JP2006170172A - 内燃機関のバルブ特性制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料の噴射回数に即した制御態様をもって好適に暖機運転時における排気バルブの閉弁時期の遅角量を制御することのできる内燃機関のバルブ特性制御装置を提供する。
【解決手段】排気バルブのバルブ特性のうち少なくとも閉弁時期を変更可能な可変バルブ機構を備えるとともに機関の１サイクルにおける燃料の噴射回数が変更される内燃機関にあって、バルブ特性制御装置は、暖機運転時における排気バルブの閉弁時期を遅角側に変更する。この遅角側への変更に際して、２回噴射が実行されるときには（Ｓ１１０：ＹＥＳ）、２回噴射用マップに基づいて排気バルブの排気側目標変位角ＶＴＴｅｘを算出する（Ｓ１２０）。一方、１回噴射が実行されるときには（Ｓ１１０：ＮＯ）、１回噴射用マップに基づいて排気バルブの排気側目標変位角ＶＴＴｅｘを算出する（Ｓ１３０）。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関のバルブ特性制御装置に関するものである。

内燃機関では、触媒によって排気成分の浄化を行うようにしているが、機関暖機時などのように同触媒が低温状態にあるときには、その浄化性能を十分に発揮することができない。そこで、触媒を早期に昇温させるための触媒暖機制御が種々行われている。

例えば、燃焼室に直接燃料を噴射供給することのできる筒内噴射式の内燃機関では、点火時期の遅角、吸入空気量の増量による空燃比のリーン化、圧縮行程後半での燃料噴射の実行等を行うことで燃焼ガスの温度を高くすることができる。そこでこのような内燃機関では、機関暖機時の燃料噴射時期を圧縮行程後半に設定して排気温度を上昇させることにより、触媒を早期に昇温させるようにしている。

他方、機関暖機時において燃焼室から排気通路に排出されるＨＣ（炭化水素）の量を低減するための制御も種々行われている。
例えば、特許文献１に記載の装置では、機関暖機時における排気バルブの閉弁時期を遅角側に変更してバルブオーバラップ量を増大させることにより、排気通路に排出された排気を再び燃焼室に吸入し、この吸入された排気に含まれる未燃ＨＣを次の燃焼行程で再燃焼させることで、ＨＣの排出量を低減するようにしている。
特開２００３−１２０３４８号公報

上述したような態様で触媒の暖機制御が行われる内燃機関において、圧縮行程後半に噴射される燃料の量が過度に増大すると点火プラグ周辺の空燃比が過剰にリッチ化し、混合気の燃焼状態が悪化するようになる。そこで、このような場合には、燃料噴射を複数回に分割して実施することにより、点火プラグ周辺の空燃比が適切なものになるようにしている。ただし、分割噴射される燃料噴射量のいずれかが燃料噴射弁の最低噴射量（噴射量を制御できる最低量）を下回っている場合には分割噴射を行うことができないため、非分割噴射が行われ、圧縮行程後半に全ての燃料が噴射される。なお、機関負荷や機関回転速度等に基づいて設定される燃料噴射量が、点火プラグ周辺の空燃比を過剰にリッチ化させるほどの量ではない場合にも上記非分割噴射は行われる。

ところで、上述したような内燃機関、すなわち機関の１サイクル（吸入行程、圧縮行程、燃焼・膨張行程、排気行程といった一連のサイクル）中における燃料の噴射回数が変更される内燃機関では、その噴射回数に応じて混合気の燃焼状態は異なるようになる。そのため、上述したような排気バルブ閉弁時期の遅角制御を実施する場合には、同噴射回数に応じて最適な遅角量も異なるようになる。しかし、従来の遅角制御は、そのような噴射回数の変化に対応していないため、上記内燃機関において排気バルブの閉弁時期を遅角制御する場合には更なる改良を要するものとなっている。

この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、燃料の噴射回数に即した制御態様をもって好適に暖機運転時における排気バルブの閉弁時期の遅角量を制御することのできる内燃機関のバルブ特性制御装置を提供することにある。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、排気バルブのバルブ特性のうち少なくとも閉弁時期を変更可能な可変バルブ機構を備えるとともに機関の１サイクルにおける燃料の噴射回数が変更される内燃機関に適用され、該機関の暖機運転時における前記閉弁時期を遅角側に変更するバルブ特性制御装置において、暖機運転時の前記噴射回数に基づいて前記閉弁時期の遅角態様を変更する遅角量設定手段を備えることをその要旨とする。

同構成によれば、暖機運転時の燃料噴射回数が変更される場合であっても、その燃料噴射回数に基づいて排気バルブの閉弁時期の遅角態様が変更される。すなわち、噴射回数の相違による燃焼状態の違いに対応させて上記遅角態様を変更することができる。そのため、燃料の噴射回数に即した制御態様をもって好適に暖機運転時における排気バルブの閉弁時期の遅角量を制御することができるようになる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関のバルブ特性制御装置において、前記遅角量設定手段は、前記噴射回数が少なくなるほど前記遅角量が小さくなるように前記遅角態様を変更することをその要旨とする。

機関の１サイクル中に噴射される燃料量が同一であっても、燃料の噴射回数が少なくなるほど１回に噴射される燃料量は多くなり、点火プラグ周辺の空燃比はリッチ化しやすくなるため、混合気の燃焼状態は悪化しやすくなる傾向にある。この点、上記構成によれば、噴射回数が少なくなるほど、すなわち燃焼状態が悪化しやすくなるほどバルブオーバラップ量が減少して内部ＥＧＲ量は減量されるようになるため、噴射回数が変更されても燃焼状態を好適に維持することができるようになる。また、逆に、噴射回数が多くなるほど、すなわち燃焼状態が良好になるほど排気バルブ閉弁時期の遅角量は大きくされるため、燃焼室に再び吸入される未燃ＨＣの量を増大させることができるようになる。そのため、ＨＣの排出量をより一層低減することができるようになる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の内燃機関のバルブ特性制御装置において、前記遅角量設定手段は、前記噴射回数にそれぞれ対応した前記閉弁時期の遅角量設定マップを有し、これら各マップに基づいて前記遅角量を設定することをその要旨とする。

同構成によれば、燃料の噴射回数にそれぞれ対応した遅角量設定マップによって排気バルブ閉弁時期の遅角量が設定される。そのため、同閉弁時期の遅角態様を噴射回数に基づいて確実に変更することができるようになる。

