(実施の形態1)
以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施の形態1を具体的に説明する。
図1は、本発明の実施の形態1に係る内燃機関システムの構成を示す模式図である。図1に示すように、内燃機関システムSは、エンジン1(内燃機関)と、エンジン1に付設された種々のアクチュエータと、種々のセンサと、これらのセンサからの信号に基づいて各アクチュエータを制御するエンジン制御ユニット100(制御器)とを備えている。
エンジン1は、例えば、ガソリン、エタノール、LPG又は水素等を燃料とする火花点火式の4サイクル4気筒エンジンであって、図示していないが、第1〜第4の4つの気筒11(シリンダ)を有する。なお、本発明において、エンジン1は4気筒エンジンに限定されるものではなく、いかなる数の気筒を有するものであってもよい。エンジン1は、自動車等の車両に搭載され、そのクランクシャフト14は、変速機(図示せず)を介して駆動輪(図示せず)に連結され、車両を推進する。エンジン1の幾何学的圧縮比は13以上であるのが好ましく、14以上かつ16以下であるのがとくに好ましい。
エンジン1は、その幾何学的圧縮比が大きいほど膨張比が大きくなり、機関効率は高くなる。そこで、実施の形態1では、幾何学的圧縮比を13以上に設定し、点火時期のリタード等によりノッキングの発生を回避しつつ高トルクと燃費の大幅な低減とを図るようにしている。また、幾何学的圧縮比が高いほどプリイグニッションやノッキングなどの異常燃焼が発生する可能性が高くなるので、有効圧縮比を小さくして充填効率を低下させることも必要である。しかしながら、有効圧縮比を小さくすると、気筒11の単位容積当たりの出力が低下し、内燃機関システムSの重量比で見たときの効率は低下する。さらに、エンジン1を車両に搭載する際に、エンジンルーム内でのレイアウト性ないしは搭載性に問題が生じる。このような諸般の事情を考慮すれば、幾何学的圧縮比の上限は16とするのが好ましい。
エンジン1は、シリンダブロック12と、その上に配置されたシリンダヘッド13とを備えており、これらの内部に4つの気筒11が形成されている。シリンダブロック12内には、クランクシャフト14が回転自在に支持されている。クランクシャフト14は、各気筒11のピストン15に、それぞれのコネクティングロッド16等からなる連結機構を介して連結されている。
各気筒11において、ピストン15は該気筒11内に摺動自在に嵌挿され、燃焼室17を画成している。シリンダヘッド13には、吸気ポート18及び排気ポート19が気筒11毎に2つずつ(図1中では1つずつ図示)形成されている。両ポート18、19は、それぞれ燃焼室17と連通している。吸気ポート18及び排気ポート19に対して、それぞれ、これらのポート18、19と燃焼室17とを遮断又は遮閉することができる吸気弁21及び排気弁22が配設されている。吸気弁21及び排気弁22は、それぞれ、吸気弁駆動機構30及び排気弁駆動機構40により駆動され、所定のタイミングで往復動作を行って、吸気ポート18及び排気ポート19を開閉する。
吸気弁駆動機構30は吸気カムシャフト31を有し、他方排気弁駆動機構40は排気カムシャフト41を有している。両カムシャフト31、41は、それぞれ、周知のチェーン/スプロケット機構等の動力伝達機構を介して、クランクシャフト14によって回転駆動される。このエンジン1の動力伝達機構は、クランクシャフト14が2回転する間に両カムシャフト31、41が1回転するように構成されている。吸気カムシャフト31の位相角は、カム位相センサ70によって検出され、その検出信号θVVT Aがエンジン制御ユニット100に入力される。また、吸気弁21のリフト量θVVL Aもエンジン制御ユニット100に入力される。
点火プラグ51は、シリンダヘッド13に取り付けられている。点火システム52は、エンジン制御ユニット100からの制御信号SAを受けて、点火プラグ51に、所望の点火タイミングで火花が発生するよう通電する。燃料噴射弁53は、シリンダヘッド13の一方の側面(吸気側)に取り付けられている。燃料噴射弁53の先端部は、上下方向に関して2つの吸気ポート18の下方に位置する一方、水平方向に関して2つの吸気ポート18の中間部に位置し、燃焼室17内に臨んでいる。
燃料供給システム54は、図示していないが、燃料を昇圧して燃料噴射弁53に供給する高圧ポンプと、燃料タンク内の燃料を高圧ポンプに供給する配管及びホース等と、燃料噴射弁53を駆動する電気回路とを備えている。この電気回路は、エンジン制御ユニット100からの制御信号FPを受けて燃料噴射弁53のソレノイドを作動させ、所定のタイミングで燃料噴射弁53に所定量の燃料を噴射させる。
吸気ポート18は、吸気マニホールド55内の吸気通路55bを介して、吸入空気(燃料燃焼用の空気)の流れを安定させるサージタンク55aに接続されている。エアクリーナ(図示せず)からの吸入空気は、スロットルボデー56を通ってサージタンク55aに供給される。スロットルボデー56内にはスロットル弁57が配置されている。スロットル弁57は、サージタンク55aに向かう吸入空気を絞ってその流量を制御又は調整する。スロットルアクチュエータ58は、エンジン制御ユニット100からの制御信号TVOを受けて、スロットル弁57の開度を制御又は調整する。
排気ポート19は、排気マニホールド60内の排気通路を介して排気管内の排気通路と連通している。排気マニホールド60よりも下流側の排気通路には、1つ又は複数の触媒コンバータ61を有する排気ガス浄化システムが配設されている。触媒コンバータ61には、三元触媒、リーンNOx触媒、酸化触媒等の排気ガス浄化触媒が用いられている。なお、排気ガス浄化の目的に合致するものであれば、これらの触媒以外のいかなるタイプの触媒を用いてもよい。
