JP4760733B2 - 内燃機関の制御システム - Google Patents

Description

本発明は、火花点火式内燃機関を制御する技術に関する。

従来、火花点火式の内燃機関において、点火時期をＭＢＴ（Minimum spark advance for Best Torque）より前へ進角させることにより、冷却水の温度上昇を促進し、以て内燃
機関の暖機性を向上させる技術が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
特開２０００−２４０５４７号公報

ところで、上記した従来の技術は内燃機関の暖機性は考慮しているものの、排気エミッションについては考慮されていないため、排気エミッションの規制強化に適応しきれない可能性がある。

本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、点火時期をＭＢＴより進角可能な火花点火式内燃機関の制御システムにおいて、排気エミッションの低減に好適な技術の提供にある。

本発明は、上記した課題を解決するために、点火時期をＭＢＴより前へ進角させることができる内燃機関の制御システムにおいて、点火時期をＭＢＴより前へ進角させる技術を用いて、排気エミッションの低減を図るようにした。

内燃機関が冷間状態にある場合のように気筒内の温度（以下、「筒内温度」と称する）が低い時は、燃料が気筒の内壁面やピストンに付着し易い。気筒の内壁面やピストンに付着した燃料（以下、「筒内付着燃料」と称する）の大部分は、燃焼に供されることなく未燃のまま気筒内から排出される。その際、内燃機関の排気系に配置された触媒が未活性状態にあると、前記した未燃燃料成分が触媒において浄化されずに大気中へ放出される。

特に、内燃機関が低温下で始動された場合は、内燃機関の始動から触媒が活性するまでの期間が長くなるとともに筒内付着燃料の量が増加するため、大気中へ放出される未燃燃料成分の量が過多となることが懸念される。

これに対し、本願発明者が鋭意の実験及び検証を行った結果、火花点火式の内燃機関において点火時期がＭＢＴより前へ進角（以下、「過進角」と称する）されると、気筒内から排出される未燃燃料成分（例えば、ＨＣ）が著しく減少することが見出された。

これは、点火時期が過進角された場合は、圧縮上死点前に燃焼する混合気の量が増加するため、混合気の燃焼による昇圧・昇温効果がピストンの上昇動作による昇圧・昇温効果に加わって気筒内の圧力（以下、「筒内圧」と称する）及び筒内温度のピークが高められ、気筒内に付着した燃料、および／または気筒内に付着する前の燃料の気化及び酸化が促進されることに拠ると考えられる。

上記した知見によれば、筒内圧及び筒内温度のピークが高くなるほど、気筒内から排出される未燃燃料成分が少なくなると考えられる。筒内圧及び筒内温度のピークは、圧縮上死点前に燃焼する混合気量が増加するほど高くなると考えられる。圧縮上死点前に燃焼さ
れる混合気量は、混合気の燃焼終了時期が早くなるほど多くなる。混合気の燃焼終了時期を早める方法としては、過進角時の点火時期を一層進角させる方法が考えられる。

ところで、過進角時の点火時期が大幅に進角されると、気筒内の燃料と空気が均質に混合する前に点火が行われる可能性がある。気筒内の燃料と空気が均質に混合する前に点火が行われると、燃料の着火不良や失火が発生する可能性がある。

また、点火時期の進角量が増加した場合は、ピストンとピストンリングとシリンダボア壁面との間の隙間（クレビスボリューム）に入り込む燃料が増加し易い。クレビスボリュームに入り込んだ燃料は、燃焼に供されることなく気筒内から排出される可能性が高い。

従って、過進角時に点火時期の進角量が過大になると、気筒内から排出される未燃燃料成分量が却って増加する可能性もある。

そこで、本発明にかかる内燃機関の制御システムは、点火時期を過進角させる時に、混合気の燃焼速度を高める処理を併行して行うことにより、点火時期の進角量を最小限に抑えつつ混合気の燃焼終了時期を早めるようにした。

