JP2007040150A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 本発明は内燃機関の制御装置に関し、内燃機関の冷間始動時における未燃ＨＣの排出量を低減できるようにする。
【解決手段】 少なくとも始動時の１サイクル目は、排気バルブの開タイミング（ＥＶＯ）を排気下死点前４５度、若しくは、始動完了後に設定される通常時の閉タイミングよりも遅角側に制御する。また、好ましくは、遅くとも始動時の２サイクル目以降は、排気バルブの閉タイミング（ＥＶＣ）をＴＤＣよりも進角側に制御する。
【選択図】 図４

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けるＨＣの排出量を低減するための制御技術に関する。
内燃機関の冷間始動時は、暖機完了後に比較して燃料の霧化が悪化するため、シリンダの壁面には燃焼に寄与しなかった未燃ＨＣが付着しやすい。シリンダ壁面に付着した未燃ＨＣは、ピストンの上昇によりかき上げられ、排気弁が開いたときに燃焼ガスに含まれて排気通路に放出される。このため、冷間始動時に内燃機関から排出される燃焼ガス、特に、ＴＤＣの直前に排出される燃焼ガスには、暖機完了時に比較して多くの未燃ＨＣが含まれている。
内燃機関の排気通路には、燃焼ガス中の有害成分を除去するための触媒が配置されている。しかし、触媒は低温状態ではその浄化能力を十分に発揮することができないため、内燃機関の冷間始動時のように触媒温度が低く触媒が未活性の状態では、燃焼ガス中に含まれる未燃ＨＣは十分に浄化されず大気中に放出されてしまう。冷間始動時の排気エミッションの悪化を防止するため、内燃機関からの未燃ＨＣの排出量そのものを低減させることが求められている。
冷間始動時における未燃ＨＣの排出量を低減させるものとしては、例えば、特許文献１に記載された技術が知られている。特許文献１に記載された従来技術では、始動開始時から排気弁の閉じタイミングを吸気上死点よりも進角させ、ＴＤＣ直前に排出される未燃ＨＣを多く含んだ燃焼ガスを燃焼室内に閉じ込めることで、未燃ＨＣの排出量の低減を図っている。
特開２００３−１２０３４８号公報 特開２００１−１５９３５３号公報 特開２００１−２６３０５０号公報
ところで、内燃機関の始動１サイクル目に関しては、初爆用燃料を可能な限り燃焼させることで、燃焼時にシリンダ壁面に付着する未燃ＨＣの量を低減させることが求められる。そのためには、燃焼室内で十分にＨＣの酸化反応を促進させる必要がある。
しかしながら、内燃機関の始動時、特に冷間始動時は、燃焼室内の温度や圧力は低く、ＨＣの酸化反応が促進される高温・高圧雰囲気にはなっていない。加えて、シリンダ壁面の温度が低いため、燃料の付着も起こりやすくなっている。特許文献１に記載された従来技術では、始動１サイクル目の燃焼時に発生する未燃ＨＣについては考慮されておらず、未燃ＨＣの排出量の低減には未だ改善の余地があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、内燃機関の始動時、特に冷間始動時における未燃ＨＣの排出量を低減させることが可能な内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
排気バルブの開タイミング及び閉タイミングを作用角一定のまま変更する、作用角固定のバルブタイミング制御手段を備え、
前記バルブタイミング制御手段は、始動時の１サイクル目が終了するまでの間は、前記排気バルブの開タイミングを２サイクル目以降に設定される開タイミングよりも遅角側に制御することを特徴としている。
第２の発明は、第１の発明において、
前記バルブタイミング制御手段は、始動時の２サイクル目以降は前記排気バルブの閉タイミングを吸気上死点よりも進角側に制御することを特徴としている。
第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記バルブタイミング制御手段は、機関温度が所定温度を超えたとき、或いは、機関温度が所定温度を超えたと予測されたときに前記排気バルブのバルブタイミングを内燃機関の運転状態から決まる通常のバルブタイミングに変更することを特徴としている。
第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、
燃料噴射弁による吸気ポートへの燃料の噴射時期を制御する燃料噴射時期制御手段をさらに備え、
