JP5589687B2

JP5589687B2 - エンジンの制御装置

Info

Publication number: JP5589687B2
Application number: JP2010199052A
Authority: JP
Inventors: 知由小郷; 孝小川; 勝広伊藤; 一康岩田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-09-06
Filing date: 2010-09-06
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2030-09-06
Also published as: JP2012057491A

Description

本発明はエンジンの制御装置に関し、特に吸気弁の閉弁時期を遅角させる圧縮着火式内燃機関についてのエンジンの制御装置に関する。

エンジンでは、吸気弁の閉弁時期を遅角させることがある。特許文献１では、中速回転・高負荷運転時に燃焼室に対して設けられた２つの吸気弁のうち、一方の弁を基本位相に対して遅角させる技術が開示されている。また、エンジンでは筒内ガス温度を予測することがある。特許文献２では、筒内ガス温度を算出し、内部ＥＧＲ量に基づき補正する技術が開示されている。このほか特許文献３では、吸気弁の閉時期をエンジンの高速域ほど下死点から遅角した時期に制御する技術が開示されている。

特開２００９−１４４５２１号公報特開２００５−２２６６５５号公報特開１９９６−２５４１３４号公報

圧縮着火式内燃機関では吸気弁の閉弁時期を遅角させることで、有効圧縮比を下げることができる。そしてこれにより、圧縮上死点での筒内ガス温度を低下させることで、ＮＯｘやスモークといった排気エミッションの悪化を抑制できる。

ところが、良好な燃焼を得るには、有効圧縮比だけでなく体積効率についても考慮する必要がある。この点、吸気弁を遅閉じにする場合、燃焼室から吸気通路にガスが逆流する。そして、各吸気ポートの流量係数が異なる場合、機関回転数や各吸気弁間のバルブタイミングの位相差によって各吸気ポートの流量バランスが逐次変化する。そして、流量バランスの変化は、ガスの逆流量に影響を及ぼすことがある。

このため、流量バランスを考慮した上でガスの逆流量を精度良く把握しないと、体積効率の観点からも好適な有効圧縮比が得られないことがある。この点、体積効率の観点から見た場合、有効圧縮比の低下によりガスの逆流量が過大になると、次の燃焼サイクルで燃焼に必要な酸素が不足することがある。すなわち、体積効率が過度に低下する結果、排気エミッションの悪化を招くことがある。

本発明は上記課題に鑑み、吸気弁の閉弁時期を遅角させる場合に、体積効率の観点からも好適な有効圧縮比を得ることが可能なエンジンの制御装置を提供することを目的とする。

本発明は燃焼室に吸気を導く第１の吸気ポート、および前記第１の吸気ポートよりも流量係数が小さい第２の吸気ポートと、前記第１の吸気ポートを開閉する第１の吸気弁、および前記第２の吸気ポートを開閉する第２の吸気弁と、前記第１および第２の吸気弁のうち、第２の吸気弁の閉弁時期を変更可能な動弁装置と、前記燃焼室に吸気を過給する過給機とが設けられた圧縮着火式内燃機関に対して設けられ、前記第２の吸気弁の閉弁時期を遅角制御する制御手段と、機関回転数、筒内圧と過給圧との差圧、および前記第２の吸気弁の遅角量に基づき、前記第１の吸気ポートおよび前記第２の吸気ポートの流量バランスを算出し、算出された前記流量バランスに基づき、前記燃焼室から吸気通路に吹き返すガスの逆流量を算出する算出手段とを備えたエンジンの制御装置である。

また本発明は前記逆流量が所定値よりも大きい場合に、前記第２の吸気弁の遅角量を進角補正する補正手段をさらに備えた構成であることが好ましい。

また本発明は前記逆流量が所定値よりも小さい場合に、前記第２の吸気弁の遅角量を遅角補正する補正手段をさらに備えた構成であることが好ましい。

本発明によれば、吸気弁の閉弁時期を遅角させる場合に、体積効率の観点からも好適な有効圧縮比を得ることができる。

のエンジン等の全体構成図である。エンジンの概略構成図である。エンジンのバルブ配置図である。バルブタイミングの変更を示す図である。ガスの逆流量のマップデータを模式的に示す図である。部分吸気ポートの流量バランスを示す図である。機関回転数および吸入ガス量に応じた部分吸気ポートの流量バランスを示す図である。ＥＣＵの動作をフローチャートで示す図である。

