JP2020133591A

JP2020133591A - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2020133591A
Application number: JP2019032264A
Authority: JP
Inventors: 裕貴吉田; Hirotaka Yoshida
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2019-02-26
Filing date: 2019-02-26
Publication date: 2020-08-31

Abstract

【課題】ポート噴射式の内燃機関のエミッションの一層の良化を図る。【解決手段】インジェクタから気筒の吸気ポートに向けて燃料を噴射するポート噴射式のものであり、気筒の吸気バルブの開閉タイミングを変化させる可変バルブタイミング機構が付帯する内燃機関を制御する制御装置であって、開弁した吸気バルブが気筒１の吸気下死点後のタイミングで閉弁する場合において、気筒に供給するべき燃料の少なくとも一部を吸気下死点後から吸気バルブが閉弁するまでの期間Ｔ１中のタイミングｔ１に噴射し、及び／または、吸気バルブ及び排気バルブがともに開弁するバルブオーバラップを設ける場合において、気筒１に供給するべき燃料の少なくとも一部を排気バルブが開弁してから吸気バルブが開弁するまでの期間中のタイミングｔ２に噴射する内燃機関の制御装置を構成した。【選択図】図３

Description

本発明は、可変バルブタイミング（ＶａｒｉａｂｌｅＶａｌｖｅＴｉｍｉｎｇ）機構が付帯したポート噴射式の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、気筒の吸気バルブの開閉タイミングを可変制御できるＶＶＴ機構を備えたものが公知である（例えば、下記特許文献を参照）。

ＶＶＴ機構の用途の一つとして、ミラーサイクル（アトキンソンサイクル）の実現が挙げられる。即ち、吸気バルブを排気上死点よりも遅いタイミングで開き、及び／または、吸気下死点よりも遅いタイミングで閉じるようにバルブタイミングを設定することで、実効的に圧縮行程のストローク長を膨張行程のストローク長よりも短縮する。実圧縮比よりも実膨張比を大きくとるミラーサイクルは、排熱量を減少させて熱効率を高めることができる点で有利である。

特開２０１４−１２５８８１号公報

気筒の吸気ポートに向けて燃料を噴射するポート噴射式の内燃機関にあっては、インジェクタから噴射した液状燃料が吸気ポートの内壁面や吸気バルブの弁体の傘部に付着するポートウェットが発生する。そして、そのポートウェットの燃料が、気化せず液相のままで気筒の燃焼室内に流下することが起こり得る。

加えて、低回転または低負荷の運転領域では、気筒の吸気行程の開始後に、即ち吸気バルブが開弁してから燃料を噴射する。この場合において、噴射した燃料が吸入空気とよく混ざり合い十分に気化するために必要な時間が必ずしも確保されず、液相燃料の液滴が気筒の燃焼室内に侵入することがある。

燃焼室内で液相を保っている燃料はプール燃焼を生じさせ、または蒸し焼きのような様相を呈し、粒子状物質（ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ）を生成したり、局所的に空燃比をリッチ化させたりして、エミッションの悪化を招く。

本発明は、ポート噴射式の内燃機関のエミッションの一層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、インジェクタから気筒の吸気ポートに向けて燃料を噴射するポート噴射式のものであり、気筒の吸気バルブの開閉タイミングを変化させる可変バルブタイミング機構が付帯する内燃機関を制御する制御装置であって、開弁した吸気バルブが気筒の吸気下死点後のタイミングで閉弁する場合において、気筒に供給するべき燃料の少なくとも一部を吸気下死点後から吸気バルブが閉弁するまでの期間中に噴射し、及び／または、吸気バルブ及び排気バルブがともに開弁するバルブオーバラップを設ける場合において、気筒に供給するべき燃料の少なくとも一部を排気バルブが開弁してから吸気バルブが開弁するまでの期間中に噴射する内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、ポート噴射式の内燃機関のエミッションを一層良化させることができる。

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が制御する吸気バルブタイミング及び燃料噴射タイミングを示す図。同実施形態の制御装置が制御する吸気バルブタイミング及び燃料噴射タイミングを示す図。

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（例えば、三気筒。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の吸気バルブ１３よりも上流、各気筒１に連なる吸気ポートの近傍には、吸気ポートに向けて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起こすものである。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。

