JP5907313B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に関する。

内燃機関の機関排気通路に排気浄化触媒を配置し、排気ガスに含まれる一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）または窒素酸化物（ＮＯ_X）等の成分を浄化することが知られている。排気浄化触媒は、排気ガスの成分を高効率で浄化することが可能になる活性化温度を有する。内燃機関を長期間停止した後に始動した直後等には、排気浄化触媒は活性化温度未満であり、早期に排気浄化触媒を活性化温度以上に昇温することが好ましい。

特開平１１−３２４７６５号公報には、始動時から排気浄化触媒が活性化するまでの期間に排気浄化触媒を暖機する直噴火花点火式の内燃機関が開示されている。この内燃機関においては、混合気の空燃比をストイキに制御して燃焼させる際に、吸気行程にて燃料噴射することにより燃焼室内全体にストイキよりもリーンな均質混合気を形成する。そして、圧縮行程中の燃料噴射により点火栓周りにストイキよりも比較的リッチな混合気を層状に形成して燃焼させている。この内燃機関は、既燃ガス中に含まれる酸化反応し易いＣＯ割合を増大でき、ＨＣ割合を下げることができることが開示されている。また、点火時期を遅角側に設定することが開示されている。

特開２００１−１８２５８６号公報においては、排気ガスの昇温が要求される時に、点火プラグの周りにリッチ混合気を局所的に生成する量の燃料を圧縮行程で噴射する排気昇温装置が開示されている。排気昇温装置は、燃料が点火により燃焼すると、不完全燃焼を起こした一部の燃料が筒内の余剰酸素と混合し燃焼するようにエンジン制御パラメータを制御する。この排気昇温装置では、燃焼室内の全体空燃比が理論空燃比よりも若干リーンの空燃比となるように燃料噴射弁を制御することが開示されている。

特開２００４−１２４８２４号公報においては、二次空気供給装置を備える内燃機関において、排気ポートの温度が所定温度以上になるまでは二次空気の供給を禁止して、排気ポートが二次空気で冷却されることを抑制することが開示されている。また、この公報には、内燃機関の始動後にすぐに二次空気を供給すると、二次空気の温度が低いために、排気中の一酸化炭素や炭化水素の後燃え反応が行われず、排気ポートを低温の二次空気で冷却してしまうことが開示されている。

特開平１１−３２４７６５号公報 特開２００１−１８２５８６号公報 特開２００４−１２４８２４号公報 特開２００８−０８８８７５号公報 特開２００４−０５２６０２号公報 特開２０１０−０５９７９１号公報 特開２００９−０２４６８２号公報 特開２００４−３３２５５８号公報 特開２０１１−０９９３８１号公報

内燃機関の始動時等に排気浄化触媒を暖機する場合には、気筒内に直接的に燃料を噴射し、燃焼室の空燃比がリーンの状態にて成層燃焼を生じさせて、点火時期を遅角することにより、排気ガスの温度を上昇させることができる。または、燃焼室の空燃比がリッチの状態にて二次空気供給装置により排気ガスに酸素を供給し、排気ガスに含まれる未燃の炭化水素等を酸化し、排気ガスの温度を上昇させることができる。排気ガスの温度を上昇させることにより、排気浄化触媒を短時間で昇温することができる。

ところで、従来から大気中に放出される排気ガスの性状の向上が要望されている。換言すると、排気ガスに含まれる炭化水素、一酸化炭素および窒素酸化物等の浄化すべき成分の大気中への放出量を低減することが望まれている。排気浄化触媒の温度が十分に上昇して活性化温度以上になった場合には、排気浄化触媒にて十分に炭化水素や窒素酸化物等を浄化することができる。すなわち、高い浄化率を達成することができる。しかしながら、内燃機関の冷間始動の直後等には、排気を浄化する能力が低くて炭化水素等の排出量が多くなる。このために、特に、排気浄化触媒を暖機している期間中に大気中に放出される炭化水素等の量を減少することが望まれている。ここで、上記の成層燃焼を生じさせて点火時期を大幅に遅角する制御、または、上記の二次空気供給装置により排気ガスに酸素を供給する制御では、排気浄化触媒の暖機を促進して浄化すべき成分の放出量を低減することができるが、近年では更に浄化すべき成分の放出量を低減することが望まれている。

本発明は、排気浄化触媒および二次空気供給装置を備える内燃機関において、排気浄化触媒を短時間で昇温し、排気ガスに含まれる浄化すべき成分の放出量を低減することを目的とする。

本発明の内燃機関は、燃焼室の内部に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁と、機関排気通路に配置されている排気浄化触媒と、排気浄化触媒よりも上流側の機関排気通路に空気を供給する二次空気供給装置と、筒内燃料噴射弁および二次空気供給装置を制御する制御装置とを備え、制御装置は、排気浄化触媒の温度上昇を促進する第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を実施可能に形成されている。第１の触媒暖機制御は、圧縮行程において筒内燃料噴射弁から燃料を噴射して、燃焼室の一部分の燃料濃度が上昇した高濃度領域および高濃度領域よりも燃料の濃度が低い低濃度領域を形成する制御と、点火時期を遅角して燃焼室から流出する排気ガスの温度を上昇させる制御とを含む。第２の触媒暖機制御は、機関排気通路に空気を供給して排気ガスに含まれる成分を酸化させて排気ガスの温度を上昇させる制御を含む。制御装置は、内燃機関の始動後に第１の触媒暖機制御を実施し、第１の触媒暖機制御の実施後に第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御を行う。

上記発明においては、燃焼室において燃料と空気との混合気を点火する点火装置を備え、第１の触媒暖機制御は、燃焼室の全体の空燃比がリーンになり、高濃度領域の空燃比がリッチになる第１の成層状態を形成する制御を含み、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御は、燃焼室の全体の空燃比がリッチになり、第１の成層状態よりも成層度の弱い第２の成層状態を形成する制御を含むことができる。

上記発明においては、吸気弁の作用角を変更する作用角変更機構を備え、制御装置は、第１の触媒暖機制御から第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御に切替えると共に、吸気弁の作用角を減少させる制御を行うことができる。

上記発明においては、制御装置は、内燃機関の始動後の負荷が一定の期間中に、第１の触媒暖機制御から第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御に切替えることができる。

上記発明においては、制御装置は、第１の触媒暖機制御から第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御に切替えると共に、圧縮行程において筒内燃料噴射弁から噴射する燃料の量を減少させる制御を行うことができる。

上記発明においては、筒内燃料噴射弁の噴射圧力を変更する噴射圧力変更装置を備え、制御装置は、筒内燃料噴射弁の噴射圧力を低下させることにより、圧縮行程において筒内燃料噴射弁から噴射する燃料の量を減少させる制御を行うことができる。

上記発明においては、制御装置は、第１の触媒暖機制御から第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御に切り替えるときには、筒内燃料噴射弁の圧縮行程における噴射時期を進角させることができる。

本発明によれば、排気浄化触媒および二次空気供給装置を備える内燃機関において、排気浄化触媒を短時間で昇温し、排気ガスに含まれる浄化すべき成分の放出量を低減することができる。

