(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気弁及び排気弁のバルブタイミングを可変させて、該吸気弁と排気弁のオーバラップ量を可変させる可変バルブタイミング装置において、
上記吸気弁のバルブタイミングを可変させる吸気バルブタイミング可変手段と、
上記排気弁のバルブタイミングを可変させる排気バルブタイミング可変手段と、
エンジン始動時の初爆から所定時間後に上記吸気バルブタイミング可変手段又は上記排気バルブタイミング可変手段の少なくとも一方を作動させてそれぞれ上死点を跨いでオーバラップ量を増大させ、上記吸気バルブタイミング可変手段又は上記排気バルブタイミング可変手段の少なくとも一方の作動によるオーバラップ量の増大の開始より所定期間が経過すると排気バルブタイミング可変手段にて上記排気弁を進角させるバルブタイミング制御手段と
を備えたことを特徴とする可変バルブタイミング装置。
【請求項２】
吸気弁及び排気弁のバルブタイミングを可変させて、該吸気弁と排気弁のオーバラップ量を可変させる可変バルブタイミング装置において、
上記吸気弁のバルブタイミングを可変させる吸気バルブタイミング可変手段と、
上記排気弁のバルブタイミングを可変させる排気バルブタイミング可変手段と、
エンジン始動時の初爆から所定時間後に上記吸気バルブタイミング可変手段を進角側に作動させて上記吸気弁及び上記排気弁についてそれぞれ上死点を跨いでオーバラップ量を増大させ、上記吸気バルブタイミング可変手段の作動による上記吸気弁の進角開始より所定期間後に、上記排気バルブタイミング可手段を作動させて上記排気弁を進角させるバルブタイミング制御手段と
を備えたことを特徴とする可変バルブタイミング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの吸気弁及び排気弁の開閉タイミングを調整する可変バルブタイミング装置に関するものである。
【０００２】
【関連する背景技術】
周知のように、エンジンから排出される未燃ＨＣの多くは冷態始動時のものであり、その対策として、触媒の性能向上や容量増大等が図られている。しかしながら、この触媒に関する対策のみで冷態始動時の多量の未燃ＨＣを浄化するには、触媒への貴金属の使用量が大幅に増加してコスト効率が悪いという問題がある。
【０００３】
そこで、例えば特開平１１−３３６５７４号公報に記載の可変バルブタイミング装置のように、冷態始動時において吸排気弁の開閉タイミングを適切に制御し、触媒を早期に活性化させて未燃ＨＣを低減する技術が提案されている。この可変バルブタイミング装置では、冷態始動時に通常時より排気弁を進角させて燃焼中の排ガスを排出させ、排ガスに含まれる未燃ＨＣが排気通路内で燃焼したときの後燃え効果により、触媒を早期に活性化させている。又、このときの後燃え効果を促進すべく、吸気弁を大幅に進角させて排気弁とのオーバラップ量を増大させ、吸気側に逆流する排ガス（内部ＥＧＲ）を増加させて燃焼を緩慢化し、未燃ＨＣの排出量を増加させている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報の可変バルブタイミング装置ではフローチャートの記載等から明らかなように、冷態始動時に吸排気弁の進角制御を同時に行っているため、以下に述べる不具合が生じる。
吸排気弁の進角制御は初爆から数行程経過後に行われるが、この時点では未だ排気通路等の温度が十分に昇温されていないことから、排気弁の進角により燃焼中の排ガスを排出させても、排気通路内で後燃えが途絶えてそのまま排出されてしまう事態が生じる。
【０００５】
又、冷態始動時の初期には、吸気ポート内に噴射された燃料が吸気弁の閉弁中にポート内に溜まり、吸気弁の開弁に伴って筒内に流入し、その一部は燃焼することなくオーバラップ期間中に未燃ＨＣとして排気側に通り抜ける。このとき、排気弁が上死点ＴＤＣ以前に閉弁されるため、排気側に通り抜けた未燃ＨＣの大半は筒内に再吸入されずに、そのまま排出されてしまう。
