JP6733824B2 - 内燃機関の制御方法および制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の機械的圧縮比を変更する可変圧縮比機構と、吸気弁の閉時期を変更する可変バルブタイミング機構と、を備えた内燃機関において、上記可変バルブタイミング機構の基準位置での学習を行う制御方法および制御装置に関する。

特許文献１には、可変バルブタイミング機構の学習が要求されたときに、可変バルブタイミング機構を一時的に基準位置である最遅角位置に制御し、そのときのカム角センサの値を読み込んで、学習を行うことが記載されている。

特許文献２には、複リンク式ピストンクランク機構を利用してピストンの上死点位置を上下に変位させることで、内燃機関の機械的圧縮比を変更する可変圧縮比機構が記載されている。さらに、この可変圧縮比機構の何らかの異常が検出されたときに、ノッキング回避のために、実圧縮比が最高圧縮比にあるものとみなして点火時期を制御することが開示されている。

内燃機関が吸気弁の可変バルブタイミング機構とともに可変圧縮比機構を具備する場合、機械的圧縮比が低く制御されている条件下で可変バルブタイミング機構の学習要求が生じる可能性がある。このような場合、学習実行のために、例えば最遅角位置あるいは比較的遅角側に設定された基準位置に可変バルブタイミング機構が制御されると、機械的圧縮比が低いことに加えて吸気弁閉時期の遅角による有効圧縮比の低下によって、燃焼室内での圧縮端温度が低くなり、燃焼が不安定となるおそれがある。

なお、特許文献２に開示されている制御方法では、このような問題を回避することはできない。

特開２００６−２２００７９号公報 特開２００６−１６１５８３号公報

この発明は、可変バルブタイミング機構を所定の基準位置に制御してセンサ値を読み込む学習が要求されたときに、可変圧縮比機構による機械的圧縮比が所定の圧縮比よりも高いことを条件として、上記基準位置の学習を許可するようにした。

従って、学習のための基準位置へ向かってバルブタイミングが一時的に遅角しても、基本となる機械的圧縮比が高いことで、圧縮端温度の過度の低下が回避される。そのため、学習実行時の燃焼の不安定化を抑制できる。

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。 ＶＴＣ制御用圧縮比を設定する処理の流れを示すフローチャート。 ＶＴＣ制御の処理の流れを示すフローチャート。 ＶＴＣ基準位置学習の処理の流れを示すフローチャート。

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、この発明が適用された自動車用内燃機関１のシステム構成を示している。この内燃機関１は、例えば複リンク式ピストンクランク機構を利用した可変圧縮比機構２を備えた４ストロークサイクルの火花点火式内燃機関であって、各シリンダ３の天井壁面に、一対の吸気弁４および一対の排気弁５が配置されているとともに、これらの吸気弁４および排気弁５に囲まれた中央部に点火プラグ６が配置されている。また図示例の内燃機関１は、ターボチャージャ８を備えている。

上記吸気弁４は、該吸気弁４の開閉時期を可変制御できる吸気側可変バルブタイミング機構７を備えている。可変バルブタイミング機構７としては、少なくとも閉時期が遅進するものであればよいが、本実施例では、カムシャフトの位相を遅進させることで開時期および閉時期が同時に遅進する構成のものとなっている。このような可変バルブタイミング機構は、種々の型式のものが知られており、本発明は特定の形式の可変バルブタイミング機構に限定されるものではない。

例えば、可変バルブタイミング機構７は、カムシャフトの前端部に同心状に配置されるスプロケットと、このスプロケットとカムシャフトとを所定の角度範囲内において相対的に回転させる油圧式の回転型アクチュエータと、を備えて構成されている。上記スプロケットは、図示せぬタイミングチェーンもしくはタイミングベルトを介してクランクシャフトに連動している。従って、スプロケットとカムシャフトとが相対回転することで、カムシャフトのクランク角に対する位相が変化する。上記回転型アクチュエータは、油圧により進角側へ付勢する進角側油圧室と、油圧により遅角側へ付勢する遅角側油圧室と、を有し、エンジンコントローラ１０からの制御信号によって図示せぬ油圧制御弁を介してこれらの油圧室への油圧供給を制御することによって、カムシャフトの位相を進角もしくは遅角させる構成となっている。この可変バルブタイミング機構７によって可変制御されるカムシャフトの実際の制御位置（これは実際のバルブタイミングに対応する）は、カムシャフトの回転位置に応答するカム角センサ１１によって検出される。油圧制御弁を介した油圧供給は、カム角センサ１１によって検出される実際の制御位置が運転条件に応じて設定される目標制御位置に合致するようにクローズドループ制御される。

