JP3601386B2 - エンジンの吸入空気量制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は主として吸気バルブのバルブタイミング制御によって、エンジンの吸入空気量を制御する構成のエンジンの吸入空気量制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、閉弁用電磁コイルと開弁用電磁コイルとを備え、吸気バルブや排気バルブを、前記電磁コイルによる電磁力で開閉駆動する構成の電磁駆動式バルブが知られている（特開平８−２０００２５号公報等参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記電磁駆動式のバルブであれば、バルブタイミングを連続的かつ広範囲に制御でき、吸気バルブとして前記電磁駆動式のものを用い、該吸気バルブの閉時期を目標吸入空気量に応じて例えば早める制御（早閉じ制御）をすれば、吸気を大気圧状態で取り入れつつ、吸入空気量（シリンダ吸入空気量）を制御することが可能となり、これによって、ポンピングロスの低減による燃費向上を図れる。
【０００４】
しかしながら、車両用ガソリンエンジンでは、蒸発燃料の吸気系へのパージやブレーキの負圧を得るためなどのために、実際には、スロットルバルブを設けて、必要最小限の吸気負圧を得るようにしている。この場合、必要な吸気負圧を目標負圧として設定し、該目標負圧に維持するようにスロットルバルブを制御しつつ吸気バルブのバルブタイミング制御によって吸入空気量を制御する。また、上記のように吸気バルブを電磁力で開閉駆動する構成の場合、吸気バルブの駆動速度の制限から、吸気バルブの閉時期の制御のみによっては吸入空気量を目標吸入空気量に制御することができない運転領域が生じることがあり、該運転領域では、スロットルバルブの絞り制御（吸気圧制御）を主とした吸入空気量制御を行なわざるをえない。
【０００５】
ところで、通常のスロットルバルブを用いた吸入空気量の制御時には、スロットルバルブ下流側にインテークマニホールドや吸気コレクタがあるため、スロットルバルブの開度変化に対してこれらスロットルバルブ下流側の吸気系容積の時定数相当分シリンダ内の空気量が遅れて変化することになるが、吸気バルブタイミングの制御によってエンジンの吸入空気量を制御する構成の場合には、前記吸気系容積による遅れがない分、吸入空気量が高い応答性を示すことになる。このため、急激なアクセル操作によるトルク変化の応答が高くなり、その結果、パワートレイン系が加振され、運転性，音振等の悪化を招いてしまう可能性があった。
【０００６】
また、吸気バルブタイミングによる吸入空気量の制御と、スロットルバルブによる吸入空気量の制御とを、運転領域によって使い分ける構成とした場合、吸気バルブタイミングの制御時における空気量の応答性と、スロットル制御時における空気量の応答性とが異なるため、制御の切り換え時にトルク段差が発生してしまう可能性があった。
【０００７】
そこで、本願出願人は、吸気バルブのバルブタイミング制御の応答性を強制的に遅らせる処理を行うことにより、急激なトルク変動の発生を防止し、吸入空気量制御の切換時のトルク段差を解消することを提案した。
【０００８】
しかしながら、前記のようにスロットルバルブ開度制御によって吸気圧を目標負圧一定に維持しつつ吸気バルブタイミングによる吸入空気量の制御を行なう場合、スロットルバルブ開度を目標負圧一定に維持するための目標開度に応答性よく速やかに切り換えると、吸気バルブタイミングの遅れ処理により、インテークマニホールドからシリンダへ流出する空気量の変化の遅れに対し、スロットルバルブからインテークマニホールド内に流入する空気量の変化の遅れは小さいため、インテークマニホールドの空気量の入出量が異なり、インテークマニホールド内の吸気圧が過渡的に変化するため、吸入空気量に所望の遅れ特性を持たせることができていなかった。具体的には、アクセルを踏みこむ（離す）加速（減速）操作によって、吸入空気量を増大（減少）制御するときには、インテークマニホールド内の空気量の流入量（流出量）が流出量（流入量）に比較して増大（減少）するため、吸気圧が目標値に対して増大（減少）し、吸入空気量が所望の遅れ特性に対して過渡的に増大（減少）する過渡特性となってしまう（図１０の点線参照）。
