JP2017145735A - 内燃機関の制御装置及び排気ガス浄化触媒の暖機方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の始動後の筒内の混合気の燃焼安定性を高めると共に、触媒の早期活性化を図ることができる新規な内燃機関の制御装置を提供することにある。【解決手段】筒内昇温制御機能部ＣｙｌＴｕｐによって、始動後の筒内温度を早期に昇温すると共に、この筒内の昇温が行われた後に、触媒昇温制御機能部ＣａｔＴｕｐによって点火時期の遅角を早期に行って排気ガスの温度を高めて触媒を活性化する。これよれば、内燃機関の始動後に筒内温度を早期に高めて混合気の燃焼安定性を確保して点火時期の遅角を行うので、触媒に流れる排気ガスの熱量が早い時期に増加して触媒が暖機するまでの時間を短縮できるので、始動時の排気ガス有害成分を効率的に浄化することができる。【選択図】図５

Description

本発明は内燃機関の制御装置に係り、特に筒内燃料噴射方式の内燃機関の制御装置及び排気ガス浄化触媒の暖機方法に関するものである。

内燃機関の燃焼室に直接的に燃料を噴射する筒内燃料噴射方式の内燃機関が広く知られている。筒内燃料噴射方式の内燃機関は、燃料噴射弁により燃焼室内に直接的に燃料噴射を行うものであり、排気ガス有害成分の削減、燃料消費率及び出力の向上等を図っている。この筒内燃料噴射方式の内燃機関では、主に吸気行程で燃料噴射することにより燃料と空気とを均一な混合気として燃焼させる均質燃焼と、圧縮行程で燃料噴射することにより燃料の濃い層と薄い層とを生成して燃焼させる成層燃焼とを運転状態に応じて使い分けている。

筒内燃料噴射方式の内燃機関において、低温時に排気ガス浄化用触媒装置（以下、単に触媒と表記する）の触媒浄化性能の向上を図る方法として、例えば、特開２０００−４５８４３号公報（特許文献１）に示されるように、吸気行程から圧縮行程終了付近の点火時期の間の区間範囲内で少なくとも２回の分割噴射を行わせ、かつ、この時の点火時期を所定量だけ遅角させる制御技術が開示されている。

この制御技術においては、触媒が活性温度よりも低い未暖機状態にあるとき、内燃機関自身も未暖機状態であるため、分割噴射の後期噴射により点火プラグ周辺に局所的に濃い混合気を生成して、点火プラグによる着火性及びその後の燃焼安定性を高めている。このことにより点火時期の遅角量（リタード量）を大きくすることが可能となり、排気行程での排気ガスの温度が上昇することにより、触媒が早期活性化されて触媒浄化性能の向上を図れるものである。

また、近年では一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排気ガス規制に加え、粒子状物質の排出質量（以下ＰＭ）及び排出個数（以下ＰＮ）が規制され、排気有害ガス成分の更なる排出抑制が求められている。

特開２０００−４５８４３号公報

ところで、上述した通り内燃機関から排出される排気ガス有害成分を浄化するためには、内燃機関の下流に設けられた触媒を早期に活性させる必要がある。触媒を早期に活性させるためには、触媒を通過する排気ガスの温度を上昇させ、触媒が活性可能な温度まで昇温させなければならない。ここで、点火時期の遅角量が大きくなるほど、排気ガスの温度を上昇させることができ、触媒の早期活性化に有利である。尚、内燃機関の冷機状態の点火時期の遅角量は、内燃機関の運転状態（例えば、冷却水の温度）等に応じて制御装置に設けられたマップメモリを参照して決定されている。

しかしながら、内燃機関が冷機状態にあるときは、点火時期の遅角量を大きくするにしたがい混合気の燃焼安定性は悪化する傾向にある。つまり、冷機始動直後は、内燃機関の筒内の温度が低いことにより燃焼が不安定な状態となりやすい。したがって、燃焼が不安定な状態を回避するために、点火時期の遅角量を大きくすることができず、このため、内燃機関の排気通路の下流にある触媒の活性化に時間がかかるという課題がある。

本発明の目的は、内燃機関の始動後の筒内の混合気の燃焼安定性を高めると共に、触媒の早期活性化を図ることができる新規な内燃機関の制御装置及び排気ガス浄化触媒の暖機方法を提供することにある。

本発明の特徴は、内燃機関の始動後の筒内温度を早期に昇温すると共に、この筒内の昇温が所定温度に達すると、点火時期の遅角量を大きくして早期に排気ガスの温度を高めて触媒を活性化する、ところにある。

