JP2007032515A

JP2007032515A - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP2007032515A
Application number: JP2005220885A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Inoue; 政広井上
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2005-07-29
Publication date: 2007-02-08

Abstract

【課題】この発明は、内燃機関の制御装置に関し、内燃機関の要求に応じて、迅速かつ十分なEGRガス量の導入を実現することを目的とする。
【解決手段】吸気弁および排気弁の開弁位相を変更可能な機構として、それぞれ吸気可変動弁機構および排気可変動弁機構を備える。加速状態が収束した時刻t2において、排気VVTを進角させると共に、バルブオーバーラップ期間が確保されるように吸気VVTをも進角させる（図２（Ｄ））。また、時刻t2において、加速収束状態のトルクに対応する開度TA2に比して大きな開度TA3にまで、スロットルバルブを開くようにする（図２（Ａ））。
【選択図】図２

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、バルブの開弁特性を変化する可変動弁機構を備える内燃機関を制御する装置として好適な内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、排気弁の開弁位相を変更可能なバルブタイミング可変機構を備えるエンジンの排気還流装置が開示されている。この従来の装置では、低負荷域であってエンジン回転数の低い領域で、排気弁の閉弁タイミングを遅角させることにより、排気ガス再循環量（EGRガス量）を増大させることとしている。

特開平７−３１０６０３号公報特開２００３−８３１４２号公報特開２０００−１９９４４０号公報

ところで、内燃機関においては、例えば、加速状態から定常状態に移行する際や燃料カットから復帰する際に、排気ガスを筒内に迅速に導入したいという要求がある。多量の排気ガスを再循環させるには、内燃機関の背圧を高くすることが有効な手段の１つである。しかしながら、上記従来の装置は、排気弁の開弁位相を変化させるものであるため、排気弁の閉弁タイミングが遅角されると、自ずと排気弁の開弁タイミングもが遅角されることとなる。つまり、より筒内圧力が低くなった状態で、排気弁が開かれることとなり、迅速に十分な量のEGRガスを導入しようとする際に、有効なレベルに背圧を高めることができない。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、内燃機関の要求に応じて、迅速かつ十分なEGRガス量の導入を実現することのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、吸気弁の開弁特性を変更可能な吸気可変動弁機構および排気弁の開弁特性を変更可能な排気可変動弁機構の少なくとも一方を備え、これらの可変動弁機構の少なくとも一方を駆動して排気ガス再循環量を制御するEGR制御手段を有する内燃機関の制御装置であって、
迅速かつ十分な排気ガス再循環量の導入が要求されるタイミングを検知するEGR導入要求タイミング検知手段を備え、
前記EGR制御手段は、前記タイミングが検知された際に、排気弁の開弁タイミングを進角させる第１制御手段と、吸気弁開弁期間と排気弁開弁期間とが重なるバルブオーバーラップ期間を確保する第２制御手段とを含むことを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、前記EGR制御手段によって排気ガス再循環量が変更される際に生ずるトルク変動を打ち消すようにトルクを制御するトルク制御手段を更に備えることを特徴とする。

また、第３の発明は、第２の発明において、前記排気可変動弁機構は、排気弁の開弁位相を変更する機構であり、
前記第１制御手段は、排気弁の開弁位相を進角させる手段であり、
前記トルク制御手段は、前記第１制御手段による排気弁の進角量に基づいて、トルクの制御量を決定することを特徴とする。

また、第４の発明は、第２または第３の発明において、前記トルク制御手段は、スロットルバルブを電子制御するスロットル制御手段であることを特徴とする。

また、第５の発明は、第２乃至第４の発明の何れかにおいて、前記EGR制御手段は、前記トルク制御手段によるトルク制御可能量を考慮して、排気ガス再循環量を制御することを特徴とする。

第１の発明によれば、迅速かつ十分な排気ガス再循環量の導入要求が出された場合に、排気弁の開弁タイミングの進角により背圧を上昇させることができると共に、バルブオーバーラップ期間を確保することができる。これにより、圧力が十分に高められた排気ポートから吸気ポートへの排気ガスの吹き返し量を十分に得ることができる。このため、本発明によれば、排気ガス再循環量の導入遅れを解消しつつ、十分な排気ガス再循環量を確保することが可能となる。

