JP2012255366A - 内燃機関の制御装置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】排気浄化触媒の暖機に際して、内燃機関の冷間始動直後から、燃焼の安定性を確保しつつ、ＰＭ排出量を効果的に低減することのできる内燃機関の制御装置、及び内燃機関の制御方法を提供する。
【解決手段】エンジン１０は、燃焼室２２内に燃料を直接噴射するインジェクタ２１と、点火プラグ３６と、吸気バルブ３１の開閉タイミングを可変とする可変バルブタイミング機構３３と、排気管３５に設けられた三元触媒３８と、を備えている。ＥＣＵ５０は、エンジン１０が冷間始動された場合に、可変バルブタイミング機構３３により吸気バルブ３１と排気バルブ３２との開弁期間のオーバーラップ量を増大させるとともに、インジェクタ２１によりエンジン１０の吸気行程及び圧縮行程に燃料を噴射させ且つ圧縮行程での燃料噴射量を吸気行程での燃料噴射量よりも多くし、点火プラグ３６による点火時期を遅角させる制御を実行する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒を暖機する制御を実行する内燃機関の制御装置、及び内燃機関の制御方法に関する。

従来、排気浄化触媒の早期暖機を図るべく、圧縮行程噴射により点火プラグ周りにリッチ混合気を形成して着火性を向上させるとともに、点火時期の遅角により、いわゆる後燃えを生じさせて排気温度を上昇させるものがある。

ただし、機関の冷間始動時に圧縮行程噴射を実施すると、ピストンへの燃料付着量が増加したり、混合気が部分的に濃くなり過ぎたりすることで、PM（Particulate Matter）が多く排出される事がある。このため、近年のPM規制の導入を受けて、PM排出量低減が課題となっている。

ここで、圧縮行程での噴射時期を遅角させ過ぎると、点火プラグ周りの空燃比が過度にリッチ化して、ＰＭ排出量が増加するおそれがある。この点、機関の温度が高くなるに従って燃料の霧化が促進されることを考慮して、機関温度が高くなるほど、圧縮行程での噴射時期を進角させるものがある（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載のものによれば、点火プラグ周りの空燃比が過度にリッチ化することを抑制して、ＰＭ排出量を低減することができる。

特許第４０００９２６号公報

しかしながら、特許文献１に記載のものでは、機関温度が上昇するまでは圧縮行程での噴射時期を進角させることができず、機関の冷間始動直後にはＰＭ排出量を効果的に低減することができない。

また、機関の冷間始動直後においてＰＭ排出量を低減するために、圧縮行程での燃料噴射量を減少させることが考えられる。しかしながら、点火時期の遅角を行うためには、燃焼の安定性を確保する必要があり、圧縮行程での燃料噴射量を減少させるにも限度がある。このため、ＰＭ排出量を低減する効果も自ずと限られたものとなる。なお、圧縮行程で微少量の燃料噴射を行うためには、インジェクタの最小噴射量を小さくする必要があり、インジェクタのコスト増加を招くとともに、噴射量ばらつきが大きくなるといった問題がある。

本発明は、こうした事情に鑑みてなされたものであり、排気浄化触媒の暖機に際して、内燃機関の冷間始動直後から、燃焼の安定性を確保しつつ、ＰＭ排出量を効果的に低減することのできる内燃機関の制御装置、及び内燃機関の制御方法を提供することを主たる目的とするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。

請求項１に記載の発明は、内燃機関の気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁により噴射された燃料と空気との混合気に点火する点火栓と、前記機関の吸気弁及び排気弁の少なくとも一方の開閉タイミングを可変とする可変動弁機構と、前記機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒と、を備える内燃機関に適用される制御装置であって、前記機関が冷間始動された場合に、前記可変動弁機構により前記吸気弁及び前記排気弁の少なくとも一方の開閉タイミングを変更することによって内部ＥＧＲ量を増加させるとともに、前記燃料噴射弁により前記機関の吸気行程及び圧縮行程に燃料を噴射させ且つ前記圧縮行程での燃料噴射量を前記吸気行程での燃料噴射量よりも多くし、前記点火栓による点火時期を遅角させる制御を実行する制御手段を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、燃料噴射弁により、内燃機関の気筒内に燃料が直接噴射される。そして、点火栓により、燃料噴射弁により噴射された燃料と空気との混合気に点火される。また、可変動弁機構により、機関の吸気弁及び排気弁の少なくとも一方の開閉タイミングが変更される。

ここで、機関が冷間始動された場合に、可変動弁機構により吸気弁及び排気弁の少なくとも一方の開閉タイミングが変更されることによって、内部ＥＧＲ（exhaust gas recirculation）量が増加させられる。一般に、内部ＥＧＲ量を増加させた場合には、燃料の燃焼が不安定となる。この点、燃料噴射弁により機関の吸気行程及び圧縮行程に燃料が噴射され、且つ圧縮行程での燃料噴射量が吸気行程での燃料噴射量よりも多くされる。したがって、点火栓周りの混合気の空燃比を一層リッチ化することができ、混合気の着火性及び燃焼の安定性を確保することができる。

