(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の気筒を備え、これら気筒が第１の気筒群と第２の気筒群とに分けられ、第１の気筒群には第１の排気枝通路が接続されると共に第２の気筒群には第２の排気枝通路が接続され、これら排気枝通路が第１の距離においていったん互いに接続され、その下流の第２の距離において共通の排気通路に接続されて集合せしめられ、これら排気枝通路が互いに接続されている接続部位に排気通路長変更弁が配置され、該排気通路長変更弁の作動状態が開弁状態にあるときには、第１の気筒群から排出された排気ガスと第２の気筒群から排出された排気ガスとを第１の距離において合流せしめ、一方、排気通路長変更弁の作動状態が閉弁状態にあるときには、第１の気筒群から排出された第１の排気ガスと第２の気筒群から排出された排気ガスとを第１の距離において合流せしめずに第２の距離において初めて合流せしめることができ、より高いトルクが機関から出力されるように該排気通路長変更弁の作動状態を機関運転状態に応じて開弁状態と閉弁状態との間にて切り換える排気通路長制御装置において、流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときに排気ガス中のＮＯx を吸収し且つ流入する排気ガスの空燃比がリッチになると吸収していたＮＯx を放出して排気ガス中の炭化水素により該放出されたＮＯx を還元浄化することができるＮＯx 触媒が、上記接続部位よりも下流側において各排気枝通路内に配置され、ＮＯx 触媒の温度を上昇させるべきであるときには、機関運転状態が各気筒群から排出された排気ガスを上記接続部位において合流せしめるように上記排気通路長変更弁の作動状態を開弁状態とし、いずれか一方の気筒群においてリーン空燃比にて燃焼を実行させ、一方、他方の気筒群においてはリッチ空燃比にて燃焼を実行させることにより、ＮＯx 触媒の温度を上昇させるようにしたことを特徴とする排気通路長制御装置。
【請求項２】
気筒内に吸入される空気量を制御するためのスロットル弁を具備し、上記排気通路長変更弁の作動状態が該スロットル弁の開度と機関回転数とに基づいて切り換えられることを特徴とする請求項１に記載の排気通路長制御装置。
【請求項３】
ＮＯx 触媒の温度を上昇させるとき以外のときにおいては、スロットル弁の開度が小さく且つ機関回転数が小さい機関運転領域において、排気通路長変更弁の作動状態が閉弁状態とされることを特徴とする請求項２に記載の排気通路長制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は排気通路長制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯx を浄化するためのＮＯx 触媒が公知である。そして、ＮＯx 触媒として、そこに流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときに排気ガス中のＮＯx を吸収し、そこに流入する排気ガスの空燃比がリッチとなると、吸収しているＮＯx を放出し、この放出されたＮＯx を排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）により還元浄化する触媒が公知である。
【０００３】
このタイプのＮＯx 触媒には、流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときに、排気ガス中の硫黄成分（以下、Ｓ成分と称す）をも吸収する。このようにＮＯx 触媒に硫黄成分が吸収されると、ＮＯx 触媒が吸収することができるＮＯx の量が少なくなり、全体として、ＮＯx 触媒の浄化能力が低下する。
【０００４】
ここでＳ成分は、ＮＯx 触媒の温度が或る一定温度よりも高ければ、ＮＯx 触媒から放出されるが、上述したタイプのＮＯx 触媒が使用される環境下においては、ＮＯx 触媒の温度はＳ成分を放出させることができる温度（Ｓ成分放出温度）よりも低い。したがって、ＮＯx 触媒から放出させるためには、ＮＯx 触媒の温度を強制的にＳ成分放出温度にまで上昇させなければならない。
【０００５】
ここでＮＯx 触媒の温度を強制的に上昇させる手段としては、内燃機関の複数の気筒のうち一部の気筒においてリーン空燃比にて燃焼を行わせ、これにより当該気筒からはリーン空燃比の排気ガスを排出させ、残りの気筒においてはリッチ空燃比にて燃焼を行わせ、これにより当該気筒からはリッチ空燃比の排気ガスを排出させ、これらリーン空燃比の排気ガスとリッチ空燃比の排気ガスをＮＯx 触媒に流入させるという手段がある。
【０００６】
これによれば、ＮＯx 触媒に流入したリーン空燃比の排気ガス中の酸素と、リッチ空燃比の排気ガス中のＳ成分とが酸化反応し、これによりＮＯx 触媒が加熱され、その温度が上昇せしめられる。
【０００７】
ところで、内燃機関の複数の気筒が第１の気筒群と第２の気筒群に分割され、第１の気筒群に第１の排気枝通路が接続され、一方、第２の気筒群に第２の排気枝通路が接続され、これら排気枝通路がいったん接続された後に、共通の排気通路に集合せしめられ、各気筒群から排出された排気ガスを共通の排気通路よりも上流側にて集合させるか、或いは、共通の排気通路にて初めて集合させるかを切り換えられるようにした内燃機関が、例えば、特開平９−１００７２１号公報に開示されている。
【０００８】
