JP4743189B2

JP4743189B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP4743189B2
Application number: JP2007266170A
Authority: JP
Inventors: 錬太郎黒木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-10-12
Filing date: 2007-10-12
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2027-10-12
Also published as: JP2009092048A

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、エンジン始動時の排気エミッションの低減を防ぐための技術が開示されている。この技術は、エンジン始動時に気筒判定が終了するまでの間、排気弁を閉じた状態で排気上死点付近で吸気弁を開くことにより、気筒内の圧縮空気を吸気ポートへ導入し、これにより、燃料噴射が開始される前に吸気ポート内を加熱するものである。

特開２００７−１６７１０号公報

ところで、内燃機関には、減速時などにおいて燃料を節約するために、燃料供給を停止する制御が知られている。上記特許文献には、燃料供給停止時においての制御については、提案されていない。

例えば、燃料供給停止後に、排気弁の閉弁時期を早めると、気筒内に既燃ガスが残留し、この既燃ガスが、吸気弁が開弁した際に吸気系へと吹き返す恐れがある。既燃ガスが吸気系へと吹き返すと、燃料供給復帰時に、既燃ガスの影響により、燃料性が悪化する恐れがある。

そこで本発明は、燃料供給復帰時の燃焼の悪化が防止された内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

上記目的は、所定の条件の成立に基づいて内燃機関への燃料の供給が停止される燃料供給停止状態を判定する判定手段と、燃料供給停止時に気筒内から吸気系への既燃ガスの吹き返しを防止するように吸気弁又は排気弁のうち少なくとも一方の開閉時期を制御する開閉制御手段とを備えた、ことを特徴とする内燃機関の制御装置によって達成できる。
この構成により、燃料供給復帰時に、気筒内に残留した既燃ガスの影響によって燃焼が悪化することを防止できる。

上記構成において、前記開閉制御手段は、燃料供給停止時において、前記排気弁の閉弁時期が排気上死点よりも進角側となる早閉じ制御を禁止する、構成を採用できる。
この構成により、早閉じ制御を禁止することにより、気筒内に残留した既燃ガスを排気系へと排出でき、既燃ガスが吸気系へと吹き返すことを防止できる。

上記構成において、前記開閉制御手段は、燃料供給停止時において、前記吸気弁及び排気弁の双方の開弁期間がオーバーラップしない早閉じ制御を禁止する、構成を採用できる。
この構成によっても、気筒内に残留した既燃ガスが吸気系へと吹き返すことを防止できる。

上記構成において、前記開閉制御手段は、燃料供給停止時において、前記気筒内からの既燃ガスの排出に応じて前記早閉じ制御の禁止を解除する、構成を採用できる。
この構成により、燃料供給停止時に吸気系周辺の温度が低下することを防止でき、燃料供給復帰時の燃焼状態の悪化を防止できる。

上記構成において、前記開閉制御手段は、内燃機関の温度状態に応じて、前記早閉じ制御を禁止及び禁止を解除する、構成を採用できる。
内燃機関が十分に温まった状態においては、前記早閉じ制御を禁止することにより、自着火を防止できる。即ち、内燃機関の温度が高い状態、例えば暖機完了後においては、気筒内に残留した既燃ガスに含まれる未燃燃料成分が、早閉じ制御によって自己着火するおそれがあるからである。これにより、ノッキングなどを防止できる。また、内燃機関の温度が低い場合には、自己着火のおそれがないため、早閉じ制御の禁止を解除することにより、早閉じ制御をすることによるメリットを享受することができる。

本発明によれば、燃料供給復帰時の燃焼の悪化が防止された内燃機関の制御装置を提供できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

図１は、本実施例に係るエンジン１１の模式図である。図１に示すエンジン１１は、複数の気筒１２（図１では１つのみ図示）を有している。このエンジン１１においては、吸気通路１３を流れる空気が燃焼室１５に充填され、燃焼室１５内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁１４によって、空気と燃料との混合気が生成される。この混合気に対し点火プラグ１６による点火が行われると、混合気が燃焼してピストン１７が往復動し、エンジン１１の出力軸であるクランク軸１８が回転駆動される。そして、各燃焼室１５での燃焼により生じた排気は排気通路１９等を通ってエンジン１１の外部へ排出される。

エンジン１１の出力調整は、吸気通路１３に設けられたスロットル弁２１をアクチュエータ２２等によって駆動して、そのスロットル弁２１の開度（スロットル開度）を調節することによって実現される。スロットル開度の開度調節は、運転者によって操作されるアクセルペダル２３の踏込み量（アクセル踏込み量）に応じてアクチュエータ２２が駆動されることにより行われる。

