JP4286873B2 - 内燃機関の吸気制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の吸気制御装置に関するものであり、特に、内燃機関の始動時に吸気バルブのリフト量を変化させて始動性を向上させる吸気制御装置に関する。
従来、内燃機関の始動時の排気エミッションを低減するために、スロットルを絞ったり、吸入空気量の積算値が所定値以上になるまで吸気バルブのリフト量を低く設定するなどの手法が提案されている（例えば特許文献１）。また、始動時のエンジン回転数の噴け上がりを抑えるために、エンジン回転数に基づいて点火時期をアドバンス（進角）させる手法が提案されている。
特開2002−188472号
しかしながら、排気エミッションを抑制するための従来手法では、スロットルのみでは排気ボリュームを絞りきることができない場合があり、また、吸入空気量の計測手段に精度のばらつきがあるために排気エミッションの低減性能にばらつきが生じる場合がある。
また、始動時の噴け上がりを抑える従来手法では、始動時に点火時期をアドバンスさせるため、始動後に点火時期をリタード（遅角）させて排気温度を上げて触媒を活性化させる処理、所謂ファイアモードを開始するのが遅れることがある。
本発明は、このような問題点を鑑みてなされたものであり、内燃機関の始動時の排気エミッションを抑制し、始動後に触媒を速やかに活性化させることが可能な吸気制御装置を提供することを目的とする。
本発明は、少なくとも吸気バルブのリフト量を連続的に調節して吸入空気量を制御する可変動弁機構を備える内燃機関における吸気制御装置を提供する。この装置は、内燃機関の始動時に、内燃機関の回転数がアイドル回転数に達するまで、内燃機関の気筒内のピストンが上死点を通過した回数に応じてリフト量を設定する手段と、エンジン水温が所定値以上となった後、回転数がアイドル回転数に達するまで、回転数に基づき算出される比例項および回転数と目標回転数との差に基づき算出される積分項を用いて、リフト量を補正する手段と、回転数がアイドル回転数に達した後、点火時期制御によってアイドル回転数を維持しながら、アイドル回転数を維持できるアイドル維持リフト量までリフト量を段階的に移行する手段と、を有する。
この発明により、始動時のエンジン回転をスムーズに上げることができると同時に、噴け上がりも抑えることができるため、エンジン始動時の排気エミッションを低減させることができる。また、エンジン始動後に速やかに点火時期をリタードさせて触媒を活性化させることができる。さらに、エンジンの回転数に基づいてリフト量を制御するので、エンジン毎のフリクションのバラツキなどに依存せず一定した始動性を実現することができる。
次に図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。図１は、この発明の実施形態に従う、内燃機関（以下、エンジンという）およびその制御装置の全体的な構成図である。
電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」）という）１０は、車両各部から送られてくるデータを受け入れる入力インタフェース１０a、車両の各部の制御を行うための演算を実行するＣＰＵ１０ｂ、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）および一時記憶用のランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を有するメモリ１０ｃ、および車両の各部に制御信号を送る出力インタフェース１０ｄを備えるコンピュータである。メモリ１０ｃのＲＯＭには、車両の各部の制御を行うためのプログラムおよび各種のデータが格納されている。
本発明に従う吸入空気量の制御のためのプログラム、および該プログラムの実行の際に用いるデータおよびテーブルは、メモリ１０ｃのＲＯＭに格納されている。このＲＯＭは、ＥＥＰＲＯＭのような書替え可能なＲＯＭであっても良い。ＲＡＭには、ＣＰＵ１０ｂによる演算の作業領域が設けられ、車両の各部から送られてくるデータおよび車両の各部に送り出す制御信号が一時的に記憶される。
