JP2005291118A - バルブ開特性調整装置を備えた内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
バルブ開特性調整機構によって生じる気筒群間の空燃比のずれをバルブ開特性の差から予め求めて補正する内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】
吸気バルブ及び／又は排気バルブ開特性調整装置を備えた複数の気筒群を持つ内燃機関の制御装置において、該制御装置は、気筒群毎に前記バルブの実位相を算出する手段と、前記内燃機関の全気筒の吸入空気量を求める手段とを有し、前記バルブの実位相から気筒群毎の充填率を求め、充填率から各気筒群の吸入空気量の分配比率を求めることにより、各気筒群の燃料噴射量を補正する。
【選択図】図４

Description

この発明は内燃機関の運転中に吸気バルブ又は排気バルブの少なくともいずれか一方のバルブ開特性を制御するバルブ開特性調整装置に係り、詳しくは各気筒を複数の気筒群に分けて配置してなる内燃機関における制御装置に関するものである。

従来、バルブ開特性調整装置を備えた内燃機関の制御装置として、気筒群ごとにバルブ開特性が異なることにより各気筒群間の吸入空気量差を生じる場合に、各気筒群の吸気管圧力が等しくなるようバルブ開特性調整量を制御して気筒群間の燃焼状態を等しくすることが行われている（例えば特許文献１参照）。

ところで気筒群毎に個々にバルブ開特性調整装置を備えている場合、単にその気筒群毎にバルブ開特性調整装置を同一に制御するだけでは、気筒群毎の応答性の違いにより気筒群間の吸入空気量に差が発生し、燃焼不良による振動や、空燃比が理論空燃比からずれることによる排気ガス悪化の問題が生ずる。

また、気筒群毎に異なったバルブ開特性として運転するべく各気筒群のバルブ開特性調整装置を独立して制御する内燃機関の場合も同様に、各気筒群間の吸入空気量に差が発生し、燃焼不良による振動や、空燃比が理論空燃比からずれることによる排気ガス悪化の問題が生ずる。

特開平６−２２９２１２号公報

すなわち、複数の気筒群を持つ内燃機関の場合、気筒群毎に作動油経路が異なることによる油圧の移送遅れの違いや、動弁機構部品の加工精度のばらつきに起因する摩擦力の違いにより各気筒群間のバルブ開特性調整装置の動作速度が異なるため、各気筒群間のバルブ開特性に過渡的な違いが発生し、各気筒群間の吸入空気量差を生じる場合がある。

また、内燃機関のポンプ損失を減らすために一部の気筒群の吸入空気量を減らすべくバルブ開特性を制御する場合も同様に、各気筒群間の吸入空気量差を生じる。このような場合に、全ての気筒群に対して同様の燃料噴射を行えば、トルク変動が発生し、空燃比が目標値からずれるとともに、排気ガス悪化の問題がある。

これらの問題を解決するため、従来は気筒群毎に独立した吸気管と、吸気管毎に吸入空気量を検出する装置を設け、気筒群毎に吸入空気量を求める手段が存在しているが、気筒群毎に吸気管および吸入空気量検出装置を設置すれば、制御装置の複雑化や製品コストの増加を招くなどの欠点がある。

この発明の目的は複数の気筒群と、各気筒群が共有する吸気管とを持つ内燃機関において、各気筒群間のバルブ開特性が異なる場合、気筒群毎に該気筒群のバルブ開特性から燃料噴射量の補正を行うことにより、トルク変動を抑制し、空燃比を目標値に近付けるとともに排気ガス悪化を抑止することができる内燃機関の制御装置を提供することにある。

請求項１に記載の内燃機関の制御装置は、複数気筒エンジンの各気筒がクランクシャフトを中心に複数位置に分けて配置されてなる各気筒群と、
前記各気筒群における吸気バルブまたは排気バルブのいずれか一方または両方に対するバルブ開特性を可変するバルブ開特性調整装置と、
前記各気筒群におけるバルブ開特性を同位相または別位相で制御すべく前記エンジンの運転状態に応じて前記バルブ開特性調整装置を駆動制御する駆動制御手段とを備えており、
前記バルブ開特性調整装置によって検出された前記各気筒群のバルブ開特性調整量を、前記各気筒群に噴射する燃料量を求める手段として利用することを特徴とする。

