JP5895862B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、可変動弁機構が設けられた内燃機関を制御する制御装置に関する。
吸気バルブのバルブ特性(開弁特性)を内燃機関の運転状態に応じて変更する可変動弁機構が知られている。例えば、特許文献1には、吸気バルブの最大リフト量及び作用角の少なくとも一方をバルブ特性とし、このバルブ特性を段階的に変更する多段可変型の可変動弁機構が記載されている。
なお、上記可変動弁機構としては、上述した多段可変型の他にも、吸気バルブのバルブ特性を無段階に変更する連続可変型もある。
特開2004−339951号公報
ところが、上記多段可変型の可変動弁機構では、互いに大きさの大きく異なる複数のバルブ特性が設定されている。そのため、吸気バルブのバルブ特性が増大する側へ大きく急激に変更されることが起こり得る。この場合、吸気バルブのバルブ特性の変更に伴い、内燃機関に吸入される空気量が急激に増加し、内燃機関の出力トルクが一気に増大するおそれがある。
こうした問題は、上記多段可変型の可変動弁機構に限らず、連続可変型の可変動弁機構が設けられた内燃機関でも、バルブ特性が増大する側へ大きく急激に変更された場合に同様に起こり得る。
本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、吸気バルブのバルブ特性の増大側への変更に伴い内燃機関の出力トルクが急激に増大するのを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にある。
以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する内燃機関の制御装置は、吸気バルブの最大リフト量及び作用角の少なくとも一方をバルブ特性とし、前記バルブ特性を機関運転状態に応じて変更する可変動弁機構が設けられるとともに、排気通路に配置されたタービンホイールを迂回して、前記排気通路のタービンホイールよりも上流部及び下流部を繋ぐバイパス通路と、前記バイパス通路の流路面積を調整するウエストゲートバルブとを備えるターボチャージャが設けられた内燃機関を制御する内燃機関の制御装置であり、前記機関運転状態の変化に応じて前記バルブ特性を増大する要求がなされた場合、前記ウエストゲートバルブを要求前よりも開側の開度まで開かせた後に、前記可変動弁機構により前記バルブ特性を増大する側に変更するものであり、前記ウエストゲートバルブは、要求される前記バルブ特性の変更量に応じて開かれ、該変更量が多いときには、少ないときよりも開側への開度の変更量が多くされる内燃機関の制御装置とした。
上記の構成によれば、内燃機関では、吸気バルブのバルブ特性が可変動弁機構により機関運転状況に応じて可変制御される。また、ターボチャージャでは、内燃機関から排気通路へ排出された排気がタービンホイールに吹付けられて、同タービンホイールが回転駆動される。これに伴い、タービンホイールと同軸上のコンプレッサホイールがタービンホイールと一体となって回転し、過給が行なわれる。すなわち、吸入された空気が圧縮されて内燃機関に送り込まれる。さらに、ウエストゲートバルブが開かれると、その開度に応じて排気の少なくとも一部がタービンホイールを迂回して、バイパス通路を経由して排出される。
ここで、機関運転状態の変化に応じて吸気バルブのバルブ特性を増大側へ変更する要求がなされた場合、ウエストゲートバルブが要求前よりも開側の開度まで開かれる。タービンホイールを迂回し、バイパス通路を経由して排出される排気の量が上記要求前よりも多くなる。上記要求前に比べ、排気がバイパス通路を流れる分、排気圧が低下し、タービンホイールの回転速度が低下する。これに伴い、コンプレッサホイールによる空気の送り込みが弱まり、過給圧が低下する。
そして、上記ウエストゲートバルブの開側への作動の後に、可変動弁機構により、吸気バルブのバルブ特性が増大する側へ変更される。
従って、吸気バルブのバルブ特性が増大する側へ急激に変更されると、内燃機関に吸入される空気量が急激に増加するが、その増加が、上記のように過給圧が低下している状況下で行なわれるため、内燃機関の出力トルクの急激な増加が抑制される。
こで、可変動弁機構により吸気バルブのバルブ特性が増大する側へ急激に変更された場合、内燃機関に吸入される空気量は、バルブ特性の変更量に応じた量増加する。一方、ウエストゲートバルブが開かれた場合、排気圧及び過給圧は、同バルブの開側への開度の変更量に応じた量低下する。
この点、上記の構成によれば、ウエストゲートバルブが、要求されるバルブ特性の変更量に応じ開かれる。そのため、要求されるバルブ特性の変更量に拘わらずウエストゲートバルブが常に一定開度開かれる場合とは異なり、バルブ特性の変更量の多少に拘わらず、吸入空気量の急増に起因する内燃機関の出力トルクの急激な増加が適切に抑制されて、同出力トルクが狙いとする値に近づけられる。
こで、内燃機関に吸入される空気量は、バルブ特性の増大側への変更量が少ないときには少なく、同変更量が多くなるに従い多くなる。一方、排気圧及び過給圧の低下量は、ウエストゲートバルブの開側への開度の変更量が少ないときには少なく、同変更量が多くなるに従い多くなる。
この点、上記の構成によれば、ウエストゲートバルブが、要求されるバルブ特性の変更量が多いときには、少ないときよりも多くの開側の開度開かれる。そのため、要求されるバルブ特性の変更量の多少に拘わらず、吸入空気量の急増に起因する内燃機関の出力トルクの急激な増加が適切に抑制されて、同出力トルクが狙いとする値に近づけられる。
上記内燃機関の制御装置において、前記可変動弁機構は、予め決められた複数のバルブ特性の目標値の中からいずれかを選択することによりバルブ特性を多段階に変更する多段可変型の可変動弁機構であることが好ましい。
