JP2007263083A - 内燃機関の制御装置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 掃気作用に直接的に関連する新気吹き抜け量に応じてバルブオーバーラップ量を制御することにより、バルブオーバーラップによる掃気作用を有効に活用して筒内残留ガス量の低減化を図る。
【解決手段】 吸気弁及び排気弁の開閉時期を変更可能なバルブタイミング変更機構を備える。空燃比センサにより検出される排気通路の酸素濃度に基づいて、吸気通路から排気通路への新気吹き抜け量Ｓ２を推定する（Ｓ２５）。この新気吹き抜け量Ｓ２に応じて、バルブオーバーラップ量を制御する（Ｓ２６〜Ｓ３７）。
【選択図】 図８

Description

本発明は、バルブタイミング変更手段を備えた内燃機関の制御に関する。

特許文献１では、２サイクル多気筒エンジンにおいて、クランク室の圧力に基づいて掃気量を求め、この掃気量とＡ／Ｆ（空燃比）とに基づいて燃料噴射量を設定している。特許文献２では、４サイクル運転と２サイクル運転とを切換可能なエンジンにおいて、バルブタイミングを制御することによって２サイクル運転での掃気量を調整する技術が開示されている。
特開平４−３１１６３６号公報 特開２００４−２０４７４５号公報

４サイクル内燃機関では、吸気弁と排気弁の双方が開いているバルブオーバーラップ期間において、吸気通路から排気通路への新気吹き抜け量が増加するほど、吸気通路からの新気により筒内残留ガスが排気通路へ押し出される、いわゆる掃気作用が促進され、シリンダ内に残留する筒内残留ガス量が低減し、耐ノック性能が向上し、機関出力（トルク）の向上を図ることができる。但し、上記の掃気作用は吸気圧力や排気圧力に大きく依存しており、単に機関回転数や機関負荷に基づいて吸・排気弁のバルブタイミングを変更してバルブオーバーラップ量を増減しても十分な掃気作用が得られるとは限らず、例えばターボ過給機を備える内燃機関での加速過渡期のように排気圧力が過渡的に高くなるような状況でバルブオーバーラップ量を増加すると、逆に筒内残留ガスが増加するおそれがある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、吸気弁と排気弁がともに開弁するバルブオーバーラップ量を変更可能なバルブタイミング変更手段を備え、吸気通路から排気通路への新気吹き抜け量を推定し、この新気吹き抜け量に応じてバルブオーバーラップ量を制御することを特徴としている。

本発明によれば、掃気作用に直接的に関連する新気吹き抜け量に応じてバルブオーバーラップ量を制御することによって、バルブオーバーラップによる掃気作用を有効に活用して筒内残留ガス量を低減し、充填効率を向上することができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施例に係る内燃機関のシステム構成図である。この内燃機関１０は、４サイクル火花点火式の多気筒レシプロエンジンであって、各気筒毎に、燃焼室内の混合気を火花点火する点火プラグ７と、燃焼室（又は吸気ポート）へ燃料を噴射する燃料噴射弁６と、が設けられている。吸気通路１１には、上流側より順に、吸入空気量を計測するエアフローメータ２と、ターボ過給機１のコンプレッサ１Ａと、吸入空気（過給）を冷却するインタークーラ３と、吸入空気量を調整するスロットル４と、が配設されている。また、排気通路１２には、ターボ過給機１のタービン１Ｂと、Ａ／Ｆセンサ５と、が設けられている。

スロットル４は、運転者によるアクセルペダルの操作とは独立して開度を調整可能な電制のものである。ターボ過給機１は、周知のように、排気エネルギーで排気タービン１Ｂを回して同軸上に連結されたコンプレッサ１Ａを駆動し、吸入空気を過給するものである。Ａ／Ｆセンサ５は、排気中の酸素濃度にほぼ比例した信号（電流値）を出力する広域型の空燃比センサであって、空燃比がリーンである希薄燃焼時にも空燃比フィードバック制御を可能とするものであり、近年のリーンバーンエンジンには良く用いられている。

