(57)【要約】 【課題】  内燃機関の触媒を早期かつ確実に活性化させて排気エミッションの低減化を良好に達成することを目的とする。【解決手段】  ポート噴射用インジェクタ１０ｐや筒内噴射用インジェクタ１０ｃからの燃料と空気との混合気を燃焼室２内で燃焼させて動力を発生する内燃機関１は、吸気弁Ｖｉや排気弁Ｖｅの開弁特性を変化させることができる動弁機構８と、燃焼室２に吸入される空気を過給する過給機２０と、過給機２０による過給圧を変化させるためのターボ用電動機２４と、燃焼室２からの排気ガスを浄化するための触媒を含む触媒装置１７と、触媒が活性化されたと判断されるまで、燃焼室２への吸入空気の圧力が背圧よりも大きくなるようにターボ用電動機２４を制御すると共に、吸気弁Ｖｉおよび排気弁Ｖｅのバルブオーバーラップを設定するＥＣＵ５０とを備える。【選択図】  図１
2005146893.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気弁によって開閉される吸気ポートと排気弁によって開閉される排気ポートとに連なる燃焼室内で、燃料噴射手段からの燃料と空気との混合気を燃焼させて動力を発生する内燃機関において、
前記吸気弁および前記排気弁の少なくとも何れか一方の開弁特性を変化させるための開弁特性設定手段と、
前記燃焼室に吸入される空気を過給するための過給機と、
前記過給機による過給圧を変化させるための過給圧設定手段と、
前記燃焼室からの排気ガスを浄化するための触媒と、
前記触媒が活性化されたと判断されるまで、前記燃焼室に吸入される空気の圧力が背圧よりも大きくなるように前記過給圧設定手段を制御すると共に、前記吸気弁および前記排気弁のバルブオーバーラップを設定する制御手段とを備えることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記過給機は、前記過給圧設定手段として、圧縮機要素を回転駆動する電動機を備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記燃料噴射手段は、前記燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射用インジェクタであることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記制御手段は、前記触媒が活性化されたと判断されるまで、排気行程中にも前記筒内噴射用インジェクタから燃料を噴射させることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記燃料噴射手段は、前記吸気ポート内に燃料を噴射するポート噴射用インジェクタであることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
【請求項６】
前記制御手段は、前記触媒が活性化されたと判断されるまで、前記吸気ポートにおける混合気の空燃比をリーンに設定することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関。
【請求項７】
前記燃料噴射手段として、前記吸気ポート内に燃料を噴射するポート噴射用インジェクタと、前記燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射用インジェクタとを備え、前記制御手段は、前記触媒が活性化されたと判断されるまで、前記吸気ポートにおける混合気の空燃比がリーンになるように前記ポート噴射用インジェクタから燃料を噴射させると共に、前記筒内噴射用インジェクタから燃料を噴射させることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
【請求項８】
前記制御手段は、前記触媒が活性化されたと判断されるまで、排気行程中にも前記筒内噴射用インジェクタから燃料を噴射させることを特徴とする請求項７に記載の内燃機関。
【請求項９】
吸気弁によって開閉される吸気ポートと排気弁によって開閉される排気ポートとに連なる燃焼室と、前記吸気弁および前記排気弁の少なくとも何れか一方の開弁特性を変化させるための開弁特性設定手段と、過給圧を変化させることができる過給機と、前記燃焼室からの排気ガスを浄化するための触媒とを備え、燃料噴射手段からの燃料と空気との混合気を前記燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の制御方法において、
前記触媒が活性化されたと判断されるまで、前記過給機によって過給されて前記燃焼室に吸入される空気の圧力を背圧よりも大きく設定すると共に、前記吸気弁および前記排気弁のバルブオーバーラップを設定することを特徴とする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、燃焼室内で燃料および空気の混合気を燃焼させて動力を発生する内燃機関およびその制御方法に関し、特に、燃焼室からの排気ガスを浄化するための触媒を早期に活性化させることができる内燃機関およびその制御方法に関する。  
【背景技術】
【０００２】
近年では、排気ガス規制等の強化に伴い、冷間始動直後等におけるＨＣ等の排気エミッションの低減化を図ることがますます重要な課題となっている。このため、従来から、排気行程中に燃料噴射弁から燃料を燃焼室内に直接噴射させることにより、未燃燃料（および空気）を触媒で燃焼させ、当該触媒を早期に活性化させる筒内噴射型内燃機関が知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、冷間始動の際、膨張行程中に燃料噴射弁から燃料を噴射させることにより、圧縮行程で余剰となった酸素と、膨張行程での不完全燃焼によるＣＯとを触媒に供給し、その反応熱により触媒を活性化させる技術も知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００３】
