JP4267303B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関（以下、エンジンという）の制御装置に係り、詳しくは吸排気弁のオーバラップ量を変更可能な可変動弁機構を備えるとともに、排気流量を制限する排気流量調整機構を備えた内燃機関の制御装置に関するものである。
【０００２】
【関連する背景技術】
近年、エンジンのエミッション低減や燃費節減のために種々のアプローチがなされており、例えばエンジンの動弁機構に関しては、排気弁の閉弁タイミングや吸気弁の開弁タイミングを変更することで運転状態に応じた適切な吸排気弁のオーバラップ量を実現する可変動弁機構が実用化されており、或いはエンジンの排気系に関しては、排気流量を制限することで触媒を迅速に昇温させる排気流量調整機構が実用化されている。
【０００３】
排気流量調整機構による排気流量の制限は冷態始動時等に実施されるが、排気流量を制限するとエンジンの内部ＥＧＲが増加して燃焼が不安定になるため、そのための対策として上記可変動弁機構が利用されることもある（例えば、特許文献１参照）。当該特許文献１に記載された技術は、排気流量調整機構により排気流量を制限したときに、同時に可変動弁機構により吸排気弁のオーバラップ量を縮小して燃焼の安定化を図っている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平３−２７１５１５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に記載された技術では、可変動弁機構による制御で所期のオーバラップ量が達成されることを前提とするものであり、例えばオーバラップ量が大の状態で、排気流量調整機構によって排気流量を制限する場合、内部ＥＧＲを抑制すべく可変動弁機構を調整してオーバラップ量を減少させようとしても可変動弁機構の作動応答遅れ、即ち、例えば縮小方向に変化する目標オーバラップ量に対する実オーバラップ量の一時的な追従遅れ等に起因して、目標オーバラップ量に対する過剰なオーバラップ量により内部ＥＧＲが増加して該内部ＥＧＲを適切に制御することができずに、排気流量調整機構による排気流量の制限と相俟ってエンジンの燃焼状態を却って悪化させてしまう虞があった。この問題は、オーバラップ量が大きいほど顕著である。
【０００６】
又、例えば、オーバラップ量が大の状態で可変動弁機構が固着したり、油圧不足で作動不能となったりした場合にも、オーバラップ量を適切に減少することができずに、同様に内部ＥＧＲの増加に伴いエンジンの燃焼状態を却って悪化させてしまう虞があった。
本発明の目的は、可変動弁機構と排気流量調整機構とを的確に協調制御し、もって、可変動弁機構の固着や追従遅れに起因する内部ＥＧＲの増加を未然に回避して、良好な燃焼状態を実現することができる内燃機関の制御装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、内燃機関の吸気弁の開弁タイミングと排気弁の閉弁タイミングとの少なくとも一方を変更して吸排気弁のオーバラップ量を変更可能に構成され、内燃機関の運転領域から求めた目標オーバラップ量に追従するようにオーバラップ量を調整する可変動弁機構と、内燃機関の排気通路に設けられ、閉側への開度調整により排気流量を制限して排圧を上昇させる排気流量調整機構とを備えた内燃機関の制御装置において、吸排気弁の実オーバラップ量を検出するオーバラップ量検出手段と、オーバラップ量検出手段によって検出される実オーバラップ量が第１の設定値以上のときに、排気流量調整機構を開側に制御する排気制限抑制手段とを備えたものである。
【０００８】
