JP2020067053A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】既存の装置を用いて燃料の気化を促進して、内燃機関の始動時のエミッションの発生を抑制する。【解決手段】クランクシャフトを回転しても排気弁２８を閉じたまま動作を停止できる排気弁停止機構２９と、吸気ポート２３に燃料を噴射できる燃料噴射弁２５と、を備える内燃機関１に適用され、クランクシャフトを回転できるモータ１３を備える内燃機関１の制御装置であって、内燃機関１の始動時に、排気弁２８を閉じて停止させたままクランクシャフトを回転させた状態で燃料噴射弁２５から燃料を噴射させた後、排気弁２８を閉じたままクランクシャフトを回転させつつ吸気弁２７を開閉させて、燃焼室２２の燃料濃度が所定値に達した後、燃焼室２２内の燃焼と排気弁２８の開閉動作とを開始する制御を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の制御装置、特に、内燃機関の始動時の排気弁及び燃料噴射弁の動作の制御に関する。

内燃機関の温度が低い場合、噴射した燃料の一部が気化せず、吸気ポートや燃焼室の壁面に燃料が未蒸発のまま付着することがある。すると、排気中に未燃焼の炭化水素や粒子状物質などのエミッションが増加する。そこで、加熱手段を備えた副吸気通路を主吸気通路と並列に設けて、内燃機関が低温時に副吸気通路で加熱して燃料気化を促進する機構が提案されている（特許文献１参照）。また、液体燃料を気化室に噴射して気化させ、気化した燃料を内燃機関に供給する燃料供給装置が提案されている（特許文献２参照）。また、燃料噴射弁よりも下流の吸気ポートの壁面に球面状の多数のエンボスを設けて表面積を増加させることによって、燃料気化を促進させる内燃機関の吸気装置が提案されている（特許文献３参照）。

特開平７−１３９４５５号公報 特開２０１１−１６３３１６号公報 特開２００７−３３２８２３号公報

しかし、燃料気化を促進させるために、加熱手段を備えた副吸気通路や、燃料の気化室を設けると、製造コストが高くなる。また、特許文献３で示されているように吸気ポートに特殊な形状を設けるのは、製造が容易でない。

そこで、本発明は、できるだけ既存の装置を用いて燃料の気化を促進して、内燃機関の始動時のエミッションの発生を抑制することを目的とする。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、クランクシャフトを回転しても排気弁を閉じたまま動作を停止できる排気弁停止手段と、吸気ポート及び燃焼室の少なくとも１つに燃料を噴射できる燃料供給手段と、を備える内燃機関に適用され、クランクシャフトを回転できる外部動力と、外部動力を制御する外部動力制御手段と、を備える内燃機関の制御装置であって、内燃機関の始動時に、排気弁を閉じて停止させたままクランクシャフトを回転させた状態で燃料供給手段から燃料を噴射させた後、排気弁を閉じたままクランクシャフトを回転させつつ吸気弁を開閉させて、燃焼室の燃料濃度が所定値に達した後、燃焼室内の燃焼と排気弁の開閉動作とを開始する制御を行うこと、を特徴とする。

このように、内燃機関の始動時に、燃料供給手段から燃料を噴射した後に排気弁を閉じたままクランクシャフトを回転させつつ吸気弁を開閉することにより、燃焼室内の圧縮による混合気の温度上昇と、吸気ポートと燃料室との間を混合気が往復する流れによって、燃焼室や吸気ポートの壁面に付着した燃料の気化が促進され、エミッションの発生を抑制することができる。

本発明の内燃機関の制御装置の一態様において、前記内燃機関の温度が所定温度以下である冷間時に前記内燃機関を始動する時に、前記制御を行ってもよい。

この態様によれば、冷間始動時に燃焼室や吸気ポートの壁面に付着した燃料の気化が促進され、エミッションの発生を抑制することができる。

本発明の内燃機関の制御装置の一態様において、前記排気弁を閉じて停止させたまま前記クランクシャフトを回転させた状態で行われる燃料の噴射を複数回に分けて行ってもよい。

