JP6930178B2 - 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。
過給機を備えた内燃機関において、吸気弁および排気弁の開閉時期を変更可能な動弁機構と、内燃機関の低回転域において、運転条件に応じて吸気弁および排気弁の目標開閉時期を設定する目標開閉時期設定手段と、目標開閉時期に基づいて、動弁機構を制御する制御手段と、を備えるものが知られている。この目標開閉時期は、過給機が駆動されない負圧域で設けられた、吸気弁および排気弁のオーバーラップ期間が、中低負荷過給域では縮小されように設定され、更に、要求負荷の大きい高負荷過給域では、中低負荷過給域で縮小されたオーバーラップ期間が拡大されるように目標開閉時期が設定される(下記、特許文献1参照)。
特許第4277897号公報
ところで、内燃機関の動作時にノッキングと称される異音が生じる場合がある。ノッキングは、金属製の打撃音及び打撃的な振動を生じる現象であり、点火時期が早すぎる、圧縮比が高すぎる、過度なブーストアップ、燃料のアンチノック性、及び極端に薄すぎる混合気などを原因として発生する。このような異音は、ドライバに内燃機関に故障が発生した疑いを生じさせる等の事態を招来することにもなり得るため、異音の発生を抑制することが望ましい。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、異音の発生を抑制することができる内燃機関の制御装置を提供することにある。
本発明の、少なくとも吸気弁の開弁時期を可変する可変動弁手段と、過給手段とを備える内燃機関を制御する制御装置は、前記可変動弁手段の前記吸気弁の目標開弁時期を設定する設定手段と、前記設定手段で設定された目標開弁時期に基づいて前記可変動弁手段を動作させる可変動弁制御手段と、を備え、前記設定手段は、前記内燃機関が開始端から終了端で定義されエンジンが異常燃焼を起こす可能性があって前記過給手段が過給しない非過給領域である第一範囲にある際に設定される第一目標開弁時期を、前記開始端部の負荷より低負荷の範囲である第二範囲にある際に設定される第二目標開弁時期と前記終了端の負荷より高負荷の範囲である第三範囲にある際に設定される第三目標開弁時期よりも、遅く設定することを特徴とする。
また、前記設定手段は、前記第二目標開弁時期を前記内燃機関の負荷が大きくなるにつれて遅く設定するようにしても良い。また、前記設定手段は、前記第三目標開弁時期を前記内燃機関の負荷が大きくなるにつれて早く設定するようにしても良い。
さらに、前記第三範囲は、前記過給手段により過給される負荷の範囲を含むようにしても良い。
さらにまた、前記設定手段は、前記第三範囲の最大負荷において、前記目標開弁時期を前記過給手段による過給を実現可能な開弁時期のうち最も早い時期に設定するようにしても良い。
さらに、前記内燃機関は、排気弁をさらに備え、前記設定手段は、前記第二範囲において、前記排気弁と前記吸気弁とが同時に開弁するバルブオーバラップ期間を設けるように前記吸気弁の開弁時期を設定しても良い。
さらに、前記設定手段は、前記第一目標開弁時期を一定の開弁時期に保持するようにしても良い。
さらにまた、前記設定手段は、前記内燃機関の負荷が前記第二範囲より低負荷の範囲である第四範囲にある際に設定される第四目標開弁時期を前記第一目標開弁時期よりも、遅く設定するようにしても良い。
本発明によれば、異音の発生を抑制することができる内燃機関の制御装置を提供することができる。
本発明の第1の実施形態に係る内燃機関の制御装置が含まれる車両の概略的な構成の一例を示す図。 同第1の実施形態に係る内燃機関の特性に応じて設定される目標開弁時期の設定の一例を示す図。 同第1の実施形態に係る目標開弁時期の設定処理の一例を示すフローチャート。 同第1の実施形態のように目標開弁時期の設定を行う場合と従来のように目標開弁時期の設定をする場合とを比較するための図。 本発明の第2の実施形態に係る内燃機関の特性に応じて設定される目標開弁時期の設定の一例を示す図。
以下、本発明の各実施の形態について図面を参照しながら説明する。
(第1の実施形態)
図1は、内燃機関の制御装置が含まれる車両の概略的な構成の一例を示す図である。
