JP4702121B2 - 内燃機関の制御装置及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ過給機と可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関に関し、特に、スロットル全開域を除く過給領域における制御に関する。

特許文献１では、ターボ過給機と、吸気弁のバルブタイミングを変更可能な可変バルブタイミング機構と、を備える内燃機関で、吸気弁の閉時期を下死点よりも遅角化する遅閉じ制御を行うことにより、スロットル損失を抑制して燃費の向上を図る技術が開示されている。これに類似する技術が特許文献２にも記載されている。
特開２００５−９０４２５号公報 特開平８−７４６０８号公報

過給領域で吸気弁の遅閉じ化によりスロットルを全開付近とする、いわゆるノンスロットル運転を行うためには、吸気弁の閉時期を下死点よりも大幅に遅らせる必要があり、この状況からの急加速時には、既にスロットルが全開付近であるために、加速要求に応じて吸気弁の閉時期を速やかに進角させる必要がある。ここで、図７に示すように、油圧駆動式の可変バルブタイミング変更機構（ＶＴＣ）と、電制のスロットル（弁）と、の加速過渡時の応答性を比較すると、スロットルに比してＶＴＣの加速応答性がかなり低い。このため、加速過渡時の応答性の低下が懸念される。

他方、全開出力時を除く過給領域では、主としてスロットルにより吸入空気量を調整するように設定すると、応答性が向上する反面、排気圧力が高く排温低下のための燃料増量を行う領域、特に高回転高負荷側の領域では、スロットルの絞りによる損失が増大し、燃費性能を阻害することが懸念される。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、ターボ過給機と、運転者のアクセル操作とは独立して開度を調整可能なスロットルと、吸気弁のバルブタイミングを変更可能な可変バルブタイミング機構と、を有する内燃機関に関し、スロットル開度の全開域を除く過給領域であって、かつ、過渡走行領域よりも機関要求負荷の変化の度合いが小さい定常走行領域であるかを判定し、定常走行領域であると判定された場合、過渡走行領域に比して、吸気弁の閉時期を吸気下死点から離れる方向へ遅閉じ化又は早閉じ化するとともに、スロットル開度を大きくすることを特徴としている。

本発明によれば、定常走行領域では、過渡走行領域に比して吸気弁の閉時期を吸気下死点から離れる方向へ遅閉じ化又は早閉じ化するとともにスロットル開度を大きくすることにより、同等のトルクを確保しつつスロットル開度を大きくすることができるので、スロットル損失を抑制し、ひいては燃費性能を向上することができる。一方、過渡走行領域では機関要求負荷の変化に応じてスロットル開度を制御することにより要求負荷に応じた出力を応答性良く得ることができる。このように定常走行領域での燃費向上と過渡走行領域での応答性の向上とを両立することができる。

以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、この発明の一実施例として、ターボ過給機を備えた火花点火式のガソリン内燃機関を簡略的に示している。内燃機関のシリンダブロック１には複数（この例では４つ）のシリンダ２が直列に配置されており、各シリンダ２内にピストンが摺動可能に嵌合している。シリンダ２へ空気を供給する吸気通路３には、吸気量を調整する電制のスロットル（弁）４が配置され、その上流側には、ターボ過給機９、具体的にはそのコンプレッサ９ａが介装されている。スロットル４は、運転者によるアクセルペダル１７の操作とは独立して開度を調整可能な電制のものである。コンプレッサ９ａを駆動する排気タービン９ｂは排気通路５に介装されている。また、吸気通路３のスロットル４の下流側に、スロットル下流の吸気圧すなわち過給圧Ｐｂを検出する過給圧センサ１２が配設されている。

過給圧を調整する手段として、この実施例では排気タービン９ｂの出口側と入口側とが排気バイパス通路１０により接続されており、この通路１０に電制のウエイストゲートバルブ１１が介装されている。このウエイストゲートバルブ１１は、過給圧を所定の特性に保つように機関高速側で開かれるものである。また、吸気弁の開閉時期を連続的に調整可能な油圧駆動式の可変バルブタイミング機構（ＶＴＣ）２１が設けられている。この可変バルブタイミング機構２１は、周知のようにクランクシャフトに対する吸気カムシャフトの位相を変更するものであり、詳細な説明は省略する。