こうした内燃機関では、機関運転状態に応じて、内燃機関の出力トルクがより高くなるように、各気筒群から排出された排気ガスを共通の排気通路よりも上流側にて集合させるか、或いは、共通の排気通路にて初めて集合させるかが切り換えられる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで特開平９−１００７２１号公報には、各気筒群に接続された各排気枝通路がいったん接続された後に共通の排気通路に集合せしめられ、各気筒群から排出された排気ガスを共通の排気通路よりも上流側にて集合させるか、或いは、共通の排気通路にて初めて集合させるかを切り換えられるようにした内燃機関において、各排気枝通路にＮＯx 触媒が配置され、これらＮＯx 触媒の温度を上昇させるために、一部の気筒群においてリーン空燃比にて燃焼を実行し、残りの気筒群においてリッチ空燃比にて燃焼を実行させることに関しては、何ら開示されていない。
【００１０】
本発明の目的は、より高いトルクを出力させるために、各気筒群から排出された排気ガスを共通の排気通路よりも上流側にて集合させるか、或いは、共通の排気通路にて初めて集合させるかを切り換えるようにした内燃機関において、一部の気筒群においてリーン空燃比にて燃焼を実行し、残りの気筒群においてリッチ空燃比にて燃焼を実行させることにより、確実に、ＮＯx 触媒の温度を上昇させ、このときに内燃機関から出力されるトルクも高く維持することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための１番目の発明では、複数の気筒を備え、これら気筒が第１の気筒群と第２の気筒群とに分けられ、第１の気筒群には第１の排気枝通路が接続されると共に第２の気筒群には第２の排気枝通路が接続され、これら排気枝通路が第１の距離においていったん互いに接続され、その下流の第２の距離において共通の排気通路に接続されて集合せしめられ、これら排気枝通路が互いに接続されている接続部位に排気通路長変更弁が配置され、該排気通路長変更弁の作動状態が開弁状態にあるときには、第１の気筒群から排出された排気ガスと第２の気筒群から排出された排気ガスとを第１の距離において合流せしめ、一方、排気通路長変更弁の作動状態が閉弁状態にあるときには、第１の気筒群から排出された第１の排気ガスと第２の気筒群から排出された排気ガスとを第１の距離において合流せしめずに第２の距離において初めて合流せしめることができ、より高いトルクが機関から出力されるように該排気通路長変更弁の作動状態を機関運転状態に応じて開弁状態と閉弁状態との間にて切り換える排気通路長制御装置において、流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときに排気ガス中のＮＯx を吸収し且つ流入する排気ガスの空燃比がリッチになると吸収していたＮＯx を放出して排気ガス中の炭化水素により該放出されたＮＯx を還元浄化することができるＮＯx 触媒が、上記接続部位よりも下流側において各排気枝通路内に配置され、ＮＯx 触媒の温度を上昇させるべきであるときには、機関運転状態が各気筒群から排出された排気ガスを上記接続部位において合流せしめるように上記排気通路長変更弁の作動状態を開弁状態とし、いずれか一方の気筒群においてリーン空燃比にて燃焼を実行させ、一方、他方の気筒群においてはリッチ空燃比にて燃焼を実行させることにより、ＮＯx 触媒の温度を上昇させる。これによれば、排気通路長変更弁の作動状態が開弁状態とされているので、各ＮＯx 触媒にはリーン空燃比の排気ガスとリッチ空燃比の排気ガスとが流入し、リッチ空燃比の排気ガス中の酸素とリッチ空燃比の排気ガス中の炭化水素が各ＮＯx 触媒にて酸化反応する。これにより、各ＮＯx 触媒の温度が上昇せしめられる。そして、このときの排気通路長変更弁の作動状態は、より高いトルクが機関から出力されるように設定されているので、機関から出力されるトルクも高く維持されている。
【００１２】
２番目の発明では１番目の発明において、気筒内に吸入される空気量を制御するためのスロットル弁を具備し、上記排気通路長変更弁の作動状態が該スロットル弁の開度と機関回転数とに基づいて切り換えられる。
【００１３】
３番目の発明では２番目の発明において、触媒の温度を上昇させるとき以外のときにおいては、スロットル弁の開度が小さく且つ機関回転数が小さい機関運転領域において、排気通路長変更弁の作動状態が閉弁状態とされる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図示した実施例について説明する。図１は本発明の排気通路長制御装置を備えた内燃機関を示す図である。内燃機関の機関本体１は４つの気筒♯１〜♯４を具備する。本実施例の内燃機関は、燃料噴射弁（図示せず）から各気筒内に直接、燃料を噴射するタイプの内燃機関である。内燃機関の気筒は機関本体１の端から順に、第１気筒、第２気筒、第３気筒、第４気筒と称す。本実施例では、第１気筒、第３気筒、第４気筒、第２気筒の順で燃料噴射および燃料点火が行われる。
【００１５】
各気筒には吸気枝通路２ａ〜２ｄが接続される。これら吸気枝通路２ａ〜２ｄは上流側にて集合せしめられ、共通の吸気通路２に接続されている。吸気通路２内には各気筒に吸入せしめられる空気の量を制御するためのスロットル弁３が配置される。スロットル弁３にはステップモータ４が接続されており、このステップモータ４によりスロットル弁３の開度が制御される。
【００１６】
