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JP4367398B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は内燃機関の制御装置に関し、詳しくは、排気通路における触媒の上流に二次空気を供給することで、排気ガス中の未燃ＨＣを排気通路内で後燃えさせる内燃機関の制御装置に関する。
従来、例えば、特許文献１に記載されているように、内燃機関の始動時、エアポンプによって取り込んだ外気を二次空気として排気通路における触媒の上流に供給し、排気ガス中の未燃ＨＣ（リッチ成分）を排気通路内で後燃えさせる技術が知られている。特許文献１に記載の従来技術では、排気温度が後燃え可能な温度になるように点火時期等によって内燃機関の燃焼を積極的に制御し、後燃えが可能になったところで排気通路に二次空気を供給するようにしている。
特開２００１−２６３０５０号公報 特開２００４−１２４８２４号公報
二次空気の供給量はエアポンプの回転数と排気通路内の圧力とによって決まり、エアポンプの回転数が一定ならば、排気通路内の圧力が高いほど二次空気の供給量は減少する。しかし、上記の従来技術では、二次空気の供給時における排気通路内の圧力については何ら考慮されていない。このため、上記の従来技術では、排気通路内の圧力が高くて十分な量の二次空気を供給できない状況が起こりうる。そのような状況では、排気通路内で未燃ＨＣを十分に後燃えさせることができず、未燃ＨＣがそのまま大気中へ排出されてしまうおそれがある。また、後燃えによる排気温度の上昇を十分に図れないことから、触媒の暖機にも時間を要してしまうことになる。つまり、上記の従来技術は、二次空気の供給による後燃え効果を確実に得ることができるものではなく、内燃機関の始動時、特に冷間始動時における排気エミッションの向上には未だ改善の余地があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、内燃機関の始動時、特に冷間始動時において排気エミッションを確実に向上させることができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
第１の発明は、上記の目的を達成するため、排気通路における触媒の上流に二次空気を供給することで、排気ガス中の未燃ＨＣを前記排気通路内で後燃えさせる内燃機関の制御装置において、
排気弁のバルブタイミングを制御する排気バルブタイミング制御手段を備え、
前記二次空気の供給時、前記排気バルブタイミング制御手段により前記排気弁の開タイミングを制御することで、前記排気通路内の圧力を制御することを特徴としている。
第２の発明は、第１の発明において、
排気温度を測定或いは推定する手段をさらに備え、
前記排気バルブタイミング制御手段は、排気ガス中の未燃ＨＣが前記排気通路内で後燃え可能な温度まで排気温度が上昇したら、前記排気弁の開タイミングを排気温度が前記後燃え可能温度に達する前に設定されていた開タイミングよりも遅角側に設定することを特徴としている。
第３の発明は、第２の発明において、
吸気弁のバルブタイミングを制御する吸気バルブタイミング制御手段をさらに備え、
前記吸気バルブタイミング制御手段は、短くとも排気温度が前記の後燃え可能温度に達するまでの間は、前記吸気弁の開タイミングをその後に設定される開タイミングよりも遅角側に設定することを特徴としている。
第４の発明は、第２又は第３の発明において、
吸気弁のバルブタイミングを制御する吸気バルブタイミング制御手段をさらに備え、
前記吸気バルブタイミング制御手段は、排気温度が前記の後燃え可能温度に達した後の所定期間は、前記吸気弁の開タイミングを上死点近傍に設定することを特徴としている。
第５の発明は、第４の発明において、
燃料噴射弁による吸気ポートへの燃料の噴射時期を制御する燃料噴射時期制御手段をさらに備え、
前記燃料噴射時期制御手段は、排気温度が前記の後燃え可能温度に達した後の所定期間は、前記吸気弁の開弁期間に燃料噴射時期を同期させない吸気非同期噴射を実行することを特徴としている。
第６の発明は、第１乃至第５の何れか１つの発明において、
空燃比を制御する空燃比制御手段と、
吸気管の負圧を測定或いは推定する手段とをさらに備え、
前記空燃比制御手段は、前記吸気管負圧が所定の基準負圧に達するまでの間は空燃比をリーンに設定し、前記吸気管負圧が前記基準負圧に達してから空燃比をリッチに設定することを特徴としている。
また、第７の発明は、上記の目的を達成するため、排気通路における触媒の上流に二次空気を供給することで、排気ガス中の未燃ＨＣを前記排気通路内で後燃えさせる内燃機関の制御装置において、
排気弁のバルブタイミングを制御する排気バルブタイミング制御手段と、
排気温度を測定或いは推定する手段とを備え、
前記排気バルブタイミング制御手段は、始動時の１サイクル目が終了するまでの間は、前記排気弁の開タイミングを２サイクル目以降に設定される開タイミングよりも遅角側に設定し、２サイクル目以降は前記排気弁の閉タイミングを吸気上死点よりも進角側に設定し、２サイクル目以降において排気ガス中の未燃ＨＣが前記排気通路内で後燃え可能な温度まで排気温度が上昇したときには、前記排気弁の開タイミングを排気温度が前記後燃え可能温度に達する前に設定されていた開タイミングよりも遅角側に設定することを特徴としている。
また、第８の発明は、上記の目的を達成するため、排気通路における触媒の上流に二次空気を供給することで、排気ガス中の未燃ＨＣを前記排気通路内で後燃えさせる内燃機関の制御装置において、
排気弁のバルブタイミングを制御する排気バルブタイミング制御手段と、
吸気弁のバルブタイミングを制御する吸気バルブタイミング制御手段と、
排気温度を測定或いは推定する手段とを備え、
