(57)【要約】【課題】この発明は、冷間運転時に吸気バルブのリフト量を小さくしつつ、作用角や位相角を適切に調整し、排気エミッションを向上させることを目的とする。【解決手段】内燃機関１０は、吸気バルブ３２の作用角およびリフト量を可変に設定する可変動弁機構３６と、吸気バルブ３２の位相角を可変に設定するＶＶＴ４０とを備える。ＥＣＵ５０は、冷間運転が行われるときに、可変動弁機構３６により吸気バルブ３２の作用角、リフト量をそれぞれ中作用角、中リフト量に設定する。また、ＶＶＴ４０により、吸気バルブ３２の開弁時期を吸気上死点後４５〜９０°ＣＡの範囲に設定し、かつ当該バルブの閉弁時期を大作用角に対応した時期に保持する。これにより、燃焼室１４に流入する吸入空気の流速を増大させつつ、実圧縮比を抑えることができ、排気エミッションを向上させることができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の吸気バルブの作用角およびリフト量を可変に設定する機構であり、前記作用角を増大させるにつれて前記リフト量が大きくなる可変動弁機構と、
前記吸気バルブの位相角を可変に設定する位相角可変機構と、
前記可変動弁機構と前記位相角可変機構とを駆動することにより、冷間運転時に前記吸気バルブの作用角、リフト量をそれぞれ中作用角、中リフト量に設定した状態で、前記吸気バルブの開弁時期を吸気上死点後４５〜９０°ＣＡの範囲に設定し、かつ前記吸気バルブの閉弁時期を大作用角に対応した時期に保持する吸気バルブ制御手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
内燃機関の吸気バルブの作用角およびリフト量を可変に設定する機構であり、前記リフト量を一定とした状態で前記作用角を変化させることが可能な可変動弁機構と、
前記吸気バルブの位相角を可変に設定する位相角可変機構と、
前記可変動弁機構と前記位相角可変機構とを駆動することにより、冷間運転時に前記吸気バルブの作用角、リフト量をそれぞれ中作用角、小リフト量に設定した状態で、前記吸気バルブの開弁時期を吸気上死点後４５〜９０°ＣＡの範囲に設定し、かつ前記吸気バルブの閉弁時期を大作用角に対応した時期に保持する吸気バルブ制御手段と、
を備えることを特徴とする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、可変動弁機構と位相角可変機構とを搭載した内燃機関の制御装置に関し、特に、冷間運転時にバルブ制御を実行する構成とした内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１（特開２００１−２６３０１５号公報）に開示されているように、可変動弁機構を備えた内燃機関の制御装置が知られている。従来技術の制御装置は、可変動弁機構を用いることにより、内燃機関の運転状態に応じてバルブのリフト量や作用角を変化させるようにしている。
【０００３】
また、例えば特許文献２（特開２０００−８７７６９号公報）には、内燃機関に搭載される位相角可変機構が記載されている。この位相角可変機構によれば、バルブの位相角を可変に設定することができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２６３０１５号公報
【特許文献２】特開２０００−８７７６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した従来技術では、可変動弁機構や位相角可変機構を制御することにより、冷間運転時に排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）を低減することができる。具体的に言えば、冷間運転時には、吸気バルブのリフト量を小さく設定し、かつ吸気バルブの開弁時期を遅らせることにより、燃焼室に流入する吸入空気の流速を増大させる。これにより、混合気の形成が促進されるから、ＨＣの発生を抑えることができる。
【０００６】
しかしながら、従来技術において、可変動弁機構によりリフト量を小さくした場合には、可変動弁機構の動作特性により吸気バルブの作用角も減少することになる。この結果、吸気バルブの閉弁時期が下死点の近傍となり、燃焼室の実圧縮比が増大するので、冷間始動時などに排気ガス中の未燃ＨＣが増大するという問題がある。