また、機関本体１にはクランク角センサ５が取り付けられており、本実施例では、このクランク角センサ５からの出力に基づいて、機関回転数が算出される。
【００１７】
ところで本実施例では、機関本体１に二つの排気枝通路６ａ，６ｂが接続される。一方の排気枝通路６ａは、その上流側領域において、二つの排気枝通路部分７ａ，７ｄに分岐せしめられ、一方の排気枝通路部分７ａは第１気筒♯１に接続され、他方の排気枝通路部分７ｄは第４気筒♯４に接続される。他方の排気枝通路６ｂも、その上流側領域において、二つの排気枝通路部分７ｂ，７ｃに分岐せしめられ、一方の排気枝通路部分７ｂは第２気筒♯２に接続され、他方の排気枝通路部分７ｃは第３気筒♯３に接続される。
【００１８】
また、排気枝通路６ａ，６ｂは、その下流側領域において、いったん接続され、さらにその下流側において再び合流せしめられ、これら排気枝通路６ａ，６ｂにとって共通の排気通路６に接続される。すなわち、これら排気枝通路６ａ，６ｂは、これらにとって共通の排気通路６に接続される前に、いったん互いに接続される。
【００１９】
すなわち本実施例では、内燃機関の気筒が第１気筒♯１と第４気筒♯４からなる第１の気筒群と、第２気筒♯２と第３気筒♯３からなる第２の気筒群に分けられ、各気筒群に対応して、排気枝通路６ａ，６ｂが接続されている。そして、これら排気枝通路６ａ，６ｂは第１の距離においていったん接続され、その下流の第２の距離において共通の排気通路６に接続されて集合せしめられている。
【００２０】
排気通路６よりも上流側において排気枝通路６ａ，６ｂ同士が接続される部位８を上流側接続部位と称すると、この上流側接続部位８には排気通路長変更弁９が配置される。排気通路長変更弁９にはステップモータ１０が接続されており、このステップモータ１０により排気通路長変更弁９の開度が制御可能である。
【００２１】
図１の線II−IIに沿った断面を示した図２を参照すると、排気通路長変更弁９の作動状態が図２の実線で示した作動状態にあるときには、排気枝通路６ａ，６ｂ同士の間を排気ガスが行き交うことはない。すなわち、排気通路長変更弁９の作動状態が図２の実線で示した作動状態にあるときには、排気枝通路６ａ，６ｂ同士は遮断されている。
【００２２】
本明細書では、排気通路長変更弁９の作動状態が図２の実線で示した作動状態にあるとき、すなわち、排気通路長変更弁９の作動状態が排気枝通路６ａ，６ｂ同士を遮断する作動状態にあるときを、排気通路長変更弁９が閉弁されていると称す。
【００２３】
一方、排気通路長変更弁９の作動状態が図２の鎖線で示した作動状態にあるときには、排気枝通路６ａ，６ｂ同士の間で排気ガスが行き交う。すなわち、排気通路長変更弁９の作動状態が図２の鎖線で示した作動状態にあるときには、排気枝通路６ａ，６ｂ同士は開放されている。
【００２４】
本明細書では、排気通路長変更弁９の作動状態が図２の鎖線で示した作動状態にあるとき、すなわち、排気通路長変更弁９の作動状態が排気枝通路６ａ，６ｂ同士を開放せしめる作動状態にあるときを、排気通路長変更弁９が開弁されていると称す。
【００２５】
なお、排気通路長変更弁９が閉弁されているときにおいて各気筒群から排出された排気ガスが初めて合流するまでに流れる長さ（以下、流路長と称す）は、排気通路長変更弁９が開弁されているときにおける流路長よりも、長い。
【００２６】
ところで上流側接続部位８の下流側において、各排気枝通路６ａ，６ｂ内には、ＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂが配置されている。ＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂは、機関吸気通路、燃焼室５およびＮＯX 吸収剤上流の排気通路内に供給された燃料（炭化水素）の量に対する空気の量の比を排気ガスの空燃比と称すると、そこに流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときに排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯx ）を吸収し、そこに流入する排気ガスの空燃比がリッチになると、吸収しているＮＯx を放出し、この放出されたＮＯx を排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）により還元浄化する。
【００２７】
本実施例のＮＯx 触媒はＮＯx 吸収剤と貴金属とを具備する。ＮＯX 吸収剤は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されている。この場合、ケーシング２４内に例えばコージライトからなるパティキュレートフィルタを配置し、このパティキュレートフィルタ上にアルミナを担体とするＮＯX 吸収剤を担持させることもできる。
【００２８】
このＮＯX 吸収剤の吸放出作用の詳細なメカニズムについては明らかでない部分もある。しかしながらこの吸放出作用は図３に示したようなメカニズムで行われているものと考えられる。次にこのメカニズムについて担体上に白金ＰｔおよびバリウムＢａを担持させた場合を例にとって説明するが他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類、希土類を用いても同様なメカニズムとなる。
【００２９】
