JP5195498B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関する。

従来の内燃機関の制御装置として、エンジン冷間時に、筒内空燃比をリーンにし、かつ、点火時期をリタードさせた状態で燃焼を実施し、後燃えを促進してハイドロカーボン（以下「ＨＣ」という）の排出量を低減させるものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−４５８４３号公報

しかしながら、筒内空燃比をリーンにすれば、燃焼安定性が悪化して火炎伝播が不十分となり、排気通路へ排出される未燃燃料が増加してしまう。そのため、ＨＣの排出量低減効果が小さくなってしまうという問題点があった。

本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであり、燃焼を悪化させることなく後燃えを促進し、ＨＣの排出量を低減させることを目的とする。

本発明は、以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

本発明は、複数の気筒群を有する内燃機関の制御装置であって、吸気弁と排気弁のバルブオーバーラップ量の調節が可能なバルブオーバーラップ量可変装置と、複数の気筒群ごとにそれぞれ独立して設けられると共に、一端が気筒群の各気筒に連結され、他端が自由端となる排気通路と、排気通路の自由端よりも上流に設けられて複数の排気通路同士を連結する連通路と、連通路を開閉する開閉弁と、冷間始動後のファーストアイドル中であるか否かを判定する暖機判定手段と、ファーストアイドル中は、暖機完了後のアイドル中よりもバルブオーバーラップ量を拡大するバルブオーバーラップ量制御手段と、ファーストアイドル中は、暖機完了後のアイドル中よりも点火時期をリタードさせる点火時期制御手段と、ファーストアイドル中は、筒内空燃比が略ストイキとなるように、排気弁閉時期よりも後に燃料を噴射する燃料噴射制御手段と、ファーストアイドル中に開閉弁を閉じる開閉弁制御手段と、を備え、開閉弁を閉じたときに、排気通路へと吹き抜ける空気量が最大となるように、排気通路の自由端までの長さを設定した、ことを特徴とする。

本発明によれば、エンジン冷間時にバルブオーバーラップ量を拡大し、排気弁閉時期より後に燃料を噴射することにしたので、排気通路へ吹き抜ける新気の量を増大させることができる。よって、排気通路の酸素濃度を高めることができる。そして、排気通路の酸素濃度を高めた上で、筒内空燃比を略ストイキにしてリタード燃焼を実施するので、排気通路での後燃えを促進してＨＣの排出量を低減させることができる。

本実施形態によるエンジン制御装置の概略構成図である。 本実施形態によるエンジンの詳細図である。 可変動弁装置の斜視図である。 触媒温度と第２所定温度との温度差に基づいて燃料増量値を算出するテーブルである。 可変動弁装置の作用について説明する図である。 本実施形態による後燃え促進制御について説明するフローチャートである。 後燃え促進制御の動作について説明するタイムチャートである。 ノンスロットル運転及びスロットル運転の場合における充填効率と新気吹き抜け量との関係を示した図である。

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態によるエンジン制御装置の概略構成図である。

エンジン制御装置は、エンジン１と、第１排気通路２と、第２排気通路３と、連通路４と、開閉弁５と、触媒コンバータ６と、マフラ７と、コントローラ８と、を備える。

エンジン１は、それぞれ３つの気筒からなる左右のバンクを備えるＶ型６気筒エンジン１である。エンジン１の詳細については、図２を参照して説明する。

第１排気通路２は、エンジン１の右バンクの気筒群から排出される排気が流れる通路である。

第２排気通路３は、エンジン１の左バンクの気筒群から排出される排気が流れる通路である。

連通路４は、第１排気通路２と第２排気通路３を連通する。

開閉弁５は、連通路４の内部に設けられる。開閉弁５が開かれると、第１排気通路２と第２排気通路３とが連通する。開閉弁５が閉じられると、第１排気通路２と第２排気通路３とがそれぞれ独立した排気通路となる。

