JP4161429B2 - 希薄燃焼内燃機関 - 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、希薄燃焼内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、自動車用内燃機関の排気通路には排ガス中の有害成分（ＨＣ，ＣＯＮＯX 等）を浄化するための触媒が設けられている。
この触媒としては、ストイキオ運転又はリッチ運転のみを行なう内燃機関では従来の三元触媒が適用され、ストイキオ運転又はリッチ運転のほかにリーン運転も行なう内燃機関では従来の三元触媒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ため、空燃比がリーンの時にも排ガス中のＮＯX を浄化しうるＮＯX 触媒が適用される。
【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 を触媒上に吸着し、ストイキオ又はリッチ雰囲気で触媒上に吸着された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】
ところで、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。
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）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。
【０００５】
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しないため、酸化雰囲気下でリーン耐熱温度以上の状態が起こり、触媒が熱劣化してしまうことになる。
【０００６】
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 触媒では熱劣化の問題は特に顕著となる。
また、吸蔵型ＮＯX 触媒を備えた希薄燃焼内燃機関の場合、排ガス中に含まれるイオウ成分が吸蔵型ＮＯX 触媒に吸着されてしまい、吸蔵型ＮＯX 触媒によるＮＯX の浄化能力が低下することになるため（これを、Ｓ被毒という）、例えば、特開平７−２１７４７４号公報に開示されているように、触媒を還元雰囲気とし、且つ、吸蔵型ＮＯX 触媒を所定高温状態（触媒再生温度；例えば約６００℃）とする触媒再生制御が必要である。
【０００７】
しかし、触媒再生制御が行なわれている場合に、減速時等の所定運転状態となり、燃料供給が停止（燃料カット）されるか又はドライバビリティを悪化させない程度に抑制されると、吸蔵型ＮＯX 触媒が熱劣化してしまう場合があり、また触媒再生制御を行なうのが難しくなる場合もある。
つまり、触媒再生制御が行なわれて触媒温度がリーン耐熱温度以上になっている場合に、減速時等の所定運転状態となり、燃料供給が停止（燃料カット）されるか又はドライバビリティを悪化させない程度に抑制されると、触媒周辺がリーン耐熱温度以上で酸化雰囲気の状態となるため、この場合には吸蔵型ＮＯX 触媒が熱劣化してしまうことになる。
【０００８】
また、触媒再生制御が行なわれて触媒温度が触媒再生温度以上になっているがリーン耐熱温度以下である場合に、減速時等の所定運転状態となり、燃料供給が停止（燃料カット）されるか又はドライバビリティを悪化させない程度に抑制されると、触媒周辺が酸化雰囲気となり、触媒温度も低下してしまうことになるため、吸蔵型ＮＯX 触媒から確実にＳＯX を放出させることができる触媒再生温度以上の温度に触媒温度を維持することが困難であり、実際上、触媒再生制御の実行が難しくなる。
【０００９】
そこで、燃料カット時の触媒の熱劣化対策として、例えば特開平８−１４４８１４号公報に、触媒温度が所定温度以上の場合には燃料カット運転を禁止することが提案されている。
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、ドライバビリティが悪化することになる。
【００１０】
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ような場合であっても、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、希薄燃焼内燃機関を提供することを第１の目的とし、また、吸蔵型ＮＯX 触媒を用いた場合において、触媒に吸蔵されたイオウ成分の脱離を効率的に行なえるようにした、希薄燃焼内燃機関を提供することを第２の目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１記載の本発明の希薄燃焼内燃機関では、還元雰囲気化制御手段が、温度検知手段によって検出又は推定された触媒温度が所定温度以上で、且つ運転状態検知手段により排ガス浄化用触媒周辺が酸化雰囲気となる機関運転状態が検出又は推定された場合、排ガス浄化用触媒の周辺を還元雰囲気とする還元雰囲気化制御を行なう一方、触媒温度がリッチ耐熱温度以上になった場合は該還元雰囲気化制御を中止する。
【００１２】
これにより、ドライバビリティの悪化を招くことなく、触媒温度が所定温度以上の場合、排ガス浄化用触媒の周辺が還元雰囲気とされるため、排ガス浄化用触媒の熱劣化を抑制することができる。
請求項２記載の本発明の希薄燃焼内燃機関では、排ガス浄化用触媒が、酸素過剰雰囲気下で排ガス中のＮＯx を吸蔵し、酸素濃度低下雰囲気で吸蔵されたＮＯx を放出する吸蔵型ＮＯx 触媒である。そして、被毒検知手段により排ガス中のイオウ成分による排ガス浄化用触媒の被毒が検出又は推定されて再生手段による再生制御中に燃料供給抑制手段により主燃焼のための燃料供給を停止するか又はドライバビリティが悪化しない程度に抑制しようとする場合に、還元雰囲気化制御手段により排ガス浄化用触媒の周辺を還元雰囲気とする。
【００１３】
これにより、スロットル弁は全閉又は略全閉とされ、主燃焼のための燃料供給が停止されるか又はドライバビリティが悪化しない程度に抑制された場合でも、還元雰囲気化制御手段により排ガス浄化用触媒の周辺が還元雰囲気とされ、触媒温度の低下を抑制でき、効率良く排ガス浄化用触媒からイオウ成分を脱離させることができる。
【００１４】
請求項３記載の本発明の希薄燃焼内燃機関では、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備える。そして、還元雰囲気化制御手段が、主燃焼のための燃料噴射とは別に膨張行程又は排気行程に燃料噴射弁を作動させて追加燃料を噴射させる。これにより、減速時等の所定運転状態において運転者の要求に応じた運転が行なわれるようにしながら、ドライバビリティを悪化させないで排ガス浄化用触媒の周辺を還元雰囲気とすることができる。
【００１５】
請求項４記載の本発明の希薄燃焼内燃機関では、燃焼室又は吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃焼室内に臨むように配設された点火栓とを備える。そして、還元雰囲気化制御手段が、スロットル弁が全閉又は略全閉となる所定運転状態において燃料供給抑制手段の作動及び点火栓の作動の禁止を実行する。これにより、減速時等の所定運転状態において運転者の要求に応じた運転が行なわれるとともに、主燃焼のための燃料供給が出力に寄与しないようにしながら確実に排ガス浄化用触媒の周辺を還元雰囲気とすることができる。
請求項５記載の本発明の希薄燃焼内燃機関では、還元雰囲気化制御手段による該還元雰囲気化制御が中止された場合、排ガス浄化用触媒へ流入する排ガス流量を増大させる制御が行なわれる。これにより、速やかに触媒温度を低下させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
