JP2005351116A

JP2005351116A - 内燃機関及び内燃機関の運転制御装置

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Publication number: JP2005351116A
Application number: JP2004170419A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Hokutou; 宏之北東
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-06-08
Filing date: 2004-06-08
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2024-06-08
Also published as: JP4270029B2

Abstract

【課題】触媒温度の推定精度を向上させること。
【解決手段】この内燃機関１は、燃焼室１ｂへ空気を導入する吸気通路８内へ燃料を噴射するポート噴射弁２と、前記燃焼室内１ｂへ直接燃料を噴射する直噴噴射弁３と、前記燃焼室１ｂで燃焼した前記燃料の排ガスを浄化する触媒５１とを有する。そして、ポート噴射弁２単独で燃料を噴射する場合における、第１の触媒温度推定手段と、直噴噴射弁３単独で燃料を噴射する場合における、第２の触媒温度推定手段とに基づいて、触媒５１の温度を推定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ポート噴射弁と直噴噴射弁とを備える内燃機関の触媒の温度制御に関し、さらに詳しくは、触媒温度の推定精度を向上させることのできる内燃機関及び内燃機関の運転制御装置に関する。

燃焼室内に直接燃料を噴射して点火する、いわゆる直噴の内燃機関は、圧縮行程中に燃焼室内へ直接燃料を噴射して、点火プラグ付近に燃料噴霧をとどめて着火しやすい混合気を形成し、その周りの空気層と分離、すなわち成層化する。この状態で点火プラグ付近の混合気に点火して燃焼させ、いわゆる成層燃焼の下で運転することで、超希薄燃焼運転を実現できる。これにより、内燃機関の燃費を向上させるとともに、ＣＯ₂の排出量を低減させることができる。

また、直噴の内燃機関は、吸気行程中に燃焼室内へ直接燃料を噴射して燃焼室内へ燃料を拡散させ、均質の混合気を形成して燃焼させる、いわゆる均質燃焼の下で運転することができる。均質燃焼領域では、吸気行程中に燃焼室内へ直接噴射した燃料の気化熱によって吸入空気をより冷却できるので、充填効率を高めることができる。これにより、直噴の内燃機関の均質燃焼領域における運転では、高出力を得ることもできる。このような利点から、近年、直噴の火花点火式内燃機関が注目されており、実用化されている。また、近年においては、燃焼室内へ燃料を噴射する直噴噴射弁に加えて、吸気通路へ燃料を噴射するポート噴射弁をさらに備えることにより、両者の長所を取り入れた内燃機関も提案されている。

一般に、内燃機関では、燃料が燃焼した後の排ガスを浄化するため、触媒を用いる。触媒は、過熱すると浄化性能が劣化するため、触媒の温度がある限界値を超えそうになった場合には、過熱抑制のために内燃機関に供給する燃料を増量する。これは、いわゆる直噴の内燃機関でも、ポート噴射のみの内燃機関でも、両者を兼備する内燃機関でも同様である。特許文献１には、混合気攪拌手段を備えた内燃機関に対して、攪拌程度に応じて触媒の過熱抑制のための燃料増量と、内燃機関の運転状態との対応関係を変更する技術が開示されている。

特開２００１−２０８３７号公報

ところで、特許文献１では、混合気攪拌手段を備える内燃機関に対して好ましく適用できるが、ポート噴射弁と直噴噴射弁とを備える内燃機関については何ら言及がない。本発明者らは、ポート噴射弁と直噴噴射弁とを備える内燃機関の触媒過熱について鋭意研究をした結果、内燃機関に同じ燃料噴射量を与える場合であっても、ポート噴射単独で与える場合と、直噴噴射弁単独で与える場合とでは、触媒温度が異なることを見出した。これにより、ポート噴射弁と直噴噴射弁とを備える内燃機関では、いずれか一方の燃料噴射弁を基準にすると、触媒温度の推定精度が低下する。

その結果、実際の触媒温度よりも触媒温度の推定値の方が高く算出されて、過剰な燃料増量が行われたり、反対に推定値の方が低く算出されて触媒の過熱を招いたりするおそれがあることが判明した。この発明は、かかる新しい知見に基づいてなされたものであって、直噴噴射弁とポート噴射弁とを備える内燃機関において、触媒温度の推定精度を向上させること、触媒の過熱を抑制するとともに、過剰な燃料増量を抑制することのうち、少なくとも一方を達成できる内燃機関及び内燃機関の運転制御装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る内燃機関は、燃焼室へ空気を導入する吸気通路内へ燃料を噴射するポート噴射弁と、前記燃焼室内へ直接燃料を噴射する直噴噴射弁と、前記燃焼室で燃焼した前記燃料の排ガスを浄化する触媒と、を有し、前記ポート噴射弁単独で燃料を噴射する場合の第１の触媒温度推定手段と前記直噴噴射弁単独で燃料を噴射する場合の第２の触媒温度推定手段とに基づいて、前記触媒の温度を推定することを特徴とする。

また、次の本発明に係る内燃機関は、燃焼室へ空気を導入する吸気通路内へ燃料を噴射するポート噴射弁と、前記燃焼室内へ直接燃料を噴射する直噴噴射弁と、前記燃焼室で燃焼した前記燃料の排ガスを浄化する触媒と、を有し、前記ポート噴射弁単独で燃料を噴射する場合の第１の触媒温度推定手段と、前記直噴噴射弁単独で燃料を噴射する場合の第２の触媒温度推定手段とに基づいて前記触媒の温度を推定し、さらに、全燃料噴射量に対する前記直噴噴射弁又は前記ポート噴射弁のうち少なくとも一方の燃料噴射比率に応じて、前記第１の触媒温度推定手段から推定した値と前記第２の触媒温度推定手段から推定した値とを補間して、前記触媒の温度を推定することを特徴とする。

