内燃機関の燃料噴射制御装置
【課題】始動時にバルブオーバーラップ期間を設ける構成において、水温と油温が異なる冷機始動時における燃焼室内のリーン化を抑制することを目的とする。
【解決手段】油圧式の可変動弁機構１０５と、油温検出手段２２０と、冷機始動中に油温に応じた速度で、バルブオーバーラップが付くように機関弁の開閉タイミングを変更する冷機時可変動弁制御手段２０１と、開閉タイミング変更時に壁流量の変化によるリッチ化を低減するために、開閉タイミングと冷却水温に応じて燃料噴射量を減量補正する燃料噴射制御手段２０１を備え、燃料噴射制御手段２０１は、冷機時の開閉タイミングの変更速度が速いことが想定される水温では、バルブオーバーラップが付く前に燃料噴射量の減量補正を行うと共に、冷機始動時において油温と冷却水温が異なる場合には、バルブオーバーラップ期間が生じる前の燃料噴射量の減量補正を禁止、または補正量を低減する。
【解決手段】油圧式の可変動弁機構１０５と、油温検出手段２２０と、冷機始動中に油温に応じた速度で、バルブオーバーラップが付くように機関弁の開閉タイミングを変更する冷機時可変動弁制御手段２０１と、開閉タイミング変更時に壁流量の変化によるリッチ化を低減するために、開閉タイミングと冷却水温に応じて燃料噴射量を減量補正する燃料噴射制御手段２０１を備え、燃料噴射制御手段２０１は、冷機時の開閉タイミングの変更速度が速いことが想定される水温では、バルブオーバーラップが付く前に燃料噴射量の減量補正を行うと共に、冷機始動時において油温と冷却水温が異なる場合には、バルブオーバーラップ期間が生じる前の燃料噴射量の減量補正を禁止、または補正量を低減する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変動弁機構を備える内燃機関の、冷機始動時における燃料噴射制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
吸気通路に燃料を噴射する内燃機関では、噴射した燃料の一部は吸気通路の壁面や吸気バルブに付着していわゆる壁流となり、当該サイクルにおいて燃焼室内に流入しない。そこで、壁流量の分だけ余分に噴射することで、燃焼室内に流入する燃料量を確保する技術が知られている。
【０００３】
ところで、壁流量は吸気通路の壁面等の温度によって変動する。そこで、特許文献１では、吸気通路壁面等の温度に相関のある冷却水温に応じて壁流量を予測し、この予測値に基づいて燃料噴射量の補正を行っている。すなわち、冷却水温に基づいて燃料噴射量の補正を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−９９０３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
出願人は油圧で作動する可変動弁機構を備え、冷機始動後に積極的に可変動弁機構作動させることでバルブオーバーラップ期間を設ける内燃機関を開発中である。バルブオーバーラップ期間を設けるのは、バルブオーバーラップ期間中に燃焼室から吸気通路へ吹き返す排気の熱を利用して、始動時に発生した壁流を気化させるためである。これにより、排気性能の向上を図っている。
【０００６】
しかし、冷機始動時にバルブオーバーラップ期間が無い状態からバルブオーバーラップ期間を付ける過渡時には、急激に壁流が気化することに伴い、燃焼室内の空燃比がリッチ側に変化してしまう。
【０００７】
そこで、上記の原因によるリッチ化を防止するために、過渡時のバルブオーバーラップ期間の変化に応じて壁流が気化する分だけ燃料噴射量を減量補正するように、実際のバルブオーバーラップ期間に応じた壁流補正を行うこととしている。これにより、冷機始動時に例えば、最遅角状態（マイナスオーバーラップ）から所定のオーバーラップ期間へ移行する過渡時に、実バルブオーバーラップ期間に応じて減量補正を行うので過渡時の壁流変化によるリッチ化を抑制できる。
【０００８】
ところで、冷機始動であっても、可変動弁機構の駆動源となる油温が低い場合（例えば−１０℃）には、制御性の悪化を考慮してバルブオーバーラップ期間の変更速度を遅くし、油温が比較的高い場合（例えば２５℃程度）はバルブオーバーラップ期間の変更速度を低温時に比して速くしている。
油温が低い場合は、バルブオーバラップ期間の変化速度が遅いので、実バルブオーバーラップに基いて過渡時の壁流補正を行えば良い。しかしながら、変化速度が速い場合には、オーバラップが実際に付いてから減量補正を行うのでは、燃料の輸送遅れにより減量補正が間に合わない。このためバルブオーバーラップ期間が０以下の値に対し、過渡時の減量補正が行われるようにしている。これにより、バルブオーバーラップの変化が早くても、実際にバルブオーバーラップが付く前から減量補正が行われるようになるため、壁流の急激な変化に対して過渡時の減量補正が適切に行われる。
実際には、過渡時の壁流補正は水温に基づいて実施するのであるが、油温が低いときと高いときとで始動時のバルブオーバーラップ制御の制御速度が異なるので、水温が低い始動時には、バルブオーバーラップ期間が実際に付いた領域で減量補正が行われるようになっており、水温が比較的高い始動時には、バルブオーバーラップ制御の制御速度に対する燃料の輸送遅れを考慮してバルブオーバーラップ期間が実際に付かない領域にも減量補正が行われるようになっている。
【０００９】
このように水温に応じて壁流補正を行うことを前提とした場合、通常の始動時であれば水温と油温は同じになっているので、燃料噴射量の減量補正は、特許文献１のように水温に基づいて行えば足りる。
【００１０】
しかし、例えば、暖機運転中に機関停止し、その後すぐに再始動する場合などは、比熱が小さな冷却水は温度が高い状態で、冷却水よりも比熱が大きな作動油は温度が低い状態で再始動することになる。
【００１１】
このように油温と水温が異なる状況で上述した冷却水温に基づく燃料噴射量の減量補正を行うと、冷却水温が２５℃付近での過渡時の減量補正では、バルブオーバーラップ制御の応答速度に対する燃料の輸送遅れを考慮して実際にバルブオーバーラップが付いていないところで減量補正を実施するのにも関わらず、油温に基づいて制御される可変動弁機構では実際にはバルブオーバーラップが付いていない状態に停滞する時間が長くなり、不必要な減量補正が行われて、要求される空燃比よりリーン化してしまう可能性がある。
【００１２】
そこで、本発明では、始動時にバルブオーバーラップ期間を設ける構成において、水温と油温が異なる冷機始動時における燃焼室内のリーン化を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の内燃機関の燃料噴射制御装置は、作動油により機関弁の開閉タイミングを変更し得る可変動弁機構と、作動油の油温を検出する油温検出手段と、冷機始動中に油温に応じた速度で、初期状態から所定のバルブオーバーラップが付くように機関弁の開閉タイミングを変更する冷機時可変動弁制御手段とを備え、機関弁の開閉タイミングの変更時に、壁流量の変化によるリッチ化を低減するために、機関弁の開閉タイミングと冷却水温に応じて燃料噴射量を減量補正する燃料噴射制御手段と、を備える。そして、燃料噴射制御手段は、冷機時の機関弁の開閉タイミングの変更速度が速いことが想定される水温では、バルブオーバーラップが付く前に燃料噴射量の減量補正を行うと共に、冷機始動時において油温と冷却水温が異なる場合には、バルブオーバーラップ期間が生じる前の燃料噴射量の減量補正を禁止、または補正量を低減する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料噴射制御手段は、冷機時の機関弁の開閉タイミングの変更速度が速いことが想定される水温では、バルブオーバーラップが付く前に燃料噴射量の減量補正を行うと共に、冷機始動時において油温と冷却水温が異なる場合には、バルブオーバーラップ期間が生じる前の燃料噴射量の減量補正を禁止、または補正量を低減する。したがって、可変動弁機構の作動中に燃料不足になることがなくなり、その結果、燃焼室内がリーン化することを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態を適用するエンジンシステムの構成図である。
【図２】吸気側可変動弁機構の構成の一例を示す図である。
【図３】燃料噴射量の減量補正を実行した場合のタイムチャートである。
【図４】燃料噴射量の減量補正を実行しない場合のタイムチャートである。
【図５】エンジンコントローラに格納されたバルブタイミング補正係数マップの一例である。
【図６】本発明が解決する課題を説明するためのタイムチャートである。
