JP2011127581A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、筒内空間または筒内壁面に分布するＰＭの分布状態に基いて適切な制御を実行し、ＰＭの排出量を安定的に低減することを目的とする。
【解決手段】ＥＣＵ６０は、筒内空間に分布するＰＭの量に対応する空間分布係数αと、筒内壁面に分布するＰＭの量に対応する壁面分布係数βとを、少なくとも内燃機関の運転状態に基いて算出する。そして、空間分布係数αが判定値Ｘよりも大きい場合には、排気バルブ３４の開弁時期を遅角させる。これにより、筒内の残留酸素が関与するＰＭの再燃焼期間を延長し、空間ＰＭを低減することができる。また、壁面分布係数βが判定値Ｙよりも大きい場合には、排気バルブ３４のリフト量を減少させ、排気ガスが排出されるときの流速及び乱流度を高める。これにより、壁面ＰＭと残留酸素とを良好に混合させて両者の反応性を高め、壁面ＰＭを低減することができる。
【選択図】図８

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、筒内噴射弁を備えた内燃機関の制御装置に関する。

従来技術として、例えば特許文献１（特開２００９−６２８６３号公報）に開示されているように、筒内噴射弁を備えた内燃機関の制御装置が知られている。この従来技術では、吸気バルブの温度が所定温度未満であり、かつ燃料中のアルコール濃度が所定濃度以下である場合に、筒内噴射弁から噴射された燃料の噴霧が吸気バルブ及びピストンに直接接触しないタイミングで燃料噴射が実施される。これにより、従来技術では、燃焼時に発生する粒子状物質（ＰＭ）の量を低減し、排気エミッションを向上させるようにしている。

特開２００９−６２８６３号公報

ところで、上述した従来技術では、比較的温度が低い吸気バルブやピストンに燃料が付着すると、燃焼時にＰＭの発生量が増大することに着目し、吸気バルブの温度が低い場合には、両者が接触しないように燃料噴射タイミングを制御する構成としている。しかしながら、燃焼時に発生するＰＭには、ピストンを含む筒内の壁面（及び壁面近傍）に分布するものと、筒内の空間に分布するものがあり、これら２種類のＰＭは発生条件が異なっている。このため、従来技術では、単に吸気バルブの温度に着目して燃料噴射タイミングを制御しても、ＰＭの分布状態によっては十分な効果が得られず、ＰＭの排出量を安定的に低減するのが難しいという問題がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、本発明の目的は、筒内空間または筒内壁面に分布するＰＭの分布状態に基いて適切な制御を行うことができ、ＰＭの排出量を安定的に低減することが可能な内燃機関の制御装置を提供することにある。

第１の発明は、内燃機関の筒内に燃料を噴射する筒内噴射弁と、
排気バルブの開弁時期を可変に設定する排気バルブ可変機構と、
前記筒内での燃焼時に発生する粒子状物質のうち前記筒内の壁面から離れた空間に分布する粒子状物質の量であるＰＭ空間分布量を、少なくとも内燃機関の運転状態に基いて算出する空間分布量算出手段と、
前記ＰＭ空間分布量が空間分布基準値よりも多いときに、前記排気バルブの開弁時期を基準開弁時期よりも遅くする開弁時期制御手段と、
を備えることを特徴とする。

第２の発明は、内燃機関の筒内に燃料を噴射する筒内噴射弁と、
排気バルブのリフト量を可変に設定する排気バルブ可変機構と、
前記筒内での燃焼時に発生する粒子状物質のうち前記筒内の壁面近傍に分布する粒子状物質の量であるＰＭ壁面分布量を、少なくとも内燃機関の運転状態に基いて算出する壁面分布量算出手段と、
前記ＰＭ壁面分布量が壁面分布基準値よりも多いときに、前記排気バルブのリフト量を基準リフト量よりも小さくするリフト量制御手段と、
を備えることを特徴とする。

第３の発明は、内燃機関の筒内に燃料を噴射する筒内噴射弁と、
排気バルブの開弁時期及びリフト量をそれぞれ可変に設定する排気バルブ可変機構と、
前記筒内での燃焼時に発生する粒子状物質のうち前記筒内の壁面から離れた空間に分布する粒子状物質の量であるＰＭ空間分布量を、少なくとも内燃機関の運転状態に基いて算出する空間分布量算出手段と、
前記筒内の壁面近傍に分布する粒子状物質の量であるＰＭ壁面分布量を、少なくとも内燃機関の運転状態に基いて算出する壁面分布量算出手段と、
前記ＰＭ空間分布量が空間分布基準値よりも多いときに、前記排気バルブの開弁時期を基準開弁時期よりも遅くする開弁時期制御手段と、
前記ＰＭ壁面分布量が壁面分布基準値よりも多いときに、前記排気バルブのリフト量を基準リフト量よりも小さくするリフト量制御手段と、
を備えることを特徴とする。

