JP2007192122A - 内燃機関の吸入空気量制御装置 - Google Patents

内燃機関の吸入空気量制御装置 Download PDF

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Abstract

【課題】可変バルブ機構及びスロットル弁の駆動制御を通じて燃焼室に導入される吸入空気量を調整する場合に、その吸入空気量をより適切に調整することのできる内燃機関の吸入空気量制御装置を提供する。
【解決手段】アクセル操作量ACCP及び機関回転速度NEに基づき機関運転状態に応じた目標吸入空気量PGaを設定する(S100)。次に、燃焼室に導入される吸入空気量の推定値である推定吸入空気量SGaを算出する(S110)。そして、目標吸入空気量PGa及び機関回転速度NEに基づいてスロットル弁の目標スロットル開度TApを設定し(S120)、推定吸入空気量SGa及び機関回転速度NEに基づいて、吸気バルブのバルブタイミング目標値である目標吸気バルブタイミングINVTp、排気バルブのバルブタイミング目標値である目標排気バルブタイミングEXVTp、及び吸気バルブのリフト量目標値である目標リフト量VLpを算出する(S130)。
【選択図】図6

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室に導入される吸入空気量を調整する制御装置に関する。
一般に、内燃機関の燃焼室に導入される吸入空気量の調整は、吸気通路内に設けられたスロットル弁の開度調整を通じてなされる。
他方、近年では、吸気バルブや排気バルブといった機関バルブのバルブ特性を可変とする可変バルブ機構を備える内燃機関が実用化されている。そうした可変バルブ機構としては、機関バルブの開弁時期や閉弁時期といったバルブタイミングを可変とする可変機構、機関バルブのバルブリフト量を可変とする可変機構、機関バルブの開弁期間を可変とする可変機構、あるいは特許文献1に記載されるように、機関バルブのバルブリフト量及び開弁期間を可変とする機構などがある。このような可変バルブ機構を備える内燃機関にあっては、バルブ特性の変更を通じて燃焼室に導入される吸入空気量を調整することもできる。
特開2001−263015号公報
ところで、機関運転状態に応じた適切な吸入空気量を確保するためには、機関負荷等といった機関運転状態に基づいて目標吸入空気量を設定し、その設定された目標吸入空気量が得られるように吸入空気量の調整機構(例えば上記スロットル弁や可変バルブ機構等)の駆動を制御することが望ましい。
ここで、スロットル弁から燃焼室まではある程度の距離がある。そのため、スロットル弁の開度変更を通じた吸入空気量の調整では、同スロットル弁の開度が変更された後、実際に燃焼室に導入される吸入空気量が変更されるまでの間にある程度の遅れが生じる。
一方、機関バルブは燃焼室の直近に設けられている。そのため、バルブ特性の変更を通じた吸入空気量の調整では、燃焼室に導入される吸入空気量が速やかに変化する。
このように、燃焼室に導入される吸入空気量をスロットル弁の開度変更を通じて調整する場合と、バルブ特性の変更を通じて調整する場合とでは、吸入空気量の変化に関する応答性がそれぞれ異なっている。従って、上述したような目標吸入空気量に基づいてスロットル弁及び可変バルブ機構の駆動制御を行っても、燃焼室に導入される吸入空気量を適切に調整することはできないおそれがある。
本発明は、こうした実状に鑑みてなされたものであり、その目的は、可変バルブ機構及びスロットル弁の駆動制御を通じて燃焼室に導入される吸入空気量を調整する場合に、その吸入空気量をより適切に調整することのできる内燃機関の吸入空気量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、機関バルブのバルブ特性を可変とする可変バルブ機構と、吸気通路内にスロットル弁とを備える内燃機関に適用されて、前記可変バルブ機構及び前記スロットル弁の駆動制御を通じて燃焼室に導入される吸入空気量を調整する制御装置であって、機関運転状態に応じて設定される目標吸入空気量に基づいて前記スロットル弁の目標開度を設定する目標開度設定手段と、前記燃焼室に導入される吸入空気量に基づいて前記可変バルブ機構の目標制御値を設定する目標制御値設定手段とを備えることをその要旨とする。
