JP2009108720A - 排気浄化触媒の暖機制御装置及び暖機制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料がピストン冠面などに付着することなく、排気浄化触媒を早期に活性化(暖機)することができる排気浄化触媒の暖機制御装置及び暖機制御方法を提供する。
【解決手段】エンジンから排出される排ガスを浄化する排気浄化触媒の暖機を制御する装置であって、ピストンが上死点位置にあるときのピストン冠面からシリンダ天井面までの距離を変更可能な距離変更手段と、排気浄化触媒の暖機が必要であるか否かを判定する判定手段(Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３)と、触媒の暖機が必要であるときには、触媒の暖機完了後に比べて、ピストンが上死点位置にあるときのピストン冠面からシリンダ天井面までの距離を拡大し(Ｓ１１，Ｓ２１，Ｓ３１)、燃料噴射弁の燃料噴射時期ＩＴを圧縮行程後半から膨張行程前半に設定し(Ｓ１２，Ｓ２２，Ｓ３２)、点火プラグの点火時期ＳＡを燃料噴射開始後の膨張行程に設定する(Ｓ１３，Ｓ２３，Ｓ３３)エンジン制御手段と、を有する。
【選択図】図４

Description

この発明は、エンジンから排出される排ガスを浄化する排気浄化触媒の暖機を制御する装置及び方法に関する。

エンジンから排出される排ガスを浄化する排気浄化触媒は、所定の温度に達して排気浄化性能を発揮するようになるので、早期に暖機することが重要である。たとえば特許文献１には、エンジンの冷機時に圧縮比を低下させることによって熱効率を低下させて暖機効果を向上させる圧縮比可変エンジンが開示されている。
特開昭６０−２３０５２５号公報

ところでエンジンの冷機時に排気浄化触媒を急速に活性させるには、上述のような暖機効果に加えて、燃料噴射時期及び点火時期をリタード(遅角)するとよい。このようにすれば排ガス温度が上昇するからである。

しかしながら単に燃料噴射時期及び点火時期をリタード(遅角)しては、燃料がピストン冠面などに付着してしまうおそれがある。燃料がピストン冠面などに付着しては排気空燃比の乱れによって排ガス浄化性能が悪化したり、未燃の排ガスが排出されるおそれがある。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、燃料がピストン冠面などに付着することなく、排気浄化触媒を早期に活性化(暖機)することができる排気浄化触媒の暖機制御装置及び暖機制御方法を提供することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、エンジン(１０)から排出される排ガスを浄化する排気浄化触媒(１００)の暖機を制御する装置であって、ピストン(３２)が上死点位置にあるときのピストン冠面からシリンダ天井面までの距離を変更可能な距離変更手段(１１〜１３)と、前記排気浄化触媒(１００)の暖機が必要であるか否かを判定する判定手段(ステップＳ１，Ｓ２，Ｓ３)と、触媒(１００)の暖機が必要であるときには、触媒(１００)の暖機完了後に比べて、ピストンが上死点位置にあるときのピストン冠面からシリンダ天井面までの距離を拡大し(ステップＳ１１，Ｓ２１，Ｓ３１)、燃料噴射弁(４１)の燃料噴射時期を圧縮行程後半から膨張行程前半に設定し(ステップＳ１２，Ｓ２２，Ｓ３２)、点火プラグ(４２)の点火時期を燃料噴射開始後の膨張行程に設定する(ステップＳ１３，Ｓ２３，Ｓ３３)エンジン制御手段(７０)と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、触媒の暖機が完了するまでは、燃料を圧縮行程後半から膨張行程前半で噴射し、燃料噴射開始後の膨張行程で点火するようにしたので、熱効率が低下し排ガス温度が上昇するので、触媒を早期活性化できる。そしてそれに併せて、ピストンが上死点位置にあるときのピストン冠面からシリンダ天井面までの距離を、触媒の暖機完了後に比べて拡大するようにした。これによっても熱効率が低下し、さらに排ガス温度が上昇することとなる。排ガス温度が上昇すればシリンダ内の温度も高くなるので、燃料が気化しやすくなりシリンダ内壁へ燃料が付着しにくくなる。またピストン位置が下がり燃料噴射弁からの距離が離れる。したがってこの点からも噴霧された燃料がピストン冠面に付着しにくくなるのである。

以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明による排気浄化触媒の暖機制御を適用可能な可変圧縮比エンジンの一例を示す図である。

本件発明者らは、従来より、図１に示すようなピストンとクランクシャフトとを２つのリンクで連結する複リンク機構による可変圧縮比エンジン(以下「複リンク式可変圧縮比エンジン」という)について鋭意研究を重ねている。通常のエンジン(以下「ノーマルエンジン」という)は、ピストンとクランクシャフトとを１つのリンク(コンロッド)で連結し、機械的圧縮比が不変でありピストンの上死点位置は一定である。しかしながら、本件発明者らが研究する複リンク式可変圧縮比エンジンでは、ピストンの上死点位置を変更でき、ピストン上死点位置を下げればピストン冠面からシリンダ天井面までの距離を拡大でき、ピストン上死点位置を上げればピストン冠面からシリンダ天井面までの距離を縮小できるという特性がある。

ところで排ガス浄化触媒１００を早期暖機するには、燃料を圧縮行程後半から膨張行程前半で噴射し、点火を燃料噴射開始後の膨張行程で行うとよい。このようにすれば熱効率が低下する。すると排ガス温度が上昇する。したがって排ガス浄化触媒は暖機しやすくなる。

しかし、圧縮行程後半から膨張行程前半では、ピストンが上死点付近に近づいているので、燃料が圧縮行程後半から膨張行程前半で噴射されると、その燃料がピストン冠面に付着しやすくなる。

