JP2010144563A - 内燃機関の排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒を迅速に活性化することにより、排ガス特性および内燃機関の燃費を向上させることができる内燃機関の排ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】内燃機関３の排ガス浄化装置１は、セリウム含有酸化物を主成分とし、セリウム含有酸化物に担持されたパラジウムおよび亜鉛を含み、排気系５に設けられ、排ガスを浄化する触媒１１を備え、触媒１１が活性状態にないと判定されており（ステップ３８：ＹＥＳ）、かつ、検出された触媒温度パラメータＱＧＡＩＲで表される触媒１１の温度が所定温度ＱＧＣＡＴ＿Ｌ以上のとき（ステップ３９：ＹＥＳ）に、圧縮行程中に気筒３ａ内に燃料を噴射する圧縮行程噴射と、吸気行程中に気筒３ａ内および吸気系４内の一方に燃料を噴射する吸気行程噴射との双方を実行する（ステップ４）。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関から排出される排ガスを浄化する内燃機関の排ガス浄化装置に関する。

従来、この種の内燃機関の排ガス浄化装置として、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。この内燃機関は、複数の気筒と、吸気通路に設けられた燃料噴射弁を有しており、排ガス浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられた、排ガス浄化用の触媒を有している。また、排ガス浄化装置では、内燃機関の低温始動時、触媒を迅速に活性化すべく、排ガス中の酸素濃度を理論空燃比での運転時よりも高めるために、燃料噴射弁を制御することによって、複数の気筒に供給される混合気の空燃比が、一部の気筒については理論空燃比よりもリッチ側に制御され、他の気筒についてはリーン側に制御される。

しかし、この従来の排ガス浄化装置では、触媒の迅速な活性化のために、一部の気筒および他の気筒の空燃比を、リッチ側およびリーン側にそれぞれ制御するので、触媒が活性化されていないにもかかわらず、ＨＣやＣＯなどの有害物質の濃度が高い排ガスと、酸素濃度が高い排ガスが、交互に触媒に流入する。その結果、これらの有害物質を触媒で十分に浄化できず、排ガス特性が悪化するおそれがある。また、従来の排ガス浄化装置において、白金やパラジウム、ロジウムなどから成る一般的な触媒を用いた場合には、活性化されるまでは、触媒において、排ガス中のＣＯなどが十分に酸化しないため、酸化反応に伴って発生する熱量が小さく、触媒を適切に昇温できないことと、触媒の活性化温度が比較的高いことから、活性化するまでに時間がかかり、その結果、排ガス特性がさらに悪化するおそれがある。同じ理由から、触媒の活性化に必要な燃料量が多くなり、内燃機関の燃費が悪化してしまう。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、触媒を迅速に活性化することにより、排ガス特性および内燃機関の燃費を向上させることができる内燃機関の排ガス浄化装置を提供することを目的とする。

特許第３５７７７９５号公報

上記の目的を達成するため、請求項１に係る発明は、気筒３ａ、吸気系（実施形態における（以下、本項において同じ）吸気管４）および排気系（排気管５）を有する内燃機関３の排ガスを浄化する内燃機関３の排ガス浄化装置１であって、セリウム含有酸化物を主成分とし、セリウム含有酸化物に担持されたパラジウムおよび亜鉛を含み、排気系に設けられ、排ガスを浄化する触媒１１と、触媒１１が活性状態にあるか否かを判定する触媒活性化判定手段（ＥＣＵ２、ステップ３８、４２）と、触媒１１の温度を表す触媒温度パラメータ（積算吸入空気量ＱＧＡＩＲ）を検出する触媒温度パラメータ検出手段（ＥＣＵ２、ステップ３７）と、触媒活性化判定手段によって触媒１１が活性状態にないと判定されており（ステップ３８：ＹＥＳ）、かつ、検出された触媒温度パラメータで表される触媒１１の温度が所定温度（第２所定値ＱＧＣＡＴ＿Ｌ）以上のとき（ステップ３９：ＹＥＳ）に、圧縮行程中に気筒３ａ内に燃料を噴射する圧縮行程噴射と、吸気行程中に気筒３ａ内および吸気系内の一方に燃料を噴射する吸気行程噴射との双方を実行する燃料噴射手段（インジェクタ６、ＥＣＵ２、ステップ４）と、を備えることを特徴とする。

この内燃機関の排ガス浄化装置によれば、セリウム含有酸化物を主成分とし、セリウム含有酸化物に担持されたパラジウムおよび亜鉛を含む触媒が、内燃機関の排気系に設けられている。この触媒は、本出願人により出願された特願２００８−０６３３２７号の明細書に記載されたのと同様のものである。同明細書に記載されているように、この触媒は、セリウム含有酸化物に亜鉛が担持されていることを特徴としており、この特徴によって、排ガス中のＣＯを浄化可能な温度が、触媒の活性化温度（ＨＣやＮＯｘなども浄化可能な温度）よりも低く、また、他の一般的な触媒よりも低いという特性を有する。

また、上述した構成によれば、上記の触媒が活性状態にあるか否かが、触媒活性化判定手段により判定されるとともに、触媒の温度を表す触媒温度パラメータが、触媒温度パラメータ検出手段によって検出される。さらに、触媒が活性状態にないと判定され、かつ、検出された触媒温度パラメータで表される触媒の温度が所定温度以上のときに、圧縮行程中に気筒内に燃料を噴射する圧縮行程噴射と、吸気行程中に気筒内および吸気系内の一方に燃料を噴射する吸気行程噴射との双方が、燃料噴射手段によって実行される。この圧縮行程噴射を実行することによって、空燃比がリッチな混合気を、気筒内に局所的に生成できるので、排気系に排出されるＯ２およびＣＯの濃度を増大させることができる。

