JP4661800B2 - 可変動弁機構の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、可変動弁機構の制御装置に関し、特に内燃機関の過回転を防止するとともに、内燃機関の過回転による触媒の劣化や溶損を抑制或いは防止できる可変動弁機構を制御する可変動弁機構の制御装置に関する。

従来、内燃機関の回転数が所定回転数を超えたときに、燃料供給を遮断（フューエルカット）することで、過回転による内燃機関の損傷を防止する技術が広く一般に知られている。ここで、内燃機関には一般に許容最高回転数が定められており、その回転数を超えて内燃機関を運転すると内燃機関が損傷する虞があることから、上記技術は、その回転数以前のある所定の回転数を超えたときにフューエルカットをして、過回転による内燃機関の損傷を防止しようとするものが一般的となっている。一方、近年では可変動弁機構を備えた内燃機関も広く一般に知られており、この点に関し本発明と少なくとも構成上、関連性があると考えられる技術が例えば特許文献１または２で提案されている。

特開２００５−１８８２８４号公報 特開２００５−１５５４３１号公報

ところで上述の通り、過回転防止のためのフューエルカットは上記所定の回転数を超えたときに行われ、このとき内燃機関に流入した新気はそのまま排気系に流出することになる。一方、排気系には触媒が配設されており、この触媒は通常、高回転で内燃機関が運転されている状況下では高温になっている。したがって、フューエルカットで新気が触媒に流入してくると、触媒での反応が促進されることによって触媒の温度がさらに上昇し、この結果、触媒の劣化が促進されたり、場合によっては触媒が溶損したりする虞があった。

そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、内燃機関の過回転を防止するとともに、内燃機関の過回転による触媒の劣化や溶損を抑制或いは防止できる可変動弁機構の制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は排気系に触媒が配設された内燃機関の吸排気弁のうち、少なくともいずれか一方のバルブ特性を可変にする可変動弁機構を制御するための可変動弁機構の制御装置であって、前記内燃機関の回転数が所定の回転数を超えたときに、吸入空気量が小さくなるように前記可変動弁機構を制御する過回転防止制御手段を備え、前記バルブ特性が作用角であり、前記過回転防止制御手段が、吸入空気量が小さくなるように前記可変動弁機構を制御するにあたって、前記吸排気弁のうち、少なくともいずれか一方について作用角がスロットル全開のときに定常的に前記所定の回転数を維持できる作用角よりも小さい作用角になるように、前記可変動弁機構を制御することを特徴とする。

本発明によれば、吸入空気量を減少させることで内燃機関のトルクを低下させることができることから、内燃機関の回転数の上昇を抑制できる。すなわち、内燃機関の過回転を防止できる。さらに本発明によれば、フューエルカットを行うことなく内燃機関の過回転を防止できることから、排気に流れ込む新気の量を大幅に減少させることができ、以って触媒の劣化や溶損を抑制或いは防止できる。また吸入空気量を小さくするにあたっては、具体的には例えば本発明のように作用角が小さくなるように可変動弁機構を制御することが好適である。ここで、作用角を小さくするにあたっては、例えば作用角が実験等により予め決定した作用角になるように可変動弁機構を制御してもよいが、これに対してさらに具体的には例えば本発明のように可変動弁機構を制御することが好適である。本発明によれば、上記所定の回転数以上に回転数が上昇するのに必要なトルクが内燃機関で発生しなくなり、この結果、回転数が上記所定の回転数以下に抑制されることになるため好適である。

また本発明は前記過回転防止制御手段が、所定期間の間、前記可変動弁機構を制御してもよい。また過回転を防止するにあたっては、具体的には本発明のように所定期間の間、過回転を防止すべく可変動弁機構を制御することが好適である。

また本発明は前記所定期間が、前記内燃機関の回転数が前記所定の回転数から所定の大きさ下回るまでの期間であってもよい。ここで所定期間は実験等により予め決定した期間であってもよいが、これに対して所定期間は具体的には例えば本発明のような期間であることが好適である。本発明によれば、所定の回転数付近で内燃機関に過度のハンチングが発生することを抑制できる。

