JP2010185339A

JP2010185339A - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2010185339A
Application number: JP2009029408A
Authority: JP
Inventors: Tomoyoshi Ogo; 知由小郷; Takashi Ogawa; 孝小川; Katsuhiro Ito; 勝広伊藤; Kazuyasu Iwata; 一康岩田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-02-12
Filing date: 2009-02-12
Publication date: 2010-08-26
Anticipated expiration: 2029-02-12
Also published as: JP5169895B2

Abstract

【課題】内燃機関の制御装置において、吸気弁の閉時期が目標値からずれることによる体積効率の低下を抑制できる技術を提供する。
【解決手段】吸気弁の閉時期を変更可能な手段と、過給器と、過給圧を検知する手段と、を備えた内燃機関の制御装置において、過給圧が高いほど、吸気弁の閉時期を吸気行程下死点へ近づける（Ｓ１０７）。吸気行程下死点に近いほど、クランク角の変化に対するピストン変位が小さい。つまり、吸気行程下死点に近いところで吸気弁の閉時期が目標値からずれたとしても、ピストンの上昇に伴う気筒内からの新気の排出が抑制される。
【選択図】図５

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

吸気弁の開閉時期を変更可能な内燃機関において、加速過渡時や低過給圧時に吸気弁の閉時期を吸入空気量が増加する側へ向けて変更する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

しかし、高過給圧のときほど、吸気弁の閉時期のずれによる吸入空気量（気筒内の新気量）の減少が顕著になる。ここで、体積効率が最大となる吸気弁の閉時期（以下、最適時期ともいう。）は、主に機関回転数に応じて変化する。そして、吸気弁の閉時期が最適時期より早くても、また遅くても、体積効率は低下する。吸気弁の閉時期が吸気行程下死点よりも遅い場合には、吸気弁の閉時期が最適時期よりも遅いと、ピストンの上昇に伴って気筒内の空気が吸気通路側へ排出されてしまう。

ここで、吸気弁の閉時期を変更可能な内燃機関の場合、吸気弁の閉時期を最適時期に合わせようとしても、多少のずれが生じる場合がある。これは、装置の公差によるずれ、または体積効率が実際には最大とならない時期を最適時期と誤認してしまうことによるずれを含む。そして、吸気弁の閉時期が最適時期からずれると、吸入空気量が減少するため、体積効率が低くなってしまう。これは、低過給圧時よりも高過給圧時においてより顕著となる。また、吸気弁の閉時期の最適時期が吸気行程下死点から離れるほど顕著となる。

特開２００４−１８３５１２号公報特開２００５−０６９０７６号公報特開２００８−０２５５５１号公報

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の制御装置において、吸気弁の閉時期が目標値からずれることによる体積効率の低下を抑制できる技術の提供を目的とする。

上記課題を達成するために本発明による内燃機関の制御装置は、以下の手段を採用した。すなわち、本発明による内燃機関の制御装置は、
吸気弁の閉時期を変更可能な手段と、過給器と、過給圧を検知する手段と、を備えた内燃機関の制御装置において、
過給圧が高いほど、吸気弁の閉時期を吸気行程下死点へ近づけることを特徴とする。

ここで、吸気行程下死点に近いほど、クランク角の変化に対するピストン変位が小さくなる。つまり、吸気行程下死点に近いところで吸気弁の閉時期が目標値からずれたとしても、ピストンの上昇に伴う気筒内からの新気の排出が抑制される。ところで、過給圧が高いほど、吸気弁の閉時期のずれの影響が大きくなる。これに対し、過給圧が高いほど吸気弁の閉時期を吸気行程下死点へ近づければ、吸気弁の閉時期が目標値からずれたとしても体積効率の低下を抑制できる。

なお、吸気弁の閉時期を吸気行程下死点へ近づけるときには、過給圧に応じて段階的に又は連続的に近づけても良い。また、過給圧が所定圧よりも高い場合に限り、吸気弁の閉時期を吸気行程下死点へ近づけても良い。

また、本発明においては、過給圧が低いほど、吸気弁の閉時期を気筒内の新気量が最も多くなる時期へ近づけることができる。

ここで、体積効率×過給圧は新気量と同等であるため、過給圧が低いほど、吸気弁の閉時期のずれによる新気量への影響が小さくなる。この影響が小さい場合には、吸気弁の閉時期を新気量が最も多くなる時期へ近づけることにより、体積効率をより高くすることができる。

なお、吸気弁の閉時期を気筒内の新気量が最も多くなる時期へ近づけるときには、過給圧に応じて段階的に又は連続的に近づけても良い。また、過給圧が所定圧以下の場合に限り、吸気弁の閉時期を気筒内の新気量が最も多くなる時期へ近づけても良い。

