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JP7722296B2 - 内燃機関制御装置 - Google Patents
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JP7722296B2 - 内燃機関制御装置 - Google Patents

内燃機関制御装置

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Description

本発明は、内燃機関制御装置に関する。
特許文献1は、排気通路を流れる排気を浄化する機能を有する触媒装置を備えた内燃機関に適用される制御装置を開示している。当該制御装置は、内燃機関の冷間アイドル時に、気筒内から排気通路に排出される排気の温度を上昇させるために点火時期を遅角させる点火時期制御を実施する。また、制御装置は、冷間アイドル時において、当該点火時期制御によって点火時期を遅角させた場合には、点火時期を遅角させない場合よりもバルブオーバーラップ量を少なくする。バルブオーバーラップ量とは、吸気バルブと排気バルブとが同時に開弁状態となる期間の長さである。
特開2003-293801号公報
吸気バルブと排気バルブとを同時に開弁させると、気筒内の排気が内部EGRとして吸気通路に流出するため、吸気通路から気筒内に導入される気体の温度が高くなる。これにより、気筒内での燃料の気化が促進されるため、気筒内から排気通路に排出される排気に含まれる粒子状物質の数を少なくできる。しかしながら、内燃機関の冷間運転時にオーバーラップ量を多くしすぎると、内部EGRの量が過剰となって気筒内での燃焼が不安定となることがある。気筒内での燃焼が不安定になると、内燃機関でサージが発生するおそれがある。
上記課題を解決するための内燃機関制御装置は、吸気バルブと排気バルブとが同時に開弁状態となる期間の長さであるバルブオーバーラップ量を調整する調整機構と、気筒内から排気通路に排出された排気を浄化する触媒装置と、を備える内燃機関に適用される。この内燃機関制御装置は、前記内燃機関の運転を制御する実行装置を備えている。前記実行装置は、前記内燃機関の負荷率である機関負荷率が所定の負荷率領域の上限以下である場合には、前記機関負荷率が当該上限よりも高い場合よりも小さい値を前記バルブオーバーラップ量の上限ガード値として設定するガード値設定処理と、前記内燃機関の冷間運転時に、前記上限ガード値以下の範囲で前記バルブオーバーラップ量を調整することにより、前記排気に含まれる粒子状物質の数を少なくする調整処理と、を実行する。
本件の発明者は、冷間運転時における内燃機関でのサージの発生のしやすさと、バルブオーバーラップ量との関係について各種の実験やシミュレーションを行った結果、以下のような知見を得た。すなわち、内燃機関の冷間運転時に機関負荷率が所定の負荷率領域に含まれている場合、排気に含まれる粒子状物質の数を少なくするために適切な長さをバルブオーバーラップ量として設定すると、内燃機関でサージが発生しやすい。
そこで、上記内燃機関制御装置は、機関負荷率が所定の負荷率領域の上限以下である場合、機関負荷率が当該上限よりも高い場合よりも小さい値を上限ガード値として設定する。当該制御装置は、内燃機関の冷間運転時には、当該上限ガード値以下の範囲でバルブオーバーラップ量を調整する。これにより、内燃機関の冷間運転時において、サージの発生を抑制しつつ、排気に含まれる粒子状物質の数を少なくできる。
図1は、内燃機関制御装置の一実施形態である制御装置と、同制御装置が適用される内燃機関とを示す構成図である。 図2は、同制御装置で実行される複数の処理を示すブロック図である。 図3は、冷却水温及び機関回転数が保持されているという条件下で機関負荷率を変化させた場合における、バルブオーバーラップ量の適合値と上限ガード値との関係を示すグラフである。
以下、内燃機関制御装置の一実施形態を図1~図3に従って説明する。
図1は、内燃機関10と、内燃機関10に適用される制御装置60とを図示している。制御装置60が「内燃機関制御装置」に対応する。
<内燃機関の構造>
内燃機関10は、複数の気筒11と、複数のピストン12と、クランク軸13とを備えている。複数の気筒11内には、往復動可能な状態でピストン12がそれぞれ収容されている。複数のピストン12は、コネクティングロッド14を介してクランク軸13にそれぞれ連結されている。そのため、燃料と空気とを含む混合気が気筒11内で燃焼すると、混合気の燃焼に応じた動力がピストン12及びコネクティングロッド14を介してクランク軸13に伝達される。これにより、クランク軸13が回転する。
