JP4284972B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、火花点火式の自動車用エンジン等においては、ノッキングが発生したとき、燃焼室の温度上昇を抑制すべく点火時期を遅角させることにより、ノッキングを抑制することが行われる。
【0003】
上記のように点火時期の遅角によって燃焼室内の温度上昇を抑制できるのは、点火時期の遅角によって燃焼室内での混合気の燃焼期間が遅角側にずれることから、混合気がその燃焼温度の高いまま排気として排出通路に送り出され、混合気の燃焼時の熱が燃焼室に伝達されにくくなるためである。ただし、この場合には排気温度が上昇することになるため、排気通路に設けられた触媒等に悪影響を及ぼすおそれがある。
【0004】
このため、排気温度の上昇を抑制すべく燃料噴射量を増量することも知られている(特許文献1参照)。燃料噴射量を増量すると、燃焼室内に存在するガス全体の分子量が増え、当該ガス全体の比熱比が大きくなる。このように燃焼室内のガス全体の比熱比が大きくなると、混合気の燃焼特性が変化して燃焼期間中の燃焼温度のピーク値が下がるとともに、燃焼温度がピーク値を過ぎた後に速やかに低下する。これにより、混合気がその燃焼温度の低い状態で排気として排気通路に送り出され、排気温度が低下するようになる。
【0005】
ところで、燃焼室に直接燃料を噴射供給する筒内噴射式のエンジンにおいては、燃焼室内に噴射した燃料がピストンの頂面に当たって液状のまま付着することとなる。このため、ノッキング抑制のための点火時期遅角に併せて上記のように燃料噴射量が増量されると、ピストンの頂面に付着する液状燃料の量が増え、同燃料が燃焼時までに気化しきらなくなるおそれがある。そして、ピストンの頂面に液状の燃料が付着したままの状態で燃焼が行われると、同液状燃料が焼き付いて煤を主成分とする微粒子(パティキュレート)が発生し、このパティキュレートが排気とともに排出されることとなる。
【0006】
また、点火時期の遅角によってノッキングを抑制する代わりに、燃焼室温度の上昇が抑制されるよう機関バルブのバルブタイミングを実圧縮比低下側に制御してノッキングを抑制することも提案されている(特許文献2参照)。この場合、ノッキング抑制の際に排気温度が上昇することはなく、その上昇を抑制するための燃料噴射量の増量も必要ないことから、同増量に伴うパティキュレートの発生が抑制される。
【0007】
【特許文献1】
特開平11−50877号公報
【特許文献2】
特開平8−338272号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようにバルブタイミング制御によってノッキングを抑制することにより、燃料噴射量の増量に伴うパティキュレートの発生を抑制することはできる。ただし、機関バルブのバルブタイミングは、通常は燃費が最も良好となる実圧縮比が得られるタイミング(以下、最適タイミングという)に設定されている。このため、ノッキング抑制のためにバルブタイミングが上記最適タイミングから外れると、燃費に大きな影響を及ぼす実圧縮比が最適値から離れ、燃費改善への妨げとなることは否めない。
【0009】
なお、特許文献1に示されるように点火時期の遅角によってノッキングを抑制する場合にも燃費に悪影響を及ぼすことは避けられないが、この場合の燃費への影響はバルブタイミング制御でのノッキング抑制に伴う燃費への影響に比べて小さくてすむ。これは、ノッキング抑制のための点火時期の遅角では、燃費に大きな影響を及ぼす実圧縮比が変化することはなく、同実圧縮比が最適値に維持されるためである。
【0010】
以上のように、ノッキング抑制のための制御として点火時期の遅角を採用すると、同遅角に伴う燃料噴射量の増量によって排気中のパティキュレートが増加するという問題が生じ、ノッキング抑制のための制御としてバルブタイミング制御を採用すると、燃費への悪影響が大きくなるという問題が生じる。
【0011】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、的確にノッキングを抑制しながら、その際の排気に含まれる微粒子(パティキュレート)の量の増加抑制と、燃費改善への悪影響抑制との両立を図ることのできる内燃機関の制御装置を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
上記目的を達成するため、請求項1記載の発明では、燃焼室内に直接燃料を噴射供給するとともに機関バルブのバルブ特性が可変とされる内燃機関に適用され、ノッキングが検出されたときに点火時期を遅角させてノッキングを抑制するとともに、当該点火時期の遅角による排気温度上昇を抑制すべく燃料噴射量を増量する内燃機関の制御装置において、内燃機関の排気に含まれる微粒子の量が許容値よりも多いときには、ノッキングの検出時に前記点火時期の遅角及び前記燃料噴射量の増量を行う代わりに、前記機関バルブのバルブ特性を燃焼室温度の上昇が抑制されるように変更する制御手段を備えた。
【0013】