本発明に係る内燃機関の制御装置によれば、吸気弁の閉時期が目標値からずれることによる体積効率の低下を抑制できる。

実施例に係る内燃機関の制御装置を適用する内燃機関及びその吸気系、排気系の概略構成を示す図である。過給圧と新気量の低下度合いとの関係を示した図である。吸気弁の閉時期と気筒内の新気量との関係を示した図である。クランク角とピストン位置との関係を示した図である。実施例に係る吸気弁の閉時期の制御フローを示したフローチャートである。

以下、本発明に係る内燃機関の制御装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る内燃機関の制御装置を適用する内燃機関及びその吸気系、排気系の概略構成を示す図である。なお、本実施例においては、内燃機関１を簡潔に表示するため、一部の構成要素の表示を省略している。内燃機関１は４つの気筒２を備えているが、図１では１気筒のみを表している。内燃機関１は、例えば１サイクルが４ストロークのディーゼル機関である。

気筒２内の燃焼室には、シリンダヘッド１０に設けられた吸気ポート３を介して吸気管４が接続されている。気筒２への新気の流入は吸気弁５によって制御される。吸気弁５の開閉は、吸気側カム６の回転駆動によって制御される。

また、気筒２内の燃焼室には、シリンダヘッド１０に設けられた排気ポート７を介して、排気管８が接続されている。気筒２からの既燃ガスの排出は排気弁９によって制御される。排気弁９の開閉は排気側カム１１の回転駆動によって制御される。

そして、内燃機関１のクランクシャフト１３にコンロッド１４を介して連結されたピストン１５が、気筒２内で往復運動を行う。

吸気管４の途中には、排気のエネルギを駆動源として作動するターボチャージャ５０のコンプレッサハウジング５１が設けられている。なお、本実施例ではターボチャージャ５０が、本発明における過給器に相当する。また、コンプレッサハウジング５１よりも上流の吸気管４には、該吸気管４を流れる吸気の量を調節するスロットル１６が備えられている。このスロットル１６よりも上流の吸気管４には、該吸気管４内を流れる空気の量に応じた信号を出力するエアフローメータ９５が取り付けられている。このエアフローメータ９５により内燃機関１の吸入空気量が検出される。また、コンプレッサハウジングよりも下流側の吸気管４には、該吸気管４内の圧力を測定する過給圧センサ９４が取り付けられている。なお、本実施例では過給圧センサ９４が、本発明における過給圧を検知する手段に相当する。

一方、排気管８の途中には、ターボチャージャ５０のタービンハウジング５２が設けられている。

また、内燃機関１には、燃料を気筒２内へ向けて噴射する燃料噴射弁８２が取り付けられている。

ここで、吸気弁５の開閉動作は吸気側カム６によって行われる。この吸気側カム６は吸気側カムシャフト２２に取り付けられ、更に吸気側カムシャフト２２の端部には吸気側プーリ２４が設けられている。更に、吸気側カムシャフト２２と吸気側プーリ２４との相対的な回転位相を変更可能とする可変回転位相機構（以下、「吸気側ＶＶＴ」という）２３が設けられている。この吸気側ＶＶＴ２３は、ＥＣＵ９０からの指令に従って吸気側カムシャフト２２と吸気側プーリ２４との相対的な回転位相を制御する。なお、本実施例では吸気側ＶＶＴ２３が、本発明における吸気弁の閉時期を変更可能な手段に相当する。

また、排気弁９の開閉動作は排気側カム１１によって行われる。この排気側カム１１は排気側カムシャフト２５に取り付けられ、更に排気側カムシャフト２５の端部には排気側プーリ２７が設けられている。更に、排気側カムシャフト２５と排気側プーリ２７との相対的な回転位相を変更可能とする可変回転位相機構（以下、「排気側ＶＶＴ」という）２６が設けられている。この排気側ＶＶＴ２６は、ＥＣＵ９０からの指令に従って排気側カムシャフト２５と排気側プーリ２７との相対的な回転位相を制御する。

そして、吸気側カムシャフト２２と排気側カムシャフト２５の回転駆動は、クランクシャフト１３の駆動力によって行われる。

このようにして、クランクシャフト１３の駆動力によって吸気側カムシャフト２２および排気側カムシャフト２５が回転駆動される。そして、同時に回転する吸気側カム６および排気側カム１１によって、吸気弁５および排気弁９の開閉動作が行われる。ここで、吸気側ＶＶＴ２３によれば、吸気弁５の開閉時期を変更することができる。また、排気側ＶＶＴ２６によれば、排気弁９の開閉時期を変更することができる。なお、本実施例においては、排気側ＶＶＴ２６はなくても良い。