請求項４に記載の発明は、請求項２または３に記載の内燃機関のバルブ特性制御装置において、前記遅角量は機関の冷却水温に応じて設定されることをその要旨とする。
排気バルブの閉弁時期の遅角量を大きくすると、燃焼室に再吸入される未燃ＨＣの量を増大させることができる一方、内部ＥＧＲ量が増大するために混合気の燃焼状態は不安定になりやすい。逆に、排気バルブの閉弁時期の遅角量を小さくすると、燃焼室に再吸入される未燃ＨＣの量は減少するものの、内部ＥＧＲ量が減少するために混合気は良好な状態で燃焼されやすくなる。

ここで、機関の暖機運転時において冷却水温が低いときには混合気の燃焼が不安定になりやすいため、このようなときには冷却水温の上昇に合わせて上記遅角量を大きくすることで、低温時における混合気の燃焼状態を安定させるとともにＨＣの排出量を低減することができるようになる。

一方、同暖機運転時において冷却水温がある程度高いときには、触媒が活性化状態にあることや燃焼ガスの温度が高いことなどに起因してＨＣの排出量は減少するようになる。そのため、このようなときには冷却水温の上昇に合わせて上記遅角量を小さくするようにしても十分にＨＣの排出量を低減することができるとともに、遅角量の減少による内部ＥＧＲ量の減量によって混合気をより良好な状態で燃焼させることができるようになる。

このように排気バルブの閉弁時期の遅角量についてその最適な値は、機関の冷却水温と密接な関係にある。そこで上記請求項４に記載の構成によるように、排気バルブの閉弁時期の遅角量を機関の冷却水温に応じて設定するようにすることで、燃料の噴射回数に応じて変更されるそれぞれの遅角態様において、排気バルブ閉弁時期の遅角量を適切に設定することができるようになる。そして、これによりＨＣの排出量を好適に低減したり、混合気を良好な状態で燃焼させたりすることができるようになる。

請求項５に記載の発明は、請求項２〜４のいずれか１項に記載の内燃機関のバルブ特性制御装置において、前記遅角量は機関の外部負荷の度合に応じて設定されることをその要旨とする。

エアコンディショナ用コンプレッサの駆動時や電気負荷増大時等といった機関の外部負荷増大時には機関の運転状態が不安定になりやすい。このようなときに排気バルブ閉弁時期の遅角量を増大させると、内部ＥＧＲ量の増大によって混合気の燃焼状態は悪化しやすくなり、同運転状態はさらに不安定になってしまうおそれがある。この点上記構成によれば、燃料の噴射回数に応じて変更されるそれぞれの遅角態様において、外部負荷の度合に応じた遅角量が設定されるため、そのような運転状態の不安定化を抑えることができるようになる。なお、同構成においては、機関の外部負荷の度合が大きくなるほど、遅角量が小さくなるようにこれを設定することが望ましい。

請求項６に記載の発明は、請求項２〜５のいずれか１項に記載の内燃機関のバルブ特性制御装置において、前記遅角量は機関始動時からの経過時間に応じて設定されることをその要旨とする。

混合気を良好な状態で燃焼させるために内部ＥＧＲ量を減少させる、すなわち排気バルブ閉弁時期の遅角量が小さくされる場合には、排気通路に排出されるＨＣの量が増大するようになる。ここで、機関始動時からの時間が経過するにつれて触媒の温度は上昇し、その浄化性能も高められていくため、このような場合には上記遅角量を小さくしても、触媒によってＨＣを浄化することができる。そこで、上記請求項６に記載の構成によるように、機関始動時からの経過時間に応じて排気バルブ閉弁時期の遅角量を設定するようにすると、触媒の浄化性能に応じた遅角量を設定することができるようになる。そのため、同構成によれば、燃料の噴射回数に応じて変更されるそれぞれの遅角態様において、ＨＣの排出量増大を抑えつつ、混合気の燃焼状態を良好なものにすることができるようになる。なお、同構成においては、機関始動時からの経過時間が長くなるほど、遅角量が小さくなるようにこれを設定することが望ましい。

以下、この発明にかかる内燃機関のバルブ特性制御装置を具体化した一実施形態について、図１〜図４に基づいて詳細に説明する。
図１は、本実施形態にかかる内燃機関のバルブ特性制御装置が適用されるガソリン機関１の概略構成を示している。

ガソリン機関１のシリンダブロック２は複数のシリンダ３を備えている。上記シリンダ３内に設けられたピストン４は、クランクシャフト５にコンロッド６を介して連結されている。このコンロッド６によりピストン４の往復運動がクランクシャフト５の回転運動へと変換されるようになっている。また、シリンダブロック２には、機関の冷却水温（水温ＴＨＷ）を検出する水温センサ４３が取り付けられている。

上記シリンダブロック２の上部には、シリンダヘッド７が取り付けられている。そして、上記シリンダ３においてピストン４の上端とシリンダヘッド７との間には、燃焼室８が形成されている。また、シリンダヘッド７には、燃焼室８内に燃料を直接噴射するインジェクタ１６や点火プラグ１１が設けられている。上記燃焼室８に対応して設けられた吸気ポート１２及び排気ポート１３は、それぞれ吸気通路１４及び排気通路１５に接続されている。

上記燃焼室８に対応して設けられた吸気バルブ１７及び排気バルブ１８は、前記吸気ポート１２及び排気ポート１３をそれぞれ開閉する。同吸気バルブ１７及び排気バルブ１８は、それぞれ吸気カムシャフト３１及び排気カムシャフト３２の回転に伴い、吸気カムシャフト３１及び排気カムシャフト３２にそれぞれ設けられたカムが回転することによって開閉動作する。吸気カムシャフト３１及び排気カムシャフト３２の先端に各々設けられたタイミングプーリ３３、３４は、タイミングベルト３５を介してクランクシャフト５に駆動連結されており、クランクシャフト５が２回転すると各タイミングプーリ３３、３４が１回転するようになっている。そして、ガソリン機関１の運転時には、クランクシャフト５の回転力はタイミングベルト３５及び各タイミングプーリ３３、３４を介して吸気カムシャフト３１及び排気カムシャフト３２に伝達される。こうして、吸気バルブ１７、及び排気バルブ１８はクランクシャフト５の回転に同期して、すなわち各ピストン４の往復移動に対応して所定のタイミングで開閉駆動される。

