JP2005201185A - エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 始動時及び始動直後に、吸気流速を高めて、燃料の微粒化を図るように制御するが、燃圧の上昇により燃料の微粒化が可能になるので、前記の制御を最小限にして、ポンプロスを改善する。
【解決手段】 始動時から、バルブ作動角可変装置（ＶＥＬ）により吸気バルブのバルブ作動角を小さくし、かつバルブタイミング可変装置（ＶＴＣ）により吸気バルブのバルブタイミングを遅らせて、吸気バルブ閉時期を固定したまま、吸気バルブ開時期を上死点以降かつ排気バルブ閉時期以降へ遅らせる。また同時に、燃料噴射時期も遅らせる。そして、始動後のエンジン回転数の上昇により燃圧が上昇し、所定値ＳＬを超えると、通常の状態へ戻す。
【選択図】 図５

Description

本発明は、エンジンの制御装置に関する。

従来、特許文献１に示されるように、エンジンの始動時及びファーストアイドル時（エンジンが始動されてから所定時間内であるとき）に、吸気バルブのバルブ作動角を小さくすると共に、吸気バルブのバルブタイミング（バルブ作動角の中心位相）を遅らせることにより、吸気バルブ開時期を大きく遅らせて、吸気バルブが開くまでにシリンダ内の負圧を発達させ、これにより吸気流速を高めて、燃料の微粒化を促進することが知られている。また、同時に、吸気行程中（吸気バルブのリフト時）に燃料を噴射することで、高流速の吸気流の中に燃料を噴射して、シリンダ内の燃料壁流を減少させることにより、エミッションを改善することも知られている。
特開２００３−３８７２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、エンジンが始動されてから所定時間の間、吸気バルブのバルブ作動角を小さくするなどして吸気バルブ閉時期を遅らせており、例えば、直噴エンジンの場合、完爆後の燃料圧力の上昇により微粒化が図れるが、このように微粒化が図れるにもかかわらず、吸気バルブ開時期を一律に遅らせることで、ポンプロスの増大により出力低下を招き、燃費が悪化するという問題点があった。

本発明は、このような従来の問題点を解決することを目的とする。

このため、本発明では、エンジンの始動時から、燃料ポンプにより燃料噴射弁に供給される燃料圧力が所定値を超えるまで、吸気バルブ開時期を上死点以降かつ排気バルブ閉時期以降へ遅らせる構成とする。

本発明によれば、エンジンの始動時に、吸気バルブ開時期を上死点以降かつ排気バルブ閉時期以降へ遅らせることにより、燃焼室内の負圧が発達してから一気に吸入することで、吸気流速を高めて、燃料の微粒化を促進でき、エミッション（特にＨＣ排出量）を改善することができる。そして、燃料ポンプにより燃料噴射弁に供給される燃料圧力が上昇すると、これにより燃料の微粒化が可能となるため、燃料圧力が所定値を超えた時点で、吸気バルブ開時期を早い側へ戻すことにより、ポンプロスを改善し、出力及び燃費の向上が可能となる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示すエンジン（直噴火花点火式内燃機関）のシステム図である。
エンジン１の吸気通路２には、吸入空気量を制御する電制スロットル弁３が設置されている。電制スロットル弁３は、エンジンコントロールユニット（以下ＥＣＵという）２０からの信号により作動するステップモータ等により開度制御される。電制スロットル弁３の制御を受けた空気は、吸気バルブ４を介して、エンジン１の燃焼室５に吸入される。

吸気バルブ４には、可変動弁装置として、吸気バルブ４のバルブ作動角（開期間）及びリフト量を連続的に変化させることができるバルブ作動角及びリフト量可変装置（ＶＥＬソレノイド４９）と、吸気バルブ４のバルブタイミング（バルブ作動角の中心位相）を連続的に変化させることができるバルブタイミング可変装置（ＶＴＣソレノイド５１）とが設けられている。詳細については後述する。

エンジン１の燃焼室５には、点火プラグ６と共に、燃料噴射弁７が設置されている。
燃料噴射弁７への燃料供給系について説明すると、燃料タンク８内の燃料は電動モータにより駆動される低圧燃料ポンプ９によって吸入され、この低圧燃料ポンプ９から吐出された低圧燃料はエンジン駆動される高圧燃料ポンプ１０に供給される。低圧燃料ポンプ９から吐出されて高圧燃料ポンプ１０に供給される燃料の圧力は、燃料タンク８に戻るリターン通路に介装された低圧プレッシャレギュレータ１１によって所定の低圧に調整される。高圧燃料ポンプ１０から吐出された高圧燃料は、燃料噴射弁７に供給され、その燃料圧力は、高圧燃料ポンプ１０の吸入側に戻るリターン通路に介装された高圧プレッシャレギュレータ１２によって所定の高圧に調整される。