上記吸気弁４を介して燃焼室１３に接続される吸気通路１４には、各気筒毎にポート噴射用燃料噴射弁１５が配置されている。また、各シリンダ３の中へ直接に燃料を噴射するように、筒内噴射用燃料噴射弁１６が設けられている。すなわち、図示例は、いわゆるデュアルインジェクション方式の燃料噴射システムとなっており、負荷等に応じてポート噴射用燃料噴射弁１５と筒内噴射用燃料噴射弁１６とを適宜に用いて燃料供給を行っている。吸気通路１４の吸気コレクタ１８よりも上流側には、エンジンコントローラ１０からの制御信号によって開度が制御される電子制御型スロットルバルブ１９が介装されており、さらにその上流側に、ターボチャージャ８のコンプレッサ８ａが位置している。吸気通路１４のコンプレッサ８ａよりも上流には、吸入空気量を検出するエアフロメータ２０およびエアクリーナ２１が配設されている。コンプレッサ８ａとスロットルバルブ１９との間には、インタークーラ２２が設けられている。また、コンプレッサ８ａの吐出側と吸入側とを連通するようにリサーキュレーションバルブ２３が設けられている。このリサーキュレーションバルブ２３は、スロットルバルブ１９が閉じる減速時に開弁される。

上記排気弁５を介して燃焼室１３に接続される排気通路２５には、ターボチャージャ８のタービン８ｂが介装されており、その下流側にそれぞれ三元触媒からなるプリ触媒装置２６およびメイン触媒装置２７が配設されている。排気通路２５のタービン８ｂよりも上流側には、空燃比を検出する空燃比センサ２８が配置されている。タービン８ｂは、過給圧を制御するために過給圧に応じて排気の一部をバイパスするウェストゲートバルブ２９を備えている。

排気通路２５のタービン８ｂ下流側の位置と吸気通路１４のコンプレッサ８ａ上流側の位置との間に、排気の一部を吸気系に還流する排気還流通路３０が設けられている。この排気還流通路３０は、ＥＧＲガスクーラ３１およびＥＧＲバルブ３２を備えている。

上記エンジンコントローラ１０には、上記のカム角センサ１１、エアフロメータ２０、空燃比センサ２８のほか、機関回転速度を検出するためのクランク角センサ３４、冷却水温を検出する水温センサ３５、運転者により操作されるアクセルペダルの踏込量を検出するアクセル開度センサ３６、等のセンサ類の検出信号が入力されている。エンジンコントローラ１０は、これらの検出信号に基づき、燃料噴射弁１５，１６による燃料噴射量および噴射時期、点火プラグ６による点火時期、可変圧縮比機構２による機械的圧縮比、可変バルブタイミング機構７による吸気弁４の開閉時期、スロットルバルブ１９の開度、ＥＧＲバルブ３２の開度、等を最適に制御している。

一方、可変圧縮比機構２は、特許文献２や特開２００４−１１６４３４号公報等に記載の公知の複リンク式ピストンクランク機構を利用したものであって、クランクシャフト４１のクランクピン４１ａに回転自在に支持されたロアリンク４２と、このロアリンク４２の一端部のアッパピン４３とピストン４４のピストンピン４４ａとを互いに連結するアッパリンク４５と、ロアリンク４２の他端部のコントロールピン４６に一端が連結されたコントロールリンク４７と、このコントロールリンク４７の他端を揺動可能に支持するコントロールシャフト４８と、を主体として構成されている。上記クランクシャフト４１および上記コントロールシャフト４８は、シリンダブロック４９下部のクランクケース４９ａ内で図示せぬ軸受構造を介して回転自在に支持されている。上記コントロールシャフト４８は、該コントロールシャフト４８の回動に伴って位置が変化する偏心軸部を有し、上記コントロールリンク４７の端部は、詳しくは、この偏心軸部に回転可能に嵌合している。上記の可変圧縮比機構２においては、コントロールシャフト４８の回動に伴ってピストン４４の上死点位置が上下に変位し、従って、機械的な圧縮比が変化する。

また、上記可変圧縮比機構２の圧縮比を可変制御する駆動機構として、この実施例では、クランクシャフト４１と平行な回転中心軸を有する電動アクチュエータ５１がクランクケース４９ａの外壁面に配置されており、この電動アクチュエータ５１の出力回転軸に固定された第１アーム５２と、コントロールシャフト４８に固定された第２アーム５３と、両者を連結した中間リンク５４と、を介して、電動アクチュエータ５１とコントロールシャフト４８とが連動している。電動アクチュエータ５１は、軸方向に直列に配置された電動モータおよび変速機構を含んでいる。