従って、内燃機関の運転領域から求めた目標オーバラップ量に追従するように可変動弁機構により吸排気弁のオーバラップ量が変更される一方、所定の開始条件が成立したとき、例えば機関の冷態始動時のように迅速な触媒昇温が要求される場合、或いはリーン運転時や車両減速時のように機関の発熱量の減少に伴って触媒温度が低下する場合等には、排気流量調整機構の閉側への開度調整により内燃機関の排気流量が制限されて排圧が上昇し、触媒の昇温や保温が図られる。
【０００９】
そして、オーバラップ量検出手段に検出された実オーバラップ量が第１の設定値以上であり、可変動弁機構の作動応答遅れが発生するような場合には、排気流量調整機構が開側に制御される。よって、可変動弁機構によるオーバラップ量に応じて、排気流量調整機構による排気流量の制限が行われて、この作動応答遅れに起因して内燃機関の内部ＥＧＲが更に増加する事態が未然に回避される。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１において、実オーバラップ量と目標オーバラップ量との差が第２の設定値以上のときに、排気制限抑制手段が排気流量調整機構を開側に制御するものである。
例えば、可変動弁機構の応答性に起因して、縮小方向に変化する目標オーバラップ量に対して実オーバラップ量に追従遅れが生じると、実オーバラップ量と目標オーバラップ量との差が過渡的に第２の設定値以上となるが、このときには排気流量調整機構が開側に制御されるため、この追従遅れに起因する内部ＥＧＲの増加を回避可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化したエンジンの制御装置の一実施形態を説明する。
図１は本実施形態のエンジンの制御装置を示す全体構成図である。エンジン１は筒内に燃料を噴射する筒内噴射型エンジンとして構成され、その動弁機構としてはＤＯＨＣ４弁式が採用されている。シリンダヘッド２上の吸気カム軸３ａ及び排気カム軸３ｂの前端にはそれぞれタイミングプーリ５ａ，５ｂが接続されている。各タイミングプーリ５ａ，５ｂはタイミングベルト６を介してクランク軸７に連結され、クランク軸７の回転に伴ってタイミングプーリ５ａ，５ｂが回転駆動されると、カム軸３ａ，３ｂが回転して吸気弁８ａ及び排気弁８ｂを開閉駆動する。
【００１５】
排気カム軸３ｂとタイミングプーリ５ｂとの間には、可変動弁アクチュエータ４が設けられている。可変動弁アクチュエータ４の構成は、例えば特開２０００−２７６０９号公報等で公知のため詳細は説明しないが、タイミングプーリ５ｂに設けたハウジング内にベーンロータを回動可能に設け、そのベーンロータに排気カム軸３ｂを連結して構成されている。可変動弁アクチュエータ４にはオイルコントロールバルブ（以下、ＯＣＶという）４ａを介してエンジン１の潤滑用オイルが作動油として供給され、ＯＣＶ４ａの切換に応じてベーンロータに油圧を作用させて、タイミングプーリ５ｂに対する排気カム軸３ｂの位相、即ち、排気弁８ｂの開弁タイミング及び閉弁タイミングを調整する。本実施形態では、これらの可変動弁アクチュエータ４、ＯＣＶ４ａにより可変動弁機構が構成されている。
【００１６】
シリンダヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ９と共に燃料噴射弁１０が取り付けられており、図示しない燃料ポンプから供給された高圧燃料が燃料噴射弁１０から燃焼室１１内に直接噴射される。各気筒の燃焼室１１は吸気ポート１２を介して共通の吸気通路１３に接続され、エアクリーナ１４を介して吸気通路１３内に導入された吸入空気は、スロットル弁１５により流量調整された後、吸気ポート１２から各気筒の燃焼室１１内に導入される。又、各気筒の燃焼室１１は排気ポート１６を介して共通の排気通路１７に接続され、燃焼室１１内で燃焼後の排ガスは排気ポート１６から排気通路１７に排出されて、触媒１８及び消音器１９を経て外部に排出される。
【００１７】
