JP5083569B2 - 多気筒エンジンの空燃比制御装置 - Google Patents

多気筒エンジンの空燃比制御装置 Download PDF

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Description

本発明は、多気筒エンジンの空燃比制御装置に関する。
自動車等に搭載される多気筒エンジンの多くには、エンジンの運転状態に応じて吸気弁又は排気弁のバルブリフト量を適宜設定することができる可変式動弁機構を備えるようになってきている。この可変式動弁機構によって吸気や排気の効率を最適に設定することで、排ガス性能や燃費の向上を図っている。
しかしながら、可変式動弁機構を具備するエンジンにおいては、製造バラツキ等によって気筒間でのバルブリフト量のバラツキが生じることがある。バルブリフト量のバラツキがあると、特に低バルブリフト時には気筒間での空気分配にずれを生じ易く空燃比のずれ(気筒間の空燃比バラツキ:以下単に空燃比バラツキという)を招き易い。この空燃比バラツキが大きくなると、排ガス性能や快適性(例えば、騒音、振動、乗り心地等)が悪化してしまうという問題がある。
このような問題を解決するために、エンジンの非作動時にバルブリフト量を調整可能な調整機構を備えた可変式動弁装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2005−299536号公報
このような調整機構によってバルブリフト量を調整することによっても、勿論、各気筒間での空燃比バラツキを抑制することはできるが、制御によってこのような空燃比バラツキを抑制することも望まれている。
ところで、吸気弁のバルブリフト量は燃費への影響が大きい。このため、可変式動弁機構を備えたエンジンにおいては、低負荷運転時には吸気弁のバルブリフト量を小さくなるように設定することで燃費の向上が図られている。吸気弁のバルブリフト量を小さくすると吸気量が減少し、またポンピングロスが抑えられるため、燃費を向上させることができる。
しかしながら、吸気弁のバルブリフト量が小さい運転状態では、バルブリフト量が大きいときに比べてバルブリフト量が空燃比に影響する度合が高いため、気筒間における空燃比バラツキが大きくなり易い。このため、吸気弁のバルブリフト量が小さい運転状態では、空燃比バラツキに起因して排ガス性能や快適性が悪化し易い。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、運転状態に拘わらず排ガス性能や快適性を良好に維持することができるエンジンの空燃比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本発明の第1の態様は、吸気弁のバルブリフト量を調整可能な可変式動弁機構を有し、燃料噴射量や前記吸気弁のバルブリフト量を調整して空燃比を目標空燃比に制御する多気筒エンジンの空燃比制御装置であって、前記エンジンの排気空燃比を検出する空燃比検出手段と、該空燃比検出手段の検出結果に基づいて各気筒間での空燃比のずれを検出する空燃比ずれ検出手段と、前記空燃比ずれ検出手段が各気筒間で空燃比のずれを検出した場合に、そのずれを減少させるように各気筒に対応する燃料噴射弁から噴射される燃料噴射量を補正する気筒別燃料噴射量補正手段と、前記エンジンの運転状態に応じて目標バルブリフト量を設定する設定手段と、該設定手段によって設定された目標バルブリフト量となるように前記可変式動弁機構を制御する機構制御手段と、前記気筒別燃料噴射量補正手段による補正量が所定量以上となった場合に、前記空燃比ずれ検出手段が検出した各気筒間での空燃比のずれに基づいて前記吸気弁の目標バルブリフト量を増加させる補正を行うバルブリフト量補正手段と、を具備することを特徴とする多気筒エンジンの空燃比制御装置にある。
かかる第1の態様では、各気筒間の空燃比バラツキが、燃料噴射量の補正によって抑制され、吸気弁のバルブリフト量を補正(増加)することでさらに抑制される。したがって、運転状態に拘わらず排ガス性能や快適性を良好に維持することができる。
