WO2012108223A1 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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露木　毅
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日産自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a control device for ignition timing and valve timing of an internal combustion engine with a turbocharger.
  • JP 63-249773A discloses a configuration in which, in the low supercharging region during acceleration, the exhaust gas temperature is raised by correcting the ignition timing to change the combustion state to the afterburning state, thereby improving the supercharging efficiency. Has been.
  • JP2008-101502A the valve timing is controlled so that a scavenging effect is achieved in which fresh air is blown into the exhaust system, and the air-fuel ratio when fresh air blown into the exhaust system is afterburned in the exhaust system is determined by the afterburning.
  • the structure which raises supercharging efficiency by controlling so that exhaust temperature becomes the maximum is indicated.
  • JP63-248973A improves the supercharging efficiency only in the low supercharging region
  • JP2008-101502A improves the supercharging efficiency only in the high supercharging region where scavenging can occur.
  • JP63-248973A does not describe any valve timing control
  • JP2008-101502A does not describe any ignition timing control.
  • an object of the present invention is to provide a control device capable of suppressing turbo lag and improving the total acceleration performance from the low supercharging region to the high supercharging region.
  • the present invention provides a valve timing for controlling a variable valve mechanism in a control device for an internal combustion engine comprising a supercharger driven by exhaust energy and a variable valve mechanism capable of changing the valve timing.
  • the ignition timing retardation correction is completed, a valve overlap is provided, and an air-fuel ratio in which the mixture of scavenging gas and exhaust gas easily burns in the exhaust passage And an acceleration control means for changing the fuel injection amount.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of a system to which the present invention is applied.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the scavenging effect.
  • FIG. 3 is a flowchart showing a control routine for ignition timing and valve timing executed by the control unit during acceleration.
  • FIG. 4 is a flowchart showing a control routine for setting scavenging valve timing executed by the control unit.
  • FIG. 5 is a time chart when the control of the present invention is executed.
  • FIG. 1 is a system configuration diagram of an internal combustion engine to which the present embodiment is applied.
  • a throttle chamber 4 for adjusting the amount of air flowing into the internal combustion engine 1 is provided at the inlet of the intake manifold 2 of the internal combustion engine 1, and an intake passage 6 is connected upstream thereof.
  • a compressor 5A of the supercharger 5 is installed on the upstream side of the throttle chamber 4 in the intake passage 6, and an air flow meter 8 for detecting the intake air amount is installed further upstream.
  • a fuel injection valve 15 that directly injects fuel into the cylinder is disposed in each cylinder of the internal combustion engine 1.
  • a turbine 5 ⁇ / b> B of the supercharger 5 is installed in the exhaust passage 7.
  • the supercharger 5 is a so-called turbocharger, and a compressor 5A and a turbine 5B are connected via a shaft 5C. For this reason, when the turbine 5B is rotated by the exhaust energy of the internal combustion engine 1, the compressor 5A is also rotated, and the intake air is pumped downstream.
  • An exhaust gas purification catalyst 18 is disposed downstream of the turbine 5B.
  • a three-way catalyst or the like is used as the exhaust catalyst 18.
  • variable valve mechanism 14 can change the intake valve closing timing (IVC) so that an overlap period in which both the exhaust valve and the intake valve are opened occurs.
  • IVC intake valve closing timing
  • a generally known variable valve mechanism such as one that changes the rotational phase of the intake camshaft relative to the crankshaft or one that changes the operating angle of the intake valve can be used.
  • a similar variable valve mechanism 14 may be provided on the exhaust valve side to variably control the valve timing of the intake valve and the exhaust valve.
  • the control unit 12 includes an intake air amount detected by the air flow meter 8, an accelerator opening detected by the accelerator opening sensor 13, a collector pressure detected by the intake pressure sensor 19, and an engine speed detected by a crank angle sensor (not shown).
  • the parameters relating to the operating state are read, and the ignition timing, valve timing, air-fuel ratio, and the like are controlled based on these parameters.
  • valve timing control and air-fuel ratio control performed by the control unit 12 during acceleration will be described.
  • control unit 12 When the pressure in the intake manifold 2 is higher than the pressure in the exhaust manifold 3, the control unit 12 is a variable valve operation so that a valve overlap period during which the intake valve and the exhaust valve are open occurs. Actuate mechanism 14.
  • FIG. 2 shows the stroke order of an in-line four-cylinder internal combustion engine in which the ignition order is the first cylinder, the third cylinder, the fourth cylinder, and the second cylinder.
  • the hatched portion in the figure indicates the valve overlap period.
  • the exhaust manifold 3 joins the exhaust gas discharged from the cylinder during the exhaust stroke and the scavenging gas of the other cylinders during the intake stroke at that time.
  • the exhaust gas exhausted in the exhaust stroke # 3ex of the third cylinder in FIG. 2 and the scavenged gas scavenged in the valve overlap period # 1sc of the first cylinder, which is the intake stroke at that time merge.
  • the amount of gas introduced into the turbine 5B increases when there is no valve overlap period, that is, when there is no scavenging.
  • the rotational speed of the turbine 5B increases, the supercharging pressure by the compressor 5A increases, and the collector pressure increases.
  • the scavenging discharges the residual gas in the cylinder together with the fresh air gas, the efficiency of filling the fresh air in the cylinder is increased as a result.
  • the supercharging pressure is obtained by subtracting the atmospheric pressure from the collector pressure, if the collector pressure is detected, the supercharging pressure is indirectly detected.
  • the energy for rotating the turbine 5B is further increased, and the supercharging efficiency is improved. For this reason, before the mixture of the exhaust gas exhausted from a certain cylinder during the exhaust stroke and the scavenged gas scavenged from the cylinder that is in the intake stroke at the same time during the valve overlap period flows into the turbine 5B.
  • the fuel injection amount is set so that the air-fuel ratio is easy to burn.
  • the air-fuel ratio in the cylinder is made richer than the stoichiometric air-fuel ratio, exhaust gas containing unburned hydrocarbons is exhausted, and this exhaust gas and scavenging gas are mixed to facilitate combustion.
  • the fuel injection amount is set so that the stoichiometric air-fuel ratio is obtained.
