JP2005240768A

JP2005240768A - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2005240768A
Application number: JP2004054961A
Authority: JP
Inventors: Naoki Okamoto; 直樹岡本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2005-09-08

Abstract

【課題】始動性を向上させつつ、始動時におけるエミッションの悪化や燃焼の不安定を防止する。
【解決手段】始動モータがＯＮされた後、バルブタイミングを機関始動に最適な始動時タイミングに制御する。気筒判別が終了したら（Ｓ１１）、実際のバルブタイミングを検出し（Ｓ１２）、検出したバルブタイミングが機関始動に最適な始動時タイミングとなっているか否かを判定し（Ｓ１３）、始動時タイミングとなっていれば始動時燃料噴射を開始する（Ｓ１４）。一方、始動時タイミングとなっていなければ始動時燃料噴射をキャンセルする（Ｓ１５）。
【選択図】図６

Description

本発明は、吸気バルブ又は排気バルブの開閉タイミング（バルブタイミング）を変化させる可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関の制御装置に関し、特に、機関始動時の制御に関する。

特許文献１には、吸気バルブの開閉タイミングを機関停止直後の惰性回転によって最遅角タイミングとし、機関始動時に最遅角タイミングからこれよりも進角側に設定される始動時タイミングとなるように可変バルブタイミング機構を制御する内燃機関が開示されている。
特開平１１−２４１６０８号公報

ところで、上記従来の可変バルブタイミング機構はいわゆる油圧式のものであり、機関始動時のクランキングの開始によりクランクシャフトが回転し始めることで油圧が供給されてバルブタイミングを変化させるものであるため、バルブタイミングの変化速度はオイルポンプの吐出圧に依存することになる。
このため、オイルポンプの吐出圧の低い機関始動時では、最遅角タイミングから始動時タイミングに到達するまでの遅れが生じ、始動タイミングに到達する前に燃料噴射・点火が行われて初爆が生じてしまう可能性があり、エミッションの悪化や燃焼の不安定を招くことおそれがあった。

本発明は、このような課題に着目してなされたものであり、機関始動時に吸気バルブ又は排気バルブの開閉タイミングを機関始動に適した始動時タイミングに制御する構成において、エミッションの悪化や燃焼の不安定を防止することを目的とする。

このため、請求項１に記載の発明は、機関始動時に、吸気バルブ又は排気バルブの開閉タイミングを機関停止中の状態から始動時タイミングへと制御すると共に、始動時タイミングとなるまでは燃料の供給を禁止するようにした。
このようにすると、機関始動時に、吸気バルブ又は排気バルブの開閉タイミングを機関始動に最適な始動時タイミングに制御して始動性の向上を図りながら、始動時タイミングとなるまでは燃料の供給（燃料噴射）を禁止することで、エミッションの悪化や燃焼が不安定となることを確実に防止できる。

請求項２に記載の発明は、前記開閉タイミングを連続して検出可能な開閉タイミング検出手段を備え、この開閉タイミング検出手段により検出した開閉タイミングが始動時タイミングとなるまで燃料の供給を禁止する。
このようにすると、開閉タイミング検出手段により現在の開閉タイミングをリアルタイムで検出し、開閉タイミングが始動時タイミングとなったか否かを精度よく確実に判定できる。これにより、始動時のエミッションの悪化や燃焼の不安定を確実に防止ししつつ、始動時タイミングとなったときに速やかに燃料を供給することができる。

請求項３に記載の発明は、可変バルブタイミング機構が機関のクランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を変化させることで前記開閉タイミングを変化させる構成であり、開閉タイミング検出手段が、前記クランクシャフトの回転位置を検出する第１回転位置検出手段と、前記カムシャフトの回転位置を検出する第２回転位置検出手段と、前記第１回転位置検出手段及び前記第２回転位置検出手段の出力信号に基づいて前記クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を検出する回転位相検出手段と、を備え、少なくとも前記第２回転位置検出手段は、前記カムシャフトの回転位置に応じて異なる信号を出力するようにした。

このようにすると、第２回転位置検出手段の出力信号はカムシャフトの回転位置に１対１で対応するため、この第２回転位置検出手段の出力信号に基づいてカムシャフトの回転位置を任意のタイミングで瞬時に求めることできる。これにより、クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相をカムシャフトの回転周期とは無関係に検出でき、低回転時であっても回転位相の検出に遅れが生じることはない。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は、実施形態における車両用内燃機関の構成図である。この図１において、内燃機関１０１の吸気管１０２には、スロットルモータ１０３ａでスロットルバルブ１０３ｂを開閉駆動する電子制御スロットル１０４が介装され、該電子制御スロットル１０４及び吸気バルブ１０５を介して、燃焼室１０６内に空気が吸入される。

