JP5392021B2 - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射制御に関し、特に、燃料カット制御中の排気性能悪化を防止するための燃料噴射制御に関する。

内燃機関の排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する装置として、三元触媒とＮＯｘトラップ触媒が知られている。三元触媒では、ＮＯｘが排気ガス中に含まれる炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）により還元され、逆にＨＣ、ＣＯはＮＯｘにより酸化されて、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘがそれぞれ浄化される。このため、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘのすべてを浄化するためには、ＮＯｘとＨＣ及びＣＯとが化学当量となる必要がある。つまり十分な浄化機能を発揮するためには、内燃機関が理論空燃比（以下、ストイキ空燃比という）で運転する必要がある。

一方、ＮＯｘトラップ触媒は、三元触媒機能に加え、さらにＮＯｘを硝酸塩として吸着する機能を有する。このため、ストイキよりもリーンな空燃比（以下、単にリーン空燃比という）で運転することでＨＣ、ＣＯに対してＮＯｘが過剰に発生しても、ＮＯｘを吸着して車外へのＮＯｘの排出を防止できる。

このＮＯｘトラップ触媒は、燃料中の硫黄を吸収することで、いわゆる硫黄被毒を生じてＮＯｘ吸着効率が低下するので、所定の時期に硫黄被毒を解除する必要がある。硫黄被毒解除のためには、ＮＯｘトラップ触媒が被毒解除に適した温度まで昇温されていることと、内燃機関がリッチ空燃比で運転していることが必要である。

また、吸着できるＮＯｘ量に制限があるため、適当な時期に吸着したＮＯｘを脱離させる必要がある。

そこで、ＮＯｘトラップ触媒の硫黄被毒解除及び吸着しているＮＯｘを除去するための制御として、減速時の燃料カット制御を開始する直前に、所定期間だけ空燃比をストイキよりもリッチな空燃比にする制御が特許文献１に記載されている。これによれば、ＨＣ、ＣＯが燃料カット中の排気ガス中の酸素により燃焼することで、ＮＯｘトラップ触媒が昇温され、この昇温によってＮＯｘトラップ触媒の硫黄被毒が解除される。さらに、空燃比をストイキよりもリッチにしている間に発生したＨＣ、ＣＯの未燃成分が還元剤として作用することで、ＮＯｘトラップ触媒に吸着されているＮＯｘが還元脱離される。

特開２０００−１２０４２８号公報

上述したように、ＮＯｘトラップ触媒を備える場合には、機関運転中に発生したＮＯｘはＮＯｘトラップ触媒に吸着し、吸着したＮＯｘは、例えば特許文献１のように硫黄被毒解除及び吸着したＮＯｘの脱離のためにリッチ空燃比にするまで吸着したままである。そして、脱離する際には、ＨＣ、ＣＯによって還元されて脱離する。したがって、ＮＯｘトラップ触媒を備える場合には、燃料カット制御中を含む機関運転中にＮＯｘが車外へ排出されることはない。

一方、ＮＯｘトラップ触媒を備えず、三元触媒のみを備える場合は、上述したように内燃機関がストイキ空燃比で運転していれば、ＮＯｘは三元触媒でＨＣ、ＣＯにより還元される。そして、燃料カット制御中は、内燃機関の筒内で燃料が供給されないので、ＮＯｘが発生することはないと考えられる。したがって、燃料カット制御中を含む機関運転中にＮＯｘが車外へ排出されるという問題は生じ得ないはずである。

しかしながら、本件発明者らは、内燃機関がストイキ空燃比で運転され、排気通路に三元触媒を備えるシステムにおいて、ストイキ空燃比で運転した後の燃料カット制御中に内燃機関からＮＯｘが排出されること、及び三元触媒より下流側の排気通路で微量のＮＯｘが検出されること、つまりＮＯｘが車外へ排出されることを実験により見出した。

ＮＯｘトラップ触媒を設ければ、このような燃料カット制御中の車外へのＮＯｘの排出を防止することができる。しかし、ストイキ空燃比で運転する内燃機関の排気通路にＮＯｘトラップ触媒を設けるのは、費用対効果を考えると得策ではない。