【０００６】
一方、吸気弁が進角されて早期に開弁されると、排ガスの一部は吸気側に逆流して吸気ポート内の燃料の気化促進、及び吸気ポート自体の昇温作用を奏するが、排気弁の早期開弁により筒内に残る排ガス温度が低くなるため、これらの好ましい作用も大きく低下する。
以上の要因から、冷態始動時の初期に吸排気弁を同時に進角させることは最適な制御とは言い難く、より冷態始動時のエンジンの昇温状況に合致した適切な制御が望まれていた。
【０００７】
本発明の目的は、始動時に吸排気弁の開閉タイミングを適切に制御し、もって、未燃ＨＣの排出を確実に抑制することができる可変バルブタイミング装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明では、吸気弁及び排気弁のバルブタイミングを可変させて、吸気弁と排気弁のオーバラップ量を可変させる可変バルブタイミング装置において、吸気弁のバルブタイミングを可変させる吸気バルブタイミング可変手段と、排気弁のバルブタイミングを可変させる排気バルブタイミング可変手段と、エンジン始動時の初爆から所定時間後に吸気バルブタイミング可変手段又は排気バルブタイミング可変手段の少なくとも一方を作動させて吸気弁及び排気弁についてそれぞれ上死点を跨いでオーバラップ量を増大させ、上記吸気バルブタイミング可変手段又は上記排気バルブタイミング可変手段の少なくとも一方の作動によるオーバラップ量の増大の開始より所定期間後に排気バルブタイミング可変手段にて排気弁を進角させるバルブタイミング制御手段とを備えた。
【０００９】
従って、エンジン始動時の初爆から所定時間後には、まず、吸気バルブタイミング可変手段又は排気バルブタイミング可変手段の少なくとも一方により吸気弁及び排気弁についてそれぞれ上死点を跨いで吸排気のオーバラップ量が増大され、これにより一旦排気側に通り抜けた排ガスが筒内に引き戻されて燃焼して、未燃ＨＣの排出が抑制される共に、排ガスが吸気側に逆流して燃料の気化促進や吸気ポートの昇温が行われ、吸気バルブタイミング可変手段又は排気バルブタイミング可変手段の少なくとも一方の作動によるオーバラップ量の増大の開始より所定期間後に排気バルブタイミング可変手段にて排気弁が進角され、燃焼中の排ガスが排出されて排気通路内での後燃え効果により触媒が早期に活性化される。つまり、始動時のエンジンの昇温状況に応じて、吸排気弁の開閉タイミングが常に最適に制御される。
【００１０】
又、請求項２の発明では、吸気弁及び排気弁のバルブタイミングを可変させて、吸気弁と排気弁のオーバラップ量を可変させる可変バルブタイミング装置において、吸気弁のバルブタイミングを可変させる吸気バルブタイミング可変手段と、排気弁のバルブタイミングを可変させる排気バルブタイミング可変手段と、エンジン始動時の初爆から所定時間後に吸気バルブタイミング可変手段を進角側に作動させて吸気弁及び排気弁についてそれぞれ上死点を跨いでオーバラップ量を増大させ、該吸気バルブタイミング可変手段の作動による吸気弁の進角開始より所定期間後に、排気バルブタイミング可変手段を作動させて排気弁を進角させるバルブタイミング制御手段とを備えた。
【００１１】
従って、エンジン始動時の初爆から所定時間後には、まず、吸気バルブタイミング可変手段により吸気弁の進角が開始されて吸気弁及び排気弁についてそれぞれ上死点を跨いでオーバラップ量が増大され、これにより一旦排気側に通り抜けた排ガスが筒内に引き戻されて燃焼して、未燃ＨＣの排出が防止される共に、排ガスが吸気側に逆流して燃料の気化促進や吸気ポートの昇温が行われ、吸気弁の進角開始から所定期間後に排気バルブタイミング可変手段にて排気弁が進角され、燃焼中の排ガスが排出されて排気通路内での後燃え効果により触媒が早期に活性化される。つまり、始動時のエンジンの昇温状況に応じて、吸排気弁の開閉タイミングが常に最適に制御される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