また、次の本発明に係る内燃機関は、燃焼室へ空気を導入する吸気通路内へ燃料を噴射するポート噴射弁と、前記燃焼室内へ直接燃料を噴射する直噴噴射弁と、前記燃焼室で燃焼した前記燃料の排ガスを浄化する触媒と、を有し、前記直噴噴射弁と前記ポート噴射弁との燃料噴射比率に対応する複数の触媒温度推定手段から、全燃料噴射量に対する前記直噴噴射弁又は前記ポート噴射弁のうち少なくとも一方の燃料噴射比率に対応する触媒温度推定手段を用いることにより、前記触媒の温度を推定することを特徴とする。

また、次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記触媒の温度は、前記内燃機関の負荷率と機関回転数とから推定されることを特徴とする。

また、次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、推定された前記触媒の温度に基づいて燃料噴射量を補正することを特徴とする。

また、次の本発明に係る内燃機関の運転制御装置は、燃焼室へ空気を導入する吸気通路内へ燃料を噴射するポート噴射弁と、前記燃焼室内へ直接燃料を噴射する直噴噴射弁と、前記燃焼室で燃焼した前記燃料の排ガスを浄化する触媒と、を有する内燃機関の運転を制御するものであり、前記ポート噴射弁単独で燃料を噴射する場合の第１の触媒温度推定手段と、前記直噴噴射弁単独で燃料を噴射する場合の第２の触媒温度推定手段とを格納する触媒温度推定手段格納部と、全燃料噴射量に対する前記直噴噴射弁又は前記ポート噴射弁のうち少なくとも一方の燃料噴射比率を判定する燃料噴射比率判定部と、前記燃料噴射比率に応じて、前記第１の触媒温度推定手段から推定した値と前記第２の触媒温度推定手段から求めた値とを補間して、前記触媒の温度を推定する触媒温度推定部と、前記触媒温度推定部により推定された前記触媒の温度に基づいて、前記内燃機関に対する燃料噴射量を補正する燃料噴射量補正部と、を含んで構成されることを特徴とする。

また、次の本発明に係る内燃機関の運転制御装置は、燃焼室へ空気を導入する吸気通路内へ燃料を噴射するポート噴射弁と、前記燃焼室内へ直接燃料を噴射する直噴噴射弁と、前記燃焼室で燃焼した前記燃料の排ガスを浄化する触媒と、を有する内燃機関の運転を制御するものであり、前記直噴噴射弁と前記ポート噴射弁との燃料噴射比率に対応する複数の触媒温度推定手段を格納する触媒温度推定手段格納部と、全燃料噴射量に対する前記直噴噴射弁又は前記ポート噴射弁のうち少なくとも一方の燃料噴射比率を判定する燃料噴射比率判定部と、前記燃料噴射比率に対応した前記触媒温度推定手段を用いて、前記触媒の温度を推定する触媒温度推定部と、前記触媒温度推定部により推定された前記触媒の温度に基づいて、前記内燃機関に対する燃料噴射量を補正する燃料噴射量補正部と、を含んで構成されることを特徴とする。

以上説明したように、この発明に係る内燃機関及び内燃機関の運転制御装置では、直噴噴射弁とポート噴射弁とを備える内燃機関において、触媒温度の推定精度を向上させること、触媒の過熱を抑制するとともに、過剰な燃料増量を抑制することのうち、少なくとも一方を達成できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、発明を実施するための最良の形態に記載した内容によって、本発明が限定されるものではない。また、下記実施例の構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。また、本発明は特にレシプロ式の内燃機関に対して好適に適用でき、特に乗用車やバス、あるいはトラック等の車両に搭載される内燃機関に対して好ましい。また、ポート噴射弁と直噴噴射弁とを備える内燃機関であれば、レシプロ式の内燃機関、ロータリー式の内燃機関を問わず、本発明を適用できる。

この実施例に係る内燃機関及び内燃機関の運転制御装置は、ポート噴射弁単独で燃料を噴射する場合の第１の触媒温度推定手段と前記直噴噴射弁単独で燃料を噴射する場合の第２の触媒温度推定手段とに基づいて、触媒の温度を推定する点に特徴がある。図１は、この実施例に係る内燃機関の一例を示す説明図である。この実施例に係る内燃機関１は、ガソリンを燃料としたレシプロ式の内燃機関である。この内燃機関１は、吸気通路の一部である吸気ポート４内に燃料Ｆの燃料噴霧Ｆｍｐを噴射するポート噴射弁２と、気筒１ｓ内の燃焼室１ｂ内へ燃料Ｆの燃料噴霧Ｆｍｄを直接噴射する直噴噴射弁３とを備える。そして、ポート噴射弁２と直噴噴射弁３とを用いて、燃料Ｆを内燃機関１に供給してこれを駆動する。

このように、この実施例に係る内燃機関１は、ポート噴射弁２と直噴噴射弁３とから燃料が供給される、いわゆるデュアル噴射方式のものであり、成層燃焼領域及び均質燃焼領域の両方で運転することができる。そして、内燃機関１は、その機関回転数ＮＥや負荷率ＫＬに応じて、ポート噴射弁２及び直噴噴射弁３から噴射する燃料Ｆの燃料噴射比率を変更することもできる。ここで、ポート噴射弁２による燃料噴射をポート噴射といい、直噴噴射弁３による燃料噴射を直噴噴射という。