また、クランクシャフト５に近接してクランク角センサ４１が設けられている。このクランク角センサ４１は、クランクシャフト５の回転位相（クランク角）を検出しており、またその検出結果に基づいてガソリン機関１（クランクシャフト５）の機関回転速度ＮＥが検出される。また、吸気カムシャフト３１に近接して吸気側カム角センサ４２ａが設けられており、同吸気側カム角センサ４２ａ及びクランク角センサ４１の出力信号に基づいて吸気カムシャフト３１の回転位相（カム角）が検出される。同様に、排気カムシャフト３２に近接して排気側カム角センサ４２ｂが設けられており、同排気側カム角センサ４２ｂ及びクランク角センサ４１の出力信号に基づいて排気カムシャフト３２の回転位相（カム角）が検出される。

前記点火プラグ１１にはイグナイタから出力される高電圧が印加される。点火プラグ１１の点火タイミングは、イグナイタからの高電圧出力タイミングにより決定される。そして、ガソリン機関１は、吸気通路１４からの吸入空気とインジェクタ１６から噴射された燃料とからなる混合気を点火プラグ１１にて点火し、燃焼室８内で爆発させて機関出力を得る。また、このときに発生する燃焼ガスは排気通路１５へ排出され、触媒７０にて浄化される。

前記吸気通路１４の一部には、吸気の脈動を抑えるためのサージタンク５１が設けられている。サージタンク５１の上流側には、アクセルペダルの操作に基づいて開度が変更されるスロットルバルブ５３が設けられており、このスロットルバルブ５３の開度を変更することにより燃焼室８内へ吸入される空気量が調節されるようになっている。また、スロットルバルブ５３の近傍には同スロットルバルブ５３の開度を検出するスロットル開度センサ５４が取り付けられている。また、上記スロットルバルブ５３の上流側には、ガソリン機関１に吸入される吸入空気量ＧＡに応じた出力が得られるエアフロメータ５５が設けられている。

上記吸気カムシャフト３１に設けられたタイミングプーリ３３には、可変バルブ機構である吸気バルブタイミング可変機構６０ａが設けられている。また、排気カムシャフト３２に設けられたタイミングプーリ３４にも可変バルブ機構である排気バルブタイミング可変機構６０ｂが設けられている。

この吸気バルブタイミング可変機構６０ａは、クランクシャフト５に対するタイミングプーリ３３と吸気カムシャフト３１との相対回転位相を変更することで、吸気バルブ１７のバルブタイミングを連続的に変更する機構である。また、排気バルブタイミング可変機構６０ｂは、クランクシャフト５に対するタイミングプーリ３４と排気カムシャフト３２との相対回転位相を変更することで、排気バルブ１８のバルブタイミングを連続的に変更する機構である。

また、上記ガソリン機関１には、エアコンディショナ用のコンプレッサ９０ａ、オルタネータ９０ｂ、オイルポンプ９０ｃ、ウォータポンプ９０ｄ等といったクランクシャフト５の回転を利用して駆動される種々の補機類９０が取り付けられている。

上記ガソリン機関１の点火時期制御、燃料噴射量制御、あるいは各バルブタイミング機構の位相制御に基づくバルブタイミングの制御等の各種制御は、制御装置（以下、ＥＣＵという）８０によって行われる。この制御装置８０は中央処理制御装置（ＣＰＵ）を備えるマイクロコンピュータを中心として構成されている。例えば制御装置８０には、各種プログラムやマップ等を予め記憶した読出専用メモリ（ＲＯＭ）、ＣＰＵの演算結果等を一時記憶するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）が設けられている。また制御装置８０には、演算結果や予め記憶されたデータ等を機関停止後も保存するためのバックアップＲＡＭ、入力インターフェース、出力インターフェース等も設けられている。そして、クランク角センサ４１、吸気側カム角センサ４２ａ、排気側カム角センサ４２ｂ、水温センサ４３、スロットル開度センサ５４、及びエアフロメータ５５等からの出力信号が前記入力インターフェースを通じて入力されるようになっている。これら各センサ４１〜４３、５４、５５等の出力信号により、ガソリン機関１の運転状態が検出される。

一方、出力インターフェースは、各々対応する駆動回路等を介してインジェクタ１６、点火プラグ１１用のイグナイタ、吸気バルブタイミング可変機構６０ａや排気バルブタイミング可変機構６０ｂの駆動アクチュエータ等に接続されている。

そして、制御装置８０は上記各センサ４１〜４３、５４、５５等からの信号に基づき、ＲＯＭ内に格納された制御プログラム及び初期データに従い、上記インジェクタ１６、イグナイタ、吸気バルブタイミング可変機構６０ａや排気バルブタイミング可変機構６０ｂの駆動アクチュエータ等を好適に制御する。

上記制御装置８０は、吸気バルブタイミング可変機構６０ａの駆動制御を通じて吸気バルブ１７のバルブタイミング制御を行う。こうした吸気バルブ１７のバルブタイミング制御では、同吸気バルブ１７の実バルブタイミングが機関運転状態に基づいて設定される目標バルブタイミングとなるように吸気バルブタイミング可変機構６０ａが駆動される。ここで、吸気バルブ１７の実バルブタイミングとしては吸気カムシャフト３１の実際の変位角である吸気側実変位角ＶＴｉｎが用いられ、吸気バルブ１７の目標バルブタイミングとしては吸気カムシャフト３１の目標変位角である吸気側目標変位角ＶＴＴｉｎが用いられる。そして、吸気側実変位角ＶＴｉｎと吸気側目標変位角ＶＴＴｉｎとの偏差ΔＶＴｉｎに応じて吸気バルブタイミング可変機構６０ａの駆動がフィードバック制御されることにより、吸気バルブ１７のバルブタイミングは目標バルブタイミングに調整される。

