| 【発明の名称】 |
内燃機関の制御装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】染野 禎
【氏名】永野 正美
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| 【要約】 |
【課題】内燃機関の冷間時の始動時及び始動後において触媒コンバータ前のＨＣ発生量を抑制し、始動後は機関の安定性欠くことなく、早期に触媒コンバータを活性化させることができるようにする。
【解決手段】吸気弁６又は排気弁７の少なくとも一方の弁開閉時期を可変に制御するための吸気側ＶＶＴ機構１０ａ及び排気側ＶＶＴ機構１０ｂと、エンジンの始動及び始動後を検出する手段とを備え、始動と検出されている間は、弁制御手段により、第一の弁開閉時期設定値で可変バルブタイミングを制御し、始動後と検出されたときに、第一の弁開閉時期設定値を維持し、点火時期を所定値まで遅角させ、さらに遅角の完了を判定した後、第二の弁開閉時期設定値で所定量に可変バルブタイミングを制御するようにする。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 吸気弁又は排気弁の少なくとも一方の弁開閉時期を可変にするための可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関の制御装置において、前記制御装置は、エンジンの始動及び始動後等を検出する運転状態検出手段と、該運転状態検出手段等による検出結果に基づいて前記可変バルブタイミング機構を作動させる弁制御手段と、点火プラグの点火時期を設定する点火時期設定手段と、を備え、前記制御装置は、前記運転状態検出手段により始動と検出されている間、前記弁制御手段によって第一の弁開閉時期設定値に前記可変バルブタイミング機構を制御し、前記運転状態検出手段により始動後と検出したとき、前記弁制御手段によって前記可変バルブタイミング機構を前記第一の弁開閉時期設定値に維持すると共に、前記点火時期設定手段によって点火プラグによる点火時期を所定値まで遅角させ、前記遅角が完了を判定したとき、前記弁制御手段によって、前記可変バルブタイミング機構を第二の弁開閉時期設定値で所定量に制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】 前記制御装置は、前記エンジンの燃焼安定性を示す回転変動指標を演算する回転変動指標演算手段を備え、前記遅角の完了を判定した後、前記弁制御手段によって前記可変バルブタイミング機構を前記回転変動指標に基づいて前記第一の弁開閉時期設定値と前記第二の弁開閉時期設定値との間で所定量に制御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。
【請求項３】 前記運転状態検出手段は、前記エンジンの温度を検出する冷却水温センサを有し、前記制御装置は、前記検出された始動時における前記エンジンの温度が所定範囲以内で、且つ前記エンジンが低回転低負荷運転状態又は始動後所定期間の間の少なくとも一方においてのみ、前記弁制御手段によって前記可変バルブタイミング機構を前記第二の弁開閉時期設定値で制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】 前記制御装置は、前記検出された始動時におけるエンジン温度が所定範囲以内で、且つ前記運転状態検出手段で加速状態と検出されていないときにおいてのみ、前記弁制御手段によって前記可変バルブタイミング機構を前記第二の弁開閉時期設定値で制御することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】 前記制御装置は、前記第一、第二の弁開閉時期設定値での状態ではないとき判定したとき、前記弁制御手段によって前記可変バルブタイミング機構を第三の弁開閉時期設定値で制御させることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】 前記制御装置は、前記第一、第二、第三の弁開閉時期設定値への移行時に、前記弁制御手段によって前記可変バルブタイミング機構を前記段階的移行あるいはステップ的移行の何れかを選択的に指示し、前記可変バルブタイミング機構を制御させることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の内燃機関の制御装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、内燃機関の運転条件に応じて吸気弁や排気弁の開閉タイミングを変更させる可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関の制御装置に係るものであり、詳しくは内燃機関の排気温度を上げて触媒コンバータの早期活性化を図るようにした内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】自動車のエンジンの吸気弁及び排気弁は、カム軸の回転に伴い開閉動作を行うものであって、ピストンの吸入行程の前後に吸気弁が開閉し、排気行程の前後に排気弁が開閉する。この場合、ピストンの往復運動は、クランク軸によって回転運動に変換され、クランク軸の回転はカム軸を介して吸気及び排気弁に伝達されるようになっている。
【０００３】また、吸気弁あるいは排気弁の開閉タイミングを制御する場合、クランク軸とカム軸との間の相対回転角を変化させる可変バルブタイミング調整装置（ＶＶＴ）と、ＶＶＴの駆動制御を行うオイルコントロールバルブ（ＯＣＶ）とを用いて行うのが一般的である。
