JP2004346752A

JP2004346752A - 内燃機関の制御装置およびその制御方法

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Publication number: JP2004346752A
Application number: JP2003141379A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Minami; 昌宏南
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-05-20
Filing date: 2003-05-20
Publication date: 2004-12-09

Abstract

【課題】低温時の噴射燃料の気化を促進する内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】ピストンの下降動作に伴い燃焼室に引き込まれる吸気と燃料噴射弁から噴射した燃料とを混合して、燃焼を行なう内燃機関の制御装置であって、前記燃料噴射弁の位置よりも上流に設けられ、前記燃焼室に引き込まれる吸気の通路を開閉するバルブと、前記ピストンの下降動作に伴い前記燃焼室内部に負圧が発生する所定のタイミングで前記バルブの開弁を行なうタイミング制御手段とを備えた内燃機関の制御装置とする。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の制御装置およびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、吸気ポートに燃料を噴射し、その燃料と吸入空気とを混合して燃焼室に取り込む内燃機関では、噴射した燃料および吸気ポートに付着した燃料の気化を促進するために、吸気行程のピストン下降動作と吸気バルブの開弁動作との差動により生じる燃焼室内部の負圧を利用している。かかる内燃機関では、ピストンが上死点に到達後に吸気バルブを開弁し、吸気ポートの吸気を勢い良く吸い込むことで、吸気ポートに付着した燃料の気化および燃料と空気の混合を促進している。こうした内燃機関を示す特許文献には、下記の特許文献１がある。更に、前述の燃焼室内部の負圧の効果を吸気ポートにも及ぼすため、燃料噴射弁の上流の吸気ポート内部に絞り弁を設け、絞り弁の開度を制御する技術がある。かかる技術を利用した内燃機関では、絞り弁により吸気ポート自体も負圧として、減圧沸騰による吸気ポートに付着した燃料の気化を促進している。こうした内燃機関を示す特許文献には、下記の特許文献２がある。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−３２３１６８号公報
【特許文献２】
特開２００２−９７９８２号広報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした内燃機関では、特に低温時には、噴射した燃料の気化を十分に促進できないという問題があった。低温始動時には、吸入する空気および吸気ポートの壁面温度が大きく低下しているため、壁面に付着した燃料は直ぐには気化しない。その結果、吸入空気と燃料との混合が十分に行なわれず、トルク変動やエミッションの悪化を生じさせていた。負圧により流入する吸気が絞り弁を通過することで、ある程度は吸気ポートの壁面温度も上昇するが、単に所定の負圧を発生させるための絞り弁の開度調整では、負圧を十分に利用することができず、温度上昇は燃料の気化を促進するほど十分なものではなかった。
【０００５】
本発明は、こうした問題を解決し、低温時の噴射燃料の気化を促進する内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の第１の内燃機関の制御装置は、上記課題の少なくとも一部を解決するため、以下の手法をとった。すなわち、ピストンの下降動作に伴い燃焼室に引き込まれる吸気と燃料噴射弁から噴射した燃料とを混合して、燃焼を行なう内燃機関の制御装置であって、前記燃料噴射弁の位置よりも上流に設けられ、前記燃焼室に引き込まれる吸気の通路を開閉するバルブと、前記ピストンの下降動作に伴い前記燃焼室内部に負圧が発生する所定のタイミングで前記バルブの開弁を行なうタイミング制御手段とを備えたことを要旨としている。
【０００７】
かかる内燃機関の制御装置によれば、ピストンが上死点から下降動作する所定のタイミングまではバルブを閉弁し、燃焼室内部を大きく負圧にする。この所定のタイミングでバルブを開弁すると、流速を増大してバルブを通過する吸気は、バルブによる絞り（以下、絞り損失と呼ぶ）を受ける。絞りを通過する流体の摩擦等のエネルギロスにより、所定のタイミングで開弁したバルブを通過する吸気の温度は上昇する。したがって、温度上昇した吸気を流入することで、噴射した燃料の気化を促進することができる。特に吸気の通路に燃料を噴射する内燃機関では、吸気通路の壁面の温度上昇により、噴射して吸気通路に付着した燃料の気化を促進することができる。加えて、吸気制御弁の開弁により、吸気が勢い良く流入することで、噴射燃料の微粒化を促進することができる。更に、吸気の通路に燃料を噴射する燃料噴射弁では、燃料噴射弁の上流に設けたバルブの開弁動作により、バルブ下流の吸気の通路に付着した燃料の微粒化および気化を促進することができる。
