(57)【要約】  【課題】  アイドルを含む所定の運転域で、要求負荷変化に対する応答性・燃焼安定性を確保しつつ、燃費向上効果を得る。  【解決手段】  吸気弁のバルブタイミングを可変制御可能な可変動弁機構２と、コレクタ１６の上流に位置し、制御信号により開度が制御されるスロットル弁１８と、を備える。アイドル運転域では、主として吸気弁のバルブタイミングにより吸気量を制御する第１の吸気制御モードと、主としてスロットル弁の開度により吸気量を制御する第２の吸気制御モードと、を切り換えて使用する。最適点火時期に対する点火時期遅角量を、第１の吸気制御モードでは第２の吸気制御モードよりも小さくなるように設定する。  【選択図】  図１
2005133622.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気弁のバルブタイミングを可変制御可能な可変動弁機構と、
複数の気筒の吸気通路が接続するコレクタと、
このコレクタの上流に位置し、制御信号により開度が制御されるスロットル弁と、
点火時期を制御する点火時期制御手段と、
アイドルを含む所定の機関運転領域では、主として吸気弁のバルブタイミングにより吸気量を制御する第１の吸気制御モードと、主としてスロットル弁の開度により吸気量を制御する第２の吸気制御モードと、を切り換えて用いる吸気制御手段と、を有し、
最適点火時期に対する点火時期の遅角量が、上記第１の吸気制御モードでは第２の吸気制御モードに比して小さく設定されている内燃機関の制御装置。
【請求項２】
上記第１の吸気制御モードでの点火時期が、第２の吸気制御モードでの点火時期よりも進角側に設定されている請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
吸気弁のバルブタイミングを可変制御可能な可変動弁機構と、
複数の気筒の吸気通路が接続するコレクタと、
このコレクタの上流に位置し、制御信号により開度が制御されるスロットル弁と、
点火時期を制御する点火時期制御手段と、
アイドルを含む所定の機関運転領域では、主として吸気弁のバルブタイミングにより吸気量を制御する第１の吸気制御モードと、主としてスロットル弁の開度により吸気量を制御する第２の吸気制御モードと、を切り換えて用いる吸気制御手段と、を有し、
第１の吸気制御モードでの点火時期が、第２の吸気制御モードでの点火時期よりも進角側に設定されている内燃機関の制御装置。
【請求項４】
少なくとも冷機アイドル時には、上記第２の吸気制御モードにより吸気量を制御する請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
上記可変動弁機構は、吸気弁のリフト・作動角を同時にかつ連続的に拡大，縮小制御可能なリフト・作動角可変機構と、吸気弁のリフト中心角の位相を遅進させる位相可変機構と、から構成されている請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関のシリンダ内に吸入される吸気量及び点火時期を制御する制御装置に関し、特に、吸気弁のバルブタイミング（バルブリフト特性）の可変制御といわゆる電子制御スロットル弁の開度制御とを組み合わせて吸気量の制御を行う内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリン機関においては、一般に吸気通路中に設けたスロットル弁の開度制御によって吸気量を制御しているが、良く知られているように、この種の方式では、特にスロットル弁開度の小さな中低負荷時におけるポンピングロスが大きい、という問題がある。これに対し、吸気弁の開閉時期（特に閉時期）やリフト量を変化させることで、スロットル弁に依存せずに吸気量を制御しようとする試みが以前からなされており、この技術を利用して、ディーゼル機関と同様に吸気系にスロットル弁を具備しないいわゆるスロットルレスの構成を実現することが提案されている。例えば特許文献１では、吸気弁のバルブタイミングを利用して吸気量を制御するとともに、冷機状態では触媒の早期活性化を図るために吸気弁の開時期を遅角して点火時期の遅角限界を拡大する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−２３５５６７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、アイドルを含む低速低負荷域では、応答性の良い点火時期を最適点火時期ＭＢＴ(Minimum Spark Advance for Bset Torque) よりも予め遅角側に設定しておき、補機類等により要求負荷が急激に増加した場合に、点火時期を瞬時に進角することにより、失火等を招くことなく、要求負荷に応じて燃料噴射量を増量できるようにしている。すなわち、一種の安全マージンとして点火時期を予めＭＢＴよりも遅角させている。
