JP6222230B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、詳しくは、内燃機関の始動時において排気弁の開閉時期を設定する技術に関する。
上記のように構成された内燃機関の制御装置に関連するものとして特許文献１の技術がある。ここでは、内燃機関の始動時に、排気弁の弁解時期制御機構の閉じタイミングを進角させることで、燃焼ガスに残留する未燃焼の炭化水素（未燃ＨＣ）を燃焼室に閉じ込めている。この始動の後には、排気弁の弁開閉時期制御機構を遅角させることにより、吸気弁と同時に開弁しているオーバーラップ期間を増大させている。これにより、一度排気通路に排出された排気ガスを再び燃焼室に吸入させ、排気ガス中に含まれる未燃ＨＣガスを再度燃焼に寄与させてエミッションの低減が図られる。
この特許文献１では、吸気弁と排気弁との開閉時期を設定する弁開閉時期制御機構（文献ではバルブタイミング可変機構）が、磁性材料でなる可動子と、開弁用コイルと、閉弁用コイルとを備えて電磁式に構成されている。
また、内燃機関の制御装置に関連するものとして特許文献２の技術がある。ここでは、カムシャフトの先端に内部ロータを備え、この内部ロータに、クランクシャフトから回転動力が伝達される外部ロータが外装されている。これらのロータの間の流体圧室はベーンにより進角用室と遅角用室とに二分され、進角用室と遅角用室との一方に流体を供給することにより、クランクシャフトとカムシャフトとの相対回転位相を変更自在に構成されている。
この特許文献２では、内部ロータと外部ロータとの相対回転位相を規制するため、スプリングにより付勢された第１ロックピン、及び、これが嵌入する第１規制溝を有すると共に、スプリングで付勢された第２ロックピン、及び、これが嵌入する第２規制溝を有している。また、第１ロックピンが第１規制溝に嵌入し、第２ロックピンが第２規制溝に嵌入した状態で内部ロータと外部ロータとの相対回転位相を、内燃機関の始動に適した位相に保持できるように構成されている。
特開２００３‐１２０３４８号公報（段落番号〔００５５〕等） 特許４３８９３８３号公報
内燃機関の始動時には、シリンダ内で燃焼されなかった燃料が未燃ＨＣとして排出されることがある。特に、内燃機関が冷熱状態にある状況では、始動直後の短時間の間に未燃ＨＣの排出量が増大する。この未燃ＨＣが増大する現象は、特許文献１にも記載されるように、冷熱状態でシリンダ内壁に付着する燃料が燃焼しないことが原因として考えられている。
このような不都合を解消するために、例えば、特許文献１に記載されるように、燃焼ガスの排出後、吸気弁が開弁するタイミングで、排気弁の開弁状態を継続させ、燃焼室から排出された燃焼ガスの一部を燃焼室に取り込んで燃焼室の温度上昇を図ることも考えられる。
しかしながら、特許文献１のように吸気弁と排気弁とを電磁式に開閉する構成では、吸気弁と排気弁との開閉時期を任意に設定可能である反面、吸気弁と排気弁とを電磁式に開閉するため構造が複雑となる。
また、特許文献２に記載される弁開閉時期制御機構では、内燃機関の始動時に未燃ＨＣの排出量を抑制するものではなく改善の余地がある。尚、特許文献２に記載されるように吸気弁と排気弁との開閉時期を機械式に設定するものは、電磁式に開閉時期を設定するものと比較して信頼性が高いものである。
本発明の目的は、冷熱状態にある内燃機関を始動する場合に未燃ＨＣの排出を抑制し得る制御装置を合理的に構成する点にある。
本発明の特徴は、上死点位置と下死点位置との間を移動するピストンと、クランクシャフトと、カムシャフトと、燃焼室と、を備える内燃機関の前記燃焼室に空気が流入するよう前記燃焼室を開閉する吸気弁と、燃焼後の燃焼ガスが前記燃焼室から流出するよう前記燃焼室を開閉する排気弁と、を有する内燃機関の制御装置であって、当該制御装置は、前記クランクシャフトから回転力が伝達される駆動側回転体と、前記駆動側回転体に対して、相対回転自在に内包され、前記排気弁開閉用の前記カムシャフトと一体回転する従動側回転体と、前記駆動側回転体及び前記従動側回転体の相対回転位相が所定の第１ロック位相に保持される第１ロック状態、及び、前記第１ロック位相と異なる位相である第２ロック位相に保持される第２ロック状態と、前記第１ロック位相及び前記第２ロック位相のロック状態が解除されるロック解除状態との間で切換可能なロック機構と、前記駆動側回転体及び前記従動側回転体の間に区画形成される進角室又は遅角室に対して流体を給排することにより前記駆動側回転体及び前記従動側回転体の相対回転位相と、前記ロック機構による前記ロック状態とを制御可能である位相制御弁と、前記位相制御弁を制御する制御ユニットと、環境温度を検知する温度センサと、を備え、前記温度センサで検知される前記環境温度が設定値未満であり、且つ前記内燃機関が停止される場合、前記制御ユニットが前記位相制御弁を制御することにより、前記相対回転位相が前記第１ロック状態に移行した後に前記内燃機関が停止され、前記温度センサで検知される前記環境温度が設定値以上であり、且つ前記内燃機関が停止される場合、前記制御ユニットが前記位相制御弁を制御することにより、前記相対回転位相が前記第２ロック状態に移行した後に前記内燃機関が停止され、前記内燃機関の始動時において、前記ロック機構により前記相対回転位相が前記第１ロック状態であり、且つ前記ピストンが上死点位置から下死点位置に向かって移動するとき、前記排気弁の開放状態が前記第２ロック状態のときよりも長く継続されるように前記吸気弁と前記排気弁との開閉時期が設定されている点にある。
