JP3850999B2 - 内燃機関 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排ガス中の有害成分、特に、ＮＯX を浄化する排ガス浄化用触媒を備える、内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車等に備えられる内燃機関では、排ガス中の有害物質を理論空燃比近傍の運転状態で浄化する三元触媒が排気通路に設けられていた。
また、近年、空燃比をリーンとして燃費を向上させる希薄燃焼内燃機関が実用化されている。この種の内燃機関では空燃比をリーンとするため、従来から排ガスを浄化すべく備えられている三元触媒だけではその浄化特性により排ガス中のＮＯX を十分に浄化することができない。そこで、リーン運転時のＮＯX 排出量低減のために、空燃比がリーンの時にも排ガス中のＮＯX を浄化しうるＮＯX 触媒が開発されている。
【０００３】
ここで、ＮＯX 触媒は、大別するとリーン雰囲気でＮＯX を選択的に還元する選択還元型と、リーン雰囲気でＮＯX を触媒上に吸蔵し、ストイキオ又はリッチ雰囲気で触媒上に吸蔵されたＮＯX を放出，還元する吸蔵型とに分類できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、触媒温度が高温になった状態で、燃料カット運転やリーン運転等になって触媒周辺が酸化雰囲気になった場合、貴金属を担持した触媒では高温になるほど原子移動はより活発化するため、触媒内の貴金属、例えば白金Ｐｔの小粒は、活発化した原子移動により互いに結合して大粒の白金Ｐｔとなるとともに、Ｏ2 過剰のため酸化反応を起こして白金Ｐｔの粒成長が促進され、粒成長した白金Ｐｔは表面積が小さくなるため、排ガスに接触する面積が小さくなり、触媒の排ガス浄化性能が低下し、これにより、触媒の熱劣化が促進されることになる。
【０００５】
また、選択還元型ＮＯX 触媒では、触媒に担持されたイリジウムＩｒ等の酸化反応が進んで揮発性酸化物となり、触媒表面から飛散してしまい、排ガス浄化性能を悪化させることになる。
このため、三元触媒やＮＯX 触媒の耐熱温度は、一般に触媒周辺が還元雰囲気の場合（排ガス空燃比がリッチの場合）よりも酸化雰囲気の場合（排ガス空燃比がリーンの場合）の方が低くなる。
【０００６】
従って、触媒周辺が還元雰囲気の場合は還元雰囲気の場合の耐熱温度（リッチ耐熱温度）以下になるように触媒温度を調整する一方、触媒周辺が酸化雰囲気の場合は酸化雰囲気の場合の耐熱温度（リーン耐熱温度）以下になるように触媒温度を調整しなくてはならない。
しかしながら、例えば、三元触媒やＮＯX 触媒を備えた希薄燃焼内燃機関において、還元雰囲気の場合のリッチ耐熱温度以下になるように触媒温度を調整していたとしても、触媒が所定温度、即ち、酸化雰囲気の場合のリーン耐熱温度以上となる高温リッチ運転時（高負荷・高回転域での運転時）に、例えば燃料カットが行なわれて燃料カット運転状態に移行したり、リーン運転（低負荷・低回転域での運転）に切り替えられたりすると、排気系はＯ2 過剰の酸化雰囲気となる。この場合、触媒温度は直ぐに低下せず、徐々に低下していくことになるため、触媒温度がリーン耐熱温度以下になるまでの間、リーン耐熱温度以上で触媒周辺が酸化雰囲気の状態となり、上述したような触媒浄化性能の低下、即ち触媒が熱劣化してしまうことになる。
【０００７】
また、一般に、ＮＯX 触媒の耐熱温度は、三元触媒の耐熱温度と比較して低いため、ＮＯX 触媒では熱劣化は特に顕著となる。
そこで、例えば、特開平８−１４４８１４号公報に開示されているように、触媒が所定温度以上の場合、燃料カット運転を禁止することも提案している。
しかしながら、この技術では、確かに触媒周辺を酸化雰囲気にしないことで、燃料カット運転時に触媒が耐熱温度を超えることを防止することはできるが、燃料カット運転を要求しているにもかかわらず、燃料カットが禁止されてしまうので、ドライバビリティや燃費等が悪化することになる。
【０００８】
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、触媒温度が所定温度以上で酸化雰囲気になる場合であっても、ドライバビリティや燃費等が悪化しないようにしながら、排ガス浄化用触媒の熱劣化を確実に抑制できるようにした、内燃機関を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１記載の本発明の内燃機関では、排気温センサにより検出される排気温度に基づいて推定される触媒温度が所定温度以上で且つ雰囲気検知手段によって酸化雰囲気が検知された場合に、制御手段により制御される流量調整手段によって排ガス浄化用触媒への流入気流量が増大するように調整される。この場合、制御手段による流入気流量の増大制御は、排気温度と触媒温度との間の時間応答差を考慮して、排気温センサにより検出される排気温度がリーン耐熱温度よりも小さくなった後も継続される。
特に、時間応答差は、排ガス浄化用触媒への流入気流量に基づいて推定するのが好ましい（請求項２）。
【００１０】
【発明の実施形態】
以下、図面により、本発明の実施の形態について説明する。
まず、第１実施形態にかかる内燃機関について、図１〜図５を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる内燃機関は、図１に示すように構成されており、吸気，圧縮，膨張，排気の各行程を一作動サイクル中にそなえる内燃機関、即ち４サイクルエンジンであって、火花点火式で、且つ、燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射型内燃機関（筒内噴射エンジン）として構成される。
【００１１】
燃焼室１には、吸気通路２および排気通路３が連通しうるように接続されており、吸気通路２と燃焼室１とは吸気弁４によって開閉制御されるとともに、排気通路３と燃焼室１とは排気弁５によって開閉制御されるようになっている。
また、吸気通路２には、図示しないエアクリーナ，エアフローセンサ及びスロットル弁が設けられており、排気通路３には、排ガス浄化用触媒６および図示しないマフラ (消音器）が設けられている。
【００１２】
ここで、排ガス浄化用触媒６は、図１に示すように、リーンＮＯx 触媒（以下、ＮＯx 触媒という）６Ａと三元触媒６Ｂとを備え、さらに、これらのＮＯx 触媒６Ａ及び三元触媒６Ｂの上流側にエンジンに近接して三元触媒６Ｃを備えて構成される。
つまり、理論空燃比下で排ガス中のＣＯ，ＨＣ及びＮＯx を浄化可能な三元機能を有する三元触媒６Ｂが設けられており、さらに、リーン運転時に発生する排ガス中のＮＯx を十分に浄化できるように、三元触媒６Ｂの上流側にＮＯx 触媒６Ａが設けられている。
【００１３】
ここで、ＮＯx 触媒６Ａは、ＮＯX を触媒上に吸着することにより排ガス中のＮＯX を浄化するタイプのもの（吸蔵型リーンＮＯX 触媒，トラップ型リーンＮＯX 触媒）で、例えばアルミナＡｌ2 Ｏ3 を担体とし、この担体上に、バリウムＢａ及び白金Ｐｔが担持されて構成される。
さらに、本実施形態では、ＮＯx 触媒６Ａの上流側の排気通路３に、エンジン始動直後でもすみやかに活性化して排ガス中のＣＯ，ＨＣ及びＮＯx を浄化する機能を有する三元触媒（近接三元触媒）６Ｃも設けられている。
【００１４】
また、スロットル弁１２は、図示しないアクセルペダルの踏込み量に応じて開度が変わり、これにより燃焼室１内に導入される空気量が調整されるようになっている。
更に、１３は、アイドルスピードコントロールバルブ（ＩＳＣバルブ）であり、吸気通路２のスロットル弁設置部分をバイパスするバイパス路１３Ａに設けられ、図示しないステッパモータによって開閉駆動され、主にスロットル弁１２全閉又は略全閉時におけるアイドル回転数を微調整している。
【００１５】
１４はエアバイパスバルブ（ＡＢＶ）であり、吸気通路２のスロットル弁１２設置部分をバイパスするようにスロットル弁１２の上流側の吸気通路２とサージタンク２ａとを連通するバイパス路１４Ａに設けられ、スロットル弁１２とは別個に吸気量を調整して空燃比を調整しうるものである。
なお、ＩＳＣバルブ１３及びＡＢＶ１４は、いずれも排ガス浄化用触媒６へ流入する排気流量（流入気流量）を調整可能であるため、これらを流量調整手段という。
【００１６】
また、インジェクタ（燃料噴射弁）８は、気筒内の燃焼室１へ向けて燃料を直接噴射すべく、その開口を燃焼室１に臨ませるように配置されている。また、当然ながら、このインジェクタ８は各気筒毎に設けられており、例えば本実施形態のエンジンが直列４気筒エンジンであるとすると、インジェクタ８は４個設けられることになる。
【００１７】
また、１５，１６は、流入気流量の増大制御における二次エア導入位置を示している。ここでは、１５は排気通路３の最上流における二次エア導入位置を示しており、１６はＮＯX 触媒６Ａの直上流における二次エア導入位置を示している。なお、二次エアの導入によって排ガス浄化用触媒６への流入気流量を調整するため、二次エアを導入する二次エア導入手段も流量調整手段となる。
【００１８】
なお、二次エア導入位置は、図１に示す位置に限られるものではなく、排ガス浄化用触媒６Ｃ又は６Ａ，６Ｂの上流側であれば良い。また、ここでは、二次エア導入位置を２箇所図示しているが、これはどちらか１箇所でも良い。さらに、流入気流量の増大制御における二次エアの導入に際しては、エンジン始動時における排ガス浄化用触媒６の早期活性化のための二次エア導入手段を兼用するようにしても良いし、別個に設けても良い。また、二次エアを導入せず、ＩＳＣバルブ１３及びＡＢＶ１４のみで流入気流量を調整するようにしても良い。
【００１９】
このような構成により、図示しないスロットル弁の開度に応じ図示しないエアクリーナ及びエアフローセンサ（例えばカルマン渦式エアフローセンサ）を通じて吸入された空気が吸気弁４の開放により燃焼室１内に吸入され、この燃焼室１内で、吸入された空気と制御手段としての電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０からの信号に基づいてインジェクタ８から直接噴射された燃料とが混合され、燃焼室１内で点火プラグ７を適宜のタイミングで点火させることにより燃焼せしめられて、エンジントルクを発生させたのち、排ガスが燃焼室１内から排気通路３へ排出され、排気浄化装置６で排ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯx の３つの有害成分を浄化されてから、マフラで消音されて大気側へ放出されるようになっている。
【００２０】
また、本実施形態では、流量調整手段の制御を行なう際に触媒周辺が酸化雰囲気であるか否かを、ＥＣＵ２０で、車速，運転モード，エンジン負荷，エンジン回転数等に基づいて推定するようにしている。この場合、ＥＣＵ２０内の該当する機能が雰囲気検知手段となる。
