JP4998323B2 - 内燃機関システムおよび内燃機関の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、気筒内への空気の流入を遮断する吸気弁を有する内燃機関システムに関するものである。

従来、始動時における異常燃焼の発生防止等を目的として、内燃機関の吸気弁の開弁時期あるいは閉弁時期を運転条件に応じて制御するシステムが開発されている。

例えば、特許文献１には、内燃機関の始動時に機関温度に応じて吸気弁の閉弁時期を変更するシステムが開示されている。このシステムでは、機関温度が高くなるほど吸気弁の閉弁時期を遅角側に制御し、これにより機関の有効圧縮比を低下させることで、始動時における自着火等の異常燃焼を防止している。ここで、前記特許文献１には、内燃機関の停止状態における吸気弁の閉弁時期が、クランクシャフトに連結される部分に取り付けられた中間ロック機構によって中間位置に保持された第１実施例と、前記閉弁時期が最遅角であって気筒内への空気の導入量が小さくなる時期に設定された第２実施例とが開示されている。
特開２００７−１１３４４０号公報

前記従来の方法の第１実施例では、前記中間ロック機構が機関の回転に対して抵抗となるため始動性が悪化するおそれがある。一方、前記第２実施例では、前記吸気弁の閉弁時期が最遅角に設定されているため、始動時に気筒内に十分な空気が導入されず始動性が悪化するおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑み、簡単な構成で始動性を向上させることのできる内燃機関システムの提供を目的とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、往復移動するピストンを収容するとともに燃焼室を形成する気筒と、前記ピストンに連結されるクランクシャフトと、前記クランクシャフトに同期して回転するカムシャフトと、前記気筒内へ導入される空気が通過する吸気通路と、前記カムシャフトの回転に応じて往復動して前記吸気通路から前記気筒内への空気の流入を遮断する吸気弁とを有する内燃機関と、動力が供給されることで前記カムシャフトの前記クランクシャフトに対する回転位相を変更して前記吸気弁の閉弁時期を変更するカム位相可変機構と、前記カム位相可変機構へ供給される動力を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記内燃機関の始動直後に前記カム位相可変機構へ供給される動力を増大し、前記カム位相可変機構は、前記動力が遮断されている状態にて、前記カムシャフトの前記クランクシャフトに対する回転位相を、前記吸気弁の閉弁時期が前記内燃機関の始動時における前記気筒内への空気の導入量が最大となる時期に対応する位相とし、供給される動力の増大に伴って前記吸気弁の閉弁時期を前記気筒内への空気の導入量が減少する方向に変更することを特徴とする内燃機関システムを提供する（請求項１）。

なお、本発明において、始動時とは、スターターモータ等の始動手段の駆動している期間を指し、始動直後とは、前記始動手段の駆動が終了した直後であって回転数がある程度上昇している状態を指す。

本発明の内燃機関システムによれば、前記カムシャフト位相可変機構への動力が遮断される内燃機関の停止状態において、前記吸気弁の閉弁時期が前記気筒内への空気の導入量が最大となる時期に設定されており、前記停止後に内燃機関を始動させる際に、前記気筒内への空気の導入量を十分に確保することができる。これにより、カムシャフト位相可変機構への動力を遮断したままで、内燃機関を回転させることが可能となる。すなわち、内燃機関の回転抵抗が大きい低温時において、気筒空気量を十分確保して出力トルクを向上しながら、スターターモータ等の始動手段により内燃機関を回転させるための動力すなわちクランキングさせるための動力を十分に確保することが可能となり、特に低温時の内燃機関の始動性が向上する。

また、内燃機関の始動直後に前記気筒内への空気の導入量が減少されるので、この始動直後において気筒内の空気量が増加しすぎるひいては気筒内の温度が高くなりすぎるのが抑制される。すなわち、この構成では、始動時に十分な空気量を確保しつつ、始動直後における気筒内の温度上昇に伴う自着火の発生を抑制することができる。

前記カム位相可変機構に供給される動力としては、例えば電力が挙げられる（請求項２）。

また、本発明において、前記カム位相可変機構への動力が遮断された状態における前記吸気弁の閉弁時期が、当該カム位相可変機構により変更される吸気弁の閉弁時期の可変範囲うち最進角時期であることが好ましい（請求項３）。

このようにすれば、従来のシステムのように前記吸気弁を中間位置で保持するための中間保持機構等を設けることなく、前記吸気弁を容易に前記空気の導入量が最大となる時期に設定することができる。このことは、内燃機関の回転抵抗を低減し、始動性をより向上させる。

また、前記制御手段が、前記内燃機関の始動時に前記カム位相可変機構への動力供給を遮断するよう構成されているのが好ましい（請求項４）。

このようにすれば、始動時に制御手段に動力が供給されることに伴いスターターモータ等の始動手段へ供給される動力が減少されるといった事態を回避することができ、始動性を高めることができる。

ここで、前記内燃機関の気筒の幾何学的圧縮比が１３以上となるような高圧縮比の内燃機関では、圧縮に要する仕事量が大きく始動性のさらなる向上が求められている。そのため、このような高圧縮比の内燃機関に前記内燃機関の制御システムを適用すれば効果的である（請求項５）。

