JP7359221B2 - 車両用内燃機関の触媒暖機運転制御方法および触媒暖機運転制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、排気系に触媒を備えた車両用内燃機関において、いわゆるリタード燃焼によって触媒の早期暖機を行う触媒暖機運転制御方法および触媒暖機運転制御装置に関する。

特許文献１には、エンジンのバルブタイミング制御装置として、暖機運転中の極低温時にはバルブオーバラップをポジティブオーバラップ（プラスオーバラップとも呼ばれる）とし、極低温でないときにはネガティブオーバラップ（マイナスオーバラップとも呼ばれる）とするようにした構成が開示されている。また、始動時に排出される未燃ＨＣを低減するために、点火時期をリタードしていわゆるリタード燃焼を行うことが開示されている。

この特許文献１は、排気弁側は開時期および閉時期が変化しない固定のバルブタイミングであり、吸気弁側の開時期および閉時期を可変バルブタイミング機構により進角・遅角させることでオーバラップ量を変化させている。

機関始動後、アイドル状態でリタード燃焼を行っている状態から車両の発進要求があると、触媒暖機が未完了であっても、出力確保のために、リタード燃焼を終了もしくはリタード量を縮小せざるを得ない。このような場合に、特許文献１に記載されているような排気弁の閉時期では、シリンダ壁面に付着した液膜に起因する未燃ＨＣが排気弁を通して排気弁閉時期直前に押し出されてしまう（いわゆるＨＣの二次ピーク）ことにより、エンジンアウトＨＣの値が高くなる。

一方、リタード量が大きなリタード燃焼を行っているときに排気弁開時期が過度に早いと、十分に燃焼が進行しない間に排気弁が開くことから、排気弁開時期直後にエンジンアウトＨＣの値が上昇（いわゆるＨＣの一次ピーク）する。

この発明は、車両が触媒暖機完了前にアイドル状態から発進加速へと移行した場合にもＨＣ排出の悪化を最小限とし得る触媒暖機運転制御を提供することを目的としている。

特開２００７－３２４１５号公報

この発明は、一定の作動角でもって排気弁開時期と排気弁閉時期とを変更可能な可変動弁機構を有し、排気弁閉時期が相対的に遅い第１のバルブタイミングと、排気弁閉時期が相対的に早い第２のバルブタイミングと、に制御可能な車両用内燃機関の触媒暖機運転制御方法であって、
第１のバルブタイミングでは排気弁閉時期が上死点後にあり、第２のバルブタイミングでは排気弁閉時期が上死点前にあり、
触媒暖機が未完了のとき、
車両停車中のアイドル時には、燃焼重心が少なくともクランク角で上死点後５０°以降のリタード燃焼となるように燃焼時期を制御するとともに、排気弁開時期が燃焼重心から遅角側に離れるように第１のバルブタイミングとし、
車両の発進加速時には、燃焼重心がクランク角で上死点後２０°～５０°の範囲内のリタード燃焼となるように燃焼時期を制御するとともに、第２のバルブタイミングとし、
車両の走行中は、
内燃機関の負荷と回転速度とに応じて低速低負荷側ほど遅角側となるように目標燃焼重心を設定してリタード燃焼を行い、
所定の高負荷域および高速域を除き、低速低負荷側の領域で第１のバルブタイミングとし、かつ高速高負荷側の領域で第２のバルブタイミングとし、
触媒暖機完了後は、燃焼重心がクランク角で上死点後２０°よりも早期となるようにリタード燃焼を終了するとともに、第１のバルブタイミングとする。

すなわち、触媒暖機が未完了であり負荷が所定負荷より低いとき（例えば車両停車中のアイドル時）には、排気弁開時期が相対的に遅い第１のバルブタイミングとなる。そのため、燃料が十分燃焼してから排気弁が開くことになり、排気弁開時期と燃焼重心とが過度に近いことによるエンジンアウトＨＣの増加が回避される。

触媒暖機が未完了のまま負荷が所定負荷より高くなったとき（例えば車両の発進要求があったとき）には、排気弁閉時期が相対的に早い第２のバルブタイミングとなる。そのため、上死点付近でピストンによって押し出される未燃ＨＣの排出が抑制される。

この発明の一実施例の車両用内燃機関の構成を示す説明図。 （ａ）第１のバルブタイミングと（ｂ）第２のバルブタイミングを示す特性図。 車両停車中のアイドル時に相当する運転条件における第１のバルブタイミングと第２のバルブタイミングによる燃焼重心とＨＣとの関係を示す特性図。 車両発進加速時に相当する運転条件における第１のバルブタイミングと第２のバルブタイミングによる燃焼重心とＨＣとの関係を示す特性図。 内燃機関の負荷と回転速度とに対するバルブタイミングの設定と目標燃焼重心の設定とを示した特性図。 燃焼重心とＨＣとの関係を示す特性図。 排気弁開時期と燃焼重心遅角限界との関係を示す説明図。 触媒暖機運転制御の処理の流れを示すフローチャート。 始動後の触媒暖機運転制御の変化の一例を示すタイムチャート。

