用于内燃发动机的控制设备转让专利
申请号 : CN200680045626.8
文献号 : CN101321932B
文献日 : 2010-11-03
发明人 : 川合孝史 , 森田晃司
申请人 : 丰田自动车株式会社
摘要 :
一种控制设备(100)，其控制发动机(200)的工况，发动机(200)包括能够改变进气门(203)和排气门(204)的气门工作特性的气门操作设备(10)。该控制设备设置有：进气门控制装置(110)，其用于控制气门操作设备(10)从而在发动机(10)的起动操作过程中将进气门(203)设定为持续开启；以及排气控制装置(120)，其用于控制气门操作设备(10)从而在所述起动操作过程中将排气门(204)设定为持续关闭。
权利要求 :
1.一种用于内燃发动机(200)的控制设备(100)，所述控制设备(100)用于控制内燃发动机的工况，所述内燃发动机包括能够改变进气门(203)和排气门(204)的气门工作特性的可变气门操作机构(10)，所述控制设备(100)包括：
进气门控制装置(110、113、114)，其用于控制所述可变气门操作机构(10)，从而在所述内燃发动机(200)的起动操作过程中将所述进气门(203)设定为持续开启同时将升程量维持为预定升程量；以及排气控制装置(120、140)，其用于控制所述可变气门操作机构(10)和排气节气门(212)中的至少一个，从而在所述起动操作过程中将所述排气门(204)和所述排气节气门(212)中的至少一个设定为持续关闭，所述排气节气门(212)设置在排气通道中所述排气门(204)的下游侧，其特征在于，
温度指示装置(2012)，其用于指示冷却所述内燃发动机(200)的冷却水的实际温度；以及目标温度设定装置(130)，其用于设定在所述起动操作过程中所述冷却水将要达到的目标温度，所述进气门控制装置(110、113、114)基于所述实际温度与所述目标温度之间的偏差设定所述预定升程量。
2.根据权利要求1所述的用于内燃发动机的控制设备，其中，
所述内燃发动机(200)分为多个气缸(2)，
所述可变气门操作机构(10)具有气门操作设备，所述气门操作设备通过利用设置在所述多个气缸(2)的每个气缸中的运动转换装置(13)而将从气门驱动源输出的旋转运动转换成线性运动并通过利用所述线性运动而驱动所述多个气缸(2)中每个气缸的所述进气门(203)和排气门(204)开启/关闭，并且所述气门操作设备包括：由气缸组共用的作为所述气门驱动源的电动机(11、12)，所述气缸组包括气门开启时间段不重叠的多个气缸(2)；以及传递机构(14、15)，其用于将所述电动机(11、12)的转动传递给所述气缸组的每个运动转换装置(13)的回转体(16)。
3.根据权利要求1所述的用于内燃发动机的控制设备，其中，如果所述偏差大于与所述内燃发动机(200)中的最大泵气损失对应的最大温度增量，所述进气门控制装置(110、113、114)便将与所述最大泵气损失对应的升程量设定为所述预定升程量，而不是基于所述偏差设定所述预定升程量。
4.根据权利要求1所述的用于内燃发动机的控制设备，其中，所述目标温度设定装置(130)根据供给所述内燃发动机(200)中燃烧的燃料的比重修正所设定的所述目标温度。
5.根据权利要求1所述的用于内燃发动机的控制设备，其中，所述目标温度设定装置(130)根据供给所述内燃发动机(200)中燃烧的燃料的介电常数修正所设定的所述目标温度。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种用于诸如汽车发动机之类的内燃发动机的控制设备。
背景技术
在这种内燃发动机中，已经提出了多种不同技术来减少未燃烧的碳氢化合物(下文中根据情况称为“HC”)等以防止排放物劣化。例如，专利文献1中提出一种在发动机冷起动时延迟排气门的气门开启正时从而使燃烧气体在气缸中相比正常情况停留更长时间的技术。专利文献2中提出一种在发动机起动和暖机操作时将排气门设定在几乎完全关闭状态的技术。专利文献3中提出一种技术，在所述技术中，设定进气门和排气门均关闭的气门重叠，在气门重叠期间，在发动机起动和随后的空转过程中进气门和排气门关闭得大体上相等，并且在所述技术中，重叠中心设定为随着发动机温度的下降而位于较大的提前角侧。专利文献4中提出一种提前排气门角度的技术，在该技术中，在发动机起动时通过增大气门重叠以及通过使排气回到气缸并燃烧而在减少HC之后提前排气门的角度。专利文献5提出一种通过基于发动机的工况而开启排气门来增大充入气体中的已燃气体比率并使HC再次燃烧的技术。
专利文献1：日本专利申请公报特开2005-147015
专利文献2：日本专利申请公报特开2001-59428
专利文献3：日本专利申请公报特开2004-176680
专利文献4：日本专利申请公报特开2002-206436
专利文献5：日本专利申请公报特开平5-86908
专利文献1：日本专利申请公报特开2005-147015
专利文献2：日本专利申请公报特开2001-59428
专利文献3：日本专利申请公报特开2004-176680
专利文献4：日本专利申请公报特开2002-206436
专利文献5：日本专利申请公报特开平5-86908
发明内容
本发明要解决的技术问题
然而，上述技术中还存在如下问题，即难于在起动刚刚结束之后防止排气劣化，例如在发动机停机状态中留下了残余的已燃气体的情况以及喷射器存在泄漏的情况下就是这样。而且，还存在如下技术问题，即在为了改善排放而增大燃烧中的已燃气体比率的情况下，如果已燃气体比率变得太大，便可能导致燃烧和扭矩变化劣化。
因此，为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种能够减少未燃烧的HC的排放量的用于内燃发动机的控制设备。
解决技术问题的方法
本发明的上述目的能够通过用于内燃发动机的第一控制设备来实现，所述第一控制设备用于控制内燃发动机的工况，所述内燃发动机设置有能够改变进气门和排气门的气门工作特性的可变气门操作机构，所述控制设备设置有：进气门控制装置，其用于控制所述可变气门操作机构，从而在所述内燃发动机的起动操作过程中将所述进气门设定为持续开启；以及排气控制装置，其用于控制所述可变气门操作机构和排气节气门中的至少一个，从而在所述起动操作过程中将所述排气门和所述排气节气门中的至少一个设定为持续关闭，所述排气节气门设置在排气通道中所述排气门的下游侧。
根据本发明的用于内燃发动机的第一控制设备，在其操作时，进气门控制装置控制可变气门操作机构，从而在所述内燃发动机的起动操作过程中将进气门设定持续开启，并且排气控制装置控制可变气门操作机构和排气节气门中的至少一个，从而在所述内燃发动机的起动操作过程中将排气门和排气节气门中的至少一个设定为持续关闭。此处，本发明中的“进气门”设定为“持续开启”的表述不同于内燃发动机的正常工况，其意味着在对应于多个连续冲程的时间段内维持进气门的气门开启状态，所述多个连续冲程包括进气冲程还包括进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程中除进气冲程之外的冲程。而且，本发明中的“排气门”设定为“持续关闭”的表述不同于内燃发动机的正常工况，其意味着在对应于多个连续冲程的时间段内维持排气门或排气节气门的气门关闭状态，所述多个连续冲程包括排气冲程还包括进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程以及排气冲程中除排气冲程之外的冲程。因此，通过起动操作，在起动操作之前存在于内燃发动机的每个气缸中的含有未燃烧碳氢化合物(下文中根据情况称为“未燃烧HC”)的残余气体不是通过排气门或排气节气门流到排气通道的下游侧，而是通过进气门流到进气通道。在起动操作之后的正常工况中，在内燃发动机的进气冲程中，以这种方式流到进气通道的残余气体再次与新供给的燃料和空气一起被吸入气缸。因此，在起动操作之前就包含在残余气体中的未燃烧HC在内燃发动机的气缸中燃烧。因此，可以抑制或阻止在起动操作之前就包含在残余气体中的未燃烧HC通过起动操作而排放到内燃发动机外部。
另外，在本发明中，如上所述，仅需要将排气门和排气节气门中至少一个设定为关闭。如果通过排气控制装置将排气门控制为持续关闭，则该内燃发动机上无需设置排气节气门。也就说，不仅设置有排气门和排气节气门的内燃发动机是本发明的控制目标，而且没有排气节气门的内燃发动机也是本发明的控制目标。
本发明的上述目的能够通过用于内燃发动机的第二控制设备来实现，所述第二控制设备用于控制内燃发动机的工况，所述内燃发动机设置有能够改变进气门和排气门的气门工作特性的可变气门操作机构，所述控制设备设置有：进气门控制装置，其用于控制所述可变气门操作机构，从而在所述内燃发动机的起动操作过程中将所述进气门设定为开启，并且在第一时间段内在排气冲程中将所述进气门设定为开启，所述第一时间段是从所述起动操作之后到所述内燃发动机的已燃气体浓度等于或大于预定值时的时间段；以及排气控制装置，其用于控制所述可变气门操作机构和排气节气门中的至少一个，从而在所述起动操作过程中以及在所述第一时间段内将所述排气门和所述排气节气门中的至少一个设定为关闭，所述排气节气门设置在排气通道中所述排气门的下游侧。
根据本发明的用于内燃发动机的第二控制设备，在其操作时，如在用于内燃发动机的第一控制设备中一样，进气门控制装置控制可变气门操作机构，从而在内燃发动机的起动操作过程中将进气门设定为持续开启，并且排气控制装置控制可变气门操作机构和排气节气门中的至少一个，从而在内燃发动机的起动操作过程中将排气门和排气节气门中的至少一个设定为关闭。因此，可以抑制或阻止在起动操作之前就包含在残余气体中的未燃烧HC通过起动操作而排放到内燃发动机外部。
特别是在本发明中，进气门控制装置控制可变气门操作机构，从而在第一时间段内将进气门设定开启，并且排气控制装置控制可变气门操作机构和排气节气门中的至少一个，从而在第一时间段内将排气门和排气节气门中的至少一个设定为关闭，其中第一时间段是从起动操作之后到内燃发动机的已燃气体浓度等于或大于预定值时的时间段。因此，如果起动操作之后已燃气体浓度小于预定值，则存在于内燃发动机的每个气缸中的残余气体不是通过排气门或排气节气门流到排气通道的下游侧，而是通过进气门流到进气通道。此处，本发明的“已燃气体浓度”是混合气在内燃发动机的膨胀冲程(即燃烧冲程)中燃烧之后产生的气体的浓度，并且所述已燃气体是例如CO2(二氧化碳)浓度。本发明的预定值是用于确定已燃气体浓度的下限的值。已燃气体浓度可预先设定为满足排放控制要求的值，或者可根据例如内燃发动机的转数、燃料喷射量等而变化。在下一个进气冲程中以这种方式流到进气通道的残余气体再次与新供给的燃料和空气一起被吸入气缸。因此，包含在残余气体中的未燃烧HC在内燃发动机的气缸中再次燃烧，从而增大已燃气体浓度。如上所述的残余气体向进气通道的流动以及之后的燃烧反复进行，直到已燃气体浓度等于或大于预定值。因此，可以在起动操作之后抑制或阻止使包含在残余气体中的未燃烧HC排放到内燃发动机外部。这样是有效的，因为在起动操作过程中以及起动操作刚刚结束之后残余气体中包含的未燃烧HC很可能比正常工况下内燃发动机的排气中包含的未燃烧HC多。另外，如果已燃气体浓度变得等于或大于预定值，则内燃发动机回复到正常工况。
在本发明的用于内燃发动机的第二控制设备的一个方面，所述进气门控制装置具有用于估算已燃气体浓度的浓度估算装置。
由于具有这种构造，因此可以在根据估算出的已燃气体浓度确定的第一期间内将进气门控制为开启。
在本发明的用于内燃发动机的第二控制设备的另一个方面，所述浓度估算装置基于与所述进气门连通的进气管中的二氧化碳浓度来估算已燃气体浓度。
由于具有这种构造，因此可以通过利用二氧化碳浓度来估算已燃气体浓度，二氧化碳浓度由安装在进气管上的二氧化碳浓度传感器检测或者通过与二氧化碳浓度具有特定关系的另一参数来估算。
在本发明的用于内燃发动机的第二控制设备的另一个方面，所述进气门控制装置根据一个或多个用于限定所述工况的参数将所述预定值设定为可变的。
由于具有这种构造，因此根据诸如发动机转数和燃料量之类用于限定内燃发动机工况的一个或多个参数将预定值设定为可变的。因此，可以根据工况采用更合适的第一时间段。
在本发明的用于内燃发动机的第一控制设备和第二控制设备的另一个方面，所述内燃发动机分为多个气缸，所述可变气门操作机构具有气门操作设备，所述气门操作设备通过利用设置在所述多个气缸的每个气缸中的运动转换装置而将从气门驱动源输出的旋转运动转换成线性运动并通过利用所述线性运动而驱动所述多个气缸中每个气缸的所述进气门和排气门开启/关闭，并且所述气门操作设备设置有：由气缸组共用的作为所述气门驱动源的电动机，所述气缸组设置有气门开启时间段不重叠的多个气缸；以及传递机构，其用于将所述电动机的转动传递给所述气缸组的每个运动转换装置的回转体。
根据这个方面，作为气门驱动源的电动机由多个气缸共用，使得与每个气缸都设置有电动机的情形相比气门操作设备的尺寸得以减小，从而降低了将其安装到汽车上的规格要求。而且，共用电动机的气缸组中的气缸的气门开启时间段不重叠，并且在每个气门的气门开启时间段内都存在一个所有气门都关闭的时间段。因此，如果通过改变电动机的转速和旋转方向而改变同一气缸组中任一气缸的气门(进气门或排气门)的气门工作特性，通过采用从气缸的一个气门关闭到下一个气门开启的时间段(即所有气门都关闭的时间段)并通过进一步改变电动机的旋转以抵消之前产生的变化，便可以消除之前开启的气门的气门工作特性的变化对接下来将要开启的气门的气门工作特性的影响。这样一来，便可以在控制与每个气缸相关的气门工作特性方面维持高的控制自由度。通过将这种气门操作设备作为上述可变气门操作机构来控制，可以抑制或阻止未燃烧的HC排放到内燃发动机外部。
在本发明的用于内燃发动机的第一控制设备和第二控制设备的另一个方面，所述进气门控制装置控制所述可变气门操作机构，从而在所述起动操作过程中在将所述进气门设定为持续开启的同时将升程量维持为预定升程量。
根据这个方面，在将进气门的升程量维持为预定升程量的同时执行起动。因此，即使在起动时，内燃发动机的每个部件中的温度优选地增高，燃料气化加速，并且避免了未燃烧燃料的产生。因此，可以在更大程度上减少内燃发动机的未燃烧HC的排放。此处“预定升程量”可基于进气门的升程量与气缸和进气通道中的空气的温度增量之间的关系通过实验或通过模拟预先确定为使燃料温度上升到用于气化的合适温度的升程量。得出该关系的原因是，当升程量减小得更多时，泵气损失增加得更多，因此能量损失会使进气温度增高。而且，可以给升程量设定小量裕度，另外还可以之后通过学习来对其进行改变。另外，尽管采用了“维持”的表述，但是并不是必须将升程量保持为固定的预定升程量。也就是说，这是一个理解性的概念，允许升程量与预定升程量之间存在小量变化，只要气缸和进气通道中的空气温度增高或多或少的程度即可。
