JP6252450B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関、より詳しくは、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯＸ）を浄化する排気浄化装置を備えた内燃機関の制御装置に関する。
理論空燃比よりも燃料リーンな空燃比で運転する内燃機関では、ＮＯＸの排出を如何に抑えるかが一つの課題となっている。ＮＯＸを浄化する排気浄化装置はその課題に対する一つの解決策であって、その具体的な手段としてＮＯＸ吸蔵還元型触媒と選択還元型触媒が知られている。ＮＯＸ吸蔵還元型触媒は、酸素過剰のリーン雰囲気下において排気ガス中のＮＯＸを吸蔵し、外部から還元剤が供給されたときに吸蔵したＮＯＸを放出して還元剤と反応させることで、ＮＯＸを窒素（Ｎ２）に還元することができる。選択還元型触媒は、アンモニア（ＮＨ３）を吸着する機能を有し、ＮＨ３によって排気ガス中のＮＯｘを選択的に還元することができる。
また、特許文献１に開示されているように、ＮＯＸ吸蔵還元型触媒の下流に選択還元型触媒を配置する構成が提案されている。この構成によれば、ＮＯＸ吸蔵還元型触媒におけるＮＯＸの還元時に生成されたＮＨ３を選択還元型触媒に吸着することができる。そして、そのＮＨ３を利用することにより、ＮＯＸ吸蔵還元型触媒で吸着されなかったＮＯＸやＮＯＸ吸蔵還元型触媒からしみ出たＮＯＸを選択還元型触媒にて選択的に還元することができる。
選択還元型触媒によりＮＯＸを浄化する排気浄化装置の場合、選択還元型触媒にＮＨ３を吸着させるために尿素等の添加が必要となる。しかし、ＮＯＸ吸蔵還元型触媒によりＮＯＸを浄化する排気浄化装置、或いは、ＮＯＸ吸蔵還元型触媒と選択還元型触媒との組み合わせによりＮＯＸを浄化する排気浄化装置であれば、エンジンのリーン燃焼運転中に発生したＮＯＸを内部に吸蔵することができ、排気流れ上流側から還元剤を供給することによって、内部に吸蔵したＮＯＸをＮ２に還元して浄化することができる。つまり、尿素等の添加のような特別な手段を必要としない。排気浄化装置への還元剤の供給は、１サイクル当たりの燃料噴射量の増量によって筒内空燃比を理論空燃比或いは理論空燃比よりもリッチな空燃比に一時的に変更する処理、いわゆるリッチスパイクを行うことで達成される。
特開２０１１−１４９３６０号公報 特開２０１１−１９６１９６号公報 特開２００４−０７４１３８号公報 特開２００８−０１９８７１号公報 特開２００９−０４１４８８号公報 特許第４２０８０１２号公報 特許第５４１８６９２号公報
しかし、エンジンの運転域によっては、リッチスパイクが有効に機能しない場合がある。その具体的な例は高トルク域である。高トルク域では吸気効率を高めるために吸気バルブのバルブタイミングが進角され、それに伴って吸気バルブと排気バルブとの間のバルブオーバラップ量が拡大する。高トルク域でのバルブオーバラップは吸気ポートから排気ポートへの空気の吹き抜け（いわゆるスカベンジ）を発生させる場合がある。特に、過給エンジンでは、過給によって吸気圧が高められることによって、スカベンジの発生は顕著になる。
スカベンジが発生したときには、酸素濃度の高い空気が排気浄化装置へ流れることになる。その結果、リッチスパイクによって生成した還元剤と酸素との反応が起きてしまい、還元剤によってＮＯＸが還元されることを妨げてしまう。具体的には、ＮＯＸ吸蔵還元型触媒によってＮＯＸを浄化する排気浄化装置の場合は、ＮＯＸの還元に必要な炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）が酸素によって酸化されてしまう。ＮＯＸ吸蔵還元型触媒と選択還元型触媒との組み合わせによりＮＯＸを浄化する排気浄化装置の場合は、ＮＨ３の生成に必要なＮＯやＣＯが酸素によって酸化されてしまう。この結果、排気浄化装置におけるＮＯｘの浄化効率が低下し、大気中へのＮＯＸの放出を招いてしまうおそれがある。
本発明は、上記の問題に鑑みて創案されたものであって、リッチスパイクの有効性を保つことによってＮＯＸの浄化効率の低下を抑えることのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
本発明に係る内燃機関の制御装置は、酸素過剰のリーン雰囲気下において排気ガス中のＮＯＸを吸蔵し、排気流れ上流側から供給された還元剤を直接的又は間接的にＮＯＸと反応させてＮＯＸを還元する排気浄化装置を備えた内燃機関を制御対象とする制御装置である。酸素過剰のリーン雰囲気とは、理論空燃比の混合気の燃焼により得られる排気ガスの酸素濃度よりも高い酸素濃度の雰囲気を意味する。還元剤を直接的にＮＯＸと反応させるとは、還元剤とＮＯＸとを反応物とする化学反応を生じさせることを意味する。還元剤を間接的にＮＯＸと反応させるとは、還元剤と他の物質との反応によって生成された生成物とＮＯＸとを反応物とする化学反応を生じさせることを意味する。
排気浄化装置は、ＮＯＸ吸蔵還元型触媒を含み、酸素過剰のリーン雰囲気下において排気ガス中のＮＯＸをＮＯＸ吸蔵還元型触媒に吸蔵し、排気流れ上流側から供給される還元剤をＮＯＸ吸蔵還元型触媒に吸蔵したＮＯＸと反応させてＮＯＸをＮ２に還元するように構成してよい。この構成によれば、排気流れ上流側から供給された還元剤を直接的にＮＯＸと反応させてＮＯＸを還元することができる。
