JP2017115628A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の気筒においてノッキングが起こる位置を検知し、ノッキングの効果的な抑止に役立てる。【解決手段】気筒におけるノッキングを検出するための複数のノックセンサを、気筒の吸気ポートに近い側と、排気ポートに近い側とにそれぞれ配置している内燃機関を構成した。このようなものであれば、ノッキングの発生位置が吸気ポートと排気ポートとのうち何れにより近いかに応じて、例えば吸気バルブの開閉タイミングを調整し、以てノッキングの効果的な沈静化を図ることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、車両等に搭載される内燃機関を制御する制御装置に関する。

内燃機関のシリンダブロックに設置した振動式のノックセンサを介してノッキングの発生を感知し、ノッキングが起こる場合には点火タイミングを遅角させるとともに、異常燃焼が起こらない限りにおいて点火タイミングを進角させるノックコントロールシステムが公知である（例えば、下記特許文献を参照）。

近時、内燃機関の熱機械変換効率の改善による出力性能及び燃費性能の向上を目論み、気筒の圧縮比を高める傾向にある。このような高圧縮比化の副作用として、特に低回転高負荷の運転領域において、ノッキングを惹起するリスクがより大きくなっている。ノッキングの発生に対応して点火タイミングを遅角させると、内燃機関の熱機械変換効率が低下してエンジントルクが低減する。そのエンジントルクの落ち込みを補うべく燃料噴射量を増量すれば、燃費性能の悪化が避けられない。

特開２０１５−１２１１８６号公報

本発明は、内燃機関の気筒においてノッキングが起こる位置を検知し、ノッキングの効果的な抑止に役立てることを所期の目的としている。

本発明では、気筒におけるノッキングを検出するための複数のノックセンサを、気筒の吸気ポートに近い側と、排気ポートに近い側とにそれぞれ配置した内燃機関を構成した。このようなものであれば、両ノックセンサの出力信号を参照して、ノッキングの発生位置が吸気ポートと排気ポートとのうち何れにより近いかを知得することができる。

その上で、ノッキングの発生箇所が吸気ポートと排気ポートとのうち何れにより近いかに応じて、吸気バルブの開閉タイミングを調整するものとすれば、よりＭＢＴ（Ｍｉｎｉｍｕｍ ａｄｖａｎｃｅ ｆｏｒ Ｂｅｓｔ Ｔｏｒｑｕｅ）に近いタイミングで混合気に点火することが可能となり、内燃機関の熱機械変換効率が改善して、その出力性能及び燃費性能の向上に寄与し得る。

本発明によれば、内燃機関の気筒においてノッキングが起こる位置を検知して、ノッキングの効果的な抑止に役立てることができる。

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におけるノックセンサの設置位置を模式的に示す図。 同実施形態の内燃機関における吸気バルブタイミングと火炎伝播の方向との関係を模式的に示す図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態の内燃機関は、ポート噴射式の４ストローク火花点火エンジンであり、複数の気筒１（例えば、三気筒。図１には、そのうち一つを図示している）を具備する。各気筒１の吸気ポート１３近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を気筒１毎に設けている。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１３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。

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１４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。

外部ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通する外部ＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、特にサージタンク３３に接続している。

本実施形態の内燃機関には、各気筒１の吸気バルブの開閉タイミングを可変制御できるＶＶＴ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｔｉｍｉｎｇ）機構６が付随している。ＶＶＴ機構６は、各気筒１の吸気バルブを駆動する吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を液圧（潤滑油圧）によって変化させるベーン式のものや、電動機によって変化させる電動式のもの（モータドライブＶＶＴ）である。周知の通り、内燃機関の吸気カムシャフトは、内燃機関の出力軸であるクランクシャフトから回転駆動力の供給を受け、クランクシャフトに従動して回転する。クランクシャフトと吸気カムシャフトとの間には、回転駆動力を伝達するための巻掛伝動装置（図示せず）が介在している。巻掛伝動装置は、クランクシャフト側に設けたクランクスプロケット（または、プーリ）と、吸気カムシャフト側に設けたカムスプロケット（または、プーリ）と、これらスプロケット（または、プーリ）に巻き掛けるタイミングチェーン（または、タイミングベルト）とを要素とする。ＶＶＴ機構６は、吸気カムシャフトをカムスプロケットに対し相対的に回動させることを通じて、吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を変化させ、以て吸気バルブの開閉タイミングを変更する。

