(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な触媒と、
吸気弁と排気弁とのバルブオーバーラップ量を変更可能な可変バルブタイミング機構と、
前記排気通路に燃料を供給する燃料供給手段と
を備え、
前記燃料供給手段は、バルブオーバーラップの発生によって空気が吸入通路から筒内を通って前記排気通路に吹き抜けるスカベンジが発生すると、スカベンジ発生後の最初のサイクルにおいてのみ前記排気通路に燃料を供給する、内燃機関。
【請求項２】
当該内燃機関は複数の気筒を備え、
前記燃料供給手段は、前記複数の気筒のうち少なくとも一部の気筒がスカベンジ発生後の最初の排気行程にあるとき、前記排気通路に燃料を供給する、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記燃料供給手段は、各気筒がスカベンジ発生後の最初の排気行程にあるとき、前記排気通路に燃料を供給する、請求項２に記載の内燃機関。
【請求項４】
スカベンジ量を算出するスカベンジ量算出手段を更に備え、
前記燃料供給手段が前記排気通路に供給する前記燃料の量が、前記スカベンジ量算出手段によって算出されたスカベンジ量の空気に対して当該量の燃料を供給したときに形成される混合気の空燃比が前記触媒に流入する排気ガスの目標空燃比になるような燃料量である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記燃料供給手段は、燃焼室内に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関において、吸気ポート内の圧力が排気ポート内の圧力よりも高いときに吸気弁と排気弁とのバルブオーバーラップを発生させると、空気が吸気通路から筒内を通って排気通路に吹き抜けるスカベンジが発生する。例えば、ターボチャージャのような過給機を備えた内燃機関において、要求トルクに対して吸入空気量が不足している場合、スカベンジが用いられる。スカベンジを発生させることで、排気ガスの掃気量が増加して、過給機のタービンの回転数が高められる。この結果、吸入空気の圧力が高められ、吸入空気量が増大せしめられる。
【０００３】
従来、内燃機関の排気通路において排気浄化触媒の上流側に空燃比センサを設け、この空燃比センサの出力が目標空燃比（例えば理論空燃比（１４．６））に一致するように内燃機関の燃焼室に供給する燃料量を制御するように構成された内燃機関が知られている（例えば特許文献１）。
【０００４】
斯かる制御では、スカベンジ発生中には、吸気通路から筒内を通って排気通路に吹き抜ける空気を含めて排気ガスの平均空燃比が目標空燃比となるように、燃焼室に供給する燃料量が制御される。この場合、スカベンジ発生中には、空気の吹き抜けによって筒内の空気が減少するため、筒内の燃焼空燃比は目標空燃比よりもリッチとなる。したがって、バルブオーバーラップによってスカベンジが発生すると、各気筒では、吸気行程において空気が排気通路に吹き抜け、排気行程において目標空燃比よりもリッチな排気ガスが排気通路に排出される。言い換えれば、各気筒から排出される排気ガスの空燃比は、目標空燃比よりもリーンな空燃比と目標空燃比よりもリッチな空燃比との間で交互に変化する。この場合、全気筒から排出される排気ガスの平均空燃比が目標空燃比から大きくずれることはない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−２３８１１１号公報
【特許文献２】特開２００８−２２３６７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、各気筒において、スカベンジが最初に発生する吸気行程の直前の排気行程では、空気の吹き抜けによって燃焼空燃比が目標空燃比よりもリッチになる前の状態の混合気の燃焼ガス、すなわちほぼ目標空燃比の排気ガスが排出される。したがって、各気筒においてスカベンジが最初に発生するときには、目標空燃比よりもリッチな排気ガスが排気通路に存在しない状態で、空気が排気通路に吹き抜ける。このため、スカベンジ発生直後には、全気筒から排出される排気ガスの平均空燃比が目標空燃比よりもリーンとなり、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が急増する。この結果、排気浄化触媒でのＮＯｘの浄化効率が低下し、排気エミッションが悪化するおそれがある。
【０００７】
また、スカベンジ発生直後には、排気浄化触媒の上流側に配置された上流側空燃比センサの出力が目標空燃比よりもリーンとなる。このため、上流側空燃比センサの出力に基づく空燃比のフィードバック制御が行われると、燃焼室に供給する燃料量が増大される。しかしながら、燃料量を増大させたとしても、排気浄化触媒に到達する排気ガスの空燃比がリッチ側に変化するまでにはタイムラグが生じる。このため、斯かるフィードバック制御によってもスカベンジ発生直後の排気エミッションの悪化を抑制することはできない。
【０００８】
そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、スカベンジ発生直後の排気エミッションの悪化を抑制することができる内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、第１の発明では、排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な触媒と、吸気弁と排気弁とのバルブオーバーラップ量を変更可能な可変バルブタイミング機構と、前記排気通路に燃料を供給する燃料供給手段とを備え、前記燃料供給手段は、バルブオーバーラップの発生によって空気が吸入通路から筒内を通って前記排気通路に吹き抜けるスカベンジが発生すると、スカベンジ発生後の最初のサイクルにおいてのみ前記排気通路に燃料を供給する、内燃機関が提供される。
【００１０】
