JP4033115B2 - 内燃機関の吸気制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関のシリンダ内に吸入される吸入空気量を制御する吸気制御装置に関し、特に、吸気弁のバルブリフト特性の可変制御といわゆる電子制御スロットル弁の開度制御とを組み合わせて吸入空気量の制御を達成するようにした内燃機関の吸気制御装置に関する。

ガソリン機関においては、一般に吸気通路中に設けたスロットル弁の開度制御によって吸気量を制御しているが、良く知られているように、この種の方式では、特にスロットル弁開度の小さな中低負荷時におけるポンピングロスが大きい、という問題がある。これに対し、吸気弁の開閉時期やリフト量を変化させることで、スロットル弁に依存せずに吸気量を制御しようとする試みが以前からなされており、この技術を利用して、ディーゼル機関と同様に吸気系にスロットル弁を具備しないいわゆるスロットルレスの構成を実現することが提案されている。

特許文献１、２には、本出願人が先に提案した吸気弁のリフト量および作動角さらにはそのリフトの中心角を連続的に可変制御し得る可変動弁機構が開示されている。この種の可変動弁機構によれば、上述のように、スロットル弁の開度制御に依存せずにシリンダ内に流入する空気量を可変制御することが可能であり、特に負荷の小さな領域において、いわゆるスロットルレス運転ないしはスロットル弁の開度を十分に大きく保った運転を実現でき、ポンピングロスの大幅な低減が図れる。
特開２００１−２６３１０５号公報 特開２００３−２３２２３３号公報

上記のようにいわゆるスロットルレスとして吸気弁のバルブリフト特性の可変制御により吸気量を制御する場合、完全なスロットルレスとして吸気系に負圧が発生しないと、例えば、ブローバイガスやエバポレータからのパージガスなどを吸気系に還流させる既存のシステムが利用できなくなったり、種々のアクチュエータなどの駆動源としても利用されている負圧が容易に得られない、といった新たな課題が派生する。

そのため、いわゆる電子制御スロットル弁を設け、その開度制御と組み合わせることで、最小限の負圧を確保しつつ吸気弁のバルブリフト特性による吸気量の制御を実現することを本出願人は検討している。

ここで、低負荷域から高負荷域への過渡応答性の点からは、吸気弁上流の吸気圧力が大気圧に近い圧力であることが望ましく、かつ負荷変化に対し、主にリフト・作動角の拡大・縮小によって必要な吸気量に調整することが望ましいが、部分負荷域で、リフト・作動角がある程度小さなものとなると、排気弁とのバルブオーバラップが減少ないしはマイナスオーバラップとなって、内部ＥＧＲ（内部排気還流）が少なくなり、燃費の点で不利となる。

この発明は、吸気弁のリフト・作動角を連続的に拡大・縮小可能な第１可変動弁機構と、吸気弁の作動角の中心角を遅進させる第２可変動弁機構と、排気弁の少なくとも閉時期を遅進させることが可能な排気弁側可変動弁機構と、シリンダ内に吸入される吸気量が運転条件に応じた目標吸気量となるように、上記スロットル弁の開度と上記吸気弁および排気弁のバルブリフト特性とを制御する制御手段と、を備えてなる内燃機関の吸気制御装置において、上記第１、第２可変動弁機構、排気弁側可変動弁機構および上記スロットル弁の制御モードとして、内燃機関の応答性を優先したレスポンス重視モードを有し、このレスポンス重視モードにおいては、所定の部分負荷域を含むバルブ制御領域で、上記スロットル弁の下流の吸入負圧が所定の基準負圧となるように上記スロットル弁の開度を制御するとともに、負荷変化に対し、吸気弁側は上記第１可変動弁機構による作動角の拡大・縮小によって吸気弁閉時期を遅進させ、かつ排気弁側は内部排気還流が得られるように排気弁閉時期を少なくとも上死点よりも遅らせることを特徴としている。

また、望ましくは、本発明の吸気制御装置は、上記第１、第２可変動弁機構、排気弁側可変動弁機構および上記スロットル弁の制御モードとして、内燃機関の応答性を優先したレスポンス重視モードと燃費を優先した燃費重視モードとを有しており、レスポンス重視モードにおいて、上記のような制御がなされる。

