JP4740286B2 - 火花点火式内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、火花点火機関の制御装置に係り、特に、主に可変動弁機構を備えた吸気弁および排気弁によって吸入空気量を制御する火花点火機関の、燃焼安定化に好適な制御装置及び制御方法に関する。

自動車等に使用される火花点火式内燃機関（エンジン）の燃費性能向上策として、エンジンのポンプ損失の低減が有効である。近年、吸気弁に可変動弁機構を持たせ、吸気管に備えられたスロットルではなく主に吸気弁の開閉時期（吸気弁の早閉じ）によって吸入空気量を制御することで、ポンプ損失の低減を狙ったエンジンが注目されている。

しかしこれらのエンジンは、スロットルを用いた通常の運転と比較して、吸気弁の早閉じに伴い有効圧縮比が低くなってしまうため圧縮端温度が低下し、特に低負荷運転時には燃焼が不安定になりやすい、という特徴がある。

低負荷運転時における燃焼不安定化を回避するものとして、第１に、アイドルなどの極低負荷時に限り、吸気弁ではなくスロットルを用いて吸気量を制御することで有効圧縮比を向上し、燃焼の不安定化を回避するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、第２に、アイドルや冷機時の低負荷条件では、吸気弁の開閉時期の遅角化により有効圧縮比を向上して燃焼安定性を向上させるとともに、それに伴う吸入空気量の増加を吸気弁のリフト量を減少することで抑制するものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００１−１５９３２９号公報 特開２００６−３３６４９４号公報

筒内噴射方式の場合、燃料と空気の混合促進のため、吸気弁が開いている期間（特に燃焼室内に流入する空気の速度が最大となる時期付近）に燃料を噴射する必要がある。従って、吸気弁早閉じを適用する場合、通常よりも早期に燃料を噴射することになり、ピストンと燃料噴射弁の距離が近い状態で噴射を行うことになる。さらにその時、可変動弁機構の特性によっては、吸気早閉じに伴い吸気弁リフト量が低下するため、吸気弁から燃焼室側に流入する空気の下降流速が大きくなる。これらの要因により、吸気弁早閉じ時には、噴射された燃料がピストン冠面へ到達しやすい状況となり、多量な燃料がピストン冠面に付着してしまう。そのため、各サイクルでの混合気形成にばらつきが発生し、燃焼不安定化の一因となる。

本発明の目的は、吸気弁および排気弁を用いた吸気量制御によるポンプ損失低減効果（燃費低減効果）を得つつ、低負荷時の燃焼不安定化を回避することができる火花点火式内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、吸気弁及び排気弁に可変動弁機構を設けた内燃機関の制御装置において、制御装置は、可変動弁機構を制御する可変動弁制御部を有し、可変動弁制御部は、内燃機関が低負荷運転をする際に、吸気弁を低リフト化し、かつ吸気弁及び排気弁の開口期間が負のオーバラップをするように可変動弁機構を制御した後、内燃機関の燃焼安定度に応じて、吸気弁及び前記排気弁の開口期間が正のオーバラップをするように可変動弁機構を制御することを特徴とする制御装置である。

かかる構成により、低負荷運転時に、有効圧縮比上昇および内部ＥＧＲ導入により筒内温度を制御するとともに、燃料のピストン付着を抑制して、吸気絞りによるポンプ損失増大を生じさせずに、燃焼を安定化することができる。

本発明によれば、低負荷運転時において、可変動弁の持つポンプ損失低減効果（燃費低減効果）を得つつ、燃焼安定化を実現することができる。

以下、図１〜図９を用いて、本発明の第１の実施形態による火花点火式内燃機関の制御装置の構成及び動作について説明する。

最初に、図１を用いて、本実施形態による火花点火式内燃機関の制御装置を自動車用ガソリンエンジンに適用させたシステムの構成について説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態による火花点火式内燃機関の制御装置を自動車用ガソリンエンジンに適用させたシステムの構成を示すシステム構成図である。

エンジン１００は、火花点火式燃焼を実施する自動車用ガソリンエンジンである。吸入空気量を計測するエアフローセンサ１と、吸気流量を調整する電子制御スロットル２と、吸入空気温度検出器の一態様であって吸入空気の温度を計測する吸気温度センサ１６が、吸気管６の各々の適宜位置に備えられている。また、エンジン１００には、シリンダ７とピストン１４とで囲われる燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射装置（以下、インジェクタ３）と、点火エネルギーを供給する点火プラグ４と、エンジンの冷却水の温度を計測する冷却水温度センサ１５がシリンダ７の各々の適宜位置に備えられている。また、筒内に流入する吸入ガスを調整する吸気バルブ５ａと筒内から排出される排気ガスを調整する排気バルブ５ｂとから構成される可変バルブ５と、がシリンダ７の各々の適宜位置に備えられている。可変バルブ５を調整することにより、筒内の吸気量およびＥＧＲ量を調整する。

さらに、排気を浄化する三元触媒１０と、空燃比検出器の一態様であって、三元触媒１０の上流側にて排気の空燃比を検出する空燃比センサ９と、排気温度検出器の一態様あって、三元触媒１０の上流側にて排気の温度を計測する排気温度センサ１１とが排気管８の各々の適宜位置に備えられる。また、クランク軸１２には、回転角度を算出するためのクランク角度センサ１３が備えられている。

エアフローセンサ１と空燃比センサ９と冷却水温度センサ１５と吸気温度センサ１６と排気温度センサ１１とクランク角センサ１３とから得られる信号は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ２０）に送られる。また、アクセル開度センサ１７から得られる信号がＥＣＵ２０に送られる。アクセル開度センサ１７は、アクセルペダルの踏み込み量、すなわち、アクセル開度を検出する。ＥＣＵ２０は、アクセル開度センサ１７の出力信号に基づいて、要求トルクを演算する。すなわち、アクセル開度センサ１７は、エンジンへの要求トルクを検出する要求トルク検出センサとして用いられる。また、ＥＣＵ２０は、クランク角度センサ１３の出力信号に基づいて、エンジンの回転速度を演算する。ＥＣＵ２０は、上記各種センサの出力から得られるエンジンの運転状態に基づき、空気流量，燃料噴射量，点火時期のエンジンの主要な作動量を最適に演算する。

