JP2009228545A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、プレヒート制御の終了後に初回のファイアリングを安定的に実行することを目的とする。
【解決手段】内燃機関のモータリング中には、プレヒート制御を実行する。プレヒート制御では、排気バルブ４０を閉弁した状態で吸気バルブ３８を開，閉させることにより、圧縮空気の吹き返しを吸気ポート２０内に噴出させる。また、プレヒート制御の終了時には、初爆用燃料が噴射される前に排気バルブ４０を開弁させる。これにより、プレヒート制御により気筒内に残されていた圧縮空気を排気系に逃がすことができる。従って、吸気系への吹き返しが殆ど生じないから、吸気バルブ３８の開弁時には、初爆用の噴射燃料を気筒内に安定的に吸込むことができる。また、燃料の噴射期間を、吹き返しが生じない分だけ進角側に延長することができ、初爆時に十分な燃料噴射量を確保することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、可変動弁手段を備えた内燃機関の制御装置に関し、特に、始動時にバルブタイミングを制御する構成とした内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１（特開２００７−１６７１０号公報）に開示されているように、内燃機関の始動時に吸気バルブと排気バルブのバルブタイミングを制御する構成とした制御装置が知られている。この種の従来技術による内燃機関の制御装置は、内燃機関の始動（モータリングまたはクランキング）が行われるときに、排気バルブを閉弁状態に保持し、吸気バルブのみを開，閉させる。

これにより、始動時には、吸気バルブの閉弁中に気筒内で圧縮された空気が高温・高圧の圧縮空気となり、この圧縮空気は、吸気バルブが開弁したときに、吸気ポート側に吹き返すようになる。このように、従来技術では、内燃機関の始動が開始されてから初回のファイアリング（以下、初爆と称す）が行われるまでの間に、圧縮空気の吹き返しを利用して吸気ポート等を予熱するプレヒート制御を行う構成としている。

特開２００７−１６７１０号公報

上述した従来技術では、内燃機関の始動中にプレヒート制御を実施し、吸気ポート等を予熱する構成としている。しかしながら、プレヒート制御からファイアリングに移行するときの吸気行程、即ち、初爆の直前に行われる吸気行程の開始時には、プレヒート制御で最後に圧縮された圧縮空気が気筒内に残っている。この圧縮空気は、吸気バルブが開弁したときに、吸気ポート側に吹き返すことになる。

従って、初爆直前の吸気行程では、吸気ポートに燃料を噴射しても、圧縮空気の吹き返しにより噴射燃料が押し戻されてしまうことがあり、燃料を気筒内に流入させるのが難しい。このため、従来技術では、初爆時の空燃比がリーン状態となって失火することがあり、これによって始動時の運転性や排気エミッションが悪化するという問題がある。

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、プレヒート制御の終了後に初回のファイアリングを安定的に行うことができ、始動時の運転性や排気エミッションを向上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している。

第１の発明は、内燃機関に設けられた吸気バルブと排気バルブのうち、少なくとも前記排気バルブを閉弁状態に保持することが可能な可変動弁手段と、
内燃機関の始動を開始してから初回のファイアリングが開始されるまでの期間の少なくとも一部であるプレヒート期間中に、前記可変動弁手段により前記排気バルブを閉弁状態に保持した状態で前記吸気バルブを開，閉させるプレヒート制御手段と、
前記初回のファイアリング時に燃焼させる初爆用燃料が噴射される前に、前記排気バルブを開弁させる排気バルブ早開き制御手段と、
を備えることを特徴とする。

第２の発明によると、第１の発明において、
前記排気バルブ早開き制御手段は、前記初爆用燃料が噴射される前に、前記排気バルブを前記プレヒート制御手段による閉弁状態から通常の開，閉状態に復帰させる構成としている。

第３の発明によると、第１または第２の発明において、
前記排気バルブ早開き制御手段により設定された前記排気バルブの開弁期間中に、前記初爆用燃料の噴射を開始する早期噴射開始手段を備える構成としている。

