JP4379300B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、アイドル回転速度の制御を行う内燃機関の制御装置、特に、吸気弁のバルブリフト特性を可変制御可能な可変動弁装置によって吸入空気量の制御を達成するようにした内燃機関における制御装置に関する。

ガソリン機関においては、一般に吸気通路中に設けたスロットル弁の開度制御によって吸気量を制御しているが、良く知られているように、この種の方式では、特にスロットル弁開度の小さな中低負荷時におけるポンピングロスが大きい、という問題がある。これに対し、吸気弁の開閉時期やリフト量を変化させることで、スロットル弁に依存せずに吸気量を制御しようとする試みが以前からなされており、この技術を利用して、ディーゼル機関と同様に吸気系にスロットル弁を具備しないいわゆるスロットルレスの構成を実現することが提案されている。

特許文献１は、本出願人が先に提案した吸気弁の可変動弁装置を示しており、吸気弁のリフト・作動角を同時にかつ連続的に拡大，縮小可能な第１可変動弁機構（リフト・作動角可変機構）と、作動角の中心角を連続的に遅進させることが可能な第２可変動弁機構（位相可変機構）と、を備え、両者を独立して制御することにより、種々のリフト特性に可変制御し得る技術が開示されている。この種の可変動弁機構によれば、スロットル弁の開度制御に依存せずにシリンダ内に流入する空気量を可変制御することが可能であり、特に負荷の小さな領域において、いわゆるスロットルレス運転ないしはスロットル弁の開度を十分に大きく保った運転を実現でき、ポンピングロスの大幅な低減が図れる。そして、特許文献１の装置では、アイドル運転時には、バルブリフト量を微小量とすることで、吸入空気量を精度良く制御するようにしている。

なお、特許文献１のように吸気弁のバルブリフト特性の可変制御により吸入空気量を制御するように構成した場合、スロットル弁を具備しない完全なスロットルレスの構成であると、吸気系に負圧が発生しないため、例えば、ブローバイガスやエバポレータからのパージガスなどを吸気系に還流させる既存のシステムが利用できなくなったり、種々のアクチュエータなどの駆動源としても利用されている負圧が容易に得られない、といった新たな課題が派生する。そのため、吸気通路にいわゆる電子制御スロットル弁を設け、その開度制御と組み合わせることで、略一定の負圧を確保しつつ吸気弁のバルブリフト特性による吸入空気量の制御を実現することも検討されている。
特開２００３−７４３１８号公報

上記のような吸気弁のバルブリフト特性の可変制御により吸入空気量を制御する構成においては、アイドル運転中の機関回転速度を目標アイドル回転速度に維持するアイドル回転数制御を、バルブリフト特性のフィードバック制御により実現することが可能であり、例えば、目標アイドル回転速度よりも実回転速度が低下したら吸気弁のリフト・作動角を増大し、逆に目標アイドル回転速度よりも実回転速度が上昇したらリフト・作動角を減少させることになる。

この場合、アイドル中に補機類を作動させることによる負荷変動に伴う機関回転速度低下に対しては、リフト・作動角を大きくすることで吸入空気量を増大して機関回転速度を回復させることができる。

しかしながら、負荷変動ではなく燃焼状態が悪化したことによるトルク低下に起因して生じる機関回転速度低下に対しては、リフト・作動角を大きくすることで吸入空気量を増大すると、負荷増大により燃焼状態は改善するが、燃焼状態改善後には機関回転速度が上昇し過ぎるため、再び吸入空気量を減少させて機関回転速度を低下させる必要が生じ、アイドル回転速度の変動が大きくなるとともに、無駄な燃料消費を増大させることになる。

この発明は、請求項１のように、吸気弁のリフト及び作動角（リフト・作動角）を両者同時にかつ連続的に変更可能な可変動弁機構を備え、この可変動弁機構により実現される吸気弁のリフト特性によって吸気量の制御が可能な内燃機関の制御装置において、内燃機関がアイドル状態であることを検出するアイドル判定手段を備え、このアイドル運転中に機関回転速度が目標アイドル回転速度から低下したときに、機関回転速度を目標アイドル回転速度へ回復させるように上記リフト及び作動角を小さくすることを特徴としている。