【０００７】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、本発明は、吸気バルブのリフト量を小さくしつつ、作用角や位相角を適切に調整して実圧縮比を抑えることができ、冷間運転時の排気エミッションを向上させることが可能な内燃機関の制御装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、内燃機関の吸気バルブの作用角およびリフト量を可変に設定する機構であり、前記作用角を増大させるにつれて前記リフト量が大きくなる可変動弁機構と、
前記吸気バルブの位相角を可変に設定する位相角可変機構と、
前記可変動弁機構と前記位相角可変機構とを駆動することにより、冷間運転時に前記吸気バルブの作用角、リフト量をそれぞれ中作用角、中リフト量に設定した状態で、前記吸気バルブの開弁時期を吸気上死点後４５〜９０°ＣＡの範囲に設定し、かつ前記吸気バルブの閉弁時期を大作用角に対応した時期に保持する吸気バルブ制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００９】
第２の発明は、内燃機関の吸気バルブの作用角およびリフト量を可変に設定する機構であり、前記リフト量を一定とした状態で前記作用角を変化させることが可能な可変動弁機構と、
前記吸気バルブの位相角を可変に設定する位相角可変機構と、
前記可変動弁機構と前記位相角可変機構とを駆動することにより、冷間運転時に前記吸気バルブの作用角、リフト量をそれぞれ中作用角、小リフト量に設定した状態で、前記吸気バルブの開弁時期を吸気上死点後４５〜９０°ＣＡの範囲に設定し、かつ前記吸気バルブの閉弁時期を大作用角に対応した時期に保持する吸気バルブ制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
第１の発明によれば、吸気バルブ制御手段は、冷間運転時に吸気バルブのリフト量を中程度に減少させ、吸入空気の流速（特に、初期流速）を増大させることができる。これにより、混合気の形成を促進し、燃焼状態を改善することができる。また、吸気バルブの閉弁時期を大作用角に対応した時期に保持することにより、実圧縮比を低下させることができ、未燃焼ＨＣの発生を抑えることができる。さらに、吸気バルブの開弁時期をＡＴＤＣ４５〜９０°ＣＡの範囲に設定することにより、吸入空気の流速を増大させつつ、燃焼室の壁面に燃料が付着するのを抑制することができる。
【００１１】
即ち、吸入空気の初期流入速度は、開弁時期を遅角させるほど増大するが、開弁時期をＡＴＤＣ９０°ＣＡよりも遅角させると、吸入空気の流速が極端に早くなり、吸入空気と混ざり合うべき燃料が燃焼室の壁面に付着し易くなる。また、吸気バルブの開弁時期を遅らせるほど、吸気行程におけるポンピングロスが増大するので、燃費性能が悪化する。従って、吸気バルブ制御手段によれば、吸気バルブの開弁時期を適切な範囲に設定することができる。そして、冷間運転時にＨＣが排出されるのを抑制し、排気エミッションを向上させることができる。
【００１２】
第２の発明によれば、吸気バルブ制御手段は、第１の発明とほぼ同様の作用効果を得ることができる。しかも、第２の発明では、吸気バルブのリフト量を小リフト量に減少させる分だけ、吸入空気の初期流入速度を更に増大させることができる。従って、均質な混合気の形成を促進し、燃焼状態をより改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
以下、図１乃至図７を参照しつつ、本発明の実施の形態１について説明する。まず、図１は、実施の形態１のシステム構成を説明するための全体構成図を示している。この図に示すように、本実施の形態のシステムは、ガソリンエンジン等からなる内燃機関１０を備えている。内燃機関１０の筒内にはピストン１２が設けられており、このピストン１２は、筒内に燃焼室１４を形成すると共に、クランク軸１６に連結されている。また、内燃機関１０は、吸入空気を燃焼室１４に向けて吸込む吸気通路１８と、燃焼室１４から排気ガスを排出する排気通路２０とを備えている。
【００１４】
吸気通路１８には、吸入空気量を検出するエアフロメータ２２と、電子制御式のスロットルバルブ２４とが設けられている。スロットルバルブ２４は、スロットルモータ２６により駆動され、アクセル開度等に基いて吸入空気量を増減させる。また、内燃機関１０は、気筒の吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁２８と、筒内の混合気に点火する点火プラグ３０と、燃焼室１４に対して吸気通路１８を開，閉する吸気バルブ３２と、燃焼室１４に対して排気通路２０を開，閉する排気バルブ３４とを備えている。
