JP7240228B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

近年、車両用エンジン等の内燃機関において、高出力、低燃費、低排気ガスを目的として、内燃機関の運転状態に応じて吸気バルブや排気バルブのバルブタイミングを制御する可変バルブタイミング装置が搭載されている。可変バルブタイミング装置として、内燃機関により駆動されるオイルポンプを用いて油圧でバルブ動作を行わせるものや、電動機の動力によってバルブ動作を行わせるものが知られている。

例えば、電動式の可変バルブタイミング装置を用いた技術として、内燃機関の停止後に、電動機の動力によって吸気バルブのバルブタイミングを最遅角（吸気バルブの開閉が最も遅くなるタイミング）にする技術が提案されている（例えば、特許文献１）。吸気バルブのバルブタイミングを最遅角にすることで、次回の内燃機関始動時のショックを抑制することができる。油圧式の可変バルブタイミング装置では、内燃機関の機関回転速度の低下に伴って駆動力が低減する。これと異なり、電動式の可変バルブタイミング装置では、内燃機関停止の際に、内燃機関の駆動状態に影響を受けずに、吸気バルブを適切なタイミングで確実に最遅角タイミングに設定することができる。

特開２００６－１４４５６７号公報

内燃機関は、燃料噴射を停止して機関回転が停止する際に、回転数が線形に漸減して完全停止に至るのではなく、シリンダの内圧変動等の影響によって、回転数の変動や逆回転方向への挙動（揺れ戻し等の動作）を生じる場合がある。このような完全停止前の回転変動によって、設定したバルブタイミングがずれてしまうおそれがある。

例えば、内燃機関停止に際して、可変バルブタイミング装置によって吸気バルブのバルブタイミングを最遅角に設定した後で、機関側に残存する回転変動によって、吸気バルブが進角側に動作してしまうことがあった。油圧式の可変バルブタイミング装置では、最遅角位置に保持する機構を備えたものがあるが、電動式の可変バルブタイミング装置では、上記のような最遅角からの進角側へのずれが生じる可能性がある。このようなバルブタイミングのずれが生じると、次回の内燃機関始動時におけるショック抑制や始動性向上の効果が損なわれてしまう。

排気バルブ側に電動式の可変バルブタイミング装置を備える場合も同様の問題がある。例えば、内燃機関停止の際に、排気バルブのバルブタイミングを最進角にするように制御しているにも関わらず、機関の完全停止前の回転変動によって、排気バルブのバルブタイミングが遅角側にずれてしまうおそれがある。

本発明は係る点に鑑みてなされたものであり、内燃機関停止時にバルブを確実に次回始動時に適したバルブタイミングにさせることが可能な内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、吸気バルブ又は排気バルブのバルブタイミングを電動機によって変更する可変バルブタイミング装置を備えた内燃機関の制御装置であって、内燃機関の機関停止要求に応じて、電動機に通電して、吸気バルブのバルブタイミングを最遅角にする、又は排気バルブのバルブタイミングを最進角にする第１の動作と、内燃機関の回転が完全停止した後に、電動機に通電して、第１の動作で動作させた吸気バルブのバルブタイミングを最遅角にする、又は第１の動作で動作させた排気バルブのバルブタイミングを最進角にする第２の動作と、を行うことを特徴とする。

本発明によれば、内燃機関停止時に、吸気バルブや排気バルブを確実に次回始動時に適したバルブタイミングにさせる内燃機関の制御装置を得ることができる。

本実施の形態の内燃機関の周辺模式図である。 本実施の形態の内燃機関の制御装置の制御ブロック図である。 内燃機関停止時の機関回転と吸気バルブ制御の関係を示す図である。 内燃機関停止時の制御動作を示すフローチャート図である。

以下、本実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。まず、図１と図２を参照して、本実施の形態の内燃機関の構成要素について説明する。なお、以下の説明では、本開示の技術を車両に適用する構成について説明するが、内燃機関が設置される他の乗り物に適用することが可能である。また、図１及び図２は、説明の便宜上、本開示の技術を説明するために簡略化したものであり、車両が通常備える構成については図示されていなくても備えているものとする。

