JP4254436B2

JP4254436B2 - エンジンの制御装置

Info

Publication number: JP4254436B2
Application number: JP2003310424A
Authority: JP
Inventors: 勝彦宮本
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2003-09-02
Filing date: 2003-09-02
Publication date: 2009-04-15
Anticipated expiration: 2023-09-02
Also published as: JP2005076579A

Description

本発明は、エンジンの実圧縮比を変更可能なエンジンの制御装置に関する。

従来、ガソリンエンジン等の内燃機関におけるノッキングの制御では、エンジンに設けられたノックセンサからの信号に基づきノッキングの発生が判断される。そして、ノッキングの発生と判断された場合に、点火時期が遅角されることにより、ノッキングの抑制が行われている。しかしながら点火時期を遅角させることは燃費の悪化を招くおそれがあることから、これに代わるノッキングの制御が望まれていた。

そこで、特許文献１では、ノッキングの発生し易いエンジンの低回転・中負荷の運転領域において、吸気弁の開閉タイミングを遅角させるように可変タイミング機構を制御し、燃焼室に一旦導入されてから逃げようとする吸入空気を増やして有効圧縮比が小さくなる技術が提案されている。即ちバルブタイミングを制御することによりノッキングの抑制を図る技術が開示されている。

特開平６−２５７４７７号公報

近年では、燃費向上を図るために圧縮比が高くなる傾向にあるため、ノッキングが発生し易い。特にエンジン温度が高い場合には、ノッキングが発生し易くなるので、実圧縮比を下げる必要がある。また、エンジンが長時間高温状態で、低回転、高負荷の運転状態が継続する場合、エンジン温度による過早着火による強いノッキングの発生が懸念される。

特許文献１では、ノッキング発生し易い領域である低回転中負荷の運転領域において圧縮比を低下させる技術は開示されているが、低回転中負荷の運転領域で単純に圧縮比を低下させているだけであり、圧縮比低下に伴い発生するトルク低下に対する対策が不十分であるという課題がある。

本発明は、高負荷になった直後は、燃焼室温度は直ぐには上昇しないので、過早着火は発生しないという事実に特に着目したものであり、エンジンが低速、高負荷状態で高温時の場合における過早着火によるノッキングの発生を防止するとともに、トルクの確保を図れるエンジン制御装置を提供することを、その目的とする。

本発明は、エンジンの運転状態を検出するための運転状態検出手段と、エンジンの燃焼室内の実圧縮比を変更する実圧縮比可変手段と、運転状態検出からの検出情報により判断した前記エンジンの運転状態に応じて実圧縮比可変手段の動作を制御すると共に、前記エンジンの低回転、高負荷の状態が所定期間経過後は、所定期間経過前における該低回転、高負荷状態に対応した実圧縮比よりも実圧縮比を低下させるように前記実圧縮比可変手段の動作を制御する制御手段とを有することを特徴としている。このため、エンジンの低回転、高負荷の状態が所定時間経過するまでは、燃焼室内の実圧縮比が比較的高く体積効力が比較的大きい状態となり、トルクが維持される。所定時間を経過すると、燃焼室内の実圧縮比が低減されてノッキングが防止される。

実圧縮比可変手段が、燃焼室に通じる吸気ポートを開閉する吸気弁の開弁時期を可変し得る可変タイミング機構の場合、制御手段を用いてエンジンが低回転、高負荷の状態の時に、可変タイミング機構による開弁時期を遅角側に移動制御するとともに所定期間経過前は遅角側への移動量を抑制する。この場合、所定期間が経過するまでは、排気行程から吸気行程へ移る前後での吸気弁の開弁が比較的早くなるので、吸入される空気量の体積効率が大きくなって実圧縮比の低減が抑えられる。所定期間を経過すると、吸気行程から圧縮行程へ移る前後での吸気弁の閉弁が遅くなるので、燃焼室に一旦導入されてから逃げようとする吸入空気が増えて体積効率が低減し実圧縮比が小さくなる。

