JP3826642B2 - 内燃機関の排気昇温装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等に搭載される内燃機関から排出される排気の温度を昇温させる技術に関し、特に排気中に含まれる未燃燃料成分を低減すべく排気の温度を昇温させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車等に搭載される内燃機関では、排気中に含まれる有害ガス成分を十分に浄化した上で大気中に放出することが要求されている。このような要求に対し、内燃機関の排気通路に排気浄化触媒を設け、その排気浄化触媒によって排気中に含まれる有害ガス成分を浄化する技術が提案されている。
【０００３】
排気浄化触媒としては、例えば、三元触媒、吸蔵還元型ＮＯx触媒、選択還元型ＮＯx触媒、酸化触媒、もしくは、これらの排気浄化触媒を適宜組み合わせてなる排気浄化触媒など、多種多様の排気浄化触媒が開発されている。
【０００４】
上記した排気浄化触媒は、一様にして所定温度以上で活性して排気中の有害ガス成分を浄化可能となるため、内燃機関が冷間始動された場合のように排気浄化触媒の温度が所定温度未満となるような場合には排気中の有害ガス成分を十分に浄化することができない。
【０００５】
特に、内燃機関が冷間始動された場合は、筒内の温度が低く混合気の燃焼が不安定となりやすいため、比較的多量の未燃燃料成分が排出されるが、その際に排気浄化触媒が未活性状態にあると比較的多量の未燃燃料成分が浄化されずに大気中に放出されることになる。
【０００６】
従って、内燃機関が冷間始動される場合には、大気中に放出される未燃燃料成分量を抑制しつつ、排気浄化触媒の早期活性化を図ることが重要となる。このような要求に対し、従来では、特開平８−７４５６８号公報に記載されたような内燃機関の二次エア供給装置が提案されている。
【０００７】
上記した内燃機関の二次エア供給装置は、内燃機関が冷間始動された場合のように排気浄化触媒が未活性状態にあるときは、内燃機関の排気通路に二次空気を供給することによって排気空燃比をリーンとし、排気中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）を酸化及び浄化させるとともに、一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）の酸化反応時に発生する熱を利用して排気浄化触媒の早期活性化を図ろうとするものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、内燃機関が冷間始動された場合は、排気通路内の雰囲気温度が低いため、単に排気中に二次空気を供給して排気空燃比をリーン空燃比とするだけでは、一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）を十分に酸化及び浄化することは困難である。更に、一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）の酸化反応が十分に行われないと、酸化反応時に発生する熱量が少なくなり、排気浄化触媒の早期活性化を図ることも困難となる。
【０００９】
本発明は、上記したような種々の問題点に鑑みてなされたものであり、排気中に含まれる未燃燃料成分を浄化しつつ排気を昇温させる排気昇温装置において、未燃燃料成分の浄化と排気の昇温とを効率的に行える技術を提供することにより、冷間時における排気エミッションの悪化を抑制することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記した課題を解決するために以下のような手段を採用した。すなわち、本発明に係る内燃機関の排気昇温装置は、
内燃機関に接続された排気通路と、
前記排気通路に設けられ、前記排気通路を流れる排気の流量を調節する排気絞り弁と、
排気中に含まれる未燃燃料成分量を低減すべきときに、前記排気絞り弁をほぼ全閉に制御する弁制御手段と、
前記弁制御手段によって排気絞り弁がほぼ全閉に制御されたときに、前記排気通路における上流の部位へ二次空気を供給する二次空気供給手段と、
前記弁制御手段によって排気絞り弁がほぼ全閉に制御されたときに、前記内燃機関を理論空燃比もしくは燃料過剰空燃比で運転させる機関空燃比制御手段と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
このように構成された内燃機関の排気昇温装置では、排気中に含まれる未燃燃料成分を低減させる必要が生じた場合は、排気絞り弁がほぼ全閉に制御され、内燃機関が理論空燃比もしくは燃料過剰空燃比で運転され、更に排気通路における上流の部位に二次空気が供給される。
【００１２】
この場合、排気絞り弁がほぼ全閉状態となるため、内燃機関から排気絞り弁に至る排気通路内の圧力が高められるとともに、前記排気通路における排気の流速が低下することになる。
【００１３】
前記排気通路内の圧力が高まると、それに応じて前記排気通路内の雰囲気温度が上昇するため、内燃機関から排出された排気の温度低下が抑制される。一方、排気通路内おける排気の流速が低下すると、内燃機関から排出された排気が比較的長期にわたって内燃機関の直下流の排気通路内に滞留することになる。
【００１４】
この結果、内燃機関の直下流には、高温状態の排気が長期にわたって滞留することになるため、そのような状況下で排気中に二次空気が供給されると、排気中の未燃燃料成分と二次空気中の酸素とが長期にわたって高温下に曝され、未燃燃料成分と酸素との反応が促進される。未燃燃料成分と酸素との反応が活発になると、反応時に発生する熱量が増加し、排気の温度が更に上昇することになる。
【００１５】
一方、排気絞り弁が全閉に制御されたことによって高められた排気圧力は、背圧として内燃機関に作用することになるが、その際に内燃機関が理論空燃比もしくは燃料過剰空燃比で運転されるため、内燃機関の運転状態が不安定になることがない。
【００１６】
本発明に係る内燃機関の排気昇温装置において、排気中の未燃燃料成分を低減すべき場合としては、内燃機関が冷間始動後の暖機運転状態にある場合のように、内燃機関から比較的多量の未燃燃料成分が排出される場合を例示することができる。
【００１７】
また、本発明に係る内燃機関の排気昇温装置において、内燃機関が筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射手段を具備し成層燃焼運転と均質燃焼運転とを切り替え可能な筒内噴射型内燃機関である場合は、機関空燃比制御手段は、未燃燃料成分量を低減すべく排気絞り弁がほぼ全閉に制御されたときに、内燃機関を理論空燃比もしくは燃料過剰空燃比で均質燃焼運転させてもよい。
【００１８】
ここで、排気絞り弁がほぼ全閉状態に制御されたときに、内燃機関を均質燃料運転させるのは、排気絞り弁がほぼ全閉状態に制御された場合は内燃機関に作用する背圧が上昇するため、その際に内燃機関が成層燃焼運転状態にあると、内燃機関の燃焼状態が不安定になることが想定されるからである。
【００１９】
また、上記の場合、未燃燃料成分量を低減すべく排気絞り弁がほぼ全閉に制御されるときには、燃料噴射手段による主たる燃料の噴射によって噴射された燃料の燃焼直後に燃料噴射手段から副次的に燃料を噴射させてもよい。排気絞り弁がほぼ全閉状態に制御されたときに、燃料噴射手段から副次的に燃料（副燃料）が噴射されると、主燃料の燃え残りである未燃燃料成分と副燃料が高温下で長期にわたって燃焼することとなり、排気中の未燃燃料成分量が確実に低減される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の排気昇温装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。
【００２１】
＜実施の形態１＞
先ず、本発明に係る内燃機関の排気昇温装置の第１の実施態様について図１〜図３に基づいて説明する。
【００２２】
図１は、第１の実施の形態にかかる排気昇温装置を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。
図１に示す内燃機関１は、酸素過剰状態の混合気を燃焼可能な希薄燃焼式内燃機関であり、４つの気筒２１を有する水冷式の４サイクルガソリンエンジンである。
【００２３】
前記内燃機関１には、各気筒２１の燃焼室に臨むよう点火栓２５が取り付けられている。前記内燃機関１には、吸気枝管３３と排気枝管４５とが接続されている。
【００２４】
前記吸気枝管３３の各枝管は、内燃機関１の図示しない吸気ポートを介して各気筒２１の燃焼室と連通している。前記吸気枝管３３は、サージタンク３４に接続され、サージタンク３４は、吸気管３５を介してエアクリーナボックス３６に接続されている。
【００２５】
前記吸気枝管３３の各枝管には、各気筒２１の吸気ポートに向けて燃料を噴射する燃料噴射弁１１が取り付けられている。各燃料噴射弁１１は、燃料分配管１０と連通しており、燃料分配管１０は、図示しない燃料ポンプと連通している。
【００２６】
前記吸気管３５には、該吸気管３５内を流れる新気の流量を調節するスロットル弁３９が設けられている。このスロットル弁３９には、ステッパモータ等からなり、印加電流の大きさに応じて該スロットル弁３９を開閉駆動するスロットル用アクチュエータ４０と、該スロットル弁３９の開度に対応した電気信号を出力するスロットルポジションセンサ４１とが取り付けられている。
【００２７】
前記スロットル弁３９には、アクセルペダル４２に連動して回転するアクセルレバー（図示せず）が併設され、このアクセルレバーには、アクセルレバーの回転位置（アクセルペダル４２の踏み込み量）に対応した電気信号を出力するアクセルポジションセンサ４３が取り付けられている。
【００２８】
前記吸気管３５において前記スロットル弁３９より上流の部位には、該吸気管３５内を流れる新気の質量（吸入空気質量）に対応した電気信号を出力するエアフローメータ４４が取り付けられる。
【００２９】
一方、前記排気枝管４５の各枝管は、内燃機関１の図示しない排気ポートを介して各気筒２１の燃焼室と連通している。内燃機関１には、その噴孔が各気筒の排気ポートに望むよう二次空気噴射ノズル５３が取り付けられている。前記二次空気噴射ノズル５３は、図示しないエアポンプと接続され、該エアポンプから供給される二次空気を排気ポート内へ噴射するものである。
【００３０】
前記排気枝管４５は、排気浄化触媒４６に接続され、排気浄化触媒４６は、排気管４７に接続されて、更に排気管４７は、下流にて図示しないマフラーと接続されている。
【００３１】
前記排気浄化触媒４６は、例えば、該排気浄化触媒４６に流入する排気の空燃比がリーンであるときは排気中の窒素酸化物（ＮＯx）を吸収し、該排気浄化触媒４６に流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは吸収していた窒素酸化物（ＮＯx）を放出しつつ窒素（Ｎ2）に還元する吸蔵還元型ＮＯx触媒である（以下、排気浄化触媒４６を吸蔵還元型ＮＯx触媒４６と記す）。
【００３２】
前記吸蔵還元型ＮＯx触媒４６は、上流側の端部が開放され且つ下流側の端部が閉塞された流路と、上流側の端部が閉塞され且つ下流側の端部が開放された流路とがハニカム状をなすよう交互に配置された担体と、各流路の壁面に担持されたＮＯx吸収剤とから構成されている。
【００３３】
前記担体は、例えば、多孔質のセラミックで構成されている。前記ＮＯx吸収剤としては、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、あるいはセシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属と、バリウム（Ｂａ）やカルシウム（Ｃａ）等のアルカリ土類と、ランタン（Ｌａ）やイットリウム（Ｙ）等の希土類とから選択された少なくとも１つと、白金（Ｐｔ）等の貴金属類とから成るものを例示することができるが、本実施の形態では、ＢａとＰｔとからなるＮＯx吸収剤を例に挙げて説明する。
【００３４】
このように構成された吸蔵還元型ＮＯx触媒４６では、該吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に流入する排気の空燃比がリーンとなり、排気中の酸素濃度が高まると、排気中の酸素（Ｏ2）がＮＯx吸収剤のＰｔ表面にＯ2-あるいはＯ2-として付着し、次いで排気中の一酸化窒素（ＮＯ）がＰｔの表面上でＯ2-あるいはＯ2-と反応して二酸化窒素（ＮＯ2）となる。
【００３５】
前記二酸化窒素（ＮＯ2）は、Ｐｔの表面で酸化されつつ酸化バリウム（ＢａＯ）と結合して硝酸イオン（ＮＯ3-）を形成する。このように、排気中の窒素酸化物（ＮＯx）は、ＮＯ3-としてＮＯx吸収剤に吸収される。
【００３６】
上記したようなＮＯxの吸収作用は、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に流入する排気の空燃比がリーンであり、且つＮＯx吸収剤のＮＯx吸収能力が飽和しない限り継続される。
【００３７】
