JP4367532B2 - 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。

従来から、排気弁の位相角（バルブタイミング）を変更することができる排気可変バルブタイミング機構を有する内燃機関が知られている。斯かる内燃機関では、例えば、内燃機関の冷間始動時において、機関本体からの未燃炭化水素（未燃ＨＣ）の排出を低減することを目的として、排気弁の閉弁時期を吸気上死点に対して進角させる制御が行われる（例えば、特許文献１）。

すなわち、機関始動時においては、燃料噴射弁から噴射された燃料がすべて燃焼せずに一部の燃料が未燃ＨＣとして燃焼ガス中に残ってしまう。ここで、特許文献１に記載された装置では、吸気通路内の圧力及び排気通路内の圧力の関係から燃焼ガスを燃焼室内に十分に再吸入させることができない状態にある場合には、排気弁の閉弁時期が進角せしめられる。これにより、排気弁閉弁後においても燃焼室内には多量の燃焼ガスが残ることになり、この燃焼ガスは次のサイクルの吸気行程において燃焼室内に吸入されることになる。このため、多量の燃焼ガスが燃焼室内に再吸入されることになり、よってこの燃焼ガス内に含まれていた未燃ＨＣは次のサイクルにおいて燃焼せしめられることになる。これにより、排気ガス中に含まれる未燃ＨＣを低減することができる。

特開２００３−１２０３４８号公報 特開２００２−８９３０２号公報 特開２００１−２８０２２８号公報 特開２００１−１５２８５４号公報

ところで、排気弁の作用角を変更可能な排気可変バルブタイミング機構を有する内燃機関において行われる制御としては上記特許文献１に記載されたような制御以外にも様々な制御があり、これら制御の一つとして機関低負荷運転時等における排気弁の早閉じ制御が挙げられる。

この排気早閉じ制御では、機関低負荷運転時等において排気弁の閉弁時期が通常時に比べて進角せしめられ、吸気上死点よりも進角側にされる。これにより、ピストンが上死点に到達する前に排気弁が閉弁されることになる。このため、排気弁閉弁後にピストンが上昇することにより、燃焼室内に残っている燃焼ガスが圧縮される。従って、吸気弁の開弁時には燃焼室内の排気ガスの圧力が高くなっており、燃焼室内の排気ガスの少なくとも一部が吸気ポート内へと逆流することになる。このような排気ガスの逆流により吸気ポート壁面上に付着した燃料が吹き飛ばされると共に燃料噴射弁から噴射された燃料の微粒化が促進せしめられ、内燃機関の燃焼状態を良好にすることができる。

ところが、排気可変バルブタイミング機構によって排気弁の作用角（すなわち開弁時間）を変更できない場合、内燃機関の図示効率の低下を招く。すなわち、排気弁の作用角を変更することができない場合、排気弁の閉弁時期を進角することは、そのまま排気弁の開弁時期を進角することにつながる。排気弁の開弁時期が膨張下死点よりも進角側において進角せしめられると、燃焼ガスによってピストンが押し下げられる期間が短くなる。その結果、燃焼ガスのエネルギをピストンの運動エネルギに十分に変換することができなくなり、内燃機関からの出力トルクの低下を招くことになる。特に、内燃機関の減速運転時にその影響が顕著であり、出力トルクの急激な低下によるトルクショックが生じたり、出力トルクが低下し過ぎてエンストを招いたりする場合がある。

そこで、本発明の目的は、排気早閉じ制御の実行により内燃機関の減速運転時等にドライバビリティの悪化やエンストを招くようなトルク変動が生じるのを防止する内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明では、吸気ポート内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、排気弁のバルブタイミングを変更可能な排気可変バルブタイミング機構とを具備する内燃機関の制御装置であって、排気早閉じ制御実行条件が成立しているときには排気弁の閉弁時期を吸気上死点よりも進角させて吸気弁が開弁したときに燃焼室内の燃焼ガスを吸気ポート内に逆流させる排気早閉じ制御を実行する制御装置において、機関本体によって出力される出力トルクを検出するトルク検出手段を更に具備し、内燃機関の減速運転時においては、上記排気早閉じ制御実行条件が成立しているときであっても、上記トルク検出手段によって検出される出力トルクが限界トルクよりも小さくなると予想される場合には上記排気早閉じ制御の実行を禁止する。
第１の発明によれば、内燃機関の出力トルクが小さくなり過ぎると予想される場合には排気早閉じ制御の実行が禁止される。これにより、内燃機関の減速運転時において、内燃機関の出力トルクが十分であるときには排気早閉じ制御を行うことにより内燃機関の燃焼状態を良好にすることができると共に、内燃機関の出力トルクが十分でないときには排気早閉じ制御を禁止することによりドライバビリティの悪化やエンストを招くようなトルク変動が生じるのを防止することができる。
なお、「限界トルク」とは、内燃機関の運転を維持するのに必要な最低トルク、又は現サイクルの前の数サイクルにおける出力トルクと比較して急激なトルク変動が生じないようにするのに必要な最低トルクを意味する。

