JP5257094B2

JP5257094B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP5257094B2
Application number: JP2009013198A
Authority: JP
Inventors: 剛芦澤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-01-23
Filing date: 2009-01-23
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2029-01-23
Also published as: JP2010169027A

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

ターボチャージャを備えた内燃機関では、排気通路にタービンが設置されているため、排気圧力が高くなり易い。排気圧力が高いと、筒内の排気ガスが排気弁から外へ出にくくなるため、残留ガス量が多くなり易い。残留ガスが多くなると、燃焼速度が遅くなったり筒内温度が高くなったりするので、ノッキングが発生し易くなる。ノッキングが発生すると、ノッキングを回避するために点火遅角が必要となり、トルクが低下し、燃費も悪化する。また、残留ガス量が多くなると、その分、空気量が少なくなり、高出力化が図りにくい。

このような問題を解決するため、１気筒当たり２個の吸気弁および２個の排気弁を備えたエンジンにおいて、各気筒の２個の排気弁のうち、第１排気弁をタービンの上流側に連通させ、第２排気弁をタービンの下流側に連通させる技術が従来より知られている（例えば、特許文献１参照）。このようなエンジンでは、第１排気弁の開き時期を第２排気弁の開き時期より早くし、第２排気弁の閉じ時期を第１排気弁の閉じ時期より遅くする。第２排気弁側の排気通路は、タービンの下流側に連通しているので、排気圧力が低い。両排気弁のうち、第１排気弁が先に開くので、ブローダウン時の高エネルギーの排気ガスは、タービンに供給される。一方、排気行程の後半から終盤にかけては、排気圧力の低い第２排気弁が開く。このため、過給によって吸気圧力が高められた新気が筒内に流入すると、筒内の排気ガスは速やかに掃気されて、第２排気弁から効率良く排出される。その結果、残留ガスを低減することができる。

特開平５−２６３６７１号公報特開２００７−２３８３７号公報特開平８−２００１０７号公報特開平７−７７０７３号公報特開平１０−８９１０６号公報

上記従来の技術では、第１排気弁側の排気通路は、タービンの上流側に連通しているため、圧力が高い。よって、第１排気弁からは排気ガスが出にくいので、筒内において第１排気弁の近傍に排気ガスが残留し易い。その後、第２排気弁と、二つの吸気弁とが開くが、二つの吸気弁から流入した新気は、両方とも、圧力の低い第２排気弁へ向かって流れる。このため、第１排気弁の近傍の排気ガスが淀みとなり、掃気されずに筒内にそのまま残留してしまい易い。このような点において、上記従来の技術には、未だ改良の余地が残されている。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、筒内の残留ガス量を確実に低減することのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、
ターボチャージャと、
前記ターボチャージャのタービンの上流側に連通する排気通路と気筒の間に設けられる第１排気弁と、
前記第１排気弁付近に位置する第１吸気弁と、
前記ターボチャージャのタービンの下流側に連通する排気通路と気筒の間に設けられる第２排気弁と、
前記第２排気弁付近に位置する第２吸気弁と、
前記第１吸気弁及び前記第２吸気弁の開き時期を設定する可変動弁装置と、を備える内燃機関の制御装置において、
吸気圧が排気圧より低い場合に、前記第１吸気弁と前記第２吸気弁の開き時期を同時期にし、吸気圧が排気圧より高い場合に、前記第１吸気弁の開き時期を前記第２吸気弁の開き時期より早くするように可変動弁装置を制御することを特徴とする。

第１の発明によれば、ターボチャージャのタービンの上流側に連通する第１排気弁と、タービンの下流側に連通する第２排気弁とを各気筒に備えた内燃機関において、掃気領域であると判定された場合には、第１排気弁の近くに位置する第１吸気弁の開き時期を、第２排気弁の近くに位置する第２吸気弁の開き時期より早くすることができる。これにより、新気を筒内に流入させる際に、最初は第１吸気弁のみから新気が流入する。このため、第１吸気弁から流入した新気が第２排気弁に向かって流れるときに、筒内全体を隈なく掃気することができる。よって、第１排気弁の近傍に排気ガスが淀むことを確実に防止することができ、筒内の残留ガス量を極めて少なくすることができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を模式的に示す図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは、車両等に搭載される内燃機関１０を備えている。図１には、直列３気筒エンジン、またはＶ型６気筒エンジンの片バンクが示されているが、本発明における内燃機関１０の気筒数および気筒配置はこれに限定されるものではなく、いかなる気筒数および気筒配置であってもよい。