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、この発明の一実施例の触媒暖機運転制御が適用される車両用内燃機関１の概略的な構成を示す説明図である。

この内燃機関１は、例えばガソリンを燃料とする４ストロークサイクルの火花点火式内燃機関であって、ピストン１１によって形成される燃焼室１０の天井壁面に、一対の吸気弁５および一対の排気弁１４が配置されているとともに、これらの吸気弁５および排気弁１４に囲まれた中央部に点火プラグ１２が配置されている。

排気弁１４によって開閉される排気通路１５には、排気浄化のために三元触媒などからなる触媒１６，１７が設けられている。上流側の触媒１６は、例えば排気マニホルド出口部に配置される比較的容量の小さなプリ触媒であり、下流側の触媒１７は、例えば車両の床下に配置される比較的容量の大きなメイン触媒である。触媒１６には、当該触媒１６の温度（例えば担体の温度）を検出する触媒温度センサ３７が設けられている。排気通路１５における触媒１６の入口側には、いわゆる排気空燃比を検出するための空燃比センサ１８が設けられている。なお、本実施例では、上流側の触媒１６が触媒活性温度に達したことをもって触媒暖機完了としているが、下流側の触媒１７が触媒活性温度に達することを触媒暖機完了としてもよい。

排気弁１４は、排気側カムシャフト３８によって開閉駆動される。そして、可変動弁機構として、排気側カムシャフト３８とクランクシャフト１３との間の位相関係を変更する排気側可変バルブタイミング機構３９が設けられている。可変バルブタイミング機構３９は、クランクシャフト１３によって定まるクランク角に対してカムシャフト３８の位相を進角もしくは遅角することで、排気弁開時期（ＥＶＯ）と排気弁閉時期（ＥＶＣ）とを一定の作動角のまま変更することができる。

吸気弁５は、吸気側カムシャフト２２によって開閉駆動される。そして、同様に、可変動弁機構として、吸気側カムシャフト２２とクランクシャフト１３との間の位相関係を変更する吸気側可変バルブタイミング機構２３が設けられている。可変バルブタイミング機構２３は、クランクシャフト１３によって定まるクランク角に対してカムシャフト２２の位相を進角もしくは遅角することで、吸気弁開時期（ＩＶＯ）と吸気弁閉時期（ＩＶＣ）とを一定の作動角のまま変更することができる。なお、本発明においては、吸気弁１４が可変動弁機構を具備することは必須ではなく、吸気弁開時期（ＩＶＯ）および吸気弁閉時期（ＩＶＣ）が変化し得ない構成であってもよい。

吸気弁５によって開閉される吸気通路４には、吸気コレクタ３が設けられているとともに、この吸気コレクタ３の入口側にスロットル弁２が設けられている。スロットル弁２の上流側には、吸入空気量を計測するエアフロメータ３２が位置している。スロットル弁２は、エンジンコントローラ３１の出力に基づき電動モータ等のアクチュエータ２１を介して開度が制御される。

また、燃焼室１０内へ燃料を噴射するように、燃料噴射弁７が配置されている。

燃料噴射弁７による燃料噴射量や噴射時期等は、エンジンコントローラ３１によって制御される。すなわち、燃料噴射弁７とエンジンコントローラ３１とによって燃料噴射装置が構成される。点火プラグ１２による点火時期は、同様にエンジンコントローラ３１によって制御される。すなわち、点火プラグ１２とエンジンコントローラ３１とによって点火装置が構成される。触媒暖機制御の上で重要な燃焼時期は、主に点火装置における点火時期によって制御される。

エンジンコントローラ３１は、このほか、排気側可変バルブタイミング機構３９および吸気側可変バルブタイミング機構２３を介して、排気弁１４の開時期（ＥＶＯ）ならびに閉時期（ＥＶＣ）および吸気弁５の開時期（ＩＶＯ）ならびに閉時期（ＩＶＣ）を制御する。

エンジンコントローラ３１には、入力信号として、上述した触媒温度センサ３７や空燃比センサ１８、エアフロメータ３２からの検出信号が入力されているほか、クランク角センサ３３、冷却水温センサ３７、アクセルペダル開度センサ３５等の検出信号が入力されている。アクセルペダル開度センサ３５は、運転者によるアクセルペダル３６の踏込に応じたアクセルペダル開度を検出しており、アクセルペダル開度が０近傍の所定値以下であるときにアイドル状態であると判定することで、いわゆるアイドルスイッチを兼ねている。