この構成によると、ロック機構により駆動側回転体と従動側回転体との相対回転位相が第１ロック位相に保持されている状態で内燃機関を始動した場合には、吸気弁が開放するタイミングで排気弁の開放状態が継続する。このため、ピストンの作動に伴い吸気弁を介して燃焼室に吸気が行われると同時に、排気弁から送り出された燃焼ガスも燃焼室に吸引される。このように燃焼ガスが燃焼室に吸引されることにより、シリンダの内壁の温度が上昇し、シリンダの内壁に付着した燃料を気化させて確実に燃焼させ、未燃ＨＣが抑制される。
その結果、冷熱状態にある内燃機関を始動する場合に未燃ＨＣの排出を抑制し得る内燃機関の制御装置が構成された。
また、寒冷地のように、温度センサで検知される環境温度が設定値未満である状況で内燃機関を停止させる場合には、駆動側回転体と従動側回転体との相対回転位相を第１ロック位相にロックした状態で内燃機関を停止することになる。これにより、内燃機関の温度が低い状態で内燃機関を始動する場合には相対回転位相を第１ロック位相に保持して未燃ＨＣの排出の抑制を行える。尚、温度センサで検知される環境温度が設定値以上である場合には、駆動側回転体と従動側回転体との相対回転位相を、必ずしもロックする必要はない。
また、温度センサで検知される環境温度が設定値以上で内燃機関が停止される場合には、駆動側回転体と従動側回転体との相対回転位相を第２ロック位相にロックした状態で内燃機関を停止することになる。これにより、相対回転位相を第２ロック位相に保持して内燃機関を円滑に始動することも可能となる。
本発明は、前記ロック機構が、前記相対回転位相が前記第１ロック位相に保持されている状態であり、且つ前記内燃機関が始動された場合に、前記内燃機関の始動から設定時間が経過した後に、前記制御ユニットが前記ロック機構のロック状態を解除しても良い。
これによると、駆動側回転体と従動側回転体との相対回転位相を第１ロック位相に保持して内燃機関を始動した後には、ロックの解除により吸気弁が開放する状況で排気弁が開放する状態が継続する状況を解消して燃費の良い相対回転位相に移行することも可能となる。また、内燃機関の始動時の数秒程度の短時間に未燃ＨＣの排出量の大部分が排出されるため、設定時間を数秒程度に設定することにより比較的短時間のうちに燃費の良い稼働状態に移行することが可能となる。
本発明は、前記内燃機関が、前記燃焼室に燃料を直接供給するインジェクタを備えて構成されても良い。
低温状態の内燃機関を始動する場合には、インジェクタで燃焼室に供給された燃料がシリンダ内壁に付着する現象を招きやすい。本発明の構成によると、内燃機関を低温で始動する場合には、吸気弁が開放するタイミングで排気弁の開放状態が継続させることにより、燃焼ガスが燃焼室に吸引してシリンダの内壁の温度を上昇させ、シリンダの内壁に付着した燃料を気化させて確実に燃焼させ、未燃ＨＣの低減が実現する。
本発明は、前記制御装置はさらにロック制御弁を有し、前記ロック制御弁が前記ロック機構による前記ロック状態を制御しても良い。
これによると、ロック制御弁によりロック機構のロック状態の制御を行える。
本発明は、前記駆動側回転体と、前記従動側回転体と、前記ロック機構とを備えた弁開閉時期制御機構は、排気側に設けられても良い。
これによると、弁開閉時期制御機構により、クランクシャフトから回転力が伝達される駆動側回転体と、吸気弁と一体回転する従動側回転体との相対回転位相を設定して排気弁の開閉時期を設定できる。
本発明は、流体圧による駆動力が発生しない運転状況下において、前記カムシャフトから作用するカム平均トルクに抗して前記相対回転位相が進角方向に変位するように前記相対回転位相に付勢力を付与する付勢機構を備えても良い。
この構成によると、流体圧による駆動力が発生しない運転状況下でロック機構がロック解除状態にある場合には、カムシャフトのカム平均トルクが遅角方向に作用しても、付勢機構からの付勢力により相対回転位相を進角方向に変位させることができる。特に、内燃機関の始動時に相対回転位相が第１ロック位相より遅角側にある場合には、相対回転位相を進角方向に変位させロック状態への移行を容易にする。尚、第１ロック位相が相対回転位相の変位が可能な領域の中央である場合には、ロック状態への移行の後に内燃機関の始動を継続しても燃焼を良好に行わせエミッションの向上につながる。また、内燃機関の始動時に相対回転位相がロック位相より進角側にある場合には、相対回転位相を更に進角方向に変位させ内燃機関の始動性の向上につながる。
本発明は、流体圧による駆動力が発生しない運転状況下において、前記第１ロック位相より遅角側の領域から、前記第１ロック位相に至る領域において前記相対回転位相が進角方向に変位するように、前記付勢機構は前記相対回転位相に付勢力を付与しても良い。
これによると、例えば、内燃機関の始動時にロック機構がロック解除状態にあり、相対回転位相が第１ロック位相より遅角側の領域にある場合には、この内燃機関を始動時にカムシャフトから相対回転位相を遅角方向に変位させるトルクが作用していても、付勢機構の付勢力により相対回転位相を第１ロック位相まで変位させ、ロック状態に移行することが可能となる。そして、第１ロック位相に移行した状態で内燃機関の始動を継続させることにより相対回転位相の変動を抑制して安定的な始動が実現する。
本発明は、前記ロック機構が、前記駆動側回転体と前記従動側回転体との一方に対してシフト自在に支持されたロック部材と、前記駆動側回転体と前記従動側回転体との他方に形成され前記ロック部材が係脱自在となるロック凹部と、前記ロック部材が前記ロック凹部に係合するように前記ロック部材に対して付勢力を付与する付勢部材とを備えて構成され、前記ロック凹部に連なり、かつ、前記ロック部材が係合することにより前記相対回転位相の遅角方向への変位を規制する規制凹部の深さが、前記ロック凹部の深さより浅くても良い。
