(57)【要約】      （修正有）【課題】点火時期の過遅角による燃焼の不安定化に伴う不具合を解消しつつより速やかに排気ガスの浄化に用いられる触媒を活性化する。【解決手段】少なくとも吸気弁の開弁タイミングを変更するための機構たる可変動弁機構と、排気系に設けられ排気ガスを浄化するための触媒たる三元触媒とを備えている火花点火式の内燃機関たるエンジンにおいて、始動から前記三元触媒の暖機が完了するまでの期間かつ低負荷領域に、吸気弁の開弁タイミングを遅角し、始動から前記三元触媒の暖機が完了するまでの期間かつ低負荷領域以外の領域において行う点火時期の遅角制御における遅角量よりも点火時期を大きく遅角する制御を行う。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも吸気弁の開弁タイミングを変更するための機構と、
排気系に設けられ排気ガスを浄化するための触媒とを備えている火花点火式の内燃機関であって、
始動から前記触媒の暖機が完了するまでの期間かつ低負荷領域に、
吸気弁の開弁タイミングを遅角し、
始動から前記触媒の暖機が完了するまでの期間かつ低負荷領域以外の領域において行う点火時期の遅角制御における遅角量よりも点火時期を大きく遅角する制御を行う
制御装置をさらに備えていることを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両に用いられ、排気ガスを浄化するための触媒の暖機を行うべく始動直後に点火時期の遅角制御を行う火花点火式の内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、内燃機関の排気系に三元触媒等の触媒を設け、炭化水素や一酸化炭素の酸化、及び窒素酸化物の還元等を行うことにより排気ガスを浄化することが広く行われている。ここで、排気ガスの浄化に用いられる触媒は、所定温度以上に熱せられて活性状態となることにより初めて機能する。そのため、内燃機関の冷間始動時等において触媒の暖機を行うべく始動直後に点火時期の遅角制御を行うことが広く行われている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
ここで、触媒の速やかな暖機を行うためには、点火時期の遅角幅をより大きくし、排気系に達する排気ガスの温度をより高くすることが望ましい。ところが、点火時期の遅角幅を大きくし過ぎると、燃焼が不安定になり、失火等の不具合が発生しやすくなるので、従来知られている制御方法においては、点火時期の遅角幅に限界があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２６４３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は以上の点に着目し、点火時期の過遅角による燃焼の不安定化に伴う不具合を解消しつつより速やかに排気ガスの浄化に用いられる触媒を活性化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
すなわち本発明に係る内燃機関は、少なくとも吸気弁の開弁タイミングを変更するための機構と、排気系に設けられ排気ガスを浄化するための触媒とを備えている火花点火式の内燃機関であって、始動から前記触媒の暖機が完了するまでの期間かつ低負荷領域である場合に、吸気弁の開弁タイミングを遅角し、始動から前記触媒の暖機が完了するまでの期間かつ低負荷領域以外の領域において行う点火時期の遅角制御における遅角量よりも点火時期を大きく遅角する制御を行う制御装置をさらに備えていることを特徴とする。
【０００７】
このようなものであれば、ピストンが排気過程における上死点に達してから吸気弁を開弁するまでの間に燃焼室内の空気が膨張して温度が低下するので、燃焼室内の空気が燃焼室の壁面から熱を吸収する。従って、吸気弁を開弁した後の吸入空気の温度はこのような制御を行わない場合と比較して燃焼室の壁面から吸収した熱に対応する分だけ高くなるので、点火時期を始動から前記触媒の暖機が完了するまでの期間かつ低負荷領域以外の領域において行う点火時期の遅角制御における遅角量よりも大きくしても燃焼を安定させることができる。従ってより速やかに触媒の暖機を行うことができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、点火時期の過遅角による燃焼の不安定化に伴う不具合を解消しつつより速やかに排気ガスの浄化に用いられる触媒を活性化することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関を示す概略図。