  • the exhaust gas discharged in the exhaust stroke # 3ex of the third cylinder and the valve overlap of the first cylinder A fuel injection amount is set such that the mixture of scavenging gas discharged in the period # 1sc has an air-fuel ratio at which it is easy to burn. That is, when focusing on the air-fuel ratio in the cylinder of the third cylinder, the air-fuel ratio becomes richer than the stoichiometric air-fuel ratio, and exhaust gas including unburned fuel is discharged in the exhaust stroke.
  • the fuel injection amount set as described above is all injected by one fuel injection per stroke.
  • the fuel injection timing is after the valve overlap period during the intake stroke, that is, after the exhaust valve is closed, or during the compression stroke.
  • the fuel that becomes unburned hydrocarbons in the exhaust gas changes from higher hydrocarbons with long carbon chains to lower hydrocarbons with short carbon chains by receiving the heat of combustion during the expansion stroke. , More combustible.
  • the air-fuel ratio in the cylinder becomes richer than the stoichiometric air-fuel ratio, it approaches the output air-fuel ratio, so that the output can be improved as compared with the case of operating at the stoichiometric air-fuel ratio.
  • the inside of the cylinder is cooled by the latent heat of vaporization when the fuel is vaporized in the cylinder, it contributes to the improvement of the charging efficiency.
  • the valve overflow is set according to the acceleration state so that the scavenging amount does not exceed the combustion limit. Set the lap period. If the relationship between the scavenging amount and the valve overlap period is obtained in advance according to the specifications of the internal combustion engine to be applied, the valve overlap period can be easily set based on the scavenging amount.
  • the scavenging effect is obtained after the supercharging pressure exceeds several [kPa], that is, after the collector pressure exceeds atmospheric pressure + several [kPa].
  • the turbocharging efficiency is improved by retarding the ignition timing until reaching the supercharging pressure at which the scavenging effect is obtained from the start of acceleration.
  • retarding refers to retarding what is normally set to the optimal ignition timing (MBT).
  • MBT optimal ignition timing
  • the ignition is delayed from the case of MBT, and if combustion continues even after the exhaust valve is opened, higher temperature exhaust gas is discharged into the exhaust passage 7. As the exhaust gas becomes higher in temperature, the energy for rotating the turbine 5B increases, and as a result, the rotation of the compressor 5A becomes faster, so that the supercharging efficiency is improved.
  • the ignition timing is set to MBT, and in the low supercharging area after supercharging work is started, the ignition timing is retarded, so that full-scale supercharging work is performed.
  • the ignition timing is returned to MBT and the valve timing is controlled so that the scavenging effect is obtained.
  • FIG. 3 is a flowchart showing a control routine for ignition timing and valve timing during acceleration. This routine is repeatedly executed at intervals of about 10 milliseconds, for example.
  • step S100 the control unit 12 determines whether the torque fluctuation is an acceleration request from the non-supercharged state to the supercharged state, that is, whether the effect of using the scavenging effect or the like is large. For example, it determines based on the magnitude
  • the control unit 12 executes the process of step S110 if the determination result is yes, and ends this routine if the determination result is no. When the determination result is no and this routine is terminated, for example, an increase in the fuel injection amount according to the accelerator opening is executed, as in the general control of the internal combustion engine.
  • processing after step S110 may be executed whenever there is an acceleration request. However, when the torque fluctuation for satisfying the acceleration request is small, the effect of executing the processing after step S110 is also small.
  • step S110 the control unit 12 detects that the collector pressure detected by the intake pressure sensor 19 is a pressure corresponding to the throttle chamber fully opened when the internal combustion engine 1 is a natural intake internal combustion engine (hereinafter referred to as a natural intake upper limit equivalent pressure). It is determined whether or not it has been reached. This determination is to determine whether or not the supercharger 5 is performing supercharging work.
  • a natural intake upper limit equivalent pressure a pressure corresponding to the throttle chamber fully opened when the internal combustion engine 1 is a natural intake internal combustion engine (hereinafter referred to as a natural intake upper limit equivalent pressure). It is determined whether or not it has been reached. This determination is to determine whether or not the supercharger 5 is performing supercharging work.
  • the natural intake upper limit equivalent pressure seems to be atmospheric pressure because it is the collector pressure before the throttle chamber 4 is fully opened and supercharging is started. Does not rise and becomes a pressure lower than atmospheric pressure. That is, when the collector pressure reaches atmospheric pressure, the supercharger 5 is performing supercharging work although it is small. Therefore, the criterion is not the “atmospheric pressure” but the natural intake upper limit equivalent pressure.
  • the control unit 12 executes the process of step S120 if the determination result in step S110 is yes, and ends this routine if the determination result is no.
  • step S120 the control unit 12 sets a retard amount with respect to MBT as the reference ignition timing.
  • a value is set so as not to cause a stagnation in the torque change of the internal combustion engine 1.
  • the specific retard amount varies depending on the specifications of the internal combustion engine 1 and the supercharger 5, but is the largest when the ignition timing retard is started, and the retard amount gradually decreases with time. To.
  • the rotational speed of the turbine 5B is still low. Therefore, by increasing the retardation amount, the exhaust temperature increases, and the turbine rotational speed can be quickly increased.
  • the turbine rotation speed increases and the boost pressure increases, the amount of exhaust discharged from the internal combustion engine increases. Therefore, the turbine rotation speed can be increased without increasing the supply energy to the turbine 5B due to the exhaust temperature increase. It becomes easy to rise. Therefore, by gradually reducing the ignition timing retard amount, it is possible to reduce the amount of torque reduction while rapidly increasing the turbine rotation speed.
  • turbo lag Such a decrease in acceleration that occurs until the finally obtained acceleration is reached is referred to as a turbo lag.
  • the ignition timing is retarded when the natural intake upper limit equivalent pressure is reached, so the upper limit torque in the natural intake region is lower than when the ignition timing is not retarded and enters the supercharging region.
  • the drop in the acceleration is also reduced.
  • the turbine rotation speed is rapidly increased by the ignition timing retardation, the period during which the torque increase stagnates is shortened. That is, since the acceleration drop width can be reduced and the drop period can be shortened, the turbo lag is reduced.
