JP4661530B2 - 内燃機関の吸気制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関のシリンダ内に吸入される吸入空気量を制御する吸気制御装置に関し、特に、吸気弁のバルブリフト特性の可変制御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の吸気制御装置に関する。

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には、本出願人が先に提案した吸気弁のリフト量および作動角さらにはそのリフトの中心角を連続的に可変制御し得る可変動弁機構が開示されている。この種の可変動弁機構によれば、上述のように、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。

さらに、特許文献２には、上記のように２つの可変動弁機構によって吸気弁の作動角およびその中心角を互いに独立して可変制御する構成において、トルク応答性を改善するために補正を行うことが開示されている。すなわち、２つの可変動弁機構によって吸気弁の作動角および中心角を個々に制御する場合、運転状態が急に変化する過渡時に、２つの可変動弁機構がそれぞれ目標値に対しある程度の遅れをもって作動することから、吸入空気量が目標値からずれることがある。本出願人が先に提案した特許文献２では、中心角を変化させる一方の可変動弁機構の応答遅れを、作動角を変化させる他方の可変動弁機構により補償するようにしている。
特開２００１−２６３１０５号公報 特開２００４−２５１２７４号公報

しかしながら、中心角を変化させる一方の可変動弁機構の応答遅れによるトルク応答の悪化を防止するために、現在の中心角およびエンジン回転数の下で目標負荷を実現できる作動角を、作動角の目標値として与えたとしても、作動角を変化させる他方の可変動弁機構にもやはり応答遅れが存在するので、実際には、過渡時に目標負荷を実現することができない可能性があり、なお改善の余地があった。

この発明は、吸気弁のリフト・作動角を同時にかつ連続的に変化させる第１可変動弁機構と、吸気弁の作動角の中心角を連続的に遅進させる第２可変動弁機構と、を備え、これらをそれぞれ独立して可変制御することにより、内燃機関の出力する負荷を制御する内燃機関の吸気制御装置において、
各可変動弁機構の実位置を検出もしくは推定し、これら第１，第２可変動弁機構の実位置と現在のエンジン回転数とから現在の出力負荷を求める出力負荷算出手段と、
現在の出力負荷と目標負荷との差が小さくなるように、その負荷偏差に応じた補正量により、第１，第２可変動弁機構のいずれか一方の目標値を補正する目標値補正手段と、
を有することを特徴としている。

このような本発明によれば、比較的に応答性が悪い他の可変動弁機構は、目標負荷に応じて定まる目標値に従ってフィードフォワード的に制御され、相対的に応答性の良い一方の可変動弁機構の目標値が、現在の出力負荷と目標負荷との差が小さくなるようにフィードバック的に補正される。これにより、他の可変動弁機構の応答遅れによるトルク応答の悪化を防止しつつ、一方の可変動弁機構の応答遅れの影響も最小限に抑えることができる。

好ましい一つの態様では、上記目標値補正手段は、各可変動弁機構の実位置を検出もしくは推定し、該実位置に応じて補正方向を決定する。これにより出力負荷を確実に目標負荷に近づけることができる。

好ましい一つの態様では、上記目標値補正手段は、各可変動弁機構の実位置を検出もしくは推定し、この実位置における上記一方の可変動弁機構の負荷感度が大きくなるに連れて小さくなるように設定した補正ゲインと、上記負荷偏差と、を乗じることにより、上記補正量を算出する。このように負荷感度を考慮して補正ゲインが与えられることで、状況に応じた補正量を設定でき、出力負荷をより確実に安定して目標負荷に近づけることができる。

さらに好ましくは、上記一方の可変動弁機構の実位置が、他方の可変動弁機構の実位置および現在のエンジン回転数の下で最大負荷を実現できる位置に近いときに、上記補正ゲインが小さくなるように設定する。これにより、出力負荷を増加させたい場合に補正し過ぎてかえって出力負荷が減少し、ハンチングしてしまうことを防止できる。

この発明によれば、相対的に応答性が悪い可変動弁機構の応答遅れによるトルク応答の悪化を防止しつつ、相対的に応答性の良い可変動弁機構の応答遅れの影響を最小限に抑えることができる。従って、過渡時に要求に沿ったトルク応答性を実現することができる。