本発明によれば、内燃機関の始動後に筒内温度を早期に高めて混合気の燃焼安定性を確保して点火時期の大きな遅角を行うので、触媒に流れる排気ガスの熱量が早い時期に増加して触媒が暖機するまでの時間を短縮できるので、始動時の排気ガス有害成分を効率的に浄化することができる。

筒内燃料噴射方式の内燃機関の制御システムを示す概略の構成図である。 図１に示す内燃機関の制御システムに用いられる制御ユニットの概略の構成図である。 一般的な内燃機関における、吸気バルブ及び排気バルブのリフト動作特性を示す特性図である。 本発明の実施形態における吸気バルブ及び排気バルブのリフト動作特性を示す特性図である。 本発明の実施形態、及び従来の内燃機関における、冷機始動時の点火時期、バルブタイミング及び筒内温度の変化状態を説明するタイムチャート図である。 本発明の実施形態おける点火時期とバルブタイミングの制御状態を説明する制御フローチャート図である。 本発明の実施形態おける吸気バルブ及び排気バルブのリフトと燃料噴射時期の関係を説明する説明図である。

次に、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。

図１は、本発明が適用される筒内燃料噴射方式の内燃機関１０の制御システムの全体の概略構成を示している。エアクリーナ１１の入口部から取り入れられた吸入空気は、吸入空気流量計（エアフロセンサ）１２が配置された流量計測部を通り、その流量が計測される。その後、吸入空気は、吸入空気流量を制御する電制スロットル弁１３を通って各シリンダ（各気筒）１４に接続された吸気管１５に分配される。

吸入空気は、吸気管１５に分配された後、各気筒に設けられた吸気バルブ１６を通り燃焼室１７に導入される。燃焼室１７はシリンダ１４の内壁面とシリンダ１４内を往復動作するピストン１８の冠面１８ａとによって形成され、ピストン１８の往復動作によってその容積が変化する。

吸入空気流量計１２からは、吸入空気流量を表す出力信号が制御ユニット（ＥＣＵ）１９に入力される。電制スロットル弁１３には電制スロットル弁１３の開度を検出するスロットル開度センサ２０が取り付けられており、その出力信号も制御ユニット１９に入力される。

燃料は、低圧燃料ポンプ（図示せず）により１次加圧された後、高圧燃料ポンプ２１で更に高い圧力に２次加圧され、コモンレール２２を介して各シリンダに設けられている燃料噴射弁２３から燃焼室１７に噴射される。燃焼室１７に噴射された燃料は、吸入空気との混合気を生成し、点火コイル２４からの点火エネルギにより点火プラグ２５で着火され、燃焼室１７内で燃焼する。

混合気の燃焼によって生じた排気ガスは燃焼室１７からから各気筒に設けられた排気バルブ２６を通じて排気管２７へ排出される。排気管２７の途中には空燃比センサ２８、触媒２９が設けられている。空燃比センサ２８にて検出された排気ガスの空燃比センサ出力信号は制御ユニット１９に入力さる。

これに基づいて所定空燃比となるように制御ユニット１９から燃料噴射弁２３へフィードバック制御が実行される。空燃比センサ２８は、理論空燃比付近で出力電圧が急変するＯ２センサ、または実空燃比に対応して線形な電圧が出力されるＡ／Ｆセンサが採用されている。

触媒２８は三元触媒により構成され、排気ガスのＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの浄化が行われる。触媒２８の触媒浄化作用が発揮されるには、触媒が活性化温度に達している必要があり、制御ユニット１９により触媒２８を早期に暖機状態にする制御が実行される。そのためには触媒の温度状態を検出する必要があり、吸入空気流量計（エアフロセンサ）１２からの吸入空気量積算値による推定、水温センサ３０または油温センサ３１での推定、触媒温度センサ（図示せず）による直接検出等の方法で実行される。

内燃機関１０の側面には燃焼中に発生するノッキングを検出するノックセンサ３２が設けられ、その検出信号は内燃機関制御ユニット１９に出力される。また、内燃機関１０のクランク軸３３に取り付けられたクランク角センサ３４は、クランク軸３３の回転位置を表す信号を制御ユニット１９に出力する。

内燃機関１０のカム軸３５には、吸気バルブ１６及び排気バルブ２６の開閉時期を調整する吸気側可変バルブタイミング機構（ＶＴＣ）３６、排気側可変バルブタイミング機構（ＶＴＣ）３７が設けられ、制御ユニット１９からの制御信号により駆動される。これらの可変バルブタイミング機構３６、３７は油圧アクチュエータや電動アクチュエータを使用して構成されている。

また、カム軸３５には吸気バルブ１６及び排気バルブ２６の開閉時期を検出するカム角センサ３８が設けられ、検出された信号を制御ユニット１９に出力する。カム軸３、可変バルブタイミング機構（ＶＴＣ）３６、３７、カム角センサ３８は、吸気バルブ１６及び排気バルブ２６のそれぞれに対して設けられている。

