JP4366607B2

JP4366607B2 - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP4366607B2
Application number: JP2006011365A
Authority: JP
Inventors: 敬川辺; 勝彦宮本; 隆井上
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2006-01-19
Filing date: 2006-01-19
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2026-01-19
Also published as: JP2007192135A

Description

本発明は、燃焼モードの切り替えが可能であるとともに可変バルブタイミング手段によりバルブオーバラップ量を変更可能な内燃機関の制御装置に関する。

近年、理論空燃比（ストイキ）よりも希薄側（リーン）の空燃比での燃焼が可能であって、運転状態に合わせて当該リーン燃焼モードと通常のストイキ燃焼モードとを切り替え可能な筒内噴射型内燃機関等の希薄燃焼内燃機関（リーンバーンエンジン）が知られている。
また、吸気バルブの開弁時期や排気バルブの閉弁時期を変更し、バルブオーバラップ量を変更可能な可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関も一般に知られている。なお、通常、当該バルブオーバラップ量は内燃機関の回転数と体積効率に基づくマップに応じて制御される。

ここで、リーンバーンエンジンに可変バルブタイミング機構が備えられている場合、燃焼モードが切り替わると、トルクは維持されていても体積効率が変化するためバルブオーバラップ量も変更される。
一般には、体積効率の低いストイキ燃焼モードではバルブオーバラップ量は多く、体積効率の高いリーン燃焼モードではバルブオーバラップ量は少なく制御される。

しかし、例えばストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへの切替時の制御では、まず吸入空気量を増加させることで空燃比を徐々にリーン側に向かわせるが、燃料噴射時期はある程度空燃比がリーンになるまで吸気行程での噴射に維持され、それに伴い点火時期も比較的進角側に維持される。このとき、吸入空気量が増加することで体積効率が増加し、バルブオーバラップ量は徐々に減らされていくが、特に吸気行程での燃料噴射、つまり均一混合でのリーン燃焼運転はバルブオーバラップによる排気還流（以下、内部ＥＧＲという）に対し燃焼が不安定になりやすく、体積効率に基づくマップにしたがってバルブオーバラップ量を変化させていたのでは内部ＥＧＲの減少が間に合わず、ＥＧＲ過多による燃焼の遅延や失火を招きトルク低下等を生じさせるという問題がある。

一方、リーン燃焼モードからストイキ燃焼モードへの切替時については、通常リーン燃焼モードでは排気通路から吸気通路への排気還流（以下、外部ＥＧＲという）の量が比較的多く設定されており、当該燃焼モードの切替時には外部ＥＧＲ量を制御するＥＧＲバルブにより当該外部ＥＧＲ量を減少させるが、これには遅れが生じてしまうため、外部ＥＧＲ量の多い状態が維持されてしまう。これに加え、体積効率の減少によりバルブオーバラップ量を増加させると、内部ＥＧＲ量も増加してしまう。当該内部ＥＧＲは外部ＥＧＲよりも応答性が高いため、燃焼室内はＥＧＲ過多となり、ここでも燃焼の遅延や失火を招きトルク低下等を生じさせるという問題がある。