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実施形態にかかる希薄燃焼内燃機関について、図１〜図４を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる希薄燃焼内燃機関は、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４サイクルエンジンの希薄燃焼内燃機関であって、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。
【００１７】
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及びスロットル弁１２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。
【００１８】
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）６Ｆと三元触媒６Ｂと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、本エンジンが空燃比をリーンにしながら節約運転を行なえるエンジンであるため、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６Ｆが設けられている。
【００１９】
ここで、本実施形態のＮＯx 触媒６Ｆは、リーン雰囲気下でＮＯX を選択的に還元することにより排ガス中のＮＯX を浄化するタイプのもの（選択還元型リーンＮＯX 触媒）で、例えばアルミナＡｌ2 Ｏ3 を担体とし、この担体上に、イリジウム等が担持されて構成される。
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の信号に基づいてモータ１３により電気的に駆動されて開度が変わり、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。
【００２０】
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。
【００２１】
このような構成により、電気的に制御されるスロットル弁１２の開度に応じ図示しないエアクリーナ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（点火栓）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。
【００２２】
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。
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は排ガス浄化用触媒６の周辺の雰囲気を検出し、この検出信号がＥＣＵ２０へ送られるようになっている。
【００２３】
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、高温センサ９からの検出信号がＥＣＵ２０へ送られて、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ようになっている。なお、排ガス浄化用触媒６の温度を直接検出できるセンサを設けることができれば、高温センサ９に代えて、このセンサを温度検知手段にしても良い。
【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、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。この場合の最適な燃料噴射のタイミングとしては、空気流動が弱く点火時までに燃料が拡散し過ぎない圧縮行程後期である。
【００２５】
また、このエンジンから高出力を得る場合には、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を行なえばよく、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。このような場合の最適な燃料噴射のタイミングとしては、吸気流を利用して燃料の霧化及び気化を促進できるように、吸気行程中には燃料噴射を終えるように設定する。
【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、エンジンの回転数Ｎｅ及び負荷状態を示す有効圧力Ｐｅに基づいて、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，ストイキオフィードバック運転モード，オープンループモードが選択される。
【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弁１２が全閉又は略全閉にされた際は、運転者が出力を要求していないため、無駄な燃料消費を防止すること等を目的として燃料供給を停止するか又はドライバビリティを悪化させない程度に抑制するモードである。
ところで、排ガス浄化用触媒６の耐熱温度は、一般に、図２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、例えば通常運転中に燃料カットが行なわれると、排気系ではＯ2 過剰の酸化雰囲気（排ガス空燃比がリーンとなるリーン雰囲気）になるが、この燃料カットが触媒温度が高い状態で行なわれると、触媒周辺が高温で、かつリーン雰囲気となり、触媒温度がその耐熱温度を超えてしまう場合も生じ、排ガス浄化用触媒６が熱劣化してしまうことになる。
【００３０】
例えば、リッチ運転の場合に定常的に触媒温度がリッチ耐熱温度以下になるように調整されている状態で、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２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２中、実線Ａで示すように、触媒温度は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。
【００３１】
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。
【００３２】
このため、ＥＣＵ２０では、触媒温度がリーン耐熱温度を超えた状態で、例えば運転モードが燃料カットモードやリーン運転モードへ切り替えられ、触媒周辺が酸化雰囲気となってしまうような場合に、触媒周辺を還元雰囲気とする還元雰囲気化制御を行なうようになっている。
つまり、ＥＣＵ２０では、運転モードがリーン運転モードや燃料カットモードとなる状態、即ち触媒周辺が酸化雰囲気となる機関運転状態となるか否かを、スロットル弁位置，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検出又は推定するようになっている。そして、高温センサ９からの検出情報に基づいて検知された触媒温度がリーン耐熱温度（所定温度）以上で、且つ運転状態検知手段によって触媒周辺が酸化雰囲気となる機関運転状態が検出又は推定された場合、機関運転状態における出力よりも出力が増大しないようにしながら触媒周辺を還元雰囲気とするようになっている。
【００３３】
なお、ＥＣＵ２０内の機能のうち、触媒周辺が酸化雰囲気となる機関運転状態であるかを検出又は推定する機能を運転状態検知手段といい、触媒周辺が還元雰囲気となるように制御する機能を還元雰囲気化制御手段という。
そこで、本発明の第１実施形態としての希薄燃焼内燃機関では、触媒周辺を還元雰囲気とする還元雰囲気化制御が、以下のようにして行なわれる。
【００３４】
つまり、図３のフローチャートに示すように、まず、ステップＳ１０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Ｓ２０に進み、触媒温度（高温センサ９の出力）がリーン耐熱温度（例えば７００℃）以上であるか否かを判定する。
【００３５】