この発明によれば、低負荷域から高負荷域への過渡時に、吸入負圧を所定の基準負圧に維持したまま、第１可変動弁機構により吸気弁のリフト・作動角が拡大することによって吸気量が増大するので、過渡応答性に優れたものとなり、かつ同時に、排気弁の閉時期を遅らせることで内部ＥＧＲが大となるので、燃費が向上する。

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、この発明に係る内燃機関の吸気制御装置のシステム構成を示す構成説明図であって、内燃機関１は、吸気弁３と排気弁４とを有し、かつ吸気弁３の動弁機構として、吸気弁３のリフト・作動角を連続的に拡大・縮小させることが可能な第１可変動弁機構５および作動角の中心角を連続的に遅進させることが可能な第２可変動弁機構６を備えている。また、排気弁４の動弁機構として、排気弁４の開閉時期を連続的に遅進させることが可能な排気弁側可変動弁機構１４を備えている。

上記第１可変動弁機構５および第２可変動弁機構６は、その機械的な構成は公知であり、例えば、上述した特許文献１，２に記載の装置と同様の構成を有している。また、上記排気弁側可変動弁機構１４は上記第２可変動弁機構６と同様の公知の構成を有している。従って、これらの可変動弁機構についての詳細な説明は省略する。

また吸気通路７には、モータ等のアクチュエータにより開度が制御される電子制御スロットル弁２が設けられている。ここで、上記スロットル弁２は、吸気通路７内に、ブローバイガスの処理などのために必要な僅かな負圧（例えば−５０ｍｍＨｇ）を発生させる目的で設けられており、吸気量（吸入空気量）の調整は、基本的には、第１，第２可変動弁機構５，６により吸気弁３のリフト特性を変更することで行われる。なお、吸気弁３のリフト量がある程度大きな条件下では、シリンダ内に流入する吸気量が主に吸気弁３の開閉時期によって定まるのに対し、リフト量が十分に小さい条件下では、主にリフト量によって吸気量が定まる。

また、燃料噴射弁８が吸気通路７に配設されており、上記のように吸気弁３等により調整された吸入空気量に応じた量の燃料が、この燃料噴射弁８から噴射される。従って、内燃機関１の出力は、第１，第２可変動弁機構５，６およびスロットル弁２により吸入空気量を調整することによって制御される。

上記のコントロールユニット１０は、運転者により操作されるアクセルペダルに設けられたアクセル開度センサ１１からのアクセル開度信号ＡＰＯと、エンジン回転速度センサ１２からの回転速度信号Ｎｅと、吸入空気量センサ１３からの吸入空気量信号と、を受け取り、これらの信号に基づいて、目標スロットル弁開度、燃料噴射量、点火時期、吸気弁側の作動角目標値および中心角目標値、排気弁側の進角量をそれぞれ演算する。そして、要求の燃料噴射量および点火時期を実現するように燃料噴射弁８および点火プラグ９を制御するとともに、吸気弁３および排気弁４の目標のバルブリフト特性を実現するための制御信号を、第１可変動弁機構５、第２可変動弁機構６および排気弁側可変動弁機構１４のアクチュエータへそれぞれ出力し、かつスロットル弁２の開度を制御する。

次に、上記構成における吸気弁３および排気弁４の開閉時期、さらにはスロットル弁２の開度の制御について説明する。

この実施例においては、第１、第２可変動弁機構５，６、排気弁側可変動弁機構１４およびスロットル弁２の制御モードとして、内燃機関の応答性を優先したレスポンス重視モードと、燃費を優先した燃費重視モードと、を有している。そして、これらのレスポンス重視モードと燃費重視モードとが、例えば、運転者によるスイッチの切換、アクセル開度信号ＡＰＯの変化パターン（例えば加減速の頻度）などに基づく自動的な判別、自動変速機のスポーツモードとエコノミーモードの切換、などに応じて、選択的に切り換えられるようになっている。

初めに、図２に基づいて、燃費重視モードについて説明する。この燃費重視モードでは、図２に示すように、高負荷側および高速側の領域Ａが、バルブ制御領域として設定され、これよりも低速低負荷側の領域Ｂが、内部ＥＧＲ優先領域として設定されている。さらに、アイドルを含む極低速低負荷の領域Ｃがリフト制限領域として設定されている。