第２の発明では、第１の発明において、当該内燃機関は複数の気筒を備え、前記燃料供給手段は、前記複数の気筒のうち少なくとも一部の気筒がスカベンジ発生後の最初の排気行程にあるとき、前記排気通路に燃料を供給する。
【００１１】
第３の発明では、第２の発明において、前記燃料供給手段は、各気筒がスカベンジ発生後の最初の排気行程にあるとき、前記排気通路に燃料を供給する。
【００１２】
第４の発明では、第１〜第３のいずれか一つの発明において、当該内燃機関は、スカベンジ量を算出するスカベンジ量算出手段を更に備え、前記燃料供給手段が前記排気通路に供給する前記燃料の量が、前記スカベンジ量算出手段によって算出されたスカベンジ量の空気に対して当該量の燃料を供給したときに形成される混合気の空燃比が前記触媒に流入する排気ガスの目標空燃比になるような燃料量である。
【００１３】
第５の発明では、第１〜第４のいずれか一つの発明において、前記燃料供給手段は、燃焼室内に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、スカベンジ発生直後の排気エミッションの悪化を抑制することができる内燃機関が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の実施形態における内燃機関の概略図である。
【図２】図２は、排気浄化触媒の酸素吸蔵量と排気浄化触媒から流出する排気ガス中のＮＯｘ濃度又はＨＣ、ＣＯ濃度との関係を示す図である。
【図３】図３は、各排気空燃比におけるセンサ印加電圧と出力電流との関係を示す図である。
【図４】図４は、センサ印加電圧を一定にしたときの排気空燃比と出力電流との関係を示す図である。
【図５】図５は、排気弁及び吸気弁の開弁期間の例を概略的に示す図である。
【図６】図６は、スカベンジが発生した場合における各気筒における燃料噴射量並びに排気弁及び吸気弁の弁リフト量のタイムチャートである。
【図７】図７は、本発明の第１実施形態におけるスカベンジ判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図８】図８は、本発明の第１実施形態における燃料供給処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図９】図９は、スカベンジが発生した場合における各気筒における燃料噴射量並びに排気弁及び吸気弁の弁リフト量のタイムチャートである。
【図１０】図１０は、本発明の第２実施形態における燃料供給処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１７】
＜第１実施形態＞
最初に、図１〜図８を参照して本発明の第１実施形態について説明する。
【００１８】
＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本発明の実施形態における内燃機関１００の概略図である。内燃機関１００は、シリンダブロック２とシリンダヘッド４とを含む機関本体１を備える。本実施形態では、内燃機関１００は火花点火式内燃機関である。なお、内燃機関１００は圧縮着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）であってもよい。シリンダブロック２の内部には、シリンダブロック２の内部で往復運動するピストン３が配置されている。
【００１９】
燃焼室５がピストン３とシリンダヘッド４との間に形成されている。シリンダヘッド４には、吸気ポート７及び排気ポート９が形成されている。吸気ポート７及び排気ポート９は燃焼室５に接続されている。吸気弁６が、吸気ポート７の端部に配置され、吸気ポート７を開閉可能に形成されている。排気弁８が、排気ポート９の端部に配置され、排気ポート９を開閉可能に形成されている。また、内燃機関１００は、吸気弁６の開弁時期及び閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構Ｂと、排気弁８の開弁時期及び閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構Ｃとを備える。
【００２０】
内燃機関１００は、燃焼室５に燃料を供給するための燃料噴射弁１１と、燃焼室５において混合気を点火するための点火プラグ１０とを備える。点火プラグ１０はシリンダヘッド４に固定されている。燃料噴射弁１１は、燃焼室５内に燃料を直接噴射するようにシリンダヘッド４の内壁面周辺部に配置されている。すなわち、内燃機関１００は筒内噴射式内燃機関である。また、内燃機関１００は、燃料として理論空燃比が１４．６であるガソリンを用いる。しかしながら、内燃機関１００では、他の燃料を用いてもよい。
【００２１】
内燃機関１００は、過給機であるターボチャージャ１０１を備える。ターボチャージャ１０１は、排気通路に配置されたタービン１０２と、吸気通路に配置されたコンプレッサ１０３と、タービン１０２とコンプレッサ１０３とを接続する軸とを含む。排気の流れによってタービン１０２が回転すると、コンプレッサ１０３も回転して吸入空気の圧力を高める。したがって、ターボチャージャ１０１は、排気ガスのエネルギーを用いて、吸入空気を圧縮して吸入空気量を増大させることができる。
【００２２】
吸気ポート７は、それぞれ、対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結されている。サージタンク１４は、吸気管１５を介してターボチャージャ１０１のコンプレッサ１０３の出口部に連結されている。サージタンク１４とコンプレッサ１０３とを接続する吸気管１５の内部には、スロットル弁駆動アクチュエータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置されている。スロットル弁１８は、スロットル弁駆動アクチュエータ１７によって回動せしめられることで、吸気通路の開口面積を変更することができる。また、コンプレッサ１０３とスロットル弁１８との間の吸気管１５には、ターボチャージャ１０１によって圧縮された吸入空気を冷却する冷却器（インタークーラ）１０６が配置されている。