このとき、点火栓周りの空燃比がリッチ化したとしても、内部ＥＧＲの熱により燃料の霧化を促進することができる。このため、燃料が気筒内に付着したり、燃料の液滴が大きくなったりすることを抑制することができる。特に機関が冷間始動された直後は、気筒内の温度が低く燃料が霧化しにくいため、内部ＥＧＲの熱により燃料の霧化を促進することで、ＰＭ排出量を効果的に低減することができる。

そして、点火栓による点火時期が遅角されるため、排気の温度を上昇させて排気浄化触媒の暖機を促進することができる。その結果、触媒の暖機に際して、機関の冷間始動直後から、燃焼の安定性を確保しつつ、ＰＭ排出量を効果的に低減することができる。

なお、内部ＥＧＲを増加させる手段として、例えば可変動弁機構により吸気弁と排気弁との開弁期間のオーバーラップ量を増大させるといった構成を採用することができる。ここで、オーバーラップ量を増大させることは、上記制御の実行前と比較してオーバーラップ量を増大させることであり、オーバーラップ量が０の状態からオーバーラップを生じさせることを含むものとする。また、点火栓による点火時期を遅角させることは、上記制御の実行前と比較して点火時期を遅角させることであり、点火時期の進角量を減少させることを含むものとする。

一般に、可変動弁機構により開閉タイミングが変更される吸気弁では、開弁期間が１８０°ＣＡ（Crank Angle）よりも大きく設定されている。このため、内燃機関の回転速度が低い場合には、ＢＤＣ（Bottom Dead Center）よりも後の開弁期間で、吸気が吹き戻されることとなる。

この点、請求項２に記載の発明では、前記制御手段は、前記可変動弁機構により前記吸気弁の開閉タイミングを進角させることで、前記内部ＥＧＲ量を増加させるといった構成を採用している。このため、内部ＥＧＲ量を増加させるとともに、吸気の吹き戻しを減少させることができ、吸気の充填効率、ひいては実圧縮比を上昇させることができる。したがって、燃料の燃焼をより安定させることができ、内部ＥＧＲ量をより増大させることが可能となる。その結果、燃料の霧化をより促進することができ、ＰＭ排出量を更に低減することができる。

具体的には、請求項3に記載のように、前記制御手段は、前記排気浄化触媒の暖機が終了したことを条件として、前記機関の暖機が終了するよりも前に前記制御を終了するといった構成を採用することができる。すなわち、排気浄化触媒の暖機を促進する上記制御は、機関の冷間始動直後に比較的短い期間実行されるものであり、例えば１５〜２５秒間実行される。このため、一般に、排気浄化触媒の暖機が終了した場合であっても、内燃機関の暖機は未だ終了しておらず、機関の暖機が終了するよりも前に上記制御が終了されることとなる。近年のPM規制に対しては、このような短期間でのＰＭ排出量も低減する必要がある。

請求項４に記載の発明は、内燃機関の気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁により噴射された燃料と空気との混合気に点火する点火栓と、前記機関の吸気弁及び排気弁の少なくとも一方の開閉タイミングを可変とする可変動弁機構と、前記機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒と、を備える内燃機関の制御方法であって、前記機関が冷間始動された場合に、前記可変動弁機構により前記吸気弁及び前記排気弁の少なくとも一方の開閉タイミングを変更することによって内部ＥＧＲ量を増加させるとともに、前記燃料噴射弁により前記機関の吸気行程及び圧縮行程に燃料を噴射させ且つ前記圧縮行程での燃料噴射量を前記吸気行程での燃料噴射量よりも多くし、前記点火栓による点火時期を遅角させることを特徴とする。

上記工程によれば、請求項１に記載された発明と同様の作用効果を奏することができる。

エンジン制御システムの概略を示す図。 可変バルブタイミング機構によるバルブプロフィールのパターンを示す図。 触媒暖機制御の実行態様を示すタイムチャート。 触媒暖機制御の処理手順を示すフローチャート。 触媒暖機制御によるＰＭ排出量及びＨＣ排出量の低減効果を示すグラフ。 各可変バルブタイミング機構によるオーバーラップ量とＰＭ排出量及びＨＣ排出量との関係を示すグラフ。

以下、一実施形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態は、車両に搭載される筒内噴射式の多気筒４サイクルガソリンエンジンを制御対象とし、このエンジンにおける各種アクチュエータの制御を実行するものとして具体化している。まず、図１を参照して、エンジン制御システムの概略を説明する。

筒内噴射式エンジン１０（内燃機関）において、吸気管１１の上流部には吸入空気量を検出するためのエアフロメータ１２が設けられている。エアフロメータ１２の下流側には、ＤＣモータ等のスロットルアクチュエータ１３によって開度調節されるスロットルバルブ１４が設けられている。このスロットルバルブ１４の開度（スロットル開度）は、スロットルアクチュエータ１３に内蔵されたスロットル開度センサにより検出される。スロットルバルブ１４の下流側には、サージタンク１６が設けられている。サージタンク１６には、吸気管圧力を検出するための吸気管圧力センサ１７が設けられている。また、サージタンク１６には、エンジン１０の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド１８が接続されている。

