(57)【要約】【課題】本発明は、排気浄化触媒が未活性状態にあるときの排気エミッション向上と排気浄化触媒の早期活性を図ることを課題とする。【解決手段】本発明は、吸排気弁（８，９）の開弁特性を変更可能な可変動弁機構（１０，１１）と、排気系に設けられた排気浄化触媒（２１）と、排気浄化触媒（２１）下流の排気系に設けられた排気絞り弁（２）とを備えた内燃機関（１）を制御する方法であって、排気絞り弁（２２）より上流の排気系に存在する酸素を利用して内燃機関（１）が運転されるように可変動弁機構（１０．１１）及び排気絞り弁（２２）を制御することにより、大気中への排気放出を規制しつつ排気浄化触媒（２１）の速やかな昇温を図る。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒が未活性状態であるか否かを判別し、
前記排気浄化触媒が未活性状態にあるときには、吸気弁が閉弁状態を維持し且つ排気弁が吸気行程及び排気行程で開弁作動するように可変動弁機構を制御するとともに前記排気浄化触媒より下流の排気通路に設けられた排気絞り弁を閉弁状態に制御する触媒活性制御を実行することを特徴とする内燃機関の制御方法。
【請求項２】
前記排気浄化触媒より下流の排気温度が前記排気浄化触媒より上流の排気温度以上となったときに、前記触媒活性制御の実行を終了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方法。
【請求項３】
前記排気通路に設けられた酸素濃度センサの検出値に基づいて排気絞り弁上流の排気通路に残存する酸素量を求め、残存酸素量が所定量未満になったときは、前記排気絞り弁を一時的に開弁させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御方法。
【請求項４】
前記排気通路に設けられた酸素濃度センサの検出値に基づいて排気絞り弁上流の排気通路に残存する酸素量を求め、残存酸素量が所定量未満になったときは、前記排気絞り弁を所定開度開弁させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御方法。
【請求項５】
前記触媒活性制御を実行するときは、遠心過給器のウェストゲートバルブを全開に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方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変動弁機構を備えた内燃機関に関し、特に排気系に設けられた排気浄化触媒の早期活性に有効な内燃機関の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両などに搭載される内燃機関としては、可変動弁機構を備えたものが広く知られている。可変動弁機構を備えた内燃機関においては、可変動弁機構を利用して冷間時の触媒活性や始動性向上等を図ろうとする技術が種々提案されている（たとえば、特許文献１を参照）。
【特許文献１】特開２０００−１３０１９４号公報
【特許文献２】特許第２７７５１９５号公報
【特許文献３】特開２００１−１８２５７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、近年では排気エミッションに対する規制が強化されてきており、上記したような従来の技術では今後の規制強化に対応することが難しくなってきている。
【０００４】
本発明は、上記したような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は可変動弁機構を備えた内燃機関において触媒未活性時の早期活性化と排気エミッションの一層の向上を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は上記課題を解決するために以下のような手段を採用した。すなわち、本発明は、吸排気弁の開弁特性を変更可能な可変動弁機構と、排気系に設けられた排気浄化触媒と、排気浄化触媒下流の排気系に設けられた排気絞り弁とを備えた内燃機関を制御する方法であって、排気絞り弁より上流の排気系に存在する酸素を利用して内燃機関が運転されるように可変動弁機構及び排気絞り弁を動作させるための触媒活性制御を行うことにより、大気中への排気放出を規制しつつ排気温度を高めることを要旨とする。
