JP3885456B2

JP3885456B2 - 可変動弁の制御装置

Info

Publication number: JP3885456B2
Application number: JP2000080197A
Authority: JP
Inventors: 勝博荒井; 初雄永石
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-03-22
Filing date: 2000-03-22
Publication date: 2007-02-21
Anticipated expiration: 2020-03-22
Also published as: JP2001263104A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁駆動式など開閉時期を任意に可変制御できるエンジンの吸・排気弁（可変動弁）を制御する装置に関し、特に残留ガス量が高精度に制御されるように吸気弁と排気弁の閉時期を制御する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来一般のエンジンでは、スロットル弁の開度によって吸入空気量を制御するが、近年、電磁駆動式の吸・排気弁を備え、主として吸気弁の閉時期の制御によって吸入空気量を制御するようにしたものが提案されている（特開平１０−３７７２７号公報参照) 。
【０００３】
この種の吸入空気量制御では、スロットル弁を備えない場合は略大気圧に維持される吸気圧力、またスロットル弁を併用する場合はスロットル弁開度に応じた吸気圧力に対し、吸気弁の閉時期により決定される有効吸気行程に応じたシリンダ吸入空気の体積量を制御することで、要求トルクに応じた目標空気量（要求吸入空気量）を得るように制御することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方、カム駆動式の可変動弁において、ピストンが上死点に達する前に排気弁を閉じるように設定して、燃焼室内の残留ガス量（内部ＥＧＲ量）を増大して、ＮＯｘの低減やポンピングロスの低減を図ったものがある（特開昭６２−１３７０８号公報参照）。
【０００５】
しかしながら、このものでは残留ガス量を高精度に制御できるものではないため、ＮＯｘの低減やポンピングロスの低減と、安定燃焼性とを両立させることが難しかった。
【０００６】
また、前記電磁駆動式の可変動弁においても、残留ガス量を高精度に制御できるものはなかった。
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、可変動弁における吸気弁の閉時期と排気弁の閉時期の制御により、残留ガス量を高精度に制御して、排気浄化性能、燃費の向上と、安定燃焼性とを両立できるようにすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１にかかる発明は、
エンジンの吸・排気弁の開閉時期を任意に可変制御できる可変動弁の制御装置において、
エンジン運転状態に基づいて、吸気行程終了時におけるシリンダ内の総ガス量に対する排気行程終了時におけるシリンダ内の残留ガス量の目標割合である目標残留ガス率を設定し、該目標残留ガス率とエンジン運転状態に基づいて設定される目標吸入空気量とからピストンの上死点から吸気弁が閉じるまでの実質的な吸気行程容積に相当する目標吸気容積と、排気弁の閉時期におけるピストン位置とピストン上死点位置との間の残留ガスとしてシリンダ内に残される行程の容積に対応する目標残留ガス容積とを算出し、前記目標吸気容積に基づいて前記目標残留ガス率を達成するように吸気弁の閉時期を制御すると共に、前記目標残留ガス容積に基づいて前記目標残留ガス率を達成するように排気弁の閉時期を制御する一方、エンジン運転状態に基づいて設定した吸入空気量を達成するようにスロットル弁を制御することを特徴とする。
【００１５】
請求項１に係る発明によると、
