JP4385955B2

JP4385955B2 - 内燃機関の吸入空気量制御装置

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Publication number: JP4385955B2
Application number: JP2005017151A
Authority: JP
Inventors: 高志河崎
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-01-25
Filing date: 2005-01-25
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2025-01-25
Also published as: EP1691060B1; DE602006002831D1; EP1691060A1; US7258090B2; US20060162681A1; JP2006207399A

Description

本発明は、変速比変更パターンを変更可能な自動変速機を備えた車両に搭載される内燃機関の吸入空気量制御装置に関する。

車両用の自動変速機では、変速比を変更する際の変速比変更パターンが、車両に搭載される機関の最大出力やその車両に要求される走行特性に基づいて設定される。そして、このように設定される所定の変速比変更パターンに従って、自動変速機の変速比がアクセル開度や車速等、車両走行状態に基づいて変更される。

また、こうした変速比変更パターンを車両の走行状態に応じて変更するようにした自動変速機が知られている（例えば、非特許文献１参照）。自動変速機は、大きくは有段変速機と無段変速機とに大別することができる。例えば、有段変速機にあっては、車両加速時において、車両の加速性能よりも燃費を優先したい場合、早めにシフトアップを行うことにより、より早い段階で自動変速機の変速比を小さくするようにしている。一方、燃費よりも加速性能を優先したい場合、シフトアップする時期を遅らせることにより、機関から自動変速機に対してより大きなトルクを伝達させるようにしている。

ところで、車両に搭載される内燃機関では、通常、その吸気通路に設けられたスロットルバルブの開度を変更することにより吸入空気量が調節される。但し、このように吸入空気量を調節すべくスロットルバルブの開度を絞ると、それに起因するポンピングロスの増大が避けられないものとなる。そこで、近年では、スロットルバルブの他、吸気バルブの最大リフト量を機関運転状態に応じて変更する可変動弁機構を更に備えるようにした内燃機関が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

こうした内燃機関にあっては、アイドル運転時等、機関運転に必要とされる吸入空気量が少ないときに、吸気バルブの最大リフト量を小さくすることによってスロットルバルブの開度を増大させ、同スロットルバルブを絞ることによるポンピングロスの増大を極力抑制することができる。
「マークII解説書」、トヨタ自動車株式会社、１９９６年９月特開２００１−２６３０１５号公報

このように自動変速機の変速比を変更する際の変速比変更パターンを変更することにより、そのときどきの要求に応じた車両走行特性を得ることができ、また可変動弁機構を通じてアイドル運転時等、低負荷運転時に吸気バルブの最大リフト量を小さくすることによりポンピングロスを低減して燃費の向上を図ることができる。但し、自動変速機の変速比変更パターンを変更することは車両加速性能の向上を目的とするものであるのに対し、吸気バルブの最大リフト量を変更することは車両の燃費向上を目的とするものである。このように、これら技術は相反する目的のもとで成立したものであるが故に、実際の車両に併せて適用した場合には、以下に示すような車両走行特性にかかる技術的な矛盾をきたすものとなっている。

即ち、自動変速機の変速比変更パターンを、車両加速性能を重視したモードに変更した場合に、吸気バルブの最大リフト量が可変動弁機構によって小さく設定されていると、ポンピングロスの増大については抑制されるものの、吸入空気をその最大量にまで増大させるのに時間を要することとなる結果、内燃機関に発生するトルクが制限されてしまう。また、従来においても、車両が加速状態に移行すると、通常、最大リフト量が徐々に大きくなるように可変動弁機構が制御されるが、これには応答遅れが存在する。従って、自動変速機の変速比変更パターンが車両加速性能を重視したモードに変更され、内燃機関から自動変速比に伝達されるトルクが増大しても、内燃機関で発生するトルクそのものの増大が十分ではないため、結局はそうした変速比変更パターンの変更による車両加速性能の向上には限界が存在していた。また、吸気バルブの最大リフト量の他、その作用角等、リフト量積分値を変更する可変動弁機構を採用する場合にあっても上述した不都合は同様に発生し得る。

