JP7559615B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関の制御装置として、吸気バルブあるいは排気バルブの開閉時期を制御するものとして、特許文献１、特許文献２に記載されるように内燃機関の始動性を改善するもや、特許文献３に記載されるように内燃機関が停止する際に燃焼室での吸気量を低減するものが知られている。

特許文献１には、吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミングを可変にする可変バルブタイミング機構を備え、冷間時にモータリングにおいて吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミングを早めることにより、圧縮比を高め、圧縮熱による燃焼室の温度上昇を可能にすることが記載されている。

また、特許文献２では、冷間時の始動時（モータリング時）に吸気バルブの開閉タイミングを進角側に設定することが記載されている。

更に、特許文献３では、吸気バルブを超遅角に設定することで、内燃機関を停止させる際に、新気が排気系から触媒に流れ、触媒温度の低下、再始動時における燃料の増大による燃費の悪化に繋がる不都合を改善している。

特開２００９－２９９５３８号公報 ＷＯ２０２０／０２２０６２Ａ１号公報 ＷＯ２０１９／２４４６７５Ａ１号公報

４サイクル型の内燃機関では、特許文献１及び特許文献２に記載されるように、冷間始動時において、吸気バルブの開閉時期を進角方向に変位させることで、圧縮比を高め、燃焼室の温度上昇を図ることも可能である。しかしながら、吸気バルブの開閉時期を進角側に変位させるだけでは、モータリングによってクランクシャフトの２回転のうちの１回転だけで圧縮が行われるため熱量が不足することも想像できた。

また、特許文献３に記載されるように、超遅角に設定する構成では、吸気が少なく内燃機関の始動を行えないものである。

ここで冷間始動を考えると、特許文献１～３に記載されるように吸気バルブの開閉時期を設定するだけでは、円滑な始動を行えないことが懸念される。

このような理由から、冷間始動を良好に行える内燃機関の制御装置が求められる。

本発明に係る内燃機関の制御装置の特徴構成は、内燃機関のクランクシャフトと同期回転する排気駆動側回転体と、
前記内燃機関の燃焼室の排気バルブを開閉するため排気カムシャフトと一体回転し、前記排気駆動側回転体の回転軸芯と同軸芯で配置された排気従動側回転体と、
前記排気駆動側回転体と前記排気従動側回転体との排気側相対回転位相を設定する排気側アクチュエータとを備えて排気側弁開閉時期制御機構が構成され、
前記排気側弁開閉時期制御機構は、前記内燃機関の所定の気筒のピストンが下死点から上死点に向かう行程の間、常に前記排気バルブを開放状態に維持するノーマル排気タイミングと、前記ピストンが前記上死点に達する以前に前記排気バルブを閉じ状態に移行するように前記ノーマル排気タイミングより進角側の制限排気タイミングとの切り換えを可能に構成され、
前記排気側アクチュエータの制御により、前記ノーマル排気タイミングと前記制限排気タイミングとの切換を行う制御部を備え、
前記内燃機関の前記クランクシャフトと同期回転する吸気駆動側回転体と、
前記内燃機関の燃焼室の吸気バルブを開閉するため吸気カムシャフトと一体回転し、前記吸気駆動側回転体の回転軸芯と同軸芯で配置された吸気従動側回転体と、
前記吸気駆動側回転体と前記吸気従動側回転体との吸気側相対回転位相を設定する吸気側アクチュエータとを備えて吸気側弁開閉時期制御機構が構成され、
前記吸気側弁開閉時期制御機構は、前記内燃機関の所定の気筒が排気行程にある際に、前記ピストンが前記上死点に達する以前、あるいは、前記上死点に達すると同時に前記吸気バルブを開放するノーマル吸気タイミングと、前記ピストンが前記上死点に達した後に前記吸気バルブを開放するように前記ノーマル吸気タイミングより遅角側となる制限吸気タイミングとの切り換えを可能に構成され、
前記制御部は、前記排気側弁開閉時期制御機構を前記制限排気タイミングに設定する制御に連係して前記吸気側弁開閉時期制御機構を前記制限吸気タイミングに設定し、
前記下死点をＢＤＣとし、前記上死点をＴＤＣとし、前記排気バルブが開くタイミングをＥＶＯとし、前記吸気バルブが開くタイミングをＩＶＯとし、前記吸気バルブが閉じるタイミングをＩＶＣとし、前記排気バルブが閉じるタイミングをＥＶＣとし、前記ＢＤＣより以前のタイミングをＢＢＤＣとし、前記ＢＤＣより後のタイミングをＡＢＤＣとした場合に、
前記制限排気タイミングにおいて、前記ＥＶＯが前記ＴＤＣより遅角側にあり、前記ＥＶＣが前記ＴＤＣより進角側にあり、
前記ＢＤＣを基準にして前記ＢＢＤＣで前記ＥＶＯまでの第１角度θ１と、前記ＢＤＣを基準にして前記ＡＢＤＣで前記ＥＶＣまでの第２角度θ２との関係が、θ１≧θ２であり、且つ、
前記制限吸気タイミングにおいて、前記ＩＶＯが前記ＴＤＣより遅角側にあり、前記ＩＶＣが前記ＴＤＣより進角側にあり、前記ＩＶＣが前記ＢＤＣを基準にして前記ＡＢＤＣで９０度より大きく、
前記ＢＤＣを基準にして前記ＢＢＤＣで前記ＩＶＯまでの第３角度θ３と、前記ＢＤＣを基準にして前記ＡＢＤＣで前記ＩＶＣまでの第４角度θ４との関係が、θ３≧θ４である点にある。

