JP2016014340A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 排気系に三元触媒を備える機関においてストイキ運転からリーン運転に切り換える際の空燃比の変更をより適切に行い、三元触媒下流側におけるＮＯｘ濃度の一時的な増加を抑制することができる制御装置を提供する。
【解決手段】 ストイキ運転からリーン運転へ切り換えるときに空燃比移行制御を行い、空燃比移行制御の開始時刻ｔＳから所定リッチ制御時間ＴＲＩＣＨが経過するまでの期間において空燃比を理論空燃比よりさらにリッチ側の空燃比へ変更する空燃比リッチ制御を行う。所定リッチ制御時間ＴＲＩＣＨ経過後にリーン空燃比ＡＦＬＮ１に向けて徐々に変更する制御を行う。空燃比リッチ制御により、三元触媒１０における酸化していない（還元されている）貴金属の比率を増加させ、空燃比切換時に三元触媒１０の下流側におけるＮＯｘ濃度ＣＮＯｘの一時的な増加を抑制する。
【選択図】 図１２

Description

本発明は、排気系に排気浄化用の三元触媒を備える内燃機関の制御装置に関し、特に燃焼室内の混合気の空燃比を理論空燃比近傍の空燃比及び理論空燃比よりリーン側のリーン空燃比に制御する制御装置に関する。

特許文献１には、空燃比を理論空燃比に制御するストイキ運転と、理論空燃比よりリーン側のリーン空燃比に制御するリーン運転とを行う内燃機関の制御方法が示されている。この制御方法によれば、ストイキ運転からリーン運転へ切り換えるときは、先ず吸入空気量の増量制御が開始され、その後実際の吸入空気量の増加が開始されたタイミングで点火時期が遅角側に変更され、次いで空燃比がリーン空燃比に変更されるとともに、点火時期が進角側に変更される。これにより、機関出力の変動及び窒素酸化物の発生を抑制しつつ、運転の切換を行うことが可能となる。

特許第３０６４７８２号公報

上記特許文献１に示された制御方法によれば、ストイキ運転からリーン運転に切り換えるときの移行制御では、空燃比は最初、理論空燃比に維持され、点火時期の進角を開始する時点からリーン空燃比に向けて徐々に変更される。

排気系に設けられる三元触媒は、パラジウムなどの貴金属を含んでおり、この貴金属がリーン運転中は主としてＮＯｘの浄化を行うことで酸化され、ストイキ運転中は排気中の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素ＣＯが還元剤として作用するため、酸化された貴金属と還元された貴金属とが混在する状態となる。したがって、上記従来の方法で、ストイキ運転からリーン運転に切り換える移行制御を行った場合において還元された貴金属の比率が低いときは、三元触媒の下流側におけるＮＯｘ濃度が移行制御中に一時的に増加することがあった。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、排気系に三元触媒を備える機関においてストイキ運転からリーン運転に切り換える際の空燃比の変更をより適切に行い、三元触媒下流側におけるＮＯｘ濃度の一時的な増加を抑制することができる制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、排気系に三元触媒（１０）を備える内燃機関（１）の制御装置において、前記機関の運転状態に応じて、前記燃焼室内の混合気の空燃比（ＡＦ）を理論空燃比近傍のリッチ空燃比（ＡＦＳＴ）と、理論空燃比よりリーン側のリーン空燃比（ＡＦＬＮ１）とに制御する空燃比制御手段と、前記空燃比を前記リッチ空燃比（ＡＦＳＴ）から前記リーン空燃比（ＡＦＬＮ１）へ切り換えるときに空燃比移行制御を行う過渡制御手段とを備え、前記過渡制御手段は、前記空燃比移行制御の開始時点（ｔＳ）から所定時間（ＴＲＩＣＨ）経過するまでの期間において前記空燃比を前記リッチ空燃比よりさらにリッチ側の空燃比へ変更し、前記所定時間経過後に前記リーン空燃比に向けて徐々に変更することを特徴とする。

この構成によれば、空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比へ切り換えるときに空燃比移行制御が行われ、空燃比移行制御の開始時点から所定時間経過するまでの期間において空燃比をリッチ空燃比よりさらにリッチ側の空燃比へ変更し、所定時間経過後にリーン空燃比に向けて徐々に変更する制御が行われる。これにより、還元されている貴金属の比率を増加させ、空燃比切換時に三元触媒下流側におけるＮＯｘ濃度の一時的な増加を抑制することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、前記機関は、前記機関の吸気弁の閉弁時期（ＣＡＩＶＣ）を圧縮行程中の時期まで遅角可能な吸気弁閉弁時期可変機構（４１，４２）と、前記機関の燃焼室内に吸入された混合気の流動を生成する流動生成手段（２ａ，４）とを備え、前記過渡制御手段は、前記吸気弁の閉弁時期（ＣＡＩＶＣ）を圧縮行程内の所定遅角時期（ＣＡＲＴＤＸ）に制御するとともに、前記混合気の流動の強度が高くなるように前記流動生成手段を制御することを特徴とする。

