JP3829629B2

JP3829629B2 - 内燃機関の燃焼制御装置

Info

Publication number: JP3829629B2
Application number: JP2001030655A
Authority: JP
Inventors: 俊一青山; 信一竹村; 常靖野原; 孝伸杉山
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-02-07
Filing date: 2001-02-07
Publication date: 2006-10-04
Anticipated expiration: 2021-02-07
Also published as: JP2002235567A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気系に触媒が配設された火花点火式の内燃機関に関し、特に、冷機状態の際に触媒を速やかに活性化温度まで上昇させるための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のガソリン機関に代表される火花点火式の内燃機関においては、一般的に、三元触媒等の排気浄化用の触媒が排気系に配設されている。しかしながら、今日の進化した触媒技術をもってしても、機関始動直後のように機関の冷却水温度や触媒温度が低く、触媒が所定の活性化温度に達していない機関冷機状態においては、暖機後の状態に比して、排気ガスに対する触媒の効果が大幅に制限されるのが現状である。
【０００３】
この問題は古くから認識されており、触媒の早期活性化を図るために、触媒の活性化温度自体を低下させる手法や、二次空気を触媒の上流に導入して化学的に活性化の時期を早める技術等が知られている。しかしながら、基本的には、触媒が転換を開始する活性化温度まで触媒温度を如何に早く上昇させるかが重要である。そこで、点火時期を最良効率が得られる最適点火時期よりも遅角させて、燃焼開始時期をリタードさせることにより、排気温度を上昇させて、触媒温度を速やかに上昇させる手法が、燃費性能等に悪影響があるにもかかわらず、従来より試みられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、点火時期を最適点火時期よりも遅らせると、燃焼が不安定となり、甚だしい場合には失火に至り、未燃のＨＣが大量に放出されるなどのおそれがある。従って、このように点火時期を遅らせる際には、燃焼の改善が不可欠となる。燃焼改善を行う代表的な手法としては、吸気ポートにスワールコントロール弁（ＳＣＶ）を設ける手法が挙げられる。
【０００５】
ところで、低温時の燃焼改善等を図るために、吸気弁の作動特性を変化させる機構として、これまで公知となっている発明も多い。その幾つかを以下に列記する。
【０００６】
第１に、特開平１１−０３６９０６号公報には、吸気弁の作動角を連続的に変更可能な作動角変更機構が開示されている。この機構により機関低速時から高速時に至る幅広い運転領域で、燃焼性能の向上と、充填効率の最適化による燃費性能の向上と、を図ることができる。また、吸気弁の作動角の中心位相を可変制御する位相変更機構を上記の作動角変更機構と組み合わせることにより、吸気弁の開時期（以下、必要に応じてＩＶＯと呼ぶ）及び吸気弁の閉時期（以下、必要に応じてＩＶＣと呼ぶ）を個々に変更制御することも可能となる。
【０００７】
第２に、実開昭６２−１１６１０６号公報には、吸気弁のバルブリフト量及び開閉時期を２段階に切り替える切替機構が設けられている。クランキング時（始動時）には、バルブリフト量を小さくするとともにＩＶＯを吸気下死点近傍まで遅らせており、吸気の絞り摩擦熱による温度上昇（燃料気化性）を図るとともに、小リフト化によるクランキング時の速度増加によって始動性の向上を図っている。しかしながら、機関始動後におけるＩＶＯやＩＶＣの制御についての記載がほとんど無く、特に点火時期を遅らせて排気温度を高める点については何ら記載されていない。
【０００８】
第３に、特開平３−２０２６４０号公報には、吸気弁のバルブタイミングを２段階に変更可能な切替機構を設け、（暖機状態における）低回転・低負荷時には、排気温度を上昇させるために、ＩＶＣを遅らせるとともに、ＥＶＯ（排気弁の開時期）を早め、膨張行程中の排気を早く流出させることが記載されている。しかしながら、この公報にも、点火時期を遅らせて排気温度を高める点についての記載はない。
