JP4172319B2 - エンジンの可変バルブタイミング制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの可変バルブタイミング制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、エンジンからの排ガス中に含まれるＨＣ（炭化水素）量を削減することが望まれ、このための様々な技術が開発，提案されている。例えば特許文献１には、排気上死点より進角側（すなわち、排気行程中）にバルブオーバラップ（すなわち、排気バルブと吸気バルブとの両方を開弁させる期間）を設定することによって、排ガスを排気ポートおよび吸気ポートへ排出する手法が開示され、これによりＨＣ排出量を低減できる旨が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１３４１９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、エンジンから排出されたＨＣを触媒によって化学反応させることによって取り除く手法が一般的であるが、この場合、触媒を所定の高温にすることで、触媒を活性化させる必要がある。この場合、点火時期をリタード（遅角）させて排ガス温度を上昇させることで触媒を昇温させる手法が一般的である。
【０００５】
しかし、点火時期をリタードさせると、シリンダ内の燃焼が不安定になるという課題がある。そこで、内部ＥＧＲを低減することで燃焼安定性を向上させる手法が考えられる。このためには、ピストンが上死点（ＴＤＣ）となると同時に、排気バルブの閉弁と吸気バルブの開弁とを行なう（すなわちバルブオーバラップをゼロに設定する）ことで、シリンダ内の内部ＥＧＲを最小とすることができる。
【０００６】
このように、点火時期リタードによる排ガス昇温と、排ガス昇温による触媒の早期活性化によって、エンジン始動直後、特に、冷態始動直後に発生するＨＣを触媒によって処理することが可能となるとともに、エンジンの燃焼安定性も確保することが可能となる。
ところが、上述のように、内部ＥＧＲを最小とする制御を行なうと、むしろエンジンから排出されるＨＣ量が増大してしまうという課題が生ずる。以下、この課題を図８を用いて説明する。
【０００７】
図８（ａ）には、吸気バルブおよび排気バルブのそれぞれのバルブタイミング特性（バルブリフト特性）が模式的に示されている。このバルブリフト特性によれば、ＴＤＣにおいて排気バルブの閉弁〔ＥＣ（Exhaust-valve Close）〕と吸気バルブの開弁〔ＩＯ（Intake-valve Open）〕とを同時に行なうことで、シリンダ内の内部ＥＧＲを最小とすることができる。なお、これらの排気バルブと吸気バルブとは同時に開放されることはなく、いわゆる、バルブオーバラップがゼロとなるように設定されている。
【０００８】
しかしながら、この図８（ａ）に示すような特性で排気バルブおよび吸気バルブを作動させた場合、エンジンから排出される排ガスに含まれるＨＣの量は、図８（ｂ）に示すように、排気バルブの開弁〔ＥＯ（Exhaust-valve Open）〕の直後に急増し（図中矢印Ａ₁参照）、その後徐々に減少するが、再びＴＤＣの直前（ＥＣの直前）に急増してしまうのである（図中矢印Ａ₂参照）。つまり、触媒を昇温させて触媒の処理能力を高めるとともに、エンジンの燃焼安定性を確保する制御を行なうと、むしろ、エンジンから触媒に対して排出されるＨＣ量が増加してしまうという現象が生じてしまう。
【０００９】
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、エンジンから排出されるＨＣ量を抑制できるようにした、エンジンの可変バルブタイミング制御装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明のエンジンの可変バルブタイミング制御装置は、吸気ポート内に燃料を供給してエンジンの吸気弁及び排気弁の開閉時期をそれぞれ変更可能な可変バルブタイミング制御装置であって、該排気弁が閉じた後に該吸気弁が開くように設定されるとともに該排気弁の閉弁時期が上死点前に設定され燃焼室内で圧縮された排ガスを該吸気ポートに逆流させる第１の作動モードと、該第１の作動モードに対して該吸気弁の開弁時期を該排気弁の閉弁時期と同時になるように進角させ該燃焼室内で圧縮されていない排ガスを該吸気ポートに逆流させる第２の作動モードと、該第２の作動モードに対して該排気弁の閉弁時期を上死点後に遅角させた第３の作動モードとを切り替え可能に構成され、該エンジンの始動時には、該吸気弁及び該排気弁の作動モードが該第１の作動モードに設定され、その後第１の所定条件が成立すると該第２の作動モードに切り替えられ、さらに第２の所定条件が成立すると該第３の作動モードに切り替えられることを特徴としている。
【００１１】
これにより、エンジン始動直後は排気側に排出される排ガスを減らすことでＨＣ排出量を低減させることができるし、吸気ポート内へ一旦圧縮された排ガスを流入させることで、吸気ポート内の燃料霧化を良好に行なってＨＣ排出量を低減させることができる。また、その後は、第２の作動モードに切り替えられるのでＨＣ排出量を低減しながら、エンジンの燃焼安定性および燃費を確保することができる。
