JP4727518B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、機関始動性能の向上を図り得る内燃機関の制御装置に関する。

周知のように、内燃機関の始動時の排気エミッションの規制強化やハイブリット車による再始動頻度の増加に伴って始動初期における機関弁、特に吸気弁の開閉時期（バルブタイミング）を高精度に制御することが望まれている。

これらを実現するためにカムシャフトに固定されたベーンとタイミングスプロケットの相対回転位相を油圧によって変化させて、機関弁の開閉時期を始動時などの機関運転状態に応じて可変制御し得る可変動弁装置が種々提供されている。

ところが、かかる油圧式の可変動弁装置は、始動時のような機関の極低回転時では制御油圧が低く切り換え動力が不足していると共に、クランキング時には、クランキング回転方向とは逆の遅角側に保持されやすいことに加え、各構成部品のフリクションなどに起因して、進角側への速やかな切り換え応答性が低下してしまう。

そこで、これらの対策の一つとして、例えば、以下の特許文献１に記載されている可変動弁装置が提供されている。

この可変動弁装置は、吸気弁側に位相変換機構が設けられ、機関停止時に、ある程度進角した位置でベーンをロックピンによって固定し、再始動時にある程度進角した状態で始動させるようにしたものである。これによって、排気弁と吸気弁との適度のバルブオーバラップと吸気弁の閉時期を下死点に近づけて燃焼を安定させることによって冷機時の排気エミッションの低減化などを図れるなどの始動性能の向上が期待されている。
特開２００５−２３３０４９号公報

しかしながら、特許文献１に記載された内燃機関の可変動弁装置にあっては、機関の始動前におけるクランクシャフトのいずれのクランク角度に拘わらず、つまり機関始動前における各気筒のそれぞれのピストンのいずれの停止位置に拘わらず、前記バルブタイミングが一定になっている。このため、前記機関の始動性能の向上には自ずと限界がある。

本発明は、前記従来の可変動弁装置の技術的課題に鑑みて案出したもので、機関始動前のクランク角度に応じてバルブタイミングを予め強制的に変更して、始動性能を向上させることのできる内燃機関の可変動弁装置を提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、複数気筒の各機関弁の作動特性を制御可能な可変機構を制御する内燃機関の制御装置であって、
少なくとも機関の始動前のクランクシャフトのクランク角度位置に応じて、前記機関弁の閉時期を設定すると共に、クランキング前あるいはクランキング初期に、前記可変機構に対して、全気筒の機関弁を同一の閉時期へ制御する切り換え信号を出力して、機関始動時のクランキング前あるいはクランキング初期に吸入行程から圧縮行程で、かつピストン位置が下死点に近い側の気筒の有効圧縮比を可変にすることを特徴としている。

この発明によれば、機関始動前のクランクシャフトのクランク角度に応じて、全気筒の機関弁を同一の閉時期へ制御する切り換え信号を出力して、機関始動時のクランキング前あるいはクランキング初期に吸入行程から圧縮行程で、かつピストン位置が下死点に近い側の気筒の有効圧縮比を低く抑えるようにしたため、機関の始動性能を向上できる。

なお、前記機関の始動性は、必ずしもクランキング回転の容易さだけではなく、機関燃焼時のＨＣ（ハイドロカーボン）などのエミッションを低減させるような機関弁の開閉時期を目標設定値とすることも可能である。

請求項２に記載の発明は、機関始動前のクランクシャフトのクランク角度が吸入行程から圧縮行程にある気筒においてピストン位置が下死点付近にある場合に、前記機関弁の制御目標特性を、前記可変機構によって吸気弁の閉時期が下死点より所定量だけ遅角した特性としたことを特徴としている。

この発明によれば、機関の停止時においてピストンが下死点付近に位置している場合には、かかる停止中に気筒内に大容量の大気圧空気が流入しているが、機関再始動時の初回クランキング時に、前記大容量の空気を吸気弁の下死点後の開弁継続とともにここからはき出すことができる。したがって、減圧効果（ディコンプレッサ効果）によって始動騒音の低減とクランキング速度の上昇効果が得られる。

請求項３に記載の発明は、クランク角検出手段によりクランクシャフトのクランク角度を検出し、前記クランク角度を含む機関状態によってクランク角度目標位置をクランク角度目標位置設定手段によって演算し、前記クランクシャフトは、前記クランク角度目標位置に回転制御するクランク角制御手段によって制御され、前記クランク角検出手段によって再度検出されたクランク角度に応じて、複数気筒の各機関弁の作動特性を変更可能な可変機構を制御する内燃機関の制御装置であって、
前記機関弁の閉時期を設定すると共に、前記可変機構に対して全気筒の機関弁を同一の閉時期へ制御する切り換え信号を出力して、クランキング前あるいはクランキング初期に吸入行程から圧縮行程の気筒の有効圧縮比を可変にすることを特徴としている。

クランク角制御手段によって機関始動前のクランク角を始動に適した位置に制御できると共に、かかるクランク角を前提として機関弁の開閉時期（バルブタイミング）も始動に適した位置に制御できるので、始動性能をさらに向上させることが可能になる。

請求項４に記載の発明は、前記クランク角制御手段によって、機関始動前のクランク角を吸入行程から圧縮行程にある気筒のピストン位置が下死点となる角度より所定量だけ進角側へクランクシャフトを回転制御して、前記機関弁である吸気弁の前記制御目標特性を、該吸気弁の閉時期が前記回転制御されたクランク角度よりも進角側となる位置に設定したことを特徴としている。

