(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
白金を含む三元触媒が排気通路に設けられた内燃機関の燃焼制御装置において、
前記機関の燃焼室内の混合気の火花点火を行う火花点火手段と、
前記燃焼室内に均質かつ希薄な混合気を形成する均質希薄混合気形成手段と、
前記機関の始動直後において前記三元触媒の昇温を促進するための第１昇温促進制御を、制御切換時期まで実行する第１昇温促進制御手段と、
前記三元触媒の昇温を促進するための第２昇温促進制御を、前記制御切換時期後に実行する第２昇温促進制御手段とを備え、
前記火花点火手段は、点火プラグと、該点火プラグに放電を発生させるための複数の点火コイル対とを備え、前記点火プラグにおける放電の開始時期及び継続時間を変更可能なものであり、
前記第１昇温促進制御手段は、前記機関の吸入空気量を増加させ、前記混合気の空燃比を理論空燃比よりリーン側の第１リーン空燃比に制御するとともに前記点火プラグの放電開始時期を最適点火時期より遅角側の所定遅角点火時期に設定することによって前記第１昇温促進制御を実行し、
前記第２昇温促進制御手段は、前記空燃比を前記第１リーン空燃比よりさらにリーン側の第２リーン空燃比に制御し、前記放電開始時期を前記所定遅角点火時期よりさらに遅角するとともに、前記点火プラグの放電継続時間を増加させることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項２】
前記三元触媒の温度と相関のある触媒温度パラメータを取得する温度パラメータ取得手段を備え、
前記制御切換時期は、前記触媒温度パラメータが所定温度に達する時期であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項３】
前記第２昇温促進制御手段は、前記触媒温度パラメータが高くなるほど前記空燃比を減少させ、前記放電開始時期を進角させるとともに前記放電継続時間を減少させることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項４】
前記燃焼室内に吸入された混合気の流動を生成する流動生成手段をさらに備え、
前記第２昇温促進制御手段は、前記第２昇温促進制御の開始時は、前記流動の強度を比較的高く制御し、前記空燃比を前記第１リーン空燃比近傍まで減少させた時点から前記流動の強度を徐々に低下させることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項５】
前記均質希薄混合気形成手段は、燃料を微粒化して噴射可能な燃料噴射弁を用いて、前記機関の吸気通路内に燃料を噴射することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気浄化用の三元触媒を有する内燃機関の燃焼制御装置に関し、特に内燃機関の冷間始動時に三元触媒の活性化を早めるための触媒昇温促進制御を行う燃焼制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、排気通路に三元触媒を有する内燃機関の冷間始動時に、触媒昇温促進制御を実行する燃焼制御装置が示されている。この装置によれば、機関の吸入空気量を増加させ、燃焼室内の混合気の空燃比を理論空燃比よりリーン側に制御するとともに点火時期を最適点火時期（機関出力が最大となる点火時期）より遅角側の点火時期に設定することによって、三元触媒の昇温が促進される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１８８５００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
機関の冷間始動時は、空燃比をリーン空燃比に設定して点火時期の遅角制御を行うと、燃焼が不安定化し易いことから、燃焼が不安定化しないように点火時期の遅角量を比較的小さく設定することが必要となる。その結果、上記特許文献１に示された昇温促進制御では、機関から排出されて三元触媒に流入する排気の温度を十分に高くすることができないため、昇温促進制御を長時間（例えば１００秒以上）実行することが必要となり、燃費を悪化させる要因となっていた。
【０００５】
本発明はこの点に着目してなされたもので、機関の冷間始動時における触媒昇温促進制御をより適切に実行し、燃費を向上させることができる燃焼制御装置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】
【０００６】