触媒コンバータ６は、第１排気通路２及び第２排気通路３にそれぞれ設けられ、排気中の有害成分を浄化する。

マフラ７は、連通路４よりも下流の第１排気通路２及び第２排気通路３にそれぞれ設けられ、排気の騒音を低下させる。

コントローラ８は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ８には、エンジン１の運転状態等を検出するための種々のセンサからの信号が入力され、運転状態に応じてエンジン１及び開閉弁５を制御する。

図２は、エンジン１の詳細図である。以下では、説明を容易にするために、左右バンクで同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。そして、右バンクと左バンクとを区別する場合には、必要に応じて、右バンクの一部であることを示す符号Ｒと、左バンクの一部であることを示す符号Ｌとを参照符号に付け加える。

エンジン１は、右バンクのシリンダヘッド１０Ｒと左バンクのシリンダヘッド１０Ｌとを備える。左右のシリンダヘッド１０Ｒ，１０Ｌには、気筒ごとにＶバンクの内側に沿って一対の吸気弁１１が、Ｖバンクの外側に沿って一対の排気弁１２が設けられる。また、燃焼室に臨むように、点火栓１４と燃料噴射弁１５とが設けられる。

吸気弁１１の上方には、可変動弁装置１００が設けられる。可変動弁装置１００の詳細については、図３を参照して後述する。

排気弁１２の上方には、排気弁１２を開閉駆動するカムシャフト１３が設けられる。

図３は、吸気弁の可変動弁装置１００の斜視図である。

可変動弁装置１００は、吸気弁１１のリフト・作動角を変化させるリフト・作動角可変機構１１０と、吸気弁１１の中心角（吸気弁１１が最大リフトを迎えるクランク角度位置）の位相を進角又は遅角させる位相可変機構１４０と、を備える。なお、図３では１つの気筒に対応する一対の吸気弁１１ａ，１１ｂとその関連部品のみを簡略的に図示している。

まず、リフト・作動角可変機構１１０の構成について説明する。

吸気弁１１の上方には、気筒列方向に延びる駆動軸１１１が設けられる。駆動軸１１１は、一端部に設けられたスプロケット１４２などを介して、図示しないベルトやチェーンでクランクシャフトと連係され、クランクシャフトに連動して軸周りに回転する。

駆動軸１１１には、気筒ごとに、一対の揺動カム１１２ａ，１１２ｂが駆動軸１１１に対して回転自在に取り付けられる。その作用については後で詳述するが、この揺動カム１１２が駆動軸１１１を中心として所定の回転範囲で揺動（上下動）することによって、その下方に位置するバルブリフタ１１３が押圧され、吸気弁１１が下方にリフトする。なお、一対の揺動カム１１２ａ，１１２ｂは、互いに円筒等で同位相に固定される。

駆動軸１１１には、円筒状の駆動カム１１４が一体形成される。駆動カム１１４は、揺動カム１１２から軸方向に所定の距離だけ離れた位置に固定される。そして、駆動カム１１４の外周面には、リンクアーム１１５の基端が、回転自在に嵌合する。

駆動軸１１１の斜め上方には、制御軸１１６が、駆動軸１１１と平行に気筒列方向へ延びて、回転自在に支持される。

制御軸１１６の一端部には、制御軸１１６を所定回転角度範囲内で回転させるリフト量制御アクチュエータ１３０が設けられる。リフト量制御アクチュエータ１３０は、エンジン１の運転状態を検出するコントローラ８からの制御信号に基づいて制御される。

制御軸１１６には、制御カム１１７が一体形成される。制御カム１１７の外周面には、ロッカーアーム１１８が回転自在に嵌合する。ロッカーアーム１１８は、制御カム１１７の軸心を支点として揺動する。

なお、ロッカーアーム１１８は、制御カム１１７に支持される中央の基端部１１８ａを中心に、軸方向と垂直に左右方向に伸びた形状をしている。

ロッカーアーム１１８の一端部と、リンクアーム１１５の突出端１１５ｂとは、ロッカーアーム１１８が上方に位置するように、両者を挿通する連結ピン１１９によって連結される。

