JP3747726B2

JP3747726B2 - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP3747726B2
Application number: JP2000038685A
Authority: JP
Inventors: 要長沼; 彰田山; 俊一椎野; 圭司岡田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-02-16
Filing date: 2000-02-16
Publication date: 2006-02-22
Anticipated expiration: 2020-02-16
Also published as: JP2001227379A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に筒内噴射型内燃機関の冷間運転時の排気エミッション性能を改善する排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
筒内燃料噴射式内燃機関において、始動後速やかに触媒コンバータを活性化させるために主燃焼（エンジン出力を発生させるための燃焼）をリーン空燃比で行わせるとともに、膨張行程以降に追加燃料を燃焼室内に噴射供給し、この追加燃料を燃焼ガス中に残存する酸素で燃焼させることにより、触媒コンバータに高温の排気を供給するようにしたものがある（特開平０８−２９６４８５号公報参照）。また、気筒毎にリッチとリーンの空燃比設定とし、それぞれの気筒から排出される未燃燃料と残存酸素とを触媒コンバータで反応させることによりその活性化を促すようにしたものが提案されている（特開平１１−６２５６３号公報参照）。
【０００３】
しかしながら、いずれのものも触媒の活性過程に応じて適切な燃料供給を行っているわけではなく、このため触媒コンバータの温度を可能な限り速やかに上昇させるという観点からすると不十分である。また、気筒毎に空燃比を異ならせるものでは、空燃比の制御を通常の１度噴射の燃料噴射量を加減することで行っているので、気筒間トルク段差などの面から制御範囲に制約を受け、特に触媒活性が要求される低負荷時には排ガスの熱容量からも最適な触媒活性制御を行うことは困難である。
【０００４】
本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたもので、触媒コンバータの活性状態に応じて複数回の燃料噴射による燃料供給の態様を制御することにより、触媒コンバータの昇温制御を最適化することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、排気通路に触媒コンバータを備え、１燃焼サイクル内で複数回の燃料噴射を行うことが可能な筒内燃料噴射式の多気筒火花点火式内燃機関において、触媒コンバータの活性が基準状態以下のときには全気筒にて圧縮行程以前の主噴射と膨張行程以降の副噴射とを含む複数回噴射により排気通路内での燃焼を発生させ、触媒コンバータの活性が基準状態を超えたときには一部気筒から未燃燃料が、他の一部気筒から残存酸素がそれぞれ排出されるように気筒毎に燃料供給を制御し、かつ未燃燃料を排出する気筒と残存酸素を排出する気筒とで気筒群を構成して気筒群単位で前記触媒コンバータを設ける。
【０００７】
第２の発明は、上記第１の発明において、全気筒の複数回噴射は、主噴射による空燃比が所定基準値以上の希薄空燃比であるときのみ行うようにした。
【０００８】
第３の発明は、上記第１の発明において、触媒コンバータの温度が耐熱基準温度を超えたときは気筒毎の燃料供給制御を中断するようにした。
【０００９】
第４の発明は、上記第１の発明において、触媒コンバータの活性状態を、触媒の温度で判定するようにした。
【００１０】
第５の発明は、上記第１の発明において、触媒コンバータの活性状態を、機関始動時の水温と始動後経過時間とに基づいて判定するようにした。
【００１１】
第６の発明は、上記第１の発明の気筒毎の燃料供給制御時に、触媒コンバータの活性状態が低いときほど主燃焼の空燃比を濃化して排気流量を減じるようにした。
【００１２】
第７の発明は、上記第６の発明において、触媒コンバータの活性状態に応じて制御する空燃比につき、触媒コンバータの劣化状態に応じて、劣化が進んでいるときほど排気流量を減じる補正を施すようにした。
【００１３】
第８の発明は、上記第７の発明において、触媒コンバータの劣化状態を、始動後経過時間から予測される触媒温度と実触媒温度の関係から判定するようにした。
【００１５】
第９の発明は、上記第１の発明において、気筒群内での残存酸素と未燃燃料の割合が理論空燃比もしくは希薄空燃比となるように燃料供給を制御するようにした。
【００１６】
