JP2020037908A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気弁の作用角を固定としつつ当該吸気弁の開閉時期を可変とする機能を含む可変動弁装置を備える内燃機関の制御装置において、オイル上がりを抑制しつつ、吸気下死点に対する吸気弁の遅閉じを利用可能とする。【解決手段】制御装置は、吸気弁の作用角を固定としつつ吸気弁の開閉時期を可変とする機能と、吸気弁及び排気弁が共に閉じている負のバルブオーバーラップ（Ｏ／Ｌ）期間を可変とする機能とを有する可変動弁装置を備える内燃機関を制御する。可変動弁装置による駆動モードは、吸気弁の閉じ時期ＩＶＣを吸気下死点よりも遅角させ、かつ、吸気行程中に負のＯ／Ｌ期間が形成される遅閉じモードを含む。制御装置は、遅閉じモードの実行中に吸気行程の筒内圧が負の閾値未満となる場合にはＳ１０２（Ｙｅｓ）、吸気行程に位置する負のＯ／Ｌ期間が短くなるように可変動弁装置を制御するＳ１０６、Ｓ１０８。【選択図】図６

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に関する。

例えば、特許文献１には、内燃機関を備えるハイブリッド車両が開示されている。この内燃機関は、吸気弁の作動特性を変更するための電動ＶＶＴ（Variable Valve Timing）装置を備えている。このハイブリッド車両では、内燃機関の始動時に気筒内の圧縮圧の低減のために、電動ＶＶＴ装置を用いて吸気弁の閉じ時期を吸気下死点よりも遅角させるデコンプ制御が実行される。より詳細には、このデコンプ制御によれば、吸気下死点に対する吸気弁の閉じ時期の遅角量が増やされる。

特開２０１６−２０５１９５号公報

特許文献１に記載の電動ＶＶＴ装置は、吸気弁の作用角を固定としつつ当該吸気弁の開閉時期を可変とする「作用角固定型」の機構である。このため、デコンプ制御において電動ＶＶＴ装置を用いて吸気弁の閉じ時期が遅角されると、吸気弁の開き時期も遅角される。その結果として吸気弁及び排気弁が共に閉じている負のバルブオーバーラップ期間が吸気行程中に形成されると、筒内圧が負圧となる。その結果、ピストンとシリンダボア壁との間に存在するオイルが燃焼室側に吸い込まれる現象（いわゆる「オイル上がり」）が生じるおそれがある。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、吸気弁の作用角を固定としつつ当該吸気弁の開閉時期を可変とする機能を含む可変動弁装置を備える内燃機関の制御装置において、オイル上がりを抑制しつつ、吸気下死点に対する吸気弁の遅閉じを利用できるようにすることにある。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、吸気弁の作用角を固定としつつ前記吸気弁の開閉時期を可変とする機能と、前記吸気弁及び排気弁が共に閉じている負のバルブオーバーラップ期間を可変とする機能とを有する可変動弁装置を備える内燃機関を制御する。
前記可変動弁装置による駆動モードは、前記吸気弁の閉じ時期を吸気下死点よりも遅角させ、かつ、吸気行程中に前記負のバルブオーバーラップ期間が形成される遅閉じモードを含む。
前記制御装置は、前記遅閉じモードの実行中に前記吸気行程の筒内圧が負の閾値未満となる場合には、前記吸気行程に位置する前記負のバルブオーバーラップ期間が短くなるように前記可変動弁装置を制御する。

本発明によれば、遅閉じモードの実行中に吸気行程の筒内圧が負の閾値未満となる場合には、吸気行程に位置する負のバルブオーバーラップ期間が短くなるように可変動弁装置が制御される。これにより、遅閉じモードの実行中に筒内圧（燃焼室内圧）の低下を抑制できる。このため、オイル上がりを抑制しつつ、吸気下死点に対する吸気弁の遅閉じを利用できるようになる。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。 デコンプモードの選択時に選択されるバルブタイミングの動作例を表した図である。 オイル上がりを模式的に表した図である。 スロットル弁が閉じられている状況下での筒内圧とエンジン回転速度ＮＥとの関係を表した図である。 筒内負圧抑制制御を説明するための図である。 本発明の実施の形態１に係るデコンプモードの実行中の筒内負圧抑制制御に関する処理のルーチンを示すフローチャートである。 筒内負圧抑制制御の効果を説明するための図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

１．システム構成の例
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すシステムは、内燃機関（例えば、火花点火式エンジン）１０を備えている。内燃機関１０の気筒数及び気筒配置は特に限定されない。また、内燃機関１０は、一例として、内燃機関１０とともに電動モータ（図示省略）を動力源として備えるハイブリッド車両であるものとする。内燃機関１０は自然吸気エンジンであるが、過給エンジンであってもよい。

