JP2004060455A

JP2004060455A - 内燃機関のバルブタイミング補正制御装置

Info

Publication number: JP2004060455A
Application number: JP2002215971A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Kawamura; 川村　克彦
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-07-25
Filing date: 2002-07-25
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2022-07-25
Also published as: JP3951846B2; DE60302836D1; US20050188929A1; CN1333162C; DE60302836T2; EP1384872A1; CN1477301A; US7328673B2; EP1384872B1

Abstract

【課題】左右バンクの可変動弁機構の特性のばらつきによる運転性悪化等を回避する。
【解決手段】Ｖ型内燃機関１の左右バンクの吸気側に、それぞれ、作動角可変機構と位相可変機構とを組み合わせた可変動弁機構２が設けられている。各バンクの排気系には、空燃比センサ８が設けられている。可変動弁機構が小作動角となると、左右バンクの特性のばらつきにより吸気量が異なり、燃焼悪化等の要因となるが、本発明では、小作動角となったときに、燃料噴射量をオープンループ制御とし、空燃比センサ８の検出空燃比が、大作動角時のベース空燃比に一致するように、バルブタイミングを進角補正もしくは遅角補正する。ベース空燃比に一致したときのバルブタイミングの補正量を、学習し、以後の可変動弁機構の制御に用いる。これにより、左右バンクの実質的な吸気量が一致する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、吸気弁側に可変動弁機構を備えた内燃機関、特に、Ｖ型内燃機関や水平対向型内燃機関のように複数のバンクを備えた内燃機関における各バンクの可変動弁機構の特性のばらつきを補正するバルブタイミング補正制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
機関運転条件に最適なバルブリフト特性を得ることができる可変動弁機構が従来から種々提案されており、例えば、吸気弁の作動角を連続的に拡大，縮小制御可能な作動角可変機構と、吸気弁のリフト中心角の位相を遅進させる位相可変機構と、を組み合わせた可変動弁機構が、本出願人による特開２００１−２８０１６７号公報によって既に公知となっている。
【０００３】
また特開平８−３３８２０９号公報には、左右バンクを備えたＶ型内燃機関において、両バンクの吸排気弁を１本のタイミングベルトで駆動する場合のタイミングベルトの緩みによるバルブタイミングのずれを補償するために、予め一方のバンクのカムシャフトの位相を、タイミングベルトの緩みによる変化量に相当する角度だけずらしておくようにしたＶ型内燃機関の動弁装置が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
例えばＶ型内燃機関のように複数のバンクを有する内燃機関に上記のような可変動弁機構を適用する場合には、各バンクにそれぞれ可変動弁機構が設けられることになるが、各バンクの可変動弁機構の特性のばらつきないしは誤差によって、シリンダ内の吸気量が左右バンクで異なり、空燃比が一方のバンクでリッチに、他方のバンクでリーンとなって、燃焼不安定化を招来する虞がある。特に、吸気弁の作動角を可変制御できるものでは、例えば、作動角を小さくして吸気弁閉時期が上死点と下死点との中間付近に位置する場合に、バルブタイミングの僅かなずれによって、シリンダ内へ流入する吸気量が大きく変動する。そして、一般にエアフロメータは左右バンクの吸気系に共通しており、両バンクを含む機関全体の吸入空気量を検出しているので、そのままでは、左右バンクで空燃比が異なるものとなる。なお、左右バンク毎に排気系に空燃比センサを設け、それぞれのバンクで燃料噴射量をフィードバック制御した場合には、両バンクの空燃比を同一に得られるものの、左右バンクの発生トルクが異なってしまうため、トルク変動ひいてはエンジン振動を招来する問題が生じる。
【０００５】
