KR20180114843A - 내연 기관의 제어 장치 - Google Patents

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KR20180114843A
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시게키 미야시타
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도요타지도샤가부시키가이샤
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Abstract

내연 기관(2)의 제어 장치(30)에 있어서, 상기 내연 기관(2)은 연소실(6; 6R, 6L)과 상기 연소실(6; 6R, 6L)에 접속되는 포트(8; 8L, 8R, 10; 10L, 10R)와 상기 연소실(6; 6R, 6L)과 상기 포트(8; 8L, 8R, 10; 10L, 10R) 사이를 개폐하는 밸브(12; 12L, 12R, 14; 14L, 14R)를 포함한다. 상기 제어 장치(30)는 상기 내연 기관(2)의 정지 후에, 상기 밸브(12; 12L, 12R, 14; 14L, 14R)의 주변의 온도가 소정 온도 범위 내까지 저하된 경우, 혹은, 상기 내연 기관(2)의 정지 시의 외기 온도가 소정 온도 이하인 경우에, 상기 밸브(12; 12L, 12R, 14; 14L, 14R)를 완전 폐쇄로 하거나 혹은 1㎜ 이상의 리프트량으로 개방한 상태로 제어하는 동결 방지 조작을 실행하도록 구성되는 전자 제어 유닛을 구비한다. 상기 소정 온도 범위는 상한값이 10℃보다도 낮은 온도 범위이며, 상기 소정 온도는 5℃보다도 낮다.

Description

내연 기관의 제어 장치{CONTROL DEVICE FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연 기관의 제어 장치에 관한 것이며, 상세하게는, 응축수가 포트에서 발생하거나 혹은 포트에 유입되는 내연 기관에 사용하기에 적합한 제어 장치에 관한 것이다.
일본 특허 공개 제2008-088835호에는, 내연 기관의 정지 후에 스로틀의 주변에 응축된 수분이 동결되어 스로틀이 고착된다는 문제와, 상술에 대한 해결책에 대하여 기재되어 있다. 그러나 응축수에 의한 동결은 스로틀에 한한 문제는 아니다. 응축수는, 연소실과 연소실에 접속되는 포트 사이를 개폐하는 밸브, 즉, 흡기 밸브나 배기 밸브에도 도달하는 경우가 있다. 상기 흡기 밸브나 배기 밸브가 어중간한 개방도로 개방되어 있으면, 응축수의 표면 장력의 작용에 의해 밸브 페이스와 밸브 시트 사이에 응축수가 고인다. 상기 응축수가 동결된 경우에는, 다음번의 내연 기관의 시동 시에 밸브가 완전히 폐쇄되지 않아, 신기(fresh air)의 부족이나 배기 불량에 의한 잔류 가스의 과다에 의해 실화가 발생할 가능성이 있다.
본 발명은 내연 기관의 정지 후에, 연소실과 연소실에 접속되는 포트 사이를 개폐하는 밸브의 밸브 페이스와 밸브 시트 간극에서, 포트 내의 응축수가 동결되는 것을 최대한 방지할 수 있는 내연 기관의 제어 장치를 제공한다.
본 발명의 양태에 관한 내연 기관의 제어 장치에 있어서, 상기 내연 기관은, 연소실과, 상기 연소실에 접속되는 포트와, 상기 연소실과 상기 포트 사이를 개폐하는 밸브를 포함한다. 상기 제어 장치는, 상기 내연 기관의 정지 후에, 상기 밸브의 주변 온도가 소정 온도 범위 내까지 저하된 경우, 혹은, 상기 내연 기관의 정지 시의 외기 온도가 소정 온도 이하인 경우에, 상기 밸브를 완전 폐쇄로 하거나 혹은 1㎜ 이상의 리프트량으로 개방한 상태로 제어하는 동결 방지 조작을 실행하도록 구성되는 전자 제어 유닛을 구비한다. 상기 소정 온도 범위는 상한값이 10℃보다도 낮은 온도 범위이며, 상기 소정 온도는 5℃보다도 낮다.
밸브가 완전 폐쇄로 되어 있는 경우, 밸브 페이스와 밸브 시트 사이에 간극은 생기지 않기 때문에, 상기 간극에 응축수가 고이는 일은 없다. 또한, 밸브가 1㎜ 이상의 리프트량으로 개방되어 있는 경우, 응축수에 작용하는 표면 장력이 약해져, 응축수는 밸브 페이스와 밸브 시트 사이로부터 실린더 내로 흘러 떨어진다. 본 발명의 양태에 따르면, 상술한 밸브 조작을 밸브의 주변의 온도가 0℃ 이하로 되기 전에 행함으로써, 밸브 페이스와 밸브 시트의 간극에서 응축수가 동결되는 것을 최대한 방지할 수 있다.
내연 기관의 정지 후에 밸브의 주변 온도가 10℃보다도 낮아졌을 때, 그 후의 온도의 저하에 의해, 밸브의 주변의 온도가 응축수의 동결 온도 이하로 될 가능성이 있다. 내연 기관의 정지 시의 외기 온도가 5℃보다도 낮은 경우에도, 그 후의 외기 온도의 저하에 의해, 밸브의 주변의 온도가 응축수의 동결 온도 이하로 될 가능성이 있다. 즉, 내연 기관의 정지 후에 밸브의 주변의 온도가 소정 온도 범위 내까지 저하된 것과, 내연 기관의 정지 시의 외기 온도가 소정 온도 이하인 것은, 각각, 장래적으로 밸브의 주변의 온도가 응축수의 동결 온도 이하로 될 가능성을 판단하는 하나의 조건이다.
내연 기관의 정지 후의 밸브의 주변의 온도에 기초하여 동결 방지 조작의 실시를 판단하는 경우, 본 발명의 양태에 있어서, 상기 전자 제어 유닛은, 상기 밸브의 주변의 온도가 상기 소정 온도 범위 내까지 저하되기 이전에 밸브가 개방된 경우, 상기 동결 방지 조작으로서 상기 밸브를 완전 폐쇄로 제어하도록 구성되어도 된다. 본 발명의 양태에 따르면, 밸브 시트나 밸브 페이스에 물방울이 부착되었다고 해도, 상기 물방울을 밸브 페이스와 밸브 시트 사이에 두어 찌부러뜨릴 수 있다. 한편, 본 발명의 양태에 있어서, 상기 밸브의 주변 온도가 상기 소정 온도 범위 내까지 저하되기 이전에 밸브가 완전 폐쇄인 경우, 상기 동결 방지 조작으로서 밸브를 1㎜ 이상의 리프트량으로 개방하도록 제어하게 구성되어도 된다. 본 발명의 양태에 따르면, 포트 내의 밸브 헤드 상에 고여 있는 응축수를, 밸브가 개방되었을 때에 생기는 밸브 페이스와 밸브 시트의 간극으로부터 실린더 내로 떨어뜨릴 수 있다.
본 발명의 양태에 있어서, 상기 전자 제어 유닛은, 상기 밸브의 주변의 온도가 상기 소정 온도 범위 내까지 저하되기 이전에 상기 밸브가 완전 폐쇄인 경우, 상기 동결 방지 조작으로서 상기 밸브를 적어도 한 번 개방하고 나서 완전 폐쇄로 하도록 제어하게 구성되어도 된다. 본 발명의 양태에 따르면, 완전 폐쇄 상태의 밸브를 일단 개방함으로써, 포트 내의 밸브 헤드 상에 고여 있는 응축수를, 밸브가 개방되었을 때에 생기는 밸브 페이스와 밸브 시트의 간극으로부터 실린더 내에 떨어뜨리고, 또한, 개방된 밸브를 다시 완전 폐쇄로 함으로써, 밸브 시트나 밸브 페이스에 부착된 물방울을 찌부러뜨릴 수 있다.
내연 기관의 정지 시의 외기 온도에 기초하여 동결 방지 조작의 실시를 판단하는 경우, 본 발명의 양태에 있어서, 상기 전자 제어 유닛은, 상기 내연 기관의 정지 시의 외기 온도가 상기 소정 온도 이하인 경우, 상기 내연 기관이 정지하는 타이밍에서 동결 방지 조작을 실행하도록 구성되어도 된다. 본 발명의 양태에 따르면, 내연 기관이 정지하는 타이밍이면, 내연 기관의 정지 위치 제어에 동결 방지 조작을 관련시킬 수 있다. 즉, 밸브가 완전 폐쇄로 되거나 혹은 1㎜ 이상의 리프트량으로 개방된 상태로 되도록, 내연 기관의 정지 크랭크 각도를 제어할 수 있다.
