JP4811363B2

JP4811363B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP4811363B2
Application number: JP2007169446A
Authority: JP
Inventors: 幸生森
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-06-27
Filing date: 2007-06-27
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2027-06-27
Also published as: JP2009007999A

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

従来から、内燃機関において、燃料の気化を促進させることにより、排気中の有害物質の排出を減少させる技術が開示されている。特許文献２には、吸気管と排気管とをつなぐ二次導管を設け、排気の一部を吸気側に戻す技術が開示されている。

実開平６−４０３１０号公報特開平５−３１２１０８号公報特開２００３−７４３９５号公報

一般的に、機関の温度が低い場合には、筒内噴射弁又は吸気ポート噴射弁から噴射された燃料の一部が液滴のまま気筒内の内壁や吸気弁などに付着し、この付着して気化しない燃料が気筒内で燃焼が起こる際に不完全燃焼を起こし、その結果として排気中のすすなどのＰＭ（Particulate Matter）が増加する傾向がある。このような場合にも、排気の一部を吸気側に戻すことにより、ＰＭの低減を図ることが可能と考えられる。

ところで内燃機関においては、機関の運転状態に応じて、吸気弁や排気弁の開閉時期を最適なものに制御する可変動弁機構を備えたものがある。このような可変動弁機構による吸気弁や排気弁の開閉時期によっては、一度気筒内から排出された排気を再び気筒内に戻すことが可能な場合がある。しかしながら、上記特許文献には、このように可変動弁機構によって、排気の一部を気筒内に戻すことにより、気筒内の燃料の気化を促進する技術は開示されていない。

そこで本発明は、燃料の気化を促進してＰＭの排出が抑制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、吸気ポート内又は気筒内に燃料を噴射する主燃料噴射弁と、前記気筒から排出された排気に補助燃料を噴射する補助燃料噴射弁と、前記補助燃料が噴射された前記排気が前記気筒内に再び戻るように吸気弁及び排気弁の少なくとも一方の開閉時期を制御する可変動弁機構とを備えた、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、気筒内に付着した燃料の気化を促進することができ、ＰＭの発生を抑制することができる。

上記構成において、前記可変動弁機構は、前記排気弁の閉時期を排気上死点よりも遅角させ、前記補助燃料噴射弁は、排気上死点より遅角側であって前記排気弁が閉じられる前の開状態にあるときに補助燃料を噴射する、構成を採用できる。
この構成により、補助燃料が噴射された排気を、気筒内に再び戻すことができる。

上記構成において、前記可変動弁機構は、前記排気弁を排気上死点近傍で閉じてから吸気下死点に至るまでに再び開き、前記補助燃料噴射弁は、前記排気弁が排気上死点近傍で閉じられてから再び開くまでの間の閉状態にあるときに補助燃料を噴射する、構成を採用できる。
この構成によっても、補助燃料が噴射された排気を、気筒内に再び戻すことができる。

上記構成において、前記可変動弁機構は、前記排気弁の閉時期よりも前記吸気弁の開時期を進角させて前記吸気弁及び排気弁の双方を開状態とし、前記補助燃料噴射弁は、前記吸気弁及び排気弁の双方が開状態にあるときに補助燃料を噴射する、構成を採用できる。
この構成により、気筒内における吸気と高温の排気との成層状態が向上する。

上記構成において、前記可変動弁機構は、前記排気弁が再び開く時期よりも前記吸気弁の開時期を遅角させる、構成を採用できる。
吸気弁及び排気弁の双方が閉状態にあるときに、補助燃料噴射が行われ、その状態から排気弁が先に開かれるので、補助燃料が噴射された排気は、高温且つ高い流速で気筒内に戻される。これにより、気筒内で燃料と排気とが均質になり、ＨＣ、ＮＯｘ等のエミッションや、燃焼速度が向上する。

