JP4285221B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

この発明は、排気系に触媒装置を備えた内燃機関に関し、特に、排気弁の可変制御により触媒装置の早期昇温を実現する技術に関する。

排気系に設けられた排気浄化用の触媒装置を機関の始動後に早期に活性化させるために、排気弁のバルブリフト特性を可変制御し、排気温度を上昇させるようにした技術が、特許文献１および特許文献２に開示されている。特許文献１の技術は、排気弁を電磁駆動機構によって開閉駆動する構成であり、冷機時には、排気弁の開時期を下死点よりも遅角させて、排気ガスを圧縮したときの圧縮温度によって排気温度を上昇させ、触媒温度の早期昇温を図っている。また特許文献２の技術は、排気弁の可変動弁機構として、バルブリフト特性の作動角とその中心角とを可変制御し得る機構を備えており、冷機時には、作動角を小さくするとともに中心角の位相を進角させて、排気弁開時期および排気弁閉時期の双方を進角させるようになっている。これにより、排気温度を上昇させるとともに機関温度も上昇させるという構成となっている。
特開２００１−２８９０７５号公報 特開２００１−３５５４６９号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、排気弁の開時期をリタードすることによって排気温度を上昇させているが、排気弁として電磁弁を使用しているため、バルブリフト量は常に大きく、排気の押出損失は増大しない。そのため、特にアイドル状態において、機関回転速度を上昇させることなくエンジン負荷を上昇させることができないため、排気温度の上昇幅は、それほど大きなものとはならない。

このようにリフト量が大きい電磁弁からなる排気弁を用いて、その可変制御によってエンジン負荷を増大させるためには、排気弁の開弁期間（作動角）を短縮して排気の押出損失を増大させる必要がある。しかし適切な排気弁開時期に設定するためには排気弁閉時期が上死点前に設定されてしまうことになるので、残留ガス増加による燃焼悪化によって未燃ＨＣの排出量が増加するという問題が生じる。一方、残留ガスを低減するために排気弁閉時期を上死点近傍に設定すると、排気弁開時期も上死点近傍に設定されることになるため、既燃ガスを再圧縮した後の高圧下で排気弁を開くことになり、電磁弁を作動させるためのアクチュエータ容量を大きくする必要が生じるといった新たな問題が生じる。

また特許文献２の技術では、冷機時に排気弁閉時期を上死点前に進角させるため、残留ガス量増加による燃焼安定性の悪化によって点火時期を大きくリタードすることができず、排気温度を効果的に上昇させることができない。また、冷機時の排気弁開時期が暖機状態における排気弁開時期よりも進角しているため、下死点後にリタードする場合に比べて、排気の圧縮仕事が行われず、また排気の押出損失が減少するため、軸トルクを一定に維持しつつエンジン負荷を大きくすることができず、排気温度を効果的に上昇させることができない。

この発明は、排気系に排気浄化用の触媒装置が設けられるとともに、排気弁のリフト・作動角および作動角の中心角を変更可能な可変動弁機構と、内燃機関の冷機状態を検出する冷機検出手段と、を有する内燃機関において、
アイドル中の冷機状態においては、排気弁のリフト・作動角が暖機後よりも小さく、かつ中心角が暖機後よりも遅角するように、触媒温度に応じて排気弁のリフト・作動角および中心角を制御し、さらに、
この排気弁のバルブリフト特性によるアイドル回転速度の低下を相殺するように、上記排気弁のリフト・作動角および中心角に基づいて、スロットル開度、吸気弁リフト量、吸気弁の閉時期のうち少なくとも１つの必要な補正量を求め、アイドル回転速度を一定に制御することを特徴としている。

このように、冷機時の排気弁リフト量を暖機後の排気弁リフト量よりも小さくすることで、高温・高圧の排気ガスが、わずかに開いた排気弁の隙間からピストンの上昇によって強制的に排出されるため、排気行程における排気ガスの押出損失が大幅に増加する。そのため、暖機後と同等の軸トルクおよび機関回転速度を維持するためには、燃料の増量が必要となり、より高負荷運転を行うことになる。これにより、より大量でかつ高温の排気ガスが排出され、触媒の早期活性化を行うことが可能となる。

また、排気弁のリフト量を小さくするだけではなく排気弁の開時期を下死点以降にまで遅らせるようにすると、膨張行程で燃焼した既燃ガスが下死点後に再度圧縮されて高温・高圧となり、排気の押出仕事がリフト量の小リフト化のみの場合よりもさらに増加する。そのため、さらに高温の排気ガスが排出されるようになり、排気系における触媒装置の温度が急速に上昇する。

上記内燃機関が火花点火式内燃機関である場合には、冷機状態では、暖機後よりも点火時期を遅角させるとともに、機関の負荷が増加するほど点火時期遅角量を増加することが望ましい。