如上所述，在升程量维持为预定升程量的用于内燃发动机的第一控制设备和第二控制设备的一个方面，所述控制设备可进一步设置有：温度指示装置，其用于指示冷却所述内燃发动机的冷却水的实际温度；以及目标温度设定装置，其用于设定在所述起动操作过程中所述冷却水将要达到的目标温度，所述进气门控制装置基于所述实际温度与所述目标温度之间的偏差设定所述预定升程量。
根据这个方面，例如首先由作为温度指示装置的水温传感器等来指示冷却水的实际温度。“冷却水的实际温度”是用于间接指示气缸和进气通道中的空气温度的物理量的一个示例。也就是说，可以说这是旨在间接指示在内燃发动机起动操作之后所喷射燃料是否处于气化温度的物理量。只要能够达到该目的，也可以指示其它物理量。与此同时或一前一后地，例如作为目标温度设定装置的控制器等设定冷却水在起动操作过程中将要达到的目标温度。此处“目标温度”可通过实验或通过模拟预先确定为冷却水的能够优选地加速燃料气化的目标温度。而且，可以给目标温度设定小量裕度，另外还可以之后通过学习来对其进行改变。预定升程量基于所指示的实际温度与所设定的目标温度之间的偏差来设定，从而执行起动。
所述偏差与预定升程量之间的关系通常由控制器通过预先设定的映射或通过预先设定的表达式来获知。因此，可基于该偏差容易或快速地设定预定升程量。因而，在起动操作过程中，在进气门控制装置的控制下，进气门在升程量维持以上述方式设定的预定升程量的同时被设定为持续开启。因而，可优选且相对高效地达到目标温度，加速燃料的气化，并避免产生未燃烧燃料。因而，可以更大程度地减少内燃发动机的未燃烧HC的排放。
如上所述，在基于实际温度与目标温度之间的偏差来设定预定升程量的用于内燃发动机的第一控制设备和第二控制设备的一个方面，如果所述偏差大于与所述内燃发动机中的最大泵气损失对应的最大温度增量，所述进气门控制装置便可将与所述最大泵气损失对应的升程量设定为所述预定升程量，而不是基于所述偏差设定所述预定升程量。
根据这个方面，如果偏差较大，则采用对应于最大泵气损失的升程量，从而可以尽可能地增高能够在起动操作过程中的一个冲程中增高的温度并最终减小实现目标所需的冲程数目。例如，假设“对应于最大泵气损失的最大温度增量”是50[℃/冲程]，并且“对应于最大泵气损失的升程量”是例如1[mm]。在偏差是150[℃]的情况下，如果在升程量维持1[mm]的同时在150[℃]/50[℃/冲程]＝3个[冲程](例如进气冲程、压缩冲程和膨胀冲程)中执行起动，则可以比升程量设定为其它升程量的情况下更快地实现目标温度。此时，如果冲程数目具有分数，则可以根据情况将升程量修改成不同于与最大泵气损失对应的升程量。
另外，“对应于最大泵气损失的升程量”可通过实验或通过模拟确定为在有限程度上确实使泵气损失最大化的升程量。从广义上来说，只要预期泵气损失会或多或少地导致产生温度增量，便可允许存在一些裕度。另外，升程量也可以之后通过学习来改变。
另外，如果偏差不大于与内燃发动机中的最大泵气损失对应的最大温度增量，则从热效率方面来说，如上所述地将升程量设定为对应于最大泵气损失的量并不是必然有利的。因此，在这种情况下，进气门控制装置将如上所述地基于所述偏差来执行该过程，并随后根据情况设定升程量。
如上所述，在设定了目标温度的用于内燃发动机的第一控制设备和第二控制设备的一个方面，所述目标温度设定装置可根据供给所述内燃发动机中燃烧的燃料的比重修正所设定的目标温度。
根据这个方面，考虑到燃料的比重与原燃料的含量比有关并且气化燃料的难度可通过燃料的比重间接指示，因此得以根据比重来修正目标温度，例如在采用比较难于气化的燃料-诸如原燃料时根据燃料的比重来增高目标温度。替代性地，在相反情况下，根据比重对目标温度的修正通过例如在采用比较容易气化的燃料时根据燃料的比重降低目标温度来实现。这样一来，不管原燃料如何，均可以使燃料充分气化，从而更确定地减少内燃发动机的未燃烧HC的排放。
替代性地，如上所述，在设定了目标温度的用于内燃发动机的第一控制设备和第二控制设备的一个方面，所述目标温度设定装置可根据燃料的介电常数修正所设定的目标温度。
根据这个方面，考虑到燃料的介电常数与燃料的酒精浓度有关并且气化燃料的难度可通过燃料的介电常数来间接指示，因此可以根据燃料的介电常数修正目标温度，例如在采用比较难于气化的燃料-诸如酒精浓度高的燃料时根据燃料的介电常数来增高目标温度。替代性地，在相反情况下，根据燃料的介电常数对目标温度的修正通过例如在采用比较容易气化的燃料-诸如酒精浓度低的燃料时根据燃料的介电常数降低目标温度来实现。这样一来，不管燃料中的酒精浓度如何，均可以使燃料充分气化，从而更确定地减少内燃发动机的未燃烧HC的排放。
通过阅读下面的实施方式，本发明的这些效果以及其它优点将变得显而易见。
然而，上述技术中还存在如下问题，即难于在起动刚刚结束之后防止排气劣化，例如在发动机停机状态中留下了残余的已燃气体的情况以及喷射器存在泄漏的情况下就是这样。而且，还存在如下技术问题，即在为了改善排放而增大燃烧中的已燃气体比率的情况下，如果已燃气体比率变得太大，便可能导致燃烧和扭矩变化劣化。
因此，为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种能够减少未燃烧的HC的排放量的用于内燃发动机的控制设备。
解决技术问题的方法
本发明的上述目的能够通过用于内燃发动机的第一控制设备来实现，所述第一控制设备用于控制内燃发动机的工况，所述内燃发动机设置有能够改变进气门和排气门的气门工作特性的可变气门操作机构，所述控制设备设置有：进气门控制装置，其用于控制所述可变气门操作机构，从而在所述内燃发动机的起动操作过程中将所述进气门设定为持续开启；以及排气控制装置，其用于控制所述可变气门操作机构和排气节气门中的至少一个，从而在所述起动操作过程中将所述排气门和所述排气节气门中的至少一个设定为持续关闭，所述排气节气门设置在排气通道中所述排气门的下游侧。
根据本发明的用于内燃发动机的第一控制设备，在其操作时，进气门控制装置控制可变气门操作机构，从而在所述内燃发动机的起动操作过程中将进气门设定持续开启，并且排气控制装置控制可变气门操作机构和排气节气门中的至少一个，从而在所述内燃发动机的起动操作过程中将排气门和排气节气门中的至少一个设定为持续关闭。此处，本发明中的“进气门”设定为“持续开启”的表述不同于内燃发动机的正常工况，其意味着在对应于多个连续冲程的时间段内维持进气门的气门开启状态，所述多个连续冲程包括进气冲程还包括进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程中除进气冲程之外的冲程。而且，本发明中的“排气门”设定为“持续关闭”的表述不同于内燃发动机的正常工况，其意味着在对应于多个连续冲程的时间段内维持排气门或排气节气门的气门关闭状态，所述多个连续冲程包括排气冲程还包括进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程以及排气冲程中除排气冲程之外的冲程。因此，通过起动操作，在起动操作之前存在于内燃发动机的每个气缸中的含有未燃烧碳氢化合物(下文中根据情况称为“未燃烧HC”)的残余气体不是通过排气门或排气节气门流到排气通道的下游侧，而是通过进气门流到进气通道。在起动操作之后的正常工况中，在内燃发动机的进气冲程中，以这种方式流到进气通道的残余气体再次与新供给的燃料和空气一起被吸入气缸。因此，在起动操作之前就包含在残余气体中的未燃烧HC在内燃发动机的气缸中燃烧。因此，可以抑制或阻止在起动操作之前就包含在残余气体中的未燃烧HC通过起动操作而排放到内燃发动机外部。
另外，在本发明中，如上所述，仅需要将排气门和排气节气门中至少一个设定为关闭。如果通过排气控制装置将排气门控制为持续关闭，则该内燃发动机上无需设置排气节气门。也就说，不仅设置有排气门和排气节气门的内燃发动机是本发明的控制目标，而且没有排气节气门的内燃发动机也是本发明的控制目标。
本发明的上述目的能够通过用于内燃发动机的第二控制设备来实现，所述第二控制设备用于控制内燃发动机的工况，所述内燃发动机设置有能够改变进气门和排气门的气门工作特性的可变气门操作机构，所述控制设备设置有：进气门控制装置，其用于控制所述可变气门操作机构，从而在所述内燃发动机的起动操作过程中将所述进气门设定为开启，并且在第一时间段内在排气冲程中将所述进气门设定为开启，所述第一时间段是从所述起动操作之后到所述内燃发动机的已燃气体浓度等于或大于预定值时的时间段；以及排气控制装置，其用于控制所述可变气门操作机构和排气节气门中的至少一个，从而在所述起动操作过程中以及在所述第一时间段内将所述排气门和所述排气节气门中的至少一个设定为关闭，所述排气节气门设置在排气通道中所述排气门的下游侧。
根据本发明的用于内燃发动机的第二控制设备，在其操作时，如在用于内燃发动机的第一控制设备中一样，进气门控制装置控制可变气门操作机构，从而在内燃发动机的起动操作过程中将进气门设定为持续开启，并且排气控制装置控制可变气门操作机构和排气节气门中的至少一个，从而在内燃发动机的起动操作过程中将排气门和排气节气门中的至少一个设定为关闭。因此，可以抑制或阻止在起动操作之前就包含在残余气体中的未燃烧HC通过起动操作而排放到内燃发动机外部。
特别是在本发明中，进气门控制装置控制可变气门操作机构，从而在第一时间段内将进气门设定开启，并且排气控制装置控制可变气门操作机构和排气节气门中的至少一个，从而在第一时间段内将排气门和排气节气门中的至少一个设定为关闭，其中第一时间段是从起动操作之后到内燃发动机的已燃气体浓度等于或大于预定值时的时间段。因此，如果起动操作之后已燃气体浓度小于预定值，则存在于内燃发动机的每个气缸中的残余气体不是通过排气门或排气节气门流到排气通道的下游侧，而是通过进气门流到进气通道。此处，本发明的“已燃气体浓度”是混合气在内燃发动机的膨胀冲程(即燃烧冲程)中燃烧之后产生的气体的浓度，并且所述已燃气体是例如CO2(二氧化碳)浓度。本发明的预定值是用于确定已燃气体浓度的下限的值。已燃气体浓度可预先设定为满足排放控制要求的值，或者可根据例如内燃发动机的转数、燃料喷射量等而变化。在下一个进气冲程中以这种方式流到进气通道的残余气体再次与新供给的燃料和空气一起被吸入气缸。因此，包含在残余气体中的未燃烧HC在内燃发动机的气缸中再次燃烧，从而增大已燃气体浓度。如上所述的残余气体向进气通道的流动以及之后的燃烧反复进行，直到已燃气体浓度等于或大于预定值。因此，可以在起动操作之后抑制或阻止使包含在残余气体中的未燃烧HC排放到内燃发动机外部。这样是有效的，因为在起动操作过程中以及起动操作刚刚结束之后残余气体中包含的未燃烧HC很可能比正常工况下内燃发动机的排气中包含的未燃烧HC多。另外，如果已燃气体浓度变得等于或大于预定值，则内燃发动机回复到正常工况。
在本发明的用于内燃发动机的第二控制设备的一个方面，所述进气门控制装置具有用于估算已燃气体浓度的浓度估算装置。
由于具有这种构造，因此可以在根据估算出的已燃气体浓度确定的第一期间内将进气门控制为开启。
在本发明的用于内燃发动机的第二控制设备的另一个方面，所述浓度估算装置基于与所述进气门连通的进气管中的二氧化碳浓度来估算已燃气体浓度。
由于具有这种构造，因此可以通过利用二氧化碳浓度来估算已燃气体浓度，二氧化碳浓度由安装在进气管上的二氧化碳浓度传感器检测或者通过与二氧化碳浓度具有特定关系的另一参数来估算。
在本发明的用于内燃发动机的第二控制设备的另一个方面，所述进气门控制装置根据一个或多个用于限定所述工况的参数将所述预定值设定为可变的。
由于具有这种构造，因此根据诸如发动机转数和燃料量之类用于限定内燃发动机工况的一个或多个参数将预定值设定为可变的。因此，可以根据工况采用更合适的第一时间段。
在本发明的用于内燃发动机的第一控制设备和第二控制设备的另一个方面，所述内燃发动机分为多个气缸，所述可变气门操作机构具有气门操作设备，所述气门操作设备通过利用设置在所述多个气缸的每个气缸中的运动转换装置而将从气门驱动源输出的旋转运动转换成线性运动并通过利用所述线性运动而驱动所述多个气缸中每个气缸的所述进气门和排气门开启/关闭，并且所述气门操作设备设置有：由气缸组共用的作为所述气门驱动源的电动机，所述气缸组设置有气门开启时间段不重叠的多个气缸；以及传递机构，其用于将所述电动机的转动传递给所述气缸组的每个运动转换装置的回转体。
根据这个方面，作为气门驱动源的电动机由多个气缸共用，使得与每个气缸都设置有电动机的情形相比气门操作设备的尺寸得以减小，从而降低了将其安装到汽车上的规格要求。而且，共用电动机的气缸组中的气缸的气门开启时间段不重叠，并且在每个气门的气门开启时间段内都存在一个所有气门都关闭的时间段。因此，如果通过改变电动机的转速和旋转方向而改变同一气缸组中任一气缸的气门(进气门或排气门)的气门工作特性，通过采用从气缸的一个气门关闭到下一个气门开启的时间段(即所有气门都关闭的时间段)并通过进一步改变电动机的旋转以抵消之前产生的变化，便可以消除之前开启的气门的气门工作特性的变化对接下来将要开启的气门的气门工作特性的影响。这样一来，便可以在控制与每个气缸相关的气门工作特性方面维持高的控制自由度。通过将这种气门操作设备作为上述可变气门操作机构来控制，可以抑制或阻止未燃烧的HC排放到内燃发动机外部。
在本发明的用于内燃发动机的第一控制设备和第二控制设备的另一个方面，所述进气门控制装置控制所述可变气门操作机构，从而在所述起动操作过程中在将所述进气门设定为持续开启的同时将升程量维持为预定升程量。
根据这个方面，在将进气门的升程量维持为预定升程量的同时执行起动。因此，即使在起动时，内燃发动机的每个部件中的温度优选地增高，燃料气化加速，并且避免了未燃烧燃料的产生。因此，可以在更大程度上减少内燃发动机的未燃烧HC的排放。此处“预定升程量”可基于进气门的升程量与气缸和进气通道中的空气的温度增量之间的关系通过实验或通过模拟预先确定为使燃料温度上升到用于气化的合适温度的升程量。得出该关系的原因是，当升程量减小得更多时，泵气损失增加得更多，因此能量损失会使进气温度增高。而且，可以给升程量设定小量裕度，另外还可以之后通过学习来对其进行改变。另外，尽管采用了“维持”的表述，但是并不是必须将升程量保持为固定的预定升程量。也就是说，这是一个理解性的概念，允许升程量与预定升程量之间存在小量变化，只要气缸和进气通道中的空气温度增高或多或少的程度即可。
如上所述，在升程量维持为预定升程量的用于内燃发动机的第一控制设备和第二控制设备的一个方面，所述控制设备可进一步设置有：温度指示装置，其用于指示冷却所述内燃发动机的冷却水的实际温度；以及目标温度设定装置，其用于设定在所述起动操作过程中所述冷却水将要达到的目标温度，所述进气门控制装置基于所述实际温度与所述目标温度之间的偏差设定所述预定升程量。
