JP4425839B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の吸気バルブの閉タイミングを変更することができる可変バルブタイミング機構および排気ガス再循環（EGR：Exhaust Gas Recirculation）装置を備える内燃機関において、バルブタイミングに応じてEGR量を切り換えるための制御装置に関する。

車両の内燃機関の制御において、吸気バルブの開閉タイミングを変更する可変バルブタイミング機構を設け、内燃機関の運転状態に応じて吸入空気量を制御するようにしたものがある。可変バルブタイミング機構による吸入空気量制御は、吸気バルブを閉じるタイミングを通常より遅くすることによって吸入空気量を少なくする。このため、スロットルバルブで吸気管を絞る必要が無くなるので、ポンピングロスを低減させ、燃費を向上させることができる。

この可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関において、排気ガスを吸気管へ還流するEGR装置を使用する場合、バルブタイミングに応じて、排気管から吸気管へ還流するEGR量を変更しなければならない。吸気バルブを閉じるタイミングを通常時より遅くしたバルブタイミング（遅閉じバルブタイミング）では、吸入空気量が少なくなるので、これに比例してEGR量の許容量も少なくなる。このため、従来、通常の吸気バルブの開閉タイミング（通常バルブタイミング）と遅閉じバルブタイミングにおいて、内燃機関の運転状態からEGR量を決めるマップをそれぞれ別々に用意しておき、バルブタイミングが切り替わるのに応じて、マップを持ち替えていた（例えば特許文献１を参照）。
特開昭６４−８０７３５号

本願の発明者は、可変バルブタイミング機構によって通常バルブタイミングから遅閉じバルブタイミングへ切り替わるのと同時にマップを持ち替えると、遅閉じバルブタイミングにおけるＥＧＲ量の許容量を超えた排気ガスが吸気管に導入される場合があり、このとき吸気管内の圧力が大きく増大してサージングが発生することを見出した。サージングの発生は、空燃比制御のための演算などに好ましくない影響を与える。

本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、スムーズにバルブタイミングを切り替えることができる内燃機関の制御装置を提供することである。

本発明は、内燃機関の吸気バルブの開閉を第1の開閉タイミングと、該第1の開閉タイミングより前記吸気バルブを閉じるタイミングを遅くした第２の開閉タイミングとの間で切り替える可変バルブタイミング機構と、前記内燃機関における排気系と吸気系とを連通するEGR通路と、EGR量を調整するEGR弁と、を備えるEGR装置と、を有する内燃機関の制御装置を提供する。この装置は、前記可変バルブタイミング機構が前記第１の開閉タイミングから前記第２の開閉タイミングに切り替える際、所定時間前に前記第１の開閉タイミングにおける第１のEGR量から、該第１のEGR量より減少された、前記第２の開閉タイミングにおける第２のEGR量へと切り替えるよう構成されている。

この発明により、バルブタイミングを切り替える前にEGR量マップを持ち替えるので、吸気管内の圧力の急増によるサージングを回避することができ、吸気管圧力の安定した状態でバルブタイミングを切り替えることができる。

本発明の一実施形態によれば、内燃機関の制御装置は、前記内燃機関の運転状態を検出する検出手段と、前記運転状態に応じて、前記第１の開閉タイミングから前記第２の開閉タイミングに切り換えるための要求信号を出力する出力手段と、前記要求信号が出力されてからの時間を計時する計時手段と、をさらに有する。この制御装置は、前記計時手段で計時された時間が所定時間経過した後、前記第１のEGR量から前記第２のEGR量に切り換えるように構成されている。

次に図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関（以下「エンジン」という）およびその制御装置の構成を示す概略図である。

電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」）という）５は、車両各部から送られてくるデータを受け入れる入力インタフェース５a、車両の各部の制御を行うための演算を実行するＣＰＵ５ｂ、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）および一時記憶用のランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を有するメモリ５ｃ、および車両の各部に制御信号を送る出力インタフェース５ｄを備えるコンピュータである。メモリ５ｃのＲＯＭには、車両の各部の制御を行うためのプログラムおよび各種のデータが格納されている。