上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、白金を含む三元触媒（１０）が排気通路（９）に設けられた内燃機関の燃焼制御装置において、前記機関の燃焼室（１ａ）内の混合気の火花点火を行う火花点火手段（７，８）と、前記燃焼室内に均質かつ希薄な混合気を形成する均質希薄混合気形成手段（５，６）と、前記機関の始動直後において前記三元触媒（１０）の昇温を促進するための第１昇温促進制御を、制御切換時期（ｔ１）まで実行する第１昇温促進制御手段と、前記三元触媒（１０）の昇温を促進するための第２昇温促進制御を、前記制御切換時期（ｔ１）後に実行する第２昇温促進制御手段とを備え、前記火花点火手段は、点火プラグ（８）と、該点火プラグに放電を発生させるための複数の点火コイル対（７１，７２）とを備え、前記点火プラグ（８）における放電の開始時期（ＣＡＩＧ）及び継続時間（ＴＳＰＫ）を変更可能なものであり、前記第１昇温促進制御手段は、前記機関の吸入空気量を増加させ、前記混合気の空燃比（ＡＦ）を理論空燃比よりリーン側の第１リーン空燃比（ＡＦＴＲＡ１）に制御するとともに前記点火プラグの放電開始時期（ＣＡＩＧ）を最適点火時期より遅角側の所定遅角点火時期（ＣＡＴＲＡ１）に設定することによって前記第１昇温促進制御を実行し、前記第２昇温促進制御手段は、前記空燃比（ＡＦ）を前記第１リーン空燃比（ＡＦＴＲＡ１）よりさらにリーン側の第２リーン空燃比（ＡＦＴＲＡ２）に制御し、前記放電開始時期（ＣＡＩＧ）を前記所定遅角点火時期（ＣＡＴＲＡ１）よりさらに遅角するとともに、前記点火プラグの放電継続時間（ＴＳＰＫ）を増加させることを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、機関の始動直後において三元触媒の昇温を促進するための第１昇温促進制御が制御切換時期まで実行され、制御切換時期後は、三元触媒の昇温を促進するための第２昇温促進制御が実行される。第１昇温促進制御では、機関の吸入空気量を増加し、空燃比を理論空燃比よりリーン側の第１リーン空燃比に制御するとともに点火プラグの放電開始時期を最適点火時期より遅角側の所定遅角点火時期に設定する制御が行われ、第２昇温促進制御では、空燃比を第１リーン空燃比よりさらにリーン側の第２リーン空燃比に制御し、放電開始時期を所定遅角点火時期よりさらに遅角するとともに、点火プラグの放電継続時間を増加させる制御が行われる。白金を含む三元触媒は、空燃比を従来の触媒昇温促進制御における設定空燃比（例えば「１６」）よりさらにリーン側（例えば「２２」程度）に設定することによって、より低い温度で活性化可能であり、三元触媒の温度がある程度高くなる制御切換時期以後において第２昇温促進制御を行うことによって、三元触媒の活性化を早めることができる。したがって、空燃比をよりリーン化すること及び触媒促進制御の実行時間を短縮することによって、燃費を向上させることができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、前記三元触媒の温度（ＴＣＡＴ）と相関のある触媒温度パラメータ（ＴＣＡＴ）を取得する温度パラメータ取得手段を備え、前記制御切換時期（ｔ１）は、前記触媒温度パラメータ（ＴＣＡＴ）が所定温度（ＴＣＡＴＬ）に達する時期であることを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、制御切換時期は触媒温度パラメータが所定温度に達する時期に設定される。第２昇温促進制御が有効となるのは、三元触媒の温度が所定温度に達した時点以後であるため、触媒温度パラメータが所定温度を超えた時点から第２昇温促進制御を実行することによって、顕著な昇温促進効果が得られる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、前記第２昇温促進制御手段は、前記触媒温度パラメータ（ＴＣＡＴ）が高くなるほど前記空燃比（ＡＦ）を減少させ、前記放電開始時期（ＣＡＩＧ）を進角させるとともに前記放電継続時間（ＴＳＰＫ）を減少させることを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、触媒温度パラメータが高くなるほど空燃比を減少させ、放電開始時期を進角させるとともに放電継続時間を減少させる制御が行われる。白金を含む三元触媒は、触媒温度が高くなると、空燃比がより理論空燃比に近いほど浄化性能が高くなる特性を有するので、触媒温度パラメータが高くなるほど空燃比を減少させることによって、高い浄化性能を得ることができる。