JP4992757B2

JP4992757B2 - 内燃機関の制御方法

Info

Publication number: JP4992757B2
Application number: JP2008044472A
Authority: JP
Inventors: 正尚山川; 敏朗西本; 弘和松浦; 隆養祖
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2008-02-26
Filing date: 2008-02-26
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2028-02-26
Also published as: JP2009203818A

Description

本発明は、気筒内への空気の流入を遮断する吸気弁を有する内燃機関の制御方法に関する。

従来、始動時における異常燃焼の発生防止等を目的として、内燃機関の吸気弁の開弁時期あるいは閉弁時期を運転条件に応じて制御するシステムが開発されている。

例えば、特許文献１には、カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を変更して吸気弁の閉弁時期を変更する可変動弁装置を有し、この可変動弁装置を駆動して内燃機関の始動時に機関温度に応じて吸気弁の閉弁時期を変更するシステムが開示されている。このシステムでは、内燃機関の停止状態における吸気弁の閉弁時期が気筒内への空気の導入量が最小となる最遅角時期に設定されており、機関の有効圧縮比を低い状態に維持することで始動時における自着火等の異常燃焼の発生を抑制している。一方、このシステムでは、始動時において機関温度が低い場合には前記吸気弁の閉弁時期を進角側に変更するよう前記カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を変更しており、これにより気筒内の空気量の確保すなわち始動性の確保を図っている。
特開２００７−１１３４４０号公報

前記カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を変更させる場合、この変更量が所定量になるまでにはある程度の時間を要する。しかしながら、前記従来の方法では、この時間が考慮されておらず、吸気弁の閉弁時期が十分に進角側に変更されていない状態で気筒内に燃料が供給される結果、燃料量と空気量とが不釣合いとなり始動性が悪化するとともに排気性状が悪化するおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑み、簡単な構成で始動性および排気性状を向上させることのできる内燃機関システムの提供を目的とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、往復移動するピストンを収容するとともに燃焼室を形成する気筒と、前記ピストンに連結されるクランクシャフトと、前記クランクシャフトに同期して回転するカムシャフトと、前記気筒内へ導入される空気が通過する吸気通路と、前記カムシャフトの回転に応じて往復動して前記吸気通路から前記気筒内への空気の流入を遮断する吸気弁とを有し、前記カムシャフトの前記クランクシャフトに対する回転位相を変更可能な内燃機関の制御方法であって、前記気筒内に導入される空気量の目標値である目標空気充填量が大きくなるほど前記カムシャフトの前記クランクシャフトに対する回転位相を進角させる工程と、前記内燃機関の停止に伴い、前記カムシャフトの前記クランクシャフトに対する回転位相を最も遅角する工程と、前記内燃機関の始動時に、前記クランクシャフトを強制回転させる工程と、前記内燃機関の始動時において、前記内燃機関の温度が予め設定された第１温度よりも低い場合には、第１温度以上のときと比べて、前記カムシャフトの前記クランクシャフトに対する回転位相を進角させる一方、前記内燃機関の温度が前記第１温度よりも低い予め設定された第２温度より低い場合には、前記カムシャフトの前記クランクシャフトに対する回転位相を最も進角させる工程と、前記内燃機関の始動時において、前記内燃機関の温度が前記第２温度より低い場合には、前記クランクシャフトが所定期間強制回転させられた後で前記燃焼室への燃料供給を開始するとともに、前記内燃機関の始動後、前記内燃機関の回転速度が予め設定された所定回転速度を越えた後、前記カムシャフトの前記クランクシャフトに対する回転位相を遅角側に制御する工程とを含むことを特徴とする内燃機関の制御方法を提供する（請求項１）。

この制御方法では、前記内燃機関の温度が第１温度以上のときは前記カムシャフトの前記クランクシャフトに対する回転位相が最も遅角にされることで前記吸気弁の閉弁時期が最遅角時期に制御される一方、前記内燃機関の温度が第１温度よりも低いときは吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相が進角側に制御されることで前記吸気弁の閉弁時期が進角側に制御されるので、内燃機関の温度が低いために潤滑油の粘性が高く内燃機関の回転に対する摩擦抵抗が大きい状況でも、摩擦抵抗に抗して内燃機関の回転速度を上昇させるだけの空気量を確保することができ、低温始動性を向上させることができる。特に、本方法では、前記内燃機関の温度が、前記第１温度よりも低く設定された第２温度よりも低い場合には、前記クランクシャフトが所定期間強制回転した後に前記燃焼室への燃料供給を開始しており、前記カムシャフトの前記クランクシャフトに対する回転位相が十分に変更されて前記吸気弁が十分に進角され、燃料量に見合った空気量が気筒内に存在する状態で燃料が供給されるので、始動トルクが確保され始動性を確保しつつ排気性能の向上を実現することができる。また、本方法では、前記目標空気充填量が大きくなるほど前記吸気弁を早期に閉じるよう制御しており、スロットル弁の絞りによるポンプ損失を高めることなく気筒内に導入される空気量を適切に制御することができ、内燃機関の運転効率を高めることが可能となる。

