(57)【要約】【課題】二次空気供給装置を備え、排気浄化触媒に損傷が生じることを抑制しながら短時間に排気浄化触媒全体を昇温可能な内燃機関を提供する。【解決手段】内燃機関は、排気浄化触媒よりも上流側に空気を供給する二次空気供給装置と、燃焼室の内部に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁と、機関吸気通路に燃料を噴射する吸気通路燃料噴射弁と、排気浄化触媒の上流側の端部の温度を検出する温度センサとを備える。排気浄化触媒の上流側の端部の温度の上昇速度を推定し、この上昇速度が予め定められた速度判定値を超えた場合に、二次空気供給装置による機関排気通路への空気の供給を行いながら、筒内燃料噴射弁の燃料噴射量に対する吸気通路燃料噴射弁の燃料噴射量の比率を増大させる。【選択図】図３
2014234806.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
燃焼室の内部に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁と、
機関吸気通路に燃料を噴射する吸気通路燃料噴射弁と、
排気浄化触媒の上流側の端部の温度を取得する温度取得手段とを備え、
二次空気供給装置により機関排気通路に空気を供給している期間中に排気浄化触媒の上流側の端部の温度を取得し、取得した上流側の端部の温度に基づく変数が予め定められた判定値を超えた場合に、二次空気供給装置による機関排気通路への空気の供給を行いながら、筒内燃料噴射弁の燃料噴射量に対する吸気通路燃料噴射弁の燃料噴射量の比率を増大させることを特徴とする、内燃機関。
【請求項２】
排気浄化触媒の上流側の端部の温度に基づいて、排気浄化触媒の上流側の端部の温度の上昇速度を推定し、前記上昇速度が予め定められた速度判定値を超えた場合に、二次空気供給装置による機関排気通路への空気の供給を行いながら、筒内燃料噴射弁の燃料噴射量に対する吸気通路燃料噴射弁の燃料噴射量の比率を増大させる、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
排気浄化触媒の上流側の端部の温度に基づいて、排気浄化触媒の上流側の端部の温度の上昇速度を推定し、前記上昇速度が大きくなるほど、筒内燃料噴射弁の燃料噴射量に対する吸気通路燃料噴射弁の燃料噴射量の比率を増大させる、請求項１または２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記上昇速度が前記速度判定値を超えた後に前記速度判定値未満になった場合には、筒内燃料噴射弁の燃料噴射量に対する吸気通路燃料噴射弁の燃料噴射量の比率を減少させる、請求項２に記載の内燃機関。
【請求項５】
排気浄化触媒の上流側の端部の温度が予め定められた温度判定値を超えた場合に、二次空気供給装置による機関排気通路への空気の供給を行いながら、筒内燃料噴射弁の燃料噴射量に対する吸気通路燃料噴射弁の燃料噴射量の比率を増大させる、請求項１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】
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（ＮＯＸ）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昇温することが好ましい。一方で、排気浄化触媒の温度を上昇しすぎると、触媒の劣化等が生じるために、排気浄化触媒は適正な温度範囲に保つことが好ましい。
【０００３】
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。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炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）を酸化させて排気ガスの温度を上昇させて、排気浄化触媒の昇温を促進することができる。
【０００４】
特開平０５−１９５７６０号公報においては、排気マニホ−ルドまたは触媒コンバ−タに新たな空気を供給するポンプを備えた２次空気供給手段を備えるエンジンが開示されている。このエンジンにおいては、排気温度センサ、触媒温度センサおよびリニア酸素濃度センサからの信号により、触媒コンバ−タの活性化が阻害される場合および破損が生じる温度に達している場合には、２次空気供給手段のポンプの作動を停止することが開示されている。
【０００５】
特開２０００−１２０４７１号公報においては、排気通路に二次エアを供給して排気ガス浄化触媒を活性化させる二次エア供給手段を備えた筒内噴射式エンジンが開示されている。このエンジンにおいては、排気ガス浄化触媒が高温状態にあると判定された場合に、吸気行程から圧縮行程までの間にリーンになる様に燃料の噴射を行った後に、膨張行程で燃料を噴射し、更に二次エア供給手段によって二次エアを供給することが開示されている。