上記「所定遅角時期（ＣＡＲＴＤＸ）」は、出力変動の増大及びノッキングの発生を防止する効果を確実なものとするためには、圧縮行程内においてクランク角度（クランク軸回転位相）が圧縮行程開始角度位置から７０度以上遅角側の角度位置に設定することが望ましい。ただし、遅角量が過大となれば、安定した燃焼は得られなくなるので、圧縮行程開始角度位置から例えば１００度の角度位置より進角側とする。

この構成によれば、空燃比移行制御中は吸気弁の閉弁時期が圧縮行程内の所定遅角時期に制御されるとともに、混合気の流動の強度が高くなるように制御される。吸気弁の閉弁時期を圧縮行程内の比較的遅い時期に設定して実効圧縮比を低下させることで、ノッキングの発生を防止することが可能となり、さらに混合気流動の強度を高めることによって、空燃比を増加させるような空燃比移行制御中において混合気の良好な着火性を維持し、燃焼を安定化することができる。その結果、空燃比切換時において、出力変動の増大及びノッキングの発生を防止することが可能となる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置において、前記機関は、吸入空気量（ＧＡ）を制御する吸入空気量制御弁（３）と、前記機関の排気を吸気系に還流する排気還流通路（２０）、及び該排気還流通路に設けられ、排気還流量を制御する排気還流制御弁（２１）を備える排気還流機構とを備え、前記過渡制御手段は、前記吸入空気量制御弁の開度（ＴＨ）を増加させるとともに、前記排気還流制御弁の開度（ＬＦＴ）を減少させ、前記吸入空気量（ＧＡ）を増加させる制御を行うことを特徴とする。

この構成によれば、空燃比移行制御では、吸入空気量制御弁の開度を増加させるとともに、排気還流制御弁の開度を減少させ、吸入空気量を増加させる制御が行われので、空燃比切換の前後での機関出力の変化を抑制し、円滑な切換を行うことが可能となる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の内燃機関の制御装置において、前記機関は、前記燃焼室内の混合気の火花点火を行う火花点火手段（７，８）を備え、前記過渡制御手段は、前記空燃比移行制御中は、前記排気還流機構を介して還流される排気量の割合を示す排気還流率（ＲＥＧＲ）に応じて前記火花点火手段による点火時期（ＩＧ）を制御することを特徴とする。

この構成によれば、空燃比移行制御中は排気還流率に応じて点火時期が制御されるので、空燃比移行制御中における出力変動の増大及びノッキングの発生を確実に防止することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の内燃機関の制御装置において、前記機関は、前記機関の吸気通路（２）内に燃料を微粒化して噴射可能な燃料噴射弁（６）を備え、前記火花点火手段は、点火プラグ（８）と、該点火プラグに放電を発生させるための複数の点火コイル対（７１，７２）とを備え、前記点火プラグにおける放電の継続時間（ＴＳＰＫ）を変更可能なものであり、前記空燃比（ＡＦ）を前記リーン空燃比（ＡＦＬＮ１）に制御するときは、前記リーン空燃比が増加するほど、前記点火時期（ＩＧ）を進角させるとともに前記放電継続時間（ＴＳＰＫ）を長く設定する点火制御手段を備えることを特徴とする。

この構成によれば、微粒化された燃料が吸気通路内に噴射されるので、比較的均質な混合気が吸気通路内において形成され、さらに燃焼室内に吸入されることによって、より均質度の高い混合気を形成することができる。また点火プラグにおける放電継続時間が変更可能であるため、点火時期及び放電継続時間を適切に設定することにより、すなわち、点火時期を比較的進角側に設定することによって、放電継続時間を長く設定することを可能とし、空燃比を「３０」程度に設定しても確実に着火させることができる。またリーン空燃比が増加するほど、点火時期を進角させるとともに放電継続時間を長く設定することによって、目標空燃比が変化しても確実に着火させることができる。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 吸気通路に設けられるタンブル流動制御弁（４）の配置を説明するための図である。 吸気弁の作動特性を説明するための図である。 １つの気筒に対応する点火回路ユニット（７）の構成を示す回路図である。 燃料噴射弁（６）によって噴射される燃料の噴射状態を説明するための図である。 空燃比を理論空燃比よりリーン側の値に設定する機関運転領域（ＲＬＮ）及び空燃比を理論空燃比に設定する機関運転領域（ＲＳＴ）を示す図である。 空燃比（ＡＦ）と排気中のＮＯｘ濃度（ＣＮＯｘＦ）との関係を示す図である。 空燃比移行制御（理論空燃比→リーン空燃比）における制御パラメータの設定を説明するためのタイムチャートである。 図８に示す制御を行った場合における空燃比（ＡＦ）、吸入空気量（ＧＡ））、ＮＯｘ濃度（ＣＮＯｘ）、及びＨＣ濃度（ＣＨＣ）の推移を示すタイムチャートである。 排気還流率（ＲＥＧＲ）と点火時期（ＩＧ）との関係を示す図である。 三元触媒による排気浄化を説明するための図である。 空燃比移行制御（ストイキ運転からリーン運転への切換）を実行する処理のフローチャートである。 図１２の処理で実行される空燃比リッチ制御を説明するためのタイムチャートである。 図１２の処理で実行される空燃比リッチ制御の効果を説明するためのタイムチャートである。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態にかかる内燃機関（以下「エンジン」という）及びその制御装置の構成を示す図であり、例えば４気筒のエンジン１の吸気通路２の途中にはスロットル弁（吸入空気量制御弁）３が配置されている。スロットル弁３はアクチュエータ１９によって駆動可能に構成されており、アクチュエータ１９は電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）５に接続されている。スロットル弁３の開度は、アクチュエータ１９を介してＥＣＵ５によって制御される。吸気通路２のスロットル弁３の下流側には、燃料噴射弁６が各気筒に対応して設けられており、その作動はＥＣＵ５により制御される。