クランク角制御手段によって、機関始動前のクランク角を、吸入、圧縮行程にある気筒のピストンが下死点となる角度より所定量だけ進角させると共に、可変機構によって吸気弁の閉時期が前記回転制御されたクランク角よりも進角側に制御されるので、ディコンプレッサ効果が発揮されて、始動騒音の低減とクランキング速度の上昇効果が得られる。

請求項５に記載の発明にあっては、前記可変機構は、吸気弁の作動角を大小に制御する構成とし、前記作動角を小さく制御して吸気弁の閉時期を前記下死点位置よりも進角側の位置に設定したことを特徴としている。

したがって、吸気弁の閉時期を進角させるのに作動角を小さくすることによって行うことから、クランキング時の動弁フリクションを低減でき、これによってクランキング速度をさらに上昇させることができる。

請求項６に記載の発明は、前記クランク角制御手段が誤作動した場合にのみ少なくとも機関始動前のクランク角度に応じて前記機関弁の作動目標位置を設定すると共に、前記可変機構に前記機関弁の作動目標位置への切り換え信号を出力することを特徴としている。

この発明によれば、クランク角制御手段が誤作動した場合のみに、可変機構を作動させるため、該可変機構の切り換え作動頻度が少なくなって、耐久性の向上が図れる。

請求項７に記載の発明は、少なくとも機関始動前のクランク角度を含む機関状態に応じて前記機関弁の制御目標特性を設定すると共に、クランキング前またはクランキング初期に、前記可変機構に前記制御目標特性への切り換え信号を出力することを特徴としている。

この発明によれば、機関始動前のクランク角に加えて機関状態も加味して機関弁の制御目標特性を決定するので、より良好な始動性能が得られる。

請求項８に記載の発明は、前記可変機構を電動によって駆動させると共に、クランキングに先だって前記可変機構にコントローラから目標位置への切り換え信号を出力し、前記電動の電流ピークを越えた後に、クランキングを開始することを特徴としている。

この発明によれば、可変機構の駆動時におけるピーク電流発生時期とクランキングモータ（スタータモータ）のピーク電流発生時期が重ならないので、バッテリーへの負担増を抑制できる。

請求項９に記載の発明は、複数気筒の各機関弁の作動特性を制御可能な可変機構を制御する内燃機関の制御装置であって、少なくとも始動前のクランクシャフトのクランク角度を検出すると共に、吸入行程から圧縮行程でかつ下死点に近い位置にある気筒を特定し、該特定された気筒において前記クランク角度に応じた機関弁の制御目標特性を設定し、クランキング前またはクランキング初期に、前記可変機構に対して、前記機関弁を制御目標特性に制御する切り換え信号を出力することを特徴としている。

この発明によれば、機関始動性上の問題が発生し易い気筒に対して、始動性を向上させることが可能になる。

請求項１０に記載の発明は、前記特定された気筒以外の他の気筒の機関弁の制御目標特性を、前記特定された気筒での目標特性と同一に設定したことを特徴としている。

この発明によれば、多気筒内燃機関において、特定以外の他の気筒も含めて全体の始動性の向上が図れる。

以下、本発明に係る内燃機関の可変動弁装置の実施形態を図面に基づいて詳述する。この実施形態は、いわゆる４サイクルの多気筒内燃機関で吸気弁側に適用したものを示している。

まず、本発明における内燃機関全体の構成を、図１に基づいて概略を説明すると、シリンダブロックＳＢ内に形成されたシリンダボア内に上下摺動自在に設けられたピストン０１と、シリンダヘッドＳＨの内部にそれぞれ形成された吸気ポートＩＰ及び排気ポートＥＰと、該シリンダヘッドＳＨに摺動自在に設けられて前記吸、排気ポートＩＰ，ＥＰの開口端を開閉する一気筒当たりそれぞれ一対の吸気弁４，４及び排気弁５，５とを備えている。

前記ピストン０１は、クランクシャフト０２にコンロッド０３を介して連結されていると共に、冠面とシリンダヘッドＳＨの下面との間に燃焼室０４を形成している。

前記吸気ポートＩＰに接続された吸気管Ｉの吸気マニホルドＩａの上流側の内部には、吸入空気量を制御するスロットルバルブＳＶが設けられていると共に、下流側に図外の燃料噴射弁が設けられている。また、前記シリンダヘッドＳＨのほぼ中央には、点火栓０５が設けられている。

前記クランクシャフト０２は、ピニオンギア機構０６を介して電動式のスタータモータ０７によって回転可能になっている。このスタータモータ０７は、この実施の形態では一方向へのみ回転してクランクシャフト０２を一方向へクランキング回転させるものになっている。

また、動弁装置には、図１及び図２に示すように、両吸気弁４，４のバルブリフト及び作動角（開期間）を制御する可変機構であるリフト可変機構（ＶＥＬ）１が設けられている。

前記リフト可変機構１は、本出願人が先に出願した例えば特開２００３−１７２１１２号公報などに記載されたものと同様の構成であるから、簡単に説明
すると、シリンダヘッドＳＨの上部の軸受に回転自在に支持された中空状の駆動軸６と、該駆動軸６の外周面に圧入等により固設された偏心回転カムである駆動カム７と、駆動軸６の外周面に揺動自在に支持されて、各吸気弁４，４の上端部に配設されたバルブリフター８、８の上面に摺接して各吸気弁４，４を開作動させる２つの揺動カム９，９と、駆動カム７と揺動カム９，９との間に介装されて、駆動カム７の回転力を揺動運動に変換して揺動カム９，９に揺動力として伝達する伝達機構とを備えている。

前記駆動軸６は、一端部に設けられたタイミングスプロケット３０を介して前記クランクシャフト０２から図外のタイミングチェーンによって回転力が伝達されており、この回転方向は図２中、時計方向（矢印方向）に設定されている。

