(57)【要約】      （修正有）【課題】内燃機関の冷間始動直後における有害物質の排出量のより一層の削減を図る。【解決手段】作動液ポンプが吐出する作動液圧を利用して吸気バルブまたは排気バルブの開閉タイミングを変更できる可変バルブタイミング機構が付随する内燃機関を制御するものであって、内燃機関の冷間始動直後において、作動液の温度を示唆する指標値及び内燃機関の始動からのエンジン回転数の積算値に基づき、可変バルブタイミング機構を介した吸気バルブまたは排気バルブの開閉タイミングの操作を開始する時期を決定する内燃機関の制御装置を構成した。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動液ポンプが吐出する作動液圧を利用して吸気バルブまたは排気バルブの開閉タイミングを変更できる可変バルブタイミング機構が付随する内燃機関を制御するものであって、
内燃機関の冷間始動直後において、作動液の温度を示唆する指標値及び内燃機関の始動からのエンジン回転数の積算値に基づき、可変バルブタイミング機構を介した吸気バルブまたは排気バルブの開閉タイミングの操作を開始する時期を決定する内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変バルブタイミング（Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｖａｌｖｅ  Ｔｉｍｉｎｇ）機構が付随する内燃機関を制御する制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両等に搭載される内燃機関について、吸気バルブ及び／または排気バルブの開閉タイミングを可変制御できるＶＶＴ機構を備えたものが公知である（例えば、下記特許文献を参照）。
【０００３】
内燃機関の冷間始動直後は、内燃機関の各部の温度が低く、インジェクタから噴射された燃料が吸気ポートの内壁に液状となって付着するポートウェットが生じやすい。とりわけ、霧化しにくい特性を持つ重質燃料が使用された場合に、ポートウェットの発生頻度が高くなる。
【０００４】
冷間始動直後においてポートウェットが発生すると、気筒に充填される混合気の空燃比がリーン化して燃焼が不安定になり、有害物質（特に、ＨＣ）の排出増を引き起こす。さらに、吸気ポートに付着したポートウェットが後に気化して気筒に吸引されると、今度は混合気の空燃比がリッチ化し、やはり有害物質の排出増を招くこととなる。
【０００５】
このような問題を回避する手立てとして、アイドル運転時に吸気バルブの開弁タイミングを排気上死点よりも進角し、及び／または、排気バルブの閉弁タイミングを排気上死点よりも遅角して、吸気ポートの温度上昇を促すことが考えられる。吸気ポートの温度が上昇すれば、インジェクタから吸気ポートに対して噴射される燃料の霧化が促進され、ポートウェットの発生量が減少する。
【０００６】
車両用内燃機関の分野で普及している液圧（油圧）式ＶＶＴ機構は、作動液（潤滑油）ポンプから吐出される作動液圧を利用して吸気バルブ及び／または排気バルブの開閉タイミングを操作する。内燃機関の停止中は作動液ポンプが稼働せず、内燃機関の運転中にＶＶＴ機構に供給されていた作動液圧が失われるとともに、ＶＶＴ機構に供給されていた作動液が作動液タンク（オイルパン）に流下する。
【０００７】
加えて、内燃機関の冷間始動の際には作動液の温度も低下しており、その粘性が高くなっている。よって、内燃機関の冷間始動後すぐにバルブタイミングを操作することは不可能である。バルブタイミングを操作するためには、ＶＶＴ機構に供給される作動液圧が必要十分に高まるまで待つ必要がある。現状では、内燃機関の始動後、一定の遅延時間の経過を待ってから、ＶＶＴ機構を介したバルブタイミング制御を開始するようにしていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１４−００５７５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
内燃機関の冷間始動直後の有害物質の排出増を抑制するためには、冷間始動後可及的速やかにバルブタイミング制御を開始し、吸気ポートを昇温させることが要求される。
【００１０】
しかしながら、従前のシステムでは、ＶＶＴ機構によるバルブタイミングの操作が可能になる時点と、実際にバルブタイミング制御を開始する時点とが合致しているとは限らなかった。つまり、既にバルブタイミングの操作が可能となっているにもかかわらず、徒にバルブタイミング制御の開始を遅らせてしまい、有害物資の排出増を甘受することがあり得た。
