JP2014196695A

JP2014196695A - 火花点火式エンジンの制御装置

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Publication number: JP2014196695A
Application number: JP2013072499A
Authority: JP
Inventors: 京平安田; Kyohei Yasuda; 友巳渡辺; Tomomi Watanabe
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2014-10-16
Anticipated expiration: 2033-03-29
Also published as: JP5979060B2

Abstract

【課題】燃料の供給系を簡略化しつつ、冷間始動時の燃焼安定性を確保する。【解決手段】火花点火式エンジンは、アルコール、ガソリン、またはこれらの混合燃料により駆動される。酸素濃度の検出精度が安定する基準温度まで酸素濃度センサＳＮ５が昇温していないＡＷＳモードの初期であって、かつアルコール濃度の推定が未完である場合には、アルコール濃度が想定最大値よりも低いことが推定により既に分かっている場合と比べて気筒２への吸気充填量が増大するように吸気可変機構（１８ｂ）が制御される。さらに、その進角によって増量された吸気に対し燃料リッチになる噴射量が酸素濃度センサＳＮ５によらず決定され、決定された燃料の噴射量の少なくとも一部が圧縮行程後半に噴射されるようにインジェクタ１１が制御される。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料としてアルコール、ガソリン、またはこれらの混合燃料が供給される火花点火式エンジンを制御する装置に関する。

近年、地球温暖化等の環境問題を改善する視点から、植物資源（例えばサトウキビやトウモロコシ）から精製されたいわゆるバイオマスエタノールを車両用のエンジンに使用することが考案され、実用化されている。

バイオマスエタノールは、しばしばガソリンと混合された状態で使用される。例えば、ブラジルでは、エタノールが２５％混合されたＥ２５と呼ばれる燃料と、エタノール１００％のＥ１００と呼ばれる燃料とが主に流通している。ところが、車両を使用するユーザは、そのときどきの値段等によってどちらの燃料を給油するかを決めるため、車両の燃料タンク内の燃料は、Ｅ２５とＥ１００とが任意の割合で混合したものになる。このため、燃料中のエタノールの濃度は、給油のたびに変動し、２５％から１００％まで任意の数値を取り得る。

そこで、エタノール含有燃料が使用される国では、エタノール濃度が変動しても対応できるように、燃料中のエタノール濃度を推定したりその濃度推定値に応じて燃料噴射量を変更したりする等の機能を備えたエンジンが車両に搭載される。このように任意のエタノール濃度の燃料を使用可能な車両のことを、ＦＦＶ（Flexible Fuel Vehicle）という。

ここで、エタノールのようなアルコールを含有した燃料においては、ガソリン１００％の燃料と比べて、アルコール濃度が高いほど燃料の気化性能が悪化するという問題がある。このため、アルコール濃度の高い燃料を使用した場合には、特にエンジンの冷間始動時に、燃料が充分に気化せず、失火等を引き起こすことが懸念される。

このような問題を解消すべく、例えば下記特許文献１に示されるように、２種類の燃料タンクを備えた車両が考案されている。具体的に、この特許文献１に示されるＦＦＶでは、任意のエタノール濃度の燃料を貯留可能なメインタンクと、気化性能に優れたガソリン濃度の高い燃料が貯留されるサブタンクとが別々に設けられている。そして、エンジンの始動時やアイドリング運転時といった燃料が気化し難い条件のときには、サブタンクからガソリン濃度の高い燃料が供給され、それによってエンジンの始動性やアイドリング運転の安定性が確保されるようになっている。

特開２０１０−１３３２８８号公報

上記特許文献１のように、メインタンクとは別にサブタンクを必要とするＦＦＶでは、燃料の供給系が２系統になるので、構造の複雑化やコストアップを招くことが避けられないという問題がある。しかしながら、ＦＦＶ用のエンジンでは、燃料に含まれるアルコール濃度にかかわらず、冷間時であっても安定してエンジンを始動させる必要があるので、上記のようにコストアップ等の要因となるサブタンクであっても、これを省略できなかったのが現実である。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、燃料の供給系を簡略化しつつ、冷間始動時の燃焼安定性を確保することが可能な火花点火式エンジンの制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためのものとして、本発明は、気筒、気筒に燃料を噴射するインジェクタ、および噴射された燃料に点火する点火プラグを含むエンジン本体と、エンジン本体から排出された排気ガスが流通する排気通路と、排気ガス中の有害成分を浄化するために排気通路に設けられた触媒装置とを備えるとともに、上記燃料としてアルコール、ガソリン、またはこれらの混合燃料が供給される火花点火式エンジンを制御する装置であって、上記触媒装置よりも上流側の排気通路を流通する排気ガスに含まれる酸素の濃度を検出する酸素濃度センサと、上記気筒への吸気の充填量を調節する吸気可変機構と、上記インジェクタに供給される燃料に含まれるアルコールの濃度を推定する濃度推定部と、上記触媒装置の温度が所定値未満となるエンジン冷間時に、触媒装置の活性化を早めるＡＷＳモードとして、排気ガスの温度が上昇するように上記インジェクタ、点火プラグ、および吸気可変機構を制御する触媒活性促進部とを備え、上記酸素濃度の検出精度が安定する基準温度まで上記酸素濃度センサが昇温していない上記ＡＷＳモードの初期であって、かつ上記濃度推定部によるアルコール濃度の推定が未完である場合、上記触媒活性促進部は、アルコール濃度が想定最大値よりも低いことが推定により既に分かっている場合と比べて気筒への吸気充填量が増大するように上記吸気可変機構を制御するとともに、その増量された吸気に対し燃料リッチになる噴射量を上記酸素濃度センサによらず決定し、決定した燃料噴射量の少なくとも一部が圧縮行程の後半に噴射されるように上記インジェクタを制御する、ことを特徴とするものである（請求項１）。

本発明によれば、エンジンが冷間始動されたときに、冷えた触媒を迅速に暖めるためのＡＷＳモードが開始される。このとき、酸素濃度センサの検出値から求まる空燃比の実測値と、燃料に含まれるアルコール濃度の推定値とがともに不明なことがある。このような場合に、本発明では、気筒への吸気充填量が増大されるので、より多くの空気が気筒内で圧縮されることにより、圧縮行程後半における気筒内の温度が上昇させられる。さらに、増量された吸気に対し燃料リッチになる噴射量が酸素濃度センサによらず（つまりオープンループ制御により）決定され、その噴射量の一部が圧縮行程後半に噴射されるので、実測値のフィードバックがないために気筒内の空燃比が目標値と多少ずれていたとしても、空燃比が着火困難なリーンな値になることを防止できるとともに、噴射した燃料を、圧縮行程後半に実現される高温環境下で確実に気化させて燃焼させることができる。

このように、本発明の構成によれば、供給される燃料のアルコール濃度がかなり高かったとしても、失火を確実に防止することができるので、例えばガソリン濃度の高い燃料を貯留する専用の燃料タンクを通常の燃料タンクとは別に設けるといった措置をとらなくても、冷間始動時（ＡＷＳモード）のときの燃焼安定性を充分に確保することができる。

本発明において、好ましくは、上記酸素濃度センサの温度が上記基準温度未満となるＡＷＳモードの初期であって、かつ上記濃度推定部によるアルコール濃度の推定が完了している場合、上記触媒活性促進部は、推定されたアルコール濃度に応じた量の吸気が気筒に充填されるように上記吸気可変機構を制御するとともに、そのアルコール濃度に応じた量の吸気に対し燃料リッチになる噴射量を上記酸素濃度センサによらず決定し、決定した燃料噴射量の少なくとも一部が圧縮行程の後半に噴射されるように上記インジェクタを制御する（請求項２）。

この構成によれば、アルコール濃度が最大値よりも低いことが分かっているときに、気筒への吸気充填量が減らされるので、燃料の気化性能を確保しつつ吸気充填量を減らすことができる。すなわち、ガソリンに比べて気化性能が悪いアルコールの濃度が低いときには、圧縮行程後半における気筒内の温度をそれほど上昇させなくても燃料が充分に気化するので、燃料の気化性能を悪化させることなく吸気充填量を減らすことができる。そして、吸気充填量が減少すれば、それに伴い燃料の噴射量も減少するので、未燃のまま排出される燃料の量を減らすことができ、燃費性能を向上させることができる。さらには、主に未燃燃料が原因で発生するＨＣやＣＯ等が削減されるので、エミッション性を改善することができる。

