JP2006152968A - 可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の過回転が発生した場合、若しくは車両が減速している場合に、内燃機関の回転数を速やかに低下させる。
【解決手段】可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関において、内燃機関の過回転が発生しているか否か判定する過回転判定手段、および／または車両が減速状態であるか否かを判定する減速判定手段をさらに備える。内燃機関の過回転が発生していると判定（Ｓ１０１で肯定判定）、または車両が減速状態にあると判定（Ｓ１０２で肯定判定）された場合には、可変バルブタイミング機構は、内燃機関の過回転が発生していない、または車両が減速状態でないと判定された場合よりも排気弁の閉弁時期を進角（Ｓ１０３からＳ１０４）させる。これにより、ポンプ損失が増大して機関回転数が速やかに低下する。
【選択図】図３

Description

本発明は、バルブタイミングを変更可能な可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関のシリンダ（燃焼室）内に潤滑油が流入し、この潤滑油が燃焼すると、内燃機関の回転数がそのときの必要回転数よりも上昇することがある。そして、内燃機関の回転数が上昇して許容回転数を超えると、該内燃機関が破損するおそれがある。

このような内燃機関の過回転（オーバーラン）が検出されたときに、吸気絞り弁を閉じて内燃機関の吸入空気量を減少させることにより、機関回転数を低下させたり、トルク変動を抑制したりして過回転を解消する技術が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
特開２００３−２５４１４４号公報 実開平６−７３３４６号公報 特開平９−７９０５６号公報 特開平１０−２５２５７５号公報 特開２００１−３５５４６２号公報 特開２００１−３５５４８７号公報

しかし、吸気絞り弁から燃焼室までの吸気通路には、ある程度の容積があり、吸気絞り弁を閉じたとしても、吸気絞り弁から燃焼室までの吸気通路に存在する空気が燃焼室に吸入されるため、シリンダ内の酸素量はすぐには減少しない。また、ポンプ損失も速やかに大きくなるわけではなく、徐々に大きくなっていく。そのため、内燃機関の過回転を速やかに解消させることが困難であった。

また、燃焼室内で潤滑油等が燃焼している途中で急激に吸気絞り弁を閉じると、ターボチャージャのコンプレッサから吸気絞り弁までの間の吸気通路の圧力が上昇し、該コンプレッサや吸気通路を構成する部材が破損するおそれがあった。

さらに、内燃機関の過回転が発生したとき、排気絞り弁を閉じたり、可変容量型ターボチャージャのノズルベーンを閉じたりすることも考えられる。これにより、ポンプ損失を大きくすることができ、機関回転数を低下させることができる。しかし、ノズルベーンを閉じるとターボチャージャの回転数が上昇してしまうので、該ターボチャージャの限界回転数を超えてまでノズルベーンを閉じることができなかった。また、運転者がブレーキを踏むたびにノズルベーンを閉じると、ノズルベーンが振動するおそれがある。さらに、排気絞り弁を閉じたりノズルベーンを閉じたりすると背圧が上昇し、その後の再加速時において、背圧が下降するまで燃焼室内での燃焼状態が悪化して、スモークが排出されるおそれがある。また、アクチュエータで作動する排気絞り弁では、機関回転数の低下の度合いを制御することが困難であった。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関の制御装置において、内燃機関の回転数を低下させる必要が生じたときに、内燃機関の回転数を速やかに低下させることができる技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために本発明による可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関の制御装置は、以下のことを特徴とする。すなわち、
排気弁の開閉時期を変更する可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関において、
内燃機関の過回転が発生しているか否か判定する過回転判定手段をさらに備え、
内燃機関の過回転が発生していると前記過回転判定手段が判定した場合には、前記可変バルブタイミング機構は、内燃機関の過回転が発生していないと判定された場合よりも排気弁の閉弁時期を進角させることを特徴とする。