［第１実施形態］
以下、請求項１の発明を具体化した第１実施形態の可変バルブタイミング装置を説明する。
図１は第１実施形態の可変バルブタイミング装置を示す全体構成図である。この図に示すように、エンジン１は吸気管噴射型エンジンとして構成されており、その動弁機構としてはＤＯＨＣ４弁式が採用されている。シリンダヘッド２上の吸気カム軸３ａ及び排気カム軸３ｂの前端にはタイミングプーリ４ａ，４ｂが接続され、これらのタイミングプーリ４ａ，４ｂはタイミングベルト５を介してクランク軸６に連結されている。クランク軸６の回転に伴ってタイミングプーリ４ａ，４ｂと共にカム軸３ａ，３ｂが回転駆動され、これらのカム軸３，３ｂにより吸気弁７ａ及び排気弁７ｂが開閉駆動される。
【００１３】
各カム軸３ａ，３ｂとタイミングプーリ４ａ，４ｂとの間には、吸気バルブタイミング可変手段及び排気バルブタイミング可変手段としてのベーン式のタイミング可変機構８ａ，８ｂが設けられている。タイミング可変機構８ａ，８ｂの構成は、例えば特開２０００−２７６０９号公報等で公知のため詳細は説明しないが、タイミングプーリ４ａ，４ｂに設けたハウジング内にベーンロータを回動可能に設け、そのベーンロータに吸気カム軸３ａ或いは排気カム軸３ｂを連結して構成されている。タイミング可変機構８ａ，８ｂにはオイルコントロールバルブ（以下、ＯＣＶという）９ａ，９ｂが接続され、エンジン１のオイルポンプ１０から供給される作動油を利用して、ＯＣＶ９ａ，９ｂの切換に応じてベーンロータに油圧を作用させ、その結果、タイミングプーリ４ａ，４ｂに対するカム軸３ａ，３ｂの位相、即ち、吸排気弁７ａ，７ｂの開閉タイミングを調整するようになっている。
【００１４】
一方、シリンダヘッド２の吸気ポート１１には吸気通路１２が接続され、ピストン１６の下降に伴ってエアクリーナ１３から吸気通路１２内に導入された吸入空気は、スロットルバルブ１４の開度に応じて流量調整された後に燃料噴射弁１５からの噴射燃料と混合され、吸気ポート１１を経て吸気弁７ａの開弁時に筒内に流入する。
【００１５】
又、シリンダヘッド２の排気ポート１７には排気通路１８が接続され、点火プラグ１９により点火されて燃焼後の排ガスは、排気弁７ｂの開弁時にピストン１６の上昇に伴って排気ポート１７から排気通路１８に案内され、触媒２０及び図示しない消音器を経て外部に排出される。
車室内には、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ，ＢＵＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えたバルブタイミング制御手段としてのＥＣＵ（エンジン制御ユニット）３１が設置されており、エンジン１の総合的な制御を行う。ＥＣＵ３１の入力側には、エンジン回転速度Ｎeを検出する回転速度センサ３２、スロットルバルブ１４の開度ＴＰＳを検出するスロットルセンサ３３、冷却水温Ｔwを検出する水温センサ３４等の各種センサが接続されている。又、ＥＣＵ３１の出力側には、前記ＯＣＶ９ａ，９ｂ、燃料噴射弁１５、点火プラグ１９等が接続されている。
【００１６】
ＥＣＵ３１は、各センサからの検出情報に基づいて点火時期及び燃料噴射量等を決定し、点火プラグ１９や燃料噴射弁１５を駆動制御する。又、予め設定されたマップに従って、エンジン回転速度Ｎe及びスロットル開度ＴＰＳからタイミング可変機構８ａ，８ｂの目標位相角を算出し、ＯＣＶ９ａ，９ｂを駆動して実際の位相角を目標位相角に制御する。更に、エンジン１の冷態始動時には、未燃ＨＣの排出を抑制するために、温態始動時の場合と異なる専用の位相角制御を実行する。
