JP5467928B2 - 内燃機関の点火時期補正制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、可変バルブタイミング機構と過給機とを備える内燃機関の点火時期補正制御方法に関するものである。

従来、自動車などに搭載される、可変バルブタイミング機構を備えるエンジンが知られている。このようなエンジンにおいて、可変バルブタイミング機構が作動して吸気弁と排気弁との少なくともいずれか一方例えば吸気弁の開閉タイミングを変更して、吸気弁と排気弁とが同時に開いている状態つまりバルブオーバーラップが生じた場合、シリンダ内に残留する排気ガスの量がそれ以前とは変化するため、点火時期を補正する制御を行っている。例えば、特許文献１には、吸気弁と排気弁との開閉タイミングを検出し、検出した値に基づいて点火時期の補正量を設定し、設定した補正量により点火時期を補正するものが示されている。

さらに又、近年、燃費を向上させるために、可変バルブタイミング機構に、排気ガスにて駆動されるターボチャージャを組み合わせたエンジンも知られている。このようなエンジンにおいては、可変バルブタイミング機構が作動し、バルブオーバラップの間にターボチャージャが作動していると、新気がターボチャージャのコンプレッサで加圧されていることで、シリンダ内を素通り、つまり開いている吸気弁を介してシリンダ内に入り開いている排気弁を介してシリンダ内に止まらずにシリンダから出ていく現象が生じる。

このため、上述のような吸気弁と排気弁との開閉タイミングに基づいて点火時期の補正量を設定する場合、新気がシリンダ内を素通りした分だけ、残留する排気ガス（既燃ガス）の量と新気の量との割合が、ターボチャージャの作動していない運転時とは異なることになる。このため、上述のような点火時期の補正では、燃焼が不安定になったり、ノッキングが発生することが懸念された。

特開２００２‐２７６５２０号公報

そこで本発明は以上の点に着目し、過給機が作動している運転状態で可変バルブタイミング機構が作動してバルブオーバーラップが生じている場合の燃焼状態の安定を図ることを目的としている。

すなわち、本発明の内燃機関の点火時期補正制御方法は、吸気弁と排気弁との少なくとも一方の開閉タイミングを可変させる可変バルブタイミング機構と、過給機とを備える内燃機関において、過給機が作動して運転状態が過給領域にあり、かつ可変バルブタイミング機構により排気弁と吸気弁とが同時に開いている場合に実施する内燃機関の点火時期補正制御方法であって、非過給状態において可変バルブタイミング機構が作動している運転時にシリンダ内に残留する吸入空気量と過給状態における運転時にシリンダ内を通り抜ける新気の通過量との差を演算し、前記差に非過給状態において可変バルブタイミング機構が作動している運転状態に応じた点火時期補正量を乗じた積に基づいて点火時期補正量を演算し、演算した点火時期補正量により点火時期を補正することを特徴とする。

このような構成によれば、可変バルブタイミング機構により吸気弁と排気弁との少なくとも一方の開閉タイミングが制御されている運転状態で、過給機の作動により新気がシリンダ内を通り抜けする場合にあっても、シリンダ内に残留する吸入空気量及びシリンダ内を通り抜ける新気の通過量とを推定して点火時期補正量を演算することになる。そして、その点火時期補正量により点火時期を補正するので、点火時期を、吸気弁と排気弁との両弁が同時に開いているバルブオーバーラップがある運転状態に対応させることが可能になる。

本発明は、以上説明したような構成であり、バルブオーバーラップの間に過給機の作動により新気がシリンダ内を通り抜けすることで、シリンダ内に残留する吸入空気量の状態が過給機が作動していない場合と異なっても、シリンダ内を通り抜ける新気の通貨量を考慮して点火時期補正量を設定して点火時期を補正することで、燃焼状態を安定させることができ、ノッキングの発生なども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。

この実施形態のエンジン１００は、排気エネルギでタービン５２を駆動するターボチャージャ５０を備えるとともに、可変バルブタイミング機構３０を装備しているエンジンである。

具体的には、図１に１気筒の構成を概略的に示したエンジン１００は、自動車用の３気筒のもので、その吸気系１には、ターボチャージャ５０を構成するコンプレッサ５１が接続され、コンプレッサ５１の下流には、図示しないアクセルペダルの操作に対応して開閉するスロットル弁２が設けてある。そしてそのスロットル弁２の下流側にはサージタンク３が設けられる。サージタンク３に供給されたコンプレッサ５１により過給された吸入空気は、吸気ポート１０及び吸気バルブ３７を介してシリンダ３８内に吸入される。サージタンク３に連通する吸気系１の吸気マニホルド４のシリンダヘッド側の端部近傍には、さらにインジェクタ５が設けてあり、このインジェクタ５を、電子制御装置６により制御するようにしている。

