(57)【要約】【課題】三元触媒の暖機を促進させる触媒暖機制御装置を提供する。【解決手段】三元触媒の暖機が要求されている時に、複数気筒１１のうち任意の気筒をリーン気筒＃１、リーン気筒＃２，＃３，＃４とは別の気筒をリッチ気筒＃１として設定し、リーン気筒＃２，＃３，＃４では理論空燃比より大きな空燃比で燃焼させ、リッチ気筒＃１では理論空燃比より小さな空燃比で燃焼させるとともに、全気筒＃１〜＃４の空燃比の平均が理論空燃比となるよう各気筒での燃料噴射量を制御する触媒暖機制御手段を備え、前記複数の気筒のうちのリーン気筒＃２，＃３，＃４の数を、リッチ気筒＃１の数より多く設定する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の気筒を有する内燃機関の排気管のうち、各気筒からの排気が集合する集合部よりも下流側に配置され、排気中の特定成分を酸化又は還元して浄化する三元触媒に適用され、
前記三元触媒の暖機が要求されている時に、前記複数の気筒のうち任意の気筒をリーン気筒、前記リーン気筒とは別の気筒をリッチ気筒として設定し、前記リーン気筒では理論空燃比より大きな空燃比で燃焼させ、前記リッチ気筒では理論空燃比より小さな空燃比で燃焼させるとともに、前記複数の気筒の空燃比の平均が理論空燃比となるよう各気筒での燃料噴射量を制御する触媒暖機制御手段を備え、
前記複数の気筒のうちの前記リーン気筒の数を、前記リッチ気筒の数より多く設定したことを特徴とする触媒暖機制御装置。
【請求項２】
前記内燃機関は、前記気筒の燃焼室へ燃料を直接噴射する直噴式であり、
前記リーン気筒では、少なくとも圧縮行程で燃料噴射するよう噴射時期を制御し、
前記リッチ気筒では、少なくとも吸気行程で燃料噴射するよう噴射時期を制御することを特徴とする請求項１に記載の触媒暖機制御装置。
【請求項３】
前記リッチ気筒では、吸気行程期間の前半の期間中に燃料噴射するよう噴射時期を制御することを特徴とする請求項２に記載の触媒暖機制御装置。
【請求項４】
前記複数の気筒のうちの前記リーン気筒の数を１つに設定したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の触媒暖機制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の気筒を有する内燃機関の三元触媒に適用された、触媒暖機制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、排気中の有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）を浄化する三元触媒は、その触媒の雰囲気がストイキ近傍（例えば空燃比＝１４．７±０．１〜０．２）にあるときにその浄化能力を発揮する。但し、内燃機関の冷間始動時等、触媒が低温で活性化していなければ、浄化能力が十分に発揮されない。よって、触媒を早期に活性化温度にまで上昇させる触媒暖機の実施が不可欠である。そして、触媒暖機の手法には、点火時期を遅角させて排気温度を上昇させる手法の他に、以下に説明するパータベーション制御を実施する手法（特許文献１、２参照）が知られている。
【０００３】
上記パータベーション制御では、例えば４気筒の内燃機関の場合において、＃１、＃４気筒をリッチ気筒、＃３、＃２気筒をリーン気筒として設定し、リーン気筒では理論空燃比より大きな空燃比で燃焼させ、リッチ気筒では理論空燃比より小さな空燃比で燃焼させるよう、各気筒における燃料噴射量を制御するものである。このパータベーション制御を実施すると、排気管のうち各気筒からの排気が集合する集合部において、リッチ気筒からのＨＣ、ＣＯとリーン気筒からのＯ２とが酸化反応することとなり、その反応熱で触媒温度を上昇させることができる。
【０００４】
但し、先述した通り三元触媒の雰囲気はストイキであることが要求されるので、パータベーション制御を実施するにあたり、リーン気筒の空気過剰率（λＬ）とリッチ気筒の空気過剰率（λＲ）の平均が１となるように燃料噴射量を制御して、排気管の集合部で集合した排ガスがストイキ近傍となるように制御する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１８３６３７号公報
