(57)【要約】【課題】運転条件に応じて精度良くバルブ温度を推定可能なバルブ温度推定装置を提案する。【解決手段】本発明による内燃機関のバルブ温度推定装置は、吸入空気量Ｑａ、エンジン回転速度Ｎｅ及びエンジン冷却水温度ＴＷＮに基づいてバルブ温度の基本値ＴＶＳＴＤを算出し且つエンジン回転速度Ｎｅ及び目標当量比ＴＦＢＹＡに基づいてバルブ温度の補正値ＴＶＨＯＳを算出し、そして、その基本値を補正値で補正した平衡温度ＴＶＨと吸入空気量Ｑａに基づく時定数ＴＣＯＮＳＴとを使用してバルブ温度ＴＶを算出することを特徴とする。運転条件を反映している吸入空気量、エンジン回転速度、目標当量比に応じてバルブ温度を算出するので、運転条件に即した精度の高いバルブ温度の推定が可能となる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸入空気量及びエンジン回転速度に基づいてバルブ温度の基本値を算出し且つ目標当量比に基づいてバルブ温度の補正値を算出し、前記基本値を前記補正値で補正することによりバルブ温度を算出することを特徴とする内燃機関のバルブ温度推定装置。
【請求項２】
吸入空気量、エンジン回転速度及びエンジン冷却水温度に基づいて前記基本値を算出することを特徴とする請求項１記載の内燃機関のバルブ温度推定装置。
【請求項３】
吸入空気量及びエンジン回転速度により基本参照値を算出してから該基本参照値とエンジン冷却水温度とを演算することにより、前記基本値を算出することを特徴とする請求項２記載の内燃機関のバルブ温度推定装置。
【請求項４】
前記基本値は、目標当量比が１のときの値であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関のバルブ温度推定装置。
【請求項５】
エンジン回転速度と目標当量比とに基づき前記補正値を算出することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関のバルブ温度推定装置。
【請求項６】
前記基本値を前記補正値で補正した値を所定の時定数で応答変化させた結果をバルブ温度とすることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関のバルブ温度推定装置。
【請求項７】
前記時定数を吸入空気量に基づき算出することを特徴とする請求項６記載の内燃機関のバルブ温度推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関に関し、特に、混合気の空燃比制御などのためにバルブ温度を推定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関において混合気の空燃比をできるだけ正確に制御する目的のために、特許文献１〜３に記載されているような吸気側のバルブ温度を推定する技術が提案されている。特許文献１記載の技術は、バルブ温度を始動後経過時間に基づき算出している。また、特許文献２記載の技術は、バルブ温度をエンジン冷却水温度と点火回数とから算出している。そして、特許文献３記載の技術は、バルブ温度をエンジン冷却水温度と触媒温度や油温（冷却水と異なる物性温度）とから算出している。
【特許文献１】特開平８−４９５８１号公報（段落００２７〜００２８）
【特許文献２】特開平８−６１１１５号公報（段落００２７〜００２８）
【特許文献３】特開平９−１７７５７８号公報（段落００２４〜００２７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記従来技術のバルブ温度推定装置の場合、運転条件に即した温度推定ができないために誤差を無視できないという改善点がある。すなわち、特許文献１記載の技術の場合は、エンジン冷却水温度に始動後経過時間分の補正値を上乗せするだけでバルブ温度とするものであり、始動後の運転条件に応じた細かな温度推定はできず、大きな誤差が発生し得る。且つこの場合、始動時の冷却水温度毎に経過時間毎の補正値を記憶する必要があり、メモリ容量と演算負荷が大きい。また、特許文献２記載の技術の場合は、エンジン冷却水温度と点火回数からバルブ温度を算出するものであるが、同じ点火回数でも吸入空気量や目標当量比が変化する運転条件に対応できず、大きな誤差が発生し得る。さらに、特許文献３記載の技術の場合は、エンジン冷却水温度と触媒温度や油温との温度差から始動時のバルブ温度初期値を予測しているだけなので、これも運転条件に応じた細かな温度推定ができず、大きな誤差が発生し得る。