すなわち、可変バルブタイミング機構により排気弁の閉弁時期が進角されると、排気行程におけるピストン上昇途中で排気弁が閉じられる。そうすると、シリンダ内には既燃ガスが閉じこめられるので、この既燃ガスをピストンが圧縮するためにピストンが仕事をすることとなり、その分ポンプ損失が大きくなる。

また、排気弁の閉弁時期が進角されると、既燃ガスが圧縮された状態で吸気弁が開かれるため、吸気通路に既燃ガスが逆流する。そして、この既燃ガスは、吸気行程においてシリンダ内に再度流入する。このように、吸気通路に一度流出した既燃ガスを再度シリンダ内に吸入することにより、ポンプ損失を大きくすることができる。

このようにして増大したポンプ損失により、クランクシャフトを回転させるための力が減少するので、該内燃機関の回転数を低下させることができ、過回転の発生を抑制することができ、若しくは過回転を解消することができる。

また、可変バルブタイミング機構により排気弁の閉弁時期が進角されると、そのサイクル若しくは次のサイクルからポンプ損失を大きくすることができるので、速やかに内燃機関の回転数を低下させることができる。

また、上記課題を達成するために本発明による可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関の制御装置は、以下のことを特徴としてもよい。すなわち、
排気弁の開閉時期を変更する可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関において、
車両が減速状態であるか否か判定する減速判定手段をさらに備え、
車両が減速状態であると前記減速判定手段が判定した場合には、前記可変バルブタイミング機構は、車両が減速状態でないと判定された場合よりも排気弁の閉弁時期を進角させることを特徴としてもよい。

すなわち、上述したようにポンプ損失を増大させることにより、内燃機関の回転数を速やかに低下させることができるので、車両を速やかに減速させることができる。

本発明の最大の特徴は、機関回転数を低下すべきときには、排気弁の閉弁時期を進角させることにより、既燃ガスを圧縮するためのポンプ損失を発生させて、内燃機関の回転数を低下させることにある。

なお、過回転判定手段と減速判定手段とを両方備えている場合には、内燃機関の過回転が発生していると前記過回転判定手段が判定し、若しくは車両が減速状態であると前記減速判定手段が判定した場合に、前記可変バルブタイミング機構は、内燃機関の過回転が発生していないと判定され且つ車両が減速状態でないと判定された場合よりも排気弁の閉弁時期を進角させてもよい。

また、本発明においては、前記可変バルブタイミング機構は、前記排気弁の閉弁時期を
進角させたときには、前記排気弁の開弁時期も進角させることができる。

このように、排気弁の開弁時期を進角させると、膨張行程途中で排気弁が開弁されるので、燃焼ガスがピストンを押し下げている途中で該燃焼ガスがシリンダ内から排出される。そのため、クランクシャフトを回転させるためのエネルギが排気の熱としてシリンダ外へ排出される。これにより、クランクシャフトを回転させるための力が減少するので、内燃機関の回転数を低下させることができる。

さらに、本発明においては、前記可変バルブタイミング機構は、吸気弁のバルブタイミングも変更し、前記排気弁の閉弁時期を進角させたときには、前記吸気弁の開弁時期を排気上死点とすることができる。

上述のように、排気弁の閉弁時期を進角させると、既燃ガスが圧縮されてシリンダ内の圧力が上昇する。そして、ピストンが排気上死点に到達したときに、シリンダ内の空間容積が最小となるとともに、燃焼後の既燃ガスの圧力が最も高くなる。そのため、ピストンが排気上死点に達するまでは既燃ガスを圧縮するために仕事が行われ、ポンプ損失が増大する。しかし、ピストンが排気上死点を過ぎても吸気弁を閉じたままとすると、今度は圧縮された既燃ガスがピストンを押し下げることになり、クランクシャフトを回転させる力が発生する。そのため、１サイクル当たりのポンプ損失が減少してしまう。したがって、ピストンが排気上死点に達したときに吸気弁を開くことにより、ポンプ損失をより大きくすることができる。