【００１１】
本発明は、上述の問題に初めて着目してなされたものであり、内燃機関の冷間始動直後における有害物質の排出量の一層の削減を図ることを所期の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明では、作動液ポンプが吐出する作動液圧を利用して吸気バルブまたは排気バルブの開閉タイミングを変更できる可変バルブタイミング機構が付随する内燃機関を制御するものであって、内燃機関の冷間始動直後において、作動液の温度を示唆する指標値及び内燃機関の始動からのエンジン回転数の積算値に基づき、可変バルブタイミング機構を介した吸気バルブまたは排気バルブの開閉タイミングの操作を開始する時期を決定する内燃機関の制御装置を構成した。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、冷間始動直後における有害物質の排出量のより一層の削減を図り得る。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態における内燃機関及び制御装置の構成を示す図。
【図２】同実施形態の制御装置が制御する可変バルブタイミング機構を示す図。
【図３】内燃機関の冷間始動の際のエンジン回転数及び作動液圧の推移を示すタイミング図。
【図４】内燃機関の始動時の作動液温と作動液圧が必要十分に高まるのに要するエンジン回転数の積算値との関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の４ストロークエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。
【００１６】
吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。
【００１７】
排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。
【００１８】
図２に示すように、本実施形態では、火花点火用の電気回路に、イオン電流を検出するための回路を付加している。この検出回路は、イオン電流を効果的に検出するためのバイアス電源部１５と、イオン電流の多寡に応じた検出電圧を増幅して出力する増幅部１６とを備える。バイアス電源部１５は、バイアス電圧を蓄えるキャパシタ１５１と、キャパシタ１５１の電圧を所定電圧まで高めるためのツェナーダイオード１５２と、電流阻止用のダイオード１５３、１５４と、イオン電流に応じた電圧を出力する負荷抵抗１５５とを含む。増幅部１６は、オペアンプに代表される電圧増幅器１６１を含む。
【００１９】
点火プラグ１２の中心電極と接地電極との間のアーク放電時にはキャパシタ１５１が充電され、その後キャパシタ１５１に充電されたバイアス電圧により負荷抵抗１５５にイオン電流が流れる。イオン電流が流れることで生じる抵抗１５５の両端間の電圧は、増幅部１６により増幅されてイオン電流信号ｈとしてＥＣＵ０に受信される。
【００２０】
図３に、正常燃焼における、イオン電流（図中実線で示す）及び気筒１内の燃焼圧力（筒内圧。図中破線で示す）のそれぞれの推移を例示している。イオン電流は、点火のための放電中は検出することができない。正常燃焼の場合のイオン電流は、火花点火の終了後、化学反応により、圧縮上死点の手前で減少した後、熱解離によって再び増加する。また、燃焼圧がピークを迎えるのとほぼ同時にイオン電流も極大となる。
【００２１】
吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。
【００２２】
排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。
【００２３】
図２に示すように、本実施形態における内燃機関では、クランクスプロケット７１、吸気側スプロケット７２及び排気側スプロケット７３にタイミングチェーン７４を巻き掛け、このタイミングチェーン７４により、クランクシャフトからもたらされる回転駆動力を吸気側スプロケット７２を介して吸気カムシャフトに、排気側スプロケット７３を介して排気カムシャフトに、それぞれ伝達している。
【００２４】
その上で、吸気側スプロケット７２と吸気カムシャフトとの間に、ＶＶＴ機構６を介設している。本実施形態におけるＶＶＴ機構６は、クランクシャフトに対する吸気カムシャフトの回転位相を変化させることにより吸気バルブの開閉タイミングを変化させるものである。