図１に示すように、内燃機関１は、吸気通路１１を通じて取り込まれた空気に燃料を混合して、燃焼室１２内で燃焼させて動力を発生し、排気通路１３を通じて燃焼後の排気ガスを外部に排出するように構成されている。吸気通路１１には、アクセルペダル１４の踏込量に応じて開度を変化させるスロットルバルブ１５が設置されている。スロットルバルブ１５のバルブ開度に応じて燃焼室１２に送り込まれる空気量が調整される。アクセルペダル１４の踏込量は、アクセルポジションセンサ１６により検知される。

燃焼室１２は、シリンダとクランクケースが一体化されたシリンダブロック２内に形成されている。シリンダブロック２上部に設けられるシリンダヘッド３には、吸気通路１１及び燃焼室１２に連通する吸気ポート２０と、排気通路１３及び燃焼室１２に連通する排気ポート２１が形成されている。吸排気に関与する可動弁として、吸気ポート２０と燃焼室１２の間を開閉する吸気バルブ２２と、排気ポート２１と燃焼室１２の間を開閉する排気バルブ２３が設置されている。

シリンダヘッド３には、吸気ポート２０に燃料を噴射するポートインジェクタ１７が設置されている。ポートインジェクタ１７によって、内燃機関１の吸気行程でアクセルペダル１４の踏込量に応じた燃料噴射が行われる。ここではポートインジェクタ１７を例示しているが、シリンダに筒内インジェクタを設置して内燃機関１の圧縮行程で燃料を噴射してもよい。また、シリンダヘッド３には、燃焼室１２の上部に突出する点火プラグ１８が設けられ、点火プラグ１８には点火コイル１９が接続されている。

吸気バルブ２２の開弁により吸気通路１１を通じて混合気が燃焼室１２に送り込まれて、点火コイル１９の高圧電流で点火プラグ１８が放電されて燃焼室１２内の混合気が着火される。燃料の燃焼によってシリンダブロック２内のピストン２５が一気に押下げられて、ピストン２５の下動がコンロッド２６を介してクランクシャフト２７に伝達される。そして、排気バルブ２３の開弁によって排気ポート２１から排気ガスが排出され、排気通路１３に設置された触媒装置２８によって排気ガスに含まれる大気汚染物質が浄化される。

吸気バルブ２２と排気バルブ２３に対応して、吸気カムシャフト３０と排気カムシャフト３１が設けられている。クランクシャフト２７の回転は、不図示のカムチェーンを介して各カムシャフト３０、３１に伝達される。吸気カムシャフト３０が回転されることで、吸気バルブ２２が燃焼室１２に向けて往復動され、排気カムシャフト３１が回転されることで、排気バルブ２３が燃焼室１２に向けて往復動される。このようにして、吸気バルブ２２及び排気バルブ２３のそれぞれにおける開閉動作が制御される。

クランクシャフト２７の回転状態を測定するクランク角センサ３３がシリンダブロック２に設置されている。また、吸気カムシャフト３０の回転角を検出する吸気カム角センサ３４と、排気カムシャフト３１の回転角を検出する排気カム角センサ３５とを備える。

内燃機関１は、クランクシャフト２７に対する吸気カムシャフト３０の相対的な回転位相を変更して、吸気バルブ２２の開閉動作のタイミング（バルブタイミング）を変更する可変バルブタイミング装置４０を備えている。可変バルブタイミング装置４０は、電動機４１（図２参照）を駆動源とするものであり、内燃機関１に設けるオイルポンプ等の動力によらずにバルブタイミングの変更が可能である。

上記の各センサ等からＥＣＵ（Electrical Control Unit）５０に対して信号が入力されて、ＥＣＵ５０が内燃機関１を統括制御する。ＥＣＵ５０は、各種処理を実行するプロセッサやメモリ等によって構成されている。メモリは、用途に応じてＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の記憶媒体で構成されている。メモリには、各種パラメータや各種マップ情報の他、可変バルブタイミング装置４０に吸気バルブ２２のバルブタイミングの制御動作を実行させるためのプログラムが記憶されている。

