JP2008297930A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吹き返し現象に起因する吸気ポートへのデポジットの堆積が抑制された内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】ＥＣＵ２０は、吸気圧力よりも排気圧力が高くなる運転状態であるか否かを判定し、吸気圧力よりも排気圧力が高くなる運転状態において、過給機１４のタービン１４ｂをバイパスするバイパス通路１３ｂを開閉するウエストゲートバルブ４０を開側に制御する。ウエストゲートバルブ４０を開側に制御することにより、排気圧力を低下させることができる。これにより、吹き返し現象を抑制でき、吸気ポート６へのデポジットの堆積を抑制できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関においては、吸気圧力よりも排気圧力が高くなることにより、吹き返し現象が発生する恐れがある。この吹き返し現象は、吸気バルブ及び排気バルブの双方が同時に開弁状態となる、いわゆるバルブオーバラップ期間に顕著に発生する現象である。吹き返し現象が発生すると、燃焼室に多量の既燃ガスが残留して、燃焼の不安定化を招く恐れがあった。特許文献２には、このような課題に対する技術が開示されている。

また、内燃機関においては、従来から過給機を備えたものが知られている。特許文献１には、吸気バルブの閉弁時期を遅角側に変更することによって生じる吹き返しにより、混合気の一部を十分に気化、霧化させ、過給機のウエストゲート弁の開度を制御することにより、吹き返しに起因する充填量の低下を補完することで、排気中のＰＭ（排気微粒子）の低減を図ると共に出力を確保できる技術が開示されている。

特開２００３−２７９７７号公報 特開平１０−２８８０５５号公報

ところで、混合気にはＰＭが含まれているため、吹き返しによって、ＰＭが吸気ポートなどに付着する恐れがある。特に、ブローバイガス還元装置の影響により、オイルなどをバインダとして、吸気ポートにデポジットとして堆積する恐れがある。このデポジットの堆積量によっては、吸気通路の流路係数が変動したり、又は燃焼室内へ導入される旋回流（タンブル流やスワール流）などに影響を与える恐れがあるため、吹き返し現象は可能な限り抑制することが望ましい。

また、過給機は、内燃機関の出力の向上を図るためのものであるが、過給機のタービンの作用によっては、吸気圧力より排気圧力が高くなる状態を助長する恐れがある。

したがって本発明の目的は、吹き返し現象に起因する吸気ポートへのデポジットの堆積が抑制された内燃機関の制御装置を提供することである。

上記目的は、吸気圧力よりも排気圧力が高くなる運転状態であるか否かを判定する運転状態判定手段と、吸気圧力よりも排気圧力が高くなる運転状態において、過給機のタービンをバイパスするバイパス通路を開閉するウエストゲートバルブを開側に制御するウエストゲートバルブ制御手段とを備えた、ことを特徴とする内燃機関の制御装置によって達成できる。
吸気圧力よりも排気圧力が高くなる運転状態においては、吹き返し現象が発生する可能性が高くなるが、ウエストゲートバルブを開側に制御することにより、排気圧力を低下させることができる。これにより、吹き返し現象を抑制でき、吸気ポートへのデポジットの堆積を抑制できる。

上記構成において、前記ウエストゲートバルブ制御手段は、エンジン冷却水の温度に応じて、前記ウエストゲートバルブを開側に制御する、構成を採用できる。
エンジン冷却水の温度が基準値未満となる低い場合には、ピストン頂面等の温度が低いため、ＰＭの生成量が増大し、特に筒内噴射式の場合で顕著である。従って、冷却水の温度が基準値未満の場合に、ウエストゲートバルブを開側に制御することにより、効果的に吸気ポートへのデポジットの堆積を抑制できる。

また、上記構成において、吸気圧力よりも排気圧力が高くなる運転状態において、吸気圧力よりも排気圧力が高くなることに起因する吹き返し現象を抑制するように、吸気バルブ及び排気バルブの少なくとも一方の開閉タイミングを制御する可変バルブタイミング機構を備えている、構成を採用できる。
吹き返し現象を抑制するように、吸気バルブ及び排気バルブの少なくとも一方の開閉タイミングを制御することによって、効果的に吸気ポートへのデポジットの堆積を抑制できる。