図面を用いて、本発明の実施例について説明する。

図１はエンジン５０および関連する各構成の全体構成図である。図２はエンジン５０の概略構成図である。図３はエンジン５０のバルブ配置図である。図１に示すように、吸気系１０はエアフロメータ１１と、インタークーラ１２と、インテークマニホールド１３とを備えている。エアフロメータ１１は吸入空気量を計測する。インタークーラ１２は過給機３０が圧縮した吸気を冷却する。インテークマニホールド１３はエンジン５０の各気筒５１ａに吸気を分配する。

排気系２０は、エキゾーストマニホールド２１と触媒２２とを備えている。エキゾーストマニホールド２１は各気筒５１ａからの排気を下流側で一つの排気通路に合流させる。触媒２２は排気を浄化する。過給機３０はコンプレッサ部３１とタービン部３２とを備えている。過給機３０は排気駆動式の可変容量型ターボチャージャであり、コンプレッサ部３１が吸気系１０に、タービン部３２が排気系２０にそれぞれ介在するようにして設けられている。

エンジン５０は圧縮着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）である。図２に示すように、エンジン５０はシリンダブロック５１と、シリンダヘッド５２と、ピストン５３と、吸気弁５４と、排気弁５５と、燃料噴射弁５６と、吸気側ＶＶＴ（Variable Valve Timing）５７とを備えている。

シリンダブロック５１には気筒５１ａが形成されている。気筒５１ａ内にはピストン５３が収容されている。シリンダブロック５１の上面にはシリンダヘッド５２が固定されている。燃焼室５８はシリンダブロック５１、シリンダヘッド５２及びピストン５３に囲まれた空間として形成されている。

シリンダヘッド５２には吸気ポート５２ａと排気ポート５２ｂが形成されている。吸気ポート５２ａは燃焼室５８に吸気を導き、排気ポート５２ｂは燃焼室５８からガスを排気する。また、シリンダヘッド５２には吸気弁５４Ａ、５４Ｂと排気弁５５が設けられている。吸気弁５４Ａ、５４Ｂは吸気ポート５２ａを開閉し、排気弁５５は排気ポート５２ｂを開閉する。

図３に示すように、吸気ポート５２ａは具体的には、上流側から燃焼室５８に向かって分岐および開口した部分吸気ポートＩｎ１、Ｉｎ２を備えている。排気ポート５２ｂは、下流側から燃焼室５８に向かって分岐および開口した部分排気ポートＥｘ１、Ｅｘ２を備えている。そして、吸気弁５４Ａが部分吸気ポートＩｎ１を、吸気弁５４Ｂが部分吸気ポートＩｎ２を、２つの排気弁５５が部分排気ポートＥｘ１、Ｅｘ２を開閉する。

部分吸気ポートＩｎ２は部分吸気ポートＩｎ１よりも流量係数が小さくなっている。具体的には、部分吸気ポートＩｎ２のほうが部分吸気ポートＩｎ１よりも流路断面積が小さくなっている。このため、吸気弁５４Ｂは吸気弁５４Ａよりもバルブ径が小さくなっている。部分吸気ポートＩｎ１は第１の吸気ポート、部分吸気ポートＩｎ２は第２の吸気ポートに相当する。吸気弁５４Ａは第１の吸気弁、吸気弁５４Ｂは第２の吸気弁に相当する。

図２に示すように、シリンダヘッド５２には燃料噴射弁５６が設けられている。燃料噴射弁５６は筒内に直接燃料を噴射する。また、シリンダヘッド５２には吸気側ＶＶＴ５７が設けられている。吸気側ＶＶＴ５７には、吸気弁５４Ａ、５４Ｂのうち、吸気弁５４Ｂの閉弁時期を変更可能なものを適用する。

吸気弁５４Ａ、５４Ｂのうち、吸気弁５４Ｂの閉弁時期を変更するには、吸気弁５４Ａ、５４Ｂの閉弁時期を互いに独立して設定可能なものを適用できる。かかる吸気側ＶＶＴ５７としては、例えば前述した特許文献１が開示する動弁装置を適用できる。吸気側ＶＶＴ５７は、例えば吸気弁５４Ａ、５４Ｂの駆動を電磁駆動化した場合の電磁駆動装置それぞれを有した構成として実現することもできる。吸気側ＶＶＴ５７は動弁装置に相当する。