この特徴構成によると、制御部が排気側アクチュエータの駆動を制御することにより、排気側弁開閉時期制御機構が、排気バルブを、ノーマル排気タイミングで開閉させる状態と、このノーマル排気タイミングより進角側となる制限排気タイミングに対応したタイミングで排気バルブを開閉させる状態との切り換えが可能となる。また、ノーマル排気タイミングでは、排気行程においてピストンが上死点に達するまで排気バルブが開放状態に維持されるため、燃焼室のガスを残さず排出し、エンジンの通常の運転を可能にする。これに対し、制限排気タイミングでは、ピストンが上死点に達する以前に排気バルブが閉じ状態となるため、燃焼室のガスを圧縮し、燃焼室でのガスの温度上昇を可能にする。この制限排気タイミングでは、燃焼室のガスのエキゾースト側への排出が抑制され、クランクシャフトに作用する負荷を増大させ、内燃機関の停止を促進する。

特に、内燃機関が冷間状態で排気側弁開閉時期制御機構を制限排気タイミングに設定してモータリングを行った場合には、１サイクル中においてクランクシャフトが２回転することで燃焼室のガスを２度圧縮し、燃焼室のガスの温度上昇を効率的に行い、燃焼室の混合気の着火を容易にする。
従って、冷間始動を良好に行える内燃機関の制御装置が構成された。

また、これによると、制御部が吸気側アクチュエータの駆動を制御することで、吸気側弁開閉時期制御機構が吸気バルブを、ノーマル吸気タイミングに対応したタイミングで開閉させる状態と、このノーマル吸気タイミングより進角側となる制限吸気タイミングに対応したタイミングで開閉させる状態との切換が可能となる。また、ノーマル吸気タイミングでは、吸気行程においてピストンが上死点から下降を開始する際に吸気バルブが開放状態に維持され、インテーク側のガス（空気）を燃焼室に吸入できるため、エンジンの通常の運転を可能にする。これに対し、制限吸気タイミングでは、吸気行程の上死点にピストンがある状態で吸気バルブが閉じ状態にあり、この後に、ピストンが下降を開始した後に吸気バルブが開放する。これにより、排気側弁開閉時期制御機構を制限排気タイミングに設定する制御に連係して、吸気側弁開閉時期制御機構を制限吸気タイミングに設定することにより、排気行程においてピストンが上死点に向けて作動する際に、燃焼室にガスを完全に封入し、ガスの圧縮による温度上昇を確実に行わせることが可能となる。

また、これによると、排気側弁開閉時期制御機構でノーマル排気タイミングにおいて、例えば、ＥＶＣがＴＤＣに一致し、ＥＶＯがＢＤＣよりＢＢＤＣ側にあるものを想定すると、排気側弁開閉時期制御機構を制限排気タイミングに設定した場合に、第１角度θ１≧第２角度θ２の関係が成立するまで相対回転位相を進角方向に変位させることになり、ピストンが排気行程においてＴＤＣ（上死点）に向けて移動する場合に、上死点ＴＤＣに達する以前に排気弁を閉じ状態に維持することが可能となる。その結果、制限排気タイミングに設定された場合には、排気行程においてピストンが上死点ＴＤＣに達する以前に排気バルブをＥＶＣに設定して燃焼室のガスを圧縮できる。

また、これによると、吸気側弁開閉時期制御機構でノーマル吸気タイミングにおいて、例えば、ＩＶＯがＴＤＣより進角側に位置し、ＩＶＣがＢＤＣよりＡＢＤＣ側にあるものを想定すると、吸気側弁開閉時期制御機構を制限吸気タイミングに設定した場合に、ＩＶＯがＡＢＤＣで吸気バルブが閉じ状態に達するまた遅角方向に変位させ、ＩＶＣがＢＤＣを基準にしてＡＢＤＣで９０度より大きくなり、第３角度θ３≧第４角度θ４の関係が成立するまで相対回転位相を進角方向に変位させることになる。その結果、排気側弁開閉時期制御機構が制限排気タイミングに設定された場合には、排気行程においてピストンがＴＤＣ（上死点）を超えるまで、燃焼室にガスを封入し、燃焼室のガスをインテーク側に流れる不都合も抑制できる。

上記構成に加えた構成として、前記内燃機関の温度を計測する温度センサを備え、前記制御部は、前記温度センサで検出される温度が設定値未満である状況で前記内燃機関を始動する場合に、前記排気側弁開閉時期制御機構を、前記制限排気タイミングに設定して前記クランクシャフトを回転させるモータリングを開始し、この後に、燃焼室に燃料を供給し、点火を行っても良い。

これによると、内燃機関の温度が設定値未満であることを温度センサで検出した場合には、排気側弁開閉時期制御機構を制限排気タイミングに設定した状態でモータリングを開始することにより、モータリングにおいて排気行程でピストンの上昇に伴い燃焼室のガスを圧縮して燃焼室の温度を上昇させ、このように温度が上昇した状態で燃料を供給し、点火することで冷間始動を可能にする。
特に、このように内燃機関を始動する場合に、吸気側弁開閉時期制御機構を制限吸気タイミングに設定することにより、燃焼室のガスがインテーク側に流れる不都合を抑制する状態で燃焼ガスを確実に圧縮して燃焼室の温度上昇を図ることも可能となる。

上記構成に加えた構成として、前記制御部は、前記内燃機関を停止する場合には、前記排気側弁開閉時期制御機構を、前記制限排気タイミングに設定した状態で燃焼室に対する燃料供給を停止しても良い。

これによると、稼動状態にある内燃機関を停止させる場合に、排気側弁開閉時期制御機構を制限排気タイミングに設定することにより、ピストンが上死点に向かう際の負荷を増大させ迅速な停止が可能となる。
特に、このように内燃機関を停止させる場合に、吸気側弁開閉時期制御機構を制限吸気タイミングに設定することにより、燃焼室のガスがインテーク側に流れる不都合を抑制し、一層迅速な停止を実現する。

