JPWO2014010355A1 - 内燃機関の制御装置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

ターボ過給機を備える筒内直接噴射式内燃機関において、吸気弁と排気弁の双方が開弁するバルブオーバーラップ期間を調整可能な可変バルブタイミング機構を備える。バルブオーバーラップ期間に吸気通路から排気通路へ吹き抜ける掃気の掃気率を推定し（Ｓ１５）、この掃気率が所定値ＳＳ＃を超えており（Ｓ１６）、かつ、排気温度が所定値ＹＹ＃を超えている場合に（Ｓ１７）、排気タービンよりも上流側の排気通路内で燃焼が行われるように、シリンダ内に供給する燃料噴射量をリッチ化する（Ｓ１８）。

Description

本発明は、ターボ過給機を備えた筒内直接噴射式の内燃機関に関し、特に、掃気を利用してトルク向上を図る技術に関する。

ターボ過給機を備えた筒内直接噴射式の内燃機関では、バルブオーバーラップ期間中に吸気通路から排気通路へ吹き抜ける掃気の効果を利用して、排気タービンの回転速度を高め、シリンダ内への充填効率を高めることでトルク向上を図る技術が知られている。

関連する技術として、特許文献１には、エンジントルクの比較的低い領域では、ターボ過給機を駆動して希薄燃焼運転を行うことにより燃費向上を図りつつ、エンジントルクの比較的高い領域では、ターボ過給機を駆動して理論空燃比近傍で均質燃焼運転を行うことにより、スモーク及びノッキングの発生を抑制する技術が記載されている。また、特許文献２では、４サイクル運転から２サイクル運転への切換時に、掃気量を増加させて筒内温度を低下させることにより早期着火やノッキングの発生を抑制する技術が記載されている。更に、特許文献３には、掃気状態での定常走行時には燃料噴射量を減少させることが記載されている。

特開２００７−１４６８５４号公報 特開２００４−２０４７４５号公報 特開２００７−２４７４３４号公報

このようなターボ過給機を備えた筒内直接噴射式の内燃機関において、掃気時に燃料噴射量を理論空燃比よりも増量、すなわちリッチ化し、排気タービンよりも上流側の排気通路内で燃焼を行わせることにより、排気タービンの仕事量を増大し、シリンダ内への充填効率を高めることでトルク向上を図ることを本出願人は検討している。

しかしながら、単に掃気時に燃料噴射量をリッチ化した場合、排気温度が低いなどの理由により、排気タービンの上流側の排気通路内で燃焼が良好に行われないおそれがある。この場合、所望のトルク向上効果が得られないばかりか、燃費の低下や排気性能の悪化を招くこととなり、更に、万が一排気タービンよりも下流側に設けられた触媒の近傍で燃焼が生じると、触媒を含めた排気系部品の過度な温度上昇を招くおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明に係る内燃機関は、筒内に燃料を直接的に噴射する燃料噴射弁と、排気通路に設けられた排気タービンにより吸気通路に設けられた吸気コンプレッサを駆動して吸気を過給するターボ過給機と、吸気弁と排気弁の双方が開弁するバルブオーバーラップ期間を調整可能な可変動弁機構等のバルブオーバーラップ期間可変手段と、を備えている。

そして、上記バルブオーバーラップ期間に吸気通路から排気通路へ吹き抜ける掃気の掃気率を推定するとともに、上記排気タービンよりも上流側の排気通路内を流れる排気の排気温度を検出もしくは推定し、これらの掃気率と排気温度が所定の条件を満たす場合に、排気タービンよりも上流側の排気通路内で燃焼が行われるように、シリンダ内に供給する燃料噴射量を設定する。

より具体的には、掃気率が第１の所定値以上であり、かつ、排気温度が第２の所定値以上である場合に、排気タービンよりも上流側の排気通路内で確実に燃焼させ得る条件が成立していると判断して、シリンダ内に供給する燃料噴射量をリッチ化する。これによって、排気タービンよりも上流側の排気通路内で燃焼を行わせて、排気タービンの仕事量を増大し、シリンダ内への充填効率を高めることでエンジントルクを向上することができる。

逆に言えば、上記の条件が成立しない限り、排気通路内で燃焼を行わせるための燃料噴射量のリッチ化を行わず、例えば理論空燃比もしくはリーン側の空燃比となるように燃料噴射量を制御することによって、未燃燃料が排気側へ流れ出ることを抑制して、排気タービンよりも下流側で燃焼が生じる事態を未然に回避し、触媒等の排気部品の過剰な昇温を防止することができる。