根据这个方面，例如首先由作为温度指示装置的水温传感器等来指示冷却水的实际温度。“冷却水的实际温度”是用于间接指示气缸和进气通道中的空气温度的物理量的一个示例。也就是说，可以说这是旨在间接指示在内燃发动机起动操作之后所喷射燃料是否处于气化温度的物理量。只要能够达到该目的，也可以指示其它物理量。与此同时或一前一后地，例如作为目标温度设定装置的控制器等设定冷却水在起动操作过程中将要达到的目标温度。此处“目标温度”可通过实验或通过模拟预先确定为冷却水的能够优选地加速燃料气化的目标温度。而且，可以给目标温度设定小量裕度，另外还可以之后通过学习来对其进行改变。预定升程量基于所指示的实际温度与所设定的目标温度之间的偏差来设定，从而执行起动。
所述偏差与预定升程量之间的关系通常由控制器通过预先设定的映射或通过预先设定的表达式来获知。因此，可基于该偏差容易或快速地设定预定升程量。因而，在起动操作过程中，在进气门控制装置的控制下，进气门在升程量维持以上述方式设定的预定升程量的同时被设定为持续开启。因而，可优选且相对高效地达到目标温度，加速燃料的气化，并避免产生未燃烧燃料。因而，可以更大程度地减少内燃发动机的未燃烧HC的排放。
如上所述，在基于实际温度与目标温度之间的偏差来设定预定升程量的用于内燃发动机的第一控制设备和第二控制设备的一个方面，如果所述偏差大于与所述内燃发动机中的最大泵气损失对应的最大温度增量，所述进气门控制装置便可将与所述最大泵气损失对应的升程量设定为所述预定升程量，而不是基于所述偏差设定所述预定升程量。
根据这个方面，如果偏差较大，则采用对应于最大泵气损失的升程量，从而可以尽可能地增高能够在起动操作过程中的一个冲程中增高的温度并最终减小实现目标所需的冲程数目。例如，假设“对应于最大泵气损失的最大温度增量”是50[℃/冲程]，并且“对应于最大泵气损失的升程量”是例如1[mm]。在偏差是150[℃]的情况下，如果在升程量维持1[mm]的同时在150[℃]/50[℃/冲程]＝3个[冲程](例如进气冲程、压缩冲程和膨胀冲程)中执行起动，则可以比升程量设定为其它升程量的情况下更快地实现目标温度。此时，如果冲程数目具有分数，则可以根据情况将升程量修改成不同于与最大泵气损失对应的升程量。
另外，“对应于最大泵气损失的升程量”可通过实验或通过模拟确定为在有限程度上确实使泵气损失最大化的升程量。从广义上来说，只要预期泵气损失会或多或少地导致产生温度增量，便可允许存在一些裕度。另外，升程量也可以之后通过学习来改变。
另外，如果偏差不大于与内燃发动机中的最大泵气损失对应的最大温度增量，则从热效率方面来说，如上所述地将升程量设定为对应于最大泵气损失的量并不是必然有利的。因此，在这种情况下，进气门控制装置将如上所述地基于所述偏差来执行该过程，并随后根据情况设定升程量。
如上所述，在设定了目标温度的用于内燃发动机的第一控制设备和第二控制设备的一个方面，所述目标温度设定装置可根据供给所述内燃发动机中燃烧的燃料的比重修正所设定的目标温度。
根据这个方面，考虑到燃料的比重与原燃料的含量比有关并且气化燃料的难度可通过燃料的比重间接指示，因此得以根据比重来修正目标温度，例如在采用比较难于气化的燃料-诸如原燃料时根据燃料的比重来增高目标温度。替代性地，在相反情况下，根据比重对目标温度的修正通过例如在采用比较容易气化的燃料时根据燃料的比重降低目标温度来实现。这样一来，不管原燃料如何，均可以使燃料充分气化，从而更确定地减少内燃发动机的未燃烧HC的排放。
替代性地，如上所述，在设定了目标温度的用于内燃发动机的第一控制设备和第二控制设备的一个方面，所述目标温度设定装置可根据燃料的介电常数修正所设定的目标温度。
根据这个方面，考虑到燃料的介电常数与燃料的酒精浓度有关并且气化燃料的难度可通过燃料的介电常数来间接指示，因此可以根据燃料的介电常数修正目标温度，例如在采用比较难于气化的燃料-诸如酒精浓度高的燃料时根据燃料的介电常数来增高目标温度。替代性地，在相反情况下，根据燃料的介电常数对目标温度的修正通过例如在采用比较容易气化的燃料-诸如酒精浓度低的燃料时根据燃料的介电常数降低目标温度来实现。这样一来，不管燃料中的酒精浓度如何，均可以使燃料充分气化，从而更确定地减少内燃发动机的未燃烧HC的排放。
通过阅读下面的实施方式，本发明的这些效果以及其它优点将变得显而易见。
附图说明
图1是示出设置有第一实施方式的控制设备的发动机的结构的示意图。
图2是示出第一实施方式的进气门和排气门的气门工作特性的说明性图表。
图3是示出第一实施方式的控制设备的操作过程的流程图。
图4是示出第一实施方式的气门操作设备的立体图。
图5是示出在第一实施方式的发动机的每个气缸中的气门开启正时与曲柄转角之间关系的图表。
图6是示出第一实施方式的气门操作设备的局部分解图。
图7是示出第一实施方式的气门操作设备的截面图。
图8是示出同一气缸组中重叠的凸轮的视图。
图9是示出扭矩减小机构的视图。
图10是示出设置成用于扭矩减小机构的反相凸轮的视图。
图11是示出设置有第二实施方式的控制设备的发动机的结构的示意图。
图12是示出第二实施方式的进气门和排气门的气门工作特性的说明性图表。
图13是示出第二实施方式的控制设备的操作过程的流程图。
图14是示出二氧化碳浓度与扭矩变化之间关系的图表。
图15是示出设置有第三实施方式的控制设备的发动机的结构的示意图。
图16是示出第三实施方式的进气门和排气门的气门工作特性的说明性图表。
图17是示出第三实施方式的控制设备的操作过程的流程图。
图18是示出设置有第四实施方式的控制设备的发动机的结构的示意图。
图19是示出在第四实施方式中进气门的升程量与温度增量以及泵气损失之间的关系的特性图表。
图20是示出在第四实施方式中的进气/膨胀冲程以及压缩/排气冲程中的进气流的示意图。
图21是示出第四实施方式的进气门和排气门的气门工作特性的说明性图表。
图22是示出作为子程序的第四实施方式的控制设备的操作原理的一部分的流程图。
附图标记说明
2...气缸，10...气门操作设备，100...控制设备，110...进气门控制装置，120...排气门控制装置，200...发动机，202...火花塞，203...进气门，204...排气门，206、234...进气管，210...排气管，211...喷射器，130...目标温度设定装置，2012...水温传感器，2231...比重传感器，2232...介电传感器。
图2是示出第一实施方式的进气门和排气门的气门工作特性的说明性图表。
图3是示出第一实施方式的控制设备的操作过程的流程图。
图4是示出第一实施方式的气门操作设备的立体图。
图5是示出在第一实施方式的发动机的每个气缸中的气门开启正时与曲柄转角之间关系的图表。
图6是示出第一实施方式的气门操作设备的局部分解图。
图7是示出第一实施方式的气门操作设备的截面图。
图8是示出同一气缸组中重叠的凸轮的视图。
图9是示出扭矩减小机构的视图。
图10是示出设置成用于扭矩减小机构的反相凸轮的视图。
图11是示出设置有第二实施方式的控制设备的发动机的结构的示意图。
图12是示出第二实施方式的进气门和排气门的气门工作特性的说明性图表。
图13是示出第二实施方式的控制设备的操作过程的流程图。
图14是示出二氧化碳浓度与扭矩变化之间关系的图表。
图15是示出设置有第三实施方式的控制设备的发动机的结构的示意图。
图16是示出第三实施方式的进气门和排气门的气门工作特性的说明性图表。
图17是示出第三实施方式的控制设备的操作过程的流程图。
图18是示出设置有第四实施方式的控制设备的发动机的结构的示意图。
图19是示出在第四实施方式中进气门的升程量与温度增量以及泵气损失之间的关系的特性图表。
图20是示出在第四实施方式中的进气/膨胀冲程以及压缩/排气冲程中的进气流的示意图。
图21是示出第四实施方式的进气门和排气门的气门工作特性的说明性图表。
图22是示出作为子程序的第四实施方式的控制设备的操作原理的一部分的流程图。
附图标记说明
2...气缸，10...气门操作设备，100...控制设备，110...进气门控制装置，120...排气门控制装置，200...发动机，202...火花塞，203...进气门，204...排气门，206、234...进气管，210...排气管，211...喷射器，130...目标温度设定装置，2012...水温传感器，2231...比重传感器，2232...介电传感器。
具体实施方式
下面将参照附图依次针对每个实施方式论述实施本发明的最佳方式。
<第一实施方式>
下面将参照图1至图10说明第一实施方式的控制设备。
《整体结构》
首先将参照图1和图2说明设置有第一实施方式的控制设备的发动机的整体结构。图1是示出设置有第一实施方式的控制设备的发动机的结构的示意图。图2是示出第一实施方式的进气门和排气门的气门工作特性的说明性图表。
在图1中，作为本发明的“内燃发动机”的一种示例，发动机200是往复式四冲程发动机，并且发动机200是四个气缸2排成一列的直列四缸型发动机。另外，图1仅示出了四个气缸中的一个气缸；然而，其它气缸也具有大体相同的结构。
如图2所示，气缸室(cylinder)201、进气管206以及排气管206形成在气缸2中。
气缸室201构造成通过采用火花塞202使混合气在气缸室201内爆燃。该爆燃所致的未图示的活塞的往复运动被转换为未图示的曲柄轴的旋转运动。
在进气管206中，与气缸室201内部的连通状态通过开启/关闭进气门203来控制。因此，在进气管206中，从外部吸入的空气(即进气)与从作为燃料喷射设备的喷射器211喷射出的燃料相互混合(即形成了混合气)，并且该混合气通过进气门203供应给气缸室201。另外，每个气缸2设置有两个进气门203和两个排气门204，但是图1中仅示出了其中的一个进气门和排气门。
来自外部的空气通过进气管234供应给气缸2的进气管206。进气管234在中部分为四个分支，每个分支连接到四个气缸2的进气管206中相应的一个进气管上。而且，在中部或进气管234上，设置有未图示的节气门和空气流量计。节气门构造成通过以电子方式控制节气门的开启程度来控制空气量。空气流量计在进气管234中设置在节气门前面并测量进气量。
对于每个气缸来说，喷射器211设置在分支部之后的进气管206中。这样一来，可以控制每个气缸的喷射量和失火。另外，喷射器211可设置在分支部之前的进气管234中或者设置在每个气缸内。
排气管210构造成通过排气门排放在气缸室201内产生的废气。废气从气缸2的排气管210通过连接到其它排气管210中的每个排气管210并收集废气的排气管和催化剂而排放到外部。催化剂是所谓的三元催化剂并具有减少废气中的CO(一氧化碳)、HC(碳氢化合物)以及NOx(氧化氮)的功能。催化剂包括例如铂和铑。
如图1所示，特别是在第一实施方式中，发动机200设置有气门操作设备10。如后面参照图4所描述的，气门操作设备10构造成改变四个气缸2中每个气缸的进气门203和排气门204的气门工作特性。另外，可变气门操作机构可以是任何能够控制进气门和排气门的开启/关闭正时的机构。可以使用线控凸轮(cam-by-wire)、电磁驱动阀等。
在图1中，控制设备100设置有：进气门控制装置110；排气门控制装置120；点火控制装置202C；以及燃料喷射控制装置211C，并且控制设备100控制发动机200的整体运转。这些装置优选地构造成逻辑运算电路，集中为公知的电子控制单元(ECU)、中央处理单元(CPU)、存储有控制程序的只读存储器(ROM)、存储有各种数据的随机存储器(RAM)等。而且，该控制设备通过总线连接到输入端口以便接收来自各种传感器的输入信号(例如发动机200的转数N、曲柄转角CA等)，并连接到输出端口以便将控制信号传输给气门操作设备10等的各种致动器。
作为本发明的“进气门控制装置”的一个示例，进气门控制装置110构造成控制气门操作设备10从而在发动机200起动时执行的起动操作过程中(或者从发动机200的初始控制开始直到点火)将进气门203设定为持续开启。换句话说，可以在起动操作过程中在整个进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程以及排气冲程中都使进气门203保持开启，这不同于发动机200的正常工况。更具体地说，在第一实施方式中，如图2所示，可以在起动操作过程中的时间段T1内将进气门203设定为持续开启。
作为本发明的“排气控制装置”的一个示例，排气门控制装置120构造成控制气门操作设备10从而在发动机200起动时执行的起动操作过程中(或者从发动机200的初始控制开始直到点火)将排气门204设定为持续关闭。换句话说，可以在起动操作过程中在整个进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程以及排气冲程中都使排气门204保持关闭，这不同于发动机200的正常工况。更具体地说，在第一实施方式中，如图2所示，可以在起动操作过程中的时间段T1内将排气门204设定为持续关闭。
点火控制装置202C构造成控制火花塞202的点火正时。
燃料喷射控制装置211C构造成控制喷射器211的燃料喷射量、燃料喷射正时等。
控制设备100控制气门操作设备10，从而在起动操作结束之后——换句话说在发动机200点火之后——将进气门203和排气门204设定为处于正常工作状态。也就是说，如图2所示，在起动操作之后的时间段T2(即时间段T2a、T2b、T2c和T2d)内，进气门203和排气门204处于正常工作状态。具体而言，在对应于进气冲程的时间段T2a中，进气门203开启而排气门204关闭。在对应于压缩冲程的时间段T2b和对应于膨胀冲程的时间段T2c中，进气门203和排气门204都关闭。在对应于排气冲程的时间段T2d中，进气门203关闭而排气门204开启。另外，还可以根据具体情况设定时间段T2a与T2b的重叠以及时间段T2c与T2d的重叠。
《操作过程》
接下来参照图3以及图1和图2说明第一实施方式的控制设备的操作过程。图3是示出第一实施方式的控制设备的操作过程的流程图。