前記駆動カム７は、ほぼリング状を呈し、内部軸方向に形成された駆動軸挿通孔を介して駆動軸６に貫通固定されていると共に、カム本体の軸心が駆動軸６の軸心から径方向へ所定量だけオフセットしている。

前記両揺動カム９は、図２及び図３などにも示すように、同一形状のほぼ雨滴状を呈し、円環状のカムシャフト１０の両端部に一体的に設けられていると共に、該カムシャフト１０が内周面を介して駆動軸６に回転自在に支持されている。また、下面にカム面９ａが形成され、カムシャフト１０の軸側の基円面と、該基円面からカムノーズ部側に円弧状に延びるランプ面と、該ランプ面からカムノーズ部の先端側に有する最大リフトの頂面に連なるリフト面が形成されており、該基円面とランプ面及びリフト面が、揺動カム９の揺動位置に応じて各バルブリフター８の上面の所定位置に当接するようになっている。

前記伝達機構は、駆動軸６の上方に配置されたロッカアーム１１と、該ロッカアーム１１の一端部１１ａと駆動カム７とを連係するリンクアーム１２と、ロッカアーム１１の他端部１１ｂと揺動カム９とを連係するリンクロッド１３とを備えている。

前記ロッカアーム１１は、中央に有する筒状の基部が支持孔を介して後述する制御カムに回転自在に支持されていると共に、一端部１１ａがピン１４によってリンクアーム１２に回転自在に連結されている一方、他端部１１ｂがリンクロッド１３の一端部１３ａにピン１５を介して回転自在に連結されている。

前記リンクアーム１２は、比較的大径な円環状の基部１２ａの中央位置に前記駆動カム７のカム本体が回転自在に嵌合する嵌合孔が形成されている一方、突出端１２ｂが前記ピン１４によってロッカアーム一端部１１ａに連結されている。

前記リンクロッド１３は、他端部１３ｂがピン１６を介して揺動カム９のカムノーズ部に回転自在に連結されている。

また、駆動軸６の上方位置に同じ軸受部材に制御軸１７が回転自在に支持されていると共に、該制御軸１７の外周に前記ロッカアーム１１の支持孔に摺動自在に嵌入されて、ロッカアーム１１の揺動支点となる制御カム１８が固定されている。

前記制御軸１７は、駆動軸６と並行に機関前後方向に配設されていると共に、駆動機構１９によって回転制御されている。一方、前記制御カム１８は、円筒状を呈し、軸心位置が制御軸１７の軸心から所定分だけ偏倚している。

前記駆動機構１９は、図外のハウジングの一端部に固定された電動モータ２０と、ハウジングの内部に設けられて電動モータ２０の回転駆動力を前記制御軸１７に伝達するボール螺子伝達手段２１とから構成されている。

前記電動モ−タ２０は、比例型のＤＣモータによって構成され、機関運転状態を検出する制御機構であるコントローラ２２からの制御信号によって駆動するようになっている。

このコントローラ２２は、クランクシャフト０２のクランク角を検出するクランク角センサ２７からの出力信号によって現在の機関回転数Ｎ（ｒｐｍ）やクランク角を検出すると共に、エアーフローメータからの吸入空気量（負荷）、その他、アクセル開度センサ、車速センサ、ギア位置センサ、機関本体の温度Ｔ１を検出する機関冷却水温センサなどから各種情報信号から現在の機関運転状態を検出している。また、駆動軸６の回転角度を検出する駆動軸角度センサ２８からの検出信号や大気湿度センサからの大気湿度Ｈ１を入力するようになっていると共に、前記制御軸１７の回転角度位置を検出する制御軸角センサ２９からの出力信号を入力して前記リフト可変機構１の現在の作動位置、つまり作動角（リフト）を演算によって検出する。

前記ボール螺子伝達手段２１は、電動モータ２０の駆動シャフトとほぼ同軸上に配置されたボール螺子軸２３と、該ボール螺子軸２３の外周に螺合する移動部材であるボールナット２４と、前記制御軸１７の一端部に直径方向に沿って連結された連係アーム２５と、該連係アーム２５と前記ボールナット２４とを連係するリンク部材２６とから主として構成されている。

前記ボール螺子軸２３は、両端部を除く外周面全体に所定幅のボール循環溝が螺旋状に連続して形成されていると共に、一端部が電動モータ２０の駆動シャフトに結合され、かかる結合によって電動モータ２０の回転駆動力を前記ボール螺子軸２３に伝達すると共に、ボール螺子軸２３の軸方向の僅かな移動を許容している。

前記ボールナット２４は、ほぼ円筒状に形成され、内周面に前記ボール循環溝と共同して複数のボールを転動自在に保持するガイド溝が螺旋状に連続して形成されていると共に、各ボールを介してボール螺子軸２３の回転運動をボールナット２４に直線運動に変換しつつ軸方向の移動力が付与されるようになっている。また、このボールナット２４は、コイルスプリング３１のばね力によって電動モータ２０側に付勢されて、ボール螺子軸２３との間のバックラッシ隙間が消失されるようになっている。

以下、前記リフト可変機構１の基本作動を説明すると、所定の運転領域で、前記コントローラ２２からの電動モータ２０への通電制御によって回転駆動し、該電動モータ２０の回転トルクによってボール螺子軸２３が一方向へ回転すると、ボールナット２４が最大一方向（電動モータ２０に接近する方向）へ直線状に移動し、これによって制御軸１７がリンク部材３９と連係アーム２５を介して一方向へ回転する。