そこで、燃焼モードを切り替える際に、切り替え先の燃焼モードに対応したバルブタイミングの目標値が燃焼安定側目標値となる場合は、要求燃焼モードが切り替わったときに直ちにバルブタイミングの目標値を切り替え、一方、切り替え前の燃焼モードに対応したバルブタイミングの目標値の方が燃焼安定目標値となる場合は、実燃焼モードが切り替わった時点でバルブタイミングを目標値に切り替える技術が開示されている（特許文献１参照）。
特開２００４−２３２４７６号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された技術では、燃焼モード切替時に均質（ストイキ）燃焼モードに対応したバルブオーバラップ量と、成層（リーン）燃焼モードに対応したバルブオーバラップ量とを比較し、燃焼安定側のバルブオーバラップ量を選択しているだけであり、燃焼モード切替時における燃焼の遅延や失火を確実に防止することができるものではない。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、燃焼モード切替時における燃焼の遅延や失火を抑制しトルク低下を防止することのできる内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１の内燃機関の制御装置では、理論空燃比より希薄側の空燃比で燃焼を行う第１の燃焼モードと該第１の燃焼モードより過濃側の空燃比で燃焼を行う第２の燃焼モードとを切替可能な内燃機関の制御装置であって、前記第１の燃焼モードと前記第２の燃焼モードとの切り替えの制御を行う燃焼モード切替制御手段と、前記内燃機関の吸気バルブの開弁時期及び排気バルブの閉弁時期の少なくとも一方のタイミングを変更可能な可変バルブタイミング手段と、該可変バルブタイミング手段によりバルブオーバラップ量を制御するバルブオーバラップ量制御手段とを備え、該バルブオーバラップ量制御手段は、前記第１の燃焼モードでの運転時には第１のバルブオーバラップ量とし、前記第２の燃焼モードでの運転時には前記第１のバルブオーバラップ量よりも多い第２のバルブオーバラップ量とし、該第１の燃焼モードと該第２の燃焼モードとの切替時には前記第１のバルブオーバラップ量よりも少ない第３のバルブオーバラップ量となるよう制御することを特徴としている。

つまり、第１の燃焼モードと第２の燃焼モードとの切替が可能な内燃機関に可変バルブタイミング手段を備え、第１の燃焼モード及び第２の燃焼モードのそれぞれに対応させた第１のバルブオーバラップ量及び第２のバルブオーバラップ量を設定するとともに、当該第１の燃焼モード時と第２の燃焼モードの切替時に対応した第１のバルブオーバラップ量及び第２のバルブオーバラップ量より少ない第３のバルブオーバラップ量を設定する。

請求項２の内燃機関の制御装置では、前記可変バルブタイミング手段は、前記内燃機関の吸気バルブの開弁時期及び排気バルブの閉弁時期の両方のタイミングを変更可能であることを特徴としている。
つまり、吸気バルブ及び排気バルブの両方のバルブタイミングを変更可能とする。

上記手段を用いる本発明の請求項１の内燃機関の制御装置によれば、第１の燃焼モードと第２の燃焼モードとの切替時に当該第１の燃焼モード時及び第２の燃焼モード時のバルブオーバラップ量よりも少ない第３のバルブオーバラップ量とすることで、燃焼モード切替時における内部ＥＧＲの量を大幅に低減することができる。
これにより、燃焼モード切替時における燃焼の遅延や失火を抑制しトルク低下を防止することができる。

請求項２の内燃機関の制御装置によれば、吸気バルブの開弁時期及び排気バルブの閉弁時期の両方が変更可能であることで、バルブオーバラップ量の変化量を大幅に得ることができ、燃焼モード切替時における内部ＥＧＲを大幅に軽減し、燃焼の遅延や失火を十分に抑制しトルク低下をより確実に防止することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１を参照すると、本発明に係る内燃機関の制御装置の概略構成図が示されている。
エンジン１（内燃機関）は、筒内噴射型の４サイクル直列４気筒型エンジンであり、図１にはそのうちの１つの気筒についての縦断面が示されている。なお、他の気筒についても同様の構成をしているものとして図示及び説明を省略する。

図１に示すように、エンジン１はシリンダブロック２にシリンダヘッド４が載置されて構成されている。
シリンダブロック２に形成されているシリンダ１０内には上下摺動可能にピストン１２が設けられている。当該ピストン１２は上面に凹部を有した形状をなしており、コンロッド１４を介してクランクシャフト１６に連結されている。

また、シリンダ１０に対応して、シリンダヘッド４の下面には所謂ペントルーフ型の斜面が形成されおり、当該シリンダヘッド下面、シリンダ１０、ピストン１２上面に囲まれて燃焼室２０が形成されている。
シリンダヘッド４には燃焼室２０内に直接燃料を噴射可能な燃料噴射弁２２と、燃焼室２０内の混合気に点火を行う点火プラグ２４とが設けられている。