機関の各燃焼室には点火プラグ１３３が設けられており、これにより火花点火して混合気を着火燃焼させる。燃焼排気は燃焼室１０６から排気バルブ１０７を介して排出され、フロント触媒１０８及びリア触媒１０９で浄化された後、大気中に放出される。
前記吸気バルブ１０５及び排気バルブ１０７は、それぞれ吸気側カムシャフト１３４、排気側カムシャフト１１０に設けられたカムによって開閉駆動されるが、吸気側カムシャフト１３４には、可変バルブタイミング機構（ＶＴＣ）１１３が設けられている。

このＶＴＣ１１３は、クランクシャフト１２０に対する吸気側カムシャフト１３４の回転位相を変化させることで吸気バルブ１０５の開閉タイミングを変化させる機構であり、その詳細については後述する。
なお、本実施形態では吸気バルブ１０５側のみにＶＴＣ１１３を備える構成としたが、吸気バルブ１０５側に代えて又は吸気バルブ１０５側と共に、排気バルブ１０７側にＶＴＣ１１３を備える構成であっても良い。

また、各気筒の吸気ポート１３０には、電磁式の燃料噴射弁１３１が設けられ、該燃料噴射弁１３１は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１１４からの噴射パルス信号によって開弁駆動されると、所定圧力に調整された燃料を吸気バルブ１０５に向けて噴射する。
マイクロコンピュータを内蔵するＥＣＵ１１４には、各種センサからの出力信号が入力され、該信号に基づく演算処理によって、前記電子制御スロットル１０４、ＶＴＣ１１３及び燃料噴射弁１３１を制御する。

前記各種センサとしては、アクセル開度を検出するアクセル開度センサＡＰＳ１１６、機関１０１の吸入空気量Ｑａを検出するエアフローメータ１１５、クランクシャフト１２０からクランク角１８０°毎の基準回転位置で基準クランク角信号ＲＥＦを取り出すと共に単位クランク角度毎の単位角度信号ＰＯＳを取り出すクランク角センサ１１７、スロットルバルブ１０３ｂの開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサ１１８、機関１０１の冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ１１９、吸気側カムシャフト１３４からカム角９０°（クランク角１８０°）毎の基準回転位置でカム信号ＣＡＭを取り出すと共に気筒を識別するための気筒判別信号ＰＨＡＳＥを取り出すカムセンサ１３２等が設けられている。

なお、機関回転速度Ｎｅは、前記基準クランク角信号ＲＥＦの周期、又は、単位時間当たりの単位角度信号ＰＯＳの発生数に基づいて算出される。
次に、前記ＶＴＣ１１３の構成を、図２に基づいて説明する。
本実施形態におけるＶＴＣ１１３は、いわゆるベーン式の可変バルブタイミング機構であり、クランクシャフト１２０によりタイミングチェーン（図示省略）を介して回転駆動されるカムスプロケット５１（タイミングスプロケット）と、吸気側カムシャフト軸１３４の端部に固定されてカムスプロケット５１内に回転自在に収容された回転部材５３と、該回転部材５３をカムスプロケット５１に対して相対的に回転させる油圧回路５４と、カムスプロケット５１と回転部材５３との相対回転位置を所定位置で選択的にロックするロック機構６０とを備えている。

前記カムスプロケット５１は、外周にタイミングチェーン（又はタイミングベルト）が噛合する歯部を有する回転部（図示省略）と、該回転部の前方に配置されて前記回転部材５３を回転自在に収容するハウジング５６と、該ハウジング５６の前後開口を閉塞するフロントカバー、リアカバー（図示省略）とから構成される。
前記ハウジング５６は、前後両端が開口形成された円筒状を呈し、内周面には、横断面台形状を呈し、それぞれハウジング５６の軸方向に沿って設けられる４つの隔壁部６３が９０°間隔で突設されている。

