JP6252006B2 - エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、高い圧縮比の条件下でもノッキングを発生させず、高いトルクを出力できるエンジンの制御装置に関する。

ガソリンエンジンやディーゼルエンジンでは、理論上、圧縮比を上げるほど熱効率は向上し、それに伴って燃費を向上させることができる。しかし、圧縮比を高く設定しすぎると、ガソリンエンジンではノッキングが発生しやすくなる。また、ディーゼルエンジンでは、圧縮比を高く設定するためには、その高い圧力に耐え得るエンジンの機械的な強度が必要となる。このため、さらなる高圧縮比化に対応できない場合もある。

そこで、例えば、特許文献１に示すような、ミラーサイクル（アトキンソンサイクルミラーシステム）と呼ばれる制御が採用される場合がある。ミラーサイクルでは、ピストンの下死点位置と上死点位置とから求まる幾何学的な圧縮比を高く設定し、吸気バルブを下死点よりも早閉じ又は遅閉じにすることにより、高い熱効率を維持しながら、実圧縮比を低減している。すなわち、吸気バルブの早閉じ又は遅閉じにより吸気の充填効率を低くし、実質的な圧縮比を低減することで、高い熱効率を確保している。

特開２０１０−２５０８２号公報

上記ミラーサイクルによれば、ピストンの下死点位置と上死点位置とから求まる幾何学的な圧縮比、すなわち膨張比は高い状態であり、熱効率と燃費の向上が期待できる。

しかし、実質的には、吸気弁の早閉じに伴う吸気の中断や吸気弁の遅閉じに伴う吸気の吐戻しにより、燃焼室内の吸気量は少なくなっている。このため、高い圧縮比設定でありながら、燃焼室内への吸気量に基づく実質的な圧縮比は小さく、期待できるトルクも小さくなってしまうという問題がある。

そこで、この発明の課題は、高い圧縮比の条件下で、高いトルクを確保することである。

上記の課題を解決するために、この発明は、複数の気筒をそれぞれ配置した２つのバンクと、前記２つのバンクの気筒群にそれぞれ設けられる吸気通路及び排気通路と、前記２つのバンクのうち一方のバンクの気筒群への吸排気及び燃料供給を継続し他方のバンクの気筒群への吸排気及び燃料供給を停止させる片バンク気筒休止手段とを備え、前記一方のバンクの気筒群の圧縮比を前記他方のバンクの気筒群の圧縮比よりも高く設定することを特徴とするエンジンの制御装置を採用した。

この構成において、前記２つのバンクの両方の気筒群が稼働している際に、前記一方のバンクの気筒群に供給される新気の量を、前記他方のバンクの気筒群に供給される新気の量よりも少なくする新気供給制限手段を備えることが望ましい。

前記新気供給制限手段としては、前記一方のバンクの前記吸気通路と前記排気通路とを結ぶ排気環流通路を備え、前記２つのバンクの両方の気筒群が稼働している際に、前記排気環流通路を通じて前記一方のバンクの気筒群にのみ排気環流ガスを供給するものを採用することができる。

また、前記新気供給制限手段としては、前記２つのバンクの両方の気筒群が稼働している際に、前記一方のバンクの前記吸気通路の吸気弁の閉弁時期をピストンの下死点よりも早閉じ又は遅閉じにする、いわゆるミラーサイクルを採用することができる。

この発明によれば、２つのバンクのうち一方のバンクを稼働し他方のバンクを休止することができる気筒休止エンジンを採用し、稼働する側のバンクの気筒群の圧縮比を、休止する側のバンクの気筒群の圧縮比よりも高く設定したので、例えば、低負荷時には、高圧縮比側である一方のバンクのみ稼働させる片バンク運転によって、高い圧縮比の条件下で、高い熱効率、高い燃費を実現できる。このとき、低負荷状態であるので、ノッキングの心配はない。

