JP6358007B2

JP6358007B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP6358007B2
Application number: JP2014191517A
Authority: JP
Inventors: 佳 ▲吉▼村
Original assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Current assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Priority date: 2014-09-19
Filing date: 2014-09-19
Publication date: 2018-07-18
Anticipated expiration: 2034-09-19
Also published as: DE102015217812B4; DE102015217812A1; JP2016061262A

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に、予混合圧縮自着火燃焼機能を備える内燃機関の制御装置に関する。

従来、ガソリンエンジン等の内燃機関の燃焼形態としては、点火プラグからの火花放電により強制的に混合気を着火させるＳＩ（Spark Ignition）燃焼が広く一般的であったが、近年、気筒内に高温の既燃ガスを導入して混合気を自着火させる予混合圧縮自着火燃焼を燃焼形態として利用するガソリンエンジンの開発が進められている。ここで、予混合圧縮自着火燃焼は、ＨＣＣＩ（Homogeneous Charge Compression Ignition）燃焼と称される。

このＨＣＣＩ燃焼は、気筒内の混合気を圧縮し、高温かつ高圧化することにより、火花点火によらず混合気を自着火させるというものである。ＨＣＣＩ燃焼は、気筒内の各所で同時多発的に自着火する燃焼であり、ＳＩ燃焼に比べて燃焼期間が短く、より高い熱効率が得られるという利点を有する。

このようなＨＣＣＩ燃焼機能を備える内燃機関において、排気行程から吸気行程にかけて吸気弁と排気弁とをともに閉じて、排ガスを内部ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガスとして燃焼室に封鎖させる負のバルブオーバーラップ（ＮＶＯ：Negative Valve Overlap）期間を設け、内部ＥＧＲガスにより燃焼室内の温度である筒内温度を高温にするものがある。また、このＮＶＯ期間に燃料を噴射するＮＶＯ噴射を行うようにしたものもある。ＮＶＯ噴射による燃料は、高圧かつ高温の環境下にさらされるので、直ぐに燃焼を引き起こす（以下、「ＮＶＯ燃焼」という）。このため、圧縮行程におけるメイン燃焼に先立ち筒内温度を上昇させておくことができ、メイン燃焼の失火を抑制させることができる。

このようなＮＶＯ燃焼を行う内燃機関において、メイン燃焼が過剰燃焼となった際の排ガス中には、未燃焼燃料がほとんど含まれていない。よって、過剰燃焼となったメイン燃焼の直後のＮＶＯ燃焼では、内部ＥＧＲガス中の未燃焼燃料が少ないため、筒内の温度上昇が抑制され、次サイクルのメイン燃焼は燃焼が悪化してしまう。

このような問題を解決するため、特許文献１では、過剰燃焼となったメイン燃焼の直後のＮＶＯ期間において、ＮＶＯ噴射の燃料噴射量を増加させてＮＶＯ燃焼を活発にし、筒内温度を上昇させる内燃機関の制御装置が提案されている。これにより、過剰燃焼となったメイン燃焼の次サイクルのメイン燃焼の燃焼が悪化することを防ぐことができる。

特開２０１３−１９３４５号公報

しかしながら、このような特許文献１に記載の内燃機関の制御装置にあっては、ＮＶＯ噴射の燃料噴射量を増加させてＮＶＯ燃焼を活発化させるため、ＮＶＯ期間中の筒内ガス量が多くなり、次サイクルのメイン燃焼前の筒内の燃料量Ｆに対する残留ガス量Ｇの割合（以下、単に「Ｇ／Ｆ」という）が大きくなってしまう。その結果、次サイクルのメイン燃焼時のＧ／Ｆが失火限界以下となって、失火が発生したりトルクが減少したりするという問題があった。