エンジンの運転状態に基づいて目標吸入空気量と目標残留ガス率が設定され、該目標吸入空気量に目標残留ガス率を乗じて目標残留ガス量が求められる。そして、目標吸入空気量に基づいてピストンの上死点から吸気弁が閉じるまでの実質的な吸気行程容積に対応する目標吸気容積が算出される。また、目標残留ガス量に基づいて排気弁の閉時期によって可変制御可能な残留ガス容積、すなわち排気弁の閉時期おけるピストン位置とピストンの上死点位置との間の残留ガスとしてシリンダ内に残される行程の容積に対応する目標残留ガス容積が算出される。そして、前記目標吸気容積に基づいて吸気弁の閉時期が算出され、前記目標排気容積に基づいて排気弁の閉時期が算出される。
【００１６】
このようにすれば、運転者の意志に応じて目標トルクに見合った目標吸入空気量を設定して高精度にエンジン出力制御を行なういわゆるトルクディマンド制御において、残留ガス量（内部ＥＧＲ量）の制御も高精度に行なって、安定した燃焼性を確保しつつ排気浄化性能及び燃費を十分に向上することができる。
【００１７】
また、請求項２に係る発明は、
前記目標吸気容積及び目標残留ガス容積は、吸気通路内の吸気圧力を考慮して算出されることを特徴とする。
【００１８】
請求項２に係る発明によると、
吸気通路内の吸気圧力に応じて目標吸入空気量に対応する目標吸気容積及び目標残留ガス量に対応する目標残留ガス容積が変化するので、該吸気圧力を考慮して目標吸気容積及び目標残留ガス容積を算出する。
【００１９】
このようにすれば、スロットル弁などにより吸気圧力が可変に制御される場合は、該吸気圧力も加味して目標吸気容積及び目標残留ガス容積を高精度に算出できる。
【００２０】
また、請求項３に係る発明は、
排気弁の閉時期以後に吸気弁の開時期が設定されることを特徴とする。
請求項３に係る発明によると、
いわゆる吸・排気弁のオーバラップ量が無くなるので、吸気弁の開閉時期によって吸入空気量（残留ガスを含まない新気の量）を正確に算出でき、これに伴って吸入空気量、残留ガス量を高精度に目標値に制御するように吸気弁及び排気弁の閉時期を制御できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の参考例を示す可変動弁の制御装置を備えたエンジンのシステム図である。
【００２２】
エンジン１の各気筒のピストン２により画成される燃焼室３には、点火栓４を囲むように、電磁駆動式の吸気弁５及び排気弁６を備えている。７は吸気通路、８は排気通路である。
【００２３】
吸気弁５及び排気弁６の電磁駆動装置（吸・排気弁と共に可変動弁を構成する）の基本構造を図２に示す。弁体２０の弁軸２１にプレート状の可動子２２が取付けられており、この可動子２２はスプリング２３，２４により中立位置に付勢されている。この可動子２２の下側に開弁用電磁コイル２５が配置され、上側に閉弁用電磁コイル２６が配置されている。
【００２４】
そして、エンジン１の始動前にこれら開弁用電磁コイル２５及び閉弁用電磁コイル２６を交互に通電して可動子２２を共振させ、振幅が十分大きくなったところで、いずれかの電磁コイルに可動子２２を吸着保持する。
【００２５】
その後は、閉弁から開弁させる際は、可動子２２を吸着している上側の閉弁用電磁コイル２６への通電を停止した後、スプリング２３の付勢力で可動子２２を下方に移動させ、下側の開弁用電磁コイル２５に十分接近したところから該開弁用電磁コイル２５を通電して可動子２２を吸着することにより、弁体２０をリフトさせて開弁させる。
【００２６】
逆に、開弁から閉弁させる際は、可動子２２を吸着している下側の開弁用電磁コイル２５への通電を停止した後、スプリング２４の付勢力で可動子２２を上方へ移動させ、上側の閉弁用電磁コイル２６に十分接近したところから該閉弁用電磁コイル２６を通電して、可動子２２を吸着することにより、弁体２０をシート部に着座させて閉弁させる。
【００２７】
図１に戻って、吸気通路７には、吸入空気量を検出するエアフロメータ１４、開度を電子制御されるスロットル弁１５が設けられ、各気筒毎の吸気ポート部分に、電磁式の燃料噴射弁９が設けられている。
【００２８】
