JP2009215948A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動可変動弁機構のバルブタイミングが始動時の目標位相からずれた場合においても、良好な始動性および排気エミッションを得られるための内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】エンジン１の始動の際に、吸気カムシャフト１３の軸回転位相のずれを検出し、それに基づいてカム軸の回転位相を修正し、その間の燃料噴射を停止することで、エンジン１は始動時に要求される適切なバルブタイミングで燃料噴射を開始できる（ステップＳ１〜ステップＳ３）。よって、始動時のオーバーリーン・オーバーリッチを抑制することができ、エンジンの始動性を向上させることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、可変動弁機構を有する内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関の出力増加・燃費の改善・排気エミッションなどを向上させる手段として、バルブタイミング（開閉時期）やバルブリフト量などの吸気弁、排気弁のバルブ特性を可変動弁機構により機関運転状態に応じて変更するものが実用化されている。特に、車両に搭載される内燃機関においては、たとえばクランク軸に対するカム軸の相対回転位相を変更することで、吸気弁、排気弁のバルブタイミングを可変とする可変バルブタイミング機構などが可変動弁機構として広く採用されている。そして、内燃機関の自立運転の停止後にバルブタイミングを最遅角となるように可変動弁機構を制御する技術について、例えば、特許文献１に開示されている。また、可変動弁機構の駆動源として電動モータを使用する電動可変動弁機構が知られているが、このような電動可変動弁機構の停止時にバルブタイミングを最遅角とする制御技術について、例えば、特許文献２に開示されている。

特開平９−３２４６１３号公報 特開２００７−１１３５２１号公報

ところで、電動可変動弁機構は、バッテリ電力で発生させた電磁力によって自立運転の停止後のカム軸回転位相を保持している。しかし、内燃機関のメンテナンス時においてバッテリを外した後に内燃機関を手動で動かしたり、マニュアルトランスミッション車を手押ししたりする場合に、その外力によってカムシャフトが動かされる。それにより、電磁力で保持していたバランスがくずれ、カム軸の回転位相に対し、アクチュエータがついていけなくなり、アクチュエータとカム軸回転位相がずれるおそれがある。このように、カム軸の回転位相がずれた内燃機関をそのまま始動しようとすると、以下のような問題が発生する。

すなわち、燃料噴射量は一定であるにもかかわらず吸入空気量が変化するため、内燃機関の始動開始の際、一定期間オーバーリッチもしくはオーバーリーンとなることで内燃機関が失火し、または始動不能に陥る等の問題が生ずるおそれがあり、もしくは未燃ＨＣが大量に排出し始動時の燃費および排気エミッションが悪化するなど、エンジンの始動性が悪化するといったおそれがある。

そこで、本発明は、このような内燃機関の始動性の悪化や始動時における排気エミッションの悪化などを抑制し、良好な始動性や排気エミッション等を実現する内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するため、本発明の内燃機関の制御装置は、クランク軸およびカム軸間の回転位相を変更することによりバルブタイミングを可変とする可変動弁機構を備えた内燃機関において、内燃機関の始動の際における前記回転位相の目標位相を算出する目標位相算出手段と、内燃機関の始動の際に前記回転位相が前記目標位相と一致するように前記可変動弁機構を制御する可変動弁機構制御手段と、内燃機関の始動の際に前記回転位相が前記目標位相と一致するまでの間の実回転位相を検出する検出手段と、前記実回転位相と前記目標位相との偏差に基づいて燃料噴射量を制御する燃料噴射制御手段とを備えたことを特徴とする（請求項１）。ここで、目標位相とは停止状態の内燃機関を始動する際のファーストアイドル時のカム軸回転位相をいう。

可変動弁機構を備えた内燃機関において、エンジンを停止する際には、次回の始動の際のエンジン始動性を高めるために、吸気側のバルブタイミングを最遅角の位置まで移動させておき、次回の始動時にアイドル運転時の目標位相にまでバルブタイミングを可動させる制御がよく知られている。その場合、次回の始動の際にカム軸の回転位相をファーストアイドル運転時の目標位相と一致させるまでの一定期間、バルブタイミングはファーストアイドル運転時の目標位相より遅角側に存在し、吸入空気量は減少している。つまり、その一定期間については、燃料噴射量は一定であるのに対して、吸入空気量は少ない状態、すなわち空燃比がリッチ側にシフトした状態にあるため、未燃ＨＣが排出される恐れがある。