また、排気浄化装置は、ＮＯＸ吸蔵還元型触媒とその下流に配置された選択還元型触媒とを含み、酸素過剰のリーン雰囲気下において排気ガス中のＮＯＸをＮＯＸ吸蔵還元型触媒に吸蔵し、排気流れ上流側から供給される還元剤をＮＯＸ吸蔵還元型触媒に吸蔵したＮＯＸと反応させてＮＯＸをＮＨ３に還元し、排気ガス中のＮＨ３を選択還元型触媒に吸着し、ＮＯＸ吸蔵還元型触媒から放出されたＮＯＸを選択還元型触媒に吸着したＮＨ３と反応させてＮＯＸをＮ２に還元するように構成してもよい。この構成によれば、排気流れ上流側から供給された還元剤を間接的にＮＯＸと反応させてＮＯＸを還元することができる。
本制御装置は、リッチスパイク実行手段とバルブタイミング制御手段とを備える。リッチスパイクとは、筒内空燃比を理論空燃比よりもリーンな空燃比に制御して内燃機関を運転しているときに、1サイクル当たりの燃料噴射量の増量によって筒内空燃比を理論空燃比或いは理論空燃比よりもリッチな空燃比に一時的に変更する処理である。リッチスパイク実行手段は、所定の実行規則に従ってこの処理を実行するように構成される。バルブタイミング制御手段は、排気ポートの圧力よりも吸気ポートの圧力のほうが高くなる運転域、つまり、スカベンジが発生しうる運転域においてリッチスパイクが実行される場合、吸気バルブと排気バルブとの間のオーバラップ量をリッチスパイクの非実行時に比べて減少させるように構成される。
吸気バルブと排気バルブとの間のオーバラップ量を減少させることにより、スカベンジによって吸気ポートから排気ポートへ吹き抜ける空気の量（以下、スカベンジ量）を減らすことができる。リッチスパイクの実行時におけるスカベンジ量を減らすことで、リッチスパイクによって生成される還元剤と酸素との反応を低減し、還元剤とＮＯＸとの直接的又は間接的な反応を促進することができる。
本制御装置の好ましい形態では、バルブタイミング制御手段は、吸気ポートの圧力よりも排気ポートの圧力のほうが高くなる運転域においてリッチスパイクが実行される場合、吸気バルブと排気バルブとの間のオーバラップ量をリッチスパイクの非実行時と実行時とで維持するように構成される。この構成によれば、吸気バルブと排気バルブとの間のオーバラップ量を変化させることをスカベンジが発生しうる運転域に限定することで、オーバラップ量の変化に伴う燃焼安定性の低下を抑えることができる。
本制御装置の別の好ましい形態では、バルブタイミング制御手段は、排気ポートの圧力よりも吸気ポートの圧力のほうが高くなる運転域では、吸気バルブと排気バルブとの間のオーバラップ量を吸気ポートの圧力よりも排気ポートの圧力のほうが高くなる運転域に比べて増大させるように構成される。この構成によれば、スカベンジが発生しうる運転域では、オーバラップ量を大きくすることによって残留排気ガスを掃気し、新気の充填効率を高めることができる。そして、スカベンジが発生しない運転域では、オーバラップ量を小さくすることによって内部ＥＧＲ量を減らし、筒内ガスに占める新気の割合を高めることによって、リーン燃焼運転における燃焼限界を高めることができる。
本制御装置の別の好ましい形態では、バルブタイミング制御手段は、吸気バルブのバルブタイミングの進角に伴わせて吸気バルブと排気バルブとの間のオーバラップ量を増大させ、吸気バルブのバルブタイミングの遅角に伴わせて吸気バルブと排気バルブとの間のオーバラップ量を減少させるように構成される。この構成によれば、スカベンジが発生しうる運転域でリッチスパイクが実行されるときには、オーバラップ量を減少させることに併せて吸気バルブのバルブタイミングが遅角される。吸気バルブのバルブタイミングを遅角することにより、スロットルを絞って吸気ポートの圧力を低下させることなく、新気の充填効率を低下させることができる。よって、この構成によれば、リッチスパイクを終了して再びリーン燃焼運転に復帰するときに、すみやかに新気の充填効率を増大させることができる。
以上述べたように、本発明に係る制御装置によれば、排気ポートの圧力よりも吸気ポートの圧力のほうが高くなる運転域では、リッチスパイクの実行時に吸気バルブと排気バルブとの間のオーバラップ量を減少させることにより、リッチスパイクの実行時におけるスカベンジ量を減らすことができる。これにより、リッチスパイクによって生成される還元剤と酸素との反応を低減し、還元剤とＮＯＸとの直接的又は間接的な反応を促進することによって、ＮＯＸの浄化効率の低下を抑えることができる。
本発明の実施の形態１にかかるシステムの構成を示す図である。 本発明の実施の形態１にかかるバルブタイミング制御の概要についてまとめた表である。 本発明の実施の形態１にかかるバルブタイミング制御のフローを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１にかかるスカベンジ域におけるバルブタイミング制御とその効果を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の実施の形態２にかかるシステムの構成を示す図である。
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１について図を用いて説明する。
［実施の形態１のシステムの構成］
図１は、本発明の実施の形態１にかかるシステムの構成を示す図である。本実施の形態にかかるシステムは、自動車に動力装置として搭載される内燃機関（以下、単にエンジンと称す）２を備える。エンジン２の気筒数および気筒配置は特に限定されない。
