JP4069349B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カム位相変更機構を備えたＳＯＨＣ内燃機関の冷態始動時における燃焼の安定性を確保するようにした内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリン内燃機関（以下「エンジン」という）において更なる排気ガス特に、未燃炭化水素（以下「未燃ＨＣ」という）の低減が要求されている。そこで、エンジンの冷態始動時にリーンバーン（希薄燃焼）で運転し、気筒内への投入燃料を十分燃やすことで未燃ＨＣの低減が図られると共に、点火時期を遅らせて（リタード）排気温度の上昇により触媒の活性化を促進する手法が提案されている。
【０００３】
また、前記手法とは別にカム位相変更機構を採用することにより、エンジン性能や、燃費を向上させるようにした制御装置もある。特に、ＤＯＨＣエンジンにおいては、吸気バルブ側にカム位相可変機構を設け、エンジンの始動時、アイドル運転時もカム位相角を最遅角に制御して、給・排気バルブのオーバーラップを狭くして（零とする場合もある）、内部ＥＧＲ（吸気管への吹き返し）量を低減させる制御が行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、冷態始動時に排気中の未燃ＨＣを低減するために点火時期の遅角（リタード）、空燃比のリーン化、排圧の増大、ＥＧＲの増大、二段燃焼等の様々な燃焼制御が行われているが、これらの制御により燃焼状態が不安定になる場合が多い。
【０００５】
一方、カム位相変更機構を備えたＳＯＨＣエンジンにおいては、駆動油圧等の問題から、停止時のカム位相は最遅角に設定され、カム位相が最遅角では、内部ＥＧＲが多くなる。このため、カム位相変更機構を備えたＳＯＨＣエンジンにおいて冷態始動時に排気中の未燃ＨＣを低減するためのリーン化やリタード等の燃焼制御を行うと、内部ＥＧＲが多い状態に更に不安定な燃焼状態が加わることになり、燃焼が安定せず、未燃ＨＣの低減効果が得られないばかりでなく、最悪の場合には失火してしまう虞がある。
【０００６】
このため、本発明では、カム位相変更機構を備えたＳＯＨＣエンジンにおいて、冷態始動時に排気中の未燃ＨＣを低減する制御を行う場合は、カム位相を中立位置として燃焼の安定性を確保するようにした内燃機関の制御装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【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、カム位相変更機構を備えたＳＯＨＣエンジンにおいて、冷態始動時、排気中の未燃ＨＣを低減する燃焼制御と燃焼安定性とを両立させるべく冷態始動時に排気中の未燃ＨＣを低減するための制御を行う場合には、初爆から所定時間経過した後暖機運転に移行するまでの間、カム位相をカム位相変更機構の位相変更幅間の中立位置として内部ＥＧＲを減少させて、燃焼の安定性を確保する。
【０００８】
請求項２の発明では、カム位相変更機構に関し、カム位相を中立位置に制御したときに圧縮上死点が吸気行程範囲と排気行程範囲とがオーバラップしているバルブオーバラップ期間になるように位相変更幅の範囲を設定する。
請求項３の発明では、請求項２において、カム位相を中立位置に制御したときに圧縮上死点が吸気行程範囲と排気行程範囲とがオーバラップしているバルブオーバラップ期間の略中央位置となるように位相変更幅の範囲を設定する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。
図１は、本発明に係るカム位相変更機構を備えたＳＯＨＣ内燃機関の全体構成図である。
図１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ＳＯＨＣ４弁式が採用されている。シリンダヘッド２上のカム軸３の前端にはタイミングプーリ４が固定され、このタイミングプーリ４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４と共にカム軸３が回転駆動され、このカム軸３に設けられた吸気カム３ａ、排気カム３ｂによりロッカアームＲａ、Ｒｂを介して吸気バルブ７ａ、排気バルブ７ｂが開閉駆動される。
【００１０】
そして、カム軸３とタイミングプーリ４との間には、ベーン式のタイミング可変機構（ＶＶＴ）８が設けられている。カム位相変更機構としてのタイミング可変機構８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４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カム軸３を連結して構成されている。タイミング可変機構８にはオイルコントロールバルブ（以下、ＯＣＶという）９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、ＯＣＶ９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４に対するカム軸３の位相、即ち、吸気バルブ７ａと排気バルブ７ｂの開閉タイミングを調整するようになっている。
【００１１】
タイミング可変機構８は、以下の理由により、エンジン１の停止時にカム位相が最遅角位置に制御されてロックされている。即ち、エンジン油圧により可変する位相可変式（ベーン式、ヘリカル式）のタイミング可変機構は、エンジンが温態の低回転域では十分な油圧を確保することが難しいので、制御位相がふらつき易いが、最遅角位置ではカムのフリクションにより安定した位相を保つことができる。更に、最遅角位置でタイミング可変機構の位相は、機械的にロックされるのでエンジンが停止してもその位相が保持され、次の始動時に油圧がなくても最遅角で固定されているため、ベーンのバタツキ（ヘリカル式ではバックラッシュのバタツキ）に伴う異音の発生がない。