本発明の第2の態様は、前記気筒別燃料噴射量補正手段は、前記空燃比ずれ検出手段が所定量以上の空燃比バラツキを検出した場合に、燃料噴射量を補正することを特徴とする第1の態様の多気筒エンジンの空燃比制御装置にある。
かかる第2の態様では、空燃比バラツキが確実に生じている場合にのみ燃料噴射量の補正が行われ、必要以上に空燃比を変化させることがなく排ガス性能や快適性がさらに安定する。
本発明の第3の態様は、前記バルブリフト量補正手段は、前記設定手段によって設定された前記吸気弁の目標バルブリフト量が所定値よりも小さい場合に当該吸気弁の目標バルブリフト量を補正することを特徴とする第1又は2の態様の多気筒エンジンの空燃比制御装置にある。
かかる第3の態様では、吸気量のバルブリフト量が小さい運転状態では、バルブリフト量が空燃比に影響する度合が高いが、このような運転状態において目標バルブリフト量を補正することで、空燃比バラツキがより確実に抑制される。
本発明の第4の態様は、前記バルブリフト量補正手段は、前記所定値を限度として前記吸気弁の目標バルブリフト量を補正することを特徴とする第3の態様の多気筒エンジンの空燃比制御装置にある。
かかる第4の態様では、目標バルブリフト量の補正値を制限しておくことで燃料噴射量の過度の増加が抑えられる。したがって、低燃費を維持しつつ排ガス性能や快適性を良好に維持することができる。
かかる本発明では、エンジンの運転状態に拘わらず、つまり吸気弁のバルブリフト量が小さい運転状態であっても、各気筒間での空燃比バラツキが効果的に抑制される。したがって、燃費の向上を図りつつ排ガス性能や快適性(例えば、騒音、振動、乗り心地等)を良好に維持することができる。
一実施形態に係る空燃比制御装置を含むエンジンシステムを示す概略構成図である。 一実施形態に係るエンジンの構成を示す概略図である。 一実施形態に係る可変式動弁機構を示す断面図である。 一実施形態に係る空燃比制御方法を示すフローチャートである。
以下、図面を参照しつつ本発明の一実施形態について説明する。
図1及び図2に示すように、本実施形態に係る多気筒ガソリンエンジン(以下、単にエンジンという)11は、吸気管噴射型(Multi Point Injection)のガソリンエンジンである。エンジン11は、シリンダヘッド12とシリンダブロック13とを有している。シリンダブロック13の各シリンダ14内には、ピストン15が往復移動自在に収容されている。このピストン15とシリンダ14とシリンダヘッド12とで燃焼室16が形成されている。ピストン15は、コンロッド17を介してクランクシャフト18に接続されている。ピストン15の往復運動は、コンロッド17を介してクランクシャフト18に伝達される。
シリンダヘッド12には吸気ポート19が形成されている。この吸気ポート19には吸気マニホールド20が接続されている。吸気ポート19には吸気弁21が設けられており、この吸気弁21によって燃焼室16と吸気ポート19とが連通・遮断されるようになっている。吸気マニホールド20には、図2に示すように、例えば、電磁式の燃料噴射弁22が各気筒#1〜#4に対応する吸気ポート19内にそれぞれ燃料を噴射可能に設けられている。これらの燃料噴射弁22には、図示は省略するが、燃料パイプ及び燃料ポンプを介して燃料タンクを擁した燃料供給装置が接続されている。
シリンダヘッド12には、さらに排気ポート23が形成されている。この排気ポート23には排気マニホールド24の一端が接続され、排気マニホールド24の他端には排気管25が接続されている。なお、排気ポート23には排気弁26が設けられており、吸気ポート19における吸気弁21と同様、燃焼室16と排気ポート23とはこの排気弁26によって連通・遮断されるようになっている。なお吸気弁21及び排気弁26には、スプリングによって閉まる方向に付勢される常閉式のものを採用している。
またシリンダヘッド12のシリンダブロック13と反対側には、図3に示すように、吸気弁21及び排気弁26の開閉動作を調整する可変式動弁機構50が搭載されている。
