JP2007063994A - 内燃機関のバルブ温度推定装置及びこれを利用したバルブクリアランス量推定装置 - Google Patents

Abstract

【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、気筒におけるバルブ設置部位の温度としてエンジン冷却水温度ＴＷＮに基づいてバルブ温度の基本値ＴＶＩＳＴＤを算出し且つ吸入空気量、エンジン回転速度、バルブ変換角又は目標当量比のいずれか一つ以上に基づいて補正値ＴＶＩＨＯＳを算出し、その基本値ＴＶＩＳＴＤを補正値ＴＶＩＨＯＳで補正することによりバルブ温度ＴＶＩ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、バルブ変換角、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

Description

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及びこれを利用してバルブクリアランス量を推定する技術に関する。

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。
特開平８−４９５８１号公報（段落００２７〜００２８） 特開平８−６１１１５号公報（段落００２７〜００２８） 特開平９−１７７５７８号公報（段落００２４〜００２７）

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。

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し、さらに、そのバルブ温度を利用したバルブクリアランス量推定装置も提案する。

本発明による内燃機関のバルブ温度推定装置は、気筒におけるバルブ設置部位の温度に基づいてバルブ温度の基本値を算出し且つ吸入空気量、エンジン回転速度、バルブ変換角又は目標当量比のいずれか一つ以上に基づいて補正値を算出し、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。

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、バルブ変換角、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。

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（バルブ変換角）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。

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。

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、排気ガス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。

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、吸排気バルブ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に対するものから説明する。
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、吸気バルブ温度ＴＶＩについて、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に基づき基本値ＴＶＩＳＴＤを算出し、そして、本実施形態の場合は現在のエンジン回転速度Ｎｅに基づき補正値ＴＶＩＨＯＳを算出することにより、次のようにして推定する。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、バルブ温度基本値算出ブロックＢ１においてＥＣＵ３０は、エンジン冷却水温度ＴＷＮに基づき吸気バルブ温度の基本値ＴＶＩＳＴＤ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値マップＭＴＶＩＳＴＤから該当する基本値ＴＶＩＳＴＤが読み出される。基本値マップＭＴＶＩＳＴＤは、エンジン冷却水温度ＴＷＮに関連させて基本値ＴＶＩＳＴＤをマッピングしたもので、これにより、現在の運転条件に応じた基本値ＴＶＩＳＴＤが算出されることになる。なお、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。

一方、バルブ温度補正値算出ブロックＢ２でＥＣＵ３０は、現在のエンジン回転速度Ｎｅ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ＭＴＶＩＨＯＳから該当する補正値ＴＶＩＨＯＳが読み出される。補正値マップＭＴＶＩＨＯＳは、エンジン回転速度Ｎｅに関連させて補正値ＴＶＩＨＯＳをマッピングしたもので、この補正値ＴＶＩＨＯＳ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。

ＥＣＵ３０は、基本値算出ブロックＢ１による基本値ＴＶＩＳＴＤ及び補正値算出ブロックＢ２による補正値ＴＶＩＨＯＳを利用し、バルブ温度算出ブロックＢ３において、基本値ＴＶＩＳＴＤと補正値ＴＶＩＨＯＳとを乗算することにより、吸気バルブ温度ＴＶＩを算出する。算出された吸気バルブ温度ＴＶＩは、たとえば後述のバルブクリアランス量推定装置による実バルブクリアランス量の推定に用いることができ、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。

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に図示してある。

まず、図３のステップＳ１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Ｓ２で、基本値マップＭＴＶＩＳＴＤから該当する基本値ＴＶＩＳＴＤを算出する（図２の基本値算出ブロックＢ１）。続いて（あるいは並行して）ステップＳ３でＥＣＵ３０は、エンジン回転速度Ｎｅを読み込む。そしてステップＳ４において、補正値マップＭＴＶＩＨＯＳから補正値ＴＶＩＨＯＳを算出し（図２の補正値算出ブロックＢ２）、ステップＳ５で、ＴＶＩＳＴＤ×ＴＶＩＨＯＳにより吸気バルブ温度ＴＶＩを算出する（図２のバルブ温度算出ブロックＢ３）。

