JP4947891B2

JP4947891B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP4947891B2
Application number: JP2004336189A
Authority: JP
Inventors: 錦司森廣
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-11-19
Filing date: 2004-11-19
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2024-11-19
Also published as: JP2006144667A

Description

本発明は、吸気負圧に基づき作動する負圧作動機器を備えた内燃機関に適用されて、吸気バルブの作用角の可変制御とスロットルバルブの開度制御との協調制御を通じて吸入空気量を調節する内燃機関の制御装置に関する。

車載等の内燃機関にあって、燃料タンクで発生した燃料蒸気（ベーパ）をキャニスタに一旦捕集した後、適宜のタイミングで吸気中に放出して浄化する燃料蒸気処理システムを採用したものが知られている。燃料蒸気処理システムでは、吸気中へのベーパの放出が吸気負圧を利用して行われる。このように内燃機関に搭載されてその吸気負圧に基づき作動する負圧作動機器としては、その他にも、例えばブレーキブースタ等が知られている。

また近年、車載等の内燃機関に採用されるシステムとして、機関バルブ（吸・排気バルブ）の開弁期間（作用角）を機関運転条件に応じて可変とする作用角可変制御システムが実用されている。こうした作用角可変制御システムを備える内燃機関では、吸気バルブの作用角を小さくすることで、燃焼室内に吸入される空気量を低減することができる。この場合、スロットルバルブを絞ることで吸入空気量を低減するよりも、ポンピング損失を小さくすることができるため、より低出力（低空気量）で運転可能となり、燃費を向上することができる。

ここで、そうした作用角可変制御システムの採用された内燃機関では、作用角を縮小することによって吸入空気量が低減されるために、低負荷運転時にもスロットル開度は比較的大きいままとなる。そのため、吸気負圧が大気圧に近い状態で運転されることになり、上記負圧作動機器を適正に作動させることができなくなるおそれがある。

そこで従来、内燃機関のアイドル運転時等において吸気バルブの作用角を増大させることが提案されている（特許文献１参照）。
作用角の可変制御とスロットルバルブの開度制御との協調制御が行われる装置にあっては、吸入空気量一定の条件下において吸気バルブの作用角が増大されると、それに伴う吸入空気量の増大を相殺するべく、スロットル開度が小さい開度に変更される。そのため、上記装置のように、吸気バルブの作用角を増大させることで、スロットルバルブが絞られて吸気負圧が高くなり（正確には、吸気圧力が低くなり）、ひいては負圧作動機器の作動の適正化が図られるようになる。
特開２００４−８４５１３号公報

ところで、単に吸気バルブの作用角を増大させると、吸気バルブ及び排気バルブが共に開弁される期間、いわゆるバルブオーバーラップが不要に長くなる。そのため、内燃機関の排気通路から燃焼室に戻される排気の量、いわゆる内部ＥＧＲ量の増大を招くこととなり、これが機関運転状態を不安定化させるおそれがある。

本発明は、こうした実状に鑑みてなされたものであって、その解決しようとする課題は、吸気バルブの作用角の可変制御を通じて負圧作動機器の作動の適正化を図る際に、安定した機関運転状態を維持することのできる内燃機関の制御装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果を記載する。
（１）請求項１に記載の発明は、吸気バルブの作用角の可変制御とスロットルバルブの開度制御との協調制御を通じて吸入空気量を調節するとともに、吸気負圧に基づき作動する燃料蒸気処理システムの異常診断の実行に応じて前記吸気バルブの作用角を増大させるものであり、かつ前記吸気バルブのバルブタイミングおよび排気バルブのバルブタイミングの少なくとも一方を変更することが可能な内燃機関の制御装置において、前記吸気バルブの作用角を前記燃料蒸気処理システムの異常診断に応じた作用角に増大する前、かつ前記吸気バルブおよび前記排気バルブの少なくとも一方のバルブタイミングを前記燃料蒸気処理システムの異常診断に応じたバルブタイミングに変更する前のバルブオーバーラップを診断前バルブオーバーラップとし、前記吸気バルブの作用角を前記燃料蒸気処理システムの異常診断に応じた作用角まで増大し、かつ前記吸気バルブおよび前記排気バルブの少なくとも一方のバルブタイミングを前記燃料蒸気処理システムの異常診断に応じたバルブタイミングに変更したときのバルブオーバーラップを診断後バルブオーバーラップとして、前記燃料蒸気処理システムの異常診断を実行するとき、前記スロットルバルブの開度を前記燃料蒸気処理システムの異常診断実行前よりも小さくし、かつ前記吸気バルブおよび前記排気バルブの少なくとも一方のバルブタイミングを前記燃料蒸気処理システムの異常診断に応じたバルブタイミングに変更することにより前記診断後バルブオーバーラップを前記診断前バルブオーバーラップよりも小さくすることをその要旨とする。

