JP4618039B2

JP4618039B2 - 内燃機関システム

Info

Publication number: JP4618039B2
Application number: JP2005227715A
Authority: JP
Inventors: 宏太佐多; 広一上田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-08-05
Filing date: 2005-08-05
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2025-08-05
Also published as: JP2007040262A

Description

この発明は、内燃機関システムに関し、吸気バルブのバルブタイミングを可変する手段を備えたシステムに適用して好適である。

従来、例えば特開２００４−６８６２１号公報には、機関回転数の上昇に応じて、最適な噴射量で燃料を噴射する技術が開示されている。

特開２００４−６８６２１号公報特開２００３−１３８９６０号公報

しかしながら、内燃機関の運転中には、燃焼状態が一時的に変化したり、機関のフリクションが一時的に変化することがある。そして、これらの要因によって機関回転数が変動すると、吸気同期と吸気非同期の噴射割合が目標とする割合から乖離してしまい、目標としていた最適な燃焼状態を得ることが困難となる。

上記公報に記載された技術では、機関回転数の変動に伴う噴射割合の変化を想定していないため、機関回転数が急激に変化した場合は燃焼状態が悪化する虞がある。特に、始動時は燃焼状態が不安定であり、機関回転数が急変し易いため、噴射割合が所望の値から逸脱し、燃料噴射量の制御性が悪化するという問題が生じる。

以下、この問題について図面に基づいて詳細に説明する。図５は、吸気同期と吸気非同期における噴射割合を説明するためのタイミングチャートである。

図５（Ａ）において、燃料噴射弁からの燃料噴射は、時刻ｔＡの時点で開始される。燃料噴射はＴ時間の間行われ、時刻ｔＢの時点で終了する。一方、吸気バルブはクランク角がＩＶＯ(Intake Valve Open)［rad］となった時点で開かれる。クランク角がＩＶＯ[rad]となるタイミングは時刻ｔＣに対応している。

時刻ｔＡから時刻ｔＣまでの間は、吸気バルブが閉じている状態で燃料噴射が行われるため、吸気非同期により燃料噴射が行われる。一方、時刻ｔＣから時刻ｔＢまでの間は、吸気バルブが開いている状態で燃料噴射が行われるため、吸気同期により燃料噴射が行われる。

燃料噴射開始時刻ｔＡ、および燃料噴射時間Ｔ[sec]は、機関回転数、燃料噴射量、吸気バルブの開弁タイミングＩＶＯ［rad］などの運転状態に応じて決定される。この際、噴射開始前の機関回転数から噴射終了時間を推定し、任意のクランク角で燃料噴射が終了するように噴射開始時刻ｔＡが決定される。従って、運転状態に応じて噴射開始時刻ｔＡ、燃料噴射時間Ｔ[sec]を適正値に設定することで、吸気非同期の時間と吸気同期の時間との比率（噴射割合）を所望の値に制御することができる。

図５（Ａ）は、通常の運転状態において、噴射割合が６０：４０となるように燃料噴射開始時刻ｔＡ、燃料噴射時間Ｔ[sec]を設定した状態を示している。このように、内燃機関が正常に運転している状態では、上述した運転状態に応じて燃料噴射時期を適正に設定することで、噴射割合を所望の値にすることができる。

一方、機関のフリクションの変化、燃焼状態の変化などの要因により機関回転数が急激に変化すると、燃料噴射時期に対して吸気バルブの開弁タイミングＩＶＯ［rad］が変化するため、これに応じて噴射割合が変化してしまうという問題が発生する。

図５（Ｂ）は、噴射開始時刻ｔＡを決定した後に機関回転数が急激に上昇した場合を示している。このように、機関回転数が急激に上昇すると、時刻ｔＡから吸気バルブの開弁タイミング（ＩＶＯ）に到達するまでの時間が短くなる。すなわち、図５（Ａ）に示す時刻ｔＣは、図５（Ｂ）に示す時刻ｔＣ’に変化する。このため、図５（Ｂ）の状態では、図５（Ａ）の状態に比べて吸気非同期の時間が短くなり、噴射割合が変化してしまう。

そして、噴射割合が変化すると、吸気ポート、吸気バルブ等への付着燃料の挙動（燃料の霧化）が変化するため、筒内に送られる燃料量が変化する。このため、同じ燃料量を噴射した場合であっても機関出力が変動してしまい、燃焼状態が変化してしまう。このように、噴射割合の変動は空燃比の制御性の低下を招来し、機関始動性が低下したり、排気エミッション、ドライバビリティが悪化するなどの問題が発生する。

