JP2004108259A - 可変動弁エンジンの制御装置 - Google Patents

可変動弁エンジンの制御装置 Download PDF

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  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)

Abstract

【課題】可変動弁制御を必要外に停止させることなく、常に最適な空燃比制御を行えるようにする。
【解決手段】吸気弁7の開弁開始から閉弁までの可変動弁装置8の制御履歴をその制御に関連するデータを基にして吸気弁7の閉弁後に確定、または、吸気弁7の閉弁前に予測して確定し、その確定した制御履歴に応じて燃料噴射弁12から噴射する燃料量を制御する。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、車両等に用いられるエンジンに関し、とりわけ、吸気弁の開閉時期とリフト量と共に、燃料の噴射量を制御する可変動弁エンジンの制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
車両等に用いられるエンジンとして、吸気弁の開閉時期とリフト量を運転状態に応じて制御する可変動弁装置を備え、その可変動弁装置をエンジンの燃料噴射と共に制御することにより、ポンピングロスの低減を図ったものがある。
【0003】
このような可変動弁エンジンの制御装置として、例えば、特開2000−87766号公報に記載されるようなものが案出されている。
【0004】
この公報に記載の可変動弁エンジンは、所謂スロットルレス形式のもので、吸気弁を駆動する可変動弁装置として電磁アクチュエータを用い、その電磁アクチュエータを燃料噴射装置と共に各気筒毎に制御する。そして、そのエンジンの制御装置は、加速運転時等の運転状態が急変化する状況下で、燃料噴射制御と吸入空気量制御のタイミングのずれによって燃料と吸入空気量の割合が最適値からずれる不具合を無くすため、電磁アクチュエータによる吸入空気量制御を、燃料噴射量を決定した時点での運転状態データを基に行うようにしている。したがって、この制御装置においては、加速運転時等の運転状態が急変化する状況下においても、電磁アクチュエータ(可変動弁装置)が燃料噴射量に合致しない吸気量制御を行うことがなくなり、常にエンジンを最適な空燃比に維持することが可能となる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この可変動弁エンジンの制御装置は、可変動弁装置の制御を、燃料噴射量決定時における運転状態データに基づいて行っており、換言すれば、燃料噴射量決定時から可変動弁制御の実行までの運転状態データの更新を禁止するものであるため、例えば、急加速時には、応答性が低下する虞がある。また、運転状態の変化に応じた可変動弁装置の連続制御を停止したくないシステム下においては、その採用がむずかしい。
【0006】
即ち、例えば、複数気筒を有するエンジンにおいて、各気筒の吸気弁の開閉時期とフリト量の変更を複数気筒で機械的に連動させて行う場合には、一つの気筒の可変動弁作動の停止は他の気筒の可変動弁作動にも影響が及び、各気筒毎の空燃比制御や出力制御を厳密に行うことができなくなる。
【0007】
そこでこの出願の発明は、可変動弁制御を必要外に停止させることなく、常に最適な空燃比制御を行えるようにして、運転性能の向上とエミッション悪化抑止を確実に図ることのできる可変動弁エンジンの制御装置を提供しようとするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するための手段として、この出願の発明は、吸気弁の開弁開始から閉弁までの可変動弁装置の制御履歴をその制御に関連するデータを基にして吸気弁の閉弁後に確定、または、吸気弁の閉弁前に予測して確定し、その確定した制御履歴に応じて燃料噴射量を制御するようにした。
【0009】
【発明の効果】
以上のように、この出願の発明は、可変動弁装置の制御に関連するデータを基にして吸気弁の開弁から閉弁までの制御履歴を確定することで吸入空気量を推定し、その吸入空気量に対応するように燃料噴射量制御を行うため、可変動弁装置側の制御を必要外に停止させることなく、常に最適な空燃比制御を行うことができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
次に、この出願の発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。
【0011】
図1は、この出願の発明に係る制御装置を適用した火花点火式の可変動弁エンジンを示す第1の実施形態の全体構成図である。このエンジンは、直列に配置された4つの気筒(#1気筒〜#4気筒)を備える直列4気筒エンジンである。
【0012】
エンジンの燃焼室1は、シリンダヘッド2と、シリンダブロック3と、このシリンダブロック3のシリンダ3a内を往復動するピストン4と、により画成されている。シリンダヘッド2には、燃焼室1へ開口する吸気ポート5および排気ポート6が形成されている。吸気ポート5を開閉する吸気弁7は可変動弁装置8によって駆動される。可変動弁装置8は、吸気弁7の作動角およびリフト量を変更可能な第1可変機構(VEL)とリフト中心角位相を変更可能な第2可変機構(VTC)とから構成されている(詳細は後述)。また、排気ポート6を開閉する排気弁9は、クランク軸10によって回転駆動される排気カムシャフト11の排気カム(図示略)によって駆動される。
【0013】
シリンダヘッド2には、吸気ポート5の下方に位置して燃焼室1内へ直接燃料を噴射する燃料噴射弁12(燃料噴射装置)が取り付けられている。このため、このエンジンでは吸気弁7の開閉状態に係らず燃焼室1に燃料を供給することができる。シリンダヘッド2には、燃焼室1の略中央に位置する点火プラグ13も取り付けられており、この点火プラグ13によって燃焼室1内の混合気に火花点火する。
【0014】