ここで、多段可変型の可変動弁機構では、互いに大きさの大きく異なる複数のバルブ特性の目標値が設定されている。そのため、バルブ特性が変更される場合のその変更量は、吸気バルブのバルブ特性を無段階に変更する連続可変型の可変動弁機構に比べ多くなる傾向にある。多段可変型の可変動弁機構では、吸気バルブのバルブ特性が増大する側へ大きく急激に変更されることが、連続可変型の可変動弁機構よりも起こりやすい。
従って、上記の構成によるように、多段可変型の可変動弁機構が設けられた内燃機関において、ウエストゲートバルブ及び可変動弁機構の上記制御が行なわれることで、内燃機関の出力トルクの急激な増大を抑制する効果が有効に得られる。
上記内燃機関の制御装置において、前記バルブ特性の目標値は3つ以上設定されており、前記要求は、前記複数のバルブ特性の目標値のうち、要求前の目標値から2段階以上大きい側の目標値に変更する要求であることが好ましい。
バルブ特性の目標値が3つ以上設定された多段可変型の可変動弁機構が設けられた内燃機関では、バルブ特性が1段階大きい側の目標値に変更される場合よりも、2段階以上大きい側の目標値に変更された場合に、より多くの量の空気が同機関に吸入される。吸気バルブのバルブ特性の変更に伴い内燃機関の出力トルクが急激に増大する現象が起こりやすくなる。
従って、上記の構成によるように、複数のバルブ特性の目標値のうち、要求前の目標値から2段階以上大きい側の目標値に変更する要求がなされた場合に、ウエストゲートバルブ及び可変動弁機構の上記制御が行なわれ、ウエストゲートバルブの開度の変更量がより多くされることで、内燃機関の出力トルクの急激な増大を抑制する効果が有効に得られる。
上記内燃機関の制御装置において、前記要求は、前記複数のバルブ特性の目標値のうち、最小の目標値から最大の目標値に変更する要求を含むことが好ましい。
なお、複数のバルブ特性のうち、要求前の目標値から2段階以上大きい側の目標値に変更する要求がなされる場面としては、例えば、上記の構成によるように、バルブ特性の目標値が3つ以上設定されている場合に、最小の目標値から最大の目標値に変更する要求が挙げられる。この場合、バルブ特性は、採り得る変更の場面のうち、最も多く変更されることとなる。吸気バルブのバルブ特性の変更に伴い、内燃機関に多くの空気が急激に吸入され、内燃機関の出力トルクが急激に増大する現象が起こりやすくなる。
従って、上記の構成によるように、複数のバルブ特性の目標値のうち、最小の目標値から最大の目標値に変更する要求を含む要求がなされた場合に、ウエストゲートバルブ及び可変動弁機構の上記制御が行なわれることで、内燃機関の出力トルクの急激な増大を抑制する効果が有効に得られる。
内燃機関の制御装置の一実施形態において、内燃機関及びターボチャージャの概略構成を示す模式図。 同実施形態における内燃機関のシリンダヘッド周りの構造を示す断面図。 同実施形態における可変動弁機構の可変機構部を、その一部を破断した状態で示す斜視図。 同実施形態における可変動弁機構の模式図。 同実施形態の可変動弁機構に設けられたカムのプロファイルを示す説明図。 同実施形態において、カム(モータ)の回転角度と、可変動弁機構によって変更される吸気バルブの最大リフト量との関係を示す特性図。 同実施形態において最大リフト量の増大要求がなされた場合にWGV及び可変動弁機構に対し行なわれる制御の処理手順を示すフローチャート。 (A)〜(C)は、最大リフト量、WGVの開度及び過給圧(内燃機関の出力トルク)の変化態様を示すタイミングチャート。
以下、内燃機関の制御装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。
まず、内燃機関の概略構成について説明する。
図1及び図2に示すように、内燃機関10は、複数の気筒11を有するシリンダブロック12と、シリンダブロック12の上側に配置されたシリンダヘッド13とを備えている。各気筒11内には、ピストン14が往復動可能に収容されている。各ピストン14は、コネクティングロッド15を介し、内燃機関10の出力軸であるクランクシャフト16に連結されている。各ピストン14の往復運動は、コネクティングロッド15によって回転運動に変換された後、クランクシャフト16に伝達される。
ピストン14、気筒11及びシリンダヘッド13によって囲まれた空間は、気筒11毎の燃焼室17となっている。シリンダヘッド13には、各燃焼室17に連通する一対の吸気ポート18及び排気ポート19が設けられている。
各吸気ポート18を開閉するために、シリンダヘッド13には、気筒11毎に一対の吸気バルブ21が往復動可能に支持されている。また、各排気ポート19を開閉するために、シリンダヘッド13には、気筒11毎に排気バルブ22が往復動可能に支持されている。各吸気バルブ21及び各排気バルブ22は、いずれもバルブスプリング23によって略上方へ付勢されている。この付勢方向は、吸気ポート18及び排気ポート19を閉じる方向(閉弁方向)である。
シリンダヘッド13には、各吸気バルブ21をバルブスプリング23に抗して押下げて、各吸気ポート18を開放された状態(開弁状態)にする動弁機構が設けられている。また、シリンダヘッド13には、各排気バルブ22をバルブスプリング23に抗して押下げて、各排気ポート19を開放された状態(開弁状態)にする動弁機構が設けられている。これらの動弁機構については後述する。
上記全ての吸気ポート18には吸気通路24が接続されており、内燃機関10の外部の空気が吸気通路24及び各吸気ポート18を通過して気筒11毎の燃焼室17に取り込まれる。吸気通路24には、燃料を噴射する燃料噴射弁25が各気筒11に対応して取付けられている。各燃料噴射弁25から噴射された燃料は、対応する吸気ポート18を通って燃焼室17内に導入される吸入空気と混ざり合って混合気となる。なお、燃料噴射弁25が吸気通路24に代えてシリンダヘッド13に取付けられ、同燃料噴射弁25から燃料が燃焼室17に直接噴射されてもよい。