本発明に係る可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関の制御装置によれば、排気弁の閉弁時期を進角させることによりポンプ損失を増加させて、内燃機関の回転数を速やかに低下させることができる。

本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る内燃機関１の概略構成を表す図である。本実施例に係る内燃機関１は、４気筒ディーゼルエンジンである。なお、本実施例においては、内燃機関１を簡潔に表示するため、一部の構成要素の表示を省略している。

シリンダ２内の燃焼室には、シリンダヘッド１０に設けられた吸気ポート３を介して吸気管４が接続されている。シリンダ（燃焼室）２への吸気の流入は吸気弁５によって制御される。吸気弁５の開閉は、吸気側カム６の回転駆動によって制御される。また、シリンダヘッド１０に設けられた排気ポート７を介して、排気管８が接続されている。シリンダ２外への排気の排出は排気弁９によって制御される。排気弁９の開閉は排気側カム１１の回転駆動によって制御される。更に、シリンダ２の頂部には、燃料噴射弁１２が設けられている。そして、内燃機関１のクランクシャフト１３にコンロッド１４を介して連結されたピストン１５が、シリンダ２内で往復運動を行う。

また、吸気管４の途中には、該吸気管４を流れる吸気の量を調整する吸気絞り弁（スロットル弁）１６が備えられている。

さらに、内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）９０が併設されている。このＥＣＵ９０は、ＣＰＵの他、各種のプログラム及びマップを記憶するＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えており、内燃機関１の運転条件や運転
者の要求に応じて内燃機関１の運転状態等を制御するユニットである。

ここで、アクセル開度センサ９１がＥＣＵ９０と電気的に接続されており、ＥＣＵ９０はアクセル開度に応じた信号を受け取り、この信号に応じて内燃機関１に要求される機関負荷等を算出する。また、クランクポジションセンサ９２がＥＣＵ９０と電気的に接続されており、ＥＣＵ９０は内燃機関１の出力軸の回転角に応じた信号を受け取り、内燃機関１の機関回転速度や、該機関回転速度とギア比等から内燃機関１が搭載されている車両の速度等を算出する。

次に、内燃機関１における吸気弁５および排気弁９の開閉動作および該開閉動作を行う開閉機構について説明する。

内燃機関１においては、吸気弁５の開閉動作は吸気側カム６によって行われる。この吸気側カム６は吸気側カムシャフト２２に取り付けられ、更に吸気側カムシャフト２２の端部には吸気側プーリ２４が設けられている。更に、吸気側カムシャフト２２と吸気側プーリ２４との相対的な回転位相を変更可能とする可変回転位相機構（以下、「吸気側ＶＶＴ」という）２３が設けられている。この吸気側ＶＶＴ２３は、ＥＣＵ９０からの指令に従って吸気側カムシャフト２２と吸気側プーリ２４との相対的な回転位相を制御する。

また、排気弁９の開閉動作は排気側カム１１によって行われる。この排気側カム１１は排気側カムシャフト２５に取り付けられ、更に排気側カムシャフト２５の端部には排気側プーリ２７が設けられている。更に、排気側カムシャフト２５と排気側プーリ２７との相対的な回転位相を変更可能とする可変回転位相機構（以下、「排気側ＶＶＴ」という）２６が設けられている。この排気側ＶＶＴ２６は、ＥＣＵ９０からの指令に従って排気側カムシャフト２５と排気側プーリ２７との相対的な回転位相を制御する。

そして、吸気側カムシャフト２２と排気側カムシャフト２５の回転駆動は、クランクシャフト１３の駆動力によって行われる。

このようにして、クランクシャフト１３の駆動力によって吸気側カムシャフト２２および排気側カムシャフト２５が回転駆動されて、以て吸気側カム６および排気側カム１１によって、吸気弁５および排気弁９の開閉動作が行われる。

そして、本実施例では、内燃機関１の過回転が発生していると判定された場合、若しくは車両が減速状態であると判定された場合には、排気弁９の開弁時期および閉弁時期を進角させる。

