JP5831501B2

JP5831501B2 - 内燃機関

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Inventors: 金子　真也; 真也金子; 大輔内田
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Description

本発明は、内燃機関に関する。

内燃機関の機関排気通路に排気浄化触媒を配置し、排気ガスに含まれる一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）または窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）等の成分を浄化することが知られている。排気浄化触媒は、排気ガスの成分を高効率で浄化することが可能になる活性化温度を有する。内燃機関を長期間停止した後に始動した直後等には、排気浄化触媒は活性化温度未満であり、早期に排気浄化触媒を活性化温度以上に昇温することが好ましい。

特開平１１−３２４７６５号公報には、内燃機関の始動から排気浄化触媒が活性化するまで排気浄化触媒を暖機する直噴火花点火式内燃機関が開示されている。この直噴火花点火内燃機関においては、混合気の空燃比をストイキに制御して燃焼させる際に、吸気行程に燃料噴射することにより燃焼室内全体にストイキよりも比較的リーンな均質混合気を形成する。そして、圧縮行程中の燃料噴射により点火栓周りにストイキよりも比較的リッチな混合気を層状に形成して燃焼させている。この内燃機関は、既燃ガス中に含まれる酸化反応し易いＣＯ割合を増大でき、ＨＣ割合を下げることができることが開示されている。また、点火時期を遅角側に設定することが開示されている。

また、従来の技術においては、冷間始動時等に短時間で排気浄化触媒を昇温するために、排気浄化触媒の上流側の機関排気通路に空気を供給する二次空気供給装置を配置することが知られている。（たとえば、特開平０５−７９３２３号公報）。二次空気供給装置は、機関排気通路に二次空気を供給して酸素濃度を高める。二次空気の供給により排気ガスに含まれる未燃の一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）を酸化させて排気ガスの温度を上昇させて、排気浄化触媒の暖機を促進することができる。

特開２００３−０５６３９２号公報には、燃焼室内に直接的に燃料を噴射する噴射弁と、排気通路内に空気を供給する空気供給手段とを備えた内燃機関が開示されている。この内燃機関は、空気供給手段により排気通路内に空気が供給されるときに、燃料を圧縮行程で噴射し、燃焼空燃比を理論空燃比または理論空燃比よりも燃料過濃側の空燃比に設定することが開示されている。

特開２００８−２０８７６５号公報には、機関吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射弁を備える火花点火式内燃機関において、内燃機関の排気通路に配置された触媒と、点火時期を過進角させる過進角手段と、点火時期が過進角されている時に触媒より上流の排気に酸素を供給する酸素供給手段とを備える内燃機関が開示されている。特開２０１０−１１２２８９号公報には、二次空気供給装置を備える内燃機関において、ラジエータの放熱等を二次空気供給装置内に導入することにより、二次空気供給装置の凍結部分を解凍する制御装置が開示されている。特開２０１１−１１１８９５号公報には、触媒に流入する排出ガス温度が適正温度になるように二次エアポンプの吐出量を補正する内燃機関の制御装置が開示されている。

特開平１１−３２４７６５号公報特開平０５−０７９３２３号公報特開２００３−０５６３９２号公報特開２００８−２０８７６５号公報特開２０１０−１１２２８９号公報特開２０１１−１１１８９５号公報

上記の公報に開示されているように、内燃機関の始動時等に排気浄化触媒を暖機する場合には、気筒内に直接的に燃料を噴射し、成層燃焼を生じさせて、点火時期を遅角することにより、排気ガスの温度を上昇させることができる。または、二次空気供給装置により燃焼室から流出する排気ガスに酸素を供給し、排気ガスに含まれる一酸化炭素等を酸化することにより、排気ガスの温度を上昇させることができる。排気ガスの温度を上昇させることにより、排気浄化触媒を短時間で昇温することができる。

ところが、二次空気供給装置は、例えば外気の温度が非常に低い環境で始動する場合に、エアポンプやエアスイッチングバルブなどが凍結している虞があり、始動することができないという問題がある。また、エアポンプ等の使用時間には限界があり、二次空気供給装置を駆動する温度範囲を大きくすると二次空気供給装置の信頼性が低下するという問題がある。すなわち、二次空気供給装置が故障する可能性が高くなるという問題がある。

また、近年では大気中に放出される排気ガスの性状の向上が更に要望されている。たとえば、排気浄化触媒を暖機している期間中に大気中に放出される炭化水素等の排出量を減少させることが好ましい。ところが、上記の気筒内において成層燃焼を生じさせて点火時期を大幅に遅角する制御のみ、または、上記の二次空気供給装置により排気ガスに酸素を供給する制御のみでは、排気浄化触媒の暖機に時間がかかり、排気ガスの性状の向上が難しいという問題がある。

本発明は、排気浄化触媒および二次空気供給装置を備える内燃機関において、大気中に放出される排気ガスの性状の向上と二次空気供給装置の信頼性の向上とを目的とする。

本発明の内燃機関は、燃焼室の内部に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁と、機関排気通路に配置されている排気浄化触媒と、排気浄化触媒よりも上流側の機関排気通路に空気を供給する二次空気供給装置と、排気浄化触媒の温度が連動する部分の温度である関連温度を取得する関連温度取得手段とを備える。排気浄化触媒の温度上昇を促進する第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を実施するように形成されている。第１の触媒暖機制御は、圧縮行程において筒内燃料噴射弁から燃料を噴射して点火装置の周りの燃料濃度を上昇させる制御と、点火時期を遅角して燃焼室から流出する排気ガスの温度を上昇させる制御とを含む。第２の触媒暖機制御は、機関排気通路に空気を供給して排気ガスに含まれる成分を酸化させて排気ガスの温度を上昇させる制御を含む。第１の触媒暖機制御が実施される関連温度の第１の温度範囲と、第２の触媒暖機制御が実施される関連温度の第２の温度範囲とが予め定められている。第２の温度範囲が第１の温度範囲の内部に含まれるように設定され、第１の触媒暖機制御の実施範囲が第２の触媒暖機制御の実施範囲よりも広く設定されている。

