JP4957611B2 - 内燃機関の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、気筒内への空気の流入を遮断する吸気弁のバルブ・リフトを連続的に変更可能な機構を有する内燃機関の制御方法に関する。

例えば、特許文献１に開示されているように、連続的にバルブ・リフトを変更可能なＣＶＶＬ（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ ｖａｒｉａｂｌｅ ｖａｌｖｅ ｌｉｆｔ）システムが知られている。ＣＶＶＬシステムは、クランクシャフトの回転に関係なく、モータでバルブリフト量を変えて、同時にバルブの開閉タイミングを変えることができる。このＣＶＶＬシステムを用いた場合、最大リフト量とともに作用角（開弁クランク角範囲）が連続的に変化し、リフト量の増大とともに吸気弁の開タイミングが進角するとともに閉タイミングが遅角する。
特開２００５−１８８２８３号公報

内燃機関（エンジン）が暖機した状態でエンジンを始動する場合、燃焼室すなわち気筒内の温度は上昇している。エンジンのクランキング中は気筒内のピストンは比較的低速で移動する。そのため、このクランキング中、気筒内に吸入された空気は比較的長く気筒内に留まる。そして、この空気は、気筒サイクルの吸入行程及び圧縮行程にわたって更に加熱されることで高温となる。エンジンの運転効率を高めるために幾何学的圧縮比すなわち膨張比が高く設定されている場合には、圧縮行程中の圧縮によって気筒内の空気は特に高温となる。例えば、この空気の温度は、空気と燃料とを意図した態様で燃焼させることが出来ないほどに高くなる場合がある。意図しない燃焼態様すなわち異常燃焼には、例えばプレイグニッションやノッキングが含まれる。このような異常燃焼は、エンジンの品質ひいては信頼性に関する問題につながる可能性がある。

クランクシャフトの回転に関係なくモータでバルブのリフト量および開閉タイミングを変えることができる前記ＣＶＶＬを利用する前記特許文献１では、エンジン始動時のクランキング初期において、吸気弁リフトが最小とされ、吸気弁は気筒サイクルの吸気下死点より前に閉弁する。そして、エンジンを所定期間クランキングした後において、吸気弁リフトが増大させられ、吸気弁は吸気上死点近くで閉じる。このようにクランキング初期において吸気弁が吸気下死点前で閉じれば、気筒空気充填量は低く抑えられ、圧縮行程での気筒空気温度はある程度低く抑えられる。しかしながら、前記のように、エンジンが暖機状態にある場合、特にエンジンの圧縮比が高い場合には、クランキング初期の気筒空気温度をさらに低下させる必要性がある。

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、前記気筒内へ導入される空気が通過する吸気通路と、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、前記吸気弁の開弁時期および閉弁時期を変更可能な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、当該内燃機関の温度が予め設定された所定温度よりも低い場合には、前記吸気弁を吸気上死点よりも遅角側でかつ吸気行程の前半時期に設定された第１開時期で開くとともに当該吸気弁を吸気下死点よりも遅角側に設定された第１閉時期で閉じる工程と、前記内燃機関の始動時において、当該内燃機関の温度が前記所定温度よりも高い場合には、前記吸気弁を前記第１開時期よりも少なくとも進角側の予め設定された第２開時期で開くとともに前記吸気弁を前記第１閉時期および吸気下死点よりも遅角側の予め設定された第２閉時期で閉じ、かつ、前記吸気弁のリフト量を最大とする工程と、前記内燃機関の温度が前記所定温度より高い場合に、キーシリンダにキーが挿入されてから、当該キーに対してエンジンを始動させるための操作が行われるまでの間に、吸気弁のリフト量を最大リフト量とする工程とを有し、前記第１閉時期と第２閉時期の間隔が、前記第１開時期と第２開時期の間隔よりも大き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を提供する（請求項１）。

この方法では、内燃機関の温度が所定温度よりも高い場合に、前記吸気弁の閉弁時期が前記内燃機関の温度が低い場合に比べて遅角側かつ吸気下死点以降（第２閉時期）となるように制御されており、前記温度が高い場合には、気筒内の空気の一部が吸気の吹き返しにより気筒外に排出されるとともに、空気が保持していた熱の一部が燃焼室から放出される。その結果、気筒内の吸入空気量が減少して内燃機関の有効圧縮比が低くなるとともに、気筒内の熱量が減少するので、圧縮行程中の気筒内の空気温度は、その上昇が抑えられ、空気と燃料とが意図した態様で燃焼するのに適した温度に維持されることになる。このことは、異常燃焼の発生を抑制する。