本実施例の触媒暖機運転制御は、燃焼重心（Ｍｂ５０）（総熱量の５０％が燃焼した時期）を通常時（つまり触媒暖機完了後）よりもリタードさせたリタード燃焼と、バルブタイミング（主に排気弁１４のバルブタイミング）の可変制御と、の組み合わせにより達成される。

図２は、排気側可変バルブタイミング機構３９と吸気側可変バルブタイミング機構２３とによって実現されるバルブタイミングの特性を示している。

図２の（ａ）の制御状態においては、１８０°ＣＡを越える作動角を有する排気弁１４の開閉時期が排気側可変バルブタイミング機構３９によって相対的に遅角側に制御されており、排気弁閉時期（ＥＶＣ）が上死点（ＴＤＣ）後にあり、排気弁開時期（ＥＶＯ）は下死点（ＢＤＣ）よりも多少進角側にある。吸気弁５の作動角は、例えば１８０°ＣＡ程度となっており、吸気側可変バルブタイミング機構２３によって相対的に進角側に制御されている。これにより、吸気弁開時期（ＩＶＯ）が上死点（ＴＤＣ）よりも僅かに進角側にあり、吸気弁閉時期（ＩＶＣ）が下死点（ＢＤＣ）よりも僅かに進角側にある。以下では、この図２の（ａ）のようなバルブタイミングを、便宜上、吸気弁５側の特性をも含めて、「第１のバルブタイミング」と呼ぶ。この第１のバルブタイミングでは、排気弁閉時期と吸気弁開時期とがいわゆるポジティブオーバラップの関係にある。一例では、排気弁閉時期が上死点後（ＡＴＤＣ）１０°ＣＡ、吸気弁開時期が上死点前（ＢＴＤＣ）１０°ＣＡであり、従って、オーバラップ量が＋２０°ＣＡである。

図２（ｂ）の制御状態においては、排気弁１４のバルブタイミングが相対的に進角側に制御されており、排気弁閉時期（ＥＶＣ）が上死点（ＴＤＣ）前にあり、排気弁開時期（ＥＶＯ）は下死点（ＢＤＣ）よりも大きく進角した位置にある。吸気弁５のバルブタイミングは、相対的に遅角側に制御されており、吸気弁開時期（ＩＶＯ）が上死点（ＴＤＣ）よりも遅角側に位置し、吸気弁閉時期（ＩＶＣ）が下死点（ＢＤＣ）よりも遅角側にある。以下では、この図２の（ｂ）のようなバルブタイミングを、便宜上、吸気弁５側の特性をも含めて、「第２のバルブタイミング」と呼ぶ。この第２のバルブタイミングでは、排気弁閉時期と吸気弁開時期とが重ならないいわゆるネガティブオーバラップの関係にある。一例では、排気弁閉時期が上死点前（ＢＴＤＣ）２５°ＣＡ、吸気弁開時期が上死点後（ＡＴＤＣ）２５°ＣＡであり、従って、オーバラップ量が－５０°ＣＡである。

内燃機関１の始動後、触媒１６の暖機が完了するまでは、触媒１６の暖機促進のために、触媒暖機運転がなされる。この触媒暖機運転においては、車両停止中のアイドル時には、燃焼重心が少なくともクランク角で上死点後Ｒ１以降のリタード燃焼となるように燃焼時期が制御される。Ｒ１は、例えば５０°ＣＡであり、好ましい一例では、燃焼重心がＡＴＤＣ８０°～９０°ＣＡとなるように燃焼時期が制御される。そして、バルブタイミングとして、ポジティブオーバラップである第１のバルブタイミングが選択される。

このように燃焼重心を大きく遅角させることで、排気温度が高く得られ、触媒１６，１７の昇温が促進される。一方、第１のバルブタイミングでは、排気弁閉時期が上死点後にあるため、ＨＣの二次ピークとしてシリンダ壁面に残存した燃料液膜に起因する未燃ＨＣがピストン１１によって上死点付近で排気弁１４を通して押し出される現象が生じる虞がある。しかし、燃焼重心が大きくリタードしていることで、排気温度が高いとともに、いわゆる後燃えが生じ、未燃ＨＣの排出が抑制される。そのため、排気ポートにおけるいわゆるエンジンアウトＨＣが低減し、触媒１６，１７が未暖機状態であっても、外部へ排出されるＨＣは少ない。なお、触媒１６，１７の暖機が進み、同時に燃焼室１０内の温度が上昇するにつれて、燃焼重心をさらにリタードさせるとともに排気弁開時期をさらに遅角させるようにしてもよい。

なお、実施例のように燃焼室１０内へ向けて燃料を噴射する筒内直接噴射式機関では、シリンダ壁面やピストン１１の冠面に燃料が付着しやすいことから、ポート噴射式機関に比較して、ＨＣの二次ピークが顕著となる。