また、このエンジンには種々のセンサが設けられており、センサからの検出信号がＥＣＵ２０へ送られるようになっている。
【００２１】
例えば、排気通路３の上流側部分にはＯ2 センサ１１が設けられており、Ｏ2 センサ１１によって排ガス浄化用触媒６の周辺が酸化雰囲気であるか否かを検出するようになっている。また、Ｏ2 センサ１１からの検出信号がＥＣＵ２０へ送られるようになっている。
このため、Ｏ2 センサ１１を流量調整手段による制御を行なう際に雰囲気検知手段として用いることもできる。なお、雰囲気検知手段としては、Ｏ2 センサのほかに、空燃比に比例した検出信号を出力するリニアＡ／Ｆセンサを用いても良い。
【００２２】
また、Ｏ2 センサ１１による検出と、ＥＣＵ２０での車速（平均車速），運転モード，エンジン負荷，エンジン回転数等からの推定とを組み合わせて、触媒周辺が酸化雰囲気であるか否かを検出又は推定するようにして良い。この場合、Ｏ2 センサ１１及びＥＣＵ２０内の該当する機能が雰囲気検知手段となる。
また、Ｏ2 センサ１１の下流側であって、排気通路３の排ガス浄化用触媒６の上流側部分には高温センサ（排気温センサ，温度検知手段）９が設けられており、排ガス温度を検出するようになっている。そして、高温センサ９からの検出信号がＥＣＵ２０へ送られるようになっている。なお、ＥＣＵ２０で、後述するように、高温センサ９からの検出情報等に基づいて触媒温度を推定する場合は、高温センサ９及びＥＣＵ２０内の該当する機能が温度検知手段を構成することになる。
【００２３】
また、排ガス浄化用触媒６を構成するＮＯX 触媒６Ａの下流側部分にはＮＯX センサ１０が設けられている。また、ＮＯX センサ１０による検出情報は、後述するＥＣＵ２０へ送られるようになっている。
そして、ＥＣＵ２０では、ＮＯX センサ１０からの検出情報等に基づいて触媒再生制御（リッチスパイク）を行なうようになっている。つまり、本実施形態では、ＮＯX 触媒６Ａの近傍を酸素濃度低下雰囲気（還元雰囲気）としてＮＯX 触媒６Ａに吸着したＮＯX やＳＯX を脱離させ、ＮＯX 浄化効率を再生させるために、ＮＯX センサ１０からの検出情報等に基づいて、ＮＯX 触媒６Ａの近傍の空燃比をリーンから理論空燃比又はリッチにするために運転モードを理論空燃比又はリッチに切り替える触媒再生制御（リッチスパイク）を行なうようになっている。
【００２４】
ここで、本エンジンの運転モードについて説明すると、このエンジンは、吸気通路２から燃焼室１内に流入した吸気流が縦渦（逆タンブル流）を形成するように構成され、燃焼室１内で、吸気流がこのような縦渦流を形成するので、圧縮行程後期に燃料を噴射して、この縦渦流を利用しながら例えば燃焼室１の頂部中央に配設された点火プラグ７の近傍のみに少量の燃料を集めて、点火プラグ７から離隔した部分では極めてリーンな空燃比状態とすることができ、点火プラグ７の近傍のみを理論空燃比又はリッチな空燃比とすることで、安定した層状燃焼（層状超リーン燃焼）を実現しながら、燃料消費を抑制することができるものである。
【００２５】
また、このエンジンから高出力を得る場合には、吸気行程に燃料を噴射することにより、インジェクタ８からの燃料が燃焼室１全体に均質化され、全燃焼室１内を理論空燃比やリーン空燃比の混合気状態にさせて予混合燃焼が行なわれ、もちろん、理論空燃比による方がリーン空燃比によるよりも高出力が得られるが、これらの際にも、燃料の霧化及び気化が十分に行なわれるようなタイミングで燃料噴射を行なうことで、効率よく高出力を得ることができる。
【００２６】
このため、本エンジンでは、燃料噴射の態様として、圧縮行程燃料噴射による層状燃焼によって燃料の極めて希薄な状態（即ち、空燃比が理論空燃比よりも極めて大）での運転（超リーン燃焼運転）を行なう圧縮リーン運転モードと、圧縮リーン運転モードほどではないが燃料の希薄な状態（即ち、空燃比が理論空燃比よりも大）で運転を行なう吸気リーン運転モードと、空燃比が理論空燃比となるようにＯ2 センサ情報等に基づいてフィードバック制御を行なうストイキオ運転モード（ストイキオフィードバック運転モード）と、燃料の過濃な状態（即ち、空燃比が理論空燃比よりも小）での運転を行なうエンリッチ運転モード（オープンループモード）とが設けられている。
【００２７】
そして、このような各種の運転モードから一つのモードを選択してエンジンの運転を制御することになるが、この運転モード選択は、エンジンの回転数Ｎｅ及び負荷状態を示す有効圧力Ｐｅに基づきマップに応じて行なうようになっている。
つまり、エンジンの回転数Ｎｅが低く負荷Ｐｅも小さい場合には、圧縮リーン運転モード（圧−Ｌ）が選択され、エンジンの回転数Ｎｅや負荷Ｐｅがこれよりも大きくなるのにしたがって、吸気リーン運転モード（吸−Ｌ），ストイキオフィードバック運転モード（Ｓ／Ｆ），オープンループモード（Ｏ／Ｌ）が選択される。
【００２８】
このほか、燃料カットモードが設けられている。この燃料カットモードは、減速時等にスロットルバルブが閉じられた際に燃料供給を停止するモードである。ところで、排ガス浄化用触媒６の耐熱温度は、一般に、図３に示すように、触媒周辺が還元雰囲気の場合（排ガス空燃比がリッチの場合）よりも酸化雰囲気の場合（排ガス空燃比がリーンの場合）の方が低くなる。このため、触媒周辺が還元雰囲気の場合は還元雰囲気の場合の耐熱温度（リッチ耐熱温度；例えば８００℃）以下になるように触媒温度を調整する一方、触媒周辺が酸化雰囲気の場合は酸化雰囲気の場合の耐熱温度（リーン耐熱温度；例えば７００℃）以下になるように触媒温度を調整している。
【００２９】
しかし、例えば、定常運転でのリッチ運転の場合に触媒温度がリッチ耐熱温度以下であるがリーン耐熱温度よりは高い温度である場合に、燃費の向上，エンジンの破損防止等のために、所定の運転状態のときに内燃機関への燃料供給を停止する（これを、燃料カットという）制御が行なわれ、図３に示すように、運転モードがリッチから燃料カット（排ガス空燃比はリーンとなる）に切り替わると、切り替え後例えば数秒〜数百秒間、図３中、破線Ａで示すように、触媒はリーン雰囲気であるにもかかわらず、触媒温度は触媒の熱容量のためにすぐには下がらず、触媒温度がリーン耐熱温度以上になってしまう場合があるため、この場合には排ガス浄化用触媒６の熱劣化が進行することになる。
【００３０】
また、ストイキオ運転モードやエンリッチ運転モード（高負荷・高回転域における運転モード）からリーン運転モード（低負荷・低回転域における運転モード）へ運転モードが切り替えられる場合も、上述の燃料カットの場合と同様に、触媒温度がその耐熱温度を超えた状態で、触媒周辺が酸化雰囲気になってしまう場合があり、排ガス浄化用触媒６の熱劣化が進行することになる。
【００３１】
そこで、本実施形態にかかる内燃機関では、排ガス浄化用触媒６の熱劣化を抑制するための制御を行なうようにしている。なお、本実施形態では、一般にＮＯX 触媒の耐熱温度の方が三元触媒の耐熱温度よりも低いため、ＮＯX 触媒の耐熱温度に基づいて排ガス浄化用触媒６の熱劣化の抑制制御を行なうようにしている。
【００３２】
このため、本実施形態にかかる内燃機関のＥＣＵ（制御手段）２０は、例えば燃料カット時やリッチ運転モードからリーン運転モードへの運転モードの切替時等に、触媒温度を推定し、この触媒温度が所定温度以上で酸化雰囲気が検知された場合、排ガス浄化用触媒６への流入気流量を一時的に増大するよう制御するようになっている。これにより、排ガス浄化用触媒６を急速に冷却することができ、触媒温度を早期に耐熱温度以下に低下させることができる。
【００３３】
ここで、所定温度とは、触媒周辺が酸化雰囲気の場合（排ガス空燃比がリーンの場合）の耐熱温度（リーン耐熱温度）である。また、触媒周辺が酸化雰囲気になる場合としては、例えば、運転モードがリーン運転モードの場合や燃料カット運転の場合がある。
具体的には、ＥＣＵ２０は、運転モードがストイキオ運転モードやエンリッチ運転モードから燃料カットモードやリーン運転モードへ切り替わったか否かを判定するようになっている。
【００３４】
また、ＥＣＵ２０は、触媒温度がリーン耐熱温度以上であるか否かを判定するようになっている。ここでは、触媒温度としてこれに相当する排気温度（高温センサ出力）を使用している。つまり、一般に触媒に直接センサを取り付けることは困難であることから、触媒ベッド温度を直接計測しておらず、高温センサ９によってＮＯX 触媒６Ａの入口の排気温度を計測し、この高温センサ９により検出される排気温度が触媒温度に相当するとしてリーン耐熱温度との判定を行なっている。
【００３５】
また、ＥＣＵ２０は、運転モードがストイキオ運転モードやエンリッチ運転モードから燃料カット運転やリーン運転モードへ切り替わり、かつ、触媒温度がリーン耐熱温度以上であると判定した場合は、触媒への流入気流量の増大制御、即ち、ＡＢＶ１４，ＩＳＣバルブ１３を全開にし、バイパスエア総流量を増やして吸気流量を増量し、さらに、排気通路３へ二次エアを導入する制御を行なうようになっている。
【００３６】
ここで、バイパスエア総流量とは、ＡＢＶ１４を介しての流量とＩＳＣバルブ１３を介しての流量とを合わせたものであり、上記制御時には通常時のマップとは異なるマップにより設定するようになっている。
この場合、バイパスエア総流量は、エンジン負荷，エンジン回転数，車速に対するマップから求めても良い。なお、車速に対するマップから求める場合はリーン運転時と燃料カット運転時で別のマップを使用する。
【００３７】
このような流入気流量の増大制御は、触媒温度が所定温度、即ち耐熱温度以下に下がったら終了する。なお、燃料カットモードやリーン運転モードにおける運転が終了した場合には、流入気流量の増大制御は終了する。
ところで、本実施形態では、高温センサ９により検出される排気温度がリーン耐熱温度以上である場合に流入気流量の増大制御を行なうようにしているが、高温センサ９により検出される排気温度と触媒ベッド温度との間には触媒の熱容量に起因する時間応答差があるため、排気温度がリーン耐熱温度よりも小さくなったとしても、触媒温度はリーン耐熱温度よりも小さくなっていない場合がある。
【００３８】
このため、まず、高温センサ９により検出される排気温度がリーン耐熱温度よりも小さくなるまで流入気流量の増大制御を行ない、さらに、高温センサ９により検出される排気温度がリーン耐熱温度よりも小さくなった後、触媒温度がリーン耐熱温度よりも小さくなるまでの時間を時間応答差を考慮して推定し、流入気流量の増大制御を行なうようにしている。
【００３９】
実際には、図３に示すように、図３中、細線Ｂで示す高温センサ９により検出される排気温度と、図３中、太線Ｃで示す触媒ベッド温度との間に時間応答差（応答遅れ）αが生じる。なお、図３中、破線Ａは本制御を行なわない場合の触媒ベッド温度を示している。
