(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バネによる付勢力と電磁石による電磁力とによって吸気バルブを開閉駆動する電磁動弁機構を備えると共に、アクチュエータによって開閉駆動されるスロットルバルブを備えたエンジンの吸入空気量制御装置であって、
前記スロットルバルブを略全開に固定し、前記吸気バルブの閉時期の早閉じ制御によって目標吸入空気量に制御するバルブタイミング制御領域と、前記吸気バルブの作動角を制御可能な最小作動角付近に固定し、前記スロットルバルブの開度制御によって前記目標吸入空気量に制御するスロットル制御領域とのいずれであるかを、エンジン回転速度による前記吸気バルブの最小作動角の変化に応じて判断することを特徴とするエンジンの吸入空気量制御装置。
【請求項２】
エンジン回転速度に応じて前記バルブタイミング制御領域とスロットル制御領域との境界に相当する吸入空気量を求め、該吸入空気量と前記目標吸入空気量との比較からいずれの領域に該当するかを判別することを特徴とする請求項１記載のエンジンの吸入空気量制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は吸気バルブのバルブタイミング制御によって、エンジンの吸入空気量を目標吸入空気量に制御する構成のエンジンの吸入空気量制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、閉弁用電磁コイルと開弁用電磁コイルとを備え、吸気バルブや排気バルブを、前記電磁コイルによる電磁力で開閉駆動する構成の電磁駆動式バルブが知られている（特開平８−２０００２５号公報等参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記電磁駆動式のバルブであれば、バルブタイミングを連続的かつ広範囲に制御でき、吸気バルブとして前記電磁駆動式のものを用い、該吸気バルブの閉時期を例えば早める制御（早閉じ制御）をすれば、吸気を大気圧状態で取り入れつつ、吸入空気量を制御することが可能となり、これによって、ポンピングロスの低減による燃費向上を図れる。
【０００４】
しかしながら、上記のように吸気バルブを電磁力で開閉駆動する構成の場合、吸気バルブの駆動速度の制限から、吸気バルブの閉時期の制御のみによっては吸入空気量を目標吸入空気量に制御することができない運転領域が生じることがあった。
【０００５】
即ち、電磁力によって吸気バルブを開閉駆動する場合には、エンジン回転速度とは無関係に駆動速度が一定（バネ定数と可動部の質量とにより定まる）であって、閉状態から開状態に変化するまで、また、開状態から閉状態に変化するまでにエンジン回転速度に無関係な一定の動作時間を必要とする。このため、最小作動角がエンジン回転速度が高いときほど大きくなってしまう。従って、高回転域でかつ目標吸入空気量の少ない低負荷の領域では、吸気バルブの制御のみによっては、目標吸入空気量に制御できなくなってしまう場合があったものである。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、吸気バルブのバルブタイミングの制御によって吸入空気量の制御を行う装置において、前記バルブタイミングの制御に制約があっても、広範囲に吸入空気量を制御できるようにすることを目的とする。
【０００７】
更に、吸気を大気圧状態で取り入れつつ、吸入空気量を制御することができる領域を最大限に確保でき、ポンピングロスの低減による燃費向上の効果を充分に得られるようにすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そのため、請求項１記載の発明は、バネによる付勢力と電磁石による電磁力とによって吸気バルブを開閉駆動する電磁動弁機構を備えると共に、アクチュエータによって開閉駆動されるスロットルバルブを備えたエンジンの吸入空気量制御装置であって、前記スロットルバルブを略全開に固定し、前記吸気バルブの閉時期の早閉じ制御によって目標吸入空気量に制御するバルブタイミング制御領域と、前記吸気バルブの作動角を制御可能な最小作動角付近に固定し、前記スロットルバルブの開度制御によって前記目標吸入空気量に制御するスロットル制御領域とのいずれかであるかを、エンジン回転速度による前記吸気バルブの最小作動角の変化に応じて判断する構成とした。