【０００４】
スロットル弁により吸気量を制御する場合、スロットル弁下流のコレクタやインテークマニホールド等の吸気容積が大きいため、スロットル弁の開度変化に対する吸気量変化の応答性が低く、上述した点火時期のＭＢＴからの遅角量を比較的大きく確保しておく必要がある。このように点火時期の遅角量が大きくなると、当然のことながら運転点が最良燃費線から遠ざかることとなり、燃費性能が低下していく。
【０００５】
一方、吸気弁のバルブタイミングにより吸気量を制御する場合、スロットル弁下流の吸気容積に関係なく、燃焼室に流入する吸気量を直接的に調整できるため、スロットル弁による吸気量制御に比して格段に応答性が良く、従って、安全マージンとしての点火時期の遅角量を低く抑制することができる。
【０００６】
但し、アイドルを含む低速低負荷域では、制御すべき吸気量が非常に少なくなることから、油水温やモータ温等の条件により可変動弁機構のアクチュエータの応答性を確保できない場合や、可変動弁機構の固着等の作動不良時には、吸気弁のバルブタイミングに依存した吸気量制御を安定して行うことが困難な場合がある。また、完全なスロットルレスとして吸気系に負圧が発生しないと、例えば、ブローバイガスやエバポレータからのパージガスなどを吸気系に還流させる既存のシステムが利用できなくなったり、種々のアクチュエータなどの駆動源としても利用されている負圧が容易に得られない、といった新たな課題が派生する。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、アイドルを含む運転域で、要求負荷の急増に対する応答性・燃焼安定性を確保しつつ、燃費性能の向上を図ることができる新規な内燃機関の制御装置を提供することを主たる目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
吸気弁のバルブタイミングを可変制御可能な可変動弁機構と、複数の気筒の吸気通路が接続するコレクタと、このコレクタの上流に位置し、制御信号により開度が制御されるスロットル弁と、点火時期を制御する点火時期制御手段と、を備える。アイドルを含む所定の運転領域では、主として吸気弁のバルブタイミングにより吸気量を制御する第１の吸気制御モードと、主としてスロットル弁の開度により吸気量を制御する第２の吸気制御モードと、を切り換えて使用する。最適点火時期に対する点火時期遅角量を、上記第１の吸気制御モードでは第２の吸気制御モードに比して小さく設定する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、アイドルを含む所定の運転領域で、主として吸気弁のバルブタイミングにより吸気量を制御する第１の吸気制御モードを用いることにより、最適点火時期に値する点火時期の遅角量を低く抑制して燃費性能の向上効果を得ることができ、かつ、冷機アイドル時のように第１の吸気制御モードを用いることが困難な状況では、主としてスロットル弁の開度により吸気量を制御する第２の吸気制御モードを用いることにより、所期の応答性・燃焼安定性を安定して確保することができる。つまり、アイドルを含む運転域で、所期の応答性・燃焼安定性を確保しつつ、燃費向上効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１１】
図１は、この発明をＶ型６気筒のガソリン機関１に適用した実施例を示しており、左右バンクの吸気弁３側に、後述する可変動弁機構２がそれぞれ設けられている。排気弁４側の動弁機構は、排気カムシャフト５により排気弁４を駆動する直動型のものであり、そのバルブリフト特性は、常に一定である。
【００１２】
左右バンクの排気マニホルド６は、触媒コンバータ７に接続され、かつこの触媒コンバータ７の上流位置に、排気空燃比を検出する空燃比センサ８が設けられている。左右バンクの排気通路９は、触媒コンバータ７の下流側で合流し、さらに下流に、第２の触媒コンバータ１０および消音器１１を備えている。
【００１３】
各気筒の吸気ポートにはブランチ通路１５が接続され、かつこの６本のブランチ通路１５の上流端が、コレクタ１６にそれぞれ接続されている。上記コレクタ１６の一端には、吸気入口通路１７が接続されており、この吸気入口通路１７に、電子制御スロットル弁１８が設けられている。この電子制御スロットル弁１８は、電気モータからなるアクチュエータを備え、エンジンコントロールユニット１９から与えられる制御信号によって、その開度が制御される。なお、スロットル弁１８の実際の開度を検出する図示せぬセンサを一体に備えており、その検出信号に基づいて、スロットル弁開度が目標開度にクローズドループ制御される。また、スロットル弁１８の上流に、吸入空気流量を検出するエアフロメータ２５が配置され、さらに上流にエアクリーナ２０が設けられている。
