JP6869475B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、詳しくは、未燃ＨＣの排出を抑制する技術に関する。
エンジン始動時には、気筒における初回の燃焼（初爆）を確実に実行するために燃焼室に導入される燃料噴射量が多く、不完全燃焼による未燃ＨＣ（炭化水素）が増大し易い。また、エンジン始動時には、未燃ＨＣを浄化する触媒が温まっておらず活性化されていないため、未燃ＨＣが外部に排出され易い。
特許文献１には、各気筒の初爆から次回の燃焼までの間に吸気弁の開放時期と排気弁の開放時期とをオーバーラップさせることにより、２サイクル目（以降、吸気，圧縮，膨張，排気の４行程で「１サイクル」と表現する。）以降に排気通路に存在する未燃ＨＣを含む排気を燃焼室に戻して再燃焼させ、未燃ＨＣの排出量を低減する、所謂、内部ＥＧＲ（排気再循環）と呼ばれる技術が開示されている。また、排気通路が昇温された後は、排気弁を進角させることにより膨張行程終盤で排気弁を開弁させ、燃焼室に加えて排気通路内でも燃焼を継続させる技術が開示されている。これにより、触媒を早期に活性化させて未燃ＨＣの浄化効率を向上させるものである。
特許文献２には、初爆を含む１サイクル目の各気筒の吸気圧力と、該吸気圧力の変化量とに基づいて、２サイクル目以降の燃料噴射量を設定する技術が開示されている。これにより、排気通路や燃焼室に付着した燃料を考慮した燃料噴射量の設定を２サイクル目以降に実行して、不完全燃焼による未燃ＨＣの排出量を減少させるものである。
特開２００２−２０６４３６号公報 特開２００１−２２１０８７号公報
しかしながら、従来の内燃機関の制御装置は、初爆を含む１サイクル目より後の２サイクル目以降でしか未燃ＨＣの排出量を減少させることができない。つまり、燃料噴射量が多い初爆時に、未燃ＨＣの排出を確実に抑制することができず、改善の余地がある。
そこで、未燃ＨＣの排出を一層抑制することができる内燃機関の制御装置が望まれている。
内燃機関の制御装置の特徴構成は、燃焼室を含む複数の気筒と、前記気筒の内部で上死点位置と下死点位置との間を移動するピストンと、前記ピストンと連結されたクランクシャフトと、夫々の前記気筒の前記燃焼室に接続された吸気通路および排気通路と、夫々の前記気筒の前記燃焼室と前記吸気通路および前記排気通路との接続口に各別に設けられた吸気弁および排気弁と、前記吸気弁および前記排気弁と各別に連結された吸気シャフトおよび排気シャフトと、を有する内燃機関と、前記クランクシャフトと同期回転する駆動側回転体と、前記駆動側回転体の回転軸芯と同軸芯上で前記駆動側回転体と相対回転自在に配置され、前記排気シャフトと一体回転する従動側回転体と、前記駆動側回転体および前記従動側回転体の相対回転位相を設定する位相調節機構と、を有する弁開閉時期制御装置と、を備え、前記位相調節機構は、所定の期間において、前記上死点位置よりも後に前記排気弁が閉弁するように前記相対回転位相を設定することにより、前記吸気弁の開放時期と前記排気弁の開放時期とをオーバーラップさせ、排気行程にある何れかの前記気筒の前記排気通路と、前記排気行程と同時期に吸気行程にある他の前記気筒の前記排気通路と、を接続するバイパス通路が設けられており、前記バイパス通路には電磁弁が設けられており、前記所定の期間は、前記何れかの気筒においてクランキング直後に前記燃焼室で初回の燃焼が実行される前から、前記初回の燃焼が実行された後に開いた前記排気弁が初めて閉塞するまでの期間であり、前記電磁弁は、前記所定の期間中に開弁しており、前記所定の期間が終了したときに閉弁する点にある。
本構成では、ピストンが上死点位置から下死点位置に移動する吸気行程において、排気弁の開放時期と吸気弁の開放時期とをオーバーラップさせている。その結果、排気通路に存在する未燃ＨＣを含む排気を燃焼室に戻して未燃ＨＣを再燃焼させ、未燃ＨＣの排出量を低減することができる。
また、本構成では、排気行程にある何れかの気筒の排気通路と、該排気行程と同時期に吸気行程にある他の気筒の排気通路と、を接続するバイパス通路が設けられている。これにより、何れかの気筒における未燃ＨＣを含む排気が、オーバーラップ期間で排気弁が開放した状態の他の気筒の燃焼室に導入される。その結果、他の気筒の排気通路に存在する未燃ＨＣを含む排気が燃焼室に戻されるだけでなく、何れかの気筒の排気通路に存在する未燃ＨＣを含む排気も他の気筒の燃焼室に導入される。よって、例えば燃料噴射量が多く未燃ＨＣが大量に排出される初爆時において、何れかの気筒から排出された未燃ＨＣが他の気筒の燃焼室に導入されて再燃焼されるので、未燃ＨＣの排出量をさらに低減することができる。
本構成では、何れかの気筒において初回の燃焼が実行される前から電磁弁を開弁しているので、何れかの気筒における排気行程序盤の高い圧力を持った排気が、オーバーラップ期間で排気弁が開放した状態の他の気筒の燃焼室に導入される。その結果、初爆時の未燃ＨＣが多く含まれる排気を再燃焼させ、未燃ＨＣの排出量を確実に低減することができる。また、本構成では、何れかの気筒において初回の燃焼が実行されてから初めて排気弁が閉弁するタイミングで電磁弁を閉弁するので、初爆を迎える何れかの気筒の排気を他の気筒に導入した後は、気筒間での排気のやり取りを禁止することとなる。その結果、電磁弁を閉弁した後は、各気筒毎における排気弁の開弁時期と吸気弁の開弁時期とのオーバーラップにより内部ＥＧＲを導入したり、オーバーラップを無くして新気の取込み量を多くしたりして、未燃ＨＣの排出低減と燃焼安定性とのバランスを考慮した制御を実行することができる。このように、未燃ＨＣの排出をさらに抑制することができる内燃機関を提供できた。
