JP2001342856A - 内燃機関のバルブタイミング制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 機関始動性を悪化させることなく、触媒装置
の早期昇温を実現することを可能とする内燃機関のバル
ブタイミング制御装置を提供すること。 【解決手段】 少なくとも排気弁の開弁時期を可変とす
る可変バルブタイミング機構を具備し、機関排気系の触
媒装置の昇温が必要な機関始動時において（ステップ１
０４）、クランキング終了後（ステップ１０３）に可変
バルブタイミング機構によって排気弁の開弁時期を膨張
下死点後の設定時期へ遅角する（ステップ１０５）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関のバルブ
タイミング制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】排気ガス中の有害成分を浄化するため
に、内燃機関の排気系には触媒装置が配置されている。
このような触媒装置は、機関暖機以前のように低温度で
あると、触媒が十分に活性化していないために、排気ガ
ス中の有害成分を良好に浄化させることができない。近
年、機関始動時から触媒を活性化温度へ昇温して排気ガ
スを浄化することが望まれている。

【０００３】特開平１−１５９４３１号公報には、少な
くとも排気弁の開弁時期を可変とする可変バルブタイミ
ング機構を使用して、機関暖機以前には排気弁の開弁時
期を膨張下死点以降に遅角することが提案されている。
こうして、排気ガスを気筒内で圧縮昇温させた後に触媒
装置へ流入させ、触媒装置を早期に昇温させることが可
能となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述の従来技術によっ
て、確かに触媒装置を早期に昇温させることができる。
しかしながら、排気弁の開弁時期の遅角は、一方で排気
行程における圧縮仕事をもたらし、機関始動時のクラン
キングにおける負荷が増大することとなるために、始動
性を悪化させる。

【０００５】従って、本発明の目的は、機関始動性を悪
化させることなく、触媒装置の早期昇温を実現すること
を可能とする内燃機関のバルブタイミング制御装置を提
供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明による内燃機関の
バルブタイミング制御装置は、少なくとも排気弁の開弁
時期を可変とする可変バルブタイミング機構を具備し、
機関排気系の触媒装置の昇温が必要な機関始動時におい
て、クランキング終了後に前記可変バルブタイミング機
構によって前記排気弁の開弁時期を膨張下死点後の設定
時期へ遅角することを特徴とする。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明によるバルブタイ
ミング制御装置が取り付けられた内燃機関の概略図であ
る。同図において、１はピストン、２は点火プラグであ
る。気筒内には吸気弁３を介して吸気通路４が、また排
気弁５を介して排気通路６がそれぞれ連通している。

【０００８】吸気弁３及び排気弁５は、クランクシャフ
トに同期して作動するカムによってではなく、それぞ
れ、電磁式又は油圧室等のアクチュエータ７，８によっ
て駆動される。それにより、吸気弁３の開閉弁時期及び
排気弁５の開閉弁時期は、機関運転状態に応じて最適な
時期とすることができる。アクチュエータ７，８の作動
制御は電子制御装置２０によって実施され、この電子制
御装置には、機関回転数を検出するための回転センサ２
１、スタータスイッチ２２、冷却水温を検出するための
水温センサ２３、及びその他の機関運転状態を検出する
のに必要なセンサ（図示せず）が接続されている。

【０００９】ところで、機関排気系には、排気ガス中に
含まれる有害成分を浄化するために、それぞれの内燃機
関に適した触媒装置が配置されている。例えば、一般的
なガソリンエンジンでは、触媒装置として、三元触媒コ
ンバータが使用される。このような触媒装置は、機関暖
機以前のように低温度であると、触媒が十分に活性化し
ていないために、排気ガス中の有害成分を良好に浄化さ
せることができない。本実施形態では、機関始動時にお
いて、図２に示す第一フローチャートに従って触媒装置
を早期に昇温させ、機関始動直後から触媒装置による排
気ガス中の有害成分の浄化を可能としている。

【００１０】この第一フローチャートを以下に説明す
る。先ず、ステップ１０１において、運転者によってス
タータスイッチ２２がオンされたか否かが判断される。
この判断が否定される時には、機関始動時でないために
そのまま終了する。一方、この判断が肯定される時に
は、ステップ１０２に進み、アクチュエータ８による排
気弁５の開弁時期は、図４（Ａ）に示すように、膨張下
死点ＢＣより少し前の通常開弁時期ＥＯ１とされる。次
いで、ステップ１０３において、スタータスイッチ２２
がオフされたか否かが判断される。