【００１４】
また、機関回転速度およびクランク角位置を検出するために、クランクシャフトに対してクランク角センサ２１が設けられており、さらに、運転者により操作されるアクセルペダル開度（踏込量）を検出するアクセル開度センサ２２を備えている。これらの検出信号は、上記のエアフロメータ２５や空燃比センサ８の検出信号とともに、エンジンコントロールユニット１９に入力されている。エンジンコントロールユニット１９では、これらの検出信号に基づいて、燃料噴射弁２３の噴射量や噴射時期、点火プラグ２４による点火時期（点火時期制御手段）、可変動弁機構２によるバルブリフト特性、スロットル弁１８の開度、などを制御する。
【００１５】
次に、図２に基づいて吸気弁３側の可変動弁機構２の構成を説明する。この可変動弁機構２は、吸気弁のリフト・作動角を変化させるリフト・作動角可変機構５１と、そのリフトの中心角の位相（図示せぬクランクシャフトに対する位相）を進角もしくは遅角させる位相可変機構７１と、が組み合わされて構成されている。
【００１６】
まず、リフト・作動角可変機構５１を説明する。なお、このリフト・作動角可変機構１は、本出願人が先に提案したものであるが、例えば特開２００２−８９３０３号公報等によって公知となっているので、その概要のみを説明する。
【００１７】
リフト・作動角可変機構５１は、シリンダヘッドに摺動自在に設けられた上記の吸気弁３と、シリンダヘッド上部のカムブラケット（図示せず）に回転自在に支持された駆動軸５２と、この駆動軸５２に、圧入等により固定された偏心カム５３と、上記駆動軸５２の上方位置に同じカムブラケットによって回転自在に支持されるとともに駆動軸５２と平行に配置された制御軸６２と、この制御軸６２の偏心カム部６８に揺動自在に支持されたロッカアーム５６と、各吸気弁３の上端部に配置されたタペット６０に当接する揺動カム５９と、を備えている。上記偏心カム５３とロッカアーム５６とはリンクアーム５４によって連係されており、ロッカアーム５６と揺動カム５９とは、リンク部材５８によって連係されている。
【００１８】
上記駆動軸５２は、後述するように、タイミングチェーンないしはタイミングベルトを介して機関のクランクシャフトによって駆動されるものである。
【００１９】
上記偏心カム５３は、円形外周面を有し、該外周面の中心が駆動軸５２の軸心から所定量だけオフセットしているとともに、この外周面に、リンクアーム５４の環状部が回転可能に嵌合している。
【００２０】
上記ロッカアーム５６は、略中央部が上記偏心カム部６８によって揺動可能に支持されており、その一端部に、連結ピン５５を介して上記リンクアーム５４のアーム部が連係しているとともに、他端部に、連結ピン５７を介して上記リンク部材５８の上端部が連係している。上記偏心カム部６８は、制御軸６２の軸心から偏心しており、従って、制御軸６２の角度位置に応じてロッカアーム５６の揺動中心は変化する。
【００２１】
上記揺動カム５９は、駆動軸５２の外周に嵌合して回転自在に支持されており、側方へ延びた端部に、連結ピン６７を介して上記リンク部材５８の下端部が連係している。この揺動カム５９の下面には、駆動軸５２と同心状の円弧をなす基円面と、該基円面から所定の曲線を描いて延びるカム面と、が連続して形成されており、これらの基円面ならびにカム面が、揺動カム５９の揺動位置に応じてタペット６０の上面に当接するようになっている。
【００２２】
すなわち、上記基円面はベースサークル区間として、リフト量が０となる区間であり、揺動カム５９が揺動してカム面がタペット６０に接触すると、徐々にリフトしていくことになる。なお、ベースサークル区間とリフト区間との間には若干のランプ区間が設けられている。
【００２３】
上記制御軸６２は、図示するように、一端部に設けられたリフト・作動角制御用アクチュエータ６３によって所定角度範囲内で回転するように構成されている。このリフト・作動角制御用アクチュエータ６３は、例えばウォームギア６５を介して制御軸６２を駆動するサーボモータ等からなり、エンジンコントロールユニット１９からの制御信号によって制御されている。なお、制御軸６２の回転角度は、制御軸センサ６４によって検出される。
【００２４】