また、排気系２０には、燃焼室から排気バルブ３６を介して排出された排気ガスにより駆動される、ターボチャージャ５０を構成するタービン５２が接続される。タービン５２までの管路には、排気ガス中の酸素濃度を測定するためのＯ₂ センサ２１、及び排気ガスの圧力（排気圧）を検出する排気圧センサ２２が取り付けられる。さらに、タービン５２の下流には、図示しないマフラに至るまでの位置に三元触媒（図示しない）が取り付けられている。

なお、この実施形態のスロットルバルブ２は、後述するアクセルセンサ１６から出力される開度信号ｄに基づいて、その時の運転状態に応じてその開度を電気的に制御される型式のもので、アクセルペダルが操作されることにより、その操作に対応して必ずしも開度が変更されるものではない。

可変バルブタイミング機構３０は、例えば作動油により作動する機械式のもので、電子制御装置６により制御されて、排気弁３６と吸気弁３７との内の吸気弁３７の開閉タイミング（バルブタイミング）を制御できるものである。すなわち、電子制御装置６が出力する信号により、作動油が制御されて作動するものである可変バルブタイミング機構３０は、吸気弁３７を全開にする作動中心を、ピストン３９が最上位置となる排気上死点に対して進角及び遅角する。可変バルブタイミング機構３０は、排気弁３６と吸気弁３７との開弁期間が重なり合うバルブオーバーラップを、吸気弁３７のバルブタイミングを制御することにより達成する。

可変バルブタイミング機構３０とともにエンジン１００の運転を制御する電子制御装置６は、中央演算装置７と、記憶装置８と、入力インターフェース９と、出力インターフェース１１とを具備し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。その入力インターフェース９には、サージタンク３内の圧力（吸気圧）を検出するための吸気圧センサ１３から出力される吸気圧信号ａ、エンジン回転数ＮＥを検出するための回転数センサ１４から出力される回転数信号ｂ、クランクセンサ４１から出力されるクランク角度信号ｍ、タイミングセンサ４２から出力される吸気カム信号ｎ、スロットル弁２の開度を検出するスロットルセンサ１６から出力される開度信号ｄ、上記したＯ₂ センサ２１から出力される電圧信号ｈ、排気圧センサ２２から出力される排気圧信号ｋ等が入力される。一方、出力インターフェース１１からは、インジェクタ５に対して燃料噴射信号ｆが、また火花着火の実施に際してスパークプラグ１８に対して点火信号ｇが出力されるようになっている。

電子制御装置６には、ターボチャージャ５０が作動していない非過給状態において可変バルブタイミング機構３０が作動している運転時にシリンダ３８内に残留する吸入空気量と過給状態における運転時にシリンダ３８内を通り抜ける新気の通過量との差を演算し、前記差に非過給状態において可変バルブタイミング機構３０が作動している運転状態に応じた点火時期補正量を乗じた積に基づいて点火時期補正量を演算し、演算した点火時期補正量により点火時期を補正する点火時期補正制御プログラムが格納してある。

この点火時期補正制御プログラムは、ターボチャージャ５０が作動して運転状態が過給領域にあり、かつ吸気弁３６のバルブタイミングが可変バルブタイミング機構３０により制御（進角）されて、吸気弁３６と排気弁３７とが同時に開いているバルブオーバーラップの場合に実行される。なお、運転状態の判定は、エンジン回転数と吸気圧とに基づいて行うものである。以下において、図２に示すフローチャートに基づいて、点火時期補正制御の手順を説明する。

まずステップＳ１では、吸気圧センサ１３から出力される吸気圧信号ａに基づいて吸気圧を検出するとともに、排気圧センサ２２から出力される排気圧信号ｋに基づいて排気圧を検出する。

ステップＳ２では、検出した吸気圧が検出した排気圧を上回ったか否かを判定する。検出した吸気圧が検出した排気圧を上回っていると判定した場合は、吸入される新気はシリンダ３８内に止まることなく、シリンダ３８内を素通りつまり通り抜ける。ステップＳ３において吸気圧と排気圧との差に基づいて、素通り新気量を推定する。

ステップＳ４では、この点火時期補正プログラムを開始した際のエンジン回転数に対応する非過給状態において、可変バルブタイミング機構３０が作動している運転時つまりバルブオーバーラップのある運転時に内部に残留する排気ガス量（内部ＥＧＲガス量）を加味してシリンダ３８内に残留する吸入空気量を推定する。内部ＥＧＲガスを含んでシリンダ３８内に残留する吸入空気量を残留ガス量とする。この残留ガス量は、ターボチャージャ５０が作動していない場合に、可変バルブタイミング機構３０による吸気弁３６のバルブタイミングの作動量を変更したことに起因して、シリンダ３８内部に残留する一部の排気ガスに対応させてあり、吸気弁３６の進角量に対応する量をマップに設定して、そのマップにより推定するものである。