そこで、本発明は、予混合圧縮自着火燃焼時の失火やトルク減少の発生を抑えることができる内燃機関の制御装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決する内燃機関の制御装置の発明の一態様は、火花点火燃焼と予混合圧縮自着火燃焼とが切り替え可能に構成されるとともに、排気行程から吸気行程にかけて吸気弁及び排気弁をともに閉じて排ガスを燃焼室に封鎖させる封鎖期間を設け、封鎖期間に燃焼室へ燃料を噴射する封鎖時噴射を実行し、封鎖時噴射された燃料の燃焼により燃焼室温度を上昇させた後に予混合圧縮自着火燃焼を行う内燃機関の制御装置であって、予混合圧縮自着火燃焼の発生を検出するメイン燃焼検出部と、排気弁の開閉時期を任意に変更可能な排気側可変動弁機構と、予混合圧縮自着火燃焼の発生が予め設定された閾値以上に進角し過剰燃焼したと判断した場合に、封鎖時噴射の燃料噴射量を増加させるとともに、封鎖時噴射の燃料噴射量に応じて封鎖期間直前の排気弁の開閉時期を遅らせる制御部と、を備え、前記制御部は、前記封鎖時噴射の燃料噴射量が増加しても、Ｇ／Ｆ値が所定値以内に収まるよう前記排気弁の開閉時期を決定するものである。

このように本発明の一態様によれば、予混合圧縮自着火燃焼時の失火やトルク減少の発生を抑えることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置を示す図であり、その概念ブロック図である。図２は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置を示す図であり、その燃焼安定化処理を説明するフローチャートである。図３は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置を示す図であり、その燃焼安定化処理による筒内の燃料量に対する残留ガス量の割合の変化を示すタイムチャートである。図４は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置を示す図であり、封鎖時噴射量と排気弁遅角量によるエンジン負荷変化率を示すグラフである。図５は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置を示す図であり、封鎖時噴射量と排気弁遅角量による筒内の燃料量に対する残留ガス量の割合を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１において、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置を搭載した車両１は、内燃機関型のエンジン２と、制御部としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）３とを含んで構成される。

エンジン２には、気筒としてのシリンダ５が形成されている。シリンダ５には、このシリンダ５内を上下に往復動可能なピストン６が収納されている。また、シリンダ５の上部には、燃焼室７が設けられている。この燃焼室７には、シリンダ５の内部の圧力である筒内圧力を把握するための筒内圧センサ３０が設けられている。

エンジン２は、シリンダ５内でピストン６が往復する間に、吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程からなる一連の４行程を行う、いわゆる４サイクルのガソリンエンジンである。

また、ピストン６は、不図示のコネクティングロッドを介してクランクシャフトと連結している。コネクティングロッドは、ピストン６の往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換するようになっている。

また、燃焼室７には、点火プラグ８と、インジェクタ９が設けられている。点火プラグ８は、燃焼室７内に電極を突出させた状態で配設され、図示しないイグナイタによってその点火時期が調整されるようになっている。インジェクタ９は、図示しない燃料タンクから燃料ポンプによって供給された燃料を燃焼室７内に噴射する、いわゆる筒内噴射式の燃料噴射弁である。

エンジン２には、吸気ポート１１と、排気ポート２１が設けられている。吸気ポート１１は、燃焼室７と後述する吸気通路１４ａとを連通するようになっている。また、吸気ポート１１には、吸気弁１２が設けられている。

吸気弁１２は、吸気通路１４ａと燃焼室７とを連通または遮断するように開閉されるようになっている。吸気弁１２の開閉は、吸気側可変動弁機構１３によって行われるようになっている。

吸気側可変動弁機構１３としては、例えば電磁石とスプリング等から構成された電磁アクチュエータにより吸気弁１２の開閉を行う電磁式の可変動弁機構を用いることができる。具体的には、吸気側可変動弁機構１３は、電磁石の励磁によって吸気弁１２に固定された可動部を吸引することで、スプリングによって常時閉弁方向に付勢されている吸気弁１２を開弁方向に移動させるようになっている。

また、吸気側可変動弁機構１３は、ＥＣＵ３と電気的に接続されており、電磁石の励磁、非励磁がＥＣＵ３によって制御されるようになっている。したがって、ＥＣＵ３は、吸気弁１２の開閉時期を任意に変更でき、これにより吸気弁１２の開弁期間を容易に調整することができる。

