JP3976002B2 - Intake valve drive control device for internal combustion engine - Google Patents
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Description
この発明は、吸気弁のバルブリフト量(最大リフト量)及び作動角を変更可能なリフト作動角可変機構を備えた内燃機関の吸気弁駆動制御装置に関する。 The present invention relates to an intake valve drive control device for an internal combustion engine provided with a variable lift operating angle mechanism capable of changing a valve lift amount (maximum lift amount) and an operating angle of an intake valve.
特許文献1等には、本出願人が以前に提案したリフト作動角可変機構が開示されている。このリフト作動角可変機構は、制御偏心軸部を有する制御軸と、この制御偏心軸部に揺動可能に装着されたロッカアームと、クランクシャフトに連動して回転し、駆動偏心軸部を有する駆動軸と、この駆動軸に揺動可能に支持された動弁カムとしての揺動カムと、駆動偏心軸部とロッカアームの一端とを連係する第1リンクと、ロッカアームの他端と揺動カムとを連係する第2リンクと、を備えている。駆動軸の回転に伴って揺動する揺動カムにより吸気弁が開閉駆動される。そして、アクチュエータにより制御軸(制御偏心軸部)を回転駆動することにより、揺動カムの初期姿勢・揺動範囲が変化して、吸気弁のバルブリフト特性であるリフトカーブ、すなわち吸気弁のバルブリフト量と作動角とが同時かつ連続的に増減変化するように構成されている。このようなリフト作動角可変機構を利用して吸入空気量を調整することにより、例えばガソリンエンジンにおけるスロットル損失を著しく軽減することが可能となる。
このようなリフト作動角可変機構では、機構的には、制御軸の角度が同じであれば、つまり作動角(の目標値)が同じであれば、機関回転数や機関温度等にかかわらず、そのバルブリフト特性すなわちリフトカーブは同一形状となり、最大リフト量を含めたバルブリフト量が一義的に定まるはずである。つまり、制御軸の角度に応じて所定のリフト特性となるように揺動カムのカムプロフィール等が設計されている。しかしながら、実際には、各リンク部品の撓み変形やリンク間クリアランス等に起因して、同じ制御軸角度(作動角目標値)であっても、機関回転数に応じてリフトカーブが不可避的に異なるものとなる。例えば、吸気弁の作動角が同じであっても、高回転域では主としてバルブジャンプによりバルブリフト量が相対的に大きくなり、低回転域では主としてリンクの撓みによりバルブリフト量が相対的に小さくなる。このようなリフトカーブのばらつきにより、特に要求(負荷)トルクに応じて吸入空気量を制御するガソリンエンジンでは、リフト作動角可変機構を利用した吸入空気量の制御が安定せず、要求トルクに対する出力トルクの偏差・ばらつきが大きくなるといった問題を生じるおそれがある。なお、上記の機関回転数と同様、機関油温や機関水温等の機関温度によっても、無視できないようなリフト特性のばらつきを生じることがある。本発明は、このように独自に知見した課題に鑑みてなされたものである。 In such a lift operating angle variable mechanism, mechanically, if the angle of the control shaft is the same, that is, if the operating angle (target value) is the same, regardless of the engine speed, the engine temperature, etc. The valve lift characteristic, that is, the lift curve has the same shape, and the valve lift amount including the maximum lift amount should be uniquely determined. That is, the cam profile of the swing cam is designed so as to have a predetermined lift characteristic according to the angle of the control shaft. In practice, however, the lift curves are unavoidably different depending on the engine speed even at the same control shaft angle (operating angle target value) due to bending deformation of each link component, clearance between links, and the like. It will be a thing. For example, even if the operating angle of the intake valve is the same, the valve lift amount becomes relatively large mainly due to valve jump in the high rotation range, and the valve lift amount becomes relatively small mainly due to the deflection of the link in the low rotation range. . Due to such variations in the lift curve, especially in a gasoline engine that controls the intake air amount according to the required (load) torque, the control of the intake air amount using the lift operating angle variable mechanism is not stable, and the output for the required torque is not achieved. There is a possibility that a problem such as a large torque deviation / variation may occur. As with the engine speed, the lift characteristics may vary depending on the engine temperature such as the engine oil temperature and the engine water temperature. The present invention has been made in view of the problems uniquely found in this way.