【００１１】この判断が否定される時にはステップ１０
２に戻り、排気弁５の開弁時期は通常開弁時期のままと
される。スタータスイッチ２２がオフされると、ステッ
プ１０４に進み、水温センサ２３によって検出される冷
却水温ＴＨＷが第一設定温度ＴＨＷ１以下であるか否か
が判断される。この判断が否定される時には、機関停止
直後の再始動等であり、触媒装置の温度は十分に高く、
排気ガスを良好に浄化することが可能であるために、そ
のまま終了する。

【００１２】一方、通常の始動時においては、ステップ
１０４の判断は肯定され、アクチュエータ８による排気
弁５の開弁時期は、図４（Ｂ）に示すように、膨張下死
点ＢＣを大きく過ぎた遅角開弁時期ＥＯ２とされる。図
４において、ＥＣは、吸気上死点ＴＣより少し後の機関
始動に最適な排気弁の閉弁時期であり、本実施形態で
は、排気弁の開弁時期ＥＯ１又はＥＯ２に係わらずに同
じとされているが、これは本発明を限定するものではな
い。

【００１３】排気弁の開弁時期を膨張下死点後に遅角す
ると、排気ガスは、気筒内から機関排気系に放出される
以前に、気筒内において圧縮昇温させられるために、低
温度の触媒装置を良好に昇温させることができる。しか
しながら、この開弁時期の遅角は、前述したように、排
気行程中の圧縮仕事をもたらすために、クランキング中
に実施すると、図３に点線で示すように、クランキング
の回転が十分に高くならず、クランキング開始Ａ（スタ
ータスイッチオン）から着火Ｃ（スタータスイッチオ
フ）までの時間、すなわち、クランキング時間が長くな
り、始動性が悪化することとなる。

【００１４】これに対して、第一フローチャートでは、
クランキング中には排気弁の開弁時期の遅角は行われな
いために、図３に実線で示すように、クランキング開始
Ａ（スタータスイッチオン）から着火Ｂ（スタータスイ
ッチオフ）までの時間、すなわち、クランキング時間を
短くすることができ、良好な始動性が確保される。ま
た、クランキング中は、完全な燃焼が行われていないた
めに、排気ガス温度は非常に低く、気筒内で圧縮しても
排気ガスを高温度とすることができないために、この時
に排気弁の開弁時期を遅角しなくても、触媒装置の昇温
を大きく遅らせることとはならない。

【００１５】こうして、第一フローチャートでは、機関
始動時において触媒装置の昇温が必要な時に、スタータ
スイッチのオフによってクランキング終了を判断するま
では、排気弁の開弁時期の遅角を中止するようにした
が、もちろん、回転センサ２１によって機関回転数ＮＥ
を監視し、機関回転数ＮＥがクランキング回転数を越え
た時に、又は、大きな機関回転数変化ΔＮＥが発生した
時に、クランキング終了を判断して、排気弁の開弁時期
の遅角を開始するようにしても良い。

【００１６】また、機関始動時において、クランキング
中から着火直後は、各気筒での確実な燃焼を実現させる
ために、噴射燃料は比較的多くされ、その後において
は、噴射燃料を減少させ、安定したアイドル回転を実現
するようになっている。こうして、機関回転数ＮＥを、
図６に示すように、着火直後において一旦は安定アイド
ル回転数を越えて急激に上昇させるようにする。

【００１７】前述の第一フローチャートでは、クランキ
ング終了時に排気弁の開弁時期が遅角され、すなわち、
この回転数の急激な上昇中にも排気弁の開弁時期は遅角
され、触媒装置を早期に昇温させることが可能となる。
しかしながら、前述のように、排気弁の開弁時期の遅角
は、負荷を増大させるために、着火直後において図６の
ように回転数を立ち上げるためには、この負荷の増大分
だけ実際には噴射燃料をさらに増量しなければならな
い。排気弁の開弁時期の遅角開始によって触媒装置は良
好に昇温させられるが、直ぐに触媒活性化温度となるわ
けではなく、回転数の急激な上昇中において、噴射燃料
の増量によって多量に排出される未燃ＨＣ等が触媒装置
によって浄化されることなく大気中へ放出されてしま
う。

【００１８】図５は、この問題を解決するための第二フ
ローチャートである。先ず、ステップ２０１において、
運転者によってスタータスイッチ２２がオンされたか否
かが判断される。この判断が否定される時には、機関始
動時でないためにそのまま終了する。一方、この判断が
肯定される時には、ステップ２０２に進み、アクチュエ
ータ８による排気弁５の開弁時期は、前述同様な通常開
弁時期ＥＯ１とされる。

【００１９】次いで、ステップ２０３に進み、水温セン
サ２３によって検出される冷却水温ＴＨＷが第一設定温
度ＴＨＷ１以下であるか否かが判断される。この判断が
否定される時には、機関停止直後の再始動等であり、触
媒装置の温度は十分に高く、排気ガスを良好に浄化する
ことが可能であるために、そのまま終了する。

