JP4000747B2

JP4000747B2 - 可変動弁エンジンの点火時期制御装置

Info

Publication number: JP4000747B2
Application number: JP2000094878A
Authority: JP
Inventors: 創三浦
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-03-30
Filing date: 2000-03-30
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2020-03-30
Also published as: JP2001280228A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸気弁及び排気弁のバルブタイミングを任意に制御可能な可変動弁装置を備え、バルブタイミングを制御することにより吸入空気量を制御して、ノンスロットル運転を行う可変動弁エンジンにおいて、点火時期を最適に制御するための点火時期制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、特開平８−２０００２５号公報などに示されるように、可変動弁装置、例えば電磁駆動装置を用いて、吸気弁及び排気弁を駆動し、これらの開閉動作を任意に制御可能としたものがある。
【０００３】
特に前記公報に記載の可変動弁エンジンでは、１気筒につき２つずつ備えられる主副の吸気弁及び排気弁を電磁駆動式として、エンジン運転条件に応じて異なる組み合わせで作動させることにより、出力制御を行うようにしている。
【０００４】
更に、近年は、ポンプロスの低減による燃費向上を目的として、通常のスロットル運転に代え、吸気弁及び排気弁のバルブタイミング、特に吸気弁閉時期を制御することにより、吸入空気量を制御して、ノンスロットル運転を行うものが注目され、その開発が進められている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の一般的なエンジンの点火時期制御装置では、エンジン回転数と負荷（トルク）とに応じて、点火時期を設定している。
【０００６】
一方、上記のようなノンスロットル運転を行う場合、エンジン運転条件により決定される目標トルク相当の目標空気量（目標シリンダ吸入空気量）に応じて、これを実現するように吸気弁閉時期を設定・制御するが、目標トルクが同じであっても、目標ブーストなどによって吸気弁閉時期は変動する。
【０００７】
また、吸気弁及び排気弁のバルブオーバーラップ（吸気弁開時期、排気弁閉時期）についても、目標内部ＥＧＲ率などによって変動する。
従って、目標トルクに応じて一義的に吸気弁閉時期やバルブオーバーラップが定まるわけではない。
【０００８】
このため、エンジン回転数と負荷（トルク）とに応じて点火時期を制御しても、吸気弁閉時期やバルブオーバーラップの変動により、最適な点火時期が得られず、燃費や運転性の悪化を招くという問題点があった。
【０００９】
すなわち、吸気弁閉時期が早くなると、有効圧縮比が小さくなり、燃焼速度が低下するので、要求点火時期が早くなるが、従来の点火時期制御では、吸気弁閉時期を考慮していないため、最適な点火時期に制御できなかった。
【００１０】
また、バルブオーバーラップの制御により、内部ＥＧＲ率（残留ガス率）を制御する場合も、内部ＥＧＲ率が増大すると、燃焼速度が低下するので、要求点火時期が早くなるが、従来の点火時期制御では、バルブオーバーラップを考慮していないため、最適な点火時期に制御できなかった。
【００１１】