上記構成によれば、負圧作動機器の作動のための吸気負圧を確保するために吸気バルブの作用角が増大されるとき、換言すれば、バルブオーバーラップが不要に長くなるおそれのあるときに、同バルブオーバーラップを縮小する側に吸気バルブのバルブタイミングや排気バルブのバルブタイミングが変更されるようになる。したがって、そうしたバルブオーバーラップの不要な増大を抑制することができ、安定した機関運転状態を維持することができるようになる。

以下、本発明にかかる内燃機関の制御装置を具体化した一実施の形態について説明する。
図１に、本実施の形態にかかる内燃機関の制御装置の概略構成を示す。

同図１に示すように、内燃機関１０の吸気通路１２には、スロットルバルブ１４が設けられている。スロットルバルブ１４には、スロットルモータ１６が連結されている。そして、このスロットルモータ１６の駆動制御を通じてスロットルバルブ１４の開度（スロットル開度）が調節され、これにより吸気通路１２を通じて燃焼室１８内に吸入される空気の量が調節される。また、上記吸気通路１２には燃料噴射弁２０が設けられている。この燃料噴射弁２０は吸気通路１２内に燃料を噴射する。

内燃機関１０の燃焼室１８においては、吸入空気と噴射燃料とからなる混合気に対して点火プラグ２２による点火が行われ、これによって同混合気が燃焼してピストン２４が往復移動し、クランクシャフト２６が回転する。そして、燃焼後の混合気は排気として燃焼室１８から排気通路２８に送り出される。

内燃機関１０において、吸気通路１２と燃焼室１８との間は吸気バルブ３０の開閉動作によって連通・遮断され、燃焼室１８と排気通路２８との間は排気バルブ３２の開閉動作によって連通・遮断される。また、吸気バルブ３０はクランクシャフト２６の回転が伝達される吸気カムシャフト３４の回転に伴って開閉動作し、排気バルブ３２は同じくクランクシャフト２６の回転が伝達される排気カムシャフト３６の回転に伴い開閉動作する。

吸気カムシャフト３４にはバルブタイミング可変機構３８が設けられている。このバルブタイミング可変機構３８は、クランクシャフト２６の回転位相（クランク位相）に対する吸気カムシャフト３４の相対回転位相を調節して、吸気バルブ３０のバルブタイミングを進角又は遅角させるものである。また、このバルブタイミング可変機構３８は、油圧アクチュエータ４０を通じて同機構３８に作用する油圧を制御することにより駆動されるものである。この駆動による吸気バルブ３０のバルブタイミングの変更態様を図２に示す。同図２から分かるように、そうしたバルブタイミングの変更では、吸気バルブ３０の開弁期間（作用角）を一定に保持した状態で同吸気バルブ３０の開弁時期及び閉弁時期が共に進角又は遅角される。

一方、吸気カムシャフト３４の吸気バルブ３０との間には作用角可変機構４２が設けられている。この作用角可変機構４２は、吸気バルブ３０の作用角を可変設定するものである。また、作用角可変機構４２は電動モータ４４によって駆動されるものである。この駆動による吸気バルブ３０の作用角の変更態様を図３に示す。同図３から分かるように、吸気バルブ３０の作用角はリフト量（正確には、最大リフト量）と同期して変化するものであって、例えば作用角が大きくなるほどリフト量も大きくなってゆく。この作用角が大きくなるということは、吸気バルブ３０の開弁時期と閉弁時期とが互いに遠ざかるということであり、吸気バルブ３０の開弁期間が長くなるということを意味する。