また、この方法では、内燃機関の温度が所定温度よりも高い場合に、吸気弁の閉弁時期が遅角側に制御される一方、吸気弁の開弁時期が進角側（第２開時期）に制御されており、バルブ・リターン・スプリングに抗して吸気弁を開いた状態に維持する期間が、内燃機関の温度が低いときの方が高いときよりも短く設定されている。ここで、エンジン潤滑油の粘性そしてエンジン動作部品の摺動抵抗は、機関温度が低いほど大きい。従って、吸気弁を開いた状態に維持する期間が前記のように設定されていることで、内燃機関の温度が低い場合において吸気弁を開くための動力が抑制されるとともに、内燃機関の温度が高い場合において前記動力の増大を抑制しつつ吸気弁の長い期間にわたる開弁が実現される。このことは、より広い内燃機関の温度範囲にわたって、機関運転効率を良好に維持する。

さらに、この方法では、吸気弁の開弁時期の進角量が閉弁時期の遅角量よりも小さく設定されており、前記吸気弁が過剰に進角されるのが抑制されて、吸気上死点での吸気弁の開き量が小さく抑えられている。そのため、本方法を用いれば、吸気弁とピストンとの干渉を回避しながら、ピストン・ヘッドを吸気弁により近付けた設計を行なうことができる。そして、このような設計では、ピストンが上死点にあるときの燃焼室容積を減少させて幾何学的圧縮比そして膨張比を高めることができ、機関運転効率のより高い内燃機関を実現することができる。ここで、より高い幾何学的圧縮比は、圧縮行程中の気筒の空気温度を高めることになるが、本方法によれば、前述のとおり、気筒の空気温度の上昇を抑制することができる。結果として、この方法は、内燃機関の品質と動作効率を同時に向上させることが出来る。

また、本発明では、前記第２閉時期で閉じる際の前記吸気弁のリフト量が最大に設定されているので、吸気の吹き返し量を確保して内燃機関の有効圧縮比を大きく低減することができ、異常燃焼抑制効果を高めることができる。

ここで、エンジン始動時の異常燃焼は、始動時の最初の回転の際に起こり易いので、エンジンが始動される時には、予め吸気弁のリフト量を大きくしておく必要がある。特に、エンジン停止時にリフト量を最小リフト量にしておく場合は、少しでも速くリフト量を大きくしたい。そして、キーシリンダにキーが挿し込まれたということは、まもなくエンジンが始動するということである。そこで、本発明では、このキーが挿入されたことを事前に検知して、予めリフト量を大きくする。これにより、運転開始直後において、異常燃焼を抑制したエンジン始動を行うことが可能になる。

このようにして、本方法によれば、内燃機関の品質と動作効率とを同時に向上させることができる。

また、前記内燃機関の温度が高いほど前記第２閉時期が遅角側に設定されているのが好ましい（請求項２）。

このようにすれば、吸気弁の閉弁時期が温度に応じてより適切に制御されるので、始動性を確保しつつ異常燃焼をより確実に抑制することが可能となる。

以上のとおり、本発明によれば、内燃機関の動作効率を向上させることができるとともに内燃機関の異常燃焼を抑制することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

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含む駆動システム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。このエンジン本体１は、例えば、直列４気筒の自動車駆動用エンジンで、４つのシリンダ１１が形成されている。また、前記シリンダブロック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。

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弁２２とが設けられている。本実施形態では、シリンダ１１毎に２つの吸気弁２１と２つの排気弁２２を有する４弁のダブルオーバヘッドカム式が採用されている。前記吸気弁２１は後述する吸気弁駆動機構（可変動弁装置）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、前記排気弁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が二回転する間に、カムシャフト３１，４１が一回転するように構成されている。

前記吸気弁駆動機構３０は、可変カム・タイミングメカニズム（以下ＶＣＴ機構と略称する）３２を備えており、これはチェーンドライブ機構によってクランクシャフト１４に駆動連結されている。このチェーンドライブ機構は、ドリブン・スプロケット１０４の他に、図示しないが、クランクシャフト１４のドライブ・スプロケットと、それら両スプロケットに巻き掛けられたチェーンとを備える。

前記ＶＣＴ機構３２は、前記ドリブン・スプロケット１０４に一体に回転するように固定されたケースと、それに収容されるとともに吸気カムシャフト３１を構成するインナシャフト１０５に一体に回転するように固定されたロータと、を有する。前記ケースとロータとの間には複数の液圧室が、回転軸Ｘ（図３に示す）の周りに（周方向に）並んで形成される。そして、図示しないポンプにより加圧された液体（例えばエンジンオイル）が各々の液圧室に選択的に供給されて、互いに対向する液圧室の間に圧力差を形成する。

前記ＶＣＴ機構３２は、ＶＣＴ制御システム１５６により制御される。このＶＣＴ制御システム１５６は、電磁バルブ１５６ａを備え、後述するエンジン制御器１００からの制御信号を受けて、電磁バルブ１５６ａが液圧のデューティ制御をすることで、前記液圧室に供給する液体の流量や圧力等を調整する。これにより前記スプロケット１０４と前記インナシャフト１０５との間の実際の位相差が変更され、それによって、周知のようにインナシャフト１０５の所望の回転位相が達成される。前記カムシャフト３１の位相角は、カム位相センサ３５により検出され、その信号θ_{ＶＣＴ＿Ａ}はエンジン制御器１００に送信される。