このため、例えば、上記の所定温度を、触媒がＣＯを浄化可能な温度に設定することにより、触媒において、圧縮行程噴射で増大したＯ２およびＣＯを反応させることができ、したがって、ＣＯを浄化できるとともに、触媒を昇温することができる。この場合、上述したように排ガス中のＣＯを浄化可能な触媒の温度が低いので、触媒が比較的低温の状態にある場合でも、触媒でＯ２およびＣＯを十分に反応させ、触媒を、適切に昇温でき、迅速に活性化することができる。これにより、ＣＯのみならず、ＨＣやＮＯｘなどの有害物質も十分に浄化できるので、排ガス特性を向上させることができる。同じ理由から、触媒の活性化に必要な燃料量を低減でき、したがって、燃費を向上させることができる。

また、上述した燃料噴射手段による触媒の昇温中、前述した従来の場合と異なり、空燃比がリッチな混合気を、気筒内に局所的に生成することによって、Ｏ２およびＣＯを同時に触媒に流入させることができるので、ＣＯを十分に浄化でき、排ガス特性の悪化を防止しながら、触媒を活性化することができる。さらに、圧縮行程噴射のみによって、空燃比がリッチな混合気を局所的に生成する場合、空燃比が局所的に過剰にリッチ化することがあり、それにより、Ｏ２およびＣＯのみならず、未燃成分であるＨＣが発生する結果、排ガス特性が悪化するおそれがある。同じ理由から、特に内燃機関の始動直後には、失火が発生するおそれがある。これに対して、上述した構成によれば、圧縮行程噴射に加え、吸気行程噴射を用いて燃料を供給するので、空燃比の局所的な過剰なリッチ化を防止でき、したがって、上述した排ガス特性の悪化や失火の発生を防止することができる。なお、本明細書における「検出」には、センサなどによる直接的な検出に加え、演算による算出や推定を含むものとする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関３の排ガス浄化装置１において、所定温度は、触媒１１が活性化される温度よりも低く、かつ触媒１１が排ガス中のＣＯを浄化可能な温度であることを特徴とする。

この構成によれば、触媒が活性状態になく、かつ、触媒温度パラメータで表される触媒の温度が、触媒が排ガス中のＣＯを浄化可能な温度以上であるときに、請求項１の作用で述べた燃料噴射手段による触媒の昇温動作が実行される。したがって、請求項１の発明による効果、すなわち、排ガス特性および内燃機関の燃費の向上などの効果を、有効に得ることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について説明する。図１は、本実施形態による排ガス浄化装置１を、これを適用した内燃機関（以下「エンジン」という）３とともに概略的に示している。このエンジン３は、車両（図示せず）に搭載された、４気筒（１気筒のみ図示）タイプのガソリンエンジンである。

エンジン３のシリンダヘッドには、気筒３ａごとに、吸気管４および排気管５が接続されるとともに、燃料噴射弁６および点火プラグ７が、気筒３ａ内に臨むように取り付けられている（いずれも１つのみ図示）。この燃料噴射弁（以下「インジェクタ」という）６は、気筒３ａ内の点火プラグ７の近傍に、燃料を噴射するように構成されている。また、インジェクタ６の開弁時間および開・閉弁タイミングと点火プラグ７の点火時期は、後述するＥＣＵ２によって制御される。

エンジン３には、クランク角センサ２１が設けられている。クランク角センサ２１は、マグネットロータ２１ａおよびＭＲＥピックアップ２１ｂで構成されており、クランクシャフト３ｂの回転に伴い、いずれもパルス信号であるＣＲＫ信号およびＴＤＣ信号を、ＥＣＵ２に出力する。このＣＲＫ信号は、所定のクランク角（例えば３０゜）ごとに出力される。ＥＣＵ２は、ＣＲＫ信号に基づき、エンジン３の回転数（以下「エンジン回転数」という）を算出する。上記のＴＤＣ信号は、気筒３ａのピストン３ｃが吸気行程開始時のＴＤＣ（上死点）付近の所定のクランク角度位置にあることを表す信号であり、４気筒タイプの本例では、クランク角１８０゜ごとに１パルスが出力される。また、エンジン３には、気筒判別センサ（図示せず）が設けられており、この気筒判別センサは、気筒３ａを判別するためのパルス信号である気筒判別信号を、ＥＣＵ２に出力する。

また、エンジン３には、水温センサ２２が設けられており、この水温センサ２２は、エンジン３のシリンダブロック内を循環する冷却水の温度であるエンジン水温を検出して、その検出信号をＥＣＵ２に出力する。

吸気管４には、スロットル弁機構８が設けられている。スロットル弁機構８は、スロットル弁８ａおよびこれを開閉駆動するＴＨアクチュエータ８ｂを有している。スロットル弁８ａは、吸気管４内に回動自在に設けられており、その回動に伴う開度の変化によって、気筒３ａ内に吸入される吸入空気量を変化させる。ＴＨアクチュエータ８ｂは、モータにギヤ機構（いずれも図示せず）を組み合わせたものであり、ＥＣＵ２からの駆動信号で駆動され、それにより、スロットル弁８ａの開度（以下「スロットル弁開度」という）が制御される。

また、吸気管４のスロットル弁８ａよりも下流側には、吸気圧センサ２３が設けられている。この吸気圧センサ２３は、吸気管４内の圧力（以下「吸気管内圧」という）を絶対圧として検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する。

