JP2020183709A - 内燃機関の制御方法及び内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】凝縮水が発生した際に内燃機関の燃焼安定性を向上させる。【解決手段】凝縮水の発生を検知すると、吸気弁の開弁期間が吸気行程における下死点を跨ぐように吸気弁の閉弁時期を遅角させる。内燃機関は、吸気弁の閉弁時期が吸気行程の下死点よりも遅角することにより吸気ポートへの吹き返しガス量が増大する。そのため、内燃機関の筒内ガス温度は、吸気弁の開弁時期（ＩＶＯ）が通常時（凝縮水が発生していない場合）のときに比べて上昇する。これにより、内燃機関は、凝縮水の気化が促進されることにより燃焼安定性が確保され、失火などの不完全燃焼に伴う部品破損を回避することができる。また、内燃機関は、凝縮水の減少により、筒内腐食等の劣化の進行を抑制できる。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の制御方法及び内燃機関の制御装置に関する。

例えば、特許文献１には、燃料カット後のエンジン慣性回転時に排気弁の開弁時期及び閉弁時期を進角させることで、ピストンが排気上死点に達する前に排気弁を閉じる内燃機関が開示されている。

すなわち、特許文献１には、排気弁を早閉じして内部ＥＧＲを筒内にトラップして、内部ＥＧＲを吸気行程に吹き戻して、燃焼室の上流側の凝縮水を飛ばす内燃機関が開示されている。

そのため、特許文献１においては、吸気弁が開弁すると圧縮された筒内の残留ガスが吸気ポートへ吹き返すようになり、吸気マニホールド及び吸気ポートの内壁に付着した凝縮水が吹き飛ばされる。これにより、吸気マニホールド及び吸気ポートから燃焼室内への凝縮水の流入が抑制されるため、燃焼室のインジェクタの腐食が防止される。

特許文献１の内燃機関は、燃焼後の排気ガスの一部を排気還流ガス（ＥＧＲガス）として吸気通路に導入している。

特開２０１４−４７７５６号公報

しかしながら、このような特許文献１に開示される内燃機関において、発生した凝縮水は筒内にて燃焼ガスとともに作動流体となるため、ＥＧＲ率の増大や環境条件によって凝縮水の発生量が過大となると、燃焼安定性が低下することになる。

本発明の内燃機関は、吸気弁のバルブタイミングを変更可能なバルブタイミング変更機構を有し、燃焼室の上流側に凝縮水が発生したこと検知すると、上記吸気弁のバルブタイミングを変更して吸気弁の閉弁時期を遅角することを特徴としている。

これによって、内燃機関は、吸気ポートへの吹き返しガス量が増大するため、筒内ガス温度が上昇して凝縮水の気化が促進される

本発明によれば、内燃機関は、凝縮水の気化が促進されることにより燃焼安定性が確保され、失火などの不完全燃焼に伴う部品破損を回避することができる。

本発明に係る内燃機関の概略構成を模式的に示した説明図。 内燃機関のバルブタイミングと筒内ガス温度との相関を示すタイミングチャート。 内燃機関の制御の流れの一例を示すフローチャート

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明に係る内燃機関１の概略構成を模式的に示した説明図である。

内燃機関１は、複リンク式のピストンクランク機構を利用した可変圧縮比機構２を備えた４ストロークサイクルの火花点火式機関であって、駆動源等として自動車等の車両に搭載されるものである。内燃機関１は、例えば、ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンである。

可変圧縮比機構２は、例えば特開２００４−１１６４３４号公報等に記載された公知の複リンク式ピストンクランク機構を利用したものである。

内燃機関１は、駆動源として自動車等の車両に搭載されるものであって、吸気通路３と排気通路４とを有している。吸気通路３は、吸気弁５を介して内燃機関１の燃焼室６に接続されている。排気通路４は、排気弁７を介して内燃機関１の燃焼室６に接続されている。