一方で、前記内燃機関の温度が前記第２温度より低い場合には、前記カムシャフトの前記クランクシャフトに対する回転位相が最も進角されるので、その状態が維持されると気筒内に導入される空気量が過剰となってしまうおそれがある。これに対し、本発明では、前記内燃機関の回転速度が予め設定された所定回転速度を越えた時点で、前記カムシャフトの前記クランクシャフトに対する回転位相が遅角側に制御されるので、回転速度が上昇するまでの間は空気量を確保することができる一方、回転速度が安定した後では、この回転速度が過上昇するのを抑制することができる。

また、本発明において、前記内燃機関の始動時において、前記内燃機関の温度が前記第１温度と第２温度との間の温度である場合には、前記内燃機関の温度が低いほど、前記カムシャフトの前記クランクシャフトに対する回転位相を進角側に制御するとともに、前記内燃機関の温度が低いほど前記所定期間が長く設定されているのが好ましい（請求項２）。

この方法では、内燃機関の温度が低く前記気筒内の必要空気量が多くなるほど前記吸気弁の閉弁時期が進角側に制御されるので、内燃機関の温度に応じて気筒内に適切な空気量が確保されることになる。しかも、前記所定期間が前記内燃機関の温度に応じて長く設定されており、前記温度が低いことで前記閉弁時期の進角量が大きく制御されてこれに伴い気筒内の空気量が所定の量に到達するまでの時間が長くなるのに対応して、燃料供給の開始時期が遅らされるので、燃焼開始時の燃料量と空気量との割合をより確実に適切な状態とすることができる。

また、本発明において、前記内燃機関が、動力が供給されることで前記カムシャフトの前記クランクシャフトに対する回転位相を変更するカム位相可変機構を備え、前記カム位相可変機構が、前記供給される動力が大きいほど前記カムシャフトの前記クランクシャフトに対する回転位相を進角する一方、前記動力の遮断時には前記カムシャフトの前記クランクシャフトに対する回転位相を最も遅角するのが好ましい（請求項３）。

このようにすれば、前記所定条件の非成立状態において前記カム位相可変機構への動力供給が不要となり、スターターモータ等の始動手段により内燃機関を回転させるための動力すなわちクランキングさせるための動力を十分に確保することが可能となるので、始動性が向上する。

以上のように、本発明によれば、簡単な構成で始動性を向上させることのできる内燃機関システムを提供することができる。

本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明が適用されるエンジンシステムの全体構造を概略的に示したものである。このエンジンシステムは、エンジン本体（内燃機関）１と、このエンジン本体１に付随する様々なアクチュエーターを制御するためのエンジン制御器（制御手段）１００とを有している。

前記エンジン本体１は、自動車等の車両に搭載される４サイクルの火花点火式内燃機関であって、前記車両を推進すべく、その出力軸は変速機を介して駆動輪に連結されている。このエンジン本体１は、シリンダーブロック１２とその上に載置されるシリンダヘッド１３とを備えている。このシリンダーブロック１２とシリンダヘッド１３との内部には複数のシリンダ（気筒）１１が形成されている。これらシリンダ１１の数は特に限定されるものではないが、例えば４つのシリンダ１１が形成されている。また、前記シリンダーブロック１２には、ジャーナル、ベアリングなどによってクランクシャフト１４が回転自在に支持されている。そして、本エンジン本体１は、始動時に、図示しないスターターモータ（モータ）により前記クランクシャフト１４が強制回転させられる。

前記各シリンダ１１内にはピストン１５がそれぞれ摺動自在に嵌挿されており、各ピストン１５の上方にはそれぞれ燃焼室１７が区画されている。

ここで、本実施形態では、前記ピストン１５が上死点に位置するときの燃焼室１７の容積と、ピストン１５が下死点に位置するときの燃焼室１７の容積との比であるエンジン本体１の幾何学的圧縮比がほぼ１４に設定されている。もちろん、この幾何学的圧縮比の値は１４に限らない。例えば、機関効率の向上といった観点からは前記幾何学的圧縮比はより高い方が好ましい。しかしながら、幾何学的圧縮比を高くしていくと、圧縮行程において気筒内の温度が高くなりすぎてしまい予期せぬタイミングで自着火が生じる可能性が高くなる。そのため、前記エンジン本体１の幾何学的圧縮比としては１３以上１６以下が好ましい。

前記シリンダヘッド１３には、各燃焼室１７に連通する２つの吸気ポート１８と２つの排気ポート１９とが形成されている。また、前記シリンダヘッド１３には、各吸気ポート１８をそれぞれ前記燃焼室１７から遮断するための吸気バルブ（吸気弁）２１と、各排気ポート１９をそれぞれ前記燃焼室１７から遮断するための排気バルブ（排気弁）２２とが設けられている。前記吸気バルブ２１は後述する吸気弁駆動機構３０により駆動されることで、所定のタイミングで各吸気ポート１８を開閉する。一方、前記排気バルブ２２は後述する排気弁駆動機構４０により駆動されることで、前記各排気ポート１９を開閉する。

前記吸気弁駆動機構３０および前記排気弁駆動機構４０は、それぞれ吸気カムシャフト（カムシャフト）３１と排気カムシャフト４１とを有している。この吸気カムシャフト３１および排気カムシャフト４１は、周知のチェーン／スプロケット機構等の動力伝達機構を介してクランクシャフト１４に連結されている。前記動力伝達機構は、前記クランクシャフト１４が２回転する間に、吸気カムシャフト３１および排気カムシャフト４１が１回転するように構成されている。

