JP2009275655A - 内燃機関の始動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の始動制御装置において、内燃機関をより迅速に始動することを可能とする。
【解決手段】内燃機関の始動制御装置（１００及び２００）は、燃焼室内への吸気を行うための吸気弁の開閉時期に対応した位相量を変更可能な可変動弁手段（１０）と、可変動弁手段の動作異常を検出する異常検出手段（１００及び１０ａ）と、可変動弁手段の位相量を特定する特定手段（１０ａ）と、燃焼室内へ燃料を噴射する噴射手段（２１１）と、特定された位相量に応じて、燃料の噴射量を基準量に対して増加側又は減少側に変化させる変化手段（１００）と、内燃機関の始動時に、動作異常が検出される場合、基準量の燃料に代えて、変化された噴射量の燃料を噴射するように噴射手段を制御する制御手段（１００）とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばＶＶＴ−ｉ（Variable Valve Timing intelligent system：ＶＶＴ−ｉ）のように、吸気弁の動弁特性を変更可能な可変動弁手段を備える内燃機関の始動制御装置の技術分野に関する。

この種の可変動弁手段を用いて、吸気弁の開閉動作を工夫して、内燃機関の燃費を向上させるための技術が各種提案されている。例えば、特許文献１等では、電動式の可変動弁装置（ＶＶＴ）を備えたエンジンの始動時に目標とする位置や位相量へカムを駆動させる技術に関して提案されている。また、特許文献２等では、エンジンの始動時において、カムやクランクシャフトの位置や位相量を判定した後に、その位置や位相量に応じて燃料の噴射時期を設定すると共に燃料噴射量を設定する技術に関して提案されている。また、特許文献３又は特許文献４等では、電動式のＶＶＴのモータが故障した際には、ＶＶＴに油圧を導入し、ロックピンで中間状態にロックすることで、エンジンの始動性を向上させる技術に関して提案されている。また、特許文献５等では、油圧式のＶＶＴが故障し、その後、エンジンの運転状態がアイドル運転状態となった場合に、燃料噴射量を増量することで、燃焼状態を安定化させる技術に関して提案されている。

特開２００６−１２５３３４号公報 特表平８−５０６３９７号公報 特開２０００−２２７０１０号公報 特開２００６−９７５８０号公報 特開平４−３６２２４９号公報

しかしながら、上述した特許文献１等によれば、電動式のＶＶＴにおいて故障が発生した場合、エンジンを始動するために適したカムの位置や位相量にＶＶＴを駆動させることが困難となってしまうという技術的な問題点が生じる。このため、エンジンの始動時に、空燃比がオーバーリーン又はオーバーリッチとなり、エンジンの始動性が悪化してしまうという技術的な問題点が生じる。

そこで、本発明は、例えば上記の問題点に鑑みなされたものであり、内燃機関をより迅速に始動することが可能な内燃機関の始動制御装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る内燃機関の始動制御装置は、内燃機関の燃焼室内への吸気を行うための吸気弁の開閉時期に対応した位相量を変更可能な可変動弁手段と、前記可変動弁手段の動作異常を検出する異常検出手段と、前記可変動弁手段の位相量を特定する特定手段と、前記燃焼室内へ燃料を噴射する噴射手段と、前記特定された位相量に応じて、前記燃料の噴射量を基準量に対して増加側又は減少側に変化させる変化手段と、前記内燃機関の始動時に、前記動作異常が検出される場合、前記基準量の前記燃料に代えて、前記変化された噴射量の前記燃料を噴射するように前記噴射手段を制御する制御手段とを備える。

本発明に係る「内燃機関」とは、一又は複数の気筒を有し、当該気筒の各々における燃焼室において、例えばガソリン、軽油或いは各種アルコール等の燃料と吸入空気との混合体である混合気が燃焼した際に発生する力を、例えばピストン、コネクティングロッド及びクランクシャフト等の機械的な伝達経路を経る等して、動力として取り出すことが可能に構成された機関を包括する概念であり、例えば２サイクル或いは４サイクルレシプロエンジン等を指す。

本発明に係る「可変動弁手段」とは、内燃機関の燃焼室と吸気管とを所定タイミングで連通する吸気弁の開閉時期に対応した位相量を変更可能である。ここに、本発明に係る「位相量」とは、吸気弁の開閉時期に一義的に対応した可変動弁手段の作動量、駆動量又は操作量を意味し、典型的には可変動弁手段における、クランクシャフトに対するカムシャフトの位相量を意味する。例えばＶＶＴ−ｉ（ＶＶＴ：Variable Valve Timing）等の可変動弁手段は、例えばＣａｍ ｂｙ Ｗｉｒｅ機構等の内燃機関の動力によって駆動されてよい、或いは、電磁駆動弁機構等の内燃機関の動力によらないで駆動されてよい。尚、可変動弁手段は、位相量を変更することで、上述の吸気弁の開閉時期に加えてリフト量を変更してよい。

本発明に係る内燃機関の始動制御装置によれば、可変動弁手段について動作異常が発生すると、異常検出手段によって、当該動作異常が検出される。ここで検出される動作異常とは、実際の可変動弁手段の位相量と、例えばＥＣＵ（Engine Control Unit）等によって指示された可変動弁手段の位相量との差が、所定閾値よりも大きい状態を意味する。典型的には、この動作異常とは、開き側故障（即ち、何らかの原因によって吸気弁が通常時と比べて開く側に偏移して作動する又は該開く側に固定されてしまう故障）や、閉じ側故障（即ち、何らかの原因によって吸気弁が通常時と比べて閉じる側に偏移して作動する又は該閉じる側に固定されてしまう故障）に起因して発生することがある。