また、上記特開平８−３３８２０９号公報に記載の技術では、このような可変動弁機構の特性のばらつきに、何ら対処することができない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は、Ｖ型内燃機関や水平対向型内燃機関のように、複数のバンクを有する内燃機関を対象とし、それぞれのバンク毎に、吸気弁のバルブタイミングを可変制御する可変動弁機構を備えている。そして、各バンクの排気系にそれぞれ空燃比センサを備えており、各空燃比センサによって検出される空燃比の片寄りに応じて、当該バンクの可変動弁機構のバルブタイミングが補正される。例えば、一方のバンクの空燃比が相対的にリッチであれば、吸気弁閉時期がより遅角するように、つまり吸気下死点に近付くように、当該バンクの可変動弁機構のバルブタイミングが補正される。また、一方のバンクの空燃比が相対的にリーンであれば、吸気弁閉時期がより進角するように、つまり吸気下死点から離れるように、当該バンクの可変動弁機構のバルブタイミングが補正される。
【０００７】
これにより、シリンダ内の吸気量がそれぞれのバンクで互いに等しいものとなる。
【０００８】
上記空燃比センサは、燃料噴射量のフィードバック制御のためにも用いることができるが、この場合、バルブタイミングの補正は、燃料噴射量がオープンループ制御されている状態で行う必要がある。また、吸気弁の作動角が大きく、吸気弁閉時期が下死点近傍にある場合には、バルブタイミングの僅かな誤差に伴う空燃比の変化は小さいので、各バンクのバルブタイミングの補正は、作動角が小さく制御されているときに行うことが望ましい。そして、バルブタイミングの補正が適当に進行した状態で、そのときの補正量を当該バンクの固有の誤差として学習することで、各バンクの可変動弁機構の特性のずれを、より小さくすることができる。
【０００９】
また、バルブタイミングの補正の際に、各バンクの検出空燃比が互いに等しくなるように補正するようにしてもよいが、吸気弁の作動角が大きく制御されているとき、つまり可変動弁機構の特性のばらつきが吸気量に影響しにくいときに、各バンクのベース空燃比を求めておき、これに一致するように、バルブタイミングの補正を行うことも可能である。この場合、ベース空燃比には、各バンクの燃料噴射弁の個体差や空燃比センサの感度の差など、他の要因によるバンク間の空燃比差が反映しているので、これに沿ってバルブタイミングの補正を行うことで、バルブタイミングの補正量が可変動弁機構の特性差のみを示すものとなる。
【００１０】
【発明の効果】
この発明によれば、例えば可変動弁機構のセンサの取付位置の誤差等に起因して生じる各バンクでのバルブリフト特性のばらつきの影響を排除でき、各バンクでバルブタイミングをより正確に制御することが可能となる。従って、一部気筒での空燃比のばらつきや燃焼不安定化あるいはトルク変動などを抑制できる。
【００１１】
特に、請求項４のようにベース空燃比を求めて、これに収束させるようにすれば、可変動弁機構以外の例えば燃料噴射弁の個体差等に起因する影響を排除することが可能である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１３】
図１は、この発明をＶ型６気筒のガソリン機関１に適用した実施例を示しており、左右バンクの吸気弁３側に、後述する可変動弁機構２がそれぞれ設けられている。排気弁４側の動弁機構は、排気カムシャフト５により排気弁４を駆動する直動型のものであり、そのバルブリフト特性は、常に一定である。
【００１４】
左右バンクの排気マニホルド６は、触媒コンバータ７に接続され、かつこの触媒コンバータ７の上流位置に、排気空燃比を検出する空燃比センサ８が設けられている。左右バンクの排気通路９は、触媒コンバータ７の下流側で合流し、さらに下流に、第２の触媒コンバータ１０および消音器１１を備えている。
【００１５】
各気筒の吸気ポートにはブランチ通路１５が接続され、かつこの６本のブランチ通路１５の上流端が、コレクタ１６にそれぞれ接続されている。上記コレクタ１６の一端には、吸気入口通路１７が接続されており、この吸気入口通路１７に、電子制御スロットル弁１８が設けられている。この電子制御スロットル弁１８は、電気モータからなるアクチュエータを備え、エンジンコントロールユニット１９から与えられる制御信号によって、その開度が制御される。なお、スロットル弁１８の実際の開度を検出する図示せぬセンサを一体に備えており、その検出信号に基づいて、スロットル弁開度が目標開度にクローズドループ制御される。また、スロットル弁１８の上流に、吸入空気流量を検出するエアフロメータ２５が配置され、さらに上流にエアクリーナ２０が設けられている。