第１０の発明は、上記第９の発明において、気筒群単位で設けたフロント触媒コンバータの下流側に、複数の気筒群に共通のリア触媒コンバータを設けた。
【００１７】
第１１の発明は、上記第１０の発明の燃料供給制御を、フロント触媒コンバータの活性状態の判定結果を優先して行い、フロント触媒コンバータが所定の活性状態に達した後、リア触媒コンバータの活性状態の判定結果に基づいてリア触媒コンバータを活性化する燃料供給制御を行うようにした。
【００１８】
第１２の発明では、上記第１１の発明において、フロント触媒コンバータが所定の活性状態に達した後のリア触媒コンバータの活性化は、共通のフロント触媒コンバータを有する気筒群毎の燃料供給制御により行うようにした。
【００１９】
【作用・効果】
本発明では、触媒コンバータが十分に活性化するまでの間、主噴射または副噴射による燃料供給を触媒コンバータの活性状態に応じて制御する。触媒コンバータの活性状態は、その温度を検出することにより直接的に判定し、または機関始動後の水温と始動後経過時間とから推定することができる。
【００２０】
冷間始動直後など触媒コンバータの活性が基準状態よりも低い場合は、全気筒で主噴射および副噴射による複数回の噴射制御を行い、排気通路内で未燃燃料を燃焼させて触媒活性を促進する。その後、この制御により触媒コンバータの活性が基準状態を超えた場合は、気筒毎に空燃比を異ならせて未燃燃料または残存酸素が排出されるように燃料供給制御（以下これを「リッチ／リーン制御」という。）を行い、触媒コンバータ内で燃焼を発生させる。触媒コンバータの低活性状態では排気通路内での燃焼ガスの昇温により触媒温度を高めることが有効であり、触媒コンバータの活性がある程度高まって触媒自体の反応による発熱を見込める状態となって以降は、排気通路内での燃焼よりも未燃ガスを触媒にて燃焼させる方が触媒活性化にはより効率がよい。
【００２１】
したがって、上記燃料供給制御により低温時の触媒コンバータの昇温を効果的に促すことができ、低温運転条件下での排気エミッション性能を確実に改善することができる。また、上記燃料供給制御において、特に濃混合気形成のための追加燃料を副噴射により供給することにより、主噴射のみで同様の制御を行おうとする場合に問題となる気筒間トルク変動や運転性の悪化を回避することができる。
【００２２】
上記燃料供給制御において、触媒活性が基準状態以下の間の全気筒に対する複数回噴射は、主噴射による空燃比がある基準値以上の希薄空燃比に制御される運転域でのみ行うことが望ましい。主噴射による燃焼後の排気ガス中にある程度の酸素が含まれていないと副噴射による燃焼を効果的に行うことができない。また、上記リッチ／リーン制御は、触媒保護の観点から、触媒コンバータの温度が所定の耐熱基準温度を超えたときは中断することが望ましい。
【００２３】
活性化の過程にある触媒の昇温を促進するには、排気流量ないし空間速度（排気流量／触媒容量）を小さくして未燃燃料の酸化効率を高めることが有効である。ただし同一空燃比で排気流量を減じようとすると出力不足傾向となるので、主燃焼の空燃比を濃化してやる。これにより、所要のトルク要求を満たしつつ、触媒活性のための熱量を最大限とすることができる。この空燃比濃化の制御は触媒が劣化しているときにも有効であり、触媒コンバータの劣化が進んでいるときほど排気流量を減じてやることで所要の昇温特性を維持することが可能である。なお触媒コンバータの劣化状態は、例えば始動後の経過時間から予測される触媒温度と実温度との関係から判定することができる。即ち、予測温度よりも実温度が低ければ触媒劣化と判定でき、そのときの温度差から劣化の進行状態を判定することが可能である。
【００２４】
４気筒以上の多気筒機関では、リッチ／リーン制御において残存酸素を排出する気筒と未燃燃料を排出する気筒とを特定気筒の組み合わせ同士でグループ化した気筒群を構成し、各気筒群単位で触媒コンバータを設けた構成とすることにより、機関や触媒コンバータの特性に応じたタイミングで残存酸素および未燃燃料を触媒コンバータに供給して触媒の昇温を最適化することができる。この場合、気筒群内での残存酸素と未燃燃料の割合が理論空燃比もしくは希薄空燃比となるように燃料供給を制御することが望ましい。
【００２５】
