JP2006112231A - 内燃機関の吸気制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バルブリフト特性の設定として、燃費を重視した特性とトルク応答性を重視した特性の両立を図る。
【解決手段】燃費重視モード目標値演算部Ｂ２では、アクセル開度ＡＰＯと回転速度Ｎｅとに基づいて、燃費を重視した特性でもって、負圧制御弁目標開度ｔＴＶＯと目標作動角ｔＶＥＬと目標中心角ｔＶＴＣとを算出する。同様に、応答性重視モード目標値演算部Ｂ３では、トルク応答性を重視した特性でもって、それぞれを算出する。目標値選択部Ｂ４において、運転者により操作されるモード選択スイッチＢ１の入力に基づき、燃費重視モード目標値演算部Ｂ２もしくは応答性重視モード目標値演算部Ｂ３のいずれかの目標値が選択され、かつ、負圧制御弁および第１，第２可変動弁機構のアクチュエータへそれぞれ出力される。
【選択図】図１２

Description

この発明は、内燃機関のシリンダ内に吸入される吸入空気量を制御する吸気制御装置に関し、特に、吸気弁のバルブリフト特性の可変制御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の吸気制御装置に関する。

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、上述のように、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。
特開２００１−２６３１０５号公報

ところで、上記のように、２つの可変動弁機構を備え、機関運転状態に応じて吸気弁の作動角およびその中心角を互いに独立して可変制御する場合、要求トルクを実現し得る作動角と中心角との組み合わせは無数にあるが、通常は、その中で、燃費が最良となるように、各目標トルクに対し、目標作動角および目標中心角が設定されている。一般に、バルブリフトの中心角を上死点寄りの進角側に設定することで、内部排気還流が増大してポンプロスが低減する。つまり、燃費を向上させるためには、中心角をなるべく進角側に設定することが望ましい。

しかしながら、各目標トルクに対し、中心角がなるべく進角側となるように、目標作動角および目標中心角を設定したとすると、例えば、低負荷域から高負荷域まで加速したときに、概略の傾向として、中心角を進角側に保ちつつ作動角が優先的に増加し、作動角がある大きさとなった後に、中心角が遅角するような挙動を示すことになる。

従って、極端に言えば、２つの可変動弁機構が１つずつ順番に動くような形となり、しかも、実際には、運転状態が急に変化する過渡時に、２つの可変動弁機構がそれぞれ目標値に対しある程度の遅れをもって作動することから、トルク応答性が低くなる問題がある。

この発明に係る内燃機関の吸気制御装置は、内燃機関の吸気弁の作動角を連続的に変更可能な第１可変動弁機構と、上記作動角の中心角を連続的に変更可能な第２可変動弁機構と、目標トルクに応じて上記第１可変動弁機構および上記第２可変動弁機構を制御する可変動弁制御手段と、を備えており、これら２つの可変動弁機構により実現される吸気弁のリフト特性によって吸気量の制御が行われる。

そして、本発明では、上記可変動弁制御手段は、目標トルクに対し、燃費を重視した特性の目標作動角および目標中心角の設定と、トルク応答性を重視した特性の目標作動角および目標中心角の設定と、を含む少なくとも２つの設定を備えており、切換手段により選択された特性の設定に沿って、第１，第２可変動弁機構をそれぞれ制御するようになっている。

一般に、燃費を重視した特性つまり燃費重視モードでは、トルク応答性を重視した特性つまり応答性重視モードに比較して、同一目標トルクについて、中心角がより進角側に設定される。これにより、内部排気還流が増大してポンプロスが低減する。

上記切換手段は、例えば、運転者により操作されるモード選択スイッチから構成される。

あるいは、上記切換手段は、運転者のアクセル操作の変化から、適した運転モードを判別して、モードの切換を自動的に行うように構成することができる。例えば、アクセル操作が比較的緩やかに繰り返される場合には、燃費重視モードとし、急激なアクセル操作が行われる場合には、応答性重視モードとする。

本発明の一つの態様では、目標トルクがある範囲で増加する加速時に、燃費を重視した特性では、中心角を進角側に保ちつつ作動角が優先的に増加し、その後、中心角が遅角するように、それぞれの目標値が設定されている。