この時間応答差を考慮すれば、高温センサ９はＮＯX 触媒６Ａの上流側の排気通路３に設けられており、高温センサ９により検出される排気温度の方が触媒ベッド温度よりも応答が早いため、高温センサ９により検出される排気温度に基づいて触媒ベッド温度を推定できることになる。
【００４０】
ここでは、時間応答差は、触媒への流入気流量に関係しているため、流入気流量から推定している。つまり、時間応答差を推定する際の排気流量は吸気流量（ここではカルマン周波数に相当）に相当し、さらに、ここでは二次エアが導入されるため、触媒への流入気流量は吸気流量に二次エア導入量を加算したものとなる。このため、この吸気流量に二次エア導入量を加算して求めた流入気流量に基づいて時間応答差を推定している。
【００４１】
ここで、吸気流量はカルマン渦式エアフローセンサにより計測している。なお、この吸気流量計測はカルマン渦式エアフローセンサ以外のものを用いてもよい。
また、時間応答差の推定に際しては、排気温度が触媒を伝わっていき、触媒全体、あるいは触媒の中心部まで伝わったときに触媒温度が排気温度に一致することになると考え、温度伝播速度を用いている。
【００４２】
ここで、温度伝播速度は、図５に示すような温度伝播速度と流入気流量との関係を示すマップ（ほぼ比例関係）により設定される。なお、流入気流量と温度伝播速度との関係を示すマップは、エンジン（即ち、エンジンに備えられる触媒）によって異なるものを用いる。これは、主に、触媒熱容量（触媒容量）に影響されるためである。
【００４３】
具体的には、高温センサ９により検出される排気温度がリーン耐熱温度以上である場合は、カウンタ値（流入気流量の増大制御の継続時間に相当する）は、次式により算出される。
カウンタ値＝触媒長さ
ここで、触媒長さとは、触媒に応じて定まる定数である。また、触媒長さは触媒の全長としても良いし、触媒ベッド中心までとして触媒全体の半長としても良い。なお、カウンタ値の初期値は０になっている。
【００４４】
また、高温センサ９により検出される排気温度がリーン耐熱温度よりも小さくなった場合は、カウンタ値（流入気流量の増大制御の継続時間に相当する）は、次式により算出される。
カウンタ値＝触媒長さ−温度伝播速度×Δｔ
ここで、Δｔは演算周期である。
【００４５】
なお、触媒温度を直接検出可能である場合は、時間応答差を考慮する必要はない。
本発明の第１実施形態としての内燃機関は、上述のように構成されているので、この装置による流入気流量の増大制御は、以下のように行なわれる。
つまり、図４のフローチャートに示すように、まず、ステップＡ１０で、ストイキオ運転モード又はリッチ運転モードから燃料カットモードやリーン運転モードになったか否かを判定する。この判定の結果、ストイキオ運転モード又はリッチ運転モードから燃料カットモードやリーン運転モードになっていない場合はリターンする。一方、ストイキオ運転モード又はリッチ運転モードから燃料カットモードやリーン運転モードになった場合はステップＡ２０に進み、高温センサ９の出力がリーン耐熱温度以上であるか否かを判定する。
【００４６】
この判定の結果、高温センサ９の出力がリーン耐熱温度以上である場合はステップＡ３０に進み、カウンタ値を次式により設定する。
カウンタ値＝触媒長さ
次いで、ステップＡ５０に進み、カウンタ値が０であるか否かを判定し、この場合、カウンタ値は０でないため、ステップＡ６０に進んで、バイパスエア総流量を増大する制御として、ＡＢＶ１４やＩＳＣバルブ１３を全開にして吸入吸気量を増大するとともに、排気通路３へ二次エアを導入して、リターンする。
【００４７】
一方、ステップＡ２０で、高温センサ９の出力がリーン耐熱温度よりも低いと判定された場合は、排気温度と触媒温度との間の時間応答差により触媒温度がリーン耐熱温度以上である場合もあるため、ステップＡ４０で、カウンタ値を次式により設定する。
カウンタ値＝触媒長さ−温度伝播速度×Δｔ
次いで、ステップＡ５０に進み、カウンタ値が０であるか否かを判定し、この場合、カウンタ値は０でないため、ステップＡ６０に進んで、バイパスエア総流量を増大する制御として、ＡＢＶ１４やＩＳＣバルブ１３を全開（または負荷と回転数に対するマップ値）にして吸入吸気量を増大するとともに、排気通路３へ二次エアを導入して、リターンする。
【００４８】
その後、カウンタ値が０になったら、バイパスエア総流量を増大する制御を終了して、リターンする。
したがって、本実施形態にかかる内燃機関によれば、触媒への流入気流量の増大により排ガス浄化用触媒６を急速に冷却することができ、触媒温度を速やかに低下させることができる。これにより、燃料カット運転時等において触媒温度が耐熱温度を超えることによる排ガス浄化用触媒６の熱劣化を確実に抑制できるという利点がある。一般に、耐熱温度の低いＮＯX 触媒６Ａにおいて特に効果的である。
【００４９】
また、排ガス浄化用触媒の熱劣化を抑制するために、燃料カットが要求されているにもかかわらず燃料カットを禁止してしまうということがなく、ドライバビリティや燃費等の悪化を招くこともないという利点もある。
この場合、本実施形態では、温度伝播速度と流入気流量との関係を考慮するため、排気温度と触媒ベッド温度の時間応答差を精度良く推測できるという利点もある。
【００５０】
なお、上述の本実施形態では、三元触媒６ＣをＮＯX 触媒６Ａ及び三元触媒６Ｂと別体として構成しているが、例えば図２に示すように、三元触媒６Ｃ，ＮＯX 触媒６Ａ，三元触媒６Ｂを１つのケース内に一体に備えるように構成しても良い。この場合、三元触媒６ＣとＮＯX 触媒６Ａとの間に高温センサ９を配設し、ＮＯX 触媒６Ａと三元触媒６Ｂとの間にＮＯX センサ１０を配設する。また、二次エア導入時の導入位置１５は三元触媒６Ｃの上流側の排気通路３とし、二次エア導入時の導入位置１６は三元触媒６ＣとＮＯX 触媒６Ａとの間とする。
【００５１】
また、上述の本実施形態では、排ガス浄化用触媒６への流入気流量を増大すべく、ＡＢＶ１４やＩＳＣバルブ１３を全開にして吸入吸気量を増大するとともに、排気通路３へ二次エアを導入するようにしているが、触媒温度を確実に低下させることができるのであれば、いずれか一方の制御のみを行なうようにしても良い。つまり、ＡＢＶ１４やＩＳＣバルブ１３を全開にして吸入吸気量を増大するだけでも良いし、また排気通路３へ二次エアを導入するだけでも良い。また、ＡＢＶ１４を備えないものであれば、ＩＳＣバルブ１３の開度のみ調整するようにしても良い。
【００５２】
また、ＡＢＶ１４及びＩＳＣバルブ１３のみによって吸入空気量を増大させる場合には、図５は温度伝播速度と吸入空気量（カルマン渦式エアフローセンサ周波数）とのマップとすれば良い。
また、上述の本実施形態では、触媒温度に相当するものとして、排気温度を高温センサ９によって検出しているが、車速，運転モード，エンジン負荷，エンジン回転数等から推定しても良い。また、高温センサ９による検出と、これらの車速（平均車速），運転モード，エンジン負荷，エンジン回転数等からの推定とを組み合わせて触媒温度を検出又は推定するようにしても良い。
【００５３】
また、上述の本実施形態における時間応答差の推定に際しては、少しでもその精度を良くするために、時間応答差に排気の持つ熱量（排気温度）の影響を考慮するのが好ましい。
この場合、上述のようにして推定した温度伝播速度に補正係数をかければ良く、この補正係数は、高温センサ９の検出値（排気温センサ値），エンジン負荷，エンジン回転数，車速に対するマップ値として求めれば良い。なお、簡単化のためにマップを統合しても良い。つまり、温度伝播速度をエンジン負荷，エンジン回転数又は車速に対するマップ値として設定しても良い。
【００５４】
また、燃料カット以外のリーン運転時に、上述のような流入気流量の増大制御を行なう場合は、空燃比Ａ／Ｆ，点火時期も通常のリーン運転時と別設定とする必要がある。
次に、第１実施形態の変形例にかかる内燃機関について説明する。
本変形例にかかる内燃機関は、第１実施形態のものと、流量調整手段が異なる。つまり、本変形例は、ドライブバイワイヤ（ＤＢＷ）を備える自動車等の車両において、このＤＢＷによってスロットル弁１２の開度を開側に制御することによって吸気流量を増やし、これにより、排気流量を増量するもので、ＤＢＷ及びスロットル弁１２によって排ガス浄化用触媒６へ流入気流量を調整する流量調整手段が構成される。
【００５５】
この場合、ＤＢＷによる開度制御は通常運転時とは別設定とする。なお、燃料カット以外のリーン運転を行なう場合に本制御を行なう時には空燃比Ａ／Ｆ，点火時期も別設定とする必要がある。
また、上述の第１実施形態と同様に、このＤＢＷによる開度制御に加えて、二次エアを導入するようにしても良い。この場合、二次エアの導入位置はＮＯX 触媒６Ａの上流側であればどこでも良い。
【００５６】
その他の構成については、上述の第１実施形態のものと同様であるため、ここではその説明を省略する。
このような構成により、本変形例の内燃機関では、上述の第１実施形態と同様に、触媒への流入気流量の増大制御が行なわれ、これにより、上述の第１実施形態と同様の作用，効果が得られる。
【００５７】
次に、第２実施形態にかかる内燃機関について、図６，図７を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる内燃機関は、第１実施形態のものと、ＥＣＵ２０における時間応答差の求め方が異なる。つまり、本実施形態では、ＥＣＵ２０が吸気流量と時間応答差との関係（ほぼ反比例）を示す図７に示すようなマップを備え、このマップにより時間応答差を求めるようになっている。
【００５８】
また、上述の第１実施形態と同様に、時間応答差の推定に際しては、少しでもその精度を良くするために、時間応答差に排気の持つ熱量（排気温度）の影響を考慮するのが好ましい。
このため、上述のようにして推定した時間応答差に補正係数をかけるようになっている。
【００５９】
また、補正係数は、高温センサ９の検出値，エンジン負荷，エンジン回転数，車速に対するマップ値として求める。
なお、簡単化のためにマップを統合しても良い。つまり、時間応答差をエンジン負荷，エンジン回転数又は車速に対するマップ値として設定しても良い。
その他の構成については、上述の第１実施形態のものと同様であるため、ここではその説明を省略する。
【００６０】
このような構成により、第２実施形態の内燃機関では、以下のように流入気流量の増大制御が行なわれる。
つまり、図６のフローチャートに示すように、まず、ステップＢ１０で、ストイキオ運転モード又はリッチ運転モードから燃料カットモードやリーン運転モードになったか否かを判定する。この判定の結果、ストイキオ運転モード又はリッチ運転モードから燃料カットモードやリーン運転モードになっていない場合はリターンする。一方、ストイキオ運転モード又はリッチ運転モードから燃料カットモードやリーン運転モードになった場合はステップＢ２０に進み、高温センサ９の出力がリーン耐熱温度以上であるか否かを判定する。