第４の発明によると、前記空間分布量算出手段は、前記筒内噴射弁による燃料の噴射時期が遅角されるほど、前記ＰＭ空間分布量を増大させる構成としている。

第５の発明によると、前記空間分布量算出手段は、前記筒内噴射弁による燃料の噴射圧が高いほど、前記ＰＭ空間分布量を減少させる構成としている。

第６の発明によると、前記空間分布量算出手段は、排気空燃比が燃料リッチ側に変化するほど、前記ＰＭ空間分布量を増大させる構成としている。

第７の発明によると、前記空間分布量算出手段は、前記燃料中に含まれる重質成分の割合が高いほど、前記ＰＭ空間分布量を増大させる構成としている。

第８の発明によると、前記壁面分布量算出手段は、前記筒内噴射弁による燃料の噴射時期が当該気筒の上死点に近いほど、前記ＰＭ壁面分布量を増大させる構成としている。

第９の発明によると、前記壁面分布量算出手段は、機関温度が低いほど、前記ＰＭ壁面分布量を増大させる構成としている。

第１０の発明によると、前記壁面分布量算出手段は、前記燃料中に含まれる重質成分が多いほど、前記ＰＭ壁面分布量を増大させる構成としている。

第１１の発明によると、前記壁面分布量算出手段は、初期状態からの総運転時間が長くなるほど、前記ＰＭ壁面分布量を増大させる構成としている。

第１の発明によれば、空間分布量算出手段は、筒内空間に分布するＰＭ（空間ＰＭ）の量であるＰＭ空間分布量を算出することができる。そして、開弁時期制御手段は、ＰＭ空間分布量が許容範囲を超えている場合に、排気バルブの開弁時期を遅角させることができ、これによりＰＭが筒内で再燃焼する期間を延長することができる。従って、空間ＰＭが増大し易い運転状態であっても、この運転状態に対応してＰＭの再燃焼期間を適度に確保することができ、特に空間ＰＭの排出量を安定的に低減することができる。

第２の発明によれば、壁面分布量算出手段は、筒内壁面またはその近傍に分布するＰＭ（壁面ＰＭ）の量であるＰＭ壁面分布量を算出することができる。そして、リフト量制御手段は、ＰＭ壁面分布量が許容範囲を超えている場合に、排気バルブのリフト量を小さくして筒外に流出する排気ガスの流速及び乱流度を高めることができ、これにより壁面ＰＭと残留酸素とを効率よく混合させることができる。従って、壁面ＰＭが増大し易い運転状態であっても、壁面ＰＭと残留酸素とを良好に反応させることができ、特に壁面ＰＭの排出量を安定的に低減することができる。

第３の発明によれば、空間分布量算出手段と壁面分布量算出手段は、それぞれＰＭ空間分布量とＰＭ壁面分布量を算出することができる。従って、空間ＰＭと壁面ＰＭの何れが増大し易い運転状態であっても、開弁時期制御手段とリフト量制御手段により適切に対処することができ、ＰＭの排出量を常に安定的に低減することができる。

第４の発明によれば、空間ＰＭの発生量は、燃料の噴射時期を遅角するほど増大する特性がある。空間分布量算出手段は、この特性に対応して噴射時期を遅角するほどＰＭ空間分布量の算出値を増大させることができる。

第５の発明によれば、空間ＰＭの発生量は、燃料の噴射圧が高いほど減少する特性がある。空間分布量算出手段は、この特性に対応して噴射圧が高いほどＰＭ空間分布量の算出値を減少させることができる。

第６の発明によれば、空間ＰＭの発生量は、排気空燃比が燃料リッチ側に変化するほど増大する特性がある。空間分布量算出手段は、この特性に対応してリッチ空燃比であるほどＰＭ空間分布量の算出値を増大させることができる。

第７の発明によれば、空間ＰＭの発生量は、燃料中に含まれる重質成分の割合が高いほど増大する特性がある。空間分布量算出手段は、この特性に対応して重質成分の割合が高いほどＰＭ空間分布量の算出値を増大させることができる。

第８の発明によれば、壁面ＰＭの発生量は、燃料の噴射時期が上死点に近いほど増大する特性がある。壁面分布量算出手段は、この特性に対応して噴射時期が上死点に近いほどＰＭ壁面分布量の算出値を増大させることができる。

第９の発明によれば、壁面ＰＭの発生量は、機関温度が低いほど増大する特性がある。壁面分布量算出手段は、この特性に対応して機関温度が低いほどＰＭ壁面分布量の算出値を増大させることができる。

第１０の発明によれば、壁面ＰＭの発生量は、燃料中の重質成分の割合が高いほど増大する特性がある。壁面分布量算出手段は、この特性に対応して重質成分の割合が高いほどＰＭ壁面分布量の算出値を増大させることができる。

