JP2017198110A - 内燃機関の可変動弁制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外部ＥＧＲの分配の気筒間差の大きい場合でも燃費を向上させることができる内燃機関の可変動弁制御装置を提供すること。【解決手段】吸気弁１２の開閉時期を変更可能な吸気側可変動弁機構１３と、排気弁２２の開閉時期を変更可能な排気側可変動弁機構２３と、エンジン２のノッキング振動の大きさに応じたノック信号を出力するノックセンサ４７と、ノックセンサ４７の出力するノック信号に基づいて算出した気筒毎のノック強度に基づいて外部ＥＧＲの気筒間差が大きいと判定した場合、バルブ開閉時期マップを内部ＥＧＲ主体のバルブ開閉時期マップに変更して内部ＥＧＲガスの量を増やすように変更するＥＣＵ３と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の可変動弁制御装置に関する。

内燃機関において、排気をＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガスとして吸気側に還流させるＥＧＲ装置を備えることにより、排気のＮＯx低減および燃費の改善を実現するシステムが知られている。

特許文献１には、ＥＧＲが導入されている際、ノックセンサによるノック信号から気筒ごとにノック強度を検出し、気筒間空燃比のバラつきやＥＧＲの気筒別分配のバラつきを、ノッキングを起こしている気筒から判別することが開示されている。

この特許文献１に記載のものにおいては、ノッキングと判断した場合、点火時期を全気筒一律に、または気筒別にリタードし、ノッキングを回避している。

特開２０１３−１１２０３号公報

しかしながら、ＥＧＲの分配の気筒間差は、内燃機関の個体差や環境差により大きく異なる。ＥＧＲの分配の気筒間差の大きい内燃機関の場合、点火時期を全気筒一律にリタードすると、ノッキングが発生していない気筒でもリタードされてしまい、燃費の悪化につながる。気筒別にリタードを行なっても、気筒の平均トルクの低下による燃費の悪化、気筒別トルク差の増大によるＮＶＨ（Noise, Vibration, Harshness）の悪化につながる。

そこで、本発明は、外部ＥＧＲの分配の気筒間差の大きい場合でも燃費を向上させることができる内燃機関の可変動弁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、内燃機関の排気の一部を外部ＥＧＲガスとして吸気側へ還流させる排気還流管と、前記内燃機関の運転状態に基づいて前記外部ＥＧＲガスの還流量を調整するＥＧＲバルブと、前記内燃機関のノッキング振動を検出するノックセンサと、前記内燃機関の吸気弁または排気弁の少なくとも一方の開閉時期を制御して、排気の一部を内部ＥＧＲガスとして燃焼室内に導入させるとともに前記内部ＥＧＲガスの量を調整する制御部と、を備え、前記制御部は、前記ノックセンサの検出結果に基づいて前記内燃機関の気筒毎のノック強度を検出し、前記気筒毎のノック強度に基づいて前記内部ＥＧＲガスの量を変更するものである。

このように本発明によれば、外部ＥＧＲの分配の気筒間差の大きい場合でも燃費を向上させることができる内燃機関の可変動弁制御装置を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の可変動弁制御装置の概略構成図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の可変動弁制御装置の外部ＥＧＲ主体のバルブ開閉時期マップの例を示す図である。 図３は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の可変動弁制御装置の内部ＥＧＲ主体のバルブ開閉時期マップの例を示す図である。 図４は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の可変動弁制御装置の可変動弁制御処理手順を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る内燃機関の可変動弁制御装置について詳細に説明する。

図１において、本発明の一実施形態に係る内燃機関の可変動弁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（Engine Control Unit）３とを含んで構成されている。

エンジン２は、少なくとも１つ以上、例えば４つの気筒を有する直列４気筒で構成されている。なお、エンジン２は、直列４気筒に限らず、例えばＶ型エンジン等であってもよいし、気筒数も特に４つに限定されるものではない。