エンジンの温度を検出する温度検出手段を有し、制御手段が、温度検出手段からの検出情報から水温状態を判断し、水温上昇に応じて前記可変タイミング機構による閉弁時期を遅角側へ移動制御すると、所定時間経過後の燃焼室内の実圧縮比が水温上昇に応じて低減される。燃焼室内において点火を行う点火手段を有し、制御手段で、実圧縮比の低下制御に合わせて点火手段による点火時期を進角補正するとトルクが増大する。

本発明によれば、エンジンの低回転、高負荷の状態が所定時間経過するまでは、燃焼室内の実圧縮比が高く体積効率が大きい状態となってトルクが維持され、所定時間を経過すると、燃焼室内の実圧縮比が低減され、高温時における過早着火によるノッキングの発生を防止することができる。また、エンジンの低回転、高負荷の状態が所定時間経過した後には、燃焼室内において点火を行う点火手段による点火時期をエンジンの水温上昇に応じて進角補正するので、高温時における過早着火によるノッキングの発生を防止しながらトルクを増大することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
図１において、符号１は、制御装置を有するエンジン１を示す。このエンジン１は、吸気通路噴射型エンジンとして構成されており、その動弁機構としてはＤＯＨＣ４弁式が採用されている。エンジン１を構成するシリンダー２Ａの上部にはシリンダーヘッド２が装着されている。吸気側の動弁機構５０は、燃焼室４０に通じるようにシリンダーヘッド２に形成された吸気ポート１１を開閉する吸気弁７ａと、吸気弁７ａの上端に図示しないロッカーアームを介して当接する吸気カム３ａが形成された吸気カムシャフト２１と、吸気弁７ａを閉弁方向に付勢する周知のバルブスプリングとから構成されている。動弁機構５１は、燃焼室４０に通じるようにシリンダーヘッド２に形成された排気ポート１７を開閉する排気弁７ｂと、排気弁７ｂの上端に図示しないロッカーアームを介して当接する排気カム３ｂが形成された排気カムシャフト２２と、排気弁７ｂを閉弁方向に付勢する周知のバルブスプリングとから構成されている。吸気カムシャフト２１と排気カムシャフト２２の各前端には、タイミングプーリ４ａ，４ｂがそれぞれ接続されている。これらタイミングプーリ４ａ，４ｂはタイミングベルト５を介してクランク軸６に連結されている。タイミングプーリ４ａ，４ｂとカムシャフト２１，２２は、クランク軸６の回転に伴って回転駆動され、これらのカムシャフト２１，２２により吸気弁７ａ及び排気弁７ｂがエンジン１の回転に同期して開閉駆動される。

各カムシャフト２１，２２とタイミングプーリ４ａ，４ｂとの間には、吸気側の可変タイミング機構としてのベーン式のタイミング可変機構８ａ（以下「ＶＶＴ８ａ」と記す）が設けられている。ＶＶＴ８ａの構成は、例えば特開２０００−２７６０９号公報等で公知のため詳細は説明しないが、タイミングプーリ４ａに設けたハウジング内にベーンロータを回動可能に設け、そのベーンロータに吸気カムシャフト２１を連結して構成されている。ＶＶＴ８ａにはオイルコントロールバルブ（以下、「ＯＣＶ」と記す）９ａが接続され、エンジン１のオイルポンプ１０から供給される作動油を利用して、ＯＣＶ９ａの切替えに応じてベーンロータに油圧を作用させ、その結果、タイミングプーリ４ａに対するカムシャフト２１の位相、即ち、吸気弁７ａの開閉タイミングを調整するようになっている。本形態において、ＶＶＴ８ａは実圧縮比可変手段を構成している。

吸気ポート１１と接続する吸気通路１２内には、シリンダー２Ａ内を図１において上下に往復移動するピストン１６の下降に伴って、エアクリーナ１３から吸入空気が導入され、吸気通路１２内に設けられたスロットルバルブ１４の開度に応じて流量調整された後に燃料噴射手段としての燃料噴射弁１５からの噴射燃料と混合され、吸気ポート１１を経て吸気弁７ａの開弁時にシリンダー２Ａ内に流入する。エアクリーナ１３とスロットルバルブ１４の間に位置する吸気通路１２内には、エアーフローセンサ４３が配設されている。