本発明において、好ましくは、上記酸素濃度センサの温度が上記基準温度以上となるＡＷＳモードの後期であって、かつ上記濃度推定部によるアルコール濃度の推定が未完である場合、上記触媒活性促進部は、アルコール濃度が想定最大値よりも低いことが推定により既に分かっている場合と比べて気筒への吸気充填量が増大するように上記吸気可変機構を制御するとともに、その増量された吸気と上記インジェクタからの燃料噴射とにより所定の目標空燃比の混合気が形成されるように、上記酸素濃度センサの検出値をフィードバックしつつ上記燃料の噴射量を決定し、決定した燃料噴射量の少なくとも一部が圧縮行程の後半に噴射されるように上記インジェクタを制御する（請求項３）。

この構成によれば、目標空燃比を実現するための燃料の噴射量をフィードバック制御により正確に求めることができるので、着火可能な空燃比の中でもできるだけリーンな空燃比に設定することができる。これにより、未燃燃料量を減らすことができので、燃費性能およびエミッション性を改善することができる。

本発明において、好ましくは、上記酸素濃度センサの温度が上記基準温度以上となるＡＷＳモードの後期であって、かつ上記濃度推定部によるアルコール濃度の推定が完了している場合、上記触媒活性促進部は、推定されたアルコール濃度に応じた量の吸気が気筒に充填されるように上記吸気可変機構を制御するとともに、そのアルコール濃度に応じた量の吸気と上記インジェクタからの燃料噴射とにより所定の目標空燃比の混合気が形成されるように、上記酸素濃度センサの検出値をフィードバックしつつ上記燃料の噴射量を決定し、決定した燃料噴射量の少なくとも一部が圧縮行程の後半に噴射されるように上記インジェクタを制御する（請求項４）。

この構成によれば、アルコール濃度が最大値よりも低いことが分かっているときに、これに伴い吸気充填量が減らされるので、燃料の気化性能を確保しつつ吸気充填量を減らすことができる。加えて、燃料の噴射量をフィードバック制御により正確に求めることができるので、着火可能な空燃比の中でもできるだけリーンな空燃比に設定することができる。これにより、未燃燃料量を最大限減らすことができるので、燃費性能およびエミッション性をさらに改善することができる。

本発明において、好ましくは、上記吸気可変機構は、上記気筒に吸気を導入するための吸気ポートを開閉する吸気弁の閉時期を少なくとも変更するものであり、上記触媒活性促進部は、上記気筒への吸気充填量を増大させるとき、上記吸気弁の閉時期が下死点に近づくように上記吸気可変機構を制御する（請求項５）。

この構成によれば、吸気充填量が増えるのと同時に、吸気閉弁時期の下死点への接近に伴い有効圧縮比が増大するので、多量の吸気が気筒内で充分に圧縮される結果、圧縮行程後半での気筒内の温度が効果的に上昇し、燃料の気化性能をより高めることができる。

本発明において、好ましくは、上記触媒活性促進部は、上記ＡＷＳモードのとき、一部の燃料が圧縮行程後半に、残りの燃料が吸気行程中に噴射されるように上記インジェクタを制御する（請求項６）。

この構成によれば、圧縮行程後半にある程度の量の燃料を噴射しつつ、残りの燃料を吸気行程中の適切なタイミング（負圧が増大するタイミング）に噴射することにより、多量の燃料であってもこれを充分に気化させることができる。

以上説明したように、本発明の火花点火式エンジンの制御装置によれば、燃料の供給系を簡略化しつつ、冷間始動時の燃焼安定性を確保することができる。

本発明の一実施形態にかかる火花点火式エンジンの全体構成を示す図である。燃料中のエタノール濃度と理論空燃比との関係を示すグラフである。ＡＷＳモード実行時の制御手順を示すフローチャートである。ＡＷＳモード実行時の吸気閉弁時期、吸気充填量、燃料噴射量、および目標空燃比をエタノール濃度との関係で示すグラフである。酸素濃度センサが未活性のときの噴射量の決定の仕方を説明するためのブロック線図である。酸素濃度センサが活性化しているときの噴射量の決定の仕方を説明するためのブロック線図である。ＡＷＳモード実行時の燃料噴射の態様を示す説明図である。エンジンのブースト圧、未燃燃料量、および燃焼安定性指標が、吸気充填量との関係でどのように変化するかを示したグラフである。

（１）エンジンの全体構成
図１は、本発明の一実施形態にかかるエンジンの全体構成を示す図である。本図に示されるエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載される４サイクルの火花点火式エンジンである。具体的に、このエンジンは、紙面に直交する方向に列状に並ぶ複数の気筒２（図１にはそのうちの１つの気筒のみを示す）を有するエンジン本体１と、エンジン本体１に空気を導入するための吸気通路２０と、エンジン本体１で生成された排気ガスを排出するための排気通路３０と、エンジン本体１に供給される燃料を貯留する燃料タンク４０とを備えている。

エンジン本体１は、車両のエンジンルーム（図示省略）に配設されている。当実施形態において、車両は、エタノールとガソリンとが任意の割合で混合された燃料を使用可能なＦＦＶである。このため、燃料タンク４０に貯留されている燃料は、エタノール１００％の燃料（Ｅ１００）、ガソリン１００％の燃料（Ｅ０）、またはエタノールとガソリンとが混合された混合燃料（Ｅ１〜Ｅ９９）のいずれかである。なお、エタノール１００％の燃料（Ｅ１００）といっても、エタノールの精製過程で充分に水分が除去されていないものがあり、このような水分含有のエタノール（例えばブラジルでは５％程度の水分を含有するＥ１００が流通している）も燃料タンク４０に貯留されることがある。

エンジン本体１は、上記複数の気筒２が内部に形成されたシリンダブロック３と、シリンダブロック３の上部に設けられたシリンダヘッド４と、各気筒２に往復摺動可能に挿入されたピストン５とを有している。

ピストン５は、エンジン本体１の出力軸であるクランク軸１５とコネクティングロッド１６を介して連結されており、上記ピストン５の往復運動に応じてクランク軸１５が中心軸回りに回転するようになっている。

ピストン５の上方には燃焼室１０が形成されており、この燃焼室１０には、後述するインジェクタ１１からの噴射によって燃料が供給される。そして、噴射された燃料が燃焼室１０で燃焼し、その燃焼による膨張力で押し下げられたピストン５が上下方向に往復運動する。

各気筒２の幾何学的圧縮比、つまり、ピストン５が下死点にあるときの燃焼室１０の容積とピストン５が上死点にあるときの燃焼室１０の容積との比は、ガソリンエンジンとしては高めの値である１２．５以上２０以下に設定されている。

燃焼室１０の天井面に対応するシリンダヘッド４の下面は、いわゆるペントルーフ型に形成されており、天井面の中央部から吸気側および排気側にそれぞれ延びる２つの傾斜面を有している。

ピストン５の上面は、上述したペントルーフ型の燃焼室１０の天井面に対応するように、周縁部から中央部に向かって隆起する隆起部を有し、この隆起部の中央部には、概ね球面状に凹陥したキャビティ１７が形成されている。ピストン５の上面がこのように隆起していることで、ピストン５が上死点に達したときの燃焼室１０の容積が小さくなり、１２．５以上の高い幾何学的圧縮比が実現されている。

シリンダヘッド４には、吸気通路２０から供給される空気（吸気）を各気筒２の燃焼室１０に導入するための吸気ポート６と、各気筒２の燃焼室１０で生成された排気ガスを排気通路３０に導出するための排気ポート７と、吸気ポート６の燃焼室１０側の開口を開閉する吸気弁８と、排気ポート７の燃焼室１０側の開口を開閉する排気弁９とが設けられている。

吸気弁８および排気弁９は、それぞれ、シリンダヘッド４に配設された一対のカム軸１８ａ，１９ａ等を含む動弁機構１８，１９により、クランク軸１５の回転に連動して開閉駆動される。

