(57)【要約】【課題】吸気の冷却による熱効率向上効果を得つつ、運転条件の変化に伴う熱効率低下が抑制される制御システムを提供する。【解決手段】制御システム（１）は、シリンダ（１１）およびピストン（１３）によって区画形成される燃焼室（１２）を有する内燃機関（１０）に用いられる。制御システムは、内燃機関の吸気を冷却する吸気冷却部（４０）と、燃焼室の燃焼形態を可変とする可変圧縮比機構部（３０）と、燃焼室の燃焼状態の指標を取得する燃焼状態取得部（２１）と、燃焼状態取得部による取得結果に基づいて吸気冷却部及び可変圧縮比機構部を制御するＥＣＵ（２０）と、を備える。ＥＣＵは、内燃機関の運転状態の過度時において、吸気冷却部により吸気温度を最大限低下させた上で、可変圧縮比機構部を制御する。。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ（１１）およびピストン（１３）によって区画形成される燃焼室（１２）を有する内燃機関（１０）に用いられる制御システムであって、
前記内燃機関の吸気を冷却する吸気冷却部（４０）と、
前記燃焼室の燃焼形態を可変とする燃焼形態可変部（３０）と、
前記燃焼室の燃焼状態の指標を取得する燃焼状態取得部（２１）と、
前記燃焼状態取得部による取得結果に基づいて前記吸気冷却部及び前記燃焼形態可変部を制御する制御部（２０）と、
を備え、
前記制御部は、前記内燃機関の運転状態の過度時において、前記吸気冷却部により吸気温度を最大限低下させた上で、前記燃焼形態可変部を制御する制御システム。
【請求項２】
前記燃焼形態可変部は、前記シリンダ内の圧縮比を可変とする可変圧縮比機構部である請求項１に記載の制御システム。
【請求項３】
前記制御部は、
前記燃焼状態取得部により取得した燃焼状態の指標が、少なくとも前記内燃機関の負荷に応じて予め設定された安定した燃焼を確保するための安定燃焼状態に達していないと判断された場合に、前記可変圧縮比機構部の圧縮比を上げるように制御する請求項２に記載の制御システム。
【請求項４】
前記吸気冷却部は、冷凍部（６４）を有し、前記冷凍部が生成した冷熱源を用いて前記内燃機関の吸気を冷却する請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の制御システム。
【請求項５】
前記冷凍部は、前記内燃機関の排気ガスから回収した熱を温熱源として用いる請求項４に記載の制御システム。
【請求項６】
前記燃焼状態取得部は、前記燃焼室の圧力である筒内圧力に基づいて筒内温度（Ｔｅ）を推定する請求項１〜請求項５のうちいずれか一項に記載の制御システム。
【請求項７】
前記燃焼状態取得部は、前記内燃機関の吸気圧、吸気量、前記吸気温度、及びＥＧＲ率に基づいて前記筒内の温度を推定する請求項６に記載の制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に用いられる制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の熱効率向上のために、吸気を冷却する技術が知られている。例えば、特許文献１に記載される内燃機関の冷却装置は、電動モータの作動により機械圧縮比が変えられる可変圧縮比機構と、過給器によって圧縮されて温度上昇した吸気を冷却する吸気冷却機と、を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−８５７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、吸気温度は低いほど酸素濃度が上がるため熱効率は良くなる。しかし、吸気を冷却しすぎると、内燃機関の負荷の度合いによっては燃焼悪化あるいは失火が発生する可能性がある。この解決策として、吸気冷却機の冷却度合いを調整することが考えられる。
しかし、吸気冷却機の冷却度合い調整の応答性はあまり高くない。そのため、例えば内燃機関の運転条件が、負荷が小さくなるように推移した際、冷却度合いの高い状態がしばらく維持されることになる。これにより筒内温度が過度に低下する結果、上述の燃焼悪化あるいは失火が発生し、却って熱効率が低下するおそれがある。