【００１６】
また、機関回転速度およびクランク角位置を検出するために、クランクシャフトに対してクランク角センサ２１が設けられており、さらに、運転者により操作されるアクセルペダル開度（踏込量）を検出するアクセル開度センサ２２を備えている。これらの検出信号は、上記のエアフロメータ２５や空燃比センサ８の検出信号とともに、エンジンコントロールユニット１９に入力されている。エンジンコントロールユニット１９では、これらの検出信号に基づいて、燃料噴射弁２３の噴射量や噴射時期、点火プラグ２４による点火時期、可変動弁機構２によるバルブリフト特性、スロットル弁１８の開度、などを制御する。
【００１７】
上記の吸気弁３側の可変動弁機構２は、吸気弁３のリフト・作動角を大小２段階に切り換えるリフト・作動角可変機構と、そのリフトの中心角の位相（図示せぬクランクシャフトに対する位相）を連続的に進角もしくは遅角させる位相可変機構と、が組み合わされて構成されている。
【００１８】
上記リフト・作動角可変機構は、例えば特開平７−２２４７４６号公報や特開平６−１０７４７号公報等に記載されているように、吸気カムシャフト２７に、リフトおよび作動角の大きな高速用カムとリフトおよび作動角の小さな低速用カムとが設けられ、かつロッカアームとして、上記低速用カムに従動する主ロッカアームと上記高速用カムに従動する副ロッカアームとを備え、吸気弁３を押圧する主ロッカアームと副ロッカアームとを油圧により係合もしくは離脱する構成となっている。つまり、両者を係合した状態では、高速用カムによって大作動角・大リフトの特性となり、両者を離脱した状態では、副ロッカアームは自由に揺動することから、低速用カムによって小作動角・小リフトの特性となる。
【００１９】
また、上記位相可変機構は、特開２００１−２８０１６７号公報や特開２００２−８９３０３号公報等に記載されているように、吸気カムシャフト２７の前端部に、クランクシャフトにタイミングチェーンもしくはタイミングベルトを介して連動するスプロケットが設けられ、このスプロケットと吸気カムシャフトとを、所定の角度範囲内において位相制御用アクチュエータが相対回転させる構成となっている。上記位相制御用アクチュエータは、例えば油圧式、電磁式などの回転型アクチュエータからなり、エンジンコントロールユニット１９からの制御信号によって制御される。この位相可変機構では、リフト特性の曲線自体は変わらずに、全体が進角もしくは遅角する。そして、この変化は、連続的に得ることができる。この位相可変機構の制御状態は、吸気カムシャフト２７の回転位置に応答するカム角度センサ２６によって検出される。
【００２０】
なお、上記の特開２００１−２８０１６７号公報や特開２００２−８９３０３号公報には、リフト・作動角可変機構としてリフト・作動角を連続的に可変制御できる機構を用い、これと位相可変機構とを組み合わせた構成が開示されているが、本発明は、このようにリフト・作動角を連続的に変化させ得る可変動弁機構にも適用することが可能である。
【００２１】
ここで、本発明のＶ型内燃機関では、可変動弁機構の油圧制御系統が左右バンクでそれぞれ独立している。つまり、リフト・作動角可変機構の主ロッカアームと副ロッカアームとの係合離脱を行う油圧機構へ供給される油圧を制御する作動角制御用油圧制御弁が左右バンクにそれぞれ設けられ、エンジンコントロールユニット１９からの制御信号によって制御される。また、位相可変機構として油圧式の位相制御用アクチュエータを用いた場合には、該アクチュエータへ供給される油圧を制御する位相制御用油圧制御弁が左右バンクにそれぞれ設けられ、カム角度センサ２６の検出信号に基づいて、エンジンコントロールユニット１９によってそれぞれフィードバック制御される。なお、電磁式の位相制御用アクチュエータを用いた場合にも、それぞれカム角度センサ２６の検出信号に基づいて制御される。
【００２２】
