(57)【要約】【課題】可変圧縮比機構を備えた内燃機関において、燃焼安定性の悪化を抑制しつつ、触媒暖機のために後燃えを促進させる。【解決手段】内燃機関は、触媒と、点火プラグ６と、過給器２８と、可変バルブタイミング機構Ｂと、機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構Ａと、制御装置３０と、を備え、制御装置は、機関負荷が予め定められた基準負荷以下である場合、触媒が活性していないと判定したときには、触媒が活性していると判定したときに比べて、点火時期を遅角させ、バルブオーバーラップ中に混合気が燃焼室を吹き抜ける吹き抜け量が多くなるように過給器の動作及びバルブオーバーラップ量を制御し、燃焼室に供給される空気の圧力が増大するように過給器の動作を制御し、吸気弁の閉弁時期を吸気下死点から離れるように制御し、吸気弁の閉弁時期を吸気下死点から離したことに伴う実圧縮比の低下が小さくなるように機械圧縮比を増大させるように制御する。【選択図】図１０
2016125417.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路に配置された触媒と、
燃焼室に配置された点火プラグと、
前記燃焼室に供給される空気を過給することができる過給器と、
吸気弁の閉弁時期及び前記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、
機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、
前記点火プラグ、過給器、可変バルブタイミング機構及び可変圧縮比機構を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、機関負荷が予め定められた基準負荷以下である場合、前記触媒が活性していないと判定したときには、前記触媒が活性していると判定したときに比べて点火時期を遅角させ、前記触媒が活性していると判定したときに比べて前記バルブオーバーラップ中に混合気が前記燃焼室を吹き抜ける吹き抜け量が多くなるように前記過給器の動作及びバルブオーバーラップ量を制御し、前記触媒が活性していると判定したときに比べて前記燃焼室に供給される空気の圧力が増大するように前記過給器の動作を制御し、前記触媒が活性していると判定したときに比べて前記吸気弁の閉弁時期を吸気下死点から離れるように制御し、前記吸気弁の閉弁時期を吸気下死点から離したことに伴う実圧縮比の低下が小さくなるように前記触媒が活性していると判定したときに比べて機械圧縮比を増大させるように制御する、内燃機関。
【請求項２】
前記制御装置は、機関負荷が予め定められた基準負荷以下である場合、前記触媒が活性していると判定したときには、前記燃焼室に供給される空気の圧力が大気圧よりも低くなる程度に前記過給器を作動させるか又は前記過給器を停止させ、
前記触媒が活性していないと判定したときには、前記燃焼室に供給される空気の圧力が大気圧以上になるように前記過給器を作動させ、該過給器の作動によって前記触媒が活性していないと判定したときに比べて前記燃焼室に供給される空気の圧力が増大しても前記触媒が活性していないと判定したときに比べて吸入空気量が変化しないように、前記吸気弁の閉弁時期を吸気下死点から離れるように制御する、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記制御装置は、前記触媒が活性していないと判定したときには前記触媒が活性していると判定したときに比べて前記吸気弁の閉弁時期を吸気下死点から離したことに伴う実圧縮比の低下をゼロにすべく機械圧縮比を増大させるように前記可変圧縮比機構を制御する、請求項１又は２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記可変圧縮比機構によって変更可能な機械圧縮比の最大値が２０以上である、請求項１〜３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】
従来、排気通路に配置された触媒によって、燃焼室から排出される排気ガス中の有害物質（ＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）等）を浄化することが知られている。触媒において排気ガス中の有害物質を効率良く浄化するためには、触媒の温度を活性温度以上にして触媒を活性化させる必要がある。しかしながら、始動直後の内燃機関では、触媒の温度が活性温度よりも低いことがある。
【０００３】
そこで、特許文献１に記載の排気浄化装置では、内燃機関始動後のアイドリング中に、排気ポートにおける未燃燃料の燃焼、いわゆる後燃えを促進することで、触媒の早期暖機を図っている。斯かる排気浄化装置では、点火時期の遅角、吸入空気の過給及びバルブオーバーラップを組み合わせることで後燃えが促進される。具体的には、点火時期の遅角によって後燃えが発生し、バルブオーバーラップ時に吸入空気を過給することによって吸気ポートから排気ポートへと空気が筒内を吹き抜ける。この結果、排気ポート内に流入した空気によって後燃えが促進される。
【０００４】
しかしながら、吸入空気の過給が行われると、燃焼室に吸入される吸入空気量が増加する。また、燃焼室に供給される燃料量は、燃焼室内で燃焼される混合気の空燃比が目標空燃比（例えば理論空燃比）となるように制御される。このため、吸入空気量が増加すると、燃焼室に供給される燃料量も増加し、燃焼トルクが増大する。しかしながら、触媒の暖機はアイドリング中に行われるため、必要な燃焼トルクは非常に小さい。このため、触媒暖機のために後燃えを促進させるためには、吸入空気の過給による燃焼トルクの増大を低減する必要がある。
【０００５】
そこで、特許文献１に記載の排気浄化装置では、アイドリング中に必要なトルクまで燃焼トルクを減少させるために、点火時期を圧縮上死点から大幅に遅角させた時期（例えば３０°ＡＴＤＣ）にしている。しかしながら、点火時期を圧縮上死点から大幅に遅角させることは燃焼安定性を悪化させる。このため、斯かる排気浄化装置では、燃焼安定性の悪化を抑制するために、スプレーガイド方式やウォールガイド方式といった直噴方式による成層燃焼が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１１２２９６号公報
【特許文献２】特開２００９−２１５９９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、可変圧縮比機構を備えた内燃機関では、機械圧縮比の最大値をできるだけ高めるために、圧縮上死点における燃焼室の容積が小さくなるようにピストンの頂面形状が設計されることが多い。このため、ピストン形状の設計自由度が小さく、スプレーガイド方式やウォールガイド方式といった直噴方式を採用することが困難である。したがって、可変圧縮比機構を備えた内燃機関において、吸入空気の過給によって後燃えを促進し、過給による燃焼トルクの増大を点火時期の大幅遅角によって低減することは、燃焼安定性の悪化をもたらす。
【０００８】
そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、可変圧縮比機構を備えた内燃機関において、燃焼安定性の悪化を抑制しつつ、触媒暖機のために後燃えを促進させることにある。
【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た触媒と、燃焼室に配置された点火プラグと、前記燃焼室に供給される空気を過給することができる過給器と、吸気弁の閉弁時期及び前記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、機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、前記点火プラグ、過給器、可変バルブタイミング機構及び可変圧縮比機構を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、機関負荷が予め定められた基準負荷以下である場合、前記触媒が活性していないと判定したときには、前記触媒が活性していると判定したときに比べて点火時期を遅角させ、前記触媒が活性していると判定したときに比べて前記バルブオーバーラップ中に混合気が前記燃焼室を吹き抜ける吹き抜け量が多くなるように前記過給器の動作及びバルブオーバーラップ量を制御し、前記触媒が活性していると判定したときに比べて前記燃焼室に供給される空気の圧力が増大するように前記過給器の動作を制御し、前記触媒が活性していると判定したときに比べて前記吸気弁の閉弁時期を吸気下死点から離れるように制御し、前記吸気弁の閉弁時期を吸気下死点から離したことに伴う実圧縮比の低下が小さくなるように前記触媒が活性していると判定したときに比べて機械圧縮比を増大させるように制御する、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、前記制御装置は、機関負荷が予め定められた基準負荷以下である場合、前記触媒が活性していると判定したときには、前記燃焼室に供給される空気の圧力が大気圧よりも低くなる程度に前記過給器を作動させるか又は前記過給器を停止させ、前記触媒が活性していないと判定したときには、前記燃焼室に供給される空気の圧力が大気圧以上になるように前記過給器を作動させ、該過給器の作動によって前記触媒が活性していないと判定したときに比べて前記燃焼室に供給される空気の圧力が増大しても前記触媒が活性していないと判定したときに比べて吸入空気量が変化しないように、前記吸気弁の閉弁時期を吸気下死点から離れるように制御する。
【００１１】
第３の発明では、第１又は第２の発明において、前記制御装置は、前記触媒が活性していないと判定したときには前記触媒が活性していると判定したときに比べて前記吸気弁の閉弁時期を吸気下死点から離したことに伴う実圧縮比の低下をゼロにすべく機械圧縮比を増大させるように前記可変圧縮比機構を制御する。
【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、可変圧縮比機構によって変更可能な機械圧縮比の最大値が２０以上である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、可変圧縮比機構を備えた内燃機関において、燃焼安定性の悪化を抑制しつつ、触媒暖機のために後燃えを促進させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】火花点火式内燃機関の全体図である。
【図２】可変圧縮比機構の分解斜視図である。
【図３】図解的に表した内燃機関の側面断面図である。
【図４】可変バルブタイミング機構を示す図である。
【図５】吸気弁及び排気弁のリフト量を示す図である。
【図６】吸気弁及び排気弁の開弁期間の例を示す図である。
【図７】機械圧縮比及び実圧縮比を説明するための図である。
【図８】各工程におけるシリンダ内でのピストン位置を示す図である。
【図９】内燃機関始動後における機関回転数等のタイムチャートである。
【図１０】本発明の実施形態における触媒暖機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】
【００１５】
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。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
【００１６】
＜内燃機関全体の説明＞
図１に火花点火式内燃機関の側面断面図を示す。図１を参照すると、１はクランクケース、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は燃焼室５の頂面中央部に配置された点火プラグ、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートをそれぞれ示す。
【００１７】
吸気ポート８は吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、各吸気枝管１１にはそれぞれ対応する吸気ポート８内に向けて燃料を噴射するための燃料噴射弁１３が配置される。すなわち、本実施形態の内燃機関はポート噴射式内燃機関である。なお、内燃機関は筒内噴射式内燃機関であってもよく、この場合、燃料噴射弁１３は各吸気枝管１１に取付けられる代りに各燃焼室５内に配置される。サージタンク１２は吸気ダクト１４を介してエアクリーナ１５に連結され、吸気ダクト１４内にはアクチュエータ１６によって駆動されるスロットル弁１７と例えば熱線を用いた吸入空気量検出器１８とが配置される。吸気ポート８、吸気枝管１１、サージタンク１２及び吸気ダクト１４は、空気及び燃料を含む混合気を燃焼室５に導く吸気通路を形成する。
【００１８】
また、吸気ダクト１４のスロットル弁１７と吸入空気量検出器１８との間には、過給器２８及びインタークーラ２９が配置されている。過給器２８は、ターボチャージャ又はスーパーチャージャのコンプレッサであり、燃焼室５に供給される空気を過給することができる。過給器２８の作動は電磁クラッチ等を使用して制御される。インタークーラ２９は、吸気通路において過給器２８の下流側に配置され、過給器２８により加圧された吸気の温度を低下させることができる。
【００１９】
一方、排気ポート１０は排気マニホルド１９を介して例えば三元触媒２０を内蔵した触媒ケーシング２２に連結され、排気マニホルド１９内には空燃比センサ２１が配置される。排気ポート１０、排気マニホルド１９及び触媒ケーシング２２は、燃焼室５における混合気の燃焼によって生じた排気ガスを排出する排気通路を形成する。
【００２０】
また、図１に示される実施形態ではクランクケース１とシリンダブロック２との連結部にクランクケース１とシリンダブロック２のシリンダ軸線方向の相対位置を変化させることによりピストン４が圧縮上死点に位置するときの燃焼室５の容積を変更可能な可変圧縮比機構Ａが設けられている。さらに、本実施形態の内燃機関には、吸気弁７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９の開弁時期及び閉弁時期を制御可能な可変タイミング機構Ｃとが設けられている。