本発明によれば、吹き返し現象に起因する吸気ポートへのデポジットの堆積が抑制された内燃機関の制御装置を提供できる。

以下、図面を参照して本発明に係る実施例について説明する。
本実施例では、本発明を車両駆動用のエンジンに適用した場合について説明する。図１は、本実施例に係るエンジンおよびその吸排気系の概略構成を示す図である。エンジン１は、４つの気筒２を有する４気筒エンジンである。

気筒２内にはピストン４が摺動自在に設けられている。気筒２内上部の燃焼室５には、吸気ポート６と排気ポート７とが接続されている。吸気ポート６および排気ポート７の燃焼室５への開口部は、それぞれ吸気バルブ８および排気バルブ９によって開閉される。また、吸気バルブ８および排気バルブ９には、吸気側バルブタイミング機構（吸気側ＶＶＴ）１０および排気側バルブタイミング機構（排気側ＶＶＴ）１１がそれぞれ設けられており、それぞれの開閉時期が可変となっている。また、気筒２には、燃焼室５に燃料を噴射する燃料噴射弁３および燃焼室５内の混合気に点火するための点火プラグ１５が設けられている。

吸気ポート６および排気ポート７は、それぞれ吸気通路１２および排気通路１３に接続されている。吸気通路１２の途中には、過給機１４のコンプレッサ１４ａが設置されている。一方、排気通路１３の途中には、過給機１４のタービン１４ｂが設置されている。また、コンプレッサ１４ａより上流側の吸気通路１２には、エアフロメータ２５が設けられており、コンプレッサ１４ａより下流側の吸気通路１２には、該吸気通路１２内の圧力に対応した電気信号を出力する吸気圧力センサ２４が設けられている。尚、タービン１４ｂより上流側の排気通路１３を上流側排気通路１３ａと称する。

また、排気通路１３には、タービン１４ｂをバイパスするバイパス通路１３ｂが設けられており、バイパス通路１３ｂには、ウエストゲートバルブ４０が設けられている。ウエストゲートバルブ４０は、ＥＣＵ２０からの指令によって駆動するアクチュエータ（不図示）によってバイパス通路１３ｂの開口面積を調整可能に形成されている。

さらに、エンジン１には、アクセル開度に対応した電気信号を出力するアクセル開度センサ２１、および、ピストン４の往復運動と連動して回転するクランク軸（不図示）の回転角に対応した電気信号を出力するクランクポジションセンサ２２が設けられている。また、エンジン冷却水の水温を検出する水温センサ２６が設けられている。

以上述べたように構成されたエンジン１には、このエンジン１を制御するためのＥＣＵ２０が併設されている。このＥＣＵ２０は、エンジン１の運転条件や運転者の要求に応じてエンジン１の運転状態を制御するユニットである。ＥＣＵ２０には、エアフロメータ２５や吸気圧力センサ２４、アクセル開度センサ２１、クランクポジションセンサ２２、水温センサ２６が電気的に接続されている。そして、これらの出力信号がＥＣＵ２０に入力される。

また、ＥＣＵ２０には、燃料噴射弁３、点火プラグ１５、吸気側バルブタイミング機構１０、排気側バルブタイミング機構１１が電気的に接続されている。そして、ＥＣＵ２０によってこれらが制御される。例えば、ＥＣＵ２０は、吸気側バルブタイミング機構１０および排気側バルブタイミング機構１１を制御することによって、吸気バルブ８および排気バルブ９の開閉時期をそれぞれ制御する。これにより、吸気バルブ８と排気バルブ９とが共に開弁状態となっているバルブオーバラップ期間が制御される。また、吸気側バルブタイミング機構１０による吸気バルブ８の変位角を検出する、吸気側変位角センサ３０、排気側バルブタイミング機構１１による排気バルブ９の変位角を検出する、排気側変位角センサ３１が設けられている。吸気側変位角センサ３０及び排気側変位角センサ３１についても、その出力信号がＥＣＵ２０へ出力される。

ＥＣＵ２０は、図示せぬＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）を備えており、ＲＯＭに格納された制御プログラムに従って、後述する、ＶＶＴ、ウエストゲートバルブ制御処理を実行することが可能に構成されている。また、ＲＡＭには、ＶＶＴ、ウエストゲートバルブ制御処理の実行過程において取得された各種データが一時的に格納される構成となっている。また、ＥＣＵ２０は、各種センサからの出力により、後述する吸気圧力よりも排気圧力が高くなる運転状態であるか、即ち、吹き返し現象が発生し得る運転状態であるか否かを判定する。