実施の形態における内燃機関の概略図である。 無負荷時の暖機制御を実施しているときの燃焼室の概略断面図である。 第１の触媒暖機制御を実施しているときの燃焼室の概略断面図である。 第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施しているときの燃焼室の概略断面図である。 実施の形態１における内燃機関の始動時のタイムチャートである。 実施の形態１における内燃機関の始動時のフローチャートである。 実施の形態２における作用角変更機構を説明する吸気弁および排気弁の部分の概略断面図である。 作用角変更機構の概略斜視図である。 実施の形態２におけるクランク角度とバルブリフト量とのグラフである。 通常の作用角にて吸気弁を駆動したときの燃焼室の概略断面図である。 作用角を減少して吸気弁を駆動したときの燃焼室の概略断面図である。 吸気弁の作用角を変化させたときの燃焼変動率を説明するグラフである。 実施の形態２において燃料の噴射時期を進角した場合の燃焼室の概略断面図である。 実施の形態２において燃料の噴射時期を進角した場合の燃焼室の他の概略断面図である。 実施の形態２における内燃機関の始動時のタイムチャートである。

（実施の形態１）
図１から図６を参照して、実施の形態１における内燃機関について説明する。本実施の形態においては、車両に配置されている内燃機関を例に取り上げて説明する。

図１は、本実施の形態における内燃機関の概略図である。本実施の形態における内燃機関は、火花点火式である。内燃機関は、機関本体１を備える。機関本体１は、シリンダブロック２とシリンダヘッド４とを含む。シリンダブロック２の内部には、ピストン３が配置されている。ピストン３は、シリンダブロック２に形成された穴部の内部で往復運動する。

本実施の形態においては、ピストン３の冠面、シリンダヘッド４およびシリンダブロック２の穴部により囲まれる空間を燃焼室と称する。燃焼室５は、それぞれの気筒ごとに形成されている。燃焼室５には、機関吸気通路および機関排気通路が接続されている。機関吸気通路は、燃焼室５に空気または燃料と空気との混合気を供給するための通路である。機関排気通路は、燃料の燃焼により生じた排気ガスを燃焼室５から排出するための通路である。

シリンダヘッド４には、吸気ポート７および排気ポート９が形成されている。吸気弁６は吸気ポート７の端部に配置され、燃焼室５に連通する機関吸気通路を開閉可能に形成されている。排気弁８は、排気ポート９の端部に配置され、燃焼室５に連通する機関排気通路を開閉可能に形成されている。シリンダヘッド４には、点火装置としての点火プラグ１０が固定されている。

本実施の形態における内燃機関は、燃焼室５の内部に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁としての燃料噴射弁１１を備える。燃料噴射弁１１は、直接的に気筒内に燃料を噴射する。本実施の形態の内燃機関は、燃料タンク８１に貯蔵されている燃料を燃料噴射弁１１に供給する低圧ポンプ８２および高圧ポンプ８３を備える。ピストン３の頂面には、燃料噴射弁１１の下方から点火プラグ１０の下方まで延びるキャビティ３ａが形成されている。圧縮行程において燃料噴射弁１１から燃料を噴射することにより、キャビティ３ａに沿って燃料を含む混合気が流動する。燃料が点火プラグ１０の近傍に集まって燃料濃度を高めることができる。たとえば、所定の時期に燃料を噴射することにより、点火プラグ１０の周りに燃料が集まって燃焼室５の一部分の燃料濃度が上昇した高濃度領域が形成される。高濃度領域の周りに高濃度領域よりも燃料の濃度が低い低濃度領域が形成される。すなわち、成層度を高めて成層燃焼を実施することができる。

各気筒の吸気ポート７は、対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結されている。サージタンク１４は、吸気ダクト１５を介してエアクリーナ２３に連結されている。吸気ダクト１５の内部には、燃焼室５に供給する空気量を検出する吸入空気量検出器としてのエアフローメータ１６が配置されている。吸気ダクト１５の内部には、ステップモータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置されている。

一方、各気筒の排気ポート９は、排気マニホールド１９に連結されている。排気マニホールド１９は、排気管２２を介して排気処理装置２１に連結されている。本実施の形態における排気処理装置２１は、排気浄化触媒２０を含む。排気浄化触媒２０としては、所定の浄化率を達成するための活性化温度を有する任意の触媒を採用することができる。たとえば三元触媒、酸化触媒、またはＮＯ_X浄化触媒等の触媒を採用することができる。

本実施の形態における内燃機関は、制御装置として機能する電子制御ユニット３１を備える。本実施の形態における電子制御ユニット３１は、デジタルコンピュータを含む。電子制御ユニット３１は、双方向バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６および出力ポート３７を含む。

エアフローメータ１６の出力信号は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。アクセルペダル４０には、負荷センサ４１が接続されている。負荷センサ４１は、アクセルペダル４０の踏込量に比例した出力電圧を発生する。この出力電圧は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

クランク角センサ４２は、例えば、クランクシャフトが所定の角度を回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスは入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４２の出力により、機関回転数を検出することができる。また、クランク角センサ４２の出力により、任意の時刻におけるクランク角度を検出することができる。

燃焼室５にて燃焼した気体を含み、排気処理装置２１より上流の機関排気通路等に供給された気体において、空気および燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）と称すると、機関排気通路には、排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ４４が取り付けられている。また、排気浄化触媒２０の上流には、排気ガスの温度を検出する温度センサ４３が配置されている。これらの空燃比センサ４４の出力および温度センサ４３の出力は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

電子制御ユニット３１の出力ポート３７は、それぞれの対応する駆動回路３９を介して燃料噴射弁１１および点火プラグ１０に接続されている。また、電子制御ユニット３１の出力ポート３７は、対応する駆動回路３９を介して低圧ポンプ８２および高圧ポンプ８３に接続されている。本実施の形態における電子制御ユニット３１は、燃料噴射制御や点火制御を行うように形成されている。

本実施の形態においては、燃料噴射弁１１から燃料を噴射する時期および燃料の噴射量が電子制御ユニット３１により制御される。燃料の噴射量は、たとえば燃料噴射弁１１の開弁している時間長さを変更することにより調整することができる。点火プラグ１０の点火時期は、電子制御ユニット３１により制御されている。また、出力ポート３７は、対応する駆動回路３９を介して、スロットル弁１８を駆動するステップモータ１７に接続されている。ステップモータ１７は、電子制御ユニット３１により制御されている。

本実施の形態の内燃機関は、排気浄化触媒２０よりも上流側の機関排気通路に空気を供給する二次空気供給装置２５を備える。二次空気供給装置２５は、吸気ダクト１５と排気マニホールド１９とを接続する二次空気供給通路２６を含む。二次空気供給通路２６は、吸気ダクト１５において、エアクリーナ２３の下流側およびエアフローメータ１６の上流側に接続されている。また、二次空気供給装置２５は、電気モータ駆動式のエアポンプ２７およびエアスイッチングバルブ（ＡＳＶ）２８を含む。エアポンプ２７は、吸気ダクト１５の内部の空気を加圧して排気マニホールド１９に供給する。また、二次空気供給通路２６には、空気の逆流を防止するための逆止弁２９が配置されている。エアポンプ２７とエアスイッチングバルブ２８との間には二次空気供給通路２６内の圧力を検出する圧力検出器としての圧力センサ３０が配置されている。

圧力センサ３０の出力は、電子制御ユニット３１に入力される。また、電子制御ユニット３１の出力ポート３７は、対応する駆動回路３９を介してエアポンプ２７およびエアスイッチングバルブ２８に接続されている。このように、二次空気供給装置２５は、電子制御ユニット３１に制御されている。