【０００９】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、吸気圧を一定での吸気バルブのバルブタイミング制御による吸入空気量制御時に、急激なアクセル操作が行われても、急激なトルク変動の発生を招くことがなく、また、該吸気圧一定でのバルブタイミングによる空気量制御とスロットルの開度により吸気圧を可変とした空気量制御との切り換え時にトルク段差が生じることを回避できるという効果を、十分に得られるようにすることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そのため、請求項１記載の発明では、スロットルバルブの開度制御を併用して吸気圧を一定に維持しつつ、吸気バルブのバルブタイミングを制御してエンジンの吸入空気量を制御する運転条件で、前記バルブタイミング制御の応答性を強制的に遅らせる処理を行う一方、該遅れ処理に対応してスロットルバルブ開度制御の応答性も強制的に遅らせる処理を行うよう構成した。
【００１１】
かかる構成によると、吸気バルブのバルブタイミング制御による吸入空気量制御における本来の応答性よりも遅い応答で吸入空気量が変化するとともに、スロットルバルブ開度制御の遅れ処理により、インテークマニホールド内の吸気圧変化が抑制される。
【００１２】
請求項２記載の発明では、前記バルブタイミング制御及びスロットルバルブ開度制御を強制的に遅らせる処理は、それぞれ前記スロットルバルブ下流の吸気系容積の時定数相当の遅れを与える処理である構成とした。
【００１３】
かかる構成によると、吸入空気量制御の応答性が、スロットルバルブによる吸入空気量制御の応答性と略同等になる。
請求項３記載の発明では、前記スロットルバルブの開度制御を併用して吸気圧を一定に維持しつつ吸気バルブのバルブタイミングを可変に制御してエンジンの吸入空気量を制御する運転領域と、吸気バルブのバルブタイミングを略固定し、スロットルバルブの開度を可変に制御して吸気圧を変化させてエンジンの吸入空気量を制御する運転領域とに分けられる構成とした。
【００１４】
かかる構成によると、バルブタイミングによる吸気圧一定での吸入空気量制御の応答性を遅らせて、スロットルバルブによる吸気圧を可変とした吸入空気量制御の応答性と略同等にするので、両領域間での切り換え時に、空気量制御の応答性が大きく変化することがない。
【００１５】
請求項４記載の発明では、運転条件に応じてエンジンの目標吸入空気量を演算し、該目標吸入空気量に基づいて目標バルブタイミングを演算するよう構成され、前記目標バルブタイミングに対して応答性を遅らせる処理を施すよう構成した。
【００１６】
かかる構成によると、運転条件に応じた目標吸入空気量に対して、目標バルブタイミングの応答が遅れ、結果的に、バルブタイミングによる吸入空気量制御の応答が遅れることになる。
【００１７】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によると、吸気圧を一定に維持しつつ吸入空気量を所望の遅れを持たせて変化させることができ、急激なアクセル操作に対するトルク応答が抑えられ、パワートレイン系への加振及び運転性への影響を防止できるという効果を十分に得ることができる。
【００１８】
請求項２記載の発明によると、バルブタイミングによる吸気圧一定での吸入空気量制御時に、スロットル開度による吸気圧を可変とした吸入空気量の制御時と略同等の応答性が得られ、パワートレイン系への加振及び運転性への影響を防止できるという効果がある。