前記燃料噴射時期制御手段は、始動時の１サイクル目は吸気バルブが閉じている期間内に燃料噴射時期を設定し、２サイクル目以降は前記吸気バルブの開タイミングに合わせて燃料噴射時期を設定することを特徴としている。
また、第５の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
排気バルブの開タイミング及び閉タイミングを互いに独立に或いは作用角と連動させて変更する、作用角可変のバルブタイミング制御手段を備え、
前記バルブタイミング制御手段は、始動時のＮ（Ｎは自然数）サイクル目が終了するまでの間は、前記排気バルブの開タイミングをＮ＋１サイクル目以降に設定される開タイミングよりも遅角側に制御することを特徴としている。
第６の発明は、第５の発明において、
前記バルブタイミング制御手段は、遅くとも始動時の２サイクル目以降は前記排気バルブの閉タイミングを吸気上死点よりも進角側に制御することを特徴としている。
第７の発明は、第５又は第６の発明において、
前記バルブタイミング制御手段は、機関温度が所定温度を超えたとき、或いは、機関温度が所定温度を超えたと予測されたときを前記Ｎサイクル目とし、Ｎ＋１サイクル目以降は前記排気バルブのバルブタイミングを内燃機関の運転状態から決まる通常のバルブタイミングに変更することを特徴としている。
第８の発明は、第５乃至第７の何れか１つの発明において、
燃料噴射弁による吸気ポートへの燃料の噴射時期を制御する燃料噴射時期制御手段をさらに備え、
前記燃料噴射時期制御手段は、始動時の１サイクル目は吸気バルブが閉じている期間内に燃料噴射時期を設定し、２サイクル目以降は前記吸気バルブの開タイミングに合わせて燃料噴射時期を設定することを特徴としている。
第１の発明によれば、始動時の１サイクル目が終了するまでの間は、排気バルブの開タイミングを２サイクル目以降に設定される開タイミングよりも遅角側に制御することで、始動１サイクル目における燃焼室内での混合気の燃焼期間を長く取ることができ、ＨＣの酸化反応を促進させて未燃ＨＣの発生量を低減することができる。
第２の発明によれば、始動時の２サイクル目以降は排気バルブの閉タイミングを吸気上死点よりも進角側に制御することで、吸気上死点直前に排出される未燃ＨＣを多く含んだ燃焼ガスを燃焼室内に封じ込めることができ、燃焼室からの未燃ＨＣの排出量をさらに低減することができる。
また、始動時の未燃ＨＣの多くは燃料が液滴の状態でシリンダ壁面に付着したものであるが、シリンダ壁面に付着する燃料は機関温度の上昇とともに減少していく。第３の発明によれば、機関温度が上昇して所定温度に達するまでは排気バルブのバルブタイミングを上記のバルブタイミングに制御することで、始動時の未燃ＨＣの排出量を低減することができ、機関温度が所定温度を超えてから内燃機関の運転状態から決まる通常のバルブタイミングに変更することで、未燃ＨＣの排出量を増大させることなく所望の運転性能を得ることが可能になる。
第４の発明によれば、燃焼室内に燃焼ガスが残留していない始動時の１サイクル目は、吸気ポート内で燃料の蒸発時間を確保することができ、燃焼室内に燃焼ガスが残留している２サイクル目以降は、燃焼室内から吸気ポートへ吹き返される高温の燃焼ガスによって燃料の霧化を促進することができる。これにより燃料の燃焼室内での燃焼を促進させることができ、未燃ＨＣの発生量を低減することができる。
また、第５の発明によれば、始動時のＮサイクル目が終了するまでの間は、排気バルブの開タイミングをＮ＋１サイクル目以降に設定される開タイミングよりも遅角側に制御することで、Ｎサイクル目まで燃焼室内での混合気の燃焼期間を長く取ることができ、ＨＣの酸化反応を促進させて未燃ＨＣの発生量を低減することができる。
第６の発明によれば、遅くとも始動時の２サイクル目以降は排気バルブの閉タイミングを吸気上死点よりも進角側に制御することで、吸気上死点直前に排出される未燃ＨＣを多く含んだ燃焼ガスを燃焼室内に封じ込めることができ、燃焼室からの未燃ＨＣの排出量を低減することができる。
第７の発明によれば、機関温度が上昇して所定温度に達するまでは排気バルブの開タイミングは遅角側に制御されるので、燃焼室内温度が十分に上昇するまでの間、燃焼室内での混合気の燃焼期間を十分に確保することが可能になり、未燃ＨＣの発生量をより確実に低減することができる。そして、機関温度が所定温度を超えたＮ＋１サイクル目以降は内燃機関の運転状態から決まる通常のバルブタイミングに変更されるので、未燃ＨＣの排出量を増大させることなく所望の運転性能を得ることが可能になる。