そこで、本発明では、ストイキ空燃比で運転する内燃機関と三元触媒とを備えるシステムにおいて、ＮＯｘトラップ触媒を設けることなく、燃料カット制御中に車外へ排出されるＮＯｘの量を低減できる燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の燃料噴射制御装置は、内燃機関の排気通路に設けた三元触媒と、運転状態に応じて理論空燃比となるように燃料噴射を行い、所定の燃料カット許可条件が成立したときに燃料噴射を一時的に停止する燃料カット制御を実行する燃料噴射手段と、を備える。そして、燃料噴射手段は、理論空燃比での運転中に燃料カット許可条件が成立したら、一定期間だけ、機関運転状態に基づく前記燃料カット制御を実行中のＮＯｘ発生量に応じて設定した理論空燃比よりもリッチな空燃比にした後に燃料噴射を停止する。

本発明によれば、空燃比をストイキよりリッチにした期間中に発生したＨＣ、ＣＯが三元触媒内で酸化されるので、燃料噴射が停止したときに、三元触媒内は酸素ストレージ量に余裕がある状態になっている。このため、燃料噴射を停止した後に発生したＮＯｘは三元触媒内で還元され、車外への排出量が低減する。すなわち、ＮＯｘトラップ触媒を設けることなく、燃料カット制御中に車外へ排出されるＮＯｘの量を低減することができる。

本発明を適用するシステムの構成図である。 燃料カット中にＮＯｘの排出が確認された実験の結果を示すタイムチャートであり、（ａ）は三元触媒の入口及び出口での排気ガスの空燃比と目標当量比を示し、（ｂ）は三元触媒の入口及び出口のＮＯｘ排出濃度を示している。 （ａ）、（ｂ）は、燃料カット制御中のＮＯｘ排出のメカニズムについて示した図であり、（ａ）は燃料カット制御開始直後を、（ｂ）は燃料カット制御中に三元触媒の出口の空燃比がリーンになった状態を、それぞれ示している。 燃料カット許可条件成立後に点火を停止し、燃料噴射を継続した場合の実験結果のタイムチャートであり、（ａ）は三元触媒の入口及び出口での排気ガスの空燃比を示し、（ｂ）は三元触媒の入口及び出口のＨＣ排出濃度を示し、（ｃ）は三元触媒の入口及び出口のＮＯｘ排出濃度を示している。 燃料カット制御中の車外へのＮＯｘ排出量を低減するための制御ルーチンを示すフローチャートである。 燃料カット制御中の車外へのＮＯｘ排出量を低減するための制御ルーチンを実行した場合のタイムチャートを示している。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るシステムの概略図である。図１に示すように、内燃機関１の燃焼室２は、シリンダヘッド３と、シリンダブロック４と、このシリンダブロック４のシリンダ内を往復動するピストン５とによって形成される。なお、本実施形態は、図１に示す気筒を複数備えた多気筒内燃機関、例えば直列４気筒、直列６気筒、Ｖ型６気筒等の様々な型式の内燃機関に適応できる。

シリンダヘッド３には、燃焼室２に開口する吸気ポート６および排気ポート７を形成する。吸気ポート６は図示しない吸気マニホールドと接続して吸気通路を形成し、排気ポート７は図示しない排気マニホールドと接続して排気通路（以下、両者を合わせたものを排気通路７という）を形成する。吸気ポート６は吸気弁８によって開閉され、吸気カムシャフト１０が吸気弁８を駆動する。同様に、排気ポート７は排気弁９によって開閉され、排気カムシャフト１１が排気弁９を駆動する。排気通路７には、排気浄化用の三元触媒１７を介装する。

また、シリンダヘッド３には、燃料噴射弁１２および点火プラグ１３を燃焼室２に臨ませて配置する。燃料噴射弁１２は供給される燃料を燃焼室２に直接噴射する。そして、点火プラグ１３は、燃焼室２内に噴射された燃料と空気とが形成する混合気に火花点火を行う。

燃料ポンプ１４は、燃料を加圧して燃料噴射弁１２に供給する。燃料ポンプ１４は吐出圧を制御可能であり、図示しない燃料タンク内の燃料または該燃料タンクから供給された燃料を所定の燃圧に昇圧して吐出する。燃料ポンプ１４から吐出された燃料は、燃料配管１５およびデリバリ管１６を介して各気筒の燃料噴射弁１２へと供給される。

コントロールユニット（ＥＣＵ）２０には、吸入空気量ＱＡを検出するエアフローメータ２１、アクセルペダルの踏込み量であるアクセル操作量ＡＰＳを検出するアクセル開度センサ２２、機関回転速度ＮＥを検出するクランク角センサ２３、冷却水温度ＴＷを検出する水温センサ２４、デリバリ管１６内の燃圧ＰＦを検出する燃圧センサ２５、車速ＶＳＰを検出する車速センサ２６、ブレーキ操作を検出するブレーキスイッチ２７、及び三元触媒１７に流入する排気の空燃比を検出する空燃比センサ２８等の各種センサ類からの信号が入力される。