ここで、図２は、本実施例によるクランクアングルに対する排気弁９および吸気弁５のリフト量の推移を示した図である。実線は内燃機関１の過回転が発生していると判定された場合若しくは車両が減速状態であると判定された場合を示し、破線は内燃機関１の過回転が発生していないと判定され且つ車両が減速状態でないと判定された場合を示している。破線で示す内燃機関１の過回転が発生していないと判定され且つ車両が減速状態でないと判定された場合には、排気弁９は、例えば下死点前１７度から２０度で開弁され、排気上死点近傍において閉弁される。

一方、内燃機関１の過回転が発生していると判定された場合若しくは車両が減速状態であると判定された場合には、排気弁９の開弁時期および閉弁時期を進角させる。これにより、燃焼ガスがピストン１５を押し下げている途中で該燃焼ガスが排気ポート７へと排出されるため、クランクシャフト１３を回転させるための力が減少して機関回転数が低下する。

また、排気上死点前の排気行程の途中で排気弁９を閉じると、ピストン１５が排気上死点に達するまではシリンダ内において既燃ガスが圧縮される。そのため、燃料の燃焼により発生したエネルギの一部が、既燃ガスの圧縮のために使われるので、クランクシャフト１３を回転させるための力が減少して機関回転数が低下する。

さらに、既燃ガスが圧縮された状態で吸気弁５が開かれると、吸気ポート３へ既燃ガスが流れ出る。そして、この既燃ガスを再びシリンダ内に吸入するためにピストンが仕事をするため、これがポンプ損失となる。このポンプ損失を大きくするために、本実施例においては、排気弁９の閉弁時期が進角された場合には、吸気弁５の開弁時期が排気上死点（ＴＤＣ）となるように、該吸気弁５のバルブタイミングを変更する。なお、吸気弁５の開弁時期を排気上死点よりもさらに進角させると、該吸気弁５とピストン１５とが接触するおそれがあるが、接触しない範囲で吸気弁５の開弁時期を排気上死点よりもさらに進角させてもよい。

ここで、排気弁９の開弁時期を進角させるほど、ピストンを押し下げる力が減少するため、機関回転数の低下の度合いが大きくなる。また、排気弁９の閉弁時期を進角させるほど、圧縮される既燃ガスの量が多くなり、また、吸気ポート３へ流れ出る既燃ガスの量が多くなるので、機関回転数の低下の度合いが大きくなる。

そこで、本実施例においては、内燃機関１の回転数を速やかに低下させる必要のある内燃機関１の過回転が発生していると判定された場合には、排気弁９の開弁時期および閉弁時期を可及的に早める。

一方、車両が減速状態であると判定された場合には、ドライバビリティ若しくは排気浄化触媒の温度に基づいて、排気弁９の開弁時期および閉弁時期を変更する。例えば、車両を減速させるだけならばエンジンブレーキが強いほどよいため、排気弁９の開弁時期および閉弁時期を可及的に進角させるのがよいが、急激に車両が減速すると運転者が不快に思うことがある。また、車両の減速中は、燃料カットにより排気の温度が低下するため、該排気浄化触媒の温度が活性化温度よりも低下するおそれがある。該排気浄化触媒の温度の低下を抑制するためには、エンジンブレーキを強くして速やかに車両を減速させることにより、車両が減速状態となっている期間を短くし、その後速やかに燃料噴射を再開するほうがよい。そこで、本実施例では、車両が減速状態であると判定されたときに、要求されているエンジンブレーキの強さ、排気浄化触媒の温度、および排気の温度を考慮して、排気弁９の開弁時期および閉弁時期を決定する。これらの関係は、予め実験等により求めマップ化しておき、ＥＣＵ９０に記憶させておく。

このように、内燃機関１の過回転が発生した場合には、排気弁９の開弁時期および閉弁時期を進角させることにより、機関回転数を低下させることができる。しかも、従来用いられていた吸気絞り弁や可変容量型ターボチャージャのノズルベーンと比較して排気側ＶＶＴ２６および吸気側ＶＶＴ２３の応答速度は速いため、より速やかに機関回転数を低下させることができる。