排気通路１７に介装された触媒１８と消音器１９との間にはバタフライ式の排気絞り弁２０が設けられ、排気絞り弁２０は排気絞りアクチュエータ２１により全閉位置と全開位置との２位置間で開閉駆動される。排気通路１７には排気絞り弁２０を迂回するようにバイパス通路２２が接続され、バイパス通路２２には圧力調整弁２３が設けられている。圧力調整弁２３は通常閉弁されており、排気絞り弁２０の全閉等に伴って排気通路１７の上流側の排圧が上昇したときに開弁して排ガスを流通させ、これにより排気通路１７内の排圧を自己の設定圧に保持する。本実施形態では、これらの排気絞り弁２０、排気絞りアクチュエータ２１、バイパス通路２２、圧力調整弁２３により排気流量調整機構が構成されている。
【００１８】
車室内には、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ，ＢＵＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えたＥＣＵ（エンジン制御ユニット）３１が設置されており、エンジン１の総合的な制御を行う。ＥＣＵ３１の入力側には、エンジン回転速度Ｎeを検出する回転速度センサ３２、スロットル弁１４の開度θthを検出するスロットルセンサ３３、排気カム軸３ｂの位相を検出するカム角センサ３４（オーバラップ量検出手段）等の各種センサが接続されている。又、ＥＣＵ３１の出力側には、上記ＯＣＶ４ａ、点火プラグ９、燃料噴射弁１０、排気絞りアクチュエータ２１等が接続されている。
【００１９】
ＥＣＵ３１は各センサからの検出情報に基づき、燃料噴射制御や点火時期制御等の各種制御を実行する。又、ＥＣＵ３１は、エンジン１の冷態始動時のように触媒１８の迅速な昇温が要求される運転状態、或いはリーン運転時や車両減速時等のようにエンジン発熱量の減少に伴って触媒温度が低下する運転状態では、排気絞りアクチュエータ２１により排気絞り弁２０を全閉位置に切換えて排圧を上昇させる排気絞り制御を実行し、これにより排気流量を制限して触媒１８の昇温や保温を図る。
【００２０】
更に、ＥＣＵ３１は各センサからの検出情報に基づき、ＯＣＶ４ａを駆動して排気カム軸３ｂの位相を制御するとともに、このときの排気カム軸３ｂの位相がエンジン１の燃焼を不安定にする所定の状態にあるときには、上記排気絞り制御を禁止している。
そこで、当該排気絞り制御の禁止判定について説明するが、これに先立って排気カム軸３ｂの位相制御について述べる。ＥＣＵ３１は図２に示すカム位相制御ルーチンを所定の制御インターバルで実行し、まず、ステップＳ２で排気絞り制御の開始条件が成立したか否かを判定する。排気絞り制御の開始条件としては、上記したエンジン１の冷態始動、リーン運転、車両減速等が設定されており、何れかの条件が満たされたときに排気絞り制御の開始条件が成立したと見なされる。
【００２１】
ステップＳ２の判定がＮＯ（否定）のときにはステップＳ４に移行し、排気カム軸３ｂの位相、即ち、排気弁８ｂの開弁タイミング及び閉弁タイミングの目標値を算出する。例えば位相の目標値は、排気カム軸３bの最遅角位置からの目標進角量tgtθとして表され、エンジン１の目標平均有効圧Ｐeや体積効率Ｅv（機関負荷と相関する）とエンジン回転速度Ｎeとに基づき図示しないマップから算出される。ＥＣＵ３１は続くステップＳ６でカム角センサ３４からの検出情報に基づいて排気カム軸３ｂの実進角量θを求め、実進角量θが目標進角量tgtθとなるようにＯＣＶ４ａを駆動制御した後、ルーチンを終了する。
【００２２】
又、排気絞り制御の開始条件が成立したとして上記ステップＳ２でＹＥＳ（肯定）の判定を下したときには、ステップＳ８に移行する。ステップＳ８の処理内容は上記ステップＳ４と同様であるが、適用するマップ特性が異なり、同一運転領域においてステップＳ４の目標進角量tgtθに比較してより大きな目標進角量tgtθeが算出され、その目標進角量tgtθeに基づいて続くステップＳ６でＯＣＶ４ａを駆動制御した後、ルーチンを終了する。
