JP2005330911A - 内燃機関のノッキング制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】可変動弁機構を備える内燃機関において、ノッキングの判定結果にかかる信頼性の低下を抑制することのできる内燃機関のノッキング制御装置を提供する。
【解決手段】エンジン1は、吸気バルブ21のバルブ特性を可変とする可変動弁機構3を備える。電子制御装置7は、エンジン1に発生する振動を検出するノックセンサ79の出力信号に基づいてノッキング発生の有無を判定し、ノック判定の結果に基づいて機関制御量を変更する。このノック判定に際して、電子制御装置7はバルブ特性の変更に伴う混合気の燃焼状態の変化に対応させてノッキングの判定態様を変更する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、吸気バルブ及び排気バルブのうち少なくともいずれか一方のバルブ特性を可変とする可変動弁機構を備えた内燃機関のノッキング制御装置に関するものである。
吸気バルブや排気バルブの開閉タイミングやそのリフト量等といった、バルブ特性を可変とする可変動弁機構を備え、同バルブ特性を機関運転状態に応じて変更する内燃機関が知られている。
他方、内燃機関では通常、ノッキング発生の有無を判定するノッキング判定が行われ、その結果に応じて点火時期等の機関制御量を調整するノッキング制御が実施されている。このノッキング判定は、シリンダブロック等に配設された振動検出センサであるノックセンサを用いて行われ、各気筒の着火後におけるノックセンサの出力信号に基づき、ノッキング発生の有無が判定される。
ここで、上記可変動弁機構を備える内燃機関では、吸気バルブや排気バルブの閉弁時に発生する着座音の発生態様、例えばその発生時期、振動レベル、振動周波数等がバルブ特性の変更に伴って変化し、場合によってはこの着座音をノッキングとして検出してしまうおそれがある。そこで従来、可変動弁機構を備える内燃機関のノッキング制御装置では、このような着座音をノッキングとして検出してしまうことがないように、バルブ特性の変更に応じてノッキングの判定態様を変更するようにしている。
例えば特許文献1に記載のノッキング制御装置では、ノックセンサによって検出される機関の振動周波数をフィルタ処理し、ノッキングの発生を示す振動周波数を抽出するようにしているが、このフィルタ処理に際して抽出する振動周波数(以下、ノック検出周波数という)をバルブ特性の変更に応じて変化させるようにしている。そしてこれにより、バルブの着座に起因して発生する振動周波数をノッキングの振動周波数として誤判定しないようにしている。また、バルブ特性の変化に応じてノッキングの判定期間や判定レベルを変更するようにしたものも種々提案されている。
特開2002−221054号公報
ところで、吸気バルブや排気バルブのバルブ特性が変更されると吸気の吸入状態等が変化するため、混合気の燃焼状態も変化し、これによりノッキングの発生態様、例えばその発生時期やノッキングの振動レベル、あるいはノッキングによって発生する振動の周波数等も変化することがある。この点上記従来のノッキング制御装置では、吸気バルブや排気バルブの着座音がノック判定に与える影響についてはこれを好適に抑制することができるもの、このような燃焼状態の変化に起因するノッキング発生態様の変化には対応することができない。そのためバルブ特性が変更された場合に、ノッキングが発生していないにもかかわらずノッキング発生有りと判定されたり、ノッキングが発生しているにもかかわらずノッキング発生無しと判定されたりするおそれがある。すなわち、可変動弁機構を備える内燃機関で実施されるノッキングの判定結果についてその信頼性が低下し、ひいては機関制御量の調整に悪影響を与えるおそれがあり、更なる改善の余地を残すものとなっている。
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、可変動弁機構を備える内燃機関において、ノッキングの判定結果にかかる信頼性の低下を抑制することのできる内燃機関のノッキング制御装置を提供することにある。
以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項1に記載の発明は、吸気バルブ及び排気バルブのうち少なくともいずれか一方のバルブ特性を可変とする可変動弁機構を備えた内燃機関に適用されて、同内燃機関に発生する振動を検出するノックセンサの出力信号に基づいてノッキング発生の有無を判定するノック判定手段を備え、同ノック判定手段による判定結果に基づいて機関制御量を変更する内燃機関のノッキング制御装置において、前記ノック判定手段によるノッキングの判定態様を前記バルブ特性の変更に伴う混合気の燃焼状態の変化に対応させて変更する変更手段を備えることをその要旨とする。
同構成では、バルブ特性の変更に伴う混合気の燃焼状態の変化に対応させてノッキングの判定態様を変更するようにしている。そのため、上記バルブ特性の変更に伴ってノッキングの発生態様が変化する場合でも、その変化に応じてノッキングの判定態様は変更されるようになる。従って、上記バルブ特性が可変設定される内燃機関のノッキング発生を好適に検出することができ、もってノッキングの判定結果にかかる信頼性の低下を抑制することができるようになる。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の内燃機関のノッキング制御装置において、前記ノック判定手段は、所定のノック判定期間における前記ノックセンサの出力信号に基づいてノッキング発生の有無を判定し、前記変更手段は、前記バルブ特性の変更に伴う混合気の燃焼状態の変化に対応させて前記ノック判定期間を変更することをその要旨とする。
同構成によれば、ノック判定手段によるノック判定態様として、所定のノック判定期間における上記ノックセンサの出力信号に基づいてノッキング発生の有無が判定される。ここで同構成では、バルブ特性の変更に伴う混合気の燃焼状態の変化に対応させてノック判定期間が変更されるため、上記バルブ特性の変更に伴ってノッキングの発生時期が変化する場合でも、その変化に応じてノック判定期間は変更されるようになる。従って、上記バルブ特性が可変設定される内燃機関のノッキング発生を好適に検出することができ、もってノッキングの判定結果にかかる信頼性の低下を抑制することができるようになる。
