JP4081661B2

JP4081661B2 - 内燃機関の吸入空気量制御装置

Info

Publication number: JP4081661B2
Application number: JP2002220892A
Authority: JP
Inventors: 保樹田村
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2002-07-30
Filing date: 2002-07-30
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2022-07-30
Also published as: JP2004060553A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の吸入空気量制御装置に係り、詳しくは、吸気弁の開弁度合いを可変制御することにより吸入空気量を調節してポンプ損失を低減する技術に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
近年、吸気時のポンプ損失を低減して燃費の向上を図ることを目的として、リーンバーンエンジンや、吸気弁の閉弁時期を変更して吸気有効ストロークを可変させるような構成の内燃機関が車両用として提案されている。
【０００３】
特に、吸気弁閉弁時期変更型の内燃機関は、排気空燃比を理論空燃比に保持しながら燃費を向上することが可能であることから、高価なリーンＮＯx浄化触媒を設けずとも排ガスを三元触媒で良好に浄化でき、コストアップを防止しながら低燃費を実現可能な有効な技術である。
【０００４】
そして、吸気弁閉弁時期変更型の内燃機関を良好に実現するためには吸気弁の閉弁時期を応答性よく容易に変更可能であることが要求され、最近では、カム駆動式の吸気弁に代えて、特開平１１−２２３１３７号公報に開示されるような電磁駆動式の吸気弁が開発されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、吸気弁閉弁時期変更型の内燃機関の場合、上記の如く低燃費を実現するようにしているため、基本的に排気熱量が小さく、内燃機関の冷態始動時等において触媒を急速に昇温させ早期活性化を図りたいような場合であっても、触媒温度をなかなか上昇させることができず、触媒活性化が遅延して排ガスの悪化を招くという問題がある。
【０００６】
また、一般に車室内暖房用のヒータには内燃機関の冷却水を熱源として使用しているが、排気熱量が小さいと当然に排気熱量と相関のある燃焼ガス熱量も小さいため、内燃機関の冷態始動時において冷却水温度がすぐには上昇せず、十分なヒータ性能を得るまでに長時間を要するという問題もある。
【０００７】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ポンプ損失を低減して燃費の向上を図りながら、併せて排ガスの悪化やヒータ性能の悪化を防止可能な内燃機関の吸入空気量制御装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、吸気弁の開弁度合いを可変させることにより吸入空気量を調節可能な内燃機関の吸入空気量制御装置において、前記吸気弁の閉弁時期を変更する吸気弁閉弁時期変更手段と、前記内燃機関の暖機度合いを判定する暖機判定手段とを備え、前記吸気弁閉弁時期変更手段は、前記暖機判定手段により前記内燃機関が暖機状態にないと判定されると、同一空燃比を保持しながら吸入空気量が増加するよう前記吸気弁の閉弁時期を下死点に近づく方向に変更することを特徴としている。
【０００９】
従って、通常は吸気弁の開弁度合いが可変制御されることで吸入空気量の調節が行われ、ポンプ損失の低減により燃費の向上が図られるが、さらに、冷態始動時等であって内燃機関が暖機状態にない場合には、吸気弁の閉弁時期が下死点に近づく方向（下死点前では遅角、下死点後では進角）に変更されて吸気有効ストロークが増加することになり、同一空燃比を保持しながら吸入空気量が一時的に増加して排気流量ひいては排気熱量が確保可能とされ、十分に排気昇温可能となる。これにより、容易にして触媒コンバータの早期活性化や冷却水の早期昇温が実現され、ポンプ損失の低減により燃費の向上を図りながら、排ガスの悪化が防止される。