図1に示すように、車両100はエンジン(内燃機関)1を含み、エンジン1は、吸気管噴射型(Multi Point Injection:MPI)の4サイクル直列4気筒型ガソリンエンジンである。なお、図1には4サイクル直列4気筒型ガソリンエンジンのうちの1つの気筒についての縦断面が示されている。なお、他の気筒についても同様の構成をしているため、これらについては図示及び説明を省略する。また、車両100は、車両としての機能を実現するための他の構成も含むが、これらの構成は従来技術と同様であるため、図示及び説明を省略する。
図1に示すように、エンジン1はシリンダブロック2にシリンダヘッド3が載置されて構成されている。シリンダブロック2には、エンジン1を冷却する冷却水の温度を検出する水温センサ4が設けられている。シリンダブロック2に形成されているシリンダ5内には上下摺動可能にピストン6が設けられている。ピストン6はコンロッド7を介してクランクシャフト8に連結されている。エンジン1には、エンジン1の回転速度を検出するクランク角センサ9が設けられている。
シリンダヘッド3とシリンダ5とピストン6で燃焼室10が形成されている。シリンダヘッド3には、燃焼室10に臨むようにして点火プラグ11が設けられている。シリンダヘッド3には、燃焼室10からシリンダヘッド3の一側面に向かって吸気ポート12が形成されており、燃焼室10からシリンダヘッド3の他側面に向かって排気ポート13が形成されている。
また、シリンダヘッド3には、燃焼室10と吸気ポート12との連通及び遮断を行う吸気バルブ(吸気弁)14と、燃焼室10と排気ポート13との連通及び遮断を行う排気バルブ15がそれぞれ設けられている。さらに、シリンダヘッド3上部には吸気バルブ14及び排気バルブ15を駆動するカム16,17を有したカムシャフト18,19がそれぞれ設けられている。そして、シリンダヘッド3の上部には、カムシャフト18の位相を検出するカム角センサ20が設けられている。
カムシャフト18の一端には可変バルブタイミング機構22が設けられている。可変バルブタイミング機構22は、例えば、カムシャフト18を駆動する図示しないカムスプロケットに図示しない油圧式アクチュエータを内蔵して構成されており、この油圧式アクチュエータへの作動油圧の給排により、カム回転位相角を自在に進角及び遅角させることが可能である。油圧式アクチュエータへの作動油圧の給排は、例えば可変バルブタイミング機構22に設けられたオイルコントロールバルブ(OCV:可変動弁手段)24により行うことができ、OCV24の開度またはデューティ率を変えることで作動油圧の給排量を調節可能である。
また、シリンダヘッド3の一側面には吸気ポート12と連通するように吸気マニホールド27が接続されている。吸気マニホールド27には吸気ポート12内に燃料を噴射するインジェクタ26が設けられている。また、吸気マニホールド27には吸気圧を検出する吸気圧センサ28が設けられており、吸気上流端には吸気管29が接続されている。
吸気管29には、吸入空気流量を調節する電子スロットルバルブ(ETV)30が設けられている。ETV30には、スロットルバルブの開き度合を検出するスロットルポジションセンサ(TPS)31が備えられている。
また、吸気管29の上流側には吸入空気流量を検出するエアフローセンサ(AFS)32が設けられている。一方、シリンダヘッド3の他側面には排気ポート13と連通するように排気管34が接続されている。排気管34の排気下流端に図示しない排気管が接続されている。
そして、上記水温センサ4、クランク角センサ9、カム角センサ20、吸気圧センサ28、TPS31、AFS32、エンジン1の加減速操作を行うアクセルペダル40の開き度合であるアクセル開度を検出するアクセルポジションセンサ(APS)41及び車両100の車速を検出する車速センサ42等の各種センサ類は、車両100に搭載されている電子コントロールユニット(ECU)50の入力側に電気的に接続されており、これらセンサ類からの検出情報がECU50に入力される。ECU50は、車両100を統括的に制御する装置であり、ECU50には、入力装置、出力装置、及び記憶装置等の装置が含まれる。
