JP4483643B2 - 多気筒エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は多気筒エンジンの制御装置に関し、特に、インパルス（気筒内に導入される高圧の圧力波）を生成するパルス発生装置を備えた多気筒エンジンの制御装置に関する。

従来より、インテークマニホールドのサージタンクと、サージタンクから分岐して各気筒の吸気ポートに接続された分岐管が設けられた多気筒エンジンの制御装置において、体積効率を高める技術が種々開発されている。

例えば、特許文献１には、吸気ポート毎に通路長の異なる複数の吸気通路を設け、これら吸気通路を切替弁によって択一的にサージタンクと連通する技術が開示されている。

他方、非特許文献１には、インパルスによる低運転領域のトルクアップを図る技術が開示されている。その構成では、インテークマニホールドの分岐管途中に、当該分岐管の経路方向にストロークする電磁弁を設け、吸気行程の途中までは、電磁弁を閉じて負圧を形成し、吸気行程の下死点近傍にて電磁弁を開放することによって、急激に気筒内に空気を供給する構成が開示されている。

また、特許文献２、非特許文献２には、インパルスを生成する装置として、フラップ弁を用いてパルスを発生させる装置が開示されている。
特開２００３−４１９３９号公報 特開２０００−２４８９４６号公報 Impulse charging boosts torque at low speed , Findlay Publications社 「European Automotive Design」２００４年２月号掲載 Development of an Actuator for a Fast Moving Flap for impulse Charging , Findlay Publications社 「European Automotive Design」２００３年１月号掲載

ところで、パルス発生装置を作動させた場合、吸気行程前半において、パルス発生装置が閉弁している間は、気筒内の空気は膨張することにより、温度が下がる。このため吸気行程にある筒内の空気が周囲の熱を吸収する結果、圧縮行程時に筒内温度は非常に高くなる。従って、低回転高負荷時等の運転状態にパルス発生装置を作動させると、パルス発生装置によってノッキングが生じやすくなり、実用化に支障を来すことがあった。

本発明は上述した不具合に鑑みてなされものであり、パルス発生装置を用いた場合でもノッキングの生じにくい運転状態を維持することのできる多気筒エンジンの制御装置を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために本発明は、複数の気筒の各吸気ポートに空気を供給する吸気管と、各気筒の吸気行程に対応して、吸気ポートの開弁期間内の吸気行程途中で開弁して、気筒内に圧力波を生成するパルス発生装置とを備えた多気筒エンジンの制御装置において、パルス発生装置の開弁タイミングを変更可能な可変バルブタイミング機構と、エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、運転状態検出手段の検出に基づいてパルス発生装置および可変バルブタイミング機構を駆動制御する制御手段とを設け、前記制御手段は、エンジンが圧縮行程時に筒内温度が高くなってノッキングを来しやすい運転状態にあるときには、パルス発生装置の開弁時期における筒内空気の膨張を抑制し、圧縮行程時の筒内温度の上昇を抑制するように、パルス発生装置の開弁タイミングを進角させるものであることを特徴とする多気筒エンジンの制御装置である。この態様では、パルス発生装置によって圧力波を生成するに当たり、ノッキングが生じやすいと判定される運転領域においては、制御手段によって、パルス発生装置の開弁タイミングが進角されるので、パルス発生装置の閉弁時期における筒内空気の膨張も緩和される。この結果、圧縮行程における筒内温度の過度の上昇を抑制することができ、ノッキングを回避することが可能になる。

好ましい態様において、エンジン回転数を検出するエンジン回転数検出手段を設け、前記制御手段は、検出されたエンジン回転数が上昇するに連れてパルス発生装置の開弁タイミングを進角させるとともに、ノッキングが生じやすい運転状態ほどパルス発生装置の開弁特性を進角側にシフトさせるものである。この態様では、エンジン回転数に応じて好適な圧力波生成特性を得ることができる。また、エンジン回転数に応じてパルス発生装置の開弁タイミングを進角させるに当たり、運転状態検出手段が検出した運転状態がノッキングしやすい状態ほどパルス発生装置は進角するので、検出された運転状態に応じて適正な開弁タイミングをパルス発生装置に設定することができ、もってノッキングを回避することが可能になる。

好ましい態様において、燃料のオクタン価を判別するオクタン価判別手段を設け、前記制御手段は、判別されたオクタン価が低い場合には、高い場合よりもパルス発生装置の開弁特性を進角側にシフトさせるものである。この態様では、エンジン回転数に応じてパルス発生装置の開弁タイミングを進角させるに当たり、オクタン価が低い場合には、高い場合よりも開弁特性を進角側にシフトさせているので、低オクタン価の場合には、高オクタン価の場合よりも低い回転領域でパルス発生装置が進角する。このため燃料のオクタン価に応じて適正な開弁タイミングをパルス発生装置に設定することができ、もってノッキングを回避することが可能になる。

好ましい態様において、前記制御手段は、低負荷運転領域では、燃料を分割噴射制御するものである。この態様では、高負荷運転領域でのノッキング防止を図る一方、低負荷運転領域では、パルス発生装置の負圧を利用した気化霧化の促進と、生成された圧力波による吸気の高い流速による燃料のミキシング作用とを活かすことが可能になる。

好ましい態様において、前記制御手段は、吸気ポートの開弁期間内のパルス発生装置の開弁前に前半の燃料を噴射し、パルス発生装置が開弁する付近で後半の燃料を噴射するものである。この態様では、エンジンの燃焼室に直接燃料を噴射するいわゆる直噴エンジンにおいても、確実に燃料の気化霧化の促進や、ミキシング性能の向上を図ることが可能になる。

以上説明したように、本発明によれば、パルス発生装置を最大限に利用しつつ、生成された負圧等に起因するノッキングを可及的に防止することができるという顕著な効果を奏する。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について説明する。