エンジンの断面と制御ユニットとを示す図である。 弁開閉時期制御機構の断面図である。 図２のIII－III線断面図である。 エンジンが稼働する際の可変動弁機構のタイミングダイヤグラムである。 エンジンが稼働する際の吸気弁と排気弁とのタイミングチャートである。 冷間始動時の可変動弁機構のタイミングダイヤグラムである。 冷間始動時の吸気弁と排気弁とのタイミングチャートである。 可変動弁機構の制御形態のフローチャートである。 冷間始動制御のフローチャートである。 停止制御のフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔基本構成〕
図１に示すように、内燃機関としてのエンジンＥが、吸気バルブＶａと排気バルブＶｂとを備え、吸気バルブＶａのバルブタイミング（開閉時期）を設定する吸気側可変動弁機構ＶＴａ（吸気側弁開閉時期制御機構の一例）と、排気バルブＶｂのバルブタイミング（開閉時期）を設定する排気側可変動弁機構ＶＴｂ（排気側弁開閉時期制御機構の一例）とを備えると共に、エンジンＥの始動と停止とを制御し、吸気側可変動弁機構ＶＴａと排気側可変動弁機構ＶＴｂとを制御するエンジン制御装置４０（内燃機関の制御装置の一例）を備えている。

エンジンＥ（内燃機関の一例）は、乗用車等の走行駆動力を得るために車両に備えられたものを示している。特に、エンジン制御装置４０は、エンジンＥの始動時と、停止時とにおいて、吸気バルブＶａのバルブタイミングと、排気バルブＶｂのバルブタイミングとを制御することにより、冷間時で良好な始動を可能にし、エンジンＥの良好な停止を実現する。これらの制御形態は後述する。

〔エンジン〕
図１、図２に示すように、エンジンＥは、クランクシャフト１を回転自在に支持するシリンダブロック２の上部にシリンダヘッド３を連結し、シリンダブロック２に形成された複数のシリンダボアにピストン４を往復作動自在に収容し、ピストン４をコネクティングロッド５によりクランクシャフト１に連結して４サイクル型に構成されている。

シリンダヘッド３には、吸気バルブＶａと排気バルブＶｂとが備えられ、シリンダヘッド３の上部に吸気バルブＶａを制御する吸気カムシャフト７と、排気バルブＶｂを制御する排気カムシャフト８とが備えられている。また、クランクシャフト１の出力プーリ１Ｓと、吸気側可変動弁機構ＶＴａ、排気側可変動弁機構ＶＴｂの夫々の駆動プーリ２１Ｓとに亘ってタイミングベルト６が巻回されている。

シリンダヘッド３には、燃焼室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。シリンダヘッド３には、吸気バルブＶａを介して燃焼室に空気を供給するインテークマニホールド１１と、燃焼室の燃焼ガスを、排気バルブＶｂを介して送り出すエキゾーストマニホールド１２とが連結している。更に、エキゾーストマニホールド１２からの排気ガスを浄化する触媒１３を備えている。エンジンＥは、始動時にクランクシャフト１を駆動回転するスタータモータ１５を備えている。

〔可変動弁機構〕
可変動弁機構ＶＴとしての吸気側可変動弁機構ＶＴａ（吸気側弁開閉時期制御機構）と、排気側可変動弁機構ＶＴｂ（排気側弁開閉時期制御機構）は、共通する構成であるため、図１～図３では、共通する構成に対して共通する符号を付し、区別が必要な部位には区別を可能にする符号を付している。

可変動弁機構ＶＴは、駆動ケース２１（吸気駆動側回転体／排気駆動側回転体の一例）と、内部ロータ２２（吸気従動側回転体／排気従動側回転体の一例）とを、カムシャフト（吸気カムシャフト７あるいは排気カムシャフト８のうち対応するもの）の回転軸芯Ｘと同軸芯に配置し、これらの相対回転位相を、アクチュエータとしての位相制御モータＭ（吸気側位相制御モータＭａと排気側位相制御モータＭｂの上位概念）の駆動力により調節する位相調節機構Ｇを備えている。

駆動ケース２１は、外周に駆動プーリ２１Ｓが形成されている。内部ロータ２２は、駆動ケース２１に内包され、連結ボルト２３によりカムシャフトに連結固定されている。この構成により、内部ロータ２２の外周部位に駆動ケース２１が相対回転自在に支持され、内部ロータ２２は、対応するカムシャフト（吸気カムシャフト７あるいは排気カムシャフト８）と一体回転する。

駆動ケース２１の開口部分を覆う位置に、複数の締結ボルト２５によりフロントプレート２４が締結されている。これにより、位相調節機構Ｇと内部ロータ２２との回転軸芯Ｘに沿う方向での変位がフロントプレート２４によって規制される。

可変動弁機構ＶＴは、図１、図３に示すように、タイミングベルト６からの駆動力により全体が駆動回転方向Ｓに回転する。また、位相制御モータＭの駆動力が位相調節機構Ｇを介して内部ロータ２２に伝えられることで駆動ケース２１に対する内部ロータ２２の相対回転位相が変位する。この変位のうち駆動回転方向Ｓと同方向へ向かう変位方向を進角方向Ｓａと称し、この逆方向を遅角方向Ｓｂと称している。

〔可変動弁機構：位相調節機構〕
位相調節機構Ｇは、図２、図３に示すように、内部ロータ２２の内周に回転軸芯Ｘと同軸芯に形成したリングギヤ２６と、内部ロータ２２の内周側に偏心軸芯Ｙと同軸芯で回転自在に配置されるインナギヤ２７と、インナギヤ２７の内周側に配置される偏心カム体２８と、フロントプレート２４と、継手部Ｊとを備えている。偏心軸芯Ｙは、回転軸芯Ｘと平行する姿勢で形成されている。

リングギヤ２６は複数の内歯部２６Ｔを有し、インナギヤ２７は複数の外歯部２７Ｔを有している。前述したように、内部ロータ２２に対し偏心軸芯Ｙと同軸芯でインナギヤ２７を配置しているため、外歯部２７Ｔの一部がリングギヤ２６の内歯部２６Ｔに咬合している。この位相調節機構Ｇは、リングギヤ２６の内歯部２６Ｔの歯数と比較して、インナギヤ２７の外歯部２７Ｔの歯数が１歯だけ少ない内接型遊星ギヤ減速機として構成されている。