上記発明においては、内燃機関の運転期間中に燃焼室における燃料の燃焼を一時的に停止する間欠運転制御を行うように形成されており、間欠運転制御により燃焼室における燃焼を停止した後に再始動する場合に、関連温度が第１の温度範囲の上限よりも低い時に、第２の触媒暖機制御を実施せずに第１の触媒暖機制御を実施することができる。

上記発明においては、間欠運転が実施される関連温度の下限が予め設定されており、間欠運転制御が実施される関連温度の下限は、第２の温度範囲の上限よりも高く設定されることができる。

上記発明においては、関連温度は、機関冷却水の温度であり、関連温度取得手段は、機関冷却水の温度を検出する温度検出器を含み、第１の温度範囲の下限は第２の温度範囲の下限よりも低く設定されており、第１の温度範囲の上限は第２の温度範囲の上限よりも高く設定されることができる。

上記発明においては、排気浄化触媒の温度を取得する触媒温度取得手段を備え、排気浄化触媒が活性化する活性化温度が予め設定されており、排気浄化触媒が活性化温度以上の場合には、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を禁止することができる。

上記発明においては、排気浄化触媒の温度を取得する触媒温度取得手段を備え、排気浄化触媒が活性化する活性化温度と、活性化温度よりも低く予め定められた浄化率を達成できる半活性化温度とが予め設定されており、関連温度が第１の温度範囲内であり、排気浄化触媒の温度が活性化温度未満かつ半活性化温度以上の場合には、第２の触媒暖機制御を実施せずに第１の触媒暖機制御を実施することができる。

本発明によれば、排気浄化触媒および二次空気供給装置を備える内燃機関において、大気中に放出される排気ガスの性状を向上し、更に二次空気供給装置の信頼性を向上することができる。

実施の形態における内燃機関の概略図である。実施の形態の第１の運転制御における触媒暖機制御と第１の比較例との実施範囲を説明する概略図である。実施の形態の第１の運転制御における触媒暖機制御と第２の比較例との実施範囲を説明する概略図である。実施の形態における第１の運転制御のフローチャートである。排気浄化触媒の温度に対する浄化率を説明するグラフである。実施の形態の第２の運転制御における触媒暖機制御の実施範囲を説明する概略図である。実施の形態における第２の運転制御のフローチャートである。

図１から図７を参照して、実施の形態における内燃機関について説明する。本実施の形態においては、車両に配置されている内燃機関を例に取り上げて説明する。

図１は、本実施の形態における内燃機関の概略図である。本実施の形態における内燃機関は、火花点火式である。内燃機関は、機関本体１を備える。機関本体１は、シリンダブロック２とシリンダヘッド４とを含む。シリンダブロック２の内部には、ピストン３が配置されている。ピストン３は、シリンダブロック２に形成された穴部の内部で往復運動する。

本実施の形態においては、ピストン３の冠面、シリンダヘッド４およびシリンダブロック２の穴部により囲まれる空間を燃焼室という。燃焼室５は、それぞれの気筒ごとに形成されている。燃焼室５には、機関吸気通路および機関排気通路が接続されている。機関吸気通路は、燃焼室５に空気または燃料と空気との混合気を供給するための通路である。機関排気通路は、燃料の燃焼により生じた排気ガスを燃焼室５から排出するための通路である。

シリンダヘッド４には、吸気ポート７および排気ポート９が形成されている。吸気弁６は吸気ポート７の端部に配置され、燃焼室５に連通する機関吸気通路を開閉可能に形成されている。排気弁８は、排気ポート９の端部に配置され、燃焼室５に連通する機関排気通路を開閉可能に形成されている。シリンダヘッド４には、点火装置としての点火プラグ１０が固定されている。

本実施の形態における内燃機関は、燃焼室５の内部に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁としての燃料噴射弁１１を備える。燃料噴射弁１１は、直接的に気筒内に燃料を噴射する。本実施の形態の内燃機関は、燃料タンク内に貯蔵されている燃料を高圧燃料ポンプによって燃料噴射弁１１に供給する。ピストン３の頂面には、燃料噴射弁１１の下方から点火プラグ１０の下方まで延びるキャビティ３ａが形成されている。圧縮行程において燃料噴射弁１１から燃料を噴射することにより、キャビティ３ａに沿って燃料を含む混合気が流動する。燃料が点火プラグ１０の近傍に集まって燃料の濃度を高めることができる。すなわち、成層度を高めることができる。

各気筒の吸気ポート７は、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、吸気ダクト１５を介してエアクリーナ２３に連結されている。吸気ダクト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。吸気ダクト１５の内部には、ステップモータ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。一方、各気筒の排気ポート９は、排気マニホールド１９に連結されている。排気マニホールド１９は、排気管２２を介して排気処理装置２１に連結されている。本実施の形態における排気処理装置２１は、排気浄化触媒２０を含む。排気浄化触媒２０としては、所定の浄化率を達成するための活性化温度を有する任意の触媒を採用することができる。たとえば三元触媒、酸化触媒、またはＮＯ_Ｘ浄化触媒等の触媒を採用することができる。

本実施の形態における内燃機関は、制御装置として機能する電子制御ユニット３１を備える。本実施の形態における電子制御ユニット３１は、デジタルコンピュータを含む。電子制御ユニット３１は、双方向バス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および出力ポート３７を含む。

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。アクセルペダル４０には、負荷センサ４１が接続されている。負荷センサ４１は、アクセルペダル４０の踏込量に比例した出力電圧を発生する。この出力電圧は、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。

クランク角センサ４２は、例えば、クランクシャフトが所定の角度を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。クランク角センサ４２の出力により、機関回転数を検出することができる。また、クランク角センサ４２の出力により、任意の時刻におけるクランク角度を検出することができる。

