JP5245859B2

JP5245859B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP5245859B2
Application number: JP2009012010A
Authority: JP
Inventors: 知弘坂田; 高行濱本
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2009-01-22
Filing date: 2009-01-22
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2029-01-22
Also published as: JP2010168988A

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関する。

従来の内燃機関の制御装置として、吸気通路内に発生する脈動の大きさに基づいてスロットル弁の開度を制御して、脈動の発生を抑制するものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−１１２４３２号公報

しかしながら、吸気管内に発生する脈動の大きさに基づいてスロットル弁の開度を制御したのでは、吸気コレクタ内に負圧が発生してポンプ損失が増加する場合があった。そのため、燃費が悪化するという問題点があった。

本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであり、吸気通路内の脈動の発生を抑制しつつ、ポンプ損失を低減させることを目的とする。

本発明は、以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

本発明は、吸気通路を開閉する開閉弁と、開閉弁の下流の吸気通路に設けられる吸気コレクタと、吸気通路と気筒との開口を開閉する吸気弁と、吸気弁のリフト・作動角を連続的に変更するリフト・作動角可変機構と、を備える火花点火式の内燃機関の制御装置であって、運転状態に応じて吸気弁のリフト・作動角を制御して、吸入空気量を制御する吸入空気量制御手段と、吸気コレクタ内の圧力に基づいて、開閉弁の開度を制御する開閉弁制御手段と、を備え、開閉弁制御手段は、通常運転時には、コレクタ内の圧力が負圧になる直前まで開閉弁の開度を小さくし、減速時には、開閉弁の開度を通常運転時よりも小さくする、ことを特徴とする。

本発明によれば、吸気コレクタ内の圧力に基づいて開閉弁（スロットル弁）の開度を制御するため、吸気コレクタ内の圧力が負圧にならない程度に開閉弁を閉じることができる。そのため、吸気通路内の脈動の発生を抑制しつつ、ポンプ損失を低減させることができる。

吸気弁可変動弁機構を備えたエンジンの概略図である。吸気弁可変動弁機構の斜視図である。リフト・作動角可変機構の駆動軸方向視図である。吸気弁可変動弁機構の作用を説明する図である。第１実施形態によるスロットル開度制御について説明するフローチャートである。スロットル開度と、コレクタ圧力及び音振レベルと、の関係を示す図である。スロットル開度と、コレクタ圧力及びエアフローメータに伝わる圧力脈動の大きさと、の関係を示す図である。スロットル開度と、コレクタ圧力と、の関係を示す図である。第２実施形態によるスロットル開度制御について説明するフローチャートである。

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、吸気弁可変動弁機構１００を備えたエンジン１の概略図である。

エンジン１は、クランクケース１０と、クランクケース１０に連結されるシリンダブロック２０と、シリンダブロック２０の頂部を覆うシリンダヘッド３０とを備える。

クランクケース１０の内部には、クランクシャフト１１が回転可能に支持される。クランクシャフト１１には、エンジン１の始動時にスタータモータ１２によって、クランクシャフト１１の一端に連結されたフライホイール１３のリングギヤ１４を介して始動トルクが与えられる。

シリンダブロック２０には、複数のシリンダ２１が形成される。シリンダ２１には、ピストン２２が摺動自在に嵌合する。ピストン２２は、コンロッド２３によってクランクシャフト１１に連結される。

シリンダヘッド３０には、燃焼室３１の頂壁に開口する吸気通路３２と排気通路３３とが形成され、燃焼室３１の頂壁中心に点火栓３４が設けられる。シリンダヘッド３０には、吸気通路３１の開口を開閉する一対の吸気弁３５と、排気通路３２の開口を開閉する一対の排気弁３６とが設けられる。図１では図面の煩雑を防止するため、一方の吸気弁及び排気弁のみを記載してある。シリンダヘッド３０には、吸気弁３５を開閉駆動すると共にその開閉時期を任意の時期に設定できる吸気弁可変動弁機構１００と、排気弁３６を開閉駆動する排気カムシャフト３７とが設けられる。

吸気通路３２には、上流から順にエアフローメータ３２１と、音量センサ３２２と、スロットルバルブ３２３と、吸気コレクタ３２４と、ブーストセンサ３２５と、燃料噴射弁３２６とが設けられる。

エアクリーナ３２１は、空気中に含まれる異物を除去する。

エアフローメータ３２１は、空気の流量（吸入空気量）を検出する。

音量センサ３２２は、エアフローメータ３２１とスロットルバルブ３２３の間に設けられ、吸気系の騒音振動状態を表す音振レベル（ｄＢ）を検出する。

スロットルバルブ３２３は、吸気通路３２を開閉する。スロットルバルブ３２３の開度（以下、「スロットル開度」という）は、後述するコントローラ４０によって、連続的に調節される。