上記課題を解決するために、第２の発明では、吸気ポート内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、排気弁のバルブタイミングを変更可能な排気可変バルブタイミング機構とを具備する内燃機関の制御装置であって、排気早閉じ制御実行条件が成立しているときには排気弁の閉弁時期を吸気上死点よりも進角させて吸気弁が開弁したときに燃焼室内の燃焼ガスを吸気ポート内に逆流させる排気早閉じ制御を実行する制御装置において、機関本体によって出力される出力トルクを検出するトルク検出手段を更に具備し、内燃機関の減速運転時においては、上記排気早閉じ制御実行条件が成立しているときであっても、上記トルク検出手段によって検出される出力トルクが限界トルクよりも小さくなると予想される場合には点火時期を進角させる。
第２の発明によれば、内燃機関の出力トルクが小さくなり過ぎると予想される場合には点火時期が進角される。これにより、内燃機関の減速運転時において、内燃機関の出力トルクが十分であるときには排気早閉じ制御を行うことにより内燃機関の燃焼状態を良好にすることができると共に、内燃機関の出力トルクが十分でないときには点火時期を進角させることによりドライバビリティの悪化やエンストを招くようなトルク変動が生じるのを防止することができる。

上記課題を解決するために、第３の発明では、吸気ポート内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、排気弁のバルブタイミングを変更可能な排気可変バルブタイミング機構とを具備する内燃機関の制御装置であって、排気早閉じ制御実行条件が成立しているときには排気弁の閉弁時期を吸気上死点よりも進角させて吸気弁が開弁したときに燃焼室内の燃焼ガスを吸気ポート内に逆流させる排気早閉じ制御を実行する制御装置において、内燃機関の減速運転時においては、上記排気早閉じ制御実行条件が成立しているときであっても、機関回転数が限界回転数よりも低くなると予想される場合には上記排気早閉じ制御の実行を禁止する。
なお、「限界回転数」とは、内燃機関の運転を維持するのに必要な最低機関回転数、又は現サイクルの前の数サイクルにおける機関回転数と比較して急激な機関回転数の変動が生じないようにするのに必要な最低機関回転数を意味する。

上記課題を解決するために、第４の発明では、吸気ポート内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、排気弁のバルブタイミングを変更可能な排気可変バルブタイミング機構とを具備する内燃機関の制御装置であって、排気早閉じ制御実行条件が成立しているときには排気弁の閉弁時期を吸気上死点よりも進角させて吸気弁が開弁したときに燃焼室内の燃焼ガスを吸気ポート内に逆流させる排気早閉じ制御を実行する制御装置において、内燃機関の減速運転時においては、上記排気早閉じ制御実行条件が成立しているときであっても、機関回転数が限界回転数よりも低くなると予想される場合には点火時期を進角させる。

第５の発明では、第１〜第４のいずれか一つの発明において、燃料噴射弁からの燃料噴射を中止する燃料カット制御実行中においては、上記排気早閉じ制御実行条件が成立しているときであっても、吸気ポート壁面上に付着している壁面付着燃料量が限界燃料量よりも少ない場合には出力トルク及び機関回転数とは無関係に上記排気早閉じ制御の実行を禁止する。
なお、「限界燃料量」とは、壁面付着燃料量がそれ以上少なくなると燃料カット制御終了後に混合気の空燃比を迅速に目標空燃比とすることができなくなるような壁面付着燃料量を意味する。

第６の発明では、第１〜第４のいずれか一つの発明において、燃料噴射弁からの燃料噴射を中止する燃料カット制御実行中においては、吸気ポート壁面上に付着している壁面付着燃料量に応じて上記排気早閉じ制御における排気弁の閉弁時期の進角量を制御する。

第７の発明では、第５又は第６の発明において、上記壁面付着燃料量は、前サイクルの燃焼状態と、吸気弁及び排気弁のバルブタイミングと、吸気通路内圧力と、現サイクルの吸気ポート通過空気量と、現サイクルの燃料噴射量とに基づいて推定される。

第８の発明では、第５〜第７のいずれか１つの発明において、上記燃料カット制御終了直後においては、上記排気早閉じ制御実行条件が成立していないときであっても、上記排気早閉じ制御を実行する。

第９の発明では、第８の発明において、上記燃料カット制御終了直後に排気早閉じ制御を実行する場合、該燃料カット制御終了時における壁面付着燃料量に応じて上記排気早閉じ制御における排気弁の進角量を設定する。

本発明によれば、排気早閉じ制御の実行により内燃機関の減速運転時等にドライバビリティの悪化やエンストを招くようなトルク変動が生じるのが防止される。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明の制御装置が用いられる内燃機関全体を示す図である。

図１を参照すると、機関本体１は、シリンダブロック２、シリンダヘッド３、ピストン４、燃焼室５、燃焼室５の頂面中央部に配置された点火プラグ６、吸気弁７、吸気ポート８、排気弁９、排気ポート１０を具備する。吸気ポート８は吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、各吸気枝管１１にはそれぞれ対応する吸気ポート８内に向けて燃料を噴射するための燃料噴射弁１３が配置される。排気弁９には、排気弁９の位相角（すなわち、バルブタイミング）を制御可能な排気可変バルブタイミング機構Ａが設けられている。なお、本実施形態では、排気弁９のみに可変バルブタイミング機構が設けられているが、排気弁９のみならず吸気弁７にも斯かる可変バルブタイミング機構が設けられてもよい。

