JP4841382B2

JP4841382B2 - 内燃機関

Info

Publication number: JP4841382B2
Application number: JP2006274377A
Authority: JP
Inventors: 健大埜; 浩阿部; 裕之緑川; 伸洋赤坂; 聖治舘
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd; Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd; Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2006-10-05
Filing date: 2006-10-05
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2026-10-05
Also published as: JP2008095503A

Description

本発明は、エンジンの吸入空気量の制御に関し、特に、アイドル運転時の回転数維持のための制御に関する。

運転領域ごとに適したバルブタイミングを実現するための手段として、可変動弁機構が知られている。

この可変動弁機構を、例えばアイドル運転時のような低負荷運転時にはバルブオーバーラップ期間をほぼゼロにし、加速時のような高負荷運転時にはバルブオーバーラップ期間を設けるよう制御することによって、幅広い運転領域で低燃費、低エミッション、高出力等の種々の要求を満足することができる。

このような可変動弁機構を備えるエンジンにおいて、バルブタイミングがエンジンの運転状態に適した目標値からずれる場合がある。例えば、可変動弁機構の作動不良等により低負荷運転時に高負荷運転時用のバルブタイミングとなった場合には、エンジンストールが発生するおそれがある。

特許文献１には、上記のようなエンジン運転状態とバルブタイミングの不一致によるエンジンストールを防止するための手段として、バルブオーバーラップ量に応じて空気量補正を行う制御が開示されている。
特開平１０−６１４６５号公報

ところで、バルブタイミングがエンジンの運転状態に適した目標値からずれる場合としては、可変動弁機構やスロットル弁等の作動診断や制御値学習等を行う場合も考えられる。例えば可変動弁機構の作動診断を行う場合には、アイドル運転のような無負荷運転状態で可変動弁機構を最遅角状態にする。このとき、最遅角位置における吸気弁開時期がピストン上死点位置よりも大幅に遅角していると、吸気量が一定のままでは実圧縮比の低下によりエンジンの発生トルクが低下し、エンジンストールが発生し易くなる。

そこで、発生トルクを増大させるためには空気量補正が必要となるが、最遅角位置における吸気弁開時期が上死点よりも大幅に遅角した状態では、通常、バルブオーバーラップ量はゼロ以下である。したがって、特許文献１に開示されているようなバルブオーバーラップ量に応じて補正量を決定する制御では、適正な空気量補正を行うことができない。

そこで、本発明では、バルブオーバーラップがない場合であっても、実圧縮比の低下にともなうエンジンストールの発生を防止することを目的とする。

本発明の内燃機関は、内燃機関の回転数に同期して開閉する吸気弁と、前記吸気弁の開閉時期を可変に制御し得る可変動弁機構と、前記内燃機関の吸入空気量の制御を行う吸入空気量制御手段と、を備え、前記吸入空気量制御手段は、前記内燃機関のアイドル運転時であってバルブオーバーラップ期間がゼロもしくはマイナスの場合にのみ、前記吸気弁の閉時期に応じて前記吸入空気量を制御するアイドル空気量制御を行なう。

本発明によれば、吸気弁の閉時期に応じてアイドル運転時の吸入空気量を制御するので、例えば、アイドル運転中に可変動弁機構を作動させ、実圧縮比の変化に伴って熱効率が変化した場合でも、アイドル回転数が上昇、低下することを防止することができる。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は第１実施形態を適用するシステムの概略構成図である。１はエンジン、２は吸気通路、３は排気通路、４は吸気弁、５は排気弁、６は吸気弁４を駆動する吸気カムシャフト、１６は吸気弁４の開閉時期を変更可能な可変動弁機構、１９は吸気カムシャフト６の回転角を検出する吸気側カム角度センサ（吸気弁作動時期検出手段）、７は排気弁５を駆動する排気カムシャフト、２０は排気カムシャフト７の回転角を検出する排気側カム角度センサ、９はエンジン１のシリンダ内を摺動するピストン、１０はコネクティングロッド２７を介してピストン９に連結されるクランクシャフト、２１はクランクシャフト１０の回転角を検出するクランク角センサ、１１はシリンダ壁面とピストン９の冠面で画成される燃焼室、８は燃焼室１１に臨むように配置する点火栓である。

