JP2015190357A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料による潤滑オイルの希釈を回避しつつ、ピストンのトップランド壁面に堆積しているデポジットを除去することができる内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】トップリング26A及び同トップリング26Aに関して燃焼室23とは反対側に配設されるセカンドリング26B、を備えたピストン25と、排気バルブ及び吸気バルブを開閉する動弁機構と、を具備する内燃機関において、制御装置は、ピストン25のトップランド壁面29Aに堆積しているデポジットDの除去が要求されたときに、膨張行程において排気バルブ及び吸気バルブの少なくとも一方を開弁させる膨張行程リフトを動弁機構に行わせることによって、トップリング26Aとセカンドリング26Bとの間の空間29C内のガスの圧力を燃焼室23内のガスの圧力よりも高くさせる膨張行程リフトモードを実行する制御部を備える。【選択図】図9
Description
本発明は、内燃機関の制御装置に関する。
特許文献1に、直噴型ガソリンエンジンの燃焼室を画成する壁面(以下「燃焼室壁面」)に堆積しているデポジットを除去するデポジット除去装置(以下「従来装置」)が記載されている。従来装置は、燃料噴射弁から噴射された燃料が液体の状態を維持するようなタイミングにて燃料を燃料噴射弁から噴射する。この液状の燃料によりデポジットが洗浄され、同デポジットが燃焼室壁面から除去される。
従来装置においては、デポジットを除去するために燃料噴射弁から噴射された燃料が液状であるので、燃料が少なからず燃焼室壁面に付着する。このように燃料が燃焼室壁面に付着すると、その燃料がピストンと燃焼室壁面との間を通り、オイルパン内に貯留されている潤滑オイルに混入する。これにより、潤滑オイルが希釈されてしまう。
デポジットはピストンのトップランド壁面にも堆積する。このデポジットを従来装置を利用して除去しようとした場合、トップランド壁面に堆積しているデポジットが燃料により洗浄されるように燃料噴射弁から燃料が噴射される。つまり、トップランド壁面に向けて燃料が噴射される。しかしながら、この場合にも、燃料が燃焼室壁面に付着するので、その燃料がピストンと燃焼室壁面との間を通り、潤滑オイルを希釈してしまう。
そこで、本発明の目的は、燃料による潤滑オイルの希釈を回避しつつ、ピストンのトップランド壁面に堆積しているデポジットを除去することができる内燃機関の制御装置を提供することにある。
本発明の制御装置は、少なくとも、「トップリング」及び「同トップリングに関して同燃焼室とは反対側に配設されるセカンドリング」、を備えたピストンと、「排気バルブ及び吸気バルブ」を開閉する動弁機構と、を具備する内燃機関に適用される。
更に、本発明の制御装置は、前記ピストンのトップランド壁面に堆積しているデポジットの除去が要求されたときに、膨張行程において「前記排気バルブ及び前記吸気バルブ」の少なくとも一方を開弁させる膨張行程リフトを前記動弁機構に行わせることによって、前記トップリングと前記セカンドリングとの間の空間内のガスの圧力を前記燃焼室内のガスの圧力よりも高くさせる膨張行程リフトモードを実行する制御部を備える。
膨張行程リフトが行われると、トップリングとセカンドリングとの間の空間(以下「セカンドランド空間」とも称呼する)内のガスの圧力が燃焼室内のガスの圧力(筒内圧)よりも高くなる。これにより、セカンドランド空間内のガスがトップリングを越えて燃焼室に流入する。このときに、「同ガス」及び/又は「同ガス中に含まれる潤滑オイル」により、デポジットがトップランド壁面から除去される。このように、本発明によれば、デポジットをトップランド壁面から除去することができる。
更に、本発明においては、従来装置のようにデポジットを除去するために燃料によるデポジットの洗浄を利用していないので、燃料による潤滑オイルの希釈を回避しつつ、デポジットをトップランド壁面から除去することができる。
加えて、前記内燃機関が「前記燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁」を更に具備し、前記制御装置が、機関運転に相関する所定条件が成立したときに「圧縮上死点近傍のタイミングにて前記燃料噴射弁から燃料を噴射するメイン噴射」を実行すると共に、「同メイン噴射の実行後の膨張行程中のタイミングにて前記燃料噴射弁から燃料を噴射するサブ噴射」を実行する噴射制御部を更に具備する場合がある。
この場合において、前記所定条件は、例えば、排気系への「高温の排気又は未燃燃料」の排出が要求されていること、である。
上記サブ噴射が行われると、同噴射により噴射された燃料が燃焼室において燃焼することにより、燃焼室内のガスの温度が上昇し、或いは、同噴射により噴射された燃料(の少なくとも一部)が燃焼室において燃焼しないことにより未燃燃料が発生する。このため、膨張行程後の排気行程において、高温の排気又は未燃燃料が内燃機関の排気系に排出される。つまり、上記サブ噴射は、高温の排気又は未燃燃料を排気系に排出するための噴射である。
一方、「排気バルブを開弁させる膨張行程リフト」が行われると、高温の排気及び未燃燃料が排気系に排出される。このため、このときには、排気系への「高温の排気又は未燃燃料」の排出が要求されていたとしても、サブ噴射を行う必要がない。従って、このときにサブ噴射が行われると、そのサブ噴射により噴射された燃料が無駄になってしまう。
このため、前記噴射制御部は、「前記排気バルブを開弁させる前記膨張行程リフト」が行われる機関サイクルにおいては前記所定条件が成立していたとしても前記サブ噴射を実行しないことが好ましい。これによれば、燃料消費量が少なくなる。
加えて、膨張行程リフトが行われると、「主にトルク発生用」に噴射された燃料の燃焼により生じた燃焼ガスのエネルギが仕事に変換される前に、同燃焼ガス(の少なくとも一部)が排気系に排出されてしまう。このため、機関出力トルク(内燃機関により出力されるトルク)が低下する。