内燃機関１０の各気筒１２には、ピストン１４が配置されている。ピストン１４は、気筒１２の内部を往復移動する。各気筒１２は、ピストン１４の頂部側に形成された燃焼室１６を含む。燃焼室１６には、吸気通路１８及び排気通路２０が連通している。吸気通路１８の入口付近には、吸入空気流量に応じた信号を出力するエアフローセンサ２２が設けられている。エアフローセンサ２２よりも下流側の吸気通路１８には、電子制御式のスロットル弁２４が配置されている。

内燃機関１０は、気筒１２毎に燃料噴射弁２６を備えている。燃料噴射弁２６は、一例として吸気ポート１８ａに燃料を噴射する。ただし、燃料噴射弁２６に代え、或いはそれとともに、気筒１２内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁が備えられてもよい。また、各気筒１２には、点火装置の点火プラグ２８と、筒内圧を検出する筒内圧センサ３０とが配置されている。さらに、内燃機関１０は、吸気ポート１８ａを開閉する吸気弁３２と、排気ポート２０ａを開閉する排気弁３４とを備えている。

吸気弁３２及び排気弁３４を駆動するために内燃機関１０が備える「可変動弁装置」は、吸気弁３２の作用角を固定としつつ当該吸気弁３２の開閉時期を可変とする機能と、吸気弁３２及び排気弁３４が共に閉じている「負のバルブオーバーラップ期間」を可変とする機能とを有する。これらの機能を実現するために、上記可変動弁装置は、吸気可変動弁装置３６と排気可変動弁装置３８とを含む。

前者の機能（吸気弁３２の位相可変機能）は、吸気可変動弁装置３６が吸気弁３２の開弁期間の位相を所定のクランク角範囲内で連続的に可変とすることにより実現される。より詳細には、吸気可変動弁装置３６は、一例として、電動モータ（図示省略）を用いてクランク軸の回転位相に対するカム軸の回転位相を変更可能な電動式の可変バルブタイミング機構を有する。排気可変動弁装置３８は、一例として、油圧を用いてクランク軸の回転位相に対するカム軸の回転位相を変更可能な油圧式の可変バルブタイミング機構を有する。後者の機能（負のバルブオーバーラップ期間の変更）は、排気可変動弁装置３８を用いて排気弁３４の閉じ時期ＥＶＣを遅角させることにより実現できる。また、後者の機能は、閉じ時期ＥＶＣの遅角に代え、或いはそれとともに、吸気可変動弁装置３６を用いて吸気弁３２の開き時期ＩＶＯを進角させることにより実現できる。なお、電動式によれば、油圧式と比べて、バルブタイミングの可変幅を広く設定できる。

本実施形態のシステムは、内燃機関１０を制御するための制御装置４０を備えている。制御装置４０は、プロセッサ４０ａとメモリ４０ｂとを有する電子制御ユニット（ＥＣＵ）である。メモリ４０ｂは、内燃機関１０を制御するためのプログラムを記憶している。プロセッサ４０ａは、メモリ４０ｂからプログラムを読み出して実行する。なお、制御装置４０は、複数のＥＣＵから構成されていてもよい。

制御装置４０は、各種センサからセンサ信号を取り込む。各種センサは、上述のエアフローセンサ２２に加え、例えば、クランク角センサ４２を含む。クランク角センサ４２は、クランク角に応じた信号を出力する。制御装置４０は、クランク角センサ４２からの信号を用いてエンジン回転速度ＮＥを算出できる。また、プロセッサ４０ａは、取り込まれたセンサ信号を用いて各種プログラムを実行し、上述のアクチュエータ（スロットル弁２４、燃料噴射弁２６、上記点火装置、吸気可変動弁装置３６及び排気可変動弁装置３８）を操作するための操作信号を出力する。

２．バルブタイミング制御
２−１．デコンプモード
図２は、デコンプモードの選択時に選択されるバルブタイミングの動作例を表した図である。エンジン始動時（より詳細には、クランキング中）には、気筒内の圧縮圧を解放するためのデコンプレッション（以下、「デコンプ」と略する）を行うことにより、エンジン始動に要するトルクを低減することができる。吸気可変動弁装置３６及び排気可変動弁装置３８による吸排気弁３２、３４の駆動モードは、「デコンプモード」を含む。このデコンプモードは、吸気弁３２の遅閉じを利用して、エンジン始動時にデコンプを実現するものである。