본 발명의 양태에 있어서, 상기 전자 제어 유닛은, 상기 내연 기관의 정지 시의 외기 온도가 상기 소정 온도 이하이며 상기 내연 기관의 정지 시에 상기 밸브가 개방된 경우, 상기 내연 기관의 정지로부터 소정 시간이 경과한 후에 동결 방지 조작으로서 상기 밸브를 완전 폐쇄로 하도록 제어하게 구성되어도 된다. 상기 내연 기관의 정지 후에, 포트 내의 온도의 저하에 의해 발생하는 응축수나, 자유 낙하에 의해 포트에 흘러오는 응축수도 적지 않게 존재하기 때문이다. 본 발명의 양태에 따르면, 밸브 시트나 밸브 페이스에 물방울이 부착되었다고 해도, 상기 물방울을 밸브 페이스와 밸브 시트 사이에 두어 찌부러뜨릴 수 있다. 한편, 본 발명의 양태에 있어서, 상기 전자 제어 유닛은, 상기 내연 기관의 정지 시의 외기 온도가 상기 소정 온도 이하이며 상기 내연 기관의 정지 시에 상기 밸브가 완전 폐쇄인 경우, 상기 내연 기관의 정지로부터 상기 소정 시간이 경과한 후에 상기 동결 방지 조작으로서 상기 밸브를 1㎜ 이상의 리프트량으로 개방하도록 제어하게 구성되어도 된다. 본 발명의 양태에 따르면, 포트 내의 밸브 헤드 상에 고여 있는 응축수를, 밸브가 개방되었을 때에 생기는 밸브 페이스와 밸브 시트의 간극으로부터 실린더 내에 떨어뜨릴 수 있다.
본 발명의 양태에 있어서, 상기 전자 제어 유닛은, 상기 내연 기관의 정지 시의 외기 온도가 상기 소정 온도 이하이며 상기 내연 기관의 정지 시에 상기 밸브가 완전 폐쇄인 경우, 상기 동결 방지 조작으로서 상기 밸브를 적어도 한 번 개방하고 나서 완전 폐쇄로 하도록 제어하게 구성되어도 된다. 본 발명의 양태에 따르면, 완전 폐쇄 상태의 밸브를 일단 개방함으로써, 포트 내의 밸브 헤드 상에 고여 있는 응축수를, 밸브가 개방되었을 때에 생기는 밸브 페이스와 밸브 시트의 간극으로부터 실린더 내에 떨어뜨릴 수 있다. 또한, 개방된 밸브를 다시 완전 폐쇄로 함으로써, 밸브 시트나 밸브 페이스에 부착된 물방울을 찌부러뜨릴 수 있다.
본 발명의 양태에 있어서, 상기 전자 제어 유닛은, 상기 내연 기관의 정지 시 혹은 정지 후에 상기 포트 내에 존재하는 응축수의 양을 추정하도록 구성되어도 된다. 상기 전자 제어 유닛은, 상기 동결 방지 조작으로서 상기 응축수의 양에 따라서 상기 밸브의 제어를 변경하도록 구성되어도 된다. 예를 들어, 추정된 응축수의 양이 클수록 밸브의 리프트량을 크게 해도 된다. 본 발명의 양태에 따르면, 밸브 페이스와 밸브 시트의 간극으로부터의 응축수의 낙하를 보다 확실한 것으로 할 수 있다.
본 발명의 양태에 있어서, 상기 전자 제어 유닛은, 상기 응축수의 양이 소정의 상한량보다도 큰 경우에 상기 동결 방지 조작을 실행하도록 구성되어도 된다. 밸브 페이스와 밸브 시트의 간극에서 응축수가 동결되는 문제는 응축수의 양이 소정의 상한량 이하이면 발생하지 않는다. 본 발명의 양태에 따르면, 응축수의 양이 상한량 이하이면 동결 방지 조작을 실행하지 않음으로써, 에너지 소비량을 최대한 억제할 수 있다.
본 발명의 양태에 있어서, 상기 전자 제어 유닛은, 상기 응축수의 양이 상기 상한량보다도 크고, 또한, 상기 상한량보다 큰 제1 기준량 이하인 경우, 상기 동결 방지 조작으로서 상기 밸브를 완전 폐쇄로 하거나 혹은 1㎜ 이상의 리프트량으로 개방한 상태로 제어하도록 구성되어도 된다. 상기 전자 제어 유닛은, 상기 응축수의 양이 상기 제1 기준량보다도 큰 경우, 상기 동결 방지 조작으로서 상기 밸브를 적어도 한 번 개방하고 나서 완전 폐쇄로 하도록 제어하게 구성되어도 된다. 효율적인 밸브의 조작은 응축수의 양에 따라 상이하므로, 본 발명의 양태에 따르면, 상술한 바와 같이 응축수의 양에 따라서 밸브의 조작을 변경함으로써, 동결 방지 조작을 위한 에너지 소비량을 최대한 억제할 수 있다.
본 발명의 양태에 있어서, 상기 전자 제어 유닛은, 상기 응축수의 양이 상기 제1 기준량 이하이고, 또한, 상기 제1 기준량보다 작은 제2 기준량보다 큰 경우, 상기 동결 방지 조작으로서 상기 밸브를 완전 폐쇄로 하도록 제어하게 구성되어도 된다. 응축수의 양이 어느 정도 커지면, 밸브를 개방하였을 때에 밸브 시트나 밸브 페이스에 응축수가 부착될 확률이 더 높아진다. 본 발명의 양태에 따르면, 상한량과 제1 기준량 사이에 제2 기준량을 설정하고, 상기 제2 기준량보다 응축수의 양이 커지면 밸브를 완전 폐쇄로 함으로써, 밸브 페이스와 밸브 시트의 간극에서 응축수가 동결되는 것을 최대한 방지할 수 있다.
본 발명의 양태에 있어서, 상기 내연 기관은 수평면에 대한 탑재 각도가 상이한 복수의 밸브를 가져도 된다. 상기 전자 제어 유닛은, 상기 동결 방지 조작으로서 상기 탑재 각도에 따라서 상기 밸브의 제어를 상이하게 하도록 구성되어도 된다. 밸브가 개방되었을 때의 응축수의 흘러 떨어지기 쉬움은 밸브의 탑재 각도에 따라 상이하기 때문이다. 밸브의 리프트량이 동일하면, 밸브의 탑재 각도가 수평에 가까울수록 응축수는 흘러 떨어지기 쉽고, 밸브의 탑재 각도가 수직에 가까울수록 응축수는 흘러 떨어지기 어려워진다. 따라서, 예를 들어 밸브의 탑재 각도가 수직에 가까울수록 밸브의 리프트량을 크게 해도 된다. 본 발명의 양태에 따르면, 밸브 페이스와 밸브 시트의 간극으로부터의 응축수의 낙하를 보다 확실한 것으로 할 수 있다. 또한, 동결 방지 조작에 있어서의 밸브의 조작을 응축수의 양과 탑재 각도에 따라서 상이하게 해도 된다.
본 발명의 양태에 있어서, 상기 전자 제어 유닛은, 외기 온도에 기초하여 밸브의 주변의 온도를 추정하도록 구성되어도 된다. 상기 전자 제어 유닛은, 상기 내연 기관의 정지 시의 기관 온도와 외기 온도와 내연 기관의 정지 후의 경과 시간에 기초하여 상기 밸브의 주변의 온도를 추정하도록 구성되어도 된다. 상기 전자 제어 유닛은, 상기 내연 기관의 내부에 설치된 온도 센서의 출력에 기초하여 상기 밸브의 주변의 온도를 추정하도록 구성되어도 된다.
본 발명의 양태에 있어서, 상기 전자 제어 유닛은, 외부와의 통신에 의해 얻어진 정보에 기초하여 상기 내연 기관의 정지 후의 동결의 가능성을 판정하도록 구성되어도 되고, 상기 전자 제어 유닛이 동결의 가능성이 있다고 판정한 경우만, 상기 내연 기관의 정지 후에, 상기 밸브의 주변의 온도의 추정을 실행하도록 구성되어도 된다. 본 발명의 양태에 따르면, 동결의 가능성이 없는 경우에는 밸브의 주변의 온도의 추정을 행하지 않음으로써 에너지 소비량을 최대한 억제할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 양태에 관한 내연 기관의 제어 장치에 따르면, 내연 기관의 정지 후에, 연소실과 연소실에 접속되는 포트 사이를 개폐하는 밸브의 밸브 페이스와 밸브 시트의 간극에서, 포트 내의 응축수가 동결되는 것을 최대한 방지할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예의 특징, 이점 및 기술적 및 산업적 의의는 유사 요소들을 유사 도면 부호로 나타낸 첨부 도면을 참조로 하여 후술된다.
도 1은 본 발명의 실시 형태의 내연 기관의 구성을 도시하는 도면.
도 2는 내연 기관의 정지 직후의 흡기계 내의 물의 거동을 설명하는 도면.
도 3은 밸브의 탑재각과 밸브 헤드 상에 고인 응축수의 양과 응축수가 흘러 떨어지기 위해 필요한 밸브의 리프트량의 관계를 나타내는 그래프.
도 4는 동결 방지 조작의 일례를 도시하는 도면.
도 5는 동결 방지 조작의 실시 타이밍을 나타내는 그래프.
도 6은 내연 기관의 정지 시의 기관 온도가 높은 경우와 낮은 경우, 그리고, 외기 온도가 높은 경우와 낮은 경우의 각각의 조합에 대하여, 내연 기관의 정지 후의 경과 시간에 의한 기관 온도의 변화를 나타내는 그래프.
도 7은 냉각수 온도와 밸브 주변 온도의 관계를 나타내는 그래프.
도 8은 흡기 온도와 냉각수 온도로부터 밸브 주변 온도를 추정하기 위한 맵의 이미지를 나타내는 그래프.
도 9는 동결 방지 제어의 제어 플로우를 나타내는 흐름도.
도 10은 동결 방지 조작의 변형예 1을 도시하는 도면.