燃料噴射弁７は、ＥＣＵ２０からエンジン回転に同期して吸気行程又は圧縮行程にて出力される噴射パルス信号によりソレノイドに通電されて開弁し、燃焼室５内に所定圧力に調圧された燃料を噴射するようになっている。
燃焼室５内に噴射された燃料は混合気を形成し、点火プラグ６により点火されて燃焼する。燃焼後の排気は、排気バルブ１３を介して、排気通路１４へ排出される。排気通路１４には排気浄化用の触媒１５が設けられている。

ＥＣＵ２０には、アクセルペダルセンサ２１により検出されるアクセル開度Ａpo、クランク角センサ２２により検出されるエンジン回転数Ｎｅ、エアフローメータ２３により検出される吸入空気量Ｑａ、水温センサ２４により検出されるエンジン冷却水温度（水温）Ｔｗ、燃料圧力検出手段としての燃圧センサ２５により検出される高圧燃料ポンプ１０から燃料噴射弁７への燃料圧力（燃圧）Ｐｆなどが入力されている。この他、イグニッションスイッチ及びスタートスイッチを有するエンジンキースイッチ２６からも信号が入力されている。

ＥＣＵ２０は、これらの入力信号より検出されるエンジン運転条件に基づいて、電制スロットル弁３の開度、燃料噴射弁７の燃料噴射時期及び燃料噴射量、点火プラグ６の点火時期などを制御する。
このエンジンでの運転モードには、成層運転モードと均質運転モードとがあり、成層運転モードでは、圧縮行程後半にて燃料噴射を行い、燃焼室５内の点火プラグ６の周囲に成層化された混合気塊を形成することで、全体としては極めてリーンな空燃比（Ａ／Ｆ＝３０〜４０）で成層燃焼を行わせる。これに対し、均質運転モードでは、吸気行程にて燃料噴射を行い、燃焼室５の全体に均質な混合気を形成することで、ストイキ又はリーン空燃比（Ａ／Ｆ＝２０〜３０）での均質燃焼を行わせる。尚、本発明に係る始動時及び始動直後の制御は、均質運転モードにて行われる。

次に、吸気バルブ４の可変動弁装置について、図２及び図３により説明する。
吸気バルブ４（１気筒につき２つ設けられる）の端部のバルブリフタ４０の上方には、図外のクランク軸に連動して軸周りに回転駆動されるカム軸４１が気筒列方向に延在している。このカム軸４１の外周には、吸気バルブ４に対応して揺動カム４２が揺動可能に外嵌されており、この揺動カム４２がバルブリフタ４０に当接してこれを押圧することにより、吸気バルブ４が図外のバルブスプリングのバネ力に抗して開閉駆動される。

ここにおいて、カム軸４１と揺動カム４２との間で、両者４１、４２を機械的に連携するリンクの姿勢を変化させて、吸気バルブ４のバルブ作動角（開期間）及びリフト量を連続的に可変制御可能なバルブ作動角及びリフト量可変装置（ＶＥＬ装置）が設けられている。
ＶＥＬ装置は、カム軸４１に偏心して設けられてカム軸４１と一体的に回転する駆動カム４３と、この駆動カム４３の外周に相対回転可能に外嵌するリング状リンク４４と、カム軸４１と略平行に気筒列方向へ延在する制御軸４５と、この制御軸４５に偏心して設けられて制御軸４５と一体的に回転する制御カム４６と、この制御カム４６の外周に相対回転可能に外嵌すると共に、一端がリング状リンク４４の先端と相対回転可能に連結されたロッカアーム４７と、このロッカアーム４７の他端と揺動カム４２の先端とに回転可能に連結され、両者４７、４２を機械的に連携するロッド状リンク４８と、を有している。

上記のカム軸４１及び制御軸４５は、軸受ブラケットを介してエンジンのシリンダヘッド側へ回転可能に支持されている。制御軸４５の一端にはバルブ作動角変更用のアクチュエータ（ＶＥＬソレノイド）４９の出力端が接続されており、このＶＥＬソレノイド４９によって制御軸４５が所定の制御角度範囲内で軸周りに回転駆動されると共に、所定の回転位相に保持される。