制御部としてのコントロールユニット１３には、運転者により操作されるアクセルペダル１７の開度を検出するアクセル開度センサ１８によるアクセル開度ＡＰＯ、回転数センサ１５による機関回転数、エアフロメータ１６による吸入空気量、上記過給圧センサ１２による過給圧の他、冷却水温や油圧等の検出信号が入力される。そして、コントロールユニット１３は、これらの機関運転状態を表す各種検出信号に基づいて、燃料噴射弁や点火装置へインジェクタ信号１９や点火信号２０を出力して、燃料噴射時期、燃料噴射量及び点火時期などを制御するとともに、可変バルブタイミング機構２１やスロットル４へ制御信号を出力して、吸気弁の開閉時期やスロットル開度を制御する。

図２は、本実施例の制御の流れを示すフローチャートであり、このルーチンは上記のコントロールユニット１３により記憶及び実行される。ステップＳ１１では、スロットル開度の全開域つまり全開出力域の近傍を除く過給領域であって、かつ、機関要求負荷の変化の度合いが後述する過渡走行領域よりも小さい定常走行領域であるかを判定する。具体的には、スロットル開度が全開ではなく、上記過給圧センサ１２による過給圧Ｐｂが大気圧を越える過給領域であり、かつ、機関要求負荷の変化の度合いに相当するアクセル開度の変化率ΔＡＰＯが所定の第１閾値ΔＡＰＯｓ１未満であるかを判定する。

定常走行領域と判定すると、ステップＳ１２へ進み、吸気弁の閉時期（ＩＶＣ）を所定の微少量、遅角化する。続くステップＳ１３及びＳ１４において、エアフロメータ１６により検出される実吸気量ｔＱに基づいて、実吸気量ｔＱが目標吸入空気量ＱＡとなるまでＩＶＣの遅角分に応じてスロットル開度を大きくする。ここでの目標吸入空気量ＱＡは、元々の目標吸入空気量Ｑに対してＩＶＣの遅角化による効率向上分の補正係数Ａ（１未満）を乗じた値である。つまりＩＶＣの遅角化に伴って同等のトルクが得られる吸入空気量自体が低減することとなる（図４参照）。

そして、ステップＳ１５においてスロットル開度が全開と判定されるまで、上記のステップＳ１２〜Ｓ１４の処理が繰り返される。従って、電制のスロットル４に比して応答性の低い油圧駆動式の可変バルブタイミング機構２１によりＩＶＣが微少量ずつ段階的・ステップ的に遅角化される毎に、このＩＶＣ遅角分に応じた目標吸入空気量ＱＡが得られるように応答性の良いスロットル開度が増加される。このため、ＩＶＣの遅角化とスロットル開度の増加とを、トルク変動を招くことなく安定して速やかに行うことができる。

スロットル開度が全開に達すると、ステップＳ１６へ進み、ＩＶＣの遅角側への変化量に応じて、ノッキング限界に対する余裕度が高くなることから、予め設定されたＩＶＣとノック余裕度との関係を示すテーブル等を参照して、ＩＶＣの遅角側への変化量に応じた形で点火時期を進角側へ補正する。

続くステップＳ１７では、所定の排温上限温度（例えば約９００℃）に対する排温余裕代Ｂを算出する。具体的には、例えば排気通路５に設けられる排気温度センサ２２により実排気温度を検出し、上記排温上限温度と実排気温度との差により排温余裕代Ｂを算出する。但し、より簡易的に、ステップＳ１６での点火時期の進角量等に基づいて余裕代Ｂを逐次推定するようにしてもよい。

ステップＳ１８では、上記の排温余裕代Ｂに基づいて、燃料噴射量を減少側へ補正する。言い換えると、排温低下のための燃料増量分を減量する。具体的には、上記の排温余裕代Ｂに基づいて、燃料噴射量の設定に用いられる燃料増量係数ＫＦＢＹＡを低下側へ修正する。

ステップＳ１９及びＳ２０では、アクセル開度の変化率ΔＡＰＯに基づいて、走行領域の判定を行う。具体的には、図３にも示すように、第１閾値ΔＡＰＯｓ１とこれよりも大きな値である第２閾値ΔＡＰＯｓ２の２つの値を用いて判定を行う。

ΔＡＰＯが第２閾値ΔＡＰＯｓ２より小さく第１閾値ΔＡＰＯｓ１より大きい中間走行域では、ステップＳ２１へ進み、スロットル開度を全開に維持したまま、ＩＶＣを制御することにより吸入空気量を調整する。ステップＳ２２では、ステップＳ２１での吸入空気量の調整量に応じて、点火時期を修正し、上記のステップＳ１７へ戻る。