また、前記吸気弁駆動機構３０には、前記動力伝達機構と前記吸気カムシャフト３１との間に吸気カムシャフト位相可変機構（カム位相可変機構）３２が設けられている。この吸気カムシャフト位相可変機構３２は、吸気バルブ２１のバルブタイミングを変更するためのものであり、前記吸気カムシャフト３１と同軸に配置されてクランクシャフト１４により直接駆動される被駆動軸と吸気カムシャフト３１との間の位相差を変更することで、前記クランクシャフト１４と前記吸気カムシャフト３１との間の位相差を変更する。これにより、吸気バルブ２１の開弁期間及びリフト量すなわちバルブ・プロファイルは一定に保ったまま、吸気バルブ２１の開タイミング（開弁時期）と閉タイミング（閉弁時期）とが変更される。この吸気カムシャフト位相可変機構３２の具体的構成は特に限定されるものではないが、例えば、図２〜図４に示すような電磁式のものを用いるのが好ましい。

図２は、前記吸気カムシャフト位相可変機構３２の概略断面図である。吸気カムシャフト位相可変機構３２は、電磁式であり、図３に示す遊星歯車装置３３および図４に示す電磁アクチュエーター３４などを備えている。前記遊星歯車装置３３は、吸気カムシャフト３１およびスプロケット３１ａの間で回転を伝達するものであり、リングギヤ３３ａ、３つのプラネタリピニオンギヤ３３ｂ、サンギヤ３３ｃおよびプラネタリキャリア３３ｄを備えている。

前記リングギヤ３３ａは、前記電磁アクチュエーター３４の後述するアウタケーシング３５に連結されており、このアウタケーシング３５と同軸かつ一体に回転する。また、前記サンギヤ３３ｃは、前記吸気カムシャフト３１の先端部に取り付けられており、この吸気カムシャフト３１と同軸かつ一体に回転する。また、前記プラネタリキャリア３３ｄは、ほぼ三角形に形成され、それらの３つの角部にシャフト３３ｅがそれぞれ突設されている。このプラネタリキャリア３３ｄは、これらのシャフト３３ｅを介して前記スプロケット３１ａに連結されており、このスプロケット３１ａと同軸かつ一体に回転する。また、各プラネタリピニオンギヤ３３ｂは、前記プラネタリキャリア３３ｄの各シャフト３３ｅに回転自在に支持され、前記サンギヤ３３ｃと前記リングギヤ３３ａの間に配置され、これらと常に噛み合っている。

前記電磁アクチュエーター３４は、アウタケーシング３５、コア３６、電磁石３７およびリターンスプリング３８を備えている。前記アウタケーシング３５は、中空であり、その内部に前記コア３６が相対的に回動自在に設けられている。前記コア３６は、断面円形の基部３６ａと、これから放射状に延びる２つのアーム３６ｂ，３６ｂを備えている。このコア３６は、その基部３６ａが前記プラネタリキャリア３３ｄに取り付けられており、このプラネタリキャリア３３ｄと同軸かつ一体に回転する。また、前記アウタケーシング３５の内周面には、最遅角位置および最進角位置の一対のストッパ３５ａ，３５ｂを１組として、計２組のストッパ３５ａ，３５ｂが互いに間隔を存して設けられている。

前記一対のストッパ３５ａ，３５ｂ間には前記コア３６の各アーム３６ｂが配置されており、コア３６は、前記アーム３４ｂが最遅角位置ストッパ３５ａに当接して係止される最遅角位置（図４に実線で示す位置）と、最進角位置ストッパ３５ｂに当接して係止される最進角位置（図４に２点鎖線で示す位置）との間で、前記アウタケーシング３５に対して相対的に回動可能に構成されている。

前記リターンスプリング３８は、圧縮された状態で、前記最進角位置ストッパ３５ｂの一つと、これと対向するアーム３６ｂとの間に掛け渡されており、このリターンスプリング３８の付勢力により、前記アーム３６ｂは最遅角位置ストッパ３５ａ側に付勢されている。

前記電磁石３７は、前記リターンスプリング３８と反対側の最進角位置ストッパ３５ｂに取り付けられており、この最進角位置ストッパ３５ｂの、アーム３６ｂと対向する側の端部に面一の状態で設けられている。この電磁石３７は、オルタネーター、バッテリ等を含む自動車の電源システムに接続されており、後述するエンジン制御器１００で算出された吸気バルブ２１のバルブタイミングに基づいて励磁され、その電磁力により、前記対向するアーム３６ｂを、前記リターンスプリング３８の付勢力に抗しながら吸引して前記最進角位置ストッパ３５ｂ側に回動させる。

