JP2022146439A

JP2022146439A - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2022146439A
Application number: JP2021047397A
Authority: JP
Inventors: 寛之林; Hiroyuki Hayashi
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2021-03-22
Filing date: 2021-03-22
Publication date: 2022-10-05

Abstract

【課題】燃料の吹き返しを減らして排気ガス性能の悪化を抑制できる内燃機関の制御装置を提供すること。【解決手段】ＥＣＵは、吸気ポート温度検出部によって吸気ポートの温度を検出する（ステップＳ１）。そして、ＥＣＵの制御部は、吸気ポートの温度が所定の閾値α未満の低温であると判定した場合（ステップＳ２でＹＥＳ）、可変バルブタイミング機構により吸気バルブの閉弁時期を遅らせることを禁止する（ステップＳ５）。制御部は、吸気ポートの温度が所定の閾値未満の低温であると判定した場合であっても（ステップＳ２でＹＥＳ）、内燃機関の燃料噴射を停止するフューエルカットを実行しているときは（ステップＳ４でＹＥＳ）、可変バルブタイミング機構により吸気バルブの閉弁時期を遅らせることを禁止しない（ステップＳ６）。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

特許文献１には、吸気弁の閉じ時期を遅角側にシフトさせ、一旦シリンダ内へ吸入された空気の一部を吸気ポート内へ押し返し、通常のバルブタイミングの場合よりも圧縮開始時期を遅らせることによりアトキンソンサイクルを実現する内燃機関が記載されている。特許文献１に記載の内燃機関によれば、アトキンソンサイクルの実行時に、吸入容積よりも膨張容積が大きくなるため、燃焼による膨張エネルギを運動エネルギとしてより多く回収することができ、エネルギ効率を高めることができる。

特開２０００－７３９０１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術にあっては、内燃機関の冷機始動時のように、吸気ポートの温度が十分に昇温していない状態でアトキンソンサイクルを実行した場合、燃焼室から吸気ポートへの燃料の吹き返しにより、吸気ポートへの燃料の付着量が増大し、ＴＨＣ（全炭化水素）やＰＮ（粒子状物質の粒子数）が増加してしまうという問題があった。

本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、燃料の吹き返しを減らして排気ガス性能の悪化を抑制できる内燃機関の制御装置を提供することを目的とするものである。

本発明は、吸気バルブの閉弁時期が可変となるようにバルブタイミングを制御する可変バルブタイミング機構を備え、前記可変バルブタイミング機構により前記吸気バルブの閉弁時期を遅らせることでアトキンソンサイクルを実行する内燃機関の制御装置であって、吸気ポートの温度を検出する吸気ポート温度検出部と、前記吸気ポートの温度が所定の閾値未満の低温であると判定した場合、前記可変バルブタイミング機構により前記吸気バルブの閉弁時期を遅らせることを禁止する制御部と、を備えることを特徴とする。

このように上記の本発明によれば、燃料の吹き返しを減らして排気ガス性能の悪化を抑制できる内燃機関の制御装置を提供することができる。

図１は、本発明の一実施例に係る内燃機関の制御装置の構成図である。図２は、本発明の一実施例に係る内燃機関の制御装置の動作を説明するフローチャートである。

本発明の一実施の形態に係る内燃機関の制御装置は、吸気バルブの閉弁時期が可変となるようにバルブタイミングを制御する可変バルブタイミング機構を備え、可変バルブタイミング機構により吸気バルブの閉弁時期を遅らせることでアトキンソンサイクルを実行する内燃機関の制御装置であって、吸気ポートの温度を検出する吸気ポート温度検出部と、吸気ポートの温度が所定の閾値未満の低温であると判定した場合、可変バルブタイミング機構により吸気バルブの閉弁時期を遅らせることを禁止する制御部と、を備えることを特徴とする。これにより、本発明の一実施の形態に係る内燃機関の制御装置は、燃料の吹き返しを減らして排気ガス性能の悪化を抑制できる。

以下、本発明の一実施例に係る内燃機関の制御装置について図面を用いて説明する。図１および図２は、本発明の一実施例に係る内燃機関の制御装置を説明する図である。

図１に示すように、本発明の一実施例に係る内燃機関１は、例えば直列４気筒のガソリンエンジンで構成されている。なお、内燃機関１の気筒数は４気筒に限られない。また、内燃機関１は、ガソリンエンジンに限らず、ディーゼルエンジンであってもよい。