内燃機関１０には、ターボチャージャ１２が備えられている。ターボチャージャ１２は、排気ガスのエネルギーによって作動するタービン１２ａと、タービン１２ａにより駆動されるコンプレッサ１２ｂとを有している。図示を省略するが、コンプレッサ１２ｂは、吸気通路の途中に配置されており、吸入空気を圧縮可能になっている。

内燃機関１０は、１気筒当たり２個の排気弁および２個の吸気弁を備えている。以下では、２個の排気弁をそれぞれ第１排気弁ＥＸ１、第２排気弁ＥＸ２として区別し、２個の吸気弁を第１吸気弁ＩＮ１、第２吸気弁ＩＮ２として区別する。

各気筒の第１排気弁ＥＸ１は、第１排気通路１４に連通している。この第１排気通路１４は、タービン１２ａの上流側（入口側）に接続されている。従って、第１排気弁ＥＸ１から排出された排気ガスは、第１排気通路１４を通って、タービン１２ａの入口に導入される。

これに対し、各気筒の第２排気弁ＥＸ２は、第２排気通路１６に連通している。この第２排気通路１６は、タービン１２ａの下流側（出口側）に接続されている。従って、第２排気弁ＥＸ２から排出された排気ガスは、第２排気通路１６を通って、タービン１２ａの下流側の排気通路に導入される。すなわち、第２排気弁ＥＸ２から排出された排気ガスは、タービン１２ａを通過しない。

タービン１２ａの下流側の排気通路には、排気浄化触媒１８が設置されている。

各気筒において、第１吸気弁ＩＮ１は、第１排気弁ＥＸ１に近い位置（第１排気弁ＥＸ１と対向した位置）に配置されており、第２吸気弁ＩＮ２は、第２排気弁ＥＸ２に近い位置（第２排気弁ＥＸ２と対向した位置）に配置されている。

内燃機関１０は、第１吸気弁ＩＮ１の開弁特性を可変とする第１吸気弁可変動弁機構２０を備えている。本実施形態の第１吸気弁可変動弁機構２０は、第１吸気弁ＩＮ１を駆動するカムシャフトの位相を、第２吸気弁ＩＮ２を駆動するカムシャフトの位相とは独立して変更可能な位相可変機構で構成されている。すなわち、第１吸気弁可変動弁機構２０は、第１吸気弁ＩＮ１のみの開弁位相を第２吸気弁ＩＮ２とは独立に変更可能になっている。

本実施形態のシステムは、更に、吸気圧力（サージタンク内の圧力）を検出する吸気圧力センサ２２と、第２排気通路１６の排気圧力を検出する排気圧力センサ２４と、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０とを備えている。ＥＣＵ５０には、第１吸気弁可変動弁機構２０、吸気圧力センサ２２、排気圧力センサ２４のほか、内燃機関１０を制御するための各種のセンサおよびアクチュエータが電気的に接続されている。

図２は、内燃機関１０において実現される吸排気弁の開弁特性の一例を表すリフト線図であり、図３は、図２と同じ開弁特性を開弁期間の角度で表した図である。図２および図３に示すように、第１排気弁ＥＸ１の開き時期は、第２排気弁ＥＸ２の開き時期よりも早くされている。すなわち、両排気弁のうち、まず第１排気弁ＥＸ１が先に開く。このため、ブローダウン時の高エネルギーの排気ガスは、第１排気弁ＥＸ１のみから排出されるので、すべてタービン１２ａに流入する。よって、排気エネルギーをタービン１２ａによって効率良く回収することができ、ターボチャージャ１２を十分に作動させることができる。

また、図２および図３に示すように、第２排気弁ＥＸ２の閉じ時期は、第１排気弁ＥＸ１の閉じ時期より遅くされている。すなわち、第２排気弁ＥＸ２は、第１排気弁ＥＸ１より遅くまで開いている。また、第１排気弁ＥＸ１の開弁期間と第１吸気弁ＩＮ１および第２吸気弁ＩＮ２の開弁期間との間にはオーバーラップがないが、第２排気弁ＥＸ２の開弁期間と第１吸気弁ＩＮ１および第２吸気弁ＩＮ２の開弁期間との間にはオーバーラップが設けられている。