次に、排気バルブ２に対するバルブ温度推定装置を説明する。
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、排気バルブ温度ＴＶＥについて、バルブ設置部位の温度として排気ガス温度ＴＥＸＨに基づき基本値ＴＶＥＳＴＤを算出し、そして、本実施形態の場合は現在のエンジン回転速度Ｎｅに基づき補正値ＴＶＥＨＯＳを算出することにより、次のようにして推定する。そのＥＣＵ３０の実行する演算処理の構成について、図４にブロック図で示してある。

まず最初に、バルブ温度基本値算出ブロックＢ１０においてＥＣＵ３０は、排気ガス温度ＴＥＸＨに基づき排気バルブ温度の基本値ＴＶＥＳＴＤを算出する。吸気バルブ同様、予めＲＯＭ等のメモリに記憶させてある基本値マップＭＴＶＥＳＴＤから該当する基本値ＴＶＥＳＴＤが読み出される。基本値マップＭＴＶＥＳＴＤは、排気ガス温度ＴＥＸＨに関連させて基本値ＴＶＥＳＴＤをマッピングしたもので、これにより、現在の運転条件に応じた基本値ＴＶＥＳＴＤが算出されることになる。なお、この場合のバルブ設置部位の温度としてはエンジン冷却水温度ＴＷＮを入力することも可能であるが、排気側の場合は排気バルブ２を通って排出された排気ガス温度ＴＥＸＨを計測することができるので、本例ではこれを用いている。

バルブ温度補正値算出ブロックＢ１１では、現在のエンジン回転速度Ｎｅに基づきバルブ温度の補正値ＴＶＨＯＳを算出する。これも吸気バルブ同様、予めＲＯＭ等のメモリに記憶させてある補正値マップＭＴＶＥＨＯＳから該当する補正値ＴＶＥＨＯＳが読み出される。補正値マップＭＴＶＥＨＯＳは、エンジン回転速度Ｎｅに関連させて補正値ＴＶＥＨＯＳをマッピングしたもので、この補正値ＴＶＥＨＯＳ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。

ＥＣＵ３０は、基本値算出ブロックＢ１０による基本値ＴＶＥＳＴＤ及び補正値算出ブロックＢ１１による補正値ＴＶＥＨＯＳを利用し、バルブ温度算出ブロックＢ１２において、基本値ＴＶＥＳＴＤと補正値ＴＶＥＨＯＳとを乗算することにより、排気バルブ温度ＴＶＥを算出する。算出された排気バルブ温度ＴＶＥは、たとえば後述のバルブクリアランス量推定装置による実バルブクリアランス量の推定に用いることができ、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。

このような演算処理を実行することにより、排気バルブ２の温度推定においても吸気バルブ１と同様の作用、効果を得ることができる。
当該排気バルブ温度に関する演算処理のフローチャートにつき、図５に図示してある。
まず、図５のステップＳ１０で、ＥＣＵ３０は排気ガス温度ＴＥＸＨを読み込み、そしてステップＳ１１で、基本値マップＭＴＶＥＳＴＤから該当する基本値ＴＶＥＳＴＤを算出する（図４の基本値算出ブロックＢ１０）。続いて（あるいは並行して）ステップＳ１２でＥＣＵ３０は、エンジン回転速度Ｎｅを読み込む。そしてステップＳ１３において、補正値マップＭＴＶＥＨＯＳから補正値ＴＶＥＨＯＳを算出し（図４の補正値算出ブロックＢ１１）、ステップＳ１４で、ＴＶＥＳＴＤ×ＴＶＥＨＯＳにより排気バルブ温度ＴＶＥを算出する（図４のバルブ温度算出ブロックＢ１２）。

なお、上記の各実施形態では吸排気バルブの温度推定にエンジン回転速度Ｎｅを使用しているが、この他に運転条件を現す、吸入空気量、バルブ変換角、目標当量比のいずれか一つ、あるいはこれらの組み合わせに対し補正値ＴＶＩＨＯＳ，ＴＶＥＨＯＳを予めマッピングして用いるようにしても良い。たとえばバルブ変換角Ｖａを使用した場合の補正値マップＭＴＶＩＨＯＳ，ＭＴＶＥＨＯＳは、図６（吸気バルブ）、図７（排気バルブ）に示すようになる。これによっても同様に、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。