ここにおいて、吸気弁５、排気弁６、スロットル弁１５、燃料噴射弁９及び点火栓４の作動は、コントロールユニット１０により制御され、このコントロールユニット１０には、エンジン回転に同期してクランク角信号を出力しこれによりエンジン回転速度を検出可能なクランク角センサ１１、アクセル開度（アクセルペダルの踏込み量）を検出するアクセルペダルセンサ１２等から、信号が入力されている。
【００２９】
そして、アクセル開度，エンジン回転速度等のエンジンの運転条件に基づいてエンジン要求出力の増大に応じて吸入空気量が増大するように吸気弁５の閉時期が設定されると共に、安定燃焼性を確保しつつ排気エミッション特にＮＯｘ排出量の低減と、ポンピングロス低減による燃費の向上のため、適度な残留ガス量（内部ＥＧＲ量）が得られるように目標残留ガス率が設定され、前記吸気弁５の閉時期の制御と関連して前記目標残留ガス率が満たされるように排気弁６の閉時期が設定される。
【００３０】
また、前記各種センサ類により検出された値に基づいて、吸入空気量が検出され、該吸入空気量に基づいて前記燃料噴射弁９からの燃料噴射量が制御される。
以下に、本発明に係る吸気弁及び排気弁の閉時期制御を、図に基づいて説明する。
【００３１】
図３は、前記参考例の制御ブロック図を示す。
目標ＩＶＣ設定部は、アクセル開度，エンジン回転速度等のエンジンの運転条件に基づいて、予め設定されたテーブルからの検索等により、エンジン要求出力の増大に応じて吸入空気量が増大するように吸気弁５の目標閉時期ＩＶＣを設定する。
【００３２】
ＩＶＣ制御部は、前記設定された吸気弁５の目標閉時期ＩＶＣが得られるように、前記電磁駆動装置を駆動して吸気弁５の閉時期を制御する。
有効吸気量算出部は、前記設定された吸気弁の目標閉時期ＩＶＣに基づいて、該ＩＶＣすなわち実質的な吸気行程終了時におけるシリンダ内の総ガス量、すなわち有効吸気量ＶＩとして、ＩＶＣにおけるシリンダ容積を算出する。該有効吸気量ＶＩは、図４に示すように、ピストンが上死点にあるときの燃焼室容積Ｖｃ（一定値）に該ピストンの上死点から吸気弁が閉じるまでの行程容積である目標吸気容積Ｖｓ１を加算した値として算出され、例えばＩＶＣの関数として図５に示すようなテーブルからの検索により目標吸気容積Ｖｓ１を算出し、燃焼室容積Ｖｃと加算して算出する。
【００３３】
目標残留ガス率設定部は、アクセル開度，エンジン回転速度等のエンジンの運転条件に基づいて、予め設定されたテーブルからの検索等により、目標残留ガス率（残留ガス量／総ガス量）ＲＥＧＲを設定する。図６は、エンジントルクとエンジン回転速度に応じた目標残留ガス率ＲＥＧＲの特性マップを示す。図示のように、低中回転、低負荷領域で目標残留ガス率ＲＥＧＲが大きくなるように設定されている。
【００３４】
目標残留ガス量算出部は、前記有効吸気量ＶＩに前記目標残留ガス率ＲＥＧＲを乗じて目標残留ガス量ＶＥを算出する。
目標ＥＶＣ設定部は、前記目標残留ガス量ＶＥに基づいて排気弁の目標閉時期ＥＶＣを算出する。具体的には、前記目標残留ガス量ＶＥから前記燃焼室容積Ｖｃを減算して、排気弁の閉時期におけるピストン位置とピストンの上死点位置との間の残留ガスとしてシリンダ内に残される行程の容積に対応する目標排気容積Ｖｓ２を算出し、該目標排気容積Ｖｓ２に基づいて、例えば図７に示すようなテーブルからの検索により、排気弁の目標閉時期ＥＶＣを設定する。
【００３５】
ＥＶＣ制御部は、前記設定された排気弁の目標閉時期ＥＶＣが得られるように、前記電磁駆動装置を駆動して排気弁６の閉時期を制御する。
このようにすれば、目標残留ガス率を達成するように、吸気弁５の閉時期に関連して排気弁６の閉時期が制御されるので、吸入空気量と残留ガス量との比率を所望の値に制御することができ、以って、ＮＯｘの低減やポンピングロスの低減と、安定燃焼性とを両立させることができる。
【００３６】
次に、第２の参考例について説明する。該第２の参考例では、前記スロットル弁１５下流の吸気圧を考慮して吸気弁５、排気弁６の閉時期を制御する。すなわち、吸気弁５の閉時期によって吸入空気量を可変制御する運転条件では、スロットル弁１５を略全開として吸気圧を略大気圧一定とする方式とした場合には、排気圧も略大気圧であるので、前記第１の実施の形態のように吸気圧力を考慮しなくてもすむが（後述するように排気圧を大気圧より若干大きめの値として補正すれば精度を高められる）、蒸発燃料のパージ処理や制動用の負圧を確保するため、スロットル弁１５を絞り制御して所定の負圧に制御した上で、吸気弁の閉時期による吸入空気量を行う方式とした場合には、排気圧と異なる吸気圧を検出して制御を行なう必要がある。