また、上記の気筒群単位で設けた触媒コンバータ（フロント触媒コンバータ）の下流側に、各気筒群に共通のリア触媒コンバータを設けた構成とすることもできる。この場合、燃料供給制御はフロント触媒コンバータの活性状態の判定結果を優先して行い、フロント触媒コンバータが所定の活性状態に達した後、リア触媒コンバータの活性状態の判定結果に基づいてリア触媒コンバータを活性化する燃料供給制御を行う。また、フロント触媒コンバータが所定の活性状態に達した後のリア触媒コンバータの活性化は、共通のフロント触媒コンバータを有する気筒群毎のリッチ／リーン制御により行うことができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１または図２は本発明を適用した内燃機関の構成例である。図において、１は４ストローク型直列４気筒形式の直噴式火花点火機関の本体（以下「エンジン」という。）、２と３はそれぞれその吸気通路と排気通路である。４Ａ，４Ｂ，４Ｃは排気通路３の途中に設けられた触媒コンバータであり、この場合図２に示したように＃１気筒と＃４気筒とからなる第１気筒群の排気通路に第１の触媒コンバータ４Ａが、＃２気筒と＃３気筒とからなる第２気筒群の排気通路に第２の触媒コンバータ４Ｂが、さらにこれらの下流側に前記各気筒群に共通の触媒コンバータ４Ｃが配設されている。なお、以後触媒コンバータ４Ａまたは４Ｂをフロント触媒、触媒コンバータ４Ｃをリア触媒と呼称する。フロント触媒４Ａまたは４Ｂにはフロント触媒温度センサ１７が、リア触媒４Ｃにはリア触媒温度センサ１８がそれぞれ設けられている。また、フロント触媒４Ａの上流側には空燃比センサ１９が設けられている。第１のフロント触媒４Ａと第２のフロント触媒４Ｂの昇温特性が同じである場合は、いずれか一方の温度を検出すれぱよいが、２つの触媒の昇温特性が異なる場合は、昇温が遅い特性を有する方の触媒に温度センサ１７を取付けるようにすればよい。
【００２７】
また、図において９は点火栓、１０はエンジン１の燃焼室内に直接燃料を噴射供給するように設けられた燃料噴射ノズル、１２はエンジン吸入空気量を検出するエアフローメータ、１３はスロットルチャンバ、１４はスロットルバルブ、１５はスロットルバルブを駆動するスロットルアクチュエータである。１６はスロットルバルブ１４の開度を検出するスロットル開度センサ、２０はエンジン冷却水温度を検出する水温センサ、２１はエンジンクランク軸の位置および回転速度を検出するクランク角センサ、２２はアクセルペダルの踏み込み操作量を検出するアクセル開度センサである。
【００２８】
２３はコントローラであり、各種運転状態信号に基づいて、燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期、スロットル開度等を総合的に制御する。例えば、詳細は後述するが、燃料噴射量制御を例にとると、コントローラ２３はエアフローメータ１２からの吸入空気量信号とクランク角センサ２１からのエンジン回転速度信号とから基本燃料噴射量を算出し、これを冷却水温度、スロットル開度等により補正して得た噴射量信号を噴射パルスとして燃料噴射ノズル１０に出力する。燃料噴射量は基本的には燃料噴射ノズル１０の開弁時間（噴射パルス幅）と燃料圧力との関数として決まるので、これらのパラメータに基づいて目標とする燃料量となるように演算またはテーブル検索により燃料噴射パルス幅の設定および補正を行う。
【００２９】
また、コントローラ２３による燃料噴射制御では、エンジン運転状態に応じて１燃焼サイクルの間に複数回の燃料噴射を行う。基本的には圧縮行程以前の燃料噴射（主噴射）と膨張行程以降の燃料噴射（副噴射）の２度噴射を行う。主噴射はその後の着火・燃焼によりエンジントルクを発生させるための燃料噴射であり、副噴射は排気中の残存酸素による燃焼で触媒コンバータの昇温を促すために行う。また、主噴射の時期についてもエンジン運転状態に応じて制御を行い、例えば燃料を吸入行程内で噴射供給することにより着火までの間に燃焼室およびシリンダ内に十分に燃料を拡散させ、均質な混合気を形成して均質燃焼を行わせる。または、燃料を圧縮行程に入ってから噴射供給し、点火栓近傍に濃混合気を集中させることによりリーン空燃比による成層燃焼を行わせる。吸入行程噴射は主として大きな出力を要するときに行い、圧縮行程噴射は主として部分負荷での燃費および排気エミッションを改善するときに行う。
【００３０】
次に、上記コントローラ２３における燃料供給制御の詳細につき、図３以下に示したフローチャートに沿って説明する。各フローチャートは、イグニッションスイッチがＯＮとなっている間コントローラ２３により周期的、例えば約１０ｍｓ毎に実行される制御ルーチンを示している。
【００３１】
図３は、各触媒４Ａ〜４Ｃの温度状態に基づき、最も効率良くその温度を上昇させることができる運転モードを求め、当該運転モードを示すフラグＦ１の設定を行う処理である。なお、以下の説明では原則として２つのフロント触媒４Ａ，４Ｂは前者４Ａで代表させる。
【００３２】
この処理では、まずＳ１０１にてフロント触媒温度センサ１７の出力信号からフロント触媒温度Ｔｃａｔ１を、リア触媒温度センサ１８の出力信号からリア触媒温度Ｔｃａｔ２を、それぞれ読み込む。次いで、Ｓ１０２にてフロント触媒温度Ｔｃａｔ１が、フロント触媒４Ａの活性開始温度より低いか否かを判断する。ここでは、活性開始温度としてフロント触媒４Ａが排気中のＨＣを５０%浄化する温度であるＴ５０を用いている。