そこで本件発明者らは、上述した複リンク式可変圧縮比エンジンの特性を利用して、ピストン上死点位置を下げて、ピストン冠面からシリンダ天井面までの距離を拡大することで燃料がピストン冠面に付着しにくくなることに着目した。また上述した複リンク式可変圧縮比エンジンでは、ピストン上死点位置を下げることで圧縮比が低くなる。この点でも熱効率は低下する。すると排ガス温度は一層上昇する。したがって排ガス浄化触媒はさらに暖機しやすくなるのである。

本発明は、このような発明者らの知見に基づいてなされたものである。

まず最初に複リンク式可変圧縮比エンジンについて説明する。図１は、複リンク式可変圧縮比エンジンを示す図である。

複リンク式可変圧縮比エンジン１０は、ピストン３２とクランクシャフト３３とを２つのリンク(アッパリンク(第１リンク)１１、ロアリンク(第２リンク)１２)で連結するとともに、コントロールリンク(第３リンク)１３でロアリンク１２を制御して機関圧縮比を変更する。

アッパリンク１１は、上端をピストンピン２１を介してピストン３２に連結し、下端を連結ピン２２を介してロアリンク１２の一端に連結する。ピストン３２は、燃焼圧力を受け、シリンダブロック３１のシリンダ３１ａ内を往復動する。

ロアリンク１２は、一端を連結ピン２２を介してアッパリンク１１に連結し、他端を連結ピン２３を介してコントロールリンク１３に連結する。また、ロアリンク１２は、ほぼ中央の連結孔に、クランクシャフト３３のクランクピン３３ｂを挿入し、クランクピン３３ｂを中心軸として回転する。ロアリンク１２は左右の２部材に分割可能に構成される。クランクシャフト３３は、複数のジャーナル３３ａとクランクピン３３ｂとを備える。ジャーナル３３ａは、シリンダブロック３１及びラダーフレーム３４によって回転自在に支持される。クランクピン３３ｂは、ジャーナル３３ａから所定量偏心しており、ここにロアリンク１２が回転自在に連結する。

コントロールリンク１３は、先端に連結ピン２３を挿入し、ロアリンク１２に回動可能に連結する。またコントロールリンク１３は、他端を連結ピン２４を介してコントロールシャフト２５に連結する。コントロールリンク１３は、この連結ピン２４を中心として揺動する。またコントロールシャフト２５にはギヤが形成されており、そのギヤがアクチュエータ５１の回転軸５２に設けられたピニオン５３に噛合する。アクチュエータ５１によってコントロールシャフト２５が回転させられ、連結ピン２４が移動する。

コントローラ７０はアクチュエータ５１を制御してコントロールシャフト２５を回転させて圧縮比を変更する。またコントローラ７０は燃料噴射弁４１の燃料噴射を制御する。さらにコントローラ７０はシリンダヘッドに設けられた点火プラグ４２の点火時期を制御する。コントローラ７０は中央演算装置(ＣＰＵ)、読み出し専用メモリ(ＲＯＭ)、ランダムアクセスメモリ(ＲＡＭ)及び入出力インタフェース(Ｉ／Ｏインタフェース)を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ７０を複数のマイクロコンピュータで構成してもよい。

なお本実施形態の複リンク式可変圧縮比エンジン１０では、燃料噴射弁４１は燃焼室側方に配置される。

排気浄化触媒１００は、排気通路の下流に配置されている。排気浄化触媒１００は、暖機されて触媒成分が活性化されるとエンジン１０から排出される排ガスを浄化可能になる。

図２は、複リンク式可変圧縮比エンジンによる圧縮比変更方法を説明する図である。

複リンク式可変圧縮比エンジンは、コントロールシャフト２５を回転して連結ピン２４の位置を変更することで、機械圧縮比を変更できる。例えば図２(Ａ)、図２(Ｃ)に示すように連結ピン２４を位置Ａにすれば、上死点位置(ＴＤＣ)が高くなり高圧縮比になる。

そして図２(Ｂ)、図２(Ｃ)に示すように、連結ピン２４を位置Ｂにすれば、コントロールリンク１３が上方へ押し上げられ、連結ピン２３の位置が上がる。これによりロアリンク１２はクランクピン３３ｂを中心として反時計方向に回転し、連結ピン２２が下がり、ピストン上死点(ＴＤＣ)におけるピストン３２の位置が下降する。したがって圧縮比が低圧縮比になる。

また複リンク式可変圧縮比エンジンは、圧縮比が一定である通常のエンジン(ノーマルエンジン)に比べて、ピストンが上死点付近に滞在する期間が長いという特性がある。そしてこの特性によって、複リンク式可変圧縮比エンジンは、通常のエンジンよりも高圧縮比にしてもノッキングを生じにくくなり、また超希薄燃焼であっても比較的大きな燃焼エネルギを得ることができ、燃焼性が安定する。

この点を図３を参照して説明する。図３は、複リンク式可変圧縮比エンジンのピストン挙動を示す図であり、図３(Ａ)は図３(Ｂ)の点線部の拡大図である。図３には、ノーマルエンジンと同じ圧縮比にした複リンク式可変圧縮比エンジンのピストン挙動が細実線で示されている。

ピストン３２が上死点から所定の距離内にあるときを、ピストン上死点付近滞在期間と定義すると、図３から明らかなように複リンク式可変圧縮比エンジンは、同じ圧縮比であるノーマルエンジンに比べて、ピストン上死点付近滞在期間が長い。

また複リンク式可変圧縮比エンジンにおいて、高圧縮比でのピストン上死点付近滞在期間Ｌ1は、低圧縮比でのピストン上死点付近滞在期間Ｌ2よりも長い。すなわち図３(Ｂ)において、Ｌ1＞Ｌ2である。

