JP4780059B2

JP4780059B2 - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP4780059B2
Application number: JP2007208487A
Authority: JP
Inventors: 好一郎中谷; 晃利友田; 忍石山; 智幸小野; 知由小郷; 良裕久高
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-08-09
Filing date: 2007-08-09
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2027-08-09
Also published as: EP2179158B1; US20100204903A1; US8315777B2; WO2009019579A1; JP2009041488A; CN101680371A; EP2179158A1

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、吸排気弁の開弁特性を変更可能とする可変動弁機構を備えるディーゼルエンジンの排気浄化装置が開示されている。この従来の装置では、排気浄化触媒の温度が所定値を下回っている場合に、正または負のバルブオーバーラップ期間の調整によって内部ＥＧＲガス量を増加させるようにしている。上記従来の装置では、そのような制御によって、排気浄化触媒の昇温を図っている。

特開２００３−１４８２２５号公報特開２００３−８３１４１号公報特開平８−２１８９２０号公報特開２００２−２２７６３０号公報

排気通路に配置される排気浄化触媒を昇温或いは還元させる目的で、筒内の空燃比をリッチ状態にして燃焼（リッチ燃焼）を行うという手法が知られている。このようなリッチ燃焼時には、燃焼安定性の確保が困難になり易い。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、排気浄化触媒の制御のためのリッチ燃焼の実施時における燃焼安定性を良好に改善させ得る内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、吸気弁の開弁特性を変更可能とする吸気可変動弁機構と、排気弁の開弁特性を変更可能とする排気可変動弁機構とを備え、排気通路に配置される排気浄化触媒を還元させる目的でリッチ燃焼を実施する圧縮着火内燃機関の制御装置であって、
前記リッチ燃焼が実施される際に、吸気弁の開き時期を、吸気行程の初期における吸入空気流量が非リッチ燃焼時に比して増加するように進角側に制御する吸気弁制御手段と、
前記リッチ燃焼が実施される際に、排気弁の閉じ時期を非リッチ燃焼時に比して進角側に制御する排気弁制御手段と、
を備え、
前記吸気弁制御手段および前記排気弁制御手段は、前記リッチ燃焼が実施される際に、内燃機関の運転領域が低負荷域にあるときは、吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とが重なるバルブオーバーラップ期間が設けられないように、吸気弁および排気弁のそれぞれの進角量を決定することを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、前記排気弁制御手段は、前記リッチ燃焼が実施される際に、排気弁の開き時期を非リッチ燃焼時に比して進角側に制御することを特徴とする。

また、第３の発明は、第２の発明において、前記吸気弁制御手段は、前記リッチ燃焼が実施される際に、吸気弁の閉じ時期を非リッチ燃焼時に比して進角側に制御することを特徴とする。

第１の発明によれば、排気浄化触媒を還元させる目的でリッチ燃焼を実施する際に、吸気弁の開き時期の進角によって、吸気行程の初期における吸入空気流量を高めることができる。このため、スワールの生成に重要な吸気行程の初期において、スワールを効果的に高めることができるようになる。また、排気弁の閉じ時期の進角によって、正または負のバルブオーバーラップ期間を調整する従来の手法とは異なり、排気弁の閉弁後に筒内に残留しているガス（ＥＧＲガス）が吸気弁の開弁時にほぼすべて吸気側に戻されることとなる。このため、吸気行程で吸入される混合気（新気とＥＧＲガス）量が上記従来の手法を利用した場合と比べて最大となるので、スワールアップ効果を最大にすることができる。このため、本発明によれば、リッチ燃焼の実施時における燃焼安定性を良好に改善することが可能となる。また、本発明によれば、低負荷域においてリッチ燃焼を実施する際に、少なくとも吸気弁の開き時期および排気弁の閉じ時期の進角を行いつつ、バルブオーバーラップ期間の設定を禁止することにより、負のバルブオーバーラップ期間を調整する従来の手法と比べて、ポンプ損失の増加により燃費悪化代が大きくなるものの、内燃機関の使用負荷域が上がることで、当該従来の手法よりもリッチ燃焼の安定化という観点においては有利となる。

第２の発明によれば、排気弁の開き時期の進角によって、排気温度やＥＧＲガス温度を上昇させることができる。これにより、リッチ燃焼の実施時における燃焼安定性を更に高めることができる。