第１の発明によれば、排気バルブ早開き制御手段は、初爆用燃料が噴射される前に、排気バルブを開弁させることができる。このため、プレヒート制御により気筒内に残されていた圧縮空気を排気系に逃がすことができ、その後に吸気バルブを開弁させ、初爆用燃料を噴射することができる。これにより、吸気系には、残留空気の吹き返しが殆ど生じないから、初爆用燃料の噴射時期と、吸気バルブの開弁時期とが時間的にどのような関係であっても、初爆用燃料が吹き返しにより吸気系に押し戻されるのを回避することができる。

このため、初爆用燃料を気筒内にスムーズに流入させることができ、初回のファイアリングを安定的に行うことができる。従って、プレヒート制御の直後であっても、初爆時の失火等を確実に阻止することができ、始動時の運転性や排気エミッションを向上させることができる。また、吸気バルブが開弁しても、吹き返しが殆ど生じないので、初爆用燃料を吸気バルブの開弁前から長い期間にわたって噴射することが可能となり、初爆時の燃料噴射量を十分に確保することができる。

第２の発明によれば、排気バルブ早開き制御手段の作動時には、排気バルブを閉弁状態から通常の開，閉状態に復帰させるだけなので、制御の切換をスムーズに行うことができる。つまり、排気バルブを早期に開弁させるために、初爆時に特別なバルブタイミング制御等を実施する必要がないので、初爆以降の通常のバルブタイミング制御にスムーズに移行することができる。

第３の発明によれば、早期噴射開始手段は、排気バルブ早開き制御手段により設定された排気バルブの開弁期間中に、初爆用燃料の噴射を開始することができる。ここで、初爆用燃料の噴射は、吹き返しの影響が減少してから開始するのが好ましく、かつ噴射燃料が吸気行程に反映されるうちに終了する必要がある。このため、初爆用燃料の噴射時期は一定の期間内に制限されるので、始動性確保の要求等により初爆時の燃料噴射期間（噴射量）が増大すると、十分な量の初爆用燃料を適切なタイミングで噴射するのが難しい。

これに対し、排気バルブ早開き制御手段によれば、吸気バルブが開弁する前に、気筒内の残留圧力を排気系に逃がすことができる。このため、早期噴射開始手段は、初爆用燃料の噴射を排気バルブの開弁期間中に開始したとしても、この燃料を気筒内にスムーズに流入させることができる。これにより、初爆用燃料の噴射期間を進角側に大きく延長することができる。従って、燃料噴射量を十分に確保し、始動性を向上させることができる。また、噴射燃料が気筒内に到達するまでの時間も長くなるから、燃料の気化を促進することができ、ＨＣ等の排出量を低減することができる。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
以下、図１乃至図３を参照しつつ、本発明の実施の形態１について説明する。まず、図１は、実施の形態１のシステム構成を説明するための全体構成図を示している。本実施形態のシステムは、例えば４気筒型の内燃機関１０を備えている。また、内燃機関１０の各気筒１２内には、ピストン１４がそれぞれ設けられている。これらのピストン１４は、各気筒１２内に燃焼室１６を形成している。また、各ピストン１４は、内燃機関のクランク軸１８に連結されている。

各気筒１２は、燃焼室１６に連通する吸気ポート２０と排気ポート２２とを備えている。吸気ポート２０には、吸入空気が流通する吸気通路２４が接続され、排気ポート２２には、排気ガスが流通する排気通路２６が接続されている。吸気通路２４の流入口近傍には、吸入空気量を検出するエアフローメータ２８と、吸入空気量を調整するスロットルバルブ３０とが設けられている。スロットルバルブ３０は、アクセル開度等に基づいてスロットルモータ３２により駆動される。

