JP4830902B2 - 内燃機関の制御システム - Google Patents

Description

本発明は、火花点火式内燃機関を制御する技術に関する。

従来、火花点火式の内燃機関において、点火時期をＭＢＴ（Minimum spark advance for Best Torque）より前へ進角させることにより、冷却水の温度上昇を促進し、以て内燃
機関の暖機性を向上させる技術が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
特開２０００−２４０５４７号公報

ところで、上記した従来の技術は内燃機関の暖機性は考慮しているものの、排気エミッションについては考慮されていないため、排気エミッションの規制強化に適応しきれない可能性がある。

本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、点火時期をＭＢＴより進角可能な火花点火式内燃機関の制御システムにおいて、排気エミッションの低減に好適な技術の提供にある。

本発明は、上記した課題を解決するために、点火時期をＭＢＴより進角させることができる内燃機関の制御システムにおいて、点火時期をＭＢＴより前へ進角させる技術を用いて、排気エミッションの低減を図るようにした。

内燃機関が冷間状態にある場合のように気筒内の温度（以下、「筒内温度」と称する）が低い時は、燃料が気筒の内壁面やピストンに付着し易い。気筒の内壁面やピストンに付着した燃料（以下、「筒内付着燃料」と称する）の大部分は、燃焼に供されることなく未燃のまま気筒内から排出される。その際、内燃機関の排気系に配置された触媒が未活性状態にあると、前記した未燃燃料が触媒において浄化されずに大気中へ放出される。

特に、内燃機関が低温下で始動された場合は、内燃機関の始動から触媒が活性するまでの期間が長くなるとともに筒内付着燃料の量が増加するため、大気中へ放出される未燃燃料の量が過多となることが懸念される。

これに対し、本願発明者が鋭意の実験及び検証を行った結果、火花点火式の内燃機関において点火時期がＭＢＴより前へ進角（以下、「過進角」と称する）されると、気筒内から排出される未燃燃料（例えば、ＨＣ）が著しく減少することが見出された。

これは、点火時期が過進角された場合は、圧縮上死点前に燃焼する混合気の量が増加するため、混合気の燃焼による昇圧・昇温効果がピストンの上昇動作による昇圧・昇温効果に加わって気筒内の圧力（以下、「筒内圧」と称する）及び筒内温度のピークが高められ、気筒内に付着した燃料、および／または気筒内に付着する前の燃料の気化及び酸化が促進されることに因ると考えられる。

ところで、点火時期が過進角された場合は、燃料と吸気の混合が十分に混合する前に点火が行われるため、混合気の着火性が低下したり、或いは燃焼安定性が低下したりする場合がある。

そこで、本発明にかかる内燃機関の制御システムは、火花点火式内燃機関の点火時期をＭＢＴより前に進角させる過進角手段と、前記過進角手段により点火時期がＭＢＴより前に進角されている時に前記内燃機関の気筒内に生起される気流を増強させる気流促進手段と、を備えるようにした。

かかる発明は、点火時期が過進角される時に気筒内に生起される気流を増強するため、燃料と吸気との混合速度を高めることができる。燃料と吸気との混合速度が高められると、点火が行われるまでに燃料と吸気とが十分に混合する。その結果、混合気の着火性や燃焼安定性が低下し難くなる。

従って、本発明によれば、混合気の着火性や燃焼安定性を損なうことなく点火時期を過進角させることができるため、気筒内から排出される未燃燃料成分の量を好適に減少させることができる。

また、気筒内に生起される気流が増強された場合は、火炎伝播速度及び燃焼速度が高くなる。火炎伝播速度及び燃焼速度が高くなると、混合気が急峻に燃焼するため、筒内圧及び筒内温度のピークが一層高められる。筒内圧及び筒内温度のピークが一層高くなると、気筒内に付着した燃料および／または気筒内に付着する前の燃料の気化及び酸化が一層促進される。その結果、気筒内から排出される未燃燃料成分量の一層の減少を見込むことができる。

また、本願発明者の知見によれば、点火時期の進角量が多くなるほど気筒内から排出される未燃燃料成分量が減少する。このため、筒内付着燃料量が多くなるほど点火時期の進角量を多くする方法も考えられる。しかしながら、点火時期の進角量が増加するほど着火性や燃焼安定性が低下し易いため、気筒内から排出される未燃燃料成分量が却って多くなる可能性がある。