【００１２】
また、請求項２記載のエンジンの可変バルブタイミング制御装置は、上記請求項１記載の構成において、該第１の作動モードにおける該排気弁が閉じた後に該吸気弁が開くまでの期間は、少なくともその半分が排気行程に設定されていることを特徴としている。
これにより、排ガスを勢いよく吸気ポート内に流入させることができるので、吸気ポート内における燃料霧化をさらに促進させることができる。
【００１３】
また、請求項３記載のエンジンの可変バルブタイミング制御装置は、上記請求項１記載の構成において、該第１の作動モード時には、該吸気弁の開弁時期が上死点近傍に設定されることを特徴としている。
これにより、排ガスを高圧縮することができる。
【００１４】
また、請求項４記載のエンジンの可変バルブタイミング制御装置は、上記請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の構成において、該第１の作動モード時または該第２の作動モード時には、空燃比が理論空燃比に設定されるとともに、点火時期が上死点後になるように遅角されることを特徴としている。
【００１５】
これにより、排ガス温度を上昇させるとともに、エンジンの燃焼安定性を確保し、さらに燃費の向上にも寄与することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態にかかるエンジンの可変バルブタイミング制御装置について図１〜図７を用いて説明すると、図１はその構成を示す模式図、図２はバルブタイミングと排ガスに含まれるＨＣの量との関係を示すタイムチャートであって、（ａ）は第１の作動モードにおけるバルブリフト特性（バルブタイミング特性）を示す図、（ｂ）は第１の作動モードに従って制御されたエンジンから排出されるＨＣの量を示す図、図３は第２の作動モードにおけるバルブタイミング特性を示す図、図４はバルブタイミングと燃焼安定性との関係を示すグラフ、図５は第１の作動モードから第２の作動モードへ切り替えた場合にエンジンから排出されるＨＣの量を示すグラフ、図６および図７はその動作を示すフローチャートである。
【００１８】
本願発明のエンジンの可変バルブタイミング制御装置は、図１に示すように、ＥＣＵ１と可変バルブタイミング機構（ＶＶＴ機構）２とから主に構成されている。このＶＶＴ機構２は、ベーン式ＶＶＴなどにより構成され、排気バルブ（排気弁）を駆動するカムシャフト２５と図示しない排気側カムスプロケットとの間、および吸気バルブ（吸気弁）４を駆動するカムシャフト２７と図示しない吸気側スプロケットとの間にそれぞれ介装されている。また、このＶＶＴ機構２により、排気バルブ５を駆動するカム２５のクランクシャフト（図示略）に対する位相や吸気バルブ４を駆動するカム２８のクランクシャフトに対する位相を変更することで、両バルブ４，５の開閉時期（バルブタイミング）をそれぞれ独立して変更、調節することができるようになっている。
【００１９】
なお、このＶＶＴ機構２には、さまざまな種類のものを適用できるので、その詳しい説明は省略するが、吸気バルブ４と排気バルブ５とのそれぞれの開弁および閉弁時期を連続的に変更できるタイプに限らず、例えば、複数の開弁および閉弁時期をあらかじめ設定しておき、この中から適当な時期を選択するタイプのものであってもよい。
【００２０】
また、エンジン３の吸気系は、吸気管６、サージタンク７、吸気マニホールド８などを備えて構成されている。また、この吸気マニホールド８の下流端部には、吸気バルブ４が開放されることによりシリンダ９内の燃焼室１０と連通する吸気ポート１１が接続されている。さらに、この吸気系には、アクセル開度に応じて燃焼室１０内へ流入する吸入空気量を調節するスロットルバルブ１２、このスロットルバルブ１２の開度を検出するスロットルバルブポジションセンサ１３、吸入空気量を検出するエアフローセンサＡＦＳなどが設けられている。
【００２１】
一方、エンジン３の排気系には、排気マニホールド２２の上流端部に接続され、排気バルブ５が開放されることにより燃焼室１０と連通する排気ポート１４が設けられるとともに、排気マニホールド２２の下流には図示しない排ガス浄化用の三元触媒（触媒）が設けられている。
また、エンジン３には上述の吸気系および排気系の他に、シリンダ９、燃焼室１０、ピストン１５、スパークプラグ１６、インジェクタ１７が設けられている。なお、このエンジン３はインジェクタが吸気ポートに設けられる、いわゆるＭＰＩ方式のエンジンであり、また、エンジン３には、図示しないクランク角センサやアクセル開度センサなども装備されている。
【００２２】
一方、ＥＣＵ１には、空燃比設定手段１８、インジェクタ制御手段１９、ＶＯＬ設定手段（バルブオーバラップ設定手段）２０ 、ＶＶＴ制御手段（可変バルブタイミング機構制御手段）２１、点火時期設定手段２３、スパークプラグ制御手段２４が内蔵されることによって構成されている。また、このＥＣＵ１には、図示しない入出力ユニット、制御プログラムや制御マップを記憶する記憶ユニット、中央演算処理ユニット（ＣＰＵ）などがそなえられ、エンジン３に設けられた各種のセンサによる検出結果に基づき、エンジン３を制御するようになっている。