【０００５】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、吸気の冷却による熱効率向上効果を得つつ、運転条件の変化に伴う熱効率低下が抑制される制御システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の制御システムは、シリンダ（１１）およびピストン（１３）によって区画形成される燃焼室（１２）を有する内燃機関（１０）に用いられる。制御システムは、内燃機関の吸気を冷却する吸気冷却部（４０）と、燃焼室の燃焼形態を可変とする燃焼形態可変部（３０）と、燃焼室の燃焼状態の指標を取得する燃焼状態取得部（２１）と、燃焼状態取得部による取得結果に基づいて吸気冷却部及び燃焼形態可変部を制御する制御部（２０）と、を備える。制御部は、内燃機関の運転状態の過度時において、吸気冷却部により吸気温度を最大限低下させた上で、燃焼形態可変部を制御する。
【０００７】
「燃焼形態」の要素としては、例えば、圧縮比、バルブタイミング、ＥＧＲ率などが含まれる。そして、「燃焼形態を可変とする」とは、これらの各要素を単独もしくは複数調整することで燃焼室での燃焼形態を変更可能であることを意味する。
本構成によれば、燃焼状態取得部により逐次取得された筒内の燃焼状態に基づいて、制御部が、吸気冷却部及び燃焼形態可変部を制御する。例えば、燃焼形態可変部として可変圧縮比機構を備える場合、制御部は操作要素として圧縮比をフィードバック制御し、燃焼形態が変更される。これによれば、例えば吸気冷却部による吸気冷却の過度遅れに対して、高圧縮比化により筒内温度が上昇するため、筒内の燃焼状態を安定化させることができる。すなわち、吸気の冷却による熱効率向上効果を得つつ、運転条件の変化に伴う熱効率低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態の制御システムを概念的に示す図である。
【図２】負荷変動時の可変圧縮比機構部による制御を説明するグラフであって、実線は第１実施形態による推移を示し、破線は比較形態による推移を示す。
【図３】制御部が行う処理を説明するためのフローチャートである。
【図４】吸気冷却温度の変化による熱効率の推移を示す図であり、左側に示すグラフは高負荷時によるものであり、右側に示すグラフは中負荷時によるものである。
【図５】第２実施形態による、制御部が行う処理を説明するためのフローチャートである。
【図６】第３実施形態による、制御部が行う処理を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。実施形態同士で実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
〈第１実施形態〉
［構成］
本発明の第１実施形態の構成について、図１を参照しつつ説明する。図１に示すように、第１実施形態の制御システム１は、車両の内燃機関１０の吸気（すなわち、燃焼室１２内に吸入されるガス）を冷却する機能を備えている。制御システム１は、制御部としての電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）２０、可変圧縮比機構部３０、吸気冷却部４０、および燃焼状態取得部２１などを備えている。
【００１０】
まず、内燃機関１０及びその周辺構成について説明する。内燃機関１０は、例えば、軽油等の燃料が燃焼室１２に直接噴射されるディーゼルエンジンである。シリンダ１１内のピストン１３が上死点に到達する付近で、燃料噴射弁１４が燃料を噴射すると、吸気ポート１５から供給される空気と燃料との混合気が燃焼室１２で自己着火し、燃焼する。燃焼時の爆発力によりピストン１３が往復運動し、ピストン１３の往復運動はコンロッド３３を介してクランクシャフト３２の回転運動に変換される。燃焼により生じた既燃ガスは、排気通路４１を経由して大気中に放出される。
【００１１】
燃焼室１２の入口であるシリンダヘッド１６の吸気ポート１５には、吸気弁１７が設けられており、燃焼室１２の出口であるシリンダヘッド１６の排気ポート１８には、排気弁１９が設けられている。吸気弁１７および排気弁１９は、図示しないバルブ駆動機構により開閉駆動される。
【００１２】
ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭおよび入出力ポート等からなるマイクロコンピュータにより構成され、内燃機関１０の各部位に取り付けられた各種センサ、例えば燃焼室１２の圧力を測定する筒内圧センサ２２等からの信号が入力される。ＥＣＵ２０は、これらの各種センサからの検出信号に基づき、内燃機関１０の運転状態を制御する。ＥＣＵ２０は、筒内の燃焼状態の指標を取得する燃焼状態取得部２１を有する。本実施形態では、筒内の燃焼状態の指標として、筒内温度を採用しており、燃焼状態取得部２１は、筒内圧センサ２２により測定された筒内圧力に基づいて筒内温度を推定する。