本発明によれば、掃気率と排気温度のそれぞれが所定の条件を満たす場合に限り、シリンダ内に供給する燃料噴射量を適宜に設定することで、排気タービンよりも上流側の排気通路内で燃焼を行わせて、排気タービンの仕事量を増大し、シリンダ内への充填効率を高めることで、エンジントルクを増加させることができる。

また、排気タービンよりも上流側の排気通路内で燃焼を行わせる条件を掃気率と排気温度により限定することで、排気タービンよりも下流側の排気通路内で不用意に燃焼が生じる事態を未然に回避し、触媒等の排気部品の過剰な昇温を防止することができる。

本発明に係る内燃機関の制御装置の一例を示すシステム構成図。 機関回転数及び機関負荷に対する掃気率及びバルブオーバーラップ量（Ｏ／Ｌ量）の関係を示す説明図。 本発明の一実施例に係る制御の流れを示すフローチャート。 バルブオーバーラップ（Ｏ／Ｌ）量の演算処理の一例を示す機能ブロック図。

以下、図示実施例により本発明を説明する。図１は本発明に係る内燃機関のシステム構成の一例を示している。内燃機関１は、筒内直接噴射式の直列４気筒ガソリン内燃機関である。４つの気筒の各シリンダ１Ａには、吸気通路２を介して吸入空気が供給され、燃焼後の排気ガスが排気通路３を介して排出される。吸気通路２の吸気コレクタ２Ａよりも下流側には、各シリンダ１Ａの吸気ポートへ接続する複数の吸気ブランチを備えた枝管形状の吸気マニホールド４が設けられ、同じく排気通路３には、各シリンダ１Ａの排気ポートに接続する複数の排気ブランチを備えた枝管形状の排気マニホールド８が設けられている。

吸気コレクタ２Ａよりも上流側の吸気通路２には、上流側より順に、吸入空気内の粉塵等の異物を捕集するエアクリーナ７と、吸気通路２内を通過する吸入新気量を計量するエアフローメータ６と、ターボ過給機１０の吸気コンプレッサ１１と、内燃機関１のシリンダ１Ａ内へ流入する吸入空気量を調整するための電子制御式のスロットルバルブ５と、吸入空気を冷却するインタークーラ１３と、が設けられている。

ターボ過給機１０は、排気エネルギーを利用して吸入空気を過給するものであり、吸気コンプレッサ１１と排気タービン１２とがシャフトを介して同軸上に接続されており、排気タービン１２が内燃機関１の排気エネルギーにより回転すると、吸気コンプレッサ１１が回転駆動されて、吸入空気を下流側に圧送する。

リサキュレーション通路１４は、吸気通路２における吸気コンプレッサ１１の上流部分と下流部分とを接続する通路であり、途中に設けたリサキュレーションバルブ１５により開閉される。このリサキュレーションバルブ１５は、一般に知られているものと同様に、過給圧と吸気マニホールド４内の圧力（以下、吸気管圧という）との差圧が所定値以上になったときに開弁する。例えば、内部に備える弁体に対して、内蔵するスプリングの反力が閉弁方向に付勢されており、さらに、弁体の開弁方向に過給圧が作用し、閉弁方向には吸気管圧が作用しており、過給圧と吸気管圧との差圧がスプリングの反力を超えた場合に開弁する。これにより、過給状態で走行中にスロットルバルブ５が全閉となった場合に、過給圧の過上昇を防止することができる。なお、リサキュレーションバルブ１５が開弁するときの過給圧と吸気管圧との差圧は、スプリングのバネ定数により任意の値に設定することができる。

排気通路３には、排気タービン１２よりも下流側に、排気浄化用の排気触媒９が配置される。この排気触媒９としては、三元触媒等が用いられる。排気バイパス通路１６は、排気通路３における排気タービン１２の上流部分と下流部分とを接続する通路であり、途中に設けたウエストゲートバルブ１７により開度が調整される。ウエストゲートバルブ１７の動作は後述するコントロールユニット２５により制御され、過給圧が所定の設定値に達したらウエストゲートバルブ１７を開くことにより、余剰の排気ガスが排気バイパス通路１６を通して直接排出される。