【０００４】
このような改善点に鑑みて本発明は、運転条件に応じて精度良くバルブ温度を推定可能なバルブ温度推定装置を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明による内燃機関のバルブ温度推定装置は、吸入空気量及びエンジン回転速度に基づいてバルブ温度の基本値を算出し且つ目標当量比に基づいてバルブ温度の補正値を算出し、その基本値を補正値で補正することによりバルブ温度を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明のバルブ温度推定装置によれば、運転条件を反映している吸入空気量、エンジン回転速度、目標当量比に応じてバルブ温度を算出するので、運転条件に即した精度の高いバルブ温度の推定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１に、本発明に係るバルブ温度推定装置を備えた多気筒ガソリンエンジンの実施形態について概略を示している。
当エンジンのシリンダヘッドには、各気筒毎の点火プラグ周囲に、可変動弁機構を備えた吸気バルブ１と排気バルブ２とが設けられている。これら吸気バルブ１及び排気バルブ２のリフト特性（開閉時期）が、吸気側と排気側とにそれぞれ設けられた可変動弁ソレノイド３，４でクランク軸に対するカム５，６の位相を変化させてバルブタイミングを制御することにより、調整可能となっている。カム５，６のカム角は、カムセンサ７，８により計測される。
【０００８】
エアクリーナからサージタンク、マニホールドを通って吸気ポートへ至る吸気通路１０には、吸入空気量を制御する電子制御スロットル弁１１が設けられ、この電子制御スロットル弁１１の上流側にエアフロメータ１２、下流側に各気筒毎の吸気圧力センサ１３が設置される。吸気バルブ１直前の吸気ポートにはインジェクタ１４が臨ませてあり、混合気を形成する。インジェクタ１４は、燃焼室内へ直接噴射する直噴式のものも可能である。一方、排気ポートからマニホールド、触媒を通ってマフラーへ至る排気通路２０には、各気筒毎の排気圧力センサ２１、排気温度センサ２２、酸素センサ２３が設けられている。
【０００９】
当該エンジンにおける可変動弁ソレノイド３，４、電子制御スロットル弁１１、インジェクタ１４の作動は、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）３０により制御され、これに同期してＥＣＵ３０により、パワトラ内蔵点火コイル３１（点火プラグ）つまり点火時期も制御される。
これらの制御のため、ＥＣＵ３０には、各種センサからの信号が入力される。すなわち、カム角を検出するカムセンサ７，８、吸入空気量を検出するエアフロメータ１２、吸気圧力を検出する吸気圧力センサ１３、排気圧力を検出する排気圧力センサ２１、排気温度を検出する排気温度センサ２２、排気中の酸素濃度を検出する酸素センサ２３、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサ３２、クランク角を検出してエンジン回転速度を求めるためのクランク角センサ３３、シリンダヘッドの壁温を検出する壁温センサ３４、そして、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ３５の各出力を受けて、演算処理を実行する。
【００１０】
ＥＣＵ３０は、たとえば可変動弁ソレノイド３，４、電子制御スロットル弁１１、インジェクタ１４などにより混合気の空燃比を制御するに当たって、バルブ１，２の温度を推定してより精度の高い制御を実行する。そのためのバルブ温度推定装置について、吸気バルブ１に対するものを例として説明する。なお、排気バルブ２に対するバルブ温度推定装置も同様の構成にて実施可能であることは当然理解されるところである。
【００１１】