この内燃機関１は、例えば筒内直噴型の構成であり、シリンダ内に燃料を噴射する燃料噴射弁（図示せず）と点火プラグ８が気筒毎に設けられている。上記燃料噴射弁の噴射時期や噴射量、点火プラグ８の点火時期はコントロールユニット９からの制御信号によって制御されている。

吸気通路３には、吸気中の異物を捕集するエアクリーナ１１と、吸入空気量を検出するエアフローメータ１２と、電動の第１スロットル弁１３と、第１スロットル弁１３の上流側に位置する電動の第２スロットル弁１４と、が設けられている。

エアフローメータ１２は、第２スロットル弁１４の上流側に配置されている。エアフローメータ１２は、温度センサを内蔵したものであって、吸気導入口の吸気温度を検出可能となっている。

エアクリーナ１１は、エアフローメータ１２の上流側に配置されている。

第１スロットル弁１３は、負荷に応じて内燃機関１の吸入空気量を制御する。第２スロットル弁１４は、後述するコンプレッサ２２の上流側における吸気圧力を制御する。

排気通路４には、上流側排気浄化装置１７と、下流側排気浄化装置１８と、床下触媒１９と、排気音を低減する消音用のマフラー２０と、が設けられている。上流側排気浄化装置１７は、例えば三元触媒等からなっている。下流側排気浄化装置１８は、例えば三元触媒等からなり、上流側排気浄化装置１７の下流側で、かつ床下触媒１９よりも上流側となる位置に配置されている。床下触媒１９は、例えば三元触媒等からなり、下流側排気浄化装置１８の下流側に配置されている。マフラー２０は、床下触媒１９の下流側に配置されている。

また、この内燃機関１は、ターボ過給機２１を有している。

ターボ過給機２１は、吸気通路３に設けられたコンプレッサ２２と、排気通路４に設けられたタービン２３と、を有している。コンプレッサ２２とタービン２３は、同軸上に配置され、一体となって回転する。コンプレッサ２２は、第１スロットル弁１３の上流側となり、第２スロットル弁１４よりも下流側となる位置に配置されている。タービン２３は、上流側排気浄化装置１７よりも上流側に配置されている。

吸気通路３には、吸気バイパス通路２４が接続されている。

吸気バイパス通路２４は、コンプレッサ２２を迂回して、コンプレッサ２２の上流側と下流側とを連通するように形成されている。

吸気バイパス通路２４には、電動のリサーキュレーション弁２５が設けられている。リサーキュレーション弁２５は、通常は閉じられているが、第１スロットル弁１３が閉じられてコンプレッサ２２の下流側が高圧になった場合等に開かれる。リサーキュレーション弁２５が開くことにより、吸気バイパス通路２４を介してコンプレッサ２２の下流側の高圧な吸気をコンプレッサ２２の上流側に戻せるようになっている。リサーキュレーション弁２５は、コントロールユニット９からの制御信号によって開閉制御されている。なお、リサーキュレーション弁２５としては、コントロールユニット９により開閉制御されるものではなく、コンプレッサ２２下流側の圧力が所定圧力以上となったときのみ開弁するようないわゆる逆止弁を用いることも可能である。

また、吸気通路３には、第１スロットル弁１３の下流側に、コンプレッサ２２により圧縮（加圧）された吸気を冷却し、充填効率を良くするインタクーラ２６が設けられている。

排気通路４には、タービン２３を迂回してタービン２３の上流側と下流側とをつなぐ排気バイパス通路３１が接続されている。排気バイパス通路３１の下流側端は、上流側排気浄化装置１７よりも上流側の位置で排気通路４に接続されている。排気バイパス通路３１には、排気バイパス通路３１内の排気流量を制御する電動のウエストゲート弁３２が配置されている。