図２に示すように、ＥＣＵ５０の入力ポートには、アクセルポジションセンサ１６、クランク角センサ３３、吸気カム角センサ３４、排気カム角センサ３５等の各種センサが接続されている。また、ブレーキペダル（図示略）の踏み込み状態を検出するブレーキペダルセンサ３６、車両の速度を検出する車速度センサ３７、イグニッションスイッチ３８が、ＥＣＵ５０の入力ポートに接続している。イグニッションスイッチ３８は、車両の乗員の操作によって、オフ、オン、スタートの各状態を選択可能である。

ＥＣＵ５０の出力ポートには、上述のポートインジェクタ１７及び点火コイル１９の他に、内燃機関１の始動時にクランクシャフト２７を強制回転させるスタータ４２の制御回路が接続している。また、ＥＣＵ５０は、可変バルブタイミング装置４０の電動機４１に対する通電を制御する通電制御部５１と、電動機４１への通電量を検出する電流検出部５２を備えている。

内燃機関１の始動と停止は、ＥＣＵ５０に対する機関始動要求と機関停止要求に応じて行われる。乗員の操作によりイグニッションスイッチ３８がオフからオンに切り換えられると電装系の電源がオンになり、さらにイグニッションスイッチ３８がスタートに切り換えられると機関始動要求が入力される。内燃機関１が自立運転している状態でイグニッションスイッチ３８がオンからオフに切り換えられると、機関停止要求が入力される。また、イグニッションスイッチ３８がオンからオフになると、電装系の電源をオフにする要求が入力される。

本実施の形態の内燃機関１は、イグニッションスイッチ３８を介した上記操作とは別に、出力要求の有無に応じて自動的に停止と再始動を行うことが可能である。出力要求の有無は、アクセルポジションセンサ１６、ブレーキペダルセンサ３６、車速度センサ３７等の検出値に基づいて判断される。内燃機関１が自立運転している状態で、アクセルペダル１４の踏み込みが無い、ブレーキペダルが踏み込まれている、車速が所定値以下である（停止している）、といった条件を満たした場合、停車状態であって機関駆動を継続する必要がない（出力要求が無い）と判断され、機関停止要求が入力される。内燃機関１の停止中に上記条件を満たさなくなった場合は、機関駆動が必要な状況になった（出力要求が有る）と判断され、機関始動要求が入力される。出力要求の有無は、ＥＣＵ５０が備える始動停止判定部によって判定される。

機関始動要求が入力されると、ＥＣＵ５０は、スタータ４２の駆動によるクランキング、ポートインジェクタ１７からの燃料噴射、点火コイル１９への通電による点火プラグ１８の点火を実行して、内燃機関１の自立運転を開始させる。機関停止要求が入力されると、ＥＣＵ５０は、ポートインジェクタ１７からの燃料噴射と点火コイル１９のへの通電（点火プラグ１８の点火）を終了して、内燃機関１の自立運転を停止させる。

機関停止要求により内燃機関１を停止させる際に、ＥＣＵ５０は、通電制御部５１を介して電動機４１への通電を行って可変バルブタイミング装置４０を動作させ、吸気バルブ２２のバルブタイミングを最遅角にさせる制御を行う。この内燃機関１の停止時における機関回転と吸気バルブ２２の制御との関係を図３に示した。

図３（Ａ）は、内燃機関１のクランクシャフト２７の回転数の変化を示したタイムチャートであり、横軸は時間経過を示している。縦軸はクランクシャフト２７の回転数を示しており、上方から下方に進むにつれて回転数が少なくなる。図３（Ａ）のタイムチャートの開始時点又はその直前で、機関停止要求が入力されて、上述した機関の停止制御（ポートインジェクタ１７からの燃料噴射の停止、点火プラグ１８の点火停止）が実行されている。なお、本実施の形態においては、機関停止要求により燃料噴射を停止した制御上の停止段階を機関停止とし、クランクシャフト２７の回転が完全に停止して内燃機関１の回転部分が機械的に静止した段階を完全停止とする。