【０００６】
特開２００８−０９５５３２号公報においては、筒内噴射インジェクタ及びポート噴射インジェクタを備える内燃機関が開示されている。この公報には、内燃機関のＥＣＵには、触媒暖機制御の終了後に所定条件になるまで筒内噴射インジェクタ及びポート噴射インジェクタによる燃料噴射の比率を固定させる触媒暖機復帰制御部を設けることが開示されている。また、特開２００７−１６８５６３号公報においては、内燃機関および電動機を備えるハイブリッド車両において、触媒の温度を調整するための内燃機関に対する燃料供給量の増量分を充電許容電力に基づいて設定することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平０５−１９５７６０号公報
【特許文献２】特開２０００−１２０４７１号公報
【特許文献３】特開２００８−０９５５３２号公報
【特許文献４】特開２００７−１６８５６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
二次空気供給装置を用いて排気浄化触媒の昇温を行っている場合には、高温の排気ガスが排気浄化触媒の上流側の端部から流入する。このため、排気浄化触媒の上流側の端部は、温度が急激に上昇し、排気浄化触媒の中央部の温度または排気浄化触媒の下流側の端部との間に温度差が生じる。更に、排気浄化触媒が酸化機能を有している場合には、上流側の端部の温度が上昇すると、上流側の端部の酸化能力が向上し、炭化水素や一酸化炭素が酸化されて酸化熱が発生する。この結果、上流側の端部の温度上昇が促進され、上流側の端部と中央部との温度差および上流側の端部と下流側の端部との温度差が大きくなる。
【０００９】
排気浄化触媒において下流側に向かう方向に温度差が大きくなると、排気浄化触媒の基材に歪みが生じて損傷してしまう虞がある。例えば、排気浄化触媒の基材が割れてしまう虞が生じる。または、上流側の端部の温度が上昇しすぎると上流側の端部の触媒機能が劣化する虞がある。このような排気浄化触媒の損傷を回避するためには、例えば、排気浄化触媒が損傷する状態に到達する虞がある場合には、二次空気の供給を停止する制御を行うことができる。
【００１０】
しかしながら、この場合には、例えば排気浄化触媒の上流側の端部は活性化温度に達していても、排気浄化触媒の中央部および下流側の端部は、未だ十分に昇温されておらずに活性化温度に到達していない場合がある。このために、二次空気の供給を停止すると、排気浄化触媒の中央部および下流側の端部において排気ガスの浄化が不十分になり、排気浄化触媒全体として十分な浄化能力を発揮できない虞がある。すなわち、排気浄化触媒の中央部および下流側の端部の昇温に時間がかかり、十分な浄化率を発揮するまでに時間がかかるという問題がある。
【００１１】
本発明は、排気浄化触媒と二次空気供給装置とを備え、排気浄化触媒に損傷が生じることを抑制しながら短時間に排気浄化触媒全体を昇温可能な内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の内燃機関は、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、燃焼室の内部に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁と、機関吸気通路に燃料を噴射する吸気通路燃料噴射弁と、排気浄化触媒の上流側の端部の温度を取得する温度取得手段とを備える。二次空気供給装置により機関排気通路に空気を供給している期間中に排気浄化触媒の上流側の端部の温度を取得し、取得した上流側の端部の温度に基づく変数が予め定められた判定値を超えた場合に、二次空気供給装置による機関排気通路への空気の供給を行いながら、筒内燃料噴射弁の燃料噴射量に対する吸気通路燃料噴射弁の燃料噴射量の比率を増大させる。
【００１３】
上記発明においては、排気浄化触媒の上流側の端部の温度に基づいて、排気浄化触媒の上流側の端部の温度の上昇速度を推定し、上昇速度が予め定められた速度判定値を超えた場合に、二次空気供給装置による機関排気通路への空気の供給を行いながら、筒内燃料噴射弁の燃料噴射量に対する吸気通路燃料噴射弁の燃料噴射量の比率を増大させる。
【００１４】
上記発明においては、排気浄化触媒の上流側の端部の温度に基づいて、排気浄化触媒の上流側の端部の温度の上昇速度を推定し、上昇速度が大きくなるほど、筒内燃料噴射弁の燃料噴射量に対する吸気通路燃料噴射弁の燃料噴射量の比率を増大させることができる。
【００１５】
上記発明においては、上昇速度が速度判定値を超えた後に速度判定値未満になった場合には、筒内燃料噴射弁の燃料噴射量に対する吸気通路燃料噴射弁の燃料噴射量の比率を減少させることができる。