また、内燃機関１は、排気通路４から排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気通路３へ導入（還流）する排気還流（ＥＧＲ）が実施可能なものであって、排気通路４から分岐して吸気通路３に接続された排気還流通路としてのＥＧＲ通路３３を有している。ＥＧＲ通路３３は、その一端が下流側排気浄化装置１８と床下触媒１９との間の位置で排気通路４に接続され、その他端が第２スロットル弁１４の下流側となりコンプレッサ２２の上流側となる位置で吸気通路３に接続されている。このＥＧＲ通路３３には、ＥＧＲ通路３３内のＥＧＲガス流量を調整（制御）する電動のＥＧＲ弁３４と、ＥＧＲガスを冷却可能なＥＧＲクーラ３５と、が設けられている。

内燃機関１は、吸気弁５の動弁機構として、吸気弁５のバルブタイミング（開閉時期）を変更可能なバルブタイミング変更機構としての吸気側可変動弁機構４１を有している。

吸気側可変動弁機構４１は、吸気弁５のリフトの中心角の位相（クランクシャフト４３に対する位相）を連続的に進角もしくは遅角させる位相可変機構である。位相可変機構は、例えば、特開２００２−８９３０３号公報等によって既に公知となっているものであり、吸気弁５を開閉駆動する吸気側カムシャフト４２の位相をクランクシャフト（図示せず）に対して遅進させるものである。

なお、排気弁側の動弁機構は、一般的な直動式の動弁機構であり、排気弁７のリフト作動角やリフト中心角の位相は、常に一定である。

吸気側可変動弁機構４１は、例えば油圧駆動されるものであって、コントロールユニット９からの制御信号によって制御される。つまり、コントロールユニット９によって、吸気弁５のバルブタイミングを可変制御することが可能となっている。

なお、吸気側可変動弁機構４１は、吸気弁５の開時期及び閉時期を個々に独立して変更できる形式のものでもよい。吸気側可変動弁機構４１は、油圧駆動されるものに限定されるものではなく、モータ等による電動駆動のものであってもよい。

また、吸気側可変動弁機構４１は、吸気弁５のリフト量及び作動角を変更可能なリフト作動角可変機構であってもよい。リフト作動角可変機構は、例えば、特開２００２−８９３０３号公報等によって既に公知となっているものであり、吸気弁５のリフト量と作動角を同時にかつ連続的に拡大、縮小させるものある。

また、吸気側可変動弁機構４１は、吸気弁５のリフトの中心角の位相を連続的に進角もしくは遅角させる位相可変機構と、吸気弁５のリフト量及び作動角を変更可能なリフト作動角可変機構と、から構成するようにしてもよい。

吸気弁５のバルブタイミングは、吸気側カムシャフトポジションセンサ４５によって検出される。吸気側カムシャフトポジションセンサ４５は、吸気側カムシャフト４２のクランクシャフト４３に対する位相を検出するものである。

ここで、コントロールユニット９は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力インターフェースを備えた周知のデジタルコンピュータである。

コントロールユニット９には、上述したエアフローメータ１２、吸気側カムシャフトポジションセンサ４５の検出信号（検出値）のほか、クランクシャフト４３のクランク角度と共に機関回転数を検出可能なクランク角センサ４６、内燃機関１の要求負荷状態を表すアクセルペダル踏み込み量（アクセル開度ＡＰＯ）を検出するアクセル開度センサ４７、インタクーラ２６の下流側の位置における吸気温度を検出する吸気温度センサ４８と、インタクーラ２６の下流側の位置における吸気の湿度を検出する湿度センサ４９等の各種センサ類の検出信号（検出値）が入力されている。

吸気温度センサ４８は、インタクーラ２６の下流側となり、かつ燃焼室６よりも上流側となる位置における吸気温度を検出するものであり、例えばインタクーラ２６の出口付近に配置される。

湿度センサ４９は、インタクーラ２６の下流側となり、かつ燃焼室６よりも上流側となる位置における吸気の湿度を検出するものであり、例えばインタクーラ２６の出口付近に配置される。

