JP2009221920A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、内燃機関の制御装置に関し、吸気バルブがリフト量の小さい小リフトに故障した場合において、ノッキングの発生を抑制しうる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】過給機と、吸気バルブのリフト量と位相を変化させる吸気側可変動弁機構を備えた内燃機関において、前記吸気側可変動弁機構が、既定値よりも小さいリフト量を生じさせる状態に固着する小リフト固着に陥っているか否かを判定する（ステップ１１０）。前記小リフト固着が生じていると判定された場合には、前記小リフト固着が生じていないと判定された場合よりも、前記吸気バルブの位相を進角させる（ステップ１２０）。
【選択図】図３

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、車両に搭載される内燃機関の制御を実行するのに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に開示されているように、排気バルブのリフト量・作用角を可変にする機構と、排気バルブの位相を可変にする機構とを備え、いずれかが故障した場合には、故障していない機構を制御することにより、吸気バルブと排気バルブとが共に開くオーバーラップ期間を短く設定する内燃機関が知られている。オーバーラップ期間を短く設定することで、吸排気ガスの逆流を抑制することができる。吸排気ガスの逆流を抑制することで、燃焼安定を図ることができる。

特開２００６−２５７８７９号公報 特開２００５−１６３８３号公報

しかしながら、上記従来の内燃機関において、吸気バルブのリフト量が既定値よりも小さい値に制限される小リフト固着が生じた場合は、小リフト相応の空気量よりも多くの空気が吸入される状況下においては吸入抵抗が増大する。吸入抵抗が増大すれば、吸入される空気の温度が上昇する。吸入される空気の温度が上昇すれば、ノッキングを生じる可能性が高くなる。

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、小リフト固着が生じた場合に、ノッキングの発生を抑制しう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、内燃機関の制御装置であって、
内燃機関に吸入される空気を過給する過給機と、
吸気バルブのリフト量と位相を変化させる吸気側可変動弁機構と、
前記吸気側可変動弁機構が、既定値よりも小さいリフト量を生じさせる状態に固着する小リフト固着に陥っているか否かを判定する小リフト固着判定手段と、
前記小リフト固着が生じていると判定された場合には、前記小リフト固着が生じていないと判定された場合よりも、前記吸気バルブの位相を進角させる吸気バルブ制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
内燃機関に吸入される空気を過給する過給機と、
吸気バルブのリフト量を変化させる吸気側可変動弁機構と、
排気バルブのリフト量、作用角、位相の少なくとも一つを変化させる排気側可変動弁機構と、
前記吸気側可変動弁機構が、既定値よりも小さいリフト量を生じさせる状態に固着する小リフト固着に陥っているか否かを判定する小リフト固着判定手段と、
前記小リフト固着が生じていると判定された場合には、前記小リフト固着が生じていないと判定された場合よりも、前記排気バルブのリフト量を大きくするか、作用角を大きくするか、位相を遅角するかの少なくとも１つの制御をする排気バルブ制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１の発明において、
排気バルブのリフト量、作用角、位相の少なくとも１つを変化させる排気側可変動弁機構と、
前記小リフト固着が生じていると判定された場合には、前記小リフト固着が生じていないと判定された場合よりも、前記排気バルブのリフト量を大きくするか、作用角を大きくするか、位相を遅角するかの少なくとも１つの制御をする排気バルブ制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第４の発明は、第１の発明又は第３の発明において、
内燃機関の燃焼状態と相関を有する燃焼状態相関値を取得する燃焼状態相関値取得手段を備え、
前記吸気バルブ制御手段は、前記燃焼状態相関値が目標値となるように、前記吸気バルブの位相を制御するフィードバック手段を備えること、を特徴とする。

また、第５の発明は、第２の発明又は第３の発明において、
内燃機関の燃焼状態と相関を有する燃焼状態相関値を取得する燃焼状態相関値取得手段を備え、
前記排気バルブ制御手段は、前記燃焼状態相関値が目標値となるように、前記排気バルブのリフト量、作用角、位相のうち少なくとも１つを制御するフィードバック手段を備えること、を特徴とする。