上記バルブ制御領域Ａでは、スロットル弁２下流の圧力が所定の基準負圧つまり負圧源として必要最小限の負圧（例えば、−５０ｍｍＨｇ）となるように、スロットル弁２の開度が制御される。そして、最終的な吸気量の制御は、第１，第２可変動弁機構５，６によってなされる。

内部ＥＧＲ優先領域Ｂは、スロットル弁２の開度を小さくしてポンピングロスが増加しても、吸気弁３の作動角を拡大して内部ＥＧＲを確保した方が、トータルとしての燃費が向上する領域であり、ここでは、スロットル弁２下流の圧力が、バルブ制御領域Ａにおける圧力（−５０ｍｍＨｇ）よりも強い負圧に制御される。例えば−２００ｍｍＨｇ〜−３００ｍｍＨｇ程度の負圧となるように、スロットル弁２の開度が制御される。第１，第２可変動弁機構５，６による吸気弁３のバルブリフト特性は、このような負圧を前提として設定されるので、バルブ制御領域Ａにおける負圧と同じ負圧（−５０ｍｍＨｇ）とした場合に比較して、リフト・作動角がより大きな特性となる。図４は、内部ＥＧＲ優先領域Ｂ内の点ｂにおける吸気弁３および排気弁４の開閉時期を例示したものである。ＩＶＯは吸気弁開時期、ＩＶＣは吸気弁閉時期、ＥＶＯは排気弁開時期、ＥＶＣは排気弁閉時期、である。このように吸気弁３の作動角を大きくすることで、排気弁開弁期間との間のバルブオーバラップが十分に確保され、内部ＥＧＲが比較的大きく得られる。これにより、燃費が良好なものとなる。なお、排気弁側可変動弁機構１４による排気弁４の開閉時期は、ほぼ最大に進角した位置にある。

低速低負荷側のリフト制限領域Ｃは、第１，第２可変動弁機構５，６による吸気弁３のリフト・作動角が最小に達する領域であり、ここでは、可変動弁機構５，６による吸気弁３のバルブリフト特性は、一定に保持され、運転条件に応じた必要な吸気量の制御が、スロットル弁２の開度制御によってなされる。つまり、運転条件に応じてスロットル弁２の開度が大小変化し、このスロットル弁開度によって吸気量ひいては機関のトルクが制御される。

なお、図２に１本の線として示す最大負荷の全開領域Ｄでは、高い充填効率が要求されることから、スロットル弁２の開度は全開となる。この領域Ｄでは、スロットル弁２下流の圧力は、大気圧に近いものとなる。ここでは、充填効率を大きく確保するようなリフト・作動角の大きなバルブリフト特性となり、例えば、点ｄの吸排気弁開閉時期は、図５に例示するような特性となる。なお、排気弁側可変動弁機構１４による排気弁４の開閉時期は、ほぼ最大に進角した位置にある。

このような燃費重視モードにおいては、燃費が最大限に良好なものとなるが、図２に矢印Ｔ１で示すように低負荷域から高負荷域へと急激に変化する過渡時には、第２可変動弁機構６が、「最遅角位置→最進角位置→遅角位置」へと変化する必要があり、特に、その作動方向が途中で反転することから、応答性の点で不利となる。

次に、図３に基づいて、レスポンス重視モードについて説明する。このレスポンス重視モードでは、前述した内部ＥＧＲ優先領域Ｂが存在せず、図３に示すように、アイドルを含む極低速低負荷のリフト制限領域Ｃと最大負荷となる全開領域Ｄとを除くほぼ全体が、バルブ制御領域Ａ’として設定されている。

低速低負荷側のリフト制限領域Ｃおよび最大負荷の全開領域Ｄは、前述した燃費重視モードの場合と特に変わりがない。つまり、リフト制限領域Ｃは、第１，第２可変動弁機構５，６による吸気弁３のリフト・作動角が最小に達する領域であり、ここでは、可変動弁機構５，６による吸気弁３のバルブリフト特性は、一定に保持され、運転条件に応じた必要な吸気量の制御が、スロットル弁２の開度制御によってなされる。また、全開領域Ｄでは、スロットル弁２の開度は全開となり、かつ充填効率を大きく確保するようなリフト・作動角の大きなバルブリフト特性となる。リフト制限領域Ｃおよび全開領域Ｄにおける吸排気弁開閉時期は、燃費重視モードの場合の特性と同一である。例えば、図３の点ｄの吸排気弁開閉時期は、前述した図５に例示したものと同一の特性となる。なお、排気弁側可変動弁機構１４による排気弁４の開閉時期は、前述したように、ほぼ最大に進角した位置にある。