【００１０】
また、排気熱量が確保されると当該排気熱量と相関のある燃焼ガス熱量が増加して内燃機関の冷却水温度が上昇することになり、併せて冷態始動時等における車室内暖房用のヒータのヒータ性能の悪化も防止される。
【００１１】
本発明の好ましい態様として、前記暖機判定手段は、内燃機関の排気通路に配設された触媒コンバータの活性度合いを判定するものであるのがよく、この場合には、触媒コンバータをより一層効率よく早期活性させることが可能である。
【００１２】
また、本発明の他の好ましい態様として、前記暖機判定手段は、内燃機関の冷却水温に基づいて内燃機関の暖機度合いを判定するものであるのがよく、この場合には、より一層効率よくヒータ性能を確保可能である。
【００１５】
また、請求項２の発明では、請求項１において、さらに、前記吸気弁の上流側の吸気通路にスロットル弁を備えるとともに該スロットル弁の開度を変更するスロットル開度変更手段を備え、前記スロットル開度変更手段は、前記暖機判定手段により前記内燃機関が暖機状態にないと判定されると、前記スロットル弁の開度を増大させることを特徴としている。
【００１６】
従って、スロットル弁を備えた内燃機関にあっては、通常は吸気弁の開弁度合いを可変制御するとともに或いは単独でスロットル開度を調節することにより吸入空気量の調節が行われるが、冷態始動時等であって内燃機関が暖機状態にない場合には、吸気弁の開弁度合いの可変制御により、吸気弁の閉弁時期が下死点に近づく方向（下死点前では遅角、下死点後では進角）に変更されて吸入空気量の調節が行われ、且つ、スロットル開度変更手段によってスロットル弁の開度が増大させられ、スロットル弁の絞りにより生じるポンプ損失が確実に低減されながら排気流量ひいては排気熱量が確保される。これにより、スロットル弁を備えた内燃機関であっても、ポンプ損失の低減により燃費の向上を図りながら、併せて排ガスの悪化やヒータ性能の低下が防止される。
【００１７】
また、請求項３の発明では、内燃機関は燃料を任意の時期に筒内に直接噴射可能な筒内噴射手段を備えた筒内噴射型内燃機関であって、前記筒内噴射手段は、前記吸気弁閉弁時期変更手段により変更された前記吸気弁の閉弁時期以降に燃料噴射を終了することを特徴としている。
【００１８】
従って、筒内噴射型内燃機関である場合には、吸気弁閉弁時期変更手段により変更された吸気弁の閉弁時期以降に燃料噴射を終了することにより、例えば吸気弁の閉弁時期が下死点を越えているような場合において、ピストン上昇により吸入空気の一部が吸気通路に吹き返されるような状況であっても、燃料が吸気通路に逆流してしまうことが好適に防止される。これにより、目標空燃比と実空燃比とのずれが防止され、安定した燃焼が実現される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１を参照すると、車両に搭載された本発明に係る内燃機関の吸入空気量制御装置の概略構成図が示されており、以下同図に基づいて本発明に係る吸入空気量制御装置の構成を説明する。
【００２０】
同図に示すように、内燃機関（以下、エンジンという）１としては、例えば、燃料噴射モードを切換えることで吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射モード）とともに圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射モード）を実施可能な筒内噴射型火花点火式ガソリンエンジンが採用される。この筒内噴射型のエンジン１は、容易にして理論空燃比（ストイキオ）での運転やリッチ空燃比での運転（リッチ空燃比運転）の他、リーン空燃比での運転（リーン空燃比運転）が実現可能である。
【００２１】
同図に示すように、エンジン１のシリンダヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ４とともに電磁式の燃料噴射弁６が取り付けられており、これにより、燃料を任意の時期に燃焼室５内へ直接噴射可能である（筒内噴射手段）。
【００２２】