さらに、内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ９０が併設されている。このＥＣＵ９０は、ＣＰＵの他、各種のプログラム及びマップを記憶するＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えており、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態等を制御するユニットである。

ここで、上記各種センサの他、アクセル開度センサ９１およびクランクポジションセンサ９２がＥＣＵ９０と電気的に接続されている。ＥＣＵ９０はアクセル開度センサ９１か
らアクセル開度に応じた信号を受け取り、この信号に応じて内燃機関１に要求される機関負荷等を算出する。また、ＥＣＵ９０はクランクポジションセンサ９２から内燃機関１の出力軸の回転角に応じた信号を受け取り、内燃機関１の機関回転速度を算出する。

一方、ＥＣＵ９０には、吸気側ＶＶＴ２３、排気側ＶＶＴ２６、燃料噴射弁８２が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ９０によりこれらの機器が制御される。

ここで、吸気弁５の閉時期は、機関回転数と関連付けてＥＣＵ９０に記憶されている。このＥＣＵ９０に記憶されている吸気弁５の閉時期は、気筒２内の新気量が最も多くなる時期（最適時期）であり、吸気行程下死点よりも遅い時期である。

しかし、吸気側ＶＶＴ２３の公差や外乱等により、吸気弁５の実際の閉時期が目標値からずれることがある。ここで、過給圧が高くなるほど、吸気弁５の閉時期が最適時期からずれたときの気筒２内の新気量の低下度合いが高くなる。つまり、過給圧が高くなるほど、吸気弁５の閉時期が最適時期からずれたときの影響が大きくなる。

図２は、過給圧と新気量の低下度合いとの関係を示した図である。これは、吸気弁５の閉時期が目標値から所定値だけずれたときの関係を示している。実線は吸気弁５の閉時期の目標値を最適時期とした場合を示し、破線は吸気弁５の閉時期の目標値を過給圧に応じて吸気行程下死点へ近づけた場合を示している。

実線及び破線はどちらも、過給圧が高くなるほど、気筒２内の新気量の低下度合いが高くなるが、吸気弁５の閉時期の目標値を過給圧に応じて吸気行程下死点へ近づけたほうが、低下度合いは小さい。

そこで本実施例では、過給圧が高いほど、吸気弁５の閉時期を吸気行程下死点へ近づける。過給圧と吸気弁５の閉時期との関係は予め実験等により求めておく。また、過給圧が低いほど、吸気弁５の閉時期を最適時期へ近づける。つまり、過給圧が低いときには、吸気弁５の閉時期が目標値からずれたとしても、その影響は小さいため、気筒２内の新気量がより多くなるようにする。

なお、本実施例では、過給圧にかかわらず、吸気弁５の閉時期の最適時期が吸気行程下死点よりも離れている場合には、吸気弁５の閉時期の目標値を吸気行程下死点側へ近づけても良い。つまり、吸気弁５の閉時期がずれたときに気筒２内の新気量の減少度合いが大きい場合には、減少度合いが小さくなるように吸気弁５の閉時期を変更する。

図３は、吸気弁５の閉時期と気筒２内の新気量との関係を示した図である。図３中のＡが最適時期に相当する。吸気弁５の閉時期が最適時期のときに、気筒２内の新気量が最も多くなる。しかし、吸気弁５の閉時期が最適時期となるように制御しても、吸気弁５の実際の閉時期はＢからＣの間でばらつく。そして、吸気弁５の実際の閉時期が最適時期より早くても、また遅くても新気量は減少する。例えば、吸気弁５の実際の閉時期が、ばらつきの範囲で最も遅くなった場合には、図３中のＢで示すように、新気量が最も少なくなる。

一方、吸気弁５の閉時期の目標値を吸気行程下死点側へ近づけて図３中のＤで示した時期とした場合には、Ａの時期と比較しても新気量は殆ど変わらない。そして、この場合であっても、吸気弁５の実際の閉時期はＥからＦの間でばらつく。しかし、ばらつきの範囲で最も新気量が少ない時期（図３中のＦ）になったとしても、図３中のＢで示した時期よりは新気量が多い。つまり、最適時期の近傍における新気量の減少の度合いは、吸気弁５の閉時期が最適時期よりも吸気行程下死点（ＢＤＣ）に近いほうが小さくなる。

ここで、図４は、クランク角とピストン位置との関係を示した図である。吸気行程下死点近傍では、クランク角の変化に対するピストン１５の変位が小さい。つまり、吸気行程下死点近傍では、吸気弁５の閉時期がずれても、ピストン１５の上昇に伴い気筒２から吸気ポート３側へ排出される新気量が少なくなる。

