(57)【要約】【課題】  燃焼の悪化を抑制可能な動弁特性制御装置を提供する。【解決手段】  本発明の動弁特性制御装置は、内燃機関２の排気弁１６の開き時間面積を変更可能な電磁駆動装置１７を備えた動弁装置１に適用される。そして、内燃機関２の燃焼悪化を判定する燃焼悪化判定手段１８と、燃焼悪化判定手段により燃焼悪化が判定された場合に、内燃機関２の排気弁１６の開き時間面積が大きくなるように電磁駆動装置１７を制御する排気弁駆動制御手段１８とを具備する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気弁の開き時間面積を変更可能な排気弁駆動手段を備えた動弁装置に適用される動弁特性制御装置であって、
前記内燃機関の燃焼悪化を判定する燃焼悪化判定手段と、前記燃焼悪化判定手段により燃焼悪化が判定された場合に、前記内燃機関の排気弁の開き時間面積が大きくなるように前記排気弁駆動手段を制御する排気弁駆動制御手段と、を具備することを特徴とする内燃機関の動弁特性制御装置。
【請求項２】
前記排気弁駆動制御手段は、前記排気弁の開き時期の進角及び前記排気弁の閉じ時期の遅角の少なくともいずれか一方が実行されるように前記排気弁駆動手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の動弁特性制御装置。
【請求項３】
前記排気弁駆動制御手段は、前記排気弁のリフト量が大きくなるように前記排気弁駆動手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の動弁特性制御装置。
【請求項４】
前記排気弁駆動制御手段は、前記内燃機関の始動時に前記排気弁の開き時間面積を減少させた場合において、前記燃焼悪化判定手段により燃料悪化が判定されたときに、前記排気弁の開き時間面積が大きくなるように前記排気弁駆動手段を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の動弁特性制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気弁の開き時間面積を変更可能な排気弁駆動手段を備えた動弁装置に適用される内燃機関の動弁特性制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関の排気弁を任意の時期に開閉可能な動弁装置が知られている。この種の動弁装置を制御する制御装置として、例えば内燃機関の始動時の未燃燃料の排出を抑制するために排気弁を遅開き、早閉じするようにして排気弁の開弁期間を短くするものがある（特許文献１）。同様に、始動時の排気浄化を良好にするため排気弁の開弁期間を短くするものがある（特許文献２）。その他本発明に関連する先行技術文献として、特許文献３〜６が存在する。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２５２５１１号公報
【特許文献２】特開平８−２８２２６号公報
【特許文献３】特開平６−３４６７２５号公報
【特許文献４】特開２００１−３４２８５６号公報
【特許文献５】特開２００３−１２０３４８号公報
【特許文献６】特開２００１−１４０６１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような装置は、内燃機関の始動時に排気ガスを筒内に留めることができるので未燃燃料の排出を低減できる。しかしながら、排気弁の開弁期間を短くして排気弁の閉じ状態を維持するものであるため、筒内に残留した排気の影響によって燃焼が悪化するおそれがある。
【０００５】