継手部Ｊは、板材をプレス加工して成る継手部材３３を有しており、この継手部材３３の外周部を駆動ケース２１に係合させ、この継手部材３３の内周部にインナギヤ２７の係合突部２７Ｕに係合させたオルダム継手型に構成されている。これにより、継手部Ｊは、駆動ケース２１に対してインナギヤ２７が偏心する位置関係を維持しつつ、インナギヤ２７と駆動ケース２１とを一体的に回転させる作動を実現する。

偏心カム体２８は、全体に筒状であり、内周に対し一対の係合溝２８Ｂが回転軸芯Ｘと平行姿勢で形成されている。偏心カム体２８は、回転軸芯Ｘと同軸芯で回転するようにフロントプレート２４に対し第１軸受３１によって支持され、この支持位置より吸気カムシャフト７の側の部位の外周に偏心カム面２８Ａが形成されている。

偏心カム面２８Ａは、回転軸芯Ｘに平行する姿勢の偏心軸芯Ｙを中心とする円形（断面形状が円形）に形成されている。この偏心カム面２８Ａに対して第２軸受３２を介してインナギヤ２７が回転自在に支持されている。また、偏心カム面２８Ａに形成した凹部にバネ体２９を嵌め込み、このバネ体２９の付勢力を、第２軸受３２を介してインナギヤ２７に作用させるように構成されている。このような構成から、リングギヤ２６の内歯部２６Ｔの一部にインナギヤ２７の外歯部２７Ｔの一部が咬合し、バネ体２９の付勢力により咬合状態が維持される。

位相制御モータＭは、エンジンＥに支持され、出力軸Ｍｓに形成された係合ピン３４を偏心カム体２８の内周の係合溝２８Ｂに嵌め込んでいる。詳細を図示していないが、位相制御モータＭは、永久磁石を有するロータと、このロータを取り囲む位置に配置される複数の界磁コイルを有するステータと、ロータの回転が伝達される出力軸Ｍｓとを備えることで三相モータと共通する構造のブラシレス型に構成されている。

この可変動弁機構ＶＴでは、エンジンＥの稼動時には、カムシャフトと等しい速度で、出力軸Ｍｓを駆動回転方向Ｓに駆動回転することにより、可変動弁機構ＶＴの相対回転位相を維持する。また、相対回転位相を進角方向Ｓａに変位させる場合には出力軸Ｍｓの回転速度を減じ、相対回転位相を遅角方向Ｓｂに変位させる場合には出力軸Ｍｓの回転速度を増大する制御が行われる。

つまり、エンジンＥが停止する状況で説明すると位相調節機構Ｇは、位相制御モータＭの駆動により出力軸Ｍｓの回転に伴い偏心カム体２８が、回転軸芯Ｘを中心に回転した際には、インナギヤ２７が回転軸芯Ｘを中心に１回転（公転）する毎に、インナギヤ２７とリングギヤ２６との歯数差に対応する角度だけ、インナギヤ２７とリングギヤ２６とを相対回転（自転）させることになり大きい減速を実現する。その結果、位相制御モータＭの回転速度の制御により、インナギヤ２７に対し継手部Ｊを介して一体回転する駆動ケース２１と、リングギヤ２６に連結ボルト２３により連結するカムシャフトとを相対回転させ、バルブタイミングの調節を実現する。

〔バルブタイミング〕
図４～図７には、吸気側可変動弁機構ＶＴａで制御される吸気バルブＶａの吸気タイミングと、排気側可変動弁機構ＶＴｂで制御される排気バルブＶｂの排気タイミングとのダイヤグラム及びグラフを示している。

〔バルブタイミング：稼動時〕
図４、図５には、エンジンＥが稼動する状況において吸気バルブＶａがノーマル吸気タイミングに設定され、排気側可変動弁機構ＶＴｂがノーマル排気タイミングに設定された状態における開閉タイミング（開閉時期）を示している。エンジンＥが稼動する状況では、吸気バルブＶａがノーマル吸気タイミングに設定されることにより、の吸気開タイミングＩＶＯは、上死点ＴＤＣより進角側（進角方向Ｓａ）にあり、吸気閉タイミングＩＶＣは下死点ＢＤＣより遅角側（遅角方向Ｓｂ）にある。

また、排気バルブＶｂがノーマル排気タイミングに設定されることにより、排気閉タイミングＥＶＣは上死点ＴＤＣと一致し、排気開タイミングＥＶＯは下死点ＢＤＣより進角側（進角方向Ｓａ）にある。特に、ピストン４が下死点ＢＤＣから上死点ＴＤＣに向かう行程の間、排気バルブＶｂは常に開放状態に維持される。

このようなノーマル吸気タイミングにおいて、例えば、エンジンＥの回転速度を上昇させる場合等には、吸気量を増大させるため吸気開タイミングＩＶＯを進角方向Ｓａ（図４で反時計回り）に変化させるように吸気側可変動弁機構ＶＴａが制御される。

また、図５には、クランク角を横軸に取り、吸気バルブＶａと排気バルブＶｂとのリフト量を縦軸に取ったグラフを示している（ノーマル吸気タイミングとノーマル排気タイミングとに対応している）。

特に、図５に示すように、排気バルブＶｂが排気閉タイミングＥＶＣで閉じ状態に移行する直前に吸気バルブＶａが吸気開タイミングＩＶＯにおいて開放を開始するため、排気バルブＶｂと吸気バルブＶａとが同時に開放するオーバラップ領域Ｗが作られる。

〔バルブタイミング：冷間始動時／停止時〕
これに対し、図６、図７には、エンジンＥを冷間始動する際、あるいは、エンジンＥを停止する際の吸気バルブＶａの吸気タイミングと、排気バルブＶｂの排気タイミングと示している。つまり、図６、図７には、吸気側可変動弁機構ＶＴａが制限吸気タイミングに設定され、排気側可変動弁機構ＶＴｂが、制限排気タイミングに設定された状態における開閉タイミング（開閉時期）を示している。尚、制限排気タイミングは、排気側可変動弁機構ＶＴｂのバルブタイミングを最進角に設定することで実現される。