吸気マニホールド55と排気マニホールド60とは、EGRパイプ62を介して互いに連通し、これにより排気ガスの一部がEGRガスとして吸気系に還流させられる。EGRパイプ62には、該EGRパイプ62を通って吸気系に還流するEGRガスの流量を制御又は調整するためのEGRバルブ63が設けられている。EGRバルブ63は、EGRバルブアクチュエータ64によって駆動される。EGRバルブアクチュエータ64は、EGRバルブ63の開度が、エンジン制御ユニット100によって算出されたEGR開度EGROPENとなるようにEGRバルブ63を駆動する。これにより、EGRガスの流量が適切に制御又は調整される。
エンジン制御ユニット100は、コンピュータ又はマイクロコンピュータを備えた内燃機関システムSないしはエンジン1の総合的な制御器であって、プログラムに従って演算等の処理を実行する中央処理装置(CPU)と、RAM及びROM等を有しプログラム及びデータを格納するメモリと、エンジン制御ユニット100への電気信号の入出力経路となる入出力バス(I/Oバス)とを備えている。
エンジン制御ユニット100には、制御情報として、カム位相センサ70によって検出される吸気カムシャフト31のバルブ位相角θVVT A、吸気弁21のリフト量θVVL A、エアフローセンサ71によって検出される吸入空気流量AF、吸気圧センサ72によって検出される吸気マニホールド圧MAP(吸気圧)、クランク角センサ73によって検出されるクランク角パルス信号等の各種信号が入力される。そして、エンジン制御ユニット100は、例えば、クランク角パルス信号に基づいて、エンジン回転速度NENGを算出する。さらに、エンジン制御ユニット100には、酸素濃度センサ74(例えば、リニア酸素濃度センサ)によって検出される排気ガスの酸素濃度EGO(ひいては空燃比)と、アクセルペダル69の踏み込み量すなわちアクセル開度を検出するアクセル開度センサ75から出力されるアクセル制御信号αと、変速機の出力軸(図示せず)の回転速度ひいては車速を検出する車速センサ76から出力される車速信号VSPとが入力される。
エンジン制御ユニット100は、これに入力された上記種々の制御情報に基づいて、エンジン1の種々の制御パラメータを算出する。例えば、適切なスロットル開度TVO、燃料噴射量FP、点火タイミングSA、バルブ位相角θVVT、リフト量θVVL等を算出する。そして、これらの制御パラメータに基づいて、これらに対応する制御信号として、スロットル制御信号TVO、燃料噴射パルス信号FP、点火パルス信号SA、バルブ位相角信号θVVT、リフト量信号θVVL等を、スロットルアクチュエータ58、燃料供給システム54、点火システム52、吸気カムシャフト31の位相可変機構32、リフト量可変機構33等に出力する。
次に、図2及び図3を参照しつつ、実施の形態1に係る吸気弁駆動機構30を詳細に説明する。図2は、図1に示す内燃機関システムSのエンジン1の吸気弁駆動機構30の具体的な構成を示す斜視図である。また、図3(a)〜(d)は、それぞれ、図2に示す吸気弁駆動機構30の要部を示す断面図である。なお、図3(a)は大リフト量制御状態において吸気弁21のリフト量が0の状態を示し、図3(b)は大リフト量制御状態において吸気弁21のリフト量が最大の状態を示し、図3(c)は小リフト量制御状態において吸気弁21のリフト量が0の状態を示し、図3(d)は小リフト量制御状態において吸気弁21のリフト量が最大の状態を示している。
図2及び図3(a)〜(d)に示すように、吸気弁駆動機構30は、吸気弁21の変位特性を調整する変位調整機構を備えている。この変位調整機構は、クランクシャフト14に対する吸気カムシャフト31の回転位相を変更することができる位相可変機構32(以下「VVT機構32」という。)と、吸気弁21のリフト量(バルブリフト量)を連続的に変更することができるリフト量可変機構33(以下「VVL機構33」という。)とで構成されている。VVT機構32は、チェーンドライブ機構によってクランクシャフト14に駆動連結されている。チェーンドライブ機構は、図示していないが、ドリブンスプロケット104の他に、クランクシャフト14のドライブスプロケットと、これらの両スプロケットに巻き掛けられたチェーンとを備えている。
VVT機構32は、ドリブンスプロケット104に固定され該ドリブンスプロケット104と一体回転するケースと、このケースに収容されるとともにインナシャフト105に固定され該インナシャフト105と一体回転するロータとを有している。詳しくは図示していないが、ケースとロータとの間に複数の液圧室が設けられ、これらの液圧室は中心軸Xのまわりに、周方向に並んで形成されている。そして、ポンプにより加圧された液体(例えば、エンジンオイル)が各液圧室に選択的に供給され、互いに対向する液圧室の間に圧力差が形成される。なお、このVVT機構32は液圧式であるが、電磁式又は機械式のVVT機構を用いてもよい。
エンジン制御ユニット100はVVT機構32の電磁バルブ32aにバルブ位相角信号θVVT(制御信号)を出力し、電磁バルブ32aはこのバルブ位相角信号θVVTを受けて液圧のデューティ制御を行い、液圧室に供給する液体の流量、圧力等を制御又は調整する。かくして、ドリブンスプロケット104とインナシャフト105との間の実際の位相差が変更され、これによりインナシャフト105の所望の回転位相が達成される。なお、エンジン制御ユニット100と別体の、VVT機構32を制御するためのVVT制御ユニットを設けてもよい。