すなわち、アイドル運転中に、燃焼状態が悪化したことによるトルク低下に起因して生じる回転速度低下に対しては、吸気弁のリフト量を小さくすることによって、吸気弁の開口面積を減少させ、シリンダへ流入する吸入空気の流速を増大させる。これにより、燃料の微粒化および空気との混合が促進されて混合気の均質化が図れ、また吸入空気の増大した運動エネルギが熱エネルギに変化することにより筒内ガス温度が上昇し、さらに燃焼開始時期に残留する筒内ガス流動が増加することによって、燃焼状態が大幅に改善される。従って未燃ＨＣが減少するとともに熱効率が向上して軸トルクが増加し、機関回転速度が回復する。なお、本発明の可変動弁機構は、リフト量と作動角とが同時に変化する構成であり、従って、リフト量の大小と作動角の大小とは、実質的に、同義である。

図１は、この請求項１の説明図であり、（ａ）のアイドル運転中の吸気弁の基本的なリフト特性に比較して、機関回転速度が低下したときには、（ｂ）のように、そのリフト・作動角が小さく制御される。

より具体的な請求項２の発明は、アイドル運転中には吸気弁開時期が上死点後にあり、アイドル運転中に機関回転速度が低下したときに、この吸気弁開時期を遅らせることを特徴としている。図２は、この請求項２の説明図であり、（ａ）のアイドル運転中の吸気弁の基本的なリフト特性に比較して、機関回転速度が低下したときには、（ｂ）のように制御される。

すなわち、リフト・作動角を小さくする際に、さらに吸気弁開時期を遅らせることによって、吸気弁開時期に筒内負圧が大きくなっているため、シリンダへ流入する吸気の流入速度がさらに大きくなり、例えば最大流速を音速まで増大することも可能になる。そのため、さらに空気流動が強化されるとともに、流速が大きいことによって、混合気中の燃料の微粒化と、燃料と空気との混合促進により、混合気がより均質化されるため、燃焼状態が改善される。その結果、より応答性よく軸トルクが増加し、目標アイドル回転速度への回復が図れる。

請求項３の発明は、アイドル運転中には吸気弁閉時期が下死点前にあり、アイドル運転中に機関回転速度が低下したときに、この吸気弁閉時期を下死点に近づくように遅らせることを特徴としている。図３は、この請求項３の説明図であり、（ａ）のアイドル運転中の吸気弁の基本的なリフト特性に比較して、機関回転速度が低下したときには、（ｂ）のように制御される。

すなわち、アイドル運転中には、リフト・作動角は比較的小さく、例えば、ポンプ損失を低減するために、上死点後すぐに吸気弁開時期が設定され、かつアイドル時に必要な少量の吸気を吸入するために、吸気弁閉時期は下死点前に設定されている。そのため、機関回転速度の低下に対しリフト・作動角を小さくする際に、吸気弁閉時期をさらに遅らせることによって、吸気弁閉時期が下死点に近づき有効圧縮比が増大するため、燃焼開始時期における圧縮温度が上昇する。また、同時に吸気弁開時期を遅らせるようにすれば、吸気弁開時期直後からの吸気流速が増大するため吸入空気量が増大する。その結果、燃料の気化が促進され着火性が向上するとともに、壁面に付着している未燃燃料が減少するため未燃ＨＣ排出量が低減し、熱効率が向上する。従って、軸トルクが増加し、機関回転速度が回復する。

請求項４の発明は、吸気通路に電子制御スロットル弁を備えており、アイドル運転中に機関回転速度が低下したときに、リフト・作動角を小さくするとともに、このスロットル弁の開度を増大させる。

吸気通路に電子制御スロットル弁を備える場合、アイドル中のスロットル弁開度は全負荷時よりも小さなものとなっている。そこで、機関回転速度が低下したときに、リフト・作動角を小さくすることによって吸入空気量が不足するような場合には、スロットル弁開度を大きくすることで吸入空気量を増加させ、目標アイドル回転速度に回復させることが可能になる。

請求項５の発明は、アイドル運転中に機関回転速度が所定値以下にまで大きく低下したときには、リフト・作動角を小さくせずに、リフト・作動角を大きくする。図４は、この請求項５の説明図であり、（ａ）のアイドル運転中の吸気弁の基本的なリフト特性に比較して、機関回転速度が低下したときには、（ｂ）のように制御される。このようにリフト・作動角を大きくすることによって吸入空気量が速やかに増大し、過度の回転速度低下を回避することができる。

請求項６の発明は、所定のリフト・作動角まで小さくしても機関回転速度が所定値まで回復しないときに、リフト・作動角の減少制御を中止し、リフト・作動角を大きくすることを特徴とする。