吸気コレクタ３２４は、シリンダ内に吸入される空気を蓄える。

ブーストセンサ３２５は、吸気コレクタ３２４の内部圧力（以下、「コレクタ圧力」という）を検出する。

燃料噴射弁３２６は、エンジン運転状態に応じて燃料を噴射する。

排気通路３３には、排気中の炭化水素や窒素酸化物等の有害物質を取り除く触媒コンバータ３３１が設けられる。

コントローラ４０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）、不揮発メモリ２０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４０には、上述したセンサ信号のほかにも、クランク角に基づいてエンジン回転速度を検出するエンジン回転速度センサ４１、大気圧を検出する大気圧センサ４２及び車両加速度を検出する加速度センサ４３などの各種センサからの信号が入力される。

次に、図２を参照して、吸気弁可変動弁機構１００について説明する。図２は、吸気弁可変動弁機構１００の斜視図である。

吸気弁可変動弁機構１００は、吸気弁３５のリフト・作動角を変化させるリフト・作動角可変機構１１０と、吸気弁３５のリフト中心角（吸気弁３５が最大リフトを迎えるクランク角度位置）の位相を進角又は遅角させる位相可変機構１４０とを備え、吸気弁３５のバルブタイミングを可変制御する。なお、図２では１つの気筒に対応する一対の吸気弁３５及びその関連部品のみを簡略的に図示している。

まず、リフト・作動角可変機構１１０の構成について説明する。

吸気弁３５の上方には、気筒列方向に延びる中空状の駆動軸１１３が設けられる。駆動軸１１３は、一端部に設けられた従動スプロケット１４２等を介して、図示しないベルトやチェーンでクランクシャフト１１と連係され、クランクシャフト１１に連動して軸周りに回転する。

駆動軸１１３には、気筒ごとに、一対の揺動カム１２０が駆動軸１１３に対して回転自在に取り付けられる。この一対の揺動カム１２０が駆動軸１１３を中心として所定の回転範囲で揺動（上下動）することによって、その下方に位置する吸気弁のバルブリフタ１１９が押圧され、吸気弁３５が下方にリフトする。なお、一対の揺動カム１２０は、互いに円筒等で同位相に固定されている。

駆動軸１１３の外周には、円筒状の駆動カム１１５が圧入等によって固定される。駆動カム１１５の中心Ｐ₄（図３参照）は、駆動軸１１３の軸心Ｐ₃（図３参照）から所定量だけ偏心した位置にある。駆動カム１１５は、揺動カム１２０から軸方向に所定の距離だけ離れた位置に固定される。そして、駆動カム１１５の外周面には、リンクアーム１２５の基端１２５ａが、回転自在に嵌合する。

駆動軸１１３の斜め上方には、制御軸１１６が、駆動軸１１３と平行に気筒列方向へ延びて、回転自在に支持される。

制御軸１１６の一端部には、制御軸１１６を所定回転角度範囲内で回転させるリフト量制御アクチュエータ１３０が設けられる。リフト量制御アクチュエータ１３０は、エンジン１の運転状態を検出するコントローラ４０からの制御信号に基づいて、第１油圧装置２０１によって制御される。

制御軸１１６の外周面には、制御カム１１７が圧入等によって固定される。制御カム１１７の中心Ｐ₁（図３参照）は、制御軸１１６の軸心Ｐ₂（図３参照）から所定量だけ偏心した位置にある。制御カム１１７には、ロッカアーム１１８が、制御カム１１７の外周面に回転自在に嵌合する。ロッカアーム１１８は、制御カム１１７の軸心Ｐ₁を支点として揺動する。

ロッカアーム１１８は、制御カム１１７に支持される中央の基端部１１８ａを中心に、軸方向と垂直に左右方向に伸び、その両端には一端部１１８ｂと他端部１１８ｃとを有する。そして一端部１１８ｂと揺動カム１２０とがリンク部材１２６によって連結され、他端部１１８ｃ（図３参照）とリンクアーム１２５の端部１２５ｂとが連結される。