また本発明は前記所定期間が、アクセル開度が所定開度よりも下回るまでの期間であってもよい。ここで、例えばアクセル開度が閉じ方向に変化した場合には、運転者が減速或いは内燃機関の回転数低下を意図していると推定できることから、通常の制御に戻っても、直ちに内燃機関の回転数が運転者のアクセルペダル操作によって上昇することになる可能性は低いと考えられる。したがって上記所定期間は、例えばアクセル開度が閉じ方向に変化するまでの期間であることが好ましい。

一方、アクセル開度が所定開度を下回る前に通常の制御に戻り、その状態で内燃機関がトルクを発生すると再び内燃機関の回転数が上昇してしまうことも考えられる。したがって係る回転数の上昇が発生することを防止すべく、所定期間はさらに具体的には例えば本発明のような期間であることが好適である。

本発明によれば、内燃機関の過回転を防止するとともに、内燃機関の過回転による触媒の劣化や溶損を抑制或いは防止できる可変動弁機構の制御装置を提供できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

図１はＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御装置）１で実現されている本実施例に係る可変動弁機構の制御装置を、内燃機関システム１００とともに模式的に示す図である。内燃機関システム１００は吸気系１０と、排気系２０と、燃料噴射系３０と、内燃機関５０とを有して構成されている。吸気系１０はエアクリーナ１１と、エアフロメータ１２と、電動スロットル１３と、サージタンク１４と、インテークマニホールド１５と、吸気ポート５２ａと、これらの各構成の間に適宜配設される吸気管とを有して構成されている。

エアクリーナ１１は内燃機関５０に供給される吸気を濾過するための構成である。エアフロメータ１２は吸入空気量を計測するための構成であり、吸入空気量に応じた信号を出力する。電動スロットル１３は、ＥＣＵ１の制御のもと、内燃機関５０に供給する吸気流量を調整するための構成であり、スロットル弁１４ａや図示しない電動モータ及びスロットル開度センサなどを有して構成されている。サージタンク１４は吸気を一時的に貯蔵するための構成である。インテークマニホールド１５はサージタンク１４から吸気を内燃機関５０の各気筒に分配するための構成である。

排気系２０は、排気ポート５２ｂと、エキゾーストマニホールド２１と、三元触媒２２と、図示しない消音器と、これらの構成の間に適宜配設される吸気管を有して構成されている。エキゾーストマニホールド２１は、各気筒からの排気を合流させるための構成であり、各気筒に対応させて分岐させた排気通路を下流側で一つの排気通路に集合させている。三元触媒２２は、排気を浄化するための構成であり、炭化水素ＨＣ及び一酸化炭素ＣＯの酸化と、窒素酸化物ＮＯｘの還元を行う。

燃料噴射系３０は燃料を供給及び噴射するための構成であり、燃料噴射弁３１や燃料噴射ポンプ３２や燃料タンク３３などを有して構成されている。燃料噴射弁３１は燃料を噴射するための構成であり、ＥＣＵ１の制御のもと、適宜の噴射時期に開弁されて燃料を噴射する。また燃料噴射量は、ＥＣＵ１の制御のもと燃料噴射弁３１が閉弁されるまでの間の開弁期間の長さで調節される。燃料噴射ポンプ３２は燃料を加圧して噴射圧を発生させるための構成であり、ＥＣＵ１の制御のもと噴射圧を適宜の噴射圧に調節する。燃料噴射弁３１は、吸気通路に噴射孔を突出させた状態でインテークマニホールド１５に配設されている。

