JP4650213B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、機関始動時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。

ガソリン機関の負荷制御として、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する一般的な方式では、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。
特開２００３−７４３１８号公報

上記のように吸気弁のリフト特性でもって吸入空気量を制御する内燃機関においては、可変動弁機構は、機関始動時つまりクランキング時に、クランキング時に適した所定の目標値つまりそのときの冷却水温等に応じた目標値に向かって制御される。従って、クランキングの間、実際のリフト特性は徐々に変化していくことになり、微視的に見ると、燃料噴射量の演算の基礎となるリフト特性（つまり想定される吸入空気量）と、その燃料量が噴射されたときのサイクルにおける実際のリフト特性（つまり実際の吸入空気量）との間に、差異が生じる。つまり、サイクルの中で、燃料噴射量が演算されるタイミングと、吸入空気量が実際に定まるタイミング（換言すれば吸気行程）との間に、時間的な差があり、その間に実際のリフト特性が大きく変化すると、例えば空燃比のずれが生じ、始動性能や排気性能の悪化を来すことがある。特に、クランキングの開始初期のように機関回転数が非常に低い段階では、上記の時間差の影響が相対的に大きくなる。

この発明は、請求項１のように、吸気弁のリフト・作動角の少なくとも一方を連続的に拡大・縮小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、内燃機関の始動時に、クランキング時の目標値へ向かって上記可変動弁機構の制御位置を変化させるとともに、クランキング開始後の所定期間の間、上記制御位置の変化速度を小さくすることを特徴としている。

例えば、機関停止の際に上記リフト・作動角が大となった状態に制御され、機関始動時に、そのときの温度条件に応じたクランキング時の目標値まで、リフト・作動角が縮小方向に変化するが、クランキング開始後の所定期間の間、上記制御位置の変化速度を小さくするのである。

従って、可変動弁機構を現在の機関の状態に適した設定により近づけつつ、燃料噴射量の演算タイミングと吸入空気量の決定タイミングとの差により発生する空燃比差を小さくすることができる。そのため、より適切な空気量および空燃比で始動されることになり、始動性能ならびに排気性能が向上する。

上記の所定期間の間の変化速度としては、０つまり一時的に可変動弁機構の設定が変化しないようにしてもよく、あるいは、機関回転数が低いほど小さくなるように機関回転数に応じて設定することもできる。

本発明の一つの態様では、上記所定期間の開始点として、初回の燃料噴射実行時から上記変化速度を小さくする。つまり、初回の燃料噴射実行までは、可変動弁機構の設定が、そのときの機関の状態に適した目標値へ向かって相対的に大きな速度で変化するので、リフト・作動角ひいては吸入空気量が始動に適したものとなる。

また、上記所定期間の終了点としては、例えば、機関回転数が所定回転数に達したときに、上記変化速度を通常の速度に戻すことができる。これにより、適切なリフト・作動角に速やかに変化し、例えば、始動直後の過度の回転数吹き上がりを回避できる。

この発明によれば、クランキング中に可変動弁機構によるリフト・作動角の設定が変化することに伴う空燃比のずれを抑制でき、始動性能ならびに排気性能が向上する。

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１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、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・作動角を同時にかつ連続的に拡大・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（第２制御領域）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。すなわち、図２に概略を示すように、低〜中負荷領域においては、燃費向上のために、中心角を上死点寄り（設定値：大）とし、内部還流を促進するとともに、作動角はトルク要求に応じて徐々に大作動角（設定値：大）側にする。第１制御領域内では、吸気負圧（Boost）を所定値に保つように、スロットル弁開度ＴＶＯは、通常エンジン（可変動弁機構ではなくスロットル弁開度で吸入空気量を制御するもの：図中にStd-Engとして示す）の特性に比較して、開き気味の特性となる。また中〜高負荷領域においては、トルク確保のために、中心角を下死点寄り（設定値：小）とし、内部還流を減少させるとともに、作動角は大作動角（設定値：大）側で一定とする。第２制御領域つまり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が通常エンジンと同様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が、本実施例では、特に、上記第１可変動弁機構５のアクチュエータは、気筒数分のカムを備えた制御軸（図示せず）を回転駆動する電動モータからなり、かつ、上記制御軸の回転位置を検出する制御軸センサ１４を備えている。コントロールユニット１０においては、この制御軸センサ１４の検出信号によって、そのときの実際のリフト・作動角つまり実作動角ｒＶＥＬが求められる。