吸気ポート5の上流側は気筒毎の吸気ブランチ14を介してコレクタ15に接続されており、コレクタ15より上流側の吸気通路16にはエアクリーナー17が配設されている。排気ポート6の下流側は排気マニホールド18を介して排気浄化用触媒19に接続されている。このエンジンでは、ほとんどの運転条件で理論空燃比運転を行うことが想定されており、排気浄化用触媒19には一般的な三元触媒を使用している。
【0015】
エンジンコントロールユニット(ECU)50には、吸入空気量に応じた信号を出力するエアフローメータ51、アクセル開度に応じた信号を出力するアクセルポジションセンサ52、クランク軸10が微小角度(例えば1°)回転する毎に信号(POS信号)を出力するPOSセンサ53、気筒毎の基準クランク角度位置信号(REF信号)を出力するREFセンサ54、第1可変機構の制御状態に応じた信号を出力する第1センサ55、第2可変機構の制御状態に応じた信号を出力する第2センサ56等の各種センサから出力信号が送られ、ECU50はこれらの信号に基づいて燃料噴射弁12、点火プラグ13、第1可変機構と第2可変機構の各駆動制御部(20,21)等に送信すべき駆動信号を演算する。
【0016】
次に、図2に基づいて可変動弁装置8の詳細を説明する。
【0017】
この可変動弁装置8は、前述のように第1可変機構101と第2可変機構102とから構成されており、第1可変機構101は、シリンダヘッド上部に回転自在に支持される一方でスプロケット110とタイミングチェーン(図示せず)等を介してクランク軸10(図1参照)に連動する駆動軸150と、この駆動軸150の外周に揺動可能に外嵌して各気筒(#1気筒〜#4気筒)の吸気弁7を昇降駆動する揺動カム120との間に介在され、駆動軸150の回転によって揺動カム120を連動させて揺動させると共に、第1可変機構101の駆動制御部である電動モータ20によって揺動カム120のカム面の実使用エリアを変更し得るようになっている。
【0018】
そして、この第1可変機構101は、前記駆動軸150に圧入等によって偏心して設けられた円形状の駆動カム121と、この駆動カム121の外周に相対回転可能に外嵌された第1のリンク122と、シリンダヘッドの上部に上記駆動軸150と略平行に配置されて前記電動モータ20によって回転駆動される制御軸151と、この制御軸151に圧入等によって偏心して設けられた円形状の制御カム123と、この制御カム123の外周に相対回動可能に外嵌される一方で一端が上記第1のリンク122の端部に枢支連結されたロッカアーム124と、このロッカーアーム124の他端と前記揺動カム120を枢支連結する第2のリンク125と、を備えている。尚、これらの構成部品は、図示は省略しているが、制御軸151を除いて各気筒(#1気筒〜#4気筒)毎に夫々設けられており、共通の制御軸151の回転操作によって各気筒の揺動カム120の挙動を連動して制御できるようになっている。
【0019】
前記ロッカアーム124は制御カム123を介して制御軸151に偏心して支持されているため、ロッカアーム124の揺動中心は制御軸151の角度位置に応じて変化する。したがって、電動モータ20によって制御軸151の回転位置が操作されると、ロッカアーム124の揺動中心が駆動軸150に対して近接あるは離反するように変化し、それによって第2のリンク125を介して操作される揺動カム120のカム面の実使用エリア(吸気弁7に対する押圧エリア)を変更する。
【0020】
揺動カム120のカム面は、駆動軸150と同心状の円弧をなす基円面と、その基円面から所定の曲線を描いて延びるリフト面とを有し、揺動カム120の揺動姿勢に応じて吸気弁7に対する押圧位置を変化させるようになっている。基円面はベースサークル区間としてリフト量が0となる区間であり、リフト面はその外面のプロフィールに応じてリフト量を変化させる区間である。揺動カム120は、制御軸151の回動操作に伴うロッカアーム124の揺動中心の変化により、吸気弁7に対する押圧エリアを変更し、それによって吸気弁のリフト量と開弁から閉弁までの角度範囲を変更する。尚、制御軸151の端部にはその軸151の回転角に応じた信号を出力する前記第1センサ55が設けられており、前記電動モータ20はこの検出した実際の制御状態に基づいてクローズドループ制御される。
【0021】
第2可変機構102は、駆動軸150の前端部に設けられたスプロケット110と、このスプロケット110と駆動軸150とを、所定の角度範囲内において相対回動させる位相制御用の油圧アクチュエータ130とから構成されている。この油圧アクチュエータ130は、進角側と遅角側の吸排油圧を切換え、或いは、圧力保持する電磁式の油圧制御弁21によって制御される。この油圧制御弁21は第2可変機構102の駆動制御部を構成している。油圧制御弁21はエンジンコントロールユニット50(図1参照)によって制御され、スプロケット110と駆動軸150を適宜相対回転させることでクランク軸10と駆動軸150の回転位相を変更する。したがって、バルブリフトにおけるリフト中心角は、この油圧制御弁21による制御によって進角若しくは遅角側に変更される。尚、駆動軸150の端部には、クランク軸10に対する駆動軸150の進角量に応じた信号を出力する前記第2センサ56が設けられており、油圧制御弁21はこの検出した実際の制御状態に基づいてクローズドループ制御される。
【0022】
このエンジンの場合、以上説明した可変動弁装置8によって吸気弁7の開閉時期とリフト量を任意に調整することが可能であるため、スロットル弁に依存せずに吸入空気量を制御することができる。
【0023】
次に、ECU50が実行するエンジン制御について説明する。
【0024】
図3は可変動弁装置8を制御するための処理ルーチンを示すフローチャートである。この処理ルーチンは所定時間毎(例えば10[ms]毎)に実行される。
【0025】
S1では、アクセルポジションセンサ52の出力信号からアクセル開度APOを読み込み、ECU50内のメモリからエンジン回転速度Neを、第1センサ55の出力信号から実制御軸回転角rELを、第2センサ56の出力信号から実駆動軸進角量rTCを、夫々読み込む。ただし、エンジン回転速度Neは、REFセンサ54から出力されるREF信号の発生時間間隔に基づいてECU50が随時算出しており、最新の値がメモリに記憶されている。
【0026】