シリンダーヘッド２には、燃焼室４０に臨み、燃焼室４０内において点火を行う点火手段としての点火プラグ１９が設けられている。この点火プラグ１９には、ディストリビュータ４１にて分配された点火信号が印加される。ディストリビュータ４１はイグナイタ４２から出力される高電圧をクランクシャフト６の回転、即ちクランク角に同期して点火プラグ１９に分配する。点火プラグ１９の点火時期はイグナイタ４２からの高電圧出力タイミングにより決定される。

排気ポート１７と接続する排気通路１８には、燃焼室４０内での燃焼後の排ガスが、排気弁７ｂの開弁時にピストン１６の上昇に伴って排気ポート１７から案内され、排気通路１８上に設けられた触媒２０及び図示しない消音器を経て外部に排出される。

車室内には、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えた制御手段としてのＥＣＵ（エンジン制御ユニット）３１が設置されており、エンジン１の総合的な制御を行う。ＥＣＵ３１の入力側には、エンジン回転数を検出する回転数検出手段としての回転数センサ３２、エンジン負荷となるスロットルバルブ１４の開度を検出する負荷掲出手段としてのスロットル開度センサ３３、エンジン冷却水の温度を検出する温度検出手段としての水温センサ３４、エアーフローセンサ４３等の各種センサと、図示しないタイマが接続されている。ＥＣＵ３１の出力側には、ＯＣＶ９ａ、燃料噴射弁１５、点火プラグ１９、イグナイタ４２等が接続されている。本形態において、回転数センサ３２とスロットル開度センサ３３、エアーフローセンサ４３は、エンジン１の運転状態を検出するための運転状態検出手段を構成する。

本形態では、エンジン１における吸気行程、圧縮行程、爆発・膨張行程及び排気行程の一連の４行程に対してクランクシャフト６が２回転するものとして、回転数センサ３２では１パルス当たり３０°ＣＡの割合でクランク角が検出される。

ＥＣＵ３１は、各センサからの検出情報に基づいて燃料噴射量等を決定し、燃料噴射弁１５を駆動制御する。ＥＣＵ３１には、所定のエンジン回転数に相当する設定値と所定の負荷に相当する設定値、体積効率の下限値ＥｖＬと上限値ＥｖＨ及びエンジン回転数及びスロットル開度から基本ＶＶＴ位相（ＫＨＮＶＶＴ）と基本点火時期（ＫＨＮＩＧＴ）を算出する図示しないＶＶＴ位相マップと点火時期マップが記憶されている。また、ＥＣＵ３１には、エンジン回転数とスロットル開度と水温から、ＶＶＴ位相水温補正値（ＶＶＴＷＴ）とＶＶＴ位相水温補正点火時期補正値（ＩＧＴＶＶＴＷＴ）を算出する図示しない第１の補正マップと、エンジン回転数とスロットル開度と水温から、ＶＶＴ位相水温補正値（ＶＶＴＷＴＡ）とＶＶＴ位相水温補正点火時期補正値（ＩＧＴＶＶＴＷＴＡ）を算出する図示しない第２の補正マップとが記憶されている。第１の補正マップと第２の補正マップとは、補正する幅が異なっていて、第１の補正マップを用いる場合には、第２の補正マップを用いる場合よりも、その制御幅が大きくなるようになっている。

ＥＣＵ３１は、これらマップ情報により適宜ＶＶＴ８ａやイグナイタ２２の駆動を制御して、吸気弁７ａの開閉時期、すなわち吸気弁７ａと排気弁７ｂのオーバーラップ量や点火時期の制御を行う。本形態では、エンジン１が低回転、高負荷の状態の時が所定時間経過するまでは実圧縮比を高く維持し、所定時間経過すると、水温上昇に応じてＶＶＴ８ａによる開弁時期を遅角側に移動制御するようにＯＣＶ９ａを制御するとともに、水温上昇に応じて点火プラグ１９の点火時期を進角補正する制御を実行する。