【００１６】
上記発明においては、排気浄化触媒の上流側の端部の温度が予め定められた温度判定値を超えた場合に、二次空気供給装置による機関排気通路への空気の供給を行いながら、筒内燃料噴射弁の燃料噴射量に対する吸気通路燃料噴射弁の燃料噴射量の比率を増大させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、排気浄化触媒と二次空気供給装置とを備え、排気浄化触媒に損傷が生じることを抑制しながら短時間に排気浄化触媒全体を昇温可能な内燃機関を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施の形態における内燃機関の概略図である。
【図２】実施の形態における第１の運転制御のタイムチャートである。
【図３】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。
【図４】実施の形態における第２の運転制御のタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１から図４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。
【００２０】
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の内部で往復運動する。
【００２１】
本実施の形態においては、ピストン３が上死点に到達したときのピストン３の冠面およびシリンダヘッド４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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。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の近傍に集まって成層度を高めることができる。また、本実施の形態における内燃機関は、機関吸気通路に燃料を噴射する吸気通路燃料噴射弁としての燃料噴射弁１２を備える。本実施の形態における燃料噴射弁１２は、吸気ポート７の内部に燃料を噴射するように配置されている。
【００２４】
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燃料ポンプによって燃料噴射弁１１，１２に供給する。さらに、気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁１１に燃料を供給する流路には燃料の圧力を上昇させるための高圧ポンプが配置されている。
【００２５】
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ＮＯＸ浄化触媒等の触媒を採用することができる。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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、排気浄化触媒２０の上流側の端部には、排気浄化触媒２０の上流側の端部の温度（以下、「前端温度」と称する）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、前端温度を取得する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。
【００３０】
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１１，１２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。
【００３１】
本実施の形態においては、燃料噴射弁１１および燃料噴射弁１２が独立して制御されている。すなわち、燃料噴射弁１１からの燃料の噴射量および噴射時期と、燃料噴射弁１２からの燃料の噴射量および噴射時期は、互いに個別に制御されている。
【００３２】
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。これらの機器は、電子制御ユニット３１により制御されている。
【００３３】
本実施形態の内燃機関は、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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。すなわち排気浄化触媒２０が活性化温度に到達していない場合に用いられる。
【００３６】
内燃機関の冷間始動時等には、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。
【００３７】