燃焼室５にて燃焼した気体を含み、排気処理装置２１より上流の機関排気通路等に供給された気体において、空気および燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）と称すると、機関排気通路には、燃焼室５から流出する気体の排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ４４が取り付けられている。また、排気処理装置２１には、排気浄化触媒２０の温度を検出する温度検出器として、温度センサ４３が配置されている。温度センサ４３は、排気浄化触媒２０の温度を取得する触媒温度取得手段として機能する。これらの空燃比センサ４４の出力および温度センサ４３の出力は、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。

電子制御ユニット３１の出力ポート３７は、それぞれの対応する駆動回路３９を介して燃料噴射弁１１および点火プラグ１０に接続されている。本実施の形態における電子制御ユニット３１は、燃料噴射制御や点火制御を行うように形成されている。すなわち、燃料噴射弁１１から燃料を噴射する時期および燃料の噴射量が電子制御ユニット３１により制御される。更に点火プラグ１０の点火時期が電子制御ユニット３１により制御されている。また、出力ポート３７は、対応する駆動回路３９を介して、スロットル弁１８を駆動するステップモータ１７に接続されている。ステップモータ１７は、電子制御ユニット３１により制御されている。

本実施の形態の内燃機関は、排気浄化触媒２０よりも上流側の機関排気通路に空気を供給する二次空気供給装置２５を備える。二次空気供給装置２５は、吸気ダクト１５と排気マニホールド１９とを接続する二次空気供給通路２６を含む。二次空気供給通路２６は、吸気ダクト１５において、エアクリーナ２３の下流側およびエアフローメータ１６の上流側に接続されている。また、二次空気供給装置２５は、電気モータ駆動式のエアポンプ２７およびエアスイッチングバルブ（ＡＳＶ）２８を含む。エアポンプ２７は、吸気ダクト１５の内部の空気を加圧して排気マニホールド１９に供給する。また、二次空気供給通路２６には、空気の逆流を防止するための逆止弁２９が配置されている。エアポンプ２７とエアスイッチングバルブ２８との間には二次空気供給通路２６内の圧力を検出する圧力センサ３０が配置されている。

圧力センサ３０の出力は、電子制御ユニット３１に入力される。また、電子制御ユニット３１の出力ポート３７は、対応する駆動回路３９を介してエアポンプ２７およびエアスイッチングバルブ２８に接続されている。このように、二次空気供給装置２５は、電子制御ユニット３１に制御されている。

本実施の形態における二次空気供給装置２５は、たとえば内燃機関の冷間始動時等に排気浄化触媒２０が十分に昇温していない状況にて用いられる。二次空気供給装置２５を始動する条件が成立すると、エアスイッチングバルブ２８が開かれると共にエアポンプ２７が駆動する。エアクリーナ２３を通過した空気の一部が二次空気供給通路２６を通って排気マニホールド１９内に供給される。排気マニホールド１９を流れる排気ガスに酸素が供給される。

燃焼室５から流出する排気ガスには、未燃の炭化水素や一酸化炭素が含まれる。燃焼室５から流出する排気ガスは高温であり、二次空気供給装置により酸素を供給することにより、未燃の炭化水素や一酸化炭素を酸化させることができる。このときの酸化熱により排気ガスの温度を上昇させることができる。高温の排気ガスを排気浄化触媒２０に供給することができて、排気浄化触媒２０の昇温を促進することができる。

または、排気浄化触媒２０が酸化機能を有する場合には、排気ガスに空気を供給することにより排気ガスの空燃比をリーンにして排気浄化触媒２０に供給することができる。排気浄化触媒２０において未燃の炭化水素および一酸化炭素を酸化することができて、排気浄化触媒２０の昇温を促進することができる。

本実施の形態における内燃機関は、排気浄化触媒２０の温度上昇を促進する第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を実施する。図１を参照して、第１の触媒暖機制御では、燃焼サイクルの圧縮行程において燃料噴射弁１１から燃料を噴射する。この時に、点火プラグ１０の周りに燃料が集まる時期に燃料を噴射する。点火プラグ１０の周りの燃料の濃度が上昇する。このように、成層状態を形成して点火を行う。すなわち成層燃焼を行う。更に、成層燃焼を行うことにより点火プラグ１０にて点火可能な期間が長くなり、燃焼室５における点火時期を大幅に遅角させる制御を行う。通常運転を行っている時や第１の触媒暖機制御を行う前よりも点火時期を遅くする制御を行う。この制御を行うことにより、燃焼室５から流出する排気ガスの温度を上昇させることができる。

また、本実施の形態の第２の触媒暖機制御では、二次空気供給装置２５を駆動する。二次空気供給装置２５を駆動することにより、排気マニホールド１９に空気を供給することができる。排気ガスに含まれる一酸化炭素や炭化水素を酸化させることができて、排気ガスの温度を上昇させることができる。

本実施の形態の内燃機関は、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する制御を行う。第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する場合には、燃焼室５において成層燃焼を実施するが、燃焼室５から流出する排ガスの空燃比はリッチになるように燃料を噴射する。たとえば、燃焼室５全体における燃焼時の空燃比がリッチになるように燃料を噴射する。本実施の形態においては、圧縮行程において燃料噴射弁１１から燃料を噴射し、更に、吸気行程において燃料噴射弁１１から燃料を噴射する。二次空気供給装置２５にて排気ガスに酸素を供給することにより、燃焼室５から流出する一酸化炭素や未燃の炭化水素の酸化反応を生じさせて排気ガスの温度を上昇させることができる。

ここで、圧縮行程での燃料の噴射は、点火プラグの周りに弱い成層状態が形成される時期および噴射量にて行う。点火プラグ１０の周りの燃料の濃度が高くなりすぎると点火できない虞がある。すなわち、点火プラグ１０の周りのリッチ度合いが高すぎると点火が困難になる。しかしながら、点火プラグ１０の周りにおいて弱成層状態を形成することにより点火することができて、また、大幅に点火時期を遅角することができる。点火時期を遅角することにより、燃焼室５から流出する排気ガスの温度を上昇させることができる。

