JP5310120B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、バルブオーバラップを可変とする可変動弁装置を備えた内燃機関の制御装置に関する。

吸気弁開時期を変更し得る可変動弁装置を用い、バルブオーバラップを機関運転条件に応じて可変制御することは公知である。可変動弁装置としては、種々の形式のものがあり、例えば、特許文献１のようにカムシャフトの位相をクランクシャフトに対し相対的に遅進させる位相可変機構や、特許文献２に開示されている作動角を増減変化させる形式のものなどが知られている。

また特許文献３には、内燃機関の暖機促進を図るために、冷機時にバルブオーバラップを拡大し、残留ガスを増加させて、その熱により燃料の気化を促進するようにした技術が開示されている。

特開２００２−３１７６１０号公報 特開２００２−２５６９０５号公報 特開平５−２１５００１号公報

例えば、吸気ポートへ向かって燃料を噴射する吸気ポート噴射型燃料噴射装置においては、機関冷間時に吸気ポート内壁の温度が低いことから、燃料の霧化が悪化し、燃料壁流が増加するが、このような状況下で、バルブオーバラップが増加すると、燃焼室内の残留ガスが吸気ポートに戻り、その熱によって燃料の霧化が促進されるため、燃焼状態が変化する。また、壁流が急に気化すると、過渡的な空燃比変化も生じる。そのほか、吸気弁開時期の変化に伴い、実圧縮比が変化する。

つまり、バルブオーバラップが変化すると、種々の要因により、燃焼状態が変化する。従って、特に冷機時に、バルブオーバラップを急激に変化させると、過渡的に燃焼が不安定化したり排気性能が悪化する問題があり、そのため、吸気弁開時期を変更する可変動弁装置が緩やかに動作するように、その変化速度を、ある変化速度以下に制限するのが一般的である。

しかし、変化速度を一定の速度に制限すると、運転条件が変化したときに、所望の吸気弁開時期まで変化するのに要する所要時間が長くなり、好ましくない。

この発明は、排気弁閉時期との間のバルブオーバラップを機関運転条件に応じたものとするために吸気弁開時期を変更する可変動弁装置と、上記可変動弁装置による吸気弁開時期の変化時に、その変化速度を制限する変化速度制限手段と、を備えてなる内燃機関の制御装置において、上記変化速度制限手段は、上記可変動弁装置の制御位置に応じた目標変化速度に変化速度を制御することを特徴としている。

そして、上記目標変化速度は、吸気弁開時期の単位変化角度当たりの残留ガス割合の変化量が大きい角度領域では相対的に低速度に、上記変化量が小さい角度領域では相対的に高速度に、設定される。

つまり、吸気弁開時期ひいてはバルブオーバラップが変化すると、主に残留ガスが増減変化し、燃焼状態が変化するが、このような燃焼状態への影響は、吸気弁開時期を遅進させたときに、必ずしも一律に生じるのではなく、ある角度範囲では燃焼状態への影響が相対的に大きく、ある角度範囲では燃焼状態への影響が相対的に小さい。従って、このような傾向を考慮して、可変動弁装置の制御位置に応じた目標変化速度に制御することで、燃焼状態への影響を抑制しつつ最小限の時間で目標の吸気弁開時期まで変化させることができる。

この発明によれば、可変動弁装置の目標制御位置が変化したときに、バルブオーバラップが変化することによる燃焼状態への影響を抑制しつつ目標の吸気弁開時期へ到達するまでの所要時間を短縮することができる。

この発明に係る内燃機関の制御装置のシステム構成図。 この実施例における変化速度制限の処理の流れを示すフローチャート。 可変動弁装置の制御位置と排気中の酸素濃度との相関を示す特性図。 この実施例における変化速度制限を行った場合のタイムチャートであり、（ａ）吸気弁開時期ＩＶＯ、（ｂ）変化速度制限値、（ｃ）筒内残留ガス率、を対比して示す。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明に係る内燃機関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の可変動弁装置５として、吸気弁３の開時期・閉時期の双方を同時に遅進させる位相可変機構（ＶＴＣ）を備えている。この位相可変機構は、例えば、特許文献１のように、吸気カムシャフトの位相をクランクシャフトに対して遅進させる公知の構成のものであり、バルブリフト特性のクランク角に対する位相を、連続的に変化させることができる。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電子制御スロットル弁２が設けられている。これらの可変動弁装置５および電子制御スロットル弁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、吸気ポート内へ向けて燃料を噴射する燃料噴射弁８が吸気通路７に配設されており、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。

上記のコントロールユニット１０には、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開度センサ１１からのアクセル開度信号ＡＰＯ、エンジン回転速度センサ１２からのエンジン回転速度信号Ｎｅ、吸入空気量センサ１３からの吸入空気量信号、水温センサ１４からの冷却水温信号Ｔｗなどが入力されており、コントロールユニット１０は、これらの信号に基づいて、燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期、スロットル弁開度、可変動弁装置５の制御目標位置（換言すれば目標吸気弁開時期）、等を演算し、燃料噴射弁８、点火プラグ９、スロットル弁２、可変動弁装置５、等を制御する。なお、必要に応じて、上記可変動弁装置５の制御位置つまり図示せぬカムシャフトの位相を直接に検出するためのセンサを設けても良い。あるいは他の検出信号を流用してカムシャフトの位相ないし吸気弁開時期を検出するようにしても良い。