【００１７】
そこで、この冷態始動時にＥＣＵ３１により実行される位相角制御を図２，３に基づいて説明する。
図２は冷態始動時におけるカム軸の位相角制御を示すタイムチャートであり、図３は冷態始動時のカム軸の位相変化を順に示した説明図である。
まず、エンジン停止時において、図２，３の(1)に示すように吸気カム軸３ａの位相は遅角位置に保持され、排気カム軸３ｂの位相は進角位置に保持され、吸排気のオーバラップはほとんど形成されていない。運転者にてイグニションスイッチがスタート操作されると、この位相位置でエンジン１のクランキングが開始されると共に、ＥＣＵ３１により点火時期制御や燃料噴射制御が実行される。この時点の吸気ポート１１は外気温相当のため燃料気化が促進されず、燃料増量による多量の噴射燃料の大半は、液状燃料のまま吸気弁７ａの閉弁中に吸気ポート１１内に溜まり、吸気弁７ａの開弁に伴って筒内に流入する。ここで、上記のように吸排気がほとんどオーバラップしないため、筒内に流入した燃料は排気側に通り抜けることなく燃焼されて、未燃ＨＣを多量に排出することなく初爆に至る。
【００１８】
ここまでの位相角制御は温態始動と冷態始動で共通のものである。そして、ＥＣＵ３１により冷却水温Ｔw等に基づいて温態始動と判定されたときには、始動完了後もアイドル運転が継続されている限り、吸気弁７ａの開閉タイミングは遅角位置に保持され、排気弁７ｂの開閉タイミングは進角位置に保持され続け、車両の発進等によりエンジン回転速度Ｎeやスロットル開度ＴＰＳが増加すると、それに応じて進角側に制御される。
【００１９】
一方、冷態始動時には、初爆から所定時間ｔ（例えば、２〜３sec）待機した後に、図２，３の(2)に示すように排気カム軸３ｂの位相が遅角側に制御される。これにより排気弁７ｂの閉弁が上死点ＴＤＣ以降となり、一旦排気側に通り抜けた排ガスがピストン１６の下降により筒内に引き戻されて、次回の燃焼行程で燃焼される。そして、このときの排ガスは、未燃ＨＣを特に多く含む排気行程の終盤の排ガスであるため、多くの未燃ＨＣが次回の燃焼行程で燃焼されて、そのまま排出される事態が防止される。又、排気弁７ｂの開弁も遅延されることから、燃焼期間が長くなって未燃ＨＣの酸化が促進されると共に、筒内の排ガス温度が高められる。
【００２０】
更に、この排気カム軸３ｂの遅角に伴ってオーバラップ量が増大されることから、高温の排ガスが内部ＥＧＲとして吸気側に逆流して、吸気ポート１１内の燃料の気化促進、及び吸気ポート１１自体の昇温作用を奏すると共に、この時点では、初爆に伴うエンジン回転速度Ｎeの急増により吸気側の負圧が高まっているため、排ガスの逆流が急激なものとなり、吸気ポート１１内に滞留している液状燃料を吹き飛ばして微粒化する作用も奏する。
【００２１】
上記した排気カム軸３ｂの遅角制御と同時、若しくは若干遅れたタイミングで、図２，３の(3)に示すように吸気カム軸３ａの位相が進角側に制御されて、吸排気のオーバラップ量が更に増大される。この時点では、排ガス温度の上昇に伴って初爆時に比較すると燃料気化し易い条件となると共に、吸気弁７ａの開弁が早期となり圧縮温度と共に筒内温度も上昇しており、しかも、上記した内部ＥＧＲによる液状燃料の微粒化作用は依然として奏されていることから、オーバラップ量の増大により内部ＥＧＲを増加させても、安定した燃焼が継続される。
【００２２】
そして、所定時間の経過後（所定期間後）に、図２，３の(4)に示すように排気カム軸３ｂの位相が進角側に制御される。この時点では、上記した(3)の時点と比較して排気通路１８等の温度が上昇しているため、排気弁７ｂの進角により燃焼中の排ガスが排出されると、排ガスは後燃え効果により排気通路１８内でも燃焼を継続し、触媒２０を早期に活性化する。尚、排気弁７ｂの進角によりオーバラップ量は減少するが、この時点では吸気側の負圧がより高まっているため、上記した排ガスの筒内への引き戻し作用は十分に奏されて、未燃ＨＣの排出が抑制される。