また、本発明は、往復移動するピストンを収容するとともに燃焼室を形成する気筒と、前記気筒内へ導入される空気が通過する吸気通路と、前記吸気通路から前記気筒内への空気の流入を遮断する吸気弁とを有する内燃機関の制御方法であって、前記内燃機関の停止状態にて、前記吸気弁の閉弁時期を、前記内燃機関の始動時における前記気筒内への空気の導入量が最大となる時期に制御するステップと、内燃機関の始動時において、前記内燃機関の温度が予め設定された基準温度よりも高い場合は、基準温度より低い場合に比べて、前記吸気弁の閉弁時期を、前記気筒内への空気の導入量が小さくなる時期に制御するとともに、前記燃焼室内での燃焼が実施されてない状態で前記内燃機関を予め設定された所定回数回転させた後、前記燃焼室内での燃焼を開始させるステップと、前記内燃機関の始動直後には、前記吸気弁の閉弁時期を、前記気筒内への空気の導入量が始動時よりも小さくなる時期に制御するステップとを含むことを特徴とする内燃機関の制御方法を提供する（請求項６）。

この方法によれば、内燃機関の停止状態において、前記気筒内への空気の導入量が最大となるように前記吸気弁の閉弁時期が設定されるので、始動時に十分な空気量を確保できるとともに、内燃機関の始動直後には前記気筒内への空気の導入量が減少されるので、始動直後における気筒内の温度の過上昇に伴う自着火の発生を抑制することができる。

また、内燃機関の温度が前記基準温度よりも高く、気筒内の温度が高くなりやすい状態でのエンジン始動時には、気筒内への空気の導入量が小さく抑えられるので、気筒内の温度上昇に伴う自着火の発生を抑制することができる。

さらに、前記内燃機関の始動時において前記内燃機関の温度が前記基準温度よりも高い場合は、内燃機関を予め設定された所定回数回転させた後、前記燃焼室内での燃焼を開始させるので、自着火等が生じやすい内燃機関の温度が高い状態において、前記吸気弁の閉弁時期が十分な応答性で変更されず始動直後における気筒内への空気の導入量が十分に抑制されない場合であっても、自着火等の異常燃焼が生じるのがより確実に抑制される。すなわち、この方法によれば、吸気弁の閉弁時期の変更速度を高めることなく異常燃焼をより確実に抑制することができる。

また、前記方法において、前記吸気弁の閉弁時期を変更する具体的方法としては、例えば、動力が供給されることで、前記ピストンに連結されるクランクシャフトに同期回転して前記吸気弁を往復動させるカムシャフトの前記クランクシャフトに対する回転位相を変更して、前記吸気弁の閉弁時期を変更するカム位相可変機構を用いる方法が挙げられる。そして、このカム位相可変機構を用いた態様では、前記内燃機関の始動時において、前記内燃機関の温度が予め設定された基準温度以下である場合は、前記カム位相可変機構への動力を遮断するのが好ましい（請求項７）。

このようにすれば、スターターモータ等の始動手段へ供給される動力が減少されるといった事態を回避することができ、始動性を高めることができる。

また、前記方法において、前記吸気通路の流路面積を変更可能な流路面積変更手段を用い、前記内燃機関の始動直後に、前記流路面積変更手段により前記吸気通路の流路面積を拡大させるのが好ましい（請求項８）。

このようにすれば、吸気通路内の圧力が高められてポンプ損失が低減するので始動後の機関回転が安定するとともに機関効率が向上する。

以上のように、本発明によれば、簡単な構成で始動性を向上させることのできる内燃機関システムを提供することができる。

本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明が適用されるエンジンシステムの全体構造を概略的に示したものである。このエンジンシステムは、エンジン本体（内燃機関）１と、このエンジン本体１に付随する様々なアクチュエーターを制御するためのエンジン制御器（制御手段）１００とを有している。

前記エンジン本体１は、自動車等の車両に搭載される４サイクルの火花点火式内燃機関であって、前記車両を推進すべく、その出力軸は変速機を介して駆動輪に連結されている。このエンジン本体１は、シリンダーブロック１２とその上に載置されるシリンダヘッド１３とを備えている。このシリンダーブロック１２とシリンダヘッド１３との内部には複数のシリンダ（気筒）１１が形成されている。これらシリンダ１１の数は特に限定されるものではないが、例えば４つのシリンダ１１が形成されている。また、前記シリンダーブロック１１には、ジャーナル、ベアリングなどによってクランクシャフト１４が回転自在に支持されている。

前記各シリンダ１１内にはピストン１５がそれぞれ摺動自在に嵌挿されており、各ピストン１５の上方にはそれぞれ燃焼室１７が区画されている。

ここで、本実施形態では、前記ピストン１５が上死点に位置するときの燃焼室１７の容積と、ピストン１５が下死点に位置するときの燃焼室１７の容積との比であるエンジン本体１の幾何学的圧縮比がほぼ１４に設定されている。もちろん、この幾何学的圧縮比の値は１４に限らない。例えば、機関効率の向上といった観点からは前記幾何学的圧縮比はより高い方が好ましい。しかしながら、幾何学的圧縮比を高くしていくと、圧縮行程において気筒内の温度が高くなりすぎてしまい予期せぬタイミングで自着火が生じる可能性が高くなる。そのため、前記エンジン本体１の幾何学的圧縮比としては１３以上１６以下が好ましい。

