JP2004019554A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アトキンソンサイクル運転を実施する内燃機関において、多量の吸気が必要となる時に、燃料噴射量の増大を最小限にして吸気不足を解消する。
【解決手段】吸気弁閉弁時期を可変とする可変バルブタイミング機構と過給機とを具備してアトキンソンサイクル運転を実施する内燃機関の制御装置であって、必要吸気量を気筒内へ供給するために可変バルブタイミング機構によって吸気弁閉弁時期を所定開弁時期から進角することが必要となる時に（ステップ１０１）、進角によりノッキングが発生するか否かを推定する推定手段（ステップ１０４）を具備し、推定手段によりノッキングが発生すると推定された時には、吸気弁閉弁時期を進角させることなく、過給機を作動させて必要吸気量を気筒内へ供給する（ステップ１０８）。
【選択図】　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
吸気弁の閉弁時期を遅らせることにより実膨張比に比較して実圧縮比を低下させるアトキンソンサイクル運転が公知である。このようなアトキンソンサイクル運転によれば、気筒内の圧縮端温度がそれほど高まることがないためにノッキングが発生し難く、また、ピストンの圧縮仕事を減少させることができる。それにより、ピストンの圧縮仕事減少分に対しての燃料噴射量を低減することができるだけでなく、ノッキング抑制のための点火時期遅角による機関出力減少を補うための燃料噴射量増加を防止することができ、全体的な燃料消費率を低減することが可能となる。
【０００３】
しかしながら、このように吸気弁の閉弁時期を遅らせていると、そのままでは多量の吸気を気筒内へ供給することは難しく、一般的には、可変バルブタイミング機構を設けて、機関高負荷時等の必要吸気が多量となる時には、可変バルブタイミング機構によって吸気弁の閉弁時期を下死点へ向けて進角するようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
こうして吸気弁の閉弁時期を進角すると、多量の吸気を気筒内に供給することはできるが、その一方で、実圧縮比が高まることとなる。それにより、圧縮端温度が高くなって、そのままではノッキングが発生することがあり、これを抑制するために点火時期が遅角され、必要な機関出力が得られるように燃料噴射量が増大させられる。
【０００５】
特開平５−８６９５１号公報には内燃機関の吸気系にスーパチャージャを設けることが提案されており、機関高負荷時等に多量の吸気を気筒内へ供給するためにスーパチャージャを作動させることも考えられる。こうして吸気を過給すれば、実圧縮比が高まっても圧縮端温度が高まることはないために、ノッキングは発生し難く、ノッキング抑制のための点火時期の遅角は必要ない。それにより、点火時期の遅角に伴って燃料噴射量が増大することはないが、スーパチャージャを作動させるには、機関出力の一部が使用されることとなるために、その分、必要な機関出力を得るために燃料噴射量を増大させなければならない。もちろん、スーパチャージャに代えて機関高負荷時にターボチャージャを作動させて吸気を過給するようにしても良いが、排気抵抗増加に伴う機関出力の減少を補うために、やはり、燃料噴射量を増大させなければならない。こうして、可変バルブタイミング機構、及び、スーパチャージャ又はターボチャージャのような過給機の一方だけを常に使用していたのでは、多量の吸気が必要となる時に燃料噴射量が増大して全体的な燃料消費率を十分に低減することができない。
【０００６】
従って、本発明の目的は、アトキンソンサイクル運転を実施する内燃機関において、多量の吸気が必要となる時に、燃料噴射量の増大を最小限にして吸気不足を解消することができる内燃機関の制御装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による請求項１に記載の内燃機関の制御装置は、吸気弁閉弁時期を可変とする可変バルブタイミング機構と過給機とを具備してアトキンソンサイクル運転を実施する内燃機関の制御装置であって、必要吸気量を気筒内へ供給するために前記可変バルブタイミング機構によって前記吸気弁閉弁時期を所定開弁時期から進角することが必要となる時に、進角によりノッキングが発生するか否かを推定する推定手段を具備し、