そして、ＥＣＵ２０は、入力される信号に基づいて燃料噴射量の決定及び燃料カット制御を実行する他、点火時期及び燃圧等の制御を実行する。

例えば、吸入空気量ＱＡ及び機関回転速度ＮＥに基づき、予め設定されたマップを参照して燃料噴射弁１２に供給する燃料の目標噴射量、点火時期、目標燃圧ＴＰＦを設定する。そして、燃圧センサ２５によって検出される実際の燃圧ＰＦが目標燃圧ＴＰＦとなるように燃料ポンプ１４を制御し、当該燃圧で目標噴射量を噴射できるように燃料噴射弁１２の開弁時間を制御し、さらに点火時期を制御する（燃料噴射量制御、燃圧制御）。

燃料噴射量については、冷間始動時や加速時等を除く通常運転時には、空燃比センサ２８の検出信号に基づいてストイキ空燃比となるようにフィードバック制御を行う（空燃比フィードバック制御）。この空燃比フィードバック制御については、三元触媒１７の下流側にも空燃比を検出できるセンサを設け、この下流側の検出値も用いることで、より高精度な制御が可能となる。

また、ＥＣＵ２０は、所定の燃料カット許可条件が成立すると燃料噴射弁１２からの燃料噴射を停止させる燃料カットを実行し、その後、所定の燃料カットリカバー条件が成立すると燃料噴射弁１２からの燃料噴射を再開させる（燃料カット制御）。

ここで、燃料カット許可条件は、例えば、（ａ）アクセル操作量ＡＰＳがゼロであること、及び（ｂ）機関回転速度ＮＥが第１所定回転速度ＮＥ１以上であること、を含む。また、前記所定の燃料カットリカバー条件は、例えば、燃料カット中に機関回転速度ＮＥが第２所定回転速度ＮＥ２（＜ＮＥ１）以下となることを含む。

そして、燃料カット許可条件が成立してから実際に燃料噴射を停止させるまでの間に、燃料噴射量を徐々に絞るカットインディレイ時間を設ける。これは、内燃機関１の出力トルクの急激な減少によるトルクショックを抑制するためである。

次に、三元触媒１７について説明する。

三元触媒１７は、白金、ロジウム等を主体とし、これに希土類等の補助触媒を加えたものであって、内燃機関１の排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化する機能を有する。ＨＣ、ＣＯはＮＯｘを還元する還元剤として作用し、ＮＯｘはＨＣ、ＣＯを酸化する酸化剤として作用することで、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘは二酸化炭素、水、窒素となる。これが三元触媒１７の排気ガス浄化のメカニズムである。

したがって、三元触媒１７が効率的に排気ガスを浄化できるのは、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘが化学当量となっている場合であり、このためにＥＣＵ２０はストイキ空燃比となるように燃料噴射量をフィードバック制御する。

内燃機関１がストイキ空燃比で運転していれば、運転中は上述したメカニズムによりＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘは同時に浄化されるので、これらの成分が三元触媒１７の下流側、つまり車外へ排出されることはない。

なお、三元触媒１７は酸素ストレージ機能も有する。このため、フィードバック制御中に空燃比がストイキからリーン側に振れたときには、三元触媒１７はＮＯｘの還元により発生した酸素をストレージすることができる。そして、ストイキからリッチ側に振れたときには、三元触媒１７はストレージしている酸素によりＨＣ、ＣＯを酸化して浄化することができる。

また、燃料カット制御中は、内燃機関１の筒内への燃料噴射が停止されるから、燃料が燃焼することで発生するＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘが排出されることはなく、これらの成分が車外へ排出されることはないはずである。

しかし、本件発明者らの実験によると、ストイキ空燃比で運転している状態から燃料カット制御へ移行すると、燃料カット制御開始後に三元触媒１７の下流側で微量のＮＯｘが検出された。

図２は、この実験結果を示すタイムチャートであり、（ａ）は三元触媒１７の入口及び出口での排気ガスの空燃比と目標当量比を示し、図中の実線Ａは三元触媒１７の入口の空燃比、実線Ｂは三元触媒１７の出口の空燃比、破線は目標当量比を示す。図２（ｂ）は三元触媒１７の入口及び出口のＮＯｘ排出濃度を示し、図中の実線は三元触媒１７の入口のＮＯｘ排出濃度、破線は三元触媒１７の出口のＮＯｘ排出濃度を示している。

