JP2014118897A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の再発進時におけるノッキングの発生を好適に抑止する。
【解決手段】気筒１に充填される吸気が流通する吸気通路３上に吸気の温度を低下させるための冷却装置３５を備えておき、内燃機関のアイドリングを伴って停車していた車両が発進加速するときに、冷却装置３５を作動させて吸気を冷却する。冷却装置３５の消費エネルギは、所要の上限値以下に抑制する。その上で、冷却装置３５の下流側における吸気温度の実測値と目標値との偏差の多寡に応じて、点火タイミングの遅角補正量を決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両に搭載される内燃機関に関する。

車両の停車時、内燃機関がアイドリングを継続している状態では、エンジンルームに走行風が吹き込まず、エンジンルーム内の温度が漸次上昇する。さらに、吸気通路を流れる吸気の量が少ないこともあって、吸気通路が過熱する。

このため、車両の再発進時に気筒に充填される吸気が高温高圧化する。しかも、エンジン回転数が低いことから、気筒においてノッキングを引き起こすおそれが高まる。

よって、従来、車両の再発進時には点火タイミングを遅角補正することで、ノッキングの抑制を図っていた（例えば、下記特許文献を参照）。

しかしながら、点火タイミングを大きく遅角補正してもなお、ノッキングを防止できないことがあり得る。また、点火タイミングの遅角化は、内燃機関の出力トルクの低下を招き、燃費面でも不利となる。

特開２００８−０６４０３２号公報

本発明は、内燃機関を搭載した車両の再発進時におけるノッキングの発生を好適に抑止することを所期の目的としている。

上述の課題を解決するべく、本発明では、車両に搭載される内燃機関であって、気筒に充填される吸気が流通する吸気通路上に吸気の温度を低下させるための冷却装置を備え、当該内燃機関のアイドリングを伴って停車していた車両が発進加速するとき、前記冷却装置を作動させて吸気を冷却するものとし、その際の冷却装置の消費エネルギを上限値以下に抑制しながら、冷却装置の下流側における吸気の温度とその目標値との偏差の多寡に応じて点火タイミングの遅角補正量を決定する内燃機関を構成した。

本発明によれば、車両の再発進時におけるノッキングの発生を好適に抑止できる。

本発明の一実施形態における車両用内燃機関の概略構成を示す図。 同実施形態の内燃機関の吸気通路を流通する吸気の温度の推移を例示する図。 同実施形態における内燃機関の制御装置がプログラムに従い実行する処理の手順例を示すフロー図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態の車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の４ストロークエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

加えて、本実施形態では、吸気通路３上に、当該吸気通路３を流通する吸気を冷却するための冷却装置３５を設置している。冷却装置３５は、必要に応じて、吸気を冷却する（吸気から熱を奪う）作動状態と、吸気を冷却しない（吸気から熱を奪わない）停止状態との間で切り換えを行うことができるものとする。

冷却装置３５の具体的態様としては、ペルチェ効果を利用するペルチェ素子や、熱音響現象を利用する熱音響冷却装置、磁気熱量効果を利用する断熱消磁冷却装置、または、エアコンディショナの如く冷媒を用いたヒートポンプ冷却装置等が挙げられる。冷却装置３５は、例えば、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の上流側に配置する。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号（Ｎ信号）ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、車載のバッテリ（図示せず）の充放電量を示唆するバッテリ電流を検出するセンサから出力されるバッテリ電流信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、内燃機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号（Ｇ信号）ｇ、シフトレバーのレンジを知得するためのセンサ（または、シフトポジションスイッチ）から出力されるシフトレンジ信号ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、冷却装置３５に対してその作動／停止や出力等を指令する制御信号ｌ出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、冷却装置３５による吸気の冷却を行うか否か、といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌを出力インタフェースを介して印加する。

内燃機関のシリンダブロックやシリンダヘッドの内部を循環する冷却水は、ラジエータ（図示せず）において外気と熱交換を行う。車両の停車時には、内燃機関を収めたエンジンルームに走行風が吹き込まず、ラジエータの空冷性能も低下する。停車中に内燃機関のアイドリング回転が継続していると、シリンダブロックやシリンダヘッドの温度が上昇し、それとともにエンジンルーム内の温度も上昇してゆく。

さらに、アイドリング状態では、スロットルバルブ３２の開度が絞られており、吸気通路３を少量の吸気が流通するのみである。それ故、図２に示すように、アイドリングを伴う車両の停車中、吸気通路３の温度は徐々に高まってゆく。

このため、車両の再発進時に、気筒１に充填される吸気が高温高圧化する。しかも、発進直後はエンジン回転数が低い、即ち気筒１内を摺動するピストンの運動速度（燃焼室の容積の拡大の速度）が遅いことから、気筒１においてノッキングを引き起こすおそれがある。

そこで、本実施形態のＥＣＵ０は、内燃機関がアイドリングを続けている状態で車両が停車した、即ち車両の車速が０または０に近い所定値以下となった後、アクセル開度の拡大を伴う車両の再発進要求があったときに、冷却装置３５を作動させて吸気通路３を流れる吸気の冷却を行う。