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の内燃機関のノッキング制御装置において、前記ノック判定手段は、所定のノック判定レベルとノックセンサの出力信号との比較に基づいてノッキング発生の有無を判定し、前記変更手段は、前記バルブ特性の変更に伴う混合気の燃焼状態の変化に対応させて前記ノック判定レベルを変更することをその要旨とする。
同構成によれば、ノック判定手段によるノック判定態様として、所定のノック判定レベルとノックセンサの出力信号との比較に基づいてノッキング発生の有無が判定される。ここで同構成では、バルブ特性の変更に伴う混合気の燃焼状態の変化に対応させてノック判定レベルが変更されるため、上記バルブ特性の変更に伴ってノッキングの振動レベルが変化する場合でも、その変化に応じてノック判定レベルは変更されるようになる。従って、上記バルブ特性が可変設定される内燃機関のノッキング発生を好適に検出することができ、もってノッキングの判定結果にかかる信頼性の低下を抑制することができるようになる。
請求項4に記載の発明は、請求項1〜3のいずれかに記載の内燃機関のノッキング制御装置において、前記ノック判定手段は、所定の振動周波数における前記ノックセンサの出力信号に基づいてノッキング発生の有無を判定し、前記変更手段は、前記バルブ特性の変更に伴う混合気の燃焼状態の変化に対応させて前記振動周波数を変更することをその要旨とする。
同構成によれば、ノック判定手段によるノック判定態様として、所定の振動周波数における上記ノックセンサの出力信号に基づいてノッキング発生の有無が判定される。ここで同構成では、バルブ特性の変更に伴う混合気の燃焼状態の変化に対応させて上記振動周波数が変更されるため、上記バルブ特性の変更に伴ってノッキングの振動周波数が変化する場合でも、その変化に応じて振動周波数は変更されるようになる。従って、上記バルブ特性が可変設定される内燃機関のノッキング発生を好適に検出することができ、もってノッキングの判定結果にかかる信頼性の低下を抑制することができるようになる。
なお、上記可変とされるバルブ特性としては、請求項5に記載の発明によるように、バルブのリフト量、作用角、開弁時期、及び閉弁時期の少なくともいずれか1つである、といった構成を採用することができる。
請求項6に記載の発明は、請求項1〜5のいずれかに記載の内燃機関のノッキング制御装置において、前記変更される機関制御量は点火時期であり、前記ノック判定手段によってノッキングが発生している旨判定されたときには該点火時期を遅角補正することをその要旨とする。
請求項1〜5のいずれかに記載の構成によるノッキングの判定態様によれば、同ノッキングの判定結果にかかる信頼性の低下を抑制することができるようになる。そのため、上記請求項6に記載の構成を備えるノッキング制御装置によれば、点火時期の遅角補正を好適に実行することができるようになり、もってノッキングの発生も好適に抑制することができるようになる。
(第1の実施形態)
以下、本発明にかかる内燃機関のノッキング制御装置を具体化した一実施形態を、図1〜図12を併せ参照して説明する。
図1は、本実施形態の適用されるエンジン1の構成を示している。なお、本実施形態では、吸気ポートに燃料を噴射供給するポート噴射エンジンを想定しているが、燃焼室に燃料を直接噴射する筒内噴射エンジンに対しても本発明は同様に適用することができる。
<エンジンの構成>
エンジン1は、シリンダ11やピストン12等を有するエンジン本体1A、吸排気バルブ等を有するシリンダヘッド1H、及びエンジン1に設けられた吸気バルブのバルブ特性を可変とする可変動弁機構3等を備えて構成されている。
エンジン本体1Aにおいて、シリンダ11の内部には、ピストン12が往復動可能に設けられている。このピストン12は、コネクティングロッド13を介してクランクシャフトに連結されている。
シリンダ11の周囲には、エンジン1の冷却水を流通させるためのウォータジャケット11Wが形成されている。
エンジン1においては、シリンダ11の内周面、ピストン12の頂面、及びシリンダヘッド1Hにより囲まれた領域に燃焼室14が形成されている。
シリンダヘッド1Hには、吸入空気を燃焼室14内へ流入させるための吸気ポート1HI、及び排気を燃焼室14内から流出させるための排気ポート1HEが設けられている。
シリンダヘッド1Hの燃焼室14側には、混合気を点火するイグニッションプラグ15が配設されている。イグニッションプラグ15は、混合気の着火に必要な高圧電流を発生するイグナイタ15Iに接続されている。
吸気ポート1HIには、エンジン1外部から燃焼室14へ吸入空気を流通させるための吸気管1PIが接続されている。
吸気管1PIには、吸入空気を浄化するエアクリーナ16、及び吸入空気の流量を調整するスロットルバルブ17が配設されている。スロットルバルブ17は、スロットルモータ17Mによる弁軸の駆動を通じてその開度が変更される。
吸気ポート1HIは、シリンダヘッド1Hに配設された吸気側の機関バルブである吸気バルブ21を通じて開閉される。この吸気ポート1HIの吸気バルブ21よりも上流側には、同吸気ポート1HIへ燃料を噴射するインジェクタ18が設けられている。
排気ポート1HEには、燃焼室14からエンジン1外部へ排気を流通させるための排気管1PEが接続されている。この排気ポート1HEは、シリンダヘッド1Hに配設された排気側の機関バルブである排気バルブ22を通じて開閉される。
エンジン1の吸気バルブ21は、そのリフト量及び作用角といったバルブ特性が可変動弁機構3の駆動を通じて変更される。なお、作用角は吸気バルブ21の開弁期間、すなわちその開弁時期と閉弁時期とを決定するものである。
エンジン1は電子制御装置7により制御される。この電子制御装置7は、エンジン1の制御に係る各種処理を実行するCPU、制御用のプログラムやその制御に必要な情報を記憶するメモリ、外部との信号の入出力を司る入力ポート及び出力ポートを備えて構成されている。電子制御装置7の入力ポートには、エンジン1の運転状態を検出する以下の各センサが接続されている。