第３の発明によれば、吸気弁の閉じ時期の進角によって、実圧縮比を増大させることができ、圧縮端温度の上昇によりリッチ燃焼を更に良好に安定化させることができる。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
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図である。図１に示すシステムは、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は、４サイクルのディーゼルエンジン（圧縮着火内燃機関）である。内燃機関１０の各気筒には、燃料を筒内に直接噴射するインジェクタ１２が設置されている。各気筒のインジェクタ１２は、共通のコモンレール１４に接続されている。図示しない燃料タンク内の燃料は、サプライポンプ１６によって所定の燃圧まで加圧されて、コモンレール１４内に蓄えられ、コモンレール１４から各インジェクタ１２に供給される。

内燃機関１０の排気通路１８は、排気マニホールド２０により枝分かれして、各気筒の排気ポートに接続されている。本実施形態の内燃機関１０は、ターボ過給機２２を備えている。排気通路１８は、ターボ過給機２２の排気タービンに接続されている。

排気通路１８におけるターボ過給機２２の下流側には、排気ガスを浄化する排気浄化装置２４が設けられている。排気浄化装置２４としては、例えば、酸化触媒、吸蔵還元型または選択還元型のＮＯｘ触媒、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）、ＤＰＮＲ（Diesel Particulate-NOx-Reduction system）のうちの一つ、またはこれらの組み合わせなどを用いることができる。また、ターボ過給機２２の下流側の排気通路１８には、排気ガス温度を検出する排気温度センサ２６が設置されている。

内燃機関１０の吸気通路２８の入口付近には、エアクリーナ３０が設けられている。エアクリーナ３０を通って吸入された空気は、ターボ過給機２２の吸気圧縮機で圧縮された後、インタークーラ３２で冷却される。インタークーラ３２を通過した吸入空気は、吸気マニホールド３４により、各気筒の吸気ポートに分配される。

吸気通路２８におけるインタークーラ３２と吸気マニホールド３４との間には、吸気絞り弁３６が設置されている。また、吸気通路２８の、エアクリーナ３０の下流近傍には、吸入空気量を検出するエアフローメータ３８が設置されている。

吸気通路２８の吸気マニホールド３４の近傍には、外部ＥＧＲ通路４０の一端が接続されている。外部ＥＧＲ通路４０の他端は、排気通路１８の排気マニホールド２０近傍に接続されている。本システムでは、この外部ＥＧＲ通路４０を通して、排気ガス（既燃ガス）の一部を吸気通路２８に還流させること、つまり外部ＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation)を行うことができる。

外部ＥＧＲ通路４０の途中には、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ４２が設けられている。外部ＥＧＲ通路４０におけるＥＧＲクーラ４２の下流には、ＥＧＲ弁４４が設けられている。このＥＧＲ弁４４の開度を大きくするほど、外部ＥＧＲ通路４０を通る排気ガス量、すなわち外部ＥＧＲ量を多くすることができる。

吸気通路２８における吸気絞り弁３６の下流側には、吸気圧を検出する吸気圧センサ４６が設置されている。更に、本システムは、内燃機関１０が搭載された車両のアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ４８を備えている。

そして、本実施形態のシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０には、上述した各種のセンサが接続されているとともに、上述したアクチュエータが接続されている。ＥＣＵ５０は、それらの信号や情報に基づき、所定のプログラムに従って各アクチュエータを駆動させることにより、内燃機関１０の運転状態を制御する。

図２は、図１に示すシステムにおける内燃機関１０の一つの気筒の断面を示す図である。以下、内燃機関１０について更に説明する。図２に示すように、内燃機関１０のクランク軸６０の近傍には、クランク軸６０の回転角度（クランク角）を検出するクランク角センサ６２が取り付けられている。このクランク角センサ６２は、ＥＣＵ５０に接続されている。クランク角センサ６２からの信号によれば、エンジン回転数などを検出することができる。

また、内燃機関１０には、吸気弁６４の開弁特性を連続的に可変とする吸気可変動弁機構６６と、排気弁６８の開弁特性を連続的に可変とする排気可変動弁機構７０とが備えられている。ここでは、内燃機関１０の各気筒には、吸気弁６４および排気弁６８はそれぞれ２つ備えられているものとする。

これらの吸気可変動弁機構６６および排気可変動弁機構７０は、ＥＣＵ５０に接続されている。吸気可変動弁機構６６および排気可変動弁機構７０の具体的構成は、特に限定されないが、ここでは、吸気可変動弁機構６６は、電磁力で吸気弁６４を開閉駆動する電磁駆動弁であるものとする。また、排気可変動弁機構７０は、排気弁６８を駆動するカム（図示せず）の位相を連続的に可変とするＶＶＴ機構であるものとする。