一方、上記第２可変動弁機構６のアクチュエータは、吸気弁３を開閉動作するための駆動軸（図示せず）とクランクシャフトとを所定の角度内で相対回転させる油圧アクチュエータからなり、かつ、上記駆動軸の位相を検出する駆動軸センサ１５を備えている。コントロールユニット１０においては、この駆動軸センサ１５の検出信号によって、そのときの実際の中心角つまり実中心角ｒＶＴＣが求められる。

図３〜図５は、上記コントロールユニット１０により設定される目標スロットル開度、目標リフト・作動角（つまり第１可変動弁機構目標値）、目標中心角（つまり第２可変動弁機構目標値）、のそれぞれの特性例を示している。いずれも、図示するように、基本的に、アクセル開度ＡＰＯとエンジン回転数Ｎｅとに基づいて設定される。

ここで、吸入空気量が極小となるアイドル時には、主に、第１可変動弁機構５により可変制御されるリフト・作動角に依存して吸入空気量が定まるので、図４の定常運転中の特性とは別に、アイドル時用の第１可変動弁機構目標値、さらには、始動時つまりクランキング時用の第１可変動弁機構目標値が設けられている。これらのアイドル時用目標値および始動時用目標値は、いずれも機関冷却水温をパラメータとして設定されており、例えば、図６に示すような特性を有している。つまり、水温が低いほど、吸入空気量が大となるようにリフト・作動角が大きく与えられ、またクランキング中は、始動完了後のアイドル時に比べて、より大きなリフト・作動角つまり吸入空気量が与えられる。

また、第１可変動弁機構５は、上記の制御軸にバルブスプリング反力が作用するので、内燃機関の停止中（回転していない状態）に制御軸を回転変位させてリフト特性を変更することが実質的に困難である。そのため、機関停止の際には、完全に機関回転が停止する直前に、比較的大きなリフト・作動角が得られる所定の制御位置に、第１可変動弁機構５が制御されるようになっている。この停止中の制御位置は、水温が極低温であるときのクランキング時の目標値に相当する。つまり、その後の始動の際に仮に水温が非常に低くても、クランキングの初期から水温に対応した十分な吸入空気量が確保できるようにしているのである。

図７は、このような始動時ないしアイドル時における上記第１可変動弁機構５の制御を機能ブロック図として示したものである。始動時目標値演算部Ｂ１およびアイドル時目標値演算部Ｂ２は、前述したように、そのときの冷却水温に応じて、例えば図６のような特性のテーブルデータから、始動時用目標値およびアイドル時用目標値をそれぞれ決定する。そして、ブロックＢ３で、スタートスイッチ（St/Sw）の状態に応じて、いずれかの目標値を選択する。

偏差演算部Ｂ４では、現在の実際の可変動弁制御位置（実作動角ｒＶＥＬ）とブロックＢ４の目標値（ｔＶＥＬ）との偏差ｄＶＥＬを求め（ｄＶＥＬ＝ｒＶＥＬ−ｔＶＥＬ）、これを制御量演算部Ｂ８に出力する。制御量演算部Ｂ８は、この偏差ｄＶＥＬと後述するように設定される制御速度とに基づいて、第１可変動弁機構５のアクチュエータを制御する。

ブロックＢ５は、第１可変動弁機構５が制御可能な状態か否か判断するものであり、例えば、機関停止時に第１可変動弁機構５を制御（リフト特性の変更）しようとすると、消費エネルギが過度に大となる可能性があるため、図８に示すように、機関回転数に応じて、所定回転数（制御許可回転数）未満では、制御不能と判断する。