吸気を気筒１に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。

排気を気筒１から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。

排気ガス再循環（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）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１３の開閉タイミングを変化させることのできるＶＶＴ機構５が付随する。ＶＶＴ機構５は、例えば、各気筒１の吸気バルブ１３を駆動するカムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を作動液圧（潤滑油圧）や電動機によって変化させ、以て吸気バルブ１３の開閉タイミングを進角／遅角するものである。カムシャフトは、内燃機関の出力軸であるクランクシャフトからエンジントルクの供給を受け、クランクシャフトに従動して回転する。クランクシャフトとカムシャフトとの間には、トルク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、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、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、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、タイミングベルト）とを要素とする。ＶＶＴ機構５は、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を通じて、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１３の開閉タイミングを変更する。

本実施形態の内燃機関は、必要に応じ、吸気バルブ１３の閉弁タイミングを吸気下死点よりも大きく（例えば、５５°ＣＡ（クランク角度）以上）遅らせてミラーサイクル運転を実施することができる。ミラーサイクル運転を行うときの吸気バルブ１３の開弁タイミングは、排気上死点近傍ないし排気上死点から若干（例えば、５°ＣＡ程度）遅れたタイミングまで遅角する。

なお、ＶＶＴ機構５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１３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１３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。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）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は、複数基のＥＣＵまたはコントローラが、ＣＡＮ（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）等の電気通信回線を介して相互に通信可能に接続されてなるものであることがある。

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またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求されるエンジン負荷率）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、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ｅ、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、大気圧を検出する大気圧センサから出力される大気圧信号ｈ等が入力される。

ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、火花点火装置の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（開弁）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５に対して吸気バルブタイミングの制御信号ｍ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、現在の内燃機関の運転領域［エンジン回転数，アクセル開度（または、サージタンク３３内吸気圧、気筒１に吸入される空気（新気）量）］を知得する。そして、吸入空気量に見合った要求燃料噴射量、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（または、ＥＧＲガス量）、吸気バルブ１３の目標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を出力インタフェースを介して印加する。

本実施形態のＥＣＵ０は、運転者の操作するアクセル開度により示される要求エンジントルクを達成するために必要な要求燃料噴射量のうちの一部を、本来的な燃料噴射タイミングｔ０、即ち気筒１の吸気バルブ１３が開弁する直前、開弁と同時、または開弁した直後のタイミングに噴射するよう、インジェクタ１１を制御する。さらに、要求燃料噴射量のうちの残りを、同気筒１の排気行程における排気バルブ１４が開弁してから吸気バルブ１３が開弁するまでの期間中、及び／または、同気筒１の圧縮行程における吸気下死点後吸気バルブ１３が閉弁するまでの期間Ｔ１中に噴射するように、インジェクタ１１を制御する。

図２は、比較的低回転または低負荷の運転領域での、気筒１の吸気バルブ１３及び排気バルブ１４の開閉タイミングを示すものである。図中、破線の矢印Ｅが排気バルブ１４の開弁している期間を表し、実線の矢印Ｉが吸気バルブ１３の開弁している期間を表す。比較的低回転または低負荷の運転領域では、ミラーサイクル運転を実施するべく、ＥＣＵ０がＶＶＴ機構５を介して吸気バルブ１３の開閉タイミングを大きく遅角させる。このときの吸気バルブ１３は、気筒１の排気上死点近傍ないし排気上死点から若干遅れたタイミングで開き、吸気下死点から大きく遅れたタイミングで閉じる。吸気バルブ１３及び排気バルブ１４が同時に開いているバルブオーバラップの期間Ｔ２は、殆どまたは全く生じない。

比較的低回転または低負荷の運転領域にあっては、気筒１の吸気行程における吸気バルブ１３の開弁と同期した本来のタイミングｔ０でインジェクタ１１を開弁し、気筒１に供給するべき燃料の一部を噴射する。なおかつ、気筒１の圧縮行程における吸気下死点後吸気バルブ１３の閉弁前の期間Ｔ１内のタイミングｔ１でインジェクタ１１を開弁して、気筒１に供給するべき燃料の残部を噴射する。前者の本来的なタイミングｔ０では、要求燃料噴射量の約５０％を噴射する。よって、後者の追加的なタイミングｔ１でも、要求燃料噴射量の約５０％を噴射することになる。