【００２３】
コンプレッサ１０３の入口部は、吸気管１５を介してエアクリーナ４８に連結されている。エアクリーナ４８とコンプレッサ１０３との間の吸気管１５の内部には、吸入空気量を検出するエアフローメータ１６が配置されている。吸気ポート７、吸気枝管１３、吸気管１５等は、空気を燃焼室５に導く吸気通路を画成する。
【００２４】
一方、各気筒の排気ポート９は、排気マニホルド１９に連結されている。排気マニホルド１９は、各排気ポート９に連結される複数の枝部と、これら枝部が集合した集合部とを有する。排気マニホルド１９の集合部は及びターボチャージャ１０１のタービン１０２の入口部に連結されている。タービン１０２の出口部は排気管２２を介してケーシング２１に連結されている。ケーシング２１は排気浄化触媒２０を内蔵する。ケーシング２１は排気管２３に連結されている。排気ポート９、排気マニホルド１９、排気管２２、２３等は、混合気の燃焼によって生じた排気ガスを燃焼室５から排出する排気通路を画成する。
【００２５】
また、タービン１０２とケーシング２１との間の排気管２２内には排気管２２内を流れる排気ガス（すなわち、排気浄化触媒２０に流入する排気ガス）の空燃比を検出する空燃比センサ４０が配置されている。なお、空燃比センサ４０はタービン１０２の上流側に配置されてもよい。
【００２６】
タービン１０２の上流の排気マニホルド１９とタービン１０２の下流の排気管２２との間には、タービン１０２をバイパスするバイパス通路１０４が配置されている。バイパス通路１０４には、バイパス通路１０４を開閉するバイパス弁であるウエストゲートバルブ１０５が配置されている。ウエストゲートバルブ１０５の開度を調整することによって、タービン１０２を通過する排気ガスの量を調整することができる。したがって、ウエストゲートバルブ１０５を制御することによって吸入空気の圧力（過給圧）を制御することができる。なお、過給圧を制御可能な過給圧制御手段は、ウエストゲートバルブ１０５以外の任意の機構であってもよい。
【００２７】
内燃機関１００は、過給圧を取得する圧力取得手段を備える。圧力取得手段は例えば過給圧センサ５０である。過給圧センサ５０は吸気通路においてスロットル弁１８よりも下流側に配置されている。なお、過給圧は、内燃機関１００の運転状態等から推定されてもよい。
【００２８】
内燃機関１００は、デジタルコンピュータから成る電子制御ユニット３１（ＥＣＵ）を備える。ＥＣＵ３１は、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６及び出力ポート３７を含む。
【００２９】
エアフローメータ１６の出力信号は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。内燃機関１００はアクセルペダル４２を備え、アクセルペダル４２には、負荷センサ４３が接続されている。負荷センサ４３は、アクセルペダル４２の踏込量に比例した出力電圧を発生する。負荷センサ４３の出力電圧は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。
【００３０】
内燃機関１００はクランク角センサ４４を備える。クランク角センサ４４は、クランクシャフトが例えば所定の角度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスは入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３５ではこのクランク角センサ４４の出力パルスから機関回転数が計算される。また、クランク角センサ４４の出力により、クランク角度を検出することができる。過給圧センサ５０及び空燃比センサ４０の出力は、それぞれ、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。
【００３１】
ＥＣＵ３１の出力ポート３７は、対応する駆動回路４５を介して点火プラグ１０、燃料噴射弁１１、スロットル弁駆動アクチュエータ１７、ウエストゲートバルブ１０５及び可変バルブタイミング機構Ｂ、Ｃに接続されている。ＥＣＵ３１は、点火プラグ１０の点火時期、燃料噴射弁１１の燃料噴射時期及び燃料噴射量、スロットル弁１８の開度、ウエストゲートバルブ１０５の開度、吸気弁６の開弁時期及び閉弁時期、並びに排気弁８の開弁時期及び閉弁時期を制御することができる。
【００３２】
＜排気浄化触媒の説明＞
排気浄化触媒２０は、酸素吸蔵能力を有する三元触媒である。具体的には、排気浄化触媒２０は、セラミックから成る担体に、触媒作用を有する貴金属（例えば、白金（Ｐｔ））及び酸素吸蔵能力を有する物質（例えば、セリア（ＣｅＯ2））を担持させたものである。排気浄化触媒２０は、所定の活性温度に達すると、未燃ガス（ＨＣやＣＯ等）と窒素酸化物（ＮＯｘ）とを同時に浄化する触媒作用に加えて、酸素吸蔵能力を発揮する。
【００３３】
排気浄化触媒２０の酸素吸蔵能力によれば、排気浄化触媒２０は、排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーン（リーン空燃比）であるときには排気ガス中の酸素を吸蔵する。一方、排気浄化触媒２０は、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチ（リッチ空燃比）であるときには、排気浄化触媒２０に吸蔵されている酸素を放出する。
【００３４】
