JP2008280979A - 内燃機関の吸気制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の吸気制御装置に関し、スロットルと吸気バルブの双方の特徴を活かして吸入空気量を制御できるようにする。
【解決手段】吸入空気量の変更要求があった場合、吸気管内の圧力に関する所定の条件が成立するまでの間はスロットルにより吸入空気量を制御し、前記条件が成立してからは吸気バルブの動作特性の変更によって吸入空気量を制御する。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の吸気制御装置に関し、詳しくは、気筒への吸入空気量をスロットルと吸気バルブとによって制御可能な内燃機関の吸気制御装置に関する。

内燃機関の吸気バルブの動作特性を可変にし、その作用角や最大リフト量を変更することによって気筒への吸入空気量を制御する技術が知られている。例えば、特開２００６−２０７４３３号公報には、吸気バルブの作用角や最大リフト量を変更することで吸入空気量を増量する場合、出力の急激な増大を防止するため、徐変処理によって作用角や最大リフト量を徐々に増大させることが提案されている。
特開２００６−２０７４３３号公報

吸気バルブを用いた吸入空気量の制御は、スロットルによる吸入空気量の制御に比較して吸気ボリュームによる遅れが無い分、応答性に優れている。しかし、吸気バルブを駆動する動弁系には部品の加工精度や組立精度に気筒毎のばらつきがある。このため、作用角や最大リフト量などの動作特性が気筒間で全く同一になっているとは限らない。気筒間で吸気バルブの動作特性にばらつきがある場合、その影響は吸入空気量が少ない低負荷運転時において相対的に大きくなる。つまり、低負荷運転時には、吸入空気量が少なくなる分、動作特性のばらつきによる誤差の占める比率が大きくなり、その結果、気筒間の吸入空気量比に大きなばらつきが生じてしまう。

このように、現実的には、吸気バルブによって制御できる吸入空気量には制御精度上の下限が存在している。その下限以下でも吸入空気量を制御しようとするならば、吸気バルブを用いた吸入空気量の制御と併せて、従来のスロットルによる吸入空気量制御を行う必要がある。しかしながら、スロットルと吸気バルブとをどのように併用するかについては、上記の特許文献を含むどの文献にも具体的には記載されていない。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、スロットルと吸気バルブの双方の特徴を活かして吸入空気量を制御できるようにした、内燃機関の吸気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、内燃機関の吸気制御装置であって、
吸気管の上流に設けられたスロットルと、
可変動弁機構により動作特性を変更可能な吸気バルブと、
前記スロットルと前記吸気バルブの少なくとも一方を操作して気筒内への吸入空気量を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、吸入空気量の変更要求があった場合、前記吸気管内の圧力に関する所定の条件が成立するまでの間は前記スロットルにより吸入空気量を制御し、前記条件が成立してからは前記吸気バルブの動作特性の変更によって吸入空気量を制御することを特徴としている。

第２の発明は、第１の発明において、
前記制御手段は、前記の変更要求が吸入空気量の増量要求の場合、前記吸気管内の圧力が所定値を超えるまでの間は前記吸気バルブの動作特性は制御上の下限値に固定にして前記スロットルにより吸入空気量を制御し、前記吸気管内の圧力が所定値を超えてからは前記吸気バルブの動作特性の変更によって吸入空気量を制御することを特徴としている。

第３の発明は、第２の発明において、
前記制御手段は、前記吸気バルブの動作特性の変更によって吸入空気量を制御する際には前記スロットルを略全開の状態とすることを特徴としている。

第４の発明は、第２又は第３の発明において、
車両が駆動状態なのか非駆動状態なのかを判定する判定手段をさらに備え、
前記制御手段は、車両が駆動状態のときには、前記吸気管内の圧力が所定値を超えていない場合であっても前記吸気バルブの動作特性の変更による吸入空気量の制御を実行することを特徴としている。

第５の発明は、第１の発明において、
前記制御手段は、前記の変更要求が吸入空気量の減量要求の場合、前記吸気管内の圧力が所定値を下回るまでの間は前記スロットルにより吸入空気量を制御し、前記吸気管内の圧力が所定値を下回ってからは前記吸気バルブの動作特性の変更によって吸入空気量を制御することを特徴としている。

第６の発明は、第１乃至第５の何れか１つの発明において、
前記可変動弁機構は、前記吸気バルブの作用角或いは最大リフト量の少なくとも一方を可変にすることを特徴としている。

