JP2007056719A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＮＯx浄化性能を重視した特性のＮＯx触媒を使用した場合であっても、機関冷態時におけるＨＣ排出量を抑制できる内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】 内燃機関の冷態時に（ステップＳ２がＹｅｓ）、圧縮行程噴射モードでのリーン運転と点火時期リタードと排気絞り弁の閉制御とを併用した冷態時始動制御を実行し（ステップＳ６）、圧縮行程噴射モードでのリーン運転により生成したＣＯおよびＨＣとＯ₂との反応熱による昇温作用、点火時期リタードによる昇温作用、排気絞り弁による排圧上昇の昇温作用を利用してＮＯx触媒を迅速に昇温する。
【選択図】 図４

Description

本発明は吸蔵型ＮＯx触媒を備えた内燃機関（以下、エンジンと称する）の排気浄化装置に関するものである。

筒内に直接燃料を噴射する筒内噴射型エンジンなどでは空燃比を理論空燃比（ストイキオ）よりリーン側に制御するリーン運転を行うことから、酸化雰囲気においても排ガス中のＮＯxを浄化可能な吸蔵型ＮＯx触媒を排気通路に設置している。当該ＮＯx触媒は、エンジンのリーン運転時に排ガス中のＮＯxを吸蔵する一方、定期的に実行されるＮＯxパージ処理により空燃比がリッチ側に制御されると吸蔵しているＮＯxを放出還元する作用を奏し、これによりＮＯxの大気中への排出を防止している。近年の排ガス規制の強化に伴ってＮＯx浄化性能の向上が強く要望されており、その対策としてカリウムなどの吸蔵剤の担持量を増加する手法が採られている。図２はＮＯｘ触媒を三元触媒（ＴＷＣ）と組合わせた場合のＮＯｘ浄化性能を比較しているが、この図に示すように、通常のＮＯｘ触媒と比較してカリウムの担持量を増加させたＮＯｘ触媒では、特に高温時のＮＯx浄化率を効果的に向上できる。

一方、上記ＮＯx浄化性能に限らずエンジンの排気浄化性能を向上させるために種々の提案がなされている（例えば、特許文献１参照）。当該特許文献１の技術は筒内噴射型エンジンを対象として冷態始動時の触媒の早期活性化を目的としたものであり、冷態始動時において排気絞り弁を閉制御して排圧を高めた上で、圧縮行程でリーン空燃比となるように主噴射を実行した後、筒内に残存している酸素を利用して膨張行程で副噴射により噴射した燃料を燃焼させる２段燃焼制御を実行し、これにより排気マニホールドに設けられた三元触媒や床下に設置されたＮＯx触媒の昇温を促進している。
特開２００１−８２１３２号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された排気浄化装置に対してＮＯx触媒の浄化性能の向上を目的として吸蔵剤を増加する対策を講じた場合には、ＨＣ排出量を増やしてしまう不具合が生じる。
即ち、ＮＯx触媒におけるＮＯx浄化性能とＨＣ浄化性能とはトレードオフの関係にあり、吸蔵剤の増加によりＮＯx浄化性能を重視した特性とした場合、図３に示すようにＨＣ浄化率は逆に低下してしまう。エンジンの通常の運転状態でのＨＣ排出量であれば、たとえＨＣ浄化性能が低下していても問題となるほどのＨＣ排出量の増加は生じ難いが、特許文献１のように冷態始動時の触媒早期活性化のため２段燃焼制御により積極的に未燃ＨＣを排出している状況では、特にＮＯx触媒が活性温度に到達していない段階でＨＣを浄化しきれず、結果としてＨＣ排出量を増加させてしまう。よって、このようにＮＯx浄化性能を重視したＮＯx触媒を備えたエンジンに対して特許文献１の２段燃焼制御を適用することは得策ではなく、総合的な排気浄化性能の見地からより効果的な対策が望まれていた。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ＮＯx浄化性能を重視した特性のＮＯx触媒を使用した場合であっても、機関冷態時におけるＨＣ排出量を抑制することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、内燃機関の排気通路に設けられ、酸素過剰雰囲気で排ガス中のＮＯxを吸蔵し、酸素濃度低下雰囲気で吸蔵したＮＯxを放出して還元する吸蔵型ＮＯx触媒と、内燃機関の筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射手段と、内燃機関の点火時期を制御する点火時期制御手段と、内燃機関の排気通路に設けられて排ガスの流通を制限可能な排気絞り弁と、内燃機関の冷態時において、燃料噴射手段に膨張行程以降での燃料噴射を実行させることなく圧縮行程で燃料噴射を実行させて内燃機関の空燃比を理論空燃比よりリーン側に制御すると共に、点火時期制御手段に点火時期をリタードさせ、排気絞り弁を閉側に制御する冷態時制御手段とを備えたものである。