【００１５】
また、内燃機関１０は、吸気バルブ３２の作用角とリフト量とを可変に設定する可変動弁機構３６を備えている。可変動弁機構３６は、例えば特開２００１−２６３０１５号公報に記載されているような公知の構成を有しており、後述のＥＣＵ５０から入力される制御信号に応じてバルブの開閉特性を変化させる。図２は、本発明の実施の形態１において、可変動弁機構により実現されるバルブ特性を示す特性線図である。
【００１６】
図２に示すように、可変動弁機構３６の作動時には、吸気バルブ３２の作用角とリフト量とが一緒に変化する構成となっている。即ち、可変動弁機構３６により吸気バルブ３２の作用角を小作用角から中作用角、大作用角へと順次変化させると、当該バルブのリフト量も小リフト量から中リフト量、大リフト量へと順次変化する。一方、図１に示すように、排気バルブ３４にも、吸気側とほぼ同様の可変動弁機構３８が配置されている。
【００１７】
さらに、内燃機関１０は、吸気バルブ３２の位相角を可変に設定する位相角可変機構としてのＶＶＴ（Variable Valve Timing system＝可変バルブタイミング機構）４０を備えている。ＶＶＴ４０は、例えば特開２０００−８７７６９号公報に開示されているような公知の構成を有している。そして、ＶＶＴ４０は、ＥＣＵ５０から入力される制御信号に応じて、吸気バルブ３２の位相角を進角および遅角させることができる。
【００１８】
一方、本実施の形態のシステムは、回転センサ４２を含むセンサ系統と、内燃機関１０の運転状態を制御するＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０とを備えている。回転センサ４２は、クランク軸１６の回転に同期した信号をＥＣＵ５０に出力する。前記センサ系統には、エアフロメータ２２、回転センサ４２に加えて、内燃機関の冷却水温を検出する水温センサ、排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ、運転者のアクセル操作を検出するアクセル開度センサ等が含まれている。これらのセンサは、ＥＣＵ５０の入力側に接続されている。
【００１９】
また。ＥＣＵ５０の出力側には、スロットルモータ２６、燃料噴射弁２８、点火プラグ３０を含む各種のアクチュエータが接続されている。このアクチュエータには、可変動弁機構３６，３８、ＶＶＴ４０等を制御するアクチュエータも含まれている。そして、ＥＣＵ５０は、内燃機関１０の運転状態をセンサ系統によって検出しつつ、各アクチュエータを駆動することによって運転制御を行う。また、ＥＣＵ５０は、吸気バルブ制御手段を構成しており、以下に述べる冷間バルブ制御を実行する。
【００２０】
（冷間バルブ制御）
本実施の形態のシステム構成によれば、可変動弁機構３６やＶＶＴ４０等を制御することにより、冷間運転時に排気ガス中のＨＣを低減することができる。即ち、冷間運転時には、吸気バルブ３２のリフト量を減少させ、かつ当該バルブの開弁時期を遅らせることにより、燃焼室１４に流入する吸入空気の流速を増大させる。これにより、混合気の形成が促進されるから、ＨＣの発生を抑えることができる。しかしながら、単にリフト量を減少させただけでは、可変動弁機構３６の動作特性によりバルブの作用角も減少する。この結果、吸気バルブ３２の閉弁時期が下死点の近傍となり、燃焼室１４の実圧縮比が増大するので、排気ガス中の未燃ＨＣが増大するという問題がある。
【００２１】
上記問題を解決するために、本実施の形態では、冷間運転が行われているときに、冷間バルブ制御を実行する構成としている。図３は、本発明の実施の形態１において、冷間バルブ制御により実現されるバルブ特性を示す特性線図である。図３中の実線に示すように、冷間バルブ制御では、まず、可変動弁機構３６により、吸気バルブ３２の作用角およびリフト量を大作用角の場合と比較して減少させる。また、ＶＶＴ４０により、バルブの位相角を通常の位置（図２中に示す位置）よりも遅角させる。そして、下記の条件（１），（２），（３）が満たされるように、作用角（リフト量）と位相角とを調整する。
【００２２】
（１）吸気バルブ３２の作用角を中作用角に設定し、これに伴って当該バルブのリフト量を中リフト量に設定する。
（２）吸気バルブ３２の閉弁時期を大作用角の場合とほぼ同様の時期に設定する。
（３）吸気バルブ３２の開弁時期を大作用角の場合よりも遅角させ、この開弁時期を吸気上死点後（ＡＴＤＣ）４５〜９０°ＣＡの範囲に設定する。
【００２３】