また、この内燃機関には、吸気弁の開閉時期を変更可能な吸気バルブタイミング変更機構２１と、排気弁の開閉時期を変更可能な排気バルブタイミング変更機構２２と、が設けられている。これらのバルブタイミング変更機構２１，２２は、周知のようにクランクシャフトに対するカムシャフトの位相を変化させるものである。また、吸気弁の開閉時期に対応する吸気カムシャフトの位相を検出する吸気カム角センサ２３と、排気弁の開閉時期に対応する排気カムシャフトの位相を検出する排気カム角センサ２４と、が設けられている。

制御部（エンジン・コントロール・モジュール：ＥＣＭ）１３は、各種制御処理を記憶及び実行する機能を有するデジタルコンピュータであり、上記のＡ／Ｆセンサ５，エアフローメータ２，カム角センサ２３，２４の他、クランク角センサ１４等の各種センサ類の検出信号に基づいて、スロットル４、燃料噴射弁６，点火プラグ７及びバルブタイミング変更機構２１，２２等へ制御信号を出力し、その動作を制御する。

図２は、上記制御部１３による新気吹き抜け量Ｓ２の推定制御の流れを示すフロチャートである。ステップＳ１１では、上記各種センサ類からの検出信号に基づいて、機関回転数Ｎｅ、クランクシャフト（又はカムシャフト）の回転位置でであるクランク角（ＣＡ）及び吸入空気量等を読み込む。ステップＳ１２では、機関回転数Ｎｅと吸入空気量とに基づいて、クランク角ＣＡに対する排気ガス流量を読み込む。例えば、機関回転数Ｎｅと吸入空気量毎に予め設定された図３に示すような制御マップを読み込む。

ステップＳ１３では、機関回転数Ｎｅに基づいて、図４に示すような予め設定された制御マップを参照して、燃焼室から排出された排気ガスがＡ／Ｆセンサ５に到達するまでの遅れ時間Ｔｄ（ｍｓ）を算出する。ステップＳ１４では、この遅れ時間Ｔｄと機関回転数Ｎｅとクランク角ＣＡとに基づいて、排気弁のみが開弁する期間、つまり排気弁閉時期ＥＶＣから吸気弁開時期ＩＶＯまでの非オーバーラップ（Ｏ／Ｌ）期間Ｔａのサンプリング時間（ｍｓ）と、吸気弁と排気弁とがともに開弁する期間、つまり吸気弁開時期ＩＶＯから排気弁閉時期ＥＶＣまでのオーバーラップ（Ｏ／Ｌ）期間Ｔｂ（ＣＡ）のサンプリング時間（ｍｓ）と、を設定する。図５に示すように、機関回転数Ｎｅが高くなるほどサンプリング時間は短くなる。

ステップＳ１５では、上記のＡ／Ｆセンサ５により、上記の応答遅れ時間Ｔｄを加味して、非Ｏ／Ｌ期間Ｔａの酸素濃度Ｃａと、Ｏ／Ｌ期間Ｔｂの酸素濃度Ｃｂと、を検出する。Ｃａは非Ｏ／Ｌ期間Ｔａで逐次検出される単位時間当たりの酸素濃度であり、ＣｂはＯ／Ｌ期間Ｔｂの区間平均の酸素濃度である。吸気通路１１から排気通路１２へ吹き抜ける未燃の新気には酸素が多く残っているために、図６にも示すように、排気ガス中に新気が含まれるＯ／Ｌ期間Ｔｂでは、非Ｏ／Ｌ期間Ｔａに比して酸素濃度が一時的に高くなり、酸素濃度に比例したＡ／Ｆセンサ５からの出力信号が局所的に高くなる。本発明はこの点に着目してなされたもので、既存のＡ／Ｆセンサ５を利用した簡素な構成で、後述するようにＯ／Ｌ期間Ｔｂと非Ｏ／Ｌ期間Ｔａの酸素濃度に基づいて、吸気通路１１から排気通路１２へ吹き抜ける新気吹き抜け量Ｓ２を正確に推定するものである。