【特許文献２】特開平８−６１０５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、リーン気筒のλＬを大きくするとともにリッチ気筒のλＲを小さくして気筒間の空燃比差を拡大させれば、反応熱量が増大するので触媒暖機を促進できる。しかしながら、λＬが過大になるとリーン気筒での燃焼が許容を超えて不安定となるため、空燃比差を拡大させるには限界がある。よって、従来のパータベーション制御では酸化反応熱量を増大させるには限界があり、触媒暖機を十分に促進させるには至っていないのが現状である。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、三元触媒の暖機を促進させる触媒暖機制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。
【０００９】
請求項１記載の発明では、複数の気筒を有する内燃機関の排気管のうち、各気筒からの排気が集合する集合部よりも下流側に配置され、排気中の特定成分を酸化又は還元して浄化する三元触媒に適用され、前記三元触媒の暖機が要求されている時に、前記複数の気筒のうち任意の気筒をリーン気筒、前記リーン気筒とは別の気筒をリッチ気筒として設定し、前記リーン気筒では理論空燃比より大きな空燃比で燃焼させ、前記リッチ気筒では理論空燃比より小さな空燃比で燃焼させるとともに、前記複数の気筒の空燃比の平均が理論空燃比となるよう各気筒での燃料噴射量を制御する触媒暖機制御手段を備え、前記複数の気筒のうちの前記リーン気筒の数を、前記リッチ気筒の数より多く設定したことを特徴とする。
【００１０】
先ず、本発明にかかる触媒暖機制御手段によれば、リッチ気筒から排出される還元成分（ＨＣ、ＣＯ）と、リーン気筒から排出される酸化成分（Ｏ２）との酸化反応が排気管の集合部で生じるので、その反応熱により三元触媒の温度を上昇させて暖機を促進できる。
【００１１】
ここで、反応熱量の増大を図るべく、リーン気筒の空気過剰率（λＬ）を大きくするとともにリッチ気筒の空気過剰率（λＲ）を小さくして、集合部でのλを１近傍に維持させつつλＬ及びλＲの差（空燃比差）を拡大させていくと、リーン気筒から排出される酸化成分量（Ｏ２量）に対して、リッチ気筒から排出される還元成分量（ＨＣ量及びＣＯ量）が不足した状態になることが分かった。このことは、集合部λを１近傍に維持させる前提で、リーン気筒のλＬを増大させることなく還元成分量を増大することができれば、λＬ増大によるリーン気筒での燃焼不安定化を抑制しつつ反応熱量を増大できることを意味する。そこで本発明者は、上述の如く還元成分量を増大させる手法について以下の如く検討した。
【００１２】
すなわち、空気過剰率λを１から低下させていくとＨＣ量及びＣＯ量は共に増加していくことは周知の事実であるが、ＨＣ量はλの低下量に比例して増加していくのに対し、ＣＯ量については、λの低下量に比例した量以上に急激に増加していく。この事実を裏付けるべく、λの値を１から低下させていった時の排気中のＣＯ濃度（ＣＯ量に相当）を計測した試験結果を図４に示す。＃１気筒でのλを１→０．９８→０．９５→０．８５と低下させていくと、＃１気筒からの排気のＣＯ濃度は０．３４（符号Ｐ１参照）→０．５０（符号Ｐ２参照）→１．３０（符号Ｐ３参照）→４．９５（符号Ｐ４参照）と増加していく。この試験結果のうち例えばＰ１及びＰ４を比較すると、＃１気筒でのλを１から０．８５に低下（０．８５倍）させると、＃１気筒からの排気のＣＯ濃度は０．３４％から４．９５％にまで増加（約１５倍）することが分かる。
【００１３】
また、図４の試験では、４気筒の内燃機関において各気筒のλの平均（集合部λ）を１近傍にする前提で、リーン気筒のλＬを１．０５に固定したままリッチ気筒の数を変更させている。例えば、図４（Ｒ２）の如く＃１、＃４気筒をリッチ気筒、＃３、＃２気筒をリーン気筒として設定した場合には、集合部における排気のＣＯ濃度は０．７１（符号Ｐ５参照）となる。これに対し、図４（Ｒ１）の如く＃１気筒のみをリッチ気筒とし、残りの＃３、＃４、＃２気筒をリーン気筒として設定した場合には、集合部における排気のＣＯ濃度は１．３３（符号Ｐ６参照）となる。
【００１４】
要するにこの試験結果は、集合部λを１近傍に維持させる前提において、リーン気筒の数をリッチ気筒の数より多く設定して、リッチ気筒の数を減らす一方でリッチ気筒１つあたりのλＲを小さくすれば、リーン気筒のλＬを増大させることなくＣＯ量（還元成分量）を増大できることを表している。
【００１５】
