JP2010174632A - 内燃機関の制御装置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 外部負荷の入力による機関トルクや機関回転数の変動を招くことなく、アイドル運転状態での点火時期の設定を進角寄りのものとして、燃費性能の向上を図る。
【解決手段】 アイドル運転状態で、外部負荷の入力要求を検出すると（ｔ０）、この外部負荷の入力を開始する前に、この外部負荷によるトルク増加分ΔＴＱｇを推定し、このトルク増加分ΔＴＱｇに応じて吸気量が増加するように作動角可変機構を大作動角側へ制御する。この大作動角側への制御に伴う実吸気量ｒＡｉｒの増加に応じて点火時期を遅角させていく。この点火時期の遅角後に所定の外部負荷入力可能条件が成立すると（ｔ１）、外部負荷の入力を開始するとともに、点火時期を進角させる。
【選択図】図３

Description

この発明は、内燃機関の制御に関し、特に、アイドル運転状態などの所定の機関運転状態の下で外部負荷の入力要求を検出した場合の制御に関する。

ガソリン機関においては、一般に吸気通路中に設けたスロットル弁の開度制御によって吸気量を制御しているが、良く知られているように、この種の方式では、特にスロットル弁開度の小さな中低負荷時におけるポンピングロスが大きい、という問題がある。これに対し、吸気弁の開閉時期やリフト量を変化させることで、スロットル弁に依存せずに吸気量を制御しようとする試みが以前からなされており、この技術を利用して、ディーゼル機関と同様に吸気系にスロットル弁を具備しないいわゆるスロットルレスの構成を実現することが提案されている。

例えば、特許文献１は、本出願人が先に提案した吸気弁の可変動弁装置を示しており、吸気弁のリフト・作動角を同時にかつ連続的に拡大，縮小可能な第１可変動弁機構（リフト・作動角可変機構）と、作動角の中心角を連続的に遅進させることが可能な第２可変動弁機構（位相可変機構）と、を備え、両者を独立して制御することにより、種々のリフト特性に可変制御し得る技術が開示されている。この種の可変動弁機構によれば、スロットル弁の開度制御に依存せずにシリンダ内に流入する空気量を可変制御することが可能であり、特に負荷の小さな領域において、いわゆるスロットルレス運転ないしはスロットル弁の開度を十分に大きく保った運転を実現でき、ポンピングロスの大幅な低減が図れる。そして、特許文献１の装置では、アイドル運転時には、バルブリフト量を微小量とすることで、吸入空気量を精度良く制御するようにしている。

ところで、アイドル運転時に、エアコン用コンプレッサや電動パワーステアリング装置等の外部負荷の入力要求が検出された場合に、外部負荷の入力に見合ったトルク増加が速やかになされるように、一般的には、点火時期を予めトルクが最大となる点火時期、つまり燃費性能が最大となる最適点火時期であるＭＢＴ（ｍｉｎｉｍｕｍ ａｄｖａｎｃｅ ｆｏｒ ｂｅｓｔ ｔｏｒｑｅ）点よりも十分に遅角させておき、外部負荷を入力させると同時に、これに見合ったトルクの増加が得られるように、点火時期を進角させている。

特開２００５−３１５１２９号公報

しかしながら、このように外部負荷の入力に備えてアイドル運転状態等での点火時期を予めＭＢＴ点よりも大幅に遅角させていると、燃費性能の低下を招いてしまう。特に、アイドル運転が長く行われるような使い方の場合に、燃費性能が大きく悪化する。

上記の特許文献１では、アイドル運転時に外部負荷の入力要求を検出すると、この外部負荷入力に見合った分だけ吸気量を増加させるように、スロットル弁開度と吸気弁の作動角とを増加側へフィードフォワード制御により増加側へ補正している。しかしながら、スロットル弁開度や作動角の増加による吸気量の増加には不可避的に空気の応答遅れを伴うために、単に外部負荷の入力と同時にスロットル弁開度や吸気弁の作動角を増加しても、外部負荷の入力に対して吸気量の増加が良好に追従せず、機関トルク（エンジントルク）や機関回転数が一時的に変動し、これによる音振性能の低下等を招くおそれがある。

本発明に係る内燃機関には、内燃機関の吸気量を変更可能な吸気量可変手段と、実吸気量を検出する実吸気量検出手段と、内燃機関に加わる外部負荷の入力要求を検出する外部負荷検出手段と、が設けられる。