より詳細には、デコンプモードでは、図２に示すように、吸気弁３２を吸気下死点（以下、「ＢＤＣ」と略する）よりも遅く閉じるように吸気可変動弁装置３６が制御される。吸気弁３２の開弁期間（作用角）は、一例として、１９０°ＣＡであり、小作用角とされている。図２に示す一例では、吸気弁３２は、吸気可変動弁装置３６によって、吸気行程中の開き時期ＩＶＯ（吸気下死点前６０°ＣＡ）で開き、圧縮行程中の閉じ時期ＩＶＣ（吸気下死点後１３０°ＣＡ）で閉じるように制御されている。なお、デコンプモードは、本発明に係る「遅閉じモード」の一例に相当する。

付け加えると、本実施形態の内燃機関１０では、デコンプモードの終了後には、基本的には、閉じ時期ＩＶＣをＢＤＣよりも進角させることにより早閉じミラーサイクル運転モードが実行される。早閉じミラーサイクル運転モードを行う従来の内燃機関におけるデコンプは、「作用角可変型」の機構を用いて早閉じ量（＝ＩＶＣ−ＢＤＣ）を大きくすることにより実現されるものであった。ここで、「作用角固定型」の機構を用いて早閉じミラーサイクル運転モードを行う場合には、次のような課題がある。すなわち、早閉じ量を拡大すると、それに連動して開き時期ＩＶＯの進角量が大きくなり、排気上死点付近での吸気弁のリフト量が大きくなる。その結果、ピストンに設けられるバルブリセスを深くすることが必要になる。このことは、気筒内のガスの乱れの低減を招く懸念がある。この点に鑑み、「作用角固定型」の吸気可変動弁装置３６を用いる本実施形態では、エンジン始動時のデコンプモードは「遅閉じ」を利用して行われ、その後に早閉じミラーサイクル運転モードの実行のために「早閉じ」に切り替えられる。これにより、「作用角固定型」の採用によるコスト低減を図りつつ、かつ、バルブリセスの拡大を必要とせずに（気筒１２内のガス乱れを適切に確保した状態で）、デコンプと早閉じ燃焼とを両立できる。

２−２．遅閉じのデコンプモードの利用に伴う課題
「作用角固定型」の吸気可変動弁装置３６を用いてデコンプモードにおいて閉じ時期ＩＶＣが遅角されると、開き時期ＩＶＯも遅角される。その結果、図２に例示されるように、吸気弁３２及び排気弁３４が共に閉じている負のバルブオーバーラップ（Ｏ／Ｌ）期間が吸気行程中に形成される。ピストン１４が下降する吸気行程において負のＯ／Ｌ期間が形成されると、筒内圧が負圧となり、真空引き状態となる（真空引き期間）。

より詳細には、図２に示す例では、排気弁３４の閉じ時期ＥＶＣは排気上死点（ＴＤＣ）である。このため、この例では、ＴＤＣから開き時期ＩＶＯまでのクランク角期間において真空引き状態となる。また、閉じ時期ＥＶＣがＴＤＣよりも遅角された例では、閉じ時期ＥＶＣから開き時期ＩＶＣまでのクランク角期間において真空引き状態となる。

図３は、オイル上がりを模式的に表した図である。上述のように筒内圧（燃焼室１６内圧力）が低下すると、図３に示すようにピストン１４とシリンダボア壁４４との間に存在する潤滑油（オイル）が燃焼室１６側に吸い込まれる現象（いわゆる「オイル上がり」）が生じるおそれがある。燃焼室１６側に吸い込まれたオイルは、空気と混合した後に排出されたり又は燃焼に付されたりすることによって消費される。このように、オイル上がりが生じると、オイル消費量が増大してしまう。より詳細には、走行中に内燃機関１０が間欠的に停止されるハイブリッド車両では、デコンプモードを伴うエンジン始動が繰り返し実行される度にオイル上がりが生じ、オイル消費量が増大することが懸念される。また、オイルの燃焼により、粒子状物質ＰＭの増加及びＰＮ（ＰＭの粒子数）の増加が生じることが懸念される。

図４は、スロットル弁２４が閉じられている状況下での筒内圧とエンジン回転速度ＮＥとの関係を表した図である。図４に示すように、エンジン回転速度ＮＥの上昇に伴い、筒内圧が低下する。このため、内燃機関１０が始動されてエンジン回転速度ＮＥが上昇していく過程でデコンプモードが使用されていると、エンジン回転速度ＮＥの上昇とともにオイル上がりが生じ易くなる。したがって、デコンプモードの実行中の筒内圧を一定値以上に維持するバルブタイミング制御が必要とされる。