一方、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６では、該吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に流入する排気中の酸素濃度が低下すると、ＮＯx吸収剤における二酸化窒素（ＮＯ2）生成量が減少し、酸化バリウム（ＢａＯ）と結合していたＮＯ3-が逆に二酸化窒素（ＮＯ2）となってＮＯx吸収剤から離脱する。
【００３８】
すなわち、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に流入する排気の酸素濃度が低下すると、ＮＯ3-の形でＮＯx吸収剤に吸収されていた窒素酸化物（ＮＯx）は、二酸化窒素（ＮＯ2）となってＮＯx吸収剤から放出されることになる。
【００３９】
ＮＯx吸収剤から放出された窒素酸化物（ＮＯx）は、排気中に含まれる還元成分（例えば、ＮＯx吸収剤のＰｔ上の酸素Ｏ2-あるいは酸素Ｏ2-と反応して部分酸化したＨＣやＣＯ等の活性種）と反応して窒素（Ｎ2）等に還元及び浄化される。
【００４０】
ここで図１に戻り、前記排気枝管４５には、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に流入する排気の空燃比に対応した電気信号を出力する空燃比センサ４８が取り付けられている。
【００４１】
前記空燃比センサ４８は、例えば、ジルコニア（ＺｒＯ2）を筒状に焼成した固体電解質部と、この固体電解質部の外面を覆う外側白金電極と、前記固体電解質部の内面を覆う内側白金電極とから形成され、前記電極間に電圧が印加された場合に、酸素イオンの移動に伴って排気ガス中の酸素濃度（理論空燃比よりもリッチ側のときは未燃ガス成分の濃度）に比例した値の電圧を出力するセンサである。
【００４２】
前記排気管４７において吸蔵還元型ＮＯx触媒４６より下流の部位には、該排気管４７内を流れる排気の流量を絞る排気絞り弁４９が設けられている。この排気絞り弁４９には、ステッパモータ等からなり、印加電力の大きさに応じて該排気絞り弁４９を開閉駆動する排気絞り用アクチュエータ５０が取り付けられている。
【００４３】
一方、内燃機関１には、図示しないクランクシャフトの端部に取り付けられたタイミングロータと、内燃機関１のシリンダブロックに取り付けられた電磁ピックアップとから構成され、前記クランクシャフトが所定角度（例えば、３０度）回転する都度、パルス信号を出力するクランクポジションセンサ５１が取り付けられている。
【００４４】
前記内燃機関１には、該内燃機関１のシリンダブロック及びシリンダヘッドに形成されたウォータジャケット内を流れる冷却水の温度に対応した電気信号を出力する水温センサ５２が取り付けられている。
【００４５】
このように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）２０が併設されている。ＥＣＵ２０には、スロットルポジションセンサ４１、エアフローメータ４４、空燃比センサ４８、クランクポジションセンサ５１、水温センサ５２等の各種センサが電気配線を介して接続され、各センサの出力信号値がＥＣＵ２０に入力されるようになっている。
【００４６】
ＥＣＵ２０には、燃料噴射弁１１、点火栓２５、排気絞り用アクチュエータ５０、二次空気噴射ノズル５３等が電気配線を介して接続され、ＥＣＵ２０が燃料噴射弁１１、点火栓２５、排気絞り用アクチュエータ５０、二次空気噴射ノズル５３等を電気的に制御することが可能となっている。
【００４７】
ここで、ＥＣＵ２０は、図２に示すように、双方性バス２００によって相互に接続された、ＣＰＵ２０１と、ＲＯＭ２０２と、ＲＡＭ２０３と、バックアップＲＡＭ２０４と、入力ポート２０５と、出力ポート２０６とを備えるとともに、前記入力ポート２０５に接続されたＡ／Ｄコンバータ（Ａ／Ｄ）２０７を備えている。
【００４８】
前記入力ポート２０５は、クランクポジションセンサ５１のようにデジタル信号形式の信号を出力するセンサの出力信号を入力し、それらの出力信号をＣＰＵ２０１やＲＡＭ２０３へ送信する。
【００４９】
前記入力ポート２０５は、スロットルポジションセンサ４１、アクセルポジションセンサ４３、エアフローメータ４４、空燃比センサ４８、水温センサ５２等のように、アナログ信号形式の信号を出力するセンサの出力信号をＡ／Ｄ２０７を介して入力し、それらの出力信号をＣＰＵ２０１やＲＡＭ２０３へ送信する。
【００５０】
前記出力ポート２０６は、燃料噴射弁１１、点火栓２５、スロットル用アクチュエータ４０、排気絞り用アクチュエータ５０、二次空気噴射ノズル５３等と電気配線を介して接続され、ＣＰＵ２０１から出力される制御信号を、前記した燃料噴射弁１１、点火栓２５、スロットル用アクチュエータ４０、排気絞り用アクチュエータ５０、あるいは二次空気噴射ノズル５３等へ送信する。
【００５１】
前記ＲＯＭ２０２は、燃料噴射弁１１から噴射すべき燃料噴射量を決定するための燃料噴射量制御ルーチン、燃料噴射弁１１から燃料を噴射すべき時期を決定するための燃料噴射時期制御ルーチン、燃料噴射量の空燃比フィードバック制御を行うための空燃比フィードバック制御ルーチン、点火栓２５の点火時期を決定するための点火時期制御ルーチン、スロットル弁３９の開度を制御するためのスロットル制御ルーチン、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に吸収された窒素酸化物（ＮＯx）を浄化するためのＮＯx浄化制御ルーチン等の各種アプリケーションプログラムに加え、排気の温度を上昇させるための排気昇温制御ルーチンを記憶している。 前記ＲＯＭ２０２は、上記したアプリケーションプログラムに加え、各種の制御マップを記憶している。前記制御マップは、例えば、内燃機関１の運転状態と燃料噴射量との関係を示す燃料噴射量制御マップ、内燃機関１の運転状態と燃料噴射時期との関係を示す燃料噴射時期制御マップ、内燃機関１の運転状態と点火時期との関係を示す点火時期制御マップ、内燃機関１の運転状態とスロットル弁３９との関係を示すスロットル開度制御マップ、内燃機関１の運転状態と吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に吸収された窒素酸化物（ＮＯx）量との関係を示すＮＯx吸収量制御マップ等である。
【００５２】
前記ＲＡＭ２０３は、各センサからの出力信号やＣＰＵ２０１の演算結果等を格納する。前記演算結果は、例えば、クランクポジションセンサ５１の出力信号に基づいて算出される機関回転数である。これらのデータは、クランクポジションセンサ５１が信号を出力する都度、最新のデータに書き換えられる。
【００５３】
前記バックアップＲＡＭ２０４は、内燃機関１の運転停止後もデータを記憶可能な不揮発性のメモリである。
前記ＣＰＵ２０１は、前記ＲＯＭ２０２に記憶されたアプリケーションプログラムに従って動作して、燃料噴射制御、点火制御、スロットル制御、ＮＯx浄化制御等を実行するとともに、本発明の要旨となる排気昇温制御を実行する。
【００５４】
その際、ＣＰＵ２０１は、クランクポジションセンサ５１、アクセルポジションセンサ４３、あるいはエアフローメータ４４等の出力信号値をパラメータとして内燃機関１００の運転状態を判別し、判別された運転状態に応じて各種の制御を実行する。
【００５５】
例えば、ＣＰＵ２０１は、内燃機関１の運転状態が低・中負荷運転領域にあると判定した場合は、酸素過剰状態の混合気（リーン空燃比の混合気）によって内燃機関１を運転（希薄燃焼運転）させるべく燃料噴射量を制御する。
【００５６】
ＣＰＵ２０１は、内燃機関１の運転状態が高負荷運転領域にあると判定した場合は、理論空燃比の混合気もしくは燃料過剰状態の混合気（リッチ空燃比の混合気）によって内燃機関１を運転（ストイキ運転もしくはリッチ運転）させるべく燃料噴射量を制御する。
【００５７】
尚、内燃機関１が希薄燃焼運転されている場合は、内燃機関１から排出される排気の空燃比がリーン雰囲気となるため、排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯx）が吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に吸蔵されることになるが、内燃機関１の希薄燃焼運転が長期間継続されると、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６の窒素酸化物（ＮＯx）吸蔵能力が飽和し、排気中の窒素酸化物（ＮＯx）が吸蔵還元型ＮＯx触媒４６にて除去もしくは浄化されずに大気中に放出される虞がある。
【００５８】
これに対し、ＣＰＵ２０１は、内燃機関１００が希薄燃焼運転されている場合は、比較的に短い周期でスパイク的（短時間）に内燃機関１がストイキ運転またはリッチ運転されるよう燃料噴射量を制御することにより、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に吸蔵された窒素酸化物（ＮＯx）を短周期的に放出及び浄化する、ＮＯx浄化制御を実行する。
【００５９】
すなわち、ＣＰＵ２０１は、ＮＯx浄化制御において、排気空燃比（この実施の形態では混合気の空燃比）が比較的に短い周期で「リーン」と「スパイク的な理論空燃比またはリッチ空燃比」を交互に繰り返されるよう内燃機関１００の運転状態を制御する、いわゆる、リーン・リッチスパイク制御を実行する。
【００６０】
次に、ＣＰＵ２０１は、内燃機関１の排気に含まれる未燃燃料成分（未燃ＨＣ）を低減すべき時期に、排気昇温制御を実行する。ここで、排気中に含まれる未燃ＨＣを低減すべき時期としては、内燃機関１が冷間始動後の暖機運転状態にある場合のように、内燃機関１から比較的多量の未燃ＨＣが排出され、且つ、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が未活性状態にある場合を例示することができる。
【００６１】
排気昇温制御では、ＣＰＵ２０１は、先ず吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が活性状態にあるか否かを判別する。吸蔵還元型ＮＯx触媒４６の活性状態を判定する方法としては、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６の触媒床温を検出する温度センサを該吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に取り付け、その温度センサの出力信号値が所定の活性温度以上にあるときに吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が活性状態にあると判定する方法、もしくは、内燃機関１の運転履歴等から吸蔵還元型ＮＯx触媒４６の触媒床温を推定し、その推定値が所定の活性温度以上にあるときに吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が活性状態にあると判定する方法等を例示することができる。
【００６２】
ＣＰＵ２０１は、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が未活性状態にあると判定した場合は、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６の早期活性化を図るべく排気昇温処理を実行し、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が活性状態にあると判定した場合は、排気昇温処理を実行しないものとする。
【００６３】
排気昇温処理では、ＣＰＵ２０１は、内燃機関１をストイキ運転もしくはリッチ運転させるべく燃料噴射量を制御するとともに、二次空気噴射ノズル５３を作動させて内燃機関１の排気ポートへ二次空気を供給する。
【００６４】
この場合、二次空気噴射ノズル５３から噴射される二次空気は、内燃機関１の燃焼室から排気ポートへ排出された排気中に供給されることになる。その際、排気ポートは、燃焼室の直下流に位置するため、排気ポート内の排気は比較的高温の状態にある。このような高温状態の排気中に二次空気が供給されると、排気中に残存する未燃ＨＣが二次空気中の酸素と反応して浄化されるとともに、未燃ＨＣと酸素とが反応する際に発生する熱（反応熱）によって排気の温度が高められることになる。
【００６５】
未燃ＨＣと酸素との反応熱によって昇温した排気は、排気ポートから排気枝管４５を介して吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に流入し、排気の熱が吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に伝達されることになる。
【００６６】
ところで、内燃機関１の燃焼室内で燃焼した既燃ガスが排気ポートへ排出される際には、既燃ガスの圧力が大幅に低下し、それに応じて既燃ガスの温度が大幅に低下するため、既燃ガス中に残存する未燃ＨＣと二次空気中の酸素とを効果的に反応させることが困難となる。
【００６７】
更に、内燃機関１が冷間始動後の暖機運転状態にある場合は、内燃機関１の燃焼室から吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に至る排気経路（この場合は、排気ポート及び排気枝管４５）の温度が低いため、排気の熱が排気ポートや排気枝管４６に不用意に伝達され、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に到達した時点における排気の温度が低くなる虞がある。