また、シリンダヘッド４下面の一方の斜面からはシリンシリンダヘッド４上面に向かって吸気ポート３０が形成されており、シリンダヘッド４下面の他方の斜面からはシリンダヘッド４の他方の斜面からシリンダヘッド４の側面に向かって排気ポート３２が形成されている。
そして、シリンダヘッド４上面には吸気ポート３０と連通するように吸気マニホールド３４が接続されており、シリンダヘッド４側面には排気ポート３２と連通するように排気マニホールド３６が接続されている。

吸気マニホールド３４には吸気上流側にサージタンク３８が接続されており、当該サージタンク３８より吸気上流側には吸気量を調節する電子スロットルバルブ４０が設けられている。
一方、排気マニホールド３６には排気下流側に排気管４２が接続されている。
また、吸気マニホールド３４及び排気マニホールド３６には、吸気マニホールド３４内と排気マニホールド３６内を連通するようにＥＧＲ通路４４が接続されている。当該ＥＧＲ通路４４にはＥＧＲバルブ４６が設けられており、当該ＥＧＲバルブ４６は、排気マニホールド４２内からＥＧＲ通路４４を通り吸気マニホールド３２内へと還流される外部ＥＧＲガスの量を調節する機能を有している。

また、シリンダヘッド４には、燃焼室２０と吸気ポート３０との連通及び遮断を行う吸気バルブ５０、燃焼室２０と排気ポート３２との連通及び遮断を行う排気バルブ５２がそれぞれ設けられている。
そして、シリンダヘッド４上部には当該吸気バルブ５０及び排気バルブ５２を駆動するカム５４、５６を有したカムシャフト５８、６０がそれぞれ設けられている。

当該各カムシャフト５８、６０の一端には可変バルブタイミング機構（以下、ＶＶＴともいう）６２、６４（可変バルブタイミング手段）が設けられている。
当該ＶＶＴ６２、６４は、例えば、カムシャフト５８、６０を駆動するカムスプロケットに油圧式アクチュエータを内蔵しており、この油圧式アクチュエータへの作動油圧の給排により、カム回転位相角を自在に進角及び遅角させることが可能である。当該作動油圧の給排は、例えばオイルコントロールバルブ（ＯＣＶ）６６、６８により行うことができ、当該ＯＣＶ６６、６８は各ＶＶＴ６２、６４に設けられ、それぞれの油圧式アクチュエータに対して作動油圧の給排を行うことが可能である。また、当該ＯＣＶ６６、６８は車両に搭載されている電子コントロールユニット（ＥＣＵ）７０（バルブオーバラップ量制御手段）によって制御される。

ＥＣＵ７０はＯＣＶ６６、６８を介してＶＶＴ６２、６４を制御し、吸気バルブ５０の開弁時期及び排気バルブ５２の閉弁時期を変更させることでバルブオーバラップ量を制御する機能を有している。例えば、吸気バルブ５０の開弁時期を進角させ、排気バルブ５２の閉弁時期を遅角させることでバルブオーバラップ量を増加させ、吸気バルブ５０の開弁時期を遅角させ排気バルブ５２の閉弁時期を進角させることでバルブオーバラップ量を減少させる。なお、通常は当該バルブオーバラップ量が多いほど内部ＥＧＲの量も増加する傾向にある。

さらに、当該ＥＣＵ７０は、燃料噴射弁２２、点火プラグ２４、電子スロットルバルブ４０、ＥＧＲバルブ４６等の各種装置とも電気的に接続されており、これら各種装置の制御が可能である。
例えば、当該ＥＣＵ７０は、上記エンジン１について、空燃比（Ａ／Ｆ）を理論空燃比（ストイキ）（Ａ／Ｆ１４．７）よりも希薄側の所定の空燃比（例えばＡ／Ｆ３５）とし圧縮行程中に燃料噴射を行い層状燃焼させるリーン燃焼モード（第１の燃焼モード）と、空燃比を理論空燃比近傍とし吸気行程中に燃料噴射を行い均一混合燃焼させるストイキ燃焼モード（第２の燃焼モード）の２つの燃焼モードの切替制御を行う機能も有している（燃焼モード切替制御手段）。