図２は、水温変化に応じたＶＶＴ位相と点火時期とトルク変化を示す図である。図２において、破線はＶＶＴ８ａの位相が一定の場合のトルクと点火時期の関係を示し、実線は第１の補正値に基づいてＶＶＴ８ａの位相を可変した場合の、トルクと点火時期の関係を示し、一点破線は第２の補正値に基づいてＶＶＴ８ａの位相を可変した場合の、トルクと点火時期の関係を示すものである。図中、符号ＴＷはＶＶＴ８ａの位相を切替る所定の温度を示す。

このような構成の制御装置による処理動作の一例を図３〜図５に示すフローチャートを用いて説明する。図４、図５のフローチャートはＥＣＵ３１により実行される各処理のうち、吸気バルブ７ａの開閉タイミングの切替えと、点火プラグ１９による点火時期の切替えを行うためのもので、図３は低回転、高負荷状態の経過時間を判断すめためのものである。これら処理は、エンジン１の運転中に所定時間毎の所定の間隔で割り込み実行される。

図３のステップＲ１では、エンジンの体積効率Ｅｖが、スロットル開度センサ３３の出力とエアーフローセンサ４３の出力とから算出される。そして、ステップＲ２、Ｒ３において、ＦＬＧＥＶＨ＝１及びＦＬＧＥＶＬ＝１か否かが判断され、どちらの条件も満たしていない場合には、ステップＲ４に進む。

ステップＲ４では、体積効率Ｅｖが下限値ＥｖＬよりも低い状態が所定時間継続しているか否かが判断され、継続している場合には、ステップＲ５に進んでＦＬＧＥＶＬ＝１として、ステップＲ６に進む。ステップＲ６では、体積効率Ｅｖが上限値ＥｖＨよりも大きいか否かが判断され、大きい場合にはステップＲ７でＦＬＧＥＶＬ＝０としステップＲ８に進み、大きくない場合にはステップＲ１１に進んでＦＬＧＥＶＨ＝０とする。ステップＲ８では、体積効率Ｅｖが上限値ＥｖＨよりも大きい状態が所定時間継続しているか否かが判断され、継続している場合にはステップＲ９に進んでＦＬＧＥＶＨ＝０とし、継続しない場合にはステップＲ１０に進んでＦＬＧＥＶＨ＝１とする。すなわち、低回転、高負荷の状態が所定時間継続している場合には、ＦＬＧＥＶＨ＝０が、低回転高負荷の状態だが、その状態が未だ所定時間継続していない場合はＦＬＧＥＶＨ＝１が設定される。

図４の処理が開始されると、ステップＳ１においてエンジン回転数や負荷、冷却水温の情報が、回転数センサ３２、スロットル開度センサ３３、水温センサ３４から検出される。ステップＳ２では、これら検出されたエンジン回転数や負荷によりＶＶＴ位相マップから基本ＶＶＴ位相（ＫＨＮＶＶＴ）を決定し、ステップＳ３では、検出されたエンジン回転数や負荷により点火時期マップから基本点火時期（ＫＨＮＩＧＴ）を決定する。

ステップＳ４では、検出されたエンジン回転数と所定値とが比較されてエンジン１が低回転であるか否かが判断される。エンジン回転数が所定値よりも低い場合にはステップＳ５に進む。ステップＳ５では、検出された負荷と所定値とが比較されてエンジン１が高負荷域であるか否かが判断される。この負荷が所定値よりも大きい場合には補正の必要があるものとしてステップＳ６に進む。