本実施形態の内燃機関の制御装置たる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。

ＥＣＵ０の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クランク角センサから出力されるクランク角信号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、要求されるエンジン負荷）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、気筒１に連なる吸気通路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、内燃機関の温度を示唆する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、気筒１を内包しているシリンダブロック１０の振動の大きさを検出する振動式のノックセンサ５１、５２から出力される振動信号ｇ、ｈ等が入力される。

特に本実施形態では、図１及び図２に示すように、シリンダブロック１０における、気筒１の吸気ポート１３及び吸気通路３に近い側と、排気ポート１４及び排気通路に近い側とにそれぞれノックセンサ５１、５２を分離させて配置している。ＥＣＵ０は、吸気側のノックセンサ５１で検出した振動信号ｇと、排気側のノックセンサ５２で検出した振動信号ｈとを個別に受信することができる。

ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、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、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ、ＶＶＴ機構６に対して吸気バルブタイミングの制御信号ｍ等を出力する。

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、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）、吸気バルブの開閉タイミング等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、ｍを出力インタフェースを介して印加する。

しかして、本実施形態のＥＣＵ０は、吸気側のノックセンサ５１の出力信号ｇと、排気側のノックセンサ５２の出力信号ｈとをともに参照して、気筒１においてノッキングが起こった場合にその発生位置が吸気ポート１３と排気ポート１４とのうち何れにより近いかを判断する。

具体的には、ＥＣＵ０が、各ノックセンサ５１、５２が出力する振動信号ｇ、ｈのうちの一方または両方の現在のサンプリング値、即ち現在の振動の振幅の大きさ（振動の強度）を、所定のノック判定値と比較する。そして、前者が後者を上回ったならば、当該気筒１にてノッキングが起こったと判定する。逆に、前者が後者以下であるならば、当該気筒１にてノッキングは起こっていないと判定する。

その上で、ノッキングが起こったと判定した場合には、ＥＣＵ０が、吸気側のノックセンサ５１の出力する振動信号ｇの振幅の大きさと排気側のノックセンサ５２の出力する振動信号ｈの振幅の大きさとを比較したり、振動信号ｇの波形と振動信号ｈの波形との位相のずれを確認したり、振動信号ｇと振動信号ｈとのうち何れが先に振幅が大きくなったかを判断したりすることで、ノッキングの発生位置が吸気ポート１３と排気ポート１４とのうち何れにより近いかを判定する。

さらに、ＥＣＵ０は、ノッキングの発生位置が吸気ポート１３と排気ポート１４とのうち何れにより近いかに応じて、吸気バルブの開閉タイミングを調整し、以てノッキングの効果的な沈静化を図る。

ＶＶＴ機構６を介して操作できる吸気バルブの開閉タイミングは、気筒１の燃焼室内における火炎伝播の方向に影響を及ぼす。例えば、図３に示すように、吸気バルブの開閉タイミングを進角すると火炎Ｆが排気ポート１４に近い側に向かって伝播しやすくなり（図３（Ａ））、吸気バルブの開閉タイミングを遅角すると火炎Ｆが吸気ポート１３に近い側に向かって伝播しやすくなる（図３（Ｂ））。

これに鑑み、本実施形態のＥＣＵ０は、ノッキングの発生位置が吸気ポート１３により近い場合、当該気筒１における吸気バルブの開閉タイミングをそれまでよりも遅角させる。翻って、ノッキングの発生位置が排気ポート１４により近い場合には、当該気筒１における吸気バルブの開閉タイミングをそれまでよりも進角させる。このような吸気バルブタイミングの補正により、当該気筒１におけるノッキングの起こりやすい箇所に向けて火炎伝搬を促し、ノッキングの発生リスクを低下させることができる。

