JP6548585B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、吸気バルブの開弁タイミング及び／または閉弁タイミングを変化させることのできる可変バルブタイミング（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｔｉｍｉｎｇ）機構が付帯した内燃機関を制御する制御装置に関する。

車両等に搭載される内燃機関について、吸気バルブの開閉タイミングを可変制御できるＶＶＴ機構を備えたものが公知である（例えば、下記特許文献を参照）。

特開２０１５−００７４１３号公報

近時、内燃機関の熱機械変換効率の一層の向上を目論み、気筒の理論圧縮比（幾何的圧縮比または公称圧縮比。隙間容積（ピストンが圧縮上死点にあるときの燃焼室の容積）とピストン行程容積との和を隙間容積で割った値）をより高める傾向にある。

一方、内燃機関の気筒の実圧縮比、即ち吸気に対する実効的な圧縮比（典型的には、吸気の圧縮開始時の燃焼室容積を圧縮終了時の燃焼室容積で割った値）は、ＶＶＴ機構が具現する吸気バルブタイミングの影響を受ける。即ち、実圧縮比は、吸気バルブの開弁タイミングや閉弁タイミングが進角するほど増大し、逆にそれらが遅角するほど減少する。

吸気バルブタイミングの進角量が限度を超えると、元より気筒を高圧縮比化していることと相まって、気筒においてプレイグニッションやヘビーノックといった異常燃焼を惹起するリスクが高まる。この種の異常燃焼は、内燃機関にダメージを与えるおそれがあり、決して好ましくない。

本発明は、内燃機関の気筒における異常燃焼の発生を効果的に抑止することを所期の目的としている。

上述した課題を解決するべく、本発明では、吸気バルブの開弁タイミングまたは閉弁タイミングを変更して気筒の実圧縮比を変化させることのできる可変バルブタイミング機構が付帯した内燃機関を制御するものであって、吸気バルブの開弁タイミングまたは閉弁タイミングの基準となるタイミングからの進角量が閾値を上回っている状態が所定時間以上継続している場合に、スロットルバルブの開度の上限をそうでない場合における上限と比較して低く設定し、またはアクセルペダルの踏込量に応じたスロットルバルブの開度をそうでない場合における開度と比較して縮小することとし、高回転領域及び／または低回転領域で用いる前記閾値を、中回転領域で用いる前記閾値よりも低位の値とする内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、内燃機関の気筒における異常燃焼の発生を効果的に抑止できる。

本発明の一実施形態における内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。 内燃機関の運転領域と異常燃焼の発生可能性との関係を例示する図。 本実施形態の制御装置が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、本実施形態における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ストロークガソリンエンジンであり、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。

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ことで生じる排気を各気筒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。

排気ガス再循環（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電動機によって変化させる既知のもの（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、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エンジン回転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、内燃機関に要求されるエンジン負荷、要求出力）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、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ｄ、気筒１を内包しているシリンダブロックの振動の大きさを検出する振動式のノックセンサから出力される振動信号ｅ、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ｆ、吸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、ブレーキペダルが踏まれていることまたはブレーキペダルの踏込量を検出するセンサ（ブレーキスイッチやマスタシリンダ圧センサ等）から出力されるブレーキ信号ｈ等が入力される。

クランク角センサは、クランクシャフトの軸端部に固定されクランクシャフトと一体となって回転するロータの回転角度をセンシングするものである。そのロータには、クランクシャフトの回転方向に沿った所定角度毎に、歯または突起が形成されている。典型的には、クランクシャフトが１０°回転する都度、歯または突起が配置される。クランク角センサは、ロータの外周に臨み、個々の歯または突起が当該センサの近傍を通過することを検知して、その都度クランク角信号ｂとしてパルス信号を発信する。尤も、クランク角センサは、クランクシャフトが一回転する間に三十六回のパルスを出力するわけではない。クランクシャフトのロータの歯または突起は、その一部が欠損している。欠歯部分はそれぞれ、クランクシャフトの特定の回転位相角に対応する。そして、欠歯部分に起因して、クランク角信号ｂのパルス列もまた一部が欠損する。このパルスの欠損を基にして、クランクシャフトの絶対的な角度（姿勢）、換言すれば各気筒１のピストンの現在位置を知ることが可能である。