他の構成は、前記バイパス通路には、前記何れかの気筒の前記排気通路から前記他の気筒の前記排気通路への排気の流通を許容し、前記他の気筒の前記排気通路から前記何れかの気筒の前記排気通路への排気の流通を遮断する逆止弁が設けられている点にある。
吸気，圧縮，膨張，排気の１サイクル（４行程）を繰り返す内燃機関において、何れかの気筒が排気行程であり、且つ、他の気筒が吸気行程である組合せでは、何れかの気筒が膨張行程時に他の気筒が排気行程となる。そこで、本構成のように、他の気筒の排気通路から何れかの気筒の排気通路への排気の逆流を防止する逆止弁を設ければ、排気行程にある他の気筒の排気通路に存在する排気が、膨張行程にある何れかの気筒の燃焼室に大量に流入して燃焼安定性を低下させるといった不都合を防止することができる。
内燃機関の制御装置の特徴構成は、燃焼室を含む複数の気筒と、前記気筒の内部で上死点位置と下死点位置との間を移動するピストンと、前記ピストンと連結されたクランクシャフトと、夫々の前記気筒の前記燃焼室に接続された吸気通路および排気通路と、夫々の前記気筒の前記燃焼室と前記吸気通路および前記排気通路との接続口に各別に設けられた吸気弁および排気弁と、前記吸気弁および前記排気弁と各別に連結された吸気シャフトおよび排気シャフトと、を有する内燃機関と、前記クランクシャフトと同期回転する駆動側回転体と、前記駆動側回転体の回転軸芯と同軸芯上で前記駆動側回転体と相対回転自在に配置され、前記排気シャフトと一体回転する従動側回転体と、前記駆動側回転体および前記従動側回転体の相対回転位相を設定する位相調節機構と、を有する弁開閉時期制御装置と、を備え、前記位相調節機構は、所定の期間において、前記上死点位置よりも後に前記排気弁が閉弁するように前記相対回転位相を設定することにより、前記吸気弁の開放時期と前記排気弁の開放時期とをオーバーラップさせ、排気行程にある何れかの前記気筒の前記排気通路と、前記排気行程と同時期に吸気行程にある他の前記気筒の前記排気通路と、を接続するバイパス通路が設けられており、前記バイパス通路には電磁弁が設けられており、前記内燃機関の作動中において、前記所定の期間は、前記内燃機関の充填効率が所定値以上で、且つ、前記内燃機関の回転数が所定回転数以下の高負荷低回転状態となっている期間であり、前記電磁弁は、前記所定の期間中のみ開弁する点にある。
高負荷低回転領域では吸気圧力が高いため、気筒の燃焼室に内部ＥＧＲを導入し難い。そこで、本構成のように高負荷低回転状態の期間において電磁弁を開弁すれば、何れかの気筒の排気通路における排気行程序盤の高い圧力を持った排気が、オーバーラップ期間で排気弁が開弁した他の気筒の排気通路に導入される。その結果、他の気筒の燃焼室に戻される内部ＥＧＲの流速が高まるので、内部ＥＧＲを燃焼室に確実に導入することが可能となる。よって、未燃ＨＣの排出を抑制することができる。
内燃機関の制御装置の構成を示す図である。 弁開閉時期制御装置と油路系とを示す図である。 図２の弁開閉時期制御装置の中間ロック位相でのIII-III線断面図である。 弁開閉時期制御装置の最進角ロック位相での断面図である。 排気通路に設けたバイパス通路の概念図である。 内燃機関の燃料噴射から吸気行程までの弁の作動を順次示す図である。 各気筒の燃焼サイクルを示す図である。 中間ロック位相に保持した状態での排気弁と吸気弁の開閉時期を示す図である。 最進角位相での排気弁と吸気弁の開閉時期を示す図である。 高負荷低回転領域における吸気圧力および排気圧力を示す図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下の実施形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。
図１および図２に示すように、エンジンＥ（内燃機関の一例）と、エンジンＥの吸気弁Ｖａの開閉時期を設定する吸気側の弁開閉時期制御装置Ａと、エンジンＥの排気弁Ｖｂの開閉時期を設定する排気側の弁開閉時期制御装置Ｂと、エンジンＥとを制御するエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）５０とを備えて内燃機関の制御装置が構成されている。
〔内燃機関〕
図１に示すエンジンＥは、乗用車等の車両に備えられるものである。エンジンＥは、４つの気筒Ｋ（シリンダ）と、ピストン４と、クランクシャフト１と、吸気通路１１と、排気通路１２と、吸気弁Ｖａと、排気弁Ｖｂと、吸気シャフト７（吸気側カムシャフト）と、排気シャフト８（排気側カムシャフト）とを備えている。
