JP3702835B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気通路に上流触媒とＨＣ吸着触媒とを備えたエンジンの排気浄化装置に関し、特に、ＨＣ吸着触媒に流入する排気ガスの還元度を適正化する対策に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、排気通路に上流触媒とＨＣ吸着触媒とを配置して、このＨＣ吸着触媒に流入する酸素量を調整するようにしたエンジンの排気浄化装置が知られている。この上流触媒は、酸素吸蔵物質を含有した三元触媒により構成されてエンジンに近接して配置されるもので、エンジン始動後においてより早い時間に活性化するようになっている。上記ＨＣ吸着触媒は、一般にＨＣ吸着材と酸素吸蔵物質と触媒金属とを含有している。ＨＣ吸着材は、エンジンの冷間始動時等の低温時に排気ガス中のＨＣ（炭化水素）を吸着する一方、この吸着したＨＣをＨＣ吸着材の昇温に伴って脱離する特性を有している。酸素吸蔵物質は、例えば酸化セリウム等のように、酸化側（リーン側）で酸素を吸蔵し、還元側（リッチ側）で酸素を放出する特性を有している。触媒金属は、所定温度以上になると活性化されて排気ガス中のＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを分解して排気ガスを浄化する特性を有している。
【０００３】
そして、エンジンを始動すると上記上流触媒が早期に活性化する一方で、ＨＣ吸着触媒では、当初はＨＣ吸着材へのＨＣの吸着のみが行われ、吸着したＨＣの脱離は行われない。そして、ＨＣ吸着材の温度が上昇して所定温度に達すると、吸着していたＨＣの脱離を開始する。このＨＣの脱離開始直後には触媒金属が未だ活性化されていない状態であるために、例えば、特開平１０−６１４２６号公報及び特開平１１−８２１１１号公報に開示されているように、空燃比をリーン側に制御することによってＨＣ吸着触媒内における排気ガスを酸素リッチな状態にし、排気ガス中の酸素を用いてＨＣを分解する技術が知られている。一方で、ＨＣの脱離中に空燃比をリッチ側に制御することにより、ＨＣ吸着触媒内における排気ガスをリッチ側に制御して酸素吸蔵物質から酸素を放出させ、この放出酸素によって上記ＨＣ吸着材から脱離したＨＣを分解させることが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来提案されている制御では、ＨＣ吸着材に吸着したＨＣの脱離中において空燃比をリッチ側に制御するものであり、このとき上流触媒の酸素吸蔵物質からも酸素が放出されて、この酸素がＨＣ吸着触媒に流入するために、ＨＣ吸着触媒に流入する排気ガスを精度良く還元側に制御するのが困難であるという問題があった。
【０００５】
本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところはＨＣ吸着触媒からのＨＣの脱離中にＨＣ吸着触媒に流入する排気ガスを精度良く還元側に制御することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、上流触媒に含有される酸素吸蔵物質に吸蔵されている酸素を脱離運転開始前に放出させてしまうようにしたものである。
【０００７】
具体的に、第１の解決手段は、エンジンの排気通路に配置され、ＨＣを吸着する一方で昇温に伴って吸着したＨＣを脱離するＨＣ吸着材と、酸化側で酸素を吸蔵し、還元側で酸素を放出する酸素吸蔵物質と、上記ＨＣ吸着材から脱離したＨＣを酸化する触媒金属とを含有するＨＣ吸着触媒と、上記ＨＣ吸着材からのＨＣの脱離量がＨＣ吸着材への吸着量を上回る脱離運転状態へ移行したか否かを判定する判定手段と、上記判定手段により脱離運転状態への移行が判定されると、酸素吸蔵物質から酸素が放出されるようにＨＣ吸着触媒の上流側又はＨＣ吸着触媒内における排気ガスを還元側に制御する還元度制御手段と、上記ＨＣ吸着触媒上流側の排気通路に配置され、酸化側で酸素を吸蔵し、還元側で酸素を放出する酸素吸蔵物質を含有する上流触媒と、上記判定手段により脱離運転状態へ移行したことが判定される前に、上記上流触媒の酸素吸蔵物質に吸蔵される酸素量を低減しておく吸蔵酸素量低減手段とを備えている。
【０００８】
また、第２の解決手段は、上記第１の解決手段において、吸蔵酸素量低減手段は、判定手段によって判定された脱離運転状態への移行時期の直前の所定期間内に、上流触媒の上流又は上流触媒の内部における排気ガス中の酸素濃度を０．１％以下に低減するように構成されている。
【０００９】
また、第３の解決手段は、上記第１又は第２の解決手段において、還元度制御手段は、ＨＣ吸着触媒の上流側又はＨＣ吸着触媒内における排気ガスの還元度の基準値を設定しており、吸蔵酸素量低減手段は、上流触媒の上流又は上流触媒の内部における排気ガスの還元度が上記基準値よりも還元度が大きな値に設定された目標値になるように制御するように構成されている。
【００１０】
また、第４の解決手段は、上記第１の解決手段において、還元度制御手段は、ＨＣ吸着触媒の上流側又はＨＣ吸着触媒内における排気ガスの酸素濃度が所定値以下になるようにエンジンの空燃比を制御するように構成されている。
【００１１】
また、第５の解決手段は、上記第４の解決手段において、還元度制御手段による空燃比の制御は、フィードバック値の還元側方向の補正値を酸化側方向の補正値より大きく設定する片側偏重フィードバック制御、又は排気ガスが基準より酸化側にあるときにフィードバック値の還元側方向への補正を行う片側フィードバック制御により行われる。
【００１２】
すなわち、上記第１の解決手段では、判定手段がＨＣ吸着材からのＨＣ脱離量がＨＣ吸着材への吸着量を上回る脱離運転状態に移行したか否かを判定する。ＨＣ吸着触媒が脱離運転状態に移行したと判定される前に、吸蔵酸素量低減手段が上記上流触媒の酸素吸蔵物質に吸蔵される酸素量を低減しておく。そして、判定手段により脱離運転状態に移行したと判断されると、還元度制御手段がＨＣ吸着触媒の上流側又はＨＣ吸着触媒内における排気ガスを還元側（リッチ側）に制御する。このとき、上流触媒の酸素吸蔵物質に吸蔵される酸素量が低減されているために、還元側に制御された排気ガスが上流触媒に流入しても、この酸素吸蔵物質からは酸素がほとんど放出されない。したがって、上流触媒の下流側に配置されるＨＣ吸着触媒には、精度良く還元側に制御された排気ガスが流入することとなり、このためにＨＣ吸着触媒の酸素吸蔵物質から放出される酸素量を精度良く制御することができ、この酸素を利用したＨＣの処理を効率よく行うことができる。
【００１３】
つまり、脱離運転状態に移行して還元側に制御された排気ガスが上流触媒に流入した場合において、例えば上流触媒が未だ活性化されていないときには、上流触媒の酸素吸蔵物質から酸素が放出されたとしても、この放出酸素は、排気ガス中のＨＣと反応しないために上流触媒から流出することとなる。そこで、脱離運転状態に移行する前に上流触媒の酸素吸蔵物質に吸蔵される酸素量を低減しておくことにより、脱離運転状態に移行したときに余分な酸素がＨＣ吸着触媒に流入するのを防止している。この結果、精度良く還元度が制御された排気ガスをＨＣ吸着触媒に流入させることができる。
【００１４】
一方、例えば上流触媒が既に活性化されているときには、上流触媒の酸素吸蔵物質に酸素が吸蔵されていると、この酸素が放出されて排気ガス中のＨＣと反応するために、上流触媒から流出する排気ガスのＨＣ濃度を精度良く制御することが困難となる。そこで、脱離運転状態に移行する前に上流触媒の酸素吸蔵物質に吸蔵されている酸素量を低減しておくことにより、上流触媒において排気ガス中のＨＣが放出酸素とほとんど反応することなく上流触媒から流出するために、ＨＣ吸着触媒に流入するＨＣ量を精度良く制御することができる。
【００１５】
また、上記第２の解決手段では、上記第１の解決手段において、吸蔵酸素量低減手段が、判定手段によってＨＣ吸着触媒が脱離運転状態に移行したと判定される直前の所定期間内に上流触媒の上流又は上流触媒の内部における排気ガス中の酸素濃度を０．１％以下に低減する。つまり、上流触媒の上流又は上流触媒の内部における排気ガス中の酸素濃度を０．１％以下に低減することにより、上流触媒の酸素吸蔵物質から酸素が放出されるために、脱離運転状態に移行する前に上流触媒の酸素吸蔵物質の酸素吸蔵能力を早急に且つ確実に低減することができる。また、上流触媒の上流又は上流触媒の内部における排気ガスを還元側に制御するのを所定期間内に制限することで、必要以上に長い期間の間、排気ガスが還元側に制御されるのを防止している。
【００１６】
また、上記第３の解決手段では、上記第１又は第２の解決手段において、上流触媒の上流又は上流触媒の内部における排気ガスの還元度の目標値が、ＨＣ吸着触媒の上流側又はＨＣ吸着触媒内における排気ガスの還元度の基準値よりも還元度が大きな値に設定されているために、上流触媒の酸素吸蔵物質から早急に酸素が放出され、吸蔵酸素量低減手段によって排気ガス中の酸素濃度が低減されている期間を短縮することができる。
【００１７】
また、上記第４の解決手段では、上記第１の解決手段において、判定手段によりＨＣ吸着触媒が脱離運転状態に移行したと判定されると、還元度制御手段が、ＨＣ吸着触媒の上流側又はＨＣ吸着触媒内における排気ガスの酸素濃度が所定値以下になるようにエンジンの空燃比を制御する。つまり、脱離運転状態に移行する前に上流触媒の酸素吸蔵物質に吸蔵される酸素量を低減しておくために、脱離運転状態に移行した後にＨＣ吸着触媒の上流側又はＨＣ吸着触媒内における排気ガスが還元側に制御されたときに、上流触媒から酸素が放出されることはほとんどなく、応答に時間がかかる空燃比制御のフィードバックを極力避けることができる。この結果、脱離運転状態への移行直後から精度良く排気ガスを還元側に制御することができる。
【００１８】
また、上記第５の解決手段では、上記第４の解決手段において、還元度制御手段による空燃比の制御では、偏重フィードバック制御又は片側フィードバック制御が行われる。つまり、脱離運転状態にあるときには、フィードバック値の還元側方向の補正値を酸化側方向の補正値より大きく設定する偏重フィードバック制御、又は排気ガスが基準より酸化側にあるときにフィードバック値の還元側方向への補正を行う片側フィードバック制御によりエンジンの空燃比制御を行うので、ＨＣ吸着触媒の上流側又はＨＣ吸着触媒内における排気ガスを確実に還元側に制御することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２０】
本発明の実施形態に係るエンジンの排気浄化装置は、筒内噴射式エンジンのガソリンエンジンからの排気ガスを浄化するものでる。上記ガソリンエンジンは、エンジン本体１に、複数の気筒２と、各気筒２内に往復動可能に嵌挿されたピストン３とが設けられ、このピストン３によって上記気筒２の上部に燃焼室４が区画形成されている。この燃焼室４の上部所定位置には、点火回路５に接続された点火プラグ６が燃焼室４内に望むように取り付けられている。
【００２１】
上記燃焼室４の周辺部には、この燃焼室４内に燃料を直接噴射する燃料供給手段としてのインジェクタ７が取り付けられている。このインジェクタ７には、図示省略した高圧燃料ポンプ、プレッシャレギュレータ等を有する燃料供給回路が接続され、この燃料供給回路によって燃料タンクからの燃料が適正な圧力に調整されてインジェクタ７に供給されるようになっている。また、上記燃料供給回路には、燃料圧力を検出する燃圧センサ８が設けられている。
【００２２】