【０００９】
本発明は、排気系に排気浄化用の触媒を備えた火花点火式の内燃機関において、吸気弁の開時期及び閉時期を変更する吸気特性変更手段を有効に利用して、冷機状態における点火時期の大幅な遅角化を実現し、この点火時期の遅角化に伴う排気温度の上昇により、触媒の早期活性化を図り、排気浄化性能を大幅に向上させることを一つの目的としている。
【００１０】
すなわち、冷機状態では、触媒が活性化温度に達するまでのあらゆる運転状態（例えば始動直後の冷機ハイアイドル状態、冷機加速状態、及び冷機定常運転状態等）において、燃費が過度に悪化したり失火等を招くことのない安定限界まで点火時期を遅角させることにより、排気温度の上昇に伴う触媒の早期活性化を図ることを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る火花点火式の内燃機関の燃焼制御装置は、吸気弁の開時期及び閉時期を変更する吸気特性変更手段と、点火時期を変更する点火時期変更手段と、機関の冷機状態を検出する冷機検出手段と、を有し、かつ、排気系に排気浄化用の触媒が設けられている。この触媒としては、酸化触媒、三元触媒等の酸化還元触媒、及び還元触媒等が挙げられる。
【００１２】
そして、上記冷機状態では、点火時期を最適な燃焼効率が得られる最適点火時期よりも遅角するとともに、この点火時期の遅角限界を拡大するように、吸気弁の開時期を遅角することを特徴としている。
【００１３】
典型的には、上記冷機状態では、吸気弁の開時期（ＩＶＯ）を排気上死点よりも遅角する。この場合、吸入行程に入っても初期には吸気が供給されないため、筒内の負圧は急速に増大する。さらにピストン速度は行程中央が最大であり、上死点から行程中央までは単調に増大する特性であるから、ＩＶＯを上死点よりも遅らせると、筒内の負圧は非常に大きくなるとともに、吸気弁が開弁した時の吸気流速が非常に大きくなる。筒内の負圧が増大すると、ポンプ損失が増大するものの、これに伴って吸気温度が上昇する。また、吸気流速の増加により、吸気ポートに噴射された燃料の霧化が十分に促進され、燃焼状態が改善される。更に、吸気流速の増加に伴う吸気の乱れ度合いの増加に対応して、燃焼速度そのものも上昇する。このように、吸気弁の開時期を遅角することにより、燃焼状態が改善され、その分、点火時期の遅角限界（リタード限界）を拡大（遅角化）することができる。
【００１４】
このように、点火時期の最適点火時期からの遅角限界を拡大することによって、排気温度の上昇が促進され、排気系に設けられた触媒の温度上昇が促進されるため、触媒が早期に活性化され、排気浄化性能の著しい向上を図ることができる。
【００１５】
具体的には、上記冷機状態では、ほぼ同じ運転条件の暖機状態よりも吸気弁の開時期を遅角する。つまり、冷機状態では、点火時期の遅角限界を最大限に拡大するために、ポンプ損失等の悪影響があるものの、吸気弁の開時期を可能な限り遅角させている。これに対し、暖機状態では、最適な燃費効率が得られるように、吸気弁の開時期が上記の冷機状態に比して進角した設定とされる。
【００１６】
より好ましくは、上記冷機状態では、吸気弁の閉時期を吸気下死点近傍に設定する。この場合、実圧縮比が増加するとともに、吸入負圧も上昇するため、燃焼速度が増加し、点火時期の遅角限界を更に拡大することができる。
【００１７】
このように、上記冷機状態では、失火等を招くことのない範囲で、機関運転状態に応じてＩＶＯ及び点火時期を可能な限り遅角させている。例えば、冷機状態において機関負荷が増加すると、作動角を拡大する必要があるため、機関負荷の増加に応じて吸気弁の開時期の遅角度合いが縮小され、これに伴って点火時期の遅角度合いも縮小されることになる。
【００１８】
このような本発明によれば、点火時期を、通常の最適点火時期よりもクランク角度で２０〜３０°程度まで遅らせることが可能となり、例えば冷機ハイアイドル状態では圧縮上死点近傍まで遅角させることが可能となる。
【００１９】
上記吸気特性変更手段は、典型的には、吸気弁の作動角及びバルブリフト量を変更する作動角変更機構と、吸気弁の作動角の中心位相を変更する位相変更機構と、を有している。そして、双方の機構を個々に駆動制御することにより、吸気弁の開時期と閉時期とを互いに独立して任意の値に制御することが可能となる。具体的には、冷機状態において、吸気弁の閉時期を下死点近傍に保持したまま、吸気弁の開時期を安定限界まで遅角させることが可能となる。