第８の発明によれば、燃焼室内に燃焼ガスが残留していない始動時の１サイクル目は、吸気ポート内で燃料の蒸発時間を確保することができ、燃焼室内に燃焼ガスが残留している２サイクル目以降は、燃焼室内から吸気ポートへ吹き返される高温の燃焼ガスによって燃料の霧化を促進することができる。これにより燃料の燃焼室内での燃焼を促進させることができ、未燃ＨＣの発生量を低減することができる。
実施の形態１．
以下、図１乃至図５を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。
図１は本発明の実施の形態１としての制御装置が適用された内燃機関の概略構成を示す図である。本実施形態にかかる内燃機関は火花点火式の４ストロークエンジンである。内燃機関は内部にピストン８が配置されたシリンダブロック６と、シリンダブロック６に組み付けられたシリンダヘッド４を備えている。ピストン８の上面からシリンダヘッド４までの空間は燃焼室１０を形成しており、この燃焼室１０に連通するように吸気管３０と排気管４０がシリンダヘッド４に接続されている。燃焼室１０の頂部には、点火プラグ１６が取り付けられている。
吸気管３０と燃焼室１０との接続部には、吸気管３０と燃焼室１０との連通状態を制御する吸気弁１２が設けられている。吸気弁１２には、そのバルブタイミングを可変制御する吸気バルブタイミング制御装置２２が備えられている。一方、排気管４０と燃焼室１０との接続部には、排気管４０と燃焼室１０との連通状態を制御する排気弁１４が設けられている。排気弁１４には、そのバルブタイミングを可変制御する排気バルブタイミング制御装置２４が備えられている。本実施形態では、吸気バルブタイミング制御装置２２及び排気バルブタイミング制御装置２４として、クランク軸１８に対するカム軸（図示略）の位相角を変化させることで、作用角は一定のまま開閉タイミングを進角或いは遅角する可変バルブタイミング機構（ＶＶＴ）が用いられているものとする。
吸気管３０にはスロットル３２が配置されている。吸気管３０の下流部は気筒毎に分岐しており、各分岐管には燃料を噴射するためのインジェクタ３４が設けられている。排気管４０には、燃焼室１０から排出される燃焼ガス中の有害成分を除去するための触媒４２が配置されている。
また、本実施形態にかかる内燃機関は、その制御装置としてＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０の出力側には前述のバルブタイミング制御装置２２，２４、インジェクタ３４、スロットル３２、点火プラグ１６の他、スタータ２０等の種々の機器が接続されている。ＥＣＵ５０の入力側には、クランク角センサ５２や水温センサ５４等の種々のセンサや、イグニッションスイッチ５８等の種々のスイッチが接続されている。クランク角センサ５２は、クランク軸１８の回転角度に応じた信号を出力するセンサであり、水温センサ５４は内燃機関の冷却水温に応じた信号を出力するセンサである。ＥＣＵ５０は、各センサやスイッチの出力に基づき、所定の制御プログラムにしたがって各機器を駆動するようになっている。
図２は、本実施形態においてＥＣＵ５０により実行される排気バルブタイミング制御の内容をフローチャートで示したものである。図２に示すルーチンは、イグニッションスイッチ５８がオンにされ、内燃機関のクランキングが開始されると同時に実行される。また、このルーチンは気筒毎に実行される。
本ルーチンの最初のステップ１００では、排気バルブタイミング制御装置２４によって排気バルブタイミングが遅開きに設定される。つまり、排気弁１４の開タイミングが通常時よりも遅角側に設定される。ここにいう排気弁１４の通常時の開タイミングとは、始動完了後に設定される開タイミングであり、ガス交換の性質上、次サイクルに燃焼ガスを残留させないような排気を行う上で最適な開タイミングを指す。具体的には、ＢＢＤＣ（排気下死点前）４５°近傍が好ましい。本実施形態では、排気弁１４の通常時の開タイミングはＢＢＤＣ４５°に設定されているものとする。