ステップＳ５では、非過給状態において可変バルブタイミング機構３０により吸気弁３６のバルブタイミングを制御する運転時の、内部ＥＧＲガス量に対応して補正する点火時期の補正量であるＶＶＴ補正点火量に、ステップＳ４で推定した残留ガス量とステップＳ３において推定した素通り新気量との差を乗じると共に、残留ガス量に応じた点火感度Ａを乗じて、点火時期補正量を演算する。ＶＶＴ補正点火量はしたがって、例えば吸気弁３６の作動量とエンジン回転数とでマップに設定してある。点火感度は、あらかじめマップに設定してあり、残留ガス量に応じて変わる点火しやすさを示す変数である。
点火時期補正量＝ＶＶＴ補正点火量×（残留ガス量−素通り新気量）×Ａ （１）

ステップＳ６では、演算した点火時期補正量により、運転状態に応じて設定される基本点火時期を補正して、この時の運転状態に対応した点火時期を設定する。基本点火時期は、非過給状態でかつ可変バルブタイミング機構３０が作動していない運転時における、例えばエンジン回転数と吸気圧とにより規定される。なお、この実施形態においては、点火時期を、上記式（１）により得られる点火時期補正量で補正することを説明したが、基本点火時期に対する補正量は、これ以外に、種々のものがあることは言うまでもない。

このような構成において、図３に示すように、例えば加速などによりスロットル弁１１が例えば全開状態まで開かれてターボチャージャ５０が作動し、かつ可変バルブタイミング機構３０が作動して、吸気弁３６が進角されることにより吸気弁３６と排気弁３７とが同時に開くバルブオーバーラップが生じる運転状態であるとする。このような運転状態においては、バルブオーバーラップが生じることにより、内部ＥＧＲガス量が増加することに対応して、点火時期を遅角させるように制御する。

そして、バルブタイミングのオーバーラップ量が最も多くなり始める時点で、ターボチャージャ５０が作動していることにより、吸気圧（過給圧）が上昇し、吸気圧の上昇に伴ってシリンダ３８内を通過する新気の素通り新気量が増加する。つまり、吸気弁３６と排気弁３７の両方が開いている状態で、吸気弁３６を通過した新気は、吸気圧が排気圧より高くなっていることによりシリンダ３８内に止まらずに、排気弁３７を通過してタービン５２に向かって流れていく。このため、吸気圧の上昇以前に比較して、素通り新気量が増加することにより、内部ＥＧＲガス量と新気量との割合が変化する。

このような運転状態において、この点火時期補正プログラムを実行すると、吸気圧が排気圧を上回った時点で、その時の運転状態における素通り新気量と残留ガス量とを推定する（ステップＳ１〜ステップＳ４）。そして、得られた素通り新気量と残留ガス量との差に基づいて、上記式（１）により点火時期補正量を演算し（ステップＳ５）、得られた点火時期補正量により点火時期を補正する（ステップＳ６）。

このようにして、吸気圧と排気圧との差に基づいて素通り新気量を推定するので、シリンダ３８内に残留する残留ガスの状態を精度よく検出することができる。そして、素通り新気量を加味して点火時期を補正することにより、内部ＥＧＲガス量と新気量との割合が変化していても適正な点火時期を設定することができる。

このため、従来においては、図３に一点鎖線で示すように、このような運転状態の際に、点火時期を進角させることが遅れて点火時期が遅角側に偏ることで不安定になりがちであった燃焼状態を、点火時期を遅延することなく進角側に補正することにより安定に保つことができる。

なお、上述の実施形態では、吸気弁のバルブタイミングを変更する可変バルブタイミング機構を説明したが、吸気弁のバルブタイミングを変更せずに排気弁のバルブタイミングを変更するものであってもよい。また、吸気弁と排気弁との両弁のバルブタイミングを変更し得るものであってもよい。さらに、可変バルブタイミング機構は、上述した油圧式のものではなく、電気式のものであってもよい。

また、過給機としては、排気ターボチャージャに代えて、スーパーチャージャであってもよい。

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。

６…電子制御装置
３０…可変バルブタイミング機構
３６…吸気弁
３７…排気弁
３８…シリンダ
５０…ターボチャージャ

Claims (1)

1. 吸気弁と排気弁との少なくとも一方の開閉タイミングを可変させる可変バルブタイミング機構と、過給機とを備える内燃機関において、過給機が作動して運転状態が過給領域にあり、かつ可変バルブタイミング機構により排気弁と吸気弁とが同時に開いている場合に実施する内燃機関の点火時期補正制御方法であって、
   非過給状態において可変バルブタイミング機構が作動している運転時にシリンダ内に残留する吸入空気量と過給状態における運転時にシリンダ内を通り抜ける新気の通過量との差を演算し、
   前記差に非過給状態において可変バルブタイミング機構が作動している運転状態に応じた点火時期補正量を乗じた積に基づいて点火時期補正量を演算し、
   演算した点火時期補正量により点火時期を補正する内燃機関の点火時期補正制御方法。

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