内燃機関10は、吸気通路16と、スロットルバルブ17と、排気通路21と、触媒装置22とを備えている。吸気通路16は、複数の気筒11内に導入する空気が流れる通路である。スロットルバルブ17は吸気通路16に設置されている。スロットルバルブ17の開度であるスロットル開度を調整することにより、吸気通路16を流れる空気の流量が調整される。排気通路21は、複数の気筒11から排気が排出される通路である。触媒装置22は、排気通路21を流れる排気を浄化するものである。
内燃機関10は、複数の吸気バルブ25と、複数の排気バルブ26とを備えている。吸気バルブ25が開弁すると、当該吸気バルブ25に対応する気筒11内に吸気通路16から空気が導入される。排気バルブ26が開弁すると、当該排気バルブ26に対応する気筒11内から排気が排気通路21に排出される。
内燃機関10は、吸気用バルブタイミング調整機構27(以下、「吸気VVT機構27」という。)と、排気用バルブタイミング調整機構28(以下、「排気VVT機構28」という。)とを備えている。吸気VVT機構27は、吸気バルブ25の開弁タイミングを調整するものである。排気VVT機構28は、排気バルブ26の開弁タイミングを調整するものである。吸気バルブ25と排気バルブ26とが同時に開弁状態となる期間の長さを「バルブオーバーラップ量」としたとき、吸気VVT機構27及び排気VVT機構28のうち少なくとも一方を作動させることにより、バルブオーバーラップ量を変更できる。したがって、吸気VVT機構27及び排気VVT機構28が、バルブオーバーラップ量を調整する「調整機構」に対応する。
内燃機関10は、燃料噴射弁として複数のポート噴射弁31及び複数の筒内噴射弁32を備えているとともに、複数の点火プラグ35を備えている。複数の気筒11に対して、ポート噴射弁31、筒内噴射弁32及び点火プラグ35がそれぞれ設けられている。ポート噴射弁31は、吸気通路16に燃料を噴射する。筒内噴射弁32は、気筒11内に燃料を直接噴射する。点火プラグ35は、気筒11内において燃料と空気とを含む混合気を火花放電によって点火する。
内燃機関10は、排気駆動式の過給器40を備えている。過給器40は、タービン41とコンプレッサ42とを有している。タービン41は、排気通路21における触媒装置22よりも上流の部分に配置されている。コンプレッサ42は、吸気通路16におけるスロットルバルブ17よりも上流の部分に配置されている。排気の流勢によってタービン41が作動すると、タービン41と同期してコンプレッサ42が作動する。これにより、過給器40は、吸気通路16を流れる空気を加圧する。
<内燃機関の検出系>
内燃機関10の検出系は、検出結果に応じた信号を制御装置60に出力する複数のセンサを備えている。複数のセンサは、クランク角センサ51、水温センサ52、エアフローメータ53、過給圧センサ54及び吸気圧センサ55を含んでいる。クランク角センサ51は、クランク軸13の回転角を検出し、クランク軸13の回転速度に応じた信号を出力する。水温センサ52は、内燃機関10内を循環する冷却水の温度を検出する。エアフローメータ53は、吸気通路16を流れる空気の流量を検出する。過給圧センサ54は、吸気通路16のうち、コンプレッサ42とスロットルバルブ17との間の部分の圧力を検出する。吸気圧センサ55は、吸気通路16のうち、スロットルバルブ17よりも下流の部分の圧力を検出する。
クランク角センサ51の検出信号に基づいたクランク軸13の回転速度を「機関回転数NE」という。水温センサ52の検出値に基づいた冷却水の温度を「冷却水温TMPw」という。エアフローメータ53の検出値に基づいた空気の流量を「吸入空気量GA」という。過給圧センサ54の検出値に基づいた圧力を「過給圧PTC」という。吸気圧センサ55の検出値に基づいた圧力を「吸気圧PIM」という。
<制御装置>
制御装置60は、CPU61とメモリ62とを備えている。メモリ62は、CPU61によって実行される各種の制御プログラムを記憶している。CPU61は、制御プログラムを実行することにより、上記各種のセンサの検出結果に基づいて内燃機関10の運転を制御する。具体的には、CPU61は、吸気バルブ25の開弁タイミング、排気バルブ26の開弁タイミング、点火プラグ35の点火時期、スロットルバルブ17のスロットル開度、ポート噴射弁31の燃料噴射量及び筒内噴射弁32の燃料噴射量を調整する。すなわち、CPU61が「実行装置」に対応する。
