JP5218557B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気側に可変動弁機構を備える内燃機関の制御に関する。

車両用内燃機関の出力性能、排気性能、燃費性能を向上させるために、吸気弁または排気弁の開閉タイミング（バルブタイミング）を変化させる可変動弁機構が知られている。
例えば、日本国特許庁が１９９４年に発行したＪＰ０６０４２３７９Ａは、油圧により駆動する可変動弁機構を用いて、冷機時に吸気弁開期間と排気弁開期間のオーバーラップ期間が大きくなるように制御することにより、ＨＣ排出量を低減する技術を開示している。

ところで、油圧式の可変動弁機構の場合、バルブタイミングの変更操作中にエンジンが停止すると、エンジン停止に伴って油圧が低下するため、バルブタイミングが目標とする角度に到達する前の中間位置で止まってしまう。この状態でエンジンを再始動すると、バルブタイミングが目標角度に到達する前のカム位相でエンジンを再始動することとなり、エンジンの燃焼が不安定になる。また、再始動直後は油圧が上昇していないため、可変動弁機構内のベーンがカムスプロケットの回転に追従できずに、内部壁面等と衝突して、異音が発生するおそれもある。
しかしながら、前記従来技術は、エンジンの運転を停止する際の可変動弁機構の制御については開示していない。
本発明の目的は、したがってエンジン再始動時のバルブタイミングの設定に起因する燃焼の不安定や異音の発生を防止することである。
上記目的を達成するため、本発明は、内燃機関の排気側に設けられ進角状態を初期状態とする可変動弁機構と、運転状態を検出する運転状態検出手段と、運転状態に応じてこの可変動弁機構の作動を制御する可変動弁制御手段と、内燃機関が冷機状態であるか暖機状態であるかを判定する機関状態判定手段と、内燃機関の停止要求の有無を判定する停止要求判定手段と、を備え、冷機状態で停止要求があった場合には、可変動弁機構が初期状態に戻ってから内燃機関を停止する。
この発明の詳細並びに他の特徴や利点は、明細書の以降の記載の中で説明されるとともに、添付された図面に示される。

ＦＩＧ．１は、本発明の実施形態による制御装置の概略構成図である。
ＦＩＧ．２は、制御装置が備えるコントローラが実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。
ＦＩＧ．３は、コントローラに格納される冷機状態用の変換角度マップである。
ＦＩＧ．４は、コントローラに格納される暖機状態用の変換角度マップである。

図面のＦＩＧ．１を参照すると、本発明による車両用内燃機関の制御装置１は、可変動弁機構３０と、可変動弁機構３０をオイルポンプ４１の吐出油を用いて操作するソレノイドバルブ４０と、ソレノイドバルブ４０を切り換えるコントローラ７０とを備える。
エンジンは、カムシャフト３１と、カムシャフト３１と同軸であってベルト又はチェーンを介してエンジンのクランクシャフトと同期回転するカムシャフト駆動用スプロケット（以下、「スプロケット」という）３３と、を備える。制御装置１は、油圧によってカムシャフト３１とカムシャフト駆動用スプロケット３３との相対位相角（以下、「変換角度」と称する）を変更することで、排気バルブの開閉タイミングを進角／遅角する。
可変動弁機構３１は、カムシャフト３１と一体回転する複数枚（ＦＩＧ．１中では４枚）のベーン３２を備える。なお、エンジン運転時におけるカムシャフト３１の回転方向は、ＦＩＧ．１中で時計回り方向とする。
カムシャフト駆動用スプロケット３３には、ベーン３２の回転を許容する空間が設けられる。この空間がベーン３２によって進角油圧室３３ａ及び遅角油圧室３３ｂに区画されている。
進角油圧室３３ａは進角油路４３ａを介してソレノイドバルブ４０に接続される。遅角油圧室３３ｂは遅角油路４３ｂを介してソレノイドバルブ４０に接続される。
また、ソレノイドバルブ４０には、進角油路４３ａ及び遅角油路４３ｂの他に、エンジンのオイルパン４５の作動油を圧送するオイルポンプ４１を途中に設けたオイル供給路４２と、オイルパン４５に作動油を戻すドレン通路４４と、が接続される。