この試験結果を鑑み、上記発明では、先に説明した触媒暖機制御手段により酸化反応熱で触媒暖機を促進するにあたり、リーン気筒の数をリッチ気筒の数より多く設定しているので、リーン気筒のλＬを増大させることなくＣＯ量（還元成分量）を増大できる。よって、リーン気筒での燃焼不安定化を抑制しつつ反応熱量を増大でき、三元触媒のさらなる暖機促進を図ることができる。
【００１６】
ちなみに、上記発明にかかる触媒暖機制御手段は、「複数の気筒の空燃比の平均が理論空燃比となるよう各気筒での燃料噴射量を制御する」ものであるが、厳密に理論空燃比（例えば１４．７）となるよう制御するものに限定されるものではなく、理論空燃比に対して所定範囲内（例えば１４．７±０．１〜０．２）となるよう制御するものであり、その所定範囲とは、三元触媒が所定以上の浄化能力を発揮できる範囲である。
【００１７】
請求項２記載の発明では、前記内燃機関は、前記気筒の燃焼室へ燃料を直接噴射する直噴式であり、前記リーン気筒では、少なくとも圧縮行程で燃料噴射するよう噴射時期を制御し、前記リッチ気筒では、少なくとも吸気行程で燃料噴射するよう噴射時期を制御することを特徴とする。
【００１８】
ここで、上記発明にかかる触媒暖機制御手段による暖機制御を実施すると、リッチ気筒においては理論空燃比より小さな空燃比で燃焼させるので、ＰＭ発生量の増大が懸念されるようになる。しかも、圧縮行程で燃料を噴射する直噴式の内燃機関の場合には、ポート噴射式の場合に比べてＰＭ発生量が増大するので、触媒暖機制御手段による暖機制御を直噴式内燃機関で実施すると、ＰＭ増大の懸念がより一層顕著となる。
【００１９】
この点を鑑みた上記発明によれば、リッチ気筒では吸気行程で燃料噴射させるので、直噴式の内燃機関に触媒暖機制御手段を適用する場合に懸念されるＰＭ増大を抑制できる。
【００２０】
また、触媒暖機制御手段による暖機制御と同時に点火遅角制御を実施して暖機の促進を図る場合において、点火時期を過剰に遅角させると燃焼が許容を超えて不安定になるためその遅角量には限界がある。そして、圧縮行程での燃料噴射が可能な直噴式の場合には、点火時期を大きく遅角させてもポート噴射式の場合に比べて燃焼が安定しているため、点火遅角による触媒暖機を促進する上で有利である。この点を鑑みた上記発明では、リーン気筒では圧縮行程で燃料噴射させるので、吸気行程で燃料噴射させる場合に比べて点火時期の遅角量を増大でき、より一層の暖機促進を図ることができる。
【００２１】
ちなみに、圧縮行程で燃料を噴射した場合の方が吸気行程で噴射した場合に比べて燃焼が安定することは先述した通りである。そして、上記発明にかかるリッチ気筒では、吸気行程で燃料噴射するため圧縮行程で噴射した場合に比べれば燃焼安定性は低いと言える。しかしながら、当該リッチ気筒では、理論空燃比より小さな空燃比で燃焼させるので、そもそも燃焼が不安定になるといった懸念は生じない。よって、上記発明にかかるリッチ気筒での燃焼安定性は十分に確保できる。
【００２２】
請求項３記載の発明では、前記リッチ気筒では、吸気行程期間の前半の期間中に燃料噴射するよう噴射時期を制御することを特徴とする。
【００２３】
ここで、過剰量の燃料を噴射するリッチ気筒では、噴射した燃料と吸気をできるだけ攪拌させて、燃焼室内での混合気の状態を空燃比均質の状態にすることが、ＰＭ発生量を抑制する上で望ましい。この点に着目した上記発明では、リッチ気筒において吸気行程期間の前半の期間中に燃料噴射するので、燃焼室内に流入する吸気の気流により噴射した燃料の攪拌が促進されることとなる。よって、吸気行程の後半で燃料噴射する場合に比べて、燃焼室内の混合気を空燃比均質の状態にすることを促進できるので、ＰＭ発生量の低減を図ることができる。
【００２４】
なお、「吸気行程期間の前半の期間」とは、圧縮行程の上死点を基準とした遅角量（ＢＴＤＣ）が２７０〜３６０ｄｅｇの期間のことである。そして、この前半期間のうち特に２４０〜３２０ｄｅｇ（より好ましくは２６０〜３００ｄｅｇ）の期間で、リッチ気筒における燃料噴射時期を設定することが以下の点で望ましい。すなわち、噴射時期を遅角させ過ぎると、噴射した燃料がピストンヘッドに付着してＰＭ発生を促してしまうことが懸念されるからである。また、噴射時期を進角させ過ぎると、噴射燃料と吸気との攪拌効果が低減するからである。
【００２５】
請求項４記載の発明では、前記複数の気筒のうちの前記リーン気筒の数を１つに設定したことを特徴とする。
【００２６】