【００２３】
以上の排気カム軸３ｂの位相制御により、排気弁８ｂの開弁タイミングがエンジン１の運転領域に応じて適切に制御されるとともに、排気流量の制限によりエンジン１の内部ＥＧＲが増加する排気絞り制御中には、より大きな目標進角量tgtθeに基づいて排気カム軸３ｂが進角側に制御され、吸排気弁８ａ，８ｂのオーバラップ量ＯＬが縮小されて燃焼の安定化が図られる（オーバラップ量縮小制御手段）。
【００２４】
特に、このように排気側を位相制御した場合には、排気カム軸３ｂの進角に伴って燃焼室１１への排ガスの戻り量が減少して直接的な内部ＥＧＲの抑制作用を奏するため、吸気側を遅角させて同一オーバラップ量ＯＬに制御した場合に比較して、燃焼の安定化はより確実なものとなる。
また、図２のステップＳ４，８で併記しているように、排気カム軸３ｂの目標進角量tgtθと同じく、燃料噴射制御で適用される空燃比Ａ／Ｆや燃料噴射時期ＩＴ、点火時期制御で適用される点火時期ＳＡの目標値も、排気絞り制御の開始条件に応じて切換えられる（運転制御パラメータ切換手段）。
【００２５】
一方、上記排気絞り制御の禁止判定は、図３に示す排気絞り禁止判定ルーチンに基づいて行われる。ＥＣＵ３１は当該ルーチンを所定の制御インターバルで実行し、まず、ステップＳ１２で上記ステップＳ２と同様に排気絞り制御の開始条件が成立したか否かを判定し、判定がＮＯのときにはそのままルーチンを終了する。
【００２６】
一方、ステップＳ１２の判定がＹＥＳのときにはステップＳ１４に移行して、吸排気弁８ａ，８ｂの実オーバラップ量ＯＬが第１の設定値ＯＬ0未満（ＯＬ＜ＯＬ0）か否かを判定する。なお、吸気カム軸３ａの位相は固定のため、カム角センサ３４により検出された排気カム軸３ｂの位相に基づいて、実オーバラップ量ＯＬは一義的に導き出される。
【００２７】
第１の設定値ＯＬ0は、正常な排気カム軸３ｂの位相制御範囲において、オーバラップ量を減少すべく排気カム軸３ｂの位相を例えば最進角位置へ制御する際に、可変動弁機構の作動応答遅れが生じて目標オーバラップ量に対する過剰なオーバラップ量が発生するような排気カム軸３ｂの位相位置に対応して設定されている。そして、排気カム軸３ｂの位相が正常な制御範囲にあって、実オーバラップ量ＯＬが第１の設定値ＯＬ0よりも小さい場合には、排気絞りに伴いオーバラップ量を減少するように可変動弁機構を調整しても、作動応答遅れが少なく過剰なオーバラップ量は発生しないと推測でき、ＥＣＵ３１はステップＳ１４でＹＥＳの判定を下してステップＳ１６に移行する。
【００２８】
ステップＳ１６では実オーバラップ量ＯＬから目標オーバラップ量tgtＯＬを減算した差ΔＯＬが第２の設定値ΔＯＬ0未満（ＯＬ−tgtＯＬ＝ΔＯＬ＜ΔＯＬ0）か否かを判定する。なお、上記実オーバラップ量ＯＬと同様に、目標オーバラップ量tgtＯＬは目標進角量tgtθから一義的に導き出される。
上記した排気カム軸３ｂの位相制御の結果、エンジン１の運転領域の変化や図２のステップＳ４，８間の切換に応じて目標オーバラップ量tgtＯＬは変化し、その目標オーバラップ量tgtＯＬに追従して実オーバラップ量ＯＬが制御される。そして、目標オーバラップ量tgtＯＬが拡大方向に変化したときには、目標オーバラップ量tgtＯＬに比較して追従する実オーバラップ量ＯＬの方が小さいため差ΔＯＬは負となり、一方、目標オーバラップ量tgtＯＬが縮小方向に変化したときでも、可変動弁アクチュエータ４による位相制御に大きな追従遅れがなければ、差ΔＯＬは正となるものの第２の設定値ΔＯＬ0未満となる。つまり、これらの場合には位相制御が過渡的な意味で正常に行われていると推測でき、ＥＣＵ３１はステップＳ１６にＹＥＳの判定を下してステップＳ１８に移行する。
【００２９】
