JP5811024B2

JP5811024B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP5811024B2
Application number: JP2012108443A
Authority: JP
Inventors: 宏太朗鈴木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-05-10
Filing date: 2012-05-10
Publication date: 2015-11-11
Anticipated expiration: 2032-05-10
Also published as: JP2013234622A

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、吸気弁の作用角を変更可能な内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特開２００９−１５０３２０号公報に開示されるように、作用角の異なる複数のカムを切り替え可能な可変動弁システムと、排気系を通過する排気の一部を吸気系に再循環させる外部ＥＧＲと、を備えるシステムが知られている。このシステムでは、吸気弁の通常の作用角を有する吸気カムが用いられ外部ＥＧＲが併用される第１モードと、より大きい作用角の吸気カムが用いられることで吸気弁の遅閉じとされる第３モードが切り替え可能に構成されている。そして、低負荷の領域では第３モードが選択され、いわゆるアトキンソンサイクルが実現されるとともに、高負荷の領域では第１モードが選択され、吸入空気量の確保およびＥＧＲガスの導入が実現される。これにより、幅広い負荷領域において燃費が改善される。

特開２００９−１５０３２０号公報

上述した従来の技術では、内燃機関の運転状態が高負荷から低負荷へと移行する場合に、吸気弁の作用角を可変させるための吸気カムが、より大きい作用角のカムに切り替えられる。しかしながら、より大きい作用角のカムが用いられると、吸気閉じ時期ＩＶＣが遅角側へと移行するため、筒内の吸気の乱れ（タンブル流）が切り替え前よりも減衰してしまう。このため、上述した吸気カムの切り替えが排気還流（ＥＧＲ）動作の実行中に行われると、吸気の乱れの減衰によりＥＧＲ耐性が不足し、切替直後の失火を誘発してしまうおそれがある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、排気還流動作と吸気弁の作用角可変動作とを同時期に行うことのある内燃機関において、失火の発生を有効に抑制することのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、吸気弁の作用角を大作用角と前記大作用角よりも小さい作用角である小作用角との間で切替可能な作用角可変機構と、内燃機関の筒内から排気された既燃ガスの一部を前記筒内へ還流させる排気還流動作を行う排気還流装置と、を有する内燃機関の制御装置であって、
前記内燃機関の運転状態が負荷とエンジン回転数により特定される排気還流領域に属する場合に、前記排気還流装置を動作させて前記排気還流動作を行う排気還流制御手段と、
前記内燃機関の運転状態が負荷とエンジン回転数により特定される大作用角領域に属する場合に、前記作用角可変機構を動作させて、前記吸気弁の作用角を前記大作用角に制御し、前記内燃機関の運転状態が負荷とエンジン回転数により特定される小作用角領域に属する場合に、前記作用角可変機構を動作させて、前記吸気弁の作用角を前記小作用角に制御する作用角制御手段と、を備え、
前記小作用角領域は、当該小作用角領域の低負荷側の境界が前記大作用角領域に隣接し、
前記排気還流装置は、
一端が前記内燃機関の排気通路に接続され他端が吸気通路に接続されたＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲ通路の途中に設けられたＥＧＲバルブと、を含んで構成され、
前記排気還流制御手段は、前記内燃機関の加速時において負荷の増加に伴い前記ＥＧＲバルブの開度が大きくなるように前記排気還流装置を制御するとともに前記内燃機関の減速時において負荷の減少に伴い前記ＥＧＲバルブの開度が小さくなるように制御し、
前記排気還流制御手段は、前記内燃機関の加速時において負荷の増加に伴い排気還流量が増加するように前記排気還流装置を制御するとともに前記内燃機関の減速時において負荷の減少に伴い排気還流流量が減少するように前記排気還流装置を制御し、
前記作用角制御手段は、前記内燃機関の加速時において、前記内燃機関の運転状態が前記排気還流領域に属し且つ前記大作用角領域から前記小作用角領域へと移行する場合には、前記小作用角領域へ移行した時点で前記作用角可変機構を動作させて前記吸気弁の作用角を前記大作用角から前記小作用角へ切り替え、前記内燃機関の減速時において、前記内燃機関の運転状態が前記排気還流領域に属し且つ前記小作用角領域から前記大作用角領域へと移行する場合には、前記大作用角領域への移行後、前記ＥＧＲバルブの開度が移行時点の開度よりも小さい開度まで閉弁されて前記排気還流動作による排気還流量が減少した後に、前記作用角可変機構を動作させて、前記吸気弁の作用角を前記小作用角から前記大作用角へ切り替えることを特徴としている。