このバルブタイミングは、制御部としての始動制御部４１と停止制御部４３との何れか一方が、吸気側可変動弁機構ＶＴａと排気側可変動弁機構ＶＴｂとを制御することによって作り出される。特に、図６、図７に示すバルブタイミングを作り出せるように、ピストン４が上死点ＴＤＣに到達する以前に排気バルブＶｂが閉じる（排気閉タイミングＥＶＣに移行する）ように、排気側可変動弁機構ＶＴｂが構成されている。また、ピストン４が上死点ＴＤＣに到達した後に、吸気バルブＶａが開く（吸気開タイミングＩＶＯに移行する）ように吸気側可変動弁機構ＶＴａが制御される。

図６に示すバルブタイミングを具体的に説明すると、制限排気タイミングでは、排気開タイミングＥＶＯが上死点ＴＤＣより進角側にある。下死点ＢＤＣを基準にしてＢＢＤＣ（Before Bottom Dead Center ／ＢＤＣ以前のタイミング）で排気開タイミングＥＶＯまでの角度を第１角度θ１とした場合に、下死点ＢＤＣを基準にしてＡＢＤＣ（After Bottom Dead Center／ＢＤＣ以後のタイミング）で排気閉タイミングＥＶＣまでの第２角度θ２との関係が、θ１≧θ２となる。

これと同様に、制限吸気タイミングでは、吸気開タイミングＩＶＯが上死点ＴＤＣより遅角側に設定され、この吸気閉タイミングＩＶＣが下死点ＢＤＣを基準にしてＡＢＤＣ（Before Bottom Dead Center ）で９０度より大きく設定されている。また、下死点ＢＤＣを基準にしてＢＢＤＣで吸気開タイミングＩＶＯまでの角度を第３角度θ３とした場合に、下死点ＢＤＣを基準にしてＡＢＤＣ（After Bottom Dead Center）で吸気閉タイミングＩＶＣまでの角度となる第４角度θ４との関係が、θ３≧θ４となる。

また、クランク角を横軸に取り、吸気バルブＶａと排気バルブＶｂとのリフト量を縦軸に取ったグラフを図７に示している（吸気制限タイミングと排気制限タイミングとに対応している）。

同図に示すように、クランクシャフト１の回転に伴い、排気バルブＶｂが、排気開タイミングＥＶＯで開放を開始し、排気閉タイミングＥＶＣで閉じ状態に移行する。また、これに連係して排気バルブＶｂが排気閉タイミングＥＶＣで閉じ状態に移行した後に、吸気バルブＶａが吸気開タイミングＩＶＯで開放を開始し、リフト量の増大後に低減し、吸気閉タイミングＩＶＣにおいて閉じ状態に移行する。

特に、図７に示すように、排気側を制限排気タイミングに設定し、吸気側を制限吸気タイミングに設定することにより、排気バルブＶｂが排気閉タイミングＥＶＣで閉じ状態に移行し、この移行からクランクシャフト１が設定量Ｔだけ回転した後に、吸気バルブＶａが吸気開タイミングＩＶＯにおいて開放を開始することになる。

これにより、例えば、エンジンＥの始動時にはピストン４が上死点ＴＤＣに到達する以前に燃焼室にガスを封入することが可能となり、同図に示すように、ピストン４が２回上昇する際に筒内圧Ｐ（燃焼室の圧力）を上昇させ、このようにピストン４の上昇に伴う筒内圧Ｐによるガスの圧縮によって燃焼室のガスの温度を上昇させ、冷間状態でも点火を容易にしてエンジンＥの始動性の向上を可能にしているのである。

また、エンジンＥを停止する場合には、排気側を制限排気タイミングに設定し、吸気側を制限吸気タイミングに設定した状態で、燃料カットを行うことによりエンジンＥの始動時にはピストン４が上死点ＴＤＣに到達する以前に燃焼室の内部にガスを封入し、筒内圧Ｐの上昇に伴いクランクシャフト１に作用する負荷を増大させ、迅速なエンジン停止を行うと共に、エキゾースト側に新気を送り出す現象を抑制している。

〔制御構成〕
図１、図２に示すように、エンジンＥにはクランクシャフト１を駆動回転するスタータモータ１５を備え、クランクシャフト１の近傍位置には回転角の検出が可能なクランク角センサ１６を備え、吸気カムシャフト７の近傍には、吸気カムシャフト７の回転角の検出が可能な吸気側カム角センサ１７を備え、排気カムシャフト８の近傍には排気カムシャフト８の回転角の検出が可能な排気側カム角センサ１８を備えている。

クランク角センサ１６と、吸気側カム角センサ１７と、排気側カム角センサ１８とは、回転に伴い間歇的にパルス信号を出力するピックアップ型に構成されている。クランク角センサ１６は、クランクシャフト１の回転時にクランクシャフト１の回転基準からのパルス信号をカウントすることで回転基準からの回転角を取得する。これと同様に、吸気側カム角センサ１７と排気側カム角センサ１８とは、吸気カムシャフト７の回転時に吸気カムシャフト７の回転基準からパルス信号をカウントすることで、エンジン制御装置４０において、回転基準からの回転角を取得できるように構成されている。

このような構成から、例えば、駆動ケース２１と内部ロータ２２とが所定の基準位相（例えば、中間位相）にある状態でのクランク角センサ１６のカウント値と、吸気側カム角センサ１７、あるいは、排気側カム角センサ１８のカウント値とを記憶しておくことにより、相対回転位相が、基準位相から進角側と遅角側（遅角方向Ｓｂ）との何れに変位しても２種のカウント値の比較により相対回転位相を取得できる。

図１に示すように、エンジン制御装置４０は、クランク角センサ１６と、吸気側カム角センサ１７と、排気側カム角センサ１８とからの検出信号が入力すると共に、メインスイッチ４５と、温度センサ４６と、アクセルペダルセンサ４７とからの検出信号が入力する。また、エンジン制御装置４０は、スタータモータ１５と、位相制御モータＭと、燃焼管理部１９とに制御信号を出力する。

