JP2005090425A - 内燃機関の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気弁を遅閉じ制御することにより高膨張比化を可能にしているとともに、ターボ過給機を有する内燃機関たるエンジンにおいて、加速時の過渡応答性を向上させる。
【解決手段】吸気弁４１を遅閉じ制御することにより高膨張比化を可能にしているとともに、ターボ過給機８を有する内燃機関たるエンジン１において、過渡状態が判定された場合に、過渡状態に応じて吸気弁４１の閉止時期の目標進角量を決定し、点火時期を所定遅角量だけ遅角させるとともに、吸気弁４１の閉止時期の進角量を目標進角量Ａよりも大きな所定進角量ＡＡとなるまで進角させて、その後目標進角量Ａとなるように制御する。
【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、ターボ過給機を有する内燃機関において、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。

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、圧縮率及び排気の温度が低下し、ターボ過給機を有する内燃機関においては排気からターボ過給機に伝えられるエネルギーが低下する。すなわち、過渡運転時の応答性もまた低下する。そこで、低速運転時に吸気弁の閉止時期を進角側に制御して圧縮率を上昇させ、ターボ過給機の効率向上を図ることが考えられている（例えば特許文献１を参照）。また、過渡運転時に点火時期を遅角させ、排気温度を上昇させることにより排気からターボ過給機に伝えられるエネルギーを増大させ、過渡運転時の応答性を向上させることも考えられている（例えば特許文献２を参照）。
特開平１０−２２０２５６号 特開平５−３２１８０４号

しかして、前記特許文献１記載の構成では、吸気弁の閉止時期を大幅に進角側に制御すると、圧縮比が高くなりすぎることによりノッキングが発生しやすくなる不具合が存在する。すなわち、前記特許文献１記載の構成を用いたのでは、吸気弁の閉止時期を大幅に進角側に制御することができないので、上述した不具合を解消することができない場合があり得る。

また、前記特許文献２記載の構成では、加速時に点火時期を遅角させることにより、エンジンの出力トルクが低下し、エンジン全体としての過渡応答性がかえって低下してしまう不具合が発生し得る。

本発明は以上に述べた課題を解決し、吸気弁を遅閉じ制御することにより高膨張比化を可能にしているとともにターボ過給機を有する内燃機関において、過渡運転時における応答性の向上を効果的に行うことができる制御方法を提供する。

すなわち本発明に係る内燃機関の制御方法は、吸気弁を遅閉じ制御することにより高膨張比化を可能にしているとともに、ターボ過給機を有する内燃機関において、過渡状態が判定された場合に、過渡状態に応じて吸気弁の閉止時期の目標進角量を決定し、点火時期を所定遅角量だけ遅角させるとともに、吸気弁の閉止時期の進角量を目標進角量よりも大きな所定進角量となるまで進角側に制御し、その後目標進角量とな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、過渡状態が判定された場合に吸気弁の閉止タイミングを進角制御してトルクを確保しつつ、点火時期を遅角させることによりノッキングを起こりにくくすることができる。しかも、点火時期を遅角させることによるトルクの低下が、排気からターボ過給機に伝えられるエネルギーの排気温度上昇に伴う増大、及び吸気弁の閉止タイミングの進角量を大幅に進角させることに伴う圧縮比の上昇により補われるので、ノッキングの発生を防ぎつつ過渡状態における応答性を効果的に向上させることができる。

本発明に係る内燃機関の制御方法を採用すると、吸気弁の閉止時期の進角量を目標進角量よりも大きな値となるまで進角させるとともに、点火時期を遅角させるので、吸気弁の閉止時期の進角制御によりトルクを確保しつつノッキングが発生しやすくなる不具合を点火時期の遅角制御により打ち消すことができる。しかも、吸気弁の閉止時期の進角制御によるトルク低下は、排気からターボ過給機に伝えられるエネルギーの排気温度上昇に伴う増大、及び吸気弁の閉止タイミングの進角量を大幅に進角させることに伴う圧縮比の上昇により補われるので、吸気弁を遅閉じ制御することにより高膨張比化を可能にしている内燃機関において、内燃機関全体としての過渡運転時の応答性を効果的に向上させることができる。