第１の発明によれば、内燃機関の運転状態が小作用角領域から大作用角領域へ移行する場合に、作用角可変機構を動作させて、吸気弁の作用角が小作用角から大作用角へと切り替えられる。この際、排気還流（ＥＧＲ）領域に属している場合には、大作用角領域への移行後、当該ＥＧＲ動作による排気還流量（ＥＧＲ量）が減少した後に当該吸気弁の作用角の切替動作が行われる。小作用角から大作用角へ切り替えられた直後は、筒内の気流の乱れ（タンブル流）が減衰するため、燃焼耐性が低下する。このため、本発明によれば、ＥＧＲ量を減少させてから吸気弁の作用角の切替動作が行われるので、切替直後における失火の発生を有効に抑制することが可能となる。
また、本発明によれば、大作用角領域且つ排気還流領域において、負荷の低下に応じてＥＧＲバルブの開度が小さくなるように排気還流装置が制御される。このため、本発明によれば、小作用角領域から大作用角領域への移行後、運転状態が更に低負荷側に移行するまで切り替え時期を遅らすことにより、切替直後のＥＧＲ量を有効に減少させて失火の発生を有効に抑制することが可能となる。
また、本発明によれば、内燃機関の運転状態が大作用角領域から小作用角領域へ移行する場合に、運転状態が小作用角領域へ移行した時点で作用角可変機構を動作させて、吸気弁の作用角が大作用角から小作用角へと切り替えられる。大作用角から小作用角へと切り替えられた直後は、筒内の気流の乱れ（タンブル流）が減衰するおそれはない。このため、本発明によれば、大作用角領域から小作用角領域へ移行する場合に、速やかに吸気の充填効率を高めて加速性を向上させることができる。

本発明の実施の形態のシステムの構成を説明するための図である。吸気カム毎の吸気弁のリフト量および作用角を示す図である。内燃機関の運転領域と作用角との関係を示す図である。クランク角に対する吸気の乱れの大きさを示す図である。吸気弁の作用角切り替え時の各種状態を示すタイミングチャートである。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
［実施の形態の構成］
図１は、本発明の実施の形態のシステムの構成を説明するための図である。図１に示すシステムは、車両に搭載された内燃機関１０を備えている。本実施形態の内燃機関１０は、直列４気筒型であるものとする。図１には、そのうちの一つの気筒の断面が示されている。内燃機関１０の各気筒内には、ピストン１２が設けられている。各気筒内には、吸気通路１４および排気通路１６が連通している。

吸気通路１４の途中には、電子制御式のスロットル弁１８と、サージタンク２０とが設けられている。サージタンク２０は、スロットル弁１８の下流側に配置されている。また、スロットル弁１８の上流側には、吸入空気量を検出するエアフローメータ２２が設置されている。排気通路１６には、排気ガスを浄化する排気浄化触媒２６が配置されている。

内燃機関１０の各気筒には、吸気ポート内に燃料を噴射する燃料インジェクタ２８と、燃焼室内の混合気に点火するための点火プラグ３０と、吸気弁３２と、排気弁３４とが設けられている。また、内燃機関１０のクランク軸２４の近傍には、クランク軸２４の回転角度（クランク角）を検出するためのクランク角センサ３６が設けられている。また、アクセルペダルの近傍には、アクセルペダル位置を検出するアクセルポジションセンサ４４が設置されている。