図２中、破線は冷却装置３５を作動させない状況下での吸気通路３の温度の推移を表し、実線は冷却装置３５を作動させた状況下での吸気通路３の温度の推移を表している。車両が発進して車速が増すと、走行風によりエンジンルーム及び吸気通路３が冷却されるようになり、吸気通路３を流れる吸気の温度が低下してゆくが、冷却装置３５を作動させた方がその温度の低下が速いことは言うまでもない。

しかして、ＥＣＵ０は、冷却装置３５を作動させている間、冷却装置３５の下流側（特に、サージタンク３３内）における吸気温度の実測値と、吸気温度の目標値との偏差を演算し、実測値が目標値を上回っている場合には、その偏差が大きいほど点火タイミングをより大きく遅角補正する。

冷却装置３５を作動させる際には、これが消費するエネルギの大きさを上限値以下に抑制する。冷却装置３５がペルチェ素子や熱音響冷却装置、断熱消磁冷却装置といった電気エネルギを消費するものであるならば、当該冷却装置３５の消費電力（または、電力量）を上限値以下に制限する。消費電力は、当該冷却装置３５への印加電流及び／または印加電圧をセンサ等を介して検出することにより推算できる。

あるいは、冷却装置３５が冷媒を用いるヒートポンプであるならば、冷媒を圧縮するコンプレッサ（図示せず）の回転数及び冷媒の圧力等から、当該冷却装置３５が消費する機械的エネルギの大きさを推算できる。

図３に、停車していた車両が再発進するときにＥＣＵ０が実行する処理の手順例を示す。本実施形態のＥＣＵ０は、内燃機関のアイドリングを伴って停車していた車両が発進するときに（ステップＳ１）、冷却装置３５を作動させて（ステップＳ２）、気筒１に充填される吸気の温度の低下を促す。

そして、冷却装置３５の下流側における吸気の温度の実測値と目標値との偏差を演算し（ステップＳ３）、実測値が目標値を下回っている場合（ステップＳ４）には、冷却装置３５に与えるエネルギ（ペルチェ素子等に入力する電気エネルギ、または冷媒圧縮用のコンプレッサに入力する機械エネルギ）を減少させ（ステップＳ５）、冷却装置３５の出力を低下させる。

他方、実測値が目標値を上回っている場合には、冷却装置３５に与えるエネルギを増加させて（ステップＳ７）、冷却装置３５の出力を増大させる。但し、冷却装置３５に与えるエネルギが既に上限値に達している（ステップＳ６）ならば、それ以上エネルギを増加させることはしない。

さらに、ＥＣＵ０は、吸気の温度の実測値が目標値を上回っている場合において、両者の偏差が大きいほど、点火タイミングをより大きく遅角補正する（ステップＳ８）。

上記のステップＳ２ないしＳ８のループは、車速が所定の閾値以上に加速する（ステップＳ９）まで反復する。車速が十分に上昇した後は、冷却装置３５を停止し（ステップＳ１０）、平常の運転制御へと移行する。

本実施形態では、車両に搭載される内燃機関であって、気筒１に充填される吸気が流通する吸気通路３上に吸気の温度を低下させるための冷却装置３５を備え、アイドリング状態で停車していた車両が発進加速するとき、前記冷却装置３５を作動させて吸気を冷却するものとし、その際の冷却装置３５の消費エネルギを上限値以下に抑制しながら、冷却装置３５の下流側における吸気の温度とその目標値との偏差の多寡に応じて点火タイミングの遅角補正量を決定する内燃機関を構成した。

本実施形態によれば、車両の再発進時におけるノッキングの発生を好適に抑止することができる。ノッキングを防ぐために点火タイミングを過剰に遅角化せずに済むことから、エンジントルクの低下を抑制でき、車両の加速性を損なわない。

また、冷却装置３５を作動させることによるエネルギの消費と、冷却装置３５を作動させずに点火タイミングを遅角することによるエネルギの損失とを比較し、前者が後者を上回らない範囲で、冷却装置３５に与えるエネルギの上限値を設定することで、燃費の改善を期待できる。

冷却装置３５が電気エネルギを消費して吸気を冷却するものであるならば、車両の減速時に回生制動を実施して回収（発電）した電気エネルギを車両の再発進時に当該冷却装置３５に与えるようにして、燃費性能のより一層の向上を見込める。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、冷却装置３５が電気エネルギを消費して作動するものである場合、冷却装置３５に印加する電力（または、電力量）の上限値を、そのときのバッテリの蓄電量の多寡に応じて調節してもよい。即ち、バッテリの蓄電量が多いほど上限値を引き上げ、蓄電量が少ないほど上限値を引き下げるようにする。

冷却装置３５は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側に設置しても構わない。

その他、各部の具体的構成や処理の手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両に搭載される内燃機関に適用できる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１２…点火プラグ
３…吸気通路
３５…冷却装置

Claims (1)

1. 車両に搭載される内燃機関であって、
   気筒に充填される吸気が流通する吸気通路上に吸気の温度を低下させるための冷却装置を備え、
   当該内燃機関のアイドリングを伴って停車していた車両が発進加速するとき、前記冷却装置を作動させて吸気を冷却するものとし、
   その際の冷却装置の消費エネルギを上限値以下に抑制しながら、冷却装置の下流側における吸気の温度とその目標値との偏差の多寡に応じて点火タイミングの遅角補正量を決定する内燃機関。

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