ステップＳ１６では、下式（１）により、Ｏ／Ｌ期間Ｔｂでの希釈濃度Ｃｋを算出する。希釈濃度Ｃｋは、燃焼室から排気通路１２へ排出される排気ガス量（流量）に対し、Ｏ／Ｌ期間Ｔｂ中に吸気通路１１から排気通路１２へ吹き抜ける新気吹き抜け量の割合に相当する。
Ｃｋ＝（Ｃｂ／Ｃａ）−１ …（１）
ステップＳ１７では、上記の希釈濃度ＣｋとステップＳ１２で設定された排気ガス量とに基づいて、Ｏ／Ｌ期間Ｔｂに吸気通路１１から排気通路１２へ吹き抜ける新気吹き抜け量Ｓ２を算出する。具体的には、極短い演算間隔（例えば所定のクランク角）毎に、単位時間当たりの新気吹き抜け量を逐次算出し（Ｃｋ×排気ガス流量）、これらを積算することによって、１気筒１サイクルでの新気吹き抜け量Ｓ２を正確に求めることができる（図７参照）。

図８は、本実施例に係る新気吹き抜け量Ｓを利用したバルブオーバーラップ量（期間）の制御内容を示すフローチャートである。本ルーチンは上記制御部１３によって記憶されるとともに極短期間（所定クランク角）毎に繰り返し実行される。

ステップＳ２１では、機関回転数Ｎｅ，クランク角（又はカム角），吸・排気弁の開閉時期（カムシャフトの位相）等の機関運転条件を読み込む。ステップＳ２２では、例えば図９に示すような予め設定された制御マップを用いて、機関回転数（及び機関負荷）に基づいて、吸気バルブタイミング機構２１による吸気カムシャフトの目標位相、すなわち目標吸気弁開時期ｔＩＶＯ（及び吸気弁閉時期）と、排気バルブタイミング機構２２による排気カムシャフトの目標位相、すなわち目標排気弁閉時期ｔＥＶＣ（及び排気弁開時期）と、を設定する。ステップＳ２３では、上記のカム角センサ２３，２４の検出信号に基づいて、吸気弁と排気弁がともに開いているバルブオーバーラップ期間（量）ｒＯ／Ｌを演算する。また、図１０に示すような予め設定される制御マップを参照して、バルブオーバーラップの要求量ｔＯ／Ｌを設定する。

ステップＳ２４では、上記ｒＯ／Ｌ（又はｔＯ／Ｌ）が所定の判定値ｓＯ／Ｌを越えているかを判定する。判定値ｓＯ／Ｌを越えていなければ、バルブオーバーラップによる良好な掃気作用が得られないと判断して、本ルーチンを終了する。ｒＯ／Ｌ（又はｔＯ／Ｌ）が判定値ｓＯ／Ｌを越えていれば、ステップＳ２５へ進み、図２のルーチンにより求められる新気吹き抜け量Ｓ２を読み込む。ステップＳ２６では、新気吹き抜け量Ｓ２が所定の判定値Ｓｈを越えているかを判定する。新気吹き抜け量Ｓ２が判定値Ｓｈを越えていれば、ステップＳ２７へ進み、新気吹き抜け量Ｓ２の変化ΔＳを演算する。具体的には、今回の新気吹き抜け量Ｓ２と、その１サイクル前の新気吹き抜け量Ｓ２ｏｌｄと、の差分（Ｓ２−Ｓ２ｏｌｄ）により変化ΔＳを求める。ステップＳ２８では、上記ΔＳに基づいて、新気吹き抜け量Ｓ２が増加中か減少中かを判定する。具体的には、ΔＳが０（ゼロ）を越える正の値であるか、あるいは負の値であるかを判定する。

ΔＳが正の値で、新気吹き抜け量Ｓ２が増加していると判定された場合、ステップＳ２９へ進み、バルブオーバーラップの増加量ａを設定する。この増加量ａは予め設定される固定値であって、バルブオーバーラップ量が急激に変動することのないように微小な値とされる。ステップＳ３０では、吸気弁開時期ＩＶＯの進角化が可能であるかを判定する。つまり、ｔＩＶＯ又は吸気カム角センサ２３等により検出される実際のＩＶＯが最進角値を除く値であるかを判定する。ＩＶＯの進角化が可能であれば、ステップＳ３１へ進み、上記の増加量ａの分、目標吸気弁開時期ｔＩＶＯを進角側へ補正する。ＩＶＯの進角化が不可能であれば、ステップＳ３２へ進み、上記の増加量ａ、あるいはこの増加量ａからＩＶＯの進角量を差し引いた分、目標排気弁閉時期ｔＥＶＣを遅角側へ補正する。