S2では、アクセル開度APO、エンジン回転速度Neに基づいて目標制御軸回転角tELと目標駆動軸進角量tTCを算出する。本ステップの処理の内容を詳細に説明すると、APOとNeとからエンジンの目標トルクを算出し、この目標トルクを理論空燃比運転で実現するための目標空気量を算出し、この目標空気量が得られる最適な(例えば、燃焼安定性が確保できる範囲でポンピングロスが最小となる)バルブリフト特性を決定し、このバルブリフト特性に対応するtELとtTCを算出する。ただし、以上の処理を予め行って結果を制御マップ化しておけば、APOとNeから直接tELとtTCを算出することもできる。
【0027】
S3では、実制御軸回転角rELを目標制御軸回転角tELへ近づけるための駆動信号を算出し、これを第1可変機構の駆動制御部(電動モータ)20へ送信する。
【0028】
S4では、実駆動軸進角量rTCを目標駆動軸進角量tTCへ近づけるための駆動信号を算出し、これを第2可変機構の駆動制御部(油圧制御弁)21へ送信する。
【0029】
図4は燃料噴射と可変動弁装置の制御モードを決定するための処理ルーチンを示すフローチャートである。この処理ルーチンは所定時間毎(例えば10[ms]毎)に実行される。
【0030】
S10では、アクセル開度APOとエンジン回転速度Neを読み込む。
【0031】
S11では、アクセル開度APOの増加量dAPOとエンジン回転速度Neの増加量dNeとを算出する。dAPOとしては、S10で読み込んだAPOから前回本ルーチンを実行したときのAPOを差し引いた値やAPOの移動平均値の増加量等を使用すればよい。dNeの場合も同様である。
【0032】
S12では、アクセル開度増加量dAPOがしきい値dAPOthより小さいか否かを判断する。
【0033】
アクセル開度増加量dAPOがしきい値dAPOthより小さい場合はS13へ進み、エンジン回転速度増加量dNeがしきい値dNethより小さいか否かを判断する。
【0034】
エンジン回転速度増加量dNeがしきい値dNethより小さい場合はS14へ進み、燃料カット条件が成立しているか否かを判断する。例えば、アクセル開度APOがほぼゼロでありエンジン回転速度Neが所定回転速度より大きいとき燃料カット条件が成立していると判断する。
【0035】
燃料カット条件が成立している場合はS15へ進み、制御モードを燃料カットモードに設定する。このモードが設定された場合、全ての気筒が燃料カット運転に移行するまで可変動弁装置8の制御を禁止(現在のバルブリフト特性を維持)する。この制御は図3の制御に優先して行われる。
【0036】
燃料カット運転への移行時は目標空気量が急激に減少するので、図3の制御によれば空気量を急減させるための駆動信号が電動モータ20と油圧制御弁21へ送信されることになる。このとき、すでに燃料噴射が実行され(あるいは開始され)かつ吸気行程中にある気筒が存在すると、当該気筒の空燃比が大幅にリッチ化してリッチ失火が発生する可能性がある。このため、燃料カット条件成立前に噴射された燃料の燃焼が終了するまでは可変動弁装置8の制御を禁止する。
【0037】
S14で燃料カット条件が成立していない場合はS16へ進み、制御モードを定常運転モードに設定する。このモードが設定された場合、可変動弁装置の制御は図3の制御に従って行われる。燃料噴射制御については後述する。
【0038】
S12あるいはS13の判断がNOである場合はS17へ進み、制御モードを加速運転モードに設定する。このモードが設定された場合も可変動弁装置の制御は図3の制御に従って行われる。燃料噴射制御については後述する。
【0039】
図5は気筒毎の第1燃料噴射量と噴射時期を算出するための処理ルーチンを示すフローチャートである。この処理ルーチンは、REFセンサ54が各気筒のREF信号(REF(1)〜REF(4))を出力する毎に実行される。以下の記載でnは気筒番号を表しており、REF(n)(#n気筒のREF信号)が出力されたときの処理として説明する。
【0040】
S20では、現在設定されている制御モードが燃料カットモード以外(定常運転モードまたは加速運転モード)であるか否かを判断する。
【0041】
制御モードが燃料カットモード以外である場合はS21へ進み、エアフローメータ51の出力信号から吸入空気量Qaを、ECU50内のメモリからエンジン回転速度Neを、夫々読み込む。
【0042】
S22では、空燃比を理論空燃比とするための燃料噴射量Tp1を以下の(1)式に基づいて算出する。
【0043】
【数1】
Tp1=K×Qa/Ne…(1)
ただし、Kは定数である。Tp1は、必要な燃料量を得るための燃料噴射弁12の開弁時間(単位[ms])として算出される。
【0044】
S23では、現在設定されている制御モードが定常運転モードであるか否かを判断する。
【0045】
制御モードが定常運転モードである場合はS24へ進み、#n気筒の第1燃料噴射量Ti1(n)にTp1を代入する。尚、この実施形態においては、後述するように各気筒に対する燃料噴射を前段の第1燃料噴射と後段の第2燃料噴射の2段に分けて行う。
【0046】
S23で制御モードが定常運転モードでない場合はS25へ進み、燃料噴射量Tp1がしきい値Tp1thより大きいか否かを判断する。
【0047】
燃料噴射量Tp1がしきい値Tp1thより大きい場合はS26へ進み、#n気筒の第1燃料噴射量Ti1(n)にTp1を代入する。
【0048】
S20あるいはS25の判断がNOである場合はS27へ進み、#n気筒の第1燃料噴射量Ti1(n)にゼロを代入する。燃料噴射量Tp1がしきい値Tp1th以下の場合(S25の判断がNOである場合)にTi1(n)をゼロにするのは、燃料噴射弁12の駆動回数を減らして耐久性を向上させるためである。
【0049】
S28では、#n気筒の第1燃料噴射量Ti1(n)に基づいて#n気筒の第1燃料噴射時期IT1(n)を算出する。IT1(n)は、#n気筒の燃料噴射開始時期をクランク角で設定する値であり、排気弁9が閉弁した後の比較的早い時期に設定される。本実施形態のような直噴エンジンでは、排気通路への燃料吹き抜けを防止するため排気弁9が閉じた後に燃料噴射する必要があり、かつ、噴射した燃料の気化および空気との混合時間を確保するためにはできるだけ早い時期に燃料噴射することが望ましい。なお、Ti1(n)がゼロであるときは無効な値(実際には有りえないクランク角)をIT1(n)に代入しておく。