この判定の結果、触媒温度がリーン耐熱温度以上である場合はステップＳ３０に進み、膨張行程中期以降に燃料噴射弁８を作動させて、出力トルクを得るための主燃料噴射とは別に追加燃料噴射を行なう還元雰囲気化制御手段による還元雰囲気化制御としての追加燃料噴射制御を行なう。一方、ステップＳ２０で、触媒温度がリーン耐熱温度よりも低いと判定された場合はリターンする。
【００３６】
次いで、ステップＳ４０に進み、追加燃料噴射制御によって、触媒温度がリッチ耐熱温度（例えば８００℃）以上になるか否かを判定する。この判定の結果、触媒温度がリッチ耐熱温度以上になる場合は、触媒温度が過昇温となり、触媒の熱劣化が生じるため、ステップＳ５０に進んで、追加燃料噴射制御を中止し、さらに、ステップＳ６０に進んで、触媒温度を低下させるため、スロットル弁１２を開弁側に制御して排ガス流量を増大させて、リターンする。
【００３７】
したがって、本実施形態にかかる希薄燃焼内燃機関によれば、触媒温度がリーン耐熱温度以上で、スロットル全閉又は略全閉による減速時等の燃料カットモードや、ストイキオ又はエンリッチ運転モードからリーン運転モードとなる所定運転状態に、還元雰囲気化制御として追加燃料噴射を膨張行程中期以降において行なうため、出力トルクに影響を与えることなく（即ち、ドライバビリティを悪化させることなく）、ＮＯX 触媒６Ｆの周辺を還元雰囲気とすることができ、耐熱温度がリーン耐熱温度よりも高いリッチ耐熱温度となる。これにより、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。
【００３８】
なお、本実施形態の還元雰囲気化制御では燃焼室内に追加燃料を噴射することで触媒周辺を還元雰囲気としているが、例えば燃料カットモードの所定運転状態においては追加燃料を噴射させず、燃料噴射弁８を停止しないで作動させて主燃料噴射を行なうとともに、点火プラグ７の作動を禁止するようにして、触媒周辺の雰囲気を還元雰囲気とするようにしても良い。
【００３９】
この手法でも、所定運転状態において運転者の要求に応じた運転を行なえ、出力トルクに影響を与えず、ＮＯX 触媒６Ｆの周辺を還元雰囲気とすることができるという利点がある。この手法は、特に吸気管噴射型内燃機関において有効である。
また、本実施形態では、ＮＯX 触媒６Ｆを選択還元型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、吸蔵型ＮＯX 触媒であっても良く、その場合でも同様の効果を得ることができる。
【００４０】
また、本実施形態では、希薄燃焼内燃機関について説明しているが、リッチ運転又はストイキオ運転のみを行なう従来の内燃機関であっても良く、この場合、三元触媒が設けられるので、還元雰囲気化制御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。
また、本実施形態では、排ガス浄化用触媒６へ流入する排気流量を増大するためにスロットル弁１２の開度を調整しているが、スロットル弁１２をバイパスするバイパス通路を備えた内燃機関の場合にはバイパス通路に設けられるＡＢＶ（エアバイパスバルブ）やＩＳＣ（アイドルスピードコントロール）バルブを全開にして吸入吸気量を増大させて排ガス浄化用触媒６へ流入する排気流量を増大させても良い。また、別途空気ポンプを備えさせ、大気中の空気を排気通路３へ二次エアとして導入することにより、排ガス浄化用触媒６へ流入する排気流量を増大させても良い。
【００４１】
次に、第２実施形態にかかる希薄燃焼内燃機関について、図４，図５を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる希薄燃焼内燃機関では、図４に示すように、三元触媒６Ｂの上流にＮＯX 触媒６Ａが設けられているが、このＮＯX 触媒６Ａは第１実施形態と異なり、ＮＯX を触媒上に吸蔵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）であって、このＮＯX 触媒６Ａの上流にはフロント触媒（ライトオフ触媒）６Ｃが付加されている。
【００４２】
このフロント触媒６Ｃは、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により構成される。このライトオフ触媒６Ｄは、エンジンの冷態始動時から高温の排ガスによって直ちに活性化温度になるように、エンジンの燃焼室１の直下流側の排気通路３に配設されており、特に、エンジンの冷態始動時に排ガス中のＨＣを低減するようになっている。
【００４３】
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が設けられており、ＮＯX 触媒６Ａの浄化効率低下を検出している。また、ＮＯX センサ１０による検出情報はＥＣＵ２０へ送られ、ＥＣＵ２０では、ＮＯX センサ１０の検出情報等に基づいて、触媒周辺が還元雰囲気となるよう機関の空燃比をストイキオ又はリッチに制御する復活制御（リッチスパイク）を行なうようになっている。
【００４４】
また、ＮＯX 触媒６Ａは酸化雰囲気下でＮＯX とともに排ガス中のイオウ成分も吸蔵してしまいＳ被毒してしまう。
このため、ＥＣＵ２０は、ＮＯX 触媒６Ａに吸着されたＳＯX 吸着量に対応するパラメータと考えられる燃料パルス幅の積算値として算出し、この積算値が所定量以上であるか否かにより、排ガス中のイオウ成分によりＮＯX 触媒６Ａが被毒したか否かを推定するようになっている。なお、このＥＣＵ２０のＮＯX 触媒６Ａの被毒を推定する機能を被毒検知手段という。また、この被毒検知手段は、ＳＯX 吸着量を直接検出するものであっても良い。
【００４５】
また、ＥＣＵ２０は、被毒検知手段によりＮＯX 触媒６Ａの被毒が検知された場合、ＮＯX 触媒６Ａの温度を昇温させて触媒温度を例えば６５０℃以上の高温状態とし、ＮＯX 触媒６Ａの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る再生制御を行なうようになっている。なお、このＥＣＵ２０の機能を再生手段という。
【００４６】
また、本希薄燃焼内燃機関では、上述の第１実施形態の場合と同様に、減速時等の所定運転状態においてスロットル弁１２が閉じられた際には、運転者が出力を要求していないため、無駄な燃料消費を防止すること等を目的として、運転モードとして燃料供給を停止するか又はドライバビリティを悪化させない程度に抑制する燃料カットモードが設けられている。
【００４７】
なお、運転モードの切り替えはＥＣＵ２０の機能によって行なわれるが、ＥＣＵ２０により運転モードが燃料カットモードとなり、主燃焼のためのインジェクタ８からの燃料供給を停止するか又はドライバビリティを悪化させない程度に抑制する機能を燃料供給抑制手段という。
また、ＥＣＵ２０では、ＮＯX 触媒６ＡのＮＯX 浄化効率を向上させてＮＯX 触媒６Ａを再生させるための再生制御を実行している際に運転モードが燃料カットモードとなる場合に、ＮＯX 触媒６Ａが熱劣化しないように、又は効率的にＮＯX 触媒６Ａを再生できるように触媒周辺を還元雰囲気とする還元雰囲気化制御を行なうようになっている。なお、このＥＣＵ２０の機能を還元雰囲気化制御手段という。
【００４８】
次に、本発明の第２実施形態にかかる希薄燃焼内燃機関で行なわれる還元雰囲気化制御について、図６のフローチャートに基づいて説明する。
まず、ステップＡ１０で、被毒検知手段がＮＯX 触媒６ＡへのＳＯX 吸着量が所定量以上であるか否かを判定する。つまり、燃料パルス幅の積算値として算出されたＳＯX 吸着量が所定量以上であるか否かを判定する。この判定の結果、ＳＯX 吸着量が所定量以上でないと判定された場合は、まだ再生制御は必要でないため、リターンする。
【００４９】
一方、ステップＡ１０で、ＳＯX 吸着量が所定量以上であると判定された場合は、ＮＯX 触媒６ＡにＳＯX が吸着することによってＮＯX 浄化効率が低下しているため、ステップＡ２０に進み、再生制御が実行される。