前記インナシャフト１０５は、各々のシリンダ１１に対応して一体的に設けられたディスク形状のカム１０６を有する。このカム１０６は、前記インナシャフト１０５の軸心から偏心して設けられ、前記ＶＣＴ機構３２により規定される位相で回転する。この偏心カム１０６の外周にはリング状アーム１０７の内周が回転自在に嵌め合わされており、インナシャフト１０５がその軸心Ｘ周りに回転すると、リング状アーム１０７は、同じ軸心Ｘの回りを公転しながら偏心カム１０６の中心の周りを回動する。

また、前記インナシャフト１０５には、シリンダ１１毎にロッカーコネクタ１１０が配設されている。このロッカーコネクタ１１０は円筒状で、インナシャフト１０５に外挿されて同軸に軸支されている、すなわち、インナシャフト１０５の軸心Ｘ周りに回動可能に支持されている。一方、該ロッカーコネクタ１１０の外周面はベアリング・ジャーナルとされ、シリンダヘッド１３に配設されたベアリング・キャップ（図示せず）によって回転可能に支持されている。

前記ロッカーコネクタ１１０には、第１及び第２のロッカーカム１１１，１１２が一体的に設けられている。両者の構成は同じなので、図３にはロッカーカム１１１について示す。このロッカーカム１１１は、カム面１１１ａと円周状のベース面１１１ｂとを有し、それらはいずれもタペット１１５の上面に接触するようになっている。ロッカーカム１１１は、連続的には回転せず揺動運動することを除いては、一般的な動弁機構のカムと同様にタペット１１５を押圧して吸気弁２１を開くものである。このようにして、ＶＣＴ機構３２では、前記インナシャフト１０５の前記クランクシャフト１４に対する回転位相を変更することで、ロッカーコネクタ１１０等を介して吸気弁２１のバルブタイミング（開弁時期および閉弁時期）を変更する。前記タペット１１５はバルブスプリング１１６で支えられている。そして、このバルブスプリング１１６は、周知のように保持器１１７，１１８の間に支持されている。

本吸気弁駆動機構３０は、前記インナシャフト１０５及び前記ロッカーカム部品１１０〜１１２の組立体の上方に設けられるコントロールシャフト１２０等から構成される可変バルブリフト機構（リフト可変機構、以下ＶＶＬ機構と略称する）３３を備えている。

前記コントロールシャフト１２０は、図示しないベアリングによって回転可能に支持されており、その長手方向の中央付近には、外周面から突出する同軸状のウォームギヤ１２１が一体的に設けられている。

前記ウォームギヤ１２１はウォーム１２２と係合し、このウォーム１２２は、例えばステッピングモータ１２３の出力軸に固定されている。従って、エンジン制御器１００からの制御信号を受けた前記ステッピングモータ１２３を作動させれば、前記ウォーム１２２およびウォームギヤ１２１を介してコントロールシャフト１２０を所望の位置に回動させることができる。こうして回動されるコントロールシャフト１２０には、シリンダ１１毎にコントロールアーム１３１が取り付けられており、これらコントロールアーム１３１はコントロールシャフト１２０の回動によって一体的に回動される。

前記コントロールアーム１３１は、コントロールリンク１３２によってリング状アーム１０７に連結されている。具体的には、コントロールリンク１３２の一端部がコントロールピボット１３３によってコントロールアーム１３１の先端部に回転自在に連結され、該コントロールリンク１３２の他端部がコモンピボット１３４によってリング状アーム１０７に回転自在に連結されている。

ここで、前記コモンピボット１３４は、前記のようにコントロールリンク１３２の他端部をリング状アーム１０７に連結するとともに、このリング状アーム１０７を貫通して、前記コントロールリンク１３２の他端部をロッカーリンク１３５の一端部にも回転自在に連結している。そして、このロッカーリンク１３５の他端部はロッカーピボット１３６によってロッカーカム１１１に回転自在に連結されており、これにより前記リング状アーム１０７の回転は前記ロッカーカム１１１に伝えられる。

より具体的に、前記インナシャフト１０５が回転して、これと一体に偏心カム１０６が回転するとき、図３の左側に示すように偏心カム１０６が下側に位置すれば、リング状アーム１０７も下側に位置するようになる。一方、同図の右側に示すように偏心カム１０６が上側に位置すれば、リング状アーム１０７も上側に位置するようになる。

ここで、前記リング状アーム１０７と前記コントロールリンク１３２とを連結するコモンピボット１３４の位置は、コントロールピボット１３３の位置と、偏心カム１０６及びリング状アーム１０７の共通中心位置との、３者相互の位置関係によって規定されるから、図３に示すようにコントロールピボット１３３の位置が変化しない（コントロールシャフト１２０が回動しない）とすれば、コモンピボット１３４は、偏心カム１０６及びリング状アーム１０７の共通中心周りの回転のみに対応して概略上下に往復動作するようになる。