以上のように構成された吸気カムシャフト位相可変機構３２では、バッテリ等からこの吸気カムシャフト位相可変機構３２に電力が供給されておらず、前記電磁アクチュエーター３４の電磁石３７が励磁されていないときには、前記コア３６は、前記リターンスプリング３８の付勢力により、そのアーム３６ｂが最遅角位置ストッパ３５ａに当接する最遅角位置に保持される。すなわち、前記吸気バルブ２１のバルブタイミングは、最遅角時期に保持される。そして、吸気カムシャフト位相可変機構３２に電力が供給されて、前記電磁石３７が励磁されると、前記コア３６が前記リターンスプリング３８の付勢力に抗して回動することで、吸気カムシャフト３１のクランクシャフト１４に対する回転位相が進角側に制御され、その結果、前記吸気バルブ２１のバルブタイミングは進角側に制御される。本実施形態では、前記吸気バルブ２１の開弁期間は一定に保たれており、吸気バルブ２１の開タイミング（開弁時期）と閉タイミング（閉弁時期）ＩＶＣとは一体に変更される。吸気カムシャフト３１の位相角は、カム位相センサ３９により検出され、その信号θ_{ＶＣＴ＿Ａ}はエンジン制御手段１００に送信される。

また、本実施形態では、前記吸気バルブ２１の閉タイミングが下死点よりも遅角側の範囲内で変更されるように前記最遅角位置および最進角位置が設定されている。より詳細には、図５に示すように、前記吸気バルブ２１の閉タイミングは、最進角時期θ_ａと最遅角時期θ_ｚとの間で、進角するほど燃焼室１７内の空気充填量ＣＥが多くなるような範囲に設定されている。また、前記最遅角時期θ_ｚは、エンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧが後述するＴ２以上であってエンジン本体１が温間始動される通常始動において前記吸気バルブ２１の閉タイミングがこの最遅角時期θ_ｚに制御された場合に、燃焼室１７内の空気充填量ＣＥが、始動に必要なトルクを発生させることが可能な量の燃料を燃焼するのに必要な空気量を満足するような値に設定されている。

再び図１を参照すると、前記吸気ポート１８は、吸気マニホールド５５を介してサージタンク５５ａに連通している。このサージタンク５５ａの上流の吸気通路にはスロットルボデー５６が設けられている。このスロットルボデー５６の内部には、外部から前記サージタンク５５ａに向かう吸気流量を調整するためのスロットル弁５７が枢動自在に設けられている。このスロットル弁５７は、前記吸気通路の開口面積すなわち流路面積を変更して吸気流量を変更するとともに、スロットル弁５７の下流の吸気通路内の圧力を変更することが出来る。このスロットル弁５７は、スロットルアクチュエータ５８により駆動される。このスロットルアクチュエータ５８は、前記スロットル弁５７の開度ＴＶＯが後述するエンジン制御器１００で算出された目標スロットル開度ＴＶＯ_Ｄとなるようにこのスロットル弁５７を駆動する。ここで、請求項における吸気通路とは、このスロットル弁５７下流の、前記吸気ポート１８、吸気マニホールド５５およびサージタンク５５ａ全てを含む。本実施形態では、このスロットル弁５７の開度と前記吸気バルブ２１の閉タイミングとを調整することで、前記気筒１１内に充填される空気充填量ＣＥを適切な値に制御する。

前記排気ポート１９は、排気マニホールド６０を介して排気管に連通している。この排気管には排ガス浄化システムが配置されている。この排ガス浄化システムの具体的構成は特に限定されるものではないが、例えば三元触媒、リーンＮＯｘ触媒、酸化触媒等の触媒コンバータ６１を有するものが挙げられる。

前記吸気マニホールド５５と前記排気マニホールド６０とはＥＧＲパイプ６２によって連通しており、排ガスの一部が吸気側に循環するよう構成されている。前記ＥＧＲパイプ６２には、このＥＧＲパイプ６２を通って吸気側に循環するＥＧＲガスの流量を調整するためのＥＧＲバルブ６３が設けられる。このＥＧＲバルブ６３は、ＥＧＲバルブアクチュエータ６４により駆動される。このＥＧＲバルブアクチュエータ６４は、前記ＥＧＲバルブ６３の開度が後述するエンジン制御器１００で算出されたＥＧＲ開度ＥＧＲ_ｏｐｅｎとなるようにこのＥＧＲバルブ６３を駆動し、これにより前記ＥＧＲガスの流量を適切な値に調整する。

前記シリンダヘッド１３には、先端が前記燃焼室１７に臨むように点火プラグ５１が取り付けられている。この点火プラグ５１は、点火システム５２により後述するエンジン制御器１００で算出された点火時期の信号ＳＡに基づいて通電されると、前記燃焼室１７内に火花を発生させる。

また、前記シリンダヘッド１３には、燃料を燃焼室１７内に直接噴射するための燃料噴射弁（燃料供給手段）５３がその先端が前記燃焼室１７に臨むように取り付けられている。より詳細には、この燃料噴射弁５３は、その先端が、上下方向において前記２つの吸気ポート１８の下方に位置するよう、かつ、水平方向において前記２つの吸気ポート１８の中間に位置するように配置されている。この燃料噴射弁５３は、その内部に設けられたソレノイドが、燃料システム５４により後述するエンジン制御器１００で算出された燃料噴射量ＦＰの信号に基づいて所定期間だけ通電されることで、前記燃焼室１７内に所定量の燃料を噴射する。

前記エンジン制御器１００は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラであって、プログラムを実行するためのＣＰＵと、ＲＡＭやＲＯＭからなりプログラム及びデータを格納するメモリと、各種信号の入出力を行なうＩ／Ｏバスとを備えている。

