JP2010180774A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンクリアランスを介するブローバイガスの燃焼室内への直接的な流入を好適に抑制し、燃焼の安定化・排気エミッションの向上を図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】スロットルバルブ４５の開度が小（燃焼室３１内の負圧が大）となるエンジン１０の始動制御時等において、前回のエンジン停止直前のアイドル運転時の噴射量補正量（燃料希釈率）、現在の油温、ソーク時間とからブローバイガス中の気化燃料量が許容範囲内か否かの判定を行う。ブローバイガス中の気化燃料量が許容範囲を超える判定がなされると、スロットルバルブ４５の開度を全開とする制御とともに、それに対応して吸気バルブ３５の閉弁時期を遅角側に変更して吸気の吹き戻しを行わせ吸入空気量を調整する制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブローバイガスによる空燃比の乱れを好適に抑制する内燃機関の制御装置に関するものである。

ブローバイガス還元装置を備える内燃機関としては、例えば特許文献１に記載のものが知られている。ブローバイガス還元装置は、吸気通路のスロットルバルブの下流側とクランク室内とを接続してクランク室内のブローバイガスを吸気通路に供給する第１の換気通路と、吸気通路のスロットルバルブの上流側とクランク室内とを接続して吸入空気をクランク室内に供給する第２の換気通路と、第１の換気通路に設けられてその通路面積を変更する換気弁とにより構成されている。そして、内燃機関の運転中においては、機関運転状態に基づいてブローバイガスの要求流量が設定され、ブローバイガスの実流量がその要求値となるように換気弁の開度の制御が行われている。

特開２００６−５２６６４号公報

ところで、内燃機関の始動制御時やアイドル運転時等においてはスロットルバルブが全閉状態に近いため、内燃機関の吸気行程でのピストンの下降に伴って燃焼室内が大きく負圧になる。すると、クランク室内のブローバイガスが上記した換気通路を流れて正規に還元される他に、ブローバイガスの一部がクランク室からピストンクリアランスを介して燃焼室内に直接的に流入する事象が生じる。このようなピストンクリアランスを介するブローバイガスの燃焼室内への直接的な流入は、空燃比の乱れを引き起こし燃焼変動や排気エミッションの悪化の要因となり、特にエンジンオイルの燃料希釈率が高い状態での高温再始動時では、燃料の気化量が多くブローバイガスに燃料成分が多く含まれることで空燃比がリッチとなり過ぎて燃焼変動や排気エミッションの悪化が生じ易いため、この点の課題解決が望まれていた。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、ピストンクリアランスを介するブローバイガスの燃焼室内への直接的な流入を好適に抑制し、燃焼の安定化・排気エミッションの向上を図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。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、スロットルバルブの開度に応じて吸入空気量が調整され、調整された吸入空気とインジェクタから噴射される燃料との混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を得る内燃機関であり、ブローバイガスの吸気通路への還元を行うブローバイガス還元手段と、吸気バルブのバルブ特性を変更可能なバルブ特性変更手段とを備えた内燃機関の制御装置であって、前記スロットルバルブの開度が小で前記燃焼室内の負圧が大となる内燃機関の運転状態である場合、前記ブローバイガス中の気化燃料量が許容範囲内か否かを判定し、前記ブローバイガス中の気化燃料量が許容範囲を超える判定がなされると、前記スロットルバルブの開度を増大させる制御とともに、それに対応して前記吸気バルブの閉弁時期を遅角側に変更して吸気の吹き戻しを行わせる制御を行うことをその要旨とする。

この発明では、スロットルバルブの開度が小で燃焼室内の負圧が大となる内燃機関の運転状態（例えば始動制御時やアイドル運転時、機関低負荷時等）である場合、ピストンクリアランスを介するブローバイガスの燃焼室内への直接的な流入が生じることから、そのブローバイガス中の気化燃料量が許容範囲内か否かが判定される。ブローバイガス中の気化燃料量が許容範囲を超える判定がなされると、空燃比がリッチとなり過ぎて燃焼不具合が生じ得るとして、スロットルバルブの開度を増大し燃焼室内を大気圧もしくは大気圧に近い状態として負圧状態を解消し、この時の気化燃料の多いブローバイガスの燃焼室内への直接的流入が抑制され、空燃比がリッチとなり過ぎるのが防止される。またそれに対応して、吸気バルブの閉弁時期を遅角側に変更して吸気の吹き戻しが行われ、吸入空気量が調整される。これにより、燃焼室内の負圧が大きくブローバイガス中の気化燃料量が多くなる運転状態（エンジンオイルの燃料希釈率が高い状態での高温再始動時等）においても空燃比が良好に推移し、燃焼の安定化・排気エミッションの向上が図られる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、内燃機関はアルコール燃料対応の機関であり、前記判定時にはエンジンオイルの油温とアルコールの沸点との比較結果を含んでその判定がなされることをその要旨とする。

