JP2008019871A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 トルク変動を抑制できることによって運転性を向上させることができ、リッチスパイク制御の実行頻度を少なくできることによって、燃費を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。
【解決手段】 内燃機関３の制御装置１のＥＣＵ２は、ＮＯｘ吸蔵触媒１４に吸蔵したＮＯｘを放出させるために、リーンバーン運転中の空燃比Ａ／Ｆをリッチ量Ｒ１だけリッチ化させるように燃料を増量させ（図２のステップ１１）、クランクシャフト９に対する吸気カムシャフト６の位相ＣＡＩＮを空燃比Ａ／Ｆのリッチ量Ｒ１に応じて進角側に変更させる制御（図２のステップ８）を、燃料の増量開始タイミングよりも所定時間（先行タイムＴｍａ）前に行うように、カム位相可変機構８の駆動を制御する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、吸気カムシャフトおよび／または排気カムシャフトの位相を油圧駆動式のカム位相可変機構によってクランクシャフトに対して変更可能であり、リーンバーン運転中のＮＯｘをＮＯｘ吸蔵触媒によって吸蔵する内燃機関の制御装置に関し、特に、ＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵したＮＯｘを放出させるためにリーンバーン運転中の空燃比を一時的にリッチ側に制御する、いわゆるリッチスパイク制御を行う内燃機関の制御装置に関する。

従来、この種の内燃機関の制御装置として、特許文献１に記載されたものが知られている。この内燃機関は、触媒装置と、燃料噴射装置と、吸気カムシャフトの位相をクランクシャフトに対して進角側および遅角側に変更可能なカム位相可変機構と、を備えている。制御装置は、所定領域でリーンバーン運転を行うように内燃機関を制御するとともに、運転状態に応じて吸気弁の開閉タイミングを進角または遅角させるようにカム位相可変機構の作動を制御している。触媒装置は、リーンバーン運転中の排気ガスのＮＯｘを吸蔵可能なＮＯｘ吸蔵触媒と、リーンバーン運転以外の運転中の排気ガスのＮＯｘの還元などを行う通常の３元触媒とを組み合わせたものである。

一般的に、ＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ吸蔵能力には限界があるので、内燃機関のリーンバーン運転時間が長くなると、その吸蔵能力が低下してしまう。このため、上記制御装置では、リーンバーン運転時間が３０秒を超える毎に、０．３秒間だけ空燃比をリッチ側に制御し、排気ガス中の酸素濃度を低くするリッチスパイク制御が実行される。このような定期的なリッチスパイク制御の実行により、ＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵したＮＯｘを放出させることで、その吸蔵能力を回復させるようにしている。一方、ＮＯｘ吸蔵触媒から放出されたＮＯｘは、３元触媒によって還元される。さらに、この制御装置では、リッチスパイク制御の実行時に、カム位相可変機構の作動が禁止されることにより、吸気カムシャフトの位相が固定されている。これは、カム位相可変機構は、油圧により作動するように構成されているので、リッチスパイク制御に応じて吸気カムシャフトの位相を変更する場合、カム位相可変機構の応答性が低く実際に位相の変更を開始するまでに応答遅れを生じることから、この応答遅れによる排気ガスの悪化や運転性の悪化などを防止するためである。