なお、吸気側可変動弁機構１３としては、電磁アクチュエータに替えて油圧アクチュエータを用いた油圧式の可変動弁機構を用いてもよい。また、吸気側可変動弁機構１３として、主カムおよび副カム等のカム部材を用いて吸気弁１２の開閉時期を変更可能な機械式の可変動弁機構を用いても構わない。

さらに、この吸気側可変動弁機構１３は、例えば電磁石に対する励磁電流がＥＣＵ３によって調整されることにより、吸気弁１２の開閉時期とともに吸気弁１２のリフト量を連続的に変化させることが可能な構成であってもよい。

また、吸気ポート１１には、吸気管１４が接続されている。この吸気管１４の内部には、吸気ポート１１と連通する吸気通路１４ａが形成されている。吸気通路１４ａには、電子制御式のスロットルバルブ１５が設けられている。スロットルバルブ１５は、ＥＣＵ３に電気的に接続されている。

スロットルバルブ１５は、ＥＣＵ３からの指令信号に応じてスロットル開度が制御されることで、エンジン２の吸入空気量を調整するようになっている。

一方、排気ポート２１には、排気弁２２が設けられている。排気弁２２は、後述する排気通路２４ａと燃焼室７とを連通または遮断するように開閉されるようになっている。排気弁２２の開閉は、排気側可変動弁機構２３によって行われるようになっている。

排気側可変動弁機構２３は、上述した吸気側可変動弁機構１３と同様の構成であるため、詳細な説明を省略するが、電磁石の励磁、非励磁がＥＣＵ３によって制御されることで、排気弁２２の開閉時期が任意に変更される。なお、排気側可変動弁機構２３として、電磁アクチュエータに替えて油圧アクチュエータを用いた油圧式の可変動弁機構を用いてもよい。また、排気側可変動弁機構２３として、主カムおよび副カム等のカム部材を用いて排気弁２２の開閉時期を変更可能な機械式の可変動弁機構を用いても構わない。したがって、ＥＣＵ３は、排気弁２２の開弁期間を容易に調整することができる。

また、排気ポート２１には、排気管２４が接続されている。この排気管２４の内部には、排気ポート２１と連通する排気通路２４ａが形成されている。

上述のように構成されたエンジン２は、スロットルバルブ１５により流量調整された吸気と噴射燃料との混合気を、点火プラグ８により点火して着火させる点火式のエンジンである。また、吸気側可変動弁機構１３および排気側可変動弁機構２３により吸気弁１２と排気弁２２の開閉タイミングを調節することで、燃焼室７内に噴射燃料と吸気を予め混合しておき、その混合気を圧縮して自着火させる予混合圧縮自着火燃焼（ＨＣＣＩ燃焼）が可能である。つまり、火花点火燃焼によるＳＩモードと、ＨＣＣＩ燃焼によるＨＣＣＩモードとが切り替え可能に構成されている。

本実施形態では、上述のように構成されたエンジン２は、ＥＣＵ３によってその運転状態が制御されるようになっている。ＥＣＵ３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、フラッシュメモリと、入力ポートと、出力ポートとを備えたコンピュータユニットによって構成されている。

ＥＣＵ３のＲＯＭには、各種制御定数や各種マップ等とともに、当該コンピュータユニットをＥＣＵ３として機能させるためのプログラムが記憶されている。すなわち、ＥＣＵ３において、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されたプログラムを実行することにより、当該コンピュータユニットは、ＥＣＵ３として機能する。

また、ＥＣＵ３の入力側には、前述した筒内圧センサ３０、に加え、アクセル開度センサ３１およびクランク角センサ３２等の各種センサ類が接続されている。ここで、アクセル開度センサ３１は、例えば加速要求時等に運転者によって操作される図示しないアクセルペダルの開度であるアクセル開度を検知するようになっている。また、クランク角センサ３２は、クランクシャフトの回転角度を検知するようになっている。ＥＣＵ３は、クランク角センサ３２から入力される検知結果に基づきエンジン回転数を算出するようになっている。