吸気弁８用の動弁機構１８には、吸気弁８の開弁特性を変更可能な吸気ＶＶＴ（Variable Valve Timing mechanism）１８ｂが組み込まれている。この吸気ＶＶＴ１８ｂは、本発明にかかる「吸気可変機構」に相当するものである。

具体的に、当実施形態における吸気ＶＶＴ１８ｂは、吸気弁８の開弁期間（開弁から閉弁までの期間）を一定としながら吸気弁８の開時期および閉時期の双方を連動して変化させる位相式の可変機構である。このタイプの可変機構は従来から種々知られているため詳細な構造の図示および説明は省略するが、例えば、タイミングベルトを介してクランク軸１５の回転が伝達されるカムプーリと、カムプーリにより同軸に回転駆動されるカム軸１８ａとの間に、両者を相対回転可能とする位相変更部材を備えたものを、上記吸気ＶＶＴ１８ｂとして使用することができる。位相変更部材は、油圧もしくは電動で駆動され、カムプーリとカム軸１８ａとの間の位相差を所定範囲内で連続的に変更することが可能である。

シリンダヘッド４には、燃焼室１０に向けて燃料を噴射するインジェクタ１１と、インジェクタ１１から噴射された燃料と空気との混合気に対し火花放電による点火エネルギーを供給する点火プラグ１２とが、各気筒２につきそれぞれ１組ずつ設けられている。

点火プラグ１２は、各気筒２の中心線に沿い、かつピストン５の上面のキャビティ１７を上から臨むような姿勢でシリンダヘッド４に取り付けられている。

インジェクタ１１は、各気筒２の吸気側の側方から燃焼室１０に向けて斜め下方に燃料を噴射し得る姿勢でシリンダヘッド４に取り付けられている。各気筒２のインジェクタ１１にはそれぞれ燃料供給管１３が接続されており、各燃料供給管１３には、燃料タンク４０に貯留された燃料が図略の高圧燃料ポンプを通じて圧送される。

吸気通路２０は、１本の共通通路２１（図１には紙面に直交する方向に延びる通路の断面を示す）と、共通通路２１の下流端部に接続された所定容積のサージタンク２２と、サージタンク２２から下流側に延びて各気筒２の吸気ポート６とそれぞれ連通する複数本の独立通路２３（図１にはそのうちの１本のみを示す）とを有している。

吸気通路２０の共通通路２１には、吸気通路２０を流通する吸気の流量を調節するための開閉可能なスロットル弁２５が設けられている。スロットル弁２５は、バタフライ式の弁本体２５ａと、弁本体２５ａを駆動する電動式のアクチュエータ２５ｂとを有している。

排気通路３０には、その内部を流通する排気ガス中に含まれる有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）を浄化するための三元触媒を内蔵した触媒装置３５が設けられている。なお、詳しい図示は省略するが、排気通路３０は、各気筒の排気ポート７と連通する複数本の独立通路と、独立通路の下流端部が集合した排気集合部と、排気集合部から下流側に延びる１本の共通通路とを有しており、このうちの共通通路の途中部に、上述した触媒装置３５が設けられている。

（２）制御系
次に、エンジンの制御系について説明する。当実施形態のエンジンは、その各部がＥＣＵ（エンジン制御ユニット）５０によって統括的に制御される。ＥＣＵ５０は、周知のとおり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含むマイクロプロセッサからなるものである。

ＥＣＵ５０には、エンジンの各部に設けられた複数のセンサから種々の情報が入力される。具体的に、当実施形態のエンジンには、そのエンジン本体１のクランク軸１５の回転速度を検出するエンジン速度センサＳＮ１と、エンジン本体１の冷却水の温度を検出する水温センサＳＮ２と、サージタンク２２を通過する吸気の流量を検出するエアフローセンサＳＮ３と、触媒装置３５の温度を検出する触媒温度センサＳＮ４と、触媒装置３５よりも上流側の排気通路３０を流通する排気ガスに含まれる酸素の濃度を検出するリニアＯ₂センサからなる酸素濃度センサＳＮ５と、燃料タンク４０に貯留されている燃料の液位を検出する燃料レベルセンサＳＮ６とが設けられている。また、車両には、運転者により操作されるアクセルペダル６０の開度（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサＳＮ７が設けられている。ＥＣＵ５０は、これらのセンサＳＮ１〜ＳＮ７と電気的に接続されており、それぞれのセンサから入力される信号に基づいて、上述した各種情報（エンジンの回転速度、冷却水温、吸気流量‥‥など）を取得する。

また、ＥＣＵ５０は、上記各センサＳＮ１〜ＳＮ７からの入力信号に基づいて種々の判定や演算等を実行しつつ、エンジンの各部を制御する。すなわち、ＥＣＵ５０は、インジェクタ１１、点火プラグ１２、吸気ＶＶＴ１８ｂ、およびスロットル弁２５と電気的に接続されており、上記演算の結果等に基づいて、これらの機器にそれぞれ駆動用の制御信号を出力する。

ＥＣＵ５０のより具体的な機能について説明する。ＥＣＵ５０は、本発明に特有の機能的要素として、濃度推定部５０ａおよび触媒活性促進部５０ｂを有している。

濃度推定部５０ａは、燃料タンク４０に貯留されている燃料に含有されるエタノールの濃度を推定するものである。具体的に、濃度推定部５０ａは、エタノール濃度によって理論空燃比が異なるという性質を利用して、燃料中のエタノール濃度を推定する。

図２は、燃料中のエタノール濃度と理論空燃比との関係を示している。本図に示すように、理論空燃比、つまり、混合気中の酸素と燃料とが過不足なく反応するとき（当量比φ＝１のとき）の空燃比は、エタノール濃度が高いほど低下する。例えば、エタノール濃度が０％（ガソリン濃度が１００％）のときの理論空燃比が１４．７であるのに対し、エタノール濃度が１００％（ガソリン濃度が０％）のときの理論空燃比は９．０である。エタノール濃度が０％より高く１００％より低いときは、９．０から１４．７の範囲で任意の値を取り得るが、その値はエタノール濃度が大きいほど小さく（９．０に近く）なる。例えば、エタノール濃度が５０％のおきの理論空燃比は約１１．９である。

上記のようなエタノール濃度に応じた理論空燃比の変化に合わせて、エンジンの通常運転時においては、現在分かっているエタノール濃度を考慮してインジェクタ１１からの燃料噴射量が決定される。例えば、気筒２への吸気充填量が同じでかつ当量比φ（燃料の過濃度合い）の目標値が同じであると仮定すると、エタノール濃度が１００％であるときの燃料の噴射量は、エタノール濃度が０％のときに比べて、約１．６倍（＝１４．７／９．０）に設定される。このとき、エタノール濃度１００％が正しい値であれば、上記約１．６倍の燃料を噴射することで、当量比φは目標値と一致するはずであるが、仮にエタノール濃度１００％が間違った値であれば、当量比φは目標値からずれることになる。この当量比φの目標値からのずれ量は、エタノール濃度の見当違いが大きいほど大きくなる。このため、当量比φのずれ量が分かれば、そのずれ量に基づいて、正しいエタノール濃度を推定することができる。

例えば、真のエタノール濃度が５０％であるにもかかわらず、エタノール濃度が誤って１００％と推定され、その結果、燃料の噴射量がＱに設定されたとする。これに対し、本来必要な噴射量は、真のエタノール濃度５０％に対応する値、つまり０．７６Ｑ（＝Ｑ×９．０／１１．９）である。したがって、上記決定された噴射量Ｑは、本来必要な噴射量に対し０．２４Ｑだけ多いことになる。このような噴射量の余剰は、当量比φのずれとなって現れる（燃料の余剰分０．２４Ｑの分だけ当量比φが大きくなる）ので、その当量比φのずれ量に基づいて、真のエタノール濃度を推定することができる。

ここで、当量比φが目標値からずれているかどうかは、酸素濃度センサＳＮ５の検出値に基づいて判断される。酸素濃度センサＳＮ５は、上述したとおり、触媒装置３５に導入される前の排気ガスに含まれる酸素（Ｏ₂）の濃度をリニアに検出するリニアＯ₂センサであるので、当該センサが検出する酸素濃度に基づいて、当量比φを特定することができる。つまり、気筒２で燃焼する混合気の空燃比がリッチなほど（つまり当量比φが大きいほど）、多くの酸素が消費されて排気ガス中に含まれる酸素の濃度が低下するので、この酸素濃度の値に基づいて当量比φを特定することができる。