【０００８】
上記の構成を有する内燃機関の制御装置において、タイミング制御手段は、前記内燃機関の冷間状態を検出する検出手段を備え、前記検出手段の検出値に基づいて、前記バルブの開弁タイミングを調整するものとしても良い。
【０００９】
かかる構成によれば、例えば、内燃機関が冷えており、噴射した燃料の気化は困難であると判断したときには、バルブの開弁タイミングを遅延する。その結果、燃焼室内の負圧は高められ、開弁時の差圧は大きくなって吸気の流速は更に高くなり、バルブの絞り損失が増大することで吸気の温度は一層上昇する。したがって、開弁タイミングの調整により、燃焼室内に吸入する吸気を適切な温度とすることができ、噴射燃料の気化の促進に効果を奏する。他方、噴射した燃料の気化は容易であると判断したときには、バルブの開弁タイミングの遅延を小さなものとし、あるいはバルブの開閉制御を行なわない。
【００１０】
上記の構成を有する内燃機関の制御装置において、タイミング制御手段は、前記吸気の温度を検出する吸気温センサを備え、前記吸気温センサによる検出の結果に基づいて、前記バルブの開弁タイミングを調整するものとしても良い。かかる構成によれば、吸気温センサにより吸気の温度を検出し、吸気温の高低に対応して、バルブの開弁タイミングを調整することができる。したがって、燃焼室に引き込まれる吸気の温度を調整することができ、燃料の気化の促進に効果を奏する。もとより、冷却水温センサや潤滑油の油温センサを用いるものとしても良い。
【００１１】
上記の構成を有する内燃機関の制御装置において、タイミング制御手段は、前記内燃機関の始動時で前記燃料の噴射を行なう前の所定の期間、前記ピストンの下降動作を伴う前記バルブの開閉を繰り返し行なう手段としても良い。
【００１２】
かかる構成によれば、内燃機関の始動時には、所定の期間、バルブの開閉を繰り返した後に、燃料の噴射を行ない混合気に点火する。バルブの開閉を繰り返すことで、吸気および吸気通路の温度は上昇する。したがって、燃料の気化を促進し、特に低温時の内燃機関の始動性を向上することができる。更に、燃料が気化し難い状態での余分な燃料噴射量を抑制することができる。
【００１３】
上記の構成を有する内燃機関の制御装置において、燃焼室から排出する排気の通路を開閉する排気用制御バルブを有し、前記タイミング制御手段は、所定の期間、前記排気用制御バルブを閉弁し、前記燃焼室内の気体と前記燃焼室に引き込まれる新気との入れ替えを抑制する手段を備えたものとしても良い。
【００１４】
かかる構成によれば、燃焼室に引き込まれた吸気は、所定期間、排気用制御バルブを閉弁することで、排出されずに燃焼室内に残存する。この残存吸気は圧縮されて温度上昇し、吸気側のバルブの開弁と共に吸気通路へ流入する。こうした行程を繰り返し、温度の低い新気との入れ替えを抑制することで、燃焼室および吸気通路の温度を上昇させる。したがって、低温時の内燃機関の始動を容易にすることができる。
【００１５】
上記の構成を有する内燃機関の制御装置において、バルブは、前記吸気の脈動を減衰するサージタンクの下流に、前記燃焼室に前記吸気を吸入する吸気バルブとは別体に設けられたものとしても良い。かかる構成によれば、専用のバルブで絞り損失の制御を行ない、吸気バルブは通常の制御を行なうことができる。したがって、バルブの絞り損失の制御を容易なものとすることができる。
【００１６】
上記の構成を有する内燃機関の制御装置において、タイミング制御手段は、前記吸気バルブの開弁後の所定のタイミングで、前記バルブの開弁を行うものとしても良い。かかる構成によれば、吸気バルブを開弁することで、閉弁状態にあるバルブの下流の吸気通路は負圧となる。その後、バルブを開弁すると同時に、吸気は勢い良くバルブを通過する。したがって、吸気および吸気通路の温度を上昇することができる。
【００１７】
上記の構成を有する内燃機関の制御装置において、バルブは、前記燃焼室に前記吸気を吸入する吸気バルブであり、前記燃料噴射弁は、前記燃焼室に直接燃料を噴射する噴射弁であるとしても良い。かかる構成によれば、ピストンが上死点から下降動作する所定のタイミングまでは吸気バルブを閉弁し、燃焼室内部を負圧にする。所定のタイミングで吸気バルブを開弁することで、燃焼室に引き込まれる吸気は、吸気バルブでの絞り損失を受け、温度上昇する。吸気バルブの下流に位置する燃料噴射弁が燃焼室内に噴射した燃料は、この温度の上昇した吸気と混合する。したがって、噴射した燃料の気化の促進に効果を奏する。
【００１８】
上記の構成を有する内燃機関の制御装置において、内燃機関は、吸気バルブの開弁タイミングを可変とする吸気バルブ可変動弁機構と、前記バルブの閉弁による吸入吸気の減少を、前記吸気バルブ可変動弁機構を用いて補う制御を行なう吸気バルブ制御手段とを備えるものとしても良い。
【００１９】
かかる構成によれば、吸気バルブの開弁後、所定期間のバルブの閉弁により、内燃機関で要求される吸入吸気量が減少しても、吸気バルブの開弁タイミングを遅延することで、吸入吸気量を調整することができる。したがって、バルブによる燃料の気化の促進に加えて、燃焼に適切な吸気量を確保することができ、燃焼室内での燃焼を均質なものとすることができる。