以上のように構成された本実施形態のシステムにおいては、所定の運転条件下において、排気浄化装置２４が有するＮＯｘ触媒などの排気浄化触媒を昇温或いは還元させる目的で、筒内の空燃比をリッチ状態にして燃焼（以下、「リッチ燃焼」）が行われる。このようなリッチ燃焼の具体例としては、外部ＥＧＲガスの導入によって燃焼温度を低下させた状態で圧縮上死点よりも約２０°ＣＡ燃料噴射時期を早めて行う低温燃焼や、圧縮上死点よりも約９０°ＣＡ燃料噴射時期を早めて行う圧縮予混合自着火（PCCI）燃焼などが該当する。

図３は、本発明の実施の形態１における特徴的な吸気弁６４の制御を説明するための図である。上述したリッチ燃焼の実施時には、燃焼安定性の確保が困難になり易いという問題がある。また、ディーゼルエンジンである内燃機関１０の燃焼方式は圧縮自着火式であるので、特に低負荷時のように筒内温度の低い条件下において、リッチ燃焼の実施時に燃焼が安定しにくいという問題がある。

そこで、本実施形態のシステムでは、リッチ燃焼を実施する際は、吸気行程の初期において吸入空気流量を高めるべく、図３に示すように、吸気行程の初期における吸気弁６４のリフト量を非リッチ燃焼時（通常のリーン燃焼時）に比して高めるようにした。

図４は、上記の機能を実現するために、本実施の形態１においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図４に示すルーチンでは、先ず、ＥＣＵ５０に接続された各種のセンサ信号の処理結果に基づき、排気浄化触媒を昇温或いは還元させる目的でのリッチ燃焼の実施要求があるか否かが判別される（ステップ１００）。

その結果、リッチ燃焼の実施要求があると判定された場合には、吸気行程の初期における吸気弁６４のリフト量が非リッチ燃焼時に比して高くなるように吸気弁６４の制御が実行される（ステップ１０２）。より具体的には、そのような吸気弁６４の制御は、上記吸気可変動弁機構６６によって吸気弁６４の開弁時のリフト速度を非リッチ燃焼時に比して高めることによって実現される。

以上説明した図４に示すルーチンによれば、リッチ燃焼を実施する際に、吸気行程の初期における吸入空気流量を高めることができる。このため、スワールの生成に重要な吸気行程の初期において、スワールを効果的に高めることができるようになる。また、このような手法によれば、各気筒に配置された２つの吸気弁６４の両弁からのスワールを高めることができる。

より詳細に説明すると、本実施形態のスワール向上手法によれば、スワールコントロールバルブや吸気弁の片弁早閉じ制御などを利用して２つの吸気ポートの一方を流れる吸入空気流量を制限することによってスワールを向上させる一般的な手法に比して、以下のような優れた効果を奏することができる。

すなわち、上記一般的な手法によれば、例えばタンジェンシャルポートとして構成される主流側の吸気ポートからの流れを強くすることができるので、筒内の外周部のスワールを高めることができるものの、筒内の中心部のスワール向上効果は小さくなる。また、外周部のみでのスワールアップは、燃焼室壁面での熱損失を急増させて、筒内温度を低下させてしまう原因となる。

これに対し、本実施形態の手法によれば、主流側の吸気ポートからの流れだけでなく、例えばヘリカルポートとして構成される従属側の吸気ポートからの流れを強くすることができる。つまり、筒内の外周部だけでなく中心部におけるスワールをも効果的に高めることが可能となり、筒内のスワールを直接的に向上させることができる。また、中心部におけるスワールを高めることができることで、燃焼室壁面での熱損失の増加を回避でき、筒内温度の低下を抑制することができる。これにより、低負荷時におけるリッチ燃焼の安定性を良好に確保できるようになる。

更に、本実施形態の手法によれば、中心部とともに外周部のスワールを高められるので、外周部の空気密度が向上する。このため、スキッシュ流が強くなり、筒内ガスの乱れを強くすることができる。また、結果的に、スワールとスキッシュ流とが適度に強くなるので、燃焼室内全体での空気利用率を向上させることができる。