第１１の発明によれば、筒内に付着するデポジットは、初期状態からの総運転時間が長くなるほど増大し易いため、壁面ＰＭの発生量も、これに伴って増大する特性がある。壁面分布量算出手段は、この特性に対応して初期状態からの総運転時間が長くなるほどＰＭ壁面分布量の算出値を増大させることができる。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための全体構成図である。 燃料の噴射時期とＰＭの分布状態との関係を示す説明図である。 排気空燃比とＰＭの発生状態との関係を示す説明図である。 デポジットの付着量とＰＭの発生状態との関係を示す説明図である。 本実施の形態のバルブ制御による排気バルブの動作状態を示す説明図である。 排気バルブの開弁時期制御を実行した場合の効果を示す説明図である。 排気バルブのリフト量制御を実行した場合の効果を示す説明図である。 本発明の実施の形態１において、ＥＣＵにより実行される制御を示すフローチャートである。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
以下、図１乃至図８を参照しつつ、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための全体構成図である。本実施の形態のシステムは、直噴型の内燃機関１０を備えている。内燃機関１０の筒内には、ピストン１２の往復動作により拡大，縮小する燃焼室１４が設けられている。ピストン１２は、内燃機関１０の出力軸であるクランク軸１６に連結されている。また、内燃機関１０は、燃焼室１４内（筒内）に吸入空気を吸込む吸気通路１８を備えており、吸気通路１８は、吸気ポート２０を介して燃焼室１４と連通している。吸気通路１８には、吸入空気量を増減させるスロットルバルブ２２が設けられている。

また、内燃機関１０は、筒内から排気ガスを排出する排気通路２４を備えており、排気通路２４は、排気ポート２６を介して燃焼室１４と連通している。一方、燃焼室１４には、筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射弁２８と、筒内の混合気に点火する点火プラグ３０と、吸気ポート２０を開，閉する吸気バルブ３２と、排気ポート２６を開，閉する排気バルブ３４とが設けられている。筒内噴射弁２８には、燃料タンク３６内に貯留された燃料が供給される。この供給経路には、燃料を加圧して吐出する燃料ポンプ３８と、筒内噴射弁２８に供給される燃料の圧力を調整する燃圧調整機構４０とが設けられている。

さらに、内燃機関１０は、排気バルブ３４の開閉時期及びリフト量を可変に設定する排気バルブ可変機構４２を備えている。排気バルブ可変機構４２は、例えば排気バルブのリフト量を変化させるバルブリフト量可変機構と、排気バルブの開閉時期を変化させるバルブタイミング可変機構（ＶＶＴ）とを組合わせることにより、一般的に公知な技術を用いて構成されている。一例を挙げれば、バルブリフト量可変機構は、特開２００７−１３２３２６号公報に記載されており、バルブタイミング可変機構は、特開２０００−８７７６９号公報に記載されているものである。これにより、排気バルブ可変機構４２は、後述のＥＣＵ６０から入力される制御信号に基いて、排気バルブ３４の開弁時期、閉弁時期及びリフト量を変化させることができる。

また、本実施の形態のシステムは、クランク角センサ４４、水温センサ４６、油温センサ４８、空燃比センサ５０、燃圧センサ５２、燃料性状センサ５４等を含むセンサ系統と、内燃機関１０の運転状態を制御するためのＥＣＵ(Electronic Control Unit)６０とを備えている。クランク角センサ４４は、クランク軸１６の回転に同期した信号を出力するもので、ＥＣＵ６０は、この出力に基いて機関回転数やクランク角を算出する。また、水温センサ４６は内燃機関の冷却水温を検出し、油温センサ４８は内燃機関の潤滑油の温度（油温）を検出する。また、空燃比センサ５０は排気空燃比を検出し、燃圧センサ５２は、筒内噴射弁２８から噴射される燃料の圧力（噴射圧）を検出する。さらに、燃料性状センサ５４は、燃料に含まれる重質成分の割合を検出するものである。

また、センサ系統には、上述したセンサ４４〜５４の他に、車両や内燃機関の制御に必要な各種のセンサ（例えば吸入空気量を検出するエアフロメータ、スロットル開度やアクセル開度を検出する開度センサ等）が含まれており、これらのセンサはＥＣＵ６０の入力ポートに接続されている。一方、ＥＣＵ６０の出力ポートには、筒内噴射弁２８、点火プラグ３０、燃圧調整機構４０、排気バルブ可変機構４２等を含む各種のアクチュエータが接続されている。

そして、ＥＣＵ６０は、内燃機関の運転状態をセンサ系統により検出しつつ、各アクチュエータを駆動する。具体例を挙げれば、ＥＣＵ６０は、エアフロメータにより検出した吸入空気量等に基いて燃料の噴射量及び噴射時期を設定し、この設定内容に基いて筒内噴射弁２８を駆動する燃料噴射制御を実行する。また、空燃比センサ５０の出力に基いて燃料噴射量を調整することにより、排気空燃比が理論空燃比の近傍で変動するように空燃比フィードバック制御を実行する。また、吸入空気量と機関回転数とから機関の負荷率を算出し、この負荷率等に基いて燃圧調整機構４０を作動させることにより、燃料の噴射圧を所定の圧力範囲（例えば、４〜１３ＭＰa）で変化させる燃圧制御を実行する。この燃圧制御では、燃圧センサ５２の出力に基いて噴射圧のフィードバック制御も実行される。さらに、ＥＣＵ６０は、センサ系統の出力に基いてバルブの開閉時期及びリフト量を設定し、この設定内容に基いて排気バルブ可変機構４２を駆動するバルブ駆動制御を実行する。