これによると、相対回転位相が第１ロック位相より遅角側にある場合に、第１ロック位相においてロック機構をロック状態に移行させる場合には、相対回転位相を進角方向に変位させることでロック部材が規制凹部に係合する。この係合状態において、例えば、カムシャフトから作用するトルクにより相対回転位相が変動する状況でも、相対回転位相は第１ロック位相を基準にして遅角方向に大きく変化することはなく、第１ロック位相でロック凹部に係合することによりのロック状態へ容易に移行する。また、このロック凹部が規制凹部より深いため安定的にロック状態が維持される。
内燃機関の制御装置の構成を示す図である。 弁開閉時期制御機構と油路系とを示す図である。 図２の弁開閉時期制御機構の第１ロック位相でのIII-III線断面図である。 弁開閉時期制御機構の第２ロック位相での断面図である。 内燃機関の燃料噴射から吸気行程までの弁の作動を順次示す図である。 第１ロック位相に保持した状態での排気弁と吸気弁との開閉作動を示すチャートである。 第２ロック位相に保持した状態での排気弁と吸気弁との開閉作動を示すチャートである。 排気弁と吸気弁とのリフト量を時間経過に基づいて示すグラフである。 エンジン停止ルーチンのフローチャートである。 エンジン始動ルーチンのフローチャートである。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。実施形態実施形態
〔基本構成〕
図１及び図２に示すように、内燃機関としてのエンジンＥの吸気弁Ｖａの開閉時期を設定する吸気側の弁開閉時期制御機構Ａと、排気弁Ｖｂの開閉時期を設定する排気側の弁開閉時期制御機構Ｂと、エンジンＥとを制御するエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）５０とを備えて内燃機関の制御装置が構成されている。
図１に示すエンジンＥ（内燃機関の一例）は、乗用車等の車両に備えられるものである。エンジンＥは、クランクシャフト１を支持するシリンダブロック２の上部にシリンダヘッド３を連結し、シリンダブロック２に形成された複数のシリンダボアにピストン４を摺動自在に収容し、ピストン４をコネクティングロッド５によりクランクシャフト１に連結して４サイクル型に構成されている。
シリンダヘッド３には、燃焼室への吸気を行う吸気弁Ｖａと、燃焼室の燃焼ガスの排気を行う排気弁Ｖｂとが備えられ、吸気弁Ｖａを制御する吸気カムシャフト７と、排気弁Ｖｂを制御する排気カムシャフト８とが備えられている。また、クランクシャフト１の出力スプロケット１Ｓと、吸気側の弁開閉時期制御機構Ａの外周のスプロケット７Ｓと、排気側の弁開閉時期制御機構Ｂの外部ロータ２０（駆動側回転体の一例）の駆動スプロケット２２Ｓとに亘ってタイミングチェーン６が巻回されている。
シリンダヘッド３には、燃焼室に燃料を噴射するインジェクタ９と点火プラグ１０とが備えられている。シリンダヘッド３には、吸気弁Ｖａを介して燃焼室に空気を供給するインテークマニホールド１１と、排気弁Ｖｂを介して燃焼室からの燃焼ガスを送り出すエキゾーストマニホールド１２とが連結されている。更に、エキゾーストマニホールド１２の排出方向の下流側には燃焼ガスを浄化する触媒コンバータ１３を備えている。
このエンジンＥでは、クランクシャフト１に駆動回転力を伝えるスタータモータ１５を備え、クランクシャフト１の近傍位置には回転角と回転速度とを検知するシャフトセンサ１６を備えている。排気側の弁開閉時期制御機構Ｂの近傍には外部ロータ２０と内部ロータ３０との相対回転位相を検知する位相センサ１７を備えている。
エンジン制御ユニット５０は、始動制御部５１と位相制御部５２と停止制御部５３を備えている。始動制御部５１はエンジンＥの始動を制御する。位相制御部５２は弁ユニットＶＵを操作して排気側の弁開閉時期制御機構Ｂの相対回転位相とロック機構Ｌとを制御する。停止制御部５３はエンジンＥの停止時の作動を制御する。また、ロック機構Ｌは、相対回転位相を第１ロック位相ＬＳ１又は第２ロック位相ＬＳ２に保持するロック状態と、相対回転位相の変化を許容するロック解除状態とに切換自在に構成されている。
尚、吸気側の弁開閉時期制御機構Ａと排気側の弁開閉時期制御機構Ｂとは共通する構成を有するものであり、エンジン制御ユニット５０は、吸気側の弁開閉時期制御機構Ａの相対回転位相とロック機構Ｌとを制御する制御を行うものであるが、本発明では、排気側の弁開閉時期制御機構Ｂによる排気弁Ｖｂの開閉時期の調節を特徴とするものであるため、排気側の弁開閉時期制御機構Ｂの制御に関連する構成について説明している。これら関連する制御構成と、制御形態については後述する。
〔弁開閉時期制御機構〕
図２〜図４に示すように、排気側の弁開閉時期制御機構Ｂは、クランクシャフト１と同期回転する駆動側回転体としての外部ロータ２０と、排気カムシャフト８に対して連結ボルト３３により連結する従動側回転体としての内部ロータ３０とを備えている。これらは排気カムシャフト８の回転軸芯Ｘと同軸芯上に配置され、外部ロータ２０に対して内部ロータ３０が内包される形態で回転軸芯Ｘを中心にして相対回転自在に支持されている。
この排気側の弁開閉時期制御機構Ｂは、外部ロータ２０と内部ロータ３０との相対回転位相（以下、相対回転位相と称する）の変更により排気弁Ｖｂの開閉時期（開閉タイミング）を制御するように構成されている。
つまり、外部ロータ２０は、円筒状となるロータ本体２１と、回転軸芯Ｘに沿う方向でロータ本体２１の一方の端部に配置されるリヤブロック２２と、回転軸芯Ｘに沿う方向でロータ本体２１の他方の端部に配置されるフロントプレート２３とを備え、これらを複数の締結ボルト２４により締結した構成を有している。
リヤブロック２２の外周には、クランクシャフト１から回転力が伝達される駆動スプロケット２２Ｓが形成され、ロータ本体２１には円筒状の内壁面と、回転軸芯Ｘに近接する方向（径方向内側）に突出する複数の突出部２１Ｔが一体的に形成されている。
