JP5651146B2

JP5651146B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP5651146B2
Application number: JP2012190882A
Authority: JP
Inventors: 佑一増掛; 佐々木　貴啓; 貴啓佐々木
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2012-08-31
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2032-08-31
Also published as: JP2014047696A

Description

本発明は、吸気弁のリフト量及び開角を第１作動特性と第２作動特性とに変更可能な弁作動特性可変機構を備える内燃機関の制御装置に関する。

吸気弁のリフト量及び開角を第１作動特性と第２作動特性とに切り換える弁作動特性可変機構を備える内燃機関の制御装置は、例えば特許文献１に示されるように広く知られている。特許文献１では、リフト量及び開角が小さい方の作動特性（第１作動特性）が低速バルブタイミングと記載され、リフト量及び開角が大きい方の作動特性（第２作動特性）が高速バルブタイミングと記載されており、機関の高負荷高回転運転状態では高速バルブタイミングが選択され、低負荷低回転運転状態では低速バルブタイミングが選択される（特許文献１，第６図参照）。

特許文献２には、吸気弁の作動位相を変更する作動位相可変機構を備える内燃機関の制御装置が示されている。この装置では、吸気弁の閉弁時期が当該気筒の圧縮行程期間内に設定され、機関の負荷を示すパラメータである目標空気充填量が最大となる条件の下では、機関回転数が上昇するほど吸気弁の閉弁時期を進角させる制御が行われる。

特許２６１９６９６号公報特開２００９−２２８６７４号公報

特許文献２に示されるように吸気弁の閉弁時期を圧縮行程期間内に設定する運転（アトキンソンサイクル運転）を行い、かつ特許文献１に示される弁作動特性可変機構を備える機関では、低速バルブタイミング（第１作動特性）における機関出力が、高回転運転状態において高速バルブタイミング（第２作動特性）における機関出力より大きくなる出力トルク特性を実現することが可能である。したがって、特許文献１に示されるように、高負荷高回転運転状態で第２作動特性を選択する手法は、アトキンソンサイクル運転を行う機関には必ずしも適していない。

一方特許文献２に示される作動位相可変機構は、リフト量と開角を切り換えるものではないため、第１作動特性と第２作動特性の選択をより適切に行う上で参考とはならない。

本発明は上述した点を考慮してなされたものであり、吸気弁のリフト量及び開角を第１作動特性と第２作動特性とに変更可能な弁作動特性可変機構を備え、アトキンソンサイクル運転を行う内燃機関において、吸気弁作動特性の選択を機関運転状態に応じてより適切に行うことができる制御装置を提供すること目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、吸気弁のリフト量及び開角を第１作動特性と第２作動特性とに変更可能な弁作動特性可変機構（４１）と、排気還流機構とを備え、前記吸気弁の閉弁時期が当該吸気弁が設けられている気筒の圧縮行程期間内に設定された内燃機関の制御装置において、前記機関の回転数（ＮＥ）を検出する回転数検出手段と、前記機関の負荷を示す負荷パラメータ（ＴＲＱＣＭＤ）を検出する負荷パラメータ検出手段と、前記機関回転数（ＮＥ）及び負荷パラメータ（ＴＲＱＣＭＤ）に応じて前記第１及び第２作動特性の一方を選択する吸気弁作動特性制御手段と、前記機関回転数（ＮＥ）に応じて前記負荷パラメータに対応する負荷判定閾値（ＴＲＱＴＨ）を算出する負荷判定閾値算出手段とを備え、前記第１作動特性におけるリフト量及び開角はそれぞれ前記第２作動特性におけるリフト量及び開角より小さく、前記吸気弁作動特性制御手段は、前記機関回転数（ＮＥ）が第１所定回転数（ＮＥＴＨ１）より低いとき、及び前記機関回転数（ＮＥ）が前記第１所定回転数（ＮＥＴＨ１）より高い第２所定回転数（ＮＥＴＨ２）より高いときに、前記第１作動特性を選択し、前記機関回転数（ＮＥ）が前記第１所定回転数（ＮＥＴＨ１）以上でかつ第２所定回転数（ＮＥＴＨ２）以下である場合において、前記負荷パラメータ（ＴＲＱＣＭＤ）が前記負荷判定閾値（ＴＲＱＴＨ）より大きい高負荷運転状態において前記第１作動特性を選択し、前記負荷パラメータ（ＴＲＱＣＭＤ）が「０」から前記負荷判定閾値（ＴＲＱＴＨ）までの値をとる中低負荷運転状態において前記第２作動特性を選択することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、前記機関は、前記吸気弁の作動位相（ＣＡＩＮ）を変更する弁作動位相可変機構（４２）を備え、選択された前記弁作動特性可変機構の作動特性に応じて、前記吸気弁作動位相（ＣＡＩＮ）を制御する作動位相制御手段をさらに備えることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、検出される機関回転数及び負荷パラメータに応じて第１及び第２作動特性の一方が選択され、機関回転数が第１所定回転数より低いとき、及び機関回転数が第１所定回転数より高い第２所定回転数より高いときに、第１作動特性が選択される。上述したように、吸気弁の閉弁時期が圧縮行程期間内に設定された機関では、高回転運転状態においてリフト量及び開角が小さい第１作動特性を選択することにより、機関出力トルクを増加させることが可能であり、また第１作動特性の方がカム軸を駆動するため負荷が第２作動特性より軽減されるので、カム軸を駆動するための機構の、高回転運転状態における負担を軽減し、耐久性を高めることができる。また第１所定回転数より低い運転状態で第１作動特性を選択することにより、良好な機関始動性能を得ることができる。また、機関回転数に応じて負荷判定閾値が算出され、機関回転数が第１所定回転数以上でかつ第２所定回転数以下の範囲内では、負荷パラメータが負荷判定閾値より大きい高負荷運転状態において第１作動特性が選択され、負荷パラメータが「０」から負荷判定閾値までの値をとる中低負荷運転状態において第２作動特性が選択される。負荷パラメータが負荷判定閾値より大きい高負荷運転状態においては、第１作動特性を選択することによって、機関出力トルクを確保し、負荷パラメータが「０」から負荷判定閾値までの値をとる中低負荷運転状態においては、第２作動特性を選択することによってポンピングロスを減少させ、燃費を向上させることができる。