このように複リンク式可変圧縮比エンジンは、ノーマルエンジンに比べてピストン上死点付近滞在期間が長い。さらに圧縮比が高い方がピストン上死点付近滞在期間が長い。ピストン３２が上死点付近に長く滞在するということは、燃焼中に高圧縮状態が長く維持されるということである。高圧縮状態が長く維持されると、ノッキングを生じにくくなり、超希薄燃焼であっても比較的大きな燃焼エネルギを得ることができるので燃焼性が安定する。

そして複リンク式可変圧縮比エンジンにおいては、上死点から下死点までのピストンストローク量が同一のノーマルエンジンに比べて、ピストンの往復運動が単振動運動に近い特性となるように、各リンクや各支点のアライメントを設定されている。具体的には、ノーマルエンジンのピストン−クランク機構に比べて、上死点前から上死点にかけては、ピストン３２を引き下げる方向にロアリンク１２がコントロールリンク１３の揺動によってクランクピン３３ｂを中心に揺動し、上死点から上死点後にかけては、ピストン３２を引き上げる方向にロアリンク１２がコントロールリンク１３の揺動によってクランクピン３３ｂを中心に揺動し、下死点前から下死点にかけては、ピストン３２を引き下げる方向にロアリンク１２がコントロールリンク１３の揺動によってクランクピン３３ｂを中心に揺動し、下死点から下死点後にかけては、ピストン３２を引き上げる方向にロアリンク１２がコントロールリンク１３の揺動によってクランクピン３３ｂを中心に揺動するように設定したのである。

このようにすることで、上死点前後におけるピストンストローク特性と、下死点前後におけるピストンストローク特性と、がほぼ同じ単振動特性になっているのである。すなわち、特性図において上死点前後におけるピストンストローク特性を上下ひっくり返すと、下死点前後におけるピストンストローク特性にほぼ重なる。これに対して、ノーマルエンジンでは、上死点前後におけるピストンストローク特性のほうが下死点前後におけるピストンストローク特性よりも鋭角になっている。これをピストンストローク特性で見ると、上死点前後では、複リンク式可変圧縮比エンジンのほうがノーマルエンジンよりも広がっている。また下死点前後では、複リンク式可変圧縮比エンジンのほうがノーマルエンジンよりも狭まっている。言い換えると、上死点から下死点までのピストンストローク量が同一の複リンク式可変圧縮比エンジンとノーマルエンジンとを比較すると、所定クランク角度変化に対するピストン移動量は、ピストン３２が上死点前後にあるときは複リンク式可変圧縮比エンジンのほうがノーマルエンジンよりも小さい。またピストン３２が下死点前後にあるときは複リンク式可変圧縮比エンジンのほうがノーマルエンジンよりも大きいのである。これをピストンストローク速度で表現すると、ピストン３２が上死点前後にあるときは複リンク式可変圧縮比エンジンのほうがノーマルエンジンよりも遅い。またピストン３２が下死点前後にあるときは複リンク式可変圧縮比エンジンのほうがノーマルエンジンよりも速いのである。

このように、複リンク式可変圧縮比エンジンのピストン−クランク機構は、上死点から下死点までのピストンストローク量がピストン−クランク機構における上死点から下死点までのピストンストローク量と同一のノーマルエンジンのピストン−クランク機構に比べて、ピストンの往復運動が単振動運動に近い特性となるよう、上死点と下死点におけるピストンストローク特性が略対称で、ノーマルエンジンのピストン−クランク機構に比べてピストン下死点前後のピストンストローク速度が大きく、かつピストン上死点前後のピストンストローク速度が小さくなるように、上死点前から上死点にかけて、及び下死点前から下死点にかけてはノーマルエンジンのピストン−クランク機構に比べてピストン３２を引き下げる方向にロアリンク１２がコントロールリンク１３の揺動によってクランクピン回りに揺動し、上死点から上死点後にかけて、及び下死点から下死点後にかけてはノーマルエンジンのピストン−クランク機構に比べてピストンを引き上げる方向にロアリンク１２がコントロールリンク１３の揺動によってクランクピン回りに揺動するように、各リンクや各支点のアライメントが設定されている。

図４は、本発明による制御ロジックのフローチャートである。なおコントローラはこの処理を微少時間(たとえば１０ミリ秒又は１クランク回転)サイクルで繰り返し実行する。

ステップＳ１においてコントローラ７０は、冷却水温度Ｔｗが第１基準温度Ｔｗ１よりも低いか否かを判定する。なお本願は触媒の温度に応じてエンジン制御するが、触媒温度は冷却水温度とほぼ一定の関係を有するので、触媒温度を直接測定することなく冷却水温度に基づいて触媒温度状態を推定する。冷却水温度Ｔｗが第１基準温度Ｔｗ１よりも低ければステップＳ１１へ処理を移行し、そうでなければステップＳ２へ処理を移行する。

ステップＳ１１においてコントローラ７０は、機械圧縮比εとして圧縮比ε１を設定する。この圧縮比ε１は、触媒の暖機完了後に設定する圧縮比ε２よりも低い圧縮比である。上述のように、本実施形態で使用する複リンク式可変圧縮比エンジンでは、圧縮比が低いほどピストン３２の上死点位置が低くなる。したがって圧縮比ε２よりも低い圧縮比ε１を設定することで、触媒の暖機完了後よりもピストン３２の上死点位置が低くなり、シリンダ天井から離れる。

ステップＳ１２においてコントローラ７０は、燃料噴射時期ＩＴとして噴射時期ＩＴ１を設定する。この噴射時期ＩＴ１は、圧縮行程後半から膨張行程前半に設定される。噴射時期ＩＴ１は、触媒の暖機完了後に設定する噴射時期ＩＴ４よりも遅角側の噴射時期であり、特に本実施形態では、圧縮上死点ＴＤＣよりもさらに遅角した時期に設定する。

