(57)【要約】【課題】酸素ストレージ量を低下させてＮＯｘ浄化機能を維持させることを、ＰＭ発生量の増大を招くことなく実現する。【解決手段】触媒装置の酸素ストレージ量ＯＳＣが所定量以上である触媒リーン状態になっているか否かを判定する触媒リーン判定手段Ｓ１３と、触媒リーン状態になっていると判定された場合に（Ｓ１３：ＹＥＳ）、膨張行程から排気行程にかけての所定期間Ｔａに触媒用燃料をサブ噴射して、点火燃焼させずに触媒装置１４へ還元成分（未燃燃料ＨＣ）を供給する燃料供給手段Ｓ１８と、を備えることを特徴とする。これによれば、触媒装置のストレージ酸素を触媒用燃料（ＨＣ：還元成分）で還元するので、過剰な酸素ストレージによるＮＯｘ浄化機能の低下を抑制できる。しかも、このサブ噴射による燃料は点火燃焼させないので、ＰＭ増大を招くことも無くせる。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
点火プラグにより点火して燃焼させる点火燃焼式、かつ、燃料噴射弁から燃焼室へ燃料を直接噴射する筒内噴射式であり、排気を酸化および還元して浄化する触媒装置を備えた内燃機関に適用され、
前記触媒装置の酸素ストレージ量が所定量以上である触媒リーン状態になっているか否かを判定する触媒リーン判定手段と、
前記触媒リーン状態になっていると判定された場合に、前記燃料噴射弁から噴射した燃料を、点火燃焼させずに前記触媒装置へ供給する燃料供給手段と、
を備えることを特徴とする排気浄化制御装置。
【請求項２】
前記燃料供給手段は、前記触媒装置へ供給する触媒用燃料を、膨張行程から排気行程にかけての所定時期に前記燃料噴射弁から噴射させることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化制御装置。
【請求項３】
点火燃焼させる燃焼用燃料の噴射量を増量させてリッチ燃焼させることにより、前記酸素ストレージ量を低下させるリッチ噴射制御手段を備え、
所定期間において、前記リッチ噴射制御手段によるリッチ燃焼と、前記燃料供給手段による触媒用燃料の噴射との両方を実施することを特徴とする請求項２に記載の排気浄化制御装置。
【請求項４】
前記所定期間における前記リッチ噴射制御手段による増量分と、前記燃料供給手段による触媒用燃料の噴射量との割合を、前記酸素ストレージ量に応じて設定することを特徴とする請求項３に記載の排気浄化制御装置。
【請求項５】
前記酸素ストレージ量が所定量未満である触媒微少リーン状態になっている場合には、前記所定期間における前記触媒用燃料の噴射量をゼロにして前記リッチ燃焼を実施することを特徴とする請求項４に記載の排気浄化制御装置。
【請求項６】
前記リッチ噴射制御手段による燃料の噴射開始時期を、前記燃料供給手段による触媒用燃料の噴射開始時期よりも早くすることを禁止することを特徴とする請求項３〜５のいずれか１つに記載の排気浄化制御装置。
【請求項７】
点火燃焼させる燃焼用燃料の噴射を停止させつつ車両走行する燃料カット期間中には、前記燃料供給手段による触媒用燃料の噴射を禁止することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の排気浄化制御装置。
【請求項８】
前記内燃機関の機関回転速度が所定速度未満である低速回転時、または前記内燃機関の温度が所定温度未満である低温時には、前記燃料供給手段による触媒用燃料の噴射を禁止することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の排気浄化制御装置。
【請求項９】
前記燃料供給手段による触媒用燃料の噴射量を、触媒温度および排気流速の少なくとも一方に基づき制限させることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の排気浄化制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、点火燃焼式かつ筒内噴射式の内燃機関に適用された排気浄化制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気中のＨＣ、ＣＯを酸化する機能とＮＯｘを還元する機能を有した触媒装置（いわゆる三元触媒）では、理論空燃比で燃焼させることが浄化機能を維持させる上で重要である。そのため、筒内噴射式の内燃機関においてリーン燃焼させる場合の如く排気中の酸素が多量になった場合には、触媒に酸素をストレージ（貯蔵）させて浄化機能を維持させるのが一般的である。
【０００３】
しかしながら、触媒での酸素ストレージ量には限界があり、酸素ストレージ量が過剰（飽和状態）になるとＮＯｘ浄化機能が低下する。特に、内燃機関を自動停止（アイドルストップ）させるにあたり、アイドルストップ直前の低速走行中に燃料噴射を停止させる燃料カットを実施した場合には、燃料カットにより酸素ストレージ量が過剰になった状態でアイドルストップすることになる。すると、その後の自動再始動時にはＮＯｘを十分に浄化できないことが懸念される。しかも、自動再始動後、直ぐにアクセルペダルを踏み込んで加速走行しようとする場合には、触媒に流入するＮＯｘ量が直ぐに多くなるので、触媒装置からＮＯｘが放出される懸念がより一層高くなる。
【０００４】