【０００４】一方、近年では、排ガス規制の強化に伴い、内燃機関の排気管に設けられている触媒コンバータを、たとえばエンジンの冷機始動時においても、早期に活性化させることが要望されている。このような要望に応えるために、たとえば可変バルブタイミング調整装置（ＶＶＴ）を応用した先行技術として、たとえば特開平１１−３３６５７４号公報では、可変バルブタイミング機構を操作し、吸気弁と排気弁との開弁オーバーラップ量を所定量に制御することにより、内部ＥＧＲ量を増やし、点火時期の遅角あるいは空燃比を弱リーン化する操作と相俟って、未燃ＨＣの排気管内での「後燃え」を促進させ排ガス温度を高温に維持することで、冷間状態にある触媒コンバータを早期活性化させる技術を提案している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した先行技術では、エンジンの始動後の燃焼に着目しており、また可変バルブタイミング機構の操作についても、吸気弁と排気弁との開弁オーバーラップ量に着目して排ガス温度を高温に維持し、触媒コンバータの早期活性化を試みるようにしている。
【０００６】しかしながら、排気ガス規制では触媒前のＨＣの発生を抑制することが本来の目的であり、エンジンの始動時においては、安定した始動性の確保とＨＣの排出量の抑制との両立が必要である。
【０００７】本発明者等が確認した結果によれば、吸気弁と排気弁との開弁オーバーラップ量に限らず、エンジンの燃焼状態によっては、吸気弁の閉弁位置と排気弁の開弁位置とクランク回転位置との関係がＨＣの発生量の抑制に関係することが判明したが、上述した先行技術ではそのことについての考慮はなされていなかった。
【０００８】また、エンジンの始動後については、同様に吸気弁の閉弁位置と排気弁の開弁位置との操作により後燃えを促進させ、排ガス温度を高温に維持することによる触媒コンバータの早期活性化のみを重視すると、点火時期の遅角や空燃比のリーン化によりトルクの低下を伴い、エンジンの安定性を欠くことになり、さらには外乱に対するエンジン回転数の極端な低下やエンストに至る等の問題が発生する可能性がある。
【０００９】この点について、上述した先行技術では、トルク増加手段を一回の燃焼行程につき複数回の点火動作を行わせる手段によって解決しているが、実際に複数回の点火を行うには、短期間に点火エネルギーを確保しなければならない。この場合、点火コイルのチャージエネルギーの短時間化の改良が不可欠であるが、これに伴いコストアップを招いてしまうという問題も生じてしまう。
【００１０】本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、内燃機関の冷間時の始動時及び始動後において触媒コンバータ前のＨＣの発生量を抑制することができ、しかも始動後は機関の安定性を欠くことなく、早期に触媒コンバータを活性化させることができる低コストな内燃機関の制御装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成すべく、本発明に係る内燃機関の制御装置は、基本的には、吸気弁又は排気弁の少なくとも一方の弁開閉時期を可変にするための可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関の制御装置であって、前記制御装置が、エンジンの始動及び始動後等を検出する運転状態検出手段と、該運転状態検出手段等による検出結果に基づいて前記可変バルブタイミング機構を作動させる弁制御手段と、点火プラグの点火時期を設定する点火時期設定手段と、を備え、前記制御装置は、前記運転状態検出手段により始動と検出されている間、前記弁制御手段によって第一の弁開閉時期設定値に前記可変バルブタイミング機構を制御し、前記運転状態検出手段により始動後と検出したとき、前記弁制御手段によって前記可変バルブタイミング機構を前記第一の弁開閉時期設定値に維持すると共に、前記点火時期設定手段によって点火プラグによる点火時期を所定値まで遅角させ、前記遅角が完了を判定したとき、前記弁制御手段によって、前記可変バルブタイミング機構を第二の弁開閉時期設定値で所定量に制御することを特徴としている。
【００１２】前記の如く構成された本発明の内燃機関の制御装置は、エンジンの始動と検出されている間は、ＨＣの排出量の抑制が可能な第一の弁開閉時期設定値による吸気弁の閉弁位置と、排気弁の開弁位置と、クランク回転位置との関係によって、安定した始動性の確保とＨＣの排出量の抑制との両立ができる。また、エンジンの始動後と検出されたときには、第一の弁開閉時期設定値を維持し、点火時期を所定値まで徐々に遅角することによってエンジンの安定性を確保し、遅角の完了を判定してから、第二の弁開閉時期設定値による吸気弁の閉弁位置と、排気弁の開弁位置と、クランク回転位置との関係で制御することにより、後燃えによる触媒コンバータ前のＨＣ量の抑制と、排ガス温度を高温に維持することによる触媒コンバータの早期活性化の両立が図れる。
【００１３】また、本発明に係る内燃機関の制御装置の具体的態様は、該制御装置が、前記エンジンの燃焼安定性を示す回転変動指標を演算する回転変動指標演算手段を備え、前記遅角の完了を判定した後、前記弁制御手段によって前記可変バルブタイミング機構を前記回転変動指標に基づいて前記第一の弁開閉時期設定値と前記第二の弁開閉時期設定値との間で所定量に制御することを特徴としている。
【００１４】前記の如く構成された本発明の内燃機関の制御装置は、点火時期の遅角とバルブタイミングの操作により、トルクの低下を伴うような状態であっても、点火時期の遅角とバルブタイミングを回転変動指標に基づいて操作することで、外乱に対する機関の安定性を確保でき、エンジン回転数の極端な低下やエンストに至る等の問題をコストアップすることなく改善できる。
