JP6891796B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関するものである。

内燃機関の吸気バルブや排気バルブといった機関バルブはカムシャフトによって開閉駆動されている。また、特許文献１などに記載されているように、そうした機関バルブのバルブタイミング（開閉時期）を変更するとともに電動モータを駆動源とする電動式のバルブタイミング可変機構が知られている。

この特許文献１に記載の内燃機関では、機関始動時における吸気バルブのバルブタイミングを機関始動に適した機関始動用のバルブタイミングに保持するようにしている。
他方、特許文献２に記載されているように、バルブタイミング可変機構を備える内燃機関において、カムシャフトの回転により駆動されるバキュームポンプを備えるものが知られている。

特開２０１７−３１９６１号公報 特開２０１０−２４９８５号公報

ところで、内燃機関の温度状態が低温状態のときに機関始動が行われる場合には、バキュームポンプの内部を潤滑する潤滑油の粘度が高くなっている。そのため、カムシャフトの回転に抗するトルクであってバキュームポンプから発生する負荷トルクが増大する。特に、機関始動に伴ってカムシャフトが回転し始めた直後には、そうしたバキュームポンプの負荷トルクが一時的に急増する傾向がある。そして、この急増した負荷トルクによって、カムシャフトの回転位相（クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相）は、同カムシャフトの回転方向に対して逆の方向にずれてしまうため、バルブタイミング可変機構は機関始動に適したバルブタイミングを保持することができなくなるおそれがある。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、低温始動時であっても、機関始動用のバルブタイミングを保持することを可能にした内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決する内燃機関の制御装置は、カムシャフトによって開閉駆動される機関バルブのバルブタイミングを変更するとともに電動式のモータを駆動源とするバルブタイミング可変機構と、前記カムシャフトの回転によって駆動されるとともに潤滑油によって内部が潤滑されるバキュームポンプとを備える内燃機関に適用されて、前記モータの駆動制御を通じて前記バルブタイミングを調整する。この制御装置は、機関始動が開始されたときの前記内燃機関の温度が低いときほど前記モータの出力トルクが大きくなるように前記モータの制御値を設定することにより、機関始動時の前記バルブタイミングを予め定められた機関始動用のバルブタイミングに保持する始動時処理を実行する。

同構成によれば、機関始動が開始されたときの内燃機関の温度が低く、バキュームポンプ内の潤滑油の粘度が高いときほど、つまりバキュームポンプの負荷トルクが高いときほど、モータの出力トルクは大きくされることにより、バキュームポンプの負荷トルクに抗してカムシャフトの回転位相は保持されるようになる。従って、内燃機関の低温始動時であっても、機関始動用のバルブタイミングを保持することができるようになる。

なお、同構成における機関始動用のバルブタイミングとは、機関始動に適したバルブタイミングであって、例えば機関始動に必要な吸入空気量や実圧縮比が十分に確保できるバルブタイミングである。また、内燃機関の温度を示す指標値として、例えば機関冷却水の温度や機関潤滑油の温度などを採用することができる。

内燃機関の制御装置を具体化した一実施形態にあって、これが適用される内燃機関の構造を示す模式図。 同実施形態における始動時処理を含む処理手順を示すフローチャート。 同実施形態における始動時水温と基本デューティ比との関係を示すグラフ。 同実施形態における始動後経過時間と補正係数との関係を示すグラフ。 同実施形態の始動時処理による目標デューティ比の変化を示すタイミングチャート。

以下、内燃機関の制御装置を具体化した一実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。
図１に示すように、内燃機関１０には、吸気通路１３及び吸気ポート１３ａを通じて燃焼室２０に空気が吸入されるとともに、燃料噴射弁１４から噴射された燃料が燃焼室２０に供給される。空気及び燃料で構成される混合気に対して点火プラグ１５による点火が行われると、混合気が燃焼してピストン１６が往復移動し、内燃機関１０の出力軸であるクランクシャフト１７が回転する。燃焼後の混合気は排気として燃焼室２０から排気通路１８に排出される。