まず、エンジン水温センサ71は、エンジン1の冷却水の温度を検出する。クランク角センサ72は、クランクシャフトの回転位相(クランク角)を検出し、この検出信号に基づいてクランクシャフトの回転速度(機関回転速度NE)が算出される。エアフロメータ75は、エンジン1内に吸入された空気量(吸入空気量GA)を検出する。車速センサ76は、車両の駆動輪の回転速度を検出する。アクセルセンサ77は、車両のアクセルペダルの操作量(アクセル操作量ACCP)を検出する。スロットル開度センサ78は、スロットルバルブ17の開度(スロットル開度TA)を検出する。そしてエンジン1の気筒を構成するシリンダブロックに配設されたノックセンサ79は、シリンダブロックに伝達された振動が検出される。
電子制御装置7の出力ポートには、イグナイタ15I、スロットルモータ17M、インジェクタ18、及び可変動弁機構3の駆動機構等が接続されている。そして、電子制御装置7は、これら各装置を上記各センサによって検出される機関運転状態に基づいて制御する。
<可変動弁機構>
次に、可変動弁機構3の構成及び駆動態様について、図2〜図6を参照して説明する。
可変動弁機構3は、バルブ駆動機構4等を備えて構成されている。このバルブ駆動機構4の構成について、図2及び図3を参照して説明する。
図2に、可変動弁機構3の配設されたエンジン1上部の断面構造を示す。
エンジン1のシリンダヘッド1Hには、クランクシャフトに駆動連結された吸気カムシャフト23及び排気カムシャフト24が、回転可能に軸支されている。
排気カムシャフト24の下方には、ローラ26aを備えるローラロッカアーム26が配設されている。このローラ26aは、排気カムシャフト24に設けられた排気カム28に当接されており、排気カム28の回転位相に応じて同排気カム28からの押圧を受ける。
ローラロッカアーム26の一端は、シリンダヘッド1Hに固定されたラッシュアジャスタ29に支持され、もう一端は、排気バルブ22上端のタペット22aに当接されている。このローラロッカアーム26のタペット22a側の端部(タペット側端部26t)は、排気バルブ22の弁ばね22bによって付勢されている。これにより、ローラ26aは、排気カム28に常時当接される。
排気バルブ22は、上記態様をもって配設されたローラロッカアーム26を介して排気カム28の押圧を受け、常に一定のリフト量で開閉される。
一方、吸気バルブ21側においては、吸気カムシャフト23に設けられた吸気カム27とローラロッカアーム25との間に、上記可変機構を構成する可変動弁機構3(バルブ駆動機構4)が介設されている。
ローラロッカアーム25は、ローラ25aを備えて排気カムシャフト24の下方に配設されている。
ローラロッカアーム25の一端は、シリンダヘッド1Hに固定されたラッシュアジャスタ29に支持され、もう一端は、吸気バルブ21上端のタペット21aに当接されている。このローラロッカアーム25のタペット21a側の端部(タペット側端部25t)は、吸気バルブ21の弁ばね21bによって付勢されている。これにより、ローラ25aは、バルブ駆動機構4に常時当接される。
吸気バルブ21は、ローラロッカアーム25に加え、バルブ駆動機構4を介して吸気カム27の押圧が伝達されるようになっている。
バルブ駆動機構4は、シリンダヘッド1Hに固定された支持パイプ41と、同支持パイプ41に配設された入力部42及び揺動カム43とを備えて構成されている。
入力部42及び揺動カム43は、支持パイプ41上に同支持パイプ41の軸心を中心として揺動可能に配設された円筒状のハウジング42a、43aをそれぞれ備えている。なお、このバルブ駆動機構4では、エンジン1の気筒に設けられた2つの吸気バルブ21に対応して、1つの入力部42と2つの揺動カム43とが対になって設けられている。
入力部42のハウジング42aには、入力アーム42bが径方向に突出形成されている。
入力アーム42bの先端部には、吸気カム27に当接されるローラ42cが回転可能に軸支されている。また、入力アーム42bの先端部は、圧縮状態で配設されたばね44によって、ローラ42cが吸気カム27へ押しつけられるように付勢されている。
揺動カム43のハウジング43aには、出力アーム43bがその径方向に突出形成されている。この出力アーム43bの一面は、凹状に湾曲するカム面43cとなっている。
カム面43cは、ハウジング43aのベース円部分、即ち出力アーム43bが突出形成された部分以外のハウジング43aの外周面に連続して滑らかに接続されており、カム面43c及びハウジング43aのベース円部分は、ローラロッカアーム25のローラ25aに当接されている。
図3に、バルブ駆動機構4の斜視断面構造を示す。
バルブ駆動機構4には、入力部42を間に挟んで2つの揺動カム43が配設されている。
入力部42及び揺動カム43の各ハウジング42a、43aは、それぞれ中空円筒形状に形成されており、それらの内部には支持パイプ41が挿通されている。
入力部42のハウジング42a内周には、右ねじの螺旋状に形成されたヘリカルスプライン42dが形成されている。一方、揺動カム43のハウジング43a内周には、左ねじの螺旋状に形成されたヘリカルスプライン43dが形成されている。
入力部42及び2つの揺動カム43の各ハウジング42a、43aによって形成される一連の内部空間には、スライダギア45が配設されている。このスライダギア45は、略中空円柱状に形成されており、支持パイプ41上に、同支持パイプ41の軸方向に往復動可能、且つその軸回りに相対回動可能に外嵌されている。
スライダギア45の軸方向中央部の外周面には、右ねじの螺旋状に形成されたヘリカルスプライン45aが形成されている。このヘリカルスプライン45aは、入力部42のハウジング42a内周に形成されたヘリカルスプライン42dと噛合わされている。一方、スライダギア45の軸方向両端部の外周面には、左ねじの螺旋状に形成されたヘリカルスプライン45bがそれぞれ形成されている。このヘリカルスプライン45bは、揺動カム43のハウジング43a内周に形成されたヘリカルスプライン43dと噛合わされている。
スライダギア45外周のヘリカルスプライン45aと各ヘリカルスプライン45bとの間には、これらヘリカルスプライン45a、45bに比して小さい外径に形成された小径部45cがそれぞれ形成されている。一方の小径部45cには、周方向に延びる長穴45dが形成されている。
支持パイプ41の内部には、その軸方向へ摺動可能に挿通されたコントロールシャフト46が設けられている。このコントロールシャフト46は、スライドアクチュエータ50の作動により、支持パイプ41に対して軸方向(矢印の方向)へ往復動することが可能となっている。
