JP2005036703A

JP2005036703A - 内燃機関の制御方法

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Publication number: JP2005036703A
Application number: JP2003273854A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Uchida; 克己内田
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2003-07-14
Filing date: 2003-07-14
Publication date: 2005-02-10
Anticipated expiration: 2023-07-14
Also published as: JP4021384B2

Abstract

【課題】吸気弁を遅閉じ制御するとともに、トルクが要求される運転状態で吸気弁の閉止時期を進角制御する内燃機関において、前記進角制御を行った後に定常状態が判定された場合の遅角制御を運転者に違和感を与えることなく行う。
【解決手段】スロットルバルブ２により吸気量を調整するとともに、吸気弁３７を遅閉じ制御する内燃機関において、トルクが要求される運転状態にある場合に吸気弁３７の閉止時期を進角制御し、前記進角制御を行った後に定常状態が判定された場合に吸気弁３７の閉止時期を遅角制御するとともに、スロットルバルブ２と独立に作動する吸気量制御手段であるバイパス弁７を吸気量が増加するように制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、主として車両用内燃機関に用いられる制御方法に関する。

従来、内燃機関において、吸気弁の閉止時期をピストンが下死点を通過した後の時期すなわち通常よりも遅角側にする遅閉じ制御を行うアトキンソンサイクルエンジンと呼ばれる高膨張比エンジンが考えられている。吸気弁の閉止時期を通常よりも遅角側にすると実圧縮比は低下するので、所望のトルクを得るためにはスロットルバルブの開度を前記遅閉じ制御を行っていない通常のエンジンよりも大きくする必要がある。従って、所望のトルクを得る際のスロットルバルブにおける吸気損失を抑えることができるので、燃費の向上を図ることができる。吸気弁の閉止時期を遅角側にしている内燃機関と通常の内燃機関とについて、それぞれ単位出力あたりに必要な燃料の量である燃費率のトルクに対する変化を示した図を図５に示す。なお、前記図５において、前者の内燃機関は「遅角制御ＯＮ」、後者の内燃機関は「遅角制御ＯＦＦ」として示している。前記図５に示すように、同一のトルクでは、吸気弁の閉止時期を遅角側にしている内燃機関が通常の内燃機関と比較して燃費率が低く、すなわち燃費がよい。

しかし、このように吸気弁の閉止時期を通常よりも遅角側にすると、シリンダに吸入された空気が吹き戻されるので、スロットルバルブの開度が同じである場合には、このような制御を行っていない場合と比較してトルクが低下する。このような現象は、特にスロットルバルブの開度が低い領域において顕著であり、運転者が意図する加速が得られなくなる等、走行性能に影響する。そこで、このような内燃機関を車両に用いる際に、前述したような運転状態においては、必要なトルクを得るべく、吸気弁の閉止時期の進角制御を行い、通常の内燃機関と同様のタイミングで吸気弁を閉止するようにして内燃機関に供給される燃料量を確保し、上述した不具合を解消することが考えられている（例えば特許文献１を参照）。
特開平９−１６６０３０号

ところが、前述したような運転状態を解消した後において前記進角制御を行った状態のままであると、スロットルバルブにおける吸気損失が前記遅閉じ制御を行う場合と比較して大きいままであるので、前記遅閉じ制御による燃費の向上を図ることができなくなる。

本発明は以上に述べた課題を解決し、吸気弁閉止時期の遅角制御を行うことによる走行性能への影響を少なくしつつ、このような遅角制御による燃費の向上を図る効果をより多く得ることができる内燃機関の制御方法を提供するものである。

すなわち本発明に係る内燃機関の制御方法は、スロットルバルブにより吸気量を調整するとともに、吸気弁を遅閉じ制御する内燃機関において、トルクが要求される運転状態にある場合に吸気弁閉止時期を進角制御する内燃機関の制御方法であって、前記進角制御を行った後に定常状態が判定された場合に吸気弁閉止時期を遅角制御するとともに、スロットルバルブと独立に作動する吸気量制御手段を吸気量が増加するように制御することを特徴とする。