【０００６】
排気絞り弁より上流の排気系に存在する酸素を利用して内燃機関を運転させる方法としては、吸気弁を閉弁保持し且つ排気弁が吸気行程及び排気行程で開弁動作するように可変動弁機構を制御するとともに、排気絞り弁を閉弁させる方法を例示することができる。
【０００７】
吸気行程の気筒において吸気弁が閉弁保持され且つ排気弁が開弁させられると、排気絞り弁上流の排気系に存在するガスの一部が気筒内に流入する。気筒内へ流入したガスは燃料の燃焼に供され、その後の排気行程時に再び排気系へ排出される。前記気筒から排出された既燃ガスは大気中へ放出されることなく排気絞り弁上流の排気系に留まる。排気絞り弁上流の排気系に存在するガス及び排気浄化触媒は、該排気系に留まっている既燃ガスの熱を受けて昇温する。
【０００８】
前記気筒の後に他の気筒の吸排気弁が同様に動作すると、排気絞り弁上流の排気系で高温となったガスが前記他の気筒に吸入されて燃焼に供されることになる。このため、前記他の気筒の排気行程時に該気筒から排出される既燃ガスは先の気筒より高温な既燃ガスと
なる。前記他の気筒から排出された既燃ガスも排気絞り弁上流の排気系に留まるため、該排気系に存在するガス及び排気浄化触媒が更に昇温する。
【０００９】
このような動作が複数の気筒で行われ、あるいは複数のサイクルで繰り返されると、排気絞り弁上流の排気系においてガス及び排気浄化触媒の温度が速やかに昇温する。更に、排気浄化触媒の昇温過程で内燃機関から排出される既燃ガスは大気中へ放出されないため、排気エミッションの悪化も防止される。
【００１０】
従って、排気浄化触媒が未活性状態にあるときに排気エミッションの悪化を抑制しつつ排気浄化触媒の早期活性を図ることが可能となる。
【００１１】
また、排気浄化触媒が未活性状態にあるときには内燃機関が暖機完了前の冷間状態にある可能性がある。内燃機関が冷間状態にあるときは吸気温度が低くなり易いため、燃料が気化（霧化）し難くい。これに対し、本発明に係る内燃機関では、排気絞り弁上流の排気系で高温となったガスを吸気の代わりに用いるため、燃料が気化（霧化）し易くなるという利点もある。
【００１２】
尚、触媒活性制御は、排気浄化触媒の少なくとも一部が活性したときに終了されるようにしてもよい。
【００１３】
排気浄化触媒の少なくとも一部が活性したか否かを判別する方法としては、排気浄化触媒の床温が所定温度以上となった場合に排気浄化触媒の少なくとも一部が活性したと判定する方法、排気浄化触媒下流の排気温度が排気浄化触媒上流の排気温度以上となった場合に排気浄化触媒の少なくとも一部が活性した判定する方法、あるいは触媒活性制御の実行時間が所定時間以上となった場合に排気浄化触媒の少なくとも一部が活性したと判定する方法などを例示することができる。
【００１４】
ところで、排気浄化触媒の少なくとも一部が活性する前に、排気絞り弁上流の排気系に残存する酸素量が内燃機関の運転に必要な酸素量を下回ると、内燃機関の運転を継続することができなくなる。これに対し、排気絞り弁上流の排気系に残存する酸素量が所定量を下回った場合は、排気絞り弁を一時的に開弁させ、若しくは排気絞り弁を僅かに開弁させた状態を維持することにより、排気絞り弁上流の排気系へ酸素を補給するようにしてもよい。
【００１５】
排気絞り弁上流の排気系に残存する酸素量を検出する方法としては、酸素センサや空燃比センサの検出値から推定する方法を例示することができる。
【００１６】
また、本発明に係る内燃機関が遠心過給器を具備している場合は、触媒活性制御の実行中に遠心過給器のウェストゲートバルブを全開にすることが好ましい。
【００１７】
これは、遠心過給器のタービンハウジングは熱容量が大きいため、排気の全てがタービンハウジングを通過すると、排気の熱がタービンハウジングに奪われてしまい、排気絞り弁上流の排気系においてガス温度が上昇し難くなるからである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、排気浄化触媒が未活性状態にあるときの排気エミッションを向上させつつ排気浄化触媒の早期活性化を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。