２−３．デコンプモード中のバルブタイミング制御（筒内負圧抑制制御）の概要
上述の課題に鑑み、本実施形態では、デコンプモード（遅閉じモード）の実行中に吸気行程の筒内圧が負の閾値未満となる場合には、吸気行程に位置する負のＯ／Ｌ期間が短くなるように吸気可変動弁装置３６が制御される（筒内負圧抑制制御）。１サイクル中の筒内圧は、後述の図７に表わされているように吸気行程中に最小値をとる。このため、この筒内負圧抑制制御は、デコンプモードの実行中に筒内圧の最小値が上記閾値未満となる場合に実行される制御であると言い換えることができる。そして、このような筒内負圧抑制制御によれば、筒内圧の最小値が当該閾値以上となるように制御されることになるため、以下、当該閾値のことを「（制御）目標値」とも称する。

図５は、筒内負圧抑制制御を説明するための図である。本実施形態の筒内負圧抑制制御では、筒内圧の最小値が上記目標値（負の閾値）未満となる場合には、まず、図５に示すように排気弁３４のＶＶＴ位相（ＥＸ−ＶＶＴ位相）の遅角が実行される。これにより、排気弁３４の閉じ時期ＥＶＣが遅角されるので、図２に示すバルブタイミングと比べて、真空引き期間（負のＯ／Ｌ期間）が短縮される。このため、筒内圧の低下幅を縮小できる。その結果、オイル消費を抑制できる。

また、本実施形態の筒内負圧抑制制御では、筒内圧の最小値が目標値未満となる状況下において閉じ時期ＥＶＣが最遅角位置にあるためにそれ以上の閉じ時期ＥＶＣの遅角を行えない場合には、吸気弁３２の閉じ時期ＩＶＣの進角が実行される。図示は省略されているが、このような閉じ時期ＩＶＣの進角によっても、真空引き期間（負のＯ／Ｌ期間）を短縮できる。

２−４．制御装置の処理
図６は、本発明の実施の形態１に係るデコンプモードの実行中の筒内負圧抑制制御に関する処理のルーチンを示すフローチャートである。なお、本ルーチンの処理は、エンジン始動時のデコンプモードの実行中に、気筒毎かつサイクル毎に繰り返し実行される。

図６に示すルーチンでは、制御装置４０は、まず、直近のサイクルの筒内圧履歴に基づき、１サイクル中の筒内圧の最小値（吸気行程中の最小値）を取得する（ステップＳ１００）。本ステップＳ１００では、一例として、筒内圧センサ３０のセンサ値を用いて筒内圧履歴が取得される。なお、筒内圧センサが一部の気筒又は全気筒に設置されていない内燃機関では、筒内圧センサを有しない気筒の筒内圧の最小値は、例えば、次のような手法で推定されてもよい。すなわち、所定クランク角毎の筒内圧の値は、エンジン回転速度、吸気圧（吸気管圧力）、吸気温度、モータリング時のサイクル数（エンジン停止時を０とする）、クランク角及びＶＶＴ位相（クランク軸の回転位相に対する相対的なカム軸の回転位相）といった各種情報に基づいて推定されてもよい。

次に、制御装置４０は、ステップＳ１００の処理により取得した筒内圧の最小値が上記目標値（負の閾値）未満であるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。その結果、この判定結果が否定的である場合（筒内圧の最小値≧目標値）には、今回の処理サイクルが終了される。

一方、ステップＳ１０２の判定結果が肯定的となる場合（筒内圧の最小値＜目標値）には、処理はステップＳ１０４に進む。ステップＳ１０４では、制御装置４０は、排気弁３４のＶＶＴ位相（ＥＸ−ＶＶＴ位相）が遅角限界値にあるか否か（換言すると、閉じ時期ＩＶＣが最遅角位置にあるか否か）を判定する。

ステップＳ１０４の判定結果が否定的である場合（ＥＸ−ＶＶＴ位相≠遅角限界値）には、処理はステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６では、制御装置４０は、ＥＸ−ＶＶＴ位相が所定量だけ遅角するように（換言すると、閉じ時期ＥＶＣが所定量だけ遅角するように）排気可変動弁装置３８を制御する。これにより、吸気行程に位置する負のＯ／Ｌ期間が短縮される。なお、ＥＸ−ＶＶＴ位相の調整は、クランク角センサ４２とともに、排気弁３４を駆動するカムシャフトのために設けられたカム角センサ（図示省略）も利用して行われる。