ステップＳ１３においてコントローラ７０は、点火時期ＳＡとして点火時期ＳＡ１を設定する。この点火時期ＳＡは、当然のことながら燃料噴射開始後に設定される。点火時期ＳＡ１は、触媒の暖機完了後に設定する点火時期ＳＡ４よりも遅角側の点火時期であり、特に本実施形態では、圧縮上死点ＴＤＣよりもさらに遅角した時期に設定する。

ステップＳ２においてコントローラ７０は、冷却水温度Ｔｗが第２基準温度Ｔｗ２よりも低いか否かを判定する。冷却水温度Ｔｗが第２基準温度Ｔｗ２よりも低ければステップＳ２１へ処理を移行し、そうでなければステップＳ３へ処理を移行する。

ステップＳ２１においてコントローラ７０は、機械圧縮比εとして圧縮比ε１を設定する。

ステップＳ２２においてコントローラ７０は、燃料噴射時期ＩＴとして噴射時期ＩＴ２を設定する。この噴射時期ＩＴ２は、圧縮行程後半から膨張行程前半に設定される。噴射時期ＩＴ２は、噴射時期ＩＴ１よりも進角側の噴射時期であり、特に本実施形態では、ほぼ圧縮上死点ＴＤＣに設定する。

ステップＳ２３においてコントローラ７０は、点火時期ＳＡとして点火時期ＳＡ２を設定する。点火時期ＳＡ２は、点火時期ＳＡ１よりも進角側の噴射時期であり、特に本実施形態では、圧縮上死点ＴＤＣの後に設定する。

ステップＳ３においてコントローラ７０は、触媒の暖機が完了したか否かを判定する。具体的には、冷却水温度Ｔｗが暖機基準温度Ｔｗ３よりも高いか否かを判定する。冷却水温度Ｔｗが暖機基準温度Ｔｗ３よりも高ければステップＳ４１へ処理を移行し、そうでなければステップＳ３１へ処理を移行する。

ステップＳ３１においてコントローラ７０は、機械圧縮比εとして圧縮比ε１を設定する。

ステップＳ３２においてコントローラ７０は、燃料噴射時期ＩＴとして噴射時期ＩＴ３を設定する。この噴射時期ＩＴ３は、圧縮行程後半から膨張行程前半に設定される。噴射時期ＩＴ３は、噴射時期ＩＴ２よりも進角側の噴射時期であり、特に本実施形態では、圧縮上死点ＴＤＣよりも進角側に設定する。

ステップＳ３３においてコントローラ７０は、点火時期ＳＡとして点火時期ＳＡ３を設定する。本実施形態では、点火時期ＳＡ３は、点火時期ＳＡ２と同じ時期に設定している。

ステップＳ４１においてコントローラ７０は、機械圧縮比εとして圧縮比ε２を設定する。この圧縮比ε２は、上述の通り圧縮比ε１よりも高い圧縮比である。上述のように、本実施形態で使用する複リンク式可変圧縮比エンジンでは、圧縮比が高いほどピストン３２の上死点位置が高くなる。したがって圧縮比ε１よりも高い圧縮比ε２を設定することで、触媒の暖機完了前よりもピストン３２の上死点位置が高くなる。

ステップＳ４２においてコントローラ７０は、燃料噴射時期ＩＴとして噴射時期ＩＴ４を設定する。この噴射時期ＩＴ４は、本実施形態では吸気行程前半に設定される。

ステップＳ４３においてコントローラ７０は、点火時期ＳＡとして点火時期ＳＡ４を設定する。点火時期ＳＡ４は、点火時期ＳＡ３(ＳＡ２)よりも進角側の噴射時期であり、特に本実施形態では、圧縮上死点ＴＤＣの手前に設定する。

図５は、排気浄化触媒の暖機制御装置の動作を示すタイムチャートである。なおフローチャートとの対応が分かりやすくなるように、フローチャートのステップ番号をＳ付けで併記した。

冷却水温度Ｔｗが第１基準温度Ｔｗ１よりも低い間は(図５(Ａ)；Ｓ１でＹｅｓ)、圧縮比ε１を設定し(図５(Ｄ)；Ｓ１１)、噴射時期ＩＴ１を設定し(図５(Ｅ)；Ｓ１２)、点火時期ＳＡ１を設定する(図５(Ｆ)；Ｓ１３)。

そして冷却水温度Ｔｗが第１基準温度Ｔｗ１を超え第２基準温度Ｔｗ２に達するまでは(図５(Ａ)；Ｓ２でＹｅｓ)、圧縮比ε１を保持し(図５(Ｄ)；Ｓ２１)、噴射時期ＩＴ２を設定し(図５(Ｅ)；Ｓ２２)、点火時期ＳＡ２を設定する(図５(Ｆ)；Ｓ２３)。

そして冷却水温度Ｔｗが第２基準温度Ｔｗ２を超え暖機基準温度Ｔｗ３に達するまでは(図５(Ａ)；Ｓ３でＮｏ)、圧縮比ε１を保持し(図５(Ｄ)；Ｓ３１)、噴射時期ＩＴ３を設定し(図５(Ｅ)；Ｓ３２)、点火時期ＳＡ３(ＳＡ２)を設定する(図５(Ｆ)；Ｓ３３)。

そして冷却水温度Ｔｗが暖機基準温度Ｔｗ３を超えたら(図５(Ａ)；Ｓ３でＹｅｓ)、圧縮比ε２を設定し(図５(Ｄ)；Ｓ４１)、噴射時期ＩＴ４を設定し(図５(Ｅ)；Ｓ４２)、点火時期ＳＡ４を設定する(図５(Ｆ)；Ｓ４３)。