シリンダブロック２０には電磁駆動式のインジェクタ２１（燃料噴射弁）が設けられており、このインジェクタ２１により燃焼室２２（気筒）内に燃料が直接噴射される。インジェクタ２１に対しては、図示しない高圧ポンプと燃料配管（デリバリパイプ）とを通じて高圧燃料が供給されるようになっている。なお、高圧ポンプは、例えば１０〜２０ＭＰａ程度に燃料圧を高圧化する。

また、エンジン１０の吸気ポート及び排気ポートには、それぞれ吸気バルブ３１及び排気バルブ３２が設けられている。吸気バルブ３１（吸気弁）の開動作により吸入空気が燃焼室２２内に導入され、排気バルブ３２（排気弁）の開動作により燃焼後の排気が排気管３５（排気通路）に排出される。エンジン１０のクランクシャフトの回転に基づいて、図示しない吸気カムシャフト及び排気カムシャフトがそれぞれ回転させられる。そして、吸気カムシャフトに設けられたカム及び排気カムシャフトに設けられたカムにより、吸気バルブ３１及び排気バルブ３２がそれぞれ往復駆動される。

吸気バルブ３１及び排気バルブ３２には、それら各バルブの開閉タイミングを可変とする可変バルブタイミング機構３３，３４（可変動弁機構）が設けられている。可変バルブタイミング機構３３，３４はそれぞれ、エンジン１０のクランシャフトと吸気カムシャフトとの相対回転位相、及びエンジン１０のクランシャフトと排気カムシャフトとの相対回転位相を変更する。本実施形態では、可変バルブタイミング機構３３，３４として、電動式の可変バルブタイミング機構を用いている。

エンジン１０のシリンダヘッドには各気筒に点火プラグ３６（点火栓）が取り付けられており、点火プラグ３６には、図示しない点火コイル等を通じて、所望とする点火時期において高電圧が印加される。この高電圧の印加により、各点火プラグ３６の対向電極間に火花放電が発生し、燃焼室２２内において燃料と空気との混合気に点火されて燃焼に供される。

排気管３５には、排気を浄化するための触媒３７，３８（排気浄化触媒）が設けられている。上流側の触媒３７及び下流側の触媒３８は、排気中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘを浄化する三元触媒である。また、排気管３５において三元触媒３７の上流側には空燃比センサ３９が設けられ、三元触媒３７の下流側には空燃比センサ４０が設けられている。空燃比センサ３９，４０は、いずれも排気を検出対象として混合気の空燃比を検出するものである。例えば、上流側の空燃比センサ３９としては、空燃比を広域に検出することが可能なＡ／Ｆセンサが用いられる。下流側の空燃比センサ４０としては、リッチ／リーンに応じて二値の起電力信号を出力するＯ２センサが用いられる（ただし、Ａ／Ｆセンサ、Ｏ2センサの組み合わせは任意である）。

その他に、シリンダブロック２０には、冷却水温を検出する冷却水温センサ４２や、エンジン１０の所定クランク角毎に（例えば３０°ＣＡ周期で）矩形状のクランク角信号を出力するクランク角度センサ４３が取り付けられている。

サージタンク１６と排気管３５とはＥＧＲ配管４５を介して接続されており、このＥＧＲ配管４５の途中に電磁駆動式のＥＧＲバルブ４６が設けられている。なお、ＥＧＲ配管４５の排気側接続部位は三元触媒３７の下流側であってもよい。ＥＧＲバルブ４６の開度（ＥＧＲ開度）を調節することにより、排気管３５から吸気通路側に再循環される排気の量（外部ＥＧＲ量）が制御されるようになっている。図中の符号４７は、ドライバによるアクセル操作量を検出するためのアクセルセンサである。

上述した各種センサの出力は、エンジン制御を司る電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ５０という）に入力される。ＥＣＵ５０（制御装置）は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータを主体として構成され、ＲＯＭに記憶された各種の制御プログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じてインジェクタ２１の燃料噴射量や燃料噴射時期、点火プラグ３６の点火時期等を制御する。また、ＥＣＵ５０は、吸気側及び排気側の可変バルブタイミング機構３３，３４を駆動させて、吸気バルブ３１及び排気バルブ３２の開閉タイミング、ひいては吸気バルブ３１及び排気バルブ３２の開弁期間のオーバーラップ量を制御する。

ここで、本実施形態では、エンジン１０の冷間始動直後の三元触媒３７，３８の暖機制御要求時に、吸気側の可変バルブタイミング機構３３により、吸気バルブ３１の開閉タイミングを進角させる。これにより、吸気バルブ３１及び排気バルブ３２の開閉期間のオーバーラップ量を増大させ、ひいては燃焼室２２内における内部ＥＧＲ量を増加させる。詳しくは、排気行程において排気バルブ３２の開弁期間中に吸気バルブ３１を開弁させることによる「吸気吹き戻し」により、内部ＥＧＲ量を増加させる。

図２を参照して、可変バルブタイミング機構３３，３４によるバルブプロフィールのパターンを説明する。ここでは、上記「吸気吹き戻し」以外のパターンについても併せて説明する。なお、図２では、排気バルブ３２のバルブプロフィールを実線で示し、吸気バルブ３１のバルブプロフィールを点線で示している。