以上のように、本実施形態の手法によれば、リッチ燃焼を実施する際に、吸気行程の初期において２つの吸気弁６４の両弁からのスワールを効果的に高めることができるので、リッチ燃焼の実施時における燃焼安定性を良好に改善することが可能となる。

ところで、上述した実施の形態１においては、リッチ燃焼を実施する際に、リフト速度を高めることによって、吸気行程の初期における吸気弁６４のリフト量を高めるようにしている。しかしながら、本発明において、吸気行程の初期における吸入空気流量を高めるための具体的な手法はこれに限定されるものではなく、例えば、吸気可変動弁機構についても排気可変動弁機構７０と同様のＶＶＴ機構を備えるようにして、吸気弁６４の開き時期を非リッチ燃焼時に比して早めるという手法であってもよい。

このような吸気弁６４の開き時期の進角によっても、吸気行程の初期における吸気弁６４のリフト量を高めることができ、吸入空気流量を高めることができる。また、このような手法によっても、２つの吸気弁６４の両弁からのスワールを高めることができ、上述した実施の形態１と同様の効果を奏することができる。また、吸気弁６４の開き時期を吸気上死点よりも進角させるようにすれば、吸気ポート側に排気ガスが流れ出るようになるので、内部ＥＧＲ率が向上する。これにより、スワールアップに伴う筒内温度の低下を抑制することもできる。

また、吸気弁６４の開き時期を進角させる際には、バルブスタンプを回避するために、ピストンにバルブリセスを設ける必要が生ずることもある。バルブリセスが設けられていると、スキッシュ流が弱くなり、筒内ガスの乱れが弱くなる。しかしながら、上述した本実施形態の手法によれば、筒内の中心部と外周部のスワールをともに高めることで、燃焼室壁面での熱損失の増大を回避させつつ、スキッシュ流を強めて筒内ガスの乱れを確保することができる。このため、バルブリセスを設けることによる上記弊害を解消することもできる。

実施の形態２．
次に、図５および図６を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施形態のシステムは、吸気可変動弁機構６６が排気可変動弁機構７０と同様のＶＶＴ機構によって構成されている点を除き、図１および図２に示すハードウェア構成と同様の構成を備えているものとする。また、本実施形態のシステムは、そのようなハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ５０に図４に示すルーチンに代えて後述する図６に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。

図５は、本発明の実施の形態２における特徴的な吸気弁６４および排気弁６８の制御を説明するための図である。図５に示すように、本実施形態のシステムは、排気浄化触媒を昇温或いは還元させる目的でリッチ燃焼を実施する際に、非リッチ燃焼時の吸排気弁のバルブタイミングに対し、吸気弁６４の開き時期および閉じ時期、並びに排気弁６８の開き時期および閉じ時期を全体的に進角させたという点に特徴を有している。

図６は、上記の機能を実現するために、本実施の形態２においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。尚、図６において、図４に示すステップと同一のステップには、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
図６に示すルーチンでは、ステップ１００においてリッチ燃焼の実施要求があると判定された場合には、次いで、非リッチ燃焼時の吸排気弁のバルブタイミングに対し、吸気弁６４の開き時期および閉じ時期、並びに排気弁６８の開き時期および閉じ時期をともに進角する制御が実行される（ステップ２００）。

付け加えると、本ステップ２００における吸排気弁６４、６８の制御手法によれば、吸排気弁６４、６８のバルブタイミングがともに進角方向、つまり、吸気側と排気側がともに同一方向に制御されるようになる。これに対し、従来の正のバルブオーバーラップ期間の調整手法によれば、当該オーバーラップ期間を長くする際には、排気弁のバルブタイミングが遅角方向に制御され、かつ、吸気弁のバルブタイミングが進角方向に制御されることとなる、つまり、吸気側と排気側が逆方向に制御されることとなる。また、従来の負のバルブオーバーラップ期間の調整手法によれば、当該オーバーラップ期間を長くする際には、排気弁のバルブタイミングが進角方向に制御され、かつ、吸気弁のバルブタイミングが遅角方向に制御されることとなる、つまり、この場合も、吸気側と排気側が逆方向に制御されることとなる。このように、本実施形態のリッチ燃焼時の吸排気弁６４、６８の制御手法は、従来の何れの手法に対しても大きく相違している。