内燃機関５０は、シリンダブロック５１と、シリンダヘッド５２と、ピストン５３と、吸気弁５４と、排気弁５５と、点火プラグ５６と、コネクティングロッド５７と、クランクシャフト５８と、吸気側ＶＶＴ（Variable Valve Timing）６１と、排気側ＶＶＴ６２とを有して構成されている。本実施例に示す内燃機関５０は直列４気筒のガソリンエンジンである。但しこれに限られず、内燃機関５０は、他の適宜の気筒配列構造及び気筒数を有していてもよく、また内燃機関５０は、所謂直噴ガソリンエンジンやリーンバーンエンジンのほか、ディーゼルエンジンや代替燃料を使用するエンジンなど適宜の内燃機関であってよい。また図１では内燃機関５０に関し、各気筒の代表としてシリンダ５１ａについて要部を示しているが他の気筒についても同様の構造となっている。

シリンダブロック５１には、略円筒状のシリンダ５１ａが形成されている。シリンダ５１ａ内にはピストン５３が収容されている。シリンダブロック５１の上面にはシリンダヘッド５２が固定されている。燃焼室５９はシリンダブロック５１、シリンダヘッド５２及びシリンダ５３に囲まれた空間として形成されている。シリンダヘッド５２には、燃焼室５９に吸気を導くための吸気ポート５２ａのほか、燃焼したガスを燃焼室５９から排気するための排気ポート５２ｂが形成され、これら吸排気ポート５２ａ及び５２ｂの流路を開閉するための吸気弁５４及び排気弁５５が配設されている。

点火プラグ５６は、燃焼室５９の上方略中央に電極を突出させた状態でシリンダヘッド５２に配設されている。ピストン５３はコネクティングロッド５７を介してクランクシャフト５８に連結されており、ピストン５３の往復運動はクランクシャフト５８で回転運動に変換される。また内燃機関５０には、回転数ＮＥに比例した出力パルスを発生するクランク角センサ６０や水温を検出するための水温センサ（図示省略）などが配設されている。

吸気側ＶＶＴ（以下、単にＩｎＶＶＴと称す）６１は、吸気弁５４の作用角（開弁期間）及びバルブリフト量を変更するための構成である。また排気側ＶＶＴ（以下、単にＥｘＶＶＴと称す）６２は、排気弁５５の作用角及びバルブリフト量を変更するための構成である。本実施例ではＩｎＶＶＴ６１及びＥｘＶＶＴ６２で可変動弁機構が実現されている。

次に、ＩｎＶＶＴ６１及びＥｘＶＶＴ６２で実現されている可変動弁機構の構成について図２を用いて詳述する。図２はＩｎＶＶＴ６１及びＥｘＶＶＴ６２で実現されている可変動弁機構のうち、ＩｎＶＶＴ６１側の部分の構成を模式的に示す図である。なお、ＥｘＶＶＴ６２側の部分の構成も基本的にＩｎＶＶＴ６１側の部分の構成と同様の構成となっている。この可変動弁機構はコントロールシャフト６１と、接続アーム６２と、摺接アーム７０と、揺動カム８０とを有して構成されている。

摺接アーム７０は揺動カム接ローラ７１と、駆動カム接ローラ７２と、接続部７３とを有して構成されている。揺動カム接ローラ７１及び駆動カム接ローラ７２は、それぞれ接続ピンにより回転可能に軸支されている。接続部７３は、接続ピンにより接続アーム６２と回動可能に接続されている。
揺動カム８０は、ロッカアーム５０３の上方に設置されており、接続アーム６２を挟んでその両脇に配置された一対の揺動アーム８１を備えている。一対の揺動アーム８１は、コントロールシャフト６１に回動自在に軸支されている。また、この一対の揺動アーム８１は図示しない架設部によって一体化されており、摺接時に摺接アーム７０に押動される被押動部８２と、ロッカアーム５０３を押圧する一対の押圧部８３を有している。

一方、内燃機関５０は吸気弁５４のほか、駆動カムシャフト５０１、駆動カム５０２、ロッカアーム５０３及びタペットクリアランス調整機構５０５を有して構成されている。駆動カムシャフト５０１は内燃機関５０と同期して回転する。駆動カムシャフト５０１には駆動カム５０２が形成されている。駆動カム５０２は、ノーズ部５０２ａおよびベースサークル部５０２ｂを有している。ロッカアーム５０３はバルブ押圧部５０３ａで吸気弁５４の基端部を押圧することにより、吸気弁５４を開弁させるための構成であり、スイングアームタイプとなっている。ロッカアーム５０３のバルブ押圧部５０３ａの他端には、タペットクリアランス調整機構５０５が設けられている。