ステップＳ１８では、上記ステップＳ１２での排気絞り制御の開始条件成立を受けて、排気絞り制御の実行を許可した後にルーチンを終了する。この許可指令に基づき、排気絞り制御では排気絞りアクチュエータ２１により排気絞り弁２０が全閉位置に切換えられ、これによる排圧上昇で排気流量が制限され、触媒１８の昇温や保温が行われる。
【００３０】
一方、上記ステップＳ１４の判定がＮＯのとき（ＯＬ≧ＯＬ0）には、可変動弁機構の作動応答遅れによって過剰なオーバラップ量が生じて内部ＥＧＲを適正に抑制することができない場合や、ＯＣＶ４ａや可変動弁アクチュエータ４のベーンロータの固着、或いは油圧不足等により、実オーバラップ量ＯＬが大の状態で可変動弁アクチュエータ４が作動不能になっていることが推測できる。この場合のＥＣＵ３１はステップＳ２０に移行して、排気絞り制御の実行を禁止した後にルーチンを終了する。
【００３１】
また、上記ステップＳ１６の判定がＮＯのとき（ΔＯＬ≧ΔＯＬ0）には、実オーバラップ量ＯＬが第１の設定値ＯＬ0より小さい状態であるが、目標オーバラップ量tgtＯＬが縮小側に変化しているときに、可変動弁アクチュエータ４の応答性に起因して実オーバラップ量ＯＬが一時的に追従遅れを生じているため、内部ＥＧＲを適正に抑制できない虞があると推測できる。この場合にもＥＣＵ３１はステップＳ２０に移行して、排気絞り制御の実行を禁止した後にルーチンを終了する。
【００３２】
上記ステップＳ１４が過剰なオーバラップ量の発生を推測しているのに対し、ステップＳ１６は過剰なオーバラップ量の発生を実際に検出している点で異なるが、エンジン１の内部ＥＧＲが増加する点は共通する。この状態で排気絞り制御が開始されると、排気流量の制限により内部ＥＧＲが更に増加するが、上記ステップＳ２０での禁止指令を受けて排気絞り制御側で排気絞り弁２０が全開保持されることから、この内部ＥＧＲの増加が未然に回避される。
【００３３】
よって、本実施形態のエンジン１の制御装置によれば、可変動弁アクチュエータ４による位相制御と排気絞り弁２０による排気絞り制御とを的確に協調させて、位相制御側に作動応答遅れやトラブルが生じた場合であっても内部ＥＧＲの増加を回避し、良好なエンジン１の燃焼状態を実現することができる。
なお、ステップＳ１４の判断がＮＯの場合には、排気絞り制御が禁止され続けるが、ステップＳ１６の判断がＮＯの場合には、一時的なオーバラップ量ＯＬの過剰が解消された時点（追従遅れが解消された時点）で排気絞り制御が許可されるため、その後は触媒１８の昇温や保温等の排気絞り制御による利点が得られる。
【００３４】
一方、排気絞り制御の開始条件が成立したときには、位相制御側のステップＳ８で事前に吸排気弁８ａ，８ｂのオーバラップ量ＯＬを縮小して燃焼の安定化を図るばかりでなく、燃料噴射制御で適用される空燃比Ａ／Ｆや燃料噴射時期ＩＴ、点火時期制御で適用される点火時期ＳＡの目標値も同時に切換えている。よって、縮小後のオーバラップ量ＯＬに対して最適な燃料噴射制御や点火時期制御を実現でき、オーバラップ縮小によるエンジン１の運転への悪影響を抑制できるという利点もある。
【００３５】
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では筒内噴射型エンジン１の制御装置に具体化したが、吸排気弁８ａ，８ｂのオーバラップ量ＯＬを変更する可変動弁機構及び排気流量を制限する排気流量調整機構を備えたエンジンであれば、その種別はこれに限ることはなく、例えば吸気管噴射型エンジンに適用したり、ディーゼルエンジンに適用したりしてもよい。
【００３６】
また、上記実施形態では、可変動弁アクチュエータ４により排気カム軸３ｂの位相（排気弁８ｂの閉弁タイミング）を制御したが、これに代えて吸気カム軸３ａの位相（吸気弁８ａの開弁タイミング）を制御したり、吸排気のカム軸３ａ，３ｂの位相を共に制御したりしてもよい。