図２に示すように、吸気通路２の、吸気弁２２の直ぐ上流側には、隔壁２ａと、隔壁２ａによって形成される一方の流路に配置されたタンブル流動制御弁４とが設けられており、タンブル流動制御弁４はアクチュエータ４ａによって開閉駆動可能に構成されている。アクチュエータ４ａはＥＣＵ５に接続されており、その作動はＥＣＵ５によって制御される。タンブル流動制御弁４によって、燃焼室１ａ内に混合気のタンブル流動が生成される。

エンジン１の各気筒には点火プラグ８が装着されており、点火プラグ８は点火回路ユニット７を介してＥＣＵ５に接続されている。ＥＣＵ５は、後述するように点火プラグ８における放電開始時期ＣＡＩＧ及び放電継続時間ＴＳＰＫの制御を行う。なお、放電開始時期ＣＡＩＧは、「点火時期ＩＧ」と表記する場合もある。

ＥＣＵ５には、エンジン１の吸入空気流量ＧＡＩＲを検出する吸入空気流量センサ１１、吸気温ＴＡを検出する吸気温センサ１２、スロットル弁開度ＴＨを検出するスロットル弁開度センサ１３、吸気圧ＰＢＡを検出する吸気圧センサ１４、エンジン冷却水温ＴＷを検出する冷却水温センサ１５、及び図示しない他のセンサ（例えばエンジン１により駆動される車両のアクセルペダル操作量ＡＰを検出するアクセルセンサ、車速センサなど）が接続されており、これらのセンサの検出信号がＥＣＵ５に供給される。

ＥＣＵ５には、エンジン１のクランク軸（図示せず）の回転角度を検出するクランク角度位置センサ１６が接続されており、クランク軸の回転角度に応じたパルス信号がＥＣＵ５に供給される。クランク角度位置センサ１６は、クランク角度位置を示す複数のパルス信号を出力するものであり、このパルス信号は、燃料噴射時期、点火時期（点火プラグ８の放電開始時期）等の各種タイミング制御、及びエンジン回転数ＮＥの検出に使用される。エンジン１は、後述するように吸気弁作動位相を連続的に変更する機構を備えており、クランク角度位置センサ１６より出力されるパルス信号に基づいて、吸気弁２２を駆動するカム軸の実際の作動位相（吸気弁作動位相）ＣＡＩＮを検出することができる。本実施形態では、吸気弁作動位相ＣＡＩＮの増加は位相の進角に対応する。

排気通路９には排気浄化用のパラジウムを含む三元触媒１０が設けられている。三元触媒１０の上流側であって各気筒に連通する排気マニホールドの集合部より下流側には、比例型酸素濃度センサ１７（以下「ＬＡＦセンサ１７」という）が装着されており、このＬＡＦセンサ１７は排気中の酸素濃度（空燃比ＡＦ）にほぼ比例した検出信号を出力し、ＥＣＵ５に供給する。

エンジン１は排気還流機構を備えており、この排気還流機構は、排気通路９と吸気通路２と接続する排気還流通路２０と、排気還流通路２０を通過する排気の流量を制御する排気還流制御弁（以下「ＥＧＲ弁」という）２１とを有する。ＥＧＲ弁２１の作動は、ＥＣＵ５によって制御される。

エンジン１は吸気弁２２の弁リフト量及び開角（リフト量が「０」より大きい角度期間）を、機械的に２段階に切り換える第１弁作動特性可変機構４１と、吸気弁２２の作動位相を連続的に変更する第２弁作動特性可変機構４２とを有する弁作動特性可変装置４０を備えている。機械的に２段階に切り換える第１弁作動特性可変機構４１を採用することによって、吸気弁作動特性の迅速な変更が可能となる。第１弁作動特性可変機構４１は、吸気弁２２のリフト量及び開角を第１作動特性ＶＴ１と第２作動特性ＶＴ２とに切り換える。弁作動特性可変装置４０は、第１弁作動特性可変機構４１を駆動するための油圧制御機構４３と、第２弁作動特性可変機構４２を駆動するための油圧制御機構４４とを備えている。油圧制御機構４３及び油圧制御機構４４の作動はＥＣＵ５により制御される。以下の説明では、第１弁作動特性可変機構４１により切り換えられる作動特性を、「吸気弁作動特性ＶＴ」という。

弁作動特性可変装置４０によれば、吸気弁２２は、図３に実線Ｌ１で示す第１作動特性ＶＴ１と、実線Ｌ２で示す第２作動特性ＶＴ２とを最遅角位相として、カムの作動位相（ＣＡＩＮ）の進角に伴って破線Ｌ３，Ｌ４で示す最進角位相までの間の位相で駆動される。なお、排気弁は実線Ｌ５で示す一定の作動特性で駆動される。図３から明らかなように、本実施形態では吸気弁の閉弁時期ＣＡＩＶＣが圧縮行程の開始後となるように設定され、アトキンソンサイクル運転が行われる。また第１作動特性ＶＴ１における吸気弁２２の閉弁時期ＣＡＩＶＣ１は、第２作動特性ＶＴ２における閉弁時期ＣＡＩＶＣ２より遅角側にある。