図２に制御ユニット１９の入出力関係を示している。制御ユニット１９は、Ａ／Ｄ変換器等の入力部４０ｉｎ、制御機器要素に出力信号を送る出力部４０ｏｕｔを含むＩ／Ｏ用ＬＳＩ４１、演算処理を実行するＣＰＵ（中央演算処理装置）４２等から構成される。制御ユニット１９は、エアフロセンサ１２、スロットルセンサ２０、カム角センサ３８、クランク角センサ３４、水温センサ３０、空燃比センサ２８、油温センサ３１、ノックセンサ３２を含む各種センサ等からの信号を入力として取り込み、所定の演算処理を実行する。

演算処理によって算出された演算出力は、アクチュエータである電制スロットル弁１３、高圧ポンプ２１、点火コイル２４、複数気筒の燃料噴射弁２３、可変バルブタイミング機構３６、３７に制御信号として供給され、燃料噴射量/噴射時期制御及び点火時期制御、吸排気バルブの開閉タイミング制御等が実行される。

Ｉ／Ｏ用ＬＳＩ４１の出力部４０ｏｕｔは、バッテリから供給される電圧を昇圧回路（図示せず）にて昇圧し、図示しないＩＣ回路（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）によって電流制御することによって各燃料噴射弁２３を駆動している。

このような制御システムは良く知られた構成であるので、これ以上の説明は省略する。さて、上述した通り、内燃機関から排出される排気ガス有害成分を浄化するためには、内燃機関の排気通路の下流に設けられた触媒を早期に活性させる必要がある。触媒を早期に活性させるためには、触媒を通過する排気ガスの温度を上昇させ、触媒が活性可能な温度まで昇温させなければならない。ここで、点火時期の遅角量が大きくなるほど、排気ガスの温度を上昇させることができ、触媒の早期活性化に有利である。

しかしながら、内燃機関が冷機状態にあるときは、点火時期の遅角量を大きくするにしたがい混合気の燃焼安定性は悪化する傾向にある。この理由は、冷機始動直後では内燃機関の筒内の温度が低いことにより燃焼が不安定な状態となりやすいからである。このため、燃焼が不安定な状態を回避するために、早い時期に点火時期の遅角量を大きくすることができず、触媒の活性化に時間がかかるという課題がある。

そこで、本発明の実施形態では、内燃機関の始動後の筒内の混合気の燃焼安定性を高めると共に、混合気の燃焼安定性を高めた状態で点火時期を大きく遅角して触媒の早期活性化を図るシステムを提案するものである。

このため、本実施形態では、内燃機関の始動後の筒内温度を早期に昇温すると共に、この筒内温度の昇温が行われた後に、早い時期に点火時期の遅角を行なって排気ガスの温度を高めて触媒を活性化するようにしたものである。これによれば、内燃機関の始動後に筒内温度を早期に高めて混合気の燃焼安定性を確保し、その後に点火時期の遅角を行うので、触媒に流れる排気ガスの熱量が早い時期に増加して触媒が暖機するまでの時間を短縮でき、これによって、始動時の排気ガス有害成分を効率的に浄化することができるようになる。

本実施形態においては、始動後の筒内温度を高めるために吸気側可変バルブタイミング機構３６と、排気側可変バルブタイミング機構３７を利用している。

図３は、一般的な内燃機関における、吸気バルブ１６及び排気バルブ２６の動作特性を示している。排気バルブ２６は、下死点（ＢＤＣ）前の膨張行程後半に開き始め、上死点（ＴＤＣ）後の吸気行程前半で閉じ終わる。一方、吸気バルブ１６は、上死点（ＴＤＣ）前の排気行程後半に開き始め、下死点（ＢＤＣ）後の圧縮行程前半で閉じ終わる。

そして、排気行程と吸気行程の間の上死点（ＴＤＣ）付近では、吸気バルブ１６と排気バルブ２６が共に開いている期間があり、これはポジティブ・バルブ・オーバーラップ（以下、ＰＶＯ期間と表記する）と呼ばれている。このＰＶＯ期間は、吸気バルブ１６と排気バルブ２６が共に開いているので、燃焼室内の燃焼ガスは吸気バルブ１６と排気バルブ２６を通って自由に出入りすることができる。このため、燃焼ガスの温度は筒内温度を高めるために充分に利用されていない。

一方、図４は本実施形態で利用する吸気バルブ１６と排気バルブ２６の動作特性を示している。排気バルブ２６を排気行程の上死点（ＴＤＣ）到達前に閉じ、かつ吸気バルブ１６を上死点（ＴＤＣ）後に開くことで、排気行程において吸気バルブ１６及び排気バルブ２６が同時に閉じている期間が生成される。これはネガティブ・バルブ・オーバーラップ（以下、ＮＶＯ期間と表記する）と呼ばれている。