【００１５】また、本発明に係る内燃機関の制御装置の他の具体的態様は、前記運転状態検出手段が、前記エンジンの温度を検出する冷却水温センサを有し、前記制御装置が、前記検出された始動時における前記エンジンの温度が所定範囲以内で、且つ前記エンジンが低回転低負荷運転状態又は始動後所定期間の間の少なくとも一方においてのみ、前記弁制御手段によって前記可変バルブタイミング機構を前記第二の弁開閉時期設定値で制御することを特徴としている。
【００１６】また、本発明に係る内燃機関の制御装置の他の具体的態様は、前記制御装置が、前記検出された始動時におけるエンジン温度が所定範囲以内で、且つ前記運転状態検出手段で加速状態と検出されていないときにおいてのみ、前記弁制御手段によって前記可変バルブタイミング機構を前記第二の弁開閉時期設定値で制御することを特徴としている。
【００１７】また、本発明に係る内燃機関の制御装置の他の具体的態様は、該制御装置が、前記第一、第二の弁開閉時期設定値での状態ではないとき判定したとき、前記弁制御手段によって前記可変バルブタイミング機構を第三の弁開閉時期設定値で制御させることを特徴としている。
【００１８】また、本発明に係る内燃機関の制御装置の他の具体的態様は、該制御装置が、前記第一、第二、第三の弁開閉時期設定値への移行時に、前記弁制御手段によって前記可変バルブタイミング機構を前記段階的移行あるいはステップ的移行の何れかを選択的に指示し、前記可変バルブタイミング機構を制御させることを特徴としている。
【００１９】前記の如く構成された本発明の内燃機関の制御装置は、極低温雰囲気ではエンジンのトルク及び安定性を確保しつつ、エンジンの触媒コンバータの早期活性化を図る制御の実施条件を、運転状態検出手段による検出結果に応じて選択的に行うことができる。また、エンジン温度に限らず、低回転低負荷以外、あるいは加速状態を検出した場合には、点火時期の遅角とバルブタイミングの操作によりエンジンの触媒コンバータの早期活性化を図る制御を中止する方向へ制御して、排気温度の過度な上昇を防止し、バルブタイミングの操作をトルク感や運転性を重視した第三の弁開閉時期設定値により制御することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、図面により本発明に係る内燃機関の制御装置の一実施形態について詳細に説明する。図１は、本実施の形態の燃料噴射装置であるインジェクタ１を備えたエンジン制御システムの全体構成を示したものである。４気筒からなるエンジン１００の多弁式の各気筒９には、点火プラグ１２が配置されるとともに、吸気弁６及び排気弁７と、気筒９内を往復動するピストン８とで燃焼室が構成されている。また、各気筒９には、吸気弁６及び排気弁７によってそれぞれ開閉される吸気管１８及び排気管１９が設置されている。
【００２１】吸気管１８は、図示しない二つの吸気ポートを有している。また、吸気管１８には、吸気の質量流量を計測する吸入空気量センサ２及びスロットルバルブ３の開度を計測するスロットルセンサ４が各々の適宜位置に配置されている。さらに、エンジン１００の冷却水温を計測する冷却水温センサ１４及びエンジン回転数を計測するクランク角センサ１３ａ，１３ｂが各々の適宜位置に配置されている。ここで、スロットルセンサ４、冷却水温センサ１４、クランク角センサ１３ａ，１３ｂ及び後述の空燃比センサ１７は、運転状態検出手段を構成している。
【００２２】吸気管１８の上流部に設けられたエアクリーナ２０から流入された空気は、スロットルバルブ３で流量を調節された後、インジェクタ１から所定の角度で噴射されたガソリンと混合されて各気筒９に供給される。インジェクタ１は、４気筒のエンジン１００の各気筒９の上流側に一つずつ配設されるものであり、マルチポイントインジェクション（ＭＰＩ）としてシステム化された燃料噴射方式が採用されている。
【００２３】一方、燃料タンク２１からの燃料は、燃料ポンプ２２によって吸引及び加圧された後、プレッシャレギュレータ１５を備えた燃料管２３を通り、インジェクタ１の図示しない燃料入口に導かれる。ここで、余分な燃料は、燃料タンク２１に戻される。なお、燃料タンク２１から蒸発する燃料は、キャニスタ１６により大気中に放出されるのが抑制されている。
【００２４】各気筒９で燃焼された排ガスは、排気管１９を通じて触媒コンバータ２５に導かれ、浄化された後に排出される。排気管１９の適宜位置には、排ガス中の酸素濃度に比例し、広域で且つリニアな空燃比信号を出力する空燃比センサ１７が配置されている。
【００２５】吸入空気量センサ２から得られる吸入空気量を示す出力信号と、スロットルセンサ４からの出力信号と、冷却水温センサ１４、クランク角センサ１３ａ，１３ｂ及び空燃比センサ１７等からの各出力信号は、エンジン制御手段としてのエンジン制御装置（コントロールユニットＣ／Ｕ）１１に入力される。
【００２６】エンジン制御装置（コントロールユニットＣ／Ｕ）１１は、車体あるいはエンジンルーム内に配置され、上述した種々のセンサから出力されるエンジン１００の運転状態を示す電気的な信号に基づき、所定の演算処理を行う。また、エンジン制御装置（コントロールユニットＣ／Ｕ）１１は、運転状態に最適な制御を行うべく、燃料を噴射供給するインジェクタ１の開閉、点火プラグ１２の駆動及びアイドル時のエンジン回転数を目標回転数になるようにコントロールするアイドルスピードコントロールバルブ（ＩＳＣ）５の開閉を行う信号を各々出力するための燃料噴射量設定手段、燃料噴射時期設定手段及び点火時期設定手段を有している。これら燃料噴射量設定手段、燃料噴射時期設定手段及び点火時期設定手段の詳細については、後述する。