図３は、このような車両停止中のアイドルに相当する運転条件での燃焼重心（Ｍｂ５０）とエンジンアウトＨＣとの関係を示している。なお、大幅なリタード燃焼を前提とすることから、アイドル時であっても機関回転速度は１５００ｒｐｍ前後であり、供給される燃料量ならびに空気量に比較して出力（例えば有効平均圧力）は小さい。図３に示すように、燃焼重心がＡＴＤＣ８０°～９０°ＣＡ付近となる大幅なリタード燃焼では、第１のバルブタイミングの方が第２のバルブタイミングの場合よりもＨＣ排出量が少なくなる。第１のバルブタイミングでは、燃焼重心をリタードさせるに伴ってＡＴＤＣ９０°ＣＡ付近まで単純にＨＣが低下していく傾向を示すが、第２のバルブタイミングでは、ある燃焼重心の値（図示例ではＡＴＤＣ６０°ＣＡ付近）を境にして、逆にＨＣが増加する傾向を示す。これは、後述するように、排気弁開時期が燃焼重心に近付くことで、排気弁開弁直後におけるＨＣの一次ピークの影響が大きくなるためである。従って、図３から明らかなように、アイドル時には、燃焼重心をＡＴＤＣ８０°～９０°ＣＡ付近に制御するとともに第１のバルブタイミングとすることで、エンジンアウトＨＣが最小となる。

触媒暖機運転の途中で運転者がアクセルペダル３６を踏み込んで発進・加速した場合には、発進・加速に必要な出力を確保するために、リタード燃焼におけるリタード量Ｒがアイドル時よりも小さく制限される。触媒暖機運転中の発進加速時には、燃焼重心がクランク角で上死点後Ｒ２～Ｒ１の範囲内（但し、Ｒ２＜Ｒ１である）のリタード燃焼となるように燃焼時期が制御される。Ｒ２は、例えば２０°ＣＡである。好ましい一例では、燃焼重心がＡＴＤＣ３０°付近となるように燃焼時期が制御される。そして、バルブタイミングとして、ネガティブオーバラップである第２のバルブタイミングが選択される。

このような燃焼重心のリタード量Ｒが比較的に小さいリタード燃焼によっても、ある程度の排気温度上昇作用が得られ、必要な出力ないしトルクを確保しつつ触媒１６，１７の昇温が図れる。一方、第２のバルブタイミングでは、排気弁閉時期が上死点前であることから、上死点付近でピストン１１が未燃ＨＣを押し出していくことによるＨＣの二次ピークの影響が少なくなる。また、排気弁開時期におけるＨＣの一次ピークについては、燃焼重心のリタード量Ｒが比較的に小さいことから、排気弁開時期が燃焼重心から十分に離れたものとなり、一次ピークの影響が抑制される。そのため、エンジンアウトＨＣが低減し、触媒１６，１７が未暖機状態であっても、外部へ排出されるＨＣは少ない。

図４は、このような車両の発進加速時に相当する運転条件での燃焼重心（Ｍｂ５０）とエンジンアウトＨＣとの関係を示している。なお、図４では、機関回転速度が例えば１５００ｒｐｍであり、負荷が比較的高い状態を仮定している。図４に示すように、このような運転条件では、燃焼重心がＡＴＤＣ３０°付近となるリタード燃焼では、第２のバルブタイミングの方が第１のバルブタイミングの場合よりもＨＣ排出量が少なくなる。これは、主に、上死点付近で増加する傾向を示す二次ピークのＨＣの影響によるものと考えられる。すなわち、排気弁開時期が上死点後である第１のバルブタイミングでは、上死点付近において開弁中の排気弁１４を通して未燃ＨＣが排出される。そして、アイドル時に比較してリタード量Ｒが小さいことから、後燃えによるＨＣ低減作用が比較的弱く、従って第１のバルブタイミングではエンジンアウトＨＣが増加することとなる。

このように、発進加速時には、リタード量Ｒが比較的小さなリタード燃焼と第２のバルブタイミングとを組み合わせることで、発進加速に必要な出力ないしトルクを確保しつつ触媒１６，１７の昇温を図り、かつエンジンアウトＨＣを最小限とすることができる。

次に、車両の走行中（換言すれば非アイドル時）は、内燃機関１の負荷と回転速度とに応じて低速低負荷側ほどリタード量Ｒが大となるように目標の燃焼重心（Ｍｂ５０）を設定してリタード燃焼を行う。そして、所定の高負荷域および高速域を除き、低速低負荷側の領域で第１のバルブタイミングが選択され、かつ高速高負荷側の領域で第２のバルブタイミングが選択される。