したがって、制御カム１８は、図３Ａ、Ｂ（リアビュー）に示すように、軸心が制御軸１７の軸心の回りを同一半径で回転して、肉厚部が駆動軸６から上方向に離間移動する。これにより、ロッカアーム１１の他端部１１ｂとリンクロッド１３の枢支点は、駆動軸６に対して上方向へ移動し、このため、各揺動カム９は、リンクロッド１３を介してカムノーズ部側が強制的に引き上げられて全体が図３に示す反時計方向へ回動する。

よって、駆動カム７が回転してリンクアーム１２を介してロッカアーム１１の一端部１１ａを押し上げると、そのリフト量がリンクロッド１３を介して揺動カム９及びバルブリフター１６に伝達され、これによって、吸気弁４，４は、そのバルブリフト量は図３に示すように小リフト（Ｌ１）になり、その作動角Ｄ１（開弁期間）が小さくなる。

したがって、デコンプ効果と小リフト低フリクション効果、燃費効果などが得られる。

そして、別の運転状態では、コントローラ２２からの制御信号によって電動モータ２０が逆回転して、この回転トルクがボール螺子軸２３に伝達されて回転すると、この回転に伴ってボールナット２４が反対方向へ直線移動する。これにより、制御軸１７が、図３中、反時計方向（電動モータ２０から離れる方向）へ所定量だけ回転駆動する。

このため、制御カム１８は、軸心が制御軸１７の軸心から所定量だけ下方の回転角度位置に保持され、肉厚部が下方へ移動する。このため、ロッカアーム１１は、全体が図３の位置から時計方向へ移動して、これによって各揺動カム９がリンク部材１３を介してカムノーズ部側が強制的に押し下げられて、全体が時計方向へ僅かに回動する。

したがって、駆動カム７が回転してリンクアーム１２を介してロッカアーム１１の一端部１１ａを押し上げると、そのリフト量がリンク部材１３を介して各揺動カム９及びバルブリフタ８に伝達され、吸気弁４，４のリフト量が中リフト（Ｌ２）になり、作動角もやや大きなＤ２となる。これによって、吸気弁４，４の閉時期が遅角側の下死点近傍に制御されることから、有効圧縮比が高くなって冷機始動時などにおける燃焼が良好になる。また、新気の充填効率も高くなって燃焼トルクも大きくなる。

また、機関が暖まった後の低回転低負荷域では、例えば、リフトを小リフトＬ１に制御すれば、排気弁５，５とのバルブオーバーラップが小さくなって、燃焼が安定し、また小リフトで動弁フリクションが小さいことから燃費を向上させることもできる。

また、低中回転負荷域などで、コントローラ２２によって、中リフトＬ２乃至やや高いリフトに制御すれば、吸気弁４，４の閉時期が下死点乃至やや遅角側に制御されるので、この回転域での吸気充填効率が向上してトルクが向上する。。

また、高回転高負荷領域に移行した場合などは、コントローラ２２からの制御信号によって電動モータ２０がさらに逆回転し、制御軸１７は、制御カム１８をさらに反時計方向へ回転させて、図４Ａ、Ｂに示すように軸心を下方向へ回動させる。このため、ロッカアーム１１は、全体がさらに駆動軸６方向寄りに移動して他端部１１ｂが揺動カム９のカムノーズ部を、リンクロッド１３を介して下方へ押圧して該揺動カム９全体を所定量だけさらに時計方向へ回動させる。

よって、駆動カム７が回転してリンクアーム１２を介してロッカアーム１１の一端部１１ａを押し上げると、そのリフト量がリンクロッド１３を介して揺動カム９及びバルブリフター８に伝達されるが、そのバルブリフト量は図４に示すようにＬ２からＬ３に連続的に大きくなり、作動角もＤ２からＤ３に連続的に大きくなる。その結果、高回転域での吸気充填効率を高め、もって出力を向上させることができる。

すなわち、吸気弁４，４のリフト量は、機関の運転状態に応じて小リフトのＬ１から大リフトＬ３まで連続的に変化するようになっており、したがって、各吸気弁４，４の作動角も小リフトＤ１から大リフトのＤ３まで連続的に変化する。

次に、本実施形態における前記コントローラ２２による始動性向上のための制御を図５に基づいて説明する。

まず、ステップ１では、前記イグニッションキースイッチがオンになっているか否かを判別する。ここで、オンになっていない場合、つまりオフになっている場合は機関停止状態であるから、そのままリターンするが、オンになっている場合は、ステップ２に移行する。

このステップ２では、前記クランク角センサ２７からの現在のクランク角位相であるクランク角や、機関冷却水温センサからの機関温度Ｔ１、大気湿度センサからの大気湿度Ｈ１などの情報信号を読み込んで、現在の機関状態を検出する。また、前記駆動軸角度センサ２８（絶対角度センサ）からの現在の駆動軸６の回転角度、つまりカム角を読み込む。

ステップ３では、前記制御軸角センサ２９から現在の制御軸１７の回転角度を読み込む。

続いて、ステップ４では、前記制御軸角センサ２９で読み込んだ制御軸１７の回転位置信号から前記リフト可変機構１の現在の作動位置、つまり作動角（リフト）を検出する。

ステップ５では、クランク角センサ２７あるいは駆動軸角センサ２８から読み込まれた現在のクランク角あるいはカム角に基づいて吸入圧縮行程にある気筒についてクランク角がピストン下死点位置よりも所定以上乖離しているか否かを判別する。ここで、吸入、圧縮行程の気筒が複数ある場合は、ピストン下死点に近い側の気筒のクランク角度について判断する。そして、ここで所定以上乖離していると判別した場合、つまり図６に示すようにクランク停止位置が通常位置Ｑ（頻度の高い停止位置）である場合が多い。なぜなら、機関停止の際を考えると、図６に示すように別の圧縮行程の気筒のピストンはＱ１の位置にあり（４気筒、１８０°位相差）、時計方向へ回転する、すなわち圧縮行程の上死点方向へ回転しようとすると、ピストンに高い筒内圧が作用し、反時計方向へ押し戻されるためである。この結果、吸入行程のピストンはＱ付近に落ち着くのである。