気筒Ｋは、シリンダブロック２の内周壁とシリンダヘッド３の底壁とで構成されている。気筒Ｋは、ピストン４を摺動自在に収容しており、上死点位置にあるピストン４の冠面とシリンダブロック２の内周壁とシリンダヘッド３の底壁とで囲まれた空間として燃焼室Ｋａを有している。シリンダヘッド３には、燃焼室Ｋａに燃料を噴射するインジェクタ９と点火プラグ１０とが備えられている。
ピストン４は、気筒Ｋの内部で上死点位置と下死点位置との間を移動する。クランクシャフト１は、シリンダブロック２に支持されており、コネクティングロッド５によりピストン４と連結されている。
吸気通路１１は、シリンダヘッド３に連結されたインテークマニホールド１１ａのサージタンク（不図示）から吸気弁Ｖａまでの流路であり、気筒Ｋの燃焼室Ｋａに接続されている。吸気弁Ｖａは、シリンダヘッド３に支持されており、燃焼室Ｋａと吸気通路１１との接続口（吸気ポート）を開閉する弁体である。インテークマニホールド１１ａには、吸気温センサ５３、吸気圧センサ５４およびエアフロメータ５５が設けられている。
図１および図５に示すように、排気通路１２は、シリンダヘッド３に連結されたエキゾーストマニホールド１２ａの合流部Ｔから排気弁Ｖｂまでの流路であり、気筒Ｋの燃焼室Ｋａに接続されている。排気弁Ｖｂは、シリンダヘッド３に支持されており、燃焼室Ｋａと排気通路１２との接続口（排気ポート）を開閉する弁体である。なお、本実施形態では、各気筒Ｋに接続される４つの排気通路１２を１つの合流部Ｔで合流させているが、何れか２つの気筒Ｋに接続される排気通路１２の組合せを合流部Ｔで合流させた後に２組の排気通路１２を再合流させる構成にしても良い。
排気通路１２が合流する合流部Ｔの下流側には、燃焼ガス（排気、以下「燃焼ガス」と言う。）を浄化する触媒コンバータ１３を備えている。エンジンＥの始動時には触媒コンバータ１３の内部温度が低いため、未燃ＨＣが触媒コンバータ１３で処理されずに排出されるおそれがある。
そこで、本実施形態では、２つ排気通路１２どうしを接続するバイパス通路１８を設けている。本実施形態のエンジンＥは、４つの気筒Ｋで構成されているので、バイパス通路１８が４つ設けられている。これらバイパス通路１８は、排気行程にある何れかの気筒Ｋの排気通路１２と、排気行程と同時期に吸気行程にある他の気筒Ｋの排気通路１２とを接続するものである。具体的には、１番気筒Ｋ１と２番気筒Ｋ２、１番気筒Ｋ１と３番気筒Ｋ３、２番気筒Ｋ２と４番気筒Ｋ４、および３番気筒Ｋ３と４番気筒Ｋ４の各排気通路１２を接続する４つのバイパス通路１８が設けられている。これにより、何れかの気筒Ｋの排気行程で排出された未燃ＨＣを含む燃焼ガスを、他の気筒Ｋの燃焼室Ｋａ内に導入して、未燃ＨＣを再燃焼させる。
４つのバイパス通路１８には、何れかの気筒Ｋの排気通路１２から他の気筒Ｋの排気通路１２への燃焼ガスの流通を許容し、他の気筒Ｋの排気通路１２から何れかの気筒Ｋの排気通路１２への燃焼ガスの流通を遮断する逆止弁１９が夫々設けられている。具体的には、逆止弁１９は、排気行程にある１番気筒Ｋ１から同時期に吸気行程にある２番気筒Ｋ２への燃焼ガスの流通を許容し、排気行程にある２番気筒Ｋ２から同時期に膨張行程にある１番気筒Ｋ１への燃焼ガスの流通を遮断する（図７参照）。同様に、逆止弁１９は、２番気筒Ｋ２から４番気筒Ｋ４への燃焼ガスの流通を許容し、４番気筒Ｋ４から２番気筒Ｋ２への燃焼ガスの流通を遮断する。また、逆止弁１９は、３番気筒Ｋ３から１番気筒Ｋ１への燃焼ガスの流通を許容し、１番気筒Ｋ１から３番気筒Ｋ３への燃焼ガスの流通を遮断する。また、逆止弁１９は、４番気筒Ｋ４から３番気筒Ｋ３への燃焼ガスの流通を許容し、３番気筒Ｋ３から４番気筒Ｋ４への燃焼ガスの流通を遮断する。これによって、排気行程にある他の気筒Ｋの排気通路１２に存在する排気が、膨張行程にある何れか気筒Ｋの燃焼室Ｋａに大量に流入して燃焼安定性を低下させるといった不都合を防止することができる。
さらに、４つのバイパス通路１８には、逆止弁１９よりも燃焼ガスが流通する方向の上流側に、電磁弁２８が夫々設けられている。この電磁弁２８の配置により、逆止弁１９の開閉の有無に関係なく、電磁弁２８を閉弁することにより燃焼ガスの流通を遮断することが可能となる。その結果、逆止弁１９が開閉を繰り返すことないので、逆止弁１９の長寿命化を図ることができる。なお、電磁弁２８を、バイパス通路１８の経路上において逆止弁１９よりも燃焼ガスが流通する方向の下流側に設けても良い。
図１に戻って、吸気シャフト７は、シリンダヘッド３に支持されており、吸気弁Ｖａと連結されている。排気シャフト８は、シリンダヘッド３に支持されており、排気弁Ｖｂと連結されている。吸気シャフト７が回転駆動されることで吸気弁Ｖａの開閉が実行され、排気シャフト８が回転駆動されることで排気弁Ｖｂの開閉が実行される。
このエンジンＥでは、クランクシャフト１に駆動回転力を伝えるスタータモータ１５を備え、クランクシャフト１の近傍位置には回転角と回転数とを検知するシャフトセンサ１６を備えている。また、後述する排気側の弁開閉時期制御装置Ｂの近傍には外部ロータ２０と内部ロータ３０との相対回転位相を検知する位相センサ１７を備えている。
〔弁開閉時期制御装置〕