図４を用いて先述した通り、リッチ気筒でのλＲを低下させていくと、そのリッチ気筒から排出されるＣＯ量は急激に増大していく。したがって、リッチ気筒の数を少なくしてリッチ気筒１つあたりのλＲを小さくするほど、ＣＯ量を増大できる。したがって、リッチ気筒の数を１つにした上記発明によれば、リッチ気筒１つあたりのλＲを最小にしてＣＯ量を増大できるので、反応熱量を最大限に増大させて触媒暖機性能を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態にかかる触媒暖機制御装置が適用される、内燃機関、三元触媒装置、及び燃料噴射システム等のハード構成を示す図。
【図２】上記実施形態による触媒暖機制御（パータベーション制御）の手順を示すフローチャート。
【図３】上記実施形態にかかるパータベーション制御によりＣＯ排出濃度が増大する旨を確認した試験結果。
【図４】上記実施形態にかかるパータベーション制御によりＣＯ排出濃度が増大する旨を確認した試験結果。
【図５】上記実施形態にかかるパータベーション制御において、リッチ気筒の数と触媒温度との関係を計測した試験結果。
【図６】上記実施形態にかかるパータベーション制御により触媒温度が上昇する旨を確認した試験結果。
【図７】ＣＯの酸化反応開始時期（開始温度）とＨＣの酸化反応開始時期（開始温度）とを計測した試験結果。
【図８】上記実施形態にかかるパータベーション制御において、リッチ気筒での燃料噴射時期と、ＰＭ発生量及び触媒温度との関係を計測した試験結果。
【図９】上記実施形態にかかるパータベーション制御において、リッチ気筒での燃料噴射時期とＰＭ発生量との関係を計測した試験結果。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態にかかる触媒暖機制御装置が適用される、内燃機関１０、三元触媒装置２０、燃料噴射システム等のハード構成を示す図である。
【００２９】
この内燃機関１０は、車両に搭載されて走行駆動源として機能するものであり、複数の気筒１１を有する多気筒エンジンである。図１では４気筒エンジンを例示している。また、この内燃機関１０は、図示しない点火装置を有した火花点火式内燃機関であるとともに、燃焼室１１ａへ燃料を直接噴射する直噴式エンジンである。図１の例では、内燃機関１０のシリンダブロック１２に、燃料を噴射する燃料噴射弁１３が取り付けられている。
【００３０】
燃料噴射弁１３の作動は、電子制御装置（ＥＣＵ３０）から出力される噴射指令信号により制御される。具体的には、各気筒１１に設けられた燃料噴射弁１３の開弁時間を制御することにより、１回の開弁で噴射される噴射量を気筒毎に制御する。また、燃料噴射弁１３の開弁時期を制御することにより、噴射開始時期を気筒毎に制御する。なお、燃料噴射弁１３は、燃料を噴射する噴孔（図示せず）が燃焼室１１ａに露出するよう配置されている。また、図示は省略しているが、燃料タンク内の燃料を高圧ポンプにより蓄圧容器（デリバリパイプ）へ圧送しており、蓄圧容器に蓄圧された高圧燃料が各気筒の燃料噴射弁１３へ分配供給されるよう構成されている。
【００３１】
さらにＥＣＵ３０は、エンジン回転速度及びエンジン負荷（例えば吸気量等）に基づき、成層燃焼及び均質燃焼のいずれで燃焼させるかを切り替える。例えば、アイドル運転時や市街地走行時の如く低回転速度かつ低負荷の領域においては、希薄空燃比（例えば１７〜５０）による成層燃焼に切り替えて燃費向上を図る。一方、高速走行時や加速走行、登坂走行時の如く高回転速度かつ高負荷の領域においては、ストイキ近傍の空燃比（例えば１２〜１５）による均質燃焼に切り替えてエンジン出力の向上を図る。
【００３２】
成層燃焼では、気筒１１内のピストン（図示せず）が上昇する圧縮行程の後半で燃料を噴射する。すると、噴射した燃料を含む混合気がピストン頂面の形状に沿って点火プラグの近傍に濃い混合気として集められる。一方、均質燃焼では、ピストンが下降する吸気行程で燃料を噴射する。すると、噴霧した燃料は、噴射後の吸気行程中及び圧縮行程中に燃焼室１１ａで攪拌されて均質な混合気となる。なお、成層燃焼時において、１燃焼サイクル中に、吸気行程での噴射と圧縮行程での噴射との２回に分割して燃料を噴射することで、ＰＭ（Particulate Matter）の発生量低減を図るようにしてもよい。
【００３３】
各気筒１１の吸気ポートには図示しない吸気マニホールド（吸気管）が接続され、その集合部の上流側部分には、図示しないスロットルバルブが設けられている。このスロットルバルブの作動（スロットル開度）をＥＣＵ３０が制御することにより吸気量が制御される。なお、ＥＣＵ３０は、内燃機関１０の要求負荷（例えばアクセル操作量）及びエンジン回転速度等に基づきスロットル開度を制御して、内燃機関１０の出力トルクが要求負荷となるよう吸気量を制御する。