【００２３】
一方、その後に所定時間が経過すると、吸気カム軸３ａの位相が遅角側に制御され、吸排気のオーバラップ量が減少されて燃焼の安定化が図られる。同時に、燃料の燃え残りによる未燃ＨＣの発生を抑制すべく空燃比がリーン側に制御されると共に、このリーン運転による発熱量の低下を補い、且つ排気温度を昇温させるために点火時期のリタードが実施されて、引き続き触媒２０の昇温が図られる。
【００２４】
以上のように本実施形態の可変バルブタイミング装置では、未だ排気通路１８等が十分に昇温されずに後燃え効果が期待できない冷態始動時の初期には、排気弁７ｂの遅角及び吸気弁７ａの進角によりオーバラップ量を増大させ（図３の(2)，(3)）、これにより一旦排気側に通り抜けた排ガスを筒内に引き戻して燃焼させて、未燃ＨＣの排出を防止する共に、排ガスを吸気側に逆流させて燃料の気化促進や吸気ポート１１の昇温を実現し、一方、その後に排気通路１８等が昇温されると（図３の(4)）、排気弁７ｂを進角させて燃焼中の排ガスを排出させ、排気通路１８内での後燃え効果により触媒２０を早期活性化している。
【００２５】
つまり、冷態始動時のエンジン１の昇温状況（排気通路１８等の昇温状況）に応じて、吸排気弁７ａ，７ｂの開閉タイミングを常に最適に制御することから、未燃ＨＣの排出を確実に抑制することができる。
又、特に始動時のようにエンジン回転速度Ｎeが低い場合には、エンジン１のオイルポンプ１０から供給される作動油が十分でないが、上記のように冷態始動時には吸排気のカム軸３ａ，３ｂの位相を相前後して変更しているため、限られた作動油が常に一方のタイミング可変機構８ａ，８ｂに集中的に供給されて、確実な位相角制御を実現することができる。
【００２６】
［第２実施形態］
次に、請求項２の発明を具体化した第２実施形態の可変バルブタイミング装置を説明する。本実施形態の可変バルブタイミング装置は、吸排気カム軸３ａ，３ｂの位相角制御の順序を変更したものであり、その他の構成は第１実施形態と同一である。従って、共通の構成部分の説明は省略し、相違点を重点的に説明する。
【００２７】
図４は冷態始動時におけるカム軸の位相角制御を示すタイムチャートであり、図５は冷態始動時のカム軸の位相変化を順に示した説明図である。
まず、エンジン停止時において、図４，５の(1)に示すように吸排気のカム軸３ａ，３ｂの位相は共に遅角位置に保持され、吸気行程及び排気行程を含むオーバラップが形成されている。この位相位置で始動が行われると、一旦排気側に通り抜けた排ガスがピストン１６の下降により筒内に引き戻されて次回の燃焼行程で燃焼され、未燃ＨＣを排出することなく初爆に至る。尚、このときに吸気行程のみのオーバラップを形成するようにしてもよく、この場合には、排ガスの排気側への通り抜けをより確実に防止できる。
【００２８】
そして、冷態始動時には、初爆から所定時間ｔ（例えば、２〜３sec）待機した後に、図４，５の(2)に示すように吸気カム軸３ａの位相が進角側に制御される。このときの作用は第１実施形態の図２，３の(3)の場合と同様であり、排気側に通り抜けた排ガスが筒内に引き戻されて未燃ＨＣの排出が防止されると共に、オーバラップ量の増大により吸気側に逆流する内部ＥＧＲが増加して、吸気ポート１１内の燃料の気化促進や吸気ポート１１自体の昇温作用が奏される。
【００２９】
更に所定時間の経過後（所定期間後）に、図４，５の(3)に示すように排気カム軸３ｂの位相が進角側に制御される。このときの作用は第１実施形態の図２，３の(3)の場合と同様であり、排気弁７ｂの進角により燃焼中の排ガスが排出されて、後燃え効果により排気通路１８内でも燃焼を継続し、触媒２０が早期に活性化される。