前記推定手段によりノッキングが発生すると推定された時には、前記吸気弁閉弁時期を進角させることなく、前記過給機を作動させて前記必要吸気量を気筒内へ供給することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明による請求項２に記載の内燃機関の制御装置は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、前記推定手段によりノッキングが発生すると推定された時には、前記ノッキングを抑制するのに必要な点火時期の遅角に伴う燃料噴射量の増加分が前記過給機の作動に伴う燃料噴射量の増加分を上回る場合にだけ、前記吸気弁閉弁時期を進角させることなく、前記過給機を作動させて前記必要吸気量を気筒内へ供給することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による制御装置が取り付けられた内燃機関の概略図である。同図において、１は機関本体、２は機関吸気系、３は機関排気系である。機関吸気系２において、インテークマニホルド２ａの上流側にはスロットル弁４が配置され、スロットル弁４の上流側には吸気を冷却するためのインタークーラ５が配置され、最上流にはエアクリーナ６が配置されている。スロットル弁４は、ステップモータ等によって駆動され、アクセルペダルに連動せずに自由に開度設定可能なものである。
【００１０】
インタークーラ５とエアクリーナ６との間において、機関吸気系２にはスーパチャージャのコンプレッサ７が配置され、コンプレッサ７をバイパスするバイパス通路８が設けられている。スーパチャージャのコンプレッサ７は、例えば、ルーツ式であり、クランクシャフト等の機関駆動軸にクラッチを介して連結され、このクラッチを接続することにより機関出力の一部を使用して駆動され、それにより過給が実施される。また、クラッチを切断すればコンプレッサ７は駆動されず、この時には、吸気はバイパス通路８を通り気筒内へ供給され、コンプレッサ７によって吸気抵抗が増加することはない。機関排気系３は、エキゾーストマニホルド３ａの下流側に触媒コンバータ９が配置され、消音器（図示せず）を介して大気へ通じている。
【００１１】
また、機関本体１には、少なくとも吸気弁の閉弁時期を可変とする可変バルブタイミング機構が設けられている。本実施形態の可変バルブタイミング機構は、カムシャフトに対してカムを相対回動させることにより、吸気弁の閉弁時期を開弁時期と共に変化させるものであるが、もちろん、吸気弁を電磁又は油圧駆動式として吸気弁の開弁時期及び閉弁時期を可変とするようにしても良い。
【００１２】
本実施形態の内燃機関は、図２に実線矢印で示すクランク角度範囲において、吸気弁を開弁させ、すなわち、吸気上死点ＴＤＣ直前の第一開弁クランク角度ＴＯ１において吸気弁の開弁を開始し、吸気下死点ＢＤＣを過ぎてピストンがある程度上昇する第一閉弁クランク角度ＴＣ１まで吸気弁を閉弁しないようにして、実膨張比に比較して実圧縮比を低下させるアトキンソンサイクル運転を実施する。
【００１３】
このようなアトキンソンサイクル運転によれば、気筒内の圧縮端温度がそれほど高まることがなく、ピストンの圧縮仕事を減少させることができると共に燃料噴射量増加を伴うノッキング抑制のための点火時期遅角の必要はなく、全体的な燃料消費率を低減することが可能となる。
【００１４】
しかしながら、このようなアトキンソンサイクル運転では、吸気弁の閉弁時期を遅らせているために、ピストンの上昇に伴って気筒内に吸入された吸気の一部は機関吸気系へ戻されることとなって、そのままでは多量の吸気を気筒内へ供給することは難しい。それにより、機関高負荷時等の必要吸気が多量となる時には、一般的に、図２に点線矢印で示すクランク角度範囲において吸気弁を開弁させるように、すなわち、可変バルブタイミング機構によって吸気弁の開弁時期を第一開弁ＴＯ１から第二開弁クランク角度ＴＯ２へ進角すると共に、吸気弁の閉弁時期を下死点へ向けて第一閉弁クランク角度ＴＣ１から第二閉弁クランク角度ＴＣ２へ進角するようになっている。
【００１５】
このような吸気弁の閉弁時期の進角によって機関吸気系へ戻される吸気量は減少し、多量の吸気を気筒内に供給することが可能となる。しかしながら、その一方で、実圧縮比が高まることとなって圧縮端温度が高くなり、そのままではノッキングが発生することがある。実際的には、ノッキングを発生させないように点火時期が遅角され、この時には必要な機関出力を得るために燃料噴射量の増加が必要となる。
