JP5850155B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ過給機を備えた筒内直接噴射式の内燃機関に関し、特に、バルブオーバーラップ期間に吸気通路側から排気通路側へ吹き抜ける掃気を利用する技術に関する。

ターボ過給機を備えた筒内直接噴射式の内燃機関では、バルブオーバーラップ期間中に吸気通路から排気通路へ吹き抜ける掃気の効果を利用して、排気タービンの回転速度を高め、シリンダ内への充填効率を高める技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

但し、このような掃気を利用した内燃機関では、シリンダ内に充填される筒内新気量の推定・計量精度が低下するおそれがある。つまり、筒内新気量は、一般的には吸気通路の吸気コレクタよりも上流側に設けられたエアフロメータにより検出される吸入新気量に基づいて求められるが、この吸入新気量には、シリンダ内に充填されることなく吹き抜ける掃気量も含まれているために、求められた筒内新気量は実際の筒内新気量に対して掃気量の分だけ多くなる。従って、このように多く見積もられた筒内新気量に基づいて燃料噴射量を設定すると、空燃比はリッチ方向にずれることになり、空燃比制御等の制御精度が低下してしまう。

そこで、特許文献１には、空燃比センサの出力等を利用して掃気量を推定し、エアフロメータにより検出された吸入新気量から掃気量を減じて筒内にトラップされる空気量を求める技術が記載されている。

特開２００８−１７５２０１号公報

しかしながら、上述したように吸入新気量から掃気量を減じて筒内新気量を求める場合、掃気量の推定精度が低いと、筒内新気量の推定精度が直接的に低下することから、掃気量を正確に推定することが要求される。しかしながら、掃気量は、バルブオーバーラップ期間の他に、吸気圧力、吸気温度、排気圧力、及び吸気脈動等の様々な要因により変動するために、精度良く推定することが非常に困難であり、むしろ、掃気量を求めるための適合が煩雑で膨大なものとなるために、演算負荷やメモリ使用量が増大するという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明に係る内燃機関は、筒内に燃料を直接的に噴射する燃料噴射弁と、排気通路に設けられた排気タービンにより吸気通路に設けられた吸気コンプレッサを駆動して吸気を過給するターボ過給機と、吸気弁と排気弁の双方が開弁するバルブオーバーラップ期間を調整可能な可変動弁機構等のバルブオーバーラップ期間可変手段と、を備えている。

そして、シリンダ内の空気密度を検出もしくは推定するとともに、上記バルブオーバーラップ期間に基づいて、シリンダ実効容積を検出もしくは推定し、これらシリンダ内の空気密度とシリンダ実効容積とに基づいて、シリンダ内にトラップされる筒内新気量を求め、この筒内新気量に基づいて、シリンダ内に供給する燃料噴射量を設定する。空気密度は、例えば、吸気コレクタ内に設けられる過給圧検出用の圧力センサ及び吸気温度検出用の吸気温センサの検出値を用いて求めることができる。

本発明によれば、シリンダ内の空気密度とシリンダ実効容積とに基づいて筒内新気量を求めることで、例えばエアフロメータにより検出される吸入新気量に基づいて筒内新気量を求める場合に比して、掃気の影響による筒内新気量の精度低下を抑制することができ、ひいては、燃料噴射量を精度良く求めることができる。

本発明に係る内燃機関の制御装置の一例を示すシステム構成図。 バルブオーバーラップ量に対する第１筒内新気量と第２筒内新気量の関係を示す説明図。 本発明の一実施例に係る制御の流れを示すフローチャート。 掃気領域を示す説明図。 リッチ限界に相当する増量時目標シリンダ内空燃比の演算処理の一例を示す機能ブロック図。 本実施例に係る吸入新気量の切換等を示すタイミングチャート。

以下、図示実施例により本発明を説明する。なお、この明細書においては、シリンダ１Ａへ供給される吸入ガスに対し、排気ガスであるＥＧＲガス等を含まないものを「新気」もしくは「吸入新気」と呼び、ＥＧＲガス等を含むものを「吸入空気」もしくは単に「空気」と呼ぶ。