本例においてバルブ温度を算出する演算手段となるＥＣＵ３０は、バルブ温度ＴＶについて、吸入空気量Ｑａ、エンジン回転速度Ｎｅ、目標当量比ＴＦＢＹＡに基づき次のようにして算出する。そのＥＣＵ３０の実行する演算処理の構成について、図２にブロック図で示してある。
まず最初に、バルブ温度基本参照値算出ブロックＢ１においてＥＣＵ３０は、現在の吸入空気量Ｑａ及びエンジン回転速度Ｎｅからバルブ温度の基本参照値ＴＶＳＴＤ０を算出する。本例においては、予めＲＯＭ等のメモリに記憶させてある基本参照値マップＭＴＶＳＴＤ０から該当する基本参照値ＴＶＳＴＤ０が読み出される。基本参照値マップＭＴＶＳＴＤ０は、吸入空気量Ｑａとエンジン回転速度Ｎｅに関連させて基本参照値ＴＶＳＴＤ０をマッピングしたもので、両値が高くなるほど基本参照値ＴＶＳＴＤ０も高くなる傾向を持つ。このときの目標当量比ＴＦＢＹＡは１である。
【００１２】
基本参照値ＴＶＳＴＤ０が算出されると、バルブ温度基本値算出ブロックＢ２において基本参照値ＴＶＳＴＤ０に、バルブ設置部位（本実施形態の場合シリンダヘッド）の温度としてエンジン冷却水温度ＴＷＮを加算し、バルブ温度の基本値ＴＶＳＴＤを算出する。これにより、現在の運転条件に応じた基本値ＴＶＳＴＤが算出されることになる。ただし、この基本値ＴＶＳＴＤは、目標当量比ＴＦＢＹＡが１のときの平衡温度を示すことになる。バルブ設置部位の温度としては壁温センサ３４によるシリンダヘッドの壁温を入力することも可能であるが、シリンダヘッド内を流れるエンジン冷却水温度を計測する方が、よりバルブに近い部位の温度を捉えられるので好ましい。
【００１３】
一方、バルブ温度補正値算出ブロックＢ３でＥＣＵ３０は、現在のエンジン回転速度Ｎｅと目標当量比ＴＦＢＹＡとに基づきバルブ温度の補正値ＴＶＨＯＳを算出する。本例においては、予めＲＯＭ等のメモリに記憶させてある補正値マップＭＴＶＨＯＳから該当する補正値ＴＶＨＯＳが読み出される。補正値マップＭＴＶＨＯＳは、エンジン回転速度Ｎｅ毎に目標当量比ＴＦＢＹＡに対する補正値ＴＶＨＯＳをマッピングしたもので、同じ目標当量比ＴＦＢＹＡであってもエンジン回転速度Ｎｅに応じて補正値ＴＶＨＯＳは上下する。逆に、同じエンジン回転速度Ｎｅであっても目標当量比ＴＦＢＹＡが変われば補正値ＴＶＨＯＳも変化する。
【００１４】
算出された補正値ＴＶＨＯＳは、バルブ平衡温度算出ブロックＢ４で基本値ＴＶＳＴＤに乗算され、目標当量比を加味したバルブの平衡温度ＴＶＨが算出される。このように基本値ＴＶＳＴＤを補正値ＴＶＨＯＳで補正することにより、運転条件に細かく応じた精度の高いバルブ温度を算出することができるようになる。
さらに、バルブ温度時定数算出ブロックＢ５でＥＣＵ３０は、吸入空気量Ｑａに従ってバルブ温度の時定数ＴＣＯＮＳＴを算出する。本例においては、予めＲＯＭ等のメモリに記憶させてある時定数マップＭＴＣＯＮＳＴから該当する時定数ＴＣＯＮＳＴが読み出される。時定数マップＭＴＣＯＮＳＴは、吸入空気量Ｑａに対し時定数ＴＣＯＮＳＴをマッピングしたもので、吸入空気量Ｑａが上がると時定数ＴＣＯＮＳＴも上昇する傾向にある。この時定数ＴＣＯＮＳＴは、運転条件に対するバルブ温度の過渡応答を示すことになる。
【００１５】
ＥＣＵ３０は、平衡温度算出ブロックＢ４による平衡温度ＴＶＨ及び時定数算出ブロックＢ５による時定数ＴＣＯＮＳＴを利用し、バルブ温度算出ブロックＢ６においてバルブ温度ＴＶを算出する。バルブ温度ＴＶは、数式１：ＴＶ＝ＴＶＨ×ＴＣＯＮＳＴ＋ＴＶｚ×（１−ＴＣＯＮＳＴ）により算出することができる。この時定数ＴＣＯＮＳＴを用いた現在の平衡温度ＴＶＨとバルブ温度の前回値ＴＶｚとの演算により、過渡の運転条件変化に対応したより精度の高いバルブ温度算出が可能となっている。
【００１６】
このような演算処理を実行することにより、運転条件の変化に応じた細かなバルブ温度を算出することができ、精度を大きく向上させられている。且つ、始動時の冷却水温度毎に経過時間毎の補正値を記憶するようなメモリ容量及び演算負荷は不要で、簡素な演算でメモリ容量及び演算負荷を増やすことなく推定精度を高められている。
当該演算処理のフローチャートにつき、図３〜図５に図示してある。
【００１７】