このような制御方法を採用すれば、前記定常状態が判定された場合に吸気弁を遅閉じ制御して、すなわち吸気弁閉止時期を遅角制御して燃費の向上を図ることができるとともに、前記遅角制御による混合気体の吸入量の減少を前記吸気量制御弁の制御により相殺してスロットルバルブの開度を保ったまま前記遅角制御を行うことによる出力の低下を抑えることができるようになる。すなわち、混合気体の吸入量は保たれるので吸気弁閉止時期の遅角制御を行うことによる走行性能への影響を軽減でき、しかもこのような遅角制御による燃費の向上を図る効果をより多く得ることができる。

前記吸気量制御手段からの吸気量を上述した制御以前の吸気量に戻す際に運転者に与える違和感を少なくするための制御方法として、前記制御の終了後の加速運転中又は減速運転中に、前記吸気量制御手段を吸気量を減少させるべく制御するものが挙げられる。定常状態において前記吸気量制御手段を吸気量を減少させるべく制御すると、走行速度を変化させたくない運転者の意思に反してスロットルバルブの開度の減少を伴わないエンジン吸気量の減少による出力低下が発生するが、加速運転中又は減速運転中に前記吸気量制御手段を吸気量を減少させるべく制御すれば、このような運転状態においては、運転者は少なくとも走行速度を変化させる意思を有するからである。

本発明に係る内燃機関の制御方法を採用すると、トルクが要求される運転状態にある場合の進角制御を行った後に定常状態が判定された場合において、吸気弁閉止時期の遅角制御を行いつつ、スロットルバルブの開度を変化させずにトルクを維持できるので、吸気弁閉止時期の遅角制御を行うことによるトルク低下を軽減して運転者に与える違和感をも軽減できるとともに、このような遅角制御による燃費の向上を図る効果をより多く得ることができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１に１気筒の構成を概略的に示したエンジンは、自動車用の３気筒のもので、エンジンの吸気系１には、アクセルペダル８に機械的に接続されてこのアクセルペダル８に応動して開閉するスロットルバルブ２が配設され、その下流側にはサージタンク３が設けられ、サージタンク３からの吸入空気は吸気弁３７を介してシリンダ内に吸入される。サージタンク３に連通する吸気系１の吸気マニホルド４のシリンダヘッド側の端部近傍には、さらに燃料噴射弁５が設けてあり、この燃料噴射弁５を電子制御装置６により制御するようにしている。また、排気系２０には、燃焼室から排気弁３６を介して排出された排気ガス中の酸素濃度を測定するためのＯ₂センサ２１が、図示しないマフラに至るまでの管路に配設された三元触媒２２の上流の所定位置に取り付けられている。なお、エンジンは単気筒や２気筒のものであってもよく、４気筒以上のものであってももちろんよい。

また、このエンジンは、連続可変バルブタイミング機構（以下、ＶＶＴと称する）３０を具備するものであり、ピストン９が下死点を通過して所定の遅角閉止位置に達した時点で吸気弁３７を閉止する制御を行うアトキンソンサイクルエンジンとして動作することが可能である。ＶＶＴ３０は、いわゆる揺動シリンダ機構を利用したもので、排気カムシャフト３１に固定されたロータ（図示しない）と、ロータに外嵌するハウジング（図示しない）と、ロータに対してハウジングを回動させるための電磁式４方向切換制御弁たるオイルコントロールバルブ３２と、互いに噛み合うように一方をハウジングに固着し他方を吸気カムシャフト３３に固定した一対のギア３４、３５とを備えている。

そして、ハウジングに流出入する作動油の方向及び量をオイルコントロールバルブ３２により制御して、ロータに対するハウジングの相対角度を変化させ、排気カムシャフト３１と吸気カムシャフト３３との間に任意の回転位相差を生じさせて、バルブタイミングを可変制御するものである。つまり、クランクシャフト（図示しない）の回転に対して排気弁３６を常に一定のタイミングで開閉させつつ、吸気弁３７のバルブタイミングを変化させて、排気弁３６のバルブタイミングと吸気弁３７のバルブタイミングとの相対位相差を所定角度範囲内で自在に変化させることができる。また、排気カムシャフト３１の一方の端部には、クランク角度信号及び気筒判別用のＮ信号を出力するクランクセンサ４１が取り付けてあり、吸気カムシャフト３３の一方の端部には、２４０°ＣＡ（クランク角度）回転する毎に吸気カム信号を出力するタイミングセンサ４２が、それぞれ取り付けてある。