そして、所定の機関運転状態の下で上記外部負荷の入力要求を検出すると、この外部負荷の入力を開始する前に、この外部負荷の入力によるトルク増加分を推定し、このトルク増加分に応じて上記吸気量可変手段を吸気量が増加する側へ制御し、この吸気量の増加側への制御に伴う実吸気量の増加に応じて点火時期を遅角させていき、この点火時期の遅角後に所定の外部負荷入力可能条件が成立すると、上記外部負荷の入力を開始するとともに、点火時期を進角させる、ことを特徴としている。

このように、アイドル運転状態などの所定の機関運転状態の下で外部負荷の入力要求を検出すると、実際の外部負荷の入力の開始に先だって、外部負荷の入力によるトルク増加分に応じて吸気量可変手段を吸気量が増加する側へ制御し、これに伴う実吸気量の増加に応じて点火時期を遅角させている。点火時期の遅角・進角は実質的に応答遅れを伴うことなく即座に行うことができるために、実吸気量の増加によるトルク増加を点火時期の遅角化により精度良く相殺・吸収し、機関トルクや機関回転数の変動を招くことなく、点火時期を遅角させていくことができる。そして、所定の外部負荷入力可能条件が成立した時点で、外部負荷の入力開始とともに点火時期を進角させることで、外部負荷によるトルク増加分に見合う形で点火時期の進角化により機関トルクが増加することとなり、機関回転数の変動を招くことなく外部負荷の入力を行うことができる。

すなわち本発明では、外部負荷の入力によるトルク増加分を最終的には吸気量の増加分により補うわけであるが、応答性の低い吸気量の増加時の機関トルクや機関回転数の変動を抑制するために、点火時期の遅角・進角を利用している。

そして、外部負荷の入力要求の検出後に点火時期を遅角化させているために、外部負荷の入力要求の検出前のアイドル運転などの所定の機関運転状態の下では、外部負荷の入力に備えて予め点火時期を大幅に遅角しておく必要がなく、点火時期の設定を燃費性能が最良となる最適点火時期すなわちＭＢＴ点に近いものとすることが可能となり、燃費性能を向上することができる。

このように本発明によれば、外部負荷の入力によるトルク変動や機関回転数の変動を招くことがなく、また、外部負荷の入力に備えて予め点火時期を大幅に遅角させる必要がないので、燃費性能が向上する。

この発明の一実施例に係る内燃機関の制御装置のシステム構成を示す構成説明図。 本実施例に係る制御の流れを示すフローチャート。 本実施例のアイドル運転状態におけるタイミングチャート。 本実施例に係る点火時期と機関トルクとの関係を示す説明図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、この発明の一実施例に係る内燃機関の制御装置のシステム構成を示す構成説明図である。自動車用の内燃機関１は、吸気弁３と排気弁４とを有し、かつ吸気弁３のリフト特性を変化させる可変動弁機構として、吸気弁３のリフト・作動角を両者同時に連続的に拡大・縮小させることが可能なリフト・作動角可変機構（作動角可変機構）としての第１可変動弁機構５および作動角の中心角を連続的に遅進させることが可能な位相可変機構としての第２可変動弁機構６を備えている。また、吸気通路７には、モータ等のアクチュエータにより開度が制御される電子制御スロットル弁（電子制御スロットル装置）２が設けられている。ここで、上記スロットル弁２は、吸気通路７内に、ブローバイガスの処理などのために必要な僅かな負圧（例えば−５０ｍｍＨｇ）を発生させる目的で設けられており、吸入空気量の調整は、主に第１，第２可変動弁機構５，６により吸気弁３のリフト特性を変更することで行われる（吸気量可変手段）。

例えば、低〜中負荷領域においては、燃費向上のために、中心角を上死点寄り（設定値：大）とし、内部還流を促進するとともに、作動角はトルク要求に応じて徐々に大作動角（設定値：大）側にする。吸気負圧（Ｂｏｏｓｔ）を所定値に保つように、スロットル弁開度ＴＶＯは、通常の内燃機関（可変動弁機構ではなくスロットル弁開度で吸入空気量を制御するもの）の特性に比較して、開き気味の特性となる。また中〜高負荷領域においては、トルク確保のために、中心角を下死点寄り（設定値：小）とし、内部還流を減少させるとともに、作動角は大作動角（設定値：大）側で一定とする。バルブリフト特性の操作によって空気量が増加しない高負荷領域に達したら、バルブリフト特性はその状態で固定され、吸気負圧（Ｂｏｏｓｔ）を減少させてトルクを発生させるように、スロットル弁開度ＴＶＯが通常エンジンと同様に開いていくことになる。