なお、燃費の改善やスモークの発生を抑制可能な過給機付内燃機関として、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射用インジェクタと、燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射用インジェクタとを備えたものが知られている（例えば、特許文献３参照。）。更に、筒内噴射型内燃機関としては、機関低負荷時に吸気弁および排気弁のオーバーラップを増大化させて燃焼室に残留する高温の既燃ガス量を増加させることにより、着火前の混合気の温度を高く保って、燃料の気化促進、燃焼速度向上および燃焼安定化を図るものも知られている（例えば、特許文献４参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特開平０８−２９６４５８号公報
【特許文献２】特開２００１−３０４０１６号公報
【特許文献３】特開２００２−０４８０３５号公報
【特許文献４】特開平０４−１８３９４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述のように、排気行程中または圧縮行程中に燃料を燃焼室内に直接噴射したとしても、触媒を活性化（暖機）させるために必要とされる量の空気を当該触媒に確実に供給することは困難であり、従来の内燃機関には、冷間始動直後等における排気エミッションの低減化を図るという点に、なお改善の余地が残されている。
【０００６】
そこで、本発明は、触媒を早期かつ確実に活性化させて排気エミッションの低減化を良好に達成し得る内燃機関およびその制御方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による内燃機関は、吸気弁によって開閉される吸気ポートと排気弁によって開閉される排気ポートとに連なる燃焼室内で、燃料噴射手段からの燃料および空気の混合気を燃焼させて動力を発生する内燃機関において、吸気弁および排気弁の少なくとも何れか一方の開弁特性を変化させるための開弁特性設定手段と、燃焼室に吸入される空気を過給するための過給機と、過給機による過給圧を変化させるための過給圧設定手段と、燃焼室からの排気ガスを浄化するための触媒と、触媒が活性化されたと判断されるまで、燃焼室に吸入される空気の圧力が背圧よりも大きくなるように過給圧設定手段を制御すると共に、吸気弁および排気弁のバルブオーバーラップを設定する制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
この内燃機関は、過給機による過給圧を変化させるための過給圧設定手段と、吸気弁および排気弁の少なくとも何れか一方の開弁特性を変化させるための開弁特性設定手段とを備えている。そして、この内燃機関では、機関始動直後等に、触媒が活性化されたと判断されるまで、燃焼室に吸入される空気の圧力が背圧よりも大きく設定された状態で吸気弁および排気弁のバルブオーバーラップが設定される。これにより、吸気ポートから排気ポートへのいわゆる吹き抜けが確実に促進させられ、未燃燃料と共に充分な量の空気（酸素）を触媒へと送り込むことができる。この結果、この内燃機関によれば、触媒での燃料のいわゆる後燃えを促進させると共に排気温度を上昇させることができるので、触媒を早期に活性化させることが可能となり、排気エミッションを良好に低減化することができる。
【０００９】
ここで、過給機は、過給圧設定手段として、圧縮機要素を回転駆動する電動機を備えると好ましい。
【００１０】
また、燃料噴射手段は、燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射用インジェクタであると好ましい。すなわち、本発明によれば、筒内噴射型内燃機関の触媒を早期に活性化させることができる。
【００１１】
更に、制御手段は、触媒が活性化されたと判断されるまで、排気行程中にも筒内噴射用インジェクタから燃料を噴射させると好ましい。
【００１２】
このように、通常の燃料噴射（筒内噴射）に加えて、更に、排気行程中に筒内噴射用インジェクタから燃料を噴射させることにより、燃焼室内での燃焼を促進させて燃焼室からの排気ガスの温度を上昇させると共に、未燃燃料と共に充分な量の空気（酸素）を触媒へと送り込むことが可能となる。
【００１３】
また、燃料噴射手段は、吸気ポート内に燃料を噴射するポート噴射用インジェクタであってもよい。すなわち、本発明によれば、ポート噴射型内燃機関の触媒をも早期に活性化させることができる。
【００１４】
この場合、制御手段は、触媒が活性化されたと判断されるまで、吸気ポートにおける混合気の空燃比をリーンに設定すると好ましい。
【００１５】
このような構成のもとでは、吸気ポートにて空気と燃料噴射手段からの燃料とが均質に混ざり合うことになるので、吸気ポートから排気ポートへと向かう均質かつリーンな混合気の吹き抜けが促進させられる。これにより、この内燃機関によれば、未燃燃料と共に充分な量の空気（酸素）を触媒へと送り込み、いわゆる後燃えを促進させて触媒を効率よく活性化させることが可能となる。
【００１６】
更に、本発明による内燃機関は、燃料噴射手段として、吸気ポート内に燃料を噴射するポート噴射用インジェクタと、燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射用インジェクタとを備え、制御手段は、触媒が活性化されたと判断されるまで、吸気ポート（および排気ポート）における混合気の空燃比がリーンになるようにポート噴射用インジェクタから燃料を噴射させると共に、筒内噴射用インジェクタから燃料を噴射させると好ましい。
【００１７】