ＮＶＯ期間が生成されることで、排気行程中の燃焼ガスはシリンダ１４内に所定の時間に亘って閉じ込められ、更に燃焼ガスが圧縮されてガス温度が上昇する。燃焼ガスが所定時間に亘って燃焼室に残留すること、及び燃焼ガスのガス温度が上昇することで、冷却損失、すなわちシリンダ１４の壁面への伝熱量が増加し筒内温度が高くなるものである。

本実施形態では、吸気側可変バルブタイミング機構３６と、排気側可変バルブタイミング機構３７を利用して、このＮＶＯ期間を始動後に形成して筒内温度を高めるようにしているものである。尚、このＮＶＯ期間の長さは任意であり、充分な筒内温度が得られるように決められる。

以下、内燃機関の始動からの経過時間に対する筒内温度の変化、吸気バルブと排気バルブの開閉特性変化、点火時期の特性変化について、本実施形態と従来例を比較しながら説明する。尚、実線は本実施形態を示し、破線は従来例を示している。

図５において、従来の制御方法においては破線で示すように、時刻Ｔ０において内燃機関がクランキングを開始して、時刻Ｔ１で始動（完爆）が完了する。そして、時刻Ｔ０〜時刻Ｔ１までの間の点火時期は上死点（ＴＤＣ）より１０°程度だけ進角側に設定されている。

この時、吸気バルブ１６の開弁時期（ＩＶＯ）は上死点（ＴＤＣ）より進角側に設定されている。一方、排気バルブ２６の閉弁時期（ＥＶＣ）は上死点（ＴＤＣ）より遅角側に設定されている。したがって、吸気バルブ１６と排気バルブ２６の間にはＰＶＯ期間が生じることになる。このＰＶＯ期間は、時刻Ｔ０から時刻Ｔ１までの間に徐々に大きくなっている。この時、筒内温度は、温度Ｔａからさほど上昇していない。

次に、時刻Ｔ１で内燃機関が始動して時刻Ｔ２に達するまで点火時期は徐々に遅角されていき排気ガスの温度を上昇させていく。しかしながら、冷機状態の始動直後はシリンダ１４内部の温度が低く、混合気の不安定な燃焼を回避するために点火時期の遅角量は大きくせず、時刻Ｔ２において、点火時期を上死点（ＴＤＣ）より５°程度だけ遅角側の点火時期ａ（第１の遅角量に対応）に設定される。

また、排気バルブ２６閉弁時期（ＥＶＣ）は上死点（ＴＤＣ）より遅角側に設定され、吸気バルブ１６の開弁時期（ＩＶＯ）は上死点（ＴＤＣ）より進角側に設定されて所定のＰＶＯ期間が生成されることになる。このＰＶＯ期間は、内燃機関の暖機が完了するまでほぼ同じ値に設定されている。この時、シリンダ１４の筒内温度は燃焼サイクルの進行に対応して高くなっていく。つまり、回転数に対応して燃焼サイクルが実行されるので、積算回転数が大きいほど筒内温度は昇温されるようになる。

そして、時刻Ｔ４に達するまでは筒内温度が所定温度Ｔｓに達していないので、点火時期は上死点（ＴＤＣ）より遅角側の点火時期ａに維持されたままである。同様にＰＶＯ期間は、内燃機関の暖機が完了するまでほぼ同じ値に設定されている。

時刻Ｔ４で筒内温度が温度Ｔｓに達すると、点火時期は、点火時期ａから徐々に遅角されていき、時刻Ｔ５において、点火時期を上死点（ＴＤＣ）より１５〜２０°程度だけ遅角側の点火時期ｂ（第２の遅角量に対応）に設定される。したがって、時刻Ｔ４以降で実質的な触媒の昇温が行われるようになる。

このように、冷機状態の始動直後は、内燃機関の筒内の温度が低いことにより燃焼が不安定な状態となりやすい。このため、燃焼が不安定な状態を回避するために、筒内温度が温度Ｔｓに達するまでは、触媒の昇温のために大きな点火時期の遅角を行うことができず、内燃機関の排気通路の下流にある触媒の活性化に時間がかかるという課題がある。

これに対して、本実施形態においては実線で示すように、時刻Ｔ０において内燃機関がクランキングを開始して、時刻Ｔ１で始動（完爆）が完了する。そして、時刻Ｔ０〜時刻Ｔ１までの間の点火時期は上死点（ＴＤＣ）より１０°程度だけ進角側に設定されている。これは従来の制御方法と同様である。