エンジン２は、ピストン１２が配置されたシリンダブロック４とシリンダヘッド３とを備える。シリンダヘッド３とピストン１２とで挟まれた空間が燃焼室５となる。エンジン２は火花点火式エンジンであって、シリンダヘッド３には燃焼室５の頂部に突き出るように点火装置の点火プラグ１８が取り付けられている。燃焼室５には、シリンダヘッド３に形成された吸気ポート６と排気ポート８がそれぞれ開口している。燃焼室５と吸気ポート６との連通状態は、シリンダヘッド３に設けられた吸気バルブ１４によって制御される。燃焼室５と排気ポート８との連通状態は、シリンダヘッド３に設けられた排気バルブ１６によって制御される。また、シリンダヘッド３には、燃焼室５の中に燃料を直接噴射する筒内噴射弁２２と、吸気ポート６に燃料を噴射するポート噴射弁２０が取り付けられている。
図示の構成では、エンジン２には、吸気バルブ１４の開弁特性を可変とする吸気可変動弁機構２４と、排気バルブ１６の開弁特性を可変とする排気可変動弁機構２６とが設けられている。これらの可変動弁機構には、少なくともバルブタイミングと作用角とを可変にする公知の動弁機構を適用することができる。
吸気ポート６には、吸気マニホールド１０が接続されている。吸気マニホールド１０はサージタンク１９を備える。サージタンク１９には、外部から空気を吸入する吸気通路３０が接続されている。吸気通路３０におけるサージタンク１９の近傍には、電子制御式のスロットルバルブ４０が設けられている。吸気通路３０の先端には、エアクリーナ３１が設けられている。排気ポート８には、排気マニホールド１１が接続されている。排気マニホールド１１には、排気ガスを外部に排出する排気通路３２が接続されている。排気通路３２には、後述する排気浄化装置６０が設けられている。
エンジン２は、ターボ過給機２８を有している。ターボ過給機２８のコンプレッサ２８ａは、吸気通路３０におけるスロットルバルブ４０の上流に設けられている。吸気通路３０におけるコンプレッサ２８ａとスロットルバルブ４０との間には、コンプレッサ２８ａで圧縮された吸入空気を冷却するインタークーラ３６が設けられている。
ターボ過給機２８のタービン２８ｂは、排気通路３２における排気浄化装置６０の上流に設けられている。排気通路３２には、タービン２８ｂをバイパスするバイパス通路４４が設けられている。バイパス通路４４には、ウェイストゲートバルブ４６が設置されている。ウェイストゲートバルブ４６が開くと、排気ガスの一部は、タービン２８ｂを通らずにバイパス通路４４を通って流れる。ウェイストゲートバルブ４６は、電子制御式のアクチュエータ４８により駆動される。
排気浄化装置６０は、三元触媒であるスタート触媒（以下、ＳＣと称する）６２、ＮＯＸ吸蔵還元型触媒（以下、ＮＳＲと称する）６４、及び選択還元型触媒（以下、ＳＣＲと称する）６６から構成されている。排気通路における上流側から、ＳＣ６２、ＮＳＲ６４、ＳＣＲ６６の順に配置されている。
ＳＣ６２は、リーン雰囲気下では、酸素を吸着しながら排気ガス中のＮＯＸをＮ２に還元し、リッチ雰囲気下では、酸素を放出しながら排気ガス中のＨＣ及びＣＯを酸化させてＨ２Ｏ及びＣＯ２に変化させる。本明細書においてリーン雰囲気とは、理論空燃比の混合気の燃焼により得られる排気ガスの酸素濃度よりも高い酸素濃度の雰囲気を意味し、リッチ雰囲気とは、理論空燃比の混合気の燃焼により得られる排気ガスの酸素濃度よりも低い酸素濃度の雰囲気を意味する。また、上流から還元剤が供給されたとき、ＳＣ６２は、排気ガス中に含まれるＮＯｘと還元剤とを反応させることにより、ＮＯｘをＮＨ３及びＮ２に還元する。
ＮＳＲ６４は、リーン雰囲気下において排気ガス中のＮＯｘをＢａ(ＮＯ３)２等の硝酸塩の形態で吸蔵する。そして、上流から還元剤が供給されたとき、ＮＳＲ６４は、吸蔵しているＮＯｘを放出し、還元剤とＮＯｘとを反応させてＮＯｘをＮＨ３及びＮ２に還元する。ＳＣ６２及びＮＳＲ６４におけるＮＯｘの還元反応は、何れも以下の化学反応式（１）及び化学反応式（２）で表される。
2.5Ｈ２＋ＮＯ → ＮＨ３＋Ｈ２Ｏ …（１）
2.5ＣＯ＋ＮＯ＋1.5Ｈ２Ｏ → ＮＨ３＋2.5ＣＯ２＋0.5Ｎ２ …（２）
ただし、還元剤の供給量が不足する場合、ＮＳＲ６４から放出されたＮＯｘは還元されずにそのまま下流へ排出される。このように、ＮＳＲ６４からしみ出すように排出されるＮＯｘは、しみ出しＮＯｘと呼ばれる。
ＳＣＲ６６は、Ｆｅ系ゼオライト触媒として構成される。ＳＣＲ６６は、ＳＣ６２及びＮＳＲ６４において生成されたＮＨ３を吸着し、例えば以下の化学反応式（３）及び（４）に示されるように、排気ガス中のＮＯｘ（その多くは、ＮＳＲ６４から放出されたしみ出しＮＯｘである）を吸着したＮＨ３と反応させてＮＯｘをＮ２に還元する。なお、ＮＨ３は、還元剤（Ｈ２、ＣＯ）と他の物質（ＮＯ、Ｈ２Ｏ）との反応によって生成された生成物であるので、以下の化学反応式（３）及び（４）に示されるＮＨ３とＮＯｘとの反応は、還元剤とＮＯＸとの間接的な反応であると言える。
４ＮＯ＋４ＮＨ３＋Ｏ２ → ２Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ …（３）
２ＮＯ＋２ＮＯ２＋４ＮＨ３ → ２Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ …（４）
本実施形態のシステムは、エンジン２の運転状態に関する情報を得るためのセンサを各所に備えている。吸気通路３０におけるエアクリーナ３１の直下流には、吸入空気量を計測するためのエアフローメータ３４が設置されている。吸気通路３０におけるインタークーラ３６の直下流には、過給圧を計測するための過給圧センサ３８が設置されている。スロットルバルブ４０の近傍には、スロットルバルブ４０の開度を計測するためのスロットルポジションセンサ４２が設置されている。サージタンク１９には吸気圧を計測するための吸気圧センサ５６が設置されている。