［実施の形態１の特徴］
筒内での燃焼時に発生した粒子状物質（ＰＭ）の一部は、ピストンの先端面を含む筒内の壁面から離れた筒内空間に分布し、残りのＰＭは、筒内の壁面または壁面のごく近傍に分布している。以下の説明では、筒内空間に分布するＰＭを空間ＰＭと表記し、筒内の壁面または壁面のごく近傍に分布するＰＭを壁面ＰＭと表記するものとする。これら２種類のＰＭは、筒内での燃焼終了後にも周囲の残留酸素と反応することにより再燃焼し、徐々に減少することが知られている。しかし、本願発明者の研究によれば、空間ＰＭと壁面ＰＭでは、残留酸素に対する反応性が異なるため、単純な制御により２種類のＰＭを効率よく再燃焼させるのは難しい。

そこで、本実施の形態では、内燃機関の運転状態、運転履歴、燃料性状等に基いて、空間ＰＭの分布量（ＰＭ空間分布量）と壁面ＰＭの分布量（ＰＭ壁面分布量）とを算出する。そして、これらの算出結果に基いて排気バルブの開弁時期及びリフト量を制御することを特徴としている。なお、本実施の形態では、ＰＭ空間分布量に相当するパラメータとして空間分布係数αを算出し、ＰＭ壁面分布量に相当するパラメータとして壁面分布係数βを算出する構成としている。

（空間分布係数αの算出）
空間分布係数αは、燃料の噴射時期、噴射圧、バルブリフト量、排気空燃比及び燃料性状に基いて算出される。詳細は後述するが、ＥＣＵ６０には、これらのパラメータと空間分布係数αとの関係を予めデータ化したマップデータである噴射時期マップデータ、噴射圧マップデータ、バルブリフト量マップデータ、空燃比マップデータ、燃料性状マップデータが予め記憶されている。そして、ＥＣＵ６０は、各マップデータを用いてパラメータ毎に補助係数α1，α2，α3，α4，α5を算出し、これらの補助係数を乗算することにより空間分布係数αを算出する（α＝α1×α2×α3×α4×α5）。なお、上記パラメータの種類は、本実施の形態における一例に過ぎず、本発明では、上記以外のパラメータを用いたり、上記パラメータの一部を用いて空間分布係数αを算出する構成としてもよい。また、本発明では、空間分布係数αの算出方法についても、上記方法に限定されるものではなく、各パラメータの状態が空間分布係数αに反映される他の算出方法を用いてもよい。

次に、個々のパラメータと空間分布係数αとの関係について説明する。まず、図２は、燃料の噴射時期とＰＭの分布状態との関係を示す説明図である。燃料の噴射時期が気筒の下死点に近い場合には、ピストンが大きく下降した状態で燃料が噴射される。この結果、噴射燃料の大部分は、図２（ｂ）に示すように、筒内空間に浮遊した状態で燃焼し、空間ＰＭの発生要因となるので、ＰＭ空間分布量（空間分布係数α）は大きな値となる。一方、噴射時期が下死点から離れている場合には、その分だけピストンの先端面が燃料の噴霧に近くなるので、図２（ａ）に示すように、ピストンに付着する燃料の量が増大し、筒内空間に浮遊する燃料は相対的に減少する。つまり、空間分布係数αは、噴射時期を遅角するほど増大する特性を有しており、この特性は前述の噴射時期マップデータに予め設定されている。ＥＣＵ６０は、燃料噴射制御により設定した噴射時期と、噴射時期マップデータとに基いて補助係数α1を算出し、燃料の噴射時期を補助係数α1に反映させる。

次に、燃料の噴射圧と空間分布係数αとの関係について述べる。燃料の噴射圧が高い場合には、噴射燃料の微粒化が促進されて燃焼状態が改善するので、燃焼による空間ＰＭの発生量が減少し、空間分布係数αは小さな値となる。一方、噴射圧が低い場合には、その分だけ噴射燃料が微粒化されないので、空間分布係数αは相対的に増大する。つまり、空間分布係数αは、噴射圧が高いほど減少し、噴射圧が低いほど増大する特性を有しており、この特性は前述の噴射圧マップデータに予め設定されている。ＥＣＵ６０は、燃圧制御により設定した噴射圧と、噴射圧マップデータとに基いて補助係数α2を算出し、燃料の噴射圧を補助係数α2に反映させる。