尚、その後に所定時間が経過すると、排気カム軸３ｂの位相が遅角側に制御され、続いて吸気カム軸３ａの位相が遅角側に制御され、これと同時に、第１実施形態と同じく空燃比のリーン化と点火時期のリタードが実施される。
【００３０】
以上のように本実施形態の可変バルブタイミング装置では、後燃え効果が期待できない冷態始動時の初期には、吸気弁７ａの進角によりオーバラップ量を増大させ（図５の(2)）、これにより排ガスを筒内に引き戻して未燃ＨＣの排出を防止する共に、排ガスを吸気側に逆流させて燃料の気化促進や吸気ポート１１の昇温を実現し、一方、その後に排気通路１８等が昇温されると（図５の(3)）、排気弁７ｂを進角させて後燃え効果により触媒２０を早期活性化している。よって、冷態始動時のエンジン１の昇温状況に応じて吸排気弁７ａ，７ｂの開閉タイミングを常に最適に制御でき、未燃ＨＣの排出を確実に抑制することができる。
【００３１】
しかも、吸排気のカム軸３ａ，３ｂの位相を相前後して変更しているため、オイルポンプ１０の限られた作動油を常に一方のタイミング可変機構８ａ，８ｂに集中的に供給して、確実な位相角制御を実現することができる。
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様は上記第１及び第２実施形態に限定されるものではない。例えば上記各実施形態では、ベーン式のタイミング可変機構８ａ，８ｂを備えたが、タイミング可変機構の構成はこれに限らず、例えば、ヘリカル式のタイミング可変機構に代えてもよいし、カム軸に対するカムの偏心量を変更する偏心式のタイミング可変機構、或いは、異なる特性のカムを選択的に作動させる切換式のタイミング可変機構、電磁式アクチュエータによりバルブを直接的に開閉する電磁式のタイミング可変機構等に代えてもよい。
【００３２】
又、上記各実施形態では吸気管噴射型のエンジン１に適用したが、例えば、筒内に直接燃料を噴射する筒内噴射型エンジンに適用してもよい。
更に、上記各実施形態では、一方のカム軸３ａ，３ｂの位相角制御を完了した後に、他方のカム軸３ａ，３ｂの位相角制御を開始するようにしたが、双方の位相角制御をオーバラップさせて実行してもよく、例えば図２に破線で示すように、排気カム軸３ｂの遅角側への位相角制御が完了する以前に、吸気カム軸３ａの進角側への位相角制御を開始してもよい。
【００３３】
一方、上記各実施形態では、冷態始動時を例に挙げて説明したが、必ずしも冷態始動時に限ることなく、温態始動時においても同様の制御を実行するようにしてもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の可変バルブタイミング装置によれば、始動時に吸排気弁の開閉タイミングを適切に制御し、もって、未燃ＨＣの排出を確実に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１及び第２実施形態の可変バルブタイミング装置を示す全体構成図である。
【図２】第１実施形態の可変バルブタイミング装置による冷態始動時のカム軸の位相角制御を示すタイムチャートである。
【図３】第１実施形態の可変バルブタイミング装置による冷態始動時のカム軸の位相変化を順に示した説明図である
【図４】第２実施形態の可変バルブタイミング装置による冷態始動時のカム軸の位相角制御を示すタイムチャートである。
【図５】第２実施形態の可変バルブタイミング装置による冷態始動時のカム軸の位相変化を順に示した説明図である
【符号の説明】
７ａ  吸気弁
７ｂ  排気弁
８ａ  タイミング可変機構（吸気バルブタイミング可変手段）
８ｂ  タイミング可変機構（排気バルブタイミング可変手段）
３１  ＥＣＵ（バルブタイミング制御手段）
【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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