JP6252167B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。
特許文献１には、排気弁を排気行程のみならず吸気行程でも開いて内部ＥＧＲ量を増大させる技術が開示されている。特許文献２には、排気ガスが過給機のタービンをバイパスするようにする技術が開示されている。特許文献３には、過給域で排気圧力が吸気圧力より高くなるようにする技術が開示されている。
特開２００５−１０５９５４号公報 特開２００１−１０７７２２号公報 特許第３５５１４３６号
排気ガスがタービンをバイパスするとタービンを通過する排気ガス量は低下し、吸気圧力に対して排気圧力が低下する。このように排気圧力が低下している場合に、内部ＥＧＲ量を増大させるために排気弁を吸気行程で開くと、排気ガスを気筒内へ戻すことが困難となり内部ＥＧＲ量を確保できないおそれがある。
そこで、内部ＥＧＲ量を確保できる内燃機関の制御装置を提供することを課題とする。
上記課題は、排気弁を有した内燃機関と、前記内燃機関に接続された排気通路と、前記排気通路に設けられた過給機のタービンと、前記タービンをバイパスするバイパス通路と、前記バイパス通路を開閉するバイパス弁と、排気行程の少なくとも一部の期間で前記排気弁を開状態にする第１モードと前記排気行程の少なくとも一部の期間で前記排気弁を開状態にすると共に吸気行程の少なくとも一部の期間で前記排気弁のリフト量を増大させてその後に閉じる第２モードとを切替可能な動弁装置と、前記第２モードに切り替えて前記バイパス弁の開度を、全閉に制御する、又は前記第１モードでの前記バイパス弁の開度よりも閉じ側に制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記内燃機関の燃焼状態が不安定の場合には前記第２モードに切り替えて前記バイパス弁を閉じ、前記内燃機関の燃焼状態が安定している場合には前記第１モードに切り替え、前記内燃機関の燃焼状態が安定している場合に前記バイパス通路よりも下流側で前記排気通路に設けられた触媒の暖機の要求があった場合には前記第１モードで前記バイパス弁を開く内燃機関の制御装置によって達成できる。
前記制御部は、前記内燃機関の回転速度の変化率に基づいて前記内燃機関の燃焼状態の安定性を判定する、構成であってもよい。
前記制御部は、前記内燃機関の複数の気筒のそれぞれの筒内圧力に基づいて前記内燃機関の燃焼状態の安定性を判定する、構成であってもよい。
内部ＥＧＲ量を確保できる内燃機関の制御装置を提供できる。
図１は、本実施例のエンジンシステムの説明図である。 図２Ａは、本実施例のエンジンの説明図であり、図２Ｂは、本実施例の動弁装置の説明図である。 図３は、第１モードでの吸気弁、排気弁のリフト状態を示したグラフである。 図４は、第２モードでの吸気弁、排気弁のリフト状態を示したグラフである。 図５は、ＥＣＵが実行する制御の一例を示したフローチャートである。 図６は、ＥＣＵが実行する燃焼状態の判定方法の一例を示したフローチャートである。 図７は、ＥＣＵが実行する燃焼状態の判定方法の他の例を示したフローチャートである。 図８は、第２モードの変形例での吸気弁、排気弁のリフト状態を示したグラフである。
図１は、本実施例のエンジンシステムの説明図である。エンジン１は、複数の気筒２ａ〜２ｄが設けられたディーゼルエンジンであるがガソリンエンジンであってもよい。エンジン１は単一の気筒を有しているものであってもよい。エンジン１には、排気通路３、吸気通路４が接続されている。排気通路３の途中には、過給機５のタービンハウジング５０が配置されている。排気通路３においてタービンハウジング５０より上流の部位と下流の部位は、バイパス通路３０によって連通している。バイパス通路３０には、バイパス弁３１が配置されている。バイパス弁３１は、ウェストゲートバルブとも称される。排気通路３には、バイパス通路３０の接続部よりも下流側には触媒２０が設けられている。触媒２０は、酸化触媒であるが、例えば三元触媒やＮＯｘ触媒であってもよい。触媒２０の前後には排気の温度を検出するための温度センサ１３、１４が設けられている。エンジン１にはクランク角センサ９が設けられている。
