JP2020051279A - 内燃機関システム - Google Patents

Abstract

【課題】作用角が一定の吸気弁の閉弁タイミングを変更することにより、ミラーサイクルモードとデコンプモードを切り替える内燃機関システムにおいて、始動処理中に出された加速要求への応答性の低下を抑える。【解決手段】ＥＣＵは、ミラーサイクルモードまたはデコンプモードで第１および第２ＶＶＴを独立して制御する。ミラーサイクルモードとは、ＩＶＣをＢＤＣよりも早くする制御モードである。デコンプモードとは、ＩＶＣをＢＤＣよりも遅くする制御モードである。ＥＣＵは、始動処理中に、制御モードの切り替えタイミングの設定処理をバンク単位で行う。設定処理では、第１タイミングから第２タイミングが計算される。第２タイミングが最も早い気筒におけるＩＶＣが第３タイミングとして計算される。切り替えタイミングは、第３タイミングと第１タイミングの間に設定される。【選択図】図４

Description

この発明は、内燃機関システムに関する。

特開２０１６−２０５１９５号公報には、吸気弁の開弁タイミングを変更可能な内燃機関を備えるハイブリッド車両が開示されている。ハイブリッド車両は、内燃機関の停止処理中にデコンプ制御を実行する。デコンプ制御では、開弁タイミングが上死点よりも遅角側のクランク角に設定される。デコンプ制御を実行すれば、内燃機関の次回の始動時における吸入空気流量が少なくなるので、エンジントルクを抑えて始動時のショックを和らげることができる。

特開２０１６−２０５１９５号公報

吸気弁の閉弁タイミングを変更することにより、ミラーサイクルモードとデコンプモードを切り替える内燃機関システムを考える。ミラーサイクルモードとは、閉弁タイミングを吸気下死点よりも早くする制御モードである。デコンプモードとは、閉弁タイミングを吸気下死点よりも遅くする制御モードである。

ミラーサイクルモードが選択された場合、膨張比を高くしてより多くのエネルギーを取り出すことが可能となる。ただし、内燃機関の回転速度が所定の共振速度域にある場合は、気筒で発生する加振力に起因するパワートレインの共振が発生する。この共振の発生を抑えるため、共振速度域以下の速度域ではデコンプモードが選択される。

共振速度域は低速度域に存在するため、制御モードの切り替えは、主に内燃機関の停止処理中または始動処理中に行われる。具体的に、停止処理中は、ミラーサイクルモードからデコンプモードへの切り替えが行われる。また、始動処理中は、デコンプモードからミラーサイクルモードへの切り替えが行われる。

動弁系のコストを削減するため、作用角が一定の吸気弁を用いることを考える。この場合は、制御モードの切り替えに伴って吸気弁のバルブタイミング（開弁タイミングから閉弁タイミングまでの期間をいう。以下同じ。）の位相が変化する。そのため、始動処理中に車両の加速要求が出されたときに次の問題が生じる。すなわち、加速要求が出されているにも関わらず、回転速度が共振速度域を超えるまで制御モードの切り替えを待機すると、加速要求への応答がその分だけ遅れてしまう。

本発明の１つの目的は、作用角が一定の吸気弁の閉弁タイミングを変更することにより、ミラーサイクルモードとデコンプモードを切り替える内燃機関システムにおいて、始動処理中に出された加速要求への応答性の低下を抑えることにある。

第１の発明は、内燃機関システムであり、次の特徴を有する。
前記内燃機関システムは、内燃機関と、可変動弁機構と、電子制御ユニットと、を備えている。
前記内燃機関は、複数の気筒を有している。
前記可変動弁機構は、作用角が一定の吸気弁の閉弁タイミングを変更する。前記吸気弁は、前記気筒のそれぞれに設けられる。
前記電子制御ユニットは、デコンプモードまたはミラーサイクルモードで前記可変動弁機構を制御する。前記デコンプモードは、前記閉弁タイミングを吸気下死点よりも遅くする制御モードである。前記ミラーサイクルモードは、前記閉弁タイミングを前記吸気下死点よりも早くする制御モードである。
前記電子制御ユニットは、前記内燃機関の始動処理中、前記内燃機関の回転速度が所定の共振速度域を超える前は前記デコンプモードを選択し、前記回転速度が前記共振速度域を超えた後に前記ミラーサイクルモードを選択する。
前記電子制御ユニットは、前記始動処理中、前記デコンプモードから前記ミラーサイクルモードへの切り替えタイミングを設定する設定処理を行う。
前記設定処理において、前記電子制御ユニットは、
前記回転速度が前記共振速度域を超えると予測される第１タイミングを計算し、
各気筒において、前記第１タイミングの直後の前記閉弁タイミングを第２タイミングとして計算し、
前記第１タイミングの直前の前記閉弁タイミングであって、前記第２タイミングが最も早い気筒における前記閉弁タイミングを第３タイミングとして計算し、
前記第３タイミングと前記第１タイミングの間に前記切り替えタイミングを設定する。