ＥＧＲ通路２０は、排気触媒９よりも下流側の排気通路３と、エアフロメータ６よりも下流側かつ吸気コンプレッサ１１よりも上流側の吸気通路２とを接続する通路である。このＥＧＲ通路２０には、吸気通路２へ還流する排気ガスの量であるＥＧＲ量を調整するＥＧＲ制御バルブ２１が設けられるとともに、このＥＧＲ通路２０を通流する排気を冷却するためのＥＧＲクーラ２２が設けられている。

内燃機関１の各シリンダ１Ａには、燃料をシリンダ１Ａ内に直接噴射する燃料噴射弁４０が配置されている。また、排気弁と吸気弁のいずれもが開弁したバルブオーバーラップ期間を調整可能な手段として、この実施例では、吸気弁のバルブタイミングを変更可能な吸気バルブタイミング変更機構（吸気ＶＴＣ）４１と、排気弁のバルブタイミングを変更可能な排気バルブタイミング変更機構（排気ＶＴＣ）４２と、が設けられている。これらのバルブタイミング変更機構４１，４２は、公知のように、クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を変化させることにより、吸気弁もしくは排気弁の開時期と閉時期とを同時かつ連続的に変更可能なものである。なお、バルブオーバーラップ期間を調整可能な機構としてはこれに限らず、吸気弁開時期（ＩＶＯ）と排気弁閉時期（ＥＶＣ）の少なくとも一方を変化させ得るものであればよく、例えば吸気弁や排気弁のリフト量及び作動角を変化させるリフト作動角変更機構のように、一般的に知られている他の形式の可変動弁機構を用いるようにしても良い。

制御部としてのコントロールユニット２５は、各種センサから検出される機関運転状態に基づいて、各種の機関制御処理を記憶及び実行する機能を有している。上記の各種センサとして、吸気通路２の吸気コレクタ２Ａには、過給圧としての吸気コレクタ２Ａ内の圧力を検出する過給圧検出用の圧力センサ２７と、吸気温度としての吸気コレクタ２Ａ内の温度を検出する吸気温検出用の吸気温センサ３０と、が設けられるとともに、排気通路３には、排気タービン１２よりも上流側の排気温度を検出する排温センサ２８が設けられており、かつ、機関回転速度を検出するためのクランク角センサ２６や、運転者により操作されるアクセルペダルの開度を検出するアクセル開度センサ２９等が設けられている。

コントロールユニット２５は、上記の各種機関制御として、燃料噴射弁４０による燃料噴射量及び燃料噴射時期を制御するとともに、バルブタイミング変更機構４１，４２による吸気弁や排気弁のバルブタイミング（ＶＴＣ変換角）を制御し、また燃焼室内に設けられた点火プラグ（図示省略）による点火時期制御等を行う。

そしてコントロールユニット２５は、バルブオーバーラップ期間等に基づいて、吸気通路２から排気通路３へ吹き抜ける掃気の掃気率を推定する。ここで、「掃気率」とは、シリンダ１Ａ内に吸入される吸入空気量に対して、バルブオーバーラップ期間中に吸気通路２から排気通路３へ吹き抜ける掃気量の比率に相当する。また、「筒内新気量」とは、シリンダ１Ａ内に充填されて燃焼に用いられる新気の量に相当する。なお、この明細書においては、シリンダ１Ａへ供給される吸入ガスに対し、排気ガスであるＥＧＲガス等を含まないものを「吸入新気」もしくは単に「新気」と呼び、ＥＧＲガス等を含むものを「吸入空気」もしくは単に「空気」と呼ぶ。

コントロールユニット２５は、吸気マニホールド４内の圧力が排気マニホールド８内の圧力より高い場合には、吸気弁及び排気弁が開弁しているバルブオーバーラップ期間が生じるバルブタイミングとなるようにバルブタイミング変更機構４１，４２を作動させる。これは、バルブオーバーラップ期間中に、吸気マニホールド４から流入した新気が掃気ガスとしてそのまま排気マニホールド８へ吹き抜ける、いわゆる掃気効果を利用して、排気タービン１２の回転速度を高め、シリンダ１Ａ内への充填効率を高めるためである。

具体的には図２に示すように、バルブオーバーラップ期間としてのバルブオーバーラップ量（「Ｏ／Ｌ量」あるいは「バルブＯ／Ｌ量」とも呼ぶ）は、低回転高負荷側で大きくなり、高回転低負荷側で小さくなるように設定される。このＯ／Ｌ量に比例するように、掃気率もまた、低回転高負荷側で大きくなり、高回転低負荷側で小さくなる。