【００２１】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５及び出力ポート３６を具備する。吸入空気量検出器１８の出力信号、空燃比センサ２１の出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。さらに入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して点火プラグ６、燃料噴射弁１３、スロットル弁駆動用アクチュエータ１６、過給器２８、可変圧縮比機構Ａ、可変バルブタイミング機構Ｂ及び可変バルブタイミング機構Ｃに接続される。
【００２２】
＜可変圧縮比機構の説明＞
図２は図１に示す可変圧縮比機構Ａの分解斜視図を示しており、図３は図解的に表した内燃機関の側面断面図を示している。図２を参照すると、シリンダブロック２の両側壁の下方には互いに間隔を隔てた複数個の突出部５０が形成されており、各突出部５０内にはそれぞれ断面円形のカム挿入孔５１が形成されている。一方、クランクケース１の上壁面上には互いに間隔を隔ててそれぞれ対応する突出部５０の間に嵌合せしめられる複数個の突出部５２が形成されており、これら各突出部５２内にもそれぞれ断面円形のカム挿入孔５３が形成されている。
【００２３】
図２に示されるように一対のカムシャフト５４、５５が設けられており、各カムシャフト５４、５５上には一つおきに各カム挿入孔５１内に回転可能に挿入される円形カム５６が固定されている。これら円形カム５６は各カムシャフト５４、５５の回転軸線と共軸をなす。一方、各円形カム５６間には図３においてハッチングで示すように各カムシャフト５４、５５の回転軸線に対して偏心配置された偏心軸５７が延びており、この偏心軸５７上に別の円形カム５８が偏心して回転可能に取付けられている。図２に示されるようにこれら円形カム５８は各円形カム５６間に配置されており、これら円形カム５８は対応する各カム挿入孔５３内に回転可能に挿入されている。
【００２４】
図３（Ａ）に示すような状態から各カムシャフト５４、５５上に固定された円形カム５６を図３（Ａ）において実線の矢印で示されるように互いに反対方向に回転させると偏心軸５７が下方中央に向けて移動するために円形カム５８がカム挿入孔５３内において図３（Ａ）の破線の矢印に示すように円形カム５６とは反対方向に回転し、図３（Ｂ）に示されるように偏心軸５７が下方中央まで移動すると円形カム５８の中心が偏心軸５７の下方へ移動する。
【００２５】
図３（Ａ）と図３（Ｂ）とを比較するとわかるようにクランクケース１とシリンダブロック２の相対位置は円形カム５６の中心と円形カム５８の中心との距離によって定まり、円形カム５６の中心と円形カム５８の中心との距離が大きくなるほどシリンダブロック２はクランクケース１から離れる。シリンダブロック２がクランクケース１から離れるとピストン４が圧縮上死点に位置するときの燃焼室５の容積は増大し、したがって各カムシャフト５４、５５を回転させることによってピストン４が圧縮上死点に位置するときの燃焼室５の容積を変更することができる。
【００２６】
図２に示されるように各カムシャフト５４、５５をそれぞれ反対方向に回転させるために駆動モータ５９の回転軸にはそれぞれ螺旋方向が逆向きの一対のウォームギア６１、６２が取付けられており、これらウォームギア６１、６２と噛合する歯車６３、６４がそれぞれ各カムシャフト５４、５５の端部に固定されている。本実施形態では駆動モータ５９を駆動することによってピストン４が圧縮上死点に位置するときの燃焼室５の容積を広い範囲に亘って変更することができる。なお、図１から図３に示される可変圧縮比機構Ａは一例を示すものであっていかなる形式の可変圧縮比機構でも用いることができる。
【００２７】
＜可変バルブタイミング機構の説明＞
一方、図４は図１において吸気弁７を駆動するためのカムシャフト７０に対して設けられている可変バルブタイミング機構Ｂを示している。図４に示したように可変バルブタイミング機構Ｂはカムシャフト７０の一端に取付けられてカムシャフト７０のカムの位相を変更するためのカム位相変更部Ｂ１と、カムシャフト７０と吸気弁７のバルブリフタ２６との間に配置されてカムシャフト７０のカムの作用角を異なる作用角に変更して吸気弁７に伝達するカム作用角変更部Ｂ２とから構成されている。なお、カム作用角変更部Ｂ２については図４に側面断面図と平面図とが示されている。
【００２８】
まず初めに可変バルブタイミング機構Ｂのカム位相変更部Ｂ１について説明すると、このカム位相変更部Ｂ１は機関のクランク軸によりタイミングベルトを介して矢印方向に回転せしめられるタイミングプーリ７１と、タイミングプーリ７１と一緒に回転する円筒状ハウジング７２と、カムシャフト７０と一緒に回転し且つ円筒状ハウジング７２に対して相対回転可能な回転軸７３と、円筒状ハウジング７２の内周面から回転軸７３の外周面まで延びる複数の仕切壁７４と、各仕切壁７４の間で回転軸７３の外周面から円筒状ハウジング７２の内周面まで延びるベーン７５とを具備しており、各ベーン７５の両側にはそれぞれ進角用油圧室７６と遅角用油圧室７７とが形成されている。
【００２９】
各油圧室７６、７７への作動油の供給制御は作動油供給制御弁７８によって行われる。この作動油供給制御弁７８は各油圧室７６、７７にそれぞれ連結された油圧ポート７９、８０と、油圧ポンプ８１から吐出された作動油の供給ポート８２と、一対のドレインポート８３、８４と、各ポート７９、８０、８２、８３、８４間の連通遮断制御を行うスプール弁８５とを具備している。
【００３０】
カムシャフト７０のカムの位相を進角すべきときは図４においてスプール弁８５が下方に移動せしめられ、供給ポート８２から供給された作動油が油圧ポート７９を介して進角用油圧室７６に供給されると共に遅角用油圧室７７内の作動油がドレインポート８４から排出される。このとき回転軸７３は円筒状ハウジング７２に対して矢印Ｘ方向に相対回転せしめられる。
【００３１】
これに対し、カムシャフト７０のカムの位相を遅角すべきときは図４においてスプール弁８５が上方に移動せしめられ、供給ポート８２から供給された作動油が油圧ポート８０を介して遅角用油圧室７７に供給されると共に進角用油圧室７６内の作動油がドレインポート８３から排出される。このとき回転軸７３は円筒状ハウジング７２に対して矢印Ｘと反対方向に相対回転せしめられる。
【００３２】
回転軸７３が円筒状ハウジング７２に対して相対回転せしめられているときにスプール弁８５が図４に示した中立位置に戻されると回転軸７３の相対回転動作は停止せしめられ、回転軸７３はそのときの相対回転位置に保持される。したがって、カム位相変更部Ｂ１によってカムシャフト７０のカムの位相を所望の量だけ進角又は遅角させることができる。すなわち、図５（Ａ）に破線で示したように、カム位相変更部Ｂ１によって吸気弁７の位相角を任意に進角又は遅角させることができることになる。なお、カムの位相のみを変更した場合、図５（Ａ）に示したように、作用角は変化しない。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。
【００３３】