この態様によれば、一度に燃料を噴射する量が少なくなるため、壁面に付着する燃料が少なくなり、燃料の気化が進み易くなる。また、ある程度、気化が進んだ後に再び燃料が噴射されるため、一度に同量を噴射した場合よりも気化が促進され、壁面への燃料付着を抑制できる。そのため、内燃機関の始動時のエミッションの発生を抑制することができる。

本発明は、クランクシャフトを回転しても排気弁を閉じたまま動作を停止できる排気弁停止手段を備えれば、既存の装置を用いて燃料の気化を促進し、内燃機関の始動時のエミッションの発生を抑制することができる。

本発明の実施形態の内燃機関の制御装置を示した図である。 本発明の実施形態の制御装置が適用された内燃機関の気筒の中心線に沿った平面で切断した断面図である。 第一の形態においてＥＣＵが実行する制御ルーチンの一例を示したフローチャ−トである。 第一の形態の制御装置が適用された内燃機関の燃焼室を示した側面図である。 第二の形態においてＥＣＵが実行する制御ルーチンを示したフローチャ−トである。 第三の形態においてＥＣＵが実行する制御ルーチンを示したフローチャ−トである。

＜第一の形態＞
以下、図面を参照しながら、本発明の第一の形態について説明する。図１に示した内燃機関１は不図示の車両に走行用動力源として搭載される。内燃機関１は、４つの気筒２が一方向に並べられた直列４気筒型の内燃機関として構成されている。各気筒２には、吸気通路３０及び排気通路４０がそれぞれ接続されている。

吸気通路３０はエアクリーナ３１及びスロットル弁３２を備えている。内燃機関１は、エアクリーナ３１で濾過された吸入空気を、スロットル弁３２を介して気筒２毎に分配して各気筒２に充填する。スロットル弁３２は、吸気通路３０を流れる吸入空気の流量を調整することができる。排気通路４０は排気触媒４１を備える。各気筒２から排出される排気は、排気触媒４１にて有害物質が浄化されてから、大気に放出される。

図２に示すように、内燃機関１は、各気筒２が形成されたシリンダブロック１１と、各気筒２の開口部を塞ぐシリンダヘッド１２とを備える。そして、各気筒２にピストン２１が挿入されることにより、各気筒２のピストン２１とシリンダヘッド１２との間に燃焼室２２が形成されている。シリンダヘッド１２には、気筒２毎に燃焼室２２に向かって開口する吸気ポート２３及び排気ポート２４が形成されている。吸気ポート２３は吸気通路３０の一部を、排気ポート２４は排気通路４０の一部をそれぞれ構成する。シリンダヘッド１２には、吸気ポート２３内に燃料を噴射する燃料供給手段として燃料噴射弁２５が設けられている。シリンダヘッド１２には、燃焼室２２内で燃料と吸気との混合気を点火する点火プラグ２６が設けられている。吸気ポート２３には吸気弁２７が、排気ポート２４には排気弁２８が設けられている。

図１に示すように、内燃機関１は、不図示のクランクシャフトを回転させてピストン２１を気筒２内で往復させても排気弁２８を閉じたまま排気弁２８の動作を停止できる排気弁停止手段として排気弁停止機構２９を備える。また、クランクシャフトを回転できる外部動力として、モータ１３が設けられている。内燃機関１は、内燃機関１の冷却水の温度を測定する冷却水温度センサ１４を備える。

内燃機関１の各部の制御は、コンピュータとして構成されたエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）５０にて制御される。ＥＣＵ５０は、演算処理部であるＣＰＵと、ＲＡＭ、ＲＯＭ等の記憶部とを有する。ＣＰＵは、記憶部に予め記憶されたプログラムを実行する機能を有する。ＥＣＵ５０は、燃料噴射弁２５、点火プラグ２６、スロットル弁３２、及び排気弁停止機構２９等に対して各種の制御を行う。また、ＥＣＵ５０は、外部動力制御手段としてモータ１３の制御も行う。ＥＣＵ５０には、冷却水温度センサ１４の出力信号等が入力される。