この再生制御では、主燃焼のための主噴射以外に膨張行程中期以降に追加燃料を噴射し、ＮＯX 触媒６Ａを所望の高温状態（例えば６５０℃；これを触媒再生温度という）になるまで昇温させる。その後、追加燃料噴射を止め、主噴射のみとする。このとき、触媒周辺が還元雰囲気となるように例えば空燃比を１２程度のリッチ空燃比とする。
【００５０】
このように、ＮＯX 触媒６Ａからイオウ成分を放出させるべく再生制御を行なって触媒温度が触媒再生温度以上になるようにしているため、触媒温度がリーン耐熱温度（例えば７００℃）以上になる場合がある。このため、燃料カットモードに入るときの触媒温度の違い、つまり、触媒温度が触媒再生温度以上である場合に、触媒温度がリーン耐熱温度以上である場合とリーン耐熱温度よりも小さい場合とで異なる問題が生じる。
【００５１】
つまり、触媒温度がリーン耐熱温度以上である場合に燃料カットモードに入ると、触媒周辺が酸化雰囲気となり、ＮＯX 触媒６Ａが熱劣化してしまうことになる。
一方、燃料カットモードに入ると、触媒周辺が酸化雰囲気となるとともに、触媒温度が低下してしまうため、触媒温度がリーン耐熱温度よりも小さい場合には、ＮＯX 触媒６Ａがすぐに触媒再生温度以下になってしまい、ＮＯX 触媒６Ａからイオウ成分を十分に放出させることができなくなり、ＮＯX 触媒６Ａを効率的に再生させるのが難しくなる。
【００５２】
このため、ステップＡ３０では、ＥＣＵ２０の信号から運転モードが燃料カットモードになるかどうかを判定する。
そして、燃料カットモードになる場合は、ステップＡ４０に進み、還元雰囲気化制御手段によって還元雰囲気化制御としての追加燃料噴射を行なう。この場合、還元雰囲気化制御は、触媒温度がリーン耐熱温度以上である場合にはＮＯX 触媒６Ａが熱劣化するのを防止するためのものであり、触媒温度がリーン耐熱温度よりも小さい場合には再生制御によりＮＯX 触媒６Ａからイオウ成分が十分に放出されるようにして、ＮＯX 触媒６Ａを効率的に再生させるためのものである。一方、燃料カットモードにならない場合は、リターンする。
【００５３】
このような還元雰囲気化制御によりＮＯX 触媒６Ａの近傍が還元雰囲気（リッチ雰囲気）とされるため、触媒温度がリーン耐熱温度以上である場合に触媒周辺が酸化雰囲気となるのが防止されるとともに、触媒温度が触媒再生温度以上で、且つリーン耐熱温度よりも小さい場合に触媒温度が低下するのを抑制でき、これにより、イオウ成分を脱離させるのに好適な所定温度（例えば、約６５０℃）以上で還元雰囲気状態を維持できることになり、ＮＯX 触媒６Ａに吸着したＳＯX が燃料カットモード中にも効率良く放出され、ＮＯX 触媒６ＡによるＮＯX 浄化効率が早期に回復することになる。
【００５４】
したがって、本実施形態にかかる希薄燃焼内燃機関によれば、再生制御中に減速時等の所定運転状態となった場合でもドライバビリティを悪化させることなく触媒周辺を還元雰囲気にすることができ、これによりＮＯX 触媒６Ａの熱劣化を防止できるとともに、所定運転状態においても触媒温度を低下させることなく、ＮＯX 触媒６ＡからのＳＯX の脱離を効率的に行なうことができるという利点がある。
【００５５】
なお、本実施形態では、追加燃料を噴射することで触媒周辺を還元雰囲気としているが、所定運転状態において燃料噴射弁８を作動させて主燃料噴射を行なうとともに、点火プラグ７の作動を禁止するようにして、出力トルクに影響を与えないようＮＯX 触媒６Ａの周辺を還元雰囲気とするようにしても良い。
また、上述の各実施形態では、還元雰囲気化制御手段として膨張行程中期以降に追加燃料噴射を行なうようにしているが、点火プラグ７がくすぶりやすい仕様の場合、即ち点火プラグ７に燃料が付着しやすい場合は、再生制御としては排気行程における追加燃料噴射を積極的に行なうようにして、追加燃料噴射された燃料を排気流にのせ、点火プラグ７周りの燃料滞在時間をできるだけ短くし、耐くすぶり性を向上させるようにしても良い。
【００５６】
また、上述の各実施形態では、内燃機関を筒内噴射型内燃機関として説明しているが、内燃機関はこれに限られるものではない。
また、上述の各実施形態にかかる内燃機関は、リーンバーンエンジンとして説明しているが、燃料カット運転はリーンバーンエンジンに限らず実施されるので、第１実施形態にかかる制御は従来のリッチ運転又はストイキオ運転のみを行なう内燃機関にも適用できる。つまり、リーンバーンエンジンでなくても、燃料カットを行なえば、排ガス空燃比がリーンになり、この場合には排ガス浄化用触媒６が所定温度以上であれば熱劣化することになるため、これを抑制すべく、本発明を適用することができる。
【００５７】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１，３，４，５記載の本発明の希薄燃焼内燃機関によれば、ドライバビリティの悪化を招くことなく、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。
請求項２記載の本発明の希薄燃焼内燃機関によれば、排ガス浄化用触媒の熱劣化を防止でき、しかも排ガス浄化用触媒からのＳＯX の放出を効率的に行なうことができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる希薄燃焼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実施形態にかかる希薄燃焼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３】本発明の第１実施形態にかかる希薄燃焼内燃機関の還元雰囲気化制御を示すフローチャートである。
【図４】本発明の第２実施形態にかかる希薄燃焼内燃機関の全体構成を示す模式図である。
【図５】本発明の第２実施形態にかかる希薄燃焼内燃機関の還元雰囲気化制御手段による排ガス浄化用触媒の再生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，６Ｆ ＮＯX 触媒
６Ｂ 三元触媒
６Ｃ フロント触媒
７ 点火プラグ（点火栓）
８ 燃料噴射弁
９ 高温センサ（温度検知手段）
１０ ＮＯX センサ
１１ Ｏ2 センサ
１２ スロットル弁
２０ ＥＣＵ（運転状態検知手段，燃料供給抑制手段，温度検知手段，被毒検知手段，再生手段，還元雰囲気化制御手段）
【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、希薄燃焼内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、自動車用内燃機関の排気通路には排ガス中の有害成分（ＨＣ，ＣＯＮＯX 等）を浄化するための触媒が設けられている。
この触媒としては、ストイキオ運転又はリッチ運転のみを行なう内燃機関では従来の三元触媒が適用され、ストイキオ運転又はリッチ運転のほかにリーン運転も行なう内燃機関では従来の三元触媒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ため、空燃比がリーンの時にも排ガス中のＮＯX を浄化しうるＮＯX 触媒が適用される。
【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 を触媒上に吸着し、ストイキオ又はリッチ雰囲気で触媒上に吸着された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】
ところで、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。
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）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。
【０００５】