【００６８】
そこで、本実施の形態に係る排気昇温制御では、ＣＰＵ２０１は、内燃機関１をストイキ運転もしくはリッチ運転させるとともに、二次空気噴射ノズル５３を作動させた上で、排気絞り弁４９を略全閉状態とすべく排気絞り用アクチュエータ５０を制御するようにした。
【００６９】
排気絞り弁４９が略全閉状態にされると、内燃機関１の燃焼室から排気絞り弁４９に至る排気経路（この場合は、排気ポート、排気枝管４５、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６、及び、排気管４７において排気絞り弁４９より上流の部位）内の圧力が上昇するとともに、それに応じて前記排気通路内の雰囲気温度が上昇することになる。
【００７０】
このように燃焼室から排気絞り弁４９に至る排気経路内の圧力及び雰囲気温度が上昇すると、燃焼室内の既燃ガスが排気ポートへ排出された際に、該既燃ガスの温度低下が抑制される。また、排気絞り弁４９がほぼ全閉状態にされると、排気ポートから排気絞り弁４９に至る排気通路内における排気の流速が低下することになる。
【００７１】
この結果、内燃機関１の燃焼室から排出された排気は、燃焼室から排気絞り弁４９に至る排気経路において、高温状態で長期にわたって滞留することになり、その間に排気中に含まれる未燃ＨＣが酸化される。
【００７２】
尚、排気昇温制御における排気絞り弁４９の開度は、排気絞り弁４９の作動によって生じる背圧が内燃機関１の燃焼状態を悪化させない開度とすることが好ましく、内燃機関１の運転状態に応じた最適な開度を予め実験的に求めておくようにしてもよい。
【００７３】
以下、本実施の形態に係る排気昇温装置の作用及び効果について述べる。
ＣＰＵ２０１は、排気昇温制御を実現するにあたり、図３に示すような排気昇温制御ルーチンを実行する。このルーチンは、ＲＯＭ２０２に予め記憶されているルーチンであり、内燃機関１の始動完了をトリガにして実行されるルーチンである。
【００７４】
排気昇温制御ルーチンでは、ＣＰＵ２０１は、先ずＳ３０１において、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が既に活性状態にあるか否かを判別する。
前記Ｓ３０１において吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が未だ活性状態にないと判定した場合は、ＣＰＵ２０１は、Ｓ３０２へ進み、排気中の未燃ＨＣを低減し、且つ、排気の温度を昇温させるべく、排気昇温処理の実行を開始する。
【００７５】
具体的には、ＣＰＵ２０１は、排気昇温処理において、内燃機関１をリッチ燃焼運転もしくはストイキ燃焼運転させるべく燃料噴射量を制御し、内燃機関１の排気ポート内へ二次空気を供給すべく二次空気噴射ノズル５３を制御し、排気絞り弁４９を全閉状態とすべく排気絞り用アクチュエータ５０を制御する。
【００７６】
この場合、内燃機関１の燃焼室から排気絞り弁４９に至る排気経路内の圧力及び雰囲気温度が高くなるとともに、前記排気通路内における排気の流速が低下するため、内燃機関１の燃焼室から排出された排気と二次空気噴射ノズル５３から噴射された二次空気とは、前記排気経路内に高温状態で滞留することになる。
【００７７】
この結果、排気中に残存する未燃ＨＣと二次空気中の酸素とが長期にわたって高温に曝されることになり、未燃ＨＣと酸素との反応が促進されて未燃ＨＣが浄化されるとともに、未燃ＨＣと酸素とが反応する際に発生する熱によって排気の温度が確実に昇温することになる。排気の温度が上昇すると、該排気の熱が吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に伝達され、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が早期に活性することになる。
【００７８】
更に、本実施の形態では、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６は、排気絞り弁４９より上流に配置されるため、高温の排気に長期にわたって曝されることになり、その結果、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６の昇温性が一層高められる。
【００７９】
ここで、図３に戻り、前記したＳ３０２の処理を実行し終えたＣＰＵ２０１は、前述したＳ３０１の処理に戻り、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が活性したか否かを判別する。
【００８０】
その際、ＣＰＵ２０１は、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が未だ活性していないと判定するとＳ３０２の排気昇温処理を継続して実行する。一方、吸蔵還元型ＮＯx触媒が活性したと判定した場合は、ＣＰＵ２０１は、Ｓ３０３へ進んで排気昇温処理の実行を終了し、本ルーチンの実行を終了する。
【００８１】
このようにＣＰＵ２０１が排気昇温制御ルーチンを実行することにより、本発明に係る弁制御手段、機関空燃比制御手段、及び、二次空気供給手段が実現される。
【００８２】
従って、本実施の形態に係る排気昇温装置によれば、内燃機関１が冷間始動後の暖機運転状態にある場合のように、内燃機関１から比較的多量の未燃ＨＣが排出され、且つ、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が未活性状態にあるときに、排気中の未燃ＨＣを確実に低減するとともに、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６の早期活性化を図ることが可能となる。
【００８３】
＜実施の形態２＞
次に、本発明に係る内燃機関の排気昇温装置の第２の実施態様について図４〜図６に基づいて説明する。ここでは、前述の第１の実施の形態と同一の構成要素については同一の符号を付している。
【００８４】
図４は、第２の実施の形態に係る排気昇温装置を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。図４に示す内燃機関１００は、複数の気筒２１を備えるとともに、各気筒２１内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁３２を具備した４サイクルの筒内噴射式内燃機関である。
【００８５】
前記内燃機関１００は、複数の気筒２１及び冷却水路１ｃが形成されたシリンダブロック１ｂと、このシリンダブロック１ｂの上部に固定されたシリンダヘッド１ａとを備えている。
【００８６】
前記シリンダブロック１ｂには、機関出力軸であるクランクシャフト２３が回転自在に支持され、このクランクシャフト２３は、各気筒２１内に摺動自在に装填されたピストン２２と連結されている。
【００８７】
前記ピストン２２の上方には、ピストン２２の頂面とシリンダヘッド１ａの壁面とに囲まれた燃焼室２４が形成されている。前記シリンダヘッド１ａには、燃焼室２４に臨むよう点火栓２５が取り付けられ、この点火栓２５には、該点火栓２５に駆動電流を印加するためのイグナイタ２５ａが接続されている。
【００８８】
前記シリンダヘッド１ａには、２つの吸気ポート２６の開口端と２つの排気ポート２７の開口端とが燃焼室２４に臨むよう形成されるとともに、その噴孔が燃焼室２４に臨むよう燃料噴射弁３２が取り付けられている。
【００８９】
前記シリンダヘッド１ａには、その噴孔が排気ポート２７に望むよう二次空気噴射ノズル５３が取り付けられている。この二次空気噴射ノズル５３は、図示しないエアポンプと接続され、該エアポンプから供給される二次空気を前記排気ポート２７内へ供給するものである。
【００９０】
前記吸気ポート２６の各開口端は、シリンダヘッド１ａに進退自在に支持された吸気弁２８によって開閉されるようになっており、これら吸気弁２８は、シリンダヘッド１ａに回転自在に支持されたインテーク側カムシャフト３０によって進退駆動されるようになっている。
【００９１】
前記排気ポート２７の各開口端は、シリンダヘッド１ａに進退自在に支持された排気弁２９により開閉されるようになっており、これら排気弁２９は、シリンダヘッド１ａに回転自在に支持されたエキゾースト側カムシャフト３１により進退駆動されるようになっている。
【００９２】
前記インテーク側カムシャフト３０及び前記エキゾースト側カムシャフト３１は、図示しないタイミングベルトを介してクランクシャフト２３と連結され、クランクシャフト２３の回転トルクがタイミングベルトを介してインテーク側カムシャフト３０及びエキゾースト側カムシャフト３１へ伝達されるようになっている。
【００９３】
各気筒２１に連通する２つの吸気ポート２６のうちの一方の吸気ポート２６は、シリンダヘッド１ａ外壁に形成された開口端から燃焼室２４に臨む開口端へ向かって直線状に形成された流路を有するストレートポートで構成され、他方の吸気ポート２６は、シリンダヘッド１ａ外壁の開口端から燃焼室２４の開口端へ向かって、気筒２１の軸方向と垂直な面において旋回するよう形成された流路を有するヘリカルポートで構成されている。
【００９４】
前記した各吸気ポート２６は、シリンダヘッド１ａに取り付けられた吸気枝管３３の各枝管と連通している。
前記吸気枝管３３において、各気筒２１に対応した２つの吸気ポート２６のうちのストレートポートと連通する枝管には、その枝管内の流量を調節するスワールコントロールバルブ３７が設けられている。
【００９５】
前記スワールコントロールバルブ３７には、ステッパモータ等からなり、印加電流の大きさに応じてスワールコントロールバルブ３７を開閉駆動するＳＣＶ用アクチュエータ３７ａと、スワールコントロールバルブ３７の開度に対応した電気信号を出力するＳＣＶポジションセンサ３７ｂとが取り付けられている。
【００９６】
前記吸気枝管３３は、吸気の脈動を抑制するためのサージタンク３４に接続されている。サージタンク３４には、吸気管３５が接続され、吸気管３５は、吸気中の塵や埃等を取り除くためのエアクリーナ３６と接続されている。
【００９７】
前記吸気管３５には、該吸気管３５内を流れる新気の流量を調節するスロットル弁３９が設けられている。前記スロットル弁３９には、ステッパモータ等からなり、印加電流の大きさに応じて該スロットル弁３９を開閉駆動するスロットル用アクチュエータ４０と、該スロットル弁３９の開度に対応した電気信号を出力するスロットルポジションセンサ４１とが取り付けられている。
【００９８】
前記スロットル弁３９には、アクセルペダル４２に連動して回転するアクセルレバー（図示せず）が併設され、このアクセルレバーには、アクセルレバーの回転位置（アクセルペダル４２の踏み込み量）に対応した電気信号を出力するアクセルポジションセンサ４３が取り付けられている。
【００９９】
前記スロットル弁３９より上流の吸気管３５には、吸気管３５内を流れる新気の質量（吸入空気質量）に対応した電気信号を出力するエアフローメータ４４が取り付けられる。
【０１００】
一方、前記内燃機関１００の各排気ポート２７は、前記シリンダヘッド１ａに取り付けられた排気枝管４５の各枝管と連通している。前記排気枝管４５は、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６を介して排気管４７に接続され、排気管４７は、下流にて図示しないマフラーと接続されている。
【０１０１】
前記排気枝管４５には、該排気枝管４５内を流れる排気の空燃比に対応した電気信号を出力する空燃比センサ４８が取り付けられている。
前記排気管４７の途中には、該排気管４７内を流れる排気の流量を調節する排気絞り弁４９が設けられている。前記排気絞り弁４９には、ステッパモータ等からなり、印加電流の大きさに応じて該排気絞り弁４９を開閉駆動する排気絞り用アクチュエータ５０が取り付けられている。
【０１０２】
また、内燃機関１００は、クランクシャフト２３の端部に取り付けられたタイミングロータ５１ａとタイミングロータ５１ａ近傍のシリンダブロック１ｂに取り付けられた電磁ピックアップ５１ｂとからなるクランクポジションセンサ５１と、内燃機関１００の内部に形成された冷却水路１ｃを流れる冷却水の温度を検出すべくシリンダブロック１ｂに取り付けられた水温センサ５２とを備えている。
【０１０３】
このように構成された内燃機関１００には、該内燃機関１００の運転状態を制御するための電子制御ユニット（Electronic Control Unit：ＥＣＵ、以下ＥＣＵと称する）２０が併設されている。
【０１０４】
前記ＥＣＵ２０には、ＳＣＶポジションセンサ３７ｂ、スロットルポジションセンサ４１、アクセルポジションセンサ４３、エアフローメータ４４、空燃比センサ４８、クランクポジションセンサ５１、及び水温センサ５２等の各種センサが電気配線を介して接続され、各センサの出力信号が前記ＥＣＵ２０に入力されるようになっている。
【０１０５】
前記ＥＣＵ２０には、イグナイタ２５ａ、燃料噴射弁３２、ＳＣＶ用アクチュエータ３７ａ、スロットル用アクチュエータ４０、排気絞り用アクチュエータ５０、二次空気噴射ノズル５３等が電気配線を介して接続され、ＥＣＵ２０が各種センサの出力信号値をパラメータとしてイグナイタ２５ａ、燃料噴射弁３２、ＳＣＶ用アクチュエータ３７ａ、スロットル用アクチュエータ４０、排気絞り用アクチュエータ５０、二次空気噴射ノズル５３を制御することが可能になっている。
