JP5494549B2 - 過給機付き内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、過給機付き内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１（特開２０００−２０４９８１号公報）に開示されるように、自然吸気エンジンにおいて、吸気管圧の目標値を下げてエンジンブレーキ力を確保しつつ、オイルの燃焼室への吸い上げ量を概ね許容範囲内に抑制する制御装置が知られている。吸気管圧を下げてエンジンブレーキの減速感を高めることと、吸気管圧の低下によるオイルの吸い上げを抑制することは相反する要求であるところ、特許文献１に係る発明は、自然吸気エンジンにおいて、そのバランスを図ろうとするものである。

特開２０００−２０４９８１号公報 特開平５−０９９００７号公報

しかしながら、自然吸気エンジンと異なり、過給エンジンにおいてはオイルの吸い上がりを抑制することが重要となる。過給エンジンにおいては、吸い上げられたオイルが燃焼室から吸気ポートに入り、吸気ポートに付着したオイルが再び燃焼室に入れば、突発的なプレイグニションの発生要因となるからである。具体的には、長い下り坂などフューエルカットを伴う減速中に大きな負圧が生じ、吸気ポート内にオイルが付着しうる。その後、上り坂など低回転高負荷の運転パターンとなる場合に、突発的なプレイグニッションが生じうる。そのため、過給エンジンにおいては、吸気ポートに付着したオイル起因のプレイグニションを未然に防止する必要がある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、吸気ポートに付着したオイル起因のプレイグニションの発生を防止することのできる過給機付き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、過給機付き内燃機関の制御装置であって、
吸気バルブの閉弁タイミングを変更可能な可変動弁機構と、
吸気下死点近傍における吸気管圧を取得する吸気管圧取得手段と、
フューエルカットを伴う減速中において、前記吸気管圧が設定負圧よりも低い状態が設定サイクル数以上継続した場合に判定条件が成立すると判定する判定手段と、
前記判定条件が成立する場合に、前記可変動弁機構により、少なくとも吸気行程の下死点から圧縮行程の上死点までの間は前記吸気バルブを閉弁させる吸気バルブ閉弁制御手段と、を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記判定条件が成立する場合に、排気行程において排気バルブを開弁させる手段を更に備えることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記設定負圧は、燃焼室に吸い上げられたオイルが吸気ポートまで到達する圧力よりも低い負圧が設定されており、
前記設定サイクル数は、エンジン回転数が低回転であるほど小さく設定されることを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の発明のいずれかにおいて、
前記判定手段は、フューエルカットを伴う減速中において、エンジン回転数が設定値よりも低回転、かつ前記吸気管圧が設定負圧よりも低い状態が設定サイクル数以上継続した場合に判定条件が成立すると判定することを特徴とする。

また、第５の発明は、第２乃至第４の発明のいずれかにおいて、
前記排気バルブのリフト量を変更可能な排気可変動弁機構と、
前記判定条件が成立する場合に、前記排気可変動弁機構により、前記排気バルブのリフト量を変更してエンジンブレーキ力を調整するエンジンブレーキ力調整手段を更に備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、フューエルカットを伴う減速中において、吸気管圧が設定負圧よりも低い状態が設定サイクル数以上継続した場合に、吸気下死点で吸気バルブを閉弁させることができる。このため、本発明によれば、オイルが吸気ポートまで吸い上がることを防止することができ、吸気ポートに付着したオイル起因のプレイグニションの発生を防止することができる。

第２の発明によれば、第１の発明による制御に加え、排気行程において排気バルブを開弁させることができる。このため、本発明によれば、燃焼室に吸い上がったオイルを排気ポートに排出させることができる。

第３及び第４の発明によれば、オイルが吸気ポートに付着する判定条件を運転パラメータに応じて精度高く設定することができる。

第５の発明によれば、排気行程において排気バルブを開弁させてオイルの排出を図ると共に、排気バルブのリフト量を変更してエンジンブレーキ力の強弱を制御することができる。このため、本発明によれば、吸い上げられたオイルの排出とエンジンブレーキ性能とを両立させることが可能となる。