【００１９】
請求項３記載の発明によると、バルブタイミングによる吸気圧一定での吸入空気量制御を行なう領域と、スロットルバルブによる吸気圧を可変とした吸入空気量制御を行なう領域との間での切り換え時に、吸入空気量の応答性が大きく変化することがなく、以て、前記切り換え時にトルク段差が生じることを防止できるという効果がある。
【００２０】
請求項４記載の発明によると、目標吸入空気量に対して目標バルブタイミングの応答を遅らせる処理を行うことで、バルブタイミングによる吸気圧一定での吸入空気量制御の応答が目標吸入空気量の変化に対して遅れ、目標吸入空気量が急激に変化しても、パワートレイン系への加振を抑制できるという効果がある。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
実施の形態の全体構成を示す図１において、車両用の４サイクルガソリンエンジン１には、電磁動弁機構２により開閉時期が電子制御される吸気バルブ３及び排気バルブ４が各気筒に装着されている。
【００２２】
各気筒の吸気バルブ３上流側の吸気ポート５には、インジェクター６が装着され、燃焼室７には点火栓８が装着されている。また、前記点火栓８毎に点火コイル９が設けられている。
【００２３】
エンジン１の本体には、各気筒の基準ピストン位置で基準信号を出力すると共に、単位クランク角毎に単位角信号を出力するクランク角センサ１０、吸入空気流量を検出するエアフローメータ１１、冷却水温度を検出する水温センサ１２が装着される。この他、図示しない車両のアクセルペダルの開度ＡＰＯを検出するアクセル開度センサ１３や車速センサ１４等が配設されている。
【００２４】
前記各種センサ類の検出信号はコントロールユニット１５に出力され、コントロールユニット１５は、これらの検出信号に基づいて前記インジェクター６に噴射パルス信号を出力して燃料噴射量・燃料噴射時期の制御を行い、前記点火コイル９に点火信号を出力して点火時期の制御を行い、更に、前記電磁動弁機構２に弁駆動信号を出力して吸気バルブ３及び排気バルブ４のバルブタイミングを制御する。
【００２５】
また、吸気ポート５上流側にはスロットルバルブ１６が介装され、このスロットルバルブ１６はアクチュエータとしてのモータ１７によって開閉駆動されるようになっている。
【００２６】
前記電磁動弁機構２の構成を図２に示す。
図２において電磁動弁機構２は、シリンダヘッド上に設けられる非磁性材料製のハウジング２１と、吸気バルブ３（又は排気バルブ４、以下吸気バルブ３で代表する） のステム３１に一体に設けられてハウジング２１内に移動自由に収納されるアーマチュア２２と、該アーマチュア２２を吸引して吸気バルブ３を閉弁作動させる電磁力を発揮可能なようにアーマチュア２２の上面に対向する位置でハウジング２１内に固定配置される閉弁用電磁石２３と、該アーマチュア２２を吸引して吸気バルブ３を開弁作動させる電磁力を発揮可能なようにアーマチュア２２の下面に対向する位置でハウジング２１内に固定配置される開弁用電磁石２４と、吸気バルブ３の閉弁方向に向けてアーマチュア２２を付勢する閉弁側戻しバネ２５と、吸気バルブ３の開弁方向に向けてアーマチュア２２を付勢する開弁側戻しバネ２６と、を備えて構成される。そして、閉弁用電磁石２３と開弁用電磁石２４とを共に消磁したときに、吸気バルブ３は全開位置と閉弁位置との間の略中央位置にあるように、閉弁側戻しバネ２５と開弁側戻しバネ２６とのバネ力が設定され、閉弁用電磁石２３のみを励磁したときに吸気バルブ３は閉弁し、開弁用電磁石２４のみを励磁したときに吸気バルブ３は開弁するように駆動される。
【００２７】
前記電磁動弁機構２による吸気バルブ３及び排気バルブ４のバルブタイミングは、エンジン１の運転条件に基づいて設定された目標バルブタイミングとなるように制御されるが、特に、吸気バルブ３の閉時期ＩＶＣを、アクセル開度ＡＰＯとエンジン回転速度Ｎｅとに基づいて設定された目標吸入空気量（目標シリンダ吸入空気量：目標トルク）に基づいて早閉じ方向に可変制御してシリンダ吸入空気量を各気筒毎に制御するようになっている。