吸気側の弁開閉時期制御装置Ａと排気側の弁開閉時期制御装置Ｂとは同様の構成であるため、以下では、排気側の弁開閉時期制御装置Ｂの構成を中心として説明する。なお、弁開閉時期制御装置Ａおよび弁開閉時期制御装置Ｂを油圧式の弁開閉時期制御装置として説明するが、弁開閉時期制御装置Ａおよび弁開閉時期制御装置Ｂの少なくとも何れか一方を、電動式の弁開閉時期制御装置として構成しても良い。
排気側の弁開閉時期制御装置Ｂは、外部ロータ２０と内部ロータ３０との相対回転位相（以下、相対回転位相と称する）の変更により排気弁Ｖｂの開閉時期（開閉タイミング）を制御するように構成されている。
図１〜図４に示すように、排気側の弁開閉時期制御装置Ｂは、排気シャフト８の回転軸芯Ｘを中心に回転する外部ロータ２０（駆動側回転体の一例）と、排気シャフト８に対して連結ボルト３３により連結された内部ロータ３０（従動側回転体の一例）と、外部ロータ２０と内部ロータ３０とに亘って設けられたロック機構Ｌと、弁ユニットＶＵ（位相調節機構の一例）とを備えている。詳細は後述するが、ロック機構Ｌは、ロック部材２５と、ロックスプリング２６と、ロック凹部ＬＤと、規制凹部Ｄｓとで構成されている。
外部ロータ２０は、円筒状となるロータ本体２１と、回転軸芯Ｘに沿う方向でロータ本体２１の一方の端部に配置されるリヤブロック２２と、回転軸芯Ｘに沿う方向でロータ本体２１の他方の端部に配置されるフロントプレート２３とを備え、これらを複数の締結ボルト２４により締結して構成されている。
リヤブロック２２の外周には、クランクシャフト１から回転力が伝達される駆動スプロケット２２Ｓが形成されている。同様に吸気側の弁開閉時期制御装置Ａの外周側にもスプロケット７Ｓが設けられている。排気側の弁開閉時期制御装置Ｂの駆動スプロケット２２Ｓと、吸気側の弁開閉時期制御装置Ａの外周のスプロケット７Ｓと、クランクシャフト１の出力スプロケット１Ｓとに亘って、タイミングチェーン６が巻回されている（図１参照）。これによって、外部ロータ２０がクランクシャフト１と同期回転するように構成されている。
排気側の弁開閉時期制御装置Ｂでは、タイミングチェーン６から伝えられる駆動力により外部ロータ２０が駆動回転方向Ｓの方向に回転する。外部ロータ２０に対して内部ロータ３０が駆動回転方向Ｓと同方向へ回転する方向を進角方向Ｓａと称し、この逆方向への回転方向を遅角方向Ｓｂと称する。この排気側の弁開閉時期制御装置Ｂでは、相対回転位相が進角方向Ｓａに変位することにより、排気弁Ｖｂの開放タイミング（開放時期）と閉塞タイミング（閉塞時期）とを早める。これとは逆に回転位相が遅角方向Ｓｂに変位することにより排気弁Ｖｂの開放タイミング（開放時期）と閉塞タイミング（閉塞時期）とを遅くする。
ロータ本体２１には、円筒状の内壁面から回転軸芯Ｘに近接する方向（径方向内側）に突出する複数の突出部２１Ｔが一体的に形成されている。複数の突出部２１Ｔのうち、一対の突出部２１Ｔに対して径方向外側に沿うガイド溝が形成され、このガイド溝にプレート状のロック部材２５が出退自在に挿入されている。ロータ本体２１の内部には、ロック部材２５を回転軸芯Ｘに接近する方向に付勢する付勢手段としてのロックスプリング２６が配置されている。
内部ロータ３０は、外部ロータ２０の回転軸芯Ｘと同軸芯上に配置され、外部ロータ２０に内包された状態で相対回転自在に支持されている。内部ロータ３０の外周面には、ロック部材２５が係合するロック凹部ＬＤが形成されている。このロック凹部ＬＤに連なる領域に対して、ロック部材２５の相対回転位相の遅角側（遅角方向Ｓｂ）への変位を規制する規制凹部Ｄｓが、ロック凹部ＬＤよりも浅い長溝状に形成されている。
内部ロータ３０を外部ロータ２０に内包することで複数の突出部２１Ｔの間に流体圧室Ｃが区画形成される。さらに、この流体圧室Ｃをベーン３１が仕切る形態となり進角室Ｃａと遅角室Ｃｂとが形成されている。また、内部ロータ３０には進角室Ｃａに連通する進角流路３４と、遅角室Ｃｂに連通する遅角流路３５と、ロック凹部ＬＤに対してロック解除方向に作動油を供給するロック解除流路３６とが形成されている。
また、外部ロータ２０のリヤブロック２２と内部ロータ３０とに亘って、トーションスプリング２７が備えられている。このトーションスプリング２７は、例えば、相対回転位相が最遅角位相にある状態でも、排気シャフト８から作用するカム平均トルクに対抗して相対回転位相が少なくとも中間ロック位相ＬＳに達するまで内部ロータ３０に付勢力を作用させるように構成されている。ここで、中間ロック位相ＬＳとは、最進角位相と最遅角位相とを除く、最進角位相と最遅角位相との間の位相のことである。
ロック機構Ｌは、外部ロータ２０に対し、回転軸芯Ｘに近接又は離間する方向にシフト自在に支持されたロック部材２５と、このロック部材２５を突出方向に付勢する付勢部材としてのロックスプリング２６と、内部ロータ３０に形成されたロック凹部ＬＤおよび規制凹部Ｄｓとで構成されている。ロック部材２５の形状はプレート状であるが、プレート状に限るものではなく、例えば、ロッド状であっても良い。また、ロック部材２５を内部ロータ３０に支持し、ロック凹部を外部ロータ２０に形成するようにロック機構Ｌを構成しても良い。
本実施形態における排気側の弁開閉時期制御装置Ｂでは、相対回転位相が図３に示す中間ロック位相ＬＳにある場合に、ロック部材２５がロックスプリング２６の付勢力によりロック凹部ＬＤに係入して相対回転位相が中間ロック位相ＬＳに保持される。一方、ロック機構Ｌのロックが解除されたときには、中間ロック位相ＬＳから進角方向Ｓａ又は遅角方向Ｓｂに相対回転位相が変位する（図４では最進角位相）。