本実施の形態における二次空気供給装置２５は、内燃機関の冷間始動時等に排気浄化触媒２０が十分に昇温していない状況にて用いられる。二次空気供給装置２５を始動する条件が成立すると機関排気通路に二次空気（ＡＩ）が供給される。本実施の形態においては、エアスイッチングバルブ２８が開かれると共にエアポンプ２７が駆動する。エアクリーナ２３を通過した空気の一部が二次空気供給通路２６を通って排気マニホールド１９内に供給される。排気マニホールド１９を流れる排気ガスに酸素が供給される。

燃焼室５から流出する排気ガスには、未燃の炭化水素や一酸化炭素が含まれる。燃焼室５から流出する排気ガスは高温であり、二次空気供給装置により酸素を供給することにより、未燃の炭化水素や一酸化炭素を酸化させることができる。このときの酸化熱により排気ガスの温度を上昇させることができる。高温の排気ガスを排気浄化触媒２０に供給することができて、排気浄化触媒２０の昇温を促進することができる。

または、排気浄化触媒２０が酸化機能を有する場合には、排気ガスに空気を供給することにより排気ガスの空燃比をリーンにして排気浄化触媒２０に供給することができる。排気浄化触媒２０において未燃の炭化水素および一酸化炭素を酸化することができて、排気浄化触媒２０の昇温を促進することができる。

本実施の形態における内燃機関は、排気浄化触媒の暖機および機関本体の暖機等の内燃機関の暖機が終了した後の通常運転時には、燃焼時の空燃比が理論空燃比になるように制御する。本実施の形態における内燃機関の制御装置は、冷間始動時等の排気浄化触媒２０が活性化温度未満の場合に、排気浄化触媒２０の温度上昇を促進する触媒暖機制御を実施する。触媒暖機制御は、第１の触媒暖機制御と第２の触媒暖機制御とを含む。また、本実施の形態の内燃機関の制御装置は、第１の触媒暖機制御と第２の触媒暖機制御との両方を同時に実施する制御を行う。特に、本実施の形態の制御装置は、無負荷時の暖機制御と、第１の触媒暖機制御と、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御とをこの順に実施する。本実施の形態においては、要求負荷が零のアイドリング状態の期間中に、これらの制御を実施している。次に、本実施の形態における触媒暖機制御について説明する。

図２に、無負荷時の暖機制御を行っているときの燃焼室５の概略断面図を示す。本実施の形態においては、内燃機関の始動と共に無負荷時の暖機制御を開始する。無負荷時の暖機制御では、燃焼室５における混合気の濃度が均一になる均質状態にて点火する。すなわち、燃焼室５において均質燃焼を実施する。内燃機関の燃焼サイクルには、吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程が含まれる。本実施の形態においては、吸気行程において燃料噴射弁１１から燃料を噴射し、圧縮行程における燃料の噴射を停止することにより均質状態を形成する。燃料噴射弁１１は、燃焼室５の全体の空燃比が弱リッチになるように燃料を供給する。この場合に、二次空気供給装置２５は停止し、点火時期を大幅に遅角する制御は停止している。

図３に、第１の触媒暖機制御を行っているときの燃焼室５の概略断面図を示す。本実施の形態においては予め定められた時間の経過後に無負荷時の暖機制御から第１の触媒暖機制御に切替える。第１の触媒暖機制御は、燃焼室５において成層燃焼を実施する制御である。第１の触媒暖機制御は、燃焼室５全体の空燃比がリッチになる成層燃焼を実施する制御、または燃焼室５全体の空燃比がリーンになる成層燃焼を実施する制御を含む。第１の触媒暖機制御では、燃焼サイクルの圧縮行程において燃料噴射弁１１から燃料を噴射する。点火プラグ１０の周りに燃料が集まる時期に燃料を噴射する。点火プラグ１０の周りの燃料濃度が上昇し、燃料濃度が高い高濃度領域７５ａと高濃度領域７５ａよりも燃料濃度が低い低濃度領域７５ｂが形成される。燃料噴射弁１１は、圧縮行程に加えて吸気行程においても燃料を噴射する。この場合に、燃料噴射弁１１は、燃焼室５全体の空燃比がリーンになる（空燃比が理論空燃比よりも大きくなる）ように燃料を噴射する。燃焼室５全体の空燃比は、燃焼室５の混合気を均質にしたときの平均的な空燃比に相当にする。高濃度領域７５ａの空燃比はリッチである（理論空燃比よりも小さい空燃比である）。低濃度領域７５ｂの空燃比はリーンになる。このように、成層状態を形成して点火を行う。すなわち燃焼室５において成層燃焼を行う。

燃焼室５において成層燃焼を行うことにより、点火可能な期間が長くなり、点火時期を大幅に遅らせることが可能になる。第１の触媒暖機制御では、点火時期を大幅に遅角させる制御を行う。たとえば、本実施の形態の無負荷時の暖機制御を行っている時、または、内燃機関の暖機が終了した後のアイドリング状態よりも点火時期を大幅に遅角する制御を行う。点火時期は、たとえば圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）１０°以上２０°以下の範囲に設定することができる。このように大幅に点火時期を遅角する制御を行うことにより、燃焼室５から流出する排気ガスの温度を大幅に上昇させることができる。また、無負荷時の暖機制御から第１の触媒暖機制御を切替える時には、機関回転数がほぼ一定に維持されることが好ましい。ここで、点火時期を大幅に遅角すると機関回転数が減少する。このために、第１の触媒暖機制御では点火時期の遅角とともに吸入空気量を増大させる制御を行っている。

第２の触媒暖機制御は、排気浄化触媒よりも上流側の機関排気通路に空気を供給する制御である。第２の触媒暖機制御は、機関排気通路に空気を供給することにより、排気ガスに含まれる成分を酸化させて排気ガスの温度を上昇させる制御を含む。すなわち、第２の触媒暖機制御は、二次空気供給装置２５を駆動する制御を含む。

図４に、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御を行っているときの燃焼室５の概略断面図を示す。本実施の形態においては予め定められた時間の経過後に第１の触媒暖機制御から第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御に切替える。第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御では、燃焼室５において成層燃焼を実施して点火時期を大幅に遅角する制御と、機関排気通路に二次空気を供給する制御とを同時に行う。二次空気供給装置２５を駆動することにより、排気マニホールド１９に空気を供給することができる。排気ガスに含まれる一酸化炭素や炭化水素を酸化させることができて、排気ガスの温度を上昇させることができる。

第２の触媒暖機制御を実施する場合には、燃焼室５から流出する排気ガスの空燃比がリッチであることが好ましい。燃焼室５から流出する排気ガスに、多くの未燃の炭化水素や一酸化炭素が含まれていると、機関排気通路において未燃の炭化水素や一酸化炭素の酸化量を多くすることができて、排気ガスの温度を効果的に上昇させることができる。本実施の形態における第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御では、燃焼室５全体の空燃比がリッチになるように制御する。すなわち燃焼室５から流出する排気ガスの空燃比がリッチになるように制御する。

二次空気を供給する制御に加えて、点火時期を大幅に遅角する制御を行う場合には成層燃焼を行う。ところが、燃焼室５全体の空燃比がリッチである期間中に、第１の触媒暖機制御と同様の量の燃料を圧縮行程において噴射すると、点火プラグ１０の周りの混合気の濃度が高くなりすぎて失火してしまう虞がある。すなわち、燃焼室５全体の空燃比がリッチであり、点火プラグ１０の周りに強い成層状態を形成するとリッチ度合いが高くなりすぎて燃料の燃焼が不安定になる。