第１の発明によれば、スロットルによる吸入空気量制御から吸気バルブによる吸入空気量制御への切り替えに吸気管内の圧力を条件として用いることで、吸入空気量の制御にスロットルと吸気バルブの双方の特徴を活かすことが可能になる。

第２の発明によれば、吸入空気量の増量要求に対し、吸気管内の圧力が所定値を超えるまではスロットルによって吸入空気量を制御することができ、吸気管内の圧力が所定値を超えてからは応答性に優れた吸気バルブによって吸入空気量を制御することができる。しかも、吸気管内の圧力が所定値を超えるまでの間は吸気バルブの動作特性を制御上の下限値に固定にしておくことで、早い時期から吸気バルブによる吸入空気量制御を開始することができる。

第３の発明によれば、吸気バルブの動作特性の変更によって吸入空気量を制御する際にはスロットルを略全開にすることで、吸入空気量がスロットルによって律速されるのを防止することができる。

第４の発明によれば、車両が駆動状態のときには吸気バルブによる吸入空気量制御を速やかに実行することで、スロットルによる吸入空気量制御から吸気バルブによる吸入空気量制御への切り替えに遅れが生じるのを防止することができる。また、車両の非駆動状態のときには前述のような制御を行うことで、車両が非駆動状態から駆動状態に切り替わる前後でのトルクの急増を抑えることができ、駆動状態に切り替わった瞬間の加速ショックの発生を防止することができる。

第５の発明によれば、吸入空気量の減量要求に対し、吸気管内の圧力が所定値を下回るではスロットルによって吸入空気量を制御することでポンピングロスによる減速感を創出することができる。そして、吸気管内の圧力が所定値を下回ってからは吸気バルブによって吸入空気量を制御することで吸気管内に過大な負圧が発生するのを防止することができる。

第６の発明によれば、吸気バルブの作用角或いは最大リフト量によって気筒内への吸入空気量を制御することができる。

［エンジンシステムの構成］
図１は本発明の実施の形態としての内燃機関の吸気制御装置を備えたエンジンシステムの概略構成図である。本実施形態にかかるエンジン２は火花点火式の４ストロークエンジンであり、複数（図では１つのみ示している）の気筒１０を有している。気筒１０には吸気管４と排気管６が接続されている。気筒１０と吸気管４との接続部にはその連通状態を制御する吸気バルブ１２が設けられている。また、気筒１０と排気管６との接続部にはその連通状態を制御する排気バルブ１４が設けられている。

吸気バルブ１２にはその動作特性を変更することができる可変動弁機構２０が設けられている。可変動弁機構２０は、少なくとも吸気バルブ１２の作用角を可変にすることができる機構である。可変動弁機構２０の構造に関する限定はない。このシステムでは、可変動弁機構２０により吸気バルブ１２の作用角を変更することで、気筒１０内に吸入される空気量を制御できるようになっている。

吸気管４の上流には電子制御式のスロットル２２が配置されている。このシステムでは、気筒１０内に吸入される空気量をスロットル２２でも制御することができる。吸気管４にはその内部の圧力（吸気管圧）に応じた信号を出力する吸気管圧センサ３２が取り付けられている。

また、このシステムには、アクセル開度に応じた信号を出力するアクセル開度センサ３４と、エンジン回転数に応じた信号を出力するエンジン回転数センサ３６と、自動変速機のタービン回転数に応じた信号を出力するタービン回転数センサ３８とを備えている。吸気管圧センサ３２を含む各センサ３２，３４，３６，３８の信号は、システム全体を総合的に制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）３０に入力されている。ＥＣＵ３０は、上記センサ３２，３４，３６，３８から発せられる信号やその他の情報に基づき、可変動弁機構２０やスロットル２２の各制御量を決定している。なお、エンジン２には可変動弁機構２０やスロットル２２以外にもインジェクタや点火装置等の種々のアクチュエータが備えられている。ただし、それらは本発明の要部には関係しないので、図中での表示と本明細書内での説明は省略するものとする。

本実施の形態のシステムは、上記のように、気筒１０内への吸入空気量を制御する手段として、可変動弁機構２０付きの吸気バルブ１２とスロットル２２とを備えている。ＥＣＵ３０は、吸気バルブ１２の作用角とスロットル２２の開度とを協調制御することによって、気筒１０内への吸入空気量を要求トルクに応じた吸入空気量に制御している。以下、本実施の形態において実施する吸入空気量制御、特に、加速時の吸入空気量制御と減速時の吸入空気量制御とについて詳しく説明する。