同様に、上記制御装置８０は、排気バルブタイミング可変機構６０ｂの駆動制御を通じて排気バルブ１８のバルブタイミング制御を行う。こうした排気バルブ１８のバルブタイミング制御では、同排気バルブ１８の実バルブタイミングが機関運転状態に基づいて設定される目標バルブタイミングとなるように排気バルブタイミング可変機構６０ｂが駆動される。ここで、排気バルブ１８の実バルブタイミングとしては排気カムシャフト３２の実際の変位角である排気側実変位角ＶＴｅｘが用いられ、排気バルブ１８の目標バルブタイミングとしては排気カムシャフト３２の目標変位角である排気側目標変位角ＶＴＴｅｘが用いられる。そして、排気側実変位角ＶＴｅｘと排気側目標変位角ＶＴＴｅｘとの偏差ΔＶＴｅｘに応じて排気バルブタイミング可変機構６０ｂの駆動がフィードバック制御されることにより、排気バルブ１８のバルブタイミングは目標バルブタイミングに調整される。

なお、上記の各バルブタイミング制御で用いられる変位角とは、クランクシャフトに対するカムシャフトの相対回転位相を表す値であって、その変化角度はクランク角度（°ＣＡ）に換算されている。上記吸気側実変位角ＶＴｉｎは、クランク角センサ４１及び吸気側カム角センサ４２ａからの検出信号に基づき求められる。吸気側実変位角ＶＴｉｎは、吸気バルブ１７のバルブタイミングが最大限遅角されているときに「０°ＣＡ」とされるものであり、この最大遅角タイミングから吸気バルブ１７のバルブタイミングがどれだけ進角されているかを表す値となっている。

また、上記排気側実変位角ＶＴｅｘは、クランク角センサ４１及び排気側カム角センサ４２ｂからの検出信号に基づき求められる。この排気側実変位角ＶＴｅｘは、排気バルブ１８のバルブタイミングが最大限進角されているときに「０°ＣＡ」とされるものであり、この最大進角タイミングから排気バルブ１８のバルブタイミングがどれだけ遅角されているか、換言すれば排気バルブ１８の閉弁時期がどれだけ遅角されているかを表す値となっている。

他方、本実施形態におけるガソリン機関１では、機関の冷間始動に際して触媒７０の排気浄化性能を早期に発揮させるべく、触媒の急速暖機制御が実施される。この触媒急速暖機制御では、圧縮行程後半（例えば２５°ＢＴＤＣ）での燃料噴射、吸入空気量の増大による燃料噴射量の増大、及び点火時期の遅角を実施することによって排気温度の上昇を図り、これにより触媒７０を早期に活性化させるようにしている。

なお、圧縮行程後半に噴射される燃料量が過度に増大すると点火プラグ１１周辺の空燃比が過剰にリッチ化し、混合気の燃焼状態が悪化するようになる。そこで、このような場合には、燃料噴射を複数回に分割して実施することにより、点火プラグ１１周辺の空燃比が適切なものになるようにしている。例えば、本実施形態では、圧縮行程前半（１８０°ＢＴＤＣ）及び圧縮行程後半（３０°ＢＴＤＣ）に分けて燃料が２回噴射される。ただし、燃料噴射量はある程度あるものの同燃料噴射量を分割すると、分割された燃料噴射量がインジェクタ１６の最低噴射量（噴射量を制御できる最低量）を下回ってしまうようなときには、噴射量を調整することができなくなる。そのため、このようなときには非分割噴射（１回噴射）が行われ、圧縮行程後半に全ての燃料が噴射される。また、圧縮行程後半に全ての燃料を噴射しても点火プラグ１１周辺の空燃比を適切なものにすることができる場合にも、非分割噴射が行われる。

このように分割噴射を行うか、非分割噴射を行うかは、機関の１サイクル（吸入行程、圧縮行程、燃焼・膨張行程、排気行程といった一連のサイクル）中における１気筒への総燃料噴射量Ｑによって基本的に決定される。なお、暖機運転時の上記総燃料噴射量Ｑは、吸入空気量ＧＡや機関回転速度ＮＥ等といった機関負荷率Ｌに基づいて算出される基本燃料噴射量を、水温ＴＨＷ等に基づいて算出される暖機増量補正係数及び始動後増量補正係数によって補正することで算出される。

また、上記触媒急速暖機制御が実行されるときには、排気通路１５に排出されるＨＣの量を減少させるために、吸入空気量の増量による混合気の空燃比のリーン化と、排気バルブ１８のバルブタイミングの遅角側への変更とが同時に行われる。この空燃比のリーン化によって未燃ＨＣの酸化が促進されるとともに、燃焼ガスの高温化が図られる。また、排気バルブ１８のバルブタイミングを遅角する、すなわち同排気バルブ１８のバルブ特性の１つである閉弁時期を遅角側に変更してバルブオーバラップ量を増大させると、排気通路１５に排出された排気が再び燃焼室８に吸入されるようになる。そのため、排気中に含まれている未燃ＨＣは次の燃焼行程で再燃焼され、これによりＨＣの排出量が低減される。

ところで、機関の１サイクル中における燃料の噴射回数が変更されると、その噴射回数に応じて混合気の燃焼状態は異なるようになるため、排気バルブ１８の閉弁時期の遅角制御を実施する場合には、同噴射回数に応じて最適な遅角量も異なるようになる。

この点、上記特許文献１に記載の装置では冷却水温に基づいて排気バルブ閉弁時期の基本遅角量を設定するようにしているため、このような設定態様では適切な遅角量を設定することはできない。すなわち、暖機運転時の機関回転速度ＮＥはフリクションの影響によってばらつくため、冷却水温が同一であっても上記機関負荷率Ｌはばらつくようになる。そのため、機関負荷率Ｌに基づいて算出される上記基本燃料噴射量も変化し、これにより総燃料噴射量Ｑも変化するようになる。従って、冷却水温が同一であっても分割噴射を行うか非分割噴射を行うかを特定することはできず、混合気の燃焼状態に応じた最適な遅角量を設定することができない。従って、冷却水温に基づいて排気バルブ閉弁時期の遅角量を設定する場合には、噴射回数が変更されても良好な燃焼状態を維持できる程度の小さい遅角量を設定せざるを得ない。このように、従来の遅角制御は燃料の噴射回数の変化に対応していないため、上記ガソリン機関１において排気バルブ１８の閉弁時期を遅角制御する場合には更なる改良を要するものとなっている。

そこで、本実施形態では、以下に説明する目標変位角設定処理を実行することにより、燃料の噴射回数に即した制御態様をもって、好適に暖機運転時における排気バルブ１８の閉弁時期の遅角量を制御するようにしている。