従って、内燃機関の冷態時には、冷態時制御手段により燃料噴射手段が膨張行程以降での燃料噴射を実行させることなく圧縮行程で燃料噴射を実行して内燃機関の空燃比を理論空燃比よりリーン側に制御すると共に、点火時期制御手段が点火時期をリタードし、排気絞り弁が閉側に制御される。
リーン空燃比での圧縮行程噴射により層状燃焼が行われることで、点火プラグ周囲で不完全燃焼が生起されてＣＯおよびＨＣが多く発生する一方、それ以外の領域では余剰Ｏ₂が生成され、これらのＣＯおよびＨＣとＯ₂とが排気通路内で反応したときの熱により昇温作用が奏され、点火時期リタードによる昇温作用や排気絞り弁の閉側制御による昇温作用と相俟ってＮＯx触媒は早期活性化してＨＣ浄化作用を奏する。一方、膨張行程以降での燃料噴射は実行されることなく空燃比がリーン側に制御されることでエンジンアウトのＨＣ排出量が元々少ないことから、ＮＯx触媒で処理を要するＨＣ量も少なく、これらの要因により内燃機関の冷態時のＨＣ排出量が抑制される。

請求項２の発明は、請求項１において、内燃機関が排気ポートに近接する前段触媒を省略されているものである。
従って、排気ポートに近接する前段触媒が省略されて、前段触媒による迅速なＨＣ浄化作用が期待できないが、このような排気浄化装置の構成でも、早期活性化されたＮＯx触媒によりＨＣ浄化作用が発揮されることでＨＣ排出量は十分に抑制される。

請求項３の発明は、請求項１または２において、ＮＯx触媒が最上流に配置されて内燃機関からの排ガスが排気通路を経て直接的に流入するものである。
従って、ＮＯx触媒が三元触媒などの他の触媒に対して最上流に配置されているため、内燃機関からの排ガスが直接流入して早期活性化し、結果として内燃機関の冷態時のＨＣ排出量をより確実に抑制可能となる。

請求項４の発明は、請求項１乃至３において、ＮＯx触媒がメタル担体から構成され、ＮＯx吸蔵剤としてカリウムが使用されているものである。
従って、担体としてメタル担体を使用することでカリウムの浸透によるクラック発生を回避した上で、カリウムの担持量の増加が可能となるためＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化性能を向上させ易くなり、結果として圧縮行程噴射によるリーン運転の頻度を増加可能となると共に、ＮＯｘ浄化性能の向上と引き換えにＨＣ浄化性能が低下しても、早期活性化されたＮＯx触媒によりＨＣ浄化作用が発揮されることでＨＣ排出量は十分に抑制することができる。

請求項５の発明は、請求項１乃至４において、冷態時制御手段が内燃機関の冷態時において空燃比を１７〜２２の範囲内で制御するものである。
従って、内燃機関の冷態時には空燃比が１７〜２２の範囲内で制御されることにより、筒内で過不足のないＣＯおよびＨＣとＯ₂とが生成されて反応熱による昇温作用が最大限に得られる。

以上説明したように請求項１，２の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、エンジンアウトのＨＣ排出量が元々少ないリーン空燃比での圧縮行程噴射を実行し、このときの層状燃焼により筒内で生成されるＣＯおよびＨＣとＯ₂との反応熱による昇温作用、点火時期リタードによる昇温作用、排気絞り弁の閉側制御による昇温作用を利用してＮＯx触媒を早期活性化してＨＣ浄化作用を発揮させるため、ＮＯx浄化性能を重視した特性のＮＯx触媒を使用した場合であっても、機関冷態時におけるＨＣ排出量を抑制することができる。

請求項３の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項１または２に加えて、ＮＯx触媒を最上流に配置して内燃機関からの排ガスを直接流入させるため、ＮＯｘ触媒を早期活性化して冷態時のＨＣ排出量をより確実に抑制することができる。
請求項４の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項１乃至３に加えて、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化性能を向上させて圧縮行程噴射によるリーン運転の頻度を増加させることが容易となり、もって燃費低減を実現することができる。