【００２３】
これらのうち、空燃比設定手段１８は、目標とする空燃比（目標Ａ／Ｆ）を設定するものであって、また、インジェクタ制御手段１９は、空燃比設定手段１８によって設定された目標Ａ／Ｆとなるように、インジェクタ１７を制御するものである。
点火時期設定手段２３は目標とする点火時期を設定するものであり、また、スパークプラグ制御手段２４は、点火時期設定手段２３によって設定された目標点火時期にしたがって、エンジン３のスパークプラグ１６による点火時期を制御するものである。なお、本明細書において、スパークプラグ１６の点火時期はピストン１５の圧縮上死点近傍の所定時期を基準点火時期とし、この基準点火時期よりも後で点火させる場合を点火遅角もしくは点火時期リタードといい、一方、基準点火時期よりも前にスパークプラグ１６を点火させる場合を点火進角という。
【００２４】
ＶＯＬ設定手段２０は、吸気バルブ４と排気バルブ５とのバルブオーバラップ（ＶＯＬ）を設定するものである。ここで、ＶＯＬ＝０であれば排気バルブ５が閉じる（ＥＣ）と同時に吸気バルブ４が開く（ＩＯ）ことになり、また、ＶＯＬ＜０であれば、排気バルブ５が閉じてから吸気バルブ４が開くことになる。なお、このＶＯＬ＜０とした場合のＥＣからＩＯまでの期間をネガティブオーバラップ（ＮＶＯＬ）といい、このネガティブオーバラップの期間は排気バルブ５も吸気バルブ４も閉弁され、燃焼室１０に対する空気の流出入が遮断されるようになっている。
【００２５】
ＶＶＴ機構制御手段２１は、上記のＶＯＬ設定手段２０によって設定されたＶＯＬ（もしくはＮＶＯＬ）と、クランク角センサによって検出されたピストン１５の位置とに応じてＶＶＴ機構２を制御するものである。
そして、本実施形態においては、このＶＶＴ機構制御手段２１により、吸排気バルブ４，５それぞれの開閉時期が以下の▲１▼〜▲３▼として説明する３種類のうちいずれかの作動特性（作動モード）に切り替えられるようになっている。
▲１▼ネガティブオーバラップが設定され且つ排気バルブ５の閉弁時期（ＥＣ）が上死点前に設定され且つ吸気バルブ４の開弁時期（ＩＯ）が上死点近傍に設定された第１の作動モード
▲２▼上記第１の作動モードに対して吸気バルブ４の開弁時期（ＩＯ）を上死点前に進角させバルブオーバラップ≒０とした第２の作動モード
▲３▼上記第２の作動モードに対して排気バルブ５の閉弁時期（ＥＣ）を上死点後に遅角させた第３の作動モード
【００２６】
ここで、ＶＶＴ機構制御手段２１によるＶＶＴ機構２の制御について説明する。まず、上記▲１▼の第１の作動モードについて説明すると、図２（ａ）のタイムチャートに示すように、図中ＥＣで示す時点で排気バルブ５が閉じられ、その後、ＶＯＬ設定手段２０によって設定されたネガティブオーバラップが経過すると、吸気バルブ４が開かれる。また、このとき、排気バルブ５はピストン１５が排気上死点に達するよりも前に閉じられ、また、吸気バルブ４はピストン１５が排気上死点に達すると同時に開くように設定されている。これはネガティブオーバラップ期間中に筒内に残った排ガスを一旦圧縮させておき、この排ガスを吸気ポート１１内へ勢いよく流入させることによって、吸気ポート１１内壁に付着した液滴状の燃料の霧化を促進させ、該付着燃料が液滴のまま筒内に流入することを抑制して排ガス中に含まれるＨＣの量を抑制することをねらったものである。
【００２７】
ところで、エンジンから排出される排ガスにＨＣが含まれる原因は一般的にいくつか知られているが、例えば、（１）冷態始動時に、吸気ポート内の壁面に付着した液滴状の燃料が霧化されずに燃焼室へ流れ込み、不完全燃焼を起こしてＨＣが発生する場合、（２）ピストンクレビス内などに残留した燃料が完全燃焼されずに残留しＨＣが発生する場合などが挙げられる。
【００２８】
そこで、上述の原因（１）すなわち、吸気ポート１１内の壁面に付着した液滴燃料が霧化されずに燃焼室１０へ流れ込んでしまうことを防ぐため、エンジン３の始動時には吸排気バルブ４，５の作動特性が第１の作動モードとなるようにＶＶＴ機構２が制御されるようになっている。これにより、吸気ポート１１へ高温の排ガスを勢いよく流入させるようになっている。つまり、図２（ａ）に示すように、第１の作動モードにおいては、排気行程でピストン１５が上死点へ向けて上昇している途中（すなわち、排気行程中）に排気バルブ５と吸気バルブ４とが閉じられるので、図中ＥＣの時点から排気上死点（ＴＤＣ）まで排ガスが圧縮される。そして、ＴＤＣと同時に吸気バルブ４が開弁され、ピストン１５によって圧縮された排ガスが勢いよく吸気ポート１１へ流入し、吸気ポート１１の壁面などに付着していた液滴燃料と空気とが混合され、燃料を確実に霧化して不完全燃焼を防ぎ、ＨＣの発生を抑制することができるようになっている。なお、排ガスを圧縮して吸気ポート１１へ勢いよく流入させるという観点からは、ネガティブオーバラップ後に吸気バルブ４を開く時期をＴＤＣと一致させる必要はないが、吸気バルブ４の開弁時をＴＤＣ近傍に設定すれば高い圧縮率で排ガスを圧縮することができる点で有利である。
【００２９】