また、電動可変動弁機構はバッテリ電力で発生させた電磁力によって自立運転の停止後のカム軸回転位相を保持している。しかし、内燃機関のメンテナンス時においてバッテリを外した後にエンジンを手動で動かしたり、マニュアルトランスミッション車を手押ししたりすることにより、その外力によってカムシャフトが動かされる。それにより、電磁力で保持していたバランスがくずれ、カム軸の回転位相に対し、アクチュエータがついていけなくなり、アクチュエータとカム軸回転位相がずれることで、バルブタイミングがずれる場合がある。そのようにバルブタイミングが始動時の位置からずれたエンジンを始動させる場合、バルブタイミングは目標位相に対して進角側または遅角側に存在し、吸入空気量は増加または減少した状態にある。この場合、カム軸の回転位相をエンジン始動の際のファーストアイドル時の目標位相と一致させるまでの一定期間、燃料噴射量は一定であるのに対して吸入空気量は増加または減少した状態、すなわち空燃比がリーンもしくはリッチ側にシフトした状態にある。よって、エンジン始動の際に未燃ＨＣが排出されたり、場合によってはエンジンが失火したり始動できなかったりといったエンジンの始動に悪影響を及ぼすおそれがある（図１）。

このような場合、本発明の内燃機関の制御装置は、エンジン始動の際に、カム軸を実回転位相から目標位相に一致させるまでの一定期間、カム軸の実回転位相を連続的に検出する。そして、その実回転位相ごとに吸入空気量を算出し、エンジン始動の際に、またはアイドル運転時に必要とされる空燃比となるように燃料の噴射量を制御する。この本発明により、本制御装置を備えた内燃機関は、エンジン始動時の燃費および排気エミッションの悪化を抑制し、またエンジンの失火や始動不能を抑制する等のエンジン始動性の向上を実現することができる。

特に、このような内燃機関の前記燃料噴射制御手段は、前記回転位相が前記目標位相と一致するまでの間に燃料の噴射を禁止することができる（請求項２）。エンジンのバルブタイミングが始動時の位置から大幅にずれた場合、すなわち実回転位相とアイドル運転時の目標位相との偏差が大きい場合、そのままエンジンを始動させようとしても未燃ＨＣが大量に排出されて燃費および排気エミッションが悪化したり、またはエンジンが失火、始動不能となったりするおそれがある。しかし、本発明のような構成とすることにより、カム軸の回転位相をアイドル運転時の目標位相と一致させるまでの一定期間にポート内への燃料噴射を禁止し、未燃ＨＣの大量排出による燃費や排気エミッションの悪化、またはエンジンの失火や始動不能などといったエンジン始動性の悪化を抑制することができる。

また、このような内燃機関の制御装置において、前記燃料噴射制御手段は、あらかじめ設定された期間内に前記回転位相が前記目標位相と一致しない場合には、内燃機関が始動可能な空燃比となるように前記実回転位相に基づいて燃料噴射量を決定して燃料を噴射することができる（請求項３）。このような構成とすることにより、カム軸が始動時の位置より大幅にずれたまま目標位相まで可動できない場合でも、カム軸の実回転位相を検出し、その位置での吸入空気量を算出してエンジンの始動に必要な空燃比となるように燃料噴射量を制御することができる。このため、エンジンの失火や始動不能を抑制することができ、エンジンの始動性を向上させることができる。

本発明によれば、内燃機関の始動の際にカム軸の回転位相が目標位相と一致するまで燃料噴射量を制御するようにしたので、良好な始動性や排気エミッション等を実現する内燃機関の制御装置を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

本発明の実施例１について図面を参照しつつ説明する。図２は本実施例の内燃機関の制御装置を組み込んだエンジン１の概略構成を示した説明図である。なお、図２にはエンジンの１気筒の構成のみを示している。