上記燃焼室４は、吸気弁９が設けられた吸気ポートを介して吸気通路１０に連通している。この吸気通路１０には、その上流側から順に、吸気を濾過するエアクリーナ１１と、吸入空気量を検出するエアフローセンサ１２と、吸気通路１０を絞る電気式スロットル弁１３と、サージタンク１４とが配設されている。上記電気スロットル弁１３は、図外のアクセルペダルに連動することなく、モータ１５により駆動されて開閉動作するようになっている。さらに、上記電気スロットル弁１３の設置部には、その弁開度を検出するスロットル開度センサ１６が設けられ、上記サージタンク１４の設置部には、吸気圧を検出する吸気圧センサ１７が設けられている。
【００２３】
上記サージタンク１４よりも下流側の吸気通路１０は、気筒２毎に分岐する独立通路とされ、各独立通路の下流端部が２つに分岐してそれぞれ吸気ポートに連通すると共に、その一方にスワール弁１８が設けられている。このスワール弁１８がアクチュエータ１９により駆動されて閉鎖状態となると、吸気が他方の分岐通路のみから燃焼室４内に供給されるために、この燃焼室４内に強い吸気スワールが生成するようになっている。この吸気スワールは、上記スワール弁１８が開放するのに伴って弱められることとなる。上記スワール弁１８の設置部には、その開度を検出するスワール弁開度センサ２０が設けられている。尚、上記スワール弁１８に代え、タンブル流を生成するためのタンブル弁を設置した構造としてもよい。
【００２４】
上記燃焼室４には、排気弁２１が設けられた排気ポートを介して排気通路２２に連通し、この排気通路２２の上流端は気筒２毎に分岐している。上記排気通路２２には、その上流側から順に、排気ガス中の酸素濃度を検出する第１酸素濃度センサ２４と、排気ガス中のＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）及びＮＯｘ（窒素酸化物）の全てを浄化する機能を有する上流触媒としての三元触媒２５と、この三元触媒２５の下流側における排気ガス中の酸素濃度を検出する第２酸素濃度センサ２６と、排気ガス中のＨＣを吸着して浄化するＨＣ吸着触媒２７と、その下流側における排気ガス中の酸素濃度を検出する第３酸素濃度センサ２８とが配設されている。
【００２５】
上記第１〜第３酸素濃度センサ２４，２６，２８は、排気ガスの還元度を酸素濃度に基づいて得られる排気空燃比として検出するものであり、その出力が理論空燃比を境にしてリーン側とリッチ側とで大きく反転（変化）するλセンサにより構成され、これにより理論空燃比の近傍で優れた検出精度が得られるようになっている。上記各酸素濃度センサ２６，２８の検出値により、後述の酸素吸蔵物質からの酸素の放出に影響を与えるＨＣ、ＣＯ等の還元剤成分の成分濃度に相当するＨＣ吸着触媒２７の上流側又は下流側における排気ガスの還元度を推定するようになっている。尚、上記第１〜第３酸素濃度センサ２４，２６，２８は、上記λセンサに代え、空燃比に応じて出力がリニアに変化するリニア酸素センサにより構成するようにしてもよい。
【００２６】
排気空燃比とは、排気ガスの酸素濃度と還元剤濃度との存在状態からその排気ガス状態に直接対応する燃料と空気との混合気の空燃比を表す表現手法であり、排気空燃比が１４．７のときは理論空燃比に相当し、このときの酸素濃度は実質的に０〜０．５％となる。これを境界として排気空燃比が１４．７以下のときには、酸素濃度が減少あるいはゼロに固定され、還元剤濃度が増加する。一方、排気空燃比が１４．７以上では、酸素濃度が増加し、還元剤濃度が減少する。
【００２７】
上記三元触媒２５は、アルミナ等に担持されたパラジウム（Ｐｄ）又は白金（Ｐｔ）等の触媒金属と、ジルコニウム（Ｚｒ）等からなるバインダーとを有し、所定温度に加熱されて活性化することにより、排気ガス中のＨＣ及びＣＯを酸化して浄化すると共に排気ガス中のＮＯｘを還元して浄化するように構成されている。この浄化機能は、理論空燃比の付近において顕著に発揮されるものである。また、三元触媒２５は、例えば酸化セリウム（ＣｅＯ2）又はセリウムＣｅとプラセオジウムＰｒ等の希土類元素との複合酸化物等からなる酸素吸蔵物質を含有している。この酸素吸蔵物質は、排気ガスが酸化側（リーン側）にあるときに酸素を吸蔵し、この吸蔵した酸素を排気ガスが還元側（リッチ側）になると放出する特性を有している。三元触媒２５では、排気ガス中のＨＣ及びＣＯの酸化に排気ガス中の酸素に加え、この放出酸素が利用される。
【００２８】
上記ＨＣ吸着触媒２７は、特に冷間始動時等に排出されるＨＣを吸着して排気ガスを浄化する機能を有し、図２に示すように、コージュライト製のハニカム構造体からなる担体２７ａと、この担体２７ａに形成された貫通孔の壁面に担持されたＨＣ吸着材２７ｂと、その表面にコーティングされる等により担持された三元触媒層２７ｃとにより構成されている。
【００２９】
上記ＨＣ吸着材２７ｂは、排気ガス中のＨＣを吸着保持するのに適した孔径、つまり、７．２オングストローム程度の孔径を有する多数の細孔が形成された、いわゆるβ型ゼオライトに、銀（Ａｇ）を含侵担持させてなり、エンジンの冷間始動時等の低温時に排気ガス中のＨＣを吸着すると共に、昇温に伴って吸着したＨＣを脱離するものである。上記銀は、β型ゼオライトのＨＣ吸着作用を高めて、より高温までＨＣを保持し得るようにするために担持されている。
【００３０】
上記三元触媒層２７ｃは、アルミナ等に担持されたパラジウム（Ｐｄ）又は白金（Ｐｔ）等の触媒金属と、ジルコニウム（Ｚｒ）等からなるバインダーとを有し、所定温度に加熱されて活性化することにより、排気ガス中のＨＣ及びＣＯを酸化すると共に、排気ガス中のＮＯｘを還元して浄化する機能を有している。この浄化機能は、理論空燃比の付近において顕著に発揮されるものである。
【００３１】
上記三元触媒層２７ｃは、所定温度に加熱されて活性化することにより、排気ガス中の酸素濃度が高い高酸素雰囲気（例えば酸素濃度が０．５％以上の雰囲気）で酸素を吸蔵すると共に、排気ガス中の酸素濃度が低下して低酸素雰囲気下になるのに伴い、吸蔵した酸素を放出する機能を有する酸素吸蔵物質、例えば酸化セリウム（ＣｅＯ2）又はセリウムＣｅとプラセオジウムＰｒ等の希土類元素との複合酸化物等からなる酸素吸蔵物質を含有している。つまり、酸素吸蔵物質は、周囲の排気ガスが酸化側（リーン側）にあるときに酸素を吸蔵し、周囲の排気ガスが還元側（リッチ側）になるとこの吸蔵した酸素を放出する特性を有している。
【００３２】
上記三元触媒層２７ｃでは、上記酸素吸蔵物質から放出された酸素を利用した酸化作用により、上記ＨＣ吸着材２７ｂから脱離したＨＣが、比較的低温で酸化されて浄化されるようになっている。尚、上記ＨＣ吸着触媒２７は、三元触媒層２７ｃを構成する材料とＨＣ吸着材２７ｂとを一体に混合して構成するようにしてもよい。
【００３３】
上記排気通路２２には、排気ガスの一部を吸気系に還流させるＥＧＲ通路２９が接続されている。ＥＧＲ通路２９は、その上流端が排気通路２２における上記第１酸素濃度センサ２４の上流側に接続され、下流端が吸気通路１０における上記スロットル弁１３とサージタンク１４との間に接続されている。ＥＧＲ通路２９には、開度が電気的に調節可能に構成されたＥＧＲ弁３０と、このＥＧＲ弁３０のリフト量を検出するリフトセンサ３１とが配設されている。これらＥＧＲ通路２９とＥＧＲ弁３０とリフトセンサ３１とにより排気還流手段が構成されている。
【００３４】
上記排気通路２２には、吸気の一部を吸気通路１０から排気通路２２における上記ＨＣ吸着触媒２７の上流側に送り込む二次エア供給通路３２が接続され、この二次エア供給通路３２には、エンジンの制御を行うコントロールユニット（ＥＣＵ）３４から出力された制御信号に応じて開閉制御される流量制御弁３３が設けられている。
【００３５】
上記コントロールユニット３４には、上記エアフローセンサ１２、スロットル開度センサ１６、吸気圧センサ１７、スワール弁開度センサ２０、各酸素濃度センサ２４，２６，２８、及びＥＧＲ通路２９のリフトセンサ３１からの出力信号が入力されている。また、上記コントロールユニット３４には、エンジンの冷却水温度を検出する水温センサ３５、吸気温度を検出する吸気温度センサ３６、大気圧を検出する大気圧センサ３７、エンジンの回転数を検出する回転数センサ３８、及びアクセルペダルの開度（アクセル操作量）を検出するアクセル開度センサ３９から出力された検出信号が入力されている。
【００３６】
上記コントロールユニット３４は、脱離判定手段４２と、燃料噴射制御手段４０と、点火時期制御手段４１と、初期判定手段４３と、補正手段４４とを備えている。
【００３７】
上記脱離判定手段４２は、エンジンの始動後に計測された経過時間及び運転履歴等に基づいてＨＣ吸着触媒２７の温度THCEを導出し、この温度THCEと予め設定された基準温度とを比較することにより、ＨＣ吸着材２７ｂから脱離するＨＣの脱離量がＨＣ吸着材２７に吸着されるＨＣ吸着量を上回る脱離運転状態への移行時期を前もって推定すると共に、脱離運転状態に移行したか否かを判定するように構成されている。
【００３８】
つまり、図３(ａ)、(ｂ)に示すように、エンジンの冷間始動後は、ＨＣ吸着材２７ｂにＨＣが吸着するのみでＨＣ吸着材２７ｂからＨＣが脱離しない運転状態が継続し、ＨＣ吸着触媒２７の温度THCEが時間の経過に伴って次第に上昇する。そして、ＨＣの吸着量が次第に増大すると共に、ＨＣ吸着触媒２７の温度THCEがある温度に達すると、ＨＣ吸着材２７ｂからのＨＣの脱離が開始する。このとき、ＨＣ吸着材２７ｂへの吸着及びＨＣ吸着材２７ｂからの脱離が並行して行われる。そして、ＨＣ吸着触媒２７の温度THCEが更に上昇すると、ＨＣ吸着触媒２７は、ＨＣ吸着材２７ｂから脱離するＨＣの脱離量がＨＣ吸着材２７に吸着されるＨＣの吸着量を上回る脱離運転状態に移行する。このときの温度を脱離運転開始温度THC2とする。そして、更にＨＣ吸着触媒２７の温度THCEが上昇すると、ＨＣ吸着材２７ｂからＨＣが脱離するのが完了する。このときの温度THCEを脱離運転完了温度THC3とする。上記脱離運転開始温度THC2は例えば１５０℃とされ、上記脱離運転完了温度THC3は例えば２５０℃とされている。
【００３９】
即ち、ＨＣ吸着触媒２７の温度THCEは、時間の経過に伴って次第に上昇するが、その上昇速度はエンジン始動後の履歴等によって異なるために、脱離判定手段４２は、エンジン始動後の履歴等に基づいてＨＣ吸着触媒２７の温度THCEを導出すると共に、ＨＣ吸着触媒２７の温度THCEが脱離運転開始温度THC2に達する移行時期T2を推定するようになっている。そして、ＨＣ吸着触媒２７の温度THCEが脱離運転開始温度THC2に達しているか否かによって脱離運転状態に移行したか否かを判定するようになっている。
【００４０】
尚、上記脱離判定手段４２は、上記ＨＣ吸着触媒２７の下流側に配設された上記第３酸素濃度センサ２８により検出された酸素濃度に基づいて上記ＨＣ吸着材２７ｂからのＨＣの脱離量が吸着量を上回る脱離運転状態にあるか否かを判定するように構成してもよい。
【００４１】
上記初期判定手段４３は、エンジン始動後の履歴等に基づいて上記脱離運転状態への移行時期T2の所定期間前である初期制御開始時間T1を導出し、この初期制御開始時間T1におけるＨＣ吸着触媒２７の温度である初期制御開始温度THC1を推定すると共に、ＨＣ吸着触媒２７の温度THCEが初期制御開始温度THC1以上で且つ脱離運転開始温度THC2未満である初期運転状態に移行したか否かを判定するように構成されている。この所定期間は、例えば数秒程度に設定されている。
【００４２】
上記燃料噴射制御手段４０は、エンジンの運転状態に応じてインジェクタ７から噴射される燃料噴射状態を制御するように構成されている。
【００４３】