上記構成において、前記可変動弁機構は、前記吸気弁の開時期よりも前記排気弁が再び開く時期を遅角させる、構成を採用できる。
この構成により、排気弁が再び開く時期を遅角させることができるので、排気に噴射された燃料を気化するための時間を多くとることができ、排気の温度を高温にすることができる。

上記構成において、前記主燃料噴射弁及び補助燃料噴射弁からのそれぞれの燃料噴射量は、それぞれ前記気筒内に導入される吸気量及び前記気筒内に戻される排気量に応じて、設定されている、構成を採用できる。
この構成により、気筒内での燃料分布を考慮することができる。

上記構成において、前記可変動弁機構及び補助燃料噴射弁は、機関温度に応じてそれぞれの作動を実行する、構成を採用できる。
この構成により、排気中のＰＭが生成されやすい状況において、上記作動を実行することができる。

上記構成において、前記可変動弁機構は、電磁駆動式である、構成を採用できる。
この構成により、吸気弁又は排気弁の少なくとも一方の開閉時期の精度を向上させることができる。

本発明によれば、燃料の気化を促進してＰＭの排出が抑制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１０の模式図である。図１に示すエンジン１０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１０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、吸気ポート１３ａ内に燃料を噴射する吸気ポート噴射弁３２（主燃料噴射弁）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１０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１０の外部へ排出される。

エンジン１０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１０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、電磁可変動弁機構２６、２７によって作動する。この作動により、吸気弁２４、排気弁２５は、それぞれ、燃焼室１５と、吸気ポート１３ａ、排気ポート１９ａとを開閉する。電磁可変動弁機構２６、２７は、ＥＣＵ９０からの指令に応じて、吸気弁２４、排気弁２５の開閉時期が制御される。

また、排気ポート１９ａには、排気ポート１９ａ内に燃料を噴射可能な排気ポート噴射弁３３（補助燃料噴射弁）が設けられている。排気ポート噴射弁３３は、吸気ポート噴射弁３２と同様に、燃料タンク（不図示）からコモンレール（不図示）などを介して圧送された燃料を噴射可能に形成されている。尚、吸気ポート噴射弁３２から噴射された燃料を「主燃料」と称し、排気ポート噴射弁３３から噴射された燃料を「補助燃料」と称する。吸気ポート噴射弁３２から噴射される主燃料は、エンジン１０の駆動に寄与するものであり、排気ポート噴射弁３３から噴射される補助燃料は、詳しくは後述するが、気筒１２内から排出された排気に向けて噴射されるものである。

エンジン１０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、吸気圧を検出するための吸気圧センサ７４、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１０を冷却するため冷却水の温度を検出する水温センサ７７、気筒１２から排出された排気の酸素濃度を検出する酸素センサ７８、吸入空気量を検出するエアフロメータ７９などが設けられている。

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、吸気ポート噴射弁３２、排気ポート噴射弁３３のそれぞれの燃料噴射時期、噴射量などを制御する。ＥＣＵ９０は、燃料の気化を促進するための処理を実行する。

次に、ＥＣＵ９０が実行する、燃料の気化を促進するための燃料気化促進処理について説明する。図２は、ＥＣＵ９０が実行する燃料気化促進処理の一例を示したフローチャートである。

まず、ＥＣＵ９０は、エンジン冷却水の温度を検出し（ステップＳ１）、この温度が一定値以下であるか否かを判定する（ステップＳ２）。エンジン冷却水の温度が低い場合には、ＰＭが排出されやすい状態と判断できるからである。否定判定の場合には、ＥＣＵ９０は、通常処理を実行する（ステップＳ３）。ここで、通常処理とは、機関運転状態に応じて、可変動弁機構２６、２７に指令を出して、吸気弁２４、排気弁２５を最適な開閉時期に制御する処理である。即ち、ＥＣＵ９０は、従来一般的に実行されていた吸気弁２４、排気弁２５の開閉動作を実行する。

