JP3906941B2

JP3906941B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP3906941B2
Application number: JP06306897A
Authority: JP
Inventors: 信夫今竹; 公孝斎藤; 原田　　明典
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 1997-03-17
Filing date: 1997-03-17
Publication date: 2007-04-18
Anticipated expiration: 2017-03-17
Also published as: JPH10252511A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸気バルブ及び排気バルブを任意の時期に開閉可能なバルブ駆動機構を備え、且つ吸気、圧縮、膨張及び排気の４行程を繰り返し実施する４サイクル内燃機関に適用され、特に機関始動時の燃焼状態を制御する制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
通常一般の内燃機関では、クランクシャフトの回転をベルト若しくはチェーン等のタイミング手段を介して吸気側カムシャフト及び排気側カムシャフトに伝達し、この時の吸気側カムシャフト及び排気側カムシャフトの回転により吸気バルブ及び排気バルブを開閉動作させる構成を有する。ところが、かかる構成では、スタータモータによるクランキング時において、燃料に点火しても圧縮による筒内圧が十分に上昇していないと火炎が十分に伝播せず、燃焼が緩慢となる。よって、排気バルブが開くまで燃焼が継続した後消炎し、大量の未燃燃料（未燃ＨＣ）として排出されるという問題を招く。また更に、こうした機関始動の不安定状態が続く間にも燃料噴射が継続されると、大量の燃料が壁面付着や浮遊液滴として吸気ポートやシリンダ内に残留する。そして、これら残留する燃料は、初爆後の圧縮時に気化すると共に、ブローダウンで一気に液状化して点火プラグを濡らす。これにより、プラグくすぶりに起因する点火不良が生じ、始動不能を招くおそれがあった。
【０００３】
こうした実状において、上記問題を解決する一手法として、吸気バルブ及び排気バルブを任意の時期に開閉可能なバルブ駆動機構を備えた内燃機関の制御装置が提案されている（例えば、特開平２−２６７３０８号公報）。このような装置では、吸気バルブ及び排気バルブの開閉動作をカムシャフトの回転に連結して行なわせるのではなく、クランクシャフトの回転とは無関係に任意のタイミングで且つ任意のサイクルで行なわせることができるようになっていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の装置では、任意のタイミングで吸気及び排気バルブの開閉を行なわせることが可能になるものの、機関始動時におけるバルブ制御に関する開示事項はなく、機関始動時に未燃燃料（未燃ＨＣ）が外部に排出されるおそれがあった。
【０００５】
本発明は、上記問題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、吸気及び排気バルブを任意の時期に開閉可能なバルブ駆動機構を備えた内燃機関において、機関始動時の未燃燃料の排出を抑制することができる内燃機関の制御装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明ではその特徴として、バルブ駆動機構に制御指令を与えて、吸気バルブ及び排気バルブの開閉動作を制御するバルブ動作制御手段と、内燃機関の筒内で燃料が完全燃焼しているか否かを判定する完全燃焼判定手段と、前記完全燃焼判定手段により不完全燃焼している旨が判定された場合、前記バルブ動作制御手段による吸気バルブ及び排気バルブの開動作を休止して圧縮及び膨張行程を繰り返し実施することによって筒内の未燃燃料の完全燃焼を促進し、その後の前記完全燃焼判定手段による完全燃焼の判定後に、前記休止した吸気バルブ及び排気バルブの通常の開動作を許容するバルブ操作手段とを備える。
【０００７】
要するに、例えば内燃機関の低温始動時には燃料の燃焼が不完全燃焼状態になることがあり、この状態下で排気バルブの開閉動作を通常の行程通りに実施すると、未燃燃料（未燃ＨＣ）が排出されるおそれがあった。これに対して上記構成によれば、不完全燃焼時に吸気バルブ及び排気バルブを閉状態で維持することで、機関始動時の未燃燃料の排出を抑制することができる。
【０００８】
特に、上記請求項１の発明では、不完全燃焼している旨が判定された場合、バルブ動作制御手段による吸気及び排気バルブの開動作を休止して圧縮及び膨張行程を繰り返し実施することによって筒内の未燃燃料の完全燃焼を促進し、その後の完全燃焼判定手段による完全燃焼の判定後に、上記休止した吸気バルブ及び排気バルブの通常の開動作を許容するようにしている。