ΔＳが負の値で、新気吹き抜け量Ｓ２が減少している場合、ステップＳ２８からステップＳ３３へ進み、バルブオーバーラップの減少量ｂを設定し、ステップＳ３４へ進む。この減少量ｂは、上記の増加量と同様、予め設定される固定値であって、バルブオーバーラップ量が急激に変動することのないように微少な値とされる。また、新気吹き抜け量Ｓ２が所定の判定値Ｓｈを越えていない場合、ステップＳ２６からステップＳ３７へ進み、バルブオーバーラップ量が０（ゼロ）となるように、バルブオーバーラップ量の低下量ｃを設定し、ステップＳ３４へ進む。この低下量ｃは、上記のｒＯ／Ｌ又はｔＯ／Ｌに基づいて設定される。

ステップＳ３４では、排気弁閉時期ＥＶＣの進角化が可能であるかを判定する。つまり、ｔＥＶＣ又は排気カム角センサ２４等により検出される実際のＥＶＣが最進角値を除く値であるかを判定する。ＥＶＣの進角化が可能であれば、ステップＳ３５へ進み、上記の減少量ｂの分、目標排気弁閉時期ｔＥＶＣを進角側へ補正する。ステップＳ３４においてＥＶＣの進角化が不可能と判定されれば、ステップＳ３６へ進み、上記の減少量ｂ又はｃ、あるいはこの減少量ｂ又はｃからＥＶＣの進角量を差し引いた分、目標吸気弁開時期ｔＩＶＯを遅角側へ補正する。

次に、図１１〜図１３のタイムチャートを参照して、本実施例の作用効果について説明する。

図１２に誇張して示すように、新気吹き抜け量の変化ΔＳが増加方向である場合には、上記ステップＳ２９〜Ｓ３２により、バルブオーバーラップ量が漸次増加されていく。一方、図１３に誇張して示すように、新気吹き抜け量Ｓ２の変化ΔＳが減少方向であると、上記のステップＳ３３〜Ｓ３６により、バルブオーバーラップ量が減少される。従って、掃気作用に直接的に関連する新気吹き抜け量を精度良く増大することができ、掃気作用を最大限に活用して筒内残留ガス量を低減し、ノッキング性能や機関出力（トルク）性能を向上することができる。しかも、１サイクル毎に得られる新気吹き抜け量Ｓ２に基づいてバルブオーバーラップ量を増減するために、極めて応答性に優れており、加速過渡期のような状況でも良好な制御性を得ることができる。

また、図１１に示すように、新気吹き抜け量Ｓ２が判定値Ｓｈ以下となると、もはやバルブオーバーラップによる掃気効果を期待できず、逆に、排気通路からの吹き戻しによって筒内残留ガス量が増大するおそれがあるものの、本実施例によれば、上記のステップＳ３７及びＳ３４〜Ｓ３６の処理によって、バルブオーバーラップ量が０（ゼロ）となるように減少されるので、このような不具合を招くおそれがない。

このようにバルブオーバーラップを減少する際には、上記のステップＳ３０〜Ｓ３２の処理によって、図１１にも示すように、先ず排気弁の進角化が優先的に行われ、もやは排気弁の進角が不可能である場合に限り、吸気弁開時期ＩＶＯの遅角化が行われる。このため、ＩＶＯの遅角化による充填効率の低下を有効に抑制することができる。逆に、バルブオーバーラップを減少する際には、上記のステップＳ３４〜Ｓ３６の処理によって、図１２にも示すように、先ず吸気弁の進角化が優先的に行われ、もやは吸気弁の進角化が不可能である場合に限り、排気弁閉時期ＥＶＣの遅角化を行うようにしている。従って、ＩＶＯの遅角化による充填効率の向上効果を最大限に活用することができる。