また、内燃機関１０は、排気通路１６内の排気ガスの一部を吸気通路１４に還流させる、いわゆるＥＧＲを実行するためのＥＧＲ装置４０を備えている。ＥＧＲ装置４０は、一端が排気通路１６に接続され、他端がサージタンク２０の下流側の吸気通路１４に接続されたＥＧＲ通路４６と、該ＥＧＲ通路４６の途中に設けられ、このＥＧＲ通路４６を開閉することによって排気還流量を制御するためのＥＧＲバルブ４８と、により構成されている。

吸気弁３２には、当該吸気弁３２の開弁特性である開弁期間（作用角）の変更を行う作用角可変機構３８が設けられている。尚、本実施の形態における作用角可変機構３８は、２つの吸気カム（図示せず）を切り替えることにより、吸気弁３２のリフト量と共に作用角を２段階に変更する機構である。尚、作用角可変機構３８の構成については、多くの文献において公知であるため、その詳細な説明を省略する。

本実施の形態の内燃機関システムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０を備えている。ＥＣＵ５０の入力側には、上述した各種センサ類が接続されている。また、ＥＣＵ５０の出力側には、上述したＥＧＲバルブ４８、点火プラグ３０、作用角可変機構３８等の各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ５０は、それらのセンサ出力に基づいて、内燃機関１０の運転状態を制御することができる。

［実施の形態の動作］
上述したとおり、本実施の形態のシステムは、２つの吸気カムを切り替えることにより、吸気弁３２の作用角を２段階に切り替え可能な作用角可変機構３８を備えている。図２は、吸気カム毎の吸気弁３２のリフト量および作用角を示す図である。この図に示すとおり、本実施の形態のシステムの吸気カムは、吸気弁３２のリフト量及び作用角が小さい小作用角に対応した吸気カムと、吸気弁３２のリフト量及びバルブ作用角が大きい大作用角に対応した吸気カムと、を有している。小作用角用の吸気カムは、大作用角用の吸気カムよりも吸気閉じ時期ＩＶＣが遅角化されるように、そのプロファイルが規定されている。

作用角可変機構３８は、内燃機関１０の運転状態に応じて制御される。図３は、内燃機関の運転領域と作用角との関係を示す図である。この図に示すとおり、内燃機関１０の運転領域は、大作用角が使用される大作用角領域と小作用が使用される小作用角領域とに分けられている。本実施の形態の内燃機関１０では、先ず、エアフローメータ２２、クランク角センサ３６およびアクセルポジションセンサ４４等を用いてエンジン回転数およびエンジン負荷を算出し、これらの値から特定される運転状態が何れの作用角の領域に属するかによって作用角可変機構３８による切り替え動作が行われる。

具体的には、本実施の形態の内燃機関１０では、アイドル時を含む軽負荷運転時には、作用角可変機構３８の制御状態が、大作用角用の吸気カムに切り替えられた状態となるように制御される。このような大作用角制御時には、吸気弁３２がゆっくりと開くようになるので、吸気弁３２の閉じ時期ＩＶＣが遅くなり、一度吸った空気を戻すことで少ない空気量で運転する、いわゆるアトキンソンサイクルとなる。これにより、ポンピング損失の低減を図ることができる。一方、加速時には、作用角可変機構３８の制御状態が、小作用角の吸気カムに切り替えられた状態となるように制御される。このような小作用角制御時には、吸気の吹き返しがなくなるので吸気の充填効率を高めて加速性を向上させることができる。

また、本実施の形態の内燃機関１０では、燃費の向上を目的とした排気還流動作が行われる。具体的には、内燃機関１０の運転状態が図３に示すＥＧＲ導入領域に属する場合に、ＥＧＲバルブ４８が開弁される。ＥＧＲ導入領域では、低負荷側から高負荷側に向かって徐々にＥＧＲバルブ４８の開度が大きくなるように制御された後、高負荷側の領域境界において速やかに全閉されるように制御される。このような排気還流動作により、筒内から排気通路１６へ排気された既燃ガスが、ＥＧＲ通路４６を介して吸気通路１４に還流される。還流された既燃ガス（ＥＧＲガス）は、新気とともに内燃機関１０の筒内に吸入されて燃焼に供される。