図１に示した内燃機関では使用頻度の高い大部分の運転状態において空燃比がリーンの状態で燃焼が行われる。このように空燃比がリーンの状態で燃焼が行われている場合には排気ガス中の酸素濃度は高く、このときには図３（Ａ）に示したようにこれら酸素Ｏ2 がＯ2-またはＯ2-の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、流入する排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面上でＯ2-またはＯ2-と反応し、ＮＯ2 となる（２ＮＯ＋Ｏ2 →２ＮＯ2 ）。次いで生成されたＮＯ2 の一部は白金Ｐｔ上で酸化されつつ吸収剤内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら図３（Ａ）に示したように硝酸イオンＮＯ3-の形で吸収剤内に拡散する。このようにしてＮＯX がＮＯX 吸収剤内に吸収される。流入する排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔの表面でＮＯ2 が生成され、吸収剤のＮＯX 吸収能力が飽和しない限りＮＯ2 が吸収剤内に吸収されて硝酸イオンＮＯ3-が生成される。
【００３０】
一方、流入する排気ガスの空燃比がリッチにされると流入する排気ガス中の酸素濃度が低下し、その結果、白金Ｐｔの表面でのＮＯ2 の生成量が低下する。ＮＯ2 の生成量が低下すると反応が逆方向（ＮＯ3-→ＮＯ2 ）に進み、斯くして吸収剤内の硝酸イオンＮＯ3-がＮＯ2 の形で吸収剤から放出される。このときＮＯX 吸収剤から放出されたＮＯX は図３（Ｂ）に示したように流入する排気ガス中に含まれる多量の未燃ＨＣ，ＣＯと反応して還元せしめられる。このようにして白金Ｐｔの表面上にＮＯ2 が存在しなくなると吸収剤から次から次へとＮＯ2 が放出される。したがって流入する排気ガスの空燃比がリッチにされると短時間のうちにＮＯX 吸収剤からＮＯX が放出され、しかもこの放出されたＮＯX が還元されるために大気中にＮＯX が排出されることはない。
【００３１】
ＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂ下流側の排気枝通路６ａ，６ｂには、それぞれＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂから流出する排気ガスの温度を検出するための温度センサ１２ａ，１２ｂが取り付けられる。本実施例では、この温度センサ１２ａ，１２ｂからの出力に基づいて、各ＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂの温度が推定される。
【００３２】
ところで、ＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂが吸収することができるＮＯx の量には限界がある。ＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂが吸収しているＮＯx のトータルの量（以下、総ＮＯx 吸収量と称す）が、その限界値に達すると、もはや、ＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂはそこに流入する排気ガス中のＮＯx を吸収することができず、この場合には、ＮＯx がＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂ下流へと流出し、斯くして排気エミッションが悪化する。
【００３３】
そこで本実施例では、総ＮＯx 吸収量が限界値に達する前に、ＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂからＮＯx を放出させ、排気ガス中のＨＣによりＮＯx を浄化するために、強制的にリッチ空燃比の排気ガスをＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂに供給するＮＯx 還元処理が実行される。リッチ空燃比の排気ガスをＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂに供給するための具体的な手段としては様々な手段があるが、本実施例では、気筒内の混合気の空燃比をリッチとし、気筒から排出される排気ガス自体の空燃比をリッチとすることにより、結果として、ＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂにリッチ空燃比の排気ガスを供給するという手段を採用する。
【００３４】
次に排気通路長変更弁９の作動状態の制御について図４を参照して説明する。図４（Ａ）において、鎖線Ｌは排気通路長変更弁９が閉弁状態にあるときにおける機関回転数Ｎｅと出力トルクＴＱとの関係を示し、実線Ｓは排気通路長変更弁９が開弁状態にあるときにおける機関回転数Ｎｅと出力トルクＴＱとの関係を示す。一方、図４（Ｂ）において、鎖線Ｌは排気通路長変更弁９が閉弁状態にあるときにおけるスロットル弁３の開度（以下、スロットル開度と称す）Ｄｔｈと出力トルクＴＱとの関係を示し、実線Ｓは排気通路長変更弁９が開弁状態にあるときにおけるスロットル開度Ｄｔｈと出力トルクＴＱとの関係を示す。
【００３５】