도 11은 동결 방지 조작의 변형예 2를 도시하는 도면.
도 12는 제1 변형예에 의한 동결 방지 제어의 제어 플로우를 나타내는 흐름도.
도 13은 제2 변형예에 의한 동결 방지 제어의 제어 플로우를 나타내는 흐름도.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태를 설명한다. 단, 이하에 나타내는 실시 형태는, 본 발명의 기술적 사상을 구체화하기 위한 장치나 방법을 예시하는 것이며, 특별히 명시하는 경우를 제외하고, 구성 부품의 구조나 배치, 처리의 순서 등을 하기의 것에 한정할 의도는 없다. 본 발명은 이하에 나타내는 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
1. 전제가 되는 내연 기관의 구성
도 1은 본 발명의 실시 형태의 내연 기관의 구성을 도시하는 도면이다. 본 실시 형태의 내연 기관(2)은 V형 6기통 엔진(이하, 간단히 엔진이라 함)이다. 상기 엔진(2)은 그 연소 방식에 한정은 없고, 예를 들어 불꽃 점화식 엔진으로서 구성되어도 되고, 디젤 엔진으로서 구성되어도 된다. 본 실시 형태에 있어서 엔진(2)이 탑재되는 차량은 FF(Front-engine Front-drive)차이다. 엔진(2)은 차량의 전방부에 가로 배치로, 또한, 전방으로 기울어지게 하여 탑재된다. 엔진(2)의 2개의 뱅크(4L, 4R) 중 차량의 전방측에 위치하는 뱅크가 우측 뱅크(4R)이고, 후방측에 위치하는 뱅크가 좌측 뱅크(4L)이다. 본 실시 형태에서는 우측 뱅크(4R)와 좌측 뱅크(4L) 사이의 뱅크각은 60도이다.
각 뱅크(4L, 4R)의 실린더 헤드에는, 각 기통의 연소실(6L, 6R)에 연통하는 흡기 포트(8L, 8R) 및 배기 포트(10L, 10R)가 기통마다 설치되어 있다. 각 뱅크(4L, 4R)에 있어서, 흡기 포트(8L, 8R)는 엔진(2)의 내측에 설치되고, 배기 포트(10L, 10R)는 엔진(2)의 외측에 설치되어 있다. 연소실(6L, 6R)과 흡기 포트(8L, 8R) 사이, 연소실(6L, 6R)과 배기 포트(10L, 10R) 사이는 각각 밸브(12L, 12R, 14L, 14R)에 의해 개폐된다. 흡기측의 밸브인 흡기 밸브(12L, 12R)를 구동하는 밸브 구동 기구(16L, 16R)와, 배기측의 밸브인 배기 밸브(14L, 14R)를 구동하는 밸브 구동 기구(18L, 18R)는, 모두 엔진(2)의 크랭크 샤프트로부터 구동력이 분배되는 기계식의 가변동 밸브 기구이다. 이하의 설명에서는, 우측 뱅크(4R)와 좌측 뱅크(4L)의 각각에 설치되는 부품이나 부위에 대하여, 특별히 좌우를 구별할 필요가 없는 경우에는, 부호의 L 혹은 R은 생략하는 것으로 한다.
본 실시 형태에 있어서 엔진(2)이 탑재되는 차량은, 엔진(2)과 함께 모터(20)를 동력 장치로 하는 하이브리드 차량이다. 상기 하이브리드 차량에서는, 엔진(2)과 모터(20)와 도시하지 않은 구동력 전달 기구 사이의 구동력의 전달 경로를 전환함으로써, 모터(20)에 의해 엔진(2)을 회전시킬 수 있다. 모터(20)에 의한 엔진(2)의 강제 회전은, 엔진(2)을 시동시키는 경우에 이용되는 것 외에, 소정의 조건이 성립한 경우에는 엔진(2)의 정지 시에 이용된다. 이것에 대해서는 후술한다.
엔진(2)의 제어는, 제어 장치(30)에 의해 행해진다. 제어 장치(30)는 적어도 하나의 프로세서와, 적어도 하나의 메모리를 갖는 ECU(Electronic Control Unit)로 구성된다. 메모리에는, 엔진(2)의 제어를 위한 각종 프로그램이나 맵을 포함하는 각종 데이터가 기억되어 있다. 메모리에 기억되어 있는 프로그램이 로드되어 프로세서에서 실행됨으로써, 제어 장치(30)에는 다양한 기능이 실현된다. 제어 장치(30)는 복수의 ECU로 구성되어 있어도 된다.
제어 장치(30)에는, 엔진(2)이나 차량에 설치된 각종 센서로부터, 엔진(2)의 운전 상태나 운전 조건에 관한 다양한 정보가 입력된다. 예를 들어, 차량의 엔진(2)으로부터의 열의 영향을 받지 않는 부위에 설치된 외기 온도 센서(32)로부터는, 외기 온도에 관한 정보가 입력된다. 엔진(2)의 흡기 통로 입구 혹은 서지 탱크에 설치된 흡기 온도 센서(34)로부터는, 흡기 온도에 관한 정보가 입력된다. 수온 센서(36)로부터는, 엔진(2)의 냉각수 온도에 관한 정보가 입력된다. 크랭크각 센서(38)로부터는, 엔진(2)의 크랭크 각도에 관한 정보가 입력된다. 제어 장치(30)는 적어도 상술한 정보에 기초하여, 엔진(2)의 동작에 관계되는 액추에이터의 조작량을 결정한다. 상기 액추에이터에는, 가변동 밸브 기구(16, 18) 외에, 도시하지 않은 연료 분사 장치나 스로틀이나 점화 장치 등이 포함된다. 또한, 엔진(2)을 강제 회전시킬 수 있는 모터(20)도 액추에이터의 하나에 포함된다.
2. 응축수에 기인하는 과제
상술한 바와 같이 구성된 엔진(2)에 있어서의 과제의 하나가 엔진(2)의 정지 후에 포트(8, 10) 내에 존재하는 응축수이다. 배기 포트(10)의 경우, 엔진(2)의 시동 후, 잠깐동안은 배기 포트(10)의 벽면 온도가 배기 가스의 노점 온도보다도 낮기 때문에, 배기 가스에 포함되는 수분이 배기 포트(10)의 벽면에서 결로하여 응축수로 된다. 상술한 이유 때문에, 난기가 완료되기 전에 엔진(2)이 정지한 경우, 배기 포트(10)에는 응축수가 부착된 채로 되어, 상기 응축수가 배기 밸브(14)로 흘러간다.
흡기 포트(8)의 경우, EGR 가스나 블로바이 가스에 포함되는 수분, 혹은 신기에 포함되는 수분에 의해 응축수가 발생한다. 특히, 엔진(2)이 인터쿨러를 구비하는 과급 엔진인 경우, 인터쿨러 내에서 응축수가 발생하기 쉽다. 도 2는 인터쿨러(22)를 구비하는 엔진(2)에 있어서의 정지 직후의 흡기계 내의 물의 거동을 설명하는 도면이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 엔진(2)의 정지 후에, 인터쿨러(22)의 벽면 온도의 저하에 의해 인터쿨러(22) 내의 가스에 포함되는 수분은 결로하여 응축수가 발생한다. 인터쿨러(22)에서 발생한 응축수는 흡기 포트(8)로 흘러 떨어진다. 그러나, 엔진(2)의 정지 후, 잠깐동안, 흡기 포트(8)는 고온인 상태 그대로이기 때문에, 응축수는 흡기 포트(8)에 있어서 증발한다. 증발한 수분은 저온의 인터쿨러(22)에 있어서 다시 결로하여 응축수로 되고, 다시 흡기 포트(8)로 흘러간다. 상술한 바와 같은 것이 인터쿨러(22)와 흡기 포트(8)의 온도차가 작아질 때까지 반복된다. 그리고, 흡기 포트(8)의 온도가 저하되어 흡기 포트(8)에서의 증발이 없어지면, 응축수가 흡기 밸브(12)로 흘러간다.
엔진(2)이 정지하고 있을 때, 당연히 각 밸브(12, 14)도 정지하고 있다. 엔진(2)이 정지하고 있을 때의 각 밸브(12, 14)의 개방도는 크랭크 샤프트의 정지 위치에 따라 결정되고, 기통에 따라 상이하다. 예를 들어, 완전 폐쇄의 밸브가 있으면, 완전 개방의 밸브도 있고, 미소 개방도로 개방되어 있는 밸브도 있다. 상술한 바와 같이 응축수가 밸브(12, 14)로 흘러갔을 때, 완전 폐쇄의 밸브에서는 응축수가 밸브 헤드 상에 고인다. 개방도가 비교적 큰 밸브에서는 응축수는 밸브 페이스와 밸브 시트의 간극으로부터 실린더 내로 흘러 떨어지지만, 응축수의 양에 따라서는 밸브 페이스와 밸브 시트의 간극에 응축수가 물방울이 되어 잔류하는 경우가 있다. 개방도가 비교적 작은 밸브에서는, 응축수는 밸브 페이스와 밸브 시트의 간극으로부터 흘러 떨어지지 않고 체류한다. 밸브(12, 14)의 주변에 잔류한 응축수는, 밸브(12, 14)의 주변의 온도가 응축수의 동결 온도(여기서는 응축수의 동결 온도는 0℃인 것으로 함) 이하까지 저하되었을 때에 동결되어 얼음이 된다.
