JP6848412B2

JP6848412B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP6848412B2
Application number: JP2016243000A
Authority: JP
Inventors: 啓小島
Original assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Current assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Priority date: 2016-12-15
Filing date: 2016-12-15
Publication date: 2021-03-24
Anticipated expiration: 2036-12-15
Also published as: JP2018096311A

Description

本発明は、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。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。

ＳＩ運転からＨＣＣＩ運転に切替える際は、ＳＩ燃焼よりも多くの筒内ガス量が必要なＨＣＣＩ燃焼を行なう準備として、ＳＩ運転中において吸入空気量（吸気圧力）を増加させ、空燃比をリーン化することが考えられている。

特許文献１には、エンジン以外のエネルギー源により駆動可能な過給機により、圧縮自己着火運転を行なうのに最適な温度および圧力の条件に燃焼室内の状態を整えて圧縮自己着火運転を起動することが開示されている。

特開２００４−１７６６８８号公報

このように、リーンな空燃比で火花点火による燃焼を行なうと、ＮＯｘが大量に発生するが、ＮＯｘは一般的なガソリンエンジンに装備されている三元触媒では浄化ができないため、そのまま大量のＮＯｘが排出される問題がある。ＮＯｘ触媒を装備することも考えられるが、三元触媒に比べて浄化率が大幅に低い上に、コストが上昇する問題がある。

また、三元触媒でＮＯｘが浄化できるように、吸入空気量に合わせて燃料噴射量を増加させて空燃比をストイキに保ち、それによるトルクの増加を点火遅角で抑える方法も考えられるが、燃費が悪化する問題がある。ターボ付きエンジンでは、吸気圧力上昇の変化が比較的遅いため、ＨＣＣＩ運転に切替えることができる状態になるまで時間がかかり、上述の問題の影響が大きくなる。

そこで、本発明は、ＳＩ運転からＨＣＣＩ運転に切替える際に、ストイキ空燃比を維持し、かつ、燃料消費量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ため本発明は、火花点火燃焼と圧縮自着火燃焼とが切り替え可能に構成され、過給機を備えた内燃機関の制御装置であって、前記火花点火燃焼から前記圧縮自着火燃焼へ切り替える準備の間、前記過給機により過給圧を目標の圧力まで上昇させ、かつ吸入空気量を一定に保ちストイキ空燃比を維持させる制御部を備え、前記制御部は、前記過給機により前記過給圧の上昇に応じて、吸気バルブの早閉じや遅閉じ、または前記吸気バルブの低リフト化により前記吸入空気量を抑制し、前記吸気バルブによる前記吸入空気量の抑制が限界に達した場合、前記吸気バルブによる前記吸入空気量の抑制は限界状態のまま、吸気スロットルを絞り、前記吸入空気量を一定に保たせるものである。

このように本発明によれば、ＳＩ運転からＨＣＣＩ運転に切替える際に、ストイキ空燃比を維持し、かつ、燃料消費量を抑えることができる。

図１は、本発明の一実施例に係る内燃機関の制御装置の要部の構成図である。図２は、本発明の一実施例に係る内燃機関の制御装置の運転領域を示す図である。図３は、本発明の一実施例に係る内燃機関の制御装置の吸入空気量制御処理の手順を示すフローチャートである。図４は、本発明の一実施例に係る内燃機関の制御装置の吸入空気量制御処理による動作を示すタイムチャートである。

本発明の一実施の形態に係る内燃機関の制御装置は、火花点火燃焼と圧縮自着火燃焼とが切り替え可能に構成され、過給機を備えた内燃機関の制御装置であって、火花点火燃焼から圧縮自着火燃焼へ切り替える場合に、過給機により過給圧を上昇させ、かつ吸入空気量を一定に保たせる制御部を備えるよう構成されている。

これにより、ＳＩ運転からＨＣＣＩ運転に切替える際に、ストイキ空燃比を維持し、かつ、燃料消費量を抑えることができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施例に係る内燃機関の制御装置について詳細に説明する。

図１において、本発明の一実施例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は、シリンダブロック４と、シリンダブロック４の上部に締結されたシリンダヘッド５とを含んで構成されている。シリンダブロック４には、気筒４ａが形成され、この気筒の内部（以下、「筒内」という）には、上下に往復動可能なピストン６が収納されている。

また、気筒４ａの上部には、燃焼室７が設けられている。燃焼室７は、ピストン６の頂面とシリンダヘッド５の下面とによって画成されている。エンジン２は、筒内でピストン６が２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行程を行なう、いわゆる４サイクルのガソリンエンジンである。

ピストン６は、コネクティングロッド８を介して図示しないクランク軸と連結している。コネクティングロッド８は、ピストン６の往復運動をクランク軸の回転運動に変換する。

シリンダヘッド５には、点火プラグ５０と、吸気ポート５１と、排気ポート５２とが設けられている。点火プラグ５０は、燃焼室７内に電極を突出させた状態でシリンダヘッド５に配設され、ＥＣＵ３によってその点火時期が調整される。