前記エンジン制御器１００には、前記Ｉ／Ｏバスを介して、水温センサ７７で検出されたエンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧ、エアフローメーター７１により検出された吸入空気量ＡＦ、吸気圧センサ７２により検出された吸気マニホールド５５内の空気圧力ＭＡＰ、クランクアングルセンサ７３により検出されたクランク角パルス信号、酸素濃度センサ７４により検出された排ガスの酸素濃度ＥＧＯ、アクセル開度センサ７５により検出された自動車のドライバーによるアクセルペダルの踏み込み量α、車速センサ７６により検出された車速ＶＳＰといった各種の信号が読み込まれる。また、このエンジン制御器１００には、車両に設けられたイグニッションキースイッチ（ＩＧキー）からのスタート信号が読み込まれる。前記クランク角パルス信号からはエンジン本体１の回転数（回転速度）Ｎ_ＥＮＧが算出される。

そして、このエンジン制御器１００は、前記各入力情報に基づいて、シリンダ１１内へ導入される空気量すなわちシリンダ１１内の空気充填量ＣＥや点火時期等が運転条件に応じて適切な値になるように、各種アクチュエーターに対する指令値を演算する。例えば、スロットル開度ＴＶＯ、燃料噴射量ＦＰ、点火時期ＳＡ、吸気バルブタイミングθ_ＶＣＴ、ＥＧＲ開度ＥＧＲ_ｏｐｅｎ等の指令値を計算し、それらを、前記スロットルアクチュエータ５８、燃料システム５４、点火システム５２、吸気カムシャフト位相可変機構３２およびＥＧＲバルブアクチュエータ６４等に出力する。

前記エンジン制御器１００における具体的な演算手順を図６のフローチャートを用いて説明する。

まず、前記水温センサ７７等の各種信号を読み込む（ステップＳ１）。

次に、スターターモータが駆動中であるかどうかを判定する（ステップＳ２）。この判定がＹＥＳの場合すなわちスターターモータが駆動中である場合には、さらに始動制御フラグが１であるかどうかを判定する（ステップＳ３）。この始動制御フラグＦ_{ＳＴＡＲＴ}は、以下のステップＳ４〜ステップＳ１６までの始動制御を行うべき状態であるかどうかを示すフラグであり、Ｆ_{ＳＴＡＲＴ}＝１では始動制御が行われＦ_{ＳＴＡＲＴ}＝０では通常制御が行われる。ただし、前記ステップＳ２においてスターターモータが駆動中であると判定された場合のＦ_{ＳＴＡＲＴ}＝０は、始動制御状態であるとともにスターターモータの駆動が開始したところを示す。

前記ステップＳ３での判定がＹＥＳすなわち、現状が、始動開始時点でなく、かつ、始動制御を行う状態である場合には、ステップＳ７に進む。

一方、前記ステップＳ３での判定がＮＯすなわち始動が開始されたところである場合には、まず前記始動制御フラグＦ_{ＳＴＡＲＴ}を１にセットする（ステップＳ４）。そして、前記エンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧに基づき、吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣの目標値θ_{ＶＣＴ＿Ｄ}を設定する（ステップＳ５）。具体的には、図７に示すように、エンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧがＴ１以上となる通常状態の場合には、前記閉タイミングＩＶＣの目標値θ_{ＶＣＴ＿Ｄ}を最遅角時期θ_ｚとし、エンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧがＴ２以下となる冷間始動時の場合には、前記目標値θ_{ＶＣＴ＿Ｄ}を最進角時期θ_ａとし、エンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧがＴ１〜Ｔ２の場合には、前記目標値θ_{ＶＣＴ＿Ｄ}を前記最遅角時期θ_ｚと最進角時期θ_ａとの間でエンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧの低下に比例して進角する時期とする。前記Ｔ１は例えば１０℃であり、前記Ｔ２は例えば−２０℃である。

ここで、前述のように、前記吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣが最遅角時期θ_ｚに制御された状態でシリンダ１１内には十分な量の空気が導入される。しかも、本エンジン本体１では、この吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣは、前記吸気カムシャフト位相可変機構３２に電力が供給されていない状態において前記最遅角時期θ_ｚに保持される。そのため、吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣをこの最遅角時期θ_ｚに制御する場合は、図７に示すように、前記吸気カムシャフト位相可変機構３２へ電力を供給する必要がなく、スターターモータに供給される電力が十分に確保されることで始動性が高められる。そこで、本実施形態では、前記エンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧが比較的高く（Ｔ_ＥＮＧ≧Ｔ１）運転頻度が高い通常の始動時において前記吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣの目標値θ_{ＶＣＴ＿Ｄ}を前記最遅角時期θ_ｚとし、この吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣをこの最遅角時期θ_ｚに制御することで、始動性を高める。

一方、エンジン本体１の温度が低温である場合には、潤滑油の粘性が高くエンジン本体１の回転に対する摩擦抵抗が大きく、十分なトルクが必要となる。そこで、エンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧが比較的低い条件（Ｔ_ＥＮＧ＜Ｔ１）では、前記吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣの目標値θ_{ＶＣＴ＿Ｄ}を前記最遅角時期θ_ｚよりも進角側とし、この閉タイミングＩＶＣを進角側に制御することで、シリンダ１１内に導入される空気量を確保して、十分な燃料量の供給を可能として始動性を確保する。