また、請求項２に記載の発明では、圧縮及び膨張行程を繰り返し実施する際に、燃料の点火をその都度実施させるようにしている。
【０００９】
上記請求項１，２の発明によれば、通常の「吸気＋圧縮＋膨張＋排気」の４サイクル運転に代えて、「吸気＋圧縮＋膨張＋再圧縮＋再膨張＋排気」の６サイクル運転が可能となる。これにより、不完全燃焼時において未燃燃料の燃焼が繰り返され、当該未燃燃料の完全燃焼が促進されることになる。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明では、バルブ操作手段による排気バルブの開動作休止を実施するか否かを、機関運転状態に基づいて判定し、所定の運転状態下では、前記開動作休止を実施せず、通常通りに排気バルブを開閉制御するようにしている。この場合、より具体的には、請求項４に記載したように、内燃機関の極低回転域若しくは極低温域で排気バルブの開動作休止を実施しないようにするとよい。
【００１１】
つまり、機関の低温始動時において、上記のように排気バルブの開動作を休止したり、圧縮及び膨張行程を重複させて６サイクル運転を実行したりすると、未燃燃料の排出が抑制されることは既述した通りであるが、かかる制御では、内燃機関が所定の運転状態下にある場合に始動時間が長期化するという不都合を招くおそれがある。因みに、こうした不都合が生じうる機関の運転状態とは、機関回転数（クランキング時の回転数）が１００ｒｐｍ以下といった極低回転域にある場合や、冷却水温が０℃以下といった極低温域にある場合など、バッテリ負荷が過大になる状態（スタータ電流が低下する状態）に相当する。従って、上記の運転状態下では始動時間を短縮させることを優先すべく、６サイクル運転を禁止して通常の４サイクル運転を実施する。
【００１２】
こうした構成は、多気筒内燃機関において、１気筒でも不完全燃焼気筒がある場合に、不完全燃焼気筒を優先するか、或いは完全燃焼気筒を優先するかを判断するための基準となる。このとき、不完全燃焼気筒が優先されれば未燃燃料の排出が抑制され、他方、完全燃焼気筒が優先されれば始動時間が短縮されることになる。
【００１３】
さらに、請求項５に記載の発明では、完全燃焼判定手段は、スタータモータによるクランキング時の圧縮行程の所要時間と膨張行程の所要時間との大小関係に基づいて、完全燃焼であるか否かを判定する。つまり、完全燃焼時には、クランキングの回転速度が圧縮行程に比べて膨張行程で上昇するのに対し、不完全燃焼時（失火時）には圧縮行程と膨張行程とで回転速度の変化が殆どない。従って、圧縮行程に要する時間と膨張行程に要する時間とを比較すれば、容易に燃焼状態が判別できる。また、完全燃焼を判定するパラメータとしては、クランキング時におけるスタータモータに流れる電流（スタータ電流）、バッテリ電圧、筒内圧等の変化状態を用いてもよく、これらのパラメータでも容易に燃焼状態が判別できるようになる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、この発明を具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明する。なお、本実施の形態は、４気筒ガソリン噴射式４サイクルエンジンに本発明を具体化したものであって、その主要な構成としては、油圧アクチュエータにてエンジンの吸気バルブ及び排気バルブを開閉駆動させるバルブ駆動機構（カムレス式バルブ駆動機構）と、そのバルブ駆動機構の動作を制御して吸気及び排気バルブの開閉時期（バルブタイミング）を可変に調整するための電子制御装置（以下、ＥＣＵという）とを備える。エンジンの形態としては、吸気ポートに燃料を噴射供給する構成を有し、吸気側及び排気側において各々２個ずつ（気筒毎に計４個）のバルブを有する。以下に、その詳細を説明する。
【００１７】
図１は、本実施の形態におけるエンジン断面及びエンジン制御システムの概略を示す構成図である。図１において、エンジン１のシリンダブロック２には円筒状のシリンダ３が形成されており、同シリンダ３内には図示しないクランク軸に連結されたピストン４が図の上下方向に往復動可能に配設されている。ピストン４は、コンロッド５を介して図示しないクランクシャフトに連結されている。また、シリンダヘッド７には、ピストン上部の燃焼室６に連通する吸気ポート８と排気ポート９とが形成され、吸気ポート８には電磁駆動式のインジェクタ１０が配設されている。インジェクタ１０はＥＣＵ５０からの噴射制御信号に基づいて吸気ポート８に燃料を噴射する。
【００１８】
さらに、シリンダヘッド７には、吸気バルブ１１及び排気バルブ１２が配設されており、これらバルブ１１，１２の開閉動作に伴い燃焼室６とポート８，９との間が連通又は閉塞される（断続される）。燃焼室６は、吸気バルブ１１及び排気バルブ１２が共に閉鎖されているときには略密閉状態になるようになっている。また、燃焼室６には、ＥＣＵ５０からの点火制御信号に基づいて発火する点火プラグ４３が配設されている。