  • step S130 the control unit 12 calculates an ignition timing retarded by the retard amount calculated in step S120 from the MBT as the reference ignition timing.
  • step S140 the control unit 12 determines whether or not it is time to end the retard of the ignition timing, and executes the process of step S150 when the end timing is reached. finish.
  • the timing for ending the ignition timing retarding can provide a scavenging effect that can increase the turbine rotational speed by providing valve overlap even if the control for increasing the supply energy to the turbine 5B by the ignition timing retarding is terminated. It is the timing when it becomes ready. Specifically, this is the timing when the supercharging work starts and the supercharging pressure starts to rise significantly.
  • a collector pressure at which a target scavenging amount is obtained is set in advance as a target collector pressure, and when the collector pressure reaches the target collector pressure, it is determined that the end timing is reached.
  • the “target scavenging amount” means that the exhaust gas including the scavenged gas is combusted in the exhaust manifold 3 even after the increase control of the supply energy to the turbine 5B by the ignition timing retardation is completed.
  • the scavenging amount that can increase the rotation speed for example, a value that is 2 to 3% or more in terms of scavenging rate is set.
  • the scavenging rate for example, a map in which the scavenging rate is assigned to the differential pressure between the collector pressure and the exhaust pressure and the valve overlap amount is created for each engine speed and stored in the control unit 12. It can be calculated by searching. Therefore, in step S140, the scavenging rate can be used for determination.
  • step S140 the collector pressure after the operation delay time is predicted based on the change rate of the collector pressure, and the change of the valve timing may be started when the predicted value reaches the target collector pressure. Thereby, when the actual collector pressure reaches the target collector pressure, the change of the valve timing is completed.
  • step S150 the control unit 12 ends the ignition timing retardation.
  • step S160 the control unit 12 executes a subroutine for setting the valve timing for scavenging.
  • FIG. 4 is a flowchart showing a control routine for setting the scavenging valve timing executed by the control unit 12. With this control routine, the valve timing is changed according to the acceleration state, and the air-fuel mixture in the exhaust manifold 3 including the scavenged gas is controlled to be easily combusted.
  • step S200 the control unit 12 reads the operating state, for example, the collector pressure, the engine speed, the intake air temperature, the atmospheric pressure, the basic injection pulse, and the like.
  • step S210 the control unit 12 calculates a scavenging amount upper limit value obtained from the operation state.
  • the scavenging amount upper limit is determined in order to suppress the deterioration of the exhaust catalyst 18. That is, when the fuel injection is performed so that the air-fuel ratio in the exhaust manifold 3 including the scavenging amount becomes the stoichiometric air-fuel ratio, and the mixture of the exhaust gas and the scavenging gas is burned in the exhaust manifold 3, the scavenging amount is large. Indeed, the temperature increase of the exhaust catalyst 18 due to combustion increases. The exhaust catalyst 18 causes deterioration of exhaust purification performance when the temperature rises excessively. Therefore, an upper limit value of the scavenging amount for suppressing the temperature rise of the exhaust catalyst 18 is set.
  • the collector pressure, engine rotation speed, basic injection pulse, intake air temperature, and atmospheric pressure are read.
  • a catalyst upper limit temperature that is an upper limit temperature at which the exhaust catalyst 18 does not deteriorate in performance and an estimated scavengeless catalyst temperature that is an estimated temperature of the exhaust catalyst 18 when the mixture of scavenging gas and exhaust gas is not burned in the current operating state is calculated.
  • the temperature rise of the exhaust catalyst 18 can be allowed during the scavenging by the permissible value for the catalyst temperature rise during the scavenging.
  • the scavenging amount that rises by the scavenging catalyst temperature rise allowable value when burned is the scavenging amount upper limit. Therefore, the scavenging amount upper limit value is calculated by searching a map prepared in advance from the scavenging catalyst temperature increase allowable value and the air-fuel ratio in the cylinder of the internal combustion engine 1.
  • step S220 the control unit 12 determines the valve overlap period based on the scavenging amount obtained in step S210. If the scavenging amount and the valve overlap period are obtained in advance according to the specifications of the internal combustion engine to be applied, the valve overlap period can be easily set based on the scavenging amount.
  • step S230 the control unit 12 determines the conversion angle of the variable valve mechanism 14 for realizing the valve overlap period determined in step S220. If the relationship between the valve overlap period and the conversion angle is obtained in advance in accordance with the profile of the intake cam and exhaust cam of the internal combustion engine 1 to be applied, the conversion angle can be easily determined in accordance with the valve overlap period. Can do.
  • step S240 the control unit 12 corrects the fuel injection amount so that the air-fuel ratio in the exhaust manifold 3 including the scavenging amount becomes the stoichiometric air-fuel ratio.
  • FIG. 5 is a time chart showing a result of executing the control of FIGS. 3 and 4 described above.
  • the solid line in the figure shows the case where ignition timing retard and scavenging switching control (hereinafter referred to as the main control) is executed, and the broken line shows the normal acceleration case where these controls are not executed.
  • the ignition timing deviation chart shows deviation from MBT as the reference ignition timing.
  • MBT changes every moment according to the driving
  • the torque peak in the natural intake region is lower than that in normal acceleration, thereby lowering the acceleration peak.
  • the present control ends the ignition timing retard and switches to the valve timing control for the scavenging effect.
  • the mixture of the scavenging gas and the exhaust gas burns in the exhaust manifold 3 and the energy supplied to the turbine 5B increases, and the torque increase speed increases.
  • the torque peak in the natural intake region is lowered by the ignition timing retardation as compared with the case of normal acceleration. Further, since the exhaust gas temperature is increased by retarding the ignition timing, the energy applied to the turbine 5B is increased by increasing the exhaust gas volume, and the rotational speed of the turbine 5B is increased rapidly. Further, the torque increase is smoothed by gradually decreasing the retard amount of the ignition timing as the turbine rotational speed increases. As a result, both suppression of the turbo lag and quick rise of the supercharging pressure can be achieved.
  • the air-fuel mixture including the scavenged gas can be burned in the exhaust manifold 3 to further increase the torque.
