JP4063194B2 - 内燃機関のアイドル回転数制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、吸気弁のバルブリフト量及び作動角の少なくとも一方であるリフト作動角を可変制御可能なリフト・作動角可変機構と、いわゆる電子制御スロットル弁とを備えた内燃機関のアイドル回転数制御装置に関し、特に、スロットル弁の開度を制御することによりアイドル回転数を目標値へ向けてフィードバック制御する技術に関する。

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、吸気弁のバルブ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することにより、吸気の早閉じ制御、すなわちミラーサイクル運転を行う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。

類似する技術として、特許文献１には、吸気通路に設けられた吸気制御弁により、吸気の早閉じ制御を行う内燃機関の吸気制御装置において、吸気早閉じ制御時にはスロットル開度が大きめに設定される非線形のマップに基づいて制御を行う技術が開示されている。
特開平８−１８９３９４号公報

上述した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、アイドルを含む極低負荷の領域では、制御すべき吸気量が非常に少なくなることから、バルブリフト特性のみによる安定した吸気量制御は困難となる。また、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、吸気弁のバルブリフト特性の可変制御とスロットル弁の開度制御と組み合わせることで、殆どの運転領域で実質的なスロットルレスの運転状態を実現することを本出願人は検討しているが、このような場合、同じアイドリング運転状態においても、状況に応じてスロットル開度が異なり、このスロットル弁を通過する流れの態様（流速・流量）が異なることがある。従って、スロットル弁の開度によって、スロットル弁の開度変化に対する流量変化の特性・感度が異なるものとなってしまう。このため、スロットル弁の開度制御によりアイドル回転数を目標値へ向けて制御するフィードバック制御が適切に行われず、つまりスロットル弁の開度によって挙動が異なるものとなるため、制御の安定性・信頼性に劣るものとなる。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、アイドルでのスロットル弁の開度が異なる場合であっても、スロットル開度制御によるアイドル回転数のフィードバック制御を安定して行い得る新規な内燃機関のアイドル回転数制御装置を提供することを主たる目的としている。

吸気弁のバルブリフト量及び作動角の少なくとも一方を連続的に可変制御可能なリフト・作動角可変機構と、
複数の気筒の吸気通路が接続するコレクタと、
このコレクタの上流に位置し、制御信号により開度が制御されるスロットル弁と、
このスロットル弁の開度を制御することにより、アイドル回転数を目標値へ向けてフィードバック制御するフィードバック制御手段と、
上記バルブリフト量又は作動角に応じて、上記フィードバック制御のゲインを補正するフィードバック補正手段と、
を有し、
上記フィードバック補正手段は、
上記バルブリフト量又は作動角が第１のしきい値よりも大きいときには、上記ゲインを最小値に固定し、
上記バルブリフト量又は作動角が第２のしきい値よりも小さいときには、上記ゲインを最大値に固定し、
上記バルブリフト量又は作動角が第１のしきい値よりも小さく第２のしきい値よりも大きいときには、上記バルブリフト量又は作動角が大きくなるほど上記ゲインを小さくする。

本発明によれば、スロットル弁の開度制御によりアイドル回転数を目標値へ向けてフィードバック制御しており、このフィードバック制御のゲインをリフト作動角に応じて補正しているため、スロットル弁の開度にかかわらず、フィードバック制御におけるスロットル開度変化に対する吸気量変化の応答性・感度を均一化・平準化することができ、アイドル回転数制御の精度及び安定性が著しく向上する。

以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明をＶ型６気筒のガソリン機関１に適用した実施例を示しており、左右バンクの吸気弁３側に、後述する可変動弁機構２がそれぞれ設けられている。排気弁４側の動弁機構は、排気カムシャフト５により排気弁４を駆動する直動型のものであり、そのバルブリフト特性は、常に一定である。

左右バンクの排気マニホルド６は、触媒コンバータ７に接続され、かつこの触媒コンバータ７の上流位置に、排気空燃比を検出する空燃比センサ８が設けられている。左右バンクの排気通路９は、触媒コンバータ７の下流側で合流し、さらに下流に、第２の触媒コンバータ１０および消音器１１を備えている。