このスライドアクチュエータ50には、電子制御装置7からの制御電圧によって制御される駆動用モータ51や、同駆動用モータ51の回転運動を直線運動に変換してコントロールシャフト46を移動させる機構等が備えられており、駆動用モータ51の回転位相Rの制御を通じてコントロールシャフト46の位置は制御される。
また、スライドアクチュエータ50には、コントロールシャフト46の位置、具体的には初期位置からの移動量を検出するための位置検出センサ55が配設されており、その検出データは電子制御装置7に入力される。すなわちこの位置検出センサ55によって可変動弁機構3の作動状態、換言すれば吸気バルブ21のバルブ特性は検出される。なお、本実施形態では、上記位置検出センサ55によって駆動用モータ51の回転位相Rを検出するようにしており、この回転位相Rの変更に伴って吸気バルブ21のバルブ特性、すなわちその作用角θは変化する。そこで本実施形態では、この回転位相Rに基づいて吸気バルブ21の作用角θを検出するようにしている。
先の図3に示したコントロールシャフト46には、係止ピン46aがその径方向に突出形成されている。この係止ピン46aは、支持パイプ41に形成されたその軸方向に延びる長穴を介して、上記長穴45dに挿通されている。これにより、支持パイプ41に対するスライダギア45の回動を許容しつつも、その軸方向への往復動に応じてスライダギア45を軸方向に移動させることができるようになっている。
以上のように構成されたバルブ駆動機構4では、スライドアクチュエータ50によるコントロールシャフト46の軸方向への移動に応じて、吸気バルブ21のリフト量及び作用角θを連続的に可変とすることができる。以下、図4及び図5を参照して、バルブ駆動機構4の作動態様について説明する。
まず、コントロールシャフト46を最大限までR方向(図3の矢印R方向)へ移動させた場合のバルブ駆動機構4の作動状態について、図4を参照して説明する。
図4(A)に、吸気カム27のベース円部分がバルブ駆動機構4の入力部42のローラ42cに当接しているときの状態を示す。
図4(A)の状態において、ローラロッカアーム25のローラ25aは、揺動カム43の出力アーム43bには当接されておらず、同出力アーム43bに隣接したハウジング43aのベース円部分に当接されている。
このとき、吸気バルブ21は吸気ポート1HIを閉じた状態となっている。
そして、吸気カムシャフト23が回転して吸気カム27のリフト部分が入力部42のローラ42cを押し下げると、入力部42が支持パイプ41に対して図4(A)の反時計回り方向(矢印の方向)に回動される。また、これにともなってスライダギア45及び揺動カム43が一体となって回動される。
これにより、揺動カム43の出力アーム43bに形成されたカム面43cがローラロッカアーム25のローラ25aに当接され、カム面43cの押圧によってローラ25aが押し下げられる。
図4(B)に、出力アーム43bのカム面43cがローラロッカアーム25のローラ25aに当接しているときの状態を示す。
ローラ25aがカム面43cを通じて押圧されることにより、ローラロッカアーム25がラッシュアジャスタ29との当接部を中心として揺動され、この揺動を通じて吸気バルブ21が開弁される。
コントロールシャフト46を最大限までR方向(図3の矢印R方向)へ移動させている場合、支持パイプ41の軸心回りにおける入力アーム42bと出力アーム43bとの相対位置は最も近い状態にある。これにより、吸気カム27が最大限に入力部42のローラ42cを押し下げた際におけるローラロッカアーム25のローラ25aの変位量が最大となるため、吸気バルブ21は最も大きい作用角及びリフト量で開閉されるようになる。
上記バルブ駆動機構4において、コントロールシャフト46がスライドアクチュエータ50によって軸方向に変位されると、それに連動してスライダギア45も軸方向に変位される。そして、その変位に応じて、スライダギア45とスプライン係合されている入力部42及び揺動カム43がスライダギア45に対して相対回動される。
このとき、入力部42と揺動カム43とは、ヘリカルスプラインの形成方向の違いにより、互いに反対方向に回動される。このため、支持パイプ41の軸心回りにおける入力アーム42bと出力アーム43bとの相対位置が変更されるようになる。
次に、コントロールシャフト46を最大限までL方向(図3の矢印L方向)へ移動させた場合のバルブ駆動機構4の作動状態について、図5を参照して説明する。
図5(A)に、吸気カム27のベース円部分が入力部42のローラ42cに当接しているときの状態を示す。このとき、揺動カム43におけるローラ25aの当接位置は、最大限までカム面43cから離れた位置にある。
そして、吸気カムシャフト23の回転により吸気カム27のリフト部分が入力部42のローラ42cを押し下げると、揺動カム43が入力部42と一体に回動される。ただし、この場合は、上述の如く図5(A)の状態での揺動カム43におけるローラ25aの当接位置が最大限までカム面43cから離れている分、カム面43cによるローラ25aの押し下げが開始されるまでの揺動カム43の回転量が、図4に示される作動状態に比べて大きくなる。また、吸気カム27のリフト部分の押し下げにともない、ローラ25aと当接されるカム面43cの範囲も、出力アーム43bの基端側の一部のみに縮小されるようになる。このため、吸気カム27のリフト部分によるローラ42cの押し下げに応じたローラロッカアーム25の揺動量は小さくなる。
図5(B)に、出力アーム43bのカム面43cがローラロッカアーム25のローラ25aに当接しているときの状態を示す。
同図5に示されるように、ローラロッカアーム25の揺動量が小さいことにより、吸気バルブ21はより小さいリフト量にて開弁されるようになる。
この場合、コントロールシャフト46を最大限までL方向(図3の矢印L方向)へ移動させているため、支持パイプ41の軸心回りにおける入力アーム42bと出力アーム43bとの相対位置は最も遠い状態にある。これにより、吸気カム27が最大限に入力部42のローラ42cを押し下げた際におけるローラロッカアーム25のローラ25aの変位量が最小となるため、吸気バルブ21は最も小さい作用角及びリフト量で開閉されるようになる。