排ガス浄化装置１は、排ガスを浄化する触媒１１を有している。この触媒１１は、排気管５に設けられており、排ガス中のＨＣや、ＣＯ、ＮＯｘなどの有害物質を浄化する。触媒１１は、特願２００８−０６３３２７号の明細書に記載されたのと同様のものである。同明細書に記載されているように、触媒１１は、セリウム含有酸化物を主成分とし、このセリウム含有酸化物に担持されたパラジウムおよび亜鉛を含み、これらのセリウム含有酸化物、パラジウムおよび亜鉛を含有するスラリーを、コージェライト製ハニカム支持体にコーティングした状態で焼成することによって、製造される。また、触媒１１は、セリウム含有酸化物に亜鉛が担持されていることを特徴としており、この特徴によって、排ガス中のＣＯを浄化可能な温度が、その活性化される温度よりも低く、また、他の一般的な触媒よりも低いという特性を有する。

セリウム含有酸化物は、パラジウムや亜鉛を担持する坦体として機能するとともに、酸素を貯蔵するものとして機能する。セリウム含有酸化物としては、セリウムを含有する酸化物であれば、任意のものを、例えば酸化セリウムを適用可能である。その他には、例えば、ジルコニウム、イットリウム、プラセオジム、ネオジム、テルビウム、サマリウム、ガドリニウム、およびランタンの少なくとも１つと、セリウムとを含む混合酸化物、および／または、これらの少なくとも１つを基本組成とする複合酸化物を、適用可能である。また、触媒１１におけるセリウム含有酸化物の含有量は、その上述した機能を確保する上で、触媒１１全体に対して、５０質量％〜９９質量％であることが好ましく、本実施形態では、６０質量％〜９９質量％である。

パラジウムの含有量は、十分な触媒活性を発揮する上では、触媒１１に対して、０．５質量％以上であるのが好ましく、また、コストを削減する上では、７質量％以下であるのが好ましい。したがって、触媒１１に対するパラジウムの含有量は、触媒１１に対して、０．５質量％〜７質量％であるのが好ましく、本実施形態では、０．５質量％〜５質量％である。

亜鉛の含有量は、ＣＯを効率良く浄化する上では、セリウム含有酸化物と亜鉛の総量に対して、１質量％以上であるのが好ましく、セリウム含有酸化物による酸素貯蔵機能力（ＯＳＣ）を確保する上では、２０質量％以下であるのが好ましい。したがって、セリウム含有酸化物と亜鉛の総量に対する亜鉛の含有量は、１質量％〜２０質量％が好ましく、本実施形態では、１質量％〜１５質量％である。

以上の構成により、触媒１１は、その温度が所定の活性化温度（例えば約３５０℃）以上のときに活性化されるとともに、所定のＣＯ浄化温度以上のときに、ＣＯをＯ２と十分に反応させ、十分に浄化するようになっている。また、このＣＯ浄化温度は、上記の活性化温度よりも低く、例えば１５０℃である。

また、排気管５の触媒１１よりも上流側には、ＬＡＦセンサ２４が設けられている。ＬＡＦセンサ２４は、理論空燃比よりもリッチな領域から極リーンまでの広範囲な空燃比の領域において、排気管５内を流れる排ガス中の酸素濃度をリニアに検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する。ＥＣＵ２は、このＬＡＦセンサ２４で検出された酸素濃度に基づいて、気筒３ａ内で燃焼した混合気の実際の空燃比を表す検出空燃比を算出する。この場合、検出空燃比は当量比として算出される。

さらに、ＥＣＵ２には、アクセル開度センサ２５から、アクセルペダルの操作量（以下「アクセル開度」という）ＡＰを表す検出信号が、車速センサ２６から、車両の速度（以下「車速」という）ＶＰを表す検出信号が、大気圧センサ２７から、大気圧を表す検出信号が、それぞれ出力される。また、ＥＣＵ２には、エンジン３を始動するためのイグニッション・スイッチ２８が接続されている。

ＥＣＵ２は、Ｉ／Ｏインターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭなどから成るマイクロコンピュータで構成されている。また、ＥＣＵ２は、前述した各種のセンサ２１〜２７からの検出信号に応じて、インジェクタ６の燃料噴射などのエンジン３の動作を制御するための各種の処理を実行する。これらの各種の処理には、エンジン３の始動後に、触媒１１を活性化すべく、昇温するための第１および第２の暖機モード用の制御処理が含まれる。以下、ＥＣＵ２による各種の処理について、図３〜図７を参照しながら説明する。

図３は、インジェクタ６による燃料噴射を制御するための燃料噴射制御処理を示すフローチャートである。本処理は、前述したＴＤＣ信号の発生に同期して、気筒３ａごとに実行される。まず、図３のステップ１（「Ｓ１」と図示。以下同じ）では、第１暖機フラグＦ＿ＦＩＲＥＯＮが「１」であるか否かを判別する。この第１暖機フラグＦ＿ＦＩＲＥＯＮは、後述するＦ＿ＦＩＲＥＯＮ設定処理において、前述したＣＯ浄化温度に触媒１１を昇温するために、第１暖機モードによりエンジン３を運転すべきであると判定されたときに、「１」にセットされるものである。

上記ステップ１の答がＹＥＳで、第１暖機モードのときには、第１暖機モード用の燃料噴射制御処理を実行し（ステップ２）、本処理を終了する。この第１暖機モード用の燃料噴射制御処理は、次のように実行される。

すなわち、まず、算出されたエンジン回転数と、検出された吸気管内圧に応じ、所定のマップ（図示せず）を検索することによって、基本噴射時間ＴＩＭＢＳＸを算出する。次いで、検出されたエンジン水温に応じ、所定のマップ（図示せず）を検索することによって、空燃比補正係数ＫＣＭＤを算出する。このマップでは、空燃比補正係数ＫＣＭＤは、エンジン３に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりもリーンになるような値に設定されている。次に、基本噴射時間ＴＩＭＢＳＸに空燃比補正係数ＫＣＭＤを乗算することによって、エンジン３に要求される出力に対応する要求燃料噴射時間ＴＩＭＲＥＱを算出するとともに、吸気行程噴射用の燃料噴射時間ＴＩＭとして設定する。なお、この吸気行程噴射とは、吸気行程中にインジェクタ６から気筒３ａ内に燃料を噴射することをいう。次いで、算出された燃料噴射時間ＴＩＭに基づく駆動信号をインジェクタ６に出力する。