前記排気バルブタイミング制御手段は、始動時の１サイクル目が終了するまでの間は、前記排気弁の開タイミングを２サイクル目以降に設定される開タイミングよりも遅角側に設定し、２サイクル目以降は前記排気弁の閉タイミングを吸気上死点よりも進角側に設定し、
前記吸気バルブタイミング制御手段は、短くとも排気ガス中の未燃ＨＣが前記排気通路内で後燃え可能な温度まで排気温度が上昇するまでの間は、前記吸気弁の開タイミングをその後に設定される開タイミングよりも遅角側に設定することを特徴としている。
第１の発明によれば、バルブの開タイミングを制御して排気通路内の圧力を制御することで、排気通路内への二次空気の導入を容易することができ、逆に、排気通路内への二次空気の導入を防止することもできる。具体的には、排気弁の開タイミングを遅角側に設定すれば、排気弁の開弁時に燃焼室から排出される排気ガスのガス圧を下げ、排気通路内の圧力を下げることができる。これによれば、未燃ＨＣの後燃えを促進したい状況において、排気通路内に二次空気を容易に導入することが可能になる。一方、排気弁の開タイミングを進角側に設定すれば、排気弁の開弁時に燃焼室から排出される排気ガスのガス圧を高め、排気通路内の圧力を高くすることができる。これによれば、例えば、排気温度が十分に上昇していない状況において、排気通路内に低温の二次空気が導入されるのを防止することができる。
第２の発明によれば、排気温度が後燃え可能温度まで上昇したら排気弁の開タイミングを遅角することで、排気通路内に二次空気を確実に導入して未燃ＨＣの後燃えを促進することができる。これにより、未燃ＨＣを確実に燃焼処理しつつ、触媒の暖機も促進することができ、内燃機関の始動時、特に冷間始動時における排気エミッションを向上させることができる。
第３の発明によれば、吸気弁の開タイミングの遅角により燃焼室内への吸気流入速度を高めることで、燃焼室内での混合ガスの流れに乱れを発生させ、燃焼改善を図ることができる。これにより、排気温度が後燃え可能温度に達しておらず、後燃えによる未燃ＨＣの燃焼処理を十分に行えない状況でも未燃ＨＣの排出量を低減することができ、排気エミッションを向上させることができる。
第４の発明によれば、吸気弁の開タイミングを上死点近傍に設定することで、排気弁やシリンダ壁面への燃料の付着を抑えることができる。これにより、液滴の状態で排気通路へ排出される未燃ＨＣの量を低減し、排気通路内での未燃ＨＣの酸化反応、つまり、後燃えを促進することができる。
第５の発明によれば、吸気弁の開弁期間に燃料噴射時期を同期させない吸気非同期噴射を行うことで、燃料を吸気ポート内で霧化させて、液滴の状態での燃焼室内への流入を抑制することができる。これにより、液滴の状態で排気通路へ排出される未燃ＨＣの量をより効果的に低減し、排気通路内での後燃えを促進することができる。
第６の発明によれば、吸気管負圧がある程度大きくなるまでは空燃比をリーンにすることで、燃焼室内に液滴の状態で流入する燃料を低減し、未燃ＨＣの排出量を低減することができる。そして、吸気管負圧がある程度大きくなり燃料の蒸発性が高まったところで空燃比をリッチにすることで、排気通路内での未燃ＨＣの後燃えを可能にして触媒の暖機を促進することができる。
また、第７の発明によれば、始動時の１サイクル目が終了するまでの間は、排気弁の開タイミングを２サイクル目以降に設定される開タイミングよりも遅角側に設定することで、始動１サイクル目における燃焼室内での燃焼期間を長く取ることができ、燃料の酸化反応を促進させて未燃ＨＣの発生量を低減することができる。始動時の２サイクル目以降は、排気弁の閉タイミングを吸気上死点よりも進角側に設定することで、吸気上死点直前に排出される未燃ＨＣを多く含んだ燃焼ガスを燃焼室内に封じ込めることができ、燃焼室からの未燃ＨＣの排出量をさらに低減することができる。そして、排気温度が後燃え可能温度まで上昇したら排気弁の開タイミングを遅角することで、排気通路内に二次空気を確実に導入して未燃ＨＣの後燃えを促進することができる。以上の一連の制御により、内燃機関の始動時、特に冷間始動時における未燃ＨＣの排出量を確実に低減することができる。
また、第８の発明によれば、始動時の１サイクル目が終了するまでの間は、排気弁の開タイミングを２サイクル目以降に設定される開タイミングよりも遅角側に設定することで、始動１サイクル目における燃焼室内での燃焼期間を長く取ることができ、燃料の酸化反応を促進させて未燃ＨＣの発生量を低減することができる。始動時の２サイクル目以降は、排気弁の閉タイミングを吸気上死点よりも進角側に設定することで、吸気上死点直前に排出される未燃ＨＣを多く含んだ燃焼ガスを燃焼室内に封じ込めることができ、燃焼室からの未燃ＨＣの排出量をさらに低減することができる。また、短くとも排気温度が後燃え可能温度に達するまでの間、吸気弁の開タイミングをその後に設定される開タイミングよりも遅角することで、燃焼室内への吸気流入速度を高めて燃焼室内での混合ガスの燃焼改善を図ることができる。以上の一連の制御により、排気温度が後燃え可能温度に達しておらず、後燃えによる未燃ＨＣの燃焼処理を十分に行えない状況でも、未燃ＨＣの排出量を確実に低減することができる。
実施の形態１．
以下、図１乃至図５を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。
図１は本発明の実施の形態１としての制御装置が適用された内燃機関の概略構成を示す図である。本実施形態にかかる内燃機関は火花点火式の４ストロークエンジンである。内燃機関は内部にピストン８が配置されたシリンダブロック６と、シリンダブロック６に組み付けられたシリンダヘッド４を備えている。ピストン８の上面からシリンダヘッド４までの空間は燃焼室１０を形成しており、この燃焼室１０に連通するように吸気管３０と排気管４０がシリンダヘッド４に接続されている。燃焼室１０の頂部には、点火プラグ１６が取り付けられている。