上記構成によれば、排気に含まれる微粒子の量が許容値以下のときには、点火時期の遅角により燃焼室温度の上昇が抑制されてノッキングが抑制されるとともに、燃料噴射量の増量によって排気温度の上昇が抑制される。この場合、ノッキングを抑制するために機関バルブのバルブ特性が変更されることはないため、バルブ特性の変更に伴い実圧縮比が燃費を最も良好にする値から離れ、燃費改善への妨げとなるのを抑制することができる。一方、排気に含まれる微粒子の量が許容値よりも多いときには、機関バルブのバルブ特性の変更により燃焼室温度の上昇が抑制されてノッキングが抑制されるため、点火時期遅角に伴う排気温度の上昇を抑制するための燃料噴射量の増量を行わなくてもよくなる。このため、燃料噴射量の増量に伴い排気に含まれる微粒子の量が増加するのを抑制することができる。以上のように、排気に含まれる微粒子の量に応じてノッキングを抑制する仕方を変更することで、的確にノッキングを抑制しながら、その際に排気に含まれる微粒子の量の増加抑制と燃費改善への悪影響抑制とを両立することができる。
【0014】
請求項2記載の発明では、請求項1記載の発明において、前記制御手段は、燃焼室温度の上昇を抑制すべく前記機関バルブのバルブ特性を変更する際、その変更量をノッキングの発生頻度に応じて可変とするものとした。
【0015】
上記構成によれば、ノッキングの発生頻度に応じて可変とされる変更量分だけ機関バルブのバルブ特性が変更され、これによりノッキングの抑制が図られる。ノッキングの発生頻度としては、例えば所定期間中におけるノッキングの発生回数といった、検出に比較的長い時間が必要なものが用いられる。このため、一回のノッキングの発生毎にバルブ特性を変更させる場合のように、バルブ特性の変更が頻繁に行われることはなくなる。また、機関バルブのバルブ特性は点火時期や燃料噴射量などに比べて応答性よく変更することは難しいが、バルブ特性の変更が頻繁に行われることはないため、この頻繁な変更の際の応答遅れに起因して不都合が生じるのを抑制することができる。従って、頻繁なバルブ特性の変更に伴う不都合を抑制しつつ、上記変更量分のバブル特性の変更によって的確にノッキングを抑制することができる。
【0016】
請求項3記載の発明では、請求項1又は2記載の発明において、前記制御手段は、前記機関バルブのバルブ特性を実圧縮比が低下するように変更するものとした。
【0017】
上記構成によれば、排気に含まれる微粒子の量が許容値よりも多いとき、ノッキング発生に基づいて機関バルブのバルブ特性が実圧縮比を低下させるように変更されると、燃焼時の燃焼室内の圧力が低くなることから燃焼温度の上昇が抑えられる。その結果、燃焼室温度の上昇が的確に抑制され、ノッキングが抑制されるようになる。
【0018】
請求項4記載の発明では、請求項1又は2記載の発明において、前記制御手段は、前記機関バルブのバルブ特性を内部EGR量が減少するように変更するものとした。
【0019】
上記構成によれば、排気に含まれる微粒子の量が許容値よりも多いとき、ノッキング発生に基づいて機関バルブのバルブ特性が内部EGR量を減少させるように変更されると、燃焼時に燃焼室内に存在する温度の高い排気の量が少なくなる。その結果、燃焼室温度の上昇が的確に抑制され、ノッキングが抑制されるようになる。
【0020】
請求項5記載の発明では、請求項1又は2記載の発明において、前記制御手段は、前記機関バルブのバルブ特性の変更として、吸気バルブの開弁期間を遅角側に変更するものとした。
【0021】
上記構成によれば、排気に含まれる微粒子の量が許容値よりも多いとき、ノッキング発生に基づいて吸気バルブの開弁期間が遅角側に変更されると、吸気バルブの開弁時期及び閉弁時期が遅角するようになる。吸気バルブの開弁時期が遅角すると、吸気バルブと排気バルブとのバルブオーバラップが小となり、内部EGR量が少なくなることから、燃焼時に燃焼室内に存在する温度の高い排気の量が少なくなる。また、吸気バルブの閉弁時期が遅角すると圧縮行程の開始が遅くなり、圧縮行程開始時点での燃焼室容積が小さくなることから実圧縮比が低下し、燃焼時の燃焼室内の圧力が低くなって燃焼温度の上昇が抑えられる。以上により、燃焼室温度の上昇が的確に抑制され、ノッキングが抑制されるようになる。
【0022】
請求項6記載の発明では、請求項1又は2記載の発明において、前記制御手段は、前記機関バルブのバルブ特性の変更として、吸気バルブの開弁期間を短くして同バルブの開弁時期を遅角側に変更するとともに閉弁時期を進角側に変更するものとした。
【0023】
上記構成によれば、排気に含まれる微粒子の量が許容値よりも多いとき、ノッキング発生に基づいて吸気バルブの開弁期間が短くされて同バルブの開弁時期が遅角されるとともに閉弁時期が進角されるようになる。吸気バルブの開弁時期が遅角すると、吸気バルブと排気バルブとのバルブオーバラップが小となり、内部EGR量が少なくなることから、燃焼時に燃焼室内に存在する温度の高い排気の量が少なくなる。また、吸気バルブの閉弁時期が進角すると吸気行程の終了が早くなり、圧縮行程開始時点での燃焼室内のガス量が少なくなることから実圧縮比が低下し、燃焼時の燃焼室内の圧力が低くなって燃焼温度の上昇が抑えられる。以上により、燃焼室温度の上昇が的確に抑制され、ノッキングが抑制されるようになる。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を自動車用の筒内噴射火花点火式エンジンに適用した一実施形態を図1〜図6に従って説明する。