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しないため、酸化雰囲気下でリーン耐熱温度以上の状態が起こり、触媒が熱劣化してしまうことになる。
【０００６】
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 触媒では熱劣化の問題は特に顕著となる。
また、吸蔵型ＮＯX 触媒を備えた希薄燃焼内燃機関の場合、排ガス中に含まれるイオウ成分が吸蔵型ＮＯX 触媒に吸着されてしまい、吸蔵型ＮＯX 触媒によるＮＯX の浄化能力が低下することになるため（これを、Ｓ被毒という）、例えば、特開平７−２１７４７４号公報に開示されているように、触媒を還元雰囲気とし、且つ、吸蔵型ＮＯX 触媒を所定高温状態（触媒再生温度；例えば約６００℃）とする触媒再生制御が必要である。
【０００７】
しかし、触媒再生制御が行なわれている場合に、減速時等の所定運転状態となり、燃料供給が停止（燃料カット）されるか又はドライバビリティを悪化させない程度に抑制されると、吸蔵型ＮＯX 触媒が熱劣化してしまう場合があり、また触媒再生制御を行なうのが難しくなる場合もある。
つまり、触媒再生制御が行なわれて触媒温度がリーン耐熱温度以上になっている場合に、減速時等の所定運転状態となり、燃料供給が停止（燃料カット）されるか又はドライバビリティを悪化させない程度に抑制されると、触媒周辺がリーン耐熱温度以上で酸化雰囲気の状態となるため、この場合には吸蔵型ＮＯX 触媒が熱劣化してしまうことになる。
【０００８】
また、触媒再生制御が行なわれて触媒温度が触媒再生温度以上になっているがリーン耐熱温度以下である場合に、減速時等の所定運転状態となり、燃料供給が停止（燃料カット）されるか又はドライバビリティを悪化させない程度に抑制されると、触媒周辺が酸化雰囲気となり、触媒温度も低下してしまうことになるため、吸蔵型ＮＯX 触媒から確実にＳＯX を放出させることができる触媒再生温度以上の温度に触媒温度を維持することが困難であり、実際上、触媒再生制御の実行が難しくなる。
【０００９】
そこで、燃料カット時の触媒の熱劣化対策として、例えば特開平８−１４４８１４号公報に、触媒温度が所定温度以上の場合には燃料カット運転を禁止することが提案されている。
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、ドライバビリティが悪化することになる。
【００１０】
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ような場合であっても、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、希薄燃焼内燃機関を提供することを第１の目的とし、また、吸蔵型ＮＯX 触媒を用いた場合において、触媒に吸蔵されたイオウ成分の脱離を効率的に行なえるようにした、希薄燃焼内燃機関を提供することを第２の目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１記載の本発明の希薄燃焼内燃機関では、還元雰囲気化制御手段が、温度検知手段によって検出又は推定された触媒温度が所定温度以上で、且つ運転状態検知手段により排ガス浄化用触媒周辺が酸化雰囲気となる機関運転状態が検出又は推定された場合、排ガス浄化用触媒の周辺を還元雰囲気とする還元雰囲気化制御を行なう一方、触媒温度がリッチ耐熱温度以上になった場合は該還元雰囲気化制御を中止する。
【００１２】
これにより、ドライバビリティの悪化を招くことなく、触媒温度が所定温度以上の場合、排ガス浄化用触媒の周辺が還元雰囲気とされるため、排ガス浄化用触媒の熱劣化を抑制することができる。
請求項２記載の本発明の希薄燃焼内燃機関では、排ガス浄化用触媒が、酸素過剰雰囲気下で排ガス中のＮＯx を吸蔵し、酸素濃度低下雰囲気で吸蔵されたＮＯx を放出する吸蔵型ＮＯx 触媒である。そして、被毒検知手段により排ガス中のイオウ成分による排ガス浄化用触媒の被毒が検出又は推定されて再生手段による再生制御中に燃料供給抑制手段により主燃焼のための燃料供給を停止するか又はドライバビリティが悪化しない程度に抑制しようとする場合に、還元雰囲気化制御手段により排ガス浄化用触媒の周辺を還元雰囲気とする。
【００１３】
これにより、スロットル弁は全閉又は略全閉とされ、主燃焼のための燃料供給が停止されるか又はドライバビリティが悪化しない程度に抑制された場合でも、還元雰囲気化制御手段により排ガス浄化用触媒の周辺が還元雰囲気とされ、触媒温度の低下を抑制でき、効率良く排ガス浄化用触媒からイオウ成分を脱離させることができる。
【００１４】
請求項３記載の本発明の希薄燃焼内燃機関では、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備える。そして、還元雰囲気化制御手段が、主燃焼のための燃料噴射とは別に膨張行程又は排気行程に燃料噴射弁を作動させて追加燃料を噴射させる。これにより、減速時等の所定運転状態において運転者の要求に応じた運転が行なわれるようにしながら、ドライバビリティを悪化させないで排ガス浄化用触媒の周辺を還元雰囲気とすることができる。
【００１５】
請求項４記載の本発明の希薄燃焼内燃機関では、燃焼室又は吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃焼室内に臨むように配設された点火栓とを備える。そして、還元雰囲気化制御手段が、スロットル弁が全閉又は略全閉となる所定運転状態において燃料供給抑制手段の作動及び点火栓の作動の禁止を実行する。これにより、減速時等の所定運転状態において運転者の要求に応じた運転が行なわれるとともに、主燃焼のための燃料供給が出力に寄与しないようにしながら確実に排ガス浄化用触媒の周辺を還元雰囲気とすることができる。
請求項５記載の本発明の希薄燃焼内燃機関では、還元雰囲気化制御手段による該還元雰囲気化制御が中止された場合、排ガス浄化用触媒へ流入する排ガス流量を増大させる制御が行なわれる。これにより、速やかに触媒温度を低下させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
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実施形態にかかる希薄燃焼内燃機関について、図１〜図４を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる希薄燃焼内燃機関は、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４サイクルエンジンの希薄燃焼内燃機関であって、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。
【００１７】
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及びスロットル弁１２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。
【００１８】
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）６Ｆと三元触媒６Ｂと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、本エンジンが空燃比をリーンにしながら節約運転を行なえるエンジンであるため、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６Ｆが設けられている。
【００１９】
ここで、本実施形態のＮＯx 触媒６Ｆは、リーン雰囲気下でＮＯX を選択的に還元することにより排ガス中のＮＯX を浄化するタイプのもの（選択還元型リーンＮＯX 触媒）で、例えばアルミナＡｌ2 Ｏ3 を担体とし、この担体上に、イリジウム等が担持されて構成される。