吸気管３０と燃焼室１０との接続部には、吸気管３０と燃焼室１０との連通状態を制御する吸気弁１２が設けられている。吸気弁１２には、そのバルブタイミングを可変制御する吸気バルブタイミング制御装置２２が備えられている。一方、排気管４０と燃焼室１０との接続部には、排気管４０と燃焼室１０との連通状態を制御する排気弁１４が設けられている。排気弁１４には、そのバルブタイミングを可変制御する排気バルブタイミング制御装置２４が備えられている。本実施形態では、吸気バルブタイミング制御装置２２及び排気バルブタイミング制御装置２４として、クランク軸１８に対するカム軸（図示略）の位相角を変化させることで、作用角は一定のまま開閉タイミングを進角或いは遅角する可変バルブタイミング機構（ＶＶＴ）が用いられているものとする。
吸気管３０にはスロットル３２が配置されている。吸気管３０の下流部は気筒毎に分岐しており、各分岐管には燃料を噴射するためのインジェクタ３４が設けられている。排気管４０には、燃焼室１０から排出される燃焼ガス中の有害成分を除去するための触媒４２が配置されている。また、排気管４０における触媒４２の上流には、排気管４０内に二次空気を供給するための二次空気供給管６０が接続されている。二次空気供給管６０には、外気を取り込むためのエアポンプ６２と、二次空気供給管６０内に取り込まれる外気を濾過するエアフィルタ６４が配置されている。エアポンプ６２は、内燃機関によって駆動される機械式ポンプでもよく、モータによって駆動される電動式ポンプでもよい。
また、本実施形態にかかる内燃機関は、その制御装置としてＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０の出力側には前述のバルブタイミング制御装置２２，２４、インジェクタ３４、スロットル３２、点火プラグ１６、エアポンプ６２の他、スタータ２０等の種々の機器が接続されている。ＥＣＵ５０の入力側には、クランク角センサ５２、排気温センサ５４、吸気管圧センサ５６等の種々のセンサや、スタートスイッチ５８等の種々のスイッチが接続されている。クランク角センサ５２は、クランク軸１８の回転角度に応じた信号を出力するセンサである。排気温センサ５４は排気管４０内の温度に応じた信号を出力するセンサであり、排気管４０における触媒４２の上流に配置されている。吸気管圧センサ５６は吸気管３０内の圧力に応じた信号を出力するセンサであり、吸気管３０におけるスロットル３２の下流に配置されている。ＥＣＵ５０は、各センサやスイッチの出力に基づき、所定の制御プログラムにしたがって各機器を駆動するようになっている。
内燃機関の冷間始動時には、ＥＣＵ５０は、二次空気供給制御を実行する。二次空気供給制御は、エアポンプ６０によって取り込んだ外気を二次空気として排気管４０内に供給することで、排気ガス中の未燃ＨＣを排気管４０内で再燃焼（後燃え）させることを目的とする制御である。未燃ＨＣの後燃えにより発生する燃焼熱により、排気温度をさらに上昇させ、触媒４２の暖機を促進することができる。この二次空気供給制御では、ＥＣＵ５０は、スタートスイッチ５８のオンと同時にエアポンプ６０を作動させ、触媒４２の暖機が完了したらエアポンプ６０を停止させるようになっている。なお、作動時のエアポンプ６０の回転数は一定値に設定されている。
上記の二次空気供給制御によれば、排気ガス中の未燃ＨＣを燃焼処理できると同時に触媒４２の暖機も促進することができ、冷間始動時における排気エミッションを向上させることができる。しかし、排気管４０内での未燃ＨＣの後燃えは、排気管４０内の温度がある程度の温度まで上昇したときに起きる現象であり、始動直後の排気温度が十分に上昇していない状況では、二次空気を供給したとしても未燃ＨＣの後燃えは期待できない。このため、排気管４０内で未燃ＨＣの後燃えが可能になるまでの間、何等かの方法によって未燃ＨＣの排出を抑制する必要がある。
そこで、ＥＣＵ５０は、内燃機関の冷間始動時、上記の二次空気供給制御と並行して以下に説明する排気バルブタイミング制御を実行することで、始動直後における未燃ＨＣの排出の抑制を図っている。図２は、本実施形態においてＥＣＵ５０により実行される排気バルブタイミング制御の内容をフローチャートで示したものである。図２に示すルーチンは、スタートスイッチ５８がオンにされ、内燃機関のクランキングが開始されると同時に実行される。また、このルーチンは気筒毎に実行される。
本ルーチンの最初のステップ１００では、排気バルブタイミング制御装置２４によって排気バルブタイミングが遅開きに設定される。つまり、排気弁１４の開タイミングが通常時よりも遅角側に設定される。ここにいう排気弁１４の通常時の開タイミングとは、始動完了後に設定される開タイミングであり、ガス交換の性質上、次サイクルに燃焼ガスを残留させないような排気を行う上で最適な開タイミングを指す。具体的には、ＢＢＤＣ（排気下死点前）４５°近傍が好ましい。本実施形態では、排気弁１４の通常時の開タイミングはＢＢＤＣ４５°に設定されているものとする。
図３は吸気弁１２及び排気弁１４のバルブタイミングを示す図である。（Ｄ）に示すバルブタイミングが通常時のバルブタイミングであり、（Ａ）に示すバルブタイミングがステップ１００で設定されるバルブタイミングである。図中、ＥＶＯは排気弁１４の開タイミング、ＥＶＣは排気弁１４の閉タイミング、ＩＶＯは吸気弁１２の開タイミング、ＩＶＣは吸気弁１２の閉タイミングをそれぞれ表している。図３の（Ａ）と（Ｄ）とを比較して分かるように、本ステップ１００では、ＥＶＯが通常時、すなわち、ＢＢＤＣ４５°よりもＢＤＣに近づくように設定される。なお、吸気バルブタイミングは、通常時と同じタイミングに設定されている。