図３は吸気弁１２及び排気弁１４のバルブタイミングを示す図である。（Ｃ）に示すバルブタイミングが通常時のバルブタイミングであり、（Ａ）に示すバルブタイミングがステップ１００で設定されるバルブタイミングである。図中、ＥＶＯは排気弁１４の開タイミング、ＥＶＣは排気弁１４の閉タイミング、ＩＶＯは吸気弁１２の開タイミング、ＩＶＣは吸気弁１２の閉タイミングをそれぞれ表している。図３の（Ａ）と（Ｃ）とを比較して分かるように、本ステップ１００では、ＥＶＯが通常時、すなわち、ＢＢＤＣ４５°よりもＢＤＣに近づくように設定される。なお、吸気バルブタイミングは、通常時と同じタイミングに設定されている。
次のステップ１０２では、当該気筒の始動１サイクル目が終了したか否か判定される。始動１サイクル目が終了したか否かは、クランク角センサ５２の信号から計測されるクランク軸１８の回転角度から判断することができる。イグニッションスイッチ５８がオンになった後、スタータ２０により内燃機関のクランキングが行われ、機関回転数が初爆に必要な回転数を超えたらインジェクタ３４から初爆用燃料が噴射される。この初爆用燃料が噴射されるサイクルが始動１サイクル目であり、内燃機関のクランキングが開始されてから始動１サイクル目が終了するまでの間、排気バルブタイミングはステップ１００で設定されたタイミングに保持される。
始動１サイクル目が終了した場合、つまり、始動２サイクル目以降は、排気バルブタイミングは遅開きから早閉じに変更される（ステップ１０４）。図３の（Ｂ）に示すバルブタイミングがステップ１０４で設定されるバルブタイミングである。図３の（Ｂ）と（Ｃ）とを比較して分かるように、本ステップ１０４では、ＥＶＣが通常時よりも進角側、より具体的には、ＴＤＣを超えて進角側に設定される。始動２サイクル目から次のステップ１０６の条件が成立するまでの間、排気バルブタイミングはステップ１０４で設定されたバルブタイミングに保持される。なお、吸気バルブタイミングの変更は行われず、始動１サイクル目と同じく通常時と同じタイミングに設定されている。
ステップ１０６では、水温センサ５４の信号から計測される冷却水温Tengが所定の基準温度To以上になっているか否か判定される。シリンダ壁面への未燃ＨＣの付着はシリンダの壁面温度に依存しており、冷却水温Tengはシリンダの壁面温度を代表している。基準温度Toは、未燃ＨＣのシリンダ壁面への付着がなくなる（無視できる程度になる）ときの壁面温度に対応する冷却水温である。ステップ１０６の判定の結果、冷却水温Tengが基準温度To以上になったときには、排気バルブタイミングは早閉じから通常のバルブタイミング、つまり、図３の（Ｃ）に示すバルブタイミングに変更される（ステップ１０８）。
図４は、以上説明した排気バルブタイミング制御ルーチンの実行結果をタイムチャートで表したものである。図４の（Ａ）はエンジン回転数Ｎｅを示し、（Ｂ）はＥＶＣのＴＤＣに対する進角角度（ＢＴＤＣ）を示し、（Ｃ）はＥＶＯのＢＤＣに対する進角角度（ＢＢＤＣ）を示し、（Ｄ）は燃焼室１０からの未燃ＨＣの排出量を示している。（Ｂ）及び（Ｃ）において、実線は上記ルーチンによる排気バルブタイミングの設定を示し、破線は従来の排気バルブタイミングの設定（通常時と同じ設定）を示している。また、（Ｄ）において、実線は上記ルーチンの実行により実現される未燃ＨＣの排出量を示し、破線は従来の排気バルブタイミングの設定で実現される未燃ＨＣの排出量を示している。
図４に示すように、始動１サイクル目におけるＥＶＯが通常時（ＢＢＤＣ４５°）よりも遅角側に設定されＢＤＣに近づくことで、排気弁１４の開弁に伴い燃焼室１０から排出される未燃ＨＣの量は減少する。これは、次のような理由による。
図５は、燃焼室１０内の燃焼ガス圧（筒内圧）の変化を示す図である。図５中の実線はＥＶＯをＢＢＤＣ４５°よりも遅角側に設定した場合の筒内圧の変化を示し、図５中の破線はＥＶＯをＢＢＤＣ４５°に設定した場合の筒内圧の変化（通常時の筒内圧変化）を示している。筒内圧は、排気弁１４の開弁とともに急激に低下するが、この図に示すように、ＥＶＯを遅角させることで、図中に斜線で示す領域の分、筒内圧を稼ぐことが可能になる。つまり、より長い期間、初爆用燃料を高圧の燃焼室１０内に閉じ込めることができ、高温・高圧雰囲気の下で燃料の酸化反応を促進させることが可能になる。これにより、シリンダ壁面に付着する未燃ＨＣの量を低減させることができ、燃焼室１０から排出される未燃ＨＣの量を低減させることができるのである。
