(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射式内燃機関において、
前記内燃機関の排気通路に設けられて排気ガス中の炭化水素を吸着するＨＣ吸着触媒と、
前記内燃機関の排気通路における前記ＨＣ吸着触媒の下流側に設けられて排気ガス中の有害物質を浄化する三元または酸化触媒と、
前記内燃機関の冷態始動を判定する冷態始動検出手段と、
該冷態始動検出手段により前記内燃機関の冷態始動が判定されると膨張行程または排気行程で燃料噴射を行う２段燃焼モードを選択し、その後アイドル運転状態から走行状態に移行したら前記２段燃焼モードから圧縮スライトリーン制御に切り換える燃料噴射制御手段とを具えた
ことを特徴とする筒内噴射式内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気通路にＨＣ吸着触媒と三元触媒または酸化触媒を有する筒内噴射式内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、内燃機関の排気通路には、排気ガス中の有害物質である炭化水素（ＨＣ）と一酸化炭素（ＣＯ）と窒素酸化物（ＮＯ3 ）を同時に浄化する三元触媒や、炭化水素（ＨＣ）と一酸化炭素（ＣＯ）などの未燃焼成分を酸化して処理する酸化触媒が設けられている。しかし、内燃機関の冷態始動時にこの三元触媒や酸化触媒は低温状態であり、活性化が遅れてＨＣ等の有害物質を効率よく浄化することができない。そこで、ＨＣ吸着触媒を併設し、冷態始動時にこのＨＣ吸着触媒で排気ガス中に含まれるＨＣを効率よく吸着すると同時に排気ガス熱で三元触媒や酸化触媒で昇温し、ＨＣ吸着触媒が所定温度以上になってＨＣを脱離すると、活性化した三元触媒や酸化触媒がこの脱離ＨＣを浄化しようとする技術が各種提案されている。
【０００３】
ところが、このＨＣ吸着触媒がＨＣを脱離する温度よりも、三元触媒が活性化してＨＣを浄化できる温度の方が高く、この期間はＨＣを確実に浄化処理することができない。図５に内燃機関の冷態始動時におけるＨＣの発生処理状況及び温度変化を表すタイムチャートを示すが、実線は触媒入口側でのＨＣ濃度及び排気系温度、点線は触媒出口側でのＨＣ濃度、二点鎖線は触媒中央部での排気系温度である。この図５のタイムチャートからもわかるように、冷態始動時に内燃機関からの排気ガス、つまり、触媒入口側の温度は低くてＨＣ濃度は高いが、触媒出口側のＨＣ濃度は低いため、排気ガス中のＨＣをＨＣ吸着触媒が吸着していることがわかる（吸着期間）。ところが、時間の経過に伴って触媒入口側のＨＣ濃度が減少していくものの、触媒出口側のＨＣ濃度は微増している。これは触媒入口側の温度が上昇してＨＣ吸着触媒がＨＣ脱離温度に達してＨＣを脱離したが、三元触媒はまだ活性化温度に達していないことがわかる（脱離期間）。その後、所定時間経過して触媒入口側の温度が上昇して三元触媒が活性化すると、排気ガス中のＨＣ及びＨＣ吸着触媒からの脱離したＨＣを浄化することで、触媒出口側のＨＣ濃度が減少することとなる（浄化期間）。
【０００４】
このように内燃機関の冷態始動時は、ＨＣ吸着触媒が排気ガス中のＨＣを吸着するが、ＨＣ吸着触媒がＨＣ脱離温度に達してから三元触媒が活性化するまでの期間はＨＣを確実に浄化することができていない。そこで、排気通路に三元触媒を加熱する加熱手段を設けて早期に活性化することで、ＨＣ吸着触媒から脱離されたＨＣを三元触媒で直ちに浄化処理できるようにした技術が、例えば、特開平９−２５６８４０号公報や特開平１１−８２００３号公報等に開示されている。