エアクリーナ５０で塵やごみが除去された空気Ａは、エアフローセンサ４２で流量が測定される。そして、内燃機関１へ供給される空気は、吸気通路８の途中に設けられる電子スロットル弁５２のバタフライ弁５２ｂの開度によって、流量が制御される。電子スロットル弁５２は、エンジンＥＣＵ（Electronics Control Unit）２０によってバタフライ弁５２ｂの開度が制御される。

エンジンＥＣＵ２０は、アクセル開度センサ４３から取得したアクセル開度情報に基づき、内燃機関１へ供給する燃料の量と空気の量とを決定する。そして、決定した空気の量が内燃機関１に供給されるように、電子スロットル弁５２のバタフライ弁５２ｂの開度を制御する。なお、バタフライ弁５２ｂの開度情報をエンジンＥＣＵ２０が取得することにより、バタフライ弁５２ｂはフィードバック制御される。

内燃機関１には、クランク軸６の回転角度を検出するクランク角センサ４１が取り付けられている。クランク角センサ４１の出力はエンジンＥＣＵ２０により取得され、この信号に基づいてポート噴射弁２や直噴噴射弁３が燃料Ｆを噴射する時期が制御される。内燃機関１のクランク軸６の回転数は、機関回転数ＮＥとして表される。内燃機関１の機関回転数ＮＥは、回転数センサ４４により検出され、エンジンＥＣＵ２０に取り込まれる。

エンジンＥＣＵ２０は、クランク角センサ４１、エアフローセンサ４２、アクセル開度センサ４３、回転数センサ４４、冷却水温センサ４５その他の各種センサ類が検出する出力信号を取得して、内燃機関１の運転を制御する。エンジンＥＣＵ２０は、アクセル開度センサ４３の情報を基に内燃機関１の運転を制御する。例えば、内燃機関１の機関回転数ＮＥが低回転で、かつ負荷率ＫＬが小さいとき、すなわちアクセル開度が小さいときには、直噴噴射弁３により燃焼室１ｂ内へ直接燃料を噴射して成層燃焼させることにより、燃料消費を抑制する。それ以外の運転条件では、ポート噴射弁２により吸気ポート４内へ燃料を噴射して、いわゆる均質燃焼領域で運転する。ここで、ポート噴射弁２からは、吸気弁５８が閉じているときに吸気ポート４内へ燃料を噴射する。すなわち、いわゆる吸気非同期で、ポート噴射弁２からは燃料を噴射することになる。なお、均質燃焼領域においても、直噴噴射弁３から燃料を噴射することもある。この場合、原則として吸気行程で直噴噴射弁３から燃料を噴射する。

また、冷却水温センサ４５からの情報により、例えば、内燃機関１の冷間始動後における暖機運転時であるとエンジンＥＣＵ２０が判断した場合には、燃料噴霧の微粒化に効果的なポート噴射弁２からのみ燃料を噴射させる。これにより、冷間始動時のエミッションを改善する。そして、冷却水温センサ４５からの情報から、暖機運転が終了したとエンジンＥＣＵ２０が判断した場合には、ポート噴射弁２と直噴噴射弁３との組合せ、又は直噴噴射弁３のみで内燃機関１を運転する。

次に、内燃機関１の運転について説明する。電子スロットル弁５２を通過した空気Ａは、吸気ポート４へ導かれる。吸気ポート４から吸気弁５８を通って燃焼室１ｂ内に導入される空気Ａは、ポート噴射弁２又は直噴噴射弁３から噴射される燃料Ｆと混合気を形成し、この混合気が点火プラグ７からの火花により着火されて燃焼する。混合気の燃焼圧力はピストン５に伝えられ、ピストン５を往復運動させる。ピストン５の往復運動は、コネクティングロッドＣＲを介してクランク軸６に伝えられる。そして、ピストン５の往復運動はクランク軸６で回転運動に変換されて、内燃機関１の出力として取り出される。燃焼後の混合気は、排ガスＥＸとなって排気弁５９を通って排気通路９へ排出される。この排ガスＥＸは、排気通路９に設けられる触媒５１へ導かれ、ここで浄化されて空気中へ排出される。

触媒５１は、過熱されて担体温度が高くなり過ぎると、前記担体に担持される触媒が劣化して、所期の浄化性能を発揮できなくなる。このため、触媒金属が劣化しない範囲の温度で内燃機関１を運転する必要がある。触媒の温度（以下触媒温度という）は、内燃機関１の機関回転数ＮＥと負荷率ＫＬとから予測することができる。このため、この内燃機関１は、機関回転数ＮＥと負荷率ＫＬとから触媒温度を推定し、その推定値に基づいて、触媒温度が臨界値を超えないように、内燃機関１へ供給する燃料の量を制御する。例えば、触媒温度の推定値が臨界値を超えると予測される場合には、内燃機関１に供給する燃料を、理論空燃比の場合よりも増量して触媒５１の温度上昇を抑制する。ここで負荷率ＫＬとは、内燃機関１の吸入空気量が、当該内燃機関１の排気量と等しいときの負荷率を１００％としたときにおける、相対的な負荷の大きさをいう。

図２は、ある機関回転数における負荷率と触媒温度との関係を示す説明図である。図３は、内燃機関の負荷率をパラメータとしたときの機関回転数と触媒温度との関係を示す説明図である。図２、図３に示すように、同じ機関回転数ＮＥ、及び負荷率ＫＬの場合において、ポート噴射の比率が１００％の場合と直噴噴射の比率が１００％の場合とを比較すると、直噴噴射の比率が１００％の場合の方が触媒温度は高くなる。すなわち、直噴噴射の比率が高いほど、触媒温度が高くなる。これは、直噴噴射による燃焼と、ポート噴射による燃焼とが相違することに起因するものである。本発明者は、ポート噴射弁２と直噴噴射弁３とを備える、いわゆるデュアル噴射方式の内燃機関１について、燃料噴射の比率と触媒温度との関係について鋭意研究した結果、この事実を見出した。