【００６１】
この判定の結果、高温センサ９の出力がリーン耐熱温度以上である場合はステップＢ７０に進み、バイパスエア総流量を増大する制御として、ＡＢＶ１４やＩＳＣバルブ１３を全開にして吸入吸気量を増大するとともに、排気通路３へ二次エアを導入して、リターンする。
一方、高温センサ９の出力がリーン耐熱温度よりも低い場合は、ステップＢ３０に進み、フラグＦが１か否かを判定する。なお、フラグＦは、触媒温度がリーン耐熱温度以上と推定される場合に１とされる。
【００６２】
この判定の結果、フラグＦが１の場合はステップＢ７０に進んで、バイパスエア総流量を増大する制御として、ＡＢＶ１４やＩＳＣバルブ１３を全開にして吸入吸気量を増大するとともに、排気通路３へ二次エアを導入して、リターンする。
一方、フラグＦが１でない場合はステップＢ４０に進み、図７に示すようなマップにより、流入気流量に応じて時間応答差ＴＡを設定し、ステップＢ５０でフラグＦを１にセットして、ステップＢ６０に進む。なお、流入気流量は、高温センサ９の出力がリーン耐熱温度よりも小さくなった時の値を用いる。また、フラグＦは初期設定は０になっている。
【００６３】
ステップＢ６０では、高温センサ９の出力がリーン耐熱温度よりも小さくなってから所定時間（時間応答差に対応する）経過したか否かを判定し、この判定の結果、所定時間を経過していない場合はステップＢ７０に進み、バイパスエア総流量を増大する制御として、ＡＢＶ１４やＩＳＣバルブ１３を全開にして吸入吸気量を増大するとともに、排気通路３へ二次エアを導入して、リターンする。一方、所定時間を経過した場合はステップＢ８０に進み、フラグＦを０にリセットして、リターンする。
【００６４】
したがって、本実施形態にかかる内燃機関によれば、上述の第１実施形態と同様の作用，効果が得られる。
また、特に、本実施形態では、ＥＣＵ２０に流入気流量と時間応答差との関係を示すマップにより時間応答差を求めるため、触媒への流入気流量の増大制御を簡略化することができるという利点がある。
【００６５】
次に、第３実施形態にかかる内燃機関について、図８を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる内燃機関は、第２実施形態のものに対して、流入気流量の変化に対応できるよう時間応答差Ａ（ｎ）にフィルタをかけるようにした点が異なる。
【００６６】
本実施形態では、ＥＣＵ２０が流入気流量と時間応答差との関係（ほぼ反比例）を示す図７に示すようなマップを備え、このマップにより時間応答差を求めるようになっている。
また、上述の第１実施形態と同様に、時間応答差の推定に際しては、少しでもその精度を良くするために、時間応答差に排気の持つ熱量（排気温度）の影響を考慮するのが好ましい。
【００６７】
このため、上述のようにして推定した時間応答差に補正係数をかけるようになっている。
また、補正係数は、高温センサ９の検出値，エンジン負荷，エンジン回転数，車速に対するマップ値として求める。
なお、簡単化のためにマップを統合しても良い。つまり、時間応答差をエンジン負荷，エンジン回転数又は車速に対するマップ値として設定しても良い。
本実施形態では、１次フィルタをかけるようにしている。つまり、次式により時間応答差Ａ（ｎ）に１次フィルタをかけるようにしている。
【００６８】
Ａ（ｎ）＝ｋ×Ａ（ｎ−１）＋（ｋ−１）×ＴＡ
ここで、Ａ（ｎ）：時間応答差，ＴＡ：時間応答差マップ値（流入気流量に対するマップ），ｋ：フィルタ定数（触媒により異なる定数）である。なお、流入気流量は各瞬間における値を用いる。
このような構成により、第３実施形態の内燃機関では、第２実施形態と同様に、以下のようにして流入気流量の増大制御が行なわれる。
【００６９】
つまり、図８のフローチャートに示すように、まず、ステップＣ１０で、ストイキオ運転モード又はリッチ運転モードから燃料カットモードやリーン運転モードになったか否かを判定する。この判定の結果、ストイキオ運転モード又はリッチ運転モードから燃料カットモードやリーン運転モードになっていない場合はリターンする。一方、ストイキオ運転モード又はリッチ運転モードから燃料カットモードやリーン運転モードになった場合はステップＣ２０に進み、高温センサ９の出力がリーン耐熱温度以上であるか否かを判定する。
【００７０】
この判定の結果、高温センサ９の出力がリーン耐熱温度以上である場合はステップＣ５０に進み、バイパスエア総流量を増大する制御として、ＡＢＶ１４やＩＳＣバルブ１３を全開にして吸入吸気量を増大するとともに、排気通路３へ二次エアを導入して、リターンする。
一方、高温センサ９の出力がリーン耐熱温度よりも低い場合は、ステップＣ３０に進み、次式により時間応答差Ａ（ｎ）にフィルタをかける。
【００７１】
Ａ（ｎ）＝ｋ×Ａ（ｎ−１）＋（ｋ−１）×ＴＡ
そして、ステップＣ４０に進み、高温センサ９の出力がリーン耐熱温度よりも小さくなってから所定時間（時間応答差に対応する）経過したか否かを判定し、この判定の結果、所定時間を経過していない場合はステップＣ５０に進み、バイパスエア総流量を増大する制御として、ＡＢＶ１４やＩＳＣバルブ１３を全開にして吸入吸気量を増大するとともに、排気通路３へ二次エアを導入して、リターンする。一方、所定時間を経過した場合は、これらの流入気流量を増大する制御を終了して、リターンする。
【００７２】
したがって、本実施形態にかかる内燃機関によれば、上述の第１実施形態と同様の作用，効果が得られる。
また、特に、本実施形態では、触媒への流入気流量の変化に対応できるように時間応答差にフィルタをかけるようにしているため、時間応答差を正確に求めることができ、これにより、流入気流量の増大制御を正確に行なえるようになるという利点がある。
【００７７】
なお、上述の各実施形態では、リーンバーンエンジンとして筒内噴射型内燃機関を例にとって説明しているが、内燃機関はこれに限られるものではない。
つまり、燃料カット運転はリーンバーンエンジンに限らず、従来の理論空燃比及びリッチ空燃比のみを行なう内燃機関においても実施されるので、排ガス浄化用触媒６の熱劣化は従来の内燃機関でも生じることになるため、従来の内燃機関においても本発明を適用することができる。
【００７８】
また、上述の各実施形態では、ストイキオ運転又はリッチ運転から燃料カット運転又はリーン運転への移行時に生じる触媒の熱劣化を抑制することに関して主に説明しているが、吸蔵型ＮＯX 触媒を備えた内燃機関では、例えば排ガス中のイオウ成分により触媒が被毒するため、ある条件下で触媒を高温かつ触媒周辺を還元雰囲気としてイオウ成分を触媒上から放出させ、触媒の再生を図る触媒再生制御が行なわれるが、この再生制御の後にリーン運転又は燃料カット運転に移行した場合でも触媒の熱劣化が生じることになるので、この場合にも本発明を適用することができる。
【００７９】
また、上述の各実施形態では、ＮＯX 触媒６Ａを吸蔵型ＮＯX 触媒としているが、ＮＯX 触媒はこれに限られるものではなく、選択還元型ＮＯX 触媒であっても良い。この場合、選択還元型ＮＯX 触媒の上流に近接三元触媒を設けると、選択還元型ＮＯX 触媒の機能を損なうので近接三元触媒は設けない方が好ましい。また、上述の各実施形態では、一般にＮＯX 触媒６Ａの方が三元触媒６Ｂ，６Ｃよりも耐熱温度が低いため、ＮＯX 触媒６Ａの耐熱温度に基づいて触媒の熱劣化を抑制できるように流入気流量の増大制御を行なうようにしているが、必ずしもＮＯX 触媒６Ａの耐熱温度に基づいて制御を行なう必要はなく、広く触媒の耐熱温度に基づいて触媒の熱劣化を抑制できるように流入気流量の増大制御を行なうものであれば良い。例えば、三元触媒のみ備える場合には、三元触媒の耐熱温度に基づいて触媒の熱劣化の抑制制御を行なえば良い。
【００８０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の内燃機関によれば、触媒温度が所定温度以上で酸化雰囲気になった場合であっても、排ガス浄化用触媒への流入気流量を増大することによって排ガス浄化用触媒を急速に冷却することができ、触媒温度を速やかに低下させることができるため、触媒温度が耐熱温度を超えることによる排ガス浄化用触媒の熱劣化を確実に抑制できるという利点がある。
【００８１】
また、排ガス浄化用触媒の熱劣化を抑制するために、ドライバビリティや燃費等の悪化を招くこともないという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる内燃機関の全体構成を示す模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態にかかる内燃機関に備えられる排ガス浄化用触媒の変形例を示す模式図である。
【図３】本発明の第１実施形態にかかる内燃機関に備えられる排ガス浄化用触媒の耐熱温度を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態にかかる内燃機関における流量調整手段による制御を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第１実施形態にかかる内燃機関の流量調整手段において用いられる温度伝播速度と流入気流量との関係を示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態にかかる内燃機関における流量調整手段による制御を示すフローチャートである。
【図７】本発明の第２実施形態にかかる内燃機関の流量調整手段において用いられる時間応答差と流入気流量との関係を示す図である。
【図８】本発明の第３実施形態にかかる内燃機関における流量調整手段による制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
６ 排ガス浄化用触媒
６Ａ ＮＯX 触媒
６Ｂ 三元触媒
６Ｃ 三元触媒（近接三元触媒）
９ 高温センサ（温度検知手段）
１０ ＮＯX センサ
１１ Ｏ2 センサ（雰囲気検知手段）
１２ ＡＢＶ（流量調整手段）
１３ ＩＳＣバルブ（流量調整手段）
１４ スロットル弁（流量調整手段）
１５，１６ 二次エアの導入位置（流量調整手段）
２０ ＥＣＵ（制御手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、排ガス中の有害成分、特に、ＮＯX を浄化する排ガス浄化用触媒を備える、内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車等に備えられる内燃機関では、排ガス中の有害物質を理論空燃比近傍の運転状態で浄化する三元触媒が排気通路に設けられていた。