このような懸念に対し、特許文献１，２記載の発明では、燃料カット直前における燃料噴射量を増量してリッチ燃焼させたり、自動再始動直後における燃料噴射量を増量してリッチ燃焼させたりしている。これによれば、排気中のＣＯ（還元成分）量が増えるので、ストレージされている酸素の還元が促進されて酸素ストレージ量が減少する。よって、過剰な酸素ストレージによるＮＯｘ浄化機能の低下を抑制できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１５４６６４号公報
【特許文献２】特開２０００−５４８２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、燃焼室へ燃料を直接噴射する筒内噴射式の内燃機関の場合には、上記リッチ燃焼を実施すると、燃焼室内における空燃比の不均質度が著しく大きくなるため、ＰＭ（Particulate Matter）の発生量増大を招く。
【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、点火燃焼式かつ筒内噴射式の内燃機関を適用対象とした場合において、酸素ストレージ量を低下させてＮＯｘ浄化機能を維持させることを、ＰＭ発生量の増大を招くことなく実現可能にした排気浄化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、点火プラグにより点火して燃焼させる点火燃焼式、かつ、燃料噴射弁から燃焼室へ燃料を直接噴射する筒内噴射式であり、排気を酸化および還元して浄化する触媒装置を備えた内燃機関に適用されることを前提とする。
【００１０】
そして、前記触媒装置の酸素ストレージ量が所定量以上である触媒リーン状態になっているか否かを判定する触媒リーン判定手段と、前記触媒リーン状態になっていると判定された場合に、前記燃料噴射弁から噴射した燃料を、点火燃焼させずに前記触媒装置へ供給する燃料供給手段と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
これによれば、触媒リーン状態の時には点火燃焼させずに燃料を触媒装置へ供給するので、触媒装置にストレージされている酸素が燃料（ＨＣ：還元成分）により還元されて酸素ストレージ量が減少する。よって、過剰な酸素ストレージによるＮＯｘ浄化機能の低下を抑制できる。しかも、この噴射による燃料は点火燃焼させないのでＰＭを発生させることはない。したがって、酸素ストレージ量を低下させてＮＯｘ浄化機能を維持させることを、ＰＭ発生量の増大を招くことなく実現できる。
【００１２】
ちなみに、燃料供給手段により触媒装置へ供給する触媒用燃料が不足して酸素ストレージ量を十分に低下できなくなることや、触媒用燃料を過剰に噴射することにより未燃ＨＣが触媒装置から放出されることの回避を図るべく、触媒用燃料の噴射量は酸素ストレージ量に応じて設定することが望ましい。
【００１３】
請求項２記載の発明では、前記燃料供給手段は、前記触媒装置へ供給する触媒用燃料を、膨張行程から排気行程にかけての所定時期に前記燃料噴射弁から噴射させることを特徴とする。
【００１４】
ここで、上記発明に反して吸気行程から圧縮行程にかけての所定時期に触媒用燃料を噴射させた場合であっても、点火装置を作動させなければ点火燃焼していない燃料を触媒装置へ供給する燃料供給手段を実現できる。しかしこの場合には、点火燃焼させる燃焼用燃料を噴射できなくなるので、所望の出力トルクを得ることができなくなる。或いは、多気筒内燃機関において、特定の気筒だけ燃焼用燃料を噴射できなくなるので出力トルクの変動が大きくなる。
【００１５】
これに対し上記発明では、膨張行程から排気行程にかけての所定時期に触媒用燃料を噴射させるので、１燃焼サイクル中に、燃焼用燃料および触媒用燃料を共に噴射させることができる。よって、先述した出力トルクの不足や出力トルクの変動を回避しつつ、燃料供給手段を実現できる。
【００１６】
請求項３記載の発明では、点火燃焼させる燃焼用燃料の噴射量を増量させてリッチ燃焼させることにより、前記酸素ストレージ量を低下させるリッチ噴射制御手段を備え、所定期間において、前記リッチ噴射制御手段によるリッチ燃焼と、前記燃料供給手段による触媒用燃料の噴射との両方を実施することを特徴とする。
【００１７】
一般的な触媒装置は、担体に触媒をコーティングして構成されているが、コーティング表面にストレージされている酸素についてはＨＣとの反応性が良好である。しかしながら、コーティング内部にストレージされている酸素については、ＣＯとの反応性は良好であるもののＨＣとの反応性は悪い。この点を鑑みた上記発明では、触媒用燃料の噴射とリッチ燃焼との両方を実施するので、コーティング内部にストレージされた酸素の量も十分に低下させることができる。
【００１８】
ちなみに、燃焼用燃料の噴射量を増量させてリッチ燃焼させることと触媒用燃料を噴射させることを、同一の１燃焼サイクル中に実施してもよいし、触媒用燃料の噴射と燃焼用燃料の増量とを別々の燃焼サイクルで実施してもよい。また、触媒用燃料の噴射と燃焼用燃料の増量とを、所定期間のうちの別々の期間に実施してもよい。例えば、所定期間の前期に触媒用燃料の噴射を実施し、所定期間の後期に燃焼用燃料の増量を実施する（図２（ｄ）（ｆ）参照）。また、両期間の一部が重複するように設定してもよい。
【００１９】