【0025】
図1に示されるエンジン1においては、吸気通路2から燃焼室3へと吸入される空気と、燃料噴射弁4から燃焼室3内に噴射供給される燃料とからなる混合気に対し、点火プラグ5による点火が行われる。そして、この点火により燃焼室3内の混合気が燃焼すると、そのときの燃焼エネルギによりピストン6が往復移動する。このピストン6の往復移動は、コネクティングロッド8によってエンジン1の出力軸であるクランクシャフト9の回転へと変換される。一方、燃焼後の混合気は、排気として燃焼室3から排気通路7に送り出され、同通路7に設けられた触媒コンバータ7aによって浄化される。
【0026】
エンジン1において、吸気通路2と燃焼室3との間は吸気バルブ20の開閉動作によって連通・遮断され、排気通路7と燃焼室3との間は排気バルブ21の開閉動作によって連通・遮断される。そして、吸気バルブ20及び排気バルブ21は、クランクシャフト9の回転が伝達される吸気カムシャフト22及び排気カムシャフト23の回転に伴い、それらシャフト22,23の吸気カム及び排気カムに押されて開閉動作する。
【0027】
吸気カムシャフト22には、クランクシャフト9の回転に対する吸気カムシャフト22の相対回転位相を変更することで、吸気バルブ20のバルブ特性としてバルブタイミング(開閉タイミング)を変更するバルブタイミング可変機構25が設けられている。そして、このバルブタイミング可変機構25を作動させ、吸気バルブ20の開弁期間を進角側又は遅角側に移行させることにより、吸気バルブ20の開弁時期及び閉弁時期が変化するようになる。
【0028】
この吸気バルブ20の開弁時期及び閉弁時期の変化について、図2及び図3を参照して説明する。なお、これらの図中において、矢印INは吸気バルブ20の開弁期間を表し、矢印EXは排気バルブ21の開弁期間を表している。また、図2は吸気バルブ20のバルブタイミングを進角させて開弁期間を進角側に移行させた状態を示し、図3は同バルブタイミングを遅角させて開弁期間を遅角側に移行させた状態を示している。
【0029】
吸気バルブ20のバルブタイミングを進角させると(図2)、吸気バルブ20の開弁期間の進角側への移行(図中左回転方向への移行)に伴い、同バルブ20の開弁時期Oin及び閉弁時期Cinが進角する。また、吸気バルブ20のバルブタイミング遅角させると(図3)、吸気バルブ20の開弁期間の遅角側への移行(図中右回転方向への移行)に伴い、同バルブ20の開弁時期Oin及び閉弁時期Cinが遅角する。吸気バルブ20の開弁時期Oinが排気バルブ21の閉弁時期Cexよりも遅角すると、吸気バルブ20と排気バルブ21とのバルブオーバラップが小となり、燃焼時に燃焼室3内に残留する排気の量(EGR量)が少なくなる。また、吸気バルブの開弁時期Oinが吸気下死点(BDC)よりも遅角して圧縮行程の開始が遅くなると、圧縮行程開始時点での燃焼室3の容積が小さくなることから実圧縮比が低下する。
【0030】
次に、エンジン1の制御装置の電気的構成について説明する。
エンジン1において、燃料噴射弁4からの燃料の噴射量、点火プラグ5の点火時期、スロットルバルブ11の開度、及びバルブタイミング可変機構25の作動は、エンジン1を運転制御すべく自動車に搭載された電子制御装置35を通じて制御される。また、電子制御装置35には、以下に示される各種センサからの検出信号が入力される。
【0031】
・クランクシャフト9の回転に対応した信号を出力するクランクポジションセンサ10。
・吸気カムシャフト22の回転位置を検出するためのカムポジションセンサ24。
【0032】
・自動車の運転者によって踏み込み操作されるアクセルペダル13の踏み込み量(アクセル踏込量)を検出するアクセルポジションセンサ14。
・吸気通路2に設けられて同通路2の空気流通面積を変更すべく開閉動作するスロットルバルブ11の開度を検出するスロットルポジションセンサ15。
【0033】
・吸気通路2におけるスロットルバルブ11よりも下流側の圧力(吸気圧)を検出するバキュームセンサ12。
・エンジン1でのノッキング発生の有無に対応した信号を出力するノックセンサ36。
【0034】
・排気通路7に設けられて排気中に存在する煤を主成分とする微粒子(パティキュレート)の量を検出するパティキュレート検出センサ34。
なお、上記パティキュレート検出センサ34としては、例えば排気通路7中の排気を通過するようレーザ光を照射するとともに、当該排気を通過した後のレーザ光を受光し、そのレーザ光の透過率に対応した信号を出力するものが用いられる。
【0035】
ここで、電子制御装置35を通じて行われる点火時期制御、燃料噴射量制御、及び吸気バルブ20のバルブタイミング制御について、各制御毎に詳しく説明する。
【0036】
[点火時期制御]
エンジン1の点火時期は、電子制御装置35により点火時期指令値SAtに基づき制御される。この点火時期指令値SAtは、エンジン回転速度NE、エンジン負荷KL、及び実バルブタイミングVVTrに基づき、例えば予め定められたマップを参照して算出される。