第１排気通路１４は、タービン１２ａの上流側に接続されているため、排気圧力が高い。これに対し、第２排気通路１６は、タービン１２ａの下流側に接続されているため、排気圧力が低い。第１排気弁ＥＸ１が閉じた後、第２排気弁ＥＸ２のみが開いている状態では、筒内の排気ガスを排気圧力の低い第２排気通路１６へ効率良く排出することができる。

図４は、第１排気弁ＥＸ１側の排気マニホールド内の圧力（すなわち第１排気通路１４の排気圧力）と、第２排気弁ＥＸ２側の排気マニホールド内の圧力（すなわち第２排気通路１６の排気圧力）と、サージタンク圧力（吸気圧力）との関係を示す図である。図４に示すように、タービン１２ａの上流側に接続されている第１排気通路１４の排気圧力は、タービン１２ａの下流側に接続されている第２排気通路１６の排気圧力よりも高い。また、ターボチャージャ１２の過給により、サージタンク圧力が高くなっていくと、サージタンク圧力が第２排気通路１６の排気圧力を逆転する。サージタンク圧力が第２排気通路１６の排気圧力より高い領域では、次のようにして、掃気を行うことができる。すなわち、吸気弁が開き、第２排気通路１６の排気圧力より高圧の新気が筒内に流入すると、この新気は、圧力の低い第２排気弁ＥＸ２へ向かって流れる。この新気の流れにより、筒内の排気ガスを第２排気弁ＥＸ２から外へ効率良く追い出すことができる。このため、筒内の残留ガスを低減することが可能である。

しかしながら、本発明者の研究によれば、図２および図３に示す開弁特性のように第１吸気弁ＩＮ１および第２吸気弁ＩＮ２の開き時期が同じであると、掃気が行われたときに、第１吸気弁ＩＮ１の近傍に排気ガスが淀んで残り易いことが明らかとなった。図５は、この現象を説明するための図であり、第１吸気弁ＩＮ１および第２吸気弁ＩＮ２が同時に開いたときの新気の流れを示す図である。この場合には、図５に示すように、第１吸気弁ＩＮ１から流入した新気と、第２吸気弁ＩＮ２から流入した新気とが、共に、圧力の低い第２排気弁ＥＸ２へ向かって流れる。図５中のハッチング部分が示すように、第１排気弁ＥＸ１側の燃焼室の壁の付近に残った排気ガスは、上述した新気の流れから取り残され、淀みとなってしまう。このため、この淀んだ排気ガスが掃気されずにそのまま筒内に残留してしまう。

そこで、本実施形態では、上述した排気ガスの淀みをなくし、筒内の残留ガスを更に少なくするため、掃気が行われる領域では、第１吸気弁可変動弁機構２０によって第１吸気弁ＩＮ１の開弁位相を進角することにより、第１吸気弁ＩＮ１の開き時期が第２吸気弁ＩＮ２の開き時期より早くなるように制御することとした。図６は、第１吸気弁ＩＮ１の開き時期が第２吸気弁ＩＮ２の開き時期より早くなるように制御した場合のリフト線図であり、図７は、図６と同じ開弁特性を開弁期間の角度で表した図である。

図６および図７に示す開弁特性とした場合には、第１吸気弁ＩＮ１が第２吸気弁ＩＮ２より先に開くので、最初は第１吸気弁ＩＮ１のみが開いた状態となる。図８は、第１吸気弁ＩＮ１が先に開いたときの新気の流れを示す図である。すなわち、図８に示す状態では、第１吸気弁ＩＮ１および第２排気弁ＥＸ２が開いており、第２吸気弁ＩＮ２および第１排気弁ＥＸ１は閉じている。この場合も、第１排気弁ＥＸ１から流入した高圧の新気は、圧力の低い第２排気弁ＥＸ２へ向かって流れる。ただし、この場合、新気はすべて第１吸気弁ＩＮ１から流入するので、第１吸気弁ＩＮ１から筒内に流入する新気の量は図５の場合よりも大量となる。このため、図８に示すように、第１吸気弁ＩＮ１から流入した新気は、第２排気弁ＥＸ２へ向かう際、左右に広がって筒内全体を隈なく掃気する。従って、第１排気弁ＥＸ１の近傍に排気ガスが淀むことを防止することができ、筒内の残留ガスを更に低減することができる。