特開平１０−８２３３３号公報

上記従来の内燃機関の制御装置によれば、吸気カムシャフトの位相を固定した状態でリーンバーン運転中のリッチスパイク制御を実行しているので、図６に実線で示すように、リッチスパイク制御中の空燃比（Ａ／Ｆ）のリッチ化に伴って、トルクが一時的に増大するようなトルク変動を招くことにより、運転性が悪化してしまう。また、同図に示すように、空燃比のリッチ化に伴い、排気ガス中のＮＯｘ量が一時的に増大してしまうので、触媒装置の３元触媒の負荷が大きくなることにより、３元触媒で浄化できずに排出されるＮＯｘ量が多くなる。これを避けるために、上記リッチスパイク制御の実行周期を短くすると、全体として空燃比のリッチ運転頻度が高くなり、その結果、燃費の悪化を招いてしまう。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、トルク変動を抑制できることによって運転性を向上させることができ、リッチスパイク制御の実行頻度を少なくできることによって、燃費を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。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、吸気弁４および排気弁５をそれぞれ開閉するための吸気カムシャフト６および排気カムシャフト７の少なくとも一方の位相ＣＡＩＮを油圧駆動式のカム位相可変機構８によってクランクシャフト９に対して変更可能であり、リーンバーン運転中のＮＯｘをＮＯｘ吸蔵触媒（例えば実施形態における（以下、この項において同じ）触媒装置１４）によって吸蔵する内燃機関（エンジン３）の制御装置１であって、ＮＯｘ吸蔵触媒（触媒装置１４）に吸蔵したＮＯｘを放出させるために、リーンバーン運転中の空燃比Ａ／Ｆを所定のリッチ度合（リッチ量Ｒ１）だけリッチ化させるように燃料を増量させる増量手段（ＥＣＵ２、図２のステップ１１）と、クランクシャフト９に対する吸気カムシャフト４の位相ＣＡＩＮを空燃比Ａ／Ｆの所定のリッチ度合（リッチ量Ｒ１）に応じて進角側に変更させる制御（図２のステップ８）、および排気カムシャフトの位相を空燃比の所定のリッチ度合に応じて遅角側に変更させる制御の少なくとも一方を、燃料の増量開始タイミング（図４の時刻ｔ２）よりも所定時間（先行タイムＴｍａ）前（図４の時刻ｔ１）に行うように、カム位相可変機構８の駆動を制御する制御手段（ＥＣＵ２）と、を備えることを特徴とする。

この内燃機関の制御装置によれば、増量手段は、リーンバーン運転中の空燃比を所定のリッチ度合だけリッチ化させるように燃料を増量することによって、ＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵したＮＯｘを放出させるとともに、制御手段は、クランクシャフトに対する吸気カムシャフトの位相をリーンバーン運転中の空燃比の所定のリッチ度合に応じて進角側に変更する制御および／または排気カムシャフトの位相をリーンバーン運転中の空燃比の所定のリッチ度合に応じて遅角側に変更する制御を、燃料の増量開始タイミングよりも所定時間前に行うように、油圧駆動式のカム位相可変機構の駆動を制御する。

一般的に、リーンバーン運転中に燃料を一時的に増量させるリッチスパイク制御を実行することにより空燃比をリッチ化すると、ＮＯｘ量の増大やトルクの増大によるトルク変動が発生する。一方、クランクシャフトに対する吸気カムシャフトの位相を進角させることにより、および／または排気カムシャフトの位相を遅角させることにより、バルブオーバーラップ（図５の吸気弁および排気弁がともに開いている期間）を長くすると、内部ＥＧＲ量が増加し、燃焼温度が下がることによって、ＮＯｘ量を抑制できるとともに、トルク変動を抑制できる（図６の点線で示す状態）。したがって、上記のように制御することにより、空燃比のリッチ化によるトルク変動を抑制でき、その結果、運転性を向上させることができる。また、ＮＯｘ量を抑制できることで、リッチスパイク制御の実行時間を長くできることにより、その実行頻度を少なくすることができ、その結果、燃費を向上させることができる。

また、吸気カムシャフトおよび／または排気カムシャフトの位相を、油圧駆動式のカム位相可変機構によって変更した場合、その応答性が低いことにより、カム位相可変機構が起動してから吸気カムシャフトおよび／または排気カムシャフトの位相が実際に変化するまでに応答遅れを生じる。この場合、制御手段は、クランクシャフトに対する吸気カムシャフトの位相を進角側に変更する制御および／または排気カムシャフトの位相を遅角側に変更する制御を、燃料の増量開始タイミングよりも所定時間前に行うように、カム位相可変機構の駆動を制御するので、この所定時間を上記応答遅れに合わせて適切に設定することにより、応答遅れを補償して、燃料の増量開始タイミングと吸気カムシャフトの位相の進角および／または排気カムシャフトの位相の遅角の開始タイミングとを同期させることができる。これによって、燃料噴射量の増量に伴うＮＯｘ量およびトルクの変動を、応答遅れを生じることなく適切なタイミングで抑制でき、その結果、運転性をさらに向上させることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置について説明する。図１は、本実施形態の内燃機関の制御装置１の概略構成を示している。同図に示すように、この制御装置１は、ＥＣＵ（増量手段、制御手段）２を備えており、このＥＣＵ２は、内燃機関（以下「エンジン」という）３の運転状態に応じて、後述するようなカム位相制御やリッチスパイク制御を実行する。