【0037】
なお、上記エンジン回転速度NEはクランクポジションセンサ10の検出信号から求められ、上記実バルブタイミングVVTrは、クランクポジションセンサ10の検出信号、及びカムポジションセンサ24の検出信号に基づき求められる。また、上記エンジン負荷KLは、エンジン回転速度NE及びエンジン1の吸入空気量に関係するパラメータに基づき求められる。こうしたパラメータとしては、アクセルポジションセンサ14からの検出信号に基づき求められるアクセル踏込量、バキュームセンサ12からの検出信号に基づき求められる吸気圧、及びスロットルポジションセンサ15からの検出信号に基づき求められるスロットル開度等が用いられる。
【0038】
また、点火時期指令値SAtは、ノッキング発生の有無に基づき増減される点火時期遅角量Y分だけ遅角補正される。ノッキング発生の有無はノックセンサ36の検出信号に基づき判断される。そして、上記点火時期遅角量Yは、ノッキング発生ありの旨判断される毎に所定値ずつ増量され、ノッキング発生なしの旨判断される毎に所定値ずつ減量される。その結果、点火時期遅角量Y分だけ遅角補正される点火時期指令値SAtは、ノッキングが発生する毎に徐々に遅角側の値をとるようになり、ノッキング発生がないときには徐々に進角側の値をとるようになる。
【0039】
点火時期遅角量Y分だけ遅角補正される点火時期指令値SAtに基づき点火時期を制御することで、ノッキングが発生したときには点火時期が遅角することとなる。このように点火時期を遅角させると、燃焼室3内での混合気の燃焼期間が遅角側にずれることから、混合気がその燃焼温度の高いまま排気として排気通路7に送り出され、混合気の燃焼時の熱が燃焼室3に伝達されにくくなる。その結果、燃焼室3の温度上昇が抑制され、ノッキングが抑制されるようになる。ただし、点火時期の遅角によってノッキングを抑制するときには、混合気がその燃焼温度の高いまま排気として排気通路に送り出されるために排気温度の上昇を招き、触媒コンバータ7a等に悪影響を及ぼすこととなる。
【0040】
[燃料噴射量制御]
エンジン1の燃料噴射量制御については、電子制御装置35を通じて燃料噴射量指令値Qに基づき燃料噴射弁4が駆動されることによって実現される。この燃料噴射量指令値Qは、エンジン回転速度NE、エンジン負荷KL、及び実バルブタイミングVVTrに基づき、例えば予め定められたマップを参照して算出される。そして、燃料噴射量指令値Qに対応した量の燃料が噴射されるよう燃料噴射弁4が駆動され、当該燃料が燃焼室3内に噴射供給される。なお、燃焼室3内に直接燃料が噴射供給されると、その燃料の一部がピストン6の頂面に当たるようになる。
【0041】
また、燃料噴射量指令値Qは、排気温度の上昇を抑制するための燃料噴射量の増量を行うべく噴射量増量値kR分だけ増量補正される。こうした燃料噴射量の増量による排気温度の上昇抑制は、エンジン1の高回転高負荷時やノッキング抑制のための点火時期遅角時など、排気温度が上昇し易い状況のもとで実行される。上記噴射量増量値kRは、エンジン回転速度NE、エンジン負荷KL、及び実バルブタイミングVVTrに基づき算出されるとともに、ノッキングの発生時には上述した点火時期遅角量Yの増減に応じて増減する増加量A分だけ増量される。
【0042】
即ち、噴射量増量値kRの増加量Aは、点火時期遅角量Yの増量に応じて増量されるとともに、点火時期遅角量Yの減量に応じて減量される。従って、増加量Aを含む噴射量増量値kRによって増量補正される燃料噴射量指令値Qに基づき燃料噴射量を制御することで、ノッキング抑制のための点火時期遅角が行われたとき、それに伴う排気温度の上昇を抑制するための燃料噴射量の増量が行われることとなる。なお、このように燃料噴射量の増量によって排気温度の上昇を抑制することができるのは、当該増量により混合気の燃焼特性が変化し、燃焼期間中の燃焼温度のピーク値が下がるとともに、燃焼温度がピーク値を過ぎた後に速やかに低下するためである。
【0043】
[バルブタイミング制御]
吸気バルブ20のバルブタイミング制御は、電子制御装置35を通じて、実バルブタイミングVVTrが目標バルブタイミングVVTtに近づくよう、バルブタイミング可変機構25を作動させることによって実現される。この目標バルブタイミングVVTtは、エンジン回転速度NE及びエンジン負荷KLから求められるものであって、そのときのエンジン回転速度NE及びエンジン負荷KLで燃費が最も良好となる実圧縮比が得られるバルブタイミング(最適タイミング)である。従って、上記バルブタイミング制御を行うことにより、燃費が最も良好となる状態でエンジン1を運転することができる。
【0044】
次に、エンジン1のノッキング抑制について、図4のタイムチャートを併せ参照して説明する。
図4(a)に示されるようにノッキングが連続して発生すると、ノッキング検出毎に点火時期遅角量Yが図4(b)に示されるように徐々に増量され、それに伴い点火時期指令値SAtが図4(c)に示されるように徐々に遅角側の値に変更される。この点火時期指令値SAtに基づく点火時期制御により、燃焼室3の温度上昇を抑制するための点火時期の遅角が行われる。