ＥＣＵ５は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（ＣＰＵ）、該ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、燃料噴射弁６、点火回路ユニット７、アクチュエータ４ａなどに駆動信号を供給する出力回路等から構成される。

燃料噴射弁６による燃料噴射量は、吸入空気流量ＧＡＩＲに応じて算出される基本燃料量を、ＬＡＦセンサ１７により検出される空燃比ＡＦに応じた空燃比補正係数ＫＡＦによって補正することによって制御される。空燃比補正係数ＫＡＦは、検出される空燃比ＡＦが目標空燃比ＡＦＣＭＤと一致するように算出される。

ＥＣＵ５は、アクセルペダル操作量ＡＰなどに応じてスロットル弁３の目標開度ＴＨＣＭＤを算出し、検出されるスロットル弁開度ＴＨが目標開度ＴＨＣＭＤと一致するようにアクチュエータ１９の駆動制御を行う。

図４は、１つの気筒に対応する点火回路ユニット７の構成を示す回路図であり、点火回路ユニット７は、一次コイル７１ａ及び二次コイル７１ｂからなる第１コイル対７１と、一次コイル７２ａ及び二次コイル７２ｂからなる第２コイル対７２と、バッテリ３０の出力電圧ＶＢＡＴを昇圧して昇圧電圧ＶＵＰを出力する昇圧回路７３と、一次コイル７１ａ，７２ａの通電制御を行うトランジスタＱ１，Ｑ２と、二次コイル７１ｂ，７２ｂと点火プラグ８との間に接続されたダイオードＤ１，Ｄ２とを備えている。

トランジスタＱ１，Ｑ２のベースはＥＣＵ５に接続されており、ＥＣＵ５によってオンオフ制御（一次コイルの通電制御）が行われる。２つの一次コイルの通電期間の一部を重複させつつ交互に通電を行うことによって、点火プラグ８における放電の継続時間（放電継続時間）ＴＳＰＫをエンジン１の運転状態に応じて変更することができる。また一次コイルの最初の通電終了時期が放電開始時期ＣＡＩＧに相当し、放電開始時期ＣＡＩＧもエンジン１の運転状態に応じて変更可能である。

燃料噴射弁６は、燃料を微粒化して噴射可能なものであり、ＳＭＤ（Sauter Mean Diameter：ザウター平均直径）が３５μｍ程度（燃圧３５０ｋＰａで噴射し、噴射口からの５０ｍｍ下におけるＳＭＤ）の特性を有する。図５（ａ）は、この燃料噴射弁６による燃料の噴射状態（噴射された燃料の拡散状態）を模式的に示し、図５（ｂ）は比較のために示す通常の燃料噴射弁による燃料の噴射状態を示す。通常の燃料噴射弁では、円錐状に分布する燃料の周辺部の燃料濃度が高くなるのに対し、燃料噴射弁６では微粒化した燃料の到達距離が短くなり、かつ拡散領域内における濃度分布の均質度が高く（濃度差が少なく）なる。

燃料を微粒化して噴射可能な燃料噴射弁６を用いることによって、検出空燃比ＡＦを目標空燃比ＡＦＣＭＤと一致させるために必要とされる量の燃料を燃焼室に供給し、しかも燃焼室内における空燃比分布がほぼ一様な（均質度の高い）均質混合気を形成することができる。

本実施形態では、暖機完了後の目標空燃比ＡＦＣＭＤは、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱＣＭＤに応じて、例えば図６に示すように設定される。図６に示す領域ＲＬＮでは、目標空燃比ＡＦＣＭＤを例えば「２４」から「３５」程度の範囲（以下「超希薄空燃比範囲」という）に設定するリーン運転が行われ、領域ＲＳＴでは目標空燃比ＡＦＣＭＤを理論空燃比（１４．７）に設定するストイキ運転が行われる。図６に示す領域ＲＬＮと領域ＲＳＴとの境界を示す実線は、リーン運転からストイキ運転へ切り換えるときの境界に対応し、破線はストイキ運転からリーン運転へ切り換えるときの境界に対応する。

リーン運転時の最小空燃比ＡＦＬ１（例えば「２４」）は、エンジン１からのＮＯｘ排出量が許容上限値ＣＮＯｘＨＬ（例えば１２０ｐｐｍ）以下となるように設定される。最大空燃比ＡＦＬ２（例えば「３５」）は、必要なエンジン出力を得るための限界値として設定される空燃比である。

図７は、空燃比ＡＦと三元触媒１０の上流側における排気中のＮＯｘ濃度ＣＮＯｘＦとの関係を示す図であり、空燃比ＡＦが「１６」以上の範囲では、空燃比ＡＦが増加するほど（リーン化するほど）、ＮＯｘ濃度ＣＮＯｘＦが低下する。したがって、リーン運転中の最小空燃比ＡＦＬ１は、許容上限値ＣＮＯｘＨＬが低下するほど増加するように設定する必要がある。