【００１６】
多量の吸気を気筒内へ供給するために、吸気弁の閉弁時期を進角することなく、スーパチャージャを駆動して吸気を過給するようにしても良い。このような吸気過給によれば実圧縮比が高まることはなく、それにより、特に圧縮端温度が高まることはないために、ノッキングは依然として発生し難く、点火時期遅角に伴う燃料噴射量の増加は必要ない。しかしながら、この一方で、スーパチャージャを駆動するには、機関出力の一部が使用されることとなり、この機関出力の低下を補うために燃料噴射量の増加が必要となる。もちろん、過給器としてターボチャージャを使用する場合においても、やはり、排気抵抗増加に伴う機関出力の低下を補うために燃料噴射量を増加させなければならない。
【００１７】
こうして、多量の吸気を気筒内へ供給するために、可変バルブタイミング機構だけを使用しても、又は、スーパチャージャ及びターボチャージャのような過給機だけを使用しても、全体的な燃料消費率を十分に低減することができない。
【００１８】
本発明による制御装置は、この問題を解決するために、図３に示すフローチャートに従って、多量の吸気を必要とする時には、可変バルブタイミング機構による吸気弁の閉弁時期の進角と、スーパチャージャによる過給とを切り換えて実施するようになっている。
【００１９】
先ず、ステップ１０１においては、機関負荷及び機関回転数等によって定まる現在の機関運転状態の必要吸気量Ｇｎが、所定吸気量Ｇｎ’を越えるか否かが判断される。この判断が否定される時には、必要吸気量Ｇｎを気筒内へ供給するために吸気弁の閉弁時期を通常のアトキンソンサイクル運転のための所定閉弁時期（第一閉弁クランク角度ＴＣ１）より進角する必要はなく、スロットル弁４の開閉制御により必要吸気量Ｇｎを気筒内へ供給することができる。それにより、ステップ１０１における判断が否定される時には、そのままフローチャートを終了する。
【００２０】
しかしながら、ステップ１０１における判断が肯定される時には、スロットル弁４を全開としても必要吸気量Ｇｎを気筒内へ供給することはできず、ステップ１０２において、必要吸気量Ｇｎを気筒内へ供給するのに必要な吸気弁の進角閉弁時期ＴＣを算出する。この進角閉弁時期ＴＣは必要吸気量Ｇｎが多いほど下死点に近づけられることとなる。
【００２１】
次いで、ステップ１０３では、吸気温度等を考慮して吸気弁の閉弁時期を進角閉弁時期ＴＣとした場合における圧縮端温度ｔが算出される。ステップ１０４では、この圧縮端温度ｔが現在の機関運転状態においてノッキングを発生させる圧縮端温度ｔ’より高いか否かが判断される。この判断が否定される時には、吸気弁を進角閉弁時期ＴＣにおいて閉弁してもノッキングが発生することはなく、すなわち、燃料噴射量の増加を伴う点火時期の遅角は必要ない。それにより、ステップ１０９において、必要吸気量Ｇｎを気筒内へ供給するためには、スーパチャージャ７を駆動させて燃料噴射量を増加させる必要はなく、可変バルブタイミング機構によって吸気弁の閉弁時期が進角閉弁時期ＴＣとされる。
【００２２】
しかしながら、ステップ１０４における判断が肯定される時、すなわち、吸気弁の閉弁時期をステップ１０２において算出された進角閉弁時期ＴＣとするとノッキングが発生すると推定される時には、ステップ１０５において、この時の必要吸気量Ｇｎを気筒内へ供給するのに、吸気弁の閉弁時期は所定閉弁時期ＴＣ１のままで、スーパチャージャ７を駆動して過給を実施するとした場合において、スーパチャージャ７の駆動損失を補うための燃料噴射量の増量分ｄＱ１が算出される。
【００２３】
次いで、ステップ１０６では、ステップ１０４で比較した二つの圧縮端温度の差ｔ−ｔ’が、ノッキングの大きさに対応する値となるために、この差を変数とする関数によって、発生するノッキングを抑制するのに必要な点火時期の遅角に伴う機関出力の低下を補うための燃料噴射量の増量分ｄＱ２を算出する。
【００２４】