そこで、本発明は燃焼の悪化を抑制可能な動弁特性制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の動弁特性制御装置は、内燃機関の排気弁の開き時間面積を変更可能な排気弁駆動手段を備えた動弁装置に適用される動弁特性制御装置であって、前記内燃機関の燃焼悪化を判定する燃焼悪化判定手段と、前記燃焼悪化判定手段により燃焼悪化が判定された場合に、前記内燃機関の排気弁の開き時間面積が大きくなるように前記排気弁駆動手段を制御する排気弁駆動制御手段と、を具備することにより、上述した課題を解決する（請求項１）。
【０００７】
この発明によれば、予定した運転状態が得られない等の内燃機関の燃焼悪化を燃焼悪化判定手段により検知できる。燃焼悪化が判定された場合には、排気弁の開き時間面積を大きくすることにより、排気される筒内ガス量が増加して燃焼性を改善することができる。なお、この発明において排気弁の開き時間面積とは、排気弁の作用角に排気弁のリフト量を乗じたものである。従って、開き時間面積を大きくする場合には、排気弁のリフト量を変更せずに排気弁の作用角を大きくする場合、排気弁の作用角を変更せずに排気弁のリフト量を大きくする場合、及び排気弁の作用角とリフト量の両者を大きくする場合のいずれも含まれる。
【０００８】
本発明の動弁特性制御装置において、前記排気弁駆動制御手段は、前記排気弁の開き時期の進角及び前記排気弁の閉じ時期の遅角の少なくともいずれか一方が実行されるように前記排気弁駆動手段を制御してもよい（請求項２）。この場合には排気弁の開弁期間が長くなるので、筒内ガスの排気が促進されて燃焼性が改善する。
【０００９】
また、本発明の動弁特性制御装置において、前記排気弁駆動制御手段は、前記排気弁のリフト量が大きくなるように前記排気弁駆動手段を制御してもよい（請求項３）。この場合にも、排気弁のリフト量が大きくなることにより、筒内ガスを排気する際の押出し抵抗を低減することができるので、排気が更に促進されて燃焼性を改善することができる。
【００１０】
本発明の動弁特性制御装置において、前記排気弁駆動制御手段は、前記内燃機関の始動時に前記排気弁の開き時間面積を減少させた場合において、前記燃焼悪化判定手段により燃料悪化が判定されたときに、前記排気弁の開き時間面積が大きくなるように前記排気弁駆動手段を制御してもよい（請求項４）。この形態によれば、内燃機関の始動時の未然燃料（未然ＨＣ）の排出を抑え、なおかつ燃焼悪化を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明によれば、燃焼悪化が判定された場合に内燃機関の排気弁の開き時間面積が大きくなるように排気弁駆動手段が制御されるので、燃焼の悪化を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（第１実施形態）
図１は、本発明が適用された動弁装置１を備えた４サイクルの多気筒レシプロ式内燃機関２の概略を示している。内燃機関２は、複数（図では１のみを示す）の気筒３ａが形成されたシリンダブロック３と、シリンダブロック３の上部に取り付けられ、吸気ポート４ａ及び排気ポート４ｂがそれぞれ２つずつ形成されたシリンダヘッド４とを備えている。シリンダブロック３には、クランクシャフト５が回転可能に支持されている。各気筒３ａ内に収められたピストン６とクランクシャフト５とはコンロッド７を介して連結され、ピストン６の上下運動はクランクシャフト５の回転運動に変換される。シリンダヘッド４には、吸気ポート４ａに対応した位置に吸気通路８が、排気ポート４ｂに対応した位置に排気通路９がそれぞれ設けられ、各気筒３ａに形成された燃料室１０に臨むようにして点火プラグ１１が設けられている。排気通路９には、三元触媒等の排気浄化触媒１２を備えた触媒コンバータ１３が取り付けられ、点火プラグ１１には、イグナイタ等を備えたプラグ駆動装置１４が取り付けられている。また、シリンダヘッド４には、各吸気ポート４ａを開閉動作する吸気弁１５と、各排気ポート４ｂを開閉する排気弁１６とが設けられている。動弁装置１は、これらの弁１５，１６をそれぞれ開閉駆動し、開閉時期及びリフト量をそれぞれ変化させる弁駆動手段としての電磁駆動装置１７を備えている。各弁に対して設けられた電磁駆動装置１７は全て同一構造である。電磁駆動装置１７の詳細は後述する。