排気通路３２におけるＳＣ６２の直上流には、排気ガスの燃焼前の空燃比に対してリニアに変化する信号を出力する空燃比センサ７０が設置されている。また、排気通路３２におけるＳＣ６２の直下流には、理論空燃比の混合気の燃焼により得られる排気ガスの酸素濃度を境にして、酸素過剰側と酸素不足側とでステップ的に変化する信号を出力する酸素センサ７２が設置されている。排気通路３２におけるＮＳＲ６４の直下流には、ＮＳＲ６４を通過した排気ガス中のＮＯｘの濃度に応じて変化する信号を出力する第１のＮＯｘセンサ７４が設置されている。また、排気通路３２におけるＳＣＲ６６の直下流には、ＳＣＲ６６を通過した排気ガス中のＮＯｘの濃度に応じて変化する信号を出力する第２のＮＯｘセンサ７６が設置されている。
また、本実施形態のシステムは、アクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を計測するためのアクセルポジションセンサ５２と、エンジン２のクランク角度を計測するためのクランク角センサ５４とを有している。
上述した各種のセンサ及びアクチュエータは、制御装置５０に電気的に接続されている。制御装置５０はＥＣＵ(Electronic Control Unit)である。制御装置５０は、エンジン２のシステム全体の制御を行うものであり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含むコンピュータを主体として構成されている。ＲＯＭには、後述するリッチスパイクのルーチンやバルブタイミング制御のルーチンを含む各種制御ルーチンが記憶されている。制御装置５０は、各センサからの信号に基づいて各アクチュエータを操作することにより、エンジン２を制御する。具体的には、制御装置５０は、先ず、アクセルポジションセンサ５２によって計測されるアクセルペダルの踏み込み量に応じて要求トルクを算出する。そして、要求トルクと、クランク角センサ５４が出力する信号から計算される現在のエンジン回転速度とに基づいてエンジン２の運転モードを決定し、決定した運転モードに従って各アクチュエータを操作する。
[実施の形態１のシステムの動作]
＜エンジンの運転モード＞
制御装置５０によって選択されるエンジン２の運転モードには、筒内空燃比を理論空燃比に制御して運転するストイキ燃焼運転モードと、筒内空燃比を理論空燃比よりも燃料リーンな空燃比に制御して運転するリーン燃焼運転モードとが含まれる。ストイキ燃焼運転モードは、中高回転速度域から高回転速度域において選択され、リーン燃焼運転モードは、低回転速度域から低中回転速度域において選択される。リーン燃焼運転モードが選択される運転域のうち吸気圧が背圧以下となる運転域では、ポート噴射弁２０によるポート噴射によって、或いはポート噴射を主とするポート噴射と筒内噴射との組み合わせによってリーン燃焼運転が行われる。吸気圧が背圧より大きくなる運転域では、筒内噴射弁２２による筒内噴射（直噴とも言う）によってリーン燃焼運転が行われる。
＜リッチスパイク＞
リーン燃焼運転モードでは、所定の実行規則に従ってリッチスパイクが実行される。リッチスパイクは、1サイクル当たりの燃料噴射量の増量によって筒内空燃比を理論空燃比或いは理論空燃比よりもリッチな空燃比に一時的に変更する処理である。燃料噴射量の計算に用いる筒内空気量は、公知のエアモデルを用いて計算される。主たる燃料噴射としてポート噴射が実行される運転域では、リッチスパイクのための燃料噴射量の増量はポート噴射に対して行われる。一方、主たる燃料噴射として筒内噴射が実行される運転域では、リッチスパイクのための燃料噴射量の増量は筒内噴射に対して行われる。
筒内空燃比を理論空燃比或いは理論空燃比よりもリッチな空燃比にすることによって、排気ガスの酸素濃度が減少するとともにＨＣ、ＣＯ、Ｈ２等の還元剤が多量に発生する。還元剤を多量に含む排気ガスがＮＳＲ６４に供給されることで、ＮＳＲ６４の周囲の雰囲気は還元雰囲気となり、硝酸塩として吸蔵されていたＮＯｘは、ＮＯまで還元されて塩基から脱離される。このように、リーン燃焼運転中にリッチスパイクを実行することにより、ＮＳＲ６４に吸蔵されていたＮＯｘを脱離させ、ＮＳＲ６４のＮＯｘ吸蔵性能を回復させることができる。なお、リッチスパイクは、ＮＳＲ６４の直下流に設置されたＮＯｘセンサ７４で計測されるＮＯｘの濃度が所定の閾値を超えたときに実行される。或いは、エンジン回転速度や負荷や空燃比に基づいて推定計算されたＮＯｘの吸蔵量が所定の閾値を超えたときに実行される。
リッチスパイクによってＮＳＲ６４から脱離したＮＯｘは、ＮＳＲ６４上でＮ２やＮＨ３に還元される。ＮＳＲ６４で生成されたＮＨ３は、ＳＣ６２で生成されたＮＨ３とともに最下流に位置するＳＣＲ６６に捉えられ、ＳＣＲ６６上に吸着される。リッチスパイクによってＮＳＲ６４から脱離したＮＯｘは、一部は還元されることなくそのままＮＳＲ６４から放出される。ＳＣＲ６６は、吸着したＮＨ３とＮＳＲ６４から浄化されずに放出されたＮＯｘ（しみ出しＮＯｘ）とを反応させてＮＯｘをＮ２に還元する。これにより、ＮＯｘが大気中に放出されてエミッションが悪化する事態を有効に阻止することができる。
＜バルブタイミング制御＞