【００１９】
バルブ駆動機構２０Ａ，２０Ｂはシリンダヘッド７の上方に配設され、ＥＣＵ５０からの制御信号を受けて上記の吸気バルブ１１及び排気バルブ１２の開閉動作を制御する。なお、バルブ駆動機構２０Ａ，２０Ｂの詳細な構成については、後述する。
【００２０】
スタータモータ４４は、エンジン１に初期回転を付与してクランキングさせるものであり、エンジン始動当初のイグニッションキー操作時にバッテリ４５からの給電により回転駆動される。因みに、スタータモータ４４の駆動時に流れるスタータ電流及びバッテリ電圧は随時検出され、ＥＣＵ５０に入力されるようになっている。
【００２１】
ＥＣＵ５０は、各種の制御プログラムを実行するＣＰＵや、制御データやマップ等を記憶するメモリ等を有する周知のマイクロコンピュータを中心に構成されるものであって、水温センサ５１にて検出された水温信号（Ｔｗ）、吸気温センサ５２にて検出された吸気温信号（Ｔｉｎ）、及びクランク角センサ５３にて検出されたクランク角信号（Ｎｅ）等を入力する。そして、これら入力信号に基づいて、インジェクタ１０による燃料噴射の制御や点火プラグ４３による点火制御を実施する。特にエンジン始動時において、ＥＣＵ５０は、クランキング回転数、エンジン水温、吸気温に応じて最適な燃料噴射量を算出し、吸気バルブ１１の開時期に同期してインジェクタ１０から燃料を噴射させる。また、クランキング回転数とバルブタイミングとから予想筒内圧を算出し、燃焼遅れを加味しつつ熱効率が最良となる時期に点火を実施する。
【００２２】
またさらに、ＥＣＵ５０は、バルブ駆動機構２０Ａ，２０Ｂに制御指令を出力するためのバルブ動作制御手段に相当し、上記の各種信号に基づいてバルブ駆動機構２０Ａ，２０Ｂによる吸気バルブ１１及び排気バルブ１２の開閉時期を制御する。このとき、エンジン１の通常運転時には、エンジン回転数やエンジン負荷に応じて吸気及び排気バルブ１１，１２が開閉制御され、エンジン１の低温始動時には、クランキング期間の燃料燃焼状態に応じて吸気及び排気バルブ１１，１２が開閉制御されるようになっている。
【００２３】
次に、図２を用いてバルブ駆動機構２０Ａ，２０Ｂ並びにその周辺部の構成を説明する。但し、図２は吸気側のバルブ駆動機構２０Ａの構成のみを示すものであって、同図には左右一対の吸気バルブ１１を示している。
【００２４】
図２において、吸気バルブ１１の上端にはスプリングリテーナ１３が取り付けられ、同スプリングリテーナ１３とシリンダヘッド７との間には、吸気バルブ１１を閉弁方向（図の上方向）に付勢するためのバルブスプリング１４が配設されている。左右一対の吸気バルブ１１はバルブブリッジ１５により一体動作可能に連結されている。バルブブリッジ１５の上面には、図の上下方向に往復動するプランジャ１６が連結されており、このプランジャ１６が下動することにより吸気バルブ１１が開弁し（図示の状態）、上動することにより吸気バルブ１１が閉弁する。プランジャ１６の動作はその上面に形成された油圧室１７の油圧（バルブ駆動機構２０Ａの作動油圧）に応じて制御されるものであるが、その詳細については後述する。なお、符号１８は吸気バルブ１１の動作位置を微調整するための調整ねじである。
【００２５】
一方、バルブ駆動機構２０Ａにおいて、シリンダヘッド７の一部に固定されるハウジング２１には、図の左右方向に延びる円形孔部２２が形成されており、同孔部２２にはスプール型方向制御弁（以下、方向制御弁という）２３が配設されている。方向制御弁２３は大別して、円筒状のスリーブ２４と、同スリーブ２４内を図の左右方向に摺動するスプール２５とから構成され、スリーブ２４は円形孔部２２の開口部近傍に螺着された蓋体３３により固定されている。スリーブ２４の外周面には、油圧ポート２６ａ，２６ｂ，２６ｃが環状に形成され、これら油圧ポート２６ａ，２６ｂ，２６ｃはそれぞれ複数箇所に設けられた連通路２７ａ，２７ｂ，２７ｃを介してスリーブ内周面に連通している。
【００２６】
また、ハウジング２１には、油圧ポンプ４１から給送される高圧油を方向制御弁２３に吸入するための吸入ポート２８と、方向制御弁２３からドレンタンク４２に高圧油を排出するための排出ポート２９とが設けられている。ここで、油圧ポンプ４１はドレンタンク４２から作動油を汲み上げ約１２ＭＰａに高圧化して方向制御弁２３に給送する。なお、吸入ポート２８は通路３０を介して前記油圧ポート２６ａに連通され、排出ポート２９は通路３１を介して前記油圧ポート２６ｃに連通されている。また、前記油圧室１７は通路３２を介して前記油圧ポート２６ｂに連通されている。
【００２７】