図１は、本発明の実施の一形態に係る４サイクル火花点火式多気筒エンジンの右側面図、図２は、図１のＡ−Ａ断面略図である。また図３は、本実施形態の要部を簡略化して示す斜視図である。

各図を参照して、このエンジン１０は、シリンダブロック１１およびこのシリンダブロック１１の上部に一体化されたシリンダヘッド１２とを一体に有している。エンジン１０には、第１〜第４気筒１２Ａ〜１２Ｄが設けられるとともに、各気筒１２Ａ〜１２Ｄの内部には、クランクシャフト３に連結されたピストン４が嵌挿されることにより、その上方に燃焼室１５が形成されている。

シリンダヘッド１２には、前記各気筒１２Ａ〜１２Ｄの燃焼室１５毎に点火手段としての点火プラグ１６が固定されている。各点火プラグ１６は、その先端が対応する燃焼室１５の内部に頂部から臨むように設置されている。

また、シリンダヘッド１２には、前記気筒１２Ａ〜１２Ｄ毎に燃焼室１５に向かって開口する吸気ポート１７、排気ポート１８がそれぞれ形成されているとともに、これらのポート１７、１８には、吸気弁１９および排気弁２０がそれぞれ装備されている。

各吸気ポート１７には燃料噴射弁２１が設けられている。この燃料噴射弁２１は、ニードル弁およびソレノイドを内蔵している。

排気ポート１８には、図略の排気マニホールドが接続されている。この排気マニホールド集合部下流の排気通路には、排気ガス浄化触媒が設けられている。この排気ガス浄化触媒は、例えば、排気の空燃比状態が理論空燃比近傍にあるときにＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘの浄化率が極めて高い、いわゆる三元触媒からなっている。この三元触媒からなる排気ガス浄化触媒は、一般に知られているように、排気ガスの空燃比が理論空燃比（つまり空気過剰率λ＝１）付近にあるときにＨＣ，ＣＯ及びＮＯｘに対して高い浄化性能を示す触媒である。

吸気弁１９および排気弁２０は、エンジン１０に支承された吸気弁用および排気弁用のカムシャフト２２、２３によって、所定位相差で同期して吸気ポート１７、排気ポート１８を開閉するように構成されている。前記カムシャフト２２、２３は、図略のカムスプロケットギヤに連結され、このカムスプロケットギヤは、カムプーリ３０から図略のタイミングベルトを介して動力を受けている（図３参照）。カムプーリ３０は、エンジン１０の前面にクランクシャフト３と平行な軸線を中心に回転自在に取り付けられている。他方、クランクシャフト３にはエンジン１０の前面側に取り付けられた出力プーリ３２が固定されており、両プーリ３０、３２は、タイミングベルト３４によって同期連動するように構成されている。

なお、各カムシャフト２２、２３に対し、その回転の位相を調節することにより、開閉タイミングを変更する可変バルブタイミング機構２４、２５が設けられている。この結果、吸気弁１９は、クランク角に対する位相を変更することができるようになっている。

エンジン１０のシリンダブロック１１には、ノックセンサ２８が組み込まれている（図６参照）。このノックセンサ２８は、ノッキングの発生時の振動を検出する圧電素子からなるものであり、図示の実施形態において、下記ＥＣＵ１００をオクタン価検出手段として機能させるためのセンサである。

本実施形態に係る吸気装置４０は、エンジン１０の側部に固定されるインテークマニホールド４１と、このインテークマニホールド４１に内蔵されるパルス発生装置またはＰＧＶ（Ｐｕｌｓｅ Ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ Ｖａｌｖｅ）としてのロータリバルブ５０とを有している。

インテークマニホールド４１は、図略の支持部材を介してエンジン１０に固定されており、エンジン１０の前後方向（各気筒１２Ａ〜１２Ｄが並んでいる方向）に水平に延びる集合部としてのサージタンク４２と、このサージタンク４２に接続され、それぞれが分離した吸気通路ＰＨ１１〜ＰＨ１４を形成する吸気管としての第１〜第４分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄとを一体に有している。サージタンク４２の後端部には、スロットルボディ４４が固定されており、このスロットルボディ４４の内部には、図略のスロットルバルブが内蔵されている。

サージタンク４２は、略円筒形部材であり、分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄと連通することによって、各分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄの差圧を吸収し、異音やセンサの誤作動を防止する機能を果たすものである。本実施形態において、このサージタンク４２の気筒列方向の長さＳＬは、次に説明する各分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄの気筒列方向における下流端側の間隔ＤＬよりも短くなるように設定されている（図１参照）。

各分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄは、気筒１２Ａ〜１２Ｄ毎に設けられ、正面視略Ｌ字形に湾曲した状態で、それぞれ対応する気筒１２Ａ〜１２Ｄをサージタンク４２と連通させている。図示の実施形態において、各分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄは、その吸気通路ＰＨ１１〜ＰＨ１４の通路長（本実施形態においては、吸気ポート１７からサージタンク４２内のロータリバルブ５０の周面５１までの長さ）が同じ長さに設定されている。各吸気通路ＰＨ１１〜ＰＨ１４の長さは、５００ｍｍ以内に設定されている。

ロータリバルブ５０は、円筒形部材であり、その外周面５１がサージタンク４２の内周面に摺接した状態で、回転自在に配置されている。

図３を参照して、ロータリバルブ５０の前端部には、入力ギア５４Ａが同心に設けられている。入力ギア５４Ａは、前記カムプーリ３０と同心に設けられた出力ギア５４Ｂが噛合しており、この出力ギア５４Ｂを介して、クランクシャフト３から１：０．５の比率で動力が伝達されるようになっている。換言すれば、ロータリバルブ５０は、カムプーリ３０と１：１の比率で同期している。このロータリバルブ５０の周面には、サージタンク４２の内部と分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄとを連通する一対の開口５２、５３が形成されている。各開口５２、５３は、周方向に１８０°位相がずれており、軸方向において、前方の開口５２が後方の開口５３に対して、回転方向上流側にずれている。なお図において、５５はアイドラである。