VVL機構33は、各気筒11に対応してインナシャフト105に設けられたディスク形状の偏心カム106を有している。これらの偏心カム106は、インナシャフト105の軸芯から偏心して設けられ、VVT機構32により決定される位相で回転する。この偏心カム106の外周には、リング状アーム107が回転自在に嵌め合わされている。ここで、インナシャフト105がその中心軸Xのまわりに回転すると、リング状アーム107は、中心軸Xのまわりを公転しながら、偏心カム106の中心のまわりで回動する。
また、インナシャフト105には、気筒11毎にロッカーコネクタ110が配設されている。ロッカーコネクタ110は円筒状であり、インナシャフト105に外挿されて同軸に軸支されている。換言すれば、ロッカーコネクタ110は、その中心軸Xのまわりに回動可能に支持される一方、該ロッカーコネクタ110の外周面はベアリングジャーナルとされ、シリンダヘッド13に配設されたベアリングキャップ(図示せず)によって回転可能に支持されている。
ロッカーコネクタ110には、第1及び第2のロッカーカム111、112が一体的に設けられている。両ロッカーカム111、112の構成は同一であるので、図3(a)〜(d)では、第1のロッカーカム111のみを示し、第2のロッカーカム112の図示は省略している。第1のロッカーカム111は、カム面111aと円周状のベース面111bとを有し(図3(d)参照)、カム面111a及びベース面111bは、いずれもタペット115の上面に摺接するようになっている。第1のロッカーカム111は、連続的には回転せず、揺動運動することを除いては、一般的な吸気弁駆動機構のカムと同様にタペット115を押圧して吸気弁21を開くものである。タペット115は、バルブスプリング116によって支持されている。バルブスプリング116は、2つの保持器117、118(図3(b)参照)の間に支持されている。
インナシャフト105とロッカーコネクタ110と両ロッカーカム111、112とからなる組立体と並行して、該組立体の上方に、コントロールシャフト120が配設されている。このコントロールシャフト120は、ベアリング(図示せず)によって回転可能に支持され、その長手方向の中央付近には、外周面から突出する同軸状のウォームギヤ121が一体的に設けられている。
ウォームギヤ121はウォーム122と噛み合っている。このウォーム122は、VVL機構33のアクチュエータであるステッピングモータ123の出力軸に固定されている。このため、エンジン制御ユニット100からリフト量信号θVVL)(制御信号)を受けたステッピングモータ123の作動により、コントロールシャフト120を所望の位置に回動させることができる。こうして回動されるコントロールシャフト120には、気筒11毎のコントロールアーム131が取り付けられ、これらコントロールアーム131は、コントロールシャフト120の回動に伴って一体的に回動させられる。
また、コントロールアーム131は、コントロールリンク132を介してリング状アーム107に連結されている。すなわち、コントロールリンク132の一方の端部は、コントロールピボット133によってコントロールアーム131の先端部に回転自在に連結されている。また、コントロールリンク132の他方の端部は、コモンピボット134によって、リング状アーム107に回転自在に連結されている。
ここで、コモンピボット134は、前記のとおりコントロールリンク132の前記他方の端部をリング状アーム107に連結するとともに、このリング状アーム107を貫通してこれをロッカーリンク135の一方の端部にも回転自在に連結している。そして、ロッカーリンク135の他方の端部は、ロッカーピボット136によって第1のロッカーカム111に回転自在に連結されている。これにより、リング状アーム107の回転がロッカーカム111に伝達される。
具体的には、インナシャフト105が回転して、これと一体に偏心カム106が回転するときに、図3(a)、(c)に示すように偏心カム106が下側に位置すれば、リング状アーム107も下側に位置する。他方、図3(b)、(d)に示すように、偏心カム106が上側に位置すれば、リング状アーム107も上側に位置する。その際、リング状アーム107とコントロールリンク132とを連結するコモンピボット134の位置は、コントロールピボット133の位置と、偏心カム106及びリング状アーム107の共通中心位置との、3者相互の位置関係によって決定される。したがって、コントロールピボット133の位置が変化しない場合、すなわちコントロールシャフト120が回動しない場合は、コモンピボット134は、偏心カム106及びリング状アーム107の共通中心のまわりの回転のみに対応して、おおむね上下に往復動作を行う。
このようなコモンピボット134の往復動作は、ロッカーリンク135によって第1のロッカーカム111に伝達される。これにより、第1のロッカーカム111は、ロッカーコネクタ110で連結された第2のロッカーカム112とともに、中心軸Xのまわりに揺動する。かくして、揺動するロッカーカム111は、図3(b)、(c)に示すように、カム面111aがタペット115の上面に接触する間は、このタペット115をバルブスプリング116のばね力に抗して押し下げる。これにより、タペット115が吸気弁21を押し下げ、その結果吸気ポート18が開かれる。