第２の発明によれば、排気弁の開弁タイミングの進角による膨張比の低下によって生ずるトルクの変化を抑制することができる。

排気弁の開弁位相がより進角されるほど、膨張比がより低下し、それに伴うトルク減少量がより大きくなる。第３の発明によれば、排気弁の進角量に基づいてトルクの制御量を決定することにより、正確なトルクの補正量を得ることができる。

第４の発明によれば、スロットルバルブの制御によって、排気弁の開弁タイミングの進角に伴うトルクの減少を補うべく、吸入新気量を導入することができる。

第５の発明によれば、トルク補正の可能量を超えて排気ガス再循環量が導入されることがないため、迅速に排気ガス再循環量を導入する際に、トルク変化が生ずるのを抑制することができる。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１の構成を説明するための図を示す。図１に示すように、本実施形態のシステムは、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０の筒内には、燃焼室１２が形成されている。燃焼室１２には、吸気通路１４および排気通路１６が連通している。この内燃機関１０は、ターボチャージャ１８を有している。ターボチャージャ１８は、コンプレッサ１８aとタービン１８bとを備えている。コンプレッサ１８aは、吸気通路１４におけるエアクリーナ２０の下流側に配置されている。タービン１８bは、排気通路１６の途中に配置されている。コンプレッサ１８aの下流側には、順にインタークーラ２２およびスロットルバルブ２４が配置されている。スロットルバルブ２４は、アクセル開度に基づいてスロットルモータにより駆動される電子制御式のバルブである。スロットルバルブ２４の近傍には、スロットル開度TAを検出するためのスロットルポジションセンサ２６が配置されている。

内燃機関１０は、複数の気筒を有する多気筒式の機関であり、図１は、そのうちの一気筒の断面を示している。内燃機関１０が備える個々の気筒には、吸気通路１４に通じる吸気ポート、および排気通路１６に通じる排気ポートが設けられている。吸気ポートには、その内部に燃料を噴射するための燃料噴射弁２８が配置されている。また、吸気ポートおよび排気ポートには、それぞれ、燃焼室１２と吸気通路１４、或いは燃焼室１２と排気通路１６を導通状態または遮断状態とするための吸気弁３０および排気弁３２が設けられている。

吸気弁３０および排気弁３２は、それぞれ吸気可変動弁機構３４および排気可変動弁機構３６により駆動される。吸気可変動弁機構３４および排気可変動弁機構３６は、それぞれ、吸気弁３０および排気弁３２の位相角を所定範囲内で変更可能とするVVT機構を含むものとする。このような構成によれば、吸気弁３０および排気弁３２の少なくとも一方の開弁位相を適当に調整することにより、燃焼室１２と吸気通路１４との間で行き来する排気ガス量を制御するいわゆる内部EGR制御を実行することができる。

内燃機関１０は、クランク軸の近傍に、機関回転数NEを検知するためのクランク角センサ３８を備えている。また、内燃機関１０は、吸気カム軸および排気カム軸の近傍に、それぞれ、吸気カム角センサ４０および排気カム角センサ４２を備えている。これらのカム角センサ４０、４２の出力によれば、吸気カム軸および排気カム軸の回転位置（吸気弁および排気弁のバルブタイミング）を検知することができる。

図１に示すシステムは、吸気通路１４と排気通路１６とを連通する排気ガス還流通路４４を備えている。排気ガス還流通路４４の途中には、EGR弁４６が設けられている。更に、排気ガス還流通路４４には、吸気通路１４に還流される排気ガスを冷却する排気ガス冷却器（EGRクーラ）４８が設けられている。このような構成によれば、内燃機関１０の運転中に、EGR弁４６の開度を適当に制御することにより、排気ガスを排気通路１６から吸気通路１４に還流させる制御、いわゆる外部EGR制御を実行することができる。