このため、「前記膨張行程リフトが行われる機関サイクル」において「主にトルク発生用」に噴射される燃料の量を、「前記膨張行程リフトが行われない機関サイクル」において「主にトルク発生用」に噴射される燃料の量よりも多くすることが好ましい。これによれば、膨張行程リフトに起因する機関出力トルクの低下が小さくなる。
以下、本発明の内燃機関の制御装置の実施形態について述べる。図1に示したように、第1実施形態の制御装置が適用される内燃機関10は、4気筒ディーゼルエンジンである。機関10は、本体部20と、燃料系30と、吸気系40と、排気系50と、を具備する。図2に示したように、本体部20は、シリンダヘッド21と、シリンダブロック22と、を有する。シリンダヘッド21には、燃焼室23に連通する「吸気ポート41及び排気ポート51」が形成されている。更に、シリンダヘッド21には、吸気ポート41を開閉するための吸気バルブ42と、排気ポート51を開閉するための排気バルブ52と、燃焼室23に燃料を直接噴射する燃料噴射弁31と、が配設されている。
吸気バルブ42は、カムシャフト(図示せず)に取り付けられた2種類の吸気カム(図示せず)の何れかにより開閉弁(リフト)される。一方の吸気カム(以下「第1吸気カム」)は、図3(A)に参照符号LIで示したように、排気上死点(=ATDC360°)の直前のタイミング(本例において、ATDC345°)にて吸気バルブ42の開弁を開始させ、吸気下死点(=ATDC540°)の直後のタイミング(本例において、ATDC555°)にて吸気バルブ42を閉弁させる。以下、この吸気バルブ42の開閉弁を「吸気行程リフト」と称呼する。尚、本明細書において、クランク角度は、圧縮上死点を基準クランク角度(クランク角度0°)とした場合のクランク角度であり、「ATDC」は、「圧縮上死点後のクランク角度」を意味する。
他方の吸気カム(以下「第2吸気カム」)は、図3(B)に参照符号LCinで示したように、膨張行程の中期のタイミング(本例において、ATDC60°)にて吸気バルブ42の開弁を開始させ、所定クランク角度後(本例において、60°クランク角度後)のタイミング(本例において、ATDC120°)にて吸気バルブ42を閉弁させる。以下、この吸気バルブ42の開閉弁を「膨張行程リフト」と称呼する。更に、第2吸気カムは、膨張行程リフトLCinを行わせた後に、上記吸気行程リフトLIを行わせる。
尚、第2吸気カムは、図3(C)に参照符号LCinで示したように、膨張行程の中期の一定範囲W内の何れかのタイミング(本例において、ATDC40°〜70°)にて吸気バルブ42の開弁を開始させ、所定クランク角度後(本例において、60°クランク角度後)のタイミング(本例において、ATDC100°〜130°)にて吸気バルブ42を閉弁させるカムであってもよい。この場合、第2吸気カムは、吸気バルブ42の開弁タイミングを多段階に変更可能なカムであってもよいし、無段階に変更可能なカムであってもよい。
更には、図3(C)に示した例においては、第2吸気カムによる吸気バルブ42のリフト量は、同バルブ42の開弁タイミングに係わらず一定であるが、同バルブ42の開弁タイミングに応じて同バルブ42のリフト量が異なってもよい。
排気バルブ52は、カムシャフト(図示せず)に取り付けられた2種類の排気カム(図示せず)の何れかにより開閉弁(リフト)される。一方の排気カム(以下「第1排気カム」)は、図4(A)に参照符号LEで示したように、膨張下死点(=ATDC180°)の直前のタイミング(本例において、ATDC165°)にて排気バルブ52の開弁を開始させ、排気上死点(=ATDC360°)の直後のタイミング(本例において、ATDC285°)にて排気バルブ52を閉弁させる。以下、この排気バルブ52の開閉弁を「排気行程リフト」と称呼する。
他方の排気カム(以下「第2排気カム」)は、図4(B)に参照符号LCexで示したように、膨張行程の中期のタイミング(本例において、ATDC60°)にて排気バルブ52の開弁を開始させ、所定クランク角度後(本例において、60°クランク角度後)のタイミング(本例において、ATDC120°)にて排気バルブ52を閉弁させる。以下、この排気バルブ52の開閉弁を「膨張行程リフト」と称呼する。更に、第2排気カムは、膨張行程リフトLCexを行わせた後に、上記排気行程リフトLEを行わせる。
尚、第2排気カムは、図4(C)に参照符号LCexで示したように、膨張行程の中期の一定範囲W内の何れかのタイミング(本例において、ATDC40°〜70°)にて排気バルブ52の開弁を開始させ、所定クランク角度後(本例において、60°クランク角度後)のタイミング(本例において、ATDC100°〜130°)にて排気バルブ52を閉弁させるカムであってもよい。この場合、第2排気カムは、排気バルブ52の開弁タイミングを多段階に変更可能なカムであってもよいし、無段階に変更可能なカムであってもよい。
更には、図4(C)に示した例においては、第2排気カムによる排気バルブ52のリフト量は、同バルブ52の開弁タイミングに係わらず一定であるが、同バルブ52の開弁タイミングに応じて同バルブ52のリフト量が異なってもよい。
図2に示したように、機関10は、吸気カムを第1吸気カムと第2吸気カムとの間で機械式に切り替える切替機構(吸気バルブ可変動弁機構)42Vを有する。更に、機関10は、排気カムを第1排気カムと第2排気カムとの間で機械式に切り替える切替機構(排気バルブ可変動弁機構)52Vを有する。
これら可変動弁機構42V、52V及び燃料噴射弁31は、電子制御装置(ECU)60に接続されており、同装置60によりそれぞれの作動が制御される。
シリンダブロック22には、シリンダボア24が形成されている。シリンダボア24には、ピストン25が収容されている。図5に示したように、ピストン25の冠面25T近傍の外周部分25Pには、「同ピストン25の周方向に全周に亘り延びる」3つのピストンリング溝25A〜25Cが形成されている。これら溝25A〜25Cは、ピストン25の中心軸線C(図2参照)を中心とする環状の溝であり、ピストン25の中心軸線方向に所定間隔を開けて形成されている。図5に示したように、これら溝25A〜25Cには、それぞれ、ピストンリング26A〜26Cが配置されている。