次のステップ１０２では、当該気筒の始動１サイクル目が終了したか否か判定される。始動１サイクル目が終了したか否かは、クランク角センサ５２の信号から計測されるクランク軸１８の回転角度から判断することができる。スタートスイッチ５８がオンになった後、スタータ２０により内燃機関のクランキングが行われ、機関回転数が初爆に必要な回転数を超えたらインジェクタ３４から初爆用燃料が噴射される。この初爆用燃料が噴射されるサイクルが始動１サイクル目であり、内燃機関のクランキングが開始されてから始動１サイクル目が終了するまでの間、排気バルブタイミングはステップ１００で設定されたタイミングに保持される。
始動１サイクル目が終了した場合、つまり、始動２サイクル目以降は、排気バルブタイミングは遅開きから早閉じに変更される（ステップ１０４）。図３の（Ｂ）に示すバルブタイミングがステップ１０４で設定されるバルブタイミングである。図３の（Ｂ）と（Ｄ）とを比較して分かるように、本ステップ１０４では、ＥＶＣが通常時よりも進角側、より具体的には、ＴＤＣを超えて進角側に設定される。始動２サイクル目から次のステップ１０６の条件が成立するまでの間、排気バルブタイミングはステップ１０４で設定されたバルブタイミングに保持される。なお、吸気バルブタイミングの変更は行われず、始動１サイクル目と同じく通常時と同じタイミングに設定されている。
ステップ１０６では、排気温センサ５４の信号から計測される排気温度Tengが所定の基準温度Tb以上になっているか否か判定される。基準温度Tbは、排気管４０内で未燃ＨＣが後燃え可能な排気温度である。通常、始動後５サイクル程度で後燃え可能な排気温度に達する。ステップ１０６の判定の結果、排気温度Tengが基準温度Tb以上になったときには、排気バルブタイミングは早閉じから再び遅開きに変更される（ステップ１０８）。図３の（Ｃ）に示すバルブタイミングがステップ１０８で設定されるバルブタイミングである。図３の（Ａ）に示すバルブタイミングと同様、ＥＶＯが通常時、すなわち、ＢＢＤＣ４５°よりもＢＤＣに近づくように設定される。
その後、触媒４２の暖機が完了した時点で始動時の排気バルブタイミング制御は終了し、それ以降は、図２に示すルーチンとは別のルーチン（図示略）により通常時の排気バルブタイミング制御が実行される。通常時の排気バルブタイミング制御では、排気バルブタイミングは遅開きから通常のバルブタイミング、つまり、図３の（Ｄ）に示すバルブタイミングに変更される。なお、触媒４２の暖機が完了したか否かは、触媒４２の温度、排気温度、或いは始動からの経過時間等によって判断することができる。
図４は、以上説明した排気バルブタイミング制御ルーチンの実行結果をタイムチャートで表したものである。図４の（Ａ）はエンジン回転数（Ｎｅ）を示し、（Ｂ）はＥＶＣのＴＤＣに対する進角角度（ＢＴＤＣ）を示し、（Ｃ）はＥＶＯのＢＤＣに対する進角角度（ＢＢＤＣ）を示している。また、図４の（Ｄ）は排気温センサ５４で測定される排気温度を示し、（Ｅ）は未燃ＨＣの排出量を示している。（Ｂ）及び（Ｃ）において、実線は上記ルーチンによる排気バルブタイミングの設定を示し、破線は従来の排気バルブタイミングの設定（通常時と同じ設定）を示している。また、（Ｄ）において、実線は上記ルーチンの実行により実現される排気温度を示し、破線は従来の排気バルブタイミングの設定で実現される排気温度を示している。また、（Ｅ）において、実線は上記ルーチンの実行により実現される未燃ＨＣの排出量を示し、破線は従来の排気バルブタイミングの設定で実現される未燃ＨＣの排出量を示している。なお、ここでは、内燃機関の冷間始動時における点火時期は固定値に設定され、目標空燃比は排気管４０内で後燃えさせる未燃ＨＣを確保するためにストイキよりもリッチに設定されているものとする。
図４に示すように、始動１サイクル目におけるＥＶＯが通常時（ＢＢＤＣ４５°）よりも遅角側に設定されＢＤＣに近づくことで、排気弁１４の開弁に伴い燃焼室１０から排出される未燃ＨＣの量は減少する。これは、次のような理由による。
図５は、燃焼室１０内の燃焼ガス圧（筒内圧）の変化を示す図である。図５中の実線はＥＶＯをＢＢＤＣ４５°よりも遅角側に設定した場合の筒内圧の変化を示し、図５中の破線はＥＶＯをＢＢＤＣ４５°に設定した場合の筒内圧の変化（通常時の筒内圧変化）を示している。筒内圧は、排気弁１４の開弁とともに急激に低下するが、この図に示すように、ＥＶＯを遅角させることで、図中に斜線で示す領域の分、筒内圧を稼ぐことが可能になる。つまり、より長い期間、初爆用燃料を高圧の燃焼室１０内に閉じ込めることができ、高温・高圧雰囲気の下で燃料の酸化反応を促進させることが可能になる。これにより、シリンダ壁面に付着する未燃ＨＣの量を低減させることができ、燃焼室１０から排出される未燃ＨＣの量を低減させることができるのである。
また、燃焼室１０内に燃焼ガスが残留する始動２サイクル目以降は、ＥＶＣがＴＤＣよりも進角側に設定されることで、ピストン８の上昇によりシリンダ壁面に付着した未燃ＨＣがかき上げられた場合でも、その未燃ＨＣが燃焼ガスとともに燃焼室１０から排出されることを防止することができる。つまり、シリンダ壁面に付着した未燃ＨＣを残留ガスとともに燃焼室１０内に封じ込めることができ、燃焼室１０からの未燃ＨＣの排出量を低減することができる。さらに、燃焼室１０内に閉じ込められた未燃ＨＣは残留ガスによって微粒化され、酸化反応が促進されるという効果もある。
以上のように、本実施形態の排気バルブタイミング制御によれば、始動１サイクル目はＥＶＯを遅角することで、燃焼室１０内での燃焼期間を長く取ることができ、燃料の酸化反応を促進させて未燃ＨＣの発生量を低減することができる。始動２サイクル目以降は、ＥＶＣをＴＤＣよりも進角することで、ＴＤＣ直前に排出される未燃ＨＣを多く含んだ燃焼ガスを燃焼室１０内に封じ込めることができ、燃焼室１０からの未燃ＨＣの排出量をさらに低減することができる。つまり、排気温度が後燃え可能温度Tbに達しておらず、排気管４０内での未燃ＨＣの後燃えが期待できない状況でも、排気エミッションの悪化を防止することができる。