以上により、インジェクタ６の開弁時間が燃料噴射時間ＴＩＭになるように制御され、気筒３ａ内に噴射される燃料量（以下「燃料噴射量」という）が、燃料噴射時間ＴＩＭに基づく所定値に制御される結果、エンジン３に供給される混合気の空燃比が、理論空燃比よりもリーンになるように制御される。また、インジェクタ６の開・閉弁タイミングが、吸気行程中の所定のタイミングに制御される。

さらに、第１暖機モード中、点火プラグ７による点火時期は、第１および第２の暖機モード以外の通常運転時よりも遅角側に制御される。また、前述したスロットル弁開度は、エンジン水温に応じて制御され、それにより、吸入空気量が制御される。以上のような燃料噴射制御および点火時期制御によって、排ガスの熱容量が増大し、その結果、触媒１１が昇温される。

一方、前記ステップ１の答がＮＯで、第１暖機モードでないときには、第２暖機フラグＦ＿ＣＡＴＬＯＦＦが「１」であるか否かを判別する（ステップ３）。この第２暖機フラグＦ＿ＣＡＴＬＯＦＦは、後述するＦ＿ＣＡＴＬＯＦＦ設定処理において、触媒１１を活性化すべく、前述した活性化温度に昇温するために、第２暖機モードによりエンジン３を運転すべきであると判定されたときに、「１」にセットされるものである。上記ステップ３の答がＹＥＳで、第２暖機モードのときには、第２暖機モード用の燃料噴射制御処理を実行し（ステップ４）、本処理を終了する。

この第２暖機モード用の燃料噴射制御処理の概要を述べると、要求燃料噴射時間ＴＩＭＲＥＱを算出するとともに、算出された要求燃料噴射時間ＴＩＭＲＥＱを分割することによって、圧縮行程噴射用および吸気行程噴射用の燃料噴射時間ＴＩＭＣＤＮ３，ＴＩＭを算出する。なお、この圧縮行程噴射とは、圧縮行程中にインジェクタ６から気筒３ａ内に燃料を噴射することをいう。また、算出された両燃料噴射時間ＴＩＭＣＤＮ３，ＴＩＭに基づく燃料噴射制御によって、圧縮行程噴射および吸気行程噴射の双方を実行する。これにより、第２暖機モード中、理論空燃比よりもリッチな空燃比の混合気が、気筒３ａ内に局所的に生成されることによって、排気管５に排出されるＯ２およびＣＯの量が増大し、また、増大したＯ２およびＣＯが触媒１１で反応することによって、触媒１１が昇温される。第２暖機モード用の燃料噴射制御処理の詳細については、後述する。

一方、前記ステップ３の答がＮＯのとき、すなわち、第１および第２の暖機モード以外の通常運転時のときには、通常用の燃料噴射制御処理を実行し（ステップ５）、本処理を終了する。この通常用の燃料噴射制御処理は、次のようにして実行される。

すなわち、エンジン回転数および要求トルクに応じ、エンジン３の燃焼モードを決定するとともに、決定された燃焼モードに従って、インジェクタ６の燃料噴射が制御される。なお、この要求トルクは、エンジン回転数と、検出されたアクセル開度ＡＰに応じ、所定のマップ（図示せず）を検索することによって算出される。また、上記の燃焼モードには、次の成層自己着火燃焼モード、成層火炎伝播燃焼モード、火種自己着火燃焼モード、および均質火炎伝播燃焼モードが含まれる。

・成層自己着火燃焼モード：圧縮行程噴射によって、気筒３ａ内に成層混合気を生成し、これを自己着火燃焼させる燃焼モード
・成層火炎伝播燃焼モード：圧縮行程噴射によって成層混合気を生成し、これを点火プラグ７による火花点火によって火炎伝播燃焼させる燃焼モード
・火種自己着火燃焼モード：吸気行程噴射によって、均質混合気を生成した後、圧縮行程噴射で燃料を極少量、噴射することによって、均質混合気と成層混合気の双方を含む混合気を生成する。そして、生成した成層混合気を火花点火によって火炎伝播燃焼させることで、これを火種として均質混合気を自己着火燃焼させる燃焼モード
・均質火炎伝播燃焼モード：吸気行程噴射によって、均質混合気を生成し、これを火花点火によって火炎伝播燃焼させる燃焼モード

この場合、燃焼モードは、具体的には、次のように決定される。エンジン回転数が所定の低回転域にあり、かつ要求トルクが所定の低負荷域にあるとき、すなわち、エンジン３の運転状態が所定の第１運転域にあるときには、成層自己着火燃焼モードに決定される。また、エンジン回転数が低中回転域にあり、かつ要求トルクが上記第１運転域よりも低負荷側の領域にあるとき、すなわち、エンジン３の運転状態が所定の第２運転域（成層混合気が自己着火燃焼しないような領域）にあるときには、成層火炎伝播燃焼モードに決定される。

さらに、エンジン回転数が低中回転域にあり、かつ要求トルクが上記第１運転域よりも高負荷側の領域にあるとき、すなわち、エンジン３の運転状態が所定の第３運転域にあるときには、火種自己着火燃焼モードに決定される。また、エンジン回転数および要求トルクで表されるエンジン３の運転状態が、上記の第１〜第３の運転域以外の所定の第４運転域にあるときには、均質火炎伝播燃焼モードに決定される。