前記回転部材５３は、吸気側カム軸１４の前端部に固定されており、円環状の基部７７の外周面に９０°間隔で４つのベーン（第１〜４ベーン）７８ａ、７８ｂ、７８ｃ、７８ｄが設けられている。
前記第１〜４ベーン７８ａ〜７８ｄは、それぞれ断面が略逆台形状を呈し、各隔壁部６３間の凹部に配置され、前記凹部を回転方向の前後に隔成し、ベーン７８ａ〜７８ｄの両側と各隔壁部６３の両側面との間に、進角側油圧室８２と遅角側油圧室８３を構成する。

前記ロック機構６０は、ロックピン８４が、回転部材５３の最大遅角側の回動位置（基準作動状態）において係合孔（図示省略）に係入するようになっている。
前記油圧回路５４は、進角側油圧室８２に対して油圧を給排する第１油圧通路９１と、遅角側油圧室８３に対して油圧を給排する第２油圧通路９２との２系統の油圧通路を有し、この両油圧通路９１、９２には、供給通路９３とドレン通路９４ａ、９４ｂとがそれぞれ通路切り換え用の電磁切換弁９５を介して接続されている。

前記供給通路９３には、オイルパン９６内の油を圧送する機関駆動のオイルポンプ９７が設けられている一方、ドレン通路９４ａ、９４ｂの下流端がオイルパン９６に連通している。
前記第１油圧通路９１は、回転部材５３の基部７７内に略放射状に形成されて各進角側油圧室８２に連通する４本の分岐路９１ｄに接続され、第２油圧通路９２は、各遅角側油圧室８３に開口する４つの油孔９２ｄに接続される。

前記電磁切換弁９５は、内部のスプール弁体が各油圧通路９１，９２と供給通路９３及びドレン通路９４ａ，９４ｂとを相対的に切り換え制御するようになっている。
前記ＥＣＵ１１４は、前記電磁切換弁９５を駆動する電磁アクチュエータ９９に対する通電量を、ディザ信号が重畳されたデューティ制御信号に基づいて制御する。
例えば、電磁アクチュエータ９９にデューティ比０％の制御信号（ＯＦＦ信号）を出力すると、オイルポンプ４７から圧送された作動油は、第２油圧通路９２を通って遅角側油圧室８３に供給されると共に、進角側油圧室８２内の作動油が、第１油圧通路９１を通って第１ドレン通路９４ａからオイルパン９６内に排出される。

従って、遅角側油圧室８３の内圧が高、進角側油圧室８２の内圧が低となって、回転部材５３は、ベーン７８ａ〜７８ｂを介して最遅角側に回転し、この結果、吸気バルブ１０５のバルブタイミング（開時期及び閉時期）が遅くなる（最遅角タイミングとなる）。
一方、電磁アクチュエータ９９にデューティ比１００％の制御信号（ＯＮ信号）を出力すると、作動油は、第１油圧通路９１を通って進角側油圧室８２内に供給されると共に、遅角側油圧室８３内の作動油が第２油圧通路９２及び第２ドレン通路９４ｂを通ってオイルパン９６に排出され、遅角側油圧室８３が低圧になる。このため、回転部材５３は、ベーン７８ａ〜７８ｄを介して最進角側に回転し、これによって、吸気バルブ１０５のバルブタイミング（開時期及び閉時期）が早くなる（最進角タイミングとなる）。

また、本実施形態では、図３に示すように、吸気側カムシャフト１３４と共に回転する回転体４０１と、この回転体４０１の外周に近接配置された電磁式のギャップセンサ４０２とを備えている。
回転体４０１は直接又は他の部材を介して間接的に吸気カムシャフト１３４に固定されており、その外周は、図３に示すように、吸気側カムシャフト１３４の中心からの距離が周方向で徐々に変化するよう形成されている。ギャップセンサ４０２は、吸気側カムシャフト１３４と回転に伴って変化する回転体４０１の外周とのギャップＧｐに応じた信号（電圧）をＥＣＵ１１４に出力する。なお、回転体４０１は、吸気側カムシャフト１３４と共に回転するように設けられていれば、その固定方法や固定位置等は問わず、また、ギャップセンサ４０２は、回転体４０１の外周とのギャップＧｐに応じた信号を連続的に出力できればいずれの方式のものであってもよい。

ここで、ギャップセンサ４０２からの出力は、図４に示すように、回転体４０１の外周とのギャップに対してほぼ正比例の関係にあり、また、ギャップと吸気側カムシャフト１３４の回転角度とは１対１で対応するため、ギャップセンサ４０２の出力と吸気側カムシャフト１３４の回転角度とは、図５に示すように、ほぼ正比例の関係となる。従って、ＥＣＵ１１４は、ギャップセンサ４０２からの出力信号に基づいて瞬時に吸気側カムシャフト１３４の回転角度（カム角）を検出することができる。