在图3中，首先判定发动机200是否在初始控制过程中(步骤S11)。也就是说，由控制设备100判定起动操作是否开始。如果判定出发动机200不在初始控制过程中(即发动机200没有被起动)(步骤S11：否)，则控制设备100终止该操作过程。另一方面，如果判定出发动机200在初始控制过程中(步骤S11：是)，则判定在发动机200中喷射器211是否执行了燃料喷射以及火花塞202是否进行了点火(步骤S12)。也就是说，判定起动操作是否结束。如果判定出起动操作没有结束(即在起动操作过程中)(步骤S12：否)，则利用进气门控制装置110控制气门操作设备10从而将进气门203设定为持续开启，并且利用排气门控制装置120控制气门操作设备10从而将排气门204设定为持续关闭(步骤S13)。在此之后，再次执行步骤S11中的上述操作过程。也就是说，在发动机200的起动操作过程中，重复进行步骤S11和步骤S13之间的一系列操作过程。也就是说，如图2所示，在起动操作过程中的时间段T1中，由控制设备100控制气门操作设备10，从而使得进气门203持续开启而排气门204持续关闭。因此，通过该起动操作，在该起动操作之前即存在于发动机200的每个气缸2中的包括未燃烧的HC在内的残余气体没有通过排气门204流入排气管210，而是通过进气门203流入进气管206。以这种方式流入进气管206的残余气体在处于随后将描述的起动操作之后的正常工作状态的发动机200的进气冲程中再次与从喷射器211新供给的燃料和空气一起被吸入气缸2内。因此，包含在起动操作之前的残余气体中的未燃烧的HC在发动机200的气缸2中燃烧。因此，可以抑制或防止在起动操作之前就包含在残余气体中的未燃烧的HC由于该起动操作而通过诸如排气管210之类的排气通道排放到发动机200外部。另一方面，如果判定出起动操作结束(即不在起动操作过程中)(步骤S12：是)，则控制设备100将进气门203和排气门204控制在正常工作状态(步骤S14)。也就是说，如上面参照图2所述，在起动操作之后的时间段T2内，进气门203和排气门204被设定在正常工作状态。
接下来将参照图4至图10说明第一实施方式的气门操作设备的结构和操作原理。
图4示出第一实施方式的气门操作设备。如上所述，发动机200是四个气缸2排成一列的直列四缸式发动机。在图4中，每个气缸2沿它们的排列方向从一端到另一端用#1到#4标示以便对它们进行区别。通常，在直列四缸式的四冲程发动机200中，外部一对气缸2(#1、#4)的爆燃间隔相差360°CA(意指曲柄转角，下文中具有相同意思)，并且内部一对气缸2(#2、#3)在气缸2-#1的爆燃正时ht的基础上分别相差180°CA和540°CA，从而实现各气缸的规则的爆燃间隔180°CA。另外，可以合适地确定爆燃首先进行的气缸2-#2和气缸2-#3的爆燃正时。本文中，进行说明的前提是气缸2-#2的爆燃正时早于气缸2-#3的爆燃正时。因此，发动机200的爆燃顺序是#1→#3→#4→#2。
每个气缸2设置有两个进气门203。此处省略了对排气门204的描述。气门操作设备10以开启/关闭方式驱动进气门203。如众所周知的，通过穿过未图示的气缸盖的气门杆导引件来设置气门杆203a，进气门203得以沿气门杆203a的轴向以可往复方式设置。如图7所示，进气门203的上端安装有气门提升器4以便与进气门203一体地往复运动。在气门提升器4与气缸盖之间设置有气门弹簧4。在进气门203中，气门密封面203b在对气门弹簧5的压缩的斥力作用下沿气门关闭方向紧密地贴附到进气端口的气门垫上。气门操作设备10抵抗气门弹簧的力而沿气门开启方向驱动进气门203。
图5(a)示出每个气缸2中的进气门203的升程量(在气门关闭状态的基础上沿气门开启方向的位移量)与曲柄转角之间的对应关系。根据发动机200的具体参数将每个进气门203的工作角(该工作角是气门开启的时间段的值，该值由曲柄转角表示)作为临时指令来调节。而且，在设置有可变气门操作机构的气门操作设备上，甚至根据发动机200的工况来改变工作角。通常，进气门203的工作角设定为大约240°CA。根据如上所述的工作角的设定，如图5(b)所示，在外部一对气缸(#1、#4)之间气门开启时间段不相互重叠。而且，如图5(c)所示，在内部一对气缸(#2、#3)之间气门开启时间段也不相互重叠。因此，如图4所示，在气门操作设备10中，外部的一对气缸2被认为是第一气缸组，而内部的一对气缸2被认为是第二气缸组，以便区别它们。而且，为每个气缸设置第一电动机11和第二电动机12，作为气门驱动源。
图6和图7示出气门操作设备10的细节。如这些图中所示，气门操作设备10设置有：上面提到的电动机11和12；凸轮机构13，作为用于每个进气门203的运动转换装置；以及第一传递机构14和第二传递机构15，其用于将电动机11和12中每个的旋转运动传递给相应气缸组的凸轮机构13。所有的凸轮机构13具有相同的结构。凸轮机构13具有作为回转体的凸轮16。由于凸轮16的作用，进气门203上端的气门提升器4被挤压，从而沿气门开启方向驱动进气门203。也就是说，气门提升器4用作由凸轮16驱动的接合器。如图8所示，凸轮16的外周上的轮廓设定为公知形状，其中基圆16a的一部分设置有扩展的尖部16b。气门提升器4被尖部16b挤压。
第一传递机构14具有：凸轮轴(第一传递轴)17，其用于联接外部气缸(#1和#4)的凸轮16；以及减速机构18，其用于将电动机11的旋转传递给凸轮轴17。减速机构18具有：电动机齿轮19，其与电动机11的输出轴11a相结合；以及从动齿轮20，其以能够一体旋转的方式设置在凸轮轴17的一个端部上并与电动机齿轮19啮合。凸轮轴17具有结合第一轴21和第二轴22的联接结构，其中，第一轴21驱动气缸#1的凸轮16，而第二轴22驱动气缸#4的凸轮16。在第一轴21上，以同心且一体化方式形成有联接轴23，联接轴23穿过气缸#2和气缸#3的上方并延伸到气缸#4。联接轴23的端部上的联轴器24同心地置于第二轴22的联轴器孔25中，从而将轴21和22同心地联接起来。在联轴器24和联轴器孔25之间设置有诸如花键之类的阻遏装置，从而以能够一体旋转的方式将第一轴21和第二轴22联接起来。另外，联接轴23的直径小于第一轴21和第二轴22的直径。凸轮16与第一轴21和第二轴22一体地形成；然而，凸轮16可形成为不同于第一轴21和第二轴22的部件并通过诸如注射及收缩配合件之类的固定装置固定在轴21和22上。
另一方面，第二传递机构15具有：凸轮轴(第二传递轴)30，其用于联接内部气缸(#2和#3)的凸轮16；以及减速机构31，其用于将电动机12的旋转传递给凸轮轴30。减速机构31具有：电动机齿轮32，其与电动机12的输出轴12a相结合；中间齿轮33，其与电动机齿轮32相啮合；以及从动齿轮34，其以能够一体旋转的方式设置在凸轮轴30的中部并与中间齿轮33啮合。凸轮轴30形成为中空轴状，并设置有沿轴方向延伸的通孔30a。凸轮16一体地形成在凸轮轴30的周缘上。凸轮轴17的联接轴23以可旋转方式插入凸轮轴30的通孔30a。这样一来，凸轮轴30便以可旋转方式同心地设置在凸轮轴17的外周上。另外，联接轴30的外径与凸轮轴17的第一轴21和第二轴22的外径相同。凸轮16可形成为不同于凸轮轴30的部件并通过诸如注射及收缩配合件之类的固定装置固定在凸轮轴30上。从动齿轮34也一样。
同一气缸组的一个气缸(#1或#3)的凸轮16以及另一个气缸(#2或#4)的凸轮16与凸轮轴17或30联接成使得它们的尖部16b的顶点16c沿圆周方向彼此相差180°。这是因为这些气缸2之间的进气门203的气门开启正时相差360°CA。如图8中清楚地示出，这导致产生了范围X，在范围X中所述凸轮的尖部16b沿凸轮轴17和30中每个的圆周方向不重叠。另外，基圆16a的直径设定为在基圆16a与气门提升器4之间提供一定空隙(气门间隙)。另外，凸轮机构13可设置在曲柄箱侧，并且在该位置获得的线性运动可通过诸如推杆之类的运动传递构件传递到进气门203。换句话说，发动机200不限于顶置凸轮轴(OHC)型，可以是顶置气门(OHV)型。
传递机构14和15中的每个设置有扭矩减小机构40。如图9中详细示出的，扭矩减小机构40设置有：反相凸轮41；以及扭矩加载设备42，其用于将摩擦所致的负载施加到反相凸轮41的外周上。另外，图9示出了用于气缸#2和气缸#3的扭矩减小机构40。用于气缸#1和气缸#4的扭矩减小机构40也具有相同结构。反相凸轮41以能够一体旋转的方式设置在凸轮轴17的第二轴22的边缘部分和凸轮轴30的边缘部分。反相凸轮41可以与轴17和30一体地模制而成，或者可形成为不同于轴17和30的部件并通过诸如注射及收缩配合件之类的固定装置固定在轴17和30上。反相凸轮41的外周表面构造成凸轮表面。如图10所示，该凸轮表面的轮廓设定为基圆41的一部分设置有一对凹部41b的形状。凹部41b设置成使得它们的基底41c沿圆周方向相差180°。
回到图9，扭矩加载设备42设置有：提升器43，其面向反相凸轮41的外周表面；弹簧支座44，其设置在提升器43的外侧；以及螺旋弹簧45，其设置在提升器43与弹簧支座44之间并且将弹力施加到提升器43以使其朝反相凸轮41移动。在提升器43的端部上，以可旋转方式安装有滚轮46，并且该滚轮46被螺旋弹簧45的斥力压向反相凸轮41的外周表面。
与凸轮轴17的反相凸轮41相对应的提升器43相对于凸轮轴17的圆周方向定位成：使得当滚轮46与设置在反相凸轮41上的其中一个凹部41b的基底41c接触时安装在凸轮轴17上的用于气缸#1的凸轮16的尖部16b的顶点16c与用于气缸#1的气门提升器4相接触，并使得当滚轮46与另一个凹部41b的基底41c接触时安装在凸轮轴17上的用于气缸#4的凸轮16的尖部16b的顶点16c与用于气缸#4的气门提升器4的凹部41b的基底41c相接触。而且，与凸轮轴30的反相凸轮41相对应的提升器43相对于凸轮轴30的圆周方向定位成：使得当滚轮46与设置在反相凸轮41上的一个凹部41b的基底41c接触时安装在凸轮轴30上的用于气缸#3的凸轮16的尖部16b的顶点16c与用于气缸#3的气门提升器4相接触，并使得当滚轮46与另一个凹部41b的基底41c接触时安装在凸轮轴30上的用于气缸#2的凸轮16的尖部16b的顶点16c与用于气缸#2的气门提升器4的凹部41b的基底41c相接触。
通过电动机11和12沿一个方向以发动机200的曲柄轴的一半转速连续驱动相应的凸轮轴17和30，根据以这种方式构造而成的气门操作设备10可以在曲柄轴旋转的同时驱动进气门203开启/关闭，所述驱动的方式与通常使用的以来自曲柄轴的动力驱动气门的机械气门操作设备相同。
以相同的方式给排气门204设置气门操作设备10，并且气门操作设备10能够驱动排气门204开启/关闭。
另外，第一实施方式中不仅能够将可变气门操作机构用作气门操作设备10，还能够将诸如线控凸轮、电磁驱动阀之类已经存在或将来开发出的各种机构用作气门操作设备10，只要它们能够控制进气门和排气门的开启/关闭正时即可。
<第二实施方式>
接下来将参照图11至图14说明第二实施方式的控制设备。
《整体结构》
首先将参照图11和图12说明设置有第二实施方式的控制设备的发动机的整体结构。图11是示出设置有第二实施方式的控制设备的发动机结构的示意图。图12是示出第二实施方式的进气门和排气门的气门工作特性的说明性图表。另外，在图11和图12中，与图1和图2中示出的元件相同的构成元件采用相同的附图标记，其相关说明根据情况予以省略。
在图11中，发动机220不同于上面参照图1描述的发动机200，不同点在于发动机220设置有用于检测进气管206中的进气的二氧化碳浓度的二氧化碳浓度传感器213。
在图11中，控制设备102设置有：进气门控制装置112；以及排气门控制装置122，并且控制设备102控制发动机200的整体运转。如参照图1描述的控制设备100中一样，这些装置优选地构造成逻辑运算电路，集中在公知的电子控制单元(ECU)、中央处理单元(CPU)、存储有控制程序的只读存储器(ROM)、存储有各种数据的随机存储器(RAM)等。而且，该控制设备通过总线连接到输入端口以便接收来自诸如二氧化碳浓度传感器之类的各种传感器的输入信号，并连接到输出端口以便将控制信号传输给气门操作设备10等的各种致动器。
作为本发明的“进气门控制装置”的一个示例，进气门控制装置112构造成控制气门操作设备10从而在发动机220起动时执行的起动操作过程中将进气门203设定为持续开启，如在第一实施方式的进气门控制装置110中一样。因此，如图12所示，可以在起动操作过程中的时间段T1中将进气门203设定为持续开启。而且，特别是在第二实施方式中，进气门控制装置112构造成控制气门操作设备10，从而在从起动操作之后到作为本发明的“已燃气体浓度”的一个示例的发动机220的二氧化碳浓度等于或大于预定值时的时间段内在排气冲程中将进气门203设定为开启。也就是说，如图12所示，在从起动操作之后到发动机220的二氧化碳浓度等于或大于预定值时的时间段T3(即时间段T3a、T3b、T3c和T3d)内，可以在对应于进气冲程的时间段T3a以及对应于排气冲程的时间段T3d中将进气门203设定为开启。而且，可以在对应于压缩冲程的时间段T3b以及对应于膨胀冲程的时间段T3c中将进气门203设定为关闭。另外，在第二实施方式中，作为发动机220的燃烧极限的二氧化碳浓度值预先设定为预定值。
作为本发明的“排气控制装置”的一个示例，排气门控制装置122构造成控制气门操作设备10，从而在起动操作过程中将排气门204设定为持续关闭。也就是说，如图12所示，在起动操作过程中的时间段T1中，可以将排气门204设定为持续关闭。而且，特别是在第二实施方式中，排气门控制装置122构造成控制气门操作设备10，从而在从起动操作之后到发动机220的二氧化碳浓度等于或大于预定值时的时间段内在排气冲程中将排气门204设定为关闭。也就是说，如图12所示，在时间段T3内，可以将排气门204设定为持续关闭。
如果二氧化碳浓度等于或大于预定值，控制设备102便控制气门操作设备10从而将进气门203和排气门204设定为处于正常工作状态下。也就是说，如图12所示，在起动操作之后二氧化碳浓度等于或大于预定值的时间段T4(即时间段T4a、T4b、T4c和T4d)内，进气门203和排气门204均处于正常工作状态。具体而言，在对应于进气冲程的时间段T4a内，进气门203设定为开启而排气门204设定为关闭。在对应于压缩冲程的时间段T4b和对应于膨胀冲程的时间段T4c内，进气门203和排气门204都设定为关闭。在对应于排气冲程的时间段T4d内，进气门203设定为关闭而排气门204设定为开启。另外，还可以根据具体情况设定时间段T4a与时间段T4b的重叠以及时间段T4c与时间段T4d的重叠。
《操作过程》
接下来参照图13和图14以及图11和图12说明第二实施方式的控制设备的操作过程。图13是示出第二实施方式的控制设备的操作过程的流程图。图14是示出二氧化碳浓度与扭矩变化之间关系的图表。另外，在图13中，与图3中示出的第一实施方式的过程相同的操作过程采用相同的附图标记，其相关说明根据情况予以省略。