第１の触媒暖機制御を実施して第２の触媒暖機制御を停止しているときの燃焼状態を成層リーンと称する。燃焼室５全体の空燃比は、燃焼室５の混合気を均質にしたときの平均的な空燃比に相等にする。中型および小型の内燃機関では、成層リーンの時の燃焼室５全体の空燃比は、たとえば１５以上１６以下であり、リーンである。また、点火プラグ１０周りの空燃比は、たとえば１３以上１４以下であり、リッチである。一方で、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を実施しているときの燃焼状態を弱成層リッチと称する。弱成層リッチの時の燃焼室５全体の空燃比は、たとえば１２以上１３以下であり、リッチである。点火プラグ１０周りの空燃比は、たとえば８以上１１以下であり、リッチである。点火時期を大幅に遅角させる制御においては、触媒暖機制御が終了した後のアイドリング状態よりも点火時期を大幅に遅角する制御を行う。大幅に点火時期を遅角する制御では、たとえば圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）１０°以上２０°以下の範囲に点火することができる。

ここで、中型および小型の内燃機関は、例えば、排気量が３リッター以下である。排気量が３リッターより大きな大型の内燃機関になると、燃焼室５全体の空燃比が、ややリッチ側に設定される場合がある。すなわち、内燃機関が大型になると、燃料の濃度が濃くなるように設定される場合がある。例えば、６気筒や８気筒等の大型のエンジンになると排気量が大きくなる。この場合には、例えば、燃焼形態が成層リーンの場合の燃焼室５全体の空燃比は、１４．６以上１６以下の領域に設定される。また、燃焼形態が弱成層リッチの場合の燃焼室５全体の空燃比が１０以上１４以下に設定される。

このように、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御の両方の制御を同時に行うことにより、高温の排気ガスを排気浄化触媒２０に供給することができて、短時間で排気浄化触媒２０を暖機することができる。この結果、排気浄化触媒２０が活性化温度未満の状態の時間を短くすることができて、排気ガスの性状が悪化する時間を短くすることができる。このために、排気ガスに含まれる浄化すべき成分の放出量が低減することができる。たとえば排気浄化触媒２０が酸化機能を有する場合には、触媒暖機制御の期間中に外部に放出される炭化水素の量を低減することができる。

図２に、本実施の形態における第１の運転制御と第１の比較例とを説明する概略図を示す。本実施の形態における運転制御では、排気浄化触媒２０の温度が連動する部分の温度である関連温度に基づいて触媒暖機制御を行う。関連温度としては、その部分の温度が上昇するほど、排気浄化触媒２０の温度が上昇する部分の温度を採用することができる。本実施の形態においては、関連温度として機関冷却水の温度が採用されている。機関冷却水の温度は機関本体１の温度に連動し、排気浄化触媒２０の温度は機関本体１の温度に連動している。このために、機関冷却水の温度が上昇するほど、排気浄化触媒２０の温度が上昇する。

また、内燃機関は、関連温度を検出する関連温度取得手段を備える。本実施の形態における関連温度取得手段は、機関冷却水の流路に配置され、機関冷却水の温度を検出するための温度検出器を含む。温度検出器の出力は電子制御ユニット３１に入力される。

本実施の形態の運転制御では、機関冷却水の温度に基づいて、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御の実施範囲が予め定められている。図２において、横軸は機関冷却水の温度を示している。第１の運転制御においては、第１の触媒暖機制御が実施される機関冷却水の温度の第１の温度範囲と、第２の触媒暖機制御が実施される機関冷却水の温度の第２の温度範囲とが予め定められている。

第１の触媒暖機制御が実施される第１の温度範囲は、温度ＷＴ１ａ以上温度ＷＴ１ｂ以下に設定されている。また、第２の触媒暖機制御が実施される第２の温度範囲は、温度ＷＴ２ａ以上温度ＷＴ２ｂ以下に設定されている。本実施の形態における内燃機関では、第１の触媒暖機制御と第２の触媒暖機制御を同時に行う機関冷却水の温度範囲を有する。第１の運転制御では、機関冷却水の温度が第２の温度範囲内であるときに、第１の触媒暖機制御と第２の触媒暖機制御とを同時に実施する。

内燃機関を冷間始動すると、始動直後から徐々に機関冷却水の温度が上昇する。機関冷却水の温度が温度ＷＴ１ａ未満の場合には、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御は実施せずに、通常運転の状態を継続して排気浄化触媒２０を昇温する。機関冷却水の温度が温度ＷＴ１ａ未満の場合には、例えば外気の温度が非常に低い状態である。このような状態では、燃焼室５において確実に燃料を燃焼させることを優先させて、触媒暖機制御を実施しない制御を行う。燃焼室５での燃焼状態は、例えば混合気が均質状態で燃焼時の空燃比が理論空燃比（ストイキ）になるように制御する。

機関冷却水の温度が、温度ＷＴ１ａ以上温度ＷＴ２ａ未満の温度範囲では、第１の触媒暖機制御を実施する。また、機関冷却水の温度が、温度ＷＴ２ｂより高く温度ＷＴ１ｂ以下の温度範囲においては、第１の触媒暖機制御を実施する。これらの場合に、第２の触媒暖機制御は停止する。第１の触媒暖機制御を実施をする場合には、燃焼室５における燃焼時の空燃比をリーンの状態にする。燃焼室５から流出する排気ガスの空燃比もリーンになる。更に、圧縮行程において燃料噴射弁１１から燃料を噴射して成層状態を形成して燃焼を行う。また、点火時期を大幅に遅角して排気ガスの温度を上昇させることができる。