サージタンク１２は吸気ダクト１４を介して排気ターボチャージャ１５のコンプレッサ１５ａの出口に連結され、コンプレッサ１５ａの入口は例えば熱線を用いた吸入空気量検出器１６を介してエアクリーナ１７に連結される。吸気ダクト１４内にはアクチュエータ１８によって駆動されるスロットル弁１９が配置される。

一方、排気ポート１０は排気マニホルド２０を介して排気ターボチャージャ１５の排気タービン１５ｂの入口に連結され、排気タービン１５ｂの出口は排気管２１を介して例えば三元触媒を内蔵した触媒コンバータ２２に連結される。排気管２１内には空燃比センサ２３が配置される。

電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５及び出力ポート３６を具備する。吸入空気量検出器１６の出力信号及び空燃比センサ２３の出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。燃焼室５の頂面上には燃焼室５内の圧力を検出するための圧力センサ２６及び燃焼室５内のガス温度を検出するための温度センサ２４が配置されており、これら圧力センサ２６及び温度センサ２４の出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、サージタンク１２内、すなわちスロットル弁１９下流の吸気通路内には吸気通路内の圧力を検出するための圧力センサ２５が配置されており、この圧力センサ２５の出力信号も対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。

また、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。さらに入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続され、ＥＣＵ３０ではこのクランク角センサ４２の出力に基づいて機関回転数が算出される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して点火プラグ６、燃料噴射弁１３、スロットル弁駆動用アクチュエータ１８、排気可変バルブタイミング機構Ａに接続される。

図２は図１において排気弁９を駆動するためのカムシャフト５０の端部に取付けられた排気可変バルブタイミング機構Ａを示している。図２を参照すると、この排気可変バルブタイミング機構Ａは機関本体のクランクシャフト（図示せず）によりタイミングベルトを介して矢印方向に回転せしめられるタイミングプーリ５１と、タイミングプーリ５１と一緒に回転する円筒状ハウジング５２と、排気弁駆動用カムシャフト５０と一緒に回転し且つ円筒状ハウジング５２に対して相対回転可能な回転軸５３と、円筒状ハウジング５２の内周面から回転軸５３の外周面まで延びる複数個の仕切壁５４と、各仕切壁５４の間で回転軸５３の外周面から円筒状ハウジング５２の内周面まで延びるベーン５５とを具備しており、各ベーン５５の両側にはそれぞれ進角用油圧室５６と遅角用油圧室５７とが形成されている。

各油圧室５６、５７への作動油の供給制御は作動油供給制御弁５８によって行われる。この作動油供給制御弁５８は各油圧室５６、５７にそれぞれ連結された油圧ポート５９、６０と、油圧ポンプ６１から吐出された作動油の供給ポート６２と、一対のドレインポート６３、６４と、各ポート５９、６０、６２、６３、６４間の連通遮断制御を行うスプール弁６５とを具備している。

排気弁駆動用カムシャフト５０のカムの位相を進角すべきときは図２においてスプール弁６５が右方に移動せしめられ、供給ポート６２から供給された作動油が油圧ポート５９を介して進角用油圧室５６に供給されると共に遅角用油圧室５７内の作動油がドレインポート６４から排出される。このとき回転軸５３は円筒状ハウジング５２に対して矢印方向に相対回転せしめられる。

これに対し、排気弁駆動用カムシャフト５０のカムの位相を遅角すべきときは図２においてスプール弁６５が左方に移動せしめられ、供給ポート６２から供給された作動油が油圧ポート６０を介して遅角用油圧室５７に供給されると共に進角用油圧室５６内の作動油がドレインポート６３から排出される。このとき回転軸５３は円筒状ハウジング５２に対して矢印と反対方向に相対回転せしめられる。

回転軸５３が円筒状ハウジング５２に対して相対回転せしめられているときにスプール弁６５が図２に示される中立位置に戻されると回転軸５３の相対回転動作は停止せしめられ、回転軸５３はそのときの相対回転位置に保持される。従って排気可変バルブタイミング機構Ａによって排気弁駆動用カムシャフト５０のカムの位相を所望の量だけ進角させることができ、遅角させることができることになる。

本実施形態の内燃機関では、機関低負荷運転時、特に内燃機関の減速運転時及びアイドル運転時に排気弁９の閉弁時期を進角させる制御（以下、「排気早閉じ制御」と称す）が行われる。すなわち、内燃機関の通常運転時には図３（Ａ）に示したように、排気弁９は排気下死点よりも僅かに前の開弁時期ＶＯにおいて開弁されると共に吸気上死点よりも僅かに後の閉弁時期ＶＣにおいて閉弁せしめられる。しかしながら、内燃機関の減速運転時及びアイドル運転時には図３（Ｂ）に示したように、排気弁９は排気下死点よりもかなり前の開弁時期ＶＯにおいて開弁されると共に吸気上死点よりも僅かに前の閉弁時期ＶＣにおいて閉弁せしめられる。ここで、クランク角に対する排気弁９の開弁時期ＶＯ及び閉弁時期ＶＣを排気弁９の「位相角」と称すると、本実施形態の内燃機関では、機関低負荷運転時において排気弁９の位相角が通常運転時に比べて進角せしめられると言える。

