JP5549136B2 - 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し、特に、機関始動時における排気性能の向上を図るための制御装置に関する。

機関始動時、特に筒内が冷えた冷間始動時には、筒内壁面への燃料付着量が多くなり、結果として未燃ＨＣ排出量が多くなる。この未燃ＨＣ排出量を低減するためには、燃料の酸化反応を促進させることが重要である。

そこで、始動時の１サイクル目が終了するまでは排気弁閉タイミングを遅角させておくことで、筒内での酸化時間を確保して未燃ＨＣを低下させ、２サイクル目以降では排気弁閉タイミングを吸気上死点よりも進角させることで、吸気上死点直前に排出される未燃ＨＣを多く含んだ燃焼ガスを燃焼室内に封じ込める制御が特許文献１に開示されている。そして更に、特許文献１では排気管が酸化可能温度になるまでは、吸気弁開タイミングを遅角させる制御も開示されている。

特開２００７−１１３４６９号公報

ところで、未燃ＨＣ排出量を低減するためには、燃料の酸化反応を促進させることが重要である。特許文献１の技術では、始動時の１サイクル後に、吸気上死点直前に排出される未燃ＨＣを多く含んだ燃焼ガスを燃焼室内に封じ込めるために排気弁閉タイミングを吸気上死点よりも進角させている。この場合、排気弁開タイミングも進角することになり、吸気上死点直前に排出される未燃ＨＣを多く含んだ燃焼ガスを燃焼室内に封じ込めることができたとしても、そもそもの燃焼ガスに含まれる未燃ＨＣを十分に低減できず却ってエミッションが悪化する可能性がある。出力性能向上のために排気弁の作動角を大きく設定した内燃機関にあっては、特に、顕著である。一方、燃焼ガスの筒内での酸化時間を優先させるために、特許文献１の制御装置では２サイクル目以降進角させてたところを排気弁開タイミングを１サイクル目同様に遅らせたタイミングに設定し続けることも挙げられる。しかしながら、出力性能向上のために排気弁の作動角を大きく設定した内燃機関にあっては、特に、内部ＥＧＲの増大に伴って燃焼安定性が低下し、失火に至らしめるおそれがある。

そこで、本発明では機関始動時における燃焼安定性を確保しつつ、筒内酸化時間を確保する制御装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の制御装置は、排気弁のバルブタイミングを可変に制御可能な可変動弁機構と、可変動弁機構を運転状態に応じて制御するバルブタイミング制御手段と、を備える。そして、バルブタイミング制御手段は、機関始動時に初爆のタイミングでは排気弁開タイミングを燃焼ガスの閉じ込めによる未燃ＨＣの筒内酸化を優先すべく暖機後の通常運転よりも遅角し、その後は燃焼開始後の残留ガス率を初爆からの爆発回数に基づいて推定し、推定する毎に、当該残留ガス率における遅角側の燃焼安定限界の排気バルブ開タイミングとなるように、前記排気弁開タイミングを初爆のタイミングにおける排気弁開タイミングから進角する始動時制御を実行する。

本発明によれば、始動時は残留ガスがない状態から燃焼が開始されることに着目し、初爆のタイミングでは、燃焼ガスの筒内での酸化時間を優先させる排気弁開タイミングにすることができる。しかしながら、燃焼が行われることによって残留ガスが増加するので、初爆後は上記のように排気弁開タイミングを遅角にすると燃焼が不安定となってしまうのだが、このとき燃焼が開始されたことによる残留ガスの増加に応じて排気弁閉タイミングを進角するので、未燃ＨＣの筒内酸化の効果を大きく損なうこと無く燃焼安定性を確保した内燃機関の始動時制御を提供できる。

本実施形態を適用するシステムの構成図である。 ３パターンのＥＶＯについて、ＨＣ排出量と、筒内圧と、筒内温度と、熱発生量の積算量の時間変化を示した図であり、（Ａ）はＥＶＯが下死点、（Ｂ）はＥＶＯが下死点前約３０°［ＣＡ］、（Ｃ）はＥＶＯは下死点前約９０°［ＣＡ］である。 コントローラが実行する、機関始動時のＨＣ排出量低減のための制御ルーチンを説明するためのフローチャートである。 機関始動からの爆発回数と残留ガス率との関係を示すテーブルである。 冷機始動時に本実施形態の制御を実行した場合のタイムチャートである。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態を適用するエンジンの概略構成図である。