上記燃料噴射制御手段４０は、脱離判定手段４２により導出されたＨＣ吸着触媒２７の温度THCEが初期制御開始温度THC1以上で且つ脱離運転開始温度THC2未満の温度あると判定されたときには、第１酸素濃度センサ２４が検出した三元触媒２５の上流側における排気ガスの還元度OX1が空燃比１４．０での燃焼相当の還元度になるように燃料噴射量を制御する初期制御を実行するように構成されている。初期制御では、三元触媒２５の上流側における排気ガスの還元度OX1の目標値を空燃比１４．０での燃焼相当の還元度に設定することにより、三元触媒２５の上流側における排気ガス中の酸素濃度が０．１％以下の還元側（リッチ側）に制御されるようになっている。つまり、初期制御において、この排気ガスが還元側になるように制御することにより、三元触媒２５の酸素吸蔵物質に吸蔵された酸素が放出されるようになっている。即ち、この初期制御により、脱離運転状態への移行時期の前に上記三元触媒２５の酸素吸蔵物質に吸蔵される酸素量を低減しておく吸蔵酸素量低減手段が構成されている。
【００４４】
上記初期制御において、三元触媒２５の上流側における排気ガスの還元度OX1の目標値を空燃比で１３．０以上で且つ１４．５以下での燃焼相当の還元度に設定するのが好ましい。還元度OX1の目標値を空燃比１３．０未満での燃焼相当の還元度に設定すると、ＨＣ吸着触媒２７に多量のＨＣが流入する一方で、初期制御段階ではＨＣ吸着材２７ｂの吸着能力が未だ高まっていないために、ＨＣ吸着触媒２７に流入したＨＣの一部がＨＣ吸着材１７ｂに吸着されずに流出してしまうことになる。一方、還元度OX1の目標値を空燃比で１４．５を越える値での燃焼相当の還元度に設定すると、三元触媒２５の酸素吸蔵物質からの酸素放出が迅速に行われないこととなり、初期制御の時間を短縮することができなくなってしまう。そこで、還元度OX1の目標値を１３．０〜１４．５相当の還元度に設定するのが好ましい。
【００４５】
上記燃料噴射制御手段４０は、ＨＣ吸着触媒２７がＨＣの吸着と脱離とを行う運転状態にある場合には、吸気行程から点火時期にかけての期間内で、圧縮行程中期以降の後期噴射と、これより前の早期噴射とにおいてそれぞれ燃料噴射を行い、少なくとも２回の分割噴射を行わせるようにインジェクタ７を制御するように構成されている。尚、上記燃料噴射制御手段４０は、冷間運転時の全運転領域で分割噴射を行うように構成してもよく、また高負荷領域ではエンジン出力の要求を満足すべく、吸気行程のみで燃料噴射を行うように構成してもよい。また、必ずしも直噴で燃料を噴射を行う構成である必要はなく、吸気ポートにインジェクタ７を配置して、吸気と燃料との混合気を燃焼室４内に供給する構成のものであってもよい。
【００４６】
また、上記燃料噴射制御手段４０は、脱離運転状態にあると判定された場合には、上記初期制御を停止してＨＣ吸着触媒２７と接触する排気ガスが酸素濃度が０．５％以下の還元側（リッチ側）になるように燃料噴射量をフィードバック制御する酸素放出制御を実行するように構成されている。つまり、この酸素放出制御により、還元度制御手段が構成されている。酸素放出制御では、第２酸素濃度センサ２６が検出したＨＣ吸着触媒２７の上流側における排気ガスの還元度OX2が空燃比１４．５での燃焼相当の還元度になるように制御することにより、ＨＣ吸着触媒２７と接触する排気ガスの酸素濃度を０．５％以下に制御するようになっている。つまり、酸素放出制御において、空燃比１４．５での燃焼相当の排気ガスの還元度が、ＨＣ吸着触媒２７の上流側における還元度の基準値OX20として設定されている。
【００４７】
上記酸素放出制御において、排気ガスに含まれる酸素濃度を０．５％以下に制御するようになっているのは、上記ＨＣ吸着触媒２７と接触する排気ガスに含まれる酸素濃度が０．５％を越える酸化側（リーン側）に制御されると、ＨＣ吸着触媒２７に含有される酸素吸蔵物質から酸素が放出され難くなるからである。つまり、酸素放出制御では、ＨＣ吸着触媒２７の酸素吸蔵物質に対する排気ガスの還元度を制御するようになっている。
【００４８】
上記酸素放出制御では、ＨＣ吸着触媒２７の上流側における排気ガスの還元度OX2が空燃比１４．５での燃焼相当の基準値OX20よりも高いときには、燃料噴射量のフィードバック値Qfb2を補正値β1だけ低減し、逆に空燃比１４．５での燃焼相当の基準値OX20以下のときには、燃料噴射量のフィードバック値Qfb2を補正値β2だけ増大することにより、ＨＣ吸着触媒２７の上流側における還元度が基準値OX20になるように制御を行うようになっている。このとき、補正値β1を補正値β2よりも小さい値に設定することにより、ＨＣ吸着触媒２７の上流側における排気ガスを還元側（リッチ側）に制御し易くなっている。つまり、酸素放出制御は、フィードバック値の還元側方向の補正値を酸化側方向の補正値より大きく設定する片側偏重フィードバック制御となっている。
【００４９】
上記酸素放出制御では、エンジンの燃焼室４における空燃比が１３．５以上で且つ１５．０以下になるように制御するのが好ましい。空燃比１３．５未満では、ＨＣ吸着触媒２７での排気ガスが還元側となって酸素吸蔵物質からの酸素放出が促進されるものの、エンジンから排出されるＨＣ量が増大し過ぎると共にＨＣ吸着材２７ａから脱離したＨＣもあるために、ＨＣが浄化しきれなくなってしまう。一方、空燃比が１５．０を越えると、上流側に配置される三元触媒２５から流出した未反応の酸素がＨＣ吸着触媒２７に流入することとなり、ＨＣ吸着触媒２７に流入する排気ガスを確実に還元側に制御することが困難となるからである。
【００５０】
上記酸素放出制御では、エンジンの燃焼室４における空燃比が１４．０以上で且つ１４．７未満になるように制御するのがより好ましい。
【００５１】
上記初期制御にける三元触媒２５の上流側での還元度OX1の目標値は、酸素放出制御におけるＨＣ吸着触媒２７の上流側での還元度の基準値OX20よりも大きな値（還元度が強い側）に設定されている。これは、三元触媒２５の上流側において排気ガスの還元度をより強くすることで、三元触媒２５の酸素吸蔵物質から早急に酸素を放出することができて初期制御の時間短縮を図ることができるからである。
【００５２】
上記点火時期制御手段４１は、点火回路５に制御信号を出力して、エンジンの運転状態に応じて混合気の点火時期を制御するように構成されている。つまり、点火時期制御手段４１は、基本的には点火時期をＭＢＴに制御するが、エンジンの冷間運転状態において、上記分割噴射が行われているときに、上記脱離判定手段４２においてＨＣの脱離度合いが大きいことが確認された場合に、必要に応じて点火時期を上記ＭＢＴよりも所定量だけリタードさせるように構成されている。
【００５３】
上記補正手段４４は、上記酸素放出制御において、第３酸素濃度センサ２８が検出した還元度OX3に基づいて、燃料噴射制御手段４０による制御を補正するように構成されている。つまり、空燃比１４．６から１４．７での燃焼相当（理論空燃比相当）の還元度がＨＣ吸着触媒２７の下流側における基準値OX30として設定されており、上記補正手段４４は、ＨＣ吸着触媒２７の下流側における還元度が空燃比１４．６から１４．７での燃焼相当の基準値OX30になるように燃料噴射量のフィードバック値Qfb3を補正するように構成されている。
【００５４】
上記燃料噴射制御手段４０は、ＨＣ吸着触媒２７の温度THCEがＨＣ吸着材２７ｂからのＨＣの脱離が完了する脱離完了温度THC3以上になったことが確認されたときには、酸素放出制御から、運転状態に対応した燃料噴射量をフィードバック制御する温間運転制御に移行するように構成されている。つまり、温間運転制御では、上記フィードバック値Qfb2、Qfb3をゼロリセットすると共に、第１酸素濃度センサ２４が検出した三元触媒２５の上流側における排気ガスの還元度OX1に基づいて、燃料噴射量が制御されるようになっている。
【００５５】
また、上記燃料噴射制御手段４０は、例えば、温間運転時の成層燃焼領域では、上記インジェクタ７から圧縮行程の所定時期に燃料を一括して噴射させることにより、点火プラグ６の近傍に混合気の燃料を偏在させた状態で燃焼させると共に、例えば燃焼室４内における混合気の空燃比を３０程度のリーン状態とする成層燃焼モードの燃焼制御を実行するように構成されている。また、上記燃料噴射制御手段４０は、温間運転時の均一燃料燃焼領域では、上記インジェクタ７から吸気行程で燃焼を一括噴射させると共に、燃焼室４全体の平均空燃比を略理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）とする均一燃焼モードの燃焼制御を実行するように構成されている。尚、エンジンの中負荷中回転領域では、吸気行程と圧縮行程とに分割して燃料を噴射させるようにしてもよい。
【００５６】
−制御動作−
上述の如く構成されたエンジンの排気浄化装置の制御動作について、図４及び図５に示すフローチャートに基づいて説明する。
【００５７】
先ず、上記制御動作がスタートすると、ステップST11において、エアフローセンサ１２、第１〜第３酸素濃度センサ２４，２６，２８、水温センサ３５、吸気温センサ３６、大気圧センサ３７、回転数センサ３８及びアクセル開度センサ３９の検出値に対応した各データを入力し、ステップST12に移る。ステップST12では、アクセル開度及びエンジンの回転数に基づいて、予め設定されたマップからエンジンの目標トルクTrを設定してステップST13に移る。ステップST13では、上記目標トルクTrとエンジンの回転数とをパラメータとして、予め設定されたマップから燃料の基本噴射量Qb及び電気式スロットル弁１３の基本開度Th0を設定し、ステップST14に移り、電気式スロットル弁１３を駆動してステップST15に移る。上記基本噴射量Qb及び電気式スロットル弁１３の基本開度Th0は、エンジンの燃焼室４内における空燃比が理論空燃比になるように設定されている。
【００５８】
ステップST15において、運転履歴等によりＨＣ吸着触媒２７の温度THCEを導出すると共に、脱離運転状態への移行時期T2の所定期間前である初期制御開始時間T1を推定し、この初期制御開始時間T1におけるＨＣ吸着触媒２７の温度である初期制御開始温度THC1を推定する。そして、ステップST16に移り、ＨＣ吸着触媒２７の温度THCEが初期制御開始温度THC1より低いか否かを判定し、初期制御開始温度THC1より低いときには、ステップST17に進む。ステップST17において、基本噴射量Qbを最終噴射量Qpに設定し、ステップST18に移って噴射タイミングにあるか否かを判定し、噴射タイミングになるとステップST19に移って、燃料の噴射制御を実行する。このときには、エンジンの燃焼室４内における空燃比が理論空燃比に設定されて噴射制御が実行されている。
【００５９】
一方、ＨＣ吸着触媒２７の温度THCEが初期制御開始温度THC1以上になると、上記ステップST16の判定がＮＯとなり、ステップST16からステップST20に進む。ステップST20において、ＨＣ吸着触媒２７の温度THCEに基づいてＨＣ吸着材２７ｂからＨＣが脱離する運転状態にあるか否かを判定する。つまり、導出されたＨＣ吸着触媒２７の温度THCEが脱離運転開始温度THC2未満であるか否かを判断し、脱離運転状態に移行したか否かを判断する。
【００６０】
上記ステップST20において、ＨＣ吸着触媒２７の温度が上記脱離運転開始温度THC2未満の初期運転状態にあるときには、ステップST16における判定がＹＥＳとなり、ステップST21に進む。ステップST21では、基本噴射量Qbに初期調整噴射量Qpreを加算することにより、三元触媒２５の上流側における排気ガスの還元度OX1が空燃比１４．０での燃焼相当の還元度になるように最終噴射量Qpを設定して噴射制御を行う初期制御を実行する。そして、ステップST18に移って噴射タイミングに合わせて、ステップST19において燃料を噴射する。