また、吸気バルブ３２または排気バルブ３４が開弁（リフトアップ）したときに、これらのバルブ３２，３４が燃料の噴射方向に位置する構造の場合には、噴射された燃料がバルブに当って粗粒な噴霧となり筒内空間に飛散するので、空間分布係数αが増大することになる。この飛散現象は、特にバルブが最大リフト量の近くまでリフトアップしたときに顕著となる。従って、空間分布係数αは、燃料噴射期間中のバルブリフト量が大きいほど増大する特性を有しており、この特性は前述のバルブリフト量マップデータに予め設定されている。ＥＣＵ６０は、燃料噴射期間中のバルブリフト量と、バルブリフト量マップデータとに基いて補正係数α3を算出し、バルブのリフト量を補助係数α3に反映させる。

また、排気空燃比もＰＭの発生状態に影響を与える。図３は、排気空燃比とＰＭの発生状態との関係を示す説明図である。排気空燃比が理論空燃比よりも燃料リッチ側である場合（Ａ／Ｆが濃い場合）には、筒内空間中で酸素と十分に反応しない燃料が増えることになるので、空間分布係数αは増大する。従って、空間分布係数αは、排気空燃比が燃料リッチ側に変化するほど増大し、排気空燃比が燃料リーン側に変化するほど減少する特性を有しており、この特性は前述の空燃比マップデータに予め設定されている。ＥＣＵ６０は、空燃比センサ５０により検出した排気空燃比と、空燃比マップデータとに基いて補正係数α4を算出し、排気空燃比を補助係数α4に反映させる。

さらに、燃料性状、即ち、噴射燃料中に含まれる重質成分の割合も、ＰＭの発生状態に影響を与える。噴射燃料中の重質成分が多い場合には、筒内空間と筒内壁面の両方でＰＭの発生量が増大する。従って、空間分布係数αは、燃料中に含まれる重質成分の割合が高いほど増大し、重質成分の割合が低いほど減少する特性を有しており、この特性は前述の燃料性状マップデータに予め設定されている。ＥＣＵ６０は、燃料性状センサ５４により検出した重質成分の割合と、燃料性状マップデータとに基いて補正係数α5を算出し、燃料性状を補助係数α5に反映させる。そして、これらの補正係数α1〜α5を用いることにより、上記各パラメータの状態が反映された空間分布係数αを算出することができる。

（壁面分布係数βの算出）
壁面分布係数βは、燃料の噴射時期、噴射圧、機関温度、燃料性状及び運転履歴に基いて算出される。ＥＣＵ６０には、これらのパラメータと壁面分布係数βとの関係を予めデータ化したマップデータである噴射時期マップデータ、温度マップデータ、燃料性状マップデータ、運転履歴マップデータが予め記憶されている。そして、ＥＣＵ６０は、空間分布係数αの場合と同様に、各マップデータを用いてパラメータ毎に補助係数β1，β2，β3，β4を算出し、これらの補正係数から壁面分布係数βを算出する（β＝β1×β2×β3×β4）。なお、パラメータの種類や壁面分布係数βの算出方法は、空間分布係数αの場合と同様に、本実施の形態における一例に過ぎず、本発明を限定するものではない。

次に、個々のパラメータと壁面分布係数βとの関係について説明する。まず、前述した図２（ａ）に示すように、燃料の噴射時期が気筒の上死点に近い場合には、噴射燃料のうちピストンの先端面（筒内壁面）に付着する燃料の量が増大し、この付着燃料は壁面ＰＭの発生要因となるので、ＰＭ壁面分布量（壁面分布係数β）は大きな値となる。つまり、壁面分布係数βは、噴射時期が上死点に近いほど増大し、噴射時期が上死点から離れるほど減少する特性を有しており、この特性は前述の噴射時期マップデータに予め設定されている。ＥＣＵ６０は、燃料の噴射時期と噴射時期マップデータとに基いて補助係数β1を算出し、燃料の噴射時期を補助係数β1に反映させる。

また、機関温度（冷却水温、油温等）が低い場合には、低温な筒内壁面に付着した燃料が完全燃焼し難くなり、壁面分布係数βが増大する。従って、壁面分布係数βは、機関温度が低いほど増大し、機関温度が高いほど減少する特性を有しており、この特性は前述の温度マップデータに予め設定されている。なお、本発明では、機関温度として冷却水温と油温の何れを用いてもよい。ＥＣＵ６０は、水温センサ４６または油温センサ４８により検出した機関温度と、温度マップデータとに基いて補助係数β2を算出し、機関温度を補助係数β2に反映させる。さらに、壁面分布係数βは、空間分布係数αの場合と同様に、燃料中に含まれる重質成分の割合が高いほど増大するので、この特性は前述の燃料性状マップデータに予め設定されている。これにより、ＥＣＵ６０は、燃料性状が反映された補正係数β3を算出することができる。