この状態では、前記のように、ステップ５でＹＥＳと判断され、次のステップ６でリフト可変機構１の作動角は、機関温度Ｔ１や大気湿度Ｈ１を考慮した上での始動の最適値にリフト可変機構１に切り換え目標が設定される。つまり、機関温度Ｔ１が低い場合は、フリクションが大きくなるので、トルクが出にくくなるため、図６に示すように、吸気弁４，４の作動角をやや大きくし、吸気弁４，４の閉時期はやや遅角側、すなわち、下死点側に目標位置が補正される。これによって、フリクションの増加に見合った吸入空気量（燃焼トルク）の増加補正が行われることになる。また、湿度が高いときも、同様にトルクが出にくくなるので、作動角がやや大きいリフト可変機構１の目標位置に補正される。

しかし、ステップ５における判断で、常にＹＥＳになるわけではなく、圧縮行程の気筒が反時計方向に押し戻されようとした際に、どこで止まるかはピストンなどのフリクションで決定される。つまり、ばらつく要素が大きく、フリクションが大きかった場合などは吸入行程の気筒は下死点付近の図３のＱ２に示す位置付近で停止する場合がある。この場合には、機関の始動に問題が発生する。

すなわち、吸入行程の気筒は、下死点付近のＱ２に停止した場合、停止後に大気がピストンとシリンダとの間の隙間を介して侵入してくるので、次の始動の際、ピストンの下死点から圧縮上死点までのフルストロークの空気圧縮が行われ、圧縮過大になって始動時にコンプレッションによる振動が発生するおそれがある。

また、機関温度が高い場合は、この圧縮により気筒内に残された燃料が自着火するといった、いわゆるプレイグニッション現象が発生し、異音が発生したり、衝撃によりピストンに損傷を与えるおそれがある。

そこで、吸入、圧縮行程の気筒のピストンが下死点付近のＱ２に停止すると、前記ステップ５においてＮＯと判断されて、ステップ７に移行する。

このステップ７では、前述の問題を回避すべく、リフト可変機構１の位置が制御目標（大作動角Ｚ）に設定される。つまり、リフト可変機構１によって吸気弁４，４の閉時期（ＩＶＣ）を下死点より所定量だけ遅くするように補正される（図６参照）。そうすると、ピストンが下死点から上昇する際に、気筒内の空気を所定量押し出し、ＩＶＣポイントから圧縮が開始される。その結果、有効圧縮比が低下してコンプレッションによる始動時の振動やプレイグニッションが回避される。

すなわち、機関の停止時においてピストンが下死点付近に位置している場合には、かかる停止中に気筒内に大容量の大気圧空気が流入し、機関再始動時の初回クランキング時に、前記大容量の空気を吸気弁の下死点後開継続とともにここからはき出すことができる。したがって、減圧効果（ディコンプレッサ効果）によって始動騒音の低減とクランキング速度の上昇効果が得られる。

さらに、機関の状態によってリフト可変機構１の目標は遅角側あるいは進角側に僅かに補正される。例えば、前記ステップ２で読み込んだ機関温度Ｔ１が高い場合は、プレイグニッションの回避性をさらに高めるために、ＩＶＣ目標はさらに遅め（やや大作動角側）に補正される。逆に、機関温度Ｔ１が低い場合は、フリクションが大きくなり、トルクが低下するので、ＩＶＣ目標は僅かに早めに（やや小作動角側、やや下死点側）に補正されて、吸入空気量の増加補正が行われる。また、湿度Ｈ１が高いときは、同様にトルクが低下するのでＩＶＣ目標は僅かに早め（やや小作動角側、やや下死点側）に補正される。

次にステップ８では、前記ＩＶＣの目標位置に向けてリフト可変機構１に対して作動切り換え制御信号が出力される。ステップ９において前記制御軸角センサ２９によってリフト可変機構１の現在に作動位置を読み込み、ステップ１０では、前記現在の作動位置が目標位置に達したか否かを判断する。目標位置に達していないと判断した場合はステップ９に戻るが、達していると判断した場合には、ステップ１１に移行する。ここでは、前記スタータモータ０７に通電してクランキングを開始し、ステップ１２で、燃料噴射や点火制御を行って、初回クランキングに適したバルブタイミングによる完爆制御を行い、これによって、始動時の振動やプレイグニッションを抑制しつつ機関状態、大気状態を加味した良好な始動性が得られる。ここで、完爆制御とは、クランキング回転での燃焼から機関が自立回転燃焼する状態（アイドル回転）へ至らしめる制御をいう。

以上のように、本実施の形態によれば、機関始動前のクランク角度に応じて始動に最適な機関弁の開閉時期（バルブタイミング）を、リフト可変機構１を介してクランキング中に得ることができるので、かかる始動性能を向上できる。

図７は本発明の第２の実施の形態を示し、全体の基本構造は図１に示す第１の実施の形態とほぼ同様であるが、可変機構として前記リフト可変機構１に加えてバルブタイミング可変機構２（ＶＴＣ）を並設したものである。このバルブタイミング可変機構２は、例えば特開２００３−３５１１５号公報に記載された機構であって、ハウジングの外周にクランクシャフト０２によって回転駆動されるスプロケット３０が設けられ、ハウジングの内部に前記駆動軸６と連繋した制御要素が設けられている。またかかる制御要素は、油圧ではなく電動によってＶＴＣ電動モータによって駆動され、クランクシャフト０２と駆動軸０６との相対回転位相を可変にして吸気弁４，４の開閉時期を機関運転状態に応じて可変制御するようになっている。