請求項５の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項１乃至４に加えて、圧縮行程噴射での空燃比を最適設定することにより、ＣＯおよびＨＣとＯ₂との反応熱による昇温作用を最大限に得て、ＮＯｘ触媒をより迅速に昇温することができる。

以下、本発明を具体化したエンジンの排気浄化装置の一実施形態を説明する。
図１は本実施形態のエンジンの排気浄化装置を示す全体構成図であり、本実施形態の排気浄化装置は筒内噴射型直列４気筒ガソリンエンジン１を対象として構成されている。エンジン１にはＤＯＨＣ４弁式の動弁機構が採用されており、図示しないクランク軸によりシリンダヘッド２上に設けられた吸気カムシャフト３及び排気カムシャフト４が回転駆動され、これらのカムシャフト３，４により吸気弁５及び排気弁６が所定のタイミングで開閉される。

シリンダヘッド２には各気筒毎に点火プラグ７と共に電磁式の燃料噴射弁８（燃料噴射手段）が取り付けられ、図示しない燃料ポンプから供給された高圧燃料が燃料噴射弁８の開閉に応じて燃焼室９内に直接噴射される。シリンダヘッド２の各気筒には両カムシャフト３，４間を抜けるようにして略直立方向に吸気ポート１０が形成され、吸気弁５の開弁に伴って吸入空気がエアクリーナ１１からスロットル弁１２、サージタンク１３、吸気マニホールド１４、吸気ポート１０を経て燃焼室９内に導入される。

シリンダヘッド２の各気筒には略水平方向に排気ポート１５が形成され、排気ポート１５には排気マニホールド１６を介して排気通路１７が接続されている。排気通路１７の車両の床下に相当する位置には触媒コンバータ１８が設けられ、触媒コンバータ１８は排気上流側の吸蔵型ＮＯx触媒１９と排気下流側の三元触媒２０とから構成されている。
排気通路１７の触媒コンバータ１８の排気下流側の位置には、図示しないアクチュエータにより開閉駆動されるバタフライ式の排気絞り弁２１が介装されている。排気絞り弁２１の開度に応じて排ガス流量が制限されて排圧が上昇し、これによりエンジン１の排気ポート１５で排ガスが逆流して再燃焼する現象、あるいは排気通路１７での排ガスの滞留時間の延長化により排ガス中の未燃ＨＣとＯ₂との反応が促進される現象などが生起されて、これらの作用により有害成分の低減および排気昇温が図られる。そして、燃焼室９内で燃焼後の排ガスは排気マニホールド１６および排気通路１７を介して触媒コンバータ１８に流入し、ＮＯx触媒１９および三元触媒２０を流通した後に排気絞り弁２１を経て外部に排出される。

上記触媒コンバータ１６のＮＯx触媒１９は、担体上にカリウム（Ｋ）、バリウム（Ｂａ）、ナトリウム（Ｎａ）などの吸蔵剤、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）などの貴金属がそれぞれ担持されて構成され、酸素過剰雰囲気においてＮＯxを吸蔵し、主としてＨＣの存在する酸素濃度低下雰囲気においてＮＯxを一旦放出した後にＮ₂（窒素）などに還元する機能を持つものである。本実施形態ではＮＯx触媒１９に対する一般的な各成分の担持量に比較して吸蔵剤の一つであるカリウムの担持量を、例えば２０ｇ/Ｌ程度まで増加させると共に、担体としてコージライト担体を使用したときのカリウムの浸透によるクラック発生を回避すべく、メタル担体を担体として使用する対策を講じており、結果としてＮＯx触媒１９は図２に示すように特に高温時のＮＯx浄化率が大幅に向上されており、その反面、図３に示すようにＨＣ浄化率に関しては逆に低下した特性を有している。なお、例えばメタル担体は、クロム（Ｃｒ）２０％、アルミニウム（Ａｌ）５％を含有するステンレス製の波板と平板とを重ねた状態で巻回して製作される。

また、三元触媒２０は一般的な構成であり、例えばコージライトなどを担体とし、この担体上に白金、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）などの貴金属が担持されて構成され、理論空燃比において排ガス中のＨＣ，ＣＯおよびＮＯｘを浄化する機能を持つものである。
ここで、図１から明らかなように本実施形態では排気マニホールド１４などに前段触媒が設けられておらず、結果として排気ポート１５から排出された排ガスは直接的に触媒コンバータ１８のＮＯx触媒１９に流入することになる。