図１は本発明を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。図１において内燃機関１は４ストロークサイクルのレシプロエンジンである。
【００２０】
内燃機関１のシリンダヘッド２には、燃焼室３内へ直接燃料を噴射する燃料噴射弁４と、燃焼室３内で火花を発生する点火栓５が設けられている。
【００２１】
シリンダヘッド２には、燃焼室３に連通する吸気ポート６と排気ポート７が形成されている。吸気ポート６は吸気弁８によって開閉され、排気ポート７は排気弁９によって開閉されるようになっている。吸気弁８及び排気弁９は、吸気側可変動弁機構１０及び排気側可変動弁機構１１によって開閉駆動される。
【００２２】
吸気側可変動弁機構１０及び排気側可変動弁機構１１は、吸気弁８及び排気弁９の開弁特性、特に開閉タイミングを任意に変更可能な動弁機構である。このような動弁機構としては、電動モータにより弁を開閉駆動する機構、電磁力により弁を開閉駆動する機構、あるいは油圧により弁を開閉駆動する機構などを例示することができる。
【００２３】
シリンダヘッド２には前記吸気ポート６に連通するインテークマニフォルド１２が取り付けられている。インテークマニフォルド１２はサージタンク１３を介してインテークパイプ１４と連通している。
【００２４】
インテークパイプ１４は遠心過給器（ターボチャージャ）１５のコンプレッサハウジング１５１に接続されている。コンプレッサハウジング１５１には吸気ダクト１６が接続されている。インテークパイプ１４の途中にはインタークーラ１７が設けられ、インタークーラ１７より下流のインテークパイプ１４にはスロットル弁１８が設けられている。
【００２５】
シリンダヘッドには前記排気ポート７に連通するエキゾーストマニフォルド１９が取り付けられている。エキゾーストマニフォルド１９は遠心過給器１５のタービンハウジング１５２に接続されている。タービンハウジング１５２にはエキゾーストパイプ２０が接続されている。
【００２６】
エキゾーストパイプ２０の途中には排気浄化触媒２１が配置されている。排気浄化触媒２１より下流のエキゾーストパイプ２０には排気絞り弁２２が設けられている。
【００２７】
エキゾーストパイプ２０における排気浄化触媒２１と排気絞り弁２２との間には酸素濃度センサ２３が取り付けられている。
【００２８】
排気浄化触媒２１より上流のエキゾーストパイプ２０には上流側排気温度センサ２４が設けられ、排気浄化触媒２１より下流であって前記酸素濃度センサ２３より上流のエキゾーストパイプ２０には下流側排気温度センサ２５が設けられている。
【００２９】
また、エキゾーストマニフォルド１９とエキゾーストパイプ２０はタービンハウジング１５２を迂回するバイパス通路２６によって連通しており、そのバイパス通路２６にはウェストゲートバルブ２７が設けられている。
【００３０】
上記したように構成された内燃機関１には、電子制御ユニット（ＥＣＵ）２８が併設されている。ＥＣＵ２８は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭ等から構成される算術論理演算回路である。
【００３１】
ＥＣＵ２８は、酸素濃度センサ２３、上流側排気温度センサ２４、及び下流側排気温度センサ２５と電気的に接続され、これら各種センサの出力信号を入力することが可能とな
っている。
【００３２】
ＥＣＵ２８は、燃料噴射弁４、点火栓５、吸気側可変動弁機構１０、排気側可変動弁機構１１、スロットル弁１８、排気絞り弁２２、及びウェストゲートバルブ２７と電気的に接続され、これらを制御することが可能となっている。
【００３３】
本実施例では、ＥＣＵ２８は、冷間始動時から暖機運転完了までの期間のように排気浄化触媒２１が未活性状態にあるときに、触媒活性制御を実行する。
【００３４】
触媒活性制御では、ＥＣＵ２８は、排気絞り弁２２より上流の排気系（この場合は、すなわち、排気ポート７、エキゾーストマニフォルド１９、タービンハウジング１５２、バイパス通路２６、エキゾーストパイプ２０における排気絞り弁２２より上流の部位、及び排気浄化触媒２１を含む）に存在する酸素を利用して内燃機関１を運転させるべく、吸気側可変動弁機構１０、排気側可変動弁機構１１、及び排気絞り弁２２を制御する。
