JP2018197520A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】内燃機関の始動時にクランクシャフトを高速化して始動を容易にする制御装置を構成する。
【解決手段】クランクシャフト1の回転に連係して往復作動するピストン4と燃焼室を開閉する吸気バルブVaおよび排気バルブVbとを有する複数の気筒と、クランクシャフト1を駆動回転するスタータモータ15と、電動アクチュエータMの駆動により吸気バルブVaの開閉時期を設定する弁開閉時期制御機構VTとを備えて内燃機関Eが構成されている。クランキング時には、燃焼管理部19で最初の燃焼が行われるまでは、吸気バルブVaの開時期を、燃焼室のピストンの上死点より前に設定するように電動アクチュエータMを制御する。
【選択図】図1
【解決手段】クランクシャフト1の回転に連係して往復作動するピストン4と燃焼室を開閉する吸気バルブVaおよび排気バルブVbとを有する複数の気筒と、クランクシャフト1を駆動回転するスタータモータ15と、電動アクチュエータMの駆動により吸気バルブVaの開閉時期を設定する弁開閉時期制御機構VTとを備えて内燃機関Eが構成されている。クランキング時には、燃焼管理部19で最初の燃焼が行われるまでは、吸気バルブVaの開時期を、燃焼室のピストンの上死点より前に設定するように電動アクチュエータMを制御する。
【選択図】図1
Description
本発明は、吸気バルブの開閉時期を制御する内燃機関の制御装置に関する。
特許文献1には、内燃機関の吸気バルブの開閉タイミングを制御するバルブタイミング調整機構を備え、このバルブタイミング調整機構によって開閉タイミングを最遅角タイミングに設定することにより内燃機関の始動時に燃焼室内圧力を低く抑える技術が記載されている。
また、特許文献2には、内燃機関の吸気弁に弁開閉時期制御機構を備え、この弁開閉時期制御機構を最遅角位相状態に設定することにより、燃焼室内の混合気の圧縮比を小さくする(所謂、デコンプ 状態にする)ことで、エンジンの振動を小さくする技術が記載されている。
この特許文献2では、アイドルストップ条件が成立した状態で弁開閉時期制御機構を最遅角位相に設定して内燃機関を停止する制御形態が記載されている。
内燃機関を安定的に始動するためには、クランクシャフトを高速回転させた状態で燃焼室での燃焼を行うことが重要である。そこで内燃機関の始動時にクランクシャフトを高速で駆動するためスタータモータに大容量のものを用いることも考えられるが、特許文献1や特許文献2に記載されるように吸気バルブの開閉時期を制御する弁開閉時期制御機構を最遅角位相に設定することも行われている。
つまり、吸気バルブの開閉時期を制御する弁開閉時期制御機構を最遅角位相に設定することにより、クランキング時における燃焼室での空気の圧縮比を小さくして、クランキングシャフトの高速化を図るものである。
しかしながら、クランキング時において燃焼室での空気の圧縮比を小さくできる領域はピストンが下死点から上死点に至る過程だけであり、弁開閉時期制御機構を最遅角に設定した場合には、吸気量が低減するためピストンが下死点に達するまでの過程において負圧を高め、負荷を高めることも想像できた。
このような理由から、内燃機関の始動時にクランクシャフトの回転を高速化して始動を容易にする制御装置が求められる。
本発明の特徴は、クランクシャフトの回転に連係してシリンダ内で往復作動するピストンと前記クランクシャフトの回転に連係して燃焼室を開閉する吸気バルブおよび排気バルブとを有する複数の気筒と、前記クランクシャフトを駆動回転させるスタータモータと、電動アクチュエータの駆動により前記吸気バルブの開閉時期を設定する弁開閉時期制御機構と、を備えて内燃機関が構成され、
前記スタータモータによってクランキングが行われる状況で、複数の前記気筒のうち最初に燃焼するように順序が設定された前記気筒の最初の燃焼が行われるときから、複数の前記気筒のうち最後に燃焼するように順序が設定された前記気筒の最初の燃焼が行われるまでは、前記吸気バルブの開時期であるIVOを前記燃焼室のピストンの上死点であるTDCより前となるBTDCに設定するように前記電動アクチュエータを制御する点にある。