このように可変動弁機構3(バルブ駆動機構4)では、支持パイプ41の軸心回りにおける入力アーム42bと出力アーム43bとの相対位置を変更してローラロッカアーム25の揺動態様を変更することにより、吸気バルブ21のリフト量及び作用角θ(吸気バルブ21の開弁期間)を図6に示すように連続的に可変とすることが可能となっている。なお、この可変動弁機構3では、吸気バルブ21の作用角θがそのリフト量の変更に伴って変更される。
可変動弁機構3による吸気バルブ21の作用角θの変更は、電子制御装置7による制御を通じて行われる。すなわち電子制御装置7は、作用角θの制御目標値である目標作用角を機関運転状態に応じて算出し、その目標作用角に対応させてコントロールシャフト46を移動させるべく、駆動用モータ51の制御電圧Vgを制御する。この制御電圧Vgは、位置検出センサ55によって検出される実際の上記回転位相Rと目標作用角に対応した目標回転位相との偏差に応じてフィードバック制御される。
なお、本実施形態では基本的に上記目標作用角を機関回転速度NE及び機関負荷L(吸入空気量GA、アクセル操作量ACCP、スロットル開度TA等から算出)に基づいて設定するようにしているが、上記作用角θを小さくして吸気バルブ21の閉弁時期を早めるほどポンピングロスを低減することができる。そこで、ポンピングロスの低減要求があるときには、同一の機関回転速度NE及び機関負荷Lであっても異なる目標作用角、より具体的には同要求がない場合と比較して、より小さい目標作用角が設定されるようにしている。
次に、電子制御装置7によるエンジン1の点火時期制御について説明する。
電子制御装置7は上記ノックセンサ79の検出結果に基づいて、各気筒でのノッキング発生の有無を判定するノック判定を行い、その結果に応じて点火時期を調整するノッキング制御を実施している。
詳しくは、ノック判定においてノッキングの発生有りとの判定がなされると、最終点火時期AOPを所定量遅角させ、ノッキングの発生無しとの判定がなされると、最終点火時期AOPを徐々に進角させる。最終点火時期AOPは、各気筒で点火を実施させる時期を、各気筒の圧縮上死点を基準としたクランク角(BTDC)で表したものであり、次式(1)に基づいて算出される。

AOP=ABASE−(AKMAX−AGKNK+AKCS) …(1)
AOP:最終点火時期
ABASE:基本点火時期
AKMAX:最大遅角量
AGKNK:ノッキング学習量
AKCS:フィードバック補正量

式(1)において、基本点火時期ABASEは、ノッキングが発生しないといった前提条件のもとで、最大機関出力が得られる点火時期である。また最大遅角量AKMAXは、基本点火時期ABASEについてこれをノッキングの発生が確実に防止できる遅角側の時期に補正するための補正量である。これら基本点火時期ABASE及び最大遅角量AKMAXは、機関回転速度NE及び機関負荷L等といった機関運転状態に基づいて設定される。
また、式(1)において、フィードバック補正量AKCS及びノッキング学習量AGKNKは、ノッキングの発生に応じて同ノッキングを抑制すべく最終点火時期AOPを遅角補正する補正量であって、ノッキング発生の有無に応じて増減する値である。
上記フィードバック補正量AKCSは、ノッキング発生有りのときには最終点火時期AOPを遅角側に移行させるように変更され、ノッキング発生無しのときには最終点火時期AOPを進角側に移行させるように変更される。
一方、ノッキング学習量AGKNKは、上記フィードバック補正量AKCSが予め定められた所定範囲内に収束するように変更される。そして、フィードバック補正量AKCSが上記所定範囲に対して最終点火時期AOPを遅角させる側に外れていれば、ノッキング学習量AGKNKは最終点火時期AOPを遅角側に移行させるように変更される。また、フィードバック補正量AKCSが上記所定範囲に対して最終点火時期AOPを進角させる側に外れていれば、ノッキング学習量AGKNKは最終点火時期AOPを進角側に移行させるように変更される。
電子制御装置7は、こうして算出される最終点火時期AOPにより示される時期にオンとなる点火信号を各気筒のイグナイタ19に出力し、点火を実施する。これにより、ノッキングの発生限界近傍に点火時期が調整される。
次に、上記ノッキング制御におけるノック判定について説明する。
図7は、本実施形態におけるノック判定態様を例示しており、円A内に示すノックセンサ79の出力信号(ノックセンサ信号)は、ノッキング発生時にノックセンサ79によって検出される出力信号(ノッキング信号)を示している。
ここで、ノックセンサ79は様々な機関振動を検出するため、その中からノッキング発生に起因する振動成分を抽出するべく、本実施形態ではノックセンサ79の出力信号をフィルタ処理するようにしている。このフィルタ処理では、ノックセンサ79の出力信号の中からノッキングの振動周波数を抽出するためのノック検出周波数Hを設定し、フィルタ処理されたノック検出周波数Hの振幅の大きさ、すなわちその振動レベルをノックセンサ79の出力信号としている。そして、ノック判定期間Tk中にサンプリングされたノックセンサ79の出力信号がノック判定レベルVkを越えているか否かに基づいてノック判定を行うようにしている。
ここで、ノッキング発生の有無を適切に判定するためには、ノッキングの発生態様、すなわちその発生時期、振動レベル、及び振動周波数等に対応させて上記ノック判定期間Tk、ノック判定レベルVk、及びノック検出周波数H等を設定する必要がある。そこで、本実施形態では、ノッキングの発生態様に関与する機関運転状態、すなわち機関回転速度NEや機関負荷Lに応じて上記ノック判定期間Tk、ノック判定レベルVk、及びノック検出周波数Hを設定するようにしている。
ところで、上記エンジン1は吸気バルブ21のバルブ特性、すなわちその作用角θを可変とする可変動弁機構3を備えている。そして、同作用角θが変更されると混合気の燃焼状態が変化し、これによりノッキングの発生態様も変化するようになる。そこで、本実施形態では作用角θといったバルブ特性の変更に伴う混合気の燃焼状態の変化に対応させてノッキングの判定態様、より具体的には上記ノック判定期間Tk、ノック判定レベルVk、及びノック検出周波数Hの設定態様を変更するようにしている。
図8は、本実施形態にかかるノック判定の処理手順を示している。同図8に示される一連の処理は、機関始動後にノッキング制御の開始条件が成立すると開始される。また、この処理は上記ノック判定手段、及び変更手段を構成している。