また、１７は吸気通路１２内に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁、１２は吸入空気を各気筒に分配するコレクタ部、１３はコレクタ部１２の上流側で吸入空気量を調節するスロットル弁（吸入空気量制御手段）、２４はスロットル弁１３の開度を検出するスロットルポジションセンサ、１４は吸入空気量を検出するエアフローメータである。なお、スロットル弁１３はいわゆる電子制御スロットルであり、後述するコントロールユニット１５により運転状態に応じた開度に制御される。２５、２６はそれぞれ排気通路３に介装され排気を浄化するＮＯｘ触媒、三元触媒、２２はＮＯｘ触媒２５に流入する排気の空燃比を検出する空燃比センサである。２３は運転者のアクセルペダル踏込み量を検出するアクセル開度センサ、１８はエンジン１内を循環する冷却水の温度を検出する水温センサである。

１５はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）であり、上記各センサの検出値に基づいて、スロットル弁１３の開度、燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期、吸気弁４の開閉時期等を決定、及びバルブオーバーラップ算出手段としてバルブオーバーラップ期間の算出を行う。

吸気通路２は燃焼室１１の天井面に開口部を有し、この開口部を開閉するよう吸気弁４が備えられる。同様に排気通路３は燃焼室１１の天井面に開口部を有し、この開口部を開閉するように排気弁５が備えられる。

吸気カムシャフト６、排気カムシャフト７及びクランクシャフト１０には図示しないタイミグチェーン等が掛けまわされており、吸気弁４及び排気弁５はピストン９の上下動に同期して開閉する。

可変動弁機構１６は、クランクシャフト１０と吸気カムシャフト６の位相を進角側もしくは遅角側にずらすことで吸気弁４の開閉時期を可変に制御するものである。当該機構はすでに周知技術（例えば、２００４−２２５６００号公報等）であるため、説明を省略する。クランクシャフト１０と吸気カムシャフト６の位相差は、クランク角センサ２１と吸気側カム角度センサ１９の検出値から求まる。

図２（ａ）〜（ｃ）は可変動弁機構１６で実現可能なバルブタイミングの例を表すバルブタイミング図であり、（ａ）は吸気弁４の開閉時期が最遅角（バルブオーバーラップは負）の場合、（ｂ）はバルブオーバーラップがゼロの場合、（ｃ）はバルブオーバーラップが正になるまで吸気弁４の開閉時期を進角した場合を表す。

吸気弁４の開閉時期が最遅角の状態では、図２（ａ）に示すように、吸気弁４の閉時期は下死点後９０度以降となり、いわゆる遅閉じのバルブタイミングとなる。そして、吸気弁４の開時期は排気弁５の閉時期から所定期間経過後となり、吸気弁４及び排気弁５がいずれも閉弁状態の期間（マイナスバルブオーバーラップ期間）が生じる。このように吸気弁４を遅閉じにすると、実圧縮比が低下して出力は低下するが、ポンピングロスが低減するため、燃費性能が向上する。

バルブオーバーラップがゼロの場合は、図２（ｂ）に示すように吸気弁４の閉弁時期は下死点後６０度程度であり、吸気弁４の開時期及び排気弁５の閉時期はいずれも上死点通過直後である。バルブオーバーラップが正の場合は、図２（ｃ）に示すように、上死点前から吸気弁４が開くこととなる。バルブオーバーラップを正にすると、シリンダ内の燃焼ガスが排気通路３へ流出することによって生じるガス流動で吸気弁通路２内の吸入空気がシリンダ内に引き込まれる。したがって、高回転時等のようにガス流動が強くなる場合には、より多くの吸入空気がシリンダ内に充填され、出力が向上する。

コントロールユニット１５は、エンジン回転数や負荷等の運転状態、その他可変動弁機構１６やスロットル弁１３等の作動診断や制御値学習等の要求に応じてバルブタイミングの制御目標値を設定し、可変動弁機構１６を制御する。

本実施形態では、例えば、アイドル運転時には図２（ｂ）のようにバルブオーバーラップがゼロとなるように、高負荷高回転時には図２（ｃ）のようにバルブオーバーラップが正となるように、低負荷運転時には図２（ａ）のようにバルブオーバーラップが負となるように制御する。

ところで、可変動弁機構１６やスロットル弁１３等の作動診断や制御値学習等を行うために、アイドル運転時に可変動弁機構１６を駆動する場合がある。可変動弁機構１６を駆動してバルブタイミングを変更すると、熱効率が変化することによって発生トルクが変化する。例えば、最遅角位置では吸気弁４の閉時期は下死点後９０度以降となるので、バルブオーバーラップがゼロである通常のアイドル運転（図２（ｂ））から最遅角位置（図２（ｃ））に変更すると、実圧縮比が低下し、これに伴って熱効率が低下することによって発生トルクも低下するので、アイドル回転数を維持できずにエンストするおそれがある。特に、バルブオーバーラップがゼロ又はマイナスの場合には、発生トルクの変動に対する吸気弁４の閉時期の変化の影響が大きい。なお、バルブオーバーラップがプラスの場合は、排気の内部還流量の大小の影響が大きくなる。