【図２】同実施形態に係る制御装置が実行する処理を示すフローチャート。
【図３】同実施形態に係る内燃機関の圧力−体積サイクルを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ以下に述べる。
【００１１】
図１に１気筒の構成を概略的に示した内燃機関たる三気筒のエンジン１００は、例えば自動車に搭載されるものである。このエンジン１００は、吸気系１、シリンダ２及び排気系５を備えている。吸気系１には、図示しないアクセルペダルに応じて開閉するスロットル弁１１が設けてあり、そのスロットル弁１１の下流には、サージタンク１３を一体に有する吸気マニホルド１２が取り付けてある。
【００１２】
シリンダ２上部に形成される燃焼室２３の天井部には、点火プラグ８が取り付けてある。吸気マニホルド１２の吸気ポート側端部には、燃料噴射弁３が取り付けてある。これら点火プラグ８及び燃料噴射弁３は、後述する電子制御装置４により制御される。吸入空気は、前記吸気マニホールド１２から吸気弁２１を介してシリンダ２内に吸入される。前記吸気弁２１は、吸気カムシャフト２６の回転動作に連動して開閉動作を行う。
【００１３】
また、排気系５には、燃焼室２３から排気弁２４を介して排出された排気ガス中の酸素濃度を測定するためのＯ2センサ５１が、図示しないマフラに至るまでの管路に配設された三元触媒５２の上流の位置に取り付けられている。前記排気弁２４は、排気カムシャフト２７の回転動作に連動して開閉動作を行う。また、前記三元触媒５２は、所定温度以上で活性化し、炭化水素及び一酸化炭素の酸化と、窒素酸化物の還元とを同時に行う、車両用の内燃機関に搭載されるものとして周知のものである。
【００１４】
さらに、このエンジン１００は、吸気弁２１の開閉タイミングを変更するための機構である可変動弁機構６を備えている。この可変動弁機構６は、吸気弁２１を駆動するための前記吸気カムシャフト２６の変位角（位相角）を、アクチュエータ６１によって連続的に変更可能に構成しているとともに、前記吸気カムシャフト２６のリフト量を変更可能である。そして本実施形態では、前記吸気弁２１の開弁タイミングを、ピストン２５が上死点に達した時点から最大９０°ＣＡ（クランク角）だけ遅角させることが可能である。このアクチュエータ６１は、後述する電子制御装置４により制御される。
【００１５】
電子制御装置４は、中央演算処理装置４１と、記憶装置４２と、入力インターフェース４３と、出力インターフェース４４とを具備してなるマイクロコンピュータシステムを主体に構成されている。中央演算処理装置４１は、記憶装置４２に格納された後述のプログラムを実行して、エンジン１００の運転制御を行うものである。そしてエンジン１００の運転制御を行うために必要な情報が入力インターフェース４３を介して中央演算処理装置４１に入力されるとともに、中央演算処理装置４１は出力インターフェース４４を介して制御のための信号を燃料噴射弁３、点火プラグ８、可変動弁機構９等に出力する。具体的には、入力インターフェース４３には、吸気マニホールド１２に流入する空気流量Ｆを検出するためのエアフローメータ７１から出力させる空気流量信号ａ、エンジン回転数Ｎｅを検出するための回転数センサ７２から出力される回転数信号ｂ、エンジン１００の冷却水温を検出するための水温センサ７３から出力される水温信号ｃ、上記したＯ2センサ５１から出力される電圧信号ｄなどが入力される。一方、出力インターフェース４４からは、スパークプラグ８に対して点火信号ｍ、燃料噴射弁３に対して燃料噴射信号ｎ、可変動弁機構６のアクチュエータ６１に対して開閉タイミング信号ｏ等が出力されるようになっている。
【００１６】
すなわち、電子制御装置４は、エンジン１００の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄを入力インタフェース４３を介して取得し、それらに基づいて吸気量や要求燃料噴射量、点火時期等を演算する。そして、演算結果に対応した各種制御信号ｍ、ｎ、ｏを出力インタフェース４４を介して印加する。