ここで、吸気弁３２の作用角が小作用角から大作用角へ切り替えられると、筒内の吸気の乱れ度合が変化する。図４は、クランク角に対する吸気の乱れの大きさを示す図である。上述したとおり、吸気弁３２の作用角が小作用角から大作用角へ切り替えられると、吸気閉じ時期ＩＶＣが遅角化される。このため、この図に示すとおり、吸気閉じ時期ＩＶＣが遅角化される吸気弁３２の大作用角制御時には、点火時の吸気の乱れ（タンブル流）が減衰してしまいＥＧＲ導入領域において必要な燃焼耐性が確保できないことが想定される。

そこで、本実施の形態の内燃機関１０では、ＥＧＲ導入領域において内燃機関１０の運転状態が吸気弁３２の小作用角領域から大作用角領域へ移行する場合には、大作用角領域から小作用角領域へ移行する場合よりもＥＧＲ量が減量された点にて作用角の切り替えを行うこととする。図５は、吸気弁３２の作用角切り替え時の各種状態を示すタイミングチャートである。先ず、この図中の（Ａ）は、内燃機関１０の加速時において、吸気弁３２の作用角が大作用角から小作用角へ切り替えられるタイミングを示している。この図中の（Ａ）に示すように、内燃機関１０の加速時には、アクセル開度の上昇によりエンジン負荷が徐々に上昇する。そして、内燃機関１０のエンジン負荷およびエンジン回転数により定まる運転状態が大作用角領域から小作用角領域に移行した場合に、その移行時点において作用角可変機構３８が駆動されて、吸気弁３２の作用角が大作用角から小作用角へ切り替えられる。また、この際、ＥＧＲバルブ４８は、ＥＧＲ導入領域の低負荷側から徐々に開度が大きくなるように制御された後、高負荷側の境界において速やかに全閉まで制御される。

一方、図中の（Ｂ）は、内燃機関１０の減速時において、吸気弁３２の作用角が小作用角から大作用角へ切り替えられるタイミングを示している。この図中の（Ｂ）に示すように、内燃機関１０の減速時には、アクセル開度の低下によりエンジン負荷が徐々に低下する。そして、内燃機関１０のエンジン負荷およびエンジン回転数により定まる運転状態が小作用角領域から大作用角領域に移行する場合に、吸気弁３２の作用角の切り替えを行うタイミングが、その移行時点よりも遅らされる。具体的には、内燃機関１０の減速時には、小作用角領域から大作用角領域に移行した時点では吸気弁３２の作用角の切り替えは行われず、ＥＧＲバルブ４８の開度が移行時点のバルブ開度Ａよりも小さい所定のバルブ開度Ｂ（＜Ａ）まで閉弁された後に作用角可変機構３８が駆動されて、吸気弁３２の作用角が大作用角から小作用角へ切り替えられる。尚、バルブ開度Ｂは、切り替え直後の失火を抑制するためのＥＧＲ量を実現するための開度として、予め設定された値が使用される。このような制御によれば、点火時の吸気の乱れが減衰する状況下において、大量のＥＧＲが行われる事態を抑制することができるので、失火の発生を有効に抑止することが可能となる。

尚、吸気弁３２の作用角を小作用角から大作用角へ切り替えるタイミングは、ＥＧＲバルブ４８の開度が所定の開度Ｂ（＜Ａ）まで閉弁された場合に限られない。すなわち、大作用角領域への移行後のＥＧＲ量が失火を抑制しうる量となった時期を決定できるのであれば、エンジン負荷やエンジン回転数等の運転状態や移行後の経過時間等からそのタイミングを決定してもよい。