シリンダヘッド13には、各気筒11に対応して点火プラグ26が取付けられている。そして、各燃焼室17の前記混合気が点火プラグ26の電気火花によって着火され、燃焼される。この燃焼に伴い生ずる高温高圧の燃焼ガスにより各ピストン14が往復動され、クランクシャフト16が回転されて、内燃機関10の駆動力(出力トルク)が得られる。
一方、上記全ての排気ポート19には排気通路27が接続されており、各燃焼室17で生じた燃焼ガスが排気として、各排気ポート19、排気通路27等を通って内燃機関10の外部へ排出される。
内燃機関10の出力調整の一部は、吸気通路24に設けられたスロットルバルブ28の開度(スロットル開度)を調節することによって実現される。すなわち、スロットル開度を調整すると、内燃機関10に吸入される空気の量(吸入空気量)が変化し、その変化に対応して燃料噴射弁25からの燃料噴射量が制御され、各燃焼室17に充填される混合気の量が変化して内燃機関10の出力が調整される。
内燃機関10には、排気の高い圧力(排気圧)を有効に利用して空気の充填効率を高めるために、過給機としてのターボチャージャ30が設けられている。ターボチャージャ30は、排気通路27を流れる排気及びその圧力(排気圧)によって回転するタービンホイール31と、吸気通路24においてスロットルバルブ28よりも上流側に配置され、かつロータシャフト32によりタービンホイール31に連結されたコンプレッサホイール33とを備えている。ターボチャージャ30では、タービンホイール31に排気が吹付けられて同ホイール31が回転し、その回転が、ロータシャフト32を介してコンプレッサホイール33に伝達される。その結果、内燃機関10では、ピストン14の移動に伴って燃焼室17内に発生する負圧によって空気が同燃焼室17に送り込まれるだけでなく、その空気がコンプレッサホイール33の回転によって圧縮されて強制的に燃焼室17に送り込まれる(過給される)。このようにして、燃焼室17への空気の充填効率が高められる。
ターボチャージャ30には、タービンホイール31を迂回して排気通路27のタービンホイール31よりも上流部と下流部とを繋ぐバイパス通路34が設けられている。バイパス通路34には、ウエストゲートバルブ(以下、単に「WGV」という)35が設けられている。WGV35は、バイパス通路34内に配置された弁体を、アクチュエータによって開閉駆動することによって同バイパス通路34の流路面積を調整するものである。アクチュエータとしては、例えば、電動モータによって弁体を駆動するタイプ、負圧によって弁体を駆動するタイプ等が用いられてもよい。
上記バイパス通路34及びWGV35は、一般的には、過給圧が予め定められた値を越えないようにする(過剰な過給圧の発生を抑制する)ことを目的として設けられる。本実施形態では、これに加え、バイパス通路34及びWGV35は、吸気バルブ21のバルブ特性の増大側への変更に伴い内燃機関10の出力トルクが急激に増大するのを抑制することも目的の1つとして設けられている。吸気バルブ21のバルブ特性は、最大リフト量及び作用角の少なくとも一方であり、本実施形態では、両者をバルブ特性としている。ただし、以降は、便宜上、最大リフト量をバルブ特性として説明を進める。最大リフト量は、吸気バルブ21が開弁方向へ最も多く変位したときの変位量(リフト量)である。また、作用角は、吸気バルブ21を駆動する、後述する吸気カム38aの回転について、吸気バルブ21が開弁を開始してから閉弁するまでの角度範囲(開弁期間)である。
WGV35が閉じられると、バイパス通路34の流路面積が「0」となり、排気が同バイパス通路34を流れない。これに対し、WGV35が僅かでも開かれると、バイパス通路34の流路面積が「0」よりも大きくなり、排気の少なくとも一部が、タービンホイール31を迂回しながらバイパス通路34を経由して排出される。バイパス通路34の流路面積は、WGV35の開度の増加に伴い増大する。排気がバイパス通路34を流れることにより、タービンホイール31よりも上流での排気圧が低下し、ターボチャージャ30の駆動が抑制されて(タービンホイール31の回転速度が低下されて)、コンプレッサホイール33による空気の送り込みが減少し、過給圧が低下する。
WGV35は、内燃機関10の運転状態を制御する機関用制御装置82(図4参照)に接続されており、同制御装置82によって作動を制御される。例えば、吸気バルブ21の最大リフト量を大きく増大させる要求がなされない場合には、機関回転速度、機関負荷等の機関運転状態に基づきWGV35の目標開度が算出される。実開度が目標開度になるようにWGV35が駆動制御される。このWGV35の開度の制御と、上述したスロットルバルブ28の開度の制御とによって、運転者が内燃機関10に要求する出力トルクが実現される。
また、上記最大リフト量を大きく増大させる要求がなされた場合には、最大リフト量の変更に先立ち、WGV35の目標開度が増大させられ、実開度がこの目標開度となるようにWGV35のアクチュエータが駆動制御される。この制御に際しては、WGV35の目標開度が、「0」、「小」、「大」の3種類の中から選択されて、設定される。
次に、吸気バルブ21及び排気バルブ22の各動弁機構について、図2を参照して説明する。
シリンダヘッド13の内部には、各吸気バルブ21及び各排気バルブ22に対応してラッシュアジャスタ36が設けられている。ラッシュアジャスタ36と吸気バルブ21との間、及びラッシュアジャスタ36と排気バルブ22との間には、それぞれロッカアーム37が設けられている。ロッカアーム37は、一端がラッシュアジャスタ36に支持されており、他端が吸気バルブ21の上端部又は排気バルブ22の上端部に当接されている。
シリンダヘッド13における吸気バルブ21の上方には、吸気カム38aを有する吸気カムシャフト38が回転可能に支持されている(図4参照)。同様に、シリンダヘッド13における排気バルブ22の上方には、排気カム39aを有する排気カムシャフト39が回転可能に支持されている。吸気カムシャフト38及び排気カムシャフト39は、タイミングチェーン(図示略)等により上記クランクシャフト16(図1参照)に駆動連結されている。そして、クランクシャフト16の回転がタイミングチェーン等を介して吸気カムシャフト38及び排気カムシャフト39に伝達される。