吸気ポート５１は、燃焼室７と後述する吸気通路１６ａとを連通するようになっている。また、吸気ポート５１には、吸気バルブ１１が設けられている。

吸気バルブ１１は、開閉されることで、吸気通路１６ａと燃焼室７とを連通または遮断するようになっている。吸気バルブ１１の開閉は、吸気側可変動弁機構１２によって行なわれるようになっている。

吸気側可変動弁機構１２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バルブ１１の開閉を行な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１２は、電磁石の励磁によって吸気バルブ１１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バルブ１１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１２は、後述する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、吸気バルブ１１の開閉時期を任意に変更でき、これにより吸気バルブ１１の開弁期間を容易に調整することができる。

さらに、この吸気側可変動弁機構１２は、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、吸気バルブ１１の開閉時期とともに吸気バルブ１１のリフト量を連続的に変化させることができる。

なお、吸気側可変動弁機構１２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、シリンダヘッド５の吸気ポート５１側には、吸気マニホールド１３が接続されている。吸気マニホールド１３の吸気ポート５１近傍には、インジェクタ１０が設けられている。

インジェクタ１０は、図示しない燃料タンクから燃料ポンプによって圧送された燃料を吸気ポート５１内に噴射する、いわゆるポート噴射式の燃料噴射弁である。なお、インジェクタ１０としては、ポート噴射式に限らず、燃焼室７に燃料を直接噴射する、いわゆる直噴式の燃料噴射弁であってもよい。

吸気ポート５１内に噴射された燃料は、吸入空気、すなわち新気と混合されて混合気となって燃焼室７に導入される。燃焼室７に導入された混合気は、点火プラグ５０による火花放電、あるいは燃焼室内での圧縮による自着火によって燃焼および爆発する。この混合気の燃焼および爆発によってピストン６が気筒４ａ内を往復運動し、クランクシャフトが回転する。

吸気マニホールド１３の吸気が流れる吸気方向の上流側には、サージタンク１４が設けられている。サージタンク１４には、吸気圧を検出する吸気圧センサ１５が設けられている。

サージタンク１４の吸気方向の上流側には、吸気管１６が接続されている。この吸気管１６の内部には、吸気ポート５１と連通する吸気通路１６ａが形成されている。吸気通路１６ａには、吸気方向の上流から順に、空気を圧縮するコンプレッサ１７、圧縮された空気を冷却するインタークーラ１８、および空気の流量を調整する吸気スロットル１９が設けられている。

吸気スロットル１９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。吸気スロットル１９には、スロットル開度を検出するためのスロットル開度センサ４１が設けられている。

吸気スロットル１９の吸気方向の上流側には、後述するターボチャージャ９による過給圧を検出する過給圧センサ４２と、吸気スロットル１９の吸気方向上流の吸気温を検出する吸気温センサ４３とが設けられている。

一方、排気ポート５２には、排気バルブ２１が設けられている。排気バルブ２１は、開閉されることで、後述する排気通路２３ａと燃焼室７とを連通または遮断するようになっている。排気バルブ２１の開閉は、排気側可変動弁機構２２によって行なわれるようになっている。

排気側可変動弁機構２２は、上述した吸気側可変動弁機構１２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、排気バルブ２１の開閉時期及びリフト量が任意に変更される。したがって、ＥＣＵ３は、排気バルブ２１の開弁期間及びリフト量を容易に調整することができる。

また、シリンダヘッド５の排気ポート５２側には、排気管２３が接続されている。この排気管２３の内部には、排気ポート５２と連通する排気通路２３ａが形成されている。排気通路２３ａには、排気流によって駆動される排気タービン２４、排気を浄化する図示しない触媒、および消音のための図示しないマフラーが設けられている。

排気タービン２４は、コンプレッサ１７に連結されている。排気流によって駆動された排気タービン２４の動力は、コンプレッサ１７が空気を圧縮するための動力として利用される。これらコンプレッサ１７および排気タービン２４は、過給機としてのターボチャージャ９を構成する。

排気タービン２４を挟んで排気管２３の排気が流れる排気方向の上流側と下流側との間には、バイパス通路２５が設けられている。このバイパス通路２５には、排気タービン２４への排気流を調整可能なウェストゲートバルブ２６が設けられている。ウェストゲートバルブ２６は、排気タービン２４への排気流を調整することによって、ターボチャージャ９の過給によって得られる吸気の圧力である過給圧を制御することができる。ウェストゲートバルブ２６は、例えば電磁バルブなどによって構成され、ＥＣＵ３によって開閉制御される。なお、過給圧の制御は、過給圧を変更可能な可変ノズルターボを用いて行なってもよい。