他方、図3(a)、(c)に示すように、ロッカーカム111のベース面111bがタペット115の上面に接触する場合、タペット115は押し下げられない。これは、中心軸Xを中心とするロッカーカム111のベース面111bの半径が、その中心軸Xとタペット115の上面との間隔以下に設定されているからである。このようなコントロールピボット133と、コモンピボット134と、偏心カム106及びリング状アーム107の共通中心との間の相互の位置関係において、コントロールピボット133の位置が変化すれば、これにより3者相互の位置関係に変化が生じ、コモンピボット134は前記とは異なる軌跡を描いて往復動作を行うようになる。
したがって、ステッピングモータ123の作動によりコントロールシャフト120及びコントロールアーム131を回転させて、コントロールピボット133の位置を変えることにより、両ロッカーカム111、112の揺動範囲を変更することができる。例えば、コントロールアーム131を、図3における位置関係において時計回りに回動させ、コントロールピボット133を図3(a)に示す位置から図3(c)に示すように左斜め上側にずらせると、ロッカーカム111の揺動範囲は、相対的にベース面111bがタペット115の上面に接触する傾向の強いものとなる。
図4は、内燃機関システムSないしはエンジン1の吸気弁駆動機構30における吸気弁21の変位特性ないしは動作特性(吸気弁21のリフト量及び開閉タイミング)の設定例を示す図である。図4に示すように、吸気弁駆動機構30及びこれに関連する各部品により、吸気弁21のリフト量θVVLは、例えばθVVL minからθVVL maxまでの範囲で、目標気筒空気量(各気筒11に充填される空気量の目標値)の増加に応じて増加するように制御される。他方、吸気弁21の閉弁タイミングθVVTは、リフト量θVVLの増加に応じてθVVT minからθVVT maxの範囲で遅角させられる。具体的には、この内燃機関システムSでは、例えばエンジン回転速度NENGが1500rpmの場合、吸気行程において吸気弁21を開閉する際、吸気弁21の開弁タイミングについては、ほとんどの運転領域で排気上死点直前から開弁を開始し、要求トルクに応じて閉弁タイミング(閉弁時期)を変更するようにしている。
また、この内燃機関システムSでは、吸気弁21の閉弁タイミングに関して、早閉じ運転モードMEIVCと、遅閉じ運転モードMLIVCとを設けている。ここで、早閉じ運転モードMEIVCは、気筒空気量(気筒に充填される空気量)が少ない低負荷時に選択されるモードであり、遅閉じ運転モードMLIVCは、気筒空気量が多い高負荷時に選択されるモードである。早閉じ運転モードMEIVCでは、時々刻々のエンジン回転速度NENGにおいて充填効率が最大となる吸気弁閉タイミングよりも進角側に設定される第1閉弁タイミング範囲INC1stで吸気弁21が閉じられる。他方、遅閉じ運転モードMLIVCでは、エンジン回転速度NENGにおいて充填効率が最大となる閉弁タイミングよりも遅角側に閉弁タイミングが設定され、かつ、第1閉弁タイミング範囲INC1stから離間した第2閉弁タイミング範囲INC2ndで吸気弁21が閉じられる。
図4から明らかなとおり、遅閉じ運転モードMLIVCが設定される第2閉弁タイミング範囲INC2ndは、早閉じ運転モードが設定される第1閉弁タイミング範囲INC1stよりも遅角し、かつ離間している。したがって、両閉弁タイミング範囲INC1st、INC2nd間には、定常運転時であれば吸気弁21が閉じることのない中間閉弁タイミング範囲(異常燃焼懸念範囲)INCIMが存在する。この中間閉弁タイミング範囲INCIMの中の下死点BDC付近に、充填効率が最大となる吸気弁21の閉弁タイミングが存在する。
なお、このような運転モードを設定する理由は、およそ次のとおりである。すなわち、吸気弁21を早閉じにした場合、図3(c)、(d)から明らかなように、ロッカーカム111の揺動量は小さくなり、バルブスプリング116の抵抗も小さくなるので、このような運転は低負荷側では好ましい。しかし、要求負荷の増加に伴って吸気弁21の閉弁タイミングを吸気下死点付近まで遅角させると、高圧縮比のエンジン1ではプリイグニション、ノッキング等の異常燃焼が生じる可能性が高まる。また、異常燃焼が懸念される運転領域を単純に回避して吸気弁21を早閉じにした場合、要求負荷が高いときには気筒空気量を確保することができず、必要な出力を得ることができない。
他方、吸気弁21を遅閉じにした場合、ピストン15が下死点に移動するまで気筒11内に空気を導入することができるので、有効圧縮比が低くなるところで吸気弁21を閉じても充分な気筒空気量を確保することができる。他面、図3(a)、(b)から明らかなように、低速低負荷時の目標気筒空気量が小さい運転領域では、吸気弁21のリフト量ないしはリフト範囲を最大値近傍まで大きく設定する必要があるので、機械的損失が大きくなるなどといった不具合が生じる。
そこで、この内燃機関システムSでは、連続的な運転領域で可及的に膨張比を高めつつ、異常燃焼を回避するとともに、ポンプ損失の低減、目標気筒空気量が小さい運転領域での機械的損失の低減、目標気筒空気量が大きい運転領域での出力確保等を図るため、第1閉弁タイミング範囲INC1stと第2閉弁タイミング範囲INC2ndとを設定している。また、早閉じ運転モードMEIVCから遅閉じ運転モードMLIVCへの移行、あるいは遅閉じ運転モードMLIVCから早閉じ運転モードMEIVCへの移行が行われるときには、吸気弁21の閉弁タイミングが中間閉弁タイミング範囲INCIMを通るが、このときには吸気圧力を低くすることにより、空気過剰になる傾向を抑制するようにしている。