このような構成を採用しても、未燃燃料と共に充分な量の空気（酸素）を触媒へと送り込んで排気温度を上昇させることが可能となり、触媒を早期に活性化させて排気エミッションを良好に低減化することが可能となる。
【００１８】
この場合、制御手段は、触媒が活性化されたと判断されるまで、排気行程中にも筒内噴射用インジェクタから燃料を噴射させるものであってもよい。
【００１９】
本発明による内燃機関の制御方法は、吸気弁によって開閉される吸気ポートと排気弁によって開閉される排気ポートとに連なる燃焼室と、吸気弁および排気弁の少なくとも何れか一方の開弁特性を変化させるための開弁特性設定手段と、過給圧を変化させることができる過給機と、燃焼室からの排気ガスを浄化するための触媒とを備え、燃料噴射手段からの燃料と空気との混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の制御方法において、触媒が活性化されたと判断されるまで、過給機によって過給されて燃焼室に吸入される空気の圧力を背圧よりも大きく設定すると共に、吸気弁および排気弁のバルブオーバーラップを設定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、触媒を早期かつ確実に活性化させて排気エミッションの低減化を良好に達成し得る内燃機関およびその制御方法の実現が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。  
図１は、本発明による内燃機関を示す概略構成図である。同図に示される内燃機関１は、車両用の多気筒内燃機関（例えば、４気筒内燃機関、ただし、図１には１気筒のみが示される。）として構成されており、各燃焼室２内での混合気の燃焼によりピストン３を往復移動させて、クランクシャフトＳから動力を得るものである。なお、ここでは、内燃機関１は、いわゆるガソリンエンジンとして説明されるが、これに限られるものではなく、本発明がディーゼルエンジンにも適用され得ることはいうまでもない。
【００２２】
図１に示されるように、各燃焼室２に連なる吸気ポート４は、吸気マニホールドを介して吸気管６にそれぞれ接続され、各燃焼室２に連なる排気ポート５は、排気マニホールドを介して排気管７にそれぞれ接続されている。また、内燃機関１のシリンダヘッドには、吸気ポート４を開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポート５を開閉する排気弁Ｖｅとが燃焼室２ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは、動弁機構８によって開閉させられ、この動弁機構８は、吸気弁Ｖｉおよび排気弁Ｖｅの少なくとも何れか一方の開弁特性を変化させることができる可変バルブタイミング機構（開弁特性設定手段）を含む。更に、内燃機関１は、気筒数に応じた数の点火プラグ９を有し、点火プラグ９は、対応する燃焼室２内に臨むようにシリンダヘッドに配設されている。
【００２３】
また、内燃機関１は、筒内噴射用インジェクタ１０ｃを気筒数に応じた数だけ有している。各筒内噴射用インジェクタ１０ｃは、ガソリン等の燃料を対応する燃焼室２の内部に直接噴射可能なものであり、燃料供給管を介してガソリン等の液体燃料を貯留する燃料タンク（何れも図示省略）に接続されている。加えて、内燃機関１は、図１に示されるように、複数のポート噴射用インジェクタ１０ｐを気筒数に応じた数だけ有している。各ポート噴射用インジェクタ１０ｐは、ガソリン等の燃料を対応する吸気ポート４の内部に噴射可能なものであり、図示されない燃料供給管を介してガソリン等の液体燃料を貯留する上記燃料タンクに接続されている。筒内噴射用インジェクタ１０ｃは、燃焼室２ごとに少なくとも１体ずつ備えられ、ポート噴射用インジェクタ１０ｐも、吸気ポート４ごとに少なくとも１体ずつ備えられる。
【００２４】
ここで、内燃機関１の各ピストン３は、いわゆる深皿頂面型に構成されており、その上面には、凹部が形成されている。そして、内燃機関１では、各燃焼室２内に空気を吸入させた状態で、各筒内噴射用インジェクタ１０ｃから各燃焼室２内のピストン３の凹部に向けてガソリン等の燃料を直接噴射することができる。これにより、内燃機関１では、点火プラグ９の近傍に燃料と空気との混合気の層が周囲の空気層と分離された状態で形成（成層化）されるので、極めて希薄な混合気を用いて安定した成層燃焼を実行することが可能となる。
【００２５】
一方、吸気管６は、図１に示されるように、サージタンク１１に接続されている。このサージタンク１１は、給気管１２を介してエアクリーナ１４に接続されており、吸入空気中のゴミや塵等は、エアクリーナ１４によって除去される。また、給気管１２の中途には、吸入空気量を調節するスロットルバルブ１５が設置されている。本実施形態では、スロットルバルブ１５として、アクセルペダルＡＰの操作量（踏込量）を検出するアクセル位置センサ１５ａ、スロットルバルブ１５を開閉するためのスロットルモータ１５ｂおよびスロットルバルブ１５の開度を検出するスロットル開度センサ１５ｃを含む電子制御式スロットルバルブが採用されている。更に、給気管１２には、サージタンク１１とスロットルバルブ１５との間に、当該給気管１２内の圧力（吸気圧）を検出する圧力センサ１６が配置されている。
【００２６】
また、排気管７は、図１に示されるように、例えばＮＯｘ吸蔵還元触媒を含む触媒装置１７に接続されており、この触媒装置１７において各燃焼室２からの排気ガスが浄化される。そして、触媒装置１７には、触媒床温を取得するための温度センサ１８が備えられる。なお、内燃機関１に、排気管７から吸気系統のサージタンク１１に向けて排気ガスを還流させるためのＥＧＲ（Exhaust Gas Recircu1ation）流路が設けられてもよい。この場合、ＥＧＲ流路の中途には、排気ガスの還流量を調節するためのＥＧＲ弁が備えられる。
【００２７】