図３は、ＥＣＵ５０が実施する制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。図３の制御ルーチンのプログラムはＥＣＵ５０に保持されており、内燃機関１の始動時に読み出されて実行される。

この制御ルーチンにおいてＥＣＵ５０は、ステップＳ１で内燃機関１の始動要求があると、ステップＳ２でモータ１３を用いてクランクシャフトを回すモータリングを開始する。次にステップＳ３で、ＥＣＵ５０はスロットル弁３２の開度を調整する。次にステップＳ４で、ＥＣＵ５０は排気弁停止機構２９に排気弁２８を閉じたまま停止させる。次にステップＳ５で、ＥＣＵ５０は燃料噴射弁２５に燃料を噴射させる。

その後、排気弁２８を閉じたままモータリングを継続し、燃焼室２２内の燃料濃度が所定値に達した後、ステップＳ６で、ＥＣＵ５０は燃焼室２２内の燃焼及び排気弁２８の開閉動作を開始して、燃焼運転を開始する。燃焼室２２内の燃焼は、点火プラグ２６を用いて行う。

ステップＳ６で燃焼室２２内の燃料濃度が所定値に達したことの判断は、ステップＳ５の燃料噴射から燃焼室２２内の燃料濃度が所定値に到達するまでの時間を予め実験や数値計算等により求めてＥＣＵ５０のＲＯＭに記憶させておき、その時間が燃料噴射から経過したことにより行う。その他、吸気ポート２３に空燃比測定装置を設けていれば、空燃比測定装置で燃料濃度を測定して判断してもよい。また、吸気ポート２３に温度センサを設けておいて、吸気ポート２３の温度とステップＳ２のモータリング開始から燃焼室２２内の燃料濃度が所定値に到達するまでの時間との関係を予め実験や数値計算等により求めてＥＣＵ５０のＲＯＭに記憶させておき、モータリング開始前の吸気ポート２３の温度を測定し、その温度に対応する時間がモータリング開始から経過したことにより判断してもよい。

図４に、吸気行程時にステップＳ５の燃料噴射実行からステップＳ６の燃焼運転開始までの燃焼室２２内の様子を示す。図４に示すのは、吸気行程時に燃料噴射弁２５から燃料を噴射した場合の一例である。

まず、図４（ａ）に示すように、ステップＳ５で吸気行程時に燃料噴射弁２５により燃料を噴射すると、噴射された燃料は吸気の流れに乗って一部が気化して燃焼室２２内に流入するが、一部は吸気ポート２３や燃焼室２２の内壁に未蒸発の状態で付着する。

次に、図４（ｂ）に示す圧縮行程に移ると、燃焼室２２内のガスが圧縮されて温度が上がり、付着した未蒸発の燃料の気化が促進される。ここでは点火による燃焼は行わず、図４（ｃ）に示す膨張行程で、燃焼室２２内のガスが膨張する。次に、図４（ｄ）に示す行程では、吸気弁２７も排気弁２８も閉じているので、燃焼室２２内のガスが再び圧縮される。その後、図４（ｅ）に示すように、吸気弁２７が開き、燃焼室２２内で圧縮されたガスが吸気ポート２３に流れるため、その流れによって吸気ポート２３に付着した燃料の気化が促進される。その後、図４（ｆ）に示す吸気行程で、吸気ポート２３から燃焼室２２内へのガスの流れが起こり、その流れによって壁面に付着した燃料の気化が促進される。その後、図４（ｇ）に示す圧縮行程で、燃焼室２２内のガスが圧縮されて温度が上がり、付着した未蒸発の燃料の気化が促進される。

その後、燃焼室２２内の燃料濃度が所定値に達したとＥＣＵ５０が判断するまで、図４（ｃ）から図４（ｇ）までに示す工程を繰り返すことで、吸気ポート２３や燃焼室２２の壁面に付着している燃料の気化を促進して付着量を低減する。