上記のようにして可変圧縮比機構２により可変制御される機械的圧縮比の実際の値つまり実圧縮比は、実圧縮比検出センサ５６によって検出される。この実圧縮比検出センサ５６は、例えば、コントロールシャフト４８の回動角あるいは電動アクチュエータ５１出力回転軸の回動角を検出するロータリ型ポテンショメータやロータリエンコーダなどから構成される。あるいは、電動アクチュエータ５１を構成する電動モータへの指令信号から該電動モータの回転量を求め、この回転量からコントロールシャフト４８の回動角を求めることで、別個のセンサを用いることなく実圧縮比を検知するようにしてもよい。

上記電動アクチュエータ５１は、上記のようにして求められる実圧縮比が運転条件に対応した目標圧縮比となるように、エンジンコントローラ１０によって駆動制御される。例えば、エンジンコントローラ１０は、運転条件として内燃機関１の負荷と回転速度とをパラメータとした目標圧縮比マップを備えており、このマップに基づいて目標圧縮比を設定する。目標圧縮比は、基本的には、低負荷側では高圧縮比であり、負荷が高いほどノッキング抑制等のために低圧縮比となる。

次に、図２〜図４のフローチャートを参照して、上記エンジンコントローラ１０が実行する可変バルブタイミング機構７の制御について説明する。なお、これらのフローチャートに示すルーチンは、適宜な間隔（例えば微小時間間隔）で繰り返し実行される。

図２は、可変バルブタイミング機構７（ＶＴＣ）の制御パラメータの１つとなるＶＴＣ制御用圧縮比ａＶＣＲを設定するためのフローチャートである。ステップ１（図中ではＳ１等と記す）では、可変圧縮比機構２（ＶＣＲ）の異常の有無を判定する。なお、異常の有無の判定対象は、上述した可変圧縮比機構２の機械的な機構のほか、関連するセンサやアクチュエータ等のハードウェアや制御システムのソフトウェア等を含む。換言すれば、可変圧縮比機構２を含む可変圧縮比システム全体が診断対象となる。典型的な異常としては、可変圧縮比機構２の電動アクチュエータ５１の異常、実圧縮比検出センサ５６の異常、などが挙げられる。これらの異常の有無は、図示しない別のルーチンによって実現される自己診断機能によって逐次あるいは適宜な時期に診断され、ステップ１では、その診断結果を参照する。

可変圧縮比システムが正常であれば、ステップ２へ進み、そのときに実圧縮比検出センサ５６によって検出された実圧縮比ｒＶＣＲを、そのままＶＴＣ制御用圧縮比ａＶＣＲとする。これに対し、可変圧縮比システムに何らかの異常があれば、ステップ３へ進み、可変圧縮比機構２によって制御可能な最高圧縮比ＶＣＲｍａｘをＶＴＣ制御用圧縮比ａＶＣＲに設定する。つまり、システムに何らかの異常がある場合には、検出されている実圧縮比ｒＶＣＲの信頼性が低いので、上死点付近でのピストン４４と吸気弁４との干渉を確実に回避するために、可変バルブタイミング機構７の制御の上では、機械的圧縮比が最高圧縮比ＶＣＲｍａｘにあるものとみなす。

図３は、可変バルブタイミング機構７の制御の主要部を示すフローチャートであって、ステップ１１では、機関運転条件として、目標エンジントルクｔＴｑと機関回転速度Ｎｅとを読み込むとともに、ピストン４４と吸気弁４との干渉を回避するための付加的なパラメータとして、上述したＶＴＣ制御用圧縮比ａＶＣＲを読み込む。なお、目標エンジントルクｔＴｑは、内燃機関１の負荷に相当し、例えば、アクセル開度センサ３６が検出するアクセル開度（アクセルペダル踏込量）や、エアフロメータ２０が検出する吸入空気量、などから求められる。ステップ１２では、これらの目標エンジントルクｔＴｑ、機関回転速度Ｎｅ、ＶＴＣ制御用圧縮比ａＶＣＲ、に基づいて可変バルブタイミング機構７の目標制御位置ｔＶＴＣを設定する。目標制御位置ｔＶＴＣは、ＶＴＣ制御用圧縮比ａＶＣＲから定まるピストン４４と吸気弁４とが干渉しない範囲内で、目標エンジントルクｔＴｑと機関回転速度Ｎｅとから定まる最適値に設定される。そして、ステップ１３において、目標制御位置ｔＶＴＣに基づいて可変バルブタイミング機構７が制御される。