そこで、本発明にかかる気流促進手段は、過進角手段による点火時期の進角量が多くなるほど気筒内に生起される気流の強さを増加させるようにしてもよい。

かかる構成によれば、点火時期の進角量が多くなるほど気筒内に生起される気流の強さが増強されるため、着火性や燃焼安定性の低下を抑制することができる。その結果、筒内付着燃料及び気筒内から排出される未燃燃料成分を確実に低減させることができる。

本発明において、気筒内に生起される気流としてはタンブル流やスワール流を例示することができる。このようなタンブル流やスワール流の強さを増強させる方法としては、吸気弁の開弁開始時期を吸気上死点以降に遅角させる方法、吸気弁より上流の吸気通路に配置された気流制御弁の開度を小さくする方法、或いは各気筒に設けられた複数の吸気弁のリフト量を相違させる方法等を例示することができる。

本発明によれば、点火時期をＭＢＴより前に進角可能な火花点火式内燃機関の制御システムにおいて、排気エミッションを好適に低減することが可能となる。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。

＜実施例１＞
先ず、本発明の第１の実施例について図１〜図６に基づいて説明する。図１は、本実施
例における内燃機関の制御システムの概略構成を示す図である。

図１に示す内燃機関１は、複数の気筒２を有する４ストロークサイクルの火花点火式の内燃機関（ガソリンエンジン）である。内燃機関１の気筒２は、吸気ポート３を介して吸気通路３０に接続されるとともに、排気ポート４を介して排気通路４０に接続されている。

吸気ポート３には、気筒２内へ向かって燃料を噴射する燃料噴射弁５が設けられている。吸気通路３０には、該吸気通路３０内を流通する空気量を制御するスロットル弁６が設けられている。スロットル弁６より下流の吸気通路３０には、該吸気通路３０内の圧力（吸気圧）を測定する吸気圧センサ７が設けられている。スロットル弁６より上流の吸気通路３０には、該吸気通路３０を流れる空気量を測定するエアフローメータ８が設けられている。

一方、排気通路４０には、排気浄化装置９が配置されている。排気浄化装置９は、三元触媒や吸蔵還元型ＮＯｘ触媒等を具備し、所定の活性温度域にある時に排気を浄化する。

また、内燃機関１には、気筒２内に臨む吸気ポート３の開口端を開閉する吸気弁１０と、気筒２内に臨む排気ポート４の開口端を開閉する排気弁１１が設けられている。これら吸気弁１０と排気弁１１は、吸気側カムシャフト１２と排気側カムシャフト１３によりそれぞれ開閉駆動される。

気筒２の上部には、該気筒２内の混合気に点火する点火プラグ１４が配置されている。また、気筒２内にはピストン１５が摺動自在に挿入されている。ピストン１５はコネクティングロッド１６を介してクランクシャフト１７と接続されている。

クランクシャフト１７の近傍には、該クランクシャフト１７の回転角度を検出するクランクポジションセンサ１８が配置されている。更に、内燃機関１には、該内燃機関１を循環する冷却水の温度を測定する水温センサ１９が取り付けられている。

また、吸気側カムシャフト１２には、クランクシャフト１７に対する該吸気側カムシャフト１２の回転位相を変更する可変動弁機構１２０が取り付けられている。

このように構成された内燃機関１には、ＥＣＵ２０が併設されている。ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えた電子制御ユニットである。このＥＣＵ２０は、前述した吸気圧センサ７、エアフローメータ８、クランクポジションセンサ１８、及び水温センサ１９等の各種センサと電気的に接続され、各種センサの測定値を入力可能になっている。

ＥＣＵ２０は、前記した各種センサの測定値に基づいて燃料噴射弁５、スロットル弁６、点火プラグ１４、及び可変動弁機構１２０を電気的に制御する。例えば、ＥＣＵ２０は、気筒２内の壁面に付着する燃料を減少させる付着燃料低減制御を行う。

以下、本実施例における付着燃料低減制御について述べる。

内燃機関１が冷間状態にある場合のように筒内温度が低い時は、燃料が気筒２の内壁面やピストン１５に付着し易い。気筒２の内壁面やピストン１５に付着した燃料（筒内付着燃料）の大部分は、燃焼に供されることなく未燃のまま気筒内から排出される。その際、排気浄化装置９が活性温度域まで昇温していなければ、前記した未燃燃料が浄化されずに大気中へ放出されることになる。

特に、内燃機関１が低温下で始動された場合等は、内燃機関１の始動から排気浄化装置９が活性するまでの期間が長くなるとともに筒内付着燃料量が増加するため、大気中へ放出される未燃燃料の量が過多となる虞がある。