このように、同じ機関回転数ＮＥかつ同じ負荷率ＫＬである場合、ポート噴射と直噴噴射とでは触媒温度が異なる結果、触媒温度を共通の触媒温度推定マップ（パターン）によって推定すると、次のような問題が発生する。直噴噴射の比率が高いほど触媒温度が高く、同じ機関回転数ＮＥ及び負荷率ＫＬの条件では、直噴噴射の比率が１００％のときに、最も触媒温度が上昇する。したがって、高温による触媒５１の劣化を抑制するためには、直噴噴射の比率を１００％としたときにおける触媒温度の推定値を用いる必要がある。

直噴噴射の比率を１００％としたときにおける触媒温度の推定値を用いると、ポート噴射の比率が増加して直噴噴射の比率が低下した場合、実際の触媒温度よりも直噴噴射１００％の場合に基づいて推定した触媒温度の方が高くなる場合がある。このため、かかる推定値に基づいて触媒５１の昇温を抑制すると、過度の燃料増量により燃料消費の増加や、未燃ＨＣの増加によるエミッション悪化を引き起こすおそれがある。これを回避するため、直噴噴射の比率を低減した場合の触媒温度の推定値を用いると、推定値よりも実際の触媒温度の方が高くなる場合があり、触媒５１が過熱して劣化するおそれがある。

このような問題点を解決するため、本発明者らは鋭意研究を続けた結果、次のような解決手段を見出した。すなわち、ポート噴射の燃料噴射比率が１００％のときにおける触媒温度の第１触媒温度推定マップ３１と、直噴噴射の燃料噴射比率が１００％のときにおける触媒温度の第２触媒温度推定マップ３２とをそれぞれ用意する。そして、第１又は第２触媒温度推定マップを用いて、触媒温度を推定する。また、ポート噴射と直噴噴射とを同時に用いる場合には、それぞれの燃料噴射比率に基づいて、第１触媒温度推定マップから求めた触媒温度の推定値と第２触媒温度推定マップから求めた触媒温度の推定値とを補間して、触媒温度の推定値とする。これにより、触媒温度の推定精度を向上させ、触媒５１の過熱による触媒５１の劣化を抑制するとともに、過度の燃料増量による燃料消費の増加や未燃ＨＣの増加を抑制する。

上記制御は、この実施例に係る内燃機関の運転制御装置が実行する。次に、この実施例に係る内燃機関の運転制御装置について説明する。図４は、この実施例に係る内燃機関の運転制御装置を示す説明図である。この実施例に係る内燃機関の運転制御方法は、この実施例に係る内燃機関の運転制御装置１０によって実現できる。内燃機関の運転制御装置１０は、エンジンＥＣＵ２０に組み込まれて構成されている。なお、エンジンＥＣＵ２０とは別個に、この実施例に係る内燃機関の運転制御装置１０を用意し、これをエンジンＥＣＵ２０に接続してもよい。そして、この実施例に係る内燃機関の運転制御方法を実現するにあたっては、エンジンＥＣＵ２０が備える内燃機関１の制御機能を、前記内燃機関の運転制御装置１０が利用できるように構成してもよい。

内燃機関の運転制御装置１０は、燃料噴射比率判定部１１と、触媒温度推定部１２と、燃料噴射量補正部１３と、触媒温度推定マップ格納部１４とを含んで構成される。これらが、この実施例に係る内燃機関の運転制御方法を実行する部分となる。なお、触媒温度推定マップ格納部１４は、触媒温度推定手段格納部に相当する。燃料噴射比率判定部１１と、触媒温度推定部１２と、燃料噴射量補正部１３と、触媒温度推定マップ格納部１４とは、エンジンＥＣＵ２０の入力ポート２８及び出力ポート２９を介して接続される。これにより、燃料噴射比率判定部１１と、触媒温度推定部１２と、燃料噴射量補正部１３と、触媒温度推定マップ格納部１４とは、相互にデータをやり取りできるように構成される。

内燃機関の運転制御装置１０とエンジンＥＣＵ２０の機関制御部２０ｐと記憶部２０ｍとは、エンジンＥＣＵ２０に備えられる入力ポート２８及び出力ポート２９を介して接続されており、これらの間で相互にデータをやり取りすることができる。これにより、内燃機関の運転制御装置１０はエンジンＥＣＵ２０が有する内燃機関１の負荷率ＫＬや機関回転数ＮＥその他の内燃機関の運転制御データを取得したり、内燃機関の運転制御装置１０の制御をエンジンＥＣＵ２０の内燃機関の運転制御ルーチンに割り込ませたりすることができる。

また、入力ポート２８には、クランク角センサ４１、エアフローセンサ４２、アクセル開度センサ４３、回転数センサ４４、冷却水温センサ４５その他の、内燃機関１の運転に関する情報を取得するセンサ類が接続されている。これにより、エンジンＥＣＵ２０や内燃機関の運転制御装置１０は、内燃機関１の運転制御に必要な情報を取得することができる。また、出力ポート２９には、電子スロットル弁５２、ポート噴射弁２、直噴噴射弁３その他の、内燃機関１の制御対象が接続されている。そして、内燃機関１の運転に関する情報を取得するセンサ類からの信号に基づき、エンジンＥＣＵ２０の機関制御部２０ｐがこれらの動作を制御する。