図１は、この発明に係る内燃機関の吸気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（ＶＥＬ）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（ＶＴＣ）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絞り弁２が設けられている。ここで、上記絞り弁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）を発生させるために用いられており、吸入空気量の調整は、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。より詳しくは、所定の低負荷側の領域（第１の領域）では、吸入負圧が一定（例えば−５０ｍｍＨｇ）となるように絞り弁２の開度が制御される。そして、この一定の負圧を発生させながらリフト特性の変更で実現できる最大負荷を要求負荷が超える高負荷側の領域（第２の領域）では、その限界となる点のリフト特性に固定され、負荷、例えばアクセル開度ＡＰＯの増加に伴い、絞り弁２の開度がさらに増加する。つまり、ある負荷までは比較的弱い吸入負圧を維持しつつ吸気弁３のリフト特性を変更することで吸入空気量の調整が行われ、全開領域に近い高負荷側の領域では、吸入負圧を減少させることによって、吸入空気量の調整が行われる。

これらの第１、第２可変動弁機構５、６および絞り弁２は、コントロールユニット１０によって制御されている。

また、燃料噴射弁８が吸気通路７に配置されており、上記のように吸気弁３もしくは絞り弁２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の領域では、第１、第２可変動弁機構５、６により吸入空気量を調整することによって制御され、第２の領域では、絞り弁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角度センサ１１からのアクセル開度信号ＡＰＯと、エンジン回転数センサ１２からのエンジン回転数信号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、燃料噴射量、点火時期、第１可変動弁機構目標角度、第２可変動弁機構目標角度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、第１可変動弁機構目標角度、第２可変動弁機構目標角度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。

なお、本実施例では、可変動弁手段として、リフト・作動角を変化させる第１可変動弁機構と中心角を変化させる第２可変動弁機構とを用いる構成としたが、吸気弁の開時期および閉時期を独立して制御する電磁駆動弁を用いた場合でも、同様に吸入空気量の可変制御が可能であり、その他、吸入空気量を変化させうる種々の形式の可変動弁手段を利用することができる。

図２は、本発明の制御の要部である第１可変動弁機構目標値ｔＶＥＬを算出する処理の概略的なフローチャートである。ここでは、負荷を表すパラメータとして、吸入空気量Ｑを用いているが、エンジントルクなどの他の負荷を表すパラメータを用いても良い。この実施例は、吸入空気量偏差および第１可変動弁機構５の吸入空気量感度から算出した補正量を第１可変動弁機構実位置ｒＶＥＬに加えることにより第１可変動弁機構目標値ｔＶＥＬを算出するようにしたものである。

まず、アクセル開度ＡＰＯやエンジン回転数Ｎｅなどに応じて目標吸入空気量ｔＱを算出し（ステップ０１）、エンジン回転数Ｎｅと第１可変動弁機構実位置ｒＶＥＬおよび第２可変動弁機構実位置ｒＶＴＣを検出する（ステップ０２）。そして、ステップ０２で検出した各々の値に基づいて、実吸入空気量ｒＱを算出し（ステップ０３）、目標吸入空気量ｔＱから減ずることにより吸入空気量偏差ｄＱ（つまり負荷偏差）を算出する（ステップ０４）。

次に、ステップ０２で検出したエンジン回転数Ｎｅと第１可変動弁機構実位置ｒＶＥＬと第２可変動弁機構実位置ｒＶＴＣに基づいて、第１可変動弁機構５の吸入空気量感度ｓＶＥＬと、第１可変動弁機構５の最大負荷位置距離ｄＶＥＬと、を算出して（ステップ０５、０６）、この吸入空気量感度ｓＶＥＬと最大負荷位置距離ｄＶＥＬに基づいて補正ゲインｇＨＯＳを算出する（ステップ０７）。このとき、後述するように、図５に示す関係を用いてマップ検索により算出する。最後に、ステップ０４で算出した吸入空気量偏差ｄＱとステップ０７で算出した補正ゲインｇＨＯＳとを掛けあわせることにより、補正量ｄＨＯＳを算出し（ステップ０８）、第１可変動弁機構実位置ｒＶＥＬに加えて第１可変動弁機構目標値ｔＶＥＬを算出する（ステップ０９）。

図３は、この実施例の制御の内容を機能ブロック図として示したものである。ここで、ＡＰＯはアクセル開度、Ｎｅはエンジン回転数、であり、これらに基づいて、目標吸入空気量演算部１０１において目標吸入空気量ｔＱが算出される。また、現在のエンジン回転数Ｎｅと第１可変動弁機構実位置ｒＶＥＬと第２可変動弁機構実位置ｒＶＴＣとに基づいて、実吸入空気量演算部１０２において実吸入空気量ｒＱが算出される。そして、吸入空気量偏差演算部１０３において、これらの差分（ｔＱ−ｒＱ）を取ることにより、吸入空気量偏差ｄＱが算出される。