図５は、内燃機関１の負荷と回転速度とをパラメータとして、目標の燃焼重心（Ｍｂ５０）の特性の一例と、第１のバルブタイミングが選択される領域Ａ１，Ａ２，Ａ３および第２のバルブタイミングが選択される領域Ｂと、を示したものである。図中の「３０」「４０」等の数字は、各々の運転点での目標の燃焼重心つまりリタード量Ｒを表している。また、図中の破線ｒ１，ｒ２，ｒ３からなる等高線は、目標とするリタード量Ｒの傾向を示しており、基本的には低速低負荷側ほど目標のリタード量Ｒが大きく設定される。また、低速低負荷側の領域Ａ１では、第１のバルブタイミングとなり、全負荷に近い高負荷領域Ａ２および最大速度に近い高速領域Ａ３においても第１のバルブタイミングとなる。そして、領域Ａ２，Ａ３を除いて、高速高負荷側となる領域Ｂで第２のバルブタイミングとなる。

このようなバルブタイミングの特性は、ＨＣ抑制の観点に加えて燃費の観点を考慮して定められている。リタード量Ｒが比較的小さなリタード燃焼となる車両走行中は、図４で説明したように、ＨＣ抑制の上では第２のバルブタイミングが好ましいが、第２のバルブタイミングでは排気損失が増え、燃費が悪化傾向となるので、ＨＣ抑制のために必要最小限の領域で第２のバルブタイミングとするようにしている。

図５に符号Ｐ１で示す点は、図３のアイドル条件に相当する運転点であり、この点Ｐ１では、前述したように、目標の燃焼重心がＡＴＤＣ８０°～９０°ＣＡ付近となり、かつ第１のバルブタイミングとなる。符号Ｐ２で示す点は、図４で例示した発進加速時に相当する運転点であり、この点Ｐ２では、前述したように、目標の燃焼重心がＡＴＤＣ３０°付近となり、かつ第２のバルブタイミングとなる。なお、車両の発進加速時も車両の走行中（非アイドル時）に含まれるので、運転者のアクセルペダル３６の踏込具合によっては点Ｐ２とは異なる運転点で車両の発進が開始されることもあり、この場合には、その運転点に対応した制御がなされることとなる。点Ｐ２は、典型的な車両の発進加速時の運転点を示している。

ところで、図２（ｂ）には、第２のバルブタイミングとして排気弁閉時期（ＥＶＣ）が上死点前（ＢＴＤＣ）２５°ＣＡであるバルブタイミング特性を示したが、上死点付近での二次ピークの影響の排除と燃費悪化抑制とを両立させるために、第２のバルブタイミングとしたときの排気側可変バルブタイミング機構３９による進角量（つまり排気弁閉時期の進角位置）を内燃機関１の温度（例えば、シリンダ壁温に相関する冷却水温度や潤滑油温など）に応じたものとしてもよい。すなわち、内燃機関１の温度が低いほど進角量が大となるように、排気側可変バルブタイミング機構３９の進角量が設定される。二次ピークとして上死点付近で排出される未燃ＨＣは、シリンダ壁温が低いほど多くなるので、より早期に排気弁１４を閉じることでＨＣ排出がより確実に制限される。他方、内燃機関１の温度が高く二次ピークの未燃ＨＣが少ない場合には、排気弁閉時期および排気弁開時期が相対的に遅くなることで、第２のバルブタイミングとすることによる燃費の悪化が少なくなる。

このように第２のバルブタイミングとしたときの排気側可変バルブタイミング機構３９の進角量を可変制御する場合には、燃焼重心の位置によっては、燃焼重心と排気弁開時期とが過度に近いことにより、ＨＣ排出の一次ピークによるエンジンアウトＨＣの悪化の問題が生じる。以下、これを図６，図７を用いて説明する。

図６は、図２（ｂ）に例示した第２のバルブタイミングにおいて、リタード燃焼の燃焼重心（Ｍｂ５０）とエンジンアウトＨＣとの相関を示している。なお、図示の特性は、説明のための模式的な特性であるが、図３に示した第２のバルブタイミングによるＨＣ排出量特性に概ね対応している。

図６に示すように、燃焼重心が比較的小さくリタードしているところから燃焼重心を徐々にリタードしていくと、ＨＣは徐々に低下していく。これは、リタード燃焼により排気温度が高くなるとともに未燃ＨＣの後燃えが生じるためである。しかしながら、ＨＣは、ある燃焼重心位置（あるリタード量Ｒ）において極小となり、それ以上燃焼重心がリタードすると、逆にＨＣ排出量が増加する傾向となる。これは、図２（ｂ）のように下死点から比較的大きく進角している排気弁開時期に対して燃焼重心が近くなりすぎ、排気弁１４が開いたときのＨＣの一次ピークの影響が大となることによる。つまり、一次ピークの影響による図６に示すようなＨＣの悪化を回避するためには、燃焼重心（Ｍｂ５０）と排気弁開時期（ＥＶＯ）とが近くなりすぎないことが必要である。