また、ネガティブオーバラップ後の吸気バルブ４の開弁時期は、吸気ポート１１に対する排ガスの目標流速に応じて自由に設定することができる。つまり、排気行程中に排気バルブ５を閉めた後、ネガティブオーバラップを設定し、その後吸気バルブ４をＴＤＣよりも前（すなわち、排気行程中）に開いた場合であっても、排ガスは圧縮された後、勢いよく吸気ポート１１へ流入するが、この場合、吸気バルブ４の開弁時期をＴＤＣと一致させた場合よりも排ガスの圧縮率を減少させることができるので、吸気ポート１１に対する排ガスの流速を適宜抑制することができる。
【００３０】
一方、ネガティブオーバラップ後、吸気バルブ４の開弁時期をＴＤＣよりも若干後（すなわち、吸気行程中）に設定した場合であっても、このネガティブオーバラップの半分以上がＴＤＣよりも先（すなわち、排気行程中）に設定されていれば、排ガスを圧縮して吸気ポートへ流入させることができる。この場合も、吸気バルブ４の開弁時期をＴＤＣと一致させた場合より排ガスの圧縮率を減少させることが可能となり、これにより、吸気ポート１１への排ガス流入速度を任意に調節することができる。
【００３１】
また、吸排気バルブ４，５が第１の作動モードなるようにＶＶＴ機構２を制御することにより、上述の原因（２）すなわち、ピストンクレビス内などに残留した燃料が完全には燃焼されずに残留してＨＣを生ずることを防止することができる。つまり、図８を用いて発明が解決しようとする課題の欄でも説明したように、エンジンから排出されるＨＣの量が排気上死点の直前で急増（図８中矢印Ａ₂参照）するのは、シリンダ内に付着したＨＣ（例えば、未燃焼燃料やオイルなど）が排気上死点に至る間にピストンリングによって掻き上げられ、このＨＣが排ガスとともに排気ポートへ排出されることによる。
【００３２】
これに対して、図２（ａ）に示す第１の作動モードでは、排気ＴＤＣよりも早く排気バルブ５が閉じられるので、ピストンリングによって掻き上げられたＨＣの排気ポート１４に対する排出を防止して、ネガティブオーバラップ後に吸気バルブ４が開くことによって吸気ポート１１へ流入させるようになっている。そして、吸気ポート１１へ流入したＨＣは吸気ポート１１内で攪拌されて霧化され、次回の爆発燃焼行程において燃焼されるようになっている。
【００３３】
これにより、図２（ｂ）に示すように、排気バルブ５の閉弁時におけるエンジン３から排出されるＨＣの量を、従来に比べて大幅に低減することができる。
そして、エンジン３をこのような第１作動モードで運転した後、所定時間が経過すると、燃焼安定性を高めるべく、第２の作動モードに移行するようになっている。ここで、図２（ａ）に示す第１の作動モードから、図３に示す第２の作動モードへの作動モードの移行について説明すると、エンジン３の始動後、吸排気バルブ４，５のバルブリフト特性はＥＣＵ１のＶＶＴ機構制御手段２１により上述した第１の作動モードに従って設定され、その後、図３に示す第２の作動モードに設定されるようになっている。この第２の作動モードは、第１の作動モードに対して吸気バルブ４の作動特性を全体的に進角させた特性であり、具体的には、吸気バルブ４の開弁時期がＴＤＣよりも手前となるように設定されるとともに、第１の作動モードで設定されていたネガティブオーバラップがゼロ（すなわち、ＶＯＬ＝０）に設定され、排気バルブ５の閉弁と吸気バルブ４の開弁とが同時に行なわれるようになっている。
【００３４】
また、この第２の作動モードでは、吸気ポート１１へ流入する排ガスが圧縮されない点で第１の作動モードの場合とは異なる。これは、エンジン３の始動時から所定時間が経過するとエンジン３の温度が上昇することで吸気ポート１１壁面の温度も上昇し、この壁面に付着していた液滴燃料も霧化しやすくなっているため、エンジン始動直後に用いられる第１の作動モードのように排ガスを勢いよく吸気ポート１１へ噴出させる必要がないからである。したがって、第２の作動モードにとなるようにＶＶＴ機構２を制御することによって排ガスを圧縮する行程を排してエネルギ損失を防ぎ、燃費向上に寄与することができるようになっている。
【００３５】
ところで、上述の第１および第２の作動モードのように、排気バルブ５をＴＤＣよりも先に閉じると排ガスが燃焼室１０内に残留し、ここで残留した排ガス〔以後、内部ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガスという〕は次回の爆発燃焼行程において燃焼されることになる。しかしながら、過度に内部ＥＧＲガス量が増加するとエンジンの燃焼安定性が損なわれるおそれがあるため、本願発明では、内部ＥＧＲガス量を増加させても燃焼安定性を損なわないように工夫がなされている。この点について、吸排気バルブ４，５が上述の第１の作動モードおよび第２の作動モードに従って制御された場合のエンジン３の燃焼安定性に着目し、図４を用いて説明する。
【００３６】
この図４は、気温が氷点下である場合においてエンジン３を始動させて燃焼安定性を示すグラフであって、縦軸に角加速度標準偏差σαが設定されるとともに、横軸に空燃比Ａ／Ｆが設定されている。この角加速度標準偏差σαはエンジンの燃焼安定性を示す指標であって、この数値が小さいほど燃焼安定性が高いことを示している。なお、この図４に示す計測においてスパークプラグ１６の点火時期は７°ＡＴＤＣに設定されている。