そして、このコモンピボット１３４の往復動作はロッカーリンク１３５によって第１のロッカーカム１１１に伝えられ、該第１ロッカーカム１１１を、ロッカーコネクタ１１０で連結された第２のロッカーカム１１２と共に軸心Ｘ周りに揺動させる。こうして揺動するロッカーカム１１１は、そのカム面１１１ａがタペット１１５の上面に接触する間、当該タペット１１５をバルブスプリング１１６のばね力に抗して押し下げる。このようにしてタペット１１５が押し下げられると、このタペット１１５がさらに吸気弁２１を押し下げることで、吸気ポート１８は開口する。

一方で、ロッカーカム１１１のベース面１１１ｂがタペット１１５の上面に接触した状態では、タペット１１５は押し下げられない。これは、軸心Ｘを中心とするロッカーカム１１１のベース面１１１ｂの半径が、その軸心Ｘとタペット１１５の上面との間隔以下に設定されているからである。

前述の如きコントロールピボット１３３と、コモンピボット１３４と、偏心カム１０６及びリング状アーム１０７の共通中心との相互の位置関係において、コントロールピボット１３３の位置が変化すれば、これにより３者相互の位置関係に変化が生じ、コモンピボット１３４は前記とは異なる軌跡を描いて往復動作するようになる。

このようにして、本実施形態では、前記ステッピングモータ１２３の作動によりコントロールシャフト１２０及びコントロールアーム１３１を回転させて、コントロールピボット１３３の位置を変えることにより、ロッカーカム１１１，１１２の揺動範囲を変更することができる。例えば、コントロールアーム１３１を図３の右図において時計回りに回動させて、コントロールピボット１３３を同図に示す位置から左斜め上側にずらすと、ロッカーカム１１１の揺動範囲は、ベース面１１１ｂがタペット１１５の上面に接触する傾向の相対的に強いものとなり、バルブリフト量は小さくなる。

そして、さらにコントロールアーム１３１を回動させて、ロッカーカム１１１の揺動範囲をより大きく変化させると、このロッカーカム１１１のベース面１１１ｂのみがタペット１１５の上面に接触し、カム面１１１ａをタペット１１５の状面から離間させることができる。こうなるとバルブリフト量はゼロになる。

以上のようにして本実施形態の吸気弁駆動機構３０は、ＶＣＴ機構３２及びこれに関連する構成部品によってバルブタイミングの位相を変化させることができるとともに、ＶＶＬ機構３３のステッピングモータ１２３の作動制御によってバルブリフト量をゼロから最大値まで変化させることができ、吸気弁２１の開作動タイミング及び閉作動タイミングのいかなる組合せも可能になる。

ここで、前記排気弁駆動機構４０は前記吸気弁駆動機構３０と同様の構造を有しているので、この排気弁駆動機構４０についての説明は省略する。

前記のようなＶＶＬ機構３３の動作によって大リフト制御状態から小リフト制御状態まで連続的に変更される吸気弁２１のリフトカーブを、図４に実線で示す。同図において、リフトカーブＬ２は、大リフト制御状態を示し、Ｌ３は小リフト制御状態を示している。また、この図４には、従来のＣＶＶＬ（リフトピーク位相が略不変タイプ）のリフトカーブを破線で示している。

この図に示すように、本吸気弁駆動機構３０によれば、リフトストロークすなわちリフト量及び作動角が小さくなるに従って、リフトピークとなるクランク角位置が進角している。これは、前述したように、大リフト制御状態から小リフト制御状態への移行にあたって、前記コントロールアーム１３１などの回動により前記コントロールリンク１３２の位置を前記カムシャフト３１の回転方向手前側に移動させることで、前記コモンピボット１３４の往復円弧運動の軌跡がカムシャフト３１の回転方向手前側に移動することによる。具体的には、大リフト制御状態においては、吸気弁２１がリフトピーク近傍にあるときの前記偏心カム１０６の中心は、図３に示す点Ｔａに位置するが、小リフト制御状態においては、リフトピーク近傍での偏心カム１０６の中心位置は図３の左側図に示す点Ｔｂに移動し、吸気弁２１のリフトピークは、回転軌跡Ｔ０上を角度θ３だけ進角する。

このように、本吸気弁駆動機構３０では、リフトストロークが小さくなるにしたがってリフトピーク時期が進角することから、吸気弁２１の開弁時期はリフト量が変化してもあまり変化せずに、概ねシリンダ１１の圧縮上死点（ＴＤＣ）付近になる一方、吸気弁２１の閉弁時期はリフト量の変化に伴い大きく変化することになる。つまり、吸気弁２１のバルブリフト特性は、クランクシャフト１４の回転に関係なく、リフト量の増大に伴って吸気弁２１の閉弁時期が遅角するともに吸気弁２１の開弁時期が進角し、且つ、その吸気弁２１の開弁時期の進角量が吸気弁２１の閉弁時期の遅角量に比べて小さくなるように変化する。