請求項４記載の発明では、前記所定期間における前記リッチ噴射制御手段による増量分と、前記燃料供給手段による触媒用燃料の噴射量との割合を、前記酸素ストレージ量に応じて設定することを特徴とする。
【００２０】
ここで、上述した触媒用燃料は燃焼に寄与しない。そのため、リッチ噴射制御手段による増量分に対する触媒用燃料の噴射量の割合を大きくすると、ＰＭ発生を回避できるものの燃費が悪くなる。その一方で、リッチ噴射制御手段によるリッチ燃焼ではＰＭ発生量が増加するものの、燃焼用燃料の増量分が極少量であればＰＭ発生量の増加量も許容範囲内である。これらの点を鑑みた上記発明では、所定期間におけるリッチ噴射制御手段による増量分と触媒用燃料の噴射量との割合を、酸素ストレージ量に応じて設定するので、ＰＭ発生と燃費のバランスを最適にできる。
【００２１】
請求項５記載の発明では、前記酸素ストレージ量が所定量未満である触媒微少リーン状態になっている場合には、前記所定期間における前記触媒用燃料の噴射量をゼロにして前記リッチ燃焼を実施することを特徴とする。
【００２２】
ここで、上記発明に反し、触媒微少リーン状態の時に触媒用燃料を噴射させる場合には、触媒用燃料の過剰供給を回避すべく触媒用燃料の噴射量は微少となる。そして、燃料噴射弁の開弁時間を短くして微少量を噴射させるには限界があり、所望する微少量だけ高精度で噴射制御することは困難である。この点を鑑みた上記発明では、触媒微少リーン状態の時には触媒用燃料の噴射量をゼロにしてリッチ燃焼を実施する。この場合のリッチ燃焼用の噴射量は、燃焼用燃料に対する増量分は微少であるものの、燃料噴射弁から噴射させる噴射量が微少量になるわけではないので噴射量精度の悪化は回避できる。
【００２３】
請求項６記載の発明では、前記リッチ噴射制御手段による燃料の噴射開始時期を、前記燃料供給手段による触媒用燃料の噴射開始時期よりも早くすることを禁止することを特徴とする。
【００２４】
先述したように、触媒の内部にストレージされた酸素は、燃料供給手段により供給されるＨＣとは反応性が悪く、リッチ噴射制御手段によるＣＯとは良好に反応する。そのため、前記ＣＯを、表面酸素よりも優先して内部酸素と反応させることが、酸素ストレージ量低下を図る上で望ましい。したがって、上記発明に反してリッチ噴射制御手段による噴射開始時期を触媒用燃料の噴射開始時期よりも早くすると、表面酸素と反応するＣＯ量が増えて内部酸素と反応するＣＯ量が少なくなる。すると、内部酸素が存在するにも拘わらず、燃料供給手段によるＨＣが吸蔵酸素（内部酸素）と反応しないまま触媒装置から放出されるおそれが生じるとともに、酸素ストレージ量低下を十分に促進できなくなる。この点を鑑みた上記発明では、リッチ噴射制御手段による噴射開始時期を触媒用燃料の噴射開始時期よりも早くすることを禁止するので、触媒装置からのＨＣ放出抑制と、酸素ストレージ量低下促進を図ることができる。
【００２５】
請求項７記載の発明では、点火燃焼させる燃焼用燃料の噴射を停止させつつ車両走行する燃料カット期間中には、前記燃料供給手段による触媒用燃料の噴射を禁止することを特徴とする。
【００２６】
ここで、上記発明に反して燃料カット期間中に触媒用燃料を噴射すると、ストレージされている酸素を還元する最中にも酸素が次々と供給されてくるので、触媒用燃料の噴射量が無駄に多くなる。これに対し上記発明によれば、燃料カット期間中には触媒用燃料の噴射を禁止するので、上述の如く触媒用燃料を無駄に噴射することを回避できる。そして、燃料カットが終了してから内燃機関が完全に自動停止するまでの期間や自動再始動時に触媒用燃料を噴射することが、燃料カット期間以外の噴射時期の具体例として挙げられる。
【００２７】
請求項８記載の発明では、前記内燃機関の機関回転速度が所定速度未満である低速回転時、または前記内燃機関の温度が所定温度未満である低温時には、前記燃料供給手段による触媒用燃料の噴射を禁止することを特徴とする。
【００２８】
ここで、低速回転時には排気流速が遅くなっているので、燃焼室へ噴射した触媒用燃料が触媒装置へ供給される確実性が低い。また、低温時に燃焼室へ噴射された触媒用燃料は、シリンダやピストンの壁面に付着してウェット状態となり気化しにくくなるので、噴射した触媒用燃料が触媒装置へ供給される確実性が低い。これらの点を鑑みた上記発明では、低速回転時または低温時には触媒用燃料の噴射を禁止するので、噴射した触媒用燃料が触媒装置へ供給されないといった事態を回避できる。
【００２９】
請求項９記載の発明では、前記燃料供給手段による触媒用燃料の噴射量を、触媒温度および排気流速の少なくとも一方に基づき制限させることを特徴とする。
【００３０】
ここで、触媒用燃料により触媒装置に供給されたＨＣをストレージ酸素と反応させるにあたり、触媒温度が低い場合にはその反応が為されずにＨＣが触媒装置から放出されることが懸念される。特に、触媒温度が低い時に排気流速が速くなっていると、ＨＣ放出のおそれが高くなる。これらの点を鑑みた上記発明では、触媒温度および排気流速の少なくとも一方に基づき触媒用燃料の噴射量を制限するので、触媒装置からＨＣが放出されることのおそれを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態にかかる排気浄化制御装置と、当該装置が適用される内燃機関及び燃料噴射システムを示す図。
【図２】上記実施形態によるサブ噴射の実行時期を説明するとともに、サブ噴射によるＯＳＣ低減とＰＭ量低減の効果を説明するタイムチャート。