また、エンジン回転数Ｎｅと第１可変動弁機構実位置ｒＶＥＬと第２可変動弁機構実位置ｒＶＴＣに基づいて、第１可変動弁機構吸入空気量感度演算部１０４において、第１可変動弁機構吸入空気量感度ｓＶＥＬが算出され、同様に、これらの３つの値に基づいて、第１可変動弁機構最大負荷位置距離演算部１０５において、第１可変動弁機構最大負荷位置距離ｄＶＥＬが算出される。そして、これらに基づいて、補正ゲイン演算部１０６において補正ゲインｇＨＯＳが算出される。

ここで、第１可変動弁機構吸入空気量感度ｓＶＥＬは、第１可変動弁機構５の変化が吸入空気量に与える影響（つまり感度）をその増減方向を含めて示すものであって、現在のエンジン回転数Ｎｅと第１可変動弁機構実位置ｒＶＥＬに微小な所定値ｃｄＶＥＬを加えた第１可変動弁機構位置ＶＥＬ１（＝ｒＶＥＬ＋ｃｄＶＥＬ）と第２可変動弁機構実位置ｒＶＴＣとに基づいて第１の吸入空気量Ｑ１を算出するとともに、現在のエンジン回転数Ｎｅと第１可変動弁機構実位置ｒＶＥＬから微小な所定値ｃｄＶＥＬを減じた第１可変動弁機構位置ＶＥＬ２（＝ｒＶＥＬ−ｃｄＶＥＬ）と第２可変動弁機構実位置ｒＶＴＣとに基づいて第２の吸入空気量Ｑ２を算出する。そして、第１の吸入空気量Ｑ１から第２の吸入空気量Ｑ２を減じた値を、第１可変動弁機構吸入空気量感度ｓＶＥＬとしている（ｓＶＥＬ＝Ｑ１−Ｑ２）。

また、第１可変動弁機構最大負荷位置距離ｄＶＥＬは、エンジン回転数Ｎｅと第２可変動弁機構実位置ｒＶＴＣとに基づいて図４に示す関係を用いてマップ検索により算出した第１可変動弁機構最大負荷位置ｍａｘＶＥＬと、第１可変動弁機構実位置ｒＶＥＬと、の差の絶対値である（ｄＶＥＬ＝｜ｍａｘＶＥＬ−ｒＶＥＬ｜）。すなわち、第１可変動弁機構最大負荷位置ｍａｘＶＥＬは、ある第２可変動弁機構位置ＶＴＣおよびエンジン回転数Ｎｅの下で最大負荷が得られる第１可変動弁機構５の位置を意味しており、第１可変動弁機構最大負荷位置距離ｄＶＥＬは、この最大負荷が実現される位置ｍａｘＶＥＬから実位置ｒＶＥＬがどの程度離れているかを示すことになる。図４に示す関係は、第２可変動弁機構位置およびエンジン回転数ごとに最大負荷を実現する第１可変動弁機構５の位置を表したものである。

補正ゲインｇＨＯＳは、上述した第１可変動弁機構吸入空気量感度ｓＶＥＬの絶対値に基づいて、図５（ａ）に示す関係を用いてマップ検索により第１補正ゲインｇＨＯＳ１を算出した後、吸入空気量偏差ｄＱが正の場合は、第１可変動弁機構最大負荷位置距離ｄＶＥＬに基づいて、図５（ｂ）に示す関係を用いてマップ検索により算出した第２補正ゲインｇＨＯＳ２を第１補正ゲインｇＨＯＳ１に掛け合わせ、さらに、増減方向を整合させるように第１可変動弁機構吸入空気量感度ｓＶＥＬと同符号にすることにより算出する。吸入空気量偏差ｄＱが負の場合は、第１補正ゲインｇＨＯＳ１を第１可変動弁機構吸入空気量感度ｓＶＥＬと同符号にすることにより算出する。

次に、吸入空気量偏差ｄＱと補正ゲインｇＨＯＳとに基づいて、補正量演算部１０７において補正量ｄＨＯＳを算出し（ｄＨＯＳ＝ｄＱ×ｇＨＯＳ）、これを、加算点１０８として示すように、第１可変動弁機構実位置ｒＶＥＬに加えることにより、最終的な第１可変動弁機構目標値ｔＶＥＬを算出する。