ΔＡＰＯが第２閾値ΔＡＰＯｓ２以上の過渡走行領域であれば、ステップＳ２３以降へ進み、上述した定常走行領域での制御処理（ステップＳ１２〜Ｓ１６）、つまりＩＶＣの遅閉じ化やスロットル全開制御等をやめて、通常の制御処理へ切り換える。具体的には、ステップＳ２３においてＩＶＣを進角し、ステップＳ２４及びステップＳ２５において、元の基本要求吸入空気量Ｑが得られるまでスロットル４を絞る。ステップＳ２６では、ステップＳ２３でのＩＶＣの進角量に応じて、点火時期を遅角側へ修正する。ステップＳ２７では、ステップＳ１７と同様、排温上限温度に対する排温余裕代Ｂを求める。ステップＳ２８では、この余裕代Ｂに応じて燃料噴射量を補正する。具体的には、点火時期の遅角化に伴う余裕代Ｂの減少分、燃料噴射量（燃料増量分）が増量される。例えば余裕代Ｂに応じて燃料増量係数ＦＴＢＹＡを増加側へ修正する。

このように本実施例では、図４のタイムチャートにも示すように、定常走行領域と判定されると（Ｔ１）、ＩＶＣが遅閉じ化され、スロットル開度が全開とされて、排気温度が低下し、この排気温度の低下分、燃料噴射量（増量分）を減少することができ、燃費性能を向上することができる。つまり、ＩＶＣを遅閉じ化することにより実作動ガスを低下させて、スロットルを全開にし、過給圧を最大となるように制御することで、ポンプロスを最小化し、上記の排温低下及び燃費向上を実現することができる。加えて、ＩＶＣの遅閉じ化により有効圧縮比が低下するため、ノック特性を向上することができる。つまり、定常走行領域では、ＩＶＣを遅閉じ化するとともにスロットル開度を全開とすることにより、同等のトルクを確保しつつスロットル下流の吸気圧が上昇し、スロットル上流圧Ｐ１に対する下流圧Ｐ２の差圧が最小化されるため、筒内残留ガス量が低下し、ノック特性が改善し、これにより点火時期を進角でき、これにより排気温度が低下し、これにより排気温度を低下するための燃料増量を低減することができる。

また、アクセル開度変化率ΔＡＰＯが大きい過渡走行領域では、通常のバルブタイミングの設定とし、アクセル開度の変化に応じて、主として応答性に優れたスロットル開度を制御することによって、高い応答性を確保することができる。つまり、定常走行での燃費向上と過渡走行での応答性の向上とを両立することができる。

更に、アクセル開度変化率ΔＡＰＯが第１閾値ΔＡＰＯｓ１と第２閾値ΔＡＰＯｓ２の間の中間領域を設定し、この中間領域では、スロットル開度を全開に維持したまま、微少な吸入空気量（トルク）の調整をＩＶＣにより行うことで、燃費性能を向上できるとともに、定常走行と過渡走行とが過度に切り換ることを防止し、運転性を向上することができる。

図５を参照して、スロットル４への流量が少なく、かつ、スロットル上流の圧力Ｐ１とスロットル下流の圧力（過給圧）Ｐ２との圧力差が大きい領域、つまり低回転高負荷領域では、排気通路５の排気タービン９ｂ上流の排圧（機関背圧）Ｐ３がスロットル下流の圧力Ｐ２よりも小さくなる（Ｐ３＜Ｐ２）。しかしながら、高回転中負荷領域では、同じガス流量であっても、スロットル４を大きく絞ることから、Ｐ１＞Ｐ２となり、結果としてＰ３＞Ｐ２となる。同様に高回転過給域でもスロットルの絞りにより概してＰ３＞Ｐ２となり、排圧増大による排温上昇等が大きな課題である。

本実施例では上述したように定常走行領域ではＩＶＣを徐々に遅角しながらスロットル開度を大きくしていき、最終的にスロットル開度を全開としている。従って、スロットル下流圧Ｐ２を最大限に上昇させることができ、Ｐ２とＰ３の差圧を小さくし、運転条件によってはＰ２がＰ３を上回ることから、排温低下代Ｂが大幅に増大する。従って、上述したように実排気温度をモニタしながら排温上限温度に達するまで、排温低下のための燃料増量分を大幅に減少させることが可能となる。また、過渡応答性の要求の比較的低い中間領域では、スロットル開度を全開に維持し、アクセル開度の変化に応じてＩＶＣを制御することによって吸入空気量を調整することで、燃費性能を更に向上することができる。