また、高負荷時には、両方のバンクを稼働させる全気筒運転により、低圧縮比側である他方のバンクの気筒群が、高圧縮比側である一方のバンクの気筒群のトルク不足を補うので、エンジン全体としてトルクの低下を抑制できる。
したがって、低負荷時、高負荷時のいずれの場合も、高い圧縮比の条件下で、高いトルクを確保することができる。

さらに、全気筒運転では、高負荷時の運転条件によっては、高圧縮比側のバンクの気筒群でノッキングを生じる可能性があるが、高圧縮比側に新気供給制限手段を備えたことにより、高圧縮比側のバンクの気筒群に供給される新気の量が、低圧縮比側のバンクの気筒群に供給される新気の量よりも少なくなるように制限することができる。これにより、全気筒運転時に、高圧縮比側のバンクの気筒群でノッキングが生じることを抑制することができる。

この発明の一実施形態のエンジンの構成を示す平面模式図である。 この発明のエンジンの制御に用いられるマップ図である。 この発明のエンジンの制御プロセスを示すフローチャートである。

以下、この発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、この実施形態のエンジン１の構成を概念的に示す平面模式図である。

エンジン１は、複数の気筒を直線状に整列配置した２つのバンク１０，２０を備えるＶ型エンジンである。この実施形態では、各バンク１０，２０にそれぞれ３つの気筒１１，２１を配置したＶ型６気筒としているが、各バンク１０，２０に配置する気筒１１，２１の数は自由である。例えば、各バンク１０，２０に１気筒ずつ、２気筒ずつ、あるいは、４気筒ずつとする等、同数ずつ配置した構成としてよい。

各バンク１０，２０の向かい合う２つの気筒群は互いに逆勾配で傾斜しており、シリンダブロック１３，２３は正面視Ｖ字型を成している。各気筒群のシリンダ内に、それぞれピストンが往復動自在に収容されている。また、ピストンは、コネクティングロッドを介して、シリンダブロックの下部に回転自在に支持されたクランクシャフトに連結されている。

各バンク１０，２０のシリンダブロック１３，２３の頂部には、シリンダヘッドが締結されて、各気筒の燃焼室が形成されている。

一方のバンク２０の各気筒には、吸気通路２２と排気通路２４が設けられている。また、他方のバンク１０の各気筒にも、吸気通路１２と排気通路１４が設けられている。吸気通路１２，２２、排気通路１４，２４は、それぞれ吸気バルブ、排気バルブによって開閉される。

吸気通路１２，２２には、それぞれ燃料を噴射するインジェクタが設けられている。また、両吸気通路１２，２２は上流側で合流しており、その合流後の吸気通路２には、流路断面積を変化させて吸気の流量を制御するスロットルバルブ３や、所定の空燃比になるように吸入空気量を検出するエアフローセンサ等が設けられている（吸気バルブ、排気バルブ、インジェクタ、エアフローセンサ等は図示せず）。

なお、排気通路１４，２４は、各バンク１０，２０の燃焼室から引き出された後、適宜の箇所で合流して触媒等の排気浄化装置や消音器を経て大気開放されている。

一方のバンク２０の気筒群の圧縮比は、他方のバンク１０の気筒群の圧縮比よりも高く設定されている。この実施形態では、一方のバンク２０の圧縮比を１３、他方のバンク１０の圧縮比を１０としているが、この圧縮比の数値は、エンジン１の仕様等により適宜設定できる。以下、一方のバンク２０を「高圧縮比側バンク２０」、他方のバンク１０を「低圧縮比側バンク１０」と称する。

このエンジン１を搭載する自動車が備える電子制御ユニット（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）４には、高圧縮比側バンク２０と低圧縮比側バンク１０のうち、高圧縮比側バンク２０の気筒群への吸排気及び燃料供給を継続し、低圧縮比側バンク１０の気筒群への吸排気及び燃料供給を停止させる片バンク気筒休止手段５を備えている。