発明者らは、燃焼室５全体の空燃比がリッチの状態である時に、圧縮行程において噴射する燃料を制限し、点火プラグ１０の周りの成層度を弱くすることにより、点火時期を大幅に遅角できることを見出した。すなわち、点火プラグ１０の周りにおいて弱成層状態を形成することにより大幅に点火時期を遅角することを見出した。

第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御では、燃焼室５において、点火プラグ１０の周りに高濃度領域７６ａが形成され、高濃度領域７６ａの外側に低濃度領域７６ｂが形成される。低濃度領域７６ｂおよび高濃度領域７６ａの空燃比はリッチになる。ここで、燃焼室５における成層度は、第１の触媒暖機制御における成層度よりも弱い。たとえば、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御における高濃度領域７６ａの空燃比と低濃度領域７６ｂの空燃比との差は、第１の触媒暖機制御における高濃度領域７５ａの空燃比と低濃度領域７５ｂの空燃比との差よりも小さい。第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御では、圧縮行程における燃料の噴射量を第１の触媒暖機制御よりも少なくすることにより、第１の触媒暖機制御よりも成層度を弱くすることができる。

第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御では、燃焼室５全体における空燃比がリッチになるように燃料を噴射する。吸気行程において燃料噴射弁１１から燃料を噴射し、更に、圧縮行程において燃料噴射弁１１から燃料を噴射する。ここで、圧縮行程における燃料の噴射は、点火プラグ１０の周りに弱成層状態が形成される時期および噴射量にて行う。

このように、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御では、弱成層状態を形成することにより、点火時期を大幅に遅角して、燃焼室５から流出する排気ガスの温度を上昇させることができる。更に、二次空気供給装置２５にて排気ガスに酸素を供給することにより、燃焼室５から流出する一酸化炭素や未燃の炭化水素の酸化反応を生じさせて排気ガスの温度を上昇させることができる。燃焼室５から流出する排気ガスの空燃比はリッチであるために、多くの未燃燃料等を機関排気通路にて酸化することができる。

第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御では、高温の排気ガスを排気浄化触媒２０に供給することができて、短時間で排気浄化触媒２０を暖機することができる。排気浄化触媒２０が活性化温度未満の状態の時間を短くすることができて、排気ガスの性状が悪化する時間を短くすることができる。このために、排気ガスに含まれる浄化すべき成分の放出量を低減することができる。たとえば排気浄化触媒２０が酸化機能を有する場合には、触媒暖機制御の期間中に外部に放出される炭化水素や一酸化炭素の放出量を低減することができる。

ここで、本実施の形態における無負荷時の暖機制御と、第１の触媒暖機制御と、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御とを実施したときの燃焼室５における燃焼形態について詳細に説明する。表１に、それぞれの制御における燃焼形態を示す。表１には、比較例として燃焼室５の混合気の状態が均質状態であり、燃焼室５全体の空燃比が理論空燃比の場合を記載している。本実施の形態では、この燃焼形態を均質ストイキと称する。

無負荷時の暖機制御では、燃焼室５の混合気の状態が均質状態であり、燃焼室５全体の空燃比はリッチである。本実施の形態では、この燃焼形態を均質リッチと称する。第１の触媒暖機制御を実施し第２の触媒暖機制御を実施しない制御では、燃焼室５の混合気の状態が第１の成層状態である。燃焼室５全体の空燃比はリーンであり、点火プラグ１０の周りの空燃比はリッチである。本実施の形態では、この燃焼形態を成層リーンと称する。第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御では、燃焼室５の混合気の状態が成層リーンよりも成層度の弱い第２の成層状態である。燃焼室５全体の空燃比および点火プラグ１０の周りの空燃比はリッチになる。本実施の形態では、この燃焼形態を弱成層リッチと称する。

それぞれの制御を比較すると、無負荷時の暖機制御の燃焼室５全体の空燃比は、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御の燃焼室５全体の空燃比とをほぼ同じにすることができる。ところが、点火プラグ１０の周りの空燃比は、無負荷時の暖機制御よりも第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御の方が低くなる。さらに、点火プラグ１０の周りの空燃比は、第１の触媒暖機制御よりも第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御が低くなっている。

このように、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御においては、燃焼室５全体をリッチにするが、弱成層状態を形成することにより点火時期を大幅に遅角することができる。さらに、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御では、燃焼室５から流出する排気ガスの空燃比がリッチになる。二次空気を機関排気通路に供給することにより、排気ガスの温度を更に上昇させることができる。このように、本実施の形態においては、大幅な点火遅角と二次空気の供給による排気ガスの昇温とを同時に達成することができる。

ここで、表１では、中型および小型の内燃機関の空燃比の値が記載されている。例えば、排気量が３リッター以下の内燃機関が中型または小型の内燃機関に相当する。排気量が３リッターより大きな大型の内燃機関になると、燃焼室５全体の空燃比が、ややリッチ側に設定される場合がある。すなわち、内燃機関が大型になると、燃料の濃度が濃くなるように設定される場合がある。例えば、６気筒や８気筒等の大型のエンジンになると排気量が大きくなる。この場合には、例えば、第１の触媒暖機制御における燃焼室５全体の空燃比が、１４ ．６以上１６以下の領域に設定される。また、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御においては、燃焼室５全体の空燃比が１０以上１４以下に設定される。

また、点火プラグ１０の周りの空燃比のリッチ度合としては、以下の式（１）のようになる。リッチ度合が大きいほど、点火プラグ１０の周りの混合気における燃料濃度が高くなり、空燃比は小さくなる。以下の式（１）は、空燃比で示している。

弱成層リッチ＜均質リッチ≦成層リーン＜均質ストイキ …（１）

ところで、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施した場合には、燃焼室５から流出する排気ガスの空燃比はリッチになる。機関排気通路において、二次空気が供給されて未燃の炭化水素や一酸化炭素の一部が燃焼するが、排気浄化触媒２０に到達する排気ガスには、未燃の炭化水素および一酸化炭素が含まれる。

内燃機関の始動直後では、排気浄化触媒２０は低温の状態である。例えば、冷間始動時などには、排気浄化触媒２０の温度は、内燃機関の周りの大気の温度と同じである。排気浄化触媒２０が低温の状態において、第１の触媒暖機制御を実施せずに第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御を実施した場合には、未燃の炭化水素や一酸化炭素などの排気ガスの成分が流入しても、ほとんど浄化することができないために大気中に放出される。

これに対して、本実施の形態においては、第１の触媒暖機制御を実施した後に、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施している。第１の触媒暖機制御においては、燃焼室５から流出する排気ガスの空燃比がリーンの状態であるために、機関排気通路において未燃の炭化水素や一酸化炭素が燃焼する、いわゆる後燃え反応を促進することができる。このために、未燃の炭化水素や一酸化炭素が排気浄化触媒２０に流入することを抑制できる。排気浄化触媒２０の活性が低い状態においても、未燃の炭化水素等の放出を抑制することができる。

第１の触媒暖機制御を実施することにより、排気浄化触媒２０の温度が徐々に上昇する。排気浄化触媒２０は温度が上昇すると、活性化温度未満であっても所定の浄化率を発揮することができる。所定の浄化率を発揮できる状態において、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御を開始することにより、二次空気が供給されて完全に酸化しなかった未燃の炭化水素等も、排気浄化触媒２０において浄化することができる。このために、未燃の炭化水素等が大気中に放出されることを抑制できる。