図5は、運転モード設定のための運転領域の例を示す特性図である。図5に示すように、この内燃機関システムSでは、高負荷側の特性L1より高負荷側である運転領域RLIVCでは遅閉じ運転モードMLIVCが設定され、低負荷側の特性L2より低負荷側である運転領域REIVCでは、早閉じ運転モードMEIVICが設定される。図5中において、特性L1と特性L2の間の運転領域RTRは、ヒステリシスを設けて運転モードの切換に用いられる領域である。このため、運転領域REIVCから要求負荷が高くなっても、特性L1を越えるまでは、運転モードは早閉じ運転モードMEIVCが維持される。他方、運転領域RLIVCから要求負荷が低くなっても、特性L2を越えるまでは、運転モードは運転領域RLIVCが維持される。
前記のとおり、エンジン制御ユニット100は、内燃機関システムSないしはエンジン1の総合的な制御装置であって、前記各センサ70〜76等によって検出される各種制御情報に基づいて、VVT機構32(電磁バルブ32a)、VVL機構33、点火プラグ51(点火システム52)、燃料噴射弁53(燃料供給システム54)、スロットル弁53(スロットルアクチュエータ54)、EGRバルブ63等を制御ないしは駆動することにより、燃料噴射制御、点火時期制御、EGR制御等の普通のエンジン制御を行うとともに、本発明に係る、要求トルクに応答して吸気弁21の変位特性及びスロットル弁53の開度を調整するといった制御(以下「要求トルク応答制御」という。)を行うようになっている。しかしながら、普通のエンジン制御については、その制御手法は当業者によく知られており、またこのような普通のエンジン制御は本発明の要旨とするところでもないのでその説明を省略し、以下では主として本発明に係る要求トルク応答制御を説明する。
図6は、エンジン制御ユニット100による要求トルク応答制御の制御アルゴリズムを示すブロック図である。図6に示すように、エンジン制御ユニット100は、機能的にみれば、目標トルク演算部B1と、目標図示平均有効圧力演算部B2(以下「目標Pi演算部B2」という。)と、目標空気充填量演算部B3(以下「目標CE演算部B3」という。)と、目標ブースト演算部B4と、目標吸気弁閉弁タイミング範囲演算部B5(以下「目標INC演算部B5」という。)と、目標充填効率演算部B6(以下「目標ηvp演算部B6」という。)と、目標スロットル開度演算部B7(以下「目標TVO演算部B7」という。)と、目標リフト量演算部B8(以下「目標VVL演算部B8」という。)と、目標吸気弁閉弁タイミング演算部B9(以下「目標VVT演算部B9」という。)とで構成されている。
かくして、目標トルク演算部B1は、アクセル開度(アクセル制御信号α)とエンジン回転数(エンジン回転速度信号NENG)とに基づいてエンジン1の目標トルクを算出する。目標Pi演算部B2は、目標トルク演算部B1によって算出された目標トルクと、エンジン1の機械抵抗及びポンプロスとに基づいて目標図示平均有効圧力(目標Pi)を算出する。具体的には、目標トルクとトルク損失となる機械抵抗及びポンプロスとの和(合計)である実際にエンジン1が生成すべき目標燃焼トルク(目標気筒空気量)に対応する目標図示平均有効圧力を算出する。
目標CE演算部B3は、目標Pi演算部B2によって算出された目標図示平均有効圧力と、エンジン回転数とに基づいて目標空気充填量(目標CE)を算出する。目標ブースト演算部B4は、目標Pi演算部B2によって算出された目標図示平均有効圧力と、エンジン回転数と、トラクション実行フラグとに基づいて目標ブーストを算出する。トラクション実行フラグは、車両のトラクション制御が実行されているときにはその値が「1」となり、このトラクション制御が終了したときにその値が「0」に戻されるフラグである。なお、車両のトラクション制御は、エンジン1によって駆動されている車両の駆動輪がスリップしたときにエンジン1の出力トルクを一時的に低下させることにより該駆動輪の駆動力を低減してスリップを抑制又は抑止するといった制御であり、よく知られた普通の制御手法により行われるので、その詳しい説明は省略する。
目標INC演算部B5は、目標Pi演算部B2によって算出された目標図示平均有効圧力と、エンジン回転数と、トラクション実行フラグとに基づいて吸気弁21の目標閉弁タイミング範囲(目標INC)を算出する。目標ηvp演算部B6は、目標CE演算部B3によって算出された目標空気充填量と、目標ブースト演算部B4によって算出された目標ブーストとに基づいて目標充填効率又は目標体積効率(目標ηvp)を算出する。
目標TVO演算部B7は、目標CE演算部B3によって算出された目標空気充填量と、目標ηvp演算部B6によって算出された目標充填効率又は目標体積効率と、エンジン回転数とに基づいて目標スロットル開度(目標TVO)を算出する。目標VVL演算部B8は、目標INC演算部B5によって算出された吸気弁21の目標閉弁タイミング範囲と、目標ηvp演算部B6によって算出された目標充填効率又は目標体積効率と、エンジン回転数とに基づいて目標リフト量(目標CVVLリフト量)を算出する。目標VVT演算部B9は、目標INC演算部B5によって算出された目標閉弁タイミング範囲と、目標VVL演算部B8によって算出された目標リフト量とに基づいて目標吸気弁閉弁タイミング位相角(目標VVT位相角)を算出する。
以下、演算部B1〜B9を備えたエンジン制御ユニット100によって実行される要求トルク応答制御の概要を説明する。この要求トルク応答制御では、要求トルクが車両のドライバの要求ないしは意思に起因するものであるか否かに応じて、第1モードの制御又は第2モードの制御が行われる。すなわち、エンジン制御ユニット100自体の判断によるトラクション制御等の特別なトルク制御が行われていない通常の運転時には第1モードの制御が行われる一方、このような特別なトルク制御が行われているときには第2モードの制御が行われる。なお、この実施の形態1では、このような特別な制御としてトラクション制御が行われる場合を例にとって要求トルク応答制御の制御手法を説明しているが、本発明において、このような特別なトルク制御がトラクション制御に限定されるものではない。