また、カム角センサは、吸気カムシャフトの軸端部に固定され吸気カムシャフトと一体となって回転するロータの回転角度をセンシングするものである。そのロータには、吸気カムシャフトの回転方向に沿った所定角度毎に、歯または突起が形成されている。カム角センサは、ロータの外周に臨み、個々の歯または突起が当該センサの近傍を通過することを検知して、その都度カム角信号ｇとしてパルス信号を発信する。クランク角信号ｂ及びカム角信号ｇをともに参照すれば、各気筒１の現在の行程を判別して知得できることに加えて、ＶＶＴ機構６が具現している現在の吸気バルブタイミング（の進角量）が明らかとなる。

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ｎ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、ｎを出力インタフェースを介して印加する。

吸気絞り弁であるスロットルバルブ３２は、通常、運転者によるアクセルペダルの踏込量に応じて操作する。即ち、アクセルペダルの踏込量が大きいほど、スロットルバルブ３２の開度を拡大する。しかしながら、気筒１の実圧縮比が高いとき、換言すれば吸気バルブの開閉タイミングの進角量が大きいときにスロットルバルブ３２を大きく開くと、筒内圧力及び筒内温度が非常に高くなって、プレイグニッションやヘビーノックのような異常燃焼を惹起する懸念がある。

そこで、本実施形態のＥＣＵ０は、異常燃焼を惹起するリスクが高い運転領域において、スロットルバルブ３２の開度に上限を設け、アクセルペダルの踏込量がいかに大きくともスロットルバルブ３２をその上限開度以上には開かないようにして、異常燃焼の発生の防止を図る。

図２は、ＶＶＴ機構６を介して吸気バルブの開閉タイミングを最も進角させた状況下における、内燃機関の運転領域［エンジン回転数，サージタンク３３内吸気圧（または、スロットルバルブ３２の開度、気筒１に充填される吸気（新気）量若しくは燃料噴射量）］と異常燃焼の発生可能性との関係を表したものである。図２中、ハッチングを施している領域が、異常燃焼を惹起するリスクの高い領域である。基本的に、スロットルバルブ３２の開度の大きい高負荷領域であって、エンジン回転数が高い領域または低い領域で、異常燃焼を起こしやすい。

図３に示すように、本実施形態のＥＣＵ０は、現在の吸気バルブの開閉タイミングが所定のタイミングよりも進角している、換言すれば吸気バルブタイミングの（基準となるタイミングまたは最遅角タイミングからの）進角量が閾値を上回っている状態にあり（ステップＳ１）、かつその状態が所定時間以上継続している場合に（ステップＳ２）、異常燃焼防止のための制御を実施する（ステップＳ３）。

異常燃焼防止の制御とは、具体的には既に述べた通り、スロットルバルブ３２の開度に上限を設定する（または、ステップＳ１及びＳ２の条件が成立せず異常燃焼防止のための制御を実施しない場合（平常の制御）と比較してスロットルバルブ３２の開度の上限を引き下げる）ことである。

ステップＳ１に関して、吸気バルブタイミングの進角量と比較するべき閾値は、現在のエンジン回転数に応じて調整することが好ましい。例えば、異常燃焼の発生リスクが高まる高回転領域及び／または低回転領域で用いる閾値を、異常燃焼の発生リスクが比較的低い中回転領域で用いる閾値よりも低位の値とする。

同様に、ステップＳ２に関して、所定時間の長さを、エンジン回転数に応じて調整することもできる。例えば、高回転領域及び／または低回転領域での所定時間の長さを、中回転領域でのそれと比較して短縮する。

あるいは、ステップＳ１における閾値及び／またはステップＳ２における所定時間の長さを、現在のエンジン回転数及びサージタンク３３内吸気圧（または、スロットルバルブ３２の開度、気筒１に充填される吸気量若しくは燃料噴射量）に応じて調整しても構わない。その際には、サージタンク３３内吸気圧（または、スロットルバルブ３２の開度、気筒１に充填される吸気量若しくは燃料噴射量）が大きいほど閾値を低く設定し、及び／または、所定時間を短く設定することとなる。

但し、ステップＳ１における閾値として、内燃機関の運転領域とは無関係な上限値を設定し、吸気バルブタイミングの進角量が当該上限値を超えている状態が所定時間以上継続している場合に、異常燃焼防止のための制御を実施することを妨げない。