図２は、制御装置８０によって実行される排気バルブの目標変位角設定処理についてその手順を示している。なお、本処理は、上記触媒急速暖機制御の実行中に、すなわち機関の暖機運転時に繰り返し実行される。また、この処理は上記遅角量設定手段を構成している。

本処理が開始されると、まず、水温ＴＨＷ、始動後時間ＳＴ、及び外部負荷率Ａが読み込まれる（Ｓ１００）。始動後時間ＳＴは、機関始動時からの経過時間を示す値であって上記制御装置８０によって随時更新されている。また、外部負荷率Ａは、上記補機類９０の駆動などに利用される機関出力の度合、すなわち機関の外部負荷の度合を示す値であって、例えばコンプレッサ９０ａが駆動されるときや電気負荷が増大したときなどにはその値は大きくされる。

次に、現在の燃料噴射態様が２回噴射（分割噴射）実行時か否かが判断される（Ｓ１１０）。そして、２回噴射実行時であるときには（Ｓ１１０：ＹＥＳ）、水温ＴＨＷ、始動後時間ＳＴ、及び外部負荷率Ａに基づき、上記ＲＯＭに記憶された２回噴射用マップから排気側目標変位角ＶＴＴｅｘが算出される（Ｓ１２０）。

一方、２回噴射実行時でないとき、すなわち１回噴射（非分割噴射）実行時には（Ｓ１１０：ＮＯ）、水温ＴＨＷ、始動後時間ＳＴ、及び外部負荷率Ａに基づき、上記ＲＯＭに記憶された１回噴射用マップから排気側目標変位角ＶＴＴｅｘが算出される（Ｓ１３０）。このステップＳ１２０またはステップＳ１３０の処理により、燃料の噴射回数に応じた排気側目標変位角ＶＴＴｅｘ、すなわち排気バルブ閉弁時期の遅角量Ｒについてその目標値が設定され、本処理は一旦終了される。そして排気側実変位角ＶＴｅｘが、ステップＳ１２０またはステップＳ１３０で算出された排気側目標変位角ＶＴＴｅｘとなるように排気バルブタイミング可変機構６０ｂの駆動は制御され、排気バルブ閉弁時期の実遅角量は、燃料の噴射回数に応じた量にされる。

次に、上記２回噴射用マップ及び１回噴射用マップの設定態様について、図３を併せ参照して説明する。
この図３の（Ａ）は、水温ＴＨＷに基づいて排気バルブ１８の閉弁時期の遅角量Ｒ（すなわち排気側目標変位角ＶＴＴｅｘ）を設定するためのマップ態様を示している。図３の（Ｂ）は、外部負荷率Ａに基づいて同遅角量Ｒを設定するためのマップ態様を示している。そして図３の（Ｃ）は、始動後時間ＳＴに基づいて同遅角量Ｒを設定するためのマップ態様を示している。また、図３の（Ａ）〜（Ｃ）では、２回噴射用のマップ態様を実線にて、１回噴射用のマップ態様を一点鎖線にて示している。

まず、図３の（Ａ）〜（Ｃ）において実線及び一点鎖線にて示されるように、１回噴射実行時（一点鎖線）には２回噴射実行時（実線）に比べて、同一の条件であっても上記遅角量Ｒが小さくなるように、１回噴射用マップ及び２回噴射用マップはそれぞれ設定されている。すなわち、燃料の噴射回数が少なくなるほど遅角量Ｒが小さくなるように、その噴射回数に応じて遅角態様が変更されるが、これは次の理由による。

すなわち、機関の１サイクル中に噴射される燃料量が同一であっても、燃料の噴射回数が少なくなるほど１回に噴射される燃料量は多くなり、点火プラグ１１周辺の空燃比はリッチ化しやすくなるため、混合気の燃焼状態は悪化しやすくなる傾向にある。この点、燃料の噴射回数が少なくなるほど遅角量Ｒが小さくなるように設定すれば、噴射回数が少なくなるほど、すなわち燃焼状態が悪化しやすくなるほどバルブオーバラップ量が減少して内部ＥＧＲ量は減量されるようになるため、噴射回数が変更されても燃焼状態を好適に維持することができるようになるからである。また、このような設定態様とすれば、噴射回数が多くなるほど、すなわち燃焼状態が良好になるほど排気バルブ閉弁時期の遅角量Ｒは大きくなるため、燃焼室８に再び吸入される未燃ＨＣの量を増大させることができるようになり、ＨＣの排出量をより一層低減することができるようになるからである。

次に、１回噴射用マップ及び２回噴射用マップにおいて、遅角量Ｒを水温ＴＨＷに応じて設定する理由を説明する。
排気バルブ１８の閉弁時期の遅角量Ｒを大きくすると、燃焼室８に再吸入される未燃ＨＣの量を増大させることができる一方、内部ＥＧＲ量が増大するために混合気の燃焼状態は不安定になりやすい。逆に、排気バルブ１８の閉弁時期の遅角量Ｒを小さくすると、燃焼室８に再吸入される未燃ＨＣの量は減少するものの、内部ＥＧＲ量が減少するために混合気は良好な状態で燃焼されやすくなる。

ここで、機関の暖機運転時において水温ＴＨＷが低いときには混合気の燃焼が不安定になりやすいため、このようなときには水温ＴＨＷの上昇に合わせて上記遅角量Ｒを大きくすることで、低温時における混合気の燃焼状態を安定させるとともにＨＣの排出量を低減することができるようになる。そこで、図３の（Ａ）に実線にて示されるように、水温ＴＨＷがある温度ＴＨ１に達するまで、水温ＴＨＷの上昇に伴って遅角量Ｒは大きくなるように２回噴射用マップは設定されている。一方、１回噴射実行時は基本的に総燃料噴射量Ｑが少なく、このようなときに排気バルブ１８の閉弁時期を遅角すると、機関の運転状態が不安定になるおそれがある。そこで本実施形態では、図３の（Ａ）に一点鎖線にて示されるように、上記温度ＴＨ１よりも高い温度ＴＨ２に達するまで、遅角量Ｒが「０」に設定されるように１回噴射用マップは設定されている。なお、この温度域での１回噴射用マップを２回噴射用マップと同様な態様で設定することもできる。