ここで可変式動弁機構50の動作について簡単に説明する。可変式動弁機構50における吸気弁用カム51の変位と当該変位を伝達する荷重は、吸気弁用カム51、センタロッカアーム52、揺動カム53、吸気弁用ロッカアーム54の順番で伝達される。
具体的には、第1の滑りローラ部材55が吸気弁用カム51と当接しているので、まず、第1の滑りローラ部材55が吸気弁用カム51の変位に起因する荷重を受ける。第1の滑りローラ部材55に入力された荷重によって、センタロッカアーム52が吸気弁用カム51の変位に合わせて変位する。センタロッカアーム52の変位に起因して、センタロッカアームの先端面56から第2の滑りローラ部材57(揺動カム53)に荷重が伝わる。
揺動カム53に入力された荷重によって、当該揺動カム53が揺動カム用ロッカシャフト58回りに揺動する。揺動カム53の揺動に起因して、カム面59からニードルローラ部材60に荷重が入力される。ニードルローラ部材60に荷重が入力されることに起因して、吸気弁用ロッカアーム54が変位する。吸気弁用ロッカアーム54の変位に起因して吸気弁21が開閉される。
また電動モータによって吸気弁用ロッカシャフト61を回転することによって、吸気弁用ロッカシャフト61においてセンタロッカアーム52の支点用アーム部62を支持する支持部の位置(制御アーム63の姿勢)が変化する。この変化にともなって、センタロッカアーム52の姿勢が変化する。
センタロッカアーム52の姿勢が変化すると、揺動カム53に伝達される吸気弁用カム51のカムリフトの変位の程度が変化する。このことによって、揺動カム53の姿勢と揺動とが変化し、それゆえ吸気弁用ロッカアーム54の動作が変化する。このように、電動モータが吸気弁用ロッカシャフト61の姿勢を調整することによって、吸気弁21の動作(バルブリフト量及び開弁期間)が調整される。
なお本実施形態に係る可変式動弁機構50は、特開2008−202581号公報に記載の可変式動弁機構を採用したものであるが、この可変式動弁機構は少なくとも吸気弁のバルブリフト量を調整可能なものであればよく、その構造は特に限定されるものではない。
またシリンダヘッド12には、各気筒毎に点火プラグ27が取り付けられている。各点火プラグ27には、高電圧を出力する点火コイル28が接続されている。吸気マニホールド20の上流側にはサージタンク29が設けられている。サージタンク29の上流側には吸気量を調整するスロットルバルブ30が設けられており、併せてスロットルバルブ30の開度を検出するスロットルポジションセンサ(TPS)31が設けられている。なおスロットルバルブ30は、図示しないがアクセルペダルの操作に連動して開度が調整される。またスロットルバルブ30の上流には、吸気量を計測するエアフローセンサ32が介装されている。
排気マニホールド24に接続された排気管25には、排ガス浄化用触媒である三元触媒33が介装されている。三元触媒33の下流側には、触媒通過後の排ガスのNOx濃度を検出するNOxセンサ34が設けられており、三元触媒33の上流側には、触媒通過前の排ガスの空燃比(排気空燃比)を検出する空燃比検出手段としてのリニア空燃比センサ(LAFS)35が設けられている。
ECU(電子コントロールユニット)70は、入出力装置、記憶装置(ROM、RAM等)、中央処理装置(CPU)、タイマカウンタ等を備え、本発明の空燃比制御装置10を構成する。そしてこのECU70により、エンジン11の総合的な制御が行われる。ECU36の入力側には、上述したTPS31、エアフローセンサ32、NOxセンサ34、リニア空燃比センサ(LAFS)35の他、エンジン11のクランク角を検出するクランク角センサ37の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力される。