規制凹部Ｄｓは、ロック部材２５が係合することにより相対回転位相の変動幅を小さくする。つまり、ロック部材２５が規制凹部Ｄｓに係合した場合には、この規制凹部Ｄｓが形成された領域の間においてのみ相対回転位相の変位が許容される。これにより、ロック部材２５のロック凹部ＬＤに係合する状態への移行を容易にする。
図２に示すように、位相調節機構としての弁ユニットＶＵは、ユニットケースに対して位相制御弁４１とロック制御弁４２とを収容した構造を有しており、このユニットケースに一体的に形成した流路形成軸部４３を内部ロータ３０の内周面３０Ｓに挿入する形態で備えられている。この流路形成軸部４３の外周面には、位相制御弁４１のポートと連通する溝状部と、ロック制御弁４２のポートと連通する溝状部とが形成され、これらの溝状部を分離するように流路形成軸部４３の外周と、内部ロータ３０の内周面３０Ｓとの間には複数のリング状のシール４４が備えられている。
位相制御弁４１は、進角流路３４と遅角流路３５との一方を選択して作動油を供給し、他方から排油を行うことにより、相対回転位相を進角方向Ｓａ又は遅角方向Ｓｂに変位させる作動を実現する。また、ロック制御弁４２は、中間ロック位相ＬＳにある状態でロック解除流路３６に作動油を供給することにより、一対のロック部材２５をロック解除方向に作動させてロック解除を実現する。
エンジンＥには、オイルパンのオイルを作動油として供給するようにエンジンＥで駆動される油圧ポンプＰを備えている。この油圧ポンプＰからの作動油が弁ユニットＶＵに供給されるように流路が構成されている。なお、弁ユニットＶＵでは、位相制御弁４１とロック制御弁４２とを示しているが、ロック機構Ｌのロック解除を行えるように位相制御弁４１を構成することにより、ロック制御弁４２を備えずに弁ユニットＶＵを構成しても良い。
〔エンジン制御ユニット〕
エンジン制御ユニット５０は、吸気側の弁開閉時期制御装置Ａの相対回転位相制御とロック機構Ｌのロック制御も行うものであるが、本実施形態では、排気側の弁開閉時期制御装置Ｂによる排気弁Ｖｂの開閉時期の調節を特徴とするものであるため、排気側の弁開閉時期制御装置Ｂとロック機構Ｌの制御を中心に説明する。
エンジン制御ユニット５０は、電磁弁制御部５１と位相制御部５２とを備えている。エンジン制御ユニット５０は、図１に示すように、マイクロプロセッサやＤＳＰ等を用い、ソフトウエアにより制御を実現するものであり、電磁弁制御部５１と位相制御部５２とはソフトウエアで構成されている。なお、これらはハードウエアで構成されるものでも良く、ソフトウエアとハードウエアとの組み合わせにより構成されるものであっても良い。
電磁弁制御部５１は、バイパス通路１８に設けられた４つの電磁弁２８の開閉を制御する。位相制御部５２は、弁ユニットＶＵを操作して排気側の弁開閉時期制御装置Ｂの相対回転位相とロック機構Ｌとを制御する。
エンジン制御ユニット５０には、シャフトセンサ１６，位相センサ１７，吸気温センサ５３，および吸気圧センサ５４からの信号が入力される。また、このエンジン制御ユニット５０は、インジェクタ９，点火プラグ１０，スタータモータ１５，および弁ユニットＶＵに制御信号を出力する。
電磁弁制御部５１は、シャフトセンサ１６から得られるエンジンＥの回転角および回転数や、吸気温センサ５３で計測された吸気温度、吸気圧センサ５４で計測された吸気圧力およびエアフロメータ５５で計測された吸気量から算出されるエンジン負荷（充填効率等）に基づいて、電磁弁２８の開閉を制御する。
位相制御部５２は、シャフトセンサ１６から得られるエンジンＥの回転角および回転数や、吸気温センサ５３で計測された吸気温度、吸気圧センサ５４で計測された吸気圧力およびエアフロメータ５５で計測された吸気量から算出されるエンジン負荷（充填効率等）に基づき、位相センサ１７から相対回転位相をフィードバックする状態で弁ユニットＶＵを制御して排気側の弁開閉時期制御装置Ｂの相対回転位相を必要とする位相に設定する。なお、エンジン負荷は、充填効率に限定されず、例えばスロットルバルブの開度やクランクシャフト１に作用するトルクに基づき算出しても良い。
本実施形態では、吸気，圧縮，膨張，排気の４行程を１サイクルとして定義し、図６には、後述するオーバーラップ領域Ｎが形成された１サイクルの概念図が示される。圧縮行程を経てピストン４が上死点ＴＤＣに達した図６（ａ）のタイミング（このタイミングは上死点ＴＤＣと一致しなくても良い）でインジェクタ９により燃焼室Ｋａに燃料を噴射し、点火プラグ１０で点火が行われ膨張行程（燃焼行程）に移行する。
この膨張行程では、図６（ｂ）のタイミング（膨張行程）として示すように吸気弁Ｖａと排気弁Ｖｂとが閉じ状態にある。この後、ピストン４が下死点ＢＤＣに達する直前に排気弁Ｖｂが開放され、図６（ｃ）（ｄ）のタイミング（排気行程）として示すように排気弁Ｖｂの開放状態が継続される。この後に、ピストン４が上死点ＴＤＣに達し、図６（ｅ）のタイミング（吸気行程に移行したタイミング）で吸気弁Ｖａが開放されると共に、排気弁Ｖｂの開放状態が継続されている。その後、図６（ｆ）のタイミング（吸気行程の途中）で排気弁Ｖｂが閉塞される。