また、燃料噴射弁８が吸気通路７に配設されており、上記のように吸気弁３等により調整された吸入空気量に応じた量の燃料が、この燃料噴射弁８から噴射される。従って、内燃機関１の出力は、第１，第２可変動弁機構５，６およびスロットル弁２により吸入空気量を調整することによって制御される。

制御部としてのコントロールユニット１０は、運転者により操作されるアクセルペダルに設けられたアクセル開度センサ１１からのアクセル開度信号ＡＰＯと、エンジン回転速度センサ１２からの回転速度信号Ｎｅと、吸入空気量センサ１３からの吸入空気量信号と、を受け取り、これらの信号に基づいて、目標スロットル弁開度、燃料噴射量、点火時期、作動角目標値ｔＥ、中心角目標値をそれぞれ演算する。そして、要求の燃料噴射量および点火時期を実現するように燃料噴射弁８および点火プラグ９を制御するとともに、作動角目標値ｔＥおよび中心角目標値を実現するための制御信号を、第１可変動弁機構５のアクチュエータおよび第２可変動弁機構６のアクチュエータへそれぞれ出力し、かつスロットル弁２の開度を制御する。なお、上記第１可変動弁機構５および第２可変動弁機構６は、その機械的な構成は公知であり、例えば、上述した特許文献１に記載の装置と同様の構成を有している。従って、その詳細な説明は省略する。

図２は、上記コントロールユニット１０による制御の流れを示すフローチャートであり、図３は、このような本実施例の制御を適用したアイドル運転状態で外部負荷の入力・停止が行われる場合のタイミングチャートである。

ステップＳ１１では、所定の機関運転状態、すなわちアイドル運転状態であるかを判定する。例えば、アクセル開度ＡＰＯが０（全閉）でかつ回転速度Ｎｅが所定値以下のときに、アイドル状態であると判定する。

ステップＳ１２では、内燃機関１に加わる外部負荷の入力要求が検出されたか否かを判定する（外部負荷検出手段）。例えば、エアコン用コンプレッサ、パワーステアリング装置、デフォッガ等の電気負荷、等の補機負荷のＯＦＦからＯＮへの切換が検出されたかを判定する。自動変速機を備えた構成では、Ｎレンジ（ニュートラルレンジ）やＤレンジ（前進走行レンジ）といったレンジ位置によって自動変速機の負荷が異なるので、Ｎレンジ（ニュートラルレンジ）のような自動変速機の負荷がかからないレンジ位置からＤレンジ（前進走行レンジ）のような自動変速機の負荷が加わるレンジ位置へのレンジ切換の有無が検出されたかも判定する。

ステップＳ１３では、外部負荷の入力により新たに必要となるトルク増加分ΔＴＱｇを推定する（トルク増加分推定手段）。

ステップＳ１４では、このトルク増加分ΔＴＱｇを補うように、トルク増加分ΔＴＱｇに応じて目標空気量を増加側へ補正する。ステップＳ１５では、この補正後の目標空気量が得られるように、この目標空気量に応じて作動角目標値ｔＥ及び中心角目標値を補正する。具体的には、作動角目標値ｔＥを吸気量が増加する大作動角側へ補正する。これらのステップＳ１４及びＳ１５が、吸気量増加手段を構成している。

ステップＳ１６では、燃焼室内に流入する実際の吸気量である実吸気量ｒＡｉｒ（図３参照）を読み込む。この実吸気量ｒＡｉｒは、例えば吸入空気量センサ１３の信号に基づいて求められる。あるいは、スロットル開度やバルブリフト特性をも勘案して実吸気量ｒＡｉｒを推定する。あるいは、実空気量ｒＡｉｒとして、作動角可変機構５の実作動角ｒＥを用いても良い（実吸気量検出手段）。

ステップＳ１７では、目標アイドル回転数を維持するように実吸気量ｒＡｉｒ（あるいは実作動角ｒＥ）に基づいて点火時期を制御する。具体的には図３にも示すように、実吸気量ｒＡｉｒの増加に応じて点火時期を遅角させていく（点火時期遅角手段）。