点火プラグ８における放電開始時期ＣＡＩＧは、超希薄空燃比範囲における目標空燃比ＡＦＣＭＤに対応して、上死点前５０度から１５度の範囲に設定され、放電継続時間ＴＳＰＫは均質希薄混合気を確実に着火させるべく、１．８〜３ｍｓｅｃに設定される。このように放電継続時間ＴＳＰＫを設定したときの放電エネルギが１５０〜６００ｍＪとなるように昇圧電圧ＶＵＰが設定されている。従来の火花点火による希薄混合気燃焼は、点火プラグ近傍の空燃比が相対的に小さくなるように燃焼室内の流動を生成することによって実現される成層混合気燃焼であるのに対し、本実施形態の均質希薄混合気燃焼は、放電継続時間ＴＳＰＫを比較的長く設定し、その放電継続時間ＴＳＰＫを確保できるように放電開始時期ＣＡＩＧは、成層混合気燃焼の点火時期（例えば８．０度）より進角側に設定されている。超希薄空燃比範囲では、目標空燃比ＡＦＣＭＤが増加するほど放電開始時期ＣＡＩＧを進角させるとともに放電継続時間ＴＳＰＫを長く設定する。

さらにエンジン１の幾何学的圧縮比（ピストンが下死点に位置するときの燃焼室容積と、上死点に位置するときの燃焼室容積との比）は、最低実効圧縮比が９．０程度となるように、通常の火花点火エンジンの幾何学的圧縮比より若干大きく設定されている。

またタンブル流動制御弁４の開度を変更することによって、流速５〜１５ｍ／ｓｅｃ程度（エンジン回転数ＮＥが１５００ｒｐｍであるとき流速）のタンブル流動を発生させるタンブル流動生成制御が行われる。

放電継続時間ＴＳＰＫを比較的長く設定するとともに、燃焼室内にタンブル流動を生成することによって、希薄混合気燃焼において強力な初期火炎核を形成し、その火炎核を成長させることによって、圧縮上死点における未燃混合気の温度を１０００度Ｋ以上の温度まで高めて、層流燃焼速度を支配する素反応を、過酸化水素が分解してＯＨラジカルを生成する反応に変化させ、圧縮上死点後において燃焼を確実に完結させることが可能となる。

次に本実施形態においてストイキ運転からリーン運転へ切り換えるときの空燃比移行制御の概要を、図８及び図９を参照して説明する。
図８は、ストイキ運転からリーン運転への切換時における空燃比移行制御を説明するためのタイムチャートであり、図８（ａ）〜（ｇ）は、それぞれスロットル弁開度ＴＨ、ＥＧＲ弁リフト量ＬＦＴ、吸気弁作動位相ＣＡＩＮ、吸気弁作動特性ＶＴ、タンブル流動制御弁４の開度ＴＣＶ、燃料噴射時間（燃料噴射量）ＴＩ、及び点火時期ＩＧの推移を示す。また時刻ｔＳが移行制御開始時刻であり、時刻ｔＥが移行制御終了時刻である。図８（ａ），（ｂ），（ｃ），及び（ｅ）に示す破線は、それぞれ目標開度ＴＨＣＭＤ、ＥＧＲ弁リフト量指令値ＬＦＴＣＭＤ、吸気弁作動位相指令値ＣＡＩＮＣＭＤ、及びタンブル流動制御弁開度指令値ＴＣＶＣＭＤを示す。各制御パラメータは、下記のように制御される。

スロットル弁の目標開度ＴＨＣＭＤ：時刻ｔＳからリーン運転開度ＴＨＬＮに向けて徐々の増加させ、リーン運転開度ＴＨＬＮに達する時刻ｔ１１以後はリーン運転開度ＴＨＬＮに維持する。

ＥＧＲ弁リフト量ＬＦＴの指令値ＬＦＴＣＭＤ：時刻ｔＳにおいて、リーン運転リフト量である「０」までステップ的に減少させ、その後は「０」に維持する。リーン運転中は、エンジン１からのＮＯｘ排出量が小さいため、排気還流率ＲＥＧＲは「０」に設定される。
吸気弁作動位相指令値ＣＡＩＮＣＭＤ：時刻ｔＳにおいて初期位相ＣＡＩＮＩまでステップ的に進角させ、その後はリーン運転位相ＣＡＬＮに達する時刻ｔ１２まで徐々に進角させる。時刻ｔ１２以後は、リーン運転位相ＣＡＬＮに維持する。

吸気弁作動特性ＶＴ：時刻ｔＳからｔＥまで第１作動特性ＶＴ１に維持し、時刻ｔＥにおいて第２作動特性ＶＴ２に切り換える。
タンブル流動制御弁４の開度指令値ＴＣＶＣＭＤ：時刻ｔＳにおいて、０度（強流動制御値）までステップ的に減少させ、以後０度に維持する。

燃料噴射時間ＴＩ：空燃比ＡＦの変更は主として吸入空気量の変更によって行われるため、時刻ｔＳからｔＥまでほぼ一定値に保持する。ただし、検出空燃比ＡＦが目標空燃比ＡＦＣＭＤと一致するように、フィードバック制御による微調整を行うとともに、空燃比移行制御開始直後に燃料噴射時間ＴＩ（燃料噴射量）を所定リッチ制御時間ＴＲＩＣＨに亘って若干増加させる空燃比リッチ制御を行う。