本実施形態では、電子制御装置６により、平地定速走行時等の定常状態においてはＶＶＴ３０を介してピストン９が下死点を通過して所定の遅角閉止位置に達した時点で吸気弁３７を閉止する制御、すなわちアトキンソンサイクルエンジンとして動作させる制御を行うようにしているとともに、加速時や上り坂走行時等のトルクが要求される運転状態では、ＶＶＴ３０を介して通常の４サイクルエンジンと同様にピストン９が下死点付近に達した時点で吸気弁３７を閉止する制御を行うようにしている。これらの制御の詳細については後述する。

また、このエンジンには、スロットルバルブ２を迂回するバイパス通路７０を別に設けている。このバイパス通路７０にはバイパス弁７を備えていて、このバイパス弁７の開度を変化させることにより前記バイパス通路７０を通る空気の量を調整するようにしている。このバイパス弁７は、前記アクセルペダル８及びスロットルバルブ２とは燃費制御の際に独立に作動するもので、吸気量制御手段として機能する。このバイパス弁７の開度制御は電子制御装置６により行うようにしているが、その詳細については後述する。また、本実施形態では、このバイパス弁７は、通常は全閉状態にある。

電子制御装置６は、中央演算処理装置６１と、記憶装置６２と、入力インターフェース６３と、出力インターフェース６４とを具備してなるマイクロコンピュータシステムを主体に構成されている。その入力インターフェース６３には、サージタンク３内の圧力（吸気管圧力）を検出するための吸気圧センサ１３から出力させる吸気圧信号ａ、エンジン回転数ＮＥを検出するための回転数センサ１４から出力される回転数信号ｂ、クランクセンサ４１から出力されるクランク角度信号ｍ、タイミングセンサ４２から出力される吸気カム信号ｎ、エンジンの冷却水温を検出するための水温センサ１７から出力される水温信号ｆ、上記したＯ₂センサ２１から出力される電圧信号ｈ、アクセルペダル８の操作量を検知するためのアクセル状態センサ８１から出力されるアクセル状態信号ｘ、車両の走行速度を検知するための速度センサ１９から出力される速度信号ｖ等が入力される。一方、出力インターフェース６４からは、燃料噴射弁５に対して燃料噴射信号ｆたる駆動パルスＩＮＪが、またスパークプラグ１８に対して点火信号ｇが、さらにバイパス弁７に対して開度制御信号ｙが出力されるようになっている。

この電子制御装置６には、定常状態が判定された場合にＶＶＴ３０を介して吸気弁３７の閉止時期を遅角制御し、スロットルバルブ２と独立に作動するバイパス弁７を吸気量を増加させるべく制御するとともに、トルクが要求される運転状態等、定常状態でないことが判定された場合にトルクを増大させるべくＶＶＴ３０を介して吸気弁３７の閉止時期の進角制御を行うプログラムを内蔵してある。

定常状態の判定は、具体的には速度検知器１９から出力される速度信号ｖが示す速度を所定時間ごとに検知するとともに、前回検知した速度と今回検知した速度との差の絶対値が所定の定常状態判定値を下回っているか否かを判定すること、又はアクセル状態信号ｘが示すアクセルペダル８の操作量の変化率が所定値を下回っているか否かを判定することにより行う。なお、前記所定値は、０近傍に設定している。

この制御プログラムの概略手順をフローチャートである図２及び作用図である図３を参照して説明する。なお、前記図３は、車両の走行速度、アクセルペダル８の操作量、吸気弁３７の閉止時期のピストン９が前記遅角閉止位置に達した時点からの進角量（以下ＶＶＴ進角量と称する）、及びバイパス弁７の開度の時間変化を同一の時間軸に対して示すものである。

まず、ステップＳＴ１１において、車両が定常状態にあるか否かを判定する。ステップＳＴ１１において車両が定常状態にあると判定した場合には、ステップＳＴ１２に進む。一方、そうでない場合にはステップＳＴ１５に進む。