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に構成を概略的に示した内燃機関であるエンジン１は、複数のシリンダ４（図１中には１つのみを記載している）を有するもので、各シリンダ４に吸気を供給するための吸気系２と、排気を排出するための排気系７と、排気系７上に配設された駆動タービン８１及び吸気系２上に配設されたコンプレッサ８２を有するターボチャージャ８とを少なくとも具備してなるものである。前記吸気系２には、エアクリーナ９１、コンプレッサ８２、インタークーラ９２、スロットルバルブ３、及び燃料噴射弁５を上流からこの順で配設している。具体的にこの吸気系２はエアクリーナ９１及びコンプレッサ８２の吸入ポート８２ａを接続する第１導入路２１と、コンプレッサ８２の排出ポート８２ｂ及びインタークーラ９２を連通する第２導入路２２と、インタークーラ９２及びスロットルバルブ３を連通する第３導入路２３と、スロットルバルブ３及び吸気弁４１を連通するサージタンク２４及び吸気マニホルド２５とからなる。しかして燃料噴射弁５は吸気マニホルド２５における吸気弁４１近傍に設けられている。そして、吸入空気は吸気弁４１を介してシリンダ４内に吸入される。前記スロットルバルブ３は、図示しないアクセルペダルに接続されてこのアクセルペダルに応動して開閉する。前記燃料噴射弁５は、電子制御装置６により制御するようにしている。また、前記排気系７は、排気弁４２から排出される排気を外部に放出すべく、排気弁４２と外部とを連通するもので、この排気系７上には駆動タービン８１と図示しない排気マフラとを配設している。具体的にこの排気系７は排気弁４２及び駆動タービン８１の導入ポート８１ａを連通する排気マニホールド７１と、駆動タービン８１の導出ポート８１ｂ及び排気マフラを連通する排出路７２とから構成している。なお、エンジン１は単気筒のものであってもよい。

また、このエンジン１は、図示しない連続可変バルブタイミング機構４４（以下、ＶＶＴと称する）を具備するものであり、高膨張比を得るべくピストン４３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４１を閉止する制御を行う遅閉じ制御、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。また、このＶＶＴ４４は、クランクシャフト（図示しない）の回転に対して排気弁４２を常に一定のタイミングで開閉させつつ、吸気弁４１のバルブタイミングを変化させて、排気弁４２のバルブタイミングと吸気弁４１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。

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ＶＶＴ４４を介してピストン４３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４１を閉止する遅閉じ制御、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過渡状態では、ＶＶＴ４４を介して通常の４サイクルエンジンと同様にピストン４３が下死点付近に達した時点で吸気弁４１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。

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。入力インターフェース６３には、スロットルバルブ３から出力されるスロットル開度信号ａ、ＶＶＴ４４を構成するものであり吸気バルブ４１に接続される吸気カムシャフト（図示略）が所定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から出力されるタイミング信号ｂ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たる駆動パルスＩＮＪが、またスパークプラグ４５に対して点火信号ｘが、さらにＶＶＴ４４に対しては閉止時期信号ｙがそれぞれ出力される
この電子制御装置６には、定常状態が判定された場合にＶＶＴ４４を介して吸気弁４１の遅閉じ制御を行い、アトキンソンサイクルエンジンとして作動するように制御するとともに、過渡状態が判定された場合にトルクを増大させるべくＶＶＴ４４を介して吸気弁４１の閉止時期の進角制御を行うプログラム、及び過渡状態が判定された場合にノッキングの発生を抑えるべく点火時期の遅角制御を行うプログラムが内蔵してある。

さらに詳述すると、過渡状態の判定は、具体的にはアクセルペダルの操作量の変化率が正でかつ所定値を上回っているか否かを判定することにより行う。また、吸気弁４１の閉止時期のピストン４３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）は、まずアクセルペダルの操作量の変化率をパラメータとして図示しない進角量テーブルに基づき算出される量である所定進角量ＡＡになるまで進角側に制御された後、この所定進角量より小さな値であり、エンジン１が通常の４サイクルエンジンとして作動する際の進角量である目標進角量Ａになるように制御される。一方、点火時期の遅角量は、まずアクセルペダルの操作量の変化率をパラメータとして図示しない遅角量テーブルに基づき算出される量である過渡遅角量ＲＲになるまで遅角側に制御された後、この過渡遅角量ＲＲより小さな値であり、エンジン１が通常の４サイクルエンジンとして作動する際の遅角量である目標遅角量Ｒになるように制御される。なお、前記所定進角量ＡＡは、例えば前記目標進角量Ａの約１．５倍、前記過渡遅角量ＲＲは、例えば前記目標遅角量Ｒの約２倍にそれぞれ設定している。また、前記過渡遅角量ＲＲは、請求項中における所定遅角量だけ遅角させた量である。