  • the ignition timing is retarded in the low supercharging region, so the acceleration peak in the natural intake region is lowered, and the increase in the turbine rotation speed is accelerated by the rise in the exhaust temperature, and the turbo lag is suppressed.
  • the In the high supercharging region the ignition timing retardation correction is completed, a valve overlap is provided, and the fuel injection amount is set so that the air-fuel mixture in the exhaust manifold 3 including the scavenging gas becomes the stoichiometric air-fuel ratio.
  • the torque rises rapidly due to the energy of afterburning of the mixture of scavenging gas and exhaust gas. That is, it is possible to achieve both suppression of the turbo lag and quick rise of torque.
  • the ignition timing is retarded at the timing when the supercharging is started, and if the valve overlap is provided, the ignition timing is retarded at the timing when the supercharging pressure at which the scavenging effect is obtained is obtained. It is possible to reduce the feeling of stagnation until the torque starts to increase significantly after supercharging work starts.
  • the retard correction amount of the ignition timing is the largest at the start of the retard correction, and gradually decreases as the turbocharger speed increases. That is, the exhaust gas temperature is increased more greatly as the exhaust gas flow rate is smaller, the increase in the exhaust gas temperature is reduced as the exhaust gas flow rate is increased, and the amount of torque reduction due to the ignition timing retardation is reduced. Thereby, a torque can be raised smoothly and rapidly after supercharging start.

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Abstract

排気エネルギにより駆動する過給機と、可変動弁機構と、を備える内燃機関の制御装置において、可変動弁機構を制御するバルブタイミング変更手段と、点火時期変更手段と、燃料噴射量変更手段と、加速要求検知手段と、過給圧検出手段と、加速要求を検知した場合に、過給圧が所定値より低い低過給領域では点火時期を遅角補正し、過給圧が所定値以上の高過給領域では、点火時期の遅角補正を終了してバルブオーバーラップを設け、排気通路内で掃気ガスと排気ガスの混合気が燃焼し易い空燃比になるよう燃料噴射量を変更する加速制御手段と、を備える。

Description

内燃機関の制御装置
　本発明は、ターボ過給機付き内燃機関の点火時期及びバルブタイミングの制御装置に関する。
　近年、環境性能向上等の観点から内燃機関の排気量を縮小し、小排気量化による出力低下を補うためにターボ過給機を備える車両が注目されている。このような車両で、大排気量の自然吸気内燃機関を搭載した車両のような加速感を得るためには、過給効率を高めて高トルクを発生させ、かつ、いわゆるターボラグを抑制する必要がある。
　ＪＰ６３－２４８９７３Ａには、加速時の低過給域において、点火時期を遅角補正して燃焼状態を後燃え状態にすることによって排気温度を上昇させ、これによって過給効率を向上させる構成が開示されている。
　また、ＪＰ２００８－１０１５０２Ａには、新気が排気系へ吹抜ける掃気効果が得られるバルブタイミングに制御し、排気系へ吹き抜けた新気が排気系で後燃えするときの空燃比を、後燃えによる排気温度が最大となるように制御することによって過給効率を高める構成が開示されている。
　ところで、ＪＰ６３－２４８９７３Ａの制御で過給効率が改善するのは低過給域のみであり、ＪＰ２００８－１０１５０２Ａの制御で過給効率が向上するのは、掃気が起こり得る高過給領域だけである。また、ＪＰ６３－２４８９７３Ａにはバルブタイミングの制御について何ら記載されておらず、ＪＰ２００８－１０１５０２Ａには点火時期の制御について何ら記載されていない。
　したがって、ＪＰ６３－２４８９７３Ａ及び２に記載された制御を組み合わせたところで、過給効率を向上させるための制御を、点火時期の遅角補正制御から掃気用のバルブタイミング制御へ切り換えるのに好適なタイミングが不明であり、低過給域から高過給域までのトータルの加速性能を向上させることはできない。
　また、いわゆるターボラグを抑制することについて、いずれの特許文献にも記載されていない。
　本発明の目的は、したがって、ターボラグを抑制し、かつ低過給域から高過給域までのトータルの加速性能を向上させ得る制御装置を提供することである。