【００１２】
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を経て吸気バルブ７ａの開弁時に筒内に流入する。
【００１３】
また、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、排気バルブ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。また、ＥＣＵ３１の出力側には、ＯＣＶ９、燃料噴射弁１５、点火プラグ１９等が接続されている。
【００１４】
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。また、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８の目標位相角を算出し、ＯＣＶ９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。
【００１５】
次に、冷態始動時にＥＣＵ３１により実行される位相角制御を図２乃至図４のタイムチャートに基づいて説明する。
エンジンの冷態始動直後のアイドル運転時にリーン化して、気筒内への投入燃料を十分燃やすことで未燃ＨＣの低減を図る場合、リーン限界空燃比（Ａ／Ｆ）が存在し、このリーン限界空燃比は、カム位相が或る値のときに最大になると考えられる。図２は、図１に示すタイミング可変機構８を備えたＳＯＨＣエンジン１において吸気バルブ７ａと排気バルブ７ｂとのバルブオーバラップ（ＶＯＬ）を所定角度（例えば、１６°）とした場合に、カム位相とリーン限界空燃比（Ａ／Ｆ）との関係の一例を示し、リーン限界空燃比が、略１６程度になっている。従って、リーン化することが可能であれば、その分未燃ＨＣの排出量が減少するので、始動時の未燃ＨＣ対策となる。即ち、始動時のリーン限界が高くなり、その分だけリーンになっていることから未燃ＨＣを低減することが可能となる。
【００１６】
しかしながら、ＳＯＨＣエンジンにおいては、吸気カムと排気カムとのオーバラップの範囲が変わらないので、進角するとオーバラップが圧縮上死点ＴＤＣの前側（排気行程範囲）に入るので、気筒からピストンにより押し出される排気がそのまま吸気側に入り、再吸入となり、内部ＥＧＲが増大する。また、遅角するとオーバラップが圧縮上死点ＴＤＣの後側（吸気行程範囲）に入るのでピストンが下降しているにも拘わらず排気バルブが開弁しているために排気ガスの再吸入となり、内部ＥＧＲが増大する。このためカム位相を進角側、遅角側の何れの側にも振り過ぎると内部ＥＧＲが増加して燃焼が悪くなる。従って、吸気カム位相を最適なカム位相位置に設定することが必要となる。
【００１７】
そこで、図２においてリーン限界空燃比（Ａ／Ｆ）が最大値になるときのカム位相を中立位置（カム位相０°）として、冷態始動時にこの中立位置が、圧縮上死点（ＴＤＣ）がバルブオーバラップ期間中、好ましくは、バルブオーバラップの中間位相になるように制御する。このように圧縮上死点ＴＤＣをバルブオーバラップの中間位相とすることにより、内部ＥＧＲを抑えることが可能となる。
【００１８】
エンジン１の停止時において吸気バルブ７ａのカム位相は、タイミング可変機構８により図４の▲１▼に示す最遅角位置に保持され、吸気上死点ＴＤＣ後側（「吸気行程範囲」という）に吸気バルブ７ａが開弁し始めるようになっている。イグニションスイッチがスタート操作されると、このカム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、当該エンジン１がクランキングされて初爆に至る（図３）。
【００１９】
この始動時においては、吸気ポート１１に噴射された燃料の蒸化が促進されないことから、燃料は、吸気バルブ７ａの裏側や吸気ポート１１の内壁に付着し、閉弁期間中に自重により下方のバルブシート付近に液状となって溜まっている。そして、吸気行程範囲で吸気バルブ７ａが開くと、燃料は液状のままピストン１６の下降に伴って筒内に流入し、圧縮行程を経て燃料行程で燃焼した後に、排気行程で排気側に排出されることになる。つまり、筒内に流入した液状燃料がそのまま排気側に排出される事態が未然に防止される。
【００２０】
ＥＣＵ３１により冷却水温Ｔw等に基づいて冷態始動と判定されたときには、図３に示すように初爆から所定時間例えば、２〜３秒程度待機した後にタイミング可変機構８により吸気カム位相即ち、吸気バルブ７ａの開閉タイミングが進角側に制御されて、図４の▲２▼に示す位置即ち、上死点ＴＤＣが吸気バルブ７ａと排気バルブ７ｂとのオーバラップの中間位置まで移行される。このカム位相角の進角側への制御により、吸気バルブ７ａは、上死点ＴＤＣより先行して開弁し始めるようになる。尚、図３の吸気カム位相のタイムチャートにおいて符号▲１▼、▲２▼は、夫々図４のタイムチャートの▲１▼、▲２▼に対応している。
【００２１】
吸気バルブ７ａの開弁が上死点ＴＤＣより先行するため、上死点ＴＤＣの前側（以下「排気行程範囲」という）にもバルブオーバラップ期間が存在するが、この期間中に液状燃料が排気側に通り抜けたとしても、続く吸気行程範囲で筒内に引き戻されて、確実に蒸化・燃焼される。そして、圧縮上死点ＴＤＣをバルブオーバラップの中間位相とすることにより、内部ＥＧＲ（一旦排気側に排出された後に筒内に逆流する排ガス）を抑えることができ、安定した燃焼がリーン又はリタードを実施（図３）しても得られるので、始動直後の未燃ＨＣの排出が低減される。
【００２２】