【図７】エンジンコントローラが実行する吸気側可変動弁機構の作動角制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図８】エンジンコントローラが実行する燃料噴射量制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１は、本発明の実施形態を適用するエンジンシステムの構成図である。
【００１８】
内燃機関１の吸気通路１０１には、スロットル弁１０２が設置されている。また、吸気通路１０１には、燃料供給用のインジェクタ１０３が設置されている。このインジェクタ１０３は、所定の当量比を達成するべく吸入空気量に応じて必要な量の燃料を噴射する。
【００１９】
吸気通路１０１のポート部１０１ａには、吸気弁１０４が設置され、後述する吸気カム軸により開閉駆動され、吸気弁１０４が開いている期間中に筒内に混合気が導入される。そして、吸気カム軸には吸気弁１０４の開閉タイミングを連続的に変更し得る吸気側可変動弁機構１０５が接続されている。
【００２０】
内燃機関１において、シリンダヘッドＨには、燃焼室の上部略中央に点火プラグ１０６が設置され、筒内に導入された混合気に対し点火が行われる。
【００２１】
燃焼後、発生した排気は、排気通路１０７に送り出される。排気通路１０７のポート部１０７ａには排気弁１０８が設置され、後述する排気カム軸により開閉駆動される。そして、排気カム軸には、排気弁１０８の開閉タイミングを連続的に変更し得る排気側可変動弁機構１０９が接続されている。そして、この排気弁１０８が開いている期間に、排気の送出が行われる。
【００２２】
ここで説明した吸気側可変動弁機構１０５、排気側可変動弁機構１０９及びスロットル弁１０２等の動作は、電子制御ユニットとして構成されるエンジンコントローラ（以下「ＥＣＵ」という。）２０１により制御される。
【００２３】
ＥＣＵ２０１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びＩ／Ｏインタフェースを有する。そして、アクセルペダルの踏込量（アクセル開度ＡＰＯを示す。）を検出するアクセル開度センサ２１１の検出信号、及びクランクシャフトの回転位置を検出するクランク角センサ２１２の検出信号が入力される。また、吸気通路１０１内の圧力（以下「吸気圧力」という。）Ｐｍを検出する吸気圧力センサ２１３の検出信号、吸気通路１０１内の温度Ｔｍを検出する吸気温度センサ２１４の検出信号、排気通路１０７内の圧力（以下「排気圧力」という。）Ｐｅを検出する排気圧力センサ２１５の検出信号が入力される。さらに、排気通路１０７内の温度Ｔｅを検出する排気温度センサ２１６の検出信号、吸入空気量を検出するエアフローメータ２１７の検出信号、冷却水温を検出する水温センサ２１８の検出信号、カム軸の回転角を検出するカム角センサ２１９の検出信号、油温を検出する油温センサ２２０の検出値等が入力される。
【００２４】
ＥＣＵ２０１は、入力した各種検出信号に基づいて、吸気側可変動弁機構１０５と、排気側可変動弁機構１０９と、スロットル弁１０２の動作の制御を行い、この他に筒内の残留ガス率を算出する。
【００２５】
図２は、吸気側可変動弁機構１０５の構成の一例を示す図である。なお、排気側可変動弁機構１０９も同様の構成である。
【００２６】
吸気側可変動弁機構１０５は、ソレノイドバルブ３１０を有し、ソレノイドバルブ３１０によって油路を切り替えて吸気側可変動弁機構１０５に供給される作動油量を調整して作動角θを制御する。
【００２７】
吸気側可変動弁機構１０５は、吸気カム軸３０１と、吸気カム軸３０１と同軸であってベルト又はチェーンを介して内燃機関１のクランク軸と同期回転するカム軸駆動用スプロケット（以下、「スプロケット」という）３０３と、を有し、油圧によってカム軸３０１とスプロケット３０３との相対位相角（作動角と言い、最遅角を０とし、進角側になるほど作動角が大となる）を変更することで、吸気弁１０４の開閉タイミングを進角または遅角制御する。
【００２８】
吸気カム軸３０１は、吸気カム軸３０１と一体回転する複数枚（図１中では３枚）のベーン３０２を備える。なお、機関運転時における吸気カム軸３０１の回転方向は、図１中で時計回り方向とする。
【００２９】
スプロケット３０３には、ベーン３０２の回転を許容する空間が設けられる。この空間がベーン３０２によって進角油圧室３０３Ａ及び遅角油圧室３０３Ｂに区画されている。
【００３０】
進角油圧室３０３Ａは進角油路４０３Ａを介して通路切り換え用のソレノイドバルブ４００に接続される。遅角油圧室３０３Ｂは遅角油路４０３Ｂを介して通路切り換え用のソレノイドバルブ４００に接続される。
【００３１】
また、ソレノイドバルブ４００には、進角油路４０３Ａ及び遅角油路４０３Ｂの他に、途中にオイルパン４０５の作動油を圧送するオイルポンプ４０１を設けたオイル供給路４０２と、オイルパン４０５に作動油を戻すドレン通路４０４と、が接続される。
【００３２】
上記のような構成の吸気側可変動弁機構１０５では、ソレノイドバルブ４００への通電量を制御して油路を切り替えることで、進角油圧室３０３Ａ及び遅角油圧室３０３Ｂへの油圧を適宜変更、保持し、作動角を変更、保持する。これにより、吸気側可変動弁機構１０５は、吸気弁１０４の開閉タイミング、つまりバルブタイミングを進角または遅角制御する。
【００３３】
なお、初期状態のバルブタイミングは最遅角の状態であり、図示しない捩じりスプリングによって初期状態を維持するための力が加わっている。すなわち、エンジンを停止する際には、油圧制御を停止させても捩じりスプリングによって最遅角の状態に戻るような力が加わる。
【００３４】
進角または遅角制御は、具体的には、ソレノイドバルブ４００への通電量を増大させると、通路Ａに切り替わり、オイルパン４０５の作動油が進角油路４０３Ａを通って進角油圧室３０３Ａに供給される。一方で、遅角油圧室３０３Ｂの作動油が、遅角油路４０３Ｂ及びドレン通路４０４を通ってオイルパン４０５に排出される。これにより、進角油圧室３０３Ａの油圧が相対的に高くなり、かつ、捩じりスプリングのばね力に抗してベーン３０２が回転することでバルブタイミングが進角する。
【００３５】
また、ソレノイドバルブ４００への通電量を減少させると、通路Ｂに切り替わり、オイルパン４０５内の作動油が、遅角油路４０３Ｂを通って遅角油圧室３０３Ｂに供給される。一方で、進角油圧室３０３Ａの作動油が、進角油路４０３Ａ及びドレン通路４０４を通ってオイルパン４０５に排出される。これにより、遅角油圧室３０３Ｂの油圧が高くなり、バルブタイミングが遅角する。
【００３６】
ソレノイドバルブ４００への通電量の制御は、ＥＣＵ２０１によって実行される。
【００３７】
ＥＣＵ２０１は、クランク角センサ２１２及びカム角センサ２１９に基づいてクランク角に対する進角量を算出し、この進角量を吸気側可変動弁機構１０５の現在の作動角（以下、「実バルブタイミング」という）θとしている。
【００３８】
具体的には、吸気カム軸３０１またはカム軸３０１に連結された部材に凸部または凹部の被検出部を設け、この被検出部をカム角センサ２１９で検出して吸気カム軸３０１の回転信号を出力し、このカム軸回転位置信号と、クランク角センサ２１２からの基準クランク角位置信号との位相差に基づいて実際の進角量を検出している。この進角量は、吸気カム軸３０１の回転がメカストッパで規制される基準位置（ここでは最遅角側の規制位置を基準位置とする）に対する進角量として検出するため、この基準位置の位相ズレを学習することで、バルブタイミング制御中は、学習された基準位置に対して実際の進角量（実作動角θnow、若しくは、実バルブタイミングθnow）を検出することとなる。そして、この実バルブタイミングθnowが、エンジンの運転条件に基づいて設定される目標バルブタイミングθcomに追従するように、ソレノイドバルブ４００への通電量を制御する。
【００３９】
なお、作動速度と作動油の油温には相関があり、油温が低いほど作動速度は遅い。油温が低くなると、目標バルブタイミングθcomに収束させるための制御性が悪化する。そこで、例えば−１０℃以下のような低油温時には、制御性を確保するために、例えば２５℃程度の常温時に比べて作動速度を遅くしている。
【００４０】
上記メカストッパとは、クランクシャフトに対する吸気カム軸３０１の相対位相角を機械的に規制するための機構である。つまり、バルブタイミングの最進角状態及び最遅角状態は、いずれも吸気カム軸３０１がメカストッパに当たった状態である。なお、図２は最遅角状態を示している。
【００４１】
次に、機関始動時における吸気側可変動弁機構１０５の動作及び燃料噴射制御について説明する。
【００４２】
吸気側可変動弁機構１０５は、機関始動後に後述する作動許可条件が成立したら、所定のバルブオーバーラップ期間となるように進角を開始する。これは、排気行程中に燃焼室から吸気通路１０１へ排気を吹き返させ、排気の熱によって吸気通路１０１の壁面や吸気弁１０４に付着した燃料、つまり壁流を気化させるためである。機関始動時には壁流となる分だけ余分に燃料噴射しており、特に冷機始動時には壁流量が多くなるので、意図せずに壁流となった燃料が機関運転中に壁面を伝って燃焼室に流入すると、燃焼室内の空燃比は壁流の分だけリッチになり、排気性能が悪化する。しかし、流入する量や流入のタイミング等を正確に推定することは困難である。