吸気通路４の途中には、過給機５のコンプレッサハウジング５１が配置されている。吸気通路４においてコンプレッサハウジング５１より下流には、インタークーラ６が配置されている。インタークーラ６より下流の吸気通路４には、スロットル弁７が配置されている。スロットル弁７より下流の吸気通路４には、吸気圧センサ１１が取り付けられている。
タービンハウジング５０内にタービン５００が設けられている。コンプレッサハウジング５１内にコンプレッサ５０１が設けられている。タービン５００及びコンプレッサ５０１はタービンシャフトにより同軸に連結され、排気ガスによってタービン５００が回転駆動されたとき、コンプレッサ５０１も回転駆動され、吸気通路４内の吸気を過給する。
ＥＣＵ８は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などから構成され、各センサからの出力に基づいて、エンジンシステム全体の作動を制御する。ＥＣＵ８は、制御部の一例である。ＥＣＵ８は、詳しくは後述するがエンジン１の燃焼状態が安定しているか否かを判定する。また、エンジン１は、触媒２０の暖機要求があるか否かを判定する。触媒２０の暖機要求は、触媒２０の温度が活性化温度未満の場合に要求される。ＥＣＵ８は、温度センサ１３、１４の出力値や、又はエンジン１の冷却水の温度等に基づいて、触媒２０の温度が活性化温度未満であるか否かを推定し、活性化温度未満の場合には触媒２０の暖機制御を実行する。
図２Ａは、本実施例のエンジン１の説明図である。気筒２ａ内ではピストンＰａが往復動する。燃料噴射弁Ｆａは気筒２ａ内には燃料を直接噴射する。吸気弁Ｖ１、排気弁Ｖ２は、それぞれ吸気カムシャフトＳ１、排気カムシャフトＳ２の回転に伴って所定の行程内で昇降しそれぞれ吸気ポートＰＴ１、排気ポートＰＴ２を開閉する。一つの気筒２ａに対して、２対の吸気ポートＰＴ１、排気ポートＰＴ２が設けられ、同様に２対の吸気弁Ｖ１、排気弁Ｖ２が設けられている。気筒２ｂ〜２ｄも、気筒２ａと同様に形成されている。動弁装置Ｌ２は、排気弁Ｖ２が開いている期間を変更可能である。
図２Ｂは、本実施例の動弁装置Ｌ２の説明図である。動弁装置Ｌ２は、排気カムシャフトＳ２の軸方向に並び外形が異なる第１カムＣＭ１及び第２カムＣＭ２と、第１カムＣＭ１により駆動し排気弁Ｖ２をリフトさせるロッカーアームＲ１と、第２カムＣＭ２により駆動しロッカーアームＲ１に対して非連結状態から連結状態へ切替可能な揺動アームＲ２とを備えた装置である。ロッカーアームＲ１及び揺動アームＲ２には、ピンＰ１、Ｐ２が保持されている。また、ピンＰ１、Ｐ２には、ＥＣＵ８によって制御されるオイルコントロールバルブＯＣＶによって油圧が作用する。ピンＰ１、Ｐ２に油圧が作用していない状態では、ピンＰ１、Ｐ２はそれぞれロッカーアームＲ１及び揺動アームＲ２に保持され、ロッカーアームＲ１と揺動アームＲ２とは非連結状態にある。ピンＰ１、Ｐ２に油圧が作用すると、ピンＰ１、Ｐ２はバネＳＰの付勢力に抗して移動して、ピンＰ１はロッカーアームＲ１及び揺動アームＲ２に係合する。これにより、ロッカーアームＲ１と揺動アームＲ２とは連結状態となる。油圧が解除されるとバネＳＰの付勢力によりピンＰ１、Ｐ２はそれぞれロッカーアームＲ１及び揺動アームＲ２に保持され、非連結状態に戻る。尚、動弁装置Ｌ２は、例えば特開平６−２１２９２５号公報や特開２００９−２６４２００号公報に開示されているような装置であってもよい。