一方、同暖機運転時において水温ＴＨＷがある程度高いときには、触媒７０が活性化状態にあることや燃焼ガスの温度が高いことなどに起因してＨＣの排出量は減少するようになる。そのため、このようなときには水温ＴＨＷの上昇に合わせて上記遅角量Ｒを小さくするようにしても十分にＨＣの排出量を低減することができるとともに、遅角量Ｒの減少による内部ＥＧＲ量の減量によって混合気をより良好な状態で燃焼させることができるようになる。そこで、図３の（Ａ）に実線にて示されるように、水温ＴＨＷが温度ＴＨ１や温度ＴＨ２よりも高い温度ＴＨ３に達した後は、水温ＴＨＷの上昇に伴って遅角量Ｒは小さくなるように２回噴射用マップは設定されている。また、図３の（Ａ）に一点鎖線にて示されるように、水温ＴＨＷが温度ＴＨ３よりも高い温度ＴＨ４に達した後は、水温ＴＨＷの上昇に伴って遅角量Ｒは小さくなるように１回噴射用マップは設定されている。

なお、図３の（Ａ）に実線にて示されるように、水温ＴＨＷが温度ＴＨ１から温度ＴＨ３の範囲にあるときには、水温ＴＨＷにかかわらず遅角量Ｒは一定の大きな値に設定されるように２回噴射用マップは設定されている。また、図３の（Ａ）に一点鎖線にて示されるように、水温ＴＨＷが温度ＴＨ２から温度ＴＨ４の範囲にあるときには、水温ＴＨＷにかかわらず遅角量Ｒは一定の大きな値に設定されるように１回噴射用マップは設定されている。

このように排気バルブ１８の閉弁時期の遅角量Ｒについてその最適な値は、水温ＴＨＷと密接な関係にあるため、排気バルブ１８の閉弁時期の遅角量Ｒを水温ＴＨＷに応じて設定するようにすることで、燃料の噴射回数に応じて変更されるそれぞれの遅角態様において、排気バルブ閉弁時期の遅角量Ｒを適切に設定することができるようになる。そして、これによりＨＣの排出量を好適に低減したり、混合気を良好な状態で燃焼させたりすることができるようになる。

ちなみに、本実施形態では、水温ＴＨＷにかかわらず遅角量Ｒが一定となる温度域を設けているが、水温ＴＨＷがある温度に達するまでは水温ＴＨＷの上昇に伴って遅角量Ｒを増大させ、そのある温度に達した後は水温ＴＨＷの上昇に伴って遅角量Ｒを減少させるようにしてもよい。また、温度ＴＨ１と温度ＴＨ２との大小関係、及び温度ＴＨ３と温度ＴＨ４との大小関係は一例であって、適宜変更することができる。

次に、１回噴射用マップ及び２回噴射用マップにおいて、遅角量Ｒを外部負荷率Ａに応じて設定する理由を説明する。
コンプレッサ９０ａの駆動時や電気負荷増大時等といった機関の外部負荷増大時には機関の運転状態が不安定になりやすい。このようなときに排気バルブ閉弁時期の遅角量Ｒを増大させると、内部ＥＧＲ量の増大によって混合気の燃焼状態は悪化しやすくなり、同運転状態はさらに不安定になってしまうおそれがある。そこで、図３の（Ｂ）に実線及び一点鎖線にて示されるように、外部負荷率Ａが大きくなるほど遅角量Ｒは小さくなるように２回噴射用マップ及び１回噴射用マップはそれぞれ設定されている。このような設定態様とすることで、外部負荷の度合に応じた遅角量Ｒが設定されるようになるため、外部負荷増大における機関の運転状態の不安定化を抑えることができるようになる。

次に、１回噴射用マップ及び２回噴射用マップにおいて、遅角量Ｒを始動後時間ＳＴに応じて設定する理由を説明する。
混合気を良好な状態で燃焼させるために内部ＥＧＲ量を減少させる、すなわち排気バルブ閉弁時期の遅角量Ｒが小さくされる場合には、排気通路１５に排出されるＨＣの量が増大するようになる。ここで、機関始動時からの時間が経過するにつれて触媒７０の温度は上昇し、その浄化性能も高められていくため、このような場合には上記遅角量Ｒを小さくしても、触媒７０によってＨＣを浄化することができる。そこで、図３の（Ｃ）に実線及び一点鎖線にて示されるように、始動後時間ＳＴが長くなるほど遅角量Ｒは小さくなるように２回噴射用マップ及び１回噴射用マップはそれぞれ設定されている。このように始動後時間ＳＴに応じて排気バルブ閉弁時期の遅角量Ｒを設定するようにすることで、触媒７０の浄化性能に応じた遅角量Ｒを設定することができるようになる。そのため、燃料の噴射回数に応じて変更されるそれぞれの遅角態様において、ＨＣの排出量増大を抑えつつ、混合気の燃焼状態を良好なものにすることができるようになる。

ちなみに、機関始動時からある程度時間が経過するまで、触媒７０は不活性状態にあるため、ＨＣの浄化を図ることができない。そのため、本実施形態では図３の（Ｃ）に実線及び一点鎖線にて示されるように、始動後時間ＳＴがある程度長くなるまで、始動後時間ＳＴにかかわらず遅角量Ｒが一定の大きな値となるようにして、未燃ＨＣの排出を抑制するようにしている。この他、始動後時間ＳＴがある程度長くなるまで、換言すれば触媒７０が不活性状態にある間は始動後時間ＳＴに対する遅角量Ｒの減少率を低く抑え、始動後時間ＳＴがある程度長くなった後、換言すれば触媒７０が活性状態になった後は、同減少率を増大させるようにしてもよい。また、機関始動直後から直ちに始動後時間ＳＴの増大に伴って遅角量Ｒが小さくなるように上記各マップを設定するようにしてもよい。

このように燃料の噴射回数に対応した遅角量設定マップが選択されるとともに、水温ＴＨＷ、外部負荷率Ａ、及び始動後時間ＳＴに基づいて遅角量Ｒが設定されることにより、そのときの機関運転状態に応じた適切な遅角量Ｒ、すなわち排気側目標変位角ＶＴＴｅｘが設定される。