これに対し、付着燃料低減制御では、ＥＣＵ２０は、筒内付着燃料量が多くなる時に、点火プラグ１４の作動タイミング（点火時期）をＭＢＴより前へ過進角させることにより、筒内付着燃料量を減少させ、以て気筒２内から排出される未燃燃料量を減少させるようにした。

本願発明者の鋭意の実験及び検証によれば、点火時期がＭＢＴより進角された場合は、図２に示されるように、その進角量が増加するほど気筒２内から排出される未燃燃料（ＨＣ）の量が少なくなることが見出された。

このメカニズムについては明確に解明されていないが、凡そ以下のようなメカニズムによると考えられる。

図３は、点火時期がＭＢＴより前に進角（以下、「過進角」と称する）された場合（図３中のＳＴ１）と、点火時期がＭＢＴに設定された場合（図３中のＳＴ２）と、点火時期が圧縮上死点（ＴＤＣ）に設定された場合（図３中のＳＴ３）との各々において気筒２内の状態を計測した結果を示す図である。図３中の実線は点火時期が過進角された場合、破線は点火時期がＭＢＴに設定された場合、一点破線は点火時期が圧縮上死点（ＴＤＣ）に設定された場合を各々示している。

図３において、点火時期が過進角された場合は、点火時期がＭＢＴに設定された場合及び点火時期が圧縮上死点（ＴＤＣ）に設定された場合に比べ、圧縮上死点前に燃焼される混合気の量が多くなる。このため、混合気の燃焼により発生する熱エネルギのピーク（図３中の熱発生率、発生熱量、及び燃焼質量割合を参照）が圧縮上死点前へシフトする。

よって、混合気の燃焼による昇温・昇圧効果と、ピストン１５の上昇動作（下死点から上死点へ向かう動作）による圧縮効果との相乗効果により、圧縮行程から膨張行程までの期間における筒内圧及び筒内温度のピーク値が大幅に上昇する。その結果、気筒内に付着した燃料、および／または気筒内に付着する前の燃料の気化及び酸化が促進されると考えられる。

そこで、ＥＣＵ２０は、筒内付着燃料量が多くなると予想される時に、点火時期を過進角させるようにした。筒内付着燃料量が多くなると予想される場合としては、内燃機関１が冷間始動される場合、内燃機関１が暖機運転状態にある場合、筒内付着燃料量の実測値が許容量を超える場合、或いは筒内付着燃料量の推定値が許容量を超える場合等を例示することができる。

筒内付着燃料量の実測方法としては、光学的に液膜の厚さを計測するセンサを気筒２内に配置して実測する方法や、導電率を計測するセンサを気筒２内に配置し該センサの計測値を筒内付着燃料量に換算する方法を例示することができる。筒内付着燃料量を推定する方法としては、冷却水温度、機関始動時からの積算燃料噴射量、機関始動時からの積算吸入空気量、現時点における燃料噴射量、吸気圧、及び空燃比の少なくとも一つと筒内付着燃料量との相関関係から推定する方法を例示することができる。

筒内付着燃料量が多くなると予想される場合に、点火プラグ１４の点火時期が過進角されると、筒内付着燃料を減少させることができるとともに気筒２内から排出される未燃燃
料を減少させることも可能となる。

ところで、上記したような点火時期の過進角が行われると、気筒２内の燃料と吸気とが十分に混合する前に点火プラグ１４が作動することになるため、混合気の着火性が低下したり、或いは混合気の燃焼安定性が低下したりすることが予想される。

図４は、点火時期と混合気の着火安定性との関係を示す図である。図４に示すように、混合気の着火安定性は、点火時期がＭＢＴに設定された時に最高となり、点火時期がＭＢＴより前に進角された時は進角量が多くなるほど低下する。

そこで、本実施例の付着燃料低減制御では、点火時期が過進角される時に、吸気弁１０の開弁開始時期を吸気上死点以降に遅角させる遅角処理を行うようにした。

吸気弁１０の開弁開始時期が吸気上死点以降まで遅角されると、吸気行程の途中まで吸気弁１０が開弁しないことになる。このため、吸気弁１０の開弁時には、気筒２内の圧力が負圧となる。その結果、吸気弁１０の開弁後に気筒２内へ流入する吸気の運動エネルギが大きくなる。吸気の運動エネルギが大きくなると、気筒２内で生起されるタンブル流やスワール流の運動エネルギが大きくなる（言い換えれば、タンブル流やスワール流の強さが増強される）。