これに対し、バルブ制御領域Ａ’では、燃費重視モードにおけるバルブ制御領域Ａと同じく、スロットル弁２下流の圧力が所定の基準負圧つまり負圧源として必要最小限の負圧（例えば、−５０ｍｍＨｇ）となるように、スロットル弁２の開度が制御される。そして、最終的な吸気量の制御は、第１，第２可変動弁機構５，６によってなされるが、このときの吸排気弁開閉時期の設定は、燃費重視モードの場合とは異なっている。

図６は、バルブ制御領域Ａ’内の点ａにおける吸気弁３および排気弁４の開閉時期を例示したものである。この点ａは、比較的負荷が小さいので、作動角は小さく、図示するように、吸気弁開時期ＩＶＯは上死点後にあり、吸気弁閉時期ＩＶＣは下死点前にある。特に、その作動角の中心角は、最大負荷の場合の中心角とほぼ同じ位置にある。従って、図３の矢印Ｔ２のように、負荷が低負荷から高負荷へと変化したときに、第２可変動弁機構６による中心角は殆ど変化せず、第１可変動弁機構５による作動角が、単純に「小→大」と変化する。そのため、負荷が急激に増加する過渡時に、応答性に優れたものとなる。しかも、燃費重視モードの場合の内部ＥＧＲ優先領域Ｂと比較すると、吸気弁３直前の圧力（つまりスロットル弁２下流の圧力）が大気圧に近いより高い圧力となっているので、吸気弁開閉時期の変化に伴うトルクの立ち上がりが一層良好となり、この点からも応答性に優れたものとなる。

一方、このレスポンス重視モードのバルブ制御領域Ａ’においては、排気弁側可変動弁機構１４が遅角側に制御され、図６に例示するように、排気弁閉時期ＥＶＣが、上死点から大きく遅角した状態となる。このように排気弁閉時期ＥＶＣを極端に遅角することで、排気ポートからシリンダ内に排気が吸い戻され、内部ＥＧＲが多量になされるので、燃費が向上する。この排気弁閉時期ＥＶＣの遅角は、充填効率が高く要求される全開領域Ｄ付近を除き、燃焼が成立し得る限界まで行う。具体的には、燃焼が安定している中負荷領域で最大遅角状態となり、燃焼が不安定化しやすい低負荷域では、これよりも遅角量が少なくなる。また高負荷側では、充填効率向上のために、遅角量が少なく設定される。

このように、レスポンス重視モードは、燃費重視モードでの制御に比較して、過渡時の吸気量の変化が応答性よく得られる。そして、本発明では、このレスポンス重視モードとすることによる燃費の悪化が最小限のものとなる。

各モードでの吸気弁開閉時期（詳しくはリフト・作動角の目標値および中心角の目標値）ならびに排気弁開閉時期（詳しくは排気弁側可変動弁機構１４の目標進角量）は、それぞれ制御マップの形で与えられ、コントロールユニット１０内に記憶されている。そして、前述したように、運転者の運転パターン等に応じて、マップの切換が行われる。

この発明に係る内燃機関の吸気制御装置のシステム構成図。 燃費重視モードの制御領域を示す説明図。 レスポンス重視モードの制御領域を示す説明図。 図２の点ｂの吸排気弁開閉時期を示すバルブタイミングチャート。 図２および図３の点ｄの吸排気弁開閉時期を示すバルブタイミングチャート。 図３の点ａの吸排気弁開閉時期を示すバルブタイミングチャート。

符号の説明

２…電子制御スロットル弁
５…第１可変動弁機構
６…第２可変動弁機構
１０…コントロールユニット
１４…排気弁側可変動弁機構

Claims (7)