さて、上述の内燃機関１は、各燃焼室２により多くの吸入空気を導入して希薄燃焼運転を行うことにより高出力化と低燃費化との双方を達成できるよう、更に、過給機（ターボチャージャ）２０を備えている。過給機２０は、図１に示されるように、タービンインペラ（タービン要素）２１と、圧縮機インペラ（圧縮機要素）２２とを含む。タービンインペラ２１と圧縮機インペラ２２とは、回転軸２３により互いに連結されて一体化している。
【００２８】
図１に示されるように、タービンインペラ２１は、排気管７と触媒装置１７との間に組み込まれたケーシングの内部に回転自在に配置されている。また、圧縮機インペラ２２は、給気管１２のエアクリーナ１４とスロットルバルブ１５との間に組み込まれたケーシングの内部に回転自在に配置されている。これにより、各燃焼室２からの排気ガスによって回転させられるタービンインペラ２１により圧縮機インペラ２２を回転駆動することが可能となり、圧縮機インペラ２２により、エアクリーナ１４を介して吸入れられた空気を圧縮（過給）することが可能となる。
【００２９】
また、内燃機関１の過給機２０は、いわゆるモータアシストターボチャージャとして構成されており、タービンインペラ２１と圧縮機インペラ２２とを連結する回転軸２３に装備されたターボ用電動機（過給圧設定手段）２４を有する。すなわち、過給機２０は、内燃機関１の排気ガスのエネルギのみを用いて吸入空気を圧縮する通常のターボチャージャーとして機能し得るだけではなく、ターボ用電動機２４を作動させて圧縮機インペラ２２を強制的に回転駆動することにより、吸入空気の圧力（過給圧）を更に増大化させ得るものである。
【００３０】
ターボ用電動機２４としては、回転軸２３に固定されたロータと、その周囲に配置されたステータとを含む交流モータが採用され、図１に示されるように、ターボ用電動機２４はインバータユニット２５に接続される。なお、ターボ用電動機２４として、電動機および発電機の双方として機能し得る、いわゆるモータ／ジェネレータが採用されてもよい。このような構成を採用すれば、排気ガスのエネルギを利用してターボ用電動機２４を発電機として作動させることにより、電気エネルギを回収することが可能となる。
【００３１】
また、内燃機関１は、圧縮機インペラ２２とスロットルバルブ１５との間に位置するように給気管１２に組み込まれたインタークーラ２６を含む。インタークーラ２６は、圧縮機インペラ２２によって圧縮されて昇温した吸入空気を冷却することにより、充填効率を向上させるものである。インタークーラ２６としては、例えば空冷式または液冷式の熱交換器が採用される。更に、給気管１２には、過給機２０（圧縮機インペラ２２）の上流側と下流側とをバイパスするバイパス路２７が設けられている。このバイパス路２７は、その中途に設けられたエアバイパス弁２８によって開閉される。エアバイパス弁２８としては、電気的に開閉制御し得るバルブが用いられるとよく、圧縮機インペラ２２の下流側の圧力が上流側の圧力よりも所定値だけ高まった際に開弁する機械式一方向弁が用いられてもよい。
【００３２】
なお、本実施形態の過給機２０は、いわゆる可変ノズルターボとして構成されており、タービンインペラ２１の外方に配設された複数の可動ベーン（図示せず）を有する。すなわち、これら可動ベーンの位置を変化させてタービンインペラ２１に流れ込む排気の流量を制御することにより、過給圧を自在に調整することが可能となる。また、過給機２０は、タービン容量を可変制御する機構（Ａ／Ｒ可変機構）等を含むものであってもよい。更に、図示は省略されているが、排気管７に対しては、過給機２０をバイパスする流路が設けられており、この流路の中途には、ウェイストゲートバルブが設置される。ウェイストゲートバルブは、過給圧が所定圧力以上になると開弁し、タービンインペラ２１への排気流量を減じて過給圧を調整するものである。
【００３３】
上述の過給機２０に加えて、内燃機関１は、図１に示されるように、クランクシャフトＳに連結された回生発電機３０を有している。回生発電機３０は、図示されない油圧ブレーキユニットと協調作動する回生ブレーキユニットとして機能し得るものであり、インバータユニット２５を介して、各種補機の電源として用いられるバッテリ３１と接続されている。すなわち、回生発電機３０は、アクセルペダルＡＰが戻されるか、あるいは、内燃機関１（車両）を減速または停止させるべき旨の指令が発せられると、内燃機関１の運動エネルギを電気エネルギに変換・回収することにより、内燃機関１に制動力を作用させる。そして、回生発電機３０によって回生された回生電力は、インバータユニット２５によって電圧変換され、バッテリ３１の充電に利用される。
【００３４】
なお、回生発電機３０（回生ブレーキ）による制動力と油圧ブレーキユニットによる制動力とは、エネルギ回収が最も効率的になされるように適宜組み合わされる。また、回生発電機３０として、電動機および発電機の双方として機能し得る、いわゆるモータ／ジェネレータを採用し、上述の内燃機関１および過給機２０を含む車両を、いわゆるハイブリッド車両として構成してもよい。
【００３５】
そして、上述の内燃機関１は、制御手段として機能する電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）５０を含む。ＥＣＵ５０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および、各種情報やマップ等が記憶される記憶装置等を含むものである。このＥＣＵ５０の入出力ポートには、上述の動弁機構８、各インジェクタ１０ｃ，１０ｐ、アクセル位置センサ１５ａ、スロットルモータ１５ｂ、スロットル開度センサ１５ｃ、圧力センサ１６、温度センサ１８、クランク角センサ１９、インバータユニット２５、更には、エアバイパス弁２８等が接続されている。ＥＣＵ５０は、記憶装置に記憶されている各種マップ等を用いると共に、各種センサの検出値等に基づいて、動弁機構８、点火プラグ９、インジェクタ１０ｃおよび１０ｐ、スロットルバルブ１５等を制御する。また、ＥＣＵ５０は、内燃機関１の制動時に、過給機２０（ターボ用電動機２４）の制御手段としても機能する。