上述の構成で、次に可変動弁機構の作動について図３を用いて詳述する。なお、図３（ａ）はバルブリフト量及び作用角がともに最小のときの可変動弁機構の作動状態を示しており、図３（ｂ）はバルブリフト量及び作用角がともに最大のときの可変動弁機構の作動状態を示している。また本実施例では作用角の範囲は１００°から２４０°までとなっている。

図３（ａ）に示すように駆動カムシャフト５０１が矢印Ｃのように回転し、駆動カム接ローラ７２と駆動カム５０２との当接位置が、ベースサークル部５０２ｂからノーズ部５０２ａに変位すると、摺接アーム７０は接続部７３の接続ピンを軸中心として矢印Ｄのように回動する。続いてこのとき揺動カム接ローラ７１が被押動部８２を押動する。その結果、揺動カム８０は矢印Ｅの方向へ回動する。このとき、押圧部８３がロッカアーム５０３を接点Ｑ１で押圧し、これにより吸気弁５４が押し下げられる。

また、コントロールシャフト６１が接続アーム６２の位置を制御することで、バルブリフト量及び作用角が可変となる。図３（ｂ）に示すように、ＥＣＵ１の制御のもと、コントロールシャフト６１が矢印Ｆの方向へ回動して接続アーム６２の位置を制御すると、駆動カム接ローラ６２が駆動カム５０２に接近するため、作動角が大きくなる。またこのとき揺動時の揺動カム８０の揺動角が変化することで、吸気弁５４が押し下げられる量が変化するため、バルブリフト量も変更できる。

したがって、このようにしてコントロールシャフト６１を適宜回動させることにより、バルブリフト量及び作用角を連続的に可変にすることができる。なお、これに限られず、内燃機関５０はＩｎＶＶＴ６１及びＥｘＶＶＴ６２の代わりに、適宜の構造からなる可変動弁機構を備えていてもよく、さらにその可変動弁機構は吸排気弁５４、５５のうち、いずれか一方のバルブ特性のみを可変にするものであってもよい。

ＥＣＵ１は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算処理装置）や、ＲＯＭ（Read Only Memory）や、ＲＡＭ（Random Access Memory）などを有して構成されるマイクロコンピュータ（以下、単にマイコンと称す）と、入出力回路などを有して構成されている。ＥＣＵ１は主として内燃機関５０を制御するための構成であり、本実施例では燃料噴射弁３１や点火プラグ５６（より具体的には図示しないイグナイタ）のほか、ＩｎＶＶＴ６１及びＥｘＶＶＴ６２なども制御している。ＥＣＵ１にはエアフロメータ１２や、クランク角センサ６０や、アクセルペダルの踏み込み量（開度）を検知するためのアクセル開度センサ９１などの各種センサが接続されている。またＥＣＵ１には電動スロットル１３や、燃料噴射弁３１や、点火プラグ５６や、ＩｎＶＶＴ６１や、ＥｘＶＶＴ６２などの各種の制御対象が駆動回路（図示省略）を介して接続されている。なお、これらの接続は図示の都合上、適宜省略している。