本処理が開始されると、まず、機関回転速度NE、機関負荷L、作用角θが読み込まれる(S100)。
次に、機関回転速度NE、機関負荷L、及び作用角θに基づき、図9に例示するノック検出周波数設定マップHMAPを参照して上記ノック検出周波数Hが設定される(S200)。このノック検出周波数設定マップHMAPは電子制御装置7のメモリに予め記憶されており、以下のように設定されている。
まず、吸気バルブ21の作用角θが変更されると混合気の燃焼状態が変化し、これによりノッキングの振動周波数が変化するようになる。そこで、このように変化するノッキングの振動周波数を的確に捉えるべく、ノック検出周波数設定マップHMAPは作用角θに対応した複数のマップが用意されている。また、機関回転速度NE及び機関負荷Lが変化するとノッキングの振動周波数も変化するため、作用角θに対応した個々のマップには機関回転速度NE及び機関負荷Lに対応したノック検出周波数Hが設定されている。
こうしてノック検出周波数Hが設定されると、次に、ゲート信号のオン時期及びオフ時期が設定される(S300)。このゲート信号は、ノック判定にかかるノックセンサ79の出力信号についてサンプリングを実施する期間を決定する信号であり、このゲート信号がオンとなっている期間がノック判定期間Tkとなる。
ここでのゲート信号のオン時期及びオフ時期の設定、すなわちノック判定期間Tkの設定は、機関回転速度NE、機関負荷L、及び作用角θに基づき、図10に例示するノック判定期間設定マップTkMAPを参照して行われる。このノック判定期間設定マップTkMAPは電子制御装置7のメモリに予め記憶されており、以下のように設定されている。
まず、吸気バルブ21の作用角θが変更されると混合気の燃焼状態が変化し、これによりノッキングの発生時期が変化するようになる。そこで、このように変化するノッキングの発生時期を的確に捉えるべく、ノック判定期間設定マップTkMAPは作用角θに対応した複数のマップが用意されている。また、機関回転速度NE及び機関負荷Lが変化するとノッキングの発生時期も変化するため、作用角θに対応した個々のマップには機関回転速度NE及び機関負荷Lに対応したノック判定期間Tkが設定されている。ちなみに、ノック判定期間Tkは、吸気バルブ21や排気バルブ22の着座音等が発生する時期を避けるようにも設定されている。
こうしてノック判定期間Tkの設定がなされると、以下のステップS400〜ステップS900の処理を通じて、各気筒毎にノック判定が実施される。
本実施形態では、ノック判定期間Tkにおけるノックセンサ79の出力信号の最大値をピークホールド値VKPEAKとし、このピークホールド値VKPEAKに基づいてノック判定が行われる。そしてそのピークホールド値VKPEAKの対数変換値LVPKが図11に示すような正規分布を示すとの前提に基づき、今回サンプリングされた対数変換値LVPKが同正規分布内でどのような位置にあるのかによってノッキング発生の有無を判定するようにしている。
さて、ゲート信号がオンとされ、ノック判定用のゲートがオープンされると(ステップS400:YES)、対象となる気筒のノックセンサ79の出力信号についてそのピークホールドが開始される(ステップS500)。すなわち、ゲート信号がオンとされてからのノックセンサ79の出力信号の最大値であるピークホールド値VKPEAKが求められる。
ゲート信号がオフとされて同ゲートがクローズされると(ステップS600:YES)、その時点でのピークホールド値VKPEAK、すなわちノック判定期間Tkにおけるノックセンサ79の出力信号の最大値が読み込まれる(ステップS700)。
そしてそのピークホールド値VKPEAKに基づいて、ノック判定レベルVkは更新される(ステップS800)。ここでのノック判定レベルVkの更新は、以下の態様で行われる。
まず、今回サンプリングされたピークホールド値VKPEAKの対数変換値LVpkに基づき、その対数変換値LVpkの分布傾向を示す分布パラメータ、すなわち先の図11に示される分布中央値Vm及び標準偏差値SGMの更新が行われる。ここでは、それらの更新は、次式(2)〜式(5)に基づき行われる。すなわちここでは、分布中央値Vm及び標準偏差値SGMの更新前の値を、今回サンプリングされたピークホールド値VKPEAKの対数変換値LVpkとの対比に基づき増減することで、分布中央値Vm及び標準偏差値SGMが概算により求められている。

(LVpk>Vmのとき)
Vm ← Vm+ΔM …(2)

(LVpk≦Vmのとき)
Vm ← Vm−ΔM …(3)

(Vm−SGM<LVpk<Vmのとき:LVpkが図8に示す領域Aにあるとき)
SGM ← SGM−2・ΔS …(4)

(LVpk≦Vm−SGM、またはLVpk≧Vmのとき:LVpkが図8に示す領域Bにあるとき)
SGM ← SGM+ΔS …(5)

なお、分布中央値Vmの更新量ΔMは、今回サンプリングされた対数変換値LVpkと更新前の分布中央値Vmとの差を所定値n1(例えば「4」)で除算した値とされている。また標準偏差値SGMの更新量ΔSは、分布中央値Vmの更新量ΔMを所定値n2(例えば「8」)で除算した値とされている。
ノック判定レベルVkは、こうして更新される分布中央値Vm及び標準偏差値SGM、及びu値に基づき次式(6)より求められる。

Vk=Vm+u×SGM …(6)

ここで上記u値は、ノック判定レベルVkを適切な値に設定するためのものであり、同u値が大きい値に設定されるほど、ノック判定レベルVkはより大きい値に設定される。
このu値の設定は、機関回転速度NE、機関負荷L、及び作用角θに基づき、図12に例示するu値設定マップuMAPを参照して行われる。このu値設定マップuMAPは電子制御装置7のメモリに予め記憶されており、以下のように設定されている。
まず、吸気バルブ21の作用角θが変更されると混合気の燃焼状態が変化し、これによりノッキングの振動レベルが変化するようになる。そこで、このように変化するノッキングの振動レベルに合わせてノック判定レベルVkが設定されるように、すなわち振動レベルが大きくなるほどノック判定レベルVkも大きい値に設定されるように、同u値設定マップuMAPは作用角θに対応した複数のマップが用意されている。また、機関回転速度NE及び機関負荷Lが変化するとノッキングの振動レベルも変化するため、作用角θに対応した個々のマップには機関回転速度NE及び機関負荷Lに対応したu値が設定されている。