同構成では、スロットル弁の目標開度を上記目標吸入空気量に基づいて設定するようにしており、同スロットル弁の開度が目標開度に向けて変更されると、吸入空気量は上述したような応答遅れを伴いながら、最終的には上記目標吸入空気量に収束するようになる。
他方、可変バルブ機構の目標制御値は、燃焼室に導入される吸入空気量に基づいて設定するようにしている。すなわち、上述したような吸入空気量の応答遅れを含んだ、実際に燃焼室に導入される吸入空気量に基づいてバルブ特性を変更するようにしている。そのため、スロットル弁の開度変更によって変化する燃焼室への吸入空気量について、その変化過程における応答遅れに合わせてバルブ特性は変更されるようになる。従って、可変バルブ機構及びスロットル弁の駆動制御を通じて燃焼室に導入される吸入空気量を調整する場合に、その吸入空気量をより適切に調整することができるようになる。
なお、同構成において、機関運転状態に応じた目標吸入空気量を設定する際には、アクセルペダルの操作量等に基づき算出される機関の負荷率と機関回転速度等に基づいて当該目標吸入空気量を設定することができる。他方、燃焼室に導入される吸入空気量は、例えば吸気通路にあってスロットル弁の上流側に設けられる吸入空気量センサの検出値、スロットル弁の開度、機関回転速度、バルブ特性の現状値、吸気通路の径や長さ、空気の物理特性等々をパラメータとする物理モデルから推定することができる。また、燃焼室に導入される吸入空気量は、吸気バルブの傘部近傍に吸入空気量センサを設けて直接検出することも可能である。
上記可変バルブ機構としては、請求項2に記載の発明によるように、機関バルブのバルブタイミング、バルブリフト量、及び開弁期間の少なくとも1つを可変とする機構である、といった構成を採用することができる。なお、そうした可変バルブ機構の具体的な構成として、例えば吸入空気量の調整に直接関与する吸気バルブのバルブタイミング、バルブリフト量、及び開弁期間を可変させるとともに、吸入空気量の調整に間接的に関与する排気バルブのバルブタイミングを可変させる可変バルブ機構などが挙げられる。
以下、本発明にかかる内燃機関の吸入空気量制御装置を具体化した一実施形態について、図1〜図6を併せ参照して説明する。
図1は、本実施形態におけるエンジン1の構成を示している。
この図1に示されるように、エンジン1は、シリンダブロック2やシリンダヘッド3等を備えて構成されており、そのシリンダブロック2にはシリンダ21が設けられている。このシリンダ21内には、ピストン22が往復動可能に収容されている。また、シリンダ21内には、シリンダ21の内周面、ピストン22の頂面、及びシリンダヘッド3に囲まれた燃焼室23が区画形成されている。
シリンダヘッド3には、吸気ポート31及び排気ポート32が設けられている。吸気ポート31には吸気管33が接続されており、排気ポート32には排気管34が接続されている。吸気ポート31と燃焼室23との連通及び遮断は、吸気バルブ35の開閉動作によって行われ、排気ポート32と燃焼室23との連通及び遮断は、排気バルブ36の開閉動作によって行われる。また、吸気ポート31には、同吸気ポート31内に向けて燃料を噴射するインジェクタ39が設けられている。
シリンダヘッド3において燃焼室23の頂部を形成する箇所には、燃料と空気との混合体である混合気を火花着火する点火プラグ37が配置されている。
吸気管33の途中にはサージタンク40が設けられており、このサージタンク40よりも吸気上流側には、燃焼室23に導入される空気の量を調整するスロットル弁38が設けられている。