以下、3つのピストンリング26A〜26Cのうち燃焼室23の最も近く配置されているピストンリング26Aを「トップリング26A」とも称呼し、燃焼室23から離れて配置されているピストンリング26Cを「オイルリング26C」とも称呼し、これらトップリング26Aとオイルリング26Cとの間に配置されているピストンリング26Bを「セカンドリング26B」とも称呼する。
ピストン25は、その外周壁面の一部として、ピストン25の冠面25Tと溝25Aとの間に、円筒状の壁面(以下「トップランド壁面」)29Aを有する。更に、ピストン25は、その外周壁面の一部として、溝25Aと溝25Bとの間に、円筒状の壁面(以下「セカンドランド壁面」)29Bを有する。トップリング26Aの壁面と、セカンドリング26Bの壁面と、ピストン25の壁面と、シリンダボア24の内周壁面(以下「シリンダボア壁面」)24Pと、により、空間(以下「セカンドランド空間」)29Cが画成されている。
燃焼室23は、シリンダボア壁面24Pと、ピストン25の冠面25Tと、シリンダヘッド21の壁面21Aと、トップリング26Aの燃焼室23側の環状の壁面26Wと、トップランド壁面29Aと、により画成されている。
図2に示したように、ピストン25は、コネクティングロッド27を介してクランクシャフト28に連結されている。クランクシャフト28近傍には、クランクシャフト28が所定角度(本例において、10°)回転する毎にパルス信号を出力するクランク角度センサ70が配設されている。
図1に示したように、燃料系30は、燃料ポンプ32と、燃料供給管33と、を有する。燃料供給管33は、燃料噴射弁31と燃料ポンプ32とを互いに接続している。
吸気系40は、吸気マニホルド43と、3つの吸気管44A〜44Cと、を有する。吸気マニホルド43は、吸気管44Aと吸気ポート41(図2参照)とを互いに接続している。吸気マニホルド43には、同マニホルド43内の圧力(吸気圧)を検出するための吸気圧センサ71が配置されている。
吸気管44Aは、吸気マニホルド43とインタークーラ45の吸気出口とを互いに接続している。この吸気管44Aには、燃焼室23に吸入される空気の量(吸気量)を調整するためのスロットル弁46が配置されている。スロットル弁46は、ECU60に接続されており、同ECU60によりその作動が制御される。
吸気管44Bは、インタークーラ45の吸気入口と過給機80のコンプレッサ部81の吸気出口とを互いに接続している。吸気管44Cは、その一端においてコンプレッサ部81の吸気入口に連接されており、その他端において外気に開放されている。この吸気管44Cには、吸気の量を検出するためのエアフローメータ72と、エアクリーナ47と、が配置されている。
排気系50は、排気マニホルド53と、2つの排気管54A及び54Bと、を有する。排気マニホルド53は、排気管54Aと排気ポート51(図2参照)とを互いに接続している。排気管54Aは、排気マニホルド53と過給機80のタービン部82の排気入口とを互いに接続している。排気管54Bは、その一端においてタービン部82の排気出口に連接されており、その他端において外気に開放されている。この排気管54Bには、排気を浄化するための排気浄化触媒装置55が配置されている。更に、この排気管54Bには、排気浄化触媒装置55の下流に、排気絞り弁56が配置されている。排気絞り弁56は、ECU60に接続されており、同ECU60によりその作動が制御される。
過給機80は、コンプレッサ部81と、タービン部82と、シャフト83と、を有する。シャフト83は、タービン部82のタービンホイール(図示せず)とコンプレッサ部81のコンプレッサホイール(図示せず)とを互いに連結している。
機関10は、高圧EGR装置90Hと、低圧EGR装置90Lと、を更に具備する。高圧EGR装置90Hは、2つのEGR管91H及び92Hを有する。EGR管91Hは、排気マニホルド53(タービン部82よりも排気流動上流側の排気系50の部分)とEGRクーラ93Hの排気入口とを互いに接続している。排気流動上流側は、排気系50を流れる排気の流れ方向において上流側である。
EGR管92Hは、EGRクーラ93Hの排気出口と吸気マニホルド43(コンプレッサ部81よりも吸気流動下流側の吸気系40の部分)とを互いに接続している。吸気流動下流側は、吸気系40を流れる吸気(燃焼室23に吸入される空気)の流れ方向において下流側である。
このEGR管92Hには、高圧EGR装置90Hにより排気マニホルド53から吸気マニホルド43に導入される排気の量を制御するEGR制御弁94Hが配置されている。EGR制御弁94Hは、ECU60に接続されており、同ECU60によりその作動が制御される。
機関10の運転中、EGR制御弁94Hが開弁されると、その開弁量に応じた量の排気が排気マニホルド53からEGR管91H、EGRクーラ93H及びEGR管92Hを介して吸気マニホルド43に導入される。この導入された排気は、吸気行程において燃焼室23に吸入される。
第1実施形態においては、ECU60は、「機関回転速度と機関負荷とにより定まる機関運転状態」に応じて、高圧EGR装置90Hにより吸気マニホルド43に導入するべき排気の量を決定する。ECU60は、この決定された量の排気が吸気マニホルド43に導入されるようにEGR制御弁94Hの作動を制御する。
低圧EGR装置90Lは、2つのEGR管91L及び92Lを有する。EGR管91Lは、排気管54B(タービン部82よりも排気流動下流側の排気系50の部分、より具体的には、排気浄化触媒装置55と排気絞り弁56との間の排気系50の部分)とEGRクーラ93Lの排気入口とを互いに接続している。排気流動下流側は、排気系50を流れる排気の流れ方向において下流側である。
EGR管92Lは、EGRクーラ93Lの排気出口と吸気管44C(コンプレッサ部81よりも吸気流動上流側の吸気系40の部分)とを互いに接続している。吸気流動上流側は、吸気系40を流れる吸気の流れ方向において上流側である。
このEGR管92Lには、低圧EGR装置90Lにより排気管54Bから吸気管44Cに導入される排気の量を制御するEGR制御弁94Lが配置されている。EGR制御弁94Lは、ECU60に接続されており、同ECU60によりその作動が制御される。