内燃機関１０の吸気通路１３には、吸入空気量を調量するスロットルバルブ２９が設けられている。このスロットルバルブ２９は、電動モータによって開度が調整される。
吸気通路１３に繋がる吸気ポート１３ａには、機関バルブとしての吸気バルブ２２が設けられている。排気通路１８に繋がる排気ポート１８ａには、機関バルブとしての排気バルブ２３が設けられている。これら吸気バルブ２２及び排気バルブ２３は、クランクシャフト１７の回転が伝達される吸気カムシャフト１１及び排気カムシャフト１２の回転に伴って開閉動作する。

吸気カムシャフト１１の一端には、吸気バルブ２２のバルブタイミング（開閉タイミング）を変更するバルブタイミング可変機構１３０が設けられている。バルブタイミング可変機構１３０は、クランクシャフト１７に対する吸気カムシャフト１１の回転位相を調節することにより吸気バルブ２２のバルブタイミングを変更する位相可変機構１００と、位相可変機構１００を駆動する電動式のモータ１２０とを備えている。

なお、こうした電動式のバルブタイミング可変機構は周知であるため、その構造に関する詳細な説明は割愛するが、例えば本実施形態のバルブタイミング可変機構１３０の基本構造は次のようになっている。すなわち、位相可変機構１００は、タイミングチェーンが噛み合うスプロケットを備えている。また、位相可変機構１００は、モータ１２０のトルクを増大するとともに、モータ１２０から吸気カムシャフト１１へのトルクの伝達効率（正効率）は大きく、吸気カムシャフト１１からモータ１２０へのトルクの伝達効率（逆効率）は小さくなるように働く機構として、サイクロイドギヤを使った減速機を備えている。また、モータ１２０は、供給される電圧のデューティ比を変更することによって回転速度や出力トルクが変化するブラシレスモータで構成されており、機関運転中にモータ１２０の回転速度を制御することにより、吸気バルブ２２のバルブタイミングの進角側への変更や、遅角側への変更や、現状のバルブタイミングの保持が実施される。

なお、本実施形態では、可変とされる吸気バルブ２２のバルブタイミングとして、例えば次のようなタイミングが設定されている。まず、吸気バルブ２２のバルブタイミングの最遅角タイミングとしては、吸気バルブ２２の閉弁時期が吸気行程の下死点から遅角側に大きく離れた時期となるタイミングに設定されている。また、吸気バルブ２２のバルブタイミングが最遅角タイミングになっているときには、吸気バルブ２２の開弁時期が排気バルブ２３の閉弁時期よりも遅い時期になっており、吸気バルブ２２及び排気バルブ２３の開弁期間が重ならないようになっている。

一方、吸気バルブ２２のバルブタイミングの最進角タイミングとしては、吸気バルブ２２の開弁時期が吸気行程の上死点よりも所定量だけ早い時期となるタイミングに設定されている。また、吸気バルブ２２のバルブタイミングが最進角タイミングになっているときには、吸気バルブ２２の開弁時期が排気バルブ２３の閉弁時期よりも早い時期になっており、吸気バルブ２２及び排気バルブ２３の開弁期間が重なるようになっている。

また、機関始動時には、吸気バルブ２２のバルブタイミングが予め定められた機関始動用のバルブタイミングに保持される。この機関始動用のバルブタイミングとは、機関始動に適したバルブタイミングであって、例えば機関始動に必要な吸入空気量や実圧縮比を十分に確保するためには吸気バルブ２２の閉弁時期などが重要になる。そのため、吸気バルブ２２の閉弁時期がそうした吸入空気量や実圧縮比を十分に確保する上で適した時期になるバルブタイミングが機関始動用のバルブタイミングとして設定されている。

吸気カムシャフト１１の他端には、吸気カムシャフト１１の回転によって駆動されるとともに潤滑油によって内部が潤滑されるバキュームポンプ３００が組み付けられている。このバキュームポンプ３００で発生した負圧は、例えば内燃機関１０を搭載した車両のブレーキブースタなどで利用される。