ソレノイドバルブ４０は、オイルポンプ４１の吐出油を進角油路４３ａに供給し、ドレン通路４４を遅角油路４３ｂに接続するセクションＡと、オイルポンプ４１の吐出油を遅角油路４３ｂに供給し、ドレン通路４４を進角油路４３ａに接続するセクションＢと、進角油路４３ａと遅角油路４３ｂをともに遮断する遮断セクションとを備える。
コントローラ７０は、ソレノイドバルブ４０への通電量を制御してこれらのセクションを切り替えることで、進角油圧室３３ａ及び遅角油圧室３３ｂの油圧を変更し、あるいは保持する。可変動弁機構３０は、進角油圧室３３ａ及び遅角油圧室３３ｂの油圧に応じて排気バルブの開閉タイミング（バルブタイミング）を進角あるいは遅角する。
なお、初期状態のバルブタイミングは最進角の状態であり、カムシャフト駆動用スプロケット３３に固定された捩じりスプリング３４によってベーン３２がスプリングの反力方向に付勢されることで、初期状態を維持するような力が加わっている。すなわち、エンジンを停止する際には、油圧制御を停止させても捩じりスプリング３４によってベーン３２が初期状態に戻るような力が加わる。
進角／遅角制御は、具体的には次のように行われる。コントローラ７０がソレノイドバルブ４０をセクションＢに切り換えると、オイルパン４５内の作動油が、遅角油路４３ｂを通って遅角油圧室３３ｂに供給される。一方で、進角油圧室３３ａの作動油が、進角油路４３ａ及びドレン通路４４を通ってオイルパン４５に排出される。これにより、遅角油圧室３３ｂの油圧が相対的に高くなり、捩じりスプリング３４のばね力に抗してベーン３２が回転してバルブタイミングが遅角する。
一方、コントローラ７０がソレノイドバルブ４０をセクションＡに切り換えると、オイルパン４５の作動油が進角油路４３ａを通って進角油圧室３３ａに供給される。一方で、遅角油圧室３３ｂの作動油が、遅角油路４３ｂ及びドレン通路４４を通ってオイルパン４５に排出される。これにより、進角油圧室３３ａの油圧が相対的に高くなり、バルブタイミングが進角する。
ソレノイドバルブ４０の切り換えは、コントローラ７０によって制御される。コントローラ７０は中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ７０を複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。
コントローラ７０には、運転状態検出手段としてのクランク角センサ７１、カム角センサ７２、水温センサ７３、及び車量のメインスイッチ７４が接続される。クランク角センサ７１は、クランクシャフトの角度信号を出力するとともに、クランクシャフトの基準回転位置で基準クランク位置信号を出力する。カム角センサ７２は、カムシャフト３１の基準回転位置で基準カムシャフト位置信号を出力する。水温センサ７３は、エンジン水温を出力する。メインスイッチ７４は、エンジンの始動要求と停止要求を出力する。
コントローラ７０は、クランク角センサ７１及びカム角センサ７２の出力値に基づいてバルブタイミングの遅角量を算出し、この遅角量を可変動弁機構３０の現在の変換角度（以下、「実変換角度」という）θとしている。
具体的には、カムシャフト３１またはカムシャフト３１に連結された部材に凸部または凹部の被検出部を設け、この被検出部をカム角センサ７２で検出してカムシャフト３１の回転信号を出力し、このカムシャフト回転位置信号と、クランク角センサ７１からの基準クランク角位置信号との位相差に基づいて実際の遅角量を検出している。この遅角量は、カムシャフト３１の回転がメカストッパで規制される基準位置（ここでは最進角側の規制位置を基準位置とする）に対する遅角量として検出される。この基準位置の位相ズレを学習することで、バルブタイミング制御中は、学習された基準位置に対して実際の遅角量（実変換角度θ_ｎｏｗ）を検出することとなる。コントローラ７０は、この実変換角度θ_ｎｏｗが、エンジンの運転条件に基づいて設定される目標変換角度θ_ｃｏｍに追従するように、ソレノイドバルブ４０への通電量を制御する。