【００２８】
尚、前記閉時期ＩＶＣが吸気下死点前に制御されることで、所謂早閉じミラーサイクル運転が行われることになる。
上記のように、吸気バルブ３の閉時期ＩＶＣを早閉じ制御して吸入空気量を目標吸入空気量に制御するが、図３に示すように、前記早閉じ制御のみでは、低負荷・高回転領域（図３斜線示の領域）が目標吸入空気量（目標トルク）に制御できない領域となる。
【００２９】
即ち、上記電磁動弁機構２では、エンジン回転速度とは無関係にバルブ駆動速度が一定であって、一定の最小動作時間が必要であるため、高回転領域では最小作動角が大きくなる（閉時期がクランク角で遅くなる）。このため、スロットルバルブ１６を全開に保持した状態で、電磁動弁機構２により吸気バルブ３を最小動作時間付近で開駆動させたときに得られる吸入空気量（図３に示すバルブタイミング制御領域とスロットル制御領域との境界の空気量）は高回転時ほど多くなり、高回転域では、吸気バルブ３を最小動作時間付近で開駆動させても目標吸入空気量に制御できない領域が発生するものである。
【００３０】
そこで、本実施の形態では、前記早閉じ制御によって吸入空気量を目標吸入空気量に制御できる領域（図３に示すバルブタイミング制御領域）では、スロットルバルブ１６の開度制御との併用で吸気圧を一定に維持しつつ、目標吸入空気量に応じて吸気バルブ３の閉時期ＩＶＣを可変に制御して吸入空気量を制御する一方、吸気バルブ３を最小作動角にしても目標吸入空気量に制御することができない領域（図３に示すスロットル制御領域）では、吸気バルブ３を略最小作動角で開駆動する状態に保持する一方、スロットルバルブ１６の開度を目標吸入空気量に応じて可変に制御して吸気圧を可変とした吸入空気量制御を行なうようにしてある。
【００３１】
具体的には、前記コントロールユニット１５が、図４の制御ブロック図に示すようにして、前記吸気圧一定での吸気バルブ３のバルブタイミング制御と、スロットルバルブ１６により吸気圧を可変とするスロットル制御との協調制御を行う。
【００３２】
図４において、目標吸入空気量演算部１０１ では、アクセル開度ＡＰＯとエンジン回転速度Ｎｅとに応じて予め目標吸入空気量を記憶したマップ（図５参照）から、そのときのアクセル開度ＡＰＯ及びエンジン回転速度Ｎｅに対応する目標吸入空気量を検索する。
【００３３】
尚、上記のようにアクセル開度ＡＰＯとエンジン回転速度Ｎｅとに応じて求められた目標吸入空気量に、アイドル運転に必要な空気量を付加し、これを最終的な目標吸入空気量とすることが好ましい。
【００３４】
前記目標吸入空気量演算部１０１ で演算された目標吸入空気量は領域判定部１０２に出力される。
前記領域判定部１０２は、図３に示すようなテーブルから、そのときのエンジン回転速度Ｎｅにおけるバルブタイミング制御領域とスロットル制御領域との境界の空気量（しきい値）を検索し、該検索したしきい値と前記目標吸入空気量とを比較することで、バルブタイミング制御領域とスロットル制御領域とのいずれであるかを判断する。
【００３５】
そして、領域判定部１０２でバルブタイミング制御領域と判定された場合には、応答性補正部１０３にへ進んで後述するように目標吸入空気量の応答性補正を行なった後、該補正された目標吸入空気量を第１目標スロットル開度演算部１０４と、第１目標吸気バルブタイミング演算部１０５とに出力する。
【００３６】
前記応答性補正部１０３は、図６に示すように、スロットルバルブ下流の吸気系容積の時定数相当の遅れを与えるように設定された応答性補正係数と目標吸入空気量とを入力し、目標吸入空気量に対して応答性補正係数で重み付けした加重平均演算を行なって応答性補正された目標吸入空気量を出力する。
【００３７】
前記第１目標スロットル開度演算部１０４は、バルブタイミング制御領域に対応した目標吸気圧一定とするための目標スロットル開度を、以下のようにして算出する。