また、吸気絞り弁から燃焼室までの吸気通路が大きな負圧になったり、ターボチャージャのコンプレッサから吸気絞り弁までの吸気通路の圧力が上昇したりすることもないので、吸気通路を構成する部材が破損することもない。

さらに、排気側ＶＶＴ２６および吸気側ＶＶＴ２３の応答速度が速いことから、内燃機関１の過回転の原因によらず、該排気側ＶＶＴ２６および吸気側ＶＶＴ２３を制御することにより車速をフィードバック制御することができる。このフィードバック制御により、
該車両を例えば２０から３０ｋｍ／ｈの速度で走行させることができ、その間に車両を退避させることができる。

また、従来の吸気絞り弁を閉じることにより機関回転数を低下させるものは、燃焼ガスによりクランクシャフトを回す力が発生した後に、該クランクシャフトを回す力に対抗する力を発生させていたため、内燃機関を構成する部材に余計な力がかかっていた。これに対し、排気弁９の開弁時期を進角させると、燃焼ガスのエネルギがクランクシャフト１３を回す力となる前に排気と供に排気ポートへ排出される。これにより、クランクシャフト１３を回す力そのものが低下するので、内燃機関１にかかる余計な力を少なくすることができる。

一方、従来の可変容量型ターボチャージャのノズルベーンを閉じるものと比較して、ターボチャージャの限界回転数を超えることもないので、該ターボチャージャの破損が起こることがない。また、過給圧が急上昇することもないので、内燃機関１を構成する部材が破損することもない。

また、排気側ＶＶＴ２６はノズルベーンよりも応答性が良いため、減速後の再加速時に排気弁９の開弁時期および閉弁時期を速やかに元へ戻すことができ、これにより内燃機関１が必要とする空気量を速やかに得ることができるため、内燃機関１の過渡特性が優れている。

さらに、排気側ＶＶＴ２６はノズルベーンよりも応答性が良いため、機関回転数およびその変動を検出することで、ポンプ損失を緻密に制御することができ、適正な減速力を得ることができる。

次に、本実施例による排気弁９の進角制御について説明する。

図３は、本実施例による排気弁９の進角制御のフローを示したフローチャートである。本処理は所定の時間毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１０１では、ＥＣＵ９０は、内燃機関１の過回転が発生しているか否か判定する。

例えば、吸気絞り弁１６が開弁していないのに機関回転数が上昇している場合、アクセルが踏まれていないのに機関回転数が上昇している場合、内燃機関１の許容最高回転数から所定値だけ低い回転数が検出された場合、車速が０であるにもかかわらず機関回転数が上昇している場合において、内燃機関１の過回転が発生していると判定することができる。

すなわち、吸気絞り弁１６が開弁していない場合やアクセルが踏まれていない場合には、予め定められたアイドル回転を維持するように燃料噴射弁１２から燃料が噴射される。しかし、その燃料に加えて潤滑油等が燃焼すると機関回転数が上昇する。したがって、このような場合には、内燃機関１の過回転が発生していると判定することができる。

また、内燃機関１には、破損を防止するために許容される最高回転数が定められているが、この許容最高回転数から所定値だけ低い回転数が検出された場合には、その後に許容最高回転数に達するおそれがある。本実施例においては、このような場合にも、過回転が発生していると判定する。ここで、この所定値は、排気弁９の開弁時期および閉弁時期を進角させて機関回転数を低下させるまでに要する時間に基づいて設定される。

さらに、車速が０である場合には、内燃機関１がアイドル回転を維持するように制御されるが、運転者が誤ってアクセルを踏んだ場合等では機関回転数が上昇する。このような場合には、過回転が発生していると判定する。

ステップＳ１０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０３へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ進む。

