JP4992704B2 - 筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンの排気制御装置 - Google Patents

Description

本発明は筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンの排気制御装置に関する。

従来の可変動弁機構を備えるエンジンの制御装置として、成層燃焼時に要求されるバルブ特性（バルブタイミング・バルブリフト）と、均質燃焼時に要求されるバルブ特性とが異なるものがある。そうすると、均質燃焼から成層燃焼への切り替え要求がでたときに、同時にバルブ特性の変更要求がだされることがある。このような場合には、燃焼切り替えと同時にバルブと特性を変更すると燃焼状態が不安定になり、切り替えショックが発生するおそれがあるため、バルブ特性を変更してから燃焼方式を切り換えていた（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−８２０７９号公報

ここで、エンジン冷機時には、均質始動後に排気性能に優れる成層燃焼へ切り替える場合がある。しかし、前述した従来のエンジンの制御装置は、このような場合であってもバルブ特性を変更してから燃焼方式を切り換えるので、燃焼方式の切り替えが遅れて排気性能が悪化するという問題点があった。

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、燃焼方式の切り替え要求があってから、実際に燃焼方式を切り替えるまでの時間を短縮して、排気性能の悪化を防止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、筒内直接燃料噴射式火花点火エンジン（１）の排気制御装置であって、前記エンジン（１）の排気通路（４０）に配設されて、そのエンジン（１）から排出された排気を浄化する触媒（４１）と、前記エンジン（１）の吸気弁（１１１）のリフト・作動角を変化させて、吸入空気量を可変とする吸入空気量可変機構（１１０）と、前記触媒（４１）の昇温が要求される運転状態か否かを判定する触媒昇温要求判定手段（Ｓ３）と、吸気行程に燃料を噴射し、圧縮上死点前に混合気を点火する均質燃焼モードと、燃料噴射後であって圧縮上死点後に混合気を点火するリタード燃焼モードとを有し、運転状態に応じて前記均質燃焼モード又はリタード燃焼モードのいずれかに燃焼モードを切り替える燃焼モード切り替え手段（Ｓ５，Ｓ９，Ｓ１１，Ｓ１２）と、前記切り替えられた燃焼モードに応じた目標吸入空気量を、運転状態に応じて設定し、その目標吸入空気量となるように、前記吸入空気量可変機構（１１０）を制御する吸入空気量制御手段（Ｓ４，Ｓ６）とを備え、前記吸入空気量制御手段（Ｓ４，Ｓ６）は、始動時又はアイドル時の前記触媒の昇温が要求される運転状態であって、燃焼モードが均質燃焼モードのときは、均質燃焼モード時に通常設定される目標吸入空気量よりも大きい空気量を目標吸入空気量として設定し、その目標吸入空気量となるように、前記吸入空気量可変機構（１１０）を制御することを特徴とする。

本発明によれば、触媒の早期活性化要求がある場合に、均質始動を行うときは、目標吸入空気量を通常よりも大きくなるように設定する。すなわち、吸気弁のリフト量を通常均質始動時に設定されるリフト量よりも大きくする。ここで、触媒の早期活性化のためには、より早い時期からリタード燃焼を行うことが有効である。そして、リタード燃焼時に要求される吸入空気量は、均質始動時に要求される空気量よりも大きい。

そのため、本発明のように、予め吸気弁のリフト量を通常均質始動時に設定されるリフト量よりも大きくしておけば、均質始動後に超リタード燃焼へ切り替えるときにリフト量を変更するために要する時間を短縮することができる。これにより、より早い時期からリタード燃焼を行うことができるので、排気性能を向上させることができる。

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態による筒内直接燃料噴射式火花点火エンジン（以下「エンジン」という）１の排気制御装置の全体システム図である。

エンジン１は、点火装置１０と、燃料噴射装置２０と、吸気通路３０と、排気通路４０と、を備える。

点火装置１０は、各気筒内で圧縮された混合気を着火する。

燃料噴射装置２０は、高圧インジェクタによって各気筒内に直接燃料を噴射する。燃料噴射装置２０に供給される燃料は燃料タンク２１に貯蔵される。燃料タンク２１には、電動式の低圧燃料ポンプ２２、低圧プレッシャーレギュレータ２３及び燃料フィルタ２４が一体モジュール化されて内蔵される。

燃料タンク２１に貯蔵された燃料は、低圧燃料ポンプ２２によって吸引されて、この低圧燃料ポンプ２２から吐出される。吐出された低圧燃料は、燃料フィルタ２４によってろ過され、低圧燃料通路２５ａを通って高圧燃料ポンプ２６に供給される。そして、高圧燃料ポンプ２６から吐出された燃料が、高圧燃料通路２５ｂを通って燃料噴射装置２０に供給される。高圧燃料通路２５ｂには、燃料圧力（以下「燃圧」という）を検出する燃圧センサ２７が備えられる。