エンジン１００は、シリンダブロック１０と、シリンダブロック１０の上側に配置されるシリンダヘッド２０とを備える。シリンダブロック１０には、ピストン１１を収装するシリンダ１２が形成される。そして、ピストン１１の冠面と、シリンダ１２の壁面と、シリンダヘッド２０の下面とによって燃焼室１３を形成する。この燃焼室１３で混合気が燃焼すると、ピストン１１は燃焼による燃焼圧力を受けてシリンダ１２を往復動する。

また、シリンダヘッド２０には、燃焼室１３に混合気を流す吸気通路３０と、燃焼室１３からの排気を流す排気通路４０とが形成される。

吸気通路３０には、吸気弁３１が設けられる。吸気弁３１は、吸気側カムシャフト３２に一体形成されるカム３３によって駆動され、ピストン１１の上下動に応じて吸気通路３０を開閉する。また、吸気通路３０にはスロットルバルブ３５が設けられる。スロットルバルブ３５は、コントローラ５５からの信号に基づいて開閉し、吸気通路３０の流路断面積を調整する。

排気通路４０には、排気弁４１が設けられる。排気弁４１は、排気側カムシャフト４２に一体形成されるカム４３によって駆動され、ピストン１１の上下動に応じて排気通路４０を開閉する。この排気弁４１の開閉タイミング（バルブタイミング）は、可変動弁機構４４により進角または遅角することが可能であり、進角量または遅角量は、後述するコントローラ５５により運転状態に応じて決定される。

可変動弁機構４４は、電磁力により駆動されて作動角一定のまま位相を変化させる、いわゆる電磁式のものを用いる。電磁式であれば、機関始動後ただちに位相を変化させることができるからである。

なお、排気通路４０には、排気を外部に流す図示しない排気通路が接続しており、この排気通路に設置されたＥＧＲ装置が排気通路を流れる排気の一部を吸気系に再循環させる。

上記した吸気通路３０と排気通路４０との間であって、シリンダヘッド２０の燃焼室中心部には、燃焼室１３に臨むように燃料噴射弁３４及び点火プラグ５１が設置されている。

点火プラグ５１は、点火制御装置５０によって、コントローラ５５からの信号に基づいて点火タイミング等を制御される。

コントローラ５５はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びＩ／Ｏインタフェースを有する。このコントローラ５５には、機関回転速度、吸入空気量、スロットル開度など、エンジン運転状態を検出する各種センサの出力が入力される。機関回転速度はクランク角センサ７１により検出する。吸入空気量は図示しないエアフローメータにより検出する。スロットル開度はスロットルポジションセンサ７２により検出する。

コントローラ５５は、これら各種センサの出力に基づいて、燃料噴射量、燃料噴射タイミング、点火タイミング、排気弁のバルブタイミング、その他の内燃機関１の運転に関する諸制御を行う。例えば、燃料噴射量は、原則としてエアフローメータで検出した吸入空気量に対して理論空燃比となるように決定する。また、検出したスロットル開度の変化量を算出することで、運転者の加速要求や道路状況の変化、例えば平坦路から登坂路への変化等といった運転状態の変化を迅速に察知し、点火タイミングやバルブタイミングを運転状態に応じて変化させるよう制御する。

次に、排気弁開タイミング（ＥＶＯ：Ｅｘｈａｕｓｔ Ｖａｌｖｅ Ｏｐｅｎ）の遅角による、未燃ＨＣの筒内酸化について説明する。なお、ここでいう筒内酸化とは、火花点火による燃焼が終了した後に、未燃ＨＣが筒内に残存している酸素により酸化されることをいう。

図２は、３パターンのＥＶＯについて、炭化水素（ＨＣ）排出量と、筒内圧と、筒内温度と、熱発生量の積算量の時間変化を示したものである。図２（Ａ）はＥＶＯが下死点、図２（Ｂ）はＥＶＯが下死点前３３°［ＣＡ］、図２（Ｃ）はＥＶＯは下死点前８５°［ＣＡ］である。つまり、ＥＶＯの遅い順に、図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）となる。一方、排気弁閉タイミング（ＥＶＣ：Ｅｘｈａｕｓｔ Ｖａｌｖｅ Ｃｌｏｓｅ）は、いずれのパターンも上死点近傍であり、吸気弁３１と排気弁４１がいずれも開状態となるバルブオーバーラップ期間はない。なお、いずれのパターンも、点火タイミングは同じものとする。