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の信号に基づいてモータ１３により電気的に駆動されて開度が変わり、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。
【００２０】
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。
【００２１】
このような構成により、電気的に制御されるスロットル弁１２の開度に応じ図示しないエアクリーナ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（点火栓）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。
【００２２】
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。
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は排ガス浄化用触媒６の周辺の雰囲気を検出し、この検出信号がＥＣＵ２０へ送られるようになっている。
【００２３】
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、高温センサ９からの検出信号がＥＣＵ２０へ送られて、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ようになっている。なお、排ガス浄化用触媒６の温度を直接検出できるセンサを設けることができれば、高温センサ９に代えて、このセンサを温度検知手段にしても良い。
【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、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。この場合の最適な燃料噴射のタイミングとしては、空気流動が弱く点火時までに燃料が拡散し過ぎない圧縮行程後期である。
【００２５】
また、このエンジンから高出力を得る場合には、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を行なえばよく、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。このような場合の最適な燃料噴射のタイミングとしては、吸気流を利用して燃料の霧化及び気化を促進できるように、吸気行程中には燃料噴射を終えるように設定する。
【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、エンジンの回転数Ｎｅ及び負荷状態を示す有効圧力Ｐｅに基づいて、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，ストイキオフィードバック運転モード，オープンループモードが選択される。
【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弁１２が全閉又は略全閉にされた際は、運転者が出力を要求していないため、無駄な燃料消費を防止すること等を目的として燃料供給を停止するか又はドライバビリティを悪化させない程度に抑制するモードである。
ところで、排ガス浄化用触媒６の耐熱温度は、一般に、図２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、例えば通常運転中に燃料カットが行なわれると、排気系ではＯ2 過剰の酸化雰囲気（排ガス空燃比がリーンとなるリーン雰囲気）になるが、この燃料カットが触媒温度が高い状態で行なわれると、触媒周辺が高温で、かつリーン雰囲気となり、触媒温度がその耐熱温度を超えてしまう場合も生じ、排ガス浄化用触媒６が熱劣化してしまうことになる。
【００３０】
例えば、リッチ運転の場合に定常的に触媒温度がリッチ耐熱温度以下になるように調整されている状態で、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２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２中、実線Ａで示すように、触媒温度は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。
【００３１】
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。
【００３２】
このため、ＥＣＵ２０では、触媒温度がリーン耐熱温度を超えた状態で、例えば運転モードが燃料カットモードやリーン運転モードへ切り替えられ、触媒周辺が酸化雰囲気となってしまうような場合に、触媒周辺を還元雰囲気とする還元雰囲気化制御を行なうようになっている。
つまり、ＥＣＵ２０では、運転モードがリーン運転モードや燃料カットモードとなる状態、即ち触媒周辺が酸化雰囲気となる機関運転状態となるか否かを、スロットル弁位置，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検出又は推定するようになっている。そして、高温センサ９からの検出情報に基づいて検知された触媒温度がリーン耐熱温度（所定温度）以上で、且つ運転状態検知手段によって触媒周辺が酸化雰囲気となる機関運転状態が検出又は推定された場合、機関運転状態における出力よりも出力が増大しないようにしながら触媒周辺を還元雰囲気とするようになっている。
【００３３】
なお、ＥＣＵ２０内の機能のうち、触媒周辺が酸化雰囲気となる機関運転状態であるかを検出又は推定する機能を運転状態検知手段といい、触媒周辺が還元雰囲気となるように制御する機能を還元雰囲気化制御手段という。
そこで、本発明の第１実施形態としての希薄燃焼内燃機関では、触媒周辺を還元雰囲気とする還元雰囲気化制御が、以下のようにして行なわれる。
【００３４】
つまり、図３のフローチャートに示すように、まず、ステップＳ１０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Ｓ２０に進み、触媒温度（高温センサ９の出力）がリーン耐熱温度（例えば７００℃）以上であるか否かを判定する。
【００３５】
この判定の結果、触媒温度がリーン耐熱温度以上である場合はステップＳ３０に進み、膨張行程中期以降に燃料噴射弁８を作動させて、出力トルクを得るための主燃料噴射とは別に追加燃料噴射を行なう還元雰囲気化制御手段による還元雰囲気化制御としての追加燃料噴射制御を行なう。一方、ステップＳ２０で、触媒温度がリーン耐熱温度よりも低いと判定された場合はリターンする。
【００３６】
次いで、ステップＳ４０に進み、追加燃料噴射制御によって、触媒温度がリッチ耐熱温度（例えば８００℃）以上になるか否かを判定する。この判定の結果、触媒温度がリッチ耐熱温度以上になる場合は、触媒温度が過昇温となり、触媒の熱劣化が生じるため、ステップＳ５０に進んで、追加燃料噴射制御を中止し、さらに、ステップＳ６０に進んで、触媒温度を低下させるため、スロットル弁１２を開弁側に制御して排ガス流量を増大させて、リターンする。
【００３７】
したがって、本実施形態にかかる希薄燃焼内燃機関によれば、触媒温度がリーン耐熱温度以上で、スロットル全閉又は略全閉による減速時等の燃料カットモードや、ストイキオ又はエンリッチ運転モードからリーン運転モードとなる所定運転状態に、還元雰囲気化制御として追加燃料噴射を膨張行程中期以降において行なうため、出力トルクに影響を与えることなく（即ち、ドライバビリティを悪化させることなく）、ＮＯX 触媒６Ｆの周辺を還元雰囲気とすることができ、耐熱温度がリーン耐熱温度よりも高いリッチ耐熱温度となる。これにより、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。
【００３８】