このように点火時期が過進角される時に気筒２内の気流が強化されると、燃料と吸気の混合速度が高くなる。燃料と吸気の混合速度が高まると、点火プラグ１４の作動時までに燃料と吸気とが十分に混合する。その結果、混合気の着火安定性の低下や燃焼安定性の低下が抑制される。

また、気筒２内の気流が強化されると、火炎伝播速度及び燃焼速度も高まるため、混合気が急速に燃焼するようになる。この場合、筒内圧及び筒内温度のピークが一層高くなる。その結果、気筒内に付着した燃料および／または気筒内に付着する前の燃料の気化及び酸化が一層促進される。

図５は、気筒２内から排出される未燃燃料成分の量と点火時期との関係を示す図である。図５中の破線は吸気弁１０の開弁開始時期（ＩＶＯ）が通常の開弁開始時期に設定された場合（遅角処理非実行時）に気筒２内から排出された未燃燃料成分量（ＨＣ排出量）を計測した結果を示している。図５中の実線は吸気弁１０の開弁開始時期（ＩＶＯ）が吸気上死点以降に遅角された場合（遅角処理実行時）のＨＣ排出量を計測した結果を示している。尚、図５に示す２つの計測結果は、吸気弁１０の開弁開始時期以外の運転条件が相互に同一となる時に計測した結果である。

図５の計測結果によれば、点火時期がＭＢＴより進角される領域においては、遅角処理実行時のＨＣ排出量が遅角処理非実行時のＨＣ排出量より少なくなっている。これは、遅角処理の実行により着火性の低下や燃焼安定性の低下が抑制されるとともに筒内圧及び筒内温度のピークが高められることに因ると考えられる。

従って、本実施例の付着燃料低減制御によれば、気筒２内から排出される未燃燃料成分を大幅に低減することが可能となる。

以下、本実施例における付着燃料低減制御の実行手順について図６に沿って説明する。図６は、付着燃料低減制御が実行されている時の吸気弁１０の開弁時期を制御するためのルーチンを示すフローチャートである。このルーチンは、予めＥＣＵ２０のＲＯＭに記憶されたルーチンであり、ＥＣＵ２０によって周期的に実行される。また、ＥＣＵ２０が図
６のルーチンを実行することにより、本発明にかかる気流促進手段が実現される。

図６のルーチンにおいて、ＥＣＵ２０は、先ずＳ１０１において点火時期の過進角実行フラグの値が“１”であるか否かを判別する。過進角実行フラグは、筒内付着燃料量が多くなると予想される時（すなわち、点火時期の過進角が実行される時）に“１”がセットされ、筒内付着燃料量が多くならないと予想される時（すなわち、点火時期の過進角が実行されない時）に“０”がリセットされる。

前記Ｓ１０１において否定判定された場合は、ＥＣＵ２０は、本ルーチンの実行を終了する。この場合は、吸気弁１０の開弁開始時期（ＩＶＯ）が通常の開弁開始時期に設定される。

一方、前記Ｓ１０１において肯定判定された場合は、ＥＣＵ２０は、Ｓ１０２へ進む。Ｓ１０２では、ＥＣＵ２０は、別途のバルブタイミング制御ルーチンにより算出された吸気弁１０の目標開弁開始時期ＩＶＯｔｒｇを読み込む。

次いで、ＥＣＵ２０は、Ｓ１０３へ進み、吸気弁１０の開弁開始時期の遅角補正量△ｖｔを演算する。遅角補正量△ｖｔは、予め設定された固定値であってもよいが、点火時期の進角量（例えば、ＭＢＴを基準にした進角量）に応じて増減される可変値であってもよい。その際、点火時期の進角量が多くなるほど混合気の着火安定性や燃焼安定性が低くなるため、点火時期の進角量が多くなるほど遅角補正量△ｖｔが多くされるようにしてもよい。このように遅角補正量△ｖｔが決定されると、点火時期の進角量が多くなるほど気筒２内に生起される気流が増強されるため、点火時期の進角量が比較的多くなった場合であっても混合気の着火安定性や燃焼安定性が低下し難くなる。

ＥＣＵ２０は、上記した方法により遅角補正量△ｖｔを算出すると、Ｓ１０４へ進む。Ｓ１０４では、ＥＣＵ２０は、前記Ｓ１０２で読み込まれた目標開弁開始時期ＩＶＯｔｒｇに前記Ｓ１０３で算出された遅角補正量△ｖｔを加算し、その加算結果（＝ＩＶＯｔｒｇ＋△ｖｔ）を吸気弁１０の目標開弁開始時期ＩＶＯｔｒｇに設定する。そして、ＥＣＵ２０は、前記Ｓ１０４で設定された目標開弁開始時期ＩＶＯｔｒｇに従って可変動弁機構１２０を動作させる。