エンジン３は、４サイクルＤＯＨＣ型ガソリンエンジンであり、運転時に、吸気弁４および排気弁５をそれぞれ開閉駆動する、吸気カム（図示せず）を有する吸気カムシャフト６および排気カム（図示せず）を有する排気カムシャフト７を備えている。これらの吸気および排気カムシャフト６，７は、図示しないタイミングベルトを介してクランクシャフト９に連結されており、クランクシャフト９の回転に従って回転する。吸気カムシャフト６および排気カムシャフト７の先端部にはそれぞれ、カム位相可変機構８が設けられている。以下、吸気カムシャフト６側を代表として説明する。

カム位相可変機構８は、油圧を供給されることによって作動し、その作動時に、クランクシャフト９に対する吸気カムシャフト６の位相ＣＡＩＮ（以下、単に「カム位相ＣＡＩＮ」という）を無段階に進角または遅角させることによって、吸気弁４の開閉時期を進角または遅角させるものである。図５に点線で示すように、吸気弁４の開閉時期を進角させると、吸気弁４と排気弁５のバルブオーバーラップが長くなることにより、内部ＥＧＲ量が増加し、エンジン３の燃料温度が下がる。また、カム位相可変機構８には、電磁制御弁１０が接続されている。この電磁制御弁１０は、ＥＣＵ２からの駆動信号によって駆動され、その駆動信号のデューティ比ＤＯＵＴに応じて、エンジン３の潤滑系の油圧ポンプ（図示せず）からの油圧をカム位相可変機構８に供給する。このように、ＥＣＵ２は、電磁制御弁１０を介して吸気弁４のカム位相ＣＡＩＮを、進角または遅角させるようにカム位相可変機構８を制御する。

また、吸気カムシャフト６および排気カムシャフト７のカム位相可変機構８と反対側の先端部にはそれぞれ、カム位相センサ２０が設けられている。これらのカム位相センサ２０は、例えばマグネットロータおよびＭＲＥピックアップで構成されており、吸気カムシャフト６および排気カムシャフト７のカム位相ＣＡＩＮを検出するとともに、それらの検出信号をＥＣＵ２に出力する。また、カム位相センサ２０は、パルス信号であるＴＤＣ信号をＥＣＵ２に出力する。ＴＤＣ信号は、ピストンが吸入行程の上死点近くにあることを示す信号であり、所定のカム角（例えば４５゜）ごとに１パルスが出力される。

エンジン３の吸気管１１の途中には、インジェクタ１２と、半導体圧力センサなどで構成された吸気圧センサ２１とが取り付けられている。インジェクタ１２は、運転時に、ＥＣＵ２からの駆動信号によって駆動され、その駆動信号の燃料噴射時間ＴＯＵＴだけ燃料を吸気管１１内に噴射するように制御される。吸気圧センサ２１は、吸気管１１内の絶対圧ＰＢＡを検出し、その検出信号をＥＣＵ２に送る。

また、エンジン３の排気管１３の途中には、排気ガスを浄化する触媒装置１４が設けられている。この触媒装置１４は、リーンバーン運転中の排気ガスのＮＯｘを吸蔵するＮＯｘ吸蔵触媒（図示せず）と、それ以外の運転中の排気ガスのＮＯｘの還元などを行う３元触媒（図示せず）とを組み合わせたものである。触媒装置１４の上流側には、ジルコニアおよび白金電極などで構成されたＬＡＦセンサ２２が設けられている。このＬＡＦセンサ２２は、リッチ領域からリーン領域までの空燃比Ａ／Ｆの広範囲な領域において排気ガス中の酸素濃度を検出可能なものであり、その酸素濃度に比例する検出信号をＥＣＵ２に送る。

さらに、エンジン３の本体には、ともにサーミスタなどで構成された水温センサ２３および油温センサ２４が取り付けられている。水温センサ２３は、エンジン３のシリンダブロック内を循環する冷却水の温度であるエンジン水温ＴＷを、油温センサ２４は、エンジン３の潤滑油（作動油も兼ねる）の温度である油温ＴＯＩＬをそれぞれ検出して、それらの検出信号をＥＣＵ２に送る。