ロッカーアーム１１８の他端部と、リンク部材１２０の一端部とは、両者を挿通する連結ピン１２１によって連結される。

リンク部材１２０の他端部と、揺動カム１１２とは、両者を挿通する連結ピン１２２によって、ロッカーアーム１１８の下方に揺動カム１１２が位置するように連結される。

続いてリフト・作動角可変機構１１０の作用について説明する。

駆動軸１１１がクランクシャフトに連動して回転すると、駆動カム１１４及びその外周に回転自在に嵌合しているリンクアーム１１５を介してロッカーアーム１１８が制御カム１１７の中心点を中心として揺動（上下動）する。ロッカーアーム１１８の揺動は、リンク部材１２０を介して揺動カム１１２へ伝達され、揺動カム１１２が所定角度範囲を揺動する。この揺動カム１１２が揺動、すなわち上下動することによって、バルブリフタ１１３が押圧され、吸気弁１１が下方にリフトする。

ここで、リフト量制御アクチュエータ１３０を介して制御軸１１６が回転すると、ロッカーアーム１１８の揺動支点となる制御カム１１７の中心点も回転変位して、エンジン１本体に対してロッカーアーム１１８の支持位置が変化し、ひいては揺動カム１１２の初期揺動位置が変化する。したがって、揺動カム１１２とバルブリフトとの初期接触位置も変化する。これにより、クランクシャフト一回転あたりの揺動カム１１２の揺動角は常に一定なので、最大リフト量が変化する。

次に、位相可変機構１４０の構成及び作用について説明する。

位相可変機構１４０は、位相角制御アクチュエータ１４１を備える。

位相角制御アクチュエータ１４１は、スプロケット１４２と駆動軸１１１とを所定の角度範囲内において相対的に回転させる。位相角制御アクチュエータ１４１への油圧制御によって、スプロケット１４２と駆動軸１１１とが相対的に回転し、リフト中心角が進角又は遅角する。

図４は、可変動弁装置１００の作用について説明する図である。

前述した通り、制御カム１１７の初期位置は連続的に変化させ得るので、これに伴って、吸気弁１１のバルブリフト特性は連続的に変化する。つまり、図４の実線に示したように、可変動弁装置１００は、リフト・作動角可変機構１１０によって、吸気弁１１のリフト量及び作動角を、両者同時に連続的に拡大、縮小させることができる。各部のレイアウトによるが、例えば、吸気弁１１のリフト量及び作動角の大小変化に伴い、吸気弁１１の開時期と閉時期とがほぼ対称に変化する。

さらに、図４の破線に示したように、可変動弁装置１００は、位相可変機構１４０によって、リフト中心角を進角又は遅角させることができる。

このように、リフト・作動角可変機構１１０と位相可変機構１４０とを組み合わせることによって、可変動弁装置１００は、任意のクランク角度位置で吸気弁１１を開閉できる。

また、リフト量を連続的に変更し得るので、本実施形態では、基本的にスロットル開度は全開のままとし、リフト・作動角可変機構１１０によって吸気弁１１のリフト量を連続的に変更することで、吸入空気量を調節している。

ところで、エンジン冷間時は燃焼が不安定になりやすいため、未燃燃料であるＨＣの排出量が多くなる。そのため、従来からエンジン冷間時に点火時期をリタードさせることで、燃焼行程で燃焼しきれなかった未燃燃料を排気通路に存在する酸素と反応させて排気通路で燃焼させる、いわゆる後燃えを実施する技術が知られている。これにより、ＨＣの排出量を低減できるとともに、排気通路で生じた高温の排気を触媒コンバータ６に導入することができるので、エンジン１を始動してから触媒が活性するまでの時間を短くできる。

ここで、後燃えを促進させるには、排気通路内の酸素濃度を高くすることが有効である。

しかしながら、排気通路内の酸素濃度を高くするために、例えば排気通路に２次空気を導入するシステムを採用すれば少なくともエアポンプの追加が必要となる。そのため、コスト及び重量が悪化するともに、エアポンプを駆動しなければならない分エンジン負荷が増大して燃費が悪化する。また、例えば筒内空燃比をリーンにすれば、燃焼安定性が悪化して火炎伝播が不十分となり、排気通路へ排出される未燃燃料が増加してしまう。そのため、後燃えによるＨＣ低減効果が小さくなる。