ＥＣＵ２０で演算された燃料噴射量は開弁パルス信号に変換され、インジェクタ３に送られる。また、ＥＣＵ２０で演算された点火時期で点火されるように、点火プラグ駆動信号が点火プラグ４に送られる。また、ＥＣＵ２０で演算されたスロットル開度は、スロットル駆動信号として電子制御スロットル２に送られる。また、ＥＣＵ２０で演算された可変バルブの作動量は、可変バルブ駆動信号として、可変バルブ５へ送られる。

吸気管６から吸気バルブ５ａを経てシリンダ７内に流入した空気に対し、燃料が噴射され、混合気を形成する。混合気は所定の点火時期で点火プラグ４から発生される火花により爆発し、その燃焼圧によりピストンを押し下げてエンジンの駆動力となる。更に、爆発後の排気ガスは排気管８を経て、三元触媒１０に送りこまれ、排気成分は三元触媒１０内で浄化され、外部へと排出される。

次に、図２を用いて、本実施形態による火花点火式内燃機関の制御装置の構成について説明する。

図２は、本発明の第１の実施形態による火花点火内燃機関の制御装置の構成を示すシステムブロック図である。

エアフローセンサ１，空燃比センサ９，排気温度センサ１１，クランク角センサ１３，冷却水温度センサ１５，吸気温度センサ１６の出力信号は、ＥＣＵ２０の入力回路２０ａに入力する。但し、入力信号はこれらだけに限られない。入力された各センサの入力信号は入出力ポート２０ｂ内の入力ポートに送られる。入出力ポート２０ｂに送られた値は、ＲＡＭ２０ｃに保管され、ＣＰＵ２０ｅで演算処理される。演算処理内容を記述した制御プログラムは、ＲＯＭ２０ｄに予め書き込まれている。

制御プログラムに従って演算された各アクチュエータの作動量を示す値は、ＲＡＭ２０ｃに保管された後、入出力ポート２０ｂ内の出力ポートに送られ、各駆動回路を経て各アクチュエータに送られる。本実施形態の場合は、駆動回路として、電子制御スロットル駆動回路２０ｆ，インジェクタ駆動回路２０ｇ，点火出力回路２０ｈ，可変バルブ駆動回路２０ｊがある。各回路は、それぞれ、電子制御スロットル２，インジェクタ３，点火プラグ４，可変バルブ５を制御する。本実施形態においては、ＥＣＵ２０内に上記駆動回路を備えた装置であるが、これに限るものではなく、上記駆動回路のいずれかをＥＣＵ２０内に備えるものであってもよい。

ＥＣＵ２０は、電子制御スロットル２ではなく主に可変バルブ５によって吸入空気量を制御し、低負荷運転時には低負荷用可変バルブ制御，燃料噴射制御を行うことにより、ポンプ損失の増大を抑制しながら、燃焼の不安定化を防止する。特に、本実施形態にかかるＥＣＵ２０は、低負荷運転時に、冷却水温度に基づいて、吸気バルブ開閉時期を遅角側に、排気弁開閉時期を進角側に設定することで、有効圧縮比を上昇させるとともに内部ＥＧＲを導入する。その結果、ポンプ損失を可能な限り増大させずに燃焼室内を高温化でき、低負荷運転時の燃焼を安定化することが可能となる。

次に、図３を用いて、本実施形態による火花点火式内燃機関の制御装置における可変バルブの特性について説明する。

図３は、本発明の第１の実施形態による火花点火内燃機関の制御装置における可変バルブ機構の特性の説明図である。本実施形態では、吸気バルブに位相およびリフト量の連続可変機構を備えており、吸気バルブの開弁時期および閉弁時期を独立に制御することができる。また、排気バルブには連続位相可変機構のみを搭載し、排気バルブの位相を連続的に制御することができる。

次に、図４を用いて、本実施形態による火花点火式内燃機関の制御装置における低負荷運転領域について説明する。

図４は、本発明の第１の実施形態による火花点火内燃機関の制御装置における低負荷運転領域の説明図である。

低負荷運転領域Low Loadは、エンジントルクＴｅとエンジン回転数Ｎｅのマップ上で予め規定されており、図２のＲＯＭ２０ｄの中に保持されている。ＥＣＵ２０は、エンジントルクとエンジン回転数から、現在の運転条件が低負荷運転領域Low Loadであるか、通常運転領域Normalであるかを判定する。

この領域を規定する基準としては、例えば、吸気バルブ制御によって、有効圧縮比がある一定の値以下となる領域を低負荷運転領域とする。

次に、図５〜図９を用いて、本実施形態による火花点火式内燃機関の制御装置における可変バルブおよび燃料噴射制御方法について説明する。

最初に、図５を用いて、本実施形態による火花点火式内燃機関の制御装置における可変バルブ制御内容について説明する。

図５は、図４中に示したエンジン運転条件Ａ，Ｂ，Ｃにおける、吸気バルブおよび排気バルブの設定の代表例である。図５において、横軸はクランク角を示し、縦軸はバルブリフト量Ｌｖを示している。なお、実線Ｖ−ＥＸＴは排気バルブのリフト量を示し、実線Ｖ−ＩＮＴは吸気バルブのリフト量を示している。

前述の通り、本実施形態による火花点火式内燃機関の制御装置は、ポンプ損失低減のために、主に吸気バルブによって吸入空気量を制御する。

多量の空気が必要な、Ａのような高負荷運転条件では、吸気バルブ閉時期を下死点付近に設定する。Ｂ，Ｃと負荷が低くなるに応じ、吸気バルブの閉時期を進角して、吸入空気量を減少させる。ただし、低負荷運転領域内であるＣでは、有効圧縮比低下（筒内温度低下）による燃焼不安定化を避けるために、吸気バルブ位相を遅角化しており、その結果、吸気バルブ開時期が上死点よりも遅角側となっている。また、同時に排気バルブの位相を進角化し、排気バルブの閉時期を上死点よりも進角側とすることで内部ＥＧＲが導入され、吸気バルブ位相の遅角化によって生じるポンプ損失を最小限に抑えていることが特徴である。