次に、位相可変機構１４０の構成について説明する。

位相可変機構１４０は、位相角制御アクチュエータ１４１と第２油圧装置２０２とを備える。

位相角制御アクチュエータ１４１は、スプロケット１４２と駆動軸１１３とを所定の角度範囲内において相対的に回転させる。

第２油圧装置２０２は、エンジン１の運転状態を検出するコントローラ４０からの制御信号に基づいて、位相角制御アクチュエータ１４１を制御する。

第２油圧装置２０２による位相角制御アクチュエータ１４１への油圧制御によって、スプロケット１４２と駆動軸１１３とが相対的に回転し、リフト中心角が進角又は遅角する。

続いてリフト・作動角可変機構１１０の作用を詳述する。

図３（Ａ）（Ｂ）は、リフト・作動角可変機構１１０の駆動軸方向視図である。図３（Ａ）は、吸気弁３５のゼロリフト時における揺動カム１２０の最小揺動時及び最大揺動時の位置を示す図である。図３（Ｂ）は、吸気弁３５のフルリフト時における揺動カム１２０の最小揺動時及び最大揺動時の位置を示す図である。

ここで、吸気弁のゼロリフト時とは、吸気弁３５がリフトしないことをいう（つまり吸気弁のリフト量はゼロ）。また、吸気弁のフルリフト時とは、吸気弁３５が最大のリフト量となることをいう。

図３（Ａ）に示すように、制御カム１１７の中心Ｐ₁が制御軸１１６の軸心Ｐ₂の上方に位置し、制御カムの厚肉部１１７ａが制御軸１１６に対して上方に位置しているときは、ロッカアーム１１８は全体として上方へ位置し、揺動カム１２０の端部１２０ａが相対的に上方へ引き上げられた状態となる。つまり、揺動カム１２０の初期位置は、カム面１２０ｂがバルブリフタ１１９から離れる方向に傾く（図３（Ａ）の左側参照）。したがって、駆動軸１１３の回転に伴って揺動カム１２０が揺動した際に、基円面１２０ｃが長くバルブリフタに接触し続け、カム面１２０ｂがバルブリフタに接触する期間が短くなる。このため、吸気弁３５の最大リフト量が小さくなる（図３（Ａ）の右側参照）。また、吸気弁３５の開時期から閉時期までのクランク角度区間、つまり吸気弁３５の作動角も縮小する。

一方、図３（Ｂ）に示すように、制御カム１１７の中心Ｐ₁が制御軸１１６の軸心Ｐ₂の下方に位置し、制御カムの厚肉部１１７ａが制御軸１１６に対して下方に位置している場合には、ロッカアーム１１８は全体として下方へ位置し、揺動カム１２０の端部１２０ａが相対的に下方へ押し下げられた状態となる。つまり、揺動カム１２０の初期位置は、カム面１２０ｂがバルブリフタ１１９に近付く方向に傾く（図３（Ｂ）の左側参照）。したがって、駆動軸１１３の回転に伴って揺動カム１２０が揺動した際に、バルブリフタ１１９と接触する部位が基円面１２０ｃからカム面１２０ｂへと直ちに移行する。このため、吸気弁３５の最大リフト量が大きくなる（図３（Ｂ）の右側参照）。また、吸気弁３５の作動角も拡大する。

図４は、吸気弁可変動弁機構１００の作用を説明する図である。

先に図３を参照して説明した制御カム１１７の初期位置は連続的に変化させ得るので、これに伴って、吸気弁３５のバルブリフト特性は連続的に変化する。つまり、図４の実線に示したように、吸気弁可変動弁機構１００は、リフト・作動角可変機構１１０によって、吸気弁３５のリフト量及び作動角を、両者同時に連続的に拡大、縮小させることができる。各部のレイアウトによるが、例えば、吸気弁３５のリフト量及び作動角の大小変化に伴い、吸気弁３５の開時期と閉時期とがほぼ対称に変化する。

さらに、図４で破線に示すように、吸気弁可変動弁機構１００は、位相可変機構１４０によって、リフト中心角を進角又は遅角させることができる。

このように、リフト・作動角可変機構１１０と位相可変機構１４０とを組み合わせることによって、吸気弁可変動弁機構１００は、任意のクランク角度位置で吸気弁３５を開閉でき、吸気弁３５の閉時期を任意の時期に設定することができる。つまり、吸気弁３５のバルブタイミングを任意に設定することができる。

これにより、スロットルバルブ３２３を略全開に保持しつつ、運転者の要求トルクに応じて吸気弁３５のリフト量及び作動角とリフト中心角とを制御して吸気量を調節することができる。すなわち、運転者の要求トルクが減少したときは、リフト・作動角可変機構１１０によって吸気弁のリフト量及び作動角を小さくすると共に、位相可変機構１４０によってリフト中心角を進角させることで、要求トルクに応じた吸気量に制御できる。以下では、スロットルバルブ３２３を略全開に保持しつつ、吸気弁可変動弁機構１００によって吸気量を制御する運転のことをノンスロットル運転という。