当該実験は、ｔ１以前は当量比が１、つまりストイキ空燃比で運転し、ｔ１で上述した燃料カット許可条件が成立したものとして、ｔ１からｔ２の期間で目標当量比を１からゼロまで低下させたものである。なお、三元触媒１７の出口の空燃比、三元触媒１７の入口のＮＯｘ排出濃度、及び三元触媒１７の出口のＮＯｘ排出濃度は、それぞれ当該実験のために三元触媒１７の出口に空燃比センサ４１を、三元触媒１７の入口及び出口にＮＯｘセンサ４２、４３を設けて測定したものである。

図２（ａ）に示すように、ｔ１で燃料カット制御の開始を決定し、目標当量比を低下させ始めても、三元触媒１７の入口の空燃比は直ちには変化しない。これは、内燃機関１から排出された排気ガスが三元触媒１７に到達するまでに時間を要し、当量比が低下した排気ガスが三元触媒１７に到達するまでの間は、ｔ１以前のストイキ空燃比で運転していたときの排気ガスが三元触媒１７に流入するからである。

当量比を低下させ始めてから、上記排気ガスが内燃機関１から三元触媒１７に到達するまでの時間が経過したｔ２以降は、当量比が低下した排気ガス、つまりリーン空燃比の排気ガスが三元触媒１７に流入し始め、三元触媒１７の入口の空燃比は時間の経過とともに、よりリーンになっている。そして、目標当量比がゼロのときの排気ガスが到達するｔ３以降は、それ以上リーンになり得ないので一定値となっている。

また、三元触媒１７の出口の空燃比は、入口の空燃比に比べて三元触媒１７を通過する分だけ遅れ時間が生じるが、変化の挙動自体は入口の空燃比と同様である。

一方、ＮＯｘ排出濃度は、図２（ｂ）に示すように、空燃比がストイキである間は三元触媒１７の入口側ではほぼ一定の濃度があるが、出口側では三元触媒１７で還元されるためほぼゼロ［ｐｐｍ］になっている。

そして、ｔ２で三元触媒１７の入口の空燃比が変化し始めると、三元触媒１７の入口のＮＯｘ排出濃度は低下し始める。これは、燃料カット制御開始にともなって目標当量比が低下し、さらに吸入空気量も減少するため、燃焼する燃料量が減少し、発生するＮＯｘ量も減少するからである。

その後、目標当量比がゼロになり燃料噴射が停止した後も、ＮＯｘは排出され続けている。そして、ｔ２以降のＮＯｘが排出され続けている期間も、三元触媒１７の出口のＮＯｘ排出濃度はほぼゼロである。燃料噴射停止後もＮＯｘが排出される理由及び三元触媒１７の出口のＮＯｘ排出濃度がゼロのままである理由については、後述する。

しかし、図２（ｂ）に示すように、三元触媒１７の出口の空燃比がストイキよりもリーン側になるｔ４から、三元触媒１７の出口のＮＯｘ排出濃度が増大している。つまり、ＮＯｘが車外へ排出されている。

ｔ４の時点では、目標当量比はゼロになっており、三元触媒１７の入口のＮＯｘ排出濃度はほぼゼロ［ｐｐｍ］になっている。このため、ｔ４の後でＮＯｘ排出濃度が増大するという現象は、実験前には想定し得ないものであった。

ここで、上記のような燃料カット制御中のＮＯｘ排出の原因について考察する。図３（ａ）、（ｂ）は、燃料カット制御中のＮＯｘ排出のメカニズムについて示した図であり、（ａ）は燃料カット制御開始直後を、（ｂ）は燃料カット制御中に三元触媒１７の出口の空燃比がリーンになった状態を、それぞれ示している。

まず、燃料カット制御により燃料噴射を停止しても、内燃機関１から排出されるＮＯｘは直ちにはゼロ［ｐｐｍ］にはならず、徐々に減少する。

燃料噴射を停止した後にＮＯｘが排出されるメカニズムは、次のように考えられる。ピストン５の冠面やシリンダ壁面には燃料が付着しており、この燃料が燃料噴射停止後に燃焼室２に流入した酸素と反応する。このとき、燃料噴射は停止しており、燃焼室２内の空燃比はストイキよりもリーンになっているので、反応の結果ＮＯｘが生成される。