また、ＥＧＲガスが掃気されることのないように、ＥＧＲ制御バルブ２１を開いてＥＧＲを付与するＥＧＲ領域Ｒｅｇｒは、バルブオーバーラップ量が付与されずに掃気率が０となる高回転側の非掃気領域ＲｓＮｏ内に設定されている。

図３は、本発明の一実施例に係る制御の流れを示すフローチャートである。ステップＳ１１では、要求トルクが、スロットル全開（ＷＯＴ）時の出力に相当する所定値ＤＤ＃以上であるかを判定する。ステップＳ１２では、バルブオーバーラップ期間が付与される領域、つまり掃気が発生し得る低回転高負荷側の所定の掃気領域Ｒｓ（図２参照）であるか否かを判定する。

ステップＳ１３では、バルブオーバーラップ期間、つまりバルブオーバーラップ量（バルブＯ／Ｆ量）が所定値ＸＸ＃を超えているかを判定する。この理由は、掃気領域Ｒｓであっても、バルブＯ／Ｌ量によって掃気率が異なることから、予め掃気率が小さくなるような状態、つまりバルブＯ／Ｌ量が所定値ＸＸ＃以下の状態を、後述するトルク向上のためにリッチ化を行う領域から除外するためである。

図４は、コントロールユニット２５により記憶及び実行されるバルブＯ／Ｌ量の演算処理の一例を示している。符号Ｂ１３は、排気バルブオーバーラップ変更機構（排気ＶＴＣ）４２により遅角もしくは進角される排気弁閉時期の排気上死点に対する遅角量を表す制御マップであり、排気弁閉時期が排気上死点よりも遅角している場合に正の値となるようにマッピングされている。符号Ｂ１４は、吸気バルブオーバーラップ変更機構（吸気ＶＴＣ）４１により遅角もしくは進角される吸気弁開時期の排気上死点に対する進角量を表す制御マップであり、吸気弁開時期が排気上死点よりも進角している場合に正の値となるようにマッピングされている。

目標負荷（Ｂ１１）とエンジン回転数（Ｂ１２）に基づいて、排気ＶＴＣ用の制御マップＢ１３を参照することにより、排気上死点に対する排気弁閉時期の遅角量を演算するとともに、吸気ＶＴＣ用の制御マップＢ１４を参照することにより、排気上死点に対する吸気弁開時期の進角量を演算し、加算部Ｂ１５において両者を加算することによって、バルブＯ／Ｌ量（Ｂ１６）を求めることができる。

なお、この例では排気ＶＴＣや吸気ＶＴＣの目標変換角（進角量・遅角量）に基づいてバルブＯ／Ｌ量を求めているが、これに限らず、例えばカムシャフトの回転角を検出するセンサ等の出力を利用して、実際のバルブＯ／Ｌ量を検出するように構成しても良い。

再び図３を参照して、ステップＳ１４では、過給圧が所定値ＺＺ＃を超えているかを判定する。過給圧は、圧力センサ２７により検出され、あるいは機関回転数や負荷等の機関運転状態に応じて推定される。

上記ステップＳ１１〜Ｓ１４の条件が全て満たされていれば、ステップＳ１５へ進み、掃気率を推定する。この掃気率の推定は、バルブＯ／Ｌ量に加え、機関回転数や吸気温度等を勘案して行われる。なお、簡素化のために、ステップＳ１３やステップＳ１４の判定処理を省略するようにしても良い。

ステップＳ１６では、推定した掃気率が、排気タービン１２の上流側の排気通路３内での燃焼が可能な所定値ＳＳ＃（例えば約２５％）を超えているか否かを判定する。ステップＳ１７では、排気タービン１２よりも上流側の排気通路３内の排気温度が、排気タービン１２の上流側の排気通路３内での燃焼が可能な所定値ＹＹ＃（例えば約７００度）を超えているか否かを判定する。この排気温度は、上記の排温センサ２８により直接的に検出される。但し、排温センサ２８を省略し、過給圧（吸気量）、機関回転速度、点火時期、燃料噴射量及び燃料噴射時期等に基づいて排気温度を推定するようにしても良い。