しかして、現在既に異常燃焼防止のための制御を実施しているのであれば（ステップＳ０）、吸気バルブタイミングの進角量が上記の閾値以下となった状態がある時間以上継続したことを条件として（ステップＳ４、Ｓ５）、異常燃焼防止のための制御を終了し（ステップＳ６）平常の制御へと復帰する。

本実施形態では、吸気バルブの開閉タイミングを変更して気筒１の実圧縮比を変化させることのできる可変バルブタイミング機構６が付帯した内燃機関を制御するものであって、吸気バルブの開閉タイミングが所定のタイミングよりも進角している状態が所定時間以上継続している場合に、スロットルバルブ３２の開度の上限をそうでない場合（平常の制御）における上限と比較して低く設定する内燃機関の制御装置０を構成した。本実施形態によれば、気筒１における異常燃焼の続発を適切に抑止して、内燃機関にダメージを与えることを回避することができる。

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。上記実施形態では、吸気バルブの開閉弁タイミングが所定のタイミングよりも進角している状態が所定時間以上継続している場合に、異常燃焼防止のための制御として、スロットルバルブ３２の開度の上限をそうでない場合における上限と比較して低く設定するようにしていた。だが、これに代えて、異常燃焼防止のための制御として、アクセルペダルの踏込量に応じたスロットルバルブ３２の開度を縮小するようにしてもよい。即ち、アクセルペダルの踏込量が同等であるとの前提の下で、ステップＳ１及びＳ２の条件が成立している場合におけるスロットルバルブ３２の開度を、当該条件が成立していない場合（平常の制御）における開度よりも縮小するのである。

また、内燃機関の各気筒１の吸気バルブの開弁タイミング及び／または閉弁タイミングを変化させるためのＶＶＴ機構６の具体的態様は任意であり、一意に限定されない。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進角／遅角させるもの以外にも、吸気バルブを開弁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を介して変化させるもの、吸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。

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進角／遅角させる態様のＶＶＴ機構６では、吸気バルブの開弁タイミングと閉弁タイミングとが同期して変化するが、これ以外の態様のＶＶＴ機構６を内燃機関に実装しているならば、吸気バルブの開弁タイミングと閉弁タイミングとを非同期に変化させたり、開弁タイミングのみまたは閉弁タイミングのみを変化させたりすることが可能である。それ故、吸気バルブの開弁タイミングの（基準となるタイミングまたは最遅角タイミングからの）進角量と、同じ吸気バルブの閉弁タイミングの進角量とは、相異なることがある。

吸気バルブの開弁タイミングのみ、または閉弁タイミングのみを進角／遅角させても、気筒１に充填される吸気量を増量／減量することは可能である。従って、吸気バルブの開弁タイミングまたは閉弁タイミングの何れかの進角量に応じて、異常燃焼防止のための制御を実施するか否かを決定することも許される。即ち、吸気バルブの開弁タイミングまたは閉弁タイミングが所定のタイミングよりも進角している状態が所定時間以上継続している場合に、スロットルバルブの開度の上限をそうでない場合における上限と比較して低く設定し、またはアクセルペダルの踏込量に応じたスロットルバルブの開度をそうでない場合における開度と比較して縮小するのである。

その他各部の具体的構成は、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適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１１…インジェクタ
３２…スロットルバルブ
６…可変バルブタイミング（ＶＶＴ）機構
ｂ…クランク角信号
ｃ…アクセル開度信号
ｇ…カム角信号
ｋ…開度操作信号
ｎ…吸気バルブタイミングの制御信号

Claims (1)

1. 吸気バルブの開弁タイミングまたは閉弁タイミングを変更して気筒の実圧縮比を変化させることのできる可変バルブタイミング機構が付帯した内燃機関を制御するものであって、
   吸気バルブの開弁タイミングまたは閉弁タイミングの基準となるタイミングからの進角量が閾値を上回っている状態が所定時間以上継続している場合に、スロットルバルブの開度の上限をそうでない場合における上限と比較して低く設定し、またはアクセルペダルの踏込量に応じたスロットルバルブの開度をそうでない場合における開度と比較して縮小することとし、
   高回転領域または低回転領域の少なくとも一方で用いる前記閾値を、中回転領域で用いる前記閾値よりも低位の値とする内燃機関の制御装置。

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