【００２０】
また、上記冷機状態では、ほぼ同じ運転条件の暖機状態に比して、吸気弁のバルブリフト量を同等以下に設定することが好ましい。このようにバルブリフト量を小さくすると、吸気流路の開口面積が減少する分、吸気流速は増大する。特に、吸気弁とバルブシートとの間のノズル効果（最小絞り部）が増すため、吸気ポートに噴射された燃料の霧化が効果的に促進される。従って、燃焼改善による点火時期の更なる遅角化が可能となる。
【００２１】
更に、暖機アイドル状態よりも機関回転数の高い冷機ハイアイドル状態では、暖機アイドル状態に比して、吸気弁の開時期及び閉時期ともに遅角させる必要があるため、主に吸気弁の作動角の中心位相を遅角させれば良い。
【００２２】
上記作動角変更機構は、典型的には、クランクシャフトから伝達される回転動力により回転する駆動軸と、この駆動軸に揺動可能に取り付けられ、吸気弁に当接してこれを作動させる揺動カムと、上記駆動軸に偏心して設けられた偏心カムと、作動角の変更時に回転駆動される制御軸と、この制御軸に偏心して設けられた制御カムと、この制御カムに回転可能に取り付けられたロッカーアームと、このロッカーアームの一端と上記偏心カムとを連携する第１リンクと、上記ロッカーアームの他端と上記揺動カムとを連携する第２リンクと、を有している。
【００２３】
この場合、機関運転状態に応じて制御軸を回動することにより、ロッカーアームの揺動中心となる制御カムの機関本体に対する位置が変化して、各リンクや揺動カム等の初期姿勢が変化する。この結果、クランク角度に対する吸気弁の作動角の中心位相が略一定のままで、吸気弁の作動角及びバルブリフト量が連続的に変化する。このような構成の作動角変更機構は、吸気弁を作動させる揺動カムが駆動軸と同軸上に配置されているため、揺動カムと駆動軸との軸ズレ等を生じるおそれがなく、制御精度に優れていると共に、ロッカーアームや各リンクを駆動軸の周囲に集約させて、機構のコンパクト化を図ることができる。また、偏心カムと第１リンクとの軸受部や、制御カムとロッカーアームとの軸受部のように、部材間の連結部の多くが面接触となっているため、潤滑が行いやすく、耐久性，信頼性にも優れている。更に、この作動角変更機構を、固定カム及びカムシャフトを備えた一般的な直動式動弁系に適用する場合にも、これら固定カム及びカムシャフトの位置に揺動カム及び駆動軸を配置すれば良く、レイアウトの変更が非常に少なくて済むため、その適用が極めて容易である。
【００２４】
上記位相変更機構は、典型的には、上記作動角変更機構を介して吸気弁を開閉駆動する駆動軸に設けられた第１ギヤと、この駆動軸と同軸上に配設され、クランクシャフトと同期して回転するスプロケット又はプーリに設けられた第２ギヤと、これら第１ギヤ及び第２ギヤに噛合するヘリカルギヤを備えたプランジャと、位相変更時に上記プランジャを駆動軸の軸方向へ駆動する駆動手段と、を有している。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、機関の冷機状態では、点火時期を最適点火時期よりも遅角するとともに、この点火時期の遅角限界を拡大するように、吸気弁の開時期を遅角することにより、冷機状態における点火時期の大幅な遅角化を実現し、この点火時期の遅角化に伴う排気温度の上昇により、触媒の早期活性化を図り、排気浄化性能を大幅に向上させることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２７】
図１に示すように、この内燃機関１は、ガソリンを燃料とする火花点火式の自動車用内機機関であり、かつ、排気系の一部をなす排気通路２には排気浄化用の三元触媒等の触媒３が設けられている。また、この内燃機関１には、吸気弁４の開時期及び閉時期を変更する吸気時期変更手段として、吸気弁４の作動角及びバルブリフト量を連続的に変更可能な作動角変更機構５と、吸気弁４の作動角の中心位相を連続的に変更可能な位相変更機構６と、が設けられている。
【００２８】