ハウジング２１内部にはハウジング室３５が形成され、同ハウジング室３５内にはその内周面を摺動するピストン３６が配設されている。ピストン３６内には、電圧の印加に伴い伸長するピエゾスタック３７が配設されている。このピエゾスタック３７は、圧電素子としての多数のＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を積層して構成されるものであって、その一端には一対の電極３８ａ，３８ｂが取り付けられている。電極３８ａ，３８ｂには、ＥＣＵ５０からの制御指令に基づいてドライバ５５を介して所定の電圧が印加される。一方、ピストン３６の左側に配設された皿ばね３９はピエゾスタック３７に収縮方向の力を付与している。なお、図２はピエゾスタック３７に電圧を印加した状態を示すものであって、同ピエゾスタック３７が伸長してピストン３６が図の左方向に移動した状態を示している。
【００２８】
次に、バルブ駆動機構２０Ａの作動を図３に従って説明する。ここで、図３（ａ）はピエゾスタック３７に電圧を印加した状態を示している。つまり、電圧が印加されるとピエゾスタック３７が伸長してピストン３６は皿ばね３９のばね力に抗して図の左方向に移動し、これによりスプール２５は左方向に押し込まれる。このとき、吸入ポート２８に吸入された高圧油は図中の破線矢印の如く流通して油圧室１７内に供給され、吸気バルブ１１が開弁状態となる。
【００２９】
また、図３（ｂ）はピエゾスタック３７に電圧を印加していない状態を示している。つまり、ピエゾスタック３７への電圧印加を解除した状態では、ピストン３６は皿ばね３９のばね力により図の右方向に付勢されているため、スプール２５は右方向に引き寄せられる。このとき、油圧室１７内の作動油は図中の破線矢印の如く流通して排出ポート２９へ排出され（ドレンタンク４２に戻される）、吸気バルブ１１が閉弁状態となる。なお上述した電圧印加の動作は、ＥＣＵ５０による制御信号に基づいて制御されるようになっている。
【００３０】
このように本実施の形態のバルブ駆動機構２０Ａでは、プランジャ１６と油圧室１７とにより吸気バルブ１１を駆動する油圧シリンダが構成され、この油圧シリンダへの油圧供給を断続する油圧制御弁が油圧ポンプ４１及び方向制御弁２３により構成されている。そして、このような構成を用いることにより、吸気バルブ１１の開閉時期を自由に制御することができ、エンジン１の吸気特性を変化させることができる。また、吸気バルブ１１の閉弁時期を変えることなく同バルブ１１の開弁時期だけを変えることもできるようになる（逆に、閉弁時期だけを変えることも可）。
【００３１】
因みに、排気側のバルブ駆動機構２０Ｂについては図示及びその詳細な説明を省略するが、それは上述した吸気側のバルブ駆動機構２０Ａと略同様の構成を有するものであり、排気バルブ１２もやはりＥＣＵ５０によるバルブ駆動機構２０Ｂの制御に基づいて開閉されるようになっている。
【００３２】
次に、本実施の形態における作用を説明する。ここで本実施の形態では、エンジン１の低温始動時にその時々の運転状態に応じて吸気及び排気バルブ１１，１２の開閉動作を制御することを特徴としており、その概要を図６〜図８を用いて説明する。図６〜図８の各図において、横軸に示すＢＤＣはエンジン１のピストン下死点、ＴＤＣはピストン上死点を示し、縦軸はバルブリフト量を示している。
【００３３】
図６は、通常モードでのエンジン１の運転動作を、「排気」、「吸気」、「圧縮」、「膨張」の各行程に対応させて示すタイムチャートである。同図に示すように、排気バルブ１２は排気行程のＢＤＣ直前からＴＤＣ直後までの期間で開放され、吸気バルブ１１は吸気行程のＴＤＣ直前からＢＤＣ直後までの期間で開放される。また、インジェクタ１０による燃料噴射は吸気行程の初期に実施され、その噴射燃料は圧縮ＴＤＣ直前にて点火プラグ４３により点火されるようになっている。つまり、図６に示す通常モードでは、エンジン１の４サイクル運転に応じて吸気及び排気バルブ１１，１２の開閉動作が制御されると共に、燃料噴射並びに点火動作が制御される（以下、この通常モードを「４サイクル運転モード」とも言う）。なお、本実施の形態のバルブリフト動作は、油圧式のバルブ駆動機構２０Ａ，２０Ｂにより実現されるものであるが、それはカムシャフトの回転に伴いリフト動作するカム駆動式のプロフィールに略一致する。
【００３４】
また図７では、前記図６の通常モード（４サイクル運転モード）と比較して、圧縮及び膨張行程が２回分繰り返し実行されている。つまりこれは、燃料噴射後において圧縮及び膨張行程の後の吸気及び排気行程（吸気及び排気バルブ１１，１２の開動作）が１回分、休止されることを意味し、全体として「排気→吸気→圧縮→膨張→圧縮→膨張」の６サイクル運転が実施されている（これを、「６サイクル運転モード」という）。この場合、１回の燃料噴射に対し、圧縮及び膨張行程が２回繰り返されると共に、クランク角１０８０度内の２回の圧縮ＴＤＣ付近でその都度点火が実施されることにより、筒内燃料の完全燃焼が促進されることになる。
【００３５】