【００３７】
図８は、該第２の参考例の制御ブロック図を示す。
有効吸気量算出部は、第１の実施の形態と同様にして算出された容積値である有効吸気量ＶＩに、スロットル弁下流の吸気圧Ｐｍを乗じ、質量値である有効吸気量ＱＩ（＝Ｐｍ・ＶＩ）を算出する。ここで前記吸気圧Ｐｍは、アクセル開度，エンジン回転速度等のエンジンの運転条件に基づいて設定された目標吸気圧を用いればよいが、吸気圧センサを設けて検出された吸気圧を用いてもよい。
【００３８】
目標残留ガス率設定部は、第１の参考例と同様に目標残留ガス率ＲＥＧＲを設定する。目標残留ガス量算出部は、前記有効吸気量ＱＩに前記目標残留ガス率ＲＥＧＲを乗じて質量値である目標残留ガス量ＱＥを算出する。
【００３９】
目標ＥＶＣ設定部は、前記目標残留ガス量ＱＥに基づいて排気弁の目標閉時期ＥＶＣを算出する。具体的には、前記目標残留ガス量ＱＥから次式のようにして目標残留ガス容積Ｖｓ２を算出した後、図７に示すテーブルを検索して排気弁の目標閉時期ＥＶＣを設定する。
【００４０】

したがって、Ｖｓ２＝ＱＥ／Ｐｅ−Ｖｃ
ただし、Ｐｅ：排気圧補正係数
ここで、排気圧補正係数Ｐｅは、簡易的には定数としてよいが、アクセル開度、エンジン回転速度等の運転条件により排気圧力、温度を補正する係数を図１１に示すマップとして設定された値を用いれば、より精度を高めることができる。
【００４１】
ＩＶＣ制御部およびＥＶＣ制御部は、前記設定された吸気弁５の目標閉時期ＩＶＣおよび排気弁６の目標閉時期ＥＶＣが得られるように、前記電磁駆動装置を駆動して吸気弁５の閉時期および排気弁６の閉時期を制御する。
【００４２】
次に、本発明の実施の形態について説明する。該実施の形態は、運転者の操作意志に基づいて目標トルクを設定し、該目標トルクを得られるように吸入空気量を制御する、いわゆるトルクディマンド制御に適用したものである。
【００４３】
図９は、該実施の形態の制御ブロック図を示す。
目標吸入空気量設定部は、アクセル開度，エンジン回転速度等のエンジンの運転条件に基づいて、予め設定されたテーブルからの検索等により、目標トルクに見合った目標吸入空気量Ｑｃを設定する。
【００４４】
目標残留ガス率設定部は、第１および第２の参考例と同様に、アクセル開度，エンジン回転速度等のエンジンの運転条件に基づいて目標残留ガス率ＲＥＧＲを設定する。
【００４５】
目標吸気圧設定部は、アクセル開度，エンジン回転速度等のエンジンの運転条件に基づいて所定の目標吸気圧（負圧）Ｐｍを設定する。
目標吸気容積算出部は、前記設定された目標吸入空気量Ｑｃ、目標残留ガス率ＲＥＧＲおよび目標吸気圧Ｐｍに基づいて、次式により目標吸気容積Ｖｓ１を算出する。
【００４６】

したがって、Ｖｓ１＝Ｑｃ／｛Ｐｍ・（１−ＲＥＧＲ）｝−Ｖｃ
目標残留ガス容積算出部は、前記設定された目標吸入空気量Ｑｃ、目標残留ガス率ＲＥＧＲおよび目標吸気圧Ｐｍに基づいて、次式により目標残留ガス容積Ｖｓ２を算出する。
【００４７】

したがって、Ｖｓ２＝Ｐｍ・ＲＥＧＲ・（Ｖｓ１＋Ｖｃ）／Ｐｅ−Ｖｃ
目標ＴＨ開口面積算出部は、前記設定された目標吸入空気量Ｑｃおよび目標吸気圧Ｐｍに基づいて、以下のように目標スロットル開口面積ＡＴＨを算出する。
【００４８】
まず、目標吸気圧Ｐｍと大気圧Ｐａ（＝７６０ｍｍＨｇ）との比Ｐｍ／Ｐａに基づいて、図１０に示すようなテーブルから空気量／スロットル開口面積換算係数ＲＱを算出する。該係数ＲＱの特性は、吸気圧が所定以下の領域では、いわゆるソニック流となって吸気圧変化とは無関係に開口面積の増大に吸入空気量が比例して増大するので、吸気圧変化に対して係数ＲＱ＝１で一定とし、吸気圧がある程度以上増大すると吸気圧の増大によって吸入空気量が増大するので吸気圧の増大と共に開口面積を減少させるべく係数ＲＱを減少させていき、さらに吸気圧が増大すると吸気圧変化とは無関係に開口面積の増大に応じて吸入空気量が増大するので、係数ＲＱを一定とする。