このように本実施形態によれば、触媒の暖機が完了するまでは、燃料を圧縮行程後半から膨張行程前半で噴射し、燃料噴射開始後の膨張行程で点火するようにしたので、熱効率が低下し排ガス温度が上昇するので、触媒を早期活性化できる。そしてそれに併せて、ピストンが上死点位置にあるときのピストン冠面からシリンダ天井面までの距離を、触媒の暖機完了後に比べて拡大するようにした。これによっても熱効率が低下し、さらに排ガス温度が上昇することとなる。排ガス温度が上昇すればシリンダ内の温度も高くなるので、燃料が気化しやすくなりシリンダ内壁へ燃料が付着しにくくなる。またピストン位置が下がり燃料噴射弁からの距離が離れる。したがってこの点からも噴霧された燃料がピストン冠面に付着しにくくなるのである。

（第２実施形態）
図６は、本発明による排気浄化触媒の暖機制御を適用可能な可変圧縮比エンジンを示す図である。

なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

本実施形態では、吸気通路に筒内ガス流動強化弁８１を設けた。この筒内ガス流動強化弁８１は、図６では、分割板で上下に分けられた一方の吸気通路を塞ぐことでタンブル流を強化するタンブル制御弁を例示してあるが、たとえばスワール制御弁でもよい。そして排気浄化触媒が冷機状態であるときには、第１実施形態の制御、すなわちピストン上死点位置下降化(圧縮比の低圧縮比化)、燃料噴射時期及び点火時期のリタード化に加えて、タンブル制御弁８１を閉弁することでタンブル流を強めるようにした。

本実施形態によれば、筒内ガス流動強化弁(タンブル制御弁)８１によって筒内のガス流動が強められ、ピストン冠面に燃料が一層付着しにくくなる。

（第３実施形態）
図７は、本発明による排気浄化触媒の暖機制御を適用可能な可変圧縮比エンジンを示す図であり、図７(Ａ)は縦断面図、図７(Ｂ)は燃料噴射弁及び点火プラグを下方から見た図である。

本実施形態では、ピストンが上死点付近にあるときは、燃料噴射弁は、横方向(点火プラグ方向)に向けて燃料を噴射し、下方向(ピストン冠面方向)には、燃料を噴射しないようにした。

このようにすれば、ピストン冠面に燃料が、さらに付着しにくくなる。

（第４実施形態）
図８は、本発明による排気浄化触媒の暖機制御を適用可能な可変動弁機構を示す図である。

可変動弁機構２００は、カムシャフト２１０と、リンクアーム２２０と、バルブリフト制御シャフト２３０と、ロッカアーム２４０と、リンク部材２５０と、揺動カム２６０とを備え、揺動カム２６０の揺動によってカムフォロア６３を押圧し動弁(吸気弁，排気弁)６１を開閉する。

カムシャフト２１０は、エンジン前後方向に沿ってシリンダヘッド上部に回転自在に支持される。カムシャフト２１０の一端は、カムスプロケット２７０に挿入される。カムスプロケット２７０は、エンジンのクランク軸からトルクが伝達されて回転する。カムシャフト２１０は、カムスプロケット２７０とともに回転する。カムシャフト２１０は、油圧によってカムスプロケット２７０に対して相対回転し、カムスプロケット２７０に対する位相を変更できる。このような構造によって、クランク軸に対するカムシャフト２１０の回転位相を変更できる。カムシャフト２１０にはカム２１１が固定される。カム２１１はカムシャフト２１０と一体回転する。またカムシャフト２１０にはパイプで連結された一対の揺動カム２６０が挿通される。揺動カム２６０はカムシャフト２１０を回転中心として揺動し、カムフォロア６３をストロークさせる。

リンクアーム２２０はカム２１１を挿通して支持される。

バルブリフト制御シャフト２３０は、カムシャフト２１０と平行に配置される。バルブリフト制御シャフト２３０にはカム２３１が一体形成される。バルブリフト制御シャフト２３０はアクチュエータ２８０によって所定回転角度範囲内で回転するように制御される。

ロッカアーム２４０はカム２３１を挿通して支持され、リンクアーム２２０に連結される。

リンク部材２５０は、ロッカアーム２４０に連結される。

揺動カム２６０は、カムシャフト２１０を挿通し、カムシャフト２１０を中心として揺動自在である。揺動カム２６０は、リンク部材２５０に連結される。揺動カム２６０は上下動して、カムフォロア６３を押し下げ、動弁６１を開閉する。

続いて図９を参照して可変動弁機構２００の動作を説明する。

図９(Ａ−１)(Ａ−２)はカムフォロア６３のストローク量を最大にして動弁６１のリフト量を最大にするときの様子を示す図である。図９(Ａ−１)はカムノーズ２６０ｂが最高位置にあって揺動カム２６０の揺動方向が反転するときの様子を示す。このときカムフォロア６３は上端位置にあり動弁６１は閉弁状態である。図９(Ａ−２)はカムノーズ２６０ｂが最低位置にあって揺動カム２６０の揺動方向が反転するときの様子を示す。このときカムフォロア６３は下端位置にあり動弁６１は最大リフト状態である。

図９(Ｂ−１)(Ｂ−２)はカムフォロア６３のストローク量を最小にするときの様子を示す図である。図９(Ｂ−１)はカムノーズ２６０ｂが最高位置にあって揺動カム２６０の揺動方向が反転するときの様子を示す。図９(Ｂ−２)はカムノーズ２６０ｂが最低位置にあって揺動カム２６０の揺動方向が反転するときの様子を示す。本実施形態ではカムフォロア６３のストローク量がゼロであり動弁６１のリフト量もゼロである。そのため、図９(Ｂ−１)(Ｂ−２)では揺動カム２６０の作動にかかわらず、動弁６１は常に閉弁状態である。

