Ｃ）に示すバルブリフトカーブの例は、図５（Ａ）に示す本実施形態の例との対比のためにそれぞれ参照するものである。

排気上死点以降のクランク角期間において第２吸気バルブ（タンジェンシャル）１８のバルブリフトカーブの内側において第１吸気バルブ（ヘリカル）１６のバルブリフトカーブよりも外側に位置する領域Ａ（図５（Ａ）参照）の面積は、スワールの質に影響する。より具体的には、この面積が大きいほど、スワールの渦中心を気筒中心からずらすことによる着火性向上効果が高くなる。したがって、図５（Ａ）に示すように第２吸気バルブ１８の開き時期が排気上死点よりも進角していない態様で第１吸気バルブ１６の開き時期を第２吸気バルブ１８の開き時期よりも遅角することで、領域Ａの面積を効果的に確保できるようになる。

一方、図５（Ｂ）は、タンジェンシャルポート側の第２吸気バルブの開き時期が、排気上死点よりも進角されている例を示している。この例では、図５（Ａ）に示す例と比べて領域Ａの面積が小さくなる。このことは、第１吸気バルブの開き時期を第２吸気バルブの開き時期よりも進角させることによるスワールの質の向上効果が低下することを意味する。また、第２吸気バルブと排気バルブとの正のバルブオーバーラップ期間が拡大することによって内部ＥＧＲに影響する領域Ｂの面積が増加する。このため、新気量の低下が懸念される。

また、図５（Ｃ）は、２つの吸気バルブの作用角（およびリフト量）が同じとされている例を示している。この例において、ヘリカルポート側の第１吸気バルブの開き時期を遅角すると、開き時期だけでなく、図５（Ｃ）に示すように閉じ時期もタンジェンシャルポート側の閉じ時期と比べて遅角してしまう。このことは、実圧縮比の低下を招き、その結果として、着火性を低下させてしまう。

以上説明したように、本実施形態の始動ＳＶＶＴ制御によれば、図５（Ｂ）に示す例のように領域Ａの面積の減少を招くことなく、また、図５（Ｃ）に示す例のように実圧縮比の低下を招くことなくスワールの質を向上させることができる。このため、図５（Ｂ）や図５（Ｃ）に示す態様で第１吸気バルブ（ヘリカル）の開き時期を遅角する例と比べて着火性を向上させることができる。

（本実施形態の具体的な処理）
図６は、本発明の実施の形態においてＥＣＵ４０が実行する処理の一例を示すフローチャートである。なお、この図６に示すルーチンは、エンジン１０の停止直前および始動直後を含めてエンジン１０の運転中に繰り返し起動されるものとする。

図６に示すルーチンでは、ＥＣＵ４０は、まず、クランク角センサ４２を用いてエンジン回転速度Ｎｅを取得する（ステップ１００）。次いで、ＥＣＵ４０は、取得したエンジン回転速度Ｎｅが判定基準回転速度Ｎ_Ａよりも低いか否かを判定する（ステップ１０２）。すなわち、本ルーチンでは、ステップ１００および１０２の処理により、エンジン１０の停止判定が実行される。なお、エンジン１０の停止の有無は、上記の態様に代え、例えば、イグニッションスイッチがＯＦＦされたか否かに基づいて判定してもよい。ただし、エンジン回転速度に基づく判定手法によれば、エンジン１０がストールした場合であっても判定が可能となる。

ステップ１０２において現在のエンジン回転速度Ｎｅが判定基準回転速度Ｎ_Ａ以上であるためにエンジン１０の停止がなされる状況ではないと判定した場合には、ＥＣＵ４０は、通常ＳＶＶＴ制御を実行する（ステップ１０４）。これにより、第１バルブ１６の開閉時期が運転領域に応じた時期（図３参照）となるように制御される。