さらに、内燃機関の運転履歴も壁面ＰＭの発生状態に影響を与える。一例を挙げれば、筒内壁面（特に、ピストンの先端面）に付着するデポジットの量は、初期状態からの総運転時間が長くなるほど増大し、一定時間の経過後に飽和状態に達する。図４は、デポジットの付着量とＰＭの発生状態との関係を示す説明図である。噴射燃料の一部は、デポジットの隙間に染み込む傾向があるので、デポジットの量が増えると、ピストンの先端近傍で燃焼する燃料が増大し、壁面分布係数βが大きくなる。つまり、壁面分布係数βは、内燃機関の初期状態からの総運転時間が長くなるほど増大する特性を有しており、この特性は前述の運転履歴マップデータに予め設定されている。ＥＣＵ６０は、始動時から計測した運転時間と運転履歴マップデータとに基いて補正係数β4を算出し、運転履歴を補助係数β4に反映させる。そして、これらの補正係数β1〜β4に基いて、上記各パラメータの状態が反映された壁面分布係数βを算出することができる。

次に、上述した分布係数α，βに基いて実行される制御について説明する。図５は、本実施の形態のバルブ制御による排気バルブの動作状態を示す説明図である。本実施の形態では、空間分布係数αに基いて排気バルブの開弁時期制御を実行し、壁面分布係数βに基いて排気バルブのリフト量制御を実行する。

（排気バルブの開弁時期制御）
前述したように、筒内での燃焼時に発生したＰＭは、燃焼終了後にも周囲の残留酸素と反応することにより再燃焼し、徐々に減少する。この再燃焼は、燃焼が終わってから排気バルブが開弁するまでの期間中に効率よく継続される傾向がある。即ち、筒内の環境は、排気バルブが開弁するまで高温高圧状態に維持されており、筒内のＰＭ（特に空間ＰＭ）は、この状態において周囲の残留酸素と反応し易い。

そこで、排気バルブの開弁時期制御では、ＰＭ空間分布量が空間分布基準値よりも多いときに、排気バルブの開弁時期を基準開弁時期よりも遅くし（図５参照）、ＰＭが再燃焼する期間を延長させる。ここで、空間分布基準値とは、例えば排気エミッション等に対するＰＭの影響を考慮した場合に許容されるＰＭ空間分布量の上限値に対応しており、実験等により予め決定されている。また、基準開弁時期とは、ＰＭ空間分布量に基いて開弁時期を制御しない場合に、通常のバルブ駆動制御により実現される開弁時期である。

具体的に述べると、本制御では、空間分布係数αが所定の判定値Ｘよりも大きいときに、排気バルブの開弁時期を基準開弁時期よりも遅角させる。判定値Ｘは、前述した空間分布基準値に対応して設定されるもので、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。本制御によれば、筒内空間に分布するＰＭの量が多い場合には、圧縮上死点後に排気バルブが閉弁している期間（ＰＭが再燃焼する期間）を延長し、その分だけ空間ＰＭを余分に再燃焼させることができる。図６は、排気バルブの開弁時期制御を実行した場合の効果を示す説明図である。図６に示すように、筒内の残留酸素によるＰＭの再燃焼は、排気バルブが通常（従来）のタイミングで開弁した場合に、比較的早い時期に緩慢化する。これに対し、本実施の形態では、排気バルブの開弁時期を遅角化することにより、再燃焼を長い時間にわたって継続させることができる。即ち、空間ＰＭが増大し易い環境であっても、この環境に対応してＰＭの再燃焼期間を適度に確保することができ、特に空間ＰＭの排出量を効率よく低減することができる。

（排気バルブのリフト量制御）
一方、壁面ＰＭは、壁面近傍にかたまりとなって存在するため、筒内の残留酸素と反応し難い傾向がある。即ち、壁面ＰＭは、単に排気バルブを遅開きにするだけでは再燃焼し難い特性を有している。そこで、排気バルブのリフト量制御では、ＰＭ壁面分布量が壁面分布基準値よりも多いときに、排気バルブのリフト量を基準リフト量よりも小さくする（図５参照）。なお、壁面分布基準値は、空間分布基準値の場合と同様に、排気エミッション等の許容限度に対応して予め設定されている。また、基準リフト量とは、ＰＭ壁面分布量に基いてリフト量を制御しない場合に、通常のバルブ駆動制御により実現されるリフト量である。

具体的に述べると、本制御では、壁面分布係数βが所定の判定値Ｙよりも大きいときに、排気バルブのリフト量を基準リフト量よりも減少させる。判定値Ｙは、前述した壁面分布基準値に対応して設定されるもので、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。リフト量を減少させた場合には、排気バルブの位置でガスの流路が狭くなるので、筒内から排気ポートに流出する排気ガスの流速が増大し、また排気ガスの流れに乱流が生じ易くなる。従って、本制御によれば、筒内壁面に分布するＰＭの量が多い場合には、排気ガスの流速や乱流度を高めることにより、壁面ＰＭと残留酸素との混合状態を良くすることができ、両者の接触機会を増やし、反応性を高めることができる。図７は、排気バルブのリフト量制御を実行した場合の効果を示す説明図である。図７に示すように、残留酸素と反応し難い壁面ＰＭは、排気バルブが通常（従来）のリフト量で開弁した場合に、再燃焼せずに塊りのまま排出され易い。これに対し、本実施の形態では、排気バルブのリフト量を減少させることにより、壁面ＰＭと残留酸素とをバルブ付近で十分に混合させながら排気ポートに流出させることができる。これにより、排気ポート内における壁面ＰＭの再燃焼を促進し、特に壁面ＰＭの排出量を効率よく低減することができる。