【００３３】
上記Ｓ１０２での判断がＹＥＳである場合（Ｔｃａｔ１＜Ｔ５０）、Ｓ１０３にてフロント触媒４Ａに流入する排気の温度を高くすることによりフロント触媒４Ａを昇温させることが効率的なので、全気筒で主噴射に加えて副噴射を行う運転モード（全気筒副噴射モード）を選択する。この場合、フラグＦ１を１に設定する。これに対して、Ｓ１０２の判断がＮＯである場合（Ｔｃａｔ１≧Ｔ５０）、Ｓ１０４にてフロント触媒温度Ｔｃａｔ１がフロント触媒４Ａの活性完了温度より低いか否かを判断する。ここでは、活性完了温度として、フロント触媒４Ａが排気中のＨＣを９０%浄化する温度であるＴ９０を用いている。
【００３４】
Ｓ１０４での判断がＹＥＳである場合（Ｔ５０≦Ｔｃａｔ１＜Ｔ９０）、即ちフロント触媒４Ａが半活性状態にある場合、流入する排気の温度を高くするよりも、酸素と未燃燃料とを供給してフロント触媒４Ａ内で酸化反応を促進させた方が効率的な昇温が行えるので、Ｓ１０５にて、フロント触媒４Ａに未燃燃料を含む排気と残存酸素を含む排気とがそれぞれ異なる気筒から流入する運転モード（リッチ／リーン運転モード１）を選択する。この場合、フラグＦ１を２に設定する。
【００３５】
本実施形態では、フロント触媒４Ａの活性化が完了した後にリア触媒４Ｃに対する昇温制御を実施する。そのため、Ｓ１０４の判断がＮＯとなったときにはリア触媒４Ｃの昇温に適した運転モードを選択する処理へ進む。フロント触媒４Ａの昇温制御を優先するのは、排気浄化システム全体を早期に活性化させようとする場合にその方が有利となるからである。ここでは、Ｓ１０４の判断がＮＯである場合（Ｔｃａｔ１≧Ｔ９０）、次いでＳ１０６にてリア触媒温度Ｔｃａｔ２が活性開始温度Ｔ５０より低いか否かを判断する。
【００３６】
Ｓ１０６の判断がＹＥＳである場合（Ｔｃａｔ２＜Ｔ５０）、リア触媒４Ｃに流入する排気の温度を高くすることによりリア触媒４Ｃを昇温させることが効率的である。この場合、全気筒副噴射モードを選択してもリッチ／リーン運転モードを選択しても良いが、リア触媒４Ｃに近い位置で熱を発生させた方が効率的にリア触媒４Ｃを昇温させることができるので、ここではＳ１０７にてＦ１を２（リッチ／リーン運転モード１）に設定する。即ち、ここでリッチ／リーン運転モード１を選択するのは、フロント触媒４Ａを昇温させるためではなく、フロント触媒４Ａでの酸化反応を促進することによりフロント触媒４Ａから出てリア触媒４Ｃに流入する排気の温度を高くするためである。なお、フロント触媒温度Ｔｃａｔ１がフロント触媒４Ａの耐熱許容温度に近づいたときはリッチ／リーン運転モードによる昇温制御を一旦停止するようにすると良い。
【００３７】
一方、Ｓ１０６の判断がＮＯである場合（Ｔｃａｔ２≧Ｔ５０）、さらにＳ１０８にてリア触媒温度Ｔｃａｔ２がリア触媒４Ｃの活性完了温度Ｔ９０より低いか否かを判断する。ここでの判断がＹＥＳである場合（Ｔ５０≦Ｔｃａｔ２＜Ｔ９０）、即ちリア触媒４Ｃが半活性状態にある場合、流入する排気の温度を高くするよりも、酸素と未燃燃料とを供給してリア触媒４Ｃ内で酸化反応を促進させた方が効率的な昇温が行えるので、Ｓ１０９にて、リア触媒４Ｃに流入する排気を気筒群単位でリッチとリーンにする運転モード（リッチ／リーン運転モード２）を選択する。この場合、フラグＦ１を３に設定する。Ｓ１０８の判断がＮＯである場合（Ｔ９０≦Ｔｃａｔ２）、排気浄化システム全体の活性化が完了したことになるので、特別な昇温制御を行わない通常運転モードを選択する。この場合、フラグＦ１を０に設定する。
【００３８】
この処理の最後には、Ｓ１１１にて、これまでの処理で設定したフラグＦ１の値をコントローラ２３内のメモリに記憶させる。メモリに記憶された値は他の処理ルーチンからも参照することが可能な状態となる。
【００３９】
次に、図４に示した目標燃焼圧トルク演算ルーチンについて説明する。これは運転者が要求しているトルクとエンジンのフリクション等とを考慮し、燃焼によって発生させるべき目標トルクＴＴＣを算出する処理である。この処理ではまず、Ｓ２０１にて、クランク角センサ２１が出力する所定クランク角の基準信号の発生時間間隔からエンジン回転速度Ｎｅを算出する。また、アクセル開度センサ２２の出力信号からアクセル開度ＡＰを、水温センサ２０の出力信号から水温Ｔｗをそれぞれ読み込む。
【００４０】
次に、Ｓ２０２にてエンジン回転速度Ｎｅとアクセル開度ＡＰとに基づいて、運転者が要求しているトルクに相当するＴＴＣ１を求める。このためには、例えばＮｅとＡＰとに応じてＴＴＣ１の値を記憶させてある制御マップから値を検索する。ＴＴＣ１の値は、通常はＮｅ、ＡＰが大きいほど大きくなる特性が設定されている。
【００４１】