図２において、（ａ）は通常時のバルブプロフィールを示しており、排気行程で排気バルブ３２が開弁するとともに、吸気行程で吸気バルブ３１が開弁する。このとき、吸気バルブ３１及び排気バルブ３２の開弁期間は、それぞれ１８０°ＣＡよりも大きくなっている。このため、エンジン１０の回転速度が低い場合には、吸気バルブ３１においてＢＤＣよりも後の開弁期間で、吸気が若干吹き戻されることとなる。また、ピストンのＴＤＣ（Top Dead Center）付近で、吸気バルブ３１と排気バルブ３２との開弁期間に若干のオーバーラップが生じている。

また、（ｂ）は、「排気再吸入」を行う場合のバルブプロフィールを示しており、排気バルブ３２は排気行程の前半途中（ＢＤＣの若干後）から吸気行程の前半途中（ＴＤＣのやや後）にかけて開弁している。このとき、吸気行程では、吸気バルブ３１と排気バルブ３２とが同時に開弁する期間があるため、排気行程で一旦排気ポートに排出された排気（既燃ガス）が燃焼室２２内（気筒内）に再吸入される。このため、（ａ）のバルブプロフィールと比較して、内部ＥＧＲ量が増加する。

（ｃ）は、「吸気吹き戻し」を行う場合のバルブプロフィールを示しており、吸気バルブ３１は排気行程の後半途中（ＴＤＣのやや前）から吸気行程の後半途中（ＢＤＣの若干前）にかけて開弁している。このとき、排気行程では、吸気バルブ３１と排気バルブ３２とが同時に開弁する期間があるため、燃焼室２２内（気筒内）に存在する既燃ガスが吸気ポートに吹き戻される。そして、吸気ポートに吹き戻された既燃ガスが吸気行程で燃焼室２２内に吸入されるため、（ａ）のバルブプロフィールと比較して、内部ＥＧＲ量が増加する。また、吸気バルブ３１においてＢＤＣよりも後の開弁期間がなくなるため、オーバーラップ量を増大させるとともに、吸気の吹き戻しを減少させることができる。

（ｄ）は、「吸気吹き戻し」と「排気再吸入」とを共に行う場合のバルブプロフィールを示している。排気バルブ３２は排気行程の前半途中（ＢＤＣの若干後）から吸気行程の前半途中（ＴＤＣのやや後）にかけて開弁しており、吸気バルブ３１は排気行程の後半途中（ＴＤＣのやや前）から吸気行程の後半途中（ＢＤＣの若干前）にかけて開弁している。このとき、排気行程では、燃焼室２２内（気筒内）から吸気ポートへの既燃ガスの吹き戻しが生じ、吸気行程では、排気ポートから燃焼室２２内（気筒内）への排気の再吸入が生じる。このため、（ａ）のバルブプロフィールと比較して、内部ＥＧＲ量が増加する。

このようにして、内部ＥＧＲ量を増加させた場合には、一般に燃料の燃焼が不安定となる。その反面、内部ＥＧＲの熱により、噴射された燃料の霧化を促進することができる。このため、燃料が燃焼室２２内に付着したり、燃料の液滴が大きくなったりすることを抑制することができる。特にエンジン１０が冷間始動された直後は、燃焼室２２内の温度が低く燃料が霧化しにくい状況にある。このため、過剰の燃料が霧化して空燃比が過度にリッチ化する可能性は低く、内部ＥＧＲの熱により燃料の霧化を促進することが、ＰＭ排出量及びＨＣ排出量を低減する上で有効である。

次に、ＥＣＵ５０が実行する燃焼形態の制御について説明する。インジェクタ２１から吸気行程にて燃料噴射される場合、噴射された燃料は、燃焼室２２内に拡散して均質な混合気を形成し、点火プラグ３６により点火されて燃焼する。このような燃焼を均質燃焼という。また、インジェクタ２１から圧縮行程（特にその後半）にて燃料噴射される場合、噴射された燃料は、ピストン冠面の凸部を利用したタンブル流に乗るなどして、点火プラグ３６周りに集中的に層状の混合気を形成し、点火プラグ３６により点火されて燃焼する。このような燃焼を成層燃焼という。

そして、ＥＣＵ５０は、エンジン１０の運転状態に応じて燃焼形態の制御を行う。すなわち、通常運転時（ここでは三元触媒３７，３８の暖機完了後）には、吸気行程噴射による均質ストイキ燃焼を行わせる一方、触媒暖機要求による点火遅角制御時は圧縮行程噴射による成層燃焼を行わせる。

本実施形態では、エンジン１０の冷間始動直後の三元触媒３７，３８の暖機制御要求時に、燃料噴射を分割して、吸気行程噴射と圧縮行程噴射とを行うことにより、点火プラグ３６周りに比較的リッチな空燃比の層状の混合気を形成し、これを囲む燃焼室２２全体に比較的リーンな空燃比の混合気を形成する。このとき、燃焼室２２内の混合気全体の空燃比は、略ストイキとするように制御しており、このような燃焼形態を成層ストイキ燃焼（分割噴射による成層ストイキ燃焼）という。成層ストイキ燃焼では、圧縮行程噴射により点火プラグ３６周りにリッチ混合気を形成し、混合気の着火性及び燃焼の安定性を向上させる。これにより、点火プラグ３６による点火時期の遅角が可能となり、点火時期の遅角により後燃え効果を生じさせて排気温度の上昇を図る。