さらに、吸気通路２４には、吸気ポート２０内に燃料を噴射する燃料噴射弁３４が配置されている。一方、各気筒１２は、燃焼室１６内の混合気に点火する点火プラグ３６と、吸気ポート２０を燃焼室１６に対して開，閉する吸気バルブ３８と、排気ポート２２を燃焼室１６に対して開，閉する排気バルブ４０とを備えている。

また、内燃機関１０には、例えば電磁駆動式の動弁機構４２，４４が搭載されており、これらは可変動弁手段を構成している。ここで、吸気側の動弁機構４２は、例えば特開２００７−１６７１０号公報に記載されているように、ソレノイド等で電磁力を発生させることにより吸気バルブ３８を開，閉させる。この場合、動弁機構４２は、吸気バルブ３８の開閉タイミング（開弁時期と閉弁時期）を可変に設定することができる。

一方、排気側の動弁機構４４も同様に、電磁力により排気バルブ４０を開，閉させることができ、その開閉タイミングを可変に設定することができる。また、動弁機構４４は、排気バルブ４０を必要に応じて一時的に閉弁状態に保持することができる。なお、本発明において、吸気側と排気側の可変動弁手段は、電磁駆動式の動弁機構４２，４４に限定されるものではない。

また、内燃機関１０は、クランク軸１８の回転角（クランク角）を検出するためのクランク角センサ４６と、内燃機関を始動するためのモータ４８とを備えている。モータ４８は、例えばオペレータがスタータスイッチを操作することにより作動し、クランク軸１８を回転駆動する動作（モータリング）を行う。この場合、例えば内燃機関の出力と電動モータの出力とを併用するハイブリッド車両等では、ＥＣＵ５０によってもモータ４８が駆動され、内燃機関が始動する。

また、本実施の形態のシステムは、内燃機関の運転状態を制御するためのＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０を備えている。ＥＣＵ５０は、例えばＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶回路を備えたマイクロコンピュータにより構成されている。そして、ＥＣＵ５０の入力側には、上述したエアフローメータ２８、クランク角センサ４６等に加えて、内燃機関の冷却水温を検出する水温センサ、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ、排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ等を含むセンサ系統が接続されている。

ＥＣＵ５０の出力側には、スロットルモータ３２、燃料噴射弁３４、点火プラグ３６、動弁機構４２，４４等を含めて各種のアクチュエータが接続されている。そして、ＥＣＵ５０は、内燃機関の運転状態をセンサ系統により検出しつつ、各アクチュエータを駆動することにより運転制御を行う。この運転制御には、後述のプレヒート制御、吸気バルブ早開き制御、通常の吸気バルブ制御等が含まれている。

（プレヒート制御）
図２は、内燃機関の始動時から始動後にかけての燃料噴射、点火及びバルブのリフト状態を示すタイミングチャートである。この図に示すように、内燃機関の始動中（モータリング中）には、プレヒート制御が行われる。この場合、プレヒート制御は、モータ４８により内燃機関のモータリングが開始されてから、所定の終了条件が成立するまでの期間（プレヒート期間）中に実行される。

ここで、プレヒート制御の終了条件を例示すれば、（１）モータ４８が作動を開始してから吸気ポート２０等の予熱に必要な時間が経過したか否か、（２）モータ４８が作動を開始してから予熱に必要な回数だけクランク軸１８が回転したか否か、（３）温度センサ等により検出した吸気ポート２０等の温度が十分に上昇したか否か、などである。

そして、プレヒート期間中には、図２に示すように、燃料噴射制御及び点火制御が停止状態に保持される。また、排気バルブ４０は、排気側の動弁機構４４により閉弁状態に保持される。一方、吸気バルブ３８は、吸気側の動弁機構４２により所定のバルブタイミングで開，閉される。