ただ、本実施形態では排気バルブ２６の閉弁時期と吸気バルブ１６の開弁時期が従来の制御方法と異なっている。時刻Ｔ０において内燃機関がクランキングを開始して、時刻Ｔ１で始動（完爆）が完了するまでの間に、吸気バルブ１６の開弁時期（ＩＶＯ）は、吸気側可変バルブタイミング機構３６によって上死点（ＴＤＣ）を基準にして上死点（ＴＤＣ）より遅角側に向けて移行されていく。一方、排気バルブ２６の閉弁時期（ＥＶＣ）は、排気側可変バルブタイミング機構３７によって上死点（ＴＤＣ）を基準にして上死点（ＴＤＣ）より進角側に移行されていく。

そして、時刻Ｔ１においては、排気バルブ２６の閉弁時期（ＥＶＣ）は上死点（ＴＤＣ）より進角側の閉弁時期ｃに設定され、吸気バルブ１６の開弁時期（ＩＶＯ）は上死点（ＴＤＣ）より遅角側の開弁時期ｄに設定されて、所定のＮＶＯ期間が生じることになる。この時の排気バルブ２６の閉弁時期ｃと吸気バルブ１６の開弁時期ｄの位相差は４０°程度に設定されている。

このように、吸気バルブ１６と排気バルブ２６の間にはＮＶＯ期間が生成され、このＮＶＯ期間は徐々に大きく変化していくことになる。ＮＶＯ期間が生成されることによって、排気行程中の燃焼ガスはシリンダ１４内に所定時間だけ閉じ込められ、更に燃焼ガスは圧縮されてガス温度が上昇する。これによって、シリンダ１４の壁面への伝熱量が増加して筒内温度が高くなっていく。このＮＶＯ期間は、筒内温度が所定温度Ｔｓに達するまでほぼ同じように設定されている。

尚、時刻Ｔ３に達するまでは筒内温度が所定温度ＴＳに達していないので、点火時期は上死点（ＴＤＣ）より遅角側の点火時期ａ（第１の遅角量に対応）に維持されたままである。同様にＮＶＯ期間は、筒内温度が温度Ｔｓに達するまでほぼ同じ４０°の値に設定されている。

そして、時刻Ｔ３で筒内温度が所定温度Ｔｓに達すると、点火時期は、点火時期ａから徐々に遅角されていき、時刻Ｔ６において、点火時期を上死点（ＴＤＣ）より１５〜２０°程度だけ遅角側の点火時期ｂ（第２の遅角量に対応）に設定される。したがって、時刻Ｔ３以降で実質的な触媒の昇温が行われるようになる。

一方、時刻Ｔ３で筒内温度が混合気の燃焼を安定化できるまで高くなっているので、吸気バルブ１６と排気バルブ２６によるＮＶＯ期間を生成する必要がなくなる。このため、吸気側可変バルブタイミング機構３６は、時刻Ｔ３以降では徐々に吸気バルブ１６の開弁時期を進角方向に移行させて、時刻Ｔ６付近で従来と同様のポジティブ・バルブ・オーバーラップが得られるような開弁時期に設定する。同様に、排気側可変バルブタイミング機構３７は、時刻Ｔ３以降では徐々に排気バルブ２６の閉弁時期を遅角方向に移行させて、時刻Ｔ６付近で従来と同様のポジティブ・バルブ・オーバーラップが得られるような開弁時期に設定する。

尚、吸気バルブ１６の開弁時期と排気バルブ２６の閉弁時期の移行は時刻Ｔ６に必ずしも合わせる必要はない。場合によっては、時刻Ｔ３で、すぐにポジティブ・バルブ・オーバーラップが得られるような開弁時期に設定することも可能である。

このように、本実施形態では、ＮＶＯ期間を設けることにより、シリンダ１４内のガス温度が上昇し、シリンダ壁面への伝熱量が増加し、早期に筒内が昇温され、燃焼が不安定になる危険性が軽減する。このため、早期に点火時期を大きく遅角させることができ、排気ガスの温度を上昇させて触媒が活性するまでの時間が短縮されるので、始動時の排気ガス有害成分を低減することができるようになる。

次に、上述した点火時期とバルブ開閉時期の制御を行なう制御方法を図６に示す制御フローによって説明する。

まず、ステップＳ１０で運転者の操作によってイグニッションキーがオンになると、ステップＳ１１へ進み、制御ユニット（ＥＣＵ）１９に電源が供給され、制御ユニット（ＥＣＵ）１９が起動される。次に、ステップＳ１２で運転者の操作によってスタータスイッチがオンになり、スタータの回転によってクランキングが開始され、その後にステップＳ１３で始動制御が実行される。これによって、始動に適した燃料制御や点火制御が実行される。