【００３５】
以下、触媒活性制御について図２に基づいて具体的に説明する。図２は、触媒活性制御ルーチンを示すフローチャート図である。触媒活性制御ルーチンは、予めＥＣＵ２８のＲＯＭに記憶されているルーチンであり、ＥＣＵ２８によって所定時間毎に繰り返し実行されるルーチンである。
【００３６】
触媒活性制御ルーチンでは、ＥＣＵ２８は先ずＳ１０１において触媒活性フラグが“１”以外の値であるか否かを判別する。触媒活性フラグはＥＣＵ２８のＲＡＭに予め設けられた記憶領域であり、排気浄化触媒２１が活性状態にあるときは“１”が記憶され、排気浄化触媒２１が未活性状態にあるときは“０”が記憶される。
【００３７】
前記Ｓ１０１において触媒活性フラグが“１”であると判定された場合は、ＥＣＵ２８は本ルーチンの実行を終了する。
【００３８】
前記Ｓ１０１において触媒活性フラグが“１”ではない（すなわち、触媒活性フラグが“０”である）と判定された場合は、ＥＣＵ２８はＳ１０２へ進む。Ｓ１０２では、ＥＣＵ２８は酸素濃度センサ２２の出力信号（以下、酸素濃度：Ｏｃと称する）、上流側排気温度センサ２４の出力信号（以下、上流側排気温度：Ｔｕと称する）、及び下流側排気温度センサ２５の出力信号（以下、下流側排気温度：Ｔｄと称する）を入力する。
【００３９】
Ｓ１０３では、ＥＣＵ２８は前記Ｓ１０２で入力された上流側排気温度：Ｔｕと下流側排気温度：Ｔｄを比較して排気浄化触媒２１が未活性状態にあるか否かを判別する。
【００４０】
排気浄化触媒２１の少なくとも一部が活性した状態にあるときは、排気中の炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物等が排気浄化触媒２１において酸化還元されて反応熱を発生する。この反応熱は排気浄化触媒２１を流通する排気に伝達されるため、排気浄化触媒２１から流出する排気の温度は排気浄化触媒２１へ流入する排気の温度と同等かそれより高くなる。
【００４１】
これに対し、排気浄化触媒２１が未活性状態にあるときは、排気中の炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物等が排気浄化触媒２１において酸化還元されないため、反応熱が発生しない。その上、排気の熱が排気浄化触媒２１へ伝達される。依って、排気浄化触媒２１が未活性状態にあるときは、排気浄化触媒２１から流出する排気の温度が排気浄化触媒２１へ流入する排気の温度より低くなる。
【００４２】
上記の考察によれば、ＥＣＵ２８はＳ１０３において下流側排気温度：Ｔｄが上流側排
気温度：Ｔｕ未満であるときは排気浄化触媒２１が未活性状態にあると判定することができ、下流側排気温度：Ｔｄが上流側排気温度：Ｔｕ以上であるときは排気浄化触媒２１が活性状態にあると判定することができる。
【００４３】
前記Ｓ１０３において排気浄化触媒２１が未活性状態にあると判定した場合は、ＥＣＵ２８はＳ１０４へ進む。Ｓ１０４では、ＥＣＵ２８は前記Ｓ１０２で入力された酸素濃度：Ｏｃが所定濃度：Ｃ以上であるか否かを判別する。
【００４４】
Ｓ１０４において酸素濃度：Ｏｃが所定濃度：Ｃ以上であると判定された場合は、ＥＣＵ２８はＳ１０５へ進む。Ｓ１０５ではＥＣＵ２８は排気絞り弁２２を全閉に制御する。
【００４５】
Ｓ１０６ではＥＣＵ２８はウェストゲートバルブ２７を全開に制御する。
【００４６】
Ｓ１０７ではＥＣＵ２８は図３に示すように吸気弁８を閉弁保持し且つ排気弁９を排気行程に加えて吸気行程でも開弁作動するように吸気側可変動弁機構１０及び排気側可変動弁機構１１を制御する。尚、図３中の点線は通常時のリフトカーブを示している。
【００４７】
上記したＳ１０５、Ｓ１０６、Ｓ１０７の処理が実行されると、吸気行程の気筒において吸気弁８が閉弁状態を保持し且つ排気弁９が開弁動作する。吸気行程の気筒において排気弁９のみが開弁動作すると、排気絞り弁２２上流の排気系に存在するガスの一部が気筒内に流入し、燃料噴射弁４から噴射される燃料とともに燃焼に供される。
【００４８】
前記気筒の排気行程時には排気弁９が開弁動作するため、該気筒内の既燃ガスが再び排気系へ排出される。その際、排気絞り弁２２が閉弁されているため、前記気筒から排出された既燃ガスは大気中へ放出されることなく排気絞り弁２２上流の排気系に留まる。排気絞り弁２２上流の排気系に存在するガス及び排気浄化触媒２１は、前記既燃ガスの熱を受けて昇温する。