ここで、所定のバルブタイミングとは、例えば吸気上死点の近傍から吸気下死点の近傍までの期間として設定されている。このため、通常の燃焼サイクルにおける排気行程では、バルブ３８，４０の両方が閉弁した状態でピストン１４が圧縮動作を行うことになり、燃焼室１６内の空気は高温・高圧の圧縮空気となる。この圧縮空気は、吸気バルブ３８が開弁したときに、高温・高圧の吹き返しとなって吸気ポート２０内に噴出する。

従って、プレヒート制御によれば、吸気ポート２０、吸気バルブ３８等を高温の圧縮空気により予熱することができ、内燃機関の暖機を促進することができる。これにより、冷間始動時等であっても、暖機を速やかに完了して燃焼状態を安定させることができ、始動性や排気エミッションを向上させることができる。

しかも、プレヒート制御中には、吸気バルブ３８を吸気上死点の近傍から吸気下死点の近傍まで長い期間にわたって開弁させることができる。このため、吸気行程では、強い吹き返しが生じる吸気上死点の近傍だけでなく、吸気行程後半の吹き返しが弱まる時期にも気筒内に空気を吸込むことができ、吸気行程初めの吹き返しにより気筒内への吸気動作が妨げられるのを回避することができる。

これにより、吸気ポート２０側に一旦噴出させた暖かい空気を気筒内に効率よく吸込むことができ、また気筒内への空気の充填効率を最も高くすることができる。即ち、空気を短時間で効率よく予熱することができるから、この暖かい空気により噴射燃料の気化を促進することができ、プレヒート制御の効果を最大限に発揮することができる。

（排気バルブ早開き制御）
プレヒート制御が終了してから、初回のファイアリング（初爆）が行われるまでの移行期間には、燃料噴射弁３４から吸気ポート２０内に燃料が噴射される。この初爆用燃料は、初爆の直前に行われる吸気行程で気筒内に流入する。しかしながら、初爆直前の吸気行程が開始されるときには、プレヒート制御で最後に圧縮された圧縮空気が気筒内に残っている。この圧縮空気は、吸気バルブ３８の開弁時に吸気ポート２０側に吹き返し、初爆用燃料が気筒内に流入するのを妨げることになる。

そこで、本実施の形態では、上述した移行期間中に排気バルブ早開き制御を実施する構成としている。排気バルブ早開き制御では、初爆用燃料が噴射される前に、排気バルブ４０を開弁させる。具体的には、図２中に点線で示すように、初爆直前の排気行程（排気行程相当のクランク角）において、排気バルブ４０をプレヒート制御中の閉弁状態から通常の開，閉状態（初爆以降に実施されるバルブタイミング）に復帰させるものである。

ここで、排気バルブ４０は、通常の開，閉状態において、排気行程が始まる下死点の近傍で開弁するが、この開弁時期は、一般的な燃料噴射の開始時期よりも早い。従って、初爆直前の排気行程で排気バルブ４０が通常の開，閉状態に復帰すると、まず排気バルブ４０が開弁してから、その後に初爆用燃料が噴射されることになる。

このため、プレヒート制御により気筒内に残されていた圧縮空気は、排気バルブ４０が開弁した時点で排気ポート２２内に噴出し、気筒内の圧力は、吸気バルブ３８が開弁する前に低下する。これにより、初爆用燃料が噴射されるときには、吸気バルブ３８が開弁しても、圧縮空気の吹き返しが殆ど生じなくなる。

従って、排気バルブ早開き制御によれば、気筒内の残留圧力を排気系に逃がすことができ、その後に吸気バルブ３８を開弁させ、初爆用燃料を噴射することができる。これにより、吸気系には、残留空気の吹き返しが殆ど生じないから、初爆用燃料の噴射時期と、吸気バルブ３８の開弁時期とが時間的にどのような関係であっても、初爆用燃料が吹き返しにより吸気ポート２０側に押し戻されるのを回避することができる。

このため、初爆用燃料を気筒内にスムーズに流入させることができ、初回のファイアリングを安定的に行うことができる。従って、プレヒート制御の直後であっても、初爆時の失火等を確実に阻止することができ、始動時の運転性や排気エミッションを向上させることができる。