ＲＯＭはＣＰＵが実行する種々の処理が記述されたプログラムやマップデータなどを格納するための構成であり、本実施例では内燃機関５０制御用プログラムのほか、回転数ＮＥが所定の回転数Ｌを超えたか否かを判定するための過回転判定用プログラムや、過回転を防止すべく、回転数ＮＥが所定の回転数Ｌを超えたときに、吸入空気量が小さくなるようにＩｎＶＶＴ６１及びＥｘＶＶＴ６２を制御するための過回転防止制御用プログラムや、この過回転防止制御用プログラムに基づき、過回転防止制御が開始されてから所定期間Ｈが経過したか否かを判定するための所定期間判定用プログラムなども格納している。この所定の回転数Ｌは過回転を防止できる回転数に設定されており、本実施例では具体的には過回転防止制御に対するＩｎＶＶＴ６１及びＥｘＶＶＴ６２の応答性なども考慮した上で、許容最高回転数よりも低く、且つ過回転を防止できる範囲内でなるべく高い回転数に予め設定されている。なお、これらのプログラムは例えば内燃機関５０制御用プログラムの一部として構成されていてもよい。

過回転防止制御用プログラムは、具体的には吸入空気量が小さくなるようにＩｎＶＶＴ６１及びＥｘＶＶＴ６２を制御するにあたって、作用角が小さくなるようにＩｎＶＶＴ６１及びＥｘＶＶＴ６２を制御するように作成されている。またこのとき過回転防止制御用プログラムは、具体的には作用角がスロットル全開のときに定常的に所定の回転数Ｌを維持できる作用角よりも小さい作用角Ｋになるように、ＩｎＶＶＴ６１及びＥｘＶＶＴ６２を制御するように作成されている。

作用角Ｋは、具体的にはＩｎＶＶＴ６１及びＥｘＶＶＴ６２について個別に異なる値が設定されており、ＩｎＶＶＴ６１及びＥｘＶＶＴ６２の作用角がともに夫々についての作用角Ｋになった状態で、吸入空気量を所望の吸入空気量に抑制できるようになっている。但しこれに限られず、ＩｎＶＶＴ６１またＥｘＶＶＴ６２のうち、いずれか一方のみで作用角を作用角Ｋにすることで、吸入空気量を所望の吸入空気量に抑制できるようにしてもよい。またこれに対応する形で過回転防止制御用プログラムは、作用角が作用角ＫになるようにＩｎＶＶＴ６１またはＥｘＶＶＴ６２のうち、いずれか一方のみを制御するように作成されてもよい。

さらに過回転防止制御用プログラムは所定期間Ｈの間、過回転を防止すべくＩｎＶＶＴ６１及びＥｘＶＶＴ６２を制御するように作成されている。この所定期間Ｈには、本実施例では回転数ＮＥが所定の回転数Ｌから所定の大きさ下回るまでの期間が適用されている。したがって、所定期間判定用プログラムは具体的には、回転数ＮＥが所定回転数Ｌから所定の大きさ下回ったか否かを判定するように作成されている。本実施例ではマイコンと過回転防止制御用プログラムとで過回転防止制御手段が実現されている。

次に、ＥＣＵ１で行われる処理について図４に示すフローチャートを用いて詳述する。ＥＣＵ１はＲＯＭに格納された上述の各種のプログラムに基づき、ＣＰＵがフローチャートに示す処理を繰り返し実行することで、内燃機関５０の過回転を防止すべくＩｎＶＶＴ６１及びＥｘＶＶＴ６２を制御する。ＣＰＵは現在の回転数ＮＥが所定の回転数Ｌを超えたか否かを判定する処理を実行する（ステップＳ１１）。否定判定であれば、特段の処理を実行する必要がないためリターンしてステップＳ１１に戻る。一方肯定判定であれば、ＣＰＵは作用角が作用角ＫになるようにＩｎＶＶＴ６１及びＥｘＶＶＴ６２を制御する（ステップＳ１２）。

これにより、吸入空気量が小さく抑制されるとともに、回転数ＮＥが所定の回転数Ｌよりも上昇することが抑制されることから、内燃機関５０の過回転を防止できる。またこのときフューエルカットを行った場合と比較して、新気が排気に流れ込むことを大幅に減少させることができることから、三元触媒２２の温度上昇も抑制でき、以って三元触媒２２の劣化や溶損を抑制或いは防止できる。また本ステップでは、所定期間Ｈが経過するまでの間、すなわち回転数ＮＥが所定の回転数Ｌから所定の大きさ下回るまでの間、ＩｎＶＶＴ６１及びＥｘＶＶＴ６２の作用角を作用角Ｋに制御する状態が継続される。これにより、所定の回転数Ｌ付近で内燃機関５０に過度のハンチングが発生することを抑制できる。したがって、所定の大きさとは係るハンチングの発生を抑制できる大きさを意味するものであり、実験等により適宜決定されてよい。

