JP2005171793A

JP2005171793A - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP2005171793A
Application number: JP2003409756A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Oba; 大羽　　拓; Hiroshi Iwano; 岩野　　浩; Yutaro Minami; 南　　雄太郎; Hisanori Onoda; 尚徳小野田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-12-09
Filing date: 2003-12-09
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2023-12-09
Also published as: JP4379098B2

Abstract

【課題】可変動弁機構の制御分解能を高くせずに応答性の高いアイドル回転速度制御を実現する。
【解決手段】アクセル開度ＡＰＯと回転速度Ｎｅとに基づいて、電子制御スロットル弁の目標スロットル弁開度の基本値と、可変動弁機構の目標作動角および目標中心角の基本値を設定する（Ｂ７１）。アイドル運転時（Ｂ７２）には、補機負荷の有無を検出し（Ｂ７３）、補機負荷相当だけ目標作動角および目標中心角をフィードフォワード制御として補正する（Ｂ７４）。目標アイドル回転速度（Ｂ７５）と実回転速度Ｎｅとの偏差を算出し（Ｂ７６）、これに応じて、目標スロットル弁開度をフィードバック補正する（Ｂ７７）。
【選択図】図３

Description

この発明は、アイドル回転速度の制御を行う内燃機関の制御装置、特に、吸気弁のバルブリフト特性を可変制御可能な可変動弁装置と電子制御スロットル弁とによって吸入空気量の制御を達成するようにした内燃機関における制御装置に関する。

ガソリン機関においては、一般に吸気通路中に設けたスロットル弁の開度制御によって吸気量を制御しているが、良く知られているように、この種の方式では、特にスロットル弁開度の小さな中低負荷時におけるポンピングロスが大きい、という問題がある。これに対し、吸気弁の開閉時期やリフト量を変化させることで、スロットル弁に依存せずに吸気量を制御しようとする試みが以前からなされており、この技術を利用して、ディーゼル機関と同様に吸気系にスロットル弁を具備しないいわゆるスロットルレスの構成を実現することが提案されている。

特許文献１には、本出願人が先に提案した吸気弁のリフト量および作動角さらにはそのリフトの中心角を連続的に可変制御し得る可変動弁機構が開示されている。この種の可変動弁機構によれば、スロットル弁の開度制御に依存せずにシリンダ内に流入する空気量を可変制御することが可能であり、特に負荷の小さな領域において、いわゆるスロットルレス運転ないしはスロットル弁の開度を十分に大きく保った運転を実現でき、ポンピングロスの大幅な低減が図れる。そして、特許文献１の装置では、アイドル運転時には、バルブリフト量を微小量とすることで、吸入空気量を精度良く制御するようにしている。
特開２００３−７４３１８号公報

特許文献１のように吸気弁のバルブリフト特性の可変制御により吸入空気量を制御するように構成した場合、スロットル弁を具備しない完全なスロットルレスの構成であると、吸気系に負圧が発生しないため、例えば、ブローバイガスやエバポレータからのパージガスなどを吸気系に還流させる既存のシステムが利用できなくなったり、種々のアクチュエータなどの駆動源としても利用されている負圧が容易に得られない、といった新たな課題が派生する。

そのため、吸気通路にいわゆる電子制御スロットル弁を設け、その開度制御と組み合わせることで、略一定の負圧を確保しつつ吸気弁のバルブリフト特性による吸入空気量の制御を実現することを本出願人は検討している。

本出願は、このような可変動弁装置と電子制御スロットル弁とを組み合わせた構成における、より効率的なアイドル回転速度の制御を提供するものである。

すなわち、内燃機関のアイドル回転速度制御として、電子制御スロットル弁を用いて、実回転速度を目標アイドル回転速度に一致させるようにフィードバック制御することは広く知られているが、このものでは、例えばエアコン用コンプレッサ等の補機負荷が加わったときに、スロットル弁開度をステップ的に変化させても、発生トルクに直接結びつくシリンダ吸入空気量はゆっくりとしか大きくならず、スロットル弁位置での流量とシリンダ吸入空気量の相違が収束するためには、数１００ｍｓｅｃ程度の時間を要する。

また特許文献１のような可変動弁装置を用いて吸気弁のバルブリフト特性の変化のみで吸入空気量をフィードバック制御しようとすると、特許文献１に説明されているように、可変動弁装置に非常に高い制御分解能が要求され、構成が複雑化する。