［実施の形態１を実現するための具体的な処理］
図８は、本発明の実施の形態１において、ＥＣＵにより実行される制御を示すフロチャートである。この図に示すルーチンは、内燃機関の運転中に繰返し実行される。まず、図８に示すルーチンでは、センサ系統の出力に基いて吸入空気量、機関回転数、冷却水温、油温等の機関情報を読込み、燃料噴射制御により設定した燃料噴射時期を読込む（ステップ１００，１０２）。また、燃圧センサ５２により燃料噴射圧を読込み、空燃比センサ５０により排気空燃比を読込み、燃料性状センサ５４により燃料性状（重質成分の割合）を読込む（ステップ１０４，１０６，１０８）。さらに、ＥＣＵ６０のタイマ機能により初期状態からの総運転時間を読み込む（ステップ１１０）。

次に、前述した算出処理により空間分布係数αと壁面分布係数βとを算出する（ステップ１１２）。そして、次の処理では、空間分布係数αが前記判定値Ｘよりも大きいか否かを判定し、この判定成立時には、壁面分布係数βが前記判定値Ｙよりも大きいか否かを判定する（ステップ１１４，１１６）。これら２つの判定が成立した場合には、ＰＭ空間分布量とＰＭ壁面分布量の両方が基準値を超えているので、排気バルブ可変機構４２を作動させることにより、前述した開弁時期制御とリフト量制御の両方を実行する（ステップ１１８，１２０）。即ち、ステップ１１８では、排気バルブ３４の開弁時期を基準開弁時期よりも遅くし、ステップ１２０では、排気バルブ３４のリフト量を基準リフト量よりも小さくする。

一方、ステップ１１４が不成立の場合には、壁面分布係数βが前記判定値Ｙよりも大きいか否かを判定する（ステップ１２２）。この判定成立時には、ＰＭ空間分布量が許容範囲内であるものの、ＰＭ壁面分布量が基準値を超えているので、排気バルブ３４の開弁時期は通常のバルブ駆動制御により基準開弁時期に設定し、リフト量制御だけを実行する（ステップ１２４）。また、ステップ１１４が成立し、ステップ１１６が不成立の場合には、ＰＭ壁面分布量が許容範囲内であるものの、ＰＭ空間分布量が基準値を超えているので、排気バルブ３４のリフト量は通常のバルブ駆動制御により基準リフト量に設定し、開弁時期制御だけを実行する（ステップ１２６）。さらに、ステップ１２２の判定が不成立の場合には、ＰＭ空間分布量とＰＭ壁面分布量の両方が許容範囲内であるから、排気バルブ３４の開弁時期及びリフト量を、通常のバルブ駆動制御により基準開弁時期及び基準リフト量に設定する。なお、基準開弁時期及び基準リフト量は、必ずしも一定値に設定される必要はなく、通常のバルブ駆動制御により可変に設定される構成としてもよい。

以上詳述した通り、本実施の形態によれば、内燃機関の運転状態、運転履歴、燃料性状等に基いて、空間分布係数αと壁面分布係数βとを算出することができる。従って、空間ＰＭと壁面ＰＭの何れが増大し易い環境であっても、排気バルブ３４の開弁時期制御とリフト量制御により適切に対処することができ、空間ＰＭと壁面ＰＭの排出量を何れも安定的に低減することができる。従って、ＰＭの排出量を抑えて排気エミッションを向上させることができる。

また、本実施の形態では、例えば燃料の噴射時期、噴射圧、バルブリフト量、排気空燃比、燃料中の重質成分の割合、機関温度、運転履歴（始動からの運転時間）等のパラメータに対するＰＭ空間分布量とＰＭ壁面分布量の特性を把握し、これらの特性を空間分布係数αと壁面分布係数βの算出値に反映させる構成としている。従って、内燃機関の運転状態、運転履歴、燃料性状等が変化する場合でも、空間分布係数αと壁面分布係数βとを常に正確に算出することができ、ＰＭの排出量を高い精度で制御することができる。

なお、前記実施の形態１では、図８において、ステップ１１２が空間分布量算出手段と壁面分布量算出手段の具体例を示している。また、ステップ１１８，１２６は開弁時期制御手段の具体例を示し、ステップ１２０，１２４はリフト量制御手段の具体例を示している。