図示の実施形態においては、ロータリバルブ５０と入力ギア５４Ａとの間にロータリバルブ進角機構５６が設けられている。このロータリバルブ進角機構５６は、基本的には、本件出願人が先に提案している回転位相制御装置（特開平１１−１０７７１８号公報参照）等を用いることにより、入力ギア５４Ａとロータリバルブ５０との間に位相差を形成し、当該ロータリバルブ５０の開弁タイミングを変更するための機構である。ロータリバルブ進角機構５６は、図１に示すように、ＯＣＶ（Ｏｉｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｖａｌｖｅ）システム５７によって駆動制御されるようになっている。さらに、図１に示すように、ロータリバルブ５０の位相を検出するために、ロータリバルブ進角機構５６には、ＰＧＶ角度センサ５８が付設されている。

図示のエンジンは、直列４気筒エンジンであって、エンジン１０の前方から順に各気筒を第１〜第４気筒１２Ａ〜１２Ｄとするとき、吸気行程を迎える順番は、第１気筒１２Ａ、第３気筒１２Ｃ、第４気筒１２Ｄ、第２気筒１２Ｂとなるように設定されている。この結果、第１気筒１２Ａが吸気行程を迎える時点を起点とすると、各気筒と行程の関係は、表１の通りとなる。

そこで、本実施形態では、ロータリバルブ５０の開口５２に対して、第１分岐吸気管４３Ａを回転方向下流側、第２分岐吸気管４３Ｂを回転方向上流側に位相をずらせて対向可能に配置するとともに、開口５３に対して第３分岐吸気管４３Ｃを回転方向上流側、第４分岐吸気管４３Ｄを回転方向下流側に位相をずらせて対向可能に配置している。

より詳細に説明すると、第２気筒１２Ｂに接続される第２分岐吸気管４３Ｂと第１気筒１２Ａに接続される第１分岐吸気管４３Ａとが、前方の開口５２に対向可能な位置に、上流側から順に９０°位相をずらした状態でサージタンク４２に固定されているとともに、第３気筒１２Ｃに接続される第３分岐吸気管４３Ｃと第４気筒１２Ｄに接続される第４分岐吸気管４３Ｄとが、後方の開口５３に対向可能な位置に、上流側から順に９０°位相をずらした状態でサージタンク４２に固定されている。さらに、第１分岐吸気管４３Ａと第４分岐吸気管４３Ｄ（従って、第２分岐吸気管４３Ｂと第３分岐吸気管４３Ｃ）がサージタンク４２の周方向において同一位相に配置されている。従って、この構成では、エンジン回転数に拘わらず、所定のタイミングで分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄを開閉することが可能になっているとともに、各分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄの等長化並びにコンパクト化に寄与することになる。この結果、吸気通路ＰＨ１１〜ＰＨ１４を可及的に短縮化し、トルク向上に対するレスポンスの高い吸気構造を構成することが可能になる。また、上述したように、サージタンク４２の気筒列方向の長さＳＬは、次に説明する各分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄの気筒列方向における下流端側の間隔ＤＬよりも短くなるように設定されている（図１参照）ことと相俟って、各分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄの上流端は、下流端に比べて気筒列方向に集束している。このため、本実施形態においては、極めてトルク向上に対するレスポンスが高くなる構造になっている。

図４は図２の要部を拡大した断面図である。

同図を参照して、ロータリバルブ５０の直径Ｄは、各分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄの断面幅よりも大きく設定されている。このロータリバルブ５０をクランクシャフト３と同期させて回転させることにより、各開口５２、５３が対応する分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄを開く時間も短くなる。またロータリバルブ５０が回転によって、周面に形成された開口５２、５３によって、当該周面に臨む分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄに空気を供給するものであるので、空気の脈動を抑制することができ、異音の発生も少なくなる。

さらに、ロータリバルブ５０に形成された各開口５２、５３間の閉弁角度θは、例えば１２０°に設定されており、開弁開始タイミングを吸気行程の前半部分とすることにより、吸気弁１９が吸気ポート１７を開いてもロータリバルブ５０がサージタンク４２を遮蔽した状態になるので、ロータリバルブ５０が開くまでの間、吸気行程によって、対応する分岐吸気管４３Ａ（〜４３Ｄ）内に負圧が生じることになる。

図５は図１の要部を拡大して示す部分拡大図である。

図４および図５を参照して、各分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄには、可変通路長システムとしてのＶＩＳ（Ｖａｌｕａｂｌｅ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）６０が設けられている。

ＶＩＳ６０は、クランクシャフト３と平行に延びる容積部としての容積管６１と、この容積管６１と各分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄとを接続する連通管６２と、連通管６２を開閉する開閉機構としてのＶＩＳバルブ６３とを有している。図示の例において、容積管６１は、各分岐吸気通路４３Ａ〜４３Ｄを連通する連通路としても機能する部材である。各ＶＩＳバルブ６３は、同一の駆動軸６４に連結されており、駆動軸６４を駆動するＶＩＳバルブアクチュエータ６５によって、一斉に開閉駆動されるように構成されている。

図２を参照して、エンジン１０には、エンジン回転数検出手段としての一対のエンジンクランク角度センサ６６が設けられている。各エンジンクランク角度センサ６６は、所定の位相差をもってクランクシャフト３の周囲に配置されており、一方のエンジンクランク角度センサ６６から出力される検出信号に基づいてエンジン回転数が検出されるとともに、両エンジンクランク角度センサ６６から出力される検出信号に基づいてクランクシャフト３の回転方向および回転角度が検出されるようになっている。さらに、エンジン１０の運転状態を検出するために、エンジン１０の冷却水の温度を検出するエンジン水温センサ６７、エンジン負荷検出手段としてのアクセル開度センサ６８、および上記排気ガス浄化触媒の上流側に配置され、排気ポート１８から排出された排気ガスの酸素量を検出するＯ_２センサ６９が設けられている。