【００１３】
可変圧縮比機構部３０は、「燃焼形態可変部」に相当し、ピストン１３の上死点位置を調整して圧縮比（機械圧縮比）を変える複リンク式の機構部である。可変圧縮比機構部３０は、ピストン１３とクランクシャフト３２とを、コンロッド３３及びロアリンク３４を介して連結し、コントロールリンク３５によってロアリンク３４の姿勢を制御して圧縮比を変える。
【００１４】
コントロールリンク３５は、その一端がロアリンク３４に連結し、その他端がリンク駆動部３６に連結する。リンク駆動部３６は、図示しないコントロールシャフト、ピニオン、電動モータ等を有している。電動モータによってコントロールシャフトが回転すると、コントロールリンク３５の揺動中心が変化し、コンロッド３３とロアリンク３４との傾斜角度が変更され、ピストン１３の上死点位置が調整される。このように、可変圧縮比機構部３０は、ピストン１３の上死点位置を調整して圧縮比を可変する。
【００１５】
上記可変圧縮比機構部３０を有することで、図２に示すように、例えば内燃機関１０の運転条件の負荷が高くなるように変化するとき、圧縮比を高くして筒内温度を上昇させることができ、可変圧縮比機構部３０を有さない場合と比較して燃焼状態の安定を図ることが可能である。
【００１６】
次に、吸気冷却部４０の構成について説明する。まず、内燃機関１０は、排気通路４１に設けられたタービン４２と吸入通路４３に設けられたコンプレッサ４４とからなる過給器４５を備えている。コンプレッサ４４で圧縮された新気は、チャージクーラ４６およびインテークマニホールド４７を通って燃焼室１２に吸入される。
【００１７】
排気通路４１と吸入通路４３との間にはＥＧＲ通路５１が設けられている。ＥＧＲ通路５１は、排気通路４１から排気の一部を吸入通路４３に戻して再度循環させる排気再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）を行う。ＥＧＲ通路５１のガス（以下、ＥＧＲガス）は、ＥＧＲクーラ５２およびＥＧＲ弁５３を経て吸入通路４３に戻される。
【００１８】
吸入通路４３は、ＥＧＲ通路５１との合流箇所の下流側において互いに並行する第１吸入通路５４および第２吸入通路５５を有している。第１吸入通路５４および第２吸入通路５５は、インテークマニホールド４７が有する通路である。第１吸入通路５４と第２吸入通路５５との分岐箇所には切替弁５６が設けられている。切替弁５６は、吸気が通る通路を第１吸入通路５４と第２吸入通路５５との間で切り替える。
【００１９】
熱交換器６１は、吸入通路４３におけるＥＧＲ通路５１との合流箇所の下流側であって、第１吸入通路５４に設けられている。そのため吸気冷却部４０が冷却する吸気は、新気とＥＧＲガスとが混合したガスである。
【００２０】
排気通路４１において、タービン４２の下流側には熱交換器６２が設けられている。熱交換器６２は、排気と温水との間で熱交換を行う。排気が温熱源となる。排気から熱を吸収した温水は、温水配管６３を通じて冷凍部６４に供給される。
【００２１】
冷凍部６４は、温水の熱を用いて冷熱源を生成する。冷凍部６４としては、例えば、吸着式冷凍器の他、吸収式冷凍器、熱音響冷凍器等を用いることができる。冷凍部６４内で生成される冷熱源により、冷却配管６５およびその中の水が冷却される。冷水は、冷却配管６５を通じて熱交換器６１に供給される。
【００２２】
なお、吸気冷却部４０は、上記詳述したように吸気を冷却するために設けられる各機器によって構成されるものであり、熱交換器６１，６２、冷凍部６４、チャージクーラ４６、およびこれらを接続する各種配管６３，６５や通路５４等を含むものである。
【００２３】
［作用］