肯定判定の場合には、ＥＣＵ９０は、可変動弁機構２６、２７に指令を出して、気筒１２内から排出された排気が再び気筒１２内に戻るように、吸気弁２４、排気弁２５の開閉タイミングを設定する（ステップＳ４）この開閉タイミングの詳細については後述する。次に、ＥＣＵ９０は、酸素センサ７８からの出力から、安定した燃焼が行われているかどうかを判定する（ステップＳ５）。否定判定の場合には、ステップＳ３の処理を実行する。肯定判定の場合には、ＥＣＵ９０は、排気ポート噴射弁３３による補助燃料の噴射を実行して（ステップＳ６）、燃料気化促進処理を終了する。

上述した開閉タイミングの一例について詳細に説明する。図３は、燃料気化促進処理の説明図であり、図３（ａ）は、吸気弁２４、排気弁２５の開閉タイミングのチャート図であり、縦軸にリフト量、横軸はクランク角を示している。

図３（ａ）に示すように、ＥＣＵ９０は、可変動弁機構２７に指令を出して排気弁２５の閉時期を、排気ＴＤＣ（排気上死点）よりも遅角した時期に設定する。具体的には、排気弁２５の閉時期を、排気ＴＤＣよりも２０°以降に遅角した時期に設定する。また、吸気弁２４の開時期を排気ＴＤＣから２０°程度遅角した時期に設定する。このように設定することにより、排気ＴＤＣから２０°程度の間は、排気弁２５のみが開いた状態となる。この間に、ＥＣＵ９０は、排気ポート噴射弁３３へ指令を出して補助燃料の噴射を実行する。

図３（ｂ）は、上記の開閉タイミングで補助燃料が噴射された場合の説明図である。排気ＴＤＣから２０°程度の間、排気弁２５が開状態となることにより、気筒１２内から排気ポート１９ａに排出された排気の一部は、気筒１２内に再び戻るように流動する。この間に、この排気に向かって補助燃料が噴射されると、補助燃料が噴射された排気が気筒１２内に戻ることになる。これにより、高温状態の排気に補助燃料が噴射されて気筒１２内に再び戻るので、気筒１２内の壁面や吸気弁２４に液滴状態で付着した主燃料の気化を促進することができる。これにより、排気に含まれるＰＭの発生を抑制することができる。尚、この開閉タイミングは、冷間始動時に適している。

次に、上記開閉タイミングの変形例について説明する。図４は、複数の変形例に係る開閉タイミングのチャート図である。図４（ａ）は、機関負荷が中負荷時に適した開閉タイミングである。

図４（ａ）に示すように、ＥＣＵ９０は、排気ＴＤＣ近傍において排気弁２５は一度閉状態となり、排気ＴＤＣよりも３０°程度遅角した時期に再び開き、その後、吸気下死点（ＢＤＣ）に至る前に閉じるように設定する。また、吸気弁２４に関しては、ＥＣＵ９０は、多少のオーバラップを持つようにして、吸気弁２４の開時期を、排気弁２５の閉時期よりも進角した時期に設定する。このように設定することにより、排気弁２５が閉じられてから再び開くまでの間は、吸気弁２４及び排気弁２５の双方とも閉状態となる。この間、排気ポート１９ａ周辺では排気の一部が滞ることになる。ＥＣＵ９０は、排気ポート噴射弁３３に指令を出して、吸気弁２４及び排気弁２５の双方とも閉状態となる間に、排気ポート１９ａ周辺にある排気に向けて補助燃料の噴射を実行する。

このように、排気弁２５を排気ＴＤＣ近傍で閉じ、クランク角が３０°程度進角した時期まで、吸気弁２４及び排気弁２５の双方が閉状態におかれることにより、この間気筒１２内は負圧状態となる。従って、排気弁２５が再び開かれた際には、補助燃料が噴射された排気が高い流速で気筒１２内に戻されることになる。これにより、ＰＭの発生が抑制されると共に、気筒１２内で排気と補助燃料とが均質になるので、ＨＣ、ＮＯｘ等のエミッションや、燃焼速度が向上する。