図２は、リーン燃焼運転モードでのバルブタイミング制御の概要についてまとめた表である。表において、ＩＶＯは吸気バルブ１４の開き時期を示し、ＩＶＣは吸気バルブ１４の閉じ時期を示している。ＩＶＯからＩＶＣまでの範囲が、吸気バルブ１４が開いているクランク角度の範囲、つまり、吸気バルブ１４の作用角である。ＥＶＯは排気バルブ１６の開き時期を示し、ＥＶＣは排気バルブ１６の閉じ時期を示している。ＥＶＯからＥＶＣまでの範囲が、排気バルブ１６が開いているクランク角度の範囲、つまり、排気バルブ１６の作用角である。
バルブタイミング制御は、非スカベンジ域とスカベンジ域とで異なる制御が行われる。非スカベンジ域とは、スカベンジが発生しない運転域、つまり、吸気圧が背圧以下となる相対的に低負荷の運転域である。吸気圧とは吸気ポート６の圧力を意味し、背圧とは排気ポート８の圧力を意味する。非スカベンジ域では、ウェイストゲートバルブ４６は全開に開かれて、主に、スロットルバルブ４０の開度によって空気量の制御が行われる。実施の形態のエンジン２のような過給エンジンの場合、非スカベンジ域はコンプレッサ２８ａによる有効な過給が行われていない非過給域に対応する。スカベンジ域とは、スカベンジが発生しうる運転域、つまり、吸気圧が背圧より大きくなる相対的に高負荷の運転域である。スカベンジ域では、スロットルバルブ４０は全開に開かれて、主に、ウェイストゲートバルブ４６の開度によって空気量の制御が行われる。本実施の形態のエンジン２のような過給エンジンの場合、スカベンジ域はコンプレッサ２８ａによる有効な過給が行われる過給域に対応する。
低負荷域、つまり、スカベンジが発生しない非スカベンジ域では、制御装置５０は、ＩＶＣを遅角するように吸気可変動弁機構２４を制御する。ＩＶＣの遅角に伴ってＩＶＯも遅角するので、ＩＶＯからＥＶＣまでのクランク角度、すなわち、オーバラップ量（Ｏ／Ｌ）は小さくなる。オーバラップ量を小さくすることによって内部ＥＧＲ量を減らし、筒内ガスに占める新気の割合を高めることによって、リーン燃焼運転における燃焼限界を高めることができる。
非スカベンジ域でリッチスパイクを実行する場合、制御装置５０は、吸気バルブ１４及び排気バルブ１６の各バルブタイミングをリッチスパイクの実行前から変化させず、吸気バルブ１４と排気バルブ１６との間のオーバラップ量をリッチスパイクの非実行時と実行時とで維持する。これは、リッチスパイクの実行時を含む非スカベンジ域では、ポート噴射（或いは、ポート噴射を主とするポート噴射と筒内噴射との組み合わせ）による燃料噴射が行われることと関係する。ポート噴射によれば、燃料と空気とが混合する時間を稼ぐことができるので、混合気の均質性を高めることができる。しかし、その反面、筒内噴射に比較すれば燃焼条件の変動に対するロバスト性は低下する。そこで、上述の通り、吸気バルブ１４のバルブタイミングや作用角、及び、オーバラップ量といった筒内空気量に係るパラメータをリッチスパイクの非実行時と実行時とで変化させないようにする。これにより、筒内空燃比の制御に必要な筒内空気量の推定精度を維持することが可能となり、非スカベンジ域における燃焼安定性を担保することができる。
高負荷域、つまり、スカベンジが発生しうるスカベンジ域では、制御装置５０は、吸気バルブ１４の作用角を維持してＩＶＣ及びＩＶＯをともに進角し、ＩＶＣをＢＤＣ（ピストンの下死点）に近づけるように吸気可変動弁機構２４を制御する。排気バルブ１６のバルブタイミングは、非スカベンジ域の場合と変わらずに維持される。これにより、ＩＶＯからＥＶＣまでのクランク角度であるオーバラップ量は拡大する。オーバラップ量を拡大することによって、燃焼ガスの掃気効率を高めることができ、ＩＶＣをＢＤＣに近づけることによって、新気の充填効率を向上させることができる。
スカベンジ域でリッチスパイクを実行する場合、制御装置５０は、吸気バルブ１４の作用角を縮小するとともに、ＩＶＣ及びＩＶＯをともに遅角する。排気バルブ１６のバルブタイミングは、リッチスパイクの非実行時と変わらずに維持される。吸気バルブ１４の作用角を縮小し、且つ、ＩＶＣを遅角することによって、新気の充填効率を低下させ、それによりトルクの増大を生じさせることなく筒内空燃比をストイキ化或いはリッチ化することが可能となる。なお、このとき、制御装置５０は、スロットルバルブ４０は全開に維持し、ウェイストゲートバルブ４６の開度もリッチスパイクの非実行時と変わらずに維持する。これにより、吸気ポート６の圧力の低下を抑えることができるので、リッチスパイクを終了して再びリーン燃焼運転に復帰するときに、すみやかに新気の充填効率を増大させることができる。
また、上記のように吸気バルブ１４のバルブタイミングを制御することによって、ＩＶＯからＥＶＣまでのクランク角度であるオーバラップ量はリッチスパイクの非実行時よりも減少する。好ましくは、非スカベンジ域におけるオーバラップ量と同等かそれよりも小さくなるようにオーバラップ量を減少させる。このように、吸気バルブ１４と排気バルブ１６との間のオーバラップ量を減少させることにより、リッチスパイクの実行時におけるスカベンジ量を減らすことができる。
リッチスパイクを実行することによって、排気ガスの酸素濃度が減少するとともにＨＣ、ＣＯ、Ｈ２等の還元剤が多量に発生する。しかし、スカベンジによって高い酸素濃度の空気が排気ポート８へ吹き抜けてしまうと、排気浄化装置６０へ流れるガス全体の酸素濃度が上昇してしまい、ＳＣ６２やＮＳＲ６４の周囲の雰囲気を還元雰囲気にすることができなくなる。また、リッチスパイクの実行によりＳＣ６２やＮＳＲ６４において生成されるＮＨ３は、ＮＯｘを浄化する上で重要な役割を果たしている。しかし、スカベンジによって高い酸素濃度の空気が排気浄化装置６０へ流れこむと、ＮＨ３の生成に必要なＮＯやＣＯが酸素によって酸化されてしまう。この結果、ＮＨ３の生成が妨げられてしまい、ＳＣＲ６６でのＮＯｘの浄化効率は大きく低下する。