ＨＣ排出量の変化の特徴は、排気弁４１の開弁直後のＨＣ排出量のピーク（１ｓｔピークという）と、排気弁４１の閉弁直後の第２のピーク（２ｎｄピークという）を有することにある。１ｓｔピークは、排気弁４１の開弁時に排気弁４１近傍のＨＣが排出されることで生じ、２ｎｄピークは、ピストン１１が上昇することによって、ピストン１１周りのＨＣが排出されることで生じる。なお、図２（Ａ）〜（Ｃ）では、１ｓｔピークはＥＶＯの後で、２ｎｄピークはＥＶＣの後となっているが、これはＥＶＯ直後及びＥＶＣ直前に排出されたガスが測定位置に到達するまでの時間だけ遅れているためである。

筒内圧は、ピストン１１の上昇に伴って上昇し、火花点火されて燃焼が始まるとさらに上昇する。その後、燃焼圧は上昇するが、ピストン１１が下降して燃焼室が増大するため、筒内圧は下降に転じる。

熱発生量は、燃焼開始とともに増大し、これに伴って筒内温度も上昇する。そして、排気弁４１が開くと、筒内の高温のガスが排気通路４０へ流出するため、筒内温度は低下し、また、熱の発生も終了する。

この特性は、図２（Ａ）〜（Ｃ）のいずれのパターンでも同じである。しかし、各パターンでＥＶＯが異なるので、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、ＥＶＯが遅いほど熱発生が終了するまでの時間が長くなる。つまり、ＥＶＯが遅いほど、筒内温度が高い状態に保持される時間が長くなる。

筒内温度が高い状態に保持される時間が長ければ、筒内で未燃ＨＣが酸化する時間が長くなるので、ＨＣ排出量は低減される。このため、ＥＶＯが遅いほど、１ｓｔピーク及び２ｎｄピークが小さくなっている。

なお、バルブオーバーラップ期間を設けると、ＥＶＣの前に吸気弁３１が開弁し、これにより排気通路４０にある排ガスが筒内に吸い戻される。このため、高温の排気によって筒内が温度上昇し、筒内壁面への燃料付着が低減するので、２ｎｄピークをさらに低減できる。

以上説明した排気バルブタイミングの遅角、つまりＥＶＯ遅角によるＨＣ低減効果は、冷機始動時の初爆から機関回転速度上昇時（各気筒にとって最初の燃焼を経験する期間、１サイクル）に特に有効である。エンジン１００を始動する際には、排気通路４０や筒内に残留ガスがないので、バルブオーバーラップ期間が存在しても残留ガスによる燃焼安定性の低下が生じず、大幅なＥＶＯ遅角が可能ある。しかしながら、エンジン１００が燃焼を繰り返していくことで残留ガスが増加するので、ＥＶＯ遅角量の大きさによっては燃焼安定性を確保できなくなるおそれがある。

そこで、本実施形態では、次のような制御を実行する。

図３は、コントローラ５５が実行する、機関始動時のＨＣ排出量低減のための制御ルーチンを説明するためのフローチャートである。本制御ルーチンは、始動時は残留ガスがない状態から燃焼が開始されることに着目し、エンジン始動の際の初爆のタイミングでは燃焼ガス閉じ込めのためにＥＶＯ遅角量を大きく設定し、初爆を行った気筒の次に燃焼行程を迎える気筒の燃焼からは、残留ガス率に応じて初爆時のＥＶＯから徐々に進角させるものである。

ステップＳ１００では、機関始動指令の有無を判定する。例えば、イグニッションスイッチがＯＮになったか否かで判定することができる。

機関始動指令がない場合はそのまま処理を終了し、機関始動指令がある場合はステップＳ１１０に進む。

ステップＳ１１０では、冷機始動か否かを判定する。例えば、冷却水温に閾値を設け、閾値以下の場合には冷機始動であると判定する。冷機始動でないと判定した場合は、そのまま処理を終了し、冷機始動であると判定した場合は、ステップＳ１２０に進む。

ステップＳ１２０では、予め設定してある冷機始動用のバルブタイミングとなるように、可変動弁機構４４を駆動する。ここでは、通常運転時よりも遅角させ、例えばＥＶＯが下死点近傍になるよう遅角させる。なお、冷機始動用の排気バルブタイミングは、冷却水温に応じて変化するものではなく、冷却水温が閾値以下の場合にはすべて同じ値とする。なお、冷却水温に応じて、水温が低いほどＥＶＯの遅角量を大きく設定しても良い。