内燃機関１は、シリンダブロック２と、シリンダブロック２の上部に締結されたシリンダヘッド３とを含んで構成されている。シリンダブロック２には、シリンダ５が形成されている。シリンダ５には、シリンダ５内を上下に往復動可能なピストン６が収納されている。また、シリンダ５の上部には、燃焼室７が設けられている。

内燃機関１は、シリンダ５内でピストン６が往復する間に、吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程からなる一連の４行程を行う、いわゆる４サイクルのガソリンエンジンである。

ピストン６は、コネクティングロッド８を介してクランクシャフト９に連結されている。コネクティングロッド８は、ピストン６の往復運動をクランクシャフト９の回転運動に変換する。

シリンダヘッド３には、点火プラグ１０と、吸気ポート１１と、排気ポート１２とが設けられている。点火プラグ１０は、燃焼室７内に電極を突出させた状態でシリンダヘッド３に設けられ、図示しないイグナイタによってその点火時期が調整される。

吸気ポート１１は、燃焼室７と後述する吸気通路１６ａとを連通している。吸気ポート１１には、吸気バルブ１４が設けられている。排気ポート１２は、燃焼室７と後述する排気通路２６ａとを連通している。排気ポート１２には、排気バルブ２４が設けられている。

吸気バルブ１４および排気バルブ２４は、クランクシャフト９との間に巻き掛けられた図示しないタイミングチェーンまたはタイミングベルトによって開閉される。

また、シリンダヘッド３の吸気ポート１１側には、吸気管１６が接続されている。吸気管１６の内部には、吸気ポート１１と連通する吸気通路１６ａが形成されている。吸気通路１６ａには、電子制御式のスロットルバルブ１８が設けられている。

スロットルバルブ１８は、後述するＥＣＵ５０に電気的に接続されている。したがって、スロットルバルブ１８は、ＥＣＵ５０からの指令信号に応じてスロットル開度が制御されることで、内燃機関１の吸入空気量を調整する。

また、内燃機関１は、インジェクタ１３を備えている。インジェクタ１３は、ポート噴射式の燃料噴射弁であり、図示しない燃料タンクから燃料ポンプによって圧送された燃料を、吸気ポート１１を介して燃焼室７に噴射する。

このように構成された内燃機関１において、吸気通路１６ａを通過する空気は、スロットルバルブ１８により流量が調整された後、吸気ポート１１に導入される。そして、吸気ポート１１に導入された空気は、インジェクタ１３から噴射された燃料と混合され、燃焼室７に導入される。

一方、シリンダヘッド３の排気ポート１２側には、排気管２６が接続されている。排気管２６の内部には、排気ポート１２と連通する排気通路２６ａが形成されている。排気通路２６ａ上には、触媒２７が設けられている。触媒２７は、燃焼室７から排出された排気ガスを浄化する。触媒２７は、排気ガス中に含まれる有害物質である炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)、窒素酸化物(NOx）を同時に浄化する三元触媒からなり、理論空燃比において最大の排気ガス浄化性能を発揮する。

内燃機関１は、水温センサ２８、Ｏ２センサ２９、クランク角センサ３２、吸気温センサ４１、エアフローセンサ４２およびアクセル開度センサ４３を備えている。

水温センサ２８は、シリンダブロック２に形成されたウォータジャケット２ａ内を流通する冷却水の温度（冷却水温度）、すなわちエンジン水温を検出する。

Ｏ２センサ２９は、触媒２７よりも排気方向上流側に設けられている。Ｏ２センサ２９は、空燃比に対して理論空燃比を基準にしてリッチ側とリーン側とで出力が急変する出力特性を有する酸素センサである。なお、酸素センサとしては、Ｏ２センサ２９に代えて、空燃比に対してリニアな出力特性を有するＡ／Ｆセンサを用いてもよい。

クランク角センサ３２は、クランクシャフト９の回転角度を検出し、検出信号をＥＣＵ５０に出力する。したがって、クランク角センサ３２はエンジン回転速度を検出する。

吸気温センサ４１は、吸気通路１６ａにおけるスロットルバルブ１８の上流側を通過する空気の温度（吸気温度）を検出し、検出信号をＥＣＵ５０に出力する。

エアフローセンサ４２は、吸気通路１６ａにおけるスロットルバルブ１８の下流側を通過する空気の量（吸入空気量）を検出し、検出信号をＥＣＵ５０に出力する。

アクセル開度センサ４３は、図示しないアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出し、検出信号をＥＣＵ５０に出力する。