実施の形態１のバルブタイミング制御によれば、リッチスパイクの実行時におけるスカベンジ量を減らし、排気浄化装置６０へ流れこむ排気ガスの酸素濃度の上昇を抑えることができる。これにより、リッチスパイクによって生成される還元剤と酸素との反応を低減し、上記の化学反応式（１）及び化学反応式（２）で表されるＳＣ６２及びＮＳＲ６４上でのＮＨ３の生成を促進することによって、上記の化学反応式（３）及び（４）で表されるＳＣＲ６６でのＮＯＸの選択還元反応を促進することができる。これにより、リッチスパイクの有効性を保つことができ、スカベンジに起因するＮＯＸの浄化効率の低下を抑えることができる。
図３は、リーン燃焼運転モードにおいて制御装置５０によって実行されるバルブタイミング制御のフローを示すフローチャートである。エンジン２の運転モードがリーン燃焼運転モードになっている場合、制御装置５０は、図３に示すフローに従ってバルブタイミング制御を行う。図３に示すフローは、ステップＳ２からＳ８までの４つのステップからなる。
ステップＳ２では、制御装置５０は、リッチスパイクが必要かどうか、つまり、リッチスパイクの実行条件が満たされたかどうか判定する。例えば上述のように、ＮＯｘセンサ７４で計測されるＮＳＲ６４の下流のＮＯｘの濃度が閾値を超えたこと、或いは、エンジン回転速度や負荷や空燃比に基づいて推定計算されるＮＳＲ６４のＮＯｘ吸蔵量が閾値を超えたこと、などがリッチスパイクの実行条件として設定される。
ステップＳ２の判定の結果が否定の場合、つまり、リッチスパイクを実行しない場合、制御装置５０は、ステップＳ８の処理を行う。ステップＳ１０では、制御装置５０は、吸気バルブ１４のバルブタイミングの進角量をエンジン２の負荷に応じた値Ａに設定し、また、吸気バルブ１４の作用角を負荷に応じた値Ｂに設定する。
ステップＳ２の判定の結果が肯定の場合、つまり、リッチスパイクを実行する場合、制御装置５０は、次にステップＳ４の判定を行う。ステップＳ４では、制御装置５０は、エンジン２の運転域が過給域に入っているかどうか、つまり、スカベンジが発生しうるスカベンジ域に入っているかどうか判定する。過給域（スカベンジ域）か非過給域（非スカベンジ域）かは、現在のエンジン２の回転速度と負荷との関係から判断することができる。或いは、過給圧センサ３８の出力から計測される過給圧が大気圧よりも高いかどうかによって判断することもできる。
ステップＳ４の判定の結果が否定の場合、つまり、エンジン２の運転域が非過給域である場合、制御装置５０は、ステップＳ８の処理を行う。ステップＳ８では、制御装置５０は、吸気バルブ１４のバルブタイミングの進角量をエンジン２の負荷に応じた値Ａに設定し、また、吸気バルブ１４の作用角を負荷に応じた値Ｂに設定する。
ステップＳ４の判定の結果が肯定の場合、つまり、エンジン２の運転域が過給域である場合、制御装置５０は、ステップＳ６の処理を行う。ステップＳ６では、制御装置５０は、吸気バルブ１４のバルブタイミングの進角量をエンジン２の負荷に応じた値Ａ′に設定し、また、吸気バルブ１４の作用角を負荷に応じた値Ｂ′に設定する。ただし、吸気バルブ１４のバルブタイミングの進角量の値Ａ′は、同負荷で比較した場合、ステップＳ８で設定される進角量の値Ａよりも小さい値である。また、吸気バルブ１４の作用角の値Ｂ′は、同負荷で比較した場合、ステップＳ８で設定される作用角の値Ｂよりも小さい値である。これにより、吸気バルブ１４と排気バルブ１６のオーバラップ量が減少し、スカベンジ量は抑制される。また、スロットルバルブ４０を絞って吸気圧を低下させることなく、新気の充填効率を低下させることができる。
図４は、制御装置５０によって実行されるスカベンジ域におけるバルブタイミング制御とその効果を説明するためのタイミングチャートである。図４に示すタイムチャートは、上から、トルク、目標空燃比、実空燃比、筒内空気量、点火時期、吸気圧、スロットルバルブ４０の開度、ウェイストゲートバルブ４６の開度（ＷＧＶ開度）、吸気バルブ１４の閉時期、吸気バルブ１４の作用角、スカベンジにより吹き抜ける酸素量、ＳＣ６２及びＮＳＲ６４でのアンモニア生成量の各時間変化を示している。各チャートにおいて、実線は本実施の形態のバルブタイミング制御による結果を示し、点線は比較例のバルブタイミング制御による結果を示している。
比較例では、スカベンジ域（高負荷域）においてリッチスパイクが実行される場合、吸気バルブ１４の閉時期と作用角はリッチスパイクの非実行時のそれに維持されている。本実施の形態でも、非スカベンジ域では、リッチスパイクの非実行時と実行時とで吸気バルブ１４の閉時期及び作用角は維持されるが、比較例では、これをスカベンジ域におけるバルブタイミング制御にも適用している。
比較例のバルブタイミング制御によれば、吸気バルブ１４の閉時期がリッチスパイクの非実行時のそれに維持される結果、吸気バルブ１４と排気バルブ１６の間のオーバラップ量もそのまま維持される。このため、リッチスパイクの実行中も、リッチスパイクの非実行時と変わらぬ量の酸素が吸気ポート６から排気ポート８へ吹き抜ける。これにより、リッチスパイクによって生成される還元剤が酸素と反応してしまい、ＳＣ６２及びＮＳＲ６４におけるＮＨ３の生成が妨げられてしまう。