【０１０６】
ここで、ＥＣＵ２０は、図５に示すように、双方向性バス２００によって相互に接続されたＣＰＵ２０１とＲＯＭ２０２とＲＡＭ２０３とバックアップＲＡＭ２０４と入力ポート２０５と出力ポート２０６とを備えるとともに、前記入力ポート２０５に接続されたＡ／Ｄコンバータ（Ａ／Ｄ）２０７を備えている。
【０１０７】
前記入力ポート２０５は、クランクポジションセンサ５１のようにデジタル信号形式の信号を出力するセンサの出力信号を入力し、それらの出力信号をＣＰＵ２０１あるいはＲＡＭ２０３へ送信する。
【０１０８】
前記入力ポート２０５は、ＳＣＶポジションセンサ３７ｂ、スロットルポジションセンサ４１、アクセルポジションセンサ４３、エアフローメータ４４、空燃比センサ４８、水温センサ５２のようにアナログ信号形式の信号を出力するセンサの出力信号をＡ／Ｄ２０７を介して入力し、それらの出力信号をＣＰＵ２０１やＲＡＭ２０３へ送信する。
【０１０９】
前記出力ポート２０６は、前記ＣＰＵ２０１から出力される制御信号をイグナイタ２５ａ、燃料噴射弁３２、ＳＣＶ用アクチュエータ３７ａ、スロットル用アクチュエータ４０、排気絞り用アクチュエータ５０、あるいは二次空気噴射ノズル５３へ送信する。
【０１１０】
前記ＲＯＭ２０２は、燃料噴射量を決定するための燃料噴射量制御ルーチン、燃料噴射時期を決定するための燃料噴射時期制御ルーチン、点火時期を決定するための点火時期制御ルーチン、スワールコントロールバルブ（ＳＣＶ）３７の開度を制御するためのＳＣＶ制御ルーチン、スロットル弁３９の開度を制御するためのスロットル制御ルーチン、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に吸収された窒素酸化物（ＮＯx）を浄化するためのＮＯx浄化制御ルーチン等のアプリケーションプログラムに加え、排気中に含まれる未燃燃料成分（未燃ＨＣ）量を低減するための排気昇温制御ルーチンを記憶している。
【０１１１】
前記ＲＯＭ２０２は、前記したアプリケーションプログラムに加え、各種の制御マップを記憶している。前記した制御マップは、例えば、内燃機関１００の運転状態と燃料噴射量との関係を示す燃料噴射量制御マップ、内燃機関１００の運転状態と燃料噴射時期との関係を示す燃料噴射時期制御マップ、内燃機関１００の運転状態と点火時期との関係を示す点火時期制御マップ、内燃機関１００の運転状態とスワールコントロールバルブ（ＳＣＶ）３７の開度との関係を示すＳＣＶ開度制御マップ、内燃機関１００の運転状態とスロットル弁３９との関係を示すスロットル開度制御マップ、内燃機関１００の運転状態と吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に吸収された窒素酸化物（ＮＯx）量との関係を示すＮＯx吸収量制御マップ等である。
【０１１２】
前記ＲＡＭ２０３は、各センサの出力信号やＣＰＵ２０１の演算結果等を記憶する。前記演算結果は、例えば、クランクポジションセンサ５１の出力信号に基づいて算出される機関回転数等である。前記ＲＡＭ２０３に記憶される各種のデータは、クランクポジションセンサ５１が信号を出力する度に最新のデータに書き換えられる。
【０１１３】
前記バックアップＲＡＭ４５は、内燃機関１００の運転停止後もデータを保持する不揮発性のメモリである。
前記ＣＰＵ２０１は、前記ＲＯＭ２０２に記憶されたアプリケーションプログラムに従って動作して、燃料噴射制御、点火制御、ＳＣＶ制御、スロットル制御、ＮＯx浄化制御、排気昇温制御等を実行する。
【０１１４】
その際、ＣＰＵ２０１は、クランクポジションセンサ５１、アクセルポジションセンサ４３、あるいはエアフローメータ４４等の出力信号値をパラメータとして内燃機関１００の運転状態を判別し、判別された運転状態に応じて各種の制御を実行する。
【０１１５】
例えば、ＣＰＵ２０１は、内燃機関１００の運転状態が低負荷運転領域にあると判定した場合は、酸素過剰状態の混合気（リーン混合気）による成層燃焼を実現すべく、ＳＣＶ用アクチュエータ３７ａへ制御信号を送信してスワールコントロールバルブ３７の開度を小さくし、スロットル用アクチュエータ４０へ制御信号を送信してスロットル弁３９を実質的に全開状態とし、さらに各気筒２１の圧縮行程時に燃料噴射弁３２に駆動電流を印加して圧縮行程噴射を行う。
【０１１６】
この場合、各気筒２１の燃焼室２４には、吸気行程時に主としてスワールポート７ｂからの新気が導入され、強い旋回流（スワール流）が発生する。続く圧縮行程では、燃料噴射弁３２から噴射された燃料がスワール流に従って燃焼室２４内を旋回し、所定の時期に点火栓２５近傍へ移動する。このとき、燃焼室２４内は、点火栓２５の近傍が可燃混合気層となり、且つその他の領域が空気層となる、いわゆる成層状態となる。
【０１１７】
ＣＰＵ２０１は、各気筒２１の燃焼室２４内が成層状態となった時点で、イグナイタ２５ａを駆動して点火栓２５から火花を発生させる。この結果、燃焼室２４内の混合気（可燃混合気層と空気層とを含む）は、点火栓２５近傍の可燃混合気層を着火源として燃焼する。
【０１１８】
尚、成層燃焼運転時における燃料噴射量は、アクセル開度と機関回転数とをパラメータとして決定される。すなわち、ＥＣＵ２０は、アクセルポジションセンサ４３の出力信号値（アクセル開度）と機関回転数と燃料噴射量との関係を示すマップを用いて燃料噴射量（燃料噴射時間）を決定する。
【０１１９】
ＣＰＵ２０１は、内燃機関１００の運転状態が中負荷運転領域にあると判定した場合は、リーン混合気（成層燃焼時より酸素濃度が低い混合気）による均質リーン燃焼を実現すべく、ＳＣＶ用アクチュエータ３７ａへ制御信号を送信してスワールコントロールバルブ３７の開度を小さくし、さらに各気筒２１の吸気行程時に燃料噴射弁３２に駆動電流を印加して吸気行程噴射を行う。
【０１２０】
この場合、各気筒２１の燃焼室２４内の略全域にわたって、新気と燃料とが均質に混じり合ったリーン混合気が形成され、均質リーン燃焼が実現される。
ＣＰＵ２０１は、内燃機関１００の運転状態が高負荷運転領域にあると判定した場合は、理論空燃比近傍の混合気による均質燃焼を実現すべく、ＳＣＶ用アクチュエータ３７ａへ制御信号を送信してスワールコントロールバルブ３７を全開状態とし、スロットル弁３９がアクセルペダル４２の踏み込み量（アクセルポジションセンサ４３の出力信号値）に対応した開度となるようスロットル用アクチュエータ４０へ制御信号を送信し、さらに各気筒２１の吸気行程時に燃料噴射弁３２に駆動電流を印加して吸気行程噴射を行う。
【０１２１】
この場合、各気筒２１の燃焼室２４内の略全域にわたって、新気と燃料とが均質に混じり合った理論空燃比の混合気が形成され、均質燃焼が実現される。
尚、ＣＰＵ２０１は、成層燃焼制御から均質燃焼制御へ移行する際、あるいは均質燃焼制御から成層燃焼制御へ移行する際に、内燃機関１００のトルク変動を防止すべく各気筒２１の圧縮行程時と吸気行程時との二回に分けて燃料噴射弁３２に駆動電流を印加するようにしてもよい。
【０１２２】
この場合、各気筒２１の燃焼室２４内には、点火栓２５の近傍に可燃混合気層が形成されるとともに、その他の領域にリーン混合気層が形成され、いわゆる弱成層燃焼が実現される。
【０１２３】
尚、内燃機関１００の運転状態がアイドル運転領域にある場合は、ＣＰＵ２０１は、実際の機関回転数を目標アイドル回転数に収束させるために必要な吸入空気量を確保すべくスロットル弁３９の開度を制御する、いわゆるアイドルスピードコントロール（ＩＳＣ）のフィードバック制御を行う。
【０１２４】
次に、内燃機関１００が成層燃焼運転状態、均質リーン燃焼運転状態、もしくは弱成層燃焼運転状態にあるとき、言い換えれば内燃機関１００が希薄燃焼運転状態にあるときは、排気の空燃比がリーンとなるため、排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯx）が吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に吸蔵されることになるが、内燃機関１００の希薄燃焼運転が長期間継続されると、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６の窒素酸化物（ＮＯx）吸蔵能力が飽和し、排気中の窒素酸化物（ＮＯx）が吸蔵還元型ＮＯx触媒４６にて除去もしくは浄化されずに大気中に放出される虞がある。
【０１２５】
そこで、本実施の形態では、ＣＰＵ２０１は、内燃機関１００の運転状態が希薄燃焼運転状態にある場合は、比較的に短い周期で排気の空燃比をリッチとすべくリッチスパイク制御を実行することにより、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に吸蔵された窒素酸化物（ＮＯx）を短周期的に放出及び還元させるＮＯx浄化制御を実行する。
【０１２６】
ここで、リッチスパイク制御では、ＣＰＵ２０１は、例えば、内燃機関１００の各気筒２１の膨張行程時もしくは排気行程時に燃料噴射弁３２から副次的に燃料を噴射させる副噴射制御を行って排気の空燃比を一時的に理論空燃比（又はリッチ空燃比）とするようにしてもよく、あるいは内燃機関１の運転状態を一時的に均質燃焼運転に切り替えて排気の空燃比を一時的に理論空燃比（又はリッチ空燃比）とするようにしてもよい。
【０１２７】
次に、ＣＰＵ２０１は、内燃機関１の排気に含まれる未燃燃料成分（未燃ＨＣ）を低減すべき時期に、排気昇温制御を実行する。ここで、排気中に含まれる未燃ＨＣを低減すべき時期としては、内燃機関１が冷間始動後の暖機運転状態にある場合のように、内燃機関１から比較的多量の未燃ＨＣが排出され、且つ、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が未活性状態にある場合を例示することができる。
【０１２８】
排気昇温制御では、ＣＰＵ２０１は、先ず吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が活性状態にあるか否かを判別する。ＣＰＵ２０１は、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が未活性状態にあると判定した場合に吸蔵還元型ＮＯx触媒４６の早期活性化を図るべく排気昇温処理を実行し、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が活性状態にあると判定した場合は排気昇温処理を実行しないものとする。
【０１２９】
排気昇温処理では、ＣＰＵ２０１は、内燃機関１の運転状態を理論空燃比又はリッチ空燃比の混合気による均質燃焼運転とすべく、燃料噴射弁３２、ＳＣＶ用アクチュエータ３７ａ、スロットル用アクチュエータ４０、及びイグナイタ２５ａを制御し、排気絞り弁４９を略全閉状態とすべく排気絞り用アクチュエータ５０を制御する。
【０１３０】
排気絞り弁４９が略全閉状態にされると、内燃機関１の燃焼室２４から排気絞り弁４９に至る排気経路（排気ポート２７、排気枝管４５、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６、及び、排気管４７において排気絞り弁４９より上流に位置する部位）内の圧力が上昇するとともに、それに応じて前記排気通路内の雰囲気温度が高められることになる。
【０１３１】
このように燃焼室２４から排気絞り弁４９に至る排気経路内の圧力及び雰囲気温度が上昇すると、燃焼室２４内の既燃ガスが排気ポート２７へ排出された際に、該既燃ガスの温度低下が抑制される。また、排気絞り弁４９が略全閉状態にされると、排気ポートから排気絞り弁４９に至る排気通路内における排気の流速が低下することになる。
【０１３２】
この結果、燃焼室２４から排出された排気は、燃焼室２４から排気絞り弁４９に至る排気経路において、高温状態で長期にわたって滞留することになり、その間に排気中に含まれる未燃ＨＣが酸化される。
【０１３３】
ところで、排気絞り弁４９が略全閉状態にされた場合であっても、燃焼室２４から排気ポート２７へ排出された時点における排気の温度が過剰に低い場合や、燃焼室２４から排出される排気に含まれる未燃ＨＣ量が過剰に多い場合は、未燃ＨＣの酸化反応が十分に行われなくなる虞がある。
【０１３４】
そこで、本実施の形態に係る排気昇温制御では、ＣＰＵ２０１は、排気絞り弁４９を略全閉状態に制御する場合に、機関出力に寄与する主たる燃料（主燃料）の噴射に加えて、主燃料噴射後の所定の時期（例えば、各気筒２１の膨張行程時であって主燃料の燃焼直後）に副次的に燃料を噴射させるべく燃料噴射弁３２を制御するようにしている。
【０１３５】
この場合、燃焼室２４内では、主燃料の燃え残りである未燃ＨＣが副燃料を着火源として燃焼せしめられることになる。その際、副燃料の噴射は、主燃料が燃焼した直後の高温下で行われるため、副燃料がほぼ完全燃焼することとなり、副燃料の噴射に起因した未燃ＨＣの発生量は極わずかとなる。
【０１３６】
上記したように副燃料が燃焼室２４内で燃焼せしめられると、主燃料の燃焼熱に加えて、副燃料の燃焼熱と未燃ＨＣの燃焼熱とが発生することになり、燃焼室２４内の既燃ガスの温度が一層高くなる。
【０１３７】
