JP2006183637A - エンジンの空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多気筒エンジン１の始動後に触媒２４，２６の暖機を促進しながら、排気中の有害成分を減少させ、さらに、触媒２４，２６からの有害成分の吹き抜けを抑制して、大気中に放出される有害成分を低減する。
【解決手段】成層乃至弱成層燃焼によって気筒内空燃比のリーンな状態でエンジン１を始動させる。各気筒２を、その点火順に交互にリッチ、リーンに振り分けて、それぞれが排出するリッチ排気中のＨＣやＣＯとリーン排気中のＮＯｘや酸素とを排気集合部以降で反応させることで、プレ触媒２４が未活性な状態であっても有害成分を減らすことができ、且つ排気温度を高めて触媒２４の昇温を促進できる。空燃比の振れ幅を最初のうちは小さくし、その後、触媒２４の活性容量の増大に応じて大きくすることで、排気中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘがプレ触媒２４を吹き抜けることなく反応し、その反応熱によって触媒２４の温度を効率良く上昇させることができる。
【選択図】 図８

Description

本発明はエンジンの空燃比制御装置に関し、特に、エンジン始動後の触媒の早期活性化のために、排気の空燃比を周期的にリッチ、リーンに切換える制御の技術分野に属する。

従来より一般に三元触媒などには、その浄化ウインドウを拡大するために所謂酸素吸蔵能（oxygen storage capacity：以下、ＯＳＣと略称する）が備わっており、これを活用して触媒の働きを高めるために、エンジンの空燃比を理論空燃比近傍でリッチ側とリーン側とに周期的に変更し（一般にパータベーション制御などという）、これにより、排気を相対的にＨＣ、ＣＯ等の還元剤成分が多いリッチな状態と、反対に酸素の分量が多いリーンな状態とに交互に切換える、という技術は知られている（特許文献１を参照）。

そのように排気の空燃比をリッチ、リーンに切換えた場合、その空燃比の周期的な変化によって触媒の働きが高められるとともに、排気のリーンな状態では過剰な酸素が触媒に吸蔵される一方、リッチな状態では触媒から酸素が放出されることによって、触媒内の排気の空燃比が前記浄化ウインドウ内に維持されることになり、これにより、ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘなどの有害成分を効率良く反応させて浄化することができる。

さらに、そうして排気中のＨＣ，ＣＯなどが酸化されるときに発生する反応熱によって排気の温度が高くなるので、このことを利用して、例えばエンジンの始動後に、未活性の触媒の温度を速やかに上昇させて、活性化を促進することも提案されている。
特開２００３−２１４２２７号公報

しかしながら、前記のように排気の空燃比を周期的に変化させる場合には、その周期や振れ幅が過度に大きくならないように注意しなくてはならない。すなわち、排気空燃比の変化の周期が長い（周波数が低い）ときやその振幅が大きいときには、排気中の酸素量の変化が大きくなり、この酸素量の変化を触媒のＯＳＣにより吸収しきれなくなると、ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘなど（有害成分）が触媒を吹き抜けてしまい、三元浄化性能が損なわれることになるからである。

特にエンジンの始動後、排気によって触媒が十分に暖められるまでの間は通常、ＯＳＣも小さくなるので、触媒自体が活性途上であることも相俟って、排気中の有害成分の多くが触媒を吹き抜けてしまう虞れがある。

また、寒冷地における冷間始動後などは、前記のように排気温度を高くしても、触媒の温度はなかなか上昇せず、この間は触媒による有害成分の浄化が殆ど期待できないので、前記のようにして触媒の温度上昇を促進するだけでなく、触媒に流入する排気中において有害成分を減らすことも求められる。

本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、エンジンの始動後に排気空燃比を周期的にリッチ、リーンに変更することによって、触媒の温度上昇を促進する場合に、その空燃比変化の振れ幅や周期の設定に工夫を凝らして、触媒の温度上昇を効果的に促進しながら、触媒入口までの排気中の有害成分を減少させ、さらに、触媒からの有害成分の吹き抜けを抑制して、触媒の暖機前に大気中に放出される有害成分の量を減らすことにある。

前記目的の達成のために、本発明の第１の解決手段は、エンジン始動後に排気の空燃比を所定以下の短い周期で変化させるとともに、その振れ幅を最初のうちは小さくし、その後、排気によって暖められる触媒の活性化の進行に応じて大きくすることにより、該触媒に対しその活性容量の増加に対応する適量の還元剤及び酸化剤を供給するようにした。

具体的に、請求項１の発明では、排気系の集合部よりも下流に少なくとも理論空燃比近傍で三元浄化機能を有する触媒が配設された多気筒エンジンに備えられ、このエンジンの始動後に前記触媒の活性化を促進すべく、排気の空燃比を理論空燃比近傍でリッチ側及びリーン側に周期的に変化させるようにしたエンジンの空燃比制御装置を対象として、
前記排気集合部近傍の排気の空燃比を検出するためのセンサと、
エンジン始動後の所定期間、排気の空燃比Ａ／Ｆが１４〜１５の間の目標値を中心として１０Ｈｚ以上の周波数で周期的にリッチ側及びリーン側に変化するように、少なくとも１つの気筒をリッチ側にまた別の少なくとも１つの気筒をリーン側に設定して、それぞれ前記センサからの信号に基づいて気筒内の空燃比をフィードバック制御する空燃比フィードバック制御手段と、
前記触媒の活性化の進行に応じて前記排気空燃比の振れ幅が大きくなるように、前記空燃比フィードバック制御手段によって制御される気筒内空燃比のリッチ及びリーンの度合いを変更する空燃比振幅変更手段と、を備える構成とする。

前記の構成により、まず、エンジン始動後の所定期間、空燃比フィードバック制御手段により複数の気筒がリッチ、リーンに振り分けられて、それぞれ気筒内空燃比のフィードバック制御が行われることで、その各気筒からの排気がそれぞれリッチ状態（ＨＣ，ＣＯなど還元剤成分の多い状態）及びリーン状態（ＮＯｘや酸素など酸化成分の多い状態）になり、これにより排気系の集合部における排気の空燃比は周波数にして１０Ｈｚ以上の短い周期でリッチ、リーンに変化するようになる。

そして、そのように各気筒から排出されたリッチな排気とリーンな排気との少なくとも一部分は排気系の集合部から触媒入口までの間で混ざり合い、この混ざり合った排気中のＨＣやＣＯとＮＯｘや酸素とが反応することで、有害成分であるＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘが減少するとともに、その反応熱により排気温度が上昇する。つまり、前記のように複数の気筒をリッチ、リーンに振り分けて、所定以上に短い周期で排気空燃比をリッチ、リーンに変化させることにより、触媒が未活性でＯＳＣも得られない状態であっても、排気中の有害成分を減らしつつ、排気温度を高めて触媒の昇温を促進することができる。

しかも、排気の空燃比が周波数にして１０Ｈｚ以上という短い周期でリッチ、リーンに変化することから、時間当たりの反応回数は非常に多くなり、前記触媒の昇温が効率良く行われる。

また、前記気筒内空燃比のリッチ、リーンの度合いは、最初のうちは小さくされ、その後、前記のように排気によって暖められる触媒の活性化の進行に応じて、空燃比振幅変更手段によって大きくなるように変更される。すなわち、エンジンの始動直後は排気空燃比の振れ幅が最小になり、排気中に含まれるＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの濃度が低くなるので、触媒入口までの排気通路において殆どのＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘが反応することになり、このため、触媒が未活性でＯＳＣも得られない状態であっても、有害成分であるＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの大気への放出は非常に少なくなる。

そして、触媒の温度が上昇して部分的に活性化し、或る程度ＯＳＣも得られるようになると、今度は気筒内空燃比のリッチ、リーンの度合いが大きくされて、排気空燃比の振れ幅が大きくなり、排気中に含まれるＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの濃度が高くなる。このことで、前記の如く触媒入口までに反応するＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの割合が低下して、未反応のまま触媒に流入する割合が多くなり、これらが触媒内で反応することにより、当該触媒の温度が速やかに上昇する。

つまり、触媒の活性化の進行に応じて排気空燃比の振れ幅を大きくすることにより、該触媒の活性容量及びＯＳＣの増大に対応して、これに見合うだけの適量のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘを供給することができ、それらが触媒の下流に吹き抜けることを防止しながら、触媒の昇温を効率良く促進できる。

加えて、前記排気空燃比の変化、即ち気筒内空燃比のリッチ、リーンの変化の周波数が１０Ｈｚ以上と高いことから、前記のように触媒の活性化に応じて空燃比の振れ幅を大きくしたときに、このことによってエンジン出力（トルク）の変動が大きくなっても、このトルク変動は乗員には感じ難いものである。