点火プラグ４には高電圧を出力する点火コイル８が接続されている。また、燃料噴射弁６には、燃料パイプ７を介して燃料タンクを擁した燃料供給装置（図示せず）が接続されている。より詳しくは、燃料供給装置には、低圧燃料ポンプと高圧燃料ポンプとが設けられており、これにより、燃料タンク内の燃料を燃料噴射弁６に対し低燃圧或いは高燃圧で供給し、該燃料を燃料噴射弁６から燃焼室５内に向けて所望の燃圧で噴射可能である。
【００２３】
シリンダヘッド２には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポート９が形成されており、各吸気ポート９の燃焼室５側には、ソレノイド１２によって開閉作動し、各吸気ポート９と燃焼室５との連通と遮断とを行う電磁式の吸気弁１１がそれぞれ設けられている。そして、各吸気ポート９には吸気マニホールド１０の一端がそれぞれ接続されており、吸気マニホールド１０には、吸入空気量を調節する電磁式のスロットル弁１７とともにスロットル開度を検出するスロットルポジションセンサ（ＴＰＳ）１８が設けられている。
【００２４】
さらに、吸気マニホールド１０のスロットル弁１７よりも上流部分には、吸入空気量を検出するため、エアフローセンサ１９が設けられている。エアフローセンサ１９は例えばカルマン渦式のエアフローセンサである。
【００２５】
また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に略水平方向に排気ポート１３が形成されており、各排気ポート１３の燃焼室５側には、ソレノイド１６によって開閉作動し、各排気ポート１３と燃焼室５との連通と遮断とを行う電磁式の排気弁１５がそれぞれ設けられている。そして、各排気ポート１３には排気マニホールド１４の一端がそれぞれ接続されている。
【００２６】
なお、当該筒内噴射型のエンジン１は既に公知のものであるため、その構成の詳細については説明を省略する。
排気マニホールド１４には排気管（排気通路）２０が接続されており、この排気管２０には三元触媒（触媒コンバータ）３０が介装されている。
【００２７】
三元触媒３０は、担体に活性貴金属として例えば銅（Ｃｕ），コバルト（Ｃｏ），銀（Ａｇ），白金（Ｐt）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）のいずれかを有して構成されている。
【００２８】
また、排気管２０には、三元触媒３０の上流に位置してＯ₂センサ２２が配設されており、三元触媒３０には、例えば担体の直上流に位置して、三元触媒３０の温度を検出する高温センサ３２が設けられている。
【００２９】
また、エンジン１のシリンダブロック３には、エンジン１の冷却水を循環させる冷却水通路３ａが形成されており、冷却水通路３ａからは冷却水が車室内に設けられたヒータユニット５０を循環するようにしてヒータ通路５２が延びている。
【００３０】
電子コントロールユニット（ＥＣＵ）４０は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えており、当該ＥＣＵ４０により、エンジン１を含めた排気浄化装置の総合的な制御が行われる。
【００３１】
ＥＣＵ４０の入力側には、上述したＴＰＳ１８、エアフローセンサ１９、Ｏ₂センサ２２、高温センサ３２の他、アクセルペダル４２の操作量を検出するアクセルポジションセンサ（ＡＰＳ）４４、クランク角センサ４６等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力する。なお、クランク角センサ４６のクランク角情報からはエンジン回転速度Ｎeが検出される。
一方、ＥＣＵ４０の出力側には、上述の燃料噴射弁６、点火コイル８、ソレノイド１２、１６、スロットル弁１７等の各種出力デバイスが接続されている。
【００３２】