また、第６の発明は、第１、第３又は第４の発明のいずれかにおいて、
内燃機関の燃焼室を吸気側から排気側に吹き抜ける空気量と相関を有する吹き抜け量相関値を取得する吹き抜け量相関値取得手段を備え、
前記吸気バルブ制御手段は、前記吹き抜け量相関値が目標値となるように、前記吸気バルブの位相を制御するフィードバック手段を備えること、を特徴とする。

また、第７の発明は、第２、第３又は第５の発明のいずれかにおいて、
内燃機関の燃焼室を吸気側から排気側に吹き抜ける空気量と相関を有する吹き抜け量相関値を取得する吹き抜け量相関値取得手段を備え、
前記排気バルブ制御手段は、前記吹き抜け量相関値が目標値となるように、前記排気バルブのリフト量、作用角、位相のうち少なくとも１つを制御するフィードバック手段を備えること、を特徴とする。

また、第８の発明は、第１、第３、第４又は第６の発明において、
内燃機関の機関回転数を取得する機関回転数取得手段と、
内燃機関の負荷を取得する負荷取得手段と、
前記機関回転数と前記負荷とに基づいて、小リフトよりもリフト量の大きい大リフトで運転すべき大リフト運転領域であるか否かを判定する大リフト領域判定手段とを備え、
前記吸気バルブ制御手段は、前記大リフト運転領域であると判定された場合に、前記吸気バルブの位相を進角させること、を特徴とする。

また、第９の発明は、第２、第３、第５又は第７の発明において、
内燃機関の機関回転数を取得する機関回転数取得手段と、
内燃機関の負荷を取得する負荷取得手段と、
前記機関回転数と前記負荷とに基づいて、小リフトよりもリフト量の大きい大リフトで運転すべき大リフト運転領域であるか否かを判定する、大リフト領域判定手段とを備え、
前記排気バルブ制御手段は、前記大リフト運転領域であると判定された場合に、前記排気バルブのリフト量、作用角、位相のうち少なくとも１つを制御することを特徴とする。

第１の発明によれば、吸気バルブの小リフト固着が生じた場合に、吸気バルブの位相を進角させることで、吸気バルブと排気バルブが共に開くオーバーラップ期間を通常よりも大きくすることができる。燃焼室へ吸入される空気が過給された状態でオーバーラップ期間を大きくすれば、燃焼室を吹き抜ける空気量は増大する。燃焼室を吹き抜ける空気量が増大すれば、燃焼室内の掃気性能が向上し燃焼室の残留ガス低減及び筒内の冷却を図ることができる。これにより、ノッキングの発生を抑制することができる。

第２又は第３の発明によれば、吸気バルブの小リフト固着が生じた場合に、排気バルブのリフト量を大きくしたり、作用角を大きくしたり、位相を遅角したりすることができる。リフト量を大きくすれば、単位時間あたりに燃焼室を吹き抜ける空気量を増大させることができる。吹き抜ける空気量を増大させることで、燃焼室内の掃気性能を向上させることができる。一方、作用角を大きくしたり、位相を遅角したりすれば、吸気バルブと排気バルブとが共に開くオーバーラップ期間を大きくすることができる。オーバーラップ期間を大きくすることで、燃焼室内の掃気性能を向上させることができる。このため、本発明によれば、燃焼室内の掃気性能を向上させてノッキングの発生を抑制することができる。

第４又は第５の発明によれば、燃焼状態の最適化を図ることができる。これにより、ＥＧＲ増加による燃焼悪化を抑制しつつ燃焼室内の掃気性能を高めることができる。

第６又は第７の発明によれば、燃焼室の吸気側から排気側へ吹き抜ける空気量の最適化を図ることができる。これにより、燃焼効率を高めつつ燃焼室内の掃気性能を高めることができる。

第８又は第９の発明によれば、吸入抵抗が大きくなり吸入空気の温度が上昇しやすい高負荷高回転の運転領域において掃気性能が大きく向上し、残留ガスの低減と筒内の冷却を促進することができる。