本発明に従うEGRのリフト量マップの切替のためのプログラム、および該プログラムの実行の際に用いるデータおよびテーブルは、メモリ５ｃのＲＯＭに格納されている。このＲＯＭは、ＥＥＰＲＯＭのような書替え可能なＲＯＭであっても良い。ＲＡＭには、ＣＰＵ５ｂによる演算の作業領域が設けられ、車両の各部から送られてくるデータおよび車両の各部に送り出す制御信号が一時的に記憶される。

ＥＣＵ５に向けて送られたセンサ出力等の各種信号は入力インタフェース５ａに渡され、アナログ−デジタル変換される。ＣＰＵ５ｂは、変換されたデジタル信号をメモリ５ｃに格納されているプログラムに従って処理して、制御信号を作り出す。出力インタフェース５ｄは、これらの制御信号を車両の各部位へと送る。

エンジン１は、例えば４気筒４サイクルのエンジンであり、図には、そのうちの一つの気筒が概略的に示されている。エンジン１は、吸気バルブ１７を介して吸気管２に連結され、排気バルブ１９を介して排気管１４に連結されている。ＥＣＵ５からの制御信号に従って燃料を噴射する燃料噴射弁６が、吸気管２に設けられている。燃料室１ｃには、ＥＣＵ５からの点火時期信号に従って火花を飛ばす点火プラグ１８が設けられている。なお、エンジン１は、各気筒に吸気バルブ2個、排気バルブ２個を備える４バルブ式であるが、ここでは説明の便宜上、吸気バルブおよび排気バルブを１個ずつ示している。

エンジン１は、吸気管２から吸入される空気と、燃料噴射弁６から噴射される燃料との混合気を、燃焼室１ｃに吸入し、該混合気を、点火プラグ１８による火花により燃焼する。この燃焼により混合気の体積は増大し、ピストン１ａを下方に押し下げる。ピストン１ａの往復運動は、クランクシャフト（図示せず）の回転運動に変換される。４サイクルエンジンでは、エンジンのサイクルは、吸入、圧縮、燃焼、および排気行程からなる。ピストン１ａは、１サイクルにつき２往復する。

エンジン１は、ＥＣＵ５からの指令に応じて、吸気バルブ１７と排気バルブ１９の開閉タイミングを変化させて、運転条件に応じた最適なバルブタイミングを実現する。

エンジン１には、クランク角センサ１３が設けられている。クランク角センサ１３は、クランクシャフト（図示せず）の回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号およびＴＤＣ信号をＥＣＵ５に出力する。

ＣＲＫ信号は、所定のクランク角で（たとえば、３０度ごとに）出力されるパルス信号である。ＥＣＵ５は、該ＣＲＫ信号に応じ、エンジン１の回転数ＮＥを算出する。ＴＤＣ信号は、ピストン１ａのＴＤＣ位置（上死点）に関連したクランク角度で出力されるパルス信号である。

エンジン１には、水温センサ１０が取り付けられている。水温センサ１０は、エンジン１のシリンダブロックの冷却水が充満した気筒周壁（図示せず）に取り付けられている。水温センサ１０は、エンジン冷却水の温度ＴＷを検出し、その信号をＥＣＵ５に送る。

吸気管２の途中には、吸気管内を流れる空気の流量を調節するスロットル弁３が取り付けられ、開度θＴＨを制御するためのアクチュエータ（図示せず）に連結されている。アクチュエータはＥＣＵ５に電気的に接続されており、ＥＣＵ５からの信号によってスロットル開度θＴＨ、すなわち吸気量を変化させる。

吸気管２のスロットル弁３より下流側、吸気マニホールド（図示せず）の近傍には、圧力センサ８及び吸気温センサ９が取り付けられており、それぞれ吸気官内の圧力ＰＢ及び温度ＴＡを検出して、その信号をＥＣＵ５に送る。