複数の突出部２１Ｔのうち、回転軸芯Ｘを挟んで対向する位置となる２つの突出部２１Ｔに対して回転軸芯Ｘから放射状となる姿勢でガイド溝が形成され、これらのガイド溝にプレート状のロック部材２５を出退自在に挿入している。ロータ本体２１の内部にはロック部材２５を回転軸芯Ｘに接近する方向に付勢する付勢手段としてのロックスプリング２６を備えている。
この排気側の弁開閉時期制御機構Ｂでは、相対回転位相が図３に示す第１ロック位相ＬＳ１にある場合に、２つのロック部材２５がロックスプリング２６の付勢力により第１ロック凹部ＬＤ１に係入して相対回転位相を保持する。また、この第１ロック位相ＬＳ１から進角方向Ｓａに相対回転位相が変位し、図４に示す第２ロック位相ＬＳ２に達した際には、一方のロック部材２５だけがロックスプリング２６の付勢力により対応する第２ロック凹部ＬＤ２に係入して相対回転位相を保持するように構成されている。
外部ロータ２０のリヤブロック２２と内部ロータ３０とに亘って、トーションスプリング２７（付勢機構の一例）が備えられている。このトーションスプリング２７は、例えば、相対回転位相が最遅角位相にある状態でも、少なくとも中間位相に達するまで付勢力を作用させるように構成されている。また、このトーションスプリング２７は、排気カムシャフト８から作用するカム平均トルクに抗して弁開閉時期制御機構Ｂの相対回転位相を、最遅角位相から第１ロック位相ＬＳ１に至る領域において進角方向Ｓａに変位させるように付勢力が設定されている。
エンジンストールのようにロック機構Ｌがロック状態に移行することなくエンジンＥが停止した後において、エンジンＥを始動する場合には、油圧ポンプＰから供給する作動油の油量も充分でないため、排気カムシャフト８の回転に伴って変動するトルクの作用により相対回転位相が振動するように変動する。
これに対して、弁開閉時期制御機構Ｂにはトーションスプリング２７を備えているので、相対回転位相が第１ロック位相ＬＳ１より遅角側にある状況でエンジンＥを始動する場合に油圧ポンプＰから作動油が得られない状況でも、トーションスプリング２７の付勢力により排気カムシャフト８から作用するトルクの変動に起因する相対回転位相の変動を抑制する。しかも、トーションスプリング２７の付勢力が排気カムシャフト８から作用するカム平均トルクより大きく設定されているので、この付勢力により相対回転位相を第１ロック位相ＬＳ１の方向に変位させ、ロック状態への移行時間を短縮する。このようにロック機構Ｌがロック状態に移行した後には、相対回転位相を第１ロック位相ＬＳ１に保持してエンジンＥを安定的に始動させることが可能となる。
ロック機構Ｌは、外部ロータ２０に対し、回転軸芯Ｘに近接又は離間する方向にシフト自在に支持されたロック部材２５と、このロック部材２５を突出方向に付勢する付勢部材としてのロックスプリング２６と、内部ロータ３０に形成されたロック凹部（第１ロック凹部ＬＤ１・第２ロック凹部ＬＤ２）とで構成されている。ロック部材２５の形状はプレート状であるが、プレート状に限るものではなく、例えば、ロッド状であっても良い。また、ロック部材２５を内部ロータ３０に支持し、ロック凹部を外部ロータ２０に形成するようにロック機構Ｌを構成しても良い。
このロック機構Ｌでは、第１ロック凹部ＬＤ１に連なる領域に対して、ロック部材２５が係合することにより相対回転位相の遅角側（遅角方向Ｓｂ）への変位を規制する規制凹部Ｄｓを備えている。この規制凹部Ｄｓは、第１ロック凹部ＬＤ１より浅い溝状で第１ロック凹部ＬＤ１と一連に形成され、ロック部材２５が係合することにより、相対回転位相の変動幅を小さくする。つまり、ロック部材２５が規制凹部Ｄｓに係合した場合には、この規制凹部Ｄｓが形成された領域（第１ロック凹部ＬＤ１に隣接する位相から、第１ロック凹部ＬＤ１から最も離間した位相）の間においてのみ、外部ロータ２０と内部ロータ３０との相対回転位相の変位が許容される。そして、この規制凹部Ｄｓにロック部材２５が係合した後には、ラチェット機構と同様に、ロック部材２５の第１ロック凹部ＬＤ１に係合する状態への移行を容易にする。
このような理由から、相対回転位相が第１ロック位相ＬＳ１より遅角側にある状況でエンジンＥを始動する場合には、排気カムシャフト８から作用するトルクにより、弁開閉時期制御機構Ｂの相対回転位相が変動する現象を利用してロック部材２５を規制凹部Ｄｓに係合させて相対回転位相の変動量を小さくする。この後、作動油の供給による相対回転位相が進角方向Ｓａへ変位、あるいは、相対回転位相の変動を利用することにより、第１ロック位相ＬＳ１でのロック状態への移行を迅速に行える。
特に、この実施形態では、相対回転位相を進角方向に変位させるトーションスプリング２７を備え、ロック機構Ｌには相対回転位相の変動幅を小さくする規制凹部Ｄｓを備えているので、相対回転位相が第１ロック位相ＬＳ１より遅角側にある状況でエンジンＥを始動する場合でも、相対回転位相を迅速に第１ロック位相ＬＳ１に変位させてロック状態に移行することが可能となる。
この排気側の弁開閉時期制御機構Ｂでは、タイミングチェーン６から伝えられる駆動力により外部ロータ２０は駆動回転方向Ｓの方向に回転する。外部ロータ２０に対して内部ロータ３０が駆動回転方向Ｓと同方向へ回転する方向を進角方向Ｓａと称し、この逆方向への回転方向を遅角方向Ｓｂと称する。この排気側の弁開閉時期制御機構Ｂでは、相対回転位相が進角方向Ｓａに変位することにより、排気弁Ｖｂの開放タイミング（開放時期）と閉塞タイミング（閉塞時期）とを早める。これとは逆に回転位相が遅角方向Ｓｂに変位することにより排気弁Ｖｂの開放タイミング（開放時期）と閉塞タイミング（閉塞時期）とを遅くする。