非連結状態を第１モードと称し、連結状態を第２モードと称する。第１モードでは、排気弁Ｖ２は排気行程の少なくとも一部の期間で開いた状態に維持される。第２モードでは、排気弁Ｖ２は排気行程の少なくとも一部の期間で開いた状態に維持されると共に吸気行程の少なくとも一部の期間で排気弁Ｖ２のリフト量を増大させてその後に閉じる。従って、第１カムＣＭ１の外周形状は、排気弁Ｖ２を排気行程の少なくとも一部の期間で開いた状態に維持するように形成されている。第２カムＣＭ２の外周形状は、ロッカーアームＲ１及び揺動アームＲ２が連結した状態で吸気行程の少なくとも一部の期間で排気弁Ｖ２のリフト量を増大させてその後閉じるように形成されている。
次に、排気弁Ｖ２のリフト状態について説明する。図３は、第１モードでの吸気弁Ｖ１、排気弁Ｖ２のリフト状態を示したグラフである。リフト曲線Ｃ１、Ｃ２は、それぞれ吸気弁Ｖ１、排気弁Ｖ２のリフト状態を示している。エンジン１の状態は、膨張行程、排気行程、吸気行程、圧縮行程の順に移行してこれらの行程を繰り返す。
図３に示すように第１モードでは、排気弁Ｖ２は排気行程の期間内では開いており、膨張行程の前半期間、吸気行程の期間、及び圧縮行程の期間で閉じた状態に維持される。また、吸気弁Ｖ１は、吸気行程の期間内では開いており、膨張行程の期間、排気行程の期間、圧縮行程の後半期間で閉じた状態に維持される。
図４は、第２モードでの吸気弁Ｖ１、排気弁Ｖ２のリフト状態を示したグラフである。図４に示すように第２モードでは、排気弁Ｖ２は排気行程の期間内で開いており、かつ、吸気行程の後半期間と圧縮行程の前半期間とで開いた状態に維持されている。詳しくは後述するが、バイパス弁３１が閉じている場合に排気弁Ｖ２が吸気行程の期間内で開くことにより、排気ガスを気筒内に導入して内部ＥＧＲ量を確保できる。従って、図３、４に示したリフト曲線Ｃ２は、第１カムＣＭ１によって実現される。図４に示したリフト曲線Ｃ２´は第２カムＣＭ２によって実現される。
尚、第１モードでは、吸気弁Ｖ１、排気弁Ｖ２の作用角、最大リフト量は図３に示したリフト曲線Ｃ１、Ｃ２に示したものに限られない。排気弁Ｖ２は、排気行程の少なくとも一部の期間で開いてればよく、排気行程中に開き始めてもよいし、排気行程中に閉じてもよい。吸気弁Ｖ１は、吸気行程中に開き始めてもよいし、吸気行程中に閉じてもよい。また、クランク角度３６０度付近で吸気弁Ｖ１、排気弁Ｖ２の双方が開いたオーバーラップ期間は、あってもよいしなくてもよい。また、第２モードでは、リフト曲線Ｃ２´は、図４に示すものに限られない。排気弁Ｖ２は、吸気行程内でリフト量が増大して吸気行程内で閉じてもよい。吸気行程内での排気弁Ｖ２の最大リフト量も限定されない。
ここで、膨張行程とは、クランク角度が０度から１８０度までの期間に対応している。排気行程とは、クランク角度が１８０度から３６０度までの期間に対応する。吸気行程とは、クランク角度が３６０度から５４０度までの期間に対応する。圧縮行程とは、クランク角度が５４０度から７２０度までの期間に対応する。尚、クランク角度が０度、３６０度、７２０度の場合、ピストンは上死点に位置する。クランク角度が１８０度、５４０度の場合、ピストンは下死点に位置する。
次に、ＥＣＵ８が実行する制御の一例について説明する。図５は、ＥＣＵ８が実行する制御の一例を示したフローチャートである。ＥＣＵ８は、エンジン１の燃焼状態が安定しているか否かを判定する（ステップＳ１）。燃焼状態の判定方法については詳しくは後述する。否定判定の場合、即ち燃焼状態が安定していない場合には、ＥＣＵ８は動弁装置Ｌ２を第２モードに切り替え（ステップＳ２）、バイパス弁３１を全閉にする（ステップＳ３）。バイパス弁３１を全閉にするとタービン５００を通過する排気ガス量が増大するので、排気圧力の低下を抑制できる。これにより、吸気圧力に対して排気圧力の低下を抑制できるので、排気弁Ｖ２を吸気行程でも開くことにより内部ＥＧＲ量を確保できる。これにより、筒内の温度を上昇させて燃焼状態を安定させることができる。ＥＣＵ８は、燃焼状態が安定するまでステップＳ２、Ｓ３を継続する。