また、本発明においては、可変動弁装置５としては、少なくとも吸気弁３の開時期を遅進できる可変動弁装置であれば足り、種々の形式の可変動弁装置を用いることができる。

次に、本発明の要部である冷間時の可変動弁装置５の速度制限について説明する。

図２は、この速度制限のためのフローチャートを示しており、ステップ１では、図示せぬ他のルーチンによってそのときの運転条件に対応して設定された目標吸気弁開時期ｔＩＶＯおよび実際の吸気弁開時期ｒＩＶＯを読み込む。運転条件が変化すると、目標吸気弁開時期ｔＩＶＯはステップ的に変化する。ステップ２では、そのときの吸気弁開時期ｒＩＶＯに基づき、所定の特性に沿って、変化速度上限値を逐次設定する。そして、ステップ３では、この変化速度上限値を用いて、吸気弁開時期ＩＶＯの変化速度が変化速度上限値以下となるように、補正後の目標吸気弁開時期ｈＩＶＯを逐次出力する。可変動弁装置５は、この補正後の目標吸気弁開時期ｈＩＶＯに追従して変化する。

図３は、冷間時にバルブオーバラップが残留ガスに及ぼす影響を示した特性図である。縦軸は、排気中の残存酸素の割合であり、これは、シリンダ内の残留ガスの割合を代替的に示している。換言すれば、燃焼安定度を示すとも言える。そして、横軸は、可変動弁装置５の基準位置からの遅角側への変化量（クランク角）を示しており、図の「１０°」の位置が「オーバラップ０°」の位置に概ね対応する。従って、これよりも図左側はマイナスオーバラップであり、図右側ほどオーバラップが大となる。図の線ａに示すように、冷間時には、バルブオーバラップがある大きさになった時点で残存酸素が急激に低下する。なお、線ｂは排気空燃比を示しており、図示するように、排気空燃比はほぼ一定である。また、点ｃ１は水温が４０℃のときの特性、ｃ２は水温が８６℃のときの特性である。

この図３のように、可変動弁装置５によりバルブオーバラップを変化させたときに、ある角度範囲では、燃焼状態が大きく変化し、ある角度範囲では燃焼状態があまり変化しない。従って、図２のステップ２では、このような傾向を考慮して、変化速度上限値を設定する。つまり、吸気弁開時期の単位変化角度当たりの残留ガス割合の変化量が大きい角度領域では相対的に低速度に、上記変化量が小さい角度領域では相対的に高速度に、変化速度上限値が設定される。

図４は、機関運転条件の変化などにより目標吸気弁開時期ｔＩＶＯがステップ的に変化したときの挙動を示すタイムチャートであり、（ａ）吸気弁開時期ＩＶＯの変化と、（ｂ）ステップ２で逐次設定される変化速度上限値の変化と、（ｃ）シリンダ内の残留ガス割合の変化、とを示している。また、変化速度を一定値に制限した従来例の特性を併せて記載してある。このタイムチャートに示すように、目標吸気弁開時期ｔＩＶＯがステップ的に変化したときに、補正後の目標吸気弁開時期ｈＩＶＯひいてはこれに追従する実際の吸気弁開時期ｒＩＶＯは徐々に変化するが、特に、逐次変化する実際の吸気弁開時期ｒＩＶＯに基づいて（ｂ）のように変化速度上限値が変化し、燃焼状態が変化しやすい角度領域では相対的に緩やかに吸気弁開時期ｒＩＶＯが変化するようになる。これにより、燃焼状態の過渡的な悪化を招来することなく、最小の時間で目標とする吸気弁開時期ｔＩＶＯまで速やかに変化させることができる。

図４の従来の例では、変化速度が比較的大きく与えられているため、（ａ）のように目標吸気弁開時期ｔＩＶＯに到達するタイミングは実施例と変わらないが、（ｃ）に明らかなように、変化の途中で残留ガス割合が急激に変化し、燃焼状態への影響が大きい。仮に、この角度領域で残留ガス割合の変化を実施例のように緩やかにしようとすると、目標吸気弁開時期ｔＩＶＯに到達するタイミングが実施例よりも遅れてしまう。

なお、機関の暖機後は、燃料の気化等による燃焼状態への影響が小さくなるので、上記のような変化速度の制限は、冷間時（例えば、水温、油温等が所定温度以下のとき）にのみ行うようにしてもよい。

３…吸気弁
５…可変動弁装置
８…燃料噴射弁
１０…コントロールユニット
１４…水温センサ

Claims (4)

1. 排気弁閉時期との間のバルブオーバラップを機関運転条件に応じたものとするために吸気弁開時期を変更する可変動弁装置と、
   上記可変動弁装置による吸気弁開時期の変化時に、その変化速度を制限する変化速度制限手段と、
   を備えてなる内燃機関の制御装置において、
   上記変化速度制限手段は、上記可変動弁装置の制御位置に応じた目標変化速度に変化速度を制御し、
   上記目標変化速度は、吸気弁開時期の単位変化角度当たりの残留ガス割合の変化量が大きい角度領域では相対的に低速度に、上記変化量が小さい角度領域では相対的に高速度に、設定されることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 上記内燃機関は、燃料供給装置として、吸気ポートに向けて燃料を噴射供給する燃料噴射弁を備えてい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。
3. 上記変化速度制限手段による変化速度の制限を、機関冷機時にのみ行う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制御装置。
4. 上記可変動弁装置は、バルブリフト特性をクランク角に対し遅進させる位相可変機構からなる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制御装置。

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