一方、ＥＣＵ３の出力側には、前述した点火プラグ８、インジェクタ９、スロットルバルブ１５、吸気側可変動弁機構１３および排気側可変動弁機構２３等の各種制御対象類が接続されている。

ＥＣＵ３は、エンジン２の運転状態に応じてＳＩ燃焼とＨＣＣＩ燃焼とを切り替えるようになっている。具体的には、ＥＣＵ３は、エンジン回転数及びエンジン負荷をパラメータとする燃焼領域マップを参照することにより、エンジン２の運転領域がＳＩ燃焼領域およびＨＣＣＩ燃焼領域のいずれにあるかを判断し、この判断に基づきＳＩ燃焼を行うかＨＣＣＩ燃焼を行うかを選択するようになっている。

ＥＣＵ３は、アクセル開度センサ３１から入力されたアクセル開度やクランク角センサ３２から入力される検知結果から算出したエンジン回転数などに基づき機関負荷としてのエンジン負荷を算出するようになっている。

ＥＣＵ３は、ＨＣＣＩ燃焼を行うＨＣＣＩモードでは、エンジン回転数及びエンジン負荷に基づいて、運転者から要求されたエンジン負荷を出力するための吸気弁１２及び排気弁２２のバルブタイミングやインジェクタ９による燃料噴射量を決定する。

また、ＥＣＵ３は、ＨＣＣＩモードでは、排気行程から吸気行程にかけて吸気弁１２及び排気弁２２をともに閉じる封鎖期間（ＮＶＯ期間）を設定するようになっている。また、ＥＣＵ３は、この封鎖期間中にインジェクタ９から燃料を噴射させる封鎖時噴射を行わせるようになっている。そして、ＥＣＵ３は、封鎖時噴射の後、吸気行程から圧縮行程にかけての所定期間に封鎖時噴射よりも多い量の燃料を噴射させるメイン噴射を行わせる。

なお、封鎖時噴射は、全てを封鎖期間中に行わなくてもよく、少なくとも封鎖時噴射の半分以上を封鎖期間に行えばよい。また、封鎖期間中に全ての封鎖時噴射を行うようにしてもよい。封鎖時噴射のタイミングは、エンジン２の運転状態から設定される。

ＥＣＵ３は、筒内圧センサ３０から入力された筒内圧を監視し、筒内圧センサ３０の検出する筒内圧が予め設定された圧力閾値よりも高くなるメイン燃焼のタイミングが、予め設定された過剰燃焼閾値よりも進角した場合、メイン燃焼が過剰燃焼したと判断し、封鎖時噴射の燃料噴射量を予め設定された封鎖時噴射増量分だけ増加させる。また、ＥＣＵ３は、その増加させた封鎖時噴射の直後のメイン噴射の燃料噴射量は、封鎖時噴射増量分だけ減少させる。要するに、封鎖時噴射とメイン噴射とのトータルの燃料噴射量が変化しないように制御する。すなわち、筒内圧センサ３０は、本発明に係るメイン燃焼検出部を構成する。

ここで、圧力閾値は、メイン燃焼を識別できる筒内圧力であり、予め実験等により求められ、ＥＣＵ３のＲＯＭに記憶されている。また、過剰燃焼閾値は、過剰燃焼を識別できるクランクシャフトの回転角であり、予め実験等により求められ、ＥＣＵ３のＲＯＭに記憶されている。また、封鎖時噴射増量は、メイン燃焼が過剰燃焼した場合の燃料不足分を補うことができる燃料噴射量の増分であり、予め実験等により求められ、ＥＣＵ３のＲＯＭに記憶されている。

また、ＥＣＵ３は、メイン燃焼が過剰燃焼したと判断したとき、封鎖期間に入る直前の排気弁２２の開閉時期を予め設定された排気弁遅角量分だけ遅らせる。ここで、排気弁遅角量は、排気弁２２の開閉時期を遅らせるクランクシャフトの回転角の量であり、例えば、封鎖時噴射量から排気弁遅角量が決まる後述するマップにより求められる。このマップは、予め実験等により求められ、ＥＣＵ３のＲＯＭに記憶されている。