本発明の実施の形態１に係るシステム構成を説明するための図である。 過給機を備えたシステムにおいて、突発的なプレイグニションが発生するケースについて説明するための図である。 フューエルカット中の吸気管圧（大気圧基準）のクランク角毎の変化を表した図である。 本発明の実施の形態１においてＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態１における吸気バルブの制御条件の一例を定めた図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係るシステム構成を説明するための図である。図１に示すシステムは、４ストローク機関である内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は複数の気筒１２を有している。気筒１２には、その内部を往復運動するピストン１４が設けられている。ピストン１４の往復運動は、クランク軸の回転運動に変換される。クランク軸の近傍には、クランク軸の回転角（クランク角）を検出するためのクランク角センサ１６が設けられている。

内燃機関１０は、シリンダヘッド１８を備えている。シリンダヘッド１８の下面と気筒１２の内壁とピストン１４の冠面との間には、燃焼室２０が形成されている。燃焼室２０には、吸気通路２２および排気通路２４が接続されている。シリンダヘッド１８には、燃焼室２０内に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁２６が設けられている。シリンダヘッド１８には、燃焼室２０上面に点火プラグ２８が設けられている。

吸気通路２２には、エアクリーナ３０が設けられている。エアクリーナ３０の下流には、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ３２が設けられている。エアフローメータ３２の下流には、過給を行うための過給機３４が設けられている。過給機３４は、電動又は前述のクランク軸の回転を利用することにより駆動して過給を行う。なお、過給機３４は、排気ガスのエネルギーによって回転するタービンと、このタービンに駆動されて回転するコンプレッサとを有するターボチャージャであって、このコンプレッサにより過給を行うものであってもよい。

過給機３４の下流には、インタークーラ３６が設けられている。インタークーラ３６の下流には、電子制御式のスロットルバルブ３８が設けられている。スロットルバルブ３８の近傍には、スロットル開度を検出するためのスロットル開度センサ４０が設けられている。スロットルバルブ３８の下流には、スロットルバルブ３８下流の吸気通路２２内の圧力（以下、吸気管圧という。）を検出するための吸気圧センサ４１が設けられている。吸気圧センサ４１の下流には、燃焼室２０に接続する吸気ポート４２がシリンダヘッド１８内に形成されている。吸気ポート４２の下流端には、吸気ポート４２と燃焼室２０との間を開閉する吸気バルブ４４が設けられている。吸気バルブ４４には、その開閉タイミングを変更可能な可変動弁機構４５が取り付けられている。

また、排気通路２４の上流端には、燃焼室２０と排気ポート４６との間を開閉する排気バルブ４８が設けられている。排気ポート４６は、排気通路２４の一部でありシリンダヘッド１８内に形成されている。

本実施形態のシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０の入力部には、前述のクランク角センサ１６、エアフローメータ３２、スロットル開度センサ４０、吸気圧センサ４１等の各種センサが接続されている。また、ＥＣＵ５０の出力部には、前述の燃料噴射弁２６、点火プラグ２８、スロットルバルブ３８、可変動弁機構４５等の各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ５０は、各種センサからの入力情報に基づいて所定のプログラムを実行し、各種アクチュエータを作動させることにより、内燃機関１０の運転状態を制御する。例えば、ＥＣＵ５０は、減速時（スロットルＯＦＦ）で、エンジン回転数が規定値以上の場合、燃料噴射弁２６への駆動信号を遮断し、燃料噴射を停止させる減速時フューエルカットを実行する。

［実施の形態１における特徴的制御］
図２は、過給機３４を備えたシステムにおいて、突発的なプレイグニションが発生するケースについて説明するための図である。図２の運転領域Ａは、減速時フューエルカットが実行される低負荷低回転領域である。この領域では、過給がなされずスロットル開度も小さいため、吸気管圧が負圧となる。大きな負圧が生じれば、気筒１２の内壁とピストン１４との摺接面から燃焼室２０にオイルが吸い上げられる。通常運転中であれば、燃焼室内に吸い上げられたオイルはすぐに消費されるが、長い下り坂など減速時フューエルカット中に大きな負圧が所定期間継続する場合には、燃焼室２０に吸い上げられたオイルが、燃焼室２０から吸気ポート４２に入り、吸気ポート４２に付着することとなる。

その後、長い下り坂から上り坂に変化するような場合には、運転領域は、図２に示す運転領域Ａから運転領域Ｂに変化する。吸気ポート４２にオイルが付着した状態で、運転領域Ｂに変化すれば、吸気ポート４２から剥がれたオイルが再び燃焼室２０内に入ることとなる。過給機３４を備える本実施形態のシステムでは、高負荷低回転の運転領域Ｂ（プレイグ発生域）において、吸気ポート４２から剥がれたオイルが再び燃焼室２０内に入れば、突発的なプレイグニションの発生要因となる。過給エンジンにおいては、吸気ポート４２に付着したオイル起因のプレイグニションの発生を防止する必要がある。