機関制御部としてのＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）７は、各種センサより検出又は推定されるエンジン回転数，エンジン負荷，吸入負圧，排気温度の他、水温センサ８により検出される機関冷却水温度，触媒温度センサ９により検出される触媒温度等に基づいて、各種の機関制御プログラムを記憶及び実行するメモリ及びＣＰＵを備えた周知のマイクロコンピュータである。すなわち、ＥＣＵ７は、機関運転状態に応じて各種アクチュエータ等へ制御信号を出力して、機関１の作動を統括的に制御している。
【００２９】
より具体的には、ＥＣＵ７は、作動角変更機構５を油圧駆動する作動角制御アクチュエータ１０への供給油圧を切り替える第１油圧装置１１へ制御信号を出力し、位相変更機構６を油圧駆動する位相制御アクチュエータ１２への供給油圧を切り替える第２油圧装置１３へ制御信号を出力し、かつ、各気筒毎に設けられた点火プラグ（図示省略）の火花点火時期を変更する点火時期制御装置（点火時期変更手段）１４へ制御信号を出力する。この点火時期変更装置１４により、例えば点火プラグによる火花点火時期が、最良効率を与える最適点火時期よりも遅角補正される。
【００３０】
次に、図２〜４を参照して作動角変更機構５について説明する。この作動角変更機構５は、クランクシャフトから位相変更機構６を介して伝達される回転動力により軸周りに回転する駆動軸２１と、この駆動軸２１に揺動可能に取り付けられ、吸気弁４のバルブリフタ４ａに当接してこれを押圧作動させる揺動カム２２と、駆動軸２１に偏心して一体的に設けられた偏心カム２３と、作動角変更時に作動角制御アクチュエータ１０により回転駆動される制御軸２４と、この制御軸２４に偏心して一体的に設けられた制御カム２５と、この制御カム２５に回転可能に取り付けられたロッカーアーム２６と、このロッカーアーム２６の一端と偏心カム２３とを連携するリング状の第１リンク２７と、ロッカーアーム２６の他端と揺動カム２２とを連携するロッド状の第２リンク２８と、を有している。
【００３１】
従って、クランクシャフトに連動して駆動軸２１が回転すると、この駆動軸２１の偏心カム２３を中心として第１リンク２７がほぼ並進作動し、この第１リンク２７に連携するロッカーアーム２６及び第２リンク２８を介して揺動カム２２が揺動し、吸気弁が開閉作動する。
【００３２】
また、機関運転状態に応じて制御軸２４を回動することにより、ロッカーアーム２６の揺動中心となる制御カム２５の機関本体に対する位置が変化して、各リンク２７，２８や揺動カム２２等の初期姿勢が変化する。この結果、図３に示すように、クランク角度に対する吸気弁の作動角の中心位相が略一定のままで、吸気弁の作動角及びバルブリフト量が連続的に変化する。なお、図４の上段はゼロリフトの状態を示しており、下段はフルリフトの状態を示している。
【００３３】
このような構成の作動角変更機構５は、吸気弁４のバルブリフタ４ａを押し下げる揺動カム２２が駆動軸２１と同軸上に配置されているため、揺動カム２２と駆動軸２１との軸ズレ等を生じるおそれがなく、制御精度に優れていると共に、ロッカーアーム２６や各リンク２７，２８を駆動軸２１の周囲に集約させて、機構のコンパクト化を図ることができる。また、偏心カム２３と第１リンク２７との軸受部や、制御カム２５とロッカーアーム２６との軸受部のように、部材間の連結部の多くが面接触となっているため、潤滑が行いやすく、耐久性，信頼性にも優れている。更に、この作動角変更機構５を、固定カム及びカムシャフトを備えた一般的な直動式動弁系に適用する場合にも、これら固定カム及びカムシャフトの位置に揺動カム２２及び駆動軸２１を配置すれば良く、レイアウトの変更が非常に少なくて済むため、その適用が極めて容易である。
【００３４】
図５は位相変更機構６を示している。この位相変更機構６は、駆動軸２１（又はカムシャフト）の一端外周に固定又は一体的に取り付けられた内周側ギヤ（第１ギヤ）３１と、カムプーリ（又はスプロケット）３２の内周に固定又は一体的に取り付けられた外周側ギヤ（第２ギヤ）３３と、これら内周側ギヤ３１及び外周側ギヤ３３にそれぞれ噛合するヘリカルギヤ３４が内周及び外周にそれぞれ形成されたプランジャ３５と、を有している。
【００３５】
カムプーリ３２は、駆動軸２１の外周に同軸上に配設される。このカムプーリ（又はスプロケット）３２には、これに巻き掛けられる図外のタイミングベルト（又はタイミングチェーン）を介してクランクシャフトから回転動力が伝達され、このクランクシャフトと同期して回転する。