一方、ECU50の出力側には、上記点火プラグ11、OCV24、インジェクタ26、ETV30等の各種装置が電気的に接続されており、これら各種装置には各種センサ類からの検出情報に基づき演算された点火時期、吸気バルブ14のバルブタイミング指令、燃料噴射量、燃料噴射時期、スロットル開度等がそれぞれ出力される。
ECU50は、クランク角センサ9、AFS32の検出値と、クランク角センサ9の検出値よりエンジン回転数を算出し、算出したエンジン回転数とAFS32にて検出された空気流量とに基づいて吸気カムシャフト18の目標となる開弁時期、即ち可変バルブタイミング機構22の作動の目標となる目標開弁時期を設定する。なお、目標開弁時期の設定方法については、後述する。
また、吸気ポート12には吸気管29が接続されている。吸気管29は、燃焼室10に空気を供給するための通路であり、配管等によって構成される。吸気管29には、空気を浄化するためのエアフィルタ61、空気を圧縮するためのコンプレッサ66、圧縮された空気を冷却するためのインタークーラ62、及び、空気の流量を調整するためのETV30が設けられている。
排気ポート13には、排気管34が接続されている。排気管34は、燃焼室10から排気を排出させるための通路であり、配管等によって構成される。排気管34には、排気によって駆動される排気タービン63、排気を浄化するための触媒64、及び、消音のためのマフラー65が設けられている。
排気タービン63はコンプレッサ66に連結されており、排気によって駆動された排気タービン63の動力は、コンプレッサ66が空気を圧縮するための動力として利用される。つまり、コンプレッサ66及び排気タービン63は、排気ターボチャージャからなる過給機67を構成しており、エンジン1は、過給機67を有する直噴ガソリンエンジンである。ここで、過給機67の過給、非過給の定義について説明する。過給機67が0ブースト、つまり大気圧と一致するまでを非過給域とし、0ブースト以上から過給機67が過給できなくなるまでを過給域とし、それ以上を過給できないWOT域とする。過給機67の過給、非過給は、ECU50の制御に基づいて実行される(過給手段)。
以下、ECU50が吸気バルブ14の目標開弁時期を設定する処理について説明する。図2は、エンジン負荷に応じて設定される目標開弁時期の設定の一例を示す図である。なお、エンジン負荷に応じた目標開弁時期の設定は、例えば、ECU50内の記憶装置に記憶される。
図2において、横軸はエンジン負荷(%)であり、また、縦軸はアフタートップデッドセンター(ATDC)、言い換えると、上死点後の吸気バルブ14を開けるタイミングを示すインテイクオープン(IO)である。なお、本第1の実施形態では、エンジン1のエンジン負荷を横軸にする場合で説明するが、エンジン1の他の特性を横軸としても良く、例えば、エンジン1の充填効率を横軸としても良い。
縦軸は、図示上側ほど目標開弁時期が遅角になり、図示下側ほど目標開弁時期が進角になる。インテイクオープンがゼロのときが上死点と同時に吸気バルブ14が閉まる位置であり、目標開弁時期を遅角側にするほど吸気バルブ14が遅く開き、目標開弁時期を進角側にするほど吸気バルブ14が早く開くようになる。
図2の目標開弁時期の設定領域においては、エンジン1のエンジン負荷に応じて、エンジン1の燃費を重視する領域S1と、エンジン1の出力を重視する領域S2とに分けられ、領域S2はエンジン1に過給機67が過給不可能になるWOT領域S3を含んでいる。なお、領域S2に含まれる領域S3は吸入空気質量が少なく過給機67が過給できない領域であるため、吸気バルブ14の目標開弁時期を設定する制御が実行されない。以下、領域S1及びS2について、より詳細に説明する。
領域S1においては、ポンプ損失低減、及びノッキング抑制によるエンジン1の燃費の向上を目的として、吸気バルブ14の目標開弁時期を設定する。
領域S1内のポイントP11は、エンジン負荷が30%程度のときである。ポイントP11においては、インテイクオープンを30ATDC進角することにより、燃焼室10の燃焼が悪化しない範囲でオーバーラップをつけてポンプ損失を低減する。領域S1内のポイントP12は、エンジン負荷が50%から60%程度のときである。ポイントP11からポイントP12は、グラフg11(第二範囲)に示すように、エンジン負荷が大きくなるほど、吸気バルブ14の目標開弁時期が進角側から遅角側に変更するように設定されている。