なお、本実施の形態では、吸入空気量の調節が、スロットルバルブ１４の開度制御（スロットル制御）と作用角可変機構４２の作動制御（作用角可変制御）との協調制御を通じて行われる。吸入空気量は、スロットル開度が大きいほど、また吸気バルブ３０の作用角が大きいときほど多くなる。そのため上記協調制御にあっては、吸気バルブ３０の作用角が大きく設定されているときにはスロットル開度が小さく設定され、逆に同作用角が小さく設定されているときにはスロットル開度が大きく設定されるといったようにスロットル制御及び作用角可変制御がそれぞれ実行されて、吸入空気量が所望の量に調節される。

上記内燃機関１０は、前述した蒸発燃料処理システムを備えている。この蒸発燃料処理システムは、大きくは、燃料タンク５０に発生する燃料蒸気を捕集するキャニスタ５２、その捕集された燃料蒸気を内燃機関１０の吸気通路１２に放出して浄化（パージ）するためのパージ通路５４、このパージを行う際にキャニスタ５２内に大気を導入する大気通路５６等を備えて構成される。

キャニスタ５２の内部には、燃料蒸気を吸着する吸着材（活性炭）が充填されており、同キャニスタ５２には、吸気通路１２に通じるパージ通路５４が接続されている。このパージ通路５４には同パージ通路５４の通路断面積を調節するパージ制御弁５４ａが設けられている。このパージ制御弁５４ａの開度は内燃機関１０の運転状態に基づき設定される。そうしたパージ制御弁５４ａの開度設定を通じて、キャニスタ５２内から吸気通路１２にパージ処理される燃料蒸気の量が同運転状態に応じたかたちで調節される。

また、キャニスタ５２は、ベーパ通路５８を介して燃料タンク５０に接続されている。このベーパ通路５８を通じて、燃料タンク５０内の燃料蒸気がキャニスタ５２内に導入される。

更に、キャニスタ５２には大気通路５６が設けられており、同大気通路５６には大気弁５６ａが取付けられている。この大気弁５６ａは、通常時には開弁状態に保持される。そのため、上記パージ処理の実行に際して、キャニスタ５２内が大気圧よりも低い圧力になると、上記大気通路５６を通じてキャニスタ５２内に大気が導入される。一方、同キャニスタ５２内が大気圧よりも高い圧力になると大気通路５６を通じてキャニスタ５２内の空気が大気中に排出される。なお、この大気弁５６ａは、後述する異常診断時には閉駆動されて大気通路５６を閉鎖する。

このように構成された蒸発燃料処理システムでは、燃料タンク５０内に燃料蒸気が発生すると、燃料タンク５０内の燃料蒸気はベーパ通路５８を通じてキャニスタ５２内に導入され、同キャニスタ５２内の吸着材に一旦吸着される。

一方、内燃機関１０の運転時にパージ制御弁５４ａが開かれると、パージ通路５４内に吸気通路１２の圧力（吸気負圧）が導入され、この吸気負圧の導入に伴い大気通路５６を通じてキャニスタ５２内に大気が導入される。そして、上記キャニスタ５２内の燃料蒸気は、その大気によって吸着材から離脱されるとともにパージ通路５４を通じて吸気通路１２にパージ処理される。

また、本実施の形態では、蒸発燃料処理システムの異常の有無を判定する異常診断が実行される。
この異常診断は、燃料タンク５０の内部、ベーパ通路５８、キャニスタ５２の内部、及びパージ通路５４といった燃料蒸気が導入される部位と、大気通路５６とにより構成される燃料蒸気経路の穴あきや配管の外れ等の有無をその診断対象としている。なお、上記異常診断は燃料タンク５０の内圧（タンク内圧）に基づき実行される。燃料タンク５０の上部にはタンク内圧を検出するための圧力センサ６２が設けられている。

上記異常診断は、具体的には以下のように実行される。
すなわち先ず、パージ制御弁５４ａが開となっている条件で大気弁５６ａが閉駆動されて、燃料蒸気経路に吸気通路１２から吸気負圧が導入される。これにより、図４に示すように、その後において（時刻ｔ１１以降）、タンク内圧は徐々に低下するようになる。

そして、その後の所定時間内にタンク内圧が所定圧力ＰＡまで低下しない場合には、上記燃料蒸気経路に比較的大きな漏れが発生していると判断され、同燃料蒸気経路が異常である旨診断される（時刻ｔ１２）。