ノンスロットル運転中は、スロットルバルブ３２３を略全開に保持するため、スロットルバルブ３２３を閉じることによって生じるポンプ損失を低減することができる。しかしながら、スロットルバルブ３２３を略全開にすると、シリンダ内の圧力と吸気通路３２の圧力との差分によって発生した圧力脈動が、スロットルバルブ３２３よりも上流の吸気通路３２にまで伝達してしまう。そうすると、この圧力脈動によって、エアフローメータ３２１の検出信号に基づいて算出した吸気量と実際の吸気量との間にズレが生じたり、吸気系の騒音や振動（音振レベル）が大きくなるという問題がある。

そこで、本実施形態では、コレクタ圧力が負圧にならない程度までスロットルバルブ３２３を閉じることで、ポンプ損失の低減を図るとともに、音振レベルを減少させる。以下、このスロットル開度制御について説明する。

図５は、本実施形態によるスロットル開度制御について説明するフローチャートである。コントローラ４０は、本ルーチンをエンジンの運転中に所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）で実行する。

ステップＳ１において、コントローラ４０は、ブーストセンサ３２５によって、コレクタ圧力を検出する。

ステップＳ２において、コントローラ４０は、加速度センサ４３によって検出した加速度に基づいて、減速中か否かを判定する。コントローラ４０は、減速中であればステップＳ６に処理を移行する。一方で、減速中でなければステップＳ３に処理を移行する。

ステップＳ３において、コントローラ４０は、コレクタ圧力が大気圧センサ４２によって検出された大気圧よりも小さいか否かを判定する。コントローラ４０は、コレクタ圧力が大気圧よりも小さければステップＳ５に処理を移行する。一方で、コレクタ圧力が大気圧であればステップＳ４に処理を移行する。

ステップＳ４において、コントローラ４０は、スロットルバルブ３２３を所定角度だけ閉じる。

ステップＳ５において、コントローラ４０は、スロットルバルブ３２３を所定角度だけ開く。

ステップＳ６において、コントローラ４０は、コレクタ圧力が所定負圧より小さいか否かを判定する。コントローラ４０は、コレクタ圧力が所定負圧よりも小さければステップＳ８に処理を移行する。一方で、コレクタ圧力が所定負圧よりも大きければステップＳ７に処理を移行する。

ステップＳ７において、コントローラ４０は、スロットルバルブ３２３を所定角度だけ閉じる。

ステップＳ８において、コントローラ４０は、スロットルバルブ３２３を所定角度だけ開く。

次に、スロットル開度制御制御による作用効果について、図６から図８を参照して説明する。

図６は、スロットル開度と、コレクタ圧力及び音振レベルと、の関係を示す図である。

図６に示すように、吸気コレクタ３２４には、スロットル開度が全開から所定開度にまで閉じられる間、コレクタ圧力が大気圧のまま変化しないコレクタ圧力不感帯が存在する。本実施形態では、このコレクタ圧力不感帯を利用して、通常運転時には、コレクタ圧力が負圧になる直前までスロットル開度を小さくする。これにより、図６に示すように、スロットルバルブ３２３を全開にした状態と比較して、音振レベルを小さくすることができる。

また、減速時には、運転状態によっては燃料カットが実施され、通常運転時よりも燃料消費量が少なくなるので、ノンスロットル運転による燃費効果も通常運転時より小さくなる。そこで本実施形態では、減速時には、通常運転時よりもスロットルバルブ３２３を閉じてスロットル開度を小さくし、コレクタ圧力を所定負圧まで下げている。これにより、減速時においては、通常運転時よりも音振レベルを小さくすることができる。

図７は、スロットル開度と、コレクタ圧力及びエアフローメータ３２１に伝わる圧力脈動の大きさと、の関係を示す図である。

図７に示すように、通常運転時には、コレクタ圧力不感帯を利用して、コレクタ圧力が負圧になる直前までスロットルバルブ３２３を閉じてスロットル開度を小さくすることで、エアフローメータ３２１に伝わる圧力脈動を小さくすることができる。また、減速時には、コレクタ圧力を所定負圧まで下げることで、通常運転時よりもエアフローメータ３２１に伝わる圧力脈動を小さくすることができる。