請求項２に記載の発明によれば、選択された弁作動特性可変機構の作動特性に応じて、吸気弁作動位相が制御されるので、機関出力トルク及び燃費を向上させる効果をより高めることができる。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。吸気弁及び排気弁のリフトカーブを示す図である。機関回転数（ＮＥ）と機関出力トルク（ＴＲＱ）との関係を示す図である。吸気弁の第１作動特性及び第２作動特性の何れか一方を選択する処理のフローチャートである。機関回転数（ＮＥ）及び機関要求トルク（ＴＲＱＣＭＤ）で定義される機関運転領域を示す図である。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図であり、内燃機関（以下「エンジン」という）１はエンジン制御用電子制御ユニット（以下「ＥＮＧ−ＥＣＵ」という）５によって制御される。エンジン１は吸気弁（図示せず）の弁リフト量及び開角を、機械的に２段階に切り換える第１弁作動特性可変機構４１と、吸気弁の作動位相を連続的に変更する第２弁作動特性可変機構４２とを有する弁作動特性可変装置４０を備えている。

エンジン１の吸気通路２の途中にはスロットル弁３が配されている。スロットル弁３にはスロットル弁駆動装置４が取り付けられており、スロットル弁駆動装置４はＥＮＧ−ＥＣＵ５に接続されている。スロットル弁駆動装置４は、スロットル弁３を駆動するスロットルアクチュエータ及びスロットル弁開度センサを備えており、スロットル弁開度センサによる検出信号がＥＮＧ−ＥＣＵ５に供給されるとともに、ＥＮＧ−ＥＣＵ５からの駆動信号によりスロットル弁開度ＴＨが目標開度ＴＨＣＭＤに制御される。

燃料噴射弁６はエンジン１とスロットル弁３との間かつ吸気通路２の図示しない吸気弁の少し上流側に各気筒毎に設けられており、各噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されていると共にＥＮＧ−ＥＣＵ５に電気的に接続されて当該ＥＣＵ５からの信号により燃料噴射弁６の開弁時間及び開弁時期が制御される。

スロットル弁３の上流側には吸入空気流量ＧＡＩＲ［ｇ／ｓｅｃ］を検出する吸入空気流量センサ７が設けられている。またスロットル弁３の下流側には吸気圧ＰＢＡを検出する吸気圧センサ８、及び吸気温ＴＡを検出する吸気温センサ９が設けられている。これらのセンサの検出信号は、ＥＮＧ−ＥＣＵ５に供給される。エンジン１の本体には、エンジン冷却水温ＴＷを検出する冷却水温センサ１０が装着されており、その検出信号はＥＮＧ−ＥＣＵ５に供給される。