一方、図４に破線で示す従来のＣＶＶＬ（リフトピーク位相が略不変タイプ）のリフトカーブでは、アイドルリフトを燃費要求に合わせた設定となるようにした場合、閉弁時期を大きく遅角させるリフト設定時には、閉弁時期の遅角分と略同等分、開弁時期が進角し、開弁時期が進角しすぎてピストンと干渉の懸念がある。ピストンの干渉回避のため開弁時期の進角には制約があり、開弁時期の進角を抑えつつ十分な閉弁時期の遅角を実現することはできない。

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の開度が後述するエンジン制御器１００で算出されたスロットル開度ＴＶＯ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の開度と前記吸気弁２１の閉弁時期とを調整することで、前記シリンダ１１内に充填される空気充填量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、エンジン水温センサ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、吸気温度センサ７８により検出された吸気温度ＴＩＭ、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（操作手段、キー、以下ＩＧキーと称する）の位置が、このＩＧキーが挿入されるキーシリンダ内に設けられたセンサ７９で検出されて読み込まれる。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、ＶＶＬ機構３３の制御目標値θ_{ＶＶＬ＿Ｄ}、ＶＣＴ機構３２の制御目標値θ_{ＶＣＴ＿Ｄ}、ＥＧＲ開度ＥＧＲ_ｏｐｅｎの指令値等を計算し、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、ＥＧＲバルブアクチュエータ６４、ＶＣＴ機構３２およびＶＶＬ機構３３等に出力する。

前記エンジン制御器１００のＲＯＭに格納されたプログラムが実行する具体的な制御ルーチンを図５〜図８のフローチャートを用いて説明する。

まず第１実施形態の制御ルーチンは、図５および図６のフローチャートに示す手順により実行される。

このルーチンは、停車（エンジン停止）の検出とともにスタートする。そして、キーシリンダーへのキー挿し込みが検出されたかどうかを判定し（ステップＳ１）、キーシリンダーへのキー挿し込みが検出されるのを待つ。

そして、キーシリンダーへのキー挿し込みが検出されると（ステップＳ１でＹＥＳ）、吸気温度センサ７８およびエンジン水温センサ７７の検出値を読み込み（ステップＳ２）、それらセンサの検出値から、気筒内温度が所定温度（例えば、エンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧ９０℃相当の温度）以上かどうかを判定する（ステップＳ３）。

前記気筒内温度が所定温度より低いと判定したときは（ステップＳ３でＮＯ）、通常の始動時ということで、燃費向上のため、吸気弁２１のバルブリフトが比較的小さい値に予め設定されたアイドルリフトとなるようにリフト可変のモータ１２３を制御する（ステップＳ４）。その後、キー操作に連動してエンジンを始動させて（ステップＳ５）、エンジンの運転状態に応じてバルブリフトを制御する後述する通常運転時の制御に移行する（ステップＳ１０）。

また、前記気筒内温度が所定温度以上と判定したときは（ステップＳ３でＹＥＳ）、プリイグニッション等の異常燃焼の発生確率が高いと判断して、吸気弁２１のバルブリフトが最大となるようにリフト可変のモータ１２３を制御する（ステップＳ６）。その後、キー操作に連動してエンジンを始動させ（ステップＳ７）、次いで、吸気温度センサ７８およびエンジン水温センサ７７の検出値を読み込んで、気筒内温度が所定温度より低くなったかどうかを判定し（ステップＳ８）、気筒内温度が所定温度より低くなるまで待つ。

前記気筒内温度が所定温度より低くなったら（ステップＳ８でＹＥＳ）、プリイグニッション等の発生確率が低くなった判断して、通常の始動時と同様に、燃費向上のため、吸気弁２１のバルブリフトが前記アイドルリフトとなるようにリフト可変のモータ１２３を制御し（ステップＳ９）、その後は、エンジンの運転状態に応じてバルブリフトを制御する通常運転時の制御に移行する（ステップＳ１０）。

こうして通常運転時の制御に移行すると、まず、エンジン停止指令信号を検出したかどうかを判定する（ステップＳ１１）。そして、エンジン停止指令信号が検出されるまで待ち、エンジン停止指令信号が検出されたら（ステップＳ１１でＹＥＳ）、エンジンを停止させるために、燃料噴射をカットするとともに点火をカットする（ステップＳ１２）。その後、エンジンが完全に停止したかどうかを判定し（ステップＳ１３）、エンジンが完全に停止するまで待って、完全に停止したら（ステップＳ１３でＹＥＳ）、吸気弁２１のバルブリフトが最小リフトとなるようリフト可変のモータ１２３を制御する（ステップＳ１４）。

次に第２実施形態による制御を、図７及び図８を用いて説明する。

図７は、エンジン１の制御全体のルーチンを示す。最初に、ステップＳ３１で、始動制御フラグＦ_{ＳＴＡＲＴ}が１であるかどうかを判定する。この判定がＮＯ、すなわち、始動制御フラグＦ_{ＳＴＡＲＴ}が０に設定された場合には、以下の通常運転時の制御を行う。