実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すシステムは内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は図示しない複数の気筒を有している。各気筒は点火プラグ１２とピストン１４を備えている。ピストン１４にはその往復運動によって回転駆動されるクランク軸１６が連結されている。クランク軸１６の近傍には、クランク軸１６の回転角を検出するためのクランク角センサ１８が取り付けられている。また、各気筒内には燃焼室２０が形成されている。燃焼室２０には、吸気通路２２と排気通路２４とが接続されている。

吸気通路２２の上流には、エアフローメータ２６が配置されている。エアフローメータ２６の下流には、過給機２７のコンプレッサ２７ａが設けられ、過給機２７のタービン２７ｂは排気通路２４に設けられている。コンプレッサ２７ａの下流には、スロットルバルブ２８が設けられている。スロットルバルブ２８の下流には、燃料噴射弁３２が配置されている。また、吸気通路２２の下流端には、吸気通路２２を燃焼室２０に対して開閉する吸気バルブ３４が設けられている。吸気バルブ３４の近傍には、吸気バルブ３４のリフト量（作用角）と位相を可変駆動させるＶＶＴ（Variable Valve Timing system）３６が設けられている。ＶＶＴ３６の近傍には、吸気バルブ３４のリフト量を検出するためのリフトセンサ３８が配置されている。

排気通路２４の上流端には、排気通路２４を燃焼室２０に対して開閉する排気バルブ４０が設けられている。排気バルブ４０の近傍には、排気バルブ４０のリフト量・作用角・位相を可変駆動させるＶＶＴ４２が設けられている。

本実施の形態のシステムはＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０の入力側には、前述のクランク角センサ１８、エアフローメータ２６、リフトセンサ３８が接続されている。ＥＣＵ５０の出力側には、前述の点火プラグ１２、スロットルバルブ２８、燃料噴射弁３２、ＶＶＴ３６、ＶＶＴ４２が接続されている。

［実施の形態１における特徴的制御］
図２は、吸気側のＶＶＴ３６によって変更される吸気バルブ３４のリフト量・作用角・位相の関係を示す図である。本実施形態のシステムにおいて、ＶＶＴ３６が有する機構のうち、リフト量を可変にする機構が故障する場合がありうる。この故障により、ＶＶＴ３６が大リフト６０よりもリフト量の小さい小リフト６２に固着した状態が生じうる。小リフト６２に固着すれば、大きなリフト量が要求されても大リフト６０に切り替えることができない。そのため、要求されたリフト量に対して現実のリフト量は小さくなる。現実のリフト量が小さければ、過給機２７により吸入空気が過給される状況下において、吸入抵抗が増大する。吸入抵抗が増大すれば、燃焼室２０に吸入される空気の温度は上昇する。吸入される空気の温度が上昇すれば、ノッキングを引き起こす可能性が増大する。

この問題に対し、本実施の形態のシステムでは、燃焼室に吸入される空気が過給される状況下で、吸気バルブと排気バルブが共に開くオーバーラップ期間を大きくすることとした。過給された状態でオーバーラップ期間を大きくすれば、燃焼室を吹き抜ける空気量を増大させることができる。吹き抜ける空気量を増大させることで、燃焼室２０の残留ガス低減と筒内の冷却を図り、掃気効率を向上させることができる。これにより、ノッキングの発生を抑制することができる。

図３は、ノッキングの発生を抑制するためにＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。図３に示すルーチンでは、まず、大バルブリフトで運転すべき運転状態か否かを判断する（ステップ１００）。具体的には、ＥＣＵ５０は図４に示すような機関回転数ＮＥとトルクＴとに対応する運転領域を定めた吸気バルブリフト制御領域マップを記憶している。図４では、高負荷高回転領域を大バルブリフト領域とし、低負荷低回転領域を小バルブリフト領域と定めている。ＥＣＵ５０は、クランク角センサ１８の検出値から機関回転数ＮＥとトルクＴを求め、上記吸気バルブリフト制御領域マップに基づいて運転状態が大バルブリフトで運転すべき大バルブリフト領域にあるか否かを判断する。