［加速時の吸入空気量制御］
まず、ＥＣＵ３０が実施する加速時の吸入空気量制御の概要について図２及び図３を用いて説明する。図２及び図３はスロットル２２及び動弁系の各制御量の変化と吸入空気量の変化との関係を示す図である。なお、動弁系とは、可変動弁機構２０と吸気バルブ１２とからなるシステムを指す。図３がＥＣＵ３０による吸入空気量制御の実施結果を示し、図２は比較例としての吸入空気量制御の実施結果を示している。

図２及び図３の上段は加速要求のオン／オフを示すタイムチャートである。加速要求、すなわち、吸入空気量の増量要求の有無はアクセル開度の変化から判定することができる。一方、図２及び図３の下段は吸入空気量の変化を示すタイムチャートである。下段において二点鎖線で示す空気量の変化は、動弁系の制御量、具体的には吸気バルブ１２の作用角を空気量に換算したものである。また、破線で示す空気量の変化は、スロットル２２の開度を空気量に換算したものである。そして、実線で示す空気量の変化が実際の吸入空気量（実空気量）の変化を示している。なお、吸気バルブ１２の作用角を変更してから実際に空気量が変化するまでには時間遅れがあり、また、スロットル２２の開度を変更してから実際に空気量が変化するまでにも時間遅れがある。その時間遅れは、気筒１０までの容積（吸気ボリューム）が大きい分、スロットル２２のほうが格段に大きい。

吸気バルブ１２によって制御できる吸入空気量には制御精度上の下限が存在している。図２及び図３の下段において“ノンスロ域境界”と表記しているラインがこの制御精度上の下限に相当する。ノンスロ域境界よりも上の領域は、吸気バルブ１２のみで吸入空気量を制御できる領域、つまり、スロットル２２を用いないで吸入空気量を制御できる領域であり、これをノンスロ域という。一方、ノンスロ域境界よりも下の領域は、吸気バルブ１２では精確に吸入空気量を制御できない領域、つまり、スロットル２２による吸入空気量の制御が必要な領域であり、これを非ノンスロ域という。

図２及び図３に示すように、吸入空気量（実線で示す）は、スロットル２２の開度から換算される空気量（二点鎖線で示す）と、吸気バルブ１２の作用角から換算される空気量（破線で示す）のうち少ないほうによって律速される。図２の比較例では、加速要求と同時にスロットル２２を開き、且つ、吸気バルブ１２の作用角を増大しているが、前述のようにスロットル開度の変化に対する空気量の応答は遅いため、吸入空気量はスロットル開度によって律速されてしまう。このため、加速要求と同時に吸気バルブ１２の作用角を増大させたとしても、それによって吸入空気量を制御可能になるのはある程度の時間が経過してからであり、そのときには既に吸入空気量は増大してしまっている。

ところで、エンジン２から駆動輪までの間には、自動変速機を含む複数の歯車機構が介在している。歯車間には多少のクリアランスが設けられているため、車両が非駆動状態にあるときの歯車機構では、歯車間の噛み合いが弛んだ状態になっている。このような状態でエンジン２の出力トルクを急に増大させると、歯車間のクリアランスが詰まり非駆動状態から駆動状態に切り替わった瞬間、過大なトルクが駆動系に入力されることになる。その結果、反動によるショックが車両に発生してしまう。したがって、加速の開始時にはトルクを急上昇させないように吸入空気量を制御したい。望ましくは、応答性に優れた吸気バルブ１２によって吸入空気量を制御したい。しかしながら、図２の比較例のように吸気バルブ１２の作用角を増大させてしまうと、吸気バルブ１２によって吸入空気量を律速できるようになるのは吸入空気量がある程度大きくなってからであり、それまでの間に加速ショックが生じてしまうおそれがある。

そこで、ＥＣＵ４０は、図３に示すように、加速要求と同時にスロットル２２は開くが、吸入空気量がノンスロ域境界を超えるまでは吸気バルブ１２の作用角は制御上の最小値、つまり、ノンスロ域境界に対応する作用角に固定することとした。そして、吸入空気量がノンスロ域境界に達し、吸気バルブ１２によって吸入空気量を律速できるようになってから、吸気バルブ１２の作用角を増大させていくこととした。これによれば、吸入空気量が少ない状態から吸気バルブ１２による吸入空気量制御を開始することが可能になり、車両が非駆動状態から駆動状態に切り替わる前後でのトルクの急増を抑えることができる。つまり、加速ショックの発生を防止することができる。