そこで、バルブオーバーラップがゼロ又はマイナスの場合には、アイドル回転数を維持するため以下のような制御（アイドル空気量制御）を実行する。図３はアイドル空気量制御の制御ルーチンを表すフローチャートである。

ステップＳ１では、アイドル回転数を維持するのに必要な吸入空気量であるベースアイドル空気量ＩＳＣ０を、水温やエンジン回転数等に基づいて算出する。なお、ベースアイドル空気量ＩＳＣ０はバルブオーバーラップがゼロの状態でアイドル回転数を維持するのに必要な吸入空気量とする。

ステップＳ２では、可変動弁機構１６が制御可能か否か、バルブタイミングの検出が可能か否かを判定する。具体的には、可変動弁機構１６を駆動するための油圧を制御するソレノイドバルブ（図示せず）や、吸気側カム角センサ１９、排気側カム角センサ２０等からの信号を検知できるか否かで判断する。信号を検知できるのであれば、可変動弁機構１６制御可能、バルブタイミング検知可能と判断してステップＳ３へ進み、検知できないのであればそれぞれ不可能と判断してステップＳ４に進む。

ステップＳ３では、目標とするバルブタイミングにするための可変動弁機構１６の作動角度（以下、目標ＶＴＣ角度ＶＴＣＴＲＧという）に基づいてアイドル空気量補正値ＩＳＣＶＴＣを算出する。目標ＶＴＣ角度ＶＴＣＴＲＧは、作動診断や制御値学習の目的に応じて定まる値である。

アイドル空気量補正値は、図４に示すテーブルを用いて算出する。図４は、アイドル運転時にバルブオーバーラップがゼロの状態を基準として吸入空気量を適合した場合について、縦軸をアイドル空気量補正値ＩＳＣＶＴＣ、横軸を目標ＶＴＣ角度ＶＴＣＴＲＧとして表したものである。なお、目標ＶＴＣ角度ＶＴＣＴＲＧは、バルブタイミングが最遅角のときを最小値とする。

図４に示すように、アイドル空気量補正値ＩＳＣＶＴＣは目標ＶＴＣ角度ＶＴＣＴＲＧが最小のときに最大値となり、そこから進角するにつれて小さくなり、バルブオーバーラップがゼロのときにＩＳＣＶＴＣ＝１となる。なお、ＩＳＣＶＴＣ＝１は「補正なし」を意味する。

ステップＳ４では、アイドル空気量補正値ＩＳＣＶＴＣとして、目標ＶＴＣ角度ＶＴＣＴＲＧが最小のときの値を設定する。すなわち、バルブタイミングの検出が不可能な場合等には、最遅角の状態であるものとして制御を行う。これにより、吸入空気量が不足することがなくなるので、エンストを確実に回避することができる。

ステップＳ５では、ステップＳ３又はステップＳ４で設定したアイドル空気量補正値ＩＳＣＶＴＣと、ベースアイドル空気量ＩＳＣ０との積を算出し、これをアイドル空気量ＩＳＣとする。

ステップＳ６では、ステップＳ５で算出したアイドル空気量ＩＳＣとなるように、スロットル弁１３の開度を制御する。すなわち、補正によりアイドル空気量がベースアイドル空気量ＩＳＣ０よりも増加した場合には、増加した分だけスロットル弁１３の開度を大きくする。

ここで、スロットル弁１３の開度制御について説明する。補正後のアイドル空気量ＩＳＣを実現するためのは、スロットル弁１３の開度の目標値（以下、目標開度という）を設定して制御することになるが、目標開度の設定については、以下のような手法を用いることができる。

第１の手法としては、吸気弁４の閉時期を吸気側カム角度センサ１９及びクランク角センサ２１の検出値に基づいて算出し、この算出値に基づいて目標開度を設定する手法がある。これによれば、吸気弁４の実際の閉時期を用いることになるので、例えば作動油の油温、油圧等といった可変動弁機構１６の作動状況によらず、必要な補正量を設定することができるという効果が得られる。