大バルブリフト領域にないと判断された場合は、ＥＣＵ５０は、吸気バルブ３４について機関回転数ＮＥとトルクＴとに対応する位相の進角量を定めた、通常時の吸気ＶＶＴ進角マップに基づいてＶＶＴ３６を制御する（ステップ１４０）。さらに、ＥＣＵ５０は、排気バルブ４０について機関回転数ＮＥとトルクＴとに対応する位相の遅角量を定めた、通常時の排気ＶＶＴ進角マップに基づいてＶＶＴ４２を制御する（ステップ１５０）。

一方、大バルブリフト領域にあると判断された場合には、吸気バルブ３４が小バルブリフトに固着しているか否かを判断する（ステップ１１０）。具体的には、ＥＣＵ５０は、
小バルブリフト固着フラグがＯＮの場合にＶＶＴ３６が小リフトに固着したと判断する。上記小バルブリフト固着フラグは、他のルーチンにおいて、リフトセンサ３８による検出値が、要求されるリフト量よりも小さい場合にフラグＯＮとされる。

小バルブリフト固着と判定されなかった場合は、上記ステップ１４０及び１５０の処理が行われる。

一方、小バルブリフト固着であると判断された場合には、ＥＣＵ５０は、小バルブリフト固着用吸気ＶＶＴ進角マップを選択する（ステップ１２０）。この小バルブリフト固着用吸気ＶＶＴ進角マップにおける位相は、通常時の吸気ＶＶＴ進角マップよりも大きく進角している。他のルーチンにおいて、ＥＣＵ５０は選択された小バルブリフト固着用吸気ＶＶＴ進角マップに基づいてＶＶＴ３６を制御する。

さらに、ＥＣＵ５０は、小バルブリフト固着用排気ＶＶＴ遅角マップを選択する（ステップ１３０）。この小バルブリフト固着用排気ＶＶＴ遅角マップにおける位相は、通常時の排気ＶＶＴ遅角マップよりも大きく遅角している。他のルーチンにおいて、ＥＣＵ５０は選択された小バルブリフト固着用排気ＶＶＴ遅角マップに基づいてＶＶＴ４２を制御する。

以上説明した通り、図３に示すルーチンによれば、図４に示す大バルブリフト領域の運転状態において、小バルブリフト固着と判断される場合には、吸気バルブ３４の位相を大きく進角させ、排気バルブ４０の位相を大きく遅角させることでオーバーラップ期間を通常よりも大きく設定することができる。オーバーラップ期間を大きくすれば、過給機２７により吸入空気が過給される状況下において、燃焼室を吹き抜ける空気量が増大する。燃焼室を吹き抜ける空気量が増大すれば、燃焼室内の掃気性能が向上し燃焼室の残留ガス低減と筒内の冷却を図ることができる。その結果、ノッキングの発生を抑制することができる。

また、図４に示す小バルブリフト領域の運転状態において、小バルブリフト固着と判断される場合には、通常のオーバーラップ期間となるように吸気バルブ３４と排気３６バルブを制御することができる。これにより、アイドル付近等の燃焼安定が求められる運転領域において、吸排気ガスの逆流を抑制し燃焼安定を図ることができる。

特に、吸入抵抗が大きく吸入空気の温度が上昇し易い高負荷高回転の運転領域においては、オーバーラップ期間を大きくすることによる掃気性能の向上は顕著であり、好適にノッキングの発生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、燃焼室を吹き抜ける空気量を、吸気バルブ３４の位相及び排気バルブ４０の位相を変化させることにより制御することとしているが、その制御方法はこれに限定されるものではない。例えば以下に示す何れかの構成を可変制御することとしてもよい。
１．吸気バルブ３４の位相のみ
２．排気バルブ４０のリフト量・作用角・位相の少なくとも１つ
３．吸気バルブ３４の位相、及び、排気バルブ４０のリフト量・作用角・位相の少なくとも１つ