エンジン５０には各種のセンサが設けられている。具体的には例えばエアフロメータ１１や、クランク角度や機関回転数ＮＥを検出するためのクランク角センサ７１や、エンジン５０の冷却水温を検出するための水温センサ７２や、筒内圧Ｐ０を検出するための筒内圧センサ７３などが設けられている。また吸気系１０には、過給圧Ｐを検出するための過給圧センサ７４や、吸気温度Ｔ０´を検出するための温度センサ７５が設けられている。また吸気側ＶＶＴ５７には、バルブタイミングを検出するためのバルブタイミングセンサ７６が設けられている。

ＥＣＵ１は電子制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなるマイクロコンピュータや入出力回路を備えている。ＥＣＵ１にはエアフロメータ１１や前述したセンサ７１から７６など各種のセンサ・スイッチ類が電気的に接続されている。また過給機３０や、燃料噴射弁５６や、吸気側ＶＶＴ５７などの各種の制御対象が電気的に接続されている。

ＲＯＭはＣＰＵが実行する種々の処理が記述されたプログラムやマップデータなどを格納するための構成である。ＣＰＵがＲＯＭに格納されたプログラムに基づき必要に応じてＲＡＭの一時記憶領域を利用しつつ処理を実行することで、ＥＣＵ１では各種の制御手段や判定手段や検出手段などが機能的に実現される。例えばＥＣＵ１では、以下に示す制御手段と算出手段と補正手段とが機能的に実現される。

制御手段は吸気弁５４Ａ、５４Ｂのうち、吸気弁５４Ｂの閉弁時期を遅角制御する。具体的には、図４に示すように吸気弁５４Ａのバルブタイミングを固定しつつ、吸気弁５４Ｂの開弁時期および閉弁時期を一体的に変更することで、吸気弁５４Ｂの閉弁時期を遅角制御する。そしてこれにより、吸気弁５４Ｂの閉弁時期を吸気弁５４Ａの閉弁時期よりも遅角させる。制御手段は吸気側ＶＶＴ５７を制御対象として、吸気弁５４Ｂの閉弁時期を遅角制御する。制御手段が行う遅角制御は、吸気弁５４Ｂを遅閉じにするという意味での遅角制御である。したがって吸気弁５４Ｂの閉弁時期は吸気下死点よりも遅角側に設定される。

算出手段は、機関回転数ＮＥ、筒内圧Ｐ０と過給圧Ｐとの差圧Ｐｄ、および吸気弁５４Ｂの遅角量αに基づき、燃焼室５８から吸気通路に吹き返すガスの逆流量Ｆｂを算出する。算出手段について具体的に説明する前に、まず逆流量Ｆｂ´について説明する。逆流量Ｆｂ´は、吸気の流量（全体流量）を等しくしつつ、部分吸気ポートＩｎ１、Ｉｎ２の流量係数を同じとし、且つ吸気弁５４Ａの閉弁時期を吸気弁５４Ｂの閉弁時期と同様に遅角制御するとした場合の逆流量である。

図５は逆流量Ｆｂ´を設定したマップデータを模式的に示す図である。縦軸は機関回転数ＮＥ、横軸は差圧Ｐｄを示す。すなわち、図５に示すマップデータで、逆流量Ｆｂ´は差圧Ｐｄおよび機関回転数ＮＥに応じて設定されている。マップデータの線は等量線を示す。

逆流量Ｆｂ´は差圧Ｐｄが大きいほど大きくなる。また、機関回転数ＮＥが高いほど小さくなる。吸排気時間が短くなるためである。結果、逆流量Ｆｂ´はマップデータの左上から右下に向かって次第に大きくなる。一方、逆流量Ｆｂ´には遅角量αも影響する。これに対し、図５に示すマップデータは遅角量αに応じて、例えば所定遅角量毎に準備することができる。このため、逆流量Ｆｂ´は差圧Ｐｄ、遅角量αおよび機関回転数ＮＥでモデル化できる。

一方、エンジン５０では、実際には部分吸気ポートＩｎ１、Ｉｎ２の流量係数が異なっている。また、吸気弁５４Ａ、５４Ｂのうち、吸気弁５４Ｂを遅角制御する。すなわち、吸気弁５４Ａ、５４Ｂ間にバルブタイミングの位相差が発生する。このため、機関回転数ＮＥ、差圧Ｐｄおよび遅角量αに応じて部分吸気ポートＩｎ１、Ｉｎ２の流量バランスが変化する。