前記スタータモータによってクランキングが行われる状況で、複数の前記気筒のうち最初に燃焼するように順序が設定された前記気筒の最初の燃焼が行われるときから、複数の前記気筒のうち最後に燃焼するように順序が設定された前記気筒の最初の燃焼が行われるまでは、前記吸気バルブの開時期であるIVOを前記燃焼室のピストンの上死点であるTDCより前となるBTDCに設定するように前記電動アクチュエータを制御する点にある。
この特徴構成によると、クランキングが行われる状況で、複数の気筒のうち最初に燃焼するように順序が設定された気筒において最初の燃焼が行われた後に、複数の気筒のうち最後に燃焼するように順序が設定された気筒において最初の燃焼が行われるまでは、吸気バルブの開時期であるIVOをピストンの上死点であるTDCより進角側に変位させてクランキングが行われる。このため、弁開閉時期制御機構を最遅角位相に設定するものと比較してクランキング時の吸気行程において燃焼室に吸引される空気量が増大し、負圧の影響を極めて小さいものにできる。また、ピストンが下死点であるBDCに達した後に上死点であるTDCに向けて作動する圧縮行程ではポンピングロスを招くものの、このポンピングロスが、弁開閉時期制御機構を最遅角に設定した場合のポンピングロスより僅かに増大するだけであるため、次の膨張行程では燃焼室内に充分の空気量が存在することになり、弁開閉時期制御機構を最遅角位相に設定するものと比較して負圧の影響を小さくできるためポンピングロスの低減が実現する。
特に、このように吸気バルブの開閉タイミングを設定することにより、デコンプ状態でのクランキングと比較して、圧縮時には圧縮される空気量が多いため、圧縮に伴い空気の温度が上昇することになり燃焼を容易にする。更に、この構成では弁開閉時期制御機構が電動アクチュエータの駆動力により開閉時期を設定する構成であるため、油圧によって作動する構成と比較してクランキング開始直後から弁開閉時期制御機構を必要とする吸気時期に設定することも可能となる。
その結果、内燃機関の始動時にポンピングロスを低減してクランクシャフトの回転を高速化して始動を容易にする制御装置が構成された。
その結果、内燃機関の始動時にポンピングロスを低減してクランクシャフトの回転を高速化して始動を容易にする制御装置が構成された。
他の構成として、前記スタータモータによってクランキングが行われる状況で、複数の前記気筒のうち最初に燃焼するように順序が設定された前記気筒の最初の燃焼が行われる以前から、前記IVOを、前記TDCより前の前記BTDCに設定しても良い。
これによると、開時期であるIVOを、燃焼室のピストンの上死点であるTDCより前のBTDCに設定した状態でクランキングを開始することになり制御が容易となる。
他の構成として、複数の前記気筒のうち最後に燃焼するように順序が設定された前記気筒の最初の燃焼が行われた後に、前記燃焼室での燃焼速度に基づいて前記IVOを設定しても良い。
これによると、最初の燃焼の後に、燃焼室での燃焼速度に基づいてIVOを設定するため、燃焼状態に対応して弁開閉時期制御機構において開閉時期を最適に設定してHCを低減して良好な燃費での内燃機関の稼動を実現する。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔基本構成〕
図1に示すように、内燃機関としてのエンジンEの吸気バルブVaの開閉時期を設定する吸気側の弁開閉時期制御機構VTaと、排気バルブVbの開閉時期を設定する排気側の弁開閉時期制御機構VTbと、エンジンEと、を制御するようにECUとして機能するエンジン制御装置40が構成されている。
〔基本構成〕
図1に示すように、内燃機関としてのエンジンEの吸気バルブVaの開閉時期を設定する吸気側の弁開閉時期制御機構VTaと、排気バルブVbの開閉時期を設定する排気側の弁開閉時期制御機構VTbと、エンジンEと、を制御するようにECUとして機能するエンジン制御装置40が構成されている。
図1、図2に示すエンジンE(内燃機関の一例)は、乗用車等の車両に備えられるものを想定している。このエンジンEは、クランクシャフト1を支持するシリンダブロック2の上部にシリンダヘッド3を連結し、シリンダブロック2に形成された複数のシリンダボアにピストン4を摺動自在に収容し、ピストン4をコネクティングロッド5によりクランクシャフト1に連結して4サイクル型に構成されている。
このエンジンEでは一方の端部から他方に向けて#1気筒、#2気筒、#3気筒、#4気筒(図2では、#1、#2、#3、#4として示している)が配置され、シリンダの内部空間のうちピストン4とシリンダヘッド3との間に燃焼室が形成される。