【００２７】さらに、エンジン制御装置（コントロールユニットＣ／Ｕ）１１は、燃料ポンプ２２の他、可変バルブタイミング機構である吸気側ＶＶＴ機構１０ａ及び排気側ＶＶＴ機構１０ｂを、後述する第一〜第三の弁開閉時期設定値に基づいて制御する弁制御手段を備えている。さらにまた、エンジン制御装置（コントロールユニットＣ／Ｕ）１１は、各気筒９の吸気行程とインジェクタ１の燃料噴射のタイミングとを合わせて各気筒９毎に燃料噴射を行うべく制御する。
【００２８】また、エンジン制御装置（コントロールユニットＣ／Ｕ）１１は、上述した燃料噴射量設定手段、燃料噴射時期設定手段及び点火時期設定手段を構成するために、入出力インターフェイスとしてのＩ／Ｏ、演算処理装置ＭＰＵ、多数の制御プログラムを記憶させた記憶装置（ＲＡＭ及びＲＯＭ）、タイマーカウンター等を備えている。すなわち、燃料噴射量設定手段は、検出された吸入空気量及び設定された空燃比に基づいてインジェクタ１から各気筒９に供給すべき要求燃料量を算出するとともに、要求燃料量と、インジェクタ１の噴射量特性である流量傾斜及び無効噴射パルス幅とに基づいて要求噴射パルス幅（インジェクタ１の開弁時間）を演算し、さらに要求噴射パルス幅に基づいてインジェクタ１に噴射パルスの時間分の開弁を行わせる。
【００２９】また、燃料噴射時期設定手段は、吸入空気量及びエンジン回転数等に基づき、インジェクタ１の噴射時期を演算してエンジン１００の吸気行程に同期させるとともに、吸気行程中の燃料噴射時期を後述する最適なタイミングに設定する。さらに、そのタイミングに基づいてインジェクタ１の他、吸気側ＶＶＴ機構１０ａ及び排気側ＶＶＴ機構１０ｂを駆動する手段であるオイルコントロールバルブ（ＯＣＶ）２３ａ，２３ｂ等のアクチュエータに駆動信号を出力する。さらにまた、点火時期設定手段は、そのタイミングに基づいて点火プラグ１２の点火時期を設定する。
【００３０】なお、エンジン制御装置（コントロールユニットＣ／Ｕ）１１は、燃料噴射時期設定手段のロバスト性を向上させるために、後述するエンジン１００の燃焼安定性を示す回転変動指標を演算する回転変動指標演算手段をも備えている。
【００３１】エンジン制御装置（コントロールユニットＣ／Ｕ）１１は、スロットルセンサ４からの出力信号と、冷却水温センサ１４、クランク角センサ１３ａ，１３ｂ等の各種センサからの検出信号及びエンジン回転数信号等を取り込み、取り込んだ検出信号に基づき演算し、吸気弁６及び排気弁７の開閉タイミングの変更を行う吸気側ＶＶＴ機構１０ａ及び排気側ＶＶＴ機構１０ｂと、これらを駆動するオイルコントロールバルブ（ＯＣＶ）２３ａ，２３ｂに駆動信号を出力する。
【００３２】吸気弁６を所定の位置で開閉させるための吸気側カム軸２４ａと、排気弁７を所定の位置で開閉させるための排気側カム軸２４ｂとは、図示しないタイミングベルト等を介してクランク軸に駆動連結される。吸気側カム軸２４ａには油圧駆動式の吸気側ＶＶＴ機構１０ａが配設され、排気側カム軸２４ｂには同様な排気側ＶＶＴ機構１０ｂが配設されている。吸気側ＶＶＴ機構１０ａ及び排気側ＶＶＴ機構１０ｂは、それぞれオイルコントロールバルブ（ＯＣＶ）２３ａ，２３ｂにより、図示しないソレノイドバルブによる油圧制御に従い調整される。さらに、吸気側ＶＶＴ機構１０ａ及び排気側ＶＶＴ機構１０ｂの動作により吸気側カム軸２４ａ及び排気側カム軸２４ｂがクランク軸に対して遅角側あるいは進角側に回動することで、吸気弁６又は排気弁７の開閉位置が変化する。
【００３３】また、吸気側カム軸２４ａ及び排気側カム軸２４ｂに配設されたクランク角センサ１３ａ，１３ｂにより、それぞれのカム軸の実際の回転位置を検出することもできる。
【００３４】図２は、上述した吸気弁６及び排気弁７の開閉位置と、それぞれのリフト量と、クランク軸に対するそれぞれの吸気行程及び排気行程との関係を示したものである。図２から分る通り、排気側ＶＶＴ機構１０ｂにより排気弁７を最遅角位置に対して進角側へ制御し、吸気側ＶＶＴ機構１０ａにより吸気弁６を最遅角位置に対して進角側へ制御することで、排気弁７及び吸気弁６の開閉位置を任意に変化させることができ、さらに排気弁７の閉弁位置と吸気弁６の開弁位置とのオーバーラップ量も変化させることができる。
【００３５】図３（ａ），（ｂ）は、エンジンの始動時及び始動後におけるエンジン回転数の挙動と、触媒前のＨＣの濃度との関係を示したものである。一般的に、エンジンの冷間始動時においては、安定した始動性の確保が優先されるようになっている。よって、図３（ａ）に示すように、始動時においては、主に燃料量が固定値をベースとした制御値となる他、点火時期も固定値をベースとした制御値で制御される。そのため、排出されるＨＣの量は、図３（ｂ）に示すように、エンジン始動後に多く排出され、その排出濃度はエンジンの燃焼状態にもよるが、燃料量や点火時期等を適正化しても、ピーク値Ｐ１が５０００ｐｐｍｃ〜１００００ｐｐｍｃに達してしまう。このようなことから、始動時においてのＨＣの排出量の抑制方法は、燃料量と点火時期との制御のみでは難しいといえる。
【００３６】図４及び図５は、エンジンの始動時において、排気弁７の閉弁位置と吸気弁６の開弁位置とを排気側ＶＶＴ機構１０ｂ及び吸気側ＶＶＴ機構１０ａにより変化させたときのＨＣ濃度との関係を求めたものである。また、図４は、排気弁７の閉弁位置をＴＤＣ（上死点，Ｅ１）点に固定して吸気弁６の開弁位置を変化させた場合を示すものである。図５は、吸気弁６の開弁位置を、図４における最適値とした場合に、排気弁７の閉弁位置を変化させた場合を示すものである。