すなわち、本実施形態においては、（１）クランク角センサ１１７及びカムセンサ１３２の出力信号に基づいて、吸気側カムシャフト１３４の回転周期毎に、クランクシャフト１２０に対する吸気側カムシャフト１３４の回転位相（吸気バルブ１０５のバルブタイミング）を検出できると共に（以下、第１回転位相検出手段という）、（２）クランク角センサ１１７及びギャップセンサ４０２の出力信号に基づいて、任意のタイミングで前記回転位相（吸気バルブ１０５のバルブタイミング）を検出することができる（以下、第２回転位相検出手段という）。

具体的には、第１回転位相検出手段は、基準クランク角信号ＲＥＦの発生からカム信号ＣＡＭの発生までの単位角度信号ＰＯＳをカウントすることで前記回転位相を検出（算出）し、第２回転位相検出手段は、ギャップセンサ４０２の出力信号に基づいて検出した吸気側カムシャフト１３４の回転角度と、基準クランク角信号ＲＥＦの発生から吸気側カムシャフト１３４の回転角度検出までの単位角度信号ＰＯＳをカウントすることで検出したクランクシャフト１２０の回転角度とから前記回転位相を検出（算出）する。なお、本実施形態において、クランク角センサ１１７が第１回転位置検出手段に、回転体４０１及びギャップセンサ４０２が第２回転位置検出手段に、第２回転位相検出手段が開閉タイミング検出手段及び回転位相検出手段に相当する。

このように、２つの回転位相検出手段を備えることにより、例えば、高回転時には前記第１回転位相検出手段により安定かつ正確にクランクシャフト１２０に対する吸気側カムシャフト１３４の回転位相を検出すると共に、バルブタイミング制御等の実行周期よりも第１回転位相検出手段による回転位相の検出周期の方が長くなる低回転時には、前記第２回転位相検出手段により前記回転位相を検出することで、制御性の悪化を防止できる。

ところで、本実施形態におけるＶＴＣ１１３では、機関始動に最適な吸気バルブ１０５のバルブタイミング（始動時タイミング）が前記最遅角タイミングよりも進角側に設定されている。これは、機関始動時においては始動性を損なわないバルブタイミングとして良好な始動性を確保しつつ、高回転時においてはバルブタイミングをより遅角させて出力の向上を図れるようにするためである。機関停止時には吸気バルブ１０５のバルブタイミングは前記最遅角タイミングとなっているから、機関の始動時には、バルブタイミングを最遅角タイミングから始動時タイミングへと速やかに（進角）制御する必要がある。

このため、ＥＣＵ１１４は、機関のクランキング時、つまり、キースイッチ（イグニッションスイッチ）の操作によって始動モータがＯＮされているときに、前記第２回転位相検出手段により実バルブタイミングを検出し、この実バルブタイミングを始動時タイミングに一致させるようＶＴＣ１１３（の電磁アクチュエータ９９）を制御する。
しかしながら、機関始動時はオイルポンプ４７の吐出圧が低いため、ＶＴＣ１１３によるバルブタイミングの変更速度が遅くなって、最遅角タイミングから始動時タイミングに到達するまでの遅れが生じるおそれがある。このような状態、すなわち、始動時タイミングに到達する前に燃料噴射及び点火が行われて初爆が生じてしまうとミッションの悪化、燃焼の不安定を招くことになるため、これを回避する必要がある。

そこで、本実施形態においては、クランキングが行われている間に吸気バルブ１０５のバルブタイミングを始動に適した始動時タイミングに制御すると共に、吸気バルブ１０５のバルブタイミングが始動時タイミングとなるまでの間は燃料の噴射を禁止するようにしている。
図６は、機関始動時の燃料噴射制御を示すフローチャートである。このフローは、始動モータがＯＮされると開始される。

Ｓ１１では、気筒判別が終了したか否かを判定する。かかる気筒判別は、例えば、気筒判別信号として各気筒に応じて異なる数のパルス列が出力されるようにしておき、基準クランク角信号ＲＥＦ間のパルス列を計数することにより行う。気筒判別が終了していればＳ１２に進み、終了していなければＳ１５に進む。
Ｓ１２では、吸気バルブ１０５の実際のバルブタイミング（実バルブタイミング、実回転位相）を検出する。かかる検出は、クランク角センサ１１７及びギャップセンサ４０２の出力信号に基づいて、すなわち、前記第２回転位相検出手段により行う。

