JP4720366B2 - 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る。

また、特許文献２には、高負荷域では負荷に応じて作動角を連続的に変化させ、低負荷域では、作動角を固定して吸気通路に設けられた絞り弁を変化させることにより吸入空気量を制御するようにした吸気制御装置が開示されている。
特開２００１−２６３１０５号公報 特開２００４−６８７６７号公報

しかしながら、特許文献２のように低負荷域において絞り弁で吸入空気量を制御すると、吸入負圧が発達し、絞り損失が発生して、吸気弁で吸気量を制御することによる燃費改善効果が薄れてしまう。また特許文献１のように吸気弁のリフト・作動角により吸入空気量を制御する場合、アイドリング状態では、作動角が非常に小さくなっているため、機関の停止後も作動角は小さいままとなり、次回の冷間始動の際に、十分な吸入空気量を確保できずに始動できない可能性がある。

この発明は、内燃機関の吸気弁のリフト特性を規定する一つあるいは複数のパラメータを連続的に変化させることが可能な可変動弁手段と、吸気通路に設けられた絞り弁からなる第２の空気量可変手段と、を備え、アイドル時を含む所定の低負荷側の領域では、吸入負圧が一定となるように上記第２の空気量可変手段を制御しつつ上記可変動弁手段を介して上記パラメータを可変制御することにより吸入空気量を制御する内燃機関の吸気制御装置において、
アイドル状態において、上記内燃機関が停止する前の状態となったことを検出してから、所定時間の間、上記内燃機関が停止前の状態にあると判定し、停止しないまま上記所定時間が経過したときにこの判定をリセットする内燃機関停止前判定手段と、
アイドル状態において、この内燃機関停止前判定手段により上記内燃機関が停止する前の状態にあると判定されている間は、上記パラメータの少なくとも一つを所定値に固定し、第２の空気量可変手段により吸入空気量を制御する吸気制御手段切換手段と、
を有することを特徴とする。

上記パラメータは、例えば、吸気弁の作動角、作動角の中心角、リフト・作動角、開時期、閉時期、等である。上記所定値は、例えば、次回の始動に最低限必要な吸入空気量を確保し得るパラメータの値である。

すなわち、通常の運転中は、基本的に吸気弁のリフト特性が変化することにより内燃機関の吸入空気量が制御される。これに対し、内燃機関が停止する前の状態にあると判定されると、次回の始動が可能なように少なくとも一つのパラメータが所定値に固定され、吸入空気量は、絞り弁等の第２の空気量可変手段によって制御される。従って、そのまま機関が停止しても、吸気弁のリフト特性を規定するあるパラメータは、ある所定値に固定され、次回の始動が可能となる。

内燃機関が停止する前の状態にあるか否かは、例えば、車両の自動変速機の現在のシフトレバー位置によって判定することが可能であり、一般に、車両を停止して自動変速機をＰ（パーキング）レンジに切り換えた後に内燃機関が停止されるので、現在のシフトレバー位置がＰ（パーキング）レンジである場合には、上記内燃機関が停止する前の状態にあると判定することができる。

そして、上記内燃機関が停止する前の状態にあると判定されている時間が所定時間以上になっても上記内燃機関が停止しない場合には、その判定がリセットされるので、例えばＰレンジ位置のまま長時間アイドル運転を行った場合などの燃費の悪化が回避される。

この発明によれば、内燃機関が停止する前の状態にあると判定したときに、例えば吸気弁のリフト・作動角や中心角といったパラメータを所定値に固定し、絞り弁等の手段により吸入空気量の制御を行うので、停止後の次回の始動の際に、始動に必要な吸入空気量を直ちに確保できるようになり、始動性が向上する。そして、内燃機関が停止する前と判定したとき以外は、アイドル運転等を含め基本的に吸気弁のリフト特性によって吸入空気量が制御されるので、燃費が最大限に向上する。

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、上記実施例の構成において、第１可変動弁機構目標角度および絞り弁目標開度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、負荷を表す負荷パラメータとして、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、内燃機関が停止する前の状態であると判定された場合に、第１可変動弁機構目標角度を所定値に固定し、絞り弁目標開度により吸入空気量を調整するように切り換え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（ステップ０１）した後に、例えば自動変速機のシフトレバー位置などから内燃機関が停止する前の状態にあるかどうかを判定する（ステップ０２）。次に、判定結果を確認して（ステップ０３）、内燃機関が停止する前の状態にあると判定された場合には、目標吸入空気量ｔＱに対応する停止前絞り弁目標開度ｔＴＶＯstopを算出して（ステップ０４）、これを絞り弁目標開度ｔＴＶＯに設定する（ステップ０５）。同時に、所定の始動用第１可変動弁機構角度ＶＥＬstartを第１可変動弁機構目標角度ｔＶＥＬに設定する（ステップ０６）。この始動用第１可変動弁機構角度ＶＥＬstartは、目標吸入空気量ｔＱに拘わらず一定（但し、水温、電圧等により変化する値であってもよい）の値となる。

