JP2010209716A

JP2010209716A - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP2010209716A
Application number: JP2009054362A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Suzuki; 秀幸鈴木; Tamiichi Kimura; 民一木村
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2009-03-09
Filing date: 2009-03-09
Publication date: 2010-09-24
Anticipated expiration: 2029-03-09
Also published as: JP5316102B2

Abstract

【課題】冷間始動時のＨＣ排出量を最小とする。
【解決手段】吸気ポートへ燃料噴射を行う形式であり、油圧駆動の可変動弁装置を備えるので、油圧が低い始動時には、バルブオーバラップが最小（−６°ＣＡ）となっている。Ｔ０の時点で機関が始動したら、直ちに噴射終了時期ＩＴを遅角させ、Ｔ１の時点までは、吸気行程噴射とする。Ｔ１の時点で可変動弁装置５，６の駆動が許可されると、逐次変化する吸気弁開時期ＩＶＯに対応して、各々の吸気弁開時期の下でＨＣが最小となる所定の噴射終了時期ＩＴに制御する。これにより、ＨＣ排出量を最小としつつ、吸気弁開時期ＩＶＯが進角して、１４°ＣＡのオーバラップとなる。その後、冷却水温Ｔｗに基づきＴ２の時点で、噴射終了時期の遅角が終了し、基準の噴射終了時期ＩＴ０に復帰する。Ｔ３の時点で、可変動弁装置５，６が通常の制御に移行し、バルブオーバラップが縮小する。
【選択図】図６

Description

この発明は、バルブオーバラップを可変とする可変動弁装置を備えた内燃機関の制御装置に関し、特に、冷間始動時の制御の改良に関する。

吸気ポートへ向かって燃料を噴射する吸気ポート噴射型燃料噴射装置においては、機関冷間時に吸気ポート内壁の温度が低いことから、燃料の霧化が悪化し、燃料壁流が増加する、という不具合があり、これに対処するために、吸気ポート内に燃焼室内の残留ガスを積極的に戻し、その熱を利用して燃料の霧化促進を行うことが知られている。例えば、特許文献１は、シリンダ内に流入した吸入空気の一部を、第２の吸気弁を介して吸気ポートへ戻すようにした特殊な構成を開示しているが、吸気弁開時期を遅進し得る可変動弁装置を吸気弁に備えた一般的な内燃機関においても、吸気弁開時期を進角させてバルブオーバラップを拡大することにより、燃焼室の熱の一部を利用して霧化促進を図ることができる。

また、冷間時の燃料壁流を抑制するために、吸気弁を通過する吸気の流速が高い吸気弁開期間と重複する期間に燃料を噴射するいわゆる吸気行程噴射の技術も知られている。

特開昭６３−１８１４９号公報

可変動弁装置を用いた場合に、機関の冷間始動の直後のごく短時間の間は、種々の制限により、可変動弁装置を駆動できず、バルブオーバラップを十分に拡大できないことがある。例えば、可変動弁装置が油圧駆動式の構成であれば、機関が始動して機関の潤滑油圧が十分に立ち上がるまでの間、可変動弁装置を動かすことができない。また、油圧駆動式でなくても、機械的に駆動される可変動弁装置の正常な動作が確保されるまで、可変動弁装置の駆動が許可されないように構成される場合もある。

このような場合には、その間、バルブオーバラップを十分に確保することができず、上述したように吸気ポート内へ噴射された燃料の霧化の悪化による燃料壁流が一時的に増加し、ＨＣが悪化する、という問題がある。

また一般的な吸気行程噴射の技術にあっては、可変動弁装置と組み合わせた場合に、バルブオーバラップの状態によっては、却ってＨＣが増加したり運転性が悪化したりする不具合がある。

この発明に係る内燃機関の制御装置は、内燃機関の吸気ポートに向けて燃料を噴射供給する燃料噴射弁と、排気弁閉時期との間のバルブオーバラップを機関運転条件に応じたものとするために吸気弁開時期を変更する可変動弁装置と、燃料噴射終了時期を機関運転条件に応じて変更する噴射時期制御手段と、機関の温度条件を検出する手段と、を備えている。