【００３６】
プランジャ３５は、吸気弁の作動角の中心位相の変更時に位相制御アクチュエータ（駆動手段）１２により駆動軸２１の軸方向に進退駆動される。すなわち、油圧室３６に油圧が供給されていない初期状態では、プランジャ３５がリターンスプリング３７のバネ力により遅角方向（図５の左方向）に付勢されており、吸気弁の作動角の中心位相が図５（ｂ）の遅角側に保持される。一方、第２油圧装置１３（図１，２参照）により油圧室３６へ所定の作動油圧が供給されると、プランジャ３５がリターンスプリング３７のバネ力に抗して進角方向（図５の右方向）へ移動し、吸気弁の作動角の中心位相が図５（ｂ）の進角側に変更される。そして、油圧室３６内の油圧を適切に制御することにより、プランジャ３５を任意の位置に移動，保持して、吸気弁の作動角の中心位相を実質的に任意の値に変更，保持することができる。
【００３７】
このような作動角変更機構５と位相変更機構６とは、互いに干渉することなく併用することが可能である。そして、これら作動角変更機構５と位相変更機構６とを個々に駆動制御することにより、吸気弁の開時期（ＩＶＯ）及び閉時期（ＩＶＣ）を互いに独立して実質的に任意の値に制御することが可能である。
【００３８】
図６は、機関の冷機状態における吸気弁の作動特性（ＩＶＯ，ＩＶＣ，バルブリフト量）と、排気温度の上昇効果と、の相関関係を示している。
【００３９】
ここで、本実施形態の特徴として、冷機状態では、点火時期を可能な限り（燃焼が不安定となる安定限界まで）遅角させて、燃焼開始時期をリタードさせることにより、排気温度を速やかに上昇させて、排気通路２に設けられた触媒３の早期活性化を図っている。従って、図中の排温上昇効果は、点火時期の遅角限界すなわちリタード限界と置き換えることもできる。
【００４０】
▲１▼ＩＶＯの遅角化（排気上死点よりも遅角させていく場合）
ＩＶＯを排気上死点よりも遅らせると、吸入行程に入っても初期には吸気が供給されないため、筒内の負圧は急速に増大する。つまり、ピストン速度は行程中央が最大であり、排気上死点から行程中央までは単調に増大する特性であるから、ＩＶＯを上死点よりも遅らせると、筒内の負圧が急激に大きくなるとともに、吸気弁が開弁した時の吸気流速が非常に大きくなる。筒内の負圧が増大すると、ポンプ損失が増大する反面、これに伴って吸気温度が上昇する。また、吸気流速の増加により、吸気ポートに噴射された燃料の霧化が十分に促進され、燃焼状態が改善される。更に、吸気流速の増加に伴う吸気の乱れ度合いの増加に対応して、燃焼速度そのものも上昇する。このように、ＩＶＯを排気上死点よりも遅らせていくと、燃焼状態が改善し、その分、点火時期のリタード限界の拡大（遅角化）が可能となって、排温上昇効果が向上する。
【００４１】
▲２▼吸気弁の低リフト化
バルブリフト量を小さくすると、吸気流路の開口面積が減少する分、吸気流速は増大する。特に、吸気弁とバルブシートとの間のノズル効果（最小絞り部）が増すため、吸気ポートに噴射された燃料の霧化が効果的に促進され、点火時期のリタード限界（排温上昇効果）を拡大することができる。
【００４２】
▲３▼ＩＶＣの遅角化（吸気下死点よりも遅角させていく場合）
ＩＶＣを吸気下死点よりも遅角させると、実圧縮比が低下する。これは筒内に吸入された混合気が、圧縮行程初期に吸気ポート内に逆流するためである。当然ながら、実圧縮比の低下に伴って充填効率も低下するため、吸入負圧も低下する。また、圧縮比の低下により圧縮時の混合気温度が低下するため、燃焼速度が遅くなる。更に、吸入負圧が低下するため、燃料の気化があまり促進されず、燃焼速度も低下する。このように、ＩＶＣを下死点よりも遅角させていくと、点火時期のリタード限界が低下（進角化）する傾向にある。
【００４３】
▲４▼ＩＶＣの進角化（吸気下死点よりも進角させていく場合）
ＩＶＣを吸気下死点よりも進角させると、下死点よりも遅角させる場合と同様、実圧縮比の低下を招く。現象としてはＩＶＣを遅角させる場合と異なり、筒内に吸入された混合気がＩＶＣから下死点まで断熱膨張するため、下死点での混合気温度が低下することになる。当然ながら、充填効率の低下も伴うため、吸入負圧も低下する。従ってＩＶＣを下死点よりも進角させていくと、燃焼速度は遅くなり、点火時期のリタード限界が低下する傾向にある。
【００４４】
▲５▼ＩＶＣを吸気下死点近傍に設定する場合