前記のように触媒の活性化の進行に応じて、気筒内空燃比のリッチ及びリーンの度合いを変更するためには、例えば、触媒乃至その上流側排気通路の温度状態を判定する温度状態判定手段を備え、少なくともその温度状態の判定結果に基づいて気筒内空燃比のリッチ及びリーンの度合いを変更するようにすればよい（請求項２の発明）。

また、排気の空燃比を周波数にして１０Ｈｚ以上の短い周期で変化させるためには、例えば、空燃比フィードバック制御手段において、エンジンの各気筒をその点火順に交互にリッチ側、リーン側に設定するようにすればよい（請求項６の発明）。

次に、本発明の第２の解決手段は、まず、成層リーン燃焼によってエンジンを始動することにより、その始動期間におけるＨＣ、ＣＯの排出を低減し、その始動直後から前記請求項１の発明と同様に排気の空燃比を高周波でリッチ、リーンに変化させることにより、有害成分の放出を抑制しながら触媒の昇温を促進するようにした。

具体的に、請求項３の発明では、前記請求項１の発明と同じ前提構成の空燃比制御装置を対象として、排気集合部近傍の排気の空燃比を検出するためのセンサと、各気筒内にそれぞれ燃料を直接、噴射するように配設された燃料噴射弁と、を備えるとともに、
クランキングからエンジン回転速度が所定値に達するまでのエンジン始動期間において前記燃料噴射弁により各気筒の少なくとも圧縮行程で燃料を噴射させて、当該各気筒内の空燃比を理論空燃比よりもリーンになるように制御する始動時空燃比制御手段と、
前記エンジン始動期間の後、排気の空燃比Ａ／Ｆが１４〜１５の間の目標値を中心として１０Ｈｚ以上の周波数で周期的にリッチ側及びリーン側に変化するように、少なくとも１つの気筒をリッチ側にまた別の少なくとも１つの気筒をリーン側に設定して、それぞれ前記センサからの信号に基づいて気筒内の空燃比をフィードバック制御する空燃比フィードバック制御手段と、を備える構成とする。

前記の構成により、まず、エンジンの始動期間において、始動時空燃比制御手段により各気筒の燃料噴射弁により少なくとも圧縮行程で燃料が噴射されて、点火プラグ近傍に燃料噴霧が偏在する状態で着火、燃焼するようになる。このことで、燃料の気化霧化が悪い始動期間であっても、気筒内の空燃比が理論空燃比よりもリーンな成層状態で燃焼させることができ、これによりＨＣ，ＣＯの大幅な低減が図られる。

そして、前記始動期間の後に、上述の請求項１の発明と同様に、空燃比フィードバック制御手段によって複数の気筒をリッチ、リーンに振り分けて、気筒内空燃比のフィードバック制御が行われることにより、排気の空燃比を非常に短い周期でリッチ、リーンに変化させ、これにより、排気中の有害成分を減らしつつ、排気温度を効果的に高めて触媒の昇温を促進することができる。

上述の如き構成の空燃比制御装置において、前記のように周期的にリッチ、リーンに変化する排気空燃比Ａ／Ｆの中心値（目標値）は、１４．６以下とするのが好ましい（請求項４の発明）。この排気空燃比Ａ／Ｆの中心値は、空燃比フィードバック制御手段により制御される各気筒内の空燃比の平均値に対応し、これを理論空燃比よりもややリッチに制御すると、燃焼に伴い生成されるＣＯの量が多くなる（図６参照）。そして、ＣＯは同じ還元剤成分であるＨＣよりも反応温度が低いので、排気中のＣＯ濃度が高くなれば酸素やＮＯｘとの反応をより低温側から開始させることができるからである。

また、前記空燃比フィードバック制御手段のより具体的な構成として、好ましいのは、リッチ側の気筒において、排気空燃比の目標値とその振れ幅とに基づいて気筒内空燃比のリッチ側目標値を決定し、このリッチ側目標値に基づいて決定したリッチ側目標燃料噴射量をセンサからの信号によって補正する一方、
リーン側の気筒においては、前記排気空燃比の目標値に対応する全気筒平均の基準燃料噴射量と、これに対する前記リッチ側目標燃料噴射量の増分とをそれぞれ計算し、その基準燃料噴射量からリッチ側目標燃料噴射量の増分を減算して、リーン側の目標燃料噴射量を決定した上で、このリーン側目標燃料噴射量を前記センサからの信号によって補正するものとすることである（請求項５の発明）。

すなわち、燃料噴射弁や燃料供給部材の個体ばらつきを考慮すれば、正確な空燃比制御を行うためにはフィードバック制御をすることが必要であるが、全気筒の平均的な空燃比の偏差に応じてフィードバック補正を行う場合に、仮にリッチ側及びリーン側の両方についてそれぞれ制御目標値を決めてしまうと、例えばリッチ側にばらつきなどの原因のある空燃比の偏差に応じてリーン側も補正される結果として、このリーン側の気筒において空燃比の目標値からのずれが拡大することがあり、こうしたリッチ側、リーン側の相互作用によって制御が目標値へ収束し難くなるとともに、発散してしまう虞れもある。

これに対し、前記のようにリッチ、リーンのいずれか一方のみ目標空燃比を設定して、これに対応する目標燃料噴射量を決めるようにし、他方については目標空燃比は設定せず、前記リッチ側の目標燃料噴射量と全気筒平均の基準燃料噴射量とから目標燃料噴射量を決めるようにすれば、前記した制御上の不具合を招くことなく、フィードバック制御によって全気筒の平均的な空燃比を速やかに目標値に収束させることができる。

その場合に、前記基準空燃比がややリッチに設定されていると、燃料噴射弁などの個体ばらつきによる空燃比の偏差は理論空燃比に対しリッチ側で大きくなり易いが、この点、前記のようにリッチ、リーンのうちのリッチ側で目標空燃比を設定すれば、このリッチ側において空燃比の制御精度が高くなるので、前記リッチ側での空燃比偏差の増大を抑えて、リッチ、リーンの両方で空燃比偏差を小さくすることができる。

さらに、前記のような構成の空燃比制御装置において、触媒がエンジンの排気マニホルドの下流に接続されていて、この触媒よりも下流の排気通路にも別の触媒（少なくとも理論空燃比近傍で三元浄化機能を有するもの）が配設されている場合に、好ましいのは、
前記空燃比振幅変更手段を、前記上流側の触媒が全活性状態になれば、排気空燃比の振れ幅が相対的に小さくなるように、空燃比フィードバック制御手段によって制御される気筒内空燃比のリッチ及びリーンの度合いを変更するものとし、
これに加えて、前記上流側触媒が全活性状態になれば、前記排気空燃比の変化の周期が相対的に長くなるように、前記空燃比フィードバック制御手段におけるリッチ側及びリーン側気筒の設定を変更する気筒設定変更手段を備えることである（請求項７の発明）。

こうすると、排気通路上流側の触媒全体が所定の活性温度になって本来の転化効率を発揮する全活性状態になれば、空燃比振幅変更手段により気筒内空燃比のリッチ及びリーンの度合いが小さくなるように変更されて、排気空燃比のリッチ、リーンの振れ幅が相対的に小さくなり、これにより排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘなどの濃度が低くなるので、それらの反応による発熱量が小さくなって、上流側触媒の過度の温度上昇が抑制される。

また、気筒設定変更手段によりリッチ側及びリーン側気筒の設定が変更されて、前記排気空燃比の変化の周期が相対的に長くなり、これにより時間当たりの反応回数が減少するので、このことによっても上流側触媒の過度の温度上昇が抑制される。しかも、排気空燃比の変化の周期が長くなれば、上流側触媒のＯＳＣを越えてＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘが下流側に吹き抜けるようになり、こうして供給されるＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ等の反応熱によって、下流側触媒の昇温を促進することができる。

加えて、前記のように空燃比の変化の周期が長くなると、これに伴うエンジントルクの変動の周期も長くなるので、乗員の感じやすい周波数域の振動が発生する虞れがあるが、このときには空燃比の振れ幅が小さくなっていて、エンジントルクの変動幅、即ち加振力が小さいことから、乗員が振動を感じて違和感を覚えることはない。

次に、前記のように排気通路に上流側及び下流側の２つの触媒を備える場合に限定して、本発明の第３の解決手段は、エンジン始動後にまず、前記の発明と同様に排気の空燃比を高周波でリッチ、リーンに変化させることにより、有害成分の放出を抑制しながら上流側触媒の昇温を促進し、この上流側触媒の完全活性後は排気空燃比の変化の周期を長く（周波数を低下）することによって、下流側触媒の昇温を促進するようにしたものである。