この特開平９−２５６８４０号公報に開示された「エンジンの排気浄化装置」は、ＨＣ吸着触媒の上流側に加熱手段としての電気触媒を設けており、また、特開平１１−８２００３号公報に開示された「内燃機関の制御装置」は、アイドル運転領域で点火時期を所定量リタードさせている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特開平９−２５６８４０号公報の「エンジンの排気浄化装置」のように、排気通路に別途電気触媒を設けて昇温すると、排気系の部品点数が増加すると共に電気触媒を制御するための制御システムを変更しなければならず、装置が複雑化してコスト高となってしまう。また、特開平１１−８２００３号公報の「内燃機関の制御装置」のように、アイドル運転領域で点火時期を所定量リタードさせて昇温すると、燃焼が不安定となりって機関ばかりか、点火時期リタードによる昇温効果は遅いために十分に三元触媒でＨＣを浄化処理できない。
【０００６】
本発明はこのような問題を解決するものであって、別途触媒の昇温装置を設けたり機関の制御システムを大きく変更することなく炭化水素の排出を確実に抑制して浄化処理効率の向上を図った筒内噴射式内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための請求項１の発明の筒内噴射式内燃機関の制御装置では、内燃機関の排気通路に排気ガス中の炭化水素を吸着するＨＣ吸着触媒を設けると共に、前記内燃機関の排気通路における前記ＨＣ吸着触媒の下流側に排気ガス中の有害物質を浄化する三元または酸化触媒を設け、冷態始動検出手段により内燃機関の冷態始動が判定されると、燃料噴射制御手段が主燃焼のための燃料噴射後に膨張行程または排気行程で燃料噴射を行う２段燃焼モードを選択し、その後アイドル運転状態から走行状態に移行したら前記２段燃焼モードから圧縮スライトリーン制御に切り換えるようにしている。
【０００８】
従って、内燃機関の冷態始動時、排気ガス中のＨＣはＨＣ吸着触媒が効率よく吸着すると同時に、膨張行程でも燃料噴射を行うことで、排気ガスが高温となって三元触媒が直ちに昇温されて活性化することとなり、また、排気行程でも燃料噴射を行うことで、ＣＯやＨＣが三元触媒に供給されて直ちに昇温されて活性化することとなり、ＨＣ吸着触媒から脱離されているＨＣは脱離初期からすでに活性化した三元または酸化触媒で浄化処理されることとなり、ＨＣの排出を確実に抑制して浄化効率の向上が図れる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１２】
図１に本発明の一実施形態に係る筒内噴射式内燃機関の制御装置の概略構成、図２に本実施形態の筒内噴射式内燃機関の制御装置を適用した内燃機関の冷態始動時におけるＨＣの発生処理状況及び温度変化を表すタイムチャート、図３に触媒温度に対するＨＣ脱離量を表すグラフ、図４にＨＣ吸着触媒の断面拡大を示す。
【００１３】
本実施形態の筒内噴射式内燃機関の制御装置において、図１に示すように、内燃機関（以下、エンジンと称する。）１０は、燃料を直接燃焼室に噴射する筒内噴射型直列４気筒ガソリンエンジンであると共に、燃料噴射モード（運転モード）を切換えることで、吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射モード）または圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射モード）を実施可能な筒内噴射型火花点火式直列４気筒ガソリンエンジンである。そして、この筒内噴射型のエンジン１０は、容易にして理論空燃比（ストイキ）での運転やリッチ空燃比での運転（リッチ空燃比運転）の他、リーン空燃比での運転（リーン空燃比運転）が実現可能となっており、特に圧縮行程噴射モードでは、吸気行程でのリーン空燃比運転より大きな空燃比となる超リーン空燃比での運転が可能となっている。
【００１４】