上記メカストッパとは、クランクシャフトに対するカムシャフト３１の相対位相角を機械的に規制するための機構である。つまり、バルブタイミングの最進角状態及び最遅角状態は、いずれもカムシャフト３１がメカストッパに当たった状態である。なお、ＦＩＧ．１は最遅角状態を示している。
ところで、カムシャフト３１には、排気バルブ用バルブスプリングの弾性力、カムホルダとの摩擦力等が、抗力としてＦＩＧ．１中で反時計周り方向、つまりバルブタイミングが遅角化する方向に作用する。
そして、エンジンを停止する際に、エンジン回転の低下に伴ってオイルポンプ４１の回転が低下して油圧が低下すると、上記抗力の影響が大きくなる。
このため、上述した捩じりスプリング３４によって初期状態である最進角状態に戻る前の、最進角と最遅角の中間状態でカムシャフト３１が停止するおそれがある。
また、エンジン始動開始からオイルポンプ４１の吐出圧が上昇するまでには時間差が生じる。このため、エンジン始動直後の油圧が低い状態において、上記抗力によってバルブタイミングが遅角方向に変化する。このとき、ベーン３２が遅角側のメカストッパに衝突すると異音が生じる。
このように、可変動弁機構３０の特性と関連して、エンジン再始動時のバルブタイミングが不安定となったり、異音が発生したりする可能性がある。
そこで、このような問題を解消するため、コントローラ７０は以下に説明する制御を実行する。
ＦＩＧ．２は、コントローラ７０が実行する制御ルーチンを説明するフローチャートである。コントローラ７０はこのルーチンをエンジンの運転中に一定間隔で実行する。一定間隔は例えば１０ミリ秒とする。
ステップＳ１では、エンジンが冷機状態であるか否かを判定する。この判定は、例えば、冷却水温を検知して、これに基づいて行う。
冷却水温が所定の閾値より低い状態（以下、「冷機状態」という）であれば、ルーチンはステップＳ２に進み、高い状態（以下、「暖機状態」という）でれば、ルーチンはステップＳ５に進む。
ステップＳ２では、コントローラ７０は予めＲＯＭに格納された冷機状態用の変換角マップを用いたバルブタイミング制御を実行する。冷機状態用変換角マップは、例えばＦＩＧ．３に示すように、アイドル運転領域を含む低回転・低負荷領域で最大変換角をとり、低回転・低負荷領域からエンジントルクまたはエンジン回転速度が遠ざかるほど変換角が小さくなるような特性を備える。コントローラ７０は、クランク角センサにより検知するエンジン回転速度と、アクセル開度センサにより検知する機関負荷とに基づいて当該マップから変換角を検索し、これを目標変換角度θ_ｃｏｍとして変換角を制御する。
つまり、アイドル運転領域付近では排気バルブのバルブタイミング遅角量が大きくなるような制御を行う。なお、吸気側の可変動弁機構はアイドル運転領域で大きく進角するよう制御するものとする。このため、アイドル運転領域ではバルブオーバーラップ期間が増大する。
冷機状態は、燃料の気化に不利な状態なので、エンジンの吸気管壁面等に燃料が付着することを見越して、燃料噴射量を増量するのが一般的である。このため、暖機状態と比べて排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）濃度が高くなりがちである。
一方、アイドル運転領域ではエンジンの吸入負圧が高いため、バルブオーバーラップ期間を設けると、吸気バルブが開弁したときの吸入空気の排気側への吹き抜けは無く、逆に排気側から高温の排気ガスが燃焼室に吹き返す。
そこで、冷機状態でのアイドル運転領域でバルブオーバーラップ期間を大きくすることにより、高温の排気ガスを燃焼室に吹き返させることで、燃焼室内の燃料の霧化を促進させ、排気ガス中のＨＣ濃度を低下させるのである。
ステップＳ３でコントローラ７０は、エンジン停止要求の有無を判定する。これは、メインスイッチ７４の出力値に基づいて判定する。ただし、燃費やエミッション性の向上を目的として、所定の自動停止条件が成立したときに、エンジンを自動的に停止させると共に、エンジンの自動停止中に所定の再始動条件が成立したときに、当該エンジンを自動的に始動させる、いわゆるアイドルストップ機構を備える車両の場合には、自動停止条件の成立も停止要求とみなす。
エンジン停止要求がある場合は、ルーチンはステップＳ４に進み、ない場合には処理を終了する。