ステップＳ１８では、所定の外部負荷入力可能条件が成立するかを判定する。例えば、実吸気量が所定の判定値に達したかを判定する。あるいは、点火時期が所定の遅角判定値まで遅角したかを判定する。

上記外部負荷入力可能条件が成立すると、ステップＳ１８からステップＳ１９へ進み、外部負荷の入力を開始するとともに、この外部負荷の入力によるトルク増加分ΔＴＱｇに応じて機関トルクが所定量ΔＴＱｅ増加するように、点火時期を所定の進角分ΔＩＴだけ進角させる（外部負荷入力手段）。なお、外部負荷が電動式の補機の場合には、外部負荷の入力の開始とともにオルタネータの発電負荷トルクが増加することとなる。

このように本実施例によれば、アイドル運転状態などの所定の機関運転状態の下で外部負荷の入力要求を検出した時点ｔ０で、実際の外部負荷の入力の開始ｔ１に先だって、主に作動角可変機構５による大作動角化により吸気量が増加する側へ制御し、これに伴う実吸気量ｒＡｉｒの増加に応じて点火時期を遅角させている。点火時期の遅角・進角は応答性良く行うことができるために、図３及び図４の矢印Ｙ１に示すように、実吸気量の増加によるトルク増加を点火時期の遅角化により良好に相殺・吸収し、機関トルクや機関回転数の変動を招くことなく、点火時期を徐々に遅角させていくことができる。そして、所定の外部負荷入力可能条件が成立した時点ｔ１で、外部負荷の入力開始とともに、この外部負荷の入力によるトルク増加分ΔＴＱｅに応じて点火時期を所定量ΔＩＴだけ進角させることで、トルク増加分ΔＴＱｅに見合う形で点火時期の進角化により機関トルクが所定量ΔＴＱｅだけ速やかに増加し、機関回転数の変動を招くことなく外部負荷の入力を行うことができる。

すなわち、外部負荷の入力によるトルク増加分ΔＴＱｇを最終的には吸気量の増加により補うわけであるが、吸気量の増加は不可避的に応答遅れを伴うことから、外部負荷の入力要求時ｔ０には、実際の外部負荷の入力を行わず、つまり外部負荷の入力を意図的に遅延させ、吸入空気量の増加側への制御に伴う実吸気量の増加に応じて点火時期を遅角させていき、所定の外部負荷入力可能条件が成立した時点で、外部負荷の入力を開始するとともに、点火時期を進角側に戻している。

このように外部負荷の入力要求の検出時期ｔ０の後に点火時期を遅角化させているために、外部負荷の入力要求の検出前のアイドル運転状態では、外部負荷の入力に備えて予め点火時期を大幅に遅角しておく必要がなく、点火時期の設定を燃費性能が最良となるＭＢＴまたはその付近まで十分に進角させたものとすることができ、燃費性能を、例えば１０％程度と大幅に向上することができ、特にアイドル運転が多く用いられるような運転状況の場合に、燃費性能を大幅に向上することができる。

外部負荷の入力要求検出時点ｔ０から実際の外部負荷の入力開始時期ｔ１までの遅延期間ΔＴｃにおける吸気量の増加制御として、スロットル弁２による吸気量増加制御でも類似の効果は得られるものの、特に大容量のコレクタを持つ内燃機関の場合には、吸気量の増加の応答遅れによって、遅延期間ΔＴｃが長くなるとともに、吸気量増加制御における制御のハンチングの問題を生じるおそれがある。これに対し、本実施例のように可変動弁機構５，６による吸気量増加制御では、スロットル弁２を用いた場合に比して吸気量の応答遅れが極めて小さいため、遅延期間ΔＴｃを十分に短い時間（例えば、１秒以下）に短縮することができ、運転者に違和感を与えることがなく、また、上述したような制御のハンチングの発生を抑制することができる。

更に、本実施例のように、遅延期間ΔＴｃにおける吸気量の増加制御として、作動角可変機構５による作動角の増加制御を行うことで、作動角の拡大に伴って吸気弁閉時期ＩＶＣが遅角していくこととなるため、このＩＶＣの遅角化により筒内ガス流動が強化され、燃焼状態が改善される。このため、吸気量の増加分に加えて燃焼改善分でのトルク増加を見込めることから、実質的な吸気量の増加分が少なくて済むというメリットも得られる。