図１に示すシステムは、ECU(Electronic Control Unit)５０を備えている。ECU５０には、上述した各種センサに加え、アクセル開度PAを検出するためのアクセルポジションセンサ５２や吸気管圧力PMを検出するための吸気圧センサ５４が接続されている。また、ECU４０には、上述した各種アクチュエータが接続されている。ECU４０は、上記の各種センサ出力に基づいて、上記の各種アクチュエータを制御することにより、内燃機関１０の運転状態を制御することができる。

［実施の形態１の特徴部分］
外部EGR制御等によりEGRガスを導入可能な内燃機関において、加速運転時には、一般に、出力優先のためEGRの導入が休止される。このため、内燃機関の運転状態が加速状態から定常状態に移行する際には、吸気通路内のEGRガス量は最小となっている。このような状態から適量のEGRガスを吸気通路に導入する際に、外部EGR制御によれば、吸気通路の容積に応じた量のEGRガスを充填しなければならないため、その充填時間が経過するまではポンプ損失が増加し、燃費が悪化してしまう。言い換えれば、EGRガスを導入可能な内燃機関では、加速状態から定常状態に移行する際に、適量のEGRガスを迅速に導入したいという要求がある。

ここで、排気弁の開弁位相を変化させる機構（VVT機構）を備え、排気弁の閉弁タイミングを遅角させることにより、バルブオーバーラップ期間を長くし、内部EGRを導入する手法が公知である。このような手法によれば、外部EGR制御に比してより迅速にEGRガスを導入することはできる。しかしながら、このような手法では、排気弁の閉弁タイミングが遅角されると、自ずと排気弁の開弁タイミングもが遅角されることとなる。多量の排気ガスを再循環させるには、内燃機関の背圧を高くすることが有効な手段の１つであるが、上記の排気弁の開弁位相を遅角させる手法では、より筒内圧力が低くなった状態で、排気弁が開かれることとなり、迅速かつ十分な量のEGRガスを導入するために、有効なレベルにまで背圧を高めることができない。つまり、内部EGR量の導入量が限られたものとなってしまい、上記の加速状態から定常状態に移行する場合に、迅速に十分な量のEGRガスを導入することは困難である。

更に付け加えると、内燃機関の背圧を制御する手法としては、ターボチャージャを備える内燃機関では、ウェストゲートバルブを動作させるという手法がある。しかしながら、ウェストゲートバルブは、部分負荷の広い領域において閉じられているため、背圧を実質的に制御し得る領域は限られたものとなる。また、点火時期の遅角によるブローダウン量の増加により、背圧を上昇させる手法もあるが、点火時期の遅角は燃費の悪化に直結する。そこで、本実施形態のシステムでは、上記の加速状態から定常状態に移行する場合に、迅速かつ十分な量のEGRガスを導入すべく、以下の図２および図３を参照して示す手法を用いることとした。

図２は、加速運転から定常運転に移行する過渡収束時において、本実施形態で実行される制御の概要を説明するためのタイミングチャートである。より具体的には、図２（Ａ）乃至図２（Ｅ）は、上段から順に、スロットル開度TA、吸入空気量Ga、吸気管圧力PM、吸気弁および排気弁のバルブタイミングVVT（IN、EX）の切換えの有無、およびEGR導入量についてのそれぞれの波形を示している。尚、図２において、時刻t0は加速要求時点を、時刻t1は加速収束判定時点を、時刻t2は目標EGRガス量到達時点を、それぞれ示している。

図２に示すように、時刻t0において、加速要求に基づきスロットル開度TAがTA1からTA2にまで開かれると、吸気管圧力PMが上昇し、吸入空気量Gaが増大していく。時刻t1において、吸気管圧力PMが加速要求に応じた目標吸気管圧力PM1に達した場合、すなわち、加速状態が収束した場合には、加速収束後の目標EGRガス量を確保すべく、外部EGR制御によるEGRの導入が開始されると共に、吸気弁３０および排気弁３２のバルブタイミング（以下、単に「吸気VVT」、「排気VVT」と略する）を変更する制御が実行される。