図６は機関回転数ＮＥおよび遅角量αに応じた部分吸気ポートＩｎ１、Ｉｎ２の流量バランスを示す図である。（ａ）に示す低回転、遅角なしの場合、部分吸気ポートＩｎ１のほうが部分吸気ポートＩｎ２よりも、流通する流量の割合が若干大きくなっている。一方、（ｂ）に示す低回転、遅角ありの場合、部分吸気ポートＩｎ２を流通する流量の割合が減少する。結果、エンジン５０における実際の逆流量Ｆｂは逆流量Ｆｂ´よりも減少する。

（ｃ）に示す高回転、遅角なしの場合、（ａ）の場合よりも、部分吸気ポートＩｎ２を流通する流量の割合が減少する。（ｄ）に示す高回転、遅角ありの場合、（ｃ）の場合と比較し、部分吸気ポートＩｎ２を流通する流量の割合は減少する。また、（ａ）や（ｂ）の場合と比較しても減少する。これらから、部分吸気ポートＩｎ２を流通する流量の割合は機関回転数ＮＥおよび遅角量αに応じて変化することがわかる。さらに機関回転数ＮＥが高いほど、また遅角量αが大きいほど、より減少することがわかる。

図７は機関回転数ＮＥおよび吸入ガス量に応じた部分吸気ポートＩｎ１、Ｉｎ２の流量バランスを示す図である。縦軸は吸入ガス量、横軸は機関回転数ＮＥを示す。グラフの線は等バランス線を示す。グラフには、対応する遅角量αの傾向も矢印で模式的に示している。図７から、吸入ガス量が大きいほど、すなわち差圧Ｐｄが大きいほど、部分吸気ポートＩｎ２を流通する流量の割合がより減少することがわかる。さらに機関回転数ＮＥが高いほど、また遅角量αが大きいほどより減少することが図７からもわかる。

これに対し、算出手段は、吸気の流量（全体流量）を等しくしつつ、部分吸気ポートＩｎ１、Ｉｎ２の流量係数を同じとし、且つ吸気弁５４Ａの閉弁時期を吸気弁５４Ｂの閉弁時期と同様に遅角制御するとした場合に対し、具体的には次のようにして逆流量Ｆｂを算出する。

すなわち、算出手段は機関回転数ＮＥ、差圧Ｐｄおよび遅角量αに基づき、部分吸気ポートＩｎ１、Ｉｎ２の流量バランスを算出する。そして、算出した流量バランスに基づき、機関回転数ＮＥが高いほど、より大きな割合で逆流量Ｆｂ´を減少させる。さらに差圧Ｐｄが大きいほど、また遅角量αが大きいほど、より大きな割合で逆流量Ｆｂ´を減少させる。そしてこれにより、流量バランスの影響を反映した逆流量Ｆｂを算出する。算出手段は流量バランスの影響を予め逆流量Ｆｂ´のマップデータに反映させることで、機関回転数ＮＥ、差圧Ｐｄ、遅角量αに基づき、マップデータから逆流量Ｆｂを算出してもよい。

補正手段は、逆流量Ｆｂが第１の所定値βよりも大きい場合に、遅角量αを進角補正する。具体的には、逆流量Ｆｂが第１の所定値βよりも大きい場合に遅角量αを進角補正することで、遅角制御を中止する。また、補正手段は、逆流量Ｆｂが第１の所定値βよりも小さい場合に、遅角量αを遅角補正する。具体的には、逆流量Ｆｂが第１の所定値βよりも小さく、且つ第２の所定値γよりも小さい場合に、遅角量αを遅角補正する。ＥＣＵ１はエンジンの制御装置に相当する。

次にＥＣＵ１の動作を図８に示すフローチャートを用いて説明する。ＥＣＵ１は目標圧縮比ε_{ｔａｒｇｅｔ}を取得する（ステップＳ１）。目標圧縮比ε_{ｔａｒｇｅｔ}は例えば排気エミッション改善の観点から、エンジン５０の運転条件に応じて予め定めることができる。続いてＥＣＵ１は、目標圧縮比ε_{ｔａｒｇｅｔ}に応じた遅角量αを算出するとともに（ステップＳ２）、機関回転数ＮＥおよび差圧Ｐｄを検出する（ステップＳ３）。差圧Ｐｄとしては、例えば過給圧Ｐおよび行程容積でモデル化したものを用いてもよい。