詳細には、本発明にかかる内燃機関の制御システムは、火花点火式内燃機関の点火時期をＭＢＴより前に過進角させる過進角手段と、前記内燃機関の気筒における混合気の燃焼速度を増加させる燃焼促進手段と、前記過進角手段が点火時期を過進角させる時に、前記燃焼促進手段により混合気の燃焼速度を増加させる制御手段と、を備えるようにした。

かかる構成によれば、過進角手段が点火時期を過進角させる場合は、燃焼促進手段が混合気の燃焼速度を増加させる。この場合、点火時期が大幅に進角されなくても、圧縮上死点前に燃焼する混合気量が増加する。

従って、過進角時の点火時期を大幅に進角させることなく、筒内圧及び筒内温度のピークを高めることができる。その結果、気筒内から排出される未燃燃料成分を好適に減少することができる。

本発明にかかる内燃機関の制御システムは、筒内付着燃料量を取得する取得手段を更に備え、制御手段は前記取得手段により取得された筒内付着燃料量が多くなるほど混合気の燃焼速度が増加するように前記燃焼促進手段を制御するようにしてもよい。

かかる構成によれば、筒内付着燃料量が多くなるほど、筒内圧及び筒内温度のピークが高められる。その結果、筒内付着燃料量が多くなる条件下においても、点火時期の進角量を大幅に増加させることなく、気筒内から排出される未燃燃料成分を低減させることができる。

気筒内における混合気の燃焼速度を増加させる方法としては、内燃機関の吸気ポートに設けられた気流制御弁の開度を絞る方法、吸気弁の開弁開始時期を遅角させる方法、或いは各気筒に設けられた複数の吸気弁のリフト量を相違させる方法等を例示することができる。

尚、気流制御弁の開度が小さくなるほど、吸気弁の開弁開始時期が遅くなるほど、或いは複数の吸気弁のリフト量の相対差が大きくなるほど、混合気の燃焼速度が高まる。よって、制御手段は、筒内付着燃料が多くなるほど、気流制御弁の開度の減少、吸気弁の開弁開始時期の遅角量増加、或いは複数の吸気弁のリフト量の相対差拡大を図るようにしてもよい。

本発明によれば、点火時期をＭＢＴより前に進角可能な火花点火式内燃機関の制御システムにおいて、排気エミッションを好適に低減することが可能となる。

以下、本発明の具体的な実施形態について図１〜図６に基づいて説明する。

図１は、本実施例における内燃機関の制御システムの概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、複数の気筒２を有する４ストロークサイクルの火花点火式の内燃機関（ガソリンエンジン）である。内燃機関１の気筒２は、吸気ポート３を介して吸気通路３０に接続されるとともに、排気ポート４を介して排気通路４０に接続されている。

吸気ポート３には、気筒２内へ向かって燃料を噴射する燃料噴射弁５が設けられている。吸気通路３０には、該吸気通路３０内を流通する空気量を制御するスロットル弁６が設けられている。スロットル弁６より下流の吸気通路３０には、該吸気通路３０内の圧力（吸気圧）を測定する吸気圧センサ７が設けられている。スロットル弁６より上流の吸気通路３０には、該吸気通路３０を流れる空気量を測定するエアフローメータ８が設けられている。

一方、排気通路４０には、排気浄化装置９が配置されている。排気浄化装置９は、三元触媒や吸蔵還元型ＮＯｘ触媒等を具備し、所定の活性温度域にある時に排気を浄化する。

また、内燃機関１には、気筒２内に臨む吸気ポート３の開口端を開閉する吸気弁１０と、気筒２内に臨む排気ポート４の開口端を開閉する排気弁１１が設けられている。これら吸気弁１０と排気弁１１は、吸気側カムシャフト１２と排気側カムシャフト１３によりそれぞれ開閉駆動される。

気筒２の上部には、該気筒２内の混合気に点火する点火プラグ１４が配置されている。また、気筒２内にはピストン１５が摺動自在に挿入されている。ピストン１５はコネクティングロッド１６を介してクランクシャフト１７と接続されている。