この制御構成においてメインスイッチ４５は、車両の運転座席のパネル部分に配置され、エンジンＥの人為操作による始動と、人為操作による完全停止を可能にしている。アクセルペダルセンサ４７は、アクセルペダル（図示せず）の踏み込み量を取得する。燃焼管理部１９は、インジェクタ９に対して燃料を供給するポンプ類の作動を管理すると共に、点火プラグ１０に電力を供給するイグニッション回路の制御により点火順序や点火タイミングを管理する。

〔制御構成：エンジン制御装置〕
エンジン制御装置４０は、始動制御部４１と、稼動時制御部４２と、停止制御部４３とを備えている。これらはソフトウエアとして構成されるものであるが、各々の一部をハードウエアで構成することも可能である。

始動制御部４１は、停止状態にあるエンジンＥを始動する。稼動時制御部４２は、基本的にエンジンＥが稼動する状況において駆動ケース２１と内部ロータ２２との相対回転位相を設定する。停止制御部４３は、メインスイッチ４５の人為的な操作に基づくエンジンＥの停止を行う。尚、停止制御部４３は、アイドリングストップ制御のようにアクセルペダルの踏み込みを解除した後にエンジンＥを停止させる自動停止を行うものでも良い。

〔制御形態〕
エンジン制御装置４０によるエンジンＥの制御の概要を図８のフローチャートに示している。つまり、メインスイッチ４５のＯＮ操作によって、エンジンＥを始動する場合には、温度センサ４６で検出されるエンジンＥの温度の信号を取得し（＃０１ステップ）、取得した温度が設定値未満である場合には（＃０２ステップのＹｅｓ）冷間始動制御を行い（＃１００ステップ）、設定値が以上である場合には（＃０２ステップのＮｏ）通常始動制御（＃０３ステップ）を行う。

冷間始動制御（＃１００ステップ）はサブルーチンとしてセットされている（このサブルーチンの詳細は後述する）。また、通常始動制御（＃０３ステップ）では、吸気側可変動弁機構ＶＴａによるバルブタイミングと、排気側可変動弁機構ＶＴｂによるバルブタイミングとを図４に示すように設定した状態、あるいは、図４のタイミングを基準に吸気バルブＶａのタイミングを遅角側に設定した状態で、スタータモータ１５を駆動によるモータリングを行い、モータリング開始後の設定タイミングでインジェクタ９で燃焼室に燃料を噴射し、点火プラグ１０による点火が行われる。

尚、アイドルストップ制御の後のようにエンジンＥの温度が比較的高温である場合には、通常始動制御（＃０３ステップ）として吸気側可変動弁機構ＶＴａのバルブタイミングを遅角側（遅角方向Ｓｂ）に変位させる制御を行った状態で、モータリングを行い、インジェクタ９で燃焼室に燃料を噴射し、点火プラグ１０による点火を行うことも可能である。

次に、エンジンＥが始動した後には、稼動時制御（＃０４ステップ）が実行される。この稼動時制御（＃０４ステップ）は、アクセルペダルセンサ４７の踏み込み量、クランクシャフト１の単位時間あたりの回転数等の情報に基づいて吸気側可変動弁機構ＶＴａを制御して吸気量の制御等が行われる。この稼動時制御（＃０４ステップ）では、エンジンＥを停止させる操作が行われない状況（＃０５ステップのＮｏ）が継続する限り継続的に行われ、エンジンＥを停止させる操作が行われた場合（＃０５ステップのＹｅｓ）に停止制御（＃２００ステップ）を行う。

停止制御（＃２００ステップ）はサブルーチンとしてセットされ、このサブルーチンの詳細は後述する。更に、エンジンＥを停止する操作としては、メインスイッチ４５の操作を想定している。尚、エンジンＥを停止させる条件として前述したアイドルストップ制御のように、アクセルペダルセンサ４７によって、アクセルペダルが非操作状態に達したことが検出されたタイミングであっても良い。

〔制御形態：冷間始動制御〕
冷間始動制御（＃１００ステップ）は、図９に示すように排気側可変動弁機構ＶＴｂを制限排気タイミング（最進角）に設定し、吸気側可変動弁機構ＶＴａを制限吸気タイミング（遅角側）に設定し（＃１０１、＃１０２ステップ）、スタータモータ１５の駆動によるモータリングを行い、このモータリングの後の設定されたタイミングでインジェクタ９で燃焼室に燃料を噴射し、点火プラグ１０による点火が行われる（＃１０３、＃１０４ステップ）。

このようにモータリングと、点火とが行われた後にクランク角センサ１６の検出信号等に基づいてエンジンＥの始動が確認できない場合には（＃１０５ステップＮｏ）、モータリングと点火とを継続し、エンジンＥの始動が確認できた場合には（＃１０５ステップＹｅｓ）、このサブルーチンの制御を終了して稼動時制御（＃０４ステップ）にリターンする。

この冷間始動制御では、図６、図７に示すように、吸気側可変動弁機構ＶＴａによるバルブタイミングを遅角側に設定し、排気側可変動弁機構ＶＴｂによるバルブタイミングを最進角に設定する。この設定は、始動制御部４１が実行し、このようにバルブタイミングを設定する場合には、エンジン制御装置４０が、クランク角センサ１６と、吸気側カム角センサ１７と、排気側カム角センサ１８とからの信号を取得する状態で吸気側と排気側との位相制御モータＭを制御する。

このように、バルブタイミングが設定された状態でクランクシャフト１が回転した場合に、排気バルブＶｂが排気閉タイミングＥＶＣで閉じ状態に移行し、設定量Ｔだけクランクシャフト１が回転した後に、吸気バルブＶａが吸気開タイミングＩＶＯにおいて開放を開始するため、ピストン４が上死点ＴＤＣに到達する以前に燃焼室にガスを封入し、ピストン４の上昇に伴うガスの圧縮によって燃焼室のガスの温度を上昇させ、点火を容易にしてエンジンＥの始動性の向上を可能にしているのである。そして、このモータリングにより、例えば、クランクシャフト１が設定回数回転したことを確認した後に稼動時制御にリターンされる。