車両には、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えたＥＣＵ（エンジン制御ユニット）３１が設置されており、エンジン１の総合的な制御を行う。ＥＣＵ３１の入力側にはエンジン１の回転速度Ｎeを検出する回転速度センサ３２などの各種センサ類が接続され、ＥＣＵ３１の出力側には上記燃料噴射弁８、排気絞り弁２１のアクチュエータ、点火プラグ７を駆動するイグナイタ３３などの各種デバイス類が接続されている。

ＥＣＵ２１は各センサからの検出情報に基づいてマップから点火時期や燃料噴射量等を決定し、決定した制御量に基づいて燃料噴射弁８やイグナイタ３３を駆動制御してエンジン１を運転する（点火時期制御手段）。
燃料噴射制御については、噴射時期を吸気行程に設定した吸気行程噴射モードと噴射時期を圧縮行程に設定した圧縮行程噴射モードとをエンジン１の運転領域に応じて切換えており、具体的にはアクセル開度Ａccとエンジン回転速度Ｎｅとに基づいて機関負荷と相関する目標平均有効圧Ｐｅを求め、この目標平均有効圧Ｐeとエンジン回転速度Ｎeとから予め設定されたマップに従って実行すべき燃料噴射モードを決定すると共に、決定した燃料噴射モードにおいて目標平均有効圧Ｐe及びエンジン回転速度Ｎeから求めた目標空燃比に基づいて燃料噴射量を決定して燃料噴射制御を実行する。

圧縮行程噴射モードは比較的回転および負荷が低い領域で実行され、吸気ポート１０から流入した吸入空気により生起されたタンブル流などを利用して点火プラグ７の周囲に理論空燃比近傍の混合気を確保した上で、全体として極めてリーンな空燃比（例えば、４０前後）で着火する層状燃焼を行う。一方、吸気行程噴射モードは比較的回転および負荷が高い領域で実行され、図示しないＯ_２センサの出力に基づいて空燃比を理論空燃比にフィードバックするストイキオＦ／Ｂ制御、或いはオープンループでリッチ側の空燃比に制御するＯ／Ｌ制御を実行して、吸気行程で噴射した燃料噴霧を吸入空気と十分に混合して燃焼させる均一燃焼を行う。

一方、ＥＣＵ３１はエンジン１の冷態始動時にＨＣ排出を抑制すべく専用の始動制御（以下、冷態時始動制御と称する）を実行しており、以下、この始動制御について説明する。
図４は冷態時始動制御ルーチンを示すフローチャートであり、ＥＣＵ３１はエンジン始動時に当該ルーチンを所定の制御インターバルで実行する。まず、ステップＳ０でエンジン始動処理としてスタータによりエンジン１をクランキングすると共に、燃料噴射制御および点火時期制御を開始する。このときの燃料噴射制御は吸気行程噴射モードで実行され、点火時期制御は所定のマップより求められた始動時の目標点火時期に基づいて実行され、排気絞り弁２１は開弁状態に保持される。

ＥＣＵ３１はエンジン始動処理によりエンジン１が始動して回転が安定した時点（例えば、完爆判定から１〜２sec後）で続くステップＳ２に移行し、冷態時始動制御の要否を判定する。例えば冷却水温が所定値以上でＮＯx触媒１９や三元触媒２０が既に活性化していると推測されるときには、ステップＳ２でＮｏ（否定）の判定を下してステップＳ４に移行して通常始動制御を実行する。当該制御はエンジン１の完爆直後に実行される一般的な始動制御であり、上記エンジン始動処理と同様に燃料噴射制御が吸気行程噴射モードで実行され、点火時期制御がマップ値（リタードなし）に基づいて実行され、排気絞り弁２１が開弁保持され、ＥＣＵ３１は当該通常始動制御の実行後にルーチンを終了する。

また、冷却水温が所定値未満でＮＯx触媒１９や三元触媒２０が未だ活性化していないと推測されるときにはステップＳ２でＹｅｓ（肯定）の判定を下し、ステップＳ６で冷態時始動制御を実行する。当該冷態時始動制御は触媒１９，２０の早期活性化を目的とした始動制御であり、燃料噴射制御では圧縮行程噴射モード（燃料噴射は圧縮行程での主噴射のみ）が選択されて、理論空燃比よりリーン側の目標空燃比（例えば１８）に基づいて実行されると共に、点火時期制御ではマップ値を遅角補正した目標点火時期（リタードあり）に基づいて実行され、排気絞り弁２１は閉側に制御される（冷態時制御手段）。なお、このときの排気絞り弁２１の開度は全閉でもよいし、冷却水温などに応じて開度を調整してもよい。