この発明では、アルコール燃料対応の内燃機関に対して上記した判定及び制御が実施され、その判定時にはエンジンオイルの油温とアルコールの沸点との比較結果を含んでその判定がなされる。アルコール燃料対応の内燃機関では、例えば使用燃料がＥ１００（エタノール１００％）の場合等、ガソリン機関に比べ燃料噴射量が増加することでエンジンオイルへの希釈が進行し易く、また希釈燃料が単一成分（エタノールのみ）であることから、エンジンオイルの油温がエタノールの沸点を超えるとその希釈燃料の急激な気化が始まり、ブローバイガス中の気化燃料量が急増するため、本発明を適用する意義は大きい。

本実施形態の内燃機関を示す概略構成図である。 同内燃機関におけるブローバイガス及び吸気の流れを説明する説明図であり、（ａ）はスロットル開度が通常開度に設定された場合を示す図、（ｂ）はスロットル開度が全開に設定された場合を示す図である。 同内燃機関のバルブ特性を説明するための説明図である。 同内燃機関の噴射量補正量と燃料希釈率との相関を示す相関図である。 同内燃機関における負圧制御処理を示すフロー図である。 同内燃機関の始動制御時における機関回転速度（ＮＥ）及び空燃比の推移を説明するための説明図である。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、本実施形態における筒内噴射式のエンジン１０は、空気及び燃料（ガソリン）からなる混合気の燃焼を通じて動力を発生させるためのエンジン本体２０と、外部の空気をエンジン本体２０に取り入れるための吸気装置４０と、エンジン本体２０内のブローバイガスを吸気装置４０に供給するための電子制御式のブローバイガス還元装置５０と、これら装置を統括的に制御する電子制御装置６０とを備えて構成されている。

エンジン本体２０は、ピストン２６が往復運動可能に収容されるとともにインジェクタ２７を通じて燃焼室３１内に直接的に噴射された燃料と吸気装置４０を通じて燃焼室３１内に供給された空気との混合気を燃焼させるためのシリンダブロック２１と、このシリンダブロック２１と協働してクランクシャフト２８を支持するためのクランクケース２２と、エンジンオイルを貯留するためのオイルパン２３と、動弁系の部品を配置するためのシリンダヘッド２４と、エンジンオイルの外部への飛散を抑制するためのヘッドカバー２５とにより構成されている。また、シリンダブロック２１及びクランクケース２２により形成されるクランク室３２と、シリンダヘッド２４及びヘッドカバー２５により形成される動弁室３３とは、シリンダブロック２１に形成された連通室３４により接続されている。

また、エンジン本体２０には、備えられる吸排気バルブ３５，３６のうちの吸気バルブ３５について、そのバルブ特性を変更（開弁期間の進遅角量を調整）するバルブタイミング可変装置（ＶＶＴ）３７が備えられている。この吸気側のバルブタイミング可変装置３７は、クランクシャフト２８に対する吸気カム（カムシャフト）３８の相対回転位相を変化させることにより、吸気バルブ３５のバルブタイミングを所定の範囲内でクランク角に対して連続的に調整するための機構である。そして、バルブタイミング可変装置３７の作動により、吸気バルブ３５のバルブタイミングは、図３に示すように、その開弁期間（開弁時期から閉弁時期までの期間）が一定に保持された状態で進角又は遅角させられる。