Ｓ１３では、検出した実バルブタイミングが始動時タイミングに到達しているか否かを判定する。実バルブタイミングが始動時タイミングに到達していればＳ１４に進み、燃料噴射を許可して本フローを終了する。これにより、始動時燃料噴射が開始され、以降、通常の燃料噴射制御が実行される。一方、始動時タイミングに到達していなければＳ１５に進み、燃料噴射をキャンセルして（禁止して）本フローを終了する。

以上により、吸気バルブ１０５のバルブタイミングを始動時に適した始動時タイミングに制御して始動性を向上させつつ、始動時タイミングとなるまでは燃料噴射が禁止されて、エミッションの悪化や燃焼の不安定を防止できる。
なお、以上では、吸気バルブ１０５にＶＴＣ１１３を備えたものについて説明したが、排気バルブ１０７側にＶＴＣ１１３を備えた場合であっても同様であり、この場合、機関始動時に排気バルブ１０７のバルブタイミングを（排気バルブ用）始動時タイミングに制御すると共に、始動時タイミングとなるまでは燃料の供給（燃料噴射）を禁止することになる。

また、クランクシャフト１２０に対する吸気側カムシャフト１３４の回転位相を任意のタイミングで検出できれば、前記第２回転位相検出手段に限るものではなく、また、吸気側カムシャフト１３４の回転周期よりも短い周期で前記回転位相を検出するもので代用してもよい。
また、ＶＴＣ１１３は油圧式のものに限らず、例えば、電磁式（電磁ブレーキの制動力によって回転位相を変化させる構成）のものであってもよい。

ここで、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術思想について、以下にその効果と共に記載する
（イ）請求項３記載の内燃機関の制御装置において、
前記第２回転位置検出手段は、カムシャフトと共に回転し、カムシャフトの中心から外周までの距離が周方向で変化する回転体と、該回転体の外周に近接配置され、回転体の外周との間に形成されるギャップに応じた信号を出力するギャップセンサと、を備えることを特徴とする。

このようにすると、カムシャフトの回転に伴って回転体の外周とギャップセンサと間に形成されるギャップが変化するため、比較的簡単な構成としつつ、ギャップセンサの出力信号に基づいてカムシャフトの回転位置（回転角度）を迅速かつ正確に検出することができる。

本実施形態に係る内燃機関のシステム構成図である。本実施形態に係る可変バルブタイミング機構を示す図（断面図）である。第２回転位置検出手段を構成する回転体４０１とギャップセンサ４０２とを説明する図である。ギャップセンサのギャップ−出力特性を示すグラフである。ギャップセンサの出力−カム角（回転位置）特性を示すグラフである。始動時燃料噴射制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１０１…内燃機関、１０５…吸気バルブ、１１３…ＶＴＣ（可変バルブタイミング機構）、１１４…エンジンコントロールユニット、クランク角センサ…１１７、１２０…クランクシャフト、カムセンサ…１３２、１３４…吸気側カムシャフト、４０１…回転体、４０２…ギャップセンサ

Claims

機関の吸気バルブ又は排気バルブの開閉タイミングを変化させる可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関の制御装置であって、
機関始動時に、前記開閉タイミングを機関停止中の状態から始動時タイミングへと制御すると共に、前記始動時タイミングとなるまでは燃料の供給を禁止することを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記開閉タイミングを連続して検出可能な開閉タイミング検出手段を備え、
前記開閉タイミング検出手段により検出した開閉タイミングが前記始動時タイミングとなるまで燃料の供給を禁止することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置
前記可変バルブタイミング機構は、機関のクランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を変化させることで、前記開閉タイミングを変化させる構成であり、
前記開閉タイミング検出手段は、前記クランクシャフトの回転位置を検出する第１回転位置検出手段と、前記カムシャフトの回転位置を検出する第２回転位置検出手段と、前記第１回転位置検出手段及び前記第２回転位置検出手段の出力信号に基づいて前記クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を検出する回転位相検出手段と、を備え、
少なくとも前記第２回転位置検出手段は、前記カムシャフトの回転位置に応じて異なる信号を出力することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の制御装置。