次に可変バルブタイミング機構Ｂのカム作用角変更部Ｂ２について説明すると、このカム作用角変更部Ｂ２は、カムシャフト７０と平行に並列配置され且つアクチュエータ９１によって軸線方向に移動せしめられる制御ロッド９０と、カムシャフト７０のカム９２と係合し且つ制御ロッド９０上に形成された軸線方向に延びるスプライン９３に摺動可能に嵌合せしめられている中間カム９４と、吸気弁７を駆動するためにバルブリフタ２６と係合し且つ制御ロッド９０上に形成された螺旋状に延びるスプライン９５に摺動可能に嵌合する揺動カム９６とを具備しており、揺動カム９６上にはカム９７が形成されている。
【００３４】
カムシャフト７０が回転するとカム９２によって中間カム９４が常に一定の角度だけ揺動せしめられ、このとき揺動カム９６も一定の角度だけ揺動せしめられる。一方、中間カム９４及び揺動カム９６は制御ロッド９０の軸線方向には移動不能に支持されており、したがって制御ロッド９０がアクチュエータ９１によって軸線方向に移動せしめられたときに揺動カム９６は中間カム９４に対して相対回転せしめられることになる。
【００３５】
中間カム９４と揺動カム９６との相対回転位置関係によりカムシャフト７０のカム９２が中間カム９４と係合し始めたときに揺動カム９６のカム９７がバルブリフタ２６と係合し始める場合には図５（Ｂ）においてａで示したように吸気弁７の作用角及びリフト量は最も大きくなる。これに対し、アクチュエータ９１によって揺動カム９６が中間カム９４に対して図４の矢印Ｙ方向に相対回転せしめられると、カムシャフト７０のカム９２が中間カム９４に係合した後、暫らくしてから揺動カム９６のカム９７がバルブリフタ２６と係合する。この場合には図５（Ｂ）においてｂで示したように吸気弁７の作用角及びリフト量はａに比べて小さくなる。
【００３６】
揺動カム９６が中間カム９４に対して図４の矢印Ｙ方向にさらに相対回転せしめられると図５（Ｂ）においてｃで示したように吸気弁７の作用角及びリフト量はさらに小さくなる。すなわち、アクチュエータ９１により中間カム９４と揺動カム９６の相対回転位置を変更することによって吸気弁７の作用角を任意に変えることができる。ただし、この場合、吸気弁７のリフト量は吸気弁７の作用角が短くなるほど小さくなる。
【００３７】
このようにカム位相変更部Ｂ１によって吸気弁７の位相角を任意に変更することができ、カム作用角変更部Ｂ２によって吸気弁７の作用角を任意に変更することができる。したがって、カム位相変更部Ｂ１とカム作用角変更部Ｂ２とを有する可変バルブタイミング機構Ｂによって、吸気弁７の位相角及び作用角、すなわち吸気弁７の開弁時期及び閉弁時期を任意に変更することができることになる。
【００３８】
なお、図１及び図４に示した可変バルブタイミング機構Ｂは一例を示すものであって、図１及び図４に示した例以外の種々の形式の可変バルブタイミング機構を用いることができる。また、排気弁９の可変バルブタイミング機構Ｃも、吸気弁７の可変バルブタイミング機構Ｂと同様な構成を有し、排気弁９の位相角及び作用角、すなわち排気弁９の開弁時期及び閉弁時期を任意に変更することができる。
【００３９】
＜触媒の暖機＞
ところで、触媒ケーシング２２に内蔵された三元触媒のような触媒２０において排気ガス中の有害物質（ＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）等）を効率良く浄化するためには、触媒２０の温度を活性温度以上にして触媒２０を活性化させる必要がある。しかしながら、始動直後の内燃機関では、触媒２０の温度が活性温度よりも低いことがある。そこで、本実施形態の内燃機関では、アイドリング中のような無負荷又は軽負荷運転中に、触媒２０が活性していない場合、触媒２０を活性化させるために触媒２０の暖機が行われる。
【００４０】
本実施形態では、未燃燃料が排気ポート１０において燃焼する後燃えという現象を利用して触媒２０の暖機が行われる。後燃えが発生すると、燃焼による酸化熱によって排気ポート１０を流通する排気ガスが加熱される。その後、加熱された排気ガスが触媒ケーシング２２に流入するので、触媒ケーシング２２内の触媒２０が加熱される。詳細は後述するが、本実施形態では、点火時期の遅角、吸入空気の過給及びバルブオーバーラップを組み合わせることで後燃えを促進させる。なお、バルブオーバーラップとは、吸気弁７の開弁期間と排気弁９の開弁期間とが部分的に重なることを意味する。
【００４１】
具体的には、触媒２０の暖機中には、ＥＣＵ３０によって点火プラグ６の点火時期が圧縮上死点から遅角した時期（例えば５°〜２０°ＡＴＤＣ）にされる。したがって、触媒２０の暖機中には、触媒２０の暖機完了後に比べて点火時期が遅角せしめられる。このことによって、点火時期から排気弁９の開弁時期までのクランク角が小さくなるので、燃焼室５に供給された燃料の一部が未燃状態で排気ポート１０に流入し、後燃えが発生する。
【００４２】
また、触媒２０の暖機中には、燃焼室５に供給される空気、すなわち吸入空気の過給（吸入空気の圧力の増大）が行われると共にバルブオーバーラップ量が増大せしめられる。したがって、触媒２０の暖機中には触媒２０の暖機完了後に比べて、吸入空気の圧力が高められると共にバルブオーバーラップ量が増大せしめられる。吸入空気の過給は、ＥＣＵ３０によって過給器２８を作動させることによって行われる。吸入空気の過給は、吸気ポート８内の空気の圧力が排気ポート１０内の排気ガスの圧力よりも高くなるように行われる。特に、本実施形態では、過給器２８による吸入空気の過給は、吸入空気の圧力が大気圧よりも高くなるように行われる。
【００４３】
また、バルブオーバーラップ量は、ＥＣＵ３０によって吸気弁７の可変バルブタイミング機構Ｂ及び排気弁９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増大せしめられる。具体的には、バルブオーバーラップ量の増大は、吸気弁７の開弁時期を進角させること及び排気弁９の閉弁時期を遅角させることの少なくともいずれか一方によって行われる。
【００４４】
触媒２０の暖機中に過給器２８の動作及びバルブオーバーラップ量をこのように制御することにより、後燃えを促進させることができる。すなわち、過給器２８による過給が行われると、吸気ポート８内の圧力が排気ポート１０内の圧力よりも高くなる。このため、過給時にバルブオーバーラップ量を増大させると、吸気ポート８から排気ポート１０へと吹き抜ける混合気の量（吹き抜け量）が増大する。この結果、排気ポート１０内に流入する混合気が増大し、このことによって後燃えが促進される。
【００４５】
なお、吸気ポート８から排気ポート１０へ燃焼室５を通って混合気が吹き抜ける吹き抜け量は、バルブオーバーラップが発生していれば、過給器２８によって吸入空気の圧力を高めることのみによっても増大させることができる。したがって、触媒２０の暖機中に混合気の吹き抜け量を増大させることができれば、必ずしも触媒２０の暖機完了後に比べてバルブオーバーラップ量を増大させる必要はない。
【００４６】
＜可変圧縮比機構を備えた内燃機関における過給の問題点＞