次に、ＥＣＵ２０が実行する、ＶＶＴ、ウエストゲートバルブ制御処理を説明する。図２は、ＥＣＵが実行する、ＶＶＴ、ウエストゲートバルブ制御処理の一例を示したフローチャートである。

ＥＣＵ２０は、水温センサ２６からの出力に基づいて、エンジン冷却水の水温が基準値未満であるかどうかを判定する（ステップＳ１）。この基準値とは、既燃焼ガスに含まれる燃焼ＰＭ量が所定量以上となる時の基準となる値をいい、吹き返し現象によって吸気ポート６にＰＭがデポジットとして堆積し始める恐れがある時のエンジン冷却水の温度をいう。

図３は、燃焼ＰＭ量と水温との関係を示したグラフである。縦軸は、燃焼ＰＭ量を示し、横軸がエンジン冷却水の水温を示している。図３に示すように、水温が低下するほど、燃焼ＰＭ量が増大する。従って、水温が低いほど、吹き返し現象による、吸気ポート６へデポジットが堆積する可能性が高くなるといえる。

従って、エンジン冷却水の水温が、基準値以上の場合には、ＥＣＵ２０は、吸気側バルブタイミング機構１０、排気側バルブタイミング機構１１、及びウエストゲートバブル４０に対して、通常処理を実行する（ステップＳ２）。通常処理とは、機関運転状態に応じて、吸気側バルブタイミング機構１０、排気側バルブタイミング機構１１、及びウエストゲートバブル４０を最適に制御する処理である。

エンジン冷却水の水温が基準値未満の場合には、ＥＣＵ２０は、要求吸気量は吹き返し領域であるかどうかを判定する（ステップＳ３）。吹き返し領域とは、吸気圧力が排気圧力よりも高くなる領域をいう。

ここで、吹き返し領域について説明する。図４は、要求空気量が吹き返し領域であるか否かを判定するためのマップであり、ＥＣＵ２０のＲＯＭに記憶されている。吸気圧力よりも排気圧力が高くなる吹き返し領域は、図４に示すように、エンジン回転数と、クランク軸のトルクとの関係に依存する。低負荷領域及び高負荷高回転領域においては、吹き返し領域となる。一方、高負荷低回転領域においては、吹き返し領域とはならず、排気圧力より吸気圧力が高くなる吹き抜け領域となる。この吹き抜け領域においては、排気圧力より吸気圧力が高くなるため、バルブオーバラップ期間を設けたとしても、既燃焼ガスが吸気ポート６へと吹き返される恐れは少ない。

ＥＣＵ２０はこのマップに基づいて、要求空気量が吹き返し領域であるか否かの判定をする。ここで、要求空気量は、所定のエンジン回転数、クランク軸のトルクを実現するために必要となる空気量であり、ＥＣＵ２０は、アクセル開度センサ２１などの各種センサからの出力に基づいて算出する。

要求空気量が吹き返し領域の場合には、ＥＣＵ２０は、排気側バルブタイミング機構１１の作動を制御して、吹き返しによる吸気ポート６へのＰＭの堆積が最小となるように、排気バルブ９の開閉タイミングを制御する（ステップＳ４）。

ここで、吸気側バルブタイミング機構１０及び排気側バルブタイミング機構１１の変位角によって変動する、吸気ポート６への吹き返し量について簡単に説明する。

図５は、吸気側バルブタイミング機構１０及び排気側バルブタイミング機構１１の変位角によって変動する、吸気ポート６への吹き返し量を示したグラフである。横軸は、吸気側バルブタイミング機構１０の変位角を示しており、右側に行くほど進角し、左側に行くほど遅角する。縦軸は、排気側バルブタイミング機構１１の変位角を示しており、上側に行くほど遅角し、下側へ行くほど進角する。従って、グラフの右上に行くほどバルブオーバラップ期間が大きくなることを示している。またグラフ上に示された、０．８〜０．１までの数字は、吹き返し量（燃焼室５から吸気ポート６へと吹き返す既燃焼ガスの量）の度合を示しており、数字が大きいほど吸気ポート６への吹き返し量が大きいことを示している。また、吹き返し量が大きいほど、吸気ポート６へ付着するＰＭ量が多くなる。