シリンダヘッド3には、燃焼室への吸気時に開放する吸気バルブVaと、燃焼室の燃焼ガスの排出時に開放する排気バルブVbとが備えられ、シリンダヘッド3の上部に吸気バルブVaを制御する吸気カムシャフト7と、排気バルブVbを制御する排気カムシャフト8とが備えられる。また、クランクシャフト1の出力スプロケット1Sと、吸気側の弁開閉時期制御機構VTaおよび排気側の弁開閉時期制御機構VTbの駆動ケース21のスプロケット21Sとに亘ってタイミングチェーン6が巻回されている。
更に、シリンダヘッド3には、燃焼室に燃料を噴射するインジェクタ9と点火プラグ10とが備えられている。シリンダヘッド3には、吸気バルブVaを介して燃焼室に空気を供給するインテークマニホールド11と、排気バルブVbを介して燃焼室からの燃焼ガスを送り出すエキゾーストマニホールド12とが連結する。
このエンジンEでは、クランクシャフト1を駆動回転するスタータモータ15を備え、クランクシャフト1の近傍位置には回転角と回転速度(単位時間あたりの回転数)とを検知するシャフトセンサ16を備えている。吸気側の弁開閉時期制御機構VTaの近傍には駆動ケース21と内部ロータ22との相対回転位相を検知する吸気側位相センサ17を備え、排気側の弁開閉時期制御機構VTbの近傍には駆動ケース21と内部ロータ22との相対回転位相を検知する排気側位相センサ18を備えている。
尚、このエンジンEでは、燃焼対象となる気筒を判別する気筒判別ユニット(図示せず)を備えており、この気筒判別ユニットの一部の構成を用いてシャフトセンサ16が構成されている。
エンジン制御装置40は、エンジンEを制御するECUとして機能するものであり、始動制御部41と、位相制御部42と、燃焼速度推定部43とを備えている。始動制御部41はエンジンEの始動を制御する。位相制御部42は、吸気側の弁開閉時期制御機構VTaと排気側の弁開閉時期制御機構VTbとの相対回転位相を制御する。燃焼速度推定部43は燃焼室での燃焼速度を推定する。このエンジン制御装置40の詳細と制御形態は後述する。
〔弁開閉時期制御機構〕
吸気側の弁開閉時期制御機構VTaと、排気側の弁開閉時期制御機構VTbとは共通する構成であるため、これらの上位概念を弁開閉時期制御機構VTと称する。また、弁開閉時期制御機構VTは、電動アクチュエータとしての位相制御モータMの駆動力により対応するバルブの開閉時期を制御する。
吸気側の弁開閉時期制御機構VTaと、排気側の弁開閉時期制御機構VTbとは共通する構成であるため、これらの上位概念を弁開閉時期制御機構VTと称する。また、弁開閉時期制御機構VTは、電動アクチュエータとしての位相制御モータMの駆動力により対応するバルブの開閉時期を制御する。
図2〜図5には吸気側の弁開閉時期制御機構TVaを示しており、この弁開閉時期制御機構TVaは、駆動ケース21と、内部ロータ22とを有すると共に、これらの相対回転位相を位相制御モータMの駆動力により設定する位相調節部を備えている。
駆動ケース21は、外周にスプロケット21Sが形成されると共に、吸気カムシャフト7の回転軸芯Xと同軸芯に配置されている。内部ロータ22は、駆動ケース21に対して相対回転自在に内包され、連結ボルト23により吸気カムシャフト7に連結固定されている。駆動ケース21と内部ロータ22との間に位相調節部が配置され、駆動ケース21の開口部分を覆う位置にフロントプレート24を配置し、これを複数の締結ボルト25により駆動ケース21に締結している。尚、排気側の弁開閉時期制御機構VTbでは、内部ロータ22が排気カムシャフト8に連結する。
この弁開閉時期制御機構VTaでは、図3に示すようにタイミングチェーン6からの駆動力により全体が駆動回転方向Sに回転する。また、位相制御モータMの駆動力により駆動ケース21に対する内部ロータ22の相対回転位相が、駆動回転方向Sと同方向に変位する方向を進角方向Saと称し、この逆方向への変位を遅角方向Sbと称する。
〔弁開閉時期制御機構:位相調節部〕
位相調節部は、内部ロータ22の内周に一体形成される複数の内歯部26Tを有し、回転軸芯Xと同軸芯に配置されるリングギヤ26を備えると共に、これに咬合するための複数の外歯部27Tを有し、回転軸芯Xに平行する姿勢の偏心軸芯Yと同軸芯に配置されるインナギヤ27を備え、偏心カム体28と、継手部Jとを備えて構成される。