第２の手法としては、吸気弁４の閉時期を可変動弁機構１６の制御目標値に基づいて算出し、この算出値に基づいて目標開度を設定する手法がある。これによれば、早期に可変動弁１６の動作後の状態に対応したスロットル開度にすることができるので、スロットル開度を変化させてから燃焼室１１内に流入する空気量が変化するまでの時間遅れの影響が小さくなり、安定したアイドル空気量補正を行うことができるという効果が得られる。

第３の手法としては、吸気弁４の閉時期を可変動弁機構１６の制御目標値から算出した閉時期に一次処理を施し、この一次処理後の閉時期に基づいて目標開度を設定する手法がある。これによれば、スロットル開度を変化させてから燃焼室１１内に流入する空気量が変化するまでの時間遅れに忠実に対応したスロットル開度を与えることができるという効果が得られる。

ここで、一次遅れ処理のための係数としては、例えば油温を用いる。油温の高低によって油圧が変化し可変動弁機構１６の動作速度も変化するため、係数として油温を用いることで、可変動弁機構１６の作動状況に応じた、より精度の高い制御を行うことができる。

上記の制御を実行した場合の、エンジン回転数、可変動弁機構１６の作動角度、アイドル空気量補正値ＩＳＣＶＴＣ、スロットル弁１３の開度の変化を、一般的なエンジン回転数フィードバック補正のみの場合と比較して説明する。図５は本実施形態の制御を実行した場合、図６は一般的なエンジン回転数フィードバック補正のみの場合について表したタイムチャートである。なお、チャート中の実線は目標値、破線は実際の値を表す。

本実施形態の制御を実行する場合には、図５に示すように、アイドル運転中（エンジン回転数Ｎｉｄｌｅ、バルブオーバーラップなし）のｔ１で目標ＶＴＣ角度ＶＴＣＴＲＧが最小値に変更されると、図３に示した制御フローチャートにしたがって１より大きなアイドル空気量補正値ＩＳＣＶＴＣが設定され、吸入空気量が増量補正される。これにより、バルブタイミングの遅角化により実圧縮比が低下するｔ１以降も、アイドル回転数Ｎｉｄｌｅを維持することができる。

これに対して、一般的に知られているアイドル回転数フィードバック制御のみを実行する場合には、図６に示すように、アイドル運転中に目標ＶＴＣ角度が遅角側に変更されると、バルブタイミングの遅角に伴ってエンジン回転数が低下する。このとき、アイドル回転数を維持するようフィードバック補正が行われるので、エンジン回転数の目標値は上昇し、スロットル開度の目標値も大きくなる。しかしながら、フィードバック補正の場合、エンジン回転数の低下を検知してから実際にスロットル開度が大きくなるまで、そしてスロットル開度が大きくなってから実際に燃焼室１１に供給される吸入空気量が増加するまでに時間を要するので、吸入空気量の増加がエンジン回転数の低下に追いつかずにエンストに至るおそれがある。

なお、可変動弁機構１６としては、バルブタイミングを可変に制御し得るものであれば本実施形態を適用可能であり、例えば特開２００３−２０６７６５号公報等に開示されているような、バルブタイミングの他にバルブリフト量も可変に制御しうる機構であっても適用可能である。

また、アイドル空気量の補正をスロットル弁１３の開度制御により行う場合について説明したが、アイドル運転時の空気量を別途設けたアイドル運転時用の弁（いわゆるアイドルスピードコントロールバルブ）により制御する構成にも適用可能である。この場合には、補正後のアイドル空気量に応じてアイドル運転時用の弁の開度を制御することになる。