すなわち、請求項８の発明では、排気マニホルドの集合部下流に少なくとも理論空燃比近傍で三元浄化機能を有する触媒が接続された多気筒エンジンに備えられ、このエンジンの始動後に前記触媒の活性化を促進すべく、排気の空燃比を理論空燃比近傍でリッチ側及びリーン側に周期的に変化させるようにしたエンジンの空燃比制御装置を対象として、前記触媒よりも下流の排気通路にも、少なくとも理論空燃比近傍で三元浄化機能を有する別の触媒が配設されている場合に、
前記排気マニホルドの集合部近傍の排気の空燃比を検出するためのセンサと、
エンジン始動後の所定期間、排気の空燃比Ａ／Ｆが１４〜１５の間の目標値を中心として周期的にリッチ側及びリーン側に変化するように、少なくとも１つの気筒をリッチ側にまた別の少なくとも１つの気筒をリーン側に設定して、それぞれ前記センサからの信号に基づいて気筒内の空燃比をフィードバック制御する空燃比フィードバック制御手段と、
前記上流側の触媒が全活性状態になれば、前記排気空燃比の変化の周期が相対的に長くなるように、前記空燃比フィードバック制御手段におけるリッチ側及びリーン側気筒の設定を変更する気筒設定変更手段と、を備える構成とする。

前記の構成により、エンジン始動後の所定期間は、上述の請求項１の発明と同様に、空燃比フィードバック制御手段によって複数の気筒をリッチ、リーンに振り分けて、気筒内空燃比のフィードバック制御が行われることにより、排気の空燃比を短い周期でリッチ、リーンに変化させ、これにより、排気中の有害成分を減らしつつ、排気温度を高めて上流側触媒の昇温を促進することができる。

そして、前記上流側の触媒が全活性状態になれば、気筒設定変更手段によりリッチ、リーンの気筒の設定が変更されて、前記排気空燃比の変化の周期が相対的に長くなり、これにより時間当たりの反応回数が減少することで、上流側触媒の過度の温度上昇が抑制されるとともに、この上流側触媒のＯＳＣを越えて吹き抜けるＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘが下流側の触媒に供給されるようになり、これにより該下流側触媒の昇温を促進することができる。

但し、そのように空燃比の変化の周期が長くなると、これに伴うエンジントルクの変動の周期も長くなって、乗員の感じやすい周波数域の振動が発生する虞れがあるので、前記空燃比制御装置には、上流側の触媒が全活性状態になれば、排気空燃比Ａ／Ｆの振れ幅が相対的に小さくなるように、空燃比フィードバック制御手段によって制御される気筒内空燃比のリッチ及びリーンの度合いを変更する空燃比振幅変更手段を備えることが好ましい（請求項９の発明）。こうすれば、空燃比の振れ幅が小さくなることによってエンジントルクの変動幅、即ち加振力も小さくなり、低周波の振動が発生しても、乗員が違和感を覚えることはない。

また、前記請求項８、９の空燃比制御装置においても、空燃比フィードバック制御手段は、少なくとも上流側の触媒が所定の部分活性状態になるまでの間、排気空燃比が１０Ｈｚ以上の周波数で周期的に変化するように、リッチ側及びリーン側気筒を各気筒の点火順に交互に設定するものとするのが好ましい（請求項１０の発明）。

こうすれば、上流側触媒が所定の部分活性状態になって或る程度ＯＳＣも得られるようになるまでの間、即ち、触媒による有害成分の浄化があまり期待できないときに、前記請求項１、３の発明と同様に排気空燃比を所定以下の短い周期でリッチ、リーンに変化させることにより、排気集合部から触媒入口までの間で排気中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘなどを効果的に反応させることができるからである。

以上のように、本発明に係るエンジンの空燃比制御装置によると、エンジンの始動後に複数の気筒をリッチ側及びリーン側に振り分けて空燃比のフィードバック制御を行うことにより、排気集合部以降の排気の空燃比を所定以下の短い周期で変化させ、これにより、触媒の活性が低くＯＳＣも小さい状態であっても、排気中の有害成分を減らしながら、排気温度を高めて触媒の昇温を促進することができる。

特に請求項１、２の発明では、排気空燃比の振れ幅を最初のうちは小さくし、その後、排気によって暖められる触媒の活性化の進行に応じて大きくすることにより、触媒に対しその活性容量及びＯＳＣの増大に見合うだけの適量のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘを供給することができ、それらが触媒の下流に吹き抜けることを防止しながら、触媒の昇温を効率良く促進することができる。

また、請求項３の発明では、エンジンの始動期間において燃料噴射弁により気筒の圧縮行程で燃料を噴射させて、成層リーン燃焼によってエンジンを始動することにより、その始動期間におけるＨＣ、ＣＯの排出量を減らすことができる。

請求項４の発明では、排気空燃比の中心値をややリッチとすることで、排気中の還元剤成分としてＨＣよりも低温で反応するＣＯの分量を増やすことができ、このことで、より低温側から反応を促進することができる。

請求項５の発明では、排気空燃比の中心値（基準空燃比）の他に、リッチ側の目標空燃比を設定する一方、リーン側目標空燃比は設定せずにフィードバック制御を行うことで、制御の収束性の低下などの不具合を招くことなく、全気筒の平均的な空燃比を目標値に収束させることができる。

さらに、請求項７、８の発明では、エンジンの排気通路に上流側及び下流側の２つの触媒を備える場合に、エンジン始動後、まず前記のように排気空燃比を高周波でリッチ、リーンに変化させることにより、大気への有害成分の放出を低減しつつ、上流側触媒の昇温を促進することができるとともに、この上流側触媒の完全活性後は排気空燃比の変化の周期を長く（周波数を低下）することによって、それ以上の上流側触媒の温度上昇を抑制しつつ、下流側触媒の昇温を促進することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

（エンジンの概略構成）
図１は、本発明の実施形態に係る空燃比制御装置Ａを備えた筒内噴射式のガソリンエンジン１を模式的に示し、この実施形態のエンジン１は、図には１つのみ示すが、４つのシリンダ（気筒）２，２，…が直列に配置されたものである。図示の如く、気筒２の上端はシリンダブロック３の上端面に開口していて、そこに載置されたシリンダヘッド４の下面により閉塞されている。該気筒２内にはピストン５が往復動可能に嵌挿されていて、このピストン５の上面と前記シリンダヘッド４の下面との間に燃焼室６が区画されている。

一方、ピストン５の下方のクランクケース内にはクランク軸７が配設され、コネクティングロッドによって各気筒２のピストン５とそれぞれ連結されている。また、クランクケース内には、クランク軸７の一端側において、その回転角度を検出するようにクランク角センサ８が配設されている。

前記シリンダヘッド４には、各気筒２毎にその軸心に沿うようにして点火プラグ９が配設されている。この点火プラグ９の先端の電極は燃焼室６に臨むように配置され、一方、点火プラグ９の基端部は点火回路１０に接続されている。この点火回路１０にはイグナイタ及びイグニッションコイルが含まれており、後述のＥＣＵ３０からの制御信号を受けて各気筒２毎に所定のタイミングで点火プラグ９に通電するようになっている。

また、各気筒２の周縁部には燃料噴射弁１２が配設されていて、その先端の噴口が燃焼室６を臨む一方、燃料噴射弁１２の基端部は図示しない燃料供給系に接続されている。そして、ＥＣＵ３０からの制御信号を受けて燃料噴射弁１２が気筒２の圧縮行程の所定のタイミングで噴射作動すると、その噴口から噴出した燃料噴霧が点火プラグ９周りに層状に分布した混合気を形成し、一方、燃料噴射弁１２が気筒２の吸気行程で噴射作動すると、燃料噴霧は燃焼室６に拡散して均一な混合気を形成するようになる。

さらに、前記シリンダヘッド４には、各気筒２毎の燃焼室６に臨んで開口するように吸気ポート１３及び排気ポート１４がそれぞれ形成され、その各ポート開口部にはそれぞれ図示しないカム軸によって開閉されるように吸気弁１５及び排気弁１６が配設されている。そのカム軸は吸気側及び排気側に１本ずつ設けられており、共通のタイミングチェーンによってクランク軸７と同期して回転されるようになっている。