図１は本発明に係る内燃機関のシステム構成の一例を示している。内燃機関１は、筒内直接噴射式の直列４気筒ガソリン内燃機関である。４つの気筒の各シリンダ１Ａには、吸気通路２を介して吸入空気が供給され、燃焼後の排気ガスが排気通路３を介して排出される。吸気通路２の吸気コレクタ２Ａよりも下流側には、各シリンダ１Ａの吸気ポートへ接続する複数の吸気ブランチを備えた枝管形状の吸気マニホールド４が設けられ、同じく排気通路３には、各シリンダ１Ａの排気ポートに接続する複数の排気ブランチを備えた枝管形状の排気マニホールド８が設けられている。

吸気コレクタ２Ａよりも上流側の吸気通路２には、上流側より順に、吸入空気内の粉塵等の異物を捕集するエアクリーナ７と、吸気通路２内を通過する吸入新気量を計量するエアフローメータ６と、ターボ過給機１０の吸気コンプレッサ１１と、内燃機関１のシリンダ１Ａ内へ流入する吸入空気量を調整するための電子制御式のスロットルバルブ５と、吸入空気を冷却するインタークーラ１３と、が設けられている。

ターボ過給機１０は、排気エネルギーを利用して吸入空気を過給するものであり、吸気コンプレッサ１１と排気タービン１２とがシャフトを介して同軸上に接続されており、排気タービン１２が内燃機関１の排気エネルギーにより回転すると、吸気コンプレッサ１１が回転駆動されて、吸入空気を下流側に圧送する。

リサキュレーション通路１４は、吸気通路２における吸気コンプレッサ１１の上流部分と下流部分とを接続する通路であり、途中に設けたリサキュレーションバルブ１５により開閉される。このリサキュレーションバルブ１５は、一般に知られているものと同様に、過給圧と吸気マニホールド４内の圧力（以下、吸気管圧という）との差圧が所定値以上になったときに開弁する。例えば、内部に備える弁体に対して、内蔵するスプリングの反力が閉弁方向に付勢されており、さらに、弁体の開弁方向に過給圧が作用し、閉弁方向には吸気管圧が作用しており、過給圧と吸気管圧との差圧がスプリングの反力を超えた場合に開弁する。これにより、過給状態で走行中にスロットルバルブ５が全閉となった場合に、リサキュレーションバルブ１５が開くことにより過給圧の過上昇を防止することができる。なお、リサキュレーションバルブ１５が開弁するときの過給圧と吸気管圧との差圧は、スプリングのバネ定数により任意の値に設定することができる。

排気通路３には、排気タービン１２よりも下流側に、排気浄化用の排気触媒９が配置される。この排気触媒９としては、三元触媒等が用いられる。排気バイパス通路１６は、排気通路３における排気タービン１２の上流部分と下流部分とを接続する通路であり、途中に設けたウエストゲートバルブ１７により開度が調整される。ウエストゲートバルブ１７の動作は後述するコントロールユニット２５により制御され、過給圧が所定の設定値に達したらウエストゲートバルブ１７を開くことにより、余剰の排気ガスが排気バイパス通路１６を通して直接排出される。

ＥＧＲ通路２０は、排気触媒９よりも下流側の排気通路３と、エアフロメータ６よりも下流側かつ吸気コンプレッサ１１よりも上流側の吸気通路２とを接続する通路である。このＥＧＲ通路２０には、吸気通路２へ還流する排気ガスの量であるＥＧＲ量を調整するＥＧＲ制御バルブ２１が設けられるとともに、このＥＧＲ通路２０を通流する排気を冷却するためのＥＧＲクーラ２２が設けられている。