クランクシャフト１７の近傍には、該クランクシャフト１７の回転角度を検出するクランクポジションセンサ１８が配置されている。更に、内燃機関１には、該内燃機関１を循環する冷却水の温度を測定する水温センサ１９が取り付けられている。

また、吸気側カムシャフト１２には、クランクシャフト１７に対する該吸気側カムシャフト１２の回転位相を変更する可変動弁機構１２０が取り付けられている。

このように構成された内燃機関１には、ＥＣＵ２０が併設されている。ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えた電子制御ユニットである。このＥＣＵ２０は、前述した吸気圧センサ７、エアフローメータ８、クランクポジションセンサ１８、及び水温センサ１９等の各種センサと電気的に接続され、各種センサの測定値を入力可能になっている。

ＥＣＵ２０は、前記した各種センサの測定値に基づいて燃料噴射弁５、スロットル弁６、点火プラグ１４、及び可変動弁機構１２０を電気的に制御する。例えば、ＥＣＵ２０は、気筒２内の壁面に付着する燃料を減少させる付着燃料低減制御を行う。

以下、本実施例における付着燃料低減制御について述べる。

内燃機関１が冷間状態にある場合のように筒内温度が低い時は、燃料が気筒２の内壁面やピストン１５に付着し易い。気筒２の内壁面やピストン１５に付着した燃料（筒内付着燃料）の大部分は、燃焼に供されることなく未燃のまま気筒内から排出される。その際、排気浄化装置９が活性温度域まで昇温していなければ、前記した未燃燃料成分が浄化されずに大気中へ放出されることになる。

特に、内燃機関１が低温下で始動された場合等は、内燃機関１の始動から排気浄化装置９が活性するまでの期間が長くなるとともに筒内付着燃料量が増加するため、大気中へ放出される未燃燃料成分の量が過多となる虞がある。

これに対し、付着燃料低減制御では、ＥＣＵ２０は、筒内付着燃料量が多くなる時に、点火プラグ１４の作動タイミング（点火時期）をＭＢＴより進角させることにより、筒内付着燃料量を減少させ、以て気筒２内から排出される未燃燃料成分量も減少させる。

本願発明者の鋭意の実験及び検証によれば、点火時期がＭＢＴより進角された場合は、図２に示されるように、その進角量が増加するほど気筒２内から排出される未燃燃料成分（ＨＣ）の量が少なくなることが見出された。

このメカニズムについては明確に解明されていないが、凡そ以下のようなメカニズムによると考えられる。

図３は、点火時期がＭＢＴより前に進角（以下、「過進角」と称する）された場合（図３中のＳＴ１）と、点火時期がＭＢＴに設定された場合（図３中のＳＴ２）と、点火時期が圧縮上死点（ＴＤＣ）に設定された場合（図３中のＳＴ３）との各々において気筒２内の状態を計測した結果を示す図である。図３中の実線は点火時期が過進角された場合、破線は点火時期がＭＢＴに設定された場合、一点破線は点火時期が圧縮上死点（ＴＤＣ）に設定された場合を各々示している。

図３において、点火時期が過進角された場合は、点火時期がＭＢＴに設定された場合及び点火時期が圧縮上死点（ＴＤＣ）に設定された場合に比べ、圧縮上死点前に燃焼される混合気の量が多くなる。このため、混合気の燃焼により発生する熱エネルギのピーク（図３中の熱発生率、発生熱量、及び燃焼質量割合を参照）が圧縮上死点前へシフトする。

よって、混合気の燃焼による昇温・昇圧効果と、ピストン１５の上昇動作（下死点から上死点へ向かう動作）による圧縮効果との相乗効果により、圧縮行程から膨張行程までの期間における筒内圧及び筒内温度のピーク値が大幅に上昇する。その結果、気筒２内に付着した燃料、および／または気筒２内に付着する前の燃料の気化及び酸化が促進されると考えられる。