そして、燃焼室２２内の燃料濃度が所定値に達したとＥＣＵ５０が判断したら、ステップＳ６に進み、燃焼室２２内の燃焼と排気弁２８の開閉動作とを開始して、燃焼運転を開始する。そのため、図４（ｈ）に示すように圧縮行程の後期に点火プラグ２６により点火を行い、図４（ｉ）に示す排気工程で排気弁２８を開いて燃焼したガスを燃焼室２２から排気ポート２４へ排気する。

以上の図４（ａ）から図４（ｉ）までの一連の行程により、吸気ポート２３や燃焼室２２の壁面への燃料付着量を低減した後に燃焼運転を開始するため、内燃機関１の始動時のエミッションの発生を抑制できる。なお、図４では、図４（ａ）に示すように、吸気行程に燃料噴射弁２５が燃料を噴射しているが、吸気行程時以外に燃料を噴射してもよい。吸気行程時以外のタイミングで燃料を噴射した場合、ステップＳ５で噴射した燃料は燃焼室２２に直接導入されず、吸気ポート２３や吸気弁２７に付着するが、その後に図４（ｃ）から図４（ｇ）までに示す工程を繰り返すことで、付着した燃料の気化が促進される。

＜第二の形態＞
次に、本発明の第二の形態を説明する。この形態は、ＥＣＵ５０が制御する制御ルーチンが異なることを除き、第一の形態と同一の構成を有している。

図５は、ＥＣＵ５０が実施する制御ルーチンを示すフローチャートである。図５の制御ルーチンのプログラムはＥＣＵ５０に保持されており、内燃機関１の始動時に読み出されて実行される。

この制御ルーチンにおいてＥＣＵ５０は、まずステップＳ１１で内燃機関１の始動要求があると、ステップＳ１２で冷間時か否か判断する。ＥＣＵ５０は、冷却水温度センサ１４で測定した内燃機関１の冷却水の温度が閾値以下であれば冷間時であると判断する。冷間時か否かの判断は、内燃機関１の停止後の経過時間により判断してもよい。

冷間時の場合は、ステップＳ１３からステップＳ１７までの制御を行う。このステップＳ１３からステップＳ１７までの制御は、図３のステップＳ２からＳ６までの制御と全く同じである。

冷間時でない場合は、ステップＳ２１でＥＣＵ５０はモータ１３を用いてクランクシャフトを回すモータリングを開始する。次にステップＳ２２で、ＥＣＵ５０はスロットル弁３２の開度を調整する。そして、ＥＣＵ５０はステップＳ２３で燃料噴射弁２５により燃料を噴射させて、ステップＳ２４で燃焼運転を開始する。冷間時でない場合は、内燃機関１の始動時に燃料噴射弁２５が燃料を噴射しても、燃料が気化し易く、未蒸発の燃料が吸気ポート２３や燃焼室２２の壁面に付着することは少ないので、図４（ｃ）から図４（ｇ）までに示す行程を行わず、ステップＳ２４の噴射燃焼運転を開始する。

図５の制御ルーチンのプログラムが実行されることにより、冷間時でない場合には内燃機関１の始動時に燃料噴射開始後すぐに噴射燃焼運転を開始できる一方、冷間始動時には燃焼室２２や吸気ポート２３の壁面に付着した燃料の気化が促進され、エミッションの発生を抑制することができる。

＜第三の形態＞
次に、本発明の第三の形態を説明する。この形態は、ＥＣＵ５０が制御する制御ルーチンが異なることを除き、第一の形態と同一の構成を有している。

図６は、ＥＣＵ５０が実施する制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。図６の制御ルーチンのプログラムはＥＣＵ５０に保持されており、内燃機関１の始動時に読み出されて実行される。

この制御ルーチンにおいてＥＣＵ５０は、ステップＳ３１で内燃機関１の始動要求があると、ステップＳ３２でモータ１３を用いてクランクシャフトを回すモータリングを開始する。次にステップＳ３３で、ＥＣＵ５０はスロットル弁３２の開度を調整する。次にステップＳ３４で、ＥＣＵ５０は排気弁停止機構２９に排気弁２８を閉じたまま停止させる。このステップＳ３１からステップＳ３４までの制御は、図３のステップＳ１からＳ４までの制御と全く同じである。