　上記目的を達成するため、本発明は、排気エネルギにより駆動する過給機と、バルブタイミングを変更し得る可変動弁機構とを備える内燃機関の制御装置において、可変動弁機構を制御するバルブタイミング変更手段と、点火時期変更手段と、燃料噴射量変更手段と、運転者の加速要求を検知する加速要求検知手段と、過給機による過給圧を検出する過給圧検出手段とを備える。また、加速要求を検知した場合に、過給圧が所定値より低い低過給領域では点火時期を遅角補正する。そして、過給圧が所定値以上の高過給領域では、点火時期の遅角補正を終了してバルブオーバーラップを設け、排気通路内で掃気ガスと排気ガスの混合気が燃焼し易い空燃比になるよう燃料噴射量を変更する加速制御手段とを備えることを特徴とする。
　この発明の詳細並びに他の特徴や利点は、明細書の以降の記載の中で説明されるとともに、添付された図面に示される。
図１は、本発明を適用するシステムの一例を示す構成図である。 図２は、掃気効果について説明するための図である。 図３は、コントロールユニットが加速時に実行する点火時期及びバルブタイミングの制御ルーチンを示すフローチャートである。 図４は、コントロールユニットが実行する、掃気用のバルブタイミングを設定するための制御ルーチンを示すフローチャートである。 図５は、本発明の制御を実行した場合のタイムチャートである。
　図１は本実施形態を適用する内燃機関のシステム構成図である。
　内燃機関１の吸気マニホールド２の入口には、内燃機関１に流入する空気量を調整するためのスロットルチャンバ４が設けられ、その上流には吸気通路６が接続されている。吸気通路６のスロットルチャンバ４より上流側には、過給機５のコンプレッサ５Ａが設置され、更にその上流には、吸入空気量を検出するエアフローメータ８が設置されている。
　内燃機関１の各シリンダには燃料をシリンダ内に直接噴射する燃料噴射弁１５が配置されている。排気通路７には、過給機５のタービン５Ｂが設置されている。
　過給機５は、いわゆるターボ式過給機であり、コンプレッサ５Ａとタービン５Ｂがシャフト５Ｃを介して接続されている。このため、タービン５Ｂが内燃機関１の排気エネルギにより回転すると、コンプレッサ５Ａも回転し、吸入空気を下流側に圧送する。
　タービン５Ｂの下流側には、排気浄化用の排気触媒１８が配置される。排気触媒１８としては、三元触媒等が用いられる。
　可変動弁機構１４は、排気弁と吸気弁のいずれもが開弁したオーバーラップ期間が生ずるように、吸気弁閉時期（ＩＶＣ）を変化させ得るものであれば足りる。例えば、クランクシャフトに対する吸気カムシャフトの回転位相を変化させるものや、吸気バルブの作動角を変化させるもの等、一般的に知られている可変動弁機構を用いることができる。なお、排気弁側にも同様の可変動弁機構１４を設けて、吸気弁及び排気弁のバルブタイミングを可変制御するようにしてもよい。
　コントロールユニット１２は、エアフローメータ８で検出する吸入空気量、アクセル開度センサ１３で検出するアクセル開度、吸気圧センサ１９で検出するコレクタ圧、その他図示しないクランク角センサで検出するエンジン回転速度等といった運転状態に関するパラメータを読み込み、これらに基づいて点火時期、バルブタイミング、空燃比等の制御を行う。
　次に、コントロールユニット１２が加速時に行うバルブタイミング制御及び空燃比制御について説明する。
　コントロールユニット１２は、吸気マニホールド２内の圧力が排気マニホールド３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ずるバルブタイミングとなるように可変動弁機構１４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２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３へ吹き抜ける、いわゆる掃気効果を利用して、タービン５Ｂの回転速度を高め、シリンダ内への充填効率を高めるためである。
　この効果について図２を用いて具体的に説明する。図２は点火順序が１番気筒－３番気筒－４番気筒－２番気筒である直列４気筒内燃機関の行程順序について示したものである。図中の斜線を付した部分はバルブオーバーラップ期間を示す。
　バルブオーバーラップ期間を設けると、排気マニホールド３では排気行程中の気筒から排出される排気ガスと、そのとき吸気行程中である他の気筒の掃気ガスが合流する。例えば、図２の３番気筒の排気行程＃３ｅｘで排気される排気ガスと、そのとき吸気行程である１番気筒のバルブオーバーラップ期間＃１ｓｃに掃気される掃気ガスが合流する。
　このため、バルブオーバーラップ期間が無い場合、つまり掃気が無い場合に比べてタービン５Ｂに導入されるガス量が増加する。これによりタービン５Ｂの回転速度が高まり、コンプレッサ５Ａによる過給圧が上昇してコレクタ圧が高まる。また、掃気によって新気ガスとともにシリンダ内の残留ガスも排出されるので、結果的にシリンダの新気の充填効率が高まる。
　なお、過給圧はコレクタ圧から大気圧を差し引いたものなので、コレクタ圧を検出すれば、間接的に過給圧を検出することになる。
　さらに、排気マニホールド３で合流した排気ガスと掃気ガスの混合気をタービン５Ｂに流入する前に燃焼させることによって、タービン５Ｂを回転させるためのエネルギがより増大し、過給効率が向上する。このために、あるシリンダから排気行程中に排気される排気ガスと、同時期に吸気行程となるシリンダからバルブオーバーラップ期間中に掃気される掃気ガスの混合気が、タービン５Ｂに流入する前に燃焼し易い空燃比となるように燃料噴射量を設定する。すなわち、シリンダ内の空燃比を理論空燃比よりもリッチな空燃比にして、未燃炭化水素を含んだ排気ガスを排出させ、この排気ガスと掃気ガスとが混合することで燃焼し易い空燃比、例えば理論空燃比になるような燃料噴射量を設定する。
　例えば、図２の３番気筒の吸気行程＃３ｉｎで吸入した空気量に対する燃料噴射量を設定する場合は、３番気筒の排気行程＃３ｅｘで排出される排気ガスと１番気筒のバルブオーバーラップ期間＃１ｓｃで排出される掃気ガスの混合気が燃焼し易い空燃比となるような燃料噴射量を設定する。つまり、３番気筒のシリンダ内の空燃比に着目すると、理論空燃比よりリッチな空燃比となり、排気行程では未燃燃料を含む排気ガスが排出される。
　上記のように設定した燃料噴射量は、１行程あたり１回の燃料噴射によってすべて噴射する。燃料噴射時期は、吸気行程中のバルブオーバーラップ期間終了後、つまり排気弁閉弁後、又は圧縮行程中とする。