各気筒の吸気ポートにはブランチ通路１５が接続され、かつこの６本のブランチ通路１５の上流端が、コレクタ１６にそれぞれ接続されている。上記コレクタ１６の一端には、吸気入口通路１７が接続されており、この吸気入口通路１７に、電子制御スロットル弁１８が設けられている。この電子制御スロットル弁１８は、電気モータからなるアクチュエータを備え、エンジンコントロールユニット１９から与えられる制御信号によって、その開度が制御される。なお、スロットル弁１８の実際の開度を検出する図示せぬセンサを一体に備えており、その検出信号に基づいて、スロットル弁開度が目標開度にクローズドループ制御される。また、スロットル弁１８の上流に、吸入空気流量を検出するエアフロメータ２５が配置され、さらに上流にエアクリーナ２０が設けられている。

また、機関回転速度およびクランク角位置を検出するために、クランクシャフトに対してクランク角センサ２１が設けられており、さらに、運転者により操作されるアクセルペダル開度（踏込量）を検出するアクセル開度センサ２２を備えている。これらの検出信号は、上記のエアフロメータ２５や空燃比センサ８の検出信号とともに、エンジンコントロールユニット１９に入力されている。エンジンコントロールユニット１９では、これらの検出信号に基づいて、燃料噴射弁２３の噴射量や噴射時期、点火プラグ２４による点火時期（点火時期制御手段）、可変動弁機構２によるバルブリフト特性、スロットル弁１８の開度、などを制御する。

次に、図２に基づいて吸気弁３側の可変動弁機構２の構成を説明する。この可変動弁機構２は、吸気弁のバルブリフト量及び作動角（開閉期間）であるリフト作動角を変化させるリフト・作動角可変機構５１と、そのリフトの中心角の位相（図示せぬクランクシャフトに対する位相）を進角もしくは遅角させる位相可変機構７１と、が組み合わされて構成されている。

まず、リフト・作動角可変機構５１を説明する。なお、このリフト・作動角可変機構５１は、本出願人が先に提案したものであるが、例えば特開２００２−８９３０３号公報等によって公知となっているので、その概要のみを説明する。

リフト・作動角可変機構５１は、シリンダヘッドに摺動自在に設けられた上記の吸気弁３と、シリンダヘッド上部のカムブラケット（図示せず）に回転自在に支持された駆動軸５２と、この駆動軸５２に、圧入等により固定された偏心カム５３と、上記駆動軸５２の上方位置に同じカムブラケットによって回転自在に支持されるとともに駆動軸５２と平行に配置された制御軸６２と、この制御軸６２の偏心カム部６８に揺動自在に支持されたロッカアーム５６と、各吸気弁３の上端部に配置されたタペット６０に当接する揺動カム５９と、を備えている。上記偏心カム５３とロッカアーム５６とはリンクアーム５４によって連係されており、ロッカアーム５６と揺動カム５９とは、リンク部材５８によって連係されている。

上記駆動軸５２は、後述するように、タイミングチェーンないしはタイミングベルトを介して機関のクランクシャフトによって駆動されるものである。

上記偏心カム５３は、円形外周面を有し、該外周面の中心が駆動軸５２の軸心から所定量だけオフセットしているとともに、この外周面に、リンクアーム５４の環状部が回転可能に嵌合している。

上記ロッカアーム５６は、略中央部が上記偏心カム部６８によって揺動可能に支持されており、その一端部に、連結ピン５５を介して上記リンクアーム５４のアーム部が連係しているとともに、他端部に、連結ピン５７を介して上記リンク部材５８の上端部が連係している。上記偏心カム部６８は、制御軸６２の軸心から偏心しており、従って、制御軸６２の角度位置に応じてロッカアーム５６の揺動中心は変化する。

上記揺動カム５９は、駆動軸５２の外周に嵌合して回転自在に支持されており、側方へ延びた端部に、連結ピン６７を介して上記リンク部材５８の下端部が連係している。この揺動カム５９の下面には、駆動軸５２と同心状の円弧をなす基円面と、該基円面から所定の曲線を描いて延びるカム面と、が連続して形成されており、これらの基円面ならびにカム面が、揺動カム５９の揺動位置に応じてタペット６０の上面に当接するようになっている。