点火時期ＩＧ：実際の排気還流率ＲＥＧＲに応じて、例えば図１０に示すテーブルを用いて設定する。その結果、時刻ｔＳの直後から比較的早い速度で遅角され、その後はリーン運転に適した値に向けて徐々に進角される。

図１０に示すテーブルによれば、点火時期ＩＧは排気還流率ＲＥＧＲが増加するほど進角するように設定される。なお、実際の排気還流率ＲＥＧＲは公知の手法（例えば特許第５２７０００８号公報に示された手法）によって算出される。
移行制御終了時刻ｔＥは、空燃比ＡＦがリーン空燃比ＡＦＬＮ１に到達した時刻である。

図９（ａ）〜（ｄ）は、図８に示す空燃比移行制御を行った場合の空燃比ＡＦ、吸入空気量ＧＡ、排気中（三元触媒１０の下流側）のＮＯｘ濃度ＣＮＯｘ、及び排気中（三元触媒１０の下流側）のＨＣ濃度ＣＨＣの推移を示し、図９（ａ）の破線は、目標空燃比ＡＦＣＭＤの推移を示す。ＨＣ濃度ＣＨＣは、燃料に含まれる複数の炭化水素成分の全体としての濃度を示す。目標空燃比ＡＦＣＭＤは、空燃比移行制御中において空燃比ＡＦの制御可能範囲を外れないように、理論空燃比からリーン空燃比に向けて徐々に変更される。このとき、目標空燃比ＡＦＣＭＤは、吸入空気量ＧＡ及び排気還流率ＲＥＧＲに応じて設定される。

図９によれば、スロットル弁開度ＴＨの増加によって吸入空気量ＧＡが増加し、空燃比ＡＦが理論空燃比ＡＦＳＴからリーン空燃比ＡＦＬＮ１（「２４」程度）へ円滑に移行し、かつ空燃比移行制御中においてＮＯｘ濃度ＣＮＯｘ及びＨＣ濃度ＣＨＣが比較的小さく抑制されることが確認できる。

図１１は、三元触媒１０における排気の浄化を説明するための図であり、貴金属としてパラジウムＰｄが使用される例が示されている。前述したようにストイキ運転中においては、酸化パラジウムＰｄＯと、酸化されていない（還元された）パラジウムＰｄとが混在している。排気中の一酸化窒素ＮＯはパラジウムＰｄを酸化することによって、窒素Ｎ₂に変化し、炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素ＣＯは、酸化パラジウムＰｄＯを還元することにより、二酸化炭素ＣＯ₂と水Ｈ₂Ｏに変化する。したがって、還元されたパラジウムＰｄの比率が低いときには、三元触媒１０の下流側におけるＮＯｘ濃度ＣＮＯｘが上昇する可能性が高くなる。

そこで本実施形態では、ストイキ運転からリーン運転への切換時における空燃比移行制御の開始直後に空燃比ＡＦを一時的にリッチ化することより、還元されたパラジウムＰｄの比率を高めて、ＮＯｘ濃度ＣＮＯｘが一時的に増加することを防止するようにしている。

図１２は、ストイキ運転からリーン運転への切換時に実行される空燃比移行制御を実行する処理の手順を示すフローチャートである。この処理は、例えば所定時間毎に実行される。

ステップＳ１１では、ストイキ運転からリーン運転への切換要求フラグＦＳＴＬＮが「１」であるか否かを判別し、この答が肯定（ＹＥＳ）であるとき、ステップＳ１２〜Ｓ１６の処理を実行する。切換要求フラグＦＡＳＴＬＮは、エンジン運転状態が図６に示す領域ＲＳＴから領域ＲＬＮへ変化したとき「１」に設定される。ステップＳ１１の答が否定（ＮＯ）であるときは、本処理を実行することなく、図示しない他の処理によってリーン運転からストイキ運転への空燃比移行制御または通常制御を行う。

ステップＳ１２では、ステップＳ１１の答が肯定（ＹＥＳ）となった時点（空燃比移行制御開始時点）から所定リッチ制御時間ＴＲＩＣＨ（例えば０．５秒）が経過したか否かを判別する。最初はこの答は否定（ＮＯ）となるので、燃料噴射時間ＴＩを増加させることにより空燃比ＡＦを０．５程度減少させる空燃比リッチ制御を実行する（ステップＳ１３）。なお、所定リッチ制御時間ＴＲＩＣＨは、三元触媒１０に含まれるパラジウムの質量ＭＰｄに応じて設定することが望ましい。すなわち、パラジウムの質量ＭＰｄが大きいほど、所定リッチ制御時間ＴＲＩＣＨを長く設定することが望ましい。

空燃比移行制御開始時点から所定リッチ制御時間ＴＲＩＣＨが経過すると、ステップＳ１２の答が肯定（ＹＥＳ）となり、以後はステップＳ１２から直ちにステップＳ１４に進む。