また、図３に示すように、外部負荷の入力状態から外部負荷の停止要求を検出した場合には（ｔ２）、外部負荷の入力を停止するとともに、外部負荷の入力停止によるトルク低下分に応じて点火時期を所定量ΔＩＴだけ遅角させ、かつ、吸気量が低下するように、
作動角可変機構５を小作動角側へ制御する。そして、この吸気量の低下側への制御に伴う実吸気量の低下に応じて点火時期を進角させていく。これによって、図３に示すように、外部負荷の入力停止時ｔ２には、点火時期の遅角化により機関トルクが速やかに低下するために、機関回転数の変動が抑制され、かつ、その後、吸気量の低下側への制御に伴って実吸気量が低下していくと、これを相殺するように点火時期を進角させていくことで、機関トルクや機関回転数の変動を抑制・回避することができる。

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、本発明の制御を適用する『所定の機関運転状態』として、上記のアイドル運転状態の他、負荷や回転数の変動しない定常状態等を含むものとしても良い。また、吸気弁３のリフト特性を変化させる第１可変動弁機構５として、吸気弁３のリフト・作動角を両者同時に連続的に拡大・縮小させることが可能なものを挙げたが、吸気弁３のリフト量、作動角のうち、少なくとも何れか一方を拡大・縮小させることにより、吸気量を制御できる可変動弁機構を用いても良い。

２…電子制御スロットル弁
５…第１可変動弁機構（作動角可変機構）
１０…コントロールユニット
１１…アクセル開度センサ

Claims (7)

1. 内燃機関の吸気量を変更可能な吸気量可変手段と、
   実吸気量を検出する実吸気量検出手段と、
   内燃機関に加わる外部負荷の入力要求を検出する外部負荷検出手段と、
   を有する内燃機関の制御装置において、
   所定の機関運転状態の下で上記外部負荷の入力要求を検出すると、この外部負荷の入力を開始する前に、この外部負荷の入力によるトルク増加分を推定するトルク増加分推定手段と、
   このトルク増加分に応じて上記吸気量可変手段を吸気量が増加する側へ制御する吸気量増加手段と、
   この吸気量の増加側への制御に伴う実吸気量の増加に応じて点火時期を遅角させる点火時期遅角手段と、
   この点火時期の遅角後に所定の外部負荷入力可能条件が成立すると、上記外部負荷の入力を開始するとともに、点火時期を進角させる外部負荷入力手段と、
   を有することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 上記所定の機関運転状態がアイドル運転状態であり、
   上記点火時期遅角手段は、目標アイドル回転数を維持するように、上記実吸気量の増加に応じて点火時期を遅角させる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. 上記吸気量可変手段が、吸気弁のバルブリフト特性を変更可能な可変動弁機構を含んでおり、
   上記吸気量増加手段は、上記トルク増加分に応じて上記可変動弁機構を吸気量が増加する側へ制御する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. 上記吸気量可変手段が、吸気弁の作動角又はリフト量を連続的に拡大・縮小可能な可変動弁機構を含んでおり、
   上記吸気量増加手段は、上記トルク増加分に応じて上記可変動弁機構を大作動角側又は大リフト量側へ制御する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。
5. 上記吸気量増加手段による吸気弁の作動角又はリフト量の増加に応じて吸気弁の閉時期が遅角していくことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の制御装置。
6. 上記外部負荷の入力状態で外部負荷の停止要求を検出すると、外部負荷の入力を停止するとともに、この外部負荷の入力停止によるトルク低下分に応じて点火時期を遅角させ、かつ、上記吸気量可変手段を吸気量が低下する側へ制御し、
   この吸気量の低下側への制御に伴う実吸気量の低下に応じて点火時期を進角させていく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. 内燃機関の吸気量を変更可能な吸気量可変手段と、
   実吸気量を検出する実吸気量検出手段と、
   内燃機関に加わる外部負荷の入力要求を検出する外部負荷検出手段と、
   を有する内燃機関の制御方法において、
   所定の機関運転状態の下で上記外部負荷の入力要求を検出すると、この外部負荷の入力を開始する前に、この外部負荷の入力によるトルク増加分を推定し、
   このトルク増加分に応じて上記吸気量可変手段を吸気量が増加する側へ制御し、
   この吸気量の増加側への制御に伴う実吸気量の増加に応じて点火時期を遅角させていき、
   この点火時期の遅角後に所定の外部負荷入力可能条件が成立すると、上記外部負荷の入力を開始するとともに、点火時期を進角させる、
   ことを特徴とする内燃機関の制御方法。

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