機関冷却水の温度が、温度ＷＴ２ａ以上温度ＷＴ２ｂ以下の温度範囲では、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を実施する。燃焼室５全体の燃焼時の空燃比はリッチになるように制御して、弱い成層状態を形成して燃焼を行う。また、大幅に点火時期を遅角する。更に、二次空気供給装置２５を駆動して機関排気通路に空気を供給する。燃焼室５から流出する排気ガスに含まれる一酸化炭素や炭化水素を酸化することができる。

機関冷却水の温度が、温度ＷＴ１ｂよりも高い温度範囲では、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御の両方を停止する。この温度範囲では、排気浄化触媒２０の温度が十分に高くなっている。たとえば、温度ＷＴ１ｂよりも高い温度範囲では、排気浄化触媒２０が活性化温度以上に到達していると判別することができる。この温度範囲では、内燃機関は通常運転の状態となり、燃焼室５においては混合気が均質状態になるように制御され、更に燃焼時の空燃比が理論空燃比になるように制御される。

このように、本実施の形態の第１の運転制御においては、第２の温度範囲が第１の温度範囲の内部に含まれるように設定されている。第１の触媒暖機制御の実施範囲は、第２の触媒暖機制御の実施範囲よりも広く設定されている。本実施の形態においては、第１の触媒暖機制御の第１の温度範囲の下限は、第２の触媒暖機制御の第２の温度範囲の下限よりも低く設定されている。すなわち、温度ＷＴ１ａは、温度ＷＴ２ａよりも低く設定されている。また、第１の温度範囲の上限は、第２の温度範囲の上限よりも高く設定されている。すなわち温度ＷＴ１ｂは、温度ＷＴ２ｂよりも高く設定されている。

図２には、本実施の形態の第１の運転制御の他に第１の比較例が示されている。第１の比較例は、燃焼室に直接的に燃料を噴射する直噴型であり、二次空気供給装置を備えていない内燃機関の制御例である。排気浄化触媒の暖機制御は、第１の触媒暖機制御のみにて実施される。第１の比較例の触媒暖機制御が実施される機関冷却水の温度範囲は、第１の運転制御が実施される機関冷却水の温度範囲とほぼ同一である。

本実施の形態の第１の運転制御においては、機関冷却水が温度ＷＴ２ａ以上温度ＷＴ２ｂ以下の領域では、第１の触媒暖機制御に加えて第２の触媒暖機制御も実施することができる。このために、第１の比較例よりも短時間に排気浄化触媒の昇温を行うことができる。すなわち、第１の比較例よりも短時間に排気浄化触媒を活性化温度以上にすることができる。

図３に、本実施の形態における第１の運転制御および第２の比較例の概略図を示す。第２の比較例は、機関吸気通路に燃料を噴射するように燃料噴射弁が配置されている。第２の比較例は、たとえばポート噴射の内燃機関である。また、第２の比較例の内燃機関は、二次空気供給装置を備える。

ポート噴射を行う内燃機関では、燃焼室の内部において混合気が均質の状態になる。すなわち均質燃焼が実施される。第２の触媒暖機制御を実施するために二次空気供給装置を駆動するときには、燃焼室における燃焼時の空燃比がリッチになるように燃料を噴射する。燃焼室から流出する排気ガスの空燃比もリッチになる。

ところで、二次空気供給装置２５は、非常に低温の状態ではエアポンプ等が凍結する虞が生じる。凍結が生じたままでは二次空気供給装置２５が正常に動作しなかったり、二次空気供給装置２５のエアポンプ等が故障したりする虞がある。第２の触媒暖機制御を実施する第２の温度範囲は小さく、第２の温度範囲の下限は、第１の触媒暖機制御を実施する第１の温度範囲の下限よりも高くなる。

第２の比較例においては、少しでも触媒暖機制御を行うための温度範囲を広くするために、温度ＷＴ２ａｃ以上温度ＷＴ２ｂｃ以下の範囲にて第２の触媒暖機制御を実施している。これに対して、本実施の形態の第１の運転制御では、第１の触媒暖機制御が加わるために、第２の触媒暖機制御を実施する第２の温度範囲の下限を第２の比較例よりも高くすることができる。すなわち、二次空気供給装置２５を作動する温度範囲を第２の比較例よりも狭くすることができる。このために、二次空気供給装置２５が正常に動作しなかったり、故障が発生したりする確率を低減することができる。また、二次空気供給装置２５を駆動する温度範囲が狭くなるために、エアポンプやエアスイッチングバルブの駆動時間を低減することができて、二次空気供給装置２５の故障を抑制し、信頼性を向上することができる。

また、二次空気供給装置２５を始動や停止するときには騒音や振動が生じる。二次空気供給装置２５が駆動する温度範囲が狭くなることにより、二次空気供給装置２５が始動する回数を低減することができて、騒音や振動を抑制することができる。

更に、二次空気供給装置２５を駆動すると、排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリーンになる。排気浄化触媒２０が酸化機能を有する場合には、排気浄化触媒２０上で酸化反応が生じて排気浄化触媒２０が徐々に劣化する。二次空気供給装置２５を駆動する温度範囲を狭くすることにより、触媒暖機制御時の酸化反応による排気浄化触媒２０の劣化も抑制することができる。

第２の触媒暖機制御を実施する第２の温度範囲の上限についても、本実施の形態の第１の運転制御は、第２の比較例よりも低くすることができる。二次空気供給装置２５を駆動する温度範囲が狭くすることができる。

本実施の形態における第１の運転制御では、第２の比較例に比べて触媒暖機制御を行える温度範囲が大きくなり、第２の比較例よりも短時間に排気浄化触媒２０の昇温を行うことができる。更に、第１の触媒暖機制御と第２の触媒暖機制御とを同時に行う温度範囲を有するために、第２の比較例よりも短時間にて排気浄化触媒を昇温することができる。

このように、本実施の形態における内燃機関では、短時間に排気浄化触媒２０を昇温することができて、外部に放出する排気ガスの性状を向上することができる。また、二次空気供給装置２５の信頼性が向上する。