吸気弁のバルブリフト量及び作動角を変更可能なリフト作動角可変機構と、作動角指令値に基づいて上記リフト作動角可変機構を駆動する駆動手段と、を備える。目標吸入空気量に基づいて、吸気弁の作動角目標値を算出する。機関回転数を検出する回転数検出手段と、機関温度を検出する機関温度検出手段と、を備え、上記作動角指令値を算出する際に、上記機関回転数と機関温度とに基づいて、上記作動角目標値を補正する。ここで、高温領域では、機関温度が高くなるほど作動角目標値を低下側へ補正し、低温領域では、機関温度が低くなるほど作動角目標値を低下側へ補正する。 And a lift operating angle variable mechanism that can change a valve lift amount and an operating angle of the intake valve, and a drive unit that drives the lift operating angle variable mechanism based on an operating angle command value. Based on the target intake air amount, a target operating angle value of the intake valve is calculated. An engine speed detecting means for detecting the engine speed, and an engine temperature detecting means for detecting the engine temperature, and when calculating the operating angle command value, based on the engine speed and the engine temperature , Correct the operating angle target value. Here, in the high temperature region, the operating angle target value is corrected to the lower side as the engine temperature becomes higher. In the low temperature region, the operating angle target value is corrected to the lower side as the engine temperature becomes lower.
本発明によれば、吸気弁のバルブリフト量及び作動角の双方を変更可能なリフト作動角可変機構に特有の課題である、機関回転数及び機関温度に応じたリフトカーブのばらつきを見越して、機関回転数及び機関温度に基づいて作動角目標値を補正している。従って、機関回転数及び機関温度に応じたリフトカーブのばらつきにかかわらず、リフト作動角可変機構による吸入空気量の制御精度を著しく向上することができる。 According to the present invention, in anticipation of variations in the lift curve according to the engine speed and the engine temperature , which is a problem specific to the lift operating angle variable mechanism that can change both the valve lift amount and the operating angle of the intake valve, The operating angle target value is corrected based on the engine speed and the engine temperature . Therefore, the control accuracy of the intake air amount by the variable lift operating angle mechanism can be remarkably improved regardless of variations in the lift curve according to the engine speed and the engine temperature .
以下、この発明を、自動車用火花点火式ガソリン機関に適用した一実施例について説明する。図1は、内燃機関の吸気弁に対する可変動弁機構の構成を示す構成説明図である。この可変動弁機構は、吸気弁のバルブリフト量(最大リフト量)及び作動角の双方を同時かつ連続的に変化させるリフト作動角可変機構1と、そのリフトの中心角の位相(図示せぬクランクシャフトに対する位相)を進角もしくは遅角させる位相可変機構21と、が組み合わされて構成されている。これらの機構1,21は、上記の特開2003−106176号公報にも開示されているように公知となっているので、ここでは概要のみを説明する。
Hereinafter, an embodiment in which the present invention is applied to a spark ignition gasoline engine for an automobile will be described. FIG. 1 is a configuration explanatory view showing a configuration of a variable valve mechanism for an intake valve of an internal combustion engine. The variable valve mechanism includes a lift operating
リフト作動角可変機構1は、クランクシャフトに連動して回転駆動される駆動軸2と、この駆動軸2に偏心して設けられた駆動偏心軸部3と、駆動軸2と平行に気筒列方向に延在する制御軸12と、この制御軸12に偏心して設けられた制御偏心軸部18と、この制御偏心軸部18に揺動自在に支持されたロッカアーム6と、駆動軸2に揺動可能に取り付けられた動弁カムとしての揺動カム9と、を備えている。駆動偏心軸部3とロッカアーム6の一端とは第1リンク4によって連係されており、ロッカアーム6の他端と揺動カム9とは第2リンク8によって連係されている。第1リンク4とロッカアーム6とは連結ピン5により接続されており、第2リンク8は連結ピン7,17によりロッカアーム6及び揺動カム9にそれぞれ接続されている。駆動軸2が回転すると、駆動偏心軸部3のカム作用によって第1リンク4の姿勢が変化し、これに伴ってロッカアーム6が揺動する。このロッカアーム6の揺動運動が第2リンク8を介して揺動カム9へ伝達され、この揺動カム9が揺動する。この揺動カム9のカム作用によって、タペット10が押圧され、吸気弁11が開閉作動する。
The lift operating