【００２５】
ＶＶＴ機構６のハウジング６１は、吸気側スプロケット７２に固着しており、吸気側スプロケット７２とハウジング６１とは一体となってクランクシャフトに同期して回転する。これに対し、吸気カムシャフトの一端部に固着したロータ６２は、ハウジング６１内に収納され、吸気側スプロケット７２及びハウジング６１に対して相対的に回動することが可能である。ハウジング６１の内部には、作動液が流出入する複数の流体室が形成され、各流体室は、ロータ６２の外周部に成形されたベーン６２１によって進角室６１２と遅角室６１１とに区画されている。
【００２６】
ＶＶＴ機構６の液圧（油圧）回路には、オイルパン８１内に蓄えられた作動液たる潤滑油が、作動液ポンプたる潤滑油ポンプ８２より供給される。潤滑油ポンプ８２は、内燃機関の出力軸であるクランクシャフトから回転トルクの伝達を受けて稼働する液圧ポンプである。潤滑油ポンプ８２とＶＶＴ機構６との間には、切換制御弁であるＯＣＶ（Ｏｉｌ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｖａｌｖｅ）９を設けている。作動液の流量及び方向をこのＯＣＶ９を介して操作することで、オイルパン８１から汲み上げた作動液を進角室６１２または遅角室６１１に選択的に供給することができる。さすれば、ハウジング６１がロータ６２に対して相対回動し、吸気バルブの開閉タイミングを進角または遅角させることができる。
【００２７】
図２に示すＯＣＶ９は、いわゆる電磁式の四方向スプール弁であり、潤滑油ポンプ８２の吐出口と接続する供給ポート９１と、ハウジング６１の進角室６１２と接続するＡポート９２と、ハウジング６１の遅角室６１１と接続するＢポート９３と、オイルパン８１と接続するドレインポート９４、９５とを有している。ＯＣＶ９のスプールは、進退動作により内部粒体経路を切り換えて、Ａポート９２及びＢポート９３をそれぞれ供給ポート９１、ドレインポート９４、９５の何れかに連通させる。また、スプール９６が中立位置をとるときには内部流体経路が断絶し、Ａポート９２及びＢポート９３を供給ポート９１にもドレインポート９４、９５にも連通させない。図２では、スプール９６が中立位置にある状態を示している。
【００２８】
スプール９６はソレノイド９７によって駆動する。即ち、制御信号ｍとしてソレノイド９７に入力するパルス電流（または、電圧）のデューティ比に応じて、スプール９６の進退の距離が変化する。例えば、制御信号ｍのデューティ比が０％で全体的にＯＦＦのとき、スプール９６は最も一端側（図２中左方）に位置して、流路断面積が最大の状態でＢポート９３を供給ポート９１に連通させ、かつＡポート９２をドレインポート９４に連通させるように内部流体経路を設定する。
【００２９】
制御信号ｍのデューティ比が増大するにつれて、ソレノイド９７に吸引されるスプール９６が他端側（図２中右方）に向かって移動する。デューティ比が５０％付近に増大するまでは、ＯＣＶ９の内部流体経路は切り換わらず、デューティ比の増大とともに流路断面積が減少してゆく。
【００３０】
デューティが略５０％となると、スプール９６は中立位置をとり、ＯＣＶ９の内部流体経路を完全に遮断する。因みに、中立位置を実現するデューティ比は、内燃機関や補機の運転状況、環境変化、個体差等により上下するので、常に一定ではない。
【００３１】
制御信号ｍのデューティ比をさらに増大させると、ＯＣＶ９の内部流体経路が切り換わる。つまり、スプール９６が中立位置よりも他端側に変位して、Ａポート９２を供給ポート９１に連通させ、かつＢポート９３をドレインポート９５に連通させるように内部流体経路を設定する。デューティ比の増大とともに流路断面積も増大してゆき、制御信号ｍのデューティ比が１００％で全体的にＯＮとなったとき、スプール９６は最も他端側に位置して、流路断面積が最大の状態となる。
【００３２】
制御信号ｍのデューティ比が比較的大きい場合には、潤滑油ポンプ８２から吐出される作動液圧がＡポート９２を通じて進角室６１２に供給される一方、既に遅角室６１１に貯留していた作動液がＢポート９３を通じてオイルパン８１に向けて流下することとなり、進角室６１２の容積が拡大、遅角室６１１の容積が縮小するようにベーン６２１及びロータ６２が回動する。結果、吸気カムシャフトの回転位相、換言すれば吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する変位角が進角して、吸気バルブのバルブタイミングが進角化する。
【００３３】