このエンジン１０のシリンダヘッド１１には各気筒毎に点火プラグ１２が取付けられると共に、燃焼室１４内に噴射口が開口したインジェクタ１３が取付けられている。このインジェクタ１３には図示しない燃料パイプを介して燃料タンク擁した燃料供給装置（燃料ポンプ）が接続されており、燃料タンク内の燃料が高燃圧で供給され、この燃料をインジェクタ１３から燃焼室１４内に向けて所望の燃圧で噴射する。この際、燃料噴射量は燃料ポンプの燃料吐出圧とインジェクタ１３の開弁時間（燃料噴射時間）とから決定され、ドライバ１５が制御してる。また、エンジン１０のシリンダ１６にはピストン１７が上下に摺動自在に支持され、ピストン１７の頂面には半球状に窪んだキャビティ１８が形成され、キャビティ１８によって吸気流に通常のタンブル流とは逆の逆タンブル流を発生させることができる。
【００１５】
シリンダヘッド１１には燃焼室１４を臨む略直立方向に吸気ポート１９及び排気ポート２０が形成され、吸気ポート１９は吸気弁２１の駆動によって開閉され、排気ポート２０は排気弁２２の駆動によって開閉される。シリンダヘッド１１の上部には吸気側のカムシャフト２３及び排気側のカムシャフト２４が回転自在に支持され、吸気側のカムシャフト２３の回転により吸気弁２１が駆動され、排気側のカムシャフト２４の回転により排気弁２２が駆動される。
【００１６】
各気筒の所定のクランク位置でクランク角信号SGT を出力するベーン型のクランク角センサ２５が設けられ、クランク角センサ２５はエンジン回転速度を検出可能としている。また、クランクシャフトの半分の回転数で回転するカムシャフト２３，２４には気筒識別信号SGC を出力する識別センサ２６が設けられ、気筒識別信号SGC によりクランク角信号SGT がどの気筒のものか識別可能とされている。
【００１７】
吸気ポート１９には吸気マニホールド２７を介して吸気管２８が接続され、吸気管２８の空気取入口にはエアクリーナ２９が取付けられている。また、吸気管２８にはスロットルボデー３０が設けられ、スロットルボデー３０には流路を開閉するバタフライ式のスロットル弁３１が設けられると共に、スロットル弁３１の開度を検出するスロットルポジションセンサ３２が取付けられている。このスロットルポジションセンサ３２からは、スロットル弁３１の開度に応じたスロットル電圧が出力され、スロットル電圧に基づいてスロットル弁３１の開度が認識されるようになっている。更に、スロットルボデー３０にはアイドル時に吸気通路をバイパスして吸気するパイパス通路３３が形成され、このパイパス通路３３を開閉するアイドルスピードコントロールバルブ３４が設けられている。
【００１８】
一方、排気ポート２０には排気マニホールド３５を介して排気管３６が接続され、この排気管３６にはO2センサ３７が取付けられている。また、排気管３６の下流側には排気浄化触媒装置３８が設けられており、この排気浄化触媒装置３８はＨＣ吸着触媒３９と三元触媒（酸化触媒でもよい）４０とから構成されている。更に、この排気管３６には排気浄化触媒装置３８の上流側に位置して高温センサ４１が取付けられ、下流側には図示しないマフラーが取付けられている。
【００１９】
この排気浄化触媒装置３８を構成するＨＣ吸着触媒３９は、図４に示すように、多孔質体からなる担体４３１に、ＨＣを吸着するゼオライト等としてのＨＣを吸着層３９１を下層として、その上層にＨＣを浄化する三元触媒層４０１としての白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等を担持して構成されており、排気ガス中のＨＣを吸着して浄化可能となっている。なお、下層に三元触媒層として白金等を担持して上層にＨＣ吸着層としてゼオライト等を担持してもよい。また、三元触媒４０は、排気ガス中の有害物質（ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ）を浄化する還元機能とを有しており、この三元触媒４０の方がＨＣ吸着触媒３９よりも下流側に配設されていることで、ＨＣ吸着触媒３９が浄化処理できずに脱離されたＨＣを浄化する役目も行っている。但し、三元触媒層４０１のみで脱離されたＨＣを十分に浄化できる場合は三元触媒４０を省略してもよい。