図３は、本実施形態において、加速収束判定時に用いられる吸気VVTおよび排気VVTの設定を説明するための図である。尚、図３において、破線で示す波形は、変更前、すなわち、加速運転中に用いられる吸気VVTおよび排気VVTを示しており、実線で示す波形は、変更後、すなわち、加速収束時に用いられる吸気VVTおよび排気VVTを示している。

上記図２に示すタイミングチャートにおいて、加速状態が収束した場合には、図３（Ａ）に示すように、加速収束前にほぼバルブオーバーラップがゼロとされていた吸気VVTおよび排気VVTは、共に進角側の値に変更される。より具体的には、加速収束判定と同時に、排気VVTが所定量だけ進角され、かつ、吸気VVTが排気VVTの進角量より大きく進角される。図３（Ａ）に示すように、排気VVTが進角すると、より筒内圧力が高い状態で排気弁３２が開弁することになる。その結果、排気弁３２の開弁時のブローダウン量が増加する。

図３（Ｂ）は、内燃機関１０の背圧と排気VVTとの関係を示している。排気VVTの進角によりブローダウン量が増加すると、図３（Ｂ）に示すように、内燃機関１０の背圧のピーク値が上昇し、また、背圧の平均値としても排気VVTの変更前に比して高くなる。背圧が高くなると、バルブオーバーラップ期間中に排気通路１６から吸気通路１４に逆流する排気ガス量（内部EGR量）がより増加することとなる。

しかしながら、排気VVTを進角させると、内燃機関１０の膨張比が下がることとなるため、そのままではトルクが低下してしまう。そこで、本実施形態のシステムでは、図２（Ａ）に示すように、時刻t1において加速状態が収束した場合には、加速収束状態のトルクに対応する開度TA2に比して大きな開度TA3にまで、スロットルバルブ２４を開くこととしている。その結果、吸入空気量Gaが更に高められ、膨張比の低下に伴うトルクの落ち込みを補正することができる。また、図３に示す手法による内部EGRガス量の確保と、TA2からTA3へのスロットル開度TAの拡大とにより、加速収束後の吸気管圧力PMがPM1に比して高いPM2にまで高められるため、ポンプ損失を低減させることもできる。

上述した図３に示す手法による内部EGRガス量の確保と、TA2からTA3へのスロットル開度TAの拡大は、加速収束後の目標EGRガス量に到達する時刻t3まで継続して実行される。以上説明したように、本実施形態の排気VVTと吸気VVTとの組み合わせによれば、加速収束時に外部EGR制御のみで目標とするEGRガス量を導入した場合（図２（Ｅ）中に破線で表される波形）に比して、図２（Ｅ）中に実線で表される波形が示すように、迅速かつ十分な量のEGRガスを導入することが可能となる。

次に、図４および図５を参照して、本発明の実施の形態１における具体的な処理を説明する。
図４は、上記の機能を実現するためにECU５０が実行するメインルーチンのフローチャートである。図４に示すルーチンでは、先ず、加速状態が収束しているか否かが判別される（ステップ１００）。具体的には、スロットル開度TAとエンジン回転数NEとの関係で定められた目標吸気管圧力PM_Tと実吸気管圧力PMとの偏差が所定値以下となった場合に、加速状態が収束したと判断される。

上記ステップ１００において、加速状態が収束したと判定された場合には、加速収束時のスロットル開度TA2が所定値α以上か否かが判別される（ステップ１０２）。その結果、開度TA2が所定値α以上であると判定された場合には、以後の処理が実行されることなく、図４に示すルーチンの処理が終了され、一方、開度TA2が所定値αより小さいと判定された場合には、次いで、吸気管（吸気通路１４）内のEGRガス量が推定される（ステップ１０４）。具体的には、内燃機関１０の負荷率KLとエンジン回転数NEとの関係で定められたマップに基づき、EGRガスの導入遅れ（一次遅れ）を考慮して現時点の吸気管EGRガス量が推定される。