図３（Ｂ）から分かるように、排気早閉じ制御を行うと排気弁９の閉弁時期が吸気上死点よりも進角側とされる。したがって、排気弁９はピストン４がその上死点に到達する前に閉弁することになる。このため、排気弁９の閉弁後にピストン４が上昇すると、燃焼室５内に残っている燃焼ガスが圧縮される。よって、このとき燃焼室５内の燃焼ガスの圧力は吸気ポート８内の吸気ガスの圧力よりも高いものとなっている。このように、燃焼室５内の燃焼ガスの圧力が高い状態で吸気弁７が開弁せしめられると、燃焼室５内の燃焼ガスが吸気ポート８内に吹き出して逆流することになる。

一方、本実施形態の内燃機関では、燃料噴射弁１３によって吸気ポート８内に向けて燃料が噴射されるが、機関低負荷運転時においては吸気ポート８内を通過する空気量が少ないことから、噴射された燃料が適切に微粒化されなかったり、噴射された燃料の一部が気化せずに吸気ポート８の壁面に付着してしまったりする。

これに対して、上述したような排気早閉じ制御を実行すると、燃焼ガスが吸気ポート８内へ比較的高い圧力で逆流するため、噴射された燃料の微粒化が促進されると共に、吸気ポート８の壁面上に付着した燃料が燃焼ガスによって吹き飛ばされる。これにより、噴射された燃料が良好に微粒化及び気化されて燃焼室５内に吸入されることになるため、機関低負荷運転時における内燃機関の燃焼状態が改善せしめられる。

ところで、本実施形態のような排気可変バルブタイミング機構Ａを採用している場合、図３に示したように排気弁９の閉弁時期ＶＣを進角させると、同時に排気弁９の開弁時期ＶＯも進角される。このため、排気弁９はピストン４が下死点に到達するかなり前に開弁される。したがって、排気弁９はピストン４が燃焼ガスによって押し下げられている途中に開弁されることになる。このため、排気弁９が早くに開弁すると、混合気の燃焼によって得られた燃焼エネルギを適切に運動エネルギに変換することができなくなってしまう。従って、排気早閉じ制御を実行すると、内燃機関によって得られる出力トルクが小さくなる。

排気早閉じ制御の実行により得られる出力トルクが小さくなると、機関運転状態によっては内燃機関の出力トルクが急激に低下し、大きなトルクショックが生じ、ドライバビリティの悪化を招いてしまう。また、機関運転状態によっては内燃機関の運転を維持するのに十分な出力トルクが得られず、内燃機関の停止（エンスト）を招いてしまう。

そこで、本発明の実施形態では、排気早閉じ制御実行条件が成立している場合において、ドライバビリティの悪化やエンストを招くようなトルク変動が生じるのを防止するように内燃機関を制御することとしている。以下、本発明の実施形態における内燃機関の制御について詳細に説明する。

本発明の実施形態では、上述したように、排気早閉じ制御実行条件が成立しているとき、例えば、機関負荷が所定負荷以下の機関低負荷運転中、又は内燃機関の減速運転中或いはアイドル運転中において、排気早閉じ制御を実行する。しかしながら、内燃機関の減速運転中においては、排気早閉じ制御実行条件が成立しているときであっても、内燃機関の出力トルクが限界トルクよりも低い場合又は限界トルクよりも低くなると予想される場合には排気早閉じ制御の実行を禁止する。

ここで、限界トルクとは、内燃機関の運転を維持するのに必要な最低トルク、又は現サイクルの前の数サイクルにおける出力トルクと比較して急激なトルク変動が生じないようにするのに必要な最低トルクを意味する。この限界トルクは、例えば、前サイクルまでの内燃機関の出力トルクに加えて、機関回転数、機関負荷等の内燃機関の運転状態を表す各種パラメータに基づいて算出される。

例えば、内燃機関の運転を維持するのに必要な最低トルクは、機関回転数が高いほど低い値となる。これは、機関回転数が高いと出力トルクが小さくて機関回転数が低下したとしても、容易に内燃機関が停止してしまうことはないためである。また、急激なトルク変動が生じないようにするのに必要な最低トルクは、前回のサイクルまでの出力トルクに応じて変化し、前のサイクルまでの出力トルクが大きいほど大きくなる。例えば、前のサイクルまでの出力トルクと上記最低トルクとの偏差はほぼ一定とされる。

また、限界トルクよりも低くなると予想される場合とは、実際には限界トルクにまでは達していないが限界トルクよりも低くなる可能性がある場合、例えば、実際の出力トルクが限界トルクよりも僅かに高いトルク以下になったような場合を意味する。