次のＳ２０３では、エンジン回転速度Ｎｅと水温Ｔｗとに基づいて、現在のエンジン回転を維持するのに必要なトルクに相当するＴＴＣ２を求める。例えば、水温Ｔｗが低いときは潤滑油の粘度が高くなり、摺動部分のフリクションが大きくなるので、ＴＴＣ２の値も大きくなる。
【００４２】
Ｓ２０４では、上記ＴＴＣ１とＴＴＣ２との値を加算して、最終的な目標燃焼圧トルクＴＴＣを求め、これを次のＳ２０５にてコントローラ２３内のメモリに記憶させる。
【００４３】
図５は目標当量比演算ルーチンである。これは、主燃焼時の目標当量比ＴＦＢＹＡを算出する処理である。なお、当量比は理論空燃比／空燃比で定義される値であり、当量比＝１は理論空燃比を、当量比>１はリッチ空燃比を、当量比<１はりーン空燃比を示す。
【００４４】
ここでの目標当量比設定の基本的な考え方は以下の通りである。
１：触媒昇温制御を行わない通常運転時
その時の運転条件下で、安定した燃焼を維持しつつ最も燃費特性が良好となる、即ち、最もリーン側の当量比を主燃焼の目標当量比とする。
２：全気筒副噴射モードによる運転時
副噴射した燃料は、主燃焼後も燃焼室内に残存する酸素で燃焼させるので、この残存酸素量を多くするほど副噴射燃料を良好に燃焼させることができ、あるいは副噴射燃料量を多くすることができることになる。主燃焼後の残存酸素量を多くするには、主燃焼の当量比を小さくすれば良いので、全気筒副噴射モードによる運転時は、通常運転時と同じく可能な限りリーン側の当量比を主燃焼の目標当量比とする。
３：リッチ／リーン運転モード１，２による運転時
リッチ／リーン運転は、リッチ運転気筒（気筒群）から未燃燃料を、リーン運転気筒（気筒群）から酸素をそれぞれ排出させ、これらを触媒上で反応させることで触媒を昇温する運転であり、このときの触媒昇温効率は、触媒の未燃燃料酸化効率が高いほど高くなる。活性化途上の触媒の未燃燃料酸化効率を高くする方法としては、排気流量を小さく、即ち空間速度ＳＶ（＝流入排気流量／触媒容量）を小さくする。エンジンの発生トルクを同一としつつ排気流量を小さくするには、主燃焼の当量比を大きくすればよい。このような観点から、リッチ／リーン運転モード１，２による運転時は、触媒がある程度の未燃燃料酸化効率を発揮しうる空間速度ＳＶが得られるように主燃焼の目標当量比を設定する。
【００４５】
上記処理につきフローチャートに沿って詳説すると、まずＳ３０１にてクランク角センサ２１が出力する所定クランク角の基準信号の発生時間間隔からエンジン回転速度Ｎｅを算出する。また、水温センサ２０の出力信号から水温Ｔｗを、フロント触媒温度センサ１７の出力信号からフロント触媒温度Ｔｃａｔ１を、リア触媒温度センサ１８の出力信号からリア触媒温度Ｔｃａｔ２をそれぞれ読み込む。次にＳ３０２にて、コントローラ２３内のメモリから、記憶されている目標燃焼圧トルクＴＴＣとフラグＦ１とを読み込む。
【００４６】
Ｓ３０３では、エンジン回転速度Ｎｅと目標燃焼圧トルクＴＴＣとに基づき、図６に示す制御マップから目標当量比のマップ設定値ＴＦＢＹＡｍｐを検索する。本実施形態では、部分負荷領域をリーン空燃比運転領域（ＴＦＢＹＡｍｐ<１）に設定している。リーン空燃比運転領域内のマップ設定値は、エンジン暖機完了後の状態において安定した燃焼が得られる最もリーン側の値に設定してある。
【００４７】
次のＳ３０４では、水温Ｔｗに基づき、目標当量比に対する水温補正係数ＴＷＫを算出する。ＴＷＫは、水温Ｔｗがエンジンの暖機完了を示す温度以上であるときに１となり、それ以下の温度範囲では水温Ｔｗが低くなるほど値が大きくなる。即ち、水温Ｔｗが低いときは燃焼が不安定になりやすいので、目標当量比の値を大きくして空燃比をリッチ側へ補正する。さらに、Ｓ３０５では、目標当量比のマップ設定値ＴＦＢＹＡｍｐに水温補正係数ＴＷＫを乗算して、仮の目標当量比ＴＦＢＹＡ１を算出する。ＴＦＢＹＡ１は、現在の水温状態において安定した燃焼が得られる最もリーン側の当量比を表すことになる。
【００４８】
Ｓ３０６では、上述のようにして求めた仮の目標当量比ＴＦＢＹＡ１が０．９以下であるか否かを判断する。本実施形態では、当量比０．９以下のリーン空燃比で主燃焼を行わせることが可能なときに限って触媒昇温制御の実行を許可するようにしているので、本ステップの判断がＹＥＳのときだけリッチ／リーン運転用の目標当量比を算出する。なお、当量比が０．９より大きいときに触媒昇温制御を行わないのは次の理由による。即ち、０．９より大きい当量比で主燃焼を行った場合、主燃焼後に残存する酸素の量が非常に少なくなる。このような状態で全気筒副噴射運転を行っても、副燃料噴射量を非常に少量とせざるを得ず、有効な触媒昇温を行うことができない。また、リッチ／リーン運転を行うにしても、リッチ気筒から排出される未燃燃料量を非常に少量とせざるを得ず、やはり有効な触媒昇温を行うことができない。
【００４９】