【００１３】
内燃機関２にはエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１８が設けられている。ＥＣＵ１８は、内燃機関２を所定の運転状態に維持するために必要な各種の演算及び動作制御を実行する。例えば、ＥＣＵ１８は目標空燃比や目標トルクが得られるように内燃機関２の運転状態に応じて燃料噴射弁１９からの燃料噴射量や燃料噴射時期、点火プラグ１１による点火時期、電磁駆動装置１７を備えた動弁装置１による吸気弁１５及び排気弁１６のそれぞれの開閉時期及びリフト量等の各種の運転パラメータについて目標値を設定し、これらの運転パラメータが得られるように各部の動作を制御する。こうした制御を実行するため、ＥＣＵ１８は各種のセンサの出力を参照する。そのセンサとしては、機関回転数（回転速度）に対応した信号を出力するクランク角センサ２０、冷却水温度に対応した信号を出力する冷却水温センサ２１、気筒内の燃焼圧力に対応した信号を出力する燃焼圧センサ２２、排気通路９に設けられ排気温度に対応した信号を出力する排気温センサ２３等がある。
【００１４】
図２は、排気弁１６を駆動する電磁駆動装置１７の構成を模式的に示したものである。電磁駆動装置１７は円筒状に形成されたハウジング１７０を備えており、ハウジング１７０には、リング状に形成された二つの電磁石１７１，１７２がバルブステム１６ａに取り付けられた磁性体のプランジャ１７３を挟んで対向した状態で、かつ互いに離間するようにしてそれぞれ配置されている。電磁石１７１，１７２の中空部１７１ａ，１７２ａには、プランジャ１７３を中立位置（排気弁１６が中間開度となる位置）に付勢するように二つのバルブスプリング１７４，１７４がプランジャ１７３を挟むようにしてそれぞれ設けられている。このため、電磁石１７１の励磁によりプランジャ１７３には図２の上方に向かう力が作用してバルブノーズ１６ｂがバルブシート１７５に押し付けられて排気弁１６が閉弁される。一方、電磁石１７２の励磁によりプランジャ１７３には図２の下方に向かう力が作用してバルブノーズ１６ｂがバルブシート１７５から離れて排気弁１６が開弁される。
【００１５】
図１に示したドライバ２４は排気弁１６の開閉時期を指定するＥＣＵ１８からの信号に応じて電磁石１７１，１７２へ交互に励磁電流を供給する。これにより、排気弁１６はＥＣＵ１８が指示した時期に開閉駆動される。また、ドライバ２４はＥＣＵ１８から排気弁１６リフト量を指定する信号を受け取ると、その信号に応じて電磁石１７２に供給する励磁電流を変化させる。プランジャ１７３に作用する力はドライバ２４によって供給される励磁電流が大きいほど増加するので、排気弁１６のリフト量はＥＣＵ１８によって指示された値に制御される。なお、このような電流制御だけでなく、電圧制御やデューティー制御等の電力を可変にする制御により排気弁１６のリフト量を制御してもよい。以上は吸気弁１５についても同様である。
【００１６】
上述したように、ＥＣＵ１８は内燃機関２の運転状態に応じて、目標となる点火時期や排気弁１６の開閉時期及びリフト量がそれぞれ得られるように点火プラグ１１及び動弁装置１を制御する。内燃機関２の始動時では、ＥＣＵ１８は点火時期を大幅に遅角させるとともに排気弁１６の開き時間面積を減少させて、未燃ＨＣの排出を抑制している。図３に示したように、本実施形態では、排気弁１６のリフト量を変更せずに、開弁時期を３０°ＣＡ（クランク角度）遅角させ、かつ閉弁時期を２０°ＣＡ進角させて排気弁１６の開き時間面積を減少させている。つまり、排気弁１６の作用角のみ減少させている。これにより、気筒３ａ内での未燃ＨＣの燃焼が促進されるともに、燃焼ガスが気筒３ａ内に閉じ込められて未燃ＨＣの排出が抑制される。内燃機関２の点火時期については、圧縮行程の上死点後１５°ＣＡへ大幅に遅角され、気筒３ａ内の温度を上昇させて未燃ＨＣの燃焼を更に促進している。なお、図３中、ＢＤＣは下死点、ＴＤＣは上死点をそれぞれ示す（他の図についても同様）。