前記シリンダヘッド４の吸気側（図の右側）には、吸気ポート１３に連通するようにして吸気通路１７が接続されている。この吸気通路１７は、各気筒２の燃焼室６に対して図外のエアクリーナにより濾過した空気を供給するためのものであり、サージタンク１８よりも上流の共通通路には、電動アクチュエータ１９などにより駆動されて吸気を絞るスロットル弁２０が配設されている。また、サージタンク１８よりも下流側は各気筒２毎の独立通路に分かれていて、これらの独立通路とサージタンク１８とが一体に吸気マニホルドとして形成されており、そのサージタンク１８において吸気の圧力状態（マニホルド負圧）を検出するように吸気圧センサ２１が配設されている。

一方、シリンダヘッド４の排気側（図の左側）には、排気ポート１４に連通するようにして、各気筒２の燃焼室６から既燃ガスを排出するための排気通路２２が接続されている。この排気通路２２の上流側は、各気筒２毎の独立通路からなる排気マニホルド２３によって構成されており（図５を参照）、この排気マニホルド２３の集合部の下流に、排気中の有害成分である炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するための三元触媒２４が直接、接続されている。

前記三元触媒２４は、詳細は図示しないが、ケーシング内に収容したハニカム構造の担体の各貫通孔壁面に触媒層を形成したものであって、従来より周知の通り白金やパラジウムなどの貴金属を含有し、所定温度域にて活性化して、図２に示すように、排気の空燃比が略理論空燃比近傍にあるときに、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを略完全に浄化することができる。また、三元触媒２４の触媒層は酸化セリウムなどの酸素吸蔵物質も含有しており、所定温度以上で排気のリーンな状態（例えば排気中の酸素濃度が０．５％以上の酸素過剰雰囲気）にあるときに酸素を吸蔵し、排気の酸素濃度が低下してリッチな状態になると吸蔵した酸素を放出する、所謂酸素吸蔵能（oxygen storage capacity：以下、ＯＳＣと略称する）を有する。

また、前記三元触媒２４は、後述するエンジン始動時などにできるだけ早く活性化するよう、比較的容量の小さなものとするとともに、温度上昇の早い薄肉の担体を使用している（以下、プレ触媒ともいう）。こうしてプレ触媒２４の熱容量を小さくするとともに、前記排気マニホルド２３の独立通路は、二重構造の鋼管の間に保温層を設けて放熱を抑えるようにしており、このことによってもプレ触媒２４の温度上昇、即ち活性化を早めることができる。そして、この実施形態では、前記プレ触媒２４の温度上昇の様子を検出するために、触媒２４のケーシングの上流端部に温度センサ２５を配設している。

前記プレ触媒２４よりも下流の排気通路２２には、相対的に容量の大きな別の触媒２６が配設されている（以下、メイン触媒ともいう）。このメイン触媒２６は、詳細は図示しないが、この実施形態では、１つのケーシング内に２つの担体を直列に収容して、そのうちの上流側の担体の各貫通孔壁面にいわゆるＮＯｘ吸蔵タイプの触媒層を形成する一方、下流側の担体には前記三元触媒２４と同じ触媒層を形成したものである。

前記ＮＯｘ吸蔵タイプの触媒層は、排気の空燃比がリーンな状態でもＮＯｘを浄化可能なものであり、例えばゼオライト等のベースコートに酸化バリウム等のＮＯｘ吸蔵材と白金やパラジウム等の貴金属とを担持させてなり、排気の空燃比状態が理論空燃比よりもリーンな状態で排気中のＮＯｘを吸蔵する一方、そのようにして吸蔵したＮＯｘを空燃比状態のリッチ化に応じて放出し、且つ還元浄化するという機能を有する。また、排気の空燃比が理論空燃比近傍にあるときには、前記三元触媒と同様にＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを略完全に浄化可能なものである。

前記エンジン１の排気マニホルド２３の集合部付近には、排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ２７（所定範囲において酸素濃度に応じたリニアな信号を出力する広帯域センサ）が配設されており、主にこのセンサ２７からの信号に基づいてエンジン１の空燃比フィードバック制御が行われるようになっている。一方、前記下流側のメイン触媒２６の下流には排気の空燃比が理論空燃比のとき（酸素濃度が約０．５％のとき）を境に出力が反転する、所謂ラムダセンサ２８が配設されている。

さらに、前記排気マニホルド２３には、その排気通路から分岐するようにして排気の一部を吸気通路１７に還流させる排気還流通路（以下、ＥＧＲ通路という）の上流端が接続されている。このＥＧＲ通路の下流端は前記サージタンク１８の内部に臨んで開口していて、その近傍のＥＧＲ通路にはデューティソレノイド弁からなるＥＧＲ弁２９が配設されており、このＥＧＲ弁２９によってＥＧＲ通路における排気の還流量が調節されるようになっている。

そうして、前記の如く構成されたエンジン１の運転制御は、エンジンコントロールユニット３０（以下、ＥＣＵという）によって行われる。このＥＣＵ３０は、周知の如くＣＰＵやメモリ、Ｉ／Ｏインターフェース回路等を備え、少なくとも前記のクランク角センサ８、吸気圧センサ２１、酸素濃度センサ２７、ラムダセンサ２８からの信号を入力するとともに、スロットル弁２０よりも上流の吸気通路１７に配設された吸気流量センサ３１及び吸気温度センサ３２からの信号と、エンジン１の冷却水温を検出する水温センサ３３からの信号と、吸気側のカム軸に取り付けられたカム角センサ３４からの信号と、車両のアクセルペダルの踏み操作量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ３５からの信号とを入力する。

そして、ＥＣＵ３０は、前記各センサからの入力信号などに基づいてエンジンの運転状態を判定し、これに応じて所定の制御プログラムに従って、前記エンジン１の点火回路１０、燃料噴射弁１２、スロットル弁２０、ＥＧＲ弁２９などの作動を制御することにより、エンジンの運転制御を行うようになっている。例えば、エンジンの暖機後（温間）において相対的に低負荷低回転側の運転領域では、燃料噴射弁１２により気筒２の圧縮行程で燃料を噴射させ、点火プラグ９の周りに混合気が偏在する状態で燃焼（成層燃焼）させる一方、それ以外の運転領域では気筒２の吸気行程で燃料を噴射させて、気筒２内に形成した概ね均一な混合気を燃焼（均一燃焼）させる。

（エンジン始動時の制御）
ところで、一般に、ガソリンエンジンを搭載した自動車においては、排気中の有害成分の大部分が触媒の活性化していないエンジン始動直後に排出されることが知られている。この点、この実施形態では、エンジン始動後にできるだけ早く触媒を活性化させるために、上述の如く排気マニホルド２３の直下に比較的熱容量が小さくて暖まりやすいプレ触媒２４を配設するとともに、本発明の特徴部分として、エンジン１の始動後に排気の空燃比を理論空燃比近傍でリッチ側とリーン側とに周期的に変化させ、これにより排気温度を高めるようにしている。

すなわち、相対的にＮＯｘや酸素の分量が多いリーンな排気をプレ触媒２４に供給し、ＯＳＣによって過剰な酸素を触媒層に吸蔵させた後に、今度は相対的にＨＣ、ＣＯ等の還元剤成分の多いリッチな排気を供給して、これを触媒層から放出される酸素と反応させるようにすれば、そのときの反応熱によってプレ触媒２４を効果的に暖めることができるのである。

しかし、通常、エンジン始動直後はプレ触媒２４の温度が低く、浄化性能を発揮しない未活性な状態であり、このときにはＯＳＣも得られないので、前記のように排気の空燃比を変化させてもＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘなどをプレ触媒２４内で効果的に反応させることは難しく、それらの有害成分がプレ触媒２４を吹き抜けて大気放出されてしまう。また、プレ触媒２４が徐々に暖まって部分的に活性化しても、未だＯＳＣの小さい状態で排気空燃比を大きく変化させると、前記と同様にＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘなどの有害成分が触媒を吹き抜ける虞れがある。

特に寒冷地においては、エンジン始動後も触媒の温度はなかなか上昇せず、プレ触媒２４の未活性な期間が長くなってしまうが、この期間においては該プレ触媒２４による有害成分の浄化を期待できないので、前記のようにしてプレ触媒２４の昇温を促進するだけではなく、それ以前に、プレ触媒２４に流入する排気中においてＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘなどの有害成分を減らすことも求められる。

斯かる諸点に鑑みて、この実施形態では、本発明の最大の特徴として、エンジン１の始動後に気筒２，２，…をリッチ側、リーン側に振り分けて、それぞれ空燃比のフィードバック制御を行うことにより、排気マニホルド２３の集合部よりも下流における排気の空燃比Ａ／Ｆを、理論空燃比よりもややリッチな目標値（例えば１４．５）を中心として、且つ所定以下の短い周期でもってリッチ、リーンに切換えるようにしている（以下、気筒別リッチ・リーン制御ともいう）。