また、当該ＥＣＵ７０には、エンジン回転数と体積効率に応じたバルブオーバラップ量の制御マップが記憶されており、当該マップに基づいて上記リーン燃焼モードに対応し比較的少ないバルブオーバラップ量であるリーン燃焼モード用ＶＯＬｌ（例えばクランク角でみて３０〜５０°）、及びストイキ燃焼モードに対応し比較的多いバルブオーバラップ量であるストイキ燃焼モード用ＶＯＬｓ（例えばクランク角でみて５５°）が設定されている。さらに、ＥＣＵ７０には、上記マップとは関係なくリーン燃焼モードとストイキ燃焼モードとの切替時に対応させ、上記リーン燃焼モード用ＶＯＬｌよりも少ない極少量のバルブオーバラップ量である燃焼モード切替時用ＶＯＬｃ（クランク角でみて０〜１０°）が設定されている。

以下、本発明に係る内燃機関の制御装置の燃焼モードの切替制御について説明する。
図２、３を参照すると本発明の内燃機関の制御装置における燃焼モード切替制御ルーチンのフローチャートが示されており、図４を参照すると本発明の内燃機関の制御装置における燃焼モード切替制御を行った際の各状態を時系列的に示したタイムチャートが示されている。以下当該図４を参照しながら図２、３のフローチャートに沿って説明する。

まずステップ１において、エンジン１がストイキ燃焼モードで運転中であるか否かを判別する。当該判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合は、ステップＳ２に進む。
ステップＳ２では、リーン燃焼モード切替条件が成立しているか否かを判別する。詳しくは、当該リーン燃焼モード切替条件は、車速、エンジン負荷、スロットル開度、冷却水温度等により設定されているものであり、例えば低中負荷の定常運転時等に当該条件が成立するよう設定されている。そして、当該判別結果が偽（Ｎｏ）である場合は、当該ルーチンをリターンして上記の手順を繰り返し実行する。一方、当該判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合、即ちストイキ燃焼モードでの運転中にリーン燃焼モード切替条件が成立した場合は、ステップＳ３に進む。

ステップＳ３では、このときストイキ燃焼モード用ＶＯＬｓであるバルブオーバラップ量を極少量の燃焼モード切替時用ＶＯＬｃとするように、ＯＣＶ６６、６８を介しＶＶＴ６２、６４により吸気バルブ５０の開弁時期及び排気バルブ５２の閉弁時期を制御しバルブオーバラップ量を減少させる。このとき、ＶＶＴ６２、６４を同時に制御して吸気バルブ５０の開弁時期及び排気バルブ５２の閉弁時期を制御しているため、ＶＶＴ６２、６４のどちらか一方のみを制御した場合と比較して応答性が優れる。

続くステップＳ４では、スロットル開度を徐々に開弁させていくことでＡ／Ｆの補正係数をリーン側へとテーリングさせる。なお、このときスロットル開度を開弁させていくことで体積効率Ｅｖは上昇するが、バルブオーバラップ量は上記エンジン回転数と体積効率に基づいたマップと関係なく上記ステップＳ３で減少させた燃焼モード切替時用ＶＯＬｃに維持される。

そして、ステップＳ５では、Ａ／Ｆ補正係数が所定の空燃比領域に達したか否かを判別する。当該所定の空燃比領域は、燃料噴射について吸気行程噴射から圧縮行程噴射へ、圧縮行程噴射から吸気行程噴射への切替が可能な空燃比領域である。当該判別結果が偽（Ｎｏ）である場合は、上記ステップＳ４に戻りＡ／Ｆ補正係数のテーリングを維持する。当該判別結果が真（Ｙｅｓ）となった場合はステップＳ６に進む。なお、ここまでの制御は図４に示すｔ１からｔ２の期間に対応している。

ステップＳ６では、吸気行程で噴射していた燃料噴射時期を圧縮行程での噴射に切り替える。
続いて、ステップＳ７において、ストイキ燃焼モードに対応して進角側にある点火時期をリーン燃焼モードに対応した遅角側の点火時期に切り替える。
そして、ステップＳ８では、Ａ／Ｆ補正係数をさらにリーン側にテーリングさせる。