ステップＳ１６及びステップＳ１７の双方の条件が成立する場合に限り、ステップＳ１８へ進み、排気タービン１２よりも上流側の排気通路３内で燃焼が行われるように、燃料噴射量の増量による筒内リッチ化を許可する。例えば、掃気率が２５％の場合、排気中の酸素濃度が５％を超えると燃焼限界を上回り、燃焼が可能となる。従って、この状態での排気温度が、ＣＯの燃焼温度である７００度を超えると、排気タービン１２前での燃焼の成立性が十分に高くなり、高確率で排気タービン１２前での燃焼が可能となるために、上記の筒内リッチ化が許可される。この筒内リッチ化の際の燃料噴射量の増量分は、掃気率に応じて設定され、具体的には掃気率が高いほど燃料増量分が多くなるように設定される。

このように、排気タービン１２の上流側で、掃気による新気と、燃料増量による未燃ガスとが燃焼することにより、過給圧を高めて、充填効率を向上し、エンジントルクを向上することができる。

また、このようにトルク向上のためのリッチ化を行う場合、スロットルバルブ５は全開とされており、機関要求負荷の増加に応じて、バルブオーバーラップ量を増大させるとともに、燃料噴射量を増量させていくことで、機関要求負荷の増加に応じて機関負荷を増加させていくことができる。排気タービン１２での燃焼は排気タービン１２の仕事量に直結しているために、ターボ過給機１０の応答速度が速まり、トルク応答性に優れている。

一方、ステップＳ１１〜Ｓ１４，Ｓ１６，Ｓ１７の条件のうち、いずれかの条件が満たされていなければ、ステップＳ１８のトルク向上のためのリッチ化は行われず、空燃比が理論空燃比のストイキもしくはリーン側となるように燃料噴射量が設定される。このように、排気タービン１２よりも上流側の排気通路３内での燃焼が確実に行われる状況でなければ、排気タービン前での燃焼のための燃料増量が行われることがないので、排気タービンよりも下流側の排気通路３内で不用意に燃焼が生じることを確実に防止し、排気触媒９を含めた排気部品の過剰な昇温を確実に抑制することができる。

以上のように本発明を図示実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上述した実施例に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

Claims (4)

1. 筒内に燃料を直接的に噴射する燃料噴射弁と、
   排気通路に設けられた排気タービンにより吸気通路に設けられた吸気コンプレッサを駆動して吸気を過給するターボ過給機と、を備えた内燃機関の制御装置において、
   吸気弁と排気弁の双方が開弁するバルブオーバーラップ期間を調整可能なバルブオーバーラップ期間可変手段と、
   上記バルブオーバーラップ期間に吸気通路から排気通路へ吹き抜ける掃気の掃気率を推定する掃気率推定手段と、
   上記排気タービンよりも上流側の排気通路内を流れる排気の排気温度を検出もしくは推定する排気温度取得手段と、
   上記掃気率と上記排気温度がそれぞれ所定の条件を満たす場合に、上記排気タービンよりも上流側の排気通路内で燃焼が行われるように、シリンダ内に供給する燃料噴射量を設定する燃料噴射量設定手段と、
   を有する内燃機関の制御装置。
2. 上記燃料噴射量設定手段は、上記掃気率が第１の所定値を超えており、かつ、上記排気温度が第２の所定値を超えている場合に、シリンダ内に供給する燃料噴射量をリッチ化する請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 吸気通路に設けられ、吸入空気量を調整するスロットルバルブを備え、
   上記掃気率が第１の所定値を超えているとともに、上記排気温度が第２の所定値を超えている場合、上記スロットルバルブを全開にするとともに、機関要求負荷の増加に応じて、上記バルブオーバーラップ期間を増大させつつ、上記燃料噴射量設定手段により燃料噴射量を増量させる請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 筒内に燃料を直接的に噴射する燃料噴射弁と、
   排気通路に設けられた排気タービンにより吸気通路に設けられた吸気コンプレッサを駆動して吸気を過給するターボ過給機と、
   吸気弁と排気弁の双方が開弁するバルブオーバーラップ期間を調整可能なバルブオーバーラップ期間可変手段と、を備えた内燃機関の制御方法において、
   上記バルブオーバーラップ期間に吸気通路から排気通路へ吹き抜ける掃気の掃気率を推定し、
   上記排気タービンよりも上流側の排気通路内を流れる排気の排気温度を検出もしくは推定し、
   上記掃気率と排気温度が所定の条件を満たす場合に、上記排気タービンよりも上流側の排気通路内で燃焼が行われるように、シリンダ内に供給する燃料噴射量を設定する、
   内燃機関の制御方法。

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