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、機関回転数が変化した場合であっても、吸気同期と吸気非同期の噴射割合を一定に保ち、内燃機関の燃焼状態を最適に制御することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射弁と、内燃機関の吸気通路に設けられた吸気バルブと、前記吸気バルブの開閉タイミングを可変する可変動弁手段と、前記吸気バルブが閉じた状態で燃料が噴射される吸気非同期の時間と、前記吸気バルブが開いた状態で燃料が噴射される吸気同期の時間との比率が一定となるように前記吸気バルブの開弁タイミングを補正する補正手段と、を備えたことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、機関回転数を取得する機関回転数取得手段と、前記燃料噴射弁からの燃料の噴射時期を制御する噴射時期制御手段と、を更に備え、前記補正手段は、前記機関回転数及び前記噴射時期に基づいて、前記比率が一定となる前記開弁タイミングを算出する開弁タイミング算出手段を含むことを特徴とする。

第１の発明によれば、吸気非同期の時間と吸気同期の時間の比率（噴射割合）を一定にすることができるため、機関回転数が急変した場合であっても、空燃比の変動を最小限に抑えることができる。従って、機関始動性、排気エミッションを向上することができ、またドライバビリティを良好にすることが可能となる。

第２の発明によれば、機関回転数及び噴射時期に基づいて、吸気非同期の時間と吸気同期の時間の比率が一定となる開弁タイミングを算出することができる。従って、算出した開弁タイミングに基づいて、吸気非同期の時間と吸気同期の時間の比率が一定となるように開弁タイミングを補正することが可能となる。

以下、図面に基づいてこの発明の一実施形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関システム及びその周辺の構造を説明するための図である。内燃機関１０には吸気通路１２および排気通路１４が連通している。吸気通路１２は、上流側の端部にエアフィルタ１６を備えている。エアフィルタ１６には、吸気温ＴＨＡ（すなわち外気温）を検出する吸気温センサ１８が組みつけられている。また、排気通路１４には排気浄化触媒３２が配置されている。

エアフィルタ１６の下流には、エアフロメータ２０が配置されている。エアフロメータ２０の下流には、スロットルバルブ２２が設けられている。スロットルバルブ２２の近傍には、スロットル開度ＴＡを検出するスロットルセンサ２４と、スロットルバルブ２２が全閉となることでオンとなるアイドルスイッチ２６とが配置されている。

スロットルバルブ２２の下流には、サージタンク２８が設けられている。また、サージタンク２８の更に下流には、内燃機関１０の吸気ポートに燃料を噴射するための燃料噴射弁３０が配置されている。

内燃機関１０は、吸気バルブ３６および排気バルブ３８を備えている。吸気バルブ３６には、吸気バルブ３６のリフト量、及び／又は作用角を可変するための可変動弁機構（VVT; Variable Valve Timing）４４が接続されている。また、燃焼室内に噴霧された燃料に点火するため、内燃機関１０の筒内には点火プラグが設けられている。更に、筒内には、その内部を往復運動するピストン３４が設けられている。また、内燃機関１０には、冷却水温を検出する水温センサ４２が取り付けられている。

ピストン３４には、その往復運動によって回転駆動されるクランク軸４６が連結されている。車両駆動系と補機類（エアコンのコンプレッサ、オルタネータ、トルクコンバータ、パワーステアリングのポンプ等）は、このクランク軸４６の回転トルクによって駆動される。クランク軸４６の近傍には、クランク軸４６の回転角を検出するためのクランク角センサ４８が取り付けられている。

図１に示すように、本実施形態のシステムはＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０を備えている。ＥＣＵ４０には、上述した各種センサに加え、ノッキングの発生を検知するKCSセンサや、車速、機関回転数、排気温度、潤滑油温度、触媒床温度などを検出するための各種センサ（不図示）が接続されている。また、ＥＣＵ４０には、上述した燃料噴射弁３０、可変動弁機構４４などの各アクチュエータが接続されている。

このように構成された本実施形態のシステムでは、吸気同期と吸気非同期における噴射割合が運転状態に応じて所望の値に設定される。この場合において、機関回転数が急激に変化すると、図５で説明したように噴射割合が目標値から乖離してしまい、空燃比の制御性が低下してしまう。