記憶部２０ｍには、この実施例に係る内燃機関の運転制御方法の処理手順を含むコンピュータプログラムや、内燃機関１の運転制御に用いる燃料噴射量のデータマップ等が格納されている。ここで、記憶部２０ｍは、ＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性のメモリ、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成することができる。また、内燃機関の運転制御装置１０やエンジンＥＣＵ２０の機関制御部２０ｐは、メモリ及びＣＰＵにより構成することができる。なお、この実施例において、触媒温度推定マップ格納部１４は、内燃機関の運転制御装置１０の一部として構成しているが、記憶部２０ｍにより触媒温度推定マップ格納部１４の機能を実現してもよい。

上記コンピュータプログラムは、燃料噴射比率判定部１１や触媒温度推定部１２等へすでに記録されているコンピュータプログラムとの組み合わせによって、この実施例に係る内燃機関の運転制御方法の処理手順を実現できるものであってもよい。この内燃機関の運転制御装置１０は、前記コンピュータプログラムの代わりに専用のハードウェアを用いて、燃料噴射比率判定部１１、触媒温度推定部１２、燃料噴射量補正部１３及び触媒温度推定マップ格納部１４の機能を実現するものであってもよい。次に、この実施例に係る内燃機関の運転制御について説明する。この説明においては、適宜図１〜図４を参照されたい。

図５は、この実施例に係る内燃機関の運転制御の手順を示すフローチャートである。この実施例に係る内燃機関の運転制御を実行するにあたり、内燃機関の運転制御装置１０が備える燃料噴射比率判定部１１は、内燃機関１の機関回転数ＮＥ、吸入空気量Ｑａ、アクセル開度Ｏａ、負荷率ＫＬ等の情報から、ポート噴射弁２の燃料噴射比率又は直噴噴射弁３の燃料噴射比率のうち、少なくとも一方を求める（ステップＳ１０１）。なお、前記燃料噴射比率は、エンジンＥＣＵの機関制御部２０ｐが内燃機関１の運転制御に用いるための情報から、燃料噴射比率判定部１１が取得してもよい。

ポート噴射の燃料噴射比率が１００％である場合（ステップＳ１０２；Ｙｅｓ）、触媒温度推定部１２は、触媒温度推定マップ格納部１４に格納されている第１触媒温度推定マップ３１を用いて（ステップＳ１０３）、触媒温度を推定する（ステップＳ１０７）。ここで、触媒温度を推定するためのマップについて説明する。図６は、この実施例に係る第１及び第２触媒温度推定マップである。

第１及び第２触媒温度推定マップ３１、３２は、図６−１、図６−２に示すように、内燃機関１の機関回転数ＮＥと負荷率ＫＬとを与えることで、そのときの触媒温度を推定できるように構成される。第１触媒温度推定マップ３１は、ポート噴射が１００％の場合に触媒温度を推定するために使用され、第２触媒温度推定マップ３２は、直噴噴射が１００％の場合に触媒温度を推定するために使用される。なお、第１及び第２触媒温度推定マップ３１、３２は、予め適合試験等によって求める。ここで、第１触媒温度推定マップ３１が、第１の触媒温度推定手段に相当し、第２触媒温度推定マップ３２が、第２の触媒温度推定手段に相当する。

触媒温度推定部１２は、運転中における内燃機関１の機関回転数ＮＥと負荷率ＫＬとを取得し、これらを第１触媒温度推定マップ３１へ与えて、そのときの触媒温度の推定値を取得する。これが、そのときの触媒温度のマップ値Ｔｃ^*となる。ここで、マップ値とは、第１及び第２触媒温度推定マップ３１、３２によって推定した触媒温度であり、以下、必要に応じて使用する。ポート噴射の燃料噴射比率が１００％でない場合であって（ステップＳ１０２；Ｎｏ）、直噴噴射の燃料噴射比率が１００％である場合（ステップＳ１０４；Ｙｅｓ）、触媒温度推定部１２は、第２触媒温度推定マップ３２を用いて（ステップＳ１０５）、触媒温度を推定する（ステップＳ１０７）。触媒温度推定部１２は、運転中における内燃機関１の機関回転数ＮＥと負荷率ＫＬとを取得し、これらを第２触媒温度推定マップ３２へ与えて、そのときの触媒温度を取得する。これが、そのときの触媒温度のマップ値Ｔｃ^*となる。

直噴噴射の燃料噴射比率が１００％でない場合は（ステップＳ１０４；Ｎｏ）、ポート噴射弁２と直噴噴射弁３との両方で、内燃機関１に燃料を噴射している場合である。この場合には、第１触媒温度推定マップ３１と第２触媒温度推定マップ３２とから求めた触媒温度の推定値を補間して、触媒温度を推定し、マップ値Ｔｃ^*とする。この手順について説明する。

図７−１は、ある負荷率における触媒温度の推定値を示す説明図である。図７−２は、ポート噴射と直噴噴射との燃料噴射比率を変化させた場合における触媒温度の変化を示す説明図である。なお、図７−１の実線は、ポート噴射の燃料噴射比率が１００％の場合であり、点線は直噴噴射の燃料噴射比率が１００％の場合である。また、図７−２は、マップ値で表してある。内燃機関１の機関回転数がＮＥ１である場合、ポート噴射の燃料噴射比率が１００％である場合のマップ値はＴｃｐ^*であり、直噴噴射の燃料噴射比率が１００％である場合のマップ値はＴｃｄ^*である。