一方、内燃機関が停止する前の状態でない場合は、通常時絞り弁目標開度ｔＴＶＯnormalを算出して（ステップ０７）、これを絞り弁目標開度ｔＴＶＯに設定する（ステップ０８）。通常時絞り弁目標開度ｔＴＶＯnormalは、前述したように、低負荷側の第１の領域では、吸入負圧が一定（例えば−５０ｍｍＨｇ）となるように設定される。そして、目標吸入空気量ｔＱに基づいて通常時第１可変動弁機構目標開度ｔＶＥＬnormalを算出して（ステップ０９）、これを第１可変動弁機構目標開度ｔＶＥＬに設定する（ステップ１０）。

さらに、第１可変動弁機構目標角度ｔＶＥＬが、始動用第１可変動弁機構角度ＶＥＬstartから通常時第１可変動弁機構目標角度ｔＶＥＬnormalへ、もしくは逆に、通常時第１可変動弁機構目標角度ｔＶＥＬnormalから始動時第１可変動弁機構角度ＶＥＬstartへと切換わる際に、第１可変動弁機構５の動きが吸入負圧の変化と同期するように切換処理を行う（ステップ１１）。最後に、目標吸入空気量ｔＱやエンジン回転数Ｎｅなどに応じて第２可変動弁機構目標角度ｔＶＴＣを算出する（ステップ１２）。

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、ｔＮｅは目標エンジン回転数、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２１において目標吸入空気量ｔＱが算出される。また、自動変速機のシフトレバー位置を検出するＰレンジスイッチｓｗＰの信号に基づいて、内燃機関停止前判定部２２において内燃機関停止前フラグｆＳＴＯＰが設定される。このフラグｆＳＴＯＰは、例えばＰレンジ位置にあるときに”ＯＮ”、それ以外のときに”ＯＦＦ”となる。なお、Ｐレンジ位置となってから所定時間経過した時点でリセットするようにしてもよい。切換処理部２４により切り換えられる第１可変動弁機構目標角度ｔＶＥＬには、ｆＳＴＯＰ＝“ＯＮ”の場合は、始動用第１可変動弁機構角度ＶＥＬstartが設定され、ｆＳＴＯＰ＝“ＯＦＦ”の場合は、目標吸入空気量ｔＱとエンジン回転数Ｎｅとに基づいて通常時第１可変動弁機構目標角度演算部２３において算出される通常時第１可変動弁機構目標角度ｔＶＥＬnormalが設定される。ここで、切換処理部２４にはエンジン回転数Ｎｅが入力されており、このエンジン回転数Ｎｅに基づいて、切換処理部２４では、フラグｆＳＴＯＰが“ＯＦＦ”から“ＯＮ”へ切換わる際、および“ＯＮ”から“ＯＦＦ”へ切換わる際に、トルク変動が起きないように吸入負圧の変化に合わせて第１可変動弁機構目標角度ｔＶＥＬを切り換える。

停止前絞り弁目標開度演算部２５においては、目標吸入空気量ｔＱとエンジン回転数Ｎｅに基づいて停止前絞り弁目標開度ｔＴＶＯstopが算出され、通常時絞り弁目標開度演算部２６においては、目標吸入空気量ｔＱとエンジン回転数Ｎｅに基づいて通常時絞り弁目標開度ｔＴＶＯnormalが算出される。切換部２８を通して出力される絞り弁目標開度ｔＴＶＯには、ｆＳＴＯＰ＝“ＯＮ”の場合は、停止前絞り弁目標開度演算部２５において算出される停止前絞り弁目標開度ｔＴＶＯstopが設定され、ｆＳＴＯＰ＝“ＯＦＦ”の場合は、通常時絞り弁目標開度演算部２６において算出される通常時絞り弁目標開度ｔＴＶＯnormalが設定される。また、第２可変動弁機構目標角度演算部２７では、目標吸入空気量ｔＱとエンジン回転数Ｎｅに基づいて、第２可変動弁機構目標角度ｔＶＴＣが算出される。

図４は、この実施例による停止前判定での切換の作用を示すタイムチャートである。これは、車両を停止し、かつアイドリング状態でシフトレバーをＰレンジ以外（Ｄ（ドライブ）レンジ等）の位置からＰレンジへと切り換えた場合の例を示しており、（ａ）ＰレンジスイッチｓｗＰ、（ｂ）絞り弁開度ＴＶＯ、（ｃ）吸入負圧Boost、（ｄ）第１可変動弁機構角度ＶＥＬ、の変化を対比して示している。