【００６１】
つまり、初期制御では、三元触媒２５の上流側における排気ガスの還元度OX1が空燃比１４．０での燃焼相当の還元度に制御することにより、排気ガスは酸素濃度が０．１％以下の還元側（リッチ側）に制御されている。この結果、初期制御において、三元触媒２５の酸素吸蔵物質に吸蔵された酸素が早急に放出される。また、初期制御を脱離運転状態に移行される直前の所定期間内に制限することにより、必要以上に長い期間の間、排気ガスが還元側に制御されるのを防止することができて、燃料が無駄に消費されるのを抑制することができている。
【００６２】
一方、ＨＣ吸着触媒２７の温度THCEが上記脱離運転開始温度THC2以上のときには、ステップST20の判定がＮＯとなってステップST22に進み、ＨＣ吸着触媒２７の温度THCEが上記脱離運転開始温度THC2以上で且つ脱離運転完了温度THC3未満であるか否かを判定する。つまり、ＨＣ吸着材２７ｂから脱離されるＨＣの脱離量がＨＣ吸着材２７ｂに吸着されるＨＣの吸着量を上回る脱離運転状態にあるか否かを判定する。ＨＣ吸着触媒２７の温度THCEが上記の範囲内にあり、脱離運転状態にあるときには、ステップST22の判定がＹＥＳとなってステップST23に進む。
【００６３】
ステップST23において、第２酸素濃度センサ２６が検出したＨＣ吸着触媒２７の上流側における排気ガスの還元度OX2が基準値OX20（空燃比１４．５での燃焼相当）よりも高い（還元度合いが強い）か否かを判定する。そして、ＨＣ吸着触媒２７の上流側における排気ガスの還元度OX2が上記基準値OX20よりも高いときにはステップST24に進み、燃料噴射量のフィードバック値Qfb2を補正値β1だけ低減させてステップST25に進む。一方、上記排気ガスの還元度OX2が上記上流側の基準値OX20以下のときには、ステップST26に進み、燃料噴射量のフィードバック値Qfb2を補正値β2だけ増大させてステップST25に進む。つまり、上記脱離運転状態にあるときには、空燃比１４．５での燃焼相当の還元度になるように燃料噴射量を増減してＨＣ吸着触媒２７の上流側における排気ガスをリッチ側に制御している。
【００６４】
脱離運転状態では、三元触媒２５の酸素吸蔵物質における酸素吸蔵量が低減されているために酸素が放出されることがほとんどなく、排気ガス中のＨＣが酸素と反応しない三元触媒２５の未活性化時においても、三元触媒２５から余分な酸素が流出することはない。また、三元触媒２５が既に活性化された状態にある場合には、排気ガス中のＨＣが放出酸素と反応することなく三元触媒２５から流出するために、ＨＣ吸着触媒２７に流入するＨＣ量を精度良く制御することができる。
【００６５】
上記ステップST25において、ＨＣ吸着触媒２７の下流側における排気ガスの還元度OX3が下流側の基準値OX30（空燃比１４．６から１４．７での燃焼相当）よりも高い（還元度合いが強い）か否かを判定する。そして、ＨＣ吸着触媒２７の下流側における排気ガスの還元度OX3が上記下流側の基準値OX30よりも高いときにはステップST27に進み、前回に第３酸素濃度センサ２８が検出した還元度OX3が上記下流側の基準値OX30よりも高いか否かを判定し、還元度OX3が上記下流側の基準値OX30よりも高いときにのみステップST28に進んで、燃料噴射量のフィードバック値Qfb3を補正値γ1だけ低減させる。また、前回に第３酸素濃度センサ２８が検出した還元度OX3が上記下流側の基準値OX30以下であったときには、ステップST29に進み、フィードバック値Qfb3を補正することなくステップST30に進む。
【００６６】
一方、上記ステップST25において、ＨＣ吸着触媒２７の下流側における排気ガスの還元度OX3が上記下流側の基準値OX30以下であるときには、ステップST31に進み、燃料噴射量のフィードバック値Qfb3を補正値γ2だけ増大させてステップST30に進む。つまり、還元度OX3が連続して空燃比１４．７での燃焼相当の下流側の基準値OX30よりも高い場合、即ち連続してリッチ側に制御されている場合にのみ、フィードバック値Qfb3の低減補正を行うようにすると共に、低減補正する補正値γ1を増大補正する補正値γ2より小さい値に設定することにより、ＨＣ吸着触媒２７の上流側における排気ガスが、酸素濃度０．５％以下の還元側（リッチ側）に制御され易くなっている。
【００６７】
上記ステップST30において、第１酸素濃度センサ２４が検出した排気ガスの還元度OX1が、三元触媒２５の上流側における還元度基準値OX10よりも高い（還元度合いが強い）か否かを判定する。排気ガスの還元度OX1が三元触媒２５の上流側における還元度基準値OX10よりも低いときには、上記ステップST30における判定がＹＥＳとなってステップST32に進み、燃料噴射量のフィードバック値Qfb1を補正値αだけ低減させてステップST33に移る。一方、上記還元度基準値OX10以下のときには、ステップST30からステップST34に進み、フィードバック値Qfb1を補正値αだけ増大させて、ステップST33に移る。
【００６８】
上記ステップST33では、上記基本噴射量Qbに上記各フィードバック値Qfb1、Qfb2、Qfb3を加算することにより最終噴射量Qpを導出し、ステップST18に移って噴射タイミングに合わせて、ステップST19において燃料の噴射制御を実行する。
【００６９】
図３(ｃ)に示すように、上述した如く、初期運転状態（時間T1から時間T2の間）にある初期制御では、空燃比が１４．０相当の還元側に制御され、脱離運転状態（時間T2から時間T3の間）にある酸素放出制御では、空燃比が１４．５相当の還元側に制御されている。
【００７０】
一方、上記ステップST22において、ＨＣ吸着触媒２７の温度THCEが上記脱離運転完了温度THC3以上となったとき、即ち、脱離運転状態が終了したと判定されたときには、ステップST35に進んでフィードバック値Qfb2及びフィードバック値Qfb3をゼロに設定し、ステップST30に移る。そして、上記同様にステップST32，ST34においてフィードバック値Qfb1を補正値αだけ増減させ、ステップST33において最終噴射量Qpを導出する。つまり、最終噴射量Qpは、三元触媒２５の上流側における排気ガスの還元度OX1に基づいて決定されるフィードバック値Qfb1のみによって導出されて、酸素放出制御から温間運転制御に移行したこととなる。そして、ステップST18において噴射タイミングに合わせて、ステップST19において燃料の噴射制御を実行する。温間運転制御では、運転状態に対応した燃料噴射量のフィードバック制御が実行される。
【００７１】
【発明のその他の実施の形態】
上記実施形態について、酸素放出制御において、燃料噴射量を増大させることにより、排気ガスを還元側に制御する構成に限られず、二次エア供給通路３２からの空気の供給量を低減させることにより排気ガスを還元側に制御する構成であってもよい。
【００７２】
また、上記実施形態について、初期制御は、三元触媒２５の上流側における排気ガスの還元度の目標値が、酸素放出制御におけるＨＣ吸着触媒２７の上流側での上流側基準値よりも大きな値に設定される構成に限られるものではなく、還元側に設定されているものであればよい。
【００７３】
また、上記実施形態について、初期制御において、エンジンの空燃比制御により排気ガスを還元側に制御する構成には限られるものではなく、２次エア等による制御の適用も可能である。
【００７４】
また、上記実施形態について、酸素放出制御において、燃料噴射量のフィードバック値Qfb2の増大補正値β2を低減補正値β1より大きな値に設定する片側偏重フィードバック制御に代え、ＨＣ吸着触媒２７の上流側における排気ガスが基準値OX20より酸化側にあるときのみフィードバック値の還元側方向への補正を行う片側フィードバック制御としてもよい。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、ＨＣ吸着触媒が脱離運転状態に移行する前に上流触媒の酸素吸蔵物質に吸蔵される酸素量を低減しておくようにしたために、脱離運転状態にあるときに余分な酸素がＨＣ吸着触媒に流入するのを防止することができ、ＨＣ吸着触媒に接触する排気ガスの還元度を簡単に且つ精度良く制御することができる。つまり、上流触媒の酸素吸蔵物質から酸素が放出されないために、上流触媒が未だ活性化されていないときには、ＨＣ吸着触媒に余分な酸素が流入するのを防止することがきる一方で、上流触媒が既に活性化されているときには、上流触媒から流出するＨＣの濃度を精度良く推定することができるようになる。
【００７６】
また、請求項２に係る発明によれば、脱離運転状態に移行する前に上流触媒の酸素吸蔵物質の酸素吸蔵能力を早急に且つ確実に低減することができると共に、必要以上に長い期間の間、排気ガスが還元側に制御されるのを防止することができる。
【００７７】
また、請求項３に係る発明によれば、吸蔵酸素量低減手段によって排気ガス中の酸素濃度が低減されている期間を短縮することができる。
【００７８】
また、請求項４に係る発明によれば、応答に時間がかかる空燃比制御のフィードバックを極力避けることができて、脱離運転状態への移行直後から精度良く排気ガスを還元側に制御することができる。
【００７９】
また、請求項５に係る発明によれば、脱離運転状態にあるときに、ＨＣ吸着触媒の上流側における排気ガスを確実に還元側に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係るエンジンの排気浄化装置の全体構成を示す全体図である。
【図２】ＨＣ吸着触媒の構成を部分的に示す断面図である。
【図３】（ａ）は、ＨＣ吸着触媒の運転動作を示す特性図であり、（ｂ）は、ＨＣ吸着触媒の温度変化を示す特性図であり、（ｃ）は、空燃比の変化を示す特性図である。
【図４】実施形態に係るエンジンの排気浄化装置の制御動作の前半部を示すフロー図である。
【図５】実施形態に係るエンジンの排気浄化装置の制御動作の後半部を示すフロー図である。
【符号の説明】
２２ 排気通路
２５ 三元触媒（上流触媒）
２７ ＨＣ吸着触媒
２７ｂ ＨＣ吸着材
４２ 脱離判定手段（判定手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気通路に上流触媒とＨＣ吸着触媒とを備えたエンジンの排気浄化装置に関し、特に、ＨＣ吸着触媒に流入する排気ガスの還元度を適正化する対策に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、排気通路に上流触媒とＨＣ吸着触媒とを配置して、このＨＣ吸着触媒に流入する酸素量を調整するようにしたエンジンの排気浄化装置が知られている。この上流触媒は、酸素吸蔵物質を含有した三元触媒により構成されてエンジンに近接して配置されるもので、エンジン始動後においてより早い時間に活性化するようになっている。上記ＨＣ吸着触媒は、一般にＨＣ吸着材と酸素吸蔵物質と触媒金属とを含有している。ＨＣ吸着材は、エンジンの冷間始動時等の低温時に排気ガス中のＨＣ（炭化水素）を吸着する一方、この吸着したＨＣをＨＣ吸着材の昇温に伴って脱離する特性を有している。酸素吸蔵物質は、例えば酸化セリウム等のように、酸化側（リーン側）で酸素を吸蔵し、還元側（リッチ側）で酸素を放出する特性を有している。触媒金属は、所定温度以上になると活性化されて排気ガス中のＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを分解して排気ガスを浄化する特性を有している。
【０００３】