その後、排気温度が後燃え可能温度Tbまで上昇したら、ＥＶＯは再び遅角される。ＥＶＯを遅角することで、図５に示すように、排気弁１４が開弁したときの燃焼ガス圧が下がり、それに伴って排気管４０内の圧力も下がる。排気管４０内への二次空気の供給量はエアポンプ６２の回転数と排気管４０内の圧力とによって決まり、本実施形態のようにエアポンプ６２の回転数が一定ならば、排気管４０内の圧力を下げることで二次空気の供給量を増大させることができる。したがって、ＥＶＯを遅角することにより、排気管４０内に二次空気を確実に導入することができ、未燃ＨＣの後燃えを促進して排気温度をさらに上昇させることが可能になる。
このように、排気温度が後燃え可能温度Tbに達した後は、ＥＶＯによって排気管４０内の圧力を制御して二次空気の導入を容易にすることで、後燃えにより未燃ＨＣを確実に燃焼処理しつつ、触媒４２の暖機も促進することができ、内燃機関の冷間始動時における排気エミッションを向上させることができる。また、逆に、排気温度が後燃え可能温度Tbに達するまでは、ＥＶＯが進角側に設定されているので、排気弁１４の開弁時に燃焼室１０から排出される排気ガスのガス圧は高く、排気管１０内の圧力は高くなっている。その結果、排気管１０内への二次空気の導入は阻害され、低温の二次空気が導入されることによる排気温度の上昇の遅れは防止される。つまり、排気温度が後燃え可能温度Tbに到達するまではＥＶＯを進角側に設定しておくことで、触媒４２の暖機の遅れを防止することができる。
実施の形態２．
次に、図６及び図７を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本発明の実施の形態２としての制御装置は、実施の形態１にかかる内燃機関の構成において、ＥＣＵ５０に、図２に示すルーチン（排気バルブタイミング制御）と並行して図６に示すルーチンを実行させることで実現することができる。図６に示すルーチンでは、内燃機関の始動時における燃料噴射量の制御が行われる。図６に示すルーチンは、スタートスイッチ５８がオンにされ、内燃機関のクランキングが開始されると同時に実行される。また、このルーチンは気筒毎に実行される。
本ルーチンの最初のステップ２００では、目標空燃比（Ａ／Ｆ）がストイキよりもリーン（固定値）に設定される。次のステップ２０２では、吸気管圧センサ５６により測定される吸気管圧Pmが所定の基準圧Po以下にまで低下しているか否か判定される。基準圧Poは、吸気管３０内に噴射された燃料が十分に蒸発できる圧力であり、試験結果等に基づいて定められている。吸気管圧Pmが基準圧Po以下になるまで、目標空燃比はリーンに維持される。そして、吸気管圧Pmが基準圧Poを超えたら、次のステップ２０４で目標空燃比はストイキよりもリッチ（固定値）に設定される。
図７は、以上説明した始動噴射量制御ルーチンの実行結果をタイムチャートで表したものである。図７の（Ａ）はエンジン回転数（Ｎｅ）を示し、（Ｂ）は吸気管圧を示し、（Ｃ）は目標空燃比（Ａ／Ｆ）を示している。また、図４の（Ｄ）は排気温センサ５４で測定される排気温度を示し、（Ｅ）は未燃ＨＣの排出量を示している。（Ｃ）において、実線は上記ルーチンによる目標空燃比の設定を示し、破線は従来の目標空燃比の設定を示している。なお、ここでは、実施の形態１と同様、内燃機関の冷間始動時における点火時期は固定値に設定されているものとする。また、排気弁１４のバルブタイミングは、図２に示すルーチンにより制御されている。（Ｄ）において、実線は上記ルーチン及び図２に示すルーチンの実行により実現される排気温度を示し、破線は従来の目標空燃比及び排気バルブタイミングの設定で実現される排気温度を示している。また、（Ｇ）において、実線は上記ルーチン及び図２に示すルーチンの実行により実現される未燃ＨＣの排出量を示し、破線は従来の目標空燃比及び排気バルブタイミングの設定で実現される未燃ＨＣの排出量を示している。
図７に示すように、吸気管圧は、内燃機関の始動後、エンジン回転数の上昇とともに次第に低下していき、やがて、排気温度が後燃え可能温度Tbに達するころに基準圧Poを下回る。このような吸気管圧の変化に応じて、目標空燃比（Ａ／Ｆ）は、従来のように内燃機関の始動後直ぐにリッチに設定されるのではなく、始動後の暫くの間（数サイクル）はリーンに設定される。そして、排気管４０内での未燃ＨＣの後燃えが可能になるころにリッチに設定される。このように吸気管圧に応じて空燃比を制御することには、次のような利点がある。
インジェクタ３４から噴射された燃料は、蒸発して気化燃料となることで燃焼可能になるが、その際の燃料の蒸発性は、燃料が噴射される吸気管３０の圧力に依存する。具体的には、吸気管圧が低い（吸気管負圧が大きい）ほど、燃料の蒸発性は向上する。換言すれば、吸気管圧が高い（吸気管負圧が小さい）ときには、燃料の蒸発性は低く、燃料が液滴の状態で燃焼室１０内に流入する割合が高くなる。液状の燃料は、燃焼室１０内で燃焼せず、また、排気管４０内での後燃えによっても燃焼せず、そのまま外部へ排出されることになる。
触媒４２の暖機を促進するためには、目標空燃比をストイキよりもリッチに設定して排気管４０内で後燃えさせる未燃ＨＣを確保するのが好ましい。しかし、燃料が十分に蒸発できない状況で目標空燃比をリッチにしても、燃焼処理できない液状の未燃ＨＣを増やすだけであり、却って排気エミッションを悪化させてしまう。
上記の始動噴射量制御ルーチンによれば、吸気管圧がある程度低く（吸気管負圧がある程度大きく）なるまでは、目標空燃比をストイキよりもリーンに設定することで、燃焼室１０内に液滴の状態で流入する燃料を低減し、未燃ＨＣの排出量を低減することができる。そして、吸気管圧がある程度低くなって燃料の蒸発性が高まったところで目標空燃比をストイキよりもリッチに設定することで、排気管４０内での未燃ＨＣの後燃えを可能にして触媒４２の暖機を促進することができる。したがって、上記の始動噴射量制御ルーチンを図２に示すルーチンと並行して実行することで、未燃ＨＣの排出量をさらに低減させることが可能になる。