また、近年、空燃比をリーンとして燃費を向上させる希薄燃焼内燃機関が実用化されている。この種の内燃機関では空燃比をリーンとするため、従来から排ガスを浄化すべく備えられている三元触媒だけではその浄化特性により排ガス中のＮＯX を十分に浄化することができない。そこで、リーン運転時のＮＯX 排出量低減のために、空燃比がリーンの時にも排ガス中のＮＯX を浄化しうるＮＯX 触媒が開発されている。
【０００３】
ここで、ＮＯX 触媒は、大別するとリーン雰囲気でＮＯX を選択的に還元する選択還元型と、リーン雰囲気でＮＯX を触媒上に吸蔵し、ストイキオ又はリッチ雰囲気で触媒上に吸蔵されたＮＯX を放出，還元する吸蔵型とに分類できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、触媒温度が高温になった状態で、燃料カット運転やリーン運転等になって触媒周辺が酸化雰囲気になった場合、貴金属を担持した触媒では高温になるほど原子移動はより活発化するため、触媒内の貴金属、例えば白金Ｐｔの小粒は、活発化した原子移動により互いに結合して大粒の白金Ｐｔとなるとともに、Ｏ2 過剰のため酸化反応を起こして白金Ｐｔの粒成長が促進され、粒成長した白金Ｐｔは表面積が小さくなるため、排ガスに接触する面積が小さくなり、触媒の排ガス浄化性能が低下し、これにより、触媒の熱劣化が促進されることになる。
【０００５】
また、選択還元型ＮＯX 触媒では、触媒に担持されたイリジウムＩｒ等の酸化反応が進んで揮発性酸化物となり、触媒表面から飛散してしまい、排ガス浄化性能を悪化させることになる。
このため、三元触媒やＮＯX 触媒の耐熱温度は、一般に触媒周辺が還元雰囲気の場合（排ガス空燃比がリッチの場合）よりも酸化雰囲気の場合（排ガス空燃比がリーンの場合）の方が低くなる。
【０００６】
従って、触媒周辺が還元雰囲気の場合は還元雰囲気の場合の耐熱温度（リッチ耐熱温度）以下になるように触媒温度を調整する一方、触媒周辺が酸化雰囲気の場合は酸化雰囲気の場合の耐熱温度（リーン耐熱温度）以下になるように触媒温度を調整しなくてはならない。
しかしながら、例えば、三元触媒やＮＯX 触媒を備えた希薄燃焼内燃機関において、還元雰囲気の場合のリッチ耐熱温度以下になるように触媒温度を調整していたとしても、触媒が所定温度、即ち、酸化雰囲気の場合のリーン耐熱温度以上となる高温リッチ運転時（高負荷・高回転域での運転時）に、例えば燃料カットが行なわれて燃料カット運転状態に移行したり、リーン運転（低負荷・低回転域での運転）に切り替えられたりすると、排気系はＯ2 過剰の酸化雰囲気となる。この場合、触媒温度は直ぐに低下せず、徐々に低下していくことになるため、触媒温度がリーン耐熱温度以下になるまでの間、リーン耐熱温度以上で触媒周辺が酸化雰囲気の状態となり、上述したような触媒浄化性能の低下、即ち触媒が熱劣化してしまうことになる。
【０００７】
また、一般に、ＮＯX 触媒の耐熱温度は、三元触媒の耐熱温度と比較して低いため、ＮＯX 触媒では熱劣化は特に顕著となる。
そこで、例えば、特開平８−１４４８１４号公報に開示されているように、触媒が所定温度以上の場合、燃料カット運転を禁止することも提案している。
しかしながら、この技術では、確かに触媒周辺を酸化雰囲気にしないことで、燃料カット運転時に触媒が耐熱温度を超えることを防止することはできるが、燃料カット運転を要求しているにもかかわらず、燃料カットが禁止されてしまうので、ドライバビリティや燃費等が悪化することになる。
【０００８】
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、触媒温度が所定温度以上で酸化雰囲気になる場合であっても、ドライバビリティや燃費等が悪化しないようにしながら、排ガス浄化用触媒の熱劣化を確実に抑制できるようにした、内燃機関を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１記載の本発明の内燃機関では、排気温センサにより検出される排気温度に基づいて推定される触媒温度が所定温度以上で且つ雰囲気検知手段によって酸化雰囲気が検知された場合に、制御手段により制御される流量調整手段によって排ガス浄化用触媒への流入気流量が増大するように調整される。この場合、制御手段による流入気流量の増大制御は、排気温度と触媒温度との間の時間応答差を考慮して、排気温センサにより検出される排気温度がリーン耐熱温度よりも小さくなった後も継続される。
特に、時間応答差は、排ガス浄化用触媒への流入気流量に基づいて推定するのが好ましい（請求項２）。
【００１０】
【発明の実施形態】
以下、図面により、本発明の実施の形態について説明する。
まず、第１実施形態にかかる内燃機関について、図１〜図５を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる内燃機関は、図１に示すように構成されており、吸気，圧縮，膨張，排気の各行程を一作動サイクル中にそなえる内燃機関、即ち４サイクルエンジンであって、火花点火式で、且つ、燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射型内燃機関（筒内噴射エンジン）として構成される。
【００１１】
燃焼室１には、吸気通路２および排気通路３が連通しうるように接続されており、吸気通路２と燃焼室１とは吸気弁４によって開閉制御されるとともに、排気通路３と燃焼室１とは排気弁５によって開閉制御されるようになっている。
また、吸気通路２には、図示しないエアクリーナ，エアフローセンサ及びスロットル弁が設けられており、排気通路３には、排ガス浄化用触媒６および図示しないマフラ (消音器）が設けられている。
【００１２】
ここで、排ガス浄化用触媒６は、図１に示すように、リーンＮＯx 触媒（以下、ＮＯx 触媒という）６Ａと三元触媒６Ｂとを備え、さらに、これらのＮＯx 触媒６Ａ及び三元触媒６Ｂの上流側にエンジンに近接して三元触媒６Ｃを備えて構成される。
つまり、理論空燃比下で排ガス中のＣＯ，ＨＣ及びＮＯx を浄化可能な三元機能を有する三元触媒６Ｂが設けられており、さらに、リーン運転時に発生する排ガス中のＮＯx を十分に浄化できるように、三元触媒６Ｂの上流側にＮＯx 触媒６Ａが設けられている。
【００１３】
ここで、ＮＯx 触媒６Ａは、ＮＯX を触媒上に吸着することにより排ガス中のＮＯX を浄化するタイプのもの（吸蔵型リーンＮＯX 触媒，トラップ型リーンＮＯX 触媒）で、例えばアルミナＡｌ2 Ｏ3 を担体とし、この担体上に、バリウムＢａ及び白金Ｐｔが担持されて構成される。
さらに、本実施形態では、ＮＯx 触媒６Ａの上流側の排気通路３に、エンジン始動直後でもすみやかに活性化して排ガス中のＣＯ，ＨＣ及びＮＯx を浄化する機能を有する三元触媒（近接三元触媒）６Ｃも設けられている。
【００１４】
また、スロットル弁１２は、図示しないアクセルペダルの踏込み量に応じて開度が変わり、これにより燃焼室１内に導入される空気量が調整されるようになっている。
更に、１３は、アイドルスピードコントロールバルブ（ＩＳＣバルブ）であり、吸気通路２のスロットル弁設置部分をバイパスするバイパス路１３Ａに設けられ、図示しないステッパモータによって開閉駆動され、主にスロットル弁１２全閉又は略全閉時におけるアイドル回転数を微調整している。
【００１５】
１４はエアバイパスバルブ（ＡＢＶ）であり、吸気通路２のスロットル弁１２設置部分をバイパスするようにスロットル弁１２の上流側の吸気通路２とサージタンク２ａとを連通するバイパス路１４Ａに設けられ、スロットル弁１２とは別個に吸気量を調整して空燃比を調整しうるものである。
なお、ＩＳＣバルブ１３及びＡＢＶ１４は、いずれも排ガス浄化用触媒６へ流入する排気流量（流入気流量）を調整可能であるため、これらを流量調整手段という。
【００１６】
また、インジェクタ（燃料噴射弁）８は、気筒内の燃焼室１へ向けて燃料を直接噴射すべく、その開口を燃焼室１に臨ませるように配置されている。また、当然ながら、このインジェクタ８は各気筒毎に設けられており、例えば本実施形態のエンジンが直列４気筒エンジンであるとすると、インジェクタ８は４個設けられることになる。
【００１７】
また、１５，１６は、流入気流量の増大制御における二次エア導入位置を示している。ここでは、１５は排気通路３の最上流における二次エア導入位置を示しており、１６はＮＯX 触媒６Ａの直上流における二次エア導入位置を示している。なお、二次エアの導入によって排ガス浄化用触媒６への流入気流量を調整するため、二次エアを導入する二次エア導入手段も流量調整手段となる。
【００１８】
なお、二次エア導入位置は、図１に示す位置に限られるものではなく、排ガス浄化用触媒６Ｃ又は６Ａ，６Ｂの上流側であれば良い。また、ここでは、二次エア導入位置を２箇所図示しているが、これはどちらか１箇所でも良い。さらに、流入気流量の増大制御における二次エアの導入に際しては、エンジン始動時における排ガス浄化用触媒６の早期活性化のための二次エア導入手段を兼用するようにしても良いし、別個に設けても良い。また、二次エアを導入せず、ＩＳＣバルブ１３及びＡＢＶ１４のみで流入気流量を調整するようにしても良い。
【００１９】
このような構成により、図示しないスロットル弁の開度に応じ図示しないエアクリーナ及びエアフローセンサ（例えばカルマン渦式エアフローセンサ）を通じて吸入された空気が吸気弁４の開放により燃焼室１内に吸入され、この燃焼室１内で、吸入された空気と制御手段としての電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０からの信号に基づいてインジェクタ８から直接噴射された燃料とが混合され、燃焼室１内で点火プラグ７を適宜のタイミングで点火させることにより燃焼せしめられて、エンジントルクを発生させたのち、排ガスが燃焼室１内から排気通路３へ排出され、排気浄化装置６で排ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯx の３つの有害成分を浄化されてから、マフラで消音されて大気側へ放出されるようになっている。
【００２０】
また、本実施形態では、流量調整手段の制御を行なう際に触媒周辺が酸化雰囲気であるか否かを、ＥＣＵ２０で、車速，運転モード，エンジン負荷，エンジン回転数等に基づいて推定するようにしている。この場合、ＥＣＵ２０内の該当する機能が雰囲気検知手段となる。
また、このエンジンには種々のセンサが設けられており、センサからの検出信号がＥＣＵ２０へ送られるようになっている。
【００２１】
例えば、排気通路３の上流側部分にはＯ2 センサ１１が設けられており、Ｏ2 センサ１１によって排ガス浄化用触媒６の周辺が酸化雰囲気であるか否かを検出するようになっている。また、Ｏ2 センサ１１からの検出信号がＥＣＵ２０へ送られるようになっている。