なお、吸入空気量がノンスロ域境界に達したか否かは、吸気管圧で判定することができる。吸入空気量の変化と吸気管圧の変化とは対応しているからである。ＥＣＵ３０は、吸気管圧がノンスロ域境界に対応する所定値を超えるまでは、スロットル２２によって吸入空気量を制御する。その間、前述のように、吸気バルブ１２の作用角はノンスロ域境界に対応する最小作用角に固定しておく。そして、吸気管圧が前記所定値を超えたら、吸気バルブ１２による吸入空気量の律速が可能となったものと判断し、吸気バルブ１２による吸入空気量制御を開始する。

実際には、ＥＣＵ３０は、図４のフローチャートに示すルーチンに従って加速時の吸入空気量制御を実施する。最初のステップＳ１００では、アクセル開度やエンジン回転数などからエンジン２に要求すべき出力トルク（要求トルク）を算出する。次のステップＳ１０２では、要求トルクを実現するために必要なスロットル２２の開度と吸気バルブ１２の作用角とをそれぞれ目標スロットル開度、目標作用角として算出する。要求トルクと目標スロットル開度及び目標作用角との対応関係は、予めＥＣＵ３０に記憶されているマップに定められている。

次のステップＳ１０４では、スロットル２２のみ目標スロットル開度に向けて操作する。スロットル２２が開かれていくことで、吸気管圧も次第に上昇していく。この時点では、吸気バルブ１２の作用角はノンスロ域境界に対応する最小作用角に固定されたままとなっている。

次のステップＳ１０６では、車両が駆動状態であるのか非駆動状態であるのか、エンジン回転数とタービン回転数との比較によって判定する。エンジン回転数がタービン回転数よりも小さければ、車両は未だ非駆動状態であると判定することができる。車両が非駆動状態のときには、次のステップＳ１０８の判定を実施する。

ステップＳ１０８では、吸気バルブ１２による吸入空気量の律速が可能になったか否か吸気管圧に基づいて判定する。前述のように、吸気管圧がノンスロ域境界に対応する所定値を超えたら、吸気バルブ１２による吸入空気量の律速が可能となったものと判断する。吸気管圧が所定値を超えるまでは、次のステップＳ１１０の処理はスキップされ、その間の吸入空気量の制御はスロットル２２にて行われる。

そして、ステップＳ１０８の判定の結果、吸気バルブ１２による吸入空気量の律速が可能になったときには、動弁系の制御を開始する（ステップＳ１１０）。すなわち、吸気バルブ１２による吸入空気量制御を開始し、目標作用角に向けて吸気バルブ１２を操作する。この操作により、気筒１０内への吸入空気量は、吸気バルブ１２によって律速されながら、要求トルクを実現する吸入空気量まで増大していく。

なお、ステップＳ１０６の判定の結果、車両が駆動状態になったと判定されたときには、ステップＳ１０８の判定をスキップしてステップＳ１１０の処理を実施する。すなわち、速やかに吸気バルブ１２による吸入空気量制御を開始し、目標作用角に向けての吸気バルブ１２の操作を開始する。これにより、スロットル２２による吸入空気量制御から吸気バルブ１２による吸入空気量制御への切り替えに遅れが生じるのを防止することができる。

［減速時の吸入空気量制御］
次に、ＥＣＵ３０が実施する減速時の吸入空気量制御について図５を用いて説明する。図５は実際にＥＣＵ３０により実施される減速時の吸入空気量制御のルーチンを示すフローチャートである。最初のステップＳ２００では、アクセル開度やエンジン回転数などからエンジン２に要求すべき出力トルク（要求トルク）を算出する。次のステップＳ２０２では、要求トルクを実現するために必要なスロットル２２の開度と吸気バルブ１２の作用角とをそれぞれ目標スロットル開度、目標作用角として算出する。要求トルクと目標スロットル開度及び目標作用角との対応関係は、予めＥＣＵ３０に記憶されているマップに定められている。

次のステップＳ２０４では、まず、スロットル２２のみ目標スロットル開度に向けて操作する。そして、次のステップＳ２０６で、ステップＳ２０４でのスロットル開度の変化に基づき、減速が要求されているのか否か、つまり、吸入空気量の減量が要求されているのか否か判定する。減速が要求されているときには、次のステップＳ２０８の判定を実施する。

ステップＳ２０８では、吸気管４の負圧が過大になっていないか否か判定する。吸気管圧が所定値を下回っている場合、吸気管４に過大な負圧が発生しているものと判断し、次のステップＳ２１０の処理を実施する。ステップＳ２１０では、動弁系の制御、すなわち、吸気バルブ１２の操作によって吸入空気量を制御することで、吸気管４内に発生している負圧を抑制する。具体的には、作用角を小さくして気筒１０内への吸入空気量を絞るようにする。吸気管圧が所定値を下回るまでは、次のステップＳ２１０の処理はスキップされ、その間の吸入空気量の制御はスロットル２２にて行われる。