【００２０】
上記の構成を有する内燃機関の制御装置において、内燃機関は排気バルブを有し、前記排気バルブの閉弁タイミングを可変とする排気バルブ可変動弁機構と、前記燃焼室内に流入する気体に占める排気の量を、前記排気バルブ可変動弁機構を用いて増加する排気バルブ制御手段とを備えるものとしても良い。
【００２１】
かかる構成によれば、排気バルブの閉弁タイミングは、ピストンの上死点到達後のタイミングとする。排気バルブが完全に閉弁するまでの間には、上死点を過ぎたピストンが下降するのに伴って発生する負圧により、燃焼室の外部へ排出された排気が再び燃焼室内部に取り込まれる。一度燃焼して高温となった排気が取り込まれるため、燃焼室内部の温度は高温に保たれる。また、燃焼室内部が高温であるため、吸気バルブの開弁により吸気通路も温められる。したがって、吸気通路および燃焼室内部の温度上昇により燃料の気化を促進することができる。
【００２２】
本発明の内燃機関の制御方法は、ピストンの下降動作に伴い燃焼室に引き込まれる吸気の通路を開閉する開閉バルブを備え、該吸気と噴射した燃料とを混合して燃焼を行なう内燃機関の制御方法であって、前記ピストンの下降動作に伴い前記燃焼室内部に負圧が発生する所定のタイミングで前記開閉バルブの開弁を行ない、前記内燃機関の始動時で前記燃料の噴射を行なう前の所定の期間、前記開閉バルブの開閉を繰り返し行なう内燃機関の制御方法とすることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した内燃機関の制御装置の一実施例について説明する。図１は、本発明の第１実施例である内燃機関の制御装置が搭載されたシステムの概略構成図である。図１に示すように、このシステムは、内燃機関であるエンジン１０、エンジン１０での燃焼に必要な空気を取り込む吸気系統、エンジン１０での燃焼後の燃焼ガスを外部に排出する排気系統およびこのシステムを制御するＥＣＵ２５０から構成されている。
【００２４】
エンジン１０は、４つの気筒２０を備え、各気筒２０毎にそれぞれ２個ずつの吸気バルブ６０および排気バルブ７０を備えた直列４気筒１６バルブエンジンである。このエンジン１０の一の気筒２０の縦断面模式図を図２に示した。図２に示すように、エンジン１０は、主にシリンダブロック３０、シリンダブロック３０内を往復運動するピストン４０、ピストン４０の往復運動を回転運動に換えてクランクシャフトに伝達するコンロッド５０、吸気バルブ６０，排気バルブ７０を備えたシリンダヘッド８０から構成されている。
【００２５】
シリンダブロック３０には、冷却水の通路であるウォータジャケット３５が形成され、冷却水を循環させることによりエンジン１０を冷却している。シリンダブロック３０に備えた水温センサ３８は、この冷却水の水温ＴＷを検出し、その信号をＥＣＵ２５０に出力している。
【００２６】
シリンダヘッド８０およびその周辺には、上述の吸気バルブ６０、排気バルブ７０に加え、気筒２０内での燃焼に必要な燃料を噴射する燃料噴射弁９０、圧縮された混合気に点火を行なう点火プラグ８５が設けられている。燃料噴射弁９０は、シリンダヘッド８０に形成された吸気の通路である吸気ポート６５に燃料を噴射する。燃料の量および噴射のタイミングは、後述する車両の状態を検出する各種センサから信号を入力したＥＣＵ２５０で判断される。
【００２７】
各気筒２０には、シリンダブロック３０、シリンダヘッド８０、ピストン４０、吸気バルブ６０、排気バルブ７０により囲まれた燃焼室４５が形成されている。燃料噴射弁９０で噴射した燃料は、吸気ポート６５内に流入する空気と混合され、吸気バルブ６０の開弁により、燃焼室４５に導かれる。燃焼室４５内に導かれた混合気は、ピストン４０の上昇で圧縮され、点火プラグ８５による点火が行なわれて燃焼する。燃焼後の燃焼ガスは、排気バルブ７０を介して、シリンダヘッド８０に形成された排気の通路である排気ポート７５から外部へ排出される。シリンダヘッド８０は、こうした、吸気バルブ６０および排気バルブ７０の開閉タイミングを制御する可変動弁機構１１０を備えている。この可変動弁機構１１０については後述する。
【００２８】
システムの吸気系統は、図１に示したように、上流から、外部の空気をろ過するエアクリーナ１２０、エアクリーナ１２０を介して取り込まれた空気量を検出するエアフロメータ１３０、吸気ダクト１４０、吸気ダクト１４０と接続し、エンジン１０に供給する空気量を調整するスロットルバルブ１５０、スロットルバルブ１５０を通過した空気が流入する吸気エアコネクタ１６０、吸入された空気の脈動を低減するサージタンク１７０、サージタンク１７０からの吸気を各気筒２０に導く吸気マニホールド１８０等から構成されている。
【００２９】
エアフロメータ１３０は、燃焼に適切な混合比とする空燃比制御のために吸入空気量Ｑを検出している。検出された吸入空気量Ｑは、ＥＣＵ２５０へ出力され、主に燃料噴射量τの算出に使用される。スロットルバルブ１５０は、アクセル開度αに対応したスロットルバルブ１５０の開度θを制御して、スロットルバルブ１５０を通過する空気量を調整している。スロットルバルブ１５０で調整された空気は、サージタンク１７０を介して、吸気マニホールド１８０の各吸気通路へ供給され、吸気マニホールド１８０の一端がシリンダヘッド８０の吸気ポート６５と接続することで、燃焼室４５に導かれる。エアクリーナ１２０には、吸気温センサ１９０が組み込まれており、吸入される空気の温度Ｔを検出している。