ところで、本実施の形態の内燃機関は、運転期間中に燃焼室５における燃料の燃焼を一時的に停止する間欠運転制御を行うように形成されている。間欠運転制御としては、例えば、車両に内燃機関が配置されている場合に、車両が信号等で停止したときにアイドリング運転を停止させる制御が含まれる。燃焼室における燃料の燃焼は一時的に停止し、機関回転数は零になる。内燃機関は、運転者の車両を発進させる操作を検出して、燃焼室における燃焼を再始動する。

図２を参照して、間欠運転制御を実施する内燃機関は、間欠運転制御を実施する為の関連温度の下限の温度を有する。本実施の形態においては、機関冷却水が温度ＷＴｘ以上の場合に間欠運転制御が許可され、温度ＷＴｘ未満では間欠運転制御が禁止される。温度ＷＴｘ未満では、例えば、排気浄化触媒２０の温度が十分に高くなっておらずに、燃焼室５における燃焼の開始や停止を繰り返すと、大気中に放出される排気ガスの性状が悪化する。特に、再始動する場合には燃焼時の空燃比をリッチに制御するために排気ガスの性状が悪化する虞があり、間欠運転制御を実施できる最低の温度が定められている。

本実施の形態においては、間欠運転制御が実施される機関冷却水の下限の温度ＷＴｘは、第２の温度範囲の上限の温度ＷＴ２ｂよりも高く設定されている。間欠運転制御により燃焼室５における燃焼を停止した後に再始動する場合に、機関冷却水の温度が第１の温度範囲の上限よりも低いときには、第２の触媒暖機制御を実施せずに、第１の触媒暖機制御を実施する。

機関本体１が一時的に停止した後に再始動するときに第２の触媒暖機制御が実施されれば、二次空気供給装置２５の始動及び停止が繰り返される。このため、二次空気供給装置２５の始動及び停止の回数が増大し、二次空気供給装置２５の信頼性が悪化する。また、第２の触媒暖機制御では、排気ガスの空燃比がリッチになるように制御されるために、機関本体の再始動時の燃焼時の空燃比のずれが生じて、大気中に放出される排気の性状が悪化する虞がある。

本実施の形態では、燃焼室５における燃焼を再始動する場合に、機関冷却水の温度が第１の温度範囲の上限よりも低い時には、第１の触媒暖機制御のみを実施している。また、間欠運転制御が実施される機関冷却水の温度の下限は、第２の温度範囲の上限よりも高く設定されている。この制御により、二次空気供給装置２５が始動及び停止を繰り返することを抑制することができて、二次空気供給装置２５の信頼性が向上する。また、機関本体１が再始動する運転領域では、排気ガスの空燃比がリーンになるように制御されるために、排気ガスの性状の悪化を抑制することができる。

図４に、本実施の形態における第１の運転制御のフローチャートを示す。ステップ１１１においては、機関本体１の始動指令を検出する。例えば、冷間始動等の場合においては、キースイッチ装置が停止位置から可動位置に変更にされたことを検出する。または、間欠運転制御を行っている場合には、機関本体１の再始動指令を検出する。

ステップ１１２においては、機関冷却水の温度ＷＴを取得する。本実施の形態においては、機関冷却水の流路に配置された温度検出器にて機関冷却水の温度ＷＴを検出する。

次に、ステップ１１３においては、機関冷却水の温度ＷＴが、第１の触媒暖機制御の実施範囲である第１の温度範囲内であるか否かを判別する。すなわち、機関冷却水の温度ＷＴが温度ＷＴ１ａ以上温度ＷＴ１ｂ以下であるか否かを判別する。ステップ１１３において、機関冷却水の温度ＷＴが第１の温度範囲内でない場合には、ステップ１１４に移行する。

ステップ１１４においては、通常の運転状態で機関本体１を始動する。すなわち、本実施の形態における触媒暖機制御を実施せずに機関本体１を始動する。

ステップ１１３において、機関冷却水の温度ＷＴが第１の温度範囲内である場合には、ステップ１１５に移行する。ステップ１１５においては、機関冷却水の温度ＷＴが第２の触媒暖機制御を実施する第２の温度範囲内であるか否かを判別する。ステップ１１５において、機関冷却水の温度ＷＴが第２の温度範囲内である場合には、ステップ１１６に移行する。

ステップ１１６においては第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を選択し、ステップ１１８に移行する。

ステップ１１８においては機関本体を始動する。ステップ１１９においては、選択した第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を実施する。この場合には、前述したように、燃焼室５において弱い成層燃焼を実施し、さらに、燃焼室５から流出する排気ガスの空燃比はリッチになるように制御を行う。また、大幅な点火時期の遅角を行って、更に、二次空気供給装置２５により空気を供給し、高温の排気ガスを排気浄化触媒２０に供給する。

ステップ１１５において、機関冷却水の温度ＷＴが第２の温度範囲内でない場合には、ステップ１１７に移行する。ステップ１１７においては、第１の触媒暖機制御を選択し、ステップ１１８に移行する。

ステップ１１８においては機関本体を始動する。ステップ１１９においては、選択した第１の触媒暖機制御を実施する。この場合には、燃焼室５にて成層燃焼を実施し、排気ガスの空燃比がリーンになるように制御する。大幅な点火時期の遅角を行なうことにより、温度が上昇した排気ガスを排気浄化触媒２０に供給する。このように、本実施の形態の運転制御では、機関冷却水の温度に基づいて触媒暖機制御を選択することができる。

なお、触媒暖機制御の終了時期については、機関冷却水の温度が予め定めた判定温度に到達したときに、触媒暖機制御を終了することができる。または、排気浄化触媒の温度を取得し、取得した排気浄化触媒の温度が活性化温度に到達した場合に触媒暖機制御を終了しても構わない。

次に、本実施の形態における第２の運転制御について説明する。本実施の形態の第２の運転制御においては、排気浄化触媒２０の温度を取得し、排気浄化触媒２０が活性化温度以上の場合には、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を禁止する制御を行う。