このような構成により、クランク軸に連動してカム軸４１が回転すると、駆動カム４３を介してリング状リンク４４が実質的に並進作動すると共に、ロッカアーム４７が制御カム４６周りを揺動し、ロッド状リンク４８を介して揺動カム４２が揺動して、吸気バルブ４が開閉駆動される。
また、ＶＥＬソレノイド４９により制御軸４５を回動することにより、ロッカアーム４７の揺動中心となる制御カム４６の中心位置が変化して、各リンク４４、４８等の姿勢が変化し、揺動カム４２の揺動角度範囲が変化する。これにより、バルブ作動角の中心位相が略一定のままで、バルブ作動角及びリフト量が連続的に変化する。より具体的には、制御軸４５を一方向へ回動することにより、バルブ作動角及びリフト量が増加し、他方向へ回動することによりバルブ作動角及びリフト量が減少するようになっている。

従って、ＥＣＵ２０からの信号で、ＶＥＬソレノイド４９の通電量をデューティ制御することで、制御軸４５の回転位相を変更して、吸気バルブ４のバルブ作動角及びリフト量を変更することができ、これによりバルブ作動角及びリフト量可変装置（ＶＥＬ装置）が構成される。
一方、カム軸４１は、クランク軸の回転がタイミングベルトによりスプロケット５０に入力されて駆動されるが、スプロケット５０とカム軸４１との間に、これらの回転位相を制御可能なロータリーソレノイド（ＶＴＣソレノイド）５１が装着されている。

従って、ＥＣＵ２０からの信号で、ＶＴＣソレノイド５１の通電量をデューティ制御することで、クランク軸とカム軸４１との回転位相を変更して、吸気バルブ４のバルブタイミング（バルブ作動角の中心位相）を変更することができ、これによりバルブタイミング可変装置（ＶＴＣ装置）が構成される。
次に、本発明に係る始動時及び始動直後の制御について、説明する。

図４はＥＣＵ２０により実行される始動時及び始動直後の制御のフローチャートである。また、この場合のタイムチャートを図５に示す。
イグニッションスイッチがＯＮとなることで（図５のｔ１）、図４のフローがスタートする。
Ｓ１では、燃圧センサ２５により検出される燃圧Ｐｆを読込み、燃圧Ｐｆが噴射燃料の微粒化が可能な所定値（しきい値ＳＬ）を超えているか否かを判定する。始動前で、高圧燃料ポンプ１０は停止しているが、前回のエンジン停止からの時間が短い場合は、まだ燃圧Ｐｆが高いことがあるからである。

燃圧Ｐｆが所定値以下の場合は、Ｓ２へ進み、ＶＥＬ装置を通常運転時の状態に対し小作動角・低リフト量の状態となるように駆動し、同時に、ＶＴＣ装置を通常運転時の状態に対し遅角状態となるように駆動する。具体的には、図６のバルブリフト特性図を参照し、排気バルブのリフト特性に対しバルブオーバーラップを持つように設定される通常運転時の吸気バルブのリフト特性ａに対し、小作動角・低リフト量とし、かつ作動角の中心位相を遅らせることで、吸気バルブ閉時期を下死点（ＢＤＣ）近傍に固定したまま、吸気バルブ開時期を上死点（ＴＤＣ）以降かつ排気バルブ閉時期以降へ遅らせたリフト特性ｂとする。始動前であるが、ＶＥＬ装置及びＶＴＣ装置の動作遅れを考慮して、始動までに所定の状態となるようにするためである（図５のｔ１→ｔ２）。

燃圧Ｐｆが所定値を超えている場合は、Ｓ３へ進み、ＶＥＬ装置を通常運転時の状態（大作動角・高リフト量）に駆動・保持し、同時に、ＶＴＣ装置を通常運転時の状態（進角状態）に駆動・保持する。
Ｓ４では、スタートスイッチがＯＮになったか否かを判定し、ＯＦＦの場合はＳ１へ戻る。

スタートスイッチがＯＮになると（図５のｔ３）、ＯＮの間、スタータモータが駆動されて、クランキングがなされるが、ＯＮになると同時にＳ４からＳ５へ進む。
Ｓ５では、Ｓ１と同様に、燃圧センサ２５により検出される燃圧Ｐｆを読込み、燃圧Ｐｆが噴射燃料の微粒化が可能な所定値（しきい値ＳＬ）を超えているか否かを判定する。
燃圧Ｐｆが所定値以下の場合は、Ｓ６へ進み、ＶＥＬ装置を通常運転時の状態に対し小作動角・低リフト量の状態に駆動・保持し、同時に、ＶＴＣ装置を通常運転時の状態に対し遅角状態に駆動・保持する。また、Ｓ７では、燃料噴射時期を、図６に示すように、通常運転時の吸気行程前半での燃料噴射時期ａに対し、遅角して、吸気バルブ閉時期以降で下死点（ＢＤＣ）近傍の燃料噴射時期ｂに設定する。具体的には、図７に吸気バルブのバルブ作動角に対する燃料噴射時期のテーブルを示すように、燃料噴射時期は、吸気バルブのバルブ作動角に応じて設定し、実際のバルブ作動角が小さいほど、燃料噴射時期を遅らせて、燃料噴射時期が常に吸気バルブ開時期以降となるようにし、最終的なバルブ作動角の最小状態で燃料噴射時期が下死点（ＢＤＣ）近傍となるようにする。そして、Ｓ５へ戻る。