また、高圧燃料通路２５ｂと低圧燃料通路２５ａとを接続し、高圧燃料通路２５ｂから低圧燃料通路２５ａへと燃料を戻すリターン通路２５ｄには、高圧プレッシャーレギュレータ２８が介装される。高圧燃料通路２５ｂの燃圧は、燃圧センサ２７からの信号をもとに高圧プレッシャーレギュレータ２８によってリターン通路２５ｄの開口面積を連続的に変化させ、運転状態に応じた目標燃圧にフィードバック制御される。

なお、低圧燃料通路２５ａを流れる燃料の燃圧は、燃料を燃料タンク２１に戻すリターン通路２５ｃに介装された低圧プレッシャーレギュレータ２３によって調圧される。また、高圧燃料ポンプ２６はエンジン１によって駆動され、エンジン低回転から高圧燃料を吐出することができるプランジャータイプの燃料ポンプである。

吸気通路３０は、各気筒に空気を供給するための通路である。吸気通路３０には、上流から順にエアフローセンサ３１と、電子制御スロットル３２とが設けられる。

エアフローセンサ３１は、エンジン１の吸入吸気量を検出する。

電子制御スロットル３２は、後述するコントローラ５０からの制御信号でスロットル弁３３を駆動し、運転状態に応じたスロットル開度に制御する。なお、本実施形態では基本的に、吸入空気量の調整は後述する吸気弁可変動弁機構１００によって実施している。

排気通路４０は、各気筒内で発生する排気（燃焼ガスや空気など）を外部へと排出するための通路である。排気通路４０には、触媒コンバータ４１が設けられる。

触媒コンバータ４１は、排気中の炭化水素や窒素酸化物等の有害物質を取り除く。

コントローラ５０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５０には、前述したエアフローセンサ３１や燃圧センサ２７の他に、水温センサ５１、クランク角センサ５２、アイドルスイッチ５３、イグニッションスイッチ５４、スタータスイッチ５５などからの信号が入力される。

水温センサ５１は、エンジン１の水温を検出する。

クランク角センサ５２は、エンジン回転速度や各気筒の基準位置を検出する。クランク角センサ５２は、クランクシャフトの単位回転角度ごとにポジション信号（以下「ＰＯＳ信号」という）を出力する。クランク角センサ５２は、クランクシャフトの基準位置でリファレンス信号（以下「ＲＥＦ信号」という）を出力する。コントローラ５０は、ＰＯＳ信号やＲＥＦ信号などに基づいて、点火時期や燃料噴射時期を算出する。

アイドルスイッチ５３は、アクセルペダルが踏み込まれていないときにオンとなり、アイドル運転中か否かを検出する。

イグニッションスイッチ５４及びスタータスイッチ５５は、車両運転者により操作されるイグニッションキー（図示せず）の二段階のひねり操作によって順番にオン又はオフされる。

図２は、エンジン１に適用される吸気弁可変動弁機構１００の斜視図である。

吸気弁可変動弁機構１００は、吸気弁１１１のリフト・作動角を変化させるリフト・作動角可変機構１１０と、吸気弁１１１の中心角（吸気弁１１１が最大リフトを迎えるクランク角度位置）の位相を進角又は遅角させる位相可変機構１４０と、を備える。なお、図２では１つの気筒に対応する一対の吸気弁１１１及びその関連部品のみを簡略的に図示している。

まず、リフト・作動角可変機構１１０の構成について説明する。

エンジン１の各気筒には、一対の吸気弁１１１と一対の排気弁（図示せず）が設けられる。吸気弁１１１の上方には、気筒列方向に延びる中空状の駆動軸１１３が設けられる。駆動軸１１３は、一端部に設けられた従動スプロケット１４２等を介して、図示しないベルトやチェーンでクランクシャフトと連係され、クランクシャフトに連動して軸周りに回転する。

駆動軸１１３には、気筒ごとに、一対の揺動カム１２０が駆動軸１１３に対して回転自在に取り付けられる。その作用については後で詳述するが、この一対の揺動カム１２０が駆動軸１１３を中心として所定の回転範囲で揺動（上下動）することによって、その下方に位置する吸気弁１１１のバルブリフタ１１９が押圧され、吸気弁１１１が下方にリフトする。なお、一対の揺動カム１２０は、互いに円筒等で同位相に固定されている。

駆動軸１１３の外周には、円筒状の駆動カム１１５が圧入等によって固定される。駆動カム１１５は、揺動カム１２０から軸方向に所定の距離だけ離れた位置に固定される。そして、駆動カム１１５の外周面には、リンクアーム１２５の基端が、回転自在に嵌合する。

駆動軸１１３の斜め上方には、制御軸１１６が、駆動軸１１３と平行に気筒列方向へ延びて、回転自在に支持される。

制御軸１１６の一端部には、制御軸１１６を所定回転角度範囲内で回転させるリフト量制御アクチュエータ１３０が設けられる。リフト量制御アクチュエータ１３０は、エンジンの運転状態を検出するコントローラ５０からの制御信号に基づいて、第１油圧装置２０１によって制御される。