一方、ECU70の出力側には、上述の燃料噴射弁22、点火コイル28、スロットルバルブ30、可変式動弁機構50等の各種出力デバイスが接続されている。これら各種出力デバイスには、各種センサ類からの検出情報に基づきECU70で演算された燃料噴射量、燃料噴射時間、点火時期等がそれぞれ出力される。詳しくは、各種センサ類からの検出情報に基づき適正な目標空燃比(目標A/F)が設定され、実際の空燃比がこの目標A/Fとなるように、適正量の燃料が適正なタイミングで燃料噴射弁22から噴射され、またスロットルバルブ30が適正な開度に調整され、点火プラグ27により適正なタイミングで火花点火が実施されるようになっている。
そして、本発明に係る空燃比制御装置10は、このような各種センサ類とECU70とで構成され、これら各種センサ類からの検出情報に基づいて燃料噴射量や吸気弁のバルブリフト量を適宜調整することで、空燃比を適正に制御している。
ECU70には、本実施形態に係る空燃比制御装置10として、空燃比ずれ検出手段71と、気筒別燃料噴射量補正手段72と、設定手段73と、機構制御手段74と、バルブリフト量補正手段75とを具備する。
空燃比ずれ検出手段71は、排気空燃比検出手段であるLAFS35の検出結果に基づいて、各気筒#1〜#4間での空燃比バラツキを検出する。例えば、本実施形態では、LAFS35によって、各気筒#1〜#4に設けられたクランク角センサ37の検出結果(クランク角)に同期して排気空燃比を検出する。空燃比ずれ検出手段71は、このように検出された排気空燃比に基づいて各気筒#1〜#4の空燃比を推定すると共に、その推定結果(推定空燃比)から各気筒#1〜#4の空燃比バラツキ量を算出する。本実施形態では、空燃比バラツキ量として、各気筒#1〜#4における推定空燃比とそれらの平均空燃比との偏差を算出している。
気筒別燃料噴射量補正手段72は、空燃比ずれ検出手段71が空燃比のバラツキを検出した場合に、空燃比バラツキを減少させるように各気筒#1〜#4に対応する燃料噴射弁22のそれぞれから噴射される燃料噴射量(燃料噴射期間)を補正する。本実施形態に係る気筒別燃料噴射量補正手段72は、空燃比ずれ検出手段71が所定量以上の空燃比バラツキを検出した場合に、各気筒#1〜#4に対応する燃料噴射弁22のそれぞれから噴射される燃料噴射量を補正する。本実施形態では、気筒#1〜#4の何れかの推定空燃比と平均空燃比との偏差が所定値を超えた場合に、各燃料噴射弁22のそれぞれから噴射される燃料噴射量を補正する。
設定手段73は、エンジン11の運転状態に応じて吸気弁の目標バルブリフト量を設定し、機構制御手段74は、吸気弁21のバルブリフト量が設定手段73によって設定された目標バルブリフト量となるように可変式動弁機構50を制御する。
バルブリフト量補正手段75は、気筒別燃料噴射量補正手段72による補正量(積算値)が所定量以上となった場合に、空燃比ずれ検出手段71の検出結果に基づいて吸気弁21の目標バルブリフト量を増加させる補正を行う。
以下、このような構成の空燃比制御装置10による空燃比制御の一例を、図4を参照して説明する。エンジン11が始動されると、空燃比ずれ検出手段71による各気筒#1〜#4間の空燃比バラツキの検出が開始され、検出された空燃比バラツキが所定量以上である場合には(ステップS1:Yes)、ステップS2で気筒別燃料噴射量補正手段72が各気筒#1〜#4に対応する燃料噴射弁22のそれぞれの燃料噴射量をフィードバック補正する。
このとき気筒別燃料噴射量補正手段72は、燃料噴射量の補正前後で、各気筒#1〜#4の平均空燃比が維持されるように各燃料噴射弁22から噴射される燃料噴射量を補正する。すなわち燃料噴射量を補正することで、各気筒#1〜#4に対応する燃料噴射弁22それぞれから噴射されるトータルの燃料噴射量が変化しないようにする。具体的には、気筒別燃料噴射量補正手段72が、空燃比バラツキが最も大きい一の気筒に対応する燃料噴射弁22の燃料噴射量を補正すると共に、他の気筒に対応する燃料噴射弁22の燃料噴射量は、一の気筒に対応する燃料噴射弁22の燃料噴射量の補正とは反対側に補正する。例えば、気筒#1の空燃比バラツキがリーン側に最も大きく、気筒#1に対応する燃料噴射弁22の燃料噴射量の補正量(増加量)をXとする場合には、気筒#2〜#4に対応する各燃料噴射弁22の燃料噴射量の補正量(減少量)をX/3とする。これにより、トータルの燃料噴射量は変化することなく、各気筒#1〜#4間における空燃比バラツキが抑制される。すなわち燃費を変化させることなく空燃比のバラツキを抑制することができる。