そこで本実施形態では、エンジン冷間時に排気弁１２の開期間と吸気弁１１の開期間とが重なる期間（以下「バルブオーバーラップ期間」という）を設定するとともに、排気通路の長さを調節してバルブオーバーラップによる新気吹き抜け効果を増大させる。そして、排気弁閉時期よりも後に燃料を噴射するとともに、点火時期をリタードさせてストイキ燃焼させる。これにより、燃焼安定性を悪化させることなく後燃えを促進させる。

以下では、まず排気通路の長さを調節することでバルブオーバーラップによる新気吹き抜け効果が増大する理由について説明し、その後、本実施形態による後燃え促進制御について説明する。

排気弁１２の開閉に伴って発生する排気の圧力波は、自由端で反射させると負圧波となって再び排気弁近傍まで戻ってくる。この負圧波がバルブオーバーラップ期間中に戻ってくれば、燃焼室内のガスが排気通路へと強制的に吸い出されるので、新気を効果的に吹き抜けさせることができる。

ここで、新気の吹き抜け量は、エンジン仕様やエンジン回転速度、オーバーラップ量などによっても変化するが、自由端までの排気通路の長さによって大きく変化する。

図５は、ファーストアイドル時に、オーバーラップ量を所定のオーバーラップ量に設定したときの、自由端までの排気通路長さと新気吹き抜け量との関係を示す図である。

図５に示すように、新気吹き抜け量は、所定の排気通路長さのときに最も多くなり、その長さから短くしても、また長くしても新気吹き抜け量は減少する。なお、排気通路の長さを所定の排気通路長さより短くしたときの方が、長くしたときよりも新気吹き抜け量は減少する。

本実施形態の場合、開閉弁５を閉じているときは、マフラ７が自由端となって圧力波が反射する。一方で、開閉弁５を開いたときは、第１排気通路２及び第２排気通路３の断面積が連通路４部分で急激に拡大されるため、この連通路４が自由端となって圧力波が反射する。

つまり、排気弁１２から自由端までの通路長さは、開閉弁５を閉じているときに長くなり、開いているときに短くなる。したがって、開閉弁５を閉じているときのマフラ７までの通路長さを、新気吹き抜け量が最も多くなる長さに設定することで、新気を効果的に排気通路に吹き抜けさせて後燃えの促進を図ることができる。

一方で、開閉弁５を開くことで、バルブオーバーラップ中に排気通路に強制的に吸い出される燃焼室内のガス量を少なくすることができる。

図６は、本実施形態による後燃え促進制御について説明するフローチャートである。コントローラ８は、本ルーチンをエンジン１の運転中に所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）で実行する。

ステップＳ１において、コントローラ８は、ファーストアイドル中か否かを判定する。具体的には、エンジン水温が所定水温よりも低く、かつ停止中であればファーストアイドル中であると判定する。コントローラ８は、ファーストアイドル中であれば、ステップＳ２に処理を移行し、そうでなければステップＳ５に処理を移行する。

なお、ファーストアイドル（fast idle）とは、エンジン冷間始動後の暖機や回転保持のために、通常よりも高いアイドル回転速度で運転することをいう。

ステップＳ２において、コントローラ８は、吸気弁１１の可変動装置を制御して、オーバーラップ期間を所定の新気吹き抜け用オーバーラップ期間に設定する。

ステップＳ３において、コントローラ８は、開閉弁５を閉じる。

ステップＳ４において、コントローラ８は、燃料噴射開始時期を排気弁閉時期よりも後に設定するとともに、点火時期を通常のアイドル時よりも遅角させる。

ステップＳ５において、コントローラ８は、運転状態に応じて開閉弁５を開閉する。具体的には、高出力が求められる高負荷状態のときであってバルブオーバーラップが設定される運転状態では開閉弁５を閉じる。これにより、燃焼室内の残留ガスの掃気や慣性効果による吸入空気量の増大を図れる。一方で残留ガスを利用した内部還流を実施する運転状態のときは開閉弁５を開く。これにより、容易に残留ガスを吸気通路側に戻すことができる。