なお、各燃焼モードにおけるインジェクタ６の開弁時間および開・閉弁タイミングは、エンジン回転数や、吸気管内圧、要求トルク、算出された検出空燃比などのエンジン３の運転状態に応じて制御される。その詳細な説明については省略する。

図４は、前述した第１および第２の暖機フラグＦ＿ＦＩＲＥＯＮ，Ｆ＿ＣＡＴＬＯＦＦを設定するための処理を示している。本処理は、ＴＤＣ信号の発生に同期して実行される。まず、図４のステップ１１では、活性化フラグＦ＿ＤＯＮＥが「１」であるか否かを判別する。この活性化フラグＦ＿ＤＯＮＥは、触媒１１が活性状態にあると判定されたときに、「１」にセットされるものであり、イグニッション・スイッチ２８のＯＮ時に、「０」にリセットされる。その詳細については、後述する。

上記ステップ１１の答がＹＥＳ、すなわち、Ｆ＿ＤＯＮＥ＝１で、触媒１１が活性状態にあるときには、そのまま本処理を終了する一方、ＮＯで、活性状態にないときには、Ｆ＿ＦＩＲＥＯＮ設定処理を実行する（ステップ１２）。図５は、このＦ＿ＦＩＲＥＯＮ設定処理のサブルーチンを示すフローチャートである。まず、図５のステップ２１では、エンジン始動フラグＦ＿ＥＮＧＳＴＡＲＴが「１」であるか否かを判別する。このエンジン始動フラグＦ＿ＥＮＧＳＴＡＲＴは、判定処理（図示せず）において、エンジン回転数およびイグニッション・スイッチ２８の出力信号に応じ、エンジン３の始動中、すなわち、クランキング中であると判定されたときに、「１」にセットされるものである。

上記ステップ２１の答がＹＥＳで、エンジン３が始動中のときには、第２暖機フラグＦ＿ＣＡＴＬＯＦＦを「０」にセットする（ステップ２２）とともに、第１暖機フラグＦ＿ＦＩＲＥＯＮを「０」にセットし（ステップ２３）、本処理を終了する。

一方、ステップ２１の答がＮＯで、エンジン３の始動が完了しているときには、アクセル開度ＡＰが所定値ＡＰＲＥＦよりも小さいか否かを判別する（ステップ２４）とともに、検出された車速ＶＰが所定値ＶＰＲＥＦよりも小さいか否かを判別する（ステップ２５）。これらのステップ２４および２５の答のいずれかがＮＯのときには、上記ステップ２２および２３を実行し、本処理を終了する一方、いずれもＹＥＳのとき、すなわち、車両のアイドル運転中のときには、第２暖機フラグＦ＿ＣＡＴＬＯＦＦが「１」であるか否かを判別する（ステップ２６）。

このステップ２６の答がＹＥＳで、第２暖機モードのときには、前記ステップ２３を実行し、本処理を終了する一方、ＮＯで、第２暖機モードでないときには、第１暖機モードによる運転を実行すべきであるとして、第１暖機フラグＦ＿ＦＩＲＥＯＮを「１」にセットし（ステップ２７）、本処理を終了する。

以上のように、エンジン３の始動時や、車両のアイドル運転中でないときには、第１および第２の暖機モードでエンジン３が運転されない。これは、エンジン３の良好な始動性を確保するためであり、また、アイドル運転中でないときには、排ガスの熱量および流量の双方が比較的大きいことによって、触媒１１がすぐに活性化されることから、第１および第２の暖機モードで運転する必要がないためである。なお、第１および第２の暖機モードの終了前に、車両が走行した場合には、その後、車両が停止し、アイドル運転が実行されても、エンジン３は、第１および第２の暖機モードで運転されない。

図４に戻り、前記ステップ１２に続くステップ１３では、Ｆ＿ＣＡＴＬＯＦＦ設定処理を実行し、本処理を終了する。図６は、このＦ＿ＣＡＴＬＯＦＦ設定処理のサブルーチンを示すフローチャートである。まず、図６のステップ３１および３２において、第１および第２の暖機フラグＦ＿ＦＩＲＥＯＮ，Ｆ＿ＣＡＴＬＯＦＦが「１」であるか否かをそれぞれ判別する。これらのステップ３１および３２の答がいずれもＮＯで、第１および第２の暖機モード以外の通常運転時のときには、後述する積算吸入空気量ＱＧＡＩＲを値０にリセットし（ステップ３３）、本処理を終了する。

一方、ステップ３１および３２の答のいずれかがＹＥＳで、第１暖機モードまたは第２暖機モードのときには、次のステップ３４〜３７において、積算吸入空気量ＱＧＡＩＲを算出する。第１および第２の暖機モードによる運転は、後述するように順に実行され、この積算吸入空気量ＱＧＡＩＲは、第１暖機モードの開始時から今回までの間の吸入空気量の積算値である。

まず、ステップ３４では、吸入空気量のマップ値ＱＡＩＲＦＩＲＸを算出する。このマップ値ＱＡＩＲＦＩＲＸは、今回の燃焼サイクルにおいて気筒３ａに吸入される吸入空気量ＱＧＡＩＲＦＩＲを算出するためのものである。具体的には、マップ値ＱＡＩＲＦＩＲＸは、平均噴射時間に応じ、所定のマップ（図示せず）を検索することによって算出される。この平均噴射時間は、前述した要求燃料噴射時間ＴＩＭＲＥＱの移動平均値であり、所定の算出処理により、今回から所定回までに記憶された複数の要求燃料噴射時間ＴＩＭＲＥＱを平均化することによって、算出される。