エンジン１１には、吸気弁２４及び排気弁２５が気筒１２毎に設けられている。吸気弁２４、排気弁２５はそれぞれ、クランク軸１８の回転が伝達されて回転する吸気カム軸２６、排気カム軸２７によって作動する。この作動により、各吸気弁２４は燃焼室１５と吸気通路１３との連結部分を開閉し、各排気弁２５は燃焼室１５と排気通路１９との連結部分を開閉する。

エンジン１１には、機関バルブの作動タイミング（バルブタイミング）を変更するためのバルブタイミング可変装置（ＶＶＴ）が複数設けられている。本実施形態では、吸気弁２４の作動タイミングをクランク軸１８の角度（クランク角）に対して連続的に変更するための吸気側バルブタイミング可変装置２８と、排気弁２５の作動タイミングをクランク角に対して連続的に変更するための排気側バルブタイミング可変装置２９とが設けられている。吸気側バルブタイミング可変装置２８、排気側バルブタイミング可変装置２９は、ＥＣＵ９０からの指令に基づいて、それぞれ、吸気弁２４、排気弁２５の、開閉タイミングを制御する。

エンジン１１には、クランク軸１８が一定角度回転する毎にパルス状の信号を発生するクランク角センサ７１、吸気カム軸２６の回転角度を検出する吸気側カム角センサ７２が設けられ、排気カム軸２７の回転角度を検出する排気側カム角センサ７３が設けられている。

また、吸気通路１３内のスロットル弁２１よりも下流には、吸入空気の圧力（吸気圧）を検出するための吸気圧センサ７４が設けられている。また、運転者による同アクセルペダル２３の踏込み量を検出するアクセルセンサ７５、スロットル開度を検出するスロットルセンサ７６、エンジン１１を冷却するため冷却水の温度を検出する水温センサ７７が設けられている。

ＥＣＵ９０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などから構成され、各センサからの出力に基づいて、エンジン１０全体の作動を制御する。また、ＥＣＵ９０は、詳しくは後述するが、燃料カット時に気筒１２内から吸気系へ既燃ガスの吹き返しを防止する吹き返し防止処理を実行する。従って、吸気カム軸２６、排気カム軸２７、吸気側バルブタイミング可変装置２８、排気側バルブタイミング可変装置２９、及びＥＣＵ９０は、開閉制御手段に相当する。

また、ＥＣＵ９０は、アクセルセンサ７５や、クランク角センサ７１からの出力に基づいて、機関運転状態が減速中であると判定した場合に、燃料噴射弁１４への燃料の供給を停止する制御、即ち燃料カットを実行する。また、ＥＣＵ９０は、アイドルリング時においても、燃料カットを実行し、エンジン１１を停止させる。ＥＣＵ９０は、各種センサからの出力に基づいて、燃料カット状態であるか否かを判定できる。ＥＣＵ９０は、燃料カット状態を判定する判定手段に相当する。

次に、燃料カット時において、排気弁２５を早閉じ制御することによる弊害を説明する。図２は、燃料カット時における排気弁の早閉じ制御による弊害の説明図である。図２（Ａ）は、気筒１２内の圧力と、クランク角度との関係を示したグラフである。図２（Ｂ）は、早閉じ制御の実行中での吸気弁２４、排気弁２５の開弁期間を示すダイヤグラムである。

図２（Ａ）に示すように、排気弁２５が閉弁すると、気筒１２内に閉じ込められたガスが、ピストン１７の上昇によって圧縮されて、気筒１２内の圧力が上昇する。気筒１２内の圧力は、上死点をピークに下降し始めるが、吸気弁２４が開弁することにより、気筒１２内で圧縮されたガスが、吸気通路１３へと吹き返す現象が発生する。これにより、吸気行程においては、気筒１２内には、新気と、吸気通路１３へ吹き返されたガスとが流入することになる。

この現象は、図２（Ｂ）に示すように、排気弁２５の閉弁時期が、排気上死点よりも進角側となる、早閉じ制御が実行されている場合に起こる。排気弁２５が早く閉じられることにより、ガスを十分に排気することができずに、気筒１２内に残留するからである。尚、従来から、このように排気弁２５の閉弁時期を、吸気弁２４の開弁時期よりも早めることにより、燃料と新気とのミキシング性を向上させる技術は知られていた。