ＥＮＧ−ＥＣＵ５には、エンジン１のクランク軸の回転角度を検出するクランク角度位置センサ１１、及びエンジン１の吸気弁を駆動するカムが固定されたカム軸（図示せず）の回転角度を検出するカム角度位置センサ１２が接続されており、クランク軸の回転角度及びカム軸の回転角度に応じた信号がＥＮＧ−ＥＣＵ５に供給される。クランク角度位置センサ１１は、一定クランク角周期毎（例えば６度周期）に１パルス（以下「ＣＲＫパルス」という）と、クランク軸の所定角度位置を特定するパルスを発生する。また、カム角度位置センサ１２は、エンジン１の特定の気筒の所定クランク角度位置でカムパルスを発生し、各気筒の吸気行程開始時の上死点（ＴＤＣ）でＴＤＣパルスを発生する。これらのパルスは、燃料噴射時期、点火時期等の各種タイミング制御及びエンジン回転数（エンジン回転速度）ＮＥの検出に使用される。なお、カム角度位置センサ１２より出力されるカムパルスと、クランク角度位置センサ１１より出力されるＣＲＫパルスとの相対関係からカム軸の実際の作動位相（吸気弁作動位相）ＣＡＩＮを検出することができる。

排気通路１３には、比例型酸素濃度センサ１５（以下「ＬＡＦセンサ１５」という）、排気浄化装置としての三元触媒１４、及び二値型酸素濃度センサ（以下「Ｏ２センサ」という）１６が設けられており、ＬＡＦセンサ１５及びＯ２センサ１６の検出信号はＥＮＧ−ＥＣＵ５に供給され、エンジン１で燃焼する混合気の空燃比制御に適用される。

ＥＮＧ−ＥＣＵ５には、エンジン１により駆動される車両のアクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセルペダル操作量」という）ＡＰを検出するアクセルセンサ２１、当該車両の走行速度（車速）ＶＰを検出する車速センサ２２、及び当該車両のブレーキペダル（図示せず）が踏み込まれているときオンするブレーキスイッチ２３が接続されており、センサ及びスイッチから検出信号及び切換信号がＥＮＧ−ＥＣＵ５に供給される。スロットル弁３はスロットル弁駆動装置４により開閉駆動され、スロットル弁開度ＴＨはアクセルペダル操作量ＡＰに応じてＥＮＧ−ＥＣＵ５により制御される。

弁作動特性可変装置４０は、吸気弁のリフト量及び開角（リフト量が「０」より大きい角度期間）を第１作動特性と第２作動特性とに切り換える第１弁作動特性可変機構４１と、吸気弁の作動位相を連続的に変更する第２弁作動特性可変機構４２と、第１弁作動特性可変機構４１を駆動するための油圧制御機構４３と、第２弁作動特性可変機構４２を駆動するための電動アクチュエータ４４とを備えている。油圧制御機構４３及び電動アクチュエータ４４の作動はＥＮＧ−ＥＣＵ５により制御される。

弁作動特性可変装置４０によれば、吸気弁は、図２に実線Ｌ１で示す第１作動特性と、実線Ｌ２で示す第２作動特性とを中心として、カムの作動位相ＣＡＩＮの変化に伴って破線Ｌ３，Ｌ４で示す最進角位相から、一点鎖線Ｌ５，Ｌ６で示す最遅角位相までの間の位相で駆動される。なお、排気弁は実線Ｌ７で示す一定の作動特性で駆動される。図２から明らかなように、本実施形態では吸気弁の閉弁時期ＣＡＩＶＣが圧縮行程の開始後となるように設定され、アトキンソンサイクル運転が行われる。また第１作動特性における吸気弁のリフト量及び開角は、それぞれ第２作動特性におけるリフト量及び開角より小さい。

図３はエンジン回転数ＮＥとエンジン１の最大出力トルクＴＲＱＭＡＸとの関係を示す図であり、この図に示す実線Ｌ１１が吸気弁の第１作動特性に対応し、破線Ｌ１２が第２作動特性に対応する。図３から明らかなように、本実施形態では、エンジン回転数ＮＥの全範囲で、第１作動特性を選択したときの最大出力トルクＴＲＱＭＡＸが、第２作動特性を選択したときの最大出力トルクＴＲＱＭＡＸより大きくなる。第１作動特性は第２作動特性よりも吸気弁閉弁時期が早いために、第１作動特性選択時は第２作動特性選択時よりも実効圧縮比が高められ、第１作動特性選択時の方が大きな出力トルクが得られる。また、第２弁作動特性可変機構４２によって、第１作動特性及び第２作動特性は同じ開弁位相範囲を遅角側/進角側に変更可能であるため、最大出力トルクＴＲＱＭＡＸを得るために開弁位相範囲を最進角とした場合であっても、第１作動特性は第２作動特性よりも吸気弁閉弁時期が早く、第１作動特性選択時の方がより大きな最大出力トルクＴＲＱＭＡＸが得られる。