逆に、制御信号ｍのデューティ比が比較的小さい場合には、潤滑油ポンプ８２から吐出される作動液圧がＢポート９３を通じて遅角室６１１に供給される一方、既に進角室６１２に貯留していた作動液がＡポート９２を通じてオイルパン８１に向けて流下することとなり、遅角室６１１の容積が拡大、進角室６１２の容積が縮小するようにベーン６２１及びロータ６２が回動する。結果、吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する変位角が遅角して、吸気バルブのバルブタイミングが遅角化する。
【００３４】
総じて言えば、制御信号ｍのデューティ比が中立より大きいほど吸気バルブのバルブタイミングが速く進角し、デューティ比が中立より小さいほど吸気バルブのバルブタイミングが速く遅角する。
【００３５】
本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。
【００３６】
入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（運転者が要求する機関出力、いわば要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、ブレーキペダルの踏込量を検出するセンサまたはマスタシリンダから吐出される作動液の圧力であるマスタシリンダ圧を検出するセンサから出力されるブレーキ踏量信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、内燃機関の温度を示唆する冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｇ、車載バッテリのバッテリ電流、バッテリ電圧及びバッテリ温度を検出するセンサから出力されるバッテリ状態信号ｈ等が入力される。
【００３７】
出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタ１３に対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＯＣＶ９に対して制御信号ｍ等を出力する。
【００３８】
ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、吸気バルブタイミング等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍを出力インタフェースを介して印加する。
【００３９】
また、ＥＣＵ０は、内燃機関の始動（冷間始動であることもあれば、アイドリングストップからの復帰であることもある）時において、電動機（スタータ（セルモータ）またはモータジェネレータ）に制御信号ｏを入力し、電動機によりクランクシャフトを回転させるクランキングを行う。クランキングは、内燃機関が初爆から連爆へと至り、エンジン回転数即ちクランクシャフトの回転速度が冷却水温等に応じて定まる判定値を超えたときに（完爆したものと見なして）終了する。
【００４０】
本実施形態のＥＣＵ０は、内燃機関の冷間始動直後、具体的には内燃機関の始動後冷却水温が所定値（例えば、８０℃）以上に上昇するまでの暖機期間において、アクセル開度が０または０に近い所定値以下となっているアイドル運転時に、吸気バルブを排気上死点よりも早いタイミングで開弁するバルブタイミング制御を行う。これにより、内部ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）が実現され、気筒１の燃焼室内で生じる燃焼ガスの熱を利用して吸気ポートを暖めることができる。吸気ポートの温度上昇は、ポートウェットの抑制につながり、冷間始動直後の混合気の空燃比の安定化、ひいては有害物質の排出量の削減に寄与する。
【００４１】
だが、ＶＶＴ機構６を介した吸気バルブタイミングの制御は、内燃機関の始動後すぐに実施できるわけではない。バルブタイミング制御を開始するためには、ＶＶＴ機構６に供給するべき作動液（潤滑油）の圧力が必要十分に高まっている必要がある。
【００４２】
そこで、本実施形態では、冷間始動の際の作動液の温度と、内燃機関の冷間始動からのエンジン回転数の積算値（時間積分値）とに基づき、ＯＣＶ９に供給される作動液圧が必要十分に高まる時点を予測し、当該時点から吸気バルブタイミング制御を開始することとしている。
【００４３】
図３に、内燃機関の冷間始動の際のエンジン回転数及びＯＣＶ９の直上流の作動液圧の推移を例示する。図３中、実線は始動時の作動液の温度が比較的高い（２０℃）場合の作動液圧の推移を表し、破線は始動時の作動液の温度が比較的低い（０℃）場合の作動液圧の推移を表し、鎖線は始動時の作動液の温度が顕著に低い（−１０℃）場合の作動液圧の推移を表している。