目標当量比が１からゼロまで変化する途中のリーン空燃比の期間中は、排気ガス中のＮＯｘ排出濃度は高くなり、ＨＣ、ＣＯに対して当量ではなくなる。また、燃料噴射停止後も上述したように内燃機関からＮＯｘが排出される。このように、排気ガスの空燃比がストイキでないにもかかわらず、三元触媒１７の出口のＮＯｘ排出濃度がゼロなのは、三元触媒１７の酸素ストレージ容量に余裕があり、一部は三元触媒１７で還元され、残りは図３（ａ）に示すように三元触媒１７の貴金属に吸着されたためと考えられる。

そして、三元触媒１７の出口の空燃比がストイキよりもリーンになった状態、つまり酸素濃度が増大した排気ガスが三元触媒１７を通過する状態になったとき（図２のｔ４）に、図３（ｂ）に示すように、貴金属に吸着していたＮＯｘが酸素に置換され、ＮＯｘが還元されずにそのまま脱離し、三元触媒１７の下流側へ流出する。このようにして、図２のｔ４以降に、三元触媒１７より下流側へＮＯｘが排出されていると考えられる。

すなわち、燃料カット制御中にＮＯｘが排出されるのは、三元触媒１７に流入する排気ガスの空燃比がストイキからリーンに変わることで排気ガス中の酸素量が増大し、三元触媒１７に吸着していたＮＯｘが酸素に置換されて排出されるためと考えられる。

この推測に基づけば、三元触媒１７内に流入する排気ガスの空燃比がストイキからリーンに変わるタイミングを遅らせれば、つまり、三元触媒１７に流入する酸素量が増大するタイミングを遅らせれば、燃料カット制御中に三元触媒１７の下流側に排出されるＮＯｘ量を減少させることができると考えられる。

次に、本件発明者らが行った他の実験の結果を図４に示す。この実験では、上述した図２の結果が得られた実験と同様の実験を行うつもりであったにもかかわらず、燃料カット制御中に燃料噴射が停止されていなかった。つまり、燃料カット許可条件成立後の期間は、点火は行われずに燃料噴射だけ行われていた。

図４（ａ）は、図２（ａ）と同様に三元触媒１７の入口及び出口の排気ガスの空燃比を示し、図４（ｂ）は三元触媒１７の入口及び出口のＨＣ排出濃度を示し、図４（ｃ）は図２（ｃ）と同様に三元触媒１７の入口及び出口のＮＯｘ排出濃度を示す。

また、ｔ２、ｔ４は、それぞれ図２のｔ２、ｔ４に相当するタイミングである。つまり、ｔ２は本来であれば燃料噴射及び点火を停止して燃料カット制御を開始するタイミングであり、ｔ４は三元触媒１７の出口の空燃比がストイキからリーンへ変わるタイミングである。

図４（ｂ）に示すように、ｔ２以降に三元触媒１７の入口のＨＣ排出濃度が増大している。これは、点火を停止しているにもかかわらず燃料を噴射し続けたことで、ＨＣが排出されたからである。

なお、ＨＣ排出濃度が増大しているのに、図４（ａ）に示すように三元触媒１７の入口の空燃比がストイキからリーンへと変化している。これは、点火を停止しているため燃焼室２では燃焼が行われず、燃焼室２に流入したＯ₂は酸化反応をせずに排気通路７に排出されるので、Ｏ₂濃度と大気Ｏ₂濃度の電位差に基づいて空燃比を検知する空燃比センサ２８の検出結果はリーン空燃比になるからである。

また、三元触媒１７の出口のＨＣ排出濃度は、全期間にわたりほぼゼロ［ｐｐｍ］である。これは、三元触媒１７で酸化反応により浄化されたためと考えられる。

一方、ＮＯｘ排出濃度は、図４（ｃ）に示すようにｔ４までは三元触媒１７の入口及び出口のいずれも、図２（ｂ）と同様の挙動を示す。しかしｔ４以降は、図２（ｂ）では三元触媒１７の出口のＮＯｘ排出濃度が上昇するのに対して、図４（ｃ）ではほぼゼロのままである。つまり、燃料カット許可条件成立後に点火を停止して燃料噴射は継続することでＨＣが排出された場合には、三元触媒１７の出口の空燃比がストイキからリーンに変わっても、三元触媒１７の下流側でＮＯｘは検出されていない。

ここで、本実験においてＮＯｘが排出されなかった理由について考察する。

燃料カット許可条件が成立した後に、点火を停止して燃料噴射を続けたことで、内燃機関１からＨＣが排出される。このＨＣが三元触媒１７で酸化される際に、三元触媒１７内にストレージされていた酸素が用いられ、三元触媒１７内は酸素ストレージ容量に余裕がある状態になる。