次いでステップ１０７に進み、ステップ１０６において算出された吸気弁の閉弁時期を進角する場合の燃料噴射量の増量分ｄＱ２が、ステップ１０５において算出されたスーパチャージャを駆動させる場合の燃料噴射量の増量分ｄＱ１より多いか否かが判断される。この判断が否定される時には、必要吸気量Ｇｎを気筒内へ供給するために、吸気弁の閉弁時期を進角させた方が燃料消費率において有利であり、すなわち、ノッキングを抑制するのに必要な点火時期の遅角量、及び、それに伴う機関出力の減少量はそれほど大きくなく、必要な燃料噴射量の増量分ｄＱ２もそれほど多くないために、ステップ１０９において、可変バルブタイミング機構によって、吸気弁の閉弁時期はステップ１０２において算出された進角閉弁時期ＴＣとされる。
【００２５】
しかしながら、ステップ１０７における判断が肯定される時には、必要吸気量Ｇｎを気筒内へ供給するために、スーパチャージャを駆動させた方が燃料消費率において有利であり、すなわち、ノッキングを抑制するのに必要な点火時期の遅角量、及び、それに伴う機関出力の減少量は大きく、必要な燃料噴射量の増量分ｄＱ２が多くなるために、ステップ１０８において、スーパチャージャによる過給が実施される。
【００２６】
こうして、本実施形態では、多量の吸気を気筒内へ供給することが必要となる時には、燃料噴射量の増量分を無くすように、又は、少なくするように、可変バルブタイミング機構による吸気弁の開弁時期の進角及びスーパチャージャによる過給のいずれかを選択するようになっている。
【００２７】
前述のフローチャートにおいて、ステップ１０４でノッキングが発生すると推定されたにも係わらずに、ステップ１０７における判断が否定されてステップ１０９で吸気弁の閉弁時期を進角する機会は、必要吸気量Ｇｎが所定吸気量Ｇｎ’を僅かに越えた場合だけであり、それほど多くはない。それにより、制御を簡素化するために、前述のフローチャートにおいてステップ１０５からステップ１０７を省略し、ステップ１０４において、ノッキングが発生すると推定された時には、ステップ１０８においてスーパチャージャによる過給を実施するようにしても良い。
【００２８】
【発明の効果】
本発明による内燃機関の制御装置は、アトキンソンサイクル運転を実施する内燃機関の制御装置であって、必要吸気量を気筒内へ供給するために可変バルブタイミング機構によって吸気弁閉弁時期を所定開弁時期から進角することが必要となる時に、進角によりノッキングが発生するか否かを推定する推定手段を具備し、推定手段によりノッキングが発生すると推定された時には、吸気弁閉弁時期を進角させることなく、過給機を作動させて必要吸気量を気筒内へ供給するようになっている。それにより、多量の吸気が必要となる時に、ノッキングが発生しないのであれば吸気弁の閉弁時期を進角して燃料噴射量の増量を防止し、ノッキングが発生するのであれば過給器を作動させて、燃料噴射量の増量分を少なくし、燃料噴射量の増大を最小限にして吸気不足を解消することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による内燃機関の制御装置が取り付けられる内燃機関を示す概略図である。
【図２】図１の内燃機関における吸気弁の開弁時期及び閉弁時期を示す図である。
【図３】本発明による制御装置により実施される制御フローチャートである。
【符号の説明】
１…機関本体
２…機関吸気系
３…機関排気径
７…コンプレッサ

Claims (2)

1. 吸気弁閉弁時期を可変とする可変バルブタイミング機構と過給機とを具備してアトキンソンサイクル運転を実施する内燃機関の制御装置であって、必要吸気量を気筒内へ供給するために前記可変バルブタイミング機構によって前記吸気弁閉弁時期を所定開弁時期から進角することが必要となる時に、進角によりノッキングが発生するか否かを推定する推定手段を具備し、前記推定手段によりノッキングが発生すると推定された時には、前記吸気弁閉弁時期を進角させることなく、前記過給機を作動させて前記必要吸気量を気筒内へ供給することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記推定手段によりノッキングが発生すると推定された時には、前記ノッキングを抑制するのに必要な点火時期の遅角に伴う燃料噴射量の増加分が前記過給機の作動に伴う燃料噴射量の増加分を上回る場合にだけ、前記吸気弁閉弁時期を進角させることなく、前記過給機を作動させて前記必要吸気量を気筒内へ供給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。

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