位相調節部は、内部ロータ22の内周に一体形成される複数の内歯部26Tを有し、回転軸芯Xと同軸芯に配置されるリングギヤ26を備えると共に、これに咬合するための複数の外歯部27Tを有し、回転軸芯Xに平行する姿勢の偏心軸芯Yと同軸芯に配置されるインナギヤ27を備え、偏心カム体28と、継手部Jとを備えて構成される。
この位相調節部では、リングギヤ26の内歯部26Tの歯数に対して、インナギヤ27の外歯部27Tの歯数が1歯だけ少ないものが用いられる。
また、継手部Jは、駆動ケース21に対して内部ロータ22が回転軸芯Xに直交する方向への変位を許しつつ、駆動ケース21と内部ロータ22との相対回転を阻止するオルダム継手として構成されている。
偏心カム体28は、回転軸芯Xと同軸芯で回転するようにフロントプレート24に対して第1軸受31により支持されている。この偏心カム体28には、回転軸芯Xに平行する姿勢の偏心軸芯Yを中心とする偏心カム面28Aが一体形成され、この偏心カム面28Aに対して第2軸受32を介してインナギヤ27が回転自在に支持される。また、偏心カム面28Aに形成した凹部にバネ体29を嵌め込み、このバネ体29の付勢力を、第2軸受32を介してインナギヤ27に作用させている。
この偏心カム体28は全体に筒状であり、内周には、一対の係合溝28Bが回転軸芯Xと平行となる姿勢で形成されている。
これにより、リングギヤ26の内歯部26Tの一部にインナギヤ27の外歯部27Tの一部が咬合する。尚、第1軸受31と第2軸受32とはボールベアリングで構成されるものであるが、ブッシュで構成されるものでも良い。
継手部Jは、板材をプレス加工して成る継手部材33を有しており、この継手部材33に形成した一対の係合アーム33Aを駆動ケース21の係合溝部21Gに係合させ、この継手部材33に形成した一対の係合凹部33Bをインナギヤ27の係合突部27Uに係合させて構成されている。
つまり、継手部材33は、中央部分が環状に形成されると共に、この環状の中央部分から外方に向けて一対の係合アーム33Aを突出形成し、環状の中央部分の空間と連なるように一対の係合凹部33Bを形成した構造を有している。
この継手部Jでは、継手部材33が、駆動ケース21の一対の係合溝部21Gを結ぶ直線方向に変位自在となり、この継手部材33に対してインナギヤ27が一対の係合突部27Uを結ぶ直線方向に変位自在となる。
位相制御モータMは、エンジンEに支持されると共に、出力軸Maに対して直交姿勢で備えた係合ピン34を備えており、この係合ピン34を、偏心カム体28の内周の係合溝28Bに嵌め込んでいる。尚、位相制御モータMには、ブラシレス直流モータが使用されるが、ステッピングモータ等の同期モータを用いても良い。
これにより、エンジンEが停止する状態で作動形態を考えると、位相制御モータMの駆動力で偏心カム体28が回転した場合には、偏心カム面28Aが回転軸芯Xを中心に回転し、この回転に伴いインナギヤ27が回転軸芯Xを中心に公転を開始する。この公転時には、インナギヤ27の外歯部27Tとリングギヤ26の内歯部26Tとの咬合位置がリングギヤ26の内周に沿って変位するためインナギヤ27には偏心軸芯Yを中心に自転させる力が作用する。
つまり、インナギヤ27が1回転だけ公転した場合には、リングギヤ26の内歯部26Tの歯数と、インナギヤ27の外歯部27Tの歯数との差(歯数差)に相当する角度(1歯に対応する角度)だけインナギヤ27に対して回転させようとする回転力(自転力)が作用する。
前述したように、継手部Jは、駆動ケース21に対するインナギヤ27の回転を規制する構造であるため、駆動ケース21に対してインナギヤ27が回転することはなく、インナギヤ27に作用する回転力により、駆動ケース21に対してリングギヤ26が回転し、このリングギヤ26と一体的に内部ロータ22が相対回転することになり、駆動ケース21に対する吸気カムシャフト7の回転位相の調節が実現する。
特に、インナギヤ27が、回転軸芯Xを中心に1回転だけ公転した場合には、駆動ケース21に対して吸気カムシャフト7を、インナギヤ27の外歯部27Tの歯数と差(歯数差)に相当する角度だけ回転させるため大きい減速比での調節が実現する。
〔弁開閉時期制御機構:位相調節の概要〕