以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。例えば、上記実施例では燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射型の内燃機関に本発明を適用しているが、これに限らず、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射型の内燃機関に本発明を適用することも可能である。この場合、吸気通路から排気通路へ吹き抜ける新気が混合気となる。この場合であっても、上記実施例と同様、空燃比センサにより検出される酸素濃度に基づいて、新気吹き抜け量を推定することが可能である。また、上記実施例では、排気タービン１Ｂによる影響を排除して新気吹き抜け量の推定精度を高めるために、空燃比センサ５を排気タービン１Ｂよりも上流側（燃焼室寄り）に配置しているが、空燃比センサの設置位置はこれに限られるものではなく、例えば新気吹き抜け量の推定精度を確保できる場合には排気タービン１Ｂの下流側に配置するようにしても良い。

本発明の一実施例が適用された内燃機関のシステム構成図。 本実施例の新気吹き抜け量の推定制御の流れを示すフローチャート。 クランク角に対する排気ガス流量を示す制御マップの一例を示す特性図。 機関回転数と応答遅れ時間との関係を示す制御マップの一例を示す特性図。 機関回転数とサンプリング時間との関係を示す制御マップの一例を示す特性図。 バルブオーバーラップ期間でのＡ／Ｆセンサの出力変化を示す説明図。 Ａ／Ｆセンサの出力と排気ガス流量とを示す説明図。 新気吹き抜け量を利用したバルブオーバーラップ量の制御の流れを示すフローチャート。 目標吸気弁開時期の設定に用いられる制御マップの一例を示す特性図。 バルブオーバーラップ要求量の設定に用いられる制御マップの一例を示す特性図。 本実施例の作用効果を説明するためのタイムチャート。 同じく本実施例の作用効果を説明するためのタイムチャート。 同じく本実施例の作用効果を説明するためのタイムチャート。

符号の説明

１…ターボ過給機
５…空燃比センサ（酸素濃度検出手段）
６…燃料噴射弁
７…点火プラグ
１１…吸気通路
１２…排気通路
１３…制御部
２１…吸気バルブタイミング変更機構（吸気バルブタイミング変更手段）
２２…排気バルブタイミング変更機構（排気バルブタイミング変更手段）
２３…吸気カム角センサ
２４…排気カム角センサ

Claims (7)

1. 吸気弁と排気弁がともに開弁するバルブオーバーラップ量を変更可能なバルブタイミング変更手段と、
   吸気通路から排気通路への新気吹き抜け量を推定する新気吹き抜け量推定手段と、
   上記新気吹き抜け量に応じて、バルブオーバーラップ量を制御する制御部と、
   を有することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 上記バルブタイミング変更手段が、吸気弁の開閉時期を変更する吸気バルブタイミング変更手段と、排気弁の開閉時期を変更する排気バルブタイミング変更手段と、を有し、
   上記制御部は、バルブオーバーラップ量を減少するときには、吸気弁開時期の遅角化に比して排気弁閉時期の進角化を優先的に行うことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 上記バルブタイミング変更手段が、吸気弁の開閉時期を変更する吸気バルブタイミング変更手段と、排気弁の開閉時期を変更する排気バルブタイミング変更手段と、を有し、
   上記制御部は、バルブオーバーラップ量を増加するときには、排気弁閉時期の遅角化に比して吸気弁開時期の進角化を優先的に行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 上記制御部は、新気吹き抜け量が所定の判定値以下の場合、バルブオーバーラップ量を０とす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制御装置。
5. 上記制御部は、新気吹き抜け量が増加中か減少中を判定し、増加中の場合にはバルブオーバーラップ量を増加させ、減少中の場合にはバルブオーバーラップ量を減少させることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
6. 排気通路内の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を有し、
   上記新気吹き抜け量推定手段が、上記酸素濃度に基づいて新気吹き抜け量を推定す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制御装置。
7. 吸気弁と排気弁がともに開弁するバルブオーバーラップ量を変更可能なバルブタイミング変更手段を備える内燃機関の制御方法であって、
   吸気通路から排気通路への新気吹き抜け量を推定し、
   この新気吹き抜け量に応じて、バルブオーバーラップ量を制御することを特徴とする内燃機関の制御方法。

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