片バンク気筒休止手段５は、可変バルブ機構等によってシリンダヘッド内に収容されたロッカーアームの動きを休止させるか、あるいは、切り替え式のバルブリフターを用いて吸排気弁をともに全閉状態にロックすることで、燃焼室への吸排気及び燃料供給を停止させ、片バンク運転に切り替える機能を有する。また、その吸排気弁のロックを解除して、通常の両バンク運転、すなわち、全気筒運転に復帰させる機能を有する。

また、このエンジン１は、高圧縮比側バンク２０と低圧縮比側バンク１０の両方の気筒群が稼働している際に、高圧縮比側バンク２０の気筒群に供給される新気の量、すなわち、燃焼ガスを含まない大気から吸入された空気の量を、低圧縮比側バンク１０の気筒群に供給される同じく新気の量よりも少なくする新気供給制限手段３０を備えている。また、その新気供給制限手段３０を制御する新気供給制限制御手段６を、電子制御ユニット４に備えている。

新気供給制限手段３０は、高圧縮比側バンク２０の吸気通路２２と排気通路２４とを結ぶ排気環流通路３２と、その排気環流通路３２を開閉する排気環流バルブ３３を備える。また、新気供給制限手段３０は、高圧縮比側バンク２０の吸気通路２２の燃焼室への開口のやや上流側、インテークマニホールドが各気筒へ通じる個別の流路に分岐してすぐ下流側の箇所に設けたフローコントロールバルブ３１を備えている。

新気供給制限制御手段６からの指令に基づき、排気環流バルブ３３を開弁し、フローコントロールバルブ３１の開度を全開状態よりもやや絞ることにより、吸気通路２２内が負圧となり、排気通路２４から排気環流通路３２内へ導かれた排気ガスが排気環流ガスとなって、開口部３４から吸気通路２２に供給される。フローコントロールバルブ３１や排気環流バルブ３３の開度は、排気環流ガスの新気に対する導入比率に応じて制御される。

フローコントロールバルブ３１の構造としては、スロットルバルブ３と同様に、流路の流量を調整し得るバタフライ型弁装置を採用することができる。バタフライ型弁装置の弁体がアクチェータ等の動作手段の駆動力によって、流路を開閉するようになっている。なお、フローコントロールバルブ３１として、バタフライ型弁装置以外の弁装置であってもよい。

このエンジン１の制御装置及び制御方法について、図２のマップ図と、図３のフローチャート等に基づいて以下説明する。

前述の吸気バルブや排気バルブ、スロットルバルブ３、排気還流バルブ３３、インジェクタ、点火プラグ等は、それぞれケーブルを通じて、電子制御ユニット４に備えられた制御手段によって制御される。

また、その制御手段は、エンジン１又はその他の箇所に設けた負荷検出手段から、ケーブルを通じてエンジン負荷の値を取得できるようになっている。負荷の情報は、アクセルペダルに連動するスロットルバルブ３の開度や、アクセルペダル踏み込み量、燃料噴射量、エンジンの回転数、車速等の情報に基づいて、演算で取得することもできる。このとき、スロットルバルブ３の開度はスロットルポジションセンサを通じて、アクセルペダル踏み込み量はアクセルポジションセンサを通じて取得することができる。また、制御手段は、クランク角センサ等からの情報に基づいて、エンジン１の回転数の情報を取得することができる。

低負荷時、例えば、時速８０ｋｍ程度の速度で巡航しているような状態の時に、片バンク気筒休止手段５の指令に基づき、低圧縮比側バンク１０の全ての気筒を休止させて、高圧縮比側バンク２０のみからなる片バンク運転に移行する（図３のステップＳ１，Ｓ２参照）。

片バンク運転時には、低圧縮比側バンク１０の気筒群に対する吸排気及び燃料供給は停止される。また、ガソリンエンジンにおいては、点火プラグの点火も停止される（図３のステップＳ３参照）。なお、全気筒運転に復帰した後の失火を防止するため、気筒休止中に点火プラグの放電を継続してもよい。