【0050】
図6は第1燃料噴射の実行と第2燃料噴射量の算出および実行を行うための処理ルーチンを示すフローチャートである。この処理ルーチンは、POSセンサ53がPOS信号を出力する毎に実行される。
【0051】
S30では、クランク角CAを算出する。ただし、CAは1°〜720°(クランク軸10の2回転分)の範囲を取る値であり、直前に発生した気筒毎のREF信号とその後に発生したPOS信号の個数とからCAを算出することができる。
【0052】
S31では、現在のクランク角CAが#n気筒の第1燃料噴射時期IT1(n)に一致しているか否かを判断する。すなわち、CAをIT1(1)〜IT1(4)と比較する処理を行う。
【0053】
クランク角CAが#n気筒の第1燃料噴射時期IT1(n)に一致している場合はS32へ進み、#n気筒の第1燃料噴射量Ti1(n)に応じた駆動信号(開弁信号)を#n気筒の燃料噴射弁12へ送信する。この駆動信号により、#n気筒の燃料噴射弁12は現時点からTi1(n)[ms]の間だけ開弁する。
【0054】
クランク角CAがいずれの気筒の第1燃料噴射時期にも一致していない場合はS32の処理をスキップする。
【0055】
S33では、現在設定されている制御モードが加速運転モードであるか否かを判断する。
【0056】
このとき制御モードが加速運転モードでない場合(つまり、定常運転モードの場合)には、S34以降には進まず、したがって、第1燃料噴射量Ti1(n)のみが各気筒に与えられる。
【0057】
また、制御モードが加速運転モードである場合はS34へ進み、実制御軸回転角rEL、実駆動軸進角量rTC、エンジン回転速度Neを読み込む。
【0058】
S35では、実制御軸回転角rELと実駆動軸進角量rTCとクランク角CAとに基づいて各気筒の現在の吸気弁リフト量L(1)〜L(4)を算出する。
【0059】
S36では、各気筒の吸気弁リフト量L(1)〜L(4)のデータを現在のクランク角CAに対応させてメモリにストアする。すなわち、以下のような配列データとして各気筒の吸気弁リフト量を記憶する。
【0060】
L(n、CA)…{n:1〜4}{CA:1〜720}
S37では、#n気筒の吸気弁7のリフトが終了したか否かを判断する。前回本ルーチンを実行したときの#n気筒の吸気弁リフト量L(n)が正の値であり、かつ、今回の当該気筒の吸気弁リフト量L(n)がゼロであるとき、#n気筒のリフトが終了したと判断することができる。
【0061】
#n気筒の吸気弁7のリフトが終了した場合はS38へ進み、#n気筒のバルブリフト曲線(リフト開始からリフト終了までのL(n、CA)データから再現できる)とエンジン回転速度Neとから吸入空気量Qa2を算出する。加速運転時は、可変動弁装置8の制御状態が大吸気量側へ刻々と変化しているが、この変化が反映された実際のバルブリフト曲線を考慮して演算を行えば正確に吸入空気量を推定することができる。
【0062】
S39では、空燃比を理論空燃比とするための燃料噴射量Tp2を以下の(2)式に基づいて算出する。
【0063】
【数2】
Tp2=K×Qa2/Ne…(2)
S40では、S39で算出した燃料噴射量Tp2から既に噴射済みの第1燃料噴射量Ti1(n)を差し引いて第2燃料噴射量Ti2を算出する。
【0064】
S41では、第2燃料噴射量Ti2に応じた駆動信号を#n気筒の燃料噴射弁12へ送信する。この駆動信号により、#n気筒の燃料噴射弁12は現時点(リフト終了直後)からTi2[ms]の間だけ開弁する。
【0065】
S37でいずれの気筒の吸気弁リフト終了時期にも該当しない場合はS38以下の処理を行わずに本ルーチンを終了する。
【0066】
以上のような燃料噴射制御(図4〜図6)を行うことにより、加速運転時においても理論空燃比に近付けることができ、その結果、加速運転時の空燃比リーン化が防止され、エンジンの運転性が改善されると共に、NOx排出量も低減される。
【0067】
尚、図6の処理ルーチンでは吸気弁リフト量の履歴データから吸入空気量Qa2を算出するようにしたが、吸気弁リフト量の履歴データに代えて可変動弁装置の制御状態のデータをクランク角CAに対応させて記憶するようにしてもよい。この場合、記憶しておくべきデータは以下の2つの配列データになり、データ量を減らすことができる。
rEL(CA)…{CA:1〜720}
rTC(CA)…{CA:1〜720}
実制御軸回転角の履歴データrEL(CA)と実駆動軸進角量の履歴データrTC(CA)とから任意のクランク角CAにおける各気筒の吸気弁リフト量を算出することが可能であり、任意の気筒のバルブリフト曲線を再現することができる。
【0068】
また、図5の処理ルーチンではエアフローメータ51で検出した吸入空気量Qaから燃料噴射量Tp1を算出したが、当該ルーチン実行時点における実制御軸回転角rELと実駆動軸進角量rTCとから吸入空気量Qaを算出するようにしてもよい。定常運転時であれば、rELとrTCとから算出する吸入空気量とエアフローメータ51で検出する吸入空気量とが一致するはずである。ただし、環境条件(大気圧や大気温度)の変化やエンジンの温度条件、エンジンの経年変化(吸気弁まわりのデポジット等)を考慮するとエアフローメータを用いた方が有利である。
【0069】
また、図4の処理ルーチンではアクセル開度増加量dAPOとエンジン回転速度増加量dNeとから加速運転状態を判断しているが、これに可変動弁装置8の制御状態変化量(実制御軸回転角rELの変化量、実駆動軸進角量rTCの変化量、実制御軸回転角rELと目標制御軸回転角tELとの偏差量、実駆動軸進角量rTCと目標駆動軸進角量tTCとの偏差量)を加えて判断を行うようにすればなおよい。
【0070】
また、本実施形態では加速運転時のみ第2燃料噴射を行うようにしているが、減速運転も含めた過渡運転時に第2燃料噴射を行うようにすることも可能である。すなわち、図6の処理をそのまま減速運転時に適用すると第2燃料噴射量Ti2が負の値になってしまうが、第1燃料噴射量Ti1を予めTp1より小さく設定するように変更すれば、減速運転時の第2燃料噴射を正の値とすることが可能である。この場合、減速運転時の空燃比リッチ化が防止され、減速運転時のHC、CO排出量を低減できる。