なお、図示は省略しているが、エンジン１には周知の排気還流機構及び蒸発燃料処理装置が設けられている。

ＥＮＧ−ＥＣＵ５は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、該ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、燃料噴射弁６、弁作動特性可変装置４０などに駆動信号を供給する出力回路を備えている。

本実施形態では、アクセルペダル操作量ＡＰ及びエンジン回転数ＮＥに応じてエンジン１の要求トルクＴＲＱＣＭＤを算出し、エンジン１の出力トルクＴＲＱが要求トルクＴＲＱＣＭＤと一致するように、燃料噴射弁６による燃料噴射量、点火時期、及びスロットル弁３の目標開度ＴＨＣＭＤ（吸入空気量）が制御される。要求トルクＴＲＱＣＭＤは、基本的にはアクセルペダル操作量ＡＰが増加するほど増加するように設定される。

図４は、第１弁作動特性可変機構４１の第１作動特性及び第２作動特性の何れかを選択する処理のフローチャートである。この処理は、ＥＮＧ−ＥＣＵ５で所定時間毎に実行される。

ステップＳ１１では、エンジン回転数ＮＥが第１所定回転数ＮＥＴＨ１より低いか否かを判別する。第１所定回転数ＮＥＴＨ１はエンジン始動回転数より高くアイドル回転数より低い回転数であり、例えば９００ｒｐｍに設定される。ステップＳ１１の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、第１作動特性を選択する（ステップＳ１６）。ステップＳ１１の答が否定（ＮＯ）であるときは、エンジン回転数ＮＥが第１所定回転数ＮＥＴＨ１より高い第２所定回転数ＮＥＴＨ２（例えば５５００ｒｐｍ）より高いか否かを判別する（ステップＳ１２）。ステップＳ１２の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、ステップＳ１６に進み、第１作動特性を選択する。

ステップＳ１２の答が否定（ＮＯ）であるときは、エンジン回転数ＮＥに応じてトルク閾値ＴＲＱＴＨを算出し（ステップＳ１３）、エンジン１の要求トルクＴＲＱＣＭＤがトルク閾値ＴＲＱＴＨより大きいか否かを判別する（ステップＳ１４）。トルク閾値ＴＲＱＴＨは、図５に曲線Ｌ２２で示すように設定されている。図５は、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱＣＭＤで定義されるエンジン運転領域を示す図であり、曲線Ｌ２１がエンジン回転数ＮＥに対応する最大出力トルクＴＲＱＭＡＸを示す。

ステップＳ１４の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、ステップＳ１６に進んで第１作動特性を選択し、ＴＲＱＣＭＤ≦ＴＲＱＴＨであるときは、第２作動特性を選択する（ステップＳ１５）。

したがって、図４の処理によれば、図５にハッチングを付して示す領域Ｒ２において第２作動特性が選択され、領域Ｒ２以外の領域Ｒ１において第１作動特性が選択される。

図５に示すように第１及び第２作動特性の一方を選択することにより、以下の効果が得られる。
１）図３に示すようにエンジン回転数ＮＥの全範囲で第１作動特性における最大出力トルクＴＲＱＭＡＸが第２作動特性における最大出力トルクＴＲＱＭＡＸを上回るので、エンジン回転数ＮＥが第２所定回転数ＮＥＴＨ２より高い高回転運転状態において第１作動特性を選択することにより、最大出力トルクＴＲＱＭＡＸを増加させることができる。また第１作動特性の方がカム軸を駆動するため負荷が第２作動特性より軽減されるので、カム軸を駆動するための機構の、高回転運転状態における負担を軽減し、耐久性を高めることができる。
２）第１所定回転数ＮＥＴＨ１より低い低回転運転状態で第１作動特性を選択することにより、良好な機関始動性能を得ることができる。第１作動特性は、第２作動特性より閉弁時期が早く、始動時に必要な実効圧縮比が得られるからである。
３）エンジン回転数ＮＥが第１所定回転数ＮＥＴＨ１以上でかつ第２所定回転数ＮＥＴＨ２以下の範囲内では、要求トルクＴＲＱＣＭＤがトルク閾値ＴＲＱＴＨより大きいときに第１作動特性が選択され、要求トルクＴＲＱＣＭＤがトルク閾値ＴＲＱＴＨ以下であるときに（領域Ｒ２で）第２作動特性が選択される。要求トルクＴＲＱＣＭＤがトルク閾値ＴＲＱＴＨより大きい高負荷運転状態においては、第１作動特性を選択することによって、必要なエンジン出力トルクＴＲＱを確保し、要求トルクＴＲＱＣＭＤがトルク閾値ＴＲＱＴＨ以下である中低負荷運転状態においては、第２作動特性を選択することによって燃費を向上させることができる。第２作動特性選択時の方が第１作動特性選択時に比べてポンピングロスが減少するからである。