そのように短い周期でもって排気の空燃比をリッチ、リーンに切換えるようにすれば、リッチ気筒２及びリーン気筒２からそれぞれ排出されるリッチな排気とリーンな排気とが排気マニホルド２３の集合部下流で混合し、高温の通路内でＨＣやＣＯがＮＯｘや酸素と反応するようになるので、前記のようにプレ触媒２４が未活性乃至活性途中であって、ＯＳＣも小さな状態であっても、排気有害成分を低減しつつ、該プレ触媒２４の昇温を促進することができる。

−気筒別リッチ・リーン制御−
以下に、前記気筒別リッチ・リーン制御の具体的な手法について図３及び図４を参照して説明する。まず、エンジン１の始動後に所定の条件が成立すると、図３に示すように、ＥＣＵ３０において、排気空燃比のリッチ、リーンの中心の目標値（中心値）に対応する気筒内空燃比の平均的な目標値（基準空燃比）を理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）よりもややリッチな値（例えばＡ／Ｆ＝１４．５）に設定するとともに、リッチ気筒における気筒内空燃比の目標値を、排気空燃比のリッチ、リーンの振れ幅が所定以下になるように設定する（この例では振れ幅がＡ／Ｆで１になるように、リッチ側の目標空燃比をＡ／Ｆ＝１４．０としている）。

また、ＥＣＵ３０において、エンジン１の第１〜第４の４つの気筒２〜２のうち、例えば第１気筒２（＃１）及び第４気筒（＃４）をリッチ側に、また第２及び第３気筒２，２（＃２，＃３）をリーン側に設定して、４つの気筒２，２，…をその点火順（＃１，＃３，＃４，＃２）に交互にリッチ気筒、リーン気筒に振り分ける（なお、リッチ、リーン気筒の振り分け方は前記の例に限らない）。

そして、前記リッチ気筒２，２（＃１，＃４）については、従来周知の如く吸気流量とエンジン回転速度とから求められる気筒２の吸気充填効率に基づいて、前記リッチ側目標空燃比になるようにリッチ気筒燃料噴射量（リッチ側目標燃料噴射量）を決定し、それから、酸素濃度センサ２７からの信号に基づいて検出される排気集合部近傍の実空燃比と、前記基準空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．５）との偏差に応じて、前記リッチ気筒燃料噴射量を補正する。

一方、前記リーン気筒２，２（＃２，＃３）については、まず、前記吸気充填効率に基づいて、前記基準空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．５）になるような基準燃料噴射量を求め、これを前記リッチ気筒燃料噴射量から減算することにより、リッチ気筒２，２における燃料噴射量の増分を求める。そして、その燃料増分を前記基準燃料噴射量から減算して、リーン気筒２の目標燃料噴射量を決定した上で、前記と同様に酸素濃度センサ２７からのフィードバック信号に基づいて補正する。

このような制御によって、図４に模式的に示すように、リッチ気筒２，２（＃１，＃４）においては図に破線で示す基準燃料噴射量よりも燃料が増量される一方、リーン気筒２，２（＃２，＃３）においては、直前の点火順のリッチ気筒２，２（＃１，＃４）における燃料の増量分だけ燃料噴射量が減量されることになり、これにより、リッチ気筒とリーン気筒の平均の燃料噴射量は、各気筒２の目標空燃比をいずれも基準空燃比にしたときの燃料噴射量（基準燃料噴射量）と同じになる。尚、図において破線で示す基準燃料噴射量の値が緩やかに変化しているのは、空燃比フィードバックによるものである。

そうして４つの気筒２，２，…を点火順に交互にリッチ、リーンに振り分けると、図５に模式的に矢印で示すように、それらの各気筒２から点火順に排出されたリッチな排気とリーンな排気とが交互に排気マニホルド２３の集合部に流れてくるようになり、この集合部近傍における排気の空燃比は、例えばエンジン１の冷間始動後のファストアイドル状態であれば、概略０．０４秒くらいの短い周期（周波数にして約２５Ｈｚ）でリッチ、リーンに変化するようになる（温間始動後のアイドル状態でも１０Ｈｚ以上になる）。

そして、前記各気筒２からのリッチな排気とリーンな排気との少なくとも一部が排気マニホルド２３の集合部からプレ触媒２４の入口までの間で混ざり合い、その中のＨＣやＣＯ（還元剤成分）とＮＯｘや酸素（酸化剤成分）とが反応するようになる。このことで、エンジン始動直後でプレ触媒２４が未活性であり、ＯＳＣも得られない状態であっても、排気中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの少なくとも一部を反応させて、その排出量を減らすことができる。

また、そうしてプレ触媒２４の直上流で排気中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘが反応すると、その反応熱によって排気温度がさらに高くなり、この高温の排気が流入することによって、プレ触媒２４がその入口側から順番に暖められて、図示の如く、入口側の部位Ａから出口側の部位ＥまでＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅの順番に活性温度に到達するようになる。こうして出口側の部位Ｅまで全て、すなわち触媒全体が前記活性温度になったときが、プレ触媒２４の全活性状態である。

ここで、前記のようにリッチ、リーンに変化させる排気空燃比の中心値（基準空燃比）を理論空燃比よりもややリッチにしているのは、排気空燃比に対応する気筒内空燃比の目標値を平均的に理論空燃比よりもややリッチにすることによって、燃焼に伴い生成されるＣＯの量が多くなるからである。すなわち、均一燃焼における空燃比とＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの排出量との関係は一般に図６に示すようになり、理論空燃比近傍で空燃比をリーンにずらすとＮＯｘが多くなる一方、リッチにずらすとＨＣ、ＣＯが多くなるが、このときのＣＯの増加割合はＨＣの増加割合よりも大きい。

このことから、基準空燃比を理論空燃比からリッチにずらせば、排気中の還元剤成分のうち特にＣＯの量が多くなることが分かる。また、同図によれば、ＨＣの排出量が理論空燃比を挟んでリッチ、リーンの両側で略同じように変化しているのに対して、ＣＯの排出量はリッチ側で急激に変化しており、このことから、この実施形態のように気筒２，２，…をリッチ、リーンに振り分けると、全気筒２，２，…の空燃比を例えば理論空燃比で略一定にする場合と比較して、ＨＣの量はあまり変化しないが、ＣＯの量は多くなることが分かる。

そして、同じように還元剤として作用する成分であっても、ＣＯはＨＣに比べて触媒下での反応温度が低いので、前記のようにして排気中のＣＯ濃度を高くすれば、プレ触媒２４における酸素やＮＯｘとの反応をより低温側から開始させることができ、これにより有害成分の低減や触媒の昇温をより効果的に促進できるのである。

また、前記気筒別リッチ・リーン制御においてリッチ気筒２の目標空燃比を設定する一方、リーン気筒２では目標空燃比を設定していないのは、以下のような理由による。すなわち、上述の如く酸素濃度センサ２７による検出値に基づいて全気筒２，２，…の平均的な空燃比をフィードバック補正する場合に、仮にリッチ、リーンの両方でそれぞれ目標値を決めてしまうと、例えばリッチ気筒２の燃料噴射量ばらつきに起因する空燃比の偏差に応じてリーン気筒２の燃料噴射量も補正される結果として、このリーン気筒２において空燃比の目標値からのずれが拡大することがあり、こうしたリッチ気筒２、リーン気筒２におけるフィードバック補正の相互作用によって制御が収束し難くなるとともに、発散してしまう虞れもある。

これに対し、前記のように、リッチ気筒２では目標空燃比を設定して目標燃料噴射量を決めるようにし、一方、リーン気筒２では目標空燃比は設定せず、前記リッチ気筒２の目標燃料噴射量と全気筒２，２，…の平均である基準燃料噴射量とに基づいて目標燃料噴射量を決めるようにすれば、前記のように制御が発散する虞れはなくなり、空燃比のフィードバック制御によって全気筒２，２，…の平均的な空燃比を速やかに目標値に収束させることができる。

しかも、前記のように気筒内空燃比の平均の目標値（基準空燃比）を理論空燃比よりもややリッチにすると、この結果として、例えば燃料噴射量のばらつきによって空燃比がずれたときに、空燃比の理論空燃比からのずれはリッチ気筒２においてリーン気筒２よりも大きくなり易いが、この実施形態では、リッチ気筒２については目標空燃比を設定して目標燃料噴射量を決めるようにしており、このことでリーン気筒２に比べて空燃比の制御精度が高くなるので、結局、理論空燃比に対する空燃比のずれをリッチ、リーンの両側において略同じように小さくすることができる。