次に、ステップＳ６にて、前記エンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧに基づき、始動開始後に燃料噴射を禁止するとともに燃焼室１７内への火花の発生を禁止する時間である待ち時間ｔ_{ＳＴＡＲＴ}を算出する。具体的には、図８に示すように、エンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧがＴ１以上の場合には、前記待ち時間ｔ_{ＳＴＡＲＴ}を０とし、エンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧがＴ２以下の場合には、前記待ち時間ｔ_{ＳＴＡＲＴ}を所定時間Ｃ２とし、エンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧがＴ１〜Ｔ２の場合には、前記待ち時間ｔ_{ＳＴＡＲＴ}を０と所定時間Ｃ２の間でエンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧの減少に比例して長くなる時間とする。

前述のように、エンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧが比較的低い条件（Ｔ_ＥＮＧ＜Ｔ１）では、前記吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣの目標値θ_{ＶＣＴ＿Ｄ}を前記最遅角時期θ_ｚよりも進角側とし、この閉タイミングＩＶＣを進角側に制御することで、シリンダ１１内に導入される空気量を増加させて始動性が確保されるようにしている。しかしながら、前記吸気カムシャフト位相可変機構３２の応答性は十分でなく、実際には、始動時にすぐさま前記吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣを十分に進角させることは困難である。

そこで、本エンジン制御器１００では、前記エンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧが前記Ｔ１以下の冷間始動条件において、始動開始から前記待ち時間ｔ_{ＳＴＡＲＴ}経過後にはじめて燃焼室１７内に燃料噴射を行うとともに燃焼室１７内に火花を発生させることで、吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣが十分に進角しておらず空気量が不足した状態で燃焼が開始しないように制御する。このようにすれば、燃料量に見合った空気量が確保された状態ではじめて燃焼が開始するので、始動性を向上させつつ排気性能を向上することができる。特に、前記のように待ち時間ｔ_{ＳＴＡＲＴ}を前記エンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧの変化に合わせて設定することで、この待ち時間ｔ_{ＳＴＡＲＴ}と吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣの進角量とが対応するので、燃料量と空気量とをより確実に適切な状態とすることができる。

前記待ち時間ｔ_{ＳＴＡＲＴ}は、ステップＳ６において、演算の刻み時間△ｔに基づき演算のサイクル数に換算されて待ち時間カウンタＣ_{ＳＴＡＲＴ}に代入される。

次に、前記待ち時間カウンタＣ_{ＳＴＡＲＴ}が０より大きいかどうかを判定する（ステップＳ７）。この判定がＹＥＳの場合、すなわち、まだ待ち時間中であると判断された場合には、待ち時間カウンタＣ_{ＳＴＡＲＴ}をディクリメントする（ステップＳ８）。そして、燃料噴射量ＦＰをゼロに設定するとともに点火を禁止する（ステップＳ９）。一方、前記ステップＳ７での判定がＮＯの場合、すなわち、待ち時間のない運転条件であるあるいは待ち時間が終了したと判断された場合には、始動時に対応した燃料噴射量ＦＰおよび点火時期ＳＡを算出する。その後、ステップＳ１１に進み、スロットル開度ＴＶＯの目標値である目標スロットル開度ＴＶＯ_Ｄを始動用目標値ＴＶＯ_{ＳＴＡＲＴ}に設定するとともに、ステップＳ１２に進む。始動用スロットル開度目標値ＴＶＯ_{ＳＴＡＲＴ}は、エンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧが低い程大きくなるように設定されている。

前記ステップＳ２の判定がＮＯの場合、すなわち、スターターモータが駆動中でない場合は、さらに、現状態が、始動直後であってエンジン本体１の回転数Ｎ_ＥＮＧがまだ十分に増加していない状態であるかどうかを判定する。具体的には、前記始動制御フラグＦ_{ＳＴＡＲＴ}が１を維持しているかどうか、および、エンジン本体１の回転数Ｎ_ＥＮＧが所定の基準回転数Ｎ１以下であるかどうかを判定する（ステップＳ１６）。この判定がＹＥＳの場合、すなわち、始動直後であってエンジン回転数Ｎ_ＥＮＧがまだ基準回転数Ｎ１を超えていない場合には、そのままステップＳ１２に進む。このとき、前記燃料噴射量ＦＰ、点火時期Ｓ１、および目標スロットル開度ＴＶＯ_Ｄは前記ステップＳ１０およびＳ１１で算出した値に維持されており、始動時の制御が行われることになる。これにより、エンジン回転数Ｎ_ＥＮＧが安定するまでの間、空気量と燃料量とは適切な状態に維持されるので、排気性能を良好に維持したままエンジン回転数を早期に安定させることができる。前記Ｎ１は例えば５００ｒｐｍ程度である。

一方、前記ステップＳ１６の判定がＮＯの場合、すなわち、始動直後でない場合、あるいは、始動直後ではあるがエンジン回転数Ｎ_ＥＮＧが十分に増加した状態である場合には、前記始動制御フラグＦ_{ＳＴＡＲＴ}を０にリセットし（ステップＳ２０）、通常運転時における燃料噴射量ＦＰ，点火時期ＳＡ、目標スロットル開度ＴＶＯ_Ｄ、吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣの目標値θ_{ＶＣＴ＿Ｄ}を算出する（ステップＳ２１）。