また、本発明の一つの態様では、目標トルクがある範囲で増加する加速時に、トルク応答性を重視した特性では、中心角を燃費を重視した特性よりも遅角側に保ちつつ、主に作動角が増加するように、それぞれの目標値が設定されている。

また、他の態様では、目標トルクがある範囲で増加する加速時に、トルク応答性を重視した特性では、中心角の遅角と作動角の増加とが、各可変動弁機構の応答速度に沿って同時に生じるように、それぞれの目標値が設定されている。

この発明によれば、吸気弁の作動角および中心角の制御を、燃費を重視した特性とトルク応答性を重視した特性とに選択的に切り換えることができ、状況に応じて、燃費の向上ならびにトルク応答性の向上を達成することができる。

図１は、この発明に係る内燃機関の吸気制御装置のシステム構成を示す構成説明図であって、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（ＶＥＬ）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（ＶＴＣ）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負圧制御弁２が設けられている。ここで、上記負圧制御弁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）を発生させるために用いられており、吸入吸気量の調整は、基本的に、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。

より詳しくは、低負荷側の領域（第１の領域）では、吸入負圧が一定（例えば−５０ｍｍＨｇ）となるように負圧制御弁２の開度（目標開度ｔＴＶＯ）が制御される。そして、この一定の負圧を発生させながらリフト特性の変更で実現できる最大負荷を要求負荷が超える高負荷側の領域（第２の領域）では、その限界となる点のリフト特性に固定され、負荷、例えばアクセル開度ＡＰＯの増加に伴い、負圧制御弁２の開度がさらに増加する。つまり、ある負荷までは比較的弱い吸入負圧を維持しつつ吸気弁３のリフト特性を変更することで吸入空気量の調整が行われ、全開領域に近い高負荷側の領域では、吸入負圧を減少させることによって、吸入空気量の調整が行われる。

これらの第１、第２可変動弁機構５、６および負圧制御弁２は、コントロールユニット１０によって制御されている。

また、燃料噴射弁８が吸気通路７に配置されており、上記のように吸気弁３もしくは負圧制御弁２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の領域では、第１、第２可変動弁機構５、６により吸入空気量を調整することによって制御され、第２の領域では、負圧制御弁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角度センサ１１からのアクセル開度信号ＡＰＯと、エンジン回転数センサ１２からのエンジン回転数信号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、燃料噴射量、点火時期、負圧制御弁目標開度（開度目標値）、第１可変動弁機構目標角度（作動角目標値）、第２可変動弁機構目標角度（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、負圧制御弁目標開度、第１可変動弁機構目標角度、第２可変動弁機構目標角度を実現するための制御信号を、負圧制御弁２のアクチュエータ、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。

図２は、上記実施例の構成において、第１可変動弁機構目標角度ｔＶＥＬ、第２可変動弁機構目標角度ｔＶＴＣおよび負圧制御弁目標開度ｔＴＶＯを算出する処理の概略的なフローチャートである。まず、アクセル開度ＡＰＯとエンジン回転数Ｎｅを読み込み（ステップ１１）、これらから定まる要求トルクに応じて、負圧制御弁目標開度ｔＴＶＯ、第１可変動弁機構目標角度ｔＶＥＬ、第２可変動弁機構目標角度ｔＶＴＣ、を、ステップ１２〜１４でそれぞれ算出する。

ここで、本実施例では、吸気弁リフト特性の制御モードとして、燃費を重視した特性の燃費重視モードと、トルク応答性を重視した特性の応答性重視モードと、を備えている。

図３は、燃費重視モードの特性を概略的に示したものであり、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（ＶＴＣ設定値：大）とし、内部排気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（ＶＥＬ設定値：大）側にする。上述した第１の領域内では、吸気負圧（Boost）を所定値に保つように、負圧制御弁開度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（ＶＴＣ設定値：小）とし、内部排気還流を減少させるとともに、作動角は大作動角（ＶＥＬ設定値：大）側で一定とする。上述した第２の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、負圧制御弁開度ＴＶＯが通常エンジンと同様に開いていくことになる。