この結果、燃焼室２４から排気ポート２７へ排出される際に、排気の温度が十分に高くなるとともに、排気中に残存する未燃ＨＣ量が少なくなる。排気中に残存した未燃ＨＣは、燃焼室２４から排気絞り弁４９に至る排気経路において長期にわたって高温下に曝されるため、その間に未燃ＨＣの略全てが酸化されるようになる。
【０１３８】
更に、本実施の形態では、排気浄化触媒４６が排気絞り弁４９より上流の排気通路に配置されるため、上記したように排気温度が高められると、排気浄化触媒４６が高温の排気に長期間曝され、排気浄化触媒４６の活性化が促進される。
【０１３９】
一方、燃焼室２４から排気絞り弁４９に至る排気経路において、排気中に残存する未燃ＨＣを酸化させるためには、排気中に十分な量の酸素が必要となる。これに対し、内燃機関１００を成層燃焼運転させることによって排気中の酸素濃度を高める方法が考えらえるが、排気絞り弁４９を略全閉状態にした状態では内燃機関１に作用する背圧が大きくなるため、その際に内燃機関１００が成層燃焼運転されると内燃機関１００の運転状態が不安定になることが想定される。
【０１４０】
そこで、本実施の形態では、ＣＰＵ２０１は、排気昇温制御を実行する際に、内燃機関１を理論空燃比もしくはリッチ空燃比の混合気による均質燃焼運転させるとともに、二次空気噴射ノズル５３を作動させて排気中の酸素濃度を高めるようにしている。
【０１４１】
この場合、内燃機関１が均質燃焼運転されるため、排気絞り弁４９が略全閉状態に制御されても内燃機関１の運転状態が不安定となり難い。更に、二次空気噴射ノズル５３から排気ポート２７へ二次空気が供給されるため、排気中に残存する未燃ＨＣを酸化させる際に必要となる酸素を確保することが可能となる。
【０１４２】
以下、本実施の形態に係る排気昇温装置の作用及び効果について述べる。
ＣＰＵ２０１は、排気昇温制御を実行するにあたり、図６に示すような排気昇温制御ルーチンを実行する。この排気昇温制御ルーチンは、予めＲＯＭ２０２に記憶されたルーチンであり、内燃機関１００の始動完了をトリガにして実行されるルーチンである。
【０１４３】
排気昇温制御ルーチンでは、ＣＰＵ２０１は、先ずＳ６０１において、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が既に活性状態にあるか否かを判別する。
前記Ｓ６０１において吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が未だ活性状態にないと判定した場合は、ＣＰＵ２０１は、Ｓ６０２へ進み、排気中の未燃ＨＣを低減し、且つ、排気の温度を昇温させるべく、排気昇温処理の実行を開始する。
【０１４４】
具体的には、ＣＰＵ２０１は、排気昇温処理において、内燃機関１の運転状態を理論空燃比もしくはリッチ空燃比の混合気による均質燃焼運転に切り換え、内燃機関１の排気ポート内へ二次空気を供給すべく二次空気噴射ノズル５３を制御し、各気筒２１の膨張行程時に副燃料を噴射させるべく燃料噴射弁３２を制御し、排気絞り弁４９を略全閉状態とすべく排気絞り用アクチュエータ５０を制御する。
【０１４５】
この場合、各気筒２１の膨張行程時に燃料噴射弁３２から噴射された副燃料によって燃焼室２４内から排気ポート２７へ排出される時点における排気の温度が高められるとともに排気中に残存する未燃ＨＣが低減される。
【０１４６】
更に、排気絞り弁４９が略全閉状態に制御されることにより、燃焼室２４から排気絞り弁４９に至る排気経路内の圧力及び雰囲気温度が上昇するとともに、前記排気通路内の排気の流速が低下する。
【０１４７】
この結果、各気筒２１の燃焼室２４から排気ポート２７へ排出された時点における排気の温度低下が抑制され、前記排気経路内には高温状態の排気と二次空気とが長期にわたって滞留することになるため、排気中に残存する比較的少量の未燃ＨＣと二次空気中の酸素との反応が促進され、排気中に含まれる未燃ＨＣ量が大幅に減少する。
【０１４８】
また、未燃ＨＣと酸素との反応が活発になると、未燃ＨＣと酸素とが反応する際に発生する熱量が増加するため、排気の温度が一層高められる。排気の温度が高くなると、排気から吸蔵還元型ＮＯx触媒４６へ伝達される熱量が増加し、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６の昇温が促進される。
【０１４９】
また、排気絞り弁４９が全閉状態に制御されることによって、内燃機関１００に作用する背圧が高くなるが、内燃機関１００の運転状態が理論空燃比又はリッチ空燃比の混合気による均質燃焼運転とされるため、内燃機関１００の運転状態が不安定になることがない。
【０１５０】
ここで、図６に戻り、前記したＳ６０２の処理を実行し終えたＣＰＵ２０１は、前述したＳ６０１の処理に戻り、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が活性したか否かを判別する。
【０１５１】
その際、ＣＰＵ２０１は、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が未だ活性していないと判定するとＳ６０２の排気昇温処理を継続して実行する。一方、吸蔵還元型ＮＯx触媒が活性したと判定した場合は、ＣＰＵ２０１は、Ｓ６０３へ進んで排気昇温処理の実行を終了し、本ルーチンの実行を終了する。
【０１５２】
このようにＣＰＵ２０１が排気昇温制御ルーチンを実行することにより、内燃機関１００が冷間始動された場合にように、内燃機関１００から比較的多量の未燃ＨＣが排出され易く、且つ、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が未活性状態にある場合に、排気中の未燃ＨＣを大幅に低減することができるとともに、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６の早期活性化を図ることが可能となる。
【０１５３】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関の排気昇温装置では、排気中に含まれる未燃燃料成分を低減させる必要が生じた場合に、排気絞り弁がほぼ全閉に制御され、内燃機関が理論空燃比もしくは燃料過剰空燃比で運転され、更に排気通路における上流の部位に二次空気が供給されるため、内燃機関から排気絞り弁に至る排気通路において排気を長期にわたって高温状態で滞留させることが可能となり、排気中に含まれる未燃燃料成分を確実に酸化させるとともに、その際に発生する熱によって排気の温度を高めることが可能となる。
【０１５４】
従って、本発明に係る内燃機関の排気昇温装置によれば、排気中に含まれる未燃燃料成分を低減させる必要がある場合に、排気中の未燃燃料成分を確実に低減させつつ排気の温度を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施の形態に係る排気昇温装置を適用する内燃機関の概略構成を示す図
【図２】 第１の実施の形態に係るＥＣＵの内部構成を示す図
【図３】 第１の実施の形態に係る排気昇温制御ルーチンを示すフローチャート図
【図４】 第２の実施の形態に係る排気昇温装置を適用する内燃機関の概略構成を示す図
【図５】 第２の実施の形態に係るＥＣＵの内部構成を示す図
【図６】 第２の実施の形態に係る排気昇温制御ルーチンを示すフローチャート図
【符号の説明】
１・・・・内燃機関
２０・・・ＥＣＵ
２１・・・気筒
２４・・・燃焼室
２７・・・排気ポート
２９・・・排気弁
３２・・・燃料噴射弁
４５・・・排気枝管
４６・・・排気浄化触媒
４７・・・排気管
４９・・・排気絞り弁
５０・・・アクチュエータ
５３・・・二次空気噴射ノズル
２０１・・ＣＰＵ
２０２・・ＲＯＭ
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等に搭載される内燃機関から排出される排気の温度を昇温させる技術に関し、特に排気中に含まれる未燃燃料成分を低減すべく排気の温度を昇温させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車等に搭載される内燃機関では、排気中に含まれる有害ガス成分を十分に浄化した上で大気中に放出することが要求されている。このような要求に対し、内燃機関の排気通路に排気浄化触媒を設け、その排気浄化触媒によって排気中に含まれる有害ガス成分を浄化する技術が提案されている。
【０００３】
排気浄化触媒としては、例えば、三元触媒、吸蔵還元型ＮＯx触媒、選択還元型ＮＯx触媒、酸化触媒、もしくは、これらの排気浄化触媒を適宜組み合わせてなる排気浄化触媒など、多種多様の排気浄化触媒が開発されている。
【０００４】
上記した排気浄化触媒は、一様にして所定温度以上で活性して排気中の有害ガス成分を浄化可能となるため、内燃機関が冷間始動された場合のように排気浄化触媒の温度が所定温度未満となるような場合には排気中の有害ガス成分を十分に浄化することができない。
【０００５】
特に、内燃機関が冷間始動された場合は、筒内の温度が低く混合気の燃焼が不安定となりやすいため、比較的多量の未燃燃料成分が排出されるが、その際に排気浄化触媒が未活性状態にあると比較的多量の未燃燃料成分が浄化されずに大気中に放出されることになる。
【０００６】
従って、内燃機関が冷間始動される場合には、大気中に放出される未燃燃料成分量を抑制しつつ、排気浄化触媒の早期活性化を図ることが重要となる。このような要求に対し、従来では、特開平８−７４５６８号公報に記載されたような内燃機関の二次エア供給装置が提案されている。
【０００７】
上記した内燃機関の二次エア供給装置は、内燃機関が冷間始動された場合のように排気浄化触媒が未活性状態にあるときは、内燃機関の排気通路に二次空気を供給することによって排気空燃比をリーンとし、排気中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）を酸化及び浄化させるとともに、一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）の酸化反応時に発生する熱を利用して排気浄化触媒の早期活性化を図ろうとするものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、内燃機関が冷間始動された場合は、排気通路内の雰囲気温度が低いため、単に排気中に二次空気を供給して排気空燃比をリーン空燃比とするだけでは、一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）を十分に酸化及び浄化することは困難である。更に、一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）の酸化反応が十分に行われないと、酸化反応時に発生する熱量が少なくなり、排気浄化触媒の早期活性化を図ることも困難となる。
【０００９】
本発明は、上記したような種々の問題点に鑑みてなされたものであり、排気中に含まれる未燃燃料成分を浄化しつつ排気を昇温させる排気昇温装置において、未燃燃料成分の浄化と排気の昇温とを効率的に行える技術を提供することにより、冷間時における排気エミッションの悪化を抑制することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記した課題を解決するために以下のような手段を採用した。すなわち、本発明に係る内燃機関の排気昇温装置は、
内燃機関に接続された排気通路と、
前記排気通路に設けられ、前記排気通路を流れる排気の流量を調節する排気絞り弁と、
排気中に含まれる未燃燃料成分量を低減すべきときに、前記排気絞り弁をほぼ全閉に制御する弁制御手段と、
前記弁制御手段によって排気絞り弁がほぼ全閉に制御されたときに、前記排気通路における上流の部位へ二次空気を供給する二次空気供給手段と、
前記弁制御手段によって排気絞り弁がほぼ全閉に制御されたときに、前記内燃機関を理論空燃比もしくは燃料過剰空燃比で運転させる機関空燃比制御手段と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
このように構成された内燃機関の排気昇温装置では、排気中に含まれる未燃燃料成分を低減させる必要が生じた場合は、排気絞り弁がほぼ全閉に制御され、内燃機関が理論空燃比もしくは燃料過剰空燃比で運転され、更に排気通路における上流の部位に二次空気が供給される。
【００１２】
この場合、排気絞り弁がほぼ全閉状態となるため、内燃機関から排気絞り弁に至る排気通路内の圧力が高められるとともに、前記排気通路における排気の流速が低下することになる。
【００１３】
前記排気通路内の圧力が高まると、それに応じて前記排気通路内の雰囲気温度が上昇するため、内燃機関から排出された排気の温度低下が抑制される。一方、排気通路内おける排気の流速が低下すると、内燃機関から排出された排気が比較的長期にわたって内燃機関の直下流の排気通路内に滞留することになる。
【００１４】
この結果、内燃機関の直下流には、高温状態の排気が長期にわたって滞留することになるため、そのような状況下で排気中に二次空気が供給されると、排気中の未燃燃料成分と二次空気中の酸素とが長期にわたって高温下に曝され、未燃燃料成分と酸素との反応が促進される。未燃燃料成分と酸素との反応が活発になると、反応時に発生する熱量が増加し、排気の温度が更に上昇することになる。
