JP5178634B2 - 内燃機関の空燃比制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、可変バルブタイミング機構を備える、吸気ポート噴射式の内燃機関の空燃比制御方法に関するものである。

従来、排気弁と吸気弁との少なくとも一方の開閉タイミングを変更する可変バルブタイミング機構を備え、吸気ポート内に燃料を噴射する構成の内燃機関では、噴射された燃料の一部が吸気ポートなど吸気系における内壁面などの表面に付着することが知られている。このような付着燃料が存在するために、種々の空燃比制御が行われている。

例えば、特許文献１に示されるものでは、噴射された燃料の内、燃焼室内に直接輸送される直送燃料量と吸気系の表面に付着して形成された液膜から燃焼室に輸送される液膜輸送量とを算出し、算出した両者に基づいて燃焼室に実質的に輸送される燃料輸送総量を算出し、燃料輸送総量が運転状態に応じた適正量となるように燃料を制御するものである。この特許文献１のものでは、燃料の制御にあたっては、可変バルブタイミング機構の制御状態に応じて直送燃料量や液膜輸送量の割合を可変設定する構成である。

特開２００６‐６３９２４号公報

ところで、可変バルブタイミング機構は、一般的には、作動オイルに制御されるものであるが、このようなオイル制御を実施するものでは、過渡運転時において排気弁又は吸気弁のバルブタイミングを制御する場合に、制御信号を受けて実際に作動するまでに若干の応答の遅れが生じることがある。

このような応答の遅れが生じると、排気弁と吸気弁との両方が一時的に開いた状態になる際のバルブオーバーラップ量が、通常とは異なる場合が生じる。このため、燃料の輸送や気化の状態が異なり、直送輸送量と液膜輸送量との割合が通常と異なり、その結果、減速時では空燃比が通常よりも過リッチになりその後通常よりも弱リーンになり、加速時には通常よりも過リーンになりその後通常よりも弱リッチ側にずれる、といった不具合を生じることがある。

そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。

すなわち、本発明の内燃機関の空燃比制御方法は、排気弁と吸気弁との少なくとも一方のバルブタイミングを制御する可変バルブタイミング機構と、吸気ポートを介して燃料を供給する燃料噴射弁とを備えてなる内燃機関において、可変バルブタイミング機構が運転状態に応じて排気弁と吸気弁とが同時に開く時のバルブオーバーラップ量を制御する場合に、過渡運転時におけるバルブタイミングの目標値と実測値とのずれを検出し、過渡時補正制御における燃料補正のための初期変化量と減衰量とを検出したずれの程度に応じて可変して空燃比を制御する内燃機関の空燃比制御方法であって、検出したずれと所定値とを比較し、比較の結果、検出したずれが所定値より大きい場合、過渡時の燃料補正の初期変化量を所定量より大きく補正し、かつ、過渡運転開始より所定の経過時間が経過した過渡時補正制御における初期変化量と減衰量との切換タイミングで検出したずれと所定値とを比較し、比較の結果、検出したずれが所定値より大きい場合、減衰量の減衰割合を大きくすることを特徴とする。

このような構成によれば、過渡運転時におけるバルブタイミングの目標値と実測値とのずれが所定値より大きいことを検出した場合に、初期変化量と減衰量の減衰割合とを大きくすることで、実際のバルブタイミングつまり実測値が目標値に達するまでの間に時間の遅れが生じても、排気ガスの吹き戻し又はその逆の現象により吸気ポートに付着した燃料に起因する空燃比の乱れを補正する。その結果、過渡運転時すなわち加減速時のドライバビリティの低下を抑制することが可能になる。

本発明は、本発明は、以上説明したような構成であり、過渡運転時に、実際のバルブタイミングつまり実測値が目標値に達するまでの間に時間の遅れが生じても、排気ガスの吹き戻し又はその逆の現象により吸気ポートに付着した燃料に起因する空燃比の乱れを補正することができる。その結果、過渡運転時すなわち加減速時のドライバビリティの低下を抑制することができる。