【００４４】
内燃機関の始動後の作動液圧は、ある飽和値に到達するまでの間、内燃機関の始動からのエンジン回転数の積算値が増大するにつれて上昇する。なお、潤滑油ポンプ８２の回転数はエンジン回転数に比例し、その積算値もまたエンジン回転数の積算値に比例する。そして、図３から明らかなように、作動液圧の上昇の速度は、始動時の作動液の温度が高いほど速くなる。
【００４５】
本実施形態のＥＣＵ０は、内燃機関の始動からのエンジン回転数の積算値が閾値に到達したときに、ＯＣＶ９の直上流の作動液圧が必要十分に高まったとして、ＶＶＴ機構６の操作を通じた吸気バルブタイミングの制御を開始する。その上で、その閾値を、内燃機関の始動時の作動液の温度を示唆する指標値、具体的には内燃機関の冷却水温に応じて設定する。即ち、始動時の冷却水温が高いほど上記の閾値を低くして、始動後の吸気バルブタイミング制御の開始時期を早める。ＥＣＵ０のメモリには予め、内燃機関の始動からのエンジン回転数の積算値に係る（吸気バルブタイミング制御を開始する時期を規定する）閾値と、内燃機関の始動時の冷却水温との関係を定めたマップデータを格納しておく。図４に、内燃機関の始動時の冷却水温と、ＯＣＶ９の直上流の作動液圧が必要十分に高まるエンジン回転数の積算値の閾値との関係を示す。
【００４６】
本実施形態では、作動液ポンプ８２が吐出する作動液圧を利用して吸気バルブの開閉タイミングを変更できる可変バルブタイミング機構６が付随する内燃機関を制御するものであって、内燃機関の冷間始動直後において、作動液の温度を示唆する指標値及び内燃機関の始動からのエンジン回転数の積算値に基づき、可変バルブタイミング機構６を介した吸気バルブの開閉タイミングの操作を開始する時期を決定する内燃機関の制御装置０を構成した。
【００４７】
本実施形態によれば、ＯＣＶ９の直上流の作動液圧が必要十分に高まりＶＶＴ機構６によるバルブタイミングの操作が可能になる時点と、実際にバルブタイミング制御を開始する時点とを合致させることが可能になる。既にバルブタイミングの操作が可能となっているにもかかわらず、徒にバルブタイミング制御の開始が遅れることが回避されるため、内燃機関の冷間始動後可及的速やかに吸気ポートを暖めることができるようになる。結果、インジェクタ１１から吸気ポートに対して噴射される燃料の霧化が促進され、ポートウェットの発生が抑制されて、有害物質（特に、ＨＣ）の排出量の削減に奏効する。また、燃料の霧化及び混合気の空燃比制御の安定化は、燃料の有効活用に貢献し、燃費性能の向上につながる。
【００４８】
冷間始動後のバルブタイミング制御の開始を早める目的で、高コストの電動式ＶＶＴ機構を採用せずに済むことも大きな利点である。
【００４９】
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られない。上記実施形態では、ＶＶＴ機構６を介したバルブタイミング制御の開始時期を決定するにあたり、作動液（潤滑油）の温度を示唆する指標値として内燃機関の冷却水温を参照していたが、作動液の温度を計測するセンサが実装されている場合には、冷却水温に代えて当該センサを介して直接計測される作動液温を参照すればよい。
【００５０】
また、バルブタイミング制御の開始時期を決定するにあたり、作動液ポンプ８２の回転数の積算値を、エンジン回転数の積算値の代用としてもよい。
【００５１】
上記実施形態では、内燃機関の冷間始動直後において、吸気ポートの温度上昇を促すべく、吸気バルブの開弁タイミングを排気上死点よりも早める進角制御を実施していたが、これに代えて、またはこれとともに、排気バルブの閉弁タイミングを排気上死点よりも遅らせる遅角制御を実施してもよい。その場合には、排気バルブの開閉タイミングを変更できるＶＶＴ機構が内燃機関に実装されている必要があることは言うまでもない。
【００５２】
その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御に適用することができる。
【符号の説明】
【００５４】
０…ＥＣＵ（制御装置）
６…ＶＶＴ機構
９…ＯＣＶ
ｂ…クランク角信号
ｆ…冷却水温信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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