前記のように４つの気筒２，２，…をリッチ、リーンに振り分けて行う空燃比のフィードバック制御は、ＥＣＵ３０においてメモリに記憶されている制御プログラムが実行されることによって実現するものであり、言い換えると、この制御プログラムの一部のステップによって機能的に、エンジン１の始動後に排気の空燃比が所定の間の目標値を中心として１０Ｈｚ以上の周波数で周期的にリッチ、リーンに変化するように、４つの気筒２，２，…をその点火順に交互にリッチ側、リーン側に設定して、それぞれ酸素濃度センサ２７からの信号に基づいて各気筒２内の空燃比をフィードバック制御する空燃比フィードバック制御手段３０ａ（図７参照）が構成される。

−排気空燃比の振れ幅、周期の変更−
ところで、前記気筒別リッチ・リーン制御においては、上述したように、エンジン１の始動直後でプレ触媒２４が未活性状態のときに排気空燃比の振れ幅が所定以下（前記の例ではＡ／Ｆで１）になるようにしている。これは、排気空燃比の振れ幅が小さいほど、排気中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの濃度が低くなることから、排気マニホルド２３の集合部からプレ触媒２４の入口までの間で排気中の殆どのＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘが反応することになり、プレ触媒２４が未活性であっても有害成分の排出量を大幅に低減できるからである。

これに対し、前記図５に示したようにプレ触媒２４がその入口側から順番に暖められて図示のＡ→Ｂ→Ｃ…の順に活性容量が増大し、これとともに或る程度のＯＳＣも得られるようになれば、この活性容量の増大に対応して排気空燃比のリッチ、リーンの振れ幅を大きくすることが好ましい。こうすれば、リッチ、リーンの排気中にそれぞれ含まれるＨＣ，ＣＯやＮＯｘ、酸素の濃度が高くなる結果、前記の如くプレ触媒２４の入口までに反応するＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの割合が低下して、未反応のままプレ触媒２４に流入する割合が多くなり、これらが触媒内で反応することによってその温度をより効率良く上昇させることができるからである。

そこで、この実施形態では、プレ触媒２４のケーシングに配設した排気温度センサ２５からの信号などに基づいて、当該プレ触媒２４の活性化の進行度合い、即ち前記Ａ→Ｂ→Ｃ…の順に増大する触媒２４の活性容量を推定し、この推定結果に応じて排気空燃比の振れ幅を増大させるようにした。こうすることで、活性容量及びＯＳＣの増大に対応して、これに見合うだけの適量のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘをプレ触媒２４に供給することができる。

以下に、エンジン１の冷間始動後にＥＣＵ３０によって行われる空燃比制御の手順を、図７のフローチャート図に基づき、図８のタイムチャートを参照して説明すると、まず、図７のフローのスタート後のステップＳ１では、前記した各センサからの信号や燃料噴射弁１２、スロットル弁２０などの状態に基づいて求められるエンジン１の制御パラメータ、すなわち、吸気流量、燃料噴射量、空燃比、エンジン回転速度、点火時期、燃料噴射時期、アクセル開度、スロットル開度、気筒識別信号、エンジン水温、吸気温度、吸気圧力、触媒温度等を読み込む。

続いて、ステップＳ２においてエンジン１の始動期間かどうか判定し、この判定がＹＥＳで、クランキング後にエンジン回転速度が所定値に達するまでの始動期間であれば、ステップＳ３に進んで、４つの気筒２，２，…のそれぞれの燃料噴射弁１２により当該気筒２の少なくとも圧縮行程で燃料を噴射させ、所謂成層乃至弱成層の混合気分布で燃焼させるようにして、リターンする。この際、燃料噴射量は各気筒２内の空燃比が理論空燃比よりもリーンな状態になるように制御して、ＨＣ、ＣＯの排出量を低減する。

そして、エンジン１が始動した後は前記ステップＳ２において始動期間でないＮＯと判定してステップＳ４に進み、今度は排気温度センサ２５からの信号によりプレ触媒２４の入口付近の温度Ｔ（触媒入口温度）が予め設定した値Ｔ１以上かどうか判定する。この設定値Ｔ１は、排気マニホルド２３の集合部から触媒入口までの間がＨＣ、ＣＯなどの反応する温度状態になったことを判定するためのものであり、触媒入口温度Ｔ＜Ｔ１でＮＯと判定すればリターンする一方、Ｔ≧Ｔ１でＹＥＳと判定すればステップＳ５に進む。

つまり、図８のタイムチャートの時刻ｔ０〜ｔ１において、エンジン１の始動後に排気マニホルド２３の温度（図に破線で示す）が上昇し、プレ触媒２４の入口までに排気中のＨＣ、ＣＯを反応させることができるようになれば、図７のフローのステップＳ５に進んで上述した気筒別リッチ・リーン制御を開始する。すなわち、第１〜第４の４つの気筒２，２，…をその点火順に交互にリッチ、リーンに設定し、且つ、それらの平均の目標空燃比（基準空燃比）をＡ／Ｆ＝１４．５に、またリッチ気筒２の目標空燃比Ａ／Ｆを１４．０にして、各気筒２内の空燃比をフィードバック制御する。

これにより、前記図８に模式的に示すように、排気マニホルド２３の集合部近傍における排気の空燃比Ａ／Ｆは周波数にして略１０〜２５Ｈｚという短い周期で、且つＡ／Ｆ＝１くらいの小さな振幅でリッチ、リーンに変化するようになる。尚、図の時刻ｔ０〜ｔ１においてエンジン１の始動期間の終了後に一旦、排気空燃比がリッチになっているのは、プレ触媒２４の温度上昇に伴い最初に酸素吸蔵物質から放出される酸素に対応して、当該触媒２４内の空燃比を理論空燃比近傍に保つためである。

前記ステップＳ５に続くステップＳ６では、排気温度センサ２５により検出される触媒入口温度Ｔが設定値Ｔ１以上の期間が予め設定した第１期間（図８の時間ｔ１〜ｔ２）を経過したかどうか判別し、第１期間の経過まではＮＯと判別してステップＳ７に進み、前記の気筒別リッチ・リーン制御によって排気空燃比Ａ／Ｆを高い周波数で且つ小さな振幅でリッチ、リーンに変化させて（周波数を高く、振幅を小さく）、リターンする。

このように高い周波数で且つ小さな振れ幅で排気の空燃比をリッチ、リーンに変化させることにより、上述したようにプレ触媒２４の手前でＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘなどの有害成分の殆どを反応させることができ、プレ触媒２４が未活性であっても、それら有害成分の大気への放出を防止しながら、排気の温度を高めてプレ触媒２４の昇温を促進することができる。しかも、そのように高い周波数、即ち短い時間間隔で反応が起きることから、その分、時間当たりの発熱量が大きくなり、触媒２４の昇温は非常に効率良く行われる。

そうして、高温の排気によりプレ触媒２４の温度が上昇し、図８(b)の時刻ｔ２において活性容量が或る程度（図の例ではＢの範囲くらいまで）大きくなれば、前記ステップＳ６において第１期間が経過したＹＥＳと判別してステップＳ８に進み、前記第１期間の後の時間の経過に応じて排気空燃比の振れ幅が大きくなるように、リッチ気筒２の目標空燃比をリッチ側に変更する（周波数を高く、振幅を大きく）。つまり、プレ触媒２４が活性化して、或る程度ＯＳＣも得られるようになれば、当該プレ触媒２４に供給するＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの量を増やすようにする。

続いて、ステップＳ９において、排気温度センサ２５により検出される触媒入口温度Ｔが設定値Ｔ１以上の期間が予め設定した第２期間（図８の時間ｔ２〜ｔ３）を経過したかどうか判別し、第２期間の経過まではＮＯと判別してリターンする。これにより、前記第１期間の経過後、第２期間を経過するまでの間は、前記ステップＳ８の制御手順が繰り返され、図８の時刻ｔ２〜ｔ３に示すように、時間の経過に応じて排気空燃比の振れ幅が大きくなってゆく。

その際、リッチ気筒２の目標空燃比は、排気温度センサ２５からの信号と時間の経過とによって推定されるプレ触媒２４の活性容量の増大（Ａ→Ｂ→Ｃ…）に応じて変更されるので、当該プレ触媒２４にはその活性容量やＯＳＣに見合う適量のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘが供給されるようになり、このことで、それらの有害成分がプレ触媒２４を吹き抜けることを防止しながら、反応熱によるプレ触媒２４の昇温を最大限に促進することができる。

尚、そうして排気空燃比の振れ幅を大きくするために気筒内空燃比のリッチ、リーンの度合いを大きくすると、このことによってエンジン１のトルク変動が大きくなるが、その変動の周期が短く、トルク変動による発生する振動の周波数が約１０〜２５Ｈｚと高いことから、この振動は乗員には感じ難いものとなる。