次いでステップS3で、気筒別噴射量補正の学習処理が行われる。例えば、気筒別燃料噴射量補正手段72によって求められた気筒#1〜#4毎の補正量(増減量)が現在記憶されている補正量に積算され、その積算値が学習値として記憶される。これにより、次のサイクルからは、新たに記憶された学習値(積算値)に基づいて燃料噴射弁から燃料が噴射されることになる。なお、この学習値は次にキーオフされるまで記憶されている。
次に、ステップS4で気筒別燃料噴射量補正の学習値(積算値)が、予め設定された所定値A以上か否かが判定される。ここでは、燃料噴射量の補正により空燃比バラツキを十分に抑制できているか否かを判定している。
学習値が所定値A以上である場合、つまり燃料噴射量の補正だけでは空燃比バラツキを十分に抑制できていない場合には(ステップS4:Yes)、次いでステップS5で設定手段73によって設定された吸気弁21の目標バルブリフト量が所定値Bよりも小さいか否かが判定される。ステップS5ではエンジン11の運転状態が比較的低負荷運転時であり、吸気弁21のバルブリフト量が空燃比に影響する度合が高い状態であるか否かを判定している。
そして、目標バルブリフト量が所定値Bよりも小さい場合(ステップS5:Yes)、つまり吸気弁21のバルブリフト量が空燃比に影響する度合が高い状態である場合には、バルブリフト量補正手段75が吸気弁21の目標バルブリフト量を増加させる補正を行う。本実施形態では、目標バルブリフト量を所定値Bに設定(補正)している(ステップS6)。その後、この目標バルブリフト量に応じて機構制御手段74が可変式動弁機構50を適宜制御し、吸気弁21が所定値Bのバルブリフト量で作動されるようにする。
このように吸気弁21のバルブリフト量を増加させると吸気量が増加するため、吸気弁21のバルブリフト量の空燃比に影響する度合が著しく低減される。したがって、各気筒#1〜#4間における空燃比バラツキが抑制され、排ガス性能や快適性(例えば、騒音、振動、乗り心地等)を良好に維持することができる。
なお、ステップS5で吸気弁21の目標バルブリフト量が所定値B以上である場合には(ステップS5:No)、吸気弁21のバルブリフト量が空燃比に影響する度合は低いため、吸気弁21のバルブリフト量を増加させても空燃比バラツキの大幅な改善は見込めず、燃費低下にも繋がる。このため吸気弁21の目標バルブリフト量は補正することなく処理を終了する。
またステップS1で各気筒#1〜#4間における空燃比バラツキが所定量以上でない場合には(ステップS1:No)、空燃比バラツキが少ない状態であり燃料噴射量及び目標バルブリフト量の補正は必要ないため、そのまま処理を終了する。ステップS4で気筒別噴射量補正の学習値が所定値Aよりも小さい場合には(ステップS4:No)、燃料噴射量の補正によって空燃比バラツキが十分に抑制されていると判定され、この段階では目標バルブリフト量の補正は行わずに処理を終了する。
以上説明したように本実施形態では、各気筒間の空燃比バラツキが検出された場合に、燃料噴射量を補正すると共に吸気弁の目標バルブリフト量を補正するようにしたので、各気筒間における空燃比バラツキを効果的に抑制することができる。したがって、運転状態に拘わらずに安定した燃焼を確保して、排ガス性能や快適性を良好に維持することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、このような実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態では、空燃比ずれ検出手段が、各気筒の推定空燃比と平均空燃比との偏差に基づいて空燃比バラツキを検出するようにしたが、空燃比バラツキの検出方法は、特に限定されるものではない。例えば、特開2005−016397号公報に開示されているように、各気筒の空燃比がストイキに対してリーン・リッチのどちら側に位置し、その後どのように変化するかによって空燃比バラツキを検出するようにしてもよい。