【００１１】
かかる構成によると、電磁動弁機構で開閉駆動される吸気バルブの最小作動角がエンジン回転速度によって変化するので、吸気バルブのバルブタイミングを制御可能な最小作動角付近に制御しても目標吸入空気量に制御できない領域であるか否かをエンジン回転速度に基づいて判断し、最小作動角で目標吸入空気量に制御できない領域であれば、スロットルバルブを閉じて目標吸入空気量に制御するが、それ以外では、スロットルバルブを全開に保持し、吸気バルブの閉時期の早閉じ制御によって目標吸入空気量に制御する。
【００１２】
請求項２記載の発明では、エンジン回転速度に応じて前記バルブタイミング制御領域とスロットル制御領域との境界に相当する吸入空気量を求め、該吸入空気量と前記目標吸入空気量との比較からいずれの領域に該当するかを判別する構成とした。
【００１３】
かかる構成によると、電磁動弁機構で開閉駆動される吸気バルブの最小作動角がエンジン回転速度によって変化し、以って、吸気バルブの早閉じ制御によって制御できる最小吸入空気量が変化するので、そのときのエンジン回転速度から前記最小吸入空気量を求め、該しきい値としての最小吸入空気量よりも目標吸入空気量が大きいか否かによって、バルブタイミング制御領域とスロットル制御領域とのいずれかであるかを判断する。
【００１４】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によると、電磁動弁機構で開閉駆動される吸気バルブの最小作動角がエンジン回転速度によって変化することに対応して領域判断を行い、吸気バルブの早閉じ制御によって目標吸入空気量に制御できる領域では、スロットルバルブを全開状態に固定して前記早閉じ制御を実行するので、ポンピングロスを低減させて吸入空気量を制御できる一方、前記早閉じ制御では目標吸入空気量に制御できない領域においては、スロットルバルブの開度を絞って目標吸入空気量に制御できるという効果がある。
【００１６】
請求項２記載の発明では、早閉じ制御による吸気バルブのバルブタイミングとスロットル開度とのいずれを目標吸入空気量に応じて変化させるべきかを的確に判断させることができるという効果がある。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
実施の形態の全体構成を示す図１において、車両用の４サイクルガソリンエンジン１には、電磁動弁機構２により開閉時期が電子制御される吸気バルブ３及び排気バルブ４が各気筒に装着されている。
【００１８】
各気筒の吸気バルブ３上流側の吸気ポート５には、インジェクター６が装着され、燃焼室７には点火栓８が装着されている。また、前記点火栓８毎に点火コイル９が設けられている。
【００１９】
エンジン１の本体には、各気筒の基準ピストン位置で基準信号を出力すると共に、単位クランク角毎に単位角信号を出力するクランク角センサ10、吸入空気流量を検出するエアフローメータ11、冷却水温度を検出する水温センサ12が装着される。この他、図示しない車両のアクセルペダルの開度ＡＰＯを検出するアクセル開度センサ13や車速センサ14等が配設されている。
【００２０】
前記各種センサ類の検出信号はコントロールユニット15に出力され、コントロールユニット15は、これらの検出信号に基づいて前記インジェクター６に噴射パルス信号を出力して燃料噴射量・燃料噴射時期の制御を行い、前記点火コイル９に点火信号を出力して点火時期の制御を行い、更に、前記電磁動弁機構２に弁駆動信号を出力して吸気バルブ３及び排気バルブ４のバルブタイミングを制御する。
【００２１】