ＥＣＵ１０に向けて送られたセンサ出力等の各種信号は入力インタフェース１０ａに渡され、アナログ−デジタル変換される。ＣＰＵ１０ｂは、変換されたデジタル信号をメモリ１０ｃに格納されているプログラムに従って処理して、制御信号を作り出す。出力インタフェース１０ｄは、これらの制御信号を車両の各部位へと送る。
エンジン１２は、たとえば４気筒４サイクルのエンジンであり、図には、そのうちの一つの気筒が概略的に示されている。エンジン１２は、吸気バルブ１４を介して吸気管１６に連結され、排気バルブ１８を介して排気管２０に連結されている。ＥＣＵ１０からの制御信号に従って燃料を噴射する燃料噴射弁２２が、吸気管１６に設けられている。なお、代替的に、燃料噴射弁２２は燃焼室２４に設けられても良い。
エンジン１２は、吸気管１６から吸入される空気と、燃料噴射弁２２から噴射される燃料との混合気を、燃焼室２４に吸入する。燃料室２４には、ＥＣＵ１０からの点火時期信号に従って火花を飛ばす点火プラグ２６が設けられている。点火プラグ２６による火花により、混合気は燃焼する。この燃焼により混合気の体積は増大し、ピストン２８を下方に押し下げる。ピストン２８の往復運動は、クランクシャフト３０の回転運動に変換される。４サイクルエンジンでは、エンジンのサイクルは、吸入、圧縮、燃焼、および排気行程からなる。ピストン２８は、１サイクルにつき２往復する。
エンジン１２には、クランクシャフト３０の回転角度を検出するクランク角センサ３２が設けられている。クランク角センサ３２は、クランクシャフト３０の回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号およびＴＤＣ信号をＥＣＵ１０に出力する。
ＣＲＫ信号は、所定のクランク角で（たとえば、３０度ごとに）出力されるパルス信号である。ＴＤＣ信号は、ピストン２８のＴＤＣ位置（上死点）に関連したクランク角度（たとえば、１８０度ごとに）で出力されるパルス信号である。これらパルス信号は、燃料噴射時期、点火時期などのエンジンを運転するための各種タイミング制御に使用される。
連続可変動弁機構４０は、吸気バルブ１４のリフト量および開閉タイミングを連続的に変化することができる機構である。本実施形態では、連続可変動弁機構４０は、可変リフト機構４２および可変位相機構４４から構成される。
可変リフト機構４２は、ＥＣＵ１０からの制御信号に従って、吸気バルブ１４のリフト量を連続的に変更することができる機構である。可変リフト機構は、任意の既知の手法により実現することができる。例えば、カム、リフト可変リンク、アッパーリンク、ロアリンクから構成され、ロアリンクの角度をアクチュエータなどで変更して、バルブの最大リフト量を制御する手法が提案されている（たとえば、特開２００４−０３６５６０号）。
可変位相機構４４は、ＥＣＵ１０からの制御信号に従って、吸気バルブ１４の開閉タイミングを連続的に変更する。可変位相機構は、任意の既知の手法により実現することができる。たとえば、電磁的に吸気バルブの位相を進角または遅角に制御する手法が提案されている（たとえば、特開２０００―２２７０３３号）。
なお、代替的に、可変リフト機構４２および可変位相機構４４を一体的に構成してもよい。
本実施形態では、連続可変動弁機構４０は、吸入空気量の制御に利用される。連続可変動弁機構４０を用いて吸気バルブ１４のリフト量を変化させることにより、吸入空気量を制御することができる。
吸気管１６内にはスロットル弁４６が配置されている。スロットル弁４６は、ＥＣＵ１０からの制御信号に応じてアクチュエータ(図示せず)によって駆動されるドライブバイワイヤ（drive by wire：ＤＢＷ）式のスロットル弁である。
スロットル弁開度センサ４８がスロットル弁４６に設けられており、スロットル開度θTHに応じた信号をＥＣＵ１０に出力する。
本実施形態では、スロットル弁４６は、吸気管内の負圧を目標値に一定に維持するための一定負圧制御に利用される。スロットル弁４６の開度を変化させることにより、吸気管内の負圧（ゲージ圧）を調整して、一定負圧制御を実施することができる。
吸気管１６のスロットル弁４６の上流側に、エアフローメータ５０が設置されている。エアフローメータ５０は、吸入空気量を示す電気信号をＥＣＵ１０に出力する。
吸気管１６のスロットル弁４６の下流には吸気管内圧力センサ５２および吸気温センサ５４が備えられ、それぞれ吸気管内絶対圧Ｐｂおよび吸気温度Ｔａを示す電気信号をＥＣＵ１０に出力する。