また、排気ポート１８に排出された既燃ガスの一部を吸気ポート１７に還流するためのＥＧＲシステム７０が設けられている。

図６は本実施形態に係るブロック図である。

同図を参照して、エンジン１０を駆動制御するためのＥＣＵ１００は、マイクロプロセッサ、メモリ、入力部および出力部を有しているユニットである。このＥＣＵ１００の入力部には、ノックセンサ２８、ロータリバルブ５０の位相を検出するＰＧＶ角度センサ５８、エンジンクランク角度センサ６６、エンジン水温センサ６７、アクセル開度センサ６８、Ｏ_２センサ６９が入力要素として接続されている。また、ＥＣＵ１００の出力部には、点火プラグ１６、燃料噴射弁２１、吸気弁１９および排気弁２０の可変バルブタイミング機構２４、２５、ロータリバルブ進角機構５６（具体的にはＯＣＶシステム５７）、およびＶＩＳバルブアクチュエータ６５が出力要素として接続されている。

次に、ＥＣＵ１００のメモリに記憶されている制御マップについて説明する。

図７は本実施形態に係るトルクとエンジン回転数Ｎとの関係を示すグラフであり、図８はエンジン１０の低速運転領域におけるロータリバルブおよびＶＩＳバルブとトルクとの関係を示すグラフである。

各図を参照して、この実施形態では、エンジン１０の筒内温度に関する温度として、エンジン水温センサ６７で検出される冷却水の温度を採用し、このエンジン水温センサ６７の検出温度Ｗｔが予め設定された所定温度Ｗｔ１に満たない低温時をエンジン１０の冷間時、所定温度Ｗｔ１以上の高温時を温間時として定め、冷間時におけるロータリバルブ５０の運転領域（冷間時ＰＧＶ作動領域）Ｒ４が温間時におけるロータリバルブ５０の運転領域（温間時ＰＧＶ作動領域）Ｒ５よりも拡がるようにＥＣＵ１００に定められている。すなわち、図７から明らかなように、エンジン１０の温間時においては、エンジン回転数Ｎが約１５００ｒｐｍまでにロータリバルブ５０の作動領域Ｒ５が設定されているのに対し、冷間時においては、エンジン回転数Ｎが約２５００ｒｐｍまで、エンジン負荷の状態に応じて、ロータリバルブ５０の作動領域Ｒ４が拡張されている。これに伴い、ＶＩＳバルブ６３の動作も、低負荷側で容積管６１を開くタイミングが、温間時のトルクτ１よりも冷間時のトルクτ２の方が高負荷側に拡張されている。

本実施形態では図７に示すように、温間時においても領域Ｒ５を定め、この運転領域でロータリバルブ５０を運転することとしているので、トルクの向上を図ることとは別に、燃料の気化霧化を促進し、燃焼安定性を向上させるためにロータリバルブ５０を有効利用することが可能になる。

さらに図８から明らかなように、図示の実施形態では、エンジン１０の低速運転領域において、高負荷側（トルクτ３以上の領域）においても、ＶＩＳバルブ６３が閉じて、ロータリバルブ５０が作動するように設定されている。この結果、燃料の気化性が重視される低速／低負荷領域と、高い出力性能が要請される低速／高負荷領域では、ロータリバルブ５０が作動し、燃焼安定性の向上や体積効率の向上が図られる一方、比較的そのような要請の少ない低速／中負荷領域では、ＶＩＳバルブ６３が開くことによる分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄの動的過給効果によって、燃費の向上を図りつつ、出力を確保するように構成されている。

図９は、筒内圧力とクランク角度との関係を示すグラフであり、（Ａ）は冷間時、（Ｂ）は温間時である。図９においてＩＮは吸気弁１９の開弁特性、Ｃ１１、Ｃ１２は、冷間時、温間時のロータリバルブ５０の開弁特性をそれぞれ示している。本実施形態では、最遅角時のロータリバルブ５０は、吸気行程の後半に開弁するように設定されている。

同図（Ａ）（Ｂ）を参照して、さらに図示の実施形態では、エンジン１０の冷間時と温間時とで、燃料噴射タイミングＴｒ１、Ｔｒ２が個別に設定されている。

本実施形態では、冷間時においては、ロータリバルブ５０が開弁する前の吸気行程前半で燃料噴射し、温間時には、ロータリバルブ５０の開弁タイミング付近（好ましくは、開弁直後）でのみ燃料噴射するように設定されている。

図１０はエンジン始動後のいわゆるファーストアイドル状態におけるロータリバルブの開弁角度と燃料噴射タイミング並びに点火タイミングを示すタイミングチャートである。同図において、ＩＮは吸気弁１９の開弁特性、Ｃ１０はファーストアイドル状態におけるロータリバルブ５０の開弁特性を示している。

図１０を参照して、エンジン１０の冷間始動直後のファーストアイドル状態においては、排気ガス浄化触媒を活性化するための触媒活性促進運転がＥＣＵ１００によって実行されるようになっている。この触媒活性促進運転を実現するために、本実施形態では、排気ガス浄化触媒の活性温度に関連する温度として、エンジン水温センサ６７の検出温度Ｗｔを採用し、この検出温度Ｗｔが予め設定された所定温度（触媒活性状態相当温度）Ｗｔ２に満たない低温時を触媒未活性状態、触媒活性状態相当温度Ｗｔ２以上の高温時を活性温度状態として判別するようにＥＣＵ１００が構成されている。なお、排気ガス浄化触媒の活性状態の判別は、水温検出とエンジン始動からの経過時間の判定とを併用して行うようにしてもよく、また、触媒温度を直接検出するようにしてもよい。そして、排気ガス浄化触媒が触媒活性状態相当温度Ｗｔ２より低い未活性状態にある場合、ＥＣＵ１００は、ロータリバルブ５０を最遅角させて作動させるとともに、点火プラグ１６の点火タイミングＩＧを所定のリタード限界までリタードさせるように設定されている。ロータリバルブ５０を最遅角で作動させることにより、負圧によって燃料の気化霧化が促進されるため、燃焼安定性が向上するとともに、点火タイミングＩＧのリタード限界が大きくなり、排気性能を大幅に向上させることが可能になる。