図７は、後燃え促進制御の動作について説明するタイムチャートである。なお、フローチャートとの対応を明確にするため、フローチャートのステップ番号を併記して説明する。

時刻ｔ１でエンジン１が始動され、時刻ｔ２でファーストアイドルが始まると（図７（Ａ）；Ｓ１でＹｅｓ）、コントローラ８は、連通路４の開閉弁５を閉じるとともに（図７（Ｂ）；Ｓ３）、バルブオーバーラップ量を始動用バルブオーバーラップ量から新気吹き抜け用バルブオーバーラップ量に拡大する（図７（Ｃ）；Ｓ２。そして、排気弁閉時期より後に燃料を噴射して、点火時期を遅角させて燃焼させる（Ｓ４）。

これにより、バルブオーバーラップ期間中に効果的に新気を吹き抜けさせることができるので、排気通路内の酸素濃度を高めることができる。したがって、リタード燃焼を実施することで排気通路内での後燃えを促進できる。

さらに本実施形態では、吸気通路に設けられたスロットル弁を全開状態とし、可変動弁装置１００によってリフト・作動角を拡大縮小することで吸入空気量を調節するいわゆるノンスロットル運転を実施している。これにより、スロットル弁を開閉して吸入空気量を調節する通常のスロットル運転と比較して、新気吹き抜け量を増大させることができる。

スロットル運転の場合は充填効率が高くなるほど（高負荷運転になるほど）スロットル弁が開かれているものの、全開にされるまではコレクタ内圧力は負圧となる。しかしながら、ノンスロットル運転の場合は充填効率にかかわらず、スロットル弁は全開なので、コレクタ圧力は大気圧となる。そのため、スロットル運転の場合は吸気側に燃焼ガス吸い戻そうとする力が働くので、ノンスロットル運転の方がスロットル運転よりも新気吹き抜け量が多くなる。

図８は、ノンスロットル運転及びスロットル運転の場合における充填効率と新気吹き抜け量との関係を示した図である。図８において、実線がノンスロットル運転を示し、破線がスロットル運転を示す。

図８に示すように、ノンスロットル運転の方がスロットル運転よりも新気吹き抜け量が多くなる。なお、充填効率が高い領域で新気吹き抜け量の違いが顕著になるのは、充填効率が高い領域の方が排気弁１２の開閉に伴って発生する排気の圧力波の振幅が大きくなり、負圧波によるガスの吸い出し効果が大きくなるためである。

以上説明した本実施形態によれば、ファーストアイドル中にオーバーラップ量を新気吹き抜け用オーバーラップ量まで拡大するとともに、排気弁閉時期よりも後に燃料を噴射し、リタード燃焼させる。

これにより、バルブオーバーラップ期間中に新気を吹き抜けさせることができるので、排気通路内の酸素濃度を高めることができる。したがって、リタード燃焼を実施することで排気通路内での後燃えを促進でき、ＨＣを低減することができる。また、残留ガスが同時に掃気されるため、燃焼を安定させることができる。したがって、よりリタードした点火時期での運転も可能となり、その場合には、排温上昇速度をより向上させることができる。

また、第１排気通路２と第２排気通路３とを連通する連通路４に開閉弁５を設け、排気通路の長さを調節できるようにした。そして、開閉弁５を閉じたときに、新気吹き抜け量が最大となるように、排気通路の自由端までの長さを調節した。

これにより、開閉弁５を閉じることでバルブオーバーラップによる新気吹き抜け効果を増大させることができ、排気通路内の酸素濃度を高めて後燃えをより一層促進させることができる。また、開閉弁５を開くことで、新気吹き抜け量を抑制することができるので、内部還流実施時に、排気を効率よく吸気通路に戻すことができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

