JP5067205B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、過給機と、吸気弁のバルブタイミングを可変な可変バルブタイミング機構と、を備えた内燃機関において、燃費、高出力性能を向上させる技術に関する。

特許文献１には、過給機と可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関が開示されている。一般に、この種の内燃機関においては、加速要求時や高負荷時に吸気バルブのバルブタイミングを進角させて、充填効率を増大させることにより、空気応答性、トルクアップを図っている。

また、過給領域でも、吸気バルブのバルブタイミングを進角させて排気バルブとのバルブオーバラップ量を大きくすることにより、掃気効率を高めて、体積効率を向上させる仕様としている。
特開２００４−１８３５１１号

しかしながら、上記のように加速時や高負荷時に高過給とすると、一般にノッキングが発生しやすくなるため、燃料増量でノッキングを抑制しているが、燃費が著しく悪化してしまう。

また、過給領域で吸気バルブのバルブタイミングを進角すると、ノッキングからの点火時期リタードによる排気温度上昇に伴い、やはり、燃料増量が必要となり、ある領域では、過度の燃料増量によって失火、スモークが発生し、結局、高過給できる領域が制約されてしまう。

本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、吸気バルブのバルブタイミングを適切に切換つつ目標トルクが得られる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

このため、請求項１に係る発明は、
過給機と、吸気弁のバルブタイミングを可変な可変バルブタイミング機構と、を備えた内燃機関において、
ドライバの運転操作を検出する運転操作検出手段と、
運転操作による加速要求度合いに基づいて、前記可変バルブタイミング機構による吸気バルブのバルブタイミングを、進角側と遅角側とで切り換えるバルブタイミング切換手段と、
過給中であって、機関回転速度が、ノッキング発生限界付近の所定回転速度以下であって吸気バルブの閉時期が下死点ＢＤＣよりも遅い基本バルブタイミングに対して進角側に制御した場合と遅角側に制御した場合とでトルク差が大きければバルブタイミングを進角側に制御し、機関回転速度が所定回転速度よりも大きくトルク差が小さくなったときにバルブタイミングを遅角側に段差を持たせて切り換えることで、ノッキングを抑制しつつ前記吸気バルブのバルブタイミングの切換によるトルク段差を抑制し機関トルクを制御するトルク制御手段と、
を含んで構成した。

このようにすれば、吸気バルブのバルブタイミングを、ノッキング発生限界付近までは、進角させて、出力向上を図りつつ、進角させた状態ではノッキングを発生してしまう領域で、遅角側に切り換える一方、トルク段差を抑制するように制御することでノッキングを抑制しつつ最大限出力を向上させることができ、その結果、燃費も向上できる。

図１は、本発明の一実施形態の全体構成を示すシステム図である。
エンジン１の吸気通路２には、上流側から吸入空気量を検出するエアフローメータ３、機械駆動式の過給機（スーパーチャージャー）４、過給吸気冷却用のインタークーラ５、スロットル弁６が設けられる。

前記過給機４をバイパスして吸気通路２を接続するバイパス通路４１が設けられ、該バイパス通路４１に介装されたバイパスバルブ４２の開度を、アクチュエータによって制御することにより、過給圧を調節する。

また、前記スロットル弁６は、アクチュエータによって開度を制御することにより、吸入空気量を調節する。
機関１の各気筒には、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁７、燃焼室内で火花点火を行う点火プラグ８が設けられており、吸気バルブ９を介して吸入された空気に対して前記燃料噴射弁７から燃料を噴射して混合気を形成し、該混合気を前記燃焼室６内で圧縮し、点火プラグ８による火花点火によって着火する。

エンジン１の排気は、排気バルブ１０を介して燃焼室６から排気通路１１に排出され、図示しない排気浄化触媒及びマフラーを介して大気中に放出される。
前記吸気バルブ９及び排気バルブ１０は、それぞれ吸気バルブ側カム軸１２及び排気バルブ側カム軸１３に設けられたカムにより開閉駆動される。

吸気バルブ側カム軸１２、排気バルブ側カム軸１３には、クランク軸に対するカム軸の回転位相を変化させることで、吸、排気バルブのバルブタイミング（開閉時期）を進遅角する油圧駆動式の可変バルブタイミング機構(以下、ＶＴＣ機構という)１４Ａ，１４Ｂがそれぞれ設けられている。なお、排気バルブ１０は、カム軸に固定されたカムによりバルブタイミング一定に駆動されるものであってもよい。