吸気側の弁開閉時期制御機構VTaによる位相調節を例に挙げると、エンジン制御装置40の位相制御部42は、吸気カムシャフト7の回転速度と等速度で同じ方向に位相制御モータMの出力軸Maを駆動回転することで駆動ケース21と内部ロータ22との相対回転位相が維持する。
吸気側の弁開閉時期制御機構VTaによる位相調節を例に挙げると、エンジン制御装置40の位相制御部42は、吸気カムシャフト7の回転速度と等速度で同じ方向に位相制御モータMの出力軸Maを駆動回転することで駆動ケース21と内部ロータ22との相対回転位相が維持する。
また、吸気カムシャフト7の回転速度を基準にして、位相制御モータMの回転速度を増大する又は低減することにより相対回転位相を進角方向Sa又は遅角方向Sbに変位させる。位相制御モータMの回転速度の増大と低減とに対する相対回転位相の変位方向(進角方向Saと遅角方向Sbとの何れか)は、位相調節部のギヤ構成によって決まる。
特に、弁開閉時期制御機構VTは、位相制御モータMの駆動力により相対回転位相を変位させるため、油圧により変位を実現するものと比較して高速での作動が可能であり、エンジンEの始動時のように油圧が充分でない状況においても、必要とする回転位相に迅速に設定することが可能である。
〔制御構成〕
図1に示すように、エンジン制御装置40は、シャフトセンサ16と、吸気側位相センサ17と、排気側位相センサ18とからの検知信号が入力すると共に、吸気側と排気側との位相制御モータMと、スタータモータ15とに制御信号を出力し、更に、インジェクタ9と、点火プラグ10とを制御する燃焼管理部19に制御信号を出力する。
図1に示すように、エンジン制御装置40は、シャフトセンサ16と、吸気側位相センサ17と、排気側位相センサ18とからの検知信号が入力すると共に、吸気側と排気側との位相制御モータMと、スタータモータ15とに制御信号を出力し、更に、インジェクタ9と、点火プラグ10とを制御する燃焼管理部19に制御信号を出力する。
始動制御部41は、スタータモータ15を制御することによりクランクシャフト1のクランキングを実現する。位相制御部42は、吸気側の弁開閉時期制御機構VTaの位相制御モータMと、排気側の弁開閉時期制御機構VTbの位相制御モータMとを制御することにより、吸気バルブVaの開閉時期の設定と、排気バルブVbの開閉時期の設定とを可能にする。燃焼速度推定部43は、燃焼室で燃焼速度を推定する。
以下の制御では、図3、図8、図9に示すように吸気バルブVaの開時期であるIVO、排気バルブVbの開時期であるEVOを早める方向を進角方向Sa(進角側)と称し、この逆の方向を遅角方向Sb(遅角側)と称している。
また、燃焼速度推定部43が燃焼速度を推定する際には、点火プラグ10による点火タイミングを基準として、シャフトセンサ16で検知されるクランクシャフト1の回転速度の増加傾向に基づいて燃焼速度を推定する手法が採用されている。尚、この燃焼速度推定部43は燃焼速度を計測するための専用のセンサを備えるものが考えられ、燃焼速度を推定する際に予め設定されたテーブルデータを参照することや、複数のタイミングで取得したシャフトセンサ16の検知信号に基づく処理を行うものも考えられる。
このエンジン制御装置40の始動制御部41と位相制御部42と燃焼速度推定部43とはソフトウエアで構成されるものを想定しているが、これらが、ロジック等を有する回路で成るハードウエアで構成されるものでも良く、ソフトウエアとハードウエアとの組み合わせによって構成されるものでも良い。
また、燃焼管理部19は、インジェクタ9に対して燃料を供給するポンプ類の作動を管理すると共に、点火プラグ10に電力を供給するイグニッション回路の制御により点火順序や点火タイミングを管理する。
このような構成から図6フローチャートと、図7のタイミングチャートとに示すように、エンジンEを始動する制御信号を始動タイミングP0で取得した場合には、エンジン制御装置40の始動制御部41が、排気バルブVbと吸気バルブVaとの開閉時期を設定し、スタータモータ15の駆動によりクランキングを開始する(#101〜#103ステップ)。
この制御では、始動制御部41が、排気側の弁開閉時期制御機構VTbを制御することで排気バルブVbの開閉時期を設定する。また、始動制御部41が、弁開閉時期制御機構VTaを制御することで、図8の右部に示すように吸気バルブVaの開時期であるIVOを、ピストン4の上死点であるTDCより以前(進角側)となるBTDCの位相に設定する。