図６に示すチャートは、排気側の弁開閉時期制御機構Ｂの相対回転位相を第１ロック位相ＬＳ１に保持した状態において、ピストン４の作動を基準にして吸気弁Ｖａが開放する吸気領域Ｉｎと、排気弁Ｖｂが開放する排気領域Ｅｘとを示している。このチャートでは、矢印で示す時計回り方向に時間が進むものであり、吸気側の弁開閉時期制御機構Ａによる開閉タイミングが固定された状態で以下のように作動が行われる。
同図から理解できるように、排気側の弁開閉時期制御機構Ｂが第１ロック位相ＬＳ１に保持されている状態では、ピストン４が上死点ＴＤＣに達して吸気弁Ｖａが開放するタイミングで排気弁Ｖｂが開放する排気領域Ｅｘと、吸気弁Ｖａが開放する吸気領域Ｉｎとが重複するオーバラップ領域Ｎが形成される。つまり、吸気弁Ｖａが開放するタイミングで排気弁Ｖｂが開放を継続するのである。
このようにオーバラップ領域Ｎが形成されることにより、燃焼室で燃焼した燃焼ガスは、ピストン４の上昇に伴い開放状態の排気弁Ｖｂから排出される。そして、ピストン４が上死点ＴＤＣに達したタイミングで吸気弁Ｖａが開放し、ピストン４が下降するに伴い吸気弁Ｖａを介して空気を燃焼室に吸引することになるが、この吸引時に排気弁Ｖｂを介して高温の燃焼ガスの一部を燃焼室に吸引することも可能となる。
これに対して図７に示すチャートは、排気側の弁開閉時期制御機構Ｂの相対回転位相を第２ロック位相ＬＳ２に保持した状態において、ピストン４の作動を基準にして吸気弁Ｖａが開放する吸気領域Ｉｎと、排気弁Ｖｂが開放する排気領域Ｅｘとを示している。このチャートでも矢印で示す時計回りに時間が進む。
つまり、排気側の弁開閉時期制御機構Ｂの相対回転位相が第２ロック位相ＬＳ２に保持される状況では、ピストン４が上死点ＴＤＣに達したタイミングで排気弁Ｖｂは閉じられる。これと同じタイミングで吸気弁Ｖａが開放し、空気を燃焼室に吸引する。
このような作動形態を、吸気弁Ｖａと排気弁Ｖｂとのリフト量を縦軸にとり、時間Ｔの経過を横軸にとったグラフに示すと、図８に示すように排気側の弁開閉時期制御機構Ｂが第１ロック位相ＬＳ１に保持される状態では、吸気領域Ｉｎと排気領域Ｅｘとの間にオーバラップ領域Ｎが形成される。尚、ロック機構Ｌのロックを解除して開閉時期を変更することによりオーバラップ領域Ｎの領域長の変更も可能となる。
内部ロータ３０は、回転軸芯Ｘと同軸芯上でシリンダ内面状となる内周面３０Ｓが形成されると共に、回転軸芯Ｘを中心とする円筒状の外周面が形成され、この外周面には外方に突出する複数のベーン３１が嵌め込まれている。このベーン３１は回転軸芯Ｘから離間する方向にバネ等で付勢され、突出端が流体圧室Ｃを構成する外部ロータ２０の内周面に接触する。この内部ロータ３０のうち回転軸芯Ｘに沿う方向での一方の端部には鍔状部３２が形成され、この鍔状部３２の内周位置の孔部に挿通する連結ボルト３３により内部ロータ３０が排気カムシャフト８に連結されている。
また、内部ロータ３０を外部ロータ２０に嵌め込む（内包する）ことでロータ本体２１の内側表面（円筒状の内壁面及び複数の突出部２１Ｔ）と内部ロータ３０の外周面との間に流体圧室Ｃが区画形成される。更に、この流体圧室Ｃをベーン３１が仕切る形態となり進角室Ｃａと遅角室Ｃｂとが形成されている。
このような構成から、進角室Ｃａに作動油（流体の具体例）が供給されることで相対回転位相を進角方向Ｓａに変位させ、遅角室Ｃｂに作動油が供給されることで相対回転位相を遅角方向Ｓｂに変位させる。ベーン３１が進角方向Ｓａの移動端（回転軸芯Ｘを中心にした回動限界）に達した状態での相対回転位相を最進角位相と称し、ベーン３１が遅角側の移動端（回転軸芯Ｘを中心にした回動限界）に達した状態での相対回転位相を最遅角位相と称している。
内部ロータ３０の外周には、相対回転位相が第１ロック位相ＬＳ１に達した際に一対のロック部材２５が係入する一対の第１ロック凹部ＬＤ１と、相対回転位相が第２ロック位相ＬＳ２に達した際にロック部材２５が係入する単一の第２ロック凹部ＬＤ２とが形成されている。第１ロック位相ＬＳ１は最進角位相と最遅角位相との間の略中央の位相に設定され、第２ロック位相ＬＳ２は、第１ロック位相ＬＳ１よりも最進角位相又は最進角位相に近い位相に設定されている。
内部ロータ３０には進角室Ｃａに連通する進角流路３４と、遅角室Ｃｂに連通する遅角流路３５と、第１ロック凹部ＬＤ１に対してロック解除方向に作動油を供給するロック解除流路３６とが形成されている。第２ロック凹部ＬＤ２は遅角室Ｃｂに連通して形成され、この第２ロック凹部ＬＤ２には遅角流路３５が連通している。
〔弁ユニット〕
弁ユニットＶＵは、ユニットケースに対して位相制御弁４１とロック制御弁４２とを収容した構造を有しており、このユニットケースに一体的に形成した流路形成軸部４３を内部ロータ３０の内周面３０Ｓに挿入する形態で備えられている。この流路形成軸部４３の外周面には、位相制御弁４１のポートと連通する溝状部と、ロック制御弁４２のポートと連通する溝状部とが形成され、これらの溝状部を分離するように流路形成軸部４３の外周と、内部ロータ３０の内周面３０Ｓとの間には複数のリング状のシール４４が備えられている。
位相制御弁４１は、進角流路３４と遅角流路３５との一方を選択して作動油を供給し、他方から排油を行うことにより、相対回転位相を進角方向Ｓａ又は遅角方向Ｓｂに変位させる作動を実現する、また、ロック制御弁４２は、第１ロック位相ＬＳ１にある状態でロック解除流路３６に作動油を供給することにより、一対のロック部材２５を、ロックスプリング２６の付勢力に抗してロック解除方向に作動させてロック解除を実現する。尚、相対回転位相が第２ロック位相ＬＳ２に保持されている状態では、遅角流路３５に作動油を供給することで、第２ロック凹部ＬＤ２に係入しているロック部材２５を、ロックスプリング２６の付勢力に抗して作動させてロック解除を実現する。
エンジンＥには、オイルパンのオイルを作動油として供給するようにエンジンＥで駆動される油圧ポンプＰを備えている。この油圧ポンプＰからの作動油が弁ユニットＶＵに供給されるように流路が構成されている。