内燃機関１の各シリンダ１Ａには、燃料をシリンダ１Ａ内に直接噴射する燃料噴射弁４０が配置されている。また、排気弁と吸気弁のいずれもが開弁したバルブオーバーラップ期間を調整可能な手段として、この実施例では、吸気弁のバルブタイミングを変更可能な吸気バルブタイミング変更機構（吸気ＶＴＣ）４１と、排気弁のバルブタイミングを変更可能な排気バルブタイミング変更機構（排気ＶＴＣ）４２と、が設けられている。これらのバルブタイミング変更機構４１，４２は、公知のように、クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を変化させることにより、吸気弁もしくは排気弁の開時期と閉時期とを同時かつ連続的に変更可能なものである。なお、バルブオーバーラップ期間を調整可能な機構としてはこれに限らず、吸気弁開時期（ＩＶＯ）と排気弁閉時期（ＥＶＣ）の少なくとも一方を変化させ得るものであればよく、例えば吸気弁や排気弁のリフト量及び作動角を変化させるリフト作動角変更機構のように、一般的に知られている他の形式の可変動弁機構を用いるようにしても良い。

制御部としてのコントロールユニット２５は、各種センサから検出される機関運転状態に基づいて、各種の機関制御処理を記憶及び実行する機能を有している。上記の各種センサとして、吸気通路２の吸気コレクタ２Ａには、過給圧としての吸気コレクタ２Ａ内の圧力を検出する過給圧検出用の圧力センサ２７と、吸気温度としての吸気コレクタ２Ａ内の温度を検出する吸気温検出用の吸気温センサ３０と、が設けられるとともに、排気通路３には、排気タービン１２よりも上流側の排気温度を検出する排温センサ２８が設けられており、かつ、機関回転速度を検出するためのクランク角センサ２６や、運転者により操作されるアクセルペダルの開度を検出するアクセル開度センサ２９等が設けられている。

コントロールユニット２５は、上記の各種機関制御として、燃料噴射弁４０による燃料噴射量及び燃料噴射時期を制御するとともに、バルブタイミング変更機構４１，４２による吸気弁や排気弁のバルブタイミング（ＶＴＣ変換角）を制御し、また燃焼室内に設けられた点火プラグ（図示省略）による点火時期制御等を行う。

そしてコントロールユニット２５は、バルブオーバーラップ期間等に基づいて、吸気通路２から排気通路３へ吹き抜ける掃気の掃気率を推定する。ここで、「掃気率」とは、シリンダ１Ａ内に吸入される吸入新気量に対して、バルブオーバーラップ期間中に吸気通路２から排気通路３へ吹き抜ける掃気量の比率に相当する。また、「筒内新気量」とは、シリンダ１Ａ内に充填されて燃焼に用いられる新気の量に相当する。

コントロールユニット２５は、吸気マニホールド４内の圧力が排気マニホールド８内の圧力より高い場合には、吸気弁及び排気弁が開弁しているバルブオーバーラップ期間が生ずるバルブタイミングとなるようにバルブタイミング変更機構４１，４２を作動させる。これは、バルブオーバーラップ期間中に、吸気マニホールド４から流入した新気が掃気ガスとしてそのまま排気マニホールド８へ吹き抜ける、いわゆる掃気効果を利用して、排気タービン１２の回転速度を高め、シリンダ１Ａ内への充填効率を高めるためである。

具体的には、バルブオーバーラップ期間としてのバルブオーバーラップ（Ｏ／Ｌ）量は、低回転高負荷側で大きくなり、高回転低負荷側で小さくなるように設定される。このＯ／Ｌ量に比例するように、掃気率もまた、低回転高負荷側で大きくなり、高回転低負荷側で小さくなる。また、ＥＧＲガスが掃気されることのないように、ＥＧＲ制御バルブ２１を開いてＥＧＲを付与するＥＧＲ領域は、バルブオーバーラップ量が付与されずに掃気率が０となる高回転側の非掃気領域内に設定されている。

ここで本実施例では、シリンダ１Ａ内に充填される（燃焼に供される）筒内新気量を計量・推定する手法として、従来公知のようにエアフロメータ６を用いて計測される吸気通路を通過する吸入新気量から筒内新気量としての第２筒内新気量ＱＴＯＴＡＬを求める、いわゆるＬ−Ｊｅｔｒｏ（Ｌ−Ｊｅｔｒｏｎｉｃ）方式と呼ばれる手法に加えて、シリンダ１Ａ内の空気密度とシリンダ実効容積とを用いて筒内新気量としての第１筒内新気量ＱＣＹＬＴＲを求める、いわゆるＤ−Ｊｅｔｒｏ（Ｄ−Ｊｅｔｒｏｎｉｃ）方式と呼ばれる手法と、を併用している。シリンダ１Ａ内の空気密度は、例えば、吸気コレクタ内に設けられる過給圧検出用の圧力センサや吸気温検出用の温度センサ等の検出値を用いて求めることができる。シリンダ実効容積は、バルブオーバーラップ期間等に基づいて算出することができる。