続くステップＳ８ではエンジン１の燃焼状態が安定しているか否かを判定する。例えばこの判定は、所定期間内の失火状況あるいは回転変動に基づいて行われ、失火頻度や回転変動が高くてエンジン１の燃焼状態が不安定であると推測されるときには、ステップＳ８でＮｏの判定を下して上記ステップＳ４に移行する。冷態時始動制御によるリーン空燃比、点火時期リタード、排ガス流量の制限はエンジン１の燃焼悪化の要因となるが、燃焼悪化の兆候が生じたときにステップＳ８の処理により直ちに通常始動制御に切換えられるため、エンジン１の燃焼状態が不安定な状況が継続されてドライバビリティの悪化を引き起こす事態が未然に防止される。

また、エンジン１の燃焼状態が安定しているとしてステップＳ８でＹｅｓの判定を下したときには、続くステップＳ１０で冷態時始動制御の終了条件が成立したか否かを判定する。冷態時始動制御の終了条件としては、エンジン１の冷態始動直後のＨＣ排出量が急増する期間に若干の余裕を見込んだ所定時間が経過したとき、および車両の発進により車速が所定値以上に増加したときなどが設定されており、何れの終了条件も成立せずにステップＳ１０でＮｏの判定を下したときには、ステップＳ６に戻って冷態時始動制御を継続する。

一方、何れかの終了条件が成立してステップＳ１０の判定がＹｅｓになると、ＥＣＵ３１は冷態時始動制御を継続する必要がなくなったとして上記ステップＳ４に移行する。従って、この場合には通常始動制御に復帰して、燃料噴射制御が吸気行程噴射モードに切換えられ、点火時期制御の点火時期リタードが中止され、排気絞り弁２１が開弁される。
次に、以上のＥＣＵ３１による冷態時始動制御の実行状況を説明する。

図５は冷態時始動制御の実行状況および排ガス特性を従来手法と比較したタイムチャートである。当該タイムチャートは所定の走行パターン（CD34coldモード）に従って車両を走行させたときの試験結果であり、本実施形態の冷態時始動制御による圧縮行程噴射モードでのリーン運転を実線で示し、ＣＯおよびＨＣの供給を目的としてリッチ空燃比で吸気行程噴射モードを実行する従来手法（以下、単に吸気リッチ制御と称する）を破線で示し、２段燃焼制御を実行する特許文献１の従来手法（以下、単に２段燃焼制御と称する）を一点鎖線で示している。

エンジン始動は排気絞り弁２１を閉制御した状態で実行され、始動完了によりエンジン回転速度Ｎeが上昇すると排圧が直ちに上昇する。その後、エンジン１はアイドル状態に保持されて車両は停止状態に保たれ（車速Ｖs＝０）、所定時間の経過後に自動変速機がＮレンジからＤレンジに切換えられて車両が発進され、所定の走行パターンで走行を開始する。

エンジン始動直後において吸気リッチ制御では空燃比が１４前後に保持され、２段燃焼制御では空燃比が１９前後（主噴射と副噴射とのトータルＡ／Ｆ）に保持され、これらの吸気リッチ制御および２段燃焼制御では比較的多くのＣＯおよびＮＯxが排出されると共に、ＴＨＣの排出量も急激に増加し、ＴＨＣからメタンＨＣを排除したノンメタンＨＣの積算値（ΣＮＭＨＣ）も比較的急勾配で増加する。なお、これらのＣＯ、ＮＯx、ＴＨＣ、ΣＮＭＨＣは共に触媒コンバータ１８の通過後の測定値であり、大気中への排出量を意味している。

エンジン始動直後のＴＨＣの排出量が増加しているのはＮＯx触媒１９および三元触媒２０が活性温度に到達せずに十分な浄化作用を発揮していないためであり、大量に排出されたＣＯおよびにより排気温度と共に触媒コンバータ１８（図ではＵＣＣと表示）の入口温度が上昇し、それに伴ってＮＯx触媒１９（図ではＮＯｘ ｔｒａｐと表示）および三元触媒２０（図ではＴＷＣと表示）のベッド温度が活性温度に到達して浄化作用を発揮し始めると、ＴＨＣの排出量は次第に減少する。このような始動直後のＴＨＣ排出量の増加は、ＮＯx浄化性能を重視してＮＯx触媒１９を成分調整した結果、図３に示すようにＮＯx触媒１９のＨＣ浄化性能が低下していること、及び本実施形態の排気浄化装置では排気マニホールド１６に設置される前段触媒が省略され、より早期に活性化した前段触媒によるＨＣ浄化作用が期待できないことが要因の一つとして挙げられる。