밸브(12, 14)의 주변에서 응축수가 동결되어 생기는 얼음은, 엔진(2)을 재시동할 때의 시동성에 영향을 미친다. 예를 들어, 밸브 페이스와 밸브 시트의 간극에서 응축수가 동결된 경우, 밸브(12, 14)가 완전히 폐쇄되지 않는 폐쇄 불량이 발생해 버린다. 밸브(12, 14)가 완전히 폐쇄되어 있는 경우에도, 밸브 헤드 상에 고인 응축수가 많은 경우에는, 밸브 헤드 상에 얼음 덩어리가 생김으로써 가스 통로가 폐색되어 버려, 흡기 및 배기 기능을 저하시켜 버린다. 따라서, 응축수가 동결되는 환경 하에서도 엔진(2)의 양호한 시동성을 확보하기 위해서는, 적어도, 밸브 페이스와 밸브 시트의 간극에서 응축수가 동결되는 것과, 밸브 헤드 상에서 다량의 응축수가 동결되는 것은 최대한 방지할 필요가 있다.
3. 응축수의 동결에 대한 대책
본 출원에 관한 발명자들은, 밸브 페이스와 밸브 시트의 간극에서 응축수가 동결되는 조건에 대하여 연구를 행하였다. 연구의 결과, 밸브 페이스와 밸브 시트의 간극에서 응축수가 동결되는지 여부는, 응축수의 양과 밸브의 개방도와 수평면에 대한 밸브의 탑재 각도의 관계에 의해 결정되는 것이 판명되었다. 이하, 판명한 사실에 대하여 설명한다.
밸브가 완전 폐쇄인 경우, 당연히 밸브 페이스와 밸브 시트의 간극에서 응축수가 동결되는 일은 없다. 문제가 되는 것은, 밸브가 개방되어 있는 경우다. 도 3은 실험 결과로부터 통계적으로 얻어진, 밸브의 탑재각과, 밸브 헤드 상에 고인 응축수의 양과, 응축수가 흘러 떨어지기 위해 필요한 밸브의 리프트량의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 밸브의 탑재각이 일정한 경우, 응축수의 양이 많으면 필요한 밸브의 리프트량은 커지는 것을 알 수 있었다. 또한, 응축수의 양이 일정한 경우, 밸브의 탑재각이 90도에 가까울수록 필요한 밸브의 리프트량은 커지는 것을 알 수 있었다. 이것은, 밸브의 탑재 각도가 수평에 가까울수록 응축수는 흘러 떨어지기 쉽고, 밸브의 탑재 각도가 수직에 가까울수록 응축수는 흘러 떨어지기 어려워지는 것에 의한다.
실험의 결과 알 수 있었던 것은, 응축수를 흘러 떨어지게 할 수 있는 최소 리프트량이 존재하는 것이다. 실험 결과부터 통계적으로 얻어진 최소 리프트량은 1㎜이다. 리프트량이 1㎜보다 작은 경우에는, 밸브의 탑재각의 대소에 상관없이, 표면 장력의 작용에 의해 응축수는 밸브 페이스와 밸브 시트 사이에 안정적으로 체류한다. 따라서, 밸브를 개방하여 응축수를 흘러 떨어지게 하려고 하는 경우에는, 적어도 1㎜ 이상의 리프트량으로 밸브를 개방할 필요가 있다.
밸브의 리프트량이 어느 정도 커지면, 응축수는 체류하지 않고 실린더 내로 흘러 떨어지게 되기 때문에, 응축수의 양이 증가해도 그 이상은 리프트량을 크게 할 필요가 없는 것도 알 수 있었다. 이때의 리프트량은 밸브의 탑재 각도에 따라서도 상이한다. 밸브의 탑재 각도가 수직인 경우에는 3.5㎜이고, 밸브의 탑재 각도가 수평에 가까워짐에 따라서 보다 적은 리프트량으로 되게 된다.
단, 응축수의 양이 증가하면, 증가한 만큼, 밸브를 개방하였을 때에 밸브 시트나 밸브 페이스에 물방울의 상태로 부착되는 응축수의 양도 많아진다. 이 때문에, 응축수의 양이 일정 이상으로 되었을 때에는, 밸브를 개방하는 것만으로는 밸브 페이스와 밸브 시트의 간극에 응축수를 잔류시키지 않도록 할 수는 없다. 본 출원에 관한 발명자들에 의한 실험에서는, 밸브를 개방하는 것에 효과가 있는 응축수의 양의 상한은, 1기통당 약 0.1cc였다(청구항과의 관계에서는, 상기 0.1cc라는 응축수량은 제2 기준량에 상당함).
본 출원에 관한 발명자들은, 밸브를 완전 폐쇄로 한 경우에 포트 내의 밸브 헤드 상에 체류하는 응축수의 양이 미치는 영향에 대하여 연구를 행하였다. 연구의 결과, 응축수의 양이 어느 일정 이상의 양으로 된 경우에는, 응축수가 동결되는 것에 의한 가스 통로의 폐색에 의해 흡기 및 배기 기능의 저하가 보다 현저해지는 것을 알 수 있었다. 본 출원에 관한 발명자들에 의한 실험에서는, 동결이 흡기 및 배기 기능에 현저하게 영향을 미치기 시작하는 응축수의 양은, 1기통당 약 1cc였다(청구항과의 관계에서는, 상기 1cc라는 응축수량은 제1 기준량에 상당함). 여기에서 얻어진 실험 결과는, 응축수의 양이 1기통당 약 0.1cc보다 많고, 또한, 약 1cc 미만인 경우에는, 밸브를 완전 폐쇄로 하는 것이 밸브 페이스와 밸브 시트의 간극에 응축수를 잔류시키지 않는 가장 효과적인 방법인 것을 의미하고 있다.
본 출원에 관한 발명자들은, 응축수의 양이 초다량인 경우의 대책에 대하여 검토하였다. 본 출원에 관한 발명자들에 의한 실험에서는, 초다량인 응축수란 1기통당 1cc를 초과하는 양의 응축수를 의미한다. 다양한 실험을 행한 결과, 응축수의 양이 다량인 경우에는, 밸브를 완전 폐쇄로 유지하는 것이 아니라, 밸브를 일단 개방한 후에 다시 완전 폐쇄로 하는 것이 보다 효과적인 것을 알 수 있었다. 밸브를 일단 개방함으로써, 포트 내의 밸브 헤드 상에 고인 응축수는 실린더 내로 흘러 떨어진다. 그리고, 개방된 밸브를 다시 완전 폐쇄로 함으로써, 밸브 시트나 밸브 페이스에 부착된 물방울을 밸브 시트와 밸브 페이스 사이에 두어 찌부러뜨릴 수 있다.
이상 설명한 대로, 본 출원에 관한 발명자들에 의한 연구의 결과로부터 판명된 것은 다음의 3개이다. 첫째는, 응축수의 양이 소량인 경우, 예를 들어 1기통당 약 0.1cc보다 적은 경우에는, 밸브를 완전 폐쇄로 하거나, 혹은, 적어도 1㎜ 이상의 리프트량으로 밸브를 개방함으로써, 밸브 페이스와 밸브 시트의 간극에 응축수를 잔류시키지 않는다는 목적을 달성할 수 있다는 것이다. 단, 밸브 페이스와 밸브 시트의 간극으로부터의 응축수의 낙하를 보다 확실한 것으로 하기 위해서는, 밸브의 탑재 각도가 수직에 가까울수록 밸브의 리프트량을 크게 하는 것이 좋다. 둘째는, 응축수의 양이 다량인 경우, 예를 들어 1기통당 약 0.1cc보다 크고 약 1cc 미만인 경우에는, 밸브를 완전 폐쇄로 함으로써, 밸브 페이스와 밸브 시트의 간극에 응축수를 잔류시키지 않는다는 목적을 달성할 수 있다는 것이다. 그리고, 셋째는, 응축수의 양이 초다량인 경우, 예를 들어 1기통당 약 1cc를 초과하는 경우에는, 밸브를 완전 폐쇄로 유지하는 것이 아니라, 밸브를 일단 개방하고 나서 다시 폐쇄함으로써, 동결된 응축수에 의한 가스 통로의 폐색을 방지하면서, 밸브 페이스와 밸브 시트의 간극에 응축수를 잔류시키지 않는다는 목적을 달성할 수 있다는 것이다. 상술한 밸브 조작은, 응축수가 밸브 페이스와 밸브 시트의 간극에서 동결되는 것을 최대한 방지하기 위한 조작이므로, 이하에서는, 상술한 밸브 조작을 총칭하여 동결 방지 조작이라 한다.
4. 동결 방지 조작의 구체예
도 1에 도시한 제어 장치(30)에는, 엔진(2)의 정지 후에, 밸브(12, 14)의 주변에 있어서 응축수가 발생할 가능성이 발생한 경우에, 상술한 동결 방지 조작을 실행하기 위한 프로그램이 내장되어 있다. 상기 프로그램이 프로세서에 의해 실행됨으로써, 제어 장치(30)는 동결 방지 조작 수단으로서 기능한다. 여기까지는 동결 방지 조작의 내용에 대하여 설명하였지만, 이하에서는, 제어 장치(30)에 의해 동결 방지 조작이 실행되었을 때의 구체적인 동작에 대하여 예를 들어 설명한다.