特定手段によって、可変動弁手段の位相量が特定される。本発明に係る「特定」とは、典型的には、上述した可変動弁手段の位相量を示す何らかの物理量やパラメータの範囲から位相量の大きさを直接的又は間接的に「特定」「推定」等することを意味する。このことに加えて又は代えて、本発明に係る特定とは、上述した可変動弁手段の位相量を示す何らかの物理量やパラメータの範囲から位相量の大きさを直接的又は間接的に「検知」「検出」「測定」等することを意味する。

変化手段は、特定された位相量に応じて、燃料の噴射量を基準量に対して増加側又は減少側に変化させる。ここに、本発明に係る基準量とは、可変動弁手段に動作異常が発生していない場合における燃料の噴射量を意味し、典型的には、吸気弁が、下死点（ＢＤＣ：Bottom Dead Center）から７０度のクランク角度だけ遅角した位置での閉弁した場合に吸気された空気量に対して、理想空燃比を実現可能な燃料の噴射量を意味してよい。

制御手段の制御下で、内燃機関の始動時に、上述した可変動弁手段の動作異常が検出される場合、噴射手段によって、上述の基準量の燃料に代えて、変化された噴射量の燃料が噴射される。

これにより、内燃機関の始動時に、上述した可変動弁手段の動作異常が検出される場合、特定された可変動弁手段の位相量に対応する吸気弁の開閉時期のうち少なくとも閉弁時期に応じて、内燃機関の始動時における気筒内の空気量を定量的又は定性的に把握可能である。これにより、燃料を、この定量的又は定性的に把握された空気量に応じて、気筒の燃焼室内の混合気が理想空燃比により近づくように、基準量に対して増加側又は減少側に変化させた噴射量だけ噴射させることができる。これにより、内燃機関の始動時において、可変動弁手段の動作異常の影響を殆ど又は完全に無くしつつ、気筒の燃焼室内の混合気を理想空燃比により近づかせ、言い換えると、空燃比が理想空燃比からリッチ側又はリーン側に顕著にかけ離れることを効果的に抑制させ、より確実且つ適切に燃料を燃焼することができるので、内燃機関をより迅速に始動させることができる。

本発明に係る内燃機関の始動制御装置の一の態様では、前記内燃機関の機関温度を検出する第１温度検出手段を更に備え、前記変化手段は、前記特定された位相量に加えて、前記検出された機関温度に応じて、前記燃料の噴射量を前記基準量に対して増加側又は減少側に変化させる。

この態様によれば、例えば、吸気管に設けられた温度センサ等の第１温度検出手段によって、内燃機関の機関温度が検出される。ここに、「内燃機関の機関温度」とは、吸気管或いは燃焼室内に噴射される燃料の状態を、直接的或いは間接的に特定するための、定量的な尺度を示す包括的な概念である。ここに、燃料の状態とは、吸気管或いは燃焼室内における、蒸発燃料の発生の度合いや発生量を意味してよいし、或いは、燃料の状態とは、吸気管或いは燃焼室の壁面に付着する燃料の付着の度合いや付着量を意味してよい。従って、内燃機関の機関温度は、例えばエンジン冷却水の温度やシリンダ外壁の温度などであってもよく、実践上は、既存の温度センサが検出した出力情報を利用するのが好ましく、或いは、専用の温度センサを設けてよい。

変化手段は、特定された位相量に加えて、検出された機関温度に応じて、燃料の噴射量を基準量に対して増加側又は減少側に変化させる。

これにより、内燃機関の始動時において、可変動弁手段の動作異常の影響を殆ど又は完全に無くすことに加えて、機関温度に起因する蒸発燃料や付着燃料の影響を殆ど又は完全に無くしつつ、気筒の燃焼室内の混合気を理想空燃比により近づかせ、言い換えると、空燃比が理想空燃比からリッチ側又はリーン側に顕著にかけ離れることを効果的に抑制させることが可能である。

本発明に係る内燃機関の始動制御装置の他の態様では、前記内燃機関へ吸引された吸気の吸気温度を検出する第２温度検出手段を更に備え、前記変化手段は、前記特定された位相変化量に加えて、前記検出された吸気温度に応じて、前記燃料の噴射量を前記基準量に対して増加側又は減少側に変化させる。

この態様によれば、例えば、吸気管に設けられた温度センサ等の第２温度検出手段によって、内燃機関へ吸引された吸気の吸気温度が検出される。ここに、「吸気温度」とは、吸気管或いは燃焼室内に噴射され、吸気と混合される燃料の状態を、直接的或いは間接的に特定するための、定量的な尺度を示す包括的な概念である。従って、内燃機関へ吸引された吸気の吸気温度は、例えば内燃機関を搭載した車両の外界の温度（所謂、外気温度）などであってもよく、実践上は、既存の温度センサが検出した出力情報を利用するのが好ましく、或いは、専用の温度センサを設けてよい。変化手段は、特定された位相量に加えて、検出された吸気温度に応じて、燃料の噴射量を基準量に対して増加側又は減少側に変化させる。

これにより、内燃機関の始動時において、可変動弁手段の動作異常の影響を殆ど又は完全に無くすことに加えて、吸気温度に起因する蒸発燃料や付着燃料の影響を殆ど又は完全に無くしつつ、気筒の燃焼室内の混合気を理想空燃比により近づかせることが可能である。言い換えると、空燃比が理想空燃比からリッチ側又はリーン側に顕著にかけ離れることを効果的に抑制させることが可能である。

上述した変化手段に係る態様では、前記検出された機関温度に加えて又は代えて、前記検出された吸気温度に応じて、前記内燃機関を始動可能な空燃比の許容範囲を決定する決定手段と、前記特定された位相変化量に加えて又は代えて前記決定された空燃比の許容範囲に基づいて、前記噴射量を変化させるか否かを判定する判定手段とを更に備え、前記制御手段は、前記判定手段によって前記噴射量を変化させると判定される場合、前記基準量の前記燃料に代えて、前記変化された噴射量の前記燃料を噴射するように前記噴射手段を制御し、前記判定手段によって前記噴射量を変化させないと判定される場合、前記基準量の前記燃料を噴射するように前記噴射手段を制御するように構成してよい。