例えば、上記実施形態ではＶ型エンジンで説明をしたが、直列エンジンや水平対向エンジンであってもよい。

１ エンジン（内燃機関）
２ 第１排気通路（排気通路）
３ 第２排気通路（排気通路）
４ 連通路
５ 開閉弁
１１ 吸気弁
１２ 排気弁
１１０ リフト・作動角可変機構
１４０ 位相可変機構
Ｓ１ 暖機判定手段
Ｓ２ バルブオーバーラップ量制御手段
Ｓ３ 開閉弁制御手段
Ｓ４ 点火時期制御手段、燃料噴射制御手段
Ｓ５ 開閉弁制御手段

Claims (5)

1. 複数の気筒群を有する内燃機関の制御装置であって、
   吸気弁と排気弁のバルブオーバーラップ量の調節が可能なバルブオーバーラップ量可変装置と、
   前記複数の気筒群ごとにそれぞれ独立して設けられると共に、一端が気筒群の各気筒に連結され、他端が自由端となる排気通路と、
   前記排気通路の自由端よりも上流に設けられて前記複数の排気通路同士を連結する連通路と、
   前記連通路を開閉する開閉弁と、
   冷間始動後のファーストアイドル中であるか否かを判定する暖機判定手段と、
   ファーストアイドル中は、暖機完了後のアイドル中よりもバルブオーバーラップ量を拡大するバルブオーバーラップ量制御手段と、
   ファーストアイドル中は、暖機完了後のアイドル中よりも点火時期をリタードさせる点火時期制御手段と、
   ファーストアイドル中は、筒内空燃比が略ストイキとなるように、排気弁閉時期よりも後に燃料を噴射する燃料噴射制御手段と、
   ファーストアイドル中に前記開閉弁を閉じる開閉弁制御手段と、
   を備え、
   前記開閉弁を閉じたときに、前記排気通路へと吹き抜ける空気量が最大となるように、前記排気通路の自由端までの長さを設定した、
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 複数の気筒群を有する内燃機関の制御装置であって、
   吸気弁と排気弁のバルブオーバーラップ量の調節が可能なバルブオーバーラップ量可変装置と、
   前記複数の気筒群ごとにそれぞれ独立して設けられると共に、一端が気筒群の各気筒に連結され、他端が自由端となる排気通路と、
   前記排気通路の自由端よりも上流に設けられて前記複数の排気通路同士を連結する連通路と、
   前記連通路を開閉する開閉弁と、
   前記内燃機関が高負荷状態のときであって、バルブオーバーラップが設定される運転状態のときに前記開閉弁を閉じる開閉弁制御手段と、
   を備え、
   前記開閉弁を閉じたときに、前記排気通路へと吹き抜ける空気量が最大となるように、前記排気通路の自由端までの長さを設定した、
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
3. 複数の気筒群を有する内燃機関の制御装置であって、
   吸気弁と排気弁のバルブオーバーラップ量の調節が可能なバルブオーバーラップ量可変装置と、
   前記複数の気筒群ごとにそれぞれ独立して設けられると共に、一端が気筒群の各気筒に連結され、他端が自由端となる排気通路と、
   前記排気通路の自由端よりも上流に設けられて前記複数の排気通路同士を連結する連通路と、
   前記連通路を開閉する開閉弁と、
   内部還流実施時に前記開閉弁を開く開閉弁制御手段と、
   を備え、
   前記開閉弁を閉じたときに、前記排気通路へと吹き抜ける空気量が最大となるように、前記排気通路の自由端までの長さを設定した、
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
4. 前記バルブオーバーラップ量可変装置は、前記吸気弁の位相を変更可能な位相可変機構を備える
   ことを特徴とする請求項１から３までのいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記バルブオーバーラップ量可変装置は、前記吸気弁のリフト・作動角を変更可能なリフト作動角可変機構を備え、吸入空気量を前記吸気弁のリフト・作動角を変更して調節する
   ことを特徴とする請求項１から４までのいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。

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