また、エンジン３には、クランク角センサ２５およびノックセンサ２６が設けられている。クランク角センサ２５は、マグネットロータおよびＭＲＥピックアップを組み合わせて構成されており、クランクシャフト９の回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号をＥＣＵ２に出力する。ＣＲＫ信号は、クランクシャフト９の回転角度を示す信号であり、所定のクランク角（例えば１゜）ごとに１パルスが出力される。ＥＣＵ２は、このＣＲＫ信号に基づき、エンジン３のエンジン回転数ＮＥを求める。さらに、ノックセンサ２６は、ピエゾ圧電素子および振動板などを組み合わせて構成されており、エンジン３のシリンダブロック（図示せず）に固定されるとともに、ノッキング振動に応じた電圧値を示すノック信号ＮＫをＥＣＵ２に送る。

ＥＣＵ２は、Ｉ／Ｏインターフェース２ａ、ＣＰＵ２ｂ、ＲＡＭ２ｃおよびＲＯＭ２ｄなどからなるマイクロコンピュータで構成されており、このＲＡＭ２ｃは、バックアップ電源により、記憶したデータをエンジン３の停止時にも保持するようになっている。前述したセンサ２０〜２６の検出信号はそれぞれ、Ｉ／Ｏインターフェース２ａでＡ／Ｄ変換や整形がなされた後、ＣＰＵ２ｂに入力される。ＣＰＵ２ｂは、これらの入力信号に応じて、エンジン３の運転状態を判別するとともに、後述するように、ＲＯＭ２ｄに予め記憶された制御プログラムやＲＡＭ２ｃに記憶されたデータなどに従って、電磁制御弁１０のデューティ比ＤＯＵＴやインジェクタ１２の燃料噴射時間ＴＯＵＴを決定する。さらに、これらのデューティ比ＤＯＵＴや燃料噴射時間ＴＯＵＴに応じた駆動信号を出力することによって、カム位相可変機構８によるカム位相制御や、リーンバーン運転中に空燃比Ａ／Ｆを一時的にリッチ化するリッチスパイク制御を実行する。

以下、エンジン３の運転時にＥＣＵ２が実行するカム位相制御処理およびリッチスパイク制御処理について説明する。図２および図３は、カム位相制御処理およびリッチスパイク制御処理のフローチャートを示しており、この処理は、タイマ設定により所定周期（例えば１０ｍｓｅｃごと）で実行される。

図２に示すように、本処理では、まず、ステップ１（図では「Ｓ１」と略す。以下同様）において、リーンバーン運転中か否かを判別する。ステップ２の判別がＮＯのときすなわちリーンバーン運転中でないと判別したときは、本処理を終了し、ステップ１の判別がＹＥＳのときすなわちリーンバーン運転中であると判別したときは、ステップ２に進み、ＲＡＭ２ｃ内に後述するステップ３で求める各データが記憶されているか否かを判別する。

ステップ２において、ＲＡＭ２ｃ内にデータが記憶されていると判別したときは、ステップ６に進み、データが記憶されていないと判別したときは、ステップ３に進み、リッチ移行開始時間Ｔ１（燃料の増量開始タイミング）、総リッチ期間ＴＲ、リーン移行開始時間Ｔ３、リッチ量Ｒ１およびカム進角量ＣＡＩＮＡＤを算出する。これらの値は、カム進角量ＣＡＩＮＡＤを除いて、エンジン回転数ＮＥおよび吸気管内絶対圧ＰＢＡに基づき、ＲＯＭ２ｄに格納した図示しないマップを参照することによって算出される。カム進角量ＣＡＩＮＡＤは、ＲＯＭ２ｄに格納した図示しないテーブルを参照することにより、算出したリッチ量Ｒ１に応じ、リッチ量Ｒ１が大きいほど大きくなるように算出される。算出した各値は、ＲＡＭ２ｃ内に記憶される。

次に、ステップ４において、エンジン回転数ＮＥおよび油温ＴＯＩＬに基づき、ＲＯＭ２ｄに格納した図示しないマップを参照することによって、先行タイムＴｍａ（所定時間）を算出する。さらに、ステップ５において、上記リッチ移行開始時間Ｔ１およびリーン移行開始時間Ｔ３から先行タイムＴｍａをそれぞれ減算することにより、カム位相ＣＡＩＮの進角制御開始時間Ｔ２および遅角制御開始時間Ｔ４を算出し（Ｔ２＝Ｔ１−Ｔｍａ，Ｔ４＝Ｔ３−Ｔｍａ）、これらの値Ｔ２，Ｔ４を、ＲＡＭ２ｃ内に記憶する。これと同時に、アップカウント式のタイマｔｍをスタートさせる。