エンジン２は、不図示のピストン、シリンダ、コネクティングロッド等を備え、ピストンが気筒を２往復する間に吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程からなる一連の４行程を行なう４サイクルのエンジンによって構成されている。

シリンダに収納されたピストンは、コネクティングロッドを介してクランクシャフトに連結されている。コネクティングロッドは、ピストンの往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換するようになっている。

シリンダヘッドには、点火プラグ４と、吸気ポート１１と、排気ポート２１とが設けられている。点火プラグ４は、燃焼室内に電極を突出させた状態でシリンダヘッドに配設され、ＥＣＵ３によってその点火時期が調整される。

吸気ポート１１には、空気を燃焼室に導入するためのインテークマニホールド１４が設けられている。インテークマニホールド１４は、外気を吸入するための吸気管１５に接続されている。この吸気管１５の内部には、吸気ポート１１と連通する吸気通路１５ａが形成されている。

吸気ポート１１には、吸気弁１２が設けられている。吸気弁１２は、吸気通路１５ａと燃焼室とを連通または遮断するように開閉されるようになっている。吸気弁１２の開閉は、吸気側可変動弁機構１３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１３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弁１２の開閉を行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１３は、電磁石の励磁によって吸気弁１２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弁１２を開弁方向に移動させるようになっている。

なお、吸気側可変動弁機構１３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、吸気側可変動弁機構１３として、主カムおよび副カム等のカム部材を用いて吸気弁１２の開閉時期を変更可能な機械式の可変動弁機構を用いても構わない。

さらに、この吸気側可変動弁機構１３は、例えば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、吸気弁１２の開閉時期とともに吸気弁１２のリフト量を連続的に変化させることが可能な構成であってもよい。

排気ポート２１には、燃焼室のなかで混合気の燃焼によって発生した排ガスを車外に排出するためのエキゾーストマニホールド２４が設けられている。エキゾーストマニホールド２４は、排気管２５に接続されている。この排気管２５の内部には、排気ポート２１と連通する排気通路２５ａが形成されている。

排気ポート２１には、排気弁２２が設けられている。排気弁２２は、排気通路２５ａと燃焼室とを連通または遮断するように開閉されるようになっている。排気弁２２の開閉は、排気側可変動弁機構２３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２３は、上述した吸気側可変動弁機構１３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、排気弁２２の開閉時期が任意に変更される。なお、排気側可変動弁機構２３として、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、排気側可変動弁機構２３として、主カムおよび副カム等のカム部材を用いて排気弁２２の開閉時期を変更可能な機械式の可変動弁機構を用いても構わない。したがって、ＥＣＵ３は、排気弁２２の開弁期間を容易に調整することができる。

この排気管２５には、三元触媒２６が設けられている。三元触媒２６は、エンジン２の燃焼室から排出された排ガス、すなわち既燃ガスを浄化するようになっている。

このエンジン２には、吸気通路１５ａと排気通路２５ａとを連通する排気還流管４１が設けられている。排気還流管４１は、排気の一部を吸気側に還流させるＥＧＲを行なわせるようになっている。この排気還流管４１には、排気の還流量を調整する排気還流制御弁としてのＥＧＲバルブ４２が設けられている。この排気還流管４１によるＥＧＲを外部ＥＧＲという。

ＥＧＲバルブ４２は、ＥＣＵ３に電気的に接続されている。ＥＧＲバルブ４２は、ＥＣＵ３からの指令信号に応じてバルブ開度が制御されることで、吸気側に還流させる排気の量を調整するようになっている。

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、クランク角度センサ４５、アクセル開度センサ４６、ノックセンサ４７等の各種センサ類が接続されている。

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。

アクセル開度センサ４６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。ノックセンサ４７は、エンジン２のノッキング振動を検出し、ノッキング振動の大きさに応じたノック信号を出力する。