ポート噴射弁２と直噴噴射弁３との両方で内燃機関１へ燃料を噴射する場合におけるマップ値は、Ｔｃｐ^*とＴｃｄ^*との間に存在する。したがって、ポート噴射又は直噴噴射の燃料噴射比率によってマップ値を補間して（ステップＳ１０６）、ポート噴射弁２と直噴噴射弁３との両方で内燃機関１へ燃料を噴射する場合におけるマップ値Ｔｃｐｄ^*を求める（ステップＳ１０７）。補間式は、式（１）のようになる。
Ｔｃｐｄ^*＝Ｔｃｐ^*＋Ｒｄ×（Ｔｃｄ^*−Ｔｃｐ^*）／１００・・・（１）
ここで、Ｒｄは直噴噴射弁３による燃料噴射比率（％）である。なお、ポート噴射弁２による燃料噴射比率（％）をＲｐとすると、Ｒｐ＝１００−Ｒｄである。

ポート噴射弁２と直噴噴射弁３との両方で内燃機関１へ燃料を噴射する場合は、触媒温度推定部１２が、機関回転数ＮＥと負荷率ＫＬとを第１及び第２触媒温度推定マップ３１、３２へ与え、それぞれからマップ値を求める。そして、触媒温度推定部１２は、求めたマップ値と直噴噴射弁３又はポート噴射弁２の燃料噴射比率とを補間式（１）に与える。補間式（１）は、記憶部２０ｍに格納しておいてもよいし、触媒温度推定部１２が保持していてもよい。これにより、ポート噴射弁２と直噴噴射弁３との両方で内燃機関１へ燃料を噴射する場合におけるマップ値Ｔｃｐｄ^*を求めることができる。

触媒温度推定部１２が、ある機関回転数ＮＥ、負荷率ＫＬでのマップ値Ｔｃ^*を求めたら（ステップＳ１０７）、このマップ値に基づいて、内燃機関１に与える燃料噴射量を制御する。次に、この制御方法について説明する。図８は、時間経過に対する車速、負荷率、触媒温度、燃料増量計数の変化を示す説明図である。図８の上段は、時間経過に対する車速、負荷率の変化を示し、中段は、時間経過に対する触媒温度の変化を示し、下段は時間経過に対する燃料増量係数の変化を示す。

図８に示す例は、この実施例に係る内燃機関を搭載した車両が加速し、一定の速度で走行し、減速して停止するまでを示している。図８の上段に示すように、車速（図８上段中の線）は、加速後、一定速度となってから減速して０になる。このとき内燃機関１の負荷率ＫＬ（図８上段中の点線）は、車両の加速とともに大きくなって一定値となり、加速が終了して車速が一定になると負荷率も一定になる。そして、車両の減速が始まると、負荷率ＫＬは低下して一定値となる。

第１、第２触媒温度推定マップ３１、３２から推定するマップ値Ｔｃ^*は、ある運転条件における内燃機関１の機関回転数ＮＥと負荷率ＫＬとが与えられれば一義的に決定される。したがって、図８の中段に示すように、前記触媒温度推定マップから求めたマップ値Ｔｃ^*は、内燃機関１の負荷率ＫＬ及び機関回転数ＮＥの変化に追従する（図８中段の実線）。ここで、第１、第２触媒温度推定マップ３１、３２から求めるマップ値は、定常状態におけるものである。したがって、加速中や減速中等のように、過渡的な変化が発生した場合の触媒の温度を表している訳ではなく、実際の触媒温度は、マップ値に対して遅れて追従する。このため、マップ値から、遅れを考慮した触媒温度の推定値Ｔｃ（図８中段の点線、以下、推定触媒温度という）を推定する必要がある。

このため、例えば、触媒５１の遅れモデルを作成し、その遅れモデルにおけるマップ値と推定触媒温度Ｔｃとの応答関数Ｔｃ＝ｆ（Ｔｃ^*）を求め、その応答関数を用いてマップ値から推定触媒温度Ｔｃを求める（ステップＳ１０８）。例えば、遅れが一次遅れであれば、応答関数は一次遅れの応答関数となる。また、例えば、ある運転条件における内燃機関１の吸入空気量を求め、予め求めた内燃機関１の吸入空気量と、マップ値Ｔｃ^*の単位時間あたりの変化量との関係から、推定触媒温度Ｔｃを求めてもよい。このようにして求めた触媒５１の推定温度は、マップ値に対して図８中段の点線で示すように変化する。

図８中段で示す、遅れを考慮した推定触媒温度Ｔｃが所定の制限値Ｔｃｌ以上になると、触媒５１が劣化するおそれがあるので、このときには内燃機関１に与える燃料噴射量を増量する。図８に示す例では、ｔ₂₁〜ｔ₂₂の期間に推定触媒温度Ｔｃが制限値Ｔｃｌを越える。このため、Ｔｃ≧Ｔｃｌの場合には（ステップＳ１０９；Ｙｅｓ）、燃料噴射量補正部１３は、燃料増量係数ｋを１．０よりも大きくすることにより空燃比Ａ／Ｆを下げて、内燃機関１へ噴射する燃料を増量する（ステップＳ１１０）。これにより燃焼状態が改善するので、排ガスに含まれる未燃ＨＣの量が減少する。その結果、排ガス温度が低下するので、触媒５１の温度を低下させることができる。

なお、ポート噴射の噴射割合と直噴噴射の噴射割合とを一定にしたまま、内燃機関１に噴射する全燃料噴射量ＴＡＵを増加してもよいが、全燃料噴射量ＴＡＵの増加分をポート噴射で噴射させてもよい。これは、ポート噴射の方が燃料と空気との混合が促進され、燃料の気化が促進されるため、排ガス中におけるＨＣ、ＣＯの量が減少して触媒温度Ｔｃをより迅速に低下させることができるからである。また、ポート噴射の方が効率的に触媒温度Ｔｃを低下させることができるので、触媒温度推定値Ｔｃが所定の制限値Ｔｃｌ以上であって、かつ両者の温度差が比較的小さい場合には、全燃料噴射量ＴＡＵを一定として、かつポート噴射１００％としてもよい。このようにすれば、燃料消費を抑制しつつ、触媒５１の温度を低下させることができる。Ｔｃ＜Ｔｃｌの場合には（ステップＳ１０９；Ｎｏ）、ＳＴＡＲＴに戻って触媒温度の監視を継続する。