図７は、このような観点から定められる第２のバルブタイミング時燃焼重心遅角限界ＲＬｉｍの特性を示している。すなわち、図７の横軸は、第２のバルブタイミングとしたときの排気弁開時期ＥＶＯ（これは排気側可変バルブタイミング機構３９の進角量に伴って変化する）であり、各排気弁開時期ＥＶＯに対して縦軸に示す燃焼重心Ｍｂ５０の遅角限界ＲＬｉｍが定められている。排気弁開時期ＥＶＯが遅れ側にあるほど燃焼重心Ｍｂ５０を遅れ側に設定することが可能であり、従って、燃焼重心遅角限界ＲＬｉｍは、図示するように傾斜した直線として表される。

なお、図６においては、図示するようにＨＣの特性曲線の極小点に対応する燃焼重心Ｍｂ５０が燃焼重心遅角限界ＲＬｉｍとなる。あるいは、多少の余裕を見込んで、ＨＣの極小点よりも僅かに進角側に燃焼重心遅角限界ＲＬｉｍを設定してもよい。

この図７は、排気弁開時期ＥＶＯが上述したように内燃機関１の温度（冷却水温度等）に基づいて設定され、かつ目標の燃焼重心Ｍｂ５０が上述したように内燃機関１の負荷および回転速度に基づいて設定されたときに、図６で説明したような一次ピークの影響によるＨＣの悪化が生じるか否かを示すものとなる。排気弁開時期ＥＶＯと目標燃焼重心Ｍｂ５０との交点となる制御点が図７において燃焼重心遅角限界ＲＬｉｍよりも下側にあれば、図６で説明したような一次ピークの影響によるＨＣの悪化が生じないことを意味する。例えば、図７に符号Ｐ３で示す点に排気弁開時期ＥＶＯと燃焼重心Ｍｂ５０とがあれば、一次ピークの影響によるＨＣの悪化が生じない。

他方、排気弁開時期ＥＶＯと目標燃焼重心Ｍｂ５０との交点となる制御点が図７において燃焼重心遅角限界ＲＬｉｍよりも上側にあれば、燃焼重心が燃焼重心遅角限界ＲＬｉｍよりも遅角側にあり、従って図６で説明したような一次ピークの影響によるＨＣの悪化が生じることを意味する。例えば、図７に符号Ｐ４で示す点に排気弁開時期ＥＶＯと目標の燃焼重心Ｍｂ５０とがあれば、第２のバルブタイミングでは、一次ピークの影響によるＨＣの悪化が生る。

このようなことから、本実施例においては、目標の燃焼重心Ｍｂ５０が第２のバルブタイミングとした場合の排気弁開時期ＥＶＯに対応した燃焼重心遅角限界ＲＬｉｍよりも遅角側にある場合には、第２のバルブタイミングとせずに第１のバルブタイミングを選択する。すなわち、図７において、燃焼重心遅角限界ＲＬｉｍの斜めの直線よりも下側の領域Ｂでは、内燃機関１の負荷および回転速度から定まる第２のバルブタイミングのままとし、燃焼重心遅角限界ＲＬｉｍよりも上側の領域Ａでは、内燃機関１の負荷および回転速度から第２のバルブタイミングが要求されていても第１のバルブタイミングとする。これにより、内燃機関１の温度に応じて排気弁開時期ＥＶＯが進角したときの一次ピークの影響によるＨＣの悪化が回避される。

図８は、エンジンコントローラ３１において実行される触媒暖機運転制御の処理の流れを示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、内燃機関１の運転中、繰り返し実行される。ステップ１では、触媒１６の暖機が完了しているか否か、つまり、触媒１６の温度が所定の活性温度に到達しているか否か、を判定する。触媒１６の暖機が完了していれば、ステップ１１へ進み、通常の燃焼モードとする。この通常燃焼モードでは、特殊な状況を除き、燃焼重心がクランク角で上死点後Ｒ２（例えば２０°ＣＡ）よりも早期となるように燃焼時期が制御されるとともに、バルブタイミングが第１のバルブタイミングとなる。

