(57)【要約】【課題】この発明は、アイドル運転時の排気エミッションを排気弁早閉じ制御により改善しつつ、アイドル安定性も確保することを目的とする。【解決手段】排気弁早閉じ制御は、排気バルブ３６の閉弁タイミングを進角させることにより、排気ガスの吹き返しを発生する。しかし、アイドル運転時に排気弁早閉じ制御を行うと、運転状態によっては吹き返しのガス量が過剰となり、燃焼状態が悪化する。このため、ＥＣＵ５０は、排気弁早閉じ制御により設定される排気バルブ３６の閉弁タイミングを、アイドル運転中の機関回転数に応じて補正する。これにより、アイドル運転中に排気弁早閉じ制御を実行しつつ、燃焼状態に応じて排気ガスの吹き返し流量を適切に制御することができる。従って、アイドル運転時の燃費性能や排気エミッションを改善することができ、これと並行してアイドル安定性も確保することができる。【選択図】図６
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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と排気バルブのうち、少なくとも排気バルブのバルブタイミングを可変に設定する可変動弁機構と、
前記可変動弁機構を作動させることにより、前記排気バルブの閉弁タイミングを進角させ、吸気系に排気ガスの吹き返しを生じさせる排気弁早閉じ制御手段と、
内燃機関のアイドル運転中に、前記排気弁早閉じ制御手段により設定される前記排気バルブの閉弁タイミングを機関回転数に応じて補正する回転対応補正手段と、
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】
前記回転対応補正手段は、前記アイドル運転中の機関回転数が高いほど、前記排気バルブの閉弁タイミングを遅角させる構成としてなる請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
内燃機関の温度状態を検出する温度検出手段と、
前記アイドル運転中の温度状態が高いほど、前記排気バルブの閉弁タイミングを遅角させる温度対応補正手段と、
を備えてなる請求項１または２に記載の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、内燃機関の制御装置に関し、特に、バルブタイミングを可変に設定する可変動弁機構を搭載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２００１−３５５４６２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。この種の従来技術による内燃機関の制御装置では、内燃機関が低回転、低負荷運転を行っているときに、排気弁早閉じ制御を実行する構成としている。
【０００３】
排気弁早閉じ制御では、排気バルブの閉弁タイミングを通常よりも進角させる。これにより、吸気上死点の近傍では、吸気バルブと排気バルブが閉弁するマイナスオーバーラップ期間が生じる。マイナスオーバーラップ期間中には、気筒内に残留した排気ガスが圧縮されるので、吸気バルブの開弁時には、吸気系に向けて排気ガスの吹き返しが生じる。この吹き返しにより、排気エミッションを改善することが可能となる。
【０００４】
また、従来技術では、アイドル運転を行うときに、排気弁早閉じ制御を実行せず、排気バルブをほぼ吸気上死点で閉弁させる構成としている。これにより、排気ガスの吹き返しが少ない（または生じない）分だけ燃焼性が安定するので、従来技術では、アイドル安定性を向上させるようにしている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−３５５４６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述した従来技術では、アイドル運転時に排気弁早閉じ制御を実行せず、燃焼性を安定させるようにしている。この場合、排気弁早閉じ制御には、排気エミッションや燃費性能が改善するというメリットがあるので、アイドル運転時でも排気弁早閉じ制御を実行したいという要求がある。