〔制御形態：停止制御〕
停止制御（＃２００ステップ）では、図６、図７に示すように、排気側可変動弁機構ＶＴｂを制限排気タイミング（最進角）に設定し、吸気側可変動弁機構ＶＴａを制限排気タイミング（遅角側）に設定し（＃２０１、＃２０２ステップ）、燃料カット（＃２０３ステップ）を実行する。つまり、この（＃２００ステップ）では、冷間始動制御（＃１００ステップ）と同様にバルブタイミングが設定される。

このように、エンジンＥを停止する際には、エンジン制御装置４０が、クランク角センサ１６と、吸気側カム角センサ１７と、排気側カム角センサ１８とからの信号を取得する状態で吸気側と排気側との位相制御モータＭを制御して、排気側可変動弁機構ＶＴｂを制限排気タイミングに設定し、吸気側可変動弁機構ＶＴａを制限排気タイミングに設定する。また、燃料カットの後に制御がリターンする。

このような制御を行うことにより、ピストン４が上死点ＴＤＣに到達する以前に燃焼室にガスを封入し、ピストン４の上昇時にクランクシャフト１に作用する負荷を増大させ、エンジンＥの迅速な停止を実現する。また、このように制御を行うことにより、燃焼室からエキゾーストマニホールド１２に新気が送り出されることがなく、触媒１３の性能を低下させる不都合を防止できる。

〔実施形態の作用効果〕
従来からの排気側可変動弁機構ＶＴｂ（排気側弁開閉時期制御機構）は、最進角位相に設定した場合でも、排気行程においてピストン４が上死点ＴＤＣに達するまでは開放状態を維持するようにＥＶＣの位置が決められていたため、排気行程で筒内でガスの圧縮を行えないものであった。これに対して、排気側可変動弁機構ＶＴｂを最進角位相に設定した場合にピストン４が上死点ＴＤＣに到達する以前に排気バルブＶｂが閉じる（排気閉タイミングＥＶＣに移行する）ように構成することにより、ピストン４が上死点ＴＤＣに達する以前に燃焼室にガスを封入して圧縮できるようにしている。

このような構成から、エンジンＥの始動時には、排気側可変動弁機構ＶＴｂを排気制限タイミングに設定することにより、１サイクルにおいて燃焼室のガスを留めた状態で２度圧縮することにより、筒内圧Ｐを大きく上昇させ（筒内暖機を行い）、冷間始動において確実な始動を実現している。特に、このように排気側可変動弁機構ＶＴｂを排気制限タイミングに設定する制御に連係して、吸気側可変動弁機構ＶＴａを制限吸気タイミングに設定する制御を行うことにより、燃焼室から排出されるガスを完全に無くして、筒内暖機を一層促進してエンジンＥの始動を良好に行わせる。

また、エンジンＥを停止する場合には、排気側可変動弁機構ＶＴｂを排気制限タイミングに設定することにより、燃焼室の圧力の増大に伴いクランクシャフト１に作用する負荷を増大させて迅速な停止を実現し、燃焼室からエキゾーストマニホールド１２に無駄にガスが流れ出る不都合を抑制して燃費を向上させる。また、エンジンＥの停止時には、排気バルブＶｂからエキゾーストマニホールド１２に送り出される新気の量を大きく低減させ、触媒１３に新気が接触することに起因する触媒１３の劣化を抑制し、触媒１３の温度低下を抑制している。

特に、エンジンＥの停止時に、排気側可変動弁機構ＶＴｂを排気制限タイミングに設定する制御に連係して、吸気側可変動弁機構ＶＴａを制限吸気タイミングに設定する制御を行うことにより、一層迅速なエンジンＥの停止と、一層良好な燃費とを実現し、触媒１３に対する悪影響も解消できる。

また、吸気側可変動弁機構ＶＴａ（吸気側弁開閉時期制御機構）として油圧により相対回転位相を変化させる従来からの構成を用いることも可能であり、吸気側可変動弁機構ＶＴａを遅角側に設定するだけで（最遅角でなくても良い）良好な冷間始動を可能にし、エンジンＥの迅速な停止を可能にしている。

例えば、吸気側可変動弁機構ＶＴａが、バルブタイミングを大きく遅角側に設定するものでは、このように大きく遅角に設定した状態で、吸気側可変動弁機構ＶＴａが制御不能となる故障に陥った場合には、エンジンＥの始動が不能になることも想定できるが、排気側可変動弁機構ＶＴｂを制限排気モードに設定するものでは、排気側可変動弁機構ＶＴｂが故障した場合でもエンジンＥの始動が可能になる。

更に、排気側可変動弁機構ＶＴｂを制限排気モードに設定した場合に、燃焼室の圧力が上昇するため、燃焼室内に負圧が作用する現象を抑制し、負圧の作用によって潤滑油を無駄に吸引することがない。

〔別実施形態〕
本発明は、上記した実施形態以外に以下のように構成しても良い（実施形態と同じ機能を有するものには、実施形態と共通の番号、符号を付している）。

（ａ）エンジンＥを冷間始動する場合に、吸気側可変動弁機構ＶＴａ（吸気側弁開閉時期制御機構）の吸気開タイミングＩＶＯを上死点ＴＤＣより遅角側に設定せずに、排気側可変動弁機構ＶＴｂ（排気側弁開閉時期制御機構）のタイミングだけ最進角に設定するように制御を行う。

このような制御を行った場合には、排気行程でピストン４が上昇する際に、燃焼室のガスの一部が吸気バルブＶａからエキゾースト側に漏れ出るものの、燃焼室の圧力を上昇させることは可能であるため、吸気側可変動弁機構ＶＴａの吸気開タイミングＩＶＯを上死点ＴＤＣより遅角側に設定する場合と比較して、多少は性能が低下するもののエンジンＥの冷間始動を行え、エンジンＥの停止を行える。