また、空燃比を減少させることによって放電開始時期の進角及び放電継続時間の短縮を行っても安定した燃焼が得られるので、放電開始時期を可能な限り進角させるとともに放電継続時間を減少させることによって機関出力を増加させ、エネルギ効率を高めることができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、前記燃焼室内に吸入された混合気の流動を生成する流動生成手段（２ａ，４）をさらに備え、前記第２昇温促進制御手段は、前記第２昇温促進制御の開始時は、前記流動の強度を比較的高く制御し、前記空燃比を前記第１リーン空燃比（ＡＦＴＲＡ１）近傍まで減少させた時点（ｔ２）から前記流動の強度を徐々に減少させることを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、第２昇温促進制御の開始時は、流動の強度が比較的高くなるように制御され、空燃比が第１リーン空燃比近傍まで減少させた時点から流動の強度を徐々に減少させる制御が行われる。空燃比を減少させる制御によって、流動の強度を低下させても燃焼が不安定となることがなくなるので流動の強度を低下させて、燃焼時の熱損失を低減し、熱効率の向上を図ることができる。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項１から４の何れか１項に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、前記均質希薄混合気形成手段は、燃料を微粒化して噴射可能な燃料噴射弁（６）を用いて、前記機関の吸気通路（２）内に燃料を噴射することを特徴とする。
【００１５】
この構成によれば、燃料を微粒化して噴射可能な燃料噴射弁を用いて、機関の吸気通路内に燃料が噴射されるので、均質度の高い混合気を形成し、その均質希薄混合気を火花点火によって確実に着火させて、ＮＯｘ排出量が少なく高効率の燃焼を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。
【図２】吸気通路に設けられるタンブル流動制御弁（４）の配置を説明するための図である。
【図３】１つの気筒に対応する点火回路ユニット（７）の構成を示す回路図である。
【図４】燃料噴射弁（６）によって噴射される燃料の噴射状態を説明するための図である。
【図５】燃料噴射弁（６）の開弁時期、開弁時間（ＴＦＩ）、及び開弁時のリフト量（ＬＦＴ）を示す図である。
【図６】圧縮行程及び燃焼行程における筒内圧（ＰＣＹＬ）の推移を示す図である。
【図７】空燃比（ＡＦ）と三元触媒の活性化温度（ＴＡＣＴ）との関係を示す図である。
【図８】三元触媒の温度（ＴＣＡＴ）と、ＨＣ浄化率（ηＨＣ）との関係を示す図である。
【図９】三元触媒の昇温促進制御処理のフローチャートである。
【図１０】図９の処理で参照されるテーブルを示す図である。
【図１１】図９の昇温促進制御の動作例を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態にかかる内燃機関（以下「エンジン」という）及びその制御装置の構成を示す図であり、例えば４気筒のエンジン１の吸気通路２の途中にはスロットル弁３が配置されている。スロットル弁３はアクチュエータ１９によって駆動可能に構成されており、アクチュエータ１９は電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）５に接続されている。スロットル弁３の開度は、アクチュエータ１９を介してＥＣＵ５によって制御される。吸気通路２のスロットル弁３の下流側には、燃料噴射弁６が各気筒に対応して設けられており、その作動はＥＣＵ５により制御される。
【００１８】
図２に示すように、吸気通路２の、吸気弁２１の直ぐ上流側には、隔壁２ａと、隔壁２ａによって形成される一方の流路に配置されたタンブル流動制御弁４とが設けられており、タンブル流動制御弁４はアクチュエータ４ａによって開閉駆動可能に構成されている。アクチュエータ４ａはＥＣＵ５に接続されており、その作動はＥＣＵ５によって制御される。タンブル流動制御弁４によって、燃焼室１ａ内に混合気のタンブル流動が生成される。
【００１９】
エンジン１の各気筒には点火プラグ８が装着されており、点火プラグ８は点火回路ユニット７を介してＥＣＵ５に接続されている。ＥＣＵ５は、後述するように点火プラグ８における放電開始時期ＣＡＩＧ及び放電継続時間ＴＳＰＫの制御を行う。
【００２０】
ＥＣＵ５には、エンジン１の吸入空気流量ＧＡＩＲを検出する吸入空気流量センサ１１、吸気温ＴＡを検出する吸気温センサ１２、スロットル弁開度ＴＨを検出するスロットル弁開度センサ１３、吸気圧ＰＢＡを検出する吸気圧センサ１４、エンジン冷却水温ＴＷを検出する冷却水温センサ１５、及び図示しない他のセンサ（例えばエンジン１により駆動される車両のアクセルペダル操作量ＡＰを検出するアクセルセンサ、車速センサなど）が接続されており、これらのセンサの検出信号がＥＣＵ５に供給される。