吸気装置４０は、外気を当該装置内に取り込むためのエアインテーク４１と、このエアインテーク４１を介して取り込まれた空気中の異物を捕捉するためのエアクリーナ４２と、スロットルバルブ４５の開閉を通じて吸入空気量を調整するためのスロットルボディ４４と、エアクリーナ４２の吸気下流側とスロットルボディ４４の吸気上流側とを接続するインテークホース４３と、スロットルボディ４４の吸気下流側とシリンダヘッド２４の吸気上流側とを接続するインテークマニホールド４６とにより構成されている。このインテークマニホールド４６には、スロットルボディ４４を通過した吸気を滞留させるためのサージタンク４７と、サージタンク４７内の吸気をシリンダヘッド２４の各インテークポートに送り込むための複数のサブパイプ４８とが設けられている。すなわち吸気装置４０においては、エアインテーク４１内の通路と、エアクリーナ４２内の通路と、インテークホース４３内の通路と、スロットルボディ４４内の通路と、インテークマニホールド４６内の通路とにより、吸気をエンジン本体２０に送り込むための吸気通路４９が形成されている。

ブローバイガス還元装置５０は、燃焼室３１内からクランク室３２内に流れ出たブローバイガスを吸気装置４０内におけるスロットルバルブ４５の吸気下流側に供給する機能、及びエアクリーナ４２により浄化された吸気を吸気装置４０内におけるスロットルバルブ４５の吸気上流側からクランク室３２内に供給する機能、及びエンジン本体２０内から吸気装置４０内に供給されるブローバイガスの流量を調整する機能を備える装置として構成されている。

具体的には、クランク室３２内のブローバイガスを動弁室３３内からサージタンク４７内に送り込むための通路として、ヘッドカバー２５とサージタンク４７とを接続する態様で形成された第１換気通路５１が設けられている。また、インテークホース４３内の吸気を動弁室３３内に送り込むための通路、あるいは動弁室３３内からインテークホース４３内にブローバイガスを送り込むための通路として、ヘッドカバー２５とインテークホース４３とを接続する態様で形成された第２換気通路５２が設けられている。また、動弁室３３内からサージタンク４７内に向けて流れるブローバイガスの流量を調整するための弁として、ヘッドカバー２５に設けられて第１換気通路５１の通路面積を変更するＰＣＶバルブ５３が設けられている。そして、同一の機関運転条件のもとでは、ＰＣＶバルブ５３の開度が開弁側に変更されることにより、動弁室３３内からサージタンク４７内に供給されるブローバイガスの流量が増大するようになる。

電子制御装置６０には、機関制御を補助するための各種センサとして、車両のアクセルペダルの踏み込み量に応じた信号を出力するアクセルポジションセンサ６１、及びクランクシャフト２８の回転速度（機関回転速度）に応じた信号を出力するクランクポジションセンサ６２、及び吸気通路４９を流れる吸入空気量に応じた信号を出力するエアフロメータ６３、及びスロットルバルブ４５の開度（スロットル開度）に応じた信号を出力するスロットルポジションセンサ６４、及びエンジン本体２０を冷却する機関冷却水の温度に応じた信号を出力する冷却水温度センサ６５、及びエンジン本体２０内を循環するエンジンオイルの温度に応じた信号を出力する油温センサ６６、及び排気中の酸素濃度に基づいて混合気の空燃比に応じた信号を出力する空燃比センサ６７等が設けられている。

電子制御装置６０は、上記各センサの検出結果に基づいて運転者の要求及び機関運転状態を把握したうえで、吸入空気量を調整するスロットル制御、及びインジェクタ２７による燃料噴射量を調整する噴射制御、及び混合気の空燃比を目標値に近づける空燃比制御、及び吸気バルブ３５の開弁期間の進遅角量を調整するバルブタイミング制御、及びエンジン本体２０内から吸気装置４０内に供給されるブローバイガスの流量を調整する換気制御等の各種制御を行う。

ところで、エンジン１０の始動制御時やアイドル運転時等においては、図２（ａ）に示すように、通常、スロットルバルブ４５が全閉状態に近くスロットル開度が小さく設定されるため、エンジン１０の吸気行程でのピストン２６の下降に伴って燃焼室３１内が大きく負圧になる。そのため、クランク室３２内から連通室３４及び動弁室３３及び第１換気通路５１を介して吸気通路４９にブローバイガスが流れ込むようになる。またこのとき、新気が第２換気通路５２を介して動弁室３３に流れ込む。更に、燃焼室３１内が大きく負圧になることで、クランク室３２内のブローバイガスの一部がピストンクリアランス（ピストン２６とシリンダブロック２１との間のクリアランス）を介して燃焼室３１内に直接的に流入する事象も生じ得る。