【００４３】
このため、上記のようにバルブオーバーラップ期間を付けて壁流量を低減させることで不意の空燃比変動を抑制することができる。
【００４４】
しかしながら、バルブオーバーラップが付いていない状態からバルブオーバーラップを付けていく過渡時には、吸気通路１０１への排気の吹き返しが開始され、壁流の気化が急激に促進される。これにより、気化した壁流の分だけ燃焼室内の空燃比がリッチ方向に変化するので、本実施の形態では、バルブオーバーラップ期間が発生する過渡時のタイミングに合わせて、燃料噴射量を壁流の気化分だけ減量補正する。
【００４５】
図３は、上述した燃料噴射量の減量補正を実行した場合の、機関始動時における機関回転速度、吸気側可変動弁機構１０５の実バルブタイミングθnow、燃焼室内の空燃比、燃料噴射の噴射パルス、についてのタイムチャートである。図４は、比較のための図であり、上述した減量補正を実施しない場合について示すタイムチャートである。いずれのタイムチャートも、冷却水温が２５℃程度、つまり常温で機関始動した場合について示している。
【００４６】
図４では、ｔ２１で機関始動すると、空燃比Ａ／Ｆは一旦ストイキよりリッチになったあとほぼストイキとなる。ｔ２２で吸気側可変動弁機構１０５の進角側への作動を開始すると、その後、空燃比Ａ／Ｆはストイキよりリッチ化して、約１１となっている。これは、吸気弁１０４の開弁タイミングが進角してバルブオーバーラップ期間が生じ、排気の一部が吸気通路１０１へ吹き返し、吹き返した排気の熱で吸気通路１０１や吸気弁１０４に付着した壁流が気化して燃焼室へ流入したからである。進角量が最大となるｔ２３でリッチ化のピークを迎え、その後は徐々にストイキに近づき、ｔ２４でほぼストイキに戻っている。
【００４７】
これに対して、図３では、ｔ１２で吸気側可変動弁機構１０５の作動を開始し、リッチ化するまでは図４と同様であるが、空燃比は約１２．５までしかリッチ化していない。そして、図４のｔ２４より早いｔ１４でほぼストイキに戻っている。これは、バルブオーバーラップ期間が生じるタイミングに合わせて燃料噴射量を減量補正しているからである。
【００４８】
通常であれば、吸気側可変動弁機構１０５の過渡時にのみ燃料噴射量を減量補正する演算で対応することが可能である。
ここでは、定常状態で用いられる吸気側可変動弁機構１０５の作動角に応じた補正量を設定したテーブルをＥＣＵ２０１に格納しておき、検出した実際のバルブタイミングを用いてテーブル検索することで補正量を決定する。定常状態で用いられるテーブルにより過渡時のリッチ化を防止するのであるが、冷機始動時ではバルブタイミングが主に最遅角の値と排気の吹き返しが利用できる所望のバルブオーバーラップ設定しかとらず、その間のバルブタイミングは冷機時の定常ではとらないことを前提としている。
【００４９】
まず、簡単に燃料噴射量の演算について記載する。
本実施の形態において、燃料噴射パルス幅は、シリンダ内空気量相当のパルス幅（理論空燃比相当１４．７）をベースに、その時々の運転状態に応じた目標当量比を乗算することで算出される。この目標当量比は、水温補正、エンジン回転速度補正、負荷補正等の各補正項が乗算され、基準となる１に加算される。
冷機始動時は、主に水温補正項が設定され燃料噴射量が増量される。
図５は減量補正用のテーブルの一例であり、冷機始動時であれば水温補正による補正項に対し、乗算される値である。
なお、このテーブルは機関始動時において、最遅角状態からバルブタイミングが進角し、吹き返しが生ずるオーバーラップ期間となる過渡時のリッチ化を効果的に抑制できる補正量を実験等により求めたものである。なお、図５において、１＞Ａ１＞Ａ２＞Ａ４＞Ａ３≒Ａ５であり、１未満の値によって水温補正による増量分を減量することになる。
【００５０】
前述したように、吸気側可変動弁機構１０５は、冷機始動時に作動角０ｄｅｇＣＡから３７．５ｄｅｇＣＡまで進角する。その間の作動角については定常では取らないことが前提である。また、吸気側可変動弁機構１０５の作動角変更速度は油温に応じて変更され、油温０℃以下では制御の安定性を考慮して２５℃での変更速度よりも遅くなるように設定される。
【００５１】
このため、水温０℃以下では作動角の変更速度が遅いため作動角変更による過渡時のリッチ化の問題がおこらず、減量補正は行われない。
一方、水温２０℃では、作動角が０ｄｅｇＣＡから１０ｄｅｇＣＡまでは補正量１、作動角１５ｄｅｇＣＡではＡ３、作動角１７．５ｄｅｇＣＡから３５ｄｅｇＣＡでは０、作動角３７．５ｄｅｇＣＡではＡ５となっている。なお、作動角３７．５ｄｅｇＣＡで減量補正量を設定しているのは、０ｄｅｇＣＡに比して壁流が小さくなるため、壁流による不意の空燃比変化が小さくなり、増量分を削っても安定した空燃比制御ができるからである。
【００５２】
特に本実施形態では、水温１０℃以上の領域において、バルブオーバーラップ期間が生じるのは作動角が２５ｄｅｇＣＡ以降であるにも関わらず、１５ｄｅｇＣＡから補正量が１未満となり、冷機時の水温増量補正がキャンセルされるようにしている。これは、可変動弁機構の作動速度に対する減量補正の遅れ（燃料の輸送遅れ）を考慮したものであり、吹き返しが生じる前の作動角から減量補正を行うことで実際に吹き返しによるリッチ化が生じるタイミングに燃料の減量補正のタイミングあわせることを狙ったものである。
【００５３】
図３と図４を比較すると明らかなように、吸気側可変動弁機構１０５の作動角に応じて燃料噴射量の減量補正を行うことで、バルブオーバーラップ期間が生じたときのリッチ化のピークを抑制でき、さらに、リッチ化した状態からストイキに戻るまでの時間も短縮できている。したがって、空燃比がストイキよりリッチ化することによる排気性能の悪化を抑制できている。
【００５４】
ところで、このように冷機始動時の吸気側可変動弁機構１０５の作動角制御速度を考慮して作成した図５のテーブルを用いて燃料噴射の減量補正を行うと、例えば、油温が−１０℃で、水温が常温での冷機始動時にリーン失火が生じるおそれがあることがわかった。
【００５５】
図６は冷却水温が常温付近で、油温が−１０℃の状態で始動した場合について、図３、図４と同様に示したタイムチャートである。
【００５６】
ｔ３１で機関始動すると、空燃比はストイキより大幅にリッチ側に振れてから約１４まで戻り、その後再び、徐々にリッチ方向に変化している。徐々にリッチ方向に変化するのは、一般的に行われている冷機始動時の水温補正により目標空燃比がストイキよりリッチになっているからである。
【００５７】
ｔ３３で吸気側可変動弁機構１０５が作動を開始し、ｔ３４で作動角が１２．５ｄｅｇＣＡに達した後は、図５のテーブルにしたがって燃料噴射量が減量補正される。
そして、ｔ３４から空燃比は急激にリーン方向に変化し、ｔ３５で機関回転速度が低下し始めている。図６では機関回転速度の低下に応じてｔ３６で燃料噴射量が増量されているので、機関回転速度は再び上昇しているが、増量補正をしなければリーン失火により機関は停止に至る。
【００５８】
通常は、冷却水温が−１０℃となる環境での始動時には、油温も−１０℃になっている。機関停止していれば、冷却水温及び油温はいずれも雰囲気温度に収束するからである。このため、燃料の減量補正は、−１０℃での補正量が選択される。この補正量は、−１０℃での作動角制御の変更速度を考慮した値であり、上述の不都合は生じない。
しかしながら、暖機途中でエンジンを停止し、その後、短時間で再始動したときは、水温が高く、油温が低い状態で始動することになる。
【００５９】
低油温時には、作動角制御性が悪化するとの理由から、作動速度を常温時に比べて大幅に低下させている。つまり、低温始動時には常温時に比べて吸気側可変動弁機構１０５の作動速度は大幅に遅くなり、目標作動角に到達するまでに要する時間が長くなっている。この状態で、常温時の速い作動速度を前提として、過渡的な応答遅れを考慮した図５のテーブルを用いて燃料噴射量を補正すると、定常的には排気の吹き返しが発生していないバルブオーバーラップが付いていない作動角では、設定した減量補正が長期に渡り働いてしまい、その結果、壁流変化が生じていないタイミングで燃料の減量補正を実施してしまい、リーン化することになる。
【００６０】
そこで、本実施形態では、吸気側可変動弁機構１０５が作動してバルブオーバーラップ期間が生じたときの空燃比のリーン化を抑制するために、ＥＣＵ２０１が以下に説明する制御を実行する。
【００６１】
図５のテーブルに加えて油温をパラメータとして追加し、更に詳細なマップを作成することも可能であるが、必要なメモリ容量と適合工数が大きくなってしまう。