なお、吸気温度センサ４８及び湿度センサ４９は、燃焼室６に近い位置に配置することが望ましい。

コントロールユニット９は、アクセル開度センサ４７の検出値を用いて、内燃機関１の要求負荷（エンジン負荷）を算出する。

そして、コントロールユニット９は、各種センサ類の検出信号に基づいて、上記燃料噴射弁による燃料噴射量及び燃料噴射時期、点火プラグ８による点火時期、吸気弁５のバルブタイミング、第１スロットル弁１３の開度、第２スロットル弁１４の開度、ウエストゲート弁３２の開度、リサーキュレーション弁２５の開度、ＥＧＲ弁３４の開度、可変圧縮比機構２による内燃機関１の機械的圧縮比等を最適に制御している。

また、コントロールユニット９は、湿度センサ４９及び吸気温度センサ４８の検出値を用いて、燃焼室６で凝縮水が発生しているか否かを推定する。つまり、コントロールユニット９は、燃焼室６の上流側に発生した凝縮水を検出可能な凝縮水検出部に相当する。

内燃機関１の吸気弁５の閉弁時期は、基本的には、ノッキングが発生しないように下死点近傍（下死点付近）に設定されている。

内燃機関１は、吸気弁５の閉弁時期を下死点前に設定することにより、燃焼室６からの吹き返しがなく、燃焼室６内（筒内）の温度が低くできるので、圧縮端温度が下がってノッキングが抑制される。

そして、コントロールユニット９は、凝縮水の発生を検知すると、図２に示すように、吸気弁５の閉弁時期が遅角するように吸気弁５のバルブタイミングを変更する。つまり、コントロールユニット９は、凝縮水を検出すると吸気弁５の閉弁時期を遅角するバルブタイミング制御部に相当する。

図２は、内燃機関１のバルブタイミングと燃焼室６内のガス温度（筒内ガス温度）との相関を示すタイミングチャートである。

時刻ｔ１は、膨張行程（圧縮行程）における上死点のタイミングである。時刻ｔ２は、膨張行程（排気行程）における下死点のタイミングである。時刻ｔ３は、通常時（凝縮水が発生していない場合）の吸気弁５の開弁時期（ＩＶＯ）である。時刻ｔ４は、排気行程（吸気行程）における上死点のタイミングである。時刻ｔ５は、通常時（凝縮水が発生していない場合）の吸気弁５の閉弁時期（ＩＶＣ）である。時刻ｔ６は、吸気行程（圧縮行程）における下死点のタイミングである。時刻ｔ７は、凝縮水が発生した場合の吸気弁５の閉弁時期（ＩＶＣ）である。

内燃機関１の吸気弁５のバルブタイミングは、基本的には図２中に破線で示すように、上死点付近で開弁し、下死点前で、かつ下死点近傍で閉弁するように設定されている。

そして、コントロールユニット９は、燃焼室６の上流側で凝縮水の発生を検知すると、吸気弁５のバルブタイミングを遅角し、吸気弁５の閉弁時期を下死点よりも遅角させる。

詳述すると、コントロールユニット９は、燃焼室６の上流側で凝縮水の発生を検知すると、吸気弁５の開弁期間が吸気行程における下死点を跨ぐように吸気弁５の閉弁時期を遅角させる。

内燃機関１は、吸気弁５の閉弁時期が吸気行程の下死点よりも遅角することにより吸気ポートへの吹き返しガス量が増大する。

そのため、内燃機関１の筒内ガス温度は、図２中に実線で示すように、吸気弁５の閉弁時期が通常時（凝縮水が発生していない場合）のときに比べて上昇する。図２中の破線は、吸気弁５の閉弁時期が通常時（凝縮水が発生していない場合）のときの筒内ガス温度を示している。

これにより、内燃機関１は、凝縮水の気化が促進されることにより燃焼安定性が確保され、失火などの不完全燃焼に伴う部品破損を回避することができる。また、内燃機関１は、凝縮水の減少により、筒内腐食等の劣化の進行を抑制できる。