そして、機関の冷間始動時に、最小オーバラップにて始動した直後に、そのときの吸気弁開時期に対してＨＣが最小となる所定の噴射終了時期に制御する第１段階と、上記可変動弁装置の駆動が開始したときに、逐次変化する吸気弁開時期に対応して、各々の吸気弁開時期の下でＨＣが最小となる所定の噴射終了時期に制御する第２段階と、機関温度が所定温度に達したときに噴射終了時期を通常の吸気弁開時期前の時期に制御する第３段階と、を実行するように構成されている。

一つの望ましい形態では、上記の第１段階および第２段階においては、噴射終了時期が吸気弁開時期より遅れた吸気行程噴射となる。

機関の始動の際には、最小オーバラップで始動され、完爆後に、第１段階として、噴射終了時期が所定の噴射終了時期となるように制御される。噴射時期の変更は可変動弁装置のように機械的な機構の作動を伴わないので、直ちに実行開始できる。このとき、噴射終了時期が吸気弁開時期の前あるいはその近傍となり、吸気弁を通過する高速の吸気流を利用して燃料の霧化が促進される。そして、可変動弁装置の駆動が開始したら、第２段階として、実際に変化する吸気弁開時期に対しＨＣが最小となる最適点に噴射終了時期を制御していく。これにより、過渡的なＨＣの悪化が回避される。そして、機関の温度が所定温度に達したら、第３段階に移行し、噴射終了時期を吸気弁開時期前の通常の時期に戻す。

この発明によれば、機関の冷間始動から暖機完了に至るまでの間の吸気ポート壁面の壁流による過渡的なＨＣの悪化を最小限に抑制することができる。

この発明に係る内燃機関の制御装置のシステム構成図。バルブオーバラップと噴射終了時期とに対するＨＣならびに燃焼安定性の特性を示す特性図。図２において第１，第２，第３段階の移行を矢印で示した説明図。吸排気弁の開閉時期を示したバルブタイミングチャート。一実施例の制御の流れを示すフローチャート。始動後の噴射終了時期等の変化を示すタイムチャート。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明に係る内燃機関のシステム構成を示す構成説明図であって、内燃機関１は、吸気弁３と排気弁４とを有し、かつ吸気弁３の可変動弁装置として、吸気弁３のリフト・作動角を連続的に拡大・縮小させることが可能な第１可変動弁機構（ＶＥＬ）５と、作動角の中心角を連続的に遅進させることが可能な位相可変機構すなわち第２可変動弁機構（ＶＴＣ）６と、を備えている。また、吸気通路７には、モータ等のアクチュエータにより開度が制御される電子制御スロットル弁２が設けられている。これらの第１，第２可変動弁機構５，６および電子制御スロットル弁２は、コントロールユニット１０によって制御されている。

また、吸気ポート内へ向けて燃料を噴射する燃料噴射弁８が吸気通路７に配設されており、吸入空気量に応じた量の燃料が、この燃料噴射弁８から噴射される。

上記のコントロールユニット１０には、運転者により操作されるアクセルペダルに設けられたアクセル開度センサ１１からのアクセル開度信号ＡＰＯ、エンジン回転速度センサ１２からのエンジン回転速度信号Ｎｅ、吸入空気量センサ１３からの吸入空気量信号、水温センサ１４からの冷却水温信号Ｔｗなどが入力されており、コントロールユニット１０は、これらの信号に基づいて、燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期、スロットル弁開度、作動角目標値、中心角目標値、等を演算し、燃料噴射弁８、点火プラグ９、スロットル弁２、第１，第２可変動弁機構５，６、等を制御する。

上記第１可変動弁機構５および第２可変動弁機構６は、その機械的な構成は公知であり（例えば、特開２００７−２８５３０８号公報、特開２００２−２５６９０５号公報等）、特に、ここでは、第１，第２可変圧縮比機構５，６ともに油圧駆動式の構成であり、機関の潤滑油圧が油圧源として利用されている。なお、本発明においては、少なくとも吸気弁３の開時期のみを遅進する可変動弁装置であれば足り、例えば、上記の第１，第２可変圧縮比機構５，６のいずれか一方のみでもよく、あるいは、他の形式の可変動弁装置であってもよい。