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を参照して説明する。

まず、ステップＳＴ１０１において、エンジン回転数、吸入空気量、及びＶＶＴ進角量を算出する。次いで、ステップＳＴ１０２において、エンジン回転数及び吸入空気量をパラメータとして、図示しない閉止時期テーブル及び点火時期テーブルに基づき吸気弁４１の閉止時期及び点火時期を算出する。

それから、ステップＳＴ１０３において、アクセルペダルの操作量を算出する。その後、ステップＳＴ１０４において、車両が過渡状態にあるか否かを判定する。ステップＳＴ１０４において車両が過渡状態にあると判定した場合には、ステップＳＴ１０５に進む。一方、そうでない場合にはステップＳＴ１１３に進む。

ステップＳＴ１０５においては、アクセルペダルの操作量の変化率をパラメータとして図示しない進角量テーブルにより吸気弁４１の閉止時期の目標進角量Ａ及び所定進角量ＡＡをそれぞれ決定するとともに、図示しない遅角量テーブルにより点火時期の目標遅角量Ｒ及び過渡遅角量ＲＲを決定する。それから、ステップＳＴ１０６においてＶＶＴ進角量が所定進角量ＡＡに達した後である場合に「１」、ＶＶＴ進角量が所定進角量ＡＡに達する以前である場合には「０」の２値をとるフラグであるＶＶＴ進角量制御フラグＦの値が「０」であるか否かを判定する。ステップＳＴ１０６において、ＶＶＴ進角量制御フラグＦの値が「０」である、すなわちＶＶＴ進角量が所定進角量ＡＡに達する以前であると判定した場合には、ステップＳＴ１０７に進む。一方、そうでない場合にはステップＳＴ１１１に進む。

ステップＳＴ１０７においては、吸気弁４１の閉止時期の進角量を前記所定進角量ＡＡにすべく閉止時期を進角させる制御を行う。その後、ステップＳＴ１０８に進む。

ステップＳＴ１０８においては、点火時期の遅角量を前記過渡遅角量ＲＲにすべく点火時期を遅角させる制御を行う。その後、ステップＳＴ１０９に進む。

ステップＳＴ１０９においては、ＶＶＴ進角量が所定進角量ＡＡに達したか否かを判定する。このステップＳＴ１０９においてＶＶＴ進角量が所定進角量ＡＡに達したと判定された場合にはステップＳＴ１１０に進む。一方、そうでない場合にはステップＳＴ１１４に進む。

ステップＳＴ１１０においては、ＶＶＴ進角量制御フラグＦの値を「１」に設定する。その後、ステップＳＴ１１４に進む。

ステップＳＴ１１１においては、吸気弁４１の閉止時期の進角量を前記目標進角量Ａにすべく進角量補正ルーチンを実行する。その後、ステップＳＴ１１２に進む。

ステップＳＴ１１２においては、点火時期の遅角量を目標遅角量Ｒにすべく補正する制御を行う。その後、ステップＳＴ１１４に進む。

ステップＳＴ１１３においては、ＶＶＴ進角量制御フラグＦの値を「０」に設定する。その後、ステップＳＴ１１４に進む。

そして、ステップＳＴ１１４において、算出した吸気弁４１の閉止時期及び点火時期に基づき点火信号ｘ及び閉止時期信号ｙを出力する。

以下に進角量補正ルーチンの手順をフローチャートである図３を参照して以下に示す。

ステップＳＴ２０１においては、ステップＳＴ１０１で算出したＶＶＴ進角量とステップＳＴ１０５で算出した目標進角量Ａとを比較する。ＶＶＴ進角量が目標進角量Ａより大きい場合にはステップＳＴ２０２に進む。一方、ＶＶＴ進角量が目標進角量Ａより小さい場合にはステップＳＴ２０３に進む。