ブロックＢ６は、第１可変動弁機構５の制御速度を演算するブロックである。ここでは、スタータスイッチSt/SwがＯＮで、かつクランキング開始から所定期間の間は、始動時用の小さな制御速度（例えば、０、あるいは機関回転数に応じた速度）を出力し、それ以外の場合は、通常の制御速度つまり可能な最大の速度を出力する。

ブロックＢ７では、ブロックＢ５の可否判断に基づき、制御速度として、制御許可状態ではブロックＢ６が出力する制御速度を選択し、制御不能の場合は０を選択する。

図９は、上記の制御速度を決定するブロックＢ５〜Ｂ７の部分をフローチャートとして示したものであり、ステップ１で、第１可変動弁機構５が制御可能か否か判断し、ステップ２で、スタータスイッチSt/SwがＯＮでかつ所定期間内か判断する。ステップ１，２がＹＥＳであれば、ステップ３へ進み、制御速度を始動時用の設定（０もしくは機関回転数に応じた速度）とする。ステップ１がＹＥＳでステップ２がＮＯであれば、ステップ４へ進み、制御速度を最速とする。また、ステップ１がＮＯの場合は、ステップ５へ進み、第１可変動弁機構５のアクチュエータは動かさないものとする。

なお、所定期間としては、例えば、クランキング開始後の初回の燃料噴射実行時点から機関回転数が所定回転数に達するまでの期間である。その他、単純に、クランキング開始からの経過時間により所定期間を設定するようにしてもよい。

図１０は、上記実施例の作用を説明するタイムチャートであり、下段に第１可変動弁機構５の目標値ｔＶＥＬや実値ｒＶＥＬの変化を示し、中段に機関回転数の変化を示し、上段には、各気筒の行程変化を示している。図示するように、この例は、直列４気筒の例であり、各気筒毎に吸気ポートへ向かって排気行程中に燃料噴射（噴射パルスＰとして図示する）が実行される。図示例では、４つの気筒の中で、♯４気筒で最初の燃料噴射が実行され、この♯４気筒で最初の爆発・燃焼が生じている。なお、燃料噴射量は、例えば、冷却水温、機関回転数、吸入空気量（リフト・作動角）に基づいて演算される。

まず、時間ｔ１において、スタータスイッチSt/SwがＯＮとなり、クランキングが開始される。このとき、第１可変動弁機構５の実位置（実作動角ｒＶＥＬ）は、その前の機関停止の際の制御により、比較的大きな停止時用の設定（前述した極低温時を考慮した設定）となっているのに対し、目標値ｔＶＥＬは、そのときの冷却水温に対応したクランキング時用目標値（始動時用目標値）として与えられる。しかし、機関回転数が所定の許可回転数Ｎ１未満であり、制御不能と判断されることから、第１可変動弁機構５のアクチュエータは動かされない。

クランキングにより、時間ｔ２で所定の許可回転数Ｎ１に達し、第１可変動弁機構５の制御が許可されると、第１可変動弁機構５のアクチュエータは、可能な最大の制御速度でもって目標値ｔＶＥＬ（冷却水温に対応したクランキング時用目標値）へ向かって駆動される。これにより、第１可変動弁機構５の実作動角ｒＶＥＬは、速やかに縮小する。この段階では、まだ燃料噴射や点火は実行されていない。

時間ｔ３において、♯４気筒における初回の燃料噴射が開始される。このときの燃料噴射量は、この時点の吸入空気量つまりリフト・作動角に基づくものとなる。このように初回の燃料噴射が実行された段階で、第１可変動弁機構５の制御速度が小さく制限される。図示例では、制御速度が０となり、実作動角ｒＶＥＬは一時的に変化しなくなる。そして、時間ｔ４で♯４気筒の吸気弁３がリフトし、♯４気筒に空気が流入する。このときの♯４気筒の吸入空気量は、その時点の実作動角ｒＶＥＬに応じたものとなる。従って、燃料噴射量が演算された時間ｔ３から実際の吸入空気量が定まる時間ｔ４までの間の時間差に起因する空燃比のずれが最小となる。