このため、Ｏ2 センサ１１を流量調整手段による制御を行なう際に雰囲気検知手段として用いることもできる。なお、雰囲気検知手段としては、Ｏ2 センサのほかに、空燃比に比例した検出信号を出力するリニアＡ／Ｆセンサを用いても良い。
【００２２】
また、Ｏ2 センサ１１による検出と、ＥＣＵ２０での車速（平均車速），運転モード，エンジン負荷，エンジン回転数等からの推定とを組み合わせて、触媒周辺が酸化雰囲気であるか否かを検出又は推定するようにして良い。この場合、Ｏ2 センサ１１及びＥＣＵ２０内の該当する機能が雰囲気検知手段となる。
また、Ｏ2 センサ１１の下流側であって、排気通路３の排ガス浄化用触媒６の上流側部分には高温センサ（排気温センサ，温度検知手段）９が設けられており、排ガス温度を検出するようになっている。そして、高温センサ９からの検出信号がＥＣＵ２０へ送られるようになっている。なお、ＥＣＵ２０で、後述するように、高温センサ９からの検出情報等に基づいて触媒温度を推定する場合は、高温センサ９及びＥＣＵ２０内の該当する機能が温度検知手段を構成することになる。
【００２３】
また、排ガス浄化用触媒６を構成するＮＯX 触媒６Ａの下流側部分にはＮＯX センサ１０が設けられている。また、ＮＯX センサ１０による検出情報は、後述するＥＣＵ２０へ送られるようになっている。
そして、ＥＣＵ２０では、ＮＯX センサ１０からの検出情報等に基づいて触媒再生制御（リッチスパイク）を行なうようになっている。つまり、本実施形態では、ＮＯX 触媒６Ａの近傍を酸素濃度低下雰囲気（還元雰囲気）としてＮＯX 触媒６Ａに吸着したＮＯX やＳＯX を脱離させ、ＮＯX 浄化効率を再生させるために、ＮＯX センサ１０からの検出情報等に基づいて、ＮＯX 触媒６Ａの近傍の空燃比をリーンから理論空燃比又はリッチにするために運転モードを理論空燃比又はリッチに切り替える触媒再生制御（リッチスパイク）を行なうようになっている。
【００２４】
ここで、本エンジンの運転モードについて説明すると、このエンジンは、吸気通路２から燃焼室１内に流入した吸気流が縦渦（逆タンブル流）を形成するように構成され、燃焼室１内で、吸気流がこのような縦渦流を形成するので、圧縮行程後期に燃料を噴射して、この縦渦流を利用しながら例えば燃焼室１の頂部中央に配設された点火プラグ７の近傍のみに少量の燃料を集めて、点火プラグ７から離隔した部分では極めてリーンな空燃比状態とすることができ、点火プラグ７の近傍のみを理論空燃比又はリッチな空燃比とすることで、安定した層状燃焼（層状超リーン燃焼）を実現しながら、燃料消費を抑制することができるものである。
【００２５】
また、このエンジンから高出力を得る場合には、吸気行程に燃料を噴射することにより、インジェクタ８からの燃料が燃焼室１全体に均質化され、全燃焼室１内を理論空燃比やリーン空燃比の混合気状態にさせて予混合燃焼が行なわれ、もちろん、理論空燃比による方がリーン空燃比によるよりも高出力が得られるが、これらの際にも、燃料の霧化及び気化が十分に行なわれるようなタイミングで燃料噴射を行なうことで、効率よく高出力を得ることができる。
【００２６】
このため、本エンジンでは、燃料噴射の態様として、圧縮行程燃料噴射による層状燃焼によって燃料の極めて希薄な状態（即ち、空燃比が理論空燃比よりも極めて大）での運転（超リーン燃焼運転）を行なう圧縮リーン運転モードと、圧縮リーン運転モードほどではないが燃料の希薄な状態（即ち、空燃比が理論空燃比よりも大）で運転を行なう吸気リーン運転モードと、空燃比が理論空燃比となるようにＯ2 センサ情報等に基づいてフィードバック制御を行なうストイキオ運転モード（ストイキオフィードバック運転モード）と、燃料の過濃な状態（即ち、空燃比が理論空燃比よりも小）での運転を行なうエンリッチ運転モード（オープンループモード）とが設けられている。
【００２７】
そして、このような各種の運転モードから一つのモードを選択してエンジンの運転を制御することになるが、この運転モード選択は、エンジンの回転数Ｎｅ及び負荷状態を示す有効圧力Ｐｅに基づきマップに応じて行なうようになっている。
つまり、エンジンの回転数Ｎｅが低く負荷Ｐｅも小さい場合には、圧縮リーン運転モード（圧−Ｌ）が選択され、エンジンの回転数Ｎｅや負荷Ｐｅがこれよりも大きくなるのにしたがって、吸気リーン運転モード（吸−Ｌ），ストイキオフィードバック運転モード（Ｓ／Ｆ），オープンループモード（Ｏ／Ｌ）が選択される。
【００２８】
このほか、燃料カットモードが設けられている。この燃料カットモードは、減速時等にスロットルバルブが閉じられた際に燃料供給を停止するモードである。ところで、排ガス浄化用触媒６の耐熱温度は、一般に、図３に示すように、触媒周辺が還元雰囲気の場合（排ガス空燃比がリッチの場合）よりも酸化雰囲気の場合（排ガス空燃比がリーンの場合）の方が低くなる。このため、触媒周辺が還元雰囲気の場合は還元雰囲気の場合の耐熱温度（リッチ耐熱温度；例えば８００℃）以下になるように触媒温度を調整する一方、触媒周辺が酸化雰囲気の場合は酸化雰囲気の場合の耐熱温度（リーン耐熱温度；例えば７００℃）以下になるように触媒温度を調整している。
【００２９】
しかし、例えば、定常運転でのリッチ運転の場合に触媒温度がリッチ耐熱温度以下であるがリーン耐熱温度よりは高い温度である場合に、燃費の向上，エンジンの破損防止等のために、所定の運転状態のときに内燃機関への燃料供給を停止する（これを、燃料カットという）制御が行なわれ、図３に示すように、運転モードがリッチから燃料カット（排ガス空燃比はリーンとなる）に切り替わると、切り替え後例えば数秒〜数百秒間、図３中、破線Ａで示すように、触媒はリーン雰囲気であるにもかかわらず、触媒温度は触媒の熱容量のためにすぐには下がらず、触媒温度がリーン耐熱温度以上になってしまう場合があるため、この場合には排ガス浄化用触媒６の熱劣化が進行することになる。
【００３０】
また、ストイキオ運転モードやエンリッチ運転モード（高負荷・高回転域における運転モード）からリーン運転モード（低負荷・低回転域における運転モード）へ運転モードが切り替えられる場合も、上述の燃料カットの場合と同様に、触媒温度がその耐熱温度を超えた状態で、触媒周辺が酸化雰囲気になってしまう場合があり、排ガス浄化用触媒６の熱劣化が進行することになる。
【００３１】
そこで、本実施形態にかかる内燃機関では、排ガス浄化用触媒６の熱劣化を抑制するための制御を行なうようにしている。なお、本実施形態では、一般にＮＯX 触媒の耐熱温度の方が三元触媒の耐熱温度よりも低いため、ＮＯX 触媒の耐熱温度に基づいて排ガス浄化用触媒６の熱劣化の抑制制御を行なうようにしている。
【００３２】
このため、本実施形態にかかる内燃機関のＥＣＵ（制御手段）２０は、例えば燃料カット時やリッチ運転モードからリーン運転モードへの運転モードの切替時等に、触媒温度を推定し、この触媒温度が所定温度以上で酸化雰囲気が検知された場合、排ガス浄化用触媒６への流入気流量を一時的に増大するよう制御するようになっている。これにより、排ガス浄化用触媒６を急速に冷却することができ、触媒温度を早期に耐熱温度以下に低下させることができる。
【００３３】
ここで、所定温度とは、触媒周辺が酸化雰囲気の場合（排ガス空燃比がリーンの場合）の耐熱温度（リーン耐熱温度）である。また、触媒周辺が酸化雰囲気になる場合としては、例えば、運転モードがリーン運転モードの場合や燃料カット運転の場合がある。
具体的には、ＥＣＵ２０は、運転モードがストイキオ運転モードやエンリッチ運転モードから燃料カットモードやリーン運転モードへ切り替わったか否かを判定するようになっている。
【００３４】
また、ＥＣＵ２０は、触媒温度がリーン耐熱温度以上であるか否かを判定するようになっている。ここでは、触媒温度としてこれに相当する排気温度（高温センサ出力）を使用している。つまり、一般に触媒に直接センサを取り付けることは困難であることから、触媒ベッド温度を直接計測しておらず、高温センサ９によってＮＯX 触媒６Ａの入口の排気温度を計測し、この高温センサ９により検出される排気温度が触媒温度に相当するとしてリーン耐熱温度との判定を行なっている。
【００３５】
また、ＥＣＵ２０は、運転モードがストイキオ運転モードやエンリッチ運転モードから燃料カット運転やリーン運転モードへ切り替わり、かつ、触媒温度がリーン耐熱温度以上であると判定した場合は、触媒への流入気流量の増大制御、即ち、ＡＢＶ１４，ＩＳＣバルブ１３を全開にし、バイパスエア総流量を増やして吸気流量を増量し、さらに、排気通路３へ二次エアを導入する制御を行なうようになっている。
【００３６】
ここで、バイパスエア総流量とは、ＡＢＶ１４を介しての流量とＩＳＣバルブ１３を介しての流量とを合わせたものであり、上記制御時には通常時のマップとは異なるマップにより設定するようになっている。
この場合、バイパスエア総流量は、エンジン負荷，エンジン回転数，車速に対するマップから求めても良い。なお、車速に対するマップから求める場合はリーン運転時と燃料カット運転時で別のマップを使用する。
【００３７】
このような流入気流量の増大制御は、触媒温度が所定温度、即ち耐熱温度以下に下がったら終了する。なお、燃料カットモードやリーン運転モードにおける運転が終了した場合には、流入気流量の増大制御は終了する。
ところで、本実施形態では、高温センサ９により検出される排気温度がリーン耐熱温度以上である場合に流入気流量の増大制御を行なうようにしているが、高温センサ９により検出される排気温度と触媒ベッド温度との間には触媒の熱容量に起因する時間応答差があるため、排気温度がリーン耐熱温度よりも小さくなったとしても、触媒温度はリーン耐熱温度よりも小さくなっていない場合がある。
【００３８】
このため、まず、高温センサ９により検出される排気温度がリーン耐熱温度よりも小さくなるまで流入気流量の増大制御を行ない、さらに、高温センサ９により検出される排気温度がリーン耐熱温度よりも小さくなった後、触媒温度がリーン耐熱温度よりも小さくなるまでの時間を時間応答差を考慮して推定し、流入気流量の増大制御を行なうようにしている。
【００３９】
実際には、図３に示すように、図３中、細線Ｂで示す高温センサ９により検出される排気温度と、図３中、太線Ｃで示す触媒ベッド温度との間に時間応答差（応答遅れ）αが生じる。なお、図３中、破線Ａは本制御を行なわない場合の触媒ベッド温度を示している。
この時間応答差を考慮すれば、高温センサ９はＮＯX 触媒６Ａの上流側の排気通路３に設けられており、高温センサ９により検出される排気温度の方が触媒ベッド温度よりも応答が早いため、高温センサ９により検出される排気温度に基づいて触媒ベッド温度を推定できることになる。
【００４０】