これにより、アクセル開度ＡＰＯの増加に対して、バルブリフト特性は、概略、図４に矢印で示すように変化する。つまり、初期に作動角（リフト・作動角）が増加し、作動角が十分に大きくなった後に、そのまま徐々に遅角する。

図５は、応答性重視モードの特性の一例を概略的に示したものであり、この場合、低負荷側でも中心角は比較的遅角側つまり下死点寄り（ＶＴＣ設定値：小）となっており、この状態からアクセル開度ＡＰＯが増加すると、中心角は変化させずに、作動角のみを徐々に大作動角（ＶＥＬ設定値：大）とする。

これにより、アクセル開度ＡＰＯの増加に対して、バルブリフト特性は、概略、図６に矢印で示すように変化する。つまり、中心角が一定のまま、作動角（リフト・作動角）が増加する。

図７は、応答性重視モードの特性の異なる例を概略的に示したものであり、この場合、低負荷側からアクセル開度ＡＰＯが増加すると、中心角を遅角側つまり下死点寄り（ＶＴＣ設定値：小）へ徐々に変化させると同時に、作動角を徐々に大作動角（ＶＥＬ設定値：大）とする。

これにより、アクセル開度ＡＰＯの増加に対して、バルブリフト特性は、概略、図８に矢印で示すように変化する。つまり、中心角が遅角しつつ作動角（リフト・作動角）が増加する。

図９〜図１１は、上記の各モードにおける過渡時（加速時）における吸気弁の最大リフト点（換言すれば中心角におけるリフト）の推移（変化の軌跡）を、発生トルクとともに示した説明図であって、図の横軸が中心角ＶＴＣ、縦軸が作動角（換言すればリフト）ＶＥＬを示し、両者の組み合わせとして最大リフト点が定まる。そして、この最大リフト点は、体積効率ひいてはトルクに相関する。なお、発生トルクは等高線状に示されているが、図示した範囲では、図の右上側が高負荷側つまりトルクが大となる。

図３，４で説明した燃費重視モードの設定では、加速走行時に、最大リフト点は、図９〜図１１の符号Ｍ１で示すＬ字形の折れ線のように推移する。つまり、最大リフト点をなるべく進角側に保ちつつ先ずリフト・作動角が主に増加し、次いで、遅角側へ徐々に移動する。これにより、内部排気還流が大となり、ポンピングロス低減による燃費向上が図れる。これに対し、図５，６で説明した応答性重視モードの第１の例では、加速走行時に、最大リフト点は、図９の符号Ｍ２で示す直線のように変化する。この場合には、第２可変動弁機構６のみが駆動され、かつ等トルク線の勾配が急激な箇所で作動角が増加するため、高いトルク応答性が得られる。

また、図７，８で説明した応答性重視モードの第２の例では、加速走行時に、最大リフト点は、図１０，１１の符号Ｍ２，Ｍ３で示す直線のように変化する。つまり、この場合、第１可変動弁機構５と第２可変動弁機構６とが同時に駆動され、作動角と中心角とが同時に変化するが、中心角目標値の遅角側への変化と作動角目標値の増加とが、各可変動弁機構５，６の応答速度を考慮して設定されている。図１０の特性Ｍ２は、第１可変動弁機構５の応答速度が比較的速く、かつ第２可変動弁機構６の応答速度が比較的遅い場合に好適な例であり、図示するように第２可変動弁機構６の目標値はあまり変化しないので、高いトルク応答性が得られる。図１１の特性Ｍ３は、逆に、第１可変動弁機構５の応答速度が比較的遅く、かつ第２可変動弁機構６の応答速度が比較的速い場合に好適な例であり、図示するように第２可変動弁機構６の目標値は図１０よりも大きく変化するが、実際の中心角の変化が実際の作動角の変化に対応したものとなるので、高いトルク応答性が得られる。