例えば、冷機時アイドル状態において、従来のように下死点前に排気弁開時期がある場合は、一定の機関回転速度（アイドル回転速度）を維持するために、エンジン負荷が小さい状態で運転する必要があり、この低負荷状態では、大幅な点火時期の遅角を行うことは燃焼安定性の悪化を招くため困難であった。また一定の機関回転速度を維持しながらエンジン負荷を増大させるためには、排気弁の開時期をさらに進角して、ピストンが仕事をする前に排気を行い、軸トルクを増加させないことが必要であるが、その場合、燃焼期間が十分に得られずに、未燃ＨＣの排出量が増加してしまう。これに対し、本発明では、上述した排気弁のリフト量の小リフト化や排気弁開時期の遅角によって、一定の機関回転速度を維持しながらエンジン負荷を増加させることが可能になるため、エンジン負荷の増大による燃焼安定性向上を利用して、点火時期を十分に遅角させることが可能になる。また、排気弁開時期の遅角によって、燃焼期間が長く確保されるため、未燃ＨＣの排出量が抑制され、この点からも点火時期の大幅な遅角が可能となる。そして、エンジン負荷が増大するほど点火時期を遅角制御することによって、燃焼安定性を損なうことなく排気温度を大幅に上昇させることができる。また、点火時期を大幅に遅角することによって、筒内最大燃焼温度を低下することが可能になり、ＮＯｘ排出量を低減することも可能になる。

さらに、望ましくは、冷機状態における吸気弁開時期が、暖機後の吸気弁開時期よりも遅くなるように、制御される。

すなわち、冷機時の排気の昇温制御中に吸気弁開時期を遅らせることによって、ピストンの下降による筒内圧力の低下を利用して吸気開始直後からシリンダ内に流入する吸気のガス流速を大きくすることができる。そのため、上記と同様に燃焼安定性が向上し、大幅な点火時期リタードが可能となる。

また、本発明では、冷機状態においては、排気弁の閉時期が吸気弁の開時期よりも早いことが望ましい。

すなわち、排気弁の開時期を下死点以降に遅らせた場合、排気弁開時期の筒内排気ガスは高温高圧となるため、排気行程が終了する前に吸気弁が開くと、高温の排気ガスが吸気系へ逆流し、熱的に好ましくない。特に、吸気ポートへ流入した排気ガス中に未燃ＨＣが含まれる場合、酸素が十分に存在する吸気ポート内で未燃ＨＣが燃焼するという問題が生じる。そのため、排気ガス温度の上昇制御を行うときには、吸気弁、排気弁が同時に開かないようにすることが望ましい。

また、本発明の一つの態様では、冷機状態において、排気弁の開時期が遅角するほどバルブオーバラップ量を縮小するようになっている。

すなわち、排気温度を上昇させるためには、残留ガス量を低減して体積効率を高めると同時に、燃焼安定性を高めて点火時期の遅角量を大きくとることが望ましく、適切なバルブオーバラップを設定することは、吸気によって排気ガスを押し出し、残留ガス量を低減するために効果的である。また、冷機時かつ排気の昇温制御過程において、排気弁の開時期が徐々に遅角していく途中であるときは、排気行程における筒内既燃ガスの再圧縮仕事を行う行程が短く、エンジン負荷はまだ十分に大きくなっておらず点火時期の遅角量も小さいため、排気温度は十分に上昇していない。そのため、排気弁の開時期が遅角途中の排気温度が低い間は、バルブオーバラップが有ることで排気ガスが吸気ポートに逆流しても問題はない。そこで、冷機時でかつ排気の昇温制御過程において、バルブオーバラップを取りつつ、かつ高温排気の吸気系への逆流による吸気系の損傷を回避するためには、排気温度が低い間はバルブオーバラップ量を大きく取り、排気温度が上昇するほどバルブオーバラップ量を小さくしていくことが望ましい。

また、本発明では、機関停止時に、排気弁のバルブリフト特性が、暖機後の機関運転中よりもリフト量が小さくかつ開時期が遅い特性に制御されることが望ましい。

機関停止時に排気弁の開時期が進角側または大リフト量側に設定されていると、冷機時の始動直後に、排気弁開時期の遅角制御と排気弁の小リフト量化制御を行う必要が生じるため、冷機時の目標排気弁開時期および目標排気弁リフト量に到達するまで、一定の時間を要する。そのため、排気の昇温が遅れて触媒活性化が遅れてしまう。そこで、機関停止時に、暖機後よりも排気弁のリフト量を小さくするとともに排気弁開時期を遅角側に設定することで、冷機始動直後のバルブリフト特性変化の遅れを回避し、直ちに排気温度を上昇させることができる。特に、油圧によって作動する可変動弁機構を用いる場合、始動直後に必要な油圧を得てから可変動弁機構を作動させるまでに時間を要するため、機関停止時から排気弁の開時期を下死点以降に遅角するとともに排気弁のリフト量を小さく設定することが望ましい。