本発明の実施形態の概略構成を示す構成説明図。 同実施形態の制御手順の概略を示すフローチャート。 同実施形態の減速運転の際の作用説明図。 同実施形態の加速運転の際の作用説明図。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１に１気筒の構成を概略的に示した三気筒エンジン（以下、エンジンと記す）１００は、例えば自動車に搭載されるものである。このエンジン１００は、排気弁１の開閉タイミングを変更するための可変バルブタイミング機構２を備えている。可変バルブタイミング機構２は、いわゆる揺動シリンダ機構を利用したもので、吸気カムシャフト３に固定されたロータと、ロータの外側に嵌められるハウジングと、ロータに対してハウジングを回動させるための電磁式４方向切換制御弁であるオイルコントロールバルブ４と、互いに噛み合うように一方をハウジングに取り付けて他方を排気カムシャフト５に固定した一対のギア６，７と、吸気カムシャフト３の端部に取り付けられてクランク角度信号ｂ及び気筒判別用信号を出力するクランク角センサ９と、排気カムシャフト５の端部に取り付けられて２４０°ＣＡ（クランク角度）回転する毎に排気カム角度信号ｃを出力するカム角センサ１０とを備える構成である。

エンジン１００の吸気系１１には、図示しないアクセルペダルに応じて開閉するスロットルバルブ１２が設けてあり、そのスロットルバルブ１２の下流には、サージタンク１３を一体に有する吸気マニホルド１４が取り付けてある。吸気マニホルド１４の吸気ポート１５側端部には、燃料噴射弁１６が取り付けてある。この燃料噴射弁１６は、後述する電子制御装置１７により制御されて、燃料を吸気ポート１５内部に噴射するものである。１８は、吸気弁であり、この実施形態では、開閉タイミングは固定されている。一方、エンジン１００の排気系２０には、排気マニホルド２１に三元触媒２２が接続されて構成され、排気マニホルド２１には空燃比を検出するためのＯ₂センサ２３が取り付けてある。

このような構成において、排気弁１のバルブタイミング（開閉タイミング）は、電子制御装置１７から出力される開閉タイミング信号により可変バルブタイミング機構２が作動して変更されるものである。すなわち、可変バルブタイミング機構２は、開閉タイミング信号を受けると、ハウジングに流出入する作動油の方向及び量をオイルコントロールバルブ４により制御する。これにより、ロータに対するハウジングの相対角度が変化し、吸気カムシャフト３と排気カムシャフト５との間に所望の回転位相差を生じさせて、バルブタイミングを可変制御するものである。つまり、クランクシャフトの回転に対して、吸気弁１８を常に一定のタイミングで開閉させつつ、排気弁１の開閉タイミングを変化させることにより、吸気弁１８の開閉タイミングと排気弁１の開閉タイミングとの相対位相差を所定角度範囲内で自在に変化させることができる。

電子制御装置１７は、中央演算処理装置２４と、記憶装置２５と、入力インターフェース２６と、出力インターフェース２７とを備えてなるマイクロコンピュータシステムを主体に構成されている。中央演算処理装置２４は、記憶装置２５に格納された、以下に説明する種々のプログラムを実行して、エンジン１００の運転を制御するものである。中央演算処理装置２４には、エンジン１００の運転制御に必要な情報が入力インターフェース２６を介して入力されるとともに、中央演算処理装置２４は、燃料制御弁１６、オイルコントロールバルブ４などに対して制御信号を、出力インターフェース２７を介して出力する。

具体的には、入力インターフェース２６には、吸気マニホルド１４に流入する空気の吸気圧を検出するための吸気圧センサ３０から出力される吸入空気圧信号ａ、クランク角センサ９から出力されるクランク角度信号ｂ、排気カムシャフト５の回転角度を検出するためのカム角センサ１０から出力される排気カム角度信号ｃ、スロットルバルブ１２の開閉状態を検出するためのアイドルスイッチ３１から出力されるＩＤＬ信号ｄ、エンジン１００の冷却水温度を検出するための水温センサ３２から出力される水温信号ｅ、Ｏ₂センサ２３から出力される電圧信号ｆなどが入力される。一方、出力インターフェース２７からは、燃料制御弁１６に対して燃料噴射信号ｇ、点火プラグ２８に対して点火信号ｈ、可変バルブタイミング機構２のオイルコントロールバルブ４に対して開閉タイミング信号ｋなどが出力される。

このような構成において、電子制御装置４は、吸気圧センサ３０から出力される吸入空気圧信号ａとクランク角センサ９から出力されるクランク角度信号ｂとを主な情報として、運転状態に応じて設定される基本燃料噴射量を、後述する過渡時補正量を含む各種の補正量を用いて補正して燃料噴射量を演算し、燃料噴射量に対応する燃料噴射時間つまり燃料噴射弁１６に対する通電時間を決定し、その決定された通電時間により燃料噴射弁１６を制御して、燃料を吸気ポート１５に向けて噴射する。このような燃料噴射制御自体は、この分野で知られているものを適用するものであってよい。