このように、第１の触媒暖機制御を実施した後に、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御を行うことにより、炭化水素等の大気中への放出を抑制しながら、排気浄化触媒２０を活性化温度以上に短時間で昇温することができる。このため、大気中に放出される排気ガスの性状を向上することができる。すなわち、排気ガスに含まれる浄化すべき成分が大気中に放出される量を低減することができる。なお、本実施の形態の第１の触媒暖機制御では、燃焼室の全体の空燃比がリーンになり、高濃度領域の空燃比がリッチになるように制御しているが、この形態に限られず、燃焼室において高濃度領域および高濃度領域よりも燃料の濃度の低い低濃度領域を形成すれば構わない。たとえば、高濃度領域の空燃比を理論空燃比にしても構わない。

図５に、本実施の形態における内燃機関の始動時の制御のタイムチャートを示す。時刻ｔ０において、内燃機関を始動している。内燃機関の始動とともに機関回転数が一時的に上昇する。本実施の形態においては、機関回転数が一時的に上昇した後は、機関回転数が一定に保たれるように制御を行う。また、内燃機関が出力するトルクが一定に保たれるように制御を行う。すなわち、要求負荷が零のアイドリング状態において複数の触媒暖機制御を実施する。

図５に示す例では、内燃機関の始動と共に無負荷時の暖機制御が実施されている。点火時期を遅角する点火遅角制御および二次空気を供給する二次空気供給制御は停止している。燃焼室５においては、混合気が均質の状態で、燃焼室５全体の空燃比が弱リッチになるように制御される。すなわち、均質リッチの燃焼形態に制御される。

本実施の形態の無負荷時の暖機制御では、燃焼サイクルの吸気行程にて燃料を噴射し、圧縮行程における燃料の噴射は停止する。ここで、全燃料噴射量は、吸気行程にて噴射する燃料の量と圧縮行程にて噴射する燃料の量との総和である。吸気行程の噴射割合は、燃料噴射弁１１から噴射する燃料のうち吸気行程において噴射する燃料の割合を示している。無負荷時の暖機制御では吸気行程の噴射割合は１になり、圧縮行程における噴射量は０になる。燃焼室５全体の空燃比および点火プラグ１０の周りの空燃比は同一になる。点火時期は、例えば、圧縮上死点よりも前に設定される。本実施の形態においては、無負荷時の暖機制御では、点火時期は、機関回転数および燃料噴射量等の運転状態に基づいて設定されている。

本実施の形態においては、予め定められた時間の間、無負荷時の暖機制御が実施される。時刻ｔ１において、無負荷時の暖機制御から第１の触媒暖機制御に切替える。時刻ｔ１において、点火時期を大幅に遅角する点火遅角制御が開始される。一方で、二次空気を供給する二次空気供給制御は停止した状態が維持される。内燃機関が出力するトルクおよび機関回転数は、ほぼ一定に維持されている。

燃焼室５全体の空燃比は、リッチの状態からリーンの状態に移行する。また、吸気行程の噴射割合を低下させ、圧縮行程における燃料の噴射量を増加させる。圧縮行程において燃料を噴射することにより成層状態を形成する。点火プラグ１０の周りの空燃比は、リッチの状態になる。第１の触媒暖機制御では、点火時期が大幅に遅角される。例えば、無負荷時の暖機制御では、圧縮上死点よりも前に点火が行われていたが、第１の触媒暖機制御では、圧縮上死点よりも後に点火される。本実施の形態においては、点火時期を遅角しても機関回転数をほぼ一定に維持するために、時刻ｔ１において吸入空気量を増大している。

本実施の形態においては、予め定められた時間の間、第１の触媒暖機制御を実施している。無負荷時の暖機制御および第１の触媒暖機制御を実施することにより、排気浄化触媒２０を所定の温度まで昇温することができる。排気浄化触媒２０は、活性化温度に到達していなくても、所定の浄化率で排気の成分を浄化することができる。第１の触媒暖機制御から第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御への切替え時期については、任意の制御にて判別することができる。たとえば、排気浄化触媒２０の温度を推定し、排気浄化触媒２０の温度が予め定められた温度判定値に到達したときに、第１の触媒暖機制御から第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御への切替えても構わない。

時刻ｔ２において、第１の触媒暖機制御から第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御に切替える。点火時期を遅角する制御を継続したままで、二次空気供給装置２５により、排気マニホールド１９に二次空気を供給する。燃焼室５においては、燃焼室５全体の空燃比がリッチになるように制御を行う。また、点火プラグ１０の周りは、弱成層の状態となるように、圧縮行程において燃料を噴射する。

図５に示す例では、時刻ｔ２において、全燃料噴射量は増加する。また、時刻ｔ２において吸気行程の噴射割合を上昇させる。圧縮行程における燃料の噴射量を減少させる。本実施の形態においては、燃料噴射弁１１の開弁時間を減少させることにより、圧縮行程における燃料の噴射量を減少させている。また、本実施の形態においては、燃焼室５に供給する燃料の増加により機関回転数が増加することを抑制するために、吸入空気量を減少している。時刻ｔ２において、燃焼室５全体の空燃比はリーンからリッチに移行する。点火プラグ１０の周りの空燃比は低下する。

このように、時刻ｔ２において、第１の触媒暖機制御から第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御に切替えることができる。第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御は、排気浄化触媒２０が予め定められた温度以上に上昇した時に終了することができる。たとえば、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御は、排気浄化触媒２０が活性化温度以上になったときに終了することができる。または、内燃機関の始動時からの吸入空気量の積算値を算出し、吸入空気量の積算値が、予め定められた判定値を超えたときに、排気浄化触媒２０が活性化温度以上の温度に到達したと判別することができる。または、予め定められた時間の経過後に終了することができる。

時刻ｔ３において、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御を終了している。本実施の形態においては、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御の終了後には、無負荷時の暖機制御を実施している。時刻ｔ３において、点火時期の遅角の制御および、二次空気を供給する制御を停止している。第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御の終了後の制御については、この形態に限られず、燃焼室５全体の空燃比を理論空燃比に制御する通常運転時における無負荷時の制御を行っても構わない。

図６に、本実施の形態における始動時の運転制御のフローチャートを示す。図６に示すフローチャートでは、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御を第３の触媒暖機制御と称している。

ステップ１１１において、内燃機関の始動を検出し、ステップ１１２において、無負荷時の暖機制御を開始する。なお、内燃機関の始動後に排気浄化触媒２０の温度を推定し、排気浄化触媒２０の温度が予め定められた温度以上の場合には、触媒暖機制御を禁止する制御を行っても構わない。

次に、ステップ１１３においては、無負荷時の暖機制御から第１の触媒暖機制御への切替え時期か否かが判別される。ステップ１１３において、第１の触媒暖機制御への切替え時期ではない場合には、無負荷時の暖機制御を継続する。ステップ１１３において、第１の触媒暖機制御への切替え時期である場合には、ステップ１１４に移行する。ステップ１１４においては、無負荷時の暖機制御から第１の触媒暖機制御に切替える。すなわち、第１の触媒暖機制御を開始する。