ステップＳ１３０では、冷機始動用の排気バルブタイミングに変換できたか否かを判定し、変換できている場合はステップＳ１４０へ進み、変換できていない場合は変換できるまで待つ。なお、電磁式の可変動弁機構４４の場合には、本ステップは必ずしも必要ではない。冷機始動であると判定してから冷機始動時用のバルブタイミングに変換するまでに要する時間が短いので、通常の始動時制御で燃料噴射及び点火を開始するタイミングまでには、変換が終了するからである。

ステップＳ１４０では、燃料噴射及び点火を開始する。

ステップＳ１５０では、燃焼安定性を確保できる排気バルブタイミングの遅角側限界値（燃焼安定限界の排気バルブタイミング）を求める。まず、初爆からの爆発回数をカウントし、爆発回数に応じた残留ガス率を算出する。ここでは、図４に示すような、機関始動からの爆発回数と残留ガス率との関係を示すテーブルを予め作成してコントローラ５５に格納しておき、検出した爆発回数でこれを検索する。図４は、縦軸が残留ガス率（％）、横軸が各気筒の爆発回数であり、爆発開始とともに残留ガス率が増大し、４回目以降は飽和してほぼ一定値となっている。

なお、ここでいう「初爆」とは全気筒中の最初の爆発である。「爆発回数」は、初爆を1回として、いずれかの気筒で爆発が起きる毎にカウントする。例えば、点火順序が＃１気筒−＃３気筒−＃４気筒−＃２気筒である４気筒内燃機関において、初爆が＃１気筒であった場合には、初爆の後の＃３気筒の爆発が２回目、その後の＃４気筒の爆発が３回目となり、以下同様に点火順序に従って爆発が行われる度に爆発回数が増加していく。この爆発回数は、点火制御装置５０が点火信号を発信した回数を読み込むことで検知できる。

そして、残留ガス率と燃焼安定限界の排気バルブタイミングとの関係を予め適合等により求めておき、ここで求めた残留ガス率に基づいて燃焼安定限界の排気バルブタイミングを求める。なお、可変動弁機構４４は作動角一定のまま位相を変化させるものなので、排気バルブタイミングについては、ＥＶＯまたはＥＶＣの一方を用いれば演算できる。

ステップＳ１６０では、ステップＳ１５０で求めたＥＶＣを目標値としてバルブタイミングを変換する。

ステップＳ１７０では、実際のＥＶＣが目標とするバルブタイミングになるまで待ってからステップＳ１８０に進む。

ステップＳ１８０では、エンジン１００の運転状態が安定状態になったか否かを判定する。安定状態とは、機関回転速度の上昇が終了してアイドル回転速度に維持されている状態をいう。例えば、機関回転速度の変化率を算出し、これに基づいて判定することができる。判定の結果、安定状態となっていれば処理を終了する。安定状態でなければ、つまり機関回転速度が上昇中ならば、ステップＳ１５０へ戻って上記制御を繰り返す。

なお、上記制御では、残留ガス率を算出し、残留ガス率の増加に応じて排気バルブタイミングを制御しているが、結果的に残留ガスの増加に応じた排気バルブタイミングに制御できるのであれば、これに限られるわけではない。例えば、爆発回数から燃焼安定限界のＥＶＣを直接算出するようにしてもよい。

図５は、冷機始動時に上記制御を実行した場合のタイムチャートである。上から順に、機関回転速度、残留ガス、吸気バルブタイミング、排気バルブタイミング、バルブオーバーラップ量について示している。なお、吸気側は可変動弁機構を備えないので、吸気バルブタイミングは固定である。

ｔ０で機関始動すると、クランキングが開始される。そして、冷機始動なので排気バルブタイミングが遅角開始し、これに伴いバルブオーバーラップ量が増大する。この間は、始動時に排気通路４０には残留ガスがなく、燃料噴射及び点火を行っていないため、残留ガス率はゼロである。

排気バルブタイミングが目標値に到達し、これを検知したら点火を開始する。これによりｔ１で初爆が得られ、完爆状態となるまで機関回転速度が上昇し続ける。ｔ１以降も、残留ガス率はゼロの状態がｔ２まで続く。これは、各気筒で燃焼が開始されても、爆発回数が少ないうちは、他の気筒の排気が排気通路４０のブランチを介して還流してくることがないからである。