一方、ＥＣＵ３の出力ポートには、上述の点火プラグ４、吸気側可変動弁機構１３、排気側可変動弁機構２３、ＥＧＲバルブ４２等の各種制御対象類が接続されている。

ＥＣＵ３は、運転者の操作によるアクセル開度に基づきエンジン２の要求負荷を算出し、その要求負荷に応じてエンジン２の吸入空気量や燃料噴射量や点火時期を算出する。そして、ＥＣＵ３は、算出した吸入空気量や燃料噴射量や点火時期になるように不図示のスロットルバルブやインジェクタや点火プラグ４を制御してエンジン２の運転状態を制御する。

ＥＣＵ３は、上述した吸気側可変動弁機構１３及び排気側可変動弁機構２３をそれぞれ制御することによって吸気弁１２及び排気弁２２の開閉時期を変更して、吸気弁１２及び排気弁２２の開弁期間を調整するようになっている。ここで、吸気弁１２及び排気弁２２の開閉時期を変更するとは、例えば、吸気弁１２及び排気弁２２の閉弁時期を進角あるいは遅角することを意味する。

さらに、ＥＣＵ３は、吸気弁１２の開弁期間と排気弁２２の開弁期間とがオーバラップするオーバラップ期間の長さを、エンジン回転数とエンジン負荷の大きさとに応じて調整するようになっている。ＥＣＵ３は、吸気弁１２と排気弁２２の開閉時期を制御することにより、排気ポート２１より排出された排気ガスの一部を内部ＥＧＲガスとして燃焼室内や吸気ポート１１、インテークマニホールド１４に導入する内部ＥＧＲを行なわせるようになっている。

外部ＥＧＲガスと内部ＥＧＲガスとのトータルのＥＧＲガス量は、エンジン２の運転状態に応じて目標量が実験的に求められ、この目標量に基づいて外部ＥＧＲガスの量と内部ＥＧＲガスの量が制御される。

ＥＣＵ３は、エンジン２の運転状態に応じて外部ＥＧＲを実行させる（オン）か、または実行させない（オフ）か、を切り替えるようになっている。例えば、ＥＣＵ３は、エンジン回転数とエンジン負荷とによってオンまたはオフが決まる外部ＥＧＲマップにより外部ＥＧＲのオンとオフを切り替える。この外部ＥＧＲマップは、外部ＥＧＲをオンにする外部ＥＧＲオン領域と、外部ＥＧＲをオフにする外部ＥＧＲオフ領域とに分けられていて、エンジン回転数とエンジン負荷とによってどちらの領域に入るかが決まるようになっている。この外部ＥＧＲマップは、予め実験的に求められ、ＥＣＵ３のＲＯＭに記憶されている。

ＥＣＵ３は、例えば、エンジン回転数とアクセル開度からエンジン負荷が決まるマップによりエンジン負荷を求めるようになっている。エンジン負荷のマップは、予め実験的に求められ、ＥＣＵ３のＲＯＭに記憶されている。

ＥＣＵ３は、エンジン２の運転状態に応じて内部ＥＧＲガスの量を制御するようになっている。例えば、ＥＣＵ３は、エンジン回転数とエンジン負荷とによってバルブ開閉時期が決まるバルブ開閉時期マップにより吸気弁１２及び排気弁２２の開閉時期を制御して内部ＥＧＲガスの量を制御する。ＥＣＵ３のＲＯＭには、予め実験的に求められた、バルブ開閉時期マップが記憶されている。

図２は、外部ＥＧＲ主体のバルブ開閉時期マップの例である。図２の吸気弁開時期は、エンジン回転数とエンジン負荷に応じて、エンジン２が運転可能な最遅角から遅角、進角のどの時期を使うかを示している。排気弁閉時期は、エンジン回転数とエンジン負荷に応じて、エンジン２が運転可能な最進角から進角、遅角のどの時期を使うかを示している。なお、図２では、斜線部分が外部ＥＧＲオン領域を示している。

図２に示すように、このマップは、低負荷領域では吸気弁１２の開弁を遅角させることでオーバラップ量を増加させて内部ＥＧＲ量を減少させ、外部ＥＧＲガスが導入されるようにし、燃費を稼ぐように形成されている。一方で、排気弁２２については、排気弁２２の開弁を進角させると排気弁２２が早閉じとなり、排気を追い出すことができずポンプロスが悪化するため、特段の変更は行なわない。