一方、ステップＳ１０４の判定結果が肯定的である場合（ＥＸ−ＶＶＴ位相＝遅角限界値）には、処理はステップＳ１０８に進む。ステップＳ１０８では、制御装置４０は、ＩＮ−ＶＶＴ位相が所定量だけ進角するように（換言すると、開き時期ＩＶＯが所定量だけ進角するように）吸気可変動弁装置３６を制御する。これにより、吸気行程に位置する負のＯ／Ｌ期間が短縮される。なお、ＥＸ−ＶＶＴ位相の調整と同様に、ＩＮ−ＶＶＴ位相の調整は、クランク角センサ４２とともに、吸気弁３２を駆動するカムシャフトのために設けられたカム角センサ（図示省略）も利用して行われる。

３．効果
図７は、筒内負圧抑制制御の効果を説明するための図である。より詳細には、図７中の破線は、筒内負圧抑制制御の実行を伴わない１サイクル中の筒内圧波形及び吸排気バルブタイミングを示している。また、同図中の実線は、筒内負圧抑制制御（ＥＸ−ＶＶＴ位相（ＥＶＣ）の遅角を例示）の実行を伴う１サイクル中の筒内圧波形を示している。

図７は、破線で示すように、筒内負圧抑制制御を行わないと、筒内圧の最小値が目標値を下回ってしまう例を示している。これに対し、本実施形態の筒内負圧抑制制御によれば、筒内圧の最小値が上記目標値未満となる場合（換言すると、吸気行程中の筒内圧が負の閾値未満となる場合）には、吸気行程に位置する負のＯ／Ｌ期間が短縮される。

より詳細には、閉じ時期ＥＶＣの遅角によって負のＯ／Ｌ期間が短縮された場合には、図７に示すように、遅角された閉じ時期ＥＶＣが吸気行程中に到来した後に筒内圧が低下し始める。そして、真空引き期間（負のＯ／Ｌ期間）の短縮により、筒内負圧抑制制御なしの例と比べて、筒内圧の低下幅が縮小される（筒内圧の過度な負圧化が抑制される）。その結果、吸気行程中に筒内圧が目標値（負の閾値）を下回らずに済んでいる。このため、オイル上がりを抑制できるので、オイル消費を抑制できる。また、オイルの燃焼に起因するＰＭ、ＰＮの増加も抑制される。

付け加えると、本実施形態の筒内負圧抑制制御によれば、ＥＸ−ＶＶＴ位相の遅角が可能な場合には、ＥＸ−ＶＶＴ位相の遅角が実行される。このような手法によれば、閉じ時期ＩＶＣの変化を伴わないので、デコンプによる圧縮圧の低減効果を低下させることなく筒内圧の低下幅を縮小できる。

４．可変動弁装置の他の例
上述した実施の形態１においては、吸気可変動弁装置３６及び排気可変動弁装置３８の組み合わせが、本発明に係る「可変動弁装置」の一例に相当している。しかしながら、本発明に係る「可変動弁装置」は、吸気弁の作用角を固定としつつ当該吸気弁の開閉時期を可変とする機能と、吸気弁及び排気弁が共に閉じている負のバルブオーバーラップ期間を可変とする機能とを有していれば、必ずしも上記の構成例に限られない。すなわち、当該「可変動弁装置」の他の例は、吸気可変動弁装置３６のみであってもよい。この例では、ＩＮ−ＶＶＴ位相（開き時期ＩＶＯ）の進角のみを利用して筒内負圧抑制制御が実行されることになる。

１０ 内燃機関
１２ 気筒
１４ ピストン
１６ 燃焼室
１８ 吸気通路
２０ 排気通路
３０ 筒内圧センサ
３２ 吸気弁
３４ 排気弁
３６ 吸気可変動弁装置
３８ 排気可変動弁装置
４０ 制御装置

Claims (1)

1. 吸気弁の作用角を固定としつつ前記吸気弁の開閉時期を可変とする機能と、前記吸気弁及び排気弁が共に閉じている負のバルブオーバーラップ期間を可変とする機能とを有する可変動弁装置を備える内燃機関の制御装置であって、
   前記可変動弁装置による駆動モードは、前記吸気弁の閉じ時期を吸気下死点よりも遅角させ、かつ、吸気行程中に前記負のバルブオーバーラップ期間が形成される遅閉じモードを含み、
   前記制御装置は、前記遅閉じモードの実行中に前記吸気行程の筒内圧が負の閾値未満となる場合には、前記吸気行程に位置する前記負のバルブオーバーラップ期間が短くなるように前記可変動弁装置を制御する
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。

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