【００４９】
前記空気量／スロットル開口面積換算係数ＲＱを用いて、目標スロットル開口面積ＡＴＨを次式により算出する。
ＡＴＨ＝Ｑｃ・Ｎｅ・ＲＱ
ＩＶＣ制御部およびＥＶＣ制御部は、前記設定された吸気弁５の目標閉時期ＩＶＣおよび排気弁６の目標閉時期ＥＶＣが得られるように、前記電磁駆動装置を駆動して吸気弁５の閉時期および排気弁６の閉時期を制御する。
【００５０】
目標ＴＨ開度算出部は、前記目標スロットル開口面積ＡＴＨをテーブル検索等により、目標スロットル開度ＥＴＣに変換して算出する。
ＴＨ制御部は、該目標スロットル開度ＥＴＣとなるように電制スロットル装置を駆動してスロットル弁１５の開度を制御する。
【００５１】
このようにすれば、運転者の意志に応じて高精度にエンジン出力制御を行なうトルクディマンド制御において、残留ガス量（内部ＥＧＲ量）の制御も高精度に行なって、安定した燃焼性を確保しつつ排気浄化性能及び燃費を十分に向上することができる。
【００５２】
なお、前記第１の実施の形態又は第２の実施の形態においても、目標吸入空気量、目標残留ガス量、目標吸気圧は、アクセル開度とエンジン回転速度等に基づいて予め決定されるので、吸気弁の目標閉時期を設定するときに、これら目標吸入空気量、目標残留ガス量や目標吸気圧を考慮して設定しておけば、簡易的にトルクディマンド制御に近い制御を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の参考例を示す可変動弁の制御装置を備えたエンジンのシステム図。
【図２】吸・排気弁の電磁駆動装置の基本構造図。
【図３】第１の参考例における吸気弁および排気弁の閉時期制御の制御ブロック図。
【図４】同上参考例における目標吸気容積および目標排気容積を説明するための図。
【図５】同上の目標吸気容積を吸気弁の目標閉時期から求めるためのテーブル特性図。
【図６】目標残留ガス率をエンジン運転条件から求めるためのテーブル特性図。
【図７】排気弁の目標閉時期を同上の目標排気容積から求めるためのテーブル特性図。
【図８】第２の参考例における吸気弁および排気弁の閉時期制御の制御ブロック図。
【図９】本発明の実施の形態における吸気弁および排気弁の閉時期制御の制御ブロック図。
【図１０】同上実施の形態で用いる空気量／スロットル開口面積換算係数ＲＱを求めるためのテーブル特性図。
【図１１】排気圧補正係数を示すマップ。
【符号の説明】
１エンジン
５吸気弁
６排気弁
９燃料噴射弁
１０コントロールユニット
１１クランク角センサ
１２アクセルペダルセンサ
１４エアフロメータ
１５スロットル弁

Claims

エンジンの吸・排気弁の開閉時期を任意に可変制御できる可変動弁の制御装置において、
エンジン運転状態に基づいて、吸気行程終了時におけるシリンダ内の総ガス量に対する排気行程終了時におけるシリンダ内の残留ガス量の目標割合である目標残留ガス率を設定し、該目標残留ガス率とエンジン運転状態に基づいて設定される目標吸入空気量とからピストンの上死点から吸気弁が閉じるまでの実質的な吸気行程容積に相当する目標吸気容積と、排気弁の閉時期におけるピストン位置とピストン上死点位置との間の残留ガスとしてシリンダ内に残される行程の容積に対応する目標残留ガス容積とを算出し、前記目標吸気容積に基づいて前記目標残留ガス率を達成するように吸気弁の閉時期を制御すると共に、前記目標残留ガス容積に基づいて前記目標残留ガス率を達成するように排気弁の閉時期を制御する一方、エンジン運転状態に基づいて設定した吸入空気量を達成するようにスロットル弁を制御することを特徴とする可変動弁の制御装置。
前記目標吸気容積及び目標残留ガス容積は、吸気通路内の吸気圧力を考慮して算出されることを特徴とする請求項１に記載の可変動弁の制御装置。
排気弁の閉時期以後に吸気弁の開時期が設定されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の可変動弁の制御装置。