図４（Ａ）を参照すると、流路長が長い場合、すなわち排気通路長変更弁９が閉弁されている場合には、鎖線Ｌで示したように、出力トルクＴＱは、機関回転数Ｎｅが大きくなるにつれて徐々に大きくなって、或る機関回転数（以下、閉弁時ピーク機関回転数と称す）においてピークに達し、その後、機関回転数Ｎｅが大きくなるにつれて徐々に小さくなる。一方、流路長が短い場合、すなわち排気通路長変更弁９が開弁されている場合には、実線Ｓで示したように、出力トルクＴＱは、機関回転数Ｎｅが大きくなるにつれて徐々に大きくなって、閉弁時ピーク機関回転数よりも大きな機関回転数Ｎｅにおいてピークに達し、その後、機関回転数Ｎｅが大きくなるにつれて徐々に小さくなる。
【００３６】
したがって図４（Ａ）を参照すると分かるように、鎖線Ｌと実線Ｓとが交わる機関回転数Ｎｅを境界機関回転数と称すると、機関回転数Ｎｅが境界機関回転数Ｎｅ０よりも小さいときには、排気通路長変更弁９を閉弁し、流路長を長くした方が、出力トルクＴＱはより大きく、逆に、機関回転数Ｎｅが境界機関回転数Ｎｅ０よりも大きいときには、排気通路長変更弁９を開弁し、流路長を短くした方が、出力トルクＴＱはより大きくなる傾向にある。
【００３７】
一方、図４（Ｂ）を参照すると、流路長が長い場合、すなわち排気通路長変更弁９が閉弁されている場合には、鎖線Ｌで示したように、出力トルクＴＱは、スロットル開度Ｄｔｈが大きくなるにつれて徐々に大きくなる。一方、流路長が短い場合、すなわち排気通路長変更弁９が閉弁されている場合には、実線Ｓで示したように、出力トルクＴＱは、スロットル開度Ｄｔｈが大きくなるにつれて徐々に大きくなる。そして図４（Ｂ）を参照すると分かるように、鎖線Ｌと実線Ｓとは或るスロットル開度（以下、境界スロットル開度と称す。）において交れる。すなわち、スロットル開度が境界スロットル開度よりも小さい領域では、同じスロットル開度において出力されるトルクＴＱは排気通路長変更弁９が開弁されている場合のほうが排気通路長変更弁９が閉弁されている場合よりも大きい。一方、スロットル開度が境界スロットル開度よりも大きい領域では、同じスロットル開度において出力されるトルクＴＱは排気通路長変更弁９が閉弁されている場合のほうが排気通路長変更弁９が開弁されている場合よりも大きい。
【００３８】
そこで本実施例では、より大きなトルクが内燃機関から出力されるように、図５に示したように機関回転数Ｎｅとスロットル開度Ｄｔｈとに基づいて、機関運転領域をラインＢｃｏにより２つの領域Ｏ，Ｃに分割し、機関回転数Ｎｅが比較的大きく且つスロットル開度Ｄｔｈが比較的大きい領域Ｏにおいては、排気通路長変更弁９を開弁し、機関回転数Ｎｅが比較的小さいか、或いは、スロットル開度Ｄｔｈが比較的小さい領域Ｃにおいては、排気通路長変更弁９を閉弁する。
【００３９】
ところでＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂは、その温度が比較的低いと、排気ガス中の硫黄成分（Ｓ成分）を吸収する。ＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂに吸収されたＳ成分の量が増えると、その分だけＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂが吸収することができるＮＯx の量が少なくなる。本実施例のＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂは、大部分の機関運転領域においてリーン空燃比にて燃焼が行われる内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯx を浄化するために利用されるから、ＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂに吸収されたＳ成分の量が増えると、全体として、ＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂのＮＯx 浄化能力が低下する。
【００４０】
ところで本実施例の内燃機関では、機関運転状況に応じて異なる燃焼形態にて燃料が燃焼せしめられる。すなわち、図６に示したように機関運転領域がラインＢｓｈにより分けられており、機関回転数Ｎｅが境界機関回転数Ｎｅ０よりも小さい或る機関回転数よりも小さく且つスロットル開度Ｄｔｈが境界スロットル開度Ｄｔｈ０よりも小さい或るスロットル開度よりも小さい機関運転領域（図６の領域Ｓ）においては、いわゆる成層燃焼と呼ばれる燃焼形態にて燃料が燃焼せしめられる。
【００４１】
すなわち本実施例では、低負荷低回転運転時において、成層燃焼が行われる。この成層燃焼においては、内燃機関の点火栓（図示せず）周りにのみ燃料が集まるようなタイミングで燃料噴射弁から直接、気筒内に燃料が噴射され、この燃料が点火栓により点火され、燃焼せしめられる。このときに燃料噴射弁から噴射される燃料の量は、後述する均質燃焼が行われるときに噴射される燃料の量よりも少ない。
【００４２】
一方、図６に示したように、機関回転数Ｎｅが上記或る機関回転数よりも大きいか或いは、スロットル開度Ｄｔｈが上記或るスロットル開度よりも小さい機関運転領域（図６の領域Ｈ）においては、いわゆる均質燃焼と呼ばれる燃焼形態にて燃料が燃焼せしめられる。
【００４３】
すなわち本実施例では、高負荷高回転運転時において、均質燃焼が行われる。この均質燃焼においては、気筒内に燃料が均一に分散するようなタイミングで燃料噴射弁から直接、気筒内に燃料が噴射され、この燃料が点火栓により点火され、燃焼せしめられる。このときに燃料噴射弁から噴射される燃料の量は、上述した成層燃焼が行われるときに噴射される燃料の量よりも多い。