以上説明した図６に示すルーチンによれば、リッチ燃焼を実施する際に、吸排気弁６４、６８のバルブタイミングをともに進角させたことにより、次のような効果が得られる。すなわち、吸気弁６４の早開きと排気弁６８の早閉じによって、内部ＥＧＲガス量を十分に確保できるようになる。また、吸気弁６４の早閉じによって実圧縮比を増大させることができる。また、排気弁６８の早開きによって排気温度およびＥＧＲガス温度を上昇させることができるとともに、当該排気弁６８の早開きに伴う膨張仕事の減少を補うために内燃機関１０の使用負荷域が高くなる。以上のような効果の組み合わせによって、本実施形態の手法によれば、リッチ燃焼を良好に安定化させることが可能となる。

付け加えると、このような本実施形態の手法によれば、リッチ燃焼時に正または負のバルブオーバーラップ期間を長くして内部ＥＧＲ量を高める手法に対し、使用負荷域を高くする必要があることから燃費面においては不利となる。しかしながら、排気浄化触媒の制御のための上記リッチ燃焼は排気エミッション低減の観点から要求されるものであり、本実施形態の手法によれば、燃費悪化を許容して使用負荷域を高めたことによって、正または負のバルブオーバーラップ期間を調整する従来の手法と比べて、リッチ燃焼を良好に安定化させることが可能となる。

次に、本実施形態において、吸気弁６４の早開きとともに、排気弁６８の早閉じ、排気弁６８の早開き、および吸気弁６４の早閉じを同時に実施したことによる効果についてそれぞれ詳述する。尚、吸気弁６４の早開きによる効果は、実施の形態１において既述した通りである。

先ず、吸気弁６４の早開きとともに排気弁６８の早閉じを伴わせたことによる効果を説明する。このような制御により、排気行程中に筒内に残留する排気ガス量が増えるので、吸気弁６４の早開きのみの場合に比して内部ＥＧＲガス量を増やすことができる。
また、正または負のバルブオーバーラップ期間を調整する従来の手法とは異なり、排気弁６８の閉弁後に筒内に残留しているガス（ＥＧＲガス）が吸気弁６４の開弁時にほぼすべて吸気側に戻されることとなる。このため、吸気行程で吸入される混合気（新気とＥＧＲガス）量が上記従来の手法を利用した場合と比べて最大となるので、スワールアップ効果を最大にすることができる。
また、内部ＥＧＲ制御の課題として、新気とＥＧＲガスとが混合不足状態（いわゆる成層ＥＧＲの状態）になることが挙げられるが、本実施形態の手法によれば、上記のように筒内残留ガスのほぼすべてが吸気側に戻されることによって、吸気マニホールド３４内において新気とＥＧＲガスとを良好に混合させられるようになる。このため、均質な混合気による内部ＥＧＲ制御を実現することが可能となる。
更に、内部ＥＧＲガスが吸気側にのみ戻されるので、その吹き返しの際に吸気弁６４を通過するときの絞り損失によって、ガス温度が上昇する。そして、温度上昇したＥＧＲガスが再度筒内に吸入されることによって、既述した吸気弁６４の早開きによる筒内温度の低下の抑制効果を高めることもできる。

次に、排気弁６８の早開きを併用したことによる効果について説明する。排気弁６８の早開きによれば、上記のように、排気温度やＥＧＲガス温度を上昇させることができる。これにより、既述した吸気弁６４の早開きおよび排気弁６８の早閉じによる筒内温度の低下の抑制効果を更に高めることができる。
また、筒内温度の上昇によって、筒内ガスと吸気との温度差が拡大するので、吸気弁６４の開弁時に吸気マニホールド３４内に流れるガスの噴出速度が高くなる。これにより、新気とＥＧＲガスとの混合が促進されるとともに、吸気弁６４を通過する際のガスの絞り損失の増大によりガス温度の上昇が図られる。
また、一般的には、内部ＥＧＲ制御を利用することとすると、排気通路１８に排出されるガス量が低下するので、排気エネルギーの低下を招くこととなる。排気エネルギーの低下は、過給不足を招き、その結果、圧縮端圧力の低下に伴う燃焼安定性の低下を招く。そして、燃焼安定性の低下に伴い、ＥＧＲガス量を減らすように適合する必要が生じ、その結果、筒内温度が低下する。内部ＥＧＲ制御の利用には、このような負のサイクルを招くという課題がある。しかしながら、本実施形態では排気弁６８の早開きを伴わせたことにより、十分な排気エネルギーを排気通路１８に供給することができ、内部ＥＧＲ制御の利用による上記課題を解決することもできる。