【0071】
さらにまた、この実施形態のような気筒内に直接燃料を噴射する火花点火式のエンジンにおいて、運転条件に応じて成層運転と均質運転を切り替える場合には、成層運転時には、吸気弁の開弁開始から閉弁までの可変動弁装置の制御履歴に応じた量の燃料噴射を圧縮行程時に行う。このようにすれば、成層運転時に適切な燃料量を一回の燃料噴射で得ることができる。
【0072】
図7に第2の実施形態の全体構成を示す。
【0073】
本実施形態の燃料噴射弁12bは気筒毎の吸気ブランチ14に取り付けられており、吸気ポート5へ向けて燃料を噴射するようになっている。これ以外の構成は第1実施形態と同じであり、図7においては、第1の実施形態と同一部分に同一符号を付してある。
【0074】
吸気ポート噴射式のエンジンでは、排気通路への燃料吹き抜けを考慮する必要がないので、吸気弁が閉弁した後であればいつでも次サイクル用の燃料を供給することが可能であり、吸気弁の閉弁期間中に燃料噴射を行うと吸気ポートや吸気弁の熱を有効に利用して燃料の気化を図ることができる。このため本実施形態では、各気筒の第1燃料噴射時期IT1(n)を各気筒の排気行程に設定する。
【0075】
一方吸気ポート噴射式のエンジンでは、第1実施形態のような吸気弁閉弁後の第2燃料噴射を行うことができない。このため、吸気弁7が開弁している間に閉弁までのバルブリフト曲線を予測して吸入空気量を推定し、この予測吸入空気量に基づいて第2燃料噴射量Ti2を算出する必要がある。以下、具体的な処理方法を説明する。
【0076】
図8は第1燃料噴射の実行と第2燃料噴射量の算出および実行を行うための処理ルーチンを示すフローチャートであり、図6と共通するステップ(S30〜S35、およびS39〜S41)の図示は省略してある。
【0077】
S50では、#n気筒の吸気弁7のリフトが始まったか否かを判断する。前回本ルーチンを実行したときの#n気筒の吸気弁リフト量L(n)がゼロであり、かつ、今回の当該気筒の吸気弁リフト量L(n)が正の値であるとき、#n気筒のリフトが始まったと判断することができる。
【0078】
#n気筒の吸気弁7のリフトが始まった場合はS51へ進み、現在の実制御軸回転角rELを#n気筒リフト開始時の制御軸回転角ELs(n)とし、現在の実駆動軸進角量rTCを#n気筒リフト開始時の駆動軸進角量TCs(n)として保存する。
【0079】
S52では、気筒別に用意したタイマt(n)の値をゼロにリセットする。このタイマt(n)は、#n気筒の吸気弁7がリフトを開始してからの経過時間を計測する。
【0080】
S50でいずれの気筒の吸気弁リフト開始時期にも該当しない場合はS51とS52の処理をスキップする。
【0081】
S53では、#n気筒の吸気弁7のリフトが最大になったか否かを判断する。今回の#n気筒の吸気弁リフト量L(n)が正の値であり、かつ、L(n)が増加から減少へ転じたとき、#n気筒の吸気弁7のリフトが最大になったと判断することができる。
【0082】
#n気筒の吸気弁7のリフトが最大になった場合はS54へ進み、#n気筒リフト開始時の制御軸回転角ELs(n)、現在の実制御軸回転角rEL、#n気筒用タイマt(n)に基づいて、リフト開始からリフト最大までの期間における制御軸回転速度vELを以下の(3)式に基づいて算出する。
【0083】
【数3】
vEL=(rEL−ELs(n))/t(n)…(3)
S55では、#n気筒リフト開始時の駆動軸進角量TCs(n)、現在の実駆動軸進角量rTC、#n気筒用タイマt(n)に基づいて、リフト開始からリフト最大までの期間における駆動軸進角速度vTCを以下の式に基づいて算出する。
【0084】
【数4】
vTC=(rTC−TCs(n))/t(n)…(4)
S56では、#n気筒リフト開始時の制御軸回転角ELs(n)、#n気筒リフト開始時の駆動軸進角量TCs(n)、制御軸回転速度vEL、駆動軸進角速度vTC、エンジン回転速度Neに基づいて、吸入空気量Qa2を予測する。すなわち、リフト最大の時点で算出した可変動弁装置8の制御状態変化速度をリフト開始からリフト終了までの変化速度とみなし、この変化速度とリフト開始時点における可変動弁装置8の制御状態とからバルブリフト曲線を予測して吸入空気量Qa2を推定する。この吸入空気量Qa2を使って第2燃料噴射量Ti2を算出すれば、リフト最大からリフト終了までの期間に第2燃料噴射を実行することができる。
【0085】
尚、吸入空気量Qa2の算出をリフト最大時に行うのは、開弁期間の約半分が経過した時点であるため、ある程度平均的な制御状態変化速度を算出することが可能であり、かつ、残りの期間で確実に第2燃料噴射を実行することができるためである。
【0086】
また、燃料噴射量Tp1がしきい値Tp1th以下の場合に第1燃料噴射量Ti1(n)をゼロにする点は第1実施形態の場合と同じであり、本実施形態では、排気行程の第1燃料噴射が行われず、吸気行程の第2燃料噴射のみが実行されることになる。この場合、吸気ポート5や吸気弁7の熱を利用して燃料の気化を図ることはできないが、その代りに吸気弁7を通過する際の吸入空気流を利用して燃料の微粒化を図ることができる。すなわち、Tp1がTp1th以下となるような低負荷時は吸気弁リフト量も小さく、吸気弁7を通過する際の吸入空気の流速が非常に速い。この速い空気流に直接燃料を乗せれば良好な微粒化を図ることができる。
【0087】
尚、以上説明した第2の実施形態の時間変化に応じた制御軸の作動角変化と、各気筒での燃料噴射時期と吸気弁リフト量変化の関係は図12のようになる。
【0088】
次に第3の実施形態を説明する。
【0089】
本実施形態の全体構成は図7に示した第2の実施形態の全体構成と同じであり、吸入空気量Qa2を予測する方法のみ第2の実施形態と異なっている。以下、具体的な処理方法を説明する。尚、この実施形態の図12と同様のタイムチャートを図13に示している。
【0090】
図9は第1燃料噴射の実行と第2燃料噴射量の算出および実行を行うための処理ルーチンを示すフローチャートであり、図6と共通するステップ(S30〜S35、およびS39〜S41)の図示は省略してある。
【0091】
S60では、#n気筒の吸気弁7のリフトが始まったか否かを判断する。
【0092】