ここで、制御装置60は、内燃機関10の冷間運転時には、複数の気筒11内から排気通路21に排出される排気に含まれる粒子状物質(「PM」ともいう。)の数(「PN」ともいう。)を少なくする目的でバルブオーバーラップ量QVOを調整する。
図2及び図3を参照し、内燃機関10の冷間運転時にPNを減少させるための処理の流れについて説明する。
図2に示すように、CPU61は、制御プログラムを実行することにより、以下に示す複数の処理を実行する。すなわち、CPU61は、スカベンジ率算出処理M11、負荷率算出処理M13、負荷率選択処理M15、ガード値設定処理M17及び調整処理M19を実行する。
CPU61は、スカベンジ率算出処理M11において、過給圧PTC及びバルブオーバーラップ量QVOに基づいてスカベンジ率RSを算出する。具体的には、CPU61は、過給圧PTCが高いほどスカベンジ率RSが高くなるように、スカベンジ率RSを算出する。CPU61は、バルブオーバーラップ量QVOが多いほどスカベンジ率RSが高くなるように、スカベンジ率RSを算出する。
CPU61は、負荷率算出処理M13において、内燃機関10の負荷率である機関負荷率を算出する。機関負荷率は、気筒11内に充填される空気量を定めるパラメータであり、基準流入空気量に対する1気筒の1燃焼サイクル当たりの流入空気量の比である。基準流入空気量は、機関回転数NEに応じて変わる。CPU61は、吸入空気量GA及び機関回転数NEに基づいて機関負荷率を算出する。負荷率算出処理M13で算出される機関負荷率を「機関負荷率の算出値KLC」という。
CPU61は、負荷率選択処理M15において、スカベンジ率RSを用いて機関負荷率の算出値KLC又は要求負荷率KLRを選択する。要求負荷率KLRとは、内燃機関10に要求されている機関負荷率である。車両の運転者がアクセル操作を行っている場合、アクセル操作量が大きいほど大きい値が要求負荷率KLRとして算出される。CPU61は、スカベンジ率RSが判定スカベンジ率RSth未満である場合には機関負荷率の算出値KLCを選択する一方、スカベンジ率RSが判定スカベンジ率RSth未満である場合には要求負荷率KLRを選択する。内燃機関10でスカベンジが発生しているか否かをスカベンジ率RSから判断するための値が判定スカベンジ率RSthとして設定されている。スカベンジ率RSが判定スカベンジ率RSth以上である場合は、スカベンジが発生していると見なす。一方、スカベンジ率RSが判定スカベンジ率RSth未満である場合は、スカベンジが発生していないと見なす。なお、機関負荷率の算出値KLC及び要求負荷率KLRのうち、CPU61によって選択された値を、「選択負荷率KLS」という。
CPU61は、ガード値設定処理M17において、バルブオーバーラップ量QVOの上限ガード値QVOLを設定する。CPU61は、冷却水温TMPw、機関回転数NE及び選択負荷率KLSに基づいて上限ガード値QVOLを設定する。本実施形態では、CPU61は、マップMPを用い、冷却水温TMPw、機関回転数NE及び選択負荷率KLSに応じた値を上限ガード値QVOLとして設定する。
ちなみに、冷却水温TMPwが低いほど、気筒11内での燃焼が不安定になりやすい。機関回転数NEが低いほど、気筒11内での燃焼が不安定になりやすい。気筒11内での燃焼が不安定である場合にバルブオーバーラップ量QVOを多くすると、内燃機関10でサージが発生しやすくなる。
そこで、CPU61は、冷却水温TMPwが低いほど小さい値を上限ガード値QVOLとして設定する。CPU61は、機関回転数NEが低いほど小さい値を上限ガード値QVOLとして設定する。
ここで、図3を参照し、冷間運転時における内燃機関10でのサージの発生しやすさと、機関負荷率KLとの関係について説明する。図3に示す実線は、冷却水温TMPw及び機関回転数NEをある値で固定している場合のバルブオーバーラップ量QVOの適合値QVOCVと、機関負荷率KLとの関係を示している。バルブオーバーラップ量の適合値QVOCVとは、排気に含まれる粒子状物質の数を極力少なくできるバルブオーバーラップ量QVOである。冷却水温TMPwや機関回転数NEが変われば、適合値QVOCVの大きさは変わる、すなわち図3に示す実線の形状は変わる。
本件の発明者は、各種の実験やシミュレーションを行った結果、以下の知見を得た。すなわち、機関負荷率KLが、図3に示す所定の負荷率領域RKL内の値である場合に、そのときの機関負荷率KLに対応する適合値QVOCVをバルブオーバーラップ量QVOとして設定すると、内燃機関10でサージが発生しやすい。