在图13中，控制设备102的操作过程不同于上面参照图3描述的第一实施方式中的操作原理，具体不同之处有下列几点。也就是说，如果判定出在发动机220中喷射器211执行了燃料喷射并且火花塞202执行了点火(步骤S12：是)，则在控制设备102将进气门203和排气门204控制成处于正常工作状态下(步骤S14)之前执行步骤S21和步骤S22中的一系列操作过程。
也就是说，如果判定出在发动机220中喷射器211执行了燃料喷射并且火花塞202执行了点火(步骤S12：是)，首先，进气门控制装置112控制气门操作设备10从而在进气冲程甚至排气冲程中将进气门203设定为开启，并且排气门控制装置122控制气门操作设备10从而将排气门204设定为持续关闭(步骤S21)。然后，控制设备102判定进气管206中的二氧化碳浓度是否等于或大于预定值(步骤S22)。如果进气管206中的二氧化碳浓度小于预定值(步骤S22：否)，则再次执行步骤S21中的操作过程。另一方面，如果进气管206中的二氧化碳浓度等于或大于预定值(步骤S22：是)，则控制设备102将进气门203和排气门204控制成处于正常工作状态下(步骤S14)。也就是说，如图12所示，在从起动操作之后到发动机220的二氧化碳浓度等于或大于预定值时的时间段T3内，进气门203在对应于进气冲程的时间段T3a以及对应于排气冲程的时间段T3d内被设定为开启。而且，进气门203在对应于压缩冲程的时间段T3b以及对应于膨胀冲程的时间段T3c内被设定为关闭。排气门204设定为持续关闭。因此，可以在起动操作之后抑制或阻止残余气体中含有的未燃烧的HC排放到发动机220外部。这样是有效的，因为起动操作刚刚结束之后残余气体中含有的未燃烧的HC很可能比正常工况中发动机220的废气所含有HC更多。
此处，如图14所示，就第二实施方式中的预定值来说，作为燃烧极限的进气管206中的二氧化碳浓度基于扭矩变化来设定。也就是说，该预定值设定为允许扭矩变化的范围内二氧化碳浓度的最大值。因此，可以阻止发动机220由于二氧化碳浓度过高而运转不稳定的情况发生。
该预定值可基于发动机220的转数和燃料数量设定为可变的。而且，可执行判定进气管206中的氧气浓度是否小于预定值的操作过程，而不是判定二氧化碳浓度是否等于或大于预定值的操作过程(步骤S22)。在这种情况下，预定值可设定为作为燃烧极限的氧气浓度值。
另外，第二实施方式设计成使得二氧化碳浓度由二氧化碳浓度传感器213来检测；然而，二氧化碳浓度也可以由控制设备102通过设置在进气侧的稳压罐的容积以及从气缸2吹回的已燃气体的量而按顺序估算出。
<第三实施方式>
接下来将参照图15至图17说明第三实施方式的控制设备。
《整体结构》
首先将参照图15和图16说明设置有第三实施方式的控制设备的发动机的整体结构。图15是示出设置有第三实施方式的控制设备的发动机结构的示意图。图16是示出第三实施方式的进气门和排气门的气门工作特性的说明性图表。另外，在图15和图16中，与图1和图2中示出的元件相同的构成元件采用相同的附图标记，其相关说明根据情况予以省略。
在图15中，发动机230不同于上面参照图11描述的发动机220，不同点在于排气管210中部设置有排气节气门212。排气节气门212可调节经过排气管210的废气流。排气节气门212的开启由控制设备103控制。
在图15中，控制设备103设置有：进气门控制装置113；以及排气节气门控制装置140，并且控制设备103控制发动机200的整体运转。如参照图1描述的控制设备100中一样，这些装置优选地构造成逻辑运算电路，集中为公知的电子控制单元(ECU)、中央处理单元(CPU)、存储有控制程序的只读存储器(ROM)、存储有各种数据的随机存储器(RAM)等。而且，该控制设备通过总线连接到输入端口以便接收来自诸如A/F传感器之类的各种传感器的输入信号，并连接到输出端口以便将控制信号传输给排气节气门211的各种致动器。
作为本发明的“进气门控制装置”的一个示例，进气门控制装置113构造成控制气门操作设备10从而在发动机230起动时执行的起动操作过程中将进气门203设定为持续开启，如在第二实施方式的进气门控制装置112中一样。因此，如图16所示，可以在起动操作过程中的时间段T1中将进气门203设定为持续开启。而且，特别是在第二实施方式中，进气门控制装置113构造成控制气门操作设备10，从而在从起动操作之后到作为本发明的“已燃气体浓度”的一个示例的发动机230的二氧化碳浓度等于或大于预定值时的时间段内在排气冲程中将进气门203设定为开启。也就是说，如图16所示，在从起动操作之后到发动机230的二氧化碳浓度等于或大于预定值时的时间段T3内，可以在对应于进气冲程的时间段T3a以及对应于排气冲程的时间段T3d内将进气门203设定为开启。而且，可以在对应于压缩冲程的时间段T3b以及对应于膨胀冲程的时间段T3c内将进气门203设定为关闭。另外，在第三实施方式中，作为发动机230的燃烧极限的二氧化碳浓度值预先设定为预定值。
作为本发明的“排气控制装置”的一个示例，排气节气门控制装置140构造成在起动操作过程中将排气节气门212设定为持续关闭。也就是说，如图16所示，在起动操作过程中的时间段T1内，可以将排气节气门212设定为持续关闭。而且，排气节气门控制装置140构造成在从起动操作之后到发动机230的二氧化碳浓度等于或大于预定值时的时间段内将排气节气门212设定为关闭。也就是说，如图16所示，在时间段T3内，可以将排气节气门212设定为持续关闭。
如果由二氧化碳浓度传感器213检测到的二氧化碳浓度等于或大于预定值，控制设备103便控制气门操作设备10和排气节气门212从而将进气门203和排气节气门212设定为处于正常工作状态下。也就是说，如图16所示，在起动操作之后二氧化碳浓度等于或大于预定值的时间段T4内，进气门203和排气节气门212均处于正常工作状态。具体而言，在对应于进气冲程的时间段T4a中，进气门203设定为开启而排气节气门212设定为关闭。在对应于压缩冲程的时间段T4b和对应于膨胀冲程的时间段T4c内，进气门203和排气节气门212都设定为关闭。在对应于排气冲程的时间段T4d内，进气门203设定为关闭而排气节气门212设定为开启。另外，还可以根据具体情况设定时间段T4a与时间段T4b的重叠以及时间段T4c与时间段T4d的重叠。
《操作过程》
接下来参照图17以及图15和图16说明第三实施方式的控制设备的操作过程。图17是示出第三实施方式的控制设备的操作过程的流程图。另外，在图17中，与图3中示出的第一实施方式的过程相同的操作过程采用相同的附图标记，其相关说明根据情况予以省略。
在图17中，控制设备103的操作过程不同于上面参照图3描述的第一实施方式中的操作原理，具体不同之处有下列几点。也就是说，如果判定出在发动机230中喷射器211没有执行燃料喷射并且火花塞202没有执行点火(步骤S12：否)，则执行步骤S31中的操作过程，而不是步骤S13中的操作过程(参见图3)。而且，如果判定出在发动机230中喷射器211执行了燃料喷射并且火花塞202执行了点火(步骤S12：是)，则执行步骤S32到步骤S24中的一系列操作过程，而不是步骤S14中的操作过程(参见图3)。换句话说，控制设备103的操作过程不同于上面参照图13描述的第二实施方式的操作过程，具体表现在执行与排气节气门212相关的操作过程(步骤S31、步骤S32、步骤S33、以及步骤S34)，而不是与排气门204相关的操作过程(步骤S13、步骤S14、步骤S21、以及步骤S22)。
也就是说，特别是在第三实施方式中，如果判定出在发动机230中喷射器211没有执行燃料喷射并且火花塞202没有执行点火-即发动机处于起动操作过程中(步骤S12：否)，则进气门控制装置113控制气门操作设备10从而将进气门203设定为持续开启，并且排气节气门控制装置140将排气节气门212设定为持续关闭(步骤S31)。然后，再次执行步骤S11中的上述操作。也就是说，在发动机230的起动操作过程中，反复执行从步骤S11到步骤S13的一系列操作过程。也就是说，如图16所示，气门操作设备10和排气节气门212被控制为在起动操作过程中的时间段T1内将进气门203设定为持续开启并将排气节气门212设定为持续关闭。因此，通过起动操作，在起动操作之前存在于发动机230的每个气缸2中的含有未燃烧HC的残余气体不流到排气管210的排气节气门212的下游，而是通过进气门203流到进气管206。在起动操作之后处于正常工作状态的发动机230的进气冲程中，以此方式流到进气管206的残余气体再次与从喷射器216新供给的燃料和空气一起被吸入气缸2。因此，在起动操作之前包含在残余气体中的未燃烧的HC在发动机230的每个气缸2中燃烧。因此，可以抑制或阻止在起动操作之前就有的残余气体中含有的未燃烧的HC通过起动操作经由诸如排气管210之类的排气通道排放到发动机230外部。
另一方面，如果判定出在发动机230中喷射器211执行了燃料喷射并且火花塞202执行了点火(步骤S12：是)，首先，进气门控制装置113控制气门操作设备10从而在进气冲程甚至排气冲程中将进气门203设定为开启，并且排气节气门控制装置140控制气门操作设备10从而将排气节气门212设定为持续关闭(步骤S32)。然后，控制设备103判定进气管206中的二氧化碳浓度是否等于或大于预定值(步骤S33)。如果进气管206中的二氧化碳浓度小于预定值(步骤S33：否)，则再次执行步骤S32中的操作过程。另一方面，如果进气管206中的二氧化碳浓度等于或大于预定值(步骤S33：是)，则控制设备103将进气门203和排气节气门212控制成处于正常工作状态下(步骤S34)。也就是说，如图16所示，在从起动操作之后到发动机220的二氧化碳浓度等于或大于预定值时的时间段T3内，进气门203在对应于进气冲程的时间段T3a以及对应于排气冲程的时间段T3d内设定为开启。而且，进气门203在对应于压缩冲程的时间段T3b以及对应于膨胀冲程的时间段T3c内设定为关闭。排气节气门212设定为持续关闭。因此，可以在起动操作之后抑制或阻止残余气体中含有的未燃烧的HC排放到发动机230外部。
从第三实施方式中可清楚地看到，如果如上所述根据情况采用排气节气门在初始控制中关闭的构造，则也可以控制设置有下述可变气门操作机构的内燃发动机的工况，所述可变气门操作机构仅仅能够改变进气门而非进气门和排气门的气门工作特性。换句话说，即使排气门没有设置可变气门操作机构，也可以更大程度或更小程度地获得本发明的效果。
<第四实施方式>
接下来将参照图18至图22说明第四实施方式的控制设备。
《整体结构》
首先将参照图18至图21说明设置有第四实施方式的控制设备的发动机的整体结构。另外，在图18至图21中，与图1和图2中示出的第一实施方式的元件相同的构成元件采用相同的附图标记，其相关说明根据情况予以省略。
图18是示出设置有第四实施方式的控制设备的发动机结构的示意图。
在图18中，发动机240不同于上面参照图1描述的发动机200，不同点在于其设置有：水温传感器2012；目标温度设定装置130；比重传感器2231；以及介电传感器2232。进气门控制装置114基于水温传感器2012所指示的冷却水的实际温度与目标温度设定装置130设定的目标温度之间的偏差将进气门203的升程量设定为预定升程量。此时，根据比重传感器2231和介电传感器2232的输出来修正目标温度。
作为本发明的“温度指示装置”的一个示例，水温传感器2012设置在包括气缸室201的气缸体的水套中。水温传感器2012检测发动机240的冷却水的温度并将该温度传输给与其电连接的控制设备140。
作为本发明的“目标温度设定装置”的一个示例，目标温度设定装置130从加速燃料微粒化的角度设定起动操作过程中冷却水将要达到的目标温度。具体而言，目标温度设定装置130基于燃料箱223中的燃料的温度特性(例如气化温度)设定目标温度。
比重传感器2231检测燃料箱223中原燃料的含量比，从而从量上估测使燃料气化的难度。
介电传感器2232检测燃料箱223中燃料的酒精浓度，从而从量上估测使燃料气化的难度。
图19是示出在第四实施方式中进气门的升程量与温度增量以及泵气损失之间的关系的特性图表。
图19中示出的关系是，当进气门203的升程量减小得更多时，冷却水的温度增量ΔT相对增大。首先，这种关系产生的原因是进气门的升程量与泵气损失之间成反比。这是因为当升程量减小得更多时，认为经过进气门203时的能量损失增大得越多。其次，这是因为泵气损失与冷却水的温度增量成正比。这是因为泵气损失所致的能量损失被认为作为热量而使空气温度增高。然后，图19示出了“对应于最大泵气损失的最大温度增量”ΔTmax是例如50[℃/冲程]，并且规定这种状态的升程量是例如1[mm]。也就是说，如果升程量设定为1[mm]，则在每个冲程内冷却水的温度预期增高50℃。如果基于升程量与温度增量之间的关系来控制进气门203的气门开启状态，则期望在起动操作过程中在进气/膨胀冲程以及压缩/排气冲程中温度增高预定量。这方面将通过图20来说明。图20是示出在第四实施方式中在进气/膨胀冲程以及压缩/排气冲程中进气流的示意图。
在图20中，在发动机240的起动操作过程中，排气门204设定为持续关闭，而进气门203设定为持续开启，同时升程量维持预定升程量。然后，与活塞2011的竖向运动一起，(a)进气/膨胀冲程和(b)压缩/排气冲程交替性地反复进行若干次。此时，包含未燃烧燃料的空气在气缸室201与进气管206之间来回流动。因此，在升程量维持预定升程量的情况下经过进气门203时，温度增高了ΔT，这是泵气损失所致的能量损失。如果以这种方式增高的温度达到目标温度，则控制设备104终止起动操作。图21是示出在第四实施方式中进气门和排气门的气门工作特性的说明性图表。如图21所示，控制设备104控制气门操作设备10从而在起动操作结束之后-换句话说在发动机240点火之后将进气门203和排气门204设定为处于正常工作状态下。
如上所述，在气门设定为处于正常工作状态下之前执行上述起动，从而使得气缸室201中的温度合适地增高，这加快了在正常工作状态下提供新燃料以及未燃烧燃料的气化和微粒化的速度。因此，即使在正常状态下也可以避免产生未燃烧燃料，使得可以减少发动机240的未燃烧HC的排放。
《操作过程》
接下来参照图22以及图3和图18至21说明第四实施方式的控制设备的操作过程。图22是示出第四实施方式的控制设备的操作过程的流程图。另外，在图22中，与图3中示出的第一实施方式的过程相同的操作过程采用相同的附图标记，其相关说明根据情况予以省略。
在图3中，首先，如果判定出发动机240在初始控制过程中(步骤S11：是)并且如果判定出起动操作没有结束(即在起动操作过程中)(步骤S12：否)，则通过使用进气门控制装置114将气门操作设备10控制为使进气门203设定为持续开启，并且通过利用排气门控制装置120将气门操作设备10控制为使排气门204设定为持续关闭(步骤S13)。这种控制(即步骤S13)将在图22中通过利用子程序进行详细论述。