内燃機関１は、可変バルブタイミング機構３Ａを備えている。可変バルブタイミング機構３Ａは、吸気バルブ１４用の図示しないカムシャフトに設けられており、吸気バルブ１４のバルブタイミング（開閉時期）を制御する。詳しくは、可変バルブタイミング機構３Ａは、吸気バルブ１４の閉弁時期が遅角側または進角側に可変となるようにバルブタイミングを制御する。

上述のように構成された内燃機関１は、内燃機関の制御装置としてのＥＣＵ（Engine Control Unit）５０によってその運転状態が制御されるようになっている。ＥＣＵ５０は、例えばＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、入出力インターフェース等を備えるマイクロコンピュータを含んで構成されており、ＣＰＵは、ＲＡＭの一時記憶機能を利用するとともにＲＯＭに予め記憶されたプログラムに従って信号処理を行うようになっている。ＲＯＭには、各種制御定数や各種マップ等が予め記憶されている。

ＥＣＵ５０の入力側には、ＣＡＮ等の規格の通信ラインを介して、水温センサ２８、Ｏ２センサ２９、クランク角センサ３２、吸気温センサ４１、エアフローセンサ４２、アクセル開度センサ４３等の各種センサ類が接続されている。

一方、ＥＣＵ５０の出力側には、ＣＡＮ等の規格の通信ラインを介して、前述した点火プラグ１０、インジェクタ１３、スロットルバルブ１８、可変バルブタイミング機構３Ａ等の各種装置が接続されている。

ＥＣＵ５０は、ドライバによる操作や内燃機関１の運転状態等に基づいて、点火プラグ１０、インジェクタ１３、スロットルバルブ１８および可変バルブタイミング機構３Ａを制御する。また、ＥＣＵ５０は、通信ラインを介して各種のセンサ、アクチュエータおよび他の制御ユニットと通信する通信機能を有する。ＥＣＵ５０は、インジェクタ１３への通電を制御することで、内燃機関１への燃料噴射時期および燃料噴射量を制御する。

ＥＣＵ５０は、アクセルペダルが踏み込まれていないこと等を含む所定の条件の成立時は、内燃機関１の燃料噴射を停止するフューエルカットを実行する。

ＥＣＵ５０は、可変バルブタイミング機構３Ａにより吸気バルブ１４の閉弁時期を遅らせることでアトキンソンサイクルを実行する。つまり、本実施例では、吸気バルブ１４のいわゆる遅閉じによりアトキンソンサイクルを実行している。アトキンソンサイクルの実行時は、ピストン６が下死点から上死点に移動する途中（圧縮行程の途中）で吸気バルブ１４が閉じられる。

このような吸気バルブ１４の遅閉じが行われることで、一旦シリンダ５内へ吸入された混合気の一部が吸気ポート１１内へ押し返され、通常のバルブタイミングの場合よりも実際の圧縮開始時期が遅くなる。これにより、吸入容積よりも膨張容積が大きくなり、燃焼による膨張エネルギを運動エネルギとしてより多く回収することができ、内燃機関１のエネルギ効率を高めることができる。なお、吸気バルブ１４の閉弁時期を遅らせることで実現されるアトキンソンサイクルは、ミラーサイクルと呼ばれることもある。

ＥＣＵ５０には、アトキンソンサイクルの実行時に参照するバルブタイミングを定めたアトキンソン有マップと、アトキンソンサイクルを実行しない通常時に参照するバルブタイミングを定めたアトキンソン無マップと、が記憶されている。アトキンソン有マップおよびアトキンソン無マップにおいて、エンジン負荷とエンジン回転速度との組み合わせごとのバルブタイミングが定められている。したがって、ＥＣＵ５０は、エンジン負荷およびエンジン回転速度を参照してバルブタイミングの目標値（目標バルブタイミング）を決定する。ＥＣＵ５０は、エンジン負荷を例えば吸入空気量または吸気圧に基づいて演算する。

ここで、内燃機関１の冷機時のように、吸気ポート１１の温度が十分に昇温していない状態でアトキンソンサイクルが実行された場合、吸気バルブ１４の遅閉じによって燃焼室７から吸気ポート１１へ混合気の一部が押し返される。そのため、混合気中の燃料の押し返し（以下、燃料の吹き返しともいう）により、低温の吸気ポート１１の表面に付着する燃料の量が増大する。