図６は、この実施例による過渡時の作用を示すタイムチャートである。これは、エンジン回転数がある回転数で一定に保たれていると仮定して、アクセルペダルの踏み込み量を増やす過渡走行を行った際の作用であり、（ａ）吸入空気量Ｑ、（ｂ）第２可変動弁機構位置ＶＴＣ、（ｃ）第１可変動弁機構吸入空気量感度ｓＶＥＬ、（ｄ）補正ゲインｇＨＯＳ、（ｅ）第１可変動弁機構位置ＶＥＬ、の変化を示している。ここで、第１可変動弁機構５の応答性は、第２可変動弁機構６の応答性に比べて相対的に良いものとする。走行中に時間ｔ１からアクセルペダルの踏み込み量を増やすと、アクセル開度に対応して、目標吸入空気量ｔＱが（ａ）の符号Ａ１で示す線のように得られ、時間ｔ４で一定となる。第２可変動弁機構目標値ｔＶＴＣは、アクセル開度に応じて、（ｂ）の符号Ｂ１で示す線のように算出され、これに対し応答遅れを伴う第２可変動弁機構実位置ｒＶＴＣが（ｂ）の符号Ｂ２で示す線のように得られる。

また、（ｃ）の符号Ｃ１で示す第１可変動弁機構吸入空気量感度ｓＶＥＬから、第１補正ゲインｇＨＯＳ１が（ｄ）の符号Ｄ１で示す点線のように得られる。さらに、（ｅ）の符号Ｅ１で示す第１可変動弁機構最大負荷位置ｍａｘＶＥＬと（ｅ）の符号Ｅ３で示す第１可変動弁機構実位置ｒＶＥＬとの差の絶対値（第１可変動弁機構最大負荷距離ｄＶＥＬ）、および（ａ）の符号Ａ１で示す目標吸入空気量ｔＱから（ａ）の符号Ａ２で示す実吸入空気量ｒＱを減ずることにより得られる吸入空気量偏差ｄＱの正負、に基づいて第２補正ゲインｇＨＯＳ２が算出されて、（ｄ）の符号Ｄ１で示す第１補正ゲインｇＨＯＳ１と掛けあわせることにより、補正ゲインｇＨＯＳが（ｄ）の符号Ｄ２で示す線のように得られる。このとき、図示例では、時間ｔ３の直前に、第１可変動弁機構最大負荷距離ｄＶＥＬに基づく第２補正ゲインｇＨＯＳ２の低下により、補正ゲインｇＨＯＳが大きく低下する。そして、時間ｔ３で、（ａ）の符号Ａ２で示す実吸入空気量ｒＱが（ａ）の符号Ａ１で示す目標吸入空気量ｔＱよりも大きくなるため（吸入空気量偏差ｄＱ＜０）、時間ｔ３以降は、補正ゲインｇＨＯＳは第１補正ゲインｇＨＯＳ１そのままの値となる。そして、補正ゲインｇＨＯＳを吸入空気量偏差ｄＱにかけあわせることにより、補正量ｄＨＯＳが算出され、この補正量ｄＨＯＳを第１可変動弁機構実位置ｒＶＥＬに加えることにより、第１可変動弁機構目標値ｔＶＥＬが、（ｅ）の符号Ｅ２で示す線のように得られる。その結果、第１可変動弁機構実位置ｒＶＥＬが（ｅ）の符号Ｅ３で示す線のように得られて、（ａ）の符号Ａ２で示す実吸入空気量ｒＱと（ａ）の符号Ａ１で示す目標吸入空気量ｔＱとの差が最小限に抑えられることになる。

なお、この例では、第２可変動弁機構目標値ｔＶＴＣをアクセル開度から算出しているが、目標吸入空気量ｔＱを含む他のパラメータから算出するようにしてもよい。

図７は、図６に示したタイムチャートの要部の詳細を示すものであって、時間ｔ２付近を拡大し、計算ステップごとの変化を示したタイムチャートである。なお、Δは、計算ステップの時間間隔である。時間ｔ２では、目標吸入空気量ｔＱは（ａ）の符号Ａ１１で示す点に、第２可変動弁機構目標値ｔＶＴＣは（ｂ）の符号Ｂ１１で示す点に、第２可変動弁機構実位置ｒＶＴＣは（ｂ）の符号Ｂ２１で示す点に、第１可変動弁機構実位置ｒＶＥＬは（ｅ）の符号Ｅ３１で示す点に、それぞれある。そして、エンジン回転数Ｎｅと（ｅ）の符号Ｅ３１で示す第１可変動弁機構実位置ｒＶＥＬと（ｂ）の符号Ｂ２１で示す第２可変動弁機構実位置ｒＶＴＣとから、実吸入空気量ｒＱは、（ａ）の符号Ａ２１で示す点として得られる。その結果、（ａ）の符号Ａ３１で示す吸入空気量偏差ｄＱが得られる。また、エンジン回転数Ｎｅと（ｅ）の符号Ｅ３１で示す第１可変動弁機構実位置ｒＶＥＬと（ｂ）の符号Ｂ２１で示す第２可変動弁機構実位置ｒＶＴＣとから、（ｃ）の符号Ｃ１１で示す第１可変動弁機構吸入空気量感度ｓＶＥＬが算出され、この第１可変動弁機構吸入空気量感度ｓＶＥＬと図示しない第１可変動弁機構最大負荷距離ｄＶＥＬと吸入空気量偏差ｄＱ（その正負）とから、（ｄ）の符号Ｄ２１で示す補正ゲインｇＨＯＳが得られる。