在图22中，首先，通常预先使用目标温度设定装置130从燃料气化/微粒化的角度设定冷却水的目标温度(步骤S131)。
然后，通过使用比重传感器2231和介电传感器2232来测量存储在燃料箱223中的燃料的比重和介电常数，并且指示原燃料的含量比和酒精浓度，从而估算使燃料气化的难度(步骤S132)。
然后，通过使用目标温度设定装置130而基于燃料的比重和介电常数来修正目标温度。也就是说，修正目标温度的目的是为了弥补预先设定目标温度时所估计的气化燃料的难度与气化燃料的实际难度之间的差距。通常情况下，燃料越不容易气化，目标温度便被修正得越高。然而，如果目标温度增加得过高则会对另一部件的操作产生不利影响，因而可以根据情况设定上限。
如果如上所述地设定冷却水的目标温度，那么由水温传感器2012来检测实际温度(步骤S134)。
进气门控制装置114基于冷却水的目标温度与实际温度之间的温度偏差的范围设定预定升程量(步骤S135)。
此处，如果上述温度偏差等于或小于表示与目标温度之间的可接受误差的ΔTmin(步骤S135：是)，即如果实际温度已经在可接受为目标温度的误差的范围内，则不是特别需要在起动操作过程中增高温度。因此，该子程序终止。
另一方面，如果上述温度偏差大于ΔTmin(步骤S135：否)，即如果实际温度不在可接受为目标温度的误差的范围内，然后，判定上述温度差是否等于或小于ΔTmax(例如50[℃/冲程])(步骤S136)。此处ΔTmax表示与每个冲程内的最大泵气损失相对应的最大温度增量。
此处，如果上述温度偏差等于或小于最大温度增量ΔTmax(步骤S136：是)，则通过例如执行一个进气冲程便可实现目标温度。因此，在图19中的特性图表的基础上，基于温度偏差(即温度增量)来设定进气门203的预定升程量(步骤S1371)。预定升程量通常通过映射或者通过表达式“预定升程量＝F(目标温度-实际温度)”来获得。此处，函数“预定升程量＝F(温度增量ΔT)”是表达了目标温度增量ΔT与使温度增加所述量的预定升程量之间的一一对应关系的函数。
另一方面，如果上述温度偏差大于最大温度增量ΔTmax(步骤S136：否)，甚至如果进气门203的升程量维持在提供最大温度增量ΔTmax的预定升程量，温度便不会超出目标温度。因此，预定升程量设定为允许最大温度增量ΔTmax的升程量(步骤S1372)。预定升程量通常通过映射或者通过表达式“预定升程量＝F(ΔT)”来获得。
随后，通过进气门控制装置114控制气门操作设备10，从而在升程量维持上述预定升程量的同时将进气门203设定为持续开启。与此同时或者一前一后地，通过排气门控制装置120控制气门操作设备10，从而将排气门204设定为持续关闭(步骤S138)。然后，按照原样，执行起动的一个冲程(步骤S139)。例如，执行一个进气冲程。此时，如图19至图21所示，通过吸收泵气损失所致的能量损失，冷却水的温度增高了ΔT。也就是说，含有在气缸室201和进气管206之间来回流动的未燃烧燃料的空气的温度相对增高。
通常，起动操作的若干冲程反复进行，直至达到目标温度，然后该子程序终止(步骤S135：是)。
然后，回到图3，由于子程序的作用，如果判定出起动操作已经终止(即不在起动操作过程中)，则控制设备104控制进气门203和排气门204从而将其设定为处于正常工作状态下(步骤S14)。也就是说，如上面参照图21所述，在起动操作之后的时间段T2内，进气门203和排气门204设定为处于正常工作状态下。
从第四实施方式中能够清楚地看到，如果在起动操作过程中在升程量维持预定升程量的同时将进气门203设定为持续开启而将排气门204设定为持续关闭，便会加快未燃烧燃料和正常工作状态中提供的新燃料的气化或微粒化的速度。因此，甚至在正常状态下也可避免产生未燃烧燃料，使得可以在更大程度上减少发动机240的未燃烧HC的排放。
本发明不限于上述实施方式，如果期望，可以在不偏离能够从权利要求书和整个说明书中获取的本发明的实质或精神的情况下做出本发明的各种改型。另外本发明的技术范围旨在包括涉及这些改型的用于控制内燃发动机的控制设备。
工业实用性
本发明的用于控制内燃发动机的控制设备可应用于例如汽车发动机等。
<第一实施方式>
下面将参照图1至图10说明第一实施方式的控制设备。
《整体结构》
首先将参照图1和图2说明设置有第一实施方式的控制设备的发动机的整体结构。图1是示出设置有第一实施方式的控制设备的发动机的结构的示意图。图2是示出第一实施方式的进气门和排气门的气门工作特性的说明性图表。
在图1中，作为本发明的“内燃发动机”的一种示例，发动机200是往复式四冲程发动机，并且发动机200是四个气缸2排成一列的直列四缸型发动机。另外，图1仅示出了四个气缸中的一个气缸；然而，其它气缸也具有大体相同的结构。
如图2所示，气缸室(cylinder)201、进气管206以及排气管206形成在气缸2中。
气缸室201构造成通过采用火花塞202使混合气在气缸室201内爆燃。该爆燃所致的未图示的活塞的往复运动被转换为未图示的曲柄轴的旋转运动。
在进气管206中，与气缸室201内部的连通状态通过开启/关闭进气门203来控制。因此，在进气管206中，从外部吸入的空气(即进气)与从作为燃料喷射设备的喷射器211喷射出的燃料相互混合(即形成了混合气)，并且该混合气通过进气门203供应给气缸室201。另外，每个气缸2设置有两个进气门203和两个排气门204，但是图1中仅示出了其中的一个进气门和排气门。
来自外部的空气通过进气管234供应给气缸2的进气管206。进气管234在中部分为四个分支，每个分支连接到四个气缸2的进气管206中相应的一个进气管上。而且，在中部或进气管234上，设置有未图示的节气门和空气流量计。节气门构造成通过以电子方式控制节气门的开启程度来控制空气量。空气流量计在进气管234中设置在节气门前面并测量进气量。
对于每个气缸来说，喷射器211设置在分支部之后的进气管206中。这样一来，可以控制每个气缸的喷射量和失火。另外，喷射器211可设置在分支部之前的进气管234中或者设置在每个气缸内。
排气管210构造成通过排气门排放在气缸室201内产生的废气。废气从气缸2的排气管210通过连接到其它排气管210中的每个排气管210并收集废气的排气管和催化剂而排放到外部。催化剂是所谓的三元催化剂并具有减少废气中的CO(一氧化碳)、HC(碳氢化合物)以及NOx(氧化氮)的功能。催化剂包括例如铂和铑。
如图1所示，特别是在第一实施方式中，发动机200设置有气门操作设备10。如后面参照图4所描述的，气门操作设备10构造成改变四个气缸2中每个气缸的进气门203和排气门204的气门工作特性。另外，可变气门操作机构可以是任何能够控制进气门和排气门的开启/关闭正时的机构。可以使用线控凸轮(cam-by-wire)、电磁驱动阀等。
在图1中，控制设备100设置有：进气门控制装置110；排气门控制装置120；点火控制装置202C；以及燃料喷射控制装置211C，并且控制设备100控制发动机200的整体运转。这些装置优选地构造成逻辑运算电路，集中为公知的电子控制单元(ECU)、中央处理单元(CPU)、存储有控制程序的只读存储器(ROM)、存储有各种数据的随机存储器(RAM)等。而且，该控制设备通过总线连接到输入端口以便接收来自各种传感器的输入信号(例如发动机200的转数N、曲柄转角CA等)，并连接到输出端口以便将控制信号传输给气门操作设备10等的各种致动器。
作为本发明的“进气门控制装置”的一个示例，进气门控制装置110构造成控制气门操作设备10从而在发动机200起动时执行的起动操作过程中(或者从发动机200的初始控制开始直到点火)将进气门203设定为持续开启。换句话说，可以在起动操作过程中在整个进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程以及排气冲程中都使进气门203保持开启，这不同于发动机200的正常工况。更具体地说，在第一实施方式中，如图2所示，可以在起动操作过程中的时间段T1内将进气门203设定为持续开启。
作为本发明的“排气控制装置”的一个示例，排气门控制装置120构造成控制气门操作设备10从而在发动机200起动时执行的起动操作过程中(或者从发动机200的初始控制开始直到点火)将排气门204设定为持续关闭。换句话说，可以在起动操作过程中在整个进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程以及排气冲程中都使排气门204保持关闭，这不同于发动机200的正常工况。更具体地说，在第一实施方式中，如图2所示，可以在起动操作过程中的时间段T1内将排气门204设定为持续关闭。
点火控制装置202C构造成控制火花塞202的点火正时。
燃料喷射控制装置211C构造成控制喷射器211的燃料喷射量、燃料喷射正时等。
控制设备100控制气门操作设备10，从而在起动操作结束之后——换句话说在发动机200点火之后——将进气门203和排气门204设定为处于正常工作状态。也就是说，如图2所示，在起动操作之后的时间段T2(即时间段T2a、T2b、T2c和T2d)内，进气门203和排气门204处于正常工作状态。具体而言，在对应于进气冲程的时间段T2a中，进气门203开启而排气门204关闭。在对应于压缩冲程的时间段T2b和对应于膨胀冲程的时间段T2c中，进气门203和排气门204都关闭。在对应于排气冲程的时间段T2d中，进气门203关闭而排气门204开启。另外，还可以根据具体情况设定时间段T2a与T2b的重叠以及时间段T2c与T2d的重叠。
《操作过程》
接下来参照图3以及图1和图2说明第一实施方式的控制设备的操作过程。图3是示出第一实施方式的控制设备的操作过程的流程图。
在图3中，首先判定发动机200是否在初始控制过程中(步骤S11)。也就是说，由控制设备100判定起动操作是否开始。如果判定出发动机200不在初始控制过程中(即发动机200没有被起动)(步骤S11：否)，则控制设备100终止该操作过程。另一方面，如果判定出发动机200在初始控制过程中(步骤S11：是)，则判定在发动机200中喷射器211是否执行了燃料喷射以及火花塞202是否进行了点火(步骤S12)。也就是说，判定起动操作是否结束。如果判定出起动操作没有结束(即在起动操作过程中)(步骤S12：否)，则利用进气门控制装置110控制气门操作设备10从而将进气门203设定为持续开启，并且利用排气门控制装置120控制气门操作设备10从而将排气门204设定为持续关闭(步骤S13)。在此之后，再次执行步骤S11中的上述操作过程。也就是说，在发动机200的起动操作过程中，重复进行步骤S11和步骤S13之间的一系列操作过程。也就是说，如图2所示，在起动操作过程中的时间段T1中，由控制设备100控制气门操作设备10，从而使得进气门203持续开启而排气门204持续关闭。因此，通过该起动操作，在该起动操作之前即存在于发动机200的每个气缸2中的包括未燃烧的HC在内的残余气体没有通过排气门204流入排气管210，而是通过进气门203流入进气管206。以这种方式流入进气管206的残余气体在处于随后将描述的起动操作之后的正常工作状态的发动机200的进气冲程中再次与从喷射器211新供给的燃料和空气一起被吸入气缸2内。因此，包含在起动操作之前的残余气体中的未燃烧的HC在发动机200的气缸2中燃烧。因此，可以抑制或防止在起动操作之前就包含在残余气体中的未燃烧的HC由于该起动操作而通过诸如排气管210之类的排气通道排放到发动机200外部。另一方面，如果判定出起动操作结束(即不在起动操作过程中)(步骤S12：是)，则控制设备100将进气门203和排气门204控制在正常工作状态(步骤S14)。也就是说，如上面参照图2所述，在起动操作之后的时间段T2内，进气门203和排气门204被设定在正常工作状态。
接下来将参照图4至图10说明第一实施方式的气门操作设备的结构和操作原理。
图4示出第一实施方式的气门操作设备。如上所述，发动机200是四个气缸2排成一列的直列四缸式发动机。在图4中，每个气缸2沿它们的排列方向从一端到另一端用#1到#4标示以便对它们进行区别。通常，在直列四缸式的四冲程发动机200中，外部一对气缸2(#1、#4)的爆燃间隔相差360°CA(意指曲柄转角，下文中具有相同意思)，并且内部一对气缸2(#2、#3)在气缸2-#1的爆燃正时ht的基础上分别相差180°CA和540°CA，从而实现各气缸的规则的爆燃间隔180°CA。另外，可以合适地确定爆燃首先进行的气缸2-#2和气缸2-#3的爆燃正时。本文中，进行说明的前提是气缸2-#2的爆燃正时早于气缸2-#3的爆燃正时。因此，发动机200的爆燃顺序是#1→#3→#4→#2。
每个气缸2设置有两个进气门203。此处省略了对排气门204的描述。气门操作设备10以开启/关闭方式驱动进气门203。如众所周知的，通过穿过未图示的气缸盖的气门杆导引件来设置气门杆203a，进气门203得以沿气门杆203a的轴向以可往复方式设置。如图7所示，进气门203的上端安装有气门提升器4以便与进气门203一体地往复运动。在气门提升器4与气缸盖之间设置有气门弹簧4。在进气门203中，气门密封面203b在对气门弹簧5的压缩的斥力作用下沿气门关闭方向紧密地贴附到进气端口的气门垫上。气门操作设备10抵抗气门弹簧的力而沿气门开启方向驱动进气门203。
图5(a)示出每个气缸2中的进气门203的升程量(在气门关闭状态的基础上沿气门开启方向的位移量)与曲柄转角之间的对应关系。根据发动机200的具体参数将每个进气门203的工作角(该工作角是气门开启的时间段的值，该值由曲柄转角表示)作为临时指令来调节。而且，在设置有可变气门操作机构的气门操作设备上，甚至根据发动机200的工况来改变工作角。通常，进气门203的工作角设定为大约240°CA。根据如上所述的工作角的设定，如图5(b)所示，在外部一对气缸(#1、#4)之间气门开启时间段不相互重叠。而且，如图5(c)所示，在内部一对气缸(#2、#3)之间气门开启时间段也不相互重叠。因此，如图4所示，在气门操作设备10中，外部的一对气缸2被认为是第一气缸组，而内部的一对气缸2被认为是第二气缸组，以便区别它们。而且，为每个气缸设置第一电动机11和第二电动机12，作为气门驱动源。