つまり、内燃機関１は、吸気弁５の閉弁時期を遅角することで、吸気行程での吸気ポートへの吹き返しガス量を増大させて筒内温度を上げるため、ポンプロスの増大及び内部ＥＧＲ増大による耐ノック性能の悪化を招くことなく凝縮水を気化させることができる。

また、内燃機関１は、運転状態に応じたＥＧＲ率となるようにＥＧＲ弁３４の開度が制御されているが、凝縮水の発生が検知されると、ＥＧＲ率を運転状態に応じて設定されるＥＧＲ率よりも低下させる。

内燃機関１は、ＥＧＲ率を減少させることによりガス中の水分量を減少させることができる。つまり、内燃機関１は、ＥＧＲ率を減少させることにより凝縮水の発生量が減少し、燃焼安定性が向上する。また、内燃機関１は、凝縮水の減少により、筒内腐食等の劣化の進行を抑制できる。

図３は、上述した実施例の内燃機関１の制御の流れの一例を示すフローチャートである。

ステップＳ１では、内燃機関１の始動による吸気弁５の閉弁時期（ＩＶＣ）及びＥＧＲ率の設定時であるか否かを判定する。すなわち、ステップＳ１では、内燃機関１の始動に伴う吸気弁５の閉弁時期及びＥＧＲ率の設定時であればステップＳ２へ進む。ステップＳ１において内燃機関１が既に運転中であると判定されると、ステップＳ４へ進む。

ステップＳ２では、吸気弁５の閉弁時期（ＩＶＣ）を通常時の閉弁時期に設定する。つまり、吸気弁５のバルブタイミングを通常時のバルブタイミングに設定する。ステップＳ３では、ＥＧＲ率を通常時のＥＧＲ率（通常ＥＧＲ率）に設定する。

ステップＳ４では、凝縮水が発生しているか否かを判定する。すなわち、ステップＳ４では、凝縮水の発生が検知されるとステップＳ５へ進む。ステップＳ４において凝縮水の発生が検知されなければステップＳ７へ進む。

ステップＳ４では、例えば、湿度センサ４９の検出信号等から算出される凝縮水推定値が所定閾値Ｗ以上の場合に凝縮水が発生していると判定する。

ステップＳ５では、例えば、凝縮水が確実に発生しないように吸気弁５の閉弁時期を遅角する。

具体的には、例えば、吸気弁５の閉弁時期を直前のルーチンで設定された吸気弁５の閉弁時期よりも所定量Ａ１遅角する。所定量Ａ１は、例えば、凝縮水が確実に発生しないようにある程度のマージンを持たせて設定される。あるいは、凝縮水が確実に発生しない吸気弁５の閉弁時期（第１閉弁時期）を予め実験等で求めておき、ステップＳ５では、吸気弁５の閉弁時期をこの第１閉弁時期となるように遅角するようにしてもよい。

ステップＳ６では、例えば、凝縮水が確実に発生しないようにＥＧＲ率を減少させる。

具体的には、例えば、内燃機関１のＥＧＲ率を直前のルーチンで設定されたＥＧＲ率よりも所定量Ｂ１減少させる。所定量Ｂ１は、例えば、凝縮水が確実に発生しないようにある程度のマージンを持たせて設定される。あるいは、凝縮水が確実に発生しない内燃機関１のＥＧＲ率（第１ＥＧＲ率）を予め実験等で求めておき、ステップＳ６では、内燃機関１のＥＧＲ率をこの第１ＥＧＲ率となるように減少させるようにしてもよい。

ステップＳ７では、吸気弁５の閉弁時期を進角する。具体的には、例えば、吸気弁５の閉弁時期を直前のルーチンで設定された吸気弁５の閉弁時期よりも所定量Ａ２進角する。所定量Ａ２を所定量Ａ１に比べて小さい値に設定される。

内燃機関１は、このように吸気弁５の閉弁時期を進角させれば（ステップＳ７）、凝縮水が発生しない範囲で吸気弁５の閉弁時期を進角させることが可能となり、燃費性能を向上させることができる。