【００１７】
本実施形態では、このような制御によって内燃機関２の始動時の未燃ＨＣ排出を抑制しているが、排気弁１６の開き時間面積を減少させた状態が維持されると気筒３ａ内に残留する残留ガスの影響によって燃焼悪化を招くおそれがある。そこで、本実施形態では、図４に示したように、内燃機関２の始動後に燃焼悪化を検出した場合には排気弁１６の開弁時期を３８°ＣＡ進角させるとともに、閉弁時期を２０°ＣＡ遅角させて排気弁１６の開き時間面積を大きくし、気筒３ａ内に残留する残留ガスを減らして燃焼悪化を抑制している。そして、排気通路９の温度がＨＣ酸化反応温度以上となるような暖気状態になった場合には、点火時期を圧縮行程の上死点後５°ＣＡに進角させてアイドル回転数を安定化させる。なお、図３及び図４に示した数値は一形態を例示したものであり、これらの数値は状況に応じて適宜に定めることができる。以下、ＥＣＵ１８が実行する具体的な処理を説明する。
【００１８】
図５は、内燃機関２の始動時の未燃ＨＣの排出抑制とともに、始動後の燃焼悪化の抑制を実現するためにＥＣＵ１８が所定の周期で実行する制御ルーチンの一例を示している。図５のルーチンにおいて、ＥＣＵ１８は、ステップＳ１で排気弁１６の開弁時期が遅角（遅開き）され、閉弁時期が進角（早閉じ）されるように、動弁装置１を制御して排気弁１６の作用角を小さくする。そして、点火時期が大幅に遅角されるようにプラグ駆動装置１４を制御する。これらの制御は、内燃機関２の始動要求に応じて開始され、予め設定した又は始動に影響するパラメータを考慮して算出された排気弁１６の開閉時期及び点火プラグ１６による点火時期に基づいて実行される。具体的な開閉時期及び点火時期は図３に示したとおりである。
【００１９】
次にＥＣＵ１８はステップＳ２において、燃焼圧センサ２２の検出信号を参照し、燃焼悪化の判定、この例では現在の燃焼圧Ｐが燃焼悪化判定用燃焼圧Ｐ０よりも小さいか否かを判定する。燃焼悪化判定用燃焼圧Ｐ０は、正常な燃焼と認められる燃焼圧力域の下限値であり、例えば予め設定されてＥＣＵ１８のＲＯＭに記憶されている。燃焼悪化は、例えば燃焼圧、排気温及び機関回転数等が目標値まで上がらない場合等の予定した運転状態が得られない状態として表面化する。そこで、本実施形態では燃焼圧Ｐが燃焼悪化判定用燃焼圧Ｐ０を下回る場合を燃焼悪化検出の判定基準とした。判定基準は燃焼悪化に影響するパラメータに基づいて適宜に定めてよく、排気温や機関回転数に基づいて燃焼悪化を判定してもよい。排気温は排気温センサ２３の検出信号を、機関回転数はクランク角センサ２０の検出信号を参照することによりそれぞれ取得できる。ステップＳ２で、燃焼悪化を判定したとき、即ち燃焼圧Ｐが燃焼悪化判定用燃焼圧Ｐ０よりも小さいと判定した場合には、ＥＣＵ１８は処理を次のステップＳ３に進める。一方、燃焼悪化を判定しない場合には、これ以降の処理をスキップして今回のルーチンを終了する。
【００２０】
ステップＳ３では、ＥＣＵ１８は排気弁１６の作用角が大きくなるように動弁装置１を制御する。この例では、図４に示したように排気弁１６リフト量を変更せずに開弁時期を進角させるとともに、閉弁時期を遅角させる。これにより、気筒３ａ内に残留する残留ガスを減じて燃焼悪化を抑制、即ち燃焼性を改善できる。次に、ＥＣＵ１８はステップＳ４において内燃機関２の暖機状態の判定、この例では機関温度Ｔｅｎｇが暖機判定用温度Ｔ１以上であるか否かを判定する。暖機判定用温度Ｔ１は、排気通路９にてＨＣを酸化可能となるような機関温度域の下限値に設定するとよい。気筒３ａ内から排出された未燃ＨＣが排気通路９で酸化されるためである。機関温度Ｔｅｎｇは冷却水温で代用できるので、冷却水温センサ２１の検出信号を参照することによりこれを取得できる。内燃機関２が暖機状態、即ち機関温度Ｔｅｎｇが暖機判定用温度Ｔ１以上であると判定した場合には、ＥＣＵ１８は処理を次のステップＳ５に進める。一方、機関温度Ｔｅｎｇが暖機判定用温度Ｔ１未満であるときは、ステップＳ５をスキップして今回のルーチンを終了する。ステップＳ５では、ＥＣＵ１８は点火時期が進角されるようにプラグ駆動装置１４を制御して今回のルーチンを終了する。具体的な点火時期の進角値は図４に示した通りである。