また、本発明では、内燃機関のアイドル中は、冷機時のバルブリフト特性によるアイドル回転速度の低下を相殺するように、スロットル開度、吸気弁リフト量、吸気弁の閉時期のうち少なくとも１つがエンジン負荷の増加方向に制御され、機関回転速度が一定になるように制御される。

排気弁の開時期が下死点後へ遅角することによって、排気ガスの圧縮仕事と押出損失とが増加する。そのため、排気弁の開時期が下死点後へ遅角するにしたがって、そのままでは軸トルクが低下することになる。従って、冷機時アイドル中は、エンジン負荷が増加する方向に、スロットル開度、吸気弁リフト量または吸気弁開時期のうち少なくとも１つを制御して軸トルクを一定に保つことで、機関回転速度を一定つまりアイドル回転速度に保つことが可能になる。機関回転速度をアイドル回転速度に一定に保つ方法としては、機関回転速度変動を検知してフィードバック制御する手段や、機関回転速度変動の検知によらずに排気弁の開時期に応じてスロットル開度等をフィードフォワード的に補正する手段があり、いずれか一方もしくは双方を組み合わせた制御を行うことで安定した機関回転速度制御を行うことができる。

また、本発明の一つの態様では、内燃機関が非アイドルでかつ上記触媒装置が目標温度に達するまでの期間は、冷機時における排気弁開時期の遅角に対し、吸気弁閉時期、吸気弁リフト量、スロットル開度のうち少なくとも１つがエンジン負荷の低下を補うように制御される。

上述したように、冷機時アイドル運転中には、排気弁開時期の遅角量に応じて、スロットル開度等の制御を行うことにより、アイドル回転速度を維持することができる。一方、触媒が目標温度に達して活性化する前に、冷機時アイドル運転から加速発進を開始する場合は、加速性能を優先して触媒の活性化が遅れるということが無いように、排気温度の昇温制御を継続しながら、要求された加速性能も同時に得ることが望ましい。そのため、排気弁開時期の遅角制御を行いつつ、かつ同時に、吸気弁閉時期、吸気弁リフト量またはスロットル開度のうち少なくとも１つの制御を行うことによって、軸トルクを目標値に制御する。例えば冷機時アイドル運転中に加速要求が発生した場合には、排気弁開時期の下死点以降への遅角を維持しながら、その遅角量を一部減少させて、排気ガスの昇温に使われているエネルギの一部を、軸トルクの増加に使用する。あるいは、排気弁開時期の遅角量をそのまま維持しつつ、吸気弁閉時期の下死点側への移行、吸気弁リフト量の増大、スロットル開度の増大の少なくとも１つの制御を行うことで、排気ガス温度を低下させることなくさらにエンジン負荷を増大して軸トルクを増加させる。排気弁開時期の遅角量を一部減少させつつ、吸気弁閉時期の下死点側への移行、吸気弁リフト量の増大、スロットル開度の増大の少なくとも１つの制御を同時に行うこともできる。

すなわち、このように制御することによって、冷機時アイドル運転中に加速要求が発生した場合にも、要求された加速を行いつつ、同時に排気の昇温制御を継続することが可能となり、触媒の早期活性化が可能になる。

ここで、冷機時かつ非アイドル中において、要求軸トルクが所定値以下の場合は、触媒装置が目標温度に達するまで、排気弁開時期の遅角量が維持されることが望ましい。

上記のように、冷機時アイドル運転から加速を開始する場合も、排気温度の昇温制御を継続して行うことが望ましい。そこで、排気温度の昇温制御が全負荷で行われず、かつ加速要求が所定量よりも大きくない場合には、排気弁の開時期遅角量をそのまま維持することで排気温度を高く維持することが望ましい。そして、スロットル開度の増加、または吸気弁のリフト量の増加、または吸気弁の開時期の下死点側への可変制御、のうち少なくとも１つを行うことで、排気温度を低下させることなく軸トルクの制御を実現できる。

また冷機時かつ非アイドル中において、要求軸トルクが所定値以上の場合は、触媒装置が目標温度に達するまで、スロットル開度が全開または吸気弁リフト量が最大となり、かつ要求軸トルクに応じて排気弁開時期の遅角量が減少制御されることが望ましい。

冷機時アイドル運転中のエンジン負荷の設定は、排気弁開時期の遅角量に応じて自由に設定可能であるが、スロットル開度、吸気弁のリフト量、または吸気弁の開時期を、最大体積効率つまりエンジン負荷が最大となる状態として、排気昇温制御を行う場合が、最も短時間で触媒温度を目標温度に到達させ触媒を活性化することができる。この状態から加速要求が生じたときは、全負荷状態を維持しながら排気弁開時期を制御して遅角量を減少させることで、排気エネルギの一部を軸トルク増加に回して、要求加速性能を得ながら最大の排気昇温効果を得ることができる。

また、本発明は、内燃機関の圧縮比を可変制御する可変圧縮比機構と組み合わせることもでき、望ましくは、冷機状態では暖機後よりも低圧縮比に設定され、かつ点火時期が遅角制御される。