カムフォロア６３のストローク量を大きくして動弁６１のリフト量を大きくするには、図９(Ａ−１)(Ａ−２)に示すように、バルブリフト制御シャフト２３０を回転してカム２３１の位置を下げ、軸心Ｐ１を軸心Ｐ２の下方にセットする。これによりロッカアーム２４０は、全体が下方に移動する。

この状態でカムシャフト２１０を回転駆動すると、その駆動力が、リンクアーム２２０→ロッカアーム２４０→リンク部材２５０→揺動カム２６０と伝達する。

図９(Ａ−１)のようにカム２１１がカムシャフト２１０の左側にあるときは揺動カム２６０の基円部２６０ａがカムフォロア６３に当接しており、このときカムフォロア６３は上端位置にあり動弁６１は最大リフト状態である。

図９(Ａ−２)のように、カム２１１がカムシャフト２１０の右側にあるときは揺動カム２６０のカムノーズ２６０ｂがカムフォロア６３に当接しており、このときカムフォロア６３は下端位置にあり動弁６１は閉弁状態である。

カムフォロア６３のストローク量を小さくして動弁６１のリフト量を小さくするには、図９(Ｂ−１)(Ｂ−２)に示すように、バルブリフト制御シャフト２３０を回転してカム２３１の位置を上げ、軸心Ｐ１を軸心Ｐ２の右斜上方にセットする。これによりロッカアーム２４０は、全体が上方に移動する。

この状態でカムシャフト２１０を回転駆動すると、その駆動力が、リンクアーム２２０→ロッカアーム２４０→リンク部材２５０→揺動カム２６０と伝達する。

図９(Ｂ−１)のように、カム２１１がカムシャフト２１０の左側にあるときは揺動カム２６０の基円部２６０ａがカムフォロア６３に当接する。

図９(Ｂ−２)のように、カム２１１がカムシャフト２１０の右側にあるときであっても揺動カム２６０の基円部２６０ａがカムフォロア６３に当接する。

このように、バルブリフト制御シャフト２３０を回転してカム２３１の位置を上げ、軸心Ｐ１を軸心Ｐ２の右斜上方にセットした場合には、カムシャフト２１０が回転して揺動カムが揺動しても、カムフォロア６３はストロークせず、動弁６１は閉弁したままである。

図１０は、可変動弁機構２００による動弁のリフト量及び開閉時期を示す図である。実線はバルブリフト制御シャフト２３０を回転したときの動弁６１のリフト量及び開閉時期を示す図である。破線はカムシャフト２１０のカムスプロケット２７０に対する位相を変更したときの動弁６１の開閉時期を示す図である。

上述した可変動弁機構２００の構造によれば、動弁６１のリフト量及び作動角を連続的に変更することができる。このようにバルブリフト制御シャフト２３０の角度及びカムシャフト２１０のカムスプロケット２７０に対する位相を変更することで、動弁６１のリフト量及び作動角を連続的に自在に変更することができる。

図１１は、可変動弁機構を利用した制御のタイムチャートである。

本実施形態では、上述の可変動弁機構２００を利用して、触媒１００の暖機の完了前には、第１実施形態の制御、すなわちピストン上死点位置下降化(圧縮比の低圧縮比化)、燃料噴射時期及び点火時期のリタード化に加えて、図１１(Ｂ)に示したように、吸気弁の閉弁時期が略下死点近傍になるように進角させる。このようにすれば、有効圧縮比を高く設定でき、安定燃焼が可能となる。

さらに図１１(Ｃ)に示したように排気弁の開閉時期を暖機完了後よりも進角側に設定することで、膨張比をさらに低くでき、排温の上昇をより高めることができ、触媒１００の早期暖機が可能になる。

（第５実施形態）
図１２は、可変動弁機構を利用した制御のタイムチャートである。

本実施形態では、上述の可変動弁機構２００を利用して、触媒１００の暖機の完了前には、第１実施形態の制御、すなわちピストン上死点位置下降化(圧縮比の低圧縮比化)、燃料噴射時期及び点火時期のリタード化に加えて、図１２(Ａ)に示したように、吸気弁を上死点よりも遅く開け、下死点近傍で閉じるとともに、リフト量も少なくした。このようにすることで、有効圧縮比を高く設定できるとともに、一旦筒内に負圧状態を生じさせた後で吸気弁を開き、かつリフトも小さいことから、筒内に強いガス流動を形成することが可能となり、上死点付近で噴射された燃料のリタード燃焼を安定させることができる。

また図１２(Ｂ)のように、触媒１００の暖機の完了前には、第１実施形態の制御、すなわちピストン上死点位置下降化(圧縮比の低圧縮比化)、燃料噴射時期及び点火時期のリタード化に加えて、吸気弁開時期が上死点よりも遅くなるように設定するとともに、燃料噴射を複数回に分割し、少なくともそのうちの１回は燃料噴射開始時期を吸気弁開時期よりも進角側に設定するようにしてもよい。このようにすれば、吸気弁が開弁する前の筒内が負圧状態になっているときに一部燃料を噴射するので、燃料の気化性能が向上し炭化水素(ＨＣ)の発生を抑制することができる。

また分割噴射のうちの少なくとも１回は燃料噴射時期を圧縮行程後半から膨張行程前半に設定したので、総噴射量に対する上死点近傍での燃料噴射の量の割合を低減でき、燃焼室内に局所的に生じる燃料の過度な集中を回避できるので、プラグのくすぶりや不完全燃焼による炭化水素(ＨＣ)等の排出を防止できる。