次に図６を用いて、本実施形態による火花点火式内燃機関の制御装置における可変バルブおよび燃料噴射制御内容について説明する。

図６は、本発明の第１の実施形態による火花点火内燃機関の制御装置における可変バルブおよび燃料噴射制御内容を示すフローチャートである。

図６に示す制御内容は、ＥＣＵ２０によって、所定の周期で繰り返し実行される。

ステップＳ１０１において、ＥＣＵ２０は、現在のエンジン運転条件に関する情報（エンジン回転数，エンジントルクなど）を読み込む。

次に、ステップＳ１０２において、ＥＣＵ２０は、予め記憶されたマップなどから、現在の運転条件が低負荷運転領域であるか否かを判定する。低負荷領域である場合は、ステップＳ１０３において、現在の冷却水温度情報を読み込む。次に、ＥＣＵ２０は、ステップＳ１０４において、現在のエンジン運転条件および冷却水温度から、吸気バルブの遅角量を演算する。次に、ＥＣＵ２０は、ステップＳ１０５において、現在のエンジン運転条件および冷却水温度から、排気バルブの遅角量を演算する。次に、ＥＣＵ２０は、ステップＳ１０６において、ステップＳ１０４にて演算された吸気バルブの遅角量から、燃料噴射時期の遅角量を演算する。ステップ１０７にて、エンジン運転条件によって予め定められた可変バルブ設定に、ステップＳ１０４からステップＳ１０５で演算された吸気バルブの遅角量および排気バルブの進角量を加味し、実際に可変バルブを動作させる。続いて、ステップＳ１０８にて、エンジン運転条件によって予め定められた燃料噴射時期設定に、ステップＳ１０６で演算された燃料噴射時期の遅角量を加味し、実際にインジェクタ３を動作させる。

これに対し、低負荷領域でない場合、通常運転領域であると判断し、ステップＳ１０７において、ＥＣＵ２０は、エンジン運転条件によって予め定められた可変バルブ設定の通りに、実際に可変バルブを動作させる。続いて、ステップＳ１０８にて、エンジン運転条件によって予め定められた燃料噴射時期設定の通りに、実際にインジェクタ３を動作させる。

次に、図７から図９を用いて、本実施形態による火花点火式内燃機関の制御装置による低負荷運転領域での可変バルブおよび燃料噴射制御内容の詳細について説明する。

図７は、本発明の第１の実施形態による火花点火内燃機関の制御装置による低負荷運転領域での、冷却水温度に対する可変バルブ制御量および燃料噴射時期制御量を示している。

図７において、横軸はエンジンの冷却水温度を示している。図７（Ａ）の縦軸は、クランク角を示し、吸気バルブの開閉時期，排気バルブの開閉時期，燃料噴射時期を記載している。図７（Ｂ）の縦軸は、ポンプ損失量を示している。図７（Ｃ）の縦軸は、内部ＥＧＲ率を示している。

図７（Ａ）に示すように、吸気弁の開閉時期，排気弁の開閉時期は冷却水温度に基づいて制御される。その際、図７（Ｂ）に示すように、有効圧縮比（吸気弁閉時期の遅角量）とポンプ損失低減量はトレードオフの関係となる。

冷却水温度が高い場合は、有効圧縮比低下による燃焼安定性への影響を受けにくいため、ポンプ損失を最大限に低減するよう、吸気バルブを進角側に、排気バルブを遅角側に制御する。また燃料噴射時期は十分に燃料と空気の混合が促進されるよう、吸気バルブが作動している期間とする。冷却水温度が低くなるにつれ、有効圧縮比低下による燃焼安定性への影響が大きくなっていくため、吸気バルブ位相を遅角化することで有効圧縮比を上昇させ、燃焼安定性を向上する。

その時、吸気バルブ位相の遅角化により生じるポンプ損失を、排気バルブ位相を進角する（負のオーバラップ期間を設ける）ことで最小限に抑えている。これにより、内部ＥＧＲが筒内に導入されるため筒内の温度が上昇し、燃焼安定性向上効果も得られる。ただし、内部ＥＧＲ率がある一定値を越えると、燃焼速度が低下し、逆に燃焼安定性が悪化してしまうため、排気バルブ位相の進角量には制限値を持たせている。

また、燃料噴射時期は、燃料と空気の混合促進を狙い、吸気バルブの位相変化に合わせて変化させる。これにより、冷却水温度が低い場合に、燃料噴射時期を遅角できるため、燃料のピストン付着を低減することが可能となり、燃焼安定性が向上する。

図８は、本発明の第１の実施形態による火花点火内燃機関の制御装置による、低負荷運転領域での、冷却水温度が比較的高い場合（図７中のＣ−１条件）の吸気行程中の燃焼室内状態の説明図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

前述の通り、冷却水温度が比較的高い場合、内部ＥＧＲ（Ｉｎｔ−ＥＧＲ）が少ない状態で運転される。また、吸気バルブの開閉時期に合わせて、早い時期に燃料噴射が行われる。そのため、図８に示すように、ピストン１４の位置が高い状態でインジェクタ３から燃料を噴射することになり、噴射された燃料（ＩＮＪ）がピストン１４の冠面に到達して、ピストン１４への燃料付着が避けられない。ただし、冷却水温度が比較的高い場合は、燃料（ＩＮＪ）が霧化および気化しやすい状態にあるので、ピストンへの燃料付着による燃焼安定性への影響は小さい。

図９は、本発明の第１の実施形態による火花点火内燃機関の制御装置による、低負荷運転領域での、冷却水温度が比較的低い場合（図７中のＣ−２条件）の吸気行程中の燃焼室内状態の説明図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