【図３】弱リッチ燃焼による還元成分ＣＯとサブ噴射による還元成分ＨＣが、ストレージ酸素と反応する様子を示す図。
【図４】上記実施形態において、サブ噴射および弱リッチ燃焼を実施する手順を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明にかかる排気浄化制御装置を示す一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００３３】
図１は、本実施形態にかかる排気浄化制御装置が適用される、内燃機関１０及び燃料噴射システムを示す図である。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、点火プラグ１１を有した火花点火式内燃機関であるとともに、燃焼室１０ａへ燃料を直接噴射する直噴式内燃機関である。図１の例では、内燃機関１０のシリンダヘッド１０ｂに、燃料を噴射する燃料噴射弁１２が取り付けられている。燃料噴射弁１２の作動は、制御ユニット（ＥＣＵ２０）から出力される噴射指令信号により、駆動ユニット（ＥＤＵ３０）を介して制御される。
【００３４】
燃料噴射弁１２は、噴孔１２ａを開閉するニードル弁１２ｂ（弁体）、ニードル弁１２ｂを開閉作動させる電磁ソレノイド１２ｃ等を有しており、ＥＤＵ３０により制御される駆動電力が電磁ソレノイド１２ｃに供給されると、ニードル弁１２ｂは開弁作動して噴孔１２ａから燃料が噴射される。また、駆動電力の供給を停止すると、ニードル弁１２ｂは閉弁作動して噴孔１２ａからの燃料噴射が停止する。したがって、駆動電力の供給開始時期を制御することで噴孔１２ａの開弁時期を制御して噴射開始時期を制御でき、駆動電力の供給時間（通電時間Ｔｑ）を制御することで噴孔１２ａの開弁時間を制御して噴射量Ｑを制御できる。
【００３５】
なお、燃料噴射弁１２は、噴孔１２ａが燃焼室１０ａ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１２へ分配供給されるよう構成されている。
【００３６】
内燃機関１０の排気管１３には、排気中のＨＣ、ＣＯを酸化する機能とＮＯｘを還元する機能を有した触媒装置１４（いわゆる三元触媒）が取り付けられている。触媒装置１４は、図３に示すように基材１４ａに触媒１４ｂをコーティングして構成されており、ＨＣは水と二酸化炭素に、ＣＯは二酸化炭素に、ＮＯｘは窒素に、それぞれ酸化もしくは還元される。効率よく酸化・還元をするためには、燃料と空気が完全燃焼し、かつ、酸素の余らない理論空燃比であることが必要である。
【００３７】
触媒１４ｂは、酸素をストレージ（吸蔵）する機能を有しているため、許容範囲内であれば排気中の酸素は触媒１４ｂ表面および内部にストレージされる。但し、酸素ストレージ量が許容量に達した飽和状態になると、排気中のＮＯｘが良好に還元されなくなってしまう。すなわち、ＮＯｘと反応させたい排気中のＣＯ（還元成分）は、ＮＯｘよりも余剰酸素と反応してしまい、ＮＯｘ還元量が減少してしまう。この問題については、後に詳述するサブ噴射により解消される。
【００３８】
次に、燃料噴射弁１２の作動を制御する燃料噴射制御装置、つまり、電磁ソレノイド１２ｃへの電力供給状態を制御するＥＣＵ２０による噴射制御の内容について説明する。ＥＣＵ２０には、クランク角を検出するクランク角センサ１５、吸気量を検出するエアフローメータ１６、内燃機関１０を冷却する冷却水の温度（水温Ｔｗ）を検出する水温センサ１７、触媒装置１４の下流側部分における排気温度を検出する排気温度センサ１８、触媒装置１４の下流側部分における酸素濃度を検出するＯ２センサ１９等、各種センサの検出値が入力されている。
【００３９】
そしてＥＣＵ２０は、クランク角センサ１５の検出値に基づきエンジン回転速度Ｎｅを算出し、エアフローメータ１６の検出値に基づき吸気量Ｇａ（エンジン負荷）を算出する。また、排気温度センサ１８の検出値に基づき触媒温度Ｔｃａｔを推定する。そして、これらの回転速度Ｎｅ、負荷Ｇａ、触媒温度Ｔｃａｔ、Ｏ２センサ１９により検出された酸素濃度、及び水温センサ１７により検出された水温Ｔｗに基づき、点火プラグ１１による点火時期、燃料の目標噴射量及び目標噴射時期を算出する。そして、算出した目標噴射量及び目標噴射時期となるように設定された噴射指令信号を、ＥＤＵ３０に出力する。
【００４０】
さらにＥＣＵ２０は、エンジン回転速度Ｎｅ及び吸気量Ｇａ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。
【００４１】
成層燃焼では、ピストン１０ｄ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１１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１０ｄが下降する吸気行程で燃料を噴射する。すると、噴霧した燃料は圧縮行程中に燃焼室１０ａで攪拌されて均質な混合気となる。
【００４２】
本実施形態に係る内燃機関１０は、以下に説明するアイドルストップ機能を有している。すなわち、車速が所定以下またはゼロであり、ブレーキペダルが踏み込み操作されている等のアイドルストップ条件を満たした場合に、内燃機関１０を自動停止させる。また、ブレーキペダルが踏み込み操作されておらず、アクセルペダルが踏み込まれている等の再始動条件を満たした場合に、内燃機関１０を自動で再始動させる。