图6和图7示出气门操作设备10的细节。如这些图中所示，气门操作设备10设置有：上面提到的电动机11和12；凸轮机构13，作为用于每个进气门203的运动转换装置；以及第一传递机构14和第二传递机构15，其用于将电动机11和12中每个的旋转运动传递给相应气缸组的凸轮机构13。所有的凸轮机构13具有相同的结构。凸轮机构13具有作为回转体的凸轮16。由于凸轮16的作用，进气门203上端的气门提升器4被挤压，从而沿气门开启方向驱动进气门203。也就是说，气门提升器4用作由凸轮16驱动的接合器。如图8所示，凸轮16的外周上的轮廓设定为公知形状，其中基圆16a的一部分设置有扩展的尖部16b。气门提升器4被尖部16b挤压。
第一传递机构14具有：凸轮轴(第一传递轴)17，其用于联接外部气缸(#1和#4)的凸轮16；以及减速机构18，其用于将电动机11的旋转传递给凸轮轴17。减速机构18具有：电动机齿轮19，其与电动机11的输出轴11a相结合；以及从动齿轮20，其以能够一体旋转的方式设置在凸轮轴17的一个端部上并与电动机齿轮19啮合。凸轮轴17具有结合第一轴21和第二轴22的联接结构，其中，第一轴21驱动气缸#1的凸轮16，而第二轴22驱动气缸#4的凸轮16。在第一轴21上，以同心且一体化方式形成有联接轴23，联接轴23穿过气缸#2和气缸#3的上方并延伸到气缸#4。联接轴23的端部上的联轴器24同心地置于第二轴22的联轴器孔25中，从而将轴21和22同心地联接起来。在联轴器24和联轴器孔25之间设置有诸如花键之类的阻遏装置，从而以能够一体旋转的方式将第一轴21和第二轴22联接起来。另外，联接轴23的直径小于第一轴21和第二轴22的直径。凸轮16与第一轴21和第二轴22一体地形成；然而，凸轮16可形成为不同于第一轴21和第二轴22的部件并通过诸如注射及收缩配合件之类的固定装置固定在轴21和22上。
另一方面，第二传递机构15具有：凸轮轴(第二传递轴)30，其用于联接内部气缸(#2和#3)的凸轮16；以及减速机构31，其用于将电动机12的旋转传递给凸轮轴30。减速机构31具有：电动机齿轮32，其与电动机12的输出轴12a相结合；中间齿轮33，其与电动机齿轮32相啮合；以及从动齿轮34，其以能够一体旋转的方式设置在凸轮轴30的中部并与中间齿轮33啮合。凸轮轴30形成为中空轴状，并设置有沿轴方向延伸的通孔30a。凸轮16一体地形成在凸轮轴30的周缘上。凸轮轴17的联接轴23以可旋转方式插入凸轮轴30的通孔30a。这样一来，凸轮轴30便以可旋转方式同心地设置在凸轮轴17的外周上。另外，联接轴30的外径与凸轮轴17的第一轴21和第二轴22的外径相同。凸轮16可形成为不同于凸轮轴30的部件并通过诸如注射及收缩配合件之类的固定装置固定在凸轮轴30上。从动齿轮34也一样。
同一气缸组的一个气缸(#1或#3)的凸轮16以及另一个气缸(#2或#4)的凸轮16与凸轮轴17或30联接成使得它们的尖部16b的顶点16c沿圆周方向彼此相差180°。这是因为这些气缸2之间的进气门203的气门开启正时相差360°CA。如图8中清楚地示出，这导致产生了范围X，在范围X中所述凸轮的尖部16b沿凸轮轴17和30中每个的圆周方向不重叠。另外，基圆16a的直径设定为在基圆16a与气门提升器4之间提供一定空隙(气门间隙)。另外，凸轮机构13可设置在曲柄箱侧，并且在该位置获得的线性运动可通过诸如推杆之类的运动传递构件传递到进气门203。换句话说，发动机200不限于顶置凸轮轴(OHC)型，可以是顶置气门(OHV)型。
传递机构14和15中的每个设置有扭矩减小机构40。如图9中详细示出的，扭矩减小机构40设置有：反相凸轮41；以及扭矩加载设备42，其用于将摩擦所致的负载施加到反相凸轮41的外周上。另外，图9示出了用于气缸#2和气缸#3的扭矩减小机构40。用于气缸#1和气缸#4的扭矩减小机构40也具有相同结构。反相凸轮41以能够一体旋转的方式设置在凸轮轴17的第二轴22的边缘部分和凸轮轴30的边缘部分。反相凸轮41可以与轴17和30一体地模制而成，或者可形成为不同于轴17和30的部件并通过诸如注射及收缩配合件之类的固定装置固定在轴17和30上。反相凸轮41的外周表面构造成凸轮表面。如图10所示，该凸轮表面的轮廓设定为基圆41的一部分设置有一对凹部41b的形状。凹部41b设置成使得它们的基底41c沿圆周方向相差180°。
回到图9，扭矩加载设备42设置有：提升器43，其面向反相凸轮41的外周表面；弹簧支座44，其设置在提升器43的外侧；以及螺旋弹簧45，其设置在提升器43与弹簧支座44之间并且将弹力施加到提升器43以使其朝反相凸轮41移动。在提升器43的端部上，以可旋转方式安装有滚轮46，并且该滚轮46被螺旋弹簧45的斥力压向反相凸轮41的外周表面。
与凸轮轴17的反相凸轮41相对应的提升器43相对于凸轮轴17的圆周方向定位成：使得当滚轮46与设置在反相凸轮41上的其中一个凹部41b的基底41c接触时安装在凸轮轴17上的用于气缸#1的凸轮16的尖部16b的顶点16c与用于气缸#1的气门提升器4相接触，并使得当滚轮46与另一个凹部41b的基底41c接触时安装在凸轮轴17上的用于气缸#4的凸轮16的尖部16b的顶点16c与用于气缸#4的气门提升器4的凹部41b的基底41c相接触。而且，与凸轮轴30的反相凸轮41相对应的提升器43相对于凸轮轴30的圆周方向定位成：使得当滚轮46与设置在反相凸轮41上的一个凹部41b的基底41c接触时安装在凸轮轴30上的用于气缸#3的凸轮16的尖部16b的顶点16c与用于气缸#3的气门提升器4相接触，并使得当滚轮46与另一个凹部41b的基底41c接触时安装在凸轮轴30上的用于气缸#2的凸轮16的尖部16b的顶点16c与用于气缸#2的气门提升器4的凹部41b的基底41c相接触。
通过电动机11和12沿一个方向以发动机200的曲柄轴的一半转速连续驱动相应的凸轮轴17和30，根据以这种方式构造而成的气门操作设备10可以在曲柄轴旋转的同时驱动进气门203开启/关闭，所述驱动的方式与通常使用的以来自曲柄轴的动力驱动气门的机械气门操作设备相同。
以相同的方式给排气门204设置气门操作设备10，并且气门操作设备10能够驱动排气门204开启/关闭。
另外，第一实施方式中不仅能够将可变气门操作机构用作气门操作设备10，还能够将诸如线控凸轮、电磁驱动阀之类已经存在或将来开发出的各种机构用作气门操作设备10，只要它们能够控制进气门和排气门的开启/关闭正时即可。
<第二实施方式>
接下来将参照图11至图14说明第二实施方式的控制设备。
《整体结构》
首先将参照图11和图12说明设置有第二实施方式的控制设备的发动机的整体结构。图11是示出设置有第二实施方式的控制设备的发动机结构的示意图。图12是示出第二实施方式的进气门和排气门的气门工作特性的说明性图表。另外，在图11和图12中，与图1和图2中示出的元件相同的构成元件采用相同的附图标记，其相关说明根据情况予以省略。
在图11中，发动机220不同于上面参照图1描述的发动机200，不同点在于发动机220设置有用于检测进气管206中的进气的二氧化碳浓度的二氧化碳浓度传感器213。
在图11中，控制设备102设置有：进气门控制装置112；以及排气门控制装置122，并且控制设备102控制发动机200的整体运转。如参照图1描述的控制设备100中一样，这些装置优选地构造成逻辑运算电路，集中在公知的电子控制单元(ECU)、中央处理单元(CPU)、存储有控制程序的只读存储器(ROM)、存储有各种数据的随机存储器(RAM)等。而且，该控制设备通过总线连接到输入端口以便接收来自诸如二氧化碳浓度传感器之类的各种传感器的输入信号，并连接到输出端口以便将控制信号传输给气门操作设备10等的各种致动器。
作为本发明的“进气门控制装置”的一个示例，进气门控制装置112构造成控制气门操作设备10从而在发动机220起动时执行的起动操作过程中将进气门203设定为持续开启，如在第一实施方式的进气门控制装置110中一样。因此，如图12所示，可以在起动操作过程中的时间段T1中将进气门203设定为持续开启。而且，特别是在第二实施方式中，进气门控制装置112构造成控制气门操作设备10，从而在从起动操作之后到作为本发明的“已燃气体浓度”的一个示例的发动机220的二氧化碳浓度等于或大于预定值时的时间段内在排气冲程中将进气门203设定为开启。也就是说，如图12所示，在从起动操作之后到发动机220的二氧化碳浓度等于或大于预定值时的时间段T3(即时间段T3a、T3b、T3c和T3d)内，可以在对应于进气冲程的时间段T3a以及对应于排气冲程的时间段T3d中将进气门203设定为开启。而且，可以在对应于压缩冲程的时间段T3b以及对应于膨胀冲程的时间段T3c中将进气门203设定为关闭。另外，在第二实施方式中，作为发动机220的燃烧极限的二氧化碳浓度值预先设定为预定值。
作为本发明的“排气控制装置”的一个示例，排气门控制装置122构造成控制气门操作设备10，从而在起动操作过程中将排气门204设定为持续关闭。也就是说，如图12所示，在起动操作过程中的时间段T1中，可以将排气门204设定为持续关闭。而且，特别是在第二实施方式中，排气门控制装置122构造成控制气门操作设备10，从而在从起动操作之后到发动机220的二氧化碳浓度等于或大于预定值时的时间段内在排气冲程中将排气门204设定为关闭。也就是说，如图12所示，在时间段T3内，可以将排气门204设定为持续关闭。
如果二氧化碳浓度等于或大于预定值，控制设备102便控制气门操作设备10从而将进气门203和排气门204设定为处于正常工作状态下。也就是说，如图12所示，在起动操作之后二氧化碳浓度等于或大于预定值的时间段T4(即时间段T4a、T4b、T4c和T4d)内，进气门203和排气门204均处于正常工作状态。具体而言，在对应于进气冲程的时间段T4a内，进气门203设定为开启而排气门204设定为关闭。在对应于压缩冲程的时间段T4b和对应于膨胀冲程的时间段T4c内，进气门203和排气门204都设定为关闭。在对应于排气冲程的时间段T4d内，进气门203设定为关闭而排气门204设定为开启。另外，还可以根据具体情况设定时间段T4a与时间段T4b的重叠以及时间段T4c与时间段T4d的重叠。
《操作过程》
接下来参照图13和图14以及图11和图12说明第二实施方式的控制设备的操作过程。图13是示出第二实施方式的控制设备的操作过程的流程图。图14是示出二氧化碳浓度与扭矩变化之间关系的图表。另外，在图13中，与图3中示出的第一实施方式的过程相同的操作过程采用相同的附图标记，其相关说明根据情况予以省略。
在图13中，控制设备102的操作过程不同于上面参照图3描述的第一实施方式中的操作原理，具体不同之处有下列几点。也就是说，如果判定出在发动机220中喷射器211执行了燃料喷射并且火花塞202执行了点火(步骤S12：是)，则在控制设备102将进气门203和排气门204控制成处于正常工作状态下(步骤S14)之前执行步骤S21和步骤S22中的一系列操作过程。
也就是说，如果判定出在发动机220中喷射器211执行了燃料喷射并且火花塞202执行了点火(步骤S12：是)，首先，进气门控制装置112控制气门操作设备10从而在进气冲程甚至排气冲程中将进气门203设定为开启，并且排气门控制装置122控制气门操作设备10从而将排气门204设定为持续关闭(步骤S21)。然后，控制设备102判定进气管206中的二氧化碳浓度是否等于或大于预定值(步骤S22)。如果进气管206中的二氧化碳浓度小于预定值(步骤S22：否)，则再次执行步骤S21中的操作过程。另一方面，如果进气管206中的二氧化碳浓度等于或大于预定值(步骤S22：是)，则控制设备102将进气门203和排气门204控制成处于正常工作状态下(步骤S14)。也就是说，如图12所示，在从起动操作之后到发动机220的二氧化碳浓度等于或大于预定值时的时间段T3内，进气门203在对应于进气冲程的时间段T3a以及对应于排气冲程的时间段T3d内被设定为开启。而且，进气门203在对应于压缩冲程的时间段T3b以及对应于膨胀冲程的时间段T3c内被设定为关闭。排气门204设定为持续关闭。因此，可以在起动操作之后抑制或阻止残余气体中含有的未燃烧的HC排放到发动机220外部。这样是有效的，因为起动操作刚刚结束之后残余气体中含有的未燃烧的HC很可能比正常工况中发动机220的废气所含有HC更多。
此处，如图14所示，就第二实施方式中的预定值来说，作为燃烧极限的进气管206中的二氧化碳浓度基于扭矩变化来设定。也就是说，该预定值设定为允许扭矩变化的范围内二氧化碳浓度的最大值。因此，可以阻止发动机220由于二氧化碳浓度过高而运转不稳定的情况发生。
该预定值可基于发动机220的转数和燃料数量设定为可变的。而且，可执行判定进气管206中的氧气浓度是否小于预定值的操作过程，而不是判定二氧化碳浓度是否等于或大于预定值的操作过程(步骤S22)。在这种情况下，预定值可设定为作为燃烧极限的氧气浓度值。
另外，第二实施方式设计成使得二氧化碳浓度由二氧化碳浓度传感器213来检测；然而，二氧化碳浓度也可以由控制设备102通过设置在进气侧的稳压罐的容积以及从气缸2吹回的已燃气体的量而按顺序估算出。
<第三实施方式>
接下来将参照图15至图17说明第三实施方式的控制设备。
《整体结构》
首先将参照图15和图16说明设置有第三实施方式的控制设备的发动机的整体结构。图15是示出设置有第三实施方式的控制设备的发动机结构的示意图。图16是示出第三实施方式的进气门和排气门的气门工作特性的说明性图表。另外，在图15和图16中，与图1和图2中示出的元件相同的构成元件采用相同的附图标记，其相关说明根据情况予以省略。
在图15中，发动机230不同于上面参照图11描述的发动机220，不同点在于排气管210中部设置有排气节气门212。排气节气门212可调节经过排气管210的废气流。排气节气门212的开启由控制设备103控制。
在图15中，控制设备103设置有：进气门控制装置113；以及排气节气门控制装置140，并且控制设备103控制发动机200的整体运转。如参照图1描述的控制设备100中一样，这些装置优选地构造成逻辑运算电路，集中为公知的电子控制单元(ECU)、中央处理单元(CPU)、存储有控制程序的只读存储器(ROM)、存储有各种数据的随机存储器(RAM)等。而且，该控制设备通过总线连接到输入端口以便接收来自诸如A/F传感器之类的各种传感器的输入信号，并连接到输出端口以便将控制信号传输给排气节气门211的各种致动器。