また、実施の形態１では、空間分布係数αと壁面分布係数βの両方を算出し、排気バルブ３４の開弁時期制御とリフト量制御の両方を実行する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、例えば空間分布係数αだけを算出し、その値に基いて開弁時期制御だけを実行する構成としてもよい。また、壁面分布係数βだけを算出し、その値に基いてリフト量制御だけを実行する構成としてもよい。

１０ 内燃機関
１２ ピストン
１４ 燃焼室
１６ クランク軸
１８ 吸気通路
２０ 吸気ポート
２２ スロットルバルブ
２４ 排気通路
２６ 排気ポート
２８ 筒内噴射弁
３０ 点火プラグ
３２ 吸気バルブ
３４ 排気バルブ
３６ 燃料タンク
３８ 燃料ポンプ
４０ 燃圧調整機構
４２ 排気バルブ可変機構
４４ クランク角センサ
４６ 水温センサ（機関温度検出手段）
４８ 油温センサ（機関温度検出手段）
５０ 空燃比センサ（空燃比検出手段）
５２ 燃圧センサ（噴射圧検出手段）
５４ 燃料性状センサ（燃料性状検出手段）
６０ ＥＣＵ
α 空間分布係数（ＰＭ空間分布量）
β 壁面分布係数（ＰＭ壁面分布量）
Ｘ 判定値（空間分布基準値）
Ｙ 判定値（壁面分布基準値）

Claims (11)

1. 内燃機関の筒内に燃料を噴射する筒内噴射弁と、
   排気バルブの開弁時期を可変に設定する排気バルブ可変機構と、
   前記筒内での燃焼時に発生する粒子状物質のうち前記筒内の壁面から離れた空間に分布する粒子状物質の量であるＰＭ空間分布量を、少なくとも内燃機関の運転状態に基いて算出する空間分布量算出手段と、
   前記ＰＭ空間分布量が空間分布基準値よりも多いときに、前記排気バルブの開弁時期を基準開弁時期よりも遅くする開弁時期制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 内燃機関の筒内に燃料を噴射する筒内噴射弁と、
   排気バルブのリフト量を可変に設定する排気バルブ可変機構と、
   前記筒内での燃焼時に発生する粒子状物質のうち前記筒内の壁面近傍に分布する粒子状物質の量であるＰＭ壁面分布量を、少なくとも内燃機関の運転状態に基いて算出する壁面分布量算出手段と、
   前記ＰＭ壁面分布量が壁面分布基準値よりも多いときに、前記排気バルブのリフト量を基準リフト量よりも小さくするリフト量制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
3. 内燃機関の筒内に燃料を噴射する筒内噴射弁と、
   排気バルブの開弁時期及びリフト量をそれぞれ可変に設定する排気バルブ可変機構と、
   前記筒内での燃焼時に発生する粒子状物質のうち前記筒内の壁面から離れた空間に分布する粒子状物質の量であるＰＭ空間分布量を、少なくとも内燃機関の運転状態に基いて算出する空間分布量算出手段と、
   前記筒内の壁面近傍に分布する粒子状物質の量であるＰＭ壁面分布量を、少なくとも内燃機関の運転状態に基いて算出する壁面分布量算出手段と、
   前記ＰＭ空間分布量が空間分布基準値よりも多いときに、前記排気バルブの開弁時期を基準開弁時期よりも遅くする開弁時期制御手段と、
   前記ＰＭ壁面分布量が壁面分布基準値よりも多いときに、前記排気バルブのリフト量を基準リフト量よりも小さくするリフト量制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
4. 前記空間分布量算出手段は、前記筒内噴射弁による燃料の噴射時期が遅角されるほど、前記ＰＭ空間分布量を増大させる構成としてなる請求項１または３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記空間分布量算出手段は、前記筒内噴射弁による燃料の噴射圧が高いほど、前記ＰＭ空間分布量を減少させる構成としてなる請求項１，３または４に記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記空間分布量算出手段は、排気空燃比が燃料リッチ側に変化するほど、前記ＰＭ空間分布量を増大させる構成としてなる請求項１，３乃至５のうち何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
7. 前記空間分布量算出手段は、前記燃料中に含まれる重質成分の割合が高いほど、前記ＰＭ空間分布量を増大させる構成としてなる請求項１，３乃至６のうち何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
8. 前記壁面分布量算出手段は、前記筒内噴射弁による燃料の噴射時期が当該気筒の上死点に近いほど、前記ＰＭ壁面分布量を増大させる構成としてなる請求項２または３に記載の内燃機関の制御装置。
9. 前記壁面分布量算出手段は、機関温度が低いほど、前記ＰＭ壁面分布量を増大させる構成としてなる請求項２，３，８のうち何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
10. 前記壁面分布量算出手段は、前記燃料中に含まれる重質成分が多いほど、前記ＰＭ壁面分布量を増大させる構成としてなる請求項２，３，８，９のうち何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
11. 前記壁面分布量算出手段は、初期状態からの総運転時間が長くなるほど、前記ＰＭ壁面分布量を増大させる構成としてなる請求項２，３，８乃至１０のうち何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。

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