上述したように、過給器２８による空気の過給が行われると、混合気の吹き抜け量が増大し、排気ガスの後燃えが促進される。しかしながら、過給器２８による空気の過給が行われると、燃焼室５に吸入される吸入空気量も増加する。また、燃焼室５に供給される燃料量は、燃焼室５内で燃焼される混合気の空燃比が目標空燃比（例えば理論空燃比）となるように制御される。このため、吸入空気量が増加すると、燃焼室５に供給される燃料量も増加し、燃焼トルクが増大する。しかしながら、触媒２０の暖機がアイドリング中のような無負荷又は軽負荷運転中に行われると、必要な燃焼トルクは非常に小さい。このため、触媒２０の暖機のために後燃えを促進させるためには、空気の過給による燃焼トルクの増大を低減する必要がある。
【００４７】
例えば、点火時期を圧縮上死点から大幅に遅角させた時期（例えば３０°ＡＴＤＣ）にすることで、アイドリング中に必要なトルクまで燃焼トルクを減少させることができる。しかしながら、点火時期を圧縮上死点から大幅に遅角させることは燃焼安定性を悪化させる。このため、燃焼安定性の悪化を抑制するためには、スプレーガイド方式やウォールガイド方式といった直噴方式による成層燃焼を行う必要がある。
【００４８】
ところで、可変圧縮比機構Ａを備えた内燃機関では、その燃焼効率を高めるためには、変更可能な機械圧縮比の最大値が高いことが好ましい。本実施形態では、例えば、可変圧縮比機構Ａによって変更可能な機械圧縮比の最大値は２０以上とされる。ところが、機械圧縮比の最大値をできるだけ高めるためには、圧縮上死点における燃焼室５の容積が小さくなるようにピストンの頂面形状を設計することが必要になる。このため、変更可能な機械圧縮比の最大値が２０以上となるような可変圧縮比機構Ａを備えた内燃機関では、ピストン形状の設計自由度が小さく、スプレーガイド方式やウォールガイド方式といった直噴方式を採用することが困難である。したがって、可変圧縮比機構Ａを備えた内燃機関では、燃焼安定性の悪化を抑制すべく、点火時期の大幅遅角以外の方法で空気の過給による燃焼トルクの増大を低減することが望ましい。
【００４９】
＜暖機中の制御＞
そこで、本実施形態では、可変圧縮比機構Ａを備えた内燃機関において、上述したように後燃えを利用して触媒２０の暖機を行う際に、暖機完了後に比べて、吸気弁７の閉弁時期を吸気下死点から離れるように制御すると共に可変圧縮比機構Ａによって機械圧縮比を増大させるように制御している。以下では、吸気弁７の閉弁時期及び機械圧縮比の制御について詳細に説明する。
【００５０】
＜可変バルブタイミング機構の制御＞
本実施形態では、燃焼室５に供給される空気の過給による燃焼トルクの増大を低減するために、触媒２０の暖機を行う場合には、暖機完了後に比べて、吸気弁７の閉弁時期が吸気下死点から離れるように遅角された時期に制御される。このように、吸気弁７の閉弁時期を吸気下死点から離れるように遅角させると、吸気弁７が閉弁するときの燃焼室５の容積が小さくなるため、吸気弁７の閉弁時に燃焼室５内に吸入されている空気量、すなわち吸入空気量が減少する。したがって、吸気弁７の閉弁時期を吸気下死点から離れるように遅角させると、吸入空気量が減少し、その結果、燃焼トルクが減少することになる。
【００５１】
特に、本実施形態では、触媒２０の暖機中に触媒２０の暖機完了後に比べて過給によって燃焼室に供給される空気の圧力が増大しても、触媒２０の暖機完了後に比べて吸入空気量が変化しないように、吸気弁７の閉弁時期が吸気下死点から離れるように遅角される。換言すると、本実施形態では、過給器２８の使用に伴う吸入空気の増大分を吸気弁７の閉弁時期の遅角によって相殺することができるように吸気弁７の閉弁時期が遅角せしめられる。
【００５２】
なお、上記実施形態では、触媒２０の暖機を行う場合には、暖機完了後に比べて、吸気弁７の閉弁時期が遅角される。しかしながら、触媒２０の暖機を行う場合には、暖機完了後に比べて、吸気弁７の閉弁時期が吸気下死点から離れるように進角された時期に制御されてもよい。このように吸気弁７の閉弁時期を吸気下死点から離れるように進角させたときも、吸気弁７が閉弁するときの燃焼室５の容積が小さくなるため、燃焼室５に吸入される吸入空気量が減少する。したがって、これらを総合して勘案すると、本実施形態では、触媒２０の暖機を行う場合には、暖機完了後に比べて吸気弁７の閉弁時期を吸気下死点から離れるように制御しているといえる。
【００５３】
上述したように、触媒２０の暖機を行う場合には、触媒２０の暖機完了後に比べて、バルブオーバーラップ量が増大せしめられる。これに加えて、本実施形態では、触媒２０の暖機を行う場合には、触媒２０の暖機完了後に比べて、吸気弁７の閉弁時期が吸気下死点から離れるように制御される。以下では、図６を参照して、バルブオーバーラップ量の増大と吸気下死点から離れた時期になるような吸気弁７の閉弁時期の制御とを同時に行った場合の可変バルブタイミング機構Ｂの制御の例について説明する。
【００５４】
図６（Ａ）は、触媒２０の暖機完了後における吸気弁７の閉弁時期及び吸気弁７と排気弁９とのバルブオーバーラップを示している。図示した例では、吸気弁７の閉弁時期が吸気下死点に一致すると共に、バルブオーバーラップが発生しておらず、よってバルブオーバーラップ量はゼロとされている。図６（Ｂ）は、触媒２０の暖機中における吸気弁７の閉弁時期及びバルブオーバーラップを示している。図６（Ｂ）に示した例では、触媒２０の暖機中には、可変バルブタイミング機構Ｂのカム作用角変更部Ｂ２を制御することによって、触媒２０の暖機中に比べて吸気弁７の作用角が増大せしめられる。この結果、吸気弁７の閉弁時期が吸気下死点から離れるように遅角される。加えて、吸気弁７の開弁時期が進角されており、これにより吸気弁の暖機中に比べて、バルブオーバーラップ量が増大せしめられる。なお、図６（Ｂ）における吸気弁７の位相角は図６（Ａ）の例と同一である。
【００５５】
なお、触媒２０の暖機中には、図６（Ｃ）に示したように、吸気弁７の閉弁時期及びバルブオーバーラップ量を設定することも可能である。図６（Ｃ）に示した例では、可変バルブタイミング機構Ｂのカム位相変更部Ｂ１を制御することによって、吸気弁７の位相角が図６（Ａ）の例よりも進角されている。この結果、吸気弁７の閉弁時期が吸気下死点から離れるように進角される。加えて、吸気弁７の開弁時期も進角されており、これにより図６（Ａ）に示した吸気弁の暖機中に比べて、バルブオーバーラップ量が増大せしめられる。なお、図６（Ｃ）における吸気弁７の作用角は図６（Ａ）の例と同一である。
【００５６】
なお、バルブオーバーラップ量を増大させると共に吸気弁７の閉弁時期を吸気下死点から離れるように制御するために、可変バルブタイミング機構Ｂのカム位相変更部Ｂ１及びカム作用角変更部Ｂ２の両方を制御して吸気弁７の位相角及び作用角の両方を制御してもよい。また、バルブオーバーラップ量を増大させると共に吸気弁７の閉弁時期を吸気下死点から離れるように制御するために、吸気弁７の可変バルブタイミング機構Ｂ及び排気弁９の可変バルブタイミング機構Ｃの両方を制御してもよい。
【００５７】
＜機械圧縮比の変更＞
本実施形態では、触媒２０の暖機を行う場合には、暖機完了後に比べて、吸気弁７の閉弁時期を吸気下死点から離れるように制御することに加えて、機械圧縮比が増大せしめられる。すなわち、本実施形態では、触媒２０の暖機を行う場合には、吸気弁７の閉弁時期の変更に伴う実圧縮比の低下が小さくなるように、暖機完了後に比べて機械圧縮比が増大せしめられる。特に、本実施形態では、吸気弁７の閉弁時期を吸気下死点から離したことに伴う実圧縮比の低下がゼロになるように機械圧縮比が増大せしめられる。