作为本发明的“进气门控制装置”的一个示例，进气门控制装置113构造成控制气门操作设备10从而在发动机230起动时执行的起动操作过程中将进气门203设定为持续开启，如在第二实施方式的进气门控制装置112中一样。因此，如图16所示，可以在起动操作过程中的时间段T1中将进气门203设定为持续开启。而且，特别是在第二实施方式中，进气门控制装置113构造成控制气门操作设备10，从而在从起动操作之后到作为本发明的“已燃气体浓度”的一个示例的发动机230的二氧化碳浓度等于或大于预定值时的时间段内在排气冲程中将进气门203设定为开启。也就是说，如图16所示，在从起动操作之后到发动机230的二氧化碳浓度等于或大于预定值时的时间段T3内，可以在对应于进气冲程的时间段T3a以及对应于排气冲程的时间段T3d内将进气门203设定为开启。而且，可以在对应于压缩冲程的时间段T3b以及对应于膨胀冲程的时间段T3c内将进气门203设定为关闭。另外，在第三实施方式中，作为发动机230的燃烧极限的二氧化碳浓度值预先设定为预定值。
作为本发明的“排气控制装置”的一个示例，排气节气门控制装置140构造成在起动操作过程中将排气节气门212设定为持续关闭。也就是说，如图16所示，在起动操作过程中的时间段T1内，可以将排气节气门212设定为持续关闭。而且，排气节气门控制装置140构造成在从起动操作之后到发动机230的二氧化碳浓度等于或大于预定值时的时间段内将排气节气门212设定为关闭。也就是说，如图16所示，在时间段T3内，可以将排气节气门212设定为持续关闭。
如果由二氧化碳浓度传感器213检测到的二氧化碳浓度等于或大于预定值，控制设备103便控制气门操作设备10和排气节气门212从而将进气门203和排气节气门212设定为处于正常工作状态下。也就是说，如图16所示，在起动操作之后二氧化碳浓度等于或大于预定值的时间段T4内，进气门203和排气节气门212均处于正常工作状态。具体而言，在对应于进气冲程的时间段T4a中，进气门203设定为开启而排气节气门212设定为关闭。在对应于压缩冲程的时间段T4b和对应于膨胀冲程的时间段T4c内，进气门203和排气节气门212都设定为关闭。在对应于排气冲程的时间段T4d内，进气门203设定为关闭而排气节气门212设定为开启。另外，还可以根据具体情况设定时间段T4a与时间段T4b的重叠以及时间段T4c与时间段T4d的重叠。
《操作过程》
接下来参照图17以及图15和图16说明第三实施方式的控制设备的操作过程。图17是示出第三实施方式的控制设备的操作过程的流程图。另外，在图17中，与图3中示出的第一实施方式的过程相同的操作过程采用相同的附图标记，其相关说明根据情况予以省略。
在图17中，控制设备103的操作过程不同于上面参照图3描述的第一实施方式中的操作原理，具体不同之处有下列几点。也就是说，如果判定出在发动机230中喷射器211没有执行燃料喷射并且火花塞202没有执行点火(步骤S12：否)，则执行步骤S31中的操作过程，而不是步骤S13中的操作过程(参见图3)。而且，如果判定出在发动机230中喷射器211执行了燃料喷射并且火花塞202执行了点火(步骤S12：是)，则执行步骤S32到步骤S24中的一系列操作过程，而不是步骤S14中的操作过程(参见图3)。换句话说，控制设备103的操作过程不同于上面参照图13描述的第二实施方式的操作过程，具体表现在执行与排气节气门212相关的操作过程(步骤S31、步骤S32、步骤S33、以及步骤S34)，而不是与排气门204相关的操作过程(步骤S13、步骤S14、步骤S21、以及步骤S22)。
也就是说，特别是在第三实施方式中，如果判定出在发动机230中喷射器211没有执行燃料喷射并且火花塞202没有执行点火-即发动机处于起动操作过程中(步骤S12：否)，则进气门控制装置113控制气门操作设备10从而将进气门203设定为持续开启，并且排气节气门控制装置140将排气节气门212设定为持续关闭(步骤S31)。然后，再次执行步骤S11中的上述操作。也就是说，在发动机230的起动操作过程中，反复执行从步骤S11到步骤S13的一系列操作过程。也就是说，如图16所示，气门操作设备10和排气节气门212被控制为在起动操作过程中的时间段T1内将进气门203设定为持续开启并将排气节气门212设定为持续关闭。因此，通过起动操作，在起动操作之前存在于发动机230的每个气缸2中的含有未燃烧HC的残余气体不流到排气管210的排气节气门212的下游，而是通过进气门203流到进气管206。在起动操作之后处于正常工作状态的发动机230的进气冲程中，以此方式流到进气管206的残余气体再次与从喷射器216新供给的燃料和空气一起被吸入气缸2。因此，在起动操作之前包含在残余气体中的未燃烧的HC在发动机230的每个气缸2中燃烧。因此，可以抑制或阻止在起动操作之前就有的残余气体中含有的未燃烧的HC通过起动操作经由诸如排气管210之类的排气通道排放到发动机230外部。
另一方面，如果判定出在发动机230中喷射器211执行了燃料喷射并且火花塞202执行了点火(步骤S12：是)，首先，进气门控制装置113控制气门操作设备10从而在进气冲程甚至排气冲程中将进气门203设定为开启，并且排气节气门控制装置140控制气门操作设备10从而将排气节气门212设定为持续关闭(步骤S32)。然后，控制设备103判定进气管206中的二氧化碳浓度是否等于或大于预定值(步骤S33)。如果进气管206中的二氧化碳浓度小于预定值(步骤S33：否)，则再次执行步骤S32中的操作过程。另一方面，如果进气管206中的二氧化碳浓度等于或大于预定值(步骤S33：是)，则控制设备103将进气门203和排气节气门212控制成处于正常工作状态下(步骤S34)。也就是说，如图16所示，在从起动操作之后到发动机220的二氧化碳浓度等于或大于预定值时的时间段T3内，进气门203在对应于进气冲程的时间段T3a以及对应于排气冲程的时间段T3d内设定为开启。而且，进气门203在对应于压缩冲程的时间段T3b以及对应于膨胀冲程的时间段T3c内设定为关闭。排气节气门212设定为持续关闭。因此，可以在起动操作之后抑制或阻止残余气体中含有的未燃烧的HC排放到发动机230外部。
从第三实施方式中可清楚地看到，如果如上所述根据情况采用排气节气门在初始控制中关闭的构造，则也可以控制设置有下述可变气门操作机构的内燃发动机的工况，所述可变气门操作机构仅仅能够改变进气门而非进气门和排气门的气门工作特性。换句话说，即使排气门没有设置可变气门操作机构，也可以更大程度或更小程度地获得本发明的效果。
<第四实施方式>
接下来将参照图18至图22说明第四实施方式的控制设备。
《整体结构》
首先将参照图18至图21说明设置有第四实施方式的控制设备的发动机的整体结构。另外，在图18至图21中，与图1和图2中示出的第一实施方式的元件相同的构成元件采用相同的附图标记，其相关说明根据情况予以省略。
图18是示出设置有第四实施方式的控制设备的发动机结构的示意图。
在图18中，发动机240不同于上面参照图1描述的发动机200，不同点在于其设置有：水温传感器2012；目标温度设定装置130；比重传感器2231；以及介电传感器2232。进气门控制装置114基于水温传感器2012所指示的冷却水的实际温度与目标温度设定装置130设定的目标温度之间的偏差将进气门203的升程量设定为预定升程量。此时，根据比重传感器2231和介电传感器2232的输出来修正目标温度。
作为本发明的“温度指示装置”的一个示例，水温传感器2012设置在包括气缸室201的气缸体的水套中。水温传感器2012检测发动机240的冷却水的温度并将该温度传输给与其电连接的控制设备140。
作为本发明的“目标温度设定装置”的一个示例，目标温度设定装置130从加速燃料微粒化的角度设定起动操作过程中冷却水将要达到的目标温度。具体而言，目标温度设定装置130基于燃料箱223中的燃料的温度特性(例如气化温度)设定目标温度。
比重传感器2231检测燃料箱223中原燃料的含量比，从而从量上估测使燃料气化的难度。
介电传感器2232检测燃料箱223中燃料的酒精浓度，从而从量上估测使燃料气化的难度。
图19是示出在第四实施方式中进气门的升程量与温度增量以及泵气损失之间的关系的特性图表。
图19中示出的关系是，当进气门203的升程量减小得更多时，冷却水的温度增量ΔT相对增大。首先，这种关系产生的原因是进气门的升程量与泵气损失之间成反比。这是因为当升程量减小得更多时，认为经过进气门203时的能量损失增大得越多。其次，这是因为泵气损失与冷却水的温度增量成正比。这是因为泵气损失所致的能量损失被认为作为热量而使空气温度增高。然后，图19示出了“对应于最大泵气损失的最大温度增量”ΔTmax是例如50[℃/冲程]，并且规定这种状态的升程量是例如1[mm]。也就是说，如果升程量设定为1[mm]，则在每个冲程内冷却水的温度预期增高50℃。如果基于升程量与温度增量之间的关系来控制进气门203的气门开启状态，则期望在起动操作过程中在进气/膨胀冲程以及压缩/排气冲程中温度增高预定量。这方面将通过图20来说明。图20是示出在第四实施方式中在进气/膨胀冲程以及压缩/排气冲程中进气流的示意图。
在图20中，在发动机240的起动操作过程中，排气门204设定为持续关闭，而进气门203设定为持续开启，同时升程量维持预定升程量。然后，与活塞2011的竖向运动一起，(a)进气/膨胀冲程和(b)压缩/排气冲程交替性地反复进行若干次。此时，包含未燃烧燃料的空气在气缸室201与进气管206之间来回流动。因此，在升程量维持预定升程量的情况下经过进气门203时，温度增高了ΔT，这是泵气损失所致的能量损失。如果以这种方式增高的温度达到目标温度，则控制设备104终止起动操作。图21是示出在第四实施方式中进气门和排气门的气门工作特性的说明性图表。如图21所示，控制设备104控制气门操作设备10从而在起动操作结束之后-换句话说在发动机240点火之后将进气门203和排气门204设定为处于正常工作状态下。
如上所述，在气门设定为处于正常工作状态下之前执行上述起动，从而使得气缸室201中的温度合适地增高，这加快了在正常工作状态下提供新燃料以及未燃烧燃料的气化和微粒化的速度。因此，即使在正常状态下也可以避免产生未燃烧燃料，使得可以减少发动机240的未燃烧HC的排放。
《操作过程》
接下来参照图22以及图3和图18至21说明第四实施方式的控制设备的操作过程。图22是示出第四实施方式的控制设备的操作过程的流程图。另外，在图22中，与图3中示出的第一实施方式的过程相同的操作过程采用相同的附图标记，其相关说明根据情况予以省略。
在图3中，首先，如果判定出发动机240在初始控制过程中(步骤S11：是)并且如果判定出起动操作没有结束(即在起动操作过程中)(步骤S12：否)，则通过使用进气门控制装置114将气门操作设备10控制为使进气门203设定为持续开启，并且通过利用排气门控制装置120将气门操作设备10控制为使排气门204设定为持续关闭(步骤S13)。这种控制(即步骤S13)将在图22中通过利用子程序进行详细论述。
在图22中，首先，通常预先使用目标温度设定装置130从燃料气化/微粒化的角度设定冷却水的目标温度(步骤S131)。
然后，通过使用比重传感器2231和介电传感器2232来测量存储在燃料箱223中的燃料的比重和介电常数，并且指示原燃料的含量比和酒精浓度，从而估算使燃料气化的难度(步骤S132)。
然后，通过使用目标温度设定装置130而基于燃料的比重和介电常数来修正目标温度。也就是说，修正目标温度的目的是为了弥补预先设定目标温度时所估计的气化燃料的难度与气化燃料的实际难度之间的差距。通常情况下，燃料越不容易气化，目标温度便被修正得越高。然而，如果目标温度增加得过高则会对另一部件的操作产生不利影响，因而可以根据情况设定上限。
如果如上所述地设定冷却水的目标温度，那么由水温传感器2012来检测实际温度(步骤S134)。
进气门控制装置114基于冷却水的目标温度与实际温度之间的温度偏差的范围设定预定升程量(步骤S135)。
此处，如果上述温度偏差等于或小于表示与目标温度之间的可接受误差的ΔTmin(步骤S135：是)，即如果实际温度已经在可接受为目标温度的误差的范围内，则不是特别需要在起动操作过程中增高温度。因此，该子程序终止。
另一方面，如果上述温度偏差大于ΔTmin(步骤S135：否)，即如果实际温度不在可接受为目标温度的误差的范围内，然后，判定上述温度差是否等于或小于ΔTmax(例如50[℃/冲程])(步骤S136)。此处ΔTmax表示与每个冲程内的最大泵气损失相对应的最大温度增量。
此处，如果上述温度偏差等于或小于最大温度增量ΔTmax(步骤S136：是)，则通过例如执行一个进气冲程便可实现目标温度。因此，在图19中的特性图表的基础上，基于温度偏差(即温度增量)来设定进气门203的预定升程量(步骤S1371)。预定升程量通常通过映射或者通过表达式“预定升程量＝F(目标温度-实际温度)”来获得。此处，函数“预定升程量＝F(温度增量ΔT)”是表达了目标温度增量ΔT与使温度增加所述量的预定升程量之间的一一对应关系的函数。
另一方面，如果上述温度偏差大于最大温度增量ΔTmax(步骤S136：否)，甚至如果进气门203的升程量维持在提供最大温度增量ΔTmax的预定升程量，温度便不会超出目标温度。因此，预定升程量设定为允许最大温度增量ΔTmax的升程量(步骤S1372)。预定升程量通常通过映射或者通过表达式“预定升程量＝F(ΔT)”来获得。
随后，通过进气门控制装置114控制气门操作设备10，从而在升程量维持上述预定升程量的同时将进气门203设定为持续开启。与此同时或者一前一后地，通过排气门控制装置120控制气门操作设备10，从而将排气门204设定为持续关闭(步骤S138)。然后，按照原样，执行起动的一个冲程(步骤S139)。例如，执行一个进气冲程。此时，如图19至图21所示，通过吸收泵气损失所致的能量损失，冷却水的温度增高了ΔT。也就是说，含有在气缸室201和进气管206之间来回流动的未燃烧燃料的空气的温度相对增高。
通常，起动操作的若干冲程反复进行，直至达到目标温度，然后该子程序终止(步骤S135：是)。
然后，回到图3，由于子程序的作用，如果判定出起动操作已经终止(即不在起动操作过程中)，则控制设备104控制进气门203和排气门204从而将其设定为处于正常工作状态下(步骤S14)。也就是说，如上面参照图21所述，在起动操作之后的时间段T2内，进气门203和排气门204设定为处于正常工作状态下。
从第四实施方式中能够清楚地看到，如果在起动操作过程中在升程量维持预定升程量的同时将进气门203设定为持续开启而将排气门204设定为持续关闭，便会加快未燃烧燃料和正常工作状态中提供的新燃料的气化或微粒化的速度。因此，甚至在正常状态下也可避免产生未燃烧燃料，使得可以在更大程度上减少发动机240的未燃烧HC的排放。
本发明不限于上述实施方式，如果期望，可以在不偏离能够从权利要求书和整个说明书中获取的本发明的实质或精神的情况下做出本发明的各种改型。另外本发明的技术范围旨在包括涉及这些改型的用于控制内燃发动机的控制设备。
工业实用性
本发明的用于控制内燃发动机的控制设备可应用于例如汽车发动机等。