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。

このコンピュータユニットの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、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。

ＥＣＵ３の入力ポートには、上述した、吸気圧センサ１５、スロットル開度センサ４１、過給圧センサ４２、吸気温センサ４３に加え、エアフロメータ４４、クランク角度センサ４５、排気圧センサ４６、排気温センサ４７、アクセル開度センサ４８、大気圧センサ４９等の各種センサ類が接続されている。

エアフロメータ４４は、吸入空気量を検出する。クランク角度センサ４５は、エンジン２の回転に伴い所定クランク角度毎に矩形状のクランク角信号を出力する。ＥＣＵ３は、このクランク角信号に基づいてエンジン２の機関回転数であるエンジン回転数を算出する。

排気圧センサ４６は、排気の圧力を検出する。排気温センサ４７は、排気の温度を検出する。アクセル開度センサ４８は、運転者による図示しないアクセルペダルの踏み込み量をアクセル開度として検出する。大気圧センサ４９は、大気圧を検出する。

一方、ＥＣＵ３の出力ポートには、上述のインジェクタ１０と、吸気側可変動弁機構１２と、吸気スロットル１９と、排気側可変動弁機構２２と、ウェストゲートバルブ２６と、点火プラグ５０とを含む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要求トルクをパラメータとする図２に示すような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燃焼を行なうかＨＣＣＩ燃焼を行な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４８から入力されたアクセル開度などに基づきエンジン要求負荷を算出するようになっている。

ＥＣＵ３は、エンジン２の運転領域がＳＩ運転領域からＨＣＣＩ運転領域に入り、ＳＩ運転からＨＣＣＩ運転へ切り替える準備期間において、ターボチャージャ９の制御により過給圧力を増加させるとき、吸入空気量を可能な限り増加させないように制御する。

具体的には、ＥＣＵ３は、図３に示すような吸入空気量制御処理を実行する。なお、以下に説明する吸入空気量制御処理は、ＥＣＵ３の処理が開始されると開始され、予め設定された時間間隔で実行される。

ステップＳ１において、ＥＣＵ３は、ＳＩ運転からＨＣＣＩ運転への切り替え準備中であるか否かを判定する。ＳＩ運転からＨＣＣＩ運転への切り替え準備中でないと判定した場合、ＥＣＵ３は、処理を終了する。

ＳＩ運転からＨＣＣＩ運転への切り替え準備中とは、吸気圧等の変化の比較的遅い状態量を、ＳＩ運転を行ないながらＨＣＣＩ運転に適した状態に変化させる間のことである。

ＳＩ運転からＨＣＣＩ運転への切り替え準備中であると判定した場合、ステップＳ２において、ＥＣＵ３は、ＳＩ運転時よりも高いＨＣＣＩ運転用の目標吸気圧を選択し、ターボチャージャ９のウェストゲートバルブ２６の制御により吸気圧を上昇させる。

ステップＳ３において、ＥＣＵ３は、目標よりも遅れて変化する実際の吸気圧の上昇に合わせて、吸気バルブ１１の早閉じまたは遅閉じ、または吸気バルブ１１の低リフト化を行なうことで吸入空気量を一定に保つ。なお、吸気バルブ１１の早閉じや遅閉じ、低リフト化等、吸入空気量を抑制する方法については、使用する可変動弁の仕様に依存する。

これにより、過給圧が上昇してもストイキ空燃比を保つことができ、三元触媒でのＮＯｘ浄化が可能となる。また、吸入空気量と燃料噴射量を増加させてストイキ空燃比を維持し、点火遅角によりトルクを抑制させるよりも、燃費を向上させることができる。

ＥＣＵ３は、例えば、吸気圧センサ１５の検出する吸気圧に応じて、吸気バルブ１１の早閉じまたは遅閉じの時期、吸気バルブ１１のリフト量を調整する。

ステップＳ４において、ＥＣＵ３は、吸気バルブ１１の早閉じまたは遅閉じ、または吸気バルブ１１の低リフト化が限界に到達したか否かを判定する。限界に到達していないと判定した場合、ＥＣＵ３は、処理を終了する。

ＥＣＵ３は、吸気バルブ１１が機構的にそれ以上早閉じまたは遅閉じ、または低リフト化ができなくなったとき、限界に到達したと判定する。また、ＥＣＵ３は、燃焼安定性が悪化したと判定したとき、限界に到達したと判定する。

限界に到達していると判定した場合、ステップＳ５において、ＥＣＵ３は、吸気バルブ１１の早閉じまたは遅閉じ、または吸気バルブ１１の低リフト化は限界状態のまま、過給圧センサ４２の検出する実過給圧に合わせて吸気スロットル１９を絞り、吸気圧及び吸入空気量を一定に保つ。