次に、上記ステップ１０４において推定された吸気管EGRガス量と目標EGRガス量との偏差に基づいて、EGRガスの導入量が不足しているか否かが判別される（ステップ１０６）。その結果、EGRガスの導入量が不足していると判定された場合には、次いで、図５に示すサブルーチンの処理が実行される（ステップ１０８）。

図５に示すサブルーチンでは、先ず、内燃機関１０の運転状態に基づいて、EGR弁４６の目標開度が算出される（ステップ２００）。次いで、上記ステップ１０６において判別されたEGRガスの不足量に基づいて、排気VVTおよび吸気VVTの目標変位が算出される（ステップ２０２）。より具体的には、内燃機関１０が加速状態にあるときのそれらのVVT値を基準として、排気VVTの進角量が算出され、また、その排気VVTの進角量との兼ね合いで必要なバルブオーバーラップ期間を確保するための吸気VVTの進角量が算出される。

次に、補正スロットル目標開度TA3が算出される（ステップ２０４）。上記ステップ２０２において算出された値に基づいて排気VVTが進角されると、上述したように、膨張比が変わることでトルクが変化する。ECU５０は、排気VVTの進角に伴うトルクの減少量を取得するために、排気VVTの進角値およびエンジン回転数NEとの関係に基づいてトルク変化量を定めたマップを記憶している。このマップでは、排気VVTの進角量が大きいほど、トルクの減少量が大きくなるように設定され、かつ、エンジン回転数NEが高くなるほど、トルクの減少量が徐々に大きくなるように設定されている。このようなマップの設定によれば、トルクの減少量に基づいて、トルク補正量を正確に決定することができる。

次に、上記ステップ２００〜２０４において取得されたそれぞれのアクチュエータの目標値に基づいて、各アクチュエータ（EGR弁４６、排気可変動弁機構３６、吸気可変動弁機構３４、およびスロットルバルブ２４）が駆動される（ステップ２０６）。

以上説明した図４および図５に示すルーチンの処理によれば、加速収束時に、排気VVTの進角により背圧を上昇させることができると共に、吸気VVTの進角によりバルブオーバーラップ期間を確保することができ、これにより、圧力が十分に高められた排気ポートから吸気ポートへの排気ガスの吹き返し量を十分に得ることができる。このため、本実施形態のシステムによれば、加速収束時に、EGRガス量の導入遅れを解消しつつ、十分なEGRガス量を確保することが可能となる。また、加速収束時に、スロットル開度TAを補正したことにより、排気VVTを進角させたことに起因するトルク変化を抑制することができる。

また、上記ルーチンの処理では、上記ステップ１０２において、加速収束時のスロットル開度TA2の値に応じて、以後の処理を実行するか否かを判定している。すなわち、トルク補正のためのスロットルバルブ２４の制御可能量を考慮して、以後のEGR制御の実行の可否を判定している。その結果、例えば、全負荷域への加速等の場合に、トルク補正のためのスロットル制御を行う余裕がないときは、以後のEGR制御の実行を制限されるため、そのような場合に、トルク変化が生ずるのを抑制することができる。

ところで、上述した実施の形態１においては、加速収束時に排気VVTおよび吸気VVTを用いたEGR導入制御を実行することとしているが、十分なEGRガス量を迅速に導入したいという要求が出される場合であれば、上述したEGR導入制御の実行時期は、加速収束時に限られるものではない。例えば、EGRガスの導入が抑制されている燃料カットからの復帰時であってもよい。

また、上述した実施の形態１においては、スロットルバルブ２４の制御によって、排気VVTの進角に起因するトルクの減少を補正することとしているが、本発明のトルク制御手段はこれに限定されるものではない。例えば、吸気弁の作用角やリフト量を変更可能な可変動弁機構を備え、スロットルバルブによるトルク補正に変え、或いはそれと共に、吸気弁の作用角の拡大やリフト量の増大によるトルク補正を行うものであってもよい。更には、電動機によって駆動される電動式ターボチャージャを用いてトルク補正を行ってもよい。