次に、触媒活性促進運転時の燃料噴射は、特に図９（Ａ）で説明した冷間時の燃料噴射タイミングＴｒ１の範囲に加えて、燃料噴射タイミングをＦ１、Ｆ２に２分割することが好ましい。最初の燃料噴射タイミングＦ１は、原則として、吸気ポート１７の開弁期間内において吸気行程前半までの間に設定され、２回目の燃料噴射タイミングＦ２は、ロータリバルブ５０が開弁する付近（より詳細には、開弁開始直前に噴射を開始し、開弁後に噴射を終了するタイミング）に設定されることが好ましい。最初の燃料噴射タイミングＦ１を吸気ポート１７の開弁期間内において吸気行程前半までの間に設定することにより、ロータリバルブ５０によって生じた負圧により、噴射された燃料の気化率が大幅に向上する。

図１１は吸気温度と気化率の関係を表わすグラフである。

同図を参照して、約一気圧（１００ＫＰａ）の燃料が気化する気化率は、２０℃の場合、１００パーセント以上であるが、吸気温度が０℃に下がった時点で約７０パーセントに減少する。これに対して、圧力が６７ＫＰａに下がったガソリンの気化率は、吸気温度が２０℃から０℃まで下がった場合でも、９８パーセント以上を維持している。従って、気化率が特に問題となる冷間時において、高い気化率を維持するためには、多少の温度変化があったとしても、圧力低下を利用する方が有利となる。

また、２回目の燃料噴射タイミングＦ２をロータリバルブ５０が開弁する付近に設定することにより、ロータリバルブ５０によって生成されるインパルスの流速で噴射された燃料をいわば筒内に押込むことが可能になり、気化霧化の向上に加え、インパルスによる燃料のミキシング性が向上する。

図１０で示したような燃料噴射特性を採用することにより、点火プラグ１６の点火タイミングＩＧのリタード限界も大幅に増加し、例えば、圧縮行程の上死点からクランク角度ＣＡで約２０°経過後まで点火タイミングを遅らせることが可能になる。そして、図示の実施形態では、検出温度Ｗｔが所定の所定温度Ｗｔ１に達するまでは（すなわち、冷間時では）、筒内温度に関する検出温度Ｗｔの上昇に伴い、ロータリバルブ５０を進角させて、燃費と排気性能とのバランスを最適化するとともに、このロータリバルブ５０の進角に伴って、点火タイミングＩＧを進角させ、リタード限界の範囲内で混合気の点火が行われるようにしている。このように点火タイミングＩＧを冷間時においてリタードさせることにより、エンジン１０の暖機を促進することができるとともに、ロータリバルブ５０の進角に伴って点火タイミングＩＧをリタードさせることにより、排気性能と燃費の向上とを両立させることが可能になる。

図１２は触媒活性促進運転時から温間運転時までのロータリバルブの開弁特性を示す図である。

図１２（Ａ）を参照して、触媒活性促進運転時においては、リタード限界を可及的に大きく設定するため、ロータリバルブ５０を最遅角状態に固定して運転することが好ましい。但し、運転状態によって、触媒活性促進運転の期間が短縮されることが予想される場合や、検出された温度が比較的所定温度Ｗｔ１に近い場合には、図１２（Ｂ）に示すように、温度上昇に伴って、ロータリバルブ５０を進角させながら運転させてもよい。

ところで、ロータリバルブ５０を作動させた場合、吸気行程前半において、ロータリバルブ５０が閉弁している間は、気筒１２Ａ〜１２Ｄ内の空気が膨張することにより、温度が下がる。このため、吸気行程にある筒内の空気が周囲の熱を吸収する結果、圧縮行程時に筒内温度が非常に高くなる。そこで本実施形態では、次のような対応を図っている。

図１３はロータリバルブ５０とエンジン回転数Ｎの特性を示す図である。

図１３を参照して、まず、エンジンクランク角度センサ６６をエンジンの運転状態検出手段とし、その検出値に基づいて、エンジン回転数Ｎが高速になる程、ロータリバルブ５０を進角させるようにしている。これにより、エンジン回転数に適したインパルス生成特性を得ることが可能になる。

次に、燃料のオクタン価を判別するオクタン価判別手段としてノックセンサ２８を機能させ、判別されたオクタン価が低い場合には、高い場合よりもロータリバルブ５０の開弁特性を進角側にシフトさせている。このため本実施形態では、エンジン回転数Ｎに応じてロータリバルブ５０の開弁タイミングを進角させるに当たり、燃料のオクタン価に応じて適正な開弁タイミングをロータリバルブ５０に設定することができ、もってノッキングを回避することが可能になる。

具体的な設定としては、高オクタン価の場合、最遅角時の位相を吸気弁１９の開弁角度に対して−１１５°に設定し、所定回転数Ｎ１のところで最進角するように設定されている。また、低オクタン価の場合、最遅角時の位相を−１１５°よりも幾分進角させ、エンジン回転数Ｎが前記所定回転数Ｎ１よりも小さい回転数Ｎ２のところで最進角するように設定されている。

次に、図７〜図１３の設定がなされた実施形態に係る動作フローを図１４以下のフローチャートで説明する。図１４〜図１６は、図７〜図１３の設定に基づくフローチャートである。