次に、本発明の要部である冷間始動の際の制御について説明する。

図４は、上記の可変動弁装置５，６によって実現される吸気弁３のバルブタイミングの一例を示しており、図（ａ）は、冷間時に残留ガスの吹き戻しにより燃料噴霧の霧化促進を行うために、吸排気弁３，４のバルブオーバラップを比較的大きく確保したときの特性例を示している。具体的には、バルブオーバラップは、１４°ＣＡである。

一方、図（ｂ）は、負荷の高いときの特性例であり、吸気弁３の開時期が最も遅角側にあり、従って、バルブオーバラップが最小、例えば−６°ＣＡ、となっている。可変動弁装置５，６は、油圧が供給されない機関停止時には、この特性（ｂ）に復帰する構成となっており、従って、機関始動時には、基本的に、この特性（ｂ）でもって始動が行われる。そして、機関始動後、油圧が十分に高くなるまでは、バルブリフト特性の可変制御は開始されず、その間、特性（ｂ）での運転が継続される。また、その可変制御が開始されると、吸気弁開時期が徐々に進角し、バルブオーバラップが拡大していって、特性（ａ）へと変化することになる。

図２は、機関冷機時における（ｉ）ＨＣ排出量および（ii）燃焼安定性と上記のようなバルブオーバラップの大小との関係を示したものであり、ここでは、バルブオーバラップが１４°ＣＡの特性（ａ）と−６°ＣＡの特性（ｂ）のみを代表として示している。また、横軸は、変数として、噴射時期、特に噴射終了時期を示しており、図左側が進角側、右側が遅角側であって、１目盛りが２０°ＣＡである。また、図には、参考として、固定的な排気弁閉時期（ＥＶＣ）、特性（ａ）のときの吸気弁開時期（ＩＶＯ（ａ）として示す）および特性（ｂ）のときの吸気弁開時期（ＩＶＯ（ｂ）として示す）を図示してある。

図示するように、冷機時には、バルブオーバラップが小さい（−６°ＣＡ）と、燃料の霧化が悪いことから、ＨＣ排出量が多い傾向があり、全体として、バルブオーバラップが大きい（例えば１４°ＣＡ）方が、残留ガスの熱による霧化向上により、ＨＣは少なくなる。しかし、特性（ｂ）のようにバルブオーバラップが小さいときに、噴射終了時期を遅らせて吸気弁開時期に近付けていくと、ＨＣ排出量は急激に減少し、噴射終了時期が吸気弁開時期よりも僅かに遅れたときに極小点（Ｐ１）となる。しかし、図から明らかなように、過度に噴射終了時期が遅いと、ＨＣは逆に悪化し、かつ燃焼安定性も悪化してしまう。

噴射終了時期を変化させたときの上記のＨＣ排出量の極小点は、バルブオーバラップが増加すると、それに伴って、進角側に移動する。図では必ずしも明確ではないが、バルブオーバラップが１４°ＣＡの特性（ａ）では、点Ｐ２が極小点となる。

従って、本発明では、図３の矢印Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３に示すように、ＨＣ排出量が最小となるように、バルブオーバラップの変化に合わせて、噴射終了時期を可変制御する。図３のＩＴ０は、暖機後の通常の噴射終了時期を示しており、図示するように、吸気弁３が閉じている期間内に燃料噴射が開始・終了する。また、始動（クランキング）の際は、この噴射終了時期ＩＴ０でもって燃料噴射が行われる。従って、図３の点Ｐ３で冷機時の運転が開始するが、この点Ｐ３ではＨＣ排出量が大であるので、直ちに、極小点Ｐ１へと向かうように噴射終了時期を遅角させる。つまり、第１段階として、矢印Ｙ１のような移行がなされる。この噴射時期の変更は、可変動弁装置５，６のような機械的な動作を必要としないので、直ちに実行可能である。やがて、機関の潤滑油圧が上昇し、可変動弁装置５，６の駆動が開始したら、逐次変化するバルブオーバラップ（吸気弁開時期ＩＶＯ）に対応して、各々のバルブオーバラップの下でＨＣが最小となる所定の噴射終了時期つまり各々の極小点を連ねた形で、噴射終了時期を徐々に進角させる。これが第２段階となり、矢印Ｙ２のような移行がなされる。そして、その後、機関温度条件が所定の条件に達したら、第３段階として矢印Ｙ３のように、噴射終了時期を通常の噴射終了時期ＩＴ０に戻す。これにより、図３から明らかなように、ＨＣ排出量が最小となり、かつ過渡的な燃焼安定性の悪化を確実に回避できる。