このように、排気弁２２の開閉時期を遅らせることで、封鎖時噴射前の筒内の残留ガス量を減らし、次サイクルのＧ／Ｆを抑制させる。その結果、次サイクルのメイン燃焼でのＧ／Ｆを失火限界以下に抑制させることができ、失火やトルクの減少の発生を抑えることができる。

以上のように構成された本実施形態に係る内燃機関の制御装置による燃焼安定化処理について、図２を参照して説明する。なお、以下に説明する燃焼安定化処理は、ＨＣＣＩ燃焼を行うＨＣＣＩモードに移行すると開始され、予め設定された時間間隔で実行され、ＳＩ燃焼を行うＳＩモードに移行すると実行が停止される。

まず、ＥＣＵ３は、アクセル開度及びエンジン回転数に基づきエンジン負荷を算出する（ステップＳ１１）。次いで、ＥＣＵ３は、エンジン回転数及びエンジン負荷に基づきバルブタイミングや燃料噴射量を決定し、各種制御対象類を制御する（ステップＳ１２）。

次いで、ＥＣＵ３は、メイン燃焼のタイミングが前述の過剰燃焼閾値よりも進角したか否かを判定する（ステップＳ１３）。メイン燃焼のタイミングが過剰燃焼閾値よりも進角していないと判定した場合、ＥＣＵ３は、処理を終了する。

一方、メイン燃焼のタイミングが過剰燃焼閾値よりも進角していると判定した場合、ＥＣＵ３は、封鎖時噴射量を前述の封鎖時噴射増量分だけ増加させるとともに、封鎖時噴射量を増加させた分だけメイン噴射量を減少させるように設定する（ステップＳ１４）。次いで、ＥＣＵ３は、増加された封鎖時噴射量に基づき、排気弁２２の開閉時期を前述の排気弁遅角量だけ遅角させる（ステップＳ１５）。

このような燃焼安定化処理による作用について図３を参照して説明する。
図３の上段に示すように、従来の内燃機関の制御装置では、メイン燃焼が過剰燃焼で進角した場合（図中、ＥＣで示す）、封鎖時噴射量を増量させているが、封鎖時噴射量を増加させて封鎖期間中の燃焼である封鎖時燃焼を活発化させるため、封鎖期間中の筒内の残留ガス量が多くなる。この結果、次サイクルのメイン燃焼前のＧ／Ｆが失火限界以上となり、失火やトルクの減少が発生するおそれがあった。

本実施形態では、図３の下段に示すように、メイン燃焼が過剰燃焼で進角した場合（図中、ＥＣで示す）、封鎖時噴射量を増量させる。さらに、増量させた封鎖時噴射量に対応した排気弁遅角量だけ排気弁２２の開閉時期を遅らせる。排気弁２２の開閉時期を遅らせると、図３の「ピストンスピード」に示すように、ピストンスピードが上がっているタイミング（図中、一点鎖線で囲んだ部分）で排気弁２２が開けられ、既燃ガスが多く排出される。

また、排気弁２２の開閉時期を遅らせると、図３の「筒内体積」に示すように、筒内体積が減っていくタイミング（図中、一点鎖線で囲んだ部分）で排気弁２２が開けられ、既燃ガスが多く排出される。このため、封鎖期間中の筒内の残留ガス量が少なくなる。この結果、次サイクルのメイン燃焼前のＧ／Ｆが失火限界より小さくなり、失火やトルク減少の発生を抑えることができる。

このような内燃機関の制御装置の封鎖時噴射量から排気弁遅角量が決まるマップについて説明する。

図４は、封鎖時噴射量と排気弁遅角量によるエンジン負荷の変化率[%]を示すグラフである。封鎖時噴射量の増量に伴う排気弁２２の開閉時期の調整によりエンジン負荷が変化することを防ぐため、エンジン負荷の変化量がプラスマイナス１％以下となる範囲（例えば、図中、太線で囲んだ部分）を調整可能範囲として、この範囲内で排気弁２２の開閉時期を調整する。