また、このバルブタイミング可変機構２は、リフト可変機構１と同じく前記コントローラ２２からの通電によって駆動制御されると共に、該コントローラ２２がクランク角センサ２７及び駆動軸角度センサ２８からの信号によってタイミングスプロケット３０と駆動軸６との相対回転位置が検出されるようになっている。

さらに、図１に示したスタータモータ０７は、この実施の形態では一方向への回転だけでなく、逆回転も可能な構造になっている。これによって、クランクシャフト０２のクランク角度位相を、機関停止時あるいは停止直前の極低回転状態などでも補正可能になっている。

次に、本実施形態における前記コントローラ２２による制御を図８のフローチャートに基づいて説明する。

まず、ステップ１１は、前記イグニッションキースイッチがオンになっているか否かを判別する。ここで、オンになっていない場合は機関停止状態であるから、そのままリターンするが、オンになっている場合は、ステップ１２に移行する。

このステップ１２では、前記クランク角センサ２７からの現在のクランク角や機関冷却水温センサからの機関本体温度Ｔ１、大気湿度センサからの大気湿度Ｈ１などの情報信号を読み込んで、現在の機関状態を検出する。

ステップ１３では、クランク角目標値の演算を行う。すなわち、本実施の形態のような通常の４気筒内燃機関であれば、吸入行程の気筒が下死点前９０°付近に設定され、これによって有効圧縮比を低減し、始動時の振動の低減やプレイグニッションの回避が行われる。一方、機関温度が低い場合は、燃焼改善・排気エミッション低減のため、有効圧縮比を上げるため、むしろクランク角を下死点に近づける制御が行われる。

ここでは、通常始動を想定して、吸入行程の気筒が下死点前９０°付近の位置、つまり図９のＱ３の位置をクランク角目標値とする。

次に、ステップ１４では、前記クランク角目標値に制御するために、前記スタータモータ０７に通電してクランクシャフト０２を正転あるいは逆転制御を行う。

ステップ１５では、前記クランク角センサ２７と駆動軸角度センサ２８と（絶対角度センサ）のそれぞれの角度位置情報から前記バルブタイミング可変機構２の現在の作動位置を検出する。

続いて、ステップ１６では、同じく前記リフト可変機構１の現在の作動位置、つまり作動角（リフト）を制御軸角センサ２９から読み込む。

ステップ１７では、前記回転位置が制御された現在のクランク角を再度読み込む。

ステップ１８では、良好な始動性を得るため、バルブタイミング可変機構２の目標位置を演算する。具体的には、吸気弁４，４の閉時期（ＩＶＣ）をクランク角よりも早めるバルブタイミング目標値を設定する。このようにすれば、クランキング時の有効圧縮比がクランク角Ｑ３で決定される状態が維持されるので、ばらつきなく始動振動を低減できる。なぜなら、クランク角Ｑ３で筒内に大気圧が速やかに充填されるので、ＩＶＣがＱ３より早ければＩＶＣに無関係になるためである。ＩＶＣがＱ３より遅れるとＩＶＣで有効圧縮比が決まる。また、吸気弁４，４の開時期（ＩＶＯ）は、初期位置の付近を目標とする。なぜなら、ある程度ＩＶＣを遅くし、開弁時に筒内負圧を発達させておくほうが、ガス流動が強まって燃焼が良いためである。このＩＶＯとＩＶＣの目標値からリフト可変機構１の駆動目標値とバルブタイミング可変機構２の駆動目標値が演算によって算出される。

そして、ステップ１９では、リフト可変機構１とバルブタイミング可変機構２を前記目標位置に切り換え制御する電流を、前記電動モータ２０や図外のＶＴＣ電動モータに出力する。これによって、リフト可変機構１は、必然的に小作動角Ｚ１に設定されるので、後述のステップ２２においてクランキングが行われた場合の動弁フリクションが低減する。この結果、良好なクランキング回転上昇が見込める。

次に、ステップ２０では、前記電動モータ２０やＶＴＣ電動モータに給電された総和電流値Ｉを読み込み、ステップ２１において前記総和電流値Ｉがピーク値を越えたか否かを判別する。

ここで、前記電流値Ｉがピークを越えない場合はステップ２０に戻るが、越えたと判別した場合は、ステップ２２に移行し、ここでスタータモータ０７に通電してクランキングを開始させる。つまり、図１０に示すように、前記電動モータ２０とＶＴＣ電動モータの総和電流値ＩがピークとなるタイミングＴｐを越えた時点で、スタータモータ０７への通電を開始する。このため、電動モータ２０、ＶＴＣ電動モータの総和電流のピーク値タイミングＴｐとスタータモータ０７の電流値Ｉ’のピークタイミングＴｐ’が重ならないため、バッテリー電源の負荷を軽減することができる。

次に、ステップ２３では、クランキングが開始されてクランクシャフト０２の回転が上昇すると、燃料噴射や点火といった完爆制御が行われ、円滑な始動が終了する。

図１１は第３の実施の形態におけるコントローラ２２の制御フローチャートを示し、前記スタータモータ０７の故障（誤作動）時のフェールセーフ制御に関するものである。なお、メカ的な構造については、第１の実施の形態と同様であって、リフト可変機構１のみの構造になっている。但し、スタータモータ７は第２実施の形態と同様に逆回転も可能になっている。

まず、ステップ３１では、前記イグニッションキースイッチがオンになっているか否かを判別する。ここで、オンになっていない場合、つまりオフになっている場合は機関停止状態であるから、そのままリターンするが、オンになっている場合は、ステップ３２に移行する。