前記通常運転時における目標スロットル開度ＴＶＯ_Ｄは、前記始動用目標値ＴＶＯ_{ＳＴＡＲＴ}よりも大きく設定されており、スロットル開度ＴＶＯは始動直後に開き側に制御される。このようにスロットル開度ＴＶＯが開き側に制御されるとポンプ損失が低減するので始動が安定する。具体的には、通常運転では、前記スロットル開度ＴＶＯは、図９に示すように、燃焼室１７内の空気充填量ＣＥの目標値である目標空気充填量ＣＥ_Ｄが所定値以下の領域では、目標空気充填量ＣＥ_Ｄの増加に伴い開き側に制御される一方、目標空気充填量ＣＥ_Ｄが所定値より多い領域では、目標空気充填量ＣＥ_Ｄによらず一定値に制御される。

また、通常運転時における吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣは前記最進角時期θ_ａよりも遅角側に設定されており、エンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧが少なくとも前記Ｔ２以下の場合には、始動後、エンジン回転数Ｎ_ＥＮＧが前記Ｎ１以上となりエンジン本体１の回転が安定した時点でこの吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣは遅角側に制御されることになる。そして、このように、吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣが最進角時期θ_ａから遅角側に制御されることで、空気充填量が過剰となるのが回避されるので、エンジン本体１の回転数Ｎ_ＥＮＧの過上昇は抑制される。

具体的には、通常運転時における前記吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣは、図１０に示すように、目標空気充填量ＣＥ_Ｄが所定値以下の領域では、目標空気充填量ＣＥ_Ｄおよびエンジン回転数Ｎ_ＥＮＧによらず一定値に制御される一方、目標空気充填量ＣＥ_Ｄが所定値より大きい領域では、目標空気充填量ＣＥ_Ｄの増加に伴い進角側に制御される。そして、このように目標空気充填量ＣＥ_Ｄが吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣにより制御されれば、スロットル弁５７を絞ることにより生じるポンプ損失が抑制されるので、シリンダ１１内の空気充填量が適切に制御されてエンジン本体１の運転効率は高まる。

前記各目標値が算出された後は、ステップＳ１２に進み、算出された各目標値等に基づき各アクチュエータを駆動する。具体的には、信号θ_{ＶＣＴ＿Ｄ}が吸気カムシャフト位相可変機構３２に出力される。吸気カムシャフト３１のクランクシャフト１４に対する位相がθ_{ＶＣＴ＿Ｄ}に対応した値となるように、この吸気カムシャフト位相可変機構３２が動作する。信号ＴＶＯ_Ｄはスロットルアクチュエータ５８に出力される。そして、スロットル弁５７の開度ＴＶＯがＴＶＯ_Ｄに対応した値となるように、前記スロットルアクチュエータ５８が動作する。信号ＦＰは、燃料システム５４に出力される。１気筒サイクル当りＦＰに対応した量の燃料が燃料噴射弁５３から噴射される。そして、信号ＳＡは、点火システム５２に出力される。気筒サイクル中のＳＡに対応した時期に、点火プラグ５１が発火して、燃焼室１７内の混合気を着火する。これにより、必要とされる量の空気、燃料からなる混合気を、適切な時期に着火して燃焼させることで、エンジン本体１が必要とする出力トルクをクランクシャフト１４から発生する。

以上の制御手順に基づく各アクチュエーターの挙動を図１１および図１２に示す。図１１は、エンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧがＴ１以上である通常始動時の挙動を示し、図１２は、エンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧがＴ２以下である冷間始動時の挙動を示す。

図１１に示すように、通常の運転条件では、スターターモータがＯＮすなわちスターターモータ駆動されている間、および、前記始動制御フラグＦ_{ＳＴＡＲＴ}が１であってスターターモータがＯＮしてからエンジン回転数Ｎ_ＥＮＧが前記Ｎ１を超えるまでの間は、前記吸気カムシャフト位相可変機構３２に電力が供給されず吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣは最遅角時期θ_ｚに制御されるとともに、スロットル開度ＴＶＯは始動用目標値ＴＶＯ_{ＳＴＡＲＴ}に制御される。一方、スターターモータがＯＦＦで、かつ、エンジン回転数Ｎ_ＥＮＧが前記Ｎ１を超えると、始動制御フラグＦ_{ＳＴＡＲＴ}が０となり、吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣは進角側に制御され、スロットル開度ＴＶＯは開き側に制御される。また、この運転条件では、スターターモータがＯＮになると同時に燃料噴射および点火が開始される。ここで、閉タイミングＩＶＣのグラフにおいて実線は目標値を示し、破線は実タイミングを示している。

一方、冷間始動時では、図１２に示すように、スターターモータがＯＮになると同時に前記吸気カムシャフト位相可変機構３２に電力が供給されることで吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣが進角側に制御される。特に、エンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧが前記Ｔ２以下では、この吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣは最進角時期θ_ａに制御される。そして、この閉タイミングＩＶＣの値は、エンジン回転数Ｎ_ＥＮＧが前記Ｎ１を超えるまで維持される。