上記条件（１）によれば、リフト量を中程度に減少させることにより、大リフト量の場合と比較して燃焼室１４に流入する吸入空気の流速を増大させることができる。ここで、図４は、吸気バルブのリフト量・作用角と、吸入空気の流速との関係を示す特性線図である。図中、特性線（Ａ）は、大リフト量・大作用角に設定されたバルブ特性を示し、特性線（ａ）は当該バルブ特性における吸入空気の流速を示している。また、特性線（Ｂ）と（ｂ）は、小リフト量・小作用角におけるバルブ特性と吸入空気の流速を示している。さらに、特性線（Ｃ）と（ｃ）は、特性線（Ｂ）と同様の小リフト量・小作用角において、これよりも位相角を遅角させた場合のバルブ特性と吸入空気の流速を示している。
【００２４】
図４から判るように、リフト量を減少させることにより、吸入空気の流速（特に、初期流速）を増大させることができる。従って、前記条件（１）によれば、混合気の形成を促進し、ＨＣの発生を抑えることができる。なお、本実施の形態の可変動弁機構３６において、条件（１）は、条件（２），（３）が成立すれば必然的に満たされるものである。
【００２５】
また、条件（２）によれば、実圧縮比を低下させることができ、未燃焼ＨＣの発生を抑えることができる。ここで、図５は、バルブ作用角を中作用角に設定した場合の実圧縮比の変化を示す説明図である。この図に示すように、冷間バルブ制御では、吸気バルブ３２の作用角が通常の作用角Ｘ1よりも大きな作用角Ｘ2に設定される。これにより、実圧縮比を、通常時の圧縮比Ａ1よりも低い圧縮比Ａ2に設定することができる。
【００２６】
さらに、前記条件（３）によれば、以下に述べるような効果を得ることができる。即ち、吸気バルブ３２の開弁時期をＡＴＤＣ４５°ＣＡよりも遅角させると、開弁時の燃焼室負圧が大きくなるので、前述した図４に示すように、燃焼室に流入する吸入空気の初期流入速度が増大する。これにより、燃焼室内で吸入空気の乱流を発生させ、均質な混合気の形成を促進することができる。一方、開弁時期がＡＴＤＣ９０°ＣＡよりも遅角されると、燃焼室負圧が過大になり、吸入空気の流速が極端に早くなる。このように、流速が早過ぎる場合には、吸入空気と混ざり合うべき燃料が燃焼室の壁面に付着し易くなる。特に、低温始動時を含む冷間運転時や重質燃料の使用時などには、燃料の壁面付着量が増大し、燃焼状態が悪化する。また、吸気バルブの開弁時期を遅らせるほど、吸気行程におけるポンピングロスが増大するので、燃費性能が悪化する。
【００２７】
従って、本実施の形態のように、吸気バルブ３２の開弁時期をＡＴＤＣ４５〜９０°ＣＡの範囲に設定すれば、吸入空気の流速を適度に増大させることができる。そして、吸入空気の流れにより混合気の形成を促進しつつ、燃焼室１４の壁面に燃料が付着するのを抑制することができる。これにより、冷間運転時の燃焼状態を改善することができ、ＨＣ等の排出を抑えて排気エミッションを向上させることができる。また、ポンピングロスを抑えて燃費性能を高めることができる。
【００２８】
［実施の形態１を実現するための具体的な処理］
図６は、本発明の実施の形態１において、ＥＣＵにより実行されるルーチンのフローチャートである。図６に示すルーチンでは、まず、内燃機関が冷間運転中であるか否かを判定する（ステップ１００）。この判定が不成立のときには、そのまま制御を終了する。また、ステップ１００の判定成立時には、吸気バルブ３２の閉弁時期（Ｉnバルブ閉じ）が所定の範囲内であるか否かを判定する（ステップ１０２）。ここで、図７は、吸気バルブの閉弁時期を示す説明図である。この図に示すように、所定の範囲とは、例えば下死点（ＢＤＣ）を中心として±３０°ＣＡの範囲として設定されている。そして、ステップ１０２の判定が不成立のときには、そのまま制御を終了する。また、ステップ１０２の判定成立時には、前述した冷間バルブ制御を実行する（ステップ１０４）。即ち、吸気バルブ３２の開弁時期（Ｉnバルブ開き）が所定の値（ＡＴＤＣ４５〜９０°ＣＡ）になり、かつ閉弁時期が所定の値（大作用角に対応した角度）となるまで作用角を拡大しつつ、位相角を遅角させる。
【００２９】
実施の形態２．
次に、図８及び図９を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態は、前記実施の形態１とほぼ同様のシステム構成（図１）を採用している。しかし、本実施の形態は、バルブのリフト量を一定に保持した状態で作用角を変化させることが可能な可変動弁機構を用いており、この点で実施の形態１と構成が異なるものである。なお、本実施の形態では、前記実施の形態１と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。