制御軸12の一端には、ウォームギア15を介して駆動手段としてのリフト作動角制御用アクチュエータ13が接続されている。このリフト作動角制御用アクチュエータ13は、制御軸12を回転駆動するサーボモータ等からなり、エンジンコントロールユニット19からの制御信号によって制御される。なお、制御軸12の回転角度は、制御軸センサ14によって検出される。このリフト作動角制御用アクチュエータ13を介して制御軸12の角度位置を変更すると、ロッカアーム6の揺動支点となる制御偏心軸部18の初期位置が変化し、ひいては揺動カム9の揺動範囲・姿勢が変化する。制御偏心軸部18の初期位置は連続的に変化させ得るので、これに伴って、吸気弁のバルブリフト特性は、連続的に変化する。つまり、吸気弁のバルブリフト量ならびに作動角を、同時かつ連続的に拡大,縮小させることができる。各部のレイアウトによるが、例えば、リフト作動角の大小変化に伴い、吸気弁11の開時期と閉時期とがほぼ対称に変化する。
One end of the
このようなリフト作動角可変機構1は、構成部品が駆動軸2の周囲に集約して配置されているため、コンパクトで機関搭載性に優れており、かつ、駆動軸2及び揺動カム9が直動型動弁系のカムシャフト及び固定カムの位置に対応しているため、既存の直動型動弁系の内燃機関への適用が容易である。また、リンク構成部品の連結部位の大半が面接触となっており、かつ、リターンスプリング等の付勢手段を敢えて必要としないため、潤滑が容易で耐久性・信頼性に優れている。
Such a lift operating
位相可変機構21は、上記の駆動軸2の前端部に設けられたスプロケット22と、このスプロケット22と駆動軸2とを所定の角度範囲内において相対的に回転させる位相制御用アクチュエータ23と、から構成されている。上記スプロケット22は、図示せぬタイミングチェーンもしくはタイミングベルトを介して、クランクシャフトに連動しており、クランクシャフトに同期して回転する。上記位相制御用アクチュエータ23は、例えば油圧式、電磁式などの回転型アクチュエータからなり、エンジンコントロールユニット19からの制御信号によって制御される。この位相制御用アクチュエータ23の作用によって、スプロケット22と駆動軸2とが相対的に回転し、バルブリフトにおけるリフト中心角が遅進する。つまり、リフト特性のリフトカーブ自体は変わらずに、全体が進角もしくは遅角する。また、この変化も、連続的に得ることができる。この位相可変機構21の制御状態は、駆動軸2の回転位置に応答する駆動軸センサ16によって検出される。
The
なお、リフト作動角可変機構1ならびに位相可変機構21の制御としては、各センサ14,16の検出信号に基づくクローズドループ制御に限らず、運転条件に応じて単にオープンループ制御するようにしても良い。
The control of the lift operating
このような可変動弁機構を吸気弁側に備えた内燃機関は、スロットル弁のみに依存することなく、吸気弁11の可変制御によっても吸気量を制御することができる。但し、実用機関では、アイドルのように吸気量が極めて少ない状況でも吸気量制御を安定して行うことができるように、あるいはブローバイガスの還流等のために吸気系に若干の負圧を付与するために、吸気通路の上流側には、後述するように、電制式のスロットル弁55(図2参照)が設けられている。
An internal combustion engine equipped with such a variable valve mechanism on the intake valve side can control the intake air amount by variable control of the
図2は、この内燃機関における吸気系および排気系の全体的な構成を示している。図示するように、この内燃機関は、例えば直列4気筒機関であって、各シリンダ51の吸気ポートにそれぞれブランチ通路52が接続され、かつこの4本のブランチ通路52の上流端が、コレクタ53にそれぞれ接続されている。上記コレクタ53の上流側の端部に吸気入口通路54が設けられている。この吸気入口通路54に、電制式のスロットル弁55が配設されている。このスロットル弁55は、DCモータあるいはダイヤフラム型アクチュエータなどのアクチュエータ56によって開閉するバタフライバルブ型の弁体を備え、アクセルペダル開度とは独立して、その開度が制御される。
FIG. 2 shows the overall configuration of the intake system and the exhaust system in this internal combustion engine. As shown in the figure, this internal combustion engine is, for example, an in-line four-cylinder engine, and
上記コレクタ53には、コレクタ53内部の圧力を検出する圧力センサ57と、吸気温度を検出する温度センサ58と、が設けられており、排気マニホルド59には、排気空燃比を検出する空燃比センサ(リニア型空燃比センサあるいは酸素センサ)60が設けられている。また、機関回転速度ならびにクランク角位置を検出する回転数検出手段としてのクランク角センサ61,運転者により操作されるアクセルペダル開度(踏込量)を検出するアクセル開度センサ62,及び吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段としてのエアフローメータ63、機関温度としての機関油温を検出する機関温度検出手段としての油温センサ64等が設けられている。これらの検出信号は、前述したエンジンコントロールユニット19にそれぞれ入力される。エンジンコントロールユニット19は、これらの検出信号に基づいて、前述したリフト作動角可変機構1および位相可変機構21の制御ならびにスロットル弁55の制御を実行する。
The
図3は、リフト作動角可変機構1の制御の流れを示すフローチャートである。先ず、S(ステップ)11では、主としてアクセル開度センサ62の検出信号に基づいて要求トルクを算出する。S12では、上記の要求トルクとクランク角センサ61から得られる機関回転数(機関回転速度)に基づいて、目標吸入空気量を算出する。S13では、目標吸入空気量に基づいて、リフト作動角可変機構1による吸気弁の作動角の目標値を算出する。
FIG. 3 is a flowchart showing a control flow of the lift operating angle
S14のサブルーチンでは、S13で算出された作動角目標値に対して、後述する補正処理を行い、作動角指令値を算出する。S15では、上記の作動角指令値をリフト作動角アクチュエータ13へ出力する。これにより、リフト作動角可変機構1が指令値へ向けて駆動制御される。なお、ここでは説明していないが、スロットル弁55の開度の指令値や位相可変機構21の吸気バルブタイミングの指令値も上記の目標吸入空気量に基づいて算出される。