図面には、排気側の弁開閉時期制御機構Ｂに対する弁ユニットＶＵのみを示しているが、吸気側の弁開閉時期制御機構Ａに対する弁ユニットも備えており、エンジン制御ユニット５０は、この弁ユニットを操作することにより吸気側の弁開閉時期制御機構Ａの相対回転位相の変更も行う。また、この弁ユニットＶＵでは、位相制御弁４１とロック制御弁４２とを示しているが、ロック機構Ｌのロック解除を行えるように位相制御弁４１を構成することにより、ロック制御弁４２を備えずに弁ユニットＶＵを構成しても良い。
〔エンジン制御ユニット〕
エンジン制御ユニット５０は、図１に示すように、マイクロプロセッサやＤＳＰ等を用い、ソフトウエアにより制御を実現するものであり、始動制御部５１と、位相制御部５２と、停止制御部５３とはソフトウエアで構成されている。尚、これらはハードウエアで構成されるものでも良く、ソフトウエアとハードウエアとの組み合わせにより構成されるものであっても良い。
前述したように始動制御部５１はエンジンＥの始動を制御する。位相制御部５２は弁ユニットＶＵを操作して排気側の弁開閉時期制御機構Ｂの相対回転位相とロック機構Ｌとを制御する。停止制御部５３はエンジンＥの停止時の作動を制御する。
車両には、人為的な操作によりエンジンＥの始動と停止とを行う始動スイッチ５５を備えている。また、車両の車体には主として外気の温度を環境温度として検知する環境温度センサ５６を備えている。この環境温度センサ５６は、車体の外部に備えるものを想定しているが、エンジンルーム内に配置されるものでも良い。
エンジン制御ユニット５０は、シャフトセンサ１６と、位相センサ１７と、始動スイッチ５５と、環境温度センサ５６との信号が入力する。また、このエンジン制御ユニット５０はインジェクタ９の制御部と点火プラグ１０の制御部と、スタータモータ１５の制御部と、弁ユニットＶＵとに制御信号を出力する。
始動制御部５１は、始動スイッチ５５から始動情報を取得することにより、スタータモータ１５を作動させ、インジェクタ９と点火プラグ１０とを制御してエンジンＥの始動を行うように基本的な制御形態が設定されている。
位相制御部５２は、エンジンＥの稼動時にエンジンＥの回転速度やエンジン負荷に基づき、位相センサ１７から相対回転位相をフィードバックする状態で弁ユニットＶＵを制御して排気側の弁開閉時期制御機構Ｂの相対回転位相を必要とする値に設定する。また、この位相制御部５２はロック機構Ｌがロック状態にある場合にはロック解除を行う。
停止制御部５３は、エンジンＥが停止する場合に（エンジンを停止する操作が行われた場合に）、環境温度センサの５６の検知結果に基づいて排気側の弁開閉時期制御機構Ｂの相対回転位相を設定した後に、インジェクタ９と点火プラグ１０とを制御してエンジンＥの停止を行う。
〔制御形態：エンジン停止ルーチン〕
本実施形態のエンジンＥは、燃焼室にインジェクタ９から燃料を噴射する形態で供給するため、冷熱状態で始動する際には、燃焼室を構成するシリンダ内壁に燃料の一部が付着する。そして、シリンダ内壁が低温である場合には、付着した燃料は殆ど気化せず、点火による燃焼の後にもシリンダ内壁に残留し、燃焼ガスと共に未燃ＨＣ（未燃焼の炭化水素）として排出されることになる。
エンジンＥの始動時には触媒コンバータ１３の内部温度も低いため、未燃ＨＣは触媒コンバータ１３では処理されず排気ガスとともに排出されることになり、結果としてエミッションを悪化させるものであった。
エンジンＥの始動時にエミッションを悪化させる不都合を解消するため、本発明の内燃機関の制御装置では、環境温度が設定値未満である状況でエンジンＥを停止させる場合には、排気側の弁開閉時期制御機構Ｂを第１ロック位相ＬＳ１に保持し、この保持の後にエンジンを停止させるように制御形態が設定される。その制御の概要を以下に説明する。
つまり、図９のフローチャートに示すように、始動スイッチ５５の人為的なＯＦＦ操作によりエンジンＥを停止させる場合には、停止制御部５３が、環境温度センサ５６の検知信号から環境温度を取得し（＃１０１ステップ）、環境温度が設定値未満である場合には、排気側の弁開閉時期制御機構Ｂの目標位相を第１ロック位相ＬＳ１にセットする（＃１０２、１０３ステップ）。
また、停止制御部５３は、環境温度センサ５６の検知信号から環境温度が設定値以上である場合には、排気側の弁開閉時期制御機構Ｂの目標位相を第２ロック位相ＬＳ２にセットする（＃１０２、１０４ステップ）。
このセットの後には、停止制御部５３が、位相センサ１７の検知信号をフィードバックする状態で位相制御弁４１を制御することにより相対回転位相が目標位相に達するまで制御を行い、この後にエンジンＥを停止する（＃１０５、＃１０６ステップ）。
この制御において、相対回転位相が第１ロック位相ＬＳ１に達した場合には２つのロック部材２５がロックスプリング２６の付勢力により第１ロック凹部ＬＤ１に係入する。また、相対回転位相が第２ロック位相ＬＳ２に達した場合には、一方のロック部材２５がロックスプリング２６の付勢力により第２ロック凹部ＬＤ２に係入する。
〔エンジン停止ルーチンの異なる制御形態〕
ハイブリッド型車両あるいはアイドルストップ型の車両に対して本発明の内燃機関の制御装置を適用した場合には、次のように制御形態を設定しても良い。つまり、ハイブリッド型車両では、バッテリーの充電のためにエンジンＥが自動的に始動し、充電が完了した後にはエンジンＥを自動的に停止する。また、アイドルストップ型の車両では、ブレーキペダルが踏み込み操作された場合に、エンジンＥが停止し、ブレーキペダルの踏み込みが解除された場合にエンジンＥを自動的に始動する。