前記油圧駆動式のＶＴＣ機構１４は、図２に示すように、クランク軸（図示省略）によりタイミングチェーンを介して回転駆動されるカムスプロケットの円筒状のハウジング５１と、前記カム軸（１２，１３）の端部に固定されて前記ハウジング５１内に回転自在に収容された回転部材５２と、該回転部材５２をハウジング５１に対して相対的に回転させる油圧回路５３とを備えている。

前記ハウジング５１の内周面には、横断面台形状を呈し、それぞれハウジング５１の軸方向に沿って設けられる４つの隔壁部５１Ａが９０°間隔で突設されている。
前記回転部材５２は、カム軸の前端部に固定されており、円環状の基部５２Ａの外周面に９０°間隔で４つのベーン５２Ｂが設けられて、前記ハウジング５１の各隔壁部５１Ａ間の凹部に配置され、前記凹部を回転方向の前後に隔成し、ベーン５２Ｂの両側と各隔壁部５１Ａの両側面との間に、進角側油圧室６１と遅角側油圧室６２を構成する。

前記油圧回路５３は、進角側油圧室６１に対して油圧を給排する第１油圧通路８１と、遅角側油圧室６２に対して油圧を給排する第２油圧通路８２との２系統の油圧通路を有し、この両油圧通路８１，８２には、供給通路８３とドレン通路８４Ａ，８４Ｂとがそれぞれ通路切り換え用の電磁切換弁９１を介して接続されている。前記供給通路８３は、オイルパン内の油を圧送する機関駆動のオイルポンプに接続される一方、ドレン通路８４Ａ，８４Ｂの下流端がオイルパンに接続している。

前記電磁切換弁９１は、内部のスプール弁体９２が前記各油圧通路８１，８２と供給通路８３及びドレン通路８４Ａ，８４Ｂとを相対的に切り換え制御するようになっている。
前記ＥＣＵ２１は、前記電磁切換弁９１のソレノイド９３に対する通電量を制御する。

例えば、ソレノイド９３への通電量を増大すると、図２（Ａ）に示すように、作動油は、第１油圧通路８１を通って進角側油圧室６１内に供給されると共に、遅角側油圧室６２内の作動油が第２油圧通路８２及びドレン通路８４Ａを通ってオイルパンに排出され、遅角側油圧室６２が低圧になる。

このため、回転部材５２は、ベーン５２Ｂを介して進角側へ回転する。吸気バルブ９側の可変バルブタイミング機構１４の場合、吸気バルブ９のバルブタイミングが進角される。

一方、ソレノイド９３への通電量を減少すると、図２（Ｂ）に示すように、オイルポンプから圧送された作動油は、第２油圧通路８２を通って遅角側油圧室６２に供給されると共に、進角側油圧室６１内の作動油が、第１油圧通路８１を通ってドレン通路８４Ｂからオイルパン内に排出される。

従って、遅角側油圧室６２の内圧が高、進角側油圧室６１の内圧が低となって、回転部材５２は、ベーン５２Ｂを介して遅角側に回転する。吸気バルブ９側の可変バルブタイミング機構１４の場合、吸気バルブ９のバルブタイミングが遅角される。

図１に戻って、前記可変バルブタイミング機構１４Ａ，１４Ｂ、バイパスバルブ４２、スロットル弁６、燃料噴射弁７及び点火プラグ８の作動は、ＥＣＵ（電子制御回路）２１により制御される。

これら制御のため、前記ＥＣＵ２１には、ドライバによって踏み込み操作されるアクセルペダルの踏み込み量、すなわち、アクセル開度を検出する運転操作検出手段としてのアクセル開度センサ１９、前記エアフローメータ３、クランク角センサ１５、カム軸センサ１６Ａ,１６Ｂ、水温センサ１７、吸気圧を検出する圧力センサ１８等からの信号が入力される。

かかるシステム構成を備えた内燃機関において、本実施形態では、本発明に係る制御として、ドライバのアクセル操作に基づいて所望の運転状態毎に、所定のタイミングで、吸気バルブ９のバルブタイミングを、遅角側と進角側とで段差を持たせて切り換える制御を行い、かつ、該切換時にトルク段差を有しないように制御する。