この時、内部ＥＧＲ（Ｉｎｔ−ＥＧＲ）が多い状態で運転される。冷却水温度が低い場合は、ピストンへの燃料付着による燃焼安定性への影響が大きいため、燃料のピストン付着を抑えることが必須である。本実施形態による火花点火式内燃機関の制御装置は、冷却水温度が低い場合、吸気バルブ位相の遅角化に合わせて燃料の噴射時期を遅角側に設定する。そのため、図９に示すように、燃料噴射時にピストン１４の位置が十分に下がっており、噴射された燃料（ＩＮＪ）がピストン１４の冠面まで到達せず、燃料のピストン付着を抑制することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、低負荷領域において、冷却水温度に応じて、吸気バルブの遅角量，排気バルブの進角量，燃料噴射時期の遅角量を決定することによって、ポンプ損失を最小限に抑えながら、燃焼の不安定化を回避することができる。そのため、可変バルブを用いた吸気量制御の燃費低減効果を最大限に発揮することができる。

ここでは、冷却水温度の変化に基づいた可変バルブ制御および燃料噴射制御を説明したが、同様に、吸入される空気の温度の変化に基づいて可変バルブ制御および燃料噴射制御を行ってもよい。

次に、図１０及び図１１を用いて、本発明の第２の実施形態による火花点火式内燃機関の制御装置の構成及び動作について説明する。本実施形態による火花点火式内燃機関の制御装置を自動車用ガソリンエンジンに適用させたシステムの構成は、図１と同様である。本実施形態による火花点火式内燃機関の制御装置の構成は、図２と同様である。本実施形態による火花点火式内燃機関の制御装置における可変バルブの特性は、図３と同様である。本実施形態による火花点火式内燃機関の制御装置における低負荷運転領域は、図４と同様である。本実施形態による火花点火式内燃機関の制御装置における可変バルブ制御内容は、図５と同様である。

本実施形態では、第１の実施形態における、冷却水温度もしくは吸気温度に基づいた可変バルブおよび燃料噴射制御に加え、燃焼安定度のフィードバック制御を行う点で、第１の実施形態と相違している。

図１０は、本発明の第２の実施形態による火花点火内燃機関の制御装置による低負荷運転領域での可変バルブおよび燃料噴射制御内容を示すフローチャートである。

図１０に示す制御内容は、ＥＣＵ２０によって、所定の周期で繰り返し実行される。

ステップＳ２０１において、ＥＣＵ２０は、現在のエンジン運転条件に関する情報（エンジン回転数，エンジントルクなど）を読み込む。

次に、ステップＳ２０２において、ＥＣＵ２０は、予め記憶されたマップなどから、現在の運転条件が低負荷運転領域であるか否かを判定する。低負荷領域である場合は、ステップＳ２０３において、現在の冷却水温度情報を読み込む。次に、ＥＣＵ２０は、ステップＳ２０４において、現在のエンジン運転条件および冷却水温度から、吸気バルブの遅角量を演算する。次に、ＥＣＵ２０は、ステップＳ２０５において、現在のエンジン運転条件および冷却水温度から、排気バルブの遅角量を演算する。次に、ＥＣＵ２０は、ステップＳ２０６において、ステップＳ２０４にて演算された吸気バルブの遅角量から、燃料噴射時期の遅角量を演算する。ステップＳ２０７にて、エンジン運転条件によって予め定められた可変バルブ設定に、ステップＳ２０４からステップＳ２０５で演算された吸気バルブの遅角量および排気バルブの進角量を加味し、実際に可変バルブを動作させる。続いて、ステップＳ２０８にて、エンジン運転条件によって予め定められた燃料噴射時期設定に、ステップＳ２０６で演算された燃料噴射時期の遅角量を加味し、実際にインジェクタ３を動作させる。ここまでは第１の実施形態と同様である。

本実施形態では、次にステップＳ２０９にてエンジンの燃焼安定度を検出する。ここで、燃焼安定度は、クランク角センサ１３の信号から演算された回転変動や、空燃比センサ９から検出された燃焼変動，筒内圧力センサ信号から演算された燃焼変動、などから演算される。

次にステップＳ２１０に進み、検出された燃焼安定度が、予め定められた安定限界値であるかどうかを判断する。安定限界値は、エンジンが正常に運転可能である燃焼安定度の範囲内で、ある一定の幅を持って設定される。

燃焼安定度が安定限界値でないと判断された場合、ステップＳ２１１に進む。

ステップＳ２１１では、燃焼安定度が安定限界値よりも低いかどうかを判定する。

燃焼安定度が安定限界値よりも低い場合、燃焼安定度を向上すべく、ステップＳ２１２にて吸気バルブを遅角制御、ステップＳ２１３にて排気バルブを進角制御、ステップＳ２１４にて噴射時期を遅角制御する。その後、再びステップＳ２０９に戻り、燃焼安定度を検出する。燃焼安定度が安定限界値と等しくなるまで、本制御は繰り返し行われる。

燃焼安定度が安定限界値よりも高い場合、燃焼安定度とトレードオフの関係にあるポンプ損失を可能な限り低減すべく、ステップＳ２１５にて吸気バルブを進角制御、ステップＳ２１６にて排気バルブを遅角制御、ステップＳ２１４にて噴射時期を進角制御する。その後、再びステップＳ２０９に戻り、燃焼安定度を検出する。燃焼安定度が安定限界値と等しくなるまで、本制御は繰り返し行われる。

これに対し、低負荷領域でない場合、通常運転領域であると判断し、ステップＳ２１８において、ＥＣＵ２０は、エンジン運転条件によって予め定められた可変バルブ設定の通りに、実際に可変バルブを動作させる。続いて、ステップＳ２１９にて、エンジン運転条件によって予め定められた燃料噴射時期設定の通りに、実際にインジェクタ３を動作させる。