【００３７】
まず、Ａ／Ｆ≒１４．０、吸気バルブ４の開弁（ＩＯ）を３°ＡＴＤＣ、排気バルブ５の閉弁（ＥＣ）を０°に設定すると、図中矢印Ｂ₁で示すように、角加速度標準偏差σαは約２２．５［１／ｓｅｃ²］であり、かなり悪化することがわかる。そこで、Ａ／Ｆを若干リッチ化（ここではＡ／Ｆ≒１３．５）させると、図中矢印Ｂ₂で示すように、角加速度標準偏差σαは約１４．０［１／ｓｅｃ²］となって、燃焼安定性は向上する。
【００３８】
次に、Ａ／Ｆを約１３．５に固定するとともに、ＩＯを３°ＡＴＤＣで固定し、ＥＣを２０°ＢＴＤＣ（矢印Ｃ₁参照）とすると、大幅に燃焼安定化を高めることができる。さらに、ＩＯ＝３°ＡＴＤＣ，ＥＣ＝２０°ＢＴＤＣの状態を維持したままＡ／Ｆをわずかにリッチ化するようにインジェクタ１７を制御すると、図中矢印Ｃ₂で示すように、さらに燃焼安定性を高めることができる。なお、図中矢印Ｂ₂で示す状態（ＩＯ＝３°ＡＴＤＣ，ＥＣ＝０°，Ａ／Ｆ≒１４．０）と、矢印Ｃ₂として示した状態（ＩＯ＝３°ＡＴＤＣ，ＥＣ＝２０°ＢＴＤＣ，Ａ／Ｆ≒１４．０）とを比較した結果、実に約４０％も燃焼安定性を向上させることが可能であった。
【００３９】
このように、図４中矢印Ｃ₂で示したパラメータに従った第１の作動モードで吸排気バルブ４，５を制御するとともに、インジェクタ１７による燃料噴射量を制御することで、燃焼安定性を向上させることができるようになっている。
さらに、図中矢印Ｃ₂で示した状態（ＩＯ＝３°ＡＴＤＣ，ＥＣ＝２０°ＢＴＤＣ，Ａ／Ｆ≒１４．０）から、ＩＯを１０°ＢＴＤＣ，２０°ＢＴＤＣ，３０°ＢＴＤＣ，４０°ＢＴＤＣのようにそれぞれ変化させるとともに、Ａ／Ｆを１２〜１５の範囲で変化させた場合（図中、矢印Ｄ参照）について説明すると、ＩＯ＝１０°ＢＴＤＣ，ＥＯ＝２０°ＢＴＤＣ，Ａ／Ｆ≒１２．５〜１３．２５として設定した場合に燃焼安定性が非常に高くなることがわかった。つまり、図中矢印Ｃ₂として示した状態（ＩＯ＝３°ＡＴＤＣ，ＥＣ＝２０°ＢＴＤＣ，Ａ／Ｆ≒１４．０）よりも、矢印Ｄ₁として示した状態（ＩＯ＝ＥＣ＝２０°ＢＴＤＣ，Ａ／Ｆ≒１２．５〜１３．２５）の方が、さらに約３４％も燃焼安定性を向上させることが可能であることがわかった。
【００４０】
したがって、この図中矢印Ｄで示すパラメータを用いた第２の作動モードでＶＶＴ機構２を制御するとともにインジェクタ１７を制御することで、高い燃焼安定性を得ることができる。
このように、エンジン３の始動直後は、ＴＤＣ前の排気バルブ５閉弁、その後ネガティブオーバラップ、そして吸気バルブ４開弁という一連の第１作動モードをＡ／Ｆリッチ化することで、排ガス中に含まれるＨＣの量を低減するとともに、燃焼安定性も確保することが可能になっている。また、このとき、ネガティブオーバラップの期間の少なくとも半分を排気行程中となるように設定することによって、排ガスを吸気ポート１１内に勢いよく流入させることができるようになっている。なお、このとき、吸気バルブ４の開弁時期をＴＤＣ近傍に設定することで、排気バルブ５閉弁後に燃焼室１０内に残っている排ガスを高い率で圧縮することができるようになっている。
【００４１】
また、吸気バルブ４の開弁時期をＴＤＣよりも前となるように設定する第２作動モードによって、さらにエンジン３の燃焼安定性を向上させることが可能となる。このとき、排気バルブ５の閉弁時期と吸気バルブ開弁時期とを一致させる（すなわち、バルブオーバラップをゼロとする）ように第２の作動モードを設定すれば、エンジンの燃焼安定性を確保するとともに、エンジンから排出されるＨＣ量を確実に低減させることができる。
【００４２】
ところで、図４を用いて上述したように、ＶＶＴ機構２を第１の作動モードに従って制御するよりも第２作動モードに従って制御したほうが燃焼安定性の観点からは好ましい。このため、第１の作動モードを用いずに第２の作動モードによる制御のみを用いる制御も考えられる。しかし、本願発明においては、エンジン始動後は、まず、第１の作動モードに従ってＶＶＴ機構２を運転し、その後第１の所定条件（例えば、エンジン３の始動時からの運転時間や冷却水温度など）が成立した後、第１の作動モードから第２の作動モードへ移行させるようになっており、エンジン始動後にすぐに第２の作動モードでＶＶＴ機構２を運転するようなことはない。以下、この理由について主に図５などを使って説明する。
【００４３】
図５には、エンジン３が冷態始動してから所定時間（ここでは１２５秒）以内に排気マニホールド２へ排出された排ガス内に含まれるＨＣの積算量〔ＴＨＣ（Total HC）〕が、排気バルブ５の閉弁時期（ＥＣ）および吸気バルブ４の開弁時期（ＩＯ）に応じて示されている。この図５中矢印Ｅは、第１の作動モード、具体的には、ＩＯ＝３°ＡＴＤＣ，ＥＣ＝２０°ＢＴＤＣという条件の第１作動モードにおけるＴＨＣを示すものである。
【００４４】
一方、図中矢印Ｆは、上述した第１の作動モード後に第２の作動モード、すなわち吸気バルブ４の開弁時期（ＩＯ）をＴＤＣよりも前に設定する作動モードに切り替えた場合のＴＨＣを示すものである。なお、ここでは、ＩＯ＝ＥＣ＝２０°ＡＴＤＣという条件で第２の作動モードを設定した場合に最もＴＨＣを抑制できることが示されている。