【００３６】
ここで、近年では、排気ガス規制等の強化に伴い、冷間始動直後等におけるＨＣ等の排気エミッションの低減化を図ることがますます重要な課題となっている。このため、上述の内燃機関１では、機関始動直後の排気エミッションの低減化を図るべく、図２に示される制御手順に従って触媒装置１７の触媒の早期活性化が図られる。
【００３７】
図２に示される内燃機関１の制御手順について説明すると、この場合、イグニッションスイッチがオンされて内燃機関１が始動されると、ＥＣＵ５０は、クランク角センサ１９からの信号に基づいて機関回転数を求めると共に、求めた機関回転数が所定の閾値を上回ったか否か判定する。そして、機関回転数が所定の閾値を上回った段階で内燃機関１の始動が完了したと判断する（Ｓ１０）。内燃機関１の始動が完了したと判断すると、ＥＣＵ５０は、過給機２０のターボ用電動機２４を作動させると共に、各燃焼室２の吸気弁Ｖｉと排気弁Ｖｅとを同時に開弁させるバルブオーバーラップを設定する（Ｓ１２）。
【００３８】
具体的には、Ｓ１２において、ＥＣＵ５０は、圧力センサ１６により検出される吸気圧、すなわち、過給機２０によって過給された後に各燃焼室２に吸入されることになる空気の圧力が予め判明している内燃機関１に固有の背圧（排気背圧）よりも大きくなるようにターボ用電動機２４に接続されたインバータユニット２５に所定の指令信号を与える。本実施形態では、吸気圧が背圧よりも例えば１０〜３０ｋＰａ程度大きくなるようにターボ用電動機２４が制御される。そして、これとほぼ同時に、ＥＣＵ５０は、Ｓ１２において、予め作成されているマップ等に従って、オーバーラップ時間、すなわち、吸気弁Ｖｉと排気弁Ｖｅとを同時に開弁させておく時間を設定し、可変バルブタイミング機構を含む動弁機構８に所定の指令信号を与える。
【００３９】
Ｓ１２の処理の後、ＥＣＵ５０は、各ポート噴射用インジェクタ１０ｐからの燃料噴射量を決定する（Ｓ１４）。具体的には、Ｓ１４において、ＥＣＵ５０は、予め作成されているマップ等に従い、Ｓ１２にて定められた吸気圧等に応じて、各吸気ポート４における混合気の空燃比Ａ／Ｆｐが例えばおよそ３０（Ａ／Ｆｐ＝３０）となるように各ポート噴射用インジェクタ１０ｐの開弁時間を決定し、各ポート噴射用インジェクタ１０ｐに所定の指令信号を与える。
【００４０】
Ｓ１４の処理の後、ＥＣＵ５０は、更に各筒内噴射用インジェクタ１０ｃからの燃料噴射量を決定する（Ｓ１６）。具体的には、Ｓ１６において、ＥＣＵ５０は、予め作成されているマップ等に従い、Ｓ１２にて定められた吸気圧と、Ｓ１２にて定められた吸気弁Ｖｉおよび排気弁Ｖｅのオーバーラップ時間、すなわち、バルブオーバーラップによる吸気ポート４から排気ポート５への希薄混合気（Ａ／Ｆｐ＝３０）の吹き抜け量等とに応じて、各燃焼室２における混合気の空燃比Ａ／Ｆｃが例えばおよそ１４（Ａ／Ｆｃ＝１４）となるように、各筒内噴射用インジェクタ１０ｃの開弁時間を決定し、各筒内噴射用インジェクタ１０ｃに所定の指令信号を与える。
【００４１】
更に、Ｓ１６の処理の後、ＥＣＵ５０は、内燃機関１の排気行程中に各筒内噴射用インジェクタ１０ｃから噴射させる燃料の量を決定する（Ｓ１８）。具体的には、Ｓ１８において、ＥＣＵ５０は、予め作成されているマップ等に従い、Ｓ１２にて定められた吸気圧、Ｓ１２にて定められた吸気弁Ｖｉおよび排気弁Ｖｅのオーバーラップ時間（吸気ポート４から排気ポート５への希薄混合気の吹き抜け量）、および、各ポート噴射用インジェクタ１０ｐおよび各筒内噴射用インジェクタ１０ｃからの燃料噴射量等に応じて、各排気ポート５における混合気の空燃比Ａ／Ｆｅが例えばおよそ１６（Ａ／Ｆｅ＝１６）となるように、各筒内噴射用インジェクタ１０ｃの開弁時間および開弁タイミングを決定し、各筒内噴射用インジェクタ１０ｃに所定の指令信号を与える。
【００４２】
これにより、Ｓ１８の処理が完了した段階では、各吸気ポート４における混合気の空燃比がリーン（理論空燃比よりも大きく）になるように（ここでは、Ａ／Ｆｐ＝３０）各ポート噴射用インジェクタ１０ｐから各吸気ポート４内に燃料が噴射（同期噴射）されると共に、各筒内噴射用インジェクタから燃料が各燃焼室２内に噴射（同期噴射）され、更に、排気行程中においても、各筒内噴射用インジェクタ１０ｃから各燃焼室２内に燃料が噴射（非同期噴射）されていることになる。そして、各排気ポート５における混合気の空燃比Ａ／Ｆｅは、混合気の燃焼を促進させやすい値であるおよそ１６程度に保たれることになる。すなわち、内燃機関１において、Ｓ１２にて設定される吸気圧およびオーバーラップ時間、Ｓ１４にて設定される各吸気ポート４における空燃比Ａ／Ｆｐ、Ｓ１６にて設定される各燃焼室２における空燃比Ａ／Ｆｃ、並びにＳ１８にて設定される排気行程中の燃料噴射量は、最終的に各排気ポート５における混合気の空燃比Ａ／Ｆｅがおよそ１６になるように定められる。
【００４３】
Ｓ１８の処理の後、ＥＣＵ５０は、触媒装置１７の温度センサ１８からの信号に基づいて触媒床温を取得し、取得した触媒床温が所定の閾値を上回っているか否か判定する（Ｓ２０）。Ｓ２０において、触媒床温が所定の閾値を上回っていると判断した場合、ＥＣＵ５０は、触媒装置１７の触媒が充分に活性化されていると判断し、その場合、図２における一連の処理を終了させ、定常時における内燃機関１の制御を開始する。一方、Ｓ２０において、触媒床温が所定の閾値を上回っていないと判断した場合、ＥＣＵ５０は、触媒装置１７の触媒が充分に活性化されていないと判断し、上述のＳ１２〜Ｓ１８の処理を繰り返すことになる。
【００４４】