Ｌ−Ｊｅｔｒｏ方式の場合、ＥＧＲ通路２０の合流部分よりも上流側の吸気通路２に設けられたエアフロメータ６の部分を通過する吸入新気量から筒内新気量を求めるために、排気ガスであるＥＧＲガスが筒内新気量として誤って計量されることがなく、ＥＧＲ等の外部要因の影響を受け難い、という利点がある反面、掃気の分も筒内新気量として計量されることとなるために、掃気が行われている機関運転状態では、掃気により筒内新気量の推定精度の低下を生じる、という欠点がある。

一方、Ｄ−Ｊｅｔｒｏ方式の場合、シリンダ１Ａ内の空気密度とシリンダ実効容積から筒内新気量を求めるものであるために、掃気による精度低下の影響を受け難い、という利点がある反面、ＥＧＲ通路２０の合流部分よりも下流側に位置するシリンダ１Ａ内の空気密度を用いているために、ＥＧＲ等の外部要因の影響を受け易い、という欠点がある。

図２は、バルブオーバーラップ量（Ｏ／Ｌ）に対する第１筒内新気量ＱＣＹＬＴＲと第２筒内新気量ＱＴＯＴＡＬとの関係を示している。同図に示すように、バルブオーバーラップ量が大きくなるほど、掃気量が多くなるために、バルブオーバーラップ量が多い場合（Ｄ）には、掃気量を含めて計量される第２筒内新気量ＱＴＯＴＡＬが第１筒内新気量ＱＣＹＬＴＲよりも大きくなり、バルブオーバーラップ量が無い場合（Ａ）もしくは小さい場合には、第２筒内新気量ＱＴＯＴＡＬが第１筒内新気量ＱＣＹＬＴＲよりも小さくなり、所定のバルブオーバーラップ量の場合（Ｃ）に、第２筒内新気量ＱＴＯＴＡＬと第１筒内新気量ＱＣＹＬＴＲとが等しくなる。

ここで、バルブオーバーラップ量が多い場合（Ｄ）、大きい方の第２筒内新気量ＱＴＯＴＡＬは掃気分も含まれるために、実際の筒内新気量に対する誤差が大きくなる一方、バルブオーバーラップ量が無い場合（Ａ）や少ない場合（Ｂ）には、大きい方の第１筒内新気量はシリンダ１Ａの残ガス分も計量されるために、実際の筒内新気量に対する誤差が大きくなる。そこで本実施例では、第１筒内新気量ＱＣＹＬＴＲと第２筒内新気量ＱＴＯＴＡＬとのうち、小さい値の方を筒内新気量として選択するようにしている。

図３は、このような本実施例の制御の流れを示すフローチャートである。ステップＳ１１では、上述したエアフロメータ６を用いたＬ−Ｊｅｔｒｏ方式により第２筒内新気量ＱＴＯＴＡＬを演算する。ステップＳ１２では、上述したシリンダ内の空気密度及びシリンダ実効容積を用いたＤ−Ｊｅｔｒｏ方式により第１筒内新気量を演算する。そして、ステップＳ１３では、第２筒内新気量ＱＴＯＴＡＬが第１筒内新気量ＱＣＹＬＴＲよりも大きいか否かを判定する。第２筒内新気量ＱＴＯＴＡＬが第１筒内新気量ＱＣＹＬＴＲよりも小さい場合には、ステップＳ１３の判定が否定されてステップＳ１６へ進み、第２筒内新気量ＱＴＯＴＡＬを吸入新気量として選択及び設定する。