まず、前記アクセルペダルの踏み込み量α等の各種信号を読み込む（ステップＳ３２）。そして、読み込んだアクセルペダルの踏み込み量α、エンジン本体１の回転数Ｎ_ＥＮＧ、車速ＶＳＰに基づき、目標トルクＴＱ_Ｄを算出し（ステップＳ３３）し、算出した前記目標トルクＴＱ_Ｄとエンジン本体１の回転数Ｎ_ＥＮＧとに基づき、燃料噴射量ＦＰ、目標空気充填量ＣＥ_Ｄ、および点火時期ＳＡを算出する（ステップＳ３４）。

次に、前記目標空気充填量ＣＥ_Ｄとエンジン本体１の回転数Ｎ_ＥＮＧとに基づき、前記ＶＶＬ機構３３の制御目標値θ_{ＶＶＬ＿Ｄ}を算出する（ステップＳ３５）。図７に示すように、この制御目標値θ_{ＶＶＬ＿Ｄ}は、目標空気充填量ＣＥ_Ｄおよび回転数Ｎ_ＥＮＧの増加に伴って大きく設定されている。

次に、前記目標空気充填量ＣＥ_Ｄとエンジン本体１の回転数Ｎ_ＥＮＧとに基づき、前記ＶＣＴ機構３２によるバルブタイミングの変更量、すなわち、吸気弁２１の遅角量の目標値θ_{ＶＣＴ＿Ｄ}を算出する（ステップＳ３６）。図７に示すように、このＶＣＴ機構３２の制御目標値θ_{ＶＣＴ＿Ｄ}は、目標空気充填量ＣＥ_Ｄおよび回転数Ｎ_ＥＮＧの増加に伴って大きく設定されており、これらの増加に伴って吸気弁２１のバルブタイミングは遅角側に制御される。

次に、前記目標空気充填量ＣＥ_Ｄとエンジン本体１の回転数Ｎ_ＥＮＧとに基づき、前記スロットル弁５７の目標値ＴＶＯ_Ｄを算出する（ステップＳ３７）。

前記各目標値が算出された後は、ステップＳ３８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_{ＶＶＬ＿Ｄ}はＶＶＬ機構３３のステッピングモータ１２３に出力され、このステッピングモータ１２３が吸気弁２１のバルブカーブがθ_{ＶＶＬ＿Ｄ}に対応したカーブとなるように動作する。信号θ_{ＶＣＴ＿Ｄ}はＶＣＴ機構３２に出力され、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ＶＣＴ機構３２が動作する。信号ＦＰは、燃料システム５４に出力され、一気筒サイクル当り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、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。

一方、前記ステップＳ３１での判定がＹＥＳであり始動制御フラグＦ_{ＳＴＡＲＴ}＝１の場合には、後述するように、図８に示される制御ルーチンで決定された始動用のＶＶＬ機構３３の制御目標値θ_{ＶＶＬ＿Ｄ}、予め設定された始動用の点火時期ＳＡ，スロットル弁５７の目標値ＴＶＯ_Ｄに基づき、ＶＶＬ機構３３のステッピングモータ１２３、燃料システム５４、スロットルアクチュエータ５８などのアクチュエータが駆動される（ステップＳ１００）。

エンジン本体１の停止時には、アクセルペダルの踏み込み量αがゼロであるので、前記ステップＳ３３及びＳ３４において、目標トルクＴＱ_Ｄおよび目標空気充填量ＣＥ_Ｄは最小値となる。これに伴い、続くステップＳ３５及びＳ３６において、ＶＶＬ機構３３の制御目標値θ_{ＶＶＬ＿Ｄ}及びＶＣＴ機構３２の制御目標値θ_{ＶＣＴ＿Ｄ}はそれぞれ最小値となる。その結果、ステップＳ３８では、吸気弁２１の位相が最進角するようにＶＣＴ制御システム１５６の電磁バルブ１５６ａが駆動されるとともに、吸気弁２１のリフト量が最小リフト量となるように前記ステッピングモータ１２３が駆動される。具体的には、吸気弁２１のリフトカーブが図４のＬ３となるように制御される。

このようにして、本制御方法では、エンジンの停止時に吸気弁２１のリフト量を最小リフト量とすることで、前記バルブスプリングから大荷重がＶＶＬ機構３３にかかった状態となるのを回避し、停止中の油膜切れを回避する。