【0045】
また、上記点火時期遅角量Yの増量に応じて噴射量増量値kRの増加量Aが、図4(e)に示される徐々に増量されることとなる。従って、増加量Aを含む噴射量増量値kRも図4(d)に示されるように徐々に増量され、それに伴い燃料噴射量指令値Qが図4(f)に示されるように徐々に増量側の値に変更される。この燃料噴射量指令値Qに基づく燃料噴射量制御により、上記点火時期の遅角に伴う排気温度の上昇が抑制される。
【0046】
ただし、筒内噴射式のエンジン1においては、燃焼室3内に噴射された燃料の一部がピストン6の頂面に当たって液状燃料として付着することとなる。このため、上記のような燃料噴射量の増量が行われると、ピストン6の頂面に付着する液状燃料の量が増え、同燃料が燃焼時までに気化しきらなくなるおそれがある。そして、ピストン6の頂面に液状の燃料が付着したままの状態で燃焼が行われると、同液状燃料が焼き付いて煤を主成分とする微粒子(パティキュレート)が発生する。
【0047】
このパティキュレートが排気とともに排出されることから、排気中のパティキュレート量は、排気温度の上昇を抑制するための上記燃料噴射量の増量に伴い、図4(g)に示されるように徐々に増加してゆく。従って、ノッキングの発生が連続するときには、その抑制を図るために点火時期が大幅に遅角側に制御されることに伴い、同遅角制御による排気温度の上昇を抑制するための燃料噴射量が大幅に増量されるため、排気中のパティキュレート量が許容値aを越えて多くなる(タイミングt1)。なお、排気中のパティキュレート量は、パティキュレート検出センサ34からの検出信号に基づき求められる。
【0048】
上記のような実情から、ノッキング検出時において、排気中のパティキュレート量が許容値aよりも多いときには、ノッキング抑制のための点火時期の遅角とそれに伴う排気温度の上昇抑制のための燃料噴射量の増量とを行う代わりに、吸気バルブ20のバルブタイミングが遅角側に制御される。
【0049】
即ち、目標バルブタイミングVVTtを遅角側に補正するためのバルブタイミング遅角量Xを、図4(h)に示されるように初期値(例えば「0」)からノッキングの発生頻度に応じた値へと増加させる。なお、ここでのノッキング発生頻度としては、例えば所定期間中におけるノッキングの発生回数が用いられる。このようにノッキングの発生頻度に応じた値へと増加したバルブタイミング遅角量Xの分だけ、目標バルブタイミングVVTtが図4(i)に示されるように遅角側の値に補正される。そして、実バルブタイミングVVTrが上記目標バルブタイミングVVTtに近づくようバルブタイミング可変機構25が作動させられ、実バルブタイミングVVTrが図4(j)に示されるように遅角側に変更させられる。
【0050】
このように吸気バルブ20のバルブタイミング(開弁期間)を遅角側に制御することにより、吸気バルブ20の開弁時期及び閉弁時期が遅角するようになる。吸気バルブ20の開時期時期が遅角すると、内部EGR量が少なくなって燃焼時に燃焼室3内に存在する温度の高い排気の量が少なくなる。また、吸気バルブ20の閉弁時期が遅角すると、実圧縮比が低下して燃焼時の燃焼室3内の圧力が低くなり、燃焼温度の上昇が抑えられる。以上により、燃焼室3の温度上昇が的確に抑制され、ノッキングが抑制されるようになる。
【0051】
排気中のパティキュレート量が許容値aよりも多く、ノッキング抑制のために吸気バルブ20のバルブタイミングが遅角側に制御されているとき(タイミングt1以後)には、点火時期遅角量Yは図4(b)に示されるように「0」とされる。従って、このときには点火時期遅角量Yによる点火時期指令値SAtの遅角側への補正量が「0」となり、ノッキング抑制のための点火時期の遅角が行われることはなくなる。なお、タイミングt1後における点火時期指令値SAtが図4(c)に示されるようにノッキング発生前よりも遅角側の値となるのは、ノッキング抑制のための上記バルブタイミング制御によって実バルブタイミングVVTrが遅角し、それに適した値として点火時期指令値SAtが算出されるためである。
【0052】
また、上記のように点火時期遅角量Yが「0」になると、噴射量増量値kRの増加量Aが図4(e)に示されるように「0」とされ、噴射量増量値kRにおいて点火時期遅角量Yの増量に応じて増量していた分(増加量Aの分)だけ減量される。従って、このときには噴射量増量値kRが図4(f)に示されるように減量側に変更され、燃料噴射量指令値Qが増加量Aに対応した分だけ小さくなり、ノッキング抑制を意図した点火時期遅角に伴う排気温度の上昇を抑制するための燃料噴射量の増量が行われることはなくなる。なお、タイミングt1後における噴射量増量値kRが図4(d)に示されるようにノッキング発生前よりも増量側の値になるのは、ノッキング抑制のための上記バルブタイミング制御によって実バルブタイミングVVTrが遅角し、それに適した値として噴射量増量値kRが算出されるためである。
【0053】