【００３７】すなわち、エンジンから排出されるＨＣ濃度は、吸気弁６の開弁位置と排気弁７の閉弁位置とによるオーバラップを持たせると増加する傾向にあり、ＨＣ濃度が最少となる吸気弁６の開弁位置は（Ａ１）点として求められる。次に、吸気弁６の開弁位置を（Ａ１）点に固定とした場合に、排気弁７の閉弁位置を変化させると、ＨＣ濃度が最少となる排気弁７の閉弁位置は（Ｅ２）点として求められる。
【００３８】以上のように、排気側ＶＶＴ機構１０ｂ及び吸気側ＶＶＴ機構１０ａを変化させた場合、エンジンの始動時におけるＨＣ濃度が最少となる吸気弁６の閉弁位置と排気弁７の開弁位置とクランク回転位置との関係、すなわち第一の弁開閉時期設定値としての最適位置（Ａ１），（Ｅ２）点が求められる。これは、エンジンの燃焼状態に応じた適性位置で吸気弁６の閉弁位置と排気弁７の開弁位置とを設定するものであり、オーバラップ量よりも、クランク回転位置との絶対位置関係そのものが影響することを示している。ただし、これらの最適位置（Ａ１），（Ｅ２）点はエンジンの燃焼の素性（ＨＣ発生要因）によっても異なるものである。
【００３９】また、本実施の形態では、吸気弁６の閉弁位置と排気弁７の開弁位置との双方を独立に制御できる排気側ＶＶＴ機構１０ｂ及び吸気側ＶＶＴ機構１０ａの場合を示したが、吸気弁６のみを吸気側ＶＶＴ機構１０ａによって制御する場合、図４に示した排気弁７の閉弁位置（Ｅ１）点を所定の位置の固定し、同様にＨＣ排出濃度が最少となる吸気弁６の閉弁位置である（Ａ１）点を求めるようにしてもよい。
【００４０】一方、エンジンの始動後、すなわち安定した始動性を確保した後においては、エンジン回転の安定性を維持できる範囲であれば、点火時期を遅角することと同様に、吸気弁６の閉弁位置と排気弁７の開弁位置を操作して、後燃えを促進させ、排ガス温度を高温に維持することで、図１に示した触媒コンバータ２５の早期活性化も可能である。
【００４１】図６（ａ）〜（ｃ）は、エンジンの冷間始動時のアイドル状態における点火時期遅角量と、触媒前ＨＣの濃度と、排気温度と、発生トルクとの関係を示したものである。一般的にエンジンの冷間始動後のアイドルにおいては、図６（ａ），（ｂ）に示すように、点火時期遅角（リタード）量（Ｃ１点）を増加した方が、触媒前のＨＣ濃度が減少し、排気温度が上昇する。ただし、同一回転数を維持するには、空気量を増加する必要があるが、空気量を増加しても、図６（ｃ）に示す発生トルクは遅角しない場合よりも低下する。これは点火時期を遅角することで燃焼開始が遅くなり、筒内で燃焼されなかった未燃ＨＣが図１の排気管１９内に排出された後、排気管１９内の酸素と反応し自己着火して燃焼する、いわゆる「後燃え」によるものである。
【００４２】図７及び図８は、エンジンの始動後において、排気弁７の閉弁位置と吸気弁６の開弁位置を排気側ＶＶＴ機構１０ｂ及び吸気側ＶＶＴ機構１０ａによって変化させたときの触媒前ＨＣ濃度と、触媒前排気温度との関係を示すものである。また、図７は、排気弁７の閉弁位置をＴＤＣ（上死点付近，Ｅ２）点に固定して吸気弁６の開弁位置を変化させた場合を示している。図８は、吸気弁６の開弁位置を、図７における最適値（Ａ３）とした場合に、排気弁７の閉弁位置を変化させた場合を示している。
【００４３】図７では、触媒前排気温度が高く、且つＨＣ濃度を抑制できる吸気弁６の開弁位置は（Ａ３）点として求められる。次に、図８では、吸気弁６の開弁位置を（Ａ３）点に固定した場合、排気弁７の閉弁位置を変化させると、触媒前排気温度が高く、且つＨＣ濃度を抑制できる排気弁７の閉弁位置は（Ｅ３）点として求められる。
【００４４】これは、吸気弁６の閉弁位置と、排気弁７の開弁位置と、クランク回転位置との関係を最適化することにより、筒内での燃焼ガスが吸気ポート側に吹き返された後、筒内に再度流入されることによる内部ＥＧＲ量が増加することで、点火の遅角による燃焼の開始遅れに加え、燃焼速度がさらに緩慢になり、「後燃え」が促進され、排ガス温度がより高温で維持される状態が形成されるためと考えられる。ただし、この場合、点火時期の遅角のみを実施した場合に比較して、発生トルクがさらに低下する傾向にあるため、外乱に対するエンジンの安定性を確保しておく必要がある。
【００４５】以上のように、排気側ＶＶＴ機構１０ｂ及び吸気側ＶＶＴ機構１０ａを変化させた場合、エンジンの始動後における触媒前ＨＣ濃度を抑制できる吸気弁６の閉弁位置と、排気弁７の開弁位置と、クランク回転位置との関係、すなわち第二の弁開閉時期設定値としての最適位置（Ａ３），（Ｅ３）点が求められる。これは、オーバラップ量よりも、クランク回転位置との絶対位置関係そのものが影響することを示している。これらの最適位置（Ａ３），（Ｅ３）点は、エンジンの燃焼の素性（ＨＣ発生要因）によっても異なる。
【００４６】また、本実施の形態では、吸気弁６の閉弁位置と排気弁７の開弁位置との双方を独立に制御できる排気側ＶＶＴ機構１０ｂ及び吸気側ＶＶＴ機構１０ａの場合を示したが、吸気弁６のみを吸気側ＶＶＴ機構１０ａで制御する場合は、図７に示す排気弁閉弁位置（Ｅ２）点を所定の位置の固定し、同様にＨＣ排出濃度が最少となる吸気弁６の閉弁位置（Ａ３）を求めるようにする。
【００４７】次に、エンジンの始動時は、第一の弁開閉時期設定値によって制御することで、安定した始動性の確保とＨＣの排出量の抑制との両立を行い、またエンジンの始動後は、点火時期を遅角し、さらに第二の弁開閉時期設定値によって制御することで、後燃えを促進させ、図１の触媒コンバータ２５の早期活性化を図るための具体的方法について説明する。