前述したように、可変圧縮比システムが正常である場合にＶＴＣ制御用圧縮比ａＶＣＲは実圧縮比ｒＶＣＲに相当するので、内燃機関１の加速等の過渡時に実際の圧縮比変化に応答遅れがあっても、ピストン４４と吸気弁４との干渉が確実に回避される。また可変圧縮比システムに何らかの異常があれば、ＶＴＣ制御用圧縮比ａＶＣＲは最高圧縮比ＶＣＲｍａｘとなるので、仮に実際の圧縮比が不定であったとしても、ピストン４４と吸気弁４との干渉が確実に回避される。

図４は、可変バルブタイミング機構７の基準位置での学習に関するフローチャートである。この基準位置での学習とは、可変バルブタイミング機構７の制御系の較正のために、例えば油圧で駆動される回転型アクチュエータを機械的に規定される基準位置に一時的に動かし、そのときのカム角センサ１１による検出値を読み込む処理である。一実施例では、回転型アクチュエータを遅角側へ向けて物理的に制限される限界位置まで動かし、この最遅角位置を基準位置として学習を行う。なお、物理的に制限される遅角側の限界位置直前にロック機構を設け、このロック機構によって規制される最遅角位置を基準位置として用いるようにしてもよい。

ステップ２１では、可変バルブタイミング機構７の学習の要求があったか否かを判定する。学習要求は、図示しない別のルーチンによって、内燃機関１の運転開始後、所定の条件が成立したときに出力される。ステップ２１では、その出力の有無が判定される。例えば、１トリップの間に少なくとも１回は学習を行うことが望ましい。なお、内燃機関１の運転開始後（例えば自立運転開始直後）、直ちに学習要求が出力されるようにしてもよい。

学習要求がなければ、ステップ２１からステップ２５へ進み、基準位置での学習は行わずに、内燃機関１の運転つまり可変バルブタイミング機構７の通常の制御を継続する。

ステップ２１で学習要求が有りと判定した場合は、ステップ２２へ進み、ＶＴＣ制御用圧縮比ａＶＣＲを所定の圧縮比閾値ＶＣＲｔｈと比較する。ＶＴＣ制御用圧縮比ａＶＣＲが圧縮比閾値ＶＣＲｔｈ以下であれば、ステップ２２からステップ２５へ進み、学習は行わない。つまり、ＶＴＣ制御用圧縮比ａＶＣＲが圧縮比閾値ＶＣＲｔｈ以下のときは、基準位置での学習を禁止する。仮に、機械的圧縮比が低く制御されている条件下で可変バルブタイミング機構７の学習実行のために可変バルブタイミング機構７が最遅角位置となると、機械的圧縮比が低いことに加えて吸気弁閉時期の遅角による有効圧縮比の低下によって、燃焼室内での圧縮端温度が低くなり、燃焼が不安定となるおそれがある。従って、実圧縮比ｒＶＣＲに相当するＶＴＣ制御用圧縮比ａＶＣＲが圧縮比閾値ＶＣＲｔｈ以下のときは学習は行わない。圧縮比閾値ＶＣＲｔｈは、可変バルブタイミング機構７を学習のための基準位置つまり最遅角位置に制御しても燃焼の不安定化が生じないレベルの機械的圧縮比に設定される。

ＶＴＣ制御用圧縮比ａＶＣＲが圧縮比閾値ＶＣＲｔｈよりも高ければ、ステップ２３へ進み、可変圧縮比機構２（ＶＣＲ）が正常であるか否かを判定する。これは、前述したステップ１と同様であり、可変圧縮比機構２の機械的な機構のほか、関連するセンサやアクチュエータ等のハードウェアや制御システムのソフトウェア等に何らかの異常がないかどうかを自己診断した診断結果を参照する。可変圧縮比システムに何らかの異常があれば、ステップ２５へ進み、学習は行わない。つまり、可変圧縮比システムに何らかの異常がある場合には、ステップ３を経てＶＴＣ制御用圧縮比ａＶＣＲが最高圧縮比ＶＣＲｍａｘとなっているが、内燃機関１の実際の機械的圧縮比は圧縮比閾値ＶＣＲｔｈ以下である可能性があるので、可変バルブタイミング機構７の学習を禁止する。

ステップ２３で可変圧縮比機構２のシステムが正常であると判定した場合は、ステップ２４へ進み、可変バルブタイミング機構７の学習を実行する。すなわち、前述したように、可変バルブタイミング機構７を基準位置となる最遅角位置に一時的に動かし、そのときのカム角センサ１１による検出値を読み込む。なお、学習終了後は、通常の制御に復帰する。