#n気筒の吸気弁7のリフトが始まった場合はS61へ進み、実制御軸回転角rELと目標制御軸回転角tELとに基づいて制御軸回転速度vELを算出する。両者の偏差が大きいほど制御軸回転速度vELを大きくする。偏差と制御軸回転速度vELとの関係は、第1可変機構制御(図3のS3)の制御ゲインによって決まる既知の関係である。
【0093】
S62では、実駆動軸進角量rTCと目標駆動軸進角量tTCとに基づいて駆動軸進角速度vTCを算出する。両者の偏差が大きいほど駆動軸進角速度vTCを大きくする。偏差と駆動軸進角速度vTCとの関係は、第2可変機構制御(図3のS4)の制御ゲインによって決まる既知の関係である。
【0094】
S63では、実制御軸回転角rEL、実駆動軸進角量rTC、制御軸回転速度vEL、駆動軸進角速度vTC、エンジン回転速度Neに基づいて、吸入空気量Qa2を予測する。すなわち、可変動弁装置8の現在の制御状態と目標制御状態との偏差から算出した制御状態変化速度をリフト開始からリフト終了までの変化速度とみなし、この変化速度と現在の制御状態とからバルブリフト曲線を予測して吸入空気量Qa2を確定する。
【0095】
尚、本処理ルーチン(図6の処理ルーチン)では吸入空気量Qa2の予測確定後すぐに第2燃料噴射を実行するので、本実施形態の第2燃料噴射はリフト開始直後に実行される。ただし、本実施形態のような制御状態変化速度の演算はいつでも行うことができるので、他のタイミング(例えば第1燃料噴射の終了直後)で吸入空気量Qa2を予測し第2燃料噴射を行うことも可能である。また、例えば、可変動弁装置8が小リフト側に制御されているときには、吸気行程時に燃料の噴射(第2燃料噴射のみ)を行い、可変動弁装置8が設定しきい値を越えて大リフト側に制御されているときには、排気行程時に燃料の噴射(第1燃料噴射と第2燃料噴射)を行うようにしても良い。このようにした場合には、一サイクル内での燃料噴射弁12bの作動回数を一回にすることができる。
【0096】
運転状態(アクセル開度APO、エンジン回転速度Ne)の変化速度が大きい場合、可変動弁装置8の制御状態変化速度は運転状態変化速度よりも遅くなる(可変動弁装置8の制御状態は運転状態変化に対し遅れをもって追随する)のが普通であり、この場合の制御状態変化速度は可変動弁装置8の制御応答速度によって決まることになる。よって、本実施形態のような吸入空気量Qa2の予測を行っても適切な第2燃料噴射量を算出することができる。また、第2の実施形態に比べると処理が簡単であり、ECU50の演算負荷を軽減することができる。
【0097】
次に第4の実施形態を説明する。尚、この実施形態のタイムチャートは図12と同様となる。
【0098】
本実施形態の全体構成は図7に示した第2実施形態の全体構成と同じであり、吸入空気量Qa2を予測する方法のみ第2実施形態と異なっている。以下、具体的な処理方法を説明する。
【0099】
図10は第1燃料噴射の実行と第2燃料噴射量の算出および実行を行うための処理ルーチンを示すフローチャートであり、図6と共通するステップ(S30〜S35、およびS39〜S41)の図示は省略してある。
【0100】
S70では、#n気筒の吸気弁7のリフトが最大になったか否かを判断する。
【0101】
#n気筒の吸気弁7のリフトが最大になった場合はS71へ進み、実制御軸回転角rEL、実駆動軸進角量rTC、エンジン回転速度Neに基づいて、吸入空気量Qa2を予測する。すなわち、リフト最大となる時点の可変動弁装置8の制御状態からバルブリフト曲線を予測して吸入空気量Qa2を予測確定する。
【0102】
図11に一定速度で制御軸回転角が増加するときのバルブリフト曲線を示す。リフト中にrELが増加することから実際のバルブリフトは太実線のように変化することになる。ここで、リフト最大時の制御軸回転角rELに対応するバルブリフト曲線(制御軸回転角の変化は考慮しない)と実際のバルブリフト曲線とを比較すると、リフト量増加側の領域ではリフト最大時対応バルブリフト曲線の時間面積が実際のバルブリフト曲線の時間面積より大きくなり、反対にリフト量減少側の領域では実際のバルブリフト曲線の時間面積がリフト最大時対応バルブリフト曲線の時間面積より大きくなる。その結果、全体の時間面積で比較すると両者に大きな差は生じない。
【0103】
一方、駆動軸進角速度が一定であればリフト最大時の駆動軸進角量に対応するリフト中心角位相が実際のバルブリフト曲線のリフト中心角位相と概略同じとなる。
【0104】
以上のことから、非常に簡易的な吸入空気量Qa2の予測を行う本実施形態においても、加速運転時に発生する空燃比リーン化をある程度軽減する効果が得られる。
【0105】
以下、上述した各実施形態から把握し得る技術思想について、その効果とともに列記する。
【0106】
(a)吸気弁の開弁開始から閉弁までの可変動弁装置の制御履歴をその制御に関連するデータを基にして確定し、その確定した制御履歴に応じて燃料噴射量を制御することを特徴とする可変動弁エンジンの制御装置。
【0107】
この場合、加減速時に生じる開弁期間中の吸気弁制御量変化に応じて生じる吸気量変化を勘案して噴射燃料量を制御するため、可変動弁制御を必要外に停止させることなく、空燃比の適正化が図れ、運転性向上、エミッション悪化抑止が図れる。
【0108】
(b)可変動弁装置は、複数の気筒に連動して吸気弁の開閉時期とリフト量を調整することを特徴とする(a)に記載の可変動弁エンジンの制御装置。
【0109】
この場合、加減速運転時に可変動弁装置が作動するときには、各気筒に対応する燃料噴射装置が夫々可変動弁制御に応じた吸気量変化を勘案して制御されるため、一つの気筒に対する空燃比制御が他の気筒の空燃比制御に影響を与えることが少なく、各気筒毎の空燃比制御や出力制御をより厳密に行うことが可能となる。
【0110】
(c)前記制御履歴は、吸気弁の閉弁完了前に可変動弁装置の制御に関連するデータに基づいて予測して確定することを特徴とする(a)または(b)に記載の可変動弁エンジンの制御装置。
【0111】
この場合、燃料の噴射量を吸気弁の閉弁完了前に確定するため、燃料噴射量の補正を早期に確実に行うことができる。
【0112】