次に、ステップＳ９では、Ａ／Ｆ補正係数がリーン燃焼モードの目標値（Ａ／Ｆ３５）に達したか否かを判別する。当該判別結果が偽（Ｎｏ）である場合は、上記ステップＳ８に戻りＡ／Ｆ補正係数のテーリングを維持する。当該判別結果が真（Ｙｅｓ）となった場合は、ステップＳ１０に進む。なお、ここまでの制御は図４に示すｔ２からｔ３の期間に対応している。

ステップＳ１０では、このとき燃焼モード切替時用ＶＯＬｃであるバルブオーバラップ量を、ＯＣＶ６６、６８を介してＶＶＴ６２、６４を制御し、上記リーン燃焼モード用ＶＯＬｌまで増加させ当該ルーチンを抜ける。なお、当該制御と同時にＥＧＲバルブ４６を開弁し、外部ＥＧＲの量を増加させる。
一方、上記ステップＳ１での判別結果が偽（Ｎｏ）である場合、即ちリーン燃焼モードで運転している場合には、ステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０では、ストイキ燃焼モード切替条件が成立しているか否かを判別する。当該ストイキ燃焼モード切替条件は、例えば高負荷の加速時等に当該条件が成立するよう設定されている。そして、当該判別結果が偽（Ｎｏ）である場合は、当該ルーチンをリターンして上記の手順を繰り返し実行し、当該判別結果が真（Ｙｅｓ）となった場合は、ステップＳ２１に進む。

ステップＳ２１では、このときリーン燃焼モード用ＶＯＬｌであるバルブオーバラップ量を極少量の燃焼モード切替時用ＶＯＬｃとするように、ＯＣＶ６６、６８を介しＶＶＴ６２、６４により吸気バルブ５０の開弁時期及び排気バルブ５２の閉弁時期を制御しバルブオーバラップ量を減少させる。このときも上記ステップＳ３と同様に、ＶＶＴ６２、６４を同時に制御して吸気バルブ５０の開弁時期及び排気バルブ５２の閉弁時期を制御しているため、ＶＶＴ６２、６４のどちらか一方のみを制御した場合と比較して応答性が優れる。

続くステップＳ２２では、スロットル開度を徐々に閉弁させていくことでＡ／Ｆ補正係数をストイキ側へとテーリングさせる。なお、このときスロットル開度を閉弁させていくことで体積効率Ｅｖは減少するが、バルブオーバラップ量は上記エンジン回転数と体積効率に基づいたマップと関係なく上記ステップＳ２１で減少させた燃焼モード切替時用ＶＯＬｃに維持される。燃焼モード切替時用ＶＯＬｃは上記エンジン回転数と体積効率に基づいたマップと関係なく維持される。

そして、ステップＳ２３では、Ａ／Ｆ補正係数が所定の空燃比領域に達したか否かを判別する。当該判別結果が偽（Ｎｏ）である場合は、ステップＳ２２に戻りＡ／Ｆ補正係数のテーリングを維持する。一方、当該判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合はステップＳ２４に進む。なお、ここまでの制御は図４に示すｔ４からｔ５の期間に対応している。
ステップＳ２４では、圧縮行程で噴射していた燃料噴射時期を吸気行程での噴射に切り替える。

続いて、ステップＳ２５において、リーン燃焼モードに対応して遅角側にある点火時期をストイキ燃焼モードに対応した進角側の点火時期に切り替える。
そして、ステップＳ２６では、Ａ／Ｆ補正係数をさらにストイキ側にテーリングさせる。
次に、ステップＳ２７では、Ａ／Ｆ補正係数がストイキ燃焼モードの目標値（Ａ／Ｆ１４．７）に達したか否かを判別する。当該判別結果が偽（Ｎｏ）である場合は、上記ステップＳ２６に戻りＡ／Ｆ補正係数のテーリングを維持する。当該判別結果が真（Ｙｅｓ）となった場合は、ステップＳ２８に進む。なお、ここまでの制御は図４に示すｔ５からｔ６の期間に対応している。