ステップＳＴ２０２においては、吸気弁４１の閉止時期を所定の遅角幅だけ遅角側に補正し、この進角量補正ルーチンを終了する。

ステップＳＴ２０３においては、吸気弁４１の閉止時期を所定の進角幅だけ進角側に補正し、この進角量補正ルーチンを終了する。

この進角量補正ルーチンのステップＳＴ２０２における所定の遅角幅、及びステップＳＴ２０３における所定の進角幅は、それぞれ所定進角量ＡＡと目標進角量Ａとの間の差よりも小さくしている。

なお、前記閉止時期テーブルは、エンジン回転数及び吸入空気量をパラメータとして吸気弁４１の閉止時期を設定したもので、電子制御装置６に格納されている。この閉止時期テーブルでは、代表的なエンジン回転数及び吸入空気量に対して吸気弁４１の閉止時期が設定してあり、それ以外のエンジン回転数及び吸入空気量に対する吸気弁４１の閉止時期は、補間計算により算出する。

また、前記点火時期テーブルは、エンジン回転数及び吸入空気量をパラメータとして点火時期を設定したもので、電子制御装置６に格納されている。この点火時期テーブルでは、代表的なエンジン回転数及び吸入空気量に対して点火時期が設定してあり、それ以外のエンジン回転数及び吸入空気量に対する点火時期は、補間計算により算出する。

さらに、前記進角量テーブルは、アクセルペダルの操作量の変化率をパラメータとして目標進角量Ａ及び所定進角量ＡＡを設定したもので、電子制御装置６に格納されている。この進角量テーブルでは、代表的なアクセルペダルの操作量の変化率に対して目標進角量Ａ及び所定進角量ＡＡが設定してあり、それ以外のアクセルペダルの操作量の変化率に対する目標進角量Ａ及び所定進角量ＡＡは、補間計算により算出する。

そして、前記遅角量テーブルは、アクセルペダルの操作量の変化率をパラメータとして点火時期の目標遅角量を設定したもので、電子制御装置６に格納されている。この遅角量テーブルでは、代表的なアクセルペダルの操作量の変化率に対して目標遅角量Ｒ及び過渡遅角量ＲＲが設定してあり、それ以外のアクセルペダルの操作量の変化率に対する目標遅角量Ｒ及び過渡遅角量ＲＲは、補間計算により算出する。

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。一方、過渡状態においてはトルク及び駆動タービン８１の回転速度を大きくすべく吸気弁４１の閉止時期を進角させるとともに、ノッキングを防ぎかつ排気温度を高くして排気から駆動タービン８１に伝えられるエネルギーを増すべく点火時期を遅角制御する。

より具体的には、定常状態では、ステップＳＴ１０１→ＳＴ１０２→ＳＴ１０３→ＳＴ１０４→ＳＴ１１３→ＳＴ１１４の順に各制御が行われ、エンジン回転数をパラメータとして算出された吸気弁４１の閉止時期及び点火時期に基づきそのまま点火信号ｘ及び閉止時期信号ｙを出力する。

一方、過渡状態の開始後、ＶＶＴ進角量が所定進角量ＡＡに達するまでは、ステップＳＴ１０１→ＳＴ１０２→ＳＴ１０３→ＳＴ１０４→ＳＴ１０５→ＳＴ１０６→ＳＴ１０７→ＳＴ１０８→ＳＴ１０９→ＳＴ１１４の順に各制御が行う。すなわち、ＶＶＴ進角量を目標進角量Ａより大きい所定進角量ＡＡに達するまで吸気弁４１の閉止時期を進角側に制御してすばやく圧縮比を大きくするとともに、点火時期を急速に遅角側に制御することにより、ノッキングを防ぐとともに排気温度を高くして、ターボラグの発生を抑えるようにしている。

また、過渡状態の開始後、ＶＶＴ進角量が所定進角量ＡＡに達した時点においては、ステップＳＴ１０１→ＳＴ１０２→ＳＴ１０３→ＳＴ１０４→ＳＴ１０５→ＳＴ１０６→ＳＴ１０７→ＳＴ１０８→ＳＴ１０９→ＳＴ１１０→ＳＴ１１４の順に各制御を行う。すなわち、後述するＶＶＴ進角量が所定進角量ＡＡに達した後における制御への移行を行うようにしている。