【００２０】一方、通常の始動時においては、ステップ
２０３の判断は肯定され、ステップ２０４において、回
転センサ２１によって検出される機関回転数ＮＥが設定
回転数ＮＥ１以下であるか否かが判断される。この設定
回転数ＮＥ１は、例えば、図６に示すように、安定アイ
ドル回転数より高い回転数である。ステップ２０４にお
ける判断が肯定される時には、この判断が繰り返され、
着火直後の急激な回転上昇がほぼ終了すると、ステップ
２０４における判断が否定され、ステップ２０５におい
て、アクチュエータ８による排気弁５の開弁時期は、前
述同様な遅角開弁時期ＥＯ２とされる。

【００２１】こうして、図６に示すように、クランキン
グ開始から着火直後の急激な回転上昇がほぼ終了するま
では、排気弁の開弁時期は通常開弁時期とされ、その後
に、触媒装置を昇温するために、排気弁の開弁時期は遅
角開弁時期とされて排気ガス温度を気筒内で上昇させる
ようになっている。それにより、着火直後の急激な回転
上昇中において、排気弁の開弁時期を遅角する場合に比
較して噴射燃料を減量させることができ、この時に気筒
内からの未燃ＨＣ等の排出量を低減させ、多量の未燃Ｈ
Ｃ等が大気中へ放出されることを防止することができ
る。

【００２２】図７は、第二フローチャートによる排気弁
の開弁時期制御の効果を説明する図であり、（Ａ）は着
火後における排気温度変化のタイムチャートであり、
（Ｂ）は着火後における大気放出ＨＣ量変化のタイムチ
ャートであり、（Ｃ）は着火後における大気放出積算Ｈ
Ｃ量変化のタイムチャートである。各タイムチャートに
おいて、点線は着火直後から排気弁の開弁時期を遅角し
ている場合であり、一線鎖線は安定アイドル回転となっ
ても排気弁の開弁時期を遅角しない場合であり、実線は
第二フローチャートにより排気弁の開弁時期を遅角させ
る場合である。

【００２３】図７に示すように、第二フローチャートに
よる排気弁の開弁時期制御によれば、着火直後から排気
弁の開弁時期を遅角する場合に比較して、触媒装置の活
性温度への昇温は遅れることとなるが、この間で噴射燃
料を少なくして気筒内からの排出未燃ＨＣ量を低減させ
ることができるために、結果的に、大気放出ＨＣ量を良
好に減少させることが可能となる。

【００２４】第二フローチャートにおいて、機関回転数
ＮＥが設定回転数ＮＥ１となって着火直後の急激な回転
上昇がほぼ終了したと判断するまでは、排気弁の開弁時
期の遅角を中止するようにしたが、もちろん、クランキ
ング終了から設定時間経過した時、クランキング終了後
において機関回転数変化ΔＮＥが設定値より小さくなっ
た時、又は、スロットル弁下流側の吸気負圧が設定値よ
り小さくなった時に、着火直後の急激な回転上昇がほぼ
終了したと判断して、排気弁の開弁時期の遅角を開始す
るようにしても良い。

【００２５】第一フローチャート及び第二フローチャー
トにおいて、排気弁の開弁時期を、通常開弁時期から遅
角開弁時期へ瞬間的に変化させるようにしたが、開弁時
期の遅角は負荷を増大させるために、機関発生出力差に
よってトルクショックが発生することとなる。これを防
止するためには、図８に示すように、通常開弁時期ＥＯ
１から徐々に遅角開弁時期ＥＯ２へ開弁時期を遅角する
ようにしても良い。また、機関発生出力差を生じさせな
いようにするために、こうして徐々に開弁時期を遅角す
ると同時に、点火時期を通常点火時期から進角点火時期
へ徐々に進角して、又は、スロットル弁をバイパスする
吸気量制御機構等によって徐々に吸気量を増加させて開
弁時期の遅角による負荷の増大に伴う機関発生出力の減
少分を点火時期の進角による機関発生出力の増加分で補
うようにしても良い。

【００２６】ところで、遅角させた排気弁の開弁時期
は、いずれ通常開弁時期へ戻す必要があり、図９は、こ
のための第三フローチャートである。先ず、ステップ３
０１において、開弁時期の遅角が行われているか否かが
判断される。触媒装置の昇温が必要ない時には、排気弁
の開弁時期の遅角は行われておらず、このような場合に
はそのまま終了する。一方、ステップ３０１における判
断が肯定される時には、ステップ３０２に進み、冷却水
温ＴＨＷが第二設定温度ＴＨＷ２以上であるか否かが判
断される。この判断が肯定される時には、触媒装置も十
分に昇温されているとして、ステップ３０３において、
排気弁の開弁時期を通常開弁時期ＥＯ１へ戻すようにな
っている。こうして、触媒装置が触媒活性化温度へ昇温
されたにも係わらずに、機関発生出力を減少させる遅角
開弁時期ＥＯ２での運転を持続することは防止される。