　このように燃料噴射すると、排気ガス中の未燃炭化水素となる燃料は、膨張行程中の燃焼熱を受けることで炭素鎖の長い高級炭化水素から炭素鎖が短い低級炭化水素へと変化して、より燃焼性が高くなる。また、シリンダ内の空燃比が理論空燃比よりリッチになることで、出力空燃比に近づくので、理論空燃比で運転する場合より出力を向上させ得る。さらに、燃料がシリンダ内で気化する際の気化潜熱によってシリンダ内が冷却されるので、充填効率の向上に寄与する。
　なお、掃気量が増大するほど、排気管内空燃比を所望の空燃比にするために必要な燃料量も増大し、これに伴ってシリンダ内の空燃比もよりリッチ化する。そこで、排気管内空燃比を所望の空燃比にするための燃料噴射量としたときに、シリンダ内の空燃比が燃焼限界を超えないような掃気量となるように、加速状態に応じてバルブオーバーラップ期間を設定する。適用する内燃機関の仕様に応じて、掃気量とバルブオーバーラップ期間との関係を予め求めておけば、掃気量に基づいて容易にバルブオーバーラップ期間を設定することができる。
　ところで、掃気効果が得られるのは過給圧が数［ｋＰａ］を超えてから、つまりコレクタ圧が大気圧＋数［ｋＰａ］を超えてからである。
　そこで、加速開始から掃気効果が得られる過給圧に達するまでは、点火時期遅角によって過給効率を向上させる。ここでいう「遅角」とは、通常は最適点火時期（ＭＢＴ）に設定されているものを、遅角させることをいう。点火時期遅角によって過給効率が向上するメカニズムは次の通りである。
　点火時期を遅角することによって、着火をＭＢＴの場合より遅らせ、排気弁が開弁しても燃焼が続いている状態にすると、より高温の排気が排気通路７に排出されることになる。排気が高温になるほどタービン５Ｂを回転させるエネルギが大きくなり、結果的にコンプレッサ５Ａの回転がより速くなるので、過給効率が向上する。
　ただし、点火時期を遅角することでＭＢＴの場合よりも出力は低下するので、過給機５が過給仕事を始める前に点火時期を遅角させると、かえって加速性能が低下するおそれがある。
　そこで、加速開始から過給機５が過給仕事を開始するまでは点火時期をＭＢＴとし、過給仕事を開始した後の低過給領域では点火時期を遅角し、本格的な過給仕事が始まってバルブオーバーラップを設ければ掃気効果が得られる程度まで過給圧が上昇したら点火時期をＭＢＴに戻し、バルブタイミングを掃気効果が得られるよう制御する。この制御の具体例について、図３を参照して説明する。
　図３は加速時における点火時期及びバルブタイミングの制御ルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンは例えば１０ミリ秒程度の間隔で繰り返し実行する。
　ステップＳ１００で、コントロールユニット１２は、トルク変動が非過給状態から過給状態にわたる加速要求か否か、つまり掃気効果等を利用する効果が大きいか否かを判定する。例えば、アクセル開度の大きさや、その継続時間に基づいて判定し、所定以上のアクセル開度が所定時間以上継続したらｙｅｓと判定する。コントロールユニット１２は、判定結果がｙｅｓの場合はステップＳ１１０の処理を実行し、ｎｏの場合は本ルーチンを終了する。判定結果がｎｏとなり本ルーチンを終了した場合は、一般的な内燃機関の制御と同様に、例えばアクセル開度に応じた燃料噴射量の増量等を実行する。
　なお、加速要求があった場合には常にステップＳ１１０以降の処理を実行するようにしても構わない。ただし、加速要求を満足する為のトルク変動が小さい場合には、ステップＳ１１０以降の処理を実行することによる効果も小さくなる。
　ステップＳ１１０で、コントロールユニット１２は、吸気圧センサ１９により検出したコレクタ圧が、内燃機関１を自然吸気内燃機関とした場合におけるスロットルチャンバ全開時相当の圧力（以下、自然吸気上限相当圧力という）に達しているか否かを判定する。この判定は、過給機５が過給仕事をしているか否かを判定するものである。
　自然吸気上限相当圧力は、スロットルチャンバ４が全開で、かつ過給が始まる前のコレクタ圧であるから、大気圧になるようにも思われるが、実際には充填効率等の影響で大気圧までは上昇せず大気圧より低い圧力となる。すなわち、コレクタ圧が大気圧に達したときには、過給機５は少ないながらも過給仕事をしていることになる。そこで、判定基準を「大気圧」ではなく自然吸気上限相当圧力とした。
　ただし、以下の説明においては、コレクタ圧が大気圧になるまでを自然吸気領域、大気圧を超えたら過給領域とよぶこととする。
　コントロールユニット１２は、ステップＳ１１０の判定結果がｙｅｓの場合はステップＳ１２０の処理を実行し、ｎｏの場合は本ルーチンを終了する。
　ステップＳ１２０で、コントロールユニット１２は、基準点火時期としてのＭＢＴに対する遅角量を設定する。ここでは、点火時期遅角による排気温度上昇効果、トルク低下効果、およびタービン回転速度上昇効果の３つの要素に基づいて、内燃機関１のトルク変化に停滞感が生じないような値を設定する。
　具体的な遅角量は内燃機関１や過給機５の仕様に応じて異なるが、点火時期遅角を開始するときが最も大きく、時間の経過に伴って徐々に遅角量が小さくなる特性にする。
　点火時期遅角を開始するタイミングでは、タービン５Ｂの回転速度がまだ低いので、より大きな遅角量にすることで排気温度の上昇代が大きくなり、タービン回転速度を速やかに上昇させることができる。
　一方、タービン回転速度が上昇して過給圧が高まると、内燃機関から排出される排気の量が増加するので、排気温度上昇によってタービン５Ｂへの供給エネルギを増大させなくてもタービン回転速度は上昇しやすくなる。そこで、点火時期遅角量を徐々に小さくすることで、タービン回転速度を速やかに上昇させつつトルクの低下量を低減することができる。
　また、一般的なターボ過給機付き内燃機関では、自然吸気領域の上限までトルクが増加したときにタービン回転速度が十分に高まっておらず、過給領域に入ってから過給圧が高まるまでの間でトルク上昇の停滞が生じ、加速度が落ち込む。このような、最終的に得られる加速度に到達するまでに生じる、加速度の落ち込みのことをターボラグという。
　これに対して本実施形態では、自然吸気上限相当圧力になったら点火時期を遅角するので、点火時期を遅角させない場合に比べて自然吸気領域の上限トルクが低くなり、過給領域に入ったときの加速度の落ち込み幅も小さくなる。また、点火時期遅角によってタービン回転速度を速やかに上昇させるので、トルク上昇が停滞する期間が短くなる。すなわち、加速度の落ち込み幅を小さく、かつ落ち込む期間を短くできるので、ターボラグが小さくなる。
　ステップＳ１３０で、コントロールユニット１２は、基準点火時期としてのＭＢＴからステップＳ１２０で算出した遅角量だけ遅角した点火時期を算出する。