この発明は、こうした従来の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、変速比変更パターンを変更可能な自動変速機を搭載する車両用内燃機関において、車両加速性能を向上することのできる内燃機関の吸入空気量制御装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、車両走行状態を示す所定のパラメータに基づいて変速比を変更するに際し、その変速比変更パターンが第１のモードと変速比を前記第１のモードよりも高く設定した第２のモードとに切り替えられる自動変速機を備える車両に搭載され、吸気バルブのリフト量設定値を変更する可変動弁機構と機関吸気通路に設けられたスロットルバルブとの協働により吸入空気量を制御する内燃機関の吸入空気量制御装置において、前記自動変速機の変速比変更パターンが前記第２のモードであることに基づいて、アクセル開度に対する前記リフト量設定値が前記第１のモードのときよりも大きくなるように前記可変動弁機構を制御する制御手段を備えることを要旨とする。

同構成によれば、自動変速機の変速比変更パターンが第２のモードに設定されているとき、即ち変速比を高く設定することにより燃費よりも車両加速性能が優先されているときには、変速比変更パターンが第１のモードに設定されているときよりもリフト量設定値が大きくなるように可変動弁機構が制御される。その結果、吸入空気量をその最大量にまで速やかに増大させることができ、内燃機関において発生するトルクの増大を図ることができる。従って、変速比変更パターンを第２のモードに設定することによるトルク伝達量の増大に併せて、リフト量設定値をより大きくすることによる発生トルクの増大を通じて車両加速性能の向上を図ることができるようになる。また、車両が加速状態に移行したことを検出してリフト量設定値を増大させるようした構成とは異なり、車両加速性能を速やかに増大させることができる。尚ここで、「リフト量設定値の変更」とは、吸気バルブのリフト量積分値の変更、即ち、最大リフト量の変更、作用角の変更、或いはそれら双方の変更を意味する。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記車両は前記変速比変更パターンを前記第１のモードとする位置と前記第２のモードとする位置とにその操作位置が切り替えられる操作部を備え、前記制御手段は、該操作部が前記第２のモードに対応する位置にあるときには前記第１のモードに対応する位置にあるときに比して、アクセル開度に対する前記リフト量設定値が大きくなるように前記可変動弁機構の制御を実行することを要旨とする。

同構成によれば、車両運転者により操作部の操作位置が切り替えられることにより、自動変速機の変速比変更パターンが切り替えられるとともに、併せてリフト量設定値のリフト変更態様も切り替えられる。従って、車両運転者の要求に応じて車両加速性能を向上させることができるようになる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記自動変速機は機関負荷及び車速を前記所定のパラメータとしてこれらに基づいて変速比を変更することを要旨とする。

上記請求項１又は２に記載される構成において、「車両走行状態を示す所定のパラメータ」としては、機関負荷及び車速を採用するのが望ましい。また、機関負荷については、例えばこれをアクセル開度に基づき求めることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の発明において、前記自動変速機は変速比を複数の段階をもって選択的に変化させる有段変速機であることを特徴とする動力伝達装置。

尚、自動変速機の種類としては大きくは、変速比を連続的に変化させる無段変速機の他、請求項４記載の発明によるように、変速比を複数の段階をもって選択的に変化させる有段変速機を挙げることができる。
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関の吸入空気量制御装置において、前記制御手段は、前記リフト量設定値を大きくするための前記可変動弁機構の制御を実行することにともない前記スロットルバルブの開度を同制御の実行前よりも小さくすることを要旨としている。

以下、本発明を、車載用内燃機関に搭載される吸入空気量制御装置に具体化した一実施形態について図１〜図６を参照して説明する。
図１は、吸入空気量制御装置についてその全体構成を示す概略構成図である。

同図に示されるように、内燃機関の各気筒１０には、吸気バルブ１１と排気バルブ１２とが設けられている。吸気バルブ１１は、内燃機関の出力軸１３と同期して回転する吸気カムシャフト１４により開閉駆動され、排気バルブ１２は、同出力軸１３と同期して回転する排気カムシャフト１５により開閉駆動される。

内燃機関の吸気通路２２には、スロットルバルブ２３が設けられている。このスロットルバルブ２３の開度がアクセル開度等、車両走行状態に応じて変更されることにより、吸気通路２２を通じて燃焼室１８に導入される吸入空気の量（吸入空気量）が調節される。また、吸気カムシャフト１４と吸気バルブ１１との間には、可変動弁機構としてのリフト量変更機構２５が設けられている。このリフト量変更機構２５の作動制御を通じて、吸気バルブ１１のリフト量設定値、即ちリフト量積分値が変更されることにより、吸入空気量が調節される。このように吸入空気量の制御は、スロットルバルブ２３の開度制御及び吸気バルブ１１のリフト量変更制御の協働により実行される。