【００４５】
つまり、図５に示すように、矢印Ｅで示した第１の作動モード（ＩＯ＝３°ＡＴＤＣ，ＥＣ＝２０°ＢＴＤＣ）のみのＴＨＣと、矢印Ｆで示した第１の作動モード後に第２の作動モードへ所定の位相（ＩＯ＝ＥＣ＝１５°ＢＴＤＣ、２０°ＢＴＤＣもしくは２５°ＢＴＤＣ）で切り替えてＶＶＴ機構２を制御したＴＨＣとを比較すると、矢印Ｆで示した場合のほうがＴＨＣを抑制することができることがわかる。なお、この図５からは、第２の作動モードとしてＩＯ＝ＥＣ＝２０°ＢＴＤＣに設定した場合（図中矢印Ｆ₁参照）にＴＨＣを大幅に抑制することができることがわかる。
【００４６】
したがって、本実施形態に係る本願発明によれば、第１の作動モードにおいてＩＯ＝３°ＡＴＤＣ、ＥＣ＝２０°ＢＴＤＣと設定し、一方、第２の作動モードにおいてＩＯ＝ＥＣ＝２０°ＢＴＤＣと設定しておき、第１作動モード後に第２作動モードに切り替えることで、冷態始動時において確実且つ大幅にＨＣ量を低減することができるようになっている。
【００４７】
また、ＶＶＴ機構制御手段２１は、第２の作動モード後、第３の作動モードを設定し、ＶＶＴ機構２を制御するようになっている。この第３の作動モードはＶＶＴ機構２に対する複数の作動モードの１つであって、第２の作動モードによって設定された吸気バルブ４の開弁時期（ＩＯ）はそのままに、排気バルブ５の閉弁時期（ＥＣ）のみを上死点（ＴＤＣ）後へ遅角させることで設定されるようになっている。
【００４８】
また第２から第３の作動モードへ移行する条件（第２の所定条件）を満たす場合の例としては、エンジン３の回転数が所定以上になった場合や、車速が所定速度以上になった場合などが挙げられる。つまり、この第２条件というのは、触媒へ供給される排ガスの量がアイドル時に比べて大幅に増加した場合に満たされる条件となっている。そして、この第２の所定条件が満たされると多量の排ガスが触媒に供給されることになり、触媒は急速に昇温されて活性化温度に達し、ＨＣは触媒によって確実に除去されるようになるので、エンジン３は通常通りに運転することができるようになる。
【００４９】
つまり、ＨＣ排出量を低減するためには、上述のようにエンジン３から排出される排ガス中のＨＣ量を抑制する手法に加え、触媒によってＨＣを除去する手法も有効である。しかし、触媒は活性化温度（例えば３００℃）に達するまではＨＣを除去する能力が低い。このため、触媒を素早く活性温度にまで上昇させる必要があり、このためには排ガス温度を上昇させることが有効である。
【００５０】
そこで、本願発明においては、上述のＶＶＴ機構２の制御に加え、点火時期を所定角（例えば１０°ＡＴＤＣ）とする制御を行ない、排ガス温度を積極的に上昇させるようになっている。一方、点火時期を遅角させると燃焼安定性が低下してしまうが、本願発明によれば、Ａ／Ｆをストイキ近傍までリッチ化させることで、点火時期遅角によって低下した燃焼安定性を補うようになっている。
また、第２の作動モードへの切り替え後、所定時間が経過すると、第２の作動モードから上述の第３の作動モードに切り替えられて、通常のバルブタイミングによる運転が実行されるようになっている。
【００５１】
本発明の一実施形態に係るエンジンの可変バルブタイミング制御装置は、上述のように構成されているので、その作用について説明すると以下のようになる。まず、図６に示すフローチャートを用いてその作用を説明すると、イグニッションスイッチがオンになると（ステップＭ１参照）、その後、ステップＭ２においてＶＶＴ機構制御手段２１によりＶＶＴ機構２が制御されて、吸排気バルブの作動モードが第１の作動モード（ＥＣ＝２０°ＢＴＤＣ，ＩＯ＝３°ＡＴＤＣ）に設定される（図２（ａ）参照）。
【００５２】
その後、ステップＭ３において、図７に示すサブルーチンのように点火時期およびＡ／Ｆの制御が行なわれる。このサブルーチンにおいては、まず、エンジン３の回転数が所定回転数以上であるか否かが判定され（ステップＳ１参照）、ここでエンジン回転数が所定回転数以下であれば、このサブルーチンを終了して図６に示すメインルーチンのステップＭ４へ進む。一方、エンジン回転数が所定回転数を上回っていれば、図７のサブルーチンのステップＳ２へ進み、点火時期が遅角（リタード）するようにスパークプラグ１６が制御されるとともにＡ／Ｆが理論空燃比（ストイキ）近傍で一定となるようにインジェクタ１７が制御され、図６に示すメインルーチンのステップＭ４へ進む。
【００５３】
このステップＭ４においては、エンジン３が始動してから所定時間（ｔ₁）が経過したか否か（つまり、第１の所定条件が成立したか否か）が判定され、まだこの所定時間が経過していないと判定されればＮｏルートに従ってステップＭ２へ戻り、一方、この所定時間が経過した場合にはステップＭ５へ進む。
ステップＭ５においては、吸排気バルブ４，５の作動モードが第２の作動モードに切り替えられる。つまり、排気バルブ５の閉弁時期（ＥＣ）を維持したまま、吸気バルブ４の開弁時期（ＩＯ）を進角させ、ＥＣとＩＯとが同時になるようにＶＶＴ機構２が制御される。すなわち、このステップＭ５において、ＥＣとＩＯとのバルブオーバラップ（ＶＯＬ）がゼロとなるように設定されるのである（図３参照）。