次いで、ステップＳＴ１２において、前記吸気カム信号ｎが示すＶＶＴ進角量が所定値ｐ以上であるか否かを判定する。ステップＳＴ１２においてＶＶＴ進角量が所定値ｐ以上であると判定した場合には、ステップＳＴ１３に進む。一方、そうでない場合にはステップＳＴ１４に進む。なお、前記所定値ｐは、０近傍に設定している。

ステップＳＴ１３においては、後述する燃費制御ルーチンを実行する。

ここで、前記燃費制御ルーチンの手順をフローチャートである図４を参照して以下に示す。

ステップＳＴ２１においては、エンジンのトルクをこの燃費制御ルーチンを実行する以前の量に維持させるべく、スロットルバルブ２の開度をパラメータとして図示しないバイパス弁開度テーブルを参照することによりバイパス弁７の開度を決定する。

前記バイパス弁開度テーブルは、前記スロットルバルブ２の開度をパラメータとして、燃費制御ルーチンを実行する前後でエンジンのトルクを維持させるためのバイパス弁７の開度を設定したもので、電子制御装置６に備えている。このバイパス弁開度テーブルでは、代表的なスロットルバルブ２の開度に対してバイパス弁７の開度が設定してあり、それ以外のスロットルバルブ２の開度に対するバイパス弁７の開度は、補間計算により算出する。

ステップＳＴ２２においては、バイパス弁７の開度をステップＳＴ２１において決定した値に制御すべく、開度制御信号ｙを出力する。

ステップＳＴ２３においては、ＶＶＴ進角量を０にするように吸気弁３７の閉止時期を遅角制御する。すなわち、ピストン９が前記遅角閉止位置に達した時点で吸気弁３７を閉止させることにより、エンジンをアトキンソンサイクルエンジンとして作動させる。

ステップＳＴ１４においては、吸気弁３７の閉止時期及びバイパス弁７の開度をこのステップＳＴ１４を行う以前の状態のまま維持する制御を行う。

ステップＳＴ１５においては、燃費制御ルーチンが実行中であるか否かを判定する。ステップＳＴ１５において燃費制御ルーチンが実行中であると判定した場合には、ステップＳＴ１６に進む。一方、そうでない場合にはステップＳＴ１８に進む。

ステップＳＴ１６においては、バイパス弁７を全閉状態にすべく開度制御信号ｙを出力する。それから、ステップＳＴ１７に進む。

ステップＳＴ１７においては、ＶＶＴ進角量を前記燃費制御ルーチンを行わない場合の値に設定することにより吸気弁３７の閉止時期を進角制御する。すなわち、ピストン９が下死点近傍に達した時点に吸気弁３７の閉止時期を設定する等、吸気弁３７の閉止時期を進角側に移動させ、エンジンを通常のサイクルで作動させる。

ステップＳＴ１８においては、吸気弁３７の閉止時期及びバイパス弁７の開度をこのステップＳＴ１８を行う以前の状態のまま維持する制御を行う。

以上のような制御を行うことにより、エンジンは、定常状態においてはアトキンソンサイクルエンジンとして作動するとともに、加速時や減速時等の過渡状態においては通常のサイクルで作動する。

より具体的には、トルクが要求される加速状態等の過渡状態から定常状態に移行した場合には、ステップＳＴ１１→ＳＴ１２→ＳＴ１３の順に各制御が行われ、吸気弁３７の閉止時期を遅角制御してアトキンソンサイクルとして作動させるようにしているとともに、バイパス弁７の開度を増大させてエンジンのトルクを維持させるようにしている。

一方、定常状態が継続されている場合、すなわちすでにＶＶＴ進角量が０である場合には、ステップＳＴ１１→ＳＴ１２→ＳＴ１４の順に各制御が行われ、アトキンソンサイクルエンジンとしての動作を継続させるようにしている。

また、前記燃費制御ルーチンが行われている定常状態からそうでない過渡状態、例えば加速運転状態又は減速運転状態に移行した場合には、ステップＳＴ１１→ＳＴ１５→ＳＴ１６→ＳＴ１７の順に各制御が行われる。すなわち、ＶＶＴ進角量を０から燃費制御ルーチンが行われない場合の値に変更して吸気弁３７の閉止時期を進角制御することによりアトキンソンサイクルエンジンとして作動している状態を解除し通常のサイクルで作動している状態に移行するとともに、バイパス弁７を全閉状態にして次回の定常状態においてバイパス弁の開度を増大させる余地を確保している。