一方、本実施形態の冷態時始動制御ではエンジン始動直後において空燃比が１８前後に保持され、上記吸気リッチ制御や２段燃焼制御に比較してＣＯおよびＮＯxの排出量がかなり減少していると共に、ＴＨＣおよびΣＮＭＨＣの排出量も大幅に減少し、特に吸気リッチ制御や２段燃焼制御で生じたエンジン始動直後にＴＨＣおよびΣＮＭＨＣが急激に増加する現象は本実施形態の冷態時始動制御ではほとんど発生せず、ＴＨＣおよびΣＮＭＨＣの排出量はエンジン始動直後から十分に抑制されている。

冷態時始動制御で実行される圧縮行程噴射モードでは、通常運転時の圧縮行程噴射モードに比較して空燃比を理論空燃比寄りに制御した層状燃焼（上記のように空燃比４０に対して１８前後）が行なわれるため、点火プラグ周囲の混合気は理論空燃比よりもリッチ側の空燃比となり、不完全燃焼が生起されてＣＯおよびＨＣが多く発生する一方、それ以外の領域では余剰酸素（Ｏ₂）が生成される。これらのＣＯおよびＨＣとＯ₂とは共存した状態で排気通路１７を流通し、ＨＣが酸化反応したときの反応熱によりＮＯx触媒１９や三元触媒２０の昇温作用が奏される。

以上のＣＯおよびＨＣとＯ₂との供給による昇温作用と、点火時期リタードによる昇温作用や排気絞り弁２１による排圧上昇の昇温作用とが相俟って、触媒コンバータ１８の入口温度、ＮＯx触媒１９および三元触媒２０のベッド温度は速やかに上昇する。ここで、例えば触媒コンバータ１８の入口温度に着目すると、実線で示す冷態時始動制御では一点鎖線で示す２段燃焼ほど迅速な温度上昇は得られていないが、圧縮行程噴射モードでのリーン運転によりエンジンアウトのＨＣ排出量が少なく、且つ上記のようにエンジンアウトの大半のＨＣが排気通路１７内での流通過程でＯ₂との反応により消費されるため、ＮＯx触媒１９や三元触媒２０で処理を要するＨＣ量が元々少なく、この点で単にＨＣを供給するだけの吸気リッチ制御や２段燃焼制御とは昇温作用が大きく相違する。結果として本実施形態の冷態時始動制御によれば、上記のようにエンジン始動直後からＴＨＣおよびΣＮＭＨＣの排出量が十分に抑制される。

また、このようにして排出されたＣＯおよびＨＣとＯ₂との反応によりＮＯx触媒１９および三元触媒２０の昇温が効果的に行われ、特に上流側のＮＯx触媒１９は下流側の三元触媒２０より先行して昇温されるため、ＮＯx触媒１９は早期に活性化してＮＯxの吸蔵作用を奏し、結果として上記のようにエンジン始動直後からＮＯx排出量が低減される。
ここで、以上のＣＯおよびＨＣとＯ₂との供給による触媒昇温作用の原理から、冷態時始動制御での空燃比は筒内でのＣＯおよびＨＣとＯ₂との生成状態に応じた最適値が存在することが判る。図６は異なる空燃比で冷態時始動制御を実行したときのＴＨＣの排出状況を比較したタイムチャートを示しているが、実線で示す空燃比１７前後に制御した場合に比較して、破線で示す空燃比１８．５前後の制御時にはエンジン始動直後においてＴＨＣ排出量の増加現象が確認できる。これは破線の例では空燃比がリーン側過ぎて失火を生じ、大量のＨＣが未燃のまま排出された結果であると推測される。また、逆に空燃比がリッチ側過ぎるときには、Ｏ₂の不足によりＨＣを十分に酸化反応できずに排気昇温作用が不足し、結果として触媒活性化が遅れてＴＨＣ排出量の増加を発生してしまう。