（変形例）
図９−１、図９−２は、この実施例の変形例に係る触媒温度推定マップを示す説明図である。この変形例は、上記実施例とほぼ同様の構成であるが、ポート噴射弁又は直噴噴射弁のうち少なくとも一方の燃料噴射比率に対応して用意した複数の触媒温度推定手段を用いて触媒温度を推定する点が異なる。他の構成は上記実施例と同様なのでその説明を省略するとともに、同一の構成には同一の符号を付す。

図９−１に示すように、この変形例では、ポート噴射弁（又は直噴噴射弁）燃料噴射比率に応じて、触媒温度推定手段である触媒温度推定マップを複数備える。触媒温度推定マップ３３₁は、ポート噴射の燃料噴射比率が０％であり、２０％ステップでポート噴射の燃料噴射比率が増加する。そして、触媒温度推定マップ３３₆で、ポート噴射の燃料噴射比率が１００％となり、直噴噴射の燃料噴射比率は０％となる。このように、６枚の触媒温度推定マップ３３₁〜３３₆を有するマップ群３３が記憶部２０ｍに格納されている。

燃料噴射比率判定部１１により判定されたポート噴射弁２又は直噴噴射弁３のうち、少なくとも一方の燃料噴射比率から、触媒温度推定部１２は、マップ群３３から前記燃料噴射比率に対応した触媒温度推定マップを選択する。例えば、ポート噴射弁２の燃料噴射比率が４０％である場合、これに対応した触媒温度推定マップ３３₃が選択される。そして、選択された触媒温度推定マップ３３₃に、内燃機関１の機関回転数ＮＥと負荷率ＫＬとを与えて、そのときの触媒温度を推定する。

ポート噴射弁２等の燃料噴射比率が、前記マップ群３３が有する触媒温度推定マップの中に存在しない場合は、２個の触媒温度推定マップから補間により触媒温度を推定する。図１０は、補間の手順を示すフローチャートである。図１１は、補間の一例を示す説明図である。まず、燃料噴射比率判定部１１が、ポート噴射弁２又は直噴噴射弁３のうち、少なくとも一方の燃料噴射比率を求める（ステップＳ２０１）。次に、触媒温度推定部１２は、マップ群３３から前記燃料噴射比率よりも大きい燃料噴射比率の触媒温度推定マップと、小さい燃料噴射比率の触媒温度推定マップとを選択する（ステップＳ２０２）。

例えば、図１１に示す例では、直噴の燃料噴射比率が５２％なので、直噴の燃料噴射比率が４０％の触媒温度推定マップ３３₄と、直噴の燃料噴射比率が６０％の触媒温度推定マップ３３₃とを選択する。そして、両方の触媒温度推定マップに内燃機関１の機関回転数ＮＥ１と負荷率ＫＬとを与えて、それぞれのマップから触媒温度のマップ値を取得する。図１１に示す例では、触媒温度推定マップ３３₄のマップ値がＴｃｄ^*−１となり、触媒温度推定マップ３３₃のマップ値がＴｃｄ^*−２となる。

２つのマップ値が求まったら、補間式（２）により補間して（ステップＳ２０３）、直噴の燃料噴射比率が５２％の時のマップ値Ｔｃ^*を求める（ステップＳ２０４）。なお、補間式（２）は、次のようになる。
Ｔｃ^*＝（Ｔｃｄ^*−１）＋（（Ｔｃｄ^*−２）−（Ｔｃｄ^*−１））×５２／１００・・・（２）
なお、式（２）中の「５２」は、直噴の燃料噴射比率が４０％ｔｏ６０％との触媒温度推定マップから補間して、直噴の燃料噴射比率が５２％の場合を求めるためである。この変形例のように、燃料噴射比率に応じた複数のマップによって触媒温度を推定すれば、より触媒温度の推定精度が向上する。２枚の触媒温度推定マップを補間することにより求める場合も、より実際の状況に近いマップを用いることができるので、触媒温度の推定精度が向上する。

以上、この実施例によれば、ポート噴射弁で単独噴射する場合における、第１の触媒温度推定手段と、直噴噴射弁で単独噴射する場合における、第２の触媒温度推定手段に基づいて、触媒温度を推定する。これにより、ポート噴射弁等の燃料噴射割合に応じて、適切な触媒の温度を推定できるので、触媒温度の推定精度を向上させることができる。その結果、触媒の過熱を抑制するとともに、過剰な燃料増量を抑制できる。また、２個の触媒温度推定手段で推定した値を、ポート噴射弁等の燃料噴射比率に応じて補間することにより最も確からしい触媒温度を推定するので、触媒温度の推定精度を向上させることができる。さらに、複数の触媒温度推定手段を用意し、ポート噴射弁等の燃料噴射比率に応じて最適な触媒温度推定手段を選択し、さらにポート噴射弁等の燃料噴射比率に応じて前記触媒温度推定手段で推定した値を補間する。これにより、さらに触媒温度の推定精度を向上させて、より効果的に触媒の過熱を抑制するとともに、過剰な燃料増量をより効果的に抑制できる。

以上のように、本発明に係る内燃機関及び内燃機関の運転制御装置は、触媒の過熱抑制に有用であり、特に、ポート噴射弁と直噴噴射弁とを備える内燃機関において、触媒温度の推定精度を向上させることに適している。