そして、プレ触媒２４の活性化の進行に応じて空燃比の振れ幅が大きくなり（例えばＡ／Ｆで２）、排気の空燃比Ａ／Ｆが１３．５〜１５．５で周期的に変化するようになる頃に（図８の時刻ｔ３）、プレ触媒２４の出口側部位Ｅも活性温度に到達して、全体的に本来の浄化性能を発揮する全活性状態になる。こうなると、前記ステップＳ９において第２期間が経過したＹＥＳと判別してステップＳ１０に進み、今度は、排気空燃比の変化の周期が長くなり、且つその振れ幅が小さくなるようにして（周波数を低く、振幅を小さく）、しかる後にリターンする。

具体的には、例えば第１気筒２（＃１）及び第３気筒（＃３）をリッチ側に、また第２及び第４気筒２，２（＃２，＃４）をリーン側に設定して、４つの気筒２，２，…をその点火順（＃１，＃３，＃４，＃２）に２つずつリッチ、リーンに設定することで、排気の空燃比Ａ／Ｆをそれまでの略半分の周波数で変化させるようにする。また、排気空燃比の振れ幅がエンジン始動直後と同じくＡ／Ｆで１くらいになるように、リッチ側目標空燃比を１４．０とする。

こうして、プレ触媒２４が全活性状態になった後は、排気空燃比のリッチ、リーンの振れ幅が相対的に小さくなることで、排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘなどの濃度が低くなり、それらの反応による発熱量が小さくなるとともに、排気空燃比の変化の周期が相対的に長くなって時間当たりの反応回数も少なくなるので、それ以上のプレ触媒２４の温度上昇が抑制される。

また、そうして排気空燃比の変化の周期が長くなると、プレ触媒２４のＯＳＣを越えてＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘが下流側に吹き抜けるようになり、それらが排気通路２２の下流に配置されているメイン触媒２６に供給されて、その内部で反応することによって当該メイン触媒２６の温度上昇が促進されるようになる。

尚、前記のように空燃比の変化の周期が長くなってエンジン１のトルク変動の周期も長くなると、今度は乗員の感じやすい周波数域の振動が発生する虞れがあるが、このときには空燃比の振れ幅が小さくなっているので、エンジントルクの変動幅、即ち加振力が小さくなり、結局、乗員が振動による違和感を覚えることはない。

前記図７に示す空燃比制御フローのステップＳ２，Ｓ３の手順によって、クランキングからエンジン回転速度が所定値に達するまでの始動期間において各気筒２の燃料噴射弁１２により当該気筒２の少なくとも圧縮行程で燃料を噴射させるとともに、その気筒２内の空燃比を理論空燃比よりもリーンになるように制御する始動時空燃比制御手段３０ｂが構成されている。

また、前記フローのステップＳ５が空燃比フィードバック制御手段３０ａに対応しており、この空燃比フィードバック制御手段３０ａは、プレ触媒２４が全活性状態になるまでの間、４つの気筒２，２，…をその点火順に交互にリッチ、リーンに設定して、排気空燃比を１０Ｈｚ以上の周波数で周期的に変化させるものである。

また、前記フローのステップＳ６，Ｓ９により、排気温度センサ２５からの信号とエンジン始動後の時間経過とに基づいて、プレ触媒２４乃至その上流側の排気マニホルド２３の温度状態を判定する温度状態判定手段３０ｃが構成されている。

さらに、前記フローのステップＳ８，Ｓ１０により、プレ触媒２４が所定の部分活性状態になった後、全活性状態になるまでの間、その活性化の進行に応じて排気空燃比の振れ幅が大きくなるように、前記空燃比フィードバック制御手段３０ａによって制御される気筒内空燃比のリッチ及びリーンの度合いを変更するとともに、プレ触媒２４が全活性状態になれば、前記気筒内空燃比のリッチ及びリーンの度合いを排気空燃比の振れ幅が相対的に小さくなるように変更する空燃比振幅変更手段３０ｄが構成されている。

さらにまた、前記フローのステップＳ１０により、プレ触媒２４が全活性状態になれば、排気空燃比の変化の周期が相対的に長くなるように、４つの気筒２，２，…をその点火順に２つずつリッチ、リーンに設定する気筒設定変更手段３０ｅが構成されている。

したがって、この実施形態に係るエンジンの空燃比制御装置Ａによると、エンジン１の始動時には、まず、クランキングによる始動の期間において、各気筒２の燃料噴射弁１２により少なくとも圧縮行程で燃料が噴射されて、点火プラグ１５近傍に燃料噴霧が偏在する状態で着火、燃焼するようになる。このことで、燃料の気化霧化が悪い始動期間であっても、理論空燃比よりもリーンな成層状態で燃焼させることができ、これによりＨＣ，ＣＯの大幅な低減が図られる。

そして、前記始動期間の後、排気マニホルド２３の集合部近傍の温度が或る程度高くなれば、４つの気筒２，２，…をリッチ、リーンに振り分けて、それぞれ空燃比をフィードバック制御することにより、排気の空燃比を短い周期（高い周波数）でリッチ、リーンに変化させて、プレ触媒２４が未活性でＯＳＣも得られない状態であっても、排気中の有害成分を減らしつつ、排気温度を高めてプレ触媒２４の昇温を促進することができる。

しかも、そうして空燃比をリッチ、リーンに変化させることと、その変化の基準をＡ／Ｆ＝１４．５と理論空燃比よりもややリッチに設定したこととによって、燃焼に伴い生成されるＣＯの量が多くなるので、酸素やＮＯｘとの反応をより低温側から開始させて、有害成分の低減やプレ触媒２４の昇温をより効果的に促進することができる。

そのように排気の空燃比をリッチ、リーンに変化させる際に、その空燃比の振幅を最初のうちは小さくし、その後、前記のように排気によって暖められるプレ触媒２４の活性化の進行に応じて徐々に大きくすることで、当該プレ触媒２４の活性容量及びＯＳＣの増大に対応して、これに見合うだけの適量のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘを供給することができ、それらがプレ触媒２４の下流に吹き抜けることを防止しながら、その昇温を最大限に促進することができる。

さらに、前記プレ触媒２４全体が活性化して本来の浄化性能を発揮する全活性状態になれば、今度は排気空燃比のリッチ、リーンの振れ幅を小さくし、且つその周期を長くすることによって、プレ触媒２４の過度の温度上昇を抑制しつつ、排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘなどを下流側のメイン触媒２６に供給して、その温度上昇、即ち活性化を促進することができる。

（他の実施形態）
本発明の構成は、前記の実施形態に限定されることはなく、その他の種々の構成をも包含するものである。すなわち、例えば、前記実施形態においては、エンジン１を気筒内空燃比のリーンな状態で始動するようにしているが、これに限るものではない。また、始動後、排気マニホルド２３の温度が設定値Ｔ１になった後に気筒別リッチ・リーン制御を開始するようにしているが、始動後は直ちに気筒別リッチ・リーン制御を開始するようにしてもよい。

また、その気筒別リッチ・リーン制御において前記の実施形態では、まず、プレ触媒２４が所定の部分活性状態になるまで空燃比変化の周波数を高く、且つ振幅を小さくし、それから触媒２４が全活性状態になるまでの間、振幅を徐々に大きくしていって、最後に、触媒２４が全活性状態になれば、周波数を低く且つ振幅を小さくするようにしているが、これに限るものではない。

すなわち、例えば、プレ触媒２４が前記部分活性状態になったときに振幅を大きくするだけでもよいし、そのときに周波数も低くなるように変更することもできる。また、触媒２４が全活性状態になるまでの間は空燃比変化の周波数及び振幅をいずれも変更しないようにしてもよい。さらに、触媒２４が全活性状態になったときに周波数又は振幅のいずれか一方のみを変更するようにしても、また、それらをいずれも変更しないようにすることもできる。

要するに、前記気筒別リッチ・リーン制御においては、少なくともプレ触媒２４が部分活性状態になるまでの間、排気の空燃比を約１０〜２５Ｈｚ以上の高周波で周期的に変化させるようにすることが重要である。

また、前記実施形態においては、図７のフローのステップＳ６，Ｓ９に示すように、排気温度センサ２５による検出値と時間経過とに基づいて、プレ触媒２４の活性化の進行度合いを推定するようにしているが、これに限らず、例えば、エンジン１の運転状態からプレ触媒２４に供給される熱量を推定し、この熱量の積算値に基づいて触媒の活性化の進行度合いを推定することもできる。