図３（Ａ）の区間Ｔ１では、機関の停止制御に伴い、燃焼室１２内での燃焼による動力が供給されなくなったクランクシャフト２７が、惰性回転しながら単位時間あたりの回転数を徐々に減少（回転を減速）させる。区間Ｔ１の終端で惰性回転におけるクランクシャフト２７の減速は完了するが、様々な機構的要因によって、クランクシャフト２７がさらに動作する場合があり、この状態を区間Ｔ２における回転変動として示した。

内燃機関１の駆動時におけるクランクシャフト２７の回転方向を正転方向とした場合、区間Ｔ２では、逆転方向に回転してから正転方向に戻ることを繰り返す、いわゆる揺り戻し動作が生じている。こうした揺り戻し動作のような回転変動を生じさせる原因として、ピストン２５やコンロッド２６等の自重の影響や、シリンダの内圧変動等が挙げられる。回転変動が収束すると、クランクシャフト２７が完全停止した状態になる（区間Ｔ２の終端）。区間Ｔ１と区間Ｔ２のいずれのクランクシャフト２７の動作も、クランク角センサ３３によって検出される。すなわち、ＥＣＵ５０は、内燃機関１の完全停止を検知できる、

図３（Ｂ）は、内燃機関１の停止時における可変バルブタイミング装置４０による吸気バルブ２２の位置制御を示したタイムチャートである。図３（Ａ）と同じく、図３（Ｂ）の横軸は時間経過を示している。図３（Ｂ）における縦軸は吸気バルブ２２の位置を示しており、下端が最遅角であり、上方が進角側である。

機関停止要求が入力されると、ＥＣＵ５０は、所定時間が経過した後に、電動機４１に通電して吸気バルブ２２のバルブタイミングを遅角側に動作させる。この動作を第１の遅角動作Ｑ１とする。第１の遅角動作Ｑ１は、吸気バルブ２２のバルブタイミングを最遅角にさせるものであり、吸気カム角センサ３４により検出される現状の吸気バルブ２２の位置から最遅角となるまでの差分が目標遅角量として設定される。そして、区間Ｔ１内で速やかに最遅角まで変化させるように、単位時間あたりの移動量を大きくして（図３（Ｂ）における第１の遅角動作Ｑ１の傾斜角を急にして）、可変バルブタイミング装置４０に遅角側への動作を行わせる。第１の遅角動作Ｑ１では、目標遅角量が認識されているため、遅角側への高速な動作を行わせつつ、最遅角位置に達したときに機械的な衝突による損傷や電動機４１の過剰な負荷が生じないように、電動機４１の適切な停止制御を行うことができる。

区間Ｔ２でクランクシャフト２７の回転変動（揺り戻し動作）が生じると、この回転変動が吸気カムシャフト３０に伝達されて、先の第１の遅角動作Ｑ１で最遅角に設定した吸気バルブ２２が進角側にずれる可能性がある。進角側にずれ量Ｖが生じた場合を図３（Ｂ）に示した。なお、ずれ量Ｖは、最終的な進角側へのずれ量を模式的に示したものであり、実際の吸気バルブ２２の位置ずれの挙動は、図３（Ｂ）の区間Ｔ２中に直線状の破線で示したものとは異なる複雑な位置変動として出現する場合がある。この場合、内燃機関１が完全停止した区間Ｔ２の終端における吸気バルブ２２の位置が、最終的な進角側へのずれ量となる。

本実施の形態の内燃機関の制御装置は、区間Ｔ２で進角側へのバルブタイミングのずれが生じたとしても、最終的に確実に吸気バルブ２２のバルブタイミングを最遅角にさせるものである。すなわち、内燃機関１の回転の完全停止後に、可変バルブタイミング装置４０により第２の遅角動作Ｑ２を行わせる。