図５のグラフ上に、低温時制御ラインを示している。この低温時制御ラインは、吸気側バルブタイミング機構１０の変位角を一定とした場合に、最も吹き返し量が少なくなる排気側バルブタイミング機構１１の変位角を示している。ＥＣＵ２０は、上記ステップＳ３において、排気側バルブタイミング機構１１の変位角を、吸気側バルブタイミング機構１０の変位角にかかわらずに吹き返し量が最少となる変位角に制御する。

次に、ＥＣＵ２０は、ウエストゲートバブル４０を開側に制御する（ステップＳ５）。これにより、排気がタービン１４ｂをバイパスするため、排気圧力が低下する。従って、吸気ポート６への既燃焼ガスの吹き返し量を抑制することができる。

ステップＳ３において、要求空気量が吹き返し領域ではない場合、ＥＣＵ２０は、吸気側バルブタイミング機構１０、排気側バルブタイミング機構１１の変位角を要求空気量に最適となるように設定する（ステップＳ６）。要求空気量が吹き返し領域ではない場合には、既燃焼ガスの排出をスムーズに行うことができるため、例えば、バルブオーバラップさせて、体積効率を向上させて高いトルクを維持することができる。次に、ＥＣＵ２０は、ウエストゲートバブル４０を閉側に制御する（ステップＳ７）。これにより、エンジン１の出力が向上する。

このように、要求空気量が吹き返し領域ではない場合に、ステップＳ６、Ｓ７の処理を実行することにより、ドライバビリティを確保することができる。

以上のように、ＥＣＵ２０は、エンジン冷却水の温度に基づいて、吹き返し現象を抑制するための処理を実行するので、既燃焼ガスに含まれるＰＭ量が増大する低温時に、吹き返し現象を効果的に抑制することができる。これにより、吸気ポート６へのデポジットの堆積を効果的に抑制できる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
上記実施例においては、要求空気量が吹き返し領域の場合には、排気側バルブタイミング機構１１の変位角を制御して、吹き返し量が最小となる排気側バルブタイミング機構１１の変位角に制御したが、このような構成に限定されずに、例えば、吸気側バルブタイミング機構１０、排気側バルブタイミング機構１１の双方の変位角を制御して、吹き返し量が抑制されるバルブタイミングに制御するようにしてもよい。また、吸気側バルブタイミング機構１０の変位角のみを制御してもよい。

本実施例に係るエンジンおよびその吸排気系の概略構成を示す図である。 ＥＣＵが実行する、ＶＶＴ、ウエストゲートバルブ制御処理の一例を示したフローチャートである。 燃焼ＰＭ量と水温との関係を示したグラフである。 要求空気量が吹き返し領域であるか否かを判定するためのマップである。 吸気側バルブタイミング機構及び排気側バルブタイミング機構の変位角によって変動する吸気ポートへの吹き返し量を示したグラフである。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 気筒
３ 燃料噴射弁
６ 吸気ポート
７ 排気ポート
８ 吸気バルブ
９ 排気弁
１０ 吸気側バルブタイミング機構
１１ 排気側バルブタイミング機構
１２ 吸気通路
１３ 排気通路
１３ｂ バイパス通路
１４ 過給機
１４ａ コンプレッサ
１４ｂ タービン
２０ ＥＣＵ（運転状態判定手段、ウエストゲートバルブ制御手段）
２１ アクセル開度センサ
２２ クランクポジションセンサ
２４ 吸気圧力センサ
２５ エアフロメータ
２６ 水温センサ

Claims (3)

1. 吸気圧力よりも排気圧力が高くなる運転状態であるか否かを判定する運転状態判定手段と、
   吸気圧力よりも排気圧力が高くなる運転状態において、過給機のタービンをバイパスするバイパス通路を開閉するウエストゲートバルブを開側に制御するウエストゲートバルブ制御手段とを備えた、ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記ウエストゲートバルブ制御手段は、エンジン冷却水の温度に応じて、前記ウエストゲートバルブを開側に制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 吸気圧力よりも排気圧力が高くなる運転状態において、吸気圧力よりも排気圧力が高くなることに起因する吹き返し現象を抑制するように、吸気バルブ及び排気バルブの少なくとも一方の開閉タイミングを制御する可変バルブタイミング機構を備えている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。

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