シリンダヘッド3には、吸気バルブ35や排気バルブ36といった機関バルブのバルブ特性を可変とする可変バルブ機構5が備えられている。この可変バルブ機構5は、吸気バルブタイミング可変機構51、排気バルブタイミング可変機構52、及びリフト量可変機構53から構成されている。
吸気バルブタイミング可変機構51は、吸気バルブ35を駆動するカムシャフトとエンジン1のクランクシャフトとの相対回転位相を変更する機構であって、同機構の駆動を通じて吸気バルブ35のバルブタイミング(吸気バルブタイミングINVT)は連続的に変更される。このバルブタイミングの変更により、吸気バルブ35の開弁時期(吸気バルブ開弁時期IVO)及び閉弁時期(吸気バルブ閉弁時期IVC)は同じクランク角度だけ進角または遅角される。すなわち、図2に示すように、吸気バルブ35の開弁期間(以下、作用角INCAMという)が一定に維持された状態で、吸気バルブ開弁時期IVO及び吸気バルブ閉弁時期IVCが進角方向、あるいは遅角方向に変更される。
排気バルブタイミング可変機構52は、排気バルブ36を駆動するカムシャフトとエンジン1のクランクシャフトとの相対回転位相を変更する機構であって、同機構の駆動を通じて排気バルブ36のバルブタイミング(排気バルブタイミングEXVT)は連続的に変更される。このバルブタイミングの変更により、排気バルブ36の開弁時期(排気バルブ開弁時期EVO)及び閉弁時期(排気バルブ閉弁時期EVC)は同じクランク角度だけ進角または遅角される。すなわち、図3に示すように、排気バルブ36の開弁期間(以下、作用角EXCAMという)が一定に維持された状態で、排気バルブ開弁時期EVO及び排気バルブ閉弁時期EVCが進角方向、あるいは遅角方向に変更される。
リフト量可変機構53は、吸気バルブ35のバルブリフト量の最大値(以下、最大リフト量VLという)と、吸気バルブ35の作用角INCAM、すなわち吸気バルブ35の開弁期間IVOTとを連続的に変更する機構である。図4に示すように、吸気バルブ35の最大リフト量VLは、最も大きい最大リフト量VLである上限リフト量VLmaxから最も小さい最大リフト量VLである下限リフト量VLminまでの間で連続的に変更される。また、この最大リフト量VLの連続的な変更に同期して、吸気バルブ35の作用角INCAMも連続的に変更される。より具体的には、上限リフト量VLmaxにおいて作用角INCAMは最大となり、最大リフト量VLが小さくなるほど作用角INCAMも短くなっていく。そして、下限リフト量VLminにおいて作用角INCAMは最小となる。
エンジン1の燃料噴射制御、点火時期制御、スロットル弁38の開度制御、及び可変バルブ機構5の駆動制御等、各種制御は電子制御装置9によって行われる。
この電子制御装置9は、エンジン制御にかかる演算処理を実行する中央処理装置(CPU)、エンジン制御に必要なプログラムや各種の情報を記憶するためのメモリ、外部との信号の入出力を行うための入力ポート及び出力ポートを備えている。この入力ポートには機関運転状態を検出する次のような各種センサが接続されている。
吸気管33にあってスロットル弁38の上流側に設けられる吸入空気量センサ91は、吸気管33内を通過する空気の量を検出する。クランク角センサ92は、クランクシャフトの回転角度、すなわちクランク角度を検出し、この検出信号に基づいて機関回転速度NEが算出される。スロットル開度センサ93は、スロットル弁38の開度(スロットル開度TA)を検出する。吸気バルブタイミングセンサ94は吸気バルブタイミングINVTを検出し、排気バルブタイミングセンサ95は排気バルブタイミングEXVTを検出する。リフト量センサ96は、吸気バルブ35の最大リフト量VLを検出する。また、吸気温センサ97は、吸気管33内を通過する空気の温度(吸気温)を検出し、アクセルセンサ98はアクセルペダルの操作量(アクセル操作量ACCP)を検出する。