具体的には、クランク角センサ３３によりクランクシャフト２７の完全停止（区間Ｔ２の終端）が検出されると、ＥＣＵ５０は、電動機４１に通電して可変バルブタイミング装置４０に遅角側への動作を行わせて、第２の遅角動作Ｑ２を実行する。このとき、ずれ量Ｖが不明であると、ずれを解消するための正確な目標遅角量を設定できないという問題がある。そこで、第２の遅角動作Ｑ２では、単位時間あたりの移動量を小さくして（図３（Ｂ）における第２の遅角動作Ｑ２の傾斜角を緩くして）、第１の遅角動作Ｑ１よりも遅い動作速度で徐々に遅角側へ動作させる。これにより、最遅角位置に達して機械的な移動端となったときに、電動機４１に過大な負荷が作用することを防止できる。

第２の遅角動作Ｑ２によって最遅角に達した状態で電動機４１への通電が継続されていると、可変バルブタイミング装置４０が機械的な制限によってそれ以上の動作を行えなくなるので、電動機４１の通電量が上昇する。ＥＣＵ５０は、電流検出部５２によって通電量を検出し、電動機４１の駆動電流が所定値以上である場合に、吸気バルブ２２の最遅角状態に達したと判断して、電動機４１への通電を停止する。これにより、別途センサ等を設けることなく確実にバルブタイミングを最遅角に設定できる。

続いて、図４を参照して、本実施の形態の制御フローについて説明する。なお、図４のフローチャートは一例を示すものであり、適宜変更が可能である。図４の制御フローは、内燃機関１が自立運転し、且つＥＣＵ５０等の電装系の電源がオンになっている状態で開始される。

ステップＳ１において、内燃機関１の機関停止要求の入力の有無が判定される。機関停止要求が入力されると（ステップＳ１のＹｅｓ）、停止時制御が行われる（ステップＳ２）。この停止時制御は、ポートインジェクタ１７からの燃料噴射の停止と、点火プラグ１８の点火（点火コイル１９の通電）停止と、可変バルブタイミング装置４０による吸気バルブ２２の最遅角への動作制御（図３（Ｂ）に示す第１の遅角動作Ｑ１）を含む。なお、ステップＳ１において、イグニッションスイッチ３８のオフによって機関停止要求が入力された場合は、電源オフ信号も入力される。この場合、「電源オフ要求有り」のフラグを立てた上で、電源オフを実行せずにステップＳ２に進む。

ステップＳ３では、クランク角センサ３３の検出結果を参照して、クランクシャフト２７の回転が止まって内燃機関１が完全停止状態になったか否かを判定する。ここでの完全停止は、図３（Ａ）の区間Ｔ２における揺り戻し動作のような回転変動も収まっている状態である。

内燃機関１の完全停止が検出されると（ステップＳ３のＹｅｓ）、吸気バルブ２２に関するバルブ補正制御が行われる（ステップＳ４）。バルブ補正制御は、内燃機関１の完全停止前に生じた進角側へのバルブタイミングのずれ（例えば、図３（Ｂ）に示すずれ量Ｖ）を解消するべく、可変バルブタイミング装置４０により最遅角位置へ再度動作させる制御（図３（Ｂ）に示す第２の遅角動作Ｑ２）である。

ステップＳ５では、バルブ補正制御において、可変バルブタイミング装置４０の電動機４１への通電量が所定値以上であるかを判定する。通電量が所定値以上になると（ステップＳ５のＹｅｓ）、最遅角に達したと判断され、電動機４１への通電を停止して制御フローから抜ける。

また、補正制御が完了するまでの間、イグニッションスイッチ３８のオフ等による電源オフ信号が入力されているか否かを継続的に判定する（ステップＳ６）。電源オフ信号が入力された場合（ステップＳ６のＹｅｓ）、電装系の電源を直ちにオフにせず、バルブ補正制御での可変バルブタイミング装置４０における最遅角への動作（第２の遅角動作Ｑ２）を継続させ、最遅角位置に達した後に電源オフにする（ステップＳ７）。図４には明示していないが、ステップＳ７に進んだ場合、ステップＳ５と同様に電動機４１への通電量を参照して最遅角判定を行う。このように、必ず補正制御が完了してから電源オフになるので、吸気バルブ２２のバルブタイミングが最遅角ではない状態で電動機４１が止まってしまうことを防止できる。なお、ステップＳ１からステップＳ２へ進む際に「電源オフ要求有り」のフラグが立てられた場合、ステップＳ６で電源オフ信号が入力されたとして扱われる。