そして、過渡状態の開始後、ＶＶＴ進角量が所定進角量ＡＡに達した後は、ステップＳＴ１０１→ＳＴ１０２→ＳＴ１０３→ＳＴ１０４→ＳＴ１０５→ＳＴ１０６→ＳＴ１１１→ＳＴ１１２→ＳＴ１１４の順に各制御を行う。すなわち、通常の４サイクルエンジンとして作動するようにしている。

以下に、このような制御を行った場合の作用を作用図である図４を参照して説明する。前記図４は、ターボ過給機８の駆動タービン８１の回転速度（以下ターボ回転速度と称する）、ＶＶＴ進角量、点火時期、及びアクセルペダルの操作量の時間変化を同一の時間軸に対して示すものである。また、前記図４において、ＶＶＴ進角量が目標進角量Ａとなるように補正する制御及び点火時期の遅角量が目標遅角量Ｒとなるように補正する制御のみを行った場合の前記時間変化を破線により示している。

前記図４の時間帯Ｔ１のように、アクセルペダルの操作量が略一定である定常状態においては、ＶＶＴ進角量は０である。すなわち、エンジン１は、アトキンソンサイクルエンジンとして作動する。

前記図４の時間帯Ｔ２のように、過渡状態の開始後、ＶＶＴ進角量が所定進角量ＡＡに達するまでの間は、ＶＶＴ進角量を直接目標進角量Ａとなるようにすべく吸気弁４１の閉止時期を補正する替わりに、この目標進角量Ａより大きな所定進角量ＡＡとるようにすべく吸気弁４１の閉止時期を補正しているので、ＶＶＴ進角量を直接目標進角量Ａとなるようにすべく制御する場合と比較して、本実施形態ではより急速にＶＶＴ進角量が増加する。また、この制御と並行して、点火時期の遅角量を過渡遅角量ＲＲに向けて急速に増大させているので、ＶＶＴ進角量の大幅な増加に伴いノッキングが発生しやすくなることを抑えられるとともに、排気温度が高くなるので、前記図４に示すように、ターボ回転速度は急速に上昇する。

そして、前記図４の時間帯Ｔ３のように、過渡状態の開始後、ＶＶＴ進角量が所定進角量ＡＡに達した後は、ＶＶＴ進角量を目標進角量Ａとなるようにすべく吸気弁４１の閉止時期を補正しているとともに、点火時期の遅角量を目標遅角量Ｒとなるようにすべく点火時期を補正しているので、エンジン１は通常の４サイクルエンジンとして作動する。

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、過渡状態が検出されてから所定時間が経過するまでは吸気弁４１の閉止時期を通常の４サイクルエンジンよりさらに進角側に制御して圧縮比を大きくしているとともに、点火時期を遅角側に制御しているので、ノッキングの発生を抑えつつ圧縮比を大きくとることができる。加えて、点火時期を遅角側に制御することにより排気温度を高くしているので、排気からターボ過給機８に伝えられるエネルギーが大きくなり、ターボラグの発生を抑えることができる。従って、エンジン１全体として過渡状態におけるトルクの増大を従来よりも速やかに行うことができ、過渡運転時の応答性を向上させることができる。

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、過渡状態の判定を、アクセルペダルの操作量の絶対値やスロットル開度に基づいて行うようにしてもよく、また、吸気管の圧力変化や走行速度の変化等他の物理量に基づき行うようにしてもよい。

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。 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。

符号の説明

１…エンジン（内燃機関）
３…スロットルバルブ
４１…吸気弁
６…電子制御装置
８…ターボ過給機

Claims (1)

1. 吸気弁を遅閉じ制御することにより高膨張比化を可能にしているとともに、ターボ過給機を有する内燃機関において、
   過渡状態が判定された場合に、吸気弁の閉止時期の目標進角量を決定し、
   点火時期を所定遅角量だけ遅角させるとともに、
   吸気弁の閉止時期の進角量を目標進角量よりも大きな所定進角量となるまで進角側に制御し、その後目標進角量とな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。

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