制御軸１１６の外周面には、制御カム１１７が圧入等によって固定される。制御カム１１７には、ロッカアーム１１８が、制御カム１１７の外周面に回転自在に嵌合する。ロッカアーム１１８は、制御カム１１７の軸心を支点として揺動する。

なお、ロッカアーム１１８は、制御カム１１７に支持される中央の基端部１１８ａを中心に、軸方向と垂直に左右方向に伸びた形状をしている。

ロッカアーム１１８の一端部と、リンクアーム１２５の突出端１２５ｂとは、ロッカアーム１１８が上方に位置するように、両者を挿通する連結ピンによって連結される。

ロッカアーム１１８の他端部と、リンク部材１２６の一端部とは、両者を挿通する連結ピンによって連結される。

リンク部材１２６の他端部と、揺動カム１２０とは、両者を挿通する連結ピンによって、ロッカアーム１１８の下方に揺動カム１２０が位置するように連結される。

続いてリフト・作動角可変機構１１０の作用について説明する。

駆動軸１１３がクランクシャフトに連動して回転すると、駆動カム１１５及びその外周に回転自在に嵌合しているリンクアーム１２５を介してロッカアーム１１８が制御カム１１７の中心点を中心として揺動（上下動）する。ロッカアーム１１８の揺動は、リンク部材１２６を介して揺動カム１２０へ伝達され、揺動カム１２０が所定角度範囲を揺動する。この揺動カム１２０が揺動、すなわち上下動することによって、バルブリフタ１１９が押圧され、吸気弁１１１が下方にリフトする。

ここで、リフト量制御アクチュエータ１３０を介して制御軸１１６が回転すると、ロッカアーム１１８の揺動支点となる制御カム１１７の中心点も回転変位して、エンジン本体に対してロッカアーム１１８の支持位置が変化し、ひいては揺動カム１２０の初期揺動位置が変化する。したがって、揺動カム１２０と、バルブリフタ１１９との初期接触位置も変化する。これにより、クランクシャフト一回転あたりの揺動カム１２０の揺動角は常に一定なので、最大リフト量が変化する。

次に、位相可変機構１４０の構成及び作用について説明する。

位相可変機構１４０は、位相角制御アクチュエータ１４１と第２油圧装置２０２とを備える。

位相角制御アクチュエータ１４１は、スプロケット１４２と駆動軸１１３とを所定の角度範囲内において相対的に回転させる。

第２油圧装置２０２は、エンジン１００の運転状態を検出するコントローラ５０からの制御信号に基づいて、位相角制御アクチュエータ１４１を制御する。

第２油圧装置２０２による位相角制御アクチュエータ１４１への油圧制御によって、スプロケット１４２と駆動軸１１３とが相対的に回転し、リフト中心角が進角又は遅角する。

図３は、吸気弁可変動弁機構１００の作用について説明する図である。

前述した通り、制御カム１１７の初期位置は連続的に変化させ得るので、これに伴って、吸気弁１１１のバルブリフト特性は連続的に変化する。つまり、図３の実線に示したように、吸気弁可変動弁機構１００は、リフト・作動角可変機構１１０によって、吸気弁１１１のリフト量及び作動角を、両者同時に連続的に拡大、縮小させることができる。各部のレイアウトによるが、例えば、吸気弁１１１のリフト量及び作動角の大小変化に伴い、吸気弁１１１の開時期と閉時期とがほぼ対称に変化する。

さらに、図３の破線に示したように、吸気弁可変動弁機構１００は、位相可変機構１４０によって、リフト中心角を進角又は遅角させることができる。

このように、リフト・作動角可変機構１１０と位相可変機構１４０とを組み合わせることによって、吸気弁可変動弁機構１００は、任意のクランク角度位置で吸気弁１１１を開閉できる。本実施形態では、運転状態に応じて算出される目標吸入空気量となるように、リフト・作動角可変機構１１０と位相可変機構１４０とが同時に制御される。

なお、排気弁側には位相可変機構１４０のみが備えられており、排気弁の中心角の位相を任意に進角又は遅角させることができるようになっている。これにより、排気弁の開閉時期を任意に設定することができる。

エンジン１は上記のように構成され、運転状態に応じて燃焼方式を通常の成層燃焼及び均質燃焼に切り換えて運転する。

ここで、通常の成層燃焼とは、圧縮行程中に燃料を噴射し、点火装置１０の近傍に燃料を偏在させた状態で混合気を圧縮上死点前に点火することによって行われる燃焼のことをいう。均質燃焼とは、吸気行程中に燃料を噴射し、空燃比が均一の混合気を燃焼室全体に形成してから点火することによって行われる燃焼のことをいう。