In the subroutine of S14, a correction process described later is performed on the operating angle target value calculated in S13 to calculate an operating angle command value. In S <b> 15, the operating angle command value is output to the lift
次に、本実施例の要部をなすS14の処理内容について、図4〜7を参照して詳述する。吸気弁のバルブリフト特性であるリフトカーブは、機構的・構造的には、揺動カム9の揺動範囲、つまり作動角目標値に相当する制御軸12の角度位置により一義的に定まるはずである。しかしながら、実際には、図5に示すように、制御軸12の角度位置、つまり作動角目標値が同じであっても、機関回転数によってリフトカーブL1〜L3が異なるものとなる。具体的には、機関回転数が高くなるほど、慣性力が大きくなってバルブジャンプ等を生じるために、バルブリフト量が相対的に大きくなり、機関回転数が低くなるほど、主としてリンクの撓みによりバルブリフト量が相対的に小さくなる傾向にある。つまり、機関回転数に応じて、吸気弁の有効開口面積(リフトカーブ内の面積に相当)のばらつきを生じ、リフト作動角可変機構1による吸入空気量の制御精度が低下するおそれがある。
Next, the processing content of S14 which is the main part of the present embodiment will be described in detail with reference to FIGS. The lift curve, which is the valve lift characteristic of the intake valve, should be unambiguously determined mechanically and structurally by the swing range of the
そこで、S22では、S21で読み込まれた機関回転数に基づいて、作動角目標値を補正する(補正手段)。具体的には、図6に示すように、作動角目標値に対応する所期の吸気弁有効開口面積となるように、予め設定された制御マップやテーブル(図示省略)等を利用して、機関回転数が高くなるほど作動角目標値を低下側へ補正し、機関回転数が低くなるほど作動角目標値を増加側へ補正する。 Therefore, in S22, the operating angle target value is corrected based on the engine speed read in S21 (correcting means). Specifically, as shown in FIG. 6, using a control map or a table (not shown) set in advance so that the desired intake valve effective opening area corresponding to the operating angle target value is obtained, The operating angle target value is corrected to the lower side as the engine speed increases, and the operating angle target value is corrected to the higher side as the engine speed decreases.
同様に、油温センサ64により検出される機関油温のような機関温度に応じて、各リンク構成部品のフリクションが増減するので、同じ作動角目標値であっても、機関温度に応じてバルブリフト量を含めたバルブリフト特性すなわち吸気弁有効開口面積が増減する。具体的には図7に示すように、機関温度が所定の基準値よりも高い高温領域では、機関温度の増加に伴って有効開口面積が増加し、機関温度が低い低温領域では、機関温度の低下に伴って有効開口面積が増加する傾向にある。従って、このような機関温度による吸気弁有効開口面積の増減を相殺・吸収するように、S24では、S23で読み込まれた機関温度に応じて作動角目標値を補正する(補正手段)。つまり、予め設定された制御マップやテーブル(図示省略)等を利用して、高温領域では、機関温度が高くなるほど作動角目標値を低下側へ補正し、低温領域では、機関温度が低くなるほど作動角目標値を低下側へ補正する。このようなS22及びS24等の補正処理を経て、作動角指令値が算出される。
Similarly, since the friction of each link component increases or decreases according to the engine temperature such as the engine oil temperature detected by the
作動角目標値自体の大きさによっても、有効開口面積のばらつきを生じるおそれがある。従って、好ましくは、作動角目標値の大きさに応じて、S22及びS24での補正処理による補正量を変更する(補正量変更手段)。例えば、図6及び図7に示すように、作動角目標値の大きさに応じて複数の非線形マップ(又はテーブル)を予め設定・記憶しておき、作動角目標値の大きさに応じて適切な非線形マップを選択し、この選択されたマップを参照して、機関回転数や機関温度に基づく補正処理を行えば良い。 Depending on the size of the operating angle target value itself, the effective opening area may vary. Therefore, preferably, the correction amount by the correction processing in S22 and S24 is changed (correction amount changing means) according to the magnitude of the operating angle target value. For example, as shown in FIGS. 6 and 7, a plurality of nonlinear maps (or tables) are set and stored in advance according to the magnitude of the operating angle target value, and are appropriately set according to the magnitude of the operating angle target value. A non-linear map may be selected, and correction processing based on the engine speed and the engine temperature may be performed with reference to the selected map.