このように、内燃機関の気筒群毎のバルブ開特性に応じて該気筒群に噴射する燃料量を適正に算出することにより、トルク変動および排気ガス悪化を防止することができる。

請求項２に記載の内燃機関の制御装置は、複数気筒エンジンの各気筒がクランクシャフトを中心に複数位置に分けて配置されてなる各気筒群と、
前記エンジンの全気筒の吸入空気量を計測する吸入空気量検出手段と、
前記各気筒群における吸気バルブまたは排気バルブのいずれか一方または両方に対するバルブ開特性を可変するバルブ開特性調整装置と、
前記各気筒群におけるバルブ開特性を同位相または別位相で制御すべく前記エンジンの運転状態に応じて前記バルブ開特性調整装置を駆動制御する駆動制御手段とを備えており、
前記全気筒の吸入空気量と前記バルブ開特性調整装置によって検出された前記各気筒群のバルブ開特性調整量とにより前記各気筒群の吸入空気量を求めることを特徴とする。

このように、内燃機関の気筒群毎のバルブ開特性に応じてその気筒群の吸入空気量を求めることにより、気筒群毎の吸入空気量から求められる該気筒群に噴射する燃料量が適正な値となりトルク変動および排気ガス悪化を防止することができる。

請求項３に記載の内燃機関の制御装置は、請求項２に記載の構成に対して前記各気筒群のバルブ開特性調整量より前記各気筒群の吸気充填率をそれぞれ求めることにより前記各気筒群の吸入空気量をそれぞれ求めることを特徴とする。

このように、気筒群毎に吸入空気量検出装置を設けなくとも、気筒群毎のバルブ開特性調整量より気筒群毎に吸気充填率を求め、それらの吸気充填率と全気筒の吸入空気量から気筒群毎の吸入空気量を求めることができる。

請求項４に記載の内燃機関の制御装置は、請求項１〜３のいずれか記載の構成に対して、前記バルブ開特性調整装置の調整量を前記気筒群ごとにそれぞれ独立して制御することを特徴とする。

このように、気筒群毎に吸入空気量または燃料噴射量を求めることが可能な内燃機関では、気筒群毎にバルブ開特性を独立に制御することができ、内燃機関のポンプ損失を低減して燃費向上の効果を得ることができる。

以上の説明から理解されるように、本発明に係る内燃機関の制御装置は、気筒群毎にバルブ開特性調整装置の調整量が異なっている状態でも、その調整量から気筒群毎に燃料噴射量を算出して空燃比を好適に制御することが可能になる。

そのため、トルク変動が抑制されて運転性が向上するほか、排気ガスの悪化を防止することが可能になるという優れた効果を奏する。

以下、図面により本発明に係るバルブ開特性調整装置を備えた内燃機関の制御装置の一実施形態について詳細に説明する。

図１は、本実施形態のバルブ開特性調整装置を備えた内燃機関の全体のシステム構成を示したものである。

この実施の形態では多気筒Ｖ型内燃機関１の各気筒は、クランクシャフト２を共有する気筒群３，４に配置され、気筒群３に含まれる各気筒は、吸気カムシャフト５，排気カムシャフト１２を共有し、気筒群４に含まれる各気筒は、吸気カムシャフト６，排気カムシャフト１３を共有している。

気筒群３，４はそれぞれ同数の気筒により構成される。

各気筒群３，４に設けられた吸気カムシャフト５，６の一端には、同カムシャフト５，６によって開閉動作される吸気バルブ１６，１７の開閉タイミングを可変にする位相可変カムプーリ７，８がそれぞれ設けられている。

この位相可変カムプーリは、連続位相可変型とされている。

各気筒群３，４に設けられた排気カムシャフト１２，１３の一端には、位相が変化しないカムプーリ１４，１５がそれぞれ設けられている。

クランクシャフト２にはクランクプーリ４０が固定されている。

位相可変カムプーリ７，８，カムプーリ１４，１５はタイミングベルト１０を介しクランクプーリ４０によって駆動される。

テンショナプーリ１１はタイミングベルト１０に張力を付加し、クランクプーリ４０による位相可変カムプーリ７，８，カムプーリ１４，１５の駆動を補助する。各位相可変カムプーリ７，８には、油圧によって駆動されるアクチュエータが内蔵されている。

位相可変カムプーリの構造については周知であるため説明を省略する。

クランクシャフト２またはモータの回転力によって駆動されるオイルポンプ４６は内燃機関の下部よりオイル４５を吸い上げ、オイル通路４８に油圧を供給する。オイルコントロールバルブ（ＯＣＶ）３５，３６は位相可変油圧通路４９，５０を介してオイル通路
４８に供給された油圧を各位相可変カムプーリ７，８に供給する。