第２の発明は、第１の発明において、更に次の特徴を有する。
前記気筒は、複数のバンクに属する。
前記可変動弁機構は、前記バンクのそれぞれに設けられる。
前記電子制御ユニットは、前記可変動弁機構を独立して制御する。
前記電子制御ユニットは、前記始動処理中、前記設定処理をバンク単位で行う。

第１の発明によれば、第１タイミングから逆算して第３タイミングが設定される。そして、第３タイミングと第１タイミングの間に切り替えタイミングが設定される。したがって、回転速度が共振速度域を超えた後に制御モードの切り替えを開始する場合に比べて、加速要求への応答性の低下を抑えることが可能となる。

第２の発明によれば、切り替えタイミングがバンク単位で設定される。そのため、一部のバンクでの制御モードの切り替えを早く完了させることが可能となる。したがって、全てのバンクでの制御モードの切り替えを一律に開始する場合に比べて、加速要求への応答性の低下を抑えることが可能となる。

本発明の実施の形態に係る内燃機関システムの基本構成を示すブロック図である。 ミラーサイクルモードとデコンプモードの関係を説明する図である。 制御モードの切り替え中のバルブタイミングを説明する図である。 切り替えタイミングの設定処理の流れを説明するフローチャートである。 切り替えタイミングの設定例を説明する図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。

１．内燃機関システムの構成の説明
本発明の実施の形態に係る内燃機関システムは、車両に搭載されるＶ型エンジンまたは水平対向型エンジンのシステムである。図１は、本発明の実施の形態に係る内燃機関システムの基本構成を示すブロック図である。図１に示す内燃機関システム（以下、単に「システム」ともいう。）１０は、モータ２０と、噴射装置２２と、点火装置２４と、電動可変動弁機構（以下、「電動ＶＶＴ」ともいう。）２６と、を備えている。

モータ２０は、バッテリ（図示略）からの電力によりエンジンのクランク軸を回転させる周知の始動装置である。システム１０がハイブリッド車両に搭載される場合、モータ２０はモータジェネレータＭＧであってもよい。モータジェネレータＭＧは、発電機としての機能と、電動機としての機能とを有する周知の交流回転電機である。

噴射装置２２および点火装置２４は、エンジンの各気筒に設けられる。噴射装置２２は、エンジンの筒内に燃料を供給する。点火装置２４は、筒内の混合気に点火する。電動ＶＶＴ２６は、第１および第２ＶＶＴを有する。第１ＶＶＴは、エンジンの第１バンクに設けられる。第２ＶＶＴは、エンジンの第２バンクに設けられる。第１ＶＶＴは、第１バンクに属する吸気弁を駆動する。第２ＶＶＴは、第２バンクに属する吸気弁を駆動する。

第１ＶＶＴは、電動モータを用いてクランク軸の回転位相に対する第１カム軸の回転位相を変更する。第１カム軸には、第１バンクに属する吸気弁を駆動する吸気カムが取り付けられている。第２ＶＶＴは、電動モータを用いてクランク軸の回転位相に対する第２カム軸の回転位相を変更する。第２カム軸には、第２バンクに属する吸気弁を駆動する吸気カムが取り付けられている。これらの吸気カムの作用角は、一定である。つまり、電動ＶＶＴ２６は、作用角固定型の可変動弁機構である。