【００３８】
まず、目標吸気圧一定とするための値「スロットル開口面積Ａ／（エンジン回転速度Ｎｅ・排気量Ｖ）」（以下、Ａ／ＮＶと称する）を、図７に示すように、そのときの目標吸入空気量に基づいて演算する。該演算された値Ａ／ＮＶは、バルブタイミングによって吸入空気量を目標吸入空気量に制御する領域において、ブーストを目標吸気圧一定に制御するための目標値であり、目標吸入空気量の減少に応じて単調減少する特性として設定される。
【００３９】
尚、前記目標ブーストは、例えばキャニスタからのパージエアをエンジンに供給させるのに必要な負圧源の確保などを目的として設定され、前記目標ブーストに制御されることで一定のブースト（負圧）を発生させて、キャニスタパージなどを可能にする。
【００４０】
そして、前記演算されたＡ／ＮＶに、エンジン回転速度Ｎｅ及び排気量Ｖを乗算して、目標のスロットル開口面積を求め、この目標スロットル開口面積をテーブル等により、目標スロットル開度に変換する。この目標スロットル開度に相当する駆動制御信号をモータ１７に出力し、スロットルバルブ１６を駆動して前記目標スロットル開口開度となるように制御する。
【００４１】
また、前記第１目標吸気バルブタイミング演算部１０５は、前記目標吸入空気量に応じて吸気バルブ３の閉時期ＩＶＣを記憶したテーブル（図８参照）を検索し、そのときの目標吸入空気量に対応する閉時期ＩＶＣを求める。
【００４２】
そして、前記閉時期ＩＶＣにおいて吸気バルブ３を閉じるべく、前記電磁動弁機構２に制御信号を出力する。尚、吸気バルブ３の開時期は、排気上死点付近に固定されるものとする。
【００４３】
一方、前記領域判定部１０２でスロットル制御領域と判定された場合には、第２目標スロットル開度演算部１０６と、第２目標吸気バルブタイミング演算部１０７とに進んで、スロットル制御領域における目標スロットル開度と目標吸気バルブタイミングとを算出する。
【００４４】
即ち、第２目標スロットル開度演算部１０６は、前記目標吸入空気量及びエンジン回転速度Ｎｅに基づいて目標吸入空気量を得るための目標開口面積を求め、該目標開口面積を目標スロットル開度に変換する。そして、スロットルバルブ１６を、前記目標スロットル開度に駆動すべく、モータ１７に開閉駆動信号を出力する。
【００４５】
また、前記第２目標吸気バルブタイミング演算部１０７は、前記一定の最小動作時間で吸気バルブ３を開駆動させるべく、該最小動作時間に対応する閉時期ＩＶＣを目標値としてエンジン回転速度Ｎｅに応じて設定し、各回転毎に最小作動角で吸気バルブ３が開駆動されるようにする。
【００４６】
図９のフローチャートは、バルブタイミング制御の様子を示すフローチャートである。
Ｓ１は、アクセル開度及びエンジン回転速度に基づいて目標吸入空気量を演算する。
【００４７】
Ｓ２では、バルブタイミング制御領域とスロットル制御領域とを判別し、バルブタイミング制御領域と判別された場合は、Ｓ３へ進んで前記目標吸入空気量、応答性補正係数と、前回の応答遅れ補正された目標吸入空気量とに基づいて、今回の応答遅れ補正された目標吸入空気量を算出する。
【００４８】
前記応答遅れ補正された目標吸入空気量、エンジン回転速度等に基づいて、Ｓ４では、バルブタイミング制御領域に対応した目標スロットル開度を算出し、Ｓ５では、同じく目標バルブタイミングを算出して、それぞれ出力する。
【００４９】
一方、Ｓ２でバルブタイミング制御領域と判別された場合は、応答遅れ補正無しの目標吸入空気量、エンジン回転速度等に基づいて、Ｓ６では、スロットル制御領域に対応した目標スロットル開度を算出し、Ｓ７では、同じく目標バルブタイミングを算出して、それぞれ出力する。
【００５０】