【００２０】
また、車両には入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を有するＥＣＵ（電子コントロールユニット）４２が設けられており、このＥＣＵ４２によりエンジン１０を含めた総合的な制御が行われる。即ち、ＥＣＵ４２の入力側には、前述した各種センサ類２５，２６，３２，３７，４１が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力する。一方、ＥＣＵ４２の出力側には、点火コイルを介して上述した点火プラグ１２やインジェクタ１３のドライバ１５等が接続されており、これら点火プラグ１２、インジェクタ１３のドライバ１５等には、各種センサ類からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量や点火時期等の最適値がそれぞれ出力される。これにより、インジェクタ１３から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラグ１２によって適正なタイミングで点火が実施される。
【００２１】
実際にＥＣＵ４２では、スロットルポジションセンサ３２からのスロットル開度情報θthとクランク角センサ２５からのエンジン回転速度情報Ｎｅとに基づいてエンジン負荷に対応する目標筒内圧、即ち目標平均有効圧Ｐｅを求めるようにされており、更に、この目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じてマップ（図示せず）より燃料噴射モードを設定するようにされている。例えば、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅとが共に小さいときには、燃料噴射モードは圧縮行程噴射モードとされて燃料が圧縮行程で噴射される一方、目標平均有効圧Ｐｅが大きくなり、あるいはエンジン回転速度Ｎｅが大きくなると燃料噴射モードは吸気行程噴射モードとされ、燃料が吸気行程で噴射される。そして、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅとから制御目標となる目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）が設定され、適正量の燃料噴射量がこの目標Ａ／Ｆに基づいて決定される。
【００２２】
ところで、本実施形態では、エンジン１０の冷態始動が判定（冷態始動検出手段）されると、主燃焼のための圧縮行程での燃料噴射後に膨張行程または排気行程で燃料噴射を行う２段燃焼モードを選択（燃料噴射制御手段）することにより、ＨＣ吸着触媒３９に吸着したＨＣが浄化されるように三元触媒４０を活性化するようにしており、つまり、圧縮行程での目標空燃比を冷態始動時以外で選択される目標空燃比よりも濃化側に変更（燃料噴射制御手段）するようにしている。
【００２３】
即ち、エンジン１０の冷態始動をイグニッションキースイッチのＯＮ信号とエンジン水温とから判定すると、ＥＣＵ４２は、圧縮行程と膨張行程とで燃料噴射を行う２段燃焼モードを選択し、目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）が設定され、前述したように、目標Ａ／Ｆに基づいて設定された適正量の燃料噴射量が圧縮行程と膨張行程とで噴射される。すると、圧縮行程で噴射された主燃焼のための燃料に対して点火されて燃焼した後、更に膨張行程で噴射された燃料が燃焼することで排気ガスが高温となり、この高温の排気ガスによって三元触媒４０が昇温され、直ちに活性化させる。一方、ＨＣ吸着触媒３９では排気ガス中のＨＣが吸着される。
【００２４】