図４（ｂ）は、図３に示した開閉タイミングとは異なる、冷間始動時に適した開閉タイミングのチャート図である。図４（ｂ）に示すように、排気ＴＤＣから所定期間、吸気弁２４、排気弁２５の双方が閉状態となる点は、図４（ａ）に示した開閉タイミングと一致する。しかしながら、図４（ｂ）に示すように、排気弁２５が排気ＴＤＣ近傍で閉じてから再び開くまでの機関が、図４（ａ）に示した開閉タイミングよも長くなるように設定されている。詳細には、ＥＣＵ９０は、排気弁２５が閉じられてから、排気ＴＤＣよりも９０°以降に遅角した時期に再び開くように設定する。従って、排気弁２５が再び開かれる時期よりも、吸気弁２４が開く時期の方が早いことになる。この間にＥＣＵ９０は、排気ポート噴射弁３３に指令を出して補助燃料の噴射を実行する。

このように、排気弁２５が閉じられてから再び開くまでの期間を長くすることにより、排気に噴射された補助燃料の気化時間を長くとることができる。これにより、排気が更に高温化し、この高温化した排気が気筒１２内に再び戻されることにより、ＰＭの発生を抑制することができる。

次に、ＥＣＵ９０が実行する燃料気化促進処理の変形例について説明する。図５は、ＥＣＵ９０が実行する燃料気化促進処理の変形例に係るフローチャートである。

ＥＣＵ９０は、図２に示したフローチャートと同様に、ステップＳ１〜Ｓ５の処理を実行する。ステップＳ５の処理で肯定判定の場合、ＥＣＵ９０は、気筒１２内に吸入されるであろう吸入空気量を算出する（ステップＳ６ａ）。この吸入空気量の算出は、ステップＳ４において設定された吸気弁２４、排気弁２５の開閉タイミングを考慮して、各種センサからの出力に対応したマップなどに基づいて算出される。例えば、エアフロメータ７９などからの出力に応じて算出される。

次に、ＥＣＵ９０は、吸気弁２４、排気弁２５の開閉タイミングを考慮して、気筒１２内に戻る排気の量について算出する（ステップＳ６ｂ）。この排気の量についても、各種センサからの出力に対応したマップに基づいて算出される。

次に、ＥＣＵ９０は、排気ポート噴射弁３３、吸気ポート噴射弁３２に指令を出して、排気ポート噴射弁３３から補助燃料を、吸気ポート噴射弁３２からは主燃料の噴射を実行する（ステップＳ６ｃ）。この際、補助燃料の噴射量は、排気の戻り量を、主燃料の噴射量は、気筒１２内に導入される吸気量を考慮して、設定される。詳細には、補助燃料の噴射量と主燃料の噴射量との比が、排気の戻り量と吸気量との比と一致するように各噴射量が設定される。これにより、気筒１２内の燃料分布が均質となり、局所からの未燃ＨＣやＮＯｘの発生が抑制される。

次に、図５に示したステップＳ４での吸気弁２４、排気弁２５の開閉タイミングの詳細について説明する。図６は、ＥＣＵ９０が実行する、図５に示したステップＳ４での吸気弁２４、排気弁２５の開閉タイミングのチャート図である。

図６に示すように、ＥＣＵ９０は、排気弁２５の閉時期を排気ＴＤＣよりも２０°以降に遅角した時期に設定する。また、吸気弁２４の開時期を排気ＴＤＣ近傍に設定する。これにより、吸気弁２４、排気弁２５の双方が開状態となるバルブオーバラップ期間を長く設定することができる。この期間中に、ＥＣＵ９０は排気ポート噴射弁３３からの補助燃料の噴射を実行する。尚、この際に、前述したように、補助燃料の噴射量と主燃料の噴射量との比が、排気の戻り量と吸気量との比と一致するように、補助燃料及び主燃料の噴射を実行する。