次に、ステップ１１５においては、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御、すなわち第３の触媒暖機制御への切替え時期か否かを判別する。図６に示す例では、第１の触媒暖機制御を実施している時間が予め定められた時間以上であるか否かが判別されている。第１の触媒暖機制御を実施している時間が予め定められた時間以上である場合には切替え時期であると判別することができる。ステップ１１５において、第１の触媒暖機制御から第３の触媒暖機制御への切替え時期でない場合には、第１の触媒暖機制御を継続する。ステップ１１５において、第３の触媒暖機制御への切替え時期である場合には、ステップ１１６に移行する。ステップ１１６においては、第１の触媒暖機制御から第３の触媒暖機制御に切替える。

次に、ステップ１１７においては、第３の触媒暖機制御の終了時期か否かを判別する。図６に示す例では、第３の触媒暖機制御を開始してから予め定められた時間が経過したか否かが判別されている。予め定められた時間の間、第３の触媒暖機制御を実施した場合には、第３の触媒暖機制御の終了時期であると判別することができる。ステップ１１７において、第３の触媒暖機制御の終了時期でない場合には、第３の触媒暖機制御を継続する。ステップ１１７において、第３の触媒暖機制御の終了時期である場合には、ステップ１１８に移行する。

ステップ１１８においては、第３の触媒暖機制御を終了する。すなわち、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御を終了する。本実施の形態では、排気浄化触媒を暖機する制御を終了し、たとえば、無負荷時の暖機制御に移行する。

本実施の形態においては、内燃機関の始動直後に無負荷時の暖機制御を行っているが、この形態に限られず、無負荷時の暖機制御を実施せずに、内燃機関の始動直後に第１の触媒暖機制御を実施し、その後に、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御に切替えても構わない。

本実施の形態においては、燃料を直接的に燃焼室の内部に噴射する直噴型の燃料噴射弁を備える内燃機関について例示したが、この形態に限られず、内燃機関は、直噴型の燃料噴射弁に加えて、機関吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射弁を備えていても構わない。すなわち、内燃機関は、直噴型の燃料噴射弁に加えて、ポート噴射を行う燃料噴射弁を備えていても構わない。

ポート噴射を行う燃料噴射弁を備える内燃機関の場合には、吸気行程において燃料を噴射する代わりに、ポート噴射を行う燃料噴射弁から燃料を噴射することができる。機関吸気通路に燃料を噴射することにより、燃焼室において混合気の均質状態を形成することができる。例えば、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御においては、圧縮行程において直噴型の燃料噴射弁から燃料を噴射し、更に、ポート噴射を行う燃料噴射弁から燃料を噴射して燃焼室の全体がリッチになるように制御することにより、弱成層リッチの燃焼状態を形成することができる。

また、本実施の形態においては、第１の触媒暖機制御を実施した後に第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御を実施しているが、この形態に限られず、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御を実施した後に、第１の触媒暖機制御を実施しても構わない。

（実施の形態２）
図７から図１５を参照して、実施の形態２における内燃機関について説明する。実施の形態１にて説明したように、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御では、燃焼室５全体の空燃比がリッチの状態で更に成層燃焼を実施しても、弱い成層状態を形成することにより、失火を回避して燃料の燃焼を継続することができる。

ところで、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御では、大幅な点火遅角を行っている上に、二次空気を機関排気通路に供給している。このために、機関排気通路の圧力が高くなる。機関排気通路の圧力が高くなると、燃焼室５内に排気ガスが残存する量が増加する。すなわち、内部ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）の量が増加する。内部ＥＧＲの量が増加すると燃焼性が悪化する。第１の触媒暖機制御から第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御に切替える際には、内部ＥＧＲの量が増大して燃焼性が悪化する。そこで、本実施の形態の内燃機関においては、第１の触媒暖機制御から第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御に切り替えるときに、燃焼室５における燃料の燃焼性を更に安定化させる制御を行う。

図７は、本実施の形態の吸気弁および排気弁を駆動する弁駆動装置の概略断面図である。本実施の形態における内燃機関は、吸気弁６の作用角を変更する作用角変更機構５１を備える。吸気カム５３は、吸気カムシャフト５６に取付けられている。吸気弁６は、ロッカーアーム５２および作用角変更機構５１を介して、吸気カム５３により駆動される。排気カム５５は、排気カムシャフト５７に取付けられている。排気弁８は、ロッカーアーム５４を介して排気カム５５により駆動される。

図８は、本実施の形態における作用角変更機構５１の概略斜視図である。本実施の形態の内燃機関では、１つの気筒に対して吸気弁が２個配置されている。図８には、１つの気筒における２個の吸気弁を駆動する作用角変更機構５１が例示されている。図７および図８を参照して、作用角変更機構５１は、円筒形の入力部６１と、入力部６１の一方の側に配置される円筒形の揺動カム６２と、入力部６１の他方の側に配置される円筒形の揺動カム６３とを含む。入力部６１および揺動カム６２，６３は、それぞれ支持パイプ６４によって支持されている。入力部６１および揺動カム６２，６３は、支持パイプ６４を中心に回動可能に形成されている。

支持パイプ６４は、軸線方向に延びる円筒状の貫通孔を有する。この貫通孔には、制御シャフト６５が挿入されている。制御シャフト６５は、支持パイプ６４の貫通孔内で支持パイプ６４の軸線方向に摺動可能に形成されている。制御シャフト６５の一方の端部には電動アクチュエータ６６が連結されている。電動アクチュエータ６６は、支持パイプ６４に対して制御シャフト６５を相対的に移動させるように形成されている。電動アクチュエータ６６は電子制御ユニット３１により制御されている。すなわち、作用角変更機構５１は、電子制御ユニット３１により制御されている。

入力部６１は、外側に向かって突出するアーム６１ａ，６１ｂを有する。アーム６１ａ，６１ｂ同士の間には、ローラ６１ｃが配置されている。ローラ６１ｃは、吸気カム５３のカム面５３ａに押圧される。入力部６１は、カム面５３ａの形状に応じて支持パイプ６４の周りで回動する。一方、揺動カム６２，６３は、外側に向かって突出するノーズ６２ａ，６３ａを有する。ノーズ６２ａ，６３ａは、ロッカーアーム５２に当接可能に形成されている。

入力部６１および揺動カム６２，６３と、制御シャフト６５との間には駆動機構が配置されている。この駆動機構は、矢印９１，９２に示すように制御シャフト６５を支持パイプ６４に対して相対的に移動すると、入力部６１と揺動カム６２，６３とが互いに反対方向に回動するように形成されている。たとえば、支持パイプ６４に対して制御シャフト６５を矢印９１に示す方向に移動させると、入力部６１が矢印９３に示す向きに回転する一方で、揺動カム６２，６３が矢印９４に示す向きに回転する。制御シャフト６５を支持パイプ６４に対して矢印９２に示す方向に移動させると、入力部６１が矢印９３に示す向きと反対向きに回転し、揺動カム６２，６３が矢印９４に示す向きと反対向きに回転する。このように、本実施の形態における作用角変更機構５１は、入力部６１のローラ６１ｃと揺動カム６２，６３のノーズ６２ａ，６３ａとの間の相対角度を変化させることができる。

図７を参照して、ローラ６１ｃは、スプリング６７により吸気カム５３に向かって付勢されている。吸気カム５３が回転すると、カム山部５３ｂが入力部６１のローラ６１ｃを押圧し、入力部６１が回転する。この様に、揺動カム６２，６３は、入力部６１と一体的に回転する。揺動カム６２，６３が回転することにより、ノーズ６２ａ，６３ａがロッカーアーム５２を押圧する。吸気弁６はロッカーアーム５２に押圧されて移動し、吸気弁６が開いた状態になる。