ただし、酸素濃度センサＳＮ５は、そのセンサ素子の性質上、所定の基準温度（製品にもよるが、例えば５００〜６００℃のいずれか）以上にならないと安定した検出精度を出すことができない。このため、上述した当量比φのずれ量に基づくエタノール濃度の推定は、酸素濃度センサＳＮ５が上記基準温度以上の活性状態にあるときにしか行うことができない。例えば、エンジンが冷間始動された直後は、酸素濃度センサＳＮ５の温度が低く、当該センサＳＮ５が未活性状態にある（よって酸素濃度の検出精度が悪い）ので、エタノール濃度を推定することはできない。

触媒活性促進部５０ｂは、触媒装置３５の温度が所定値未満となるエンジンの冷間始動時に、触媒装置３５の活性化を早めるＡＷＳ（Accelerated Warm-up System）モードとして、排気ガスの温度が通常よりも上昇するようにインジェクタ１１、点火プラグ１２、および吸気ＶＶＴ１８ｂを制御するものである。

具体的に、触媒活性促進部５０ｂは、触媒温度センサＳＮ４により検出される触媒装置３５の温度が所定値未満のときに、触媒装置３５内の触媒が活性化されていないと判定し、上記ＡＷＳモードを実行する。すなわち、触媒は、排気ガス自身の熱や排気ガスとの反応熱によって所定の高温度（ライトオフ温度）まで昇温しなければ、充分な浄化性能を発揮することができない。そこで、触媒活性促進部５０ｂは、特に触媒の温度が低下し易いエンジンの冷間始動時に、触媒温度センサＳＮ４による検出値が所定値（上記ライトオフ温度に対応する値）未満であるか否かを判定し、所定値未満であるとき（触媒が未活性であるとき）には、触媒の活性化を早めるＡＷＳモードを実行する。

上記ＡＷＳモードでは、触媒が活性化している通常運転時と比べて、インジェクタ１１からの燃料噴射量が増大されるとともに、点火プラグ１２が火花を放電する時期である点火時期がより遅角側に設定される。これにより、気筒２での燃焼による熱発生量が増大するとともに、排気損失（排気ガスとともに気筒２の外に捨てられる熱量）が増大するので、排気ガスの温度が上昇し、触媒装置３５の早期活性化が図られる。

（３）ＡＷＳモード時の制御
次に、ＡＷＳモード実行時の制御手順について、図３のフローチャートを参照しつつ説明する。このフローチャートに示す処理（ＡＷＳモード）は、エンジンが暖機されていないために触媒装置３５が未活性である場合に実行される。ＥＣＵ５０は、触媒温度センサＳＮ４により検出された温度が所定値未満（つまり触媒装置３５が未活性）であり、かつＡＷＳモードと両立できない他の制御の要求がないことを確認した上で、図３の処理をスタートさせる。このような状況は、典型的には、エンジンが冷間始動された直後の軽負荷運転時（特にアイドリング運転時）に起こり得る。

図３に示す処理がスタートすると、ＥＣＵ５０は、各種センサ値を読み込む処理を実行する（ステップＳ１）。すなわち、ＥＣＵ５０は、エンジン速度センサＳＮ１、水温センサＳＮ２、エアフローセンサＳＮ３、触媒温度センサＳＮ４、酸素濃度センサＳＮ５、燃料レベルセンサＳＮ６、およびアクセル開度センサＳＮ７からそれぞれの検出信号を読み込み、これらの信号に基づいて、エンジンの回転速度、冷却水の温度、吸気流量、触媒装置３５の温度、排気ガス中の酸素濃度、燃料タンク４０内の液位、アクセル開度といった各種情報を取得する。

次いで、ＥＣＵ５０は、燃料中のエタノール濃度を推定する濃度推定が完了しているか否かを判定する処理を実行する（ステップＳ２）。具体的に、このステップＳ２の判定では、ＥＣＵ５０の濃度推定部５０ａによって過去に推定されたエタノール濃度が存在すればＹＥＳとされ、そのようなエタノール濃度が存在しなければＮＯとされる。後者のように判定がＮＯとなる具体例としては、例えば、燃料タンク４０への燃料の補充（給油）が行われた後、新しい濃度推定値が確定しないままエンジンが停止された場合や、ＥＣＵ５０に記憶されていたエタノールの濃度推定値がバッテリの交換等によって消去された場合が挙げられる。なお、前者のパターンでエタノール濃度推定値が不明となる理由は、給油によって燃料タンク４０に新しい燃料が補充されると、燃料タンク４０内で新旧の燃料が混じり合う結果、真のエタノール濃度が不明となるからである。このような事情から、当実施形態では、給油があった場合（例えば燃料レベルセンサＳＮ６による検出液位が５％以上上昇した場合）にはエタノールの濃度推定値が一旦リセットされるようになっている。そして、このように給油によってエタノールの濃度推定値がリセットされた後、車両がほとんど走行しなかった（あるいは全く走行しなかった）場合には、新しい濃度推定値が確定しないままエンジンが停止されるので、その後エンジンが再始動されたときのＡＷＳモードにおいて、上記判定がＮＯとなる。

上記ステップＳ２でＹＥＳと判定されてエタノールの濃度推定が完了していることが確認された場合、ＥＣＵ５０は、酸素濃度センサＳＮ５が活性化しているか否かを判定する処理を実行する（ステップＳ３）。上述したように、酸素濃度センサＳＮ５は、所定の基準温度以上まで昇温して活性化しないと安定した検出精度を出すことができない。そこで、ステップＳ３では、酸素濃度センサＳＮ５がそのような活性状態になっているか、つまり酸素濃度センサＳＮ５の検出精度が充分に安定した状態になっているか否かを判定する。判定の具体的手法は種々考えられるが、例えば、酸素濃度センサＳＮ５からの出力信号の波形に基づいて活性の有無を判定してもよいし、酸素濃度センサＳＮ５の温度を直接検出することによって活性の有無を判定してもよい。あるいは、酸素濃度センサＳＮ５が充分に活性するまでの時間を経験的に求めておき、その時間が経過したことをもって同センサが活性したと判断してもよい。

ここで、ＡＷＳモードが開始された直後（ＡＷＳモードの初期）は、酸素濃度センサＳＮ５が充分に昇温していないため、酸素濃度センサＳＮ５は未活性であり、上記ステップＳ３での判定はＮＯとなる。すると、ＥＣＵ５０は、過去に推定された既知のエタノール濃度（推定エタノール濃度）に基づいて吸気弁８の閉時期（ＩＶＣ）を設定する処理を実行する（ステップＳ４，Ｓ５）。

図４（ａ）は、燃料中のエタノール濃度と吸気弁８の閉時期（ＩＶＣ）との関係を示す図である。本図に示すように、吸気弁８の閉時期は、エタノール濃度が比較的低い領域（ここでは濃度０％以上５０％未満の領域）では一定のタイミングに設定されるが、エタノール濃度が比較的高い領域（ここでは濃度５０％以上１００％以下の領域）では、濃度が高いほど進角側に設定される。より具体的に、吸気弁８の閉時期は、エタノール濃度が０％以上５０％未満の領域で、下死点（ＢＤＣ）から最も遅れたタイミングＴ１に設定される。一方、エタノール濃度が５０％以上の領域では、吸気弁８の閉時期がタイミングＴ１よりも進角側（ＢＤＣに近い側）に移動させられ、しかもその時期はエタノール濃度が高いほどより進角される。ここでは、濃度５０％のときの閉時期をＴ２、濃度１００％のときの閉時期をＴ３としている。濃度５０％のときの閉時期Ｔ２は、濃度５０％未満のときの閉時期Ｔ１よりも進角側にあり、濃度１００％のときの閉時期Ｔ３は、全ての濃度領域の中で最も進角側（ＢＤＣに近い側）にある。ＥＣＵ５０は、この図４（ａ）に相当するマップデータと、現在分かっているエタノール濃度の推定値とに基づいて、エタノール濃度に応じた吸気弁８の閉時期を決定し、その時期に合わせて吸気ＶＶＴ１８ｂを駆動する。