このときの排気バルブ７ｂが閉弁するタイミングは上死点ＴＤＣ以降であり、且つ、初爆から数行程を経たこの時点では、エンジン回転速度Ｎeの上昇に伴って吸気ポート１１側に十分な負圧が発生することから、一旦排気側に排出された排ガス（排気行程の終期に排出された未燃ＨＣを多く含む排ガス）が吸気ポート１１内に逆流する。逆流した排ガスは次回の燃焼行程で燃焼されると共に、排ガスからの受熱により排気ポート１１が昇温されて次回の噴射燃料の蒸化を促進することから、液状燃料の排気側への排出が防止される。
【００２３】
その後、ＥＣＵ３１により冷却水温Ｔw等に基づいてエンジン１が暖機運転に移行したと判定されると、吸気バルブ７ａの開閉タイミングは遅角されて、図４の▲１▼に示す始動開始時の状態即ち、最遅角に戻される。このようにして、冷態始動し、アイドル運転時にリーン又はリタードする際、カム位相を中立位置制御とする。
【００２４】
また、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、カム位相が最遅角位置とされるので内部ＥＧＲが多少増えるが、温度による燃料気化や、霧化が改善されているため安定した燃焼が得られる。更に、吸気バルブ７ａの閉弁が遅くなるので、ポンプロスが低減される上、排気バルブ７ｂの開弁が遅れるので、膨張行程が長くなり、燃費が向上する。
【００２５】
始動完了後もアイドル運転が継続されている限り吸気バルブ７ａの開閉タイミングは最遅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。更に、カム位相可変により、エンジン１の全運転領域で、性能と燃費を向上することができる。
【００２６】
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、ベーン式のタイミング可変機構８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。
【００２７】
また、上記実施形態では吸気管噴射型のＳＯＨＣエンジンに適用したが、例えば、筒内に直接燃料を噴射する筒内噴射型ＳＯＨＣエンジンにも適用できる。この場合でも上記実施形態と同様に冷態始動してアイドル運転時にカム位相を中立位置制御とすることで、安定した燃焼が、リーン又はリタードを実施しても得られ、且つ始動直後の未燃ＨＣの排出を抑制することができる。
【００２８】
また、ベーン式のタイミング可変機構８が中間位相でロックするもので、冷却始動当初より中間位相で運転し、リーンやリタードを行う場合でも良い。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のエンジン制御装置によれば、カム位相変更機構を備えたＳＯＨＣエンジンにおいて、冷態始動時、排気中の未燃ＨＣを低減するための燃焼制御と燃焼安定性とを両立させるため、冷態始動時に排気中の未燃ＨＣを低減するための制御を行う場合には、初爆から所定時間経過した後暖機運転に移行するまでの間、カム位相をカム位相変更機構の位相変更幅間の中立位置として内部ＥＧＲを減少させることで、安定した燃焼がリーン又はリタードを実施しても得られるので、始動直後の未燃ＨＣの排出を低減することができる（請求項１）。
【００３０】
また、カム位相変更機構に関し、カム位相を中立位置に制御したときに圧縮上死点が吸気行程範囲と排気行程範囲とがオーバラップしているバルブオーバラップ期間になるよう、好ましくは当該期間の略中央位置になるよう位相変更幅の範囲を設定することで内部ＥＧＲを少なくすることができる（請求項２、３）。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るカム位相可変機構を備えたＳＯＨＣエンジンの制御装置の実施形態を示す全体構成図である。
【図２】図１に示すエンジンにおいて吸気バルブと排気バルブとのバルブオーバラップを所定角度とした場合のカム位相とリーン限界空燃比（Ａ／Ｆ）との関係の一例を示す特性図である。
【図３】図１に示すエンジンの始動後の回転数特性及び吸気カム位相制御の一例を示すタイムチャートである。
【図４】図１に示すエンジンのタイミング可変機構によるカム位相角制御を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１ ＳＯＨＣエンジン
３ カム軸
３ａ 吸気カム
３ｂ 排気カム
７ａ 吸気バルブ
７ｂ 排気バルブ
８ タイミング可変機構（カム位相変更機構）
３１ ＥＣＵ（バルブタイミング制御手段）

Claims (3)

1. カム位相変更機構を備えたＳＯＨＣ内燃機関の制御装置において、
   冷態始動時、排気中の未燃炭化水素を低減するために燃焼制御を行う場合には、初爆から所定時間経過した後暖機運転に移行するまでの間、前記カム位相変更機構により変更されるカム位相を該カム位相変更機構の位相変更幅間の中立位置に制御する制御手段を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記カム位相変更機構は、カム位相を前記中立位置に制御したときに圧縮上死点がバルブオーバーラップ期間中になるように位相変更幅の範囲が設定されていることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記カム位相変更機構は、カム位相を前記中立位置に制御したときに圧縮上死点がバルブオーバーラップ期間の略中間位置となるように位相変更幅の範囲が設定されていることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の制御装置。

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