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説明する。
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（ＴＶＩ，ＴＶＥ）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８に、また当該演算処理の構成についてブロック図で図９に示している。

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Ｓ２０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Ｓ２１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９の基準量算出ブロックＢ２０にて実行される。

基準量算出ブロックＢ２０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。

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。

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Ｓ２２でバルブ温度ＴＶを読み込み、続くステップＳ２３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９の補正量算出ブロックＢ２１にて実行される。
補正量算出ブロックＢ２１では、バルブ温度ＴＶ、エンジン冷却水温度ＴＷＮ、そして、予め分かっているバルブの熱膨張率ＴＨＥＲＥＸＰ、同じくバルブのステム長さＶＳＴＥＭ及びステム長さに対する傘径の比ＶＲＡＴＩＯを利用して、数式１：ＶＣＬＲＶＡＲ＝ＶＳＴＥＭ×ＶＲＡＴＩＯ×ＴＨＥＲＥＸＰ×（ＴＶ−ＴＷＮ）により補正量ＶＣＬＲＶＡＲを算出する。

そのバルブ温度ＴＶとして、吸気バルブ１について演算する場合は上記のバルブ温度推定装置による吸気バルブ温度ＴＶＩを用い、排気バルブ２について演算する場合は上記バルブ温度推定装置による排気バルブ温度ＴＶＥを用いる。そのバルブ温度推定にあたっては、吸排気バルブ１，２とも基本値ＴＶＩＳＴＤ，ＴＶＥＳＴＤの算出にエンジン冷却水温度ＴＷＮを利用する例が可能である。両者を同じエンジン冷却水温度ＴＷＮに基づき算出するので、メモリ容量及び演算負荷の低減に役立つ。あるいは、吸気バルブ１の基本値ＴＶＩＳＴＤ算出にはエンジン冷却水温度ＴＷＮを利用し且つ排気バルブ２の基本値ＴＶＥＳＴＤ算出には排気ガス温度ＴＥＸＨを利用する例も可能である。これは、排気ポートに排気温度センサ２２を備えている場合に有用である。

数式１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、吸排気バルブ１，２の各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。

補正量ＶＣＬＲＶＡＲが算出されると、ステップＳ２４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９の実バルブクリアランス量算出ブロックＢ２２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。

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。 吸気バルブのバルブ温度演算の構成を説明するブロック図。 吸気バルブ温度演算処理過程の一例を示したフローチャート。 排気バルブのバルブ温度演算の構成を説明するブロック図。 排気バルブ温度演算処理過程の一例を示したフローチャート。 吸気バルブに関する補正値マップの他の例を示した図。 排気バルブに関する補正値マップの他の例を示した図。 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。 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

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，Ｂ１０ バルブ温度基本値算出ブロック
Ｂ２，Ｂ１１ バルブ温度補正値算出ブロック
Ｂ３，Ｂ１２ バルブ温度算出ブロック

Claims (6)

1. 気筒におけるバルブ設置部位の温度に基づいてバルブ温度の基本値を算出し且つ吸入空気量、エンジン回転速度、バルブ変換角又は目標当量比のいずれか一つ以上に基づいて補正値を算出し、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。
2. バルブ設置部位の温度として、エンジン冷却水温度を使用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。
3. バルブ設置部位の温度として、排気ガス温度を使用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。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のバルブ温度推定装置により算出したバルブ温度に基づいて、実バルブクリアランス量を算出することを特徴とする内燃機関のバルブクリアランス量推定装置。
5. 請求項２記載のバルブ温度推定装置により算出した吸気バルブ温度と排気バルブ温度とに基づいて、吸気バルブと排気バルブの各実バルブクリアランス量を算出することを特徴とする内燃機関のバルブクリアランス量推定装置。
6. 請求項２記載のバルブ温度推定装置により算出した吸気バルブ温度に基づいて吸気バルブの実バルブクリアランス量を算出し、請求項３記載のバルブ温度推定装置により算出した排気バルブ温度に基づいて排気バルブの実バルブクリアランス量を算出することを特徴とする内燃機関のバルブクリアランス量推定装置。
   

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