また、高負荷領域においては、スロットル開度が増加し、要求トルクが増加するため吸入空気量が多い。そのため、オーバラップ量を増加させ、掃気効果を高める。これにより、内部ＥＧＲガスを排出させるようにして、より外部ＥＧＲガスの導入を促進させることを可能とする。

ＥＣＵ３は、外部ＥＧＲがオンの状態において、気筒毎のノック強度に基づき、外部ＥＧＲの気筒間差が大きいと判定したとき、内部ＥＧＲガスの量を増やすように、内部ＥＧＲ主体のバルブ開閉時期マップに切り替える。

ＥＣＵ３は、各気筒の燃焼時期に基づき、ノックセンサ４７のノック信号から各気筒のノック強度を算出する。ＥＣＵ３は、例えば、ノック強度が最も大きい気筒のノック強度からノック強度が最も小さい気筒のノック強度を減算した値が所定値を超える状態が所定時間Ｙ[s]以上継続した場合、外部ＥＧＲの気筒間差が大きいと判定する。所定値及び所定時間は、予め実験的に求められ、ＥＣＵ３のＲＯＭに記憶されている。

ＥＣＵ３は、外部ＥＧＲの気筒間差が大きいと判定した場合、点火リタードを行なわず、バルブ開閉時期マップを外部ＥＧＲ主体のバルブ開閉時期マップから内部ＥＧＲ主体のバルブ開閉時期マップへ切り替える。

図３は、内部ＥＧＲ主体のバルブ開閉時期マップの例である。図２と同様に、吸気弁開時期は、エンジン２が運転可能な最遅角から遅角、進角のどの時期を使うかを示している。また、排気弁閉時期は、エンジン２が運転可能な最進角から進角、遅角のどの時期を使うかを示している。斜線部分は、外部ＥＧＲオン領域を示している。

図３に示すように、このマップは、低負荷領域ではオーバラップを大きくとることにより、内部ＥＧＲを増やしている。オーバラップが大きいと、排気行程中の吸気管１５に内部ＥＧＲガスが入ることにより吸気圧が上がるため、外部ＥＧＲも減ることになる。

また、高負荷領域では、吸気弁開時期を進角させると、低負荷時とは逆に掃気効果により内部ＥＧＲが減ってしまうので、遅角させる。高負荷領域の排気弁閉時期は、早閉じにし、既燃ガスを燃焼室に閉じ込め、内部ＥＧＲを増やす。

以上のように構成された本実施形態に係る内燃機関の可変動弁制御装置による可変動弁制御処理について、図４を参照して説明する。なお、以下に説明する可変動弁制御処理は、ＥＣＵ３が動作を開始すると開始され、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、ノックセンサ４７のノック信号により気筒毎のノック強度を算出する。

ステップＳ２において、ＥＣＵ３は、エンジン回転数とエンジン負荷とからエンジン２の運転状態が外部ＥＧＲオン領域か否かを判定する。外部ＥＧＲオン領域でないと判定した場合、ＥＣＵ３は、処理を終了する。

外部ＥＧＲオン領域であると判定した場合、ステップＳ３において、ＥＣＵ３は、気筒毎のノック強度のうち、最大のノック強度から最小のノック強度を減算した値が所定値を超える状態が所定時間Ｙ[s]以上継続しているか否かを判定する。

最大のノック強度から最小のノック強度を減算した値が所定値を超える状態が所定時間Ｙ[s]以上継続していると判定した場合、ステップＳ４において、ＥＣＵ３は、図３に示すような、内部ＥＧＲ主体のバルブ開閉時期マップを使用して吸気弁１２及び排気弁２２を制御する。

一方、最大のノック強度から最小のノック強度を減算した値が所定値を超える状態が所定時間Ｙ[s]以上継続していないと判定した場合、ステップＳ５において、ＥＣＵ３は、図２に示すような、外部ＥＧＲ主体のバルブ開閉時期マップを使用して吸気弁１２及び排気弁２２を制御する。