前記シリンダヘッド１３には、各燃焼室１７に連通する２つの吸気ポート１８と２つの排気ポート１９とが形成されている。また、前記シリンダヘッド１３には、各吸気ポート１８をそれぞれ前記燃焼室１７から遮断するための吸気バルブ（吸気弁）２１と、各排気ポート１９をそれぞれ前記燃焼室１７から遮断するための排気バルブ（排気弁）２２とが設けられている。前記吸気バルブ２１は後述する吸気弁駆動機構３０により駆動されることで、所定のタイミングで各吸気ポート１８を開閉する。一方、前記排気バルブ２２は後述する排気弁駆動機構４０により駆動されることで、前記各排気ポート１９を開閉する。

前記吸気弁駆動機構３０および前記排気弁駆動機構４０は、それぞれ吸気カムシャフト３１と排気カムシャフト４１とを有している。この吸気カムシャフト３１および排気カムシャフト４１は、周知のチェーン／スプロケット機構等の動力伝達機構を介してクランクシャフト１４に連結されている。前記動力伝達機構は、前記クランクシャフト１４が２回転する間に、カムシャフト３１，４１が１回転するように構成されている。

また、前記吸気弁駆動機構３０には、前記動力伝達機構と前記吸気カムシャフト３１との間に吸気カムシャフト位相可変機構（カム位相可変機構）３２が設けられている。この吸気カムシャフト位相可変機構３２は、吸気バルブ２１のバルブタイミングを変更するためのものであり、前記吸気カムシャフト３１と同軸に配置されてクランクシャフト１４により直接駆動される被駆動軸と吸気カムシャフト３１との間の位相差を変更することで、前記クランクシャフト１４と前記吸気カムシャフト３１との間の位相差を変更する。これにより、吸気バルブ２１の開弁期間及びリフト量すなわちバルブ・プロファイルは一定に保ったまま、吸気バルブ２１の開タイミング（開弁時期）と閉タイミング（閉弁時期）ＩＶＣとが変更される。この吸気カムシャフト位相可変機構３２の具体的構成は特に限定されるものではないが、例えば、図２〜図４に示すような電磁式のものを用いるのが好ましい。

図２は、前記カムシャフト位相可変機構３２の概略断面図である。吸気カムシャフト位相可変機構３２は、電磁式であり、図３に示す遊星歯車装置３３および図４に示す電磁アクチュエーター３４などを備えている。前記遊星歯車装置３３は、吸気カムシャフト３１およびスプロケット３１ａの間で回転を伝達するものであり、リングギヤ３３ａ、３つのプラネタリピニオンギヤ３３ｂ、サンギヤ３３ｃおよびプラネタリキャリア３３ｄを備えている。

前記リングギヤ３３ａは、前記電磁アクチュエーター３４の後述するアウタケーシング３５に連結されており、このアウタケーシング３５と同軸かつ一体に回転する。また、前記サンギヤ３３ｃは、前記吸気カムシャフト３１の先端部に取り付けられており、この吸気カムシャフト３１と同軸かつ一体に回転する。また、前記プラネタリキャリア３３ｄは、ほぼ三角形に形成され、それらの３つの角部にシャフト３３ｅがそれぞれ突設されている。このプラネタリキャリア３３ｄは、これらのシャフト３３ｅを介して前記スプロケット３１ａに連結されており、このスプロケット３１ａと同軸かつ一体に回転する。また、各プラネタリピニオンギヤ３３ｂは、前記プラネタリキャリア３３ｄの各シャフト３３ｅに回転自在に支持され、前記サンギヤ３３ｃと前記リングギヤ３３ａの間に配置され、これらと常に噛み合っている。

前記電磁アクチュエーター３４は、アウタケーシング３５、コア３６、電磁石３７およびリターンスプリング３８を備えている。前記アウタケーシング３５は、中空であり、その内部に前記コア３６が相対的に回動自在に設けられている。前記コア３６は、断面円形の基部３６ａと、これから放射状に延びる２つのアーム３６ｂ，３６ｂを備えている。このコア３６は、その基部３６ａが前記プラネタリキャリア３３ｄに取り付けられており、このプラネタリキャリア３３ｄと同軸かつ一体に回転する。また、前記アウタケーシング３５の内周面には、最進角位置および最遅角位置の一対のストッパ３５ａ，３５ｂを１組として、計２組のストッパ３５ａ，３５ｂが互いに間隔を存して設けられている。

前記一対のストッパ３５ａ，３５ｂ間には前記コア３６の各アーム３６ｂが配置されており、コア３６は、前記アーム３４ｂが最進角位置ストッパ３５ａに当接し、係止される最進角位置（図４に実線で示す位置）と、最遅角位置ストッパ３５ｂに当接し、係止される最遅角位置（図４に２点鎖線で示す位置）との間で、前記アウタケーシング３５に対して相対的に回動可能に構成されている。

前記リターンスプリング３８は、圧縮された状態で、前記最遅角位置ストッパ３５ｂの一つと、これと対向するアーム３６ｂとの間に掛け渡されており、このリターンスプリング３８の付勢力により、前記アーム３６ｂは最進角位置ストッパ３５ａ側に付勢されている。