機関10の運転中、EGR制御弁94Lが開弁されると、その開弁量に応じた量の排気が排気管54BからEGR管91L、EGRクーラ93L及びEGR管92Lを介して吸気管44Cに導入される。この導入された排気は、吸気行程において燃焼室23に吸入される。
第1実施形態においては、ECU60は、「機関回転速度と機関負荷とにより定まる機関運転状態」に応じて、低圧EGR装置90Lにより吸気管44Cに導入するべき排気の量を決定する。ECU60は、この決定された量の排気が吸気管44Cに導入されるようにEGR制御弁94Lの作動を制御する。
更に、機関10は、アクセルペダル61の踏込量を検出するためのアクセルペダル踏込量センサ73を備えている。
上記「クランク角度センサ70、吸気圧センサ71、エアフローメータ72及びアクセルペダル踏込量センサ73」は、ECU60に接続されている。クランク角度センサ70は、上述したように、パルス信号を出力する。ECU60は、このパルス信号に基づいて機関回転速度を算出する。吸気圧センサ71は、吸気圧に応じた電圧を出力する。エアフローメータ72は、吸気量に応じた電圧を出力する。アクセルペダル踏込量センサ73は、アクセルペダル61の踏込量に応じた電圧を出力する。ECU60は、これら電圧に基づいて吸気圧、吸気量及び機関負荷を算出する。
次に、第1実施形態に係る燃料噴射制御について述べる。第1実施形態においては、ECU60は、図6(A)に示したように、通常、圧縮上死点近傍のタイミング(本例において、ATDC710°(=ATDC−10°))にてメイン噴射Imを実行する。メイン噴射Imは、「機関10に要求されるトルクを出力するために必要」な量の燃料を燃料噴射弁31から噴射するための燃料噴射である。
一方、排気の温度の上昇が要求された場合(機関運転に相関する所定の条件が成立した場合)には、ECU60は、図6(B)に示したように、上記メイン噴射Imの実行後、膨張行程の前半のタイミング(本例において、ATDC30°)にてアフター噴射Ia(サブ噴射)を実行する。アフター噴射Iaは、「同噴射により噴射された燃料を燃焼室23にて燃焼させる」ことにより排気の温度を上昇させるための燃料噴射である。
一方、排気系50への未燃燃料の供給が要求された場合(機関運転に相関する所定の条件が成立した場合)には、ECU60は、図6(C)に示したように、上記メイン噴射Imの実行後、膨張行程の後半のタイミング(本例において、ATDC110°)にてポスト噴射Ip(サブ噴射)を実行する。ポスト噴射Ipは、「同噴射により噴射された燃料を燃焼室23にて燃焼させず」に排気系50に排出させるための燃料噴射である。
次に、第1実施形態に係る「排気バルブ52のリフトモードの設定」並びに「吸気バルブ42及び排気バルブ52の開閉弁」について述べる。
機関10の運転中、ピストンリング26A〜26C(図7参照)とシリンダボア壁面24Pとの間を潤滑するために、シリンダボア壁面24Pには潤滑オイルが供給されている。この潤滑オイルは、燃焼室23内の高温のガスに晒される。このため、潤滑オイルの少なくとも一部が蒸発する。このように潤滑オイルが蒸発すると、デポジットが生成される。
このように生成されたデポジットが、図7に参照符号Dで示したように、ピストン25のトップランド壁面29Aに堆積することがある。一般に、デポジットには潤滑オイルが付着しやすい。従って、トップランド壁面29Aに堆積しているデポジットDに潤滑オイルが付着する。このデポジットDに付着した潤滑オイルも、燃焼室23内の高温のガスに晒されるため、蒸発しやすい。蒸発した潤滑オイルは、膨張行程において燃焼により消費され、排気系に排出されてしまう。このため、トップランド壁面29AにデポジットDが堆積していると、潤滑オイルの消費量が増大してしまう。
更に、上述したように、デポジットDに付着した潤滑オイルが蒸発することにより、デポジットが新たに生成される。このため、トップランド壁面29Aに堆積するデポジットDの量が多くなり、その結果、潤滑オイルの消費量が更に増大してしまう。
従って、潤滑オイルの消費量の増大を小さくするためには、デポジットDをトップランド壁面29Aから除去し、排気と共に燃焼室23から排出することが好ましい。
第1実施形態においては、トップランド壁面29AからのデポジットDの除去が要求されていない場合、ECU60は、排気バルブ52のリフトモードとして、通常リフトモードを選択する。このモードが選択された場合、排気バルブ可変動弁機構52V(図2参照)は、上記第1排気カムにより排気バルブ52を開閉弁させる。この場合、図4(A)に示したように、1機関サイクルにおいて、上記膨張行程リフトLCexは行われず、上記排気行程リフトLEのみが行われる。1機関サイクルとは、順に、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程が行われるサイクルである。
尚、この場合、ECU60は、吸気バルブ42のリフトモードとして、通常リフトモードを選択する。このモードが選択された場合、吸気バルブ可変動弁機構42V(図2参照)は、上記第1吸気カムにより吸気バルブ42を開閉弁させる。この場合、図3(A)に示したように、1機関サイクルにおいて、上記膨張行程リフトLCinは行われず、上記吸気行程リフトLIのみが行われる。
更に、本例においては、「前回、トップランド壁面29AからデポジットDを除去した時点からの機関運転時間(機関10が運転された時間)が所定時間に達したとき」又は「前回、トップランド壁面29AからデポジットDを除去した時点からの走行距離(機関10が搭載されている車両が走行した距離)が所定距離に達したとき」又は「機関運転状態に係るパラメータ値に基づいて推定される「トップランド壁面29Aに堆積したデポジットDの量」が所定量を超えたとき」に、トップランド壁面29AからのデポジットDの除去が要求される。
一方、トップランド壁面29AからのデポジットDの除去が要求された場合には、ECU60は、排気バルブ52のリフトモードとして、膨張行程リフトモードを選択する。このモードが選択された場合、排気バルブ可変動弁機構52Vは、上記第2排気カムにより排気バルブ52を開閉弁させる。この場合、図4(B)に示したように、1機関サイクルにおいて、上記膨張行程リフトLCex及び上記排気行程リフトLEが行われる。