図１１は、本発明の第２の実施形態による火花点火内燃機関の制御装置による低負荷運転領域での燃焼安定度のフィードバック制御の説明図である。

図１１の横軸は吸気バルブ閉時期，排気バルブ閉時期および燃料噴射時期を示している。図１１（Ａ）の縦軸はポンプ損失、（Ｂ）の縦軸は燃焼安定度を示している。また、図中の掛け部は安定限界値を示している。

検出された現在の燃焼安定度が安定限界値以下であった場合（図中Ｘ点）、燃焼安定度を向上するべく、吸気バルブ閉時期を遅角、排気バルブを進角して有効圧縮比を上昇させる。また吸気バルブ閉時期の遅角に合わせて燃料噴射時期を遅角する。燃焼安定度が向上し、安定限界値に達する（図中Ｚ点に到達する）まで、本制御は繰り返される。

検出された現在の燃焼安定度が安定限界値以上であった場合（図中Ｙ点）、ポンプ損失を最小化するべく、吸気バルブ閉時期を進角、排気バルブを遅角する。また吸気バルブ閉時期の進角に合わせて燃料噴射時期を進角する。安定限界値まで燃焼安定度が低下する（図中Ｚ点に到達する）まで、本制御は繰り返される。

本実施形態によれば、冷却水温度や吸気温度に基づくフィードフォワード制御に加え、実走行時にリアルタイムで燃焼安定度を検出し、可変バルブおよび燃料噴射制御にフィードバックすることで、エンジンおよびエンジン部品の経年変化時や環境変化時など、いかなる状況においても、燃焼安定度を保ちつつ、ポンプ損失を最小限に抑えることができ、その結果、燃費低減効果を最大限に発揮することが可能となる。

次に、図１２〜図１７を用いて、本発明の第３の実施形態による火花点火式内燃機関の制御装置の構成及び動作について説明する。

図１２に本実施形態による火花点火式内燃機関の制御装置を自動車用ガソリンエンジンに適用させたシステムの構成を示す。図１に示した第１の実施形態のシステム構成に加え、本実施形態では、吸気ポート内に燃料を噴射するインジェクタ１８が吸気管６の適宜位置に備えられている。

図１３は、本実施形態による火花点火式内燃機関の制御装置の構成を示すシステムブロック図である。図２に示した、本発明の第１の実施形態による火花点火内燃機関の制御装置の構成と基本的には同じであるが、本実施形態では、インジェクタ駆動回路２０ｇが、筒内噴射用インジェクタ３だけでなく、吸気ポート用インジェクタ１８を制御することが特徴である。

本実施形態による火花点火式内燃機関の制御装置における可変バルブの特性は、図３と同様である。本実施形態による火花点火式内燃機関の制御装置における低負荷運転領域は、図４と同様である。本実施形態による火花点火式内燃機関の制御装置における可変バルブ制御内容は、図５と同様である。

図１４は、本発明の第３の実施形態による火花点火内燃機関の制御装置における可変バルブおよび燃料噴射制御内容を示すフローチャートである。

図１４に示す制御内容は、ＥＣＵ２０によって、所定の周期で繰り返し実行される。

ステップＳ３０１において、ＥＣＵ２０は、現在のエンジン運転条件に関する情報（エンジン回転数，エンジントルクなど）を読み込む。

次に、ステップＳ３０２において、ＥＣＵ２０は、予め記憶されたマップなどから、現在の運転条件が低負荷運転領域であるか否かを判定する。低負荷領域である場合は、ステップＳ３０３において、現在の冷却水温度情報を読み込む。次に、ＥＣＵ２０は、ステップＳ３０４において、現在のエンジン運転条件および冷却水温度から、吸気バルブの遅角量を演算する。次に、ＥＣＵ２０は、ステップＳ３０５において、現在のエンジン運転条件および冷却水温度から、排気バルブの遅角量を演算する。次に、ＥＣＵ２０は、ステップＳ３０６において、ステップＳ３０４にて演算された吸気バルブの遅角量から、筒内噴射用インジェクタ３による燃料噴射時期の遅角量を演算する。次に、ステップＳ３０７において、ステップＳ３０６で演算された燃料噴射時期の遅角量から、筒内噴射用インジェクタ３による燃料噴射量を演算する。続いて、ステップＳ３０８において、ステップＳ３０７で演算された筒内噴射用インジェクタ３による燃料噴射量から、吸気ポート用インジェクタ１８による燃料噴射量を演算する。

次にステップＳ３０９にて、エンジン運転条件によって予め定められた可変バルブ設定に、ステップＳ３０４からステップＳ３０５で演算された吸気バルブの遅角量および排気バルブの進角量を加味し、実際に可変バルブを動作させる。続いて、ステップＳ３１０にて、エンジン運転条件によって予め定められた筒内噴射用および吸気ポート用の燃料噴射設定に、ステップＳ３０６からステップＳ３０８で演算された筒内噴射用インジェクタ３による燃料噴射時期の遅角量、筒内噴射用インジェクタ３および吸気ポート用インジェクタ１８の燃料噴射量を加味し、実際に筒内噴射用インジェクタ３および吸気ポート用インジェクタ１８を動作させる。

これに対し、低負荷領域でない場合、通常運転領域であると判断し、ステップＳ３０９において、ＥＣＵ２０は、エンジン運転条件によって予め定められた可変バルブ設定の通りに、実際に可変バルブ５を動作させる。続いて、ステップＳ３１０にて、エンジン運転条件によって予め定められた燃料噴射時期設定の通りに、実際に筒内噴射用インジェクタ３および吸気ポート用インジェクタ１８を動作させる。

次に、図１５から図１７を用いて、本実施形態による火花点火式内燃機関の制御装置による低負荷運転領域での可変バルブおよび燃料噴射制御内容の詳細について説明する。

図１５は、本発明の第３の実施形態による火花点火内燃機関の制御装置による低負荷運転領域での、冷却水温度に対する可変バルブ制御量および燃料噴射時期、燃料噴射量の制御量を示している。