図６を参照して、点Ｄは高速走行での回転・負荷に対応しており、線Ｅは点Ｄの当馬力線である。図６（Ａ）に示すように（上記定常走行領域での制御を除く）通常制御では、線Ｅの中でも低回転高負荷側の領域ＲがＰ２＞Ｐ３となり、点Ｄでの領域でその状況を実現するためには、実排気量を小さくする必要がある。上記実施例では、定常走行領域において、ＩＶＣを遅閉じ化することで実排気量を低減し、それに合わせてスロットル開度を全開とすることで、図６（Ｂ）に示すように、点Ｄを含む領域Ｒ’でスロットル下流圧Ｐ２’を排圧Ｐ３よりも大きくすることが可能となる。このため、吸気時に実質的に正のポンプ仕事が行われることとなって熱効率が向上するとともに、シリンダ内の残留ガスを良好に掃気できることから耐ノック性を向上することができる。

また、図６（Ｂ）に示すように、吸気圧Ｐ２’’が平均排圧Ｐ３を上回らなくても、この吸気圧Ｐ２’’が上昇することで、周知のツインスクロールターボ過給機を備えた３気筒内燃機関のように、排気干渉の少ない機関に適用した場合に、掃気効果により更なるノッキング改善効果を得ることができる。

以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。例えば、上記実施例では定常走行で吸気弁の閉時期を遅閉じ化しているが、これに代えて、吸気弁の閉時期を下死点から離れるように進角化する早閉じ化を行うようにしても良い。また、可変バルブタイミング機構は上記実施例のものに限られず、例えば吸気弁の作動角を変更可能な機構を用いるようにしても良い。更に、定常走行領域での制御処理としては、上記のステップＳ１２〜Ｓ１６の処理に代えて、より簡易的に、予め設定された機関回転数−トルクの制御マップを用いて、ＩＶＣ，スロットル開度及び点火時期を設定するようにしても良い。

本発明の一実施例に係る内燃機関の制御装置を簡略的に示す構成図。 上記実施例の制御の流れを示すフローチャート。 アクセル開度変化率による走行判定を説明するための説明図。 本実施例の定常走行への切換時を示すタイムチャート。 スロットル上流圧Ｐ１，下流圧Ｐ２及び排圧Ｐ３の関係を説明するための説明図。 本実施例による定常走行による作用効果を説明するための説明図。 スロットルと可変バルブタイミング機構との応答性の比較説明図。

符号の説明

３…吸気通路
４…スロットル
９…ターボ過給機
１３…エンジンコントロールユニット（制御部）
２１…可変バルブタイミング機構

Claims (5)

1. ターボ過給機と、吸気通路に設けられ、運転者のアクセル操作とは独立して開度を調整可能なスロットルと、吸気弁のバルブタイミングを変更可能な可変バルブタイミング機構と、吸気弁の閉時期及びスロットル開度を制御する制御部と、を有する内燃機関の制御装置において、
   上記制御部は、スロットル開度の全開域を除く過給領域であって、かつ、過渡走行領域よりも機関要求負荷の変化の度合いが小さい定常走行領域であると判定した場合、過渡走行領域に比して、吸気弁の閉時期を吸気下死点から離れる方向へ遅閉じ化又は早閉じ化するとともに、スロットル開度を大きくすることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 上記制御部は、定常走行領域では過渡走行領域に比して燃料噴射量を減少することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 上記制御部は、定常走行領域では過渡走行領域に比して点火時期を進角することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 上記制御部は、
   上記定常走行領域ではスロットル開度を全開とし、
   上記過渡走行領域では機関要求負荷の変化に応じてスロットル開度を制御し、
   機関要求負荷の変化の度合いが上記定常走行領域よりも大きく過渡走行領域よりも小さい中間領域では、機関要求負荷の変化に応じて吸気弁の閉時期を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
5. ターボ過給機と、吸気通路に設けられ、運転者のアクセル操作とは独立して開度を調整可能なスロットルと、吸気弁のバルブタイミングを変更可能な可変バルブタイミング機構と、を有する内燃機関の制御方法において、
   スロットル開度の全開域を除く過給領域であって、かつ、過渡走行領域よりも機関の要求負荷の変化の度合いが小さい定常走行領域であるかを判定し、
   定常走行領域と判定された場合、過渡走行領域に比して、吸気弁の閉時期を吸気下死点から離れる方向へ遅閉じ化又は早閉じ化するとともに、スロットル開度を大きくすることを特徴とする内燃機関の制御方法。

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