ここで、吸気弁６がロッカーアーム５２に押圧されて移動する量は、ローラ６１ｃとノーズ６２ａ，６３ａとの回転軸周りの相対角度によって変化する。ローラ６１ｃとノーズ６２ａ，６３ａとの相対角度が大きくなると、ノーズ６２ａ，６３ａが吸気弁６を押圧する期間が長くなり、移動量が大きくなる。すなわち、側面視したときに、ローラ６１ｃの先端とノーズ６２ａ，６３ａの先端との距離が長くなると、吸気弁６の作用角が大きくなると共に吸気弁６の移動量も大きくなる。これとは反対に、ローラ６１ｃとノーズ６２ａ，６３ａとの相対角度が小さくなると、吸気弁６の作用角が小さくなると共に吸気弁６のリフト量も小さくなる。

本実施の形態の作用角変更機構５１は、制御シャフト６５を矢印９１に示す向きに移動させると、吸気弁６の作用角が大きくなり、吸気弁６の移動量（リフト量）を大きくすることができる。また、制御シャフト６５を矢印９２に示す向きに移動させると、吸気弁６の作用角が小さくなり、吸気弁６の移動量（リフト量）が小さくなる。

図９に、本実施の形態における作用角変更機構５１の機能を説明するグラフを示す。横軸はクランク角度であり、縦軸は吸気弁または排気弁の移動量である。吸気弁のグラフにおいては、通常の作用角の場合が実線にて示され、作用角を小さくした小作用角の場合が一点鎖線にて示されている。作用角は、吸気弁または排気弁が開いている期間のクランク角度の範囲である。通常の作用角の場合には、クランク角度ＣＡ１にて吸気弁が閉じている。一方で、小作用角の場合には、クランク角度ＣＡ２にて吸気弁が閉じている。

作用角変更機構５１により、矢印１２１に示すように通常の作用角から小作用角に変更することができる。通常の作用角から小作用角に変更することにより、矢印１２２に示すように、吸気弁の閉弁時期を進角することができる。

本実施の形態においては、第１の触媒暖機制御から第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御に切替えるときに、吸気弁６の作用角を減少させる制御を行う。吸気弁６の作用角を減少させることにより、吸気弁６の閉弁時期が進角する。本実施の形態においては、吸気弁６の閉弁時期が進角して、ピストン３が下死点に位置している近傍において吸気弁６が閉じる。吸気弁の閉弁時期が早くなることにより、燃焼室５における実際の圧縮比を高くすることができる。ピストン３が上死点に到達したときの燃焼室５の温度を上昇させることができる。すなわち、圧縮端温度を上昇させることができる。この結果、燃焼室５における燃焼を安定化させることができる。

図１０に、通常の作用角にて吸気弁６を駆動している場合の燃焼室５の概略断面図を示す。図１０では、吸気弁６が最も移動した時の状態を示している。通常の作用角では吸気弁６の移動量が大きいために、吸気弁６の傘部の側方を通って燃焼室５に流入する流路の流路断面積が大きくなる。このため、燃焼室５においては、矢印１２３に示すようにタンブル流が発生する。タンブル流は、圧縮行程の後半において燃料噴射弁１１から噴射された燃料噴霧の飛行を阻害するという作用がある。すなわち、タンブル流によって燃焼室５の内部の混合気が掻き乱される。この結果、燃焼室５における成層状態の形成が阻害される。

図１１に、小作用角にて吸気弁６を駆動している場合の燃焼室５の概略断面図を示す。図１１では、吸気弁６が最も移動した時の状態を示している。吸気弁６の移動量が小さくなることにより、吸気ポート７の出口と吸気弁６の傘部とにより挟まれる流路が小さくなる。吸気弁６の傘部の側方を通って燃焼室５に流入する流路の流路断面積が小さくなる。このために、吸気ポート７から流入する空気は、矢印１２４に示すように、様々な方向に分散され、タンブル流の発生が抑制される。

更に、小作用角にて吸気弁６を駆動すると、図９に示すように吸気弁６と排気弁８とのオーバラップが回避された状態になる。吸気弁６は、ピストン３が下降している期間中に開弁する。吸気弁６が開弁する時には、燃焼室５が負圧になっているために、吸気ポート７からは高速で短時間に空気が流入する。この空気の流れによりタンブル流の発生が更に抑制される。

このように、吸気弁の作用角を小さくすることにより、燃焼室５にて生じるタンブル流を抑制することができる。この結果、圧縮行程において燃料噴射弁１１から燃料を噴射した場合に、燃料噴霧の飛行の阻害が抑制され、所望の成層状態を形成することができる。この結果、燃焼室５における燃焼を安定化させることができる。

図１２に、吸気弁６の作用角を変化させた場合の燃焼変動率のグラフを示す。横軸は燃料の噴射時期であり、縦軸は燃焼変動率である。燃焼変動率が小さくなるほど、それぞれの燃焼サイクルにおいて燃焼のばらつきが小さくなり、燃料の燃焼が安定している。噴射時期の広い範囲において、通常の作用角にて吸気弁６を駆動する場合よりも小作用角にて吸気弁６を駆動する場合の方が、燃焼変動率が小さいことが分かる。すなわち、作用角を減少することにより燃焼が安定化することが分かる。

次に、本実施の形態においては、第１の触媒暖機制御から第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御に切り替えるときに、燃焼室５における燃料の燃焼性を安定化させるために、圧縮行程における燃料の噴射時期を進角する制御を行う。

図１３に、燃焼を安定化させる他の制御を説明する燃焼室５の概略断面図を示す。図１４に、燃焼を安定化させる他の制御を説明する燃焼室５の他の概略断面図を示す。図１４は、点火プラグ１０にて点火するときの燃焼室５の状態を説明する概略断面図である。燃料噴射弁１１から噴射された燃料の大部分がキャビティ３ａに衝突した場合には、燃料が点火プラグ１０の周りに集められる。

図１３を参照して、燃焼を安定化させる他の制御においては、圧縮行程における燃料の噴射時期を進角させる。燃料の噴射時期を進角することにより、矢印１２５に示すように、燃料の少なくとも一部がピストン３のキャビティ３ａを避けてピストン３の頂面に衝突する。この結果、図１４に示すように、点火プラグ１０からずれた位置に燃料を集めることができる。燃料の濃度が高い高濃度領域７６ａの中央部から点火プラグ１０の位置をずらすことができる。この制御を行うことにより、点火プラグ１０の周りの燃料の濃度が高くなりすぎることを回避できる。点火プラグ１０の周りの成層度を容易に弱くすることができて、燃焼室５において燃料の燃焼が安定する。

なお、燃料噴射弁１１の噴射時期を進角する制御においては、点火プラグ１０の周りに低濃度領域を形成し、燃焼室５の周縁に高濃度領域を形成する逆成層状態を形成しても構わない。

次に、本実施の形態においては、第１の触媒暖機制御から第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御に切り替えるときに、燃焼室５における燃料の燃焼性を安定化させるために、燃料噴射弁１１の噴射圧力を低下させる制御を行う。