このように低圧縮比化することによって、冷却損失が低減し、排気温度をさらに上昇することが可能になる。また、冷機時アイドル運転中の高負荷運転下においても圧縮温度の低下によってノッキングを回避することが可能になる。さらに、高負荷運転をすることにより低圧縮比下でも燃焼安定性が良くなり点火時期をリタードすることが可能になるため、排気温度をさらに上昇することが可能になる。また、低圧縮比化することによりクランキング時の圧縮圧力が低下するため、始動性を悪化することなく排気弁開時期の遅角化が可能になる。

この発明によれば、冷機時に排気弁のリフト量を小リフトとすることで、排気行程での押出損失が大幅に増加し、必然的に、より負荷の高い状態で内燃機関が運転されることになるため、高温の排気ガスが大量に得られ、触媒装置が早期に活性化する。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明に係る内燃機関１のシステム構成を示す構成説明図であって、内燃機関１は、吸気弁３と排気弁４とを有し、かつ吸気弁３および排気弁４の双方に、可変動弁機構５，６が設けられている。これらの可変動弁機構５，６は、基本的に同一の構成であって、吸気弁３もしくは排気弁４のリフト・作動角を連続的に拡大・縮小させることが可能な第１可変動弁機構（ＶＥＬ）５ａ，６ａおよび作動角の中心角を連続的に遅進させることが可能な第２可変動弁機構（ＶＴＣ）５ｂ，６ｂをそれぞれ備えている。また、吸気通路７には、モータ等のアクチュエータにより開度が制御される電子制御スロットル弁２が設けられているとともに、その上流側に、吸入空気流量を検出するエアフロメータ８が設けられ、かつ下流の吸気コレクタ７ａに、吸気圧センサ９が設けられている。そして、各気筒の吸気ポートへ向かって燃料を噴射するように、燃料噴射弁１０が各気筒毎に設けられている。燃焼室中心には点火栓１５が配置されている。

ここで、上記スロットル弁２は、吸気通路７内に、ブローバイガスの処理などのために必要な僅かな負圧（例えば−５０ｍｍＨｇ）を発生させるためだけに用いられており、吸入空気量の調整は、可変動弁機構５により吸気弁３のリフト特性を変更することで行われる。すなわち、吸入空気量の調整をスロットル弁開度に依存しない実質的なスロットルレス運転が実現される。そして、上記のように吸気弁３により調整された吸入空気量に応じた量の燃料が、上記燃料噴射弁１０から噴射される。

また、排気通路１１には、例えば三元触媒を用いた触媒装置１２が介装されており、その上流側に、空燃比センサ１３が配置されている。上記触媒装置１２は、その温度を検出する触媒温度センサ１４を備えている。また、内燃機関１には、冷却水温を検出する水温センサ１６が設けられている。さらに、運転者により操作されるアクセルペダルの開度を検出するアクセル開度センサ１７と、車速を検出する車速センサ１８と、を備えており、これらのセンサ類の検出信号は、それぞれコントロールユニット１９に入力されている。

上記のコントロールユニット１９は、これらのセンサ類から入力された信号に基づいて、燃料噴射量、点火時期、スロットル弁２のスロットル開度、吸気弁３のリフト・作動角および中心角、排気弁４のリフト・作動角および中心角、などをそれぞれ制御する。

なお、上記第１可変動弁機構５ａ，６ａおよび第２可変動弁機構５ｂ，６ｂを組み合わせた可変動弁機構５，６は、例えば、特開２００２−２５６９０５号公報、特開２００２−８９３４１号公報等に開示された公知のものと同一の構成である。このものでは、第１可変動弁機構５ａ，６ａによって、リフト量と作動角が同時にかつ連続的に増減変化し、第２可変動弁機構５ｂ，６ｂによって、作動角の中心角の位相が連続的に遅進する。従って、両者の組み合わせによって、弁の開閉時期およびリフト量を運転条件に応じて可変制御することができる。

次に、図２のフローチャートに基づいて、上記実施例の構成における冷機時の昇温制御について説明する。

まずステップ１で、アイドル条件であるか否かを判定する。このアイドル条件の判定は、例えば、アクセル開度センサ１７が検出するアクセル開度と車速センサ１８が検出する車速とから判定されるが、他のパラメータから判定することも可能である。アイドル条件でなければ、図２のルーチンはそのまま終了する。アイドル条件であれば、ステップ２で、水温Ｔｗに基づいて、例えば所定のテーブルから、目標エンジン回転速度（目標アイドル回転速度）ｔＮｅを求める。そして、ステップ３で、目標吸気弁中心角ｔＶＴＣｉを、アイドル時に対応した所定の基準値つまり吸気弁中心角基本値ＶＴＣｉ０に設定する。

ステップ４では、目標エンジン回転速度ｔＮｅに基づいて、吸気弁作動角基本値ＶＥＬｉ０を、例えば所定のテーブルから求める。ステップ５では、目標エンジン回転速度ｔＮｅとそのときの実際のエンジン回転速度Ｎｅとの差として、エンジン回転速度偏差ｄＮｅを求める。