また、この制御では、図8の右部に示すように排気バルブVbの閉時期であるEVCが上死点TDCより僅かに遅角側となるATDCの位相に設定される。尚、図8の右部に示すタイミングダイヤグラムでは、排気バルブVbが開状態にあり排気が行われる領域を排気領域Exとして示し、吸気バルブVaが開状態にあり吸気が行われる領域を吸気領域Inとして示している。
前述したように排気バルブVbの開閉時期と、吸気バルブVaの開閉時期とを設定することにより、吸気バルブVaと排気バルブVbとの間にオーバーラップが形成される。図8には、吸気バルブVaの開時期であるIVOと、閉時期であるIVCとが示されると共に、排気バルブVbの開時期であるEVOと閉時期であるEVCと、ピストン4の下死点であるBDCとが示されている。
図7の上段には吸気バルブVaの位相グラフfが示され、同図の下段にはクランクシャフト1の回転数グラフg(回転速度のグラフ)が示されている。これらのグラフから理解できるように、始動タイミングP0の時点で吸気バルブVaの開時期であるIVOを進角方向に変位させてオーバーラップを形成すると共に、これに続いて回転数グラフgに示すようにクランキングを開始する。
次に、気筒判別の後に、回転数グラフgの第1タイミングP1で最初の燃焼を行い、これに続いて、燃焼管理部19が、設定された順序で各燃焼室での燃焼を行う(#104〜#106ステップ)。
つまり、始動制御部41では、複数の気筒について燃焼の順序を予め設定しており、例えば、#1気筒、#3気筒、#4気筒、#2気筒の順序に従って複数の気筒での燃焼が開始される。すなわち、上記の回転数グラフgの第1タイミングP1では#1気筒の燃焼が開始される。
また、最初の燃焼から、4つの気筒の燃焼室での最初の燃焼が終了するまでは、吸気バルブVaの開時期であるIVOが上死点であるTDCより以前となるBTDCの位相に設定され、第2タイミングP2に達した場合には(#105ステップ)、スタータモータ15を停止し、燃焼速度推定部43が各燃焼室での燃焼速度を推定し、推定した燃焼速度に対応して吸気側の弁開閉時期制御機構VTaを制御して吸気バルブVaの開時期であるIVOを設定する(#107、#108ステップ)。
この制御では、始動制御部41が、スタータモータ15でクランキングが行われる状況で、複数の気筒のうち最初に燃焼するように順序が設定された気筒の最初の燃焼が行われるときから、複数の気筒のうち最後に燃焼するように順序が設定された気筒の最初の燃焼が行われるまでは、吸気バルブVaの開時期であるIVOがピストン4の上死点であるTDCより前となるBTDCのうち決まった位相に維持されるように進角側の位相制御モータMが制御されるのである。
前述したように、吸気バルブVaの開時期であるIVOをピストン4の上死点であるTDCの以前となるBTDCの位相に設定することで図8の右部に示す如く、排気バルブVbとの間でオーバーラップを形成している。これにより燃焼が開始された後に、吸気行程a(図8の左部を参照)において燃焼ガスが燃焼室に吸引される内部EGRの状態となり、燃焼速度が低下する。
内部EGRの状態は燃焼室の温度上昇に有効であるが、前述したように燃焼速度が低下し、燃焼の不安定化を招くため、安定した燃焼を行うため、オーバーラップのラップ量を低減する方向に吸気バルブVaの開時期であるIVOを変位させる制御が行われる。
尚、このエンジンEを始動する制御では排気側の弁開閉時期制御機構VTbは開閉時期を固定した状態で説明している。
このようにエンジンEの始動時に吸気側の弁開閉時期制御機構VTaの相対回転位相を、中間位相より進角側に設定する理由は、クランキング時におけるポンピングロスを低減することによりクランクシャフト1の回転速度の上昇を図るためである。尚、この制御では吸気側の弁開閉時期制御機構VTaの相対回転位相を進角側の機械的な限界位相となる最進角に設定しても良い。
〔ポンピングロスの説明〕
このようなクランキングを行う際のPVサイクル線図を図8の左部に示している。同図に示すPVサイクル線図は、燃焼室の体積を横軸に取り、燃焼室の圧力を縦軸に取っており、吸気行程a、圧縮行程b、膨張行程c、排気行程dの各行程における燃焼室の圧力と、燃焼室の体積との関係が理解できる。