図１４を参照して、以上の構成では、まず、エンジン１０が始動を開始した後（ステップＳ１０１）、ＥＣＵ１００は、入力部に接続された入力要素から各検出値を読み込む（ステップＳ１０２）。ステップＳ１０１のエンジン始動時において、ロータリバルブ５０は最進角（すなわちＯＦＦ）の状態になっている。

次いで、ＥＣＵ１００は、ノックセンサ２８の検出値（ステップＳ１０２におけるノッキング強度）に基づき、燃料のオクタン価を判別する（ステップＳ１０３）。仮に燃料が高オクタン価である場合、ＥＣＵ１００は、図１３に基づく制御マップから高オクタン価特性でのロータリバルブ５０の目標値を設定する（ステップＳ１０４）。他方、燃料が高オクタン価ではない場合、ＥＣＵ１００は、図１３に基づく制御マップから低オクタン価特性でのロータリバルブ５０の目標値を設定する（ステップＳ１０５）。これにより、燃料のオクタン価に応じて、ノッキングの生じにくいパルス生成特性を得ることが可能になる。

ステップＳ１０４またはステップＳ１０５の設定が終了した後、ＥＣＵ１００は、エンジンの運転領域が低回転低負荷領域であるか否かを判別する（ステップＳ１０６）。

図１５を参照して、ステップＳ１０６において、エンジン１０の運転領域が低回転低負荷領域であった場合、ＥＣＵ１００は、触媒活性状態検出手段としてのエンジン水温センサ６７の検出値に基づき、図略の排気ガス浄化触媒の活性状態を判定する（ステップＳ１０７）。仮に活性状態が良好であると判定された場合、ＥＣＵ１００は、エンジン水温センサ６７の検出温度Ｗｔが所定温度Ｗｔ１に満たないかどうか、すなわちエンジン１０が冷間時であるか否かを判定する（ステップＳ１０８）。仮にエンジン１０が冷間時である場合、ＥＣＵ１００は、検出温度Ｗｔに対応してロータリバルブ５０の遅角補正領域を変更し（ステップＳ１０９）、さらに、検出温度Ｗｔに対応してロータリバルブ５０の設定値を変更する（ステップＳ１１０）。これらのステップＳ１０９、Ｓ１１０は、予め実験等によって収集されたデータを制御マップとしてＥＣＵ１００に記憶し、その制御マップに基づくことにより実現される。

さらにＥＣＵ１００は、図９で示したグラフに基づく制御マップから、燃料の噴射タイミングを設定する（ステップＳ１１１）。このフローでは、冷間時であるので、ＥＣＵ１００は、図９（Ａ）に基づき、噴射タイミングを冷間時燃料噴射タイミングＴｒ１に設定する。また、点火タイミングＩＧは、図１０で示したように、ステップＳ１０９、Ｓ１１０での設定に対応してリタードしている。

その後、ＥＣＵ１００は、ロータリバルブ５０を上述したステップＳ１０９、Ｓ１１０の設定に基づいて駆動する（ステップＳ１１２）。その後、ステップＳ１１１の設定に基づいて、燃料を噴射する（ステップＳ１１３）。このフローでは、冷間時において、燃料が図９（Ａ）で示す冷間時燃料噴射タイミングＴｒ１に噴射されるので、燃焼安定性の低い冷間時において、ロータリバルブ５０の生成するインパルスにより、燃料の気化霧化が促進される。これにより、燃焼安定性が向上し、排気性能も高くなる。

そして、燃料が噴射された後、所定時期に火花点火されることにより、ロータリバルブ５０によって混合が促進された混合気が燃焼され、トルクが生成される（ステップＳ１１４）。この冷間時においては、点火タイミングＩＧが所定量リタードしているので、エンジン１０の暖機が促進される。

火花点火の実行後、ＥＣＵ１００は、エンジン１０が停止するまで、ステップＳ１０２に戻る（ステップＳ１１５）。

次に、ステップＳ１０７において、排気ガス浄化触媒の活性化が不十分であると判定された場合、ＥＣＵ１００は、ロータリバルブ５０の設定値を最遅角量に設定する（ステップＳ１１６）。

次に、排気性能の向上を図るため、ＥＣＵ１００は、空燃比を理論空燃比に設定する（ステップＳ１１７）。その後、ＥＣＵ１００は、より多くの排気エネルギーを創出するように、図１０に対応する制御マップに基づき、燃料の噴射形態を２分割した分割燃料噴射形態に設定する（ステップＳ１１８）。その後、点火タイミングＩＧを図１０に示すように圧縮上死点よりも所定量（例えばクランク角度ＣＡで２０°）リタードさせた値に設定し（ステップＳ１１９）、その後、ステップＳ１１２以降に移行する。

この結果、ステップＳ１１２が実行された場合、ロータリバルブ５０は、吸気弁１９から最も遅れた状態で開弁することになるので、ロータリバルブ５０が開弁するまでの間、吸気行程にある気筒１２Ａ〜１２Ｄ内に大きな負圧が生成されることになる。

また、ステップＳ１１８に基づいてステップＳ１１３が実行された場合、理論空燃比に設定された燃料が、図１０に対応する制御マップに基づいて吸気行程内にて２分割されて噴射される。

そして、ステップＳ１１９に基づいてステップＳ１１４が実行された場合、点火タイミングＩＧが相当量リタードした状態で点火プラグ１６が混合気を点火する。この結果、比較的大きな排気エネルギーが生成され、速やかに排気ガス浄化触媒の温度が上昇して排気ガス浄化触媒の活性化が図られる。

次に、ステップＳ１０８において、排気ガス浄化触媒が活性した後、さらに検出温度Ｗｔも温間領域に達した場合、ＥＣＵ１００は、エンジン回転数Ｎがアイドル回転域（アイドル回転数以下の領域）であるか否かを判定する（ステップＳ１２０）。仮にエンジン回転数Ｎがアイドル回転域である場合、ＥＣＵ１００は、ロータリバルブ５０を図７および図８における温間時の設定値にロータリバルブ５０の運転条件を設定する（ステップＳ１２１）。このステップＳ１２１を終了した後、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１１１に移行する。