又、電子制御装置４には、可変バルブタイミング機構２が運転状態に応じて排気弁１と吸気弁１８とが同時に開くバルブオーバーラップ量を制御する場合に、過渡運転時におけるバルブタイミングの目標値と実測値とのずれを検出し、過渡時補正制御における燃料補正のための初期変化量と減衰量とを検出したずれの程度に応じて可変して空燃比を制御するに際して、検出したずれと所定値とを比較し、比較の結果、検出したずれが所定値より大きい場合、過渡時の燃料補正の初期変化量を所定量より大きく補正し、かつ減衰量の減衰割合を大きくする空燃比制御プログラムが格納してある。

図２に基づいて、この実施形態の空燃比制御プログラムの構成を説明する。なお、このエンジン１００にあっては、上述した各種のセンサから出力される信号により検出した運転状態に応じて、電子制御装置４が可変バルブタイミング機構２を制御して、適正なバルブオーバーラップ量を維持することにより、燃料の気化を促進している。又、この空燃比プログラムは、エンジン１００の運転状態が過渡運転時であると判定した場合に、燃料噴射量の演算タイミング毎に実行されるものである。過渡運転時の判定は、例えば吸入空気圧信号ａに基づいて行い、吸入空気圧信号ａが低くなる場合は、過渡運転が減速時過渡運転であると判定し、高くなる場合は、加速時過渡運転と判定する。

まず、ステップＳ１では、バルブタイミングの目標値と実測値とのずれを検出する。実測値は、クランク角センサ９から出力されるクランク角度信号ｂとカム角センサ１０から出力される排気カム角信号ｃとに基づいて求めるものである。目標値は、この時点の運転状態に応じて設定する。

ステップＳ２では、検出したずれが、所定値より大きいか否かを判定する。所定値は、定常運転から過渡運転への移行が急激であった場合、実際に排気弁１のバルブタイミングが目標値に達するまでに時間を要し、ずれが大きくなることを考慮して、適合により設定する。ずれが所定値より大であると判定した場合は、ステップＳ３に進む。

ステップＳ３では、過渡時補正制御における基本燃料噴射量の補正量である初期変化量を所定量より大きくして設定する。初期変化量とは、バルブタイミングの目標値が切り替わった時点から所定時間内の変化量として設定するものである。初期変化量の所定量及び後述する減衰量の減衰割合それぞれは、その絶対値がバルブタイミングの目標値と実測値とのずれが大きくなるほど大きくなるように、エンジン１００の負荷、回転数及びエンジン温度（冷却水温）をパラメータとして、例えば初期変化量マップ及び減衰割合マップに設定してある。ステップＳ３においては、初期変化量の所定量に、例えば係数を乗じることにより、所定量より大なる初期変化量を設定するものである。

ステップＳ４では、初期変化量を運転領域に対応する所定量により設定する。したがって、この場合の初期変化量は、ステップＳ３におけるものより小さいものである。

ステップＳ５では、設定した初期変化量により基本燃料噴射量を補正して、過渡運転時のバルブタイミングの目標値と実測値とのずれがある場合の空燃比を制御する。基本燃料噴射量を補正する場合、減速運転である場合は、基本燃料噴射量から初期変化量を加算し、加速運転である場合は、初期変化量を減算して、それぞれ補正する。

ステップＳ６では、過渡時補正制御における初期変化量と減衰量との切換タイミングとなったか否かを判定する。切換タイミングは、過渡運転時の開始からの経過時間により設定する。したがって、ステップＳ６では、過渡運転開始より所定の経過時間が経過した場合に切換タイミングであると判定して、ステップＳ７に進む。

ステップＳ７では、経過時間後に検出したバルブタイミングのずれが所定値より大であるか否かを判定する。ずれが所定値より大であると判定した場合は、ステップＳ８に進む。

ステップＳ８では、この時点のずれに基づいて、初期変化量の場合と同様に、減衰量の減衰割合の所定値に計数を乗じて、減衰割合の所定割合より大なる減衰割合を設定するものである。

一方ステップＳ９では、減衰量の減衰割合を運転領域に対応する所定割合により設定する。この場合、ステップＳ４における初期変化量と同様に、ステップＳ８におけるものより小さいものである。

ステップＳ１０では、設定した減衰割合の減衰量により基本燃料噴射量を補正して、過渡運転時のバルブタイミングの目標値と実測値とのずれがある場合の空燃比を制御する。この場合にあっても、基本燃料噴射量を補正する場合、減速運転である場合は、基本燃料噴射量から設定した減衰割合の減衰量を加算し、加速運転である場合は、同減衰量を減算して、それぞれ補正する。具体的には、減速運転の場合、燃料噴射量は減速割合に応じて急速に減量され、加速運転の場合はその逆に、燃料噴射量は急速に増量される。