そこで、ＥＣＵ２０は、筒内付着燃料量が多くなると予想される時に、点火時期を過進角させるようにした。筒内付着燃料量が多くなると予想される場合としては、内燃機関１が冷間始動される場合、内燃機関１が暖機運転状態にある場合、筒内付着燃料量の実測値が許容量を超える場合、或いは筒内付着燃料量の推定値が許容量を超える場合等を例示することができる。

筒内付着燃料量の実測方法としては、光学的に液膜の厚さを計測するセンサを気筒２内に配置して実測する方法や、導電率を計測するセンサを気筒２内に配置し該センサの計測値を筒内付着燃料量に換算する方法を例示することができる。筒内付着燃料量を推定する方法としては、冷却水温度、機関始動時からの積算燃料噴射量、機関始動時からの積算吸
入空気量、現時点における燃料噴射量、吸気圧、及び空燃比の少なくとも一つと筒内付着燃料量との相関関係から推定する方法を例示することができる。

筒内付着燃料量が多くなると予想される場合に、点火プラグ１４の点火時期が過進角されると、筒内付着燃料を減少させることができるとともに気筒２内から排出される未燃燃料成分を減少させることも可能となる。

ところで、気筒２内から排出される未燃燃料成分は点火時期の進角量が多くなるほど少なくなるため、筒内付着燃料量が多くなるほど点火時期の進角量を増加させることが好ましい。

しかしながら、点火時期の進角量が過多になると、気筒２内の燃料と空気（吸気）が均質に混合する前に点火プラグ１４が作動する可能性がある。燃料と空気が均質に混合する前に点火プラグ１４が作動すると、着火不良や失火が生じ易い。

また、点火時期が大幅に進角された場合は、クレビスボリュームに入り込む燃料が増加する可能性もある。クレビスボリュームに入り込んだ燃料は、未燃のまま気筒２内から排出され易い。

従って、過進角時の点火時期が大幅に進角されると、気筒２内から排出される未燃燃料成分が却って増加することが懸念される。

そこで、本実施例の付着燃料低減制御では、ＥＣＵ２０は、筒内付着燃料が多くなると予想される時に、点火時期の過進角処理に加え、混合気の燃焼速度を高めるための処理（以下、「燃焼促進処理」と称する）を行うようにした。

燃焼促進処理では、ＥＣＵ２０は、可変動弁機構１２０を利用して吸気弁１０の開弁開始時期（ＩＶＯ）を吸気上死点より遅角させる。この場合、吸気行程の途中まで吸気弁１０が開弁しないことになる。よって、吸気弁１０の開弁時には、気筒２内の圧力が負圧となる。その結果、吸気弁１０の開弁後に気筒２内へ流入する吸気の運動エネルギが大きくなる。吸気の運動エネルギが大きくなると、気筒２内で生成されるタンブル流やスワール流の運動エネルギが大きくなる（言い換えれば、タンブル流やスワール流の強さが増強される）。

このように気筒２内の気流が強化されると、点火プラグ１４作動後の火炎伝播速度及び燃焼速度が高くなる。火炎伝播速度及び燃焼速度が高められると、圧縮上死点前に燃焼される混合気量が増加する。その結果、筒内圧及び筒内温度のピークが高められる。

図４は、気筒２内から排出される未燃燃料成分（ＨＣ）の量と点火時期との関係を示す図である。図４中の一点破線は燃焼促進処理が実行されない時（燃焼促進処理非実行時）に気筒２内から排出された未燃燃料成分量（ＨＣ排出量）を計測した結果を示している。図４中の実線は燃焼促進処理が実行される時（燃焼促進処理実行時）のＨＣ排出量を計測した結果を示している。尚、図４に示す２つの計測結果は、吸気弁１０の開弁開始時期以外の運転条件が相互に同一となる時に計測した結果である。