そして、エンジンを始動すると上記上流触媒が早期に活性化する一方で、ＨＣ吸着触媒では、当初はＨＣ吸着材へのＨＣの吸着のみが行われ、吸着したＨＣの脱離は行われない。そして、ＨＣ吸着材の温度が上昇して所定温度に達すると、吸着していたＨＣの脱離を開始する。このＨＣの脱離開始直後には触媒金属が未だ活性化されていない状態であるために、例えば、特開平１０−６１４２６号公報及び特開平１１−８２１１１号公報に開示されているように、空燃比をリーン側に制御することによってＨＣ吸着触媒内における排気ガスを酸素リッチな状態にし、排気ガス中の酸素を用いてＨＣを分解する技術が知られている。一方で、ＨＣの脱離中に空燃比をリッチ側に制御することにより、ＨＣ吸着触媒内における排気ガスをリッチ側に制御して酸素吸蔵物質から酸素を放出させ、この放出酸素によって上記ＨＣ吸着材から脱離したＨＣを分解させることが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来提案されている制御では、ＨＣ吸着材に吸着したＨＣの脱離中において空燃比をリッチ側に制御するものであり、このとき上流触媒の酸素吸蔵物質からも酸素が放出されて、この酸素がＨＣ吸着触媒に流入するために、ＨＣ吸着触媒に流入する排気ガスを精度良く還元側に制御するのが困難であるという問題があった。
【０００５】
本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところはＨＣ吸着触媒からのＨＣの脱離中にＨＣ吸着触媒に流入する排気ガスを精度良く還元側に制御することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、上流触媒に含有される酸素吸蔵物質に吸蔵されている酸素を脱離運転開始前に放出させてしまうようにしたものである。
【０００７】
具体的に、第１の解決手段は、エンジンの排気通路に配置され、ＨＣを吸着する一方で昇温に伴って吸着したＨＣを脱離するＨＣ吸着材と、酸化側で酸素を吸蔵し、還元側で酸素を放出する酸素吸蔵物質と、上記ＨＣ吸着材から脱離したＨＣを酸化する触媒金属とを含有するＨＣ吸着触媒と、上記ＨＣ吸着材からのＨＣの脱離量がＨＣ吸着材への吸着量を上回る脱離運転状態へ移行したか否かを判定する判定手段と、上記判定手段により脱離運転状態への移行が判定されると、酸素吸蔵物質から酸素が放出されるようにＨＣ吸着触媒の上流側又はＨＣ吸着触媒内における排気ガスを還元側に制御する還元度制御手段と、上記ＨＣ吸着触媒上流側の排気通路に配置され、酸化側で酸素を吸蔵し、還元側で酸素を放出する酸素吸蔵物質を含有する上流触媒と、上記判定手段により脱離運転状態へ移行したことが判定される前に、上記上流触媒の酸素吸蔵物質に吸蔵される酸素量を低減しておく吸蔵酸素量低減手段とを備えている。
【０００８】
また、第２の解決手段は、上記第１の解決手段において、吸蔵酸素量低減手段は、判定手段によって判定された脱離運転状態への移行時期の直前の所定期間内に、上流触媒の上流又は上流触媒の内部における排気ガス中の酸素濃度を０．１％以下に低減するように構成されている。
【０００９】
また、第３の解決手段は、上記第１又は第２の解決手段において、還元度制御手段は、ＨＣ吸着触媒の上流側又はＨＣ吸着触媒内における排気ガスの還元度の基準値を設定しており、吸蔵酸素量低減手段は、上流触媒の上流又は上流触媒の内部における排気ガスの還元度が上記基準値よりも還元度が大きな値に設定された目標値になるように制御するように構成されている。
【００１０】
また、第４の解決手段は、上記第１の解決手段において、還元度制御手段は、ＨＣ吸着触媒の上流側又はＨＣ吸着触媒内における排気ガスの酸素濃度が所定値以下になるようにエンジンの空燃比を制御するように構成されている。
【００１１】
また、第５の解決手段は、上記第４の解決手段において、還元度制御手段による空燃比の制御は、フィードバック値の還元側方向の補正値を酸化側方向の補正値より大きく設定する片側偏重フィードバック制御、又は排気ガスが基準より酸化側にあるときにフィードバック値の還元側方向への補正を行う片側フィードバック制御により行われる。
【００１２】
すなわち、上記第１の解決手段では、判定手段がＨＣ吸着材からのＨＣ脱離量がＨＣ吸着材への吸着量を上回る脱離運転状態に移行したか否かを判定する。ＨＣ吸着触媒が脱離運転状態に移行したと判定される前に、吸蔵酸素量低減手段が上記上流触媒の酸素吸蔵物質に吸蔵される酸素量を低減しておく。そして、判定手段により脱離運転状態に移行したと判断されると、還元度制御手段がＨＣ吸着触媒の上流側又はＨＣ吸着触媒内における排気ガスを還元側（リッチ側）に制御する。このとき、上流触媒の酸素吸蔵物質に吸蔵される酸素量が低減されているために、還元側に制御された排気ガスが上流触媒に流入しても、この酸素吸蔵物質からは酸素がほとんど放出されない。したがって、上流触媒の下流側に配置されるＨＣ吸着触媒には、精度良く還元側に制御された排気ガスが流入することとなり、このためにＨＣ吸着触媒の酸素吸蔵物質から放出される酸素量を精度良く制御することができ、この酸素を利用したＨＣの処理を効率よく行うことができる。
【００１３】
つまり、脱離運転状態に移行して還元側に制御された排気ガスが上流触媒に流入した場合において、例えば上流触媒が未だ活性化されていないときには、上流触媒の酸素吸蔵物質から酸素が放出されたとしても、この放出酸素は、排気ガス中のＨＣと反応しないために上流触媒から流出することとなる。そこで、脱離運転状態に移行する前に上流触媒の酸素吸蔵物質に吸蔵される酸素量を低減しておくことにより、脱離運転状態に移行したときに余分な酸素がＨＣ吸着触媒に流入するのを防止している。この結果、精度良く還元度が制御された排気ガスをＨＣ吸着触媒に流入させることができる。
【００１４】
一方、例えば上流触媒が既に活性化されているときには、上流触媒の酸素吸蔵物質に酸素が吸蔵されていると、この酸素が放出されて排気ガス中のＨＣと反応するために、上流触媒から流出する排気ガスのＨＣ濃度を精度良く制御することが困難となる。そこで、脱離運転状態に移行する前に上流触媒の酸素吸蔵物質に吸蔵されている酸素量を低減しておくことにより、上流触媒において排気ガス中のＨＣが放出酸素とほとんど反応することなく上流触媒から流出するために、ＨＣ吸着触媒に流入するＨＣ量を精度良く制御することができる。
【００１５】
また、上記第２の解決手段では、上記第１の解決手段において、吸蔵酸素量低減手段が、判定手段によってＨＣ吸着触媒が脱離運転状態に移行したと判定される直前の所定期間内に上流触媒の上流又は上流触媒の内部における排気ガス中の酸素濃度を０．１％以下に低減する。つまり、上流触媒の上流又は上流触媒の内部における排気ガス中の酸素濃度を０．１％以下に低減することにより、上流触媒の酸素吸蔵物質から酸素が放出されるために、脱離運転状態に移行する前に上流触媒の酸素吸蔵物質の酸素吸蔵能力を早急に且つ確実に低減することができる。また、上流触媒の上流又は上流触媒の内部における排気ガスを還元側に制御するのを所定期間内に制限することで、必要以上に長い期間の間、排気ガスが還元側に制御されるのを防止している。
【００１６】
また、上記第３の解決手段では、上記第１又は第２の解決手段において、上流触媒の上流又は上流触媒の内部における排気ガスの還元度の目標値が、ＨＣ吸着触媒の上流側又はＨＣ吸着触媒内における排気ガスの還元度の基準値よりも還元度が大きな値に設定されているために、上流触媒の酸素吸蔵物質から早急に酸素が放出され、吸蔵酸素量低減手段によって排気ガス中の酸素濃度が低減されている期間を短縮することができる。
【００１７】
また、上記第４の解決手段では、上記第１の解決手段において、判定手段によりＨＣ吸着触媒が脱離運転状態に移行したと判定されると、還元度制御手段が、ＨＣ吸着触媒の上流側又はＨＣ吸着触媒内における排気ガスの酸素濃度が所定値以下になるようにエンジンの空燃比を制御する。つまり、脱離運転状態に移行する前に上流触媒の酸素吸蔵物質に吸蔵される酸素量を低減しておくために、脱離運転状態に移行した後にＨＣ吸着触媒の上流側又はＨＣ吸着触媒内における排気ガスが還元側に制御されたときに、上流触媒から酸素が放出されることはほとんどなく、応答に時間がかかる空燃比制御のフィードバックを極力避けることができる。この結果、脱離運転状態への移行直後から精度良く排気ガスを還元側に制御することができる。
【００１８】
また、上記第５の解決手段では、上記第４の解決手段において、還元度制御手段による空燃比の制御では、偏重フィードバック制御又は片側フィードバック制御が行われる。つまり、脱離運転状態にあるときには、フィードバック値の還元側方向の補正値を酸化側方向の補正値より大きく設定する偏重フィードバック制御、又は排気ガスが基準より酸化側にあるときにフィードバック値の還元側方向への補正を行う片側フィードバック制御によりエンジンの空燃比制御を行うので、ＨＣ吸着触媒の上流側又はＨＣ吸着触媒内における排気ガスを確実に還元側に制御することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２０】
本発明の実施形態に係るエンジンの排気浄化装置は、筒内噴射式エンジンのガソリンエンジンからの排気ガスを浄化するものでる。上記ガソリンエンジンは、エンジン本体１に、複数の気筒２と、各気筒２内に往復動可能に嵌挿されたピストン３とが設けられ、このピストン３によって上記気筒２の上部に燃焼室４が区画形成されている。この燃焼室４の上部所定位置には、点火回路５に接続された点火プラグ６が燃焼室４内に望むように取り付けられている。
【００２１】
上記燃焼室４の周辺部には、この燃焼室４内に燃料を直接噴射する燃料供給手段としてのインジェクタ７が取り付けられている。このインジェクタ７には、図示省略した高圧燃料ポンプ、プレッシャレギュレータ等を有する燃料供給回路が接続され、この燃料供給回路によって燃料タンクからの燃料が適正な圧力に調整されてインジェクタ７に供給されるようになっている。また、上記燃料供給回路には、燃料圧力を検出する燃圧センサ８が設けられている。
【００２２】
上記燃焼室４は、吸気弁９が設けられた吸気ポートを介して吸気通路１０に連通している。この吸気通路１０には、その上流側から順に、吸気を濾過するエアクリーナ１１と、吸入空気量を検出するエアフローセンサ１２と、吸気通路１０を絞る電気式スロットル弁１３と、サージタンク１４とが配設されている。上記電気スロットル弁１３は、図外のアクセルペダルに連動することなく、モータ１５により駆動されて開閉動作するようになっている。さらに、上記電気スロットル弁１３の設置部には、その弁開度を検出するスロットル開度センサ１６が設けられ、上記サージタンク１４の設置部には、吸気圧を検出する吸気圧センサ１７が設けられている。
【００２３】
上記サージタンク１４よりも下流側の吸気通路１０は、気筒２毎に分岐する独立通路とされ、各独立通路の下流端部が２つに分岐してそれぞれ吸気ポートに連通すると共に、その一方にスワール弁１８が設けられている。このスワール弁１８がアクチュエータ１９により駆動されて閉鎖状態となると、吸気が他方の分岐通路のみから燃焼室４内に供給されるために、この燃焼室４内に強い吸気スワールが生成するようになっている。この吸気スワールは、上記スワール弁１８が開放するのに伴って弱められることとなる。上記スワール弁１８の設置部には、その開度を検出するスワール弁開度センサ２０が設けられている。尚、上記スワール弁１８に代え、タンブル流を生成するためのタンブル弁を設置した構造としてもよい。
【００２４】