これに対し、本実施の形態のバルブタイミング制御によれば、リッチスパイクの実行時、吸気バルブ１４の閉時期は遅角され、また、吸気バルブ１４の作用角は小さくされる。これにより、吸気バルブ１４と排気バルブ１６の間のオーバラップ量は減少し、スカベンジによって吸気ポート６から排気ポート８へ吹き抜ける酸素の量は減少する。その結果、リッチスパイクによって生成される還元剤と酸素との反応は低減し、ＳＣ６２及びＮＳＲ６４におけるＮＨ３の生成が促進される。これにより、スカベンジに起因するＮＯＸの浄化効率の低下は抑えられる。
また、比較例のバルブタイミング制御によれば、吸気バルブ１４の閉時期と作用角はリッチスパイクの非実行時のそれに維持されるため、筒内空気量（筒内に吸入される新気の量）を低下させるためには、スロットルバルブ４０を閉じ、また、ウェイストゲートバルブ４６を開く必要がある。しかし、スロットルバルブ４０やウェイストゲートバルブ４６の動作に対する吸気圧の応答には遅れがあるため、実空燃比のリッチ化に対して筒内空気量は遅れて低下する。このため、トルクが過大になるのを防ぐために、筒内空気量が目標まで低下するまでの間、点火時期を大きく遅角する必要が生じる。点火時期の遅角は燃費を悪化させる。
さらに、比較例のバルブタイミング制御によれば、リッチスパイクからリーン燃焼運転へ復帰する際、筒内空気量の上昇に遅れが生じる。スロットルバルブ４０を速やかに開き、また、ウェイストゲートバルブ４６を速やかに閉じたとしても、一旦低下した吸気圧は直ぐには上昇しないためである。筒内空気量が上昇していないにも関わらず空燃比をリーン化してしまうと、トルクの急激な落ち込みを招いてしまう。このため、比較例の場合には、実空燃比を目標空燃比の通りにリーン化することはできず、筒内空気量が目標まで増大するまでの間、実空燃比のリッチ化を継続する必要がある。また、実空燃比のリッチ化を継続することでトルクが過大になるのを防ぐために、筒内空気量が目標まで増大するまでの間、点火時期を遅角する必要も生じる。実空燃比のリッチ化の時間が長くなるほど、また、点火時期の遅角の時間が長くなるほど燃費は悪化する。
これに対し、本実施の形態のバルブタイミング制御によれば、吸気バルブ１４の閉時期を遅角することによって筒内空気量を低下させる。吸気バルブ１４の閉時期の変更に対する筒内空気量の応答性は高いので、実空燃比のリッチ化に対して大きく遅れること無く筒内空気量を低下させることができる。このため、トルクの過剰を防ぐための点火時期の遅角は少なくてすみ、燃費の悪化を抑えることができる。
さらに、本実施の形態のバルブタイミング制御によれば、スロットルバルブ４０の開度とウェイストゲートバルブ４６の開度は維持されるので、リッチスパイクの実行に伴う吸気圧の低下は抑えられる。吸気圧が維持されていれば、吸気バルブ１４の閉時期を進角することによって、筒内空気量を速やかに上昇させることができる。このため、実空燃比を目標空燃比の通りにリーン化することが可能となり、実空燃比のリッチ化を継続しなくて済むようになる。これにより、燃費の悪化を抑えることができる。
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図を用いて説明する。
［実施の形態２のシステムの構成］
図５は、本発明の実施の形態２にかかるシステムの構成を示す図である。本実施の形態にかかるシステムは、エンジン２と、エンジン２を制御する制御装置５０とを備える。エンジン２の構成と制御装置５０の機能は実施の形態１のそれと共通であるので、ここでは、その詳しい説明は省略する。本実施の形態のシステムと実施の形態１のシステムとの違いは、排気通路３２に設けられる排気浄化装置８０の構成にある。
排気浄化装置８０は、ＳＣ８２とＮＳＲ８４とから構成されている。排気通路における上流側にＳＣ８２が配置され、下流側にＮＳＲ８４が配置されている。排気通路３２におけるＳＣ８２の直上流には空燃比センサ９０が設置され、排気通路３２におけるＳＣ８２の直下流には酸素センサ９２が設置されている。排気通路３２におけるＮＳＲ８４の直下流にはＮＯｘセンサ９４が設置されている。
ＳＣ８２の特徴については実施の形態１で述べたＳＣ６２の特徴と共通する。ＳＣ８２は、リーン雰囲気下では、酸素を吸着しながら排気ガス中のＮＯＸをＮ２に還元し、リッチ雰囲気下では、酸素を放出しながら排気ガス中のＨＣ及びＣＯを酸化させてＨ２Ｏ及びＣＯ２に変化させる。
ＮＳＲ８４は、実施の形態１のＮＳＲ６４よりもＮＯｘの吸蔵容量が大きいものが用いられる（例えば、ＳＣＲと組み合わせて用いるＮＳＲの２倍の大きさ）。ＮＳＲ８４は、リーン雰囲気下において排気ガス中のＮＯｘをＢａ(ＮＯ３)２等の硝酸塩の形態で吸蔵する。そして、排気流れ上流側から還元剤が供給されたとき、ＮＳＲ８４は、吸蔵しているＮＯｘを放出し、例えば以下の化学反応式（５）及び（６）に示されるように、還元剤とＮＯｘとを反応させてＮＯｘを還元する。ＮＳＲ８４では、ＮＯｘはＮＯＸとの直接的な反応によってＮ２まで還元される。
ＣＯ＋ＮＯ→ ＣＯ２＋0.5Ｎ２ …（５）
ＣＨｙ＋(2＋y/2)ＮＯ → ＣＯ２＋(y/2)Ｈ２Ｏ＋1/2(2＋y/2)Ｎ２ …（６）
[実施の形態２のシステムの動作]
制御装置５０は、実施の形態１と同様に、リーン燃焼運転モードにおいてリッチスパイクを実行する。リーン燃焼運転中にリッチスパイクを実行することにより、ＮＳＲ８４に吸蔵されていたＮＯｘを脱離させ、ＮＳＲ８４のＮＯｘ吸蔵性能を回復させる。リッチスパイクは、所定の実行規則に従って、例えば、ＮＳＲ８４の直下流に設置されたＮＯｘセンサ９４で計測されるＮＯｘの濃度が所定の閾値を超えたときに実行される。リッチスパイクによってＮＳＲ８４から脱離したＮＯｘは、ＮＳＲ８４上でＮ２に還元される。