次に、本実施形態の制御システム１において、ＥＣＵ２０が実行する制御について、図３を参照して説明する。図３に示すように、まずステップ１００（以下、ステップを「Ｓ」と省略する）において、エンジン冷却水温度が第１所定値より大きいか、または外気温度が第２所定値より大きいか否かが判断される。エンジン冷却水温度が第１所定値より大きい、または外気温度が第２所定値より大きい場合には、Ｓ２００において、可能な限り吸気温度を低下するように、吸気冷却部４０が制御される。具体的には、切替弁５６による吸気バイパスの流路切り替え制御や、ＥＧＲガスの流入量を調整するＥＧＲ弁５３の開度制御により吸気温度が制御される。なお、Ｓ１００での判断は、エンジン始動時や冬季寒冷時など、もともと吸気温度および筒内温度が低く、吸気を冷却する必要がない場合を判断するために行われる。
【００２４】
次いで、Ｓ３００において、筒内圧センサ２２により筒内圧力が測定される。そして、Ｓ４００で、筒内圧力に基づいて筒内温度Ｔｅが推定される。ここで推定された筒内温度Ｔｅは、「燃焼状態の指標」に相当する。次いで、Ｓ５００において、推定された筒内温度Ｔｅが予め設定された理想の筒内温度Ｔｉより低いか否かが判断される。すなわち、Ｓ５００では、推定された筒内温度Ｔｅが燃焼状態の指標とされ、筒内温度Ｔｅによって筒内の燃焼状態が、予め設定された安定した燃焼を確保するための安定燃焼状態に達しているか否かが判断される。なお、理想の筒内温度Ｔｉとは、安定した燃焼を確保するための温度であって、内燃機関１０の負荷に応じて設定される。負荷と理想の筒内温度Ｔｉとの関係は、予め設定されており、例えばＥＣＵ２０が有するＲＯＭ等に記憶されている。
【００２５】
そして、燃焼状態の指標である筒内温度Ｔｅが安定燃焼状態に達していない場合には、Ｓ６００において圧縮比を高くするように可変圧縮比機構部３０が制御される。Ｓ１００〜Ｓ６００の処理は繰り返し実行される。
【００２６】
［効果］
（１）一般に、吸気の冷却度合いはエンジン仕様が許容する範囲で可能な限り、吸気温度が低くなるように選択される。これは、吸気温度は低いほど酸素濃度が上がるため、吸気温度が高い場合と比較して熱効率が良くなると考えられるためである。
【００２７】
しかし、吸気冷却部４０の冷却度合い調整の応答性はあまり高くない。そのため、例えば内燃機関１０の運転条件が、負荷が小さくなるように推移した際には、必要以上に冷却度合いの高い状態がしばらく維持される。ここで、可変圧縮比機構部３０による高圧縮比化が行われないと、筒内温度が過度に低下する結果、燃焼悪化あるいは失火が発生してしまい、図４において右側の図に破線で示すように、却ってエンジン熱効率が低下する。
【００２８】
一方、可変圧縮比機構部３０の応答性は高い。本実施形態では、過度時において負荷が小さくなるように変動したときの吸気の過冷却に際し、高応答性の可変圧縮比機構部３０によって速やかに高圧縮比化が実行される。この高圧縮比化により、図４に示すように、負荷変動前の熱効率と同様の熱効率を維持することができる。すなわち、低応答の吸気冷却に対して、この低応答性を補うように高応答の圧縮比可変による制御を実行することで、吸気の冷却による熱効率向上効果を得つつ、運転条件の変化に伴う熱効率低下を抑制することができる。
【００２９】
（２）本実施形態では、燃焼状態の指標として、筒内温度Ｔｅを採用している。筒内温度Ｔｅは筒内圧センサ２２による測定値から演算することが可能で、簡易な構成で燃焼状態の指標を取得することができる。
【００３０】
（３）本実施形態の吸気冷却部４０は、冷熱源を生成する冷凍部６４を有しており、高い冷凍効率を得ることができる。
【００３１】
〈第２実施形態〉
次に、本発明の第２実施形態の制御システムについて、図５を参照して説明する。上記第１実施形態では、燃焼形態可変部として可変圧縮比機構部３０を用い、圧縮比可変により燃焼形態が可変されるものとしたが、第２実施形態ではＥＧＲ率の変更により燃焼形態が可変される点が異なる。すなわち、本実施形態では、ＥＧＲ通路５１、ＥＧＲクーラ５２、およびＥＧＲ弁５３等のＥＧＲ機能を構成する各機器が「燃焼形態可変部」に相当する。なお、本実施形態では、可変圧縮比機構部３０を有していなくても良い。
【００３２】
図５に示すように、上記第１実施形態において図３を参照し詳述したＳ６００に代えて、本実施形態では、Ｓ７００においてＥＧＲ率を上げるように制御される。すなわち、ＥＧＲ弁５３の開度を上げて、排気ガス量の含有量を増やすことで燃焼室内に流入する吸気温度を上昇させ、ひいては筒内温度を上昇させる。
本実施形態によれば、上記第１実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００３３】
〈第３実施形態〉