以上のようにして得られた吸入空気量偏差ｄＱと補正ゲインｇＨＯＳとから（ｅ）の符号Ｅ４１で示す補正量ｄＨＯＳが算出され、これを（ｅ）の符号Ｅ３１で示す第１可変動弁機構実位置ｒＶＥＬに加えることにより、（ｅ）の符号Ｅ２１で示す第１可変動弁機構目標値ｔＶＥＬが算出される。

時間ｔ２＋Δにおいては、目標吸入空気量ｔＱと第２可変動弁機構目標値ｔＶＴＣと第２可変動弁機構実位置ｒＶＴＣと第１可変動弁機構実位置ｒＶＥＬとがそれぞれ更新されて、それぞれ、（ａ）の符号Ａ１２で示す点、（ｂ）の符号Ｂ１２で示す点、（ｂ）の符号Ｂ２２で示す点、（ｅ）の符号Ｅ３２で示す点、となり、時間ｔ２と同様にして、（ｅ）の符号Ｅ２２で示す第１可変動弁機構目標値ｔＶＥＬが算出される。

なお、上記実施例では、算出された補正量ｄＨＯＳを第１可変動弁機構実位置ｒＶＥＬに加えることにより第１可変動弁機構目標値ｔＶＥＬを算出する構成としたが、第１可変動弁機構実位置ｒＶＥＬの代わりに、第１可変動弁機構目標値ｔＶＥＬの前回計算値や、別処理により算出した第１可変動弁機構目標値としてもよい。

本発明に係る内燃機関の吸気制御装置のシステム構成を示す構成説明図。 本実施例の制御の一例を示すフローチャート。 この制御の機能ブロック図。 最大負荷を実現する第１可変動弁機構位置ｍａｘＶＥＬの特性を示す特性図。 （ａ）第１補正ゲインｇＨＯＳ１および（ｂ）第２補正ゲインｇＨＯＳ２の特性を示す特性図。 実施例による過渡時のタイムチャート。 その要部を拡大して示すタイムチャート。

符号の説明

２…絞り弁
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 (5)

1. 吸気弁のリフト・作動角を同時にかつ連続的に変化させる第１可変動弁機構と、吸気弁の作動角の中心角を連続的に遅進させる第２可変動弁機構と、を備え、これらをそれぞれ独立して可変制御することにより、内燃機関の出力する負荷を制御する内燃機関の吸気制御装置において、
   各可変動弁機構の実位置を検出もしくは推定し、これら第１，第２可変動弁機構の実位置と現在のエンジン回転数とから現在の出力負荷を求める出力負荷算出手段と、
   現在の出力負荷と目標負荷との差が小さくなるように、その負荷偏差に応じた補正量により、第１，第２可変動弁機構のいずれか一方の目標値を補正する目標値補正手段と、
   を有することを特徴とする内燃機関の吸気制御装置。
2. 上記目標値補正手段は、
   各可変動弁機構の実位置を検出もしくは推定し、該実位置に応じて補正方向を決定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気制御装置。
3. 上記目標値補正手段は、
   各可変動弁機構の実位置を検出もしくは推定し、この実位置における上記一方の可変動弁機構の負荷感度が大きくなるに連れて小さくなるように設定した補正ゲインと、上記負荷偏差と、を乗じることにより、上記補正量を算出す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吸気制御装置。
4. 上記一方の可変動弁機構の実位置が、他方の可変動弁機構の実位置および現在のエンジン回転数の下で最大負荷を実現できる位置に近いときに、上記補正ゲインが小さくなるように設定することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の吸気制御装置。
5. 上記目標値補正手段は、上記一方の可変動弁機構の実位置に上記補正量を加算することで、補正後の目標値を出力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吸気制御装置。

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