上記のように吸気弁８の閉時期が設定されることで、気筒２への吸気充填量は、エタノール濃度との関係で図４（ｂ）のように設定される。すなわち、エタノール濃度が０％以上５０％未満の領域では、吸気充填量がＣ１で一定とされ、エタノール濃度が５０％以上１００％以下の領域では、吸気充填量がＣ１よりも増やされ、しかもその増大幅はエタノール濃度が高いほど大きくされる（つまり濃度５０％から１００％にかけて吸気充填量が徐々に増やされる）。その値は、濃度５０％のときでＣ２（＞Ｃ１）、濃度１００％のときでＣ３（＞Ｃ２）である。

また、吸気弁８の閉時期に基づき、吸気充填量だけでなく有効圧縮比も変化する。有効圧縮比とは、ピストン５が吸気弁８の閉時期に対応する位置にあるときの燃焼室１０の容積とピストン５が上死点にあるときの燃焼室１０の容積との比で定義される値であり、実質的な圧縮比を表している。吸気弁８の閉時期が図４（ａ）のように変化したとき、これに伴い有効圧縮比も変化するが、１２．５以上の高い幾何学的圧縮比を有する当実施形態のエンジンでは、有効圧縮比は最小の場合でも１０以上に設定される。

以上のようにして吸気弁８の閉時期の設定が終了すると、ＥＣＵ５０は、燃料の噴射量を決定する処理を実行する（ステップＳ６）。ここでの噴射量は、図５に示すように、目標とする空燃比（目標Ａ／Ｆ）と吸気充填量とに基づいてオープンループ制御により決定される。具体的に、ＥＣＵ５０は、エアフローセンサＳＮ３の検出値や上記ステップＳ５で決定した吸気弁８の閉時期から各気筒２への吸気充填量を特定するとともに、この吸気充填量と目標空燃比とに基づいて、当該目標空燃比が実現されるような燃料の噴射量を演算により決定する。

上記目標空燃比は、図４（ｄ）に示すように、エタノール濃度に応じた値に設定される。具体的に、ＡＷＳモードのときの目標空燃比は、理論空燃比（当量比φ＝１となる空燃比）よりもリッチな値に設定され、そのリッチ度合いは、エタノール濃度が高いほど大きくされる（φ＝１のラインの傾きよりも目標空燃比のラインの傾きが大きいことが、そのことを表している）。さらに、目標空燃比は、酸素濃度センサＳＮ５の検出値に基づく燃料噴射量のフィードバック制御が可能か否か（つまり酸素濃度センサＳＮ５の活性の有無）によって変更され、酸素濃度センサＳＮ５が未活性であるときの目標空燃比（破線のライン）は、当該センサＳＮ５が活性化しているときの目標空燃比（実線のライン）よりもさらにリッチ側に設定される。

上記のように、ＡＷＳモードのときの目標空燃比が理論空燃比よりもリッチにされるのは、ＡＷＳモードでは未暖機の（冷間状態の）エンジン本体１から高温の排気ガスを排出して触媒装置３５を暖める必要があり、そのために点火時期もかなり遅角側に設定されるからである。そのような状況で充分な熱量と着火性を確保するために、ＡＷＳモードでは、目標空燃比が理論空燃比よりもリッチに設定され、燃料が過剰気味に供給される。しかも、気化性能が悪いエタノールの濃度が高いときは、失火が起きる可能性が相対的に高まるため、リッチ度合いをより大きくする必要があり、このような事情から、理論空燃比に対する目標空燃比のリッチ度合いは、エタノール濃度が高いほど大きく設定される。さらに、酸素濃度センサＳＮ５が未活性であるときには、当該センサＳＮ５の検出値に基づく実際の空燃比を知ることができず、オープンループ制御により噴射量を決定せざるを得ないので、空燃比の設定精度はどうしても悪くなる。このため、酸素濃度センサＳＮ５が未活性であるときは、安全を見越して（失火を確実に防ぐために）目標空燃比をよりリッチ側に設定する必要があり、このような事情から、酸素濃度センサＳＮ５が未活性のときの目標空燃比（破線のライン）は、当該センサＳＮ５が活性化しているときの目標空燃比（実線のライン）よりもさらにリッチ側に設定される。

以上のことから、酸素濃度センサＳＮ５が未活性の状態で噴射量を決定する上記ステップＳ６では、目標空燃比がよりリッチ側の破線ライン上の値に設定される。例えば、エタノール濃度の推定値が５０％である場合には、破線ライン上の点Ａ２に対応する空燃比が、目標空燃比として設定される。そして、この目標空燃比に対応する噴射量として、図４（ｃ）に示すように、破線ライン上の点Ｑ２に対応する噴射量が決定される。

上記ステップＳ６でオープンループ制御による噴射量の決定が終了すると、ＥＣＵ５０は、決定した噴射量に相当する燃料を各気筒２に噴射する処理を実行する（ステップＳ７）。このときの燃料噴射の態様は、図７に示すように、吸気行程中と圧縮行程後半とに２分して燃料を噴射する分割噴射とされる。なお、圧縮行程後半とは、圧縮上死点前９０〜０°ＣＡ（ＣＡはクランク角を指す）の範囲のことである。

より具体的に、上記ステップＳ７では、噴射した燃料を気筒２内で効果的に気化させるべく、気筒２内の温度が高くなる圧縮行程の後半に比較的多くの燃料を噴射する。ただし、気化に有利な期間（気筒２内が充分に高温化する期間）は限られるので、その期間内に噴射することのできない残余の燃料については、吸気行程中、より詳しくは吸気行程の中でも気筒２内の負圧が増大する期間に噴射される。このような態様で噴射された燃料は、その多くが圧縮上死点までに気化し、その後に行われる火花点火をきっかけに確実に燃焼させられる。なお、ＡＷＳモードでの燃焼であるので、火花点火のタイミングは、圧縮上死点を過ぎた遅めのタイミングに設定される。

上記のようにオープンループ制御により決定したリッチな量の燃料に基づく燃焼制御がしばらく（例えば１０秒程度）繰り返されると、未活性だった酸素濃度センサＳＮ５の温度が充分に上昇し、当該センサＳＮ５が活性化するので、上記ステップＳ３における判定がＹＥＳとなる。すると、ＥＣＵ５０は、過去に推定された既知のエタノール濃度に基づいて吸気弁８の閉時期（ＩＶＣ）を設定する処理を実行する（ステップＳ８，Ｓ９）。例えば、エタノール濃度の推定値が５０％である場合には、吸気弁の閉時期が図４（ａ）に示すタイミングＴ２に設定される。

次いで、ＥＣＵ５０は、酸素濃度センサＳＮ５の検出値に基づくフィードバック制御により燃料の噴射量を決定する処理を実行する（ステップＳ１０）。具体的に、ＥＣＵ５０は、エアフローセンサＳＮ３の検出値や上記ステップＳ９で決定した吸気弁８の閉時期から各気筒２への吸気充填量を特定するとともに、この吸気充填量と目標空燃比とに基づいて、当該目標空燃比が実現されるような燃料の噴射量を演算により決定する。さらに、酸素濃度センサＳＮ５の検出値に基づき特定される実測空燃比に基づいて、実測空燃比が正しく目標空燃比に一致するように、燃料の噴射量を補正する。

このように、ステップＳ１０では、フィードバック制御により精緻に噴射量を決定できるので、目標空燃比を極端にリッチにする必要はなくなる。このため、ステップＳ１０で噴射量を決定する際の目標空燃比は、図４（ｄ）の実線のラインに示すような値、つまり、理論空燃比よりもリッチでかつフィードバック制御不能時（オープンループ制御時）の目標空燃比（破線のライン）よりもリーンな値に設定される。例えば、エタノール濃度の推定値が５０％である場合には、実線ライン上の点Ａ１に対応する空燃比が、目標空燃比として設定される。そして、この目標空燃比に対応する噴射量として、図４（ｃ）に示すように、実線ライン上の点Ｑ１に対応する噴射量が決定される。