なお、ステップＳ１２でさらに作用角が次第に減少するようにＩｎＶＶＴ６１及びＥｘＶＶＴ６２を制御すれば、急激なトルク変動や音の発生などを抑制でき、以って運転者に違和感を与えないようにすることもできる。このためさらに作用角が次第に減少するようにＩｎＶＶＴ６１及びＥｘＶＶＴ６２を制御するよう、過回転防止制御用プログラムを作成してもよい。また例えば所定期間Ｈに対して、代わりにアクセル開度が閉じ方向に変化するまでの期間を適用してもよい。これは、アクセル開度が閉じ方向に変化した場合には、運転者が減速或いは回転数ＮＥの低下を意図していると推定できることから、通常の制御に戻っても、直ちに回転数ＮＥが運転者のアクセルペダル操作によって上昇することになる可能性は低いと考えられることによる。

一方、アクセル開度が所定開度を下回る前に通常の制御に戻り、内燃機関５０がその状態でトルクを発生すると再び回転数ＮＥが上昇してしまうことも考えられる。したがって係る回転数ＮＥの上昇が発生することを防止すべく、所定期間Ｈに対して、代わりにアクセル開度が所定開度よりも下回るまでの期間を適用することも好適である。すなわち、この所定開度とは係る回転数ＮＥの上昇が発生することを防止できる開度であり、実験などにより適宜決定されてよい。またアクセル開度の代わりに例えばスロットル開度を適用してもよい。また所定期間Ｈはこれらに限られず、実験等により予め定められた期間であってもよい。以上により、内燃機関５０の過回転を防止するとともに、内燃機関５０の過回転による触媒の劣化や溶損を抑制或いは防止できるＥＣＵ１を実現できる。

上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

ＥＣＵ１を内燃機関システム１００と共に模式的に示す図である。 可変動弁機構の構成を模式的に示す図である。 可変動弁機構の作動についての説明図である。 ＥＣＵ１で行われる処理をフローチャートで示す図である。

符号の説明

１ ＥＣＵ
１０ 吸気系
２０ 排気系
２２ 三元触媒
３０ 燃料噴射系
５０ 内燃機関
６０ クランク角センサ
６１ ＩｎＶＶＴ
６２ ＥｘＶＶＴ
９１ アクセル開度センサ
１００ 内燃機関システム

Claims (4)

1. 排気系に触媒が配設された内燃機関の吸排気弁のうち、少なくともいずれか一方のバルブ特性を可変にする可変動弁機構を制御するための可変動弁機構の制御装置であって、
   前記内燃機関の回転数が所定の回転数を超えたときに、吸入空気量が小さくなるように前記可変動弁機構を制御する過回転防止制御手段を備え、
   前記バルブ特性が作用角であり、前記過回転防止制御手段が、吸入空気量が小さくなるように前記可変動弁機構を制御するにあたって、前記吸排気弁のうち、少なくともいずれか一方について作用角がスロットル全開のときに定常的に前記所定の回転数を維持できる作用角よりも小さい作用角になるように、前記可変動弁機構を制御することを特徴とする可変動弁機構の制御装置。
2. 前記過回転防止制御手段が、所定期間の間、前記可変動弁機構を制御することを特徴とする請求項１に記載の可変動弁機構の制御装置。
3. 前記所定期間が、前記内燃機関の回転数が前記所定の回転数から所定の大きさ下回るまでの期間であることを特徴とする請求項２に記載の可変動弁機構の制御装置。
4. 前記所定期間が、アクセル開度が所定開度よりも下回るまでの期間であることを特徴とする請求項２に記載の可変動弁機構の制御装置。

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