図１に示すシステム１０は、電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」ともいう。）３０を備えている。ＥＣＵ３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、入出力ポートなどを備えている。ＣＰＵは、システム１０が備える各機器の制御に係る演算処理を行う。ＲＯＭには、この制御に必要なプログラムやデータが記憶されている。ＲＡＭは、ＣＰＵによる演算結果などが一時的に記憶される。入出力ポートは、ＥＣＵ３０と外部の間で信号をやり取りする。入力ポートには、各種センサが接続されている。

入力ポートには、クランク角センサ３２と、カム角センサ３４と、水温センサ３６とが接続されている。クランク角センサ３２は、クランク軸の回転角度に応じた信号を出力する。この回転角度により、エンジン回転速度ＮＥが算出される。カム角センサ３４は、第１および第２カム軸の回転位相に応じた信号を出力する。水温センサ３６は、エンジンの冷却水の温度（以下、「水温」ともいう。）を検出する。

２．エンジン制御の説明
ＥＣＵ３０が実施するエンジン制御には、電動ＶＶＴ２６を用いた吸気弁のバルブタイミングの変更制御が含まれる。変更制御において、ＥＣＵ３０は、ミラーサイクルモードまたはデコンプモードで第１および第２ＶＶＴを独立して制御する。

２．１ 制御モードの説明
ミラーサイクルモードとは、吸気弁の閉弁タイミング（以下、「ＩＶＣ」ともいう。）を吸気下死点（以下、「ＢＤＣ」ともいう。）よりも早くする制御モードである。ミラーサイクルモードおいて、ＢＤＣに対するＩＶＣの早閉じ量（進角量）は、エンジン運転状態に応じて変更される。一例として、要求トルクが低い場合、早閉じ量が大きくなるように設定される。要求トルクが高い場合、早閉じ量が小さくなるように設定される。

デコンプモードとは、ＩＶＣをＢＤＣよりも遅くする制御モードである。デコンプモードにおいて、ＢＤＣに対するＩＶＣの遅閉じ量（遅角量）は、一定に設定される。デコンプモードは、エンジン回転速度ＮＥが共振速度域以下の速度域にある場合に選択される。つまり、エンジン回転速度ＮＥが共振速度域を超える速度域にある場合、デコンプモードではなくミラーサイクルモードが選択される。

図２は、ミラーサイクルモードとデコンプモードの関係を説明する図である。図２に示すように、ミラーサイクルモードでは、吸気弁の開弁タイミング（以下、「ＩＶＯ」ともいう。）が排気上死点（以下、「ＴＤＣ」ともいう。）よりも進角側のクランク角ＩＶＯ１に設定され、ＩＶＣがＢＤＣよりも進角側のクランク角ＩＶＣ１に設定される。一方、デコンプモードでは、ＩＶＯがＴＤＣよりも遅角側のクランク角ＩＶＯ２に設定され、ＩＶＣがＢＤＣよりも遅角側のクランク角ＩＶＣ２に設定される。

２．２ 制御モードの切り替え時の問題
デコンプモードの選択中、エンジン回転速度ＮＥが上昇して共振速度域を上回ったときは、デコンプモードからミラーサイクルモードへの切り替えが行われる。一方、ミラーサイクルモードの選択中、エンジン回転速度ＮＥが下降して共振速度域に突入したときは、ミラーサイクルモードからデコンプモードへの切り替えが行われる。

共振速度域は低速度域に存在する。そのため、デコンプモードからミラーサイクルモードへの切り替えは、エンジンの始動処理中に行われる。始動処理とは、モータ２０の駆動によるクランキング、および、これに続く噴射装置２２および点火装置２４の駆動を含む処理である。ミラーサイクルモードからデコンプモードへの切り替えは、エンジンの停止処理中に行われる。停止処理とは、噴射装置２２および点火装置２４の駆動を停止する処理である。

図３は、制御モードの切り替え中のバルブタイミングの位相を説明する図である。作用角固定型の可変動弁機構を用いる本実施の形態では、バルブタイミングが常に一定に保たれる。ただし、制御モードの切り替えを行うと、バルブタイミングの位相が連続的に変化する。制御モードの切り替え中における位相は、デコンプ状態での位相とミラーサイクル状態での位相の間の任意の値を取ることになる。