そこで、CPU61は、選択負荷率KLSが所定の負荷率領域RKLの上限KLUL以下である場合には、選択負荷率KLSが上限KLULよりも高い場合よりも小さい値を上限ガード値QVOLとして設定する。具体的には、所定の負荷率領域RKLの下限KLDLよりも低い第1負荷率KL1と、上限KLULよりも高い第2負荷率KL2との範囲では、CPU61は、選択負荷率KLSが高いほど大きい値を上限ガード値QVOLとして設定する。これにより、CPU61は、選択負荷率KLSが所定の負荷率領域RKLに含まれている場合には、選択負荷率KLSが高いほど大きい値を上限ガード値QVOLとして設定できる。なお、選択負荷率KLSが上限KLUL以上である場合、CPU61は、適合値QVOCVを下回らないように上限ガード値QVOLを設定する。
図2に戻り、CPU61は、調整処理M19において、上限ガード値QVOL以下の範囲でバルブオーバーラップ量QVOを調整することにより、気筒11内から排気通路21に排出される排気に含まれる粒子状物質の数を少なくする。具体的には、CPU61は、バルブオーバーラップ量の適合値QVOCVと上限ガード値QVOLとのうち、小さい方の値をバルブオーバーラップ量QVOとして設定する。そして、CPU61は、バルブオーバーラップ量QVOに基づいて吸気VVT機構27及び排気VVT機構28を作動させる。
上述したように選択負荷率KLSが所定の負荷率領域RKLの上限KLUL以上である場合、上限ガード値QVOLは、適合値QVOCVを下回らない。そのため、CPU61は、選択負荷率KLSが上限KLUL以下であることを条件に、バルブオーバーラップ量QVOを上限ガード値QVOLで制限していると云える。
<作用及び効果>
本実施形態の作用について説明する。
内燃機関10の冷間運転時には、気筒11内での燃料の気化を促進するために吸気バルブ25と排気バルブ26とを同時に開弁状態にすることがある。これにより、吸気通路16から気筒11内に導入される気体の温度が高くなる。その結果、気筒11内の温度を早期に高くできるため、気筒11内での燃料の気化が促進される。
本実施形態では、冷却水温TMPw、機関回転数NE及び機関負荷率KLに基づいて上限ガード値QVOLが設定される。そして、バルブオーバーラップ量QVOが上限ガード値QVOL以下の範囲で設定される。ちなみに、気筒11内での燃焼が不安定になりやすい運転領域で機関運転が行われている場合には、そうではない場合と比較して小さい値が上限ガード値QVOLとして設定される。
本実施形態では、以下の効果を得ることができる。
(1)制御装置60は、機関負荷率が所定の負荷率領域RKLの上限KLUL以下である場合、機関負荷率が上限KLULよりも高い場合よりも小さい値を上限ガード値QVOLとして設定する。そして、制御装置60は、内燃機関10の冷間運転時には、上限ガード値QVOL以下の範囲でバルブオーバーラップ量QVOを調整する。これにより、内燃機関10の冷間運転時において、内燃機関10でのサージの発生を抑制しつつ、気筒11内から排気通路21に排出される排気に含まれる粒子状物質の数を少なくできる。
(2)図3に示したように機関負荷率が所定の負荷率領域RKLに含まれている場合、機関負荷率が高くなるにつれて徐々に上限ガード値QVOLを大きくできる。これにより、機関負荷率が徐々に大きくなるような機関運転が行われている場合に、上限KLULの前後でバルブオーバーラップ量QVOが急激に大きくなったり、小さくなったりすることを抑制できる。その結果、バルブオーバーラップ量QVOの急激な変化に起因する振動が内燃機関10で発生することを抑制できる。
(3)内燃機関10でスカベンジが発生している場合、吸気通路16から気筒11内に導入された空気のうち、燃焼に寄与することなく排気通路21に排出される空気の量が多い。その結果、機関負荷率の算出値KLCと実際の機関負荷率KLとの乖離が、要求負荷率KLRと実際の機関負荷率KLとの乖離よりも大きくなるおそれがある。そこで、制御装置60は、スカベンジが発生していると判定した場合には、機関負荷率の算出値KLCの代わりに要求負荷率KLRを用いて上限ガード値QVOLを設定している。一方、内燃機関10でスカベンジが発生していない場合、吸気通路16から気筒11内に導入された空気のうち、燃焼に寄与することなく排気通路21に排出される空気の量が多くない。そのため、機関負荷率の算出値KLCと実際の機関負荷率KLとの間に乖離が生じにくい。そこで、制御装置60は、スカベンジが発生していないと判定した場合には、機関負荷率の算出値KLCを用いて上限ガード値QVOLを設定している。このようにスカベンジが発生しているか否かによって機関負荷率の算出値KLCと要求負荷率KLRとを使い分けることにより、スカベンジが発生しているか否かに拘わらず、上限ガード値QVOLを適切に設定できる。