また本実施形態では、燃料噴射量の増減量を学習値として記憶するようにした例を説明したが、この学習値は、例えば、補正係数であってもよい。
また本実施形態では可変式動弁機構を制御して吸気弁のバルブリフト量を調整するようにしたが、勿論、排気弁のバルブリフト量も調整するようにしてもよい。さらに、可変式動弁機構としてバルブリフト量と共に開弁期間が可変なものを例示したが、可変式動弁機構はバルブリフト量が可変であればよい。
また本実施形態では、空燃比検出手段として排気管に1つのLAFSを設け、この検出結果に基づいて各気筒の空燃比を推定するようにしたが、勿論、気筒毎にLAFSを設けるようにしてもよい。これにより、各気筒の空燃比をより正確に求めることができる。なお、勿論、このLAFSの替わりにOセンサを用いることもできる。
また上述の実施形態では、排ガス浄化用触媒として三元触媒を例示したが、排ガス浄化用触媒の構成は、特に限定されるものではなく、例えば、三元触媒とNOx吸蔵触媒とで構成されていてもよい。さらに上述の実施形態では、吸気管噴射型のガソリンエンジンを例示して本発明を説明したが、勿論、本発明は、例えば、筒内噴射型のガソリンエンジンや、ディーゼルエンジン等、他のタイプのエンジンにも採用することができることは言うまでもない。
10 空燃比制御装置
11 エンジン
12 シリンダヘッド
13 シリンダブロック
14 シリンダ
15 ピストン
16 燃焼室
17 コンロッド
18 クランクシャフト
19 吸気ポート
20 吸気マニホールド
21 吸気弁
22 燃料噴射弁
23 排気ポート
24 排気マニホールド
25 排気管
26 排気弁
27 点火プラグ
28 点火コイル
29 サージタンク
30 スロットルバルブ
31 スロットルポジションセンサ(TPS)
32 エアフローセンサ
33 三元触媒
34 Oセンサ
35 リニア空燃比センサ(LAFS)
36 ECU
37 クランク角センサ
50 可変式動弁機構

Claims (4)

  1. 吸気弁のバルブリフト量を調整可能な可変式動弁機構を有し、燃料噴射量や前記吸気弁のバルブリフト量を調整して空燃比を目標空燃比に制御する多気筒エンジンの空燃比制御装置であって、
    前記エンジンの排気空燃比を検出する空燃比検出手段と、
    該空燃比検出手段の検出結果に基づいて各気筒間での空燃比のずれを検出する空燃比ずれ検出手段と、
    前記空燃比ずれ検出手段が各気筒間で空燃比のずれを検出した場合に、そのずれを減少させるように各気筒に対応する燃料噴射弁から噴射される燃料噴射量を補正する気筒別燃料噴射量補正手段と、
    前記エンジンの運転状態に応じて目標バルブリフト量を設定する設定手段と、
    該設定手段によって設定された目標バルブリフト量となるように前記可変式動弁機構を制御する機構制御手段と、
    前記気筒別燃料噴射量補正手段による補正量が所定量以上となった場合に、前記空燃比ずれ検出手段が検出した各気筒間での空燃比のずれに基づいて前記吸気弁の目標バルブリフト量を増加させる補正を行うバルブリフト量補正手段と、
    を具備することを特徴とする多気筒エンジンの空燃比制御装置。
  2. 前記気筒別燃料噴射量補正手段は、前記空燃比ずれ検出手段が所定量以上の空燃比のずれを検出した場合に、燃料噴射量を補正することを特徴とする請求項1に記載の多気筒エンジンの空燃比制御装置。
  3. 前記バルブリフト量補正手段は、前記設定手段によって設定された前記吸気弁の目標バルブリフト量が所定値よりも小さい場合に当該吸気弁の目標バルブリフト量を補正することを特徴とする請求項1又は2に記載の多気筒エンジンの空燃比制御装置。
  4. 前記バルブリフト量補正手段は、前記所定値を限度として前記吸気弁の目標バルブリフト量を補正することを特徴とする請求項3に記載の多気筒エンジンの空燃比制御装置。
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