更に、上記実施形態では、排気絞り弁２０を全閉してバイパス通路２２に設けた圧力調整弁２３により所定排圧に保ったが、バイパス通路２２及び圧力調整弁２３を設けることなく、排気絞り弁２０を全閉付近の微小開度に制御することで、所定排圧を実現するようにしてもよい。
【００３７】
一方、上記実施形態では、ステップＳ２０の禁止処理により排気絞り弁２０を全開保持したが、オーバラップ量ＯＬがそれほど過剰でない場合には排気絞り制御を完全に禁止しなくてもよい。例えば上記のように圧力調整弁２３を用いない場合には、排気絞り弁２０の開度に応じて排圧を任意に調整可能なため、ステップＳ２０の処理として、オーバラップ量ＯＬが過剰なほど排気絞り弁２０の開度を開側に調整して排気流量の制限を抑制するようにしてもよい。このように構成すれば、位相制御側のトラブルによりオーバラップ量ＯＬが過剰になった場合でも、排気絞り制御による触媒１８の昇温や保温作用を可能な限り得ることができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１の発明の内燃機関の制御装置によれば、可変動弁機構による吸排気弁の実オーバラップ量が第１の設定値以上のときに排気流量調整機構を開側に制御するため、可変動弁機構と排気流量調整機構とを的確に協調制御し、もって、可変動弁機構の作動応答遅れに起因する内燃機関の内部ＥＧＲの増加を未然に回避して、良好な燃焼状態を実現することができる。
【００４０】
請求項２の発明の内燃機関の制御装置によれば、請求項１に加えて、実オーバラップ量と目標オーバラップ量との差が第２の設定値以上のときに排気流量調整機構を開側に制御するため、可変動弁機構の作動応答遅れに起因する内部ＥＧＲの増加を確実に回避して、良好な燃焼状態を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態のエンジンの制御装置を示す全体構成図である。
【図２】ＥＣＵが実行するカム位相制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】ＥＣＵが実行する排気絞り禁止判定ルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ エンジン（内燃機関）
４ 可変動弁アクチュエータ（可変動弁機構）
４ａ ＯＣＶ（可変動弁機構）
８ａ 吸気弁
８ｂ 排気弁
２０ 排気絞り弁（排気流量調整機構）
２１ 排気絞りアクチュエータ（排気流量調整機構）
２２ バイパス通路（排気流量調整機構）
２３ 圧力調整弁（排気流量調整機構）
３１ ＥＣＵ（排気制限抑制手段、オーバラップ縮小制御手段、運転制御パラメータ切換手段）
３４ カム角センサ（オーバラップ量検出手段）

Claims (2)

1. 内燃機関の吸気弁の開弁タイミングと排気弁の閉弁タイミングとの少なくとも一方を変更して吸排気弁のオーバラップ量を変更可能に構成され、上記内燃機関の運転領域から求めた目標オーバラップ量に追従するように上記オーバラップ量を調整する可変動弁機構と、
   上記内燃機関の排気通路に設けられ、閉側への開度調整により排気流量を制限して排圧を上昇させる排気流量調整機構と、
   上記吸排気弁の実オーバラップ量を検出するオーバラップ量検出手段と、
   上記オーバラップ量検出手段によって検出される実オーバラップ量が第１の設定値以上のときに、上記排気流量調整機構を開側に制御する排気制限抑制手段と
   を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 上記排気制限抑制手段は、上記実オーバラップ量と上記目標オーバラップ量との差が第２の設定値以上のときに、上記排気流量調整機構を開側に制御することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。

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