このように構成すれば、判定手段は、特定された位相変化量に加えて又は代えて機関温度又は吸気温度に応じて決定された空燃比の許容範囲に基づいて、気筒の燃焼室内の混合気によって理想空燃比を実現するために、噴射量を変化させるか否かを判定する。

これにより、判定結果によって、燃料の噴射量を変化させる制御処理を省略できるので、内燃機関をより迅速に始動させることができる。

本発明に係る内燃機関の始動制御装置の他の態様では、前記制御手段は、前記特定手段によって前記位相量が特定される場合、前記基準量の前記燃料に代えて、前記変化された噴射量の前記燃料を噴射するように前記噴射手段を制御し、前記特定手段によって前記位相量が特定されない場合、前記基準量の前記燃料を噴射するように前記噴射手段を制御する。

この態様によれば、可変動弁手段の位相量が特定されない限り、燃料の噴射量が変化されないので、気筒の燃焼室内の混合気の空燃比が予想しない原因によってばらつくことを効果的に防止することができる。

本発明に係る内燃機関の始動制御装置の他の態様では、前記燃料を点火する点火手段を更に備え、前記制御手段は、前記点火手段によって前記燃料が点火しない場合、前記基準量の前記燃料を噴射するように前記噴射手段を制御する頻度を増加させると共に、前記基準量の前記燃料に代えて、前記変化された噴射量の前記燃料を噴射するように前記噴射手段を制御する頻度を減少させる。

この態様によれば、点火手段によって燃料が点火しなく、気筒の燃焼室内に未燃燃料の影響が大きくなった場合、基準量の燃料が噴射される頻度を増加させると共に、基準量の燃料に代えて、変化された噴射量の燃料が噴射される頻度を減少させる。これにより、気筒の燃焼室内の混合気の空燃比が、未燃燃料の影響によってばらつくことを効果的に防止することができる。

本発明の作用及び他の利得は次に説明する実施するための最良の形態から明らかにされる。

以下、図面を参照して、本発明の好適な各種実施形態について説明する。

（第１実施形態）
（基本構成）
先ず、図１を参照して、本発明の第１実施形態に係る内燃機関の始動制御装置の基本構成について説明する。ここに、図１は、第１実施形態に係る内燃機関の始動制御装置の基本構成及び断面を概念的に表してなる概略断面図である。

図１において、図示せぬ車両に搭載される内燃機関２００には、本発明に係る「可変動弁手段」の一例である可変動弁装置１０、本発明に係る「特定手段」の一例である位相量測定部１０ａ、吸気管２０６、本発明に係る「第１温度検出手段」の一例である温度センサ２２０、スロットル弁駆動モータ２１７、燃焼室２０１、排気管２１０、ターボ過給機（即ち、コンプレッサ４１及びタービン４２）、本発明に係る「第２温度検出手段」の一例である吸気温度を測定する温度センサ１１１ａ、及び、本発明に係る「制御手段」の一例である制御装置１００を備えて構成されている。

吸気管２０６は、吸気弁２０３の開閉によって燃焼室２０１内部との連通状態が制御されている。即ち、吸気管２０６において、外部から吸入された空気（即ち、吸入空気）と、燃料噴射装置であるインジェクタ２１１から噴射された燃料とが混合され（即ち、混合気を形成し）、吸気弁２０３を介して燃焼室２０１に供給される。

可変動弁装置１０は、例えばＶＶＴ-iであり、カムバイワイヤ、或いは、電磁駆動弁等を用いて、吸気弁２０３及び排気弁２０４の動弁特性（例えば、開閉時期或いはリフト量）を変更可能に構成されている。

可変動弁装置１０は、内燃機関の燃焼室と吸気管とを所定タイミングで連通する吸気弁の開閉時期に対応した位相量を変更可能である。ここに、本実施形態に係る「位相量」とは、吸気弁の開閉時期に一義的に対応した可変動弁装置１０の作動量、駆動量又は操作量を意味し、典型的には可変動弁装置１０における、クランクシャフトに対するカムシャフトの位相量を意味する。この可変動弁装置１０は、例えばＣａｍ ｂｙ Ｗｉｒｅ機構等の内燃機関の動力によって駆動されてよい、或いは、電磁駆動弁機構等の内燃機関の動力によらないで駆動されてよい。尚、可変動弁装置１０は、上述の吸気弁の開閉時期に加えてリフト量を変更してよい。

位相量測定部１０ａによって、可変動弁装置１０の位相量が測定される。

アクセルポジションセンサ２１６は、運転者によるアクセルペダル２２６の踏み込み量、即ちアクセル開度を検出する。このアクセル開度に基づいて、加速要求があるか否かが判断される。

温度センサ２２０は、例えば吸気管２０６から燃焼室２０１近傍に配置され、内燃機関２００を冷却する冷却水（不図示）の水温から、内燃機関２００の温度が検出される。検出された温度に基づいて、インジェクタ２１１から噴射された燃料の状態（例えば、どの程度蒸発しているか）が、直接的或いは間接的に特定される。

スロットル弁駆動モータ２１７は、その踏み込み量に基づいてスロットル弁２１４を開閉駆動する。スロットル弁２１４は、吸気管２３４から燃焼室２０１内部へ送り込む空気量を調節する。サージタンク１１１は、各燃焼室へ送り込む空気を分配する他、分配される空気の圧力変動を抑制する効果がある。このサージタンク１１１の近傍に設置された温度センサ１１１ａは、燃焼室へ吸引される吸気の吸気温度を測定する。スロットルポジションセンサ２１５は、スロットル弁２１４の開度を検出する。

燃焼室２０１は、その内部で吸気管２０６から送られてきた混合気を、点火プラグ２０２により燃焼させることが可能に構成されている。この燃焼により、ピストン２０５は、燃焼室２０１内で上下に往復運動する。この往復運動がクランクシャフト２１９の回転運動に変換され、当該内燃機関２００が搭載された車両を駆動可能に構成されている。クランクポジションセンサ２１８は、クランクシャフト２１９の回転角（即ち、クランク角）を検出する。