【００１７】
ここで、前記記憶装置４２には、エンジン１００の始動後、前記三元触媒５２が活性化するまでの所定期間において、運転状態が低負荷領域にある場合には、三元触媒５２を速やかに活性化させるべく、可変動弁機構６のアクチュエータ６１を制御することにより、燃焼室２３内が負圧状態になってから吸気弁２１を開弁させるべく該吸気弁２１の開弁タイミングを遅角させ、点火プラグ８による点火時期も遅角させる制御を行うための遅角制御プログラムを内蔵している。この遅角制御プログラムを実行した場合において、開弁タイミングの開弁タイミングは、ピストン２５が上死点に達した時点から予め設定した所定の開弁遅角幅Ｔだけ遅角させたタイミングに設定している。この開弁遅角幅Ｔは、本実施形態では、６０°ＣＡ〜９０°ＣＡ（クランク角）の範囲にある。また、運転状態が低負荷領域にある場合の点火時期の遅角幅である低負荷暖機時遅角幅θ1は、運転状態が低負荷領域にない場合の点火時期の遅角幅である通常暖機時遅角幅θ0よりも大きくしている。ここで、エンジン１００の始動後、前記通常暖機時遅角幅θ0は、この種の内燃機関の始動直後に行われる通常の点火時期遅角制御における遅角幅と同様の値に設定している。一方、前記所定期間の長さは、エンジン始動時のエンジン温度、より具体的にはエンジン冷却水の温度をパラメータとして、遅角制御期間テーブルを参照して決定するようにしている。この遅角制御期間テーブルは、記憶装置４２の所定領域に形成していて、代表的なエンジン温度に対応する前記所定期間の長さを記憶している。この所定期間の長さは、予め実験により求めたものである。そして、実際にはエンジン冷却水の温度をパラメータとして補間計算により前記所定期間の長さを求めている。なお、「運転状態が低負荷領域である」とは、本実施形態では、前記空気流量信号ａが示す吸気マニホールド１２に流入する空気流量Ｆが所定値以下であることを示す。但し、吸気マニホルド１２内の吸気圧やアクセル操作量等をパラメータとし、これら吸気圧やアクセル操作量が所定値以下である場合に「運転状態が低負荷領域である」としてもよく、また、アイドリング運転を行っている場合に「運転状態が低負荷領域である」としてもよい。
【００１８】
以下、前記遅角制御プログラムに基づき電子制御装置４が行う処理の手順をフローチャートである図２を参照しつつ以下に述べる。
【００１９】
まず、エンジン温度、具体的にはエンジン冷却水の温度を検知し（Ｓ１）、エンジン冷却水の温度をパラメータとして遅角制御を行う所定期間の長さを決定し（Ｓ２）、次いで吸気マニホールド１２に流入する空気流量Ｆを検知する（Ｓ３）。それから、空気流量Ｆに基づき運転状態が低負荷領域にあるか否かを判定し（Ｓ４）、運転状態が低負荷領域にある場合には、吸気弁２２の開弁タイミングを所定の開弁遅角幅Ｔだけ遅角し（Ｓ５）、さらに点火時期を低負荷暖機時遅角幅θ1だけ遅角させる（Ｓ６）。そして、エンジンの始動から前記所定期間が経過しているか否かを判定し（Ｓ７）、エンジンの始動から前記所定期間が経過している場合にはこの遅角制御プログラムによる制御を終了して通常の開弁タイミング及び点火時期の制御に移行する。エンジンの始動から前記所定期間が経過していない場合には、吸気弁２２の開弁タイミングの遅角制御を続行する（Ｓ５）。また、運転状態が低負荷領域にない場合には、通常のタイミングで吸気弁２２を開弁させ（Ｓ８）、点火時期を通常暖機時遅角幅θ0（＜θ1）だけ遅角させる（Ｓ９）制御を、エンジンの始動から前記所定期間が経過するまで繰り返す（Ｓ１０）。
【００２０】
ここで、運転状態が低負荷領域にある場合には、前記遅角制御プログラムによる制御を行うことにより、エンジン１００の始動直後の圧力−体積サイクルは図３に示すようなものとなる。
【００２１】