また、本実施形態では、エンジン冷機時のアイドル運転中に、前述した通常の成層燃焼及び均質燃焼とは別の燃焼方式であるリタード燃焼に燃焼方式を切り替える。

このリタード燃焼は、点火時期を圧縮上死点以降に設定するとともに、この点火時期より前に燃料を噴射する燃焼方式である。このようなリタード燃焼を行うのは、エンジン冷機時における触媒の早期活性化及びハイドロカーボンの排出濃度低減のためには、点火時期の遅角が有効であり、より大きな効果を得るためには、圧縮上死点以降の点火が有効だからである。以下では、このリタード燃焼の点火時期及び燃料噴射時期について、図４を参照して説明する。

図４は、リタード燃焼の点火時期及び燃料噴射時期の一実施例を示した図である。

図４に示すように、点火時期は、圧縮上死点以降の１０［degATDC］から５０［degATDC］の間の期間に設定される。燃料噴射時期は、圧縮行程及び膨張行程に設定され、２回に分けて燃料が噴射される。

このように、点火時期を１０［degATDC］から５０［degATDC］までの間に設定し、点火時期を大幅に遅角することで、触媒の早期活性化及びハイドロカーボンの排出濃度低減のための十分な後燃え効果を得ることができる。

また、圧縮上死点以降の点火で燃焼を安定させるには、燃焼期間を短縮させる必要がある。そのためには、筒内乱れを強化して燃焼速度（火炎伝播速度）を上昇させる必要がある。筒内乱れは、筒内に高圧で噴射される燃料噴霧のエネルギによって生成・強化することができる。

本実施形態による超リタード燃焼の場合、圧縮上死点前の圧縮行程中に行われた１回目の燃料噴射Ｉ₁によって生じた筒内乱れは、圧縮上死点以降に徐々に減衰していく。しかし、本実施形態では、この１回目の燃料噴射Ｉ₁によって生じた筒内乱れが残っている圧縮上死点後の膨張行程中に２回目の燃料噴射Ｉ₂が行われる。そのため、１回目の燃料噴射Ｉ₁で生成した筒内乱れを強化することができる。

したがって、点火時期を大幅に遅角しても、その直前に燃料を噴射して筒内乱れを強化して、燃焼速度を上昇させるので、燃焼を安定させることができる。

図５は、リタード燃焼時に燃焼室内に形成される混合気の状態を示す図である。

図５に示すように、圧縮行程中に行われる１回目の燃料噴射Ｉ₁によって、点火装置１０の近傍に理論空燃比よりもリッチな第１混合気塊３０１が形成される。そして、膨張行程中に行われる２回目の燃料噴射Ｉ₂によって、燃料噴射Ｉ₁によって形成された第１混合気塊３０１の内部に、さらにリッチな第２混合気塊３０２が形成される。第１混合気塊３０１の外側には、燃料が拡散していない新気の層３０３が形成される。燃焼室１１の全体の空燃比は、理論空燃比よりも若干リーン（１６〜１７程度）となるように設定される。これにより、ハイドロカーボンの後燃えに必要な酸素を確保している。

このように成層化された状態で点火装置１０によって第２混合気塊３０２が点火され、リタード燃焼が行われる。

排気性能を向上させるためには、エンジン冷機時に、燃焼方式を素早くリタード燃焼に切り換えて触媒の早期活性化を図ることが望まれる。

しかし、リタード燃焼時は、均質燃焼時に比べて大幅に点火時期が遅角されるので、それだけエンジントルクが低下し、エンジン回転速度も低下する。そのため、リタード燃焼時は、均質燃焼時よりも吸入空気量を増加させてエンジントルクの低下を防止している。これにより、エンジン回転速度をアイドル回転速度に維持している。

本実施形態では、吸入吸気量の調整をリフト・作動角可変機構１１０と位相可変機構１４０とを制御することで行っている。したがって、吸入空気量が増量されるリタード燃焼時の目標リフト量に比べて、均質燃焼時の目標リフト量は小さくなる。

このように、アイドル運転時における均質燃焼の目標リフト量とリタード燃焼の目標リフト量とが異なると、以下のような問題が発生する。

例えば均質燃焼で始動させた場合に、その後、燃焼方式をリタード燃焼に切り換えるとき、リフト量が目標リフト量に一致するまでは、失火等のおそれがあるため、燃焼方式をリタード燃焼に切り替えることができない。

そうすると、リタード燃焼への切り替え指示が出てから、実際にリタード燃焼に切り替えるまでにタイムラグが生じてしまう。リタード燃焼は、排気温度を上昇させて触媒を早期に活性化し、排気性能を向上させるために実施されるものである。したがって、実際にリタード燃焼に切り替えるまでにタイムラグが生じてしまうと、それだけ排気性能が悪化してしまう。