図１５において、横軸はエンジンの冷却水温度を示している。図１５（Ａ）の縦軸は、クランク角を示し、吸気バルブの開閉時期，排気バルブの開閉時期，筒内噴射用インジェクタ３による燃料噴射時期を記載している。図１５（Ｂ）の縦軸は、燃料噴射量を示している。図１５（Ｃ）の縦軸は、ポンプ損失量を示している。図１５（Ｄ）の縦軸は、内部ＥＧＲ率を示している。

図１５（Ａ）に示すように、吸気弁の開閉時期、排気弁の開閉時期は冷却水温度に基づいて制御される。その際、図１５（Ｃ）に示すように、有効圧縮比（吸気弁閉時期の遅角量）とポンプ損失低減量はトレードオフの関係となる。

冷却水温度が高い場合は、有効圧縮比低下による燃焼安定性への影響を受けにくいため、ポンプ損失を最大限に低減するよう、吸気バルブを進角側に、排気バルブを遅角側に制御する。また筒内噴射用インジェクタ３による燃料噴射時期は十分に燃料と空気の混合が促進されるよう、吸気バルブが作動している期間とする。その際、筒内噴射用インジェクタ３による燃料噴射量を少量にしてペネトレーションを制御し、ピストンへの燃料付着を抑制するとともに、所望のトルクを出すために必要な残りの燃料量は、吸気ポート用インジェクタ１８により噴射される。

冷却水温度が低くなるにつれ、有効圧縮比低下による燃焼安定性への影響が大きくなっていくため、吸気バルブ位相を遅角化することで有効圧縮比を上昇させ、燃焼安定性を向上する。その時、吸気バルブ位相の遅角化により生じるポンプ損失を、排気バルブ位相を進角する（負のオーバラップ期間を設ける）ことで最小限に抑えている。これにより、内部ＥＧＲが筒内に導入されるため筒内の温度が上昇し、燃焼安定性向上効果も得られる。ただし、内部ＥＧＲ率がある一定値を越えると、燃焼速度が低下し、逆に燃焼安定性が悪化してしまうため、排気の進角量には制限値を持たせている。

また、筒内噴射用インジェクタ３による燃料噴射時期は、燃料と空気の混合促進を狙い、吸気バルブの位相変化に合わせて変化させる。この時、燃料噴射時においてインジェクタ３からピストン１４の冠面までの距離が大きくなるため、ピストンへの燃料付着が生じない範囲で筒内噴射用インジェクタ３による燃料噴射量を増量するとともに、吸気ポート用インジェクタ１８による燃料噴射量を減量する。

図１６は、本発明の第３の実施形態による火花点火内燃機関の制御装置による、低負荷運転領域での、冷却水温度が比較的高い場合（図１５中のＣ−１′条件）の吸気行程中の燃焼室内状態の説明図である。なお、図１２と同一符号は、同一部分を示している。

前述の通り、冷却水温度が比較的高い場合、内部ＥＧＲ（Ｉｎｔ−ＥＧＲ）が少ない状態で運転される。また、吸気バルブの開閉時期に合わせて、早い時期に筒内噴射用インジェクタ３による燃料噴射（ＩＮＪ２）が行われる。そのため、図１６に示すように、ピストン１４の位置が高い状態で筒内噴射用インジェクタ３から燃料を噴射することになるので、筒内噴射用インジェクタ３により噴射された燃料（ＩＮＪ２）がピストン１４の冠面に到達しないよう、筒内噴射用インジェクタ３による燃料噴射量（ＩＮＪ２）を少量としてペネトレーションを下げ、ピストン１４への燃料付着を回避する。その際、吸気ポート用インジェクタ１８による燃料噴射（ＩＮＪ１）により、所望のトルクを出すために必要な燃料が補われる。

図１７は、本発明の第３の実施形態による火花点火内燃機関の制御装置による、低負荷運転領域での、冷却水温度が比較的低い場合（図１５中のＣ−２′条件）の吸気行程中の燃焼室内状態の説明図である。なお、図１２と同一符号は、同一部分を示している。

この時、内部ＥＧＲ（Ｉｎｔ−ＥＧＲ）が多い状態で運転される。また、吸気バルブ位相の遅角化に合わせて筒内噴射用インジェクタ３による燃料噴射時期を遅角側に設定する。そのため、図１７に示すように、筒内噴射用インジェクタ３による燃料噴射時にピストン１４の位置が十分に下がっているので、ピストンへの燃料付着が生じない範囲で筒内噴射用インジェクタ３による燃料噴射量（ＩＮＪ２）を増量し、その分、吸気ポート用インジェクタ１８による燃料噴射量（ＩＮＪ１）を減量する。

以上説明したように、本実施形態によれば、筒内噴射用のインジェクタ３による燃料噴射時期の変更に応じて、筒内噴射用のインジェクタ３による燃料噴射量および、吸気ポート用インジェクタ１８による燃料噴射量を変更することにより、筒内噴射用のインジェクタ３のペネトレーションを制御してピストン１４への燃料付着を回避することができる。その結果、混合気形成のばらつきが低減され、燃焼を安定化することが可能となる。

なお、以上の説明では、低負荷領域において、冷却水温度に基づき、筒内噴射用インジェクタ３による燃料噴射量の変更を行ったが、低負荷領域においては、冷却水温度に関わらず、筒内噴射用インジェクタ３による噴射を実施しないで、全ての燃料を吸気ポート用インジェクタ１８によって噴射するよう制御することで、ピストン１４への燃料付着による燃焼不安定化を確実に回避するようにしてもよい。

また、以上の説明では、低負荷領域において、冷却水温度に基づき、可変バルブ制御および燃料噴射制御を行ったが、吸入空気温度に基づき、可変バルブ制御および燃料噴射制御を行ってもよい。