排気カム39aの外周面は、排気バルブ22に当接しているロッカアーム37のローラ37aに当接されている。そのため、機関運転中に排気カムシャフト39が回転すると、排気カム39aの作用により、ロッカアーム37が、ラッシュアジャスタ36によって支持された部分を支点として揺動し、排気バルブ22がバルブスプリング23に抗して押下げられる。この押し下げにより、排気ポート19が開放された状態(開弁状態)になる。これらのラッシュアジャスタ36、ロッカアーム37、排気カムシャフト39等によって、排気バルブ22を開閉駆動する機構(動弁機構)が構成されている。
一方、吸気バルブ21を開閉駆動する機構(駆動機構)は、その吸気バルブ21の最大リフト量を可変とする可変動弁機構Aによって構成されている。可変動弁機構Aの一部は、吸気バルブ21に当接するロッカアーム37と吸気カム38aとの間に配置された、気筒11毎の可変機構部44によって構成されている。この可変機構部44は、入力アーム46と出力アーム52とを有している。入力アーム46及び出力アーム52は、シリンダヘッド13に固定された支持パイプ56を中心に揺動可能に支持されている。ロッカアーム37は、バルブスプリング23の付勢力によって出力アーム52側へ付勢され、ロッカアーム37の中間部分に設けられたローラ37aが出力アーム52の外周面に当接されている。
また、可変機構部44の外周面には突起48が設けられており、この突起48には、シリンダヘッド13内に取付けられたスプリング42の付勢力が作用する。この付勢力により、入力アーム46の先端に設けられたローラ46aが吸気カム38aの外周面に当接している。そのため、機関運転中に吸気カムシャフト38が回転すると、吸気カム38aの作用により、可変機構部44は支持パイプ56を中心に揺動する。そして、出力アーム52によってローラ37aを通じてロッカアーム37が押圧されることにより、ロッカアーム37が、ラッシュアジャスタ36によって支持されている部分を支点として揺動し、吸気バルブ21がバルブスプリング23に抗して押下げられる。この押し下げにより、吸気ポート18が開放された状態(開弁状態)になる。
上記支持パイプ56には、コントロールシャフト57がその軸方向に移動可能に挿入されている。可変機構部44は、コントロールシャフト57を軸方向へ変位させることにより、支持パイプ56を中心とした入力アーム46と出力アーム52との相対位相差、すなわち図2に示す角度θを変更する。
次に、図3を参照して、可変機構部44の構成についてさらに詳しく説明する。
可変機構部44には、入力部45と、その入力部45を上記軸方向についての両側から挟み込む一対の出力部51とが配設されている。入力部45のハウジング49と、出力部51毎のハウジング54とは、それぞれ中空円筒形状に形成されており、それらのハウジング49,54の内部に支持パイプ56が挿通されている。
入力部45のハウジング49の内周には、ヘリカルスプライン47が形成されている。一方、各出力部51のハウジング54の内周には、入力部45の上記ヘリカルスプライン47に対して歯筋が逆向きとなったヘリカルスプライン53が形成されている。
入力部45のハウジング49と両出力部51のハウジング54とによって形成される一連の内部空間には、スライダギヤ61が配設されている。スライダギヤ61は、中空円筒状に形成されており、支持パイプ56の外周面上において、支持パイプ56の軸方向に往復動可能、かつ軸回りに相対回動可能に配設されている。
スライダギヤ61の軸方向についての中央部分の外周面には、入力部45の上記ヘリカルスプライン47に噛み合うヘリカルスプライン62が形成されている。一方、スライダギヤ61の軸方向についての両側部の外周面には、出力部51の上記ヘリカルスプライン53に噛み合うヘリカルスプライン63がそれぞれ形成されている。
このコントロールシャフト57とスライダギヤ61とはピン(図示略)によって駆動連結(係合)されている。この駆動連結(係合)により、支持パイプ56に対してスライダギヤ61が回動可能である。また、コントロールシャフト57の軸方向への移動に合わせてスライダギヤ61も軸方向へ移動する。
このように構成された可変機構部44では、コントロールシャフト57が軸方向に移動すると、その移動に連動してスライダギヤ61も軸方向に移動する。このスライダギヤ61の外周面に形成されたヘリカルスプライン62,63は、歯筋の形成方向がそれぞれ異なっており、入力部45及び各出力部51の内周面に形成されたヘリカルスプライン47,53とそれぞれ噛合している。そのため、スライダギヤ61が軸方向に移動すると、入力部45及び出力部51は互いに逆の方向に回動する。その結果、入力アーム46と両出力アーム52との相対位相差(図2の角度θ)が変更され、吸気バルブ21の最大リフト量が変更される。
本実施形態では、図3において矢印Hiで示す方向へコントロールシャフト57を移動させると、コントロールシャフト57とともにスライダギヤ61が同方向へ移動する。入力アーム46と出力アーム52との相対位相差(図2の角度θ)が大きくなり、吸気バルブ21の最大リフト量VL及び作用角(開弁期間)がともに大きくなって吸入空気量が増大する。一方、図3において矢印Loで示す方向へコントロールシャフト57を移動させると、コントロールシャフト57とともにスライダギヤ61が同方向へ移動する。入力アーム46と出力アーム52との相対位相差(図2の角度θ)がともに小さくなり、吸気バルブ21の最大リフト量VL及び作用角(開弁期間)が小さくなって吸入空気量が減少する。
次に、可変動弁機構Aのコントロールシャフト57を軸方向に移動させる駆動部の構成について説明する。
図4に示すように、可変動弁機構Aの駆動部は、電動式のモータ66と、モータ66の回転を減速する減速機構68と、減速機構68の回転運動をコントロールシャフト57の直線運動に変換する変換機構71とを備えている。