一方、点火を停止すると、上述した燃料カット制御中と同様にＮＯｘが内燃機関１から排出される。上記のようにＨＣの酸化反応によって三元触媒１７内は酸素ストレージ容量に余裕がある状態になっているので、三元触媒１７で還元されるＮＯｘ量が燃料噴射及び点火を停止する通常の燃料カット制御の場合より多くなり、結果として三元触媒１７の出口のＮＯｘ排出濃度が低減されると考えられる。

すなわち、ＮＯｘが流入したときに三元触媒１７の内部が酸素ストレージ容量に余裕がある状態になっていれば、ＮＯｘの還元反応が発生し、これにより三元触媒１７へのＮＯｘ吸着量が低減されるので、結果的に燃料カット制御中に三元触媒１７の下流側に排出されるＮＯｘ量を減少させることができると考えられる。

次に、上述した燃料カット制御中のＮＯｘ排出についての考察、及びＮＯｘ排出がなかった実験結果についての考察に基づく、燃料カット制御中のＮＯｘ排出量を低減する制御について説明する。

上述したように、燃料噴射を停止したときにＮＯｘ三元触媒１７内を酸素ストレージ容量に余裕がある状態にしておけば、燃料カット制御中のＮＯｘ排出量を低減できると考えられる。そこで、三元触媒１７内を酸素ストレージ容量に余裕がある状態にするために、燃料カット制御開始時のカットインディレイを、ストイキよりもリッチな空燃比で行うこととする。

カットインディレイとは、燃料噴射停止時のトルク減少による引き込み感を抑えるための制御として一般的に知られたものであり、燃料カット許可条件が成立してから一定時間（例えば５００ミリ秒程度の時間）だけ燃料噴射を継続した後に、点火制御は継続したまま燃料噴射を停止する制御である。アクセルペダルが完全に戻され、スロットルバルブ４０が全閉したことを受けて即時に燃料の供給を停止したとすると、エンジントルクが急激に減少して、運転者に対して過剰な引込み感を与えることになるところ、カットインディレイによれば、スロットルバルブ４０の下流の吸気通路６に残留する空気の減少とともに、緩やかにエンジントルクを減少させていき、エンジントルクが充分に減少した時点で燃料の供給を停止するので、引込み感の発生を抑えることができる。

カットインディレイ時の空燃比をストイキよりもリッチにすれば、ＨＣ、ＣＯがＮＯｘに対して当量よりも多く排出される。三元触媒１７内ではまず酸化反応が起こり、その次に還元反応が起きる。つまり、燃料噴射停止後に排出されるＮＯｘが三元触媒１７に流入するときには、カットインディレイ中に排出された余剰のＨＣ、ＣＯの酸化反応のために三元触媒１７内にストレージされている酸素が用いられ、三元触媒１７内は酸素ストレージ容量に余裕がある状態となっている。したがって、三元触媒１７に流入したＮＯｘは還元されて、三元触媒１７内への吸着量が減少する。このため、三元触媒１７の出口の空燃比がストイキよりもリーンになっても、三元触媒１７に吸着しているＮＯｘ量が少ないので、酸素に置換されて三元触媒１７から排出されるＮＯｘは低減される。

また、カットインディレイ中の空燃比をストイキよりもリッチにすると、三元触媒１７の出口の空燃比は一時的にストイキよりもリッチになるので、その後ストイキよりリーンに転じるタイミングが、ストイキ空燃比でカットインディレイを行う場合に比べて遅くなる。

したがって、結果的に燃料カット制御中の三元触媒１７下流へのＮＯｘの排出量を低減できると考えられる。

以上説明した燃料カット許可条件成立後にストイキよりリッチな空燃比でのカットインディレイを行う制御のフローチャートを図５に示す。なお、図５の制御ルーチンは、例えば１０ミリ秒程度の間隔で繰り返し実行するものである。

以下、制御内容を図５のステップに沿って説明する。

ステップＳ１０では、上述したアクセル操作量ＡＰＳがゼロであること等といった燃料カット許可条件が成立しているか否かを判定し、成立している場合のみ、次のステップに進む。燃料カット条件が成立しなければ、カットインディレイを行うことはないからである。

ステップＳ２０、Ｓ３０では、カットインディレイ制御中に三元触媒１７に流入する排気ガス中のＨＣ濃度を増大させるために、カットインディレイ制御の実行時間を計測するカウンタを始動し、目標当量比ＴＦＢＹＡを１より大きい予め決定しておいた値に設定する。本実施形態では、目標当量比ＴＦＢＹＡは運転状態によらず一定の値である。