排気管２１０は、燃焼室２０１内部で発生する排気ガスを、排気弁２０４を介して排気することが可能に構成されている。空燃比センサ２２１は、排気ガスの空燃比（所謂、Ａ／Ｆ）を検出して、制御装置１００へ伝達可能に構成されている。こうして検出された空燃比は、例えばインジェクタ２１１によって噴射される噴射量のフィードバック補正に利用される。

ターボ過給機は、コンプレッサ４１及びタービン４２を備えてなる。タービン４２は、排気管２１０に配設されており、排気ガスの運動エネルギを受けて回転させられ、このタービン４２の回転トルクをコンプレッサ４１の回転に変換可能に構成されている。コンプレッサ４１は、吸気管２３４に配設されており、その回転によって吸気を圧縮させる（過給する）ことが可能である。

制御装置１００は、内燃機関２００の動作全体を制御する。制御装置１００は、吸気弁制御部１１０、排気弁制御部１２０等を備えており、可変動弁装置１０を制御して、吸気弁２０３の開閉時期、排気弁２０４の開閉時期、並びに、吸気弁２０３及び排気弁２０４の開弁期間のオーバーラップ量を調整する。加えて、制御装置１００は、実際の可変動弁装置１０の位相量と、当該制御装置１００によって指示された可変動弁装置１０の位相量との差が、所定閾値よりも大きいか否かを判定することで、可変動弁装置１０の動作異常を検出する機能を有する。これにより、制御装置１００は、本発明に係る異常検出手段の一例も構成してよい。

この制御装置１００（以下、適宜「ＥＣＵ１００」と称す）は、好適には、周知の電子制御ユニット（Electronic Control Unit：ＥＣＵ）、中央処理装置（Central Processing Unit：ＣＰＵ）、制御プログラムを格納した読み出し専用メモリ（Read Only Memory：ＲＯＭ）、各種データを格納する随時書き込み読み出しメモリ（Random Access Memory：ＲＡＭ）等を中心とした論理演算回路として構成されている。更に、各種センサからの入力信号（例えば、アクセル開度、スロットル開度、内燃機関２００の回転数Ｎｅ、クランク角ＣＡ、空燃比等）を受ける入力ポート及び、各種アクチュエータ（例えば、可変動弁装置１０、スロットル弁駆動モータ２１７等）に制御信号を送る出力ポートに対して、バスを介して接続されている。尚、後述される所定マップが記憶されるメモリを備えて構成される制御装置１００によって、本発明に係る「変化手段」の一具体例が構成されている。

以上説明した構成によると、本実施形態に係る内燃機関の制御装置は、温度センサ２２０、温度センサ１１１ａ、スロットル弁駆動モータ２１７、可変動弁装置１０、位相量測定部１０ａ、及び、制御装置１００等を備える。

これにより、内燃機関の始動時に、上述した可変動弁装置１０の動作異常が検出される場合、特定された可変動弁装置１０の位相量に対応する吸気弁２０３の開閉時期のうち少なくとも閉弁時期に応じて、内燃機関の始動時における気筒内の空気量を定量的又は定性的に把握可能である。尚、燃料の噴射量を、基準量に対して増加側又は減少側に変化させるために、この基準量に乗算する補正係数と、吸気弁の閉弁時期との相関関係については、後述の図３から図４を参照して後ほど説明する。これにより、燃料を、この定量的又は定性的に把握された空気量に応じて、気筒の燃焼室２０１内の混合気が理想空燃比により近づくように、基準量に対して増加側又は減少側に変化させた噴射量だけ噴射させることができる。これにより、内燃機関の始動時において、可変動弁装置１０の動作異常の影響を殆ど又は完全に無くしつつ、気筒の燃焼室内の混合気を理想空燃比により近づかせ、言い換えると、空燃比が理想空燃比からリッチ側又はリーン側に顕著にかけ離れることを効果的に抑制させ、より確実且つ適切に燃料を燃焼することができるので、内燃機関をより迅速に始動させることができる。

（動作原理）
次に、図２から図５を参照して、本発明の第１実施形態に係る内燃機関の始動制御装置の動作原理について説明する。ここに、図２は、本発明の第１実施形態に係る内燃機関を統括制御する制御装置１００の制御処理の流れを示したフローチャートである。尚、この図２で示された制御処理は、制御装置１００（又はＥＣＵ１００）によって、所定周期で繰り返し実行される。

図２に示されるように、先ず、ＥＣＵ１００の制御下で、可変動弁装置１０（以下、適宜、「ＶＶＴ１０」と称す）において、動作異常が発生しているか否かが判定される（ステップＳ１０１）。典型的には、この動作異常は、例えばデポジット燃料が付着することにより発生したり、或いは、ＶＶＴ１０の可動部に異物が混入することで発生したり、或いは、ＶＶＴ１０の可動部が固着していることにより発生したりする。

次に、ＥＣＵ１００の制御下で、位相量測定部１０ａによって、動作異常が発生し可動部が固着したＶＶＴ１０の位相量が測定される（ステップＳ１０２）。この測定された位相量によって吸気弁の閉弁時期を定量的に把握することができる。具体的には、後述の図４で示されたバルブタイミング図によって、吸気弁の閉弁時期を、クランク角度によって定量的に把握することができる。

次に、ＥＣＵ１００の制御下で、測定された位相量に応じて、燃料の噴射量を基準量に対して増加側又は減少側に変化させるために、燃料の基準量に補正係数が乗算される（ステップＳ１０３）。ここに、本実施形態に係る基準量とは、ＶＶＴ１０に動作異常が発生していない場合における燃料の噴射量を意味し、典型的には、吸気弁が、下死点（ＢＤＣ：Bottom Dead Center）から７０度のクランク角度だけ遅角した位置での閉弁した場合に吸気された空気量に対して、理想空燃比を実現可能な燃料の噴射量を意味してよい。加えて、ＥＣＵ１００の制御下で、インジェクタ２１１によって、補正係数が乗算された噴射量だけ燃料が噴射されると共に、点火プラグ２０２によって、所定タイミングで点火が行われ、内燃機関が始動される。