吸気管２および排気管１４の間には、排気ガス再循環（ＥＧＲ：Exhaust gas recirculation）装置１１が設置されている。ＥＧＲ装置１１は、吸気管２および排気管１４を連通するＥＧＲ通路１１ｂを介して、排気ガスを再び吸気管２に導入して吸入空気と混合させる。ＥＧＲ装置１１は、排気ガスの一部を吸気に混ぜることにより、燃焼温度を低下させ、窒素酸化物ＮＯｘを低減することができる。

ＥＧＲ装置１１は、ＥＧＲ通路１１ｂに設けられたＥＧＲバルブ１１ａのリフト量を調整することにより、再循環させる排気ガスの量を制御する。ＥＧＲバルブ１１ａは、ＥＣＵ５から送られる制御指令に応じてバルブの開度を調整する。

可変バルブタイミング機構２１は、ＥＣＵからの制御信号に従って、吸気バルブ１７および排気バルブ１９の開閉タイミングを変更することができる機構である。具体的には、カムシャフトにリフトプロファイルの異なる２つのカムを備えており、これらのカムはロッカアームを介してバルブに連結される。ロッカアーム内のピンを油圧で移動させることによって、２つのカムとロッカアームとの結合関係を変更し、バルブの開閉タイミングを切り替える。

本実施形態では、可変バルブタイミング機構２１は、図２に示すような２種類のバルブタイミングを取る。

図２（ａ）は、通常のバルブタイミング（通常Ｖ／Ｔ）における吸気バルブおよび排気バルブのリフト量を示す図である。グラフの横軸はカム角度であり、ピストン１ａの上死点を０度、下死点を±１８０度として表している。グラフの縦軸はバルブのリフト量である。曲線３１は吸気バルブ１７のリフト量の推移を示しており、曲線３３は排気バルブ１９のリフト量の推移を示す。

吸気バルブ１７は、ピストン１ａが上死点（０度）に達する前に開き始め、ピストン１ａが下死点（１８０度）に達して圧縮行程が始まった後に閉じる。一方、排気バルブ１９は、ピストン１ａが下死点（−１８０度）に達する前に開き始め、ピストン１ａが上死点（０度）に達して吸気行程が始まった後に閉じる。

図２（ｂ）は、吸気バルブ１７のうちの１つの閉じるタイミングを遅らせたバルブタイミング（遅閉じＶ／Ｔ）おける吸気バルブおよび排気バルブのリフト量を示す図である。グラフの横軸と縦軸は図２（ａ）と同様である。曲線３５は遅閉じＶ／Ｔの吸気バルブ１７のリフト量の推移を示す。曲線３７は他方の吸気バルブのリフト量の推移を示しており、曲線３９は排気バルブ１９のリフト量の推移を示す。曲線３７および曲線３９の推移は、図２（ａ）の曲線３１および曲線３３のものと同様である。

遅閉じＶ／Ｔにおいて、吸気バルブ１７はピストン１ａが上死点（０度）に達する前に開き始め、最大リフト量を一定時間保持する。そして、通常Ｖ／Ｔの閉じるタイミングより遅いタイミングで、ピストン１ａが下死点（１８０度）を過ぎた後の圧縮行程の間に吸気バルブ１７は閉じる。

遅閉じＶ／Ｔは、圧縮行程の間で通常Ｖ／Ｔよりも遅いタイミングで吸気バルブ１７が閉じるので、燃焼室１ｃに吸入される空気量を少なくすることができる。スロットル弁３を絞ることなく吸入空気量を減らすことができるので、ポンピングロスを低減して燃費を向上させることができる。