まず、図３のステップＳ１でＥＣＵ３０は、アクセルオフの減速運転中などで燃料カットが行われていないかどうか確認する。燃料カット中であれば燃焼が行われないので、ステップＳ２へ進んでエンジン冷却水温度ＴＷＮを読み込み、ステップＳ３でエンジン冷却水温度ＴＷＮを平衡温度ＴＶＨとする。
一方、燃料カット中でなければステップＳ４へ進み、ＥＣＵ３０は吸入空気量Ｑａ及びエンジン回転速度Ｎｅを読み込む。そしてステップＳ５で、基本参照値マップＭＴＶＳＴＤ０から該当する基本参照値ＴＶＳＴＤ０を算出する（図２の基本参照値算出ブロックＢ１）。さらにステップＳ６へ進んでＥＣＵ３０はエンジン冷却水温度ＴＷＮを読み込み、そしてステップＳ７で、ＴＶＳＴＤ０＋ＴＷＮにより基本値ＴＶＳＴＤを算出する（図２の基本値算出ブロックＢ２）。
【００１８】
続いて（あるいは並行して）ステップＳ８でＥＣＵ３０は、目標当量比ＴＦＢＹＡ及びエンジン回転速度Ｎｅを読み込む。そしてステップＳ９において、補正値マップＭＴＶＨＯＳから補正値ＴＶＨＯＳを算出し（図２の補正値算出ブロックＢ３）、ステップＳ１０で、ＴＶＳＴＤ×ＴＶＨＯＳにより平衡温度ＴＶＨを算出する（図２の平衡温度算出ブロックＢ４）。
【００１９】
平衡温度ＴＶＨの算出に続けて（あるいは並行して）、ＥＣＵ３０は、図４の時定数ＴＣＯＮＳＴの演算フローを実施する。まずステップＳ２０で、燃料カット中かどうかチェックを行う。燃料カット中であればステップＳ２１へ進み、予め記憶してある燃料カット中専用の時定数ＴＣＯＮＳＴＦを読み出す。一方、燃料カット中でなければステップＳ２２へ進んで、ＥＣＵ３０は吸入空気量Ｑａを読み込み、ステップＳ２３で時定数マップＭＴＣＯＮＳＴから該当する時定数ＴＣＯＮＳＴを算出する（図２の時定数算出ブロックＢ５）。
【００２０】
平衡温度ＴＶＨと時定数ＴＣＯＮＳＴが算出されると、図５の演算フローへ行き、ステップＳ３０でＥＣＵ３０は、平衡温度ＴＶＨ、時定数ＴＣＯＮＳＴ及びバルブ温度前回値ＴＶｚを読み込む。そしてステップＳ３１で、上記数式１による演算を行ってバルブ温度ＴＶを算出する（図２のバルブ温度算出ブロックＢ６）。
このようにして算出された精度の高いバルブ温度ＴＶは、たとえば次に説明するようなバルブクリアランス量推定装置において使用することもできる。これにより、精度の高い実バルブクリアランス量の算出に大きく貢献する。
【００２１】
ＥＣＵ３０による可変動弁ソレノイド３，４及びこれに伴う点火時期の制御にあたっては、運転条件に応じた実バルブクリアランス量を算出することも重要である。そのためのバルブクリアランス量推定装置について、吸気バルブ１に対するものを例として説明する。なお、排気バルブ２に対するバルブクリアランス量推定装置も同様の構成にて実施可能であることは当然理解されるところである。
【００２２】
本例において実バルブクリアランス量を算出する演算手段となるＥＣＵ３０は、バルブクリアランスの基準量ＶＣＬＲＳＴＤを算出するために、気筒におけるバルブ設置部位の温度として、水温センサ３２によるエンジン冷却水温度ＴＷＮを入力する。また、ＥＣＵ３０は、上記のバルブ温度推定装置によるバルブ温度ＴＶを使用して、バルブクリアランスの補正量ＶＣＬＲＶＡＲを算出する。そして、ＥＣＵ３０は、算出したバルブクリアランスの基準量を補正量で補正することにより、現在の運転条件における実バルブクリアランス量を算出する。その演算処理のフローチャートを図６に、また当該演算処理の構成についてブロック図で図７に示している。
【００２３】
実バルブクリアランス量の推定処理が、所定周期あるいはバルブタイミング制御に伴い開始されると、ＥＣＵ３０はステップＳ４０で、水温センサ３２によるエンジン冷却水温度ＴＷＮを読み込む。そしてステップＳ４１において、読み込んだエンジン冷却水温度ＴＷＮからバルブクリアランスの基準量ＶＣＬＲＳＴＤを算出する。この基準量算出が、図７の基準量算出ブロックＢ１０にて実行される。
【００２４】