도 4는 제어 장치(30)에 의해 실행되는 동결 방지 조작의 일례를 도시하는 도면이다. 도 4에는, 어느 뱅크의 제1 기통 #1, 제2 기통 #2, 제3 기통 #3에 있어서의 흡기 밸브(12)의 동작이 시간축을 따라서 도시되어 있다. 기통간의 위상차는 240도이다. 상술한 예에서는, 엔진(2)의 정지 시에, 제1 기통 #1의 흡기 밸브(12)는 개방되고, 제2 기통 #2 및 제3 기통 #3의 흡기 밸브(12)는 폐쇄되어 있다. 개방되어 있는 제1 기통 #1의 흡기 밸브(12)의 리프트량은 적어도 1㎜ 이상이다.
엔진(2)의 정지 직후에는 흡기 포트(8) 내의 응축수는 흡기 포트(8)의 벽면에 부착되어 있다. 곧이어 시간의 경과에 의해 흡기 포트(8)가 냉각되어 가면, 응축수의 발생이 진행되고, 응축수는 흡기 포트(8)의 벽면을 타고 흡기 밸브(12)까지 떨어진다. 이때, 개방되어 있는 제1 기통 #1의 흡기 밸브(12)에서는, 응축수는 간극으로부터 실린더 내로 흘러 떨어지지만, 응축수량이 다량인 경우에는 밸브 시트나 밸브 페이스에 물방울이 부착된다. 한편, 폐쇄되어 있는 제2 기통 #2 및 제3 기통 #3의 흡기 밸브(12)에서는, 밸브 헤드 상에 응축수의 액 고임이 생긴다.
상술한 바와 같은 상태에서 흡기 밸브(12)의 주변의 온도가 빙점 아래까지 내려가면, 응축수가 동결되고, 제1 기통 #1에서는 밸브 시트와 밸브 페이스의 간극에 생긴 얼음에 의해 흡기 밸브(12)의 폐쇄 불량이 일어난다. 또한, 제2 기통 #2 및 제3 기통 #3에서는, 다량의 응축수가 밸브 헤드 상에 고여 있는 경우, 얼음에 의해 흡입 공기의 통로가 폐색된다. 여기에 나타내는 동결 방지 조작의 예에서는, 응축수가 동결될 가능성이 발생한 경우, 모터(20)에 의해 엔진(2)을 1사이클분, 즉, 720도 회전시킨다. 이에 의해, 제1 기통 #1에서는, 밸브 시트나 밸브 페이스에 부착된 물방울은 흡기 밸브(12)가 일단 폐쇄될 때에 찌부러져 없어진다. 제2 기통 #2 및 제3 기통 #3에서는, 밸브 헤드 상에 고여 있던 응축수는 흡기 밸브(12)가 일단 개방되었을 때에 흘러 떨어지고, 그때에 밸브 시트나 밸브 페이스에 부착된 물방울은 흡기 밸브(12)가 다시 폐쇄될 때에 찌부러져 없어진다.
정지 중인 엔진(2)을 모터(20)에 의해 회전시키는 경우, 정지하고 있는 엔진(2)으로부터 이음이 발생하게 된다. 정지하고 있어야 할 엔진(2)으로부터의 이음은 주위의 사람을 놀라게 할 가능성이 있다. 따라서, 모터(20)에 의해 엔진(2)을 회전시키는 경우의 엔진 회전수는 극저속(예를 들어 100rpm 정도)인 것이 바람직하다. 엔진 회전수를 더 낮게 억제함으로써, 압축 기통에서는 압축 가스가 실린더 외부로 누출되는 시간을 충분히 확보하고, 팽창 기통에서는 가스의 유입 시간을 충분히 확보할 수 있다. 이에 의해, 압축 작업과 팽창 작업의 저감에 의해 동결 방지 조작에 드는 에너지 소비량을 최대한 저감할 수도 있다.
제어 장치(30)는 위에 예시한 바와 같은 동결 방지 조작을 밸브(12, 14)의 주변 온도가 빙점 아래까지 내려가기 전에 실행한다. 도 5는 동결 방지 조작의 실행 타이밍을 나타내는 그래프이다. 도 5에 도시한 바와 같이, 흡기 밸브(12)의 주변 온도가 빙점 아래까지 내려간 후에는, 이미 동결이 시작되었기 때문에 동결 방지 조작을 실행하는 타이밍으로서는 너무 늦다. 한편, 엔진(2)의 정지로부터의 경과 시간이 너무 짧으면, 응축수가 밸브(12, 14)까지 다 떨어지지 않았기 때문에 동결 방지 조작을 실행해도 효과가 없다. 따라서, 동결 방지 조작을 실행하는 타이밍으로서는, 응축수가 밸브(12, 14)까지 충분히 다 떨어진 후에, 흡기 밸브(12)의 주변 온도가 빙점 아래로 내려가기 전이 바람직하다.
동결 방지 조작의 실행 타이밍을 흡기 밸브(12)의 주변 온도에 기초하여 계측한다고 하면, 밸브(12, 14)의 주변 온도가 0℃+α의 온도로 되는 타이밍을 실행 타이밍으로서 설정하면 된다. 보다 구체적으로는, 밸브(12, 14)의 주변 온도가 10℃보다도 낮은 소정 온도 범위 내까지 저하되면, 동결 방지 조작을 실행하면 된다. 소정 온도 범위를 규정하는 10℃는, 밸브(12, 14)의 주변의 온도를 추정할 때의 추정 오차를 고려하여 정해진 온도이다(온도 추정에 대해서는 다음에 설명함). 따라서, 추정 오차가 작으면, 소정 온도 범위의 상한 온도는 더 낮게 해도 된다. 소정 온도 범위의 상한 온도는, 바람직하게는 5℃보다도 낮은 온도이며, 보다 바람직하게는 3℃보다도 낮은 온도이다. 또한, 소정 온도 범위에는 하한 온도를 설정할 수도 있다. 하한 온도는 응축수의 동결 온도(예를 들어 0℃)인 것이 바람직하다.
5. 밸브 주변 온도의 추정
그런데, 밸브(12, 14)의 주변의 온도(이하, 밸브 주변 온도라 함)는, 밸브 주변에 온도 센서가 설치되어 있지 않은 한은 직접적으로는 계측할 수 없다. 상술한 이유 때문에, 동결 방지 조작의 실행을 판단하기 위해서는, 관련되는 정보에 기초하여 밸브 주변 온도를 추정하는 것이 필요로 된다. 밸브 주변 온도를 추정하는 방법은 하나가 아니고, 이하에 개시하는 바와 같이 몇 가지의 방법이 있다. 제어 장치(30)에는, 이하의 어느 방법에 의해 밸브 주변 온도를 추정하기 위한 프로그램이 내장되어 있다. 상기 프로그램이 프로세서에 의해 실행됨으로써, 제어 장치(30)는 온도 추정 수단으로서 기능한다.
제1 방법은, 외기 온도 센서(32)에 의해 계측되는 외기 온도로부터 밸브 주변 온도를 추정하는 방법이다. 엔진(2)의 정지 후에, 엔진(2)은 외기에 의해 냉각되어 온도가 저하되어 간다. 상술한 이유 때문에, 엔진(2)의 정지 후의 밸브 주변 온도는 외기 온도보다도 높다. 엔진(2)의 정지 시에 외기 온도가 빙점 이상인 경우, 밸브 주변 온도를 외기 온도보다도 소정 온도만큼 높은 온도로 간주해 두면, 외기 온도가 빙점 근방까지 저하되었을 때에, 밸브 주변 온도가 소정 온도 범위까지 저하된 것을 검지할 수 있다.
제2 방법은, 엔진 정지 시의 기관 온도와, 외기 온도 센서(32)에 의해 계측되는 외기 온도와, 엔진(2)의 정지 후의 경과 시간으로부터 밸브 주변 온도를 추정하는 방법이다. 도 6은 엔진 정지 시의 기관 온도가 상대적으로 높은 경우(기관 온도 1)와 상대적으로 낮은 경우(기관 온도 2), 그리고, 외기 온도가 상대적으로 높은 경우(외기 온도 1)와 상대적으로 낮은 경우(외기 온도 2)의 각각의 조합에 대하여, 엔진 정지 후의 경과 시간에 의한 기관 온도의 변화를 나타내는 그래프이다. 엔진 정지 시의 기관 온도로서는, 수온 센서(36)에 의해 계측되는 엔진 정지 시의 냉각수 온도를 사용해도 된다. 그리고, 엔진 정지 후의 기관 온도는 밸브 주변 온도와 동일하다고 간주해도 된다. 제2 방법에서는, 도 6에 도시한 관계가 규정된 맵을 사용하여 밸브 주변 온도가 추정된다.
도 6에 도시한 파라미터간의 관계는 하기의 간이한 식에 의해 표현할 수도 있다. 맵 대신에 하기의 식을 사용하여 밸브 주변 온도를 추정해도 된다. 또한, 하기의 식에 있어서의 추정 온도란, 밸브 주변 온도의 추정 온도를 의미하고, 시상수란, 계산 주기당의 시상수를 의미한다. n=1일 때의 추정 온도, 즉, 초기 온도는 엔진 정지 시의 기관 온도이다.