次に、図１８を用いて、本発明の第４の実施形態による火花点火式内燃機関の制御装置の構成及び動作について説明する。

本実施形態による火花点火式内燃機関の制御装置を自動車用ガソリンエンジンに適用させたシステムの構成は、図１２と同様である。本実施形態による火花点火式内燃機関の制御装置の構成は、図１３と同様である。本実施形態による火花点火式内燃機関の制御装置における可変バルブの特性は、図３と同様である。本実施形態による火花点火式内燃機関の制御装置における低負荷運転領域は、図４と同様である。本実施形態による火花点火式内燃機関の制御装置における可変バルブ制御内容は、図５と同様である。

本実施形態では、第３の実施形態における、冷却水温度もしくは吸気温度に基づいた可変バルブおよび燃料噴射制御に加え、燃焼安定度のフィードバック制御を行う点で、第３の実施形態と相違している。

図１８は、本発明の第４の実施形態による火花点火内燃機関の制御装置による低負荷運転領域での可変バルブおよび燃料噴射制御内容を示すフローチャートである。

図１８に示す制御内容は、ＥＣＵ２０によって、所定の周期で繰り返し実行される。

ステップＳ４０１において、ＥＣＵ２０は、現在のエンジン運転条件に関する情報（エンジン回転数，エンジントルクなど）を読み込む。

次に、ステップＳ４０２において、ＥＣＵ２０は、予め記憶されたマップなどから、現在の運転条件が低負荷運転領域であるか否かを判定する。低負荷領域である場合は、ステップＳ４０３において、現在の冷却水温度情報を読み込む。次に、ＥＣＵ２０は、ステップＳ４０４において、現在のエンジン運転条件および冷却水温度から、吸気バルブの遅角量を演算する。次に、ＥＣＵ２０は、ステップＳ４０５において、現在のエンジン運転条件および冷却水温度から、排気バルブの遅角量を演算する。次に、ＥＣＵ２０は、ステップＳ４０６において、ステップＳ３０４にて演算された吸気バルブの遅角量から、筒内噴射用インジェクタ３による燃料噴射時期の遅角量を演算する。次に、ステップＳ４０７において、ステップＳ４０６で演算された燃料噴射時期の遅角量から、筒内噴射用インジェクタ３による燃料噴射量を演算する。続いて、ステップＳ４０８において、ステップＳ４０７で演算された筒内噴射用インジェクタ３による燃料噴射量から、吸気ポート用インジェクタ１８による燃料噴射量を演算する。

次にステップＳ４０９にて、エンジン運転条件によって予め定められた可変バルブ設定に、ステップＳ４０４からステップＳ４０５で演算された吸気バルブの遅角量および排気バルブの進角量を加味し、実際に可変バルブを動作させる。続いて、ステップＳ３１０にて、エンジン運転条件によって予め定められた筒内噴射用および吸気ポート用の燃料噴射設定に、ステップＳ４０６からステップＳ４０８で演算された筒内噴射用インジェクタ３による燃料噴射時期の遅角量、筒内噴射用インジェクタ３および吸気ポート用インジェクタ１８の燃料噴射量を加味し、実際に筒内噴射用インジェクタ３および吸気ポート用インジェクタ１８を動作させる。ここまでは第３の実施形態と同様である。

本実施形態では、次にステップＳ４１１にてエンジンの燃焼安定度を検出する。ここで、燃焼安定度は、クランク角センサ１３の信号から演算された回転変動や、空燃比センサ９から検出された燃焼変動，筒内圧力センサ信号から演算された燃焼変動、などから演算される。

次にステップＳ４１２に進み、検出された燃焼安定度が、予め定められた安定限界値であるかどうかを判断する。安定限界値は、エンジンが正常に運転可能である燃焼安定度の範囲内で、ある一定の幅を持って設定される。

燃焼安定度が安定限界値でないと判断された場合、ステップＳ４１３に進む。

ステップＳ４１３では、燃焼安定度が安定限界値よりも低いかどうかを判定する。

燃焼安定度が安定限界値よりも低い場合、燃焼安定度を向上すべく、ステップＳ４１４にて吸気バルブを遅角制御、ステップＳ４１５にて排気バルブを遅角制御、ステップＳ４１６にて筒内燃料噴射時期を遅角制御する。また、ステップＳ４１７にて筒内燃料噴射量を増量し、ステップＳ４１８にて吸気ポート内燃料噴射量を減量する。その後、再びステップＳ４１１に戻り、燃焼安定度を検出する。燃焼安定度が安定限界値と等しくなるまで、本制御は繰り返し行われる。

燃焼安定度が安定限界値よりも高い場合、燃焼安定度とトレードオフの関係にあるポンプ損失を可能な限り低減すべく、ステップＳ４１９にて吸気バルブを進角制御、ステップＳ４２０にて排気バルブを遅角制御、ステップＳ４２１にて筒内燃料噴射時期を進角制御する。また、ステップＳ４２２にて筒内燃料噴射量を減量し、ステップＳ４２３にて吸気ポート内燃料噴射量を増量する。その後、再びステップＳ４１１に戻り、燃焼安定度を検出する。燃焼安定度が安定限界値と等しくなるまで、本制御は繰り返し行われる。

これに対し、低負荷領域でない場合、通常運転領域であると判断し、ステップＳ４２４において、ＥＣＵ２０は、エンジン運転条件によって予め定められた可変バルブ設定の通りに、実際に可変バルブ５を動作させる。続いて、ステップＳ４２５にて、エンジン運転条件によって予め定められた燃料噴射時期設定の通りに、実際に筒内噴射用インジェクタ３および吸気ポート用インジェクタ１８を動作させる。

以上説明したように、本実施形態によれば、冷却水温度や吸気温度に基づくフィードフォワード制御に加え、実走行時にリアルタイムで燃焼安定度を検出し、可変バルブおよび燃料噴射制御にフィードバックすることで、エンジンおよびエンジン部品の経年変化時や環境変化時など、いかなる状況においても、筒内噴射用のインジェクタ３のペネトレーションを好適に制御してピストン１４への燃料付着を回避することができる。その結果、混合気形成のばらつきが低減され、燃焼安定度を保ちつつ、ポンプ損失を最小限に抑えることができる。