【００２１】
以上の実施形態では、ＥＣＵ１８が本発明の動弁特性制御装置に相当し、ＥＣＵ１８は燃焼悪化判定手段及び排気弁駆動制御手段としてそれぞれ機能する。図６は本実施形態の動作結果を示したものであり、同一の時間軸に対して機関回転数Ｎｅ、点火時期、排気弁１６の閉弁時期（ＥＶＣ）、排気弁１６の開弁時期（ＥＶＯ）、排気温度、及び排出ＨＣのそれぞれの変化が比較例とともに示されている。比較例は上述した実施形態の制御を実行しない場合の一例である。なお、図中の点火時期のＡ５，Ａ１５は上死点後クランク角を、閉弁時期（ＥＶＣ）の１７は上死点前クランク角及びＡ３は上死点後クランク角を、開弁時期（ＥＶＯ）の５３，４５，１５は下死点前クランク角を、それぞれ意味する。また、図中Ａは始動時を、図中Ｂは暖機判定後をそれぞれ示している。この図から明らかなように、始動時Ａにおいては排出ＨＣが大幅に低減されるとともに、始動後から暖機判定後Ｂにおいて安定した機関回転数Ｎｅが保持されて燃焼悪化が抑制されている。また、本実施形態では、燃焼悪化が抑制されることにより始動時に空燃比をリッチにする必要がないので、ＨＣの排出を更に削減できる。
【００２２】
（第２実施形態）
次に本発明の第２実施形態について説明する。この実施形態は燃焼悪化が判定されたときに排気弁のリフト量を大きくするものである。内燃機関２及び動弁装置１の構成は図１及び図２と同一である。図７は本実施形態においてＥＣＵ１８が実行する制御ルーチンを示したフローチャートである。この図から明らかなように多くの点で図５と共通する。図５と同一処理については同一の符号を付して重複説明を省略する。ＥＣＵ１８は内燃機関２の燃焼悪化を判定した場合には、ステップＳ１１において排気弁１６のリフト量が大きくなるように動弁装置１を制御する。図８はリフト量を大きくした場合の排気弁１８のリフト波形である。この図に示されているように、最大リフト量を５．３ｍｍから７．７ｍｍへ増大させている。本実施形態のように排気弁１６のリフト量を増大させて、排気弁１６の開き時間面積を大きくすることにより、排気押出し損失による抵抗を抑制することができるので燃焼悪化の抑制、即ち燃焼性を改善することができる。本実施形態の場合も第１実施形態と同様に、ＥＣＵ１８が本発明の動弁特性制御装置に相当し、ＥＣＵ１８は燃焼悪化判定手段及び排気弁駆動制御手段としてそれぞれ機能する。
【００２３】
本発明は、以上の実施形態に限定されず、種々の形態にて実施してよい。排気弁の開き時間面積を大きくするためには、ＥＣＵ１８が排気弁１６の作用角（開閉時期）及びリフト量の両者が大きくなるように動弁装置１を制御する形態としてもよい。図９はリフト量及び作用角をともに大きくした場合のリフト波形である。上述した動弁装置１は作用角及びリフト量をＥＣＵ１８の指示により自在に制御できるので、このような制御も実現することができる。この例によれば、気筒３ａ内に残留する残留ガスの排出が促進されるとともに、排気押出し損失による抵抗が抑制されるので、燃焼性の改善効果を更に向上できる。また、排気弁１６の作用角を大きくする際には、排気弁１６の開弁時期の進角のみ、又は閉弁時期の遅角のみが実行されるように制御してもよい。
【００２４】