次に、主にエンジンの始動時に実行される制御ルーチンを、図８のフローチャートに基づき説明する。

この制御ルーチンは、最初にステップＳ４１において、ＩＧスイッチ位置がＯＦＦであればリターンし、ＯＦＦ以外の位置すなわちＡＣＣ，ＯＮまたはＳＴＡＲＴになるまで待機する。ＩＧスイッチ位置がＯＦＦ以外であれば、ステップＳ４２へ進み、センサ検出値等の各種信号を読み込む。そして、ステップＳ４３へ進み、エンジン本体１の回転数Ｎ_ＥＮＧの値が予め設定された始動回転数Ｎ_{ＥＮＧ＿ＳＴＡＲＴ}より大きいかどうかを判定する。このステップＳ４３での判定がＹＥＳの場合、すなわち、回転数Ｎ_ＥＮＧが十分に大きいと判断された場合には、エンジン始動は完了しておりエンジン本体１は通常の運転中であると判断し、始動制御フラグＦ_{ＳＴＡＲＴ}を０にセットする（ステップＳ４４，Ｓ４５）。そして、制御ルーチンをリターンする。

一方、前記ステップＳ４３での判定がＮＯの場合には、回転数Ｎ_ＥＮＧが低くエンジン始動が完了していないとして始動制御フラグＦ_{ＳＴＡＲＴ}を１にセットする（ステップＳ４６，４７）。

そして、ステップＳ４８に進み、エンジン水温センサ７７が検出するエンジン冷却水の温度Ｔ_ＥＮＧすなわちエンジン温度に応じて前記ＶＶＬ機構３３の制御目標値θ_{ＶＶＬ＿Ｄ}を設定する。具体的には、図８に示すように、エンジン温度Ｔ_ＥＮＧがＴ２以上となる高温状態の場合には、前記制御目標値θ_{ＶＶＬ＿Ｄ}を最大リフト量に設定し、エンジン温度Ｔ_ＥＮＧがＴ１以下となる冷間始動時の場合には、制御目標値θ_{ＶＶＬ＿Ｄ}を最小リフト量に設定する。エンジン温度Ｔ_ＥＮＧがＴ１〜Ｔ２の場合には、前記制御目標値θ_{ＶＶＬ＿Ｄ}を前記最大リフト量と最小リフト量との間でエンジン温度Ｔ_ＥＮＧの増加に比例して大きくなるようにする。前記Ｔ１は例えば４０℃であり、前記Ｔ２は例えば８０℃である。

前述のように、本吸気弁駆動機構２０では、吸気弁２１のバルブリフト特性は、クランクシャフト１４の回転に関係なく、リフト量の増大に伴って吸気弁２１の開弁時期が進角するとともに吸気弁２１の閉弁時期が遅角し、且つ、その吸気弁２１の開弁時期の進角量が吸気弁２１の閉弁時期の遅角量に比べて小さくなるように変化する。そのため、バルブリフト量が小さく制御されるエンジン温度が低い冷間始動時の吸気弁２１の開弁時期（第１開時期）の方が、バルブリフト量が大きく制御されるエンジン温度が高い始動時の吸気弁２１の開弁時期（第２開時期）よりもわずかに進角側となり、冷間始動時の吸気弁２１の閉弁時期（第１閉時期）の方が、エンジン温度が高い始動時の吸気弁２１の閉弁時期（第２閉時期）よりも遅角側となる。具体的には、前記吸気弁２１の開弁時期はいずれも吸気上死点ＴＤＣ付近であって吸気行程の前半時期となる。また、エンジン温度Ｔ_ＥＮＧがＴ２以上の高温始動時における吸気弁２１の閉弁時期は吸気下死点ＢＤＣ以降であって最遅角時期となる。

このように高温始動時における吸気弁２１の閉弁時期を冷間始動時に比べて遅角側かつ吸気下死点ＢＤＣ以降となるように制御すれば、この高温始動時においてシリンダ１１内の空気の一部が吸気の吹き返しによりシリンダ１１外に排出されるとともに、空気が保持していた熱の一部が燃焼室１７から放出されるので、エンジン本体１の有効圧縮比が低くなるとともにシリンダ１１内の熱量が減少する結果、圧縮行程中のシリンダ１１内の空気温度の上昇が抑えられ、プレイグニッション等の異常燃焼の発生が抑制される。

また、エンジン温度Ｔ_ＥＮＧが低い方が吸気弁２１を開いた状態に維持する期間が短く制御されることで、エンジン温度の低下に伴ってエンジン潤滑油の粘性そしてエンジン動作部品の摺動抵抗が増大することにより増大する吸気弁２１を開くための動力が小さく抑えられる。

さらに、前記のように、吸気弁２１の開弁時期の進角量が小さく、前記吸気弁２１が過剰に進角されるのが抑制されているため、本エンジン本体１では、吸気弁２１とピストン１５との干渉を回避しながら、ピストン・ヘッドを吸気弁２１により近付けた設計を行なうことができる。そして、このような設計では、ピストン１５が上死点ＴＤＣにあるときの燃焼室１７の容積を減少させて幾何学的圧縮比そして膨張比を高めることができ、機関運転効率のより高いエンジン本体１を実現することができる。ここで、より高い幾何学的圧縮比は、圧縮行程中のシリンダ１１の空気温度を高めることになるが、前述のとおり、本エンジン本体１では、シリンダ１１の空気温度の上昇が抑制されており、異常燃焼を抑制しつつ機関効率を向上させることができる。