また、排気バルブ早開き制御では、排気バルブ４０を閉弁状態から通常の開，閉状態に復帰させるだけなので、制御の切換をスムーズに行うことができる。つまり、排気バルブを早期に開弁させるために、初爆時に特別なバルブタイミング制御等を実施する必要がないので、初爆以降の通常のバルブタイミング制御にスムーズに移行することができる。

また、従来の制御では、吸気バルブ３８の開弁前に初爆用燃料を噴射しても、開弁時に生じる吹き返しの影響で燃料が気筒内に到達しにくい。一方、燃料の噴射時期が遅すぎると、燃料が吸気行程に反映されないから、噴射時期を遅らせるには限界がある。このように、初爆用燃料の噴射時期は一定の期間内に制限されるのに対し、初爆時の燃料噴射期間（噴射量）は、始動性確保の要求等から増大する傾向がある。このため、従来の制御では、十分な量の初爆用燃料を適切なタイミングで噴射するのが難しい。

これに対し、本実施の形態では、吸気バルブ３８が開弁する前に、気筒内の残留圧力を排気系に逃がすことができる。このため、例えば図２中の矢印Ａに示すように、初爆用燃料を吸気バルブ３８の開弁前に噴射したとしても、この燃料を気筒内にスムーズに流入させることができる。従って、本実施の形態によれば、排気バルブ４０の開弁期間中に、初爆用燃料の噴射を開始する早期噴射開始制御が実行可能となる。

この早期噴射開始制御によれば、初爆用燃料の噴射期間を吸気バルブ３８の開弁時期よりも進角側に延長することができ、噴射期間を十分に確保することができる。これにより、初爆時に要求される量の燃料噴射を、吸気行程に対して適切なタイミングで行うことができ、始動性を向上させることができる。また、噴射期間を延ばすことにより、噴射燃料が気筒内に到達するまでの時間も長くなるから、燃料の気化を促進し、ＨＣ等の排出量を低減することができる。

［実施の形態１を実現するための具体的な処理］
図３は、本実施の形態のシステム動作を実現するために、ＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。なお、図３に示すルーチンは、ＥＣＵ５０の電源投入時に開始され、一定の時間毎に繰返し実行されるものである。

まず、ＥＣＵ５０は、運転者の始動操作や車両側の始動要求等によりモータリングが開始されたか否かを判定する（ステップ１００）。なお、モータリングを実施した経歴がないときには、ステップ１００で待機する。

上記判定が不成立のときには、モータリングが終了しているので、後述のステップ１０８に移る。また、判定が成立したときには、モータリング中であるから、前述したプレヒート制御を実施する。即ち、吸気バルブ３８を吸気上死点から吸気下死点まで開弁させ（ステップ１０２）、排気バルブ４０を閉弁状態に保持する（ステップ１０４）。

そして、プレヒート制御を実行しつつ、前述したプレヒート制御の終了条件が成立したか否かを判定する（ステップ１０６）。この判定が不成立のときには、プレヒート制御を終了すべきタイミングではないので、判定が成立するまでプレヒート制御を続行する。また、前記終了条件が成立したときには、プレヒート制御を終了し、排気バルブ早開き制御に移行する。即ち、排気バルブ４０を、ステップ１０４での閉弁状態から通常の開，閉状態に復帰させる（ステップ１０８）。

これにより、気筒内の残留圧力が排気系に放出されるので、初爆用燃料の噴射期間は、吸気バルブ３８の開弁前（排気バルブ４０の開弁中）まで進角側に延長することが可能となる。そこで、ステップ１１０では、例えば内燃機関の温度状態等に応じて初爆用燃料の噴射量を増量するか否かを判定する。