図２は、上記リフト・作動角可変機構によるリフト・作動角の切換の特性を示しており、図示するように、低速低負荷側の領域で、小リフト・小作動角となり、高負荷域および高速域で、大リフト・大作動角となる。また、図３は、大作動角のときの吸気弁のバルブタイミングの一例（ａ）と、小作動角のときの吸気弁のバルブタイミングの一例（ｂ）と、を示している。ここで、小作動角のときには、（ｂ）のように、吸気弁閉時期（ＩＶＣ）が下死点よりも大幅に進角して上死点と下死点との中間付近となるが、このようなバルブタイミングでは、実質的な吸気行程が吸気弁閉時期によって定まり、しかも、三角関数の関係から明らかなように吸気弁閉時期の角度のずれが吸気行程の大きな変化となって現れる。つまり、左右バンクのシリンダで、実際の吸気量が異なりやすい。なお、この左右バンクのバルブリフト特性のずれは、主に、カム角度センサ２６の取付位置のばらつきに起因する。
【００２３】
そこで、本発明では、小リフト・作動角のときに、左右バンクのバルブリフト特性のばらつきを、空燃比センサ８が検出する各バンクの空燃比に基づいて補正する。
【００２４】
図４は、この本発明の補正制御を説明するタイムチャートであり、特に一方のバンクでの空燃比補正値等の変化を示している。まず、大作動角のときには、空燃比が理論空燃比となるように、燃料噴射量が空燃比センサ８の検出信号に基づいてフィードバック制御される。すなわち、当業者に周知のように、空燃比センサ８の検出信号に基づいて、必要な空燃比補正値αを演算し、エアフロメータ２５が検出する吸入空気量と機関回転速度から求まる基本燃料噴射量に、この空燃比補正値αを乗じて、燃料噴射量を求める。図４の「燃料噴射量補正量」は、この空燃比補正値αに基づいて、基本燃料噴射量に加算ないしは減算される燃料量を示している。なお、空燃比センサ８としては、リッチであるかリーンであるかの検出のみが可能な酸素センサと、空燃比の値に応じた出力が得られるいわゆるリニア型空燃比センサのいずれであってもよく、酸素センサの場合には、空燃比補正値αは、リッチ，リーンの反転に基づくＰＩ制御などによって求められることになるが、この場合、図４の「空燃比補正値α」の特性は、その平均的な変化を示している。そして、このように大作動角で定常運転している状態において、空燃比補正値αの値が、ベース空燃比として、読み込まれる。このベース空燃比に相当する空燃比補正値αの値は、当然のことながら「１」近傍の値となる。当業者に知られているように、この空燃比補正値αの値は、フィードバックによる補正を加えない状態での空燃比の理論空燃比からの片寄りに相当し、例えば燃料噴射弁２３の特性のばらつきや空燃比センサ８の特性のばらつきが、この空燃比補正値αに反映する。
【００２５】
次に、運転条件が変化して、小作動角となったら、空燃比センサ８の検出に基づく燃料噴射量のフィードバック制御は停止し、燃料噴射量をオープンループ制御とする。但し、上記のベース空燃比に対応する燃料噴射量補正は、そのまま継続することが望ましい。そして、この状態で、空燃比センサ８の検出に基づいて、可変動弁機構によるバルブタイミングをフィードバック制御する。具体的には、検出された空燃比がベース空燃比よりもリーンであれば、実質的な吸気行程が短くなるように、位相可変機構を進角補正する。逆に、検出された空燃比がベース空燃比よりもリッチであれば、実質的な吸気行程がより長くなるように、つまり吸気弁閉時期が下死点に近付くように、位相可変機構を遅角補正する。図４の例では、作動角を小作動角に切り換えたときに、吸気量が過剰となっており、空燃比補正値αがベース空燃比相当の値よりも大となるが、これに基づいて吸気弁閉時期が進角補正される結果、徐々にベース空燃比に近付き、やがてベース空燃比に一致する。このベース空燃比に一致したときの位相補正量つまりカム位相補正値は、当該バンクでの可変動弁機構の特性のずれ、一般には、カム角度センサ２６の取付位置のずれに相当すると考えられるので、ベース空燃比に一致した時期ｔ１において、カム位相補正値を学習し、その後の制御に利用する。例えば、位相可変機構の目標値に予めこの学習値を加算することで、小作動角、大作動角の状態に拘わらず、当該バンクのバルブリフト特性をより精度よく制御することができる。特に、理論空燃比ではなくベース空燃比に一致させるようにすることで、上記の学習値が、燃料噴射弁２３の特性のばらつきや空燃比センサ８の特性のばらつきに影響されずに、可変動弁機構の特性の差のみを反映したものとなる。
【００２６】
図５は、上記の制御の流れを示すフローチャートであり、まず、ステップ１で、小作動角の運転条件であるか大作動角の運転条件であるか判別する。大作動角であれば、ステップ２へ進み、通常の空燃比フィードバック制御を行い、かつ十分に収束したときの空燃比補正値αをベース値（ベース空燃比に相当する値）としてセットする。
【００２７】