また、制御対象の動弁装置として、排気弁１６の作用角及びリフト量の少なくとも一方を制御可能なものであればその形態は問わない。例えば図１０〜図１２に示したように、内燃機関２００のカム軸２０１に、カムノーズ２０２ａの高さがカム軸２０１の中心軸線に沿って漸次高くなるようなカム２０２（図１１）を設けるとともに、カム軸２０１を軸線方向にシフト可能なカムシフト装置２０３を設けるようにして動弁装置１００を構成してもよい。図１２はカムシフト装置２０３の具体例を示したものであり、カム軸２０１の一端側には磁性体製のスライダ２０４がカム軸２０１と軸線方向に一体に移動可能に設けられている。スライダ２０４の周囲には電磁石２０５が設けられ、その電磁石２０５とスライダ２０４との間にはカム軸２０１を図１２の右方に押し付けるコイルばね２０６が設けられている。電磁石２０５の励磁によりスライダ２０４には図１２の左方に向かう力が作用し、その力は励磁電流が大きいほど増加する。図１０に示したドライバ２４０はＥＣＵ１８からカム軸２０１の軸線方向の位置を指定する信号を受け取り、その信号に応じて電磁石２０５の励磁電流を変化させる。これにより、カム軸２０１の軸線方向の位置がＥＣＵ１８にて指示された位置に制御される。つまり、この例では、ＥＣＵ１８がカム軸２０１の位置を指示することによって排気弁１６の作用角及びリフト量が制御される。この例において、カム２０２及びカムシフト装置２０３は本発明の排気弁駆動手段として機能する。
【００２５】
また、動弁装置として、図１３に示したように、内燃機関３００のカム３０２をステッピングモータ等の電動モータ３０３で正転逆転可能に駆動する動弁装置１０１を用いてもよい。この動弁装置１０１によれば電動モータ３０３の動作をＥＣＵ１８によって制御することにより、カム３０２の位相を自在に変更できるので排気弁１６の作用角及びリフト量をともに制御可能となる。なお図１３中、符号３０４はカム軸を、３０５は電動モータ３０３のモータギアを、３０６はカム駆動ギアを、３０７は中間ギアをそれぞれ示す。電動モータ３０３の回転はモータギア３０５、中間ギア３０７を介してカム駆動ギア３０６に所定の減速比にて伝達される。この例において、カム３０２及び電動モータ３０３は本発明の排気弁駆動手段として機能する。
【００２６】
以上では内燃機関の始動時に排気弁の開き時間面積を減少させた場合を前提として説明したが、本発明はこれに限定されず、何らかの原因で内燃機関の燃焼悪化が生じた場合にも本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明が適用された動弁装置を備えた４サイクルの多気筒レシプロ式内燃機関の概略を示した図。
【図２】図１の電磁駆動装置の構成を模式的に示した図。
【図３】第１実施形態に係る始動時の排気弁と吸気弁のリフト波形及び点火時期を示した図。
【図４】第１実施形態に係る燃焼悪化判定後の排気弁と吸気弁のリフト波形及び点火時期を示した図。
【図５】内燃機関の始動時の未燃ＨＣの排出抑制及び始動後の燃焼悪化の抑制を実現するためにＥＣＵが実行する制御ルーチンの一例を示したフローチャート。
【図６】第１実施形態の動作結果を比較例とともに示した図。
【図７】第２実施形態に係る制御ルーチンの一例を示したフローチャート。
【図８】第２実施形態に係る燃焼悪化判定後の排気弁と吸気弁のリフト波形及び点火時期を示した図。
【図９】リフト量及び作用角をともに大きくした場合のリフト波形と、点火時期を示した図。
【図１０】動弁装置の第１の他の形態を示した図。
【図１１】図１０のカムの詳細を示した図。
【図１２】図１０のカムシフト装置の詳細を示した図。
【図１３】動弁装置の第２の他の形態を示した図。
【符号の説明】
【００２８】
１、１００、１０１  動弁装置
２  内燃機関
１６  排気弁
１７  電磁駆動装置（排気弁駆動手段）
１８  エンジンコントロールユニット（燃焼悪化判定手段、排気弁駆動制御手段）
２０２  カム（排気弁駆動手段）
２０３  カムシフト装置（排気弁駆動手段）
３０２  カム（排気弁駆動手段）
３０３  電動モータ（排気弁駆動手段）
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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