こうしてノック判定レベルVkの更新がなされると、次に、ノック判定レベルVkと上記対数変換値LVpkとの比較を通じてエンジン1におけるノッキングの発生の有無が判定される(ステップS900)。すなわち、上記対数変換値LVpkが「ノック判定レベルVk<対数変換値LVpk」といった範囲にある場合には、エンジン1にノッキングが発生していると判定される。これとは逆に、上記対数変換値LVpkが「ノック判定レベルVk≧対数変換値LVpk」といった範囲にある場合には、エンジン1にノッキングが発生していないと判定される。
このように本実施形態では、機関運転状態の変化に伴うノッキング発生態様の変化に応じて、ノッキングの判定態様を変更するようにしている。特に吸気バルブ21の作用角θの変更に伴う混合気の燃焼状態の変化に対応させて同判定態様を変更するようにしている。そのため、上記可変動弁機構3を備えるエンジン1にあって、ノッキングの発生が的確に捉えられ、同ノッキングの判定結果にかかる信頼性の低下が抑制される。その結果、上述したような点火時期の遅角補正が好適に実行され、もってノッキングの発生も好適に抑制される。
以上説明したように、本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
(1)吸気バルブ21のバルブ特性を可変とする可変動弁機構3を備えたエンジン1についてノッキング発生の有無を判定するに際して、バルブ特性の変更に伴う混合気の燃焼状態の変化に対応させてノッキングの判定態様を変更するようにしている。そのため、上記バルブ特性の変更に伴ってノッキングの発生態様が変化する場合でも、その変化に応じてノッキングの判定態様は変更されるようになる。従って、上記バルブ特性が可変設定されるエンジン1のノッキング発生を好適に検出することができ、もってノッキングの判定結果にかかる信頼性の低下を抑制することができるようになる。
(2)ノック判定期間Tkにおけるノックセンサ79の出力信号に基づいてノッキング発生の有無を判定するようにしており、上記ノッキングの判定態様の変更について具体的には、バルブ特性(作用角θ)の変更に伴う混合気の燃焼状態の変化に対応させてノック判定期間Tkを変更するようにしている。そのため、上記バルブ特性の変更に伴ってノッキングの発生時期が変化する場合でも、その変化に応じてノック判定期間Tkは変更されるようになる。従って、上記バルブ特性が可変設定されるエンジン1のノッキング発生を好適に検出することができ、もってノッキングの判定結果にかかる信頼性の低下を抑制することができるようになる。
(3)ノック判定レベルVkとノックセンサ79の出力信号との比較に基づいてノッキング発生の有無を判定するようにしており、上記ノッキングの判定態様の変更について具体的には、バルブ特性(作用角θ)の変更に伴う混合気の燃焼状態の変化に対応させてノック判定レベルVkを変更するようにしている。そのため、バルブ特性の変更に伴ってノッキングの振動レベルが変化する場合でも、その変化に応じてノック判定レベルVkは変更されるようになる。従って、上記バルブ特性が可変設定されるエンジン1のノッキング発生を好適に検出することができ、もってノッキングの判定結果にかかる信頼性の低下を抑制することができるようになる。
(4)所定の振動周波数におけるノックセンサ79の出力信号に基づいてノッキング発生の有無を判定するようにしており、上記ノッキングの判定態様の変更について具体的には、バルブ特性(作用角θ)の変更に伴う混合気の燃焼状態の変化に対応させて上記所定の振動周波数、すなわちノック検出周波数Hを変更するようにしている。そのため、バルブ特性の変更に伴ってノッキングの振動周波数が変化する場合でも、その変化に応じてノック検出周波数Hは変更されるようになる。従って、上記バルブ特性が可変設定されるエンジン1のノッキング発生を好適に検出することができ、もってノッキングの判定結果にかかる信頼性の低下を抑制することができるようになる。
(5)ノッキングの判定結果に基づいて点火時期を遅角補正するようにしているが、上記ノック判定処理によれば、ノッキングの判定結果にかかる信頼性の低下が抑制される。そのため、点火時期の遅角補正を好適に実行することができるようになり、もってノッキングの発生も好適に抑制することができるようになる。
なお、上記実施形態は以下のように変更して実施することもできる。
・上記実施形態では、ノック判定時期Tk、ノック検出周波数H、ノック判定レベルVkを作用角θに基づいて設定するようにしたが、この他のバルブ特性、例えば、吸気バルブ21のリフト量、開弁時期、及び閉弁時期の少なくともいずれか1つに基づいて設定するようにしてもよい。
・上記実施形態ではノック判定時期Tk、ノック検出周波数H、及びu値をマップから求めるようにしたが、これらを関数式から求めるようにしてもよい。
・上記実施形態では作用角θに応じて、ノック判定時期、ノック検出周波数、及びノック判定レベル(u値)をそれぞれ変更するようにしたが、これらのうち少なくともいずれか1つを作用角θに応じて変更するようにしてもよい。この場合でも、バルブ特性の変更に伴うノッキングの発生態様の変化に応じて同ノッキングの判定態様は変更されるようになる。従って、バルブ特性が可変設定される内燃機関のノッキング発生を好適に検出することができ、もってノッキングの判定結果にかかる信頼性の低下を抑制することができるようになる。
・上記実施形態では位置検出センサ55によって駆動用モータ51の回転位相Rを検出するようにしたが、要は、可変動弁機構3によって変更される吸気バルブ21のバルブ特性を検出するようにすればよい。従って、駆動用モータ51によって回転される部材の回転位相を検出したり、コントロールシャフト46の位置、換言すればその移動量を検出したりするようにしてもよい。
・上記実施形態では、可変とされるバルブ特性が吸気バルブ21のリフト量及び作用角であった。しかしバルブのリフト量、作用角、開弁時期、閉弁時期のうち少なくともいずれか1つが可変とされる場合であっても本発明は同様に適用することができる。そしてこの場合であっても、可変とされるバルブ特性の変更に伴う混合気の燃焼状態の変化に対応させてノッキングの判定態様を変更することにより、同様な効果を得ることができる。