また、燃焼室１０内に燃焼ガスが残留する始動２サイクル目以降は、ＥＶＣがＴＤＣよりも進角側に設定されることで、ピストン８の上昇によりシリンダ壁面に付着した未燃ＨＣがかき上げられた場合でも、その未燃ＨＣが燃焼ガスとともに燃焼室１０から排出されることを防止することができる。つまり、シリンダ壁面に付着した未燃ＨＣを残留ガスとともに燃焼室１０内に封じ込めることができ、燃焼室１０からの未燃ＨＣの排出量を低減することができる。さらに、燃焼室１０内に閉じ込められた未燃ＨＣは残留ガスによって微粒化され、酸化反応が促進されるという効果もある。
なお、図４のタイムチャートでは省略しているが、上記ルーチンによれば、機関温度がある程度まで上昇した時点で排気バルブタイミングは通常時のバルブタイミング、すなわち、排気弁１４の開タイミングがＢＢＤＣ４５°となるバルブタイミングに変更される。始動時の未燃ＨＣの多くは燃料が液滴の状態でシリンダ壁面に付着することによるが、シリンダ壁面に付着する燃料は機関温度の上昇とともに減少していく。したがって、機関温度が十分に上昇するまでは排気バルブタイミングを図４に示すように設定することで、始動時の未燃ＨＣの排出量を低減することができ、機関温度が十分に上昇してから通常時のバルブタイミングに変更することで、未燃ＨＣの排出量を増大させることなく所望の運転性能を得ることが可能になる。
実施の形態２．
次に、図６乃至図８を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本発明の実施の形態２としての制御装置が適用される内燃機関の概略構成は、実施の形態１と同様、図１のように示される。ただし、本実施形態にかかる内燃機関は、実施の形態１とは、排気バルブタイミング制御装置２４の構成が異なっている。本実施形態では、排気バルブタイミング制御装置２４として、バルブタイミングとともに作用角も変更可能な可変動弁機構が用いられているものとする。なお、可変動弁機構としては、電磁駆動弁のように閉タイミングと開タイミングを互いに独立して可変制御できるものでもよく、作用角に連動して閉タイミング及び開タイミングが変化する機械式の可変動弁機構でもよい。
図６は、本実施形態においてＥＣＵ５０により実行される排気バルブタイミング制御の内容をフローチャートで示したものである。図６に示すルーチンは、イグニッションスイッチ５８がオンにされ、内燃機関のクランキングが開始されると同時に実行される。また、このルーチンは気筒毎に実行される。
本ルーチンの最初のステップ２００では、排気バルブタイミング制御装置２４によって排気バルブタイミングが遅開き且つ早閉じに設定される。つまり、排気弁１４の開タイミング（ＥＶＯ）が通常時、すなわち、ＢＢＤＣ４５°よりも遅角側に設定されるとともに、閉タイミング（ＥＶＣ）はＴＤＣよりも進角側に設定される。図７は吸気弁１２及び排気弁１４のバルブタイミングを示す図である。（Ｂ）に示すバルブタイミングが通常時のバルブタイミングであり、（Ａ）に示すバルブタイミングがステップ２００で設定されるバルブタイミングである。図７の（Ａ）と（Ｂ）とを比較して分かるように、本ステップ２００では、ＥＶＯは通常時よりもＢＤＣに近づくように設定され、ＥＶＣはＴＤＣを超えて進角側に設定される。なお、吸気バルブタイミングは、通常時と同じタイミングに設定されている。
排気バルブタイミング制御装置２４は、内燃機関のクランキングが開始されてから次のステップ２０２の条件が成立するまでの間、排気バルブタイミングをステップ２００で設定されたバルブタイミングに保持する。つまり、本実施形態では、始動１サイクル目も、始動２サイクル目以降も、次のステップ２０２の条件が成立するまでの間は、排気バルブタイミングは、遅開き且つ早閉じに設定される。
ステップ２０２では、水温センサ５４の信号から計測される冷却水温Tengが所定の基準温度To以上になっているか否か判定される。基準温度Toは、未燃ＨＣのシリンダ壁面への付着がなくなる（無視できる程度になる）ときの壁面温度に対応する冷却水温である。ステップ２０２の判定の結果、冷却水温Tengが基準温度To以上になったときには、排気バルブタイミングは遅開き且つ早閉じから通常のバルブタイミング、つまり、図７の（Ｂ）に示すバルブタイミングに変更される（ステップ２０４）。本実施形態では、冷却水温Tengが基準温度To以上になったときのサイクルが、第５の発明にかかる「Ｎサイクル目」に相当する。