【００６２】
そこで、例えば図５の補正係数マップを１種類だけ準備し、温度に関する軸に対して、始動時の水温と油温の関係から、マップ検索に用いる温度として油温と冷却水温のどちらを採用するかを決定することとする。これによりマップ格納に要するメモリ容量を低減することができる。
【００６３】
図１１は、ＥＣＵ２０１が実行する吸気側可変動弁機構１０５の作動角制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【００６４】
ステップＳ１００で、ＥＣＵ２０１は油温センサ２２０の検出値を読み込む。
【００６５】
ステップＳ１１０で、ＥＣＵ２０１は、吸気側可変動弁機構１０５の作動許可条件が成立しているか否かを判定する。作動許可条件は、例えば、油温が所定温度以上であり、機関始動から所定時間が経過していること、である。
【００６６】
作動許可条件が成立しているか否かの判定は、すなわち吸気側可変動弁機構１０５の作動油が、所望の制御性を確保できる状態であるか否かを判定するものである。例えば、所定温度は−１０℃、所定時間は、冷却水温が０℃の場合は４秒、−１０℃の場合は１０秒というように設定する。
【００６７】
作動許可条件が成立していない場合はステップＳ１４０の処理を実行する。ステップＳ１４０では、ＥＣＵ２０１は作動角を初期作動角、つまり最遅角状態のままとして本制御ルーチンを終了する。
【００６８】
一方、作動許可条件が成立している場合はステップＳ１２０の処理を実行する。ステップＳ１２０では、ＥＣＵ２０１は目標作動角を演算する。一般的な可変動弁機構と同様に、マップ検索等によって機関負荷や機関回転速度に応じた作動角を演算する。ここでは、バルブオーバーラップ期間が生じる作動角を設定する。これは、バルブオーバーラップ期間中に吸気通路１０１へ吹き返した排気の熱によって、壁流を気化させるためである。
【００６９】
ステップＳ１３０で、ＥＣＵ２０１はステップＳ１２０で演算した目標作動角となるように、吸気側可変動弁機構１０５を作動させる。具体的には、実作動角が目標作動角に収束するようフィードバック制御を行う。なお、フィードバック制御のゲインは、例えば０℃から２５℃のように低温から常温までの範囲では、油温が高いほどゲインを大きくすることで油温が高いときの作動角変化を速くしている。
【００７０】
次に、主に、冷機始動時の壁流補正に関する燃料噴射量制御について説明する。
【００７１】
バルブオーバーラップ期間中に気化する壁流の気化特性は、吸気通路１０１の壁温、吸気弁１０４の温度であり、これらは冷却水温と相関があるため、基本的には冷却水温に基づいて燃料噴射量を減量補正する。つまり、上述した補正用マップの温度として冷却水温を選択する。ただし、水温と油温が異なり、吸気可変動弁機構１０５の作動速度が遅いことによるリーン失火が懸念される状況では、上述した補正用マップの温度として油温を選択する。
【００７２】
図８は、ＥＣＵ２０１が実行する燃料噴射量制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【００７３】
ステップＳ２００で、ＥＣＵ２０１は機関回転速度ＮＥ、負荷Ｑ、冷却水温Ｔｗ、油温Ｔｏを読み込む。
【００７４】
ステップＳ２１０で、ＥＣＵ２０１は冷却水温と油温の差が所定値１より大きく、かつ冷却水温が所定値２より低いか否か、つまり水温と油温が異なり、吸気可変動弁機構１０５の作動速度が遅いことによるリーン失火が懸念される状況であるか否かを判定する。
【００７５】
判定の結果、上記以外の状況であると判定されると、ステップＳ２３０へ進み、ＥＣＵ２０１はバルブタイミング補正係数マップの温度軸として冷却水温を選択する。
一方、水温と油温が異なり、吸気可変動弁機構１０５の作動速度が遅いことによるリーン失火が懸念される状況であればＥＣＵ２０１はステップＳ２２０の処理を実行し、ＥＣＵ２０１はバルブタイミング補正係数マップの温度軸として油温を選択する。
【００７６】
ステップＳ２４０で、ＥＣＵ２０１はステップＳ２２０またはステップＳ２３０で選択した温度を用いてバルブタイミング補正係数マップを検索して、バルブタイミング補正係数を設定する。
【００７７】
ステップＳ２５０で、ＥＣＵ２０１はステップＳ２４０で求めたバルブタイミング補正係数を用いて燃料噴射量を演算する。具体的な演算式は式（１）〜（３）の通りである。
【００７８】
燃料噴射量＝シリンダ内空気量相当噴射パルス×目標当量比 ・・・（１）
目標当量比＝１＋（水温補正×回転速度補正×負荷補正×バルブタイミング補正）・・・（２）
バルブタイミング補正＝バルブタイミング補正係数 ・・・（３）
【００７９】
なお、シリンダ内空気量相当噴射パルスは、シリンダ近傍の空気量に比例した噴射パルス幅であり、理論空燃比狙いの値である。また、水温補正は冷機時の増量補正、回転速度補正、負荷補正は、高負荷時の排気系部品の保護やノッキング対策のために設定される増量である。
【００８０】
冷機始動時は水温に応じて増量補正がなされているが、上記制御ルーチンにより燃料噴射量を減量補正することで、吸気側可変動弁機構１０５の作動角の変更に伴う過渡的な空燃比のリッチを抑制することができる。しかも、冷機始動時の水温と油温が異なることで発生するリーン失火も、吸気側可変動弁機構１０５の作動速度に対する減量補正の遅れをなくす目的でバルブオーバーラップ期間が生じる直前から行われる燃料噴射量の減量補正が禁止、または減量補正量が低減するので解決できる。
【００８１】
なお、本実施形態では、０℃の場合にも図５のバルブタイミング補正係数マップを検索し、式（１）−（３）を用いて燃料噴射量を演算している。しかし、０℃の場合にはバルブタイミング補正係数は作動角によらず１であって、結果的には減量補正を行わない。また、５℃の場合には、バルブオーバーラップ期間が生じる前の減量補正が行われない。
本実施の形態では、吸気側可変動弁機構１０５の作動角変更時に発生する過渡時のリッチ化を定常のマップ（特に、過渡時にしか使われないバルブタイミングに減量補正を設定したもの）で対応した。これに代えて、全て演算で減量補正を行っても過渡時のリッチかを防止できる。特に、油温と水温が異なり、リッチ失火が生じてしまうことに対しては、水温に代えて油温に基づく減量補正演算を適用することで同様の効果が得られる。
【００８２】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００８３】
１ 内燃機関
１０１ 吸気通路
１０２ スロットル弁
１０３ インジェクタ
１０４ 吸気弁
１０５ 吸気側可変動弁機構
１０６ 点火プラグ
１０７ 排気通路
１０８ 排気弁
１０９ 排気側可変動弁機構
２０１ エンジンコントローラ（ＥＣＵ）
２１１ アクセル開度センサ
２１２ クランク角センサ
２１３ 吸気圧力センサ
２１４ 吸気温度センサ
２１５ 排気圧力センサ
２１６ 排気温度センサ
２１７ エアフローメータ
２１８ 水温センサ
２１９ カム角センサ
２２０ 油温センサ
３０１ 吸気カム軸
３０２ ベーン
３０３ カム軸駆動用スプロケット（スプロケット）
３０３Ａ 進角油圧室
３０３Ｂ 遅角油圧室
４００ ソレノイドバルブ
４０１ オイルポンプ
４０２ オイル供給路
４０３Ａ 進角油路
４０３Ｂ 遅角油路
４０４ ドレン通路
４０５ オイルパン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変動弁機構を備える内燃機関の、冷機始動時における燃料噴射制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
吸気通路に燃料を噴射する内燃機関では、噴射した燃料の一部は吸気通路の壁面や吸気バルブに付着していわゆる壁流となり、当該サイクルにおいて燃焼室内に流入しない。そこで、壁流量の分だけ余分に噴射することで、燃焼室内に流入する燃料量を確保する技術が知られている。
【０００３】
ところで、壁流量は吸気通路の壁面等の温度によって変動する。そこで、特許文献１では、吸気通路壁面等の温度に相関のある冷却水温に応じて壁流量を予測し、この予測値に基づいて燃料噴射量の補正を行っている。すなわち、冷却水温に基づいて燃料噴射量の補正を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−９９０３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
出願人は油圧で作動する可変動弁機構を備え、冷機始動後に積極的に可変動弁機構作動させることでバルブオーバーラップ期間を設ける内燃機関を開発中である。バルブオーバーラップ期間を設けるのは、バルブオーバーラップ期間中に燃焼室から吸気通路へ吹き返す排気の熱を利用して、始動時に発生した壁流を気化させるためである。これにより、排気性能の向上を図っている。