【００４８】まず、図９に、エンジンの始動からの経過時間を横軸として、エンジン回転数、触媒前ＨＣ濃度、点火時期遅角（リタード）制御量、吸気弁開位置、排気弁閉位置を示す。始動時（ａ）点までの区間においては、吸気弁開位置と排気弁閉位置とはぞれぞれ上述した第一の弁開閉時期設定値によって制御され、始動性が確保される。この間のＨＣ排出量である触媒前ＨＣ濃度は、最大でＰ１の濃度に抑制される。
【００４９】一方、エンジンの始動後は、まず区間（ａ）〜（ｂ）点において、第一の弁開閉時期設定値により点火リータド量を制御し、点火時期を所定値まで徐々に遅角することによってエンジンの安定性を確保し、さらに後燃えによる触媒前のＨＣ量の抑制と、排ガス温度を高温に維持するための操作に移る。次に、（ｂ）点で遅角の完了を判定（Ｒ１に達したことを判定）した後、（ｃ）点までは吸気弁開位置と排気弁閉位置とをぞれぞれ上述した第二の弁開閉時期設定値まで段階的に制御し、（ｃ）点以降は第二の弁開閉時期設定値で制御し、さらに後燃えによる操作を促進することで、触媒コンバータ２５の早期活性化を図ることができる。
【００５０】ここで、上述した冷却水温センサ１４によって検出されるエンジンの始動時におけるエンジン温度が所定範囲以内で、且つ低回転低負荷運転状態又は始動後所定期間の間の少なくとも一方においてのみ設定することもできる。すなわち、たとえば、エンジン温度の条件を２０℃以上において行うようにすることで、極低温時の暖機途上の運転性悪化を防止することができる。また、アイドル放置状態にのみ触媒コンバータ２５の早期活性化の操作を行うようにし、全加速状態(始動後即発進加速時)あるいはアイドル放置が長時間経過した場合(３０秒以上等)は、運転状態に適した第三の弁開閉時期設定値で制御するようにする。図９ではアイドル放置状態のとき、始動後の経過時間がｔ１（ｓ）を越える（ｅ）点で、第三の弁開閉時期設定値での制御に移行する状態を示している。
【００５１】図１０は、アイドル放置状態から加速に移行した状態を示している。すなわち、図１０は、図９の（ｃ）点での遅角の完了を判定した後、第二の弁開閉時期設定値で制御しているときに、（ｃ）’点で加速状態を検出した場合を示している。この例では、加速を検出すると、点火時期のリタードを解除方向に制御するとともに、運転状態に適した第三の弁開閉時期設定値で、（ｄ）’点までは段階的にあるいはステップ的のどちらかを選択的に制御するようにしたものであり、たとえば全開加速時にはステップ的に、あるいは緩加速時には段階的に、それぞれ運転状態に応じてスムースな移行を行うようにしている。
【００５２】図１１は、エンジンの燃焼安定性を示す回転変動指標を演算する回転変動指標演算手段により、図９における（ｂ）点と同様に、遅角の完了を判定した後、回転変動指標に応じて第一と第二の弁開閉時期設定値との間で所定量に制御するようにした場合を示すものである。
【００５３】また、図１１は、エンジンの始動からの経過時間を横軸として、エンジン回転数、触媒前ＨＣ濃度、点火時期遅角制御量、吸気弁開位置、排気弁閉位置を示している。すなわち、（ｂ）点で遅角の完了を判定した後、吸気弁開位置と排気弁閉位置とはぞれぞれ上述した第二の弁開閉時期設定値で制御し、さらに後燃えによる操作を促進させることで、触媒コンバータ２５の早期活性化を図るようにしている。
【００５４】ここで、本実施の形態では、燃焼安定性を示す回転変動指標を演算するための回転変動指標演算手段による演算結果が第一の弁開閉時期設定値よりも大きい（変動小）と判定された場合、第一段階として、（ｆ）点より排気弁７の操作を、第一と第二の弁開閉時期設定値の中間点である第一点まで（回転変動指標が減少する方向）所定量だけ戻す。さらに同様に、回転変動指標が第二の弁開閉時期設定値よりも大きい（変動大）と判定された場合は、第二段階として、（ｇ）点よりバルブタイミングの操作を、第一の弁開閉時期設定値まで段階的に戻すと同時に、点火時期リタード量についても、Ｒ１値から０までの中間点Ｒｘまで進角方向へ段階的に戻し、回転変動指標が減少する方向へ制御する。
【００５５】次に、区間（ｅ）点では始動後の経過時間をチェックし、始動後ｔ１（ｓ）以上経過した場合は、バルブタイミングと点火時期を通常の制御状態、すなわち吸気弁開位置及び排気弁閉位置はぞれぞれ第三の弁開閉時期設定値まで段階的に戻す。
【００５６】以上のような制御により、点火時期の遅角とバルブタイミングの操作により、トルクの低下を伴うような状態であっても、点火時期の遅角とバルブタイミングを回転変動指標に基づいて操作することで、外乱に対するエンジンの安定性を確保でき、エンジン回転数の極端な低下やエンストに至る等の問題を改善できる。
【００５７】また、（ｆ）点より、一旦、回転変動指標が大きい（変動小）と判定され、バルブタイミングの操作を、第一と第二の弁開閉時期設定値の中間点である第一点で制御した場合、それ以降の所定時間の間、回転変動指標が大きくならなければ、吸気弁開位置と排気弁閉位置とは、ぞれぞれ再度第二の弁開閉時期設定値まで段階的に戻されるように制御することもできる。
【００５８】また、一旦回転変動を生じて、弁開閉時期が第二から第一設定値側に移行し、さらに点火時期のリタード量が解除側へ制御された場合でも、エンジンが安定していれば、再度、弁開閉時期を第二の弁開閉時期設定値側、点火時期リタード量をＲ１側へ制御することができるため、触媒コンバータ２５の早期活性化を図る方向への制御をやり直すことができる。
【００５９】次に、以上のような構成の内燃機関の制御装置の動作について説明する。まず、図１２は、点火時期の遅角とバルブタイミングの操作を行う制御フローチャトであり、図１３は、点火時期の設定動作を示す制御フローチャートである。なお、以下の制御フローチャートにおける演算処理は、たとえば１０ｍｓ毎としている。