ここで、エンジン１０の始動制御時において、始動指令（イグニッションキーのオン）が入力されると、電子制御装置６０は、その始動制御の実施とともに、燃焼不具合の発生を招くブローバイガスのピストンクリアランスからの直接的流入を抑制するために燃焼室３１内の負圧状態を解消する負圧制御処理を実行する。図５は、その負圧制御処理フローである。

ステップＳ１０において、前回のエンジン１０の停止直前における例えばアイドル運転時の運転条件から、インジェクタ２７による燃料噴射量の補正量の読み込みを行い、読み込んだ噴射量補正量からエンジンオイルの燃料希釈率を算出する。因みに、図４に示すように、噴射量補正量とエンジンオイルの燃料希釈率とは、その噴射量補正量が減少側に大きいとエンジンオイルの燃料希釈率が高くなるという相関関係にあり、この相関関係から燃料希釈率が算出される。

燃料希釈率が高くなると、ブローバイガスに含まれる気化燃料量の増加に繋がり燃焼変動や排気エミッションの悪化といった燃焼不具合の生じる要因となるため、次のステップＳ２０では、算出した燃料希釈率が判定値Ｏdiniを超えるか否かを判定している。算出した燃料希釈率が判定値Ｏdiniより小さく燃焼不具合の生じない許容範囲内の希釈率であると判定されると、この負圧制御処理を終了する。

一方、算出した燃料希釈率が判定値Ｏdiniを超え燃焼不具合を生じ得る希釈率であると判定されると、次のステップＳ３０にて、現在のエンジンオイルの油温と、前回のエンジン停止から今回の始動までの経過時間であるソーク時間との読み込みを行い、これらから希釈燃料の気化量、すなわちブローバイガスに含まれる気化燃料量を算出する。現在の油温が高く、ソーク時間が長いと、ブローバイガスに含まれる気化燃料量は多くなる。

気化燃料量が多いと、スロットル開度の小さい始動制御時では燃焼室３１内が大きく負圧になることから、気化燃料量の多いブローバイガスがピストンクリアランスを介して燃焼室３１内に直接的に流入して上記の燃焼不具合が生じるため、次のステップＳ４０では、算出した気化燃料量から燃焼不具合の発生の可能性があるかを判定する。算出した気化燃料量が少なく許容範囲内であり、燃焼不具合発生の可能性がないと判定されると、この負圧制御処理を終了する。

一方、算出した気化燃料量が多く許容範囲を超え、燃焼不具合発生の可能性があると判定されると、次のステップＳ５０にてスロットル全開制御指令を出力し、図２（ｂ）に示すように、スロットルバルブ４５を全開に制御する。すると、吸気行程において燃焼室３１内が大気圧もしくは大気圧に近い状態となって負圧状態が解消され、気化燃料量の多いブローバイガスのピストンクリアランスからの直接的流入が抑制される。これにより、例えばエンジンオイルの燃料希釈率の高い状態での高温再始動時でも空燃比がリッチとなり過ぎず良好とされる。

また、次のステップＳ６０では、先のスロットルバルブ４５の全開制御に対応し、吸気バルブ３５の開弁期間を遅角側に変更するＶＶＴ制御指令を出力する。すなわち、上記のようにスロットルバルブ４５を全開とすると、燃焼室３１内に導入される吸気が逆に多くなり過ぎてしまう。従って、これを防止するために、図３の実線にて示すように、圧縮行程に入っても吸気バルブ３５が開弁するように閉弁時期を遅らせ、燃焼室３１内に吸気を吸い込み過ぎないように吸気の吹き戻しを行わせ、吸入空気量を調整する。

本実施形態では次のステップＳ７０において、ＰＣＶバルブ５３を全閉に制御するＰＣＶバルブ制御指令を出力する。すなわち、燃焼室３１内の負圧状態が解消されることから、通路５１，５２を経由するブローバイガスの正規の還元量も減少するため、ＰＣＶバルブ５３を全閉としてブローバイガスの還元量を極めて少なくすることで、空燃比の制御性を高めることもできる。そして、ステップＳ７０を経て、負圧制御処理を終了する。

これにより本実施形態では、電子制御装置６０がエンジン１０の始動制御時に上記負圧制御処理を実行することで、燃料希釈率の高い状態での高温再始動時等であっても図６に示すように空燃比が良好に推移して燃焼が安定し、機関回転速度（ＮＥ）の安定や排気エミッションの向上が図られる。