図７には、エンジンＥのサイクル図が示されている。本実施形態では、クランクシャフト１の出力スプロケット１Ｓの側から並び順に１番気筒Ｋ１，２番気筒Ｋ２，３番気筒Ｋ３，４番気筒Ｋ４とした場合、１番気筒Ｋ１，３番気筒Ｋ３，４番気筒Ｋ４，２番気筒Ｋ２の順番で点火するケースを想定している。なお、エンジンＥの始動後、クランキングを行って最初に燃焼（初爆）を迎える気筒Ｋは一定ではないが、本実施形態では１番気筒Ｋ１がクランキング直後に初めて燃焼を迎える場合と仮定して、以下を説明する（図７の矢印参照）。
スタータモータ１５のクランキング直後に燃焼室Ｋａで初回の燃焼が実行される１番気筒Ｋ１では、クランキングにより、吸気行程で吸気弁Ｖａを開放して吸気した後、圧縮行程で吸気弁Ｖａを閉塞して新気を圧縮する。そして、インジェクタ９により燃焼室Ｋａに燃料を噴射し、点火プラグ１０で点火が行われ、膨張行程（燃焼行程）で燃料を燃焼させる（初爆）。次いで、膨張行程における下死点ＢＤＣの直前に排気弁Ｖｂを開放して、排気行程で排気通路１２に燃焼ガスを排出する。
図８に示す実線は、排気側の弁開閉時期制御装置Ｂの相対回転位相を中間ロック位相ＬＳに保持した状態において、ピストン４の作動を基準にして２番気筒Ｋ２の吸気弁Ｖａが開放する吸気領域Ｉｎと、２番気筒Ｋ２の排気弁Ｖｂが開放する排気領域Ｅｘとを示している。この図では、矢印で示す時計回り方向に時間が進むものであり、吸気側の弁開閉時期制御装置Ａによる開閉タイミングが固定された状態で以下のように作動が行われる。
エンジンＥの始動時において、排気側の弁開閉時期制御装置Ｂが中間ロック位相ＬＳに保持されている状態では、２番気筒Ｋ２のピストン４が上死点ＴＤＣに達して吸気弁Ｖａが開放するタイミングで排気弁Ｖｂが開放する排気領域Ｅｘと、吸気弁Ｖａが開放する吸気領域Ｉｎとが重複するオーバーラップ領域Ｎが形成される。つまり、２番気筒Ｋ２の吸気弁Ｖａが開放するタイミングで排気弁Ｖｂが開放を継続する。なお、本実施形態では、吸気側の弁開閉時期制御装置Ａの相対回転位相も中間ロック位相で保持されているが、上死点ＴＤＣ後にオーバーラップ領域Ｎを形成できる位相であれば、最遅角位相や最進角位相であっても良く、特に限定されない。
上述したように２番気筒Ｋ２の燃焼室Ｋａで燃焼した燃焼ガスは、ピストン４の上昇に伴い開放状態の排気弁Ｖｂから排気通路１２に排出される。そして、２番気筒Ｋ２のピストン４が上死点ＴＤＣに達したタイミングで吸気弁Ｖａを開放し、ピストン４が下降するに伴い吸気弁Ｖａを介して空気が燃焼室Ｋａに吸引されることになる。このとき、オーバーラップ領域Ｎが形成されることにより、この吸引時に排気通路１２にある燃焼ガスの一部を、排気弁Ｖｂを介して燃焼室Ｋａに吸引することが可能となる（内部ＥＧＲ）。
ところで、エンジンＥの始動後には、気筒Ｋにおける初回の燃焼（初爆）を確実に実行する必要があるため、燃焼室Ｋａに導入される燃料噴射量が多く、不完全燃焼による未燃ＨＣが増大し易い。また、エンジンＥの始動直後には、未燃ＨＣを浄化する触媒コンバータ１３が温まっておらず、未だ活性化されていないため、未燃ＨＣが外部に多く排出されてしまう。
そこで、本実施形態では、１サイクル目で排気行程にある１番気筒Ｋ１から吸気行程にある２番気筒Ｋ２の燃焼室Ｋａに燃焼ガスを導入することとしている。具体的には、上述したように、１番気筒Ｋ１の排気通路１２と２番気筒Ｋ２の排気通路１２とを接続するバイパス通路１８を設けており、このバイパス通路１８に設けられた電磁弁２８を電磁弁制御部５１により開弁する（図５参照）。これにより、新気しか導入されていない２番気筒Ｋ２の燃焼室Ｋａに、２番気筒Ｋ２の排気通路１２を経由して１番気筒Ｋ１の燃焼ガスが導入される。その結果、燃焼排出量が多く未燃ＨＣが大量に排出される初爆時において、１番気筒Ｋ１から排出された未燃ＨＣが２番気筒Ｋ２の燃焼室Ｋａで再燃焼されるので、未燃ＨＣの排出量を低減することができる。
また、図８の点線で示されるように、２番気筒Ｋ２のオーバーラップ領域Ｎは、１番気筒Ｋ１の排気行程序盤に位置する。この排気行程序盤は、排気弁Ｖｂが開放された初期であるので、１番気筒Ｋ１の排気通路１２における排気圧力が高い（図１０参照）。一方、２番気筒Ｋ２では未だ燃焼が開始されておらず、且つ、排気弁Ｖｂが開放してから時間が経過しているため、２番気筒Ｋ２の排気通路１２における排気圧力が比較的低い。このため、１番気筒Ｋ１の燃焼ガスの多くを２番気筒Ｋ２の燃焼室Ｋａに導入することができる。よって、未燃ＨＣの排出量を確実に低減することができる。
このように、本実施形態では、クランキング直後に１番気筒Ｋ１の燃焼室Ｋａで初回の燃焼が実行される前から、初回の燃焼が実行された後に開いた排気弁Ｖｂが初めて閉塞するまでの期間（所定の期間）において、位相制御部５２により排気側の弁開閉時期制御装置Ｂの相対回転位相を遅角側にしてオーバーラップ領域Ｎを作り出し、電磁弁制御部５１により電磁弁２８を開弁する。そして、排気弁Ｖｂが初めて閉塞した後は電磁弁制御部５１により電磁弁２８を閉弁する。なお、１番気筒Ｋ１の燃焼室Ｋａで初回の燃焼が実行されるまでのクランキング時に、電磁弁２８を閉弁していることが好ましい。これによって、排気干渉を抑制し、各気筒Ｋのポンピングロスを低減することができる。