(d)エンジンの加速時、及び/または、減速時には、可変動弁装置の制御量変化速度を基にして吸気弁の閉弁完了前に前記制御履歴を予測して確定し、吸気行程時にその制御履歴に応じて燃料の追加制御を行うことを特徴とする(c)に記載の可変動弁エンジンの制御装置。
【0113】
この場合、同様に燃料噴射量の補正を早期に確実に行うことができる。
【0114】
(e)エンジンの加速時、及び/または、減速時には、吸気弁のリフト量がほぼ最大になった時における可変動弁装置のリフト特性を前記制御履歴として確定することを特徴とする(c)に記載の可変動弁エンジンの制御装置。
【0115】
この場合、前記(d)のものと同様に燃料噴射量の補正を早期に確実に行うことができるうえ、確定する制御履歴が逐次変化する検出値の変化の影響を受けにくいために、ノイズ等の外乱によって制御が不安定になる不具体を無くすことができる。
【0116】
(f)エンジンの加速時、及び/または、減速時には、可変動弁装置の制御実際値と制御目標値との乖離度合いを基にして吸気弁の閉弁完了前に前記制御履歴を予測して確定し、吸気行程時にその制御履歴に応じて燃料の追加制御を行うことを特徴とする(c)に記載の可変動弁エンジンの制御装置。
【0117】
この場合も、前記(d),(e)のものと同様に燃料噴射量の補正を早期に確実に行うことができる。
【0118】
(g)エンジン回転数とアクセルペダル開度とから、吸気行程時における追加燃料の可否判断を行うと共に、可と判断したときに、前記回転数と開度に応じた可変動弁装置の制御履歴を基に燃料の追加制御を行うことを特徴とする(c)〜(f)のいずれかに記載の可変動弁エンジンの制御装置。
【0119】
この場合、運転者の意図するタイミングで燃料の追加補正を行うことができるため、要求トルクと実際に得られるトルクとの差異を少なくし、運転フィーリングを高めることができる。
【0120】
(h)エンジンの急減速時には、噴射燃料のカット制御または減少制御を完了するまで可変動弁装置の作動制御を停止し、前記カット制御または減少制御を完了した後に可変動弁装置を小リフト側に制御することを特徴とする(a)〜(g)のいずれかに記載の可変動弁エンジンの制御装置
この場合、エンジンの急減速時に、噴射燃料のカット制御や減少制御が完了する前に、可変動弁装置が小リフト側に制御されて燃焼が一時的にリッチ化する不具合を無くすことができる。
【0121】
(i)エンジン回転数とアクセルペダル開度から、または、可変動弁装置の制御量変化速度、あるいは、制御目標値と制御実際値の乖離度合いから、定常運転時と加速運転時を判断すると共に、定常運転時と判断したときには、可変動弁装置の制御履歴に応じた燃料噴射量制御を禁止することを特徴とする(a)〜(h)のいずれかに記載の可変動弁エンジンの制御装置。
【0122】
この場合、定常運転時には、センサノイズや大気圧変化等の影響を受けることなく、的確な空燃比を得ることができる。
【0123】
(j)エンジン回転数とアクセルペダル開度から、または、可変動弁装置の制御量変化速度、あるいは、制御目標値と制御実際値の乖離度合いから、定常運転時と加速運転時を判断すると共に、加速運転時と判断したときにのみ、吸気弁の開弁開始から閉弁までの可変動弁装置の制御履歴に応じて燃料噴射量を制御することを特徴とする(a)〜(i)のいずれかに記載の可変動弁エンジンの制御装置。
【0124】
この発明の場合、加速運転時には、吸気弁の開弁開始から閉弁までの制御履歴を考慮した吸入空気量に適合した燃料噴射量制御を行うことができ、定常運転時には、センサノイズや大気圧変化等の影響を受けることない安定した空燃比制御を行うことができる。
【0125】
(k)前記可変動弁装置は、機関のクランク軸に連動して回転する駆動軸と、この駆動軸の外周に揺動可能に外嵌し、吸気弁を昇降駆動する揺動カムと、の間に設けられるものであって、上記駆動軸に偏心して設けられ、この駆動軸と一体的に回転する駆動カムと、この駆動カムの外周に相対回転可能に外嵌する第1のリンクと、上記駆動軸と略平行に配置され、アクチュエータによって回転駆動される制御軸と、この制御軸に偏心して設けられ、この制御軸と一体的に回転する制御カムと、この制御カムの外周に相対回転可能に外嵌するとともに、一端が上記第1のリンクの先端と連結されたロッカーアームと、このロッカーアームの他端と上記揺動カムとに連結された第2のリンクと、を備えた構成であることを特徴とする(a)〜(j)のいずれかに記載の可変動弁エンジンの制御装置。
【0126】
この場合、直動型動弁駆動方式であっても上記の効果を得ることができる。
【0127】
(l)燃料噴射を吸気管内で行う可変動弁エンジンの制御装置であって、可変動弁装置が小リフト側に制御されているときには吸気行程時に燃料の噴射を行い、可変動弁装置が設定しきい値を越えて大リフト側に制御されているときには排気行程時に燃料の噴射を行うことを特徴とする請求項(a)〜(k)のいずれかに記載の可燃動弁エンジンの制御装置。
【0128】
この場合、燃料の噴射を、可変動弁装置の制御状態に応じて吸気行程時と排気行程時のいずれかで行うため、燃料の噴射をサイクル毎一回で行うことが可能となる。この結果、燃料噴射回数を減らすことができるため、燃料噴射装置の装置寿命を延ばすことが可能となると共に、噴射駆動回路の設計コストを低減することも可能となる。
【0129】
(m)気筒内に直接燃料を噴射する火花点火式の可変動弁エンジンの制御装置であって、運転状態に応じて、成層運転と均質運転を切り替えるものにおいて、成層運転時には、吸気弁の開弁開始から閉弁までの可変動弁装置の制御履歴に応じた量の燃料噴射を圧縮行程時に行うことを特徴とする(a)〜(k)のいずれかに記載の可変動弁エンジンの制御装置
この場合、成層運転時には、適切な燃料量を1回の燃料噴射で達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この出願の発明の第1の実施形態を示す概略構成図。
【図2】同実施形態の可変動弁機構を示す概略斜視図。
【図3】同実施形態の制御の流れを示すフローチャート。
【図4】同実施形態の制御の流れを示すフローチャート。
【図5】同実施形態の制御の流れを示すフローチャート。
【図6】同実施形態の制御の流れを示すフローチャート。
【図7】この出願の発明の第2の実施形態を示す概略構成図。