そして、加速状態等の過渡状態が継続されている場合、すなわち過渡状態にあって前記燃費制御ルーチンがすでに行われていない場合には、ステップＳＴ１１→ＳＴ１５→ＳＴ１８の順に各制御が行われ、通常のサイクルにより動作するエンジンとしての動作を継続する。

以上のような内燃機関の制御を行うことにより、次のような効果が得られる。

すなわち、定常状態においては、吸気弁３７の閉止時期を通常のサイクルで作動するエンジンの場合よりも遅角側に制御するとともに、バイパス弁７の開度を増大させることによりエンジンのトルクを維持しているので、バイパス弁７の開度の増加に伴い吸気損失が減少して燃費が向上するとともに、スロットルバルブ２の開度はそのまま、すなわちアクセルペダル８の操作量もそのままの状態でエンジンのトルクが維持される。具体的には、前記図５におけるＢ点の状態からスロットルバルブ２の開度はそのままで吸気弁３７の閉止時期の遅角制御のみを行った場合には、前記図５におけるＣ点に移動し、エンジンのトルクが低下するのに対して、本実施形態では、バイパス弁７の開度の増加させる制御を合わせて行うことにより、前記図５におけるＡ点に移動するので、エンジンのトルクを低下させることなく燃費を向上させることができる。従って、スロットルバルブ２をアクセルペダル８に機械的に接続し、スロットルバルブ２がアクセルペダル８に応動して開閉するメカニカルスロットルを採用したエンジンにおけるトルクが要求される運転状態等の過渡状態における進角制御を行った後の定常状態においては、アクセルペダル８の操作量を変化させずにエンジンのトルクを維持できるので、吸気弁３７の閉止時期の遅角制御を行う際のアクセルペダル８の操作量の減少を伴わないトルクの低下の発生を抑えることができる。そして、吸気弁閉止時期の遅角制御を行うことによるトルク低下を軽減して運転者に与える違和感をも軽減でき、しかもこのような遅角制御による燃費の向上を図る効果をより多く得ることができる。

加えて、定常状態から過渡状態に移行する際に、バイパス弁７の開度を減少させて全閉状態、すなわち上述したような定常状態における制御を行う以前の状態に戻すようにしているので、前記吸気量制御手段からの吸気量を減少させることによりエンジンの吸気量が減少してトルクが低下しても、運転者はもともとトルクを変化させることを意図しているので、次回の定常状態におけるバイパス弁７の開度を増大させる余地を確保する制御の際に、運転者に与える違和感を軽減できる。減速運転時にはトルクが低下しても支障がなく、また、加速運転時にはスロットルバルブ２の開度を増大させることによるトルクの増大によりバイパス弁７の開度を減少させることによるトルク低下が打ち消されるからである。

なお、本発明は以上に述べた実施形態に限られない。

例えば、上述した実施形態におけるバイパス通路をアイドリング回転数制御のためのバイパス通路により実現されるものであってよい。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の一実施形態に係るエンジンの概略図。同実施形態に係る制御装置が行う処理を示すフローチャート。図２における制御の作用を示す図。同実施形態に係る制御装置が行う処理を示すフローチャート。吸気弁の閉止時期を遅角制御する際のトルク及び燃費率の変化を示す概念図。

符号の説明

２…スロットルバルブ
３７…吸気弁
６…電子制御装置
７…バイパス弁（吸気量制御手段）

Claims

スロットルバルブにより吸気量を調整するとともに、吸気弁を遅閉じ制御する内燃機関において、トルクが要求される運転状態にある場合に吸気弁閉止時期を進角制御する内燃機関の制御方法であって、
前記進角制御を行った後に定常状態が判定された場合に吸気弁閉止時期を遅角制御するとともに、
スロットルバルブと独立に作動する吸気量制御手段を吸気量が増加するように制御することを特徴とする内燃機関の制御方法。
前記定常状態の終了後に続けて行われる加速運転中又は減速運転中に、前記吸気量制御手段を吸気量を減少させるべく制御することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御方法。