仮に、制御速度を小さく制限しない場合には、点線で示すように実作動角ｒＶＥＬが時間ｔ３後も縮小していくので、時間ｔ３から時間ｔ４までの時間差に起因した空燃比のずれが生じる。

その後、時間ｔ５においてスタータスイッチSt/SwがＯＦＦとなると、目標値ｔＶＥＬは、クランキング時用目標値（始動時用目標値）から通常のアイドル時用目標値へと変化する。同時に、制御速度が再び最大となるので、実作動角ｒＶＥＬは、その時点の目標値であるアイドル時用目標値へ向かって速やかに縮小していく。

なお、図示例では、時間ｔ５より後の時間ｔ６において、機関回転数が所定の回転数Ｎ２（制御速度の制限を終了する機関回転数）に達するが、スタータスイッチSt/SwがＯＦＦとなる前に、この所定回転数Ｎ２に達した場合には、その時点で、制御速度が再び最大となる。従って、過度の回転数の吹き上がりが回避される。

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。 アクセル開度を増加させていったときの各パラメータの変化を概略的に示した特性図。 スロットル弁開度の目標値の設定例を示す特性図。 作動角の目標値の設定例を示す特性図。 中心角の目標値の設定例を示す特性図。 始動時用目標値およびアイドル時用目標値の設定例を示す特性図。 この実施例の制御の要部を示す機能ブロック図。 制御の可否判断の特性図。 図７の制御の一部のフローチャート。 この実施例の作用を説明するタイムチャート。

符号の説明

２…電子制御スロットル弁
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
１１…アクセル開度センサ

Claims (6)

1. 吸気弁のリフト・作動角の少なくとも一方を連続的に拡大・縮小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、
   内燃機関の始動時に、クランキング時の目標値へ向かって上記可変動弁機構の制御位置を変化させるとともに、クランキング開始後の所定期間の間、上記制御位置の変化速度を小さくするようにし、かつ、上記変化速度を、機関回転数が低いほど小さくなるように機関回転数に応じて設定することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 吸気弁のリフト・作動角の少なくとも一方を連続的に拡大・縮小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、
   内燃機関の始動時に、クランキング時の目標値へ向かって上記可変動弁機構の制御位置を変化させるとともに、クランキング開始後の初回の燃料噴射実行時から所定期間の間、上記目標値との偏差の大小に拘わらずに、上記制御位置の変化速度を０とすることを特徴とする内燃機関の制御装置。
3. 吸気弁のリフト・作動角の少なくとも一方を連続的に拡大・縮小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、
   内燃機関の始動時に、クランキング時の目標値へ向かって上記可変動弁機構の制御位置を変化させるとともに、クランキング開始後の所定期間の間、上記制御位置の変化速度を小さくするようにし、
   上記所定期間の終了点として、機関回転数が所定回転数に達したときに、上記変化速度を通常の速度に戻すことを特徴とする内燃機関の制御装置。
4. 吸気弁のリフト・作動角の少なくとも一方を連続的に拡大・縮小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、
   内燃機関の始動時に、クランキング時の目標値へ向かって上記可変動弁機構の制御位置を変化させるとともに、クランキング開始後の所定期間の間、上記制御位置の変化速度を小さくするようにし、
   機関停止の際に上記リフト・作動角が大となった状態に制御され、機関始動時に、そのときの温度条件に応じたクランキング時の目標値まで、リフト・作動角が縮小方向に変化することを特徴とする内燃機関の制御装置。
5. 吸気弁のリフト・作動角の少なくとも一方を連続的に拡大・縮小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、
   内燃機関の始動時に、クランキング時の目標値へ向かって上記可変動弁機構の制御位置を変化させるとともに、クランキング開始後の所定期間の間、上記制御位置の変化速度を小さくするようにし、
   可変動弁機構の目標値と実位置との偏差に対するアクチュエータの制御速度を変化させることを特徴とする内燃機関の制御装置。
6. 上記所定期間の間、上記変化速度を０とすることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。