【００３０】
［実施の形態２の特徴］
前記実施の形態１では、中作用角（中リフト量）を使用することにより、小作用角（小リフト量）の場合と比較して混合気形成の促進効果が減少する。そこで、本実施の形態では、バルブのリフト量を変化させずに作用角のみを変化させることが可能な可変動弁機構を採用している。図８は、本発明の実施の形態２において、冷間バルブ制御により実現されるバルブ特性を示す特性線図である。この図に示すように、本実施の形態の冷間バルブ制御では、前記可変動弁機構とＶＶＴ４０により、下記の条件（１′），（２），（３）が満たされるように、バルブの作用角、リフト量および位相角をそれぞれ調整する。
（１′）吸気バルブ３２の作用角を中作用角に設定し、かつ当該バルブのリフト量を小リフト量に設定する。
（２）吸気バルブ３２の閉弁時期を大作用角の場合とほぼ同様の時期に設定する。
（３）吸気バルブ３２の開弁時期を大作用角の場合よりも遅角させ、この開弁時期を吸気上死点後（ＡＴＤＣ）４５〜９０°ＣＡの範囲に設定する。
【００３１】
上記条件（２），（３）は、実施の形態１と同じものである。また、条件（１′）においては、図８に示すように、吸気バルブ３２のリフト量を小リフト量に設定しており、この点が実施の形態１と異なっている。この条件（１′）によれば、リフト量を減少させる分だけ、燃焼室に流入する吸入空気の初期流入速度を増大させ、均質な混合気の形成を促進することができる。従って、本実施の形態によれば、実施の形態１と同様の作用効果を発揮しつつ、燃焼状態をより改善することができる。
【００３２】
［実施の形態２を実現するための具体的な処理］
図９は、本発明の実施の形態２において、ＥＣＵにより実行されるルーチンのフローチャートである。図９に示すルーチンでは、まず、内燃機関が冷間運転中であるか否かを判定し（ステップ２００）、この判定が不成立のときには、そのまま制御を終了する。また、ステップ２００の判定成立時には、前記実施の形態１のステップ１０２と同様に、吸気バルブ３２の閉弁時期が所定の範囲内であるか否かを判定し（ステップ２０２）、この判定が不成立のときには、そのまま制御を終了する。
【００３３】
そして、ステップ２０２の判定成立時には、本実施の形態の冷間バルブ制御を実行する（ステップ２０４）。即ち、吸気バルブ３２を同一リフト量（小リフト量）に保持した状態で、作用角を所定の値（中リフト量）まで増大させつつ、位相角を遅角させる。これにより、前記条件（１′），（２），（３）を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための全体図である。
【図２】本発明の実施の形態１において、可変動弁機構により実現されるバルブ特性を示す特性線図である。
【図３】本発明の実施の形態１において、冷間バルブ制御により実現されるバルブ特性を示す特性線図である。
【図４】吸気バルブのリフト量・作用角と、吸入空気の流速との関係を示す特性線図である。
【図５】バルブ作用角を中作用角に設定した場合の実圧縮比の変化を示す説明図である。
【図６】本発明の実施の形態１において、ＥＣＵにより実行されるルーチンのフローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態１において、吸気バルブの閉弁時期を示す説明図である。
【図８】本発明の実施の形態２において、冷間バルブ制御により実現されるバルブ特性を示す特性線図である。
【図９】本発明の実施の形態２において、ＥＣＵにより実行されるルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
【００３５】
１０  内燃機関
１２  ピストン
１４  燃焼室
１６  クランク軸
１８  吸気通路
２０  排気通路
２２  エアフロメータ
２４  スロットルバルブ
２６  スロットルモータ
２８  燃料噴射弁
３０  点火プラグ
３２  吸気バルブ
３４  排気バルブ
３６，３８  可変動弁機構
４０  ＶＶＴ（位相角可変機構）
４２  回転センサ
５０  ＥＣＵ（吸気バルブ制御手段）
【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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【図９】
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