上記ステップＳ１０でフィードバック制御による噴射量の決定が終了すると、ＥＣＵ５０は、決定した噴射量に相当する燃料を吸気行程と圧縮行程後半とに分けて各気筒２に噴射し、その噴射した燃料を、通常よりも遅れたタイミングで行われる火花点火により燃焼させる処理を実行する（ステップＳ１１）。

次いで、ＥＣＵ５０は、エタノール濃度を推定する処理を実行する（ステップＳ１２）。すなわち、酸素濃度センサＳＮ５の検出値に基づく実測空燃比が目標空燃比とずれた場合に、そのずれ量がエタノール濃度推定値の見当違いに由来するものと仮定して、正しいエタノール濃度を改めて推定し直す。これにより、過去に推定されたエタノール濃度の推定値に誤差があったとしても、その誤差が修正されることになる。

次いで、ＥＣＵ５０は、触媒温度センサＳＮ４により検出された触媒装置３５の温度が所定値以上か否かを判定する処理を実行する（ステップＳ１３）。そして、ここでＹＥＳと判定されて触媒装置３５が活性化されたことが確認された場合に、ＡＷＳモードを終了し、通常モード（排気ガスを故意に温度上昇させる必要のない通常の運転モード）へと移行する。

次に、上記ステップＳ２でＮＯと判定された場合、つまり、エタノール濃度の推定が完了していない場合の処理について説明する。この場合、ＥＣＵ５０は、上記ステップＳ３のときと同様に、酸素濃度センサＳＮ５が活性化しているか否かを判定する処理を実行する（ステップＳ１５）。

ＡＷＳモードの初期においては、酸素濃度センサＳＮ５の温度が低く当該センサＳＮ５が未活性状態にあるので、上記ステップＳ１５での判定はＮＯとなる。すると、ＥＣＵ５０は、現在のエタノール濃度が想定範囲内の最大値（ここでは１００％）であると仮定して、吸気弁８の閉時期を、その最大エタノール濃度（１００％）に対応する最も遅角側のタイミング、つまり図４（ａ）に示すタイミングＴ３に設定する処理を実行する（ステップＳ１６，Ｓ１７）。

次いで、ＥＣＵ５０は、酸素濃度センサＳＮ５の検出値に基づかないオープンループ制御により、燃料の噴射量を決定する処理を実行する（ステップＳ１８）。すなわち、エアフローセンサＳＮ３の検出値や上記ステップＳ１７で決定した吸気弁８の閉時期から各気筒２への吸気充填量を特定するとともに、この吸気充填量と目標空燃比とに基づいて、当該目標空燃比が実現されるような燃料の噴射量を演算により決定する。

ここでは、酸素濃度センサＳＮ５の検出値をフィードバックできない状態であるので、目標空燃比は、図４（ｄ）においてよりリッチ側に位置する破線ライン上の値に設定される。しかも、ここではエタノール濃度が最大値の１００％であると仮定されているので、目標空燃比は、図４（ｄ）の破線ライン上における最も右側の点Ａ４に対応する値に設定される。そして、この最もリッチな空燃比に対応する噴射量として、図４（ｃ）に示す破線ライン上の点Ｑ４に対応する噴射量が決定される。

上記ステップＳ１８でオープンループ制御による噴射量の決定が終了すると、ＥＣＵ５０は、決定した噴射量に相当する燃料を吸気行程と圧縮行程後半とに分けて各気筒２に噴射し、その噴射した燃料を、通常よりも遅れたタイミングで行われる火花点火により燃焼させる処理を実行する（ステップＳ１９）。

上記のようにオープンループ制御により決定したリッチな量の燃料に基づく燃焼制御がしばらく（例えば１０秒程度）繰り返されると、未活性だった酸素濃度センサＳＮ５の温度が充分に上昇し、当該センサＳＮ５が活性化するので、上記ステップＳ１５における判定がＹＥＳとなる。すると、ＥＣＵ５０は、現在仮定されている最大エタノール濃度（１００％）に基づいて吸気弁８の閉時期（ＩＶＣ）を最も遅角側のタイミングＴ３に設定する処理を実行する（ステップＳ２０，Ｓ２１）。

次いで、ＥＣＵ５０は、酸素濃度センサＳＮ５の検出値に基づくフィードバック制御により燃料の噴射量を決定する処理を実行する（ステップＳ２２）。具体的に、ＥＣＵ５０は、エアフローセンサＳＮ３の検出値や上記ステップＳ２１で決定した吸気弁８の閉時期から各気筒２への吸気充填量を特定するとともに、この吸気充填量と目標空燃比とに基づいて、当該目標空燃比が実現されるような燃料の噴射量を演算により決定する。さらに、酸素濃度センサＳＮ５の検出値に基づき特定される実測空燃比に基づいて、実測空燃比が正しく目標空燃比に一致するように、燃料の噴射量を補正する。

このように、ステップＳ２２では、フィードバック制御により精緻に噴射量を決定できるので、目標空燃比を極端にリッチにする必要はなくなる。このため、ステップＳ２２で噴射量を決定する際の目標空燃比は、図４（ｄ）の実線のラインに示すような値、つまり、理論空燃比よりもリッチでかつフィードバック制御不能時（オープンループ制御時）の目標空燃比（破線のライン）よりもリーンな値に設定される。加えて、ここではエタノール濃度が１００％であると仮定されているので、目標空燃比としては、実線ライン上の最も右側の点Ａ３に対応する空燃比が設定される。そして、この目標空燃比に対応する噴射量として、図４（ｃ）に示すように、実線ライン上の点Ｑ３に対応する噴射量が決定される。

上記ステップＳ２２でフィードバック制御による噴射量の決定が終了すると、ＥＣＵ５０は、決定した噴射量に相当する燃料を吸気行程と圧縮行程後半とに分けて各気筒２に噴射し、その噴射した燃料を、通常よりも遅れたタイミングで行われる火花点火により燃焼させる処理を実行する（ステップＳ２３）。

次いで、ＥＣＵ５０は、エタノール濃度を推定する処理を実行する（ステップＳ１２）。すなわち、酸素濃度センサＳＮ５の検出値に基づく実測空燃比が目標空燃比とずれた場合に、そのずれ量がエタノール濃度推定値の見当違いに由来するものと仮定して、正しいエタノール濃度を推定する。仮に、現在仮定しているエタノール濃度１００％が間違っていた場合には、このステップＳ１２の推定を経ることで、エタノール濃度が正しい濃度推定値に書き換えられることになる。

次いで、ＥＣＵ５０は、触媒温度センサＳＮ４により検出された触媒装置３５の温度が所定値以上か否かを判定し（ステップＳ１３）、所定値以上になれば、ＡＷＳモードを終了する。

（４）作用等
以上説明したとおり、当実施形態の火花点火式エンジンは、エタノール、ガソリン、またはこれらの混合燃料を貯留する燃料タンク４０と、この燃料タンク４０から供給される燃料を気筒２に噴射するインジェクタ１１と、噴射された燃料に点火する点火プラグ１２と、排気ガスを浄化するための触媒装置３５と、触媒装置３５よりも上流側の排気通路３０を流れる排気ガス中の酸素の濃度を検出する酸素濃度センサＳＮ５と、気筒への吸気の充填量を調節する吸気ＶＶＴ１８ｂ（吸気可変機構）と、インジェクタ１１、点火プラグ１２、および吸気ＶＶＴ１８ｂ等を制御するＥＣＵ５０とを備える。さらに、ＥＣＵ５０は、インジェクタ１１に供給される燃料に含まれるエタノールの濃度を推定する機能（濃度推定部５０ａ）と、触媒装置３５の温度が所定値未満となるエンジン冷間時に、触媒装置の活性化を早めるために排気ガスの温度を上昇させるＡＷＳモードを実行する機能（触媒活性促進部５０ｂ）とを有する。