次に、暖機運転時における上記目標変位角設定処理の実行を通じた排気側実変位角ＶＴｅｘの変化態様について図４を併せ参照して説明する。
この図４に示されるように、暖機運転中には、上記暖機増量補正係数及び始動後増量補正係数によって基本燃料噴射量は補正されており、総燃料噴射量Ｑは増量されているため、点火プラグ１１周辺の空燃比を良好なものとするべく上記２回噴射が実行される。そして、機関始動時からの時間が経過するとともに水温ＴＨＷが上昇するにつれて暖機増量補正係数及び始動後増量補正係数は小さくされること、また機関回転速度ＮＥを低下させるために吸入空気量ＧＡが減量されることなどにより、総燃料噴射量Ｑは徐々に減量されていく。そしてこの総燃料噴射量Ｑが２回噴射可能な量を下回ると（時刻ｔ１）、燃料の噴射態様が１回噴射に変更される。

上記２回噴射実行時の混合気の燃焼状態は、同じ量の燃料を１回噴射にて実施する場合と比較して燃焼状態が良好なものとなる。そのため、排気側実変位角ＶＴｅｘは２回噴射用マップに基づいて遅角側の大きな値に設定され、水温ＴＨＷの上昇や始動後時間ＳＴの増大等に伴ってその遅角量Ｒは徐々に小さくされていく。そして燃料の噴射態様が２回噴射から１回噴射に変更されると（時刻ｔ１）、排気側目標変位角ＶＴＴｅｘを設定するマップは、この燃料の噴射回数の変更にあわせて変更される。すなわち２回噴射用マップから１回噴射用マップに変更される。そして、１回噴射用マップに基づいて排気側目標変位角ＶＴＴｅｘは設定され、そのときの機関運転状態に適した遅角量Ｒとなるように排気側実変位角ＶＴｅｘは変更される。このように２回噴射用マップから１回噴射用マップに変更されると、同一の水温ＴＨＷ、外部負荷率Ａ、始動後時間ＳＴであっても遅角量Ｒがより小さくなるように排気側目標変位角ＶＴＴｅｘは設定されるため、排気側実変位角ＶＴｅｘは時刻ｔ１において急激に小さくされる。そしてその後は水温ＴＨＷの上昇や始動後時間ＳＴの増大等に伴って遅角量Ｒが徐々に小さくされていく。

以上説明したように、本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
（１）暖機運転時の燃料の噴射回数に基づいて排気バルブ１８の閉弁時期の遅角態様を変更するようにしている。そのため、暖機運転時の燃料噴射回数が変更される場合であっても、その燃料噴射回数に基づいて排気バルブ１８の閉弁時期の遅角態様が変更される。すなわち、噴射回数の相違による燃焼状態の違いに対応させて同遅角態様を変更することができるようになる。そのため、燃料の噴射回数に即した制御態様をもって好適に暖機運転時における排気バルブ１８の閉弁時期の遅角量を制御することができるようになる。

（２）燃料の噴射回数が少なくなるほど排気バルブ閉弁時期の遅角量Ｒが小さくなるように上記遅角態様を変更するようにしている。そのため噴射回数が変更されても燃焼状態を好適に維持することができたり、ＨＣの排出量をより一層低減したりすることができるようになる。

（３）燃料の噴射回数にそれぞれ対応した閉弁時期の遅角量設定マップを備え、これら各マップに基づいて上記遅角量Ｒを設定するようにしている。そのため、同噴射回数にそれぞれ対応した遅角量設定マップによって排気バルブ閉弁時期の遅角量Ｒを設定することができる。すなわち、同閉弁時期の遅角態様を噴射回数に基づいて確実に変更することができるようになる。

（４）排気バルブ１８の閉弁時期の遅角量Ｒについてその最適な値は、水温ＴＨＷと密接な関係にある。そこで上記実施形態では上記２回噴射用マップ及び１回噴射用マップにおいて、排気バルブ１８の閉弁時期の遅角量Ｒを水温ＴＨＷに応じて設定するようにしている。従って、燃料の噴射回数に応じて変更されるそれぞれの遅角態様において、排気バルブ閉弁時期の遅角量Ｒを適切に設定することができるようになる。

特に上記実施形態では水温ＴＨＷの低温時において、水温ＴＨＷの上昇に合わせて遅角量Ｒを大きくするようにしているため、そのような低温時における混合気の燃焼状態を安定させるとともにＨＣの排出量を低減することができるようになる。また、水温ＴＨＷの高温時において、水温ＴＨＷの上昇に合わせて遅角量Ｒを小さくするようにしているため、そのような高温時において混合気をより良好な状態で燃焼させることができるようになる。

（５）上記２回噴射用マップ及び１回噴射用マップにおいて、上記遅角量Ｒを機関の外部負荷の度合（外部負荷率Ａ）に応じて設定するようにしている。そのため、燃料の噴射回数に応じて変更されるそれぞれの遅角態様において、外部負荷の度合に応じた遅角量Ｒを設定することができ、機関運転状態の不安定化を抑えることができるようになる。特に上記実施形態では、外部負荷の度合が大きくなるほど、遅角量Ｒが小さくなるようにこれを設定するようにしているため、好適に機関運転状態の不安定化を抑えることができるようになる。

（６）上記２回噴射用マップ及び１回噴射用マップにおいて、上記遅角量Ｒを機関始動時からの経過時間（始動後時間ＳＴ）に応じて設定するようにしている。そのため、触媒７０の浄化性能に応じた遅角量Ｒを設定することができるようになり、燃料の噴射回数に応じて変更されるそれぞれの遅角態様において、ＨＣの排出量増大を抑えつつ、混合気の燃焼状態を良好なものにすることができるようになる。特に上記実施形態では、機関始動時からの経過時間が長くなるほど、遅角量Ｒが小さくなるようにこれを設定するようにしているため、ＨＣ排出量増大の抑制や混合気の良好な燃焼状態の維持を好適に図ることができるようになる。

なお、上記実施形態は以下のように変更して実施することもできる。
・上記実施形態では、水温ＴＨＷ、外部負荷率Ａ、及び始動後時間ＳＴといった各パラメータに基づいて遅角量Ｒ、すなわち排気側目標変位角ＶＴＴｅｘを設定するようにしたが、これら各パラメータのうち少なくともいずれか１つに基づいて遅角量Ｒ（排気側目標変位角ＶＴＴｅｘ）を設定するようにしてもよい。また、このようなパラメータとして、排気の温度や触媒７０の温度を利用するようにしてもよい。ちなみに、排気の温度や触媒７０の温度に基づく遅角量Ｒの設定態様は、上記始動後時間ＳＴに基づく遅角量Ｒの設定態様と同様にすればよい。