一方、図５に示すように、吸気負圧の導入開始後（時刻ｔ２１以降）、所定時間経過する前にタンク内圧が所定圧力ＰＡまで低下した場合には、パージ制御弁５４ａが強制的に閉じられる（時刻ｔ２２）。その結果、上記燃料蒸気経路内は密閉された状態になる。このように燃料蒸気経路内が低圧（所定圧力ＰＡ）下に置かれた状態で密閉されると、タンク内圧は、上記所定圧力ＰＡを一時的に下回るものの、その後、同経路内の燃料（例えば燃料タンク５０内の燃料やキャニスタ５２の吸着材に吸着されている燃料）が蒸発するに伴って徐々に上昇する。このタンク内圧の上昇態様に基づいて、上記燃料蒸気経路における比較的小さな漏れの有無が判定される。

上記内燃機関１０は、例えばマイクロコンピュータを有して構成される電子制御装置６０を備えている。この電子制御装置６０は、各種センサ類の検出信号を取り込むとともに各種の演算を行い、その演算結果に基づいてスロットル制御や、燃料噴射制御、バルブタイミング可変機構３８の作動制御、作用角可変制御、パージ制御等といった機関制御にかかる各種制御を実行する。また、電子制御装置６０は、上記異常診断にかかる制御についてもこれを実行する。

ここで、本実施の形態では、燃費向上を図るべく、作用角可変制御を通じて吸気バルブ３０の作用角が小さく設定される。ただし、単に吸気バルブ３０の作用角を小さくすると、前述したように吸入空気量が少なくなり、更にはスロットル開度が大きくなることから、その分だけ吸気通路１２内の圧力が高く（吸気負圧が低く）なってしまう。そのため、燃費を向上させることができるものの、上記異常診断の実行時において燃料蒸気処理システム（詳しくは燃料蒸気経路）の減圧が困難なものとなる。

図６に、吸気バルブ３０のリフト量の推移の一例を示す。なお、図６にあって、実線には異常診断の未実行時におけるリフト量の推移を示し、一点鎖線には異常診断の実行時におけるリフト量の推移を示している。また、図６の二点差線には、排気バルブ３２のリフト量の推移の一例を示している。

同図６に示すように、本実施の形態では、吸気バルブ３０のリフト量及び作用角を異常診断の未実行時に小さく設定し、異常診断の実行時に増大させるようにしている。
本実施の形態では上記協調制御が実行されるために、異常診断の実行に伴って作用角が増大されると、それに伴う吸入空気量の増大を相殺するべく、スロットル開度が小さい開度に変更されて（スロットルバルブ１４が絞られて）、吸気負圧が高くなる。そのため、異常診断の実行に際して、燃料蒸気処理システムが速やかに減圧されるようになり、その診断が好適に行われるようなる。

しかも、異常診断が実行されない場合には、特に内燃機関１０の低負荷運転時、すなわち吸入空気量の少ないときにおいて吸気バルブ３０の作用角が小さく設定され、燃費向上が図られるようになる。

一方、図７に示すように、単に吸気バルブ３０のリフト量及び作用角を大きくすると、その分だけ吸気バルブ３０及び排気バルブ３２が共に開弁される期間、いわゆるバルブオーバーラップが不要に長くなる。これは内燃機関１０の排気通路２８から燃焼室１８に戻される排気の量、いわゆる内部ＥＧＲ量を不要に増加させることとなるために、燃焼室１８における混合気の燃焼の不安定化、ひいては機関運転状態の不安定化を招く要因になる。

そこで、本実施の形態では、図６に示すように、異常診断の実行に際し、吸気バルブ３０の作用角を増大させることに加えて、同吸気バルブ３０のバルブタイミングを、バルブオーバーラップを縮小させる側、すなわち遅角側に変更するようにしている。これにより、バルブオーバーラップの不要な増大が抑制されて、安定した状態で混合気が燃焼するようになり、安定した機関運転状態が維持されるようになる。

なお、上記実施の形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・上記異常診断にかかる処理は、燃料蒸気経路内への吸気負圧の導入を通じて蒸発燃料処理システムを減圧する処理を含むのであれば、任意に変更可能である。

・前記バルブタイミング可変機構３８に加えて排気カムシャフト３６にもバルブタイミング可変機構を設け、吸気バルブ３０のバルブタイミングを遅角側に変更することに併せて、排気バルブ３２のバルブタイミングを進角側に変更するようにしてもよい。同構成によれば、リフト量の増大に伴うバルブオーバーラップの不要な増大を、高い自由度をもって適正に抑制することができるようになる。