なお、本実施形態の還元雰囲気化制御では燃焼室内に追加燃料を噴射することで触媒周辺を還元雰囲気としているが、例えば燃料カットモードの所定運転状態においては追加燃料を噴射させず、燃料噴射弁８を停止しないで作動させて主燃料噴射を行なうとともに、点火プラグ７の作動を禁止するようにして、触媒周辺の雰囲気を還元雰囲気とするようにしても良い。
【００３９】
この手法でも、所定運転状態において運転者の要求に応じた運転を行なえ、出力トルクに影響を与えず、ＮＯX 触媒６Ｆの周辺を還元雰囲気とすることができるという利点がある。この手法は、特に吸気管噴射型内燃機関において有効である。
また、本実施形態では、ＮＯX 触媒６Ｆを選択還元型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、吸蔵型ＮＯX 触媒であっても良く、その場合でも同様の効果を得ることができる。
【００４０】
また、本実施形態では、希薄燃焼内燃機関について説明しているが、リッチ運転又はストイキオ運転のみを行なう従来の内燃機関であっても良く、この場合、三元触媒が設けられるので、還元雰囲気化制御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。
また、本実施形態では、排ガス浄化用触媒６へ流入する排気流量を増大するためにスロットル弁１２の開度を調整しているが、スロットル弁１２をバイパスするバイパス通路を備えた内燃機関の場合にはバイパス通路に設けられるＡＢＶ（エアバイパスバルブ）やＩＳＣ（アイドルスピードコントロール）バルブを全開にして吸入吸気量を増大させて排ガス浄化用触媒６へ流入する排気流量を増大させても良い。また、別途空気ポンプを備えさせ、大気中の空気を排気通路３へ二次エアとして導入することにより、排ガス浄化用触媒６へ流入する排気流量を増大させても良い。
【００４１】
次に、第２実施形態にかかる希薄燃焼内燃機関について、図４，図５を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる希薄燃焼内燃機関では、図４に示すように、三元触媒６Ｂの上流にＮＯX 触媒６Ａが設けられているが、このＮＯX 触媒６Ａは第１実施形態と異なり、ＮＯX を触媒上に吸蔵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）であって、このＮＯX 触媒６Ａの上流にはフロント触媒（ライトオフ触媒）６Ｃが付加されている。
【００４２】
このフロント触媒６Ｃは、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により構成される。このライトオフ触媒６Ｄは、エンジンの冷態始動時から高温の排ガスによって直ちに活性化温度になるように、エンジンの燃焼室１の直下流側の排気通路３に配設されており、特に、エンジンの冷態始動時に排ガス中のＨＣを低減するようになっている。
【００４３】
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が設けられており、ＮＯX 触媒６Ａの浄化効率低下を検出している。また、ＮＯX センサ１０による検出情報はＥＣＵ２０へ送られ、ＥＣＵ２０では、ＮＯX センサ１０の検出情報等に基づいて、触媒周辺が還元雰囲気となるよう機関の空燃比をストイキオ又はリッチに制御する復活制御（リッチスパイク）を行なうようになっている。
【００４４】
また、ＮＯX 触媒６Ａは酸化雰囲気下でＮＯX とともに排ガス中のイオウ成分も吸蔵してしまいＳ被毒してしまう。
このため、ＥＣＵ２０は、ＮＯX 触媒６Ａに吸着されたＳＯX 吸着量に対応するパラメータと考えられる燃料パルス幅の積算値として算出し、この積算値が所定量以上であるか否かにより、排ガス中のイオウ成分によりＮＯX 触媒６Ａが被毒したか否かを推定するようになっている。なお、このＥＣＵ２０のＮＯX 触媒６Ａの被毒を推定する機能を被毒検知手段という。また、この被毒検知手段は、ＳＯX 吸着量を直接検出するものであっても良い。
【００４５】
また、ＥＣＵ２０は、被毒検知手段によりＮＯX 触媒６Ａの被毒が検知された場合、ＮＯX 触媒６Ａの温度を昇温させて触媒温度を例えば６５０℃以上の高温状態とし、ＮＯX 触媒６Ａの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る再生制御を行なうようになっている。なお、このＥＣＵ２０の機能を再生手段という。
【００４６】
また、本希薄燃焼内燃機関では、上述の第１実施形態の場合と同様に、減速時等の所定運転状態においてスロットル弁１２が閉じられた際には、運転者が出力を要求していないため、無駄な燃料消費を防止すること等を目的として、運転モードとして燃料供給を停止するか又はドライバビリティを悪化させない程度に抑制する燃料カットモードが設けられている。
【００４７】
なお、運転モードの切り替えはＥＣＵ２０の機能によって行なわれるが、ＥＣＵ２０により運転モードが燃料カットモードとなり、主燃焼のためのインジェクタ８からの燃料供給を停止するか又はドライバビリティを悪化させない程度に抑制する機能を燃料供給抑制手段という。
また、ＥＣＵ２０では、ＮＯX 触媒６ＡのＮＯX 浄化効率を向上させてＮＯX 触媒６Ａを再生させるための再生制御を実行している際に運転モードが燃料カットモードとなる場合に、ＮＯX 触媒６Ａが熱劣化しないように、又は効率的にＮＯX 触媒６Ａを再生できるように触媒周辺を還元雰囲気とする還元雰囲気化制御を行なうようになっている。なお、このＥＣＵ２０の機能を還元雰囲気化制御手段という。
【００４８】
次に、本発明の第２実施形態にかかる希薄燃焼内燃機関で行なわれる還元雰囲気化制御について、図６のフローチャートに基づいて説明する。
まず、ステップＡ１０で、被毒検知手段がＮＯX 触媒６ＡへのＳＯX 吸着量が所定量以上であるか否かを判定する。つまり、燃料パルス幅の積算値として算出されたＳＯX 吸着量が所定量以上であるか否かを判定する。この判定の結果、ＳＯX 吸着量が所定量以上でないと判定された場合は、まだ再生制御は必要でないため、リターンする。
【００４９】
一方、ステップＡ１０で、ＳＯX 吸着量が所定量以上であると判定された場合は、ＮＯX 触媒６ＡにＳＯX が吸着することによってＮＯX 浄化効率が低下しているため、ステップＡ２０に進み、再生制御が実行される。
この再生制御では、主燃焼のための主噴射以外に膨張行程中期以降に追加燃料を噴射し、ＮＯX 触媒６Ａを所望の高温状態（例えば６５０℃；これを触媒再生温度という）になるまで昇温させる。その後、追加燃料噴射を止め、主噴射のみとする。このとき、触媒周辺が還元雰囲気となるように例えば空燃比を１２程度のリッチ空燃比とする。
【００５０】
このように、ＮＯX 触媒６Ａからイオウ成分を放出させるべく再生制御を行なって触媒温度が触媒再生温度以上になるようにしているため、触媒温度がリーン耐熱温度（例えば７００℃）以上になる場合がある。このため、燃料カットモードに入るときの触媒温度の違い、つまり、触媒温度が触媒再生温度以上である場合に、触媒温度がリーン耐熱温度以上である場合とリーン耐熱温度よりも小さい場合とで異なる問題が生じる。
【００５１】
つまり、触媒温度がリーン耐熱温度以上である場合に燃料カットモードに入ると、触媒周辺が酸化雰囲気となり、ＮＯX 触媒６Ａが熱劣化してしまうことになる。
一方、燃料カットモードに入ると、触媒周辺が酸化雰囲気となるとともに、触媒温度が低下してしまうため、触媒温度がリーン耐熱温度よりも小さい場合には、ＮＯX 触媒６Ａがすぐに触媒再生温度以下になってしまい、ＮＯX 触媒６Ａからイオウ成分を十分に放出させることができなくなり、ＮＯX 触媒６Ａを効率的に再生させるのが難しくなる。
【００５２】
このため、ステップＡ３０では、ＥＣＵ２０の信号から運転モードが燃料カットモードになるかどうかを判定する。