上記燃焼室４には、排気弁２１が設けられた排気ポートを介して排気通路２２に連通し、この排気通路２２の上流端は気筒２毎に分岐している。上記排気通路２２には、その上流側から順に、排気ガス中の酸素濃度を検出する第１酸素濃度センサ２４と、排気ガス中のＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）及びＮＯｘ（窒素酸化物）の全てを浄化する機能を有する上流触媒としての三元触媒２５と、この三元触媒２５の下流側における排気ガス中の酸素濃度を検出する第２酸素濃度センサ２６と、排気ガス中のＨＣを吸着して浄化するＨＣ吸着触媒２７と、その下流側における排気ガス中の酸素濃度を検出する第３酸素濃度センサ２８とが配設されている。
【００２５】
上記第１〜第３酸素濃度センサ２４，２６，２８は、排気ガスの還元度を酸素濃度に基づいて得られる排気空燃比として検出するものであり、その出力が理論空燃比を境にしてリーン側とリッチ側とで大きく反転（変化）するλセンサにより構成され、これにより理論空燃比の近傍で優れた検出精度が得られるようになっている。上記各酸素濃度センサ２６，２８の検出値により、後述の酸素吸蔵物質からの酸素の放出に影響を与えるＨＣ、ＣＯ等の還元剤成分の成分濃度に相当するＨＣ吸着触媒２７の上流側又は下流側における排気ガスの還元度を推定するようになっている。尚、上記第１〜第３酸素濃度センサ２４，２６，２８は、上記λセンサに代え、空燃比に応じて出力がリニアに変化するリニア酸素センサにより構成するようにしてもよい。
【００２６】
排気空燃比とは、排気ガスの酸素濃度と還元剤濃度との存在状態からその排気ガス状態に直接対応する燃料と空気との混合気の空燃比を表す表現手法であり、排気空燃比が１４．７のときは理論空燃比に相当し、このときの酸素濃度は実質的に０〜０．５％となる。これを境界として排気空燃比が１４．７以下のときには、酸素濃度が減少あるいはゼロに固定され、還元剤濃度が増加する。一方、排気空燃比が１４．７以上では、酸素濃度が増加し、還元剤濃度が減少する。
【００２７】
上記三元触媒２５は、アルミナ等に担持されたパラジウム（Ｐｄ）又は白金（Ｐｔ）等の触媒金属と、ジルコニウム（Ｚｒ）等からなるバインダーとを有し、所定温度に加熱されて活性化することにより、排気ガス中のＨＣ及びＣＯを酸化して浄化すると共に排気ガス中のＮＯｘを還元して浄化するように構成されている。この浄化機能は、理論空燃比の付近において顕著に発揮されるものである。また、三元触媒２５は、例えば酸化セリウム（ＣｅＯ2）又はセリウムＣｅとプラセオジウムＰｒ等の希土類元素との複合酸化物等からなる酸素吸蔵物質を含有している。この酸素吸蔵物質は、排気ガスが酸化側（リーン側）にあるときに酸素を吸蔵し、この吸蔵した酸素を排気ガスが還元側（リッチ側）になると放出する特性を有している。三元触媒２５では、排気ガス中のＨＣ及びＣＯの酸化に排気ガス中の酸素に加え、この放出酸素が利用される。
【００２８】
上記ＨＣ吸着触媒２７は、特に冷間始動時等に排出されるＨＣを吸着して排気ガスを浄化する機能を有し、図２に示すように、コージュライト製のハニカム構造体からなる担体２７ａと、この担体２７ａに形成された貫通孔の壁面に担持されたＨＣ吸着材２７ｂと、その表面にコーティングされる等により担持された三元触媒層２７ｃとにより構成されている。
【００２９】
上記ＨＣ吸着材２７ｂは、排気ガス中のＨＣを吸着保持するのに適した孔径、つまり、７．２オングストローム程度の孔径を有する多数の細孔が形成された、いわゆるβ型ゼオライトに、銀（Ａｇ）を含侵担持させてなり、エンジンの冷間始動時等の低温時に排気ガス中のＨＣを吸着すると共に、昇温に伴って吸着したＨＣを脱離するものである。上記銀は、β型ゼオライトのＨＣ吸着作用を高めて、より高温までＨＣを保持し得るようにするために担持されている。
【００３０】
上記三元触媒層２７ｃは、アルミナ等に担持されたパラジウム（Ｐｄ）又は白金（Ｐｔ）等の触媒金属と、ジルコニウム（Ｚｒ）等からなるバインダーとを有し、所定温度に加熱されて活性化することにより、排気ガス中のＨＣ及びＣＯを酸化すると共に、排気ガス中のＮＯｘを還元して浄化する機能を有している。この浄化機能は、理論空燃比の付近において顕著に発揮されるものである。
【００３１】
上記三元触媒層２７ｃは、所定温度に加熱されて活性化することにより、排気ガス中の酸素濃度が高い高酸素雰囲気（例えば酸素濃度が０．５％以上の雰囲気）で酸素を吸蔵すると共に、排気ガス中の酸素濃度が低下して低酸素雰囲気下になるのに伴い、吸蔵した酸素を放出する機能を有する酸素吸蔵物質、例えば酸化セリウム（ＣｅＯ2）又はセリウムＣｅとプラセオジウムＰｒ等の希土類元素との複合酸化物等からなる酸素吸蔵物質を含有している。つまり、酸素吸蔵物質は、周囲の排気ガスが酸化側（リーン側）にあるときに酸素を吸蔵し、周囲の排気ガスが還元側（リッチ側）になるとこの吸蔵した酸素を放出する特性を有している。
【００３２】
上記三元触媒層２７ｃでは、上記酸素吸蔵物質から放出された酸素を利用した酸化作用により、上記ＨＣ吸着材２７ｂから脱離したＨＣが、比較的低温で酸化されて浄化されるようになっている。尚、上記ＨＣ吸着触媒２７は、三元触媒層２７ｃを構成する材料とＨＣ吸着材２７ｂとを一体に混合して構成するようにしてもよい。
【００３３】
上記排気通路２２には、排気ガスの一部を吸気系に還流させるＥＧＲ通路２９が接続されている。ＥＧＲ通路２９は、その上流端が排気通路２２における上記第１酸素濃度センサ２４の上流側に接続され、下流端が吸気通路１０における上記スロットル弁１３とサージタンク１４との間に接続されている。ＥＧＲ通路２９には、開度が電気的に調節可能に構成されたＥＧＲ弁３０と、このＥＧＲ弁３０のリフト量を検出するリフトセンサ３１とが配設されている。これらＥＧＲ通路２９とＥＧＲ弁３０とリフトセンサ３１とにより排気還流手段が構成されている。
【００３４】
上記排気通路２２には、吸気の一部を吸気通路１０から排気通路２２における上記ＨＣ吸着触媒２７の上流側に送り込む二次エア供給通路３２が接続され、この二次エア供給通路３２には、エンジンの制御を行うコントロールユニット（ＥＣＵ）３４から出力された制御信号に応じて開閉制御される流量制御弁３３が設けられている。
【００３５】
上記コントロールユニット３４には、上記エアフローセンサ１２、スロットル開度センサ１６、吸気圧センサ１７、スワール弁開度センサ２０、各酸素濃度センサ２４，２６，２８、及びＥＧＲ通路２９のリフトセンサ３１からの出力信号が入力されている。また、上記コントロールユニット３４には、エンジンの冷却水温度を検出する水温センサ３５、吸気温度を検出する吸気温度センサ３６、大気圧を検出する大気圧センサ３７、エンジンの回転数を検出する回転数センサ３８、及びアクセルペダルの開度（アクセル操作量）を検出するアクセル開度センサ３９から出力された検出信号が入力されている。
【００３６】
上記コントロールユニット３４は、脱離判定手段４２と、燃料噴射制御手段４０と、点火時期制御手段４１と、初期判定手段４３と、補正手段４４とを備えている。
【００３７】
上記脱離判定手段４２は、エンジンの始動後に計測された経過時間及び運転履歴等に基づいてＨＣ吸着触媒２７の温度THCEを導出し、この温度THCEと予め設定された基準温度とを比較することにより、ＨＣ吸着材２７ｂから脱離するＨＣの脱離量がＨＣ吸着材２７に吸着されるＨＣ吸着量を上回る脱離運転状態への移行時期を前もって推定すると共に、脱離運転状態に移行したか否かを判定するように構成されている。
【００３８】
つまり、図３(ａ)、(ｂ)に示すように、エンジンの冷間始動後は、ＨＣ吸着材２７ｂにＨＣが吸着するのみでＨＣ吸着材２７ｂからＨＣが脱離しない運転状態が継続し、ＨＣ吸着触媒２７の温度THCEが時間の経過に伴って次第に上昇する。そして、ＨＣの吸着量が次第に増大すると共に、ＨＣ吸着触媒２７の温度THCEがある温度に達すると、ＨＣ吸着材２７ｂからのＨＣの脱離が開始する。このとき、ＨＣ吸着材２７ｂへの吸着及びＨＣ吸着材２７ｂからの脱離が並行して行われる。そして、ＨＣ吸着触媒２７の温度THCEが更に上昇すると、ＨＣ吸着触媒２７は、ＨＣ吸着材２７ｂから脱離するＨＣの脱離量がＨＣ吸着材２７に吸着されるＨＣの吸着量を上回る脱離運転状態に移行する。このときの温度を脱離運転開始温度THC2とする。そして、更にＨＣ吸着触媒２７の温度THCEが上昇すると、ＨＣ吸着材２７ｂからＨＣが脱離するのが完了する。このときの温度THCEを脱離運転完了温度THC3とする。上記脱離運転開始温度THC2は例えば１５０℃とされ、上記脱離運転完了温度THC3は例えば２５０℃とされている。
【００３９】
即ち、ＨＣ吸着触媒２７の温度THCEは、時間の経過に伴って次第に上昇するが、その上昇速度はエンジン始動後の履歴等によって異なるために、脱離判定手段４２は、エンジン始動後の履歴等に基づいてＨＣ吸着触媒２７の温度THCEを導出すると共に、ＨＣ吸着触媒２７の温度THCEが脱離運転開始温度THC2に達する移行時期T2を推定するようになっている。そして、ＨＣ吸着触媒２７の温度THCEが脱離運転開始温度THC2に達しているか否かによって脱離運転状態に移行したか否かを判定するようになっている。
【００４０】
尚、上記脱離判定手段４２は、上記ＨＣ吸着触媒２７の下流側に配設された上記第３酸素濃度センサ２８により検出された酸素濃度に基づいて上記ＨＣ吸着材２７ｂからのＨＣの脱離量が吸着量を上回る脱離運転状態にあるか否かを判定するように構成してもよい。
【００４１】
上記初期判定手段４３は、エンジン始動後の履歴等に基づいて上記脱離運転状態への移行時期T2の所定期間前である初期制御開始時間T1を導出し、この初期制御開始時間T1におけるＨＣ吸着触媒２７の温度である初期制御開始温度THC1を推定すると共に、ＨＣ吸着触媒２７の温度THCEが初期制御開始温度THC1以上で且つ脱離運転開始温度THC2未満である初期運転状態に移行したか否かを判定するように構成されている。この所定期間は、例えば数秒程度に設定されている。
【００４２】
上記燃料噴射制御手段４０は、エンジンの運転状態に応じてインジェクタ７から噴射される燃料噴射状態を制御するように構成されている。
【００４３】
上記燃料噴射制御手段４０は、脱離判定手段４２により導出されたＨＣ吸着触媒２７の温度THCEが初期制御開始温度THC1以上で且つ脱離運転開始温度THC2未満の温度あると判定されたときには、第１酸素濃度センサ２４が検出した三元触媒２５の上流側における排気ガスの還元度OX1が空燃比１４．０での燃焼相当の還元度になるように燃料噴射量を制御する初期制御を実行するように構成されている。初期制御では、三元触媒２５の上流側における排気ガスの還元度OX1の目標値を空燃比１４．０での燃焼相当の還元度に設定することにより、三元触媒２５の上流側における排気ガス中の酸素濃度が０．１％以下の還元側（リッチ側）に制御されるようになっている。つまり、初期制御において、この排気ガスが還元側になるように制御することにより、三元触媒２５の酸素吸蔵物質に吸蔵された酸素が放出されるようになっている。即ち、この初期制御により、脱離運転状態への移行時期の前に上記三元触媒２５の酸素吸蔵物質に吸蔵される酸素量を低減しておく吸蔵酸素量低減手段が構成されている。
【００４４】
上記初期制御において、三元触媒２５の上流側における排気ガスの還元度OX1の目標値を空燃比で１３．０以上で且つ１４．５以下での燃焼相当の還元度に設定するのが好ましい。還元度OX1の目標値を空燃比１３．０未満での燃焼相当の還元度に設定すると、ＨＣ吸着触媒２７に多量のＨＣが流入する一方で、初期制御段階ではＨＣ吸着材２７ｂの吸着能力が未だ高まっていないために、ＨＣ吸着触媒２７に流入したＨＣの一部がＨＣ吸着材１７ｂに吸着されずに流出してしまうことになる。一方、還元度OX1の目標値を空燃比で１４．５を越える値での燃焼相当の還元度に設定すると、三元触媒２５の酸素吸蔵物質からの酸素放出が迅速に行われないこととなり、初期制御の時間を短縮することができなくなってしまう。そこで、還元度OX1の目標値を１３．０〜１４．５相当の還元度に設定するのが好ましい。