ステップＳ１０２では、ＥＣＵ９０は、車両が減速状態となっているか否か判定する。ここでは、車両の速度が低下し、且つアクセルが踏み込まれていない場合に、車両が減速状態となっていると判定される。

ステップＳ１０２で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０３へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを一旦終了させる。

ステップＳ１０３では、ＥＣＵ９０は、排気弁９の開弁時期および閉弁時期を決定する。例えば、過回転が発生している場合には、排気弁９の開弁時期および閉弁時期が可及的に進角される。また、車両が減速状態となっている場合には、機関回転数および排気浄化触媒の温度に基づいて、排気弁９の開弁時期および閉弁時期が決定される。

ステップＳ１０４では、排気弁９の開弁時期および閉弁時期が変更され、さらに排気上死点時に吸気弁５が開弁するように、該吸気弁５の開弁時期が変更される。

ステップＳ１０５では、ＥＣＵ９０は、内燃機関１の過回転が発生しておらず、且つ車両が減速状態でないか否か判定する。すなわち、排気弁９の開弁時期および閉弁時期を進角させる必要がなくなったか否か判定する。

ステップＳ１０５で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０６へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０５へ戻る。

ステップＳ１０６では、ＥＣＵ９０は、排気弁９の開弁時期および閉弁時期、さらには吸気弁５の開弁時期を通常の値に戻す。

以上説明したように、本実施例によれば、内燃機関の過回転が発生したとき、若しくは車両が減速状態となったときに排気弁９の開弁時期および閉弁時期を進角することにより、ポンプ損失を増大させて、機関回転数を速やかに低下させることができる。

なお、本実施例においては、内燃機関の過回転が検出されたとき、もしくは車両を減速させるときに排気弁９の開弁時期および閉弁時期の両時期を進角させているが、排気弁９の開弁時期はそのままで閉弁時期のみを進角させてもよい。

実施例に係る内燃機関の概略構成を表す図である。 実施例によるクランクアングルに対する排気弁および吸気弁のリフト量の推移を示した図である。 実施例による排気弁の進角制御のフローを示したフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
２ シリンダ
３ 吸気ポート
４ 吸気管
５ 吸気弁
６ 吸気側カム
７ 排気ポート
８ 排気管
９ 排気弁
１０ シリンダヘッド
１１ 排気側カム
１２ 燃料噴射弁
１３ クランクシャフト
１４ コンロッド
１５ ピストン
１６ 吸気絞り弁
２２ 吸気側カムシャフト
２３ 吸気側ＶＶＴ
２４ 吸気側プーリ
２５ 排気側カムシャフト
２６ 排気側ＶＶＴ
２７ 排気側プーリ
９０ ＥＣＵ
９１ アクセル開度センサ
９２ クランクポジションセンサ

Claims (4)

1. 排気弁の開閉時期を変更する可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関において、
   内燃機関の過回転が発生しているか否か判定する過回転判定手段をさらに備え、
   内燃機関の過回転が発生していると前記過回転判定手段が判定した場合には、前記可変バルブタイミング機構は、内燃機関の過回転が発生していないと判定された場合よりも排気弁の閉弁時期を進角させることを特徴とする可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関の制御装置。
2. 排気弁の開閉時期を変更する可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関において、
   車両が減速状態であるか否か判定する減速判定手段をさらに備え、
   車両が減速状態であると前記減速判定手段が判定した場合には、前記可変バルブタイミング機構は、車両が減速状態でないと判定された場合よりも排気弁の閉弁時期を進角させることを特徴とする可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関の制御装置。
3. 前記可変バルブタイミング機構は、前記排気弁の閉弁時期を進角させたときには、前記排気弁の開弁時期も進角させることを特徴とする請求項１または２に記載の可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関の制御装置。
4. 前記可変バルブタイミング機構は、吸気弁のバルブタイミングも変更し、前記排気弁の閉弁時期を進角させたときには、前記吸気弁の開弁時期を排気上死点とすることを特徴とする請求項３に記載の可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関の制御装置。

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