このため、本実施形態では、機関回転数の変動に応じて吸気バルブ３６の開弁タイミングを補正し、噴射割合が常に一定値となるように制御を行う。図２は、機関回転数の変動に応じて吸気バルブ３６の開弁タイミングを可変する方法を示すタイミングチャートである。

図２において、燃料噴射弁からの燃料噴射は、時刻ｔＡの時点で開始される。図２に示す時刻ｔ０は、噴射開始時刻ｔＡの算出タイミングを示している。噴射開始時刻ｔＡは、時刻ｔ０における機関回転数ａ０[rpm]、吸気バルブ３６を開弁するクランク角ＩＶＯ_０[rad]、および燃料噴射時間Ｔ[sec]に基づいて決定される。図２の例では吸気非同期と吸気同期の噴射割合が６０：４０となるように時刻ｔＡの値が決定される。クランク角ＩＶＯ_０は機関回転数、負荷率に応じて予め決定された値である。

時刻ｔ０から時間が経過し、時刻ｔＡに到達すると、駆動信号に基づいて燃料噴射弁３０が駆動され、燃料噴射が開始される。そして、更に時間が経過してクランク角がＩＶＯ_０[rad]に到達すると、吸気バルブ３６が開かれる。吸気バルブ３６は時刻ｔＢで燃料噴射が終了した後に閉じられるが、時刻ｔＢの以前に吸気バルブ３６が閉じられるものであっても良い。

時刻ｔ０からクランク角がＩＶＯ_０[rad]に到達するまでの間において、機関回転数に大きな変動が生じていない場合は、噴射開始時刻ｔＡに燃料噴射を開始し、予め設定された開弁タイミングＩＶＯ_０[rad]で吸気バルブ３６を開弁することで、吸気非同期と吸気同期の噴射割合を６０：４０にすることができる。

一方、時刻ｔ０で噴射開始時刻ｔＡを決定した後、機関のフリクションの変化、燃焼状態の変化などの要因によって機関回転数が急激に変化すると、図５で説明したように噴射割合が変化してしまう。例えば、図２において機関回転数が急激に上昇すると、噴射開始時刻ｔＡから開弁タイミングＩＶＯ_０[rad]までの時間が短くなり、吸気非同期に対して吸気同期の割合が大きくなってしまう。

このため、本実施形態では、時刻ｔ１の時点で機関回転数ａ１[rpm]を取得する。そして、機関回転数ａ１[rpm]に基づいて、以下の（１）式から吸気バルブ３６を開くクランク角の目標値ＩＶＯｘ[rad]を算出する。ここで、目標値ＩＶＯｘ[rad]は、噴射割合を６０：４０にするための目標値である。
ＩＶＯｘ[rad]＝（ｔ_ｉｖｏ−ｔ_１）×（２π／６０）×ａ１・・・（１）

（１）式において、時刻ｔ_ｉｖｏは、時刻ｔ１における機関回転数がａ１[rpm]の場合に、噴射割合を６０：４０とするための吸気バルブ３６を開弁時刻を表している。時刻ｔ０の時点で噴射開始時刻ｔＡが決定されており、燃料噴射時間Ｔも予め決定されているため、時刻ｔ_ｉｖｏは、噴射開始時刻ｔＡ、噴射時間Ｔ、および噴射割合６０：４０に基づいて算出することができる。従って、（１）式によれば、時刻ｔ_ｉｖｏに基づいて、吸気バルブ３６の開弁タイミングの目標値ＩＶＯｘ[rad]を算出することができる。

時刻ｔ０における機関回転数ａ０[rpm]と、時刻ｔ１における機関回転数ａ１[rpm]が同一であれば、（１）式から算出された目標値ＩＶＯｘ[rad]は、予め決定されているクランク角ＩＶＯ_０[rad]と同一の値となる。一方、時刻ｔ０からｔ１に至る過程で機関回転数が変化した場合は、ＩＶＯ_０[rad]とＩＶＯ_Ｘ[rad]の値が相違する。