次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）本実施形態では、スロットルバルブ４５の開度が小で燃焼室３１内の負圧が大となるエンジン１０の始動制御時において、ピストンクリアランスを介するブローバイガスの燃焼室３１内への直接的な流入が生じることから、前回のエンジン停止直前のアイドル運転時の噴射量補正量（燃料希釈率）、現在の油温、ソーク時間とからそのブローバイガス中の気化燃料量が許容範囲内か否かが判定される（ステップＳ１０〜Ｓ４０）。ブローバイガス中の気化燃料量が許容範囲を超える判定がなされると、空燃比がリッチとなり過ぎて燃焼不具合が生じ得るとして、スロットルバルブ４５の開度を全開に増大し（ステップＳ５０）、燃焼室３１内を大気圧もしくは大気圧に近い状態として負圧状態を解消し、この時の気化燃料の多いブローバイガスの燃焼室３１内への直接的流入が抑制され、空燃比がリッチとなり過ぎるのが防止される。またそれに対応して、吸気バルブ３５の閉弁時期を遅角側に変更して吸気の吹き戻しが行われ（ステップＳ６０）、スロットルバルブ４５の開度増大により燃焼室３１内への吸気の吸い込み過ぎが抑制され、吸入空気量が調整される。これにより、燃焼室３１内の負圧が大きくブローバイガス中の気化燃料量が多くなる運転状態（エンジンオイルの燃料希釈率が高い状態での高温再始動時等）においても空燃比を良好に推移させることができ、燃焼の安定化・排気エミッションの向上を図ることができる。

尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、スロットルバルブ４５の開度が小で燃焼室３１内の負圧が大となるエンジン１０の始動制御時に適用したが、アイドル運転時や機関低負荷時に適用してもよい。

・上記実施形態では、ブローバイガス中の気化燃料量が多く許容範囲を超えると、スロットルバルブ４５を全開としたが、全開手前で通常よりも開側に増大させてもよい。
・上記実施形態では、筒内噴射式のエンジン１０に適用したが、ポート噴射を行うエンジンに適用してもよい。

・上記実施形態では、ガソリン燃料を使用するエンジン１０に適用したが、アルコール燃料として例えばエタノール燃料を使用するエンジンに適用してもよい。アルコール燃料対応のエンジンでは、例えば使用燃料がＥ１００（エタノール１００％）の場合等、ガソリンエンジンに比べ燃料噴射量が増加することでエンジンオイルへの希釈が進行し易く、また希釈燃料が単一成分（エタノールのみ）であることから、エンジンオイルの油温がエタノールの沸点を超えるとその希釈燃料の急激な気化が始まり、ブローバイガス中の気化燃料量が急増するため、本発明を適用する意義は大きい。

また、アルコール燃料対応のエンジンの場合、アルコールセンサを用いてエンジンオイルへのアルコール燃料の希釈率を得るようにしてもよい。また、ブローバイガス中の気化燃料量が許容範囲内か否かの判定において、燃料に用いるアルコールの沸点を参照してその判定を行うことで、容易かつ的確な判定を行うことが可能である。

１０…エンジン（内燃機関）、２７…インジェクタ、３１…燃焼室、３５…吸気バルブ、３７…バルブタイミング可変装置（バルブ特性変更手段）、４５…スロットルバルブ、４９…吸気通路、５０…ブローバイガス還元装置（ブローバイガス還元手段）、６０…電子制御装置（制御装置）。

Claims (2)

1. スロットルバルブの開度に応じて吸入空気量が調整され、調整された吸入空気とインジェクタから噴射される燃料との混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を得る内燃機関であり、ブローバイガスの吸気通路への還元を行うブローバイガス還元手段と、吸気バルブのバルブ特性を変更可能なバルブ特性変更手段とを備えた内燃機関の制御装置であって、
   前記スロットルバルブの開度が小で前記燃焼室内の負圧が大となる内燃機関の運転状態である場合、前記ブローバイガス中の気化燃料量が許容範囲内か否かを判定し、
   前記ブローバイガス中の気化燃料量が許容範囲を超える判定がなされると、前記スロットルバルブの開度を増大させる制御とともに、それに対応して前記吸気バルブの閉弁時期を遅角側に変更して吸気の吹き戻しを行わせる制御を行う
   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において、
   内燃機関はアルコール燃料対応の機関であり、前記判定時にはエンジンオイルの油温とアルコールの沸点との比較結果を含んでその判定がなされる
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。

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