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。この結果、排気浄化触媒２０を短時間で活性化温度以上に昇温することができる。すなわち、排気浄化触媒２０にて十分に浄化できない状態で大気中に排気ガスが放出されることを抑制できる。
【００３８】
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。
【００３９】
ところで、二次空気供給装置２５により空気を供給すると排気浄化触媒２０に流入する排気ガスが高温になり、排気浄化触媒２０の上流側の端部の温度（前端温度）が急上昇する。本実施の形態の第１の運転制御においては、排気浄化触媒２０の前端温度に基づいて、排気浄化触媒に損傷が生じると判別される場合には、二次空気供給装置２５による機関排気通路への空気の供給を行いながら、燃料噴射弁１１の燃料噴射量に対する燃料噴射弁１２の燃料噴射量の比率を上昇させる制御を行う。すなわち、機関吸気通路に供給する燃料の量の比率を増大させる制御を行う。本実施の形態においては、排気浄化触媒２０の前端温度に基づく所定の変数が予め定められた判定値を超えた場合に、排気浄化触媒に損傷が生じると判別する。
【００４０】
図２に、本実施の形態における第１の運転制御のタイムチャートを示す。図２には、内燃機関を冷間始動したときの運転状態を例示している。図２には、排気浄化触媒２０の温度として、前端温度に加えて排気浄化触媒２０の中央部の温度（中央温度）が示されている。また、直線で実施例が示されており、破線で比較例が示されている。
【００４１】
時刻ｔ０において内燃機関を始動している。燃焼室５から燃焼後の排気ガスが流出して排気浄化触媒２０に流入する。排気浄化触媒２０の前端温度および中央温度は緩やかに上昇する。
【００４２】
内燃機関を冷間始動した直後の時刻ｔ１において、燃焼室５における点火時期および燃料の噴射時期等を調整することにより、燃焼室５から流出する排気ガスの温度を上昇させる急速暖機制御っている。本実施の形態の急速暖機制御においては、圧縮行程において燃料噴射弁１１から燃料を噴射する。すなわち、ピストン３が上昇している期間中に燃料噴射弁１１から燃料を噴射する。燃料噴射弁１１から噴射された燃料は、点火プラグ１０の周りに集まって成層度が高くなり、点火時期を大幅に遅角しても点火可能な状態にすることができる。そして、点火時期を大幅に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。
【００４３】
本実施の形態の内燃機関では、燃焼室５に直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁１１からの燃料噴射量Ｑｄに対する吸気ポート７に燃料を噴射する燃料噴射弁１２からの燃料噴射量Ｑｐの比率（Ｑｐ／Ｑｄ：噴き分け率）を変更可能なように形成されている。本実施の形態の形態においては、燃焼室５に供給する全体の燃料の供給量は一定に維持しながら噴き分け率を変化させる例を示している。時刻ｔ１において燃料の噴き分け率は予め定められた噴き分け率に設定される。また、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燃料噴射弁１１，１２からの全体の燃料噴射量が制御されている。この場合に、圧縮行程に加えて吸気行程においても燃料噴射弁１１から燃料を噴射しても構わない。
【００４４】
また、時刻ｔ１において二次空気供給装置２５を始動する。すなわち、排気マニホールド１９に空気を供給する。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されており、燃焼室５から流出する排気ガスには、一酸化炭素および未燃の炭化水素が含まれる。一酸化炭素および未燃の炭化水素が酸素と接触して酸化反応が生じる。排気ガスの温度が上昇して高温の排気ガスが排気浄化触媒２０に流入する。排気浄化触媒２０の前端温度および中央温度の温度上昇が促進され、前端温度と中央温度との間には温度差ＤＴが生じる。
【００４５】
図２には、排気浄化触媒２０の前端温度の単位時間あたりの上昇幅、すなわち前端温度の上昇速度が示されている。時間の経過とともに前端温度の上昇速度が増大する。前端温度の上昇速度が増大するほど、前端温度と中央温度との温度差ＤＴが大きくなり、いずれは排気浄化触媒２０に割れ等の損傷が生じる。すなわち、時刻ｔ１における運転状態を維持すると、前端温度の上昇速度が排気浄化触媒２０の損傷が発生する損傷発生速度を超えてしまう。
【００４６】