ここで、本実施形態では、吸気バルブ９の基本的なバルブタイミング制御として、閉時期ＩＶＣを下死点ＢＤＣより遅らせたいわゆる遅閉じミラーサイクルを適用する。したがって、進角するとＩＶＣがＢＤＣに近づいて吸気シリンダ容積が増大し、遅角するとＩＶＣがＢＤＣから離れて吸気シリンダ容積が減少する。

図３は、上記制御のフローを示す。
ステップＳ１では、前記アクセル開度センサ１９で検出されるアクセル開度ＡＰＯが全開であるかを判定し、全開と判定されたときは、ステップＳ２へ進む。

ステップＳ２では、前記クランク角センサ１５で検出される機関回転速度Ｎｅに基づいて、吸気バルブ９のバルブタイミングの切換を制御する。具体的には、図４に示すように、トルクの差が大きい所定回転速度Ｎ１以下では、バルブタイミングを進角側に制御し、Ｎ１より大きいときは、バルブタイミングを遅角側に切り換える制御を行う。

または、全開時は、ノッキング回避のための燃料噴射量の増量を併用するので、図５の（Ａ）に示すバルブタイミングの進角制御時に、失火またはスモークが発生する限界回転速度Ｎ２以下まで行い、該限界回転速度Ｎ２を超えると、図５の（Ｂ）に示すようにバルブタイミングを遅角とする制御に切り換えるようにしてもよい。

このように制御することで、全開時の出力性能を可能な限り高めることができる。
ステップＳ１で、アクセル開度ＡＰＯが全開でないと判定されたときは、ステップＳ３へ進み、アクセル開度の変化量ΔＡＰＯが０以下（定常または減速）で、かつ、アクセル開度ＡＰＯが所定開度Ｂ以下（低負荷）であるかを判定する。

ステップＳ１の条件が成立したとき、つまり、加速時でも、高負荷時でもないときは、ステップＳ４へ進み、吸気圧Ｐｂが外気圧Ｐａより高いかを判定する。
吸気圧Ｐｂが外気圧Ｐａより高いときは、ステップＳ５へ進み、過給機４のフリクションを考慮しつつアクセル開度ＡＰＯや機関回転速度Ｎｅに応じた目標トルクに見合った目標過給圧ｔＰｂを算出する。

ステップＳ６では、吸気バルブ９のバルブタイミングを遅角し、スロットル弁６は全開としつつ前記バイパスバルブ４２の開度のみで、過給圧を制御する。具体的には、吸気圧センサ１８で検出される実過給圧を、前記目標過給圧Ｐｂに近づけるようにフィードバック制御する。

一般的なスーパーチャージャーによる過給圧の制御は、下流側のスロットル弁の絞り制御によって行うが、この場合、スロットル弁の絞り損失により燃費が悪化する。本実施形態では、バイパスバルブ４２の開度を制御することで、絞り損失を伴うことなく、必要な過給圧を得ることができるので、燃費が改善する。

また、吸気バルブ９のバルブタイミングを遅角して吸気シリンダ容積を減少した場合を、進角して吸気シリンダ容積を増大した場合と比較すると、同一の吸入空気量を、シリンダ内での圧縮の減少を過給機による過給圧を増大させて得ることとなるが、過給圧を増大した場合は、過給により温度上昇した吸気をインタークーラ５によって冷却することができるので、最終的にシリンダ内での圧縮端温度を減少することができ、ノッキングの発生を抑制できる。

なお、吸気バルブ９のバルブタイミングを進角状態から遅角に切り換える際に、目標過給圧ｔＰｂは、図６に示すように切り換えられ、上記のようにステップ的に増大する。
したがって、ノッキングの発生を抑制でき、進角した場合は、ノッキング抑制のため燃料噴射量の増量が必要となるから、遅角した方が、それだけ、増量領域を減少することができ、さらに燃費を改善できる。

かかる運転時の状態を、図７の（Ａ）に示す。
ステップＳ４で、吸気圧Ｐｂが外気圧Ｐａ以下と判定されたときは、非過給時であるのでバイパスバルブ４２を全開とし、スロットル弁６の開度で吸入空気量を制御するが、この場合も、吸気バルブ９のバルブタイミングを遅角側に制御する。