Ｓ３０７では、フラグＦ１が２であるか否か、即ちリッチ／リーン運転モード１が選択されているか否かを判断する。この判断においてＹＥＳである場合（Ｆ１＝２）、フロント触媒温度ＴＣａｔ１に基づいて仮の目標吸入空気量ＴＱａ１を算出する。ＴＱａ１は、半活性状態にあるフロント触媒４Ａが、ある程度の未燃燃料酸化効率を発揮しうる空間速度ＳＶが得られる排気流量に対応する吸入空気量であり、図７に例示したようにＴｃａｔ１が低いほど小さい値となる。次に、Ｓ３０９にて、仮の目標吸入空気量ＴＱａ１と目標燃焼圧トルクＴＴＣとから、リッチ／リーン運転用の目標当量比ＴＦＢＹＡ２を算出する。ＴＱａ１の吸入空気量に対しＴＴＣのトルクを発生させるだけの燃料を噴射したときの当量比がＴＦＢＹＡ２である。
【００５０】
一方、Ｓ３０７の判断がＮＯである場合（Ｆ１が１ではないとき）、さらにＳ３１０にてＦ１が３であるか否か、即ちリッチ／リーン運転モード２が選択されているか否かを判断する。この判断がＹＥＳである場合（Ｆ１＝３）、Ｓ３１１にて、リア触媒温度Ｔｃａｔ２に基づいて仮の目標吸入空気量ＴＱａ２を算出する。ＴＱａ２は、半活性状態にあるリア触媒４Ｃが、ある程度の未燃燃料酸化効率を発揮しうる空間速度ＳＶが得られる排気流量に対応する吸入空気量であり、Ｔｃａｔ２が低いほど小さい値となる（図７参照）。なお、図７においてＴＱａ２がＴＱａ１より大となっているのは、リア触媒４Ｃの容量をフロント触媒４Ａの容量よりも大としているからである。
【００５１】
次に、Ｓ３１２にて、仮の目標吸入空気量ＴＱａ１と目標燃焼圧トルクＴＴＣとから、リッチ／リーン運転用の目標当量比ＴＦＢＹＡ２を算出する。次のＳ３１３では、Ｓ３０９あるいはＳ３１２で算出したＴＦＢＹＡ２が０．９より大きいか否かを判断する。Ｓ３１３の判断がＹＥＳである場合（ＴＦＢＹＡ２＞０．９）、最終的な目標当量比ＴＦＢＹＡの値を０．９とする。なお、このような目標当量比の制限を行うのは、Ｓ３０６について説明した理由と同様である。
【００５２】
もしＳ３１３の判断がＮＯである場合（ＴＦＢＹＡ２≦０．９）、次いでＳ３１５にてＴＦＢＹＡ２の値がＴＦＢＹＡ１より大きいか否かを判断する。この判断がＹＥＳである場合（ＴＦＢＹＡ２＞ＴＦＢＹＡ１）、Ｓ３１６にてＴＦＢＹＡ２の値を最終的な目標当量比ＴＦＢＹＡとする。
【００５３】
他方、Ｓ３０６の判断がＮＯである（リッチ／リーン運転が許可されない）場合、Ｓ３０７とＳ３１０の判断が何れもＮＯである（リッチ／リーン運転が選択されていない）場合、Ｓ３１５の判断がＮＯである（リッチ／リーン運転用に算出した目標当量比ＴＦＢＹＡ２ではリーンの度合いが大きすぎて安定した燃焼が得られない）場合には、それぞれＳ３０５で算出した仮の目標当量比ＴＦＢＹＡ１の値を最終的な目標当量比ＴＦＢＹＡとし、これをコントローラ２３内のメモリに記憶させる（Ｓ３１７，Ｓ３１８）。
【００５４】
次に、図８に示した目標吸入空気量演算ルーチンについて説明する。この処理では、まずＳ４０１にて、コントローラ２３内のメモリから、記憶されている目標燃焼圧トルクＴＴＣと目標当量比ＴＦＢＹＡとを読み込み、次いでＳ４０２にて、目標燃焼圧トルクＴＴＣと目標当量比ＴＦＢＹＡとに基づいて、目標吸入空気量ＴＱａを算出し、さらにＳ４０３にて、ＴＱａをコントローラ２３内のメモリに記憶させる。
【００５５】
メモリ内に記憶された目標吸入空気量ＴＱａは、図示しないスロットル開度制御ルーチンで使用される。即ち、コントローラ２３は、目標吸入空気量ＴＱａが得られる目標スロットル開度を算出し、この目標スロットル開度に応じたスロットル開度制御信号をスロットルアクチュエータ１５へ送る。このときの実スロットル開度がスロットル開度センサ１６からコントローラ２３へとフィードバックされてスロットルバルブ１４の開度が目標値に正確に制御される。
【００５６】
図９に燃料噴射量算出ルーチンを示す。この処理では、主燃焼のための全気筒に共通の主燃料噴射量（主噴射の燃料噴射量）と、各気筒毎の副燃料噴射量（副噴射の燃料噴射量）とを算出する。まず、Ｓ５０１にて、クランク角センサ２１が出力する所定クランク角の基準信号の発生時間間隔からエンジン回転速度Ｎｅを算出すると共に、エアフローメータ１２の出力信号から吸入空気量Ｑａを読み込む。次いで、Ｓ５０２にて、コントローラ２３内のメモリから、記憶されている目標当量比ＴＦＢＹＡとフラグＦ１とを読み込む。
【００５７】
次のＳ５０３では、エンジン回転速度Ｎｅ、吸入空気量Ｑａ、比例定数Ｋから、基本燃料噴射量Ｔｐを算出する。Ｔｐは、燃焼室内の平均空燃比を理論空燃比とするときの燃料噴射量である。さらに、Ｓ５０４にて、基本燃料噴射量Ｔｐと目標当量比ＴＦＢＹＡとから、主燃焼のための主燃焼噴射量Ｔｐｍを算出する。
【００５８】