減速機構68には、複数の歯車等が備えられている。減速機構68の入力軸は、モータ66の出力軸に接続されており、減速機構68の出力軸は、変換機構71に設けられたカム75に接続されている。
変換機構71は、ホルダ72と、そのホルダ72の移動を案内するガイド74とを備えている。ホルダ72には、コントロールシャフト57に向けて延びる接続軸73が取付けられており、接続軸73の端部は連結部材65によって、コントロールシャフト57における接続軸73側の端部に連結されている。
ホルダ72内には、減速機構68の出力軸によって回動されるカム75が配置されている。また、ホルダ72には、カム75のカム面が接するローラ76が回転可能に取付けられている。
カム75が回動すると、カム75の運動が伝達される部材である従動節としてのホルダ72がガイド74に沿って移動する。このホルダ72の移動によってコントロールシャフト57が軸方向へ変位する。
モータ66にはモータ用制御装置81が接続されており、モータ66の回転角度が、モータ用制御装置81からの駆動信号に応じて制御される。モータ用制御装置81は、内燃機関10の運転状態を制御する機関用制御装置82に接続されている。
機関用制御装置82には、アクセル操作量センサによって検出されるアクセル操作量、クランク角センサによって検出されるクランク角等が入力される。そして、機関用制御装置82は、例えば、クランク角から算出される機関回転速度及びアクセル操作量等に基づいて機関運転状態に応じた要求吸入空気量を算出し、要求吸入空気量が得られる吸気バルブ21の最大リフト量を算出する。そして、算出された最大リフト量を目標リフト量として設定する。このようにして目標リフト量が設定されると、モータ用制御装置81は、目標リフト量に対応するカム75の回転位相を算出し、その算出した回転位相となるようにモータ66の回転角度を制御する。
なお、モータ66の駆動は、モータ用制御装置81によってデューティ制御される。モータ66を回転させるとき、すなわち最大リフト量を変更するときにおいてモータ66に与えられるデューティ比は、略最大値に近い値に設定される。そのため、モータ66の出力トルクは最大値に近い値となり、コントロールシャフト57は、最大速度に近い速度で移動する。
次に、コントロールシャフト57を変位させるカム75について詳細に説明する。
図5に示すように、カム75のカム面には、一方向に向かってカム径(カムの回転中心からカム面までの半径)が次第に大きくなることによりコントロールシャフト57の変位量が線形に増加する区間(第1回転角度R1〜第2回転角度R2の区間、及び第3回転角度R3〜第4回転角度R4の区間)が設けられている。また、カム75のカム面には、カム径が一定であってコントロールシャフト57の変位量が一定になる区間(第2回転角度R2〜第3回転角度R3の区間、第4回転角度R4〜第5回転角度R5の区間、及びローラ76がカム75の基準円75bに接触する第1回転角度R1以前の区間)も設けられている。
より詳細には、カム75の回転角度が第1回転角度R1以前の区間では、コントロールシャフト57の変位量が「0」に維持される。また、カム75の回転角度が第2回転角度R2〜第3回転角度R3の区間では、コントロールシャフト57の変位量が一定の値である「L1」に維持される。そして、カム75の回転角度が第4回転角度R4〜第5回転角度R5の区間では、コントロールシャフト57の変位量は一定の値であって上記「L1」よりも大きな「L2」に維持される。なお、このようにしてコントロールシャフト57の変位量が一定(L1,L2)になる区間を、以下、「保持領域」という。
カム75のカム面は、上述したカムプロファイルを有しているため、カム75が1回転する間に、吸気バルブ21の最大リフト量VLは、図6に示すように変化する。
図6の横軸に示すように、モータ66の回転角度が大きくなるに従って、カム75の回転角度が大きくなる。そして、ローラ76がカム75の基準円75bに接触した状態になる第1回転角度R1以前の区間では、コントロールシャフト57の変位量が「0」であり、最大リフト量VLは、最小値である第1リフト量VL1に保持される。そして、カム75の回転角度が、第1回転角度R1から第2回転角度R2に変化する過程では、コントロールシャフト57の変位量が徐々に増大するため、最大リフト量VLは、第1リフト量VL1から徐々に大きくなっていく。
第2回転角度R2〜第3回転角度R3の区間では、コントロールシャフト57の変位量が一定の「L1」に維持されるため、最大リフト量VLは、上記第1リフト量VL1よりも大きな第2リフト量VL2に保持される。そして、カム75の回転角度が、第3回転角度R3から第4回転角度R4に変化する過程では、コントロールシャフト57の変位量が徐々に増大するため、最大リフト量VLは、第2リフト量VL2から徐々に大きくなっていく。
第4回転角度R4〜第5回転角度R5の区間では、コントロールシャフト57の変位量が上記「L1」よりも大きな「L2」に維持されるため、最大リフト量VLは、上記第2リフト量VL2よりも大きな第3リフト量VL3に保持される。なお、この第3リフト量VL3は、最大リフト量VLの最大値である。
ここで、上記可変機構部44の出力部51には、バルブスプリング23からの反力が作用するため、入力アーム46と出力アーム52との相対位相差(図2の角度θ)を小さくしようとする力がかかる。従って、スライダギヤ61やコントロールシャフト57には、吸気バルブ21の最大リフト量VLが小さくなる方向(図3及び図4の矢印Lo方向)に向かう軸力が作用する。この軸力が、カム75において、コントロールシャフト57の変位量を変化させる区間のカム面に作用すると、その軸力からの分力が発生し、その分力により、カム75では最大リフト量VLが小さくなる方向に作用する回転トルクが働くようになる。そのため、コントロールシャフト57の変位量が変化する区間内で最大リフト量VLを保持しようとすると、上記回転トルクに抗する力をモータ66から発生させる必要があり、モータ66に対して保持電流を供給する必要がある。