すなわち、ＩＶＣを遅角して吸気シリンダ容積を減少させることで、同一吸入空気量を得るのにスロットル弁６の開度をより大きく開くこととなり、スロットル弁６の絞り損失をできるだけ小さくすることができ、燃費を改善できる。

かかる運転時の状態を、図７の（Ｂ）に示す。
次に、ステップＳ３の条件が成立しないときは、ステップＳ８へ進み、アクセル開度の変化量ΔＡＰＯが所定値Ａより大か、または、アクセル開度ＡＰＯが所定値Ｂより大か、つまり、加速要求が大きいときか、または、高負荷時であるかを判定する。

そして、上記条件が成立し、加速要求が大きいか、または、高負荷時であるときは、ステップＳ９へ進み、ステップＳ５と同様に、過給機４のフリクションを考慮しつつアクセル開度ＡＰＯ、機関回転速度Ｎｅ等に応じた目標トルクに見合った目標過給圧ｔＰｂを算出する。

次いでステップＳ１０では、機関回転速度Ｎｅと過給圧（吸気圧）Ｐｂとに基づいて、図８に示すマップから、吸気バルブ９のバルブタイミングを進角に維持するか、遅角に切り換えるかを決定する。

ここで、該マップは、以下のように設定されている。以下の各条件が遅角側に切り換える条件として設定される。
Ａ．ノッキング制御においてノッキング抑制のため点火時期を遅角するが、点火時期を遅角すると排気温度が上昇する。吸気バルブ９を進角した状態での点火時期の遅角制御では、排気温度が限界温度を超えて不可能となる領域
Ｂ．吸気バルブ９を進角した状態では、ノッキング抑制のための燃料増量によるリッチ失火限界を超える領域
Ｃ．過渡状態でバイパスバルブ４２、スロットル弁６の応答性を考慮し、過給圧の立ち上がりと要求車両加速度との関係で、吸気バルブ９を進角して吸気シリンダ容積を増大することが必要な領域以外の領域
Ｄ．過渡時の変速応答遅れを考慮し、車両要求加速度に対し、吸気バルブ９を進角として吸気シリンダ容積を増大することが必要な領域以外の領域
Ｅ．クラッチ締結時からの過給機回転速度の遅れを考慮し、車両要求加速度に対し、吸気バルブ９を進角として吸気シリンダ容積を増大することが必要な領域以外の領域
上記各条件の中、Ａ，Ｂは、いずれか一方を満たしたときに遅角側とする必要がある条件であり、Ｃ，Ｄ，Ｅは、これら全ての条件を満たしたときに遅角側とする必要がある条件である。また、Ｃ，Ｄ，Ｅのそれぞれで「領域以外」における「領域」は、Ａ，Ｂと重なっても進角とする必要がある条件である。

したがって、まとめると、（Ａ∪Ｂ）∩Ｃ∩Ｄ∩Ｅの領域では遅角側とし、それ以外の領域では進角側とするように設定される。
そして、上記のように設定したマップを用いて決定した吸気バルブ９の進角、遅角の切換に応じて目標過給圧を切り換えつつ、過給圧を該目標過給圧に近づけるようにフィードバック制御する。なお、スロットル弁６を全開に維持することは勿論である。

かかる構成とすれば、前記マップを用いて可能なかぎり吸気バルブ９のバルブタイミングを進角させ、シリンダ吸気容積を大きくして、高出力を最大限確保しながら、ノッキング限界を超えるときは、バルブタイミングを遅角に切り換えつつバイパスバルブを制御することで過給圧をできるだけ高圧に維持して高出力を維持することができ、燃費も改善できる。

かかる運転時の状態を、図７の（Ｃ）に示す。
また、ステップＳ８の条件が不成立のとき、すなわち、アクセル開度の変化量ΔＡＰＯが所定値Ａ未満で、かつ、アクセル開度ＡＰＯが所定値Ｂ未満である緩加速時は、ステップＳ１１、Ｓ１２へ進む。

ステップＳ１１，Ｓ１２では、前記ステップＳ５，Ｓ６と同様、過給機４のフリクションを考慮しつつアクセル開度ＡＰＯや機関回転速度Ｎｅに応じた目標トルクに見合った目標過給圧ｔＰｂを算出し、吸気バルブ９のバルブタイミングを遅角し、スロットル弁６は全開としつつ前記バイパスバルブ４２の開度のみで、過給圧を制御する。