ステップＳ１４では、図８及び図９を参照して説明したストイキ運転からリーン運転への空燃比移行制御を実行する。ステップＳ１５では、空燃比移行制御が終了したか否かを判別し、その答が肯定（ＹＥＳ）となると、切換要求フラグＦＳＴＬＮを「０」に戻す（ステップＳ１６）。空燃比移行制御は、空燃比ＡＦが移行後の空燃比に達した時点（ｔＥ）で終了する。

図１３は、図１２のステップＳ１３における空燃比リッチ制御を説明するためのタイムチャートであり、空燃比リッチ制御中に燃料噴射時間ＴＩの算出に適用される加算時間ＤＴＩの推移を示す。加算時間ＤＴＩは、時刻ｔＳにおいてリッチ制御値ＤＴＩＲまでステップ的に増加し、時刻ｔＲＥにおいてステップ的に「０」まで減少するように設定される。リッチ制御値ＤＴＩＲは、空燃比１４．７を１４．２程度までリッチ化する値であり、燃料噴射時間ＴＩの３〜４％程度に相当する。時刻ｔＲＥにおいて空燃比リッチ制御を終了する。

図１４は、上述した空燃比リッチ制御を実行することによる効果を説明するためのタイムチャートであり、図１４（ａ）は、検出される空燃比ＡＦの推移を拡大して示し、図１４（ｂ）は、三元触媒１０の下流側におけるＮＯｘ濃度ＣＮＯｘの推移を示す。図１４（ａ）（ｂ）に示す破線は、空燃比リッチ制御を行わない場合に対応する。

空燃比リッチ制御は時刻ｔＳから所定リッチ制御時間ＴＲＩＣＨが経過するまでの期間において実行されるが、そのリッチ制御による排気通路での検出空燃比ＡＦの変化は若干遅れて図１４（ａ）に示すように検出され、時刻ｔ２１において最小となる。空燃比リッチ制御を行わない場合には、図１４（ｂ）に破線で示すように、ＮＯｘ濃度ＣＮＯｘの増加量が大きくなるが、空燃比リッチ制御を行うことによって、実線で示す程度まで改善することができる。

以上のように本実施形態では、ストイキ運転からリーン運転へ切り換えるときに空燃比移行制御が行われ、空燃比移行制御の開始時刻ｔＳから所定リッチ制御時間ＴＲＩＣＨが経過するまでの期間において空燃比を理論空燃比よりさらにリッチ側の空燃比（例えば１４．２程度）へ変更し、所定リッチ制御時間ＴＲＩＣＨ経過後にリーン空燃比ＡＦＬＮ１に向けて徐々に変更する制御が行われる。これにより、還元されているパラジウムＰｄの比率を増加させ、空燃比切換時（ストイキ運転からリーン運転への切換時）に三元触媒１０の下流側におけるＮＯｘ濃度ＣＮＯｘの一時的な増加を抑制することができる。

また空燃比移行制御中は、吸気弁作動特性ＶＴを第１作動特性ＶＴ１に設定するとともに、吸気弁作動位相ＣＡＩＮを比較的小さな値に設定することによって、吸気弁２２の閉弁時期ＣＡＩＣが圧縮行程内の所定遅角時期ＣＡＲＴＤＸ（図８に示す例では７０度である）に制御されるとともに、燃焼室内における混合気流動の強度が高くなるようにタンブル流動制御弁４が制御される。吸気弁の閉弁時期ＣＡＩＶＣを圧縮行程内の比較的遅い時期に設定して実効圧縮比を低下させることで、ノッキングの発生を防止することが可能となり、さらに混合気流動の強度を高めることによって、空燃比を増加させるような空燃比移行制御中において混合気の良好な着火性を維持し、燃焼を安定化することができる。その結果、空燃比切換時において、出力変動の増大及びノッキングの発生を防止することが可能となる。

またストイキ運転からリーン運転への切換を行うときは、スロットル弁開度ＴＨを増加させるとともにＥＧＲ弁リフト量ＬＦＴを減少させて、吸入空気量を増加させる制御が行われる。このような吸入空気量及び排気還流量の制御を行うことにより、空燃比切換の前後でのエンジン出力の変化を抑制し、円滑な切換を行うことができる。

また空燃比移行制御中は排気還流率ＲＥＧＲに応じて点火時期ＩＧが制御されるので、空燃比移行制御中における出力変動の増大及びノッキングの発生を確実に防止することができる。

また燃料噴射弁６によって微粒化された燃料が吸気通路２内に噴射されるので、比較的均質な混合気が吸気通路２内において形成され、さらに燃焼室内に吸入されることによって、より均質度の高い混合気を形成することができる。また点火プラグ８における放電継続時間ＴＳＰＫが変更可能であるため、放電開始時期ＣＡＩＧ（＝点火時期ＩＧ）及び放電継続時間ＴＳＰＫを適切に設定することにより、すなわち、放電開始時期ＣＡＩＧを比較的進角側に設定することによって、放電継続時間ＴＳＰＫを長く設定することを可能とし、空燃比ＡＦを「３０」程度に設定しても確実に着火させることができる。また目標空燃比ＡＦＣＭＤがリーン空燃比であるときは、リーン空燃比が増加するほど、放電開始時期ＣＡＩＧを進角させるとともに放電継続時間ＴＳＰＫを長く設定することによって、目標空燃比ＡＦＣＭＤが変化しても確実に着火させることができる。