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、ノンスロットル運転に際し、バルブタイミングを考慮して、点火時期を最適化することにより、燃費や運転性の向上を図ることのできる可変動弁エンジンの点火時期制御装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明では、吸気弁の開時期、閉時期、及び排気弁の閉時期をそれぞれ独立にかつ任意に制御可能な可変動弁装置を備え、エンジン運転条件により決定される目標トルク相当の目標空気量に応じて、これを実現するように吸気弁閉時期を設定・制御することにより、吸入空気量を制御する可変動弁エンジンにおいて、図１に示すように、エンジン回転数及び負荷に応じて基本点火時期を設定する基本点火時期設定手段と、吸気弁閉時期の変化により有効圧縮比が小さくなるほど、点火時期を進角させるように、吸気弁閉時期（ＩＶＣ）に応じて点火時期の第１補正量を設定する第１補正量設定手段と、吸気弁開時期が早くなるほど、点火時期を進角させるように、吸気弁開時期（ＩＶＯ）に応じて点火時期の第２補正量を設定する第２補正量設定手段と、排気弁閉時期が上死点から離れるほど、点火時期を進角させるように、排気弁閉時期（ＥＶＣ）に応じて点火時期の第３補正量を設定する第３補正量設定手段と、前記基本点火時期を前記第１〜第３補正量により補正して点火時期を決定する点火時期決定手段と、を含んで、可変動弁エンジンの点火時期制御装置を構成する。
【００１７】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、バルブタイミングを制御することにより吸入空気量を制御してノンスロットル運転を行う際に、エンジン回転数及び負荷に応じて設定される基本点火時期を、バルブタイミングに応じて補正することで、バルブタイミングの変化に伴う有効圧縮比や内部ＥＧＲ率の変化に対し、点火時期を最適なものとして、燃費及び運転性の向上を図ることができる。
【００１８】
特に、基本点火時期を、吸気弁閉時期に応じて補正することで、吸気弁閉時期により決定される有効圧縮比の変化に対し、点火時期を最適なものとして、燃費及び運転性の向上を図ることができる。
【００１９】
ここで、吸気弁閉時期が早く又は遅くなって有効圧縮比が小さくなるほど、点火時期を進角側に補正することで、ノンスロットル運転に伴う吸気弁の早閉じ又は遅閉じにより有効圧縮比が小さくなって、燃焼速度が低下しても、点火時期を早めて、燃焼安定性を確保することができる。
【００２２】
また、基本点火時期を、吸気弁開時期に応じて補正することで、吸気弁開時期の変化に伴う内部ＥＧＲ率の変化に対し、点火時期を最適なものとして、燃費及び運転性の向上を図ることができる。
【００２３】
ここで、吸気弁開時期が早くなるに従い、残留ガスの吹き返しが多くなって、内部ＥＧＲ率が増大し、燃焼速度が低下するが、吸気弁開時期が早くなるほど、点火時期を進角側に補正することで、燃焼速度の低下に対し、点火時期を早めて、燃焼安定性を確保することができる。
【００２４】
また、基本点火時期を、排気弁閉時期に応じて補正することで、排気弁閉時期の変化に伴う内部ＥＧＲ率の変化に対し、点火時期を最適なものとして、燃費及び運転性の向上を図ることができる。
【００２５】
ここで、排気弁閉時期が上死点から離れるに従い、掃気効率の低下により、内部ＥＧＲ率が増大し、燃焼速度が低下するが、排気弁閉時期が上死点から離れるほど、点火時期を進角側に補正することで、燃焼速度の低下に対し、点火時期を早めて、燃焼安定性を確保することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を説明する。
図２は本発明の一実施形態を示す可変動弁エンジンのシステム図である。
【００２７】
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。
【００２８】
吸気弁５及び排気弁６の電磁駆動装置（可変動弁装置）の基本構造を図３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。そして、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。
【００２９】