排気浄化触媒２０は、触媒作用及び酸素吸蔵能力を有することにより、酸素吸蔵量に応じてＮＯｘ及び未燃ガスの浄化作用を有する。すなわち、図２（Ａ）に示したように、排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比である場合、酸素吸蔵量が少ないときには排気浄化触媒２０により排気ガス中の酸素が吸蔵される。また、これに伴って、排気ガス中のＮＯｘが還元浄化される。また、酸素吸蔵量が多くなると、最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘ近傍の或る吸蔵量（図中のＣｕｐｌｉｍ）を境に排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中の酸素及びＮＯｘの濃度が急激に上昇する。
【００３５】
一方、図２（Ｂ）に示したように、排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比である場合、酸素吸蔵量が多いときには排気浄化触媒２０に吸蔵されている酸素が放出され、排気ガス中の未燃ガスは酸化浄化される。また、酸素吸蔵量が少なくなると、ゼロ近傍の或る吸蔵量（図中のＣｌｏｗｌｉｍ）を境に排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中の未燃ガスの濃度が急激に上昇する。
【００３６】
以上のように、本実施形態において用いられる排気浄化触媒２０によれば、排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比及び酸素吸蔵量に応じて排気ガス中のＮＯｘ及び未燃ガスの浄化特性が変化する。なお、触媒作用及び酸素吸蔵能力を有していれば、排気浄化触媒２０は三元触媒とは異なる触媒であってもよい。
【００３７】
＜空燃比センサの特性＞
空燃比センサ４０は、図３に示したような電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を有する。図３からわかるように、出力電流Ｉは、排気空燃比（Ａ／Ｆ）が高くなるほど（リーンになるほど）、大きくなる。また、各排気空燃比におけるＶ−Ｉ線には、Ｖ軸に平行な領域、すなわちセンサ印加電圧が変化しても出力電流がほとんど変化しない領域が存在する。この電圧領域は限界電流領域と称され、このときの電流は限界電流と称される。図４では、排気空燃比が１８であるときの限界電流領域及び限界電流をそれぞれＷ18、Ｉ18で示している。
【００３８】
図４は、印加電圧を０．４５Ｖ程度で一定にしたときの、排気空燃比と出力電流Ｉとの関係を示す図である。図５からわかるように、空燃比センサ４０では、排気空燃比が高くなるほど（すなわち、リーンになるほど）、空燃比センサ４０からの出力電流Ｉが大きくなる。加えて、空燃比センサ４０は、排気空燃比が理論空燃比であるときに出力電流Ｉが零になるように構成される。したがって、空燃比センサ４０は排気空燃比を連続的に（リニアに）検出することができる。なお、排気空燃比が一定以上に大きくなったとき、或いは一定以下に小さくなったときには、排気空燃比の変化に対する出力電流の変化の割合が小さくなる。なお、空燃比センサ４０は限界電流式以外の空燃比センサであってもよい。
【００３９】
＜基本的な空燃比制御＞
内燃機関１００は空燃比制御装置をさらに備える。空燃比制御装置は、空燃比センサ４０の出力空燃比に基づいて空燃比センサ４０の出力空燃比が目標空燃比となるように、燃焼室５に供給する燃料量、すなわち燃料噴射弁１１からの燃料噴射量をフィードバック制御する。目標空燃比は例えば理論空燃比（１４．６）である。なお、出力空燃比とは、空燃比センサの出力値に相当する空燃比を意味する。
【００４０】
なお、目標空燃比は、一定にされる必要はなく、運転状態等に応じて変更されてもよい。例えば、目標空燃比は、理論空燃比よりもリーンな空燃比と理論空燃比よりもリッチな空燃比との間で交互に切り替えられてもよい。この場合、目標空燃比は、排気浄化触媒２０の下流側に配置された下流側空燃比センサ（図示せず）の出力空燃比に基づいて設定されてもよい。下流側空燃比センサは排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比を検出する。
【００４１】
＜スカベンジの発生＞
ところで、吸気ポート７内の圧力（吸気圧）が排気ポート９内の圧力（排気圧）よりも高いときに吸気弁６と排気弁８とのバルブオーバーラップを発生させると、空気が吸気通路から筒内を通って排気通路に吹き抜けるスカベンジが発生する。なお、吸気弁と排気弁とのバルブオーバーラップとは、吸気弁６の開弁期間と排気弁８の開弁期間とが部分的に重なることを意味する。ＥＣＵ３１によって吸気弁６の可変バルブタイミング機構Ｂ及び排気弁８の可変バルブタイミング機構Ｃの少なくともいずれか一方を制御することによってバルブオーバーラップを発生させると共にバルブオーバーラップ量（すなわち、吸気弁６と排気弁８とが共に開弁されている期間）を変更することができる。具体的には、バルブオーバーラップ量は、吸気弁６の開弁時期を変更すること及び排気弁８の閉弁時期を変更することの少なくともいずれか一方によって変更される。
【００４２】
図５は、排気弁８及び吸気弁６の開弁期間の例を概略的に示す図である。図７（Ａ）に示した例では、排気弁８の閉弁時期と吸気弁６の開弁時期とが排気上死点において一致しており、バルブオーバーラップが発生していない。図７（Ｂ）に示した例では、排気弁８の開弁期間と吸気弁６の開弁期間とが重なっており、バルブオーバーラップが発生している。
【００４３】
例えば、要求トルクに対して吸入空気量が不足している場合、スカベンジが用いられる。スカベンジを発生させることで、排気ガスの掃気量が増加して、ターボチャージャ１０１のタービン１０２の回転数が高められる。この結果、吸入空気の圧力（過給圧）が高められ、吸入空気量が増大せしめられる。
【００４４】
＜スカベンジ発生直後の空燃比制御の問題点＞