このように、上記実施例では、可変圧縮比機構２が正常であり、かつ実際の機械的圧縮比が圧縮比閾値ＶＣＲｔｈよりも高いことを条件として、可変バルブタイミング機構７の学習が許可される。可変圧縮比機構２の異常時には、可変バルブタイミング機構７の制御の上では、機械的圧縮比（ＶＴＣ制御用圧縮比ａＶＣＲ）が最高圧縮比ＶＣＲｍａｘであるとみなすことでピストン４４と吸気弁４との干渉を確実に回避する一方で、可変バルブタイミング機構７の学習に関しては、ＶＴＣ制御用圧縮比ａＶＣＲの値に依存せずに学習を禁止する。これにより、可変圧縮比機構２の異常時に、学習のためのバルブタイミングの遅角化による燃焼の不安定化を回避できる。

なお、学習のための基準位置としては、上記実施例のような最遅角位置に限らず、例えば可変バルブタイミング機構７の回転型アクチュエータがロック機構を具備する場合には、ロック機構によって規定される任意の制御位置を基準位置とすることが可能である。

Claims (3)

1. 内燃機関の機械的圧縮比を変更する可変圧縮比機構と、吸気弁の閉時期を変更する可変バルブタイミング機構と、を備え、機械的圧縮比が低くかつ吸気弁閉時期が遅角側にある場合に燃焼が不安定化し得る内燃機関の制御方法であって、
   内燃機関の運転条件に応じて上記可変圧縮比機構の目標圧縮比および上記可変バルブタイミング機構の目標制御位置を設定し、ここで、上記可変圧縮比機構の異常の有無を判定して、上記可変圧縮比機構が正常であると判定したときには、そのときの機械的圧縮比をパラメータに含めて上記可変バルブタイミング機構の上記目標制御位置を設定し、上記可変圧縮比機構の異常があると判定したときには、機械的圧縮比が上記可変圧縮比機構による最高圧縮比にあるものとみなして上記可変バルブタイミング機構の上記目標制御位置を設定し、
   上記可変バルブタイミング機構を最遅角位置に制御してセンサ値を読み込む学習が要求されたときに、上記可変圧縮比機構による機械的圧縮比が所定の圧縮比閾値よりも高いことを条件として、基準位置となる上記最遅角位置の学習を許可し、ここで、上記圧縮比閾値は、上記可変バルブタイミング機構を最遅角位置に制御しても燃焼不安定化が生じない機械的圧縮比であり、
   さらに、上記可変圧縮比機構の異常があると判定したときには、上記基準位置の学習を禁止する、内燃機関の制御方法。
2. 上記可変圧縮比機構がピストンとシリンダとの相対的位置関係を変化させることで機械的圧縮比を変更する構成である、請求項１に記載の内燃機関の制御方法。
3. 内燃機関の機械的圧縮比を変更する可変圧縮比機構と、吸気弁の閉時期を変更する可変バルブタイミング機構と、を備え、機械的圧縮比が低くかつ吸気弁閉時期が遅角側にある場合に燃焼が不安定化し得る内燃機関の制御装置であって、
   内燃機関の運転条件に応じて上記可変圧縮比機構の目標圧縮比を設定する圧縮比制御部と、
   内燃機関の運転条件に応じて上記可変バルブタイミング機構の目標制御位置を設定するバルブタイミング制御部と、
   上記可変バルブタイミング機構の学習が要求されたときに、上記可変圧縮比機構による機械的圧縮比が所定の圧縮比閾値よりも高いことを条件として、上記可変バルブタイミング機構を基準位置となる最遅角位置に制御してそのときのセンサ値を学習する学習制御部と、
   上記可変圧縮比機構の異常の有無を判定する異常判定部と、
   を備えてなり、
   上記圧縮比閾値は、上記可変バルブタイミング機構を最遅角位置に制御しても燃焼不安定化が生じない機械的圧縮比であり、
   上記バルブタイミング制御部は、上記異常判定部が上記可変圧縮比機構が正常であると判定したときには、そのときの機械的圧縮比をパラメータに含めて上記可変バルブタイミング機構の上記目標制御位置を設定し、上記可変圧縮比機構の異常があると判定したときには、機械的圧縮比が上記可変圧縮比機構による最高圧縮比にあるものとみなして上記可変バルブタイミング機構の上記目標制御位置を設定し、
   上記学習制御部は、上記異常判定部が上記可変圧縮比機構の異常があると判定したときには、上記基準位置の学習を禁止する、内燃機関の制御装置。

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