【００５４】
上記のステップＭ５においてＶＶＴ機構２のバルブタイミングが設定されると、ステップＭ６に進む。このステップＭ６はステップＭ３と同様のサブルーチンであって、回転数が所定回転数以上であると、点火時期がリタードされるとともにＡ／Ｆをストイキで一定とする制御が行なわれる。
その後、ステップＭ７に進み、第１の作動モードから、第２の作動モードに切り替えてから所定時間（ｔ₂）が経過したか否か（すなわち、第２の所定条件が成立したか否か）が判定される。ここで、所定時間が経過していない場合にはステップＭ５へ復帰し、一方、所定時間が経過している場合には制御が完了する。つまり、この場合には、図示しない通常時の動作フローに従って吸排気バルブ４，５の作動モードが第３の作動モードに切り替えられる。なお、この第３の作動モードは上死点を中心にＥＣとＩＯとがオーバラップした特性の作動モードであり、ごく一般的な特性である。
【００５５】
上述したように、本実施形態に係る本願発明によれば、エンジン３の始動後は、ＶＶＴ機構２を制御して、吸排気バルブ４，５のバルブリフト特性を第１の作動モードに設定することにより、排気側に排出される排ガスを減らしてＨＣ排出量を低減させることができるし、吸気ポート１１内に対して一旦圧縮された内部ＥＧＲガス（排ガス）を吸気ポート内に流入させることができ、これにより燃料の霧化を良好なものとすることができる。また、第１の作動モード後に第２の作動モードへ切り替えることによって、ＨＣ排出量を低減しながらエンジン３の燃焼安定性および燃費を確保することができる。
【００５６】
また、第１の作動モードにおいて、排気バルブ５が閉じた後に吸気バルブ４が開くまでの期間の半分以上が排気行程に設定されているので、内部ＥＧＲガスを確実に圧縮して勢いよく吸気ポート１１内へ流入させることができるので、吸気ポート１１内での燃料霧化をさらに促進させることができる。
また、第１の作動モードにおいて、吸気バルブ４の開弁時期（ＩＯ）が上死点（ＴＤＣ）近傍となるように設定すれば、高い圧力で内部ＥＧＲガスを圧縮することが可能となる。なお、本実施形態によれば、第１の作動モードではＥＣ＝２０°ＢＴＤＣ，ＩＯ＝３°ＡＴＤＣに設定するのが好ましい。
【００５７】
また、第２の作動モードにおいて、ＥＣＵ１のＶＯＬ設定手段２０はバルブオーバラップを略０に設定するので、エンジンから排出されるＨＣ量を低減させながら、エンジンの燃焼安定性を確保することができる。
また、第１の作動モードおよび第２の作動モードにおいて、ＥＣＵ１の燃料噴射時期設定手段１８によって、Ａ／Ｆが理論空燃比（ストイキ）に設定されるとともに、ＥＣＵ１の点火時期設定手段２３によって点火時期がリタードされることで、エンジン３から排出される排ガス中のＨＣ量を抑制しながら、排ガス温度を上昇させるとともに、エンジンの燃焼安定性を確保することができる。また、排ガスの温度を上昇させることによってエンジン３の排気系に設けられた触媒の温度を素早く活性化温度とすることができるので、触媒によるＨＣ除去処理の開始時期を早めて、触媒から排出される排ガスに含まれるＨＣ量を抑制することが可能となる。
【００５８】
また、ＶＶＴ機構２によりバルブタイミング特性が第２の作動モードに設定された後、第２の所定条件が成立すると、第２の作動モードによって設定された吸気バルブ４の開弁時期（ＩＯ）はそのままに、排気バルブ５の閉弁時期（ＥＣ）のみが上死点（ＴＤＣ）後へ遅角させた第３の作動モードに切り替えられる。これにより、ＥＣとＩＯとがＴＤＣを中心にオーバラップすることになり、エンジン３の吸排気効率を高めて運転することができる。
【００５９】
なお、本発明は上述した実施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。
上記の実施形態においては、エンジンが始動する場合には常に上記の第１の作動モードが実行される場合について説明したが、これに限定するものではない。例えば、エンジンの始動が冷態始動である場合にのみ第１の作動モードを実行し、一方、エンジンが温態始動である場合には、第１の作動モードをスキップし、第２の作動モードから実行するようにしてもよい。これにより、エンジンの温度に応じてエンジンの燃焼安定性を的確に確保することができる。
【００６０】
【発明の効果】
以上詳述したように、エンジンの可変バルブタイミング制御装置によれば、エンジンから排出されるＨＣ量を抑制できる。つまり、排気側へ排出される排ガスを低減させることができるとともに、吸気ポート内へ一旦圧縮された排ガスを流入させることで燃料の霧化を良好とすることができ、第２の作動モードへの切り替えによりＨＣ排出量を低減しながら、エンジンの燃焼安定性および燃費を確保することができる。また、吸気弁および排気弁の開閉時期が、第２の作動モードに従って制御された後、第２の所定条件が成立すると、第２の作動モードによって設定された吸気弁の開弁時期はそのままに、排気弁の閉弁時期のみが排気上死点よりも後となるように遅角させた第３の作動モードに切り替えられるので、吸排気効率を高めることができる。このとき、エンジンから排出される排ガスに含まれるＨＣ量を低減させながら、エンジンの燃焼安定性を確保することもできる。（請求項１）