以上説明したように、本実施形態の内燃機関の制御装置によれば、内燃機関１の完全停止直前の回転変動により吸気バルブタイミングが意図しないタイミングにずれてしまった場合でも、その後に最遅角になるように動作させる。これにより、内燃機関１の次回始動時に必ず最適化されたバルブタイミングにさせることができ、次回始動時のショック抑制を確実に実現することができる。

以上の実施の形態は、内燃機関の停止時に吸気バルブを最遅角に動作させる制御に適用したものであるが、本発明は、排気バルブの動作制御にも適用が可能である。排気バルブの制御については図示に基づく詳細な説明を省略するが、排気バルブの場合、先に説明した吸気バルブとは遅角と進角の関係が逆になるように制御される。すなわち、内燃機関の停止時に、排気バルブに対して第１の進角動作によって最進角のバルブタイミングになるように制御し、内燃機関の回転の完全停止直前に生じる遅角側へのずれを第２の進角動作によって補正して、排気バルブを確実に最進角にした状態で停止させる。

吸気バルブの遅角側への制御と排気バルブの進角側への制御はいずれも、バルブオーバーラップを減らして次回始動時の始動性を向上させる点で共通している。故に、本発明は、内燃機関の回転の完全停止後に、第２の（遅角又は進角）動作によって、所定のバルブが次回始動に適したバルブタイミング（吸気バルブでは最遅角、排気バルブでは最進角）にあることを保証するという技術思想で包括されるものである。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている構成や制御等については、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

上記実施の形態では、内燃機関１の回転検出を、クランク角センサ３３により行うものとしたが、これと異なる手段によって回転検出を行ってもよい。例えば、クランクシャフト２７の回転が吸気カムシャフト３０と排気カムシャフト３１に伝達されるので、吸気カム角センサ３４や排気カム角センサ３５を用いて内燃機関１の回転状態を検出することも可能である。

以上説明したように、本発明は、内燃機関停止時に吸気バルブや排気バルブを確実に次回始動時に適したバルブタイミングにさせることができるという効果を有し、特に、高精度なバルブタイミング制御が要求される内燃機関に有用である。

１ ：内燃機関
１２ ：燃焼室
１４ ：アクセルペダル
１７ ：ポートインジェクタ
１８ ：点火プラグ
２２ ：吸気バルブ
２３ ：排気バルブ
２５ ：ピストン
２７ ：クランクシャフト
３０ ：吸気カムシャフト
３１ ：排気カムシャフト
３３ ：クランク角センサ
３４ ：吸気カム角センサ
３５ ：排気カム角センサ
４０ ：可変バルブタイミング装置
４１ ：電動機
５０ ：ＥＣＵ
５１ ：通電制御部
５２ ：電流検出部
Ｑ１ ：第１の遅角動作（第１の動作）
Ｑ２ ：第２の遅角動作（第２の動作）

Claims (4)

1. 吸気バルブ又は排気バルブのバルブタイミングを電動機によって変更する可変バルブタイミング装置を備えた内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関の機関停止要求に応じて、前記電動機に通電して、前記吸気バルブのバルブタイミングを最遅角にする、又は前記排気バルブのバルブタイミングを最進角にする第１の動作と、
   前記内燃機関の回転が完全停止した後に、前記電動機に通電して、前記第１の動作で動作させた前記吸気バルブのバルブタイミングを最遅角にする、又は前記第１の動作で動作させた前記排気バルブのバルブタイミングを最進角にする第２の動作と、
   を行うことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記第２の動作において、前記電動機の駆動電流が所定値以上であるときに前記通電を停止す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. 前記第１の動作よりも前記第２の動作の動作速度を遅くすることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記第２の動作中に電源オフ信号が入力されたとき、前記第２の動作を完了してから電源オフを実行することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。

Images