すなわち、上記基円面はベースサークル区間として、リフト量が０となる区間であり、揺動カム５９が揺動してカム面がタペット６０に接触すると、徐々にリフトしていくことになる。なお、ベースサークル区間とリフト区間との間には若干のランプ区間が設けられている。

上記制御軸６２は、図示するように、一端部に設けられたリフト・作動角制御用アクチュエータ６３によって所定角度範囲内で回転するように構成されている。このリフト・作動角制御用アクチュエータ６３は、例えばウォームギア６５を介して制御軸６２を駆動するサーボモータ等からなり、エンジンコントロールユニット１９からの制御信号によって制御されている。なお、制御軸６２の回転角度は、制御軸センサ６４によって検出される。

このリフト・作動角可変機構５１の作用を説明すると、駆動軸５２が回転すると、偏心カム５３のカム作用によってリンクアーム５４が上下動し、これに伴ってロッカアーム５６が揺動する。このロッカアーム５６の揺動は、リンク部材５８を介して揺動カム５９へ伝達され、該揺動カム５９が揺動する。この揺動カム５９のカム作用によって、タペット６０が押圧され、吸気弁３がリフトする。

ここで、リフト・作動角制御用アクチュエータ６３を介して制御軸６２の角度が変化すると、ロッカアーム５６の初期位置が変化し、ひいては揺動カム５９の初期揺動位置が変化する。

例えば偏心カム部６８が図の上方へ位置しているとすると、ロッカアーム５６は全体として上方へ位置し、揺動カム５９の連結ピン６７側の端部が相対的に上方へ引き上げられた状態となる。つまり、揺動カム５９の初期位置は、そのカム面がタペット６０から離れる方向に傾く。従って、駆動軸５２の回転に伴って揺動カム５９が揺動した際に、基円面が長くタペット６０に接触し続け、カム面がタペット６０に接触する期間は短い。従って、リフト量が全体として小さくなり、かつその開時期から閉時期までの角度範囲つまり作動角も縮小する。

逆に、偏心カム部６８が図の下方へ位置しているとすると、ロッカアーム５６は全体として下方へ位置し、揺動カム５９の連結ピン６７側の端部が相対的に下方へ押し下げられた状態となる。つまり、揺動カム５９の初期位置は、そのカム面がタペット６０に近付く方向に傾く。従って、駆動軸５２の回転に伴って揺動カム５９が揺動した際に、タペット６０と接触する部位が基円面からカム面へと直ちに移行する。従って、リフト量が全体として大きくなり、かつその作動角も拡大する。

上記の偏心カム部６８の初期位置は連続的に変化させ得るので、これに伴って、バルブリフト特性は、連続的に変化する。つまり、リフトならびに作動角を、両者同時に、連続的に拡大，縮小させることができる。各部のレイアウトによるが、例えば、リフト作動角の大小変化に伴い、吸気弁３の開時期と閉時期とがほぼ対称に変化する。

次に、位相可変機構７１は、図２に示すように、上記駆動軸５２の前端部に設けられたスプロケット７２と、このスプロケット７２と上記駆動軸５２とを、所定の角度範囲内において相対的に回転させる位相制御用アクチュエータ７３と、から構成されている。上記スプロケット７２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。上記位相制御用アクチュエータ７３は、例えば油圧式、電磁式などの回転型アクチュエータからなり、エンジンコントロールユニット１９からの制御信号によって制御されている。この位相制御用アクチュエータ７３の作用によって、スプロケット７２と駆動軸５２とが相対的に回転し、バルブリフトにおけるリフト中心角が遅進する。つまり、リフト特性の曲線自体は変わらずに、全体が進角もしくは遅角する。また、この変化も、連続的に得ることができる。この位相可変機構７１の制御状態は、駆動軸５２の回転位置に応答する駆動軸センサ６６によって検出される。これらのリフト・作動角可変機構５１ならびに位相可変機構７１は、各センサ６４，６６の検出に基づいてクローズドループ制御される。