このように、上述の実施形態では、ノックセンサ４７の出力するノック信号に基づいて気筒毎のノック強度を算出し、このノック強度に基づいて内部ＥＧＲガスの量を変更するＥＣＵ３を備える。

これにより、ノック強度に基づいて外部ＥＧＲの気筒間差が大きいと判定された場合、内部ＥＧＲガスの量が変更される。このため、外部ＥＧＲの分配の気筒間差の大きい場合でも燃費を向上させることができる。

また、ＥＣＵ３は、ノック強度が最も大きい気筒のノック強度からノック強度が最も小さい気筒のノック強度を減算した値が所定値を超える状態が所定時間Ｙ[s]以上継続した場合、外部ＥＧＲの気筒間差が大きいと判定して、内部ＥＧＲガスの量を変更する。

これにより、ノック強度が最も大きい気筒のノック強度からノック強度が最も小さい気筒のノック強度を減算した値が所定値を超える状態が所定時間Ｙ[s]以上継続した場合、外部ＥＧＲの気筒間差が大きいと判定される。このため、確実に外部ＥＧＲの気筒間差が大きい場合を判定することができ、外部ＥＧＲの分配の気筒間差の大きい場合でも燃費を向上させることができる。

また、ＥＣＵ３は、外部ＥＧＲの気筒間差が大きいと判定した場合、バルブ開閉時期マップを内部ＥＧＲ主体のバルブ開閉時期マップに変更して内部ＥＧＲガスの量を増やすようにする。

これにより、外部ＥＧＲの気筒間差が大きいと判定された場合、内部ＥＧＲガスの量を増やすように変更される。このため、外部ＥＧＲの気筒間差が大きい場合に内部ＥＧＲガスの量を増やすことができ、外部ＥＧＲの分配の気筒間差の大きい場合でも燃費を向上させることができる。

さらに、内部ＥＧＲは、外部ＥＧＲに対して熱容量が大きく、圧縮したときに温度が上昇しにくいため、ノッキングを防止することができる。

なお、本実施形態においては、外部ＥＧＲの気筒間差が大きい場合に、バルブ開閉時期マップを切り替えたが、同時にＥＧＲバルブ４２を閉じたり、ＥＧＲバルブ４２の開度を変えたりするようにしてもよい。

本発明の実施形態を開示したが、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（内燃機関）
３ ＥＣＵ（制御部）
１２ 吸気弁
１３ 吸気側可変動弁機構
２２ 排気弁
２３ 排気側可変動弁機構
４１ 排気還流管
４２ ＥＧＲバルブ
４５ クランク角度センサ
４６ アクセル開度センサ
４７ ノックセンサ

Claims (3)

1. 内燃機関の排気の一部を外部ＥＧＲガスとして吸気側へ還流させる排気還流管と、
   前記内燃機関の運転状態に基づいて前記外部ＥＧＲガスの還流量を調整するＥＧＲバルブと、
   前記内燃機関のノッキング振動を検出するノックセンサと、
   前記内燃機関の吸気弁または排気弁の少なくとも一方の開閉時期を制御して、排気の一部を内部ＥＧＲガスとして燃焼室内に導入させるとともに前記内部ＥＧＲガスの量を調整する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記ノックセンサの検出結果に基づいて前記内燃機関の気筒毎のノック強度を検出し、前記気筒毎のノック強度に基づいて前記内部ＥＧＲガスの量を変更する内燃機関の可変動弁制御装置。
2. 前記制御部は、前記気筒毎のノック強度の最大値と最小値の差分値が所定値を超える状態が所定時間以上継続した場合、前記内部ＥＧＲガスの量を変更する請求項１に記載の内燃機関の可変動弁制御装置。
3. 前記制御部は、前記内部ＥＧＲガスの量を増やすように変更する請求項１または２に記載の内燃機関の可変動弁制御装置。

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