次に、図１２は、上記コントロールユニット１０による吸入空気量制御の内容を機能ブロック図として示したものであり、燃費重視モード目標値演算部Ｂ２では、上述したような燃費を重視した特性でもって、アクセル開度ＡＰＯとエンジン回転数Ｎｅとに基づいて、負圧制御弁２の目標値である負圧制御弁目標開度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１３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、目標開度算出部Ｂ１１、目標作動角算出部Ｂ１２、目標中心角算出部Ｂ１３、から構成される。図１４は、目標開度算出部Ｂ１１のＴＶＯマップの一例を示し、図１５は、目標作動角算出部Ｂ１２の作動角マップの一例を示し、図１６は、目標中心角算出部Ｂ１３の中心角マップの一例を示す。

また、応答性重視モード目標値演算部Ｂ３では、上述したようなトルク応答性を重視した特性でもって、アクセル開度ＡＰＯとエンジン回転数Ｎｅとに基づいて、負圧制御弁目標開度ｔＴＶＯと、目標作動角ｔＶＥＬと、目標中心角ｔＶＴＣと、を算出する。これは、図１３で説明したものと同様の３つのマップからなる、目標開度算出部、目標作動角算出部、目標中心角算出部、から構成される。そして、目標値選択部Ｂ４において、運転者により操作されるモード選択スイッチＢ１の入力に基づき、燃費重視モード目標値演算部Ｂ２もしくは応答性重視モード目標値演算部Ｂ３のいずれかの目標値が選択され、かつ、負圧制御弁２および第１，第２可変動弁機構５，６のアクチュエータへそれぞれ出力される。

応答性重視モード目標値演算部Ｂ３に含まれる３つのマップは、当然のことながら、トルク応答性を重視した特性に設定されている。図１７は、目標開度算出部のＴＶＯマップの一例を示し、図１８は、目標作動角算出部の作動角マップの一例を示し、図１９は、目標中心角算出部の中心角マップの一例を示す。これらは、図５，６で説明した応答性重視モードの第１の例のものである。図２０〜図２２は、図７，８で説明した応答性重視モードの第２の例の場合の、ＴＶＯマップ、作動角マップ、中心角マップ、をそれぞれ示している。

次に、図２３および図２４は、上記実施例の吸気制御装置の加速時の動作（但しエンジン回転数は一定とする）を示した説明図であって、アクセル開度ＡＰＯがステップ的に増加した場合の作動角ＶＥＬおよび中心角ＶＴＣの変化をエンジントルクＴｅの変化とともに示している。図２３は、燃費重視モードの場合の例を示し、図２４は、応答性重視モードの場合の例、特に作動角ＶＥＬと中心角ＶＴＣとが同時に変化する例を示す。いずれの場合も、作動角ＶＥＬや中心角ＶＴＣの目標値が実線で示すように変化するのに対し、実際の値は、それぞれの機構の応答速度により、破線で示すように遅れて変化する。なお、図２４には、燃費重視モードの場合の実値の特性を比較のために一点鎖線でもって記載してある。この図２４から明らかなように、応答性重視モードの場合には、初期の中心角ＶＴＣが遅角側にあるので、同じ作動角ＶＥＬの変化量に対するトルクの感度が高くなり、しかも、中心角ＶＴＣの変化量が燃費重視モードのときよりも小さいことから、トルクの収束が早くなり、従って、燃費重視モードよりもトルク応答性が高く得られる。

次に、図２５は、モードの切換を自動的に行うようにした第２の実施例の内容を機能ブロック図として示したものであり、燃費重視モード目標値演算部Ｂ２、応答性重視モード目標値演算部Ｂ３は、前述した図１２のものと特に変わりがない。つまり、燃費重視モード目標値演算部Ｂ２では、燃費を重視した特性でもって、アクセル開度ＡＰＯとエンジン回転数Ｎｅとに基づいて、負圧制御弁目標開度ｔＴＶＯと目標作動角ｔＶＥＬと目標中心角ｔＶＴＣとを算出し、応答性重視モード目標値演算部Ｂ３では、応答性を重視した特性でもって、同様に、負圧制御弁目標開度ｔＴＶＯと目標作動角ｔＶＥＬと目標中心角ｔＶＴＣとを算出する。そして、本実施例では、運転状態判定部Ｂ２１によって、アクセル開度ＡＰＯの変化の態様（絶対値、変化速度、変化量、等）に基づき、燃費重視モードが適しているか応答性重視モードが適しているかの判定を行い、この判定に従って、目標値選択部Ｂ４において、燃費重視モード目標値演算部Ｂ２もしくは応答性重視モード目標値演算部Ｂ３のいずれかの目標値が選択される。なお、上記の２つのモードが頻繁に切り換わることは運転性の上で好ましくないので、適宜なヒステリシスを付与することが望ましい。