内燃機関１０の各種制御は、制御装置２００によって行われる。この制御装置２００は、内燃機関１０の制御にかかる演算処理を実行するＣＰＵ、その制御に必要なプログラムやデータの記憶されたＲＯＭ、ＣＰＵの演算結果が一時的に記憶されるＲＡＭ、バックアップメモリ、外部との間で信号を入・出力するための入・出力ポート等を備えて構成されている。

制御装置２００の入力ポートには、次の各種センサなどが接続されている。すなわち、アクセルポジションセンサ２８は、車両の運転者によって操作されるアクセルペダル２７の操作量（アクセル操作量）を検出する。スロットルポジションセンサ３０は、スロットルバルブ２９の開度（スロットル開度）を検出する。エアフロメータ３１は、吸気通路１３を通じて燃焼室２０に吸入される空気の量（吸入空気量ＧＡ）を検出する。水温センサ３２は、内燃機関１０の冷却水温ＴＨＷを検出する。クランク角センサ３４は、クランクシャフト１７のクランク角を検出し、その検出されたクランク角に基づいて制御装置２００は機関回転速度ＮＥを算出する。カムポジションセンサ３５は、吸気カムシャフト１１の回転位相に対応した信号を出力することで吸気バルブ２２の実際のバルブタイミングを検出する。

制御装置２００の出力ポートには、スロットルバルブ２９の電動モータ、燃料噴射弁１４、点火プラグ１５、及びバルブタイミング可変機構１３０のモータ１２０などの駆動回路が接続されている。

そして、制御装置２００は、上記各種センサ等の入力信号に基づいて機関運転状態を把握し、その把握した機関運転状態に応じて上記出力ポートに接続された各種駆動回路に指令信号を出力する。こうして燃料噴射弁１４による燃料噴射量の制御、点火プラグ１５の点火時期の制御、吸気バルブ２２のバルブタイミング制御、及びスロットルバルブ２９の開度制御等が制御装置２００によって実施される。

制御装置２００は、上記バルブタイミング制御として、機関始動が完了した後は、機関回転速度ＮＥ及び機関負荷ＫＬに基づいて吸気バルブ２２のバルブタイミングの制御目標値である目標バルブタイミングを算出する。そしてカムポジションセンサ３５によって検出される吸気バルブ２２の実際のバルブタイミングが目標バルブタイミングとなるようにモータ１２０の目標デューティ比Ｄｐを設定する。機関始動が完了した後の目標デューティ比Ｄｐの設定に際しては通常制御用マップが参照される。この通常制御用マップには、バルブタイミングを進角させるための進角用の目標デューティ比Ｄｐや、バルブタイミングを遅角させるための遅角用の目標デューティ比Ｄｐや、現状のバルブタイミングを保持するための保持用の目標デューティ比Ｄｐが設定されている。こうした目標デューティ比Ｄｐの設定を通じてモータ１２０の駆動制御を行うことにより、吸気バルブ２２のバルブタイミング制御が行われる。

一方、機関始動が開始されてから機関始動が完了するまでは、制御装置２００は始動時処理を実行する。この始動時処理は、機関始動が開始されたときの内燃機関１０の温度が低いときほどモータ１２０の出力トルクが大きくなるようにモータ１２０の制御値を設定することにより、機関始動時の吸気バルブ２２のバルブタイミングを機関始動用のバルブタイミングに保持する処理である。

以下、そうした始動時処理を含む目標デューティ比の設定について説明する。
図２に、目標デューティ比を設定するための処理手順を示す。なお、この処理は、内燃機関１０を搭載した車両のイグニッションスイッチが始動操作されるなどして内燃機関１０の始動が開始されると、制御装置２００によって実行が開始され、以降、所定の周期毎に繰り返し実行される。

本処理を開始すると、まず、制御装置２００は、機関始動が開始された直後の冷却水温ＴＨＷである始動時水温ＴＨＷｓが判定値α以下であるか否かを判定する（Ｓ１００）。この判定値αは、次のような値である。