スカベンジ発生中には、吸気通路から筒内を通って排気通路に吹き抜ける空気を含めて排気ガスの平均空燃比が目標空燃比となるように、燃焼室５に供給する燃料量が制御される。この場合、スカベンジ発生中には、空気の吹き抜けによって筒内の空気が減少するため、筒内の燃焼空燃比は目標空燃比よりもリッチとなる。したがって、バルブオーバーラップによってスカベンジが発生すると、各気筒では、吸気行程において空気が排気通路に吹き抜け、排気行程において目標空燃比よりもリッチな排気ガスが排気通路に排出される。言い換えれば、各気筒から排出される排気ガスの空燃比は、目標空燃比よりもリーンな空燃比と目標空燃比よりもリッチな空燃比との間で交互に変化する。この場合、全気筒から排出される排気ガスの平均空燃比が目標空燃比から大きくずれることはない。
【００４５】
しかしながら、各気筒において、スカベンジが最初に発生する吸気行程の直前の排気行程では、空気の吹き抜けによって燃焼空燃比が目標空燃比よりもリッチになる前の状態の混合気の燃焼ガス、すなわちほぼ目標空燃比の排気ガスが排出される。したがって、各気筒においてスカベンジが最初に発生するときには、目標空燃比よりもリッチな排気ガスが排気通路に存在しない状態で、空気が排気通路に吹き抜ける。このため、スカベンジ発生直後には、全気筒から排出される排気ガスの平均空燃比が目標空燃比よりもリーンとなり、排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が急増する。この結果、排気浄化触媒２０でのＮＯｘの浄化効率が低下し、排気エミッションが悪化するおそれがある。
【００４６】
また、スカベンジ発生直後には、空燃比センサ４０の出力が目標空燃比よりもリーンとなる。このため、空燃比センサ４０の出力に基づく空燃比のフィードバック制御によって、燃焼室５に供給する燃料量が増大される。しかしながら、燃料量を増大させたとしても、排気浄化触媒２０に到達する排気ガスの空燃比がリッチ側に変化するまでにはタイムラグが生じる。このため、斯かるフィードバック制御によってもスカベンジ発生直後の排気エミッションの悪化を抑制することはできない。
【００４７】
＜スカベンジ発生中の空燃比制御＞
そこで、内燃機関１００では、バルブオーバーラップの発生によってスカベンジが発生すると、スカベンジ発生後の最初のサイクルにおいてのみ排気通路に燃料が供給される。排気通路に供給された燃料が排気浄化触媒２０に到達すると、排気浄化触媒２０に吸蔵されている酸素が放出される。このため、本実施形態では、スカベンジ発生直後に排気通路に燃料を供給することで、スカベンジ発生直後に空気の吹き抜けによって排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が急増することを抑制することができ、ひいてはスカベンジ発生直後の排気エミッションの悪化を抑制することができる。なお、本明細書において、スカベンジ発生後の最初のサイクルとは、スカベンジが最初に発生したときの行程と、この行程に続く三つの行程とから成る一つのサイクルを意味する。
【００４８】
内燃機関１００は、上記の制御を実行するために、排気通路に燃料を供給する燃料供給手段を備える。燃料供給手段は、例えば、筒内に燃料を直接噴射する筒内燃料噴射弁１１である。筒内燃料噴射弁１１は排気行程において燃料を噴射することによって排気通路に燃料（未燃燃料）を供給することができる。なお、燃料供給手段は、排気浄化触媒２０の上流側の排気通路、例えば排気ポート９に配置された排気燃料噴射弁（図示せず）であってもよい。排気燃料噴射弁は排気通路に燃料を直接供給することができる。また、燃料供給手段が排気燃料噴射弁である場合、内燃機関１００はポート噴射式内燃機関であってもよい。この場合、燃料噴射弁は、吸気ポート７内に燃料を噴射するように吸気ポート７の近傍に配置される。
【００４９】
内燃機関１００は、スカベンジ量を算出するスカベンジ量算出手段を更に備える。燃料供給手段が排気通路に供給する燃料の量は、スカベンジ量算出手段によって算出されたスカベンジ量の空気に対して当該量の燃料を供給したときに形成される混合気の空燃比が排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比になるような燃料量である。このことによって、スカベンジ発生直後の排気空燃比を目標空燃比に近付けることができる。
【００５０】
＜タイムチャートを用いたスカベンジ発生中の空燃比制御の説明＞
図６を参照して、上述したような制御について具体的に説明する。図６は、スカベンジが発生した場合における第１気筒、第２気筒、第３気筒及び第４気筒における燃料噴射量並びに排気弁８及び吸気弁６の弁リフト量のタイムチャートである。図６の例では、内燃機関１００は第１気筒、第２気筒、第３気筒及び第４気筒の四つの気筒を備える。また、図６の例では、内燃機関１００の機関回転数は一定とされている。
【００５１】
図６の例では、時刻ｔ１以前にはスカベンジの発生が要求されていないため、各気筒においてバルブオーバーラップはほとんど発生していない。また、時刻ｔ１以前には、各気筒において、各サイクルにおける吸気行程においてのみ、燃料噴射弁１１によって筒内に燃料が噴射される。
【００５２】
時刻ｔ１においてスカベンジの発生が要求されると、各気筒におけるバルブオーバーラップ量が増大せしめられる。図６の例では、可変バルブタイミング機構Ｃで排気弁８の位相角を遅角させると共に、可変バルブタイミング機構Ｂで吸気弁６の位相角を進角させることによってバルブオーバーラップ量が増大せしめられている。なお、本明細書において、位相角とは作用角の中心の角度を意味する。
【００５３】
図６の例では、時刻ｔ２と時刻ｔ３との間の第３気筒の吸気行程において最初にスカベンジが発生する。その後、時刻ｔ３と時刻ｔ４との間の第４気筒の吸気行程においてスカベンジが発生し、時刻ｔ４と時刻ｔ５との間の第２気筒の吸気行程においてスカベンジが発生し、時刻ｔ５と時刻ｔ６との間の第１気筒の吸気行程においてスカベンジが発生する。
【００５４】