このステップ３２では、機関冷却水温センサからの機関本体温度Ｔ１、大気湿度センサからの大気湿度Ｈ１などの情報信号を読み込んで、現在の機関状態を検出する。

ステップ３３では、前記クランク角センサ２７からの現在のクランク角度を検出し、ステップ３４では、前記機関の状態からクランクシャフト０２のクランク角の目標値を演算する。

ステップ３５では、前記クランク角度の目標値に合わせるべくスタータモータ０７を回転駆動させる制御電流を出力し、ステップ３６においては、再びクランク角を検出する。

そして、ステップ３７では、ステップ３６で検出されたクランク角度が前記目標値から所定以上乖離しているか否かを判断する。ここで、所定以上乖離していないと判断した場合はリターンするが、所定以上乖離していると判断した場合には、スタータモータ０７が故障により誤作動していると判断してステップ３８以下のフェールセーフ制御に移行する。

すなわち、まず、図１２において、例えばクランク角度位置が目標値のＱ３に対して実位置が下死点に近いＱ４の位置にあるとすると、ステップ３８に移行する。ここでは、リフト可変機構１の現在の制御位置を、前述と同じく制御軸角センサ２９から検出する。

その後、ステップ３９では、前記リフト可変機構１を、第１の実施の形態と同様に、吸気下死点（吸入、圧縮行程での下死点）に最も近い気筒を基準として始動のための目標位置を演算する。つまり、リフト可変機構１によって各吸気弁４，４を大作動角Ｚとする目標位置を定める。

次に、ステップ４０では、電動モータ２０に前記目標値となるように通電し、大作動角制御が行なわれ、これによって、吸気弁４，４のＩＶＣが遅れ側に制御される。したがって、ステップ４１でのスタータモータ０７によるクランキングが開始されると、ステップ４２で燃料噴射、や点火プラグの点火に伴って完爆制御される。したがって、かかるクランキング時における前記大作動角制御によって有効圧縮比が下げられて、始動時の振動やプレイグニッションなどを抑制することが可能になる。したがって、スタータモータ０７の故障などにより作動不良があったとしても、良好な始動性を確保できる。また、スタータモータ０７が誤作動した場合のみに、リフト可変機構１を作動させるため、該リフト可変機構１の切り換え作動頻度が少なくなって、耐久性の向上が図れる。

ここで、図１２のＱ４’で示す別の気筒も吸入、圧縮行程になっているが、ピストン下死点に近いＱ４の気筒に着目してリフト可変機構１の制御を行えばよい。なぜなら、ピストン下死点から遠い側のＱ４’の気筒では有効圧縮比が十分に小さく、したがって、始動上の問題はならないためである。よって、この考えに立てば、前記各実施の形態で示した４気筒だけではなく、６気筒や８気筒などにも本発明を適用することが可能である。

図１３は第４の実施の形態におけるコントローラ２２の制御フローチャートを示し、前記第２実施の形態の図８に示すクランク角度の検出をイグニッションキーのキーオン時に行うのではなく、前回の機関停止直前に行うものである点が前記第２の実施形態と異なっている。

すなわち、ステップ５０では、前回の機関運転中において、適宜、クランクシャフト０２の回転位置を前記クランク角センサ２７によって検出し、コントローラ２２のメモリーにそのデータを予め記憶させておく。

そして、ステップ５１において、イグニッションキースイッチがオフされた場合に、ステップ５２では、即座にクランクシャフト０２の現在の位置をクランク角センサ２７によって検出して前記同様にメモリーに上書きして記憶させる。これらにより検出されたクランクシャフト０２回転位置は機関停止後もコントローラ２２のメモリーに記憶しておく。

ステップ５３では、エンストのように瞬間的に機関が停止してしまった場合は、最新のメモリーがクランクシャフト０２回転位置として記憶される。

次に、ステップ５４においては、イグニッションキースイッチがオンされているか否かを判別し、オンされていない場合はそのままリターンするが、オンされている場合は、ステップ５５に移行する。

このステップ５５では、前述と同じく各種センサによって現在の機関状態を検出し、ステップ５６、５７では、前述と同じ方法でリフト可変機構１とバルブタイミング可変機構２の現在の位置をそれぞれ検出し、その後、ステップ５８では、ステップ５２で前回機関停止時に記憶されたクランクシャフト０２の回転位置、すなわちクランク角を前提としてリフト可変機構１とバルブタイミング可変機構２の目標位置を演算によって算出する。

続いて、ステップ５９ではリフト可変機構１の電動モータ２０やバルブタイミング可変機構２のＶＴＣ電動モータに目標位置に作動するように切り換え制御用の電流を出力するわけであるが、このステップを含めた以下のステップ６０〜６３は前記第２実施の形態のステップ２０〜２３と同じ処理を行う。

このように本実施の形態では、クランク角度を機関の始動直前にクランク角センサ２７によって検出するのではなく、前回の機関停止移行の際に検出するようにしたため、始動時にクランク角センサ２７によるクランク角度認識に要する時間が短縮することができ、機関の始動時間の短縮化が図れる。

また、クランク角を検出する際、クランクシャフトが僅かながら回転しているので、絶対角センサでなく、安価なトリガータイプのクランク角センサとすることも可能である。

本発明は、前記各実施の形態の構成に限定されるものではなく、吸気側ばかりか排気側に適用することも可能であり、また両方に適用することも可能である。排気側に可変動弁を装着した場合、例えば排気弁開閉時期制御により圧縮上死点での温度なども変更可能であり、始動クランク角に応じて排気側可変動弁制御を行うことで、さらなる始動性の向上も図れる。