【００４４】
このように機関運転状態に応じて、燃焼形態を成層燃焼と均質燃焼との間で切り換えることにより、全体として、燃費が向上する。
【００４５】
ところで上述したＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂは、ＮＯx の他に硫黄成分（以下、Ｓ成分と称す）をも吸収する。ＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂにＳ成分が吸収されると、その分だけＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂが吸収することができるＮＯx の量（以下、最大ＮＯx 吸収可能量と称す）が少なくなる。上述したように、排気エミッションを悪化させないためには、ＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂに吸収されているＮＯx の量（総ＮＯx 吸収量）が最大ＮＯx 吸収可能量を超える前に、ＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂに吸収されているＮＯx を還元浄化するためのＮＯx 還元処理を実行する必要がある。
【００４６】
したがってＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂにＳ成分が吸収され、その分だけ最大ＮＯx 吸収可能量が少なくなると、このＮＯx 還元処理を頻繁に実行しなければならなくなる。ＮＯx 還元処理を頻繁に実行することは、非常に煩雑である。また、ＮＯx 還元処理においては、リッチ空燃比の排気ガスを気筒から排出することを目的として機関運転を要求機関運転（例えば、要求トルクを少ない燃料で出力することができる機関運転）から変更しなければならないので、ＮＯx 還元処理を頻繁に実行することは好ましくない。
【００４７】
そこで本実施例では、許容することができる最大ＮＯx 吸収可能量の下限値を設定し、最大ＮＯx 吸収可能量がこの下限値に達したときに、ＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂに吸収されているＳ成分をそこから放出させるためのＳ成分放出処理を実行するようにする。
【００４８】
ところでＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂに吸収されているＳ成分をそこから放出させるためには、ＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂの温度を通常のＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂの温度（すなわち、要求機関運転が行われているときに達成される温度）よりも高い温度（以下、Ｓ成分放出温度と称す）にまで上昇させ、これに合わせて、リッチ空燃比の排気ガスをＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂに流入させればよい。
【００４９】
ここでＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂの温度をＳ成分放出温度にまで上昇させるための触媒温度上昇手段としては様々な手段があるが、本実施例では、図７に示したように機関回転数Ｎｅとスロットル開度Ｄｔｈとによって定められる機関運転領域を境界線Ｌ１〜Ｌ３により複数の領域に分割し、ＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂの最大ＮＯx 吸収可能量がその下限値に達したときの機関運転状態がいずれの領域内にあるかによって、採用する触媒温度上昇手段を選択する。
【００５０】
以下、図７の各領域にて如何なる触媒温度上昇手段が採用されるかについて詳細に説明するが、その前に図７の各領域の分割の仕方について説明する。本実施例では、図７に示した機関運転領域は３つの境界線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３によって４つの領域に分割されている。
【００５１】
境界線Ｌ１は点（０，Ｄｔｈ２）から点（Ｎｅ３，Ｄｔｈ１）まで略直線的に延び、そこからさらに点（Ｎｅ３，０）まで略直線的に延びる。境界線Ｌ１により分割された領域のうち原点（０，０）から見て外側にある領域が領域Ｒ４である。
【００５２】
境界線Ｌ２は点（０，Ｄｔｈ０）から点（Ｎｅ１，Ｄｔｈ１）まで略直線的に延び、そこからさらに点（Ｎｅ２，Ｄｔｈ２）まで略直線的に延び、そこからさらに点（Ｎｅ２，０）まで延びる。境界線Ｌ２と境界線Ｌ１とにより囲まれた領域が領域Ｒ３である。
【００５３】
境界線Ｌ３は点（Ｎｅ１，Ｄｔｈ１）から点（Ｎｅ１，０）まで略直線的に延びる。境界線Ｌ３と境界線Ｌ２とにより囲まれた領域が領域Ｒ２であり、境界線Ｌ２と境界線Ｌ３とにより囲まれた領域が領域Ｒ１である。
【００５４】
なお、上述した説明において、Ｄｔｈ１＜Ｄｔｈ０＜Ｄｔｈ２であり、Ｎｅ１＜Ｎｅ２＜Ｎｅ３＜Ｎｅ０である。
【００５５】