続いてＥＣＵ１は検出した機関回転数ＮＥ、差圧Ｐｄおよび算出した遅角量αに基づき、逆流量Ｆｂ´を算出する（ステップＳ４）。そして、検出した機関回転数ＮＥ、差圧Ｐｄおよび算出した遅角量αに基づき、流量バランスを算出するとともに（ステップＳ５）、逆流量Ｆｂを算出する（ステップＳ６）。その後、ＥＣＵ１は逆流量Ｆｂが第１の所定値βよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ７）。第１の所定値βは、所定の体積効率を確保可能か否かを判断するための判定値として設定されている。

ステップＳ７で肯定判定であれば、ＥＣＵ１は遅角量αを進角補正する（ステップＳ８）。これにより、遅角制御が中止される。一方、ステップＳ７で否定判定であれば、ＥＣＵ１は逆流量Ｆｂが第２の所定値γよりも小さいか否かを判定する（ステップＳ９）。第２の所定値γは、第１の所定値βよりも小さな値に設定されている。ステップＳ９で肯定判定であれば、ＥＣＵ１は遅角量αを遅角補正した上で、吸気弁５４Ｂを遅角制御する（ステップＳ１０）。一方、ステップＳ９で否定判定であれば、ＥＣＵ１は遅角量αになるように吸気弁５４Ｂを遅角制御する（ステップＳ１１）。

次にＥＣＵ１の作用効果について説明する。ここで、流量バランスの影響が反映されていない逆流量Ｆｂ´を算出する場合、逆流量Ｆｂ´が誤差を含む結果、第１の所定値βと比較しても、所定の体積効率を確保できないことがある。これに対し、ＥＣＵ１は流量バランスの影響が反映された逆流量Ｆｂを算出する。このためＥＣＵ１は、体積効率の観点からも好適な圧縮比を得ることができる。具体的には圧縮比εの最小化および体積効率の最大化を図ることで、圧縮比と体積効率の両立を図ることができる。

また、ＥＣＵ１は逆流量Ｆｂが第１の所定値βよりも大きい場合に、遅角量αを進角補正する。そしてこれにより、逆流量Ｆｂが過大となる結果、次の燃焼サイクルの燃焼時に酸素が不足し、排気エミッションが増大することも抑制できる。また、遅角制御を中止することで、より確実に排気エミッションの増大を抑制できる。

また、ＥＣＵ１は逆流量Ｆｂが第１の所定値βよりも小さい場合に、遅角量αを遅角補正する。そしてこれにより、圧縮比をさらに低下させることで、圧縮比と体積効率の両立をより好適に図ることができる。また、逆流量Ｆｂが第２の所定値γよりも小さい場合に、遅角量αを遅角補正することで、大幅に圧縮比を低下させることができる。結果、排気エミッションをより好適に改善できる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

ＥＣＵ１
過給機３０
エンジン５０
吸気ポート５２ａ
吸気弁５４Ａ、５４Ｂ
燃料噴射弁５６
吸気側ＶＶＴ５７
燃焼室５８

Claims

燃焼室に吸気を導く第１の吸気ポート、および前記第１の吸気ポートよりも流量係数が小さい第２の吸気ポートと、
前記第１の吸気ポートを開閉する第１の吸気弁、および前記第２の吸気ポートを開閉する第２の吸気弁と、
前記第１および第２の吸気弁のうち、第２の吸気弁の閉弁時期を変更可能な動弁装置と、
前記燃焼室に吸気を過給する過給機とが設けられた圧縮着火式内燃機関に対して設けられ、
前記第２の吸気弁の閉弁時期を遅角制御する制御手段と、
機関回転数、筒内圧と過給圧との差圧、および前記第２の吸気弁の遅角量に基づき、前記第１の吸気ポートおよび前記第２の吸気ポートの流量バランスを算出し、算出された前記流量バランスに基づき、前記燃焼室から吸気通路に吹き返すガスの逆流量を算出する算出手段とを備えたエンジンの制御装置。
請求項１記載のエンジンの制御装置であって、
前記逆流量が所定値よりも大きい場合に、前記第２の吸気弁の遅角量を進角補正する補正手段をさらに備えたエンジンの制御装置。
請求項１記載のエンジンの制御装置であって、
前記逆流量が所定値よりも小さい場合に、前記第２の吸気弁の遅角量を遅角補正する補正手段をさらに備えたエンジンの制御装置。