これより、例えばＯ₂センサ２２からの検出情報等に基づき燃焼空燃比（燃焼Ａ／Ｆ）が設定され、ＡＰＳ４４からのアクセル操作量情報及びクランク角センサ４６からのエンジン回転速度Ｎeに基づいて目標平均有効圧Ｐeが求められると、当該燃焼Ａ／Ｆやエンジン回転速度Ｎe、目標平均有効圧Ｐeに応じて燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期及び吸入空気量の指令信号が設定され、これら指令信号が燃料噴射弁６、スロットル弁１７やソレノイド１２、１６及び点火コイル８に燃焼順にそれぞれ出力される。これにより、燃料噴射弁６から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、スロットル弁１７や吸気弁１１、排気弁１５が適正な開度に調節され、点火プラグ４により適正なタイミングで火花点火が実施される。
【００３３】
以下、このように構成された本発明に係る内燃機関の吸入空気量制御装置の作用、即ち本発明に係る吸入空気量制御の制御内容について説明する。
図２を参照すると、本発明に係る吸入空気量制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下当該フローチャートに沿い本発明に係る吸入空気量制御の制御手順について説明する。
【００３４】
先ず、ステップＳ１０では、高温センサ３２からの触媒温度情報に基づき、三元触媒３０が活性状態にあるか否かを判別する（暖機判定手段としての触媒活性判定手段）。具体的には、触媒温度が所定温度（例えば、４００℃）以下であるか否かを判別する。なお、ここでは高温センサ３２からの触媒温度情報に基づき活性判定を行うようにしたが、排気温度を検出し、排気温度が所定温度（例えば、３００℃）以下であるか否かを判別するようにしてもよいし、エンジン１の始動後所定時間（例えば、６０sec）内であるか否か、或いは、アイドル運転の継続時間が所定時間（例えば、３min）以上であるか否か等を判別するようにしてもよい。また、上記各判定条件とは別に或いは上記各判定条件に加えて、冷却水の温度が所定温度（例えば、６５℃）以下であるか否か、ヒータユニット５０のヒータコア温度が所定温度（例えば、３０℃）以下であるか否か、或いは、車室内温度が所定温度（例えば、１５℃）以下であるか否か等を判別するようにしてもよい。
【００３５】
エンジン１の始動直後のようにエンジン１とともに排気系が冷態にあるような場合には、ステップＳ１０の判別結果は偽（Ｎｏ）であって三元触媒３０は活性状態になく、この場合には次にステップＳ１２に進む。
【００３６】
ステップＳ１２では、吸気終了時期、即ち吸気弁１１の閉弁時期を下死点方向に変更する（吸気弁閉弁時期変更手段）。そして、吸気弁１１の開弁度合い（例えば、閉弁時期）をエンジン回転速度Ｎe及び目標平均有効圧Ｐeに応じて可変制御することにより吸入空気量の調節を行う。なお、閉弁時期の変更は予め設定された所定量だけ閉弁時期を補正するようなものであってもよいが、三元触媒３０の活性度合いに応じて連続的に閉弁時期を変更するようなものであってもよい。つまり、触媒温度、排気温度、エンジン１の始動後所定時間、アイドル運転の継続時間、冷却水温度、ヒータユニット５０のヒータコア温度、車室内温度等に応じて閉弁時期を連続的に変更するようにしてもよい。
【００３７】
そして、ステップＳ１４において、スロットル弁１７の開度を増大させる（スロットル開度変更手段）。
つまり、三元触媒３０が活性状態にない場合には、スロットル弁１７を操作するのではなく吸気弁１１の開弁度合いを可変制御することで吸入空気量の制御を行うようにし、この際、吸気弁１１の閉弁時期を下死点方向、即ち吸気有効ストロークが増加する側に変更するとともにスロットル弁１７の開度を増大して吸入空気量を増量させるようにする。詳しくは、吸気弁１１の閉弁時期のベース設定が下死点よりも前である場合には閉弁時期を下死点側に遅角させ、ベース設定が下死点よりも後である場合には閉弁時期を下死点側に進角させる。
【００３８】
また、吸入空気量の増量に合わせて燃料噴射量を所定量増量するようにし、空燃比を一定（例えば、ストイキオ）に保持するようにする。
このようにすると、スロットル弁１７の絞りにより生じるポンプ損失を極力減らしながら吸気弁１１の開弁度合いを可変制御してポンプ損失を確実に低減でき、ポンプ損失を確実に低減した状態のまま吸入空気量を増量させて排気流量を増量させ、空燃比一定のもと反応量を増大させて排気熱量を増量させることが可能となる。
【００３９】
さらに、吸入空気量の増量に合わせて点火時期を遅角させるようにする。