このような処理によれば、減速要求に対し、吸気管圧が所定値を下回るまではスロットル２２によって吸入空気量を制御することで、ポンピングロスによる減速感を創出することができる。そして、吸気管圧が所定値を下回ってからは吸気バルブ１２によって吸入空気量を制御することで、吸気管４に発生した過大な負圧を抑制し、負圧によるオイル消費を抑制することができる。

なお、ステップＳ２０６で減速が要求されていないと判定された場合には、次のステップＳ２０８の判定をスキップし、ステップＳ２１０の処理を実施する。ステップＳ２１０では、動弁系の制御を開始し、目標作用角に向けて吸気バルブ１２を操作する。ステップＳ２０４で実施するスロットル２２の操作とステップＳ２１０で実施する吸気バルブ１２の操作により、ステップＳ２００で算出された要求トルクが実現されることになる。

以上説明したように、本実施の形態では、加速時と減速時の何れの吸入空気量制御でも、スロットル２２による吸入空気量制御から吸気バルブ１２による吸入空気量制御への切り替えに吸気管４内の圧力を条件として用いることで、スロットルと吸気バルブの双方の特徴を活かした吸入空気量制御を可能にしている。

［その他］
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、上述の実施の形態では、可変動弁機構２０は吸気バルブ１２の作用角を可変としているが、吸気バルブ１２の最大リフト量を可変としてもよく、作用角と最大リフト量の双方を連動して可変としてもよい。

本発明の実施の形態としての内燃機関の吸気制御装置を備えたエンジンシステムの概略構成図である。 スロットルと動弁系の各制御量の変化と吸入空気量の変化との関係を示す図である（比較例）。 スロットルと動弁系の各制御量の変化と吸入空気量の変化との関係を示す図である（本発明）。 本発明の実施の形態において実施される加速時の吸入空気量制御のルーチンを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態において実施される減速時の吸入空気量制御のルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

２ エンジン本体
４ 吸気管
６ 排気管
１０ 燃焼室
１２ 吸気バルブ
１４ 排気バルブ
２０ 可変動弁機構
２２ スロットル
３０ ＥＣＵ
３２ 吸気管圧センサ
３４ アクセル開度センサ
３６ エンジン回転数センサ
３８ タービン回転数センサ

Claims (6)

1. 吸気管の上流に設けられたスロットルと、
   可変動弁機構により動作特性を変更可能な吸気バルブと、
   前記スロットルと前記吸気バルブの少なくとも一方を操作して気筒内への吸入空気量を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、吸入空気量の変更要求があった場合、前記吸気管内の圧力に関する所定の条件が成立するまでの間は前記スロットルにより吸入空気量を制御し、前記条件が成立してからは前記吸気バルブの動作特性の変更によって吸入空気量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. 前記制御手段は、前記の変更要求が吸入空気量の増量要求の場合、前記吸気管内の圧力が所定値を超えるまでの間は前記吸気バルブの動作特性を制御上の下限値に固定にして前記スロットルにより吸入空気量を制御し、前記吸気管内の圧力が所定値を超えてからは前記吸気バルブの動作特性の変更によって吸入空気量を制御することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の吸気制御装置。
3. 前記制御手段は、前記吸気バルブの動作特性の変更によって吸入空気量を制御する際には前記スロットルを略全開の状態とすることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の吸気制御装置。
4. 車両が駆動状態なのか非駆動状態なのかを判定する判定手段をさらに備え、
   前記制御手段は、車両が駆動状態のときには、前記吸気管内の圧力が所定値を超えていない場合であっても前記吸気バルブの動作特性の変更による吸入空気量の制御を実行することを特徴とする請求項２又は３記載の内燃機関の吸気制御装置。
5. 前記制御手段は、前記の変更要求が吸入空気量の減量要求の場合、前記吸気管内の圧力が所定値を下回るまでの間は前記スロットルにより吸入空気量を制御し、前記吸気管内の圧力が所定値を下回ってからは前記吸気バルブの動作特性の変更によって吸入空気量を制御することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の吸気制御装置。
6. 前記可変動弁機構は、前記吸気バルブの作用角或いは最大リフト量の少なくとも一方を可変にすることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の内燃機関の吸気制御装置。

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