ステップＳ１で肯定判定の場合、即ち燃焼状態が安定した場合、ＥＣＵ８は動弁装置Ｌ２を第１モードに切り替える（ステップＳ４）。次にＥＣＵ８は、触媒２０の暖機要求があるか否かを判定する（ステップＳ５）。肯定判定の場合には、ＥＣＵ８はバイパス弁３１を開いた状態に維持する（ステップＳ６）。例えば、ＥＣＵ８はバイパス弁３１を全開に維持する。これにより、多くの排気ガスがタービン５００を通過して放熱して温度が低下することを抑制し、高温の排気ガスを触媒２０へ導くことにより、触媒２０を早期に暖機できる。ステップＳ６の処理は触媒２０の暖機制御に相当する。ＥＣＵ８は、触媒２０の暖機が完了したか否かを判定する（ステップＳ７）。触媒２０の暖機が完了するまで、ステップＳ６の処理が継続される。ＥＣＵ８は、触媒２０の温度が活性化温度以上になった場合に触媒２０の暖機が完了したと判定する。
ステップＳ５で否定判定の場合、即ち触媒２０の暖機要求がない場合、又はステップＳ７で肯定判定の場合、即ち触媒２０の暖機が完了した場合、ＥＣＵ８はバイパス弁３１を通常制御する（ステップＳ８）。通常制御とは、エンジン１の運転状態に応じて予め設定されたマップに規定された開度にバイパス弁３１を制御する態様である。
以上のように、第２モードでバイパス弁３１を閉じることにより、排気圧力の低下を抑制して内部ＥＧＲ量を確保できる。また、燃焼状態が不安定な場合に第２モードに切り替えられバイパス弁３１は閉じることにより、内部ＥＧＲ量を確保し燃焼状態を安定させることができる。また、燃焼状態が安定している場合にバイパス弁３１を開いて触媒２０を暖機し、燃焼状態が不安定な場合に触媒２０の暖機が行われることを防止する。これにより、燃焼状態が不安定な場合でバイパス弁３１を開いた場合に起こり得るエンジン１の失火やトルクの低下を抑制できる。
例えば、本実施例によれば、エンジン１の始動時に燃焼状態が安定せずに触媒２０の温度も活性化温度未満の場合には、燃焼状態の安定化を優先しその後に触媒２０の暖機が行われることになる。これにより、エンジン１の失火を優先的に防止し、その後に触媒２０が活性化される。
尚、第２モードでのバイパス弁３１の開度は全閉に限定されず、第１モードで制御されるバイパス弁３１の開度よりも閉じ側であればよい。例えば、第２モードでのバイパス弁３１の開度は、第２モードでの運転状態と同じ運転状態で通常制御される場合のバイパス弁３１の開度よりも閉じ側であってもよい。例えば、ある運転状態で第１モードから第２モードへ切り替えられた場合に、第２モードでのバイパス弁３１の開度を第１モードでのバイパス弁３１の開度よりも閉じ側に制御する。これによっても、排気圧力の低下を抑制して内部ＥＧＲ量を確保できるからである。
尚、触媒２０の暖機制御でのバイパス弁３１の開度は全開に限定されず、開いていればよい。また、触媒２０の暖機制御でのバイパス弁３１の開度は、触媒２０の暖機制御中での運転状態と同じ運転状態で通常制御される場合のバイパス弁３１の開度よりも大きくてもよい。
次に、ＥＣＵ８が実行する燃焼状態の判定方法について説明する。図６は、ＥＣＵ８が実行する燃焼状態の判定方法の一例を示したフローチャートである。ＥＣＵ８は、クランク角センサ９からの出力信号に基づいて所定期間内でのエンジン１の回転速度の変化率を算出する（ステップＳ２１）。次にＥＣＵ８は、変化率が所定値未満であるか否かを判定する（ステップＳ２２）。所定値は、エンジン１の燃焼状態が安定せずに失火やトルクが低下する可能性がある場合でのエンジン１の回転速度の変化率の値である。否定判定の場合、即ち回転速度の変化率が大きい場合には、エンジン１の回転速度の変化が激しいとしてＥＣＵ８は燃焼状態が不安定であると判定する（ステップＳ２３）。肯定判定の場合、即ち回転速度の変化率が小さい場合には、ＥＣＵ８は燃焼状態が安定していると判定する（ステップＳ２４）。