そして、ステップ１１０の判定成立時には、初爆用燃料の噴射期間を進角側に延長する（ステップ１１２）。これにより、冷間始動時等であっても、初爆用燃料の噴射量を必要に応じて十分に増量することができる。また、上記判定の不成立時には、初爆用燃料の噴射期間を延長する必要がない。このため、例えば初爆用燃料の噴射開始時期を吸気上死点またはそれ以降に設定し、通常の燃料噴射制御を実施する（ステップ１１４）。

このように、本実施の形態によれば、各気筒の初爆時に排気バルブ早開き制御を実行することができる。これにより、プレヒート制御を行ったとしても、初爆時の燃焼状態が悪影響を受けずに済むから、制御の切換をスムーズに行うことができる。

なお、前記実施の形態では、図３中のステップ１０２，１０４がプレヒート制御手段の具体例を示し、ステップ１０８が排気バルブ早開き制御手段の具体例を示している。また、ステップ１１２は、早期噴射開始手段の具体例を示している。

また、実施の形態では、排気バルブ早開き制御の具体例として、排気バルブ４０を閉弁状態から通常の開，閉状態に復帰させる構成とした。しかし、本発明において、排気バルブ４０は、少なくとも初爆用燃料が噴射される前に開弁すればよいものであり、必ずしも通常の開，閉状態に復帰させる必要はない。

また、実施の形態では、排気バルブ早開き制御を実行する前提で、排気バルブ４０の開弁期間中に初爆用燃料の噴射を開始する早期噴射開始制御を行う構成とした。しかし、本発明は、必ずしも早期噴射開始制御を実行する必要はなく、初爆時に通常の燃料噴射制御を行う構成としてもよい。

また、実施の形態では、電磁駆動式の動弁機構４２，４４を用いる構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、例えばクランク軸１８にチェーン等の手段で連結された機械式の動弁機構と、この動弁機構に付設された油圧式の可変バルブタイミング機構（ＶＶＴ）とによって可変動弁手段を構成してもよい。

また、各実施の形態では、一般的な始動時にプレヒート制御を行う構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、例えば温度センサ等によって内燃機関１０の温度状態を検出することにより、冷間始動時にのみプレヒート制御を実行し、暖機後の再始動時等にはプレヒート制御を実行しない構成としてもよい。

本発明の実施の形態１によるシステム構成を示す全体構成図である。 内燃機関の始動時から始動後にかけての燃料噴射、点火及びバルブのリフト状態を示すタイミングチャートである。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０ 内燃機関
１２ 気筒
１４ ピストン
１６ 燃焼室
１８ クランク軸
２０ 吸気ポート
２２ 排気ポート
２４ 吸気通路
２６ 排気通路
２８ エアフローメータ
３０ スロットルバルブ
３２ スロットルモータ
３４ 燃料噴射弁
３６ 点火プラグ
３８ 吸気バルブ
４０ 排気バルブ
４２ 吸気側の動弁機構（可変動弁手段）
４４ 排気側の動弁機構（可変動弁手段）
４６ クランク角センサ
４８ モータ
５０ ＥＣＵ

Claims (3)

1. 内燃機関に設けられた吸気バルブと排気バルブのうち、少なくとも前記排気バルブを閉弁状態に保持することが可能な可変動弁手段と、
   内燃機関の始動を開始してから初回のファイアリングが開始されるまでの期間の少なくとも一部であるプレヒート期間中に、前記可変動弁手段により前記排気バルブを閉弁状態に保持した状態で前記吸気バルブを開，閉させるプレヒート制御手段と、
   前記初回のファイアリング時に燃焼させる初爆用燃料が噴射される前に、前記排気バルブを開弁させる排気バルブ早開き制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記排気バルブ早開き制御手段は、前記初爆用燃料が噴射される前に、前記排気バルブを前記プレヒート制御手段による閉弁状態から通常の開，閉状態に復帰させる構成としてなる請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記排気バルブ早開き制御手段により設定された前記排気バルブの開弁期間中に、前記初爆用燃料の噴射を開始する早期噴射開始手段を備えてなる請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。

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