また、大気圧センサ５６がエンジン外部の任意の位置に設置されており、大気圧Ｐａを示す電気信号をＥＣＵ１０に出力する。
エンジン水温センサ５７が、エンジン１２のシリンダブロックの冷却水が充満した気筒周壁（図示せず）に取り付けられ、エンジン冷却水の温度TWを示す電気信号をＥＣＵ１０に送る。
排気管２０の触媒５８の上流側にはＬＡＦ(linear air-fuel)センサ６０が設置されている。ＬＡＦセンサ６０は、リーンからリッチにわたる広範囲において排出ガス中の酸素濃度に比例する信号をＥＣＵ１０に出力する。
次に、図２を参照して、本実施形態のエンジン１２の始動時における動作を説明する。図２は、エンジン始動時のエンジン回転数NE、吸入空気量GAIR、点火時期、および吸気バルブ１４のリフト量LIFTの時間変化の概略を示すものである。図の横軸は、エンジン始動開始時点からの経過時間を示している。図の縦軸は、上から順にエンジン回転数NE、吸入空気量GAIR、点火時期、リフト量LIFTである。
このような動作は、ECU１０のメモリ１０ｃに記憶されたプログラムを、CPU１０ｂが実行して、可変リフト機構４２、点火プラグ２６などを制御することにより実現できる。
エンジンの始動時には、アイドル運転を維持できるアイドル回転数までエンジン回転数を速やかに上げていくことが望ましい。また、エンジン回転の噴け上がりや排気ボリュームを抑えてエミッションを低減させることや、フリクションやバラツキを抑えて常に同じ始動性を確保することが求められる。
本実施形態では、エンジン１２の停止状態でスタートスイッチ（図示せず）を操作する等してエンジン１２の運転を開始すると、エンジン１２のクランキングをスタータモータ（図示せず）により行ないつつ該エンジン１２を始動する動作モード（以下、「始動モード」という）が実施される。始動モードでは、エンジン回転数NEが目標値であるアイドル回転数までスムーズに到達できるように、可変リフト機構４０におり吸気バルブ１４のリフト量LIFTが制御される。
次いで、エンジン回転数NEがアイドル回転数に達すると、エンジン１２のアイドリング運転を行ないつつ触媒５８の早期活性化を図るための制御を行なう動作モード（以下「ファイアモード」という）が実施される。ファイアモードでは、エンジン回転数NEをアイドル回転数に収束させるようにフィードバック制御によりエンジン１２の点火時期の補正量が求められ、点火時期が遅角側に制御される。
エンジン１２の点火時期が遅角側に移行すると、排気温度が上昇することが知られている（上野ら“吸入空気量と点火時期の適応制御による始動後急速暖機システム”，HONDA R＆D Technical Review，Vol. 11, No. 1, 1999）。これは、エンジンの燃焼サイクルの断熱膨張期間の減少によって燃焼ガスの温度低下が減少する効果によるものである。ファイアモードでは、エンジン１２の点火時期が遅角側に制御されて排気温度が上昇することにより、触媒５８が急速に暖められて活性化される。
なお、ファイアモードにおける点火時期制御の詳細については、たとえば、特許第３３２１０２１号公報に記載されている。
本実施形態では、上述のようなエンジン始動時におけるエンジン１２の動作を円滑に実施できるように、吸気バルブ１４のリフト量LIFTは、始動モードの２区間（図２のA、B）およびファイアモードの２区間（図２の区間Cおよびそれ以降）の４つの区間で、それぞれ別の手法によって求められる。以下、各区間におけるリフト量LIFTの求め方を説明する。
図２の区間Aは、エンジン始動開始直後のエンジン回転数が低い状態（クランキング）である。この区間では、TDC信号の計測回数に応じてリフト量が設定される。例えば、エンジン始動当初はリフト量を最小値に設定しておき、TDC信号が所定回数分カウントされる度に、リフト量を所定値ずつ増加させていく。区間Aにおける吸気バルブ１４のリフト量LIFTは、次式のように表すことができる。
LIFT＝LTDC （１）
ここで、LTDCはTDC信号の計測回数に応じて設定されるリフト量である。
図２の区間Bは、エンジンの初爆後、エンジン回転数がアイドル回転数より小さい状態である。エンジンの初爆は、たとえば、エンジン水温TWが所定のしきい値より高いかどうかをみて判定される。この区間では、区間Aで実施されたTDC信号の計測回数に応じたリフト量制御が引き続き実施され、さらにエンジン回転数NEおよびその目標値であるアイドル回転数に基づいてPIフィードバック制御が実施される。区間Bにおける吸気バルブのリフト量LIFTは、次式のように表すことができる。