そして、吸気ポート１１の表面に付着した燃料が蒸発して再び燃焼室７に供給されるため、空燃比が理論空燃比よりもリッチ側に偏ってしまう。そのため、触媒２７が排気ガス浄化性能を十分に発揮できず、ＴＨＣ（全炭化水素）やＰＮ（粒子状物質の粒子数）が増加し、排気ガス性能が悪化してしまう。

そこで、本実施例では、ＥＣＵ５０は、吸気ポート１１の温度を検出する吸気ポート温度検出部５１と、吸気ポート１１の温度が所定の閾値未満の低温であると判定した場合、可変バルブタイミング機構３Ａにより吸気バルブ１４の閉弁時期を遅らせることを禁止する制御部５２と、を備えている。つまり、吸気ポート１１の温度が低温の場合、制御部５２は、アトキンソンサイクルの実行を禁止し、通常のバルブタイミングで吸気バルブ１４の開閉を制御する。

吸気ポート温度検出部５１は、吸気温センサ４１が検出する吸気温度と、水温センサ２８が検出する冷却水温度と、エアフローセンサ４２が検出する吸入空気量とに基づいて、吸気ポート１１の温度（以下、吸気ポート温度ともいう）を算出する。

ＥＣＵ５０には、各センサの検出値と吸気ポート温度との相関を定めた図示しないマップが記憶されており、吸気ポート温度検出部５１は、このマップを参照して吸気ポート温度（推測値）を算出する。なお、吸気ポート１１に温度センサを設け、吸気ポート１１の実際の温度を直接的に測定してもよい。

ここで、内燃機関１の燃料噴射を停止するフューエルカットの実行中は、燃焼室７に空気のみが導入されるため、アトキンソンサイクルを実行した場合であっても、燃焼室７から吸気ポート１１への燃料の吹き返しが発生することがない。

そこで、制御部５２は、吸気ポート１１の温度が所定の閾値未満の低温であると判定した場合であっても、内燃機関１の燃料噴射を停止するフューエルカットを実行しているときは、可変バルブタイミング機構３Ａにより吸気バルブ１４の閉弁時期を遅らせることを禁止しない。つまり、吸気ポート１１の温度が低温の場合であっても、制御部５２は、フューエルカットの実行中は、アトキンソンサイクルを実行する。

次に、図２のフローチャートを参照して、本実施例に係るＥＣＵ５０によって実行されるバルブタイミング制御動作について説明する。このバルブタイミング制御動作は、所定の短い周期で繰り返し実行される。

図２に示すように、ＥＣＵ５０は、ステップＳ１で吸気ポート温度を取得する。このステップＳ１は、ＥＣＵ５０の吸気ポート温度検出部５１により行われる。

次いで、ＥＣＵ５０は、ステップＳ２で吸気ポート温度が所定の閾値α未満の低温であるか否かを判定する。このステップＳ２は、ＥＣＵ５０の制御部５２により行われる。

ＥＣＵ５０は、ステップＳ２で吸気ポート温度が閾値α未満の低温ではないと判定した場合、ステップＳ６でアトキンソン有マップにより目標バルブタイミングを算出し、ステップＳ７でアトキンソン有マップに基づく目標バルブタイミングとなるように、可変バルブタイミング機構３Ａを作動させ、今回の動作を終了する。

このように、吸気ポート温度が閾値α未満の低温ではない場合、燃料の吹き返しによる排気ガス性能の悪化のおそれがないため、ＥＣＵ５０は、アトキンソン有マップに基づいてバルブタイミングを制御し、アトキンソンサイクルを実行する。

ＥＣＵ５０は、ステップＳ２で吸気ポート温度が閾値α未満の低温であると判定した場合、ステップＳ３でアクセルオフであるか否かを判定する。このステップＳ３では、ＥＣＵ５０は、アクセル開度センサ４３の検出信号に基づいて、アクセルペダルが踏み込まれていない場合にアクセルオフであると判定する。

ＥＣＵ５０は、ステップＳ３でアクセルオフであると判定した場合、ステップＳ４でフューエルカット中であるか否かを判定する。このステップＳ３、Ｓ４は、ＥＣＵ５０の制御部５２により行われる。

ＥＣＵ５０は、ステップＳ３でアクセルオフではないと判定した場合、およびステップＳ４でフューエルカット中ではないと判定した場合、ステップＳ５でアトキンソン無マップにより目標バルブタイミングを算出する。このステップＳ５は、ＥＣＵ５０の制御部５２により行われる。