前記電磁石３７は、前記リターンスプリング３８と反対側の最遅角位置ストッパ３５ｂに取り付けられており、この最遅角位置ストッパ３５ｂの、アーム３６ｂと対向する側の端部に面一の状態で設けられている。この電磁石３７は、オルタネーター、バッテリ等を含む自動車の電源システムに接続されており、後述するエンジン制御器１００で算出された吸気バルブ２１のバルブタイミングに基づいて励磁され、その電磁力により、前記対向するアーム３６ｂを、前記リターンスプリング３８の付勢力に抗しながら吸引して前記最遅角位置ストッパ３５ｂ側に回動させる。

以上のように構成された吸気カムシャフト位相可変機構３２では、バッテリ等からこの吸気カムシャフト位相可変機構３２に電力が供給されておらず、前記電磁アクチュエーター３４の電磁石３７が励磁されていないときには、前記コア３６は、前記リターンスプリング３８の付勢力により、そのアーム３６ｂが最進角位置ストッパ３５ａに当接する最進角位置に保持される。すなわち、吸気カムシャフト位相可変機構３２に電力が供給されていないときには、前記吸気バルブ２１のバルブタイミングは、最進角時期に保持される。そして、吸気カムシャフト位相可変機構３２に電力が供給されて、前記電磁石３７が励磁されると、前記コア３６が前記リターンスプリング３８の付勢力に抗して回動することで、前記吸気バルブ２１のバルブタイミングは遅角側に制御される。本実施形態では、前記吸気バルブ２１の開弁期間は一定に保たれており、吸気バルブ２１の開タイミング（開弁時期）と閉タイミング（閉弁時期）ＩＶＣとは一体に変更される。前記吸気カムシャフト３１の位相角は、カム位相センサ３９により検出され、その信号θ_{VCT_A}はエンジン制御
手段１００に送信される。

また、本実施形態では、前記最進角時期における吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣが、図５に示すような、始動時においてシリンダ１１内に導入される空気量（空気充填量ＣＥ）が最大となる始動時空気量最大時期θ_ｍａｘと一致するように設定されており、前記吸気カムシャフト位相可変機構３２に電力が供給されていない状態において、吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣは前記始動時空気量最大時期θ_ｍａｘとなる。そのため、本エンジン本体１では、エンジン本体１が始動され前記吸気カムシャフト位相可変機構３２への電力供給が開始された時点で、前記空気充填量ＣＥを最大量とすることができ、始動性が確保される。

再び図１を参照すると、前記吸気ポート１８は、吸気マニホールド５５を介してサージタンク５５ａに連通している。このサージタンク５５ａの上流の吸気通路にはスロットルボデー５６が設けられている。このスロットルボデー５６の内部には、外部から前記サージタンク５５ａに向かう吸気流量を調整するためのスロットル弁５７（流路面積変更手段）が枢動自在に設けられている。このスロットル弁５７は、前記吸気通路の開口面積すなわち流路面積を変更して吸気流量を変更するとともに、スロットル弁５７の下流の吸気通路内の圧力を変更することが出来る。このスロットル弁５７は、スロットルアクチュエーター５８により駆動される。このスロットルアクチュエーター５８は、前記スロットル弁５７の開度ＴＶＯが、後述するエンジン制御器１００で算出された目標スロットル開度ＴＶＯ_Ｄとなるようにこのスロットル弁５７を駆動する。ここで、請求項における吸気通路とは、このスロットル弁５７下流の、前記吸気ポート１８、吸気マニホールド５５およびサージタンク５５ａ全てを含む。本実施形態では、このスロットル弁５７の開度と前記吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣとを調整することで、前記シリンダ１１内に充填される空気充填量ＣＥを適切な値に制御する。

前記排気ポート１９は、排気マニホールド６０を介して排気管に連通している。この排気管には排ガス浄化システムが配置されている。この排ガス浄化システムの具体的構成は特に限定されるものではないが、例えば三元触媒、リーンＮＯｘ触媒、酸化触媒等の触媒コンバータ６１を有するものが挙げられる。

前記吸気マニホールド５５と前記排気マニホールド６０とはＥＧＲパイプ６２によって連通しており、排ガスの一部が吸気側に循環するよう構成されている。前記ＥＧＲパイプ６２には、このＥＧＲパイプ６２を通って吸気側に循環するＥＧＲガスの流量を調整するためのＥＧＲバルブ６３が設けられる。このＥＧＲバルブ６３は、ＥＧＲバルブアクチュエータ６４により駆動される。このＥＧＲバルブアクチュエータ６４は、前記ＥＧＲバルブ６３の開度が後述するエンジン制御器１００で算出されたＥＧＲ開度ＥＧＲ_ｏｐｅｎとなるようにこのＥＧＲバルブ６３を駆動し、これにより前記ＥＧＲガスの流量を適切な値に調整する。

前記シリンダヘッド１３には、先端が前記燃焼室１７に臨むように点火プラグ５１が取り付けられている。この点火プラグ５１は、点火システム５２により後述するエンジン制御器１００で算出された点火時期の信号ＳＡに基づいて通電されると、前記燃焼室１７内に火花を発生させる。