さらに図１２(Ｃ)のように、触媒の暖機の完了前には、第１実施形態の制御、すなわちピストン上死点位置下降化(圧縮比の低圧縮比化)、燃料噴射時期及び点火時期のリタード化に加えて、吸気弁リフト量を小さく設定するとともに、燃料噴射を複数回に分割し、少なくともそのうちの１回は燃料噴射時期を吸気弁開期間に設定するようにしてもよい。このようにすれば、低リフトの吸気弁開期間の吸気流速が高い条件で噴射された一部燃料が燃焼室内に均質に混合されるので、上死点近傍で噴射された燃料に点火された後、燃焼室全域まで安定して燃焼が可能となり、安定燃焼が可能となるとともに、炭化水素(ＨＣ)の発生を抑制できる。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。

たとえば上記実施形態においては、冷却水温に基づいて触媒の暖機状態を推定していたが、触媒に温度センサを設けて触媒の温度を直接測定することで触媒の暖機状態を検知してもよい。

また上記実施形態においては、ピストン冠面からシリンダ天井面までの距離を変更する構造として、ピストンの上死点位置を変更する複リンク構造を例示したが、これに限らず、シリンダヘッドを上下動してピストン冠面からシリンダ天井面までの距離を変更するものであってもよい。

また上記においては、燃料噴射弁４１を燃焼室側方に配置していたが、図１３に示すように燃焼室天井の略中心に配置してもよい。そしてピストン３２の冠面には、燃料噴射弁４１からの噴霧を受けるボウルを形成しておくとよい。このようにすることで、触媒暖機前に低圧縮比化することにより、噴射位置からピストン冠面まで距離が伸びるので、ピストン冠面への燃料の付着を防止できる。また、キャビティにより中心部に可燃混合気が形成されるので、リタード時にも燃焼が安定する。

さらに可変圧縮比エンジンに図１４に示したピストン３２を使用してもよい。なお図１４(Ａ)は斜視図であり、図１４(Ｂ)は図１４(Ａ)のＢ−Ｂ断面図であり、図１４(Ｃ)は図１４(Ａ)のＣ−Ｃ断面図である。また図１５はピストン挙動を示す図である。

ピストン３２は図１４(Ｃ)に示されているようにピストンスカートが大幅に短縮されている。

このようなピストン３２を使用すれば、図１５に示されているように下死点位置ではカウンターウエイト３３ｃがピストンピン２１の側方を通過する。このためアッパリンク１１を最小限の長さとして、ピストン３２の下死点位置をクランクシャフト３３に最接近させることで、その分のピストンストロークを拡大することができ、ピストン３２のストローク量をピストン直径よりも大きくできる。なお、このような構成にするためにはピストンスカート部の強度が課題となるが、図１５(Ｂ)に示すように、複リンク機構の特性を利用し、ピストン３２の上死点位置においてアッパリンク１１が略直立にすることでピストン３２にかかる横方向荷重(スラスト荷重)を低減できる。これにより、ピストンスカート部の強度は確保される。

このようにすれば、エンジン全高を大きく変更することなくロングストローク化が可能となり、結果として上死点時の燃焼室高さを大きく設定できるので、上死点付近で燃料を噴射する場合に、ピストンへの燃料付着を抑制することが可能となる。

本発明による排気浄化触媒の暖機制御を適用可能な可変圧縮比エンジンの一例を示す図である。 複リンク式可変圧縮比エンジンによる圧縮比変更方法を説明する図である。 複リンク式可変圧縮比エンジンのピストン挙動を示す図である。 本発明による制御ロジックのフローチャートである。 排気浄化触媒の暖機制御装置の動作を示すタイムチャートである。 本発明による排気浄化触媒の暖機制御を適用可能な可変圧縮比エンジンを示す図である。 本発明による排気浄化触媒の暖機制御を適用可能な可変圧縮比エンジンを示す図である。 本発明による排気浄化触媒の暖機制御を適用可能な可変動弁機構を示す図である。 可変動弁機構の動作を説明する図である。 可変動弁機構による動弁のリフト量及び開閉時期を示す図である。 可変動弁機構を利用した制御のタイムチャートである。 可変動弁機構を利用した制御のタイムチャートである。 燃焼室天井の略中心に燃料噴射弁を配置した構造を示す図である。 ピストンスカートを短縮したピストンを示す図である。 ピストンスカートを短縮したピストンの挙動を示す図である。

符号の説明

１０ 複リンク式可変圧縮比エンジン
１１ アッパリンク(第１リンク；距離変更手段)
１２ ロアリンク(第２リンク)
１３ コントロールリンク(第３リンク)
２１ ピストンピン
２５ コントロールシャフト
３２ ピストン
３３ クランクシャフト
４１ 燃料噴射弁
４２ 点火プラグ
６１ 動弁(吸気弁、排気弁)
７０ コントローラ(エンジン制御手段)
８１ タンブル制御弁(ガス流動強化弁)
１００ 排気浄化触媒
２００ 可変動弁機構(吸気閉弁時期変更手段、吸気弁時期及びリフト変更手段、排気弁開閉時期変更手段、吸気開弁時期変更手段、吸気弁リフト量変更手段)

Claims (18)