【００４３】
さらに、本実施形態に係る内燃機関１０は、減速走行中、アクセルペダルが踏み込み操作されていない等の条件を満たした場合に、（点火燃焼させる燃焼用燃料）の噴射を停止させつつ車両走行する燃料カットを実施する。これにより、不必要な燃料噴射を回避して燃費向上を図る。
【００４４】
ところで、このような燃料カットを実施すると、排気中の酸素濃度が高くなり、触媒装置１４での酸素ストレージ量が過剰な状態（飽和状態）となる。そのため、燃料カットを実施しつつ減速走行した後に走行停止して内燃機関１０を自動停止（アイドルストップ）させた場合には、酸素ストレージ量が過剰な状態でアイドルストップすることになる。したがって、次回の再始動時には、ＮＯｘ浄化機能が低下した状態となってしまい、特に、再始動させてから直ぐにアクセルペダルを踏み込んで高負荷運転する場合には、ＮＯｘ浄化機能が低下した状態で排気中のＮＯｘ量が増大することになるので、触媒装置１４からＮＯｘが放出される懸念がより一層高くなる。
【００４５】
この懸念に対し、本実施形態では、触媒装置１４での酸素ストレージ量が所定量以上である触媒リーン状態になっているか否かを逐次判定し、触媒リーン状態になっていると判定された場合には、燃料噴射弁１２から噴射した燃料を点火燃焼させずに触媒装置１４へ供給する。これにより、触媒装置１４にストレージされている酸素が未燃燃料（ＨＣ：還元成分）により還元されて、酸素ストレージ量が減少する。
【００４６】
以下、このように点火燃焼させずに触媒装置１４へ供給する燃料を触媒用燃料と記載し、走行駆動トルクを得るために噴射される燃焼用燃料とは区別する。また、燃焼用燃料が吸気行程から圧縮行程にかけての所定時期に噴射（メイン噴射）されるのに対し、触媒用燃料の噴射は、膨張行程から排気行程にかけての所定時期に噴射（サブ噴射）される。
【００４７】
図２は、サブ噴射の実行時期を説明するとともに、サブ噴射による酸素ストレージ量低減の効果（ＮＯｘ浄化機能維持の効果）およびＰＭ量低減の効果を説明するタイムチャートである。図２中の（ａ）はエンジン回転速度Ｎｅ、（ｂ）はアイドルストップ指令信号、（ｃ）はメイン噴射の実施時期、（ｄ）は燃焼直前における燃焼室１０ａでの空燃比Ａ／Ｆ、（ｅ）は触媒装置１４での酸素ストレージ量、（ｆ）はサブ噴射の実施時期、（ｇ）は触媒装置１４下流でのＮＯｘ量、（ｈ）はＰＭ発生量を示す。
【００４８】
図２に示す例では、先ずｔ１時点において減速走行開始に伴い燃料カットを開始している。その後、エンジン回転速度Ｎｅが所定未満になったｔ２時点でメイン噴射を復帰させて内燃機関１０をアイドル運転させている。燃料カットの実施前後におけるメイン噴射では、Ａ／Ｆがストイキとなるように燃焼用燃料の目標噴射量を設定している。なお、この際のメイン噴射では、Ｏ２センサ１９の検出値に基づきストイキとなるように噴射量をフィードバック制御している。その後、アイドルストップ指令信号が出力されて自動停止要求がなされたｔ３時点で、メイン噴射を停止して自動停止（アイドルストップ）され、再始動要求がなされたｔ４時点で、メイン噴射を実施して内燃機関１０を始動させている。
【００４９】
そして、ｔ４時点から所定期間Ｔａが経過するｔ５時点までサブ噴射を実施している。このサブ噴射により、ＨＣ（還元成分）を触媒装置１４へ供給して酸素ストレージ量の減少を図る。また、ｔ４時点から所定期間が経過したｔ５’時点から、所定期間Ｔｂが経過するｔ６時点まで、Ａ／Ｆが燃料リッチとなるように燃焼用燃料の目標噴射量を増量してリッチ燃焼させている。このリッチ燃焼により、排気中のＣＯ（還元成分）量を増大させて酸素ストレージ量の減少を図る。なお、図２の例では、リッチ燃焼を開始するｔ５’時点とサブ噴射を終了するｔ５時点を同じに設定している。
【００５０】
図２（ｄ）（ｅ）（ｇ）（ｈ）中の実線は、上述の如くサブ噴射およびリッチ燃焼を実施した本実施形態の場合の変化を示す。また、本実施形態に反してサブ噴射およびリッチ燃焼のいずれも実施しなかった場合の変化を点線で示し、サブ噴射を実施せずにリッチ燃焼を実施した場合の変化を一点鎖線で示す。但し、一点鎖線に示すリッチ燃焼（強リッチ燃焼）では、実線に示すリッチ燃焼（弱リッチ燃焼）よりも燃料を多く増量させてリッチ度合いを大きくしている。
【００５１】
そして、図２（ｄ）（ｅ）に示すように、ｔ１時点からｔ２時点にかけての燃料カット期間においては、Ａ／Ｆがリーン状態となるため、酸素ストレージ量は１００％（飽和状態）となり、その後のアイドル運転期間（ｔ２〜ｔ３）およびアイドルストップ期間（ｔ３〜ｔ４）においても酸素ストレージ量は殆ど１００％の状態となっている。
【００５２】
その後、再始動時から所定期間Ｔａにサブ噴射を実施したことに伴い、ｔ４時点から酸素ストレージ量は減少している。さらに、再始動後の所定期間Ｔｂに弱リッチ燃焼を実施したことに伴い、ｔ５’時点からも酸素ストレージ量は減少し続けている。
【００５３】
ここで、本実施形態に反してサブ噴射およびリッチ燃焼のいずれも実施しなかった場合（先述した点線の場合）には、再始動を開始してからアクセルペダルを踏み込んで加速走行を開始するまでの期間（ｔ４〜ｔ６）において、酸素ストレージ量は１００％に近い状態のままとなる。その結果、加速走行を開始するｔ６時点ではＮＯｘ浄化機能が低下しており、触媒装置１４から放出されるＮＯｘ量がｔ６時点以降に急増する（（ｇ）中の点線参照）。