以上に説明したように、本実施形態の内燃機関によれば、原則、内燃機関の低負荷運転中には排気早閉じ制御により吸気ポートへの燃料の付着及び燃料噴射弁１３から噴射された燃料の微粒化が促進されると共に、一定の条件下で排気早閉じ制御を禁止することにより大きなトルクショックが生じたり又は内燃機関が停止したりすることが防止される。従って、本実施形態によれば、内燃機関の燃焼を可能な限り良好に保ちつつ、不適切なトルク変動が生じるのが防止せしめられる。

なお、上記実施形態では、内燃機関の出力トルクが限界トルクよりも低い場合又は限界トルクよりも低くなると予想される場合に排気早閉じ制御の実行を禁止する。しかしながら、排気早閉じ制御の実行を禁止するための条件は上記条件に限られず、例えば、機関回転数が限界回転数よりも低い場合又は限界回転数よりも低くなると予想される場合に排気早閉じ制御の実行を禁止してもよい。

この場合、限界回転数とは、内燃機関の運転を維持するのに必要な最低機関回転数、又は現サイクルの前の数サイクルにおける機関回転数と比較して急激な機関回転数の変動が生じないようにするのに必要な最低機関回転数を意味する。この限界回転数は、例えば、前サイクルまでの機関回転数に加えて、出力トルク、機関負荷等の内燃機関の運転状態を表す各種パラメータに基づいて算出される。排気早閉じ制御の実行を禁止するための条件をこのような条件とした場合も上記実施形態と同様に不適切なトルク変動が生じるのを防止することができる。

ところで、内燃機関の減速運転中には、機関負荷等に応じて、燃料噴射弁１３から燃料噴射を行わない燃料カット制御が行われる。この燃料カット制御中には、基本的にトルクが発生しないため、上述したようにトルクショックが生じることはない。また、内燃機関が停止する虞がある場合には燃料カット制御が中止せしめられることから、燃料カット制御中に内燃機関が停止することもない。このため、燃料カット制御の実行中においては、基本的に排気早閉じ制御を実行することによる不適切なトルク変動が生じることはない。従って、本実施形態では、内燃機関の減速運転中であっても燃料カット制御中においては基本的に排気早閉じ制御が実行される。

しかしながら、燃料カット制御中に排気早閉じ制御が実行せしめられると、燃料カット制御終了後に燃焼室５内に吸入される混合気の空燃比を適切な空燃比とすることができない場合がある。

すなわち、燃料カット制御を実行していないときには、上述した排気早閉じ制御を実行したとしても燃料噴射弁１３から噴射された燃料の一部は吸気ポート８の壁面上に付着する。このようにして吸気ポート８の壁面上に付着した燃料はその後のサイクルにおいてサージタンク１２から流れてきた空気又は燃焼室５から逆流してきた燃焼ガスによって吹き飛ばされる。斯かるサイクルが繰り返されることによって、吸気ポート８の壁面上には常にある程度の量の燃料が付着した状態となる。そして、燃料噴射弁１３から噴射される燃料は、吸気ポート８の壁面から吹き飛ばされる燃料を考慮して、混合気の空燃比が目標空燃比（例えば、理論空燃比）となるように設定される。

ところが、燃料カット制御中においては、燃料噴射弁１３から燃料が噴射されないため、吸気ポート８の壁面上には新たに燃料が付着することはない。一方、燃料カット制御前までの吸気ポート８の壁面上に付着した燃料はサージタンク１２から流れてきた空気によって吹き飛ばされ、排気早閉じ制御を実行している場合には更に燃焼室５から逆流してきた燃焼ガスによっても吹き飛ばされる。このように、吸気ポート８の壁面上に新たに燃料が付着することなく既に付着していた燃料が吹き飛ばされるだけになると、やがて吸気ポート８の壁面上に付着していた燃料はすべて吹き飛ばされてしまう。

このように、吸気ポート８の壁面上に付着していた燃料がすべて吹き飛ばされてしまった状態で燃料カット制御が終了せしめられると、燃料噴射弁１３から噴射される燃料が吸気ポート８の壁面から吹き飛ばされる燃料を考慮して設定されていることや噴射された燃料のうち吸気ポート８の壁面上に付着する燃料の量が増大することから、混合気の空燃比を適切に制御することができなくなる。特に、燃料カット制御の終了時には、触媒コンバータ２２内の三元触媒には多量の酸素が吸蔵されているため、三元触媒の酸素吸蔵能力を回復させるべく機関本体１から排出される排気ガスの空燃比をできるだけリッチにする必要があるが、吸気ポート８の壁面から吹き飛ばされる燃料が無い分、排気ガスの空燃比がリッチになりにくい。