【図8】同実施形態の制御の流れを示すフローチャート。
【図9】この出願の発明の第3の実施形態の制御の流れを示すフローチャート。
【図10】この出願の発明の第4の実施形態の制御の流れを示すフローチャート。
【図11】同実施形態を示す制御軸回転角−クランク角特性図と、吸気弁リフト量−クランク角特性図を併せた図。
【図12】第2の実施形態と第4の実施形態の動作タイミングを示すタイムチャート。
【図13】第3の実施形態の動作タイミングを示すタイムチャート。
【符号の説明】
7…吸気弁
8…可変動弁装置
12,12b…燃料噴射弁(燃料噴射装置)
120…揺動カム
121…駆動カム
122…第1のリンク
123…制御カム
124…ロッカーアーム
125…第2のリンク
150…駆動軸
151…制御軸

Claims (13)

  1. 各気筒毎に燃料を供給する燃料噴射装置と、吸気弁の開閉時期及びリフト量を調整可能な可変動弁装置とを備え、前記可変動弁装置を制御することで吸入空気量を制御する可変動弁エンジンの制御装置において、
    吸気弁の開弁開始から閉弁までの可変動弁装置の制御履歴をその制御に関連するデータを基にして確定し、その確定した制御履歴に応じて燃料噴射量を制御することを特徴とする可変動弁エンジンの制御装置。
  2. 前記可変動弁装置は、複数の気筒に連動して吸気弁の開閉時期とリフト量を調整することを特徴とする請求項1に記載の可変動弁エンジンの制御装置。
  3. 前記制御履歴は、吸気弁の閉弁完了前に可変動弁装置の制御に関連するデータに基づいて予測して確定することを特徴とする請求項1または2に記載の可変動弁エンジンの制御装置。
  4. エンジンの加速時、及び/または、減速時には、可変動弁装置の制御量変化速度を基にして吸気弁の閉弁完了前に前記制御履歴を予測して確定し、吸気行程時にその制御履歴に応じて燃料の追加制御を行うことを特徴とする請求項3に記載の可変動弁エンジンの制御装置。
  5. エンジンの加速時、及び/または、減速時には、吸気弁のリフト量がほぼ最大になった時における可変動弁装置のリフト特性を前記制御履歴として確定することを特徴とする請求項3に記載の可変動弁エンジンの制御装置。
  6. エンジンの加速時、及び/または、減速時には、可変動弁装置の制御実際値と制御目標値との乖離度合いを基にして吸気弁の閉弁完了前に前記制御履歴を予測して確定し、吸気行程時にその制御履歴に応じて燃料の追加制御を行うことを特徴とする請求項3に記載の可変動弁エンジンの制御装置。
  7. エンジン回転数とアクセルペダル開度とから、吸気行程時における追加燃料の可否判断を行うと共に、可と判断したときに、前記回転数と開度に応じた可変動弁装置の制御履歴を基に燃料の追加制御を行うことを特徴とする請求項3〜6のいずれかに記載の可変動弁エンジンの制御装置。
  8. エンジンの急減速時には、噴射燃料のカット制御または減少制御を完了するまで可変動弁装置の作動制御を停止し、前記カット制御または減少制御を完了した後に可変動弁装置を小リフト側に制御することを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の可変動弁エンジンの制御装置
  9. エンジン回転数とアクセルペダル開度から、または、可変動弁装置の制御量変化速度、あるいは、制御目標値と制御実際値の乖離度合いから、定常運転時と加速運転時を判断すると共に、定常運転時と判断したときには、可変動弁装置の制御履歴に応じた燃料噴射量制御を禁止することを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の可変動弁エンジンの制御装置
  10. エンジン回転数とアクセルペダル開度から、または、可変動弁装置の制御量変化速度、あるいは、制御目標値と制御実際値の乖離度合いから、定常運転時と加速運転時を判断すると共に、加速運転時と判断したときにのみ、吸気弁の開弁開始から閉弁までの可変動弁装置の制御履歴に応じて燃料噴射量を制御することを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の可変動弁エンジンの制御装置。
  11. 前記可変動弁装置は、
    機関のクランク軸に連動して回転する駆動軸と、
    この駆動軸の外周に揺動可能に外嵌し、吸気弁を昇降駆動する揺動カムと、
    の間に設けられるものであって、
    上記駆動軸に偏心して設けられ、この駆動軸と一体的に回転する駆動カムと、
    この駆動カムの外周に相対回転可能に外嵌する第1のリンクと、
    上記駆動軸と略平行に配置され、アクチュエータによって回転駆動される制御軸と、
    この制御軸に偏心して設けられ、この制御軸と一体的に回転する制御カムと、
    この制御カムの外周に相対回転可能に外嵌するとともに、一端が上記第1のリンクの先端と連結されたロッカーアームと、
    このロッカーアームの他端と上記揺動カムとに連結された第2のリンクと、
    を備えた構成であることを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の可変動弁エンジンの制御装置。
  12. 燃料噴射を吸気管内で行う可変動弁エンジンの制御装置であって、
    可変動弁装置が小リフト側に制御されているときには吸気行程時に燃料の噴射を行い、可変動弁装置が設定しきい値を越えて大リフト側に制御されているときには排気行程時に燃料の噴射を行うことを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載の可燃動弁エンジンの制御装置。
  13. 気筒内に直接燃料を噴射する火花点火式の可変動弁エンジンの制御装置であって、運転状態に応じて、成層運転と均質運転を切り替えるものにおいて、
    成層運転時には、吸気弁の開弁開始から閉弁までの可変動弁装置の制御履歴に応じた量の燃料噴射を圧縮行程時に行うことを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載の可変動弁エンジンの制御装置。
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