このようにすると、空燃比一定のもと吸入空気量を増量した場合のトルク増大を補填することができ、また、併せて排気温度を上昇させることができ、運転安定性を確保しつつ排気熱量を増量させることが可能となる。
【００４０】
或いは、発電器及び蓄電器を備え、吸入空気量の増量に合わせて発電及び蓄電を行い、蓄電した分だけ通常運転時において発電カット或いは発電制限を実施するようにする。
【００４１】
このようにすると、吸入空気量を増量した場合のトルク増大を補填することができ、併せてトータルの燃費悪化を抑制しつつ排気熱量を増量させることが可能となる。
これにより、排気系が冷態にあるような場合において、十分に排気熱量を確保して急速に排気昇温可能となり、三元触媒３０の早期活性化を図ることができる。
【００４２】
また、車室内のヒータユニット５０はヒータ通路５２を介してエンジン１の冷却水を循環させるものであり、冷却水を熱源として利用しているため、排気熱量が小さいと当然に排気熱量と相関のある燃焼ガス熱量が小さく冷却水温度が上昇せずヒータ性能が低下するのであるが、このように十分に排気熱量が確保されることで燃焼ガス熱量が増加して冷却水温度が上昇することになり、併せて冷態始動時等におけるヒータ性能の悪化も防止できる。
【００４３】
ステップＳ１６では、燃料噴射終了時期を上記設定した吸気終了時期、即ち吸気弁１１の閉弁時期以降となるようにする。
このように燃料噴射終了時期を吸気終了時期以降とすると、吸気弁１１が閉弁した後においても燃料が燃焼室５内に供給されることになり、例えば吸気弁１１の閉弁時期が下死点を越えるような場合において、ピストン上昇により吸入空気の一部が吸気通路に吹き返されるような状況であっても、燃料が吸気通路に逆流してしまうことが好適に防止される。これにより、目標空燃比と実空燃比とのずれが防止され、安定した燃焼を実現することができる。
【００４４】
一方、ステップＳ１０の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、三元触媒３０が活性状態にあると判定された場合には、次にステップＳ１８に進む。
ステップＳ１８では、吸気終了時期、即ち吸気弁１１の閉弁時期をベース設定とする。
そして、ステップＳ２０において、通常のスロットル開度制御を行う。
【００４５】
つまり、エンジン１の始動後十分に時間が経っており、三元触媒３０が活性状態にあるような場合には、吸気弁１１及びスロットル弁１７は通常の開度に設定される。
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【００４６】
例えば、上記実施形態では、図２のステップＳ１６において、燃料噴射終了時期を吸気終了時期、即ち吸気弁１１の閉弁時期以降となるようにしたが、下死点を越えない範囲でしか吸気弁１１の閉弁時期を変更しない場合には、当該ステップＳ１６は省略してもよい。
【００４７】
また、上記実施形態では、エンジン１が筒内噴射型ガソリンエンジンである場合を例に説明したが、エンジン１は吸気管噴射型ガソリンエンジンであってもよい。この場合、上記ステップＳ１６は省略される。
【００４８】
また、上記実施形態では、スロットル弁１７を備えた場合を例に説明したが、スロットル弁１７を有しない場合であっても本発明を良好に適用可能である。この場合には、三元触媒３０が活性であると不活性であるとに拘わらず、吸気弁１１の開弁度合いを可変制御して吸入空気量を調節すればよい。
【００４９】
また、上記実施形態では、三元触媒３０の早期活性化を図るようにしたが、触媒コンバータは三元触媒に限られず、ＮＯx触媒等如何なる触媒コンバータであってもよい。
【００５０】
また、上記実施形態では、応答性よく容易に閉弁時期を変更可能であることから電磁式の吸気弁１１や排気弁１５を用いるようにしたが、可変バルブタイミング機構を有したカム駆動式の動弁機構によっても本発明を実現可能である。つまり、カム駆動式の動弁機構において、公知の可変バルブタイミング機構を操作することで吸気弁の開弁度合い（例えば、閉弁時期）を可変制御し、吸気弁の閉弁時期を変更するようにしてもよい。