【００２１】
ＥＣＵ５には、エンジン１のクランク軸（図示せず）の回転角度を検出するクランク角度位置センサ１６が接続されており、クランク軸の回転角度に応じたパルス信号がＥＣＵ５に供給される。クランク角度位置センサ１６は、クランク角度位置を示す複数のパルス信号を出力するものであり、このパルス信号は、燃料噴射時期、点火時期（点火プラグ８の放電開始時期）等の各種タイミング制御、及びエンジン回転数ＮＥの検出に使用される。
【００２２】
排気通路９には排気浄化用の白金を含む三元触媒１０が設けられている。三元触媒１０には、三元触媒１０の温度（以下「触媒温度」という）ＴＣＡＴを検出する触媒温度センサ１８が装着されており、その検出信号はＥＣＵ５に供給される。三元触媒１０の上流側であって各気筒に連通する排気マニホールドの集合部より下流側には、比例型酸素濃度センサ１７（以下「ＬＡＦセンサ１７」という）が装着されており、このＬＡＦセンサ１７は排気中の酸素濃度（空燃比ＡＦ）にほぼ比例した検出信号を出力し、ＥＣＵ５に供給する。
【００２３】
ＥＣＵ５は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（ＣＰＵ）、該ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、燃料噴射弁６、点火回路ユニット７、アクチュエータ４ａなどに駆動信号を供給する出力回路等から構成される。
【００２４】
燃料噴射弁６による燃料噴射量は、吸入空気流量ＧＡＩＲに応じて算出される基本燃料量を、ＬＡＦセンサ１７により検出される空燃比ＡＦに応じた空燃比補正係数ＫＡＦによって補正することによって制御される。空燃比補正係数ＫＡＦは、検出される空燃比ＡＦが目標空燃比ＡＦＣＭＤと一致するように算出される。
【００２５】
ＥＣＵ５は、アクセルペダル操作量ＡＰなどに応じてスロットル弁３の目標開度ＴＨＣＭＤを算出し、検出されるスロットル弁開度ＴＨが目標開度ＴＨＣＭＤと一致するようにアクチュエータ１９の駆動制御を行う。
【００２６】
図３は、１つの気筒に対応する点火回路ユニット７の構成を示す回路図であり、点火回路ユニット７は、一次コイル７１ａ及び二次コイル７１ｂからなる第１コイル対７１と、一次コイル７２ａ及び二次コイル７２ｂからなる第２コイル対７２と、バッテリ３０の出力電圧ＶＢＡＴを昇圧して昇圧電圧ＶＵＰを出力する昇圧回路７３と、一次コイル７１ａ，７２ａの通電制御を行うトランジスタＱ１，Ｑ２と、二次コイル７１ｂ，７２ｂと点火プラグ８との間に接続されたダイオードＤ１，Ｄ２とを備えている。
【００２７】
トランジスタＱ１，Ｑ２のベースはＥＣＵ５に接続されており、ＥＣＵ５によってオンオフ制御（一次コイルの通電制御）が行われる。２つの一次コイルの通電期間の一部を重複させてつつ交互に通電を行うことによって、点火プラグ８における放電の継続時間（放電継続時間）ＴＳＰＫをエンジン１の運転状態に応じて変更することができる。また一次コイルの最初の通電終了時期が放電開始時期ＣＡＩＧに相当し、放電開始時期ＣＡＩＧもエンジン１の運転状態に応じて変更可能である。
【００２８】
燃料噴射弁６は、燃料を微粒化して噴射可能なものであり、ＳＭＤ（Sauter Mean Diameter：ザウター平均直径）が３５μｍ程度（燃圧３５０ｋＰａで噴射し、噴射口からの５０ｍｍ下におけるＳＭＤ）の特性を有し、弁の開度（リフト量）を少なくとも２段階に変更可能なものを使用する。図４（ａ）は、この燃料噴射弁６による燃料の噴射状態（噴射された燃料の拡散状態）を模式的に示し、図４（ｂ）は比較のために示す通常の燃料噴射弁による燃料の噴射状態を示す。通常の燃料噴射弁では、円錐状に分布する燃料の周辺部の燃料濃度が高くなるのに対し、燃料噴射弁６では微粒化した燃料の到達距離が短くなり、かつ拡散領域内における濃度分布の均質度が高く（濃度差が少なく）なる。
【００２９】
図５は、燃料噴射弁６の開弁時期、開弁時間ＴＦＩ及び開弁時のリフト量ＬＦＴを示す図であり、横軸はクランク角度ＣＲＡである。本実施形態では、１燃焼サイクル内の圧縮行程で第１燃料噴射ＦＩ１を実行するとともに吸気行程で第２燃料噴射ＦＩ２を実行する。しかも第１燃料噴射ＦＩ１は、リフト量ＬＦＴ１が比較的大きく、かつ開弁時間ＴＦＩ１が比較的短い燃料噴射とし、第２燃料噴射ＦＩ２は、リフト量ＬＦＴ２をリフト量ＬＦＴ１より小さく、かつ開弁時間ＴＦＩ２を開弁時間ＴＦＩ１より長く設定した燃料噴射とする。第１及び第２燃料噴射ＦＩ１，ＦＩ２における合計の燃料噴射量が目標空燃比ＡＦＣＭＤに対応する燃料噴射量となるように、リフト量ＬＦＴ１，ＬＦＴ２及び開弁時間（燃料噴射時間）ＴＦＩ１，ＴＦＩ２が設定される。