なお、図７のタイムチャートでは、吸気管圧が基準圧Poまで低下した後に、排気温度が後燃え可能温度Tbに達しているが、内燃機関の運転条件によっては、排気温度が後燃え可能温度Tbに達した後に、吸気管圧が基準圧Poまで低下することも考えられる。この場合も、吸気管圧が基準圧Poまで低下するまでは目標空燃比をリーンに維持し、基準圧Po以下になったらリッチに切り替えることで、未燃ＨＣの排出量の低減を図ることができる。
実施の形態３．
次に、図８乃至図１０を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。
本発明の実施の形態３としての制御装置は、実施の形態１にかかる内燃機関の構成において、ＥＣＵ５０に、図２に示すルーチン（排気バルブタイミング制御）に代えて図８に示すルーチンを実行させることで実現することができる。図８に示すルーチンは、図２に示すルーチンと同じく二次空気供給制御と並行して実行されるルーチンであり、このルーチンでは、吸気弁１２のバルブタイミングと排気弁１４のバルブタイミングの双方が制御される。図８に示すルーチンは、スタートスイッチ５８がオンにされ、内燃機関のクランキングが開始されると同時に実行される。また、このルーチンは気筒毎に実行される。
本ルーチンの最初のステップ３００では、吸気バルブタイミング制御装置２２によって吸気バルブタイミングが遅開きに設定される。つまり、吸気弁１２の開タイミングが通常時よりも遅角側に設定される。ここにいう吸気弁１２の通常時の開タイミングとは、始動完了後に設定される開タイミングを指す。具体的には、所望のバルブオーバーラップが得られるように、通常の開タイミングはＴＤＣよりもやや進角側に設定されている。
また、ステップ３００では、同時に、排気バルブタイミング制御装置２４によって排気バルブタイミングが遅開きに設定される。つまり、排気弁１４の開タイミングが通常時よりも遅角側に設定される。ここで設定される排気弁１４の開タイミングは、図２に示すルーチンのステップ１００で設定される開タイミングと同設定である。
図９は吸気弁１２及び排気弁１４のバルブタイミングを示す図である。（Ｅ）に示すバルブタイミングが通常時のバルブタイミングであり、（Ａ）に示すバルブタイミングがステップ３００で設定されるバルブタイミングである。図中、ＥＶＯは排気弁１４の開タイミング、ＥＶＣは排気弁１４の閉タイミング、ＩＶＯは吸気弁１２の開タイミング、ＩＶＣは吸気弁１２の閉タイミングをそれぞれ表している。図９の（Ａ）と（Ｅ）とを比較して分かるように、本ステップ３００では、ＩＶＯがＴＤＣよりも大きく遅角側に設定され、同時に、ＥＶＯが通常時、すなわち、ＢＢＤＣ４５°よりもＢＤＣに近づくように設定される。
次のステップ３０２では、当該気筒の始動１サイクル目が終了したか否か判定される。始動１サイクル目が終了したか否かは、クランク角センサ５２の信号から計測されるクランク軸１８の回転角度から判断することができる。スタートスイッチ５８がオンになった後、スタータ２０により内燃機関のクランキングが行われ、機関回転数が初爆に必要な回転数を超えたらインジェクタ３４から初爆用燃料が噴射される。この初爆用燃料が噴射されるサイクルが始動１サイクル目であり、内燃機関のクランキングが開始されてから始動１サイクル目が終了するまでの間、吸気バルブタイミン及び排気バルブタイミングはステップ３００で設定されたタイミングに保持される。
始動１サイクル目が終了した場合、つまり、始動２サイクル目以降は、排気バルブタイミングのみ遅開きから早閉じに変更される（ステップ３０４）。吸気バルブタイミングの変更は行われず、始動１サイクル目と同じバルブタイミングに保持される。図９の（Ｂ）に示すバルブタイミングがステップ３０４で設定されるバルブタイミングである。図９の（Ｂ）と（Ｅ）とを比較して分かるように、本ステップ３０４では、ＥＶＣが通常時よりも進角側、より具体的には、ＴＤＣを超えて進角側に設定される。始動２サイクル目から次のステップ３０６の条件が成立するまでの間、排気バルブタイミングはステップ３０４で設定されたバルブタイミングに保持される。
ステップ３０６では、排気温センサ５４の信号から計測される排気温度Tengが第１基準温度Tb以上になっているか否か判定される。第１基準温度Tbは、排気管４０内で未燃ＨＣが後燃え可能な排気温度である。ステップ３０６の判定の結果、排気温度Tengが第１基準温度Tb以上になったときには、吸気バルブタイミングはＴＤＣ付近で開くように進角側に制御され、排気バルブタイミングは早閉じから再び遅開きに変更される（ステップ３０８）。図９の（Ｃ）に示すバルブタイミングがステップ３０８で設定されるバルブタイミングである。ＩＶＯは、ＴＤＣ付近に設定され、ＥＶＯは、図９の（Ａ）に示すバルブタイミングと同様、ＢＢＤＣ４５°よりもＢＤＣに近づくように設定される。次のステップ３１０の条件が成立するまでの間、吸気バルブタイミング及び排気バルブタイミングは、それぞれステップ３０８で設定されたバルブタイミングに保持される。
ステップ３１０では、排気温センサ５４の信号から計測される排気温度Tengが第２基準温度Tc以上になっているか否か判定される。第２基準温度Tcは、燃焼室１０内に流入した燃料のシリンダ壁面への付着が無くなる或いは無視できるようになったときの排気温度である。ステップ３１０の判定の結果、排気温度Tengが第２基準温度Tc以上になったときには、吸気バルブタイミングはＴＤＣ開きから再び遅開きに変更される（ステップ３１２）。排気バルブタイミングの変更は行われず、遅開きのまま保持される。図９の（Ｄ）に示すバルブタイミングがステップ３１２で設定されるバルブタイミングである。ＩＶＯは、図９の（Ａ）及び（Ｂ）に示すバルブタイミングと同様、ＴＤＣよりも大きく遅角側に設定される。