上述のように、内燃機関１では、機関始動直後に、Ｓ２０にて触媒装置１７の触媒が活性化されたと判断されるまで、各燃焼室２に吸入される空気の圧力（吸気圧）が背圧よりも大きく設定された状態で吸気弁Ｖｉおよび排気弁Ｖｅのバルブオーバーラップが設定される。これにより、各吸気ポート４にて均質に混ざり合った空気および燃料の希薄混合気（Ａ／Ｆｐ＝３０）の吸気ポート４から排気ポート５への吹き抜けが確実に促進させられ、未燃燃料と共に充分な量の空気（酸素）を触媒へと送り込むことが可能となる。従って、内燃機関１では、触媒装置１７における後燃えを促進させて触媒を効率よく活性化させることが可能となる。
【００４５】
また、内燃機関１では、吸気ポート４に対する燃料噴射（Ｓ１４）に加えて、各燃焼室２内にも各筒内噴射用インジェクタ１０ｃから燃料が噴射され（Ｓ１６）、各燃焼室２の内部は比較的燃料リッチな状態（理論空燃比よりも小さい状態）となるため（Ａ／Ｆｃ＝１４）、各燃焼室２における燃焼が安定的に実行されると共に、理論空燃比近傍で燃焼が実行され、これにより、排気温度を上昇させることが可能となる。更に、内燃機関１では、Ｓ２０にて触媒装置１７の触媒が活性化されたと判断されるまで、排気行程中にも各筒内噴射用インジェクタ１０ｃから燃料が噴射させられる（Ｓ１８）。このように、通常の燃料噴射（ポート噴射および筒内噴射）に加えて、更に、排気行程中に筒内噴射用インジェクタ１０ｃから燃料を噴射させることにより、未燃燃料と共に充分な量の空気（酸素）を触媒へと送り込むことが可能となる。
【００４６】
この結果、内燃機関１では、触媒装置１７の触媒での燃料の後燃えを促進させると共に排気温度を上昇させることができるので、機関始動直後に、触媒を急速に活性化させることが可能となり、排気エミッションを良好に低減化することができる。また、内燃機関１では、いわゆるモータアシストターボチャージャである過給機２０を有効に利用して吸気ポート４から排気ポート５への吹き抜けを形成することにより、未燃燃料と充分な量の空気とが触媒へと送り込まれることから、従来、触媒を活性化させるべく触媒に二次空気を供給するために用いられていたエアポンプ等は不要となる。
【００４７】
なお、過給機２０を備えた内燃機関１では、各燃焼室２からの排気ガスが触媒装置１７に流れ込む前に過給機２０を通過するため、過給機２０の熱容量、すなわち、タービンインペラ２１や圧縮機インペラ２２の熱容量により排気ガスの温度が多少低下するが、Ｓ１２にて設定される吸気圧と背圧との差圧を充分に大きくしておけば、触媒の活性化に対する過給機２０での排気ガスの熱損失の影響は実質的に無視し得る。
【００４８】
また、図２に示される制御手順においては、Ｓ１８にて、通常のポート噴射および筒内噴射に加えて、更に、排気行程中に各筒内噴射用インジェクタ１０ｃから各燃焼室２に燃料が噴射されるが、Ｓ１８における排気行程中の燃料噴射は省略されてもよい。このように、排気工程中の燃料噴射を省略する場合には、Ｓ１４にて各吸気ポート４における空燃比Ａ／Ｆｐを例えばおよそ２２（Ａ／Ｆｐ＝２２）に設定し、Ｓ１６にて各燃焼室２における空燃比Ａ／Ｆｃを例えばおよそ１２（Ａ／Ｆｃ＝１２）に設定すると共に、吸気弁Ｖｉおよび排気弁Ｖｅのオーバーラップ時間を適切に設定しておくことにより、各排気ポート５における混合気の空燃比Ａ／Ｆｅを、混合気の燃焼が促進されやすい値であるおよそ１６程度に保つことができる。更に、Ｓ１８における排気行程中の燃料噴射の代わりに、各排気ポート５における混合気の空燃比Ａ／Ｆｅが例えばおよそ１６程度に保たれるように、各ポート噴射用インジェクタ１０ｐから各吸気ポート４内に燃料を非同期噴射させてもよい。
【００４９】
図３は、上述の内燃機関１において、機関始動直後の排気エミッションの低減化を図るために実行され得る他の制御手順を示すフローチャートである。
【００５０】
図３に示される内燃機関１の制御手順について説明すると、この場合も、イグニッションスイッチがオンされて内燃機関１が始動されると、ＥＣＵ５０は、クランク角センサ１９からの信号に基づいて機関回転数を求めると共に、求めた機関回転数が所定の閾値を上回ったか否か判定する。そして、機関回転数が所定の閾値を上回った段階で内燃機関１の始動が完了したと判断する（Ｓ３０）。内燃機関１の始動が完了したと判断すると、ＥＣＵ５０は、過給機２０のターボ用電動機２４を作動させると共に、各燃焼室２の吸気弁Ｖｉと排気弁Ｖｅとを同時に開弁させるバルブオーバーラップを設定する（Ｓ３２）。
【００５１】
Ｓ３２においても、ＥＣＵ５０は、圧力センサ１６により検出される吸気圧が内燃機関１に固有の背圧よりも大きくなるようにターボ用電動機２４に接続されたインバータユニット２５に所定の指令信号を与える。また、これとほぼ同時に、ＥＣＵ５０は、予め作成されているマップ等に従って、吸気弁Ｖｉと排気弁Ｖｅとを同時に開弁させておくオーバーラップ時間を設定し、可変バルブタイミング機構を含む動弁機構８に所定の指令信号を与える。
【００５２】
Ｓ３２の処理の後、ＥＣＵ５０は、各筒内噴射用インジェクタ１０ｃからの燃料噴射量を決定する（Ｓ３４）。具体的には、Ｓ３４において、ＥＣＵ５０は、予め作成されているマップ等に従い、Ｓ３２にて定められた吸気圧と、Ｓ３２にて定められた吸気弁Ｖｉおよび排気弁Ｖｅのオーバーラップ時間、すなわち、バルブオーバーラップによる吸気ポート４から排気ポート５への新気の吹き抜け量等とに応じて、各燃焼室２における混合気の空燃比Ａ／Ｆｃが例えばおよそ１２（Ａ／Ｆｃ＝１２）となるように、各筒内噴射用インジェクタ１０ｃの開弁時間を決定し、各筒内噴射用インジェクタ１０ｃに所定の指令信号を与える。
【００５３】
更に、Ｓ３４の処理の後、ＥＣＵ５０は、内燃機関１の排気行程中に、各筒内噴射用インジェクタ１０ｃから噴射させる燃料の量を決定する（Ｓ３６）。Ｓ３６において、ＥＣＵ５０は、予め作成されているマップ等に従い、Ｓ３２にて定められた吸気圧、Ｓ３２にて定められた吸気弁Ｖｉおよび排気弁Ｖｅのオーバーラップ時間（新気の吹き抜け量）、および、Ｓ３４における各筒内噴射用インジェクタ１０ｃからの燃料噴射量等に応じて、各排気ポート５における混合気の空燃比Ａ／Ｆｅが例えばおよそ１６（Ａ／Ｆｅ＝１６）となるように、各筒内噴射用インジェクタ１０ｃの開弁時間および開弁タイミングを決定し、各筒内噴射用インジェクタ１０ｃに所定の指令信号を与える。