このようにＥＣＵ２０が図６のルーチンを実行すると、点火時期が過進角されている時は気筒２内で生起される気流が増強されるため、点火時期の過進角による着火性の低下や燃焼安定性の低下が抑制されるとともに、筒内圧及び筒内温度のピークが可及的に高められるようになる。その結果、気筒２内から排出される未燃燃料成分を可及的に減少させることができる。

＜実施例２＞
次に、本発明にかかる内燃機関の制御システムの第２の実施例について図７に基づいて説明する。ここでは、前述した第１の実施例と異なる構成について説明し、同様の構成については説明を省略する。

本実施例では、点火時期の過進角が行われる時に、吸気弁１０の開弁開始時期を変更せずに気筒２内に生起される気流を増強する例について述べる。

図７は、本実施例における内燃機関の制御システムの概略構成を示す図である。図７において、燃料噴射弁５より下流の吸気ポート３には、気流制御弁３１が配置されている。気流制御弁３１は吸気ポート３の底面に設けられた支点を中心に回動可能な弁であり、図７においては気流制御弁３１を閉じた状態が示されている。

図７に示すように気流制御弁３１が閉じられると、気流が吸気ポート３内の上部に偏るため、気筒２内にタンブル流が生起される。タンブル流の強さ（言い換えれば、タンブル比）は、気流制御弁３１の開度が小さくなるほど大きくなる。

上記したような気流制御弁３１を備えた内燃機関においては、ＥＣＵ２０は、点火時期を過進角させる時に、吸気弁１０の開弁開始時期を遅角させる代わりに気流制御弁３１の開度を減少させるようにしてもよい。

点火時期が過進角される時に気流制御弁３１の開度が小さくされると、気筒２内に生起されるタンブル流が増強される。点火時期が過進角される時に気筒２内のタンブル流が増強されると、燃料と吸気の混合速度、混合気の燃焼速度、及び火炎伝播速度が高められる。その結果、前述した第１の実施例と同様の効果を得ることができる。

尚、本実施例では、気筒内に生起される気流としてタンブル流を例に挙げたが、スワール流であってもよいことは勿論である。

実施例１における内燃機関の制御システムの概略構成を示す図である。 気筒内から排出される未燃燃料（ＨＣ）と点火時期との関係を示す図である。 点火時期と気筒内の状態との関係を示す図である。 点火時期と混合気の着火安定性との関係を示す図である。 点火時期と気筒内から排出される未燃燃料成分量（ＨＣ排出量）との関係を示す図である。 実施例１において付着燃料低減制御が実行されている時の吸気弁の開閉時期を制御するためのルーチンを示すフローチャートである。 実施例２における内燃機関の制御システムの概略構成を示す図である。

符号の説明

１・・・・・内燃機関
２・・・・・気筒
３・・・・・吸気ポート
４・・・・・排気ポート
５・・・・・燃料噴射弁
６・・・・・スロットル弁
７・・・・・吸気圧センサ
８・・・・・エアフローメータ
９・・・・・排気浄化装置
１４・・・・点火プラグ
１５・・・・ピストン
１６・・・・コネクティングロッド
１７・・・・クランクシャフト
１８・・・・クランクポジションセンサ
１９・・・・水温センサ
２０・・・・ＥＣＵ
３０・・・・吸気通路
３１・・・・気流制御弁
４０・・・・排気通路
１２０・・・可変動弁機構

Claims (4)

1. 火花点火式内燃機関の点火時期をＭＢＴより前に進角させる過進角手段と、
   前記過進角手段により点火時期がＭＢＴより前に進角されている時に、前記内燃機関の気筒内に生起される気流を増強させる気流促進手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御システム。
2. 請求項１において、前記気流促進手段は、前記過進角手段による点火時期の進角量が多くなるほど、前記気流の強さを増加させることを特徴とする内燃機関の制御システム。
3. 請求項１又は２において、前記気流促進手段は、吸気弁の開弁開始時期を吸気上死点以降に遅角させることにより、前記気筒内に生起される気流を増強させることを特徴とする内燃機関の制御システム。
4. 請求項１又は２において、前記気流促進手段は、吸気弁より上流の吸気通路に配置された気流制御弁の開度を小さくすることにより、前記気筒内に生起される気流を増強させることを特徴とする内燃機関の制御システム。

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