図４の計測結果によれば、点火時期がＭＢＴより前に進角される領域においては、燃焼促進処理実行時のＨＣ排出量が燃焼促進処理非実行時のＨＣ排出量より少なくなる。これは、燃焼促進処理の実行により、圧縮上死点前に燃焼される混合気量が増加することに因ると考えられる。

従って、ＨＣ排出量を一定量（例えば、図４中のＡｈｃ）以下に抑える場合に、燃焼促進処理実行時の点火時期（図４中のｔ１）は、燃焼促進処理非実行時の点火時期（図４中のｔ２）より遅くすることができる。その結果、点火時期の大幅な進角による不具合の発生を抑制することができる。

以下、本実施例における付着燃料低減制御の実行手順について図５に沿って説明する。図５は、付着燃料低減制御ルーチンを示すフローチャートである。このルーチンは、予めＥＣＵ２０のＲＯＭに記憶されたルーチンであり、ＥＣＵ２０によって周期的に実行される。尚、ＥＣＵ２０が付着燃料低減制御ルーチンを実行することにより、本発明にかかる過進角手段、燃焼促進手段、取得手段、及び制御手段が実現される。

図５のルーチンにおいて、ＥＣＵ２０は、先ずＳ１０１において筒内付着燃料量Ｄｐｆｕｅｌを演算する。

Ｓ１０２では、ＥＣＵ２０は、前記Ｓ１０１で算出された筒内付着燃料量Ｄｐｆｕｅｌが所定量以上であるか否かを判別する。前記した所定量は、内燃機関１の全気筒２から排出される未燃燃料成分の総量が規制量（例えば、図４に示したＡｈｃ）を下回るように定められた値である。

前記Ｓ１０２において否定判定された場合（Ｄｐｆｕｅｌ＜所定量）は、ＥＣＵ２０は、点火時期の過進角及び燃焼促進処理を実行せずに本ルーチンの実行を終了する。一方、前記Ｓ１０２において肯定判定された場合（Ｄｐｆｕｅｌ≧所定量）は、ＥＣＵ２０は、Ｓ１０３へ進む。

Ｓ１０３では、ＥＣＵ２０は、別途のバルブタイミング制御ルーチンにより算出された吸気弁１０の目標開弁開始時期ＩＶＯｔｒｇを読み込む。

Ｓ１０４では、ＥＣＵ２０は、吸気弁１０の開弁開始時期の遅角補正量△ｖｔを演算する。遅角補正量△ｖｔは、筒内付着燃料量Ｄｐｆｕｅｌに応じて増減される可変値である。その際、遅角補正量△ｖｔは、筒内付着燃料量Ｄｐｆｕｅｌが多くなるほど増加されるとともに、筒内付着燃料量Ｄｐｆｕｅｌが少なくなるほど減少されるようにしてもよい。

Ｓ１０５では、ＥＣＵ２０は、前記Ｓ１０３で読み込まれた目標開弁開始時期ＩＶＯｔｒｇに前記Ｓ１０４で算出された遅角補正量△ｖｔを加算し、その加算結果（＝ＩＶＯｔｒｇ＋△ｖｔ）を吸気弁１０の目標開弁開始時期ＩＶＯｔｒｇに設定する。そして、ＥＣＵ２０は、前記Ｓ１０４で設定された目標開弁開始時期ＩＶＯｔｒｇに従って可変動弁機構１２０を動作させる。

続いて、Ｓ１０６では、ＥＣＵ２０は、点火時期の過進角を実行する。その際の点火時期の進角量は、予め定められた固定値であってもよい。前記した固定値は、例えば、燃料の着火不良や失火が生じ得ない範囲であって、クレビスボリュームに入り込む燃料量が許容範囲内に収まる値であることが好ましい。

このようにＥＣＵ２０が図５のルーチンを実行すると、筒内付着燃料量Ｄｐｆｕｅｌが多くなるほど混合気の燃焼速度が高められるため、点火時期を大幅に進角させることなくＨＣ排出量を規制量以下に抑えることができる。