【０００６】
しかし、冷機始動時にバルブオーバーラップ期間が無い状態からバルブオーバーラップ期間を付ける過渡時には、急激に壁流が気化することに伴い、燃焼室内の空燃比がリッチ側に変化してしまう。
【０００７】
そこで、上記の原因によるリッチ化を防止するために、過渡時のバルブオーバーラップ期間の変化に応じて壁流が気化する分だけ燃料噴射量を減量補正するように、実際のバルブオーバーラップ期間に応じた壁流補正を行うこととしている。これにより、冷機始動時に例えば、最遅角状態（マイナスオーバーラップ）から所定のオーバーラップ期間へ移行する過渡時に、実バルブオーバーラップ期間に応じて減量補正を行うので過渡時の壁流変化によるリッチ化を抑制できる。
【０００８】
ところで、冷機始動であっても、可変動弁機構の駆動源となる油温が低い場合（例えば−１０℃）には、制御性の悪化を考慮してバルブオーバーラップ期間の変更速度を遅くし、油温が比較的高い場合（例えば２５℃程度）はバルブオーバーラップ期間の変更速度を低温時に比して速くしている。
油温が低い場合は、バルブオーバラップ期間の変化速度が遅いので、実バルブオーバーラップに基いて過渡時の壁流補正を行えば良い。しかしながら、変化速度が速い場合には、オーバラップが実際に付いてから減量補正を行うのでは、燃料の輸送遅れにより減量補正が間に合わない。このためバルブオーバーラップ期間が０以下の値に対し、過渡時の減量補正が行われるようにしている。これにより、バルブオーバーラップの変化が早くても、実際にバルブオーバーラップが付く前から減量補正が行われるようになるため、壁流の急激な変化に対して過渡時の減量補正が適切に行われる。
実際には、過渡時の壁流補正は水温に基づいて実施するのであるが、油温が低いときと高いときとで始動時のバルブオーバーラップ制御の制御速度が異なるので、水温が低い始動時には、バルブオーバーラップ期間が実際に付いた領域で減量補正が行われるようになっており、水温が比較的高い始動時には、バルブオーバーラップ制御の制御速度に対する燃料の輸送遅れを考慮してバルブオーバーラップ期間が実際に付かない領域にも減量補正が行われるようになっている。
【０００９】
このように水温に応じて壁流補正を行うことを前提とした場合、通常の始動時であれば水温と油温は同じになっているので、燃料噴射量の減量補正は、特許文献１のように水温に基づいて行えば足りる。
【００１０】
しかし、例えば、暖機運転中に機関停止し、その後すぐに再始動する場合などは、比熱が小さな冷却水は温度が高い状態で、冷却水よりも比熱が大きな作動油は温度が低い状態で再始動することになる。
【００１１】
このように油温と水温が異なる状況で上述した冷却水温に基づく燃料噴射量の減量補正を行うと、冷却水温が２５℃付近での過渡時の減量補正では、バルブオーバーラップ制御の応答速度に対する燃料の輸送遅れを考慮して実際にバルブオーバーラップが付いていないところで減量補正を実施するのにも関わらず、油温に基づいて制御される可変動弁機構では実際にはバルブオーバーラップが付いていない状態に停滞する時間が長くなり、不必要な減量補正が行われて、要求される空燃比よりリーン化してしまう可能性がある。
【００１２】
そこで、本発明では、始動時にバルブオーバーラップ期間を設ける構成において、水温と油温が異なる冷機始動時における燃焼室内のリーン化を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の内燃機関の燃料噴射制御装置は、作動油により機関弁の開閉タイミングを変更し得る可変動弁機構と、作動油の油温を検出する油温検出手段と、冷機始動中に油温に応じた速度で、初期状態から所定のバルブオーバーラップが付くように機関弁の開閉タイミングを変更する冷機時可変動弁制御手段とを備え、機関弁の開閉タイミングの変更時に、壁流量の変化によるリッチ化を低減するために、機関弁の開閉タイミングと冷却水温に応じて燃料噴射量を減量補正する燃料噴射制御手段と、を備える。そして、燃料噴射制御手段は、冷機時の機関弁の開閉タイミングの変更速度が速いことが想定される水温では、バルブオーバーラップが付く前に燃料噴射量の減量補正を行うと共に、冷機始動時において油温と冷却水温が異なる場合には、バルブオーバーラップ期間が生じる前の燃料噴射量の減量補正を禁止、または補正量を低減する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料噴射制御手段は、冷機時の機関弁の開閉タイミングの変更速度が速いことが想定される水温では、バルブオーバーラップが付く前に燃料噴射量の減量補正を行うと共に、冷機始動時において油温と冷却水温が異なる場合には、バルブオーバーラップ期間が生じる前の燃料噴射量の減量補正を禁止、または補正量を低減する。したがって、可変動弁機構の作動中に燃料不足になることがなくなり、その結果、燃焼室内がリーン化することを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態を適用するエンジンシステムの構成図である。
【図２】吸気側可変動弁機構の構成の一例を示す図である。
【図３】燃料噴射量の減量補正を実行した場合のタイムチャートである。
【図４】燃料噴射量の減量補正を実行しない場合のタイムチャートである。
【図５】エンジンコントローラに格納されたバルブタイミング補正係数マップの一例である。
【図６】本発明が解決する課題を説明するためのタイムチャートである。
【図７】エンジンコントローラが実行する吸気側可変動弁機構の作動角制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図８】エンジンコントローラが実行する燃料噴射量制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１は、本発明の実施形態を適用するエンジンシステムの構成図である。
【００１８】
内燃機関１の吸気通路１０１には、スロットル弁１０２が設置されている。また、吸気通路１０１には、燃料供給用のインジェクタ１０３が設置されている。このインジェクタ１０３は、所定の当量比を達成するべく吸入空気量に応じて必要な量の燃料を噴射する。
【００１９】
吸気通路１０１のポート部１０１ａには、吸気弁１０４が設置され、後述する吸気カム軸により開閉駆動され、吸気弁１０４が開いている期間中に筒内に混合気が導入される。そして、吸気カム軸には吸気弁１０４の開閉タイミングを連続的に変更し得る吸気側可変動弁機構１０５が接続されている。
【００２０】
内燃機関１において、シリンダヘッドＨには、燃焼室の上部略中央に点火プラグ１０６が設置され、筒内に導入された混合気に対し点火が行われる。
【００２１】
燃焼後、発生した排気は、排気通路１０７に送り出される。排気通路１０７のポート部１０７ａには排気弁１０８が設置され、後述する排気カム軸により開閉駆動される。そして、排気カム軸には、排気弁１０８の開閉タイミングを連続的に変更し得る排気側可変動弁機構１０９が接続されている。そして、この排気弁１０８が開いている期間に、排気の送出が行われる。
【００２２】
ここで説明した吸気側可変動弁機構１０５、排気側可変動弁機構１０９及びスロットル弁１０２等の動作は、電子制御ユニットとして構成されるエンジンコントローラ（以下「ＥＣＵ」という。）２０１により制御される。
【００２３】
ＥＣＵ２０１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びＩ／Ｏインタフェースを有する。そして、アクセルペダルの踏込量（アクセル開度ＡＰＯを示す。）を検出するアクセル開度センサ２１１の検出信号、及びクランクシャフトの回転位置を検出するクランク角センサ２１２の検出信号が入力される。また、吸気通路１０１内の圧力（以下「吸気圧力」という。）Ｐｍを検出する吸気圧力センサ２１３の検出信号、吸気通路１０１内の温度Ｔｍを検出する吸気温度センサ２１４の検出信号、排気通路１０７内の圧力（以下「排気圧力」という。）Ｐｅを検出する排気圧力センサ２１５の検出信号が入力される。さらに、排気通路１０７内の温度Ｔｅを検出する排気温度センサ２１６の検出信号、吸入空気量を検出するエアフローメータ２１７の検出信号、冷却水温を検出する水温センサ２１８の検出信号、カム軸の回転角を検出するカム角センサ２１９の検出信号、油温を検出する油温センサ２２０の検出値等が入力される。
【００２４】
ＥＣＵ２０１は、入力した各種検出信号に基づいて、吸気側可変動弁機構１０５と、排気側可変動弁機構１０９と、スロットル弁１０２の動作の制御を行い、この他に筒内の残留ガス率を算出する。
【００２５】
図２は、吸気側可変動弁機構１０５の構成の一例を示す図である。なお、排気側可変動弁機構１０９も同様の構成である。
【００２６】