具体的には、第1モードでは、基本的にはアクセル開度すなわち車両のドライバの要求トルクに応じて定まる目標空気量の空気が燃焼室17内に充填されるように、吸気弁21のリフト量と、吸気弁閉弁タイミング位相角と、スロットル開度とが制御される。他方、第2モードでは、トラクション制御時におけるエンジン制御ユニット100自体の要求トルクに応じて定まる目標空気量の空気が燃焼室17内に充填されるように、吸気弁21のリフト量と、吸気弁閉弁タイミング位相角と、スロットル開度とが制御される。なお、トラクション制御が開始されると、要求トルクは低くなる。すなわち、第1モードの制御中に第2モードの制御が開始されると、要求トルクが低下させられ、第2モードの制御が終了して第1モードの制御に復帰したきには、要求トルクは上昇(復帰)させられる。
そして、この要求トルク応答制御では、同一空気量に対し、第2モードでは第1モードよりも燃焼室17内へ流入する空気の流量が大きくなるように第2モードにおける吸気弁21のリフト量が第1モードにおける吸気弁21のリフト量よりも大きい値に設定され、かつ、第2モードにおけるスロットル開度が第1モードにおけるスロットル開度よりも小さい値に設定されている。
この要求トルク応答制御では、第2モードの制御が行われるときには、スロットル弁57は、目標空気量により定まるスロットル開度に対して進み補正を加えた補正開度を目標値として制御される。また、第2モードの制御の実行時において実際の出力トルクが要求トルクよりも大きいときには、出力トルクを迅速に低下させるために、燃焼室17に供給する燃料の量を減少させられ、及び/又は、点火時期が遅角させられ、エンジン1の出力トルクが低下させられる。さらに、目標空気量が大きいほど、吸気弁21のリフト量が大きい値に設定され、及び/又は、吸気弁21の閉弁タイミングが進角させられる。
以下、図7に示すフローチャートを参照しつつ、エンジン制御ユニット100によって実行される実施の形態1に係る要求トルク応答制御の制御手法の一例を具体的に説明する。なお、図7に示すフローチャートには記載されていないが、この内燃機関システムSないしはエンジン1では、要求トルク応答制御と同時に、燃料噴射量制御及び点火時期制御が行われる。
図7に示すように、この要求トルク応答制御においては、制御が開始されると(スタート)、まずステップS1で各種信号が制御情報として読み込まれる。例えば、各センサ70〜76等によって検出される吸気カムシャフト位相角、吸入空気流量、吸気マニホールド圧、クランク角パルス信号、排気ガスの酸素濃度、アクセル開度、車速等に対応する各信号(図1参照)と、エンジン制御ユニット100自体によって生成又は算出されるトラクションフラグ値、エンジン回転数等に対応する各信号とが読み込まれる。
続いて、ステップS2で、アクセル開度(アクセル制御信号α)とエンジン回転数(エンジン回転速度信号NENG)とに基づいてエンジン1の目標トルクが算出される。なお、この目標トルクとエンジン回転数とに基づいて、燃料噴射弁53の燃料噴射量及び点火プラグ51の点火時期が設定される。そして、ステップS3で、ステップS2で算出された目標トルクと、機械抵抗及びポンプロスに起因する損失トルクとの和である、エンジン1が実際に生成すべき目標燃焼トルクに対応する目標図示平均有効圧力(目標Pi)が算出される。さらに、ステップS4で、ステップS3で算出された目標図示平均有効圧力と、エンジン回転数とに基づいて目標空気充填量(目標CE)が算出される。
次に、ステップS5で、トラクション実行フラグの値が「1」であるか否か、すなわちトラクション制御実行中であるか否かが判定される。なお、トラクション制御実行中は、車両のスリップ状態等に応じたトルクダウン要求に従って、通常の運転状態よりも低い要求トルクが設定される。例えば、駆動輪のスリップ度合いが大きいほど要求トルクは低くなる。
ステップS5で、トラクション実行フラグの値が「1」でないと判定された場合(NO)、すなわちトラクション制御が実行されていない通常の運転状態の場合(通常時)は、ステップS6で、基本的には車両のドライバの要求トルクに相応する通常時用の目標ブーストが算出される。この場合は、この後のステップS8及びステップS10〜S14で、通常時用の目標ブーストに基づいて第1モードの制御が行われることになる。
他方ステップS5で、トラクション実行フラグの値が「1」であると判定された場合(YES)、すなわちトラクション制御実行中である場合(トラクション制御時)は、ステップS7でトラクション制御時用の目標ブーストが算出される。この場合は、この後のステップS9〜S14で、トラクション制御時用の目標ブーストに基づいて第2モードの制御が行われることになる。ここで、トラクション制御実行中は、通常の運転時よりも低い目標ブーストが設定されるが、従来の制御手法ではトラクション制御実行中も通常時用のブーストが設定される(図8参照)。
このようにステップS6又はステップS7で通常時用又はトラクション制御時用の目標ブーストが算出された後、通常時であるかそれともトラクション制御時であるかに応じて、ステップS8又はステップS9で、ステップS3で算出された目標図示平均有効圧力と、エンジン回転数とに基づいて、通常時用又はトラクション制御時用の吸気弁21の目標閉弁タイミング範囲(目標INC)が算出される。