従って、開弁させる際は、上側の閉弁用電磁コイル２６への通電を停止した後、下側の開弁用電磁コイル２５に通電して、可動子２２を下側へ吸着することにより、弁体２０をリフトさせて開弁させる。逆に、閉弁させる際は、下側の開弁用電磁コイル２５への通電を停止した後、上側の閉弁用電磁コイル２６に通電して、可動子２２を上側へ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。
【００３０】
図２に戻って、吸気通路７には、吸気マニホールドの上流側に、電制スロットル弁９が設けられている。
吸気通路７にはまた、吸気マニホールドの各ブランチ部に、各気筒毎に、電磁式の燃料噴射弁１０が設けられている。
【００３１】
ここにおいて、吸気弁５、排気弁６、電制スロットル弁９、燃料噴射弁１０及び点火栓４の作動は、コントロールユニット１１により制御され、このコントロールユニット１１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クランク角位置と共にエンジン回転数Ｎｅを検出可能なクランク角センサ１２、アクセル開度（アクセルペダル踏込み量）ＡＰＯを検出するアクセルペダルセンサ（アクセル全閉でＯＮとなるアイドルスイッチを含む）１３、吸気通路７のスロットル弁９上流にて吸入空気量（流量）Ｑａを検出するエアフローメータ１４、エンジン冷却水温Ｔｗを検出する水温センサ１５等から、信号が入力されている。
【００３２】
このエンジン１では、ポンプロスの低減による燃費向上を目的として、電磁駆動式の吸気弁５及び排気弁６のバルブタイミングを制御、特に吸気弁５の閉時期ＩＶＣを制御することにより、吸入空気量を制御して、実質的にノンスロットル運転を行う。この場合、電制スロットル弁９は、吸気通路７のスロットル弁９下流（吸気マニホールド内）に、キャニスタパージ、クランクケースパージ等に必要とする負圧（ブースト）を得る目的で設けられている。
【００３３】
従って、ノンスロットル運転時の吸気弁５及び排気弁６のバルブタイミング制御及び電制スロットル弁９の開度制御は、次のように行う。
アクセル開度ＡＰＯとエンジン回転数Ｎｅとから、マップを参照して、目標トルク相当の目標空気量（目標シリンダ吸入空気量）ＴＱを算出する。但し、アイドル運転時（アイドルスイッチＯＮ）の場合は、エンジン回転数Ｎｅと目標アイドル回転数Ｎidleとの偏差ΔＮｅ＝Ｎｅ−Ｎidleに基づいて、該偏差がマイナス側のときは、増量方向、プラス側のときは、減量方向に、目標空気量ＴＱを補正する。また、各種エンジン運転条件に基づいて、目標ブーストＢＴを設定する。
【００３４】
かかる目標設定に基づき、目標ブーストＴＢと目標空気量ＴＱとから、目標ブーストＴＢを実現すべく、スロットル開度ＴＶＯを算出して、電制スロットル弁９を制御する。
【００３５】
そして、目標空気量ＴＱから、目標ブーストＴＢの下で、目標空気量ＴＱを実現するように、吸気弁閉時期ＩＶＣを算出する。
また、各種エンジン運転条件に基づいて、目標内部ＥＧＲ率を設定し、最適なバルブオーバーラップ（オーバーラップ位置及びオーバーラップ量）となるように、吸気弁開時期ＩＶＯ及び排気弁閉時期ＥＶＣを設定する。排気弁開時期ＥＶＯについては熱効率等を考慮して設定する。
【００３６】
そして、これらのバルブタイミングの設定に基づいて、電磁駆動式の吸気弁５及び排気弁６を制御する。
尚、図４はバルブタイミングの例を示し、図中実線は、ベース（スロットル運転時）のバルブタイミングである。そして、図中点線は、ノンスロットル運転時のバルブタイミングの例である。
【００３７】
燃料噴射弁１０の燃料噴射量及び噴射時期は、エンジン運転条件に基づいて制御するが、燃料噴射量は、基本的には、エアフローメータ１４により検出される吸入空気量Ｑａに基づいて、所望の空燃比となるように設定する。そして、噴射終了時期を吸気弁開時期ＩＶＯ前の所定のタイミングに固定し、設定された燃料噴射量を得るように噴射開始時期を制御する。
【００３８】
点火栓４の点火時期の制御については、図５により説明する。
図５はノンスロットル運転時の点火時期制御のフローチャートである。