そこで、本実施形態では、このようなタイムラグを短縮するために、触媒の早期活性化要求がある場合に、均質燃焼でエンジン始動を行うときは、目標リフト量を高めに設定しておき、リタード燃焼への切り替え指示があったときは、すぐに燃焼方式を切り替えることができるようにする。以下では、このようなエンジン始動時及びアイドル運転時における吸気弁可変動弁機構１００の制御について説明する。

図６は、エンジン始動時及びアイドル運転時におけるエンジン１の吸気弁可変動弁機構１００の制御について説明するフローチャートである。コントローラ５０は、イグニッションスイッチ５４がオンになるとこのルーチンを開始し、所定の演算周期で繰り返し実行する。

ステップＳ１において、コントローラ５０は、スタータスイッチ５５がオンか否かを判定する。コントローラ５０は、スタータスイッチ５５がオンのときはステップＳ３に処理を移行し、オフのときはステップＳ２に処理を移行する。

ステップＳ２において、コントローラ５０は、スタータスイッチがオフになってからの経過時間が触媒活性化時間に達したか否かを判定する。この触媒活性化時間は、スタータスイッチがオフになってから触媒が活性化するまでにおおよそ必要な時間であり、検出又は推定された触媒温度やリタード量などに基づいて設定される可変値である。触媒活性化時間は、触媒温度が低いほど、またリタード量が小さいほど長くなる。コントローラ５０は、触媒活性化時間を経過していれば、暖機が完了したと判定して、今回の処理を終了する。一方、触媒活性化時間を経過していなければステップＳ３に処理を以降する。

なお、触媒温度の検出又は推定方法としては、例えば触媒温度センサを有する場合は、この触媒温度センサによって触媒温度を検出することができる。一方、触媒温度センサを有しない場合は、エンジン水温から触媒温度を推定することができる。また、始動時のエンジン水温と始動後の吸入空気量の積算値とに基づいて、触媒温度を推定することができる。

また、暖機完了後は、低速低負荷側の所定の運転領域のときに燃費のよい成層燃焼が行われ、低速高負荷側及び高速高負荷側の所定の運転領域のときに高出力を得るため均質燃焼が行われる。

ステップＳ３において、コントローラ５０は、触媒の早期活性化要求があるか否かを判定する。コントローラ５０は、触媒の早期活性化要求がないときはステップＳ４に処理を移行し、触媒の早期活性化要求があるときはステップＳ６に処理を移行する。触媒の早期活性化要求があるか否かは、検出又は推定した触媒温度が所定の活性化温度より大きいか否かを判定すれば良い。

ステップＳ４において、コントローラ５０は、吸気弁１１１の目標リフト量を均質始動時用の目標リフト量に設定する。

ステップＳ５において、コントローラ５０は、均質燃焼でエンジンを始動する。

このように、触媒の早期活性化要求がないときは、ステップＳ４，５に移行して吸気弁１１１の目標リフト量を均質始動時用の目標リフト量に設定し、均質燃焼での始動を行う。圧縮行程に燃料を噴射する成層燃焼によってエンジン始動を行う場合、燃圧が所定の成層許可燃圧に達するまでは、エンジンの始動を行うことができない。したがって、特に触媒の活性化要求がないときは、燃圧の上昇を待つ必要がない均質燃焼によってエンジンを始動することで、エンジンを素早く始動することができる。

ステップＳ６において、コントローラ５０は、吸気弁１１１の目標リフト量を成層始動時用の目標リフト量に設定する。本実施形態では、この成層始動時用の目標リフト量は、始動後すぐにリタード燃焼に切り替えることができるように、リタード燃焼時の目標リフト量と同じに設定されている。

ステップＳ７において、コントローラ５０は、スタータスイッチ５５がオンになってから所定時間が経過したかどうかを判定する。この所定時間は、吸気弁可変動弁機構１００のリフト量制御アクチュエータ１３０の応答遅れなどを考慮して設定された時間である。コントローラ５０は、所定時間が経過していなければ今回の処理を終了し、経過していればステップＳ８に処理を移行する。

ステップＳ８において、コントローラ５０は、燃圧値が所定の成層許可燃圧より大きいか否かを判定する。コントローラ５０は、燃圧値が成層許可燃圧より小さければステップＳ９に処理を移行し、大きければステップＳ１０に処理を移行する。

ステップＳ９において、コントローラ５０は、吸気弁１１１の目標リフト量を成層始動時用の目標リフト量に維持したまま、均質始動時に通常設定される点火時期に対して点火時期を遅角側に補正した後、均質燃焼でエンジンを始動する。これは、以下の理由によるものである。

ステップＳ９に移行してきたということは、触媒の活性化要求がある状態なので、成層燃焼で始動を行うことが望ましい。なぜなら、成層燃焼は、筒内に均質に燃料を拡散させる均質燃焼と比べて筒内壁流の形成を抑制することができる。したがって、成層始動を行うことによって、均質始動を行うよりも燃料噴射量を低減できるので、未燃ハイドロカーボンの排出量を低減して排気性能を向上することができるからである。