そして、ステップ６では、冷機状態であるか否か、具体的には、触媒装置１２の触媒温度Ｔｃが所定の触媒温度閾値Ｔｃｔｈ未満であるか否かを判定する。なお、この例では、触媒温度センサ１４が検出する触媒温度Ｔｃから冷機状態の判定を行うが、他の温度パラメータ、例えば水温Ｔｗなどから冷機状態の判定を行うことも可能である。

内燃機関１の暖機が完了していて、触媒温度Ｔｃが触媒温度閾値Ｔｃｔｈ以上であれば、ステップ６からステップ１０へ進み、目標排気弁作動角ｔＶＥＬｅを、アイドル時に対応した所定の基準値つまり排気弁作動角基本値ＶＥＬｅ０に設定するとともに、目標排気弁中心角ｔＶＴＣｅを、アイドル時に対応した所定の基準値つまり排気弁中心角基本値ＶＴＣｅ０に設定する。つまり、排気弁４のバルブリフト特性は、昇温制御が終了した段階では、アイドル時に対応した標準的な特性となる。これにより、排気弁４の開時期ＥＶＯおよび閉時期ＥＶＣは、図３の（Ｂ）の右側部分（触媒温度Ｔｃが触媒温度閾値Ｔｃｔｈ以上の領域）に示すような特性となり、膨張下死点（排気下死点）前に開き、かつ排気上死点後に閉じる、一般的な開閉タイミングとなる。なお、第１可変動弁機構５ａ，６ａでは、前述したように、リフト量と作動角とが同時に増減するので、図３の（Ａ）に示すように、リフト量も大きなものとなっている。

そして、ステップ１１では、エンジン回転速度偏差ｄＮｅに所定の制御ゲインｋｐを乗じた値を、上記吸気弁作動角基本値ＶＥＬｉ０に加算して、目標吸気弁作動角ｔＶＥＬｉを求める。すなわち、このステップ１１では、吸気弁作動角の増減による吸気量のフィードバック制御ひいてはアイドル回転速度のフィードバック制御が行われる。アイドル時の吸気弁作動角基本値ＶＥＬｉ０は比較的小さく、吸気弁閉時期ＩＶＣは下死点前にあるので、吸気弁作動角を拡大すれば、シリンダ内に流入する吸気量が増加し、吸気弁作動角を縮小すれば、シリンダ内に流入する吸気量が減少する。そして、理論空燃比を維持するように、吸気量に応じて燃料噴射量が与えられるので、外乱などに対しても、目標のアイドル回転速度（目標エンジン回転速度ｔＮｅ）が維持されることになる。

一方、ステップ６で触媒温度Ｔｃが触媒温度閾値Ｔｃｔｈ未満であれば、昇温制御を行うものとして、ステップ６からステップ７以降へ進む。ステップ７では、そのときの触媒温度Ｔｃに基づいて、目標排気弁作動角ｔＶＥＬｅおよび目標排気弁中心角ｔＶＴＣｅを設定する。これは、排気温度を上昇させるために排気弁開時期ＥＶＯを下死点後に大きく遅角させた特性、具体的には、図３の（Ｂ）の左側部分（触媒温度Ｔｃが触媒温度閾値Ｔｃｔｈ未満の領域）に示すような特性となる。そして、このとき、作動角は小さく設定され、リフト量も図３の（Ａ）に示すように小リフトとなるので、押出損失が増加する。

次に、ステップ８では、そのときの実排気弁作動角ｒＶＥＬｅと実排気弁中心角ｒＶＴＣｅとに基づいて、吸気弁作動角補正値ｈＶＥＬｉを算出する。なお、実値ではなく目標排気弁作動角ｔＶＥＬｅおよび目標排気弁中心角ｔＶＴＣｅに基づいて吸気弁作動角補正値ｈＶＥＬｉを算出することも可能ではあるが、アクチュエータの応答性を考慮すると、それぞれの実値を用いることが望ましい。ここでは、上記のように排気弁４のリフト特性を昇温制御用の特性とすることで、外部に出力される軸トルクが低下するので、これを補うために必要な吸気量の増量分を求めている。つまり、押出損失の増加および排気弁開時期ＥＶＯの遅角に伴う軸トルクの低下に対し、内燃機関１をより負荷の高い状態で運転するようにしているのである。前述したように、アイドル時の吸気弁作動角基本値ＶＥＬｉ０は比較的小さく、吸気弁閉時期ＩＶＣは下死点前にあるので、吸気弁作動角を拡大すれば、シリンダ内に流入する吸気量が増加し、かつこれに伴って、燃料噴射量も増加する。なお、作動角とともにリフト量も同時に増加する。