ステップＳ６では、ＦＬＧＥＶＨ＝１となっているかが判断され、ＦＬＧＥＶＨ＝１の場合には、低回転、高負荷状態が所定時間継続されたものとしてステップＳ７に進む。ステップＳ７では、検出されたエンジン回転数やスロットル開度と水温から、ＶＶＴ位相水温補正値（ＶＶＴＷＴ）を算出決定し、ステップＳ８に進んで、ステップＳ２で決定した基本ＶＶＴ位相(ＫＨＮＶＶＴ)に、ＶＶＴ位相水温補正値（ＶＶＴＷＴ）を加算して補正しＶＶＴ制御値１を決定する。そして、この決定されたＶＶＴ制御値１に基づき、ＥＣＵ３１は、ＯＣＶ９ａの駆動を制御してＶＶＴ８ａの位相を遅角側に切換える。どの程度遅角側へ切換えるからは、図２に示すように水温との関係で決定される。本形態では、所定温度ＴＷを境にして温度が上昇するに伴い、ＶＶＴ８ａの遅角側への移動量は増大される。

ステップＳ９では、検出されたエンジン回転数やスロットル開度と水温情報によりＶＶＴ位相水温補正点火時期補正値（ＩＧＴＶＶＴＷＴ）を算出決定し、ステップＳ１０に進んで、ステップＳ３で決定した基本点火時期(ＫＨＮＩＧＴ)に、ＶＶＴ位相水温補正点火時期補正値（ＩＧＴＶＶＴＷＴ）を加算して補正し、点火時期補正値１を決定する。そして、この決定された点火時期補正値１に基づき、ＥＣＵ３１は、イグナイタ４２を制御して点火プラグ１９による点火時期を進角側に切換える。どの程度進角側へ切換えるからは、図２に示すように水温との関係で決定される。本形態では、所定温度ＴＷを境にして温度が上昇するに伴い、点火プラグ１９による点火時期の進角側への移動量は増大される。すなわち、ステップＳ７からステップＳ１０までの処理は第１の補正マップに基づいてＶＶＴ制御値１と点火時期補正値１の算出が行われる。

ステップＳ６でＦＬＧＥＶＨ＝１となっていない場合には、低回転、高負荷状態が所定時間継続されていない状態、例えば一時的にアクセル開度が大きくなった場合で、燃焼室４０内温度が過早着火を発生し得ない状態と見做し図５のステップＳ１３に進む。ステップＳ１３では、検出されたエンジン回転数やスロットル開度と水温から、ＶＶＴ位相水温補正値（ＶＶＴＷＴＡ）を算出決定し、ステップＳ１４に進んで、ステップＳ２で決定した基本ＶＶＴ位相(ＫＨＮＶＶＴ)に、ＶＶＴ位相水温補正値（ＶＶＴＷＴＡ）を加算して補正しＶＶＴ制御値２を決定する。そして、この決定されたＶＶＴ制御値２に基づき、ＥＣＵ３１は、ＯＣＶ９ａの駆動を制御してＶＶＴ８ａの位相を遅角側に切換える。ＶＶＴ制御値２は第２の補正マップを用いて算出されるので、ＶＶＴ制御値１よりもその値は小さくなる。

ステップＳ１５では、検出されたエンジン回転数やスロットル開度と水温情報によりＶＶＴ位相水温補正点火時期補正値（ＩＧＴＶＶＴＷＴ）を算出決定し、ステップＳ１６に進んで、ステップＳ３で決定した基本点火時期(ＫＨＮＩＧＴ)に、ＶＶＴ位相水温補正点火時期補正値（ＩＧＴＶＶＴＷＴＡ）を加算して補正し、点火時期補正値２を決定する。そして、この決定された点火時期補正値２に基づき、ＥＣＵ３１は、イグナイタ４２を制御して点火プラグ１９による点火時期を進角側に切換える。点火時期補正値２は第２の補正マップを用いて算出されるので、点火時期補正値１よりもその値は小さくなる。すなわち、ステップＳ１３からステップＳ１６までの処理は第２の補正マップに基づいてＶＶＴ制御値２と点火時期補正値２の算出が行われる。

一方、図４のステップＳ４においてエンジン回転数が所定値よりも低くない（高い）場合や、ステップＳ５において負荷が所定値よりも大きくない（小さい）場合には、補正の必要がないものとしてステップＳ１１に進む。そして、ステップＳ２で決定した基本ＶＶＴ位相(ＫＨＮＶＶＴ)をＶＶＴ制御値とするとともに、ステップＳ１２に進んでステップＳ３で決定した基本点火時期(ＫＨＮＩＧＴ)を点火時期制御値とする。