上記のような先行タイムＴｍａを算出する理由は以下による。すなわち、カム位相可変機構８によるカム位相ＣＡＩＮの進角動作と、インジェクタ１２の燃料噴射による空燃比Ａ／Ｆのリッチ化動作とを電気的に同期させるようにしても、油圧で駆動されるカム位相可変機構８の応答性が低いことによって、カム位相ＣＡＩＮの進角開始は、空燃比Ａ／Ｆのリッチ化動作開始に対して応答遅れを生じる。さらに、カム位相可変機構８は油圧で駆動されるので、この応答遅れの度合がエンジン回転数ＮＥや油温ＴＯＩＬに従って変化し、具体的には、エンジン回転数ＮＥが高いほどまたは油温ＴＯＩＬが高いほど、応答遅れの度合は小さくなる。それゆえ、上記先行タイムＴｍａは、このような応答遅れを補償してカム位相可変機構８によるカム位相ＣＡＩＮの進角動作の開始と、インジェクタ１２の燃料噴射による空燃比Ａ／Ｆのリッチ化動作の開始とを実際に同期させる（図４に点線で示す状態）ために算出される。

さらに、ステップ６に進み、上記タイマｔｍのカウント値が進角制御開始時間Ｔ２になったか否かを判別する。ステップ６において、タイマｔｍのカウント値が進角制御開始時間Ｔ２になっていないと判別したときは本処理を終了し、進角制御開始時間Ｔ２になった（図４の時刻ｔ２）と判別したときは、ステップ７に進み、カム位相ＣＡＩＮの進角制御が終了しているか否かを判別する。この場合、カム位相センサ２０が検出したカム位相ＣＡＩＮが、後述するカム位相ＣＡＩＮＲまで進角されていれば、カム位相ＣＡＩＮの進角制御が終了していると判別し、カム位相ＣＡＩＮＲまで進角されていなければ終了していないと判別する。

ステップ７において、カム位相ＣＡＩＮの進角制御が終了していると判別したときは、ステップ９に進み、これが終了していないと判別したときは、ステップ８において、カム位相ＣＡＩＮの進角制御を実行する。カム位相ＣＡＩＮの進角制御は、リーンバーン運転時のカム位相ＣＡＩＮＬから、本ステップ８が１回実行されるごとに、所定量ΔＣＡＩＮＡＤだけ進角させることによって行う。この場合、所定量ΔＣＡＩＮＡＤは、上記ステップ３で求めたカム進角量ＣＡＩＮＡＤを所定数Ｎ１で分割した値であり、この所定数Ｎ１は、上記ステップ３の各時間Ｔ１，ＴＲ，Ｔ３などから決定される。具体的には、所定量ΔＣＡＩＮＡＤに応じたデューティ比ＤＯＵＴの駆動信号を電磁制御弁１０に供給することによって、カム位相可変機構８を駆動し、カム位相ＣＡＩＮを所定量ΔＣＡＩＮＡＤだけ進角させる。以上のような進角制御によって、図４に示すように、カム位相ＣＡＩＮは徐々に進角され、最終的にカム位相ＣＡＩＮＲ（＝ＣＡＩＮＬ＋ＣＡＩＮＡＤ）まで進角される。

この後、ステップ９において、タイマｔｍのカウント値がリッチ移行開始時間Ｔ１になったか否かを判別する。この場合も、リッチ移行開始時間Ｔ１になっていないと判別したときは、本処理を終了し、リッチ移行開始時間Ｔ１になった（図４の時刻ｔ１）と判別したときは、ステップ１０に進み、Ａ／Ｆリッチ制御が終了しているか否かを判別する。この場合、空燃比Ａ／Ｆが後述する値ＡＦＲになっていれば、Ａ／Ｆリッチ制御が終了していると判別され、そうでなければＡ／Ｆリッチ制御が終了していないと判別される。