吸気下死点後吸気バルブ１３の閉弁までの期間Ｔ１中は、気筒１内を吸気下死点から圧縮上死点に向かって運動するピストンが、一旦は気筒１に吸引した吸気の一部を吸気ポート及び吸気通路３側に押し戻す。圧縮行程における吸気下死点後のタイミングｔ１で噴射した燃料は、当該気筒１の同一サイクル中に当該気筒１に吸引されることはなく、気筒１から吸気通路３に押し出される吸気とよく混じり合うとともに、吸気バルブ１３の閉弁後も吸気ポート付近に滞留し続ける。この燃料が当該気筒１に吸引されるのは、同気筒１が次サイクルの吸気行程を迎えて吸気バルブ１３が再び開弁した後である。つまり、吸気下死点後のタイミングｔ１で噴射した燃料には、同一サイクルの圧縮行程、膨脹行程及び排気行程の間、十分に気化するための時間的猶予が与えられる。圧縮行程における吸気下死点後のタイミングｔ１で噴射した燃料は、次サイクルの吸気行程に対応する本来のタイミングｔ０で噴射した燃料とともに、次サイクルの吸気行程にて気筒１に吸引される。そして、それらの燃料の合算が、要求されたエンジントルクを出力するために必要な要求燃料噴射量に合致する。

図３は、エンジン回転数がより高い、またはエンジン負荷率がより大きい運転領域での、気筒１の吸気バルブ１３及び排気バルブ１４の開閉タイミングを示すものである。ＥＣＵ０は、エンジン回転数が上昇するほど、またはエンジン負荷率が増大するほど、ＶＶＴ機構５を介して吸気バルブ１３の開閉タイミングを進角させる。その帰結として、吸気バルブ１３が気筒１の排気上死点前のタイミングで開くようになり、吸気バルブ１３及び排気バルブ１４が同時に開くバルブオーバラップの期間Ｔ２が拡大する。並びに、吸気下死点後に吸気バルブ１３が開いている期間Ｔ１の長さが短縮する。

エンジン回転数がより高く、またはエンジン負荷率がより大きい運転領域にあっても、気筒１の吸気行程における吸気バルブ１３の開弁と同期した本来のタイミングｔ０でインジェクタ１１を開弁し、気筒１に供給するべき燃料の一部を噴射することは変わらない。その上で、気筒１の排気行程における排気バルブ１４の開弁後吸気バルブ１３の開弁前の期間内のタイミングｔ２でインジェクタ１１を開弁して燃料を噴射し、さらには同気筒１の圧縮行程における吸気下死点後吸気バルブ１３の閉弁前の期間Ｔ１内のタイミングｔ１でもインジェクタ１１を開弁して燃料を噴射する。前者の本来的なタイミングｔ０では、要求燃料噴射量の約５０％を噴射する。後者の追加的なタイミングｔ１、ｔ２では、要求燃料噴射量の残りの約５０％を噴射することになる。

排気上死点前のバルブオーバラップ期間Ｔ２中は、気筒１内を膨脹下死点から排気上死点に向かって運動するピストンが、気筒１で生じた高温の燃焼ガスである排気の一部を吸気ポート及び吸気通路３側に押し出す。排気行程における吸気バルブ１３の開弁前のタイミングｔ２で噴射した燃料は、吸気バルブ１３の開弁に伴い、吸気ポート付近において高温のガスに曝されて受熱し、その気化が促進される。また、既に述べた通り、圧縮行程における吸気下死点後のタイミングｔ１で噴射した燃料は、同一サイクルの圧縮行程、膨脹行程及び排気行程の間、気筒１に吸引されず吸気ポート付近に滞留し、気化するのに十分な時間が確保される。圧縮行程における吸気下死点後のタイミングｔ１で噴射した燃料は、同一サイクルの排気行程における吸気バルブ１３の開弁前のタイミングｔ２で噴射した燃料、及び次サイクルの吸気行程に対応する本来のタイミングｔ０で噴射した燃料とともに、次サイクルの吸気行程にて気筒１に吸引される。そして、それらの燃料の合算が、要求されたエンジントルクを出力するために必要な要求燃料噴射量に合致する。

圧縮行程における吸気下死点後のタイミングｔ１で噴射する燃料の量と、排気行程における吸気バルブ１３の開弁前のタイミングｔ２で噴射する燃料の量との比は、吸気下死点後から吸気バルブ１３が閉弁するまでの期間の長さＴ１と、バルブオーバラップ期間Ｔ２の長さとの比にほぼ等しくなるようにすることが好ましい。