・また、同構成において、排気バルブ３２のバルブタイミングを遅角側に変更することのみをもって、バルブオーバーラップの不要な増大を抑制するようにしてもよい。なお、この場合、バルブタイミング可変機構３８を省略することも可能である。

・また、こうしたバルブタイミングの変更は、蒸発燃料処理システムの異常診断の実行時に実行することの他にも、例えば蒸発燃料処理システムによるパージ処理の実行時に実行することや、ブレーキブースタを備えた車両の内燃機関がアイドル運転状態であるときに実行すること等も可能である。要は、吸気負圧に基づき作動する負圧作動機器を備えた内燃機関にあって、同負圧作動機器の作動に応じてバルブオーバーラップを縮小させる側にバルブタイミングを変更するようにすればよい。

・本発明にかかる制御装置は、吸気バルブのリフト量及び作用角が互いに同期した状態で変更される作用角可変機構の設けられた内燃機関に限らず、吸気バルブの作用角のみを変更する可変機構が設けられた内燃機関にも適用可能である。

本発明にかかる内燃機関の制御装置の一実施の形態の概略構成図。バルブタイミング可変機構の駆動に基づく吸気バルブのバルブタイミングの変化態様を示すグラフ。作用角可変機構の駆動に基づく吸気バルブの作用角の変化態様を示すグラフ。蒸発燃料処理システムの異常診断時におけるタンク内圧の推移の一例を示すタイミングチャート。同異常診断時におけるタンク内圧の推移の他の例を示すタイミングチャート。同異常診断の実行に応じた吸気バルブの作用角及びバルブタイミングの変更態様を示すグラフ。吸気バルブの作用角のみを増大させた場合における各バルブのリフト量の推移を示すグラフ。

符号の説明

１０…内燃機関、１２…吸気通路、１４…スロットルバルブ、１６…スロットルモータ、１８…燃焼室、２０…燃料噴射弁、２２…点火プラグ、２４…ピストン、２６…クランクシャフト、２８…排気通路、３０…吸気バルブ、３２…排気バルブ、３４…吸気カムシャフト、３６…排気カムシャフト、３８…バルブタイミング可変機構、４０…油圧アクチュエータ、４２…作用角可変機構、４４…電動モータ、５０…燃料タンク、５２…キャニスタ、５４…パージ通路、５４ａ…パージ制御弁、５６…大気通路、５６ａ…大気弁、５８…ベーパ通路、６０…電子制御装置、６２…圧力センサ。

Claims

吸気バルブの作用角の可変制御とスロットルバルブの開度制御との協調制御を通じて吸入空気量を調節するとともに、吸気負圧に基づき作動する燃料蒸気処理システムの異常診断の実行に応じて前記吸気バルブの作用角を増大させるものであり、かつ前記吸気バルブのバルブタイミングおよび排気バルブのバルブタイミングの少なくとも一方を変更することが可能な内燃機関の制御装置において、
前記吸気バルブの作用角を前記燃料蒸気処理システムの異常診断に応じた作用角に増大する前、かつ前記吸気バルブおよび前記排気バルブの少なくとも一方のバルブタイミングを前記燃料蒸気処理システムの異常診断に応じたバルブタイミングに変更する前のバルブオーバーラップを診断前バルブオーバーラップとし、
前記吸気バルブの作用角を前記燃料蒸気処理システムの異常診断に応じた作用角まで増大し、かつ前記吸気バルブおよび前記排気バルブの少なくとも一方のバルブタイミングを前記燃料蒸気処理システムの異常診断に応じたバルブタイミングに変更したときのバルブオーバーラップを診断後バルブオーバーラップとして、
前記燃料蒸気処理システムの異常診断を実行するとき、前記スロットルバルブの開度を前記燃料蒸気処理システムの異常診断実行前よりも小さくし、かつ前記吸気バルブおよび前記排気バルブの少なくとも一方のバルブタイミングを前記燃料蒸気処理システムの異常診断に応じたバルブタイミングに変更することにより前記診断後バルブオーバーラップを前記診断前バルブオーバーラップよりも小さくする
ことを特徴とする内燃機関の制御装置。