特に、上記のように内部ＥＧＲ量を増加させることで燃焼が不安定となるおそれがあるため、ここでは圧縮行程での燃料噴射量を吸気行程での燃料噴射量よりも多くする。これにより、点火プラグ３６周りの混合気の空燃比を一層リッチ化し、混合気の着火性及び燃焼の安定性を確保する。したがって、三元触媒３７，３８の暖機に際して、エンジン１０の冷間始動直後から、燃焼安定性を確保しつつ、ＰＭ排出量やＨＣ排出量を低減することができる。

次に、エンジン１０が冷間始動された場合に、三元触媒３７，３８を暖機する制御（触媒暖機制御）を実行する態様について説明する。図３は、触媒暖機制御の実行態様を示すタイムチャートである。

同図に示すように、まずエンジン１０の冷間始動が開始されると、ＥＣＵ５０は、（ｄ）に示すように、インジェクタ２１に対して始動時噴射制御を実行するとともに、（ｅ）に示すように、可変バルブタイミング機構３３，３４に対して始動時ＶＶＴ制御を実行する。具体的には、始動時噴射制御では、インジェクタ２１により吸気行程で燃料を噴射させ、均質ストイキ燃焼を実行する。始動時ＶＶＴ制御では、可変バルブタイミング機構３３，３４により、吸気バルブ３１及び排気バルブ３２の開弁期間のオーバーラップ量が最小（略０又は０）となるように、それぞれの開閉タイミングを制御する。このとき、ＥＣＵ５０は、点火プラグ３６による点火時期を、エンジン１０の始動に適した点火時期（ＴＤＣよりも進角させた点火時期）とする。これにより、（ａ）に示すように、エンジン１０の回転速度が上昇する。

タイミングｔ１において、エンジン１０の回転速度が始動判定回転速度に達し、ＥＣＵ５０はエンジン１０の始動が完了したと判定する。そして、車両の非走行状態に対応したＮレンジアイドル制御を実行する。その判定から所定期間（例えば２秒間）経過したタイミングｔ２において、（ｂ）に示すように、ＥＣＵ５０は触媒暖機制御実行フラグを「０」から「１」に変更する。

触媒暖機制御実行フラグが「１」の場合に、ＥＣＵ５０は、上述した触媒暖機制御を実行する。すなわち、（ｄ）に示すように、インジェクタ２１により吸気行程と排気行程とで燃料噴射（分割噴射）を実行させ、分割噴射による成層ストイキ燃焼を実行する。このとき、圧縮行程での燃料噴射量を吸気行程での燃料噴射量よりも多くする。また、（ｅ）に示すように、吸気側の可変バルブタイミング機構３３により、吸気バルブ３１及び排気バルブ３２の開弁期間のオーバーラップ量を増大させるように、吸気バルブ３１の開閉タイミングを進角させる。このとき、ＥＣＵ５０は、点火プラグ３６による点火時期を、三元触媒３７，３８の暖機に適した点火時期（ＴＤＣよりも遅角させた点火時期）とする。なお、エンジン１０の始動時の点火時期から、三元触媒３７，３８の暖機時の点火時期まで徐々に変更する。この触媒暖機制御により、ＰＭ排出量やＨＣ排出量が低減された状態で、三元触媒３７，３８の暖機が促進される。

上記の触媒暖機制御が開始されてから所定期間（例えば２０秒間）が経過したタイミングｔ３において、ＥＣＵ５０は、触媒暖機制御実行フラグを「１」から「０」に変更する。触媒暖機制御実行フラグが「０」に変更されることにより、触媒暖機制御が終了される。なお、触媒暖機制御を終了する条件として、エンジン１０の運転状態に基づいて推定される三元触媒３７，３８の温度が所定温度よりも高いこと等を採用してもよい。

そして、ＥＣＵ５０は、車両の走行準備状態に対応したＤレンジアイドル制御を実行する。具体的には、Ｄレンジアイドル噴射制御では、インジェクタ２１により吸気行程噴射で燃料を噴射させ、均質ストイキ燃焼を実行する。ＤレンジアイドルＶＶＴ制御では、可変バルブタイミング機構３３，３４により、吸気バルブ３１及び排気バルブ３２の開弁期間のオーバーラップ量が最小となるように、それぞれの開閉タイミングを制御する。このとき、ＥＣＵ５０は、点火プラグ３６による点火時期を、エンジン１０のアイドル運転に適した点火時期（ＴＤＣよりも進角させた点火時期）とする。このＤレンジアイドル制御では、三元触媒３７，３８の暖機が終了しているため、触媒暖機制御の実行中よりもエンジン１０の回転速度を低くする。

タイミングｔ４において、ドライバにより車両のアクセルペダルが操作されると、ＥＣＵ５０は、車両の走行状態に対応した走行時制御を実行する。具体的には、走行時噴射制御では、エンジン１０の負荷等に応じて、インジェクタ２１により適切な燃料噴射を実行する。走行時ＶＶＴ制御では、エンジン１０の負荷等に応じて、可変バルブタイミング機構３３，３４により、吸気バルブ３１及び排気バルブ３２の開閉タイミングを制御する。ことのき、ＥＣＵ５０は、点火プラグ３６による点火時期を、エンジン１０の負荷等に応じた適切な点火時期とする。