また、上述した実施の形態１においては、小バルブリフト固着が生じた否かの判断を、リフトセンサ３８の検出値に基づいて行うこととしているが、その判断方法はこれに限定されるものではない。例えば、ノッキングの発生に対する点火時期の遅角要求が生じていることや、アクセル開度に比して通常よりも出力が低下していることに基づいて、小リフトバルブ固着を判断することとしてもよい。

また、上述した実施の形態１においては、オーバーラップ期間を、小バルブリフト固着用吸気ＶＶＴ進角マップと小バルブリフト固着用排気ＶＶＴ進角マップに基づいて制御することとしているが、その制御方法はこれに限定されるものではない。これに加えて、内部ＥＧＲ増加による燃焼悪化度合いが目標の範囲内となるようにフィードバック制御することとしても良い。具体的には、ノッキング周波数の振動強度が目標値となるようにフィードバック制御することとしてもよい。

また、上述した実施の形態１においては、オーバーラップ期間を、小バルブリフト固着用吸気ＶＶＴ進角マップと小バルブリフト固着用排気ＶＶＴ進角マップに基づいて制御することとしているが、その制御方法はこれに限定されるものではない。これに加えて、燃焼室を吹き抜ける空気量が目標値となるようにフィードバック制御することとしてもよい。具体的には、トルクに対する吸入空気量ＧＡの過剰率が目標値となるようにフィードバック制御することとしてもよい。

また、上述した実施の形態１においては、運転状態を定めるパラメータとして、機関回転数ＮＥとトルクＴとを用いているが、トルクＴに代えて、吸入空気量ＧＡや負荷を用いてもよい。

尚、上述した実施の形態１においては、過給機２７が前記第１又は第２の発明における「過給機」に、ＶＶＴ３６が前記第１又は第２の発明における「吸気側可変動弁機構」に、ＶＶＴ４２が前記第２又は第３の発明における「排気側可変動弁機構」に、クランク角センサ１８が第８又は第９の発明における「機関回転数取得手段」に、エアフローメータ２６が第８又は第９の発明における「負荷取得手段」に、それぞれ相当している。
また、ここでは、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１００の処理を実行することにより前記第８又は第９の発明における「大リフト領域判定手段」にが、上記ステップ１１０の処理を実行することにより前記第１又は第２の発明における「小リフト固着判定手段」が、上記ステップ１２０の処理を実行することにより前記第１又は第３の発明における「吸気バルブ制御手段」が、上記ステップ１３０の処理を実行することにより前記第２又は第３の発明における「排気バルブ制御手段」が、それぞれ実現されている。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。 実施の形態１において、気側ＶＶＴ３６によって変更される吸気バルブ３４のリフト量・作用角・位相の関係を示す図である。 実施の形態１において、ノッキングの発生を抑制するためにＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。 実施の形態１において用いられる、機関回転数ＮＥとトルクＴとに対応する運転領域を定めた吸気バルブリフト制御領域マップである。

符号の説明

１０ 内燃機関
１８ クランク角センサ
２７、２７ａ、２７ｂ 過給機、コンプレッサ、タービン
２８ スロットルバルブ
３２ 燃料噴射弁
３４ 吸気バルブ
３６ 吸気側ＶＶＴ（Variable Valve Timing system）
３８ リフトセンサ
４０ 排気バルブ
４２ 排気側ＶＶＴ
５０ ＥＣＵ（Electronic Control Unit）

Claims (9)