ステップ１０において、Ａ／Ｆリッチ制御が終了しているときは、図３のステップ１２に進み、これが終了していないときは、ステップ１１に進み、Ａ／Ｆリッチ制御を実行する。このＡ／Ｆリッチ制御は、本ステップ１１が１回実行されるごとに、インジェクタ１２の燃料噴射時間ＴＯＵＴを所定時間ΔＴＯＵＴずつ、長くしてゆくことによって空燃比Ａ／Ｆをリッチ化させる。この場合、所定時間ΔＴＯＵＴは、空燃比Ａ／Ｆを前記ステップ３のリッチ量Ｒ１だけリッチ化させるのに必要な燃料噴射時間の増加分を、カム位相ＣＡＩＮの進角制御と同じ所定数Ｎ１で分割した値に設定される。以上のＡ／Ｆリッチ制御により、図４に示すように、空燃比Ａ／Ｆはリーンバーン運転中の値ＡＦＬから、上記ステップ３で求めたリッチ量Ｒ１だけリッチ化した値ＡＦＲまで徐々にリッチ化される。

次いで、図３のステップ１２において、タイマｔｍのカウント値が遅角制御開始時間Ｔ４になったか否かを判別する。ステップ１２において、遅角制御開始時間Ｔ４になっていないと判別したときは本処理を終了し、遅角制御開始時間Ｔ４になった（図４の時刻ｔ４）と判別したときはステップ１３に進み、カム位相ＣＡＩＮの遅角制御が終了しているか否かを判別する。この場合、カム位相ＣＡＩＮが、リーンバーン運転のカム位相ＣＡＩＮＬまで遅角されていれば、カム位相ＣＡＩＮの遅角制御が終了していると判別し、遅角されていなければ終了していないと判別する。

ステップ１３において、カム位相ＣＡＩＮの遅角制御が終了していると判別したときは、ステップ１５に進み、これが終了していないと判別したときは、ステップ１４において、カム位相ＣＡＩＮの遅角制御を実行する。カム位相ＣＡＩＮの遅角制御は、前記ステップ８とは逆に、本ステップ１４が１回実行されるごとに、カム位相ＣＡＩＮを前記ステップ８の所定量ΔＣＡＩＮＡＤだけ遅角させることによって行う。以上のような遅角制御によって、図４に示すように、カム位相ＣＡＩＮは前記カム位相ＣＡＩＮＲからリーンバーン運転時のカム位相ＣＡＩＮＬまで徐々に遅角される。

この後、ステップ１５において、タイマｔｍのカウント値がリーン移行開始時間Ｔ３になったか否かを判別する。リーン移行開始時間Ｔ３になっていないと判別したときは、本処理を終了し、リーン移行開始時間Ｔ３になったと判別したときは、ステップ１６に進み、Ａ／Ｆリーン制御が終了しているか否かを判別する。この場合、空燃比Ａ／Ｆがリーンバーン運転時の値ＡＦＬになっていれば、Ａ／Ｆリーン制御が終了していると判別され、そうでなければＡ／Ｆリーン制御が終了していないと判別される。

ステップ１６において、Ａ／Ｆリーン制御が終了しているときは、ステップ１８に進み、ＲＡＭ２ｃ内に格納されている前記ステップ３〜ステップ５で算出した各値やタイマｔｍのカウント値をリセットし、本処理を終了する。一方、ステップ１６でＡ／Ｆリーン制御が終了してないときは、ステップ１７に進み、Ａ／Ｆリーン制御を実行する。このＡ／Ｆリーン制御は、本ステップ１７が１回実行されるごとに、インジェクタ１２の燃料噴射時間ＴＯＵＴを上記所定時間ΔＴＯＵＴずつ、短くしてゆくことによって空燃比Ａ／Ｆをリーン化させるものである。以上のＡ／Ｆリーン制御により、図４に示すように、空燃比Ａ／Ｆはリッチ量Ｒ１だけリッチ化した値ＡＦＲから、リーンバーン運転時の値ＡＦＬまで徐々にリーン化される。以上のように、カム位相制御処理およびリッチスパイク制御処理はそれぞれ実行され、その実行タイミング（または実行周期）および実行期間は、ステップ３〜ステップ５で設定される各時間によってそれぞれ決定される。