【０００７】
しかしながら、排気ガスの吹き返し流量は、内燃機関の運転状態に応じて変化する。このため、アイドル運転時に排気弁早閉じ制御を行うと、運転状態によっては吹き返しのガス量が過剰となる虞れがある。この場合には、燃焼性が悪化してアイドル安定性が損なわれる。このため、従来技術では、アイドル運転時に排気弁早閉じ制御の実施が可能であっても、この早閉じ制御とアイドル安定性とを両立させるのが難しいという問題がある。
【０００８】
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、排気弁早閉じ制御によりアイドル運転時の燃費性能や排気エミッションを改善しつつ、アイドル安定性も確保す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】
【０００９】
第１の発明は、内燃機関の吸気バルブと排気バルブのうち、少なくとも排気バルブのバルブタイミングを可変に設定する可変動弁機構と、
前記可変動弁機構を作動させることにより、前記排気バルブの閉弁タイミングを進角させ、吸気系に排気ガスの吹き返しを生じさせる排気弁早閉じ制御手段と、
内燃機関のアイドル運転中に、前記排気弁早閉じ制御手段により設定される前記排気バルブの閉弁タイミングを機関回転数に応じて補正する回転対応補正手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
第２の発明によると、第１の発明において、
前記回転対応補正手段は、前記アイドル運転中の機関回転数が高いほど、前記排気バルブの閉弁タイミングを遅角させる構成としている。
【００１１】
第３の発明は、第１または第２の発明において、
内燃機関の温度状態を検出する温度検出手段と、
前記アイドル運転中の温度状態が高いほど、前記排気バルブの閉弁タイミングを遅角させる温度対応補正手段と、
を備える構成としている。
【発明の効果】
【００１２】
第１の発明によれば、排気弁早閉じ制御手段は、アイドル運転中に排気バルブの閉弁タイミングを進角させることにより、排気ガスの吹き返しを生じさせることができる。このとき、回転対応補正手段は、排気弁早閉じ制御手段により設定される排気バルブの閉弁タイミングを機関回転数に応じて補正することができる。このため、機関回転数の変化に応じて排気ガスの吹き返し流量が増減しても、閉弁タイミングを補正することで吹き返し流量を適切に制御することができる。
【００１３】
これにより、アイドル運転中には、回転数の変化による燃焼状態の悪化を回避しつつ、排気弁早閉じ制御の効果を最大限に発揮することができる。従って、アイドル運転時の燃費性能や排気エミッションを改善することができ、これと並行してアイドル安定性も確保することができる。
【００１４】
第２の発明によれば、回転対応補正手段は、アイドル運転中の機関回転数が高いほど、排気バルブの閉弁タイミングを遅角側に補正することができる。これにより、低回転時には、吹き返し流量が比較的少ないので、排気バルブの閉弁タイミングを進角した状態に保持することができる。この結果、吹き返しが燃焼状態に与える影響を抑えつつ、排気弁早閉じ制御を積極的に行うことができる。
【００１５】
また、機関回転数が高いときには、その分だけ排気バルブの閉弁タイミングを遅角させることができる。これにより、回転上昇の影響で排気ガスの吹き返し流量が増える分を、閉弁タイミングの遅角により打消すことができ、燃焼の安定度に応じて排気ガスの吹き返し流量を適切に制御することができる。
【００１６】
第３の発明によれば、温度対応補正手段は、アイドル運転中の温度状態が高いほど、排気バルブの閉弁タイミングを遅角側に補正することができる。この場合、例えば冷間ファーストアイドル運転時のような低水温時には、内燃機関のフリクションが大きく、高負荷運転が行われるので、燃焼状態に余裕があり、排気ガスの吹き返し流量を増やすことが可能となる。
【００１７】