そこで、本発明の実施形態では、燃料カット制御実行中において、吸気ポート８の壁面に付着した燃料量（以下、「壁面付着燃料量」と称す）を推定すると共に、推定された壁面付着燃料量に基づいて排気早閉じ制御の実行を調整する。具体的には、本実施形態では、推定された壁面付着燃料量が予め定められた限界燃料量よりも少なくなったときには上述した内燃機関の出力トルク及び機関回転数等のパラメータとは無関係に排気早閉じ制御を禁止する。ここで、限界燃料量とは、壁面付着燃料量がそれ以上少なくなると燃料カット制御終了後に混合気の空燃比を迅速に目標空燃比とすることができなくなるような壁面付着燃料量を意味する。

このように、燃料カット制御実行中に壁面付着燃料量が少なくなったときに排気早閉じ制御を禁止することにより、吸気ポート８の壁面上に付着している燃料が燃焼室５から逆流してきた燃焼ガスによって吹き飛ばされることが無くなる。これにより、燃料カット制御実行中において吸気ポート８の壁面上には多少の燃料が付着されたまま維持され、よって燃料カット制御終了後においても比較的良好に混合気の空燃比を制御することができる。

或いは、燃料カット制御中において推定された壁面付着燃料量に応じて排気早閉じ制御における排気弁９の進角量を調整するようにしてもよい。この場合、壁面付着燃料量が少なくなるほど排気弁９の進角量が小さくされる。これにより、壁面付着燃料量が少なくなるにつれて吸気ポート８の壁面上に付着している燃料が燃焼室５から逆流してきた燃焼ガスによって吹き飛ばされにくくなる。このため、燃料カット制御実行中において吸気ポート８の壁面上には多少の燃料が付着されたまま維持される。

次に、壁面付着燃料量の推定方法について説明する。本実施形態では、後述するように現サイクルにおける燃焼ガスの吹返し量と、現サイクルにおける吸入空気量及び燃料噴射量とに基づいて現サイクルにおける壁面付着燃料量が推定される。

まず、本実施形態では、吸入空気量検出器１６によって前サイクルにおける筒内充填空気量（燃焼室５内に充填された空気量）が検出されると共に、燃料噴射量と、点火時期とが検出される。これらパラメータに基づいて前サイクルにおける燃焼室５内での混合気の燃焼状態（特に、筒内温度及び筒内圧力）を推定することができる。このように、前サイクルにおける燃焼室５内での混合気の燃焼状態を推定することにより、膨張行程の各時点において燃焼室５内に残っている燃焼ガスの量を推定することができる。なお、前サイクルにおける混合気の燃焼状態は、図１に示したように、燃焼室５の頂面上に設けられた圧力センサ２６及び温度センサ２４によって直接検出するようにしてもよい。

次いで、現サイクルにおける排気弁９の閉弁時期と、吸気弁７の開弁時期とが検出され、更に吸気通路内の圧力センサ２５によって吸気通路内圧力が検出される。これにより、上述した前サイクルにおける燃焼室５内での混合気の燃焼状態及び排気弁９の閉弁時期に基づいて排気弁９閉弁時における燃焼室５内の燃焼ガスの量を推定することができ、そして吸気弁７の開弁時期から吸気弁７の開弁時における燃焼室５内の燃焼ガスの圧力を推定することができる。さらに、吸気弁７の開弁時における吸気通路内圧力、特に吸気ポート８内の圧力と、上記吸気弁７の開弁時における燃焼室５内の燃焼ガスの圧力とに基づいて、燃焼ガスの吹返し量を推定することができる。

燃焼ガスの吹返し量と、吸気ポート８の壁面に付着している燃料のうち燃焼ガスの吹返しによって吸気ポート８の壁面から離脱する燃料の量（以下、「壁面離脱燃料量」と称す）との関係は、図４に示したような関係となっている。従って、前サイクルにおける混合気の燃焼状態と、排気弁９の閉弁時期と、吸気弁７の開弁時期と、吸気通路内圧力とに基づいて、燃焼ガスの吹返しに伴う壁面離脱燃料量を推定することができる。

更に、本実施形態では、吸入空気量検出器１６によって現サイクルにおける吸気ポート８内を通過する空気量が、水温センサ（図示せず）によって機関冷却水の温度がそれぞれ検出されると共に、現サイクルにおける燃料噴射量が検出される。現サイクルにおける燃料噴射量と、吸気ポート８内を通過する空気量と、機関冷却水温とに基づいて、燃料噴射弁１３から噴射された燃料のうち吸気ポート８の壁面上に付着する燃料量が検出されると共に、吸気ポート８内を通過する空気量に基づいて空気の吸入に伴う壁面離脱燃料量を推定することができる。

以上より、本実施形態によれば、燃焼ガスの吹返しに伴う壁面離脱燃料量と、燃料噴射に伴って吸気ポート８の壁面上に付着する燃料量と、空気の吸入に伴う壁面離脱燃料量とを推定することができ、これらに基づいて現サイクルにおいて吸気ポート８の壁面上に付着している燃料量の変化量を推定することができる。そして、斯かる計算を繰り返すことにより、各サイクルにおける壁面付着燃料量を推定することができる。

図５及び図６は、本実施形態の制御装置による排気早閉じ実行制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔の割り込みによって行われる。