位相可変油圧通路４９，５０はそれぞれ位相可変カムプーリの図示しない進角室と遅角室につながる２本の油圧通路から構成されており、進角室と遅角室のどちらか一方にのみ油圧が供給される場合は、もう一方のオイルはＯＣＶを介して図示しないドレーン通路に排出され、内燃機関下部に戻される。

位相可変カムプーリ７，８は油圧の供給を受けて吸気カムシャフト５，６に回転方向の作動を生じさせ、クランクシャフト２に対して吸気カムシャフト５，６の位相が変化する。

クランクシャフト２には、クランクシャフト２の回転位置および回転速度（すなわち、内燃機関１の回転速度ＮＥ）を検出するためのクランク角センサ３２が設けられている。

吸気カムシャフト５，６の回転位置をそれぞれ求めるためのカム角センサ３３，３４が吸気カムシャフト５，６に設けられている。

クランク角センサ３２とカム角センサ３３の出力信号の位相差により気筒群３の実吸気カムシャフト位相ＶＴＡおよび吸気バルブ１６の実開閉タイミングが求められる。

クランク角センサ３２とカム角センサ３４の出力信号の位相差により気筒群４の実吸気カムシャフト位相ＶＴＢおよび吸気バルブ１７の開閉タイミングが求められる。

また、前記気筒群３，４の各気筒の燃焼室には吸気管９および排気管２０，２１が連通して設けられている。

吸気管９の燃焼室に開口する吸気ポートには、開閉用の吸気バルブ１６，１７が組付けられている。

また、排気管２０，２１の燃焼室に開口する排気ポートには、開閉用の排気バルブ１８，１９が組付けられている。

吸気管９にはエアクリーナ３９を介して外気が導入される。

また、吸気管９にはその吸気ポートの近傍において燃料噴射用のインジェクタ２８，
２９が設けられ、燃料配管３０，３１に供給された燃料が吸気ポートに取り込まれるようになっている。

吸気管９の途中には、スロットルバルブ３８が設けられている。

そして、このスロットルバルブ３８が開閉されることにより、吸気管９への吸入空気量が調節される。

さらに、スロットルバルブ３８よりも上流側には、吸気管９に取込まれる吸入空気量Ｑを検出する周知のエアフローセンサ３７が設けられている。

吸気管９は気筒群３，４に共有され、スロットルバルブ３８を通過した吸入空気は気筒群３または気筒群４へと分配される。

スロットルバルブの開度ＴＨはスロットル開度センサ５２によって検出される。一方、排気管２０,２１の途中に設けられた空燃比センサ２４,２５は、排気ガス中の成分から空燃比に応じた信号を出力し、気筒群３，４の吸入空気量に対する燃料の過不足状態ＡＦＡ，ＡＦＢが求められる。

気筒群３，４の燃焼室には点火プラグ２６，２７が設けられている。

また、気筒群３，４の燃焼室には、コネクティングロッド４３，４４を介してクランクシャフト２に駆動されて往復動作するピストン４１，４２が設けられる。これら点火プラグ２６，２７，クランクシャフト２，コネクティングロッド４３，４４，ピストン４１，４２の動作については周知であるので説明は省略する。この実施の形態では前記各種センサ等２４，２５，３２〜３４，３７，５２の各信号がエンジンコントロールユニット
（ＥＣＵ）５１に入力され、内燃機関１の運転状態が検出される。

ＥＣＵ５１は前記検出された運転状態に基づき、インジェクタ２８，２９およびＯＣＶ３５，３６を制御する。

また、ＥＣＵ５１は図示しない点火回路を介して点火プラグ２６，２７を制御する。

ＥＣＵ５１は図示しない入力回路，出力回路，演算装置，記憶装置を備える。

ＥＣＵ５１が備えるこれらの回路および装置の構成は周知のものとし、説明は省略する。

ＥＣＵ５１はカムシャフト位相制御量算出手段，カムシャフト位相制御手段，吸入空気量算出手段，吸入空気量補正手段，燃料噴射量算出手段，燃料噴射量補正手段，燃料噴射量制御手段を構成する。

以下、カムシャフト位相制御について説明する。

図２にカムシャフト位相制御の制御ブロック図を示す。

ＥＣＵ５１はＴＨ，ＮＥ，Ｌにより内燃機関１の運転状態を検出し、カムシャフト位相の制御目標値ＶＴを所定値に固定するか、またはＴＨ，ＮＥ，Ｌによって最適なバルブ開特性となるようＶＴの算出を行う。