このＨＣ吸着触媒３９からのＨＣの脱離温度は約１５０℃で、三元触媒４０におけるＨＣを処理できる活性化温度は２５０℃であるが、所定時間の経過を伴って高温の排気ガスによりＨＣ吸着触媒３９及び三元触媒４０が早期に昇温されることとなるため、ＨＣ吸着触媒３９から脱離するＨＣは脱離初期からＨＣ吸着触媒３９が有する三元機能により、また、下流の三元触媒４０により浄化処理される。
【００２５】
なお、この冷態始動が判定されたときに、膨張行程噴射の後に排気行程で燃料を噴射したり、あるいは、膨張行程噴射に代えて排気行程で燃料噴射を行い、ＣＯやＨＣを三元触媒４０に供給して昇温することで、この三元触媒４０を早期に活性化させるようにしてもよい。この場合であっても、ＨＣ吸着触媒３９が所定温度となって脱離したＨＣは三元触媒４０で浄化される。
【００２６】
また、冷態始動が判定されて圧縮行程噴射と膨張行程噴射が実行された後、アイドル運転状態から走行状態に移行したら、２段燃焼モードから圧縮スライトリーン制御、つまり、目標空燃比を理論空燃比よりややリーン空燃比で、圧縮行程噴射が実行される通常のリーン空燃比より濃化側に変更することで、ＣＯやＨＣを三元触媒４０に供給して昇温することで、三元触媒４０の早期活性化が継続されるようにしている。これは、アイドル運転状態から走行状態に移行すると、２段燃焼モードでは三元触媒４０の昇温が進行しすぎて熱劣化の虞があり、三元触媒４０の耐久性を考慮している。
【００２７】
このように本実施形態の筒内噴射式内燃機関の制御装置では、エンジン１０の冷態始動時に圧縮行程噴射及び膨張行程を実行して排気ガスを高温化し、この高温の排気ガスによって三元触媒４０を昇温して早期に活性化させることで、ＨＣ吸着触媒３９が吸着したＨＣの脱離の時期と、三元触媒４０がＨＣを処理できる活性化の時期がほぼ同時となり、ＨＣ吸着触媒３９からのＨＣの脱離前後でＨＣ吸着触媒３９が有する三元機能あるいは三元触媒４０によりＨＣを確実に浄化処理することで、浄化処理効率を向上できる。また、本実施形態では、膨張行程噴射の後に排気行程で燃料を噴射したり、あるいは、膨張行程噴射に代えて排気行程で燃料噴射を行ったり、２段燃焼モードから圧縮スライトリーン制御に切り換えることで、ＣＯやＨＣを三元触媒４０に供給して昇温することで、三元触媒４０を早期に活性することができる。
【００２８】
ここで、本実施形態の筒内噴射式内燃機関の制御装置による三元触媒４０を早期活性化によるＨＣ抑制効果を説明する。図２に示すタイムチャートは、冷態始動時におけるＨＣの発生処理状況及び温度変化を表すものであり、実線は排気浄化触媒装置３８の入口側でのＨＣ濃度及び排気系温度、点線は出口側でのＨＣ濃度、二点鎖線は中央部での排気系温度である。
【００２９】
この図２のタイムチャートからもわかるように、冷態始動時にエンジン１０から排出される排気ガス、つまり、触媒入口側のＨＣ濃度は高いが、触媒出口側のＨＣ濃度は低いことから、ＨＣ吸着触媒３９が排気ガス中のＨＣを吸着していることがわかる（吸着期間）。冷態始動直後に２段燃焼モードの期間になるため、触媒入口側の排気ガスが上昇して触媒出口側のＨＣ濃度が減少していくことから、三元触媒４０が活性化して排気ガス中のＨＣを浄化処理しているのがわかる（浄化期間）。このようにＨＣ吸着触媒３９によるＨＣの吸着期間から、直ちに三元触媒４０の活性化によるＨＣの浄化期間に移行することとなり、ＨＣ吸着触媒３９からの脱離されたＨＣがそのまま大気に放出される期間がほとんどなく、この期間におけるＨＣの放出を抑制することができる。
【００３０】
ところで、上述の実施形態にて、ＨＣ吸着触媒３９を、多孔質体からなる担体にＨＣを物理吸着するゼオライトを担持して構成したが、遷移金属を添加してＨＣを化学吸着させるようにしてもよい。この場合、図３に示すように、遷移金属を添加することでＨＣ吸着触媒に吸着したＨＣの脱離温度を高くして三元触媒の活性化温度に近づけることができ、これによってＨＣの脱離時期を遅くして三元触媒によるＨＣの浄化処理効率を向上できる。