추정 온도(n)=추정 온도(n-1)-시상수×(추정 온도(n-1)-외기 온도)
제3 방법은, 수온 센서(36)에 의해 계측되는 냉각수 온도로부터 밸브 주변 온도를 추정하는 방법이다. 도 7은 수온 센서(36)에 의해 계측되는 냉각수 온도와 밸브 주변 온도의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 7에 도시한 바와 같이 양자의 사이에는 오차가 있고, 상기 오차는 온도가 낮을수록 커진다. 그러나, 오차 범위의 중앙값이나 하한값 등을 사용함으로써 냉각수 온도로부터 밸브 주변 온도를 추정할 수 있다. 제3 방법에서는, 냉각수 온도와 밸브 주변 온도의 관계가 규정된 맵을 사용하여 밸브 주변 온도가 추정된다.
제4 방법은, 수온 센서(36)에 의해 계측되는 냉각수 온도와 흡기 온도 센서(34)에 의해 계측되는 흡기 온도에 기초하여 밸브 주변 온도를 추정하는 방법이다. 도 8은 흡기 온도와 냉각수 온도로부터 밸브 주변 온도를 추정하기 위한 맵 이미지를 나타내는 그래프이다. 흡기 온도와 냉각수 온도에 의해 정의되는 좌표마다 밸브 주변 온도가 기억되어 있다. 제4 방법에서는, 도 8에 도시한 바와 같은 맵을 사용하여 밸브 주변 온도가 추정된다.
6. 동결 방지 제어의 수순
상술한 바와 같이, 제어 장치(30)에는, 동결 방지 조작을 실행하기 위한 프로그램과, 밸브 주변 온도를 추정하기 위한 프로그램이 내장되어 있다. 상술한 프로그램은, 메인 루틴인 동결 방지 제어의 서브 루틴으로서 실행된다. 동결 방지 제어는, 제어 장치(30)에 의해 엔진(2)의 정지 후에 일정한 주기로 실행되는 프로그램이며, 그 제어 플로우는 도 9의 흐름도에 의해 나타난다.
흐름도에 나타내는 바와 같이, 동결 방지 제어는 6개의 스텝으로 구성된다. 스텝 S2에서는, 흡기 포트(8)와 배기 포트(10)의 응축수량의 추정이 행해진다. 흡기 포트(8)의 응축수량의 추정에서는, 흡기 포트(8)를 흡입 공기의 흐름 방향으로 복수의 원환으로 분할하고, 원환마다 벽면 온도와 가스의 노점으로부터 응축수량이 계산된다. 응축수량의 계산은, 흡기 포트(8)의 상류부로부터 연소실(6)을 향하는 순으로 행해진다. 배기 포트(10)의 응축수량의 추정에서는, 배기 포트(10)를 배기의 흐름 방향으로 복수의 원환으로 분할하고, 원환마다 벽면 온도와 가스의 노점으로부터 응축수량이 계산된다. 응축수량의 계산은, 배기 포트(10)의 하류부로부터 연소실(6)을 향하는 순으로 행해진다.
스텝 S4에서는, 흡기 포트(8)의 응축수량이 소정의 상한량을 초과하였는지 여부가 판정된다. 스텝 S6에서는, 배기 포트(10)의 응축수량이 소정의 상한량을 초과하였는지 여부가 판정된다. 스텝 S4 및 S6의 판정에서 사용되는 상한량은, 동결 방지 조작을 실행하지 않는 것이 허용되는 응축수량의 상한값이며, 구체적으로는, 제2 기준량인 0.1cc보다도 적은 양이다. 스텝 S4의 판정 결과와 스텝 S6의 판정 결과의 양쪽이 "아니오"인 경우, 이후의 처리는 모두 스킵된다. 밸브 페이스와 밸브 시트의 간극에서 응축수가 동결되는 문제는 응축수의 양이 소정의 상한량 이하이면 발생하지 않는다. 따라서, 응축수의 양이 상한량 이하이면 동결 방지 조작을 실행하지 않음으로써, 에너지 소비량을 최대한 억제할 수 있다.
스텝 S4의 판정 결과와 스텝 S6의 판정 결과 중 적어도 한쪽이 "예"인 경우, 스텝 S8의 처리가 행해진다. 스텝 S8에서는, 상술한 방법에 의해 밸브 주변 온도가 추정된다. 스텝 S10에서는, 스텝 S8에서 추정된 밸브 주변 온도가 0℃보다도 높고 10℃보다도 낮은 소정 온도 범위 내까지 저하되었는지 여부가 판정된다. 스텝 S10의 판정 결과가 "아니오"인 경우, 동결 방지 조작을 실행할 필요는 없기 때문에 이후의 처리는 스킵된다.
스텝 S10의 판정 결과가 "예"인 경우, 스텝 S12에 있어서 동결 방지 조작이 실행된다. 동결 방지 조작은, 흡기 포트(8)의 응축수량이 상한량을 초과한 경우에는 적어도 흡기 밸브(12)에 대하여 행해지고, 배기 포트(10)의 응축수량이 상한량을 초과한 경우에는 적어도 배기 밸브(14)에 대하여 행해진다. 그리고, 동결 방지 조작이 실행됨으로써, 엔진(2)의 정지 후에 발생하는 응축수가 밸브(12, 14)의 밸브 페이스와 밸브 시트의 간극에서 동결되는 것은 최대한 방지된다.
7. 동결 방지 조작의 변형예
본 실시 형태와 같이 모터에 의해 구동되는 엔진의 경우, 모터의 회전 방향을 제어함으로써, 정지 시의 엔진의 회전 방향을 정전으로부터 역전으로, 또는, 역전으로부터 정전으로 전환할 수 있다. 엔진의 회전 방향의 전환을 동결 방지 조작과 조합한 것이, 도 10에 도시한 동결 방지 조작의 변형예 1과 도 11에 도시한 동결 방지 조작의 변형예 2이다. 단, 변형예 1, 2의 엔진은 직렬 4기통 엔진이다.
도 10에 도시한 동결 방지 조작의 변형예 1에서는, 엔진을 420도 정전시킨 후에, 60도 역전시키고 있다. 즉, 합계 480도 엔진을 회전시키고 있다. 상술한 동작에 의해, 엔진의 정지 시에 개방되어 있던 흡기 밸브는 일단 폐쇄한 후에 다시 개방하고, 엔진의 정지 시에 폐쇄되어 있던 흡기 밸브는 일단 개방한 후에 다시 폐쇄한다. 마찬가지의 흡기 밸브의 동작을 엔진의 정전만으로 실현하는 경우, 도 10에 도시한 예에서는, 엔진을 적어도 630도 회전시킬 필요가 있다. 따라서, 동결 방지 조작의 변형예 1에 따르면, 엔진의 회전량을 저감시킴으로써, 이음의 발생을 보다 한층 더 억제할 수 있음과 함께, 에너지 소비량을 최대한 억제할 수 있다.
도 11에 도시한 동결 방지 조작의 변형예 2에서는, 가변동 밸브 기구에 대한 기통 정지 조작에 의해 제2 기통 #2와 제4 기통 #4는 흡기 밸브를 완전 폐쇄로 유지하고 있다. 그리고, 제1 기통 #1과 제3 기통 #3의 흡기 밸브만이 운동하는 상태에서, 엔진을 60도 정전시킨 후에, 210도 역전시키고, 또한 60도 정전시키고 있다. 즉, 합계 330도 엔진을 회전시키고 있다. 상술한 동작에 의해, 엔진의 정지 시에 폐쇄되어 있던 제1 기통 #1과 제3 기통 #3의 흡기 밸브는 일단 개방한 후에 다시 폐쇄한다. 마찬가지의 흡기 밸브의 동작을 엔진의 정전만으로 실현하는 경우, 도 11에 도시한 예에서는, 엔진을 적어도 630도 회전시킬 필요가 있다. 따라서, 동결 방지 조작의 변형예 2에 따르면, 엔진의 회전량을 저감시킴으로써, 이음의 발생을 보다 억제할 수 있음과 함께, 에너지 소비량을 최대한 억제할 수 있다.
8. 그 밖의 실시 형태
제어 장치는, 외부와의 통신 기능, 예를 들어 인터넷에의 접속에 의한 외부 서버와의 통신 기능을 구비할 수 있다. 상술한 경우, 외부 서버로부터의 기상 정보의 제공 서비스를 이용하면, 엔진 정지 후의 외기 온도의 변화 예측을 취득할 수 있다. 외기 온도가 앞으로 어떻게 변화되는지 예측할 수 있으면, 그 예측에 기초하여 엔진의 정지 후의 동결의 가능성을 판정할 수 있다. 동결의 가능성이 있다고 판정한 경우만, 엔진 정지 후의 밸브 주변 온도의 추정을 행하도록 하면, 제어 장치는 엔진 정지 후에 추정 프로그램을 계속해서 움직이게 할 필요가 없어져, 에너지 소비량을 최대한 저감시킬 수 있다.