（燃料の基準量に乗算する補正係数と、吸気弁の閉弁時期との相関関係）
次に、図３から図５を参照して、第１実施形態に係る、燃料の基準量に乗算する補正係数と、吸気弁の閉弁時期との定量的な相関関係について説明する。ここに、図３は、第１実施形態に係る内燃機関の吸気制御装置の気筒内の吸気量と、吸気弁の閉弁時期との相関関係を定量的に示すグラフである。図４は、第１実施形態に係る内燃機関の吸気制御装置における、吸気弁及び排気弁における開弁期間を夫々示した一及び他のバルブタイミング図（図４（ａ）及び図４（ｂ））である。図５は、第１実施形態に係る内燃機関の吸気制御装置における、燃料の基準量に乗算する補正係数と、吸気弁の閉弁時期との相関関係を定量的に示すグラフである。

先ず、図３に示されるように、本願発明者による研究によれば、吸気弁の閉弁時期が、下死点（ＢＤＣ：Bottom Dead Center）以降、ＢＤＣから１００度のクランク角度だけ遅角した際に内燃機関を始動した場合における気筒内の吸気量は、吸気弁の閉弁時期が、ＢＤＣ以降、ＢＤＣから７０度のクランク角度だけ遅角した際に内燃機関を始動した場合における気筒内の吸気量を基準にして「０．５５倍」に減少することが判明している。尚、図３中の縦軸は、吸気量の重量を気筒全体に吸気された場合を１００パーセントとして場合の重量パーセントを示している。このように、吸気弁の閉弁時期がＢＤＣ以降、ＢＤＣからのクランク角度が大きくなるに従って、言い換えると、遅閉じになるに従って、吸気量は減少することが判明している。

何故ならば、図４（ｂ）に示されるように、吸気弁の閉弁時期が、ＢＤＣ以降、ＢＤＣから１００度のクランク角度だけ遅角した際に内燃機関を始動した場合における気筒内の吸気量は、図４（ａ）に示されるように、吸気弁の閉弁時期が、ＢＤＣ以降、ＢＤＣから７０度のクランク角度だけ遅角した際に内燃機関を始動した場合における気筒内の吸気量を基準にして、図４（ｂ）中の斜線のハッチングに相当する分だけ気筒内の空気を、吸気管２０６へ押し返すためである。

本実施形態では、内燃機関の始動時に、ＶＶＴ１０において動作異常が発生し、このような吸気弁の閉弁時期が予め設定した設定値（所謂、デフォルト値）と異なった場合でも、ＶＶＴ１０の位相量を測定することで、吸気弁の閉弁時期を定量的に把握することができる。これにより、吸気弁の閉弁時期に応じて、内燃機関の始動時における気筒内の空気量を定量的又は定性的に把握可能である。特に、第１実施形態に係る所定マップは、ＶＶＴ１０の位相量に一義的に対応される吸気弁の閉弁時期によって定量的又は定性的に把握された空気量に対して、気筒の燃焼室内の混合気が理想空燃比により近づくように燃料の基準量に乗算される補正係数を定義している。具体的には、図５に示されるように、吸気弁の閉弁時期から補正係数が一義的に定義することができる。典型的には、吸気弁の閉弁時期が、ＢＤＣ以降、ＢＤＣから７０度のクランク角度だけ遅角した際に内燃機関を始動した場合における燃料の基準量に乗算する補正係数は「１．０」であり、吸気弁の閉弁時期が、ＢＤＣ以降、ＢＤＣから１００度のクランク角度だけ遅角した際に内燃機関を始動した場合における燃料の基準量に乗算する補正係数は「０．５５」である。このように、吸気弁の閉弁時期がＢＤＣ以降、ＢＤＣからのクランク角度が大きくなるに従って、言い換えると、遅閉じになるに従って、吸気量が減少するのと概ね同様にして補正係数も減少するように定義されている。そして、この所定マップによって定義される補正係数を、基準量に乗算し、この補正係数が考慮された噴射量だけ燃料を噴射させる。

以上の結果、内燃機関の始動時において、所定マップに基づいて燃料の噴射量が補正されるので、ＶＶＴ１０の動作異常の影響を殆ど又は完全に無くしつつ、気筒の燃焼室内の混合気を理想空燃比により近づかせ、言い換えると、空燃比が理想空燃比からリッチ側又はリーン側に顕著にかけ離れることを効果的に抑制させ、より確実且つ適切に燃料を燃焼することができるので、内燃機関をより迅速に始動させることができる。

（第２実施形態）
次に、図６から図８を参照して、本発明の第２実施形態に係る内燃機関の始動制御装置の動作原理について説明する。ここに、図６は、本発明の第２実施形態に係る内燃機関を統括制御する制御装置１００の制御処理の流れを示したフローチャートである。尚、この図６で示された制御処理は、ＥＣＵ１００によって、所定周期で繰り返し実行される。また、上述した図２等で説明した第１実施形態における制御処理と概ね同様である制御処理には同一のステップ番号を付し、それらの説明は適宜省略する。図７は、本発明の第２実施形態に係る内燃機関の始動制御装置の機関温度と、内燃機関を始動可能な空燃比の許容範囲とを示したグラフである。図８は、本発明の第２実施形態に係る内燃機関の吸気制御装置における、燃料の基準量に乗算する補正係数と、吸気弁の閉弁時期との相関関係を定量的に示すグラフである。