このフローは温間時のものであるので、ＥＣＵ１００は、噴射タイミングを図９（Ｂ）における温間時燃料噴射タイミングＴｒ２に設定する。また点火タイミングＩＧは、圧縮上死点近傍に進角している。

次いで、制御が後続するステップに移行すると、ロータリバルブ５０は、温間時の運転条件で作動し（ステップＳ１１２）、ロータリバルブ５０の開弁開始タイミング直後で燃料が噴射され（ステップＳ１１３）、火花点火される（ステップＳ１１４）。このため、前記インパルスが発生する直前に燃料が噴射されるとともに、この燃料が吸気に乗って、気筒１２Ａ〜１２Ｄ内にいわば押込まれる状態となる。この結果、燃料も効率よく気筒１２Ａ〜１２Ｄ内に導入され、新気と混合されるので、ミキシングが促進されるとともに、燃料の気化潜熱によって新気が冷却されることになる。従って、高負荷状態において空燃比をエンリッチにした場合でも、通路壁面に燃料が付着するのを抑制し、気化潜熱によるノッキング防止機能を高めることができる。

他方、ステップＳ１２０において、エンジン回転数Ｎがアイドル回転域を超えている場合には、次に説明するフローのステップＳ１２３へと制御が移行する。

図１６を参照して、図１４のステップＳ１０６の判別において、エンジンの運転領域が低速低負荷領域以外であった場合、ＥＣＵ１００は、エンジン１０の運転領域が部分負荷領域であるか否かを判定する（ステップＳ１２２）。仮に部分負荷領域である場合、ＥＣＵ１００は、ＶＩＳバルブ６３のフラグＦを参照し（ステップＳ１２３）、フラグＦの値が０の場合、ＥＣＵ１００は、ＶＩＳバルブ６３を開き（ステップＳ１２４）、フラグＦの値を１に更新した後（ステップＳ１２５）、ステップＳ１１１に移行する。また、ステップＳ１２３において、フラグＦの値が１の場合には、そのまま次のステップＳ１１１に移行する。

他方、ステップＳ１２２において、エンジンの運転状態が全負荷状態である場合、ＥＣＵ１００はフラグＦの値が１であるか否かを参照し（ステップＳ１２６）、フラグＦの値が１である場合には、ＶＩＳバルブ６３を閉じて（ステップＳ１２７）、フラグＦの値を０に更新した後（ステップＳ１２８）、ステップＳ１１１に移行する。また、フラグＦの値が０である場合には、そのままステップＳ１１１に移行する。

高負荷時においては、上述したように、ステップＳ１１１で設定される燃料は、ロータリバルブ５０の開弁開始時の直前にのみ噴射されることになる。この結果、ロータリバルブ５０によるミキシング効果によって、燃料が筒内の空気を冷却する作用も奏することになる。

以上説明したように、本実施形態では、ロータリバルブ５０によってインパルスを生成するに当たり、ノッキングが生じやすいと判定される運転領域（例えば低速運転領域や低オクタン価での低中速運転領域）においては、ＥＣＵ１００によって、ロータリバルブ５０の開弁タイミングが進角されるので、ロータリバルブ５０の閉弁時期における筒内空気の膨張も緩和される。この結果、圧縮行程における筒内温度の過度の上昇を抑制することができ、ノッキングを回避することが可能になる。

また、本実施形態では、検出されたエンジン回転数Ｎが上昇するに連れてロータリバルブ５０の開弁タイミングを進角させているとともに、ノッキングが生じやすい運転状態（例えば低速運転領域や低オクタン価での低中速運転領域）ほどロータリバルブ５０の開弁特性を進角側にシフトさせている。このため本実施形態では、運転領域に応じて好適なインパルス生成特性を得ることが可能になる。加えて、エンジン回転数Ｎに応じてロータリバルブ５０の開弁タイミングを進角させるに当たり、運転状態検出手段の一例となるエンジンクランク角センサ６６やノックセンサ２８が検出した運転状態がノッキングしやすい状態ほどロータリバルブ５０は進角するので、検出された運転状態に応じて適正な開弁タイミングをロータリバルブ５０に設定することができ、もってノッキングを回避することが可能になる。

また、本実施形態では、判別されたオクタン価が低い場合には、高い場合よりもロータリバルブ５０の開弁特性を進角側にシフトさせている。このため本実施形態では、図１３で示したように、エンジン回転数Ｎに応じてロータリバルブ５０の開弁タイミングを進角させるに当たり、オクタン価が低い場合には、高い場合よりも開弁特性を進角側にシフトさせているので、低オクタン価の場合には、高オクタン価の場合よりも低い回転領域でロータリバルブ５０が進角する。このため燃料のオクタン価に応じて適正な開弁タイミングをロータリバルブ５０に設定することができ、もってノッキングを回避することが可能になる。

また、本実施形態は、図９（Ｂ）で説明したように、ロータリバルブ５０が作動している高負荷運転領域では、当該ロータリバルブ５０の開弁開始時の直前にのみ燃料噴射弁による燃料噴射を開始するものである。このため本実施形態では、ロータリバルブ５０によって生成されたインパルスによって、吸気の速度を高めることが可能になる。この結果、燃料が流速の早い吸気によって筒内にいわば押込まれることになり、燃料の気化霧化や、空気とのミキシング特性の促進を図ることが可能になるとともに、一気に噴射された燃料が高負荷時における筒内の熱を吸収するので、筒内温度が下がり、ノッキングの抑制に寄与することになる。

また、本実施形態は、低負荷運転領域では、図１０で示したように、燃料を分割噴射制御するものである。このため本実施形態では、高負荷運転領域でのノッキング防止を図る一方、低負荷運転領域では、ロータリバルブ５０の負圧を利用した気化霧化の促進と、生成されたインパルスによる吸気の高い流速による燃料のミキシング作用とを活かすことが可能になる。