触媒１６の暖機が未完了である場合は、ステップ２へ進み、車両停止中のアイドル状態であるか否かを判定する。非アイドル時つまり車両の発進時もしくは走行中であれば、ステップ６以降へ進む。アイドル状態であれば、ステップ３へ進み、リタード燃焼における目標の燃焼重心（Ｍｂ５０）を設定する。アイドル時の目標の燃焼重心は、前述したように、例えばＡＴＤＣ８０°～９０°ＣＡである。これは固定値であってもよく、あるいは触媒温度等に基づく多少の補正を加えた値であってもよい。ステップ３に続くステップ４では、排気側可変バルブタイミング機構３９および吸気弁側可変バルブタイミング機構２３を介して、バルブタイミングを第１のバルブタイミングとする。そして、ステップ５へ進み、目標の燃焼重心をＡＴＤＣ８０°～９０°ＣＡとしたリタード燃焼を実行する。

非アイドル時であるときのステップ６では、前述したように、内燃機関１の負荷および回転速度に基づいて、目標の燃焼重心を設定する。このときの燃焼重心は、アイドル時の目標の燃焼重心よりは進角側（つまりリタード量Ｒが小さい）であり、例えばＡＴＤＣ２０°～５０°ＣＡの範囲内で設定される。次に、ステップ７で、内燃機関１の負荷および回転速度に基づき、図５に示した領域を参照して、第１のバルブタイミングとすべき領域であるか否かを判定する。第１のバルブタイミングとすべき領域であれば、ステップ４へ進み、前述したように、排気側可変バルブタイミング機構３９および吸気弁側可変バルブタイミング機構２３を介して、バルブタイミングを第１のバルブタイミングとする。そして、ステップ５へ進み、目標の燃焼重心をステップ６で設定した値（例えばＡＴＤＣ３０°～４０°ＣＡ）としたリタード燃焼を実行する。

ステップ７において第２のバルブタイミングとすべき領域であると判定した場合には、ステップ８へ進み、内燃機関１の温度（例えば冷却水温度）に基づいて第２のバルブタイミングとしたときの目標の排気弁開時期（ＥＶＯ）を決定する。次にステップ９へ進み、ステップ６で設定した目標の燃焼重心がステップ８で決定した排気弁開時期に対応した燃焼重心遅角限界ＲＬｉｍよりも進角側であるか否かを判定する。

目標の燃焼重心が燃焼重心遅角限界ＲＬｉｍよりも進角側であれば、第２のバルブタイミングの利用が可能であるので、ステップ１０へ進み、排気側可変バルブタイミング機構３９および吸気弁側可変バルブタイミング機構２３を介して、バルブタイミングを第２のバルブタイミングとする。そして、ステップ５へ進み、目標の燃焼重心をステップ６で設定した値（例えばＡＴＤＣ３０°～４０°ＣＡ）としたリタード燃焼を実行する。

ステップ９において目標の燃焼重心が燃焼重心遅角限界ＲＬｉｍよりも遅角側であれば、第２のバルブタイミングの利用は好ましくないので、ステップ４へ進み、前述したように排気側可変バルブタイミング機構３９および吸気弁側可変バルブタイミング機構２３を介して、バルブタイミングを第１のバルブタイミングとする。そして、ステップ５へ進み、目標の燃焼重心をステップ６で設定した値（例えばＡＴＤＣ３０°～４０°ＣＡ）としたリタード燃焼を実行する。

次に図９は、内燃機関１の冷間始動から触媒暖機完了に至るまでの触媒暖機運転制御の一例を示したタイムチャートである。図９における（ａ）は、車速変化および触媒１６の温度変化を示している。（ｂ）は、同じく車速変化および点火時期の変化を示している。点火時期の進角度合いは、基本的に燃焼重心の位置に相関しており、点火時期が遅角側にあるほどリタード燃焼におけるリタード量Ｒが大きいことを意味する。（ｃ）では、要求トルクの変化と、触媒暖機完了を示す触媒暖機完了フラグの状態と、バルブタイミングが第１のバルブタイミングであるか第２のバルブタイミングであるか、とを対比して示している。

この図９の例では、内燃機関１を始動した後、車両停止状態のまま時間ｔ１まではアイドル状態である。時間ｔ１において運転者がアクセルペダル３６を踏み込んで発進加速を行い、（ｃ）の要求トルクおよび（ａ）の車速変化に示すように車両の走行がなされる。そして、時間ｔ２において触媒１６の暖機が完了する。この例では、アイドル状態である時間ｔ１までは、大幅なリタード量Ｒを伴うリタード燃焼が行われ、かつバルブタイミングとしては第１のバルブタイミングが選択されている。そして、走行開始後は、負荷つまり要求トルクと機関回転速度に応じた相対的に小さいリタード量Ｒでもってリタード燃焼がなされる。また図示例では、この触媒暖機完了前の走行中の間、第２のバルブタイミングとなる。時間ｔ２以降は、通常の燃焼モードに復帰する。

以上、この発明の一実施例を説明したが、この発明は上記実施例にのみ限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、上記実施例では、吸気弁５側も可変動弁機構を備えているが、吸気弁５側のバルブタイミングが固定のものであってもよい。また、排気弁１４側の可変動弁機構としては、カムシャフトの位相を変化させる可変バルブタイミング機構に限らず、他の形式の機構であってもよい。