<変更例>
上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・CPU61は、時系列で並ぶ複数の選択負荷率KLSを基に機関負荷率のなまし値を算出し、当該なました値を用いて上限ガード値QVOLを設定するようにしてもよい。
・CPU61は、内燃機関10でスカベンジが発生しているか否かによって機関負荷率の算出値KLCと要求負荷率KLRとを使い分けなくてもよい。すなわち、CPU61は、スカベンジが発生しているか否かに拘わらず、算出値KLCを用いて上限ガード値QVOLを設定してもよいし、要求負荷率KLRを用いて上限ガード値QVOLを設定してもよい。この場合、過給器を備えていない内燃機関に制御装置を適用できる。
・機関負荷率が所定の負荷率領域RKLに含まれている場合に機関負荷率が高いほど大きい値を上限ガード値QVOLとして設定することは必須ではない。
・内燃機関は、バルブオーバーラップ量QVOを調整できるのであれば、吸気VVT機構27及び排気VVT機構28の何れか一方のみを備えた構成でもよい。
・内燃機関10が暖機運転している場合には、ガード値設定処理M17を実行しなくてもよい。これは、暖機運転中ではバルブオーバーラップ量QVOが多いことに起因するサージが内燃機関10で発生しにくいためである。
・制御装置60は、CPUとROMとを備えて、ソフトウェア処理を実行するものに限らない。すなわち、制御装置60は、以下(a)~(c)の何れかの構成であればよい。
(a)制御装置60は、コンピュータプログラムに従って各種処理を実行する一つ以上のプロセッサを備えている。プロセッサは、CPU並びに、RAM及びROMなどのメモリを含んでいる。メモリは、処理をCPUに実行させるように構成されたプログラムコード又は指令を格納している。メモリ、すなわちコンピュータ可読媒体は、汎用又は専用のコンピュータでアクセスできるあらゆる利用可能な媒体を含んでいる。
(b)制御装置60は、各種処理を実行する一つ以上の専用のハードウェア回路を備えている。専用のハードウェア回路としては、例えば、特定用途向け集積回路、すなわちASIC又はFPGAを挙げることができる。なお、ASICは、「Application Specific Integrated Circuit」の略記であり、FPGAは、「Field Programmable Gate Array」の略記である。
(c)制御装置60は、各種処理の一部をコンピュータプログラムに従って実行するプロセッサと、各種処理のうちの残りの処理を実行する専用のハードウェア回路とを備えている。
10…内燃機関、11…気筒、21…排気通路、22…触媒装置、25…吸気バルブ、26…排気バルブ、27…吸気VVT機構、28…排気VVT機構、40…過給器、60…制御装置、61…CPU。

Claims (2)

  1. 吸気バルブと排気バルブとが同時に開弁状態となる期間の長さであるバルブオーバーラップ量を調整する調整機構と、気筒内から排気通路に排出された排気を浄化する触媒装置と、過給器と、を備える内燃機関に適用され、
    前記内燃機関の運転を制御する実行装置を備え、
    前記実行装置は、
    前記内燃機関の負荷率である機関負荷率が所定の負荷率領域の上限以下である場合には、前記機関負荷率が当該上限よりも高い場合よりも小さい値を前記バルブオーバーラップ量の上限ガード値として設定するガード値設定処理と、
    前記内燃機関の冷間運転時に、前記上限ガード値以下の範囲で前記バルブオーバーラップ量を調整することにより、前記排気に含まれる粒子状物質の数を少なくする調整処理と、
    前記過給器の過給圧及び前記バルブオーバーラップ量に基づいてスカベンジ率を算出するスカベンジ率算出処理と、を実行し、
    前記スカベンジ率が判定スカベンジ率以上である場合の前記ガード値設定処理では、前記機関負荷率の要求値を用いて前記上限ガード値を設定し、
    前記スカベンジ率が前記判定スカベンジ率未満である場合の前記ガード値設定処理では、前記機関負荷率の算出値を用いて前記上限ガード値を設定する
    内燃機関制御装置。
  2. 前記実行装置は、前記ガード値設定処理において、前記機関負荷率が前記所定の負荷率領域に含まれている場合には、当該機関負荷率が高いほど大きい値を前記上限ガード値として設定する
    請求項1に記載の内燃機関制御装置。
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