【００３０】
燃料を微粒化して噴射可能な燃料噴射弁６を、図５に示すように開弁作動させることにより、まず第１燃料噴射ＦＩ１によって吸気通路２内で比較的均質な混合気を形成し、さらに第２燃料噴射ＦＩ２を実行することによって、検出空燃比ＡＦを目標空燃比ＡＦＣＭＤと一致させるために必要とされる量の燃料を燃焼室に供給し、しかも燃焼室内における空燃比分布がほぼ一様な（均質度の高い）均質希薄混合気を形成することができる。
なお、第１燃料噴射ＦＩ１は、対象気筒の圧縮行程において実行し、第２燃料噴射ＦＩ２は、その終了時期を吸気行程の終了時期の直前に設定することが望ましい。
【００３１】
本実施形態では、暖機完了後の目標空燃比ＡＦＣＭＤは、例えば「２４」から「３５」程度の範囲（以下「超希薄空燃比範囲」という）に設定される。空燃比「２４」（リーン側所定空燃比）は、エンジン１からのＮＯｘ排出量が許容上限値（例えば１２０ｐｐｍ）以下となるように設定される。空燃比「３５」は、必要なエンジン出力を得るための限界値として設定される空燃比である。
【００３２】
点火プラグ８における放電開始時期ＣＡＩＧは、超希薄空燃比範囲における目標空燃比ＡＦＣＭＤに対応して、上死点前５０度から１５度の範囲に設定され、放電継続時間ＴＳＰＫは均質希薄混合気を確実に着火させるべく、１．８〜３ｍｓｅｃに設定される。このように放電継続時間ＴＳＰＫを設定したときの放電エネルギが１５０〜６００ｍＪとなるように昇圧電圧ＶＵＰが設定されている。従来の火花点火による希薄混合気燃焼は、点火プラグ近傍の空燃比が相対的に小さくなるように燃焼室内の流動を生成することによって実現される成層混合気燃焼であるのに対し、本実施形態の均質希薄混合気燃焼は、放電継続時間ＴＳＰＫを比較的長く設定し、その放電継続時間ＴＳＰＫを確保できるように放電開始時期ＣＡＩＧは、成層混合気燃焼の点火時期（例えば８．０度）より進角側に設定されている。
【００３３】
さらにエンジン１の幾何学的圧縮比（ピストンが下死点に位置するときの燃焼室容積と、上死点に位置するときの燃焼室容積との比）は、最低実効圧縮比が９．０程度となるように、通常の火花点火エンジンの幾何学的圧縮比より若干大きく設定されている。
【００３４】
またタンブル流動制御弁４の開度を変更することによって、流速５〜１５ｍ／ｓｅｃ程度（エンジン回転数ＮＥが１５００ｒｐｍであるとき流速）のタンブル流動を発生させるタンブル流動生成制御が行われる。
【００３５】
放電継続時間ＴＳＰＫを比較的長く設定するとともに、燃焼室内にタンブル流動を生成することによって、強力な初期火炎核を形成し、その火炎核を成長させることによって、圧縮上死点における未燃混合気の温度を１０００度Ｋ以上の温度まで高めて、燃焼層流速度を支配する素反応を、過酸化水素が分解してＯＨラジカルを生成する反応に変化させ、圧縮上死点後において燃焼を確実に完結させることが可能となる。
【００３６】
図６は、圧縮行程及び燃焼行程における筒内圧ＰＣＹＬの推移を示す図であり、実線Ｌ１が本実施形態に対応し、太い破線Ｌ２がＨＣＣＩ（均質混合気圧縮着火）燃焼に対応し、細い破線がストイキ燃焼（空燃比を理論空燃比に設定した場合の燃焼）に対応する。この図において、クランク角度ＣＲＡの０度が圧縮上死点に対応する。なお、ストイキ燃焼の場合の点火時期は、圧縮上死点より若干進角側（例えばクランク角度１０度以内の範囲）に設定される。
本実施形態の均質希薄混合気の火花点火による燃焼によって、高効率の安定した燃焼が得られることが確認できる。
【００３７】
本実施形態では、エンジン１の冷間始動直後において三元触媒１０の昇温促進制御を実行する。以下、その昇温促進制御を詳細に説明する。
図７は、空燃比ＡＦと、三元触媒１０の活性化温度ＴＡＣＴとの関係を示す図であり、実線が本実施形態における白金を含む三元触媒１０に対応し、破線は比較のためにパラジウムを含む三元触媒の活性化温度ＴＡＣＴと、空燃比ＡＦとの関係を示す。活性化温度ＴＡＣＴは、排気中の炭化水素成分の浄化率（ＨＣ浄化率）が１０％となる温度として定義されている。
【００３８】
図７によれば、パラジウムを含む三元触媒では、空燃比ＡＦが「１７」から「１８」程度の範囲で活性化温度ＴＡＣＴが最低となる（活性化が早まる）が、白金を含む三元触媒１０では、空燃比ＡＦを大きくするほど活性化温度ＴＡＣＴが低下することが確認できる。したがって、三元触媒１０の早期活性化のためには、空燃比「２０」から「２２」程度の希薄空燃比燃焼で昇温促進制御を行うことが有効である。