尤も、吸気バルブタイミングと火炎伝播の方向との関係は、内燃機関の構造、吸気ポート１３や燃焼室その他の形状、寸法等に依存する。このため、吸気バルブの開閉タイミングを遅角すると常に火炎Ｆが吸気側に向かい、吸気バルブの開閉タイミングを進角すると常に火炎Ｆが排気側に向かうとは限らない。吸気バルブの開閉タイミングを進角すると火炎Ｆが吸気側に向かい、吸気バルブの開閉タイミングを遅角すると火炎Ｆが排気側に向かうような内燃機関にあっては、ノッキングの発生位置が吸気ポート１３により近い場合に吸気バルブの開閉タイミングをそれまでよりも進角させ、ノッキングの発生位置が排気ポート１４により近い場合に吸気バルブの開閉タイミングをそれまでよりも遅角させるようにする。

勿論、ＥＣＵ０は、上述した吸気バルブタイミングの調整とともに、従前のノックコントロールシステムと同様の点火タイミングの調整を行う。即ち、振動信号ｇ、ｈを参照し、気筒１においてノッキングが起こったと判定した場合には、以後ノッキングが起こらなくなるまで当該気筒１の点火タイミングを徐々に遅角させる。一方で、ノッキングが起こっていないと判定した場合には、ノッキングが起こらない限りにおいて（また、ＭＢＴを上限として）当該気筒１の点火タイミングを徐々に進角させる。

ノッキングの発生の有無の判定及び点火タイミングの遅角／進角補正は、各気筒１毎に個別に行うことができる。

本実施形態では、気筒１におけるノッキングを検出するための複数のノックセンサ５１、５２を、気筒１の吸気ポート１３に近い側と、排気ポート１４に近い側とにそれぞれ配置している内燃機関を構成した。本実施形態によれば、両ノックセンサ５１、５２の出力信号ｇ、ｈを基に、ノッキングの発生位置が吸気ポート１３と排気ポート１４とのうち何れにより近いかを精確に知得することができる。

そして、本実施形態の内燃機関においては、ノッキングの発生位置が吸気ポート１３と排気ポート１４とのうち何れにより近いかに応じて、吸気バルブの開閉タイミングを調整することとしたため、専ら点火タイミングの調整のみによってノッキングの鎮圧を図る従来の内燃機関と比較して、点火タイミングをよりＭＢＴに近づけることが可能となる。従って、内燃機関の熱機械変換効率が改善し、その出力性能及び燃費性能の向上に奏功する。また、ノッキングの抑止を目的として燃料噴射量を増量する（燃料の潜熱を利用して気筒１の燃焼室内温度を低下させる）必要性が小さくなることから、燃料消費量を削減でき、より一層の燃費性能の良化を期待できる。

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、ＶＶＴ機構の具体的態様は任意であり、一意に限定されない。クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を油圧や電動機により進角／遅角させる態様のもの以外にも、吸気バルブ及び／または排気バルブを開閉駆動するカムを複数用意しておきそれらカムを適宜使い分けるもの、ロッカーアームのレバー比を電動機で変化させるもの、吸気バルブ及び／または排気バルブを電磁ソレノイドバルブとしたもの等が知られており、それら種々の機構の中から選択して採用することが許される。

加えて、ノッキングを沈静化させる具体的な手法も、ＶＶＴ機構を介した吸気バルブの開閉タイミングの操作には限定されない。内燃機関にタンブルコントロールバルブが実装されているならば、タンブルコントロールバルブの操作を通じて、ノッキングの発生位置が吸気ポートにより近い場合には（火炎伝播が排気ポート側に偏倚していると考えられることから）タンブルを弱めて火炎を気筒の中央に寄せるようにし、ノッキングの発生位置が排気ポートにより近い場合にはタンブルを強めて火炎を排気ポート側に伝搬させるようにする制御を実施できる。

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、車両等に搭載される内燃機関の制御に用いることができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１２…点火プラグ
３…吸気通路
４…排気通路
６…可変バルブタイミング（ＶＶＴ）機構
ｉ…点火信号
ｈ…振動信号

Claims (2)

1. 気筒におけるノッキングを検出するための複数のノックセンサを、気筒の吸気ポートに近い側と、排気ポートに近い側とにそれぞれ配置している内燃機関。
2. ノッキングの発生位置が吸気ポートと排気ポートとのうち何れにより近いかに応じて、吸気バルブの開閉タイミングを調整する請求項１記載の内燃機関。

Images