ステップＳ４でコントローラ７０は、カムシャフト３１が最進角状態となるように目標変換角度θ_ｃｏｍを設定し、所定のディレイタイム経過後にエンジンを停止する。ディレイタイムは、カムシャフト３１が最進角状態に戻るのに十分な時間、例えば１秒程度に設定しておく。ディレイタイムを１秒に設定すると、ディレイタイムはルーチンの実行間隔を上回ることになる。しかしながら、ステップＳ４が実行された後はエンジンが停止し、エンジンが再始動されるまでルーチンは実行されないので、問題は生じない。
なお、エンジン停止要求があると判定してから、エンジン停止要求時の変換角や油圧等に基づいてディレイタイムを演算するようにしてもよい。また、クランク角センサ７１とカム角センサ７２の検出値に基づいて、実際にカムシャフト３１が最進角状態に戻ったことを確認してから、エンジンを停止するようにしてもよい。
このように、ディレイタイム経過後にエンジンを停止することで、エンジン停止時には可変動弁機構３０は確実に最進角状態となっている。したがって、次回エンジン始動時の異音発生を確実に防止することができる。
なお、ディレイタイムを設けた分だけ、車両の運転者がエンジン停止のためのメインスイッチ７４の操作を行ってからエンジンが停止するまでの時間が長くなる。しかし、冷機状態時は油温が低いためオイルポンプ４１の吐出圧が相対的に高くなっており、可変動弁機構３０の動作速度が相対的に高くなる。そのため、ディレイタイムは、例えば１秒程度の短い時間ですみ、ディレイタイムが運転者に与える違和感は小さい。また、エンジン始動後の冷機状態でエンジンを停止する機会は少ないため、運転者に違和感を与える機会も少ない。
一方、暖機状態である場合に実行するステップＳ５では、コントローラ７０は予めＲＯＭに格納した暖機状態用変換角マップを用いたバルブタイミング制御を実行する。暖機状態用変換角マップは、例えばＦＩＧ．４に示すような特性を備える。この暖機状態用マップは、低回転領域に可変動弁機構３０の作動を禁止する作動禁止領域が設けられている点が、ＦＩＧ．３の冷機状態用マップと異なる。なお、作動禁止領域は、少なくともアイドル運転領域が含まれていればよい。
作動禁止領域においてコントローラ７０は、ソレノイドバルブ４０を遮断セクションに切り換えることで、可変動弁機構３０の動作を禁止する。
ステップＳ６でコントローラ７０は、ステップＳ３と同様にエンジン停止要求の有無を判定する。エンジン停止要求がある場合はルーチンはステップＳ７に進み、ない場合は処理を終了する。
ステップＳ７でコントローラは、ディレイタイムを設けずにエンジンを停止する。
暖機状態であれば、エンジンの排気浄化触媒が十分に暖気されている上に、エンジンのＨＣ排出量自体も少ないためバルブタイミングが排気ガス中のＨＣ濃度の低減に果たす役割は小さい。つまり、アイドル運転領域で可変動弁機構３０の作動を禁止しても排気性能に与える影響は小さい。
一方、エンジン停止要求が発せられるのは、通常は暖機状態でのアイドル運転時である。このため、仮に暖機状態で可変動弁機構３０の作動を許可し、エンジン停止要求が発せられてからエンジンを停止するまでにディレイタイムを設けると、運転者に対して違和感を与える可能性が高くなる。
そこで、暖機状態のアイドル運転領域では可変動弁機構３０の作動を禁止して最進角の状態とし、かつエンジン停止要求があったときには、ディレイタイムを設けることなくエンジンを停止する。
本制御は、冷機状態では全運転領域で可変動弁機構３０を作動させるのに対して、暖機状態ではアイドル運転領域を含む低回転領域での作動を禁止し、エンジン停止要求があったときには、冷機状態であればディレイタイム経過後にエンジンを停止するのに対し、暖機状態であれば直ちに停止する点に特徴がある。
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。例えば、初期状態のバルブタイミングは最進角位置でなくてもよく、遅角方向への制御が可能な可変動弁機構、つまり所定の進角位置となるような可変動弁機構を使用してもよい。