1. 内燃機関の吸気通路に介装され、かつ制御信号により開度が制御されるスロットル弁と、
   吸気弁のリフト・作動角を連続的に拡大・縮小可能な第１可変動弁機構と、
   吸気弁の作動角の中心角を遅進させる第２可変動弁機構と、
   排気弁の少なくとも閉時期を遅進させることが可能な排気弁側可変動弁機構と、
   シリンダ内に吸入される吸気量が運転条件に応じた目標吸気量となるように、上記スロットル弁の開度と上記吸気弁および排気弁のバルブリフト特性とを制御する制御手段と、
   を備えてなる内燃機関の吸気制御装置において、
   上記第１、第２可変動弁機構、排気弁側可変動弁機構および上記スロットル弁の制御モードとして、内燃機関の応答性を優先したレスポンス重視モードを有し、
   このレスポンス重視モードにおいては、所定の部分負荷域を含むバルブ制御領域で、上記スロットル弁の下流の吸入負圧が所定の基準負圧となるように上記スロットル弁の開度を制御するとともに、負荷変化に対し、吸気弁側は上記第１可変動弁機構による作動角の拡大・縮小によって吸気弁閉時期を遅進させ、かつ排気弁側は内部排気還流が得られるように排気弁閉時期を少なくとも上死点よりも遅らせ、
   上記第１、第２可変動弁機構、排気弁側可変動弁機構および上記スロットル弁の制御モードとして、上記レスポンス重視モードよりも燃費を優先した燃費重視モードを有し、
   上記燃費重視モードにおける部分負荷域では、吸気弁開時期が下死点前となるように、上記レスポンス重視モードに比して吸気弁の作動角を大きくすることを特徴とする内燃機関の吸気装置。
2. 内燃機関の吸気通路に介装され、かつ制御信号により開度が制御されるスロットル弁と、
   吸気弁のリフト・作動角を連続的に拡大・縮小可能な第１可変動弁機構と、
   吸気弁の作動角の中心角を遅進させる第２可変動弁機構と、
   排気弁の少なくとも閉時期を遅進させることが可能な排気弁側可変動弁機構と、
   シリンダ内に吸入される吸気量が運転条件に応じた目標吸気量となるように、上記スロットル弁の開度と上記吸気弁および排気弁のバルブリフト特性とを制御する制御手段と、
   を備えてなる内燃機関の吸気制御装置において、
   上記第１、第２可変動弁機構、排気弁側可変動弁機構および上記スロットル弁の制御モードとして、内燃機関の応答性を優先したレスポンス重視モードを有し、
   このレスポンス重視モードにおいては、所定の部分負荷域を含むバルブ制御領域で、上記スロットル弁の下流の吸入負圧が所定の基準負圧となるように上記スロットル弁の開度を制御するとともに、負荷変化に対し、吸気弁側は、上記第２可変動弁機構による中心角を殆ど変化させずに、上記第１可変動弁機構による作動角の拡大・縮小によって吸気弁閉時期を遅進させ、かつ排気弁側は内部排気還流が得られるように排気弁閉時期を少なくとも上死点よりも遅らせることを特徴とする内燃機関の吸気制御装置。
3. 上記レスポンス重視モードにおけるバルブ制御領域では、排気弁閉時期を、燃焼が安定する中負荷域で低負荷域及び高負荷域よりも遅角させ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吸気制御装置。
4. 上記第１、第２可変動弁機構、排気弁側可変動弁機構および上記スロットル弁の制御モードとして、上記レスポンス重視モードよりも燃費を優先した燃費重視モードを有し、
   上記燃費重視モードにおける部分負荷域では、吸気弁開時期が下死点前となるように、上記レスポンス重視モードに比して吸気弁の作動角を大きくすることを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関の吸気装置。
5. 上記燃費重視モードにおいては、上記部分負荷領域において上記基準負圧よりも大きな負圧となるように上記スロットル弁の開度が制御されることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の吸気制御装置。
6. 上記レスポンス重視モードにおける部分負荷域では、上記燃費重視モードよりも排気弁閉時期を遅角させることを特徴とする請求項４または５に記載の内燃機関の吸気制御装置。
7. 上記レスポンス重視モードにおけるバルブ制御領域が、極低速低負荷域及び全開域を除く回転負荷領域であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の吸気制御装置。

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