【００１５】
一方、排気絞り弁が全閉に制御されたことによって高められた排気圧力は、背圧として内燃機関に作用することになるが、その際に内燃機関が理論空燃比もしくは燃料過剰空燃比で運転されるため、内燃機関の運転状態が不安定になることがない。
【００１６】
本発明に係る内燃機関の排気昇温装置において、排気中の未燃燃料成分を低減すべき場合としては、内燃機関が冷間始動後の暖機運転状態にある場合のように、内燃機関から比較的多量の未燃燃料成分が排出される場合を例示することができる。
【００１７】
また、本発明に係る内燃機関の排気昇温装置において、内燃機関が筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射手段を具備し成層燃焼運転と均質燃焼運転とを切り替え可能な筒内噴射型内燃機関である場合は、機関空燃比制御手段は、未燃燃料成分量を低減すべく排気絞り弁がほぼ全閉に制御されたときに、内燃機関を理論空燃比もしくは燃料過剰空燃比で均質燃焼運転させてもよい。
【００１８】
ここで、排気絞り弁がほぼ全閉状態に制御されたときに、内燃機関を均質燃料運転させるのは、排気絞り弁がほぼ全閉状態に制御された場合は内燃機関に作用する背圧が上昇するため、その際に内燃機関が成層燃焼運転状態にあると、内燃機関の燃焼状態が不安定になることが想定されるからである。
【００１９】
また、上記の場合、未燃燃料成分量を低減すべく排気絞り弁がほぼ全閉に制御されるときには、燃料噴射手段による主たる燃料の噴射によって噴射された燃料の燃焼直後に燃料噴射手段から副次的に燃料を噴射させてもよい。排気絞り弁がほぼ全閉状態に制御されたときに、燃料噴射手段から副次的に燃料（副燃料）が噴射されると、主燃料の燃え残りである未燃燃料成分と副燃料が高温下で長期にわたって燃焼することとなり、排気中の未燃燃料成分量が確実に低減される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の排気昇温装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。
【００２１】
＜実施の形態１＞
先ず、本発明に係る内燃機関の排気昇温装置の第１の実施態様について図１〜図３に基づいて説明する。
【００２２】
図１は、第１の実施の形態にかかる排気昇温装置を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。
図１に示す内燃機関１は、酸素過剰状態の混合気を燃焼可能な希薄燃焼式内燃機関であり、４つの気筒２１を有する水冷式の４サイクルガソリンエンジンである。
【００２３】
前記内燃機関１には、各気筒２１の燃焼室に臨むよう点火栓２５が取り付けられている。前記内燃機関１には、吸気枝管３３と排気枝管４５とが接続されている。
【００２４】
前記吸気枝管３３の各枝管は、内燃機関１の図示しない吸気ポートを介して各気筒２１の燃焼室と連通している。前記吸気枝管３３は、サージタンク３４に接続され、サージタンク３４は、吸気管３５を介してエアクリーナボックス３６に接続されている。
【００２５】
前記吸気枝管３３の各枝管には、各気筒２１の吸気ポートに向けて燃料を噴射する燃料噴射弁１１が取り付けられている。各燃料噴射弁１１は、燃料分配管１０と連通しており、燃料分配管１０は、図示しない燃料ポンプと連通している。
【００２６】
前記吸気管３５には、該吸気管３５内を流れる新気の流量を調節するスロットル弁３９が設けられている。このスロットル弁３９には、ステッパモータ等からなり、印加電流の大きさに応じて該スロットル弁３９を開閉駆動するスロットル用アクチュエータ４０と、該スロットル弁３９の開度に対応した電気信号を出力するスロットルポジションセンサ４１とが取り付けられている。
【００２７】
前記スロットル弁３９には、アクセルペダル４２に連動して回転するアクセルレバー（図示せず）が併設され、このアクセルレバーには、アクセルレバーの回転位置（アクセルペダル４２の踏み込み量）に対応した電気信号を出力するアクセルポジションセンサ４３が取り付けられている。
【００２８】
前記吸気管３５において前記スロットル弁３９より上流の部位には、該吸気管３５内を流れる新気の質量（吸入空気質量）に対応した電気信号を出力するエアフローメータ４４が取り付けられる。
【００２９】
一方、前記排気枝管４５の各枝管は、内燃機関１の図示しない排気ポートを介して各気筒２１の燃焼室と連通している。内燃機関１には、その噴孔が各気筒の排気ポートに望むよう二次空気噴射ノズル５３が取り付けられている。前記二次空気噴射ノズル５３は、図示しないエアポンプと接続され、該エアポンプから供給される二次空気を排気ポート内へ噴射するものである。
【００３０】
前記排気枝管４５は、排気浄化触媒４６に接続され、排気浄化触媒４６は、排気管４７に接続されて、更に排気管４７は、下流にて図示しないマフラーと接続されている。
【００３１】
前記排気浄化触媒４６は、例えば、該排気浄化触媒４６に流入する排気の空燃比がリーンであるときは排気中の窒素酸化物（ＮＯx）を吸収し、該排気浄化触媒４６に流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは吸収していた窒素酸化物（ＮＯx）を放出しつつ窒素（Ｎ2）に還元する吸蔵還元型ＮＯx触媒である（以下、排気浄化触媒４６を吸蔵還元型ＮＯx触媒４６と記す）。
【００３２】
前記吸蔵還元型ＮＯx触媒４６は、上流側の端部が開放され且つ下流側の端部が閉塞された流路と、上流側の端部が閉塞され且つ下流側の端部が開放された流路とがハニカム状をなすよう交互に配置された担体と、各流路の壁面に担持されたＮＯx吸収剤とから構成されている。
【００３３】
前記担体は、例えば、多孔質のセラミックで構成されている。前記ＮＯx吸収剤としては、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、あるいはセシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属と、バリウム（Ｂａ）やカルシウム（Ｃａ）等のアルカリ土類と、ランタン（Ｌａ）やイットリウム（Ｙ）等の希土類とから選択された少なくとも１つと、白金（Ｐｔ）等の貴金属類とから成るものを例示することができるが、本実施の形態では、ＢａとＰｔとからなるＮＯx吸収剤を例に挙げて説明する。
【００３４】
このように構成された吸蔵還元型ＮＯx触媒４６では、該吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に流入する排気の空燃比がリーンとなり、排気中の酸素濃度が高まると、排気中の酸素（Ｏ2）がＮＯx吸収剤のＰｔ表面にＯ2-あるいはＯ2-として付着し、次いで排気中の一酸化窒素（ＮＯ）がＰｔの表面上でＯ2-あるいはＯ2-と反応して二酸化窒素（ＮＯ2）となる。
【００３５】
前記二酸化窒素（ＮＯ2）は、Ｐｔの表面で酸化されつつ酸化バリウム（ＢａＯ）と結合して硝酸イオン（ＮＯ3-）を形成する。このように、排気中の窒素酸化物（ＮＯx）は、ＮＯ3-としてＮＯx吸収剤に吸収される。
【００３６】
上記したようなＮＯxの吸収作用は、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に流入する排気の空燃比がリーンであり、且つＮＯx吸収剤のＮＯx吸収能力が飽和しない限り継続される。
【００３７】
一方、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６では、該吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に流入する排気中の酸素濃度が低下すると、ＮＯx吸収剤における二酸化窒素（ＮＯ2）生成量が減少し、酸化バリウム（ＢａＯ）と結合していたＮＯ3-が逆に二酸化窒素（ＮＯ2）となってＮＯx吸収剤から離脱する。
【００３８】
すなわち、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に流入する排気の酸素濃度が低下すると、ＮＯ3-の形でＮＯx吸収剤に吸収されていた窒素酸化物（ＮＯx）は、二酸化窒素（ＮＯ2）となってＮＯx吸収剤から放出されることになる。
【００３９】
ＮＯx吸収剤から放出された窒素酸化物（ＮＯx）は、排気中に含まれる還元成分（例えば、ＮＯx吸収剤のＰｔ上の酸素Ｏ2-あるいは酸素Ｏ2-と反応して部分酸化したＨＣやＣＯ等の活性種）と反応して窒素（Ｎ2）等に還元及び浄化される。
【００４０】
ここで図１に戻り、前記排気枝管４５には、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に流入する排気の空燃比に対応した電気信号を出力する空燃比センサ４８が取り付けられている。
【００４１】
前記空燃比センサ４８は、例えば、ジルコニア（ＺｒＯ2）を筒状に焼成した固体電解質部と、この固体電解質部の外面を覆う外側白金電極と、前記固体電解質部の内面を覆う内側白金電極とから形成され、前記電極間に電圧が印加された場合に、酸素イオンの移動に伴って排気ガス中の酸素濃度（理論空燃比よりもリッチ側のときは未燃ガス成分の濃度）に比例した値の電圧を出力するセンサである。
【００４２】
前記排気管４７において吸蔵還元型ＮＯx触媒４６より下流の部位には、該排気管４７内を流れる排気の流量を絞る排気絞り弁４９が設けられている。この排気絞り弁４９には、ステッパモータ等からなり、印加電力の大きさに応じて該排気絞り弁４９を開閉駆動する排気絞り用アクチュエータ５０が取り付けられている。
【００４３】
一方、内燃機関１には、図示しないクランクシャフトの端部に取り付けられたタイミングロータと、内燃機関１のシリンダブロックに取り付けられた電磁ピックアップとから構成され、前記クランクシャフトが所定角度（例えば、３０度）回転する都度、パルス信号を出力するクランクポジションセンサ５１が取り付けられている。
【００４４】
前記内燃機関１には、該内燃機関１のシリンダブロック及びシリンダヘッドに形成されたウォータジャケット内を流れる冷却水の温度に対応した電気信号を出力する水温センサ５２が取り付けられている。
【００４５】
このように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）２０が併設されている。ＥＣＵ２０には、スロットルポジションセンサ４１、エアフローメータ４４、空燃比センサ４８、クランクポジションセンサ５１、水温センサ５２等の各種センサが電気配線を介して接続され、各センサの出力信号値がＥＣＵ２０に入力されるようになっている。
【００４６】
ＥＣＵ２０には、燃料噴射弁１１、点火栓２５、排気絞り用アクチュエータ５０、二次空気噴射ノズル５３等が電気配線を介して接続され、ＥＣＵ２０が燃料噴射弁１１、点火栓２５、排気絞り用アクチュエータ５０、二次空気噴射ノズル５３等を電気的に制御することが可能となっている。
【００４７】
ここで、ＥＣＵ２０は、図２に示すように、双方性バス２００によって相互に接続された、ＣＰＵ２０１と、ＲＯＭ２０２と、ＲＡＭ２０３と、バックアップＲＡＭ２０４と、入力ポート２０５と、出力ポート２０６とを備えるとともに、前記入力ポート２０５に接続されたＡ／Ｄコンバータ（Ａ／Ｄ）２０７を備えている。
【００４８】
前記入力ポート２０５は、クランクポジションセンサ５１のようにデジタル信号形式の信号を出力するセンサの出力信号を入力し、それらの出力信号をＣＰＵ２０１やＲＡＭ２０３へ送信する。
【００４９】
前記入力ポート２０５は、スロットルポジションセンサ４１、アクセルポジションセンサ４３、エアフローメータ４４、空燃比センサ４８、水温センサ５２等のように、アナログ信号形式の信号を出力するセンサの出力信号をＡ／Ｄ２０７を介して入力し、それらの出力信号をＣＰＵ２０１やＲＡＭ２０３へ送信する。
【００５０】
前記出力ポート２０６は、燃料噴射弁１１、点火栓２５、スロットル用アクチュエータ４０、排気絞り用アクチュエータ５０、二次空気噴射ノズル５３等と電気配線を介して接続され、ＣＰＵ２０１から出力される制御信号を、前記した燃料噴射弁１１、点火栓２５、スロットル用アクチュエータ４０、排気絞り用アクチュエータ５０、あるいは二次空気噴射ノズル５３等へ送信する。
【００５１】
前記ＲＯＭ２０２は、燃料噴射弁１１から噴射すべき燃料噴射量を決定するための燃料噴射量制御ルーチン、燃料噴射弁１１から燃料を噴射すべき時期を決定するための燃料噴射時期制御ルーチン、燃料噴射量の空燃比フィードバック制御を行うための空燃比フィードバック制御ルーチン、点火栓２５の点火時期を決定するための点火時期制御ルーチン、スロットル弁３９の開度を制御するためのスロットル制御ルーチン、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に吸収された窒素酸化物（ＮＯx）を浄化するためのＮＯx浄化制御ルーチン等の各種アプリケーションプログラムに加え、排気の温度を上昇させるための排気昇温制御ルーチンを記憶している。 前記ＲＯＭ２０２は、上記したアプリケーションプログラムに加え、各種の制御マップを記憶している。前記制御マップは、例えば、内燃機関１の運転状態と燃料噴射量との関係を示す燃料噴射量制御マップ、内燃機関１の運転状態と燃料噴射時期との関係を示す燃料噴射時期制御マップ、内燃機関１の運転状態と点火時期との関係を示す点火時期制御マップ、内燃機関１の運転状態とスロットル弁３９との関係を示すスロットル開度制御マップ、内燃機関１の運転状態と吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に吸収された窒素酸化物（ＮＯx）量との関係を示すＮＯx吸収量制御マップ等である。