ここでは、時間応答差は、触媒への流入気流量に関係しているため、流入気流量から推定している。つまり、時間応答差を推定する際の排気流量は吸気流量（ここではカルマン周波数に相当）に相当し、さらに、ここでは二次エアが導入されるため、触媒への流入気流量は吸気流量に二次エア導入量を加算したものとなる。このため、この吸気流量に二次エア導入量を加算して求めた流入気流量に基づいて時間応答差を推定している。
【００４１】
ここで、吸気流量はカルマン渦式エアフローセンサにより計測している。なお、この吸気流量計測はカルマン渦式エアフローセンサ以外のものを用いてもよい。
また、時間応答差の推定に際しては、排気温度が触媒を伝わっていき、触媒全体、あるいは触媒の中心部まで伝わったときに触媒温度が排気温度に一致することになると考え、温度伝播速度を用いている。
【００４２】
ここで、温度伝播速度は、図５に示すような温度伝播速度と流入気流量との関係を示すマップ（ほぼ比例関係）により設定される。なお、流入気流量と温度伝播速度との関係を示すマップは、エンジン（即ち、エンジンに備えられる触媒）によって異なるものを用いる。これは、主に、触媒熱容量（触媒容量）に影響されるためである。
【００４３】
具体的には、高温センサ９により検出される排気温度がリーン耐熱温度以上である場合は、カウンタ値（流入気流量の増大制御の継続時間に相当する）は、次式により算出される。
カウンタ値＝触媒長さ
ここで、触媒長さとは、触媒に応じて定まる定数である。また、触媒長さは触媒の全長としても良いし、触媒ベッド中心までとして触媒全体の半長としても良い。なお、カウンタ値の初期値は０になっている。
【００４４】
また、高温センサ９により検出される排気温度がリーン耐熱温度よりも小さくなった場合は、カウンタ値（流入気流量の増大制御の継続時間に相当する）は、次式により算出される。
カウンタ値＝触媒長さ−温度伝播速度×Δｔ
ここで、Δｔは演算周期である。
【００４５】
なお、触媒温度を直接検出可能である場合は、時間応答差を考慮する必要はない。
本発明の第１実施形態としての内燃機関は、上述のように構成されているので、この装置による流入気流量の増大制御は、以下のように行なわれる。
つまり、図４のフローチャートに示すように、まず、ステップＡ１０で、ストイキオ運転モード又はリッチ運転モードから燃料カットモードやリーン運転モードになったか否かを判定する。この判定の結果、ストイキオ運転モード又はリッチ運転モードから燃料カットモードやリーン運転モードになっていない場合はリターンする。一方、ストイキオ運転モード又はリッチ運転モードから燃料カットモードやリーン運転モードになった場合はステップＡ２０に進み、高温センサ９の出力がリーン耐熱温度以上であるか否かを判定する。
【００４６】
この判定の結果、高温センサ９の出力がリーン耐熱温度以上である場合はステップＡ３０に進み、カウンタ値を次式により設定する。
カウンタ値＝触媒長さ
次いで、ステップＡ５０に進み、カウンタ値が０であるか否かを判定し、この場合、カウンタ値は０でないため、ステップＡ６０に進んで、バイパスエア総流量を増大する制御として、ＡＢＶ１４やＩＳＣバルブ１３を全開にして吸入吸気量を増大するとともに、排気通路３へ二次エアを導入して、リターンする。
【００４７】
一方、ステップＡ２０で、高温センサ９の出力がリーン耐熱温度よりも低いと判定された場合は、排気温度と触媒温度との間の時間応答差により触媒温度がリーン耐熱温度以上である場合もあるため、ステップＡ４０で、カウンタ値を次式により設定する。
カウンタ値＝触媒長さ−温度伝播速度×Δｔ
次いで、ステップＡ５０に進み、カウンタ値が０であるか否かを判定し、この場合、カウンタ値は０でないため、ステップＡ６０に進んで、バイパスエア総流量を増大する制御として、ＡＢＶ１４やＩＳＣバルブ１３を全開（または負荷と回転数に対するマップ値）にして吸入吸気量を増大するとともに、排気通路３へ二次エアを導入して、リターンする。
【００４８】
その後、カウンタ値が０になったら、バイパスエア総流量を増大する制御を終了して、リターンする。
したがって、本実施形態にかかる内燃機関によれば、触媒への流入気流量の増大により排ガス浄化用触媒６を急速に冷却することができ、触媒温度を速やかに低下させることができる。これにより、燃料カット運転時等において触媒温度が耐熱温度を超えることによる排ガス浄化用触媒６の熱劣化を確実に抑制できるという利点がある。一般に、耐熱温度の低いＮＯX 触媒６Ａにおいて特に効果的である。
【００４９】
また、排ガス浄化用触媒の熱劣化を抑制するために、燃料カットが要求されているにもかかわらず燃料カットを禁止してしまうということがなく、ドライバビリティや燃費等の悪化を招くこともないという利点もある。
この場合、本実施形態では、温度伝播速度と流入気流量との関係を考慮するため、排気温度と触媒ベッド温度の時間応答差を精度良く推測できるという利点もある。
【００５０】
なお、上述の本実施形態では、三元触媒６ＣをＮＯX 触媒６Ａ及び三元触媒６Ｂと別体として構成しているが、例えば図２に示すように、三元触媒６Ｃ，ＮＯX 触媒６Ａ，三元触媒６Ｂを１つのケース内に一体に備えるように構成しても良い。この場合、三元触媒６ＣとＮＯX 触媒６Ａとの間に高温センサ９を配設し、ＮＯX 触媒６Ａと三元触媒６Ｂとの間にＮＯX センサ１０を配設する。また、二次エア導入時の導入位置１５は三元触媒６Ｃの上流側の排気通路３とし、二次エア導入時の導入位置１６は三元触媒６ＣとＮＯX 触媒６Ａとの間とする。
【００５１】
また、上述の本実施形態では、排ガス浄化用触媒６への流入気流量を増大すべく、ＡＢＶ１４やＩＳＣバルブ１３を全開にして吸入吸気量を増大するとともに、排気通路３へ二次エアを導入するようにしているが、触媒温度を確実に低下させることができるのであれば、いずれか一方の制御のみを行なうようにしても良い。つまり、ＡＢＶ１４やＩＳＣバルブ１３を全開にして吸入吸気量を増大するだけでも良いし、また排気通路３へ二次エアを導入するだけでも良い。また、ＡＢＶ１４を備えないものであれば、ＩＳＣバルブ１３の開度のみ調整するようにしても良い。
【００５２】
また、ＡＢＶ１４及びＩＳＣバルブ１３のみによって吸入空気量を増大させる場合には、図５は温度伝播速度と吸入空気量（カルマン渦式エアフローセンサ周波数）とのマップとすれば良い。
また、上述の本実施形態では、触媒温度に相当するものとして、排気温度を高温センサ９によって検出しているが、車速，運転モード，エンジン負荷，エンジン回転数等から推定しても良い。また、高温センサ９による検出と、これらの車速（平均車速），運転モード，エンジン負荷，エンジン回転数等からの推定とを組み合わせて触媒温度を検出又は推定するようにしても良い。
【００５３】
また、上述の本実施形態における時間応答差の推定に際しては、少しでもその精度を良くするために、時間応答差に排気の持つ熱量（排気温度）の影響を考慮するのが好ましい。
この場合、上述のようにして推定した温度伝播速度に補正係数をかければ良く、この補正係数は、高温センサ９の検出値（排気温センサ値），エンジン負荷，エンジン回転数，車速に対するマップ値として求めれば良い。なお、簡単化のためにマップを統合しても良い。つまり、温度伝播速度をエンジン負荷，エンジン回転数又は車速に対するマップ値として設定しても良い。
【００５４】
また、燃料カット以外のリーン運転時に、上述のような流入気流量の増大制御を行なう場合は、空燃比Ａ／Ｆ，点火時期も通常のリーン運転時と別設定とする必要がある。
次に、第１実施形態の変形例にかかる内燃機関について説明する。
本変形例にかかる内燃機関は、第１実施形態のものと、流量調整手段が異なる。つまり、本変形例は、ドライブバイワイヤ（ＤＢＷ）を備える自動車等の車両において、このＤＢＷによってスロットル弁１２の開度を開側に制御することによって吸気流量を増やし、これにより、排気流量を増量するもので、ＤＢＷ及びスロットル弁１２によって排ガス浄化用触媒６へ流入気流量を調整する流量調整手段が構成される。
【００５５】
この場合、ＤＢＷによる開度制御は通常運転時とは別設定とする。なお、燃料カット以外のリーン運転を行なう場合に本制御を行なう時には空燃比Ａ／Ｆ，点火時期も別設定とする必要がある。
また、上述の第１実施形態と同様に、このＤＢＷによる開度制御に加えて、二次エアを導入するようにしても良い。この場合、二次エアの導入位置はＮＯX 触媒６Ａの上流側であればどこでも良い。
【００５６】
その他の構成については、上述の第１実施形態のものと同様であるため、ここではその説明を省略する。
このような構成により、本変形例の内燃機関では、上述の第１実施形態と同様に、触媒への流入気流量の増大制御が行なわれ、これにより、上述の第１実施形態と同様の作用，効果が得られる。
【００５７】
次に、第２実施形態にかかる内燃機関について、図６，図７を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる内燃機関は、第１実施形態のものと、ＥＣＵ２０における時間応答差の求め方が異なる。つまり、本実施形態では、ＥＣＵ２０が吸気流量と時間応答差との関係（ほぼ反比例）を示す図７に示すようなマップを備え、このマップにより時間応答差を求めるようになっている。
【００５８】
また、上述の第１実施形態と同様に、時間応答差の推定に際しては、少しでもその精度を良くするために、時間応答差に排気の持つ熱量（排気温度）の影響を考慮するのが好ましい。
このため、上述のようにして推定した時間応答差に補正係数をかけるようになっている。
【００５９】
また、補正係数は、高温センサ９の検出値，エンジン負荷，エンジン回転数，車速に対するマップ値として求める。
なお、簡単化のためにマップを統合しても良い。つまり、時間応答差をエンジン負荷，エンジン回転数又は車速に対するマップ値として設定しても良い。
その他の構成については、上述の第１実施形態のものと同様であるため、ここではその説明を省略する。
【００６０】
このような構成により、第２実施形態の内燃機関では、以下のように流入気流量の増大制御が行なわれる。
つまり、図６のフローチャートに示すように、まず、ステップＢ１０で、ストイキオ運転モード又はリッチ運転モードから燃料カットモードやリーン運転モードになったか否かを判定する。この判定の結果、ストイキオ運転モード又はリッチ運転モードから燃料カットモードやリーン運転モードになっていない場合はリターンする。一方、ストイキオ運転モード又はリッチ運転モードから燃料カットモードやリーン運転モードになった場合はステップＢ２０に進み、高温センサ９の出力がリーン耐熱温度以上であるか否かを判定する。
【００６１】
この判定の結果、高温センサ９の出力がリーン耐熱温度以上である場合はステップＢ７０に進み、バイパスエア総流量を増大する制御として、ＡＢＶ１４やＩＳＣバルブ１３を全開にして吸入吸気量を増大するとともに、排気通路３へ二次エアを導入して、リターンする。
一方、高温センサ９の出力がリーン耐熱温度よりも低い場合は、ステップＢ３０に進み、フラグＦが１か否かを判定する。なお、フラグＦは、触媒温度がリーン耐熱温度以上と推定される場合に１とされる。