さらに図８では、４サイクル運転が実施されることは前記図６の通常モードと同様であるが、吸気バルブ１１の開時期をＴＤＣよりも遅らせている点が前記図６と相違している（但し、排気バルブ１２の開閉時期は通常通り）。この場合、筒内が負圧状態になってから吸気バルブ１１を開くことにより、吸入空気の流速が高められその吸気流で燃料噴霧が筒内（燃焼室６内）に導かれる。これにより、インジェクタ１０による噴射燃料の微粒化が促進されることになる。以下の記載では、こうした運転モードを「燃料微粒化モード」という。
【００３６】
図４は、本実施の形態におけるエンジン始動時のバルブ制御ルーチンを示すフローチャートであり、同ルーチンはイグニッションキーのＯＮ操作に伴いＥＣＵ５０により起動される。
【００３７】
図４において、ＥＣＵ５０は、先ずステップ１０１で始動完了フラグＸＦ１に「１」がセットされているか否かを判別する。この始動完了フラグＸＦ１は、本ルーチンの起動に伴い「０」に初期化され、下記の始動完了条件が成立した場合に「１」にセットされるようになっている。すなわち、ステップ１０２では、クランク角センサ５３により検出されたエンジン回転数Ｎｅが所定回転数（本実施の形態では、４００ｒｐｍ）以上であるか否かを判別し、続くステップ１０３では、水温センサ５１により検出されたエンジン水温Ｔｗが所定温度（本実施の形態では、４０℃）以上であるか否かを判別する。そして、ステップ１０２，１０３（始動完了条件）のいずれかが成立すれば、ＥＣＵ５０は、エンジン１が暖機されて始動が完了したとみなし、ステップ１０４で始動完了フラグＸＦ１に「１」をセットする。こうしてフラグＸＦ１がセットされた場合、吸気及び排気バルブ１１，１２が後述する低温始動時のバルブ制御により駆動されることはなく、通常運転時の周知のバルブ制御にて駆動されることになる（例えば、エンジン回転数Ｎｅやエンジン負荷に基づいて吸気及び排気バルブ１１，１２が制御される）。
【００３８】
一方、始動完了前であって（ＸＦ１＝０）、前記ステップ１０２，１０３がいずれも不成立であれば（Ｎｅ＜４００ｒｐｍで、且つＴｗ＜４０℃の場合）、ＥＣＵ５０はステップ１０５に進み、エンジン回転数Ｎｅが所定回転数（本実施の形態では、６０ｒｐｍ）以上であるか否かを判別する。このとき、冬場等のエンジン冷間時やバッテリ４５の電圧低下時には、ステップ１０５が否定判別され（Ｎｅ＜６０ｒｐｍ）、ＥＣＵ５０はステップ１０６に進む。
【００３９】
ＥＣＵ５０は、ステップ１０６で上述した燃料微粒化モードに従い吸気及び排気バルブ１１，１２を開閉制御する（前記図８参照）。すなわち、吸気バルブ１１の開時期が遅延側に制御され、インジェクタ１０による噴射燃料の微粒化が促進されるようになる。また、ＥＣＵ５０は、続くステップ１０７で４サイクル運転フラグＸＦ２に「１」をセットする。この４サイクル運転フラグＸＦ２は、エンジン１が「４サイクル運転」又は「６サイクル運転」のいずれで運転されているかを識別するものであって、ＸＦ２＝１の場合には、４サイクル運転が実施されているとして図示しない制御プログラムに基づきクランク角７２０度内に１回ずつ燃料噴射と点火とが実行され、ＸＦ２＝０の場合には、６サイクル運転が実施されているとしてクランク角１０８０度内に１回の燃料噴射と２回の点火とが実行されるようになっている（前記図６〜図８参照）。上記ステップ１０６，１０７の処理は、Ｎｅ≧６０ｒｐｍとなりステップ１０５が肯定判別されるまで繰り返し実行される。
【００４０】
前記ステップ１０５が肯定判別されると、ＥＣＵ５０は図５のステップ１０８に進み、吸気及び排気バルブ１１，１２の開動作を休止するための条件（バルブ休止条件）が成立しているか否かを判別する。ここで、バルブ休止条件とは、例えば図９に示すマップにより判定されるものであり、その時のエンジン状態が同図中の許可域（図の斜線領域）にあれば吸気及び排気バルブ１１，１２の開動作休止が許容され、上記許可域以外の禁止域にあれば吸気及び排気バルブ１１，１２の開動作休止が禁止される。
【００４１】
ステップ１０８が否定判別された場合、ＥＣＵ５０はステップ１０９に進み、上述した通常モード（４サイクル運転モード）に従い吸気及び排気バルブ１１，１２を開閉制御する（前記図６参照）。また、ＥＣＵ５０は、続くステップ１１０で４サイクル運転フラグＸＦ２に「１」をセットし、その後図４のステップ１０１に戻る。つまり、前記図９に示すようなエンジン１の低回転条件下や低温度条件下（図の斜線域以外の領域）では、燃焼を促進させて迅速な暖機が要望される。そのためかかる場合には、６サイクル運転モードでのバルブ制御よりも、４サイクル運転モードでのバルブ制御が優先されることになる。
【００４２】
一方、前記ステップ１０８が肯定判別された場合、ＥＣＵ５０は、ステップ１１１で圧縮行程に要した時間（以下、圧縮時間ｔ１とする）を読み込むと共に、続くステップ１１２で膨張行程に要した時間（以下、膨張時間ｔ２とする）を読み込む。これら圧縮時間ｔ１及び膨張時間ｔ２は、クランク角センサ５３による検出結果に基づき算出されるようになっている。
【００４３】