ポイントP12においては、インテイクオープンを10ATCD程度に遅角することにより、燃焼室10内の実圧縮比を下げてノッキングの発生を抑制する。なお、ポイントP12は目標開弁時期を一定に保持するノッキング領域(第一範囲)の開始端になる(参照:グラフg12)。したがって、ポイントP12に到達すると、グラフg12(第一範囲)に示すように、吸気バルブ14の目標開弁時期はそれ以上遅角せずにポイントP13まで一定になる。
ポイントP13は、エンジン負荷が100%弱のときである。ポイントP13は、ノッキング領域の終了端になる。このポイントP13の設定は、車両やエンジンの種類に応じて任意に設定可能である。
領域S2においては、ドライバから指示される要求空気量を実現し、エンジン1の出力が向上する吸気バルブ14の目標開弁時期を設定することにより、スロットルバルブやウエストゲートでの空気量コントロールと、吸気バルブ14の目標開弁時期の設定とを連動させてエンジン1の出力の向上を実現する。
領域S2内のポイントP14は、エンジン負荷が120%程度のときである。ポイントP14においては、ドライバから指示される要求空気量を実現し、エンジン1の出力向上を図ると共に、燃焼室10内の実圧縮比を下げてノッキングの発生を抑制しつつ、燃費が良くなる吸気バルブ14の目標開弁時期を設定する。このため、既述のポイントP13からポイントP14にかけて、グラフg13(第三範囲)に示すように、エンジン負荷が上昇するほど、吸気バルブ14の目標開弁時期が遅角側から進角側に変更するように設定されている。
ポイントP15は、エンジン負荷が200%程度のときである。ポイントP15においては、スロットルバルブを全開にし、最大空気量を実現して出力を向上させる。ポイント15は、領域S2と領域S3との境界に設定されている。ポイントP14からポイント15にかけて、グラフg14(第三範囲)に示すように、エンジン負荷が上昇するほど、吸気バルブ14の目標開弁時期が遅角側から進角側に設定されている。
このように、本第1の実施形態では、グラフg13,g14で示す吸気バルブ14の目標開弁時期の設定を、領域S2と領域S3との境界線より左側、つまり、燃費を重視する領域S1側に設定することにより、エンジン1の燃費をより向上させるように構成している。
次に、以上のように構成されたエンジン1の吸気バルブ14の目標開弁時期を設定する制御について説明する。図3は、ECU50が実行する吸気バルブ14の目標開弁時期を設定する処理の一例を示すフローチャートである。この処理は、エンジン1が動作しているときに実行される。
図3に示すように、ECU50は、エンジン負荷を算出する(ST101)。例えば、ECU50は、スロットルバルブの開度に基づいて、エンジン負荷を算出する。次に、ECU50は、算出したエンジン負荷に対応する、吸気バルブ14の目標開弁時期を設定する(ST102:設定手段)。ECU50は、算出したエンジン負荷に対応する吸気バルブ14の目標開弁時期を既述の図2に基づいて設定する。
次に、ECU50は、可変バルブタイミング機構22を制御することにより、設定した目標開弁時期が実現できるように、吸気バルブ14の開閉を制御する(ST103:可変動弁制御手段)。そして、処理はリターンになる。
次に、本第1の実施形態のように吸気バルブ14の目標開弁時期の設定を行う場合と、従来のように吸気バルブ14の目標開弁時期の設定を過給機67が非過給域であるか、過給域であるかに基づいて行う場合との比較を説明する。図4は、これらの比較の一例を示す図である。なお、図4において、縦軸はエンジン負荷であり、横軸はエンジン1の回転数である。
従来においては、過給機67が非過給域であるか、過給域であるか否かを0ブーストであるか否かによると定義している。このため、図4に示すように、0ブーストを基準として、非過給域と、過給域とが分けられている。したがって、吸気バルブ14の目標開弁時期を非過給域であるか、過給域であるか否に基づいて設定する場合、目標開弁時期の設定は0ブーストと同一になる。
しかしながら、本第1の実施形態では、グラフgに示すように、エンジン1の燃費を重視するか(領域S1)、出力を重視するか(領域S2)に基づいて吸気バルブ14の目標開弁時期を設定するようにしているため、過給機67の過給が非過給域か、過給域かに関わらず、吸気バルブ14の目標開弁時期を設定することができるようになっている。