従って、ＨＣ等の排出量が多い低水温時には、排気バルブの閉弁タイミングを進角状態に保持し、排気弁早閉じ制御の効果を十分に発揮させることができる。また、例えばホットアイドル運転時のような高水温時には、燃焼状態に余裕がないので、排気バルブの閉弁タイミングを遅角させることができる。これにより、吹き返しの影響を抑えることができ、燃焼状態の安定化を優先することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
以下、図１乃至図８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。本実施形態のシステムは、例えば車両に搭載される多気筒型の内燃機関１０を備えており、その各気筒内には、ピストン１２との間に燃焼室１４が設けられている。また、各気筒のピストン１２は、クランク軸１６に連結されている。また、内燃機関１０は、クランク軸１６の回転角（クランク角）を検出するためのクランク角センサ１８を備えている。
【００１９】
内燃機関の各気筒は、吸入空気が燃焼室１４に向けて流通する吸気通路２０と、燃焼室１４から排気ガスが流出する排気通路２２とを備えている。吸気通路２０には、吸入空気量を検出するエアフローメータ２４と、吸入空気量を調整する電子制御式のスロットルバルブ２６とが設けられている。スロットルバルブ２６は、アクセル開度等に基づいてスロットルモータ２８により駆動される。
【００２０】
また、内燃機関の各気筒は、吸入空気中に燃料を噴射する燃料噴射弁３０と、混合気に点火する点火プラグ３２と、燃焼室１４を吸気通路２０に対して開，閉する吸気バルブ３４と、燃焼室１４を排気通路２２に対して開，閉する排気バルブ３６とを備えている。吸気バルブ３４の開，閉タイミング（バルブタイミング）は、吸気ＶＶＴ３８により可変に設定される。排気バルブ３６の開，閉タイミングは、排気ＶＶＴ４０により可変に設定される。これらのＶＶＴ（Variable Valve Timing system＝可変バルブタイミング機構）３８，４０は、本実施の形態の可変動弁機構を構成している。
【００２１】
また、ＶＶＴ３８，４０は、例えば特開２００３−２９３７１１号公報等に記載されているような公知の技術を用いて構成されている。そして、吸気ＶＶＴ３８は、後述のＥＣＵ５０から入力される指令信号に応じて吸気バルブ３４の位相（開弁タイミング及び閉弁タイミング）を進角または遅角させる。
【００２２】
また、排気側のＶＶＴ４０も同様に、ＥＣＵ５０の指令信号に応じて排気バルブ３６の位相を進角または遅角させる。一方、内燃機関１０は、冷却水の温度を検出する温度検出手段としての水温センサ４２を備えている。
【００２３】
さらに、本実施の形態のシステムは、内燃機関１０の運転状態を制御するためのＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０を備えている。ＥＣＵ５０は、例えばＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶回路を有するマイクロコンピュータにより構成されている。
【００２４】
ＥＣＵ５０の入力側には、クランク角センサ１８、エアフローメータ２４、水温センサ４２等を含むセンサ系統が接続されている。ＥＣＵ５０の出力側には、スロットルモータ２８、燃料噴射弁３０、点火プラグ３２、ＶＶＴ３８，４０等を含む各種のアクチュエータが接続されている。
【００２５】
そして、ＥＣＵ５０は、内燃機関の運転状態をセンサ系統により検出しつつ、各アクチュエータを駆動することにより運転制御を実施する。この運転制御には、内燃機関がアイドル状態であるときに、機関回転数をアイドル目標回転数に保持するためのアイドル運転制御が含まれている。
【００２６】
この場合、アイドル目標回転数は、例えば水温センサ４２により検出した冷却水の温度等に応じて可変に設定される。即ち、例えば冷間状態でのファーストアイドル運転時（冷間Ｆ／Ｉ時）には、後述の図５に示すように、アイドル目標回転数が通常よりも高い回転数に設定される。また、暖機後のホットアイドル運転時には、冷間Ｆ／Ｉ時と比べて低いアイドル目標回転数が用いられる。
【００２７】
また、ＥＣＵ５０による運転制御には、ＶＶＴ３８，４０を用いて行われる通常のバルブタイミング制御、排気弁早閉じ制御、回転対応補正制御、及び温度対応補正制御も含まれている。以下、これらの制御について説明する。