この場合においても、ECU60は、吸気バルブ42のリフトモードとして、通常リフトモードを選択する。
尚、第2排気カムが図4(C)に示したように複数種類の膨張行程リフトLCexを実行可能である場合、ECU60は、「機関回転速度と機関負荷とにより定まる機関運転状態」に応じて、膨張行程リフトLCexにおける排気バルブ52の開弁タイミングを決定する。そして、ECU60は、「決定された開弁タイミングにて排気バルブ52を第2排気カムが開弁するように」排気バルブ可変動弁機構52Vを制御する。
この場合においては、例えば、機関運転状態に応じた「膨張行程リフトLCexにおける排気バルブ52の開弁タイミング」をルックアップテーブルの形でECU60に予め記憶させておく。そして、トップランド壁面29AからのデポジットDの除去が要求された場合、ECU60は、そのときの機関運転状態に応じて上記ルックアップテーブルから排気バルブ52の開弁タイミングを決定する。
更に、膨張行程リフトLCexが行われる機関サイクル(以下「追加リフト機関サイクル」)においては、「排気の温度の上昇」又は「排気系50への未燃燃料の供給」が要求された場合であっても、ECU60は、図6(D)に示したように、アフター噴射Ia又はポスト噴射Ipを実行せず、メイン噴射Imのみを実行する。
加えて、追加リフト機関サイクルにおいては、ECU60は、図6(D)に示したように、上記メイン噴射Imの実行時間(燃料噴射時間)を、膨張行程リフトLCexが行われない機関サイクル(以下「通常機関サイクル」)におけるメイン噴射Imの実行時間(図6(A)〜図6(C)参照)よりも長くすることにより、メイン噴射Imにより噴射する燃料の量(以下「メイン噴射量」)を、通常機関サイクルにおけるメイン噴射量よりも多くする(増量する)。
尚、追加リフト機関サイクルにおいて、ECU60は、燃料噴射弁31の燃料噴射率を通常機関サイクルにおける同燃料噴射率よりも高くすることにより、メイン噴射量を通常機関サイクルにおけるメイン噴射量よりも多くしてもよい。本例においては、ECU60は、燃料噴射弁31に供給される燃料の圧力を通常機関サイクルにおける同圧力よりも高くすることにより、上記燃料噴射率を通常機関サイクルにおける同燃料噴射率よりも高くする。或いは、ECU60は、実現可能であれば、燃料噴射弁31のニードル弁のリフト量を通常機関サイクルにおける同リフト量よりも大きくすることにより、メイン噴射量を通常機関サイクルにおけるメイン噴射量よりも多くしてもよい。
このように膨張行程リフトLCexが行われることにより、デポジットDがトップランド壁面29Aから除去される。次に、このデポジットDの除去について述べる。
膨張行程リフトLCexが行われない場合であって、メイン噴射Imのみが行われる場合には、筒内圧(燃焼室23内のガスの圧力)Pcは、図8(A)に示したように、圧縮行程において、燃焼室23内のガスに対するピストン25による圧縮作用により徐々に上昇する。そして、圧縮上死点直前にメイン噴射Imが実行された後、燃料が着火すると、筒内圧Pcは、一気に上昇し、圧縮上死点の直後にピークに達する。その後、筒内圧Pcは徐々に下降する。
更に、上述したように筒内圧Pcが上昇する間に、図9(A)に矢印A1で示したように、燃焼室23内のガスがセカンドランド空間29Cに流入する。従って、図8(A)に示したように、セカンドランド圧(セカンドランド空間29C内のガスの圧力)Psも徐々に上昇し、筒内圧Pcがピークに達した直後にピークに達する。その後、セカンドランド圧Psは徐々に低下する。
図8(A)から分かるように、この場合、筒内圧Pcがセカンドランド圧Psよりも低くなることはない。
一方、膨張行程リフトLCexが行われる場合であって、メイン噴射Imのみが行われる場合には、筒内圧Pcは、図8(B)に示したように、圧縮行程において、燃焼室23内のガスに対するピストン25による圧縮作用により徐々に上昇する。そして、圧縮上死点直前にメイン噴射Imが実行された後、燃料が着火すると、筒内圧Pcは、一気に上昇し、圧縮上死点直後にピークに達する。この筒内圧Pcの上昇に伴い、図9(A)に矢印A1で示したように、燃焼室23内のガスがセカンドランド空間29Cに流入し、セカンドランド圧Pcも上昇し、筒内圧Pcがピークに達した直後にピークに達する。
その後、膨張行程リフトLCexが行われる(即ち、排気バルブ52が開弁する)と、燃焼室23内のガスが排気ポート51(図2参照)に排出される。このため、図8(B)に示したように、筒内圧Pcが一気に低下し、セカンドランド圧Psよりも低くなる。これにより、図9(B)に矢印A2で示したように、セカンドランド空間29C内のガスがトップリング26Aを越えて燃焼室23に流入(逆流)する。このとき、「燃焼室23に流入したガス」及び/又は「同ガス中に含まれる潤滑オイル」によりデポジットDがトップランド壁面29Aから除去される。
このように、第1実施形態によれば、デポジットDをトップランド壁面29Aから除去することができる。
更に、膨張行程リフトLCexによりセカンドランド空間29Cから燃焼室23に流入する潤滑オイルの量が多い場合、その潤滑オイルは蒸発しづらい。従って、この場合、第1実施形態によれば、新たに生成されるデポジットの量が少なくなるという効果も得られる。
加えて、膨張行程リフトLCexが行われると、「高温の排気及び未燃燃料」が排気系50に排出されるので、排気の温度の上昇が要求された場合であっても、アフター噴射Iaを実行する必要がなく、且つ、排気系50への未燃燃料の供給が要求された場合であっても、ポスト噴射Ipを実行する必要がない。従って、このときにアフター噴射Ia又はポスト噴射Ipが行われると、これら噴射により噴射された燃料が無駄になってしまう。第1実施形態においては、膨張行程リフトLCexが行われる場合、ECU60は、「排気の温度の上昇又は排気系50への未燃燃料の供給」が要求された場合であっても、アフター噴射Ia及びポスト噴射Ipを実行しない。従って、燃料消費量が少なくなる。