次に、ＥＣＵ８が実行する燃焼状態の判定方法の他の例について説明する。図７は、ＥＣＵ８が実行する燃焼状態の判定方法の他の例を示したフローチャートである。ＥＣＵ８は、全気筒２ａ〜２ｄの筒内圧力を検出する（ステップＳ３１）。具体的には、気筒２ａ〜２ｄのそれぞれの筒内に設けられた圧力センサからの信号に基づいてＥＣＵ８は各筒内圧力を検出する。次に、ＥＣＵ８は気筒２ａ〜２ｄの筒内圧力のバラつき値が所定値未満であるか否かを判定する（ステップＳ３２）。筒内圧力のバラつき値とは、気筒２ａ〜２ｄのそれぞれの筒内圧力の最大値同士の差が最も大きい値である。所定値とは、燃焼状態が安定しており失火する可能性がないと考えられる気筒の筒内圧力の最大値と、燃焼状態が安定せず失火する可能性がある気筒の筒内圧力の最大値との差である。ＥＣＵ８は、この筒内圧力のバラつき値が所定値未満であるか否かを判定する。否定判定の場合、即ち筒内圧力のバラつき値が大きい場合には、ＥＣＵ８は燃焼状態が不安定であると判定する（ステップＳ３３）。例えば、ある一つの気筒の筒内圧力の最大値が、その他の気筒の筒内圧力の各最大値よりも大きく低下している場合には、その気筒の燃焼状態は不安定であるとして、エンジン１の燃焼状態は不安定であると判定される。
ステップＳ３２で肯定判定の場合、即ち筒内圧力のバラつき値が小さい場合には、ＥＣＵ８は、サイクル間筒内圧力のバラつき値が所定値未満であるか否かを判定する（ステップＳ３４）。サイクル間筒内圧力のバラつき値は、以下のように算出する。例えば、気筒２ａのサイクル毎の筒内圧力の最大値を算出し、これら最大値同士の差を算出する。同様に、気筒２ｂ〜２ｄのそれぞれについても、サイクル毎の筒内圧力の最大値を算出し、これら最大値同士の差を算出する。これらの最大値同士の差の値のうち最も大きい値をサイクル間筒内圧力のバラつき値として設定する。所定値とは、燃焼状態が安定しておらず失火する可能性がある気筒でのサイクル毎の筒内圧力の最大値同士の差である。否定判定の場合、即ちサイクル間筒内圧力のバラつき値が大きい場合には、ＥＣＵ８は燃焼状態が不安定であると判定する（ステップＳ３３）。例えば、ある一つの気筒の筒内圧力の１サイクル目の最大値と２サイクル目での最大値の差が大きい場合には、その気筒の燃焼状態は不安定であるとして、エンジン１の燃焼状態は不安定であると判定される。
ステップＳ３４で肯定判定の場合、即ちサイクル間筒内圧力のバラつき値が小さい場合、エンジン１の燃焼状態は安定していると判定される（ステップＳ３５）。尚、ステップＳ３２、Ｓ３４の順序は問わない。尚、図６、７の双方に示したフローチャートを実行して燃焼状態を判定してもよい。
次に、第２モードの変形例について説明する。図８は、第２モードの変形例での吸気弁Ｖ１、排気弁Ｖ２のリフト状態を示したグラフである。図８に示すように、排気行程後半で排気弁Ｖ２のリフト量が低下して、所定のリフト量で排気ポートＰＴ２が開いた状態に維持されたまま吸気行程で排気弁Ｖ２のリフト量が再び増大してもよい。例えば、リフト曲線Ｃ２´´を担う第２カムの形状によっては、このように所定の期間で低リフト量で排気弁Ｖ２を開いた状態に維持することができる。換言すれば、排気弁Ｖ２は、１サイクルで複数回開閉することに限定されず、図８に示したように１サイクルで１回のみ開閉し吸気行程でリフト量が増大すればよい。このような場合にも内部ＥＧＲ量を確保できる。