基準量算出ブロックＢ１０では、エンジン冷却水温度ＴＷＮにバルブクリアランスの基準量ＶＣＬＲＳＴＤを関連付けた基準量マップＭＳＴＤをＥＣＵ３０のＲＯＭ等に記憶してあり、実測されたエンジン冷却水温度ＴＷＮに従い基準量マップＭＳＴＤをアクセスすることで該当する基準量ＶＣＬＲＳＴＤを読み出すようにしている。基準量マップＭＳＴＤは、バルブクリアランス関連部品の熱変形によるバルブクリアランスの変化量をエンジン冷却水温度ＴＷＮに関連付けて予め作成し、メモリに記憶させたものである。そのバルブクリアランス関連部品とは、たとえばシリンダヘッド、バルブ、バルブシート、バルブガイド、バルブリフタ、リテーナ、カムベースサークルであり、これらバルブクリアランス関連部品の熱変形によるバルブクリアランスの総変化量が基準量ＶＣＬＲＳＴＤとして基準量マップＭＳＴＤに記憶される。
【００２５】
このようにマップを予め作成してアクセスする手法とすることにより、シリンダヘッド、バルブの熱変形量をそれぞれ算出したり、バルブの傘径方向と軸方向とに分けて熱変形量を算出したりする必要が無くなり、演算処理が簡素化され、演算負荷及びメモリ容量の軽減を図ることができる。また、エンジン冷却水温度から基準量を算出することにより、簡易な処理で済むようにしてある。
【００２６】
バルブクリアランスの基準量ＶＣＬＲＳＴＤの算出が終わると（あるいはこれと並行して）、ステップＳ４２でバルブ温度ＴＶを読み込み、続くステップＳ４３でバルブクリアランスの補正量ＶＣＬＲＶＡＲを算出する。この補正量算出は、図７の補正量算出ブロックＢ１１にて実行される。
補正量算出ブロックＢ１１では、吸気バルブ１のバルブ温度ＴＶ、エンジン冷却水温度ＴＷＮ、そして、予め分かっている吸気バルブ１の熱膨張率ＴＨＥＲＥＸＰ、同じく吸気バルブ１のステム長さＶＳＴＥＭ及びステム長さに対する傘径の比ＶＲＡＴＩＯを利用して、数式２：ＶＣＬＲＶＡＲ＝ＶＳＴＥＭ×ＶＲＡＴＩＯ×ＴＨＥＲＥＸＰ×（ＴＶ−ＴＷＮ）により補正量ＶＣＬＲＶＡＲを算出する。
【００２７】
数式２では、ＴＶ−ＴＷＮにより、エンジン冷却水温度と実際のバルブ温度との差を演算し、これに熱膨張率ＴＨＥＲＥＸＰを乗算することで、エンジン冷却水温度ＴＷＮから求められる基準量ＶＣＬＲＳＴＤについて、より実際の値に即するように精度を高める補正値を算出する。そして、吸気バルブ１の形状及び物性値となるステム長さＶＳＴＥＭ（初期値）とステム長さに対する傘径の比ＶＲＡＴＩＯを乗算することで係数とし、これをＴＨＥＲＥＸＰ×（ＴＶ−ＴＷＮ）に掛け合わせて補正量ＶＣＬＲＶＡＲを算出している。ＶＳＴＥＭ×ＶＲＡＴＩＯの演算を行うことにより、バルブの受放熱を解くことなく簡略化したモデル演算にて簡易に処理することができる。したがって、バルブの傘径方向と軸方向とに分けて熱変形量を算出する必要が無くなり、演算処理が簡素化され、演算負荷及びメモリ容量の軽減を図れる。
【００２８】
補正量ＶＣＬＲＶＡＲが算出されると、ステップＳ４４へ進んで実バルブクリアランス量ＶＣＬを算出する。当該演算を実行する図７の実バルブクリアランス量算出ブロックＢ１２では、基準量ＶＣＬＲＳＴＤに補正量ＶＣＬＲＶＡＲを合算して補正し、最終的に実バルブクリアランス量ＶＣＬを算出している。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係るバルブ温度推定装置を備えたエンジンの実施形態を示す概略図。
【図２】バルブ温度演算の構成を説明するブロック図。
【図３】バルブ温度演算処理における平衡温度算出過程の一例を示したフローチャート。
【図４】バルブ温度演算処理における時定数算出過程の一例を示したフローチャート。
【図５】バルブ温度演算処理におけるバルブ温度算出過程の一例を示したフローチャート。
【図６】実バルブクリアランス量演算処理の一例を示したフローチャート。
【図７】実バルブクリアランス量演算の構成を説明するブロック図。
【符号の説明】
【００３０】
１，２  バルブ
３，４  可変動弁ソレノイド
５，６  カム
７，８  カムセンサ
１２  エアフロメータ
３０  ＥＣＵ
３２  水温センサ
３３  クランク角センサ
Ｂ１  バルブ温度基本参照値算出ブロック
Ｂ２  バルブ温度基本値算出ブロック
Ｂ３  バルブ温度補正値算出ブロック
Ｂ４  バルブ平衡温度算出ブロック
Ｂ５  バルブ温度時定数算出ブロック
Ｂ６  バルブ温度算出ブロック
【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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