スタータによって始動が行われ、ステップＳ１４において、内燃機関１０が冷機状態にあるかの判定が行われる。制御ユニット（ＥＣＵ）１９は油温や水温に基づいて、内燃機関１０が冷機状態にあるか否かを判定する。

ステップＳ１４で内燃機関が暖機完了状態と判定されるとエンドに抜けてこの制御フローを終了して次の起動タイミングを待つことになる。一方、内燃機関が冷機状態にあると判定された場合、筒内昇温制御機能部ＣｙｌＴｕｐによる制御を実行する。筒内昇温制御機能部ＣｙｌＴｕｐは、ステップＳ１５、Ｓ１６、Ｓ１７から構成されている。この筒内昇温制御機能部ＣｙｌＴｕｐは、図５の時刻Ｔ０〜時刻Ｔ３までの点火制御とバルブ開閉時期制御である。

ステップＳ１５においては、内燃機関がクランキングを開始して、時刻Ｔ１で始動（完爆）が完了するまでの間に、排気バルブ２６の閉弁時期（ＥＶＣ）が、排気側可変バルブタイミング機構３７によって上死点（ＴＤＣ）を基準にして上死点（ＴＤＣ）より進角側に移行されていく。

また、ステップＳ１６においては、吸気バルブ１６の開弁時期（ＩＶＯ）が、吸気側可変バルブタイミング機構３６によって上死点（ＴＤＣ）を基準にして上死点（ＴＤＣ）より遅角側に向けて移行されていく。

また、ステップＳ１７においては、時刻Ｔ０で内燃機関がクランキングを開始して、時刻Ｔ１で始動（完爆）が完了するが、時刻Ｔ０〜時刻Ｔ１までの間の点火時期は上死点（ＴＤＣ）より進角側に設定されている。

以上の処理が終了すると、ステップＳ１８では内燃機関が完爆したかどうかを判定している。この判定時期は図５の時刻Ｔ１に対応している。ステップＳ１８で完爆していないと判定されると、再びステップＳ１３〜Ｓ１７の制御ステップを繰り返すものである。

これによって時刻Ｔ０〜時刻Ｔ１までの吸気バルブ１６の開弁時期、排気バルブ２６の閉弁時期、及び点火時期が、図５の時刻Ｔ０〜Ｔ１の間の特性に制御される。尚、時刻Ｔ１においては、排気バルブ２６の閉弁時期（ＥＶＣ）は上死点（ＴＤＣ）より進角側の閉弁時期ｃに設定され、吸気バルブ１６の開弁時期（ＩＶＯ）は上死点（ＴＤＣ）より遅角側の開弁時期ｄに設定されて所定のＮＶＯ期間が生成されることになる。

このように、吸気バルブ１６と排気バルブ２６の間にはＮＶＯ期間が生成され、このＮＶＯ期間は徐々に大きく変化していくことになる。ＮＶＯ期間が生成されることによって、排気行程中の燃焼ガスはシリンダ１４内に所定時間だけ閉じ込められ、更に燃焼ガスは圧縮されガス温度が上昇する。これによって、シリンダ１４の壁面への伝熱量が増加して筒内温度が高くなっていく。

尚、図５においては、クランキングＴ０から完爆Ｔ１の間もＮＶＯ期間を生成しているが、クランキングＴ０から完爆Ｔ１の間をＰＶＯ期間とすることもできる。このように完爆Ｔ１までは、ＮＶＯ期間のピストンによる圧縮動作（ピストンの上昇を阻害する作用を行う）をなくすことで、内燃機関の回転数の立ち上がりを円滑にでき、完爆Ｔ１迄の時間も短縮することができる。この場合、図６のステップＳ１８は、ステップＳ１３とステップＳ１４の間に置き換えれば良いものである。

次に、ステップＳ１８で内燃機関が完爆したと判定するとステップＳ１９に進み、ステップＳ１９では筒内温度が所定温度Ｔｓに達したかどうかが判定される。このステップＳ１９で、所定温度Ｔｓに達していないと判定されると、再びステップＳ１５〜Ｓ１７の制御ステップを繰り返すものである。この時の排気バルブ２６の閉弁時期（ＥＶＣ）は閉弁時期ｃに設定され、吸気バルブ１６の開弁時期（ＩＶＯ）は開弁時期ｄに設定されて所定のＮＶＯ期間が生じている。一方、点火時期は、時刻Ｔ１での点火時期から比較的小さい遅角量である点火時期ａまで遅角されている。