この発明に係る制御装置を備えた内燃機関は、吸気通路に介装されたスロットル弁の開度を連続的に変更可能な電子制御スロットル装置と、吸気弁のリフト特性を連続的に変更可能な可変動弁装置と、を備えており、上記リフト特性によって吸気量の制御が可能な構成となっている。

そして、本発明の制御装置は、内燃機関がアイドル状態であることを検出するアイドル判定手段と、内燃機関の実回転速度を検出する回転速度検出手段と、上記実回転速度と目標アイドル回転速度との偏差に基づいて、アイドル運転時に上記電子制御スロットル装置を制御する第１アイドル制御手段と、アイドル運転時に内燃機関に加わる外部負荷を検出する外部負荷検出手段と、上記外部負荷の検出に基づいて、アイドル運転時に上記可変動弁装置を制御する第２アイドル制御手段と、を備えている。

上記外部負荷は、例えば、内燃機関によって駆動される補機の駆動負荷、あるいは、内燃機関に接続された自動変速機のレンジ切換に伴って増減する負荷、などである。

従って、これらの外部負荷が加わったときには、その検出に基づき、第２アイドル制御手段によりフィードフォワード制御として吸気弁のリフト特性が制御される。そして、第１アイドル制御手段によって、実回転速度が目標アイドル回転速度に収束するように、スロットル弁開度がフィードバック制御される。

この発明によれば、エアコン用コンプレッサ等の外部負荷に対しては、シリンダ吸入空気量を応答性良く変化させることができる吸気弁のリフト特性がフィードフォワード的に制御され、かつ全体的なフィードバック制御はスロットル弁開度の変更によってなされるので、エアコンＯＮ，ＯＦＦ等の外部負荷の変化に対し応答性良く追従できるとともに、可変動弁装置の制御分解能をアイドル運転時に合わせて高める必要がない。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明に係る内燃機関の制御装置のシステム構成を示す構成説明図であって、自動車用の内燃機関１は、吸気弁３と排気弁４とを有し、かつ吸気弁３の動弁機構として、吸気弁３のリフト・作動角を連続的に拡大・縮小させることが可能な第１可変動弁機構５および作動角の中心角を連続的に遅進させることが可能な第２可変動弁機構６を備えている。また、吸気通路７には、モータ等のアクチュエータにより開度が制御される電子制御スロットル弁（電子制御スロットル装置）２が設けられている。ここで、上記スロットル弁２は、吸気通路７内に、ブローバイガスの処理などのために必要な僅かな負圧（例えば−５０ｍｍＨｇ）を発生させる目的で設けられており、吸入空気量の調整は、高負荷域（第２制御領域）を除き、上記第１，第２可変動弁機構５，６により吸気弁３のリフト特性を変更することで行われる。すなわち、図２に概略を示すように、低〜中負荷領域においては、燃費向上のために、中心角を上死点寄り（設定値：大）とし、内部還流を促進するとともに、作動角はトルク要求に応じて徐々に大作動角（設定値：大）側にする。第１制御領域内では、吸気負圧（Boost）を所定値に保つように、スロットル弁開度ＴＶＯは、通常エンジン（可変動弁機構ではなくスロットル弁開度で吸入空気量を制御するもの：図中にStd-Engとして示す）の特性に比較して、開き気味の特性となる。また中〜高負荷領域においては、トルク確保のために、中心角を下死点寄り（設定値：小）とし、内部還流を減少させるとともに、作動角は大作動角（設定値：大）側で一定とする。第２制御領域つまりバルブリフト特性の操作によって空気量が増加しない高負荷領域に達したら、バルブリフト特性はその状態で固定され、吸気負圧（Boost）を減少させてトルクを発生させるように、スロットル弁開度ＴＶＯが通常エンジンと同様に開いていくことになる。

また、燃料噴射弁８が吸気通路７に配設されており、上記のように吸気弁３等により調整された吸入空気量に応じた量の燃料が、この燃料噴射弁８から噴射される。従って、内燃機関１の出力は、第１，第２可変動弁機構５，６およびスロットル弁２により吸入空気量を調整することによって制御される。