また、前記シリンダヘッド１３には、燃料を燃焼室１７内に直接噴射するための燃料噴射弁５３がその先端が前記燃焼室１７に臨むように取り付けられている。より詳細には、この燃料噴射弁５３は、その先端が、上下方向において前記２つの吸気ポート１８の下方に位置するよう、かつ、水平方向において前記２つの吸気ポート１８の中間に位置するように配置されている。この燃料噴射弁５３は、その内部に設けられたソレノイドが、燃料システム５４により後述するエンジン制御器１００で算出された燃料噴射量ＦＰの信号に基づいて所定期間だけ通電されることで、前記燃焼室１７内に所定量の燃料を噴射する。

前記エンジン制御器１００は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラであって、プログラムを実行するためのＣＰＵと、ＲＡＭやＲＯＭからなりプログラム及びデータを格納するメモリと、各種信号の入出力を行なうＩ／Ｏバスとを備えている。

前記エンジン制御器１００には、前記Ｉ／Ｏバスを介して、水温センサ７７で検出されたエンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧ、エアフローメーター７１により検出された吸入空気量ＡＦ、吸気圧センサ７２により検出された吸気マニホールド５５内の空気圧力ＭＡＰ、クランクアングルセンサ７３により検出されたクランク角パルス信号、酸素濃度センサ７４により検出された排ガスの酸素濃度ＥＧＯ、アクセル開度センサ７５により検出された自動車のドライバーによるアクセルペダルの踏み込み量α、車速センサ７６により検出された車速ＶＳＰといった各種の信号が読み込まれる。また、このエンジン制御器１００には、車両に設けられたイグニッションキースイッチ（ＩＧキー）からのスタート信号が読み込まれる。

そして、このエンジン制御器１００は、前記各入力情報に基づいて、シリンダ１１内へ導入される空気量すなわちシリンダ１１内の空気充填量ＣＥや点火時期等が運転条件に応じて適切な値になるように、各種アクチュエーターに対する指令値を演算する。例えば、スロットル開度ＴＶＯ、燃料噴射量ＦＰ、点火時期ＳＡ、吸気バルブタイミングθ_ＶＣＴ、ＥＧＲ開度ＥＧＲ_ｏｐｅｎ等の指令値を計算し、それらを、前記スロットルアクチュエーター５８、燃料システム５４、点火システム５２、吸気カムシャフト位相可変機構３２およびＥＧＲバルブアクチュエータ６４等に出力する。

前記エンジン制御器１００における具体的な演算手順を図６のフローチャートを用いて説明する。

まず、前記水温センサ７７等の各種信号を読み込む（ステップＳ１）。

次に、スターターモータが駆動中であるかどうかを判定する（ステップＳ２）。この判定がＹＥＳの場合すなわちスターターモータが駆動中である場合には、さらに始動継続フラグＦ_{ＳＴＡＲＴ}が１であるかどうかを判定する（ステップＳ３）。この始動継続フラグＦ_{ＳＴＡＲＴ}は、現在の始動状態が先の演算時から連続した始動状態であるかどうかを表すフラグであり、始動継続フラグＦ_{ＳＴＡＲＴ}＝１とは現在の始動状態が先の演算時から継続した始動状態であることを表し、始動継続フラグＦ_{ＳＴＡＲＴ}＝０とは始動時ではない状態あるいは現在の始動状態が先の演算時から継続した始動状態ではないことを表す。

前記ステップＳ３での判定がＹＥＳすなわち始動が継続している場合にはステップＳ７に進む。

一方、前記ステップＳ３での判定がＮＯすなわち始動が開始されたところである場合には、まず前記始動継続フラグＦ_{ＳＴＡＲＴ}を１にセットする（ステップＳ４）。そして、前記エンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧに基づき、吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣの目標値θ_{ＶＣＴ＿Ｄ}を設定する（ステップＳ５）。具体的には、図７に示すように、エンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧがＴ１以下の場合には、前記目標値θ_{ＶＣＴ＿Ｄ}を前記始動時空気量最大時期θ_ｍａｘとし、エンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧがＴ２以上の場合には、前記目標値θ_{ＶＣＴ＿Ｄ}を最遅角時期とし、エンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧがＴ１〜Ｔ２の場合には、前記目標値θ_{ＶＣＴ＿Ｄ}を前記始動時空気量最大時期θ_ｍａｘと最遅角時期との間でエンジン冷却水温度Ｔ_ＥＮＧの増加に比例して遅角する時期とする。前記Ｔ１は例えば３０℃であり、前記Ｔ２は例えば８０℃である。

ここで、吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣが始動時空気量最大時期θ_ｍａｘに制御されれば、シリンダ１１内に十分な量の空気が導入されるので始動性が向上する。しかも、本エンジン本体１では、前述のように、吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣは、前記吸気カムシャフト位相可変機構３２に電力が供給されていない状態において前記始動時空気量最大時期θ_ｍａｘに保持されている。そのため、吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣを始動時空気量最大時期θ_ｍａｘに制御する場合は、図７に示すように、前記吸気カムシャフト位相可変機構３２へ電力を供給する必要がなく、スターターモータに供給される電力が十分に確保されることで始動性がより一層高められる。そこで、前記エンジン冷却水Ｔ_ＥＮＧが比較的低い条件（Ｔ_ＥＮＧ≦Ｔ１）では、前述のように、前記吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣの目標値θ_{ＶＣＴ＿Ｄ}を始動時空気量最大時期θ_ｍａｘとして、この吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣを始動時空気量最大時期θ_ｍａｘに制御することで、始動性を確保する。