次にステップＳ１９で、時刻Ｔ３で所定温度Ｔｓに達していると判定されると、触媒昇温制御機能部ＣａｔＴｕｐによる制御を実行する。触媒昇温制御機能部ＣａｔＴｕｐは、ステップＳ２０、Ｓ２１、Ｓ２２から構成されている。この触媒昇温制御機能部ＣａｔＴｕｐは、図５の時刻Ｔ３〜時刻Ｔ６までの点火制御とバルブ開閉時期制御である。

時刻Ｔ３においては、筒内温度がすでに所定温度Ｔｓに達しているので、筒内昇温制御機能部ＣｙｌＴｕｐを実行する必要がない。したがって、ステップＳ２０においては、排気バルブ２６の閉弁時期（ＥＶＣ）が、排気側可変バルブタイミング機構３７によって上死点（ＴＤＣ）を基準にして上死点（ＴＤＣ）より遅角側に移行されていく。同様に、ステップＳ２１においては、吸気バルブ１６の開弁時期（ＩＶＯ）が、吸気側可変バルブタイミング機構３６によって上死点（ＴＤＣ）を基準にして上死点（ＴＤＣ）より進角側に向けて移行されていく。そして、時刻Ｔ６においてＰＶＯ期間が生成されるように、吸気バルブ１６の開弁時期と排気バルブ２６の閉弁時期が重なるように制御される。つまり、従来と同様のポジティブ・バルブ・オーバーラップが得られるような開弁時期に設定される。

また、ステップＳ２２においては、時刻Ｔ３〜時刻Ｔ６の間で徐々に点火時期の遅角量が大きくなっていき、時刻Ｔ６で最大の遅角量である点火時期ｂに制御される。これによって排気ガスの温度が高くなり、効果的に触媒の早期暖機を行うことができるようになる。

次に、ステップＳ２３においては、触媒温度等に基づき触媒の活性が完了したか否かを判定している。ステップＳ２３で触媒の暖機が完了していないと判定された場合は、再びステップＳ２０〜Ｓ２３の制御ステップを繰り返し実行して触媒の温度を高くしていくものである。一方、ステップＳ２３で触媒の暖機が完了していると判定された場合は、通常制御Ｎｃｎｔを実行する。

通常制御Ｎｃｎｔは、ステップＳ２４、Ｓ２５、Ｓ２６から構成されている。ステップＳ２４、ステップＳ２５においては、内燃機関の運転状態、負荷状態に対応して適切な吸気バルブ１６及び排気バルブ２６の開閉特性を演算して、吸気側可変バルブタイミング機構３６及び排気側可変バルブタイミング機構３７を制御する。また、ステップＳ２６においては、内燃機関の運転状態、負荷状態に対応して適切な点火時期を演算して、点火コイル２４と点火プラグ２５の間に配置されている点火制御器を制御する。これ以降は通常の制御であるので説明は省略する。

以上が、筒内昇温制御機能部ＣｙｌＴｕｐと触媒昇温制御機能部ＣａｔＴｕｐを備えた制御装置の構成とその動作である。次に、始動時の燃料噴射制御を簡単に説明する。

図７には、筒内昇温制御機能部ＣｙｌＴｕｐを実行している時の吸気バルブ１６と排気バルブ２６の開閉時期と燃料噴射弁２３の噴射時期の関係を示している。

図７に示す（ａ）は、燃料噴射弁２３から噴射される燃料噴射時期を示し、（ｂ）は排気バルブ２６と吸気バルブ１６の開閉特性を示し、（ｃ）はピストン位置特性を示している。この図からわかるように、燃料噴射弁２３から噴射される燃料は２回に分割して噴射されており、先行する燃料噴射時期はＮＶＯ期間に設定され。後続の燃料噴射時期は吸気行程の前半に設定されている。尚、燃料は全ての燃料を同時にＮＶＯ期間で噴射することも可能である。

上述した通り、筒内温度は、ＮＶＯ期間を設けたことによる筒内昇温効果で筒内が急速に昇温されている。この急速に昇温された筒内に、1つの燃焼サイクルに必要な燃料量の全量、または一部の量が噴射されている。このため、昇温された筒内に噴射された燃料は、霧化が促進され且つ均質な混合気が生成されるので、燃焼が不安定になる危険性が更に軽減される。

ここで、図７に示す燃料噴射時期では、ＮＯＶ期間で1回、吸気行程の前半で1回の割合で燃料を噴射しているが、筒内の燃料付着を低減する目的で、ＮＯＶ期間に２回以上の燃料噴射を実行しても良いものである。この場合、上死点に近い時期に噴射される燃料の量は、上死点から遠い時期に噴射される燃料の量より少なく設定されている。つまり、上死点に近い時期に噴射される燃料の量を多くすると、燃料がピストン冠面に付着してＰＭ成分が増加する恐れがあるからである。上死点から遠い時期に噴射される燃料の量を多くすると、燃料がピストン冠面に付着する割合が低減され、良好な霧化状態を得ることができる。また、当然であるが、ＮＶＯ期間中に燃料を噴射した後に点火時期が遅角されて点火が実行されるものである。