加えて、膨張行程リフトLCexが行われると、メイン噴射Imにより噴射された燃料の燃焼により発生した燃焼ガスのエネルギが仕事に変換される前に、同燃焼ガス(の少なくとも一部)が排気ポート51に排出される。このため、機関出力トルク(機関10により出力されるトルク)が低下する。しかしながら、第1実施形態においては、膨張行程リフトLCexが行われるときには、メイン噴射量(メイン噴射Imにより噴射される燃料の量)が「膨張行程リフトLCexが行われないときのメイン噴射量」よりも多くされる(増量される)。従って、膨張行程リフトLCexに起因する機関出力トルクの低下が小さくなる。
第1実施形態の排気バルブ52のリフトモードの選択について図10に示したフローを用いてより具体的に述べる。図10のフローは、所定時間間隔で開始される。図10のフローが開始されると、初めに、ステップS10において、トップランド壁面29Aに堆積しているデポジットDの除去が要求されたか否かが判定される。
デポジットDの除去が要求されている場合、フローはステップS11に進み、1機関サイクルにおいて排気行程リフトLEに加えて膨張行程リフトLCexを行わせる膨張行程リフトモードが選択され、フローが終了する。この場合、上述したように、各機関サイクルにおいて、膨張行程リフトLCexが行われると共に、排気行程リフトLEが行われる。
一方、デポジットDの除去が要求されていない場合、フローはステップS12に進み、1機関サイクルにおいて膨張行程リフトLCexを行わせずに排気行程リフトLEのみを行わせる通常リフトモードが選択され、フローが終了する。この場合、上述したように、各機関サイクルにおいて、排気行程リフトLEのみが行われる。
尚、第1実施形態においては、デポジットDの除去が要求されたか否かに係わらず、吸気バルブ42のリフトモードは、吸気行程リフトLIのみを行わせる通常リフトモードに固定される。
更に、膨張行程リフトLCex中に筒内圧Pcが排気ポート51内のガスの圧力に等しくなると、排気バルブ52を開弁させていたとしても、排気は、燃焼室23から排気ポート51に流出しなくなる。つまり、筒内圧Pcが低下しなくなる。
そこで、第1実施形態において、排気バルブ52の開弁タイミングから独立して排気バルブ52の閉弁タイミングを変更可能な機構を機関10が備えている場合、ECU60は、膨張行程リフトLCex中に筒内圧Pcが排気ポート51内の圧力に等しくなったときに、当該膨張行程リフトLCexを終了してもよい(つまり、排気バルブ52を閉弁させてもよい)。
加えて、「膨張行程リフトLCexが行われたときに燃焼室23から排気系50に排出される排気」の温度は、「通常機関サイクルにおいて燃焼室23から排気系50に排出される排気」の温度よりも高い。特に、機関10の運転状態が高負荷運転状態にあるときに膨張行程リフトLCexが行われると、非常に高温の排気が燃焼室23から排気系50に排出される。このため、機関10の運転状態が長時間、高負荷運転状態にあると、排気系50を構成する部品(特に、排気浄化触媒装置55)が排気の熱により熱劣化する可能性がある。
そこで、第1実施形態において、「膨張行程リフトモードが選択され且つ機関負荷が所定負荷よりも高い状態」が所定時間よりも長くなった場合、ECU60は、排気バルブ52のリフトモードを膨張行程リフトモードから通常リフトモードに切り替え、膨張行程リフトLCexを行わせないようにしてもよい。
次に、第2実施形態について述べる。第2実施形態の制御装置が適用される内燃機関は、第1実施形態の内燃機関と同じである。
第1実施形態においては、トップランド壁面29AからのデポジットDの除去が要求されたときに、制御装置は、膨張行程リフトLCexを排気バルブ52に行わせることによりトップランド壁面29AからデポジットDを除去している。しかしながら、膨張行程リフトLCinを吸気バルブ42に行わせることによっても、燃焼室23内のガスが吸気ポート41に排出される。従って、この場合にも、図8(B)に示したように「筒内圧Pc及びセカンドランド圧Ps」が変化する。つまり、吸気バルブ42の膨張行程リフトLCinにより、セカンドランド圧Psが筒内圧Pcよりも高い状態が形成される。このため、第1実施形態と同様に、セカンドランド空間29Cから燃焼室23へのガスの流入(逆流)が生じる。その結果、トップランド壁面29AからデポジットDが除去される。
そこで、第2実施形態においては、トップランド壁面29AからのデポジットDの除去が要求された場合、ECU60は、吸気バルブ42のリフトモードとして、膨張行程リフトモードを選択する。このモードが選択された場合、吸気バルブ可変動弁機構42V(図2参照)は、上記第2吸気カムにより吸気バルブ42を開閉弁させる。この場合、図3(B)に示したように、1機関サイクルにおいて、上記吸気行程リフトLI及び上記膨張行程リフトLCinが行われる。
この場合、ECU60は、排気バルブ52のリフトモードとして、通常リフトモードを選択する。
尚、第2吸気カムが図3(C)に示したように複数種類の膨張行程リフトLCinを実行可能である場合、ECU60は、機関回転速度と機関負荷とにより定まる機関運転状態に応じて、膨張行程リフトLCinにおける吸気バルブ42の開弁タイミングを決定する。そして、ECU60は、「決定された開弁タイミングにて吸気バルブ42を第2吸気カムが開弁するように」吸気バルブ可変動弁機構42Vを制御する。
この場合においては、例えば、機関運転状態に応じた「膨張行程リフトLCinにおける吸気バルブ42の開弁タイミング」をルックアップテーブルの形でECU60に予め記憶させておく。そして、トップランド壁面29AからのデポジットDの除去が要求された場合、ECU60は、そのときの機関運転状態に応じて上記ルックアップテーブルから吸気バルブ42の開弁タイミングを決定する。
尚、第2実施形態においては、膨張行程リフトLCinが行われる機関サイクル(以下「追加リフト機関サイクル」)においても、「排気の温度の上昇又は排気系50への未燃燃料の供給」が要求された場合には、ECU60は、アフター噴射Ia又はポスト噴射Ipを実行する。
更に、追加リフト機関サイクルにおいては、ECU60は、図6(D)に示したように、メイン噴射量を、膨張行程リフトLCinが行われない機関サイクル(以下「通常機関サイクル」)におけるメイン噴射量(図6(A)〜図6(C)参照)よりも多くする(増量する)。