上記のコントロールユニット１０は、運転者により操作されるアクセルペダルに設けられたアクセル開度センサ１１からのアクセル開度信号ＡＰＯと、エンジン回転速度センサ１２からの回転速度信号Ｎｅと、吸入空気量センサ１３からの吸入空気量信号と、を受け取り、これらの信号に基づいて、目標スロットル弁開度、燃料噴射量、点火時期、作動角目標値、中心角目標値をそれぞれ演算する。そして、要求の燃料噴射量および点火時期を実現するように燃料噴射弁８および点火プラグ９を制御するとともに、作動角目標値および中心角目標値を実現するための制御信号を、第１可変動弁機構５のアクチュエータおよび第２可変動弁機構６のアクチュエータへそれぞれ出力し、かつスロットル弁２の開度を制御する。なお、上記第１可変動弁機構５および第２可変動弁機構６は、その機械的な構成は公知であり、例えば、上述した特許文献１に記載の装置と同様の構成を有している。従って、その詳細な説明は省略する。

次に、図３は、上記コントロールユニット１０による吸入空気量制御（アイドル回転速度制御を含む）の内容を機能ブロック図として示したものであり、以下、これを説明する。

図のスロットル可変動弁目標基本値演算部Ｂ７１は、アクセル開度ＡＰＯと内燃機関１の回転速度（実回転速度）Ｎｅとに基づいて、電子制御スロットル弁２の目標値である目標スロットル弁開度ｔＴＶＯと、第１可変動弁機構５の目標値である目標作動角ｔＶＥＬと、第２可変動弁機構６の目標値である目標中心角ｔＶＴＣと、を算出する。これは、具体的には、図４に示すように、それぞれ、アクセル開度ＡＰＯと回転速度Ｎｅとをパラメータとして対応する値を割り付けたマップからなる、目標スロットル弁開度算出部Ｂ１、目標作動角算出部Ｂ２、目標中心角算出部Ｂ３、とから構成される。図５は、目標スロットル弁開度算出部Ｂ１のＴＶＯマップの一例を示し、図６は、目標作動角算出部Ｂ２の作動角マップの一例を示し、図７は、目標中心角算出部Ｂ３の中心角マップの一例を示す。

一方、アイドル判定部Ｂ７２では、同じく、アクセル開度ＡＰＯと回転速度Ｎｅとからアイドル状態であるか否かの判定を行う。例えば、アクセル開度ＡＰＯが０（全閉）でかつ回転速度Ｎｅが所定値以下のときに、アイドル状態であると判定する。また、アイドル時目標回転数算出部Ｂ７５では、例えば冷却水温等に基づいて目標アイドル回転速度を設定する。

補機負荷有無検出部Ｂ７３は、内燃機関１に加わる外部負荷、例えば、エアコン用コンプレッサ、パワーステアリング装置、デフォッガ等の電気負荷、等のＯＮ−ＯＦＦ状態を判定する。自動変速機を備えた構成では、Ｄレンジ（前進走行レンジ）やＮレンジ（ニュートラルレンジ）といったレンジ位置によって自動変速機の負荷が異なるので、レンジ切換に伴って増減する負荷の有無を検出するようにしてもよい。

アイドル時目標値補正量算出部Ｂ７４では、アイドル判定部Ｂ７２からの入力および補機負荷有無検出部Ｂ７３からの入力に基づいて、目標スロットル弁開度ｔＴＶＯ、目標作動角ｔＶＥＬおよび目標中心角ｔＶＴＣの補正を行う。具体的には、アイドル状態でかつ何らかの外部負荷が加わっているときに、その外部負荷に見合った吸入空気量の増加が生じるように、目標作動角ｔＶＥＬおよび目標中心角ｔＶＴＣを補正する。具体的には、必要な作動角補正量および中心角補正量を算出し、これを基本値にそれぞれ加算することにより補正する。この補正は、実際の偏差の発生とは無関係に、フィードフォワード制御として与えられる。また、上記のような補正によりバルブリフト特性（作動角および中心角）が変化すると、吸気負圧を所望の一定値（例えば−５０ｍｍＨｇ）に維持するために必要なスロットル弁開度が変化するので、これを補償するために、目標スロットル弁開度算出部Ｂ１からの目標スロットル弁開度ｔＴＶＯを補正する。なお、ここでの目標スロットル弁開度ｔＴＶＯの補正は省略することも可能である。アイドル時目標値補正量算出部Ｂ７４で補正された目標作動角ｔＶＥＬおよび目標中心角ｔＶＴＣは、第１，第２可変動弁機構５，６のアクチュエータに出力され、これに沿って、第１，第２可変動弁機構５，６が駆動される。なお、アイドル運転時でなければ、スロットル可変動弁目標基本値演算部Ｂ７１の基本的な設定値がそのまま用いられる。