図８は、以上説明した排気バルブタイミング制御ルーチンの実行結果をタイムチャートで表したものである。図８の（Ａ）はエンジン回転数Ｎｅを示し、（Ｂ）はＥＶＣのＴＤＣに対する進角角度（ＢＴＤＣ）を示し、（Ｃ）はＥＶＯのＢＤＣに対する進角角度（ＢＢＤＣ）を示し、（Ｄ）は燃焼室１０からの未燃ＨＣの排出量を示している。（Ｂ）及び（Ｃ）において、実線は上記ルーチンによる排気バルブタイミングの設定を示し、破線は従来の排気バルブタイミングの設定（通常時と同じ設定）を示している。また、（Ｄ）において、実線は上記ルーチンの実行により実現される未燃ＨＣの排出量を示し、破線は従来の排気バルブタイミングの設定で実現される未燃ＨＣの排出量を示している。
図８に示すように、始動１サイクル目からＥＶＯが通常時、すなわち、ＢＢＤＣ４５°よりも遅角側に設定されＢＤＣに近づくことで、より長い期間、燃料を高圧の燃焼室１０内に閉じ込めることができ、高温・高圧雰囲気の下で燃料の酸化反応を促進させることが可能になる。これにより、シリンダ壁面に付着する未燃ＨＣの量を低減させることができ、排気弁１４の開弁に伴い燃焼室１０から排出される未燃ＨＣの量を低減させることができる。この効果は、始動１サイクル目のみならず、始動２サイクル目以降においても得ることができる。
また、始動１サイクル目からＥＶＣがＴＤＣよりも進角側に設定されることで、燃焼室１０内に燃焼ガスが残留する始動２サイクル目以降において、ピストン８の上昇によりシリンダ壁面に付着した未燃ＨＣがかき上げられた場合でも、その未燃ＨＣが燃焼ガスとともに燃焼室１０から排出されることを防止できるという効果が得られる。つまり、シリンダ壁面に付着した未燃ＨＣを残留ガスとともに燃焼室１０内に封じ込めることができ、燃焼室１０からの未燃ＨＣの排出量を低減することができる。さらに、燃焼室１０内に閉じ込められた未燃ＨＣは残留ガスによって微粒化され、酸化反応が促進されるという効果もある。
なお、図８のタイムチャートでは省略しているが、上記ルーチンによれば、機関温度がある程度まで上昇した時点で排気バルブタイミングは通常時のバルブタイミングに変更される。始動時の未燃ＨＣの多くは燃料が液滴の状態でシリンダ壁面に付着することによるが、シリンダ壁面に付着する燃料は機関温度の上昇とともに減少していく。したがって、機関温度が十分に上昇するまでは排気バルブタイミングを図８に示すように設定することで、始動時の未燃ＨＣの排出量を低減することができ、機関温度が十分に上昇してから通常時のバルブタイミングに変更することで、未燃ＨＣの排出量を増大させることなく所望の運転性能を得ることが可能になる。
実施の形態３．
次に、図９及び図１０を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。
本発明の実施の形態としての制御装置３は、実施の形態２にかかる内燃機関の構成において、ＥＣＵ５０に、図６に示すルーチンに代えて図９に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。図９に示すルーチンでは、図６に示すルーチンと同様の排気バルブタイミングの制御に加え、燃料噴射時期の制御も行われる。図９に示すルーチンは、イグニッションスイッチ５８がオンにされ、内燃機関のクランキングが開始されると同時に実行される。また、このルーチンは気筒毎に実行される。
本ルーチンの最初のステップ３００では、排気バルブタイミング制御装置２４によって排気バルブタイミングが遅開き且つ早閉じに設定される。つまり、排気弁１４の開タイミング（ＥＶＯ）が通常時、すなわち、ＢＢＤＣ４５°よりも遅角側に設定されるとともに、閉タイミング（ＥＶＣ）はＴＤＣよりも進角側に設定される。このときの吸気弁１２及び排気弁１４のバルブタイミングは、実施の形態２と同様、図７の（Ａ）によって表される。また、ステップ３００では、燃料噴射時期が吸気弁１２の開弁前に設定される。つまり、吸気非同期噴射が行われる。
次のステップ３０２では、当該気筒の始動１サイクル目が終了したか否か判定される。始動１サイクル目が終了したか否かは、クランク角センサ５２の信号から計測されるクランク軸１８の回転角度から判断することができる。内燃機関のクランキングが開始されてから始動１サイクル目が終了するまでの間、排気バルブタイミングはステップ３００で設定されたタイミングに保持される。そして、始動１サイクル目の燃料噴射時期として、ステップ３００で設定された吸気非同期噴射が実行される。