また、第２の運転制御においては、排気浄化触媒２０が活性化温度に到達していないものの、活性化温度の近傍の温度に到達していて、所定の浄化率を達成できる場合には、第２の触媒暖機制御を実施せずに、第１の触媒暖機制御を実施する。本発明においては、活性化温度の近傍の温度に到達していて、所定の浄化率を達成できる領域を半活性化領域と称する。また、この半活性化領域の下限の温度を、半活性化温度と称する。第２の運転制御においては、半活性化温度が予め設定されている。

図５に、排気浄化触媒の温度と浄化率との関係を説明するグラフを示す。排気浄化触媒２０は、温度が上昇すると浄化率も上昇する。活性化温度ＣＴａとしては、排気ガスの浄化率がほぼ１００％になる浄化率Ｅａを達成できる温度を採用することができる。

また、浄化率がほぼ１００％には到達しないが比較的高い浄化率を達成することができる半活性化領域が設定されている。本実施の形態においては、浄化率Ｅｂ以上浄化率Ｅａ未満の領域が半活性化領域に設定されている。また、浄化率Ｅｂを達成することができる排気浄化触媒２０の温度ＣＴｂが半活性化温度に設定されている。

図６に、本実施の形態における第２の運転制御を説明する概略図を示す。横軸には機関冷却水の温度が示されており、縦軸には排気浄化触媒の温度が示されている。機関冷却水の温度ＷＴが、温度ＷＴ１ａよりも低い温度領域および温度ＷＴ１ｂよりも高い温度領域である場合、すなわち、第１の温度範囲外である場合に、触媒暖機制御を実施しないことは第１の運転制御と同様である。

第２の運転制御においては、機関冷却水の温度ＷＴが第１の温度範囲内にある場合に、排気浄化触媒２０の温度ＣＴが活性化温度ＣＴａ以上の時には、触媒暖機制御を禁止する制御を行う。

例えば、間欠運転制御を行う車両等において、排気浄化触媒２０が活性化温度以上であるのに関わらず、内燃機関の停止により機関冷却水の温度が低下して、第１の触媒暖機制御が実施される温度範囲内になる場合がある。しかしながら、この場合に触媒暖機制御を実施する必要性はないために、第２の運転制御では、排気浄化触媒２０の過剰な暖機を抑制することができる。さらに、二次空気供給装置２５の駆動時間を低減したり、始動及び停止の回数を低減したりすることができる。

また、機関冷却水の温度ＷＴが第１の温度範囲内である場合に、排気浄化触媒２０の温度ＣＴが半活性化温度ＣＴｂ以上活性化温度ＣＴａ未満の場合には、第２の触媒暖機制御を実施せずに第１の触媒暖機制御を実施する。たとえば、機関冷却水の温度が第２の温度範囲内である温度ＷＴ２ａ以上温度ＷＴ２ｂ以下の場合においても、排気浄化触媒２０の温度ＣＴが半活性化領域内であれば、第１の触媒暖機制御にて排気浄化触媒２０の暖機を行う。

排気浄化触媒２０の温度が半活性化領域内の場合には、排気浄化触媒２０の温度が活性化温度に近くなっており、比較的大きな浄化率を達成することができる。このために、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御の両方を実施する必要性は小さく、第１の触媒暖機制御を実施する一方で、第２の触媒暖機制御を禁止する制御を行うことができる。この制御により、二次空気供給装置２５の駆動時間を低減したり、始動及び停止の回数を低減したりすることができる。また、触媒暖機制御を行うときの燃料消費量を低減したり、触媒劣化等を抑制したりすることができる。

図７に、本実施の形態における第２の運転制御のフローチャートを示す。ステップ１１１においては機関本体１の始動指令を検出し、ステップ１１２においては、機関冷却水の温度ＷＴを取得する。次に、ステップ１２０において、排気浄化触媒２０の温度ＣＴを取得する。本実施の形態においては、温度センサ４３により排気浄化触媒２０の温度ＣＴを検出する。

ステップ１２１においては、排気浄化触媒２０の温度ＣＴが活性化温度ＣＴａ以上であるか否かを判別する。ステップ１２１において、排気浄化触媒２０の温度ＣＴが活性化温度ＣＴａ以上であれば、ステップ１１４に移行する。この場合には、触媒暖機制御を実施せずに機関本体１を始動する。

ステップ１２１において、排気浄化触媒２０の温度ＣＴが、活性化温度ＣＴａ未満の場合には、ステップ１１３に移行する。ステップ１１３においては、機関冷却水の温度ＷＴが第１の温度範囲内であるか否かを判別する。ステップ１１３において、機関冷却水の温度ＷＴが第１の温度範囲内でない場合には、ステップ１１４に移行する。

ステップ１１３において、機関冷却水の温度ＷＴが第１の温度範囲内である場合には、ステップ１２２に移行する。ステップ１２２においては、排気浄化触媒２０の温度ＣＴが、半活性化温度ＣＴｂ以上であるか否かを判別する。すなわち、ステップ１２２においては、排気浄化触媒２０が半反活性化状態であるか否かを判別する。ステップ１２２において、排気浄化触媒２０の温度ＣＴが半活性化温度ＣＴｂ以上である場合には、ステップ１１７に移行する。

ステップ１１７においては、第１の触媒暖機制御を選択する。次に、ステップ１１８において機関本体を始動し、ステップ１１９において、選択した第１の触媒暖機制御を実施する。

ステップ１２２において、排気浄化触媒２０の温度ＣＴが半活性化温度ＣＴｂ未満である場合には、ステップ１１５に移行する。

ステップ１１５においては、機関冷却水の温度ＷＴが第２の温度範囲内であるか否かを判別する。ステップ１１５において、機関冷却水の温度ＷＴが第２の温度範囲内でない場合には、ステップ１１７に移行し、第１の触媒暖機制御を選択する。