すなわち、内燃機関１０の温度状態が低温状態のときに機関始動が行われる場合には、バキュームポンプ３００の内部を潤滑する潤滑油の粘度が高くなっている。そのため、吸気カムシャフト１１の回転に抗するトルクであってバキュームポンプ３００から発生する負荷トルクが増大する。特に、機関始動に伴って吸気カムシャフト１１が回転し始めた直後には、そうしたバキュームポンプ３００の負荷トルクが一時的に急増する傾向がある。そしてこの急増した負荷トルクによって、吸気カムシャフト１１の回転位相は吸気カムシャフト１１の回転方向に対して逆の方向に、つまり遅角方向にずれてしまい、バルブタイミング可変機構１３０は、吸気バルブ２２のバルブタイミングを機関始動に適したバルブタイミングに保持することができなくなるおそれがある。

そこで、機関始動時において、吸気バルブ２２のバルブタイミングを機関始動に適したバルブタイミングに保持することができない内燃機関１０の温度範囲のなかで最も内燃機関１０の温度が高いときの冷却水温ＴＨＷが判定値αとして予め設定されている。

そして、ステップＳ１００において、始動時水温ＴＨＷｓが判定値α以下であると判定されるときには（Ｓ１００：ＹＥＳ）、バキュームポンプ３００の負荷トルクによって、吸気バルブ２２のバルブタイミングを機関始動に適したバルブタイミングに保持することができなくなるおそれがあると判断される。そして、次に、制御装置２００は、機関始動が完了したか否かを判定する（Ｓ１１０）。このステップＳ１１０では、現在の機関回転速度ＮＥが予め定められた始動判定値（例えば６００ｒｐｍ程度）を超えていれば機関始動が完了したと判定され、超えていなければ機関始動は完了していないと判定される。

ステップＳ１１０において、機関始動が完了していないと判定されるときには（Ｓ１１０：ＮＯ）、制御装置２００は、モータ１２０の基本デューティ比Ｄｂが設定されているか否かを判定する（Ｓ１２０）。そして、基本デューティ比Ｄｂが設定されていないときには（Ｓ１２０：ＮＯ）、制御装置２００は、始動時水温ＴＨＷｓに基づき、デューティ比マップを参照して基本デューティ比Ｄｂを設定する（Ｓ１３０）。

図３に示すように、このデューティ比マップには、始動時水温ＴＨＷｓが低いときほど基本デューティ比Ｄｂの値は大きくなるように当該基本デューティ比Ｄｂの値が種々設定されている。これにより、機関始動が開始されたときの内燃機関１０の温度が低いときほどモータ１２０の出力トルクが大きくなるように、モータ１２０の制御値であるデューティ比の基本値が設定される。なお、図３に示すマップの例では、始動時水温ＴＨＷｓと基本デューティ比Ｄｂとの関係を示すグラフの線が直線状になっているが、これは一例であり、例えばそうした関係を示すグラフの線は曲線状でもよい。

ステップＳ１３０において基本デューティ比Ｄｂが設定された場合、あるいは上記ステップＳ１２０において基本デューティ比Ｄｂが既に設定されていると判定された場合には（Ｓ１２０：ＹＥＳ）、制御装置２００は、始動後経過時間ＰＴに基づいて補正係数Ｋを設定する（Ｓ１４０）。始動後経過時間ＰＴは、機関始動が開始されてからの経過時間である。また、補正係数Ｋは、「０」よりも大きく「１」以下の範囲で可変設定される値である。

図４に示すように、補正係数Ｋは、始動後経過時間ＰＴが所定時間ＰＴ１に達するまでは「１」に設定される。そして、始動後経過時間ＰＴが所定時間ＰＴ１に達した以降は、始動後経過時間ＰＴの経過に伴って「１」から徐々にその値が小さくされていく。なお、所定時間ＰＴ１としては、機関始動を開始した時点から、急増したバキュームポンプ３００の負荷トルクが低下し始めるまでの間の時間が設定されている。