これにより、エアフローメータ３２１の検出信号に基づいて算出される吸気量が、実際の吸気量からずれてしまうことを抑制できる。

図８は、スロットル開度と、コレクタ圧力と、の関係を示す図であり、コレクタ圧力を負圧にしたい場合の応答性についての効果を説明する図である。

一般的に、車両には、吸入負圧を利用してブレーキペダルの踏力を軽減するブレーキブースタが設けられている。したがって、所定の運転条件ではスロットルバルブ３２３を閉じてコレクタ圧力を負圧にしておく必要がある。このような場合に、本実施形態によれば、コレクタ圧力が負圧になる直前までスロットルバルブ３２３を閉じているので、コレクタ圧力を目標負圧にするまでの時間を短縮できる。したがって、吸入負圧が必要なときの応答性を向上させることができる。

以上説明した本実施形態によれば、スロットルバルブ３２３を略全開に保持しつつ、吸気弁可変動弁機構１００によって吸気量を制御するノンスロットル運転を実施することとした。そして、通常運転時には、コレクタ圧力が負圧になる直前までスロットルバルブ３２３を閉じることとした。

これにより、ポンプ損失の低減を図り、燃費を向上させることができる。また、圧力脈動がスロットルバルブ３２３よりも上流の吸気通路３２にまで伝達するのを抑制することができる。そのため、エアフローメータ３２１による吸入空気量検出精度を向上させることができるとともに、吸気系の騒音及び振動を抑制することができる。

また、ポンプ損失低減による燃費向上効果の低い減速時には、スロットル開度を通常運転時よりも小さくすることとした。これにより、通常運転時よりも、吸気系の騒音及び振動を抑制することができる。

また、予めコレクタ圧力が負圧になる直前までスロットルバルブ３２３を閉じておくことで、吸入負圧が必要なときに、コレクタ圧力を素早く目標負圧まで下げることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を、図９を参照して説明する。本実施形態は、吸気通路３２の音振レベルを検出し、音振レベルを考慮してスロットル開度制御を実施する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。

図９は、本実施形態によるスロットル開度制御について説明するフローチャートである。コントローラ４０は、本ルーチンをエンジンの運転中に所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）で実行する。

ステップＳ２１において、コントローラ４０は、音量センサ３２２によって、吸気系の音振レベルを検出する。

ステップＳ２２において、コントローラ４０は、音振レベルが、運転状態に応じて定まる許容値より小さいか否かを判定する。コントローラ４０は、音振レベルが許容値よりも小さければステップＳ２３に処理を移行する。一方で音振レベルが許容値よりも大きければステップＳ１に処理を移行する。

ステップＳ２３において、コントローラ４０は、スロットル開度を現在の開度に維持する。

以上説明した本実施形態によれば、第１実施形態の効果に加えて、スロットルバルブ３２３を、音振レベルに応じた適切なスロットル開度に維持することができる。これにより、コレクタ圧力が負圧になる直前までスロットルバルブ３２３を閉じる必要がなくなる場合がある。したがって、スロットルバルブ３２３を閉じ、その開度に維持するために必要な消費電力を減らすことができ、燃費を向上させることができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

例えば、上記各実施形態では、スロットルバルブ３２３を所定の角度ずつ開閉させていたが、予め実験等で定めたエンジン回転速度とエンジン負荷と基づくマップや、エンジン回転速度とリフト・作動角と基づくマップによって、開閉角度を算出してもよい。

１エンジン（内燃機関）
２１シリンダ（気筒）
３２吸気通路
３５吸気弁
４０コントローラ（吸入空気量制御手段）
１１０リフト・作動角可変機構
３２２音量センサ（音振レベル検出手段）
３２３スロットル弁（開閉弁）
３２４吸気コレクタ
Ｓ４開閉弁制御手段
Ｓ５開閉弁制御手段
Ｓ７開閉弁制御手段
Ｓ８開閉弁制御手段
Ｓ２３開度保持手段

Claims

吸気通路を開閉する開閉弁と、
前記開閉弁の下流の前記吸気通路に設けられる吸気コレクタと、
前記吸気通路と気筒との開口を開閉する吸気弁と、
前記吸気弁のリフト・作動角を連続的に変更するリフト・作動角可変機構と、
を備える火花点火式の内燃機関の制御装置であって、
運転状態に応じて前記吸気弁のリフト・作動角を制御して、吸入空気量を制御する吸入空気量制御手段と、
前記吸気コレクタ内の圧力に基づいて、前記開閉弁の開度を制御する開閉弁制御手段と、
を備え、
前記開閉弁制御手段は、
通常運転時には、前記コレクタ内の圧力が負圧になる直前まで前記開閉弁の開度を小さくし、
減速時には、前記開閉弁の開度を前記通常運転時よりも小さくする、
ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記吸気通路の騒音振動状態を検出する音振レベル検出手段と、
前記騒音振動状態が所定の音振レベルに収まったときは、前記開閉弁の開度を現在の開度に保持する開度保持手段と、
を備え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。