このようなクランキングを行う際のPVサイクル線図を図8の左部に示している。同図に示すPVサイクル線図は、燃焼室の体積を横軸に取り、燃焼室の圧力を縦軸に取っており、吸気行程a、圧縮行程b、膨張行程c、排気行程dの各行程における燃焼室の圧力と、燃焼室の体積との関係が理解できる。
また、図8の右部のタイミングダイヤグラムは、図6のフローチャートの#102ステップの制御に対応して、クランキング開始時の吸気バルブVaの開時期であるIVOを、ピストン4の上死点であるTDCより前のBTDCの位相に設定した状態を示している。これにより、吸気バルブVaと排気バルブVbとの間にオーバーラップが形成される。
図8に示すように、クランキング時(燃焼が行われない状態で)の吸気行程aでは、この行程の初期においてピストン4が上死点であるTDCを超えて下死点であるBDCに向けて作動を開始する時点で吸気バルブVaが開放状態にあるため、負圧の発生を招くことなく吸気を行える。
次に、圧縮行程bでは燃焼室の容積の縮小に伴い圧力が上昇するものの、これに続く膨張行程cでは下死点BDCの近傍で発生する負圧は僅かであり、この後に排気行程dに移行する。この排気行程dでは排気バルブVbが開放するため、燃焼室に圧力変化は発生しない。
これと対比するための比較例として、吸気側の弁開閉時期制御機構VTaのタイミングダイヤグラムを図9の右部に示しており、クランキング時におけるPVサイクル線図を図9の左部に示している。
この比較例でも、図9に示すPVサイクル線図では、燃焼室の容積を横軸に取り、燃焼室の圧力を縦軸に取っており、クランクシャフト1の回転に伴い吸気行程a、圧縮行程b、膨張行程c、排気行程dの各行程が、この順序で行われる。
また、図9の右部のタイミングダイヤグラムでは、吸気バルブVaの開時期であるIVOを、ピストン4の上死点であるTDCより後のATDCの位相に設定することでネガティブオーバーラップが形成された状態を示している。
同図に示すように、この比較例では、ネガティブオーバーラップが形成されているため、クランキング時の吸気行程aでは、この行程の初期において吸気バルブVaが開放するタイミングが遅れることになり、吸気の初期には大きい負圧が発生する。更に、吸気バルブVaの開時期であるIVOに達した後に吸気を継続する場合にも、吸気量が少ないため、継続的に負圧が作用する。
次に、圧縮行程bでは燃焼室の容積の縮小に伴い圧力が上昇するものの、これに続く膨張行程では、燃焼室の吸気量が少ないため下死点BDCの近傍で大きい負圧が発生し、排気行程dに移行する。この排気行程dでは排気バルブVbが開放するため、燃焼室に圧力変化は発生しない。
このように、図6のフローチャートの制御を実行するもの(図8の左部のPVサイクル線図参照)では、比較例(図9左部のPVサイクル線図)と比べると、エンジンEのクランキングの開始以前から吸気バルブVaの開時期であるIVOを、ピストン4の上死点であるTDCより前となるBTDCの位相に設定するため、吸気行程aでの負圧の作用を軽減すると共に、膨張行程cでの負圧の作用も軽減しており、結果として、クランキング時に作用するポンピングロスを低減してクランクシャフト1の高速化を実現する。
このようにポンピングロスを低減してクランクシャフト1の高速回転を可能にするものでは、図9の右部のタイミングダイヤグラムに示すようにデコンプ状態でクランキングするものと比較して燃焼室で圧縮する空気量が増大する。このように燃焼室で圧縮する空気量が増大するものでは、圧縮行程bにおいて燃焼室の空気の温度上昇を図り、燃焼を容易にする。
図6のフローチャートの制御では、図7の上段に示すように、スタータモータ15でクランキングを開始する当初から吸気バルブVaと排気バルブVbとの間にオーバーラップを形成するため、クランキング時のクランクシャフト1の高速化を可能にする。
また、#1〜#4の各気筒の燃焼室での燃焼が行われ、第2タイミングP2に達した後には、燃焼速度に基づき吸気側の弁開閉時期制御機構VTaの位相を最適に設定するため、内部EGRの影響を排除して良好な稼動状態に移行することが可能となる。
〔別実施形態〕
本発明は、上記した実施形態以外に以下のように構成しても良い(実施形態と同じ機能を有するものには、実施形態と共通の番号、符号を付している)。
本発明は、上記した実施形態以外に以下のように構成しても良い(実施形態と同じ機能を有するものには、実施形態と共通の番号、符号を付している)。