次に、吸気ポート４２に付着したオイル起因のプレイグニションの発生を防止する本実施形態の特徴的制御について説明する。図３は、フューエルカット中の吸気管圧（大気圧基準）のクランク角毎の変化を表した図である。図３に示すように、吸気行程の下死点近傍において大きな負圧が生じオイルが吸い上がり易くなる。ここで、通常吸気バルブ４４の閉じ時期は、吸気下死点から所定角度遅らせた時期に設定されている（図３）ところ、閉じ時期を吸気下死点まで進角させることで、燃焼室２０に吸い上がったオイルが吸気ポート４２まで吸い上がることを防止することができる。また、排気行程で通常通り排気バルブ４８を開弁させることで、燃焼室２０に吸い上がったオイルをサイクル毎に排気ポート４６に排出させることができる。

そこで、本実施形態のシステムでは、減速時フューエルカット中に、吸気管圧が設定負圧よりも低い状態が設定サイクル以上継続した場合に、少なくとも吸気下死点から圧縮上死点までの間は、吸気バルブ４４を閉弁させることとした。なお、機構の制限がなければ他のクランク角区間においても吸気バルブ４４を閉弁させることとしてもよい。

図４は、上述の動作を実現するために、ＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。本ルーチンはサイクル毎に実行される。図４に示すルーチンでは、まず、ステップＳ１００において、減速時フューエルカット中であるか否かが判定される。減速時フューエルカット中でない場合には、本ルーチンの処理が終了される。一方、減速フューエルカット中である場合には、次に、吸気下死点近傍の吸気管圧とエンジン回転数とが取得される（ステップＳ１１０）。吸気管圧は吸気圧センサ４１の出力値から、エンジン回転数はクランク角から算出される。

次に、吸気管圧が設定負圧よりも低いか否かが判定される（ステップＳ１２０）。設定負圧Ｐａ（図５）とは、燃焼室に吸い上げられたオイルが吸気ポート４２までオイルが吸い上がる負圧であり、エンジンのサイズや構造によって実験やシミュレーションにより定められた値である。ステップＳ１２０の判定条件が成立しない場合には、カウンタＣがリセットされて本ルーチンの処理が終了される（ステップＳ１３０）。

ステップＳ１２０の判定条件が成立する場合には、カウンタＣがインクリメントされる（ステップＳ１４０）。続いて、カウンタＣが設定サイクル数以上であるか否かが判定される（ステップＳ１５０）。設定サイクル数は、予め運転条件に応じたマップに記憶されている。例えば、オイルは低回転であるほど吸い上がり易いため、設定サイクル数は低回転であるほど小さく設定される。カウンタＣが設定サイクル数に達していない場合には、次ルーチン以降において再び判定される。

一方、カウンタＣが設定サイクル数に達している場合には、吸気バルブ４４の閉じ時期が吸気下死点に設定される（ステップＳ１６０）。具体的には、可変動弁機構４５により吸気バルブ４４の閉じ時期が進角され、吸気下死点が吸気バルブ４４の閉じ時期に設定される。そのため、少なくとも吸気下死点から圧縮上死点までの間は、吸気バルブ４４が閉弁された状態となる。

以上説明したように、図４に示すルーチンによれば、減速フューエルカット中に、吸気管圧が負圧の状態が継続する場合には、吸気下死点から圧縮上死点までの間、吸気バルブ４４を閉弁させることができる。そのため、負圧により燃焼室２０に吸い上げられたオイルが吸気ポート４２まで吸い上がることを防止することができる。また、排気バルブ４８については通常通り排気行程において開かれ、燃焼室２０に吸い上げられたオイルを排出させることができる。このため、本実施形態のシステムによれば、吸気ポート４２へのオイル付着を防止し、吸気ポート４２に付着したオイル起因のプレイグニションの発生を抑制することができる。