前記エンジン１は、車両に搭載される多気筒エンジンであって、各気筒は燃焼室１ａを構成するピストン２を備えている。各燃焼室１ａのピストン２はそれぞれコネクティングロッド４を介して出力軸であるクランクシャフト３の軸に連結されており、各ピストン２の往復運動がコネクティングロッド４によってクランクシャフト３の回転へと変換される。

クランクシャフト３の軸の近傍には、クランク角センサ５が配置されている。クランク角センサ５はクランクシャフト３軸の回転角度を検出するように構成されており、検出結果をＥＣＵ１００に出力する。それにより、ＥＣＵ１００は、クランク角に関する情報を取得することができる。更にクランクシャフト３の一端には、クランクスプロケット６が接続されている。クランクスプロケット６はクランクシャフト３と同じ周期で回転する。クランクスプロケット６としては、複数の歯が外周に配置された周知のスプロケットを用いることができる。クランクスプロケット６にはエンジン１の始動時に起動するスタータモータ７のピニオンギアが噛み合わされており、スタータモータ７の起動に伴うリングギアの回転によりエンジン１のクランキングが行われる。

各気筒の燃焼室１ａには、それぞれ燃焼室１ａと連通する吸気ポート８と、吸気ポート８に連結し、吸入空気を吸気ポート８から燃焼室１ａへと導く吸気通路９とが接続されている。更に、燃焼室１ａの各気筒には、それぞれ燃焼室１ａと連通する排気ポート１０と、燃焼室１ａで発生した排気ガスをエンジン外へと導く排気通路１１が接続されている。また、各気筒に接続された排気経路１１は、下流側で合流して一本の排気経路となる（図示せず）。

各気筒の燃焼室１ａの吸気通路、排気通路に対応して複数の吸気バルブ、排気バルブが設けられている。図２には吸気通路、排気通路と吸気バルブ、排気バルブをそれぞれ１つずつ示している。燃焼室１ａの各吸気ポート８には、それぞれ吸気バルブ１２が配置されており、吸気バルブを開閉駆動させるための吸気カムシャフト１３が配置されている。更に、燃焼室１ａの各排気ポート１０には、それぞれ排気バルブ１４が配置されており、排気バルブ１４を開閉駆動させるための排気カムシャフト１５が配置されている。

吸気バルブ１２および排気バルブ１４はクランクシャフト３の回転が連結機構（例えばタイミングベルト、タイミングチェーンなど）により伝達された吸気カムシャフト１３および排気カムシャフト１５の回転により開閉され、吸気ポート８および排気ポート１０と燃焼室１ａとを連通・遮断する。なお、各バルブの位相は、クランク角を基準にして表される。

吸気カムシャフト１３は可変動弁機構（以下、ＶＶＴ機構という）である電動ＶＶＴ機構１６を有している。この電動ＶＶＴ機構１６はＥＣＵ１００の指示により電動モータ１７で吸気カムシャフト１３を回転させる。それにより吸気カムシャフト１３のクランクシャフト３に対する回転位相が変更されることから、吸気バルブ１２のバルブタイミングが変更される。この場合、吸気カムシャフト１３の回転位相は、吸気カム角センサ１８にて検出され、ＥＣＵ１００へと出力される。それにより、ＥＣＵ１００は、吸気カムシャフトの位相を取得することができるとともに、各吸気バルブの位相を取得することができる。また、ＥＣＵ１００は、エンジン１の停止時に次回のエンジン始動性を向上させるためにバルブタイミングを最遅角としておき、そして次回の始動の際にバルブタイミングを目標位相まで変更する電動ＶＶＴ機構の制御を行うこともできる。なお、吸気カム角センサ１８は、吸気カムシャフト１３の実回転位相を検出する検出手段に相当する。また、各カムシャフトの位相は、クランク角を基準にして表される。