各気筒において、スカベンジが最初に発生する吸気行程の直前の排気行程では、空気の吹き抜けによって燃焼空燃比が目標空燃比よりもリッチになる前の状態の混合気の燃焼ガスが排出される。したがって、時刻ｔ１と時刻ｔ２との間の第３気筒の排気行程、時刻ｔ２と時刻ｔ３との間の第４気筒の排気行程、時刻ｔ３と時刻ｔ４との間の第２気筒の排気行程、時刻ｔ４と時刻ｔ５との間の第１気筒の排気行程では、ほぼ目標空燃比の排気ガスが排気通路に排出される。
【００５５】
目標空燃比よりもリッチな排気ガスが排気通路に存在しない状態で、空気が排気通路に吹き抜けると、排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が急増する。そこで、図６の例では、時刻ｔ２と時刻ｔ３との間の第４気筒の排気行程において、すなわちスカベンジ発生後の全気筒における最初の排気行程において、燃料噴射弁１１によって筒内に燃料が噴射される。この結果、排気通路に燃料が供給される。このときに排気通路に供給される燃料の量は、スカベンジ発生後の最初のサイクルの各気筒においてスカベンジによって吹き抜ける空気の量（スカベンジ量）を全気筒について合計した推定値を、排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比（例えば理論空燃比（１４．６））で除算した値である。なお、スカベンジ発生後の最初のサイクルとは、図６の例では、時刻ｔ２〜時刻ｔ６までの間の各気筒における１つのサイクルである。
【００５６】
上記の量の燃料を排気通路に供給することによって、スカベンジ発生後の最初のサイクルにおいて各気筒から空気が吹き抜けたとしても、排気空燃比を目標空燃比に近付けることができる。この結果、スカベンジ発生直後に排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が急増することが抑制され、ひいてはスカベンジ発生直後の排気エミッションの悪化が抑制される。
【００５７】
なお、燃料はスカベンジ発生後の最初のサイクルにおける第４気筒以外の排気行程において排気通路に供給されてもよい。具体的には、燃料は、時刻ｔ３と時刻ｔ４との間の第２気筒における排気行程、時刻ｔ４と時刻ｔ５との間の第１気筒における排気行程、又は時刻ｔ５と時刻ｔ６との間の第３気筒における排気行程において排気通路に供給されてもよい。すなわち、本実施形態では、燃料供給手段は、複数の気筒のうち少なくとも一部の気筒がスカベンジ発生後の最初の排気行程にあるとき、排気通路に燃料を供給する。
【００５８】
図６の例では、スカベンジ発生後の最初のサイクルの後、すなわち時刻ｔ６の後もスカベンジが発生し続けている。例えば、時刻ｔ６と時刻ｔ７との間の第３気筒の吸気行程においてスカベンジが発生している。しかしながら、この吸気行程の直前の第３気筒の排気行程では、空気の吹き抜けによって筒内の燃焼空燃比がリッチとされた排気ガスが排出される。したがって、スカベンジ発生後の最初のサイクル以降では、目標空燃比よりもリッチな排気ガスが排気通路に存在する状態で各気筒から空気が吹き抜けるため、空気の吹き抜けによって排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が急増することが抑制される。
【００５９】
なお、空燃比制御装置はスカベンジ発生後の目標空燃比をスカベンジ発生前の目標空燃比よりもリッチとしてもよい。このことによって、スカベンジ発生中の筒内の燃焼空燃比がよりリッチとなるため、スカベンジ発生後の最初のサイクル以降において、排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量の急増をより効果的に抑制することができる。
【００６０】
＜スカベンジ発生中の空燃比制御の制御ルーチン＞
次に、図７及び図８のフローチャートを参照して、スカベンジ発生中の空燃比制御について詳細に説明する。図７は、本発明の第１実施形態におけるスカベンジ判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、スカベンジの発生を判定すべく、一定時間間隔の割り込みによって実行される。
【００６１】
最初に、ステップＳ１１において吸気弁変位量ＩＶＡが取得される。吸気弁変位量ＩＶＡとは、吸気弁６の開弁時期の初期値からの変化量である。吸気弁変位量ＩＶＡの符号は、吸気弁６の開弁時期が初期値から進角された場合には正とされ、吸気弁６の開弁時期が初期値から遅角された場合には負とされる。
【００６２】
次いで、ステップＳ１２において排気弁変位量ＥＶＡが取得される。排気弁変位量ＥＶＡとは、排気弁８の閉弁時期の初期値からの変化量である。排気弁変位量ＥＶＡの符号は、排気弁８の閉弁時期が初期値から遅角された場合には正とされ、排気弁８の閉弁時期が初期値から進角された場合には負とされる。
【００６３】
次いで、ステップＳ１３では、吸気弁６と排気弁８とのバルブオーバーラップ量が算出される。バルブオーバーラップ量ＶＯＡは例えば下記式（１）により算出される。
ＶＯＡ＝ＩＮＴ＋ＩＶＡ＋ＥＶＡ      …（１）
ここで、ＩＮＴはバルブオーバーラップ量の初期値を表している。
【００６４】
次いで、ステップＳ１４において、ステップＳ１３において算出されたバルブオーバーラップ量ＶＯＡが予め定められたバルブオーバーラップ基準量ＶＯＡｒｅｆ以上であるか否かが判定される。バルブオーバーラップ基準量ＶＯＡｒｅｆは、スカベンジの発生が推定されるバルブオーバーラップ量の最小値であり、実験又は計算によって算出される。バルブオーバーラップ量ＶＯＡがバルブオーバーラップ基準量ＶＯＡｒｅｆ以上であると判定された場合、ステップＳ１５へと進む。ステップＳ１５では、スカベンジ判定フラグＦｓが１に設定される。スカベンジ判定フラグＦｓは、スカベンジが発生していないと推定される場合にはゼロに設定され、スカベンジが発生していると推定される場合には１に設定される。ステップＳ１５の後、本制御ルーチンは終了する。
【００６５】