次に、以上のようなカム位相制御処理およびリッチスパイク制御処理を実行したときの空燃比Ａ／Ｆおよびカム位相ＣＡＩＮの変化について、図４を参照しながら説明する。同図に示すように、空燃比Ａ／Ｆは、リッチ移行開始時刻ｔ１（前記タイマｔｍのカウント値がＴ１になる時刻）おいて、リーンバーン運転時の値ＡＦＬからリッチ側に変化を開始する。この後、空燃比Ａ／Ｆは、リーンバーン運転時の値ＡＦＬからリッチ量Ｒ１だけリッチ化した値ＡＦＲまでほぼ線形に変化し、最終的に値ＡＦＲになるとともに、この状態がリーン移行開始時刻ｔ３（タイマｔｍのカウント値がＴ３になる時刻）まで維持される。さらに、時刻ｔ３において、リーン側に変化を開始し、リーンバーン運転時の値ＡＦＬまでほぼ線形に変化する。そして、総リッチ期間ＴＲを経過すると、リッチスパイク制御が終了する。以上のように空燃比Ａ／Ｆを変化させるリッチスパイク制御を行うことにより、触媒装置１４のＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵したＮＯｘが放出され、そのＮＯｘ吸蔵能力が回復するとともに、放出したＮＯｘは、３元触媒によって還元される。

一方、カム位相制御の駆動信号は、図中に実線で示すように出力される。すなわち、時刻ｔ１よりも先行タイムＴｍａだけ先行した進角制御の開始時刻ｔ２（タイマｔｍのカウント値がＴ２なる時刻）において、カム位相ＣＡＩＮの進角を開始させ、リーンバーン運転時のカム位相ＣＡＩＮＬからカム位相ＣＡＩＮＲにほぼ線形に変化させる。この後、カム位相ＣＡＩＮを、最終的にカム位相ＣＡＩＮＲさせるとともに、この状態を遅角制御開始時刻ｔ４（タイマｔｍのカウント値がＴ４になる時刻）まで維持させる。そして、遅角制御開始時刻ｔ４において、遅角側に変化を開始させ、リーンバーン運転時のカム位相ＣＡＩＮＬまでほぼ線形に変化させる。しかし、実際のカム位相ＣＡＩＮは、前述したカム位相可変機構８の作動時の応答遅れによって図中に点線で示すように変化する。すなわち、リッチ移行開始時刻ｔ１において、空燃比Ａ／Ｆのリッチ化の開始タイミングに同期して進角を開始し、さらに、リーン移行開始時刻ｔ３において、空燃比Ａ／Ｆのリーン化の開始タイミングに同期して遅角を開始する。

以上詳述したように、本実施形態に係る内燃機関の制御装置１によれば、前述したようなリッチスパイク制御を行うことにより、すなわちリーンバーン運転中の空燃比Ａ／Ｆをリッチ量Ｒ１だけリッチ化させるように燃料を増量することによって、触媒装置１４のＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵したＮＯｘを放出させ、これにより、そのＮＯｘ吸蔵能力を回復させることができる。

また、リーンバーン運転中に空燃比Ａ／Ｆをリッチ化するときに、カム位相ＣＡＩＮを進角させるとともに、そのカム進角量ＣＡＩＮＡＤを空燃比Ａ／Ｆのリッチ量Ｒ１に応じて求めているので、空燃比Ａ／Ｆのリッチ化に伴うＮＯｘ増大量やトルク変動量に応じて、バルブオーバーラップを長くして内部ＥＧＲ量を適切に増加させ、燃焼温度を適切に下げることができる。その結果、空燃比Ａ／Ｆのリッチ化によるＮＯｘ量やトルク変動を適切に抑制できる（図６に点線で示す状態）ことにより、運転性を向上させることができる。また、不活性ガスであるＥＧＲ量が増加することで、リッチ量Ｒ１だけ空燃比Ａ／Ｆをリッチ化させるときに必要な燃料量は、ＥＧＲ量が少ない場合と比べて少ない燃料量で済むことにより、燃費をさらに向上させることができる。

さらに、エンジン回転数ＮＥおよび油温ＴＯＩＬに応じて求めた先行タイムＴｍａの分だけ、カム位相可変機構８によるカム位相ＣＡＩＮの進角開始を先行させることによって、カム位相可変機構８の作動時の応答遅れを補償して、カム位相ＣＡＩＮの進角開始タイミングと、空燃比Ａ／Ｆのリッチ化開始タイミングとを同期させているので、エンジン回転数ＮＥおよび油温ＴＯＩＬの変化の影響を受けることなく、ＮＯｘ量やトルク変動を適切なタイミングで抑制できる。