また、前記実施形態において、エンジン１の始動後に排気温度を高くするために、公知の点火時期遅角制御を行ってもよい。

さらに、前記実施形態では、本発明を筒内噴射式のガソリンエンジン１に適用しているが、これに限らず、所謂ポート噴射式のガソリンエンジンにも適用することができるし、前記実施形態において例示した４気筒エンジンに限らず、３気筒、５気筒、６気筒、或いは８気筒エンジンにも適用できる。

以上、説明したように、本発明に係るエンジンの空燃比制御装置Ａは、エンジンの始動後に排気通路の触媒の暖機を促進しながら、それが暖機するまでの間の有害成分の排出量を実質、極小とすることができるので、産業用を含む種々のエンジンに有用であり、特に比較的停止、始動の回数が多い自動車用エンジンなどに好適なものである。

本発明の実施形態に係る空燃比制御装置を備えたエンジンの概略構造図。 三元触媒によるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの浄化特性を示すグラフ図。 気筒別リッチ・リーン制御の制御ロジックを示す機能ブロック図。 気筒別リッチ・リーン制御による燃料噴射量の変化を示す説明図。 リッチ、リーン排気の反応による触媒の温度上昇と活性容量の増大とを関連づけて示す説明図。 均一燃焼における空燃比とＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの排出量との関係を示すグラフ図。 エンジン始動後の空燃比制御の手順を示すフローチャート図。 エンジン始動後の空燃比制御による排気空燃比の変化と、触媒の温度上昇による活性容量の変化とを関連づけて示すタイムチャート図。

符号の説明

Ａ 空燃比制御装置
１ エンジン
２ 気筒
１２ 燃料噴射弁
２４ プレ触媒（上流側触媒）
２５ 排気温度センサ（温度状態判定手段）
２６ メイン触媒（下流側触媒）
２７ 酸素濃度センサ
３０ エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
３０ａ 空燃比フィードバック制御手段
３０ｂ 始動時空燃比制御手段
３０ｃ 温度状態判定手段
３０ｄ 空燃比振幅変更手段
３０ｅ 気筒設定変更手段

Claims (10)

1. 排気系の集合部よりも下流に少なくとも理論空燃比近傍で三元浄化機能を有する触媒が配設された多気筒エンジンに備えられ、このエンジンの始動後に前記触媒の活性化を促進すべく、排気の空燃比を理論空燃比近傍でリッチ側及びリーン側に周期的に変化させるようにしたエンジンの空燃比制御装置であって、
   前記排気集合部近傍の排気の空燃比を検出するためのセンサと、
   エンジン始動後の所定期間、排気の空燃比Ａ／Ｆが１４〜１５の間の目標値を中心として１０Ｈｚ以上の周波数で周期的にリッチ側及びリーン側に変化するように、少なくとも１つの気筒をリッチ側にまた別の少なくとも１つの気筒をリーン側に設定して、それぞれ前記センサからの信号に基づいて気筒内の空燃比をフィードバック制御する空燃比フィードバック制御手段と、
   前記触媒の活性化の進行に応じて前記排気空燃比の振れ幅が大きくなるように、前記空燃比フィードバック制御手段によって制御される気筒内空燃比のリッチ及びリーンの度合いを変更する空燃比振幅変更手段と、を備える
   ことを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。
2. 請求項１に記載の空燃比制御装置において、
   触媒乃至その上流側排気通路の温度状態を判定する温度状態判定手段を備え、
   空燃比振幅変更手段は、少なくとも前記温度状態判定手段による温度状態の判定結果に基づいて、気筒内空燃比のリッチ及びリーンの度合いを変更するように構成されている
   ことを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。
3. 排気系の集合部よりも下流に少なくとも理論空燃比近傍で三元浄化機能を有する触媒が配設された多気筒エンジンに備えられ、このエンジンの始動後に前記触媒の活性化を促進すべく、排気の空燃比を理論空燃比近傍でリッチ側及びリーン側に周期的に変化させるようにしたエンジンの空燃比制御装置であって、
   前記排気集合部近傍の排気の空燃比を検出するためのセンサと、
   前記各気筒内にそれぞれ燃料を直接、噴射するように配設された燃料噴射弁と、
   クランキングからエンジン回転速度が所定値に達するまでのエンジン始動期間において前記燃料噴射弁により各気筒の少なくとも圧縮行程で燃料を噴射させて、当該各気筒内の空燃比を理論空燃比よりもリーンになるように制御する始動時空燃比制御手段と、
   前記エンジン始動期間の後、排気の空燃比Ａ／Ｆが１４〜１５の間の目標値を中心として１０Ｈｚ以上の周波数で周期的にリッチ側及びリーン側に変化するように、少なくとも１つの気筒をリッチ側にまた別の少なくとも１つの気筒をリーン側に設定して、それぞれ前記センサからの信号に基づいて気筒内の空燃比をフィードバック制御する空燃比フィードバック制御手段と、を備えている
   ことを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の空燃比制御装置において、
   排気空燃比Ａ／Ｆの目標値が１４．６以下であることを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。
5. 請求項４に記載の空燃比制御装置において、
   空燃比フィードバック制御手段は、
   リッチ側の気筒において、排気空燃比の目標値とその振れ幅とに基づいて気筒内空燃比のリッチ側目標値を決定し、このリッチ側目標値に基づいて決定したリッチ側目標燃料噴射量をセンサからの信号によって補正する一方、
   リーン側の気筒においては、前記排気空燃比の目標値に対応する全気筒平均の基準燃料噴射量と、これに対する前記リッチ側目標燃料噴射量の増分とをそれぞれ計算し、その基準燃料噴射量からリッチ側目標燃料噴射量の増分を減算して、リーン側の目標燃料噴射量を決定した上で、このリーン側目標燃料噴射量を前記センサからの信号によって補正するように構成されている
   ことを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の空燃比制御装置において、
   空燃比フィードバック制御手段は、各気筒をその点火順に交互にリッチ側、リーン側に設定することを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１つに記載の空燃比制御装置において、
   触媒はエンジンの排気マニホルドの下流に接続されたものであり、この触媒よりも下流の排気通路にも、少なくとも理論空燃比近傍で三元浄化機能を有する別の触媒が配設されており、
   空燃比振幅変更手段は、前記上流側の触媒が全活性状態になれば、排気空燃比の振れ幅が相対的に小さくなるように、空燃比フィードバック制御手段によって制御される気筒内空燃比のリッチ及びリーンの度合いを変更するものであり、
   前記上流側触媒が全活性状態になれば、前記排気空燃比の変化の周期が相対的に長くなるように、前記空燃比フィードバック制御手段におけるリッチ側及びリーン側気筒の設定を変更する気筒設定変更手段をさらに備える
   ことを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。
8. 排気マニホルドの集合部下流に少なくとも理論空燃比近傍で三元浄化機能を有する触媒が接続された多気筒エンジンに備えられ、このエンジンの始動後に前記触媒の活性化を促進すべく、排気の空燃比を理論空燃比近傍でリッチ側及びリーン側に周期的に変化させるようにしたエンジンの空燃比制御装置であって、
   前記触媒よりも下流の排気通路にも、少なくとも理論空燃比近傍で三元浄化機能を有する別の触媒が配設されており、
   前記排気マニホルドの集合部近傍の排気の空燃比を検出するためのセンサと、
   エンジン始動後の所定期間、排気の空燃比Ａ／Ｆが１４〜１５の間の目標値を中心として周期的にリッチ側及びリーン側に変化するように、少なくとも１つの気筒をリッチ側にまた別の少なくとも１つの気筒をリーン側に設定して、それぞれ前記センサからの信号に基づいて気筒内の空燃比をフィードバック制御する空燃比フィードバック制御手段と、
   前記上流側の触媒が全活性状態になれば、前記排気空燃比の変化の周期が相対的に長くなるように、前記空燃比フィードバック制御手段におけるリッチ側及びリーン側気筒の設定を変更する気筒設定変更手段と、を備える
   ことを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。
9. 請求項８に記載の空燃比制御装置において、
   上流側の触媒が全活性状態になれば、排気空燃比Ａ／Ｆの振れ幅が相対的に小さくなるように、空燃比フィードバック制御手段によって制御される気筒内空燃比のリッチ及びリーンの度合いを変更する空燃比振幅変更手段を備えることを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。
10. 請求項８又は９のいずれかに記載の空燃比制御装置において、
    空燃比フィードバック制御手段は、少なくとも上流側の触媒が所定の部分活性状態になるまでの間、排気空燃比が１０Ｈｚ以上の周波数で周期的に変化するように、リッチ側及びリーン側気筒を各気筒の点火順に交互に設定するものであることを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。
    

Images