　ステップＳ１４０で、コントロールユニット１２は、点火時期の遅角を終了するタイミングになったか否かを判定し、終了タイミングになったらステップＳ１５０の処理を実行し、終了タイミングになっていなければ本ルーチンを終了する。
　点火時期遅角を終了するタイミングは、点火時期遅角によるタービン５Ｂへの供給エネルギの増大制御を終了しても、バルブオーバーラップを設けることによってタービン回転速度が上昇し得るだけの掃気効果が得られる状態になるタイミングである。具体的には、本格的な過給仕事が始まって過給圧が大きく上昇し始めるタイミングである。
　判定方法は、例えば、バルブオーバーラップを設ければ目標掃気量が得られるコレクタ圧を目標コレクタ圧として予め設定しておき、コレクタ圧が目標コレクタ圧に達したら、終了タイミングであると判定する。
　ここでいう「目標掃気量」とは、点火時期遅角によるタービン５Ｂへの供給エネルギの増大制御を終了しても、掃気分を含めた排気を排気マニホールド３内で燃焼させることにより十分にタービン回転速度を上昇させることができる掃気量であり、例えば、掃気率換算で２～３％以上となる値を設定する。
　なお、掃気率は、例えば、掃気率をコレクタ圧と排気圧力との差圧及びバルブオーバーラップ量に割り付けたマップを、エンジン回転速度毎に作成してコントロールユニット１２に格納しておき、このマップを検索することで算出することができる。したがって、ステップＳ１４０において、掃気率を用いて判定することもできる。
　また、後述するステップＳ１６０でバルブタイミングを変更するが、このとき所望のバルブタイミングになるまでに可変動弁機構１４の動作遅れ時間が生じる。そこで、ステップＳ１４０を、コレクタ圧の変化速度等に基づいて動作遅れ時間後のコレクタ圧を予想し、この予想値が目標コレクタ圧に達したらバルブタイミングの変更を開始するようにしてもよい。これにより、実際のコレクタ圧が目標コレクタ圧に達したときに、バルブタイミングの変更が終了することになる。
　ステップＳ１５０で、コントロールユニット１２は、点火時期遅角を終了する。
　ステップＳ１６０で、コントロールユニット１２は、掃気用のバルブタイミングを設定するサブルーチンを実行する。
　図４は、コントロールユニット１２が実行する、掃気用のバルブタイミングを設定する制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンにより、加速状態に応じてバルブタイミングが変更され、掃気分を含めた排気マニホールド３内の混合気が燃焼し易い混合気に制御される。
　ステップＳ２００で、コントロールユニット１２は、運転状態、例えば、コレクタ圧、エンジン回転速度、吸気温度、大気圧、基本噴射パルス等を読み込む。
　ステップＳ２１０で、コントロールユニット１２は、上記運転状態から求まる掃気量上限値を算出する。
　掃気量上限値を定めるのは、排気触媒１８の劣化を抑制するためである。すなわち、掃気分を含めた排気マニホールド３内の空燃比が理論空燃比となるように燃料噴射をして、排気マニホールド３内で排気ガスと掃気ガスの混合気を燃焼させる場合、掃気量が多くなるほど燃焼による排気触媒１８の温度上昇代が大きくなる。そして、排気触媒１８は、温度が過剰に上昇すると排気浄化性能の劣化を引き起こす。そこで、排気触媒１８の温度上昇を抑制するための掃気量の上限値を設定する。
　ここで、掃気量上限値算出方法の一例を説明する。まず、コレクタ圧、エンジン回転速度、基本噴射パルス、吸気温度、及び大気圧を読み込む。そして、排気触媒１８が性能劣化しない上限温度である触媒上限温度と、現在の運転状態で掃気ガスと排気ガスとの混合気を燃焼させない場合の排気触媒１８の推定温度である掃気無し触媒推定温度とを算出し、さらに触媒上限温度と掃気無し触媒推定温度との温度差（掃気時触媒昇温許容値）を算出する。この掃気時触媒昇温許容値分だけ、掃気時に排気触媒１８の昇温を許容し得ることになる。すなわち、燃焼させたときに掃気時触媒昇温許容値だけ昇温する掃気量が掃気量上限値となる。そこで、掃気時触媒昇温許容値と内燃機関１のシリンダ内の空燃比とから、予め作成したマップを検索することによって、掃気量上限値を算出する。
　ステップＳ２２０で、コントロールユニット１２は、ステップＳ２１０で求めた掃気量に基づいてバルブオーバーラップ期間を決定する。適用する内燃機関の仕様に応じて、掃気量とバルブオーバーラップ期間を予め求めておけば、掃気量に基づいて容易にバルブオーバーラップ期間を設定することができる。
　ステップＳ２３０で、コントロールユニット１２は、ステップＳ２２０で決定したバルブオーバーラップ期間を実現するための可変動弁機構１４の変換角を決定する。適用する内燃機関１の吸気カム、排気カムのプロフィール等に応じて、バルブオーバーラップ期間と変換角との関係を予め求めておけば、バルブオーバーラップ期間に応じて容易に変換角を決定することができる。
　ステップＳ２４０で、コントロールユニット１２は、掃気分を含めた排気マニホールド３内の空燃比が理論空燃比となるように燃料噴射量を補正する。
　図５は、上述した図３、図４の制御を実行した結果を示すタイムチャートである。図中の実線は点火時期遅角と掃気の切り換え制御（以下、本制御という）を実行した場合を、破線はこれらの制御を実行しない通常加速の場合を示す。
　また、点火時期偏差のチャートは、基準点火時期としてのＭＢＴからの偏差を示している。ＭＢＴは運転状態に応じて刻々と変化するものであるが、偏差を示すチャートなので一定値として示されている。
　タイミングｔ１で掃気利用加速が成立する程度にアクセルが踏みこまれたとする。コレクタ圧が自然吸気上限相当圧に達するタイミングｔ２までは、本制御を実行した場合と通常加速の場合で差異はない。
　本制御ではタイミングｔ２で点火時期を遅角するので、その後のトルク上昇が緩やかになり、加速度はタイミングｔ２でピークを迎えた後低下する。これに対し通常加速では点火時期を遅角しないので、本制御の場合よりも速やかにトルク上昇し、加速度はタイミングｔ２以降も上昇し続け、自然吸気領域が終了するタイミングｔ３でピークを迎えた後に低下する。
　すなわち、本制御では、通常加速の場合よりも自然吸気領域でのトルクピークが低くなり、これにより加速度ピークが低くなる。
　その後、過給領域に入ると、本制御では点火時期遅角によってタービン５Ｂに与えるエネルギを増大させているのでタービン回転速度が速やかに上昇し、また、タービン回転速度の上昇に応じて遅角量を小さくしているので、トルクは滑らかに上昇している。