ステップ１１５において、機関冷却水の温度ＷＴが第２の温度範囲内である場合には、ステップ１１６に移行する。ステップ１１６においては、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を選択する。ステップ１１８において機関本体を始動し、ステップ１１９において、選択した第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を実施する。

このように、本実施の形態における第２の運転制御においては、排気浄化触媒２０の温度を取得し、排気浄化触媒２０の温度に基づいて触媒暖機制御の実施を制限し、過剰な触媒暖機制御の実施を抑制することができる。

本実施の形態の内燃機関では、排気浄化触媒２０の温度が連動する部分の温度として機関冷却水の温度を検出している。排気浄化触媒２０の温度が連動する部分の温度、すなわち関連温度としては、この形態に限られず、たとえば、機関本体の温度や燃焼室から流出する排気ガスの温度等の排気浄化触媒の温度が連動する任意の部分の温度を採用することができる。

本実施の形態における触媒温度取得手段は、温度センサ４３により排気浄化触媒２０の温度を採用しているが、この形態に限られず、触媒温度取得手段は、任意の装置や制御により触媒温度を取得することができる。たとえば、排気浄化触媒に流入する排気ガスの温度を排気浄化触媒の温度として検出しても構わない。または、機関本体の運転状態に基づいて、排気浄化触媒の温度を推定しても構わない。たとえば、機関回転数および吸入空気量（または負荷）に基づいて排気浄化触媒の温度の変化率を推定し、推定した変化率に基づいて排気浄化触媒の現在の温度を推定しても構わない。

本実施の形態における間欠運転制御は、車両が停止したときに一時的に燃料の燃焼を停止する制御を例示しているが、間欠運転制御としてはこの形態に限られず、一時的に燃料の燃焼を停止する制御であれば構わない。

例えば、駆動源として内燃機関および電動機を備えるハイブリット車両では間欠運転を行う場合がある。ハイブリット車両においては、車両の運転状態に応じて、一時的に内燃機関の機関本体の運転を停止する場合がある。例えば、車両が低速で走行している場合には、燃焼室における燃料の燃焼を停止して、電動機により車軸を駆動する。この後に、要求負荷が増加したり蓄電池の蓄電量が減少したりした場合には機関本体が再始動される。このようなハイブリッド車両においても本実施の形態における運転制御を適用することができる。

また、本実施の形態における運転制御は、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁に加えて、機関吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射弁を備える内燃機関にも適用することができる。この場合に、燃焼室において均質燃焼を行う場合には、機関吸気通路に燃料を噴射することができる。また、本実施の形態における運転制御では燃焼サイクルの吸気行程において気筒内に燃料を噴射しているが、この燃料噴射の代わりに機関吸気通路に燃料を噴射することができる。

上述のそれぞれの制御においては、機能および作用が変更されない範囲において適宜ステップの順序を変更することができる。

上述のそれぞれの図において、同一または相等する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、特許請求の範囲に示される変更が含まれている。

１機関本体
３ピストン
３ａキャビティ
５燃焼室
１０点火プラグ
１１燃料噴射弁
２０排気浄化触媒
２１排気処理装置
２５二次空気供給装置
２７エアポンプ
２８エアスイッチングバルブ
３１電子制御ユニット
４３温度センサ

Claims

燃焼室の内部に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁と、
機関排気通路に配置されている排気浄化触媒と、
排気浄化触媒よりも上流側の機関排気通路に空気を供給する二次空気供給装置と、
排気浄化触媒の温度が連動する部分の温度である関連温度を取得する関連温度取得手段とを備え、
排気浄化触媒の温度上昇を促進する第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を実施するように形成されており、
第１の触媒暖機制御は、圧縮行程において筒内燃料噴射弁から燃料を噴射して点火装置の周りの燃料濃度を上昇させる制御と、点火時期を遅角して燃焼室から流出する排気ガスの温度を上昇させる制御とを含み、
第２の触媒暖機制御は、機関排気通路に空気を供給して排気ガスに含まれる成分を酸化させて排気ガスの温度を上昇させる制御を含み、
第１の触媒暖機制御が実施される関連温度の第１の温度範囲と、第２の触媒暖機制御が実施される関連温度の第２の温度範囲とが予め定められており、
第２の温度範囲が第１の温度範囲の内部に含まれるように設定され、第１の触媒暖機制御の実施範囲が第２の触媒暖機制御の実施範囲よりも広く設定されており、
第１の温度範囲の上限は第２の温度範囲の上限よりも高く設定されていることを特徴とする、内燃機関。
内燃機関の運転期間中に燃焼室における燃料の燃焼を一時的に停止する間欠運転制御を行うように形成されており、
間欠運転制御により燃焼室における燃焼を停止した後に再始動する場合に、関連温度が第１の温度範囲の上限よりも低い時に、第２の触媒暖機制御を実施せずに第１の触媒暖機制御を実施する、請求項１に記載の内燃機関。
間欠運転が実施される関連温度の下限が予め設定されており、
間欠運転制御が実施される関連温度の下限は、第２の温度範囲の上限よりも高く設定されている、請求項２に記載の内燃機関。
関連温度は、機関冷却水の温度であり、
関連温度取得手段は、機関冷却水の温度を検出する温度検出器を含み、
第１の温度範囲の下限は第２の温度範囲の下限よりも低く設定されている、請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関。
排気浄化触媒の温度を取得する触媒温度取得手段を備え、
排気浄化触媒が活性化する活性化温度が予め設定されており、
排気浄化触媒が活性化温度以上の場合には、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を禁止する、請求項１から４のいずれか一項に記載の内燃機関。
排気浄化触媒の温度を取得する触媒温度取得手段を備え、
排気浄化触媒が活性化する活性化温度と、活性化温度よりも低く予め定められた浄化率を達成できる半活性化温度とが予め設定されており、
関連温度が第１の温度範囲内であり、排気浄化触媒の温度が活性化温度未満かつ半活性化温度以上の場合には、第２の触媒暖機制御を実施せずに第１の触媒暖機制御を実施する、請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関。