図３から分かるように、本実施の形態では、デコンプ状態でのＩＶＣの遅角量（つまり、ＢＤＣに対するＩＶＣ２の遅閉じ量）が大きい。そのため、デコンプ状態での位相とミラーサイクル状態での位相の差が必然的に大きくなる。故に、始動処理中に車両の加速要求が出されると、次の問題が生じる。すなわち、加速要求が出されているにも関わらず、エンジン回転速度ＮＥが共振速度域を超えるまで制御モードの切り替えを待機すると、加速要求への応答がその分だけ遅れてしまう。

２．３ 切り替えタイミングの設定処理
上記の問題に鑑み、本実施の形態では、始動処理中の制御モードの切り替えタイミングの設定処理をバンク単位で行う。図４は、設定処理の流れを説明するフローチャートである。なお、図４に示すルーチンは、バンクごとに所定の制御周期で繰り返し実行される。

図４に示すルーチンでは、先ず、始動処理中であるか否かが判定される（ステップＳ１）。始動処理中であるか否かは、例えば、水温センサ３６が検出した水温に基づいて判定される。始動処理中でないと判定された場合、設定処理が終了される。

ステップＳ１において、始動処理中であると判定された場合、バルブタイミングの位相がデコンプ位置と一致するか否かが判定される（ステップＳ２）。デコンプ位置とは、クランク角ＩＶＯ２およびＩＶＣ２で特定される位相である。デコンプ位置は、例えば、カム角センサ３４が出力した回転位相に基づいて判定される。位相がデコンプ位置と一致しないと判定された場合、設定処理が終了される。

ステップＳ２において、位相がデコンプ位置と一致すると判定された場合、燃料噴射の開始後であるか否かが判定される（ステップＳ３）。燃料噴射の開始は、例えば、噴射指令の有無に基づいて判定される。ステップＳ３の処理は、肯定的な判定結果が得られるまで繰り返し行われる。

ステップＳ３の判定結果が肯定的な場合、勾配ΔＮＥが計算される（ステップＳ４）。勾配ΔＮＥは、例えば、クランク角センサ３２が出力した回転角度に基づいて計算される。そして、勾配ΔＮＥが規定値を上回るか否かが判定される（ステップＳ５）。ステップＳ４およびＳ５の処理は、ステップＳ５において肯定的な判定結果が得られるまで繰り返し行われる。

ステップＳ５の判定結果が肯定的な場合、第１タイミングが計算される（ステップＳ６）。第１タイミングは、エンジン回転速度ＮＥが共振速度域を超えると予測されるタイミングである。第１タイミングは、勾配ΔＮＥに基づいて計算される。なお、勾配ΔＮＥは逐次計算が可能であるため、勾配ΔＮＥを逐次計算しつつ、第１タイミングをその都度更新してもよい。

ステップＳ６に続いて、第２および第３タイミングが計算される（ステップＳ７）。第２タイミングは、第１タイミングの直後のＩＶＣである。第２タイミングは、気筒ごとに特定される。第３タイミングは、第２タイミングが最も早い気筒における、第１タイミングの直前のＩＶＣである。なお、これらのＩＶＣは全て、デコンプモードを基準としている。つまり、第２および第３タイミングには、図２または３に示したクランク角ＩＶＣ２の何れかが該当する。

図５を参照して、第２および第３タイミングを説明する。図５の例では、気筒＃１、気筒＃３および気筒＃５が第１バンクに属し、気筒＃２、気筒＃４および気筒＃６が第２バンクに属するものとする。図５に示すハッチング領域は、デコンプモードでのバルブタイミングの位相を表している。第１タイミングが図５の略中央よりも左側に位置するクランク角であるとする。そうすると、第１タイミングの直後のＩＶＣ（つまり、第２タイミング）が、それぞれの気筒において特定される。

第２タイミングの特定後、第３タイミングが特定される。第１バンクの中では、気筒＃１の第２タイミングが第１タイミングに最も早い。第２バンクの中では、気筒＃６の第２タイミングが第１タイミングに最も早い。したがって、気筒＃１における第１タイミングの直前のＩＶＣが、第１バンクの第３タイミングとして特定される。また、気筒＃６における第１タイミングの直前のＩＶＣが、第２バンクの第３タイミングとして特定される。