片バンク運転時においては、全気筒運転時と同じ出力を確保するために、スロットルバルブ３を相対的に大きく開けることとなる。このため、ポンピングロスが低減され、燃費の向上と排気ガスの排出量低減が可能となる。なお、片バンク運転から全気筒運転へ、又は、全気筒運転から片バンク運転へのモードの切替時において、出力を同等に維持するためのスロットルバルブ３の開閉は、運転者が行うアクセルペダルの操作とは無関係に、電子制御ユニット４からの指令に基づいて行われる。

また、片バンク運転に移行することにより、稼働している気筒数が減少することとなる。このため、実質的な排気量を低減し、燃料の消費量を抑制することができる。

したがって、低負荷時には、高圧縮比側バンク２０のみを稼働させる片バンク運転によって、高い圧縮比の条件下で、高い熱効率、高い燃費を実現できる。このとき、低負荷状態であるので、ノッキングの心配はない。

また、高負荷時、例えば、アクセルペダルを踏み込んで加速しているような状態の時には、片バンク気筒休止手段５からの指令に基づき、片バンク運転が解除され、高圧縮比側バンク２０と低圧縮比側バンク１０の両方のバンクを稼働させる全気筒運転に移行する。全気筒運転時には、低圧縮比側バンク１０の気筒群が、高負荷時における高圧縮比側バンク２０の気筒群のトルク不足を補うこととなる。このため、エンジン１全体としてトルクの低下を抑制できる。したがって、高負荷時においても、高い圧縮比の条件下で、高いトルクを確保することができる。

また、全気筒運転時の運転条件によっては、高負荷時に、高圧縮比側バンク２０の気筒群でノッキングを生じる可能性がある。

このエンジンの制御装置では、新気供給制限手段３０及び新気供給制限制御手段６を備えたことにより、全気筒運転時に、排気環流バルブ３３を開放し、フローコントロールバルブ３１の開度を絞ることにより、高圧縮比側バンク２０の気筒群にのみ排気環流ガスが供給される。例えば、新気８０％に対して排気環流ガス２０％等とすることができる。

これにより、高圧縮比側バンク２０の気筒群に供給される新気の量は、低圧縮比側バンク１０の気筒群に供給される新気の量よりも少なくなるように制限される。燃焼室内に入り込む新気、すなわち酸素を含む空気の量を少なくすることにより、ノック回避モードに移行する（図３のステップＳ４，Ｓ５参照）。酸素を含む空気の量が減少することにより、高圧縮比側バンク２０の気筒群でノッキングが生じることを抑制することができる。

図２は、「気筒休止（片バンク運転）」、「全気筒運転（高圧縮比側バンク２０のノック回避なし）」、「高圧縮比側ノック回避（全気筒運転で高圧縮比側バンク２０のノック回避あり）」の各モードの切替を行う際の基準となるマップ図である。

図の横軸はエンジン回転数を示し、縦軸はエンジン負荷を示す。エンジン負荷が比較的低い場合は、アイドリング時等のエンジン回転数が低い場合を除いて、「気筒休止（片バンク運転）」のモードに設定される。エンジン負荷が比較的低く、アイドリング時等のエンジン回転数が低い場合は、「全気筒運転（高圧縮比側バンク２０のノック回避なし）」に設定される。

エンジン１のそれぞれの回転数の領域において、エンジン負荷が予め決められた気筒休止の制限値を超えた場合は、エンジン１は、「全気筒運転（高圧縮比側バンク２０のノック回避なし）」に設定される。気筒休止の制限値とは、マップ図中の「気筒休止」の領域と「全気筒運転」の領域との境界線で示される。