ステップ９では、上記の吸気弁作動角補正値ｈＶＥＬｉを吸気弁作動角基本値ＶＥＬｉ０に加算するとともに、前述したアイドル回転速度制御のためのエンジン回転速度偏差ｄＮｅに所定の制御ゲインｋｐを乗じた値を加算し、目標吸気弁作動角ｔＶＥＬｉを求める。すなわち、このステップ９では、押出損失等による回転速度の低下を上記吸気弁作動角補正値ｈＶＥＬｉによってフィードフォワード的に補償すると同時に、実際の回転速度偏差ｄＮｅによるアイドル回転速度のフィードバック制御を行っている。なお、回転速度偏差ｄＮｅによるフィードバック制御で押出損失等による回転速度の低下を補償することも可能であるが、フィードフォワード的な補償を加えたほうがアイドル回転速度をより安定させることができる。

本実施形態では、昇温制御の目標排気弁作動角ｔＶＥＬｅおよび目標排気弁中心角ｔＶＴＣｅを触媒温度Ｔｃに基づいて設定しており、触媒温度閾値Ｔｃｔｈ近傍の所定温度範囲において徐々にバルブリフト特性を変化させる制御（触媒温度閾値Ｔｃｔｈに近づくほど目標排気弁作動角ｔＶＥＬｅを徐々に大きくし、目標排気弁中心角ｔＶＴＣｅを徐々に進角する制御）を可能としているが、より簡易的には、昇温制御時の目標排気弁作動角ｔＶＥＬｅや目標排気弁中心角ｔＶＴＣｅを固定値にすることもできる。

図４は、触媒温度Ｔｃが触媒温度閾値Ｔｃｔｈ以上となった暖機後の排気弁４のバルブタイミングの一例を示しており、図５は、この暖機後の状態における筒内ガス温度履歴を示している。これに対し、図６は、触媒温度Ｔｃが触媒温度閾値Ｔｃｔｈ未満の冷機時の排気弁４のバルブタイミングの一例を示しており、図７は、この冷機時の状態における筒内ガス温度履歴を示している。なお、斜線部が排気エネルギを示す。図５および図７の対比から明らかなように、冷機時には排気弁開時期ＥＶＯが遅角することで、排気ガスがシリンダ内で圧縮され、排気通路１１に排出される際の温度が上昇する。そして、前述したように、本発明では、排気弁４のリフト量を小さくすることから押出損失が増加し、必要な軸トルクを得るために必然的に燃料噴射量が増加するので、排気系に与えられるエネルギは大幅に増加する。

図８は、冷機時の点火時期のリタードを示しており、上述した排気弁４のバルブリフト特性の制御に加えて、図示するように、点火時期のリタードを行うことも、排気温度の上昇の上で有効である。

ところで、上記のように排気弁４のバルブリフト特性を設定して昇温制御を行う場合には、排気弁開時期ＥＶＯにおける筒内の排気が高温高圧のものとなっているので、吸気系への吹き返しを回避するためには、バルブオーバラップがないようにすることが望ましい。

例えば、図９のように、排気弁４の開時期ＥＶＯを遅角させると同時に作動角を縮小して排気弁閉時期ＥＶＣが遅角しないようにすることで、冷機時にバルブオーバラップを回避できる。また、図１０のように、冷機時に暖機後よりも排気弁閉時期ＥＶＣを進角することによって、冷機時に、バルブオーバラップが発生しないようにすることもできる。なお、残留ガスが増加することがない範囲で冷機時においてもバルブオーバラップを設定することも可能である。また図１１のように、排気弁４の閉時期遅角量以上に吸気弁３の開時期ＩＶＯを大きく遅角することで、吸気弁３と排気弁４が同時に開弁しないようにすることもできる。

また、図１２に示すように、昇温制御が開始して排気弁４の開時期ＥＶＯが遅角していく途中において、排気弁４の開時期遅角量が小さい状態ではバルブオーバラップをある程度大きくし、排気弁４の開時期ＥＶＯが遅角して排気温度が上昇するほどバルブオーバラップ量が小さくなるように制御することも可能である。

図１３〜図１５は、内燃機関のアイドル中に、昇温制御のための排気弁開時期ＥＶＯの下死点後への遅角量の増加に対し、機関回転速度を一定に維持するための手段の例を示している。図１３の例では、（ａ）から（ｂ）へと排気弁開時期ＥＶＯのリタード量が増加したときに、吸気弁閉時期ＩＶＣを下死点側へ近付けることで、負荷の増大（吸気量の増加）を行う。図１４の例では、同様に、吸気弁３のリフト量（作動角）を増加することで、負荷の増大を行う。図１５の例では、吸気弁３のバルブリフト特性は変えずに、スロットル弁２のスロットル開度を大きくして負荷の増大を行う。なお、いずれの場合も、負荷の増大は、押出損失の増加等による出力低下と相殺され、外部に出力される軸トルクは一定に保持される。