上記実施例では、燃焼状態が不安定の場合に動弁装置Ｌ２が第２モードに切り替えられる例を説明したがこれに限定されない。例えば、ポンピングロスを低減するためにスロットル弁７の開度を絞り内部ＥＧＲ量を増大させるために動弁装置Ｌ２を第２モードに切り替える場合にバイパス弁３１を閉じてもよい。即ち、動弁装置Ｌ２を第２モードに切り替えるための理由は問わず、内部ＥＧＲ量の増大が要求された場合に動弁装置Ｌ２を第２モードに切り替えてバイパス弁３１を閉じる。これにより、内部ＥＧＲ量を確保できる。
例えば、動弁装置Ｌ２は、排気カムシャフトの軸方向に並び排気カムシャフトの軸方向の移動に応じてカムフォロアとの当接状態が切り替わる第１及び第２カムとを備えた装置であってもよい。この場合、第１モードでは第１カムのみがカムフォロアに当接し、第２モードでは第２カムのみがカムフォロアに当接する。または、第１モードでは第１カムのみがカムフォロアに当接し、第２モードでは第１カム及び第２カムがカムフォロアに当接する。動弁装置Ｌ２は、特開２０１３−０６０８２３号公報に開示されている装置であってもよい。
また、動弁装置Ｌ２は、電磁力を利用して排気弁Ｖ２を駆動する電磁駆動式の装置であってもよい。動弁装置Ｌ２は、特許文献１に開示されている装置であってもよい。
尚、燃焼状態の判定方法は以下のようにしてもよい。例えば、エンジンの回転数と負荷と良好な燃焼状態のときの筒内圧力との関係を規定したマップにより得られる筒内圧力よりも、実際の筒内圧力が所定値以上に低い場合に燃焼状態が悪化していると判定してもよい。また、ガソリンエンジンの場合には、ＥＣＵから点火信号が出された後の圧力上昇割合が所定値未満の場合に燃焼状態が悪化していると判定してもよい。
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１ 内燃機関
３ 排気通路
５ 過給機
８ ＥＣＵ（制御部）
１７、１８ 温度センサ
２０ 触媒
３０ バイパス通路
３１ バイパス弁
５００ タービン
Ｖ２ 排気弁

Claims (3)

  1. 排気弁を有した内燃機関と、
    前記内燃機関に接続された排気通路と、
    前記排気通路に設けられた過給機のタービンと、
    前記タービンをバイパスするバイパス通路と、
    前記バイパス通路を開閉するバイパス弁と、
    排気行程の少なくとも一部の期間で前記排気弁を開状態にする第１モードと前記排気行程の少なくとも一部の期間で前記排気弁を開状態にすると共に吸気行程の少なくとも一部の期間で前記排気弁のリフト量を増大させてその後に閉じる第２モードとを切替可能な動弁装置と、
    前記第２モードに切り替えて前記バイパス弁の開度を、全閉に制御する、又は前記第１モードでの前記バイパス弁の開度よりも閉じ側に制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記内燃機関の燃焼状態が不安定の場合には前記第２モードに切り替えて前記バイパス弁を閉じ、前記内燃機関の燃焼状態が安定している場合には前記第１モードに切り替え、前記内燃機関の燃焼状態が安定している場合に前記バイパス通路よりも下流側で前記排気通路に設けられた触媒の暖機の要求があった場合には前記第１モードで前記バイパス弁を開く、内燃機関の制御装置。
  2. 前記制御部は、前記内燃機関の回転速度の変化率に基づいて前記内燃機関の燃焼状態の安定性を判定する、請求項１の内燃機関の制御装置。
  3. 前記制御部は、前記内燃機関の複数の気筒のそれぞれの筒内圧力に基づいて前記内燃機関の燃焼状態の安定性を判定する、請求項１又は２の内燃機関の制御装置。
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