【００３４】
各気筒１１の排気ポートには排気マニホールド１４（排気管）が接続され、排気マニホールド１４の下流端に接続された排気管１５には三元触媒装置２０が接続されている。各気筒１１から排出された排気は、排気マニホールド１４のうち各気筒からの排気が集合する集合部１４ａで混合し、その混合排気は排気管１５を通じて三元触媒装置２０へ流入する。そして、排気中の有害成分（特定成分）である炭化水素ＨＣ、一酸化炭素ＣＯ、及び窒素酸化物ＮＯｘは、三元触媒装置２０により浄化される。
【００３５】
三元触媒装置２０は、ケーシング２１内に収容したハニカム構造の担体２２に白金等の触媒（三元触媒）を保持させて構成されている。排気中のＨＣ及びＣＯは触媒上で酸化されて、無害な二酸化炭素ＣＯ２及び水蒸気Ｈ２Ｏに変換される。また、排気中のＮＯｘは触媒上で還元されて、無害な窒素Ｎ２及び酸素Ｏ２に変換される。但し、空燃比（吸気量と燃料噴射量との比）が低すぎて混合排気がリッチ状態であると、酸素不足によりＨＣ及びＣＯを酸化させることができず、リーン状態であるとＮＯｘを還元できなくなる。したがって、三元触媒装置２０は、その触媒の雰囲気がストイキ（理論空燃比）の近傍（例えば空燃比＝１４．７±０．１〜０．２）であることを条件としてその浄化能力が十分に発揮される。
【００３６】
そのため、燃料噴射弁１３による燃料噴射量は、空燃比がストイキ近傍になるようにＥＣＵ３０により制御される。また、混合排気の空燃比を検出する空燃比センサ３３（或いは、混合排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ）を排気管１５等に設け、空燃比センサ３３の検出値（実空燃比）に基づき燃料噴射弁１３による燃料噴射量を制御することで、実空燃比がストイキになるようにＥＣＵ３０は燃料噴射量をフィードバック制御（空燃比フィードバック制御）している。
【００３７】
また、三元触媒装置２０は、その触媒の温度が活性化温度（例えば３５０℃）以上になっていなければ、上述した酸化還元反応による浄化能力が発揮されない。そのため、内燃機関１０の冷間始動時等、触媒温度が活性化温度未満である場合には、早期に活性化温度にまで上昇させるべく触媒暖機運転を実施することが要求される。
【００３８】
本実施形態では触媒暖機運転として、以下に説明する点火遅角制御及びパータベーション制御（触媒暖機制御手段による触媒暖機制御に相当）をＥＣＵ３０は実施する。
【００３９】
先ず、点火装置に対する点火遅角制御について説明する。触媒暖機が完了した後の通常運転時における点火時期（基本点火時期）は、ノッキングが生じない程度に進角させることが、高効率なエンジン出力を得られる点で望ましい。これに対し触媒暖機要求時には、基本点火時期を遅角するよう補正することで燃焼温度を上昇させ、排気温度を上昇させている。これにより、触媒温度を早期に活性化温度にまで上昇させて触媒暖機の早期完了を図ることができる。
【００４０】
次に、燃料噴射弁１３に対するパータベーション制御について説明する。この制御では、複数気筒１１のうち任意の気筒を、空燃比リーン状態で燃焼させるリーン気筒１１Ｌとして設定する。また、リーン気筒とは別の残りの気筒を、空燃比リッチ状態で燃焼させるリッチ気筒１１Ｒとして設定する。そして、リーン気筒の数をリッチ気筒の数より多く設定する。具体的には図２に示すように、触媒暖機要求が有る場合（Ｓ１０：ＹＥＳ）にはステップＳ２０（触媒暖機制御手段）に進み、以下に詳述するパータベーション制御を実施し、触媒暖機要求が無い場合（Ｓ１０：ＮＯ）にはステップＳ３０に進み、先述した空燃比フィードバック制御を実施する。
【００４１】
なお、ステップＳ１０では、触媒温度または触媒温度と相関性の高い温度が所定温度未満である場合に、触媒暖機要求有りと判定して触媒暖機運転を実施するように判定すればよい。例えば、冷却水温センサにより検出された機関冷却水温度や、排気温度センサにより検出された排気温度、触媒温度センサにより検出された触媒温度等が所定温度未満であるか否かを判定すればよい。また、触媒暖機運転を開始してから所定時間が経過した時点で触媒暖機要求無しと判定して触媒暖機運転を終了するようにしてもよい。
【００４２】