さらに、前記各実施形態では、クランク角以外の機関状態として機関温度（冷却水温）やクランク角について説明したが、他の部位の温度でもよく、また他の指標であっても良い。また、大気状態として大気湿度の他に、出力トルクに影響を与える大気圧でもよい。

また、前記各実施の形態では、可変機構として、電動タイプのものを用いたが、油圧タイプのものを用い、クランキング前に電動ポンプを回転させてクランキング前あるいはクランキング初期に切り換えてもよい。

さらに、可変機構は、ＶＥＬ、ＶＴＣに限られるものではなく、作動角をステップ的に切り換えるカムスイッチング方式のものでもよい。

本発明に係る可変動弁装置の第１の実施形態に供される内燃機関の概略図である。 本実施形態に供されるリフト可変機構を示す斜視図である。 Ａ及びＢはリフト可変機構による小リフト制御時の作動説明図である。 Ａ及びＢは同リフト可変機構による最大リフト制御時の作動説明図である。 本実施形態におけるコントローラの制御フローチャートである。 コントローラによるリフト可変機構による吸気弁の閉時期を補正した状態を示す特性図である。 第２の実施の形態におけるリフト可変機構とバルブタイミング可変機構の斜視図である。 本実施の形態のコントローラによる制御フローチャートである。 本実施の形態のコントローラによるクランクシャフトのクランク角度制御状態と吸気弁の作動角補正を示す特性図である。 本実施の形態のコントローラによるリフト可変機構の電動モータとスタータモータの通電のピーク位置をずらした状態を示す時間と電流値との特性図である。 第３の実施の形態のコントローラによる制御フローチャートである。 本実施の形態のコントローラによるクランクシャフトのクランク角度制御状態と吸気弁の作動角補正を示す特性図である。 第４の実施の形態のコントローラによる制御フローチャートである。

符号の説明

０１…ピストン
０２…クランクシャフト
０７…スタータモータ
１…リフト可変機構（可変機構）
２…バルブタイミング可変機構（可変機構）
４…吸気弁
６…駆動軸
２０…電動モータ
２２…コントローラ
２７…クランク角センサ
２８…駆動軸角センサ
２９…制御軸角センサ

Claims (10)

1. 複数気筒の各機関弁の作動特性を制御可能な可変機構を制御する内燃機関の制御装置であって、
   少なくとも機関の始動前のクランクシャフトのクランク角度位置に応じて、前記機関弁の閉時期を設定すると共に、クランキング前あるいはクランキング初期に、前記可変機構に対して、全気筒の機関弁を同一の閉時期へ制御する切り換え信号を出力して、機関始動時のクランキング前あるいはクランキング初期に吸入行程から圧縮行程で、かつピストン位置が下死点に近い側の気筒の有効圧縮比を可変にすることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 機関始動前のクランクシャフトのクランク角度が吸入行程から圧縮行程にある気筒においてピストン位置が下死点付近にある場合に、前記機関弁の制御目標特性を、前記可変機構によって吸気弁の閉時期が下死点より所定量だけ遅角した特性としたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. クランク角検出手段によりクランクシャフトのクランク角度を検出し、前記クランク角度を含む機関状態によってクランク角度目標位置をクランク角度目標位置設定手段によって演算し、
   前記クランクシャフトは、前記クランク角度目標位置に回転制御するクランク角制御手段によって制御され、
   前記クランク角検出手段によって再度検出されたクランク角度に応じて、複数気筒の各機関弁の作動特性を変更可能な可変機構を制御する内燃機関の制御装置であって、
   前記機関弁の閉時期を設定すると共に、前記可変機構に対して全気筒の機関弁を同一の閉時期へ制御する切り換え信号を出力して、クランキング前あるいはクランキング初期に吸入行程から圧縮行程の気筒の有効圧縮比を可変にすることを特徴とする内燃機関の制御装置。
4. 前記クランク角制御手段によって、機関始動前のクランク角を吸入行程から圧縮行程にある気筒のピストン位置が下死点となる角度より所定量だけ進角側へクランクシャフトを回転制御して、前記機関弁である吸気弁の前記制御目標特性を、該吸気弁の閉時期が前記回転制御されたクランク角度よりも進角側となる位置に設定したことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記可変機構は、吸気弁の作動角を大小に制御する構成とし、前記作動角を小さく制御して吸気弁の閉時期を前記下死点位置よりも進角側の位置に設定したことを特徴とする請求項３または４に記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記クランク角制御手段が誤作動した場合にのみ少なくとも機関始動前のクランク角度に応じて前記機関弁の作動目標位置を設定すると共に、前記可変機構に前記機関弁の作動目標位置への切り換え信号を出力することを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
7. 少なくとも機関始動前のクランク角度を含む機関状態に応じて前記機関弁の制御目標特性を設定すると共に、クランキング前またはクランキング初期に、前記可変機構に前記制御目標特性への切り換え信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
8. 前記可変機構を電動によって駆動させると共に、クランキングに先だって前記可変機構にコントローラから目標位置への切り換え信号を出力し、前記電動の電流ピークを越えた後に、クランキングを開始することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
9. 複数気筒の各機関弁の作動特性を制御可能な可変機構を制御する内燃機関の制御装置であって、
   少なくとも始動前のクランクシャフトのクランク角度を検出すると共に、吸入行程から圧縮行程でかつ下死点に近い位置にある気筒を特定し、該特定された気筒において前記クランク角度に応じた機関弁の制御目標特性を設定し、クランキング前またはクランキング初期に、前記可変機構に対して、前記機関弁を制御目標特性に制御する切り換え信号を出力することを特徴とする内燃機関の制御装置。
10. 前記特定された気筒以外の他の気筒の機関弁の制御目標特性を、前記特定された気筒での目標特性と同一に設定したことを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の制御装置。

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