何れの制御を行う車両であっても、エンジンＥを停止した後には、エンジンＥの温度が低下しない状況でエンジンＥの始動が行われる。このように暖機状態でエンジンＥの始動が行われる状況では、環境温度センサ５６の検知結果を参照することなく、相対回転位相を第２ロック位相ＬＳ２にセットし、このセットの後にエンジンＥを停止するように制御形態を設定することも考えられる。
つまり、エンジンＥを停止させる操作として、人為的に操作された場合にのみ、環境温度センサ５６の検知結果を参照し、ロック位相に反映させるように制御形態を設定することも可能になるのである。
〔制御形態：エンジン始動ルーチン〕
始動スイッチ５５の人為的なＯＮ操作によりエンジンＥを始動させる場合には、始動制御部５１が、スタータモータ１５を駆動してクランキングを行い、インジェクタ９から燃焼室に燃料を供給し、点火プラグ１０での点火を実行する（＃２０１、＃２０２ステップ）。
このようにエンジンＥの始動を開始した場合に、相対回転位相が第１ロック位相ＬＳ１に保持されている場合には、始動制御部５１が、クランキングから設定時間が経過した後に、ロック制御弁４２を制御してロック機構Ｌのロックを解除すると共に、位相制御弁４１を制御して相対回転位相を進角方向Ｓａに変位させる制御が行われる（＃２０３、＃２０４ステップ）。
この制御では、設定時間として数秒程度となる比較的短い時間が設定され、この設定時間が経過した後に、ロック解除流路３６に作動油を供給することにより、第１ロック凹部ＬＤ１に係入しているロック部材２５に圧力を作用させ、ロックスプリング２６の付勢力にロック解除を行うことになる。
また、排気側の弁開閉時期制御機構Ｂの相対回転位相が、設定時間だけ第１ロック位相ＬＳ１に保持されることにより、図６、図８に示す如く、吸気弁Ｖａが開放する吸気領域Ｉｎと、排気弁Ｖｂが開放する排気領域Ｅｘとを、吸気が開始される領域で重複させてオーバラップ領域Ｎを作り出している。
特に、エンジンＥの始動時には、油圧ポンプＰから供給される作動油の油圧が低く、油量も不足するため、排気側の弁開閉時期制御機構Ｂに作動油を供給するように位相制御弁４１を制御しても、相対回転位相を所望の位相に保持できない。このような課題に対して本発明では、油圧に依存することなくロック機構Ｌにより第１ロック位相ＬＳ１に保持して安定した制御を実現している。
つまり、図５、図６に示すように、エンジンＥを始動時にスタータモータ１５のクランキングにより圧縮行程が行われる場合には、ピストン４が上死点ＴＤＣに達した図５（ａ）のタイミング（このタイミングは上死点ＴＤＣと一致しなくても良い）でインジェクタ９により燃焼室に燃料を噴射し、点火プラグ１０で点火が行われ燃焼行程に移行する。
この燃焼行程では、図５（ｂ）のタイミングとして示すように吸気弁Ｖａと排気弁Ｖｂとが閉じ状態にある。この後、ピストン４が下死点ＢＤＣに達する直前に排気弁Ｖｂが開放し、図５（ｃ）（ｄ）のタイミングとして示すように開放状態は継続する。この後に、ピストン４が上死点ＴＤＣに達し、図５（ｅ）のタイミング（吸気行程に移行したタイミング）で吸気弁Ｖａが開放すると共に、排気弁Ｖｂは開放状態を継続しており、この後に吸気行程が継続することにより図５（ｆ）のタイミングで排気弁Ｖｂは閉塞する。
このように、排気側の弁開閉時期制御機構Ｂを第１ロック位相ＬＳ１に保持してクランキングを開始することにより、燃焼行程の次の吸気行程の初期に排気弁Ｖｂが開放状態を継続する状態を作り出す。従って、冷熱状態でエンジンＥを始動する場合に、インジェクタ９から噴射した燃料の一部がシリンダ内壁に付着しても、温度上昇が図られたシリンダ内壁の熱により積極的に気化させることが可能となる。そして、燃焼室に噴射された燃料と、シリンダ内壁から気化した燃料とが燃焼され、未燃ＨＣが排出される不都合を解消して良好なエミッションを実現するのである。
〔別実施形態〕
本発明は、上記した実施形態以外に以下のように構成しても良い。
（ａ）排気側の弁開閉時期制御機構Ｂの第１ロック位相ＬＳ１の相対回転位相を、最遅角位相または、最遅角位相に近い領域に設定する。つまり、吸気弁Ｖａが開放するタイミングで、排気弁Ｖｂの開放状態が継続する関係（オーバラップ領域Ｎが形成される関係）が維持される状態を、相対回転位相が中間位相より最遅角位相に近い領域に設定するのである。このように設定することにより、エンジンＥの始動後には、排気側の弁開閉時期制御機構Ｂの相対回転位相を進角方向Ｓａに変位可能な領域を拡大できることになる。
この別実施形態（ａ）のように第１ロック位相ＬＳ１を最遅角側に設定した場合には、第２ロック位相ＬＳ２を相対回転位相の中間（中ほど）に設定することもできる。
（ｂ）本発明では第２ロック位相ＬＳ２において相対回転位相を保持するロック機構を備えずに実施することが可能である。
（ｃ）吸気側の弁開閉時期制御機構Ａを制御することで、吸気弁Ｖａが開放する時期に、排気弁Ｖｂの開放状態が継続する時間（オーバラップ領域Ｎが形成される時間）を調節できるように構成する。このように構成することにより、オーバラップ領域ＮをエンジンＥの状態に対応して必要とする値に設定することも可能となる。
（ｄ）吸気弁Ｖａが開放したタイミングで燃焼室に対して吸気経路側から燃料を噴射する位置にインジェクタ９を備えて内燃機関を構成する。このような位置にインジェクタ９を備えたものであっても、冷熱時においてエンジンＥを始動する際に未燃ＨＣの低減を可能にする。
（ｅ）付勢機構としてのトーションスプリング２７から作用する付勢力の領域として、排気カムシャフト８から作用するカム平均トルクに抗して、第１ロック位相ＬＳ１から、最遅角位相に至る領域において進角方向Ｓａに付勢力を作用させるように構成する。
この別実施形態（ｅ）のようにトーションスプリング２７の付勢方向を設定することにより、相対回転位相が第１ロック位相ＬＳ１より進角側にある状況でエンジンＥを始動した場合には相対回転位相を進角側（進角方向Ｓａ）に変位させ、第２ロック位相ＬＳ２でのロック状態に移行することが可能となる。排気側の弁開閉時期制御機構Ｂでは、相対回転位相を第２ロック位相ＬＳ２に維持することによりエンジンＥの始動性を向上させることが可能となる。