回転数偏差算出部Ｂ７６は、検出された回転速度Ｎｅと目標アイドル回転速度との偏差を求めるものであり、アイドル時目標値補正量算出部Ｂ７７では、この偏差に応じて、目標スロットル弁開度ｔＴＶＯを補正する。具体的には、偏差に基づいてスロットル弁開度補正量を算出し、これを加算することにより補正する。この補正は、目標アイドル回転速度に収束させるように作用するフィードバック制御となる。

図８は、上記の制御の概略をフローチャートとして示したものであり、そのときのアクセル開度ＡＰＯおよび機関回転速度Ｎｅを読み込み（ステップ１）、スロットル弁開度、作動角および中心角の目標基本値を算出する（ステップ２）。そして、外部負荷、例えば補機負荷の有無を判定し（ステップ３）、補機負荷があれば、作動角および中心角、さらにはスロットル弁開度についてのフィードフォワード補正量を算出する（ステップ４）。そして、目標アイドル回転速度に収束しているか（偏差の有無）を判定し（ステップ５）、偏差があれば、この偏差に基づき、スロットル弁開度についてのフィードバック補正量を算出する（ステップ６）。

このように本実施例では、外部負荷のＯＮ−ＯＦＦ（あるいは増減）に伴うアイドル回転速度の変動は、第１，第２可変動弁機構５，６による吸気弁３のバルブリフト特性の変更によって、フィードフォワード制御の形で抑制される。吸気弁３のバルブリフト特性の変更によるシリンダ吸入空気量の変化は、非常に応答性に優れているので、外部負荷のＯＮ−ＯＦＦの直後に生じるアイドル回転速度の変動を非常に小さなものとすることが可能である。そして、経時的な変化やその他の要因により発生する目標アイドル回転速度と実回転速度との偏差に対しては、スロットル弁開度のフィードバック制御がなされるので、第１、第２可変動弁機構５，６の作動角および中心角の制御分解能は、それほど高く要求されない。従って、第１，第２可変動弁機構５，６のみでアイドル回転速度をフィードバック制御する場合に比べて、その制御駆動機構や位置検出センサの要求精度が低くなる。

次に、図９の機能ブロック図は、この発明の第２実施例を示している。この第２実施例は、第３アイドル制御手段として点火時期の補正を行うようにしたものである。図９のＢ７１〜Ｂ７６の各部は、前述した第１実施例のものと特に変わりがないので、重複する説明は省略する。アイドル時目標値補正量算出部Ｂ９７は、前述した図３のアイドル時目標値補正量算出部Ｂ７７と同じく、アイドル運転時の回転速度の偏差に応じて、目標スロットル弁開度ｔＴＶＯを補正するものであるが、この実施例においては、同時に、偏差に基づいて点火時期の補正量を算出し、点火プラグ９の点火時期を遅進補正する。この点火時期による補正は、補正可能なトルクの幅は狭いが、非常に応答性が高いので、スロットル弁開度のフィードバック制御と併せて行うことにより、何らかの外乱や一時的なオーバシュートに対し、応答性に優れたアイドル回転速度制御を実現できる。

なお、この点火時期による回転速度の補正は、補正可能なトルクの幅が狭い（特にトルク増大方向には狭い）ので、ある期間連続して点火時期の補正が要求されたときには、その点火時期補正量をスロットル弁開度の補正量に変換し、点火時期補正量をリセットすることが望ましい。このようにすれば、常に点火時期による補正幅が残るようになり、次に回転速度変動が生じたときに、応答性よくトルクの増大・抑制を実行できる。