ステップ１（図にはＳ１と記す。以下同様）では、エンジン回転数Ｎｅと、負荷（トルク）を代表する目標空気量ＴＱとを読込み、これらから、図６のマップを参照して、ベースのバルブタイミングにおける基本点火時期ＭＡＤＶを設定する。この部分が基本点火時期設定手段に相当する。
【００３９】
このマップは、図４に示したベース（スロットル運転時）のバルブタイミングにおいて、最適な点火時期を定めたもので、エンジン回転数Ｎｅが高くなるほど進角し、目標空気量ＴＱが大となるほど燃焼が早くなるので遅角するように定めてある。
【００４０】
ステップ２では、吸気弁閉時期ＩＶＣを読込み、これから、図７のテーブルを参照して、点火時期の進角側への補正量ＨＯＳ１＝ｆ１（ＩＶＣ）を設定する。この部分が第１補正量設定手段に相当する。
【００４１】
このテーブルは、ベース（スロットル運転時）のバルブタイミング（ベースＩＶＣ）からの乖離量に応じて、進角側への補正量ＨＯＳ１を定めたもので、吸気弁閉時期ＩＶＣが早く若しくは遅くなるほど、言い換えれば、ベースＩＶＣからの乖離量が大きくなるほど、有効圧縮比が小さくなって、燃焼速度が低下するので、これに合わせて、点火時期を進角側に補正するように、補正量ＨＯＳ１を定めてある。
【００４２】
但し、吸気弁閉時期ＩＶＣが下死点ＢＤＣ付近のときは、ベースＩＶＣよりも有効圧縮比がわずかながら増大するため、補正量ＨＯＳ１がマイナス側（遅角側）となるようにしてある。
【００４３】
ステップ３では、バルブオーバーラップを決定するパラメータである吸気弁開時期ＩＶＯを読込み、これから、図８のテーブルを参照して、点火時期の進角側への補正量ＨＯＳ２＝ｆ２（ＩＶＯ）を設定する。この部分が第２補正量設定手段に相当する（バルブオーバーラップに関連するパラメータに応じて点火時期の補正量を設定する手段でもある）。
【００４４】
このテーブルは、ベース（スロットル運転時）のバルブタイミング（ベースＩＶＯ）からの乖離量に応じて、進角側への補正量ＨＯＳ２を定めたもので、吸気弁開時期ＩＶＯが早くなるほど、言い換えれば、ベースＩＶＯからの乖離量が大きくなるほど、残留ガスの吹き返しが多くなって、内部ＥＧＲ率が大きくなることから、排気エミッション（特にＮＯｘ排出量）を改善できるものの、燃焼速度が低下して、燃焼安定性が悪化するので、これに合わせて、点火時期を進角側に補正して、燃焼安定性を確保するように、補正量ＨＯＳ２を定めてある。
【００４５】
ステップ４では、バルブオーバーラップを決定するもう１つのパラメータである排気弁閉時期ＥＶＣを読込み、これから、図９のテーブルを参照して、点火時期の進角側への補正量ＨＯＳ３＝ｆ３（ＥＶＣ）を設定する。この部分が第３補正量設定手段に相当する（バルブオーバーラップに関連するパラメータに応じて点火時期の補正量を設定する手段でもある）。
【００４６】
このテーブルは、ベース（スロットル運転時）のバルブタイミング（ベースＥＶＣ）からの乖離量に応じて、進角側への補正量ＨＯＳ３を定めたもので、排気弁閉時期ＥＶＣが上死点ＴＤＣから離れるほど、掃気効率の低下により、内部ＥＧＲ率が大きくなることから、排気エミッション（特にＮＯｘ排出量）を改善できるものの、燃焼速度が低下して、燃焼安定性が悪化するので、これに合わせて、点火時期を進角側に補正して、燃焼安定性を確保するように、補正量ＨＯＳ３を定めてある。
【００４７】
但し、排気弁閉時期ＥＶＣが上死点ＴＤＣ付近のときは、ベースＥＶＣよりも内部ＥＧＲ率がわずかながら低下するため、補正量ＨＯＳ３がマイナス側（遅角側）となるようにしてある。
【００４８】
ステップ５では、次式により、最終的な点火時期ＡＤＶを算出する。
ＡＤＶ＝ＭＡＤＶ＋ＨＯＳ１＋ＨＯＳ２＋ＨＯＳ３
すなわち、基本点火時期ＭＡＤＶに、吸気弁閉時期ＩＶＣに応じた進角側への補正量ＨＯＳ１、吸気弁開時期ＩＶＯに応じた進角側への補正量ＨＯＳ２、及び、排気弁閉時期ＥＶＣに応じた進角側への補正量ＨＯＳ３を加算して、最終的な点火時期ＡＤＶを算出し、これに基づいて点火制御を行う。この部分が点火時期決定手段に相当する。
【００４９】