【００５４】
これにより、Ｓ３６の処理が完了した段階では、各燃焼室２における混合気の空燃比がリッチ（Ａ／Ｆｃ＝１２）になるように各筒内噴射用インジェクタ１０ｃから燃料が各燃焼室２内に噴射（同期噴射）され、更に、排気行程中においても、各筒内噴射用インジェクタ１０ｃから各燃焼室２内に燃料が噴射（非同期噴射）されていることになる。そして、各排気ポート５における混合気の空燃比Ａ／Ｆｅは、混合気の燃焼を促進させやすい値であるおよそ１６程度に保たれることになる。すなわち、図３の処理が実行される場合においても、Ｓ３２にて設定される吸気圧およびオーバーラップ時間、Ｓ３４にて設定される各燃焼室２における空燃比Ａ／Ｆｃ、およびＳ３６にて設定される排気行程中の燃料噴射量は、最終的に各排気ポート５における混合気の空燃比Ａ／Ｆｅがおよそ１６になるように定められる。
【００５５】
Ｓ３６の処理の後、ＥＣＵ５０は、触媒装置１７の温度センサ１８からの信号に基づいて触媒床温を取得し、取得した触媒床温が所定の閾値を上回っているか否か判定する（Ｓ３８）。Ｓ３８において、触媒床温が所定の閾値を上回っており、触媒装置１７の触媒が充分に活性化されていると判断した場合、ＥＣＵ５０は、図３における一連の処理を終了させ、定常時における内燃機関１の制御を開始する。一方、Ｓ３８において、触媒床温が所定の閾値を上回っていないと判断した場合、ＥＣＵ５０は、上述のＳ３２〜Ｓ３６の処理を繰り返すことになる。
【００５６】
上述のように、図３に示される制御手順が実行された場合も、機関始動直後に、Ｓ３８にて触媒装置１７の触媒が活性化されたと判断されるまで、各燃焼室２に吸入される空気の圧力（吸気圧）が背圧よりも大きく設定された状態で吸気弁Ｖｉおよび排気弁Ｖｅのバルブオーバーラップが設定される。また、図３の例では、各燃焼室２における混合気の空燃比がリッチ（Ａ／Ｆｃ＝１２）になるように各筒内噴射用インジェクタ１０ｃから燃料が各燃焼室２内に噴射（同期噴射）される。これにより、吸気ポート４から排気ポート５への新気の吹き抜けが確実に促進させられ、新気の流れにより燃焼室２内の未燃燃料が排気ポート５へと運ばれていくことになる。これにより、図３に示される制御手順を採用しても、未燃燃料と共に充分な量の空気（酸素）を触媒へと送り込むことが可能となり、触媒装置１７における後燃えを促進させて触媒を効率よく活性化させることが可能となる。
【００５７】
また、各燃焼室２の内部は比較的燃料リッチな状態となるため（Ａ／Ｆｃ＝１２）、冷間時に安定な燃焼が実行されると共に、各燃焼室２における安定燃焼により点火時期の遅角が可能となり、これにより、排気温度を上昇させることが可能となる。更に、Ｓ３８にて触媒装置１７の触媒が活性化されたと判断されるまで、排気行程中にも各筒内噴射用インジェクタ１０ｃから燃料を噴射させることにより（Ｓ３６）、未燃燃料と共に充分な量の空気（酸素）を触媒へと送り込むことが可能となる。
【００５８】
この結果、図３に示される制御手順を採用しても、触媒装置１７の触媒での燃料の後燃えを促進させると共に排気温度を上昇させることができるので、機関始動後、触媒を急速に活性化させることが可能となり、排気エミッションを良好に低減化することができる。そして、この場合も、触媒を活性化させるべく触媒に二次空気を供給するために従来用いられていたエアポンプ等は不要となる。更に、Ｓ３２にて設定される吸気圧と背圧との差圧を充分に大きくしておけば、触媒の活性化に対する過給機２０での排気ガスの熱損失の影響は実質的に無視し得る。また、図３における処理から、Ｓ３６における排気行程中の燃料噴射を省略してもよい。このように、排気工程中の燃料噴射を省略する場合には、吸気弁Ｖｉおよび排気弁Ｖｅのオーバーラップ時間を適切に設定しておくことにより、各排気ポート５における混合気の空燃比Ａ／Ｆｅを、混合気の燃焼が促進されやすい値であるおよそ１６程度に保つことができる。
【００５９】
上述のように、図３に示される制御手順を採用すれば、ポート噴射用インジェクタを用いることなく、図２の制御手順を実行した場合とほぼ同様の作用効果を得ることができる。すなわち、本発明によれば、内燃機関１のようなポート噴射用インジェクタと筒内噴射用インジェクタとの双方を備えた内燃機関だけではなく、燃料噴射手段として燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射用インジェクタのみを備えた筒内噴射型内燃機関においても、触媒の早期活性化を図ることが可能となる。
【００６０】
図４は、上述の内燃機関１において、機関始動直後の排気エミッションの低減化を図るために実行され得る他の制御手順を示すフローチャートである。
【００６１】
図４に示される内燃機関１の制御手順について説明すると、この場合も、イグニッションスイッチがオンされて内燃機関１が始動されると、ＥＣＵ５０は、クランク角センサ１９からの信号に基づいて取得した機関回転数が所定の閾値を上回った段階で内燃機関１の始動が完了したと判断する（Ｓ５０）。内燃機関１の始動が完了したと判断すると、ＥＣＵ５０は、過給機２０のターボ用電動機２４を作動させると共に、各燃焼室２の吸気弁Ｖｉと排気弁Ｖｅとを同時に開弁させるバルブオーバーラップを設定する（Ｓ５２）。
【００６２】
Ｓ５２においても、ＥＣＵ５０は、圧力センサ１６により検出される吸気圧が内燃機関１に固有の背圧よりも大きくなるようにターボ用電動機２４に接続されたインバータユニット２５に所定の指令信号を与える。また、これとほぼ同時に、ＥＣＵ５０は、予め作成されているマップ等に従って、吸気弁Ｖｉおよび排気弁Ｖｅのオーバーラップ時間を設定し、可変バルブタイミング機構を含む動弁機構８に所定の指令信号を与える。