ところで、上述した実施の形態１のシステムにおいては、ステップＳ１２０において、吸気管圧に基づく判定条件を設定しているが、この判定条件はこれに限定されるものではない。例えば、エンジン回転数を加えて、吸気管圧とエンジン回転数とに基づく判定条件を設定することしても良い。この場合、低回転域ほどオイルが吸い上がり易いため、低回転かつ低負荷であることを判定条件とする（図５）。その他、エンジン回転数とスロットル開度とに基づく判定条件を設定することとしても良い。スロットル開度が小さいほど吸気管圧が低くなるため、低回転かつスロットル開度が小さい領域であることを判定条件とする。

また、上述した実施の形態１のシステムにおいては、吸気管圧を、吸気圧センサ４１の出力値から取得することとしているが、吸気管圧の取得方法はこれに限定されるものではない。例えば、吸気圧センサ４１に代えて筒内圧センサを備え、その出力値から取得することとしてもよい。

また、上述した実施の形態１のシステムにおいて、排気バルブ４８のリフト量を変更可能な可変動弁装置６２を更に備え、図４に示す制御と併せて、排気バルブ４８のリフト量を変更してエンジンブレーキ力を制御する処理を加えることとしても良い。図２に示す運転領域Ａは、長い下り坂などエンジンブレーキを使用する領域であるため、エンジンブレーキ力の強弱を排気バルブ４８のリフト量（リフト量が小さいほどエンジンブレーキ力が大きい）で制御する処理を加えることにより、吸い上げられたオイルの排出とエンジンブレーキ性能とを両立させることが可能となる。

本発明が適用されるエンジンは、上述の実施の形態のような筒内直噴エンジンには限定されない。ポート噴射式のエンジンにも本発明の適用は可能である。

尚、上述した実施の形態１においては、可変動弁機構４５が前記第１の発明における「可変動弁機構」に、吸気圧センサ４１が前記第１の発明における「吸気管圧取得手段」に、可変動弁機構６２が前記第５の発明における「排気可変動弁機構」に、それぞれ相当している。また、ここでは、ＥＣＵ５０が、上記ステップＳ１００〜ステップＳ１５０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Ｓ１６０の処理を実行することにより前記第１の発明における「吸気バルブ閉弁制御手段」が、それぞれ実現されている。

１０ 内燃機関
１２ 気筒
１４ ピストン
１６ クランク角センサ
２０ 燃焼室
２６ 燃料噴射弁
２８ 点火プラグ
３２ エアフローメータ
３４ 過給機
３８ スロットルバルブ
４０ スロットル開度センサ
４１ 吸気圧センサ
４２ 吸気ポート
４４ 吸気バルブ
４５ 可変動弁機構
４６ 排気ポート
４８ 排気バルブ
６２ 可変動弁機構
Ｐａ 設定負圧

Claims (5)

1. 吸気バルブの閉弁タイミングを変更可能な可変動弁機構と、
   吸気下死点近傍における吸気管圧を取得する吸気管圧取得手段と、
   フューエルカットを伴う減速中において、前記吸気管圧が設定負圧よりも低い状態が設定サイクル数以上継続した場合に判定条件が成立すると判定する判定手段と、
   前記判定条件が成立する場合に、前記可変動弁機構により、少なくとも吸気行程の下死点から圧縮行程の上死点までの間は前記吸気バルブを閉弁させる吸気バルブ閉弁制御手段と、
   を備えることを特徴とする過給機付き内燃機関の制御装置。
2. 前記判定条件が成立する場合に、排気行程において排気バルブを開弁させる手段、
   を更に備えることを特徴とする請求項１記載の過給機付き内燃機関の制御装置。
3. 前記設定負圧は、燃焼室に吸い上げられたオイルが吸気ポートまで到達する圧力よりも低い負圧が設定されており、
   前記設定サイクル数は、エンジン回転数が低回転であるほど小さく設定されること、
   を特徴とする請求項１又は２記載の過給機付き内燃機関の制御装置。
4. 前記判定手段は、フューエルカットを伴う減速中において、エンジン回転数が設定値よりも低回転、かつ前記吸気管圧が設定負圧よりも低い状態が設定サイクル数以上継続した場合に判定条件が成立すると判定すること、
   を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の過給機付き内燃機関の制御装置。
5. 前記排気バルブのリフト量を変更可能な排気可変動弁機構と、
   前記判定条件が成立する場合に、前記排気可変動弁機構により、前記排気バルブのリフト量を変更してエンジンブレーキ力を調整するエンジンブレーキ力調整手段と、
   を更に備えることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項記載の過給機付き内燃機関の制御装置。

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