燃圧Ｐｆが所定値を超えている場合、すなわち、始動後のエンジン回転数の上昇によって、高圧燃料ポンプ１０による吐出量が大となることで、燃圧Ｐｆが噴射燃料の微粒化が可能な所定値を超えた場合は、Ｓ８へ進む。
Ｓ８では、ＶＥＬ装置を通常運転時の状態（大作動角・高リフト量）に駆動・保持し、同時に、ＶＴＣ装置を通常運転時の状態（進角状態）に駆動・保持する。また、Ｓ９では、燃料噴射時期を通常運転時の吸気行程前半での燃料噴射時期（進角状態）に設定する。この場合も、ＶＥＬ装置及びＶＴＣ装置には動作遅れがあるので（図５のｔ４→ｔ５）、燃料噴射時期はバルブ作動角に応じて設定し、バルブ作動角の増大に合わせて進角する（図７参照）。以降は通常制御となる。

従って、通常の始動時で、始動時及び始動直後の燃圧Ｐｆが低い場合は、ＶＥＬ装置により吸気バルブの作動角を小さくし、かつＶＴＣ装置により吸気バルブのバルブタイミングを遅らせることにより、吸気バルブ開時期を上死点以降かつ排気バルブ閉時期以降へ遅らせる。これにより、吸気バルブが開くまでに、筒内の負圧を発達させ、吸気バルブが開いたときに一気に吸入することで、吸気流速を高めることができ、これによって筒内で燃料と空気との接触するエネルギーが増えて（筒内での乱れが強くなり）、燃料の微粒化を促進でき、エミッション（特にＨＣ排出量）を改善することができる。また、ＶＥＬ装置では、バルブ作動角の減少と同時にリフト量が減少するので、これも吸気流速の向上に寄与する。

また、ＶＥＬ装置により吸気バルブの作動角を小さくし、かつＶＴＣ装置により吸気バルブのバルブタイミングを遅らせることにより、吸気バルブ閉時期を固定したまま、吸気バルブ開時期を遅らせることができ、吸気バルブ閉時期を固定することで、圧縮行程への影響を回避し、燃焼性能の維持を図ることができる。また特に、吸気バルブ閉時期を下死点近傍に固定することにより、下死点で得た最大流速の状態で、筒内を密閉することで、圧縮行程移行後の筒内流動を強めて、噴射燃料との混合を促進できる。

また、吸気バルブ開時期を遅らせると同時に、燃料噴射時期を遅らせることにより、吸気バルブ開時期以降に燃料噴射を行い、高流速の吸気流の中に燃料を噴射して、燃料の微粒化を更に促進することができる。また特に、燃料噴射時期を下死点近傍に設定することにより、最大流速の状態で燃料噴射を行って、燃料の微粒化を促進できる。但し、圧縮行程移行後も一定期間は筒内流動が維持されるので、燃料噴射時期は下死点近傍であれば、圧縮行程に移行してからでもよい。

その一方、始動後のエンジン回転数の上昇により、高圧燃料ポンプの吐出量が増大して、燃圧が所定値（しきい値ＳＬ）を超えると、燃圧の上昇で燃料の微粒化が可能となる。従って、このときは、ＶＥＬ装置により吸気バルブのバルブ作動角を通常の大きい状態に戻し、また、ＶＴＣ装置により吸気バルブのバルブタイミングを通常の早い状態に戻す（図５のｔ４→ｔ５）。これにより、吸気バルブ閉時期を固定したまま、吸気バルブ開時期を通常の早い状態（上死点よりもやや進角した位置）に戻す。このようにすることで、ポンプロスを改善し、出力及び燃費の向上が可能となる。また、これらと同時に、燃料噴射時期を進角させて吸気行程前半へ戻すことにより、適正な燃料噴射時期とすることができる。