また、本実施形態は、低負荷運転領域にて燃料を分割噴射制御するに当たり、図１０で示したように、ロータリバルブ５０の開弁前の吸気行程前半に前半の燃料を噴射し、ロータリバルブ５０が開弁する直前に後半の燃料を噴射するものである。このため本実施形態では、エンジンの燃焼室に直接燃料を噴射するいわゆる直噴エンジンにおいても、確実に燃料の気化霧化の促進や、ミキシング性能の向上を図ることが可能になる。

このように本実施形態によれば、ロータリバルブ５０を最大限に利用しつつ、生成された負圧等に起因するノッキングを可及的に防止することができるという顕著な効果を奏する。

上述した各実施形態は、本発明の好ましい具体例に過ぎず、本発明は上述した実施形態に限定されない。

例えば、触媒活性促進運転の実行時に燃料噴射を分割するに当たり、直噴エンジンにこの態様を適用する場合には、後半の燃料噴射を圧縮行程中に行うようにしてもよい。また、その場合の分割の態様として、吸気弁の開弁開始後ロータリバルブの開弁開始前と、ロータリバルブの開弁開始直後と、圧縮行程前半の３分割噴射を採用してもよい。

その他、本発明の特許請求の範囲内で種々の変更が可能であることはいうまでもない。

本発明の実施の一形態に係る４サイクル火花点火式多気筒エンジンの右側面図である。 図１のＡ−Ａ断面略図である。 本実施形態の要部を簡略化して示す斜視図である。 図２の要部を拡大した断面図である。 図１の要部を拡大して示す部分拡大図である。 本実施形態に係るブロック図である。 本実施形態に係るトルクとエンジン回転数との関係を示すグラフである。 エンジンの低速運転領域におけるロータリバルブおよびＶＩＳバルブとトルクとの関係を示すグラフである。 筒内圧力とクランク角度との関係を示すグラフであり、（Ａ）は冷間時、（Ｂ）は温間時である。 エンジン始動後のいわゆるファーストアイドル状態におけるロータリバルブの開弁角度と燃料噴射タイミング並びに点火タイミングを示すタイミングチャートである。 吸気温度と気化率の関係を表わすグラフである。 触媒活性促進運転時から温間運転時までのロータリバルブの開弁特性を示す図である。 ロータリバルブとエンジン回転数の特性を示す図である。 図７〜図１３の設定に基づくフローチャートである。 図７〜図１３の設定に基づくフローチャートである。 図７〜図１３の設定に基づくフローチャートである。

符号の説明

１０ エンジン
１２Ａ〜１２Ｄ 気筒
１４ シリンダ
１７ 吸気ポート
１８ 排気ポート
１９ 吸気弁
２０ 排気弁
２１ 燃料噴射弁
２２ カムシャフト
２８ ノックセンサ（オクタン価検出手段の一例）
３５ 排気通路
４０ 吸気装置
４１ インテークマニホールド
４２ サージタンク
４２ 前記サージタンク
４３Ａ〜４３Ｄ 分岐吸気管
４４ スロットルボディ
５０ ロータリバルブ
５６ ロータリバルブ進角機構
５７ ＯＣＶシステム
５８ 角度センサ
６０ ＶＩＳ（可変通路長システムの一例）
６１ 容積管
６３ バルブ
６４ 駆動軸
６５ バルブアクチュエータ
６６ エンジンクランク角度センサ
６７ エンジン水温センサ（温度検出手段の一例）
６８ アクセル開度センサ（エンジン負荷検出手段の一例）
６９ Ｏ_２センサ

Claims (5)

1. 複数の気筒の各吸気ポートに空気を供給する吸気管と、
   各気筒の吸気行程に対応して、吸気ポートの開弁期間内の吸気行程途中で開弁して、気筒内に圧力波を生成するパルス発生装置と
   を備えた多気筒エンジンの制御装置において、
   パルス発生装置の開弁タイミングを変更可能な可変バルブタイミング機構と、
   エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   運転状態検出手段の検出に基づいてパルス発生装置および可変バルブタイミング機構を駆動制御する制御手段と
   を設け、前記制御手段は、エンジンが圧縮行程時に筒内温度が高くなってノッキングを来しやすい運転状態にあるときには、パルス発生装置の開弁時期における筒内空気の膨張を抑制し、圧縮行程時の筒内温度の上昇を抑制するように、開弁タイミングを進角させるものであることを特徴とする多気筒エンジンの制御装置。
2. 請求項１記載の多気筒エンジンの制御装置において、
   エンジン回転数を検出するエンジン回転数検出手段を設け、
   前記制御手段は、検出されたエンジン回転数が上昇するに連れてパルス発生装置の開弁タイミングを進角させるとともに、ノッキングが生じやすい運転状態ほどパルス発生装置の開弁特性を進角側にシフトさせるものであることを特徴とする多気筒エンジンの制御装置。
3. 請求項２記載の多気筒エンジンの制御装置において、
   燃料のオクタン価を判別するオクタン価判別手段を設け、前記制御手段は、判別されたオクタン価が低い場合には、高い場合よりもパルス発生装置の開弁特性を進角側にシフトさせるものであることを特徴とする多気筒エンジンの制御装置。
4. 請求項１から３の何れか１項に記載の多気筒エンジンの制御装置において、
   前記制御手段は、低負荷運転領域では、燃料を分割噴射制御するものであることを特徴とする多気筒エンジンの制御装置。
5. 請求項４に記載の多気筒エンジンの制御装置において、
   前記制御手段は、吸気ポートの開弁期間内のパルス発生装置の開弁前に前半の燃料を噴射し、パルス発生装置が開弁する付近で後半の燃料を噴射するものであることを特徴とする多気筒エンジンの制御装置。

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