しかし、スタータスイッチ５５がオンになってから所定時間が経過した後、さらに燃圧が成層許可燃圧まで上昇するのを待っていたのでは、エンジン始動に時間がかかりすぎる。一方で、吸気弁１１１の目標リフト量を均質始動時用の目標リフト量にして均質始動を行うと、その後、触媒活性化のためリタード燃焼に切り替えるときに、吸気弁可変動弁機構１００の応答が終了するまで燃焼の切り替えができない。したがって、触媒の活性化が遅れ、排気性能が悪化してしまう。

そこで、吸気弁１１１の目標リフト量を成層始動時用の目標リフト量に維持したまま、均質燃焼でエンジンを運転することによって、エンジン始動時間を短縮するとともに、均質燃焼からリタード燃焼に切り替えるときの吸気弁可変動弁機構の応答待ち（タイムラグ）を無くしたのである。

また、成層始動時用の目標リフト量に維持したまま均質燃焼を行うと、吸入空気量が多くなりすぎて、エンジントルクが増加しすぎてしまう。したがって本実施形態では、点火時期を遅角させてエンジントルクを低下させることによって、吸入空気量の増量による増加分のトルクを相殺している。

ステップＳ１０において、コントローラ５０は、エンジン回転速度が所定の回転速度より大きいか否かを判定する。コントローラ５０は、エンジン回転速度が所定の回転速度より小さければステップＳ１１に処理を移行し、大きければステップＳ１２に処理を移行する。

ステップＳ１１において、コントローラ５０は、通常の成層燃焼でエンジンを始動する。これにより、比較的エンジントルクが必要な初爆からエンジン回転速度が所定のエンジン回転速度を越えるまでは、通常の成層燃焼を行うことでエンジンの始動性を確保している。

ステップＳ１２において、コントローラ５０は、リタード燃焼でエンジンを運転する。

図７は、本実施形態によるエンジン始動時及びアイドル運転時における吸気弁可変動弁機構１００の制御の動作を示すタイムチャートである。なお、図６のフローチャートとの対応を明確にするため、フローチャートのステップ番号を併記して説明する。

時刻ｔ１で、スタータスイッチ５５がオンにされると（図７（Ｂ）；Ｓ１でＹｅｓ）、コントローラ５０は触媒の早期活性化要求があるか否かを判定する（Ｓ３）。時刻ｔ１において、触媒の早期活性化要求があるので（図７（Ｃ）；Ｓ３でＹｅｓ）、コントローラ５０は、吸気弁１１１の目標リフト量を成層始動時用の目標リフト量に設定する（図７（Ｅ−１）；Ｓ６）。そして、目標リフト量に一致するように、吸気弁１１１のリフト量を制御する（図７（Ｅ−１））。

時刻ｔ２で、スタータスイッチ５５がオンになってからの時間が所定時間に達すると（図７（Ｂ）；Ｓ７でＹｅｓ）、コントローラ５０は、燃圧が成層許可燃圧に達しているか否かを判定する（Ｓ８）。時刻ｔ２において、燃圧はまだ成層許可燃圧に達していないので（図７（Ｄ）；Ｓ８でＮｏ）、コントローラ５０は、吸気弁１１１の目標リフト量を成層始動時用の目標リフト量に維持したまま、点火時期を遅角側に補正して、均質燃焼でエンジンの始動を開始する（Ｓ９）。

このように、スタータスイッチ５５をオンにしてから所定時間が経過しているにもかかわらず燃圧が成層許可燃圧に達していないときは、成層始動を行わず、均質始動を行うことで、素早いエンジン始動を行うことができる。

また、目標リフト量は成層始動時用の目標リフト量に維持したままとするので、始動後に触媒活性化のため燃焼方式をリタード燃焼へ切り替えるとき、リフト量を変更する必要がない。そのため、燃圧が成層許可燃圧に達したとき（時刻ｔ４）は、すぐに燃焼方式をリタード燃焼へと切り替えることができる。したがって、より早い時期からリタード燃焼を行うことができるので、触媒を早期に活性化でき、排気性能を向上させることができる。

また、成層始動時用の目標リフト量に維持したまま均質燃焼を行うと、吸入空気量が多くなりすぎて、エンジントルクが増加しすぎてしまうが、点火時期を遅角させてエンジントルクを低下させることで、吸入空気量の増量による増加分のトルクを相殺できる。

時刻ｔ３で、スタータスイッチ５５がオフになると（図７（Ｂ）；Ｓ１でＮｏ）、コントローラ５０は、触媒活性化時間が経過したか否かを判定する（Ｓ２）。上述したように、この触媒活性化時間は、スタータスイッチがオフになってから触媒が活性化するまでにおおよそ必要な時間であり、検出又は推定された触媒温度やリタード量などに基づいて設定される可変値である。したがって、触媒の早期活性化要求がある状態で、この触媒活性化時間が経過していることはない。