ところで、上述した本実施の形態では、大作用角の吸気閉じ時期ＩＶＣが小作用のそれよりも遅角化されるように構成された作用角可変機構３８を用いることとしているが、大作用角の吸気開き時期ＩＶＯが小作用のそれよりも進角化されるように構成された作用角可変機構を用いることとしてもよい。

また、上述した本実施の形態では、吸気弁３２のリフト量と共にバルブ作用角を２段階に変更する作用角可変機構３８を用いることとして説明したが、本発明に適用可能な作用角可変機構３８としては、作用角を少なくとも２段階に変更できればその機構は特に限定しない。すなわち、作用角可変機構３８としては、例えば、３つ以上の排気カムを備えることでバルブ作用角を３段階以上に変更できる機構を適用してもよい。

１０内燃機関
１２ピストン
１４吸気通路
１６排気通路
１８スロットル弁
２０サージタンク
２２エアフローメータ
２４クランク軸
２６排気浄化触媒
２８燃料インジェクタ
３０点火プラグ
３２吸気弁
３４排気弁
３６クランク角センサ
３８作用角可変機構
４０ＥＧＲ装置
４４アクセルポジションセンサ
４６ＥＧＲ通路
４８ＥＧＲバルブ
５０ＥＣＵ（Electronic Control Unit）

Claims

吸気弁の作用角を大作用角と前記大作用角よりも小さい作用角である小作用角との間で切替可能な作用角可変機構と、内燃機関の筒内から排気された既燃ガスの一部を前記筒内へ還流させる排気還流動作を行う排気還流装置と、を有する内燃機関の制御装置であって、
前記内燃機関の運転状態が負荷とエンジン回転数により特定される排気還流領域に属する場合に、前記排気還流装置を動作させて前記排気還流動作を行う排気還流制御手段と、
前記内燃機関の運転状態が負荷とエンジン回転数により特定される大作用角領域に属する場合に、前記作用角可変機構を動作させて、前記吸気弁の作用角を前記大作用角に制御し、前記内燃機関の運転状態が負荷とエンジン回転数により特定される小作用角領域に属する場合に、前記作用角可変機構を動作させて、前記吸気弁の作用角を前記小作用角に制御する作用角制御手段と、を備え、
前記小作用角領域は、当該小作用角領域の低負荷側の境界が前記大作用角領域に隣接し、
前記排気還流装置は、
一端が前記内燃機関の排気通路に接続され他端が吸気通路に接続されたＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲ通路の途中に設けられたＥＧＲバルブと、を含んで構成され、
前記排気還流制御手段は、前記内燃機関の加速時において負荷の増加に伴い前記ＥＧＲバルブの開度が大きくなるように前記排気還流装置を制御するとともに前記内燃機関の減速時において負荷の減少に伴い前記ＥＧＲバルブの開度が小さくなるように制御し、
前記排気還流制御手段は、前記内燃機関の加速時において負荷の増加に伴い排気還流量が増加するように前記排気還流装置を制御するとともに前記内燃機関の減速時において負荷の減少に伴い排気還流流量が減少するように前記排気還流装置を制御し、
前記作用角制御手段は、前記内燃機関の加速時において、前記内燃機関の運転状態が前記排気還流領域に属し且つ前記大作用角領域から前記小作用角領域へと移行する場合には、前記小作用角領域へ移行した時点で前記作用角可変機構を動作させて前記吸気弁の作用角を前記大作用角から前記小作用角へ切り替え、前記内燃機関の減速時において、前記内燃機関の運転状態が前記排気還流領域に属し且つ前記小作用角領域から前記大作用角領域へと移行する場合には、前記大作用角領域への移行後、前記ＥＧＲバルブの開度が移行時点の開度よりも小さい開度まで閉弁されて前記排気還流動作による排気還流量が減少した後に、前記作用角可変機構を動作させて、前記吸気弁の作用角を前記小作用角から前記大作用角へ切り替えることを特徴とする内燃機関の制御装置。