他方、カム75において上述した保持領域のカム面に上記軸力が作用するとき、すなわちカム径が一定であってコントロールシャフト57の変位量が一定になる区間のカム面に上記軸力が作用するときには、そうした軸力が作用したとしても、その軸力からの分力の発生は抑えられる。そのため、軸力に起因した上記回転トルクの発生が抑制される。従って、コントロールシャフト57の変位量が一定になる区間において最大リフト量VLを保持する場合には、モータ66に供給する保持電流を低減することができる。
そこで、可変動弁機構Aでは、吸気バルブ21の最大リフト量VLとして、上述した第1リフト量VL1、第2リフト量VL2、及び第3リフト量VL3のいずれかを機関運転状態に応じて選択する。そして、選択されたリフト量を保持することにより、吸気バルブ21の最大リフト量VLを3段階に変更するようにしている。このように、可変動弁機構Aは、最大リフト量を多段階に変更する多段可変型となっている。
ところで、上記のように、互いに大きさの大きく異なる複数の最大リフト量VL(VL1,VL2,VL3)が設定された多段可変型の可変動弁機構Aでは、図8(A)のタイミングt2において、吸気バルブ21の最大リフト量VLが増大する側へ大きく急激に変更されると、次の現象が起こり得る。
すなわち、吸気バルブ21の最大リフト量の上記変更に伴い、燃焼室17に吸入される空気量が急激に増加し、同内燃機関10の出力トルクが一気に増大することが起こり得る。図8(C)の二点鎖線は、図8(B)において二点鎖線で示すように、上記タイミングt2で、WGV35の開度が増大する側へ変更された場合の過給圧(出力トルク)の変化態様を示している。このように、タイミングt2で、過給圧(出力トルク)が急激に増加し、狙いとする過給圧(出力トルク)よりも過大となる。ただし、WGV35の開側への作動により、排気圧が低下することから、過給圧(出力トルク)は上記のように急激に増加した後に減少して、狙いとする値に収束する。
そこで、機関用制御装置82は、吸気バルブ21の最大リフト量VLを増大させる要求がなされた場合に、以下のようにしてWGV35及び可変動弁機構Aを駆動制御することで、過給圧(出力トルク)の急激な増加を抑制するようにしている。
次に、本実施形態の作用として、吸気バルブ21の最大リフト量を増大させる要求がなされた場合に機関用制御装置82が実行する処理について、図7のフローチャートを参照して説明する。なお、この処理は所定周期毎に実行される。
この処理が開始されると、まず、ステップ(以下、ステップをSという)110において、吸気バルブ21の最大リフト量VLを増大させる要求がなされたかどうかを判定する。この要求には、最大リフト量VLを「第1リフト量VL1」から「第2リフト量VL2」に変更する要求と、「第2リフト量VL2」から「第3リフト量VL3」に変更する要求と、「第1リフト量VL1」から「第3リフト量VL3」に一気に変更する要求とがある。
上記S110の判定条件が満たされていない(上記いずれの要求もない)場合には、このルーチンを一旦終了する。
これに対し、上記S110の判定条件が満たされている(要求あり)場合には、S120へ移行し、要求の内容を判断する。ここでは、最大リフト量VLを「第1リフト量VL1」から「第3リフト量VL3」に変更する要求であるかどうかを判定する。この処理は、吸気バルブ21の最大リフト量及び作用角を増大する側へ急激に大きな値に変更する要求がなされたかどうかを判定するためのものである。
上記S120の判定条件が満たされていると、S130において、WGV35の目標開度を2段階増大させる。例えば、上記要求前のWGV35の目標開度が「0」であれば、同目標開度を「大」に変更する。このときの目標開度の増大量は、採り得る範囲の中で最大となる。そして、実開度がこの変更後の目標開度となるようにWGV35のアクチュエータを駆動制御する。その結果、WGV35の実開度が2段階(「0」から「大」)増大されられる。
これに対し、上記S120の判定条件が満たされていないと、すなわち、上記要求が、最大リフト量VLを、「第1リフト量VL1」から「第2リフト量VL2」に変更する要求、又は「第2リフト量VL2」から「第3リフト量VL3」に変更する要求であると、S140へ移行する。S140では、WGV35の目標開度を1段階増大させる。例えば、上記要求前のWGV35の目標開度が「0」であれば、同目標開度を「小」に変更する。また、WGV35の目標開度が「小」であれば、同目標開度を「大」に変更する。いずれの場合も、目標開度の増大量は、上記S130での増大量よりも少ない。そして、実開度がこの変更後の目標開度となるようにWGV35のアクチュエータを駆動制御する。その結果、WGV35の実開度が1段階増大させられる。
そして、S130又はS140の処理を経た後にS150へ移行する。S150では、上記S120での最大リフト量VLについての要求値(S130を経た場合には第3リフト量VL3、S140を経た場合には第2リフト量VL2又は第3リフト量VL3)を目標リフト量として設定し、これをモータ用制御装置81へ送信する。
上記S150の処理を経た後に、この一連のルーチンを終了する。
なお、目標リフト量を受信したモータ用制御装置81では、既述したように、その目標リフト量に対応するカム75の回転位相が算出され、その回転位相となるようにモータ66の回転角度が制御される。
モータ66の回転が減速機構68及び変換機構71を通じてカム75に伝達される。カム75の回動によりホルダ72がガイド74に沿って移動し、コントロールシャフト57がスライダギヤ61を伴い軸方向(矢印Hi方向)へ移動する。スライダギヤ61の移動により、入力部45の入力アーム46と出力部51の出力アーム52との相対位相差(図2の角度θ)が増大し、吸気バルブ21の最大リフト量VLが大きくなって吸入空気量が増大する。