この場合、上記のＩＶＣを遅角又は進角させる場合とは逆に、実圧縮比の上昇に伴って吸入負圧が上昇するため、燃焼速度が増加する。従って、点火時期のリタード限界を拡大することができる。
【００４５】
このようなことから、図７，８にも示すように、冷機状態では、主に点火時期の遅角限界を拡大する目的で、ＩＶＯを排気上死点よりも大きく遅角させている。具体的には、冷機状態では、ほぼ同じ運転条件（機関回転数，機関負荷，加速度等）の暖機状態よりもＩＶＯを大幅に遅らせている。
【００４６】
また、冷機状態では、主に点火時期のリタード限界を拡大する目的で、吸気弁の閉時期（ＩＶＣ）を下死点近傍に設定しているとともに、ほぼ同じ運転条件（機関回転数，機関負荷，加速度等）の暖機状態に比して、作動角及びバルブリフト量を同等以下に設定している。
【００４７】
図７及び図８を参照して個々の運転状態について詳述すると、クランキング等の冷機起動時（Ｃ１）には、主に始動性を向上するために、ＩＶＯを上死点後、ＩＶＣを下死点近傍とする初期設定が適用される。すなわち、ＩＶＯを上死点よりも遅角させることにより、主に吸気流速を増加させて燃焼を改善するとともに、主に実圧縮比を確保する目的でＩＶＣを下死点近傍としている。なお、暖機アイドル状態（Ｈ２）においても、冷機起動時（Ｃ１）と同様の初期設定が適用される。従って、暖機アイドル状態で機関を停止する際に、吸気弁の作動特性を敢えて変化させる必要がない。
【００４８】
冷機ハイアイドル状態（Ｃ２）では、暖機アイドル状態（Ｈ２）に比して、バルブリフト量及び作動角を同等以下として、主に中心位相φを遅角させている。言い換えると、冷機起動時（Ｃ１）に比して、ＩＶＣを吸気下死点近傍に保持したままで、ＩＶＯを大きく遅角させている。理由として、暖機アイドル状態（Ｈ２）でもＩＶＯを上死点より遅角させているが、これはポンプ損失を減少させることを主たる目的としているため、その遅角の度合いは冷機ハイアイドル状態（Ｃ２）に比して小さい。これに対し、回転数が相対的に高い冷機ハイアイドル状態（Ｃ２）では、筒内負圧や吸気流速を増大させて燃焼を改善し、点火時期のリタード限界を拡大させて、排温上昇効果を最大限に得ることを主たる目的としており、従って、実圧縮比が過度に低下しない範囲で、ＩＶＯを可能な限り遅らせている。
【００４９】
冷機定常走行状態（Ｃ３）では、冷機ハイアイドル状態（Ｃ２）に比して、吸入空気量が多くなるため、作動角を大きくする必要がある。また、上述したようにＩＶＣは下死点近傍が望ましい。従って、冷機定常走行状態（Ｃ３）では、冷機ハイアイドル状態（Ｃ２）に比して、作動角を拡大した分、ＩＶＯの遅角度合いが緩和される。つまり、冷機状態では機関負荷の増加に応じてＩＶＯの遅角度合いが縮小される。また、冷機定常走行状態（Ｃ３）では、ほぼ同じ運転条件の暖機Ｒ／Ｌ状態（Ｈ３）に比して、主に中心位相φを大きく遅角させた設定となっている。
【００５０】
冷機加速状態（Ｃ４）では、冷機定常走行状態（Ｃ３）に比して、吸入空気量がさらに多くなる為、それに対応して作動角を増やす必要がある。この場合、大量の混合気が燃焼するため、ＩＶＣを下死点よりも多少遅らせる余裕が出てくる。従って、作動角の拡大分を、ＩＶＯの遅角度合いの緩和と、ＩＶＣの遅角化とに分配することになる。具体的には、冷機定常走行状態（Ｃ３）に対し、中心位相φをほぼ一定として、作動角のみを拡大すれば良い。ちなみに、暖機加速状態（Ｈ４ａ，Ｈ４ｂ，Ｈ４ｃ）では、冷機加速状態（Ｃ４）に比して、ＩＶＣが大幅に進角した設定とされる。
【００５１】
図９は、冷機起動時（Ｃ１）から冷機ハイアイドル状態（Ｃ２）へ至る過渡期の具体的な制御状況を示すタイミングチャートである。
【００５２】
クランキング時には、点火時期を最も始動し易い圧縮上死点前の最適点火時期に設定する必要がある。また、ＩＶＣ及びＩＶＯが図７（Ｃ１）に示す設定値となるように、吸気弁の作動角及び中心位相が設定されている。このクランキングから冷機ハイアイドル状態等の冷機状態へ移行すると、排気温度を速やかに上昇させて触媒の早期活性化を図るために、点火時期を可能な限り最適点火時期から遅角させていく。
【００５３】