また、上記のようにＮＯｘ量を抑制できることで、リッチスパイク制御の実行時間を長くできることにより、その実行頻度を少なくすることができ、その結果、燃費を向上させることができる。

なお、前述した実施形態においては、クランクシャフト９に対する吸気カムシャフト６の位相を変更するカム位相可変機構として、油圧で駆動されるカム位相可変機構８を用いたが、これに限らず、電動式のカム位相可変機構や空気圧で駆動されるカム位相可変機構など、吸気カムシャフト６の位相を変更可能な構成であればよい。

また、前述した実施形態においては、空燃比Ａ／Ｆをリッチ化するときに、吸気カムシャフト６の位相を進角させるカム位相制御を代表として説明したが、排気側のカム位相可変機構８によって、空燃比Ａ／Ｆをリッチ化するときに、排気カムシャフト７の位相を遅角させるようなカム位相制御も実行可能である。この場合には、前記図２のステップ３において、進角量ＣＡＩＮＡＤに代えて遅角量を求め、ステップ７およびステップ８において、進角制御に代えて、遅角制御の終了判別と、ステップ３で求めた遅角量に基づく遅角制御とをそれぞれ実行する。また、図３のステップ１３およびステップ１４において、遅角制御に代えて、進角制御の終了判別と進角制御とをそれぞれ実行する。

以上のようなカム位相制御を実行すると、排気カムシャフト７のカム位相を遅角させたときに、図５に点線で示すように、排気弁５の開閉タイミングが遅角されることによって、吸気弁４と排気弁５のバルブオーバーラップが長くなり、前述した吸気カムシャフト６のカム位相の進角と同様に内部ＥＧＲ量の増加などの効果が得られる。また、この場合、排気カムシャフト７のカム位相は、図４におけるカム位相の進角方向を排気カムシャフト７のカム位相の遅角方向とすると、同図のカム位相と同様に変化する。

さらに、空燃比Ａ／Ｆをリッチ化するときに、上記のような排気カムシャフト７の位相を遅角させるカム位相制御と吸気カムシャフト６の位相を進角させるカム位相制御とを併用してもよい。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置の概略構成を示す図である。 制御装置によるカム位相制御処理およびリッチスパイク制御処理を示すフローチャートである。 図２の続きを示すフローチャートである。 カム位相制御およびリッチスパイク制御を行ったときのカム位相および空燃比の変化を示すタイムチャートである。 吸気弁と排気弁の開閉動作を示すタイムチャートである。 リッチスパイク制御を実行したときの空燃比、トルクおよびＮＯｘの変動を示すタイムチャートである。

符号の説明

１ 制御装置
２ ＥＣＵ（増量手段、制御手段）
３ エンジン（内燃機関）
４ 吸気弁
５ 排気弁
６ 吸気カムシャフト
７ 排気カムシャフト
８ カム位相可変機構
９ クランクシャフト
１４ 触媒装置（ＮＯｘ吸蔵触媒）
２０ カム位相センサ
ＣＡＩＮ 吸気カムシャフトの位相
ＣＡＩＮＡＤ カム進角量（リッチ量に応じた吸気カムシャフトの位相の進角量）
Ｒ１ リッチ量（所定のリッチ度合）
ｔ１ リッチ移行開始時刻（燃料の増量開始タイミング）
ｔ２ 進角制御開始時刻（燃料の増量開始タイミングの所定時間前）
Ｔｍａ 先行タイム（所定時間）

Claims (1)

1. 吸気弁および排気弁をそれぞれ開閉するための吸気カムシャフトおよび排気カムシャフトの少なくとも一方の位相を油圧駆動式のカム位相可変機構によってクランクシャフトに対して変更可能であり、リーンバーン運転中のＮＯｘをＮＯｘ吸蔵触媒によって吸蔵する内燃機関の制御装置であって、
   前記ＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵したＮＯｘを放出させるために、前記リーンバーン運転中の空燃比を所定のリッチ度合だけリッチ化させるように燃料を増量させる増量手段と、
   前記クランクシャフトに対する前記吸気カムシャフトの位相を前記空燃比の前記所定のリッチ度合に応じて進角側に変更させる制御、および前記排気カムシャフトの位相を前記空燃比の前記所定のリッチ度合に応じて遅角側に変更させる制御の少なくとも一方を、前記増量手段による前記燃料の増量開始タイミングよりも所定時間前に行うように、前記カム位相可変機構の駆動を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。

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