これにより、ステップＳ３の処理と同様に、ストイキ空燃比を保つことができ、かつ、点火遅角を行なわずに済む。

また、吸気スロットル１９だけで吸入空気量を抑制するよりも、吸気バルブ１１の早閉じ等を併用したほうが、その後のＨＣＣＩ運転への切り替え時に吸入空気量の増加速度を速くすることができる。これにより、吸入空気量が増加する途中におけるストイキ空燃比を維持するための燃料噴射量の総量を減らすことができる。また、吸気行程でのポンプ仕事が減少することにより燃費が向上する。

ステップＳ６において、ＥＣＵ３は、実過給圧等がＨＣＣＩ運転可能な条件に到達したか否かを判定する。ＨＣＣＩ運転可能な条件に到達していないと判定した場合、ＥＣＵ３は、処理を終了する。

ＨＣＣＩ運転可能な条件に到達していると判定した場合、ステップＳ７において、ＥＣＵ３は、吸気バルブ１１、排気バルブ２１、吸気スロットル１９等をＨＣＣＩ運転用の設定値に切替える。

なお、実際には、吸入空気量がＨＣＣＩ運転で必要な値に到達した時点で、排気バルブ２１等の制御がＨＣＣＩ運転用に切り替わり、自着火運転が開始され、切替えが完了する。

このような吸入空気量制御処理による動作について図４を参照して説明する。なお、図４は、吸気バルブ１１の早閉じで吸入空気量を抑制した場合の例である。

タイミングｔ１において、エンジン２の運転領域がＳＩ運転領域からＨＣＣＩ運転領域に入ると、ＳＩ運転からＨＣＣＩ運転への切替えの準備が開始され、過給圧が上げられ、吸気圧も上がっていく。

過給圧の上昇に対応して、吸入空気量を一定に保つため、吸気バルブ１１の閉時期が早閉じされていく。

タイミングｔ２において、吸気バルブ１１の早閉じが限界に到達すると、吸気バルブ１１は早閉じの限界の状態のまま、吸気スロットル１９が絞られ、吸気圧が一定に保たれ、吸入吸気量が一定に保たれる。

タイミングｔ３において、過給圧が目標の圧力に到達すると、ＳＩ運転からＨＣＣＩ運転への切替えが開始され、排気バルブ２１等の制御がＨＣＣＩ運転用に切り替わり、自着火運転が開始され、タイミングｔ４で切替えが完了する。

このように、ＨＣＣＩ運転への切替え準備により過給圧が上昇しても、また、吸気バルブ１１の早閉じまたは遅閉じ、または吸気バルブ１１の低リフト化が限界に到達しても、ストイキ空燃比を保つことができ、三元触媒でのＮＯｘ浄化が可能となる。

また、吸入空気量と燃料噴射量を増加させてストイキ空燃比を維持し、点火遅角によりトルクを抑制させるよりも、燃費を向上させることができる。

また、吸気スロットル１９だけで吸入空気量を抑制するよりも、ＨＣＣＩ運転への切替え時に吸入空気量の増加速度を速くでき、吸入空気量が増加する途中におけるストイキ空燃比を維持するための燃料噴射量の総量を減らすことができる。また、吸気行程でのポンプ仕事が減少することにより燃費が向上する。

なお、本実施例においては、吸気バルブ１１の早閉じまたは遅閉じ、低リフト化が限界になってから吸気スロットル１９を絞っているが、吸気圧は吸気スロットル１９の操作に対し遅れがあるため、このような制御では吸気圧が一旦上昇してしまう場合がある。この対策として、過給圧や吸気バルブ１１の動作を予測し、その予測に基づいて吸気スロットル１９を動作させるとよい。

本発明の実施例を開示したが、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
３ＥＣＵ（制御部）
９ターボチャージャ（過給機）
１１吸気バルブ
１２吸気側可変動弁機構
１５吸気圧センサ
１９吸気スロットル
２６ウェストゲートバルブ
４２過給圧センサ
４５クランク角度センサ
４８アクセル開度センサ

Claims

火花点火燃焼と圧縮自着火燃焼とが切り替え可能に構成され、過給機を備えた内燃機関の制御装置であって、
前記火花点火燃焼から前記圧縮自着火燃焼へ切り替える準備の間、前記過給機により過給圧を目標の圧力まで上昇させ、かつ吸入空気量を一定に保ちストイキ空燃比を維持させる制御部を備え、
前記制御部は、前記過給機により前記過給圧の上昇に応じて、吸気バルブの早閉じや遅閉じ、または前記吸気バルブの低リフト化により前記吸入空気量を抑制し、
前記吸気バルブによる前記吸入空気量の抑制が限界に達した場合、前記吸気バルブによる前記吸入空気量の抑制は限界状態のまま、吸気スロットルを絞り、前記吸入空気量を一定に保たせる内燃機関の制御装置。