また図１６〜図１８は、昇温制御を行っている冷間時のアイドル中に、加速要求があった場合の制御例を示している。この場合、排気弁開時期ＥＶＯの下死点以降への遅角を維持しながら、その遅角量を一部減少させて、排気ガスの昇温に使われているエネルギの一部を、軸トルクの増加に使用する。図１６の例では、（ａ）のアイドル状態から（ｂ）の加速直後へと、排気弁開時期ＥＶＯのリタード量を減少させるとともに、吸気弁閉時期ＩＶＣを下死点側へ近付けることで、軸トルクを増加させる。図１７の例では、同様に、排気弁開時期ＥＶＯのリタード量を減少させるとともに、吸気弁３のリフト量（作動角）を増加することで、軸トルクを増加させる。図１８の例では、吸気弁３のバルブリフト特性は変えずに、排気弁開時期ＥＶＯのリタード量を減少させるとともに、スロットル弁２のスロットル開度を大きくして軸トルクを増加させる。

また、図１９は、昇温制御を行っている冷間時のアイドルから加速発進を開始した場合の制御例を示しており、請求項１１および請求項１２に対応する制御例の説明図である。図示するように、軸トルクがＴ１以下の範囲では、排気弁開時期ＥＶＯのリタード量をほぼ一定に保ち、吸気弁閉時期ＩＶＣを下死点（ＢＤＣ）側へ近付けていく。つまり、この範囲では、昇温制御が優先される。そして、軸トルクがＴ１以上の範囲では、吸気弁閉時期ＩＶＣをほぼ一定に保ち、排気弁開時期ＥＶＯのリタード量を減少させていく。

本発明の昇温制御は、可変圧縮比機構、特に複リンク式ピストン−クランク機構を利用してピストン上死点位置を変化させるようにした可変圧縮比機構を備えた内燃機関に組み合わせることができる。なお、この種の可変圧縮比機構は、本出願人が先に提案した特開２００２−１８８４５５号公報、特開２００２−１２９９９５号公報、特開２００２−６１５０１号公報等によって公知であるので、その詳細の説明は省略する。

本発明を内燃機関の圧縮比を可変制御する可変圧縮比機構と組み合わせる場合、望ましくは、冷機状態では暖機後よりも低圧縮比に制御し、かつ点火時期の遅角制御を行う。

このように低圧縮比化することによって、冷却損失が低減し、排気温度をさらに上昇することが可能になる。また、冷機時アイドル運転中の高負荷運転下においても圧縮温度の低下によってノッキングを回避することが可能になる。さらに、高負荷運転をすることにより低圧縮比下でも燃焼安定性が良くなり点火時期をリタードすることが可能になるため、排気温度をさらに上昇することが可能になる。

特に、上記の複リンク式ピストン−クランク機構を用いた可変圧縮比機構は、その特徴の一つとして、リンク構成を適切に配置することにより、図２０に示すように、ピストンのストローク特性を単リンク式ピストン−クランク機構の特性に比べて、単振動に近付けることができ、上死点近傍でのピストン速度が遅くなる。

従って、このようなピストン−ストローク特性と組み合わせることで、上死点近傍における排気時間が延びるため、さらに排気弁４の開弁期間を短縮することが可能になり、排気弁４の閉時期ＥＶＣを遅らせることなく開時期ＥＶＯをさらに遅角させることができる。そのため、残留ガスを増加することなくエンジン負荷を増大させて、排温をさらに上昇することが可能になる。また、点火時期におけるピストン速度が遅いため、ピストン位置に対する点火時期のばらつきが低減し、燃焼開始時期のピストン位置ばらつきも低減するため、常に安定した燃焼期間を得ることが可能となり燃焼安定性が向上する。そのため、点火時期をリタードすることが可能となり、排温をさらに上昇することが可能になる。また下死点付近のピストン速度は速いため、排気ガスの再圧縮過程における冷却損失が低減し、排気をさらに高温化できる。また、低圧縮比化することによりクランキング時の圧縮圧力が低下するため、始動性を悪化することなく排気弁４の開時期ＥＶＯの遅角化が可能になる。

この発明に係る内燃機関のシステム構成を示す構成説明図。 そのアイドル時の制御の流れを示すフローチャート。 触媒温度Ｔｃに対する排気弁のバルブリフト特性の変化を示す特性図。 暖機後の排気弁のバルブタイミングを示すタイミングチャート。 暖機後の筒内ガス温度履歴を示す特性図。 昇温制御中の排気弁のバルブタイミングを示すバルブタイミングチャート。 昇温制御中の筒内ガス温度履歴を示す特性図。 点火時期のリタードを示す特性図。 昇温制御中のバルブオーバラップを無しとする制御例を示すタイムチャート。 昇温制御中のバルブオーバラップを無しとする他の制御例を示すタイムチャート。 昇温制御中のバルブオーバラップを無しとする他の制御例を示すタイムチャート。 バルブオーバラップを排気弁開時期ＥＶＯのリタード量に応じて与えた制御例を示すタイムチャート。 アイドル時の制御例を示すバルブタイミングチャート。 アイドル時の他の制御例を示すバルブタイミングチャート。 アイドル時の他の制御例を示すバルブタイミングチャート。 アイドルから加速要求があった場合の制御例を示すバルブタイミングチャート。 アイドルから加速要求があった場合の他の制御例を示すバルブタイミングチャート。 アイドルから加速要求があった場合の他の制御例を示すバルブタイミングチャート。 アイドルから発進加速したときの制御例を示すタイムチャート。 複リンク式ピストン−クランク機構を用いた可変圧縮比機構のピストン−ストローク特性を示す特性図。