ステップＳ２０で実施するパータベーション制御についてより詳細に説明すると、４気筒エンジンである図１の例では、＃１気筒、＃３気筒、＃４気筒、＃２気筒の順に点火させて順次燃焼行程を実施しており、＃１気筒をリッチ気筒１１Ｒ、残りの＃３、＃４、＃２気筒をリーン気筒１１Ｌとして設定している。つまり、＃１気筒でリッチ燃焼させた後、＃３、＃４、＃２気筒で順次リーン燃焼が実施される。そして、図１中の白抜矢印に示すように、各気筒から順次排出される排気は集合部１４ａで混合しながら三元触媒装置２０へ流入する。
【００４３】
パータベーション制御を実施している時の各気筒での燃料噴射量は、上述したリッチ燃焼及びリーン燃焼を実施しつつ、全ての気筒１１の空燃比の平均（つまり集合部１４ａにおける空燃比）がストイキとなるよう制御される。例えば、リッチ気筒１１Ｒである＃１気筒での空気過剰率λＲを０．８５とするよう＃１気筒での燃料噴射量を制御するとともに、リーン気筒１１Ｌである＃３、＃４、＃２気筒での空気過剰率λＬを１．０５とするよう＃３、＃４、＃２気筒での燃料噴射量を制御する。これによれば、リッチ燃焼及びリーン燃焼を実施しつつ、集合部１４ａにおける空燃比を１．００にできる。
【００４４】
このパータベーション制御を実施すると、リッチ気筒１１Ｒから排出されるＨＣ量及びＣＯ量が増大する。その結果、集合部１４ａにおいて、リッチ気筒からのＨＣ、ＣＯとリーン気筒からのＯ２とが酸化反応することとなり、その反応熱で触媒温度を上昇させることができる。これにより、触媒暖機を促進できる。
【００４５】
ここで、反応熱量の増大を図るべく、リーン気筒１１ＬのλＬを大きくするとともにリッチ気筒１１ＲのλＲを小さくして、集合部λを１近傍に維持させつつλＬ及びλＲの差（空燃比差）を拡大させれば、反応熱量が増大するので触媒暖機をより一層促進できる。しかしながら、λＬが過大になるとリーン気筒１１Ｌでの燃焼が許容を超えて不安定となるため、空燃比差を拡大させるには限界がある。この問題に対し本実施形態では、上述の如くリーン気筒１１Ｌの数をリッチ気筒１１Ｒの数より多く設定することで、以下に説明する理由により、燃焼不安定化の回避と反応熱量の増大との両立を実現できる。
【００４６】
図３は、任意の１つの気筒における空気過剰率λを変化させた時の、その気筒から排出される排気中のＣＯ濃度を計測した試験結果を示す。これによれば、λを１から低下させてリッチ化を促進させていくとＣＯ濃度は上昇していくことが分かる。そして、そのＣＯ濃度の上昇量は、λの低下量に比例した量以上であり、その上昇の傾きは一次直線よりも大きい。したがって、リッチ気筒１１Ｒを２つに設定する場合に比べて、リッチ気筒１１Ｒを１つに設定してその１つのλＲを大きく低下させた方が、集合部１４ａでのＣＯ量を多くできる。
【００４７】
この知見を確認するために実施した以下の試験の結果を図４に示す。この試験では、全気筒における空気過剰率λの組み合わせを変化させた時の、各気筒でのＣＯ濃度及び集合部でのＣＯ濃度を計測している。図４中の（Ｒ０）は、パータベーション制御を実施せずに全ての空気過剰率λを１にした場合であり、気筒間での空燃比差がない状態である。この場合に各気筒から排出される排気中のＣＯ濃度は０．３４であった。
【００４８】
図４中の（Ｒ３）は、＃１、＃２、＃３気筒の３つをリッチ気筒１１Ｒに設定した場合であり、λＬ＝１．０５に対し、λＲ＝０．９８にして集合部λを１にしている。ちなみに、λＬを１．０５より大きくすると、リーン気筒１１Ｌでの燃焼が許容を超えて不安定となる。つまりλＬ＝１．０５は、燃焼安定化の許容範囲の最大値である。そして、この場合のＣＯ濃度はリッチ気筒１１Ｒで０．５０、リーン気筒１１Ｌで０．１２であり、トータルでのＣＯ濃度（集合部１４ａでのＣＯ濃度）は０．４５であった。
【００４９】
図４中の（Ｒ２）は、＃１、＃２気筒の２つをリッチ気筒１１Ｒに設定した場合であり、λＬ＝１．０５（燃焼安定化の許容範囲の最大値）に対し、λＲ＝０．９５にして集合部λを１にしている。この場合のＣＯ濃度はリッチ気筒１１Ｒで１．３０、リーン気筒１１Ｌで０．１２であり、トータルでのＣＯ濃度は０．７１である。
【００５０】
図４中の（Ｒ３）は、＃１気筒の１つをリッチ気筒１１Ｒに設定した場合であり、λＬ＝１．０５（燃焼安定化の許容範囲の最大値）に対し、λＲ＝０．８５にして集合部λを１にしている。この場合のＣＯ濃度はリッチ気筒１１Ｒで４．９８、リーン気筒１１Ｌで０．１２であり、トータルでのＣＯ濃度は１．３３である。
【００５１】