従って、本実施形態では、予め決定されている開弁タイミングＩＶＯ_０[rad]が、（１）式から算出された目標値ＩＶＯ_Ｘ[rad]から乖離している場合は、開弁タイミングをＩＶＯ_０[rad]からＩＶＯ_Ｘ[rad]に補正するようにしている。目標値ＩＶＯ_Ｘ[rad]は、噴射割合を６０：４０とした場合の吸気バルブ３６の開弁時刻ｔ_ｉｖｏに基づいて算出された値であるため、クランク角ＩＶＯ_Ｘ[rad]の位置で吸気バルブ３６を開弁することで、機関回転数が急変した場合であっても、噴射割合を確実に目標値（６０：４０）に制御することが可能となる。

なお、目標値ＩＶＯｘ[rad]を算出する時刻ｔ１は、時刻ｔ０と吸気バルブ３６が実際に開かれるタイミングの間で任意の値に設定することができる。この場合において、時刻ｔ１で算出される機関回転数ａ１[rpm]は、時刻ｔ１を吸気バルブ３６が実際に開くタイミングに近づけるほど開弁時の機関回転数に近づくため、目標値ＩＶＯｘ[rad]の精度を高めるためには、時刻ｔ１をできるだけ吸気バルブ３６が実際に開くタイミングに近づけることが好適である。これにより、噴射割合を目標値（６０：４０）とするための目標値ＩＶＯｘ[rad]の精度を高めることができる。また、目標値ＩＶＯｘ[rad]は、時刻ｔ０と吸気バルブ３６が実際に開かれるタイミングの間で複数回算出しても良い。

図３は、吸気非同期と吸気同期の噴射割合を１００：０に設定した例を示している。すなわち、図３の場合、燃料噴射が終了した後に吸気バルブ３６が開かれる。この場合においても、図２の場合と同様に、時刻ｔ０の時点で噴射開始時刻ｔＡが決定される。ここでは、噴射割合が１００：０であるため、クランク角ＩＶＯ_０[rad]が到達する以前に燃料噴射が完了するように噴射開始時刻ｔＡの値が決定される。

図３の場合においても、時刻ｔ１の時点での機関回転数ａ１[rpm]に基づいて、（１）式から開弁タイミングの目標値ＩＶＯ_Ｘ[rad]が算出される。そして、予め決定されている開弁タイミングＩＶＯ_０[rad]が、（１）式から算出された開弁タイミングＩＶＯ_Ｘ[rad]から乖離している場合は、開弁タイミングをＩＶＯ_０[rad]からＩＶＯ_Ｘ[rad]に補正する。これにより、機関回転数が急変した場合であっても、噴射割合を目標値（１００：０）に制御することが可能となる。

なお、噴射割合が１００：０の場合、燃料噴射の終了時（時刻ｔＢ）から開弁タイミングＩＶＯ_０[rad]が到来するまでの時間Ｔ１[sec]は運転状態に応じて所定値に設定される。従って、より詳細には、噴射割合が１００：０の場合の噴射開始時刻ｔＡは、機関回転数ａ０、吸気バルブ３６を開くクランク角ＩＶＯ_０[rad]、燃料噴射時間Ｔ[sec]、および時間Ｔ１[sec]に基づいて決定される。噴射を完了してから吸気バルブ３６が開かれるまでの時間Ｔ１が変動すると、吸気ポート、吸気バルブ等へ付着した燃料の挙動が変動するため、時間Ｔ１を所定値に制御することで、付着燃料の挙動が変化してしまうことを抑えることができる。

このように、本実施形態では、機関回転数が急変した場合であっても、噴射割合を一定値に制御できるため、吸気ポート、吸気バルブ等への付着燃料の挙動の変化を抑えることができ、燃料の霧化の度合いが変化してしまうことを抑止できる。従って、筒内に送られる燃料量を高精度に制御することが可能となり、空燃比の制御性を高めることができる。この結果、機関始動性、排気エミッションを向上することができ、またドライバビリティを向上することも可能となる。特に、機関始動時は、吸気ポート、吸気バルブ等への燃料付着量が多くなるため、噴射割合を一定に制御することで、内燃機関１０の運転状態を最適に制御することが可能となる。

次に、図４のフローチャートに基づいて、本実施形態のシステムにおける処理の手順について説明する。先ず、ステップＳ１では、クランク角センサ４８からクランク角信号を検出し、これに基づいて機関回転数を取得する。