【００２８】
（通常のバルブタイミング制御）
ＥＣＵ５０は、例えば内燃機関の加速運転時のように、排気弁早閉じ制御を実行しないときに、ＶＶＴ３８，４０を用いて通常のバルブタイミング制御（以下、通常制御と称す）を実行する。図２は、通常制御におけるバルブリフト量とクランク角との関係を示している。なお、図２は、通常制御の一例を示すものである。
【００２９】
この図に示すように、通常制御では、排気バルブ３６の閉弁タイミングが吸気上死点の近傍に設定される。これにより、吸気上死点の近傍では、バルブ３４，３６のオーバーラップ期間が設けられている。この結果、通常制御の実行時には、排気弁早閉じ制御と比較して排気ガスの吹き返し流量が減少するか、または吹き返しが殆ど生じない状態となる。
【００３０】
（排気弁早閉じ制御）
本実施の形態では、アイドル運転時が行われるときに、排気弁早閉じ制御を実行する構成としている。図３は、排気弁早閉じ制御におけるバルブリフト量とクランク角との関係を示している。この図に示すように、排気弁早閉じ制御では、例えばＶＶＴ４０により排気バルブ３６の位相（開弁タイミングと閉弁タイミング）を進角させる。この結果、排気バルブ３６は、通常制御よりも早いタイミングで閉弁することになる。
【００３１】
これにより、吸気上死点の近傍では、吸気バルブ３４と排気バルブ３６の両方が閉弁状態となるマイナスオーバーラップ期間が生じる。マイナスオーバーラップ期間中には、燃焼室１４内に残された排気ガスが圧縮されて高温・高圧状態となる。この残留排気ガスは、吸気バルブ３４の開弁時に燃焼室１４から吸気ポートに向けて吹き返すので、排気弁早閉じ制御では、下記の図４に示すような効果を得ることができる。
【００３２】
図４(ａ)〜(ｃ)は、内燃機関の燃焼状態に関係するパラメータと、吹き返しガスの温度との関係を示している。図中の通常制御については、排気弁早閉じ制御と同条件で比較するために、バルブオーバーラップにより排気弁早閉じ制御と同等の吹き返しガスを生じさせた場合を例示している。
【００３３】
排気弁早閉じ制御では、通常制御と比較して高温・高圧の吹き返しガスが生じるので、吸気負圧は、図４(ａ)に示すように、通常制御と比べて小さくなる。この結果、ポンピングロスが減少するので、燃費性能を向上させることができる。また、吸気ポートに逆流した吹き返しガスは、噴射燃料と衝突することになる。このため、排気弁早閉じ制御では、図４(ｂ)に示すように、噴射燃料の微粒化度が高くなり、燃焼状態が良くなる。この結果、燃費性能や排気エミッションを改善することができる。
【００３４】
また、排気弁早閉じ制御では、高温の吹き返しガスを再圧縮することになるので、図４(ｃ)に示すように、圧縮端でのガス温度も通常制御と比べて高くなり、燃焼改善を促進することができる。しかも、吹き返した排気ガスが再度燃焼に寄与するので、所謂ＥＧＲ（内部ＥＧＲ）効果が生じ、排気エミッションを更に改善することができる。
【００３５】
しかしながら、排気ガスの吹き返し流量は、内燃機関の運転状態に応じて変動する。このため、アイドル運転時に排気弁早閉じ制御を行うと、運転状態によっては吹き返しのガス量が過剰となる虞れがある。そこで、本実施の形態では、アイドル運転中に回転対応補正制御と温度対応補正制御を実施し、排気バルブの閉弁タイミングを運転状態に応じて補正する。これにより、上述した排気弁早閉じ制御の効果と、アイドル安定性とを両立させるようにしている。
【００３６】
（回転対応補正制御）
この補正制御は、排気弁早閉じ制御により設定される排気バルブの閉弁タイミングを、アイドル運転中の機関回転数に応じて補正するものである。排気弁早閉じ制御の実行中には、機関回転数が上昇すると、排気ガスの吹き返しが燃焼室内で再圧縮されるときの圧縮時間が短くなる。一般に、ピストンリングの嵌合隙間からクランク室側に漏れ出るブローバイガスの量は圧縮時間に応じて増減するので、圧縮時間が短くなると、ブローバイガスが減少する。
【００３７】