図５は、冷間始動時に行われる制御の流れを示すフローチャートであり、まずはじめに、ステップ１のように、図４の特性（ｂ）でもって機関の始動が行われる。なお、噴射終了時期は上記の通常の噴射終了時期ＩＴ０である。完爆して自立運転に移行したら、ステップ２に進み、噴射終了時期ＩＴを遅角し、特性（ｂ）の下でＨＣ排出量が最小となる所定の噴射終了時期とする（第１段階）。ステップ３では、所定の時間の経過あるいは油圧の検出などに基づき、可変動弁装置５，６の駆動を許可する。これにより、可変動弁装置５，６は、図４の特性（ａ）に向かって実際に動作する。ステップ４では、可変動弁装置５，６の動作に伴って変化する吸気弁開時期を逐次読み込み、この吸気弁開時期に対応して、各々の吸気弁開時期の下でＨＣが最小となる所定の噴射終了時期に制御する（第２段階）。そして、機関温度条件が所定の条件に達したら、ステップ５において、噴射終了時期を通常の噴射終了時期ＩＴ０に戻す（第３段階）。さらに、暖機が完了したら、ステップ６において、可変動弁装置５，６を通常の制御に移行し、運転条件によるが、例えば、バルブオーバラップが縮小する。

図６は、冷間始動後に上記のような制御により変化していく吸気弁開時期ＩＶＯと噴射終了時期ＩＴの一例を示すタイムチャートであって、機関回転速度REVと車速Ｖと冷却水温Ｔｗの変化を併せて示してある。図のＴ０の時点で機関が始動し、直ちに第１段階に移行し、Ｔ１の時点までは、吸気行程噴射となる。Ｔ１の時点で可変動弁装置５，６の駆動が許可されると同時に第２段階に移行し、ＨＣ排出量を最小としつつ、吸気弁開時期ＩＶＯが進角して、例えば１４°ＣＡのオーバラップとなる。その後、冷却水温Ｔｗに基づき、Ｔ２の時点で、第３段階として、噴射終了時期の遅角が終了し、基準の噴射終了時期ＩＴ０に復帰する。そして、同じく冷却水温Ｔｗに基づき、Ｔ３の時点で、可変動弁装置５，６が通常の制御に移行し、バルブオーバラップが縮小する。

３…吸気弁
５，６…可変動弁装置
８…燃料噴射弁
１０…コントロールユニット
１４…水温センサ

Claims

内燃機関の吸気ポートに向けて燃料を噴射供給する燃料噴射弁と、
排気弁閉時期との間のバルブオーバラップを機関運転条件に応じたものとするために吸気弁開時期を変更する可変動弁装置と、
燃料噴射終了時期を機関運転条件に応じて変更する噴射時期制御手段と、
機関の温度条件を検出する手段と、
を備えてなる内燃機関の制御装置において、
機関の冷間始動時に、最小オーバラップにて始動した直後に、そのときの吸気弁開時期に対してＨＣが最小となる所定の噴射終了時期に制御する第１段階と、
上記可変動弁装置の駆動が開始したときに、逐次変化する吸気弁開時期に対応して、各々の吸気弁開時期の下でＨＣが最小となる所定の噴射終了時期に制御する第２段階と、
機関温度が所定温度に達したときに噴射終了時期を通常の吸気弁開時期前の時期に制御する第３段階と、を実行することを特徴とする内燃機関の制御装置。
第１段階においては、噴射終了時期が吸気弁開時期より遅れた吸気行程噴射とな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。
第２段階においては、噴射終了時期が吸気弁開時期より遅れた吸気行程噴射となることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
上記可変動弁装置のアクチュエータが、油圧駆動機構であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。