1. エンジンから排出される排ガスを浄化する排気浄化触媒の暖機を制御する装置であって、
   ピストンが上死点位置にあるときのピストン冠面からシリンダ天井面までの距離を変更可能な距離変更手段と、
   前記排気浄化触媒の暖機が必要であるか否かを判定する判定手段と、
   触媒の暖機が必要であるときには、触媒の暖機完了後に比べて、ピストンが上死点位置にあるときのピストン冠面からシリンダ天井面までの距離を拡大し、燃料噴射弁の燃料噴射時期を圧縮行程後半から膨張行程前半に設定し、点火プラグの点火時期を燃料噴射開始後の膨張行程に設定するエンジン制御手段と、
   を有することを特徴とする排気浄化触媒の暖機制御装置。
2. 前記距離変更手段は、ピストンの上死点位置を変更してピストン冠面からシリンダ天井面までの距離を変更する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化触媒の暖機制御装置。
3. 前記距離変更手段は、
   シリンダ内を往復動するピストンにピストンピンを介して連結されるアッパリンクと、
   クランクシャフトのクランクピンに回転自由に装着されるとともに、前記アッパリンクにアッパピンを介して連結されるロアリンクと、
   前記ロアリンクにコントロールピンを介して連結され、揺動中心ピンを中心として揺動するコントロールリンクと、
   を有し、
   前記コントロールリンクの回転に応じてピストンの上死点位置を変更する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の排気浄化触媒の暖機制御装置。
4. エンジンの吸気弁の閉弁時期を変更する吸気閉弁時期変更手段をさらに有し、
   前記エンジン制御手段は、触媒の暖機が必要であるときには、前記吸気弁の閉弁時期が略下死点近傍になるように設定する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の排気浄化触媒の暖機制御装置。
5. 吸気弁の開閉時期及びリフト量を変更する吸気弁時期及びリフト変更手段をさらに有し、
   前記エンジン制御手段は、触媒の暖機が必要であるときには、吸気弁の開弁時期が上死点よりも遅角側になり、吸気弁の閉弁時期が下死点近傍となるように設定するとともに、吸気弁リフト量が縮小するように設定する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の排気浄化触媒の暖機制御装置。
6. 排気弁の開閉時期を変更する排気弁開閉時期変更手段をさらに有し、
   前記エンジン制御手段は、触媒の暖機が必要であるときには、排気弁の開閉時期を暖機完了後よりも進角側に設定する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の排気浄化触媒の暖機制御装置。
7. 前記エンジン制御手段は、触媒の暖機が必要であるときには、燃料噴射を複数回に分割し、そのうちの少なくとも１回の燃料噴射時期を圧縮行程後半から膨張行程前半に設定する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の排気浄化触媒の暖機制御装置。
8. エンジンの吸気弁の開弁時期を変更する吸気開弁時期変更手段をさらに有し、
   前記エンジン制御手段は、触媒の暖機が必要であるときには、前記吸気弁の開弁時期が上死点よりも遅角側に設定するとともに、燃料噴射を複数回に分割し、そのうちの少なくとも１回の燃料噴射開始時期を吸気弁の開弁時期よりも進角側に設定する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の排気浄化触媒の暖機制御装置。
9. エンジンの吸気弁のリフト量を変更可能な吸気弁リフト量変更手段をさらに有し、
   前記エンジン制御手段は、触媒の暖機が必要であるときには、前記吸気弁のリフト量を暖機完了後よりも小さくなるように設定するとともに、燃料噴射を複数回に分割し、そのうちの少なくとも１回の燃料噴射時期を吸気弁の開弁期間に設定する
   ことを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の排気浄化触媒の暖機制御装置。
10. エンジンの吸気通路に設けられ、筒内のガス流動を強化するガス流動強化弁をさらに有し、
    前記エンジン制御手段は、触媒の暖機が必要であるときには、前記ガス流動強化弁を制御して筒内のガス流動を強化する、
    ことを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の排気浄化触媒の暖機制御装置。
11. 前記ガス流動強化弁は、分割板で上下に分けられた一方の吸気通路を塞ぐことでガス流動を強化する、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の排気浄化触媒の暖機制御装置。
12. 前記燃料噴射弁は、燃焼室の側方に設けられ、噴霧の一部が点火プラグを指向する、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載の排気浄化触媒の暖機制御装置。
13. 前記燃料噴射弁は、燃焼室の側方に設けられ、触媒の暖機が必要であるときには、噴霧がピストン冠面を指向しないように噴射方向が設定される、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載の排気浄化触媒の暖機制御装置。
14. 前記燃料噴射弁は、燃焼室天井の略中心に配置され、噴霧はピストン方向を指向し、
    エンジンのピストンは、冠面に、前記燃料噴射弁からの噴霧を受けるボウルを有する、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載の排気浄化触媒の暖機制御装置。
15. 前記判定手段は、エンジンの冷却水温に基づいて触媒の暖機が必要であるか否かを判定する、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１４までのいずれか１項に記載の排気浄化触媒の暖機制御装置。
16. 前記排気浄化触媒に設けられ、触媒温度を検知する温度センサをさらに有し、
    前記判定手段は、前記温度センサの検知温度に基づいて触媒の暖機が必要であるか否かを判定する、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１４までのいずれか１項に記載の排気浄化触媒の暖機制御装置。
17. 前記ピストンは、下死点位置においてカウンターウエイトがピストンピンの側方を通過するようにピストンスカートが短縮されている、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１６までのいずれか１項に記載の排気浄化触媒の暖機制御装置。
18. ピストンが上死点位置にあるときのピストン冠面からシリンダ天井面までの距離を変更可能な距離変更手段を有するエンジンから排出される排ガスを浄化する排気浄化触媒の暖機を制御する方法であって、
    前記排気浄化触媒の暖機が必要であるか否かを判定する判定工程と、
    触媒の暖機が必要であるときには、触媒の暖機完了後に比べて、ピストンが上死点位置にあるときのピストン冠面からシリンダ天井面までの距離を拡大し、燃料噴射弁の燃料噴射時期を圧縮行程後半から膨張行程前半に設定し、点火プラグの点火時期を燃料噴射開始後の膨張行程に設定するエンジン制御工程と、
    を有することを特徴とする排気浄化触媒の暖機制御方法。