【００３０】
吸気マニホールド１８０の各吸気通路には、各気筒２０の燃焼室４５に吸気を取り込むタイミングを制御する吸気制御弁２００が設けられ、ＥＣＵ２５０からの指令を受けて、弁の開閉動作を行なう。吸気制御弁２００は、弁の中心を通過する回転軸を備え、回転軸を駆動するロータリソレノイド２１０を備えている。この弁は、バタフライタイプの弁であり、弁を全開とした時の流路抵抗を小さなものとすることができる。ＥＣＵ２５０は、ロータリソレノイド２１０へ電流指令を出力することで吸気制御弁２００の開閉を実現する。この吸気制御弁２００は、噴射燃料が気化し難い低温運転状態の所定のタイミングで閉弁し、吸気バルブ６０の開弁後の所定のタイミングで開弁し、所定の温度条件に至るまで１サイクル毎に開閉を繰り返す。なお、吸気制御弁２００の開閉タイミングの詳細については後述する。
【００３１】
システムの排気系統は、図１に示すように、シリンダヘッド８０の排気ポート７５から順に、各気筒２０からの燃焼ガスを排出する排気マニホールド２７０、排気マニホールド２７０を通過した燃焼ガスの浄化を行なう触媒コンバータ２８０、排気パイプ２９０、図示しないマフラ等が接続されている。排気マニホールド２７０には、酸素濃度センサ３００が設けられ、各気筒２０からの燃焼ガスに含まれる酸素の濃度を検出する。この酸素濃度センサ３００からの信号は、ＥＣＵ２５０に入力され、燃焼状態の判断、空燃比制御に使用される。
【００３２】
こうした吸排気系統を備えたエンジン１０のＥＣＵ２５０では、種々の運転状態に対応した適切な燃焼状態となるように、吸排気バルブの開閉タイミング、燃料噴射量τ、噴射タイミング等の制御が行なわれる。ＥＣＵ２５０は、車両の状態を判断するため、各種センサと電気的に接続している。具体的には、スロットルバルブ１５０、吸気温センサ１９０、エアフロメータ１３０、水温センサ３８、クランクシャフトの回転を検出するクランク角センサ３１０、吸排気バルブの進退動作を行なうカムシャフトの回転を検出するカム角センサ３２０、酸素濃度センサ３００などと電気的に接続し、それぞれ開度θ、吸気温度Ｔ、吸入空気量Ｑ、水温ＴＷ、クランク角ＣＡ、カム角Ｇ、酸素濃度などを入力している。例えば、水温ＴＷ、吸気温度Ｔより、エンジン１０が冷えた状態か否かを判断し、エンジン１０が冷えた状態の場合には、燃料が気化し難いため、燃料噴射量τを増加する処理をしている。また、吸入空気量Ｑとクランク角ＣＡとを基に噴射時間の設定を行なっている。
【００３３】
吸排気バルブの開閉タイミングの制御は、ＥＣＵ２５０が上述の各種センサから車両の運転状態を判断し、可変動弁機構１１０に指令を出すことで行なわれる。この可変動弁機構１１０の動作について、図３を用いて説明する。図３（ａ）は、可変動弁機構１１０の概略構成のカムシャフト方向の断面図であり、（ｂ）は、カムシャフト軸中心方向の断面図である。通常、吸排気バルブの開閉タイミングは、クランクシャフトの回転に同期して行なわれる。このタイミングは、クランクシャフトの回転を伝達するタイミングベルト（図示せず）で排気バルブ７０のカムシャフト（以下、排気カムシャフト４００と呼ぶ）を回転し、排気カムシャフト４００に設けたドライブギヤ４０５が、吸気バルブ６０のカムシャフト（以下、吸気カムシャフトと呼ぶ）に設けたドリブンギヤを回転することで設定される。図３に示した本実施例の可変動弁機構１１０では、排気カムシャフト４００と吸気カムシャフトを回転するドライブギヤ４０５との回転位相を油圧で変化させることで、吸気バルブ６０の開弁タイミングを可変とする。
【００３４】
図３に示すように、可変動弁機構１１０は、主に、複数のカムを設けた排気カムシャフト４００の一端に設けられたベーン部４３０、ベーン部４３０と相対的に回転可能なハウジング部４４０、ハウジング部４４０に固定されるドライブギヤ４０５、ベーン部４３０とハウジング部４４０とを相対的に回転させるオイルコントロールバルブ４５０から構成されている。
【００３５】
ハウジング部４４０に設けた複数の油圧室は、ベーン部４３０によりそれぞれ進角室４６０と遅角室４７０との２つの部屋に仕切られる。オイルコントロールバルブ４５０からの圧油は、排気カムシャフト４００内部に設けた油路Ａまたは油路Ｂを経て、進角室４６０または遅角室４７０に導かれる。例えば、ＥＣＵ２５０からの指令を受けたオイルコントロールバルブ４５０は、バルブ内部のスプール４５５を動かし、油路Ａに圧油を送る。圧油は油路Ａから進角室４６０に導かれ、進角室４６０は高圧となる。同時に、オイルコントロールバルブ４５０のバルブ内部のスプール４５５が切り換えられたことで、油路Ｂはドレンに接続される。つまり、進角室４６０は高圧に、遅角室４７０は低圧になり、２つの部屋には差圧が生じる。この差圧によって、ベーン部４３０とハウジング部４４０は相対的に回転する。
【００３６】