本実施形態のエンジンＥは、燃焼室Ｋａにインジェクタ９から燃料を直接噴射する形態で供給するため、特に環境温度が設定値未満で始動する際には、燃焼室Ｋａを構成する気筒Ｋの内壁に燃料の一部が付着し易い。そして、気筒Ｋの内壁が低温である場合には、付着した燃料は殆ど気化せず、点火による燃焼の後にもシリンダ内壁に残留し、一部は燃焼ガスと共に未燃ＨＣ（未燃焼の炭化水素）として排出されることとなる。
しかしながら、本実施形態のように１番気筒Ｋ１の燃焼ガスを２番気筒Ｋ２の燃焼室Ｋａに導入する構成であると、２番気筒Ｋ２の燃焼室Ｋａの温度が高まるので、インジェクタ９から噴射された燃料が気化され易くなり、気筒Ｋの内壁に燃料が付着するといった不都合を抑制することができる。なお、１番気筒Ｋ１から未燃ＨＣが導入される２番気筒Ｋ２において、未燃ＨＣの導入量を加味してインジェクタ９により燃焼室Ｋａに噴射される燃料噴射量を減少させても良い。これによって、２番気筒Ｋ２から排出される未燃ＨＣをさらに減少させることができる。
２サイクル目以降は、各気筒Ｋで燃焼が開始されているので、オーバーラップ領域Ｎを作り出すことで内部ＥＧＲを作り出すことが可能となる。つまり、バイパス通路１８によって何れかの気筒Ｋから他の気筒Ｋに燃焼ガスを導入する必要がないので、電磁弁２８を閉弁するのが好ましい。なお、２サイクル目以降も、エンジンＥの回転数が所定値に到達して完全燃焼した（完爆）と判定されるまでの間は、電磁弁２８を開弁した状態に維持して、何れかの気筒Ｋから他の気筒Ｋに燃焼ガスを導入しても良い。
一方、エンジンＥが低負荷状態であるアイドリング時等には、位相制御部５２によってオーバーラップ領域Ｎを作り出さない制御が実行される。具体的には、図９に示すように排気側の弁開閉時期制御装置Ｂの相対回転位相を進角側に制御する。これによって、気筒Ｋに導入される新気量が少ないアイドリング時において、内部ＥＧＲが燃焼室Ｋａに導入されないので、燃焼安定性を確保することができる。このとき、バイパス通路１８の電磁弁２８も同時に閉弁することが好ましい。これによって、排気干渉を抑制し、各気筒Ｋのポンピングロスを低減することができる。なお、環境温度が設定値以上で始動する場合において、１サイクル目にオーバーラップ領域Ｎを作り出さない制御を実行しても良い。
また、本実施形態では、通常運転に移行した後において、エンジンＥの充填効率が所定値（例えば６０％）以上で、且つ、エンジンＥの回転数が所定回転数（例えば２５００ｒｐｍ）以下の高負荷低回転状態となっているとき（所定の期間）、位相制御部５２により排気側の弁開閉時期制御装置Ｂの相対回転位相を遅角側にしてオーバーラップ領域Ｎを作り出し、電磁弁制御部５１により電磁弁２８を開弁することとしている。ここで、充填効率は、吸気温センサ５３で計測された吸気温度、吸気圧センサ５４で計測された吸気圧力およびエアフロメータ５５で計測された吸気量に基づいて算出される。
この高負荷低回転状態では吸気圧力が高いため、気筒Ｋの燃焼室Ｋａに内部ＥＧＲを導入し難い。このため、本実施形態のように高負荷低回転状態において電磁弁２８を開弁すれば、何れかの気筒Ｋの排気通路１２における排気行程序盤の高い圧力を持った燃焼ガスが、上死点ＴＤＣより後のオーバーラップ領域Ｎで排気弁Ｖｂが開弁した他の気筒Ｋの排気通路１２に導入される。つまり、図１０に示すように、他の気筒Ｋにおける上死点ＴＤＣの直後では、実線で示される何れかの気筒Ｋの高い排気圧力を持った排気行程序盤が、オーバーラップ領域Ｎに重なることとなる。
その結果、他の気筒Ｋの燃焼室Ｋａに戻される内部ＥＧＲの流速が高まるので、内部ＥＧＲを燃焼室Ｋａに確実に導入することが可能となる。よって、未燃ＨＣの排出を抑制することができる。しかも、高負荷領域において内部ＥＧＲを導入すれば、ノッキングを抑制することが可能となるので、点火時期を進角させることができ、熱効率（燃費やトルク）を向上させることができる。
〔別実施形態〕
上述した実施形態以外に以下のように構成しても良い。
（ａ）バイパス通路１８に設けられた電磁弁２８を省略しても良い。この場合、バイパス通路１８によって何れかの気筒Ｋから他の気筒Ｋに燃焼ガスを導入する必要がないとき、位相制御部５２によってオーバーラップ領域Ｎを作り出さない制御を実行すれば、電磁弁２８と同様の機能を確保することができる。
（ｂ）バイパス通路１８の逆止弁１９を省略して、電磁弁２８のみで構成しても良い。この場合、エンジンＥの回転角度から排気行程にある気筒Ｋの排気通路１２に存在する排気が、膨張行程にある他の気筒Ｋの燃焼室Ｋａに流入するタイミングで電磁弁２８を閉弁すれば、逆止弁１９と同等の機能を確保することができる。
（ｃ）排気側の弁開閉時期制御装置Ｂの中間ロック位相ＬＳにある相対回転位相を、最遅角位相又は最遅角位相に近い領域に設定しても良い。つまり、吸気弁Ｖａが開放するタイミングで、排気弁Ｖｂの開放状態が継続する関係（オーバーラップ領域Ｎが形成される関係）が維持される状態を、相対回転位相が中間位相より最遅角位相に近い領域に設定するのである。このように設定することにより、エンジンＥの始動後には、排気側の弁開閉時期制御装置Ｂの相対回転位相を進角方向Ｓａに変位可能な領域を拡大できることになる。