その後、触媒４２の暖機が完了した時点で始動時のバルブタイミング制御は終了し、それ以降は、図８に示すルーチンとは別のルーチン（図示略）により通常時のバルブタイミング制御が実行される。通常時のバルブタイミング制御では、吸気バルブタイミング、排気バルブタイミングともに通常のバルブタイミング、つまり、図９の（Ｅ）に示すバルブタイミングに変更される。
図１０は、以上説明したバルブタイミング制御ルーチンの実行結果をタイムチャートで表したものである。図１０の（Ａ）はエンジン回転数（Ｎｅ）を示し、（Ｂ）はＩＶＯのＴＤＣに対する進角角度（ＢＴＤＣ）を示し、（Ｃ）はＥＶＣのＴＤＣに対する進角角度（ＢＴＤＣ）を示し、（Ｄ）はＥＶＯのＢＤＣに対する進角角度（ＢＢＤＣ）を示している。また、図１０の（Ｅ）は目標空燃比（Ａ／Ｆ）を示し、（Ｆ）は排気温センサ５４で測定される排気温度を示し、（Ｇ）は未燃ＨＣの排出量を示している。（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）において、実線は上記ルーチンによるバルブタイミングの設定を示し、破線は従来のバルブタイミングの設定（通常時と同じ設定）を示している。なお、ここでは、内燃機関の冷間始動時における点火時期は固定値に設定されているものとする。また、目標空燃比は、図６に示すルーチンにより制御されている。（Ｅ）において、実線は図６に示すルーチンによる目標空燃比の設定を示し、破線は従来の目標空燃比の設定を示している。（Ｆ）において、実線は上記ルーチン及び図６に示すルーチンの実行により実現される排気温度を示し、破線は従来のバルブタイミング及び目標空燃比の設定で実現される排気温度を示している。また、（Ｇ）において、実線は上記ルーチン及び図６に示すルーチンの実行により実現される未燃ＨＣの排出量を示し、破線は従来のバルブタイミング及び目標空燃比の設定で実現される未燃ＨＣの排出量を示している。
図１０に示すように、内燃機関の始動後、排気温度が後燃え可能温度Tbまで上昇するまでの間、ＩＶＯがＴＤＣよりも大きく遅角側に設定されることで、実施の形態１に比較して、排気弁１４の開弁に伴い燃焼室１０から排出される未燃ＨＣの量はさらに減少する。これは、ＩＶＯをＴＤＣよりも大きく遅角側に設定すれば、ＩＶＯにおける吸気管圧と筒内圧との圧力差が大きくなり、燃焼室１０内への吸気流入速度が高まることによる。吸気流入速度が高まれば、燃焼室１０内での混合ガスの流れに生じる乱れが大きくなる。これにより、燃焼室１０内での燃焼が改善し、排気バルブタイミングのみを制御する場合に比較して未燃ＨＣの排出量をさらに低減させることが可能になる。
その後、排気温度が後燃え可能温度Tbまで上昇したら、ＩＶＯはＴＤＣ付近に設定される。排気管４０内での後燃えが可能になったときには、後燃えによる排気温度の上昇を促進するために目標空燃比はリッチに設定されるが、その分、燃焼室１０内に流入する燃料液滴の量も増大する。しかし、上記のようにＩＶＯをＴＤＣ付近に設定することで、ＩＶＯにおける吸気管圧と筒内圧との圧力差を小さくし、燃料液滴の燃焼室１０内への流入を抑えることができる。これにより、液滴の状態で排気管４０へ排出される未燃ＨＣの量を低減し、排気管４０内での未燃ＨＣの後燃えを促進することができる。
さらに、排気温度が燃料液滴の排気弁１４やシリンダ壁面への付着が無くなる温度Tcまで上昇したら、ＩＶＯは再びＴＤＣよりも大きく遅角側に設定される。これにより、排気弁１４と吸気弁１２のバルブオーバーラップを縮小して内部ＥＧＲを減少させ、燃焼室１０内での燃焼を安定化させることができる。
以上のように、本実施形態のバルブタイミング制御によれば、排気バルブタイミングの制御に加え、吸気バルブタイミングの制御も行うことで、内燃機関の始動時、特に冷間始動時における排気エミッションをより向上させることができる。また、図８に示すルーチンにて実施される吸気バルブタイミング制御は、排気バルブタイミング制御と組み合わせずとも、それ単独でも排気エミッションを向上させる効果がある。二次空気供給制御と並行して吸気バルブタイミング制御のみを実行するようにしてもよい。
実施の形態４．
次に、図１１を参照して、本発明の実施の形態４について説明する。
本発明の実施の形態４としての制御装置は、実施の形態１にかかる内燃機関の構成において、ＥＣＵ５０に、図２に示すルーチン（排気バルブタイミング制御）と並行して図１１に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。図１１に示すルーチンでは、内燃機関の始動時における燃料噴射時期の制御が行われる。図１１に示すルーチンは、スタートスイッチ５８がオンにされ、内燃機関のクランキングが開始されると同時に実行される。また、このルーチンは気筒毎に実行される。
本ルーチンの最初のステップ４００では、燃料噴射時期が吸気弁１２の開弁前に設定される。つまり、吸気弁１２の開弁期間に燃料噴射時期を同期させない吸気非同期噴射が行われる。
次のステップ４０２では、当該気筒の始動１サイクル目が終了したか否か判定される。始動１サイクル目が終了した場合、つまり、始動２サイクル目以降は、燃料噴射時期は吸気弁１２の開き始め時期に設定される（ステップ４０４）。
次のステップ４０６では、排気温センサ５４の信号から計測される排気温度Tengが所定の基準温度（後燃え可能温度）Tb以上になっているか否か判定される。ステップ４０６の判定の結果、排気温度Tengが後燃え可能温度Tb以上になったときには、燃料噴射時期は吸気弁１２の開き始め時期から再び吸気弁１２の開弁前に変更される。つまり、吸気非同期噴射が行われる（ステップ４０８）。
上記の始動噴射時期制御ルーチンによれば、燃焼室１０内に燃焼ガスが残留していない始動１サイクル目は、吸気非同期噴射により吸気弁１２の開弁前に燃料を噴射することで、吸気ポート内での燃料の蒸発時間を十分に確保することができる。燃焼室１０内に燃焼ガスが残留する始動２サイクル目以降は、吸気弁１２の開き始め時期に燃料噴射を実行することで、燃焼室１０内から吸気ポートへ吹き返される高温の燃焼ガスによって燃料の霧化を促進することができる。