【００４５】
上記燃料噴射制御手段４０は、ＨＣ吸着触媒２７がＨＣの吸着と脱離とを行う運転状態にある場合には、吸気行程から点火時期にかけての期間内で、圧縮行程中期以降の後期噴射と、これより前の早期噴射とにおいてそれぞれ燃料噴射を行い、少なくとも２回の分割噴射を行わせるようにインジェクタ７を制御するように構成されている。尚、上記燃料噴射制御手段４０は、冷間運転時の全運転領域で分割噴射を行うように構成してもよく、また高負荷領域ではエンジン出力の要求を満足すべく、吸気行程のみで燃料噴射を行うように構成してもよい。また、必ずしも直噴で燃料を噴射を行う構成である必要はなく、吸気ポートにインジェクタ７を配置して、吸気と燃料との混合気を燃焼室４内に供給する構成のものであってもよい。
【００４６】
また、上記燃料噴射制御手段４０は、脱離運転状態にあると判定された場合には、上記初期制御を停止してＨＣ吸着触媒２７と接触する排気ガスが酸素濃度が０．５％以下の還元側（リッチ側）になるように燃料噴射量をフィードバック制御する酸素放出制御を実行するように構成されている。つまり、この酸素放出制御により、還元度制御手段が構成されている。酸素放出制御では、第２酸素濃度センサ２６が検出したＨＣ吸着触媒２７の上流側における排気ガスの還元度OX2が空燃比１４．５での燃焼相当の還元度になるように制御することにより、ＨＣ吸着触媒２７と接触する排気ガスの酸素濃度を０．５％以下に制御するようになっている。つまり、酸素放出制御において、空燃比１４．５での燃焼相当の排気ガスの還元度が、ＨＣ吸着触媒２７の上流側における還元度の基準値OX20として設定されている。
【００４７】
上記酸素放出制御において、排気ガスに含まれる酸素濃度を０．５％以下に制御するようになっているのは、上記ＨＣ吸着触媒２７と接触する排気ガスに含まれる酸素濃度が０．５％を越える酸化側（リーン側）に制御されると、ＨＣ吸着触媒２７に含有される酸素吸蔵物質から酸素が放出され難くなるからである。つまり、酸素放出制御では、ＨＣ吸着触媒２７の酸素吸蔵物質に対する排気ガスの還元度を制御するようになっている。
【００４８】
上記酸素放出制御では、ＨＣ吸着触媒２７の上流側における排気ガスの還元度OX2が空燃比１４．５での燃焼相当の基準値OX20よりも高いときには、燃料噴射量のフィードバック値Qfb2を補正値β1だけ低減し、逆に空燃比１４．５での燃焼相当の基準値OX20以下のときには、燃料噴射量のフィードバック値Qfb2を補正値β2だけ増大することにより、ＨＣ吸着触媒２７の上流側における還元度が基準値OX20になるように制御を行うようになっている。このとき、補正値β1を補正値β2よりも小さい値に設定することにより、ＨＣ吸着触媒２７の上流側における排気ガスを還元側（リッチ側）に制御し易くなっている。つまり、酸素放出制御は、フィードバック値の還元側方向の補正値を酸化側方向の補正値より大きく設定する片側偏重フィードバック制御となっている。
【００４９】
上記酸素放出制御では、エンジンの燃焼室４における空燃比が１３．５以上で且つ１５．０以下になるように制御するのが好ましい。空燃比１３．５未満では、ＨＣ吸着触媒２７での排気ガスが還元側となって酸素吸蔵物質からの酸素放出が促進されるものの、エンジンから排出されるＨＣ量が増大し過ぎると共にＨＣ吸着材２７ａから脱離したＨＣもあるために、ＨＣが浄化しきれなくなってしまう。一方、空燃比が１５．０を越えると、上流側に配置される三元触媒２５から流出した未反応の酸素がＨＣ吸着触媒２７に流入することとなり、ＨＣ吸着触媒２７に流入する排気ガスを確実に還元側に制御することが困難となるからである。
【００５０】
上記酸素放出制御では、エンジンの燃焼室４における空燃比が１４．０以上で且つ１４．７未満になるように制御するのがより好ましい。
【００５１】
上記初期制御にける三元触媒２５の上流側での還元度OX1の目標値は、酸素放出制御におけるＨＣ吸着触媒２７の上流側での還元度の基準値OX20よりも大きな値（還元度が強い側）に設定されている。これは、三元触媒２５の上流側において排気ガスの還元度をより強くすることで、三元触媒２５の酸素吸蔵物質から早急に酸素を放出することができて初期制御の時間短縮を図ることができるからである。
【００５２】
上記点火時期制御手段４１は、点火回路５に制御信号を出力して、エンジンの運転状態に応じて混合気の点火時期を制御するように構成されている。つまり、点火時期制御手段４１は、基本的には点火時期をＭＢＴに制御するが、エンジンの冷間運転状態において、上記分割噴射が行われているときに、上記脱離判定手段４２においてＨＣの脱離度合いが大きいことが確認された場合に、必要に応じて点火時期を上記ＭＢＴよりも所定量だけリタードさせるように構成されている。
【００５３】
上記補正手段４４は、上記酸素放出制御において、第３酸素濃度センサ２８が検出した還元度OX3に基づいて、燃料噴射制御手段４０による制御を補正するように構成されている。つまり、空燃比１４．６から１４．７での燃焼相当（理論空燃比相当）の還元度がＨＣ吸着触媒２７の下流側における基準値OX30として設定されており、上記補正手段４４は、ＨＣ吸着触媒２７の下流側における還元度が空燃比１４．６から１４．７での燃焼相当の基準値OX30になるように燃料噴射量のフィードバック値Qfb3を補正するように構成されている。
【００５４】
上記燃料噴射制御手段４０は、ＨＣ吸着触媒２７の温度THCEがＨＣ吸着材２７ｂからのＨＣの脱離が完了する脱離完了温度THC3以上になったことが確認されたときには、酸素放出制御から、運転状態に対応した燃料噴射量をフィードバック制御する温間運転制御に移行するように構成されている。つまり、温間運転制御では、上記フィードバック値Qfb2、Qfb3をゼロリセットすると共に、第１酸素濃度センサ２４が検出した三元触媒２５の上流側における排気ガスの還元度OX1に基づいて、燃料噴射量が制御されるようになっている。
【００５５】
また、上記燃料噴射制御手段４０は、例えば、温間運転時の成層燃焼領域では、上記インジェクタ７から圧縮行程の所定時期に燃料を一括して噴射させることにより、点火プラグ６の近傍に混合気の燃料を偏在させた状態で燃焼させると共に、例えば燃焼室４内における混合気の空燃比を３０程度のリーン状態とする成層燃焼モードの燃焼制御を実行するように構成されている。また、上記燃料噴射制御手段４０は、温間運転時の均一燃料燃焼領域では、上記インジェクタ７から吸気行程で燃焼を一括噴射させると共に、燃焼室４全体の平均空燃比を略理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）とする均一燃焼モードの燃焼制御を実行するように構成されている。尚、エンジンの中負荷中回転領域では、吸気行程と圧縮行程とに分割して燃料を噴射させるようにしてもよい。
【００５６】
−制御動作−
上述の如く構成されたエンジンの排気浄化装置の制御動作について、図４及び図５に示すフローチャートに基づいて説明する。
【００５７】
先ず、上記制御動作がスタートすると、ステップST11において、エアフローセンサ１２、第１〜第３酸素濃度センサ２４，２６，２８、水温センサ３５、吸気温センサ３６、大気圧センサ３７、回転数センサ３８及びアクセル開度センサ３９の検出値に対応した各データを入力し、ステップST12に移る。ステップST12では、アクセル開度及びエンジンの回転数に基づいて、予め設定されたマップからエンジンの目標トルクTrを設定してステップST13に移る。ステップST13では、上記目標トルクTrとエンジンの回転数とをパラメータとして、予め設定されたマップから燃料の基本噴射量Qb及び電気式スロットル弁１３の基本開度Th0を設定し、ステップST14に移り、電気式スロットル弁１３を駆動してステップST15に移る。上記基本噴射量Qb及び電気式スロットル弁１３の基本開度Th0は、エンジンの燃焼室４内における空燃比が理論空燃比になるように設定されている。
【００５８】
ステップST15において、運転履歴等によりＨＣ吸着触媒２７の温度THCEを導出すると共に、脱離運転状態への移行時期T2の所定期間前である初期制御開始時間T1を推定し、この初期制御開始時間T1におけるＨＣ吸着触媒２７の温度である初期制御開始温度THC1を推定する。そして、ステップST16に移り、ＨＣ吸着触媒２７の温度THCEが初期制御開始温度THC1より低いか否かを判定し、初期制御開始温度THC1より低いときには、ステップST17に進む。ステップST17において、基本噴射量Qbを最終噴射量Qpに設定し、ステップST18に移って噴射タイミングにあるか否かを判定し、噴射タイミングになるとステップST19に移って、燃料の噴射制御を実行する。このときには、エンジンの燃焼室４内における空燃比が理論空燃比に設定されて噴射制御が実行されている。
【００５９】
一方、ＨＣ吸着触媒２７の温度THCEが初期制御開始温度THC1以上になると、上記ステップST16の判定がＮＯとなり、ステップST16からステップST20に進む。ステップST20において、ＨＣ吸着触媒２７の温度THCEに基づいてＨＣ吸着材２７ｂからＨＣが脱離する運転状態にあるか否かを判定する。つまり、導出されたＨＣ吸着触媒２７の温度THCEが脱離運転開始温度THC2未満であるか否かを判断し、脱離運転状態に移行したか否かを判断する。
【００６０】
上記ステップST20において、ＨＣ吸着触媒２７の温度が上記脱離運転開始温度THC2未満の初期運転状態にあるときには、ステップST16における判定がＹＥＳとなり、ステップST21に進む。ステップST21では、基本噴射量Qbに初期調整噴射量Qpreを加算することにより、三元触媒２５の上流側における排気ガスの還元度OX1が空燃比１４．０での燃焼相当の還元度になるように最終噴射量Qpを設定して噴射制御を行う初期制御を実行する。そして、ステップST18に移って噴射タイミングに合わせて、ステップST19において燃料を噴射する。
【００６１】
つまり、初期制御では、三元触媒２５の上流側における排気ガスの還元度OX1が空燃比１４．０での燃焼相当の還元度に制御することにより、排気ガスは酸素濃度が０．１％以下の還元側（リッチ側）に制御されている。この結果、初期制御において、三元触媒２５の酸素吸蔵物質に吸蔵された酸素が早急に放出される。また、初期制御を脱離運転状態に移行される直前の所定期間内に制限することにより、必要以上に長い期間の間、排気ガスが還元側に制御されるのを防止することができて、燃料が無駄に消費されるのを抑制することができている。
【００６２】
一方、ＨＣ吸着触媒２７の温度THCEが上記脱離運転開始温度THC2以上のときには、ステップST20の判定がＮＯとなってステップST22に進み、ＨＣ吸着触媒２７の温度THCEが上記脱離運転開始温度THC2以上で且つ脱離運転完了温度THC3未満であるか否かを判定する。つまり、ＨＣ吸着材２７ｂから脱離されるＨＣの脱離量がＨＣ吸着材２７ｂに吸着されるＨＣの吸着量を上回る脱離運転状態にあるか否かを判定する。ＨＣ吸着触媒２７の温度THCEが上記の範囲内にあり、脱離運転状態にあるときには、ステップST22の判定がＹＥＳとなってステップST23に進む。
【００６３】