先ず冷機ハイアイドル状態（Ｃ２）では、クランキング時に比して、ＩＶＯを速やかにリタードさせる。具体的には、回転数に応じて作動角を僅かに縮小しつつ、中心位相を大きく遅角させる。これに伴って、ＩＶＣは下死点前から下死点後に移行するが、それでも下死点近傍に保たれており、実圧縮比への悪影響は小さい。そして、点火時期を燃焼状態に応じて最適点火時期から圧縮上死点近傍へ向けて遅角させていく。具体的には、時間の経過に伴って燃焼状態が良くなるため、点火時期を徐々にリタードさせる。
【００５４】
図１０は、冷機ハイアイドル（Ｃ２）から冷機緩加速（Ｃ３）を経て冷機定常走行（Ｃ４）へ移行した後、暖機状態へ達する場合の制御状況を示すタイミングチャートである。複雑な制御に見えるが、基本的には図７の各設定に従っている。
【００５５】
緩加速状態（Ｃ３）のように、負荷が増加する状況では、上述したように作動角の拡大に伴ってＩＶＯの遅角度合いが徐々に縮小されるため、点火時期の遅角限界も徐々に縮小される。つまり、負荷の増加に応じて点火時期が徐々に進角することとなる。触媒３が活性化温度つまり転換開始温度（Ｔ）に達すると、それ以降は徐々に点火リタードを解除すると共に、ＩＶＯ、ＩＶＣも暖機後の設定に徐々に戻される。具体的には、燃費等の運転性能が最良となる暖機後の目標値へ向けて制御される。参考までに、暖機状態における点火時期（最適点火時期に相当）を破線（イ）で描いており、この暖機状態に比して冷機状態では点火時期が大幅にリタードされていることがわかる。
【００５６】
また、図９，１０に示すように、本実施形態では、作動応答性の向上等を図るために、作動角変更機構５による作動角の変更幅を最小限に抑制して、位相変更機構６による中心位相φの変更幅を相対的に多く設定している。そして、ＩＶＣを下死点近傍に保ちつつ、ＩＶＯを遅角限界へ向けてきめ細かく制御している。
【００５７】
更に、図７に示すように、起動時及び機関停止時における初期設定（Ｃ１）では、ＩＶＯが上死点後、ＩＶＣが下死点近傍（下死点前）に設定されているため、主に中心位相を少し遅角させることによって、冷機ハイアイドル状態へ速やかに移行することができる。従って、極低温始動時のように、油圧アクチュエータ１０，１２等の応答性が極端に遅い場合でも、比較的早期に点火時期のリタード限界を拡大することが可能となる。
【００５８】
図１１はＥＣＵ７により実行される制御の流れを示すフローチャートである。Ｓ１０では、暖機状態か冷機状態かが判定（検出）される。具体的には、水温センサ８や触媒温度センサ９で検出される冷却水温や触媒温度が所定値以上かを判定し、ＹＥＳであれば暖機状態、ＮＯであれば冷機状態と判定される。続くＳ１１又はＳ２１では、予め個別に用意された冷機状態用又は暖機状態用の点火時期（ＩＴ），ＩＶＯ，及びＩＶＣの制御マップが読み込まれる。続くＳ１２又はＳ２２では、機関回転数やスロットル開度等の各種機関運転条件が検出される。この機関運転条件に応じて、Ｓ１１又はＳ２１で読み込まれた制御マップを参照することにより、ＩＶＯ及びＩＶＣが目標値となるように作動角変更機構５及び位相変更機構６が駆動制御されるとともに（Ｓ１３及びＳ１４、又はＳ２３及びＳ２４）、ＩＴが目標値となるように点火時期変更装置１４が駆動制御される（Ｓ１５及びＳ１６、又はＳ２５及びＳ２６）。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の燃焼制御装置を示す概略構成図。
【図２】上記実施形態の作動角変更機構を示す斜視対応図。
【図３】上記作動角変更機構による吸気弁の作動角及びバルブリフト量の変更特性を示す特性図。
【図４】上記作動角変更機構のゼロリフト及びフルリフトにおける最小又は最大揺動時の態様を示す作動説明図。
【図５】上記実施形態の位相変更機構に係る断面対応図及び特性図。
【図６】吸気弁の作動特性と、排温上昇効果との関係を示す説明図。
【図７】冷機状態における吸気弁の作動特性を示す説明図。
【図８】暖機状態における吸気弁の作動特性を示す説明図。
【図９】冷機始動時から冷機ハイアイドル状態へ移行する際のタイミングチャート。
【図１０】冷機ハイアイドル状態から冷機加速状態及び冷機定常走行状態を経て暖機状態へ移行する際のタイミングチャート。
【図１１】本実施形態に係る制御の流れを示すフローチャート。
【符号の説明】
２…排気通路（排気系）
３…触媒
４…吸気弁
５…作動角変更機構（吸気特性変更手段）
６…位相変更機構（吸気特性変更手段）
８…水温センサ（冷機検出手段）
９…触媒温度センサ（冷機検出手段）