上記図7の処理が行なわれると、機関運転状態の変化に応じて吸気バルブ21の最大リフト量VLを第1リフト量VL1から第3リフト量VL3に変更する要求がなされた場合(S120:YES)、図8(B)において実線で示すように、タイミングt1においてWGV35が要求前よりも2段階開側の開度まで開かせる処理が行なわれる(S130)。タービンホイール31を迂回し、バイパス通路34を経由して排出される排気の量が上記要求前よりも多くなる。上記要求前に比べ、排気圧が低下し、タービンホイール31の回転速度が低下する。これに伴い、コンプレッサホイール33による空気の送り込みが弱まり、図8(C)において実線で示すように、タイミングt1以降、過給圧が一時的に低下する。
そして、上記WGV35の開度が2段階増大させられた後のタイミングt2で、図8(A)において実線で示すように、可変動弁機構Aにより、吸気バルブ21の最大リフト量VLが第1リフト量VL1から第3リフト量VL3に変更される(S150)。
従って、吸気バルブ21の最大リフト量VLが増大する側へ急激に変更されると、内燃機関10に吸入される空気量が急激に増加するが、その増加が、上記のように過給圧が低下している状況下で行なわれるため、図8(C)において実線で示すように、内燃機関10の出力トルクの急激な増加が抑制される。
ここで、可変動弁機構Aにより吸気バルブ21の最大リフト量VLが増大する側へ急激に変更された場合、内燃機関10に吸入される空気量は、最大リフト量VLの変更量に応じた量増加する。より詳しくは、吸入空気量は、最大リフト量VLの増大側への変更量が少ないときには少なく、同変更量が多くなるに従い多くなる。
一方、WGV35が開かれた場合、排気圧及び過給圧は、同WGV35の開側への開度の変更量に応じた量低下する。より詳しくは、排気圧(過給圧)は、WGV35の開側への開度の変更量が少ないときには少なく、同変更量が多くなるに従い多くなる。
この点、本実施形態では、WGV35が、要求される最大リフト量VLの変更量に応じた開度開かれる。より詳しくは、WGV35は、要求される最大リフト量VLの変更量が多いとき(S120:YES)には、多くの開度開かれる(S130)。WGV35は、要求される最大リフト量VLの変更量が少ないとき(S120:N0)には、少ない開度開かれる(S140)。
そのため、WGV35が常に一定開度開かれる場合とは異なり、最大リフト量VLに拘わらず吸入空気量の急増に起因する内燃機関10の出力トルクの急激な増加が適切に抑制されて、同出力トルクが狙いとする値に近づけられる。
また、多段可変型の可変動弁機構Aでは、互いに大きさの大きく異なる複数の最大リフト量VLとして第1リフト量VL1、第2リフト量VL2及び第3リフト量VL3が設定されている。このことから、最大リフト量VLが変更される場合のその変更量は、吸気バルブ21の最大リフト量VLを無段階に変更する連続可変型の可変動弁機構Aに比べ多くなる傾向にある。多段可変型の可変動弁機構Aでは、吸気バルブ21の最大リフト量VLが増大する側へ大きく急激に変更されることが、連続可変型の可変動弁機構Aよりも起こりやすい。
従って、上記のように、多段可変型の可変動弁機構Aが設けられた内燃機関10において、WGV35及び可変動弁機構Aの上記駆動制御が行なわれることで、内燃機関10の出力トルクの急激な増大が効果的に抑制される。
また、多段可変型の可変動弁機構Aが設けられた内燃機関10では、最大リフト量VLが1段階大きい側の最大リフト量VLに変更される場合に比べ、2段階大きい側の最大リフト量VLに変更された場合に、燃焼室17に吸入される空気量が多くなる。吸気バルブ21の最大リフト量VLの変更に伴い内燃機関10の出力トルクが一気に増大する現象も起こりやすくなる。
従って、本実施形態によるように、複数の最大リフト量VLのうち、要求前の最大リフト量VLから2段階大きな側の最大リフト量VLに変更する要求がなされた場合(S120:YES)に、WGV35及び可変動弁機構Aの上記駆動制御が行なわれる(S130,S150)ことで、内燃機関10の出力トルクの急激な増大が効果的に抑制される。
なお、複数の最大リフト量VLのうち、要求前の最大リフト量VLから2段階大きな側の最大リフト量VLに変更する要求がなされる場面としては、最小の最大リフト量である「第1リフト量VL1」から最大の最大リフト量VLである「第3リフト量VL3」に変更する要求(S120:YES)が挙げられる。この場合、最大リフト量VLは、採り得る変更の場面のうち、最も多く変更されることとなる。吸気バルブ21の最大リフト量VLの変更に伴い内燃機関10の出力トルクが一気に増大する現象も起こりやすくなる。
従って、上記のように、複数の最大リフト量(VL1,VL2,VL3)のうち、最小の第1リフト量VL1から最大の第3リフト量VL3に変更する要求がなされた場合に、WGV35及び可変動弁機構Aの上記駆動制御が行なわれる(S130,S150)ことで、内燃機関10の出力トルクの急激な増大が効果的に抑制される。
以上詳述した本実施形態によれば、次の効果が得られる。
(1)吸気バルブ21の最大リフト量VLを増大する要求がなされた場合、WGV35を要求前よりも開側の開度まで開かせた後に、可変動弁機構Aにより最大リフト量VLを増大する側に変更するようにしている。
そのため、吸気バルブ21の最大リフト量VLが増大する側へ急激に変更されると、内燃機関10に吸入される空気量が急激に増加するが、その増加を、過給圧が低下している状況下で行なうことができ、内燃機関10の出力トルクの急激な増加を抑制することができる。
(2)WGV35を、最大リフト量VLの変更量が多いときには、少ないときよりも多くの開度開く、すなわち、要求される最大リフト量VLの変更量に応じた開度開くようにしている。
そのため、吸入空気量の急増に起因する内燃機関10の出力トルクの急激な増加を抑制し、同出力トルクを狙いとする値に近づける効果を、最大リフト量VLの変更量の多少に拘わらず得ることができる。