一方、エンジン本体１の温度が高温である場合には、シリンダ１１内に導入される空気量が多くなると、圧縮時のシリンダ１１内の温度が高くなりすぎてしまい、自着火が生じるおそれがある。そこで、エンジン冷却水Ｔ_ＥＮＧが比較的高い条件（Ｔ_ＥＮＧ＞Ｔ１）では、前述のように、前記吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣの目標値θ_{ＶＣＴ＿Ｄ}を前記始動時空気量最大時期θ_ｍａｘよりも遅角側とし、吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣを遅角側に制御することで、シリンダ１１内に導入される空気量を小さくして自着火の発生を抑制する。

次に、ステップＳ６にて、前記エンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧに基づき、始動開始後に燃料噴射を禁止するとともに燃焼室１７内への火花の発生を禁止する時間である待ち時間ｔ_{ＳＴＡＲＴ}を算出する。具体的には、図８に示すように、エンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧがＴ１以下の場合には、前記待ち時間ｔ_{ＳＴＡＲＴ}を０とし、エンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧがＴ２以上の場合には、前記待ち時間ｔ_{ＳＴＡＲＴ}を所定の時間Ｃｔとし、エンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧがＴ１〜Ｔ２の場合には、前記目標値θ_{ＶＣＴ＿Ｄ}を前記所定の時間Ｃｔと０の間でエンジン冷却水温度Ｔ_ＥＮＧの増加に比例する時間とする。

前述のように、エンジン冷却水Ｔ_ＥＮＧが比較的高い条件（Ｔ_ＥＮＧ＞Ｔ１）では、前記吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣの目標値θ_{ＶＣＴ＿Ｄ}を前記始動時空気量最大時期θ_ｍａｘよりも遅角側とし、この閉タイミングＩＶＣを遅角側に制御することで、シリンダ１１内に導入される空気量を小さくして自着火の発生を抑制するようにしている。しかしながら、前記吸気カムシャフト位相可変機構３２の種類によっては、応答性が十分でなく始動時にすぐさま前記吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣを十分に遅角側に制御できず、シリンダ１１内の空気量が過多となる場合がある。

そこで、本エンジン制御器１００では、前記エンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧが前記Ｔ１より大きくなる運転条件において、始動開始から前記待ち時間ｔ_{ＳＴＡＲＴ}経過後にはじめて燃焼室１７内に燃料噴射を行うとともに燃焼室１７内に火花を発生させることで、空気量過多の状態で燃焼が開始しないように、すなわち、自着火の発生がより確実に抑制されるようにする。このようにすれば、前記吸気バルブ２１の駆動が遅れて始動開始時にシリンダ１１内に過剰な空気が導入されたとしても、前記燃料噴射および点火が行われないことで、自着火の発生を回避することができる。

前記待ち時間ｔ_{ＳＴＡＲＴ}は、ステップＳ６において、演算の刻み時間△ｔに基づき演算のサイクル数に換算されて待ち時間カウンタＣ_{ＳＴＡＲＴ}に代入される。

次に、前記待ち時間カウンタＣ_{ＳＴＡＲＴ}が０より大きいかどうかを判定する（ステップＳ７）。この判定がＹＥＳの場合、すなわち、まだ待ち時間中であると判断された場合には、待ち時間カウンタＣ_{ＳＴＡＲＴ}をディクリメントする（ステップＳ８）。そして、燃料噴射量ＦＰをゼロに設定するとともに点火を禁止する（ステップＳ９）。一方、前記ステップＳ７での判定がＮＯの場合、すなわち、待ち時間のない運転条件であるあるいは待ち時間が終了したと判断された場合には、始動時に対応した燃料噴射量ＦＰおよび点火時期ＳＡを算出する。その後、ステップＳ１１に進み、スロットル開度ＴＶＯの目標値である目標スロットル開度ＴＶＯ_Ｄを始動用目標値ＴＶＯ_{ＳＴＡＲＴ}に設定するとともに、ステップＳ１２に進む。始動用スロットル開度目標値ＴＶＯ_{ＳＴＡＲＴ}は、エンジン温度Ｔ_ＥＮＧが低い程大きくなるように設定されている。

また、前記ステップＳ２の判定がＮＯの場合、すなわち、スターターモータが駆動中でない場合は、前記始動開始継続フラグＦ_{ＳＴＡＲＴ}を０にリセットし（ステップＳ２０）、通常運転時における燃料噴射量ＦＰ，点火時期ＳＡ、目標スロットル開度ＴＶＯ_Ｄ、吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣの目標値θ_{ＶＣＴ＿Ｄ}を算出する（ステップＳ２１）。

前記通常運転時における目標スロットル開度ＴＶＯ_Ｄは、前記始動用スロットル開度ＴＶＯ_{ＳＴＡＲＴ}よりも大きく設定されており、スロットル開度ＴＶＯは始動直後に開き側に制御される。このようにスロットル開度ＴＶＯが開き側に制御されるとポンプ損失が低減するので始動が安定する。また、通常運転における機関効率を向上させることができる。