一方、小作動角であれば、ステップ３へ進み、空燃比フィードバック制御を中止する。そして、ステップ４で、空燃比がベース空燃比よりもリッチであるかリーンであるかを判定し、リーンであればステップ５に進んで位相を進角補正し、リッチであればステップ６に進んで位相を遅角補正する。さらに、ステップ７で空燃比がベース空燃比に一致したか判定し、ベース空燃比に一致したときに、ステップ８へ進んで、そのときのカム位相補正値を学習値としてセットする。
【００２８】
図４および図５では、一方のバンクでのフィードバック補正のみを説明しているが、エアフロメータ２５は、両バンクの吸入空気量をまとめて計測しているので、通常、一方のバンクでリーンとなれば他方のバンクではリッチとなっており、従って、双方のバンクで、上述したフィードバック補正が並行して行われる。
【００２９】
なお、このようなバルブタイミングのフィードバック補正は、小作動角である間、ずっと行うことも勿論可能ではあるが、その間、燃料噴射量のフィードバック制御が行えないこととなるので、新たな学習値が得られた時点でバルブタイミングのフィードバック補正を終了して、空燃比フィードバック制御を再開するようにしてもよい。また、上述したように、バルブリフト特性のずれの大部分は、カム角度センサ２６の取付誤差に起因するので、小作動角のたびに必ずしも行う必要はなく、１回の運転の間に最初に大作動角から小作動角へ変化したとき、など適当な頻度で行うことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係るバルブタイミング補正制御装置を備えたＶ型内燃機関の構成説明図。
【図２】小作動角の運転領域と大作動角の運転領域とを示す特性図。
【図３】大作動角のときの吸気弁のバルブタイミングの一例（ａ）と、小作動角のときの吸気弁のバルブタイミングの一例（ｂ）と、を示す特性図。
【図４】大作動角から小作動角へ切り換えた後のフィードバック補正を示すタイムチャート。
【図５】このフィードバック補正の処理の流れを示すフローチャート。
【符号の説明】
２…可変動弁機構
８…空燃比センサ
１９…エンジンコントロールユニット

Claims

複数のバンクを有し、かつそれぞれのバンク毎に、吸気弁のバルブタイミングを可変制御する可変動弁機構を備えてなる内燃機関において、
各バンクの排気系にそれぞれ空燃比センサを備え、各空燃比センサによって検出される空燃比の片寄りに応じて当該バンクの可変動弁機構のバルブタイミングを補正することを特徴とする内燃機関のバルブタイミング補正制御装置。
複数のバンクに共通なエアフロメータを備え、このエアフロメータにより検出される吸入空気量に基づいて各バンクの燃料噴射量がオープンループ制御されている状態で、バルブタイミングの補正を実行することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のバルブタイミング補正制御装置。
吸気弁の作動角が小さく制御されているときに、バルブタイミングの補正を実行することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関のバルブタイミング補正制御装置。
吸気弁の作動角が大きく制御されているときに、各バンクのベース空燃比を求め、バルブタイミング補正時には、当該バンクの空燃比がこのベース空燃比に一致するようにバルブタイミングを補正することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関のバルブタイミング補正制御装置。
空燃比が上記ベース空燃比よりもリッチであるときに吸気弁閉時期を遅角補正し、リーンであるときに吸気弁閉時期を進角補正することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関のバルブタイミング補正制御装置。
空燃比がベース空燃比に一致したときのバルブタイミング補正量を、当該バンクの可変動弁機構の固有の誤差として学習することを特徴とする請求項４または５に記載の内燃機関のバルブタイミング補正制御装置。
上記可変動弁機構は、吸気弁の作動角を連続的ないしは段階的に拡大，縮小する作動角可変機構と、吸気弁のリフト中心角の位相を連続的に遅進させる位相可変機構と、を備え、上記位相可変機構による位相の遅進によってバルブタイミングの補正が行われることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関のバルブタイミング補正制御装置。