図２は、リフト量変更機構２５の作動に基づく吸気バルブ１１のリフト量積分値の変化態様を示している。同図に示されるように、リフト量変更機構２５では、吸気バルブ１１のリフト量積分値を変更するに際し、作用角（吸気バルブ１１の開弁期間）が大きくなるのにしたがって最大リフト量も大きくなるように、それら作用角と最大リフト量とが同期して変化する。

また、図１に示されるように、内燃機関の出力軸１３には、同出力軸１３に発生する回転トルクを車両駆動系に伝達するための自動変速機３０が駆動連結されている。この自動変速機３０によって、内燃機関の出力軸１３に発生するトルクが所定の変速比をもって速度・トルク変換された後、その出力軸３１を介して車両の駆動輪３３に伝達される。尚、変速比は、内燃機関の出力軸１３と、自動変速機３０の出力軸３１との各回転速度の比（出力軸１３の回転速度／出力軸３１の回転速度）を意味する。

自動変速機３０では、その変速比、即ちギア段が「１速」、「２速」、「３速」、「４速」、又は「後退」に選択的に切り替えられる。こうした切り替えは、車両走行状態を示すパラメータ、具体的にはアクセル開度と車速とに基づいて自動的に行われる。更に、自動変速機３０では、その変更パターン、即ちギア段の切り替えパターンが燃費を優先させるノーマルモード（第１のモード）と、加速性能を優先させるスポーツモード（第２のモード）との間で選択的に切り替えられる。

図３は、こうしたアクセル開度及び車速と選択されるギア段（「１速」〜「４速」）との関係、即ち変更パターンを示している。同図に示されるように、変更パターンがスポーツモードに選択されている場合には、ノーマルモードに選択されている場合と比較して、アクセル開度及び車速が同じであっても、その変速比が高くなるようにギア段の切り替えが実行される。こうしたギア段の切替動作を通じて、内燃機関から自動変速機３０により大きなトルクを伝達させることができ、車両を加速させる際の加速性能を向上させることが可能になる。この変更パターンの切り替えは、スイッチ３８（操作部）を運転者が操作することによって実行される。

また、車両や内燃機関には、車両走行状態や機関負荷状態を検出するための各種センサが設けられている。そうした各種センサとして、例えば内燃機関の出力軸１３の回転速度（機関回転速度ＮＥ）を検出するクランクセンサ、アクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出するアクセルセンサ５０、自動変速機３０の出力軸１３の回転速度を検出しその回転速度から車速を検出する車速センサ５１等が設けられている。

また、吸入空気量を検出する吸入空気量センサ５２、吸気バルブ１１のリフト量（リフト変更機構２５の作動量）を検出するリフト量センサ５３等が設けられている。こうした各種センサや上記スイッチ３８は、車両の各種制御を統括する制御手段としての電子制御装置４０に接続されている。

この電子制御装置４０は、スロットルバルブ２３のスロットル制御、吸気バルブ１１のリフト量変更制御、及び自動変速機３０の変速制御を実行するための制御プログラムの他、それら制御の実行に際して必要とされる演算用マップや制御の演算結果を一時的に記憶するためのメモリを備えている。電子制御装置４０は、内燃機関や車両に設けられた各種センサの検出信号やスイッチ３８からの操作信号を取り込むとともに各種演算を行い、その演算結果に基づいて、スロットル制御、リフト量変更制御及び変速制御等を実行する。

電子制御装置４０は、シフト位置検出センサ３６からの検出信号が読み込まれると、その検出信号に基づき設定された変速モードに従って自動変速機３０の変速制御を実行する。この際、電子制御装置４０には、スイッチ３８から操作信号が読み込まれる。そして、電子制御装置４０は、その操作信号に基づき選択された変更パターンに従って自動変速機３０の変速制御を実行する。

電子制御装置４０は、現在選択されているギア段の変更パターンがノーマルモード及びスポーツモードのどちらに設定されているかに応じて吸入空気量の制御態様を変更する。具体的には、自動変速機３０の変更パターンがスポーツモードであるときにはノーマルモードであるときよりも、吸気バルブ１１の最大リフト量及び作用角が大きくなるようにリフト量変更機構２５が制御され、またスロットル開度が小さくなるようにスロットルバルブ２３が制御される。