こうして補正係数Ｋを設定すると、制御装置２００は、基本デューティ比Ｄｂに補正係数Ｋを乗じた値を算出して、その算出した値を目標デューティ比Ｄｐに設定し（Ｓ１５０）、本処理を一旦終了する。

他方、上記ステップＳ１００にて始動時水温ＴＨＷｓが判定値αを超えていると判定されるときや（Ｓ１００：ＮＯ）、上記ステップＳ１１０にて機関始動が完了したと判定されるときには（Ｓ１１０：ＹＥＳ）、制御装置２００は、上述した通常制御用マップに基づいて目標デューティ比Ｄｐを設定して（Ｓ１６０）、本処理を一旦終了する。

本実施形態の作用及び効果について説明する。
（１）図５に、始動時水温ＴＨＷｓが判定値α以下であって始動時処理が実行されるときの目標デューティ比Ｄｐの変化を示す。なお、図５には、始動時処理が実行される期間、つまり機関始動が開始されてから機関回転速度ＮＥが始動判定値に達するまでの期間における目標デューティ比Ｄｐの変化を示している。

図５に示すように、時刻ｔ１において機関始動が開始されると、クランキングが開始されることにより、機関回転速度ＮＥは増大し始める。
また、機関始動に伴って吸気カムシャフト１１が回転し始めた直後には、バキュームポンプ３００の負荷トルクが一時的に急増する。そして、時刻ｔ１から所定時間ＰＴ１が経過した時刻ｔ２になると、増加した負荷トルクが低下し始めて、最終的には一定の負荷トルクに収束する。

ここで、上記始動時処理を実行しない場合には、バキュームポンプ３００の負荷トルクが急増することによって、吸気カムシャフト１１の回転位相が遅角方向にずれてしまうため、バルブタイミング可変機構１３０は、吸気バルブ２２のバルブタイミングを機関始動に適した機関始動用のバルブタイミングに保持することができなくなる。このようにして吸気カムシャフト１１の回転位相が遅角方向にずれてしまうと、図５において二点鎖線Ｌ１にて示すように、吸気バルブ２２のバルブタイミングは、機関始動用のバルブタイミングよりも遅角側にずれてしまうため、例えば実圧縮比が低下して始動不良が起きるおそれがある。

この点、本実施形態では、先の図２に示したステップＳ１３０〜ステップＳ１５０の処理を通じて上記の始動時処理が実行されるため、時刻ｔ１において機関始動が開始された直後のモータ１２０の目標デューティ比Ｄｐは、始動時水温ＴＨＷｓが低いほど大きい値に設定される。従って、機関始動が開始されたときの内燃機関１０の温度が低く、バキュームポンプ３００内の潤滑油の粘度が高いときほど、つまりバキュームポンプ３００の負荷トルクが高いときほど、モータ１２０の出力トルクは大きくなる。そのため、急増するバキュームポンプ３００の負荷トルクに抗して吸気カムシャフト１１の回転位相を保持することが可能になり、これにより機関始動時における吸気バルブ２２のバルブタイミングは、機関始動用のバルブタイミングに保持される。従って、内燃機関１０の低温始動時であっても、機関始動用のバルブタイミングを保持することができるようになる。

（２）先の図５に示したように、時刻ｔ１において機関始動が開始されてから所定時間ＰＴ１が経過すると、バキュームポンプ３００の負荷トルクは徐々に小さくなっていく。そこで、本実施形態では、始動時水温ＴＨＷｓに基づいて設定された基本デューティ比Ｄｂに補正係数Ｋを乗じることにより目標デューティ比Ｄｐを算出するようにしているが、所定時間ＰＴ１が経過した以降は、補正係数Ｋが「１」よりも小さい値となるように徐々に小さくされていく。従って、機関始動から所定時間ＰＴ１が経過した以降（時刻ｔ２以降）は、目標デューティ比Ｄｐが徐々に小さくなっていくため、バキュームポンプ３００の負荷トルクの減少に合わせてモータ１２０の出力トルクも徐々に小さくすることができる。