こうして、吸気バルブ６０の開弁タイミングを可変した場合のクランク角とバルブリフトの関係を図４に示す。図示するように、実線ＪＳで示す吸気バルブ６０のバルブリフトプロファイルは、可変動弁機構１１０の進角室４６０に圧油を導くことで、破線ＢＢで示すプロファイル（進角側）に遷移する。他方、遅角室４７０に圧油を導くことで、プロファイルは遅角側へ遷移する。ＥＣＵ２５０では、前述の各種センサの信号から車両の運転状態を判断し、例えば、エンジン１０始動のアイドル回転時には吸気、排気の両バルブが開弁するオーバラップ期間を少なくしてアイドル回転の安定を図るため遅角側に、中速回転時にはオーバラップ期間を大きくして吸気充填効率を増加するため進角側に、それぞれ遷移させるようにオイルコントロールバルブ４５０に指令する。吸気バルブ６０の開弁タイミングを進角または遅角することで、吸気制御弁２００の閉弁期間による吸気量の減少を考慮した適切な制御を行なっている。
【００３７】
以上の構成を有するシステムにおいて、吸気制御弁２００を開閉するタイミングの制御について説明する。図５には、吸気制御弁２００の開閉タイミングの制御のフローチャートを示す。このフローチャートは、一つの気筒２０に関する処理であり、各気筒２０毎に同様の処理が行なわれる。なお、上述の通り、この制御はＥＣＵ２５０で実行される。
【００３８】
イグニッションキーを回して、エンジン１０が始動すると、ＥＣＵ２５０は、吸気温センサ１９０および水温センサ３８の信号から吸気温度Ｔおよび水温ＴＷを読み取る（ステップＳ５００）。この吸気温度Ｔ，水温ＴＷから低温始動時であるか否かの判断を行なう。具体的には、吸気温度Ｔが３０℃より低く、かつ、水温ＴＷが９０℃より低いか否かを判断している（ステップＳ５１０）。この基準吸気温度である３０℃や基準水温である９０℃は、設計基準値であり、例えば、吸気温センサ１９０の取り付け位置など種々の条件を加味して設定すれば良い。
【００３９】
ステップＳ５１０で、吸気温度Ｔが３０℃より低く、かつ、水温ＴＷが９０℃より低いと判断した場合には、吸気制御弁２００を閉弁する制御弁閉弁処理を行なう（ステップＳ５２０）。この処理は、ピストン４０が吸気行程上死点に到達するタイミングで、吸気制御弁２００を閉弁する処理である。吸気制御弁２００の初期状態は、吸気のポンピングロスを低減するため、弁が全開の状態としてある。ＥＣＵ２５０は、クランク角センサ３１０からの信号ＣＡによりピストン４０上死点のタイミングを判断し、このタイミングで、ロータリソレノイド２１０に電流指令を出力する。なお、吸気制御弁２００の閉弁タイミングは、吸気バルブ６０の開弁タイミングと同時、またはその前の所定のタイミングとしても良い。
【００４０】
続いて、吸気行程上死点で閉弁した吸気制御弁２００の開弁タイミングを算出する処理を行なう（ステップＳ５３０）。この処理は、吸気温度Ｔに対応する吸気制御弁２００の閉弁期間Ｌを算出し、閉弁タイミングから算出した閉弁期間Ｌの経過するタイミングを開弁タイミングとして設定する処理である。吸気温度Ｔに対応する閉弁期間Ｌは、図６（ａ）に示すマップより算出する。図示するように、吸気温度Ｔが低温Ｔ１である場合には、閉弁期間Ｌは期間Ｌ３であり、吸気温度Ｔが比較的高温Ｔ３である場合には、閉弁期間Ｌは期間Ｌ１である。このように、吸気温度Ｔの低下に伴って、閉弁期間Ｌは長くなる。この閉弁期間Ｌは、クランク角度で表され、予め設計値として設定されている。この結果、図６（ｂ）に示すように、吸気温度Ｔに対応した吸気制御弁２００の開弁タイミングを設定できる。
【００４１】
設定された吸気制御弁２００の開弁タイミング、すなわち、吸気温度Ｔに応じて、吸気バルブ６０の開弁タイミングを補正する処理を行なう（ステップＳ５３５）。ＥＣＵ２５０では、前述の通り、各種センサからの入力信号による車両の運転状態を判断し、最適な燃焼状態となる吸気バルブ６０の開弁タイミングを設定しているが、吸気制御弁２００を閉弁している期間Ｌは設定した吸気の量が減少するため、吸気バルブ６０の開弁タイミングに補正を加える必要がある。この処理は、吸気温度Ｔに対応して閉弁期間Ｌから吸気の減少量を算定し、これを補うため吸気バルブ６０の開弁タイミングの遅角量を設定する処理である。ＥＣＵ２５０は、設定した遅角量に対応する電流をオイルコントロールバルブ４５０に通電する。なお、本実施例では、吸気温度Ｔに対応した遅角量のマップが予め設定されており、吸気バルブ６０が吸気制御弁２００よりも遅いタイミングで開弁することはない。
【００４２】
こうして設定された吸気制御弁２００の開弁タイミングに基づいて、弁を開弁する処理を行なう（ステップＳ５４０）。ＥＣＵ２５０は、このタイミングでロータリソレノイド２１０に開弁の電流指令を出力する。その後、この処理はステップＳ５００に戻り、水温ＴＷが９０℃以上（あるいは、吸気温Ｔが３０℃以上）となるまで、一連の処理を繰り返す。他方、ステップＳ５１０で吸気温度Ｔが３０℃以上または水温が９０℃以上であると判断した場合には、吸気制御弁２００の開閉処理は行なわずに終了する。なお、本実施例の吸気制御弁２００開弁タイミングの算出処理は、１サイクル（吸気行程）毎に、繰り返し行なわれるが、一度開弁タイミングを算出した後は、吸気温度Ｔが所定幅以上に変化するまでの間は、以前に設定した開弁タイミングを用いるものとしても良い。