このように、ECU50は、吸気バルブ14の目標開弁時期を過給機67の過給が非過給域か、過給域かに関わらず設定することができる。よって、エンジン1が低回転、低負荷で動作するときには過給域であっても低燃費で車両100を走行させることができる。さらに、ECU50は、吸気バルブ14の目標開弁時期の設定を領域S2と領域S3との境界線より燃費重視の領域S1側に寄せて設定しているため(参照:図2のグラフg13,g14)、エンジン1の燃費をより向上させることができる。
以上説明したようにECU50は、図2に示すように、エンジン1の負荷がポイントP12からポイントP13の範囲(第一範囲)にある際に設定される目標開弁時期(第一目標開弁時期)を、第一範囲より低負荷の範囲であるポイントP11からポイントP12の範囲(第二範囲)にある際に設定される目標開弁時期(第二目標開弁時期)と第一範囲より高負荷の範囲であるポイントP13からポイントP15の範囲(第三範囲)にある際に設定される目標開弁時期(第三目標開弁時期)よりも、遅く設定する。このため、第一範囲において、実圧縮比を下げることができノッキングの発生を抑制することができる。
また、ECU50は、グラフg11が示すように、第二範囲において、目標開弁時期(第二目標開弁時期)をエンジン1の負荷が大きくなるにつれて遅く設定し、第三範囲において、目標開弁時期(第三目標開弁時期)をエンジン1の負荷が大きくなるにつれて早く設定する。第三範囲は、過給機67によって過給される負荷の範囲を含んでいる。第一範囲は、エンジン1が異常燃焼を起こす可能性のある負荷の範囲であり、エンジン1の回転数に応じて可変に設定される。さらに、ECU50は、第三範囲の最大負荷において、目標開弁時期を過給機67による過給を実現可能な開弁時期のうち最も遅い時期であるポイントP15に設定する。また、ECU50は、第二範囲において、排気バルブ(排気弁)15と吸気バルブ(吸気弁)14とが同時に開弁するバルブオーバラップ期間を設けるように吸気バルブ14の開弁時期を設定する。さらに、ECU50は、グラフg12に示すように、エンジン1の負荷が第一範囲にある際に設定される目標開弁時期(第一目標開弁時期)を一定の開弁時期に保持する。このようにECU50は、エンジン1の負荷の大きさに応じて、適切な目標開弁時期を設定することができる。
(第2の実施形態)
本第2の実施形態が既述の第1の実施形態と異なるのは、吸気バルブ14の目標開弁時期の設定についてである。このため、吸気バルブ14の目標開弁時期の設定について詳細に説明する。なお、第1の実施形態と同一の構成には同一の符号を付すこととし、これらについての詳細な説明は省略する。
図5は、第2の実施形態に係るエンジン負荷に応じて設定される目標開弁時期の設定の一例を示す図である。図5に示すように、第一範囲に対応する範囲(以下、第一対応範囲という。)は、領域S1内のポイントP22から、ポイントP22より大きく、且つ、領域S2と領域S3との境界のポイントP23までの範囲に構成されている。
第1の実施形態と比較すると、第1の実施形態では、第一範囲を過ぎると、吸気バルブ14の目標開弁時期を燃費重視の領域S1側に寄せて、エンジン負荷の上昇に応じて吸気バルブ14の目標開弁時期を遅角側から進角側に変更するように設定していたが(参照:図2のg13,g14)、本第2の実施形態では、第一対応範囲を過ぎると、出力重視の領域S2とWOTの領域S3との境界側に寄せて、具体的には、境界にそれぞれ位置するポイントP23からポイントP24まで、エンジン負荷の上昇に応じて、吸気バルブ14の目標開弁時期を遅角側から進角側に変更するように設定している(参照:図5のg23)。
このように構成しても、ECU50は、吸気バルブ14の目標開弁時期を過給機67の過給が非過給域か、過給域かに関わらず設定することができる。よって、エンジン1が低回転、低負荷で動作するときには過給域であっても低燃費で車両100を走行させること可能になるのは、上記第1の実施形態と同様である。