また、上述した実施の形態１においては、加速収束時のスロットル開度TA2の値が所定値以上であるときは、以後の排気VVTおよび吸気VVTを用いたEGR制御の実行を禁止することとしているが、本発明において、トルク補正のためのトルク制御可能量（スロットルバルブの制御可能量）を考慮して、EGRガスの導入量を制御する手法はこれに限定されるものではない。例えば、スロットルバルブ２４の制御で補正可能なトルク量を考慮して、排気VVTおよび吸気VVTの進角量を決定するものであってもよい。

また、上述した実施の形態１においては、背圧を上昇させるために、排気VVTを進角、すなわち、排気弁３２の開弁位相を進角させることとしているが、本発明において排気弁の開弁タイミングを進角させる第１制御手段はこれに限定されるものではない。すなわち、例えば、排気弁の作用角を可変にできる可変動弁機構を備え、排気弁の閉弁タイミングは変えずに排気弁の開弁タイミングのみを進角させるものであってもよい。また、そのような排気弁の作用角を可変にできる可変動弁機構を備え、吸気弁の開弁特性を変更させずに、排気弁の開弁タイミングを進角させると共に、排気弁の閉弁タイミングを遅角させるものであってもよい。

尚、上述した実施の形態１においては、ECU５０が、吸気可変動弁機構３４および排気可変動弁機構３６を駆動して内部EGR量を制御することにより前記第１の発明における「EGR制御手段」が、上記ステップ１００〜１０６の処理を実行することにより前記第１の発明における「EGR導入要求タイミング検知手段」が、上記ステップ２０２、２０６の処理を実行することにより前記第１の発明における「第１制御手段」および「第２制御手段」が、それぞれ実現されている。
また、ECU５０が上記ステップ２０４の処理を実行することにより前記第２の発明における「トルク制御手段」が実現されている。

本発明の実施の形態１の構成を説明するための図である。加速運転から定常運転に移行する過渡収束時において、本実施形態で実行される制御の概要を説明するためのタイミングチャートである。本実施形態において、加速収束判定時に用いられる吸気VVTおよび排気VVTの設定を説明するための図である。本発明の実施の形態１において実行されるメインルーチンのフローチャートである。本発明の実施の形態１において実行されるサブルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０内燃機関
１４吸気通路
１６排気通路
１８ターボチャージャ
２４スロットルバルブ
３４吸気可変動弁機構
３６排気可変動弁機構
４６ EGR弁
５０ ECU(Electronic Control Unit)

Claims

吸気弁の開弁特性を変更可能な吸気可変動弁機構および排気弁の開弁特性を変更可能な排気可変動弁機構の少なくとも一方を備え、これらの可変動弁機構の少なくとも一方を駆動して排気ガス再循環量を制御するEGR制御手段を有する内燃機関の制御装置であって、
迅速かつ十分な排気ガス再循環量の導入が要求されるタイミングを検知するEGR導入要求タイミング検知手段を備え、
前記EGR制御手段は、前記タイミングが検知された際に、排気弁の開弁タイミングを進角させる第１制御手段と、吸気弁開弁期間と排気弁開弁期間とが重なるバルブオーバーラップ期間を確保する第２制御手段とを含むことを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記EGR制御手段によって排気ガス再循環量が変更される際に生ずるトルク変動を打ち消すようにトルクを制御するトルク制御手段を更に備え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。
前記排気可変動弁機構は、排気弁の開弁位相を変更する機構であり、
前記第１制御手段は、排気弁の開弁位相を進角させる手段であり、
前記トルク制御手段は、前記第１制御手段による排気弁の進角量に基づいて、トルクの制御量を決定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。
前記トルク制御手段は、スロットルバルブを電子制御するスロットル制御手段であることを特徴とする請求項２または３記載の内燃機関の制御装置。
前記EGR制御手段は、前記トルク制御手段によるトルク制御可能量を考慮して、排気ガス再循環量を制御することを特徴とする請求項２乃至４の何れか１項記載の内燃機関の制御装置。