以上の説明に関して、２００８年５月１９日を出願日とする日本国における特願２００８−１３０４４９の内容をここに引用により取り込む。

以上のように、この発明は、エンジンの再始動時には可変動弁機構は最進角状態になっているので、再始動直後から燃焼が安定し、また、異音の発生を防止することもできる。
この発明の実施例が包含する排他的性質あるいは特長は以下のようにクレームされる。

Claims (4)

1. 内燃機関の排気弁の開閉タイミングを制御する内燃機関の制御装置において、
   排気弁の開閉タイミングが位相角の可変範囲のうち最も進角側にある状態を始動に適した初期状態とする排気弁の可変動弁機構（３０）と、
   内燃機関が冷機状態であるか暖機状態であるかを検出するセンサ（７３）と、
   可変動弁機構（３０）が初期状態にあるかどうかを検出するセンサ（７０、７１、７２）と、
   前記内燃機関の停止要求の有無を検出するセンサ（７０、７４）と、
   次のようにプログラムされたプログラマブルコントローラ（７０）、
   内燃機関が冷機状態では少なくともアイドル運転領域を含む機関の低回転領域で、他の回転領域と比べて排気弁の開閉タイミングを遅角させる方向に可変動弁機構（３０）を制御し、
   前記内燃機関が暖機状態にある場合には、少なくともアイドル運転領域を含む機関の低回転領域では、可変動弁機構（３０）の作動を禁止し（Ｓ５）、
   冷機状態で停止要求があった場合に、可変動弁機構（３０）を初期状態へと制御し（Ｓ２−Ｓ４）、可変動弁機構（３０）が初期状態にあるかどうかを判定し（Ｓ４）、可変動弁機構（３０）が初期状態にあると判定した場合にのみ内燃機関を停止し（Ｓ４）、暖機状態で停止要求が有った場合に、可変動弁機構（３０）が初期状態にあるかどうかを判定することなく直ちに内燃機関を停止する（Ｓ６、Ｓ７）、とを備える。
2. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、
   コントローラ（７０）は可変動弁機構（３０）を初期状態へと制御してからの経過時間を計測し、経過時間が所定のディレイタイムに達した時に可変動弁機構（３０）が初期状態にあると判定するように（Ｓ４）、さらにプログラムされる。
3. 請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置において、可変動弁機構（３０）は、排気弁の開閉を行うカムシャフト（３１）の初期位相を変化させるベーン（３２）と、ベーン（３２）を可変動弁機構（３０）の初期状態に対応する位置へと付勢するスプリング（３４）とを備え、制御装置はベーン（３２）を油圧的に駆動するソレノイドバルブ（４０）をさらに備え、コントローラ（７０）、ソレノイドバルブ（４０）の制御により、可変動弁機構（３０）を制御するように、さらにプログラムされる。
4. 排気弁の開閉タイミングが位相角の可変範囲のうち最も進角側にある状態を始動に適した初期状態とする排気弁の可変動弁機構（３０）を備える内燃機関の排気弁の開閉タイミングを制御する内燃機関の制御方法において、
   内燃機関が冷機状態であるか暖機状態であるかを検出し、
   内燃機関が冷機状態では少なくともアイドル運転領域を含む機関の低回転領域で、他の回転領域と比べて排気弁の開閉タイミングを遅角させる方向に可変動弁機構（３０）を制御し、
   前記内燃機関が暖機状態にある場合には、少なくともアイドル運転領域を含む機関の低回転領域では、可変動弁機構（３０）の作動を禁止し（Ｓ５）、
   可変動弁機構（３０）が初期状態にあるかどうかを検出し、
   前記内燃機関の停止要求の有無を検出し、
   冷機状態で停止要求があった場合に、可変動弁機構（３０）を初期状態へと制御し（Ｓ２−Ｓ４）、可変動弁機構（３０）が初期状態にあるかどうかを判定し（Ｓ４）、可変動弁機構（３０）が初期状態にあると判定した場合にのみ内燃機関を停止し（Ｓ４）、暖機状態で停止要求が有った場合に、可変動弁機構（３０）が初期状態にあるかどうかを判定することなく直ちに内燃機関を停止する（Ｓ６、Ｓ７）。

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