さらに、ＥＣＵ５０は、ステップ１１３で前記読み込んだ圧縮時間ｔ１と膨張時間ｔ２との時間比（ｔ１／ｔ２）を算出し、続くステップ１１４で時間比（ｔ１／ｔ２）に基づきその時の燃焼が完全燃焼状態であるか否かを判別する。この場合、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、完全燃焼状態であれば圧縮時間ｔ１に対して膨張時間ｔ２が短くなり（ｔ１／ｔ２＞１）、不完全燃焼状態であれば圧縮時間ｔ１と膨張時間ｔ２とが略一致する（ｔ１／ｔ２≒１）。従って、ＥＣＵ５０は、ｔ１／ｔ２＞１であれば完全燃焼状態とみなし、ｔ１／ｔ２≒１であれば不完全燃焼状態とみなす。なおここで、単に圧縮時間ｔ１と膨張時間ｔ２との大小関係により完全燃焼か否かを判別するようにしてもよい。
【００４４】
ステップ１１４で完全燃焼状態である旨が判別された場合、ＥＣＵ５０はステップ１０９に進み、上述した通常モード（４サイクル運転モード）に従い吸気及び排気バルブ１１，１２を開閉制御する（前記図６参照）。また、ＥＣＵ５０は、続くステップ１１０で４サイクル運転フラグＸＦ２に「１」をセットし、その後図４のステップ１０１に戻る。
【００４５】
また、ステップ１１４で不完全燃焼状態である旨が判別された場合、ＥＣＵ５０はステップ１１５に進み、上述した６サイクル運転モードに従い吸気及び排気バルブ１１，１２を開閉制御する（前記図７参照）。また、ＥＣＵ５０は、続くステップ１１６で４サイクル運転フラグＸＦ２を「０」にクリアし、その後図４のステップ１０１に戻る。
【００４６】
なお本実施の形態では、上記図５のステップ１１１〜１１４の処理が請求項記載の完全燃焼判定手段に相当し、ステップ１１５の処理がバルブ操作手段に相当する。
【００４７】
以上詳述した本実施の形態によれば、以下に示す効果が得られる。
（ａ）本実施の形態では、エンジン１の筒内（燃焼室６内）で燃料が完全燃焼しているか否かを判定し、不完全燃焼している旨が判定された場合、吸気及び排気バルブ１１，１２の開動作を一定期間内で休止させ、完全燃焼の判定後に通常通りの吸気及び排気バルブ１１，１２の開動作を許容するようにした。要するに、例えばエンジン１の低温始動時には不完全燃焼状態になることがあり、この状態下で吸気及び排気バルブ１１，１２の開閉動作を通常の行程通りに実施すると、未燃燃料（ＨＣ）が排出されるおそれがある。しかし本構成によれば、不完全燃焼時に吸気及び排気バルブ１１，１２を閉状態で維持することで、エンジン始動時の未燃燃料の排出を抑制することができる。
【００４８】
（ｂ）また、不完全燃焼している旨が判定された場合、吸気及び排気バルブ１１，１２の開動作を休止させ、圧縮及び膨張行程を重複して実施すると共に、燃料の点火をその都度実施させるようにした。本構成によれば、通常の「吸気＋圧縮＋膨張＋排気」の４サイクル運転に代えて、「吸気＋圧縮＋膨張＋再圧縮＋再膨張＋排気」の６サイクル運転が可能となる。これにより、不完全燃焼時において未燃燃料の燃焼が繰り返され、当該未燃燃料の完全燃焼が促進されることになる。
【００４９】
（ｃ）フラグ操作（４サイクル運転フラグＸＦ２の操作）により、バルブ系、燃料噴射系及び点火系を関連付けて制御するようにしたため、これら各制御が総合的に実施できるようになる。
【００５０】
（ｄ）吸気及び排気バルブ１１，１２の開動作休止を実施するか否かを、エンジン運転状態に基づいて判定し（前記図５のステップ１０８）、所定の運転状態下では、前記開動作休止を実施せず、通常通りに吸気及び排気バルブ１１，１２を開閉制御するようにした。すなわち、６サイクル運転を禁止して通常の４サイクル運転を実施するようにした。より具体的には、エンジン１の極低回転域若しくは極低温域では、吸気及び排気バルブ１１，１２の開動作休止を実施しないようにした（前記図９のマップ）。この場合、バッテリ負荷が過大になる状態（スタータ電流が低下する状態）において、未燃燃料の排出抑制よりも始動時間の短縮化を優先させることができる。
【００５１】
（ｅ）さらに、スタータモータ４４によるクランキング時の圧縮行程の所要時間と膨張行程の所要時間との大小関係に基づいて、完全燃焼であるか否かを判定するようにした。この場合、燃焼状態が容易に判別できるようになる。
【００５２】
（ｆ）吸気バルブ１１の開時期を通常時期よりも遅延させるようにした（前記図４のステップ１０６）。つまり、未燃燃料の排出をより一層抑制するには、エンジン始動性を向上させる必要もある。そこで、吸気バルブ１１の開時期の制御によりインジェクタ１０による噴射燃料の微粒化を図るようにした。この場合、上記した未燃燃料の排出抑制を図ると共に、エンジン始動性の向上をも実現させることができる。
【００５３】
なお、本発明の実施の形態は、上記以外に次の形態にて実現できる。
上記実施の形態では、エンジン低温始動時の不完全燃焼に際し、吸気側及び排気側の両バルブ１１，１２の開動作を休止させるよう制御していたが、この構成を変更してもよい。つまり、少なくとも排気バルブ１２の開動作のみを休止させれば、未燃燃料の排出が抑制できるといった効果が得られるようになる。