次に、エンジン１０が冷間始動された場合に三元触媒３７，３８を暖機する制御（触媒暖機制御）の詳細な処理手順を説明する。図４は、触媒暖機制御の処理手順を示すフローチャートである。この一連の処理は、ＥＣＵ５０により所定の周期をもって繰り返し実行される。

まず、エンジン１０が冷間状態であるか否か判定する（Ｓ１１）。具体的には、冷却水温センサ４２の検出値に基づいて、エンジン１０が冷間状態であるか否か判定する。この判定において、エンジン１０が冷間状態でないと判定した場合には（Ｓ１１：ＮＯ）、この一連の処理を一旦終了する(ＥＮＤ)。

一方、上記判定において、エンジン１０が冷間状態であると判定した場合には（Ｓ１１：ＹＥＳ）、触媒暖機制御の要求があるか否か判定する（Ｓ１２）。具体的には、触媒暖機制御実行フラグが「１」である場合に触媒暖機制御の要求があると判定し、触媒暖機制御実行フラグが「０」である場合に触媒暖機制御の要求がないと判定する。この触媒暖機制御実行フラグは、上述したように、エンジン１０の冷間始動時にエンジン１０の回転速度が始動判定回転速度に達し、ＥＣＵ５０がエンジン１０の始動が完了したと判定してから、所定期間（例えば２秒間）経過した時に「０」から「１」に変更される。また、触媒暖機制御実行フラグは、触媒暖機制御が開始されてから所定期間（例えば２０秒間）が経過した時に、「１」から「０」に変更される。通常であれば、エンジン１０の暖機が終了する（例えばエンジン１０の冷却水温が８０℃以上になる）よりも前に、触媒暖機制御実行フラグが「１」から「０」に変更される。この判定において、触媒暖機制御の要求がないと判定した場合には（Ｓ１２：ＮＯ）、この一連の処理を一旦終了する(ＥＮＤ)。

一方、上記判定において、触媒暖機制御の要求があると判定した場合には（Ｓ１２：ＹＥＳ）、吸気バルブ３１と排気バルブ３２との開弁期間のオーバーラップ量を増大させる（Ｓ１３）。具体的には、オーバーラップ量が最小（略０や０）の状態から、所定のオーバーラップ量の状態へ変更する。具体的には、吸気側の可変バルブタイミング機構３３により、吸気バルブ３１の開閉タイミングを所定量進角させる。この可変バルブタイミング機構３３による進角量は、燃焼限界よりも燃料の燃焼安定性が悪化しない範囲で、最大の進角量に設定されている。この進角量の設定に際しては、触媒暖機制御において、インジェクタ２１によりエンジン１０の吸気行程及び圧縮行程に燃料を噴射させ、且つ圧縮行程での燃料噴射量を吸気行程での燃料噴射量よりも多くし、点火プラグ３６による点火時期を遅角させることを考慮する。

続いて、エンジン１０の吸気行程と圧縮行程とで分割噴射を行い、且つ圧縮行程での燃料噴射量を吸気行程での燃料噴射量よりも多くする（Ｓ１４）。具体的には、アイドル運転状態のエンジン１０の各気筒において、インジェクタ２１により吸気行程と圧縮行程とで、三元触媒３７，３８を暖機するのに適切な量の燃料を噴射させる。このとき、その燃料噴射量を、圧縮行程での燃料噴射量が吸気行程での燃料噴射量よりも多くなるように配分する。すなわち、圧縮行程での燃料噴射率を吸気行程での燃料噴射率よりも高くする。この圧縮行程での燃料噴射量と吸気行程での燃料噴射量との設定に際しては、触媒暖機制御において、吸気側の可変バルブタイミング機構３３により吸気バルブ３１と排気バルブ３２との開弁期間のオーバーラップ量を増大させ、点火プラグ３６による点火時期を遅角させることを考慮する。

続いて、点火プラグ３６による点火時期を遅角させる（Ｓ１５）。具体的には、上述したように、点火プラグ３６による点火時期を、三元触媒３７，３８の暖機に適した点火時期（ＴＤＣよりも遅角させた点火時期）とする。この点火時期の遅角に際しては、エンジン１０の始動時の点火時期（ＴＤＣよりも進角させた点火時期）から、三元触媒３７，３８の暖機時の上記点火時期まで徐々に変更する。その後、この一連の処理を一旦終了する（ＥＮＤ）。なお、Ｓ１３〜Ｓ１５の処理について、それらの順番を変更して実行することもできる。また、Ｓ１３〜Ｓ１５の処理が制御手段としての処理に相当する。

図５は、上記の触媒暖機制御によるＰＭ排出量及びＨＣ排出量の低減効果を示すグラフである。ここでは、エンジン１０の冷間始動直後に、吸気行程での燃料噴射量と圧縮行程での燃料噴射量とを合計して、三元触媒３７，３８を暖機するのに適した燃料量を噴射している。なお、点火時期は、触媒暖機制御に適した点火時期に遅角されている。