【００６２】
この判定の結果、フラグＦが１の場合はステップＢ７０に進んで、バイパスエア総流量を増大する制御として、ＡＢＶ１４やＩＳＣバルブ１３を全開にして吸入吸気量を増大するとともに、排気通路３へ二次エアを導入して、リターンする。
一方、フラグＦが１でない場合はステップＢ４０に進み、図７に示すようなマップにより、流入気流量に応じて時間応答差ＴＡを設定し、ステップＢ５０でフラグＦを１にセットして、ステップＢ６０に進む。なお、流入気流量は、高温センサ９の出力がリーン耐熱温度よりも小さくなった時の値を用いる。また、フラグＦは初期設定は０になっている。
【００６３】
ステップＢ６０では、高温センサ９の出力がリーン耐熱温度よりも小さくなってから所定時間（時間応答差に対応する）経過したか否かを判定し、この判定の結果、所定時間を経過していない場合はステップＢ７０に進み、バイパスエア総流量を増大する制御として、ＡＢＶ１４やＩＳＣバルブ１３を全開にして吸入吸気量を増大するとともに、排気通路３へ二次エアを導入して、リターンする。一方、所定時間を経過した場合はステップＢ８０に進み、フラグＦを０にリセットして、リターンする。
【００６４】
したがって、本実施形態にかかる内燃機関によれば、上述の第１実施形態と同様の作用，効果が得られる。
また、特に、本実施形態では、ＥＣＵ２０に流入気流量と時間応答差との関係を示すマップにより時間応答差を求めるため、触媒への流入気流量の増大制御を簡略化することができるという利点がある。
【００６５】
次に、第３実施形態にかかる内燃機関について、図８を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる内燃機関は、第２実施形態のものに対して、流入気流量の変化に対応できるよう時間応答差Ａ（ｎ）にフィルタをかけるようにした点が異なる。
【００６６】
本実施形態では、ＥＣＵ２０が流入気流量と時間応答差との関係（ほぼ反比例）を示す図７に示すようなマップを備え、このマップにより時間応答差を求めるようになっている。
また、上述の第１実施形態と同様に、時間応答差の推定に際しては、少しでもその精度を良くするために、時間応答差に排気の持つ熱量（排気温度）の影響を考慮するのが好ましい。
【００６７】
このため、上述のようにして推定した時間応答差に補正係数をかけるようになっている。
また、補正係数は、高温センサ９の検出値，エンジン負荷，エンジン回転数，車速に対するマップ値として求める。
なお、簡単化のためにマップを統合しても良い。つまり、時間応答差をエンジン負荷，エンジン回転数又は車速に対するマップ値として設定しても良い。
本実施形態では、１次フィルタをかけるようにしている。つまり、次式により時間応答差Ａ（ｎ）に１次フィルタをかけるようにしている。
【００６８】
Ａ（ｎ）＝ｋ×Ａ（ｎ−１）＋（ｋ−１）×ＴＡ
ここで、Ａ（ｎ）：時間応答差，ＴＡ：時間応答差マップ値（流入気流量に対するマップ），ｋ：フィルタ定数（触媒により異なる定数）である。なお、流入気流量は各瞬間における値を用いる。
このような構成により、第３実施形態の内燃機関では、第２実施形態と同様に、以下のようにして流入気流量の増大制御が行なわれる。
【００６９】
つまり、図８のフローチャートに示すように、まず、ステップＣ１０で、ストイキオ運転モード又はリッチ運転モードから燃料カットモードやリーン運転モードになったか否かを判定する。この判定の結果、ストイキオ運転モード又はリッチ運転モードから燃料カットモードやリーン運転モードになっていない場合はリターンする。一方、ストイキオ運転モード又はリッチ運転モードから燃料カットモードやリーン運転モードになった場合はステップＣ２０に進み、高温センサ９の出力がリーン耐熱温度以上であるか否かを判定する。
【００７０】
この判定の結果、高温センサ９の出力がリーン耐熱温度以上である場合はステップＣ５０に進み、バイパスエア総流量を増大する制御として、ＡＢＶ１４やＩＳＣバルブ１３を全開にして吸入吸気量を増大するとともに、排気通路３へ二次エアを導入して、リターンする。
一方、高温センサ９の出力がリーン耐熱温度よりも低い場合は、ステップＣ３０に進み、次式により時間応答差Ａ（ｎ）にフィルタをかける。
【００７１】
Ａ（ｎ）＝ｋ×Ａ（ｎ−１）＋（ｋ−１）×ＴＡ
そして、ステップＣ４０に進み、高温センサ９の出力がリーン耐熱温度よりも小さくなってから所定時間（時間応答差に対応する）経過したか否かを判定し、この判定の結果、所定時間を経過していない場合はステップＣ５０に進み、バイパスエア総流量を増大する制御として、ＡＢＶ１４やＩＳＣバルブ１３を全開にして吸入吸気量を増大するとともに、排気通路３へ二次エアを導入して、リターンする。一方、所定時間を経過した場合は、これらの流入気流量を増大する制御を終了して、リターンする。
【００７２】
したがって、本実施形態にかかる内燃機関によれば、上述の第１実施形態と同様の作用，効果が得られる。
また、特に、本実施形態では、触媒への流入気流量の変化に対応できるように時間応答差にフィルタをかけるようにしているため、時間応答差を正確に求めることができ、これにより、流入気流量の増大制御を正確に行なえるようになるという利点がある。
【００７７】
なお、上述の各実施形態では、リーンバーンエンジンとして筒内噴射型内燃機関を例にとって説明しているが、内燃機関はこれに限られるものではない。
つまり、燃料カット運転はリーンバーンエンジンに限らず、従来の理論空燃比及びリッチ空燃比のみを行なう内燃機関においても実施されるので、排ガス浄化用触媒６の熱劣化は従来の内燃機関でも生じることになるため、従来の内燃機関においても本発明を適用することができる。
【００７８】
また、上述の各実施形態では、ストイキオ運転又はリッチ運転から燃料カット運転又はリーン運転への移行時に生じる触媒の熱劣化を抑制することに関して主に説明しているが、吸蔵型ＮＯX 触媒を備えた内燃機関では、例えば排ガス中のイオウ成分により触媒が被毒するため、ある条件下で触媒を高温かつ触媒周辺を還元雰囲気としてイオウ成分を触媒上から放出させ、触媒の再生を図る触媒再生制御が行なわれるが、この再生制御の後にリーン運転又は燃料カット運転に移行した場合でも触媒の熱劣化が生じることになるので、この場合にも本発明を適用することができる。
【００７９】
また、上述の各実施形態では、ＮＯX 触媒６Ａを吸蔵型ＮＯX 触媒としているが、ＮＯX 触媒はこれに限られるものではなく、選択還元型ＮＯX 触媒であっても良い。この場合、選択還元型ＮＯX 触媒の上流に近接三元触媒を設けると、選択還元型ＮＯX 触媒の機能を損なうので近接三元触媒は設けない方が好ましい。また、上述の各実施形態では、一般にＮＯX 触媒６Ａの方が三元触媒６Ｂ，６Ｃよりも耐熱温度が低いため、ＮＯX 触媒６Ａの耐熱温度に基づいて触媒の熱劣化を抑制できるように流入気流量の増大制御を行なうようにしているが、必ずしもＮＯX 触媒６Ａの耐熱温度に基づいて制御を行なう必要はなく、広く触媒の耐熱温度に基づいて触媒の熱劣化を抑制できるように流入気流量の増大制御を行なうものであれば良い。例えば、三元触媒のみ備える場合には、三元触媒の耐熱温度に基づいて触媒の熱劣化の抑制制御を行なえば良い。
【００８０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の内燃機関によれば、触媒温度が所定温度以上で酸化雰囲気になった場合であっても、排ガス浄化用触媒への流入気流量を増大することによって排ガス浄化用触媒を急速に冷却することができ、触媒温度を速やかに低下させることができるため、触媒温度が耐熱温度を超えることによる排ガス浄化用触媒の熱劣化を確実に抑制できるという利点がある。
【００８１】
また、排ガス浄化用触媒の熱劣化を抑制するために、ドライバビリティや燃費等の悪化を招くこともないという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる内燃機関の全体構成を示す模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態にかかる内燃機関に備えられる排ガス浄化用触媒の変形例を示す模式図である。
【図３】本発明の第１実施形態にかかる内燃機関に備えられる排ガス浄化用触媒の耐熱温度を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態にかかる内燃機関における流量調整手段による制御を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第１実施形態にかかる内燃機関の流量調整手段において用いられる温度伝播速度と流入気流量との関係を示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態にかかる内燃機関における流量調整手段による制御を示すフローチャートである。
【図７】本発明の第２実施形態にかかる内燃機関の流量調整手段において用いられる時間応答差と流入気流量との関係を示す図である。
【図８】本発明の第３実施形態にかかる内燃機関における流量調整手段による制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
６ 排ガス浄化用触媒
６Ａ ＮＯX 触媒
６Ｂ 三元触媒
６Ｃ 三元触媒（近接三元触媒）
９ 高温センサ（温度検知手段）
１０ ＮＯX センサ
１１ Ｏ2 センサ（雰囲気検知手段）
１２ ＡＢＶ（流量調整手段）
１３ ＩＳＣバルブ（流量調整手段）
１４ スロットル弁（流量調整手段）
１５，１６ 二次エアの導入位置（流量調整手段）
２０ ＥＣＵ（制御手段）
Claims (2)
- 内燃機関の排気通路に設けられ、排ガス中の有害物質を浄化する排ガス浄化用触媒と、
該排ガス浄化用触媒の周辺が酸化雰囲気であるか否かを検出又は推定する雰囲気検知手段と、
排気温度を検出する排気温センサと、
該排ガス浄化用触媒への流入気流量を調整する流量調整手段と、
該排気温センサにより検出される排気温度に基づいて推定される触媒温度がリーン耐熱温度以上で且つ該雰囲気検知手段によって酸化雰囲気が検知された場合に、該排ガス浄化用触媒への流入気流量が増大するように該流量調整手段を制御する制御手段とを備え、
該制御手段が、排気温度と触媒温度との間の時間応答差を考慮して、該排気温センサにより検出される排気温度がリーン耐熱温度よりも小さくなった後も流入気流量の増大制御を継続することを特徴とする、内燃機関。 - 該時間応答差は、該排ガス浄化用触媒への流入気流量に基づいて推定することを特徴とする、請求項１記載の内燃機関。
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