他方、出力ポートには、点火プラグ37、スロットル弁38、インジェクタ39、吸気バルブタイミング可変機構51、排気バルブタイミング可変機構52、及びリフト量可変機構53等の駆動回路などが接続されている。
電子制御装置9は、燃焼室23に導入される吸入空気量Gaが機関運転状態に応じた適切な量となるように、機関負荷等といった機関運転状態に基づいて目標吸入空気量PGaを設定し、その設定された目標吸入空気量PGaが得られるように吸入空気量の調整機構、すなわち上記スロットル弁38や可変バルブ機構5の駆動を制御する。
なお、本実施形態においては、吸入空気量Gaの調整に直接関与する吸気バルブ35の吸気バルブタイミングINVT、最大リフト量VL、及び開弁期間IVOTを吸気バルブタイミング可変機構51やリフト量可変機構53にて変更可能としている。また、吸入空気量Gaの調整に間接的に関与する、すなわち内部EGR量等に関与する排気バルブ36の排気バルブタイミングEXVTを、排気バルブタイミング可変機構52にて変更可能としており、こうした可変バルブ機構5の駆動制御によっても吸入空気量Gaは適切に調整される。
ところで、スロットル弁38から燃焼室23まではある程度の距離があり、さらにスロットル弁38と燃焼室23との間にはある程度の容量を有するサージタンク40も設けられている。そのため、スロットル弁38の開度変更を通じた吸入空気量Gaの調整では、同スロットル弁38の開度が変更された後、実際に燃焼室23に導入される吸入空気量Gaが変更されるまでの間にある程度の遅れが生じる。例えば、図5に示すように、ある時刻t1において目標吸入空気量PGa(実線Aにて図示)が変更され、これに伴ってスロットル弁38の開度が変更された場合、燃焼室23に導入される吸入空気量Ga(二点鎖線Cにて図示)は、時刻t1からある程度経過した時刻t3において、目標吸入空気量PGaに収束する。
一方、吸気バルブ35や排気バルブ36といった機関バルブは燃焼室23の直近に設けられている。そのため、吸気バルブタイミングINVT、排気バルブタイミングEXVT、及び最大リフト量VLといった各バルブ特性の変更を通じた吸入空気量Gaの調整では、燃焼室23に導入される吸入空気量Gaが速やかに変化する。例えば、先の図5に示すように、ある時刻t1において目標吸入空気量PGa(実線Aにて図示)が変更され、これに伴って最大リフト量VLが変更された場合、燃焼室23に導入される吸入空気量Ga(一点鎖線Bにて図示)は、上記時刻t3よりも早い時刻である時刻t2において目標吸入空気量PGaに収束する。なお、吸気バルブタイミングINVTや排気バルブタイミングEXVTが変更された場合であっても、吸入空気量Gaは上記時刻t3よりも早い時刻において目標吸入空気量PGaに収束する。
このように、燃焼室23に導入される吸入空気量Gaをスロットル弁38の開度変更を通じて調整する場合と、バルブ特性の変更を通じて調整する場合とでは、吸入空気量Gaの変化に関する応答性がそれぞれ異なっている。従って、上述したような目標吸入空気量PGaに基づいてスロットル弁38及び可変バルブ機構5の駆動制御を行っても、燃焼室23に導入される吸入空気量Gaを適切に調整することはできないおそれがある。
そこで、本実施形態では、可変バルブ機構5及びスロットル弁38の駆動制御を通じて燃焼室23に導入される吸入空気量Gaを調整する際、以下に説明する吸入空気量調整処理を実行することにより、吸入空気量Gaをより適切に調整することができるようにしている。
図6に、上記吸入空気量調整処理の処理手順を示す。なお、この処理は、電子制御装置9によって所定期間毎に繰り返し実行される。
本処理が開始されるとまず、アクセル操作量ACCP及び機関回転速度NEに基づいて目標吸入空気量PGaが設定され(S100)、これにより機関運転状態に応じた目標吸入空気量PGaが設定される。ちなみに本実施形態では、全負荷時のアクセル操作量に対する現在のアクセル操作量ACCPに基づいて機関の負荷率を算出し、この負荷率と機関回転速度NEとに基づいて目標吸入空気量PGaを設定するようにしているが、アクセル操作量ACCPと機関回転速度NEとに基づいて目標吸入空気量PGaを設定するようにしてもよい。