【００５２】
前記ＲＡＭ２０３は、各センサからの出力信号やＣＰＵ２０１の演算結果等を格納する。前記演算結果は、例えば、クランクポジションセンサ５１の出力信号に基づいて算出される機関回転数である。これらのデータは、クランクポジションセンサ５１が信号を出力する都度、最新のデータに書き換えられる。
【００５３】
前記バックアップＲＡＭ２０４は、内燃機関１の運転停止後もデータを記憶可能な不揮発性のメモリである。
前記ＣＰＵ２０１は、前記ＲＯＭ２０２に記憶されたアプリケーションプログラムに従って動作して、燃料噴射制御、点火制御、スロットル制御、ＮＯx浄化制御等を実行するとともに、本発明の要旨となる排気昇温制御を実行する。
【００５４】
その際、ＣＰＵ２０１は、クランクポジションセンサ５１、アクセルポジションセンサ４３、あるいはエアフローメータ４４等の出力信号値をパラメータとして内燃機関１００の運転状態を判別し、判別された運転状態に応じて各種の制御を実行する。
【００５５】
例えば、ＣＰＵ２０１は、内燃機関１の運転状態が低・中負荷運転領域にあると判定した場合は、酸素過剰状態の混合気（リーン空燃比の混合気）によって内燃機関１を運転（希薄燃焼運転）させるべく燃料噴射量を制御する。
【００５６】
ＣＰＵ２０１は、内燃機関１の運転状態が高負荷運転領域にあると判定した場合は、理論空燃比の混合気もしくは燃料過剰状態の混合気（リッチ空燃比の混合気）によって内燃機関１を運転（ストイキ運転もしくはリッチ運転）させるべく燃料噴射量を制御する。
【００５７】
尚、内燃機関１が希薄燃焼運転されている場合は、内燃機関１から排出される排気の空燃比がリーン雰囲気となるため、排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯx）が吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に吸蔵されることになるが、内燃機関１の希薄燃焼運転が長期間継続されると、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６の窒素酸化物（ＮＯx）吸蔵能力が飽和し、排気中の窒素酸化物（ＮＯx）が吸蔵還元型ＮＯx触媒４６にて除去もしくは浄化されずに大気中に放出される虞がある。
【００５８】
これに対し、ＣＰＵ２０１は、内燃機関１００が希薄燃焼運転されている場合は、比較的に短い周期でスパイク的（短時間）に内燃機関１がストイキ運転またはリッチ運転されるよう燃料噴射量を制御することにより、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に吸蔵された窒素酸化物（ＮＯx）を短周期的に放出及び浄化する、ＮＯx浄化制御を実行する。
【００５９】
すなわち、ＣＰＵ２０１は、ＮＯx浄化制御において、排気空燃比（この実施の形態では混合気の空燃比）が比較的に短い周期で「リーン」と「スパイク的な理論空燃比またはリッチ空燃比」を交互に繰り返されるよう内燃機関１００の運転状態を制御する、いわゆる、リーン・リッチスパイク制御を実行する。
【００６０】
次に、ＣＰＵ２０１は、内燃機関１の排気に含まれる未燃燃料成分（未燃ＨＣ）を低減すべき時期に、排気昇温制御を実行する。ここで、排気中に含まれる未燃ＨＣを低減すべき時期としては、内燃機関１が冷間始動後の暖機運転状態にある場合のように、内燃機関１から比較的多量の未燃ＨＣが排出され、且つ、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が未活性状態にある場合を例示することができる。
【００６１】
排気昇温制御では、ＣＰＵ２０１は、先ず吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が活性状態にあるか否かを判別する。吸蔵還元型ＮＯx触媒４６の活性状態を判定する方法としては、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６の触媒床温を検出する温度センサを該吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に取り付け、その温度センサの出力信号値が所定の活性温度以上にあるときに吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が活性状態にあると判定する方法、もしくは、内燃機関１の運転履歴等から吸蔵還元型ＮＯx触媒４６の触媒床温を推定し、その推定値が所定の活性温度以上にあるときに吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が活性状態にあると判定する方法等を例示することができる。
【００６２】
ＣＰＵ２０１は、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が未活性状態にあると判定した場合は、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６の早期活性化を図るべく排気昇温処理を実行し、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が活性状態にあると判定した場合は、排気昇温処理を実行しないものとする。
【００６３】
排気昇温処理では、ＣＰＵ２０１は、内燃機関１をストイキ運転もしくはリッチ運転させるべく燃料噴射量を制御するとともに、二次空気噴射ノズル５３を作動させて内燃機関１の排気ポートへ二次空気を供給する。
【００６４】
この場合、二次空気噴射ノズル５３から噴射される二次空気は、内燃機関１の燃焼室から排気ポートへ排出された排気中に供給されることになる。その際、排気ポートは、燃焼室の直下流に位置するため、排気ポート内の排気は比較的高温の状態にある。このような高温状態の排気中に二次空気が供給されると、排気中に残存する未燃ＨＣが二次空気中の酸素と反応して浄化されるとともに、未燃ＨＣと酸素とが反応する際に発生する熱（反応熱）によって排気の温度が高められることになる。
【００６５】
未燃ＨＣと酸素との反応熱によって昇温した排気は、排気ポートから排気枝管４５を介して吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に流入し、排気の熱が吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に伝達されることになる。
【００６６】
ところで、内燃機関１の燃焼室内で燃焼した既燃ガスが排気ポートへ排出される際には、既燃ガスの圧力が大幅に低下し、それに応じて既燃ガスの温度が大幅に低下するため、既燃ガス中に残存する未燃ＨＣと二次空気中の酸素とを効果的に反応させることが困難となる。
【００６７】
更に、内燃機関１が冷間始動後の暖機運転状態にある場合は、内燃機関１の燃焼室から吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に至る排気経路（この場合は、排気ポート及び排気枝管４５）の温度が低いため、排気の熱が排気ポートや排気枝管４６に不用意に伝達され、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に到達した時点における排気の温度が低くなる虞がある。
【００６８】
そこで、本実施の形態に係る排気昇温制御では、ＣＰＵ２０１は、内燃機関１をストイキ運転もしくはリッチ運転させるとともに、二次空気噴射ノズル５３を作動させた上で、排気絞り弁４９を略全閉状態とすべく排気絞り用アクチュエータ５０を制御するようにした。
【００６９】
排気絞り弁４９が略全閉状態にされると、内燃機関１の燃焼室から排気絞り弁４９に至る排気経路（この場合は、排気ポート、排気枝管４５、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６、及び、排気管４７において排気絞り弁４９より上流の部位）内の圧力が上昇するとともに、それに応じて前記排気通路内の雰囲気温度が上昇することになる。
【００７０】
このように燃焼室から排気絞り弁４９に至る排気経路内の圧力及び雰囲気温度が上昇すると、燃焼室内の既燃ガスが排気ポートへ排出された際に、該既燃ガスの温度低下が抑制される。また、排気絞り弁４９がほぼ全閉状態にされると、排気ポートから排気絞り弁４９に至る排気通路内における排気の流速が低下することになる。
【００７１】
この結果、内燃機関１の燃焼室から排出された排気は、燃焼室から排気絞り弁４９に至る排気経路において、高温状態で長期にわたって滞留することになり、その間に排気中に含まれる未燃ＨＣが酸化される。
【００７２】
尚、排気昇温制御における排気絞り弁４９の開度は、排気絞り弁４９の作動によって生じる背圧が内燃機関１の燃焼状態を悪化させない開度とすることが好ましく、内燃機関１の運転状態に応じた最適な開度を予め実験的に求めておくようにしてもよい。
【００７３】
以下、本実施の形態に係る排気昇温装置の作用及び効果について述べる。
ＣＰＵ２０１は、排気昇温制御を実現するにあたり、図３に示すような排気昇温制御ルーチンを実行する。このルーチンは、ＲＯＭ２０２に予め記憶されているルーチンであり、内燃機関１の始動完了をトリガにして実行されるルーチンである。
【００７４】
排気昇温制御ルーチンでは、ＣＰＵ２０１は、先ずＳ３０１において、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が既に活性状態にあるか否かを判別する。
前記Ｓ３０１において吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が未だ活性状態にないと判定した場合は、ＣＰＵ２０１は、Ｓ３０２へ進み、排気中の未燃ＨＣを低減し、且つ、排気の温度を昇温させるべく、排気昇温処理の実行を開始する。
【００７５】
具体的には、ＣＰＵ２０１は、排気昇温処理において、内燃機関１をリッチ燃焼運転もしくはストイキ燃焼運転させるべく燃料噴射量を制御し、内燃機関１の排気ポート内へ二次空気を供給すべく二次空気噴射ノズル５３を制御し、排気絞り弁４９を全閉状態とすべく排気絞り用アクチュエータ５０を制御する。
【００７６】
この場合、内燃機関１の燃焼室から排気絞り弁４９に至る排気経路内の圧力及び雰囲気温度が高くなるとともに、前記排気通路内における排気の流速が低下するため、内燃機関１の燃焼室から排出された排気と二次空気噴射ノズル５３から噴射された二次空気とは、前記排気経路内に高温状態で滞留することになる。
【００７７】
この結果、排気中に残存する未燃ＨＣと二次空気中の酸素とが長期にわたって高温に曝されることになり、未燃ＨＣと酸素との反応が促進されて未燃ＨＣが浄化されるとともに、未燃ＨＣと酸素とが反応する際に発生する熱によって排気の温度が確実に昇温することになる。排気の温度が上昇すると、該排気の熱が吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に伝達され、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が早期に活性することになる。
【００７８】
更に、本実施の形態では、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６は、排気絞り弁４９より上流に配置されるため、高温の排気に長期にわたって曝されることになり、その結果、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６の昇温性が一層高められる。
【００７９】
ここで、図３に戻り、前記したＳ３０２の処理を実行し終えたＣＰＵ２０１は、前述したＳ３０１の処理に戻り、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が活性したか否かを判別する。
【００８０】
その際、ＣＰＵ２０１は、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が未だ活性していないと判定するとＳ３０２の排気昇温処理を継続して実行する。一方、吸蔵還元型ＮＯx触媒が活性したと判定した場合は、ＣＰＵ２０１は、Ｓ３０３へ進んで排気昇温処理の実行を終了し、本ルーチンの実行を終了する。
【００８１】
このようにＣＰＵ２０１が排気昇温制御ルーチンを実行することにより、本発明に係る弁制御手段、機関空燃比制御手段、及び、二次空気供給手段が実現される。
【００８２】
従って、本実施の形態に係る排気昇温装置によれば、内燃機関１が冷間始動後の暖機運転状態にある場合のように、内燃機関１から比較的多量の未燃ＨＣが排出され、且つ、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が未活性状態にあるときに、排気中の未燃ＨＣを確実に低減するとともに、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６の早期活性化を図ることが可能となる。