さらに、排気温度の上昇により排気管４０内での後燃えが可能になった後は、再び吸気非同期噴射により吸気弁１２の開弁前に燃料を噴射することで、吸気ポート内での燃料の蒸発時間を十分に確保することが可能になる。排気管４０内での後燃えが可能になったときには、後燃えによる排気温度の上昇を促進するために目標空燃比はリッチに設定されるが、その分、燃焼室１０内に流入する燃料液滴の量も増大する。しかし、上記のように吸気非同期噴射により燃料の蒸発時間を十分に確保することで、燃料液滴の燃焼室１０内への流入を抑えることができる。これにより、液滴の状態で排気管４０へ排出される未燃ＨＣの量をより効果的に低減し、排気管４０内での未燃ＨＣの後燃えを促進することができる。
なお、本実施形態にかかる始動噴射時期制御は、実施の形態３にかかるバルブタイミング制御と組み合わせることもできる。つまり、図８に示すルーチンと並行して実施してもよい。また、図２に示すルーチンや図８に示すルーチンとともに、図６に示すルーチンとも並行して実施することもできる。
その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、上記各実施の形態では、排気温度を直接測定しているが、冷却水温や始動開始からの運転時間によって排気温度を推定し、その推定値に基づいてバルブタイミング制御や始動噴射時期制御を行ってもよい。
本発明の実施の形態１としての制御装置が適用された内燃機関の概略構成図である。 本発明の実施の形態１において実行される排気バルブタイミング制御ルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態１にかかる吸気弁及び排気弁のバルブタイミングを示す図であり、（Ａ）は始動１サイクル目のバルブタイミング、（Ｂ）は始動２サイクル目以降のバルブタイミング、（Ｃ）は燃料が後燃え可能な温度に到達以降のバルブタイミング、（Ｄ）は始動完了後の通常時のバルブタイミングをそれぞれ示している。 図２に示すルーチンの効果を説明するためのタイムチャートである。 ＥＶＯと筒内圧の変化との関係を示す図である。 本発明の実施の形態２において実行される始動噴射量制御ルーチンのフローチャートである。 図６に示すルーチンの効果を説明するためのタイムチャートである。 本発明の実施の形態３において実行されるバルブタイミング制御ルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態３にかかる吸気弁及び排気弁のバルブタイミングを示す図であり、（Ａ）は始動１サイクル目のバルブタイミング、（Ｂ）は始動２サイクル目以降のバルブタイミング、（Ｃ）は燃料が後燃え可能な温度に到達以降のバルブタイミング、（Ｄ）は燃料が壁面に付着しなくなる温度に到達以降のバルブタイミング、（Ｅ）は始動完了後の通常時のバルブタイミングをそれぞれ示している。 図９に示すルーチンの効果を説明するためのタイムチャートである。 本発明の実施の形態４において実行される始動噴射時期制御ルーチンのフローチャートである。
符号の説明
１０ 燃焼室
１２ 吸気弁
１４ 排気弁
１６ 点火プラグ
１８ クランク軸
２０ スタータ
２２ 吸気バルブタイミング制御装置
２４ 排気バルブタイミング制御装置
３０ 吸気管
３２ スロットル
３４ インジェクタ
４０ 排気管
４２ 触媒
５０ ＥＣＵ
５２ クランク角センサ
５４ 排気温センサ
５８ スタートスイッチ
６０ 二次空気供給管
６２ 二次空気ポンプ
ＥＶＯ 排気弁の開タイミング
ＥＶＣ 排気弁の閉タイミング
ＩＶＯ 吸気弁の開タイミング
ＩＶＣ 吸気弁の閉タイミング

Claims (4)

  1. 内燃機関の始動時に排気通路における触媒の上流に二次空気を供給する二次空気供給手段と、
    排気温度を測定或いは推定する手段と、
    排気ガス中の未燃ＨＣが前記排気通路内で後燃え可能な温度まで排気温度が上昇したら、排気弁の開タイミングを排気温度が前記後燃え可能温度に達する前に設定されていた開タイミングよりも遅角側に設定する排気バルブタイミング制御手段と、
    短くとも排気温度が前記の後燃え可能温度に達するまでの間は、吸気弁の開タイミングをその後に設定される開タイミングよりも遅角側に設定する吸気バルブタイミング制御手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  2. 前記吸気バルブタイミング制御手段は、排気温度が前記の後燃え可能温度に達した後の所定期間は、前記吸気弁の開タイミングを上死点近傍に設定することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
  3. 燃料噴射弁による吸気ポートへの燃料の噴射時期を制御する燃料噴射時期制御手段をさらに備え、
    前記燃料噴射時期制御手段は、排気温度が前記の後燃え可能温度に達した後の所定期間は、前記吸気弁の開弁期間に燃料噴射時期を同期させない吸気非同期噴射を実行することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の制御装置。
  4. 空燃比を制御する空燃比制御手段と、
    吸気管の負圧を測定或いは推定する手段とをさらに備え、
    前記空燃比制御手段は、前記吸気管負圧が所定の基準負圧に達するまでの間は空燃比をリーンに設定し、前記吸気管負圧が前記基準負圧に達してから空燃比をリッチに設定することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
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