さて本実施例では、機関運転が領域Ｒ４にあるときに、Ｓ成分をＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂから放出させるべきであると判断されたとき、すなわち、ＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂの最大ＮＯx 吸収可能量がその許容下限値に達したときには、触媒温度上昇手段としては何ら採用されない。すなわち、機関運転が領域Ｒ４にあるときには、各気筒から排出される排気ガスの温度が非常に高いので、ＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂの温度は既にＮＯx 放出温度に達しており、したがって、ＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂの温度をＮＯx 放出温度まで上昇させるための特別な制御を実行する必要がない。
【００５６】
したがって機関運転が領域Ｒ４にあるときのＳ成分放出処理としては、ＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂの温度を上昇させるための特別な制御を実行せずに、各気筒から排出される排気ガスの空燃比をリッチとするという処理が行われる。
【００５７】
一方、本実施例では、機関運転が領域Ｒ３にあるときに、Ｓ成分をＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂから放出させるべきであると判断されたときには、理論空燃比にて機関燃焼を行わせると共に、点火栓（図示せず）による燃料点火タイミングを通常のタイミングよりも遅くするという触媒温度上昇手段が採用される。この触媒温度上昇手段によれば、各気筒から排出される排気ガスの温度が上昇せしめられるので、この排気ガスの熱によりＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂが加熱される。
【００５８】
したがって機関運転が領域Ｒ３にあるときのＳ成分放出処理としては、理論空燃比にて機関燃焼を行わせると共に、点火栓による燃料点火タイミングを通常のタイミングよりも遅くして、ＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂの温度がＮＯx 放出温度に達したときに、各気筒から排出される排気ガスの空燃比をリッチとするという処理が行われる。
【００５９】
一方、本実施例では、機関運転が領域Ｒ２にあるときに、Ｓ成分をＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂから放出させるべきであると判断されたときには、排気通路長変更弁９を開弁し、第１の気筒群（第１気筒♯１および第４気筒♯４）にてリーン空燃比にて機関燃焼を行わせると共に、第２の気筒群（第２気筒♯２および第３気筒♯３）にてリッチ空燃比にて機関燃焼を行わせるという触媒温度上昇手段が採用される。
【００６０】
すなわち注目すべきは、図７に示した領域Ｒ２内にある機関運転状態は、図５に示した領域Ｃ内にあるので、このとき通常は、排気通路長変更弁９は閉弁せしめられるが、機関運転が領域Ｒ２にあるときに、Ｓ成分をＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂから放出させるべきであると判断されたときには、逆に、排気通路長変更弁９は開弁されることにある。
【００６１】
この触媒温度上昇手段によれば、各ＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂにはリーン空燃比の排気ガスとリッチ空燃比の排気ガスとが流入し、リーン空燃比の排気ガス中の酸素とリーン空燃比の排気ガス中のＨＣとがＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂにて発熱反応することにより、ＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂが加熱される。
【００６２】
したがって機関運転が領域Ｒ２にあるときのＳ成分放出処理としては、排気通路長変更弁９を開弁し、第１の気筒群にてリーン空燃比にて機関燃焼を行わせると共に、第２の気筒群にてリッチ空燃比にて機関燃焼を行わせ、ＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂの温度がＮＯx 放出温度に達したときに、各気筒から排出される排気ガスの空燃比をリッチにするという処理が行われる。
【００６３】
なお理論的には、機関運転が領域Ｒ２にあるときにおいても、機関運転が領域Ｒ３にあるときと同様に、理論空燃比にて機関燃焼を行わせると共に、点火栓による燃料点火タイミングを通常のタイミングよりも遅くするという触媒温度上昇手段を採用することもできる。しかしながら、機関燃焼を良好に行わせるためには、燃料点火タイミングを通常のタイミングよりも遅らせることができる下限の機関回転数が存在する。すなわち図６に示した機関運転領域においては、この下限の機関回転数は値Ｎｅ２である。
【００６４】