ｔ２で残留ガス率が上昇してきたら、排気バルブタイミングを初期値に戻す。つまり進角させる。これによりバルブオーバーラップ量は減少する。そして、ｔ３で機関回転速度が一定となったら、処理を終了する。

つまり、冷機始動時において、残留ガス率がゼロの間は排気バルブタイミングを遅角させ、残留ガス率の増大にともなって徐々に排気バルブタイミングを進角側に戻すものである。残留ガス率がゼロの状態での排気バルブタイミングは、例えばＥＶＯが下死点近傍となるように設定する。

これにより、残留ガス率が少ないために燃焼安定性が高い状態では、ＥＶＯが下死点近傍まで遅角し、残留ガス率が増大してきても、燃焼安定性を確保できる範囲でＥＶＯが遅角する。このように未燃ＨＣの筒内酸化時間を稼ぐことができるので、未燃ＨＣの排出量を低減することができる。

なお、本実施形態の可変動弁機構４４は、作動角一定のまま位相を変化させるものであるが、これに限られるわけではない。例えば、位相及びリフト量を可変制御し得るものであっても適用できる。この場合、燃焼安定限界の排気バルブタイミングについては、ＥＶＯ及びＥＶＣを別々に設定する必要がある。

また、可変動弁機構４４は電力により駆動されるが、油圧により駆動するものであってもよい。ただし、油圧式の場合には、機関始動から油圧が上昇するまでに時間を要するので、本実施形態の冷機始動時用のバルブタイミングを初期設定とする等の対策が必要となる。さらに、本実施形態では、排気側にのみ可変動弁機構４４を設けたが、吸気側にも設けるようにしてもよい。

以上により本実施形態では、次のような効果が得られる。

（１）機関始動時に初爆のタイミングではＥＶＯを下死点近傍とし、その後は残留ガス率の増加に応じてＥＶＣを上死点近傍かつ遅角側で制御するので、筒内酸化時間を稼いで未燃ＨＣ排出量を低減しつつ、内部ＥＧＲが過剰に多くなることを防止できる。

（２）残留ガスの増加に応じてＥＶＣを進角させる場合に、燃焼安定性を確保できる範囲で進角させるので、未燃ＨＣ排出量の低減と燃焼安定性を両立することができる。

（３）ＥＶＯを遅角するとバルブオーバーラップ期間が増大するので、吸気弁３１が開いたときの筒内への排気の再吸い込みにより、筒内温度を上昇させて筒内壁面への燃料付着量を低減できる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１０ シリンダブロック
１１ ピストン
１２ シリンダ
１３ 燃焼室
２０ シリンダヘッド
３０ 吸気通路
３１ 吸気弁
３２ 吸気側カムシャフト
３３ カム
３５ スロットルバルブ
４０ 排気通路
４１ 排気弁
４２ 排気側カムシャフト
４３ カム
５０ 点火制御装置
５１ 点火プラグ
５２ 点火コイル
５３ バッテリ
５４ パワートランジスタ
５５ コントローラ
５６ 接地電極
５７ 中心電極
５８ 負極
５９ ダイオード
６０ アノード
６１ １次コイル
６２ ２次コイル
６３ コレクタ
６４ カソード
６５ 正極
６６ エミッタ
６７ ベース
７１ クランク角センサ
７２ スロットルポジションセンサ
１００ エンジン

Claims (3)

1. 排気弁のバルブタイミングを可変に制御可能な可変動弁機構と、
   前記可変動弁機構を運転状態に応じて制御するバルブタイミング制御手段とを備えた内燃機関の制御装置において、
   前記バルブタイミング制御手段は、機関始動時に初爆のタイミングでは前記排気弁開タイミングを燃焼ガスの閉じ込めによる未燃ＨＣの筒内酸化を優先すべく暖機後の通常運転よりも遅角し、
   その後は燃焼開始後の残留ガス率を初爆からの爆発回数に基づいて推定し、推定する毎に、当該残留ガス率における遅角側の燃焼安定限界の排気バルブ開タイミングとなるように、前記排気弁開タイミングを初爆のタイミングにおける排気弁開タイミングから進角する始動時制御を実行することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記可変動弁機構は、前記排気弁開タイミングを遅角すると前記排気弁閉タイミングも遅角してバルブオーバーラップ期間が増大するように作動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。
3. 冷機始動か否かを判定する冷機始動判定手段を備え、
   冷機始動であると判定した場合に、前記バルブタイミング制御手段が前記始動時制御を実行することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。

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