【００５４】
これに対し、サブ噴射および弱リッチ燃焼を実施する本実施形態によれば、再始動から加速走行するまでの期間（ｔ４〜ｔ６）において酸素ストレージ量が減少しているので、加速走行を開始するｔ６時点ではＮＯｘ浄化機能が回復しており、触媒装置１４から放出されるＮＯｘ量の急増を抑制できている（（ｇ）中の実線参照）。
【００５５】
一方、本実施形態に反してサブ噴射を実施せずに強リッチ燃焼を実施した場合（先述した一点鎖線の場合）には、強リッチ燃焼により排気中のＣＯ（還元成分）量が増えるので、酸素ストレージ量を減少できる。そのため、触媒装置１４から放出されるＮＯｘ量の急増を、本実施形態と同等レベルで抑制できる（（ｇ）中の実線参照）。しかしながら、リッチ燃焼を実施すると、燃焼室１０ａ内における空燃比の不均質度が著しく大きくなる。そのため、上記強リッチ燃焼の実施に伴いＰＭ発生量が増大する（（ｈ）中の一点鎖線参照）。
【００５６】
これに対し、サブ噴射を実施することでＨＣ（還元成分）を触媒装置１４へ供給して酸素ストレージ量を減少させる本実施形態によれば、リッチ度合いを低減させた弱リッチ燃焼にできるので、ＮＯｘ量の抑制とＰＭ発生量の抑制を両立できる（（ｇ）（ｈ）中の実線参照）。
【００５７】
なお、本実施形態において、サブ噴射を実施することを前提として弱リッチ燃焼を廃止することもできるが、図３を用いた以下の理由により、弱リッチ燃焼を実施させた方が酸素ストレージ量の減少を促進できる点で望ましい。
【００５８】
図３は、触媒装置１４の部分断面図であり、基材１４ａ上の触媒１４ｂのコーティング層を示している。触媒１４ｂにストレージされる酸素は、触媒コーティング層の表面のみならず、その内部にもストレージされている。そして、サブ噴射により供給されるＨＣ（還元成分）は、表面にストレージされた酸素とは良く反応するものの、内部にストレージされた酸素とは反応性が悪い。これに対し、リッチ燃焼により流入してくるＣＯ（還元成分）は、表面酸素のみならず内部酸素とも良好に反応する。
【００５９】
そのため、サブ噴射を実施するだけでは、内部酸素の還元が不十分となり酸素ストレージ量を十分に減少できず、弱リッチ燃焼を実施することで内部酸素をも十分に還元させて酸素ストレージ量の低減促進を図ることが望ましい。但し、サブ噴射を実施せずにリッチ燃焼だけを実施すると、酸素ストレージ量を十分に低減させるにはリッチ度合いを大きくしなければならなくなり、上述の如く強リッチ燃焼させることによりＰＭ発生量が増大する。
【００６０】
図４は、上述したサブ噴射および弱リッチ燃焼を実施する手順を示すフローチャートであり、当該処理は、ＥＣＵ２０が有するマイクロコンピュータにより、所定周期（例えば先述のマイコンが行う演算周期又は所定のクランク角度毎）で繰り返し実行される。
【００６１】
先ず、図４に示すステップＳ１０において、サブ噴射の実施を許可すべく各種環境条件Ｔｗ，Ｔｃａｔが満たされているか否かを判定する。すなわち、水温Ｔｗが所定温度未満である場合には、シリンダヘッド１０ｂやシリンダブロック１０ｅの温度（内燃機関１０の温度）が所定温度未満である低温時であるとみなして、サブ噴射を許可しない。また、触媒温度Ｔｃａｔが所定温度未満である場合にはサブ噴射を許可しない。Ｔｗ，Ｔｃａｔが所定温度以上であると判定された場合には（Ｓ１０：ＹＥＳ）、続くステップＳ１１において、燃料カットを実施している最中であるか否かを判定する。そして、燃料カット中であればサブ噴射を許可しない。
【００６２】
燃料カット中でないと判定された場合には（Ｓ１１：ＮＯ）、続くステップＳ１２において、酸素ストレージ量ＯＳＣを推定する。この推定手法については、例えば特開２００３−２７９３２号公報にて開示されているように、Ｏ２センサ１９の検出値の履歴に基づき推定すればよい。続くステップＳ１３（触媒リーン判定手段）では、推定したＯＳＣが所定量ＴＨａ以上であるか否かを判定する。ＯＳＣ≧ＴＨａと判定された場合には（Ｓ１３：ＹＥＳ）、触媒装置１４が触媒リーン状態になっているとみなし、続くステップＳ１４において、サブ噴射にかかる燃料の噴射量（サブ噴射量Ｑｓ）、及び弱リッチ燃焼にかかる燃料の増量分（メイン噴射増量係数Ｋ）を、推定したＯＳＣに基づき決定する。
【００６３】
本実施形態にかかる「サブ噴射量Ｑｓ」とは、サブ噴射する所定期間Ｔａで噴射する触媒用燃料の総量のことであり、この総量（サブ噴射量Ｑｓ）、所定期間Ｔａおよびエンジン回転速度Ｎｅに基づき、１燃焼サイクル中に噴射するサブ噴射量Ｑｓ／ｓｔを算出する。但し変形例として、１燃焼サイクル中に噴射するサブ噴射量Ｑｓ／ｓｔをステップＳ１４にてＯＳＣに基づき決定してもよい。また、本実施形態にかかる「メイン噴射増量係数Ｋ」とは、先述した目標噴射量に対する補正係数である。
【００６４】
そして、例えばＯＳＣに対するサブ噴射量Ｑｓおよび増量係数Ｋの最適値を、予め実施しておいた試験等に基づき取得し、Ｑｓ，Ｋの最適値とＯＳＣとの関係を示すテーブルＴＱｓ，ＴＫをマイコンのメモリに記憶させておく。そして、これらのテーブルＴＱｓ，ＴＫを参酌して、推定したＯＳＣに基づきＱｓ，Ｋを決定する。これらのテーブルＴＱｓ，ＴＫは、ＱｓとＫの割合をＯＳＣに応じて変更するように設定されている。具体的には、ＯＳＣが少ないほどＴＫに対するＱｓを減少させている。