加えて、第2実施形態において、膨張行程リフトLCinが行われた場合、排気が吸気系40に排出され、同リフトLCinが行われた直後の吸気行程において、その排気が燃焼室23に吸入される。このときに、高圧EGR装置90H及び/又は低圧EGR装置90Lにより吸気系40に導入される排気(EGRガス)の量が、膨張行程リフトLCinが行われない場合と同様に制御されていると、上記リフトLCinにより吸気系40に排出された排気の分だけ、燃焼室23に導入される排気の量が多くなる。これによると、失火又は排気エミッションの悪化が生じる可能性がある。
そこで、第2実施形態において、膨張行程リフトLCinが行われるときには、吸気行程において燃焼室23に導入される排気の量(以下「EGRガス量」)が、上記リフトLCinが行われない場合に導入されるべき排気の量(以下「目標EGRガス量」)になるように、ECU60は、EGR制御弁94H及び/又は94Lの作動を制御することにより、高圧EGR装置90H及び低圧EGR装置90Lにより吸気系40に導入される排気の量を目標EGRガス量よりも少なくする。
或いは、膨張行程リフトLCinが行われるときに、EGRガス量が、「燃焼室23において失火を生じさせないEGRガス量の上限値」又は「排気エミッションの悪化を許容範囲に収めることができるEGRガス量の上限値」以下になるように、ECU60は、EGR制御弁94H及び/又は94Lの作動を制御してもよい。
尚、吸気バルブ42の開弁タイミングから独立して吸気バルブ42の閉弁タイミングを変更する機構を機関10が備えている場合には、ECU60は、EGR制御弁94H及び/又は94Lの作動の制御に加えて、膨張行程リフトLCinにおける吸気バルブ42の閉弁タイミングを変更することにより、吸気系40に排出される排気の量を制御し、これにより、EGRガス量を制御してもよい。この場合、吸気バルブ42の閉弁タイミングが進角するほど、燃焼室23から吸気系40に排出される排気の量が少なくなり、その結果、EGRガス量が少なくなる。
或いは、ECU60は、EGR制御弁94H及び/94Lの作動の制御に代えて、上述した膨張行程リフトLCinにおける吸気バルブ42の閉弁タイミングの変更のみにより、EGRガス量を制御してもよい。この場合、ECU60は、EGRガス量が上記EGRガス量の上限値以下になるように、吸気バルブ42の閉弁タイミングを変更する。
或いは、吸気バルブ42のリフト量を変更する機構を機関10が備えている場合には、ECU60は、EGR制御弁94H及び/又は94Lの作動の制御に加えて、膨張行程リフトLCinにおける吸気バルブ42のリフト量を変更することにより、吸気系40に排出される排気の量を制御し、これにより、EGRガス量を制御してもよい。この場合、吸気バルブ42のリフト量が小さくなるほど、燃焼室23から吸気系40に排出される排気の量が少なくなり、その結果、EGRガス量が少なくなる。
或いは、ECU60は、EGR制御弁94H及び/又は94Lの作動の制御に代えて、上述した膨張行程リフトLCinにおける吸気バルブ42のリフト量の変更のみにより、EGRガス量を制御してもよい。この場合、ECU60は、EGRガス量が上記EGRガス量の上限値以下になるように、吸気バルブ42のリフト量を変更する。
更に、膨張行程リフトLCin中に筒内圧Pcが吸気ポート51内の圧力に等しくなると、吸気バルブ42を開弁させていたとしても、排気は、燃焼室23から吸気ポート41に流出しなくなる。つまり、筒内圧Pcが低下しなくなる。
そこで、第2実施形態において、吸気バルブ52の開弁タイミングから独立して吸気バルブ52の閉弁タイミングを変更可能な機構を機関10が備えている場合、ECU60は、膨張行程リフトLCin中に筒内圧Pcが吸気ポート41内の圧力に等しくなったときに、当該膨張行程リフトLCinを終了してもよい(つまり、吸気バルブ42を閉弁させてもよい)。
加えて、膨張行程リフトLCinが行われると、高温の排気が燃焼室23から吸気系40に排出される。特に、機関10の運転状態が高負荷運転状態にあるときに膨張行程リフトLCinが行われると、非常に高温の排気が燃焼室23から吸気系40に排出される。このため、機関10の運転状態が長時間、高負荷運転状態にあると、吸気系40を構成する部品が排気の熱により熱劣化する可能性がある。更に、機関10の運転状態が長時間、高負荷運転状態にあるときに膨張行程リフトLCinが行われると、吸気系40に排出された排気の熱により吸気の温度が非常に高くなる。このため、燃焼が悪化し、その結果、排気エミッションが悪化する可能性がある。
そこで、第2実施形態において、「膨張行程リフトモードが選択され且つ機関負荷が所定負荷よりも高い状態」が所定時間よりも長くなった場合、ECU60は、吸気バルブのリフトモードを膨張行程リフトモードから通常リフトモードに切り替え、膨張行程リフトLCinを行わせないようにしてもよい。
一方、トップランド壁面29AからのデポジットDの除去が要求されていない場合、ECU60は、吸気バルブ42のリフトモードとして、通常リフトモードを選択する。このモードが選択された場合、吸気バルブ可変動弁機構42Vは、上記第1吸気カムにより吸気バルブ42を開閉弁させる。この場合、図3(A)に示したように、1機関サイクルにおいて、上記膨張行程リフトLCinは行われず、上記吸気行程リフトLIのみが行われる。
尚、この場合においても、ECU60は、排気バルブ52のリフトモードとして、通常リフトモードを選択する。このモードが選択された場合、排気バルブ可変動弁機構52Vは、上記第1排気カムにより排気バルブ52を開閉弁させる。この場合、図4(A)に示したように、1機関サイクルにおいて、上記膨張行程リフトLCexは行われず、上記排気行程リフトLEのみが行われる。
第2実施形態によっても、トップランド壁面29AからのデポジットDの除去が要求されたときに、トップランド壁面29AからデポジットDが除去される。
尚、上記各実施形態は本発明の制御装置をディーゼルエンジンに適用した実施形態であるが、本発明はガソリンエンジンにも適用可能である。