次に、本発明の第３実施形態の制御システムについて、図６を参照して説明する。第３実施形態では、上記第１実施形態で採用された筒内温度推定に際し、筒内圧に加えて内燃機関１０の吸気圧、吸気量、吸気温度、及びＥＧＲ率に基づいて筒内の温度を推定する点が異なる。
【００３４】
図６に示すように、Ｓ３００において筒内圧が測定された後、Ｓ３０１において、内燃機関１０の吸気圧、吸気量、および吸気温度が測定されるとともに、ＥＧＲ率がＥＧＲ弁５３の開度から推定される。そして、Ｓ４００で、筒内圧に加えて、吸気圧、吸気量、吸気温度、およびＥＧＲ率に基づいて筒内温度Ｔｅが推定される。
本実施形態によれば、上記第１実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００３５】
〈他の実施形態〉
上記各実施形態では、筒内温度推定を、筒内圧センサ２２で測定した圧力に基づいて推定したが、その他、エンジン回転数や負荷に基づいて筒内温度を推定しても良い。
【００３６】
上記各実施形態では、燃焼状態の指標として筒内温度Ｔｅを採用したが、これに代えて、図示平均有効圧の変動率ＣＯＶ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  Ｖａｒｉａｎｃｅ）や推定熱効率を用いても良い。ＣＯＶは、筒内圧センサ２２で測定した筒内圧や、加速度センサの測定値に基づいて算出され得る。推定熱効率は、筒内圧センサ２２で測定した圧力と噴射量に基づいて推定され得る。この場合、現在の推定熱効率と理想の熱効率との間に大きな差がある場合に、安定燃焼状態に達していないと判断することができる。
【００３７】
上記各実施形態において吸気冷却部４０は、排気を温熱源とする排熱回収冷凍サイクルとしたが、排気を利用しなくても良いし、その他、吸気冷却の機構の形態はこれに限られない。例えば、吸入通路４３に水噴射手段を持ち、潜熱を利用して吸気を冷却しても良い。また、冷凍部６４は、車両が備える空調システムの冷凍サイクルにより兼用するようにしても良い。
【００３８】
上記各実施形態では、燃焼形態可変部の一例として可変圧縮比機構部３０もしくはＥＧＲ機構部を例に説明したが、その他の形態でも良い。例えば、可変バルブタイミング機構、燃料噴射弁１４による噴射時期制御機構、可変バルブリフト機構、ガソリンエンジンの場合は図示しない点火プラグによる点火時期制御機構などによって燃焼形態を可変としても良い。これらの燃焼形態変更は、吸気冷却と比較するといずれも高応答であり、上記各実施形態と同様に、吸気冷却機構の低応答性を燃焼形態変更部により補うことができる。
【００３９】
上記各実施形態において、ＥＣＵ２０が実行する制御フローの最後、すなわちＳ６００またはＳ７００の後に、点火時期を所定の燃焼状態または燃焼限界付近になるように制御するステップを追加しても良い。これによれば、高応答の燃焼形態変更部の応答遅れをさらに、点火時期制御により補うことができる。
【００４０】
上記各実施形態において、排気通路４１に排ガス検出手段を設け、排ガス検出手段の検出結果に応じて吸気温度や筒内温度の制御域を制限するようにしても良い。排ガス検出手段としては、例えばＯ2センサ、Ａ／Ｆセンサ、排気温センサなどが上げられる。例えば、排ガス中のＯ2が検出される場合やＡ／Ｆセンサにより検出した当量比が所定値を超える場合は吸気冷却しないような制御を組み込んでも良い。
【００４１】
上記各実施形態において、ＥＧＲ機構部を設けず、吸気と冷水との間で熱交換を行う熱交換器を、吸入通路４３の吸気ポート１５直上に設けても良い。
【００４２】
上記各実施形態の内燃機関１０はディーゼルエンジンとして説明したが、ガソリンエンジンであっても良い。
【００４３】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１    ・・・制御システム
１０    ・・・内燃機関
１１    ・・・シリンダ（筒）
１２    ・・・燃焼室
１３    ・・・ピストン
２０    ・・・ＥＣＵ（制御部）
２１    ・・・燃焼状態取得部
３０    ・・・可変圧縮比機構部（燃焼形態可変部）
４０    ・・・吸気冷却部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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