従って、筒内で層状燃焼が行なわれたときに点火プラグ７の周囲の混合気を部分的に不完全燃焼させる必要があり、より詳細には、点火プラグ周囲の混合気を燃焼させてトルク発生に寄与させた上で、一部の混合気を不完全燃焼させることで適切な量のＣＯおよびＨＣを生成し、このＣＯおよびＨＣが混合気の周囲に存在するＯ₂と共に筒内から排出されるように冷態時始動制御の空燃比を設定する必要がある。本発明者がエンジン１の仕様、例えば燃焼室形状や点火プラグ７と燃料噴射弁８との位置関係などを適宜変更して試験を実施した結果、冷態時始動制御での空燃比は１７〜２２の範囲内で設定することが望ましく、より好ましくは１７．５〜１９の範囲内で設定すれば、過不足のないＣＯおよびＨＣとＯ₂とを供給して十分な触媒昇温作用を得て、エンジン始動直後のＨＣ排出量を最小限に抑制できることが判明した。

図７は本実施形態の冷態始動から所定時間までのΣＮＭＨＣを冷態時始動制御と従来手法とで比較した試験結果を示す図であるが、この図に示すように排気絞り弁２１の閉制御を実行しない吸気リッチ制御と排気絞り弁２１の閉制御を実行した吸気リッチ制御とを比較した場合、排気絞り弁２１の閉制御を実行した方がΣＮＭＨＣは大幅に減少しており、排気絞り弁２１による排圧上昇の昇温作用がΣＮＭＨＣの抑制に貢献していることが判る。そして、排気絞り弁２１の閉制御を前提として、本実施形態の冷態時始動制御と従来手法の吸気リッチ制御および２段燃焼制御とを比較すると、吸気リッチ制御は勿論、２段燃焼制御と比較しても冷態時始動制御の方がΣＮＭＨＣを抑制できることが判る。

なお、２段燃焼制御においてΣＮＭＨＣがそれほど減少していないのは、２段燃焼制御では膨張行程での副噴射燃料を燃焼させるために圧縮行程での主噴射をリーン空燃比に制御する必要があり、結果として燃焼安定性が悪化して点火時期リタードが実行できず、点火時期リタードによる排気昇温作用が得られないことが要因の一つである。２段燃焼制御でも主噴射燃料を増量して燃焼を安定化すれば点火時期リタードを実行可能ではあるが、この場合には噴射可能な副噴射燃料量が減少して副噴射による排気昇温作用が大幅に低下してしまうことから、何れにしても十分な排気昇温は実現できない。

これに対して冷態時始動制御では空燃比をそれほどリーン化していないため、燃焼安定性に関して点火時期リタードを実行可能なだけの余地があり、点火時期リタードの併用により十分な排気昇温作用が得られる。加えて、上記のように冷態時始動制御ではＯ₂に対して過不足のないＣＯおよびＨＣが生成されるように空燃比を設定しているため、排気昇温に貢献しない余剰ＨＣはほとんど生成されず、結果としてΣＮＭＨＣが減少しているのである。

以上のように本実施形態ではエンジン１の冷態始動時に、圧縮行程噴射モードでのリーン運転と点火時期リタードと排気絞り弁２１の閉制御とを併用した冷態時始動制御を実行するため、圧縮行程噴射モードでのリーン運転により生成したＣＯおよびＨＣとＯ₂との反応熱による昇温作用、点火時期リタードによる昇温作用、排気絞り弁２１による排圧上昇の昇温作用を利用してＮＯx触媒１９および三元触媒２０を迅速に昇温できると共に、エンジンアウトのＨＣ排出量が少ない圧縮行程噴射モードでのリーン運転の特徴を活かしてＮＯx触媒１９や三元触媒２０によるＨＣ浄化に関する負担を軽減できる。

加えて本実施形態では、エンジン１の筒内で過不足のないＣＯおよびＨＣとＯ₂とを生成すべく冷態時始動制御における圧縮行程噴射モードの空燃比を最適設定しているため、ＣＯおよびＨＣとＯ₂との反応熱による昇温作用を最大限に得ることができる。よって、これらの要因により、ＮＯx浄化性能を重視した成分調整によりＮＯx触媒１９のＨＣ浄化性能が低下している場合であっても、エンジン冷態始動時におけるＨＣ排出量を十分に抑制することができる。