次に、燃焼室23に導入される吸入空気量Gaの推定値である推定吸入空気量SGaが算出される(S110)。ここでは、例えば吸入空気量センサ91の検出値、スロットル弁38の開度、機関回転速度NE、バルブ特性の現状値、吸気管33の径や長さ、サージタンク40の容量、吸気温、及び空気の物理特性等々をパラメータとする物理モデルから推定吸入空気量SGaが算出される。ちなみに、吸気バルブ35の傘部近傍に吸入空気量センサを設けて、燃焼室23に導入される吸入空気量Gaを直接検出するようにしてもよい。
次に、上記設定される目標吸入空気量PGa及び機関回転速度NEに基づき、上記メモリに記憶されたマップを参照してスロットル弁38の目標スロットル開度TApが算出される(S120)。そして、スロットル開度TAがこの目標スロットル開度TApとなるように、スロットル弁38の開度は調整される。
次に、上記算出される推定吸入空気量SGa及び機関回転速度NEに基づき、上記メモリに記憶されたマップを参照して吸気バルブタイミング可変機構51の目標制御値である目標吸気バルブタイミングINVTp、及び排気バルブタイミング可変機構52の目標制御値である目標排気バルブタイミングEXVTpが算出される(S130)。また、同推定吸入空気量SGa及び機関回転速度NEに基づき、上記メモリに記憶されたマップを参照してリフト量可変機構53の目標制御値である目標リフト量VLpも算出される(S130)。なお、ステップS130での各バルブ特性に関する目標制御値の設定に際しては、効率よく機関出力が得られるように、換言すれば燃費が良好な状態で機関出力が得られるように、各目標制御値は設定される。
そして、吸気バルブタイミングINVTが目標吸気バルブタイミングINVTpとなるように、吸気バルブタイミング可変機構51の駆動が制御される。また、排気バルブタイミングEXVTが目標排気バルブタイミングEXVTpとなるように、排気バルブタイミング可変機構52の駆動が制御される。そして、最大リフト量VLが目標リフト量VLpとなるように、リフト量可変機構53の駆動が制御されて、本処理は一旦終了される。
以上説明した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)スロットル弁38の目標開度である目標スロットル開度TApは、機関運転状態に応じて設定される目標吸入空気量PGaに基づいて設定される。従って、スロットル弁38の開度が目標スロットル開度TApに向けて変更されると、吸入空気量Gaは、先の図5に二点鎖線Cにて示したような応答遅れを伴いながら、最終的には目標吸入空気量PGaに収束するようになる。
他方、吸気バルブタイミング可変機構51、排気バルブタイミング可変機構52、及びリフト量可変機構53といった機関バルブのバルブ特性を可変とする可変バルブ機構5の目標制御値は、上記推定吸入空気量SGaに基づいて設定される。すなわち、先の図5に二点鎖線Cにて示したような吸入空気量Gaの応答遅れを含む、実際に燃焼室23に導入される吸入空気量Gaに基づいて各種のバルブ特性は変更される。いわば、同二点鎖線Cにて示される吸入空気量Gaの変化に合わせて、吸気バルブタイミングINVT、排気バルブタイミングEXVT、及び最大リフト量VLは変更される。
このように、スロットル弁38の開度変更によって変化する燃焼室23への吸入空気量Gaについて、その変化過程における応答遅れに合わせて各種のバルブ特性を変更するようにしている。そのため、可変バルブ機構5及びスロットル弁38の駆動制御を通じて燃焼室23に導入される吸入空気量Gaを調整する場合に、その吸入空気量Gaをより適切に調整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。