そして、ＥＣＵ５０は、ステップＳ７でアトキンソン無マップに基づく目標バルブタイミングとなるように、可変バルブタイミング機構３Ａを作動させ、今回の動作を終了する。

このように、吸気ポート温度が閾値α未満の低温である場合、燃料の吹き返しによる排気ガス性能の悪化のおそれがあるため、ＥＣＵ５０は、アトキンソンサイクルの実行を禁止し、アトキンソン無マップに基づいてバルブタイミングを制御する。

一方、ＥＣＵ５０は、ステップＳ４でフューエルカット中であると判定した場合、ステップＳ６でアトキンソン有マップにより目標バルブタイミングを算出する。そして、ＥＣＵ５０は、ステップＳ７でアトキンソン有マップに基づく目標バルブタイミングとなるように、可変バルブタイミング機構３Ａを作動させ、今回の動作を終了する。

このように、吸気ポート温度が閾値α未満の低温の場合であっても、フューエルカット中は、燃料の吹き返しによる排気ガス性能の悪化のおそれがないため、ＥＣＵ５０は、アトキンソン有マップに基づいてバルブタイミングを制御し、アトキンソンサイクルを実行する。

なお、ＥＣＵ５０は、ステップＳ３でアクセルオフであると判定した場合、図２に表れていないフューエルカットを実行することがあるが、フューエルカットの実行開始および実行終了は、アクセルオフであるか否か以外の要因が関係しており、アクセルオフの状態であってもフューエルカットの実行が開始されないまたは終了している場合があり得る。そのため、ＥＣＵ５０は、ステップＳ３とは別に、ステップＳ４においてフューエルカット中であるか否かを判定している。

以上のように、本実施例の内燃機関の制御装置は、吸気ポート１１の温度を検出する吸気ポート温度検出部５１と、吸気ポート１１の温度が所定の閾値未満の低温であると判定した場合、可変バルブタイミング機構３Ａにより吸気バルブ１４の閉弁時期を遅らせることを禁止する制御部５２と、を備えている。

これにより、吸気ポート１１の温度が所定の閾値未満の低温である場合、制御部５２は、可変バルブタイミング機構３Ａにより吸気バルブ１４の閉弁時期を遅らせることを禁止し、通常のバルブタイミングで吸気バルブ１４の開閉を制御する。このため、燃焼室７から吸気ポート１１への燃料の吹き返し量が減少し、低温の吸気ポート１１に燃料が付着することを抑制できるので、ＴＨＣ（全炭化水素）やＰＮ（粒子状物質の粒子数）の増加を抑制できる。この結果、燃料の吹き返しを減らして排気ガス性能の悪化を抑制できる。

また、本実施例の内燃機関の制御装置において、制御部５２は、吸気ポート１１の温度が所定の閾値未満の低温であると判定した場合であっても、内燃機関１の燃料噴射を停止するフューエルカットを実行しているときは、可変バルブタイミング機構３Ａにより吸気バルブ１４の閉弁時期を遅らせることを禁止しない。

これにより、フューエルカットの実行中は、吸気バルブ１４の閉弁時期を遅らせることを禁止しないようにしても、燃焼室７から吸気ポート１１への燃料の吹き返しが発生することがないため、排気ガス性能の悪化を抑制できる。

また、フューエルカットの実行中は、燃料ではなく高温の圧縮空気が燃焼室７から吸気ポート１１に戻されるので、吸気ポート１１の昇温を促進することができ、アトキンソンサイクルの実行機会を早期に増やすことができる。

本発明の実施例を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正および等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

１内燃機関
３Ａ可変バルブタイミング機構
１１吸気ポート
１４吸気バルブ
５０ＥＣＵ（制御装置）
５１吸気ポート温度検出部
５２制御部

Claims

吸気バルブの閉弁時期が可変となるようにバルブタイミングを制御する可変バルブタイミング機構を備え、
前記可変バルブタイミング機構により前記吸気バルブの閉弁時期を遅らせることでアトキンソンサイクルを実行する内燃機関の制御装置であって、
吸気ポートの温度を検出する吸気ポート温度検出部と、
前記吸気ポートの温度が所定の閾値未満の低温であると判定した場合、前記可変バルブタイミング機構により前記吸気バルブの閉弁時期を遅らせることを禁止する制御部と、を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記制御部は、前記吸気ポートの温度が所定の閾値未満の低温であると判定した場合であっても、前記内燃機関の燃料噴射を停止するフューエルカットを実行しているときは、前記可変バルブタイミング機構により前記吸気バルブの閉弁時期を遅らせることを禁止しないことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。