【００６０】ステップ１０００では、エンジン回転数（たとえば６００ｒ／ｍｉｎを継続して越えている状態が１００ｍｓ間等）等により、エンジンが始動状態か否かを判定する。始動時と判定された場合は、ステップ１０１０へ進み、エンジン回転数、エンジン負荷等の運転状態のパラメータの変化幅及び変化率等により、定常状態が所定時間継続しているか否かを判定し、継続していると判定された場合、第一の弁開閉時期設定値をセットし、ステップ１０２０に進む。ステップ１０２０では、始動時の点火時期をセットしてステップ１４００へ進む。
【００６１】一方、ステップ１０００で始動後と判定された場合は、ステップ１１００へ進む。ステップ１１００では、スロットル開度の変化量、空気量の変化量、充填効率の変化量等の運転状態のパラメータにより加速の状態か否かを判定し、加速と判定された場合はステップ１１１０へ進み、加速でないと判定された場合、すなわちアイドル放置状態である場合はステップ１１５０へ進む。
【００６２】ステップ１１１０では、第三の弁開閉時期設定値をセットし、ステップ１１２０へ進む。ステップ１１２０では、通常時の点火時期をセットしてステップ１４００へ進む。
【００６３】ステップ１１５０では、始動後の経過時間をチェックし、始動後ｔ１（ｓ）以上経過した場合はステップ１１１０へ進み、バルブタイミングと点火時期を通常の制御状態に設定する。ステップ１１５０でｔ１（ｓ）経過前と判定された場合はステップ１２００へ進む。
【００６４】ステップ１２００では、点火時期の遅角を完了したか否かを判定し、点火時期の遅角を終了していない場合は、ステップ１２１０で点火リタード量Ｒ１をセットし、ステップ１４００へ進む。ステップ１２００で時期の遅角を終了している場合はステップ１２５０へ進み、第二の弁開閉時期設定値をセットしステップ１３００へ進む。
【００６５】ステップ１３００以降は、回転変動指標演算手段による回転変動指標の大きさにより、弁位置と点火リタード量の制御量を変更するフローである。すなわち、ステップ１３００で、回転変動指標が第１しきい値より大きい（変動小）と判定された場合は、第一段階としてステップ１３１０へ進み、回転変動指標が第１しきい値より小さい（変動なし）と判定された場合は、ステップ１４００へ進む。
【００６６】ステップ１３１０では、弁開閉時期設定値を上述した第一の弁開閉時期設定値と第二の弁開閉時期設定値との間で制御する。たとえば回転変動指標が所定値を越える毎に、所定量ずつ弁開閉時期を第一と第二の間で変化させるように設定し、回転変動指標が小さくなる方向へ制御されるような弁開閉時期で設定される。
【００６７】次に、ステップ１３５０へ進み、回転変動指標が第２しきい値より大きい（変動大）と判定された場合は、第一段階としてステップ１３６０へ進み、回転変動指標が第２しきい値より小さい（変動小）と判定された場合はステップ１４００へ進む。
【００６８】ステップ１３６０では、点火リタード量を０〜Ｒ１の間であるＲｘで制御する。たとえば回転変動指標が所定値を越える毎に、所定量ずつ点火リタード量を減量してＲｘを設定し、回転変動指標が小さくなる方向へ制御されるような弁開閉時期で設定する。
【００６９】次に、ステップ１４００では、弁開閉時期設定値と実際の弁開閉位置とを比較し、設定値＝実際の制御値となるまでは、ステップ１４１０によって、実際の弁変化幅を制限し、ステップ的な変化あるいは段階的な変化かを運転状態に応じて選択的に設定するようにする。
【００７０】また、ステップ１３００及び１３５０において、回転変動指標の変化が大きい場合、回転変動指標が小さくなる方向へ制御されるような弁開閉時期及び点火時期で設定されるが、一旦、回転変動指標が小さくなる方向へ制御された後に、所定時間の間、それ以上に回転変動指標が大きくならなければ、再度、弁開閉時期及び点火時期を元の変更する前の設定値に戻すように制御することもできる。
【００７１】また、以上のような制御により、一旦、回転変動を生じて、弁開閉時期が第二から第一の弁開閉時期設定値側、及び点火時期のリタード量が解除側へ制御された場合でも、エンジンが安定していれば、再度、弁開閉時期を第二の弁開閉時期設定値側、点火時期リタード量をＲ１側へ制御することができるため、触媒コンバータ２５の早期活性化を図る方向への制御をやり直すことができる。
【００７２】次に、図１３により、点火時期の設定動作について説明する。なお、以下のフローチャートに示す演算処理は、たとえば気筒基準信号（ＲＥＦ）の入力毎の周期等で繰り返し行われるものである。
【００７３】まず、図１２のステップ１４００までに演算された点火時期設定値と、他の補正量演算値等から、ステップ２０００で最終的な点火時期設定値を演算する。ステップ２１００では、設定値＝実際の制御値であるかを判定し、設定値＝実際の制御値となるまではステップ２２５０で１点火毎の変化幅を制限し、ステップ的な変化あるいは段階的な変化かを運転状態に応じて選択的に設定できるようにしてステップ２２００に進む。ステップ２２００では、実際の点火時期制御量をセットしてルーチンを終了し、点火の動作を行う。