このリフト・作動角可変機構５１の作用を説明すると、駆動軸５２が回転すると、偏心カム５３のカム作用によってリンクアーム５４が上下動し、これに伴ってロッカアーム５６が揺動する。このロッカアーム５６の揺動は、リンク部材５８を介して揺動カム５９へ伝達され、該揺動カム５９が揺動する。この揺動カム５９のカム作用によって、タペット６０が押圧され、吸気弁３がリフトする。
【００２５】
ここで、リフト・作動角制御用アクチュエータ６３を介して制御軸６２の角度が変化すると、ロッカアーム５６の初期位置が変化し、ひいては揺動カム５９の初期揺動位置が変化する。
【００２６】
例えば偏心カム部６８が図の上方へ位置しているとすると、ロッカアーム５６は全体として上方へ位置し、揺動カム５９の連結ピン６７側の端部が相対的に上方へ引き上げられた状態となる。つまり、揺動カム５９の初期位置は、そのカム面がタペット６０から離れる方向に傾く。従って、駆動軸５２の回転に伴って揺動カム５９が揺動した際に、基円面が長くタペット６０に接触し続け、カム面がタペット６０に接触する期間は短い。従って、リフト量が全体として小さくなり、かつその開時期から閉時期までの角度範囲つまり作動角も縮小する。
【００２７】
逆に、偏心カム部６８が図の下方へ位置しているとすると、ロッカアーム５６は全体として下方へ位置し、揺動カム５９の連結ピン６７側の端部が相対的に下方へ押し下げられた状態となる。つまり、揺動カム５９の初期位置は、そのカム面がタペット６０に近付く方向に傾く。従って、駆動軸５２の回転に伴って揺動カム５９が揺動した際に、タペット６０と接触する部位が基円面からカム面へと直ちに移行する。従って、リフト量が全体として大きくなり、かつその作動角も拡大する。
【００２８】
上記の偏心カム部６８の初期位置は連続的に変化させ得るので、これに伴って、バルブリフト特性は、連続的に変化する。つまり、リフトならびに作動角を、両者同時に、連続的に拡大，縮小させることができる。各部のレイアウトによるが、例えば、リフト・作動角の大小変化に伴い、吸気弁３の開時期と閉時期とがほぼ対称に変化する。
【００２９】
次に、位相可変機構７１は、図２に示すように、上記駆動軸５２の前端部に設けられたスプロケット７２と、このスプロケット７２と上記駆動軸５２とを、所定の角度範囲内において相対的に回転させる位相制御用アクチュエータ７３と、から構成されている。上記スプロケット７２は、図示せぬタイミングチェーンもしくはタイミングベルトを介して、クランクシャフトに連動している。上記位相制御用アクチュエータ７３は、例えば油圧式、電磁式などの回転型アクチュエータからなり、エンジンコントロールユニット１９からの制御信号によって制御されている。この位相制御用アクチュエータ７３の作用によって、スプロケット７２と駆動軸５２とが相対的に回転し、バルブリフトにおけるリフト中心角が遅進する。つまり、リフト特性の曲線自体は変わらずに、全体が進角もしくは遅角する。また、この変化も、連続的に得ることができる。この位相可変機構７１の制御状態は、駆動軸５２の回転位置に応答する駆動軸センサ６６によって検出される。
【００３０】
本実施例では、リフト・作動角可変機構５１ならびに位相可変機構７１は、各センサ６４，６６の検出に基づいてクローズドループ制御される。
【００３１】
上記のような可変動弁機構２を吸気弁３側に備えた構成においては、基本的に、スロットル弁１８に依存せずに、吸気弁３の可変制御によって吸気量を制御することが可能である。しかしながら、アイドル域のように吸気量が極少量となる領域では、吸気弁３のリフトを非常に小さく制御する必要があり、その僅かなばらつきによって、各気筒の吸気量ひいては空燃比が大きく変化しやすい。そのため、本実施例では、アイドルを含む低速低負荷側の運転領域では、油水温やモータ温度等の諸条件に応じて、主として可変動弁機構２による吸気弁のバルブタイミング（及びバルブリフト量）の可変制御により吸気量を制御する第１の吸気制御モードＭ１と、主としてスロットル弁１８の開度制御により吸気量を制御する第２の吸気制御モードＭ２と、を切り換えて使用する（吸気制御手段）。これらの制御は上記のコントロールユニット１９により記憶及び実行される。
【００３２】
このような制御の流れを図３を参照して具体的に説明する。先ずＳ１（ステップ）では、アイドルを含む所定の運転域であるかを判定する。この所定の運転域は、例えばアイドル・スピード・コントロール（ＩＳＣ）を行う運転域であり、あるいはアイドルを含めた低速低負荷域である。
【００３３】