このようにすれば、前記バルブタイミング制御時に、吸気バルブのバルブタイミング制御を本来の応答性よりも遅く、スロットルバルブ制御時と同等の応答性とするように遅れ処理を行なうと共に、該遅れ処理に対応してスロットルバルブ開度制御にも遅れ処理を行なうようにしたため、急激なアクセル操作時にも吸気圧の過渡変化を抑制しつつ吸入空気量に所望の応答遅れを持たせることができ、過敏なトルク応答が抑えられ、パワートレイン系への加振及び運転性への影響を防止できるという効果を十分に得ることができる。
【００５１】
また、バルブタイミング制御時とスロットルバルブ制御時との切り換え時にトルク段差が生じることを防止できる。
尚、上記実施形態では、バルブタイミング制御領域とスロットル制御領域とに分けられる構成としたが、全領域をバルブタイミング制御領域とし、全ての運転領域でバルブタイミングの制御のみによって目標吸入空気量を制御する構成であっても良く、この場合も、バルブタイミングとスロットル開度とに遅れ補正を施すことで、急激なアクセル操作時における運転性，音振の悪化を防止できる。
【００５２】
また、上記実施の形態では、目標吸入空気量を遅れ補正することにより、バルブタイミングとスロットル開度とに遅れ補正を施す構成としたが、バルブタイミングとスロットル開度とに直接遅れ補正を施しても良いし、更に、目標吸入空気量の演算に用いるアクセル開度に遅れ補正を施して、この遅れ補正が施されたアクセル開度を用いて演算された目標吸入空気量に基づいてバルブタイミングとスロットル開度とを算出するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態におけるエンジンのシステム図。
【図２】電磁動弁機構の詳細を示す断面図。
【図３】吸入空気量の制御特性を示す線図。
【図４】吸入空気量の制御ブロック図。
【図５】目標吸入空気量のマップを示す線図。
【図６】応答性補正部の演算ブロック図。
【図７】目標ブーストにするためのＡ／ＮＶのテーブルを示す線図。遅れ補。
【図８】吸気バルブの閉時期のテーブルを示す線図。
【図９】吸入空気量制御の様子を示すフローチャート。
【図１０】遅れ補正の有無による応答性の変化を示すタイミングチャート。
【符号の説明】
１ エンジン
２ 電磁動弁機構
３ 吸気バルブ
４ 排気バルブ
６ インジェクター
７ 燃焼室
８ 点火栓
１０ クランク角センサ
１１ エアフローメータ
１２ 水温センサ
１３ アクセル開度センサ
１５ コントロールユニット
１６ スロットルバルブ
１７ モータ

Claims (4)

1. スロットルバルブの開度制御を併用して吸気圧を一定に維持しつつ、吸気バルブのバルブタイミングを制御してエンジンの吸入空気量を制御する運転条件で、前記バルブタイミング制御の応答性を強制的に遅らせる処理を行う一方、該遅れ処理に対応してスロットルバルブ開度制御の応答性も強制的に遅らせる処理を行うよう構成されたことを特徴とするエンジンの吸入空気量制御装置。
2. 前記バルブタイミング制御及びスロットルバルブ開度制御を強制的に遅らせる処理は、それぞれ前記スロットルバルブ下流の吸気系容積の時定数相当の遅れを与える処理であることを特徴とする請求項１記載のエンジンの吸入空気量制御装置。
3. 前記スロットルバルブの開度制御を併用して吸気圧を一定に維持しつつ吸気バルブのバルブタイミングを可変に制御してエンジンの吸入空気量を制御する運転領域と、吸気バルブのバルブタイミングを略固定し、スロットルバルブの開度を可変に制御して吸気圧を変化させてエンジンの吸入空気量を制御する運転領域とに分けられる構成であることを特徴とする請求項２記載のエンジンの吸入空気量制御装置。
4. 運転条件に応じてエンジンの目標吸入空気量を演算し、該目標吸入空気量に基づいて目標バルブタイミングを演算するよう構成され、前記目標バルブタイミングに対して応答性を遅らせる処理を施すよう構成されたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のエンジンの吸入空気量制御装置。

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