すなわち、十分に小リフト化しても燃焼改善効果が十分ではなくアイドル回転速度が所定値まで回復しないときは、リフト・作動角の減少制御を中止して吸気弁のリフト・作動角を大きくすることによって、吸入空気量が増大し、軸トルクの増加によりアイドル回転速度を回復させることができる。

請求項７の発明は、アイドル運転中の燃焼状態を検出し、機関回転速度が低下したときに、機関回転速度低下前の燃焼状態よりも機関回転速度低下後の燃焼状態が悪化していると判断される場合には、上記リフト・作動角を小さくする。燃焼状態の悪化以外の要因で機関回転速度の低下が生じた場合には、リフト・作動角を大きくすることが望ましい。

すなわち、機関回転速度低下の原因が燃焼状態の悪化であると判断される場合は、吸気弁を小リフト化するフィードバック制御を行うことによって、燃焼状態を改善し、熱効率を向上させることで、アイドル回転速度を回復させることができる。従って、リフト・作動角の増大ひいては吸入空気量増加による燃料消費増大を回避し、燃費を向上することができる。

請求項８の発明は、アイドル運転中に、内燃機関への外部負荷入力の増加を検出したときに、上記リフト・作動角を予め増加補正する。同様に、請求項９の発明は、アイドル運転中に、内燃機関への補機負荷入力の増加を検出したときに、上記リフト・作動角を予め増加補正することを特徴とする。

すなわち、アイドル回転速度低下の要因の１つである自動変速機をＮレンジからＤレンジにシフトした場合のように、内燃機関への外部負荷入力の増加が検出されたときに、アイドル回転速度の低下前に予めリフト・作動角を大きくするフィードフォワード制御を行うことで、外部負荷入力の増大による回転速度低下を回避ないしは抑制することができる。そして、このフィードフォワード制御後にアイドル回転速度の低下が検出された場合は、燃焼悪化が大きな要因であると考えられるため、吸気弁の小リフト化をフィードバック制御として行うことで、燃焼状態の改善によるアイドル回転速度の回復が図れる。車両空調装置用コンプレッサ等の補機負荷入力に対しても同様である。

この発明によれば、アイドル回転速度が低下したときに、リフト・作動角を小さくすることにより、燃焼状態を改善してアイドル回転速度を回復させることができる。従って、吸入空気量の無駄な増加による燃費悪化を最小限に抑制することができる。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図５は、この発明に係る内燃機関の制御装置のシステム構成を示す構成説明図であって、自動車用の内燃機関１は、吸気弁３と排気弁４とを有し、かつ吸気弁３の動弁機構として、吸気弁３のリフト・作動角を両者同時に連続的に拡大・縮小させることが可能な第１可変動弁機構５および作動角の中心角を連続的に遅進させることが可能な第２可変動弁機構６を備えている。また、吸気通路７には、モータ等のアクチュエータにより開度が制御される電子制御スロットル弁２が設けられている。ここで、上記スロットル弁２は、吸気通路７内に、ブローバイガスの処理などのために必要な僅かな負圧（例えば−５０ｍｍＨｇ）を発生させる目的で設けられており、吸入空気量の調整は、高負荷域を除き、上記第１，第２可変動弁機構５，６により吸気弁３のリフト特性を変更することで行われる。なお、要求トルクの増加に対し、バルブリフト特性の操作によって空気量が増加しない高負荷領域に達したら、バルブリフト特性はその状態で固定され、吸気負圧（Boost）を減少させてトルクを発生させるように、スロットル弁開度ＴＶＯが徐々に開いていくことになる。

また、燃料噴射弁８が吸気通路７に配設されており、上記のように吸気弁３等により調整された吸入空気量に応じた量の燃料が、この燃料噴射弁８から噴射される。従って、内燃機関１の出力は、第１，第２可変動弁機構５，６およびスロットル弁２により吸入空気量を調整することによって制御される。

上記のコントロールユニット１０は、運転者により操作されるアクセルペダルに設けられたアクセル開度センサ１１からのアクセル開度信号ＡＰＯと、エンジン回転速度センサ１２からの回転速度信号Ｎｅと、吸入空気量センサ１３からの吸入空気量信号と、を受け取り、これらの信号に基づいて、目標スロットル弁開度、燃料噴射量、点火時期、作動角目標値、中心角目標値をそれぞれ演算する。そして、要求の燃料噴射量および点火時期を実現するように燃料噴射弁８および点火プラグ９を制御するとともに、作動角目標値および中心角目標値を実現するための制御信号を、第１可変動弁機構５のアクチュエータおよび第２可変動弁機構６のアクチュエータへそれぞれ出力し、かつスロットル弁２の開度を制御する。なお、上記第１可変動弁機構５および第２可変動弁機構６は、その機械的な構成は公知であり、例えば、上述した特許文献１に記載の装置と同様の構成を有している。従って、その詳細な説明は省略する。