【００５８】
最初に、図７を参照して、機械圧縮比及び実圧縮比について説明する。図７は、機械圧縮比及び実圧縮比を説明するための図である。図７には、説明のために燃焼室容積が５０ｍｌでピストンの行程容積が５００ｍｌである内燃機関が示されている。なお、図７において、燃焼室容積とはピストンが圧縮上死点に位置するときの燃焼室の容積を表している。
【００５９】
図７（Ａ）は機械圧縮比について説明している。機械圧縮比は、圧縮行程時のピストンの行程容積及び燃焼室容積から機械的に定まる値であり、（燃焼室容積＋行程容積）／燃焼室容積で表される。図７（Ａ）に示される例ではこの機械圧縮比は（５０ｍｌ＋５００ｍｌ）／５０ｍｌ＝１１となる。
【００６０】
図７（Ｂ）は実圧縮比について説明している。実圧縮比は、実際に圧縮作用が開始されたときからピストンが上死点に達するまでの実際のピストン行程容積と燃焼室容積から定まる値であり、（燃焼室容積＋実際の行程容積）／燃焼室容積で表される。すなわち、図７（Ｂ）に示されるように圧縮行程においてピストンが上昇を開始しても吸気弁が開弁している間は圧縮作用は行われず、吸気弁が閉弁したときから実際の圧縮作用が開始される。この結果、図７（Ｂ）に示される例では実圧縮比は（５０ｍｌ＋４５０ｍｌ）／５０ｍｌ＝１０となる。
【００６１】
吸気弁の閉弁時期が吸気下死点に一致している場合、ピストンの行程容積と実際の行程容積とが同一であるため、機械圧縮比と実圧縮比とは同一である。一方、図７（Ｂ）に示されるように、吸気弁の閉弁時期が吸気下死点から遅角された場合、ピストンの実際の行程容積がピストンの行程容積よりも小さくなるため、実圧縮比は機械圧縮比よりも小さくなる。また、吸気弁の閉弁時期が吸気下死点から進角された場合も、ピストンの実際の行程容積がピストンの行程容積よりも小さくなるため、実圧縮比は機械圧縮比よりも小さくなる。
【００６２】
次に図８を参照して、可変圧縮比機構Ａによって機械圧縮比を増大させることで、吸気弁７の閉弁時期を遅角させたとしても、実圧縮比を維持することができる原理について説明する。図８（Ａ）は、触媒２０の暖機完了後に行われるサイクル、すなわち吸気弁７が吸気下死点近傍で閉弁する場合のサイクルを示している。図８（Ｂ）は、可変圧縮比機構Ａによって機械圧縮比が増大せしめられると共に、吸気弁７の閉弁時期が吸気下死点から遅角される場合のサイクルを示している。
【００６３】
図８（Ａ）に示す例でも、図７に示す例と同様に燃焼室容積が５０ｍｌとされ、ピストンの行程容積が５００ｍｌとされている。図８（Ａ）からわかるように通常のサイクルでは機械圧縮比は（５０ｍｌ＋５００ｍｌ）／５０ｍｌ＝１１であり、実圧縮比もほぼ１１となる。すなわち、通常の内燃機関では機械圧縮比と実圧縮比とがほぼ等しくなる。
【００６４】
一方、図８（Ｂ）の例では、可変圧縮比機構Ａによってシリンダブロック２とクランクケース１との相対距離を小さくした結果、燃焼室容積が５０ｍｌから２０ｍｌに減少している。また、可変バルブタイミング機構Ｂによって吸気弁７の閉弁時期を吸気下死点から離れるように遅角させた結果、実際のピストン行程容積が５００ｍｌから２００ｍｌに減少している。この結果、この例では機械圧縮比は（２０ｍｌ＋５００ｍｌ）／２０ｍｌ＝２６となる。また、実圧縮比は、（２０ｍｌ＋２００ｍｌ）／２０ｍｌ＝１１となり、図８（Ａ）に示す例と等しい。したがって、可変圧縮比機構Ａによって機械圧縮比を増大させることで、吸気弁７の閉弁時期を遅角させたとしても、実圧縮比を維持することができる。なお、吸気弁７の閉弁時期を吸気下死点から進角させた場合についても同様である。
【００６５】
ここで、吸気弁７の閉弁時期を吸気下死点から離れるように制御すると、実圧縮比が低下するため、燃焼安定性が悪化する。しかしながら、本実施形態では、触媒２０の暖機中において、触媒２０の暖機完了後に比べて可変圧縮比機構Ａによって機械圧縮比が高くされる。これにより、吸気弁７の閉弁時期の変更に伴う実圧縮比の低下、ひいては燃焼安定性の悪化を抑制することができる。また、本実施形態では、点火時期が圧縮上死点から遅角されるので、機械圧縮比を高くしても燃焼トルクはほとんど増大しない。
【００６６】
以上をまとめると、本実施形態の内燃機関によれば、無負荷運転中又は軽負荷運転中において、触媒２０の暖機中には暖機完了後に比べて点火時期が遅角せしめられると共にバルブオーバーラップ中に混合気が燃焼室を吹き抜ける吹き抜け量が多くなるように過給器２８の動作及びバルブオーバーラップ量が制御される。また、燃焼室５に供給される空気の圧力が増大するように過給器２８の動作が制御される。このため、排気ガスの後燃えを促進させることができる。加えて、本実施形態の内燃機関によれば、触媒２０の暖機中には、暖機完了後に比べて、吸気弁７の閉弁時期が吸気下死点から離れるように制御されると共に、暖機完了後に比べて吸気弁７の閉弁時期を吸気下死点から離したことに伴う実圧縮比の低下が小さくなるように機械圧縮比が増大せしめられる。これにより、過給器２８の動作に伴う燃焼トルクの増大を抑制しつつ、燃焼安定性の悪化を抑制することができる。したがって、触媒２０の温度を適切に上昇させることができる。
【００６７】
＜触媒暖機処理のタイムチャート＞
以下、図９を参照して、内燃機関始動後の触媒暖機処理について説明する。図９は、内燃機関始動後における機関回転数Ｎｅ、吸気管圧力Ｐｍ、スロットル開度、過給のオンオフ、点火時期ＳＡ、吸気弁閉弁時期ＩＶＣ、機械圧縮比、実圧縮比、バルブオーバーラップ量、触媒温度の概略的なタイムチャートである。なお、吸気管圧力Ｐｍとは、スロットル弁１７の下流側の吸気通路、例えば吸気ポート８内の圧力を意味する。
【００６８】
図９の例では、時刻０において内燃機関が始動される。内燃機関が始動されると、スタータモータによってクランクシャフトが回転せしめられる。その後、時刻ｔ１において混合気の燃焼が発生し、機関回転数Ｎｅが急上昇する。エンジンの吹き上がりが終了すると、時刻ｔ２において、触媒２０が活性しているか否かが判定される。なお、図９の例では、時刻ｔ２において、内燃機関はアイドリング状態にあり、機関負荷は無負荷である。
【００６９】
時刻ｔ２において、触媒２０が活性していない場合、触媒２０の暖機処理が開始される。最初に、過給器２８が作動され、燃焼室５に供給される空気の過給が行われる。また、点火時期ＳＡが圧縮上死点から徐々に遅角される。点火時期ＳＡが遅角されると、燃焼室５に供給された燃料の一部が未燃状態で排気ポート１０に流入し、後燃えが発生する。このとき、過給器２８の作動に伴って吸入空気量が増大することによる燃焼トルクの増大は、点火時期ＳＡを遅角させることによる燃焼トルクの減少によって相殺され、燃焼トルクは一定のまま維持される。
【００７０】
時刻ｔ３において吸気管圧力Ｐｍが大気圧に到達すると、可変バルブタイミング機構Ｂ及び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によってバルブオーバーラップ量が大きくされる。その後、吸気管圧力Ｐｍが排気ポート１０内の圧力よりも高くなるため、吸気ポート８から排気ポート１０へと混合気が流入し、後燃えが促進される。