【００３９】
図８は三元触媒１０の温度、すなわち触媒温度ＴＣＡＴと、ＨＣ浄化率ηＨＣとの関係を示す図であり、各曲線Ｌ１１〜Ｌ１５は、図中に示す空燃比ＡＦに対応する。この図から、触媒温度ＴＣＡＴが２５０℃程度では空燃比ＡＦが「２２．５」で高い浄化率が得られ、触媒温度ＴＣＡＴが上昇するに連れて、空燃比ＡＦを減少させることによって常に高い浄化率が得られることが確認できる。
【００４０】
そこで本実施形態の昇温促進制御では、触媒温度ＴＣＡＴがある程度上昇した時点（例えば２２０℃まで上昇した時点）から、触媒温度ＴＣＡＴに応じて空燃比ＡＦを制御することにより、図８に一点鎖線Ｌ１０で示すような触媒温度ＴＣＡＴとＨＣ浄化率ηＨＣとの関係を実現するようにしている。
【００４１】
図９は、上記昇温促進制御処理のフローチャートである。この処理は、ＥＣＵ５において所定時間（例えば１０ｍｓｅｃ）毎に実行される。
ステップＳ１１では、触媒温度ＴＣＡＴが所定上側温度ＴＣＡＴＨ（例えば３５０℃）より低いか否かを判別し、その答が否定（ＮＯ）、すなわち触媒温度ＴＣＡＴが十分高いときは、昇温促進制御は不要であるため直ちに処理を終了する。ステップＳ１１の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、触媒温度ＴＣＡＴが所定下側温度ＴＣＡＴＬ（例えば２２０℃）より高いか否かを判別する（ステップＳ１２）。エンジン１の冷間始動直後は、最初はこの答は否定（ＮＯ）となり、ステップＳ１３〜Ｓ１６によって第１昇温促進制御を実行する。所定下側温度ＴＣＡＴＬは、上述した希薄空燃比燃焼による昇温促進制御（第２昇温促進制御）が有効となる最低温度に相当する。
【００４２】
ステップＳ１３では、スロットル弁３の目標開度ＴＨＣＭＤを昇温促進アイドル開度ＴＨＦＩＤＬに設定し、エンジン１の吸入空気量を増量する。ステップＳ１４では、目標空燃比ＡＦＣＭＤを第１所定空燃比ＡＦＴＲＡ１（例えば「１６」）に設定し、ステップＳ１５では、点火プラグ８の放電開始時期ＣＡＩＧを最適点火時期より遅角側の第１所定時期ＣＡＴＲＡ１（例えば３度）に設定するとともに、放電継続時間ＴＳＰＫを第１所定時間ＴＴＲＡ１（例えば２．０ｍｓｅｃ（放電エネルギで１８０ｍＪ相当値））に設定する。ステップＳ１６では、タンブル流動制御弁４の開度指令値ＴＣＶＣＭＤを比較的小さい第１所定開度ＴＣＶＴＲＡ１に設定し、流動の強度が比較的高い状態に対応する開度設定とする。本実施形態では、放電開始時期ＣＡＩＧは、圧縮上死点からの進角量で定義される。また開度指令値ＴＣＶＣＭＤの増加は、タンブル流動の強度を低下させることに対応する。
【００４３】
なお、目標開度ＴＨＣＭＤ、目標空燃比ＡＦＣＭＤ、放電継続時間ＴＳＰＫ、及び開度指令値ＴＣＶＣＭＤは、エンジン１の始動開始時における初期値から徐々に、上記設定値まで変更される。
【００４４】
第１昇温促進制御によって触媒温度ＴＣＡＴが所定下側温度ＴＣＡＴＬを超えると、ステップＳ１２の答が肯定（ＹＥＳ）となり、ステップＳ２１〜Ｓ２４による第２昇温促進制御を実行する。
【００４５】
ステップＳ２１では、触媒温度ＴＣＡＴに応じて図１０（ａ）に示すＡＦＣＭＤテーブルを検索し、目標空燃比ＡＦＣＭＤを設定する。ＡＦＣＭＤテーブルは、触媒温度ＴＣＡＴが所定下側温度ＴＣＡＴＬより低い範囲では、第１所定空燃比ＡＦＴＲＡ１に設定され、所定下側温度ＴＣＡＴＬ以上の範囲では、触媒温度ＴＣＡＴが高くなるほど、目標空燃比ＡＦＣＭＤが減少するように設定されている。図１０（ａ）の第２及び第３所定空燃比ＡＦＴＲＡ２，ＡＦＴＲＡ３は、例えばそれぞれ「２２．５」及び「１４．７」に設定される。
【００４６】
ステップＳ２２では、目標空燃比ＡＦＣＭＤに応じて放電開始時期ＣＡＩＧ及び放電継続時間ＴＳＰＫを設定する。具体的には、目標空燃比ＡＦＣＭＤに応じて図１０（ｂ）に示すＣＡＩＧテーブルを検索し、放電開始時期ＣＡＩＧを算出するとともに、目標空燃比ＡＦＣＭＤに応じて図１０（ｃ）に示すＴＳＰＫテーブルを検索し、放電継続時間ＴＳＰＫを算出する。
【００４７】
ＣＡＩＧテーブルは、目標空燃比ＡＦＣＭＤが増加するほど、放電開始時期ＣＡＩＧが減少するように設定されている。図１０（ｂ）の第２及び第３所定時期ＣＡＴＲＡ２，ＣＡＴＲＡ３は、例えばそれぞれ「０度」及び「１０度」に設定される。第２所定時期ＣＡＴＲＡ２は、最適点火時期より遅角側であって第１所定時期ＣＡＴＲＡ１よりさらに遅角側に設定される。
【００４８】