［実施の形態１における具体的処理］
図９は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図９に示すルーチンによれば、まず、吸気圧力センサ２２で検出されるサージタンク圧力が読み込まれる（ステップ１００）。次いで、排気圧力センサ２４で検出される第２排気通路１６の排気圧力が読み込まれる（ステップ１０２）。

続いて、上記ステップ１００で読み込まれたサージタンク圧力が上記ステップ１０２で読み込まれた第２排気通路１６の排気圧力より高いか否かが判別される（ステップ１０４）。このステップ１０４において、サージタンク圧力が第２排気通路１６の排気圧力より高かった場合には、掃気が行われる領域であると判断できる。この場合には、第１吸気弁可変動弁機構２０によって第１吸気弁ＩＮ１の開弁位相を進角する制御が実行される（ステップ１０６）。これにより、図６および図７に示す開弁特性が実現される。このため、図８に示すような掃気を行うことができ、第１排気弁ＥＸ１の近傍に排気ガスが淀むことを確実に防止することができる。よって、筒内の残留ガス量を極めて少なくすることができる。

一方、ステップ１０４において、サージタンク圧力が第２排気通路１６の排気圧力以下であった場合には、掃気が行われる領域ではないと判断できる。この場合には、第１吸気弁可変動弁機構２０によって第１吸気弁ＩＮ１の開弁位相を進角する制御は実行されない（ステップ１０８）。この場合には、図２および図３に示す通常の開弁特性が実現される。

以上本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。

上述した実施形態では、第１吸気弁可変動弁機構２０は、第１吸気弁ＩＮ１を駆動するカムシャフトの位相を可変とする位相可変機構であるものとして説明したが、本発明における可変動弁装置は、第１吸気弁ＩＮ１の少なくとも開き時期を可変とするものであれば如何なる構成のものでもよく、第１吸気弁ＩＮ１の作用角を可変とするものや、電磁駆動弁、油圧駆動弁などであってもよい。また、本発明では、第１吸気弁ＩＮ１以外に、第２吸気弁ＩＮ２、第１排気弁ＥＸ１、第２排気弁ＥＸ２にも可変動弁装置が設けられていてもよい。

また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１００〜１０４の処理を実行することにより前記第１の発明における「判定手段」が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより前記第１の発明における「可変動弁装置」が、それぞれ実現されている。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。本発明の内燃機関において実現される吸排気弁の開弁特性の一例を表すリフト線図である。図２と同じ開弁特性を開弁期間の角度で表した図である。第１排気通路の排気圧力と、第２排気通路の排気圧力と、サージタンク圧力との関係を示す図である。第１吸気弁および第２吸気弁が同時に開いたときの新気の流れを示す図である。第１吸気弁の開き時期が第２吸気弁の開き時期より早くなるように制御した場合のリフト線図である。図６と同じ開弁特性を開弁期間の角度で表した図である。第１吸気弁が先に開いたときの新気の流れを示す図である。本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。

１０内燃機関
１２ターボチャージャ
１２ａタービン
１２ｂコンプレッサ
１４第１排気通路
１６第２排気通路
１８排気浄化触媒
５０ＥＣＵ
ＥＸ１第１排気弁
ＥＸ２第２排気弁
ＩＮ１第１吸気弁
ＩＮ２第２吸気弁

Claims

ターボチャージャと、
前記ターボチャージャのタービンの上流側に連通する排気通路と気筒の間に設けられる第１排気弁と、
前記第１排気弁付近に位置する第１吸気弁と、
前記ターボチャージャのタービンの下流側に連通する排気通路と気筒の間に設けられる第２排気弁と、
前記第２排気弁付近に位置する第２吸気弁と、
前記第１吸気弁及び前記第２吸気弁の開き時期を設定する可変動弁装置と、を備える内燃機関の制御装置において、
吸気圧が排気圧より低い場合に、前記第１吸気弁と前記第２吸気弁の開き時期を同時期にし、吸気圧が排気圧より高い場合に、前記第１吸気弁の開き時期を前記第２吸気弁の開き時期より早くするように可変動弁装置を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。