【００２７】もちろん、排気弁の開弁時期を遅角させて
から設定時間経過した時、又は、推定又は検出される触
媒装置の直下流側の排気ガス温度が設定温度となった時
には、触媒装置が触媒活性化温度へ昇温したとして、排
気弁の開弁時期の遅角を終了するようにしても良い。ま
た、機関発生出力を減少させる遅角開弁時期での運転
は、車両加速時において特に好ましくないために、スロ
ットル弁開度、車速、機関回転数、アクセルペダル踏み
込み量、スロットル弁下流側の吸気圧力、又は、機関回
転数等の急激な変化から機関加速時を判断し、この時に
は、良好な車両加速を触媒装置の昇温に優先させ、排気
弁の開弁時期を遅角開弁時期から通常開弁時期へ戻すよ
うにしても良い。

【００２８】本発明は、ガソリンエンジンと三元触媒コ
ンバータとの組み合わせに限定されることはなく、内燃
機関に応じて選択される酸化触媒装置又はＮＯ_x 吸蔵還
元触媒装置等の機関始動時において正常に機能させるに
は昇温が必要な触媒を有する全ての触媒装置と排気ガス
を気筒外へ排出するために排気弁を開弁する全ての内燃
機関との組み合わせに適用可能である。

【００２９】

【発明の効果】このように、本発明による内燃機関のバ
ルブタイミング制御装置によれば、少なくとも排気弁の
開弁時期を可変とする可変バルブタイミング機構を具備
し、機関排気系の触媒装置の昇温が必要な機関始動時に
おいて、クランキング終了後に可変バルブタイミング機
構によって排気弁の開弁時期を膨張下死点後の設定時期
へ遅角するようになっている。排気弁の開弁時期の遅角
は、排気ガスを気筒内で圧縮昇温するために、触媒装置
の昇温には有効であるが、この一方で、圧縮仕事による
負荷が発生する。クランキング中には、このような開弁
時期の遅角を中止することにより、クランクキング中の
負荷の増加を防止することができ、機関始動性を悪化さ
せることなく、触媒装置の早期昇温を実現するができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるバルブタイミング制御装置が取り
付けられた内燃機関の概略断面図である。

【図２】排気弁の開弁時期遅角制御のための第一フロー
チャートである。

【図３】第一フローチャートの効果を説明するための機
関始動時の機関回転数変化を示すタイムチャートであ
る。

【図４】排気弁の開閉時期を示す図であり、（Ａ）は通
常開弁時期の場合、（Ｂ）は遅角開弁時期の場合を示し
ている。

【図５】排気弁の開弁時期遅角制御のための第二フロー
チャートである。

【図６】第二フローチャートにおける設定回転数を説明
するための機関始動時の機関回転数変化を示すタイムチ
ャートである。

【図７】第二フローチャートの効果を説明するための図
であり、（Ａ）は排気温度変化のタイムチャート、
（Ｂ）は大気放出ＨＣ量変化のタイムチャート、（Ｃ）
は大気放出積算ＨＣ量変化のタイムチャートである。

【図８】通常開弁時期から遅角開弁時期への別の変化パ
ターンを示す図である。

【図９】遅角開弁時期から通常開弁時期へ戻すための第
三フローチャートである。

【符号の説明】

１…ピストン ２…点火プラグ ３…吸気弁 ５…排気弁 ２０…電子制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 一瀬 宏樹 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 3G091 AA02 AA17 AB02 AB03 AB06 BA03 BA14 BA15 BA19 CB05 CB07 CB08 DA01 DA02 DB10 EA01 EA06 EA07 EA16 EA26 EA30 EA39 FA01 FA02 FA04 FA12 FA17 FA18 FB02 FC07 3G092 AA01 AA11 AB02 BA09 DA02 DA07 DA08 DA12 DC15 DG09 EA04 EA11 FA18 FA21 GA01 GA02 GA04 HE08Z HF05Z HF19Z

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも排気弁の開弁時期を可変とす
   る可変バルブタイミング機構を具備し、機関排気系の触
   媒装置の昇温が必要な機関始動時において、クランキン
   グ終了後に前記可変バルブタイミング機構によって前記
   排気弁の開弁時期を膨張下死点後の設定時期へ遅角する
   ことを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装
   置。