図４（ａ），（ｂ）は、変更パターンがスポーツモード、ノーマルモードに設定されたときに吸気バルブ１１の作用角を演算する演算用マップをそれぞれ示している。同図に示されるように、吸気バルブ１１の作用角ａ１，ｂ１は、機関負荷率ＫＬ（全負荷に対する現在の負荷の割合）と内燃機関の機関回転速度ＮＥとに基づき求められる。ここで、変更パターンがスポーツモードであるときには、同じアクセル開度に対する吸気バルブ１１のリフト量積分値、即ち最大リフト量及び作用角ａ１がノーマルモードであるときよりも常に大きく設定されている。

以下、そうしたリフト量変更制御にかかる処理の具体的な処理手順について、図５に示すフローチャートを参照して説明する。このフローチャートに示される一連の処理は電子制御装置４０により所定の制御周期毎に繰り返し実行される。

この一連の処理では、まず、自動変速機３０の変更パターンがスポーツモードに設定されているか否かがスイッチ３８の操作状態に基づいて判断される（ステップ１０）。変更モードがノーマルモードに設定されている場合には（ステップＳ１０：ＮＯ）、図４（ｂ）に示す演算用マップを参照して吸気バルブ１１のリフト量変更制御（通常リフト制御）が実行される（ステップＳ１２）。具体的には、機関負荷率ＫＬと機関回転速度ＮＥとに基づき、吸気バルブ１１の作用角について制御目標値（目標作用角）が設定される。そして、目標作用角と実際の作用角とが一致するように、リフト量変更機構２５が制御される。

一方、自動変速機３０の変更パターンがスポーツモードに設定されている場合には（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、吸気バルブ１１の最大リフト量及び作用角が、前記通常リフト制御において制御される作用角よりも大きくする制御（大リフト制御）が実行される（ステップＳ１１）。具体的には、図４（ａ）に示す演算用マップを参照して、通常リフト制御において設定される目標作用角よりも大きい制御目標値（目標作用角）が設定される。そして、目標作用角と実際の作用角とが一致するように、リフト量変更機構２５が制御される。

次に、こうしたリフト量変更制御についてその処理態様を図６に示すタイミングチャートを参照して説明する。
同図に示されるように、通常、時刻ｔ１１において運転者がアクセルペダルを踏み込むのに伴って、スロットルバルブ２３の開度、吸気バルブ１１の最大リフト量及び作用角が共に大きくなる。その結果、吸入空気量が増大するようになる。但しここで、アクセルペダルが踏み込まれてから吸入空気量がその最大値まで増大するまでにはある程度の遅れを伴う。

このため、本実施形態において、変更パターンがスポーツモードに設定されているときには、ノーマルモードに設定されているときよりも、低負荷運転状態での吸気バルブ１１のリフト量積分値が大きくなるよう制御されている。このため、吸気バルブ１１のリフト量積分値を大きくして、吸入空気量を多くしている分、スロットルバルブ２３はそのスロットル開度が小さくなるように制御される。そのため、ポンピングロスが生じるものの、車両加速時に吸入空気量をその最大値まで増加させる際の増加分は、変更パターンがノーマルモードに設定されているときと比較して少なくて済む。よって、変更パターンがスポーツモードに設定されているときは、アクセルペダルの踏み込み開始時（低負荷運転状態）から全負荷運転状態に到達するまでの到達時間ｔ１が、ノーマルモードに設定されているときの到達時間ｔ２よりも短くて済む。これにより、運転者がアクセルペダルを踏み込み、車両を加速させるのに際して、吸入空気量をより速やかに増大させることが可能になり、吸入空気量の増大レスポンスを向上させることができるようになる。

本実施形態の吸入空気量制御装置によれば以下のような効果を得ることができる。
（１）自動変速機３０の変更パターンがスポーツモードに設定されているとき、即ち変速比を高く設定することにより燃費よりも車両加速性能が優先されているときには、変更パターンがノーマルモードに設定されているときよりも吸気バルブ１１のリフト量積分値が大きくなるようにリフト量変更制御が実行される。その結果、吸入空気量をその最大量にまで速やかに増大させることができ、内燃機関において発生するトルクの増大を図ることができる。従って、変更パターンをスポーツモードに設定することによるトルク伝達量の増大に併せて、リフト積分値をより大きく設定することによる発生トルクの増大を通じて車両加速性能の向上を図ることができるようになる。また、車両が加速状態に移行したことを検出してリフト量積分値を増大させるようにした構成とは異なり、車両加速性能を速やかに増大させることもできる。