図６に示されるように、先ず、ＥＣＵ１００の制御下で、温度センサ２２０によって、エンジン冷却水の水温が測定され、内燃機関の機関温度が取得される（ステップＳ２０１）。尚、このステップＳ２０１では、温度センサ１１１ａによって吸気温度が測定されてよい。また、本実施形態に係る取得とは、各種のセンサーによって測定され、ＥＣＵ１００の記憶装置に記憶されることを意味する。

次に、上述したステップＳ１０１からＳ１０２を経て、ＥＣＵ１００の制御下で、補正係数の乗算は必要か否かが判定される（ステップＳ２０２）。具体的には、図７に示されるように、ＶＶＴ１０の動作異常が発生した際、ＶＶＴ１０の位相量に一義的に対応される吸気弁の閉弁時期によって定量的又は定性的に把握された空気量と、燃料の基準量との空燃比が値Ｋ１であり、且つ、機関温度が値Ｔ１である場合、即ち、図７中の点Ｐ１は内燃機関を始動可能な空燃比の許容範囲（図７中の斜線のハッチングを参照）内にある場合、空燃比の許容範囲内にあるため補正係数を乗算する必要はないことが分かる。他方で、空気量と、燃料の基準量との空燃比が値Ｋ１であり、且つ、機関温度が値Ｔ２である場合、図７中の点Ｐ２は、空燃比の許容範囲（図７中の斜線のハッチングを参照）外にあるため補正係数を乗算する必要があることが分かる。尚、図７中のＲ１及びＲ２に示されるように、内燃機関を始動可能な空燃比の許容範囲は、機関温度が低温になるに従って、リッチ側の許容範囲が大きくなることが判明している。加えて、図７中のＬ１及びＬ２に示されるように、内燃機関を始動可能な空燃比の許容範囲は、機関温度が低温になるに従って、リーン側の許容範囲が小さくなることが判明している。

このように、機関温度は、吸気管或いは燃焼室内に噴射される燃料の状態、即ち、吸気管或いは燃焼室内における蒸発燃料の発生の度合いや発生量、或いは、吸気管或いは燃焼室の壁面に付着する燃料の付着の度合いや付着量に影響を与えるので、同一の空燃比に対する、内燃機関の始動性に顕著に影響を与える。

上述のステップＳ２０２の判定の結果、補正係数の乗算が必要である場合（ステップＳ２０２：Ｙｅｓ）、上述したように、ＥＣＵ１００の制御下で、測定された位相量に応じて、燃料の噴射量を基準量に対して増加側又は減少側に変化させるために、燃料の基準量に補正係数が乗算される（ステップＳ１０３ａ）。特に、この第２実施形態に係る補正係数は、図８に示されるように、上述の図５で説明した第１実施形態に係る所定マップにおいて、機関温度の高低レベルに応じて定義されるようにしてよい。具体的には、この第２実施形態に係る補正係数は、機関温度が高温側（Ｔ−ｈｉｇｈ）である場合と、機関温度が低温側（Ｔ−ｌｏｗ）である場合とにおいて定義されてよい。尚、図８は、上述したように、機関温度が低温になるに従って、リッチ側の許容範囲が大きくなる、即ち、より多量の燃料を噴射してよく、補正係数が大きくなることが判明している。特に、図８に示された燃料の基準量に乗算する補正係数と、吸気弁の閉弁時期との相関関係は一例であり、本発明はこの相関関係に限定されないことは言うまでもない。

（第３実施形態）
次に、図９を参照して、本発明の第３実施形態に係る内燃機関の始動制御装置の動作原理について説明する。ここに、図９は、本発明の第３実施形態に係る内燃機関を統括制御する制御装置１００の制御処理の流れを示したフローチャートである。尚、この図９で示された制御処理は、ＥＣＵ１００によって、所定周期で繰り返し実行される。

図９に示されるように、上述したステップＳ２０１からＳ１０１を経て、ＥＣＵ１００の制御下で、位相量測定部１０ａによって、動作異常が発生し可動部が固着したＶＶＴ１０の位相量が測定されたか否かが判定される（ステップＳ３０１）。ここで、ＶＶＴ１０の位相量が測定されたと判定される場合（ステップＳ３０１：Ｙｅｓ）、上述したように、ＥＣＵ１００の制御下で、測定された位相量に応じて、燃料の噴射量を基準量に対して増加側又は減少側に変化させるために、燃料の基準量に補正係数が乗算される（ステップＳ１０３）。他方、ステップＳ３０１の判定の結果、ＶＶＴ１０の位相量が測定されたと判定されない場合（ステップＳ３０１：Ｎｏ）、位相量の測定を待つために、再度、ステップＳ３０１へ戻る。

これにより、ＶＶＴ１０の位相量が測定されない限り、燃料の噴射量が変化されないので、気筒の燃焼室内の混合気の空燃比が予想しない原因によってばらつくことを効果的に防止することができる。

（第４実施形態）
次に、図１０を参照して、本発明の第４実施形態に係る内燃機関の始動制御装置の動作原理について説明する。ここに、図１０は、本発明の第４実施形態に係る内燃機関を統括制御する制御装置１００の制御処理の流れを示したフローチャートである。尚、この図１０で示された制御処理は、ＥＣＵ１００によって、所定周期で繰り返し実行される。

図１０に示されるように、上述したステップＳ２０１を経て、ＥＣＵ１００の制御下で、ドライバーによる内燃機関の始動要求後、クランクシャフトの回転、所謂、クランキングが開始される（ステップＳ４０１）。尚、このクランキングの際には、内燃機関の気筒内での燃焼に加えて、始動モーターによるクランクシャフトの回転を行ってもよいし、或いは、内燃機関の気筒内での燃焼のみを試みてよい。