このような構成において、例えば減速の過渡運転時に、検出したバルブタイミングの目標値と実測値とのずれが判定値より大きいと判定すると（ステップＳ１〜２）、初期変化量を所定量より大きく設定して、つまり燃料噴射量が減少するように基本燃料噴射量を補正（減量）し、かつ所定の経過時間後は減衰量の減衰割合を大きくすることで、急激に減衰つまり減量補正がなくなるように基本燃料噴射量を補正する。この結果、図３に示すように、減速の過渡運転時における燃料噴射量の減量補正において、バルブタイミングのずれが大きい場合に早期に燃料噴射量を少なくすることで、補正の初期において液膜燃料により空燃比が急速によりリッチ側になるのを防ぎ、その後は、減衰量の減衰割合を大きくすることで空燃比を安定させる。

このように空燃比を制御することにより、過渡運転時におけるバルブタイミング制御の際の吹き戻しで、吸気ポート１５に付着していた液膜燃料が吸気マニホルド１４に吹き飛んで、空燃比がリーン側に変化することによるショックを抑制することができる。なお、図３において、実線は、バルブタイミングのずれが大きい場合であり、一点鎖線は、ずれが所定値より小さい場合（ステップＳ４及びステップＳ９に対応）の、それぞれの空燃比の変化を示すものである。

同様にして、加速の過渡運転時では、検出したバルブタイミングの目標値と実測値とのずれが判定値より大きいと判定すると（ステップＳ１〜２）、初期変化量を所定量より大きく設定して、つまり燃料噴射量が増加するように基本燃料噴射量を補正（増量）し、かつ所定の経過時間後は減衰量の減衰割合を大きくすることで急激に減衰つまり減量するように基本燃料噴射量を補正する。この結果、図４に示すように、加速の過渡運転時における燃料噴射量の増量補正において、バルブタイミングのずれが大きい場合に燃料噴射量を早期に多くすることで、補正の初期において空燃比は急速によりリーン側になるのを防ぎ、その後は、減衰量の減衰割合が大きいことで急速にリッチ側に変化して空燃比を安定させる。

このように空燃比を制御することにより、過渡運転時におけるバルブタイミング制御の際の吹き戻しによる吹き飛びが少なくなり、吸気ポート１５に付着していた液膜燃料が燃焼室３２に流入して、空燃比がリッチ側に変化することによるショックを抑制することができる。なお、図４において、実線は、バルブタイミングのずれが大きい場合であり、一点鎖線は、ずれが所定値より小さい場合（ステップＳ４及びステップＳ９に対応）の、それぞれの空燃比の変化を示すものである。

なお、上述の実施形態においては、排気弁１のみがその開閉タイミングを制御できるものを説明したが、排気弁１と吸気弁との両方のバルブタイミングを制御できるものに適用するものであってもよい。

また、初期変化量及び減衰量の減衰割合を大きくする補正するのに、それぞれの所定値に係数を乗じるものを説明したが、定数を加算するものや、補正後の値をマップにより設定するものであってもよい。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の活用例として、可変バルブタイミング機構を備え、燃料を吸気ポートに噴射する型式の内燃機関に適用されるものが挙げられる。

１…排気弁
２…可変バルブタイミング機構
１５…吸気ポート
１６…燃料噴射弁
１７…電子制御装置
１８…吸気弁

Claims (1)

1. 排気弁と吸気弁との少なくとも一方のバルブタイミングを制御する可変バルブタイミング機構と、吸気ポートを介して燃料を供給する燃料噴射弁とを備えてなる内燃機関において、可変バルブタイミング機構が運転状態に応じて排気弁と吸気弁とが同時に開く時のバルブオーバーラップ量を制御する場合に、過渡運転時におけるバルブタイミングの目標値と実測値とのずれを検出し、過渡時補正制御における燃料補正のための初期変化量と減衰量とを検出したずれの程度に応じて可変して空燃比を制御する内燃機関の空燃比制御方法であって、
   検出したずれと所定値とを比較し、
   比較の結果、検出したずれが所定値より大きい場合、過渡時の燃料補正の初期変化量を所定量より大きく補正し、かつ、過渡運転開始より所定の経過時間が経過した過渡時補正制御における初期変化量と減衰量との切換タイミングで検出したずれと所定値とを比較し、比較の結果、検出したずれが所定値より大きい場合、減衰量の減衰割合を大きくする内燃機関の空燃比制御方法。

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