【００５１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の請求項１の内燃機関の吸入空気量制御装置によれば、通常は吸気弁の開弁度合いを可変制御して吸入空気量の調節が行われ、これによりポンプ損失が低減されて燃費の向上が図られるが、さらに、冷態始動時等であって内燃機関が暖機状態にない場合には、吸気弁の閉弁時期を下死点に近づく方向（下死点前では遅角、下死点後では進角）に変更して吸気有効ストロークを増加させるので、同一空燃比を保持しながら吸入空気量を一時的に増加させて排気流量ひいては排気熱量を確保するようにでき、ポンプ損失の低減を図りながら十分に排気昇温を実施することができる。これにより、容易にして触媒コンバータの早期活性化や冷却水の早期昇温を実現でき、ポンプ損失の低減により燃費の向上を図りながら、併せて冷態始動時等の排ガスの悪化を防止することができる。
【００５２】
また、排気熱量が確保されると当該排気熱量と相関のある燃焼ガス熱量が増加して内燃機関の冷却水温度が上昇するので、併せて冷態始動時等における車室内暖房用のヒータのヒータ性能の悪化をも防止することができる。
【００５４】
また、請求項２の内燃機関の吸入空気量制御装置によれば、スロットル弁を備えた内燃機関にあっては、通常は吸気弁の開弁度合いを可変制御するとともに或いは単独でスロットル開度を調節することにより吸入空気量の調節を行うが、冷態始動時等であって内燃機関が暖機状態にない場合には、吸気弁の開弁度合いの可変制御により、吸気弁の閉弁時期を下死点に近づく方向（下死点前では遅角、下死点後では進角）に変更して吸入空気量の調節を行い、且つ、スロットル開度変更手段によってスロットル弁の開度を増大させるので、スロットル弁の絞りにより生じるポンプ損失を確実に低減させながら排気流量ひいては排気熱量を確保するようにできる。これにより、スロットル弁を備えた内燃機関であっても、ポンプ損失の低減により燃費の向上を図りながら、併せて冷態始動時等の排ガスの悪化やヒータ性能の低下を防止することができる。
【００５５】
また、請求項３の内燃機関の吸入空気量制御装置によれば、内燃機関が筒内噴射型内燃機関である場合には、吸気弁閉弁時期変更手段により変更された吸気弁の閉弁時期以降に燃料噴射を終了するので、例えば吸気弁の閉弁時期が下死点を越えるような場合において、燃料が吸気通路に逆流してしまうことを好適に防止できる。これにより、目標空燃比と実空燃比とのずれを防止でき、安定した燃焼を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】車両に搭載された本発明に係る内燃機関の吸入空気量制御装置の概略構成図である。
【図２】本発明に係る吸入空気量制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１エンジン
４点火プラグ
６燃料噴射弁
１０吸気マニホールド
１１吸気弁
１５排気弁
１７スロットル弁
３０三元触媒（触媒コンバータ）
３２高温センサ
４０ＥＣＵ（電子コントロールユニット）
５０ヒータユニット

Claims

吸気弁の開弁度合いを可変させることにより吸入空気量を調節可能な内燃機関の吸入空気量制御装置において、
前記吸気弁の閉弁時期を変更する吸気弁閉弁時期変更手段と、
前記内燃機関の暖機度合いを判定する暖機判定手段とを備え、
前記吸気弁閉弁時期変更手段は、前記暖機判定手段により前記内燃機関が暖機状態にないと判定されると、同一空燃比を保持しながら吸入空気量が増加するよう前記吸気弁の閉弁時期を下死点に近づく方向に変更することを特徴とする内燃機関の吸入空気量制御装置。
さらに、前記吸気弁の上流側の吸気通路にスロットル弁を備えるとともに該スロットル弁の開度を変更するスロットル開度変更手段を備え、
前記スロットル開度変更手段は、前記暖機判定手段により前記内燃機関が暖機状態にないと判定されると、前記スロットル弁の開度を増大させることを特徴とする、請求項１記載の内燃機関の吸入空気量制御装置。
内燃機関は燃料を任意の時期に筒内に直接噴射可能な筒内噴射手段を備えた筒内噴射型内燃機関であって、
前記筒内噴射手段は、前記吸気弁閉弁時期変更手段により変更された前記吸気弁の閉弁時期以降に燃料噴射を終了することを特徴とする、請求項１または２記載の内燃機関の吸入空気量制御装置。