以上のように、ノッキング抑制のために吸気バルブ20のバルブタイミングが遅角側に制御されているとき(タイミングt1以後)には、点火時期遅角に伴う排気温度の上昇を抑制するための燃料噴射量の増量が行われないため、排気中のパティキュレート量は図4(g)に示されるように徐々に少なくなる。
【0054】
上記バルブタイミング制御によるノッキングの抑制では、排気中のパティキュレート量の増加を抑制することはできる。ただし、吸気バルブ20のバルブタイミングは、通常は燃費が最も良好となる実圧縮比の得られるタイミング(最適タイミング)に制御されることから、ノッキング抑制のためのバルブタイミング制御によって同バルブタイミングが最適タイミングからは外れてしまう。その結果、燃費に大きな影響を及ぼす実圧縮比が最適値から離れ、燃費改善への妨げになることは否めない。
【0055】
このため、本実施形態では、ノッキング検出時において、排気中のパティキュレート量が許容値a以下であるときには点火時期遅角によるノッキングの抑制を行い、同パティキュレート量が許容値aよりも多いときには上記バルブタイミング制御によるノッキングの抑制を行う。これにより、的確にノッキングを抑制しながら、同ノッキングを抑制する際の排気に含まれるパティキュレートの量の増加抑制と、燃費改善への悪影響抑制との両立を図ることができるようになる。
【0056】
次に、ノッキングを抑制する詳細な手順について、ノッキング抑制ルーチンを示す図5及び図6を参照して説明する。このノッキング抑制ルーチンは、電子制御装置35を通じて例えば所定時間毎の時間割り込みにて実行される。
【0057】
ノッキング抑制ルーチンにおいては、まず目標バルブタイミングVVTt、点火時期指令値SAt、及び噴射量増量値kRを算出するための処理(S101〜S103:図5)が実行される。
【0058】
即ち、ステップS101では、エンジン回転速度NE及びエンジン負荷KLに基づき、通常のエンジン運転時に最も燃費が良好になる実圧縮比の得られる吸気バルブ20のバルブタイミングとして、目標バルブタイミングVVTtが算出される。また、ステップS102では、エンジン回転速度NE、エンジン負荷KL、及び実バルブタイミングVVTrに基づき、通常のエンジン運転時にノッキングを生じさせることなく最も高出力が得られる点火時期の理論上の値として、点火時期指令値SAtが算出される。更に、ステップS103では、エンジン回転速度NE、エンジン負荷KL、及び実バルブタイミングVVTrに基づき、高回転高負荷時等における排気温度の上昇を抑制するのに適した燃料噴射量の増量を行うための値として、噴射量増量値kRが算出される。
【0059】
続いて、ノッキング発生の有無が判断される(S104)。ここでノッキングありの旨判断されると(S104:YES)、点火時期遅角量Yが所定量だけ増量される(S105)。更に、この点火時期遅角量Yの増量に応じて増加量Aが所定量だけ増量され(S106)、同増加量A分だけ噴射量増量値kRが増量される(S107)。一方、ノッキングなしの旨判断されると(S104:NO)、点火時期遅角量Yが所定量だけ減量される(S108)。更に、この点火時期遅角量Yの減量に応じて増加量Aが所定量だけ減量され(S109)、同増加量A分だけ噴射量増量値kRが増量される(S107)。
【0060】
そして、上記のようにノッキング発生の有無に応じて増減される点火時期遅角量Yの分だけ点火時期指令値SAtが遅角側に補正され(S110)、補正後の点火時期指令値SAtについて過度に進角側又は遅角側の値にならないようガード処理が施される(S111)。このガード処理後の点火時期指令値SAtに基づく点火時期制御により、ノッキングの発生時には点火時期が遅角されてノッキング抑制が図られる。
【0061】
また、点火時期遅角量Yに応じて増減される噴射量増量値kRの分だけ燃料噴射量指令値Qが増量側に補正される(S112)。この補正後の燃料噴射量指令値Qに基づく燃料噴射量制御により、ノッキング抑制を意図した点火時期遅角による排気温度の上昇が抑制される。ステップS111の処理が行われた後、ステップS113(図6)に進む。
【0062】
ステップS113の処理では、排気中のパティキュレート量が許容値aよりも多いか否かが判断される。ここで肯定判定であれば、点火時期遅角量Yが「0」とされるとともに(S114)、噴射量増量値kRの増加量Aが「0」とされる(S115)。これにより、ノッキング抑制のための点火時期の遅角、及び同遅角に伴う排気温度の上昇を抑制するための燃料噴射量の増量が停止される。そして、これら点火時期の遅角及び燃料噴射量の増量に代えて、吸気バルブ20のバルブタイミング制御によるノッキング抑制が行われる。
【0063】
即ち、ノッキングの発生頻度に応じてバルブタイミング遅角量Xが算出され(S116)、このバルブタイミング遅角量X分だけ目標バルブタイミングVVTtが遅角側に補正される(S117)。なお、上記バルブタイミング遅角量Xは、ノッキングの発生頻度が高く、ノッキングが発生し易いときほど大きくなるように算出される。これは、ノッキングが発生し易いときほど吸気バルブ20のバルブタイミングを遅角させ、エンジン1の実圧縮比を大きく低下させることがノッキングを抑制する上で好ましいためである。
【0064】