以上の実施形態では、吸気バルブのバルブ作動角を小さくし、かつバルブタイミングを遅らせることにより、吸気バルブ開時期を上死点以降かつ排気バルブ閉時期以降へ遅らせて、吸気流速を増大させる構成としているが、吸気バルブ開時期を十分に遅らせることが可能であれば、ＶＥＬ装置により吸気バルブ作動角を小さくすることのみで、吸気バルブ開時期を遅らせる構成としてもよく、又は、ＶＴＣ装置により吸気バルブのバルブタイミングを遅らせることのみで、吸気バルブ開時期を遅らせる構成としてもよい。但し、吸気バルブ閉時期を所望の位置に固定するという観点からは、両者を併用するのが望ましい。

また、始動時及び始動直後の燃圧の目標値（目標燃圧）については特に言及しなかったが、筒内に直接燃料を噴射する直噴エンジンでは、高圧プレッシャレギュレータにより吸気行程噴射時と圧縮行程噴射時とで目標燃圧を切換え可能であるので、燃圧の上昇によって燃料の微粒化を図る場合は、目標燃圧を通常の吸気行程噴射時の目標燃圧より高めに設定するようにしてもよい。

本発明の一実施形態を示すエンジンのシステム図 可変動弁装置の構成図 図２の要部断面図 始動時及び始動直後の制御のフローチャート 始動時及び始動直後の制御のタイムチャート バルブリフト特性図 燃料噴射時期の特性図

符号の説明

１ エンジン
２ 吸気通路
３ 電制スロットル弁
４ 吸気バルブ
５ 燃焼室
６ 点火プラグ
７ 燃料噴射弁
８ 燃料タンク
９ 低圧燃料ポンプ
１０ 高圧燃料ポンプ
１３ 排気バルブ
２０ ＥＣＵ
２５ 燃圧センサ
４９ ＶＥＬソレノイド
５１ ＶＴＣソレノイド

Claims (9)

1. 吸気バルブのリフト特性を変化させることのできる可変動弁装置と、燃料ポンプにより燃料噴射弁に供給される燃料圧力を検出する燃料圧力検出手段とを備え、
   エンジンの始動時から、前記可変動弁装置により吸気バルブ開時期を上死点以降かつ排気バルブ閉時期以降へ遅らせ、前記燃料圧力検出手段により検出される燃料圧力が所定値を超えた時に、吸気バルブ開時期を早い側へ戻すことを特徴とするエンジンの制御装置。
2. 前記可変動弁装置として、吸気バルブのバルブ作動角を変化させることのできるバルブ作動角可変装置を備え、
   前記バルブ作動角可変装置により吸気バルブのバルブ作動角を小さくすることにより、吸気バルブ開時期を遅らせることを特徴とする請求項１記載のエンジンの制御装置。
3. 前記可変動弁装置として、吸気バルブのバルブタイミングを変化させることのできるバルブタイミング可変装置を備え、
   前記バルブタイミング可変装置により吸気バルブのバルブタイミングを遅らせることにより、吸気バルブ開時期を遅らせることを特徴とする請求項１記載のエンジンの制御装置。
4. 前記可変動弁装置として、吸気バルブのバルブ作動角を変化させることのできるバルブ作動角可変装置と、吸気バルブのバルブタイミングを変化させることのできるバルブタイミング可変装置とを備え、
   前記バルブ作動角可変装置により吸気バルブのバルブ作動角を小さくし、かつ前記バルブタイミング可変装置により吸気バルブのバルブタイミングを遅らせることにより、吸気バルブ開時期を遅らせることを特徴とする請求項１記載のエンジンの制御装置。
5. 前記バルブ作動角可変装置により吸気バルブのバルブ作動角を小さくし、かつ前記バルブタイミング可変装置により吸気バルブのバルブタイミングを遅らせることにより、吸気バルブ閉時期を固定したまま、吸気バルブ開時期を遅らせることを特徴とする請求項４記載のエンジンの制御装置。
6. 吸気バルブ閉時期は、下死点近傍に固定することを特徴とする請求項５記載のエンジンの制御装置。
7. 吸気バルブ開時期を遅らせると同時に、燃料噴射時期を遅らせることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載のエンジンの制御装置。
8. 遅らせるときの燃料噴射時期を下死点近傍に設定することを特徴とする請求項７記載のエンジンの制御装置。
9. 前記バルブ作動角可変装置は、吸気バルブのバルブ作動角及びリフト量を変化させ、バルブ作動角の減少と同時にリフト量を減少させるものであることを特徴とする請求項２又は請求項４記載のエンジンの制御装置。

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