また、吸気ポート５上流側にはスロットルバルブ16が介装され、このスロットルバルブ16はアクチュエータとしてのモータ17によって開閉駆動されるようになっている。
【００２２】
前記電磁動弁機構２の構成を図２に示す。
図２において電磁動弁機構２は、シリンダヘッド上に設けられる非磁性材料製のハウジング21と、吸気バルブ３（又は排気バルブ４、以下吸気バルブ３で代表する) のステム31に一体に設けられてハウジング21内に移動自由に収納されるアーマチュア22と、該アーマチュア22を吸引して吸気バルブ３を閉弁作動させる電磁力を発揮可能なようにアーマチュア22の上面に対向する位置でハウジング21内に固定配置される閉弁用電磁石23と、該アーマチュア22を吸引して吸気バルブ３を開弁作動させる電磁力を発揮可能なようにアーマチュア22の下面に対向する位置でハウジング21内に固定配置される開弁用電磁石24と、吸気バルブ３の閉弁方向に向けてアーマチュア22を付勢する閉弁側戻しバネ25と、吸気バルブ３の開弁方向に向けてアーマチュア22を付勢する開弁側戻しバネ26と、を備えて構成される。そして、閉弁用電磁石23と開弁用電磁石24とを共に消磁したときに、吸気バルブ３は全開位置と閉弁位置との間の略中央位置にあるように、閉弁側戻しバネ25と開弁側戻しバネ26とのバネ力が設定され、閉弁用電磁石23のみを励磁したときに吸気バルブ３は閉弁し、開弁用電磁石24のみを励磁したときに吸気バルブ３は開弁するように駆動される。
【００２３】
前記電磁動弁機構２による吸気バルブ３及び排気バルブ４のバルブタイミングは、エンジン１の運転条件に基づいて設定された目標バルブタイミングとなるように制御されるが、特に、吸気バルブ３の閉時期ＩＶＣを、アクセル開度ＡＰＯとエンジン回転速度Ｎｅとに基づいて設定された目標吸入空気量（目標シリンダ吸入空気量：目標トルク）に基づいて早閉じ方向に可変制御してシリンダ吸入空気量を各気筒毎に制御するようになっている。
【００２４】
尚、前記閉時期ＩＶＣが吸気下死点前に制御されることで、所謂早閉じミラーサイクル運転が行われることになる。
上記のように、吸気バルブ３の閉時期ＩＶＣを早閉じ制御して吸入空気量を目標吸入空気量に制御するが、図３に示すように、前記早閉じ制御のみでは、低負荷・高回転領域（図３斜線示の領域）が目標吸入空気量（目標トルク）に制御できない領域となる。
【００２５】
即ち、上記電磁動弁機構２では、エンジン回転速度とは無関係にバルブ駆動速度が一定であって、一定の最小動作時間が必要であるため、高回転領域では最小作動角が大きくなる（閉時期がクランク角で遅くなる）。このため、スロットルバルブ16を全開に保持した状態で、電磁動弁機構２により吸気バルブ３を最小動作時間付近で開駆動させたときに得られる吸入空気量（図３に示すバルブタイミング制御領域とスロットル制御領域との境界の空気量）は高回転時ほど多くなり、高回転域では、吸気バルブ３を最小動作時間付近で開駆動させても目標吸入空気量に制御できない領域が発生するものである。
【００２６】
そこで、本実施の形態では、前記早閉じ制御によって吸入空気量を目標吸入空気量に制御できる領域（図３に示すバルブタイミング制御領域）では、スロットルバルブ16を略全開に保持し、目標吸入空気量に応じて吸気バルブ３の閉時期ＩＶＣを可変に制御する一方、吸気バルブ３を最小作動角にしても目標吸入空気量に制御することができない領域（図３に示すスロットル制御領域）では、吸気バルブ３を略最小作動角で開駆動する状態に保持する一方、スロットルバルブ16の開度を目標吸入空気量に応じて可変に制御するようにしてある。
【００２７】
具体的には、前記コントロールユニット15が、図４の制御ブロック図に示すようにして、吸気バルブ３のバルブタイミング制御とスロットルバルブ16の開度制御との協調制御を行う。
【００２８】
図４において、目標吸入空気量演算部101 では、アクセル開度ＡＰＯとエンジン回転速度Ｎｅとに応じて予め目標吸入空気量を記憶したマップ（図５参照）から、そのときのアクセル開度ＡＰＯ及びエンジン回転速度Ｎｅに対応する目標吸入空気量を検索する。