本発明は、排気弁の開閉時期を設定する弁開閉時期制御機構を備えた内燃機関に利用することができる。
１ クランクシャフト
４ ピストン
８ カムシャフト（排気カムシャフト）
９ インジェクタ
２０ 駆動側回転体（外部ロータ）
２５ ロック部材
２６ 付勢部材（ロックスプリング）
２７ 付勢機構（トーションスプリング）
３０ 従動側回転体（内部ロータ）
４１ 位相制御弁
４２ ロック制御弁
５０ 制御ユニット（エンジン制御ユニット）
５６ 温度センサ（環境温度センサ）
Ｂ 弁開閉時期制御機構
Ｃａ 進角室
Ｃｂ 遅角室
Ｄｓ 規制凹部
Ｅ 内燃機関（エンジン）
Ｌ ロック機構
ＬＤ１ ロック凹部（第１ロック凹部）
ＬＳ１ 第１ロック位相
ＬＳ２ 第２ロック位相
Ｖａ 吸気弁
Ｖｂ 排気弁

Claims (8)

  1. 上死点位置と下死点位置との間を移動するピストンと、クランクシャフトと、カムシャフトと、燃焼室と、を備える内燃機関の前記燃焼室に空気が流入するよう前記燃焼室を開閉する吸気弁と、燃焼後の燃焼ガスが前記燃焼室から流出するよう前記燃焼室を開閉する排気弁と、を有する内燃機関の制御装置であって、当該制御装置は、
    前記クランクシャフトから回転力が伝達される駆動側回転体と、
    前記駆動側回転体に対して、相対回転自在に内包され、前記排気弁開閉用の前記カムシャフトと一体回転する従動側回転体と、
    前記駆動側回転体及び前記従動側回転体の相対回転位相が所定の第１ロック位相に保持される第１ロック状態、及び、前記第１ロック位相と異なる位相である第２ロック位相に保持される第２ロック状態と、前記第１ロック位相及び前記第２ロック位相のロック状態が解除されるロック解除状態との間で切換可能なロック機構と、
    前記駆動側回転体及び前記従動側回転体の間に区画形成される進角室又は遅角室に対して流体を給排することにより前記駆動側回転体及び前記従動側回転体の相対回転位相と、前記ロック機構による前記ロック状態とを制御可能である位相制御弁と、
    前記位相制御弁を制御する制御ユニットと、環境温度を検知する温度センサと、を備え、
    前記温度センサで検知される前記環境温度が設定値未満であり、且つ前記内燃機関が停止される場合、前記制御ユニットが前記位相制御弁を制御することにより、前記相対回転位相が前記第１ロック状態に移行した後に前記内燃機関が停止され、
    前記温度センサで検知される前記環境温度が設定値以上であり、且つ前記内燃機関が停止される場合、前記制御ユニットが前記位相制御弁を制御することにより、前記相対回転位相が前記第２ロック状態に移行した後に前記内燃機関が停止され、
    前記内燃機関の始動時において、前記ロック機構により前記相対回転位相が前記第１ロック状態であり、且つ前記ピストンが上死点位置から下死点位置に向かって移動するとき、前記排気弁の開放状態が前記第２ロック状態のときよりも長く継続されるように前記吸気弁と前記排気弁との開閉時期が設定されている内燃機関の制御装置。
  2. 前記ロック機構が、前記相対回転位相が前記第１ロック位相に保持されている状態であり、且つ前記内燃機関が始動された場合に、前記内燃機関の始動から設定時間が経過した後に、前記制御ユニットが前記ロック機構のロック状態を解除する請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
  3. 前記内燃機関が、前記燃焼室に燃料を直接供給するインジェクタを備えている請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
  4. 前記制御装置はさらにロック制御弁を有し、前記ロック制御弁が前記ロック機構による前記ロック状態を制御する請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
  5. 前記駆動側回転体と、前記従動側回転体と、前記ロック機構とを備えた弁開閉時期制御機構は、排気側に設けられる請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
  6. 流体圧による駆動力が発生しない運転状況下において、前記カムシャフトから作用するカム平均トルクに抗して前記相対回転位相が進角方向に変位するように前記相対回転位相に付勢力を付与する付勢機構を備えている請求項１〜５のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
  7. 流体圧による駆動力が発生しない運転状況下において、前記第１ロック位相より遅角側の領域から、前記第１ロック位相に至る領域において前記相対回転位相が進角方向に変位するように、前記付勢機構は前記相対回転位相に付勢力を付与する請求項６記載の内燃機関の制御装置。
  8. 前記ロック機構が、前記駆動側回転体と前記従動側回転体との一方に対してシフト自在に支持されたロック部材と、前記駆動側回転体と前記従動側回転体との他方に形成され前記ロック部材が係脱自在となるロック凹部と、前記ロック部材が前記ロック凹部に係合するように前記ロック部材に対して付勢力を付与する付勢部材とを備えて構成され、前記ロック凹部に連なり、かつ、前記ロック部材が係合することにより前記相対回転位相の遅角方向への変位を規制する規制凹部の深さが、前記ロック凹部の深さより浅い請求項１〜７のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
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