ステップST23において、第２酸素濃度センサ２６が検出したＨＣ吸着触媒２７の上流側における排気ガスの還元度OX2が基準値OX20（空燃比１４．５での燃焼相当）よりも高い（還元度合いが強い）か否かを判定する。そして、ＨＣ吸着触媒２７の上流側における排気ガスの還元度OX2が上記基準値OX20よりも高いときにはステップST24に進み、燃料噴射量のフィードバック値Qfb2を補正値β1だけ低減させてステップST25に進む。一方、上記排気ガスの還元度OX2が上記上流側の基準値OX20以下のときには、ステップST26に進み、燃料噴射量のフィードバック値Qfb2を補正値β2だけ増大させてステップST25に進む。つまり、上記脱離運転状態にあるときには、空燃比１４．５での燃焼相当の還元度になるように燃料噴射量を増減してＨＣ吸着触媒２７の上流側における排気ガスをリッチ側に制御している。
【００６４】
脱離運転状態では、三元触媒２５の酸素吸蔵物質における酸素吸蔵量が低減されているために酸素が放出されることがほとんどなく、排気ガス中のＨＣが酸素と反応しない三元触媒２５の未活性化時においても、三元触媒２５から余分な酸素が流出することはない。また、三元触媒２５が既に活性化された状態にある場合には、排気ガス中のＨＣが放出酸素と反応することなく三元触媒２５から流出するために、ＨＣ吸着触媒２７に流入するＨＣ量を精度良く制御することができる。
【００６５】
上記ステップST25において、ＨＣ吸着触媒２７の下流側における排気ガスの還元度OX3が下流側の基準値OX30（空燃比１４．６から１４．７での燃焼相当）よりも高い（還元度合いが強い）か否かを判定する。そして、ＨＣ吸着触媒２７の下流側における排気ガスの還元度OX3が上記下流側の基準値OX30よりも高いときにはステップST27に進み、前回に第３酸素濃度センサ２８が検出した還元度OX3が上記下流側の基準値OX30よりも高いか否かを判定し、還元度OX3が上記下流側の基準値OX30よりも高いときにのみステップST28に進んで、燃料噴射量のフィードバック値Qfb3を補正値γ1だけ低減させる。また、前回に第３酸素濃度センサ２８が検出した還元度OX3が上記下流側の基準値OX30以下であったときには、ステップST29に進み、フィードバック値Qfb3を補正することなくステップST30に進む。
【００６６】
一方、上記ステップST25において、ＨＣ吸着触媒２７の下流側における排気ガスの還元度OX3が上記下流側の基準値OX30以下であるときには、ステップST31に進み、燃料噴射量のフィードバック値Qfb3を補正値γ2だけ増大させてステップST30に進む。つまり、還元度OX3が連続して空燃比１４．７での燃焼相当の下流側の基準値OX30よりも高い場合、即ち連続してリッチ側に制御されている場合にのみ、フィードバック値Qfb3の低減補正を行うようにすると共に、低減補正する補正値γ1を増大補正する補正値γ2より小さい値に設定することにより、ＨＣ吸着触媒２７の上流側における排気ガスが、酸素濃度０．５％以下の還元側（リッチ側）に制御され易くなっている。
【００６７】
上記ステップST30において、第１酸素濃度センサ２４が検出した排気ガスの還元度OX1が、三元触媒２５の上流側における還元度基準値OX10よりも高い（還元度合いが強い）か否かを判定する。排気ガスの還元度OX1が三元触媒２５の上流側における還元度基準値OX10よりも低いときには、上記ステップST30における判定がＹＥＳとなってステップST32に進み、燃料噴射量のフィードバック値Qfb1を補正値αだけ低減させてステップST33に移る。一方、上記還元度基準値OX10以下のときには、ステップST30からステップST34に進み、フィードバック値Qfb1を補正値αだけ増大させて、ステップST33に移る。
【００６８】
上記ステップST33では、上記基本噴射量Qbに上記各フィードバック値Qfb1、Qfb2、Qfb3を加算することにより最終噴射量Qpを導出し、ステップST18に移って噴射タイミングに合わせて、ステップST19において燃料の噴射制御を実行する。
【００６９】
図３(ｃ)に示すように、上述した如く、初期運転状態（時間T1から時間T2の間）にある初期制御では、空燃比が１４．０相当の還元側に制御され、脱離運転状態（時間T2から時間T3の間）にある酸素放出制御では、空燃比が１４．５相当の還元側に制御されている。
【００７０】
一方、上記ステップST22において、ＨＣ吸着触媒２７の温度THCEが上記脱離運転完了温度THC3以上となったとき、即ち、脱離運転状態が終了したと判定されたときには、ステップST35に進んでフィードバック値Qfb2及びフィードバック値Qfb3をゼロに設定し、ステップST30に移る。そして、上記同様にステップST32，ST34においてフィードバック値Qfb1を補正値αだけ増減させ、ステップST33において最終噴射量Qpを導出する。つまり、最終噴射量Qpは、三元触媒２５の上流側における排気ガスの還元度OX1に基づいて決定されるフィードバック値Qfb1のみによって導出されて、酸素放出制御から温間運転制御に移行したこととなる。そして、ステップST18において噴射タイミングに合わせて、ステップST19において燃料の噴射制御を実行する。温間運転制御では、運転状態に対応した燃料噴射量のフィードバック制御が実行される。
【００７１】
【発明のその他の実施の形態】
上記実施形態について、酸素放出制御において、燃料噴射量を増大させることにより、排気ガスを還元側に制御する構成に限られず、二次エア供給通路３２からの空気の供給量を低減させることにより排気ガスを還元側に制御する構成であってもよい。
【００７２】
また、上記実施形態について、初期制御は、三元触媒２５の上流側における排気ガスの還元度の目標値が、酸素放出制御におけるＨＣ吸着触媒２７の上流側での上流側基準値よりも大きな値に設定される構成に限られるものではなく、還元側に設定されているものであればよい。
【００７３】
また、上記実施形態について、初期制御において、エンジンの空燃比制御により排気ガスを還元側に制御する構成には限られるものではなく、２次エア等による制御の適用も可能である。
【００７４】
また、上記実施形態について、酸素放出制御において、燃料噴射量のフィードバック値Qfb2の増大補正値β2を低減補正値β1より大きな値に設定する片側偏重フィードバック制御に代え、ＨＣ吸着触媒２７の上流側における排気ガスが基準値OX20より酸化側にあるときのみフィードバック値の還元側方向への補正を行う片側フィードバック制御としてもよい。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、ＨＣ吸着触媒が脱離運転状態に移行する前に上流触媒の酸素吸蔵物質に吸蔵される酸素量を低減しておくようにしたために、脱離運転状態にあるときに余分な酸素がＨＣ吸着触媒に流入するのを防止することができ、ＨＣ吸着触媒に接触する排気ガスの還元度を簡単に且つ精度良く制御することができる。つまり、上流触媒の酸素吸蔵物質から酸素が放出されないために、上流触媒が未だ活性化されていないときには、ＨＣ吸着触媒に余分な酸素が流入するのを防止することがきる一方で、上流触媒が既に活性化されているときには、上流触媒から流出するＨＣの濃度を精度良く推定することができるようになる。
【００７６】
また、請求項２に係る発明によれば、脱離運転状態に移行する前に上流触媒の酸素吸蔵物質の酸素吸蔵能力を早急に且つ確実に低減することができると共に、必要以上に長い期間の間、排気ガスが還元側に制御されるのを防止することができる。
【００７７】
また、請求項３に係る発明によれば、吸蔵酸素量低減手段によって排気ガス中の酸素濃度が低減されている期間を短縮することができる。
【００７８】
また、請求項４に係る発明によれば、応答に時間がかかる空燃比制御のフィードバックを極力避けることができて、脱離運転状態への移行直後から精度良く排気ガスを還元側に制御することができる。
【００７９】
また、請求項５に係る発明によれば、脱離運転状態にあるときに、ＨＣ吸着触媒の上流側における排気ガスを確実に還元側に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係るエンジンの排気浄化装置の全体構成を示す全体図である。
【図２】ＨＣ吸着触媒の構成を部分的に示す断面図である。
【図３】（ａ）は、ＨＣ吸着触媒の運転動作を示す特性図であり、（ｂ）は、ＨＣ吸着触媒の温度変化を示す特性図であり、（ｃ）は、空燃比の変化を示す特性図である。
【図４】実施形態に係るエンジンの排気浄化装置の制御動作の前半部を示すフロー図である。
【図５】実施形態に係るエンジンの排気浄化装置の制御動作の後半部を示すフロー図である。
【符号の説明】
２２ 排気通路
２５ 三元触媒（上流触媒）
２７ ＨＣ吸着触媒
２７ｂ ＨＣ吸着材
４２ 脱離判定手段（判定手段）
Claims (5)
- エンジンの排気通路に配置され、ＨＣを吸着する一方で昇温に伴って吸着したＨＣを脱離するＨＣ吸着材と、酸化側で酸素を吸蔵し、還元側で酸素を放出する酸素吸蔵物質と、上記ＨＣ吸着材から脱離したＨＣを酸化する触媒金属とを含有するＨＣ吸着触媒と、
上記ＨＣ吸着材からのＨＣの脱離量がＨＣ吸着材への吸着量を上回る脱離運転状態へ移行したか否かを判定する判定手段と、
上記判定手段により脱離運転状態への移行が判定されると、酸素吸蔵物質から酸素が放出されるようにＨＣ吸着触媒の上流側又はＨＣ吸着触媒内における排気ガスを還元側に制御する還元度制御手段と、
上記ＨＣ吸着触媒上流側の排気通路に配置され、酸化側で酸素を吸蔵し、還元側で酸素を放出する酸素吸蔵物質を含有する上流触媒と、
上記判定手段により脱離運転状態へ移行したことが判定される前に、上記上流触媒の酸素吸蔵物質に吸蔵される酸素量を低減しておく吸蔵酸素量低減手段とを備えている
ことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。 - 請求項１において、
吸蔵酸素量低減手段は、判定手段によって判定された脱離運転状態への移行時期の直前の所定期間内に、上流触媒の上流又は上流触媒の内部における排気ガス中の酸素濃度を０．１％以下に低減するように構成されている
ことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。 - 請求項１又は２において、
還元度制御手段は、ＨＣ吸着触媒の上流側又はＨＣ吸着触媒内における排気ガスの還元度の基準値を設定しており、
吸蔵酸素量低減手段は、上流触媒の上流又は上流触媒の内部における排気ガスの還元度が上記基準値よりも還元度が大きな値に設定された目標値になるように制御するように構成されている
ことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。 - 請求項１において、
還元度制御手段は、ＨＣ吸着触媒の上流側又はＨＣ吸着触媒内における排気ガスの酸素濃度が所定値以下になるようにエンジンの空燃比を制御するように構成されている
ことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。 - 請求項４において、
還元度制御手段による空燃比の制御は、フィードバック値の還元側方向の補正値を酸化側方向の補正値より大きく設定する片側偏重フィードバック制御、又は排気ガスが基準より酸化側にあるときにフィードバック値の還元側方向への補正を行う片側フィードバック制御により行われる
ことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
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