一例として、前者の期間Ｔ１の長さが５０°ＣＡ分であり、後者の期間Ｔ２の長さが２５°ＣＡ分である場合、吸気下死点後のタイミングｔ１で噴射する燃料の量を、吸気バルブ１３の開弁前のタイミングｔ２で噴射する燃料の量の倍に設定する。結果、タイミングｔ１で噴射する燃料の量は要求燃料噴射量の約３３％となり、タイミングｔ２で噴射する燃料の量は要求燃料噴射量の約１７％となる。

あるいは、図２に示しているようにバルブオーバラップ期間Ｔ２が存在しない場合には、要求燃料噴射量から本来のタイミングｔ０で噴射する燃料の量を減じた残りの全てを、吸気下死点後のタイミングｔ１で噴射する。吸気バルブ１３の開弁前のタイミングｔ２（本来の燃料噴射タイミングｔ０ではない）では、インジェクタ１１を開弁せず、燃料を噴射しない。

本実施形態では、インジェクタ１１から気筒１の吸気ポートに向けて燃料を噴射するポート噴射式のものであり、気筒１の吸気バルブ１３の開閉タイミングを変化させるＶＶＴ機構５が付帯する内燃機関を制御する制御装置０であって、開弁した吸気バルブ１３が気筒１の吸気下死点後のタイミングで閉弁する場合において、気筒１に供給するべき燃料の少なくとも一部を吸気下死点後から吸気バルブ１３が閉弁するまでの期間Ｔ１中のタイミングｔ１に噴射し、また、吸気バルブ１３及び排気バルブ１４がともに開弁するバルブオーバラップを設ける場合において、気筒１に供給するべき燃料の少なくとも一部を排気バルブ１４が開弁してから吸気バルブ１３が開弁するまでの期間中のタイミングｔ２に噴射し、吸気下死点後から吸気バルブ１３が閉弁するまでの期間Ｔ１中に噴射する燃料の量と、排気バルブ１４が開弁してから吸気バルブ１３が開弁するまでの期間中に噴射する燃料の量との比を、前記期間Ｔ１の長さ及びバルブオーバラップ期間Ｔ２の長さに応じて増減調整する内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、インジェクタ１１から噴射した燃料の気化が効果的に促進され、液相燃料の液滴が気筒１の燃焼室内に侵入することが抑制される。従って、燃焼室内でプール燃焼が生起されず、ＰＭの生成量を削減できる。加えて、燃焼室内で局所的に空燃比がリッチ化することも避けられる。ひいては、ＰＭやＨＣ、ＣＯ等の有害物質の排出量を低減してエミッションを良化することが可能となる。

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、上記実施形態の内燃機関には、排気バルブ１４の開閉タイミングを可変制御するための排気ＶＶＴ機構が実装されていなかったが、吸気ＶＶＴ機構５と同様の排気ＶＶＴ機構が内燃機関に付帯していてもよい。

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利用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１１…インジェクタ
１３…吸気バルブ
１４…排気バルブ
３…吸気通路
４…排気通路
５…可変バルブタイミング（ＶＶＴ）機構
ｂ…クランク角信号
ｃ…アクセル開度信号
ｇ…カム角信号
ｊ…燃料噴射信号
ｍ…吸気バルブタイミングの制御信号
ｔ０…本来的な燃料噴射タイミング
ｔ１、ｔ２…追加的な燃料噴射タイミング

Claims

インジェクタから気筒の吸気ポートに向けて燃料を噴射するポート噴射式のものであり、気筒の吸気バルブの開閉タイミングを変化させる可変バルブタイミング機構が付帯する内燃機関を制御する制御装置であって、
開弁した吸気バルブが気筒の吸気下死点後のタイミングで閉弁する場合において、気筒に供給するべき燃料の少なくとも一部を吸気下死点後から吸気バルブが閉弁するまでの期間中に噴射し、
または、吸気バルブ及び排気バルブがともに開弁するバルブオーバラップを設ける場合において、気筒に供給するべき燃料の少なくとも一部を排気バルブが開弁してから吸気バルブが開弁するまでの期間中に噴射する内燃機関の制御装置。