一方、本実施例では、機関運転が領域Ｒ１にあるときに、Ｓ成分をＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂから放出させるべきであると判断されたときには、機関運転が領域Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４になるまで、ＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂの温度を上昇させるための特別な制御をせずに、機関運転が領域Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４になったときに、それぞれの領域において採用される触媒温度上昇手段により、ＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂの温度を上昇するという触媒温度上昇手段を採用する。もちろん実際には、機関運転が領域Ｒ４になったときには、ＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂの温度を上昇させるための特別な制御をせずとも、ＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂの温度は上昇せしめられる。
【００６５】
したがって機関運転が領域Ｒ１にあるときのＳ成分放出処理としては、機関運転が領域Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４になるまで、ＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂの温度を上昇させるための処理の実行を待機し、機関運転が領域Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４になったときに、それぞれの領域において採用される触媒温度上昇手段によりＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂの温度を上昇させ、ＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂの温度がＮＯx 放出温度に達したときに、各気筒から排出される排気ガスの空燃比をリッチにするという処理が行われる。
【００６６】
なお、図５〜図７に示した機関回転数Ｎｅとスロットル開度Ｄｔｈとの関係を１つの図として示したのが図８である。図８から分かるように、図７に示した領域Ｒ１は成層燃焼領域Ｓと均質燃焼領域Ｈとに跨る領域であり、図７に示した領域Ｒ２は成層燃焼領域Ｓ内の領域であり、図７に示した領域Ｒ３，Ｒ４は均質燃焼領域Ｈ内の領域である。
【００６７】
本実施例のＳ成分放出処理を実行するためのフローを図９に示した。図９に示したフローでは、初めにステップ１０において、Ｓ成分をＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂから放出させるべきであるか否かが判別される。ステップ１０において、Ｓ成分をＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂから放出させるべきであると判別されたときには、ルーチンはステップ１４に進む。一方、ステップ１０において、Ｓ成分をＮＯx 触媒１１ａ，１１ｂから放出される必要はないと判別されたときには、ルーチンはステップ１１に進む。
【００６８】
ステップ１１では、機関運転が図５に示されている領域Ｏ内にあるか否かが判別される。ステップ１１において、機関運転が図５に示されている領域Ｏ内にあると判別されたときには、ルーチンはステップ１２に進んで、排気通路長変更弁９が開弁され、ルーチンが終了する。一方、ステップ１１において、機関運転が図５に示されている領域Ｏ内にない、すなわち機関運転が図５に示されている領域Ｃ内にあると判別されたときには、ルーチンはステップ１３に進んで、排気通路長変更弁９が閉弁され、ルーチンが終了する。
【００６９】
ステップ１４では、機関運転が図７に示されている領域Ｒ２内にあるか否かが判別される。ステップ１４において、機関運転が図７に示されている領域Ｒ２内にあると判別されたときには、ルーチンはステップ１５に進んで、排気通路長変更弁９が開弁され、ルーチンが終了する。一方、ステップ１４において、機関運転が図７に示されている領域Ｒ２内にないと判別されたときには、ルーチンはステップ１１に進む。
【００７０】
【発明の効果】
本発明によれば、出力トルクをより高く維持しつつ、リーン空燃比の排気ガスとリッチ空燃比の排気ガスとを利用して、ＮＯx 触媒の温度を上昇させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の排気通路長制御装置を備えた内燃機関を示す図である。
【図２】図１の線II−IIに沿った断面図である。
【図３】ＮＯx 触媒のＮＯx 吸放出メカニズムを説明するための図である。
【図４】排気通路長と出力トルクとの関係を説明するための図である。
【図５】排気通路長変更弁の開閉弁を制御するために用いられる関係を示す図である。
【図６】燃焼形態を制御するために用いられる関係を示す図である。
【図７】Ｓ成分放出処理を制御するために用いられる関係を示す図である。
【図８】図５〜図４の関係をまとめて示した図である。
【図９】排気通路長変更弁の開閉弁を制御するためのフローチャートである。
【符号の説明】
１…機関本体
６ａ，６ｂ…排気枝通路
６…排気通路
９…排気通路長変更弁
１１ａ，１１ｂ…ＮＯx 触媒
【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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