【００７１】
空気の過給によって燃焼トルクが増大するため、時刻ｔ３において可変バルブタイミング機構Ｂによって吸気弁閉弁時期ＩＶＣが遅角される。このことによって燃焼トルクの増大が抑制される。また、吸気弁閉弁時期ＩＶＣの遅角のみが行われると、実圧縮比が低下し、燃焼安定性が悪化する。燃焼安定性の悪化を抑制するために、時刻ｔ３において可変圧縮比機構Ａによって機械圧縮比が増大せしめられる。このことによって実圧縮比が一定の値に維持される。
【００７２】
時刻ｔ４において、吸気管圧力Ｐｍが飽和すると、その後、吸気弁閉弁時期ＩＶＣ、機械圧縮比及びバルブオーバーラップ量は一定の値に維持される。その後、触媒２０が暖機され、ｔ５において触媒温度が活性化温度以上になると、触媒２０の暖機処理が終了する。
【００７３】
時刻ｔ５において、触媒２０の暖機処理が終了すると、もはや後燃えを発生させる必要がなくなり、よって混合気の吹き抜け量を多く維持する必要がなくなる。このため、時刻ｔ５において触媒２０の暖機処理が終了すると、このときの機関負荷が無負荷又は軽負荷であることから、過給器２８の作動が停止される。この結果、過給器２８による過給が行われなくなる。また、触媒２０の暖機処理が終了すると、バルブオーバーラップ量が減少せしめられる。図９に示した例では、時刻ｔ５においてバルブオーバーラップ量はゼロにされる。
【００７４】
一方、過給器２８の作動が停止されると、燃焼室５に吸入される吸入空気量が減少せしめられる。そこで、時刻ｔ５においては、過給器２８の作動停止に伴う吸入空気量の減少を補償すべく、吸気弁７の閉弁時期が吸気下死点に近づくように進角される。また、吸気弁７の閉弁時期を進角させると、これに伴って実圧縮比が増大する。そこで、時刻ｔ５においては、吸気弁７の閉弁時期の進角に伴う実圧縮比の増大を抑制すべく、機械圧縮比が低下せしめられる。
【００７５】
上記のように、点火時期の遅角、燃焼室５に供給される空気の過給及びバルブオーバーラップを組み合わせることで後燃えが促進される。また、空気の過給による燃焼トルクの増大が吸気弁閉弁時期ＩＶＣの遅角によって抑制される。さらに、機械圧縮比を増大させることで、吸気弁閉弁時期ＩＶＣを遅角させても実圧縮比を維持することができる。この結果、可変圧縮比機構Ａによって変更可能な機械圧縮比の最大値が２０以上であったとしても、燃焼安定性の悪化が抑制される。
【００７６】
なお、図９に示したタイムチャートは、説明を分かりやすくするための単なる例である。例えば、機関負荷が無負荷又は軽負荷である場合、触媒２０が活性していると判定したときに比べて点火時期を遅角させ、触媒２０が活性していると判定したときに比べてバルブオーバーラップ中に混合気が燃焼室５を吹き抜ける吹き抜け量が多くなるように過給器２８の動作及びバルブオーバーラップ量を制御し、触媒２０が活性していると判定したときに比べて燃焼室５に供給される空気の圧力が増大するように過給器２８の動作を制御し、触媒２０が活性していると判定したときに比べて吸気弁７の閉弁時期を吸気下死点から離れるように制御し、吸気弁７の閉弁時期を吸気下死点から離したことに伴う実圧縮比の低下が小さくなるように触媒２０が活性していると判定したときに比べて機械圧縮比を増大させれば、点火時期ＳＡ、吸気弁閉時期ＩＶＣ、バルブオーバーラップ及び機械圧縮比の制御は図９の例とは異なっていてもよい。例えば、時刻ｔ３において吸気弁閉弁時期ＩＶＣを吸気下死点から離れるように遅角させる代わりに進角させてもよい。
【００７７】
＜触媒暖機処理の制御ルーチン＞
以下、図１０を参照して、本発明の実施形態における触媒暖機処理の制御ルーチンについて説明する。本実施形態では、ＥＣＵ３０は、機関負荷が予め定められた基準負荷以下である場合、触媒２０が活性していないと判定したときには、触媒２０が活性していると判定したときに比べて点火時期を遅角させ、触媒２０が活性していると判定したときに比べてバルブオーバーラップ中に混合気が燃焼室５を吹き抜ける吹き抜け量が多くなるように過給器２８の動作及びバルブオーバーラップ量を制御し、触媒２０が活性していると判定したときに比べて燃焼室５に供給される空気の圧力が増大するように過給器２８の動作を制御し、触媒２０が活性していると判定したときに比べて吸気弁７の閉弁時期を吸気下死点から離れるように制御し、吸気弁７の閉弁時期を吸気下死点から離したことに伴う実圧縮比の低下が小さくなるように触媒２０が活性していると判定したときに比べて機械圧縮比を増大させるように制御する。
【００７８】
図１０は、本発明の実施形態における触媒暖機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、内燃機関の始動後、一定時間間隔の割り込みによって実行される。
【００７９】
本実施形態では、まず、ステップＳ１において、機関負荷が算出される。機関負荷は、例えば、負荷センサ４１の出力に基づいて算出される。
【００８０】
次いで、ステップＳ２では、機関負荷が予め定められた基準負荷以下であるか否かが判定される。機関負荷が基準負荷よりも大きいと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、機関負荷が予め定められた基準負荷以下であると判定された場合、例えば内燃機関がアイドリング状態にある場合には、ステップＳ３へと進む。
【００８１】
ステップＳ３では、触媒２０が活性しているか否かが判定される。この判定は、例えば、触媒２０の温度が予め定められた基準温度以上であるか否かを判定することによって行われる。触媒２０の温度が予め定められた基準温度以上である場合、触媒２０は活性していると判定される。触媒２０の温度は、例えば触媒２０の上流側の排気通路又は触媒２０に設けられた温度センサ（図示せず）によって検出される。触媒２０が活性していると判定された場合、ステップＳ４へと進む。
【００８２】
ステップＳ４では、触媒２０の暖機が不要であるため、通常の制御が実施される。この制御では、燃焼室５に供給される空気の圧力が大気圧よりも低くなる程度に過給器２８を作動させるか又は過給器２８を停止させる。また、通常の制御では、例えば、点火時期を燃焼トルクが最大となる点火時期（ＭＢＴ）に設定し、吸気弁閉弁時期を吸気下死点に設定し、バルブオーバーラップ量をゼロに設定し、機械圧縮比を目標実圧縮比に設定する。目標実圧縮比は例えば内燃機関の水温及び機関回転数に基づいて算出される。
【００８３】
一方、ステップＳ３において触媒２０が活性していないと判定された場合、ステップＳ５へと進み、触媒２０の暖機が開始される。
【００８４】
ステップＳ５では、目標点火時期が算出される。目標点火時期は内燃機関の水温及び機関負荷に基づいて算出される。内燃機関の水温は例えば水温センサによって検出される。目標点火時期の遅角量は、例えば、内燃機関の水温が低いほど遅角され、機関負荷が小さいほど遅角される。また、目標点火時期は、ステップＳ４の通常制御において設定される点火時期よりも遅角される。なお、目標点火時期は内燃機関の水温及び機関負荷の関数としてマップの形態で予めＲＯＭ３２に記憶されてもよい。