次いで、ステップ３５において、検出された大気圧に応じ、所定のマップ（図示せず）を検索することによって、大気圧補正係数ＫＧＡＩＲＰＡＸを算出する。次に、ステップ３６において、上記ステップ３４で算出されたマップ値ＱＡＩＲＦＩＲＸに、ステップ３５で算出された大気圧補正係数ＫＧＡＩＲＰＡＸを乗算することによって、上記の吸入空気量ＱＧＡＩＲＦＩＲを算出する。また、マップ値ＱＡＩＲＦＩＲＸは、上記のマップにおいて、平均噴射時間が大きいほど、吸入空気量が大きいため、より大きな値に設定されている。さらに、大気圧補正係数ＫＧＡＩＲＰＡＸは、上記のマップにおいて、大気圧が高いほど、吸気管４を流れる実質的な空気の流量が大きいため、より大きな値に設定されている。

次いで、ステップ３７において、積算吸入空気量ＱＧＡＩＲを、その前回値ＱＧＡＩＲＺに、ステップ３６で算出された吸入空気量ＱＧＡＩＲＦＩＲを加算することによって、算出する。上述したように、マップ値ＱＡＩＲＦＩＲＸの算出に、平均噴射時間を用いるので、一時的な要求燃料噴射時間ＴＩＭＲＥＱの変動による影響を抑制しながら、積算吸入空気量ＱＧＡＩＲを適切に算出することができる。なお、マップ値ＱＡＩＲＦＩＲＸの算出に、要求燃料噴射時間ＴＩＭＲＥＱをそのまま用いてもよい。

以上のように算出された積算吸入空気量ＱＧＡＩＲは、次の理由から、第１暖機モードの開始時から今回までの間に触媒１１に与えられた総熱量に相当し、したがって、触媒１１の温度（以下「触媒温度」という）を良好に表す。すなわち、前述したように、第１暖機モード中には、排ガスの熱によって触媒１１が昇温され、この場合、第１暖機モードの開始時からの吸入空気量の積算値である積算吸入空気量ＱＧＡＩＲが大きいほど、触媒１１を通過した排ガスの総量がより大きく、触媒１１に与えられた総熱量がより大きいためである。また、第２暖機モード中には、排気管５に排出されるＯ２およびＣＯの量を増大させることによって、触媒１１が昇温され、この場合、積算吸入空気量ＱＧＡＩＲが大きいほど、触媒１１に流入したＯ２およびＣＯの総量がより大きく、触媒１１に与えられた総熱量がより大きいためである。

上記ステップ３７に続くステップ３８では、ステップ３７で算出された積算吸入空気量ＱＧＡＩＲが、第１所定値ＱＧＣＡＴ＿Ｈよりも小さいか否かを判別する。この第１所定値ＱＧＣＡＴ＿Ｈは、触媒温度が前述した活性化温度以上であるか否かを判定するためのものであり、実験などによりあらかじめ設定されている。

上記ステップ３８の答がＹＥＳで、ＱＧＡＩＲ＜ＱＧＣＡＴ＿Ｈのとき、すなわち、触媒温度が活性化温度よりも低いときには、触媒１１が活性状態にないと判定し、積算吸入空気量ＱＧＡＩＲが、第２所定値ＱＧＣＡＴ＿Ｌ以上であるか否かを判別する（ステップ３９）。この第２所定値ＱＧＣＡＴ＿Ｌは、触媒温度が前述したＣＯ浄化温度以上であるか否かを判定するためのものであり、実験などによって、第１所定値ＱＧＣＡＴ＿Ｈよりも小さな値にあらかじめ設定されている。

このステップ３９の答がＮＯで、ＱＧＡＩＲ＜ＱＧＣＡＴ＿Ｌのとき、すなわち、触媒温度がＣＯ浄化温度よりも低いときには、第２暖機モードによる運転を実行すべきでないとして、第２暖機フラグＦ＿ＣＡＴＬＯＦＦを「０」にセットし（ステップ４０）、本処理を終了する。

一方、ステップ３９の答がＹＥＳのとき、すなわち、触媒１１が活性状態になく、かつ触媒温度がＣＯ浄化温度以上のときには、第２暖機モードによる運転を実行すべきであるとして、第２暖機フラグＦ＿ＣＡＴＬＯＦＦを「１」にセットし（ステップ４１）、本処理を終了する。

一方、前記ステップ３８の答がＮＯになり、ＱＧＡＩＲ≧ＱＧＣＡＴ＿Ｈになったとき、すなわち、触媒温度が活性化温度以上になったときには、触媒１１が活性化されたと判定し、そのことを表すために、活性化フラグＦ＿ＤＯＮＥを「１」にセットする（ステップ４２）。次いで、上記ステップ４０を実行し、本処理を終了する。

以上のように、エンジン３の始動後（ステップ２１：ＹＥＳ）で、かつ、車両のアイドル運転中（ステップ２４，２５：ＹＥＳ）に、第１暖機モードが開始される。また、第１暖機モード中、積算吸入空気量ＱＧＡＩＲが算出されるとともに、算出された積算吸入空気量ＱＧＡＩＲに基づいて、触媒温度が活性化温度よりも低いか否かが判別され（ステップ３８）、触媒１１が活性状態にあるか否かが判定されるとともに、触媒温度がＣＯ浄化温度以上であるか否かが判別される（ステップ３９）。さらに、触媒温度が活性化温度よりも低く（ステップ３８：ＹＥＳ）、触媒１１が活性状態になく、かつ触媒温度がＣＯ浄化温度よりも低いときには（ステップ３９：ＮＯ）、第２暖機フラグＦ＿ＣＡＴＬＯＦＦが「０」にセットされ（ステップ４０）、それにより、前記ステップ２６の答がＮＯになる結果、第１暖機フラグＦ＿ＦＩＲＥＯＮが「１」に保持され（ステップ２７）、第１暖機モードが継続される。