(3)可変動弁機構Aとして、予め決められた複数の最大リフト量(VL1〜VL3)の中からいずれかを選択することにより最大リフト量VLを多段階に変更する多段可変型を用いている。
そのため、多段可変型の可変動弁機構Aが設けられた内燃機関10において、WGV35及び可変動弁機構Aの上記駆動制御を行なうことで、内燃機関10の出力トルクの急激な増大を抑制する効果を有効に得ることができる。
(4)複数の最大リフト量VLのうち、要求前の最大リフト量VLから2段階大きい側の最大リフト量VLに変更する要求を、吸気バルブ21の最大リフト量VLを増大する要求に含ませている。本実施形態では、3つの最大リフト量VL(VL1,VL2,VL3)を設定し、それらのうち、最小の第1リフト量VL1から最大の第3リフト量VL3に変更する要求を、吸気バルブ21の最大リフト量VLを増大する要求に含ませている。
そのため、要求前の最大リフト量VLから1段階大きい側の最大リフト量VLに変更する要求のみを、吸気バルブ21の最大リフト量VLを増大する要求とした場合に比べ、内燃機関10の出力トルクの急激な増大を抑制する、上記(1)の効果を有効に得ることができる。
なお、上記実施形態は、これを以下のように変更した変形例として実施することもできる。
<可変動弁機構Aについて>
・可変動弁機構Aによって変更される吸気バルブ21の最大リフト量VLは2又は4以上設定されてもよい。
上記実施形態では、カム75のカム面において、一方向に向かってカム径が次第に大きくなることによりコントロールシャフト57の変位量が線形に増加する区間の数と、カム径が一定であってコントロールシャフト57の変位量が一定になる区間の数とを変更することで、上記最大リフト量VLの数の変更を実現できる。
なお、最大リフト量VLが2つ設定された場合、最大リフト量VLを増大させる要求は、要求前のリフト量から1段階大きい側のリフト量に変更する要求となる。
また、最大リフト量VLが「4」以上設定された場合、最大リフト量VLを増大させる要求は、要求前の最大リフト量VLから2段階以上大きい側の最大リフト量VLに変更する要求を含むことが望ましい。このようにすると、上記(4)と同様の効果が得られる。
・可変動弁機構Aは、上記実施形態とは異なる構造でバルブ特性を段階的に変更するものであってもよい。例えば、直動式の動弁系を備える動弁機構の場合、可変動弁機構Aはカムによって作動するバルブリフタの作動量を多段階に変更するものであってもよい。また、ロッカアーム式の動弁系を備える動弁機構の場合、可変動弁機構Aはロッカアームを支持するラッシュアジャスタの沈み込み量を多段階に変更するものであってもよいし、ロッカアームの形状を多段階に変化させるものであってもよい。
・可変動弁機構Aは、吸気バルブ21の最大リフト量及び作用角(開弁期間)の一方のみを変更するものであってもよい。
・可変動弁機構Aは、吸気バルブ21の動弁機構に加え、排気バルブ22の動弁機構に設けられてもよい。
<WGV35について>
・最大リフト量を増大させる要求がなされた場合、WGV35の目標開度は、2種類又は4種類以上の値の中から選択されてもよい。
<制御内容について>
・図7のフローチャートにおいて、複数の最大リフト量VL(VL1〜VL3)のうち、要求前の最大リフト量VLから1段階大きい側の最大リフト量VLに変更する要求がなされた場合(S120:NO)には、WGV35の開度が変更されずに、最大リフト量が要求値に変更されてもよい。
<その他>
・上記内燃機関の制御装置は、多段可変型の可変動弁機構に限らず、吸気バルブのバルブ特性を無段階に変更する連続可変型の可変動弁機構が設けられた内燃機関にも適用可能である。連続可変型の可変動弁機構でも、バルブ特性が増大する側へ大きく急激に変更される場合があるからである。
10…内燃機関、21…吸気バルブ、27…排気通路、30…ターボチャージャ、31…タービンホイール、34…バイパス通路、35…ウエストゲートバルブ(WGV)、81…モータ用制御装置、82…機関用制御装置、A…可変動弁機構、VL…最大リフト量(バルブ特性)。

Claims (4)

  1. 吸気バルブの最大リフト量及び作用角の少なくとも一方をバルブ特性とし、前記バルブ特性を機関運転状態に応じて変更する可変動弁機構が設けられるとともに、排気通路に配置されたタービンホイールを迂回して、前記排気通路のタービンホイールよりも上流部及び下流部を繋ぐバイパス通路と、前記バイパス通路の流路面積を調整するウエストゲートバルブとを備えるターボチャージャが設けられた内燃機関を制御する内燃機関の制御装置であり、
    前記機関運転状態の変化に応じて前記バルブ特性を増大する要求がなされた場合、前記ウエストゲートバルブを要求前よりも開側の開度まで開かせた後に、前記可変動弁機構により前記バルブ特性を増大する側に変更するものであり、
    前記ウエストゲートバルブは、要求される前記バルブ特性の変更量に応じて開かれ、該変更量が多いときには、少ないときよりも開側への開度の変更量が多くされることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  2. 前記可変動弁機構は、予め決められた複数のバルブ特性の目標値の中からいずれかを選択することによりバルブ特性を多段階に変更する多段可変型の可変動弁機構である請求項に記載の内燃機関の制御装置。
  3. 前記バルブ特性の目標値は3つ以上設定されており、
    前記要求、前記複数のバルブ特性の目標値のうち、要求前の目標値から2段階以上大きい側の目標値に変更する要求であるときには、そうでないときよりも前記ウエストゲートバルブの開度の変更量を多くする請求項に記載の内燃機関の制御装置。
  4. 前記複数のバルブ特性の目標値のうち、要求前の目標値から2段階以上大きい側の目標値に変更する前記要求は、最小の目標値から最大の目標値に変更する要求である請求項に記載の内燃機関の制御装置。
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