また、必ずしも第１のバルブタイミングでポジティブオーバラップとなり第２のバルブタイミングでネガティブオーバラップとなる必要はない。さらに、触媒の暖機完了は、触媒温度センサ３７を用いずに他の手段ないし方法によって判定するようにしてもよい。

Claims (5)

1. 一定の作動角でもって排気弁開時期と排気弁閉時期とを変更可能な可変動弁機構を有し、排気弁閉時期が相対的に遅い第１のバルブタイミングと、排気弁閉時期が相対的に早い第２のバルブタイミングと、に制御可能な車両用内燃機関の触媒暖機運転制御方法であって、
   第１のバルブタイミングでは排気弁閉時期が上死点後にあり、第２のバルブタイミングでは排気弁閉時期が上死点前にあり、
   触媒暖機が未完了のとき、
   車両停車中のアイドル時には、燃焼重心が少なくともクランク角で上死点後５０°以降のリタード燃焼となるように燃焼時期を制御するとともに、排気弁開時期が燃焼重心から遅角側に離れるように第１のバルブタイミングとし、
   車両の発進加速時には、燃焼重心がクランク角で上死点後２０°～５０°の範囲内のリタード燃焼となるように燃焼時期を制御するとともに、第２のバルブタイミングとし、
   車両の走行中は、
   内燃機関の負荷と回転速度とに応じて低速低負荷側ほど遅角側となるように目標燃焼重心を設定してリタード燃焼を行い、
   所定の高負荷域および高速域を除き、低速低負荷側の領域で第１のバルブタイミングとし、かつ高速高負荷側の領域で第２のバルブタイミングとし、
   触媒暖機完了後は、燃焼重心がクランク角で上死点後２０°よりも早期となるようにリタード燃焼を終了するとともに、第１のバルブタイミングとする、
   車両用内燃機関の触媒暖機運転制御方法。
2. 第２のバルブタイミングとしたときの上記可変動弁機構の進角量を、内燃機関の温度が低いほど大きくする、請求項１に記載の車両用内燃機関の触媒暖機運転制御方法。
3. 第２のバルブタイミングとしたときの排気弁開時期が燃焼重心に近付くことによるＨＣ増加を回避するように、第２のバルブタイミング時燃焼重心遅角限界が排気弁開時期毎に予め定められており、
   内燃機関の負荷と回転速度とに応じて設定された燃焼重心が上記第２のバルブタイミング時燃焼重心遅角限界よりも遅角側にあるときは第１のバルブタイミングとする、
   請求項１または２に記載の車両用内燃機関の触媒暖機運転制御方法。
4. 固定もしくは可変制御される吸気弁開時期に対して、第１のバルブタイミングではポジティブオーバラップとなり、第２のバルブタイミングではネガティブオーバラップとなる、
   請求項１～３のいずれかに記載の車両用内燃機関の触媒暖機運転制御方法。
5. 吸気弁と、
   排気弁と、
   排気系に設けられた触媒と、
   一定の作動角でもって排気弁開時期と排気弁閉時期とが変化し、排気弁閉時期が相対的に遅い第１のバルブタイミングと、排気弁閉時期が相対的に早い第２のバルブタイミングと、に制御可能な可変動弁機構と、
   燃焼時期の制御のために点火時期制御が可能な点火装置と、
   を備えた車両用内燃機関の触媒暖機運転制御装置であって、
   第１のバルブタイミングでは排気弁閉時期が上死点後にあり、第２のバルブタイミングでは排気弁閉時期が上死点前にあり、
   触媒暖機が未完了のとき、
   車両停車中のアイドル時には、燃焼重心が少なくともクランク角で上死点後５０°以降のリタード燃焼となるように燃焼時期を制御するとともに、排気弁開時期が燃焼重心から遅角側に離れるように第１のバルブタイミングとし、
   車両の発進加速時には、燃焼重心がクランク角で上死点後２０°～５０°の範囲内のリタード燃焼となるように燃焼時期を制御するとともに、第２のバルブタイミングとし、
   車両の走行中は、
   内燃機関の負荷と回転速度とに応じて低速低負荷側ほど遅角側となるように目標燃焼重心を設定してリタード燃焼を行い、
   所定の高負荷域および高速域を除き、低速低負荷側の領域で第１のバルブタイミングとし、かつ高速高負荷側の領域で第２のバルブタイミングとし、
   触媒暖機完了後は、燃焼重心がクランク角で上死点後２０°よりも早期となるようにリタード燃焼を終了するとともに、第１のバルブタイミングとする、
   車両用内燃機関の触媒暖機運転制御装置。

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