（３）先の図５に示したように、時刻ｔ１において機関始動が開始されてから所定時間ＰＴ１が経過するまでは、バキュームポンプ３００の負荷トルクが増大していく。そこで、本実施形態では、所定時間ＰＴ１が経過するまでは補正係数Ｋを「１」に設定することにより、目標デューティ比Ｄｐが基本デューティ比Ｄｂよりも小さくならないようにしている。従って、バキュームポンプ３００の負荷トルクが増大していくときには、モータ１２０の出力トルクを適切に高めることができ、これにより少なくとも機関始動時において、吸気バルブ２２のバルブタイミングが機関始動用のバルブタイミングよりも遅角側にずれてしまうことを抑えることができる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・先の図４に示したように、始動後経過時間ＰＴが所定時間ＰＴ１を経過するまでは補正係数Ｋの値を「１」にした。この他、そのようにして補正係数Ｋの値を「１」に維持する期間を設けることなく、機関始動の開始直後から補正係数Ｋの値を「１」から徐々に小さくしてもよい。

・始動後経過時間ＰＴに基づいて補正係数Ｋを可変設定するようにしたが、他の態様で補正係数Ｋを可変設定してもよい。例えば、先の図２のステップＳ１５０において目標デューティ比Ｄｐを算出するたびに、補正係数Ｋの値を所定値ずつ小さくすることにより、目標デューティ比Ｄｐが徐々に小さくなるようにしてもよい。

・補正係数Ｋの設定を省略して、上記基本デューティ比Ｄｂをそのまま目標デューティ比Ｄｐに設定してもよい。この場合でも上記（１）に準じた作用効果を得ることができる。

・内燃機関の温度を示す指標値として冷却水の温度を用いた。この他、機関潤滑油の温度を測定する油温センサを内燃機関１０が備えている場合には、内燃機関の温度を示す指標値として機関潤滑油の温度を用いてよい。この場合には、先の図２に示したステップＳ１００の判定を、機関始動が開始された直後の機関潤滑油の温度に基づいて行ったり、あるいは始動時水温ＴＨＷｓ及び機関始動が開始された直後の機関潤滑油の温度の双方を利用して行ってもよい。また、先の図２に示したステップＳ１３０での基本デューティ比Ｄｂの設定を、機関始動が開始された直後の機関潤滑油の温度に基づいて行ったり、あるいは始動時水温ＴＨＷｓ及び機関始動が開始された直後の機関潤滑油の温度の双方を利用して行ってもよい。

・上記バルブタイミング可変機構１３０は吸気バルブ２２のバルブタイミングを変更する機構であったが、排気バルブ２３のバルブタイミングを変更する機構でもよい。

１０…内燃機関、１１…吸気カムシャフト、１２…排気カムシャフト、１３…吸気通路、１３ａ…吸気ポート、１４…燃料噴射弁、１５…点火プラグ、１６…ピストン、１７…クランクシャフト、１８…排気通路、１８ａ…排気ポート、２０…燃焼室、２２…吸気バルブ、２３…排気バルブ、２７…アクセルペダル、２８…アクセルポジションセンサ、２９…スロットルバルブ、３０…スロットルポジションセンサ、３１…エアフロメータ、３２…水温センサ、３４…クランク角センサ、３５…カムポジションセンサ、１００…位相可変機構、１２０…モータ、１３０…バルブタイミング可変機構、２００…制御装置、３００…バキュームポンプ。

Claims (1)

1. カムシャフトによって開閉駆動される機関バルブのバルブタイミングを変更するとともに電動式のモータを駆動源とするバルブタイミング可変機構と、前記カムシャフトの回転によって駆動されるとともに潤滑油によって内部が潤滑されるバキュームポンプとを備える内燃機関に適用されて、前記モータの駆動制御を通じて前記バルブタイミングを調整する制御装置であって、
   機関始動が開始されたときの前記内燃機関の温度が低いときほど前記モータの出力トルクが大きくなるように前記モータの制御値を設定することにより、機関始動時の前記バルブタイミングを予め定められた機関始動用のバルブタイミングに保持する始動時処理を実行する
   内燃機関の制御装置。

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