・上記実施形態では、いわゆるロッカアーム式の動弁系を備えるとともに、そのロッカアームの揺動態様を変更する可変動弁機構3を備えるエンジン1に本発明を適用した場合について説明した。他方、吸気バルブ21を吸気カムシャフト23により直接開閉駆動する直動式の動弁系と、吸気カムシャフト23の回転位相を変更する可変動弁機構、例えば吸気カムシャフト23とクランクシャフトとの相対位相を変更するベーン式やヘリカルギヤ式等の可変バルブタイミング機構とを備える内燃機関にも本発明は同様に適用することができる。また、ロッカアーム式の動弁系とこのような可変バルブタイミング機構とを備える内燃機関にも本発明は同様に適用することができる。これら可変バルブタイミング機構を備える場合には、吸気カムシャフト23の回転位相をセンサ等を用いて検出することにより、可変動弁機構(可変バルブタイミング機構)の作動状態、換言すれば吸気バルブ21のバルブ特性を検出することができる。
また、吸気カム27のカムプロフィールがカムシャフトの軸方向に変化する、いわゆる三次元カムとして形成されており、この三次元カムをカムシャフトの軸方向に移動させて吸気バルブのバルブ特性を変更する可変動弁機構であっても、本発明は同様に適用することができる。この場合には、三次元カムの移動量、換言すればその位置をセンサ等を用いて検出することにより、吸気バルブ21のバルブ特性を検出することができる。
・上記実施形態では点火時期を補正してノッキングの発生を抑制するようにしたが、この他の機関制御量、例えば吸入吸気量や燃料噴射量等を変更してノッキングの発生を抑制するノッキング制御装置にも本発明は同様に適用することができる。
・上記実施形態やその変形例において、排気バルブ22のバルブ特性を変更する場合や、吸気バルブ21及び排気バルブ22のバルブ特性を変更する場合であっても、本発明は同様に適用することができる。
本発明にかかる内燃機関のノッキング制御装置を具体化した一実施形態について、その全体構成を示す構成概略図。 同実施形態における可変動弁機構の構成を示す構成図。 同実施形態におけるバルブ駆動機構の構造を示す斜視断面図。 (A)及び(B)は、同実施形態におけるバルブ駆動機構の作動態様を示す動作図。 (A)及び(B)は、同実施形態におけるバルブ駆動機構の作動態様を示す動作図。 同実施形態の可変動弁機構によるバルブのリフト量及び作用角の可変設定態様を示す図。 同実施形態におけるノック判定態様を例示するタイムチャート。 同実施形態におけるノック判定の処理手順を示すフローチャート。 ノック検出周波数を設定するマップの概念図。 ノック判定期間を設定するマップの概念図。 ノック判定処理において設定される正規分布の一例を示すグラフ。 u値を設定するマップの概念図。
符号の説明
1…エンジン、1A…エンジン本体、1H…シリンダヘッド、1HE…排気ポート、1HI…吸気ポート、1PE…排気管、1PI…吸気管、3…可変動弁機構、4…バルブ駆動機構、7…電子制御装置、11…シリンダ、11W…ウォータジャケット、12…ピストン、13…コネクティングロッド、14…燃焼室、15…イグニッションプラグ、15I…イグナイタ、16…エアクリーナ、17…スロットルバルブ、17M…スロットルモータ、18…インジェクタ、19…イグナイタ、21…吸気バルブ、21a…タペット、21b…弁ばね、22…排気バルブ、22a…タペット、22b…弁ばね、23…吸気カムシャフト、24…排気カムシャフト、25、26…ローラロッカアーム、25a、26a…ローラ、27…吸気カム、28…排気カム、29…ラッシュアジャスタ、41…支持パイプ、42…入力部、42a…ハウジング、42b…入力アーム、42c…ローラ、42d…ヘリカルスプライン、43…揺動カム、43a…ハウジング、43b…出力アーム、43c…カム面、43d…ヘリカルスプライン、44…ばね、45…スライダギア、45a、45b…ヘリカルスプライン、45c…小径部、45d…長穴、46…コントロールシャフト、46a…係止ピン、50…スライドアクチュエータ、51…駆動用モータ、55…位置検出センサ、71…エンジン水温センサ、72…クランク角センサ、75…エアフロメータ、76…車速センサ、77…アクセルセンサ、78…スロットル開度センサ、79…ノックセンサ。

Claims (6)

  1. 吸気バルブ及び排気バルブのうち少なくともいずれか一方のバルブ特性を可変とする可変動弁機構を備えた内燃機関に適用されて、同内燃機関に発生する振動を検出するノックセンサの出力信号に基づいてノッキング発生の有無を判定するノック判定手段を備え、同ノック判定手段による判定結果に基づいて機関制御量を変更する内燃機関のノッキング制御装置において、
    前記ノック判定手段によるノッキングの判定態様を前記バルブ特性の変更に伴う混合気の燃焼状態の変化に対応させて変更する変更手段を備える
    ことを特徴とする内燃機関のノッキング制御装置。
  2. 前記ノック判定手段は、所定のノック判定期間における前記ノックセンサの出力信号に基づいてノッキング発生の有無を判定し、
    前記変更手段は、前記バルブ特性の変更に伴う混合気の燃焼状態の変化に対応させて前記ノック判定期間を変更する
    請求項1に記載の内燃機関のノッキング制御装置。
  3. 前記ノック判定手段は、所定のノック判定レベルとノックセンサの出力信号との比較に基づいてノッキング発生の有無を判定し、
    前記変更手段は、前記バルブ特性の変更に伴う混合気の燃焼状態の変化に対応させて前記ノック判定レベルを変更する
    請求項1または2に記載の内燃機関のノッキング制御装置。
  4. 前記ノック判定手段は、所定の振動周波数における前記ノックセンサの出力信号に基づいてノッキング発生の有無を判定し、
    前記変更手段は、前記バルブ特性の変更に伴う混合気の燃焼状態の変化に対応させて前記振動周波数を変更する
    請求項1〜3のいずれかに記載の内燃機関のノッキング制御装置。
  5. 可変とされる前記バルブ特性は、バルブのリフト量、作用角、開弁時期、及び閉弁時期の少なくともいずれか1つである
    請求項1〜4のいずれかに記載の内燃機関のノッキング制御装置。
  6. 前記変更される機関制御量は点火時期であり、前記ノック判定手段によってノッキングが発生している旨判定されたときには該点火時期を遅角補正する
    請求項1〜5のいずれかに記載の内燃機関のノッキング制御装置。
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