図５及び図６に示した制御ルーチンでは、まずステップＳ１０において、機関運転状態が減速運転状態又はアイドル運転状態であるか否かが判定される。ステップＳ１０において、減速運転中又はアイドル運転中であると判定された場合にはステップＳ１１へと進む。ステップＳ１１では、燃料カット制御（Ｆ／Ｃ制御）実行中であるか否かが判定される。ステップＳ１１において、燃料カット制御実行中でないと判定された場合、すなわち減速運転中又はアイドル運転中ではあるが燃料カット制御実行中ではないと判定された場合には、ステップＳ１２へと進む。ステップＳ１２では、前サイクルまでの内燃機関の出力トルクに加えて、機関回転数、機関負荷等の内燃機関の運転状態を表す各種パラメータに基づいて限界トルクが算出される。次いで、ステップＳ１３及びＳ１４では、燃料カット制御終了直後であるか否か及びトルクセンサ（図示せず）によって検出された出力トルク（検出トルク）が上記限界トルクよりも小さいか否かが判定される。ステップＳ１３及びＳ１４において、燃料カット制御終了直後ではなく且つ検出トルクが限界トルクよりも小さいと判定された場合には、ステップＳ１５へと進み、排気早閉じ制御が禁止される。一方、ステップＳ１３及びＳ１４において、燃料カット制御終了直後であるか又は検出トルクが限界トルク以上であると判定された場合には、ステップＳ１６へと進み、排気早閉じ制御が実行される。

一方、ステップＳ１１において、燃料カット制御中であると判定された場合、すなわち、減速運転中又はアイドル運転中であると共に燃料カット制御実行中であると判定された場合には、ステップＳ１７へと進む。ステップＳ１７では、上述したような方法で、吸気ポート８への壁面付着燃料量が算出される。次いで、ステップＳ１８では、ステップＳ１７で算出された壁面付着燃料量が上記限界燃料量よりも少ないか否かが判定される。ステップＳ１８において、壁面付着燃流量が上記限界燃料量よりも少ないと判定された場合には、ステップＳ１９へと進んで、排気早閉じ制御が禁止される。一方、ステップＳ１８において、壁面付着燃料量が上記限界燃料量以上であると判定された場合には、ステップＳ２０へと進んで、排気早閉じ制御が実行される。

一方、上記ステップＳ１０において、機関運転状態が減速運転中又はアイドル運転中であると判定された場合にはステップＳ２１へと進む。ステップＳ２１では、燃料カット制御終了直後であるか否かが判定される。ここで、燃料カット制御終了直後とは、例えば、燃料カット制御の終了後、壁面付着燃料量が通常の量に戻るのに必要であると予想される予め定められた一定時間が経過していない場合等を意味する。ステップＳ２１において、燃料カット制御終了直後であると判定された場合、すなわち減速運転中又はアイドル運転中ではないが燃料カット制御終了直後であると判定された場合には、ステップＳ２２に進んで排気早閉じ制御が実行される。一方、ステップＳ２１において燃料カット制御終了直後でないと判定された場合、すなわち減速運転中又はアイドル運転中でなく且つ燃料カット制御終了直後でもないと判定された場合には、ステップＳ２３へと進んで排気早閉じ制御が禁止され、制御ルーチンが終了せしめられる。

次に、本発明の第二実施形態の制御装置について説明する。第二実施形態の制御装置は、基本的に第一実施形態とその構成及び制御が同様である。しかしながら、第二実施形態の制御装置では、内燃機関の減速運転中において、排気早閉じ制御実行条件が成立しているときに、内燃機関の出力トルクが限界トルクよりも低い場合には、排気早閉じ制御の実行の禁止ではなく、点火プラグ６による点火時期の進角を行う。

一般に、点火時期の進角を行うと、燃焼室５内での混合気の燃焼が早くから行われるため、混合気の燃焼によって得られた燃焼エネルギを効率的にピストンの運動エネルギへと変換することができ、その結果、内燃機関の出力トルクを上昇させることができる。従って、本実施形態によれば、内燃機関の出力トルクが限界トルクよりも低い場合又は限界トルクよりも低くなると予想される場合に、点火時期を進角させることにより出力トルクを補うことができる。これにより、大きなトルクショックが生じたり又は内燃機関が停止したりするのを防止することができる。

すなわち、本実施形態によれば、内燃機関の低負荷運転中には排気早閉じ制御により吸気ポートへの燃料の付着及び燃料噴射弁１３から噴射された燃料の微粒化が促進されると共に、一定の条件下で点火時期を進角することにより大きなトルクショックが生じたり又は内燃機関が停止したりすることが防止される。従って、本実施形態によれば、内燃機関の燃焼を可能な限り良好に保ちつつ、不適切なトルク変動が生じるのが防止せしめられる。特に、内燃機関のアイドル運転時（冷間始動時を除く）においては、油圧ポンプによって排気可変バルブタイミング機構Ａを駆動するだけの油圧を得られない場合があり、このような場合には排気弁９の閉弁時期を変更することができず、よって排気早閉じ制御を禁止することができない。従って、このような場合には点火時期を進角させることにより不適切なトルク変動の発生を抑制するのが効果的である。