可変バルブタイミング機構２１は、エンジン始動時や高負荷領域では通常Ｖ／Ｔを選択し、クルーズ走行中などの低負荷領域では遅閉じＶ／Ｔを選択する。

ここで、ＥＧＲ装置１１は、エンジン回転数ＮＥや吸気管圧力ＰＢなどエンジンの運転状態に応じて、最適なＥＧＲ量を得るためのＥＧＲ弁１１ａのリフト量ＬＣＭＤを予め用意したマップから検索して、ＥＧＲ量を制御している。可変バルブタイミング機構２１によってバルブタイミングが遅閉じＶ／Ｔに切り替わると、エンジン１の吸入空気量が少なくなるので、これに比例してEGR量の許容量も少なくなる。したがって、ＥＧＲ装置１１は、ＥＧＲ弁１１ａのリフト量マップを、設定されたバルブタイミング毎に別々に用意しておき、可変バルブタイミング機構２１がバルブタイミングを切り替えるのに応じてマップを持ち替える。

しかし、可変バルブタイミング機構２１がバルブタイミングを変更するときに同時にマップを持ち変えると、遅閉じＶ／ＴにおけるＥＧＲ量の許容量を超えた排気ガスが吸気管に導入される場合があり、このとき吸気管内の圧力Ｐｂが大きく増大してサージングが発生する。

本実施形態では、スムーズにバルブタイミングを切り替えるために、可変バルブタイミング機構２１がバルブタイミングを変更する前に、ＥＧＲ弁１１ａのリフト量マップを持ち替えることでこの問題を解消する。

図３は、本実施形態におけるバルブタイミングおよびＥＧＲ弁１１ａのリフト量マップの切り替え処理の概略を示す図である。

図３の（ａ）を参照すると、まず始めに、エンジン１の運転状態に応じて、バルブタイミング切替要求フラグが立ち上がる。このフラグが立ってからバルブタイミング切換タイマが始動して、図３の（ｃ）に見られるように、所定時刻経過後にバルブタイミングが切り替わるように設定されている。バルブタイミング切換タイマは、例えば３秒である。

バルブタイミング切換要求フラグが立ち上がると同時に、マップ切替タイマが始動し、図３の（ｂ）に見られるように、所定時刻経過後にリフト量マップが通常Ｖ／Ｔ用マップから遅閉じＶ／Ｔ用マップへと切り替わる。マップ切替タイマは、図３の（ｂ）に示すように、バルブタイミング切換タイマより短く設定されており、例えば２秒である。

リフト量マップが切り替わると、遅閉じＶ／Ｔマップに従ったＥＧＲ量が吸気管へと還流され、吸気管圧力Ｐｂは新たなＥＧＲ量に応じた値に変化する。遅閉じＶ／ＴマップによるＥＧＲ量は通常Ｖ／Ｔマップのものより少ないので、図３（ｄ）に示すように吸気管圧力Ｐｂは低下する。

そして、図３の（ｃ）に見られるように、バルブタイミング切換タイマが０になって時点で、バルブタイミングが通常Ｖ／Ｔから遅閉じＶ／Ｔへと切り替わる。

図３の（ｄ）に示すように、バルブタイミングが遅閉じＶ／Ｔに切り替えられる前にＥＧＲ量が変更され、吸気管圧力Ｐｂが低下した状態でバルブタイミングを切り替える。これにより、サージングを回避して切替時のショックを低減することができる。

図４は、ＥＧＲ弁１１ａのリフト量を算出するためのフローチャートである。

ステップＳ１０１において、ＥＧＲを実施する許可が出ているかどうかを確認する。ＥＧＲ実施可能ならばステップＳ１０３に進み、不可ならばＥＧＲ１１を制御せずに処理を終了する。

ステップＳ１０３において、ＥＧＲ弁１１ａのリフト量マップの選択フラグを確認する。リフト量マップは、本実施形態では、通常Ｖ／Ｔ用および遅閉じＶ／Ｔ用の２種類である。ＥＧＲリフト量マップを切り替える処理については図５を参照して後述する。選択フラグが１のとき、通常Ｖ／Ｔ用マップが選択されてステップＳ１０５に進む。選択フラグが０のとき、遅閉じＶ／Ｔ用マップが選択されてステップＳ１０７に進む。