次に、図１０の機能ブロック図は、この発明の第３実施例を示している。この第３実施例は、何らかの要因でスロットル弁開度のフィードバック補正量がある程度大きくなったときに、その一部をバルブリフト特性のフィードフォワード制御量に変換するようにしたものである。図１０のＢ７１〜Ｂ７７の各部は、前述した第１実施例のものと基本的に変わりがないので、重複する説明は省略する。この実施例では、第３のアイドル時目標値補正量算出部Ｂ９８を備えており、ここに、第１のアイドル時目標値補正量算出部Ｂ７４で補正された目標作動角ｔＶＥＬおよび目標中心角ｔＶＴＣと、第２のアイドル時目標値補正量算出部Ｂ７７で補正された目標スロットル弁開度ｔＴＶＯと、が入力され、両者の分担が再調整される。つまり、偏差に応じた補正の結果、目標スロットル弁開度ｔＴＶＯの補正量が所定量（例えば第１，第２可変動弁機構５，６の最小制御分解能に相当する単位空気量相当量）を超える場合には、その所定量分を、フィードフォワード制御量として与えられる作動角もしくは中心角に対する補正量に換算して、バルブリフト特性を空気量の増加もしくは減少方向に修正し、他方、目標スロットル弁開度の補正量をこれに相当する分だけ減じるようにしている。

この実施例によれば、アイドル回転速度制御のためにスロットル弁開度ＴＶＯが過度に大きく開くようなことがなく、アイドル運転時の回転速度変動を所定の範囲に抑制しつつ、スロットル弁２下流の吸気負圧を目標の一定値により精度よく維持することができる。

なお、上記第３実施例では、スロットル弁開度のフィードバック補正量をバルブリフト特性のフィードフォワード制御量に変換するようにしているが、逆に、バルブリフト特性のフィードフォワード制御量をスロットル弁開度のフィードバック補正量に置き換えることも可能である。

この発明に係る内燃機関の制御装置のシステム構成を示す構成説明図。アクセル開度を増加させていったときの各パラメータの変化を概略的に示した特性図。この発明の第１実施例を示す機能ブロック図。スロットル可変動弁目標値演算部Ｂ７１の詳細を示す機能ブロック図。ブロックＢ１のＴＶＯマップの特性図。ブロックＢ２の作動角マップの特性図。ブロックＢ３の中心角マップの特性図。この第１実施例のフローチャート。この発明の第２実施例を示す機能ブロック図。この発明の第３実施例を示す機能ブロック図。

符号の説明

２…電子制御スロットル弁
５…第１可変動弁機構
６…第２可変動弁機構
１０…コントロールユニット
１１…アクセル開度センサ

Claims

吸気通路に介装されたスロットル弁の開度を連続的に変更可能な電子制御スロットル装置と、吸気弁のリフト特性を連続的に変更可能な可変動弁装置と、を備え、上記リフト特性によって吸気量の制御が可能な内燃機関の制御装置において、
内燃機関がアイドル状態であることを検出するアイドル判定手段と、
内燃機関の実回転速度を検出する回転速度検出手段と、
上記実回転速度と目標アイドル回転速度との偏差に基づいて、アイドル運転時に上記電子制御スロットル装置を制御する第１アイドル制御手段と、
アイドル運転時に内燃機関に加わる外部負荷を検出する外部負荷検出手段と、
上記外部負荷の検出に基づいて、アイドル運転時に上記可変動弁装置を制御する第２アイドル制御手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
上記外部負荷は、内燃機関によって駆動される補機の駆動負荷であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
上記外部負荷は、内燃機関に接続された自動変速機のレンジ切換に伴って増減する負荷であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
上記アイドル判定手段は、運転者によるアクセル開度に基づいてアイドル状態の判定を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
アイドル運転時を含む運転領域で、内燃機関の回転速度と上記アクセル開度とに基づいて、上記スロットル弁の目標開度と上記吸気弁の目標リフト特性とを設定する制御手段を備えており、
上記第１アイドル制御手段は、アイドル運転時に、上記偏差に基づいて上記目標開度に対する補正量を算出し、
上記第２アイドル制御手段は、アイドル運転時に、上記外部負荷に基づいて上記目標リフト特性に対する補正量を算出することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
上記制御手段は、吸気負圧を一定値に維持しつつ上記アクセル開度に対応する運転者の負荷要求を達成するように上記目標開度と上記目標リフト特性を設定することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の制御装置。
内燃機関の点火時期を運転条件に応じて制御する点火時期制御手段を有するとともに、
上記実回転速度と目標アイドル回転速度との偏差に基づいて、上記点火時期を補正する第３アイドル制御手段、をさらに備えた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制御装置。
上記第１アイドル制御手段によるフィードバック補正量が大きいときに、その一部を上記第２アイドル制御手段におけるフィードフォワード補正量に変換することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。