【００４３】
以上、第１実施例の吸気制御弁２００開閉処理では、吸気温度Ｔが低い低温領域の運転において、ピストン４０が上死点に到達するタイミングで吸気制御弁２００を閉じ、吸気バルブ６０の開弁後で吸気温度Ｔに対応したタイミングで吸気制御弁２００を開く。吸気バルブ６０開弁後、吸気制御弁２００を開弁までの間は、ピストン４０の下降動作時に伴って、燃焼室４５内および吸気制御弁２００より下流の吸気ポート６５内は負圧となる。ピストン４０が下死点に至るまでは、吸気制御弁２００の開弁タイミングが遅いほど、燃焼室４５内および上記の吸気ポート６５内の負圧度合いは増すことになる。この状態から、吸気制御弁２００を開弁した次の瞬間、吸気は、勢い良く吸気ポート６５内を流れ、燃焼室４５に導かれる。この開弁の瞬間に吸気制御弁２００を通過する吸気は、弁による絞りを受け、温度が上昇して高温となる。したがって、高温吸気の流入により、燃焼室４５内の噴射燃料の気化を促進することができる。また、噴射燃料が吸気ポート６５の壁面に付着しても、高温吸気により燃料の気化を促進することができる。さらに、吸気制御弁２００の開弁動作で勢い良く燃焼室４５に流入する吸気により、燃料の微粒化を促進することができる。また、吸気温度Ｔに対応して吸気制御弁２００の閉弁時間を変更するため、燃料の気化具合に適した制御を行なうことができる。
【００４４】
なお、第１実施例では吸気側のみバルブの開弁タイミングを可変とする可変動弁機構１１０を備えたが、排気側にも同様の可変動弁機構を設け、排気バルブ７０の閉弁タイミングを吸気行程上死点より遅いタイミングに設定しても良い。かかる機構では、上記の吸気制御弁２００の開弁動作による吸気の温度上昇効果に加えて、内部ＥＧＲを増量することにより、気筒２０内の温度を上昇させることができる。すなわち、ピストン４０が上死点を過ぎても排気バルブ７０を開弁しておくことで、一端排気ポート７５に排出した高温の燃焼ガスを再度、燃焼室４５に吸入する。吸入した高温の燃焼ガスによって、燃焼室４５内（つまり、気筒２０）の温度は上昇することとなる。したがって、吸気行程で気筒２０に流入する燃料の気化の促進に効果を奏する。また、吸気制御弁２００の開閉タイミングの制御には、吸気温度Ｔに基づくマップを用いたが、水温ＴＷに基づくマップを設定してエンジン１０の状態を把握することで、制御を行なっても良い。この水温ＴＷと吸気制御弁２００の閉弁期間の関係のマップによる制御を行なう場合には、基準水温ＴＷを９０℃程度に設定し、制御を行なうことで同様の効果を奏する。
【００４５】
本発明の第２実施例について、図７を用いて説明する。第１実施例では、低温始動後について吸気制御弁２００の制御を行なったが、第２実施例では、エンジン１０の停止状態から始動するまでのクランキング段階において吸気制御弁２００の制御を行なう。なお、この処理はＥＣＵ２５０で実行される。また、ハード構成は、第１実施例と同様であるため説明を省略する。
【００４６】
エンジン１０を始動前に、イグニッションスイッチを「ＯＮ」にすると共に、ＥＣＵ２５０は吸気温度Ｔを読み込む処理を行なう（ステップＳ７００）。この処理は、第１実施例と同様、吸気温センサ１９０の信号を読み込むことで行なわれる。
【００４７】
読み込んだ吸気温度Ｔに基づいて、吸気制御弁２００の開閉制御を行なうか否かを判断する。すなわち、吸気温度Ｔが３０℃より低いか否かを判断する（ステップＳ７２０）。吸気温度Ｔが３０℃より低い場合には、低温始動時であり、燃料が気化し難い状態であると判断して、吸気制御弁２００の開閉制御による燃料気化の促進を図る処理を行なう（ステップＳ７３０）。吸気制御弁２００の開閉制御は、第１実施例と同様であり、図６（ａ）に示すマップより吸気温度Ｔに対応した閉弁期間Ｌを算出し、閉弁タイミングである吸気行程上死点から閉弁期間Ｌの経過後を開弁タイミングとして設定する処理である。
【００４８】
続いて、イグニッションスイッチを「ＳＴＡＲＴ」にすると、スタータモータ（図示せず）が始動し、クランクシャフトを回転する（ステップＳ７４０）。クランクシャフトの回転と共に、気筒を判別する処理が行なわれる（ステップＳ７５０）。この処理は、カム角センサ３２０からのカム角Ｇにより気筒判別を行なう処理である。
【００４９】
気筒判別後、各気筒２０の吸気行程において、吸気温度Ｔから設定したタイミングに基づく吸気制御弁２００の開閉制御を行なう。吸気制御弁２００の開閉制御を行なうと共に、クランキング処理を実行する（ステップＳ７６０）。クランキング処理は、燃料を噴射することなく、スタータモータによるクランクシャフトの回転（ピストン４０の上下動作）を繰り返し、その後、燃料を噴射し、混合気への点火を行なう処理である。なお、本実施例では、燃料噴射期間は、吸気、圧縮、膨張、排気行程を１サイクルとした場合、５サイクル終了後の吸気行程のタイミングとして設定したが、例えば、極低温時にはさらにサイクル回数を増やすなど、吸気温度Ｔに対応して実行するサイクル回数を変更するものとしても良い。
【００５０】