一方、ステップS113の処理で否定判定がなされ、排気中のパティキュレート量が許容値a以下である旨判断された場合には、バルブタイミング遅角量Xが「0」に設定され(S118)、これによりノッキング抑制のための吸気バルブ20のバルブタイミング制御が行われることはなくなる。このときには、点火時期の遅角によってノッキングの抑制が図られるとともに、点火時期遅角に伴う排気温度の上昇を抑制するために燃料噴射量が増量されるようになる。
【0065】
以上詳述した本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
(1)排気中のパティキュレート量が許容値a以下のときには、点火時期の遅角によりノッキングが抑制されるとともに、燃料噴射量の増量により排気温度の上昇が抑制される。この場合、ノッキング抑制のために吸気バルブ20のバルブタイミングが変更されることはないため、同バルブタイミングが適正タイミングからずれ、燃費改善への妨げとなるのを抑制することができる。一方、排気中のパティキュレート量が許容値aよりも多いときには、吸気バルブ20のバルブタイミングを遅角させることによりノッキングが抑制される。この場合、ノッキングを抑制するための点火時期の遅角が行われることはないため、その遅角に伴う排気温度の上昇を抑制するための燃料噴射量の増量も行われず、同増量によって排気中のパティキュレート量が増加するのを抑制することができる。上記のように、排気中のパティキュレート量に応じてノッキングを抑制する仕方を変更することで、的確にノッキングを抑制しながら、その際の排気中のパティキュレート量の増加抑制と燃費への大きな悪影響抑制とを両立することができる。
【0066】
(2)ノッキング抑制のために吸気バルブ20のバルブタイミングを遅角側に制御すると、吸気バルブ20の開弁期間が遅角側に移行して開弁時期及び閉弁時期が遅角する。吸気バルブ20の開弁時期が遅角すると、吸気バルブ20と排気バルブ21とのバルブオーバラップが小となり、内部EGR量が少なくなることから、燃焼時に燃焼室3内に存在する温度の高い排気の量が少なくなる。また、吸気バルブ20の閉弁時期が遅角すると、圧縮行程の開始が遅くなり、圧縮行程開始時点での燃焼室3の容積が小さくなることから実圧縮比が低下し、燃焼時の燃焼室3内の圧力が低くなって燃焼温度の上昇が抑えられる。従って、吸気バルブ20のバルブタイミングを遅角側に制御することで、ノッキングが抑制されるよう的確に燃焼室3の温度上昇を抑制することができる。
【0067】
(3)上記ノッキング抑制のための吸気バルブ20のバルブタイミング制御では、ノッキングの発生頻度に応じて可変とされるバルブタイミング遅角量X分だけ吸気バルブ20のバルブタイミングが遅角側に制御される。ノッキングの発生頻度としては、例えば所定期間中におけるノッキングの発生回数といった、検出に比較的長い時間が必要になるものが用いられる。このため、一回のノッキングの発生毎にバルブタイミング遅角量Xを変更させる場合のように、バルブタイミングが頻繁に変更されることはなくなる。また、上記バルブタイミングは点火時期や燃料噴射量に比べて応答性よく変更することは難しいが、バルブタイミングが頻繁に変更されることはないため、この頻繁な変更の際の応答遅れに起因して不都合が生じるのを抑制することができる。従って、頻繁なバルブタイミングの変更に伴う不都合を抑制しつつ、バルブタイミング遅角量X分のバルブタイミングの遅角によって的確にノッキングを抑制することができる。
【0068】
なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・ノッキングを抑制するための吸気バルブ20のバルブ特性の変更として、吸気バルブ20の開弁期間を遅角側に移行させたが、これに代えて吸気バルブ20の開弁期間を短くしてもよい。吸気バルブ20の開弁期間の長さを可変とするためには、例えば吸気カムをそのカムプロフィールが吸気カムシャフト22の軸線方向に連続的に変化するいわゆる三次元カムとし、この吸気カムを上記軸線方向に変位させるようにした可変動弁機構を用いることが考えられる。
【0069】
ここで、上記可変動弁機構を用いた吸気バルブ20のバルブ特性の変更態様を図7に示す。同図に示されるように、吸気カムシャフト22の回転に対する吸気バルブ20のリフト量の推移傾向は、吸気カムの上記軸線方向への変位によって例えば実線L1と実線L2との間で変化するようになる。即ち、このようにリフト量の推移傾向が変化するよう、吸気カムのカムプロフィールが設定されている。同図から分かるように、吸気カムを上記軸線方向に変位させることで、吸気バルブ20の開弁期間が変化することとなる。
【0070】
そして、ノッキングを抑制するためには、例えば吸気バルブ20の開弁期間が図2に示される状態から図8に示される状態へと短くなるよう、吸気カムが上記軸線方向に変位させられる。上記のように吸気バルブ20の開弁期間を短くすることで、吸気バルブ20の開弁時期Oin が遅角するとともに閉弁時期Cin が進角することとなる。吸気バルブ20の開弁時期Oin が遅角すると、内部EGR量が減少することから、燃焼時に燃焼室3内に存在する温度の高い排気の量が少なくなる。また、吸気バルブ20の閉弁時期が吸気下死点(BDC)よりも進角すると、吸気行程の終了が早くなり、圧縮行程開始時点での燃焼室3内のガス量が少なくなることから実圧縮比が低下し、燃焼時の燃焼室3内の圧力が低くなって燃焼温度の上昇が抑えられる。以上により、燃焼室3内の温度上昇が抑制され、ノッキングが抑制されるようになる。