（ｄ）吸気側の弁開閉時期制御装置Ａを制御することで、吸気弁Ｖａが開放する時期に、排気弁Ｖｂの開放状態が継続する時間（オーバーラップ領域Ｎが形成される時間）を調節できるように構成しても良い。このように構成することにより、オーバーラップ領域ＮをエンジンＥの状態に対応して必要とする値に設定することも可能となる。
（ｅ）吸気弁Ｖａが開放したタイミングで燃焼室Ｋａに対して吸気経路側から燃料を噴射する位置にインジェクタ９を備えて内燃機関を構成しても良い。このような位置にインジェクタ９を備えたものであっても、エンジンＥを始動する際に未燃ＨＣの低減を可能にする。
本発明は、排気弁の開閉時期を設定する弁開閉時期制御装置を備えた内燃機関に利用することができる。
１ クランクシャフト
４ ピストン
７ 吸気シャフト
８ 排気シャフト
９ インジェクタ
１１ 吸気通路
１２ 排気通路
１８ バイパス通路
１９ 逆止弁
２８ 電磁弁
２０ 外部ロータ（駆動側回転体）
３０ 内部ロータ（従動側回転体）
５０ エンジン制御ユニット
Ｂ 弁開閉時期制御装置
Ｅ エンジン（内燃機関）
Ｋ 気筒
Ｋａ 燃焼室
ＴＤＣ 上死点
ＢＤＣ 下死点
Ｖａ 吸気弁
Ｖｂ 排気弁
ＶＵ 弁ユニット（位相調節機構）
Ｘ 回転軸芯

Claims (3)

  1. 燃焼室を含む複数の気筒と、前記気筒の内部で上死点位置と下死点位置との間を移動するピストンと、前記ピストンと連結されたクランクシャフトと、夫々の前記気筒の前記燃焼室に接続された吸気通路および排気通路と、夫々の前記気筒の前記燃焼室と前記吸気通路および前記排気通路との接続口に各別に設けられた吸気弁および排気弁と、前記吸気弁および前記排気弁と各別に連結された吸気シャフトおよび排気シャフトと、を有する内燃機関と、
    前記クランクシャフトと同期回転する駆動側回転体と、前記駆動側回転体の回転軸芯と同軸芯上で前記駆動側回転体と相対回転自在に配置され、前記排気シャフトと一体回転する従動側回転体と、前記駆動側回転体および前記従動側回転体の相対回転位相を設定する位相調節機構と、を有する弁開閉時期制御装置と、を備え、
    前記位相調節機構は、所定の期間において、前記上死点位置よりも後に前記排気弁が閉弁するように前記相対回転位相を設定することにより、前記吸気弁の開放時期と前記排気弁の開放時期とをオーバーラップさせ、
    排気行程にある何れかの前記気筒の前記排気通路と、前記排気行程と同時期に吸気行程にある他の前記気筒の前記排気通路と、を接続するバイパス通路が設けられており、
    前記バイパス通路には電磁弁が設けられており、
    前記所定の期間は、前記何れかの気筒においてクランキング直後に前記燃焼室で初回の燃焼が実行される前から、前記初回の燃焼が実行された後に開いた前記排気弁が初めて閉塞するまでの期間であり、
    前記電磁弁は、前記所定の期間中に開弁しており、前記所定の期間が終了したときに閉弁する内燃機関の制御装置。
  2. 燃焼室を含む複数の気筒と、前記気筒の内部で上死点位置と下死点位置との間を移動するピストンと、前記ピストンと連結されたクランクシャフトと、夫々の前記気筒の前記燃焼室に接続された吸気通路および排気通路と、夫々の前記気筒の前記燃焼室と前記吸気通路および前記排気通路との接続口に各別に設けられた吸気弁および排気弁と、前記吸気弁および前記排気弁と各別に連結された吸気シャフトおよび排気シャフトと、を有する内燃機関と、
    前記クランクシャフトと同期回転する駆動側回転体と、前記駆動側回転体の回転軸芯と同軸芯上で前記駆動側回転体と相対回転自在に配置され、前記排気シャフトと一体回転する従動側回転体と、前記駆動側回転体および前記従動側回転体の相対回転位相を設定する位相調節機構と、を有する弁開閉時期制御装置と、を備え、
    前記位相調節機構は、所定の期間において、前記上死点位置よりも後に前記排気弁が閉弁するように前記相対回転位相を設定することにより、前記吸気弁の開放時期と前記排気弁の開放時期とをオーバーラップさせ、
    排気行程にある何れかの前記気筒の前記排気通路と、前記排気行程と同時期に吸気行程にある他の前記気筒の前記排気通路と、を接続するバイパス通路が設けられており、
    前記バイパス通路には電磁弁が設けられており、
    前記内燃機関の作動中において、前記所定の期間は、前記内燃機関の充填効率が所定値以上で、且つ、前記内燃機関の回転数が所定回転数以下の高負荷低回転状態となっている期間であり、
    前記電磁弁は、前記所定の期間中のみ開弁する内燃機関の制御装置。
  3. 前記バイパス通路には、前記何れかの気筒の前記排気通路から前記他の気筒の前記排気通路への排気の流通を許容し、前記他の気筒の前記排気通路から前記何れかの気筒の前記排気通路への排気の流通を遮断する逆止弁が設けられている請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
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