【００７４】このように、本実施の形態では、吸気弁６又は排気弁７の少なくとも一方の弁開閉時期を可変にするための可変バルブタイミング機構である吸気側ＶＶＴ機構１０ａ及び排気側ＶＶＴ機構１０ｂと、エンジンの始動及び始動後を検出する運転状態検出手段であるクランク角センサ１３ａ，１３ｂと、運転状態検出手段による検出結果に応じて可変バルブタイミング機構の動作を含めたエンジンの駆動を制御するエンジン制御手段とを備え、エンジン制御手段の弁制御手段により、運転状態検出手段により始動と検出されている間、第一の弁開閉時期設定値で可変バルブタイミング機構を制御し、運転状態検出手段により始動後と検出されたとき、点火時期設定手段により、第一の弁開閉時期設定値による制御を維持し、点火プラグ１２による点火時期を所定値まで遅角させるとともに、さらに弁制御手段により遅角の完了を判定してから、第二の弁開閉時期設定値で可変バルブタイミング機構を所定量に制御するようにした。
【００７５】これにより、エンジンの始動と検出されている間は、ＨＣの排出量の抑制が可能な第一の弁開閉時期設定値による吸気弁６の閉弁位置と、排気弁７の開弁位置と、クランク回転位置との関係によって、安定した始動性の確保とＨＣの排出量の抑制との両立が図れる。また、エンジンの始動後と検出されたときには、第一の弁開閉時期設定値を維持し、点火時期を所定値まで徐々に遅角することによってエンジンの安定性を確保し、遅角の完了を判定してから、第二の弁開閉時期設定値による吸気弁６の閉弁位置と、排気弁７の開弁位置と、クランク回転位置との関係で制御することにより、後燃えによる触媒コンバータ前のＨＣ量の抑制と、排ガス温度を高温に維持することによる触媒コンバータ２５の早期活性化の両立が図れる。
【００７６】また、本実施の形態では、エンジン制御手段は、エンジンの燃焼安定性を示す回転変動指標を演算する回転変動指標演算手段を備え、弁制御手段は、遅角の完了を判定した後、回転変動指標に応じて第一の弁開閉時期設定値と第二の弁開閉時期設定値との間で可変バルブタイミング機構を所定量に制御するようにした。
【００７７】これにより、点火時期の遅角とバルブタイミングの操作により、トルクの低下を伴うような状態であっても、点火時期の遅角とバルブタイミングを回転変動指標に基づいて操作することで、外乱に対する機関の安定性を確保でき、エンジン回転数の極端な低下やエンストに至る等の問題をコストアップすることなく改善できる。
【００７８】また、本実施の形態では、運転状態検出手段は、エンジンの温度を検出する冷却水温センサ１４を有し、弁制御手段は、検出された始動時におけるエンジンの温度が所定範囲以内で、且つエンジンが低回転低負荷運転状態又は始動後所定期間の間の少なくとも一方においてのみ、第二の弁開閉時期設定値で可変バルブタイミング機構を制御するようにした。
【００７９】また、本実施の形態では、運転状態検出手段は、エンジンの加速を検出するクランク角センサ１３ａ，１３ｂを備え、弁制御手段は、検出された始動時におけるエンジン温度が所定範囲以内で、且つ加速状態と検出されていないときにおいてのみ、第二の弁開閉時期設定値で可変バルブタイミング機構を制御するようにした。
【００８０】また、本実施の形態では、エンジン制御手段は、第一、第二の弁開閉時期設定値での状態ではないと判定したとき、弁制御手段に対し第三の弁開閉時期設定値で可変バルブタイミング機構を制御させるようにした。
【００８１】また、本実施の形態では、エンジン制御手段は、第一、第二、第三の弁開閉時期設定値への移行時に、弁制御手段に対し、段階的移行あるいはステップ的移行の何れかをエンジンの運転状態に応じて選択的に指示し、可変バルブタイミング機構を制御させるようにした。
【００８２】これにより、極低温雰囲気ではエンジンのトルク及び安定性を確保しつつ、エンジンの触媒コンバータ２５の早期活性化を図る制御の実施条件を、運転状態検出手段による検出結果に応じて選択的に行うことができる。また、エンジン温度に限らず、低回転低負荷以外、あるいは加速状態を検出した場合には、点火時期の遅角とバルブタイミングの操作によりエンジンの触媒コンバータ２５の早期活性化を図る制御を中止する方向へ制御して、排気温度の過度な上昇を防止し、バルブタイミングの操作をトルク感や運転性を重視した第三の弁開閉時期設定値により制御することができる。
【００８３】
【発明の効果】以上の説明から理解できるように、本発明の内燃機関の制御装置は、内燃機関の冷間時の始動時及び始動後において触媒コンバータ前のＨＣの発生量を抑制することができ、しかも始動後は機関の安定性を欠くことなく、早期に触媒コンバータを活性化させることができる低コストな内燃機関の制御装置を提供することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５１０８
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
【識別番号】０００２３２９９９
【氏名又は名称】株式会社日立カーエンジニアリング
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| 【出願日】 |
平成１２年２月２９日（２０００．２．２９） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９１０９６
【弁理士】
【氏名又は名称】平木 祐輔
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| 【公開番号】 |
特開２００１−２４１３４０（Ｐ２００１−２４１３４０Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年９月７日（２００１．９．７） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−５３３７０（Ｐ２０００−５３３７０） |
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