以上の説明では、低負荷領域において、冷却水温度に基づき、可変バルブ制御および燃料噴射制御を行ったが、吸入空気温度に基づき、可変バルブ制御および燃料噴射制御を行ってもよい。

なお、本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の精神を逸脱しない範囲で、設計において種々の変更ができる。

本発明の第１の実施形態による火花点火式内燃機関の制御装置を自動車用ガソリンエンジンに適用させたシステムの構成を示すシステム構成図である。 本発明の第１の実施形態による火花点火内燃機関の制御装置の構成を示すシステムブロック図である。 本発明の第１の実施形態による火花点火内燃機関の制御装置における可変バルブ機構の特性の説明図である。 本発明の第１の実施形態による火花点火内燃機関の制御装置における低負荷運転領域の説明図である。 本発明の第１の実施形態による火花点火内燃機関の制御装置による、吸気バルブおよび排気バルブの設定の代表例である。 本発明の第１の実施形態による火花点火内燃機関の制御装置における可変バルブおよび燃料噴射制御内容を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態による火花点火内燃機関の制御装置による低負荷運転領域での、冷却水温度に対する可変バルブ制御量および燃料噴射時期制御量を示す図である。 本発明の第１の実施形態による火花点火内燃機関の制御装置による、低負荷運転領域での、冷却水温度が比較的高い場合の吸気行程中の燃焼室内状態の説明図である。 本発明の第１の実施形態による火花点火内燃機関の制御装置による、低負荷運転領域での、冷却水温度が比較的低い場合の吸気行程中の燃焼室内状態の説明図である。 本発明の第２の実施形態による火花点火内燃機関の制御装置における可変バルブおよび燃料噴射制御内容を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態による火花点火内燃機関の制御装置による低負荷運転領域での燃焼安定度のフィードバック制御の説明図である。 本発明の第３の実施形態による火花点火式内燃機関の制御装置を自動車用ガソリンエンジンに適用させたシステムの構成を示す。 本発明の第３の実施形態による火花点火内燃機関の制御装置の構成を示すシステムブロック図である。 本発明の第３の実施形態による火花点火内燃機関の制御装置における可変バルブおよび燃料噴射制御内容を示すフローチャートである。 本発明の第３の実施形態による火花点火内燃機関の制御装置による低負荷運転領域での、冷却水温度に対する可変バルブ制御量および燃料噴射時期，燃料噴噴射量の制御量を示す図である。 本発明の第３の実施形態による火花点火内燃機関の制御装置による、低負荷運転領域での、冷却水温度が比較的高い場合の吸気行程中の燃焼室内状態の説明図である。 本発明の第３の実施形態による火花点火内燃機関の制御装置による、低負荷運転領域での、冷却水温度が比較的低い場合の吸気行程中の燃焼室内状態の説明図である。 本発明の第４の実施形態による火花点火内燃機関の制御装置における可変バルブおよび燃料噴射制御内容を示すフローチャートである。

符号の説明

１ エアフローセンサ
２ 電子制御スロットル
３ インジェクタ
４ 点火プラグ
５ 可変バルブ
５ａ 吸気バルブ
５ｂ 排気バルブ
６ 吸気管
７ シリンダ
８ 排気管
９ 空燃比センサ
１０ 三元触媒
１１ 排気温度センサ
１２ クランク軸
１３ クランク角度センサ
１４ ピストン
１５ 冷却水温度センサ
１６ 吸気温度センサ
１７ アクセル開度センサ
１８ 吸気ポート用インジェクタ
２０ ＥＣＵ
２０ａ 入力回路
２０ｂ 入出力ポート
２０ｃ ＲＡＭ
２０ｄ ＲＯＭ
２０ｅ ＣＰＵ
２０ｆ 電子制御スロットル駆動回路
２０ｇ インジェクタ駆動回路
２０ｈ 点火出力回路
２０ｊ 可変バルブ駆動回路
１００ エンジン

Claims (5)

1. 吸気弁及び排気弁に可変動弁機構を備えた内燃機関の制御装置において、
   前記制御装置は、前記可変動弁機構を制御する可変動弁制御部と前記内燃機関の気筒へ直接噴射する燃料を制御する燃料噴射部とを有し、
   前記可変動弁制御部は、前記内燃機関が低負荷運転をする際に、前記吸気弁を低リフト化し、かつ前記吸気弁及び前記排気弁の開口期間が負のオーバラップをするように制御した後、
   前記内燃機関の冷却媒体の温度と前記内燃機関に吸入される吸気温と前記内燃機関の壁温とのうち少なくとも何れか一つに基づいて得られる燃焼安定度に応じて、前記吸気弁のリフト量を維持しつつ、前記吸気弁の開タイミングと前記排気弁の閉タイミングとの少なくともいずれか一つを調整し、
   前記燃料噴射制御部は、前記吸気弁の開弁期間中に燃料を噴射するように燃料噴射タイミングを制御することを特徴とする制御装置。
2. 前記可変動弁制御部は、前記燃焼安定度が予め定められた安定限界値となるように前記可変動弁機構を制御することを特徴とする請求項１記載の制御装置。
3. 前記可変動弁制御部は、前記燃焼安定度が予め定められた安定限界値よりも低い場合、
   前記吸気弁の開閉時期を遅角化すると共に、前記排気弁の開閉時期を進角化することを特徴とする請求項１記載の制御装置。
4. 前記内燃機関は、吸気管内に燃料を噴射する燃料噴射弁をさらに備え、
   前記燃料噴射制御部は、筒内に備えられた燃料噴射弁の燃料噴射タイミングの進角量に基づいて、
   吸気管内に備えられた燃料噴射弁と前記筒内に備えられた燃料噴射弁とから噴射される燃料噴射量の割合を決定することを特徴とする請求項１記載の制御装置。
5. 前記制御装置は、前記内燃機関に備えられる空燃比センサ，筒内圧力センサ，クランク角度センサ、のうち少なくとも一つの信号を用いて前記燃焼安定度を維持することを特徴とする請求項１記載の制御装置。

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