符号の説明

２…スロットル弁
３…吸気弁
４…排気弁
５，６…可変動弁機構
１２…触媒装置
１４…触媒温度センサ

Claims (10)

1. 排気系に排気浄化用の触媒装置が設けられるとともに、排気弁のリフト・作動角および作動角の中心角を変更可能な可変動弁機構と、内燃機関の冷機状態を検出する冷機検出手段と、を有する内燃機関において、
   アイドル中の冷機状態においては、排気弁のリフト・作動角が暖機後よりも小さく、かつ中心角が暖機後よりも遅角するように、触媒温度に応じて排気弁のリフト・作動角および中心角を制御し、さらに、
   この排気弁のバルブリフト特性によるアイドル回転速度の低下を相殺するように、上記排気弁のリフト・作動角および中心角に基づいて、スロットル開度、吸気弁リフト量、吸気弁の閉時期のうち少なくとも１つの必要な補正量を求め、アイドル回転速度を一定に制御することを特徴とする内燃機関。
2. 上記内燃機関は、火花点火式内燃機関であり、冷機状態では、暖機後よりも点火時期を遅角させるとともに、機関の負荷が増加するほど点火時期遅角量を増加することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 吸気弁側のバルブリフト特性を変更可能な吸気弁側の可変動弁機構をさらに備え、冷機状態における吸気弁開時期が、暖機後の吸気弁開時期よりも遅いことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
4. 冷機状態においては、排気弁の閉時期が吸気弁の開時期よりも早いことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関。
5. 冷機状態において、排気弁の開時期が遅角するほどバルブオーバラップ量を縮小することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
6. 機関停止時に、排気弁のバルブリフト特性が、暖機後の機関運転中よりもリフト量が小さくかつ開時期が遅い特性に制御されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
7. 内燃機関が非アイドルでかつ上記触媒装置が目標温度に達するまでの期間は、冷機時における排気弁開時期の遅角に対し、吸気弁閉時期、吸気弁リフト量、スロットル開度のうち少なくとも１つがエンジン負荷の低下を補うように制御されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
8. 排気系に排気浄化用の触媒装置が設けられるとともに、排気弁のリフト量を変更する可変動弁機構と、内燃機関の冷機状態を検出する冷機検出手段と、を有し、上記冷機状態における排気弁のリフト量が、暖機後の排気弁リフト量よりも小さく制御される内燃機関であって、
   上記可変動弁機構は、リフト量とともに排気弁の開時期および閉時期を変更可能な構成であり、冷機状態における排気弁開時期が、暖機後の排気弁開時期よりも遅くなるように制御され、
   内燃機関が非アイドルでかつ上記触媒装置が目標温度に達するまでの期間は、冷機時における排気弁開時期の遅角に対し、吸気弁閉時期、吸気弁リフト量、スロットル開度のうち少なくとも１つがエンジン負荷の低下を補うように制御されるとともに、
   この冷機時かつ非アイドル中において、要求軸トルクが所定値以下の場合は、触媒装置が目標温度に達するまで、排気弁開時期の遅角量が維持されることを特徴とする内燃機関。
9. 排気系に排気浄化用の触媒装置が設けられるとともに、排気弁のリフト量を変更する可変動弁機構と、内燃機関の冷機状態を検出する冷機検出手段と、を有し、上記冷機状態における排気弁のリフト量が、暖機後の排気弁リフト量よりも小さく制御される内燃機関であって、
   上記可変動弁機構は、リフト量とともに排気弁の開時期および閉時期を変更可能な構成であり、冷機状態における排気弁開時期が、暖機後の排気弁開時期よりも遅くなるように制御され、
   内燃機関が非アイドルでかつ上記触媒装置が目標温度に達するまでの期間は、冷機時における排気弁開時期の遅角に対し、吸気弁閉時期、吸気弁リフト量、スロットル開度のうち少なくとも１つがエンジン負荷の低下を補うように制御されるとともに、
   この冷機時かつ非アイドル中において、要求軸トルクが所定値以上の場合は、触媒装置が目標温度に達するまで、スロットル開度が全開または吸気弁リフト量が最大となり、かつ要求軸トルクに応じて排気弁開時期の遅角量が減少制御されることを特徴とする内燃機関。
10. 内燃機関の圧縮比を可変制御する可変圧縮比機構をさらに備え、冷機状態では暖機後よりも低圧縮比に設定され、かつ点火時期が遅角制御されることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の内燃機関。

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