【００４９】
前記気筒の後に他の気筒の吸気弁８及び排気弁９が同様に動作すると、排気絞り弁２２上流の排気系で高温となったガスが前記他の気筒に吸入されて燃焼に供されることになる。このため、前記他の気筒の排気行程時に該気筒から排出される既燃ガスは先の気筒より高温な既燃ガスとなる。前記他の気筒から排出された既燃ガスも排気絞り弁２２上流の排気系に留まるため、該排気系に存在するガス及び排気浄化触媒２１が更に昇温する。
【００５０】
このような動作が複数の気筒で行われると、排気絞り弁２２上流の排気系においてガス及び排気浄化触媒２１の温度が速やかに昇温する。更に、上記したように排気浄化触媒２１が昇温する過程においては、内燃機関１から排出される既燃ガスが排気絞り弁２２上流に留まるため、既燃ガスが排気浄化触媒２１で浄化されずに大気中へ放出されることがない。
【００５１】
ところで、本実施の形態では排気絞り弁２２上流の排気系には熱容量の大きなタービンハウジング１５２が配置されている。このため、内燃機関１から排出された既燃ガスがタービンハウジング１５２を流通すると、既燃ガスの熱がタービンハウジング１５２に奪われてしまい、排気浄化触媒２１が昇温し難くなる。
【００５２】
これに対し、本実施の形態に係る触媒活性制御ではウェストゲートバルブ２７が全開にされるため、タービンハウジング１５２を流通する既燃ガス量を最小限に抑えることができ、排気浄化触媒２１の速やかな昇温を実現することができる。
【００５３】
また、排気浄化触媒２１が活性する前に、排気絞り弁２２上流の排気系に残存する酸素
量が１気筒当たりの燃焼に必要な酸素量を下回った場合、すなわち触媒活性制御ルーチンのＳ１０４において酸素濃度：Ｏｃが所定濃度：Ｃより低いと判定された場合には、ＥＣＵ２８はＳ１０８において排気絞り弁２２を一時的に開弁させて、排気絞り弁２２上流の排気系へ酸素を補給する。
【００５４】
この場合、排気絞り弁２２上流に滞留していた高温ガスの一部が排気絞り弁２２下流の空気と入れ代わるため、排気絞り弁２２上流の排気系における酸素濃度：Ｏｃが上昇する。また、排気絞り弁２２上流に滞留していた高温ガスの大部分は、排気絞り弁２２上流に留まるため、排気浄化触媒２１の昇温促進効果を維持することができる。
【００５５】
以上述べたような触媒活性制御は、排気浄化触媒２１が活性した時点で終了する。具体的には、ＥＣＵ２８は、触媒活性制御ルーチンを繰り返し実行する過程で排気浄化触媒２１の活性を判定（Ｓ１０３において下流側排気温度：Ｔｄが上流側排気温度：Ｔｕ以上であると判定）すると、Ｓ１０９、Ｓ１１０の処理を実行する。
【００５６】
Ｓ１０９では、ＥＣＵ２８は、吸気弁８が吸気行程で開弁動作するように吸気側可変動弁機構１０を制御し、排気弁９が排気行程で開弁動作するように排気側可変動弁機構１１を制御し、更に排気絞り弁２２を開弁制御する。次いでＥＣＵ２８はＳ１１０において触媒活性フラグの値を“１”に変更し、本ルーチンの実行を終了する。
【００５７】
従って、本実施の形態によれば、排気浄化触媒２１が未活性状態にあるときには排気エミッションの悪化を抑制しつつ排気浄化触媒２１の早期活性を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明を適用する内燃機関の概略構成を示す図
【図２】触媒活性制御ルーチンを示すフローチャート図
【図３】触媒活性制御における吸排気弁の開閉動作を示すタイミングチャート図
【符号の説明】
【００５９】
１・・・・内燃機関
７・・・・排気ポート
８・・・・吸気弁
９・・・・排気弁
１０・・・吸気側可変動弁機構
１１・・・排気側可変動弁機構
１５・・・遠心過給器
１９・・・エキゾーストマニフォルド
２０・・・エキゾーストパイプ
２１・・・排気浄化触媒
２２・・・排気絞り弁
２３・・・酸素濃度センサ
２４・・・上流側排気温度センサ
２５・・・下流側排気温度センサ
２６・・・バイパス通路
２７・・・ウェストゲートバルブ
２８・・・ＥＣＵ
【図１】
2005330864.tif 000003
【図２】
2005330864.tif 000004
【図３】
2005330864.tif 000005