そして、燃料カットモードになる場合は、ステップＡ４０に進み、還元雰囲気化制御手段によって還元雰囲気化制御としての追加燃料噴射を行なう。この場合、還元雰囲気化制御は、触媒温度がリーン耐熱温度以上である場合にはＮＯX 触媒６Ａが熱劣化するのを防止するためのものであり、触媒温度がリーン耐熱温度よりも小さい場合には再生制御によりＮＯX 触媒６Ａからイオウ成分が十分に放出されるようにして、ＮＯX 触媒６Ａを効率的に再生させるためのものである。一方、燃料カットモードにならない場合は、リターンする。
【００５３】
このような還元雰囲気化制御によりＮＯX 触媒６Ａの近傍が還元雰囲気（リッチ雰囲気）とされるため、触媒温度がリーン耐熱温度以上である場合に触媒周辺が酸化雰囲気となるのが防止されるとともに、触媒温度が触媒再生温度以上で、且つリーン耐熱温度よりも小さい場合に触媒温度が低下するのを抑制でき、これにより、イオウ成分を脱離させるのに好適な所定温度（例えば、約６５０℃）以上で還元雰囲気状態を維持できることになり、ＮＯX 触媒６Ａに吸着したＳＯX が燃料カットモード中にも効率良く放出され、ＮＯX 触媒６ＡによるＮＯX 浄化効率が早期に回復することになる。
【００５４】
したがって、本実施形態にかかる希薄燃焼内燃機関によれば、再生制御中に減速時等の所定運転状態となった場合でもドライバビリティを悪化させることなく触媒周辺を還元雰囲気にすることができ、これによりＮＯX 触媒６Ａの熱劣化を防止できるとともに、所定運転状態においても触媒温度を低下させることなく、ＮＯX 触媒６ＡからのＳＯX の脱離を効率的に行なうことができるという利点がある。
【００５５】
なお、本実施形態では、追加燃料を噴射することで触媒周辺を還元雰囲気としているが、所定運転状態において燃料噴射弁８を作動させて主燃料噴射を行なうとともに、点火プラグ７の作動を禁止するようにして、出力トルクに影響を与えないようＮＯX 触媒６Ａの周辺を還元雰囲気とするようにしても良い。
また、上述の各実施形態では、還元雰囲気化制御手段として膨張行程中期以降に追加燃料噴射を行なうようにしているが、点火プラグ７がくすぶりやすい仕様の場合、即ち点火プラグ７に燃料が付着しやすい場合は、再生制御としては排気行程における追加燃料噴射を積極的に行なうようにして、追加燃料噴射された燃料を排気流にのせ、点火プラグ７周りの燃料滞在時間をできるだけ短くし、耐くすぶり性を向上させるようにしても良い。
【００５６】
また、上述の各実施形態では、内燃機関を筒内噴射型内燃機関として説明しているが、内燃機関はこれに限られるものではない。
また、上述の各実施形態にかかる内燃機関は、リーンバーンエンジンとして説明しているが、燃料カット運転はリーンバーンエンジンに限らず実施されるので、第１実施形態にかかる制御は従来のリッチ運転又はストイキオ運転のみを行なう内燃機関にも適用できる。つまり、リーンバーンエンジンでなくても、燃料カットを行なえば、排ガス空燃比がリーンになり、この場合には排ガス浄化用触媒６が所定温度以上であれば熱劣化することになるため、これを抑制すべく、本発明を適用することができる。
【００５７】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１，３，４，５記載の本発明の希薄燃焼内燃機関によれば、ドライバビリティの悪化を招くことなく、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。
請求項２記載の本発明の希薄燃焼内燃機関によれば、排ガス浄化用触媒の熱劣化を防止でき、しかも排ガス浄化用触媒からのＳＯX の放出を効率的に行なうことができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる希薄燃焼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実施形態にかかる希薄燃焼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３】本発明の第１実施形態にかかる希薄燃焼内燃機関の還元雰囲気化制御を示すフローチャートである。
【図４】本発明の第２実施形態にかかる希薄燃焼内燃機関の全体構成を示す模式図である。
【図５】本発明の第２実施形態にかかる希薄燃焼内燃機関の還元雰囲気化制御手段による排ガス浄化用触媒の再生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，６Ｆ ＮＯX 触媒
６Ｂ 三元触媒
６Ｃ フロント触媒
７ 点火プラグ（点火栓）
８ 燃料噴射弁
９ 高温センサ（温度検知手段）
１０ ＮＯX センサ
１１ Ｏ2 センサ
１２ スロットル弁
２０ ＥＣＵ（運転状態検知手段，燃料供給抑制手段，温度検知手段，被毒検知手段，再生手段，還元雰囲気化制御手段）
Claims (5)
- 内燃機関の排気通路に設けられ、排ガス中の有害成分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となる機関運転状態を検出又は推定する運転状態検知手段と、
該排ガス浄化用触媒の温度を検出又は推定する温度検知手段と、
該温度検知手段によって検出又は推定された触媒温度がリーン耐熱温度以上で且つ該運転状態検知手段によって該排ガス浄化用触媒の周辺が酸化雰囲気となる機関運転状態が検出又は推定された場合、該排ガス浄化用触媒の周辺を還元雰囲気とする還元雰囲気化制御を行なう一方、触媒温度がリッチ耐熱温度以上になった場合は該還元雰囲気化制御を中止する還元雰囲気化制御手段とを備えることを特徴とする、希薄燃焼内燃機関。 - 該排ガス浄化用触媒が、酸素過剰雰囲気下で排ガス中のＮＯx を吸蔵し、酸素濃度低下雰囲気で吸蔵されたＮＯx を放出する吸蔵型ＮＯx 触媒であるとともに、
排ガス中のイオウ成分による該排ガス浄化用触媒の被毒を検出又は推定する被毒検知手段と、
該被毒検知手段により該排ガス浄化用触媒の被毒が検出又は推定された場合、該排ガス浄化用触媒の温度を昇温させるとともに該排ガス浄化用触媒の周辺を還元雰囲気としてイオウ成分を該排ガス浄化用触媒から放出させる再生手段と、
該運転状態検知手段によりスロットル弁が全閉又は略全閉となる所定運転状態が検出又は推定された場合に主燃焼のための燃料供給を停止するか又はドライバビリティを悪化させない程度に抑制する燃料供給抑制手段とを備え、
該還元雰囲気化制御手段は、該再生手段による再生制御中に該燃料供給抑制手段により燃料供給が停止又は抑制される場合に該排ガス浄化用触媒の周辺を還元雰囲気とすることを特徴とする、請求項１記載の希薄燃焼内燃機関。 - 燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、
該還元雰囲気化制御手段が、主燃焼のための噴射とは別に膨張行程又は排気行程に該燃料噴射弁を作動させて追加燃料を噴射させることで該排ガス浄化用触媒の周辺を還元雰囲気とすることを特徴とする、請求項１記載の希薄燃焼内燃機関。 - 燃焼室又は吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
該燃焼室内に臨むように配設された点火栓と、
該運転状態検知手段によりスロットル弁が全閉又は略全閉となる所定運転状態が検出又は推定された場合に主燃焼のための燃料供給を停止するか又はドライバビリティを悪化させない程度に抑制する燃料供給抑制手段とを備え、
該還元雰囲気化制御手段が、該所定運転状態において該燃料供給抑制手段の作動及び該点火栓の作動を禁止することで該排ガス浄化用触媒の周辺を還元雰囲気とすることを特徴とする、請求項１記載の希薄燃焼内燃機関。 - 該還元雰囲気化制御手段による該還元雰囲気化制御が中止された場合、該排ガス浄化用触媒へ流入する排ガス流量を増大させる制御が行なわれるように構成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の希薄燃焼内燃機関。
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