LIFT＝LTDC＋Lpi （２）
ここで、LTDCは（１）式と同様にTDC信号の計測回数に応じて設定されるリフト量である。LpiはPIフィードバックにより決まるリフト量であり、次式のように表すことができる。
Lpi＝―Kp×NE―Ki×Σ（NE―Nobj） （３）
ここで、NEはエンジン回転数であり、Nobjはエンジン回転数NEの目標値（ここではアイドル回転数）である。KｐおよびKiはそれぞれ比例ゲインおよび積分ゲインである。
（２）式の右辺第一項はPI制御の比例項であり、第二項は積分項である。比例項は、エンジン回転数NEの上昇に応じてリフト量LIFTを低下させるように設定されている。積分項は、エンジン回転数NEとアイドル回転数Nobjとの偏差の積算値に応じてリフト量LIFTを上昇させるように設定されている。これにより、従来のように点火時期をアドバンスする必要がなくなり、リフト量の変化によって必要なトルクを得ることが可能となる。
図２の区間Cは、エンジン回転数NEがアイドル回転数に到達し、ファイアモードに切り替わって点火時期が遅角側にフィードバック制御されている状態である。区間Cでは、点火時期制御と並行して、アイドル回転数を維持できるアイドルリフト量までリフト量LIFTが段階的に移行される。区間Cにおける吸気バルブ１４のリフト量LIFTは、次式のように表すことができる。
LIFT（今回値）＝LIFT（前回値）＋ΔL （４）
ここで、ΔLは単位時間ステップごとに変更するリフト量である。
図２の区間Cが終了すると、リフト量がアイドルリフト量に到達し、以降のリフト量LIFTはアイドルリフト量で一定となる。また、点火時期がリタードされて、ファイアモードが実行される。
図３は、本実施形態によるエンジン始動時の吸気バルブ１４のリフト量LIFTを制御する処理のフローチャートである。
ステップS101において、エンジン始動フラグが立っているかどうかが確認される。エンジン始動フラグが１のとき、ステップS103に進み、０のときは今回の処理を終了する。
ステップS103において、PI制御許可フラグが立っているかどうかが確認される。PI制御許可フラグは、エンジン始動フラグが１であり、かつ、エンジン水温TWが所定値（例えば６５℃）より高い状態（図２の区間B）のときに立てられるフラグである。PI制御許可フラグが０のとき、未だエンジン水温TWが低い状態（図２の区間A）でPIフィードバック制御が許可されていないので、ステップS105に進む。PI制御許可フラグが１のとき、エンジン水温TWが所定値（例えば６５℃）より高い状態（図２の区間B）と判断され、ステップS107に進む。
ステップS105において、TDC信号に応じたリフト量Ltdcが算出される。この処理は、図２の区間Aにおけるリフト量制御に対応する。
図４は、ステップS105における処理のサブルーチンである。
まず、TDC信号の計測回数が確認され（ステップS201）、エンジン水温TWが所定値（例えば６５℃）より高いかどうかが確認される（ステップS203）。
ステップS105では、PI制御許可フラグが立っておらずエンジン水温は所定値以下であるので、ステップS203に進み、低水温用テーブルを参照して、TDC信号の計測回数に対応するリフト量Ltdcが算出される。
ふたたび図３に戻って説明を続けると、ステップS106において、（１）式を用いて、吸気バルブ１４のリフト量LIFTが算出され、今回の処理を終了する。
ステップS107において、アイドル回転到達フラグが立っているかどうかが確認される。アイドル回転到達フラグは、エンジン回転数NEがアイドル回転数Nobj以上のときに立てられるフラグである。アイドル回転到達フラグが０のとき、エンジン回転数がまだアイドル回転数に達していない状態（図２の区間B）と判定され、ステップS109に進む。アイドル回転到達フラグが１のとき、エンジン回転数NEがアイドル回転数Nobj以上の状態（図２の区間C以降）と判定され、ステップS113に進む。
ステップS109において、TDC信号に応じてリフト量Ltdcが算出される。ステップS109乃至ステップS112の処理は、図２の区間Bにおけるリフト量制御に対応する。
ステップS109の処理を、ステップS105と同様に図４のサブルーチンにしたがって説明する。