第１筒内新気量ＱＣＹＬＴＲが第２筒内新気量ＱＴＯＴＡＬよりも小さい場合には、ステップＳ１３の判定が肯定されてステップＳ１４へ進み、機関回転数ＮＥが掃気領域内にあるか、具体的には図４に示すように、積極的に掃気が行われる低回転高負荷側の掃気領域αを判定するための下限値ＮＥＳＣＡＬと上限値ＮＥＳＣＡＨとの間の範囲内にあるかが判定される。機関回転数ＮＥが掃気領域αに無ければ、上述したステップＳ１６へ進み、第２筒内新気量ＱＴＯＴＡＬを吸入新気量として選択及び設定する。一方、機関回転数ＮＥが掃気領域α内にある場合には、ステップＳ１５へ進み、小さい方の第１筒内新気量ＱＣＹＬＴＲを吸入新気量として選択及び設定する。

ステップＳ１７では、運転者のアクセル操作に基づく要求トルクＴＲＱＲＥＱが、理論空燃比（ストイキ）で得られるトルク上限値ＣＬＴＲＱＲＥＱ以上であるか否かを判定する。要求トルクＴＲＱＲＥＱがトルク上限値ＣＬＴＲＱＲＥＱよりも小さい場合には、ステップＳ１９へ進み、目標シリンダ内Ａ／Ｆを理論空燃比相当のストイキに設定する。

要求トルクＴＲＱＲＥＱがトルク上限値ＣＬＴＲＱＲＥＱ以上である場合、ステップＳ１８へ進み、目標シリンダ内空燃比（Ａ／Ｆ）をリッチ側に設定して燃料増量を行う。具体的には、目標シリンダ内空燃比（Ａ／Ｆ）を、シリンダ１Ａから排出される未燃燃料が全て排気系で燃焼された場合にも排気触媒９等の排気系部品を保護できる所定のリッチ限界に設定する。このようにリッチ限界に設定することによって、掃気領域αにおいては、掃気（新気）と未燃燃料とが排気タービン１２よりも上流側の排気通路３内で燃焼することによって、排気タービン１２の回転速度を高め、シリンダ１Ａ内への充填効率を高めることで、上記のトルク上限値ＣＬＴＲＱＲＥＱから更にトルクを高めることが可能となる。

図５は、リッチ限界としての増量時目標シリンダ内Ａ／Ｆ（Ｂ１２）の設定・演算の内容を説明するための機能ブロック図である。同図に示すように、理論空燃比運転時でのトラップ新気量（Ｂ１１）と、増量時目標シリンダ内Ａ／Ｆ（Ｂ１２）と、により、増量時の目標燃料噴射量（Ｂ１３）を求め、この増量時の目標燃料噴射量から理論空燃比運転時の燃料噴射量（Ｂ１４）を差し引くことで、燃料増量分（Ｂ１５）を求めることができる。この燃料増量分と、燃料の持つ単位発熱量（Ｂ１６）から燃料増量による総発熱量（Ｂ１７）を求めることができる。一方、排ガス量（Ｂ１８）と排ガス比熱（Ｂ１９）とから排ガス熱量（Ｂ２０）を求め、上記の総発熱量（Ｂ１７）と排ガス熱量（Ｂ２０）とから排ガスの温度上昇分（Ｂ２１）を求め、この排ガス温度上昇分（Ｂ２１）と、理論空燃比運転時のシリンダ出口温度（Ｂ２２）とを加算することによって、排気ガス温度（Ｂ２３）を算出することができる。この排気ガス温度（Ｂ２３）が、所定の排気系保護限界温度（Ｂ２４）よりも低くなるように、リッチ側限界である増量時目標シリンダ内Ａ／Ｆ（Ｂ１２）が求められる。つまり、実際には図５を用いて上述した演算の内容とは逆の順序で、排気系保護限界温度（Ｂ２４）等から増量時目標シリンダ内Ａ／Ｆ（Ｂ１２）を求めることができる。