【００２９】
尚、上記のようにアクセル開度ＡＰＯとエンジン回転速度Ｎｅとに応じて求められた目標吸入空気量に、アイドル運転に必要な空気量を付加し、これを最終的な目標吸入空気量とすることが好ましい。
【００３０】
前記目標吸入空気量演算部101 で演算された目標吸入空気量は、目標スロットル開度演算部102 と目標吸気バルブタイミング演算部103 とにそれぞれ出力される。また、前記目標スロットル開度演算部102 及び目標吸気バルブタイミング演算部103 には、前記目標吸入空気量の他、エンジン回転速度Ｎｅの信号が入力されるようになっている。
【００３１】
前記目標スロットル開度演算部102 では、図３に示すようなテーブルから、そのときのエンジン回転速度Ｎｅにおけるバルブタイミング制御領域とスロットル制御領域との境界の空気量（しきい値）を検索し、該検索したしきい値と前記目標吸入空気量とを比較することで、バルブタイミング制御領域とスロットル制御領域とのいずれであるかを判断する。また、前記しきい値を前記目標吸気バルブタイミング演算部103 に出力する。
【００３２】
ここで、バルブタイミング制御領域であれば、目標スロットル開度を全開に固定し、スロットル制御領域であれば、前記目標吸入空気量及びエンジン回転速度Ｎｅに基づいて目標吸入空気量を得るための目標開口面積を求め、次いで、前記目標開口面積を目標スロットル開度に変換する。そして、スロットルバルブ16を、前記目標スロットル開度に駆動すべく、モータ17に開閉駆動信号を出力する。
【００３３】
一方、目標吸気バルブタイミング演算部103 では、前記目標スロットル開度演算部102 から出力されたしきい値と前記目標吸入空気量とを比較して、バルブタイミング制御領域とスロットル制御領域とのいずれであるかを判断する。
【００３４】
ここで、バルブタイミング制御領域であれば、前記目標吸入空気量に応じて吸気バルブ３の閉時期ＩＶＣを記憶したテーブル（図６参照）を検索し、そのときの目標吸入空気量に対応する閉時期ＩＶＣを求める。一方、スロットル制御領域であれば、一定の最小動作時間で吸気バルブ３を開駆動させるべく、前記一定の最小動作時間に対応する閉時期ＩＶＣを目標値としてエンジン回転速度Ｎｅに応じて設定し、各回転毎に最小作動角で吸気バルブ３が開駆動されるようにする。
【００３５】
そして、前記閉時期において吸気バルブ３を閉じるべく、前記電磁動弁機構２に制御信号を出力する。尚、吸気バルブ３の開時期は、排気上死点付近に固定されるものとする。
【００３６】
ここで、前記吸入空気量制御の様子を図７のフローチャートに従って詳細に説明する。
図７のフローチャートにおいて、Ｓ１ではアクセル開度ＡＰＯを読み込み、Ｓ２ではエンジン回転速度Ｎｅを読み込み、Ｓ３では、前記アクセル開度ＡＰＯ及びエンジン回転速度Ｎｅに基づいて目標吸入空気量を演算する。
【００３７】
上記Ｓ１〜Ｓ３の部分が、前記目標吸入空気量演算部101 に相当する。
Ｓ３の処理が終了すると、Ｓ11以降の目標スロットル開度の演算処理と、Ｓ21以降の目標バルブタイミングの演算処理とが並行して実行される。
【００３８】
ここで、前記Ｓ11〜Ｓ15の処理が目標スロットル開度演算部102 に相当し、前記Ｓ21〜Ｓ25の処理が目標吸気バルブタイミング演算部103 に相当する。
Ｓ11では、エンジン回転速度Ｎｅを読み込み、Ｓ12では、前記目標吸入空気量及びエンジン回転速度Ｎｅから前記バルブタイミング制御領域であるか否かを判別する。
【００３９】
前記バルブタイミング制御領域であるか否かの判別は、そのときのエンジン回転速度Ｎｅに応じてバルブタイミング制御領域とスロットル制御領域との境界に相当する吸入空気量（しきい値）を求め（図３参照）、この吸入空気量のしきい値とそのときの目標吸入空気量とを比較して行われる。
【００４０】