まず、TDC信号の計測回数が確認され（ステップS201）、エンジン水温TWが所定値（例えば６５℃）より高いかどうかが確認される（ステップS203）。
ステップS109では、PI制御許可フラグが既に立っておりエンジン水温は所定値より高いので、ステップS205に進み、高水温用テーブルを参照して、TDC信号の計測回数に対応するリフト量Ltdcが算出される。
ふたたび図３に戻って説明を続けると、ステップS111において、回転数に基づくPIフィードバック制御を行ない、（３）式を用いてPIフィードバックによるリフト量Lpiが算出される。
ステップS112において、（２）式を用いて吸気バルブ１４のリフト量LIFTが算出され、今回の処理を終了する。
ステップS113において、現在のリフト量LIFTがアイドルリフト量より大きいかどうかが確認される。
現在のリフト量LIFTがアイドルリフト量より大きいとき（図２の区間C）、ステップS115に進み、段階的にリフト量がアイドルリフト量に移行するように、（４）式を用いてリフト量LIFTを算出して、今回の処理を終了する。
現在のリフト量LIFTがアイドルリフト量と同一またはそれ以下の場合（図２の区間Cより後）、リフト量LIFTがアイドルリフト量に到達したと判定され、処理を終了する。
本発明は、エンジン回転数やエンジン水温に応じてリフト量の設定手法を変更することにより、エンジン始動時のエンジン回転数をスムーズに上げることができると同時に、噴け上がりを抑えることができるので、始動時の商品性を満足することができ、さらに排気ボリューム低減による排気エミッションを低減させることができる。
また、本発明は、エンジン始動時に吸気バルブのリフト量を変化させて吸入空気量やエンジン回転数を制御するので、エンジン始動後の点火時期リタードによる触媒急速暖機制御を即座に開始することができるため、始動時の商品性を満足することができ、さらに始動後の触媒急速暖機によるエミッションを低減させることができる。
また、本発明は、常にエンジン回転を監視しているので、エンジン毎のフリクションのばらつきなどによらず、常に同じ始動性を実現することができる。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において改変して用いることができる。
本発明の実施形態に従う内燃機関およびその制御装置の全体的な構成図である。 本実施形態による、エンジン始動時のエンジン回転数、吸入空気量、点火時期、およびリフト量の推移を示すタイムチャートである。 本実施形態によるエンジン始動時の吸気バルブのリフト量を制御する処理のフローチャートである。 TDC信号に応じてリフト量Ltdcを算出する処理のサブルーチンである。
符号の説明
１０ ECU
１４ 吸気バルブ
３２ TDCセンサ
４０ 可変動弁機構
４２ 可変リフト機構
４６ スロットル弁
５７ エンジン水温センサ

Claims (1)

  1. 少なくとも吸気バルブのリフト量を連続的に調節して吸入空気量を制御する可変動弁機構を備える内燃機関の吸気制御装置であって、
    前記内燃機関の始動時から該内燃機関の水温が所定値に達するまでの期間においては、該内燃機関の気筒内のピストンが上死点を通過した回数に応じて前記リフト量を設定する手段と、
    前記内燃機関の水温が前記所定値に達してから、前記内燃機関の回転数がアイドル回転数に達するまでの期間においては、前記回転数に比例するよう算出される比例項であって、該回転数の上昇に応じてリフト量を低下させるよう算出される比例項と、前記回転数と前記アイドル回転数との偏差の積算値に比例するよう算出される積分項であって、該偏差の積算値に応じてリフト量を上昇させるよう算出される積分項とに基づいて補正項を算出し、該補正項を、該内燃機関の気筒内のピストンが上死点を通過した回数に応じて設定される前記リフト量に加算することにより、該リフト量を補正する補正手段と、
    前記回転数が前記アイドル回転数に達した後の期間においては、点火時期制御によって前記アイドル回転数を維持しながら、前記アイドル回転数を維持できるアイドル維持リフト量まで、前記リフト量を段階的に移行する手段と、
    を有する装置。
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