また、通常運転時における前記吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣは、前記始動時空気量最大時期θ_ｍａｘよりも遅角側に設定されており、吸気バルブ２１は始動直後に遅角側に制御される。始動後は、エンジンの回転数がある程度上昇しているとともに燃焼が開始されたことよりエンジン本体１の温度が上昇している。そこで、始動後は前記吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣを遅角側に制御して空気充填量ＣＥを小さくすることで自着火の発生を抑制する。

各目標値等が算出された後は、ステップＳ１２に進み、算出された各値に基づき各アクチュエーターを駆動する。具体的には、信号θ_{ＶＣＴ＿Ｄ}が吸気カムシャフト位相可変機構３２に出力される。吸気カムシャフト３１のクランクシャフト１４に対する位相がθ_{ＶＣＴ＿Ｄ}に対応した値となるように、この吸気カムシャフト位相可変機構３２が動作する。信号ＴＶＯ_Ｄはスロットルアクチュエーター５８に出力される。そして、スロットル弁５７の開度ＴＶＯがＴＶＯ_Ｄに対応した値となるように、前記スロットルアクチュエーター５８が動作する。信号ＦＰは、燃料システム５４に出力される。１気筒サイクル当りＦＰに対応した量の燃料が燃料噴射弁５３から噴射される。そして、信号ＳＡは、点火システム５２に出力される。気筒サイクル中のＳＡに対応した時期に、点火プラグ５１が発火して、燃焼室１７内の混合気を着火する。これにより、必要とされる量の空気、燃料からなる混合気を、適切な時期に着火して燃焼させることで、エンジン本体１が必要とする出力トルクがクランクシャフト１４から発生する。

以上の制御手順に基づく各アクチュエータの挙動を図９および図１０に示す。図９は、エンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧがＴ１以下である通常時の挙動を示し、図１０は、エンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧがＴ１以上である高温時の挙動を示す。

図９に示すように、通常の運転条件では、スターターモータがＯＮすなわちスターターモータ駆動されている間は、前記吸気カムシャフト位相可変機構３２に電力が供給されず吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣは最進角時期であって始動時空気量最大時期θ_ｍａｘに制御されるとともに、スロットル開度ＴＶＯが始動用目標値ＴＶＯ_{ＳＴＡＲＴ}に制御される。一方、スターターモータがＯＦＦになると吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣは遅角側に制御され、スロットル開度ＴＶＯが大きくなるようにスロットルアクチュエーター５８が制御される。また、この運転条件スターターモータがＯＮになると同時に燃料噴射および点火が開始される。図９の吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣのグラフにおいて、実線は目標値を示し、破線は実タイミングを示している。

一方、エンジン本体１の温度が高温である場合には、図１０に示すように、スターターモータがＯＮになると同時に前記吸気カムシャフト位相可変機構３２に電力が供給されることで吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣが遅角側に制御される。また、後述するカウンタが０になるまでの所定の待ち時間ｔ_{ＳＴＡＲＴ}の間、燃料噴射および点火が禁止されて、この待ち時間ｔ_{ＳＴＡＲＴ}の後にはじめて燃料噴射および点火が実施される。ここで、スロットル開度ＴＶＯはエンジン温度Ｔ_ＥＮＧに合わせて小さい始動用目標値ＴＶＯ_{ＳＴＡＲＴ}に制御される。また、スターターモータがＯＦＦになった後は、通常の運転条件と同様に、吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣは遅角側に制御され、スロットル開度ＴＶＯは開き側に制御される。

以上のような制御により、本エンジンシステムでは、吸気バルブ２１の閉タイミングが始動時空気量最大時期θ_ｍａｘに制御されることで、シリンダ１１内に十分な空気量が導入されて始動性が確保される。

ここで、前記吸気カムシャフト位相可変機構３２に供給される動力は電力に限らない。

また、前記始動時空気量最大時期θ_ｍａｘが最進角位置でなく稼動範囲の中間位置であってもよい。ただし、始動時空気量最大時期θ_ｍａｘが最進角位置となるように設定すれば、吸気バルブ２１を中間位置で保持するための機構等を設ける必要がなくなり、エンジンの回転抵抗の低減に伴う始動性の向上が図れる。

また、始動後の制御方法については前記に限らない。ただし、始動直後に吸気バルブ２１のバルブタイミングを遅角側に制御し、シリンダ１１内への空気の導入量を減少させれば、始動直後の自着火を抑制することができる。また、始動直後にスロットル開度ＴＶＯを開き側に制御すれば、ポンプ損失を低減させてエンジンの回転を安定させることができる。

また、前記吸気弁２１の閉タイミングをエンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧによらず一定に保ってもよい。ただし、高温時に吸気弁２１の閉タイミングをシリンダ１１内への空気の導入量が小さくなるように制御すれば、シリンダ１１内の空気の温度が高くなりすぎるのを抑制でき自着火の発生をより確実に抑制できる。

また、前記待ち時間は省略可能である。ただし、高温時において所定の待ち時間の後に始めて燃焼および点火を開始させるよう制御すれば、吸気バルブ２１の応答性が十分でない場合でも、シリンダ１１内の空気が十分に小さく抑制された状態で燃焼が開始されることになるので、自着火の発生がより一層確実に抑制される。

また、前記シリンダ１１の幾何学的圧縮比は前記に限らない。ただし、高圧縮比エンジンでは圧縮に要する仕事量が大きく始動性が悪化しやすいとともに自着火が生じやすい。そのため、本発明を幾何学的圧縮比が１３といったエンジンに用いれば効果的である。