すなわち、排気行程の終了直後（時刻ｔ1）においては、吸気弁２１は閉弁したままであるので、燃焼室２３内に残存しているガスは膨張して燃焼室２３内が負圧となり、その温度が低下する。このとき、燃焼室２３内に残存しているガスの温度は、燃焼室２３の外壁の温度よりも低くなるので、燃焼室２３の外壁から燃焼室２３内のガスに熱が供給される。それから所定クランク角（開弁遅角幅Ｔ）経過後（時刻ｔ2）に吸気弁２１が開弁するので燃焼室２３内の圧力が大気圧に近づき、新たな混合気が吸気弁２１を経て燃焼室２３内に供給されるとともに、新たな混合気が急激に燃焼室２３内に流入することにより燃焼室２３内に残存していたガスは圧縮されるので、燃焼室２３内のガスの温度は、外部の気温よりも膨張中に燃焼室２３の外壁から供給された熱の分だけ高くなる。その後ピストン２５が下死点に達して吸気行程から圧縮行程に移行し（時刻ｔ3）、通常運転時の点火タイミングよりも上述した低負荷暖機時遅角幅だけ遅角したタイミングで点火して（時刻ｔ4）膨張行程に移行し、ピストン２５が下死点に達した後排気行程に移行する。
【００２２】
すなわち、本実施形態に係る制御によれば、吸気弁を開弁した後の吸入空気の温度は、このような制御を行わない場合と比較して燃焼室２３の壁面から吸収した熱に対応する分だけ高くなるので、点火時期を始動から三元触媒５２の暖機が完了するまでの期間かつ低負荷領域以外の領域において行う点火時期の遅角制御における遅角量よりも大きくしても燃焼を安定させることができる。従って、点火時期の過遅角による燃焼の不安定化に伴う不具合を解消しつつより速やかに三元触媒５２を活性化することができる。そして、このような制御を行うことにより、エンジン１００の暖機も速やかに行うことができるので、燃費の向上を図ることもできる。
【００２３】
なお、本発明は以上に述べた実施形態に限らない。
【００２４】
例えば、上述した実施形態では、エンジン始動時のエンジン温度をパラメータとして三元触媒が活性化するまでの所定期間を決定しているが、触媒の温度を直接検知する触媒温度センサを設けるとともに電子制御装置に接続し、この触媒温度センサが示す触媒の温度が、該触媒が活性化する温度を上回った場合に吸気弁の開弁タイミング及び点火時期の遅角制御を終了するようにしてもよい。すなわち、この場合には、上述した実施形態に示したうち、エンジン冷却水の温度を検知するステップ、エンジン始動時のエンジン冷却水の温度をパラメータとして三元触媒が活性化するまでの所定期間の長さを決定するステップ、及びエンジン始動から前記所定期間が経過しているか否かを判定するステップを省略し、点火時期の遅角制御を行うステップの後に、触媒の温度を検知するステップと、触媒の温度が該触媒が活性化する温度を上回っているか否かを判定するステップとを行うようにし、触媒の温度が該触媒が活性化する温度を上回っている場合に遅角制御プログラムによる制御を終了して通常の開弁タイミング及び点火時期の制御に移行するようにするとよい。
【００２５】
また、上述した実施形態では、吸気弁の開閉タイミングを変更するための機構として吸気弁のリフト量をも変更可能可変動弁機構を採用しているが、吸気弁の開閉タイミングのみを変更可能な可変バルブタイミング機構を採用してももちろんよい。
【００２６】
さらに、燃焼室内に直接燃料を噴射する内燃機関に本発明を適用してもよい。この場合、吸気弁が開弁する前に燃料の噴射を完了させるとなおよい。このようにすれば、燃焼室内が負圧である状態で燃料を噴射するので、噴射された燃料の粒子を小さくし、燃料と空気とをより均一に混合させることができるので、燃焼効率の向上を図ることができ、さらにそのことにより燃費の向上を図ることができるからである。
【００２７】
加えて、吸気弁の開弁タイミングの遅角幅は、上述した実施形態では、６０°ＣＡ〜９０°ＣＡ（クランク角）に設定しているが、この範囲に限定されないのはもちろんである。
【００２８】
そして、３気筒のエンジン以外のエンジン、すなわち２気筒以下や４気筒以下のエンジンに本発明を適用してももちろんよい。
【００２９】
その他、本発明の趣旨を損ねない範囲で種々に変形してよい。
【符号の説明】
【００３０】
１００…エンジン（内燃機関）
２１…吸気弁
４…電子制御装置（制御装置）
５２…三元触媒（触媒）
６…可変動弁機構（吸気弁開弁タイミング変更機構）
８…点火プラグ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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