また、排気カムシャフト１５は油圧ＶＶＴ機構１９を有している。この油圧ＶＶＴ機構１９はＥＣＵ１００の指示によりオイルコントロールバルブ（以下、ＯＣＶという）２０で排気カムシャフト１５を回転させる。それにより排気カムシャフト１５のクランクシャフト３に対する回転位相が変更されることから、排気バルブ１４のバルブタイミングが変更される。この場合、排気カムシャフト１５の回転位相は、排気カム角センサ２１にて検出され、ＥＣＵ１００へと出力される。それにより、ＥＣＵ１００は、排気カムシャフトの位相を取得することができるとともに、各排気バルブの位相を取得することができる。なお、排気カム角センサ２１は、排気カムシャフト１５の実回転位相を検出する検出手段に相当する。また、各カムシャフトの位相は、クランク角を基準にして表される。

エンジン１の吸気通路９には、吸気通路９を通過する吸入空気量を検出するエアフロメータ２２が設置されている。また、吸気通路９には、スロットルバルブ２３およびスロットルポジションセンサ２４が設置されている。このエアフロメータ２２およびスロットルポジションセンサ２４はそれぞれの検出結果をＥＣＵ１００に出力する。それにより、ＥＣＵ１００は、吸気ポート８および燃焼室１ａへ吸入される吸入空気量を認識することができる。

エンジン１の各吸気ポートには、それぞれインジェクタ２５が設けられている。インジェクタ２５には燃料供給装置により高圧の燃料が供給されている。ＥＣＵ１００は、エアフロメータ２２およびスロットルポジションセンサ２４からの吸入空気量、および吸気カム角センサからのカム軸回転位相の情報に基づき、燃料噴射量と噴射タイミングを決定しインジェクタ２５に信号を送る。インジェクタ２５はＥＣＵ１００の信号に従って、吸気ポート８または燃焼室１ａへ指示された燃料噴射量・噴射タイミングにて燃料を高圧噴射する。高圧噴射された燃料は霧化し吸入空気と混合され、エンジン１の燃焼に適した混合ガスとなり、吸気バルブ１２が開いた際に燃焼室１ａへと供給される。なお、インジェクタ２５は、各気筒に直接燃料を噴射するようにエンジン１の燃焼室１ａに配置されてもよい。

また、各気筒の燃焼室１ａはそれぞれ点火プラグ２６を設けており、点火プラグ２６の点火タイミングはイグナイタ２７によって調整される。吸気ポート８から流入された混合ガスはピストン２の上昇運動により燃焼室１ａ内で圧縮される。ＥＣＵ１００は、クランク角センサ５からのピストン２の位置、および吸気カム角センサ１８からのカム軸回転位相の情報に基づき、点火タイミングを決定しイグナイタ２７に信号を送る。イグナイタ２７はＥＣＵ１００の信号に従って、指示された点火タイミングでバッテリ２００からの電力を点火プラグ２６に通電する。点火プラグ２６はバッテリ２００からの電力により点火し、圧縮混合ガスを着火させて、燃焼室１ａ内を膨張させピストン２を下降させる。これがコネクティングロッド４を介してクランクシャフト３の軸回転に変更されることにより、エンジン１は動力を得る。燃焼後の排気ガスは、排気バルブ１４が開いた際に排気ポート１０、排気通路１１を通ってエンジン外部へと排出される。

燃焼室１ａの周辺にはウォータジャケットが設けられており、ウォータジャケット内部は燃焼室１ａを冷却するためのエンジン冷却水が循環している（図示せず）。更に、ウォータジャケットにはエンジン冷却水の温度を測定するための水温センサ２８が設けられている。ＥＣＵ１００は、エンジン１を停止する際にバルブタイミングを最遅角とする電動ＶＶＴ機構の制御を行うことができる。この場合、ＥＣＵ１００は次回のエンジン１の始動の際に水温センサ２８の情報に基づき、エンジン１の始動の際に要求される吸気カムシャフト１３の回転位相、すなわち目標位相を算出する。そして、電動モータ１７へ指示を送り、吸気カムシャフト１３の実回転位相を目標位相と一致させバルブタイミングを変更する制御を行うこともできる。