Ｔ１、Ｔ２等の具体的な値は前記に限らない。

また、各種アクチュエーターの詳細な構造は前記に限らない。

本発明に係るエンジンシステムの全体構造の概略図である。 図１に示すエンジンシステムに用いられる吸気カムシャフト位相可変機構の概略断面図である。 図２に示す吸気カムシャフト位相可変機構における遊星歯車装置の概略正面図である。 図２に示す吸気カムシャフト位相可変機構における電磁アクチュエーターの概略正面図である。 吸気バルブの閉タイミングと空気充填量との関係を説明するための図である。 本発明に係る制御方法の制御手順を説明するためのフローチャートである。 エンジン冷却水温と吸気バルブの閉タイミングおよび吸気カムシャフト位相可変機構への通電量との関係を説明するための説明図である。 エンジン冷却水温と待ち時間との関係を説明するための説明図である。 通常の運転条件における各アクチュエーターの制御例を示す図である。 高温時における各アクチュエーターの制御例を示す図である。

１ エンジン本体
１１ 気筒
１４ クランクシャフト
１７ 燃焼室
２１ 吸気バルブ（吸気弁）
２２ 排気バルブ
３１ カムシャフト
３２ 吸気カムシャフト位相可変機構（カム位相可変機構）
５７ スロットル弁
１００ エンジン制御器（制御手段）

Claims (8)

1. 往復移動するピストンを収容するとともに燃焼室を形成する気筒と、前記ピストンに連結されるクランクシャフトと、前記クランクシャフトに同期して回転するカムシャフトと、前記気筒内へ導入される空気が通過する吸気通路と、前記カムシャフトの回転に応じて往復動して前記吸気通路から前記気筒内への空気の流入を遮断する吸気弁とを有する内燃機関と、
   動力が供給されることで前記カムシャフトの前記クランクシャフトに対する回転位相を変更して前記吸気弁の閉弁時期を変更するカム位相可変機構と、
   前記カム位相可変機構へ供給される動力を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記内燃機関の始動直後に前記カム位相可変機構へ供給される動力を増大し、
   前記カム位相可変機構は、前記動力が遮断されている状態にて、前記カムシャフトの前記クランクシャフトに対する回転位相を、前記吸気弁の閉弁時期が前記内燃機関の始動時における前記気筒内への空気の導入量が最大となる時期に対応する位相とし、供給される動力の増大に伴って前記吸気弁の閉弁時期を前記気筒内への空気の導入量が減少する方向に変更することを特徴とする内燃機関システム。
2. 請求項１に記載の内燃機関システムであって、
   前記カム位相可変機構に供給される動力が電力であることを特徴とする内燃機関システム。
3. 請求項１または２に記載の内燃機関システムであって、
   前記カム位相可変機構への動力が遮断された状態における前記吸気弁の閉弁時期が、当該カム位相可変機構により変更される吸気弁の閉弁時期の可変範囲うち最進角時期であることを特徴とする内燃機関システム。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関システムであって、
   前記制御手段が、前記内燃機関の始動時に前記カム位相可変機構への動力供給を遮断することを特徴とする内燃機関システム。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関システムであって、
   前記内燃機関の気筒の幾何学的圧縮比が１３以上であることを特徴とする内燃機関システム。
6. 往復移動するピストンを収容するとともに燃焼室を形成する気筒と、前記気筒内へ導入される空気が通過する吸気通路と、前記吸気通路から前記気筒内への空気の流入を遮断する吸気弁とを有する内燃機関の制御方法であって、
   前記内燃機関の停止状態にて、前記吸気弁の閉弁時期を、前記内燃機関の始動時における前記気筒内への空気の導入量が最大となる時期に制御するステップと、
   内燃機関の始動時において、前記内燃機関の温度が予め設定された基準温度よりも高い場合は、基準温度より低い場合に比べて、前記吸気弁の閉弁時期を、前記気筒内への空気の導入量が小さくなる時期に制御するとともに、前記燃焼室内での燃焼が実施されてない状態で前記内燃機関を予め設定された所定回数回転させた後、前記燃焼室内での燃焼を開始させるステップと、
   前記内燃機関の始動直後には、前記吸気弁の閉弁時期を、前記気筒内への空気の導入量が始動時よりも小さくなる時期に制御するステップとを含むことを特徴とする内燃機関の制御方法。
7. 請求項６に記載の内燃機関の制御方法であって、
   動力が供給されることで、前記ピストンに連結されるクランクシャフトに同期回転して前記吸気弁を往復動させるカムシャフトの前記クランクシャフトに対する回転位相を変更して、前記吸気弁の閉弁時期を変更するカム位相可変機構を用い、
   前記内燃機関の始動時において、前記内燃機関の温度が予め設定された基準温度以下である場合は、前記カム位相可変機構への動力を遮断することを特徴とする内燃機関の制御方法。
8. 請求項７に記載の内燃機関の制御方法であって、
   前記吸気通路の流路面積を変更可能な流路面積変更手段を用い、
   前記内燃機関の始動直後に、前記流路面積変更手段により前記吸気通路の流路面積を拡大させることを特徴とする内燃機関の制御方法。
   

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