吸気側可変動弁機構１０５は、ソレノイドバルブ３１０を有し、ソレノイドバルブ３１０によって油路を切り替えて吸気側可変動弁機構１０５に供給される作動油量を調整して作動角θを制御する。
【００２７】
吸気側可変動弁機構１０５は、吸気カム軸３０１と、吸気カム軸３０１と同軸であってベルト又はチェーンを介して内燃機関１のクランク軸と同期回転するカム軸駆動用スプロケット（以下、「スプロケット」という）３０３と、を有し、油圧によってカム軸３０１とスプロケット３０３との相対位相角（作動角と言い、最遅角を０とし、進角側になるほど作動角が大となる）を変更することで、吸気弁１０４の開閉タイミングを進角または遅角制御する。
【００２８】
吸気カム軸３０１は、吸気カム軸３０１と一体回転する複数枚（図１中では３枚）のベーン３０２を備える。なお、機関運転時における吸気カム軸３０１の回転方向は、図１中で時計回り方向とする。
【００２９】
スプロケット３０３には、ベーン３０２の回転を許容する空間が設けられる。この空間がベーン３０２によって進角油圧室３０３Ａ及び遅角油圧室３０３Ｂに区画されている。
【００３０】
進角油圧室３０３Ａは進角油路４０３Ａを介して通路切り換え用のソレノイドバルブ４００に接続される。遅角油圧室３０３Ｂは遅角油路４０３Ｂを介して通路切り換え用のソレノイドバルブ４００に接続される。
【００３１】
また、ソレノイドバルブ４００には、進角油路４０３Ａ及び遅角油路４０３Ｂの他に、途中にオイルパン４０５の作動油を圧送するオイルポンプ４０１を設けたオイル供給路４０２と、オイルパン４０５に作動油を戻すドレン通路４０４と、が接続される。
【００３２】
上記のような構成の吸気側可変動弁機構１０５では、ソレノイドバルブ４００への通電量を制御して油路を切り替えることで、進角油圧室３０３Ａ及び遅角油圧室３０３Ｂへの油圧を適宜変更、保持し、作動角を変更、保持する。これにより、吸気側可変動弁機構１０５は、吸気弁１０４の開閉タイミング、つまりバルブタイミングを進角または遅角制御する。
【００３３】
なお、初期状態のバルブタイミングは最遅角の状態であり、図示しない捩じりスプリングによって初期状態を維持するための力が加わっている。すなわち、エンジンを停止する際には、油圧制御を停止させても捩じりスプリングによって最遅角の状態に戻るような力が加わる。
【００３４】
進角または遅角制御は、具体的には、ソレノイドバルブ４００への通電量を増大させると、通路Ａに切り替わり、オイルパン４０５の作動油が進角油路４０３Ａを通って進角油圧室３０３Ａに供給される。一方で、遅角油圧室３０３Ｂの作動油が、遅角油路４０３Ｂ及びドレン通路４０４を通ってオイルパン４０５に排出される。これにより、進角油圧室３０３Ａの油圧が相対的に高くなり、かつ、捩じりスプリングのばね力に抗してベーン３０２が回転することでバルブタイミングが進角する。
【００３５】
また、ソレノイドバルブ４００への通電量を減少させると、通路Ｂに切り替わり、オイルパン４０５内の作動油が、遅角油路４０３Ｂを通って遅角油圧室３０３Ｂに供給される。一方で、進角油圧室３０３Ａの作動油が、進角油路４０３Ａ及びドレン通路４０４を通ってオイルパン４０５に排出される。これにより、遅角油圧室３０３Ｂの油圧が高くなり、バルブタイミングが遅角する。
【００３６】
ソレノイドバルブ４００への通電量の制御は、ＥＣＵ２０１によって実行される。
【００３７】
ＥＣＵ２０１は、クランク角センサ２１２及びカム角センサ２１９に基づいてクランク角に対する進角量を算出し、この進角量を吸気側可変動弁機構１０５の現在の作動角（以下、「実バルブタイミング」という）θとしている。
【００３８】
具体的には、吸気カム軸３０１またはカム軸３０１に連結された部材に凸部または凹部の被検出部を設け、この被検出部をカム角センサ２１９で検出して吸気カム軸３０１の回転信号を出力し、このカム軸回転位置信号と、クランク角センサ２１２からの基準クランク角位置信号との位相差に基づいて実際の進角量を検出している。この進角量は、吸気カム軸３０１の回転がメカストッパで規制される基準位置（ここでは最遅角側の規制位置を基準位置とする）に対する進角量として検出するため、この基準位置の位相ズレを学習することで、バルブタイミング制御中は、学習された基準位置に対して実際の進角量（実作動角θnow、若しくは、実バルブタイミングθnow）を検出することとなる。そして、この実バルブタイミングθnowが、エンジンの運転条件に基づいて設定される目標バルブタイミングθcomに追従するように、ソレノイドバルブ４００への通電量を制御する。
【００３９】
なお、作動速度と作動油の油温には相関があり、油温が低いほど作動速度は遅い。油温が低くなると、目標バルブタイミングθcomに収束させるための制御性が悪化する。そこで、例えば−１０℃以下のような低油温時には、制御性を確保するために、例えば２５℃程度の常温時に比べて作動速度を遅くしている。
【００４０】
上記メカストッパとは、クランクシャフトに対する吸気カム軸３０１の相対位相角を機械的に規制するための機構である。つまり、バルブタイミングの最進角状態及び最遅角状態は、いずれも吸気カム軸３０１がメカストッパに当たった状態である。なお、図２は最遅角状態を示している。
【００４１】
次に、機関始動時における吸気側可変動弁機構１０５の動作及び燃料噴射制御について説明する。
【００４２】
吸気側可変動弁機構１０５は、機関始動後に後述する作動許可条件が成立したら、所定のバルブオーバーラップ期間となるように進角を開始する。これは、排気行程中に燃焼室から吸気通路１０１へ排気を吹き返させ、排気の熱によって吸気通路１０１の壁面や吸気弁１０４に付着した燃料、つまり壁流を気化させるためである。機関始動時には壁流となる分だけ余分に燃料噴射しており、特に冷機始動時には壁流量が多くなるので、意図せずに壁流となった燃料が機関運転中に壁面を伝って燃焼室に流入すると、燃焼室内の空燃比は壁流の分だけリッチになり、排気性能が悪化する。しかし、流入する量や流入のタイミング等を正確に推定することは困難である。
【００４３】
このため、上記のようにバルブオーバーラップ期間を付けて壁流量を低減させることで不意の空燃比変動を抑制することができる。
【００４４】
しかしながら、バルブオーバーラップが付いていない状態からバルブオーバーラップを付けていく過渡時には、吸気通路１０１への排気の吹き返しが開始され、壁流の気化が急激に促進される。これにより、気化した壁流の分だけ燃焼室内の空燃比がリッチ方向に変化するので、本実施の形態では、バルブオーバーラップ期間が発生する過渡時のタイミングに合わせて、燃料噴射量を壁流の気化分だけ減量補正する。
【００４５】
図３は、上述した燃料噴射量の減量補正を実行した場合の、機関始動時における機関回転速度、吸気側可変動弁機構１０５の実バルブタイミングθnow、燃焼室内の空燃比、燃料噴射の噴射パルス、についてのタイムチャートである。図４は、比較のための図であり、上述した減量補正を実施しない場合について示すタイムチャートである。いずれのタイムチャートも、冷却水温が２５℃程度、つまり常温で機関始動した場合について示している。
【００４６】
図４では、ｔ２１で機関始動すると、空燃比Ａ／Ｆは一旦ストイキよりリッチになったあとほぼストイキとなる。ｔ２２で吸気側可変動弁機構１０５の進角側への作動を開始すると、その後、空燃比Ａ／Ｆはストイキよりリッチ化して、約１１となっている。これは、吸気弁１０４の開弁タイミングが進角してバルブオーバーラップ期間が生じ、排気の一部が吸気通路１０１へ吹き返し、吹き返した排気の熱で吸気通路１０１や吸気弁１０４に付着した壁流が気化して燃焼室へ流入したからである。進角量が最大となるｔ２３でリッチ化のピークを迎え、その後は徐々にストイキに近づき、ｔ２４でほぼストイキに戻っている。
【００４７】
これに対して、図３では、ｔ１２で吸気側可変動弁機構１０５の作動を開始し、リッチ化するまでは図４と同様であるが、空燃比は約１２．５までしかリッチ化していない。そして、図４のｔ２４より早いｔ１４でほぼストイキに戻っている。これは、バルブオーバーラップ期間が生じるタイミングに合わせて燃料噴射量を減量補正しているからである。
【００４８】
通常であれば、吸気側可変動弁機構１０５の過渡時にのみ燃料噴射量を減量補正する演算で対応することが可能である。
ここでは、定常状態で用いられる吸気側可変動弁機構１０５の作動角に応じた補正量を設定したテーブルをＥＣＵ２０１に格納しておき、検出した実際のバルブタイミングを用いてテーブル検索することで補正量を決定する。定常状態で用いられるテーブルにより過渡時のリッチ化を防止するのであるが、冷機始動時ではバルブタイミングが主に最遅角の値と排気の吹き返しが利用できる所望のバルブオーバーラップ設定しかとらず、その間のバルブタイミングは冷機時の定常ではとらないことを前提としている。
【００４９】
まず、簡単に燃料噴射量の演算について記載する。