尚、上記実施形態では吸気側可変バルブタイミング機構及び排気側可変バルブタイミング機構によってＮＶＯ期間を形成していたが、吸気側可変バルブタイミング機構或いは排気側可変バルブタイミング機構のどちらか一方でＮＶＯ期間を形成できる場合は、この方式にすることも可能である。このようにすると製造コスト、重量低減が図れる効果がある。

以上述べた通り、本発明は、内燃機関の始動後の筒内温度を早期に昇温すると共に、この筒内の昇温が行われた後に、点火時期の遅角を早期に行って排気ガスの温度を高めて触媒を活性化するものである。これよれば、内燃機関の始動後に筒内温度を早期に高めて混合気の燃焼安定性を確保して点火時期の遅角を行うので、触媒に流れる排気ガスの熱量が早い時期に増加して触媒が暖機するまでの時間を短縮できるので、始動時の排気ガス有害成分を効率的に浄化することができる。

尚、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。

１０…内燃機関、１１…エアクリーナ、１２…エアフロセンサ、１３…電制スロットル弁、１４…シリンダ（気筒）、１５…吸気管、１６…吸気バルブ、１７…燃焼室、１８…ピストン、１９…制御ユニット、２０…スルットルセンサ、２１…高圧燃料ポンプ、２２…コモンレール、２３…燃料噴射弁、２４…点火コイル、２５…点火プラグ、２６…排気バルブ、２７…排気管、２９…触媒、３３…クランク軸、３４…クランク角センサ、３６…吸気側可変バルブタイミング機構、３７…排気側可変バルブタイミング機構、４１…Ｉ／Ｏ用ＬＳＩ、４２…ＣＰＵ、ＣｙｌＴｕｐ…筒内昇温制御機能部、ＣａｔＴｕｐ…触媒昇温制御機能部。

Claims (5)

1. 排気通路に設けられた排気ガス浄化触媒と、燃焼室の筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射手段と、前記燃焼室内の混合気に対して点火を行なう点火手段と、吸気バルブ及び排気バルブの少なくとも一方の開閉時期を制御する可変バルブタイミング機構とを備えた内燃機関に使用され、前記内燃機関の運転状態に対応して前記燃料噴射手段、前記点火手段、及び前記可変バルブタイミング機構を制御する制御手段を備えた内燃機関の制御装置において、
   前記制御手段は、前記内燃機関の始動時に前記筒内の温度を高める筒内昇温制御機能部を備えると共に、前記筒内昇温制御機能部によって前記筒内の温度が所定温度に達すると、前記点火手段の点火時期の遅角量を大きくする制御信号を前記点火手段に送って前記排気ガス浄化触媒の温度を高める触媒昇温制御機能部を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記筒内昇温制御機能部は、排気行程と吸気行程の間で、前記排気バルブと前記吸気バルブが共に閉じているネガティブ・バルブ・オーバーラップ期間を生成するように前記可変バルブタイミング機構を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
3. 請求項２に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記筒内昇温制御機能部は、前記筒内の温度が所定温度に達すると、前記排気行程と前記吸気行程の間で、前記排気バルブと前記吸気バルブが共に開いているポジティブ・バルブ・オーバーラップ期間を生成するように前記可変バルブタイミング機構を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
4. 請求項２に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記制御手段は、前記ネガティブ・バルブ・オーバーラップ期間の間に、１燃焼サイクルに必要な燃料の全量または一部の量を前記筒内に噴射するように前記燃料噴射手段を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
5. 排気通路に設けられた排気ガス浄化触媒と、燃焼室の筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射手段と、前記燃焼室内の混合気に対して点火を行なう点火手段と、吸気バルブ及び排気バルブの少なくとも一方の開閉時期を制御する可変バルブタイミング機構とを備えた内燃機関において、
   前記内燃機関の始動時に、前記可変バルブタイミング機構によって排気行程と吸気行程の間で前記排気バルブと前記吸気バルブが共に閉じているネガティブ・バルブ・オーバーラップ期間を生成すると共に、前記点火手段の点火時期を第１の遅角量に設定し、
   前記筒内の温度が所定温度に達すると、前記点火手段の点火時期の遅角量を前記第１の遅角量より大きい第２の遅角量に設定すると共に、前記可変バルブタイミング機構によって前記排気行程と前記吸気行程の間で前記排気バルブと前記吸気バルブが共に開いているポジティブ・バルブ・オーバーラップ期間を生成する
   ことを特徴とする排気ガス浄化触媒の暖機方法。

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