次に、吸気弁６４の早閉じを併用したことによる効果について説明する。吸気弁６４の早閉じによれば、上記のように、実圧縮比を増大させることができる。これにより、圧縮端温度の上昇によってリッチ燃焼を良好に安定化させることができる。
また、圧縮端温度の上昇は、燃焼温度の上昇をもたらすので、排気温度およびＥＧＲガス温度の上昇に繋がる。このため、既述した吸気弁６４の早開き、排気弁６８の早閉じ、および排気弁６８の早開きによる筒内温度の低下の抑制効果を更に高めることができる。
また、実圧縮比が高まることで、スキッシュ流が強くなるので、圧縮行程におけるスワールがより増強されることとなり、既述した吸気弁６４の早開きおよび排気弁６８の早閉じによるスワールアップ効果を更に向上させることができる。

ところで、上述した実施の形態２においては、吸気弁６４や排気弁６８のそれぞれの開弁位相のみを可変とするＶＶＴ機構を、吸気可変動弁機構６６および排気可変動弁機構７０に用いるようにしている。このため、上述した吸気弁６４の早開きおよび排気弁６８の早閉じを行うと、排気弁６８の早開きおよび吸気弁６４の早閉じが同時に実行されることになる。しかしながら、本発明は、排気弁６８の早閉じ、排気弁６８の早開き、および吸気弁６４の早閉じのすべてが吸気弁６４の早開きと必ずしも同時に実行されるものに限らない。すなわち、吸気可変動弁機構および排気可変動弁機構として、例えば電磁駆動弁を用いるようにして、排気弁６８の早閉じ、排気弁６８の早開き、および吸気弁６４の早閉じのうちの少なくとも１つを、吸気弁６４の早開きとともに実行させるようにしてもよい。

尚、上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ５０が上記図６に示すルーチンの一連の処理を実行することにより前記第３の発明における「排気弁制御手段」および前記第３の発明における「吸気弁制御手段」がそれぞれ実現されている。

実施の形態３．
次に、図７を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。
本実施形態のシステムは、上述した実施の形態２と同様のハードウェア構成（吸気可変動弁機構６６および排気可変動弁機構７０がともにＶＶＴ機構）を用いて、ＥＣＵ５０に図６に示すルーチンに代えて後述する図７に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。

既述したように、低負荷域では、筒内温度が低くなるので、リッチ燃焼の安定化が難しくなる。従って、低負荷域では、十分に吸排気弁６４、６８のバルブタイミングをともに進角させる必要が生ずる。しかしながら、吸気弁６４の開き時期の進角量は、バルブスタンプの回避のために制限される。また、低負荷域では、空気と燃料を過剰に混合させると、却って燃焼が不安定になる。従って、低負荷域では、過剰なスワールアップを抑制しつつ、筒内温度を上昇させるために内部ＥＧＲガス量を増やすことが要求される。

そこで、本実施形態では、所定の低負荷域においてリッチ燃焼を実施する際には、吸気弁６４と排気弁６８のバルブオーバーラップ期間を設けないようにしつつ（すなわち、吸気弁６４と排気弁６８とが同時に開かないようにしつつ）、吸排気弁６４、６８のバルブタイミングをともに進角させるようにした。また、当該所定の低負荷域よりも高負荷側の領域では、吸排気弁６４、６８のバルブタイミングをともに進角させる際に、バルブオーバーラップ期間が設けられることを許容するようにした。

図７は、上記の機能を実現するために、本実施の形態３においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。尚、図７において、図４に示すステップと同一のステップには、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
図７に示すルーチンでは、ステップ１００においてリッチ燃焼の実施要求があると判定された場合には、次いで、内燃機関１０の現在の運転領域が所定の低負荷域にあるか否かが判別される（ステップ３００）。

その結果、内燃機関１０の現在の運転領域が低負荷域にあると判定された場合には、バルブオーバーラップ期間の設定が禁止された状態で、非リッチ燃焼時の吸排気弁のバルブタイミングに対し、吸気弁６４の開き時期および閉じ時期、並びに排気弁６８の開き時期および閉じ時期をともに進角する制御が実行される（ステップ３０２）。より具体的には、本ステップ３０２では、吸気弁６４の開き時期および閉じ時期を進角させすぎないようにしつつ、排気弁６８の開き時期および閉じ時期を吸気側に比して十分に進角させる制御が実行される。