吸気制御弁２００の開閉動作を伴うクランキング処理の実施を行ない、エンジン１０が完全に始動（いわゆる「完爆」）し、イグニッションスイッチが「ＯＮ」に戻り、この処理を終了する。他方、ステップＳ７３０で、吸気制御弁２００の開閉制御が必要ない場合、すなわち、吸気温度Ｔが３０℃以上であると判断した場合には、吸気制御弁２００の制御は行なわず、通常のクランキング処理に移行する（ステップＳ７８０）。通常のクランキング処理は、イグニッションスイッチの「ＳＴＡＲＴ」により、スタータモータがクランクシャフトを回転し、気筒判別処理を経て、燃料の噴射、混合気への点火を行なう処理である。この処理を経て、エンジン１０が「完爆」し、イグニッションスイッチが「ＯＮ」に戻り、処理を終了する。
【００５１】
以上説明したように、第２実施例では、低温時のエンジン１０の始動において、吸気制御弁２００の開閉制御を行ない、吸気制御弁２００の開弁時の吸気温度上昇を利用して気筒２０内および吸気ポート６５内の温度を上昇する。温度が上昇した状態で、噴射した燃料は十分に気化し、安定した混合気となる。したがって、低温時のエンジン１０の始動を容易にすることができる。また、低温時の燃料の気化が促進されるため、始動時に余分な燃料を噴射する必要がない。なお、吸気温度Ｔに代えて、水温ＴＷや油温を利用して吸気制御弁２００の開弁タイミングを決定しても良い。
【００５２】
第２実施例では、吸気ポート６５にのみ制御弁（吸気制御弁２００）を備えたが、排気側にも制御弁（以下、排気制御弁と呼ぶ）を備え、排気行程の所定のタイミングで排気制御弁を閉弁するものとしても良い。図８には、排気マニホールド２７０に排気制御弁８００を設けたシステムの一部の概略構成図を示す。なお、排気制御弁８００以外は、第１実施例と同様であるため説明を省略する。
【００５３】
図８に示すように、各気筒２０からの排気が集合する位置で、排気マニホールド２７０内に、排気制御弁８００を設ける。排気制御弁８００は、吸気制御弁２００と同様、バタフライタイプの弁を備え、その中心にある回転軸はロータリソレノイド８１０にて回転される。このロータリソレノイド８１０への通電は、ＥＣＵ２５０で実行される。
【００５４】
こうした構成のシステムにおいて、図７に示したクランキング処理に加えて、排気制御弁８００の開閉タイミングの制御を行なう。図９には、吸気制御弁２００および排気制御弁８００の弁開閉制御を伴うクランキング処理のフローチャートの一部を示す。なお、図９には、図７に示した第２実施例のクランキング処理のフローチャートに追加した処理（ステップＳ８５０）を示す。
【００５５】
クランキングを行なう際、吸気温度Ｔが低温であると判断した場合には、吸気制御弁２００の開閉タイミングを設定する処理（ステップＳ７３０）に続いて、排気制御弁８００の開閉タイミングを設定する処理を行なう（ステップＳ８５０）。この処理は、ＥＣＵ２５０で設定されている排気バルブ７０の閉弁タイミングから、予め設定した排気制御弁２００の閉弁期間分だけ進角したタイミングを、排気制御弁８００の閉弁を開始するタイミングとして設定する処理である。この閉弁期間の長短は、吸気温度Ｔに対応させて決定するものとしても良い。なお、閉弁した排気制御弁２００を開弁するタイミングは、オーバラップ期間経過後の所定のタイミングとして設定している。
【００５６】
排気制御弁８００の開閉タイミングを設定後、ステップＳ７４０，Ｓ７５０を経て、ステップＳ７６０にて、吸気制御弁２００と共に、排気制御弁８００の開閉を実行して、クランキング処理を行なう。その後、燃料噴射を行ない、温度上昇した気筒２０内の混合気に点火することでエンジン１０は始動して、この処理を終了する。
【００５７】
かかる構成では、排気行程の過程で排気制御弁８００を閉弁するため、圧縮された排気は完全には排出されず、排気バルブ７０の閉弁前に吸気バルブ６０が開弁を始めるオーバラップの期間を設けることで、排出されず残存した高圧の排気は吸気ポート６５側へ逆流し、再度吸入される。こうしたガス交換の少ない（または、交換のない）サイクルを繰り返すことで、吸気ポート６５および気筒２０内の温度は上昇する。したがって、吸気制御弁２００による温度上昇効果に加え、排気制御弁による吸気ポート６５および気筒２０内の温度上昇により、噴射燃料の気化を促進し、低温時のエンジン１０始動が容易となる。
【００５８】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において様々な形態で実施し得ることは勿論である。例えば、バルブのリフト量を変更して開閉タイミングを変更するものとしても、クランクシャフトの回転から独立した電磁動弁駆動機構を用いて開閉タイミングを変更するものとしても良い。また、本実施例では、可変動弁機構１１０を搭載したエンジン１０システムに吸気制御弁２００を設けたが、可変動弁機構１１０を備えないエンジンに吸気制御弁２００を設けても同様の効果を奏する。また、燃焼室に直接噴射する直噴タイプのエンジンにも採用できる。この場合には、吸気制御弁２００に代えて、吸気バルブ６０の開閉タイミングを制御すれば良い。更に、ガソリンエンジンに限らず、ディーゼルエンジンにも採用しても同様の効果を奏する。また、第１実施例と第２実施例の吸気制御弁２００の処理を組み合わせて、第２実施例の制御でエンジン１０を始動し、その後、吸気温度Ｔが所定温度以上となるまで、第１実施例の制御を行なうこともできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の内燃機関の制御装置が搭載されたシステムの概略構成図である。