1. 内燃機関に吸入される空気を過給する過給機と、
   吸気バルブのリフト量と位相を変化させる吸気側可変動弁機構と、
   前記吸気側可変動弁機構が、既定値よりも小さいリフト量を生じさせる状態に固着する小リフト固着に陥っているか否かを判定する小リフト固着判定手段と、
   前記小リフト固着が生じていると判定された場合には、前記小リフト固着が生じていないと判定された場合よりも、前記吸気バルブの位相を進角させる吸気バルブ制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 内燃機関に吸入される空気を過給する過給機と、
   吸気バルブのリフト量を変化させる吸気側可変動弁機構と、
   排気バルブのリフト量、作用角、位相の少なくとも一つを変化させる排気側可変動弁機構と、
   前記吸気側可変動弁機構が、既定値よりも小さいリフト量を生じさせる状態に固着する小リフト固着に陥っているか否かを判定する小リフト固着判定手段と、
   前記小リフト固着が生じていると判定された場合には、前記小リフト固着が生じていないと判定された場合よりも、前記排気バルブのリフト量を大きくするか、作用角を大きくするか、位相を遅角するかの少なくとも１つの制御をする排気バルブ制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
3. 排気バルブのリフト量、作用角、位相の少なくとも１つを変化させる排気側可変動弁機構と、
   前記小リフト固着が生じていると判定された場合には、前記小リフト固着が生じていないと判定された場合よりも、前記排気バルブのリフト量を大きくするか、作用角を大きくするか、位相を遅角するかの少なくとも１つの制御をする排気バルブ制御手段と、
   を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。
4. 内燃機関の燃焼状態と相関を有する燃焼状態相関値を取得する燃焼状態相関値取得手段を備え、
   前記吸気バルブ制御手段は、前記燃焼状態相関値が目標値となるように、前記吸気バルブの位相を制御するフィードバック手段を備えること、
   を特徴とする請求項１又は３記載の内燃機関の制御装置。
5. 内燃機関の燃焼状態と相関を有する燃焼状態相関値を取得する燃焼状態相関値取得手段を備え、
   前記排気バルブ制御手段は、前記燃焼状態相関値が目標値となるように、前記排気バルブのリフト量、作用角、位相のうち少なくとも１つを制御するフィードバック手段を備えること、
   を特徴とする請求項２又は３記載の内燃機関の制御装置。
6. 内燃機関の燃焼室を吸気側から排気側に吹き抜ける空気量と相関を有する吹き抜け量相関値を取得する吹き抜け量相関値取得手段を備え、
   前記吸気バルブ制御手段は、前記吹き抜け量相関値が目標値となるように、前記吸気バルブの位相を制御するフィードバック手段を備えること、
   を特徴とする請求項１、３又は４のいずれか１項記載の内燃機関の制御装置。
7. 内燃機関の燃焼室を吸気側から排気側に吹き抜ける空気量と相関を有する吹き抜け量相関値を取得する吹き抜け量相関値取得手段を備え、
   前記排気バルブ制御手段は、前記吹き抜け量相関値が目標値となるように、前記排気バルブのリフト量、作用角、位相のうち少なくとも１つを制御するフィードバック手段を備えること、
   を特徴とする請求項２、３又は５のいずれか１項記載の内燃機関の制御装置。
8. 内燃機関の機関回転数を取得する機関回転数取得手段と、
   内燃機関の負荷を取得する負荷取得手段と、
   前記機関回転数と前記負荷とに基づいて、小リフトよりもリフト量の大きい大リフトで運転すべき大リフト運転領域であるか否かを判定する大リフト領域判定手段とを備え、
   前記吸気バルブ制御手段は、前記大リフト運転領域であると判定された場合に、前記吸気バルブの位相を進角させること、
   を特徴とする請求項１、３、４又は６のいずれか１項記載の内燃機関の制御装置。
9. 内燃機関の機関回転数を取得する機関回転数取得手段と、
   内燃機関の負荷を取得する負荷取得手段と、
   前記機関回転数と前記負荷とに基づいて、小リフトよりもリフト量の大きい大リフトで運転すべき大リフト運転領域であるか否かを判定する、大リフト領域判定手段とを備え、
   前記排気バルブ制御手段は、前記大リフト運転領域であると判定された場合に、前記排気バルブのリフト量、作用角、位相のうち少なくとも１つを制御すること、
   を特徴とする請求項２、３、５又は７のいずれか１項記載の内燃機関の制御装置。

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