一方、上記ステップ３００において、内燃機関１０の現在の運転領域が所定の低負荷域でない、すなわち、当該所定の低負荷域よりも高負荷側の領域にあると判定された場合には、バルブオーバーラップ期間の設定が許容された状態で、運転状態に応じた適切な進角量となるように、非リッチ燃焼時の吸排気弁のバルブタイミングに対し、吸気弁６４の開き時期および閉じ時期、並びに排気弁６８の開き時期および閉じ時期をともに進角する制御が実行される（ステップ３０４）。

以上説明した図７に示すルーチンによれば、低負荷域においてリッチ燃焼を実施する際に、バルブオーバーラップ期間の設定が禁止された状態で、吸排気弁６４、６８のバルブタイミングがともに進角されることになる。吸排気弁６４、６８のバルブタイミングがともに進角された状態で吸気弁６４と排気弁６８とが同時に開かないようにされると、排気行程において排気弁６８が閉じた後に、筒内の残留ガスが圧縮されることとなる。そして、残留ガスが圧縮された後に吸気弁６４が開かれることになる。このため、内部ＥＧＲガス量を十分に増やせるようになり、また、吸気側に戻される残留ガスが吸気弁６４を通過する際のガス流速が高くなるので、吸気弁６４を通過する際のガスの絞り損失が増大する。これにより、上述した実施の形態２における排気弁６８の早閉じによるガス温度の上昇効果を更に高めることができる。

また、リッチ燃焼は、元々燃焼を安定化させることが難しいので、気筒間でＥＧＲガスの分配ばらつきが仮に存在していると、ある気筒だけ失火が生じたりすることがある。これに対し、本実施形態の手法によれば、上記のように、吸気弁６４を通過する際のガス流速が高くなることで、吸気マニホールド３４内のガスの乱れが増すようになる。このため、気筒間のＥＧＲガスの分配ばらつきを低減させることができ、この点においても、リッチ燃焼を良好に安定化させることができる。

更に、本実施形態のように吸排気弁６４、６８のバルブタイミングをともに進角させつつ、バルブオーバーラップ期間を無くすようにすると、負のバルブオーバーラップ期間を調整する従来の手法と比べて、ポンプ損失の増加により燃費悪化代が大きくなるものの、内燃機関１０の使用負荷域が上がることで、当該従来の手法よりもリッチ燃焼の安定化という観点においては有利となる。

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図である。図１に示すシステムにおける内燃機関の一つの気筒の断面を示す図である。本発明の実施の形態１における特徴的な吸気弁の制御を説明するための図である。本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。本発明の実施の形態２における特徴的な吸気弁および排気弁の制御を説明するための図である。本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。本発明の実施の形態３において実行されるルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０内燃機関
１２インジェクタ
１８排気通路
２０排気マニホールド
２２ターボ過給機
２４排気浄化装置
２８吸気通路
３４吸気マニホールド
５０ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
６４吸気弁
６６吸気可変動弁機構
６８排気弁
７０排気可変動弁機構

Claims

吸気弁の開弁特性を変更可能とする吸気可変動弁機構と、排気弁の開弁特性を変更可能とする排気可変動弁機構とを備え、排気通路に配置される排気浄化触媒を還元させる目的でリッチ燃焼を実施する圧縮着火内燃機関の制御装置であって、
前記リッチ燃焼が実施される際に、吸気弁の開き時期を、吸気行程の初期における吸入空気流量が非リッチ燃焼時に比して増加するように進角側に制御する吸気弁制御手段と、
前記リッチ燃焼が実施される際に、排気弁の閉じ時期を非リッチ燃焼時に比して進角側に制御する排気弁制御手段と、
を備え、
前記吸気弁制御手段および前記排気弁制御手段は、前記リッチ燃焼が実施される際に、内燃機関の運転領域が低負荷域にあるときは、吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とが重なるバルブオーバーラップ期間が設けられないように、吸気弁および排気弁のそれぞれの進角量を決定することを特徴とする圧縮着火内燃機関の制御装置。
前記排気弁制御手段は、前記リッチ燃焼が実施される際に、排気弁の開き時期を非リッチ燃焼時に比して進角側に制御することを特徴とする請求項１記載の圧縮着火内燃機関の制御装置。
前記吸気弁制御手段は、前記リッチ燃焼が実施される際に、吸気弁の閉じ時期を非リッチ燃焼時に比して進角側に制御することを特徴とする請求項２記載の圧縮着火内燃機関の制御装置。