１４…点火時期変更装置（点火時期変更手段）

Claims

吸気弁の開時期及び閉時期を変更する吸気特性変更手段と、点火時期を変更する点火時期変更手段と、機関の冷機状態を検出する冷機検出手段と、を有し、かつ、排気系に排気浄化用の触媒が設けられた火花点火式の内燃機関の燃焼制御装置において、
上記吸気特性変更手段が、吸気弁の作動角及びバルブリフト量を変更する作動角変更機構と、吸気弁の作動角の中心位相を変更する位相変更機構と、を有し、
上記冷機状態では、点火時期を最適点火時期よりも遅角するとともに、この点火時期の遅角限界を拡大するように、ほぼ同じ運転条件の暖機状態に比して、吸気弁の開時期を遅角するとともに吸気弁のバルブリフト量を同等以下に設定することを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
吸気弁の開時期及び閉時期を変更する吸気特性変更手段と、点火時期を変更する点火時期変更手段と、機関の冷機状態を検出する冷機検出手段と、を有し、かつ、排気系に排気浄化用の触媒が設けられた火花点火式の内燃機関の燃焼制御装置において、
上記吸気特性変更手段が、吸気弁の作動角及びバルブリフト量を変更する作動角変更機構と、吸気弁の作動角の中心位相を変更する位相変更機構と、を有し、
上記冷機状態では、点火時期を最適点火時期よりも遅角するとともに、この点火時期の遅角限界を拡大するように、吸気弁の開時期を遅角し、
かつ、暖機アイドル状態よりも機関回転数の高い冷機ハイアイドル状態では、上記暖機アイドル状態に比して、主に吸気弁の作動角の中心位相を遅角させることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
上記冷機状態では、ほぼ同じ運転条件の暖機状態よりも吸気弁の開時期を遅角することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
上記冷機状態では、吸気弁の開時期を排気上死点よりも遅角することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
上記冷機状態では、吸気下死点に対する吸気弁の閉時期の遅角又は進角に比して、吸気弁の開時期を排気上死点から大きく遅角させる一方、この排気上死点からの吸気弁の開時期の遅角に比して、吸気弁の閉時期が吸気下死点から大きく離れることのないように、吸気弁の作動角及びその中心位相を可変制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
上記冷機状態では、機関負荷の増加に応じて、吸気弁の開時期の遅角度合いを縮小するとともに、点火時期の遅角度合いを縮小することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
暖機アイドル状態よりも機関回転数の高い冷機ハイアイドル状態では、上記暖機アイドル状態に比して点火時期を圧縮上死点へ向けて遅角させることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
上記作動角変更機構が、クランクシャフトから伝達される回転動力により回転する駆動軸と、この駆動軸に揺動可能に取り付けられ、吸気弁に当接してこれを作動させる揺動カムと、上記駆動軸に偏心して設けられた偏心カムと、作動角の変更時に回転駆動される制御軸と、この制御軸に偏心して設けられた制御カムと、この制御カムに回転可能に取り付けられたロッカーアームと、このロッカーアームの一端と上記偏心カムとを連携する第１リンクと、上記ロッカーアームの他端と上記揺動カムとを連携する第２リンクと、を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
上記位相変更機構が、上記作動角変更機構を介して吸気弁を開閉駆動する駆動軸に設けられた第１ギヤと、この駆動軸と同軸上に配設され、クランクシャフトと同期して回転するスプロケット又はプーリに設けられた第２ギヤと、これら第１ギヤ及び第２ギヤに噛合するヘリカルギヤを備えたプランジャと、位相変更時に上記プランジャを駆動軸の軸方向へ駆動する駆動手段と、を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の内燃機関の燃焼制御装置。