このように、エンジン１が、低回転、高負荷である場合であり、この状態が所定時間経過した場合は、ＶＶＴ位相、すなわち吸気弁７ａの開閉タイミングが比較的大きく遅角されて、排気行程から吸気行程へ移る直前での吸気弁７ａの開きが遅くなる。このため、高温時における燃焼室４０内の実圧縮比が低くなり、過早着火によるノッキングの発生を防止することができる。また、燃焼室４０内において点火を行う点火プラグ１９による点火時期をエンジン１の水温上昇に応じて進角補正するので、トルクを増大することができるとともに、燃費を向上することができる。

また、エンジン１が低回転、高負荷である場合であっても、その状態が所定時間継続しない場合には、ＶＶＴ位相、すなわち吸気弁７ａの開閉タイミングを進角させたまま、すなわち、遅角側への移動量を抑えることで、排気行程から吸気行程へ移る前後での吸気弁７ａの開弁が早められるので、吸入される空気量の体積効率が大きくなって実圧縮比の低減が抑えられる。このため、一時的な負荷上昇の場合のように負荷上昇と燃焼室４０内温度上昇とのタイムラグの期間を有効利用してトルクを増大することができる。

上記形態では、ベーン式のＶＶＴ８ａを備えたが、タイミング可変機構の構成はこれに限らず、例えば、ヘリカル式のタイミング可変機構に代えてもよいし、カム軸に対するカムの偏心量を変更する偏心式のタイミング可変機構、或いは、異なる特性のカムを選択的に作動させる切替え式のタイミング可変機構、電磁式アクチュエータによりバルブを直接的に開閉する電磁式のタイミング可変機構等に代えてもよい。

本発明の一実施の形態を示すエンジンの制御装置の構成を示す図である。吸気弁の位相とトルクと点火時期の関係を示す特性図である。低回転、高負荷の状態の所定期間を判定するためのフローチャートである。可変タイミング機構と点火手段に対する制御手段の制御の一例を示すフローチャートである。図４の端子Ａに続くフローチャートである。

符号の説明

１エンジン
１１吸気ポート
７ａ吸気弁
８ａ実圧縮比可変手段（可変タイミング機構）
１９点火手段
２３，３３，４３運転状態検出手段
３１制御手段
３４温度検出手段
４０燃焼室

Claims

エンジンの運転状態を検出するための運転状態検出手段と、
前記エンジンの燃焼室内の実圧縮比を変更する実圧縮比可変手段と、
前記運転状態検出からの検出情報により判断した前記エンジンの運転状態に応じて実圧縮比可変手段の動作を制御すると共に、前記エンジンの低回転、高負荷の状態が所定期間経過後は、所定期間経過前における該低回転、高負荷状態に対応した実圧縮比よりも実圧縮比を低下させるように前記実圧縮比可変手段の動作を制御する制御手段とを有することを特徴とするエンジンの制御装置。
請求項１記載のエンジン制御装置において、
前記実圧縮比可変手段は、前記燃焼室に通じる吸気ポートを開閉する吸気弁の開弁時期を可変し得る可変タイミング機構であり、
前記制御手段は、前記エンジンが低回転、高負荷の状態の時に、前記可変タイミング機構による開弁時期を遅角側に移動制御するとともに、前記所定期間経過前は遅角側への移動量を抑制することを特徴とするエンジンの制御装置。
請求項２記載のエンジンの制御装置において、
前記エンジンの温度を検出する温度検出手段を有し、
前記制御手段は、前記温度検出手段からの検出情報から水温状態を判断し、水温上昇に応じて前記可変タイミング機構による閉弁時期を遅角側へ移動制御することを特徴とするエンジンの制御装置。
請求項１記載のエンジン制御装置において、
前記燃焼室内において点火を行う点火手段を有し、
前記制御手段は、前記実圧縮比の低下制御に合わせて前記点火手段による点火時期を進角補正することを特徴とするエンジンの制御装置。