さらに、冷間始動時では、前記スターターモータがＯＮしてから前記待ち時間カウンタＣ_{ＳＴＡＲＴ}が０になるまでの所定の待ち時間ｔ_{ＳＴＡＲＴ}の間、燃料噴射および点火は禁止され、待ち時間ｔ_{ＳＴＡＲＴ}後にはじめて燃料噴射および点火が実施される。前記スロットル開度ＴＶＯはエンジン温度Ｔ_ＥＮＧに合わせて比較的大きい始動用目標値ＴＶＯ_{ＳＴＡＲＴ}に制御される。そして、スターターモータがＯＦＦとなり、エンジン回転数Ｎ_ＥＮＧが前記Ｎ１を越えると、吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣが遅角側に制御されて、スロットル開度ＴＶＯは開き側に制御される。

以上のような制御により、本エンジンシステムでは、エンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧに応じてシリンダ１１内に適切な空気量を導入することができ始動性を確保することが可能となる。

ここで、前記吸気カムシャフト位相可変機構３２に供給される動力は電力に限らない。

また、始動後の制御方法については前記に限らない。ただし、始動後回転数が所定値以上増加するに伴い吸気バルブ２１のバルブタイミングを遅角側に制御し、シリンダ１１内への空気の導入量を減少させれば、シリンダ１１内に過剰な空気が導入されるのを回避しエンジン本体１の回転数Ｎ_ＥＮＧの過上昇を抑制することができる。

また、前記シリンダ１１の幾何学的圧縮比は前記に限らない。

前記Ｔ１、Ｔ２等の具体的な値は前記に限らない。

また、各種アクチュエーターの詳細な構造は前記に限らない。

本発明に係るエンジンシステムの全体構造の概略図である。図１に示すエンジンシステムに用いられる吸気カムシャフト位相可変機構の概略断面図である。図２に示す吸気カムシャフト位相可変機構における遊星歯車装置の概略正面図である。図２に示す吸気カムシャフト位相可変機構における電磁アクチュエータの概略正面図である。吸気バルブの閉タイミングと空気充填量との関係を説明するための図である。本発明に係る制御方法の制御手順を説明するためのフローチャートである。エンジン冷却水温と吸気バルブの閉タイミングおよび吸気カムシャフト位相可変機構への通電量との関係を説明するための説明図である。エンジン冷却水温と待ち時間との関係を説明するための説明図である。通常の運転条件におけるスロットル弁の目標値を示す図である。通常の運転条件における吸気バルブの閉タイミングの目標値を示す図である。通常始動時における各アクチュエーターの制御例を示す図である。冷間始動時における各アクチュエーターの制御例を示す図である。

１エンジン本体
１１気筒
１４クランクシャフト
１７燃焼室
２１吸気バルブ（吸気弁）
３１カムシャフト
３２吸気カムシャフト位相可変機構（カム位相可変機構）
５７スロットル弁
１００エンジン制御器（制御手段）

Claims

往復移動するピストンを収容するとともに燃焼室を形成する気筒と、前記ピストンに連結されるクランクシャフトと、前記クランクシャフトに同期して回転するカムシャフトと、前記気筒内へ導入される空気が通過する吸気通路と、前記カムシャフトの回転に応じて往復動して前記吸気通路から前記気筒内への空気の流入を遮断する吸気弁とを有し、前記カムシャフトの前記クランクシャフトに対する回転位相を変更可能な内燃機関の制御方法であって、
前記気筒内に導入される空気量の目標値である目標空気充填量が大きくなるほど前記カムシャフトの前記クランクシャフトに対する回転位相を進角させる工程と、
前記内燃機関の停止に伴い、前記カムシャフトの前記クランクシャフトに対する回転位相を最も遅角する工程と、
前記内燃機関の始動時に、前記クランクシャフトを強制回転させる工程と、
前記内燃機関の始動時において、前記内燃機関の温度が予め設定された第１温度よりも低い場合には、第１温度以上のときと比べて、前記カムシャフトの前記クランクシャフトに対する回転位相を進角させる一方、前記内燃機関の温度が前記第１温度よりも低い予め設定された第２温度より低い場合には、前記カムシャフトの前記クランクシャフトに対する回転位相を最も進角させる工程と、
前記内燃機関の始動時において、前記内燃機関の温度が前記第２温度より低い場合には、前記クランクシャフトが所定期間強制回転させられた後で前記燃焼室への燃料供給を開始するとともに、前記内燃機関の始動後、前記内燃機関の回転速度が予め設定された所定回転速度を越えた後、前記カムシャフトの前記クランクシャフトに対する回転位相を遅角側に制御する工程とを含むことを特徴とする内燃機関の制御方法。
請求項１に記載の内燃機関の制御方法であって、
前記内燃機関の始動時において、前記内燃機関の温度が前記第１温度と第２温度との間の温度である場合には、前記内燃機関の温度が低いほど、前記カムシャフトの前記クランクシャフトに対する回転位相を進角側に制御するとともに、
前記内燃機関の温度が低いほど前記所定期間が長く設定されていることを特徴とする内燃機関の制御方法。
請求項１または２に記載の内燃機関の制御方法であって、
前記内燃機関が、動力が供給されることで前記カムシャフトの前記クランクシャフトに対する回転位相を変更するカム位相可変機構を備え、
前記カム位相可変機構が、前記供給される動力が大きいほど前記カムシャフトの前記クランクシャフトに対する回転位相を進角する一方、前記動力の遮断時には前記カムシャフトの前記クランクシャフトに対する回転位相を最も遅角するよう設定されていることを特徴とする内燃機関の制御方法。