尚、本実施例では、過進角時の点火時期が一定時期に固定される例について述べたが筒内付着燃料量Ｄｐｆｕｅｌに応じて過進角時の点火時期が変更されてもよい。その場合は、筒内付着燃料量Ｄｐｆｕｅｌに応じて定まる点火時期が所定の上限値以降である限りは
、燃焼促進処理を行わずに点火時期の過進角のみを行う。そして、筒内付着燃料量Ｄｐｆｕｅｌに応じて定まる点火時期が前記上限値より前になる場合は、点火時期を前記上限値に制限して過進角を行うとともに、燃焼促進処理が行われるようにしてもよい。

また、本実施例では、可変動弁機構１２０を利用して混合気の燃焼速度を高める例について述べたが、図６に示すような気流制御弁３１の開度を絞ることにより混合気の燃焼速度を高めるようにしてもよい。

上記の気流制御弁３１は、燃料噴射弁５より下流の吸気ポート３に配置され、該吸気ポート３の底面に設けられた支点を中心に回動可能な弁である。尚、図６においては気流制御弁３１を閉じた状態が示されている。

図６に示すように気流制御弁３１が閉じられると、気流が吸気ポート３内の上部に偏るため、気筒２内にタンブル流が生起される。その際のタンブル流の強さ（言い換えれば、タンブル比）は、気流制御弁３１の開度が小さくなるほど大きくなる。

従って、筒内付着燃料量Ｄｐｆｕｅｌが多くなるほど気流制御弁３１の開度が減少されれば、前述した実施例と同様の効果を得ることができる。

尚、気筒内に生成される気流は、タンブル流を限られるものではなく、スワール流であってもよい。

内燃機関の制御システムの概略構成を示す図である。 気筒内から排出される未燃燃料成分（ＨＣ）と点火時期との関係を示す図である。 点火時期と気筒内の状態との関係を示す図である。 点火時期と気筒内から排出される未燃燃料成分量（ＨＣ排出量）との関係を示す図である。 付着燃料低減制御ルーチンを示すフローチャートである。 内燃機関の制御システムの他の実施例を示す図である。

符号の説明

１・・・・・内燃機関
２・・・・・気筒
３・・・・・吸気ポート
４・・・・・排気ポート
５・・・・・燃料噴射弁
６・・・・・スロットル弁
７・・・・・吸気圧センサ
８・・・・・エアフローメータ
９・・・・・排気浄化装置
１４・・・・点火プラグ
１５・・・・ピストン
１６・・・・コネクティングロッド
１７・・・・クランクシャフト
１８・・・・クランクポジションセンサ
１９・・・・水温センサ
２０・・・・ＥＣＵ
３０・・・・吸気通路
３１・・・・気流制御弁
４０・・・・排気通路
１２０・・・可変動弁機構

Claims (4)

1. 火花点火式内燃機関の点火時期をＭＢＴより前に過進角させる過進角手段と、
   前記内燃機関の気筒における混合気の燃焼速度を増加させる燃焼促進手段と、
   前記過進角手段が点火時期を過進角させる時に、前記燃焼促進手段により混合気の燃焼速度を増加させる制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御システム。
2. 請求項１において、前記内燃機関の気筒内に付着する燃料量を取得する取得手段を更に備え、
   前記制御手段は、前記取得手段により取得された付着燃料量が多くなるほど混合気の燃焼速度が増加するように前記燃焼促進手段を制御することを特徴とする内燃機関の制御システム。
3. 請求項１又は２において、前記燃焼促進手段は、前記内燃機関の吸気ポートに配置された気流制御弁の開度を絞ることにより、混合気の燃焼速度を増加させることを特徴とする内燃機関の制御システム。
4. 請求項１又は２において、前記燃焼促進手段は、前記内燃機関の吸気弁の開弁開始時期を遅角させることにより、混合気の燃焼速度を増加させることを特徴とする内燃機関の制御システム。

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