本実施形態では、スロットル弁３が吸入空気量制御弁に相当し、第１及び第２弁作動特性可変機構４１，４２が吸気弁閉弁時期可変機構を構成し、点火回路ユニット７及び点火プラグ８が火花点火手段に相当し、隔壁２ａ及びタンブル流動制御弁４が流動生成手段に相当する。またＥＣＵ５が空燃比制御手段、過渡制御手段、及び点火制御手段を構成する。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、第１及び第２弁作動特性可変機構４１，４２によって、吸気弁閉弁時期可変機構を構成したが、第２弁作動特性可変機構４２のみによって吸気弁閉弁時期可変機構を構成するようにしてもよい。また、請求項１の発明は吸気弁閉弁時期可変機構及び燃焼室内に混合気の流動を生成するための機構を備えていない内燃機関の制御装置にも適用可能である。

また上述した実施形態では流動生成手段として、タンブル流動を生成する機構を使用したが、スワール流動を生成する機構を採用してもよい。また、燃焼室１ａ及びピストン頂部の形状を、スキッシュ流動が生成されるように構成してもよい。

また上述した実施形態では、リーン運転における空燃比ＡＦは、超希薄空燃比範囲（例えば２４〜３５）に設定するようにしたが、本発明はリーン運転における空燃比ＡＦがより理論空燃比に近い値（例えば１６〜２２）に設定する制御装置にも適用可能である。また、上述した実施形態では、空燃比を理論空燃比に設定するとストイキ運転と、理論空燃比よりリーン側の空燃比に設定するリーン運転との切換時における空燃比移行制御を示したが、本発明は、空燃比を理論空燃比近傍で理論空燃比より若干リッチ側の空燃比に設定するリッチ運転と、リーン運転との切換時にも適用可能である。

また上述した実施形態では４気筒エンジンの例を示したが、本発明は気筒数に関わらず適用可能である。また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの制御装置にも適用が可能である。

１ 内燃機関
２ 吸気通路
２ｂ 隔壁（流動生成手段）
３ スロットル弁（吸入空気量制御弁）
４ タンブル流動制御弁（流動生成手段）
５ 電子制御ユニット（空燃比制御手段、過渡制御手段、点火制御手段）
６ 燃料噴射弁
７ 点火回路ユニット（火花点火手段）
８ 点火プラグ（火花点火手段）
４１ 第１弁作動特性可変機構（吸気弁閉弁時期可変機構）
４２ 第２弁作動特性可変機構（吸気弁閉弁時期可変機構）
ＡＦ 空燃比
ＴＨ スロットル弁開度
ＬＦＴ ＥＧＲ弁リフト量
ＣＡＩＮ 吸気弁作動位相
ＶＴ 吸気弁作動特性
ＴＣＶ タンブル流動制御弁開度
ＴＩ 燃料噴射時間
ＩＧ 点火時期

Claims (5)

1. 排気系に三元触媒を備える内燃機関の制御装置において、
   前記機関の運転状態に応じて、前記燃焼室内の混合気の空燃比を理論空燃比近傍のリッチ空燃比と、理論空燃比よりリーン側のリーン空燃比とに制御する空燃比制御手段と、
   前記空燃比を前記リッチ空燃比から前記リーン空燃比へ切り換えるときに空燃比移行制御を行う過渡制御手段とを備え、
   前記過渡制御手段は、前記空燃比移行制御の開始時点から所定時間経過するまでの期間において前記空燃比を前記リッチ空燃比よりさらにリッチ側の空燃比へ変更し、前記所定時間経過後に前記リーン空燃比に向けて徐々に変更することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記機関は、前記機関の吸気弁の閉弁時期を圧縮行程中の時期まで遅角可能な吸気弁閉弁時期可変機構と、前記機関の燃焼室内に吸入された混合気の流動を生成する流動生成手段とを備え、
   前記過渡制御手段は、前記吸気弁の閉弁時期を圧縮行程内の所定遅角時期に制御するとともに、前記混合気の流動の強度が高くなるように前記流動生成手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記機関は、吸入空気量を制御する吸入空気量制御弁と、前記機関の排気を吸気系に還流する排気還流通路、及び該排気還流通路に設けられ、排気還流量を制御する排気還流制御弁を備える排気還流機構とを備え、
   前記過渡制御手段は、前記吸入空気量制御弁の開度を増加させるとともに、前記排気還流制御弁の開度を減少させ、前記吸入空気量を増加させる制御を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記機関は、前記燃焼室内の混合気の火花点火を行う火花点火手段を備え、
   前記過渡制御手段は、前記空燃比移行制御中は、前記排気還流機構を介して還流される排気量の割合を示す排気還流率に応じて前記火花点火手段による点火時期を制御することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記機関は、前記機関の吸気通路内に燃料を微粒化して噴射可能な燃料噴射弁を備え、 前記火花点火手段は、点火プラグと、該点火プラグに放電を発生させるための複数の点火コイル対とを備え、前記点火プラグにおける放電の継続時間を変更可能なものであり、
   前記空燃比を前記リーン空燃比に制御するときは、前記リーン空燃比が増加するほど、前記点火時期を進角させるとともに前記放電継続時間を長く設定する点火制御手段を備えることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の制御装置。

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