本実施例では、可変動弁機構２によるバルブリフト特性、特にリフト・作動角可変機構５１による吸気弁のバルブリフト量及び作動角（リフト作動角）の可変制御と、スロットル弁１８の開度制御とを組み合わせて、燃焼室へ流入する吸気量が制御される（吸気量制御手段）。また、アイドル域では、スロットル弁１８の開度を制御することにより、クランク角センサ２１により検出されるアイドル回転数（機関回転数）を目標値の近傍に維持するように、フィードバック制御が行われる（フィードバック制御手段）。このフィードバック制御は、周知のように、比例分（Ｐ分）と積分分（Ｉ分）とを利用した、いわゆる比例積分（ＰＩ）制御である。上記の目標値は、補機類や各種センサ類からの入力信号に基づく要求負荷に応じて変更・算出される。これらの制御はエンジンコントロールユニット１９により記憶及び実行される。

そして本実施例では、同じアイドル域でも、状況に応じてリフト作動角とスロットル開度とを増減させている。なお、リフト作動角とスロットル開度とは互いに関連して調整され、同じ要求負荷・吸入空気量であれば、リフト作動角が大きくなるとスロットル開度が小さくなり、リフト作動角が小さくなるとスロットル開度が大きくなる関係にある。

図３及び図４は代表的な２つのアイドル運転モードを示している。図３に示すように、燃費向上の面ではリフト作動角を小さくしてスロットル開度を大きくする第１のアイドル運転モードとすることが好ましい。具体的には、バルブリフト量を例えば１ｍｍ以下の極小リフト状態に保持し、スロットル開度を有る程度大きくする（例えば数度以上）。

しかしながら、吸気弁３のリフトを極小に制御すると、その僅かなばらつきによって、各気筒の吸気量ひいては空燃比が大きく変化しやすい。従って、油水温の低い冷機アイドル時や、リフト・作動角可変機構５１が大リフト側で固着する等の作動不良時のように、リフト作動角を極小とすると吸気量を安定して得ることができない状況では、図４に示すように、リフト作動角を比較的大きくし、スロットル開度を微少、すなわち全閉近傍とする第２のアイドル運転モードとする。例えば、バルブリフト量を１０ｍｍ以上、作動角を２４０ＣＡ（クランク角）以上の大作動角状態に保持し、スロットル弁を全閉付近とする。なお、上記のリフト・作動角可変機構５１の固着は、例えば制御軸センサ６４の検出信号に基づいて推定・検出することができる。

このように、状況に応じて同じアイドル域でもリフト作動角とスロットル開度とを組み合わせて制御することにより、要求負荷に応じた吸気量制御を安定して行いつつ、燃費の向上を図ることができる。但し、同じアイドル域でもリフト作動角やスロットル開度が異なるため、スロットル弁１８の開度変化に対する吸気流量変化の応答性・感度が異なるものとなってしまう。例えば、第２のアイドル運転モードのように、スロットル開度が極小である状況では、スロットル弁１８の付近の流速は音速付近又は音速以上と非常に早くなるので、スロットル弁の開度変化に対する流量変化の応答性・感度が高く、逆に、スロットル開度が比較的大きい第１のアイドル運転モードでは、スロットル弁１８の付近の流速が音速よりも遅く、スロットル弁の開度変化に対する流量変化の応答性・感度は低い。

そこで本実施例では、リフト作動角に応じて、スロットル開度制御を利用したアイドル回転数のフィードバック制御のゲインを補正している（フィードバック補正手段）。このゲインは、フィードバック制御に関連する制御因子であって、スロットル開度変化に対する流量変化の応答性や感度に対応している。つまり、ゲインが大きくなるほど、スロットル開度変化に対する流量変化の感度が高くなり、ゲインが小さくなるほど、スロットル開度変化に対する流量変化の感度が低くなる関係にある。従って、リフト作動角が大きいときには、上記のゲインを小さくし、リフト作動角が小さいときには、ゲインを大きくする。

このような制御の流れを図５を参照して説明する。Ｓ（ステップ）１では、アイドル運転状態であるか否かを判定する。例えば、周知のアイドルＳＷがＯＮであるかを判定する。アイドル運転状態である場合、Ｓ２へ進み、アイドル回転数制御処理を実行する。つまり、上述したようにリフト作動角とスロットル開度とを組み合わせて吸気量を調整するとともに、そのときのリフト作動角に応じて、図６に示すような予め設定・記憶されたテーブルを参照して、アイドル回転数のフィードバック制御のゲインに相当する積分分（Ｉ分）を補正する。この補正された積分分を用いてフィードバック制御が実施される。