Ｓ１の判定が肯定されるとＳ２へ進み、第１の吸気制御モードＭ１を安定して行い得る運転条件が成立するか、つまりバルブタイミングによる吸気量の制御が可能であるかを判定する。この判定には、機関の油水温の判定、リフト・作動角制御用アクチュエータ６３としてのモータの温度判定、及び可変動弁機構２の作動不良判定等が含まれる。例えば、冷機アイドル時のように油水温が過度に低い場合やモータ温度が過度に高いか低い場合には、可変動弁機構２のアクチュエータが要求される応答性を満たすことができないため、Ｓ２の判定が否定される。また、可変動弁機構２が固着等により作動不良となっている場合にも、Ｓ２の判定が否定される。
【００３４】
Ｓ２の判定が肯定されるとＳ３へ進み、主として吸気弁のバルブタイミングにより吸気量制御を行う第１の吸気制御モードＭ１を選択し、かつ、その点火時期Ｔ１を設定する。Ｓ２が否定されるとＳ４へ進み、主としてスロットル弁の開度により吸気量制御を行う第２の吸気制御モードＭ２を選択し、かつ、その点火時期Ｔ２を設定する。これらの点火時期Ｔ１，Ｔ２は、例えばエンジンコントロールユニット１９のＲＯＭ内にテーブルデータやマップデータ等の形式で予め設定・記憶されている。
【００３５】
第１の吸気制御モードＭ１では、スロットル弁１８を全開もしくは僅かに閉じた状態に固定・保持し、可変動弁機構２により吸気弁のバルブタイミングを制御することにより吸気量を調整する。実用機関では、ブローバイガスの還流等のために吸気系に若干の負圧が存在していることが好ましいので、望ましくはスロットル弁１８を僅かに閉じてコレクタ１６内に負圧を生成する。例えば、コレクタ１６内の圧力が所定の負圧つまり負圧源として必要最小限の負圧（例えば、−５０ｍｍＨｇ）となるように、スロットル弁１８の開度が概ね一定に保持され、かつ、要求負荷に応じて吸気弁の作動角を例えば８０〜１２０ＣＡ（クランク角）の付近でクローズドループ制御することにより吸気量を制御する。
【００３６】
第２の吸気制御モードＭ２では、リフト・作動角可変機構５１により吸気弁の作動角を例えば約２４０ＣＡ程度に保持した状態で、スロットル弁１８を全閉付近でクローズドループ制御することにより、吸気量を制御する。この場合のコレクタ１６内の負圧は、例えば−５００〜−５５０ｍｍＨｇと非常に大きなものとなる。
【００３７】
図４は、アイドル運転域での第１，第２の吸気制御モードＭ１，Ｍ２における点火時期−燃費特性を示している。同図に示すように、アイドル運転域では、第１の吸気制御モードＭ１での点火時期Ｔ１を、第２の吸気制御モードＭ２での点火時期Ｔ２よりも進角側に設定しており、かつ、最適点火時期ＭＢＴに対する第１の点火時期Ｔ１の遅角量ΔＴ１を、最適点火時期ＭＢＴに対する第２の点火時期Ｔ２の点火時期Ｔ２の遅角量ΔＴ２よりも小さく設定している。また、いずれの制御モードＭ１，Ｍ２においても、燃焼安定性やアイドリング安定性の低下を招くことなく、補機類等による要求負荷の急増に対応し得る応答性が十分に確保されている。
【００３８】
このように、アイドルを含む所定の運転域において、主としてバルブタイミングにより吸気量を制御する第１の吸気制御モードＭ１を用いることにより、点火時期のＭＢＴからの遅角量を低く抑制して燃費の低減化、つまり燃費の向上効果を得ることができ、かつ、冷機アイドル時のように第１の吸気制御モードＭ１を用いることが困難な状況では、主としてスロットル弁の開度により吸気量を制御する第２の吸気制御モードＭ２を用いることにより、所期の応答性・燃焼安定性を安定して確保することができる。つまり、アイドルを含む運転域で、所期の応答性・燃焼安定性を確保しつつ、燃費向上効果を得ることができる。
【００３９】
以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。例えば、上記実施例ではＶ型６気筒の内燃機関に本発明を適用しているが、直列４気筒等の他の形式の内燃機関に本発明を適用しても良い。また、吸気弁側の位相可変機構７１を省略しても良く、あるいは吸・排気側の双方に位相可変機構７１を設ける構成としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】この発明の一実施例を示す構成説明図。
【図２】可変動弁機構の構成を示す斜視図。
【図３】本実施例の制御の流れを示すフローチャート。
【図４】アイドル運転域での第１，第２の吸気制御モードにおける点火時期−燃費特性図。
【符号の説明】
【００４１】
２…可変動弁機構
１８…スロットル弁
１９…エンジンコントロールユニット
５１…リフト・作動角可変機構
７１…位相可変機構
【図１】
2005133622.tif 000003
【図２】
2005133622.tif 000004
【図３】
2005133622.tif 000005
【図４】
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