時刻ｔ３においては、まだ燃圧が成層許可燃圧に達していないので（図７（Ｄ））、引き続き、吸気弁１１１の目標リフト量を成層始動時用の目標リフト量に維持したまま、均質燃焼が行われる（図７（Ｅ−１）；Ｓ２，Ｓ３，Ｓ７でＹｅｓ、Ｓ８でＮｏ）。

時刻ｔ４で、燃圧が成層許可燃圧に達すると（図７（Ｄ）；Ｓ８でＹｅｓ）、コントローラ５０は、エンジン回転速度が所定の回転速度（アイドル回転速度より少し低い回転速度）より高いか否かを判定する（Ｓ１０）。時刻ｔ４において、エンジンはアイドル運転中であり、エンジン回転速度はアイドル回転速度に維持されているので（Ｓ１０でＹｅｓ）、コントローラ５０は、燃焼方式を均質燃焼からリタード燃焼へ移行する（Ｓ１２）。

ここで従来であれば、図７（Ｅ−２）に示すように、時刻ｔ２で、成層始動を中止して均質始動を行うことになった場合は、吸気弁１１１の目標リフト量を均質始動時用の小さいリフト量に設定していた。そして、その目標リフト量となるように、吸気弁１１１のリフト量を制御していた。

そのため、時刻ｔ４でリタード燃焼への移行指示がでて、目標リフト量がリタード燃焼時用の大きいリフト量に設定されたときに、吸気弁１１１可変機構の応答が終了する時刻ｔ５までは、燃焼方式をリタード燃焼に切り替えることができなかった。

これに対して本実施形態では、図７（Ｅ−１）に示すように、時刻ｔ２で、成層始動を中止して均質始動を行うことになった場合であっても、吸気弁１１１の目標リフト量をリタード燃焼用の大きいリフト量に設定している。

そのため、時刻ｔ４でリタード燃焼への移行指示がでたとき、すぐに燃焼方式をリタード燃焼に切り替えることができる。

以上説明した本実施形態によれば、触媒の早期活性化要求がある場合に、均質始動を行うときは、吸気弁１１１のリフト量を、通常均質始動時に設定されるリフト量よりも大きいリタード燃焼時に設定されるリフト量とする。

これにより、均質始動後にリタード燃焼に切り替えるときに、すでにリフト量がリタード燃焼時用のリフト量に設定されているので、吸気弁可変動弁機構１００の応答を待たずに燃焼方式を切り替えることができる。つまり、燃焼方式の切り替え指示がでてから、実際に切り替えるまでのタイムラグが発生しない。したがって、触媒の早期活性化要求があるときに、より早い時期からリタード燃焼を行うことができるので、排気温度を上昇させて触媒の早期活性化を促し、排気性能を向上させることができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

例えば、本実施形態では成層始動時の目標リフト量を、リタード燃焼時用の目標リフト量と同一のリフト量に設定していたが、均質始動用の目標リフト量より大きい値に設定していれば、燃焼方式の切り替え指示がでてから、実際に切り替えるまでのタイムラグを短縮することができるので、排気性能を向上させることができる。

また、特に成層始動時の目標リフト量を、リタード燃焼時に設定される目標リフト量と、通常の均質始動時にされる目標リフト量との中間値近傍に設定すれば、燃焼方式の切り替え指示がでてから、実際に切り替えるまでのタイムラグを比較的短くしつつ、空気量増加による吹け上がりを抑制できる。さらに、リフト量が小さく、筒内に流れ込む吸気の流速を速めることができるので、筒内流動を速くすることができる。よって燃焼を安定させることができる。

さらに、上記実施例のリタード燃焼では、圧縮行程及び膨張行程に分けて燃料を噴射したが、１度に圧縮行程又は膨張行程に燃料を噴射しても構わない。あるいは、圧縮行程で２回に分けて燃料を噴射しても構わない。

筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンの排気制御装置の全体システム図である。 吸気弁可変動弁機構の斜視図である。 吸気弁可変動弁機構の作用について説明する図である。 リタード燃焼の点火時期及び燃料噴射時期の一実施例を示した図である。 リタード燃焼時に燃焼室内に形成される混合気の状態を示す図である。 エンジン始動時及びアイドル運転時におけるエンジンの吸気弁可変動弁機構の制御について説明するフローチャートである。 本実施形態によるエンジン始動時及びアイドル運転時における吸気弁可変動弁機構の制御の動作を示すタイムチャートである。