なお、エンジン1において、アイドル状態等の低負荷領域では始動性を向上させるために、吸気バルブ14の目標開弁時期を最遅角側に設定し、負荷が上がるにつれて進角側に目標開弁時期を変更する。その後、第二範囲(ノッキング領域より低負荷の領域)に遷移し、第一範囲(ノッキング領域)に入るまで、目標開弁時期を負荷が上がるにつれて遅角側に設定する。このため、上記第1及び上記第2の実施形態において、ECU50は、エンジン1の負荷が第二範囲より低負荷の範囲であるポイントP11以下の範囲(低負荷領域:第四範囲)、及びポイントP21以下の範囲(低負荷領域:第四対応範囲)にある際に設定される目標開弁時期(第四目標開弁時期)を第一目標開弁時期よりも、それぞれ、遅く設定するようにしても良い。
その他、上記実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や変形は、発明の範囲は要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1…エンジン、14…吸気バルブ、15…排気バルブ、22…可変バルブタイミング機構、24…OCV、100…車両、50…ECU、67…過給機、P11からP12…第二範囲、P12からP13…第一範囲,P15からP15…第三範囲、P21…からP22…第二対応範囲、P22からP23…第一対応範囲、P23からP24…第三対応範囲、g11,g12,g13,g14,g21,g22,g23…グラフ

Claims (8)

  1. 少なくとも吸気弁の開弁時期を可変する可変動弁手段と、過給手段とを備える内燃機関を制御する制御装置は、
    前記可変動弁手段の前記吸気弁の目標開弁時期を設定する設定手段と、
    前記設定手段で設定された目標開弁時期に基づいて前記可変動弁手段を動作させる可変動弁制御手段と、を備え、
    前記設定手段は、前記内燃機関が開始端から終了端で定義されエンジンが異常燃焼を起こす可能性があって前記過給手段が過給しない非過給領域である第一範囲にある際に設定される第一目標開弁時期を、前記開始端部の負荷より低負荷の範囲である第二範囲にある際に設定される第二目標開弁時期と前記終了端の負荷より高負荷の範囲である第三範囲にある際に設定される第三目標開弁時期よりも、遅く設定する
    ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
  2. 前記設定手段は、前記第二目標開弁時期を前記内燃機関の負荷が大きくなるにつれて遅く設定する
    ことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の制御装置。
  3. 前記設定手段は、前記第三目標開弁時期を前記内燃機関の負荷が大きくなるにつれて早く設定する
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の内燃機関の制御装置。
  4. 前記第三範囲は、前記過給手段により過給される負荷の範囲を含む
    ことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
  5. 前記設定手段は、前記第三範囲の最大負荷において、前記目標開弁時期を前記過給手段による過給を実現可能な開弁時期のうち最も早い時期に設定する
    ことを特徴とする請求項4に記載の内燃機関の制御装置。
  6. 前記内燃機関は、排気弁をさらに備え、
    前記設定手段は、前記第二範囲において、前記排気弁と前記吸気弁とが同時に開弁するバルブオーバラップ期間を設けるように前記吸気弁の開弁時期を設定する
    ことを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
  7. 前記設定手段は、前記第一目標開弁時期を一定の開弁時期に保持する
    ことを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
  8. 前記設定手段は、前記内燃機関の負荷が前記第二範囲より低負荷の範囲である第四範囲にある際に設定される第四目標開弁時期を前記第一目標開弁時期よりも、遅く設定する
    ことを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
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