（ａ）に示すように、吸気側の可変バルブタイミング機構３３の進角量が増大するのに伴って、吸気バルブ３１と排気バルブ３２との開弁期間のオーバーラップ量、ひいては内部ＥＧＲ量が増加するため、燃焼安定性は悪化する。そして、圧縮行程での燃料噴射率が大きい場合（吸気行程での燃料噴射量＜圧縮行程での燃料噴射量）は、圧縮行程での燃料噴射率が小さい場合（吸気行程での燃料噴射量＞圧縮行程での燃料噴射量）よりも、進角量の増大に対する燃焼安定性の悪化が緩やかになる。

ここで、燃焼限界よりも燃焼安定性が悪化する領域を使用することはできず、燃焼限界よりも燃焼安定性が良い範囲で燃料の燃焼を行う必要がある。このため、圧縮行程での燃料噴射率が大きい場合は、圧縮行程での燃料噴射率が小さい場合よりも、吸気側の可変バルブタイミング機構３３の進角量を増大させることができる。そして、上述したように、内部ＥＧＲ量を増加させるほど、噴射された燃料の霧化を促進することができ、ＰＭ排出量及びＨＣ排出量を低減することができる。

（ｂ），（ｃ）に示すように、吸気側の可変バルブタイミング機構３３の進角量が０の場合には、圧縮行程での燃料噴射率が大きい場合の方が、吸気行程での燃料噴射率が小さい場合よりも、ＰＭ排出量及びＨＣ排出量が多くなる。しかしながら、ＰＭ排出量及びＨＣ排出量は、進角量の増大とともに減少し、圧縮行程での燃料噴射率が大きい場合は、進角量をより増大させることができる。その結果、燃焼限界での燃焼においては、圧縮行程での燃料噴射率が大きい場合に、圧縮行程での燃料噴射率が小さい場合よりも、ＰＭ排出量及びＨＣ排出量を低減することができる。

図６は、各可変バルブタイミング機構３３，３４によるオーバーラップ量と、ＰＭ排出量及びＨＣ排出量との関係を示すグラフである。ここでは、エンジン１０の冷間始動直後に、吸気行程での燃料噴射量と圧縮行程での燃料噴射量とを合計して、三元触媒３７，３８を暖機するのに適した燃料量を噴射している。且つ、圧縮行程での燃料噴射量を吸気行程での燃料噴射量よりも多くしている（圧縮行程での燃料噴射率が大きい場合に相当）。なお、点火時期は、触媒暖機制御に適した点火時期に遅角されている。

（ａ）に示すように、吸気バルブ３１と排気バルブ３２との開弁期間のオーバーラップ量が増大するのに伴って、内部ＥＧＲ量が増加するため、燃焼安定性は悪化する。ここで、上述したように、吸気側の可変バルブタイミング機構３３の進角量を増大させる場合は、吸気バルブ３１においてＢＤＣよりも後の開弁期間がなくなるため、吸気の吹き戻しを減少させることができる。このため、吸気の充填効率、ひいては実圧縮比を上昇させることができ、燃料の燃焼をより安定させることができる。したがって、吸気側の可変バルブタイミング機構３３の進角量を増大させる場合は、排気側の可変バルブタイミング機構３４の遅角量を増大させる場合よりも、オーバーラップ量の増大に対する燃焼安定性の悪化が緩やかになる。

ここで、燃焼限界よりも燃焼安定性が悪化する領域を使用することはできず、燃焼限界よりも燃焼安定性が良い範囲で燃料の燃焼を行う必要がある。このため、吸気側の可変バルブタイミング機構３３の進角量を増大させる場合は、排気側の可変バルブタイミング機構３４の遅角量を増大させる場合よりも、オーバーラップ量を増大させることができる。そして、内部ＥＧＲ量を増加させるほど、噴射された燃料の霧化を促進することができ、ＰＭ排出量及びＨＣ排出量を低減することができる。

（ｂ），（ｃ）に示すように、ＰＭ排出量及びＨＣ排出量は、オーバーラップ量の増大とともに減少し、吸気側の可変バルブタイミング機構３３の進角量を増大させる場合は、オーバーラップ量をより増大させることができる。その結果、燃焼限界での燃焼においては、吸気側の可変バルブタイミング機構３３の進角量を増大させる場合に、排気側の可変バルブタイミング機構３４の遅角量を増大させる場合よりも、ＰＭ排出量及びＨＣ排出量を低減することができる。

以上詳述した本実施形態は以下の利点を有する。

・エンジン１０が冷間始動された場合に、吸気側の可変バルブタイミング機構３３により吸気バルブ３１と排気バルブ３２との開弁期間のオーバーラップ量が増大させられる。このため、燃焼室２２内に吸い戻される既燃ガスが増加して、いわゆる内部ＥＧＲ量が増加することとなる。一般に、内部ＥＧＲ量を増加させた場合には、燃料の燃焼が不安定となる。この点、インジェクタ２１によりエンジン１０の吸気行程及び圧縮行程に燃料が噴射され、且つ圧縮行程での燃料噴射量が吸気行程での燃料噴射量よりも多くされる。したがって、点火プラグ３６周りの混合気の空燃比を一層リッチ化することができ、混合気の着火性及び燃焼の安定性を確保することができる。