次にステップＳ３５で、ＥＣＵ５０は燃料噴射弁２５に燃料を数回に分けて噴射させる。例えば、燃料噴射を３回に分けて噴射する場合、図４（ａ）の吸気行程で１回目の燃料噴射を行い、更に図４（ｃ）から図４（ｇ）までに示す行程を繰り返す中で、１回目の図４（ｆ）の吸気行程で２回目の燃料噴射を行い、２回目の図４（ｆ）の吸気行程で３回目の燃料噴射を行う。このように燃料を数回に分けて噴射することによって、一度に噴射する量が少なくなり、吸気ポート２３や燃焼室２２の壁面に付着する燃料が少なくなる。そのため、燃料の蒸発が進み易くなる。そして、ある程度蒸発が進んだ後に再度噴射することで、一度に同量を噴射した場合よりも気化が促進され、燃料の壁面付着を抑制できる。

その後、排気弁２８を閉じたままモータリングを継続し、燃焼室２２内の燃料濃度が所定値に達したとＥＣＵ５０が判断すると、ステップＳ３６で、ＥＣＵ５０は燃焼室２２内の燃焼及び排気弁２８の開閉動作を開始して、燃焼運転を開始する。燃焼室２２内の燃焼は、点火プラグ２６を用いて行う。

図６の制御ルーチンのプログラムが実行されることにより、ステップＳ５で燃料が数回に分けて噴射され、第一の形態よりも更に燃料の壁面付着が少なくなるため、エミッションの発生を抑制することができる。なお、ここでは吸気行程の際に燃料を噴射する旨を述べたが、第三の形態も第一の形態と同様に、吸気行程時以外に燃料を噴射してもよい。

＜実施形態の補足＞
本開示の内燃機関の制御装置は、上述した形態に限定されず、本開示の要旨の範囲内において種々の形態にて実施できる。上記各形態では、４気筒の内燃機関に適用したが、気筒数を問わず適用できる。また、上記各形態では、燃料噴射弁２５が吸気ポート２３に設けられた内燃機関に適用したが、筒内直接噴射式の内燃機関や、吸気ポート２３と燃焼室２２の両方に燃料噴射弁２５が設けられた内燃機関にも適用できる。また、上記各形態では、モータリングの開始後にスロットル弁３２の開度を調整しているが、モータリング開始前にスロットル弁３２の開度を調整してもよい。

１ 内燃機関、２ 気筒、１１ シリンダブロック、１２ シリンダヘッド、１３ モータ、１４ 冷却水温度センサ、２１ ピストン、２２ 燃焼室、２３ 吸気ポート、２４ 排気ポート、２５ 燃料噴射弁、２６ 点火プラグ、２７ 吸気弁、２８ 排気弁、２９ 排気弁停止機構、３０ 吸気通路、３１ エアクリーナ、３２ スロットル弁、４０ 排気通路、４１ 排気触媒、５０ ＥＣＵ。

Claims (3)

1. クランクシャフトを回転しても排気弁を閉じたまま動作を停止できる排気弁停止手段と、吸気ポート及び燃焼室の少なくとも１つに燃料を噴射できる燃料供給手段と、を備える内燃機関に適用され、
   前記クランクシャフトを回転できる外部動力と、前記外部動力を制御する外部動力制御手段と、を備える内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関の始動時に、前記排気弁を閉じて停止させたまま前記クランクシャフトを回転させた状態で前記燃料供給手段から燃料を噴射させた後、前記排気弁を閉じたまま前記クランクシャフトを回転させつつ吸気弁を開閉させて、前記燃焼室の燃料濃度が所定値に達した後、前記燃焼室内の燃焼と前記排気弁の開閉動作とを開始する制御を行うこと、を特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関の温度が所定温度以下である冷間時に前記内燃機関を始動する時に、前記制御を行うこと、を特徴とする内燃機関の制御装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の内燃機関の制御装置であって、
   前記排気弁を閉じて停止させたまま前記クランクシャフトを回転させた状態で行われる燃料の噴射を複数回に分けて行うこと、を特徴とする内燃機関の制御装置。
   

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