そこで、本実施の形態の第１の運転制御においては、二次空気供給装置２５による空気の供給を継続しながら、燃料噴射弁１１の燃料噴射量に対する燃料噴射弁１２の燃料噴射量の比率である噴き分け率を増大させる制御を行う。すなわち、気筒内に直接的に噴射する燃料の量に対する機関吸気通路に噴射する燃料の量の比率を増大させる制御を行う。このように、機関吸気通路への燃料噴射量の比率を増大させることにより、点火プラグ１０の周りの成層度（リッチ度合）を低下させることができる。燃焼室５において点火するときの混合気の均質性を上昇させることができる。この結果、燃料の燃焼が緩慢になり、燃焼速度が遅くなる。燃焼室５から排気ポート９に流出する排気ガスに含まれるＣＯの量が低減する。このために、二次空気供給装置２５により空気を供給して生じる一酸化炭素の酸化反応を抑制することができて、排気浄化触媒２０に供給する排気ガスの温度上昇を抑制することができる。
【００４７】
本実施の形態における運転制御では、噴き分け率を変更するための速度判定値が予め定められている。噴き分け率を変更するための速度判定値は、損傷発生速度よりも低く設定することができる。
【００４８】
時刻ｔ２において、前端温度の上昇速度が予め定められた速度判定値を超えている。このときには、排気浄化触媒２０における排気ガスの流れ方向における温度勾配が高くなっており、このままの速度で前端温度が上昇すると、排気浄化触媒２０に損傷が生じると判別する。このために、時刻ｔ２において、噴き分け率（Ｑｐ／Ｑｄ）を増大させる制御を行っている。本実施の形態においては、燃焼室５に供給する全体の燃料の供給量をほぼ一定に維持しながら噴き分け率を変更している。また、二次空気供給装置２５により供給する空気量もほぼ一定に維持している。本実施の形態の第１の運転制御では、時刻ｔ２から時刻ｔ３までは、変更後の噴き分け率に維持する制御を行っている。
【００４９】
燃料噴射弁１１の燃料噴射量に対する燃料噴射弁１２の燃料噴射量の比率を増大させることにより、排気浄化触媒２０の前端温度の上昇速度の増大を抑制することができる。また、排気浄化触媒２０の前端温度と中央温度との温度差ＤＴを徐々に小さくすることができる。前端温度の上昇速度は、速度判定値を僅かに超えた後に、速度判定値未満になっている。このために、前端温度の上昇速度が損傷発生速度に到達することを回避することができる。更に、二次空気の供給を継続していることにより排気浄化触媒２０の温度上昇は継続して促進することができる。
【００５０】
時刻ｔ３において、排気浄化触媒２０の前端温度および中央温度が暖機終了温度以上になっている。このために、時刻ｔ３において排気浄化触媒２０の昇温を促進する制御を停止している。すなわち、急速暖機制御を終了し、二次空気供給装置を停止している。更に噴き分け率を変更前の元の噴き分け率に戻している。排気浄化触媒２０の前端温度の上昇速度は緩やかに下降している。
【００５１】
ところで、破線の比較例の運転制御においては、時刻ｔ２において噴き分け率を変更せずに、時刻ｔ１において設定された噴き分け率を維持した制御を行っている。排気浄化触媒２０の前端温度の上昇速度が大きくなるほど、排気浄化触媒２０の排気ガスの流れ方向における温度勾配が大きくなる。比較例の運転制御では、前端温度の上昇速度が排気浄化触媒２０の損傷発生速度に到達している。比較例の運転制御では、前端温度と中央温度との温度差ＤＴｃが時間の経過と共に増大し、いずれは損傷が生じる。
【００５２】
これに対して、本実施の形態の第１の運転制御においては、排気浄化触媒の前端温度の上昇速度が速度判定値を超えた場合に噴き分け率を変更しているために、機関排気通路において酸化反応が生じやすい一酸化炭素の排出量を低減することができて、排気浄化触媒２０に供給する排気ガスの温度上昇を抑制することができる。また、二次空気供給装置２５を停止せずに運転を継続しているために、排気浄化触媒２０の温度上昇が遅くなることを抑制できる。排気浄化触媒２０全体を短時間に活性化温度以上に昇温することができて、外部に放出される排気ガスの性状の悪化を抑制することができる。
【００５３】
または、他の比較例の運転制御では、排気浄化触媒の前端温度の上昇速度が速度判定値に到達した場合には、一時的に二次空気供給装置を停止させることができる。この後に前端温度の上昇速度が下がった場合に二次空気供給装置を再始動することができる。しかしながら二次空気供給装置の始動と停止とを繰り返すと、二次空気供給装置のエアポンプの負荷が大きくなったり、始動および停止に伴う異音や振動が発生したりする。これに対して本実施の形態における第１の運転制御では、二次空気供給装置２５のエアポンプ２７の始動および停止の繰り返しを抑制することができて、エアポンプ２７の負荷を軽減することができる。また、エアポンプ２７の始動および停止に伴う騒音や振動を抑制することができる。
【００５４】
図３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、内燃機関の始動を検出する。ステップ１１２においては急速暖機制御を開始し、ステップ１１３においては二次空気供給装置を始動する。急速暖機制御の開始および二次空気供給装置の始動は、同時期に行うことができる。または、急速暖機制御の開始よりも二次空気供給装置の始動を先に行っても構わない。