ＴＳＰＫテーブルは、目標空燃比ＡＦＣＭＤが増加するほど放電継続時間ＴＳＰＫが増加するように設定されている。図１０（ｃ）の第２及び第３所定時間ＴＴＲＡ２，ＴＴＲＡ３は、例えばそれぞれ「５．０ｍｓｅｃ」及び「１．５ｍｓｅｃ」に設定される。
【００４９】
ステップＳ２３では、目標空燃比ＡＦＣＭＤが第１所定空燃比ＡＦＴＲＡ１以下であるか否かを判別する。この答が否定（ＮＯ）であるときは直ちに処理を終了し、肯定（ＹＥＳ）であるときは、タンブル流動制御弁４の開度指令値ＴＣＶＣＭＤを第１所定開度ＴＣＶＴＲＡ１から第２所定開度ＴＣＶＴＲＡ２（＞ＴＣＶＴＲＡ１）に達するまで漸増する処理を行う（ステップＳ２４）。
【００５０】
なお、第２昇温促進制御の開始当初は、目標空燃比ＡＦＣＭＤ、放電開始時期ＣＡＩＧ、及び放電継続時間ＴＳＰＫについては、第１昇温促進制御における設定値から、ステップＳ２１及びＳ２２で算出される最初の設定値まで徐々に変化させる過渡制御が行われる。
【００５１】
図１１は、図９の昇温促進制御の動作例を示すタイムチャートであり、図１１（ａ）は、エンジン１の始動時点（時刻ｔ０）からの触媒温度ＴＣＡＴ及び排気温度ＴＥＸＨの推移を示し、図１１（ｂ）〜図１１（ｅ）は、それぞれ空燃比ＡＦ、放電継続時間ＴＳＰＫ、放電開始時期ＣＡＩＧ、及びタンブル流動制御弁４の開度指令値ＴＣＶＣＭＤの、時刻ｔ０から推移を示す。
【００５２】
始動直後から第１昇温促進制御が実行され、空燃比ＡＦ、放電継続時間ＴＳＰＫ、放電開始時期ＣＡＩＧ、及び開度指令値ＴＣＶＣＭＤは、それぞれ第１所定空燃比ＡＦＴＲＡ１、第１所定時間ＴＴＲＡ１、第１所定時期ＣＡＴＲＡ１、及び第１所定開度ＴＣＶＴＲＡ１に設定される。
【００５３】
時刻ｔ１に触媒温度ＴＣＡＴが所定下側温度ＴＣＡＴＬに達すると、第１昇温促進制御から第２昇温促進制御に移行する。第２昇温促進制御の開始当初においては、最初の設定値に徐々に移行する過渡制御が行われ、空燃比ＡＦ、放電継続時間ＴＳＰＫ、及び放電開始時期ＣＡＩＧは、それぞれ第２所定空燃比ＡＦＴＲＡ２、第２所定時間ＴＴＲＡ２、及び第２所定時期ＣＡＴＲＡ２に変更される。なお、開度指令値ＴＣＶＣＭＤは時刻ｔ２まで第１所定開度ＴＣＶＴＲＡ１に維持される。時刻ｔ２は、目標空燃比ＡＦＣＭＤが第１所定空燃比ＡＦＴＲＡ１まで減少した時点である（図９，ステップＳ２３参照）。
時刻ｔ３において触媒温度ＴＣＡＴが所定上側温度ＴＣＡＴＨに到達し、第２触媒昇温促進制御が終了する。第２昇温促進制御終了後は、エンジン運転状態に応じた目標空燃比ＡＦＣＭＤの設定を行う通常制御に移行する。
【００５４】
以上のように本実施形態では、エンジン１の始動直後において三元触媒１０の昇温を促進するための第１昇温促進制御が、触媒温度ＴＣＡＴが所定下側温度ＴＣＡＴＬに達する時刻ｔ１まで実行され、時刻ｔ１以後は第２昇温促進制御が実行される。第１昇温促進制御では、スロットル弁３の開度を増加させることによって吸入空気量を増加し、空燃比ＡＦを理論空燃比よりリーン側の第１所定空燃比ＡＦＴＲＡ１に制御するとともに点火プラグ８の放電開始時期ＣＡＩＧを最適点火時期より遅角側の第１所定時期ＣＡＴＲＡ１に設定する制御が行われ、第２昇温促進制御では、空燃比ＡＦを第１所定空燃比ＡＦＴＲＡ１よりさらにリーン側の第２所定空燃比ＡＦＴＲＡ２に制御し、放電開始時期ＣＡＩＧを第１所定時期ＣＡＴＲＡ１よりさらに遅角するとともに、点火プラグ８の放電継続時間ＴＳＰＫを増加させる制御が行われる。白金を含む三元触媒１０は、空燃比ＡＦを従来の触媒昇温促進制御における設定空燃比（例えば「１６」）よりさらにリーン側（例えば「２２」程度）に設定することによって、より低い温度で活性化可能であり、触媒温度ＴＣＡＴが所定下側温度ＴＣＡＴＬに到達する時刻ｔ１以後において第２昇温促進制御を行うことによって、三元触媒１０の活性化を早めることができる。したがって、空燃比ＡＦをよりリーン化すること及び触媒促進制御の実行時間を短縮することによって、燃費を向上させることができる。
【００５５】
また第２昇温促進制御が有効となるのは、三元触媒１０の温度ＴＣＡＴが所定下側温度ＴＣＡＴＬに達した時点以後であるため、触媒温度ＴＣＡＴが所定下側温度ＴＣＡＴＬを超えた時点から第２昇温促進制御を実行することによって、顕著な昇温促進効果が得られる。
【００５６】
また第２昇温促進制御では、触媒温度ＴＣＡＴが高くなるほど空燃比ＡＦを減少させ、放電開始時期ＣＡＩＧを進角させるとともに放電継続時間ＴＳＰＫを減少させる制御が行われる。白金を含む三元触媒１０は、触媒温度ＴＣＡＴが高くなると、空燃比ＡＦがより理論空燃比に近いほど浄化性能が高くなる特性を有するので、触媒温度ＴＣＡＴが高くなるほど空燃比ＡＦ（目標空燃比ＡＦＣＭＤ）を減少させることによって、高い浄化性能を得ることができる。また、空燃比ＡＦを減少させることによって放電開始時期ＣＡＩＧの進角及び放電継続時間ＴＳＰＫの短縮を行っても安定した燃焼が得られるので、放電開始時期ＣＡＩＧを可能な限り進角させるとともに放電継続時間ＴＳＰＫを減少させることによってエンジン出力を増加させ、エネルギ効率を高めることができる。