次に、図６は、本発明のアイドル回転速度制御の概略を示すフローチャートである。なお、このルーチンが実行されるアイドル運転中は、吸気弁３のバルブリフト特性は、基本的には、図１〜図４の（ａ）に例示するように、リフト・作動角が比較的小さく、かつ吸気弁開時期が上死点後で、吸気弁閉時期が下死点前となるように制御されている。

ステップ１では、実回転速度の低下が生じたか否か判定する。ここで回転速度低下が検出された場合には、ステップ２で、空調装置用コンプレッサ等の補機負荷の増大があったか否か判定する。補機負荷の増大があった場合には、ステップ６へ進み、吸気弁３のリフト・作動角を大きくする。ステップ２でＮＯの場合は、ステップ３へ進み、実回転速度が所定値以下まで低下したか判定し、ＹＥＳであれば、ステップ６へ進み、吸気弁３のリフト・作動角を大きくする。アイドル回転速度の低下が比較的小さい場合つまり実回転速度が所定値よりも高ければ、ステップ４へ進み、リフト・作動角が所定値以下まで小さくなったか判定する。ここでＹＥＳであれば、それ以上に小リフト化しても、燃焼改善が期待できないので、ステップ６へ進み、吸気弁３のリフト・作動角を大きくする。ステップ４でＮＯであれば、ステップ５へ進み、リフト・作動角を小さくする。これにより、前述したように、燃焼改善作用が得られ、アイドル回転速度を回復させることができる。

請求項１によるリフト・作動角の変化を示す説明図。 請求項２によるリフト・作動角の変化を示す説明図。 請求項３によるリフト・作動角の変化を示す説明図。 請求項５によるリフト・作動角の変化を示す説明図。 この発明に係る内燃機関の制御装置のシステム構成図。 アイドル回転速度制御の概略を示すフローチャート。

符号の説明

２…電子制御スロットル弁
３…吸気弁
５…第１可変動弁機構
６…第２可変動弁機構
１０…コントロールユニット

Claims (9)

1. 吸気弁のリフト及び作動角を両者同時にかつ連続的に変更可能な可変動弁機構を備え、この可変動弁機構により実現される吸気弁のリフト特性によって吸気量の制御が可能な内燃機関の制御装置において、
   内燃機関がアイドル状態であることを検出するアイドル判定手段を備え、このアイドル運転中に機関回転速度が目標アイドル回転速度から低下したときに、機関回転速度を目標アイドル回転速度へ回復させるように上記リフト及び作動角を小さくすることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. アイドル運転中には吸気弁開時期が上死点後にあり、アイドル運転中に機関回転速度が低下したときに、この吸気弁開時期を遅らせ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。
3. アイドル運転中には吸気弁閉時期が下死点前にあり、アイドル運転中に機関回転速度が低下したときに、この吸気弁閉時期を下死点に近づくように遅らせることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 吸気通路に電子制御スロットル弁を備えており、アイドル運転中に機関回転速度が低下したときに、上記リフト及び作動角を小さくすることによる吸入空気量の不足を補填するようにこのスロットル弁の開度を増大させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
5. 低下した機関回転速度が所定値よりも高いことを条件として上記リフト及び作動角を小さくし、所定値以下であれば、上記リフト及び作動角を大きくすることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
6. 所定のリフト及び作動角まで小さくしても機関回転速度が所定値まで回復しないときに、上記リフト及び作動角を大きくすることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
7. アイドル運転中の燃焼状態を検出し、機関回転速度が目標アイドル回転速度から低下したときに、機関回転速度低下前の燃焼状態よりも機関回転速度低下後の燃焼状態が悪化している場合に、上記リフト及び作動角を小さくすることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
8. アイドル運転中に、内燃機関への外部負荷入力の増加を検出したときに、上記リフト及び作動角を予め増加補正することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
9. アイドル運転中に、内燃機関への補機負荷入力の増加を検出したときに、上記リフト及び作動角を予め増加補正することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。