以上により、図４の試験結果によれば、リッチ気筒１１Ｒの数を少なくするほど、リッチ気筒１１ＲでのＣＯ濃度を急激に増大でき、トータルＣＯ濃度を増大できることが確認できる。図５は、上記図４の試験結果をまとめたものであり、図４中の（Ｒ０）〜（Ｒ３）の各試験に対応した集合部λ、集合部ＣＯ濃度（トータルＣＯ濃度）、及びパータベーション制御を所定時間実施した時点での触媒中心温度を示す。１気筒のみをリッチにした（Ｒ３）の場合に、トータルＣＯ濃度を最大にでき、触媒中心温度も最大になることを示している。
【００５２】
図６は、内燃機関１０の始動を開始させた以降における、三元触媒装置２０へ流入する排気温度及び触媒中心温度の変化を計測した試験結果である。そして、図中の破線は、図４（Ｒ０）の如く気筒間での空燃比差がない状態で内燃機関１０を運転させた時の試験結果、図中の実線は、図４中の（Ｒ１）の如く気筒間での空燃比差を生じさせたパータベーション制御を実施した時の試験結果を示す。この試験結果によれば、パータベーション制御の実施により、排気温度の上昇速度を増大させて触媒中心温度の上昇速度を増大できることが分かる。
【００５３】
ところで、上述した図３〜図６では、ＣＯ量を増大させることによる酸化反応熱量の増大の効果について説明してきたが、ＨＣ量を増大させることによっても酸化反応熱量を増大させることができる。しかしながら、１つの気筒でのλを低下させた場合において、ＣＯ量については、図３に示すようにλ低下量に比例した以上に急激に増大するのに対し、ＨＣ増大量はＣＯ増大量に比べて少ない。また、触媒温度を活性化温度に向けて上昇させていくと、ＣＯが酸化反応を開始する時の温度に比べて、ＨＣが酸化反応を開始する時の温度の方が高い。
【００５４】
この知見を確認するために実施した以下の試験の結果を図７に示す。この試験では、エンジン始動を開始してパータベーション制御を開始してからの、ＣＯ浄化率及びＨＣ浄化率を計測している。図７中の実線はエンジン始動後の経過時間に対するＣＯ浄化率の変化を示し、図７中の破線はＨＣ浄化率の変化を示す。この試験結果は、暖機運転を開始してから約４秒経過した時点でＨＣ浄化率が上昇を開始するのに対し、ＣＯ浄化率は約３秒で上昇を開始することを示す。つまり、触媒上におけるＣＯの酸化反応は、ＨＣに比べて低温の状態でも反応を開始する。この点で、ＨＣではなくＣＯ量を増大させて反応熱量を増大させる上記パータベーション制御は、触媒暖機を促進させる上で有利である。
【００５５】
さらに、パータベーション制御を図２のステップＳ２０で実施するにあたり、燃料噴射時期を次のように制御している。すなわち、リーン気筒１１Ｌでは、圧縮行程で燃料噴射するよう噴射時期を制御して、先述した成層燃焼の状態にする。一方、リッチ気筒１１Ｒでは、吸気行程で燃料噴射するよう噴射時期を制御して、先述した均質燃焼の状態にする。
【００５６】
なお、リッチ気筒１１Ｒでは、１燃焼サイクル中に複数回燃料噴射する分割噴射を実施して、目標噴射量を複数回に分けて噴射するようにしてもよい。例えば、圧縮行程及び吸気行程で１回ずつ噴射するよう２回に分けて噴射する分割噴射を実施してもよいし、吸気行程で１回噴射するだけにしてもよい。
【００５７】
このように、リッチ気筒１１Ｒでは吸気行程で燃料噴射して均質燃焼にするので、成層燃焼にした場合に比べてＰＭ発生量を低減できる。そのＰＭ低減効果を確認した試験結果を図８（ａ）に示し、触媒温度上昇の効果を確認した試験結果を図８（ｂ）に示す。
【００５８】
図８の試験では、図４中の（Ｒ０）と同様にしてパータベーション制御を実施せずに気筒間での空燃比差がない場合の試験結果と、図４中の（Ｒ１）と同様にして、＃１気筒のみをリッチ気筒１１Ｒとして気筒間での空燃比差を生じさせた場合の試験結果を示す。さらに、空燃比差を生じさせた場合において、リッチ気筒１１Ｒの燃料噴射を吸気行程で１回実施した場合と、リッチ気筒１１Ｒの燃料噴射を吸気行程及び圧縮行程で１回ずつ分割噴射した場合との試験結果を示す。図８中の横軸は噴射時期を示しており、圧縮行程の上死点を基準とした遅角量（ＢＴＤＣ）を示している。なお、気筒間空燃比差有りの分割噴射の場合は１回目の分割噴射（吸気噴射）にかかる噴射時期を示す。
【００５９】
図８（ａ）の試験結果によれば、気筒間空燃比差有りの場合にリッチ気筒１１Ｒにおいて吸気行程１回噴射にすれば、リッチ気筒１１Ｒにおいて分割噴射にした場合に比べての場合に比べて、ＰＭ発生量を低減できることが分かる。また、リッチ気筒１１Ｒにおいて吸気行程１回噴射の場合のＰＭ発生量は、気筒間空燃比差を生じさせない場合のＰＭ発生量と同等にできることが分かる。
【００６０】