【００５４】
上記実施の形態では、エンジン低温始動時の不完全燃焼に際し、圧縮及び膨張行程（及び点火）を１回ずつ余分に実施し、エンジン１の６サイクル運転を実現するようにしていたが、圧縮及び膨張行程（及び点火）を２回ずつ余分に実施し、エンジン１の８サイクル運転を実現するようにしてもよい（吸気＋圧縮＋膨張＋再圧縮＋再膨張＋再々圧縮＋再々膨張＋排気という行程を実施させる）。また、エンジン運転状態に応じて、これら６サイクル運転と８サイクル運転とを選択的に実施するようにしてもよい。要は、筒内の未燃燃料の排出を抑制し、且つ同未燃燃料の燃焼を促進させるよう、吸気及び排気行程を一定期間内で休止させる構成であればよい。
【００５５】
多気筒エンジン（例えば、上記実施の形態のような４気筒エンジン）において、１気筒でも不完全燃焼気筒がある場合に、不完全燃焼気筒を優先するか、或いは完全燃焼気筒を優先するかを判断し、不完全燃焼気筒を優先するのであれば６サイクル運転を実施し、完全燃焼気筒を優先するのであれば４サイクル運転を実施するようにしてもよい。このとき、不完全燃焼気筒が優先されれば未燃燃料の排出が抑制され、他方、完全燃焼気筒が優先されれば始動時間が短縮されることになる。
【００５６】
上記実施の形態で開示した燃料微粒化モードでのバルブ制御について、次の図１１又は図１２に示す形態のように具体化してもよい。
・エンジン１の低温始動時において、図１１に示すように、排気バルブ１２の閉時期を通常時期よりも進め、排気バルブ１２の閉動作後、筒内（燃焼室６内）を圧縮してから吸気バルブ１１を開動作させる。この場合、筒内の吸入ガスが吸気ポート８に吹き返され、燃料噴霧が微粒化される。
・スタータモータ４４によるクランキング開始後において、図１２に示すように、吸気バルブ１１を先に開動作させてから排気バルブ１２を開動作させる。この場合、吸気バルブ１１の開動作初期には筒内圧力＞吸気管圧力となるため、筒内の吸入ガスが吸気ポート８に吹き返され、この時期に同期して燃料を噴射すれば燃料噴霧が微粒化される。特にかかる場合には、クランキング回転数、吸気温、エンジン水温（シリンダ壁温）、バッテリ電圧等を考慮して最も未燃燃料の排出量が少なく、且つ始動に要する時間が短かくてすむクランキング回転数に達するまで排気バルブ１２を開かずに、先に吸気バルブ１１を動かすと同時に燃料噴射を開始する。そして、「圧縮→点火→爆発」をクランキング回転数の変化幅から検知し、爆発が行なわれた場合のみ排気バルブ１２を開く。また、爆発が不十分な時は、排気バルブ１２を開かずに再圧縮して点火し、それにより燃焼を完全に終了させるようにするとよい。
【００５７】
またここで、前記図４におけるステップ１０５のエンジン回転数Ｎｅの判別処理を廃止し、エンジン１の低温始動時には、常に燃料微粒化モードでのバルブ制御を実施するようにしてもよい。この場合、燃料微粒化モードでのバルブ制御と、６サイクル運転モードでのバルブ制御とが組み合わされて実施されるようになる。他方で、上記の燃料微粒化のための処理を一切実施しないようにして具体化することも可能あり、かかる場合にも吸気及び排気バルブ１１，１２の開動作を休止させる等の処理を実行することで、未燃燃料の排出が抑制できる。
【００５８】
また、不完全燃焼時には、排気バルブ１２の開時期を遅らせて、燃焼が完全に終了してから排気を行うようにしてもよい。つまり、膨張行程で燃焼が緩慢に続いている時に排気バルブ１２を開くと、筒内圧力が急激に低下し、それにより消炎して大量の未燃ガスが排出されるおそれがあるが、排気バルブ１２の開時期を遅らせることで上記の不具合が防止できる。
【００５９】
またさらに、スタータモータ４４によるクランキング時の回転数を検出し、該検出されるクランキング時の回転数が所定回転域に達するまでは、排気及び吸気バルブ１１，１２の開閉動作を休止させる（例えば、両バルブを共に開又は閉状態とする）。この場合、クランキング回転数が上昇するまで吸気及び排気バルブ１１，１２を開閉動作させないことにより、ポンプ損失が低減され、スタータモータ４４の負荷が低減できる。このとき、燃料噴射と点火も停止させておく。そして、圧縮圧力が十分になるクランキング回転数まで上昇してから、排気バルブ１２、吸気バルブ１２の順に開閉動作を実施すればよい。
【００６０】
上記実施の形態では、前記図４，５のバルブ制御ルーチンにおいて、圧縮時間ｔ１と膨張時間ｔ２との時間比を用いてエンジン１が完全燃焼しているか否かを判別していたが、この構成を変更してもよい。つまり、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、完全燃焼時と不完全燃焼時とを比較すれば、スタータ電流のピーク値が相違しており、完全燃焼時にはスタータ電流のピーク値が徐々に減少するのに対し、不完全燃焼時にはスタータ電流のピーク値が略一定値に保持される。従って、スタータ電流のピーク値に基づいて完全燃焼状態を判別することが可能となる。