【００５５】
次に、ステップ１１４においては、排気浄化触媒２０の前端温度を取得する。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の前端温度を検出する。排気浄化触媒２０の前端温度を取得する取得手段は、温度センサに限られず、任意の装置や制御により取得することができる。たとえば、燃焼室に供給される空気の吸入空気量の積算値に基づいて、排気浄化触媒の前端温度を推定しても構わない。
【００５６】
次に、ステップ１１５においては、排気浄化触媒２０の暖機の終了時期に到達しているか否かを判別する。排気浄化触媒２０の暖機の終了時期は、排気浄化触媒２０全体が活性化温度以上に到達している時期であることが好ましい。本実施の形態においては、排気浄化触媒２０の中央部が予め定められた暖機終了温度以上になるときの吸入空気量の積算値の判定値が予め定められている。ステップ１１５においては、エアフローメータ１６により検出した吸入空気量に基づいて吸入空気量の積算値を算出し、この積算値が予め定められた判定値よりも大きくなったときに暖機の終了時期と判別している。
【００５７】
暖機の終了時期の判別は、この形態に限られず、排気浄化触媒２０の排気ガスの流れ方向の全体において活性化温度に到達していると判別されるときに、排気浄化触媒２０の昇温を促進する制御を停止することができる。
【００５８】
ステップ１１５において、排気浄化触媒２０の暖機の終了時期であると判別される場合には、ステップ１１６およびステップ１１７に移行する。ステップ１１６においては二次空気供給装置を停止し、ステップ１１７においては急速暖機制御を終了している。なお、二次空気供給装置の停止および急速暖機制御の終了は、ほぼ同時期に行うことができる。または、急速暖機制御の終了を先に行っても構わない。
【００５９】
ステップ１１５において、排気浄化触媒２０の暖機の終了時期でないと判別される場合には、ステップ１１８に移行する。ステップ１１８においては、ステップ１１４の前端温度の検出が２回目以降であるか否かを判別する。前端温度の検出が1回目である場合には、再びステップ１１４に戻る。排気浄化触媒２０の前端温度の検出が２回目以降である場合には、ステップ１１９に移行する。ステップ１１９においては、前端温度の上昇速度を算出する。前端温度の上昇速度は、例えば、至近の連続する２回の前端温度の検出値を用いて算出することができる。
【００６０】
次に、ステップ１２０においては、前端温度の上昇速度が予め定められた速度判定値よりも大きいか否かを判別する。ステップ１２０において、排気浄化触媒２０の前端温度の上昇速度が速度判定値以下の場合には、現在の状態を維持しながら排気浄化触媒２０を昇温することができる。この場合には、ステップ１１４に戻って再び前端温度を検出する。
【００６１】
ステップ１２０において、前端温度の上昇速度が速度判定値を超える場合には、ステップ１２１に移行する。この場合には、現在の運転状態を維持すると排気浄化触媒に損傷が生じると判別することができる。
【００６２】
ステップ１２１においては、燃料噴射弁１１と燃料噴射弁１２との噴き分け率を変更する。第１の運転制御においては、燃焼室５に燃料を噴射する燃料噴射弁１１の燃料噴射量に対するポート噴射を行う燃料噴射弁１２の燃料噴射量の比率を上昇させる制御を行う。本実施の形態においては、予め定められた噴き分け率に増大させる制御を行う。
【００６３】
次に、ステップ１２２においては、暖機の終了時期が到達しているか否かを判別する。ステップ１２２において、暖機の終了時期が到達していない場合には、現在の運転制御を継続する。すなわち、暖機の終了時期が到達するまで噴き分け率を維持して排気浄化触媒２０の昇温を行う。ステップ１２２において、排気浄化触媒２０の暖機の終了時期が到達した場合には、ステップ１１６に移行する。ステップ１１６およびステップ１１７においては、前述のように、二次空気供給装置を停止するとともに急速暖機制御を終了する。
【００６４】
本実施の形態の第１の運転制御においては、排気浄化触媒２０の上流側の端部の温度の上昇速度を検出し、上昇速度が予め定められた速度判定値を超えたときに、排気浄化触媒に損傷が生じると判別しているが、この形態に限られず、取得した上流側の端部の温度に基づく変数を用いて判別することができる。例えば、上流側の端部の温度判定値を予め設定し、上流側の端部の温度が温度判定値を超えたときに、排気浄化触媒に損傷が生じると判別しても構わない。または、排気浄化触媒の中央部の温度を検出する温度センサを配置して、前端温度と中央部の温度との温度差を算出し、算出した温度差が予め定められた判定値を超える場合に、排気浄化触媒に損傷が生じると判別しても構わない。
【００６５】
