JP2018105202A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アイドル運転または低負荷運転領域におけるポンピングロスの低減及び燃焼状態の良化を図る。【解決手段】アイドル運転または低負荷運転領域において、排気行程を迎えた気筒のピストンが排気上死点に到達するよりも早く当該気筒の排気バルブを閉弁する内燃機関の制御装置を構成した。【選択図】図２

Description

本発明は、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、吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミングを可変制御できる可変バルブタイミング（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｔｉｍｉｎｇ）機構を備えたものが知られている（例えば、下記特許文献を参照）。

特開２０１５−１１３７９４号公報

吸気通路に設置されたスロットルバルブの開度を拡大すると、内燃機関のポンピングロスを減少させることができる。だが、アイドル運転またはアイドル運転に近い低負荷運転領域では、過剰な量の空気が気筒に流入しないようにスロットルバルブの開度をある程度絞っており、その分だけ吸気行程中にポンピングロスが生じている。

加えて、気筒の吸気行程において、ピストンが下死点に到達するよりも早く吸気バルブが閉じられると、吸気バルブの閉弁後に断熱膨張が起こり、当該気筒の燃焼室内温度が顕著に低下する。さすれば、燃料の気化が起こりにくくなり、または気化していた燃料の液化が起こって、後の膨張行程における燃焼の悪化を招くおそれがある。

本発明は、アイドル運転または低負荷運転領域におけるポンピングロスの低減及び燃焼状態の良化を図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、アイドル運転または低負荷運転領域において、排気行程を迎えた気筒のピストンが排気上死点に到達するよりも早く当該気筒の排気バルブを閉弁する内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、アイドル運転または低負荷運転領域におけるポンピングロスの低減及び燃焼状態の良化を図ることができる。

本発明の一実施形態における内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。 同実施形態の制御装置による排気バルブタイミングの制御の内容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ストロークガソリンエンジンであり、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。点火プラグ１２は、点火コイル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。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

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ことで生じる排気を各気筒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。

外部ＥＧＲ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。

本実施形態の内燃機関には、各気筒１の吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミングを可変制御できるＶＶＴ機構６、７が付随している。周知の通り、各気筒１の吸排気バルブを開駆動する吸気カムシャフト及び排気カムシャフトはそれぞれ、内燃機関の出力軸であるクランクシャフトから回転駆動力の供給を受け、クランクシャフトに従動して回転する。吸気カムシャフト及び排気カムシャフトとクランクシャフトの間には、回転駆動力を伝達するための巻掛伝動装置（図示せず）が介在している。巻掛伝動装置は、カムシャフト側に設けたカムスプロケット（または、プーリ）と、クランクシャフト側に設けたクランクスプロケット（または、プーリ）と、これらスプロケット（または、プーリ）に巻き掛けるタイミングチェーン（または、ベルト）とを要素とする。吸気ＶＶＴ機構６は、電動機（モータドライブＶＶＴの場合）または油圧アクチュエータ（ベーン式ＶＶＴの場合）により、吸気カムシャフトをカムスプロケットに対し相対的に回動させることで、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変化させ、以て吸気バルブの開閉タイミングを変更する。同様に、排気ＶＶＴ機構７も、排気カムシャフトをカムスプロケットに対し相対的に回動させることで、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変化させ、以て排気バルブの開閉タイミングを変更する。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０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。

ＥＣＵ０の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クランク角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をアクセル開度（いわば、内燃機関に要求されるエンジン負荷）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、気筒１を内包しているシリンダブロックの振動の大きさを検出する振動式のノックセンサから出力される振動信号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、ブレーキペダルが踏まれていることまたはブレーキペダルの踏込量を検出するセンサ（ブレーキスイッチやマスタシリンダ圧センサ等）から出力されるブレーキ信号ｈ等が入力される。

ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、イグナイタに対して点火信号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ｍ、ＶＶＴ機構７に対して排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（ＥＧＲバルブ２３の開度）、吸排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、ｍ、ｎを出力インタフェースを介して印加する。