【００６１】
また、完全燃焼を判定するパラメータとしては、クランキング時におけるスタータモータ４４に流れる電流（スタータ電流）、バッテリ電圧、筒内圧等の変化状態を用いてもよく、これらのパラメータでも容易に燃焼状態が判別できる。つまり、図１３に示すように、クランキング当初の不完全燃焼から完全燃焼に移行すると、クランキング回転数が上昇してスタータモータ４４の負荷が軽減され、スタータ電流が低下する。また、スタータモータ４４の負荷軽減により、バッテリ４５の電力消費量が低下してバッテリ電圧が上昇する。従って、これらスタータ電流やバッテリ電圧の変化から完全燃焼に至ったか否かを判別することができるようになる。さらに、図示は省略するが、完全燃焼時と不完全燃焼時とについて筒内圧を比較すれば、前者の筒内圧の方が高いため、このパラメータ（筒内圧）によっても燃焼状態の判別が可能となる。
【００６２】
上記実施の形態では、吸気及び排気バルブ１１，１２を開閉動作させるアクチュエータとして、油圧駆動式のバルブ駆動機構２０Ａ，２０Ｂを開示したが、これに代えて、空気圧駆動式或いは電磁駆動式のバルブ駆動機構を用いるようにしてもよい。
【００６３】
また、本発明の制御装置を、ディーゼルエンジンに適用してもよく、かかる場合にも、当該エンジンからの未燃燃料の排出が抑制されるといった効果が得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施の形態におけるエンジン制御システムの概略を示す構成図。
【図２】バルブ駆動機構並びにその周辺部の構成を示す断面図。
【図３】方向制御弁の動作を説明するための断面図。
【図４】バルブ制御ルーチンを示すフローチャート。
【図５】図４に続き、バルブ制御ルーチンを示すフローチャート。
【図６】通常モード（４サイクル運転モード）でのバルブ制御動作を説明するためのタイムチャート。
【図７】６サイクル運転モードでのバルブ制御動作を説明するためのタイムチャート。
【図８】燃料微粒化モードでのバルブ制御動作を説明するためのタイムチャート。
【図９】バルブ開動作休止の許可域を示すマップ。
【図１０】完全燃焼時と不完全燃焼時とについて、圧縮及び膨張行程の所要時間の違いと、スタータ電流波形の違いとを示すタイムチャート。
【図１１】燃料微粒化モードでのバルブ制御動作を説明するためのタイムチャート。
【図１２】燃料微粒化モードでのバルブ制御動作を説明するためのタイムチャート。
【図１３】エンジン始動時におけるスタータ電流、バッテリ電圧、エンジン回転数及び吸入空気量の推移を示すタイムチャート。
【符号の説明】
１…エンジン（内燃機関）、１０…インジェクタ、１１…吸気バルブ、１２…排気バルブ、２０Ａ，２０Ｂ…バルブ駆動機構、４３…点火プラグ、４４…スタータモータ、４５…バッテリ、５０…バルブ動作制御手段，完全燃焼判定手段，バルブ操作手段を構成するＥＣＵ（電子制御装置）。

Claims

吸気バルブ及び排気バルブを任意の時期に開閉可能なバルブ駆動機構を備える内燃機関に適用され、特に機関始動時の燃焼状態を制御する制御装置であって、
前記バルブ駆動機構に制御指令を与えて、前記吸気バルブ及び排気バルブの開閉動作を制御するバルブ動作制御手段と、
前記内燃機関の筒内で燃料が完全燃焼しているか否かを判定する完全燃焼判定手段と、
前記完全燃焼判定手段により不完全燃焼している旨が判定された場合、前記バルブ動作制御手段による吸気バルブ及び排気バルブの開動作を休止して圧縮及び膨張行程を繰り返し実施することによって筒内の未燃燃料の完全燃焼を促進し、その後の前記完全燃焼判定手段による完全燃焼の判定後に、前記休止した吸気バルブ及び排気バルブの通常の開動作を許容するバルブ操作手段と
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、
圧縮及び膨張行程を繰り返し実施する際に、燃料の点火をその都度実施させるようにした内燃機関の制御装置。
前記バルブ操作手段による排気バルブの開動作休止を実施するか否かを、機関運転状態に基づいて判定し、所定の運転状態下では、前記開動作休止を実施せず、通常通りに排気バルブを開閉制御するようにした請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
請求項３に記載の内燃機関の制御装置において、
前記内燃機関の極低回転域若しくは極低温域では、前記排気バルブの開動作休止を実施しないようにした内燃機関の制御装置。
前記完全燃焼判定手段は、スタータモータによるクランキング時の圧縮行程の所要時間と膨張行程の所要時間との大小関係に基づいて、完全燃焼であるか否かを判定するものである請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。