ＥＣＵ１００は、演算処理を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、プログラム等を記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、データ等を記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）と、を備えるコンピュータである。ＥＣＵ１００は、クランク角センサ５、カム角センサ１８，２１、エアフロメータ２２、スロットルポジションセンサ２３、水温センサ２８の検出結果を読み込み、ＶＶＴ機構１６，１９の動作、インジェクタ２５の動作、点火プラグ２６の点火時期など、エンジン１の運転動作を統合的に制御する。なお、ＥＣＵ１００は、可変動弁機構制御手段、目標位相算出手段および燃料噴射制御手段に相当する。

次に、ＥＣＵ１００の制御の流れにそって、エンジン１の動作を説明する。図３はＥＣＵ１００の処理を示すフローチャートの一例である。なお、エンジン始動の際における電動ＶＶＴ機構の制御手法については、電動ＶＶＴ機構を有する他の内燃機関の制御手法と同様であるため、詳細な説明は省略する。ＥＣＵ１００の制御は、エンジン１の始動要求があると、すなわちイグニッションスイッチがＯＮにされると開始される。まず、ＥＣＵ１００はステップＳ１で、吸気カム角センサ１８の情報に基づき、吸気カムシャフト１３のカム軸回転位相がエンジン１の始動時に要求されている目標位相（以下、デフォルト位置という）にあるか否かを判断する。ステップＳ１の判断結果がＹＥＳである場合、すなわち吸気カムシャフト１３がデフォルト位置にある場合は、次にステップＳ３へ進む。ステップＳ１の判断結果がＮＯである場合、すなわち吸気カムシャフト１３の回転位相がデフォルト位置にない場合は、次にステップＳ２へ進む。

ＥＣＵ１００は、ステップＳ２で吸気カムシャフト１３の実回転位相を検出し、実回転位相とデフォルト位置との偏差を算出する。そして、その偏差分、吸気カムシャフト１３を回転させて、カム軸の回転位相を修正する。これによりカム軸回転位相は、エンジンの始動の際に要求される回転位相、すなわちデフォルト位置へ修正される。ここで、ＥＣＵ１００はステップＳ２の処理を終えると、ふたたびステップＳ１の処理を行い、カム軸の回転位相がデフォルト位置にあるか否かを再度判断する。

ＥＣＵ１００は、ステップＳ１の判断結果がＹＥＳである場合、すなわち吸気カムシャフト１３がデフォルト位置にある場合は、つづいてステップＳ３の処理を行う。ＥＣＵ１００は、ステップＳ３でインジェクタ２５にデフォルト位置で要求される燃料量・噴射タイミングを指示し、燃料噴射を開始させてエンジン１を始動させる。

以上のように、エンジン１は始動の際にカム軸の回転位相のずれを検出し、それに基づいてカム軸の回転位相を修正し、その間の燃料噴射を停止することから、エンジン１はその始動時に要求される適切なバルブタイミングで燃料噴射を開始できる。よって、始動時のオーバーリーン・オーバーリッチを抑制することができ、エンジンの始動性を向上することができる。

次に、本発明の実施例２について説明する。図４は実施例のエンジン１に搭載されたＥＣＵ１００の処理を示すフローチャートの一例である。なお、実施例１と同様の処理については、図面中、同一の参照番号を付す。ＥＣＵ１００は、始動要求があるとステップＳ１に進む。そしてステップＳ１で、吸気カムシャフト１３のカム軸の回転位相がデフォルト位置にあるか否かを判断する。ステップＳ１の判断結果がＹＥＳである場合、すなわち吸気カムシャフト１３がデフォルト位置にある場合は、次にステップＳ３へ進む。ステップＳ１の判断結果がＮＯである場合、すなわち吸気カムシャフト１３の回転位相がデフォルト位置にない場合は、ＥＣＵは次にステップＳ４の処理を行う。

ＥＣＵ１００は、ステップＳ４で任意時間Ｔ秒が経過したか否かを判断する。ステップＳ４の判断がＮＯである場合、ＥＣＵ１００は次のステップＳ２へ進み、カム軸回転位相の修正を行った後に、ふたたびステップＳ１の処理を行う。すなわち、カム軸の回転位相をデフォルト位置まで修正する処理をＴ秒間繰り返し行う。ステップＳ４の判断がＹＥＳである場合、すなわち回転位相の修正処理をＴ秒間繰り返しても、カム軸の回転位相をデフォルト位置に修正できない場合、ＥＣＵ１００は電動ＶＶＴ機構の作動不良と判断する。そして、次のステップＳ５へと進む。