・リフト量可変機構53では、最大リフト量VL及び作用角INCAM(開弁期間IVOT)の変更が同期して行われる。そのため、最大リフト量VLに代えて、作用角INCAMが目標作用角となるようにリフト量可変機構53の駆動を制御するようにしてもよい。
・上記可変バルブ機構5は、吸気バルブ35のバルブタイミングを変更する吸気バルブタイミング可変機構51、排気バルブ36のバルブタイミングを変更する排気バルブタイミング可変機構52、及び吸気バルブ35の最大リフト量VLと開弁期間IVOTとを変更するリフト量可変機構53から構成されていた。この他、上記可変バルブ機構5が、吸気バルブ35や排気バルブ36といった機関バルブのバルブタイミング、バルブリフト量、及び開弁期間の少なくとも1つを可変とする機構であっても、本発明は同様に適用することができる。
・上記実施形態では、吸気管33にサージタンク40を備えるエンジン1の吸入空気量制御装置として本発明を適用した場合について説明した。この他、吸気管33にサージタンク40を備えていない場合であっても本発明は同様に適用することができる。要は、可変バルブ機構及びスロットル弁の駆動制御を通じて燃焼室に導入される吸入空気量Gaを調整する場合にあって、スロットル弁38の開度変更に対し吸入空気量Gaの変化に応答遅れが生じるような吸気系を備えるエンジンであれば、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吸入空気量制御装置を具体化した一実施形態について、これが適用されるエンジンの構成を示す概略図。 同実施形態の吸気バルブタイミング可変機構による吸気バルブタイミングの変更態様を示す模式図。 同実施形態の排気バルブタイミング可変機構による排気バルブタイミングの変更態様を示す模式図。 同実施形態のリフト量可変機構による吸気バルブの最大リフト量及び作用角(開弁期間)の変更態様を示す模式図。 スロットル弁の開度変更を通じて燃焼室に導入される吸入空気量を調整する場合、及びバルブ特性の変更を通じて燃焼室に導入される吸入空気量を調整する場合における同吸入空気量の変化態様を示すタイムチャート。 同実施形態における吸入空気量調整処理についてその処理手順を示すフローチャート。
符号の説明
1…エンジン、2…シリンダブロック、3…シリンダヘッド、5…可変バルブ機構、9…電子制御装置(目標開度設定手段、目標制御値設定手段)、21…シリンダ、22…ピストン、23…燃焼室、31…吸気ポート、32…排気ポート、33…吸気管、34…排気管、35…吸気バルブ、36…排気バルブ、37…点火プラグ、38…スロットル弁、39…インジェクタ、40…サージタンク、51…吸気バルブタイミング可変機構、52…排気バルブタイミング可変機構、53…リフト量可変機構、91…吸入空気量センサ、92…クランク角センサ、93…スロットル開度センサ、94…吸気バルブタイミングセンサ、95…排気バルブタイミングセンサ、96…リフト量センサ、97…吸気温センサ、98…アクセルセンサ。

Claims (2)

  1. 機関バルブのバルブ特性を可変とする可変バルブ機構と、吸気通路内にスロットル弁とを備える内燃機関に適用されて、前記可変バルブ機構及び前記スロットル弁の駆動制御を通じて燃焼室に導入される吸入空気量を調整する制御装置であって、
    機関運転状態に応じて設定される目標吸入空気量に基づいて前記スロットル弁の目標開度を設定する目標開度設定手段と、
    前記燃焼室に導入される吸入空気量に基づいて前記可変バルブ機構の目標制御値を設定する目標制御値設定手段とを備える
    ことを特徴とする内燃機関の吸入空気量制御装置。
  2. 前記可変バルブ機構は、前記機関バルブのバルブタイミング、バルブリフト量、及び開弁期間の少なくとも1つを可変とする機構である
    請求項1に記載の内燃機関の吸入空気量制御装置。
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