このように、バルブオーバラップ期間を長く設定することにより、気筒１２内において、高温の排気中に補助燃料がとどまり、気筒１２内において温度の高い排気と、温度の低い吸気とが成層化する。これにより、気筒１２内での燃焼過程において、燃焼が高温の混合気により進行するので、燃焼状態が改善される。

以上のように、補助燃料が噴射された排気が気筒１２内に再び戻るように吸気弁２４、排気弁２５の開閉時期を制御することにより、ＰＭの発生を抑制することができる。また、このように吸気弁２４、排気弁２５の開閉タイミングを、電磁駆動式の可変動弁機構により制御することにより、開閉時期の精度が向上することができる。

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。

上記実施例においては、電磁駆動式の可変動弁機構を採用したが、このような構成に限定されず、油圧によってクランク軸に対するカム軸の位相を変えることにより、吸気弁又は排気弁の少なくとも一方の開閉タイミングを変更可能な可変動弁機構であってもよい。特に、図３（ａ）に示した開閉タイミングは、排気弁及び吸気弁の開閉タイミングを遅角させる事により油圧式の可変動弁機構であっても設定可能である。また、図６に示した開閉タイミングについても、排気弁のみ開閉タイミングを遅角等させることにより、バルブオーバラップ期間を設定できる。

上記実施例において、排気ポート噴射弁３３は、排気ポート１９ａに向かうように設定されているが、このような構成に限定されず、例えば触媒暖機を目的として排気に燃料を噴射するためのものであってもよい。可変動弁機構による開閉タイミングを前述したように設定することより、補助燃料が噴射された排気が気筒内に再び戻るのであれば、本発明の目的を達成しうるからである。

上記実施例において、主燃料噴射弁は、吸気ポート噴射弁であるが、このような構成に限定されず、気筒内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁であってもよい。

本実施例に係るエンジンの模式図である。ＥＣＵが実行する燃料気化促進処理の一例を示したフローチャートである。燃料気化促進処理の説明図である。複数の変形例に係る開閉タイミングのチャート図である。ＥＣＵが実行する燃料気化促進処理の変形例に係るフローチャートである。変形例に係る開閉タイミングのチャート図である。

符号の説明

１０エンジン
１３吸気通路
１３ａ吸気ポート
１９排気通路
１９ａ排気ポート
２４吸気弁
２５排気弁
２６、２７可変動弁機構
３２吸気ポート噴射弁（主燃料噴射弁）
３３排気ポート噴射弁（補助燃料噴射弁）
７８酸素センサ
７９エアフロメータ
９０ＥＣＵ

Claims

吸気ポート内又は気筒内に燃料を噴射する主燃料噴射弁と、
前記気筒から排出された排気に補助燃料を噴射する補助燃料噴射弁と、
前記補助燃料が噴射された前記排気が前記気筒内に再び戻るように吸気弁及び排気弁の少なくとも一方の開閉時期を制御する可変動弁機構とを備え、
前記可変動弁機構は、前記排気弁の閉時期を排気上死点よりも遅角させ、
前記補助燃料噴射弁は、排気上死点より遅角側であって前記排気弁が閉じられる前の開状態にあるときに補助燃料を噴射する、ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記可変動弁機構は、前記排気弁の閉時期よりも前記吸気弁の開時期を進角させて前記吸気弁及び排気弁の双方を開状態とし、
前記補助燃料噴射弁は、前記吸気弁及び排気弁の双方が開状態にあるときに補助燃料を噴射する、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。
前記主燃料噴射弁及び補助燃料噴射弁からのそれぞれの燃料噴射量は、それぞれ前記気筒内に導入される吸気量及び前記気筒内に戻される排気量に応じて、設定されている、ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
前記可変動弁機構及び補助燃料噴射弁は、機関温度に応じてそれぞれの作動を実行する、ことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の内燃機関の制御装置。
前記可変動弁機構は、電磁駆動式である、ことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の内燃機関の制御装置。