S25では、上記のエアフローメータ63により検出される吸入空気量を読み込む。S26では、このように検出された実際の吸入空気量に基づいて、S22及びS24での補正処理に対する学習制御処理を行う(学習制御手段)。学習制御自体は周知であるので簡単に説明すると、例えば、S12で算出された目標吸入空気量と、S23で検出・読み込まれた吸入空気量と、の偏差を算出し、この偏差から学習値を算出し、この学習値を次回以降のS22及びS24での補正処理に反映させれば良い。このような学習制御を行うことにより、動弁構成部品の経時的な劣化等に起因するリフトカーブのばらつきにも対応可能であり、長期的に安定した制御を行うことができる。
In S25, the intake air amount detected by the
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、有効開口面積のばらつきが大きく現れやすい機関高回転域でのみ、S22による機関回転数に基づく作動角目標値の補正処理を行うようにしても良い。 As described above, the present invention has been described based on the specific embodiments. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications and changes without departing from the spirit of the present invention. . For example, the operating angle target value correction process based on the engine speed in S22 may be performed only in a high engine speed range where variations in the effective opening area tend to appear greatly.
1…リフト作動角可変機構
2…駆動軸
9…揺動カム(動弁カム)
19…エンジンコントロールユニット
61…クランク角センサ(回転数検出手段)
63…エアフローメータ(吸入空気量検出手段)
64…油温センサ(機関温度検出手段)
DESCRIPTION OF
19 ...
63 ... Air flow meter (intake air amount detection means)
64. Oil temperature sensor (engine temperature detecting means)
Claims (5)
作動角指令値に基づいて上記リフト作動角可変機構を駆動する駆動手段と、
目標吸入空気量に基づいて、吸気弁の作動角目標値を算出する目標値算出手段と、
機関回転数を検出する回転数検出手段と、
機関温度を検出する機関温度検出手段と、
上記作動角指令値を算出する際に、上記機関回転数と機関温度とに基づいて、上記作動角目標値を補正する補正手段と、を有し、
この補正手段は、高温領域では、機関温度が高くなるほど作動角目標値を低下側へ補正し、低温領域では、機関温度が低くなるほど作動角目標値を低下側へ補正する内燃機関の吸気弁駆動制御装置。 A lift operating angle variable mechanism capable of changing the valve lift amount and operating angle of the intake valve;
Drive means for driving the lift operating angle variable mechanism based on an operating angle command value;
A target value calculating means for calculating a working angle target value of the intake valve based on the target intake air amount;
A rotational speed detection means for detecting the engine rotational speed;
Engine temperature detecting means for detecting the engine temperature;
When calculating the working angle command value, based on the above engine speed and engine temperature, have a, a correction means for correcting the operation angle target value,
This correction means corrects the operating angle target value to the lower side as the engine temperature increases in the high temperature region, and corrects the operating angle target value to the lower side as the engine temperature decreases in the low temperature region. Control device.
この吸入空気量検出手段により検出される吸入空気量と上記目標吸入空気量との偏差に基づいて、上記補正手段による補正の学習制御を行う学習制御手段と、を有する請求項1〜3のいずれかに記載の内燃機関の吸気弁駆動制御装置。 An intake air amount detection means for detecting an intake air amount;
Based on a deviation between the intake air amount and the target intake air amount detected by the intake air amount detecting means, any claim 1-3 having a learning control means for learning control of the correction by the correction means An intake valve drive control device for an internal combustion engine according to claim 1.
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2003
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