ＥＣＵ１００は、ステップＳ５でカム軸の実回転位相における吸入空気量を算出し、その空気量に対しエンジン１が始動可能な空燃比となるよう燃料噴射量を決定する。ステップＳ５の処理の後に、ＥＣＵ１００はステップＳ３へと進む。

ＥＣＵ１００はステップＳ１でＹＥＳと判断する場合、もしくはステップＳ５の処理の後に、ステップＳ３へと進む。ステップＳ３でＥＣＵ１００は、カム軸の実回転位相に基づいて決定した燃料量の噴射をインジェクタ２５に指示し、インジェクタ２５は指示された燃料を噴射することで、エンジン１を始動させる。

以上のように、エンジン１は電動ＶＶＴ機構の不良等により、任意時間でカム軸回転位相が目標位相と一致しない場合でも、カム軸の実回転位相に基づいて燃料噴射量を調整することで、エンジンを始動させることができる。

上記実施例は本発明を実施するための一例にすぎない。よって本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

例えば、本発明の内燃機関の制御装置は、内燃機関の始動の際にバルブタイミング最遅角から目標位相までカム軸の回転位相を変更する間に、カム軸の実位相を連続的に検出しつつ、その検出された実位相ごとに燃料噴射量を決定し、燃料の噴射を実行して内燃機関を始動することもできる。これにより、内燃機関は理想的な空燃比を始動直後から達成することができ、よって始動時の排気エミッションを向上させることができる。

通常の始動時のバルブタイミングと、カム軸の回転位相ズレ時のバルブタイミング例を示した説明図である。 実施例１のエンジンの概略構成を示した説明図である。 ＥＣＵが行う制御のフローを示している。 実施例２のＥＣＵが行う制御のフローを示している。

符号の説明

１ エンジン
１ａ 燃焼室
２ ピストン
３ クランクシャフト
５ クランク角センサ
８ 吸気ポート
１０ 排気ポート
１２ 吸気バルブ
１３ 吸気カムシャフト
１４ 排気バルブ
１５ 排気カムシャフト
１６ 電動可変動弁機構（電動ＶＶＴ機構）
１７ 電動モータ
１８ 吸気カム角センサ（カムシャフト実回転位相検出手段）
１９ 油圧可変動弁機構（油圧ＶＶＴ機構）
２０ オイルコントロールバルブ（ＯＣＶ）
２１ 排気カム角センサ（カムシャフト実回転位相検出手段）
２５ インジェクタ
１００ ＥＣＵ（可変動弁機構制御手段、目標位相算出手段、燃料噴射制御手段）

Claims (3)

1. クランク軸およびカム軸間の回転位相を変更することによりバルブタイミングを可変とする可変動弁機構を備えた内燃機関において、
   内燃機関の始動の際における前記回転位相の目標位相を算出する目標位相算出手段と、
   内燃機関の始動の際に前記回転位相が前記目標位相と一致するように前記可変動弁機構を制御する可変動弁機構制御手段と、
   内燃機関の始動の際に前記回転位相が前記目標位相と一致するまでの間の実回転位相を検出する検出手段と、
   前記実回転位相と前記目標位相との偏差に基づいて燃料噴射量を制御する燃料噴射制御手段とを備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 請求項１記載の制御装置において、
   前記燃料噴射制御手段は、前記回転位相が前記目標位相と一致するまで燃料の噴射を禁止することを特徴とする内燃機関の制御装置。
3. 請求項１記載の制御装置において、
   前記燃料噴射制御手段は、あらかじめ設定された期間内に前記回転位相が前記目標位相と一致しない場合には、内燃機関が始動可能な空燃比となるように前記実回転位相に基づいて燃料噴射量を決定して燃料を噴射することを特徴とする内燃機関の制御装置。

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