図４に、本実施の形態における第２の運転制御のタイムチャートを示す。第２の運転制御において、時刻ｔ０において内燃機関を始動し、時刻ｔ１において急速暖機制御を開始し、更に二次空気供給装置を始動していることは、第１の運転制御と同様である。時刻ｔ２において、排気浄化触媒２０の前端温度の上昇速度が速度判定値を超えて、噴き分け率を変更していることも第１の運転制御と同様である。
【００６６】
第２の運転制御おいては、時刻ｔ４において、排気浄化触媒２０の前端温度の上昇速度が速度判定値未満になっている。第２の運転制御においては、前端温度の上昇速度が速度判定値未満になった場合には、燃料噴射弁１１の燃料噴射量に対する燃料噴射弁１２の燃料噴射量の比率を減少させる制御を行う。すなわち噴き分け率を減少させる制御を行う。本実施の形態の第２の運転制御においては、時刻ｔ４以降において、予め定められた速度で噴き分け率を徐々に低下させる制御を行っている。この制御を行うことにより、排気浄化触媒２０の前端温度の上昇速度の低下を抑制することができて、短時間に排気浄化触媒全体を活性化温度以上に昇温することができる。
【００６７】
時刻ｔ５において、排気浄化触媒２０の中央部の温度が暖機終了温度に到達して、排気浄化触媒２０の昇温を促進する制御を終了している。図２に示す第１の運転制御における排気浄化触媒２０の昇温を促進する制御が終了する時刻ｔ３と比べると、排気浄化触媒２０の昇温の終了時期が早くなっていることが分かる。このように、第２の運転制御においては、第１の運転制御よりも短時間で排気浄化触媒２０を昇温することができる。
【００６８】
上記の第１の運転制御および第２の運転制御においては、時刻ｔ２において噴き分け率を予め定められた噴き分け率に変更して一定に維持している。または、第２の運転制御では、時刻ｔ４において、更に噴き分け率を予め定められた値により減少させているが、この形態に限られず、排気浄化触媒２０の前端温度の上昇速度が大きくなるほど、噴き分け率を増大させる制御を行っても構わない。すなわち、前端温度の上昇速度を推定し、前端温度の上昇速度が大きくなるほど、機関吸気通路に噴射する燃料の割合を増大させる制御を行うことができる。
【００６９】
このような連続的に噴き分け率を変更する制御は、たとえば、内燃機関を始動した後の任意の時期に開始することができる。たとえば、図２および図４における時刻ｔ１や時刻ｔ２にて開始することができる。更に、図４における時刻ｔ４から開始することができる。この制御により、前端温度の上昇速度が大きい期間には、より確実に前端温度の上昇速度が損傷発生速度を超えることを回避することができる。また、前端温度の上昇速度が小さくなった場合には、前端温度の上昇速度を増大させて短時間で排気浄化触媒２０全体を活性化温度以上に昇温することができる。この様に、より短時間に排気浄化触媒全体の温度を活性化温度以上にすることができる。
【００７０】
また、連続的に噴き分け率を変更する制御を行う場合には、排気浄化触媒２０の前端温度の上昇速度が速度判定値の近傍に維持されるように制御することが好ましい。例えば、前端温度の上昇速度の速度判定値よりも僅かに小さな判定範囲を設けて、前端温度の上昇速度が判定範囲内に維持されるように、噴き分け率を変更することができる。
【００７１】
また、排気浄化触媒に損傷が生じると判別される場合には、気筒内に直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁１１の噴射時期を変更することができる。例えば、燃料噴射弁１１が吸気行程における噴射と圧縮行程における噴射とを行っている場合に、排気浄化触媒２０の前端温度の上昇速度が速度判定値を超えた時には、吸気行程における燃料噴射量の割合を増大させることができる。または、燃料噴射弁１１が圧縮行程における噴射のみを行っている場合には、噴射時期を早くすることができる。これらのいずれかの制御を行うことにより、点火プラグの周りにおける混合気の成層度を弱めることができて、燃焼室５から流出する一酸化炭素の排出量を抑制することができる。このために、一酸化炭素の酸化量を抑制することができて、排気浄化触媒の温度上昇を抑制することができる。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【符号の説明】
【００７４】
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
１１，１２    燃料噴射弁
２０    排気浄化触媒
２５    二次空気供給装置
３１    電子制御ユニット
４３    温度センサ
【図１】
2014234806.tif 000003
【図２】
2014234806.tif 000004
【図３】
2014234806.tif 000005
【図４】
2014234806.tif 000006