次に、ステップS10で、ステップS4で算出された目標空気充填量と、ステップS6又はステップS7で算出された目標ブーストとに基づいて、モード(第1モード又は第2モード)に応じた目標充填効率又は目標体積効率(目標ηvp)が算出される。続いて、ステップS11で、ステップS4で算出された目標空気充填量と、ステップS10で算出された目標充填効率又は目標体積効率と、エンジン回転数とに基づいて、モードに応じた目標スロットル開度(目標TVO)が算出される。
さらに、ステップS12で、ステップS8又はステップS9で算出された通常時用又はトラクション制御時用の吸気弁21の目標閉弁タイミング範囲と、ステップS10で算出された目標充填効率又は目標体積効率と、エンジン回転数とに基づいて、モードに応じた目標リフト量(目標CVVLリフト量)が算出される。続いて、ステップS13で、ステップS8又はステップS9で算出された通常時用又はトラクション制御時用の目標閉弁タイミング範囲と、ステップS12で算出された目標リフト量とに基づいて、モードに応じた目標吸気弁閉弁タイミング位相角(目標VVT位相角)が算出される。
この後、ステップS14で、ステップS11で算出された目標スロットル開度と、ステップS12で算出された目標リフト量と、ステップS13で算出された目標吸気弁閉弁タイミング位相角とに基づいて、該目標値が実現されるよう、スロットルアクチュエータ58と、VVT機構32(電磁バルブ32a)と、VVL機構33とが駆動される。なお、これと同時に、所定のタイミングで、燃料噴射弁53による燃料噴射及び点火プラグ51による混合気の点火が行われる。
具体的には、信号θVVTがVVT機構32に出力され、吸気カムシャフト31のクランクシャフト14に対する位相が信号θVVTに対応した値となるように、VVT機構32が動作する。そして、信号θVVLがVVL機構33に出力され、吸気弁21のリフト量が信号θVVLに対応した値となるように、VVL機構33が動作する。また、信号TVOがスロットルアクチュエータ58に出力され、スロットル弁57の開度TVOが信号TVOに対応した値となるように、スロットルアクチュエータ58が動作する。
なお、燃料噴射量信号FPが燃料システム54に出力され、1気筒サイクル当りFPに対応した量の燃料が燃料噴射弁53から噴射される。また、点火時期信号SAが点火システム52に出力され、気筒サイクル中の信号SAに対応した時期に、点火プラグ51が火花を生成して、燃焼室17内の混合気に点火する。これにより、必要とされる量の空気、燃料からなる混合気が、適切な時期に着火して燃焼させられ、目標トルクがエンジン1から出力される。
図8は、実施の形態1に係る要求トルク応答制御が行われている車両において、時刻t1でトラクション制御が開始され、時刻t2でトラクション制御が終了して通常の運転状態に復帰した場合における要求トルク、ブースト、スロットル開度、吸気弁21のリフト量(CVVLリフト)及びトルク(ないしは空気充填量CE)の時間に対する変化特性を示すグラフである。なお、図8において実線のグラフは実施の形態1に係る要求トルク応答制御が行われている場合の状態を示し、破線のグラフは従来のトラクション制御が行われている場合の状態を示している。
図8から明らかなとおり、実施の形態1に係る要求トルク応答制御では、トラクション制御実行中(時刻t1〜時刻t2)、すなわち第2モードの制御が行われているときには、通常時、すなわち第1モードの制御が行われているときよりも低い要求トルクが設定される。そして、目標ブーストは通常時よりも低く設定される。このため、スロットル開度は通常時よりも小さく設定され、他方目標リフト量は通常時よりも大きく設定される。
その結果、エンジン1の出力トルク(実線)は、時刻t1でトラクション制御が開始された後、従来の制御(破線)に比べて迅速に低下し、時刻t2でトラクション制御が終了した後、従来の制御(破線)に比べて迅速に上昇ないしは復帰する。すなわち、実施の形態1に係る要求トルク応答制御によれば、従来の制御に比べて、トラクション制御実行時におけるトルクダウン要求に対する実際のトルクの応答性が良好となる。このため、車両のトラクション制御を、良好な応答性でもって確実にかつ適切に行うことができる。
(実施の形態2)
以下、図9〜図12を参照しつつ、本発明の実施の形態2を説明する。しかしながら、実施の形態2に係る内燃機関システムS’ないしはエンジン1’の構成、機能及び制御システム等は、実施の形態1に係る内燃機関システムSないしはエンジン1と多くの共通点を有するので、説明の重複を避けるため、以下では主として実施の形態1と異なる点を説明する。なお、図9に示す内燃機関システムS’において、図1に示す内燃機関システムSの構成要素と構成及び機能が共通する構成要素には同一番号が付されている。
図9に示すように、実施の形態2に係る内燃機関システムS’では、吸気弁駆動機構30の吸気弁21の変位調整機構は、クランクシャフト14に対する吸気カムシャフト31の回転位相を変更することができるVVT機構32(位相可変機構)及び電磁バルブ32aを備えているが、吸気弁21のリフト量を変更するVVL機構(リフト量可変機構)は備えていない。その他の点については、実施の形態1に係る内燃機関システムSの構成と実質的に同一である。
実施の形態2に係るVVT機構32の構成及び機能は、実施の形態1に係るエンジン1におけるVVT機構32と実質的に同一である。すなわち、実施の形態2に係るVVT機構32は、吸気バルブ21のバルブタイミングを変更するためのものであり、吸気カムシャフト31と同軸に配置されてクランクシャフト14により直接駆動される被駆動軸と吸気カムシャフト31との間の位相差を変更することにより、クランクシャフト14と吸気カムシャフト31との間の位相差を変更する。VVT機構32としては、例えば、実施の形態1の場合と同様の液圧式機構や、被駆動軸と吸気カムシャフト31との間に設けられた電磁石を有し該電磁石に電力を付与することにより位相差を変更する電磁式機構等を用いることができる。