【図２】本発明の内燃機関の一の気筒の縦断面模式図である。
【図３】可変動弁機構の概略構成図である。
【図４】吸気バルブの開弁タイミングを可変した場合のクランク角とバルブリフトの関係図である。
【図５】吸気制御弁の開閉タイミングの制御のフローチャートである。
【図６】吸気温度と閉弁期間との関係図と開弁タイミングである。
【図７】クランキング段階における吸気制御弁の制御のフローチャートである。
【図８】排気側に制御弁を備えたシステムの概略構成図である。
【図９】クランキング段階における吸気制御弁、排気制御弁の制御のフローチャートの一部である。
【符号の説明】
１０…エンジン
２０…気筒
３０…シリンダブロック
３５…ウォータジャケット
３８…水温センサ
４０…ピストン
４５…燃焼室
５０…コンロッド
６０…吸気バルブ
６５…吸気ポート
７０…排気バルブ
７５…排気ポート
８０…シリンダヘッド
８５…点火プラグ
９０…燃料噴射弁
１１０…可変動弁機構
１２０…エアクリーナ
１３０…エアフロメータ
１４０…吸気ダクト
１５０…スロットルバルブ
１６０…吸気エアコネクタ
１７０…サージタンク
１８０…吸気マニホールド
１９０…吸気温センサ
２００…吸気制御弁
２１０…ロータリソレノイド
２５０…ＥＣＵ
２７０…排気マニホールド
２８０…触媒コンバータ
２９０…排気パイプ
３００…酸素濃度センサ
３１０…クランク角センサ
３２０…カム角センサ
４００…排気カムシャフト
４０５…ドライブギヤ
４３０…ベーン部
４４０…ハウジング部
４５０…オイルコントロールバルブ
４５５…スプール
４６０…進角室
４７０…遅角室
８００…排気制御弁

Claims

ピストンの下降動作に伴い燃焼室に引き込まれる吸気と燃料噴射弁から噴射した燃料とを混合して、燃焼を行なう内燃機関の制御装置であって、
前記燃料噴射弁の位置よりも上流に設けられ、前記燃焼室に引き込まれる吸気の通路を開閉するバルブと、
前記ピストンの下降動作に伴い前記燃焼室内部に負圧が発生する所定のタイミングで前記バルブの開弁を行なうタイミング制御手段と
を備えた内燃機関の制御装置。
請求項１に記載の内燃機関の制御装置であって、
前記タイミング制御手段は、前記内燃機関の冷間状態を検出する検出手段を備え、
前記検出手段の検出値に基づいて、前記バルブの開弁タイミングを調整する内燃機関の制御装置。
請求項１に記載の内燃機関の制御装置であって、
前記タイミング制御手段は、前記吸気の温度を検出する吸気温センサを備え、前記吸気温センサによる検出の結果に基づいて、前記バルブの開弁タイミングを調整する内燃機関の制御装置。
請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置であって、
前記タイミング制御手段は、前記内燃機関の始動時で前記燃料の噴射を行なう前の所定の期間、前記ピストンの下降動作を伴う前記バルブの開閉を繰り返し行なう手段を備えた内燃機関の制御装置。
請求項４に記載の内燃機関の制御装置であって、
前記燃焼室から排出する排気の通路を開閉する排気用制御バルブを有し、
前記タイミング制御手段は、所定の期間、前記排気用制御バルブを閉弁し、前記燃焼室内の気体と前記燃焼室に引き込まれる新気との入れ替えを抑制する手段を備えた内燃機関の制御装置。
請求項１ないし５のいずれかに記載の内燃機関の制御装置であって、
前記バルブは、前記吸気の脈動を減衰するサージタンクの下流に、前記燃焼室に前記吸気を吸入する吸気バルブとは別体に設けられた内燃機関の制御装置。
請求項６に記載の内燃機関の制御装置であって、
前記タイミング制御手段は、前記吸気バルブの開弁後の所定のタイミングで、前記バルブの開弁を行なう手段である内燃機関の制御装置。
請求項１ないし５のいずれかに記載の内燃機関の制御装置であって、
前記バルブは、前記燃焼室に前記吸気を吸入する吸気バルブであり、
前記燃料噴射弁は、前記燃焼室に直接燃料を噴射する噴射弁である内燃機関の制御装置。
請求項６または７に記載の内燃機関の制御装置であって、
前記内燃機関は、吸気バルブの開弁タイミングを可変とする吸気バルブ可変動弁機構と、
前記バルブの閉弁による吸入吸気の減少を、前記吸気バルブ可変動弁機構を用いて補う制御を行なう吸気バルブ制御手段と
を備えた内燃機関の制御装置。
請求項１または９に記載の内燃機関の制御装置であって、
前記内燃機関は排気バルブを有し、
前記排気バルブの閉弁タイミングを可変とする排気バルブ可変動弁機構と、
前記燃焼室内に流入する新気に占める排気の量を、前記排気バルブ可変動弁機構を用いて増加する排気バルブ制御手段と
を備えた内燃機関の制御装置。
ピストンの下降動作に伴い燃焼室に引き込まれる吸気の通路を開閉する開閉バルブを備え、該吸気と噴射した燃料とを混合して燃焼を行なう内燃機関の制御方法であって、
前記ピストンの下降動作に伴い前記燃焼室内部に負圧が発生する所定のタイミングで前記開閉バルブの開弁を行ない、
前記内燃機関の始動時で前記燃料の噴射を行なう前の所定の期間、前記開閉バルブの開閉を繰り返し行なう内燃機関の制御方法。