そして、触媒温度がＣＯ浄化温度以上になったとき（ステップ３９：ＹＥＳ）には、第２暖機モードが開始される（ステップ４１）とともに、第１暖機モードが終了される（ステップ２３）。さらに、第２暖機モード中、積算吸入空気量ＱＧＡＩＲで表される触媒温度が、活性化温度以上になる（ステップ３８：ＮＯ）と、触媒１１が活性化されたと判定される（ステップ４２）とともに、第２暖機モードが終了される（ステップ４０）。

図７は、前記ステップ４で実行される第２暖機モード用の燃料噴射制御処理のサブルーチンを示すフローチャートである。まず、図７のステップ５１では、前述した第１暖機モード用の燃料噴射制御処理と同様、エンジン回転数および吸気管内圧に応じ、マップを検索することによって、基本噴射時間ＴＩＭＢＳＸを算出する。次いで、エンジン水温に応じ、所定のマップ（図示せず）を検索することによって、空燃比補正係数ＫＣＭＤを算出する（ステップ５２）。このマップでは、空燃比補正係数ＫＣＭＤは、前述した第１暖機モード用の空燃比補正係数ＫＣＭＤと異なり、エンジン３に供給される混合気の空燃比が理論空燃比になるような値に設定されている。

次に、ステップ５１で算出された基本噴射時間ＴＩＭＢＳＸに、ステップ５２で算出された空燃比補正係数ＫＣＭＤを乗算することによって、要求燃料噴射時間ＴＩＭＲＥＱを算出する（ステップ５３）。次いで、圧縮行程噴射用の燃料噴射時間ＴＩＭＣＤＮ３を、エンジン回転数および吸気管内圧に応じ、所定のマップ（図示せず）を検索することによって算出する（ステップ５４）。このマップでは、燃料噴射時間ＴＩＭＣＤＮ３は、ほぼ一定値で、吸気管内圧が高く、吸入空気量が大きいほど、より大きな値に設定されている。

次に、上記ステップ５３で算出された要求燃料噴射時間ＴＩＭＲＥＱから、ステップ５４で算出された圧縮行程噴射用の燃料噴射時間ＴＩＭＣＤＮ３を減算することによって、吸気行程噴射用の燃料噴射時間ＴＩＭを算出し（ステップ５５）、本処理を終了する。

上記のステップ５４および５５の実行に伴い、圧縮行程噴射用および吸気行程噴射用の燃料噴射時間ＴＩＭＣＤＮ３，ＴＩＭに基づく駆動信号が、インジェクタ６に出力される。これにより、圧縮行程中および吸気行程中の双方において、燃料噴射が実行されるとともに、圧縮行程中のインジェクタ６の開弁時間が燃料噴射時間ＴＩＭＣＤＮ３になるように、吸気行程中の開弁時間が燃料噴射時間ＴＩＭになるように、それぞれ制御される。その結果、圧縮行程中の燃料噴射量が、燃料噴射時間ＴＩＭＣＤＮ３に基づく所定値に制御されるとともに、吸気行程中の燃料噴射量が、燃料噴射時間ＴＩＭに基づく所定値に制御され、ひいては、エンジン３に供給される混合気の空燃比が、理論空燃比になるように制御される。また、インジェクタ６の開・閉弁タイミングが、圧縮行程中および吸気行程中の所定のタイミングに制御される。

また、本実施形態における各種の要素と請求項に係る発明（以下「本発明」という）の各種の要素との対応関係は、次の通りである。すなわち、ＥＣＵ２が、本発明における触媒活性化判定手段、触媒温度パラメータ検出手段および燃料噴射手段に相当し、吸気管４、排気管５およびインジェクタ６がそれぞれ、本発明における吸気系、排気系および燃料噴射手段に相当する。また、積算吸入空気量ＱＧＡＩＲおよび第２所定値ＱＧＣＡＴ＿Ｌが、本発明における触媒温度パラメータおよび所定温度にそれぞれ相当する。

以上のように、本実施形態によれば、セリウム含有酸化物を主成分とし、セリウム含有酸化物に担持されたパラジウムおよび亜鉛を含む触媒１１が、排気管５に設けられている。また、触媒温度を表す積算吸入空気量ＱＧＡＩＲが算出されるとともに、算出された積算吸入空気量ＱＧＡＩＲに基づいて、触媒１１が活性状態にあるか否かが判定される。さらに、触媒１１が活性状態にないと判定され、かつ、積算吸入空気量ＱＧＡＩＲで表される触媒温度がＣＯ浄化温度以上のときに、第２暖機モード用の燃料噴射制御処理が実行され、圧縮行程噴射および吸気行程噴射の双方によって、燃料が供給される。したがって、触媒１１が比較的低温の状態にある場合でも、触媒１１でＯ２およびＣＯを十分に反応させ、触媒１１を、適切に昇温でき、迅速に活性化することができ、それにより、排ガス特性を向上させることができる。同じ理由から、触媒１１の活性化に必要な燃料量を低減でき、したがって、燃費を向上させることができる。

また、第２暖機モード中、前述した従来の場合と異なり、空燃比がリッチな混合気を、気筒３ａ内に局所的に生成することによって、Ｏ２およびＣＯを同時に触媒１１に流入させられるので、ＣＯを十分に浄化でき、排ガス特性の悪化を抑えながら、触媒１１を活性化することができる。さらに、第２暖機モード中、圧縮行程噴射に加え、吸気行程噴射を用いて燃料を供給するので、空燃比の局所的な過剰なリッチ化を防止でき、したがって、それによる排ガス特性の悪化や失火の発生を防止することができる。

また、第２暖機モード中、エンジン３に供給される混合気の空燃比が理論空燃比になるように、圧縮行程噴射および吸気行程噴射の双方による燃料噴射量が制御される。これにより、Ｏ２およびＣＯがバランスよく触媒１１に流入するので、触媒１１でＯ２およびＣＯをさらに十分に反応させることができ、したがって、上述した排ガス特性および燃費の向上などの効果を、より有効に得ることができる。

なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態では、吸気行程噴射を、吸気行程中にインジェクタ６から気筒３ａ内に燃料を噴射することによって行っているが、例えば次のように行ってもよい。すなわち、吸気ポートを含む吸気管４内に燃料を噴射するポート燃料噴射弁を、インジェクタ６とは別個に設けるとともに、このポート燃料噴射弁から、吸気行程中に吸気管４内に燃料を噴射することによって、吸気行程噴射を行ってもよい。

また、実施形態における触媒１１は、前述した効果が得られるのであれば、パラジウム以外の他の触媒金属成分や、セリウム含有酸化物以外の酸化物などを含有していてもよく、他の添加剤などを含有していてもよい。さらに、実施形態では、触媒１１が活性状態にあるか否かの判定を、積算吸入空気量ＱＧＡＩＲに基づいて行っているが、他の適当な手法で行ってもよく、例えば、センサなどで検出した触媒温度と活性化温度との比較結果に基づいて行ってもよく、あるいは、第２暖機モードによるエンジン３の運転時間に基づいて行ってもよい。また、実施形態では、本発明における触媒温度パラメータは、積算吸入空気量ＱＧＡＩＲであるが、触媒温度を表すパラメータであれば、例えば、エンジン水温や、排ガスの流量の積算値でもよく、センサなどで直接、検出した触媒温度でもよい。

さらに、実施形態では、圧縮行程噴射用の燃料噴射時間ＴＩＭＣＤＮ３を、エンジン回転数および吸気管内圧に応じて算出しているが、触媒温度を表す触媒温度パラメータに応じて算出してもよい。この場合、燃料噴射時間ＴＩＭＣＤＮ３は、例えば、触媒温度パラメータで表される触媒温度が低いほど、すなわち、積算吸入空気量ＱＧＡＩＲが小さいほど、より大きな値に算出される。これにより、触媒温度が低いほど、よりリッチな空燃比の混合気を局所的に生成でき、Ｏ２およびＣＯをより増大させることができるので、触媒１１を、さらに適切に昇温でき、より迅速に活性化することができる。それに加え、触媒温度が高いほど、圧縮行程噴射による燃料量が小さくなるので、エンジン３の燃費をさらに向上させることができる。

また、実施形態では、マップ値ＱＡＩＲＦＩＲＸなどの各種のパラメータを、マップ検索によって算出しているが、他の適当な手法によって算出してもよく、例えば、マップに代えて、各種のパラメータの関係を表す数式を用意し、この数式に従って算出してもよい。さらに、実施形態では、第２暖機モードによるエンジン３の運転を、エンジン３の始動直後のアイドル運転中に行っているが、車両の走行中において、触媒温度パラメータで表される触媒温度が活性化温度よりも低く、かつＣＯ浄化温度以上のときに、行ってもよい。

また、実施形態は、排ガス浄化装置１を、４気筒タイプのエンジン３に適用した例であるが、排ガス浄化装置１は、これに限らず、単気筒タイプや、４つ以外の複数の気筒を有するタイプのエンジンに適用可能である。それに加え、排ガス浄化装置１は、実施形態で例示した車両用のガソリンエンジンであるエンジン３に限らず、ディーゼルエンジンや、ＬＰＧエンジン、クランク軸を鉛直方向に配置した船外機などのような船舶推進機用エンジン、その他産業用の各種の内燃機関に、適用可能である。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。

本実施形態による排ガス浄化装置を、これを適用したエンジンとともに概略的に示す図である。 図１に示す排ガス浄化装置のＥＣＵなどを示すブロック図である。 燃料噴射制御処理を示すフローチャートである。 各種のフラグを設定するための処理を示すフローチャートである。 図４のステップ１２で実行されるＦ＿ＦＩＲＥＯＮ設定処理のサブルーチンを示すフローチャートである。 図４のステップ１３で実行されるＦ＿ＣＡＴＬＯＦＦ設定処理のサブルーチンを示すフローチャートである。 図３のステップ４で実行される第２暖機モード用の燃料噴射制御処理のサブルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

１ 排ガス浄化装置
２ ＥＣＵ（触媒活性化判定手段、触媒温度パラメータ検出手段、燃料噴射手段）
３ エンジン
３ａ 気筒
４ 吸気管（吸気系）
５ 排気管（排気系）
６ インジェクタ（燃料噴射手段）
１１ 触媒
ＱＧＡＩＲ 積算吸入空気量（触媒温度パラメータ）
ＱＧＣＡＴ＿Ｌ 第２所定値（所定温度）

Claims (2)

1. 気筒、吸気系および排気系を有する内燃機関の排ガスを浄化する内燃機関の排ガス浄化装置であって、
   セリウム含有酸化物を主成分とし、当該セリウム含有酸化物に担持されたパラジウムおよび亜鉛を含み、前記排気系に設けられ、排ガスを浄化する触媒と、
   当該触媒が活性状態にあるか否かを判定する触媒活性化判定手段と、
   前記触媒の温度を表す触媒温度パラメータを検出する触媒温度パラメータ検出手段と、
   前記触媒活性化判定手段によって前記触媒が活性状態にないと判定されており、かつ、前記検出された触媒温度パラメータで表される前記触媒の温度が所定温度以上のときに、圧縮行程中に前記気筒内に燃料を噴射する圧縮行程噴射と、吸気行程中に前記気筒内および前記吸気系内の一方に燃料を噴射する吸気行程噴射との双方を実行する燃料噴射手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。
2. 前記所定温度は、前記触媒が活性化される温度よりも低く、かつ前記触媒が排ガス中のＣＯを浄化可能な温度であることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。

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