次に、上述したステップＳ１０１及びＳ３０１を経て、ＥＣＵ１００の制御下で、クランキングの開始後、所定時間以上、経過したか否かが判定される（ステップＳ４０２）。ここに、本実施形態に係る「所定時間」とは、未燃燃料により発生する、気筒の燃焼室内に付着した燃料の付着量、又は、未燃燃料により発生する、燃焼室内の蒸発燃料の量が、空燃を所定割合以上だけ変化させる時間として、予め経験的、実験的、理論的或いはシミュレーション等によって定められる時間である。

ステップＳ４０２の判定の結果、所定時間以上、経過していないと判定される場合（ステップＳ４０２：Ｎｏ）、上述したように、ＥＣＵ１００の制御下で、測定された位相量に応じて、燃料の噴射量を基準量に対して増加側又は減少側に変化させるために、燃料の基準量に補正係数が乗算され、燃料が噴射されると共に、点火が行われる（ステップＳ１０３ａ）。

再度、上述したステップＳ２０１、Ｓ４０１、Ｓ１０１及びＳ３０１を経て、ＥＣＵ１００の制御下で、クランキングの開始後、所定時間以上、経過したか否かが判定される（ステップＳ４０２）。ここで、所定時間以上、経過していると判定される場合（ステップＳ４０２：Ｙｅｓ）、本実施形態に係る補正係数の乗算は、次回の始動要求があるまで省略され、基準量の燃料の噴射及び点火が行われる（ステップＳ４０３）。

第４実施形態によれば、点火プラグ２０２によって燃料が点火しなく、気筒の燃焼室内に未燃燃料の影響が大きくなった場合、基準量の燃料が噴射される頻度を増加させると共に、基準量の燃料に代えて、補正係数が乗算された噴射量の燃料が噴射される頻度を減少させる。これにより、気筒の燃焼室内の混合気の空燃比が、未燃燃料の影響によってばらつくことを効果的に防止することができる。

（本実施形態に係る作用と効果との検討）
次に、図１１を参照して、本実施形態に係る作用と効果との検討を行う。ここに、図１１は、本実施形態に係る、吸気弁の閉弁時期の遅角したクランク角度と、負荷及び回転数によって示される運転状態との相関関係を示したグラフである。

本願発明者による研究によれば、図１１中の点線で示されているように、吸気弁の閉弁時期が、ＢＤＣ以降、ＢＤＣから１００度のクランク角度だけ遅角した際の内燃機関は、吸気弁の閉弁時期がＢＤＣ以降ＢＤＣから７０度のクランク角度だけ遅角した場合（図１１中の実線を参照）と比較して、高負荷であると共に、高速回転である運転状態において燃費を向上させることができることが判明している。

これは、一般的な燃焼サイクルであるオットーサイクルにおいては、膨張比と圧縮比とがほぼ等しい関係にある。従って、熱効率を上昇させようとする場合に、圧縮比（≒膨張比）を高めることが考えられる。しかし、単に圧縮比を高めると、ノッキングが発生しやすくなる虞がある。そこで、上記オットーサイクルに対し、アトキンソンサイクル（或いは、ミラーサイクル）と称される技術が開示されている。このアトキンソンサイクルにおいては、膨張比を大きくとった上で吸気弁２０３の閉タイミングを変えることにより、実質的な圧縮比が下げられ、熱効率を上昇させつつも、ノッキングを防止する。具体的には、図４（ａ）や図４（ｂ）に示されるように、下死点よりも後に閉じる遅閉じとすることで、実質的な圧縮比を下げることができる。尚、吸気弁を下死点よりも先に閉じる早閉じとすることで、実質的な圧縮比を下げることもできる。

詳細には、このように、燃費向上させるために、吸気弁の閉弁時期（又は閉弁タイミング）を遅角することは、一度吸引した空気を再度吸気ポート側に戻すこと、および実圧縮比を向上することによりポンプ損失、冷却損失を低減する上で大変好ましい。より詳細には、一度吸引した吸気を吸気側に戻すことで実圧縮比が向上し、スロットル弁によるムダな絞りをしなくて良い分だけ、ポンプ損失を低減することができる。また、燃焼ガスが一度、吸気ポート側へ戻り気筒内の温度が低下するため冷却損失を低減することができる。

しかしながら、実際に吸気弁の遅閉じを実施する場合、吸気の最遅角での閉弁時期を例えば１００°ＡＢＤＣ（After BDC）などに設定する必要があり、このままではアイドル運転領域で燃焼が悪化し、燃焼状態の変動が大きくなったりする。このためアイドル運転領域や極軽負荷運転領域では吸気弁のカムタイミングを少し進角することが好ましく、例えば７０°ＡＢＤＣのクランク角度の位置で吸気弁を閉じることが好ましい。つまり通常、一般的に行われている吸気弁の閉弁時期の変更では、始動状態からアイドル運転領域又は極軽負荷運転領域では若干進角、その後、通常走行時には吸気弁を遅閉じにして燃費を向上させることが一般的に行われている。

しかしながら、吸気弁の可変動弁装置（所謂、カムタイミング可変機構）自体が故障し、遅閉じ側又は早閉じ側のうちいずれかの吸気弁の閉弁時期に対応する位相量で固着した場合、もともと設定されていた基準となる位相量が意図した真の値からずれてしまい、故障した際の基準となる位相量に対する吸気弁の閉弁時期と、意図した基準となる位相量に対する吸気弁の閉弁時期と差分量だけ、両者に始動時に吸引する吸気量に差分量が発生してしまうという技術的な問題点が生じる。そのため、可変動弁装置が故障している場合に、故障していない場合と同一の量の燃料を噴射した場合、オーバーリッチ、もしくはオーバーリーンとなり、始動時の空燃比が顕著にばらついてしまい内燃機関の始動性に悪影響が発生してしまうという技術的な問題点が生じる。