運転者が、Ｐレンジ以外で車両停止後、アイドリング状態において時刻ＴでシフトレバーをＰレンジに入れると、ＰレンジスイッチｓｗＰの出力が（ａ）の符号Ａ１で示す線のように変化し、これにより、内燃機関が停止する前の状態にあると判定される。内燃機関が停止する前の状態と判定されると、絞り弁目標開度は、（ｂ）の符号Ｂ１で示す通常時絞り弁目標開度ｔＴＶＯnormalから（ｂ）の符号Ｂ２で示す停止前絞り弁目標開度ｔＴＶＯstopへと切り換わり、（ｂ）の符号Ｂ３で示す線のように得られる。その結果、絞り弁実開度ＴＶＯは、（ｂ）の符号Ｂ４で示す線のように変化し、これに伴って、吸入負圧は、絞り弁開度ＴＶＯの変化よりも遅れて（ｃ）の符号Ｃ１で示す線のように変化する。一方、第１可変動弁機構目標角度ｔＶＥＬは、通常時第１可変動弁機構目標角度ｔＶＥＬnormalから（ｄ）の符号Ｄ１で示す始動用第１可変動弁機構角度ＶＥＬstartへと切り換わるが、このときエンジン回転数Ｎｅを考慮した前述の切り換え処理により切り換えが制御され、第１可変動弁機構目標角度ｔＶＥＬは、（ｄ）の符号Ｄ２で示す線のように得られる。その結果、第１可変動弁機構実角度ＶＥＬは（ｄ）の符号Ｄ３で示す線のようになり、（ｃ）の符号Ｃ１で示す吸入負圧と同位相となってトルク変動を抑えながら切り換えが行われる。

このように、例えばシフトレバー位置から内燃機関が停止する前の状態と判定されると、絞り弁目標開度ｔＴＶＯおよび第１可変動弁機構目標角度ｔＶＥＬが切り換えられ、切換前は、第１可変動弁機構５で吸入空気量を制御し、絞り弁２で吸入負圧を必要最小限の値になるように制御しているのに対して、切換後は、絞り弁２で吸入空気量を制御し、第１可変動弁機構５は始動に必要な角度で固定される。その結果、この状態からキーＯＦＦして内燃機関が停止したときに、第１可変動弁機構５は次回の始動に適した位置のまま停止することになる。従って、次回の内燃機関の始動の際に、クランキング開始直後から始動に最低限必要な吸入空気量が確保され、良好な始動性が得られる。

なお、吸入空気量および吸入負圧の制御には、フィードバック制御やフィードフォワード制御を用いている。また、図には明記していないが、本実施例では、第２可変動弁機構目標角度ｔＶＴＣは、アイドリング状態では一定値となるようにしている。

内燃機関が停止前の状態であることを判定するために、上記実施例では、自動変速機のシフトレバー位置がＰレンジ位置であるときに内燃機関が停止前であると判定しているが、駐車場・目的地への到着や信号停止以外の停止であるといったカーナビゲーションシステムの情報を内燃機関停止前判定に用いてもよく、あるいは、運転者の内燃機関停止作業をカメラ等で認識して内燃機関停止前判定を行うなども可能である。また、本実施例では、内燃機関の停止前に目標角度を始動用の値に切り換える可変動弁機構を第１可変動弁機構としているが、第２可変動弁機構について同様の制御を行っても良く、あるいは第１可変動弁機構と第２可変動弁機構の両方で同様の制御を行っても良い。

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。 本実施例の吸気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。 車両停止から内燃機関停止後までの作用の一例を示すフローチャート。

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

Claims (7)

1. 内燃機関の吸気弁のリフト特性を規定する一つあるいは複数のパラメータを連続的に変化させることが可能な可変動弁手段と、吸気通路に設けられた絞り弁からなる第２の空気量可変手段と、を備え、アイドル時を含む所定の低負荷側の領域では、吸入負圧が一定となるように上記第２の空気量可変手段を制御しつつ上記可変動弁手段を介して上記パラメータを可変制御することにより吸入空気量を制御する内燃機関の吸気制御装置において、
   アイドル状態において、上記内燃機関が停止する前の状態となったことを検出してから所定時間の間、上記内燃機関が停止前の状態にあると判定し、停止しないまま上記所定時間が経過したときにこの判定をリセットする内燃機関停止前判定手段と、
   アイドル状態において、この内燃機関停止前判定手段により上記内燃機関が停止する前の状態にあると判定されている間は、上記パラメータの少なくとも一つを所定値に固定し、第２の空気量可変手段により吸入空気量を制御する吸気制御手段切換手段と、
   を有することを特徴とする内燃機関の吸気制御装置。
2. 上記所定値は、次回の始動に最低限必要な吸入空気量を確保し得るパラメータの値であ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. 上記内燃機関停止前判定手段は、自動変速機の現在のシフトレバー位置がＰレンジである場合に上記内燃機関が停止する前の状態にあると判定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. 上記パラメータは、少なくとも吸気弁の作動角を含む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吸気制御装置。
5. 上記パラメータは、少なくとも吸気弁の作動角の中心角を含む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。
6. 上記可変動弁手段は、少なくとも吸気弁のリフト・作動角を同時にかつ連続的に変化させる可変動弁機構を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の吸気制御装置。
7. 上記可変動弁手段は、少なくとも吸気弁の作動角の中心角を連続的に遅進させる可変動弁機構を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の吸気制御装置。

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