このとき、点火プラグ３６周りの空燃比がリッチ化したとしても、内部ＥＧＲの熱により燃料の霧化を促進することができる。このため、燃料が燃焼室２２内に付着したり、燃料の液滴が大きくなったりすることを抑制することができる。特にエンジン１０が冷間始動された直後は、燃焼室２２内の温度が低く燃料が霧化しにくいため、内部ＥＧＲの熱により燃料の霧化を促進することで、ＰＭ排出量及びＨＣ排出量を効果的に低減することができる。

そして、点火プラグ３６による点火時期が遅角されるため、排気の温度を上昇させて三元触媒３７，３８の暖機を促進することができる。その結果、三元触媒３７，３８の暖機に際して、エンジン１０の冷間始動直後から、燃焼の安定性を確保しつつ、ＰＭ排出量を効果的に低減することができる。

・吸気側の可変バルブタイミング機構３３により吸気バルブ３１の開閉タイミングを進角させることで、オーバーラップ量を増大させている。このため、オーバーラップ量を増大させるとともに、吸気の吹き戻しを減少させることができ、吸気の充填効率、ひいては実圧縮比を上昇させることができる。したがって、燃料の燃焼をより安定させることができ、オーバーラップ量をより増大させることが可能となる。その結果、燃料の霧化をより促進することができ、ＰＭ排出量を更に低減することができる。

・三元触媒３７，３８の暖機を促進する上記制御は、エンジン１０の冷間始動直後に比較的短い期間（例えば２０秒間）実行される。このため、一般に、三元触媒３７，３８の暖機が終了した場合であっても、エンジン１０の暖機は未だ終了しておらず、エンジン１０の暖機が終了するよりも前に上記制御が終了されることとなる。近年のPM規制に対しては、このような短期間でのＰＭ排出量を低減することが重要である。

上述した実施形態に限定されず、例えば次のように実施することもできる。

・上記実施形態では、吸気側の可変バルブタイミング機構３３により吸気バルブ３１の開閉タイミングを進角させることで、吸気バルブ３１と排気バルブ３２との開弁期間のオーバーラップ量を増大させるようにした。しかしながら、排気側の可変バルブタイミング機構３４により排気バルブ３２の開閉タイミングを遅角させることで、オーバーラップ量を増大させることもできる。また、それらの両制御を実行することで、オーバーラップ量を増大させることもできる。なお、必ずしもオーバーラップ量を増大させなくてもよく、オーバーラップ量を一定としつつ吸気バルブ３１や排気バルブ３２の開閉タイミングを変更して内部ＥＧＲ量を増加させることもできる。

１０…筒内噴射式エンジン（内燃機関）、２１…インジェクタ（燃料噴射弁）、２２…燃焼室、３１…吸気バルブ（吸気弁）、３２…排気バルブ（排気弁）、３３，３４…可変バルブタイミング機構（可変動弁機構）、３５…排気管、３６…点火プラグ（点火栓）、３７…三元触媒（排気浄化触媒）、３８…三元触媒（排気浄化触媒）、５０…ＥＣＵ（制御手段、制御装置）。

Claims (4)

1. 内燃機関の気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
   前記燃料噴射弁により噴射された燃料と空気との混合気に点火する点火栓と、
   前記機関の吸気弁及び排気弁の少なくとも一方の開閉タイミングを可変とする可変動弁機構と、
   前記機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒と、
   を備える内燃機関に適用される制御装置であって、
   前記機関が冷間始動された場合に、前記可変動弁機構により前記吸気弁及び前記排気弁の少なくとも一方の開閉タイミングを変更することによって内部ＥＧＲ量を増加させるとともに、前記燃料噴射弁により前記機関の吸気行程及び圧縮行程に燃料を噴射させ且つ前記圧縮行程での燃料噴射量を前記吸気行程での燃料噴射量よりも多くし、前記点火栓による点火時期を遅角させる制御を実行する制御手段を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記制御手段は、前記可変動弁機構により前記吸気弁の開閉タイミングを進角させることで、前記内部ＥＧＲ量を増加させる請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記制御手段は、前記排気浄化触媒の暖機が終了したことを条件として、前記機関の暖機が終了するよりも前に前記制御を終了する請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 内燃機関の気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
   前記燃料噴射弁により噴射された燃料と空気との混合気に点火する点火栓と、
   前記機関の吸気弁及び排気弁の少なくとも一方の開閉タイミングを可変とする可変動弁機構と、
   前記機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒と、
   を備える内燃機関の制御方法であって、
   前記機関が冷間始動された場合に、前記可変動弁機構により前記吸気弁及び前記排気弁の少なくとも一方の開閉タイミングを変更することによって内部ＥＧＲ量を増加させるとともに、前記燃料噴射弁により前記機関の吸気行程及び圧縮行程に燃料を噴射させ且つ前記圧縮行程での燃料噴射量を前記吸気行程での燃料噴射量よりも多くし、前記点火栓による点火時期を遅角させることを特徴とする内燃機関の制御方法。

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