次のステップＳ２では、ステップＳ１で取得した機関回転数に基づいて、（１）式から吸気バルブ３６の開弁タイミングの目標値ＩＶＯ_Ｘ[rad]を算出する。次のステップＳ３では、ステップＳ２で算出した目標値ＩＶＯ_Ｘ[rad]と予め決定されている開弁タイミングＩＶＯ_０[rad]とを比較し、ＩＶＯ_０[rad]が目標値ＩＶＯ_Ｘ[rad]に対して乖離しているか否かを判定する。具体的には、ＩＶＯ_ＸとＩＶＯ_０の差分の絶対値と所定のしきい値αとを比較し、｜ＩＶＯ_Ｘ−ＩＶＯ_０｜＞αの場合は、ＩＶＯ_ＸとＩＶＯ_０が乖離していると判定する。

ステップＳ３において、｜ＩＶＯ_Ｘ−ＩＶＯ_０｜＞αの場合は、ステップＳ４へ進む。一方、｜ＩＶＯ_Ｘ−ＩＶＯ_０｜≦αの場合は、処理を終了する(RETURN)。

ステップＳ４へ進んだ場合は、予め設定されている開弁タイミングＩＶＯ_０[rad]が目標値ＩＶＯ_Ｘ[rad]から乖離しているため、開弁タイミングＩＶＯ_０[rad]を補正する必要がある。このため、ステップＳ４では、開弁タイミングＩＶＯ_０[rad]を目標値ＩＶＯ_Ｘ[rad]に可変するための補正値を取得する。次のステップＳ５では、ステップＳ４で取得した補正値に基づいて可変動弁機構４４を作動させる。これにより、吸気バルブ３６の開弁タイミングを目標値ＩＶＯ_Ｘに設定される。ステップＳ６の後は処理を終了する(RETURN)。

以上説明したように本実施形態によれば、機関のフリクションの変化、または燃焼状態の変化など要因によって機関回転数が急激に変化した場合であっても、吸気非同期と吸気同期の噴射割合が常に一定となるように制御を行うことができる。従って、噴射割合の変化による空燃比の変動を抑えることができ、空燃比を高精度に制御することが可能となる。これにより、機関始動性、排気エミッションを向上することができ、またドライバビリティを良好にすることが可能となる。

なお、上述した実施形態では、吸気バルブ３６の開弁タイミングＩＶＯ_０[rad]を補正しているが、同様の方法で吸気バルブ３６の閉弁タイミングＩＶＣ(Intake Valve Close)[rad]を補正しても良い。例えば、機関回転数が急激に上昇して、噴射開始時刻ｔＡから閉弁タイミングＩＶＣ[rad]までの時間が短くなった場合に、閉弁タイミングＩＶＣ[rad]を遅らせるように補正を行っても良い。

本発明の一実施形態に係る内燃機関システム及びその周辺の構造を説明するための図である。機関回転数の変動に応じて吸気バルブの開弁タイミングを可変する方法を示すタイミングチャートである。吸気非同期と吸気同期の噴射割合を１００：０に設定した例を示す模式図である。本発明の一実施形態に係る具体的な処理の手順を示すフローチャートである。吸気同期と吸気非同期における噴射割合を説明するためのタイミングチャートである。

符号の説明

１０内燃機関
１２吸気通路
３０燃料噴射弁
３６吸気バルブ
４０ＥＣＵ
４８クランク角センサ
４４可変動弁機構

Claims

内燃機関の吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
内燃機関の吸気通路に設けられた吸気バルブと、
前記吸気バルブの開閉タイミングを可変する可変動弁手段と、
機関回転数を取得する機関回転数取得手段と、
前記機関回転数、前記燃料の噴射時間及び前記吸気バルブの開弁タイミングに基いて、前記吸気バルブが閉じた状態で燃料が噴射される吸気非同期の時間と、前記吸気バルブが開いた状態で燃料が噴射される吸気同期の時間との比率が一定となるように前記燃料噴射弁からの燃料の噴射開始時期を算出する算出手段と、
前記噴射開始時期が算出されてから前記吸気バルブの開弁タイミングが到来するまでの間に、前記機関回転数取得手段により機関回転数を新たに取得し、少なくとも当該機関回転数に基いて前記比率が一定となるように前記吸気バルブの開弁タイミングを補正する補正手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関システム。
前記補正手段は、新たに取得した機関回転数と、当該機関回転数を取得した時期と、前記噴射開始時期と、前記燃料の噴射時間と、前記比率の値とに基いて前記吸気バルブの開弁タイミングを補正する構成としてなる請求項１記載の内燃機関システム。