ステップＳ８では、内燃機関１のＥＧＲ率を増加させる。具体的には、例えば、内燃機関１のＥＧＲ率を直前のルーチンで設定されたＥＧＲ率よりも所定量Ｂ２増加させる。所定量Ｂ２を所定量Ｂ１に比べて小さい値に設定される。

内燃機関１は、このように内燃機関１のＥＧＲ率を増加させれば（ステップＳ８）、凝縮水が発生しない範囲でＥＧＲ率を増加させることが可能となり、燃費性能を向上させることができる。

なお、ステップＳ４において凝縮水の発生が検知された際に、吸気弁５の閉弁時期を凝縮水が発生しなくなるまで所定量ずつ遅角させたり、ＥＧＲ率を凝縮水が発生しなくなるまで所定量ずつ減少させたりしてもよい。

要するに、本実施例の内燃機関１は、凝縮水の発生に適応した燃焼制御を行うことで、ＥＧＲガスを導入した希薄燃焼時の燃焼耐力向上を図ることができる。

以上、本発明の具体的な実施例を説明してきたが、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、コントロールユニット９は、凝縮水の発生を検知した際に、吸気弁５の閉弁時期のみを遅角させ、ＥＧＲ率の減少は行わないようにしてもよい。

また、凝縮水の検知は、湿度センサ４９を用いることなく推定することも可能である。例えば、凝縮水の検知は、ノッキングの有無を検知するノックセンサと吸気温度センサ４８等との検出値（検出信号）から推定することも可能である。例えば、内燃機関１に生じる振動のレベル（程度）が吸気温度に対応した本来のレベル（程度）よりも大きい場合には、凝縮水の発生により燃焼が不安定になっているものと判断して、凝縮水が発生しているものと推定してもよい。

なお、上述した実施例は、内燃機関の制御方法及び内燃機関の制御装置に関するものである。

１…内燃機関
３…吸気通路
４…排気通路
５…吸気弁
６…燃焼室
７…排気弁
９…コントロールユニット
４１…吸気側可変動弁機構
４２…吸気側カムシャフト
４３…クランクシャフト
４５…吸気側カムシャフトポジションセンサ
４６…クランク角センサ
４７…アクセル開度センサ
４８…吸気温度センサ
４９…湿度センサ

Claims (7)

1. 吸気弁のバルブタイミングを変更可能なバルブタイミング変更機構と、
   燃焼室の上流側に発生した凝縮水を検出可能な凝縮水検出部と、を有し、
   上記凝縮水検出部が凝縮水を検出すると上記吸気弁のバルブタイミングを変更して上記吸気弁の閉弁時期を遅角することを特徴とする内燃機関の制御方法。
2. 上記燃焼室の上流側で凝縮水の発生を検知すると、上記吸気弁の開弁期間が下死点を跨ぐように上記吸気弁の閉弁時期を遅角することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御方法。
3. 凝縮水が検出されていない状態において、上記吸気弁の閉弁時期は下死点付近に設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御方法。
4. 排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気通路に還流する排気還流通路を有し、
   燃焼室の上流側で凝縮水の発生を検知すると、ＥＧＲ率を減少させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の制御方法。
5. 燃焼室の上流側で凝縮水の発生が検知されない場合には、上記吸気弁の閉弁時期を進角することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の制御方法。
6. 燃焼室の上流側で凝縮水の発生が検知されない場合には、ＥＧＲ率を増加させることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の制御方法。
7. 吸気弁のバルブタイミングを変更可能なバルブタイミング変更機構と、
   燃焼室の上流側に発生する凝縮水を検出する凝縮水検出部と、
   上記凝縮水検出部が凝縮水を検出すると上記吸気弁のバルブタイミングを変更して上記吸気弁の閉弁時期を遅角するバルブタイミング制御部と、を有することを特徴とする内燃機関の制御装置。

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