更に、上記各実施形態において、内燃機関は、排気カム又は吸気カムを機械式に切り替えることにより排気バルブ52又は吸気バルブ42の「開弁タイミング、閉弁タイミング及びリフト量」を多段階に変更可能な可変動弁機構を備えた内燃機関である。しかしながら、本発明は、排気バルブ52又は吸気バルブ42の「開弁タイミング、閉弁タイミング及びリフト量」を無段階に電磁式に変更可能な可変動弁機構を備えた内燃機関にも適用可能である。
更に、上記各実施形態において、デポジットDの除去が要求された場合、ECU60は、排気バルブ52のリフトモードとして膨張行程リフトモードを選択すると共に吸気バルブ42のリフトモードとして膨張行程リフトモードを選択してもよい。
尚、上記各実施形態においては、デポジットをトップランド壁面から除去するために膨張行程リフトが行われる。従って、デポジットをトップランド壁面から、より確実に除去するという観点から、膨張行程リフトにおける排気バルブ又は吸気バルブの開弁タイミングは、当該膨張行程リフトを行った場合に「セカンドランド圧が筒内圧よりも低くなる状態」を形成することができる開弁タイミングとして、実験等により予め求められたタイミングであることが好ましい。
以上の説明から分かるように、本発明の制御装置(ECU60)は、少なくとも、「トップリング26A」及び「同トップリングに関して同燃焼室とは反対側に配設されるセカンドリング26B」、を備えたピストン25と、排気バルブ52及び吸気バルブ42を開閉する動弁機構52V、42Vと、を具備する内燃機関10に適用される。
本発明の制御装置は、前記ピストンのトップランド壁面29Aに堆積しているデポジットの除去が要求されたときに、膨張行程において前記排気バルブ及び前記吸気バルブの少なくとも一方を開弁させる膨張行程リフトを前記動弁機構に行わせることによって、前記トップリングと前記セカンドリングとの間の空間(セカンドランド空間29C)内のガスの圧力(セカンドランド圧Ps)を前記燃焼室内のガスの圧力(筒内圧Pc)よりも高くさせる膨張行程リフトモードを実行する(図10のステップS11)制御部を備える。この制御装置によれば、デポジットをピストンのトップランド壁面から除去することができる。
更に、前記内燃機関が「前記燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁31」を更に具備する場合において、本発明の制御装置は、機関運転に相関する所定条件が成立したとき(排気の温度の上昇が要求されたとき、或いは、排気系50への未燃燃料の供給が要求されたとき)に「圧縮上死点近傍のタイミング(ATDC710°)にて前記燃料噴射弁から燃料を噴射するメイン噴射Im」を実行すると共に、「同メイン噴射の実行後の膨張行程中のタイミング(ATDC30°又は110°)にて前記燃料噴射弁から燃料を噴射するサブ噴射(アフター噴射Ia又はポスト噴射Ip)」を実行する噴射制御部(ECU60)を更に具備する。
この噴射制御部は、前記排気バルブを開弁させる前記膨張行程リフトが行われる機関サイクルにおいては前記所定条件が成立していたとしても前記サブ噴射を実行しない。これにより、燃料消費量が少なくなる。
加えて、本発明の制御装置は、前記膨張行程リフトが行われる機関サイクルにおいて「主にトルク発生用」に噴射される燃料の量(メイン噴射量)を、前記膨張行程リフトが行われない機関サイクルにおいて「主にトルク発生用」に噴射される燃料の量(メイン噴射量)よりも多くする。これにより、膨張行程リフトに起因する機関出力トルクの低下が小さくなる。
10…内燃機関、23…燃焼室、25…ピストン、26A…トップリング、26B…セカンドリング、26C…オイルリング、29A…トップランド壁面、29C…セカンドランド空間、31…燃料噴射弁、42…吸気バルブ、42V…吸気バルブ可変動弁機構、52…排気バルブ、52V…排気バルブ可変動弁機構、60…電子制御装置(ECU)、D…デポジット、Im…メイン噴射、Ia…アフター噴射(サブ噴射)、Ip…ポスト噴射(サブ噴射)、LCex…排気バルブの膨張行程リフト、LCin…吸気バルブの膨張行程リフト、Pc…筒内圧、Ps…セカンドランド圧
Claims (3)
- 少なくとも、トップリング及び同トップリングに関して同燃焼室とは反対側に配設されるセカンドリング、を備えたピストンと、
排気バルブ及び吸気バルブを開閉する動弁機構と、
を具備する内燃機関に適用される制御装置であって、
前記ピストンのトップランド壁面に堆積しているデポジットの除去が要求されたときに、膨張行程において前記排気バルブ及び前記吸気バルブの少なくとも一方を開弁させる膨張行程リフトを前記動弁機構に行わせることによって、前記トップリングと前記セカンドリングとの間の空間内のガスの圧力を前記燃焼室内のガスの圧力よりも高くさせる膨張行程リフトモードを実行する制御部を備えた制御装置。 - 前記内燃機関が前記燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を更に具備する、請求項1に記載の制御装置において、
機関運転に相関する所定条件が成立したときに圧縮上死点近傍のタイミングにて前記燃料噴射弁から燃料を噴射するメイン噴射を実行すると共に、同メイン噴射の実行後の膨張行程中のタイミングにて前記燃料噴射弁から燃料を噴射するサブ噴射を実行する噴射制御部を更に具備し、
同噴射制御部は、前記排気バルブを開弁させる前記膨張行程リフトが行われる機関サイクルにおいては前記所定条件が成立していたとしても前記サブ噴射を実行しない、制御装置。 - 請求項1に記載の制御装置において、
前記膨張行程リフトが行われる機関サイクルにおいて主にトルク発生用に噴射される燃料の量を、前記膨張行程リフトが行われない機関サイクルにおいて主にトルク発生用に噴射される燃料の量よりも多くする、制御装置。
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JP2017180362A (ja) * | 2016-03-31 | 2017-10-05 | マツダ株式会社 | エンジンの制御装置 |
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