また、圧縮時間が短くなると、燃焼室内のガスからシリンダ壁面に伝導する熱量も減少する。この結果、圧縮行程では、漏れの少ない排気ガスが高温状態で圧縮されることになるから、次の吸気行程では、比較的高温で多量の吹き返しガスが生じ、この吹き返しガスは、再び燃焼室に吸込まれて内部ＥＧＲガスとなる。
【００３８】
このため、排気弁早閉じ制御では、排気バルブ３６の進角量を一定とすれば、機関回転数が上昇するにつれて排気ガスの吹き返し流量、即ち、内部ＥＧＲガスの量が増大し、燃焼状態が悪化することになる。図５は、アイドル運転中の機関回転数Ｎｅと吹き返し流量との関係を示している。なお、アイドル運転の定常状態では、機関回転数がアイドル目標回転数とほぼ等しくなるように制御されている。
【００３９】
この図に示すように、機関回転数（アイドル目標回転数）が高いときには、吹き返し流量が増大することが判る。そこで、回転対応補正制御では、アイドル運転中の機関回転数が高いほど、排気バルブ３６の閉弁タイミングを遅角側に補正する構成としている。この構成によれば、低回転時には、吹き返し流量が比較的少ないので、排気バルブの閉弁タイミングを進角した状態に保持することができる。これにより、吹き返しが燃焼状態に与える影響を抑えつつ、排気弁早閉じ制御を積極的に行うことができる。
【００４０】
また、機関回転数が高いときには、その分だけ排気バルブ３６の閉弁タイミングを遅角させることができる。これにより、回転上昇の影響で排気ガスの吹き返し流量が増える分を、閉弁タイミングの遅角により打消すことができ、燃焼の安定度に応じて排気ガスの吹き返し流量を適切に制御することができる。従って、アイドル運転中には、回転数の変化による燃焼状態の悪化を回避しつつ、排気弁早閉じ制御手段の効果を最大限に発揮することができる。
【００４１】
（温度対応補正制御）
図６は、冷間Ｆ／Ｉ運転とホットアイドル運転のそれぞれについて、アイドル運転中の負荷状態と燃焼状態とを示している。冷間Ｆ／Ｉ運転中は、内燃機関のフリクションが大きいので、高負荷運転が行われている。高負荷運転では、吸入空気量（吸入負圧）が増大しているので、ある程度の吹き返しが生じても、燃焼状態に余裕がある。一方、ホットアイドル運転中には、比較的低負荷状態となるので、排気ガスの吹き返しに対する燃焼状態の安定性は、冷間Ｆ／Ｉ運転時と比べて低下する。
【００４２】
そこで、温度対応補正制御では、冷却水温が高いほど、排気バルブ３６の閉弁タイミングを遅角させる。つまり、低水温時には、排気ガスの吹き返し流量を増やすことが可能なので、閉弁タイミングを進角状態に保持し、排気弁早閉じ制御の効果を十分に発揮させることができる。特に、冷間Ｆ／Ｉ運転時は燃料リッチ状態であり、ＨＣ等の排出量が多いので、排気弁早閉じ制御により排気エミッションを改善することができる。
【００４３】
また、高水温時には、排気バルブ３６の閉弁タイミングを遅角させることができる。これにより、例えばホットアイドル運転時には、吹き返しの影響を抑えることができ、燃焼状態の安定化を優先することができる。
【００４４】
図７は、排気バルブの閉弁タイミングと、機関回転数及び水温との関係を示す特性線図である。この特性線図は、上述した回転対応補正制御と温度対応補正制御の内容をデータ化したものであり、例えば２次元のマップデータとしてＥＣＵ５０に予め記憶されている。図７に示すように、排気バルブ３６の閉弁タイミングは、アイドル運転中の機関回転数Ｎｅが高いほど、また冷却水温が高いほど、遅角側に補正される。
【００４５】
［実施の形態１を実現するための具体的な処理］
図８は、本実施の形態のシステム動作を実現するために、ＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートを示している。なお、図８に示すルーチンは、内燃機関の運転中に繰返し実行されるものである。
【００４６】
この図８に示すように、ＥＣＵ５０は、まず内燃機関がアイドル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、例えば排気バルブ３６の閉弁タイミングを吸気上死点の近傍まで遅角させることにより、通常のバルブタイミング制御を行う（ステップ１０２）。また、前記判定が成立したときには、クランク角センサ１８の検出信号を用いて機関回転数Ｎｅを取得すると共に、水温センサ４２により冷却水温を取得する（ステップ１０４）。