一方、ステップＳ１４において、バルブオーバーラップ量ＶＯＡがバルブオーバーラップ基準量ＶＯＡｒｅｆ未満であると判定された場合、ステップＳ１６へと進む。ステップＳ１６では、スカベンジ判定フラグＦｓがゼロに設定される。ステップＳ１６の後、本制御ルーチンは終了する。
【００６６】
図８は、本発明の第１実施形態における燃料供給処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、一定時間間隔の割り込みによって実行される。
【００６７】
最初にステップＳ２１において、スカベンジ判定フラグＦｓが取得される。次いで、ステップＳ２２において、スカベンジ判定フラグＦｓがゼロから１に変化したか否かが判定される。前回の制御ルーチンのステップＳ２１において取得したスカベンジ判定フラグＦｓがゼロであり、今回の制御ルーチンのステップＳ２１において取得したスカベンジ判定フラグＦｓが１である場合、スカベンジ判定フラグＦｓがゼロから１に変化したと判定され、ステップＳ２３へと進む。一方、スカベンジ判定フラグＦｓがゼロから１に変化しなかったと判定された場合、排気通路への燃料供給が実施されることなく、本制御ルーチンは終了する。
【００６８】
ステップＳ２３では、一気筒当たりのスカベンジ量ＳＢＡが算出される。スカベンジ量ＳＢＡは、例えば、バルブオーバーラップ量ＶＯＡと、吸気圧と排気圧との差圧と、機関回転数と、吸入空気量とに基づいて算出される。バルブオーバーラップ量ＶＯＡは、図７の制御ルーチンのステップＳ１３において算出される。機関回転数はクランク角センサ４４の出力から算出され、吸入空気量はエアフローメータ１６によって検出される。
【００６９】
吸気圧は、例えば、過給圧センサ５０によって直接検出され、又はスロットル弁１８下流側の吸気通路に設けられた吸気温センサの出力、エアフローメータ１６の出力、スロットル弁１８の開度等に基づく公知のモデル計算によって算出される。排気圧は、例えば、排気マニホルド１９に設けられた排気圧センサによって直接検出され、又は機関回転数及び吸気圧の関数として示されたマップに基づいて算出される。具体的には、上記マップでは、排気圧は、機関回転数が高いほど高くなるものとして示され、吸気圧が高いほど高くなるものとして示される。
【００７０】
また、スカベンジ量ＳＢＡは、バルブオーバーラップ量ＶＯＡ、吸気圧と排気圧との差圧、機関回転数及び吸入空気量の関数として示されたマップに基づいて算出されてもよい。具体的には、上記マップでは、スカベンジ量ＳＢＡは、バルブオーバーラップ量ＶＯＡが大きいほど多くなるものとして示され、吸気圧と排気圧との差圧が大きいほど多くなるものとして示され、機関回転数が低いほど多くなるものとして示され、吸入空気量が多いほど多くなるものとして示される。
【００７１】
次いで、ステップＳ２４では、排気通路に供給される燃料の量である供給燃料量ＳＦＡが算出される。供給燃料量ＳＦＡは例えば下記式（２）により算出される。
ＳＦＡ＝ＳＢＡ／ＴＡＦ×ＣＮ      …（２）
ここで、ＴＡＦは、排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比（例えば理論空燃比（１４．６））を表し、ＣＮは内燃機関１００の気筒数を表している。
【００７２】
次いで、ステップＳ２５において、ステップＳ２４において算出された供給燃料量ＳＦＡの燃料が燃料供給手段によって排気通路に供給される。燃料供給手段は筒内燃料噴射弁１１又は排気燃料噴射弁である。燃料はスカベンジ発生後の最初のサイクルにおいてのみ排気通路に供給される。例えば、燃料は、複数の気筒のうち少なくとも一部の気筒がスカベンジ発生後の最初の排気行程にあるとき、排気通路に供給される。なお、燃料はスカベンジ発生後の最初のサイクルにおいて複数回排気通路に供給されてもよい。この場合、一回の燃料供給において、供給燃料量ＳＦＡを供給回数で除算した量の燃料が排気通路に供給される。ステップＳ２５の後、本制御ルーチンは終了する。
【００７３】
＜第２実施形態＞
次に、図９及び図１０を参照して本発明の第２実施形態について説明する。なお、第２実施形態の内燃機関の構成及び制御は基本的に第１実施形態の内燃機関と同様であるため、以下の説明では、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００７４】
スカベンジ発生後の最初のサイクルにおいて排気通路に供給される燃料が少ないと、供給された燃料によって排気浄化触媒２０から放出される酸素の量が少なくなるため、空気の吹き抜けによって排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が急増することを効果的に抑制することができない。一方、スカベンジ発生後の最初のサイクルにおいて一度に多量の燃料が排気通路に供給されると、排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が急激に減少するため、未燃ガスが排気浄化触媒２０から流出するおそれがある。
【００７５】
そこで、第２実施形態では、燃料供給手段は、各気筒がスカベンジ発生後の最初の排気行程にあるとき、排気通路に燃料を供給する。各排気行程において供給される燃料の量は、スカベンジ発生後の最初のサイクルにおいて各気筒においてスカベンジによって吹き抜ける空気の量（スカベンジ量）の推定値を、排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比（例えば理論空燃比（１４．６））で除算した値である。第２実施形態では、各気筒から空気が吹き抜けるタイミングで、スカベンジ量に応じた適切な量の燃料が供給されるため、スカベンジ発生直後の排気エミッションをより効果的に抑制することができる。
【００７６】
＜タイムチャートを用いたスカベンジ発生中の空燃比制御の説明＞
図９を参照して、上述したような制御について具体的に説明する。図９は、スカベンジが発生した場合における第１気筒、第２気筒、第３気筒及び第４気筒における燃料噴射量並びに排気弁８及び吸気弁６の弁リフト量のタイムチャートである。図９の例では、内燃機関１００は第１気筒、第２気筒、第３気筒及び第４気筒の四つの気筒を備える。また、図９の例では、内燃機関１００の機関回転数は一定とされている。