特に、前記のようにＶＶＬ機構３３の制御目標値θ_{ＶＶＬ＿Ｄ}をエンジン温度Ｔ_ＥＮＧの増加に比例して大きくなるようにすれば、このエンジン温度Ｔ_ＥＮＧに応じて吸気弁２１のリフト量がより適切な値に制御されるので、各条件においてプレイグニッション等を抑制しつつシリンダ１１内の空気充填量をより適切な量とすることで始動性を向上させることができる。

前記ステップ４８の後は、ステップ４９へと進み、実際のＶＶＬ機構３３の制御量θ_{ＶＶＬ＿Ａ}が前記制御目標値θ_{ＶＶＬ＿Ｄ}と等しいか否かを判定する。ステップ４９においてＮＯと判定した場合、すなわち、実際のＶＶＬ機構３３の制御量θ_{ＶＶＬ＿Ａ}が制御目標値θ_{ＶＶＬ＿Ｄ}と等しくないと判定した場合には、ステップＳ５０へと進み、エンジン制御器１００は前記ステッピングモータ１２３を駆動する。そして、ルーチンをリターンする。一方、ステップ４９においてＹＥＳと判定した場合、すなわち、実際のＶＶＬ機構３３の制御量θ_{ＶＶＬ＿Ａ}が制御目標値θ_{ＶＶＬ＿Ｄ}と等しいと判定した場合には、ステップＳ５０を飛び越して、リターンする。つまり、エンジン制御器１００は、実際のＶＶＬ機構３３の制御量θ_{ＶＶＬ＿Ａ}が制御目標値θ_{ＶＶＬ＿Ｄ}と等しくなるまで、前記ステッピングモータ１２３の駆動を継続する。

ここで、前記高温始動時におけるＶＶＬ機構３３の制御目標値θ_{ＶＶＬ＿Ｄ}は最大リフト量に限らない。ただし、この制御目標値θ_{ＶＶＬ＿Ｄ}を最大リフト量にして、高温始動時における吸気弁２１の閉弁時期を最遅角時期に制御すれば、より確実に有効圧縮比を低下させてプレイグニッション等の異常燃焼の発生を回避することができる。

また、前記ＶＣＴ機構３２、ＶＶＬ機構３３の具体的構成は前記に限らず、高温始動時における吸気弁２１の閉弁時期が低温始動時における吸気弁２１の閉弁時期よりも遅角側となり、この遅角量が、高温始動時における吸気弁２１の開弁時期と低温始動時における吸気弁２１の開弁時期との変化量よりも小さく設定されていればよい。

本発明の実施形態のエンジンを含むエンジンシステムの概略図である。 本発明の実施形態のエンジンの可変動弁装置の概略図である。 本発明の実施形態のリフト可変装置を説明するための説明図である。 本発明の実施形態のエンジンの可変動弁装置におけるバルブリフト特性の変化を示すリフト特性図である。 本発明の第１実施形態の制御ルーチンを示すフローチャート（その１）である。 本発明の第１実施形態の制御ルーチンを示すフローチャート（その２）である。 本発明の第２実施形態のエンジン制御の全体ルーチンを示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態のエンジン停止時に実行される制御ルーチンを示すフローチャートである。

１ エンジン本体（内燃機関）
１１ シリンダ（気筒）
１４ クランクシャフト
２１ 吸気弁
３０ 吸気弁駆動機構（可変動弁装置）
３１ カムシャフト
３２ ＶＣＴ機構
３３ ＶＶＬ機構（リフト可変機構）
１００ エンジン制御器（制御手段）
１２３ ステッピングモータ（モータ）

Claims (2)

1. 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、前記気筒内へ導入される空気が通過する吸気通路と、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、前記吸気弁の開弁時期および閉弁時期を変更可能な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、当該内燃機関の温度が予め設定された所定温度よりも低い場合には、前記吸気弁を吸気上死点よりも遅角側でかつ吸気行程の前半時期に設定された第１開時期で開くとともに当該吸気弁を吸気下死点よりも遅角側に設定された第１閉時期で閉じる工程と、
   前記内燃機関の始動時において、当該内燃機関の温度が前記所定温度よりも高い場合には、前記吸気弁を前記第１開時期よりも少なくとも進角側の予め設定された第２開時期で開くとともに前記吸気弁を前記第１閉時期および吸気下死点よりも遅角側の予め設定された第２閉時期で閉じ、かつ、前記吸気弁のリフト量を最大とする工程と、
   前記内燃機関の温度が前記所定温度より高い場合に、キーシリンダにキーが挿入されてから、当該キーに対してエンジンを始動させるための操作が行われるまでの間に、吸気弁のリフト量を最大リフト量とする工程とを有し、
   前記第１閉時期と第２閉時期の間隔が、前記第１開時期と第２開時期の間隔よりも大き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。
2. 前記内燃機関の温度が高いほど前記第２閉時期が遅角側に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御方法。
   

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