しかしながら、燃料カット時に、早閉じ制御を実行すると、燃料供給が復帰したときに、既燃ガスの影響で、酸素濃度の不足等による燃焼が悪化する恐れがあった。また、既燃ガスが吸気通路１３に吹き返すことにより、吸気系が高温化し、燃料供給復帰時に、燃料が自己着火するおそれがあった。そこで、ＥＣＵ９０は、このような吹き返しを防止する吹き返し防止処理を実行する。

次に、ＥＣＵ９０が実行する、吹き返し防止処理について説明する。図３は、ＥＣＵ９０が実行する吹き返し防止処理の一例を示したフローチャートである。この処理は、所定期間毎に繰り返し実行される。まず、ＥＣＵ９０は、各種センサからの出力に基づいて、燃料カット状態であるか否かを判定する（ステップＳ１）。否定判定の場合には、この処理を終了する。

肯定判定の場合には、ＥＣＵ９０は、水温センサ７７からの出力に基づいて、エンジン１１の温度が高温状態であるか否かを判定する（ステップＳ２）。このように、エンジン１１が高温であるか否かを判定する理由は後述する。例えば、水温センサ７７から出力が、８０℃以上を示している場合には、ＥＣＵ９０は、エンジン１１が高温であると肯定判定し、８０℃未満を示している場合には、エンジン１１は低温であると否定判定する。

肯定判定の場合には、ＥＣＵ９０は、排気弁２５の早閉じ制御を禁止する（ステップＳ３）。早閉じ制御を禁止するとは、排気弁２５の閉弁時期が排気上死点よりも進角側となることを禁止すること、即ち、排気弁２５の閉弁時期を排気上死点よりも遅角側に制御することである。エンジン１１が高温である場合に、早閉じ制御を禁止する理由は、内燃機関の温度が高い状態、例えば暖機完了後においては、気筒内に残留した既燃ガスに含まれる未燃燃料成分が、早閉じ制御によって自着火するおそれがあるからである。これにより、ノッキングなどを防止できる。

ステップＳ２において、否定判定の場合、例えば、エンジン１１が始動後まもない場合には、ＥＣＵ９０は、燃料カット直前に噴射された燃料が燃焼することによって発生した既燃ガスが、気筒１２内から排出されたか否かを判定する（ステップＳ４）。具体的には、ＥＣＵ９０は、燃料カットが実行されてから、所定期間経過した場合には、上記の既燃ガスが、気筒１２内から排出されたと判定する。肯定判定の場合には、ＥＣＵ９０は、早閉じ制御を実施する（ステップＳ５）。この理由は、既燃ガスが気筒１２内から既に排出されている場合には、燃料供給復帰時において、既燃ガスと新気との混合による酸素濃度の低下に起因する燃焼性の悪化が問題となることはないからである。このように、エンジン１１の温度が低く、かつ、既燃ガスが既に気筒１２から排出された場合には、自己着火のおそれがなく、かつ、燃料供給復帰時において、燃焼性が悪化することはない。このため、早閉じ制御を実行することによるメリットを享受することができる。

また、既燃ガスが排出された後に早閉じ制御を実施するので、排気弁２５が比較的進角側で閉じられることになる。従って、排気弁２５が早閉じされることにより、気筒１２内に閉じ込められた新気が排気上死点に到るまでに一時的に圧縮され、この圧縮により、新気の温度が上昇する。また、吸気弁２４が開かれることにより、気筒１２内に閉じ込められた新気が吸気側に吹き返し、これにより吸気が拡散して吸気の流速が弱まる。これにより、運動エネルギが熱エネルギに熱変換されてさらに温度が上昇する。従って、吸気系周辺の温度が上昇する。以上により、燃料カット時に吸気系周辺の温度が低下することを防止でき、燃料供給復帰時の燃焼状態の悪化を防止できる。また、この場合、燃料供給帰時において、吹き返しによる燃料と空気とのミキシングの向上を図ることができる。

ステップＳ４において、否定判定の場合には、ＥＣＵ９０は、排気弁２５の早閉じ制御を禁止する（ステップＳ６）。これにより、気筒１２内に残留した既燃ガスが、吸気弁２４が開弁することにより吸気系へと吹き返して、気筒１２が閉弁するまでに、新気とこの吹き返された既燃ガスとが気筒１２内に流入することを防止できる。これにより、燃料供給復帰時における、酸素濃度の低下等に起因する燃焼性の悪化を防止できる。

尚、ステップＳ６の処理が実行中であっても、ＥＣＵ９０は、再度、この吹き返し防止処理を所定期間毎に繰り返し実行するため、再度ステップＳ４の処理によって、既燃ガスの排気が終了したか否かが判定されることなる。既燃ガスが排出されたと判定された場合には、ＥＣＵ９０は、ステップＳ５の処理を実行し、即ち、早閉じ制御の禁止を解除する。