(a)図10のフローチャートに示すように、エンジンEを始動する制御信号を取得した場合には、エンジン制御装置40の始動制御部41が、排気側の弁開閉時期制御機構VTbの制御により排気バルブVbの開閉時期を設定すると共に、吸気側の弁開閉時期制御機構VTaの制御により吸気バルブVaの開閉時期を最遅角に設定し、スタータモータ15の駆動によりクランキングを開始する(#201〜#203ステップ)。
このクランキングではクランクシャフト1の回転開始時の負荷を軽減するため一時的に吸気バルブVaの開閉時期を最遅角(デコンプ状態)に設定するものであり、回転開始からクランクシャフト1が設定角度だけ回転した後に、吸気バルブVaの開時期であるIVOを、ピストン4の上死点であるTDCの以前となるBTDCの位相である進角側に設定する制御を行う(#204、#205ステップ)。
このようにクランクシャフト1の回転開始時の負荷を軽減するために吸気バルブVaの開閉時期を最遅角に設定する制御は、例えば、スタータモータ15によってクランクシャフト1の回転を僅かに回転させる時間だけ継続するだけで充分であり、このような理由から前述した設定角度が設定されている。
次に、気筒判別の後に、燃焼管理部19が、設定された順序で各燃焼室の燃焼を行う(#206〜#208ステップ)。そして、各燃焼室での燃焼が行われた後には、スタータモータ15を停止し、燃焼速度推定部43が各燃焼室での燃焼速度を推定し、推定した燃焼速度に対応して吸気側の弁開閉時期制御機構VTaを制御して吸気バルブVaの開時期であるIVOを設定する(#209、#210ステップ)。
この別実施形態(a)の制御では、クランキングによりクランクシャフト1が回転を開始する際(スタータモータ15に電力を供給した直後)の負荷を軽減すると共に、クランクシャフト1が回転を開始した後には、クランキング時におけるポンピングロスを軽減することによりクランクシャフト1の高速化を可能にするものであり、この制御によりエンジンEの始動を良好に行える。
(b)実施形態では排気側の弁開閉時期制御機構VTbを備えたが、この排気側の弁開閉時期制御機構VTbを備えずに実施することが可能であり、この排気側の弁開閉時期制御機構VTbとして油圧によって制御されるものを用いても良い。
(c)弁開閉時期制御機構VTは、電動モータ等のアクチュエータの駆動力により対応するバルブの開閉時期を制御すれば良いため、実施形態に示す構造に限るものではない。
本発明は、吸気バルブの開閉時期を制御する内燃機関の制御装置に利用することができる。
1 クランクシャフト
4 ピストン
15 スタータモータ
E エンジン(内燃機関)
M 位相制御モータ(電動アクチュエータ)
Va 吸気バルブ
Vb 排気バルブ
VT 弁開閉時期制御機構
4 ピストン
15 スタータモータ
E エンジン(内燃機関)
M 位相制御モータ(電動アクチュエータ)
Va 吸気バルブ
Vb 排気バルブ
VT 弁開閉時期制御機構
Claims (3)
- クランクシャフトの回転に連係してシリンダ内で往復作動するピストンと前記クランクシャフトの回転に連係して燃焼室を開閉する吸気バルブおよび排気バルブとを有する複数の気筒と、前記クランクシャフトを駆動回転させるスタータモータと、電動アクチュエータの駆動により前記吸気バルブの開閉時期を設定する弁開閉時期制御機構と、を備えて内燃機関が構成され、
前記スタータモータによってクランキングが行われる状況で、複数の前記気筒のうち最初に燃焼するように順序が設定された前記気筒の最初の燃焼が行われるときから、複数の前記気筒のうち最後に燃焼するように順序が設定された前記気筒の最初の燃焼が行われるまでは、前記吸気バルブの開時期であるIVOを前記燃焼室のピストンの上死点であるTDCより前となるBTDCに設定するように前記電動アクチュエータを制御する内燃機関の制御装置。 - 前記スタータモータによってクランキングが行われる状況で、複数の前記気筒のうち最初に燃焼するように順序が設定された前記気筒の最初の燃焼が行われる以前から、前記IVOを、前記TDCより前の前記BTDCに設定する請求項1に記載の内燃機関の制御装置。
- 複数の前記気筒のうち最後に燃焼するように順序が設定された前記気筒の最初の燃焼が行われた後に、前記燃焼室での燃焼速度に基づいて前記IVOを設定する請求項1又は2に記載の内燃機関の制御装置。
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