【００６５】
続くステップＳ１５では、自動再始動を開始したｔ４時点から所定期間Ｔａが経過しているか否かを判定する。所定期間Ｔａ以内であると判定されれば（Ｓ１５：ＹＥＳ）、続くステップＳ１６にてエンジン回転速度Ｎｅが所定値ＴＨｂ以上であることを条件として（Ｓ１６：ＹＥＳ）、以降のステップＳ１８（燃料供給手段）にてサブ噴射を実施する。
【００６６】
但し、ステップＳ１７において、ステップＳ１４で算出したサブ噴射量Ｑｓから求められるサブ噴射量Ｑｓ／ｓｔが、ガード値以上であるか否かを判定し、Ｑｓ／ｓｔ≧ガード値であると判定されれば、サブ噴射量Ｑｓ／ｓｔをガード値に変更して制限する。前記ガード値は、触媒温度Ｔｃａｔ、エンジン回転速度Ｎｅ、吸気量Ｇａ等に応じて可変設定する。具体的には、触媒温度Ｔｃａｔが低いほど、エンジン回転速度Ｎｅが速いほど、吸気量Ｇａが多いほど、ガード値を低い値に設定する。
【００６７】
上記ステップＳ１５において、再始動開始のｔ４時点から所定期間Ｔａが経過したと判定された場合（Ｓ１５：ＮＯ）には、ステップＳ２０に進み、ｔ４時点後の所定期間Ｔｂであるか否かを判定する。図２の例ではサブ噴射期間である所定期間Ｔａが経過した時点から、所定時間が経過するまでの期間を、リッチ燃焼期間（所定期間Ｔｂ）として設定している。このように、本実施形態では所定期間（ｔ４〜ｔ６）においてサブ噴射と弱リッチ燃焼の両方を実行しており、所定期間（ｔ４〜ｔ６）の前期（ｔ４〜ｔ５）をサブ噴射期間Ｔａとし、所定期間（ｔ４〜ｔ６）の後期（ｔ５’〜ｔ６）をリッチ燃焼期間Ｔｂとしている。
【００６８】
リッチ燃焼期間Ｔｂであると判定されれば（Ｓ２０：ＹＥＳ）、続くステップＳ２１（リッチ噴射制御手段）にてリッチ燃焼を実行し、リッチ燃焼期間Ｔｂでないと判定されれば（Ｓ２０：ＮＯ）、サブ噴射およびリッチ燃焼のいずれも実行させない。すなわち、サブ噴射期間Ｔａにおいては燃焼用の燃料を目標噴射量で噴射し、リッチ燃焼期間Ｔｂにおいては、目標噴射量に増量係数Ｋを乗算した量だけ燃焼用の燃料を噴射させてリッチ燃焼させる。そして、リッチ燃焼期間Ｔｂが経過した以降では目標噴射量で燃焼用燃料を噴射する。
【００６９】
以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
【００７０】
（１）触媒リーン状態時には、膨張行程から排気行程にかけて燃料をサブ噴射することで、点火燃焼させない未燃燃料（触媒用燃料）を触媒装置１４へ供給する。そのため、ストレージ酸素が触媒用燃料（ＨＣ：還元成分）により還元されてＯＳＣが減少する。よって、過剰ＯＳＣによるＮＯｘ浄化機能の低下を抑制できる。しかも、この触媒用燃料は点火燃焼させないのでＰＭを発生させることはない。したがって、ＰＭ発生の抑制とＯＳＣ低下との両立を図ることができる。また、ＯＳＣ量に応じて触媒用燃料の噴射量を制御するので、触媒用燃料を過不足なく触媒装置１４へ供給できる。
【００７１】
（２）触媒用燃料を膨張行程から排気行程にかけての所定時期Ｔａに噴射させるので、吸気行程から圧縮行程にかけての所定時期には燃焼用の燃料を目標噴射量だけ噴射できる。つまり、サブ噴射期間Ｔａでは、１燃焼サイクル中に燃焼用燃料および触媒用燃料を共に噴射させるので、サブ噴射期間Ｔａにおいて出力トルクの不足や出力トルク変動が生じることを回避できる。
【００７２】
（３）サブ噴射によりＯＳＣ減少を図るとともに、リッチ燃焼によってもＯＳＣ減少を図るので、触媒１４ｂのコーティング表面にストレージ酸素のみならず、コーティング内部のストレージ酸素もリッチ燃焼にかかるＣＯにより還元できるので、ＯＳＣを十分に低下させることができる。
【００７３】
（４）ここで、ＰＭ発生量はリッチ燃焼にかかる増量分に比例して増大するわけではなく、リッチ度合いを大きくするほど、リッチ増量分に対するＰＭ増加量は大きくなる。換言すれば、ＯＳＣが僅かでありリッチ増量分が少なければ、ＯＳＣに応じたリッチ燃焼を実施しても僅かなＰＭ発生に抑えることができる。その一方で、触媒用燃料は燃焼に寄与しないので燃費向上の観点からすれば、サブ噴射よりもリッチ燃焼でＯＳＣ減少を図ることが望ましい。この点を鑑みた本実施形態では、ＯＳＣが少ないほどＴＫに対するＱｓを減少させるようにテーブルＴＱｓ，ＴＫを設定しているので、ＰＭ抑制、ＯＳＣ減少、燃費向上のバランスを最適にできる。
【００７４】
さらに、ＯＳＣ≧ＴＨａでなければサブ噴射およびリッチ燃焼のいずれも実行しないので、必要以上にサブ噴射を実施することによる燃費悪化を回避できるとともに、必要以上にリッチ増量することによるＰＭ増大を回避できる。
【００７５】
（５）サブ噴射により触媒装置１４へ供給される触媒用燃料をストレージ酸素と反応させるにあたり、低Ｔｃａｔであるほど反応しにくくなり、触媒用燃料がストレージ酸素と反応せずに触媒装置１４から放出されることが懸念される。また、高Ｎｅ、多Ｇａであるほど排気流速が速くなるので、前記反応が為されずに触媒装置１４から触媒用燃料が放出されることが懸念される。これに対し本実施形態では、ステップＳ１７にてＴｃａｔ，Ｎｅ，Ｇａに基づきガード値を可変設定し、ステップＳ１９にてサブ噴射量Ｑｓ／ｓｔをガード値に制限するので、上記懸念を解消できる。
【００７６】