ステップＳ２８では、このとき燃焼モード切替時用ＶＯＬｃであるバルブオーバラップ量を、ＯＣＶ６６、６８を介してＶＶＴ６２、６４を制御し、上記ストイキ燃焼モード用ＶＯＬｓまで増加させ当該ルーチンを抜ける。なお、当該制御と同時にＥＧＲバルブ４６を閉弁し、外部ＥＧＲの量を減少させる。
以上のように、本発明に係る内燃機関の制御装置ではリーン燃焼モード及びストイキ燃焼モードのそれぞれにおいて、エンジン回転数と体積効率のマップに基づきリーン燃焼モード用ＶＯＬｌ及びストイキ燃焼モード用ＶＯＬｓを設定するとともに、当該マップと関係なく当該リーン燃焼モードとストイキ燃焼モードとの切替時に対応し極少量のバルブオーバラップ量である燃焼モード切替時用ＶＯＬｃを設定する。

そして、燃焼モード切替時には当該燃焼モード切替時用ＶＯＬｃとすることで、ストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへの切替時においては従来よりも早期に内部ＥＧＲを低減させることができ、リーン燃焼モードからストイキ燃焼モードへの切替時においては応答性に優れた内部ＥＧＲを低減させることで外部ＥＧＲの遅れを補うことができる。
これにより、燃焼モード切替時におけるＥＧＲの量を大幅に低減することができ、燃焼の遅延や失火を抑制しトルクの低下を防止することができる。

以上で本発明に係る内燃機関の制御装置の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。
例えば、上記実施形態では、燃焼室内に直接燃料を噴射可能な所謂筒内噴射型エンジンであるが、リーン燃焼モードでの運転が可能であれば所謂吸気管噴射型エンジンであっても構わない。

また、上記実施形態では、第２の燃焼モードの空燃比をストイキとしているが、第１の燃焼モードよりもリッチ側の空燃比であればよい。
また、上記実施形態では、燃焼モード切替時用ＶＯＬｃを極少量のバルブオーバラップ量としているが、当該バルブオーバラップ量は０であっても構わない。

本発明に係る内燃機関の制御装置の概略構成図である。本発明の内燃機関の制御装置における燃焼モード切替時の制御ルーチンのフローチャートである。図２に続く制御ルーチンを示すフローチャートの残部である。本発明の内燃機関の制御装置における燃焼モード切替制御を行った際の各状態を時系列的に示したタイムチャートである。

符号の説明

１エンジン（内燃機関）
２２燃料噴射弁
２４点火プラグ
５０吸気バルブ
５２排気バルブ
５４、５６カム
５８、６０カムシャフト
６２、６４可変バルブタイミング機構（ＶＶＴ）（可変バルブタイミング手段）
６６、６８オイルコントロールバルブ（ＯＣＶ）
７０ＥＣＵ（燃焼モード切替制御手段、バルブオーバラップ量制御手段）

Claims

理論空燃比より希薄側の空燃比で燃焼を行う第１の燃焼モードと該第１の燃焼モードより過濃側の空燃比で燃焼を行う第２の燃焼モードとを切替可能な内燃機関の制御装置であって、
前記第１の燃焼モードと前記第２の燃焼モードとの切り替えの制御を行う燃焼モード切替制御手段と、
前記内燃機関の吸気バルブの開弁時期及び排気バルブの閉弁時期の少なくとも一方のタイミングを変更可能な可変バルブタイミング手段と、
該可変バルブタイミング手段によりバルブオーバラップ量を制御するバルブオーバラップ量制御手段とを備え、
該バルブオーバラップ量制御手段は、前記第１の燃焼モードでの運転時には第１のバルブオーバラップ量とし、前記第２の燃焼モードでの運転時には前記第１のバルブオーバラップ量よりも多い第２のバルブオーバラップ量とし、該第１の燃焼モードと該第２の燃焼モードとの切替時には前記第１のバルブオーバラップ量よりも少ない第３のバルブオーバラップ量となるよう制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記可変バルブタイミング手段は、前記内燃機関の吸気バルブの開弁時期及び排気バルブの閉弁時期の両方のタイミングを変更可能であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。