本実施の形態において、燃料噴射パルス幅は、シリンダ内空気量相当のパルス幅（理論空燃比相当１４．７）をベースに、その時々の運転状態に応じた目標当量比を乗算することで算出される。この目標当量比は、水温補正、エンジン回転速度補正、負荷補正等の各補正項が乗算され、基準となる１に加算される。
冷機始動時は、主に水温補正項が設定され燃料噴射量が増量される。
図５は減量補正用のテーブルの一例であり、冷機始動時であれば水温補正による補正項に対し、乗算される値である。
なお、このテーブルは機関始動時において、最遅角状態からバルブタイミングが進角し、吹き返しが生ずるオーバーラップ期間となる過渡時のリッチ化を効果的に抑制できる補正量を実験等により求めたものである。なお、図５において、１＞Ａ１＞Ａ２＞Ａ４＞Ａ３≒Ａ５であり、１未満の値によって水温補正による増量分を減量することになる。
【００５０】
前述したように、吸気側可変動弁機構１０５は、冷機始動時に作動角０ｄｅｇＣＡから３７．５ｄｅｇＣＡまで進角する。その間の作動角については定常では取らないことが前提である。また、吸気側可変動弁機構１０５の作動角変更速度は油温に応じて変更され、油温０℃以下では制御の安定性を考慮して２５℃での変更速度よりも遅くなるように設定される。
【００５１】
このため、水温０℃以下では作動角の変更速度が遅いため作動角変更による過渡時のリッチ化の問題がおこらず、減量補正は行われない。
一方、水温２０℃では、作動角が０ｄｅｇＣＡから１０ｄｅｇＣＡまでは補正量１、作動角１５ｄｅｇＣＡではＡ３、作動角１７．５ｄｅｇＣＡから３５ｄｅｇＣＡでは０、作動角３７．５ｄｅｇＣＡではＡ５となっている。なお、作動角３７．５ｄｅｇＣＡで減量補正量を設定しているのは、０ｄｅｇＣＡに比して壁流が小さくなるため、壁流による不意の空燃比変化が小さくなり、増量分を削っても安定した空燃比制御ができるからである。
【００５２】
特に本実施形態では、水温１０℃以上の領域において、バルブオーバーラップ期間が生じるのは作動角が２５ｄｅｇＣＡ以降であるにも関わらず、１５ｄｅｇＣＡから補正量が１未満となり、冷機時の水温増量補正がキャンセルされるようにしている。これは、可変動弁機構の作動速度に対する減量補正の遅れ（燃料の輸送遅れ）を考慮したものであり、吹き返しが生じる前の作動角から減量補正を行うことで実際に吹き返しによるリッチ化が生じるタイミングに燃料の減量補正のタイミングあわせることを狙ったものである。
【００５３】
図３と図４を比較すると明らかなように、吸気側可変動弁機構１０５の作動角に応じて燃料噴射量の減量補正を行うことで、バルブオーバーラップ期間が生じたときのリッチ化のピークを抑制でき、さらに、リッチ化した状態からストイキに戻るまでの時間も短縮できている。したがって、空燃比がストイキよりリッチ化することによる排気性能の悪化を抑制できている。
【００５４】
ところで、このように冷機始動時の吸気側可変動弁機構１０５の作動角制御速度を考慮して作成した図５のテーブルを用いて燃料噴射の減量補正を行うと、例えば、油温が−１０℃で、水温が常温での冷機始動時にリーン失火が生じるおそれがあることがわかった。
【００５５】
図６は冷却水温が常温付近で、油温が−１０℃の状態で始動した場合について、図３、図４と同様に示したタイムチャートである。
【００５６】
ｔ３１で機関始動すると、空燃比はストイキより大幅にリッチ側に振れてから約１４まで戻り、その後再び、徐々にリッチ方向に変化している。徐々にリッチ方向に変化するのは、一般的に行われている冷機始動時の水温補正により目標空燃比がストイキよりリッチになっているからである。
【００５７】
ｔ３３で吸気側可変動弁機構１０５が作動を開始し、ｔ３４で作動角が１２．５ｄｅｇＣＡに達した後は、図５のテーブルにしたがって燃料噴射量が減量補正される。
そして、ｔ３４から空燃比は急激にリーン方向に変化し、ｔ３５で機関回転速度が低下し始めている。図６では機関回転速度の低下に応じてｔ３６で燃料噴射量が増量されているので、機関回転速度は再び上昇しているが、増量補正をしなければリーン失火により機関は停止に至る。
【００５８】
通常は、冷却水温が−１０℃となる環境での始動時には、油温も−１０℃になっている。機関停止していれば、冷却水温及び油温はいずれも雰囲気温度に収束するからである。このため、燃料の減量補正は、−１０℃での補正量が選択される。この補正量は、−１０℃での作動角制御の変更速度を考慮した値であり、上述の不都合は生じない。
しかしながら、暖機途中でエンジンを停止し、その後、短時間で再始動したときは、水温が高く、油温が低い状態で始動することになる。
【００５９】
低油温時には、作動角制御性が悪化するとの理由から、作動速度を常温時に比べて大幅に低下させている。つまり、低温始動時には常温時に比べて吸気側可変動弁機構１０５の作動速度は大幅に遅くなり、目標作動角に到達するまでに要する時間が長くなっている。この状態で、常温時の速い作動速度を前提として、過渡的な応答遅れを考慮した図５のテーブルを用いて燃料噴射量を補正すると、定常的には排気の吹き返しが発生していないバルブオーバーラップが付いていない作動角では、設定した減量補正が長期に渡り働いてしまい、その結果、壁流変化が生じていないタイミングで燃料の減量補正を実施してしまい、リーン化することになる。
【００６０】
そこで、本実施形態では、吸気側可変動弁機構１０５が作動してバルブオーバーラップ期間が生じたときの空燃比のリーン化を抑制するために、ＥＣＵ２０１が以下に説明する制御を実行する。
【００６１】
図５のテーブルに加えて油温をパラメータとして追加し、更に詳細なマップを作成することも可能であるが、必要なメモリ容量と適合工数が大きくなってしまう。
【００６２】
そこで、例えば図５の補正係数マップを１種類だけ準備し、温度に関する軸に対して、始動時の水温と油温の関係から、マップ検索に用いる温度として油温と冷却水温のどちらを採用するかを決定することとする。これによりマップ格納に要するメモリ容量を低減することができる。
【００６３】
図１１は、ＥＣＵ２０１が実行する吸気側可変動弁機構１０５の作動角制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【００６４】
ステップＳ１００で、ＥＣＵ２０１は油温センサ２２０の検出値を読み込む。
【００６５】
ステップＳ１１０で、ＥＣＵ２０１は、吸気側可変動弁機構１０５の作動許可条件が成立しているか否かを判定する。作動許可条件は、例えば、油温が所定温度以上であり、機関始動から所定時間が経過していること、である。
【００６６】
作動許可条件が成立しているか否かの判定は、すなわち吸気側可変動弁機構１０５の作動油が、所望の制御性を確保できる状態であるか否かを判定するものである。例えば、所定温度は−１０℃、所定時間は、冷却水温が０℃の場合は４秒、−１０℃の場合は１０秒というように設定する。
【００６７】
作動許可条件が成立していない場合はステップＳ１４０の処理を実行する。ステップＳ１４０では、ＥＣＵ２０１は作動角を初期作動角、つまり最遅角状態のままとして本制御ルーチンを終了する。
【００６８】
一方、作動許可条件が成立している場合はステップＳ１２０の処理を実行する。ステップＳ１２０では、ＥＣＵ２０１は目標作動角を演算する。一般的な可変動弁機構と同様に、マップ検索等によって機関負荷や機関回転速度に応じた作動角を演算する。ここでは、バルブオーバーラップ期間が生じる作動角を設定する。これは、バルブオーバーラップ期間中に吸気通路１０１へ吹き返した排気の熱によって、壁流を気化させるためである。
【００６９】
ステップＳ１３０で、ＥＣＵ２０１はステップＳ１２０で演算した目標作動角となるように、吸気側可変動弁機構１０５を作動させる。具体的には、実作動角が目標作動角に収束するようフィードバック制御を行う。なお、フィードバック制御のゲインは、例えば０℃から２５℃のように低温から常温までの範囲では、油温が高いほどゲインを大きくすることで油温が高いときの作動角変化を速くしている。
【００７０】
次に、主に、冷機始動時の壁流補正に関する燃料噴射量制御について説明する。
【００７１】
バルブオーバーラップ期間中に気化する壁流の気化特性は、吸気通路１０１の壁温、吸気弁１０４の温度であり、これらは冷却水温と相関があるため、基本的には冷却水温に基づいて燃料噴射量を減量補正する。つまり、上述した補正用マップの温度として冷却水温を選択する。ただし、水温と油温が異なり、吸気可変動弁機構１０５の作動速度が遅いことによるリーン失火が懸念される状況では、上述した補正用マップの温度として油温を選択する。
【００７２】
図８は、ＥＣＵ２０１が実行する燃料噴射量制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【００７３】
ステップＳ２００で、ＥＣＵ２０１は機関回転速度ＮＥ、負荷Ｑ、冷却水温Ｔｗ、油温Ｔｏを読み込む。