以上のように、ＥＣＵ９０は、燃料カット時に、気筒１２内からの既燃ガスの排出に応じて、早閉じ制御の禁止を解除する（ステップＳ４、Ｓ５）。また、エンジン１１の温度状態に応じて、早閉じ制御の禁止（ステップＳ２、Ｓ３）、またはこの禁止を解除する（ステップＳ５）。

次に、エンジン１１が高温の場合と、それ以外の場合とでの、排気弁２５の早閉じ制御の禁止について、タイムチャートを用いて説明する。図４は、吹き返し防止処理のタイムチャートである。図４に示すように、ＥＣＵ９０は、燃料カットフラグをＯＮにすると、エンジン１１が高温時の場合には、早閉じ制御の実行フラグをＯＮからＯＦＦに切り替える。これにより、燃料カット中であって、エンジン１１が高温の場合には、排気弁２５の早閉じ制御が実行されることはない。

エンジン１１が高温時以外の場合には、早閉じ制御の実行フラグを、ＯＮからＯＦＦに切り替える。早閉じ制御の実行フラグは、所定期間経過後、ＯＦＦからＯＮへと切り替えられる。この所定期間とは、燃料カット直前に噴射された燃料が燃焼に供されることによって発生した既燃ガスが、気筒１２内から排出されるのに必要な期間である。

次に、早閉じ制御が禁止された状態において、吸気弁２４、排気弁２５の開弁期間について説明する。図５は、早閉じ制御が禁止中での吸気弁２４、排気弁２５の開弁期間を示すダイヤグラムである。尚、図５に示したダイヤグラムは、早閉じ制御が禁止された状態での、吸気弁２４、排気弁２５の例示的なダイヤグラムである。図５に示すように、排気弁２５の閉弁時期は、排気上死点よりも遅角側に制御されており、また、吸気弁２４の開弁時期は、排気上死点よりも進角側に制御されている。従って、ＥＣＵ９０は、吸気弁２４、排気弁２５の双方の開弁期間がオーバーラップするように制御する。これにより、排気弁２５の閉弁時期が遅角側となることにより、気筒１２内に残留した既燃ガスを十分に排気することができる。尚、ＥＣＵ９０は、早閉じ制御禁止中においては、このような制御に限定されず、例えば、排気弁２５の閉弁時期を排気上死点よりも遅角側に制御し、排気弁２５が閉弁下の後に、吸気弁２４を開弁するように制御してもよい。

上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

尚、ハイブリッド車両に本発明を採用してもよい。即ち、ハイブリッド車両の駆動源が、エンジンからモータへと切り替えられた場合に、エンジンは燃料カットされるが、この燃料カット中においても、上記早閉じ制御を禁止することにより、エンジン再始動時の燃焼性の悪化を防止できる。

本実施例に係るエンジンの模式図である。燃料カット時における排気弁の早閉じ制御による弊害の説明図であるＥＣＵが実行する吹き返し防止処理の一例を示したフローチャートである。吹き返し防止処理のタイムチャートである。早閉じ制御が禁止中での吸気弁、排気弁の開弁期間を示すダイヤグラムである。

符号の説明

１０エンジン
１３吸気通路
１４燃料噴射弁
１９排気通路
２４吸気弁
２５排気弁
２６吸気カム軸（開閉制御手段）
２７排気カム軸（開閉制御手段）
２８吸気側バルブタイミング可変装置（開閉制御手段）
２９排気側バルブタイミング可変装置（開閉制御手段）
９０ＥＣＵ（判定手段、開閉制御手段）

Claims

所定の条件の成立に基づいて内燃機関への燃料の供給が停止される燃料供給停止状態を判定する判定手段と、
燃料供給停止時に気筒内から吸気系への既燃ガスの吹き返しを防止するように吸気弁又は排気弁のうち少なくとも一方の開閉時期を制御する開閉制御手段とを備え、
前記開閉制御手段は、燃料供給停止時において、前記排気弁の閉弁時期が排気上死点よりも進角側となる早閉じ制御を禁止し、
前記開閉制御手段は、燃料供給停止時において、前記気筒内からの既燃ガスの排出に応じて前記早閉じ制御の禁止を解除する、ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記開閉制御手段は、燃料供給停止時において、前記吸気弁及び排気弁の双方の開弁期間がオーバーラップしない早閉じ制御を禁止する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
前記開閉制御手段は、内燃機関の温度状態に応じて、前記早閉じ制御を禁止及び禁止を解除する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。