【００６１】
また、第１の作動モードにおいて、排気弁が閉じた後に吸気弁が開くまでの期間の半分以上が排気行程に設定されているので、排ガスを確実に圧縮した後に、勢いよく吸気ポート内へ流入させることができるので、吸気ポート内での燃料霧化をさらに促進させることができる（請求項２）。
また、第１の作動モード時において、吸気弁の開弁時期が排気上死点近傍となるように設定されているので、吸気弁の開放時期の設定を容易に行なうことが可能となるとともに、高い圧力で排ガスを圧縮することが可能となる（請求項３）。
【００６２】
また、Ａ／Ｆが理論空燃比（ストイキ）に設定されるとともに、点火時期がリタードされることで、エンジンから排出される排ガス中のＨＣ量を抑制しながら、排ガス温度を上昇させるとともに、エンジンの燃焼安定性を確保することができる。また、排ガスの温度を上昇させることによってエンジンの排気系に設けられた触媒の温度を素早く活性化温度とすることができるので、触媒によるＨＣ除去処理の開始を早めて、触媒から排出される排ガスに含まれるＨＣ量を抑制することが可能となる（請求項４）。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るエンジンの可変バルブタイミング制御装置の構成を示す模式的な制御ブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るエンジンの可変バルブタイミング制御装置の作動モードとＨＣ排出量を模式的に示す図であって、（ａ）は第１の作動モードを示すタイムチャート、（ｂ）は第１の作動モードに従ってＶＶＴ機構を制御したときにエンジンから排出される排ガスに含まれるＨＣ量を模式的に示すグラフである。
【図３】本発明の一実施形態に係るエンジンの可変バルブタイミング制御装置の作動モードを模式的に示す図であって、第２の作動モードを示すタイムチャートである。
【図４】本発明の一実施形態に係るエンジンの可変バルブタイミング制御装置の作動モード、空燃比、燃焼安定性を示す模式的なグラフである。
【図５】本発明の一実施形態に係るエンジンの可変バルブタイミング制御装置の作動モードと排ガスに含まれるＨＣ量との関係を示す模式的なグラフである。
【図６】本発明の一実施形態に係るエンジンの可変バルブタイミング制御装置の動作を示すメインルーチンのフローチャートである。
【図７】本発明の一実施形態に係るエンジンの可変バルブタイミング制御装置の動作を示すサブルーチンのフローチャートである。
【図８】従来の技術によるＶＶＴ機構の作動モードとＨＣ排出量を模式的に示す図であって、（ａ）はＶＶＴ機構の作動モードを示すタイムチャート、（ｂ）はエンジンから排出される排ガスに含まれるＨＣ量を模式的に示すグラフである。
【符号の説明】
１ ＥＣＵ
２ ＶＶＴ機構（可変バルブタイミング機構）
３ エンジン
４ 吸気バルブ（吸気弁）
５ 排気バルブ（排気弁）
１１ 吸気ポート
１４ 排気ポート
１８ 空燃比設定手段
１９ インジェクタ設定手段
２０ ＶＯＬ設定手段
２１ ＶＶＴ機構制御手段
２３ 点火時期設定手段
２４ スパークプラグ制御手段

Claims (4)

1. 吸気ポート内に燃料を供給してエンジンの吸気弁及び排気弁の開閉時期をそれぞれ変更可能な可変バルブタイミング制御装置であって、
   該排気弁が閉じた後に該吸気弁が開くように設定されるとともに該排気弁の閉弁時期が上死点前に設定され燃焼室内で圧縮された排ガスを該吸気ポートに逆流させる第１の作動モードと、
   該第１の作動モードに対して該吸気弁の開弁時期を該排気弁の閉弁時期と同時になるように進角させ該燃焼室内で圧縮されていない排ガスを該吸気ポートに逆流させる第２の作動モードと、
   該第２の作動モードに対して該排気弁の閉弁時期を上死点後に遅角させた第３の作動モードとを切り替え可能に構成され、
   該エンジンの始動時には、該吸気弁及び該排気弁の作動モードが該第１の作動モードに設定され、その後第１の所定条件が成立すると該第２の作動モードに切り替えられ、さらに第２の所定条件が成立すると該第３の作動モードに切り替えられる
   ことを特徴とする、エンジンの可変バルブタイミング制御装置。
2. 該第１の作動モードにおける該排気弁が閉じた後に該吸気弁が開くまでの期間は、少なくともその半分が排気行程に設定されている
   ことを特徴とする、請求項１記載のエンジンの可変バルブタイミング制御装置。
3. 該第１の作動モード時には、該吸気弁の開弁時期が上死点近傍に設定される
   ことを特徴とする、請求項１又は２記載のエンジンの可変バルブタイミング制御装置。
4. 該第１の作動モード時または該第２の作動モード時には、空燃比が理論空燃比に設定されるとともに、点火時期が上死点後になるように遅角される
   ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジンの可変バルブタイミング制御装置。

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