また、エンジン１のそれぞれの回転数の領域において、エンジン負荷が予め決められたノック回避の制限値を超えた場合は、エンジン１は、「高圧縮比側ノック回避（全気筒運転で高圧縮比側バンク２０のノック回避あり）」に設定される。ノック回避の制限値とは、マップ図中の「全気筒運転」の領域と「高圧縮比側ノック回避」の領域との境界線で示される。

なお、気筒休止の条件は、エンジン回転数とエンジン負荷が上記マップ図において「気筒休止」領域にあるという上記条件に加え、アクセルペダルの踏み込み量の変化率が一定値以内、すなわち、踏み込み量の変化が少ない場合（急激に踏み込んだり戻したりしていない状態）とすることが望ましい。
また、気筒休止の領域であっても、アクセルペダルの踏み込み量が一定値を超えると（大きく踏み込むと）、全気筒運転に切り替わるように設定されていることが望ましい。

上記の実施形態では、新気供給制限手段３０として、高圧縮比側バンク２０の気筒群にのみ排気環流ガスを導入することで、燃焼室に供給される新気の量を制限したが、新気供給制限手段３０の他の例として、例えば、高圧縮比側バンク２０の気筒群にのみ設定されるミラーサイクルを採用することができる。

この新気供給制限手段３０としてのミラーサイクルは、高圧縮比側バンク２０と低圧縮比側バンク１０の両方の気筒群が稼働している際に、高圧縮比側バンク２０の気筒群の吸気通路２２の吸気弁の閉弁時期を、ピストンの下死点よりも早閉じ又は遅閉じにすることで構成される。閉弁時期を、ピストンの下死点よりも早閉じ又は遅閉じにすることにより、燃焼室内に供給される新気の量が、低圧縮比側バンク１０の燃焼室に供給される新気の量よりも少なくなるように制限することができる。

なお、以上は、エンジン１としてガソリンエンジンを想定して説明したが、ディーゼルエンジン等の他のエンジンでも、この発明を適用することができる。

１ エンジン
２，１２，２２ 吸気通路
３ スロットルバルブ
４ 電子制御ユニット（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）
５ 片バンク気筒休止手段
６ 新気供給制限制御手段
１０ 低圧縮比側バンク（他方のバンク）
１１，２１ 気筒
１３，２３ シリンダブロック
１４，２４ 排気通路
２０ 高圧縮比側バンク（一方のバンク）
３０ 新気供給制限手段
３１ フローコントロールバルブ
３２ 排気環流通路
３３ 排気環流バルブ
３４ 開口部

Claims (2)

1. 複数の気筒をそれぞれ配置した２つのバンクと、
   前記２つのバンクの気筒群にそれぞれ設けられる吸気通路及び排気通路と、
   前記２つのバンクのうち一方のバンクの気筒群への吸排気及び燃料供給を継続し他方のバンクの気筒群への吸排気及び燃料供給を停止させる片バンク気筒休止手段とを備え、
   前記一方のバンクの気筒群の圧縮比を前記他方のバンクの気筒群の圧縮比よりも高く設定し、
   前記２つのバンクの両方の気筒群が稼働している際に、エンジンのそれぞれの回転数の領域においてエンジン負荷が予め決められたノック回避の制限値を超えた場合は、前記一方のバンクの気筒群に供給される新気の量を、前記他方のバンクの気筒群に供給される新気の量よりも少なくする新気供給制限手段を備え、
   前記新気供給制限手段は、前記２つのバンクの両方の気筒群が稼働している際に、前記一方のバンクの前記吸気通路の吸気弁の閉弁時期をピストンの下死点よりも早閉じ又は遅閉じにすることを特徴とするエンジンの制御装置。
2. 前記新気供給制限手段は、前記一方のバンクの前記吸気通路と前記排気通路とを結ぶ排気環流通路を備え、前記２つのバンクの両方の気筒群が稼働している際に、前記排気環流通路を通じて前記一方のバンクの気筒群にのみ排気環流ガスを供給することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの制御装置。

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