또한, 엔진 정지 후의 동결의 가능성을 학습 결과로부터 판정하도록 해도 된다. 예를 들어, 장시간의 엔진 정지 후의 밸브 주변 온도, 바람직하게는 재시동 시의 밸브 주변 온도를 기억하고, 밸브 주변 온도가 소정 온도 범위까지 저하되는 것이 소정 횟수 연속된 경우에는, 다음번의 엔진 정지 시에도 동결의 가능성이 있다고 판정해도 된다. 혹은, 엔진 정지 시의 시각마다 차량 위치(예를 들어, 고도나 위도 경도)마다 구분한 정지 패턴을 작성하고, 정지 패턴마다 엔진 정지 후의 밸브 주변 온도를 학습하고, 정지 패턴마다 다음번의 엔진 정지 시의 동결의 가능성을 판정해도 된다.
변형예로서, 엔진의 정지 후의 동결의 가능성을 엔진 정지 시의 외기 온도만으로 판정하도록 해도 된다. 구체적으로는, 엔진 정지 시의 외기 온도가 소정 온도 이하이면, 이후의 엔진 정지 중에, 밸브 주변 온도가 0℃ 이하까지 저하될 가능성이 있다고 판단하도록 해도 된다. 엔진 정지 시의 외기 온도가 이미 0℃ 이하이면, 곧 밸브 주변 온도도 0℃ 이하로 되는 것은 명백하다. 따라서, 판단 기준이 되는 소정 온도는 예를 들어 0℃ 이하의 온도로 설정해도 된다.
그러나, 엔진 정지 시의 외기 온도가 0℃보다 높은 경우에도, 그 후에 외기 온도가 0℃ 이하로 될 가능성은 있다. 상술한 가능성은 엔진 정지 시의 외기 온도가 0℃에 가까울수록 높아진다. 따라서, 엔진 정지 후에 밸브 주변 온도가 0℃ 이하로 되는 것의 판단을 잘못하지 않도록 하기 위해서는, 판단 기준이 되는 소정 온도는, 0℃보다도 높은 온도인 것이 바람직하다. 한편, 불필요하게 동결 방지 조작을 행하는 것에 의한 에너지 소비량을 최대한 억제하기 위해서는, 판단 기준이 되는 소정 온도는 너무 높지 않은 쪽이 좋고, 바람직하게는 5℃보다도 낮은 온도이다. 상술한 경우의 5℃는 소정 온도의 극한치이므로, 예를 들어 엔진 정지 시의 외기 온도가 5℃보다도 낮은 온도인지 여부를 판정하도록 해도 된다. 외기 온도를 계측하는 온도 센서의 계측 정밀도가 비교적 높은 경우에는, 3℃보다도 낮은 온도를 소정 온도로 해도 된다.
엔진의 정지 후의 동결의 가능성을 엔진 정지 시의 외기 온도만으로 판단하는 경우에는, 동결 방지 조작은 엔진이 정지하는 타이밍에서 실행하거나, 혹은, 엔진의 정지로부터 소정 시간이 경과한 후에 실행하는 것이 바람직하다. 이하, 전자의 조건 및 타이밍에서 실행하는 동결 방지 제어를 제1 변형예에 의한 동결 방지 제어라 하고, 후자의 조건 및 타이밍에서 실행하는 동결 방지 제어를 제2 변형예에 의한 동결 방지 제어라 한다.
도 12는 제1 변형예에 의한 동결 방지 제어의 제어 플로우를 나타내는 흐름도이다. 도 12에 나타내어지는 동결 방지 제어는, 엔진 정지 요구의 조건이 만족되고, 엔진 정지 조작이 개시된 타이밍에서 실행된다. 먼저, 최초의 처리인 스텝 S102에서는, 엔진 정지 조작이 개시된 시점에서의 외기 온도가 온도 센서에 의해 계측된다. 그리고, 계측된 외기 온도가 소정 온도 이하인지 여부가 판정된다. 외기 온도가 소정 온도보다도 높으면 동결 방지 조작은 행해지지 않는다. 불필요하게 동결 방지 조작을 행하지 않음으로써, 에너지 소비량을 최대한 억제할 수 있다.
외기 온도가 소정 온도 이하인 경우, 스텝 S104의 처리가 행해진다. 스텝 S104에서는, 엔진의 정지가 완료될 때까지의 기간 내에서 동결 방지 조작이 행해진다. 여기에서는, 엔진의 정지 위치 제어가 동결 방지 조작에 이용된다. 상세하게는, 밸브가 완전 폐쇄로 되거나 혹은 1㎜ 이상의 리프트량으로 개방된 상태로 되도록, 엔진의 정지 크랭크 각도를 제어하는 것이 행해진다. 또한, 엔진의 정지 위치 제어의 방법에는 한정은 없다. 예를 들어, 연료 커트의 타이밍에 의해 정지 크랭크 각도를 제어해도 되고, 보조 기계 등의 부하를 제어함으로써 정지 크랭크 각도를 제어해도 된다.
엔진의 정지 후에 동결 방지 조작을 행하는 경우에는, 모터 등에 의해 크랭크축을 회전시켜 밸브를 움직이게 할 필요가 있다. 즉, 동결 방지 조작을 위한 에너지 투입이 필요로 된다. 그러나, 제1 변형예에 의한 동결 방지 제어에 따르면, 엔진이 완전히 정지하기 전의 정지 위치 제어에 의해 동결 방지 조작을 행함으로써, 엔진이 갖고 있는 운동 에너지를 동결 방지 조작에 이용할 수 있다. 또한, 정지 위치 제어를 고정밀도로 실행하기 위해서는 상응하는 부담이 제어 장치에 가해진다. 그러나, 정지 위치 제어에 의한 동결 방지 조작은 엔진 정지 시의 외기 온도가 소정 온도 이하인 경우에 한정되므로, 동결 방지 제어에 수반되는 제어 장치의 부담은 더욱 억제된다.
도 13은 제2 변형예에 의한 동결 방지 제어의 제어 플로우를 나타내는 흐름도이다. 도 13에 나타내어지는 동결 방지 제어도, 엔진 정지 요구의 조건이 만족되고, 엔진 정지 조작이 개시된 타이밍에서 실행된다. 먼저, 최초의 처리인 스텝 S202에서는, 엔진 정지 조작이 개시된 시점에서의 외기 온도가 온도 센서에 의해 계측된다. 그리고, 계측된 외기 온도가 소정 온도 이하인지 여부가 판정된다. 외기 온도가 소정 온도보다도 높으면 동결 방지 조작은 행해지지 않는다.
외기 온도가 소정 온도 이하인 경우, 스텝 S204의 판정이 행해진다. 스텝 S204에서는, 엔진 정지로부터의 경과 시간이 소정 시간을 초과하였는지 여부가 판정된다. 그리고, 경과 시간이 소정 시간을 초과할 때까지는 동결 방지 조작은 행해지지 않고 대기 상태로 된다. 엔진의 정지 후에, 포트 내의 온도의 저하에 의해 발생하는 응축수나, 자유 낙하에 의해 포트로 흘러오는 응축수도 적지 않게 존재한다. 판단 기준이 되는 소정 시간은, 어느 정도의 양의 응축수가 밸브 주변까지 흘러오는 데 요하는 시간(예를 들어, 1시간)이다.
엔진 정지로부터의 경과 시간이 소정 시간을 초과한 경우, 모터 등에 의해 크랭크축을 회전시켜 밸브를 움직이게 하는 것에 의한 동결 방지 조작이 행해진다. 여기에서는, 엔진 정지 시에 개방되어 있던 밸브는 완전 폐쇄로 되고, 엔진 정지 시에 완전 폐쇄였던 밸브는 1㎜ 이상의 리프트량으로 개방된다. 상술한 조작에 의해, 포트 내의 밸브 헤드 상에 고여 있는 응축수는, 밸브가 개방되었을 때에 생기는 밸브 페이스와 밸브 시트의 간극으로부터 실린더 내에 떨어진다. 엔진의 정지 시에 완전 폐쇄였던 밸브는, 적어도 한 번 개방하고 나서 완전 폐쇄로 해도 된다. 완전 폐쇄 상태의 밸브를 일단 개방함으로써, 포트 내의 밸브 헤드 상에 고여 있는 응축수는, 밸브가 개방되었을 때에 생기는 밸브 페이스와 밸브 시트의 간극으로부터 실린더 내로 떨어진다. 개방된 밸브를 다시 완전 폐쇄로 함으로써, 밸브 시트나 밸브 페이스에 부착된 물방울은 찌부러져 제거된다.
제2 변형예에 의한 동결 방지 제어에 따르면, 엔진의 정지 후에 밸브를 구동할 필요는 있지만, 엔진 정지 후에 포트에서 발생한 혹은 포트에 흘러 떨어진 응축수가 밸브 주변에 고이는 것을 보다 한층 더 방지할 수 있다. 동결 방지 조작을 실행하는 타이밍은 타이머에 의해 계측할 수 있으므로, 상술한 실시 형태와 같이 엔진 정지 후에 밸브 주변 온도를 계속해서 추정하는 경우에 비해, 동결 방지 제어에 수반되는 제어 장치의 부담은 더욱 억제된다.
그런데, 차량이 소위 플러그인 하이브리드 차량인 경우, 모터 주행이 장시간 계속되고 있는 경우에는 정지하고 있는 엔진 내에서 응축수가 동결될 가능성이 있다. 본 발명은 플러그인 하이브리드 차량에도 적용 가능하지만, 바람직하게는 차량 정지 시의 엔진의 동결 방지 조작은 금지하고, 모터 주행 중에 동결 방지 조작을 실행한다. 모터 주행 중이면, 동결 방지 조작에 의해 정지 중인 엔진으로부터 이음이 발생하였다고 해도 탑승원이나 주위의 사람에게 불안을 주는 일은 적기 때문이다.