Ｓ５０５では、フラグＦ１が０である条件（通常運転モードが選択されているとき）、または目標当量比ＴＦＢＹＡが０．９より大きい条件の何れかが成立しているか否かを判断する。ここで、目標当量比ＴＦＢＹＡが０．９より大きい場合、既述した理由により何れの気筒においても副噴射を行わないので、Ｓ５０６〜Ｓ５０９の処理により気筒毎の副燃料噴射量Ｔｐｓ１〜Ｔｐｓ４を全て０とする。
【００５９】
これに対して、Ｓ５０５の判断がＮＯである場合（ＴＦＢＹＡ≦０．９）、Ｓ５１１にて、フラグＦ１が１であるか否か、即ち全気筒副噴射モードが選択されているか否かを判断する。この場合、Ｓ５１１〜Ｓ５１４の処理により、全ての気筒について同一の副燃料噴射量を設定する。本実施形態では、主燃焼後の残存酸素でちょうど燃焼させることができる量を副燃料噴射量とする。即ち、各気筒から排出される排気の空燃比は、ほぼ理論空燃比となる。なお、このときの空燃比を若干リーン側とした方が触媒の早期活性化を図ることができる場合もあり、そのようなときは例えば下記の式に従って副燃料噴射量を算出する。
【００６０】
Ｔｐｓ１（〜Ｔｐｓ４）＝Ｔｐ×（Ａ−ＴＦＢＹＡ）
ただし、ＡはＴＦＢＹＡより大きく１より小さい定数
一方、Ｓ５１０の判断がＮＯである場合（Ｆ１が１ではないとき）、フラグＦ１が２であるか否か、即ちリッチ／リーン運転モード１が選択されているか否かを判断する。ここでフラグＦ１が２である場合、Ｓ５１６〜Ｓ５１９の処理に移行する。即ち、第１のフロント触媒４Ａに接続されている気筒群のうちの１つの気筒(ここでは＃１気筒)から未燃燃料を含んだ排気が排出され、他方の気筒（ここでは＃４気筒）から酸素を含んだ排気が排出されるように、＃１気筒の副燃料噴射量Ｔｐｓ１を算出するとともに＃４気筒の副燃料噴射量Ｔｐｓ４を０とする。本実施形態では、＃１気筒の排気と＃４気筒の排気とが合流した後の排気の空燃比がほぼ理論空燃比となるようにＴｐｓ１を算出している。なお、このときの空燃比が若干リーン側となるようにＴｐｓ１を算出しても良い。また前記と同様に、第２フロント触媒４Ｂに接続されている気筒群のうちの１つの気筒（ここでは＃２気筒）から未燃燃料を含んだ排気が排出され、他方の気筒（ここでは＃３気筒）から酸素を含んだ排気が排出されるように、Ｔｐｓ２とＴｐｓ３とが設定される。
これに対して、Ｓ５１５の判断がＮＯである場合、フラグＦ１は３であってリッチ／リーン運転モード２が選択されていると判断することができるので、Ｓ５２０〜Ｓ５２３の処理により、リア触媒４Ｃに接続されている気筒群の一方（ここでは＃１気筒と＃４気筒からなる気筒群）から未燃燃料を含んだ排気が排出され、他方の気筒群（ここでは＃２気筒と＃３気筒からなる気筒群）から酸素を含んだ排気が排出されるように、Ｔｐｓ１とＴｐｓ４とを算出するとともにＴｐｓ２とＴｐｓ３とを０とする。本実施形態では、２つの気筒群の排気が合流した後の排気の空燃比がほぼ理論空燃比となるようにＴｐｓ１、Ｔｐｓ４を算出している。なお、このときの空燃比が若干リーン側となるようにＴｐｓ１、Ｔｐｓ４を算出してもよい。
【００６１】
最後に、Ｓ５２４にて、上述のようにして求めたＴｐｍ、Ｔｐｓ１〜Ｔｐｓ４を、コントローラ内のメモリに記憶させる。メモリに記憶された主燃料噴射量Ｔｐｍ、副燃料噴射量Ｔｐｓ１〜Ｔｐｓ４は、図示しない燃料噴射制御ルーチンで使用される。即ち、コントローラ２３は、各気筒の主燃料噴射タイミング（吸気行程〜圧縮行程）になるとＴｐｍに応じた噴射信号を該当気筒の燃料噴射弁１０に送るとともに、副燃料噴射量が０でないときに限り、各気筒の副燃料噴射タイミング（膨張行程〜排気行程）になると該当気筒の副燃料噴射量に応じた噴射信号を該当気筒の燃料噴射弁１０に送る。
【００６２】
上述の制御過程を示すタイムチャートを図１０に示す。なお、このタイムチャートは、暖機完了までアイドリング運転（アクセル開度ＡＰ＝０）が継続されていることを前提としたものである。この場合、ＡＰ＝０であるためＴＴＣ１は０であり、ＴＴＣ＝ＴＴＣ２となっている。水温Ｔｗが上昇するのにともなってＴＴＣが小さくなっているのは、ＴＴＣ２が徐々に小さくなるためである。また、アイドリング運転条件における目標当量比のマップ設定値ＴＦＢＹＡｍｐは一定（ここでは０．５）であり、ｔ２より前とｔ４より後の時間帯でＴＦＢＹＡ>０．５となっているのは、水温Ｔｗによる目標当量比の水温補正（ＴＷＫによる補正）が行われているためである。また、ｔ２〜ｔ４の時間帯のＴＦＢＹＡとしては、リッチ／リーン運転用の目標当量比ＴＦＢＹＡ２が採用されている。これにより、ｔ２〜ｔ４では目標吸入空気量ＴＱａが小さくなり、触媒４Ａ，４Ｂ，４Ｃの未燃燃料酸化効率がある程度良好なものとなる空間速度ＳＶが実現される。また、＃１〜＃４気筒の「リーン、ストイキ、リッチ」の表記は、副噴射を含めた空燃比を表している。主燃焼は常にリーン空燃比である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用可能なエンジンの一実施形態の概略を示す構成図。