一方、ステップ１０２の判定が成立した場合、つまり、エンジン１０の停止がなされる状況にあると判定した場合には、ＥＣＵ４０は、ヘリカルポート１４側の第１吸気バルブ１６の開き時期の遅角による始動ＳＶＶＴ制御（図４参照）を実行する（ステップ１０６）。より具体的には、ＳＶＶＴ機構３４が電動式である場合には、本ステップ１０６の処理によって外側シャフト２２ａの回転位相に対して内側シャフト２２ｂの回転位相（第１吸気バルブ１６の開き時期）を遅角させておくことで、その後の始動に備えることができる。また、ＳＶＶＴ機構３４が油圧ベーン式である場合には、エンジン停止中には油圧の低下により回転位相を変更できないため、次のような構成を採用すればよい。すなわち、図４に示すバルブタイミングが得られる遅角側の位置で始動時に第１吸気バルブ１６の開き時期を固定できるようにするために、本ステップ１０６において第１吸気バルブ１６の開き時期が遅角されたときに、ロックピンなどを使用してベーンの回転位置が遅角側で固定されるようにＳＶＶＴ機構３４を構成すればよい。

図７は、図６に示すルーチンの制御の動作を表したタイムチャートである。エンジン１０の運転中に時点ｔ１においてエンジン回転速度Ｎｅが判定基準回転速度Ｎ_Ａよりも低くなると、ＳＶＶＴ機構３４の制御が通常ＳＶＶＴ制御から始動ＳＶＶＴ制御に切り替えられる。より具体的には、この際、ヘリカルポート１４側の第１吸気バルブ１６の開き時期の指令値が図７に示すように遅角されることになる。この通常ＳＶＶＴ制御は、その後にエンジン１０の始動が行われてからエンジン回転速度Ｎｅが判定基準回転速度Ｎ_Ａに到達するまで維持される。

ところで、上述した実施の形態１においては、始動時に、図１に示す構成を有するＳＶＶＴ機構３４を利用して、タンジェンシャルポート１２側の第２吸気バルブ１８の開き時期よりもヘリカルポート１４側の第１吸気バルブ１６の開き時期が遅角される。さらに、実施の形態１では、この開き時期の制御に付随する好ましい構成例として、タンジェンシャルポート１２およびヘリカルポート１４の双方の側の吸気バルブ１６、１８の開き時期が始動時に排気上死点以降（一例として排気上死点の近傍）とされ、かつ、これらの吸気バルブ１６、１８の閉じ時期が同等の時期となるように制御される構成を説明した。このような本発明の制御に用いられる可変動弁機構のハードウェア構成は、始動時に上述の第１吸気バルブ１６の制御を実現できるものであれば、ＳＶＶＴ機構３４を利用するものに限られない。すなわち、本発明の制御のために、例えば、ヘリカルポート１４側の第１吸気バルブ１６を駆動するカムロブを他のカムロブに切り替える機構を有する可変動弁機構が用いられてもよい。

１０ ディーゼルエンジン
１２ タンジェンシャルポート
１４ ヘリカルポート
１６ 第１吸気バルブ
１８ 第２吸気バルブ
２０ 可変動弁機構
２２ カムシャフト
２２ａ 外側シャフト
２２ａ１ カムスプロケット
２２ｂ 内側シャフト
２４ 第１カムロブ
２６ ピン
２８ 第２カムロブ
３０ 第１ロッカーアーム
３２ 第２ロッカーアーム
３４ ＳＶＶＴ（Simple Variable Valve Timing）機構
４０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
４２ クランク角センサ

Claims (1)

1. 気筒に接続されたヘリカルポートに配置された第１吸気バルブと、
   前記気筒に接続されたタンジェンシャルポートに配置され、前記第１吸気バルブよりも作用角の大きい第２吸気バルブと、
   前記第１吸気バルブの開き時期を前記第２吸気バルブの開き時期と独立して変更可能な可変動弁機構と、
   を備えるディーゼルエンジンを制御する制御装置であって、
   前記制御装置は、前記ディーゼルエンジンの始動時に、前記第１吸気バルブの開き時期が前記第２吸気バルブの開き時期よりも遅角するように前記可変動弁機構を制御することを特徴とするディーゼルエンジンの制御装置。

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