【００８５】
また、ステップＳ５では、目標過給圧が算出される。目標過給圧はスロットル開度に基づいて算出される。目標過給圧は、例えばスロットル開度が大きいほど高くされる。また、目標過給圧は、大気圧以上であり、ステップＳ４の通常制御において設定される過給圧よりも高くされる。なお、過給圧はスロットル開度の関数としてマップの形態で予めＲＯＭ３２に記憶されてもよい。
【００８６】
次いで、ステップＳ６では、ステップＳ５において算出された目標点火時期に基づいて点火プラグ６を制御することによって点火時期が遅角される。このことによって、燃焼室５に供給された燃料の一部が未燃状態で排気ポート１０に流入し、後燃えが発生する。また、ステップＳ６では、ステップＳ５において算出された目標過給圧に基づいて過給器２８が作動される。
【００８７】
次いで、ステップＳ７では、吸気管圧力が大気圧以上であるか否かが判定される。なお、吸気管圧力とは、スロットル弁１７の下流側の吸気通路、例えば吸気ポート８内の圧力を意味する。吸気管圧力が大気圧未満であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。したがって、吸気管圧力が大気圧未満であるときには、主に点火時期の遅角による後燃えによって触媒２０の暖機が促進される。一方、吸気管圧力が大気圧以上であると判定された場合、ステップＳ８へと進む。
【００８８】
次いで、ステップＳ８では、ステップＳ５において算出された目標点火時期に基づいて機関負荷率が補正される。このとき機関負荷率は、目標点火時期が遅角されるほど機関負荷率が大きく増大されるように補正される。次いで、ステップＳ９では、目標バルブオーバーラップ量が算出される。目標バルブオーバーラップ量は、ステップＳ５において算出された目標過給圧と、ステップＳ８において補正された機関負荷率とに基づいて算出される。目標バルブオーバーラップ量は、例えば、目標過給圧が低いほど大きく、補正された機関負荷率が大きいほど大きくされる。また、目標バルブオーバーラップ量は、ステップＳ４の通常制御中に比べてバルブオーバーラップ中に混合気が燃焼室５を吹き抜ける吹き抜け量が多くなるように設定される。なお、目標バルブオーバーラップ量は目標過給圧及び補正された機関負荷率の関数としてマップの形態で予めＲＯＭ３２に記憶されてもよい。
【００８９】
また、ステップＳ９では、目標吸気弁閉弁時期が算出される。目標吸気弁閉弁時期は、ステップＳ５において算出された目標過給圧と、ステップＳ８において補正された機関負荷率とに基づいて算出される。目標吸気弁閉弁時期の吸気下死点からの遅角量は、例えば、目標過給圧が高いほど大きく、補正された機関負荷率が小さいほど大きくされる。また、目標吸気弁閉弁時期は、ステップＳ４の通常制御において算出される吸気弁閉弁時期よりも吸気下死点から大きく遅角した時期に設定される。なお、目標吸気弁閉弁時期は目標過給圧及び補正された機関負荷率の関数としてマップの形態で予めＲＯＭ３２に記憶されてもよい。また、好ましくは、目標吸気弁閉弁時期は、過給器２８の作動によってステップＳ４の通常制御中に比べて燃焼室５に供給される空気の圧力が増大してもステップＳ４の通常制御中に比べて吸入空気量が変化しないように、吸気下死点から遅角した時期に設定される。このことによって、過給器２８の作動によってステップＳ４の通常制御中に比べて燃焼室５に供給される空気の圧力が増大することによる燃焼トルクの増大をゼロにすることができ、よってトルクショックの発生を抑制することができる。
【００９０】
さらに、ステップＳ９では、目標実圧縮比が算出される。目標実圧縮比は内燃機関の水温及び機関回転数に基づいて算出される。目標実圧縮比は、例えば、内燃機関の水温が低いほど高くされ、機関回転数が高いほど高くされる。なお、目標実圧縮比は内燃機関の水温及び機関回転数の関数としてマップの形態で予めＲＯＭ３２に記憶されてもよい。
【００９１】
次いで、ステップＳ１０では、目標機械圧縮比が算出される。目標機械圧縮比は、ステップＳ９において算出された目標吸気弁閉弁時期及び目標実圧縮比に基づいて算出される。目標機械圧縮比は、例えば、目標吸気弁閉弁時期の吸気下死点からの遅角量が多いほど高くされ、目標実圧縮比が高いほど高くされる。また、目標機械圧縮比は、吸気弁閉弁時期を吸気下死点から遅角させたことに伴う実圧縮比の低下が小さくなるように、ステップＳ４の通常制御において設定される機械圧縮比よりも増大せしめられる。なお、目標機械圧縮比は目標吸気弁閉弁時期及び目標実圧縮比の関数としてマップの形態で予めＲＯＭ３２に記憶されてもよい。また、好ましくは、目標機械圧縮比は、吸気弁閉弁時期を吸気下死点から遅角させたことに伴う実圧縮比の低下がゼロになるように設定される。このことによって、目標吸気弁閉弁時期を通常制御のときよりも吸気下死点から離したとしても、実圧縮比が低下しないため、燃焼安定性が悪化しない。
【００９２】
次いで、ステップＳ１１では、ステップＳ９において算出された目標バルブオーバーラップ量及び目標吸気弁閉弁時期に基づいて可変バルブタイミング機構Ｂが制御される。吸気管圧力が大気圧以上となっているため、目標バルブオーバーラップ量を発生させることによって、混合気が燃焼室５を吹き抜けるようになり、後燃えが促進される。また、吸気弁閉弁時期を吸気下死点から遅角させることによって、過給器２８の作動による吸入空気量の増加、ひいては燃焼トルクの増大を低減することができる。なお、これらの制御は可変バルブタイミング機構Ｂ及び可変バルブタイミング機構Ｃの両方によって制御されてもよい。
【００９３】
また、ステップＳ１１では、ステップＳ１０において算出された目標機械圧縮比に基づいて可変圧縮比機構Ａが制御される。このことによって、吸気弁７の閉弁時期を吸気下死点から離したことに伴う実圧縮比の低下を抑制することができる。
【００９４】
ステップＳ１１の後、本制御ルーチンは終了する。本制御ルーチンの全ての制御はＥＣＵ３０によって行われる。なお、ステップＳ９において、目標吸気弁閉弁時期は、ステップＳ４の通常制御において算出される吸気弁閉弁時期よりも吸気下死点から進角した時期に設定されてもよい。すなわち、目標吸気弁閉弁時期は、ステップＳ４の通常制御において算出される吸気弁閉弁時期よりも吸気下死点から離れた時期であれば、吸気下死点から遅角した時期であっても進角した時期であってもよい。
【００９５】
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】
【００９６】
１    クランクケース
２    シリンダブロック
３    シリンダヘッド
４    ピストン
５    燃焼室
６    点火プラグ
７    吸気弁
８    吸気ポート
９    排気弁
１０    排気ポート
２０    触媒
２８    過給器
３０    電子制御ユニット（ＥＣＵ）
Ａ    可変圧縮比機構
Ｂ、Ｃ    可変バルブタイミング機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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