【００７７】
図９の例では、時刻ｔ１以前にはスカベンジの発生が要求されていないため、各気筒においてバルブオーバーラップはほとんど発生していない。また、時刻ｔ１以前には、各気筒において、各サイクルにおける吸気行程においてのみ、燃料噴射弁１１によって筒内に燃料が噴射される。
【００７８】
時刻ｔ１においてスカベンジの発生が要求されると、各気筒におけるバルブオーバーラップ量が増大せしめられる。図９の例では、時刻ｔ２と時刻ｔ３との間の第３気筒の吸気行程において最初にスカベンジが発生する。その後、時刻ｔ３と時刻ｔ４との間の第４気筒の吸気行程においてスカベンジが発生し、時刻ｔ４と時刻ｔ５との間の第２気筒の吸気行程においてスカベンジが発生し、時刻ｔ５と時刻ｔ６との間の第１気筒の吸気行程においてスカベンジが発生する。
【００７９】
また、時刻ｔ２と時刻ｔ３との間の第４気筒の排気行程、時刻ｔ３と時刻ｔ４との間の第２気筒の排気行程、時刻ｔ４と時刻ｔ５との間の第１気筒の排気行程、及び時刻ｔ５と時刻ｔ６との間の第３気筒の排気行程において、すなわちスカベンジ発生後の各気筒における最初の排気行程において、燃料噴射弁１１によって筒内に燃料が噴射される。この結果、排気通路に燃料が供給される。
【００８０】
図９の例では、時刻ｔ２と時刻ｔ３との間、第３気筒の吸気行程ではスカベンジが発生し、第４気筒の排気行程では燃料が噴射される。時刻ｔ３と時刻ｔ４との間、第４気筒の吸気行程ではスカベンジが発生し、第２気筒の排気行程では燃料が噴射される。時刻ｔ４と時刻ｔ５との間、第２気筒の吸気行程ではスカベンジが発生し、第１気筒の排気行程では燃料が噴射される。時刻ｔ５と時刻ｔ６との間、第１気筒の吸気行程ではスカベンジが発生し、第３気筒の排気行程では燃料が噴射される。この結果、第３気筒から空気が吹き抜けると、第４気筒から燃料が供給され、第４気筒から空気が吹き抜けると、第２気筒から燃料が供給され、第２気筒から空気が吹き抜けると、第１気筒から燃料が供給され、第１気筒から空気が吹き抜けると、第３気筒から燃料が供給される。したがって、スカベンジ発生直後の各気筒からの空気の吹き抜けによって排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が急増することを効果的に抑制することができる。
【００８１】
また、各排気行程において排気通路に供給される燃料の量は、スカベンジ発生後の最初のサイクルの各気筒においてスカベンジによって吹き抜ける空気の量（スカベンジ量）の推定値を、排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比（例えば理論空燃比（１４．６））で除算した値である。このことによって、スカベンジ発生直後の排気空燃比を目標空燃比に近付けることができる。なお、スカベンジ発生後の最初のサイクルとは、図９の例では、時刻ｔ２〜時刻ｔ６までの間の各気筒における１つのサイクルである。
【００８２】
＜スカベンジ発生中の空燃比制御の制御ルーチン＞
次に、図７及び図１０のフローチャートを参照して、第２実施形態におけるスカベンジ発生中の空燃比制御について詳細に説明する。第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、スカベンジの発生を判定すべく、図７に示した制御ルーチンが実行される。
【００８３】
図１０は、本発明の第２実施形態における燃料供給処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、一定時間間隔の割り込みによって実行される。
【００８４】
ステップＳ３１〜ステップＳ３３は、図８におけるステップＳ２１〜ステップＳ２３と同様であることから説明を省略する。
【００８５】
ステップＳ３３の後のステップＳ３４では、排気通路に供給される燃料の量である供給燃料量ＳＦＡが算出される。供給燃料量ＳＦＡは例えば下記式（３）により算出される。
ＳＦＡ＝ＳＢＡ／ＴＡＦ      …（３）
ここで、ＴＡＦは、排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比（例えば理論空燃比（１４．６））を表している。
【００８６】
次いで、ステップＳ３５において、ステップＳ３４において算出された供給燃料量ＳＦＡの燃料が燃料供給手段によって排気通路に供給される。燃料供給手段は筒内燃料噴射弁１１又は排気燃料噴射弁である。燃料は、各気筒がスカベンジ発生後の最初の排気行程にあるとき、排気通路に供給される。ステップＳ３５の後、本制御ルーチンは終了する。
【００８７】
なお、上述した全ての制御は内燃機関１００のＥＣＵ３１によって制御される。
【００８８】
以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。
【符号の説明】
【００８９】
１    機関本体
５    燃焼室
６    吸気弁
８    排気弁
１１    燃料噴射弁
１８    スロットル弁
２０    排気浄化触媒
３１    ＥＣＵ
４０    空燃比センサ
１００    内燃機関
Ｂ、Ｃ    可変バルブタイミング機構
【図１】
0006365426.tif 000002
【図２】
0006365426.tif 000003
【図３】
0006365426.tif 000004
【図４】
0006365426.tif 000005
【図５】
0006365426.tif 000006
【図６】
0006365426.tif 000007
【図７】
0006365426.tif 000008
【図８】
0006365426.tif 000009
【図９】
0006365426.tif 000010
【図１０】
0006365426.tif 000011