図１を参照して、本実施の形態の内燃機関は、高圧ポンプ８３により燃料噴射弁１１に燃料が供給されている。第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御に切替える時には、燃料噴射弁１１に供給する燃料の圧力を低下させる制御を行うことができる。すなわち、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御では、燃料噴射弁１１から噴射する燃料の圧力を第１の触媒暖機制御より低下させる制御を行うことができる。

本実施の形態の内燃機関は、燃料噴射弁１１の噴射圧力を変更する噴射圧力変更装置を備える。本実施の形態においては、電子制御ユニット３１からの制御パルス信号により高圧ポンプ８３が駆動されている。電子制御ユニット３１は、制御パルス信号のデューティ比（信号がオンになっている時間とオフになっている時間との合計時間に対する信号がオンになっている時間の割合）を変化させることにより、高圧ポンプ８３の吐出圧力を調整している。燃料噴射弁１１に供給する燃料の圧力を低下させる制御としては、この形態に限られず、任意の装置や制御を採用することができる。

燃料噴射弁１１から噴射する燃料の圧力を低下させる制御を行うことにより、燃料噴射弁１１が開弁している時間長さが同一であっても燃料の噴射量を少なくすることができる。または、少ない燃料の量の噴射が可能になる。また、噴射圧力が小さいために、燃料の噴霧の貫通力（ペネトレーション）が低減して成層度が弱くなる。このように、弱成層の状態を容易に形成することができて、燃焼を安定化させることができる。

図１５に、本実施の形態における内燃機関の始動時の制御のタイムチャートを示す。本実施の形態においては、図５に示す実施の形態１における制御に加えて、さらに、付加的な制御を行っている。時刻ｔ０において内燃機関を始動し、時刻ｔ１において第１の触媒暖機制御を開始していることは実施の形態１と同様である。時刻ｔ２において、第１の触媒暖機制御から第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御に切替えていることも実施の形態１と同様である。

本実施の形態における制御では、時刻ｔ２において、圧縮行程における燃料の噴射時期を進角する制御を行っている。本実施の形態においては、圧縮行程において噴射した燃料がピストンの頂面のキャビティを避けた位置に到達するように進角している。また、時刻ｔ２において、吸気弁６の作用角を小さくする制御を行っている。吸気弁６の作用角を小さくことにより、吸気弁の開弁時期が遅角して吸気弁の閉弁時期が進角する。図１５に示す例では、下死点の近傍まで吸気弁の閉弁時期を進角している。また、吸気弁の移動量が減少する。更に、時刻ｔ２において、燃料の噴射圧力を低減する制御を行っている。本実施の形態においては、高圧ポンプの吐出圧力を低減する制御を行っている。

本実施の形態における複数の燃焼を安定化させる制御のうち、少なくとも１つの制御を行うことにより、第１の触媒暖機制御から第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御に切替えた直後や第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御の期間中の燃料の燃焼性を向上させることができる。

本実施の形態においては、連続的に吸気弁の作用角を変更可能な作用角変更機構を採用しているが、この形態に限られず、吸気弁の作用角を変更可能な任意の機構を採用することができる。または、吸気弁の閉弁時期を変更可能な任意の機構を採用することができる。例えば、作用角変更機構は、複数の種類の吸気カムを含み、吸気カムを切替えることにより、吸気弁の作用角を変更可能に形成されていても構わない。または、吸気カムシャフトの位相を変更することにより、吸気弁の閉弁時期を変更可能に形成していても構わない。

その他の構成、作用および効果については、実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。

上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの制御においては、機能および作用が変更されない範囲において適宜ステップの順序を変更することができる。上述のそれぞれの図において、同一または相当する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、請求の範囲に示される実施の形態の変更が含まれている。

１ 機関本体
３ ピストン
３ａ キャビティ
５ 燃焼室
６ 吸気弁
７ 吸気ポート
１０ 点火プラグ
１１ 燃料噴射弁
１９ 排気マニホールド
２０ 排気浄化触媒
２５ 二次空気供給装置
２７ エアポンプ
２８ エアスイッチングバルブ
３１ 電子制御ユニット
５１ 作用角変更機構
５２ ロッカーアーム
５３ 吸気カム
６１ 入力部
６１ｃ ローラ
６２，６３ 揺動カム
６２ａ，６３ａ ノーズ
６４ 支持パイプ
６５ 制御シャフト
６６ 電動アクチュエータ
７５ａ，７６ａ 高濃度領域
７５ｂ，７６ｂ 低濃度領域
８１ 燃料タンク
８３ 高圧ポンプ

Claims (6)

1. 燃焼室の内部に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁と、
   機関排気通路に配置されている排気浄化触媒と、
   排気浄化触媒よりも上流側の機関排気通路に空気を供給する二次空気供給装置と、
   筒内燃料噴射弁および二次空気供給装置を制御する制御装置と、
   燃焼室において燃料と空気との混合気を点火する点火装置とを備え、
   制御装置は、排気浄化触媒の温度上昇を促進する第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を実施可能に形成されており、
   第１の触媒暖機制御は、圧縮行程において筒内燃料噴射弁から燃料を噴射して、燃焼室の一部分の燃料濃度が上昇した高濃度領域および高濃度領域よりも燃料の濃度が低い低濃度領域を形成する制御と、点火時期を遅角して燃焼室から流出する排気ガスの温度を上昇させる制御とを含み、
   第２の触媒暖機制御は、機関排気通路に空気を供給して排気ガスに含まれる成分を酸化させて排気ガスの温度を上昇させる制御を含み、
   制御装置は、内燃機関の始動後に第２の触媒暖機制御を実施しない状態で第１の触媒暖機制御を実施し、第１の触媒暖機制御の実施後に第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施し、
   第２の触媒暖機制御を実施しない状態で第１の触媒暖機制御を実施する制御は、燃焼室の全体の空燃比がリーンになり、高濃度領域の空燃比がリッチになる第１の成層状態を形成する制御であり、
   第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御は、点火時に燃焼室の全体の空燃比がリッチになり、第１の成層状態よりも成層度の弱い第２の成層状態を形成する制御であることを特徴とする、内燃機関。
2. 吸気弁の作用角を変更する作用角変更機構を備え、
   制御装置は、第２の触媒暖機制御を実施しない状態で第１の触媒暖機制御を実施する制御から第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御に切替えると共に、吸気弁の作用角を減少させる制御を行う、請求項１に記載の内燃機関。
3. 制御装置は、内燃機関の始動後の負荷が一定の期間中に、第２の触媒暖機制御を実施しない状態で第１の触媒暖機制御を実施する制御から第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御に切替える、請求項１に記載の内燃機関。
4. 制御装置は、第２の触媒暖機制御を実施しない状態で第１の触媒暖機制御を実施する制御から第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御に切替えると共に、圧縮行程において筒内燃料噴射弁から噴射する燃料の量を減少させる制御を行う、請求項１に記載の内燃機関。
5. 筒内燃料噴射弁の噴射圧力を変更する噴射圧力変更装置を備え、
   制御装置は、筒内燃料噴射弁の噴射圧力を低下させることにより、圧縮行程において筒内燃料噴射弁から噴射する燃料の量を減少させる制御を行う、請求項４の記載の内燃機関。
6. 制御装置は、第２の触媒暖機制御を実施しない状態で第１の触媒暖機制御を実施する制御から第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御に切り替えるときには、筒内燃料噴射弁の圧縮行程における噴射時期を進角させる、請求項１に記載の内燃機関。

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