以上のように、吸気弁閉時期ＩＶＣを制御することにより吸入空気量を制御してノンスロットル運転を行う際に、エンジン回転数Ｎｅ及び目標空気量ＴＱに応じて設定されるベース（スロットル運転時）のバルブタイミングにおける基本点火時期ＭＡＤＶを、吸気弁閉時期ＩＶＣに応じて補正することで、吸気弁閉時期ＩＶＣにより決定される有効圧縮比の変化に対し、点火時期ＡＤＶを最適なものとして、燃費及び運転性の向上を図ることができる。
【００５０】
特に、吸気弁閉時期ＩＶＣが早く又は遅くなって有効圧縮比が小さくなるほど、点火時期ＡＤＶを進角側に補正することで、ノンスロットル運転に伴う吸気弁閉時期ＩＶＣの変化により有効圧縮比が小さくなって、燃焼速度が低下しても、点火時期ＡＤＶを早めて、最適化することができる。
【００５１】
また、基本点火時期ＡＤＶを、吸気弁閉時期ＩＶＣの他、バルブオーバーラップに関連するパラメータである吸気弁開時期ＩＶＯ及び排気弁開時期ＥＶＣに応じて補正することで、バルブオーバーラップ（内部ＥＧＲ率）の変化に対し、点火時期ＡＤＶを最適なものとして、燃費及び運転性の更なる向上を図ることができる。
【００５２】
特に、吸気弁開時期ＩＶＯの早期化（残留ガスの吹き返し量増大）により、内部ＥＧＲ率を増大させて、排気エミッション（ＮＯｘ排出量）の改善を図る場合に、吸気弁開時期ＩＶＯが早くなるほど、点火時期ＡＤＶを進角側に補正することで、内部ＥＧＲ率の増大に伴う燃焼速度の低下に対し、点火時期ＡＤＶを早めて、燃焼安定性、ＭＢＴでの運転を確保することができ、排気エミッションの改善と燃焼安定性、燃費性能の確保とを両立させることができる。
【００５３】
また、排気弁閉時期ＥＶＣを上死点ＴＤＣから離すこと（掃気効率の低下、オーバーラップの増大）により、内部ＥＧＲ率を増大させて、排気エミッション（ＮＯｘ排出量）の改善を図る場合に、排気弁閉時期ＥＶＣが上死点ＴＤＣか離れるほど、点火時期ＡＤＶを進角側に補正することで、内部ＥＧＲ率の増大に伴う燃焼速度の低下に対し、点火時期ＡＤＶを早めて、燃焼安定性、ＭＢＴでの運転を確保することができ、排気エミッションの改善と燃焼安定性、燃費性能の確保とを両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構成を示す機能ブロック図
【図２】本発明の一実施形態を示す可変動弁エンジンのシステム図
【図３】吸排気弁の電磁駆動装置の基本構造図
【図４】バルブタイミングの例を示す図
【図５】ノンスロットル運転時の点火時期制御のフローチャート
【図６】基本点火時期設定用のマップを示す図
【図７】吸気弁閉時期ＩＶＣに応じた補正量のテーブルを示す図
【図８】吸気弁開時期ＩＶＯに応じた補正量のテーブルを示す図
【図９】排気弁閉時期ＥＶＣに応じた補正量のテーブルを示す図
【符号の説明】
１エンジン
４点火栓
５電磁駆動式の吸気弁
６電磁駆動式の排気弁
９燃料噴射弁
１０電制スロットル弁
１１コントロールユニット
１２クランク角センサ
１３アクセルペダルセンサ

Claims

吸気弁の開時期、閉時期、及び排気弁の閉時期をそれぞれ独立かつ任意に制御可能な可変動弁装置を備え、エンジン運転条件により決定される目標トルク相当の目標空気量に応じて、これを実現するように吸気弁閉時期を設定・制御することにより、吸入空気量を制御する可変動弁エンジンにおいて、
エンジン回転数及び負荷に応じて基本点火時期を設定する基本点火時期設定手段と、
吸気弁閉時期の変化により有効圧縮比が小さくなるほど、点火時期を進角させるように、吸気弁閉時期に応じて点火時期の第１補正量を設定する第１補正量設定手段と、
吸気弁開時期が早くなるほど、点火時期を進角させるように、吸気弁開時期に応じて点火時期の第２補正量を設定する第２補正量設定手段と、
排気弁閉時期が上死点から離れるほど、点火時期を進角させるように、排気弁閉時期に応じて点火時期の第３補正量を設定する第３補正量設定手段と、
前記基本点火時期を前記第１〜第３補正量により補正して点火時期を決定する点火時期決定手段と、
を含んで構成される可変動弁エンジンの点火時期制御装置。