（ｂ）冷間始動に可能にするためには、排気側可変動弁機構ＶＴｂ（排気側弁開閉時期制御機構）を電動式に構成することが必要であるが、例えば、エンジンＥの停止制御を想定すると、排気側可変動弁機構ＶＴｂは油圧式であっても良い。

本発明は、内燃機関の制御装置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 吸気カムシャフト
８ 排気カムシャフト
２１ 駆動ケース（吸気駆動側回転体／排気駆動側回転体）
２２ 内部ロータ（吸気従動側回転体／排気従動側回転体）
４１ 始動制御部（制御部）
４３ 停止制御部（制御部）
４６ 温度センサ
Ｅ エンジン（内燃機関）
Ｍａ 吸気側位相制御モータ（吸気側アクチュエータ）
Ｍｂ 排気側位相制御モータ（排気側アクチュエータ）
Ｖａ 吸気バルブ
Ｖｂ 排気バルブ
ＶＴａ 吸気側可変動弁機構（吸気側弁開閉時期制御機構）
ＶＴｂ 排気側可変動弁機構（排気側弁開閉時期制御機構）
Ｘ 回転軸芯
ＴＤＣ 上死点
ＢＤＣ 下死点
ＥＶＯ 排気開タイミング
ＥＶＣ 排気閉タイミング
ＩＶＯ 吸気開タイミング
ＩＶＣ 吸気閉タイミング
θ１ 第１角度
θ２ 第２角度
θ３ 第３角度
θ４ 第４角度

Claims (3)

1. 内燃機関のクランクシャフトと同期回転する排気駆動側回転体と、
   前記内燃機関の燃焼室の排気バルブを開閉するため排気カムシャフトと一体回転し、前記排気駆動側回転体の回転軸芯と同軸芯で配置された排気従動側回転体と、
   前記排気駆動側回転体と前記排気従動側回転体との排気側相対回転位相を設定する排気側アクチュエータとを備えて排気側弁開閉時期制御機構が構成され、
   前記排気側弁開閉時期制御機構は、前記内燃機関の所定の気筒のピストンが下死点から上死点に向かう行程の間、常に前記排気バルブを開放状態に維持するノーマル排気タイミングと、前記ピストンが前記上死点に達する以前に前記排気バルブを閉じ状態に移行するように前記ノーマル排気タイミングより進角側の制限排気タイミングとの切り換えを可能に構成され、
   前記排気側アクチュエータの制御により、前記ノーマル排気タイミングと前記制限排気タイミングとの切換を行う制御部を備え、
   前記内燃機関の前記クランクシャフトと同期回転する吸気駆動側回転体と、
   前記内燃機関の燃焼室の吸気バルブを開閉するため吸気カムシャフトと一体回転し、前記吸気駆動側回転体の回転軸芯と同軸芯で配置された吸気従動側回転体と、
   前記吸気駆動側回転体と前記吸気従動側回転体との吸気側相対回転位相を設定する吸気側アクチュエータとを備えて吸気側弁開閉時期制御機構が構成され、
   前記吸気側弁開閉時期制御機構は、前記内燃機関の所定の気筒が排気行程にある際に、前記ピストンが前記上死点に達する以前、あるいは、前記上死点に達すると同時に前記吸気バルブを開放するノーマル吸気タイミングと、前記ピストンが前記上死点に達した後に前記吸気バルブを開放するように前記ノーマル吸気タイミングより遅角側となる制限吸気タイミングとの切り換えを可能に構成され、
   前記制御部は、前記排気側弁開閉時期制御機構を前記制限排気タイミングに設定する制御に連係して前記吸気側弁開閉時期制御機構を前記制限吸気タイミングに設定し、
   前記下死点をＢＤＣとし、前記上死点をＴＤＣとし、前記排気バルブが開くタイミングをＥＶＯとし、前記吸気バルブが開くタイミングをＩＶＯとし、前記吸気バルブが閉じるタイミングをＩＶＣとし、前記排気バルブが閉じるタイミングをＥＶＣとし、前記ＢＤＣより以前のタイミングをＢＢＤＣとし、前記ＢＤＣより後のタイミングをＡＢＤＣとした場合に、
   前記制限排気タイミングにおいて、前記ＥＶＯが前記ＴＤＣより遅角側にあり、前記ＥＶＣが前記ＴＤＣより進角側にあり、
   前記ＢＤＣを基準にして前記ＢＢＤＣで前記ＥＶＯまでの第１角度θ１と、前記ＢＤＣを基準にして前記ＡＢＤＣで前記ＥＶＣまでの第２角度θ２との関係が、θ１≧θ２であり、且つ、
   前記制限吸気タイミングにおいて、前記ＩＶＯが前記ＴＤＣより遅角側にあり、前記ＩＶＣが前記ＴＤＣより進角側にあり、前記ＩＶＣが前記ＢＤＣを基準にして前記ＡＢＤＣで９０度より大きく、
   前記ＢＤＣを基準にして前記ＢＢＤＣで前記ＩＶＯまでの第３角度θ３と、前記ＢＤＣを基準にして前記ＡＢＤＣで前記ＩＶＣまでの第４角度θ４との関係が、θ３≧θ４である内燃機関の制御装置。
2. 前記内燃機関の温度を計測する温度センサを備え、
   前記制御部は、前記温度センサで検出される温度が設定値未満である状況で前記内燃機関を始動する場合に、前記排気側弁開閉時期制御機構を、前記制限排気タイミングに設定して前記クランクシャフトを回転させるモータリングを開始し、この後に、燃焼室に燃料を供給し、点火を行う請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記制御部は、前記内燃機関を停止する場合には、前記排気側弁開閉時期制御機構を、前記制限排気タイミングに設定した状態で燃焼室に対する燃料供給を停止する請求項１に記載の内燃機関の制御装置。

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