【００３１】
なお、上述した実施形態では、ＨＣ吸着触媒３９にＨＣ吸着機能を有するゼオライト層とＨＣを浄化する白金層等を設けたが、ＨＣ吸着触媒３９の下流側に三元触媒４０を設けることでゼオライト層のみとしてもよく、図４に示すように、ＨＣ吸着触媒３９の担体３１にＨＣ吸着層３９１と三元触媒層４０１等を設けた場合、下流側の三元触媒４０を省略してもよい。更に、ＨＣ吸着触媒３９にＨＣ吸着機能を設けると共に、空燃比がリーン空燃比のときに排気ガス中のＮＯｘを吸蔵するＮＯｘ吸蔵機能を一体に設けてもよく、また、ＨＣ吸着触媒３９の下流にＮＯｘ吸蔵機能を別体に設けてもよい。この場合、ＨＣ吸着＋ＮＯｘ吸蔵触媒、または、ＨＣ吸着触媒＋ＮＯｘ吸蔵触媒の上流または下流に三元触媒を設けることが望ましい。つまり、ＨＣが先に吸着され、その後に脱離されたＨＣが浄化されるものであれば、三元触媒ではなく酸化触媒でもよく、車両の搭載性等を考慮してどのような形態を用いてもよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上、実施形態において詳細に説明したように請求項１の発明の筒内噴射式内燃機関の制御装置によれば、内燃機関の排気通路にＨＣ吸着触媒と三元または酸化触媒を設け、内燃機関の冷態始動時に主燃焼のための燃料噴射後に膨張行程または排気行程で燃料噴射を行う２段燃焼モードを選択するようにしたので、内燃機関の冷態始動時に排気ガス中のＨＣはＨＣ吸着触媒が効率よく吸着すると同時に、膨張行程噴射により排気ガスが高温となって三元触媒が昇温して早期に活性化することとなり、また、排気行程噴射によりＣＯやＨＣが三元触媒に供給されて昇温して早期に活性化することとなり、ＨＣ吸着触媒に吸着されたＨＣは三元または酸化触媒で確実に浄化処理されることとなり、ＨＣの排出を確実に抑制して浄化効率を向上することができる。
【００３３】
また、請求項２の発明の筒内噴射式内燃機関の制御装置によれば、内燃機関の排気通路にＨＣ吸着触媒と三元または酸化触媒を設け、内燃機関の冷態始動時に圧縮行程と膨張行程または排気行程で燃料噴射を行う２段燃焼モードを選択すると共に圧縮行程での目標空燃比を冷態始動時以外で選択される目標空燃比よりも濃化側に変更するようにしたので、内燃機関の冷態始動時に排気ガス中のＨＣはＨＣ吸着触媒が効率よく浄化すると同時に、目標空燃比を濃化側に変更してＣＯやＨＣが三元触媒に供給されて昇温して早期に活性化することとなり、ＨＣ吸着触媒に吸着されたＨＣは三元または酸化触媒で確実に浄化処理されることとなり、ＨＣの排出を確実に抑制して浄化効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る筒内噴射式内燃機関の制御装置の概略構成図である。
【図２】本実施形態の筒内噴射式内燃機関の制御装置を適用した内燃機関の冷態始動時におけるＨＣの発生処理状況及び温度変化を表すタイムチャートである。
【図３】触媒温度に対するＨＣ脱離量を表すグラフである。
【図４】ＨＣ吸着触媒の断面拡大図である。
【図５】内燃機関の冷態始動時におけるＨＣの発生処理状況及び温度変化を表すタイムチャートである。
【符号の説明】
１０  エンジン（内燃機関）
１２  点火プラグ
１３  インジェクタ
１４  燃焼室
３６  排気管（排気通路）
２３  排気浄化触媒装置
３８  排気浄化触媒装置
３９  ＨＣ吸着触媒
４０  三元触媒
４１  高温センサ
４２  電子コントロールユニット，ＥＣＵ（冷態始動検出手段、燃料噴射制御手段、燃料噴射制御手段）
【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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