特に本実施形態では、床下の触媒コンバータ１８に先行して昇温される前段触媒が省略されており、前段触媒による迅速なＨＣ浄化作用が期待できないため、ＮＯx触媒１９や三元触媒２０の早期活性化によるエンジン１の排ガス性能の向上はより顕著なものとなる。
一方、このように冷態始動時の排ガス特性を悪化させることなくＮＯx浄化性能を重視したＮＯx触媒１９を使用できることから、従来はＮＯx浄化性能の不足によりＮＯx排出量が少ない吸気行程噴射モードに切換えざるを得なかった運転領域でも圧縮行程噴射モードを実行可能となり、圧縮行程噴射モードの運転領域を拡大してリーン運転の頻度を増加し、もって燃費低減に貢献できるという利点も得られる。

また、ＮＯx触媒１９は三元触媒２０の上流側に位置するだけでなく、前段触媒が省略されることによりエンジン１からの排ガスが直接的に流入する。従って、エンジン１の冷態始動時には前段触媒によるＨＣ浄化作用が得られないものの、代わりにＮＯx触媒１９が早期活性化してＨＣ浄化作用を奏し、これにより冷態始動時のＨＣ排出量を確実に抑制することができる。加えて、冷態始動当初から圧縮行程噴射モードでのリーン運転を実行する本実施形態の排気浄化装置では、従来手法の吸気リッチ制御や２段燃焼制御に比較してエンジンアウトのＮＯx排出量が増加傾向となるが、早期活性化したＮＯx触媒１９によりＮＯxを効率的に浄化可能なため、ＮＯx排出量も十分に抑制することができる。勿論、ＮＯx浄化性能を重視したＮＯx触媒１９の成分調整も、ＮＯx排出量の低減に貢献していることは言うまでもない。

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では燃料噴射を圧縮行程での主噴射のみとしたが、これに限ることはなく、例えば圧縮行程での燃料噴射の他に吸気行程でも燃料噴射を行い、リーン空燃比で層状燃焼させるようにしてもよい。
また、上記実施形態では触媒コンバータ１８の上流側の前段触媒を省略し、且つＮＯｘ浄化性能を重視してカリウム担持量を増加させたＮＯｘ触媒１９を備えたが、これに限ることはなく、前段触媒を設けたり、或いは通常のカリウム担持量のＮＯｘ触媒を備えたりしてもよい。

実施形態のエンジンの排気浄化装置を示す全体構成図である。 カリウム担持量の増加によるＮＯｘ浄化性能への影響を示す特性図である。 カリウム担持量の増加によるＨＣ浄化性能への影響を示す特性図である。 ＥＣＵが実行する冷態時始動制御ルーチンを示すフローチャートである。 冷態時始動制御の実行状況および排ガス特性を従来手法と比較したタイムチャートである。 異なる空燃比で冷態時始動制御を実行したときのＴＨＣの排出状況を比較したタイムチャートである。 冷態始動から所定時間までのΣＮＭＨＣを冷態時始動制御と従来手法とで比較した試験結果を示す図である。

符号の説明

１ エンジン（内燃機関）
８ 燃料噴射弁（燃料噴射手段）
１９ ＮＯｘ触媒
２１ 排気絞り弁
３１ ＥＣＵ（点火時期制御手段、冷態時制御手段）

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、酸素過剰雰囲気で排ガス中のＮＯxを吸蔵し、酸素濃度低下雰囲気で吸蔵したＮＯxを放出して還元する吸蔵型ＮＯx触媒と、
   上記内燃機関の筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射手段と、
   上記内燃機関の点火時期を制御する点火時期制御手段と、
   上記内燃機関の排気通路に設けられて排ガスの流通を制限可能な排気絞り弁と、
   上記内燃機関の冷態時において、上記燃料噴射手段に膨張行程以降での燃料噴射を実行させることなく圧縮行程で燃料噴射を実行させて上記内燃機関の空燃比を理論空燃比よりリーン側に制御すると共に、上記点火時期制御手段に点火時期をリタードさせ、上記排気絞り弁を閉側に制御する冷態時制御手段と
   を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 上記内燃機関は排気ポートに近接する前段触媒が省略されていることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 上記ＮＯx触媒は最上流に配置されて内燃機関からの排ガスが上記排気通路を経て直接的に流入することを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 上記ＮＯx触媒はメタル担体から構成され、ＮＯx吸蔵剤としてカリウムが使用されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 上記冷態時制御手段は、上記内燃機関の冷態時において空燃比を１７〜２２の範囲内で制御することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。

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