（６）Ｎｅ≧ＴＨｂ（Ｓ１６：ＹＥＳ）であることを条件にサブ噴射を実行するので、排気流速が遅くなっている低Ｎｅ時にサブ噴射を実行することで触媒用燃料が触媒装置１４へ供給されずに燃焼室１０ａに残留する、といった懸念を解消できる。
【００７７】
（７）水温Ｔｗが所定値以上であることを条件に（Ｓ１０：ＹＥＳ）サブ噴射を実行するので、噴射した触媒用燃料が、シリンダブロック１０ｅおよびシリンダヘッド１０ｂの壁面やピストン１０ｄの頂面に付着してウェット状態となり、触媒装置１４へ供給されずに燃焼室１０ａに残留する、といった懸念を解消できる。
【００７８】
（８）触媒温度Ｔｃａｔが所定値以上であることを条件に（Ｓ１０：ＹＥＳ）リッチ燃焼を実行するので、触媒装置１４へ供給された触媒用燃料がストレージ酸素と反応することなく触媒装置１４から放出される、といった懸念を解消できる。
【００７９】
（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。
【００８０】
・上記実施形態では図２に示すように、自動再始動後の所定期間（ｔ４〜ｔ６）にサブ噴射を実行しているが、自動停止ｔ３の直前（例えば図２のｔ２〜ｔ３の期間）にサブ噴射を実行してもよいし、車両の走行期間中にサブ噴射を実行してもよい。また、自動停止ｔ３の直前（ｔ２〜ｔ３）と再始動後の所定期間（ｔ４〜ｔ５）との両方でサブ噴射を実行してもよい。
【００８１】
・上記実施形態では図４に示すように、ＯＳＣ≧ＴＨａでなければ（Ｓ１３：ＮＯ）触媒リーン状態ではないとみなして、サブ噴射およびリッチ燃焼のいずれも実行させない。これに対し、ＴＨｃ≦ＯＳＣ＜ＴＨａであれば触媒微少リーン状態であるとみなして、サブ噴射を実行させずにリッチ燃焼を実行させてもよい。ここで、このような触媒微少リーン状態にもサブ噴射を実施させようとすると、微量のＯＳＣに対応するサブ噴射量Ｑｓ／ｓｔも微量となるが、燃料噴射弁１２の開弁時間を短くするのには限界があり、微量のサブ噴射量Ｑｓ／ｓｔを高精度で噴射させることは困難である。これに対し、微量のＯＳＣに対応するリッチ増量分は精度良く制御できるので、触媒微少リーン状態時にサブ噴射を実行させずにリッチ燃焼を実行させる上記変形例によれば、微量のＯＳＣに対応する還元成分（この場合はＣＯ）を触媒装置１４へ過不足無く供給できる。
【００８２】
・上記実施形態では図４に示すように、触媒リーン状態であれば（Ｓ１３：ＹＥＳ）、サブ噴射とともにリッチ燃焼も実行させているが、当該リッチ燃焼を廃止してサブ噴射を実行してもよい。
【００８３】
・上記実施形態では図２に示すように、サブ噴射の終了とともに弱リッチ燃焼を開始させている（ｔ５＝ｔ５’）。これに対し、サブ噴射中にリッチ燃焼を実行させてもよい。つまり、サブ噴射期間Ｔａの少なくとも一部とリッチ燃焼期間Ｔｂの少なくとも一部とを重複させてもよい。
【００８４】
・但し、以下の理由により、弱リッチ燃焼の開始時期ｔ５’をサブ噴射の開始時期ｔ４よりも早くすることは禁止する。すなわち、図３を用いて先述したように、触媒１４ｂの内部にストレージされた酸素は、サブ噴射により供給されるＨＣとは反応性が悪く、弱リッチ燃焼によるＣＯとは良好に反応する。そのため、弱リッチ燃焼によるＣＯを、表面酸素よりも優先して内部酸素と反応させることが、ＯＳＣ低下を図る上で望ましい。したがって、弱リッチ燃焼の開始時期ｔ５’をサブ噴射の開始時期ｔ４よりも早くすると、表面酸素と反応するＣＯ量が増えて内部酸素と反応するＣＯ量が少なくなる。すると、内部酸素が存在するにも拘わらず、サブ噴射によるＨＣが吸蔵酸素（内部酸素）と反応しないまま触媒装置１４から放出されるおそれが生じるとともに、ＯＳＣ低下を十分に促進できなくなる。よって、弱リッチ開始時期ｔ５’をサブ噴射開始時期ｔ４よりも早くすることは禁止することで、触媒装置１４からのＨＣ放出抑制とＯＳＣ低下促進を図ることが望ましい。
【００８５】
・ここで、ＯＳＣに応じてサブ噴射量Ｑｓを設定するにあたり、ＯＳＣが極微少の状態（触媒微少リーン状態）の場合には、サブ噴射量Ｑｓも微少量に設定されることとなる。しかし、燃料噴射弁１２の開弁時間を短くしてＱｓを微少にする限界があり、所望する微少量だけ高精度で噴射制御することは困難である。この点を鑑みた他の実施形態では、ＯＳＣが所定量未満である触媒微少リーン状態の時には、サブ噴射を中止して（Ｑｓ＝０）、リッチ燃焼を実施することによりＯＳＣ低減を図る。
【００８６】
・内燃機関１０が多気筒である場合において、触媒リーン状態時に、各気筒の燃料噴射弁１２の全てにおいてサブ噴射を実施してもよいし、所定気筒だけサブ噴射を実施してもよい。
【００８７】
・上記実施形態では、推定したＯＳＣに応じてサブ噴射量Ｑｓを決定しているが、予め設定した量をサブ噴射量Ｑｓとして決定してもよいし、サブ噴射中もＯＳＣを逐次推定し、その推定ＯＳＣが所定量ＴＨａ未満になるまでサブ噴射を継続させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００８８】
１０…内燃機関、Ｓ１３…触媒リーン判定手段、Ｓ１８…燃料供給手段、Ｓ２１…リッチ噴射制御手段。
【図１】
2012241522.tif 000003
【図２】
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【図３】
2012241522.tif 000005
【図４】
2012241522.tif 000006