また、酸素濃度の検出精度が安定する基準温度まで酸素濃度センサＳＮ５が昇温していない上記ＡＷＳモードの初期であって、かつエタノール濃度の推定が未完である場合（つまり図３のステップＳ２，Ｓ１５でともにＮＯと判定された場合）には、エタノール濃度が想定最大値（ここでは１００％）よりも低いことが推定により既に分かっている場合（例えば５０％と分かっている場合）と比べて気筒２への吸気充填量が増大するように吸気ＶＶＴ１８ｂが制御され、その結果、吸気弁８の閉時期が図４（ａ）に示すタイミングＴ３まで進角させられる。さらに、その進角によって増量された吸気に対し燃料リッチになる噴射量（図４（ｃ）のＱ４）が酸素濃度センサＳＮ５によらず決定され、決定された燃料の噴射量の一部が圧縮行程後半に噴射されるようにインジェクタ１１が制御される。

このような構成によれば、燃料の供給系を簡略化しつつ、冷間始動時の燃焼安定性を確保できるという利点がある。

すなわち、上記実施形態では、エンジンが冷間始動されたときに、冷えた触媒を迅速に暖めるためのＡＷＳモードが開始される。このとき、酸素濃度センサＳＮ５の検出値から求まる空燃比の実測値と、燃料に含まれるエタノールの濃度の推定値とがともに不明なことがある。このような場合に、上記実施形態では、気筒２への吸気充填量が増大されるので、より多くの空気が気筒２内で圧縮されることにより、圧縮行程後半における気筒２内の温度が上昇させられる。さらに、増量された吸気に対し燃料リッチになる噴射量が酸素濃度センサＳＮ５によらず（つまりオープンループ制御により）決定され、その噴射量の一部が圧縮行程後半に噴射されるので、実測値のフィードバックがないために気筒２内の空燃比が目標値と多少ずれていたとしても、空燃比が着火困難なリーンな値になることを防止できるとともに、噴射した燃料を、圧縮行程後半に実現される高温環境下で確実に気化させて燃焼させることができる。

このように、上記実施形態の構成によれば、燃料タンク４０に貯留された燃料のエタノール濃度がかなり高かったとしても、失火を確実に防止することができるので、例えばガソリン濃度の高い燃料を貯留する専用の燃料タンクを通常の燃料タンクとは別に設けるといった措置をとらなくても、冷間始動時（ＡＷＳモード）のときの燃焼安定性を充分に確保することができる。

図８（ａ）〜（ｃ）は、ある特定の運転条件におけるエンジンのブースト圧（気筒２に吸入される空気の圧力）、未燃燃料量、および燃焼安定性指標が、吸気充填量との関係でどのように変化するかを示したグラフである。各グラフにおいて、エタノール濃度および空燃比（当量比φ）はともに同一であるとする。このため、吸気充填量が多いグラフ右側ほど、燃料の噴射量も多いことになる。また、図８（ｃ）の燃焼安定性指標とは、エンジンの図示平均有効圧の最小値を同有効圧の平均値で割った値のことであり、縦軸の上側ほど燃焼安定性が良好なことを表す。

上記実施形態のように吸気弁８の閉時期を進角させて吸気充填量を増やすことは、図８（ａ）〜（ｃ）において、吸気充填量をＸからＹに変化させることを意味する。このうち、図８（ａ）（ｃ）から明らかなように、吸気充填量が増えれば、これに伴いブースト圧が増大し、燃焼安定性が改善される。これは、吸気充填量が増やされることで、圧縮行程後半での気筒２内の温度が高くなり、圧縮行程後半で噴射した燃料の気化性が改善されたためである。もちろん、吸気充填量に比例して未燃燃料量も増えているが（図８（ｂ））、これは吸気充填量に比例して増量された燃料のうちの一部がほぼ一定の割合で未燃のまま排出されるためであり、燃焼安定性に特に関係しているわけではない。

また、上記実施形態において、酸素濃度センサＳＮ５の温度が上記基準温度未満となるＡＷＳモードの初期であって、かつエタノール濃度の推定が完了している場合（つまり図３のステップＳ２でＹＥＳと判定されかつステップＳ３でＮＯと判定された場合）には、推定エタノール濃度に応じた量の吸気が気筒２に充填されるように、吸気弁８の閉時期が上述したタイミングＴ３よりも遅角側（例えば濃度５０％であれば図４（ａ）のタイミングＴ２）に設定されるとともに、そのエタノール濃度に応じた吸気に対し燃料リッチになる噴射量（濃度５０％であれば図４（ｃ）のＱ２）が酸素濃度センサＳＮ５によらず決定され、決定された燃料の噴射量の一部が圧縮行程後半に噴射されるようにインジェクタ１１が制御される。このような構成によれば、エタノール濃度が最大値よりも低いことが分かっているときに、気筒２への吸気充填量が減らされるので、燃料の気化性能を確保しつつ吸気充填量を減らすことができる。すなわち、ガソリンに比べて気化性能が悪いエタノールの濃度が低いときには、圧縮行程後半における気筒２内の温度をそれほど上昇させなくても燃料が充分に気化するので、燃料の気化性能を悪化させることなく吸気充填量を減らすことができる。そして、吸気充填量が減少すれば、それに伴い燃料の噴射量も減少するので、未燃のまま排出される燃料の量を減らすことができ、燃費性能を向上させることができる。さらには、主に未燃燃料が原因で発生するＨＣやＣＯ等が削減されるので、エミッション性を改善することができる。

また、上記実施形態において、酸素濃度センサＳＮ５の温度が上記基準温度以上となるＡＷＳモードの後期であって、かつエタノール濃度の推定が未完である場合（つまり図３のステップＳ２でＮＯと判定されかつステップＳ１５でＹＥＳと判定された場合）には、気筒２への吸気充填量が増大するように吸気弁８の閉時期がタイミングＴ３に設定されるとともに、酸素濃度センサＳＮ５の検出値を利用したフィードバック制御により、所定の目標空燃比（図４（ｄ）のＡ３）の混合気が形成されるように燃料の噴射量（図４（ｃ）のＱ３）が決定され、決定された燃料の噴射量の一部が圧縮行程の後半に噴射されるようにインジェクタ１１が制御される。このような構成によれば、目標空燃比を実現するための燃料の噴射量をフィードバック制御により正確に求めることができるので、着火可能な空燃比の中でもできるだけリーンな空燃比に設定することができる。これにより、未燃燃料量を減らすことができので、燃費性能およびエミッション性を改善することができる。

また、上記実施形態では、酸素濃度センサＳＮ５の温度が上記基準温度以上となるＡＷＳモードの後期であって、しかもエタノール濃度の推定が完了している場合（つまり図３のステップＳ２，Ｓ３でともにＹＥＳと判定された場合）には、推定エタノール濃度に応じた量の吸気が気筒２に充填されるように、吸気弁８の閉時期が上述したタイミングＴ３よりも遅角側（例えば濃度５０％であれば図４（ａ）のタイミングＴ２）に設定されるとともに、酸素濃度センサＳＮ５の検出値を利用したフィードバック制御により、所定の目標空燃比（濃度５０％であれば図４（ｄ）のＡ１）の混合気が形成されるように燃料の噴射量（図４（ｃ）のＱ１）が決定され、決定された燃料の噴射量の一部が圧縮行程の後半に噴射されるようにインジェクタ１１が制御される。このような構成によれば、エタノール濃度が最大値よりも低いことが分かっているときに、これに伴い吸気充填量が減らされるので、燃料の気化性能を確保しつつ吸気充填量を減らすことができる。加えて、燃料の噴射量をフィードバック制御により正確に求めることができるので、着火可能な空燃比の中でもできるだけリーンな空燃比に設定することができる。これにより、未燃燃料量を最大限減らすことができるので、燃費性能およびエミッション性をさらに改善することができる。

また、上記実施形態では、ＡＷＳモードでの運転中に気筒２への吸気充填量を変化させるとき、吸気ＶＶＴ１８ｂが駆動されて吸気弁８の閉時期が変更される。このような構成によれば、吸気充填量が増えるのと同時に、吸気弁８の閉時期の進角（下死点への接近）に伴い有効圧縮比が増大するので、多量の吸気が気筒２内で充分に圧縮される結果、圧縮行程後半での気筒２内の温度が効果的に上昇し、燃料の気化性能をより高めることができる。