【００４７】
次に、ステップ１０６では、取得した機関回転数と水温とに応じて図７のマップデータを参照することにより、排気弁早閉じ制御における排気バルブ３６の閉弁タイミングを設定する。これにより、機関回転数と水温に応じて補正された閉弁タイミングを得ることができる。そして、閉弁タイミングの設定値に応じて排気ＶＶＴ４０を駆動することにより、排気弁早閉じ制御を行うことができる。
【００４８】
上述したように、本実施の形態によれば、アイドル運転中に排気弁早閉じ制御を実行しつつ、燃焼状態に応じて排気ガスの吹き返し流量を適切に制御することができる。従って、アイドル運転時の燃費性能や排気エミッションを改善することができ、これと並行してアイドル安定性も確保することができる。
【００４９】
なお、前記実施の形態では、図８中のステップ１０６が排気弁早閉じ制御手段、回転対応補正手段及び温度対応補正手段の具体例を示している。また、回転対応補正手段と温度対応補正手段については、図７中のマップデータも具体例を示すものである。
【００５０】
また、実施の形態では、機関回転数が高いほど、排気バルブ３６の閉弁タイミングを遅角させる構成とした。しかし、本発明は、アイドル運転中の機関回転数に応じて閉弁タイミングを補正する点に特徴があるもので、必要があれば、アイドル運転中の機関回転数が低いほど、排気バルブの閉弁タイミングを遅角させる構成としてもよい。
【００５１】
また、実施の形態では、水温センサ４２により検出した冷却水温に応じて排気バルブの閉弁タイミングを補正する構成とした。しかし、本発明は冷却水温に限らず、内燃機関の温度状態が反映されるパラメータであれば、冷却水温以外のパラメータに応じて閉弁タイミングを補正する構成としてもよい。パラメータの例を挙げれば、排気ガスの温度、潤滑オイルの油温などである。
【００５２】
また、実施の形態において、排気弁早閉じ制御手段は、マイナスオーバーラップ期間を生じさせることにより、排気ガスの吹き返しを発生させる構成とした。しかし、本発明の排気弁早閉じ制御手段は、排気ガスの吹き返しが発生するのであれば、必ずしもマイナスオーバーラップ期間を生じさせる必要はない。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【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】通常のバルブタイミング制御におけるバルブリフト量とクランク角との関係を示す説明図である。
【図３】排気弁早閉じ制御におけるバルブリフト量とクランク角との関係を示す説明図である。
【図４】内燃機関の吸気負圧、噴射燃料の微粒化度及び圧縮端の温度と、吹き返しガスの温度との関係を示す説明図である。
【図５】排気ガスの吹き返し流量とアイドル回転数との関係を示す説明図である。
【図６】冷間ファーストアイドル運転とホットアイドル運転のそれぞれについて、アイドル運転中の負荷状態と燃焼状態とを示す説明図である。
【図７】排気バルブの閉弁タイミングと、アイドル回転数及び冷却水温との関係を示す特性線図である。
【図８】本発明の実施の形態１において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】
【００５４】
１０  内燃機関
１２  ピストン
１４  燃焼室
１６  クランク軸
１８  クランク角センサ
２０  吸気通路
２２  排気通路
２４  エアフローメータ
２６  スロットルバルブ
２８  スロットルモータ
３０  燃料噴射弁
３２  点火プラグ
３４  吸気バルブ
３６  排気バルブ
３８，４０  ＶＶＴ（可変動弁機構）
４２  水温センサ（温度検出手段）
５０  ＥＣＵ
【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】
2009216035.tif 000007
【図６】
2009216035.tif 000008
【図７】
2009216035.tif 000009
【図８】
2009216035.tif 000010