これに対して、本実施形態によれば、内燃機関の始動時に、上述した可変動弁装置１０の動作異常が検出される場合、特定された可変動弁装置１０の位相量に対応する吸気弁２０３の開閉時期のうち少なくとも閉弁時期に応じて、内燃機関の始動時における気筒内の空気量を定量的又は定性的に把握可能である。これにより、燃料を、この定量的又は定性的に把握された空気量に応じて、気筒の燃焼室２０１内の混合気が理想空燃比により近づくように、基準量に対して増加側又は減少側に変化させた噴射量だけ噴射させることができる。これにより、内燃機関の始動時において、可変動弁装置１０の動作異常の影響を殆ど又は完全に無くしつつ、気筒の燃焼室内の混合気を理想空燃比により近づかせ、言い換えると、空燃比が理想空燃比からリッチ側又はリーン側に顕著にかけ離れることを効果的に抑制させ、より確実且つ適切に燃料を燃焼することができるので、内燃機関をより迅速に始動させることができる。

尚、上述の実施形態では、単独の内燃機関を用いて説明したが、アトキンソンサイクルが可能な動弁手段を有する機関であれば、他の態様でもよい。例えば、内燃機関でアトキンソンサイクルとする場合に、電動機で出力を補完することが可能なハイブリッドシステムに適用することもできる。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う内燃機関の始動制御装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

第１実施形態に係る内燃機関の始動制御装置の基本構成及び断面を概念的に表してなる概略断面図である。 本発明の第１実施形態に係る内燃機関を統括制御する制御装置１００の制御処理の流れを示したフローチャートである。 第１実施形態に係る内燃機関の吸気制御装置の気筒内の吸気量と、吸気弁の閉弁時期との相関関係を定量的に示すグラフである。 第１実施形態に係る内燃機関の吸気制御装置における、吸気弁及び排気弁における開弁期間を夫々示した一及び他のバルブタイミング図（図４（ａ）及び図４（ｂ））である。 第１実施形態に係る内燃機関の吸気制御装置における、燃料の基準量に乗算する補正係数と、吸気弁の閉弁時期との相関関係を定量的に示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る内燃機関を統括制御する制御装置１００の制御処理の流れを示したフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る内燃機関の始動制御装置の機関温度と、内燃機関を始動可能な空燃比の許容範囲とを示したグラフである。 本発明の第２実施形態に係る内燃機関の吸気制御装置における、燃料の基準量に乗算する補正係数と、吸気弁の閉弁時期との相関関係を定量的に示すグラフである。 本発明の第３実施形態に係る内燃機関を統括制御する制御装置１００の制御処理の流れを示したフローチャートである。 本発明の第４実施形態に係る内燃機関を統括制御する制御装置１００の制御処理の流れを示したフローチャートである。 本実施形態に係る、吸気弁の閉弁時期の遅角したクランク角度と、負荷及び回転数によって示される運転状態との相関関係を示したグラフである。

符号の説明

１０…可変動弁装置、位相量測定部１０ａ、１００…制御装置、１１１ａ…温度センサ、２００…内燃機関、２０１…燃焼室、２０６…吸気管、２１０…排気管、２１１…インジェクタ、２１７…スロットル弁駆動モータ、２２０…温度センサ、空燃比センサ２２１。

Claims (6)

1. 内燃機関の燃焼室内への吸気を行うための吸気弁の開閉時期に対応した位相量を変更可能な可変動弁手段と、
   前記可変動弁手段の動作異常を検出する異常検出手段と、
   前記可変動弁手段の位相量を特定する特定手段と、
   前記燃焼室内へ燃料を噴射する噴射手段と、
   前記特定された位相量に応じて、前記燃料の噴射量を基準量に対して増加側又は減少側に変化させる変化手段と、
   前記内燃機関の始動時に、前記動作異常が検出される場合、前記基準量の前記燃料に代えて、前記変化された噴射量の前記燃料を噴射するように前記噴射手段を制御する制御手段と
   を備えることを特徴とする内燃機関の始動制御装置。
2. 前記内燃機関の機関温度を検出する第１温度検出手段を更に備え、
   前記変化手段は、前記特定された位相量に加えて、前記検出された機関温度に応じて、前記燃料の噴射量を前記基準量に対して増加側又は減少側に変化させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の始動制御装置。
3. 前記内燃機関へ吸引された吸気の吸気温度を検出する第２温度検出手段を更に備え、
   前記変化手段は、前記特定された位相変化量に加えて、前記検出された吸気温度に応じて、前記燃料の噴射量を前記基準量に対して増加側又は減少側に変化させることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の始動制御装置。
4. 前記検出された機関温度に加えて又は代えて、前記検出された吸気温度に応じて、前記内燃機関を始動可能な空燃比の許容範囲を決定する決定手段と、
   前記特定された位相変化量に加えて又は代えて前記決定された空燃比の許容範囲に基づいて、前記噴射量を変化させるか否かを判定する判定手段とを更に備え、
   前記制御手段は、前記判定手段によって前記噴射量を変化させると判定される場合、前記基準量の前記燃料に代えて、前記変化された噴射量の前記燃料を噴射するように前記噴射手段を制御し、前記判定手段によって前記噴射量を変化させないと判定される場合、前記基準量の前記燃料を噴射するように前記噴射手段を制御することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の始動制御装置。
5. 前記制御手段は、前記特定手段によって前記位相量が特定される場合、前記基準量の前記燃料に代えて、前記変化された噴射量の前記燃料を噴射するように前記噴射手段を制御し、前記特定手段によって前記位相量が特定されない場合、前記基準量の前記燃料を噴射するように前記噴射手段を制御することを特徴とする請求項１から４のうちいずれか一項に記載の内燃機関の始動制御装置。
6. 前記燃料を点火する点火手段を更に備え、
   前記制御手段は、前記点火手段によって前記燃料が点火しない場合、前記基準量の前記燃料を噴射するように前記噴射手段を制御する頻度を増加させると共に、前記基準量の前記燃料に代えて、前記変化された噴射量の前記燃料を噴射するように前記噴射手段を制御する頻度を減少させることを特徴とする請求項１から５のうちいずれか一項に記載の内燃機関の始動制御装置。

Images