この実施例に係る内燃機関の一例を示す説明図である。ある機関回転数における負荷率と触媒温度との関係を示す説明図である。内燃機関の負荷率をパラメータとしたときの機関回転数と触媒温度との関係を示す説明図である。この実施例に係る内燃機関の運転制御装置を示す説明図である。この実施例に係る内燃機関の運転制御の手順を示すフローチャートである。この実施例に係る第１触媒温度推定マップである。この実施例に係る第２触媒温度推定マップである。ある負荷率における触媒温度の推定値を示す説明図である。ポート噴射と直噴噴射との燃料噴射比率を変化させた場合における触媒温度の変化を示す説明図である。時間経過に対する車速、負荷率、触媒温度、燃料増量計数の変化を示す説明図である。この実施例の変形例に係る触媒温度推定マップを示す説明図である。この実施例の変形例に係る触媒温度推定マップを示す説明図である。補間の手順を示すフローチャートである。補間の一例を示す説明図である。

符号の説明

１内燃機関
２ポート噴射弁
３直噴噴射弁
４吸気ポート
５ピストン
６クランク軸
７点火プラグ
８吸気通路
９排気通路
１０内燃機関の運転制御装置
１１燃料噴射比率判定部
１２触媒温度推定部
１３燃料噴射量補正部
１４触媒温度推定マップ格納部
２０エンジンＥＣＵ
３１第１触媒温度推定マップ
３２第２触媒温度推定マップ
５１触媒

Claims

燃焼室へ空気を導入する吸気通路内へ燃料を噴射するポート噴射弁と、前記燃焼室内へ直接燃料を噴射する直噴噴射弁と、前記燃焼室で燃焼した前記燃料の排ガスを浄化する触媒と、を有し、
前記ポート噴射弁単独で燃料を噴射する場合の第１の触媒温度推定手段と前記直噴噴射弁単独で燃料を噴射する場合の第２の触媒温度推定手段とに基づいて、前記触媒の温度を推定することを特徴とする内燃機関。
燃焼室へ空気を導入する吸気通路内へ燃料を噴射するポート噴射弁と、前記燃焼室内へ直接燃料を噴射する直噴噴射弁と、前記燃焼室で燃焼した前記燃料の排ガスを浄化する触媒と、を有し、
前記ポート噴射弁単独で燃料を噴射する場合の第１の触媒温度推定手段と、前記直噴噴射弁単独で燃料を噴射する場合の第２の触媒温度推定手段とに基づいて前記触媒の温度を推定し、さらに、全燃料噴射量に対する前記直噴噴射弁又は前記ポート噴射弁のうち少なくとも一方の燃料噴射比率に応じて、前記第１の触媒温度推定手段から推定した値と前記第２の触媒温度推定手段から推定した値とを補間して、前記触媒の温度を推定することを特徴とする内燃機関。
燃焼室へ空気を導入する吸気通路内へ燃料を噴射するポート噴射弁と、前記燃焼室内へ直接燃料を噴射する直噴噴射弁と、前記燃焼室で燃焼した前記燃料の排ガスを浄化する触媒と、を有し、
前記直噴噴射弁と前記ポート噴射弁との燃料噴射比率に対応する複数の触媒温度推定手段から、全燃料噴射量に対する前記直噴噴射弁又は前記ポート噴射弁のうち少なくとも一方の燃料噴射比率に対応する触媒温度推定手段を用いることにより、前記触媒の温度を推定することを特徴とする内燃機関。
前記触媒の温度は、前記内燃機関の負荷率と機関回転数とから推定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。
推定された前記触媒の温度に基づいて燃料噴射量を補正することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関。
燃焼室へ空気を導入する吸気通路内へ燃料を噴射するポート噴射弁と、前記燃焼室内へ直接燃料を噴射する直噴噴射弁と、前記燃焼室で燃焼した前記燃料の排ガスを浄化する触媒と、を有する内燃機関の運転を制御するものであり、
前記ポート噴射弁単独で燃料を噴射する場合の第１の触媒温度推定手段と、前記直噴噴射弁単独で燃料を噴射する場合の第２の触媒温度推定手段とを格納する触媒温度推定手段格納部と、
全燃料噴射量に対する前記直噴噴射弁又は前記ポート噴射弁のうち少なくとも一方の燃料噴射比率を判定する燃料噴射比率判定部と、
前記燃料噴射比率に応じて、前記第１の触媒温度推定手段から推定した値と前記第２の触媒温度推定手段から求めた値とを補間して、前記触媒の温度を推定する触媒温度推定部と、
前記触媒温度推定部により推定された前記触媒の温度に基づいて、前記内燃機関に対する燃料噴射量を補正する燃料噴射量補正部と、
を含んで構成されることを特徴とする内燃機関の運転制御装置。
燃焼室へ空気を導入する吸気通路内へ燃料を噴射するポート噴射弁と、前記燃焼室内へ直接燃料を噴射する直噴噴射弁と、前記燃焼室で燃焼した前記燃料の排ガスを浄化する触媒と、を有する内燃機関の運転を制御するものであり、
前記直噴噴射弁と前記ポート噴射弁との燃料噴射比率に対応する複数の触媒温度推定手段を格納する触媒温度推定手段格納部と、
全燃料噴射量に対する前記直噴噴射弁又は前記ポート噴射弁のうち少なくとも一方の燃料噴射比率を判定する燃料噴射比率判定部と、
前記燃料噴射比率に対応した前記触媒温度推定手段を用いて、前記触媒の温度を推定する触媒温度推定部と、
前記触媒温度推定部により推定された前記触媒の温度に基づいて、前記内燃機関に対する燃料噴射量を補正する燃料噴射量補正部と、
を含んで構成されることを特徴とする内燃機関の運転制御装置。