상술한 실시 형태에서는 가변동 밸브 기구는 기계식이었지만, 가변동 밸브 기구는 전기식이어도 된다. 전자 코일이나 모터에 의해 직접 밸브를 구동하는 전기식의 가변동 밸브 기구이면, 엔진을 회전시키지 않고 동결 방지 조작에 있어서의 밸브의 개폐 조작을 실행할 수 있다.

Claims (15)

  1. 내연 기관(2)의 제어 장치(30)에 있어서,
    상기 내연 기관(2)은 연소실(6; 6R, 6L)과, 상기 연소실(6; 6R, 6L)에 접속되는 포트(8; 8L, 8R, 10; 10L, 10R)와, 상기 연소실(6; 6R, 6L)과 상기 포트 사이를 개폐하는 밸브(12; 12L, 12R, 14; 14L, 14R)를 포함하고,
    상기 제어 장치(30)는,
    상기 내연 기관(2)의 정지 후에, 상기 밸브(12; 12L, 12R, 14; 14L, 14R)의 주변의 온도가 소정 온도 범위 내까지 저하된 경우, 혹은, 상기 내연 기관(2)의 정지 시의 외기 온도가 소정 온도 이하인 경우에, 상기 밸브(12; 12L, 12R, 14; 14L, 14R)를 완전 폐쇄로 하거나 혹은 1㎜ 이상의 리프트량으로 개방한 상태로 제어하는 동결 방지 조작을 실행하도록 구성되는 전자 제어 유닛을 포함하고,
    상기 소정 온도 범위는 상한값이 10℃보다도 낮은 온도 범위이며, 상기 소정 온도는 5℃보다도 낮은, 내연 기관(2)의 제어 장치(30).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전자 제어 유닛은, 상기 밸브(12; 12L, 12R, 14; 14L, 14R)의 주변의 온도가 상기 소정 온도 범위 내까지 저하되기 이전에 상기 밸브(12; 12L, 12R, 14; 14L, 14R)가 개방된 경우, 상기 동결 방지 조작으로서 상기 밸브(12; 12L, 12R, 14; 14L, 14R)를 완전 폐쇄로 제어하도록 구성되고,
    상기 전자 제어 유닛은, 상기 밸브(12; 12L, 12R, 14; 14L, 14R)의 주변의 온도가 상기 소정 온도 범위 내까지 저하되기 이전에 상기 밸브(12; 12L, 12R, 14; 14L, 14R)가 완전 폐쇄인 경우, 상기 동결 방지 조작으로서 상기 밸브(12; 12L, 12R, 14; 14L, 14R)를 1㎜ 이상의 리프트량으로 개방하도록 제어하게 구성되는, 내연 기관(2)의 제어 장치(30).
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전자 제어 유닛은, 상기 밸브(12; 12L, 12R, 14; 14L, 14R)의 주변의 온도가 상기 소정 온도 범위 내까지 저하되기 이전에 상기 밸브(12; 12L, 12R, 14; 14L, 14R)가 완전 폐쇄인 경우, 상기 동결 방지 조작으로서 상기 밸브(12; 12L, 12R, 14; 14L, 14R)를 적어도 한 번 개방하고 나서 완전 폐쇄로 하도록 제어하게 구성되는, 내연 기관(2)의 제어 장치(30).
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전자 제어 유닛은, 상기 내연 기관(2)의 정지 시의 외기 온도가 상기 소정 온도 이하인 경우, 상기 내연 기관(2)이 정지하는 타이밍에서 상기 동결 방지 조작을 실행하도록 구성되는, 내연 기관(2)의 제어 장치(30).
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전자 제어 유닛은, 상기 내연 기관(2)의 정지 시의 외기 온도가 상기 소정 온도 이하이며 상기 내연 기관(2)의 정지 시에 상기 밸브(12; 12L, 12R, 14; 14L, 14R)가 개방된 경우, 상기 내연 기관(2)의 정지로부터 소정 시간이 경과한 후에 상기 동결 방지 조작으로서 상기 밸브(12; 12L, 12R, 14; 14L, 14R)를 완전 폐쇄로 하도록 제어하게 구성되고,
    상기 전자 제어 유닛은, 상기 내연 기관(2)의 정지 시의 외기 온도가 상기 소정 온도 이하이며 상기 내연 기관(2)의 정지 시에 상기 밸브(12; 12L, 12R, 14; 14L, 14R)가 완전 폐쇄인 경우, 상기 내연 기관(2)의 정지로부터 상기 소정 시간이 경과한 후에 상기 동결 방지 조작으로서 상기 밸브(12; 12L, 12R, 14; 14L, 14R)를 1㎜ 이상의 리프트량으로 개방하도록 제어하게 구성되는, 내연 기관(2)의 제어 장치(30).
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전자 제어 유닛은, 상기 내연 기관(2)의 정지 시의 외기 온도가 상기 소정 온도 이하이며 상기 내연 기관(2)의 정지 시에 상기 밸브(12; 12L, 12R, 14; 14L, 14R)가 완전 폐쇄인 경우, 상기 동결 방지 조작으로서 상기 밸브(12; 12L, 12R, 14; 14L, 14R)를 적어도 한 번 개방하고 나서 완전 폐쇄로 하도록 제어하게 구성되는, 내연 기관(2)의 제어 장치(30).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자 제어 유닛은, 상기 내연 기관(2)의 정지 시 혹은 정지 후에 상기 포트(8; 8L, 8R, 10; 10L, 10R) 내에 존재하는 응축수의 양을 추정하도록 구성되고,
    상기 전자 제어 유닛은, 상기 동결 방지 조작으로서 상기 응축수의 양에 따라서 상기 밸브(12; 12L, 12R, 14; 14L, 14R)의 제어를 변경하도록 구성되는, 내연 기관(2)의 제어 장치(30).
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전자 제어 유닛은, 상기 응축수의 양이 소정의 상한량보다도 큰 경우에 상기 동결 방지 조작을 실행하도록 구성되는, 내연 기관(2)의 제어 장치(30).
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전자 제어 유닛은, 상기 응축수의 양이 상기 상한량보다도 크고, 또한, 상기 상한량보다 큰 제1 기준량 이하인 경우, 상기 동결 방지 조작으로서 상기 밸브(12; 12L, 12R, 14; 14L, 14R)를 완전 폐쇄로 하거나 혹은 1㎜ 이상의 리프트량으로 개방한 상태로 제어하도록 구성되고,
    상기 전자 제어 유닛은, 상기 응축수의 양이 상기 제1 기준량보다도 큰 경우, 상기 동결 방지 조작으로서 상기 밸브(12; 12L, 12R, 14; 14L, 14R)를 적어도 한 번 개방하고 나서 완전 폐쇄로 하도록 제어하게 구성되는, 내연 기관(2)의 제어 장치(30).
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전자 제어 유닛은, 상기 응축수의 양이 상기 제1 기준량 이하이고, 또한, 상기 제1 기준량보다 작은 제2 기준량보다 큰 경우, 상기 동결 방지 조작으로서 상기 밸브(12; 12L, 12R, 14; 14L, 14R)를 완전 폐쇄로 하도록 제어하게 구성되는, 내연 기관(2)의 제어 장치(30).
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내연 기관(2)은 수평면에 대한 탑재 각도가 상이한 복수의 밸브(12; 12L, 12R, 14; 14L, 14R)를 갖고,
    상기 전자 제어 유닛은, 상기 동결 방지 조작으로서 상기 탑재 각도에 따라서 상기 밸브(12; 12L, 12R, 14; 14L, 14R)의 제어를 상이하게 하도록 구성되는, 내연 기관(2)의 제어 장치(30).
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자 제어 유닛은, 외기 온도에 기초하여 상기 밸브(12; 12L, 12R, 14; 14L, 14R)의 주변의 온도를 추정하도록 구성되는, 내연 기관(2)의 제어 장치(30).
  13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자 제어 유닛은, 상기 내연 기관(2)의 정지 시의 기관 온도와 외기 온도와 상기 내연 기관(2)의 정지 후의 경과 시간에 기초하여 상기 밸브(12; 12L, 12R, 14; 14L, 14R)의 주변의 온도를 추정하도록 구성되는, 내연 기관(2)의 제어 장치(30).
  14. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자 제어 유닛은, 상기 내연 기관(2)의 내부에 설치된 온도 센서(32, 34)의 출력에 기초하여 상기 밸브(12; 12L, 12R, 14; 14L, 14R)의 주변의 온도를 추정하도록 구성되는, 내연 기관(2)의 제어 장치(30).
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자 제어 유닛은, 외부와의 통신에 의해 얻어진 정보에 기초하여 상기 내연 기관(2)의 정지 후의 동결의 가능성을 판정하도록 구성되고,
    상기 전자 제어 유닛은, 상기 전자 제어 유닛이 동결의 가능성이 있다고 판정한 경우만, 상기 내연 기관(2)의 정지 후에, 상기 밸브(12; 12L, 12R, 14; 14L, 14R)의 주변의 온도의 추정을 실행하도록 구성되는, 내연 기관(2)의 제어 장치(30).
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