なお、以上では排気ターボチャージャを有する内燃機関の場合を例にとって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく排気ターボチャージャを有していない内燃機関についても同様に適用可能である。

本発明の制御装置が用いられる内燃機関全体を示す図である。 排気可変バルブタイミング機構を示す図である。 排気弁の開弁時期及び閉弁時期を示す図である。 燃焼ガスの吹返し量と、壁面離脱燃料量との関係を示す図である。 排気早閉じ実行制御の制御ルーチンを示すフローチャートの一部である。 排気早閉じ実行制御の制御ルーチンを示すフローチャートの一部である。

符号の説明

１ 機関本体
２ シリンダブロック
３ シリンダヘッド
４ ピストン
５ 燃焼室
７ 吸気弁
８ 吸気ポート
９ 排気弁
１０ 排気ポート
１３ 燃料噴射弁
５０ 排気弁駆動用カムシャフト
Ａ 可変バルブタイミング機構

Claims (9)

1. 吸気ポート内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、排気弁のバルブタイミングを変更可能な排気可変バルブタイミング機構とを具備する内燃機関の制御装置であって、排気早閉じ制御実行条件が成立しているときには排気弁の閉弁時期を吸気上死点よりも進角させて吸気弁が開弁したときに燃焼室内の燃焼ガスを吸気ポート内に逆流させる排気早閉じ制御を実行する制御装置において、
   機関本体によって出力される出力トルクを検出するトルク検出手段を更に具備し、
   内燃機関の減速運転時においては、上記排気早閉じ制御実行条件が成立しているときであっても、上記トルク検出手段によって検出される出力トルクが限界トルクよりも小さくなると予想される場合には上記排気早閉じ制御の実行を禁止する、制御装置。
2. 吸気ポート内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、排気弁のバルブタイミングを変更可能な排気可変バルブタイミング機構とを具備する内燃機関の制御装置であって、排気早閉じ制御実行条件が成立しているときには排気弁の閉弁時期を吸気上死点よりも進角させて吸気弁が開弁したときに燃焼室内の燃焼ガスを吸気ポート内に逆流させる排気早閉じ制御を実行する制御装置において、
   機関本体によって出力される出力トルクを検出するトルク検出手段を更に具備し、
   内燃機関の減速運転時においては、上記排気早閉じ制御実行条件が成立しているときであっても、上記トルク検出手段によって検出される出力トルクが限界トルクよりも小さくなると予想される場合には点火時期を進角させる、制御装置。
3. 吸気ポート内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、排気弁のバルブタイミングを変更可能な排気可変バルブタイミング機構とを具備する内燃機関の制御装置であって、排気早閉じ制御実行条件が成立しているときには排気弁の閉弁時期を吸気上死点よりも進角させて吸気弁が開弁したときに燃焼室内の燃焼ガスを吸気ポート内に逆流させる排気早閉じ制御を実行する制御装置において、
   内燃機関の減速運転時においては、上記排気早閉じ制御実行条件が成立しているときであっても、機関回転数が限界回転数よりも低くなると予想される場合には上記排気早閉じ制御の実行を禁止する、制御装置。
4. 吸気ポート内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、排気弁のバルブタイミングを変更可能な排気可変バルブタイミング機構とを具備する内燃機関の制御装置であって、排気早閉じ制御実行条件が成立しているときには排気弁の閉弁時期を吸気上死点よりも進角させて吸気弁が開弁したときに燃焼室内の燃焼ガスを吸気ポート内に逆流させる排気早閉じ制御を実行する制御装置において、
   内燃機関の減速運転時においては、上記排気早閉じ制御実行条件が成立しているときであっても、機関回転数が限界回転数よりも低くなると予想される場合には点火時期を進角させる、制御装置。
5. 燃料噴射弁からの燃料噴射を中止する燃料カット制御実行中においては、上記排気早閉じ制御実行条件が成立しているときであっても、吸気ポート壁面上に付着している壁面付着燃料量が限界燃料量よりも少ない場合には出力トルク及び機関回転数とは無関係に上記排気早閉じ制御の実行を禁止する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の制御装置。
6. 燃料噴射弁からの燃料噴射を中止する燃料カット制御実行中においては、吸気ポート壁面上に付着している壁面付着燃料量に応じて上記排気早閉じ制御における排気弁の閉弁時期の進角量を制御する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
7. 上記壁面付着燃料量は、前サイクルの燃焼状態と、吸気弁及び排気弁のバルブタイミングと、吸気通路内圧力と、現サイクルの吸気ポート通過空気量と、現サイクルの燃料噴射量とに基づいて推定される、請求項５又は６に記載の制御装置。
8. 上記燃料カット制御終了直後においては、上記排気早閉じ制御実行条件が成立していないときであっても、上記排気早閉じ制御を実行する、請求項５〜７のいずれか１項に記載の制御装置。
9. 上記燃料カット制御終了直後に排気早閉じ制御を実行する場合、該燃料カット制御終了時における壁面付着燃料量に応じて上記排気早閉じ制御における排気弁の進角量を設定する、請求項８に記載の制御装置。

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