前記バルブタイミング制御領域であるときには、Ｓ13へ進み、バルブタイミング制御領域での目標スロットル開度を演算する。具体的には、目標スロットル開度を略全開に固定する。
【００４１】
一方、スロットル開度制御領域であるときには、Ｓ14へ進み、前記バルブタイミング制御領域とスロットル制御領域との境界に相当する吸入空気量（しきい値）を、目標バルブタイミングの演算処理側（目標吸気バルブタイミング演算部103 ）に出力する。
【００４２】
次のＳ15では、エンジン回転速度Ｎｅと目標吸入空気量とに基づいて目標開口面積を求め、該目標開口面積から目標スロットル開度を求める処理を行う。
一方、Ｓ21では、エンジン回転速度Ｎｅを読み込み、Ｓ22では、前記Ｓ14（目標スロットル開度演算部102 ）から出力された吸入空気量のしきい値を読み込む。
【００４３】
そして、Ｓ23では、前記しきい値と目標吸入空気量とを比較することで、前記バルブタイミング制御領域とスロットル制御領域とのいずれに該当するかを判断する。
【００４４】
ここで、バルブタイミング制御領域であると判断されたときには、Ｓ24へ進み、目標吸入空気量に応じて吸気バルブ３の閉時期ＩＶＣ（目標バルブタイミング）を演算する（図６参照）。
【００４５】
一方、スロットル制御領域であると判断されたときには、Ｓ25へ進み、吸気バルブ３を最小動作時間付近の一定の動作時間（略最小作動角）で開駆動させるべく、エンジン回転速度Ｎｅに応じて前記一定の動作時間に相当する閉時期ＩＶＣ（目標バルブタイミング）を演算する（図８参照）。即ち、前記Ｓ25で設定される閉時期ＩＶＣは、開時期から閉時期までの時間が、エンジン回転速度に関わらずに一定の最小動作時間になるような値であり、そのときのエンジン回転速度における最小作動角を示す値である。
【００４６】
上記のようにして、目標スロットル開度及び目標バルブタイミング（目標閉時期）を演算すると、Ｓ31では、前記目標スロットル開度，目標バルブタイミング（目標閉時期）に応じた制御信号を、モータ17, 電磁動弁機構２に出力する。
【００４７】
尚、図３に示すバルブタイミング制御領域とスロットル制御領域との境界は、最小動作時間に対応する最小作動角での空気量よりも僅かに高い値に設定して、種々のばらつきがあってもバルブタイミング制御領域において確実に吸入空気量が制御できるようにすると良い。
【００４８】
また、スロットル制御領域は、バルブタイミング制御のみでは目標吸入空気量に制御できない領域を含むなるべく小さな領域とすることで、ポンピングロスの低減効果を最大限に得られることになるが、少なくともバルブタイミング制御のみでは目標吸入空気量に制御できない領域を含むものであれば良く、例えば図３に示すスロットル制御領域を、低回転，低負荷側に拡大するなどしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態におけるエンジンのシステム図。
【図２】電磁動弁機構の詳細を示す断面図。
【図３】吸入空気量の制御特性を示す線図。
【図４】吸入空気量の制御ブロック図。
【図５】目標吸入空気量のマップを示す線図。
【図６】吸気バルブの閉時期のテーブルを示す線図。
【図７】吸入空気量の制御内容を示すフローチャート。
【図８】スロットル制御領域における閉時期の特性を示す線図。
【符号の説明】
１      エンジン
２      電磁動弁機構
３      吸気バルブ
４      排気バルブ
６      インジェクター
７      燃焼室
８      点火栓
10      クランク角センサ
11      エアフローメータ
12      水温センサ
13      アクセル開度センサ
15      コントロールユニット
16      スロットルバルブ
17      モータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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