なお、第２弁作動特性可変機構４２によって、第２作動特性選択時は、吸気弁の作動位相は比較的遅角側の設定とし、第１作動特性選択時は、比較的進角側の設定とすることが望ましい。これにより、出力トルクＴＲＱ及び燃費を向上させる効果をより高めることができる。また、第１弁作動特性可変機構４１は、第１作動特性と第２作動特性の２段階に機械的に切り換えるように構成されているので、制御ばらつきの影響が小さく、高い制御精度が得られる。

本実施形態では、クランク角度位置センサ１１が回転数検出手段に相当し、第２弁作動特性可変機構４２が弁作動位相可変機構に相当し、アクセルセンサ２１及びＥＮＧ−ＥＣＵ５が負荷パラメータ検出手段を構成し、ＥＮＧ−ＥＣＵ５が、吸気弁作動特性制御手段、負荷判定閾値算出手段、及び作動位相制御手段を構成する。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では吸気弁の作動位相を変更する第２弁作動特性可変機構４２を備える内燃機関の制御装置を示したが、本発明は第２弁作動特性可変機構４２を備えていない内燃機関の制御装置にも適用可能である。また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの制御にも適用が可能である。

また上述した実施形態では、第１弁作動特性可変機構４１として吸気弁のリフト量及び開角を第１作動特性と第２作動特性の２段階に切り換える機構を使用したが、これに限るものではなく、リフト量及び開角を連続的に変更する連続可変バルブタイミング機構を採用してもよい。

また上述した実施形態では、エンジン１の負荷を示す負荷パラメータとして、要求トルクＴＲＱＣＭＤを使用したが、これに限るものではなく、例えばアクセルペダル操作量ＡＰ、スロットル弁開度ＴＨ、または吸気圧ＰＢＡを負荷パラメータとして使用してもよい。

１内燃機関
５エンジン制御用電子制御ユニット（負荷パラメータ検出手段、吸気弁作動特性制御手段、負荷判定閾値算出手段、作動位相制御手段）
１１クランク角度位置センサ（回転数検出手段）
２１アクセルセンサ（負荷パラメータ検出手段）
４１第１弁作動特性可変機構
４２第２弁作動特性可変機構（弁作動位相可変機構）

Claims

吸気弁のリフト量及び開角を第１作動特性と第２作動特性とに変更可能な弁作動特性可変機構と、排気還流機構とを備え、前記吸気弁の閉弁時期が当該吸気弁が設けられている気筒の圧縮行程期間内に設定された内燃機関の制御装置において、
前記機関の回転数を検出する回転数検出手段と、
前記機関の負荷を示す負荷パラメータを検出する負荷パラメータ検出手段と、
前記機関回転数及び負荷パラメータに応じて前記第１及び第２作動特性の一方を選択する吸気弁作動特性制御手段と、
前記機関回転数に応じて前記負荷パラメータに対応する負荷判定閾値を算出する負荷判定閾値算出手段とを備え、
前記第１作動特性におけるリフト量及び開角はそれぞれ前記第２作動特性におけるリフト量及び開角より小さく、
前記吸気弁作動特性制御手段は、前記機関回転数が第１所定回転数より低いとき、及び前記機関回転数が前記第１所定回転数より高い第２所定回転数より高いときに、前記第１作動特性を選択し、
前記機関回転数が前記第１所定回転数以上でかつ第２所定回転数以下である場合において、前記負荷パラメータが前記負荷判定閾値より大きい高負荷運転状態においては前記第１作動特性を選択し、前記負荷パラメータが「０」から前記負荷判定閾値までの値をとる中低負荷運転状態においては前記第２作動特性を選択することを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記機関は、前記吸気弁の作動位相を変更する弁作動位相可変機構を備え、
選択された前記弁作動特性可変機構の作動特性に応じて、前記吸気弁作動位相を制御する作動位相制御手段をさらに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。