したがって、緩加速時も、吸気バルブ９を遅角しつつ、バイパスバルブ４２の開度を制御して、必要な過給圧を得ることができるので、燃費が改善する。
以上のように、本実施形態によれば、運転状態に応じて吸気バルブのバルブタイミングを切り換えつつ、ノッキングを抑制しながら吸入空気量を最大限、かつ、エネルギ損失を最小にして確保することができ、出力向上、燃費改善を大きく促進することができる。

なお、前記図３における各ステップＳ２，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ１０，Ｓ１２が、トルク制御手段を構成する。

本発明の一実施形態の全体構成を示すシステム図。 同上実施形態における可変バルブタイミング機構によるバルブタイミング制御状態を示す断面図。 同上実施形態における制御を示すフローチャート。 アクセル全開時の吸気バルブのバルブタイミング切換時期の一例を示す図。 アクセル全開時の吸気バルブのバルブタイミング切換時期の別の例を示す図。 吸気バルブのバルブタイミング切換に伴う過給圧切換を示す図。 各運転状態における各種状態量の変化を示すタイムチャート。 加速要求時に用いる吸気バルブのバルブタイミング切換運転条件を示すマップ。

符号の説明

１…エンジン
９…吸気バルブ
１０…排気バルブ
１２…吸気バルブ側カム軸
１４Ａ…吸気バルブ用の可変バルブタイミング機構
１５…クランク角センサ
１６Ａ…カム軸センサ
２１…エンジン制御回路（ＥＣＵ）

Claims (9)

1. 過給機と、吸気弁のバルブタイミングを可変な可変バルブタイミング機構と、を備えた内燃機関において、
   ドライバの運転操作を検出する運転操作検出手段と、
   運転操作による加速要求度合いに基づいて、前記可変バルブタイミング機構による吸気バルブのバルブタイミングを、進角側と遅角側とで切り換えるバルブタイミング切換手段と、
   過給中であって、機関回転速度が、ノッキング発生限界付近の所定回転速度以下であって吸気バルブの閉時期が下死点ＢＤＣよりも遅い基本バルブタイミングに対して進角側に制御した場合と遅角側に制御した場合とでトルク差が大きければバルブタイミングを進角側に制御し、機関回転速度が所定回転速度よりも大きくトルク差が小さくなったときにバルブタイミングを遅角側に段差を持たせて切り換えることで、ノッキングを抑制しつつ前記吸気バルブのバルブタイミングの切換によるトルク段差を抑制し機関トルクを制御するトルク制御手段と、
   を含んで構成したことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記トルク制御手段は、アクセル全開操作時に、吸気バルブのバルブタイミングの切換前後のトルク段差が所定値以下となる機関回転速度以上で、バルブタイミングを進角側から遅角側に切り換えるように制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記トルク制御手段は、加速の非要求時に過給を行う際は、吸気バルブのバルブタイミングを遅角側としつつ、過給圧を目標過給圧に近づけるように制御することによって、機関トルクを制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 内燃機関は任意の開度に制御される吸気スロットル弁を含み、加速の非要求時で、かつ、非過給時は、吸気バルブのバルブタイミングを遅角側としつつ、吸気スロットル弁の開度を制御することによって、機関トルクを制御することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記トルク制御手段は、アクセル全開以外で加速要求が大きいときは、吸気バルブのバルブタイミングに応じて目標過給圧を切り換えて設定しつつ、過給圧と機関回転速度とに基づいて吸気バルブのバルブタイミングの切換を設定し、過給圧を目標過給圧に近づけるように制御することによって、機関トルクを制御することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記トルク制御手段は、加速要求が小さいときは、吸気バルブのバルブタイミングを遅角側としつつ、過給圧を目標過給圧に近づけるように制御することによって、機関トルクを制御することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。
7. 前記過給機は、機関駆動されるスーパーチャージャーであることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。
8. 前記過給機をバイパスして吸気通路に接続するバイパス通路にバイパスバルブを備え、該バイパスバルブの開度を制御することによって、過給圧を制御することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。
9. 前記過給機の下流の吸気通路に過給吸気冷却用のインタークーラを備えたことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。

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