図６は、このような本実施例を適用した場合のバルブオーバーラップ量等の変化を示すタイミングチャートである。同図の実線で示すように、時刻ｔ０〜ｔ１間のバルブオーバーラップ量が少ない非掃気領域では、第１筒内新気量ＱＣＹＬＴＲと第２筒内新気量ＱＴＯＴＡＬのうち、小さい方の第２筒内新気量ＱＴＯＴＡＬを吸入新気量として選択・設定する一方、時刻ｔ１〜ｔ２間のバルブオーバーラップ量が大きい掃気領域では、小さい方の第１筒内新気量ＱＣＹＬＴＲを吸入新気量として設定している。

図６の破線は、掃気領域（ｔ１〜ｔ２）でも第２筒内新気量ＱＴＯＴＡＬを吸入新気量として設定する比較例の特性を示している。このような比較例では、掃気領域で吸入新気量が掃気の分だけ多く見積もられるために、空燃比（Ａ／Ｆ）が小さい側、つまりリッチ側へずれることとなり、未燃燃料による排気温度の上昇分（Δ排温）が大きくなって、触媒温度が限界温度（触媒ＮＧ温度）を超えるおそれがある。

これに対して本実施例では、実線の特性で示すように、掃気領域（ｔ１〜ｔ２）では、シリンダ内の空気密度を用いた第１筒内新気量ＱＣＹＬＴＲを吸入新気量として用いているために、掃気の影響を受けることなく吸入新気量を精度良く求めることができる。このために、空燃比が理論空燃比の近傍に維持され、排気温度の過度な上昇を招くことがない。

また、第１筒内新気量ＱＣＹＬＴＲと第２筒内新気量ＱＴＯＴＡＬとのうち、小さい方を吸入新気量として選択しており、つまり両者の値が等しい時点（ｔ１）で切換を行うようにしているために、簡素な制御ロジックでありながら、切換によって吸入新気量に段差を生じることがなく、切換時の段差に起因する燃料噴射量や空燃比の変動を招くことがないために、円滑な切換を行うことができる。

更に、掃気領域で燃料噴射量の増量を行うことによって、未燃燃料を排気タービン１２よりも上流側の排気通路内で後燃えさせることで、タービン回転数を上昇させて、過給圧を飛躍的に向上させることができる。この際、未燃燃料が排気系で燃焼した場合にも排気触媒９を保護し得る所定のリッチ限界以下に燃料噴射量を設定することによって、排気触媒９を含めた排気系部品の過度な昇温を未然に防止することができる。

以上のように本発明を図示実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上述した実施例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。

Claims (2)

1. 筒内に燃料を直接的に噴射する燃料噴射弁と、
   排気通路に設けられた排気タービンにより吸気通路に設けられた吸気コンプレッサを駆動して吸気を過給するターボ過給機と、を備えた内燃機関の制御装置において、
   吸気弁と排気弁の双方が開弁するバルブオーバーラップ期間を調整可能なバルブオーバーラップ期間可変手段と、
   シリンダ内の空気密度を取得する空気密度取得手段と、
   上記バルブオーバーラップ期間に基づいて、シリンダ実効容積を取得する実効容積取得手段と、
   シリンダ内にトラップされる筒内新気量を求める筒内新気量演算手段と、
   上記筒内新気量に基づいて、シリンダ内に供給する燃料噴射量を設定する燃料噴射量設定手段と、
   吸気通路内を通過する吸入新気量を取得する吸入新気量取得手段と、を有し、
   上記筒内新気量演算手段は、シリンダ内の空気密度とシリンダ実効容積とに基づいて、シリンダ内にトラップされる第１筒内新気量を求める第１筒内新気量演算手段と、上記吸入新気量に基づいて、シリンダ内にトラップされる第２筒内新気量を求める第２筒内新気量演算手段と、を有し、
   上記筒内新気量演算手段は、機関運転状態に応じて、上記第１筒内新気量と第２筒内新気量のうち、小さい値の方を上記筒内新気量として選択する、
   内燃機関の制御装置。
2. 排気通路に触媒が介装されており、
   上記燃料噴射量設定手段は、シリンダ内の空燃比がストイキ又はリッチ側となるように燃料噴射量を設定するとともに、リッチ側に設定する場合、未燃燃料が排気系で燃焼した場合にも上記触媒を保護し得る所定のリッチ限界以下に燃料噴射量を設定する請求項１に記載の内燃機関の制御装置。

Images