また、図８（ｂ）の試験結果によれば、吸気行程で１回噴射及び分割噴射のいずれの場合においても、パータベーション制御を実施して気筒間空燃比差を生じさせれば、噴射時期の遅角量にかかわらず、パータベーション制御を実施しない場合に比べて触媒温度を上昇できることが分かる。
【００６１】
さらに、パータベーション制御にかかるリッチ気筒１１Ｒにおいて、上述の如く吸気行程で燃料噴射するにあたり、その噴射時期を吸気行程の前半にすることが望ましい。具体的には、圧縮行程の上死点を基準とした遅角量（ＢＴＤＣ）を、２４０〜３２０ｄｅｇ（より好ましくは２６０〜３００ｄｅｇ）にすることが望ましい。
【００６２】
このように吸気行程の前半で燃料噴射すれば、吸気行程の後半で噴射した場合に比べて噴射燃料と吸気との攪拌が促進されるので均質燃焼を促進でき、ひいてはＰＭ発生量を抑制できる。そのＰＭ低減効果を確認した試験結果を図９に示す。
【００６３】
図９の試験では、任意の１つの気筒において空燃比を変化させた時のＰＭ発生量を、吸気行程の前半で噴射した場合と後半で噴射した場合とで計測している。図９の試験結果によれば、前半噴射の場合には後半噴射に比べてＰＭ発生量を低減できることが分かる。特にパータベーション制御にかかるリッチ気筒１１Ｒにおいて空燃比リッチで燃焼させる場合には、前半噴射によるＰＭ低減の効果が大きく現れることが分かる。
【００６４】
以上により、本実施形態によれば、リッチ気筒１１Ｒの数を１つにしてパータベーション制御を実施するので、リーン気筒１１ＬのλＬを増大させることなく、集合部λを１に維持させつつＣＯ量を増大できる（図４（Ｒ１）参照）。よって、λＬ増大によるリーン気筒１１Ｌでの燃焼不安定化を抑制しつつ反応熱量を増大でき、触媒暖気を促進できる（図５参照）。
【００６５】
また、リッチ気筒での燃料噴射時期を吸気行程にして均質燃焼させるので、成層燃焼させる場合に比べてＰＭ発生量を低減できる。しかも、吸気行程の前半で燃料噴射するので、後半で噴射する場合に比べてＰＭ発生量をより一層低減できる（図９参照）。
【００６６】
（他の実施形態）
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、以下のように変更して実施してもよい。また、各実施形態の特徴的構成をそれぞれ任意に組み合わせるようにしてもよい。
【００６７】
・上記実施形態では、本発明にかかる触媒暖機制御装置を直噴式エンジンに適用させているが、吸気管へ燃料を噴射するポート噴射式のエンジンに適用させてもよい。
【００６８】
・上記実施形態にかかるパータベーション制御では、リッチ気筒１１Ｒでの燃料噴射時期を吸気行程の前半（ＢＴＤＣ２４０〜３２０ｄｅｇ）に設定しているが、後半（ＢＴＤＣ１８０〜２４０ｄｅｇ）に設定してもよい。また、ＢＴＤＣ３２０〜３６０ｄｅｇに設定してもよい。但し、ＢＴＤＣ３２０よりも遅角側で噴射させると、噴射した燃料がピストンヘッドに付着してＰＭ発生を促してしまうことが懸念される。また、ＢＴＤＣ２４０よりも進角側で噴射させると、噴射燃料と吸気との攪拌効果が低減する。よって、パータベーション制御にかかるリッチ気筒１１Ｒでは、ＢＴＤＣ２４０〜３２０ｄｅｇの範囲で燃料噴射させることが望ましい。
【００６９】
・上記実施形態にかかるパータベーション制御では、リッチ気筒１１Ｒでの燃料噴射時期を吸気行程の１回にしているが、吸気行程の１回と圧縮行程の１回に分割噴射するようにしてもよく、少なくとも吸気行程で１回噴射させればよい。
【００７０】
・上記実施形態では４気筒エンジンを対象としているが、本発明の適用対象はこれに限られるものではなく、例えば６気筒エンジンや８気筒エンジンを対象としてもよい。また、パータベーション制御にかかるリッチ気筒１１Ｒの数をリーン気筒１１Ｌの数より少なくすればよいので、例えば６気筒エンジンの場合にはリッチ気筒１１Ｒの数を１つに設定する場合の他に、２つに設定してもよい。同様に、８気筒エンジンの場合にはリッチ気筒１１Ｒの数を１つ〜３つに設定してもよい。
【符号の説明】
【００７１】
１０…内燃機関、１１…気筒、１４ａ…排気管の集合部、２０…三元触媒装置、３０…ＥＣＵ（触媒暖機制御装置）、Ｓ２０…触媒暖機制御手段、＃１…リッチ気筒、＃２，＃３，＃４…リーン気筒。
【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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