図５は、封鎖時噴射量と排気弁遅角量によるＧ／Ｆの値を示すグラフである。図中点線で囲んだ範囲は図４の調整可能範囲を示している。図４の調整可能範囲内で封鎖時噴射量を増量してもＧ／Ｆが変化しないように排気弁２２の開閉時期を調整する。例えば、図中太線で囲んだ部分の調整目標領域に入るように排気弁遅角量を決定するようにする。

このように、上述の実施形態では、筒内圧センサ３０の検出する筒内圧が予め設定された圧力閾値よりも高くなるメイン燃焼のタイミングが、予め設定された過剰燃焼閾値よりも進角した場合、メイン燃焼が過剰燃焼したと判断し、封鎖時噴射の燃料噴射量を予め設定された封鎖時噴射増量分だけ増加させるとともに、封鎖時噴射の燃料噴射量に応じて封鎖期間直前の排気弁２２の開閉時期を遅らせるＥＣＵ３を備える。

これにより、封鎖時噴射の燃料噴射量に応じて排気弁の開閉時期が遅らされ、既燃ガスを多く排出することができるタイミングで排気弁２２が開けられる。このため、既燃ガスを多く排出して封鎖時噴射前の筒内の残留ガス量を減らすことができ、次のサイクルのメイン燃焼前の残留ガス量を減らして、予混合圧縮自着火燃焼時の失火やトルク減少の発生を抑えることができる。

また、ＥＣＵ３は、封鎖時噴射の燃料噴射量が多いほど、封鎖期間直前の排気弁２２の開閉時期を遅らせる量を増加させる。

これにより、封鎖時噴射の燃料噴射量が多いほど封鎖期間直前の排気弁２２の開閉時期が遅くなる。このため、封鎖時噴射の燃料噴射量が多いほど既燃ガスを多く排出して封鎖時噴射前の筒内の残留ガス量を減らすことができ、次のサイクルのメイン燃焼前の残留ガス量を減らして、予混合圧縮自着火燃焼時の失火やトルク減少の発生を抑えることができる。

本発明の実施形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

１車両
２エンジン（内燃機関）
３ＥＣＵ（制御部）
７燃焼室
９インジェクタ
２１排気ポート
２２排気弁
２３排気側可変動弁機構
３０筒内圧センサ（メイン燃焼検出部）

Claims

火花点火燃焼と予混合圧縮自着火燃焼とが切り替え可能に構成されるとともに、
排気行程から吸気行程にかけて吸気弁及び排気弁をともに閉じて排ガスを燃焼室に封鎖させる封鎖期間を設け、前記封鎖期間に燃焼室へ燃料を噴射する封鎖時噴射を実行し、前記封鎖時噴射された燃料の燃焼により燃焼室温度を上昇させた後に前記予混合圧縮自着火燃焼を行う内燃機関の制御装置であって、
前記予混合圧縮自着火燃焼の発生を検出するメイン燃焼検出部と、
前記排気弁の開閉時期を任意に変更可能な排気側可変動弁機構と、
前記予混合圧縮自着火燃焼の発生が予め設定された閾値以上に進角し過剰燃焼したと判断した場合に、前記封鎖時噴射の燃料噴射量を増加させるとともに、前記封鎖時噴射の燃料噴射量に応じて前記封鎖期間直前の前記排気弁の開閉時期を遅らせる制御部と、を備え、
前記制御部は、前記封鎖時噴射の燃料噴射量が増加しても、Ｇ／Ｆ値が所定値以内に収まるよう前記排気弁の開閉時期を決定する内燃機関の制御装置。
前記制御部は、前記封鎖時噴射の燃料噴射量が多いほど、前記封鎖期間直前の前記排気弁の開閉時期を遅らせる量を増加させる請求項１に記載の内燃機関の制御装置。