つまり、吸気弁５の閉時期のずれの影響が大きいときには、吸気弁５の閉時期を吸気行程下死点へ近づければ、たとえ吸気弁５の閉時期が目標値からずれたとしても、新気量の減少度合いを小さくすることができる。これにより、新気量のばらつきを小さくすることができるため、燃焼状態を安定させることができる。

図５は、本実施例に係る吸気弁５の閉時期の制御フローを示したフローチャートである。本ルーチンは所定の時間毎に実行される。

ステップＳ１０１では、機関回転数が取得される。これは、クランクポジションセンサ９２からの信号により取得する。

ステップＳ１０２では、吸気弁５の閉時期の最適時期が算出される。つまり、現時点での機関回転数において気筒２内の新気量が最も多くなる吸気弁５の閉時期が算出される。機関回転数と最適時期とには相関関係があるため、この関係を予め実験等により求めてＥＣＵ９０に記憶させておく。

ステップＳ１０３では、ステップＳ１０２で算出される最適時期が所定時期よりも遅いか否か判定される。この所定時期は、吸気弁５の閉時期がずれた場合に、気筒２内の新気量の減少度合いが許容範囲内となる吸気弁５の閉時期である。つまり、本ステップでは、吸気弁５の閉時期が最適時期からずれたと仮定した場合に、気筒２内の新気量の減少度合いが許容範囲を超え得るか否か判定している。ここで、所定時期は予め実験等により求めておく。ステップＳ１０３で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０４へ進み、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０５へ進む。

ステップＳ１０４では、吸気弁５の閉時期を最適時期よりも吸気行程下死点側へ変更する。例えば、吸気弁５の閉時期を所定角度進角させても良い。また、例えば、気筒２内の新気量の減少度合いが許容範囲内となるように吸気弁５の閉時期を進角させても良い。最適時期に応じて吸気弁５の閉時期を進角させても良い。

ステップＳ１０５では、過給圧が取得される。つまり、過給圧センサ９４の出力値が読み込まれる。

ステップＳ１０６では、過給圧が所定圧よりも高いか否か判定される。この所定圧は、吸気弁５の閉時期がずれた場合に、気筒２内の新気量の減少度合いが許容範囲内となる過給圧である。つまり、本ステップでは、吸気弁５の閉時期が最適時期からずれたと仮定した場合に、気筒２内の新気量の減少度合いが許容範囲を超え得るか否か判定している。ここで、所定圧は予め実験等により求めておく。ステップＳ１０６で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０７へ進み、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０８へ進む。

ステップＳ１０７では、吸気弁５の閉時期を現時点よりも吸気行程下死点（ＢＤＣ）側へ変更する。例えば、吸気弁５の閉時期を所定角度進角させても良い。また、例えば、気筒２内の新気量の減少度合いが許容範囲内となるように吸気弁５の閉時期を進角させても良い。さらに、過給圧が高いほど、吸気弁５の閉時期を進角させても良い。これらの関係は予め実験等により求めておく。

ステップＳ１０８では、吸気弁５の閉時期を現時点よりも最適時期側へ変更する。例えば、吸気弁５の閉時期を所定角度遅角させても良い。また、例えば、過給圧が低いほど、吸気弁５の閉時期を遅角させても良い。これらの関係は予め実験等により求めておく。

以上説明したように本実施例によれば、吸気弁５の閉時期のばらつきの影響が大きい運転状態では、吸気弁５の閉時期を最適時期よりも吸気行程下死点側へ変更するため、該ばらつきの影響を小さくすることができる。つまり、ロバスト性を向上させることができる。これにより、燃焼変動を抑制することができる。

１内燃機関
２気筒
３吸気ポート
４吸気管
５吸気弁
６吸気側カム
７排気ポート
８排気管
９排気弁
１０シリンダヘッド
１１排気側カム
１３クランクシャフト
１４コンロッド
１５ピストン
１６スロットル
２２吸気側カムシャフト
２３吸気側ＶＶＴ
２４吸気側プーリ
２５排気側カムシャフト
２６排気側ＶＶＴ
２７排気側プーリ
５０ターボチャージャ
５１コンプレッサハウジング
５２タービンハウジング
８２燃料噴射弁
９０ＥＣＵ
９１アクセル開度センサ
９２クランクポジションセンサ
９４過給圧センサ
９５エアフローメータ

Claims

吸気弁の閉時期を変更可能な手段と、過給器と、過給圧を検知する手段と、を備えた内燃機関の制御装置において、
過給圧が高いほど、吸気弁の閉時期を吸気行程下死点へ近づけることを特徴とする内燃機関の制御装置。
過給圧が低いほど、吸気弁の閉時期を気筒内の新気量が最も多くなる時期へ近づけ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。