始動１サイクル目が終了した場合、つまり、始動２サイクル目以降は、燃料噴射時期は吸気弁１２の開き始め時期に設定される（ステップ３０４）。吸気弁１２及び排気弁１４のバルブタイミングは、始動２サイクル目以降もステップ３００で設定されたバルブタイミングに保持される。図１０は吸気弁１２及び排気弁１４のバルブタイミングと燃料噴射の開始時期とを併せて示す図である。図１０に示すように、吸気弁１２の開弁タイミング（ＩＶＯ）はＴＤＣ付近に設定されており、ＩＶＯと略同時にインジェクタ３４からの燃料噴射が開始されるようになっている。
次のステップ３０６では、水温センサ５４の信号から計測される冷却水温Tengが所定の基準温度To以上になっているか否か判定される。基準温度Toは、未燃ＨＣのシリンダ壁面への付着がなくなる（無視できる程度になる）ときの壁面温度に対応する冷却水温である。ステップ３０６の判定の結果、冷却水温Tengが基準温度To以上になったときには、排気バルブタイミングは遅開き且つ早閉じから通常のバルブタイミングに変更され、燃料噴射時期も吸気弁１２の開き始め時期から通常の噴射時期に変更される（ステップ３０８）。
以上説明したルーチンによれば、燃焼室１０内に燃焼ガスが残留する始動１サイクル目は、吸気非同期噴射により吸気弁１２の開弁前に燃料が噴射されることで、吸気ポート内での燃料の蒸発時間を十分に確保することができる。また、始動１サイクル目からＥＶＯが通常時、すなわち、ＢＢＤＣ４５°よりも遅角側に設定されＢＤＣに近づくことで、より長い期間、燃料を高圧の燃焼室１０内に閉じ込めることができ、高温・高圧雰囲気の下で燃料の酸化反応を促進させることが可能になる。これにより、シリンダ壁面に付着する未燃ＨＣの量を低減することができる。
燃焼室１０内に燃焼ガスが残留する始動２サイクル目以降は、吸気弁１２の開き始め時期に燃料噴射が実行されることで、燃焼室１０内から吸気ポートへ吹き返される高温の燃焼ガスによって燃料の霧化を促進することができる。また、始動１サイクル目と同様、ＥＶＯが通常時よりも遅角側に設定されＢＤＣに近づくことで、燃焼室１０内での燃料の燃焼期間を長く取ることができる。これにより、燃焼室１０内での燃料の燃焼を促進させることができ、シリンダ壁面に付着する未燃ＨＣの量を低減することができる。
さらに、始動１サイクル目からＥＶＣがＴＤＣよりも進角側に設定されることで、燃焼室１０内に燃焼ガスが残留する始動２サイクル目以降において、ピストン８の上昇によりシリンダ壁面に付着した未燃ＨＣがかき上げられた場合でも、その未燃ＨＣが燃焼ガスとともに燃焼室１０から排出されることを防止できるという効果が得られる。つまり、シリンダ壁面に付着した未燃ＨＣを残留ガスとともに燃焼室１０内に封じ込めることができ、燃焼室１０からの未燃ＨＣの排出量を低減することができる。
その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に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で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。
実施の形態３にかかる燃料噴射時期の制御は、実施の形態１にかかる排気バルブタイミングの制御と組み合わせることもできる。つまり、始動１サイクル目では、排気バルブタイミングを遅開きに設定するとともに燃料噴射時期を吸気非同期に設定し、始動２サイクル目以降では、排気バルブタイミングを早閉じに設定するとともに燃料噴射時期を吸気弁１２の開き始め時期に設定してもよい。
また、上記実施の形態では、冷却水温から機関温度を推定しているが、排気温度から機関温度を推定してもよい。また、始動開始からの運転時間によって機関温度を推定してもよい。
本発明の実施の形態１としての制御装置が適用された内燃機関の概略構成図である。 本発明の実施の形態１において実行される排気バルブタイミング制御ルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態１にかかる吸気弁及び排気弁のバルブタイミングを示す図であり、（Ａ）は始動１サイクル目のバルブタイミング、（Ｂ）は始動２サイクル目以降のバルブタイミング、（Ｃ）は通常時のバルブタイミングをそれぞれ示している。 図２に示すルーチンの効果を説明するためのタイムチャートである。 ＥＶＯと筒内圧の変化との関係を示す図である。 本発明の実施の形態２において実行される排気バルブタイミング制御ルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態２にかかる吸気弁及び排気弁のバルブタイミングを示す図であり、（Ａ）は始動時のバルブタイミング、（Ｂ）は通常時のバルブタイミングをそれぞれ示している。 図６に示すルーチンの効果を説明するためのタイムチャートである。 本発明の実施の形態３において実行される排気バルブタイミング制御及び燃料噴射時期制御ルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態３にかかる吸気弁及び排気弁のバルブタイミングと燃料噴射の開始時期とを併せて示す図である。