【００６３】
Ｓ５２の処理の後、ＥＣＵ５０は、各ポート噴射用インジェクタ１０ｐからの燃料噴射量を決定する（Ｓ５４）。具体的には、Ｓ５４において、ＥＣＵ５０は、予め作成されているマップ等に従い、Ｓ５２にて定められた吸気圧を踏まえた上で、各吸気ポート４における混合気の空燃比Ａ／Ｆｐが例えばおよそ１６（Ａ／Ｆｐ＝１６）となるように各ポート噴射用インジェクタ１０ｐの開弁時間を決定し、各ポート噴射用インジェクタ１０ｐに所定の指令信号を与える。
【００６４】
これにより、Ｓ５４の処理が完了した段階では、各吸気ポート４における混合気の空燃比がリーン（Ａ／Ｆｐ＝１６）になるように各ポート噴射用インジェクタ１０ｐから各吸気ポート４内に燃料が噴射（同期噴射）される。そして、空燃比Ａ／Ｆｐがおよそ１６の希薄混合気が吸気ポート４から排気ポート５へと吹き抜けることにより、各排気ポート５における混合気の空燃比Ａ／Ｆｅも、混合気の燃焼を促進させやすい値であるおよそ１６程度に保たれることになる。
【００６５】
更に、Ｓ５４の処理の後、ＥＣＵ５０は、触媒装置１７の温度センサ１８からの信号に基づいて、触媒床温を取得し、取得した触媒床温が所定の閾値を上回っているか否か判定する（Ｓ５６）。Ｓ５６において、触媒床温が所定の閾値を上回っており、触媒装置１７の触媒が充分に活性化されていると判断した場合、ＥＣＵ５０は、図４における一連の処理を終了させ、定常時における内燃機関１の制御を開始する。一方、Ｓ５６において、触媒床温が所定の閾値を上回っていないと判断した場合、ＥＣＵ５０は、上述のＳ５２〜Ｓ５４の処理を繰り返すことになる。
【００６６】
上述のように、図４に示される処理が実行された場合も、機関始動直後等に、Ｓ５６にて触媒装置１７の触媒が活性化されたと判断されるまで、各燃焼室２に吸入される空気の圧力（吸気圧）が背圧よりも大きく設定された状態で吸気弁Ｖｉおよび排気弁Ｖｅのバルブオーバーラップが設定される。これにより、各吸気ポート４にて均質に混ざり合った空気および燃料の希薄混合気（Ａ／Ｆｐ＝１６）の吸気ポート４から排気ポート５への吹き抜けが確実に促進させられ、未燃燃料と共に充分な量の空気（酸素）を触媒へと送り込むことが可能となる。また、図４に示される制御手順を採用した場合、各燃焼室２内の混合気の空燃比Ａ／Ｆｃがおよそ１６に保たれるので、各燃焼室２内の混合気の燃焼温度が高まり、それにより、各燃焼室２からの排気ガスの温度を上昇させることが可能となる。
【００６７】
この結果、図４に示される制御手順を採用しても、触媒装置１７の触媒での燃料の後燃えを促進させると共に排気温度を上昇させることができるので、機関始動直後に、触媒を急速に活性化させることが可能となり、排気エミッションを良好に低減化することができる。また、図４に示される制御手順を採用すれば、機関始動直後に、各燃焼室２内に必要以上に燃料が供給されて過剰なトルクが発生してしまうことを抑制可能となる。そして、この場合も、触媒を活性化させるべく触媒に二次空気を供給するために従来用いられていたエアポンプ等は不要となり、Ｓ５２にて設定される吸気圧と背圧との差圧を充分に大きくしておけば、触媒の活性化に対する過給機２０での排気ガスの熱損失の影響は実質的に無視し得る。
【００６８】
なお、図４のＳ５４にて各吸気ポート４における空燃比を適宜設定した上で、各排気ポート５における混合気の空燃比Ａ／Ｆｅが例えばおよそ１６程度に保たれるように、Ｓ５４とＳ５６との間で、各ポート噴射用インジェクタ１０ｐから各吸気ポート４内に燃料を非同期噴射させてもよい。このような場合、例えば、Ｓ５４にて各吸気ポート４における空燃比Ａ／Ｆｐをおよそ１８（Ａ／Ｆｐ＝１８）に設定し、非同期噴射時の各吸気ポート４における空燃比Ａ／Ｆｐをおよそ１４（Ａ／Ｆｐ＝１４）に設定するとよい。
【００６９】
上述のように、図４に示される制御手順を採用すれば、筒内噴射用インジェクタを用いることなく、図２の制御手順を実行した場合とほぼ同様の作用効果を得ることができる。すなわち、本発明によれば、内燃機関１のようなポート噴射用インジェクタと筒内噴射用インジェクタとの双方を備えた内燃機関だけではなく、燃料噴射手段として吸気ポート内に燃料を噴射するポート噴射用インジェクタのみを備えたポート噴射型内燃機関においても、触媒の早期活性化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明による内燃機関を示す概略構成図である。
【図２】図１の内燃機関の動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】図１の内燃機関において機関始動直後の排気エミッションの低減化を図るために実行され得る他の制御手順を示すフローチャートである。
【図４】図１の内燃機関において機関始動直後の排気エミッションの低減化を図るために実行され得る更に他の制御手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７１】
１  内燃機関
２  燃焼室
４  吸気ポート
５  排気ポート
６  吸気管
７  排気管
８  動弁機構
１０ｐ  ポート噴射用インジェクタ
１０ｃ  筒内噴射用インジェクタ
１５  スロットルバルブ
１６  圧力センサ
１７  触媒装置
１８  温度センサ
１９  クランク角センサ
２０  過給機
２１  タービンインペラ
２２  圧縮機インペラ
２３  回転軸
２４  ターボ用電動機
２５  インバータユニット
Ｖｅ  排気弁
Ｖｉ  吸気弁
【図１】
2005146893.tif 000003
【図２】
2005146893.tif 000004
【図３】
2005146893.tif 000005
【図４】
2005146893.tif 000006