しかして、本実施形態のＥＣＵ０は、アクセル開度が０であるアイドル運転領域や、アクセル開度が所定量以下である低負荷運転領域では、排気行程を迎えた気筒１のピストンが排気上死点に到達するよりも早く当該気筒１の排気バルブを閉じるように、排気ＶＶＴ機構７を操作する。このとき、吸気バルブは、当該気筒１の排気上死点近傍のタイミングで開き始める。即ち、アイドル運転または低負荷運転領域においては、図２に実線で表しているように、排気バルブを閉弁した後に吸気バルブを開弁することとなる。排気バルブと吸気バルブとがともに開くバルブオーバラップ期間は存在しない。

気筒１の排気行程にて、排気バルブを排気上死点よりも早いタイミングで閉弁すると、燃料の燃焼により生じた排気ガスの一部が当該気筒１から排出されずに残留し、さらにそのガスが排気上死点に向かって運動するピストンによる圧縮を受ける。さすれば、当該気筒１の燃焼室内温度が高まり、当該気筒１のボア壁や燃焼室の天井部、吸排気バルブの弁体が熱せられる。結果、吸気行程の終期における燃焼室内温度の低下を抑制することができ、燃料の気化が促進され、または燃料の液化が抑止されて、膨張行程における燃焼状態が良化する。

加えて、排気行程にて排気ガスの一部を気筒１内に残留させることにより、吸気行程にて当該気筒１に流入する空気の量を減らすことができる。従って、アイドル運転または低負荷運転領域において、吸気通路３上のスロットルバルブ３２をより大きく開くことが許容され、ポンピングロスをより一層低減することが可能となる。

気筒１の排気行程における排気バルブの閉弁タイミングは、アクセル開度即ちエンジン負荷が大きくなるほど遅くする。アクセル開度がある程度以上大きいときには、図２に破線で表しているように、排気バルブと吸気バルブとがともに開くバルブオーバラップ期間が生じる。

また、ＥＣＵ０は、アイドル運転領域または低負荷運転領域において、吸気ＶＶＴ機構６を介して吸気バルブの閉弁タイミングを操作することにより、気筒１に充填される空気の量を増減させる制御を行う。基本的には、吸気行程を迎えた気筒１のピストンが吸気下死点に到達するよりも早く当該気筒１の吸気バルブを閉じるようにし、その閉弁タイミングを進角させることで気筒１に充填される空気の量を減少させ、あるいは逆にその閉弁タイミングを遅角させることで気筒１に充填される空気の量を増加させる。

アイドル運転領域または低負荷運転領域において、気筒１の吸気バルブの閉弁タイミングの操作と、吸気通路３上のスロットルバルブ３２の開度の操作とを併用して、気筒１に充填される空気の量を制御してもよいことはいうまでもない。吸気バルブの閉弁タイミングを早めるとともに、スロットルバルブ３２の開度を拡大すると、前者による吸入空気量の減少と後者による吸入空気量の増大とが相殺されることとなる。つまり、吸気バルブの閉弁タイミングをより早めることで、スロットルバルブ３２の開度をより拡大することが許容され、内燃機関のポンピングロスを低減することが可能となる。

吸気バルブの閉弁タイミングを早める場合には、排気バルブの閉弁タイミングも早める。これにより、気筒１から排出されずに残留する排気ガスの量は増す。

本実施形態によれば、排気行程の終期におけるポンピングロスが増大するが、吸気行程中のポンピングロスが低減し、トータルとして内燃機関の熱効率が向上する。

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、内燃機関の各気筒１の吸排気バルブの開閉タイミングを変化させるためのＶＶＴ機構６、７の具体的態様は任意であり、一意に限定されない。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、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
７…排気ＶＶＴ機構
ｃ…アクセル開度信号
ｎ…排気バルブタイミングの制御信号

Claims (1)

1. アイドル運転または低負荷運転領域において、排気行程を迎えた気筒のピストンが排気上死点に到達するよりも早く当該気筒の排気バルブを閉弁する内燃機関の制御装置。

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