そして、VVT機構32は、エンジン制御ユニット100により算出された吸気バルブ21のバルブタイミングに基づいて、位相差を変更する。VVT機構32は、吸気バルブ21の開弁期間及びリフト量つまりバルブ・プロファイルは一定に保ったまま、位相差を変更することにより、吸気バルブ21の開弁タイミングと閉弁タイミング(IVC)とを変更する。また、吸気カムシャフト31の位相角は、カム位相センサ70によって検出され、その信号θIVC Aはエンジン制御ユニット100に送信される。
なお、図10に示すように、一般的には、気筒11内の空気充填量CEは、吸気弁21の閉弁タイミングIVCが下死点(BDC)よりやや遅角したところで最も大きくなり、これより遅角側では気筒11内の空気が吸気ポート側18へ吹き返されるので減少する。
図11は、実施の形態2に係る内燃機関システムS’におけるエンジン制御ユニット100による要求トルク応答制御の制御アルゴリズムを示すブロック図である。図11に示すように、このエンジン制御ユニット100では、吸気弁21のリフト量は制御されないので、目標VVL演算部は設けられていない。そして、目標VVT演算部B9は、目標INC演算部B5によって算出された目標閉弁タイミング範囲と、目標ηvp演算部B6によって算出された目標充填効率又は目標体積効率とに基づいて目標吸気弁閉弁タイミング位相角を算出する。その他の点については、実施の形態1に係るエンジン制御ユニット100の場合と実質的に同一である。
以下、図12に示すフローチャートを参照しつつ、エンジン制御ユニット100によって実行される実施の形態2に係る要求トルク応答制御の制御手法を具体的に説明する。なお、図12に示すフローチャートには記載されていないが、この内燃機関システムS’ないしはエンジン1’でも、実施の形態1の場合と同様に、要求トルク応答制御と同時に、燃料噴射量制御及び点火時期制御が行われる。
図12に示すように、この要求トルク応答制御においては、制御が開始されると(スタート)、まずステップS21で、実施の形態1の場合(ステップS1)と同様に各種信号が制御情報として読み込まれる。続いて、ステップS22で、実施の形態1の場合(ステップS2)と同様に、エンジン1の目標トルクが算出される。なお、この目標トルクとエンジン回転数とに基づいて、燃料噴射弁53の燃料噴射量及び点火プラグ51の点火時期が設定される。
次に、ステップS23、S24で、それぞれ、実施の形態1の場合(ステップS3、S4)と同様に、目標図示平均有効圧力(目標Pi)及び目標空気充填量(目標CE)が算出される。続いて、ステップS25〜S27で、実施の形態1の場合(ステップS5〜S7)と同様に、トラクション実行フラグの値が「1」であるか否かに応じて、通常時用(第1モード)又はトラクション制御時用(第2モード)の目標ブーストが算出される。そして、ステップS28又はステップS29で、実施の形態1の場合(ステップS8、S9)と同様に、通常時用又はトラクション制御時用の吸気弁21の目標閉弁タイミング範囲(目標INC)が算出される。さらに、ステップS30で、実施の形態1の場合(ステップS10)と同様に、目標充填効率又は目標体積効率(目標ηvp)が算出される。続いて、ステップS31で、実施の形態1の場合(ステップS11)と同様に、目標スロットル開度(目標TVO)が算出される。
さらに、ステップS32で、ステップS28又はステップS29で算出された通常時用又はトラクション制御時用の目標閉弁タイミング範囲と、ステップS30で算出された目標充填効率又は目標体積効率とに基づいて目標吸気弁閉弁タイミング位相角(目標VVT位相角)が算出される。この後、ステップS33で、ステップS31で算出された目標スロットル開度と、ステップS32で算出された目標吸気弁閉弁タイミング位相角とに基づいて、該目標値が実現されるよう、スロットルアクチュエータ58と、VVT機構32(電磁バルブ32a)とが駆動される。
具体的には、信号θVVTがVVT機構32に出力され、吸気カムシャフト31のクランクシャフト14に対する位相が信号θVVTに対応した値となるように、VVT機構32が動作する。そして、信号TVOがスロットルアクチュエータ58に出力され、スロットル弁57の開度TVOが信号TVOに対応した値となるように、スロットルアクチュエータ58が動作する。なお、実施の形態1の場合と同様に、燃料が燃料噴射弁53から噴射され、燃焼室17内の混合気が点火され、必要とされる量の空気及び燃料からなる混合気が、適切な時期に着火して燃焼させられ、目標トルクがエンジン1から出力される。
かくして、実施の形態2に係る内燃機関システムS’ないしは要求トルク応答制御によっても、従来の制御に比べて、トラクション制御実行時におけるトルクダウン要求に対する実際のトルクの応答性が良好となる。このため、車両のトラクション制御を、良好な応答性でもって確実にかつ適切に行うことができる。
S 内燃機関システム、S’ 内燃機関システム、1 エンジン、1’ エンジン、11 気筒、14 クランクシャフト、17 燃焼室、21 吸気弁、22 排気弁、30 吸気弁駆動機構、31 カムシャフト、32 位相可変機構(VVT機構)、33 リフト量可変機構(VVL機構)、56 スロットルボデー、57 スロットル弁、100 エンジン制御ユニット。