ステップＳ１０５において、通常Ｖ／Ｔ用マップを用いて、ＥＧＲ弁１１ａのリフト量ＬＣＭＤを検索する。リフト量ＬＣＭＤは、エンジン回転数ＮＥおよび吸気管圧力Ｐｂから求められる。

ステップＳ１０７において、遅閉じＶ／Ｔ用マップを用いて、ＥＧＲ弁１１ａのリフト量ＬＣＭＤを検索する。リフト量ＬＣＭＤは、エンジン回転数ＮＥおよび吸気管圧力Ｐｂから求められる。

図５は、ＥＧＲのリフト量マップを切り替える処理のためのフローチャートである。

ステップＳ２０１において、バルブタイミング切換要求フラグを確認する。バルブタイミング切換要求フラグが１ならば、バルブタイミングの切替要求が有りと判断してステップＳ２０５に進む。バルブタイミング切換要求フラグが０ならば、バルブタイミングの切替要求が無いと判断してステップＳ２０３に進む。

ステップＳ２０３では、マップ切替タイマを所定値に設定する。マップ切替タイマは、バルブタイミング切換要求フラグが立ってから、ＥＧＲのリフト量マップが切り替わるまでの時間であり、例えば２秒である。

ステップＳ２０５では、マップ切替タイマが０となったかどうかを確認する。タイマが０となるまでは、ステップＳ２０９に進み通常Ｖ／Ｔ用マップを選択する。そして、タイマが０になったら、ステップＳ２０７に進み遅閉じＶ／Ｔ用マップを選択する。

以上にこの発明を特定の実施例について説明したが、この発明はこのような実施例に限定されるものではない。

本発明の一実施形態に係る内燃機関およびその制御装置の構成を示す概略図である。 本実施形態で適用する通常バルブタイミングおよび遅閉じバルブタイミングにおける、吸気バルブおよび排気バルブのリフト量を示す図である。 本実施形態におけるバルブタイミングおよびＥＧＲ弁のリフト量マップの切り替え処理の概略を示す図である。 ＥＧＲ弁のリフト量を算出する処理のフローチャートである。 ＥＧＲのリフト量マップを切り替える処理のフローチャートである。

符号の説明

５ ＥＣＵ
８ 圧力センサ
１１ ＥＧＲ装置
１３ クランク角センサ
１７ 吸気バルブ
２１ 可変バルブタイミング機構

Claims (1)

1. 内燃機関の吸気バルブの開閉を第1の開閉タイミングと、該第1の開閉タイミングより前記吸気バルブを閉じるタイミングを遅くした第２の開閉タイミングとの間で切り替える可変バルブタイミング機構と、前記内燃機関における排気系と吸気系とを連通するEGR通路と、EGR量を調整するEGR弁と、を備えるEGR装置と、を有する内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関の運転状態を検出する検出手段と、
   前記運転状態に応じて、前記第１の開閉タイミングから前記第２の開閉タイミングに切り換えるための要求信号を出力する出力手段と、
   前記要求信号が出力されてからの時間を計時する計時手段と、をさらに有し、
   前記可変バルブタイミング機構は、前記要求信号が出力されてから第１所定時間の経過後にバルブタイミングが切り替わるように設定され、
   前記EGR装置は、前記第1の開閉タイミングでの第１のEGR量を得るための前記EGR弁のリフト量を規定する第１のマップと、前記第２の開閉タイミングでの、前記第１のEGR量より少ない第２のEGR量を得るための前記EGR弁のリフト量を規定する第２のマップとを備え、
   前記制御装置は、前記計時手段で計時された時間が前記第１所定時間よりも短い第２所定時間を経過した後、前記第１のマップから前記第２のマップに切り替えるよう構成されている、内燃機関の制御装置。

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