なお、図５ではステップＳ２０とステップＳ３０を順次実行するよう記載しているが、同時に実行してもよいし、目標当量比ＴＦＢＹＡの設定を行ってからカウンタを始動するようにしてもよい。

ここで、ステップＳ３０で設定する目標当量比ＴＦＢＹＡについて説明する。

目標当量比ＴＦＢＹＡを１より大きくするのは、上述したように燃料噴射停止後に発生するＮＯｘが三元触媒１７に流入するときに、三元触媒１７内を酸素ストレージ容量に余裕がある状態にしておき、燃料噴射停止後に発生するＮＯｘの還元量を増加させるためである。

ところで、三元触媒１７の酸素ストレージ量は、三元触媒１７の触媒容量に応じて異なり、また同じ触媒容量でも触媒温度に応じて変化するものである。酸素ストレージ量が変化すれば酸化反応するＨＣ、ＣＯの量も変わる。そして、酸化反応するＨＣ、ＣＯの量が変化すれば、三元触媒１７にストレージされていた酸素のうち酸化反応に供される量も変化するので、還元できるＮＯｘ量も変化する。また、三元触媒１７の温度、触媒容量が一定でも、カットインディレイ時間が変化すると酸化反応するＨＣ、ＣＯの量も変化し、結果的に還元できるＮＯｘ量も変化する。

上記のように、燃料噴射停止後に発生するＮＯｘ量を低減するための目標当量比ＴＦＢＹＡは、三元触媒１７の触媒容量、触媒温度、カットインディレイ時間等の要因に応じて決定する必要がある。ただし、本実施形態では、触媒容量及びカットインディレイ時間は一定である。

そこで、本実施形態では種々の運転状態について実験等を行うことで、運転状態ごとの、燃料カット制御時のＮＯｘ排出量を低減できる当量比を求める。そして、これらに基づいて、燃料噴射停止後に内燃機関１から排出されるＮＯｘの量が最も多くなる運転状態でも、三元触媒１７の下流側へ排出されるＮＯｘ量を低減できるような、一つの目標当量比ＴＦＢＹＡを決定する。

なお、運転状態によってＮＯｘ排出量を低減できる当量比が大きく異なり、上記のように決定した一つの目標当量比ＴＦＢＹＡでは、カットインディレイ中に内燃機関１から排出された酸化し切れないＨＣ、ＣＯが多量に生じてしまう場合もあり得る。このような場合には、複数の目標当量比ＴＦＢＹＡを設定しておき、運転状態に基づいていずれかを選択するようにしてもよい。

この場合に、より高精度で目標当量比ＴＦＢＹＡを制御するためには、三元触媒１７内の温度及び酸素ストレージ量、並びに燃料噴射停止後のＮＯｘ排出量をパラメータとするマップを作成しておき、運転中にこれらのパラメータを検出してマップ検索することが望ましい。

また、目標当量比ＴＦＢＹＡを、冷却水温及び機関回転速度に基づいて設定するようにしてもよい。ＮＯｘ排出量と冷却水温及び機関回転速度には次のような関係があるので、冷却水温及び機関回転速度はＮＯｘ排出量低減のための当量比を設定するためのパラメータとなり得るからである。冷却水温が低いほど吸気ポート６、排気ポート７または燃焼室２の壁面等に付着している燃料（付着燃料）の量が多くなるので、カットインディレイ後にこれら付着していた燃料の燃焼により発生するＮＯｘが多くなる。また、カットインディレイ開始前の機関回転速度が高いほど、排ガスが多く、付着燃料が燃焼しやすいので、発生するＮＯｘが多くなる。

ステップＳ４０では、カットインディレイ時間が経過したか否かを判定し、経過していればステップＳ５０に進む。カットインディレイ時間は、上述したように、例えば５００ミリ秒程度とする。

ステップＳ５０では、燃料噴射を停止して燃料カット制御を開始して、本制御ルーチンを終了する。

上記の制御を実行した場合のタイムチャートを図６に示す。図６は、上から目標当量比ＴＦＢＹＡ、三元触媒１８７の出口の空燃比、三元触媒１７の出口のＮＯｘ排出濃度について示している。図中の実線が図５の制御を実行した場合を示しており、破線は比較のためにカットインディレイを行わない場合について示したものである。また、燃料カット許可条件が成立したタイミングをｔ０１、カットインディレイが終了するタイミングをｔ０２とする。