そして、算出されたＶＴにＶＴＡ，ＶＴＢが一致するよう、ＯＣＶ３５，３６をフィードバック制御する。

ＯＣＶのフィードバック制御方法は周知であるので説明は省略する。

図３はカムシャフト位相制御に対する気筒群３，４の吸気カムシャフトの実位相を示したものである。

ＶＴが変化したとき、ＶＴＡとＶＴＢはそれぞれＶＴに近づくように動作するが、VTAとＶＴＢの変化速度には違いがあり、動作中は気筒群３，４の吸気カムシャフト位相に差が生じている。

これは機械配置上の制約などにより気筒群３と気筒群４が全く同様な構造となることはなく、また、構成部品の加工精度ばらつきによりカムシャフト位相制御に対する気筒群３と気筒群４のカムシャフト位相変化応答性が異なることにより発生するものである。

また、ＯＣＶおよびその駆動回路やハーネスの故障，油圧通路の詰まりによりカムシャフトの位相が制御不可能になる場合は、定常的に気筒群３と気筒群４のカムシャフト位相に差が生じる。

さらには、内燃機関１のポンプ損失を低減する目的で、吸入空気量を減らすべく気筒群３，４のうちいずれか一方の気筒群のみカムシャフト位相を所定値に制御する場合がある。

この場合も定常的に気筒群３と気筒群４のカムシャフト位相に差が生じる。

次に、気筒群毎に吸入空気量および燃料噴射量を求める方法を説明する。

図４に燃料噴射量制御のブロック図を示す。

図５に示されるように、ＶＴＡ，ＶＴＢによって各気筒群３，４の吸気バルブ開特性は変化する。

図５で示されるＳは吸入空気量が最大となるカムシャフト位相時のピストンストローク、Ａは吸気行程中で吸気バルブが開いているときのピストンストローク、Ｂは圧縮行程中で吸気バルブが開いているときのピストンストロークである。

各気筒群３，４の吸気充填率ＥはＳ，Ａ，Ｂを用いて以下に算出される。

（数１）
Ｅ＝｛Ａ・（Ｐｉ−Ｐｃ）＋Ｂ・（Ｐｃ−Ｐｉ）｝／Ｓ・（Ｐｉ−Ｐｃ）
ここで、Ｐｉは吸気管の圧力、Ｐｃは燃焼室の圧力である。

気筒群３の吸気充填率をＥＡ，気筒群４の吸気充填率をＥＢとすると、ＥＡ，ＥＢは該気筒群の吸気バルブ開特性を用いて（数１）のＥと同様に求められる。

また、ＥＡ，ＥＢはＶＴＡ，ＶＴＢをパラメータとするテーブルとして予め設定しておくことも可能であり、図６で示されるようなテーブルによって求めることもできる。

ＥＡ，ＥＢを用いれば、気筒群３，４に分配される吸入空気量の比率ＲＡ，ＲＢを以下の式に求めることができる。

（数２）
ＲＡ＝ＥＡ／（ＥＡ＋ＥＢ）
ＲＢ＝ＥＢ／（ＥＡ＋ＥＢ）
ここで、ＲＢはＲＡを用いると、ＲＢ＝１−ＲＡと表すことができる。

吸気管に取り込まれる吸入空気量ＱとＲＡを用いれば、気筒群３，４の吸入空気量ＱＡ，ＱＢは以下の式で求められる。

（数３）
ＱＡ＝Ｑ・ＲＡ
ＱＢ＝Ｑ・（１−ＲＡ）
ＥＣＵ５１は、ＱＡ，ＱＢと回転速度ＮＥを用いて以下の式により気筒群３，４の負荷ＬＡ，ＬＢを算出する。

（数４）
ＬＡ＝（ＱＡ／ＮＥ）
ＬＢ＝（ＱＢ／ＮＥ）
ＥＣＵ５１は、ＬＡ，ＬＢを用いて以下の式により気筒群３，４の燃料噴射量ＴＡ，
ＴＢを算出する。

（数５）
ＴＡ＝ＬＡ・Ｋ・ＧＡ
ＴＢ＝ＬＢ・Ｋ・ＧＢ
ここで、Ｋは目標空燃比と各気筒群の気筒数から求められる係数であり、ＧＡ，ＧＢはＡＦＡ，ＡＦＢと内燃機関の運転状態から算出された空燃比フィードバック制御補正係数である。