・上記実施形態において燃料噴射が分割されたときの噴射回数は２回であったが、噴射回数がこれ以上に分割される内燃機関にも同様な原理をもって本発明は実施することができる。すなわち、燃料の噴射回数に対応した遅角量Ｒの設定マップを備え、燃料の噴射態様に応じて選択されるマップに基づき遅角量Ｒを設定することにより、上記実施形態と同様な作用効果を得ることができる。ちなみに、噴射回数が３回以上に分割される場合には、必ずしもその噴射回数に応じた遅角量設定マップをそれぞれ備える必要はなく、必要最低限のマップを備えるようにしてもよい。

・遅角量ＲをＲＯＭ内に記憶されたマップではなく、関数式によって求めるようにしてもよい。
・触媒急速暖機制御の実行に併せて上記目標変位角設定処理を実行するようにしたが、少なくとも機関の暖機運転時に排気バルブ１８の閉弁時期を遅角側に変更する場合において同目標変位角設定処理を実行するようにすれば、上記実施形態と同様な作用効果を得ることができる。

・上記実施形態では、排気バルブ１８のバルブタイミングを表す値として変位角を用いた。しかしながら、これは一例であって、排気バルブ１８の閉弁時期を表す他のパラメータを用いてもよい。

・上記可変バルブ機構は、吸気バルブ１７や排気バルブ１８といった機関バルブのバルブタイミングを変更する機構であった。しかし、本発明にかかるバルブ特性制御装置の適用対象となる可変バルブ機構は、そのような可変バルブ機構に限定されるものではない。例えば、機関バルブのリフト量変更に併せて同時に機関バルブの閉弁時期が変更される可変バルブ機構にも適用可能である。

・上記ガソリン機関１は筒内噴射式の内燃機関であったが、吸気ポートに燃料が噴射される内燃機関であって燃料の噴射回数が変更される機関において、上述したような燃焼状態の変化が起きる場合にも上述したような態様で排気バルブの閉弁時期の遅角量を設定することにより、上記実施形態と同様な作用効果を得ることができる。

・上記実施形態では、吸気バルブ及び排気バルブのバルブ特性を変更可能な可変バルブ機構を備えるガソリン機関１に本発明にかかるバルブ特性制御装置を適用した。しかしながら、適用対象となる内燃機関はこのようなものに何ら限定するものではない。要は、排気バルブのバルブ特性のうち少なくとも閉弁時期を変更可能な可変バルブ機構を備えるとともに機関の１サイクルにおける燃料の噴射回数が変更される内燃機関であれば、上記実施形態及びその変形例にかかるバルブ特性制御装置は適用可能である。

本実施の形態にかかるバルブ特性制御装置が適用される内燃機関の概略構成図。 同実施形態における排気側の目標変位角設定についてその処理手順を示すフローチャート。 （Ａ）は、１回噴射用マップ及び２回噴射用マップにおいて、冷却水の水温に基づき排気バルブの閉弁時期の遅角量（すなわち排気側の目標変位角）を設定するためのマップ態様を示す概念図。（Ｂ）は、１回噴射用マップ及び２回噴射用マップにおいて、外部負荷率に基づき排気バルブの閉弁時期の遅角量（すなわち排気側の目標変位角）を設定するためのマップ態様を示す概念図。（Ｃ）は、１回噴射用マップ及び２回噴射用マップにおいて、始動後時間に基づき排気バルブの閉弁時期の遅角量（すなわち排気側の目標変位角）を設定するためのマップ態様を示す概念図。 暖機運転時における上記目標変位角設定処理の実行を通じた排気側実変位角の変化態様を示すタイムチャート。

符号の説明

１…ガソリン機関、２…シリンダブロック、３…シリンダ、４…ピストン、５…クランクシャフト、６…コンロッド、７…シリンダヘッド、８…燃焼室、１１…点火プラグ、１２…吸気ポート、１３…排気ポート、１４…吸気通路、１５…排気通路、１６…インジェクタ、１７…吸気バルブ、１８…排気バルブ、３１…吸気カムシャフト、３２…排気カムシャフト、３３、３４…タイミングプーリ、３５…タイミングベルト、４１…クランク角センサ、４２ａ…吸気側カム角センサ、４２ｂ…排気側カム角センサ、４３…水温センサ、５１…サージタンク、５３…スロットルバルブ、５４…スロットル開度センサ、５５…エアフロメータ、６０ａ…吸気バルブタイミング可変機構、６０ｂ…排気バルブタイミング可変機構、７０…触媒、８０……制御装置、９０…補機類（９０ａ…コンプレッサ、９０ｂ…オルタネータ、９０ｃ…オイルポンプ、９０ｄ…ウォータポンプ）。

Claims (6)

1. 排気バルブのバルブ特性のうち少なくとも閉弁時期を変更可能な可変バルブ機構を備えるとともに機関の１サイクルにおける燃料の噴射回数が変更される内燃機関に適用され、該機関の暖機運転時における前記閉弁時期を遅角側に変更するバルブ特性制御装置において、
   暖機運転時の前記噴射回数に基づいて前記閉弁時期の遅角態様を変更する遅角量設定手段を備える
   ことを特徴とする内燃機関のバルブ特性制御装置。
2. 前記遅角量設定手段は、前記噴射回数が少なくなるほど前記遅角量が小さくなるように前記遅角態様を変更する
   請求項１に記載の内燃機関のバルブ特性制御装置。
3. 前記遅角量設定手段は、前記噴射回数にそれぞれ対応した前記閉弁時期の遅角量設定マップを有し、これら各マップに基づいて前記遅角量を設定する
   請求項２に記載の内燃機関のバルブ特性制御装置。
4. 前記遅角量は機関の冷却水温に応じて設定される
   請求項２または３に記載の内燃機関のバルブ特性制御装置。
5. 前記遅角量は機関の外部負荷の度合に応じて設定される
   請求項２〜４のいずれか１項に記載の内燃機関のバルブ特性制御装置。
6. 前記遅角量は機関始動時からの経過時間に応じて設定される
   請求項２〜５のいずれか１項に記載の内燃機関のバルブ特性制御装置。

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