図６に示すように、作動角が第１しきい値α１よりも大きい状況、つまりスロットル弁付近の流速が音速以上である場合、フィードバック制御の積分分が最小値に固定される。作動角が第２しきい値α２（α２＜α１）よりも小さい状況では、フィードバック制御の積分分が最大値に固定される。作動角が第１しきい値α１よりも小さく第２しきい値α２よりも大きい状況では、作動角が大きくなるほど積分分が小さくなるように、作動角に比例して積分分を小さくする。

このような本実施例によれば、スロットル開度を制御することによりアイドル回転数を目標値へ向けてフィードバック制御している状況で、リフト作動角に応じてフィードバック制御のゲインである積分分を補正しているため、このフィードバック制御におけるスロットル開度変化に対する吸気量変化の応答性・感度を、スロットル弁の開度にかかわらず均一化・平準化することができる。従って、同じアイドル運転域でも状況に応じてスロットル弁の開度が異なる場合であっても、アイドル回転数のフィードバック制御を安定して行うことができる。よって、例えば要求負荷に応じてアイドル回転数の目標値が増減するような場合でも、アイドル回転数が目標値へ向けて良好にフィードバック制御され、安定したアイドル回転数制御を行うことができる。

以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。例えば、上記実施例ではフィードバック制御のゲインとして積分分を補正しているが、比例分を単独又は併せて補正するようにしても良い。また、アイドル運転域では、上述した第１，第２のアイドル運転モードを切り換えて用いるようにしても良く、あるいは油水温等に応じてリフト作動角及びスロットル開度の双方を連続的に変更・調整するようにしても良い。

この発明の一実施例を示す構成説明図。 可変動弁機構の構成を示す斜視図。 第１のアイドル運転モードを示す説明図。 第２のアイドル運転モードを示す説明図。 本実施例に係る制御の流れを示すフローチャート。 作動角−フィードバック制御のＩ分のテーブル。

符号の説明

１６…コレクタ
１８…スロットル弁
１９…エンジンコントロールユニット
５１…リフト・作動角可変機構

Claims (7)

1. 吸気弁のバルブリフト量及び作動角の少なくとも一方を連続的に可変制御可能なリフト・作動角可変機構と、
   複数の気筒の吸気通路が接続するコレクタと、
   このコレクタの上流に位置し、制御信号により開度が制御されるスロットル弁と、
   このスロットル弁の開度を制御することにより、アイドル回転数を目標値へ向けてフィードバック制御するフィードバック制御手段と、
   上記バルブリフト量又は作動角に応じて、上記フィードバック制御のゲインを補正するフィードバック補正手段と、
   を有し、
   上記フィードバック補正手段は、
   上記バルブリフト量又は作動角が第１のしきい値よりも大きいときには、上記ゲインを最小値に固定し、
   上記バルブリフト量又は作動角が第２のしきい値よりも小さいときには、上記ゲインを最大値に固定し、
   上記バルブリフト量又は作動角が第１のしきい値よりも小さく第２のしきい値よりも大きいときには、上記バルブリフト量又は作動角が大きくなるほど上記ゲインを小さくする、
   内燃機関のアイドル回転数制御装置。
2. 上記バルブリフト量又は作動角が第１のしきい値よりも大きいときには、上記スロットル弁の開度が極小とされて、上記スロットル弁付近の流速が音速付近または音速以上となる請求項１に記載の内燃機関のアイドル回転数制御装置。
3. 上記バルブリフト量が第２のしきい値よりも小さいときには、バルブリフト量が１ｍｍ以下である請求項１又は２に記載の内燃機関のアイドル回転数制御装置。
4. 上記ゲインが、フィードバック制御の比例分又は積分分である請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関のアイドル回転数制御装置。
5. 上記アイドル回転数の目標値が要求負荷に応じて算出される請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関のアイドル回転数制御装置。
6. 上記バルブリフト量又は作動角の可変制御とスロットル弁の開度制御とを組み合わせて吸気量を制御する吸気制御手段を有する請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関のアイドル回転数制御装置。
7. アイドル運転状態であって、かつ、冷機アイドル時又は上記リフト・作動角可変機構の固着を含む作動不良時には、スロットル弁を略全閉とする請求項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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