しかし、エンジン２がスカベンジ域で運転されている場合、リッチスパイクの実行時にスカベンジによって高い酸素濃度の空気が排気浄化装置８０へ流れこむと、ＮＯｘの還元に必要なＨＣやＣＯが酸素によって酸化されてしまう。この結果、ＮＯｘの還元が妨げられてしまい、ＮＳＲ８４でのＮＯｘの浄化効率は大きく低下する。
本実施の形態のバルブタイミング制御では、実施の形態１と同様に、リッチスパイクの実行時、吸気バルブの閉時期は遅角され、また、吸気バルブの作用角は小さくされる。この制御により、吸気バルブと排気バルブの間のオーバラップ量は減少し、スカベンジによって吸気ポートから排気ポートへ吹き抜ける酸素の量は減少する。その結果、リッチスパイクによって生成される還元剤と酸素との反応を低減し、上記の化学反応式（５）及び（６）で表されるＮＳＲ８４でのＮＯｘの還元反応を促進することができる。つまり、上記のように排気浄化装置８０が構成される場合においても、実施の形態１と同様のバルブタイミング制御を行うことにより、リッチスパイクの有効性を保つことができ、スカベンジに起因するＮＯＸの浄化効率の低下を抑えることができる。
その他実施の形態．
本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、実施の形態１及び２のシステムにおいて排気浄化装置が備えるＳＣ（三元触媒）は、本発明の実施において必須の要素ではない。ＮＳＲのみ備える排気浄化装置、或いは、ＮＳＲとＳＣＲのみ備える排気浄化装置でもよい。また、実施の形態１及び２のシステムでは、吸気バルブのバルブタイミングを制御してオーバラップ量を変化させているが、吸気バルブに加えて排気バルブのバルブタイミングも制御してオーバラップ量を変化させてもよい。
２ 内燃機関
５ 燃焼室
６ 吸気ポート
８ 排気ポート
１４ 吸気バルブ
１６ 排気バルブ
２０ ポート噴射弁
２２ 筒内噴射弁
２４ 吸気可変動弁機構
２８ ターボ過給機
２８ａ コンプレッサ
２８ｂ タービン
３０ 吸気通路
３２ 排気通路
３８ 過給圧センサ
４０ スロットルバルブ
４６ ウェイストゲートバルブ
５０ 制御装置
５６ 吸気圧センサ
６０ 排気浄化装置
６２ スタート触媒（ＳＣ）
６４ ＮＯＸ吸蔵還元型触媒（ＮＳＲ）
６６ 選択還元型触媒（ＳＣＲ）
８０ 排気浄化装置
８２ スタート触媒（ＳＣ）
８４ ＮＯＸ吸蔵還元型触媒（ＮＳＲ）

Claims (6)

  1. 理論空燃比に比べて酸素過剰のリーン雰囲気下において排気ガス中のＮＯＸを吸蔵し、排気流れ上流側から供給された還元剤を直接的又は間接的にＮＯＸと反応させてＮＯＸを還元する排気浄化装置を備えた内燃機関の制御装置において、
    筒内空燃比を理論空燃比よりもリーンな空燃比から、理論空燃比或いは理論空燃比よりもリッチな空燃比に一時的に変更するリッチスパイクを実行するリッチスパイク実行手段と、
    排気ポートの圧力よりも吸気ポートの圧力のほうが高くなる運転域では、前記リッチスパイクの実行中、吸気バルブと排気バルブとの間のオーバラップ量を前記リッチスパイクの非実行時に比べて減少させるバルブタイミング制御手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  2. 前記バルブタイミング制御手段は、前記吸気ポートの圧力よりも前記排気ポートの圧力のほうが高くなる運転域では、前記リッチスパイクの実行中、前記吸気バルブと前記排気バルブとの間のオーバラップ量を前記リッチスパイクの非実行時のオーバラップ量に維持することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
  3. 前記バルブタイミング制御手段は、前記排気ポートの圧力よりも前記吸気ポートの圧力のほうが高くなる運転域では、前記吸気ポートの圧力よりも前記排気ポートの圧力のほうが高くなる運転域に比べて、前記リッチスパイクが実行されていないときの前記吸気バルブと前記排気バルブとの間のオーバラップ量を増大させることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
  4. 前記バルブタイミング制御手段は、前記吸気バルブのバルブタイミングの進角に伴わせて前記吸気バルブと前記排気バルブとの間のオーバラップ量を増大させ、前記吸気バルブのバルブタイミングの遅角に伴わせて前記吸気バルブと前記排気バルブとの間のオーバラップ量を減少させることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
  5. 前記排気浄化装置は、ＮＯＸ吸蔵還元型触媒を含み、酸素過剰のリーン雰囲気下において排気ガス中のＮＯＸを前記ＮＯＸ吸蔵還元型触媒に吸蔵し、前記ＮＯＸ吸蔵還元型触媒の排気流れ上流側から供給される還元剤を前記ＮＯＸ吸蔵還元型触媒に吸蔵したＮＯＸと反応させてＮＯＸをＮ２に還元するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
  6. 前記排気浄化装置は、ＮＯＸ吸蔵還元型触媒とその下流に配置された選択還元型触媒とを含むことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
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