この発明に係る吸気制御装置のシステム構成を示す構成説明図。 基本的な制御のフローチャート。 アクセル開度を増加させていったときの燃費重視モードによる各パラメータの変化を概略的に示した特性図。 図３の場合のバルブリフト特性の変化を示す説明図。 アクセル開度を増加させていったときの応答性重視モードの第１の例による各パラメータの変化を概略的に示した特性図。 図５の場合のバルブリフト特性の変化を示す説明図。 アクセル開度を増加させていったときの応答性重視モードの第２の例による各パラメータの変化を概略的に示した特性図。 図７の場合のバルブリフト特性の変化を示す説明図。 過渡時の最大リフト点の推移を燃費重視モードと応答性重視モードとで対比して示す説明図。 同じく応答性重視モードの第２の例の場合の説明図。 可変動弁機構の応答速度が異なる場合の例を示す図１０と同様の説明図。 モード切換の第１の実施例を示す機能ブロック図。 燃費重視モード目標値演算部Ｂ２の詳細を示す機能ブロック図。 ブロックＢ１１のＴＶＯマップの特性図。 ブロックＢ１２の作動角マップの特性図。 ブロックＢ１３の中心角マップの特性図。 応答性重視モード目標値演算部Ｂ３におけるＴＶＯマップの特性図。 応答性重視モード目標値演算部Ｂ３における作動角マップの特性図。 応答性重視モード目標値演算部Ｂ３における中心角マップの特性図。 応答性重視モードの第２の例の場合のＴＶＯマップの特性図。 応答性重視モードの第２の例の場合の作動角マップの特性図。 応答性重視モードの第２の例の場合の中心角マップの特性図。 燃費重視モードにおける過渡時の動作を示すタイムチャート。 応答性重視モードにおける過渡時の動作を示すタイムチャート。 モード切換の第２の実施例を示す機能ブロック図。

符号の説明

２…負圧制御弁
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 (7)

1. 内燃機関の吸気弁の作動角を連続的に変更可能な第１可変動弁機構と、
   上記作動角の中心角を連続的に変更可能な第２可変動弁機構と、
   目標トルクに応じて上記第１可変動弁機構および上記第２可変動弁機構を制御する可変動弁制御手段と、
   を備えた内燃機関の吸気制御装置において、
   上記可変動弁制御手段は、目標トルクに対し、燃費を重視した特性の目標作動角および目標中心角の設定と、トルク応答性を重視した特性の目標作動角および目標中心角の設定と、を含む少なくとも２つの設定を備えており、切換手段により選択された特性の設定に沿って第１，第２可変動弁機構を制御することを特徴とする内燃機関の吸気制御装置。
2. 上記切換手段は、運転者により操作されるモード選択スイッチからなることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気制御装置。
3. 上記切換手段は、運転者のアクセル操作の変化から、適した運転モードを判別することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気制御装置。
4. 燃費を重視した特性では、トルク応答性を重視した特性よりも、中心角が進角側に設定される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吸気制御装置。
5. 目標トルクがある範囲で増加する加速時に、燃費を重視した特性では、中心角を進角側に保ちつつ作動角が優先的に増加し、その後、中心角が遅角するように、それぞれの目標値が設定されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の吸気制御装置。
6. 目標トルクがある範囲で増加する加速時に、トルク応答性を重視した特性では、中心角を燃費を重視した特性よりも遅角側に保ちつつ、主に作動角が増加するように、それぞれの目標値が設定されている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吸気制御装置。
7. 目標トルクがある範囲で増加する加速時に、トルク応答性を重視した特性では、中心角の遅角と作動角の増加とが、各可変動弁機構の応答速度に沿って同時に生じるように、それぞれの目標値が設定されている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吸気制御装置。
   

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