符号の説明

１ 筒内直接燃料噴射式火花点火エンジン
４０ 排気通路
４１ 触媒コンバータ（触媒）
１１０ リフト・作動角可変機構（吸入空気量可変機構）
１１１ 吸気弁
１１３ 駆動軸
１１５ 駆動カム（偏心駆動カム）
１１６ 制御軸
１１７ 制御カム（偏心制御カム）
１１８ ロッカアーム（連結アーム）
１２０ 揺動カム
１２５ リンクアーム（第１リンク）
１２６ リンク部材（第２リンク）
Ｓ３ 触媒昇温要求判定手段
Ｓ５，Ｓ９，Ｓ１１，Ｓ１２ 燃焼モード切り替え手段
Ｓ４，Ｓ６ 吸入空気量制御手段

Claims (6)

1. 筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンの排気制御装置であって、
   前記エンジンの排気通路に配設されて、そのエンジンから排出された排気を浄化する触媒と、
   前記エンジンの吸気弁のリフト・作動角を変化させて、吸入空気量を可変とする吸入空気量可変機構と、
   前記触媒の昇温が要求される運転状態か否かを判定する触媒昇温要求判定手段と、
   吸気行程に燃料を噴射し、圧縮上死点前に混合気を点火する均質燃焼モードと、燃料噴射後であって圧縮上死点後に混合気を点火するリタード燃焼モードとを有し、運転状態に応じて前記均質燃焼モード又はリタード燃焼モードのいずれかに燃焼モードを切り替える燃焼モード切り替え手段と、
   前記切り替えられた燃焼モードに応じた目標吸入空気量を、運転状態に応じて設定し、その目標吸入空気量となるように、前記吸入空気量可変機構を制御する吸入空気量制御手段と、
   を備え、
   前記吸入空気量制御手段は、始動時又はアイドル時の前記触媒の昇温が要求される運転状態であって、燃焼モードが均質燃焼モードのときは、均質燃焼モード時に通常設定される目標吸入空気量よりも大きい空気量を目標吸入空気量として設定し、その目標吸入空気量となるように、前記吸入空気量可変機構を制御する
   ことを特徴とする筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンの排気制御装置。
2. 前記均質燃焼モード時に通常設定される目標吸入空気量よりも大きい空気量は、前記超リタード燃焼時に設定される目標吸入空気量である
   ことを特徴とする請求項１に記載の筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンの排気制御装置。
3. 前記均質燃焼モード時に通常設定される目標吸入空気量よりも大きい空気量は、前記超リタード燃焼時に設定される目標吸入空気量の略半分の空気量である
   ことを特徴とする請求項１に記載の筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンの排気制御装置。
4. 始動時又はアイドル時の前記触媒の昇温が要求される運転状態であって、燃焼モードが均質燃焼モードのときは、増量された空気量によって増加するエンジントルク分を相殺するように、点火時期を遅角する
   ことを特徴とする請求項１から３までのいずれか１つに記載の筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンの排気制御装置。
5. 前記吸入空気量可変機構は、
   クランクシャフトに連動して回転する駆動軸と、
   前記駆動軸に一体に回転駆動される偏心駆動カムと、
   前記偏心駆動カムに摺動可能に嵌合される第１リンクと、
   前記駆動軸に平行して設けられた制御軸と、
   前記制御軸の偏心制御カム部に回転可能に支持され、前記第１リンクにより揺動駆動される連結アームと、
   前記連結アームに連結されて、前記吸気バルブをリフトさせる揺動カムを揺動させる第２リンクとを備え、
   前記第２リンクと前記揺動カムの連結部を、前記揺動カムのノーズ側に配置するように構成し、前記揺動カムの揺動中心と前記連結アームの回転中心との距離を変化させることによってバルブリフト量を連続的に変化させる
   ことを特徴とする請求項１から４までのいずれか１つに記載の筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンの排気制御装置。
6. 筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンの排気制御方法であって、
   前記エンジンの排気通路に配設されて、そのエンジンから排出された排気を浄化する触媒の昇温が要求される運転状態か否かを判定する触媒昇温要求判定工程と、
   吸気行程に燃料を噴射し、圧縮上死点前に混合気を点火する均質燃焼モードと、燃料噴射後であって圧縮上死点後に混合気を点火するリタード燃焼モードとを有し、運転状態に応じて前記均質燃焼モード又はリタード燃焼モードのいずれかに燃焼モードを切り替える燃焼モード切り替え工程と、
   前記切り替えられた燃焼モードに応じた目標吸入空気量を、運転状態に応じて設定し、その目標吸入空気量となるように、前記エンジンの吸気弁のリフト・作動角を変化させて、吸入空気量を可変とする吸入空気量可変機構を制御する吸入空気量制御工程と、
   を備え、
   前記吸入空気量制御工程は、始動時又はアイドル時の前記触媒の昇温が要求される運転状態であって、燃焼モードが均質燃焼モードのときは、均質燃焼モード時に通常設定される目標吸入空気量よりも大きい空気量を目標吸入空気量として設定し、その目標吸入空気量となるように、前記吸入空気量可変機構を制御する
   ことを特徴とする筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンの排気制御方法。

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