【図２】上記実施形態の触媒コンバータの配置を示す構成図。
【図３】本発明によるエンジン制御の一実施形態の処理内容を示す第１の流れ図。
【図４】本発明によるエンジン制御の一実施形態の処理内容を示す第２の流れ図。
【図５】本発明によるエンジン制御の一実施形態の処理内容を示す第３の流れ図。
【図６】上記実施形態の処理において用いる当量比マップの一例の説明図。
【図７】上記実施形態の処理において用いる目標吸入空気量マップの一例の説明図。
【図８】本発明によるエンジン制御の一実施形態の処理内容を示す第４の流れ図。
【図９】本発明によるエンジン制御の一実施形態の処理内容を示す第５の流れ図。
【図１０】始動からエンジンの暖機が完了するまでアイドリング運転されている場合の実施形態の制御によるタイムチャート。
【符号の説明】
１エンジン
２吸気通路
３排気通路
４Ａ，４Ｂ触媒コンバータ（フロント触媒）
４Ｃ触媒コンバータ（リア触媒）
９点火栓
１０燃料噴射ノズル
１２エアフローメータ
１３スロットルチャンバ
１４スロットルバルブ
１５スロットルアクチュエータ
１６スロットル開度センサ
１７，１８触媒温度センサ
１９空燃比センサ
２０水温センサ
２１クランク角センサ
２２アクセル開度センサ
２３コントローラ

Claims

排気通路に触媒コンバータを備え、１燃焼サイクル内で複数回の燃料噴射を行うことが可能な筒内燃料噴射式の多気筒火花点火式内燃機関において、
触媒コンバータの活性が基準状態以下のときには全気筒にて圧縮行程以前の主噴射と膨張行程以降の副噴射とを含む複数回噴射により排気通路内での燃焼を発生させ、触媒コンバータの活性が基準状態を超えたときには一部気筒から未燃燃料が、他の一部気筒から残存酸素がそれぞれ排出されるように気筒毎に燃料供給を制御し、
かつ未燃燃料を排出する気筒と残存酸素を排出する気筒とで気筒群を構成して気筒群単位で前記触媒コンバータを設け、
前記気筒毎の燃料供給制御時に、未燃燃料を排出する気筒は主噴射以後の副噴射により空燃比を濃化し、かつ残存酸素を排出する気筒は希薄空燃比で主噴射を行わせるようにした内燃機関の排気浄化装置。
全気筒の複数回噴射は、主噴射による空燃比が所定基準値以上の希薄空燃比であるときのみ行うようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
触媒コンバータの温度が耐熱基準温度を超えたときは気筒毎の燃料供給制御を中断するようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
触媒コンバータの活性状態は、触媒の温度で判定するようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
触媒コンバータの活性状態は、機関始動時の水温と始動後経過時間とに基づいて判定するようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
気筒毎の燃料供給制御時に、触媒コンバータの活性状態が低いときほど空燃比を濃化して排気流量を減じるようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
触媒コンバータの活性状態に応じて制御する空燃比につき、触媒コンバータの劣化状態に応じて、劣化が進んでいるときほど排気流量を減じる補正を施すようにした請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
触媒コンバータの劣化状態は、始動後経過時間から予測される触媒温度と実触媒温度の関係から判定するようにした請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
気筒群内での残存酸素と未燃燃料の割合が理論空燃比もしくは希薄空燃比となるように燃料供給を制御するようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
気筒群単位で設けたフロント触媒コンバータの下流側に、複数の気筒群に共通のリア触媒コンバータを設けた請求項９に記載の内燃機関の排気浄化装置。
燃料供給制御は、フロント触媒コンバータの活性状態の判定結果を優先して行い、フロント触媒コンバータが所定の活性状態に達した後、リア触媒コンバータの活性状態の判定結果に基づいてリア触媒コンバータを活性化する燃料供給制御を行うようにした請求項１０に記載の内燃機関の排気浄化装置。
フロント触媒コンバータが所定の活性状態に達した後のリア触媒コンバータの活性化は、共通のフロント触媒コンバータを有する気筒群毎の燃料供給制御により行うようにした請求項１１に記載の内燃機関の排気浄化装置。