ｔ０１で燃料カット許可条件が成立すると、目標当量比ＴＦＢＹＡをストイキよりリッチにしてカットインディレイを開始する。これにより、三元触媒１７の出口の空燃比は一旦ストイキよりリッチ側に振れ、ｔ０２でカットインディレイが終了して燃料噴射が停止すると、そこからリーン方向へ変化し始めて、やがてストイキよりリーンになる。つまり、三元触媒１７の出口の空燃比がストイキよりリーンになるタイミングは、一旦ストイキよりもリッチ側に振れる分だけカットインディレイを行わない場合に比べて遅くなる。

また、三元触媒１７の出口の空燃比がリッチになることで、排気ガス中のＨＣ、ＣＯの量が増加し、三元触媒１７内にストレージされた酸素がこれらＨＣ、ＣＯの酸化反応に用いられる。これにより三元触媒１７内は酸素ストレージ容量に余裕がある状態となるので、燃料噴射停止後に内燃機関１から排出されるＮＯｘの三元触媒１７での還元量は増加し、ＮＯｘの状態で三元触媒１７に吸着する量が低減する。その結果、燃料カット制御中に三元触媒１７から排出されるＮＯｘ量を低減する。

なお、本実施形態では、図５のステップＳ４０にもあるように、カットインディレイ時間の全期間にわたって空燃比をストイキよりリッチにしているが、これに限られるわけではない。例えば、三元触媒１７が、カットインディレイ時間より短い時間で、ＮＯｘを還元するのに十分な程度に酸素ストレージ量に余裕のある状態になるのであれば、空燃比をストイキよりリッチにする時間は、カットインディレイ時間よりも短い時間にしてもよい。

以上のように本実施形態では、次のような効果が得られる。

（１）燃料カット許可条件が成立したら、一定期間だけ空燃比をストイキよりもリッチにした後に燃料噴射を停止するので、空燃比をストイキよりリッチにした期間中に発生したＨＣが三元触媒１７内で酸化され、燃料噴射を停止したときにおける三元触媒１７内の酸素ストレージ量が低減される。このため、燃料噴射を停止した後に発生したＮＯｘは三元触媒１７内で還元されやすくなり、車外へ排出されるＮＯｘの量を低減できる。すなわち、ＮＯｘトラップ触媒を設けることなく、燃料カット制御中に車外へ排出されるＮＯｘの量を低減することができる。

（２）空燃比を理論空燃比よりもリッチにする一定期間はカットインディレイ期間であるので、空燃比を変更すること以外は、一般的なカットインディレイ時間を設けての燃料カット制御と同様の制御で済む。したがって、燃料カット制御中のＮＯｘ排出量低減のためのコスト増加を抑制することができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１ 内燃機関
２ 燃焼室
３ シリンダヘッド
４ シリンダブロック
５ ピストン
６ 吸気ポート
７ 排気ポート
８ 吸気弁
９ 排気弁
１０ 吸気カムシャフト
１１ 排気カムシャフト
１２ 燃料噴射弁
１３ 点火プラグ
１４ 燃料ポンプ
１５ 燃料配管
１６ デリバリ管
１７ 三元触媒
２０ コントロールユニット（ＥＣＵ）（燃料噴射手段）
２１ エアフローメータ
２２ アクセル開度センサ
２３ クランク角センサ
２４ 水温センサ
２５ 燃圧センサ
２６ 車速センサ
２７ ブレーキスイッチ
２８ 空燃比センサ
３０ スタータモータ
４０ スロットルバルブ

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に設けた三元触媒と、
   運転状態に応じて理論空燃比となるように燃料噴射を行い、所定の燃料カット許可条件が成立したときに燃料噴射を一時的に停止する燃料カット制御を実行する燃料噴射手段と、
   を備える内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   前記燃料噴射手段は、理論空燃比での運転中に前記燃料カット許可条件が成立したら、一定期間だけ、機関運転状態に基づく前記燃料カット制御を実行中のＮＯｘ発生量に応じて設定した理論空燃比よりもリッチな空燃比にした後に燃料噴射を停止することを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
2. 空燃比を理論空燃比よりもリッチにする前記一定期間は、燃料噴射を停止した際のトルク変動を抑制するために前記燃料カット許可条件が成立してから燃料噴射を停止するまでに設けたカットインディレイ期間であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
3. 前記燃料噴射手段は、前記燃料カット制御実行中のＮＯｘ発生量を冷却水温及び機関回転速度に基づいて推定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
4. 前記燃料噴射手段は、冷却水温が低いほど、また前記燃料カット許可条件成立時の機関回転速度が高いほど、前記燃料カット制御実行中のＮＯｘ発生量が多いものと推定することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。

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