【００５７】
また第２昇温促進制御の開始時は、タンブル流動制御弁４の開度を第１所定開度ＴＣＶＴＲＡ１に設定して流動の強度が比較的高くなるように制御され、空燃比ＡＦが第１所定空燃比ＡＦＴＲＡ１近傍まで減少させた時点から流動の強度を徐々に減少させる制御が行われる。空燃比ＡＦを減少させる制御によって、流動の強度を低下させても燃焼が不安定となることがなくなるので流動の強度を低下させて、燃焼時の熱損失を低減し、熱効率の向上を図ることができる。
【００５８】
また燃料を微粒化して噴射可能な燃料噴射弁６を用いて、エンジン１の吸気通路２内に燃料が噴射されるので、均質度の高い混合気を形成し、その均質希薄混合気を火花点火によって確実に着火させて、ＮＯｘ排出量が少なく高効率の燃焼を実現することができる。
【００５９】
本実施形態では、点火回路ユニット７及び点火プラグ８が火花点火手段に相当し、隔壁２ａ及びタンブル流動制御弁４が流動生成手段に相当し、触媒温度センサ１８が温度パラメータ取得手段を構成する。またＥＣＵ５が第１及び第２昇温促進制御手段を構成し、燃料噴射弁６及びＥＣＵ５が均質希薄混合気形成手段を構成する。
【００６０】
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、検出される触媒温度ＴＣＡＴを触媒温度パラメータとして使用したが、触媒温度ＴＣＡＴに代えて以下のようなパラメータ、すなわち三元触媒１０の上流側に排気温度センサを配置し、その排気温度センサにより検出される排気温度ＴＥＸＨを触媒温度パラメータとして使用してもよい。そのような変形例では、排気温度センサが温度パラメータ取得手段を構成する。また例えば特開２０１２−７７７４０号公報に示される触媒温度推定手法を用いてエンジン１の運転状態に応じて推定触媒温度ＴＣＡＴＥを算出し、推定触媒温度ＴＣＡＴＥを触媒温度パラメータとして使用してもよい。
【００６１】
また上述した実施形態では、第１昇温促進制御から第２昇温促進制御へ移行する制御切換時期（時刻ｔ１）を、触媒温度ＴＣＡＴが所定下側温度ＴＣＡＴＬに到達した時点としたが、これに限るものではなく、例えばエンジン１の冷間始動開始時点からの経過時間が、触媒温度ＴＣＡＴが所定下側温度ＴＣＡＴＬに到達すると推定される時間に達した時点、あるいは冷間始動開始時点からの燃料噴射量積算値が、触媒温度ＴＣＡＴが所定下側温度ＴＣＡＴＬに到達すると推定される値に達した時点、すなわち触媒温度ＴＣＡＴが第２昇温促進制御が有効となる温度に達すると推定される時点を「制御切換時期」としてもよい。
【００６２】
また上述した実施形態では流動生成手段として、タンブル流動を生成する機構を使用したが、スワール流動を生成する機構を採用してもよい。また、燃焼室１ａ及びピストン頂部の形状を、スキッシュ流動が生成されるように構成してもよい。また、点火回路ユニット７のコイル対は、１つの点火プラグに対応して２個設けるようにしたが、３個以上設けるようにしてもよい。
【００６３】
また上述した実施形態では４気筒エンジンの例を示したが、本発明は気筒数に関わらず適用可能である。また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの燃焼制御装置にも適用が可能である。
【符号の説明】
【００６４】
１  内燃機関
２  吸気通路
２ａ  隔壁（流動生成手段）
３  スロットル弁
４  タンブル流動制御弁（流動生成手段）
５  電子制御ユニット（第１及び第２昇温促進制御手段、均質希薄混合気形成手段）
６  燃料噴射弁（均質希薄混合気形成手段）
７  点火回路ユニット（火花点火手段）
８  点火プラグ（火花点火手段）
９  排気通路
１０  三元触媒
１８  触媒温度センサ（温度パラメータ取得手段）
１９  アクチュエータ
ＡＦＣＭＤ  目標空燃比
ＣＡＩＧ  放電開始時期
ＴＳＰＫ  放電継続時間
【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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【図１１】
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