符号の説明
１０ 燃焼室
１２ 吸気弁
１４ 排気弁
１６ 点火プラグ
１８ クランク軸
２０ スタータ
２２ 吸気バルブタイミング制御装置
２４ 排気バルブタイミング制御装置
３０ 吸気管
３２ スロットル
３４ インジェクタ
４０ 排気管
４２ 触媒
５０ ＥＣＵ
５２ クランク角センサ
５４ 水温センサ
５８ イグニッションスイッチ
ＥＶＯ 排気弁の開タイミング
ＥＶＣ 排気弁の閉タイミング
ＩＶＯ 吸気弁の開タイミング
ＩＶＣ 吸気弁の閉タイミング

Claims (8)

  1. 排気バルブの開タイミング及び閉タイミングを作用角一定のまま変更する、作用角固定のバルブタイミング制御手段を備え、
    前記バルブタイミング制御手段は、始動時の１サイクル目が終了するまでの間は、前記排気バルブの開タイミングを２サイクル目以降に設定される開タイミングよりも遅角側に制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
  2. 前記バルブタイミング制御手段は、始動時の２サイクル目以降は前記排気バルブの閉タイミングを吸気上死点よりも進角側に制御することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
  3. 前記バルブタイミング制御手段は、機関温度が所定温度を超えたとき、或いは、機関温度が所定温度を超えたと予測されたときに前記排気バルブのバルブタイミングを内燃機関の運転状態から決まる通常のバルブタイミングに変更することを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の制御装置。
  4. 燃料噴射弁による吸気ポートへの燃料の噴射時期を制御する燃料噴射時期制御手段をさらに備え、
    前記燃料噴射時期制御手段は、始動時の１サイクル目は吸気バルブが閉じている期間内に燃料噴射時期を設定し、２サイクル目以降は前記吸気バルブの開タイミングに合わせて燃料噴射時期を設定することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
  5. 排気バルブの開タイミング及び閉タイミングを互いに独立に或いは作用角と連動させて変更する、作用角可変のバルブタイミング制御手段を備え、
    前記バルブタイミング制御手段は、始動時のＮサイクル目が終了するまでの間は、前記排気バルブの開タイミングをＮ＋１サイクル目以降に設定される開タイミングよりも遅角側に制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
  6. 前記バルブタイミング制御手段は、遅くとも始動時の２サイクル目以降は前記排気バルブの閉タイミングを吸気上死点よりも進角側に制御することを特徴とする請求項５記載の内燃機関の制御装置。
  7. 前記バルブタイミング制御手段は、機関温度が所定温度を超えたとき、或いは、機関温度が所定温度を超えたと予測されたときを前記Ｎサイクル目とし、Ｎ＋１サイクル目以降は前記排気バルブのバルブタイミングを内燃機関の運転状態から決まる通常のバルブタイミングに変更することを特徴とする請求項５又は６記載の内燃機関の制御装置。
  8. 燃料噴射弁による吸気ポートへの燃料の噴射時期を制御する燃料噴射時期制御手段をさらに備え、
    前記燃料噴射時期制御手段は、始動時の１サイクル目は吸気バルブが閉じている期間内に燃料噴射時期を設定し、２サイクル目以降は前記吸気バルブの開タイミングに合わせて燃料噴射時期を設定することを特徴とする請求項５乃至７の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
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