（２）運転者がスイッチ３８の操作位置を切り替えることにより、自動変速機３０の変更パターンが切り替えられるとともに、それと併せて吸気バルブ１１のリフト量積分値の変更態様も切り替えることができる。従って、運転者の要求に応じて車両加速性能を速やかに向上させることができるようになる。

なお、本実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
・本実施形態において、リフト量変更機構２５では、吸気バルブ１１の作用角と最大リフト量とを同期して変化させることでリフト量積分値を変更していたが、例えばカムシャフト１４のカム形状等を変更することにより、同吸気バルブ１１の作用角及び最大リフト量のうちいずれか一方のみを変化させてリフト量積分値を変更するようにしてもよい。

・本実施形態において、自動変速機３０は、その変速比を複数の段階をもって選択的に変化させる有段変速機であったが、同変速比を連続的に変化させる無段変速機を採用するようにしてもよい。また、ギア段が前進４段に切り替えられる自動変速機３０を例に挙げたが、これを３段以下、或いは５段以上のギア段を有する自動変速機３０に変更してもよい。

・自動変速機の変速比変更パターンがスポーツモードとノーマルモードとの間で切り替えられる場合について説明したが、本発明はこれら各モード間の切り替えに限らず、変速比変更態様の異なる複数のパターンに自動変速機の変速比変更パターンが切り替えられる内燃機関に適用することができる。

本実施形態における吸入空気量制御装置についてその全体構成を示す概略構成図。リフト量変更機構の作動に基づく吸気バルブのリフト量の変化態様を示すグラフ。スイッチの切り替え操作に基づく変更パターンを示すグラフ。（ａ）は自動変速機の変速比変更パターンがスポーツモードに設定されたときの吸気バルブの作用角を演算するための演算用マップ、（ｂ）は変速比変更パターンがノーマルモードに設定されたときの作用角を演算するための演算用マップ。リフト量変更制御処理の処理手順を示すフローチャート。リフト量変更制御処理の処理態様の一例を示すタイミングチャート。

符号の説明

１１…吸気バルブ、１２…吸気通路、２３…スロットルバルブ、２５…リフト量変更機構、３０…自動変速機、３８…スイッチ、４０…電子制御装置。

Claims

車両走行状態を示す所定のパラメータに基づいて変速比を変更するに際し、その変速比変更パターンが第１のモードと変速比を前記第１のモードよりも高く設定した第２のモードとに切り替えられる自動変速機を備える車両に搭載され、吸気バルブのリフト量設定値を変更する可変動弁機構と機関吸気通路に設けられたスロットルバルブとの協働により吸入空気量を制御する内燃機関の吸入空気量制御装置において、
前記自動変速機の変速比変更パターンが前記第２のモードであることに基づいて、アクセル開度に対する前記リフト量設定値が前記第１のモードのときよりも大きくなるように前記可変動弁機構を制御する制御手段を備えることを特徴とする内燃機関の吸入空気量制御装置。
請求項１記載の内燃機関の吸入空気量制御装置において、
前記車両は前記変速比変更パターンを前記第１のモードとする位置と前記第２のモードとする位置とにその操作位置が切り替えられる操作部を備え、前記制御手段は、該操作部が前記第２のモードに対応する位置にあるときには前記第１のモードに対応する位置にあるときに比して、アクセル開度に対する前記リフト量設定値が大きくなるように前記可変動弁機構の制御を実行することを特徴とする内燃機関の吸入空気量制御装置。
請求項１又は２記載の内燃機関の吸入空気量制御装置において、
前記自動変速機は機関負荷及び車速を前記所定のパラメータとしてこれらに基づいて変速比を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。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の吸入空気量制御装置において、
前記自動変速機は変速比を複数の段階をもって選択的に変化させる有段変速機であることを特徴とする内燃機関の吸入空気量制御装置。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関の吸入空気量制御装置において、
前記制御手段は、前記リフト量設定値を大きくするための前記可変動弁機構の制御を実行することにともない前記スロットルバルブの開度を同制御の実行前よりも小さくする
ことを特徴とする内燃機関の吸入空気量制御装置。