【0071】
・クランクシャフト9に対する排気カムシャフト23の相対回転位相を変更するバルブタイミング可変機構を設け、吸気バルブ20のバルブタイミングだけでなく排気バルブ21のバルブタイミングを上記機構によって変更し、両者のバルブタイミング制御を通じてノッキングの発生を抑制するようにしてもよい。この場合、内部EGR量を一定に保持しつつ実圧縮比を低下させてノッキングを抑制したり、実圧縮比を一定に保持しつつ内部EGR量を減少させてノッキングを抑制したりすることもできる。即ち、吸気バルブ20及び排気バルブ21の開弁期間を、図2に示される状態から図9に示される状態へと同時に遅角側に移行させることにより、内部EGR量を一定に保持しつつ実圧縮比が低下させられる。また、吸気バルブ20の開弁期間を固定しつつ排気バルブ21の開弁期間を、図2に示される状態から図10に示される状態へと遅角させることにより、実圧縮比を一定に保持しつつ内部EGR量が減少させられる。
【0072】
・パティキュレート検出センサとして、レーザ光を利用したものを採用したが、他の形式のものを採用してもよい。例えば吸気通路にパティキュレートを捕集するトラップを設け、このトラップの上流と下流との圧力差に対応した信号を出力する形式のものを採用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態の制御装置が適用されるエンジン全体を示す略図。
【図2】吸気バルブの開弁期間を進角側に移行させた状態を説明するのに用いられる説明図。
【図3】吸気バルブの開弁期間を遅角側に移行させた状態を説明するのに用いられる説明図。
【図4】(a)〜(j)は、ノッキングを抑制する際の点火時期制御、燃料噴射量制御、及びバルブタイミング制御など各種制御の説明に用いられるタイムチャート。
【図5】ノッキング抑制手順を示すフローチャート。
【図6】ノッキング抑制手順を示すフローチャート。
【図7】吸気カムシャフトの回転に伴う吸気バルブのリフト量の推移傾向を示すグラフ。
【図8】吸気バルブの開弁期間を短くした状態を説明するのに用いられる説明図。
【図9】実圧縮比を一定に保持しつつ内部EGR量を減少させる吸気バルブ及び排気バルブの開弁期間の変化を説明するのに用いられる説明図。
【図10】内部EGR量を一定に保持しつつ実圧縮比を低下させる吸気バルブ及び排気バルブの開弁期間の変化を説明するのに用いられる説明図。
【符号の説明】
1…エンジン、2…吸気通路、3…燃焼室、4…燃料噴射弁、5…点火プラグ、6…ピストン、7…排気通路、7a…触媒コンバータ、8…コネクティングロッド、9…クランクシャフト、10…クランクポジションセンサ、11…スロットルバルブ、12…バキュームセンサ、13…アクセルペダル、14…アクセルポジションセンサ、15…スロットルポジションセンサ、20…吸気バルブ(機関バルブ)、21…排気バルブ(機関バルブ)、22…吸気カムシャフト、23…排気カムシャフト、24…カムポジションセンサ、25…バルブタイミング可変機構、34…パティキュレート検出センサ、35…電子制御装置(制御手段)、36…ノックセンサ。
Claims (6)
- 燃焼室内に直接燃料を噴射供給するとともに機関バルブのバルブ特性が可変とされる内燃機関に適用され、ノッキングが検出されたときに点火時期を遅角させてノッキングを抑制するとともに、当該点火時期の遅角による排気温度上昇を抑制すべく燃料噴射量を増量する内燃機関の制御装置において、
内燃機関の排気に含まれる微粒子の量が許容値よりも多いときには、ノッキングの検出時に前記点火時期の遅角及び前記燃料噴射量の増量を行う代わりに、前記機関バルブのバルブ特性を燃焼室温度の上昇が抑制されるように変更する制御手段を備える
ことを特徴とする内燃機関の制御装置。 - 前記制御手段は、燃焼室温度の上昇を抑制すべく前記機関バルブのバルブ特性を変更する際、その変更量をノッキングの発生頻度に応じて可変とする
請求項1記載の内燃機関の制御装置。 - 前記制御手段は、前記機関バルブのバルブ特性を実圧縮比が低下するように変更する
請求項1又は2記載の内燃機関の制御装置。 - 前記制御手段は、前記機関バルブのバルブ特性を内部EGR量が減少するように変更する
請求項1又は2記載の内燃機関の制御装置。 - 前記制御手段は、前記機関バルブのバルブ特性の変更として、吸気バルブの開弁期間を遅角側に変更する
請求項1又は2記載の内燃機関の制御装置。 - 前記制御手段は、前記機関バルブのバルブ特性の変更として、吸気バルブの開弁期間を短くして同バルブの開弁時期を遅角側に変更するとともに閉弁時期を進角側に変更する
請求項1又は2記載の内燃機関の制御装置。
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