図４に戻り、設定処理の流れを説明する。ステップＳ７に続いて、切り替えタイミングが決定される（ステップＳ８）。切り替えタイミングは、ステップＳ７で特定した第２タイミングと第３タイミングの間に決定される。図５を再び参照して切り替えタイミングを説明する。図５に示す例では、気筒＃１における第１タイミングの直前のＩＶＣから、第１タイミングまでの間に第１バンクの切り替えタイミングが決定される。気筒＃６における第１タイミングの直前のＩＶＣから、第１タイミングまでの間に第２バンクの切り替えタイミングが決定される。

切り替えタイミングは、例えば、第１タイミングが到来するまでは、遷移状態にあるＩＶＣがＢＤＣよりも進角側のクランク角となるように、電動ＶＶＴの平均動作速度、カム軸の実際の回転速度およびクランク角ＩＶＣ２を考慮して決定される。このような決定手法によれば、遷移状態にあるＩＶＣがＢＤＣよりも遅角側のクランク角となるのを回避しつつ、第１および第２バンクの切り替えタイミングをそれぞれの第３タイミングに近づけることができる。

３．設定処理による効果
上述した設定処理によれば、始動処理中の制御モードの切り替えタイミングがバンク単位で設定される。そのため、一部のバンクでの制御モードの切り替えを早く完了させることが可能となる。具体的に、図５の例では、第３タイミングがより早い第２バンクでの制御モードの切り替えを、第１バンクでのそれに比べて早く完了させることができる。したがって、全てのバンクでの制御モードの切り替えを一律に開始する場合に比べて、加速要求への応答性の低下を抑えることが可能となる。

４．その他の実施の形態
上述した実施の形態では、Ｖ型エンジンまたは水平対向型エンジンといった複数バンク型のエンジンを前提として説明した。しかし、上述した設定処理は、始動処理中において一部のバンクに設けられる電動ＶＶＴのみを駆動する場合にも適用できる。上述した設定処理は、複数バンクを有しない一般的なエンジンの電動ＶＶＴを駆動する場合にも適用できる。

なお、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、この実施の形態において説明する構造等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

１０ 内燃機関システム
２０ モータ
２２ 噴射装置
２４ 点火装置
２６ 電動可変動弁機構
３０ 電子制御ユニット
３２ クランク角センサ
３４ カム角センサ
３６ 水温センサ

Claims (2)

1. 複数の気筒を有する内燃機関と、
   前記気筒のそれぞれに設けられる作用角が一定の吸気弁の閉弁タイミングを変更する可変動弁機構と、
   前記閉弁タイミングを吸気下死点よりも遅くするデコンプモード、または、前記閉弁タイミングを前記吸気下死点よりも早くするミラーサイクルモードで前記可変動弁機構を制御する電子制御ユニットと、
   を備える内燃機関システムであって、
   前記電子制御ユニットは、前記内燃機関の始動処理中、前記内燃機関の回転速度が所定の共振速度域を超える前は前記デコンプモードを選択し、前記回転速度が前記共振速度域を超えた後に前記ミラーサイクルモードを選択し、
   前記電子制御ユニットは、前記始動処理中、前記デコンプモードから前記ミラーサイクルモードへの切り替えタイミングを設定する設定処理を行い、
   前記設定処理において、前記電子制御ユニットは、
   前記回転速度が前記共振速度域を超えると予測される第１タイミングを計算し、
   各気筒において、前記第１タイミングの直後の前記閉弁タイミングを第２タイミングとして計算し、
   前記第１タイミングの直前の前記閉弁タイミングであって、前記第２タイミングが最も早い気筒における前記閉弁タイミングを第３タイミングとして計算し、
   前記第３タイミングと前記第１タイミングの間に前記切り替えタイミングを設定する
   ことを特徴とする内燃機関システム。
2. 前記気筒は、複数のバンクに属し、
   前記可変動弁機構は、前記バンクのそれぞれに設けられ、
   前記電子制御ユニットは、前記可変動弁機構を独立して制御し、
   前記電子制御ユニットは、前記始動処理中、前記設定処理をバンク単位で行う
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関システム。

Images