　これに対して通常加速では、点火時期を遅角していないため過給領域に入ったときのトルクは本制御の場合よりも大きいが、タービン５Ｂに供給されるエネルギが小さいので、タービン回転速度が低く、またタービン回転速度の上昇も遅くなり、トルク上昇が停滞している。
　その結果、過給領域に入ったときの加速度の落ち込み幅は、通常加速の場合の方が大きくなっている。つまり、本制御の方が、ターボラグが小さくなっている。
　なお、ｔ２－ｔ４間では、本制御の場合の方がトルクは小さいが、タービン回転速度は高い。本制御の方が小トルクなのは、タービン回転速度が高い分だけ吸気量も多くなっているにもかかわらず、点火時期の遅角によりトルクを発生しにくくなっているためである。
　そして、本格的な過給仕事が開始されるタイミング、つまり点火時期遅角終了タイミングｔ４において、本制御は点火時期遅角を終了して、掃気効果用のバルブタイミング制御に切り換える。これにより、掃気ガスと排気ガスの混合気が排気マニホールド３内で燃焼してタービン５Ｂへ供給されるエネルギが増大し、トルクの上昇速度が増大している。
　これに対して通常加速では、タイミングｔ４以降もしばらくトルク上昇が停滞し、本制御の場合より遅れてトルク上昇速度が増大している。
　上述したように、点火時期遅角によって自然吸気領域のトルクピークが通常加速の場合に比べて引き下げられる。また、点火時期遅角によって排気温度が上昇するので、排気のガスボリュームが増大することによってタービン５Ｂに与えるエネルギが増大し、タービン５Ｂの回転速度上昇が早まる。さらに、点火時期の遅角量をタービン回転速度の上昇に応じて徐々に小さくすることによって、トルク上昇が滑らかになる。その結果、ターボラグの抑制と、過給圧の速やかな立ち上がりを両立できる。
　また、本格的な過給仕事が始まった後は、掃気分を含めた混合気を排気マニホールド３内で燃焼させることにより、さらにトルク上昇を早めることができる。
　すなわち、速やかに高トルクを発生させることで加速終了までの時間を短縮し、かつ、運転者には滑らかな加速感を与えることができる。
　以上のように本実施形態によれば、次の効果が得られる。
　加速要求を検知した場合に、低過給領域では点火時期を遅角補正するので、自然吸気領域の加速度ピークが低くなり、かつ排気温度の上昇によりタービン回転速度の上昇が早まり、ターボラグが抑制される。そして高過給領域では、点火時期の遅角補正を終了してバルブオーバーラップを設け、掃気ガスを含めた排気マニホールド３内の混合気を理論空燃比になるよう燃料噴射量を設定するので、掃気ガスと排気ガスの混合気の後燃えによるエネルギによりトルクが速やかに上昇する。すなわち、ターボラグの抑制と、トルクの速やかな立ち上がりを両立することができる。
　点火時期の遅角を、過給が開始されるタイミングで開始し、バルブオーバーラップを設ければ掃気効果が得られる過給圧に達するタイミングで点火時期の遅角を終了するので、本格的な過給仕事が始まってトルクが大きく上昇し始めるまでの停滞感を小さくすることができる。
　点火時期の遅角を、非過給状態から過給状態へ移行する必要があるような加速要求があった場合に実行するので、トルクの急激な変化とターボラグを含む領域で問題となるトルク上昇の停滞感を小さくすることができる。
　点火時期の遅角補正量を、遅角補正開始時に最も大きく、過給機の回転速度の上昇に伴って徐々に小さくする。つまり、排気流量が少ないときほど排気温度を大きく上昇させ、排気流量の増加にともなって排気温度の上昇代を小さくし、点火時期遅角によるトルク低下量を低減する。これにより、過給開始後にトルクを滑らかかつ速やかに上昇させることができる。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
　本願は２０１１年２月７日に日本国特許庁に出願された特願２０１１－２３８８０に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (5)

  1. 　排気エネルギにより駆動する過給機（５）と、
    　バルブタイミングを変更し得る可変動弁機構（１４）と、
    を備える内燃機関の制御装置において、
    　前記可変動弁機構（１４）を制御するバルブタイミング変更手段（１２）と、
    　点火時期変更手段（１２）と、
    　燃料噴射量変更手段（１２）と、
    　運転者の加速要求を検知する加速要求検知手段（１３）と、
    　前記過給機（５）による過給圧を検出する過給圧検出手段（１９）と、
    　加速要求を検知した場合に、前記過給圧が所定値より低い低過給領域では点火時期を遅角補正し、過給圧が所定値以上の高過給領域では、点火時期の遅角補正を終了してバルブオーバーラップを設け、排気通路（７）内で掃気ガスと排気ガスの混合気が燃焼し易い空燃比になるよう燃料噴射量を変更する加速制御手段（１２）と、
    を備える内燃機関の制御装置。
  2. 　請求項１に記載の内燃機関の制御装置であって、
    　前記加速制御手段（１２）は、前記点火時期の遅角補正を前記過給機（５）による過給が開始されるタイミングで開始し、バルブオーバーラップを設ければ掃気効果が得られる過給圧に達するタイミングで終了する内燃機関の制御装置。
  3. 　請求項２に記載の内燃機関の制御装置であって、
    　前記過給圧検出手段（１９）は、前記過給機（５）のコンプレッサ（５Ａ）より下流の吸気通路内圧力であるコレクタ圧を検出することで間接的に過給圧を検出し、
    　前記加速制御手段は、前記コレクタ圧に基づいて前記バルブオーバーラップを設ければ掃気効果が得られる過給圧に達するタイミングを判定する内燃機関の制御装置。
  4. 　請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置であって、
    　前記加速制御手段は、前記過給機（５）が非過給状態から過給状態へ移行する必要がある加速要求があった場合に、前記点火時期の遅角補正を実行する内燃機関の制御装置。
  5. 　請求項１から４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置であって、
    　前記点火時期の遅角補正量を、遅角補正開始時に最も大きく、前記過給機（５）の回転速度の上昇に伴って徐々に小さくする内燃機関の制御装置。
     
PCT/JP2012/050388 2011-02-07 2012-01-11 内燃機関の制御装置 WO2012108223A1 (ja)

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