以上のように本実施形態では、以下に記載するような効果を得ることができる。
（１）吸気弁４の閉時期に応じてアイドル運転時の吸入空気量を制御するので、例えばアイドル運転中に可変動弁機構１６を駆動してバルブタイミングを変更した場合に、実圧縮比の変化に伴って熱効率が変化してもアイドル回転数を維持することができる。
（２）バルブオーバーラップ期間がゼロ又はマイナスの場合にのみ、吸気弁４の閉時期に応じた空気量の制御を行うので、発生トルク変動に対する吸気弁４の閉時期の変化の影響が大きい状態でも確実にアイドル回転数を維持することができる。
（３）吸気弁４の閉時期が遅くなるのに伴って吸入空気量を増量するので、実圧縮比が低下して熱効率が低下するほど吸入空気量が増加することとなる。これにより、アイドル回転数を維持することができる。
（４）吸気弁４の閉時期として、実際の検出値を用いるので、油温や油圧等の可変動弁機構１６の作動状況によらず、必要な吸入空気量を供給することができる。
（５）吸気弁４の閉時期として、可変動弁機構１６の制御目標値から算出した閉時期を用いるので、早期に可変動弁１６の動作後の状態に対応したスロットル開度にすることができ、これにより、スロットル開度を変化させてから燃焼室１１内に流入する空気量が変化するまでの時間遅れの影響が小さくなり、安定したアイドル空気量補正を行うことができる
（６）吸気弁４の閉時期を可変動弁機構１６の制御目標値から算出した閉時期に一次処理を施し、この一次処理後の閉時期に基づいて目標開度を設定するので、スロットル開度を変化させてから燃焼室１１内に流入する空気量が変化するまでの時間遅れに忠実に対応したスロットル開度を与えることができる。
（７）一次遅れ処理のための係数として油温を用いる。これにより、油温の高低によって油圧が変化して可変動弁機構１６の動作速度が変化した場合にも、可変動弁機構１６の作動状況に応じた、より精度の高い制御を行うことができる。
（８）吸気弁４の閉時期の検出もしくは算出が不可能な場合は、吸気弁４の閉時期が可変動弁機構１６の機構上最も遅い場合、すなわちアイドル回転数を維持するのに必要な吸入空気量が最も多い状態に対応するようスロットル弁１３の開度を制御するので、吸入空気量不足によるエンストを防止することができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

本実施形態のシステム構成の概略図である。（ａ）〜（ｃ）は本実施形態で用いるバルブタイミングの例を表す図である。アイドル空気量補正の制御ルーチンを表す図である。アイドル空気量補正値算出用のテーブルである。本実施形態のアイドル空気量補正を実行した場合のタイムチャートである。アイドル回転数フィードバック補正のみ実行した場合のタイムチャート

符号の説明

１エンジン
２吸気通路
３排気通路
４吸気弁
５排気弁
６吸気カムシャフト
７排気カムシャフト
８点火栓
９ピストン
１０クランクシャフト
１１燃焼室
１２コレクタ部
１３スロットル弁
１４エアフローメータ
１５コントロールユニット（ＥＣＵ）
１６可変動弁機構
１７燃料噴射弁
１８水温センサ
１９吸気側カム角度センサ
２０排気側カム角度センサ
２１クランク角センサ
２２空燃比センサ
２３アクセル開度センサ
２４スロットルポジションセンサ
２５ＮＯｘ触媒
２６三元触媒

Claims

内燃機関の回転に同期して開閉する吸気弁と、
前記吸気弁の開閉時期を可変に制御し得る可変動弁機構と、
前記内燃機関の吸入空気量の制御を行う吸入空気量制御手段と、
を備え、
前記吸入空気量制御手段は、前記内燃機関のアイドル運転時であってバルブオーバーラップ期間がゼロもしくはマイナスの場合にのみ、前記吸気弁の閉時期に応じて前記吸入空気量を制御するアイドル空気量制御を行なうことを特徴とする内燃機関。
前記バルブオーバーラップ期間を算出するバルブオーバーラップ算出手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
前記アイドル空気量制御は、前記吸気弁の閉時期が遅くなるのに伴って前記吸入空気量を増量することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
前記吸気弁の少なくとも閉時期を検出する吸気弁作動時期検出手段を備え、
前記吸入空気量制御手段は、前記吸気弁の閉時期として前記吸気弁作動時期検出手段の検出値を用いて前記アイドル空気量制御を実行することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の内燃機関。
前記吸入空気量制御手段は、前記吸気弁の閉時期として前記可変動弁機構の制御目標値から算出した吸気弁閉時期を用いて前記アイドル空気量制御を実行することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の内燃機関。
前記吸入空気量制御手段は、前記吸気弁の閉時期として前記可変動弁機構の制御目標値から算出した吸気弁閉時期に一次遅れ処理を施したものを用いて前記アイドル空気量制御を実行することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の内燃機関。
前記内燃機関の油温を検出する油温手段を備え、
前記吸入空気量制御手段は前記油温検出手段の検出値を一次遅れ係数として前記一次遅れ処理を施すことを特徴とする請求項６に記載の内燃機関。
前記吸気弁の閉時期の検出もしくは算出が不可能な場合は、前記吸入空気量制御手段は前記可変動弁機構の機構上最も遅い吸気弁閉時期であるものとして前記吸入空気量の制御を行なうことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
前記吸入空気量制御手段は、電子制御式のスロットル弁であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の内燃機関。