【００７４】
ステップＳ２１０で、ＥＣＵ２０１は冷却水温と油温の差が所定値１より大きく、かつ冷却水温が所定値２より低いか否か、つまり水温と油温が異なり、吸気可変動弁機構１０５の作動速度が遅いことによるリーン失火が懸念される状況であるか否かを判定する。
【００７５】
判定の結果、上記以外の状況であると判定されると、ステップＳ２３０へ進み、ＥＣＵ２０１はバルブタイミング補正係数マップの温度軸として冷却水温を選択する。
一方、水温と油温が異なり、吸気可変動弁機構１０５の作動速度が遅いことによるリーン失火が懸念される状況であればＥＣＵ２０１はステップＳ２２０の処理を実行し、ＥＣＵ２０１はバルブタイミング補正係数マップの温度軸として油温を選択する。
【００７６】
ステップＳ２４０で、ＥＣＵ２０１はステップＳ２２０またはステップＳ２３０で選択した温度を用いてバルブタイミング補正係数マップを検索して、バルブタイミング補正係数を設定する。
【００７７】
ステップＳ２５０で、ＥＣＵ２０１はステップＳ２４０で求めたバルブタイミング補正係数を用いて燃料噴射量を演算する。具体的な演算式は式（１）〜（３）の通りである。
【００７８】
燃料噴射量＝シリンダ内空気量相当噴射パルス×目標当量比 ・・・（１）
目標当量比＝１＋（水温補正×回転速度補正×負荷補正×バルブタイミング補正）・・・（２）
バルブタイミング補正＝バルブタイミング補正係数 ・・・（３）
【００７９】
なお、シリンダ内空気量相当噴射パルスは、シリンダ近傍の空気量に比例した噴射パルス幅であり、理論空燃比狙いの値である。また、水温補正は冷機時の増量補正、回転速度補正、負荷補正は、高負荷時の排気系部品の保護やノッキング対策のために設定される増量である。
【００８０】
冷機始動時は水温に応じて増量補正がなされているが、上記制御ルーチンにより燃料噴射量を減量補正することで、吸気側可変動弁機構１０５の作動角の変更に伴う過渡的な空燃比のリッチを抑制することができる。しかも、冷機始動時の水温と油温が異なることで発生するリーン失火も、吸気側可変動弁機構１０５の作動速度に対する減量補正の遅れをなくす目的でバルブオーバーラップ期間が生じる直前から行われる燃料噴射量の減量補正が禁止、または減量補正量が低減するので解決できる。
【００８１】
なお、本実施形態では、０℃の場合にも図５のバルブタイミング補正係数マップを検索し、式（１）−（３）を用いて燃料噴射量を演算している。しかし、０℃の場合にはバルブタイミング補正係数は作動角によらず１であって、結果的には減量補正を行わない。また、５℃の場合には、バルブオーバーラップ期間が生じる前の減量補正が行われない。
本実施の形態では、吸気側可変動弁機構１０５の作動角変更時に発生する過渡時のリッチ化を定常のマップ（特に、過渡時にしか使われないバルブタイミングに減量補正を設定したもの）で対応した。これに代えて、全て演算で減量補正を行っても過渡時のリッチかを防止できる。特に、油温と水温が異なり、リッチ失火が生じてしまうことに対しては、水温に代えて油温に基づく減量補正演算を適用することで同様の効果が得られる。
【００８２】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００８３】
１ 内燃機関
１０１ 吸気通路
１０２ スロットル弁
１０３ インジェクタ
１０４ 吸気弁
１０５ 吸気側可変動弁機構
１０６ 点火プラグ
１０７ 排気通路
１０８ 排気弁
１０９ 排気側可変動弁機構
２０１ エンジンコントローラ（ＥＣＵ）
２１１ アクセル開度センサ
２１２ クランク角センサ
２１３ 吸気圧力センサ
２１４ 吸気温度センサ
２１５ 排気圧力センサ
２１６ 排気温度センサ
２１７ エアフローメータ
２１８ 水温センサ
２１９ カム角センサ
２２０ 油温センサ
３０１ 吸気カム軸
３０２ ベーン
３０３ カム軸駆動用スプロケット（スプロケット）
３０３Ａ 進角油圧室
３０３Ｂ 遅角油圧室
４００ ソレノイドバルブ
４０１ オイルポンプ
４０２ オイル供給路
４０３Ａ 進角油路
４０３Ｂ 遅角油路
４０４ ドレン通路
４０５ オイルパン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動油により機関弁の開閉タイミングを変更し得る可変動弁機構と、
前記可変動弁機構の作動油の油温を検出する油温検出手段と、
冷機始動中に油温に応じた速度で、初期状態から所定のバルブオーバーラップが付くように前記機関弁の開閉タイミングを変更する冷機時可変動弁制御手段と、
前記機関弁の開閉タイミングの変更時に、壁流量の変化によるリッチ化を低減するために、前記機関弁の開閉タイミングと冷却水温に応じて燃料噴射量を減量補正する燃料噴射制御手段と、を備えた内燃機関の燃料噴射制御において
前記燃料噴射制御手段は、冷機時の前記機関弁の開閉タイミングの変更速度が速いことが想定される水温では、バルブオーバーラップが付く前に燃料噴射量の減量補正を行うと共に、冷機始動時において油温と冷却水温が異なる場合には、バルブオーバーラップ期間が生じる前の燃料噴射量の減量補正を禁止、または補正量を低減することを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項２】
作動油により機関弁の開閉タイミングを変更し得る可変動弁機構と、
前記可変動弁機構の作動油の油温を検出する油温検出手段と、
冷機始動中に油温が常温で速く、それ以下の温度では遅い速度で、初期状態から所定のバルブオーバーラップ期間が生じるように前記機関弁の開閉タイミングを変更する冷機時可変動弁制御手段と、
前記機関弁の開閉タイミングがバルブオーバーラップが付く領域で燃料噴射量を減量補正する噴射量減量補正マップを有すると共に、水温が常温付近ではバルブオーバーラップが付く前の領域で減量補正を行うように設定され、前記機関弁の開閉タイミングと冷却水温に基づいて前記噴射量減量補正マップから燃料噴射量を減量補正する燃料噴射制御手段を備えた内燃機関の燃料噴射制御において、
冷機始動時において油温と冷却水温が異なる場合には、前記水温に代えて油温を用いて前記噴射量減量補正マップから燃料噴射量を減量補正することを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項１】
作動油により機関弁の開閉タイミングを変更し得る可変動弁機構と、
前記可変動弁機構の作動油の油温を検出する油温検出手段と、
冷機始動中に油温に応じた速度で、初期状態から所定のバルブオーバーラップが付くように前記機関弁の開閉タイミングを変更する冷機時可変動弁制御手段と、
前記機関弁の開閉タイミングの変更時に、壁流量の変化によるリッチ化を低減するために、前記機関弁の開閉タイミングと冷却水温に応じて燃料噴射量を減量補正する燃料噴射制御手段と、を備えた内燃機関の燃料噴射制御において
前記燃料噴射制御手段は、冷機時の前記機関弁の開閉タイミングの変更速度が速いことが想定される水温では、バルブオーバーラップが付く前に燃料噴射量の減量補正を行うと共に、冷機始動時において油温と冷却水温が異なる場合には、バルブオーバーラップ期間が生じる前の燃料噴射量の減量補正を禁止、または補正量を低減することを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項２】
作動油により機関弁の開閉タイミングを変更し得る可変動弁機構と、
前記可変動弁機構の作動油の油温を検出する油温検出手段と、
冷機始動中に油温が常温で速く、それ以下の温度では遅い速度で、初期状態から所定のバルブオーバーラップ期間が生じるように前記機関弁の開閉タイミングを変更する冷機時可変動弁制御手段と、
前記機関弁の開閉タイミングがバルブオーバーラップが付く領域で燃料噴射量を減量補正する噴射量減量補正マップを有すると共に、水温が常温付近ではバルブオーバーラップが付く前の領域で減量補正を行うように設定され、前記機関弁の開閉タイミングと冷却水温に基づいて前記噴射量減量補正マップから燃料噴射量を減量補正する燃料噴射制御手段を備えた内燃機関の燃料噴射制御において、
冷機始動時において油温と冷却水温が異なる場合には、前記水温に代えて油温を用いて前記噴射量減量補正マップから燃料噴射量を減量補正することを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−７７６６９（Ｐ２０１２−７７６６９Ａ）
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２２６７３（Ｐ２０１０−２２２６７３）
【出願日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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