なお、上記実施形態では、図７に示したように、吸気行程と圧縮行程後半とに２分して燃料を噴射したが、圧縮行程後半における適切なタイミング（気筒２内が充分に高温化する燃料気化に有利なタイミング）に所望量の燃料を全て噴射し切れる場合には、吸気行程中の噴射は省略してもよい。一方、上記実施形態のように吸気行程と圧縮行程後半とに２分して燃料を噴射した場合には、圧縮行程後半にある程度の量の燃料を噴射しつつ、残りの燃料を吸気行程中の適切なタイミング（負圧が増大するタイミング）に噴射することにより、多量の燃料であってもこれを充分に気化させることができるという利点がある。

また、上記実施形態では、ＡＷＳモードでの運転中に気筒２への吸気充填量を変化させるために、吸気弁８の閉時期を変更するようにしたが、吸気弁８の閉時期が進角し過ぎると、吸気弁８と排気弁９とがともに開く期間であるバルブオーバーラップ期間が長くなり過ぎて、気筒２に逆流する高温の既燃ガス（内部ＥＧＲガス）が過度に増えることにより、かえって着火性が悪化することが懸念される。そこで、このような事態を回避するため、吸気弁８を進角させるときには、これに合わせてスロットル弁２５の開度を若干増大させるとよい。これにより、内部ＥＧＲガスが増え過ぎて着火性が悪化するのを回避しつつ、吸気充填量を増やすことができる。なお、この場合は、吸気ＶＶＴ１８ｂとスロットル弁２５の双方が、本発明にかかる吸気可変機構に該当することになる。

また、上記実施形態では、図４（ａ）〜（ｄ）に示したように、エタノール濃度の想定範囲を０〜１００％としているが、例えば車両の仕向け先の国が決まっており、その国で使用される燃料のエタノール濃度がある特定の範囲（例えば０〜８５％）に定まっている場合がある。あるいは、エタノール濃度を複数の区分に区切り、各区分内ではエタノール濃度にかかわらず同一の制御を行うことが考えられる。例えば、使用され得るエタノール濃度の最大値が１００％であったとしても、濃度８５〜１００％の範囲では同一の制御を行うことが考えられる。この場合は、エタノール濃度が１００％であっても８５％として制御が行われるので、エタノール濃度の想定範囲の最大値（想定最大値）は８５％ということになる。仮に、エタノール濃度の想定範囲の最大値が８５％であるとすると、図４（ａ）〜（ｄ）において、ＡＷＳモード時における吸気弁８の閉時期の最進角値はＴ２とＴ３の間になり、吸気充填量の最大値はＣ２とＣ３の間になる。このことは、燃料噴射量の設定値および目標空燃比でも同様である。

上記の点からも理解されるように、本発明におけるエタノール濃度の「想定最大値」とは、制御上の事情から決められるものであって、実際に使用されるエタノール濃度の最大値とは必ずしも一致しない。

また、上記実施形態では、図４（ａ）（ｂ）に示したように、エタノール濃度が０％以上５０％未満の範囲のとき、吸気充填量を一定の値（Ｃ１）に維持するべく、吸気弁８の閉時期を一定のタイミング（Ｔ１）に設定したが、吸気充填量および吸気弁８の閉時期は、エタノール濃度５０％以上のときと同様、エタノール濃度に応じて変化させてもよい。また、図４（ａ）（ｂ）のように、ある特定のエタノール濃度を境に吸気弁８の閉時期等の設定の仕方を変える場合でも、その境界となるエタノール濃度は５０％に限られず、適宜変更可能である。

また、上記実施形態では、燃料としてエタノール、ガソリン、またはこれらの混合燃料を使用することを想定したが、ガソリン以外の燃料はアルコールであればよく、エタノールに代えてメタノールを使用してもよい。

１エンジン本体
２気筒
６吸気ポート
８吸気弁
１１インジェクタ
１２点火プラグ
１８ａ吸気ＶＶＴ（吸気可変機構）
３０排気通路
３５触媒装置
５０ａ濃度推定部
５０ｂ触媒活性促進部

Claims

気筒、気筒に燃料を噴射するインジェクタ、および噴射された燃料に点火する点火プラグを含むエンジン本体と、エンジン本体から排出された排気ガスが流通する排気通路と、排気ガス中の有害成分を浄化するために排気通路に設けられた触媒装置とを備えるとともに、上記燃料としてアルコール、ガソリン、またはこれらの混合燃料が供給される火花点火式エンジンを制御する装置であって、
上記触媒装置よりも上流側の排気通路を流通する排気ガスに含まれる酸素の濃度を検出する酸素濃度センサと、
上記気筒への吸気の充填量を調節する吸気可変機構と、
上記インジェクタに供給される燃料に含まれるアルコールの濃度を推定する濃度推定部と、
上記触媒装置の温度が所定値未満となるエンジン冷間時に、触媒装置の活性化を早めるＡＷＳモードとして、排気ガスの温度が上昇するように上記インジェクタ、点火プラグ、および吸気可変機構を制御する触媒活性促進部とを備え、
上記酸素濃度の検出精度が安定する基準温度まで上記酸素濃度センサが昇温していない上記ＡＷＳモードの初期であって、かつ上記濃度推定部によるアルコール濃度の推定が未完である場合、上記触媒活性促進部は、アルコール濃度が想定最大値よりも低いことが推定により既に分かっている場合と比べて気筒への吸気充填量が増大するように上記吸気可変機構を制御するとともに、その増量された吸気に対し燃料リッチになる噴射量を上記酸素濃度センサによらず決定し、決定した燃料噴射量の少なくとも一部が圧縮行程の後半に噴射されるように上記インジェクタを制御する、ことを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
請求項１記載の火花点火式エンジンの制御装置において、
上記酸素濃度センサの温度が上記基準温度未満となるＡＷＳモードの初期であって、かつ上記濃度推定部によるアルコール濃度の推定が完了している場合、上記触媒活性促進部は、推定されたアルコール濃度に応じた量の吸気が気筒に充填されるように上記吸気可変機構を制御するとともに、そのアルコール濃度に応じた量の吸気に対し燃料リッチになる噴射量を上記酸素濃度センサによらず決定し、決定した燃料噴射量の少なくとも一部が圧縮行程の後半に噴射されるように上記インジェクタを制御する、ことを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
請求項１または２記載の火花点火式エンジンの制御装置において、
上記酸素濃度センサの温度が上記基準温度以上となるＡＷＳモードの後期であって、かつ上記濃度推定部によるアルコール濃度の推定が未完である場合、上記触媒活性促進部は、アルコール濃度が想定最大値よりも低いことが推定により既に分かっている場合と比べて気筒への吸気充填量が増大するように上記吸気可変機構を制御するとともに、その増量された吸気と上記インジェクタからの燃料噴射とにより所定の目標空燃比の混合気が形成されるように、上記酸素濃度センサの検出値をフィードバックしつつ上記燃料の噴射量を決定し、決定した燃料噴射量の少なくとも一部が圧縮行程の後半に噴射されるように上記インジェクタを制御する、ことを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の火花点火式エンジンの制御装置において、
上記酸素濃度センサの温度が上記基準温度以上となるＡＷＳモードの後期であって、かつ上記濃度推定部によるアルコール濃度の推定が完了している場合、上記触媒活性促進部は、推定されたアルコール濃度に応じた量の吸気が気筒に充填されるように上記吸気可変機構を制御するとともに、そのアルコール濃度に応じた量の吸気と上記インジェクタからの燃料噴射とにより所定の目標空燃比の混合気が形成されるように、上記酸素濃度センサの検出値をフィードバックしつつ上記燃料の噴射量を決定し、決定した燃料噴射量の少なくとも一部が圧縮行程の後半に噴射されるように上記インジェクタを制御する、ことを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の火花点火式エンジンの制御装置において、
上記吸気可変機構は、上記気筒に吸気を導入するための吸気ポートを開閉する吸気弁の閉時期を少なくとも変更するものであり、
上記触媒活性促進部は、上記気筒への吸気充填量を増大させるとき、上記吸気弁の閉時期が下死点に近づくように上記吸気可変機構を制御する、ことを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の火花点火式エンジンの制御装置において、
上記触媒活性促進部は、上記ＡＷＳモードのとき、一部の燃料が圧縮行程後半に、残りの燃料が吸気行程中に噴射されるように上記インジェクタを制御する、ことを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。