ＥＣＵ５１はＱとＮＥを用いて以下の式により内燃機関１の負荷Ｌを算出する。

（数６）
Ｌ＝Ｑ／ＮＥ
ＥＣＵ５１はＴＡ，ＴＢによって出力回路を駆動し、インジェクタ２８，２９より噴射される燃料の量を制御する。

以上、本発明のいくつかの実施例を備えた実施形態について詳述したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱することなく、設計において種々の変更ができるものである。
（１）前記実施形態では、吸気バルブのバルブ開特性調整装置を備えた内燃機関について記載したが、吸気バルブおよび排気バルブのバルブ開特性調整装置を備えた内燃機関であっても適用できるものであることは明らかである。
（２）前記実施形態においては、可変バルブタイミング調整装置に関して記載したが、可変バルブリフト制御装置であっても良いものである。
（３）前記実施形態では、吸入空気量を直接計測するエアフローセンサを採用しているが、吸気管の圧力と機関の回転速度を利用して吸入空気量を間接的に計測する手段を備えた内燃機関に適用することも可能である。
（４）前記実施形態では、油圧によってバルブ開特性が変化する構造を採用しているが、電磁力を利用してバルブ開特性を変化させる装置に適用することも可能である。
（５）前記実施形態では、吸気ポートを含む吸気管内に燃料を噴射する内燃機関について記載したが、燃焼室内に燃料を噴射する内燃機関に適用することも可能である。
（６）前記実施形態では、火花によって点火される内燃機関について記載したが、ディーゼルエンジン等自己着火の内燃機関に適用することも可能である。
（７）前記実施形態では、Ｖ型内燃機関について記載したが、水平対抗型内燃機関およびＷ型内燃機関など複数の気筒群を持つ内燃機関であればいずれにも適用することが可能である。

本発明の一実施形態のバルブ開特性調整装置を備えた内燃機関の全体のシステム構成図。 バルブ開特性調整装置の制御ブロック図。 カムシャフト位相の制御目標値が変化したときの実際のカムシャフト位相動作を表した図。 燃料噴射量制御のブロック図。 クランク角度とピストン位置に対するカムシャフト位相角とバルブ開度の関係図。 カムシャフト位相角に対する充填率をテーブルを用いて表した図。

符号の説明

１…内燃機関、２…クランクシャフト、３，４…気筒群、５，６…吸気カムシャフト、７，８…位相可変カムプーリ、９…吸気管、１０…タイミングベルト、１１…テンショナプーリ、１２，１３…排気カムシャフト、１４，１５…カムプーリ、１６，１７…吸気バルブ、１８，１９…排気バルブ、２０，２１…排気管、２２，２３…触媒、２４，２５…空燃比センサ、２６，２７…点火プラグ、２８，２９…インジェクタ、３０，３１…燃料配管、３２…クランク角センサ、３３，３４…カム角センサ、３５，３６…オイルコントロールバルブ（ＯＣＶ）、３７…エアフローセンサ、３８…スロットルバルブ、３９…エアクリーナ、４０…クランクプーリ、４１，４２…ピストン、４３，４４…コネクティングロッド、４５…オイル、４６…オイルポンプ、４７…オイル吸入通路、４８…オイル通路、４９，５０…位相可変油圧通路、５１…エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）、５２…スロットル開度センサ。

Claims (4)

1. 複数の気筒を有する内燃機関において、
   少なくとも吸気バルブ開特性調整装置は排気バルブ開特性調整装置のいずれかを有し、
   前記バルブ開特性調整装置の調整量検出手段とを備え、
   前記複数の気筒は２つ以上の気筒群に分けられ、
   前記調整量が前記気筒群によって異なる場合に
   前記調整量を用いて各気筒群に噴射する燃料量をそれぞれ求める手段を有する内燃機関の制御装置。
2. 複数の気筒を有する内燃機関において、
   全気筒の吸入空気量を計測する吸入空気量検出手段と、
   少なくとも吸気バルブ開特性調整装置は排気バルブ開特性調整装置のいずれかを有し、
   前記バルブ開特性調整装置の調整量検出手段とを備え、
   前記複数の気筒は２つ以上の気筒群に分けられ、
   前記調整量が前記気筒群によって異なる場合に
   前記全気筒の吸入空気量と前記バルブ開特性調整装置の調整量とを用いて各気筒群の吸入空気量をそれぞれ求める手段を有する内燃機関の制御装置。
3. 前記バルブ開特性調整装置の調整量を用いて前記各気筒群の吸気充填率を求めることにより前記各気筒群の吸入空気量をそれぞれ求めることを特徴とした請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記バルブ開特性調整装置の調整量を前記気筒群ごとに独立して制御することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
   

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