【００８３】
＜実施の形態２＞
次に、本発明に係る内燃機関の排気昇温装置の第２の実施態様について図４〜図６に基づいて説明する。ここでは、前述の第１の実施の形態と同一の構成要素については同一の符号を付している。
【００８４】
図４は、第２の実施の形態に係る排気昇温装置を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。図４に示す内燃機関１００は、複数の気筒２１を備えるとともに、各気筒２１内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁３２を具備した４サイクルの筒内噴射式内燃機関である。
【００８５】
前記内燃機関１００は、複数の気筒２１及び冷却水路１ｃが形成されたシリンダブロック１ｂと、このシリンダブロック１ｂの上部に固定されたシリンダヘッド１ａとを備えている。
【００８６】
前記シリンダブロック１ｂには、機関出力軸であるクランクシャフト２３が回転自在に支持され、このクランクシャフト２３は、各気筒２１内に摺動自在に装填されたピストン２２と連結されている。
【００８７】
前記ピストン２２の上方には、ピストン２２の頂面とシリンダヘッド１ａの壁面とに囲まれた燃焼室２４が形成されている。前記シリンダヘッド１ａには、燃焼室２４に臨むよう点火栓２５が取り付けられ、この点火栓２５には、該点火栓２５に駆動電流を印加するためのイグナイタ２５ａが接続されている。
【００８８】
前記シリンダヘッド１ａには、２つの吸気ポート２６の開口端と２つの排気ポート２７の開口端とが燃焼室２４に臨むよう形成されるとともに、その噴孔が燃焼室２４に臨むよう燃料噴射弁３２が取り付けられている。
【００８９】
前記シリンダヘッド１ａには、その噴孔が排気ポート２７に望むよう二次空気噴射ノズル５３が取り付けられている。この二次空気噴射ノズル５３は、図示しないエアポンプと接続され、該エアポンプから供給される二次空気を前記排気ポート２７内へ供給するものである。
【００９０】
前記吸気ポート２６の各開口端は、シリンダヘッド１ａに進退自在に支持された吸気弁２８によって開閉されるようになっており、これら吸気弁２８は、シリンダヘッド１ａに回転自在に支持されたインテーク側カムシャフト３０によって進退駆動されるようになっている。
【００９１】
前記排気ポート２７の各開口端は、シリンダヘッド１ａに進退自在に支持された排気弁２９により開閉されるようになっており、これら排気弁２９は、シリンダヘッド１ａに回転自在に支持されたエキゾースト側カムシャフト３１により進退駆動されるようになっている。
【００９２】
前記インテーク側カムシャフト３０及び前記エキゾースト側カムシャフト３１は、図示しないタイミングベルトを介してクランクシャフト２３と連結され、クランクシャフト２３の回転トルクがタイミングベルトを介してインテーク側カムシャフト３０及びエキゾースト側カムシャフト３１へ伝達されるようになっている。
【００９３】
各気筒２１に連通する２つの吸気ポート２６のうちの一方の吸気ポート２６は、シリンダヘッド１ａ外壁に形成された開口端から燃焼室２４に臨む開口端へ向かって直線状に形成された流路を有するストレートポートで構成され、他方の吸気ポート２６は、シリンダヘッド１ａ外壁の開口端から燃焼室２４の開口端へ向かって、気筒２１の軸方向と垂直な面において旋回するよう形成された流路を有するヘリカルポートで構成されている。
【００９４】
前記した各吸気ポート２６は、シリンダヘッド１ａに取り付けられた吸気枝管３３の各枝管と連通している。
前記吸気枝管３３において、各気筒２１に対応した２つの吸気ポート２６のうちのストレートポートと連通する枝管には、その枝管内の流量を調節するスワールコントロールバルブ３７が設けられている。
【００９５】
前記スワールコントロールバルブ３７には、ステッパモータ等からなり、印加電流の大きさに応じてスワールコントロールバルブ３７を開閉駆動するＳＣＶ用アクチュエータ３７ａと、スワールコントロールバルブ３７の開度に対応した電気信号を出力するＳＣＶポジションセンサ３７ｂとが取り付けられている。
【００９６】
前記吸気枝管３３は、吸気の脈動を抑制するためのサージタンク３４に接続されている。サージタンク３４には、吸気管３５が接続され、吸気管３５は、吸気中の塵や埃等を取り除くためのエアクリーナ３６と接続されている。
【００９７】
前記吸気管３５には、該吸気管３５内を流れる新気の流量を調節するスロットル弁３９が設けられている。前記スロットル弁３９には、ステッパモータ等からなり、印加電流の大きさに応じて該スロットル弁３９を開閉駆動するスロットル用アクチュエータ４０と、該スロットル弁３９の開度に対応した電気信号を出力するスロットルポジションセンサ４１とが取り付けられている。
【００９８】
前記スロットル弁３９には、アクセルペダル４２に連動して回転するアクセルレバー（図示せず）が併設され、このアクセルレバーには、アクセルレバーの回転位置（アクセルペダル４２の踏み込み量）に対応した電気信号を出力するアクセルポジションセンサ４３が取り付けられている。
【００９９】
前記スロットル弁３９より上流の吸気管３５には、吸気管３５内を流れる新気の質量（吸入空気質量）に対応した電気信号を出力するエアフローメータ４４が取り付けられる。
【０１００】
一方、前記内燃機関１００の各排気ポート２７は、前記シリンダヘッド１ａに取り付けられた排気枝管４５の各枝管と連通している。前記排気枝管４５は、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６を介して排気管４７に接続され、排気管４７は、下流にて図示しないマフラーと接続されている。
【０１０１】
前記排気枝管４５には、該排気枝管４５内を流れる排気の空燃比に対応した電気信号を出力する空燃比センサ４８が取り付けられている。
前記排気管４７の途中には、該排気管４７内を流れる排気の流量を調節する排気絞り弁４９が設けられている。前記排気絞り弁４９には、ステッパモータ等からなり、印加電流の大きさに応じて該排気絞り弁４９を開閉駆動する排気絞り用アクチュエータ５０が取り付けられている。
【０１０２】
また、内燃機関１００は、クランクシャフト２３の端部に取り付けられたタイミングロータ５１ａとタイミングロータ５１ａ近傍のシリンダブロック１ｂに取り付けられた電磁ピックアップ５１ｂとからなるクランクポジションセンサ５１と、内燃機関１００の内部に形成された冷却水路１ｃを流れる冷却水の温度を検出すべくシリンダブロック１ｂに取り付けられた水温センサ５２とを備えている。
【０１０３】
このように構成された内燃機関１００には、該内燃機関１００の運転状態を制御するための電子制御ユニット（Electronic Control Unit：ＥＣＵ、以下ＥＣＵと称する）２０が併設されている。
【０１０４】
前記ＥＣＵ２０には、ＳＣＶポジションセンサ３７ｂ、スロットルポジションセンサ４１、アクセルポジションセンサ４３、エアフローメータ４４、空燃比センサ４８、クランクポジションセンサ５１、及び水温センサ５２等の各種センサが電気配線を介して接続され、各センサの出力信号が前記ＥＣＵ２０に入力されるようになっている。
【０１０５】
前記ＥＣＵ２０には、イグナイタ２５ａ、燃料噴射弁３２、ＳＣＶ用アクチュエータ３７ａ、スロットル用アクチュエータ４０、排気絞り用アクチュエータ５０、二次空気噴射ノズル５３等が電気配線を介して接続され、ＥＣＵ２０が各種センサの出力信号値をパラメータとしてイグナイタ２５ａ、燃料噴射弁３２、ＳＣＶ用アクチュエータ３７ａ、スロットル用アクチュエータ４０、排気絞り用アクチュエータ５０、二次空気噴射ノズル５３を制御することが可能になっている。
【０１０６】
ここで、ＥＣＵ２０は、図５に示すように、双方向性バス２００によって相互に接続されたＣＰＵ２０１とＲＯＭ２０２とＲＡＭ２０３とバックアップＲＡＭ２０４と入力ポート２０５と出力ポート２０６とを備えるとともに、前記入力ポート２０５に接続されたＡ／Ｄコンバータ（Ａ／Ｄ）２０７を備えている。
【０１０７】
前記入力ポート２０５は、クランクポジションセンサ５１のようにデジタル信号形式の信号を出力するセンサの出力信号を入力し、それらの出力信号をＣＰＵ２０１あるいはＲＡＭ２０３へ送信する。
【０１０８】
前記入力ポート２０５は、ＳＣＶポジションセンサ３７ｂ、スロットルポジションセンサ４１、アクセルポジションセンサ４３、エアフローメータ４４、空燃比センサ４８、水温センサ５２のようにアナログ信号形式の信号を出力するセンサの出力信号をＡ／Ｄ２０７を介して入力し、それらの出力信号をＣＰＵ２０１やＲＡＭ２０３へ送信する。
【０１０９】
前記出力ポート２０６は、前記ＣＰＵ２０１から出力される制御信号をイグナイタ２５ａ、燃料噴射弁３２、ＳＣＶ用アクチュエータ３７ａ、スロットル用アクチュエータ４０、排気絞り用アクチュエータ５０、あるいは二次空気噴射ノズル５３へ送信する。
【０１１０】
前記ＲＯＭ２０２は、燃料噴射量を決定するための燃料噴射量制御ルーチン、燃料噴射時期を決定するための燃料噴射時期制御ルーチン、点火時期を決定するための点火時期制御ルーチン、スワールコントロールバルブ（ＳＣＶ）３７の開度を制御するためのＳＣＶ制御ルーチン、スロットル弁３９の開度を制御するためのスロットル制御ルーチン、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に吸収された窒素酸化物（ＮＯx）を浄化するためのＮＯx浄化制御ルーチン等のアプリケーションプログラムに加え、排気中に含まれる未燃燃料成分（未燃ＨＣ）量を低減するための排気昇温制御ルーチンを記憶している。
【０１１１】
前記ＲＯＭ２０２は、前記したアプリケーションプログラムに加え、各種の制御マップを記憶している。前記した制御マップは、例えば、内燃機関１００の運転状態と燃料噴射量との関係を示す燃料噴射量制御マップ、内燃機関１００の運転状態と燃料噴射時期との関係を示す燃料噴射時期制御マップ、内燃機関１００の運転状態と点火時期との関係を示す点火時期制御マップ、内燃機関１００の運転状態とスワールコントロールバルブ（ＳＣＶ）３７の開度との関係を示すＳＣＶ開度制御マップ、内燃機関１００の運転状態とスロットル弁３９との関係を示すスロットル開度制御マップ、内燃機関１００の運転状態と吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に吸収された窒素酸化物（ＮＯx）量との関係を示すＮＯx吸収量制御マップ等である。
【０１１２】
前記ＲＡＭ２０３は、各センサの出力信号やＣＰＵ２０１の演算結果等を記憶する。前記演算結果は、例えば、クランクポジションセンサ５１の出力信号に基づいて算出される機関回転数等である。前記ＲＡＭ２０３に記憶される各種のデータは、クランクポジションセンサ５１が信号を出力する度に最新のデータに書き換えられる。
【０１１３】
前記バックアップＲＡＭ４５は、内燃機関１００の運転停止後もデータを保持する不揮発性のメモリである。
前記ＣＰＵ２０１は、前記ＲＯＭ２０２に記憶されたアプリケーションプログラムに従って動作して、燃料噴射制御、点火制御、ＳＣＶ制御、スロットル制御、ＮＯx浄化制御、排気昇温制御等を実行する。
【０１１４】
その際、ＣＰＵ２０１は、クランクポジションセンサ５１、アクセルポジションセンサ４３、あるいはエアフローメータ４４等の出力信号値をパラメータとして内燃機関１００の運転状態を判別し、判別された運転状態に応じて各種の制御を実行する。
【０１１５】
例えば、ＣＰＵ２０１は、内燃機関１００の運転状態が低負荷運転領域にあると判定した場合は、酸素過剰状態の混合気（リーン混合気）による成層燃焼を実現すべく、ＳＣＶ用アクチュエータ３７ａへ制御信号を送信してスワールコントロールバルブ３７の開度を小さくし、スロットル用アクチュエータ４０へ制御信号を送信してスロットル弁３９を実質的に全開状態とし、さらに各気筒２１の圧縮行程時に燃料噴射弁３２に駆動電流を印加して圧縮行程噴射を行う。
【０１１６】
この場合、各気筒２１の燃焼室２４には、吸気行程時に主としてスワールポート７ｂからの新気が導入され、強い旋回流（スワール流）が発生する。続く圧縮行程では、燃料噴射弁３２から噴射された燃料がスワール流に従って燃焼室２４内を旋回し、所定の時期に点火栓２５近傍へ移動する。このとき、燃焼室２４内は、点火栓２５の近傍が可燃混合気層となり、且つその他の領域が空気層となる、いわゆる成層状態となる。
【０１１７】
ＣＰＵ２０１は、各気筒２１の燃焼室２４内が成層状態となった時点で、イグナイタ２５ａを駆動して点火栓２５から火花を発生させる。この結果、燃焼室２４内の混合気（可燃混合気層と空気層とを含む）は、点火栓２５近傍の可燃混合気層を着火源として燃焼する。
【０１１８】
尚、成層燃焼運転時における燃料噴射量は、アクセル開度と機関回転数とをパラメータとして決定される。すなわち、ＥＣＵ２０は、アクセルポジションセンサ４３の出力信号値（アクセル開度）と機関回転数と燃料噴射量との関係を示すマップを用いて燃料噴射量（燃料噴射時間）を決定する。
【０１１９】
ＣＰＵ２０１は、内燃機関１００の運転状態が中負荷運転領域にあると判定した場合は、リーン混合気（成層燃焼時より酸素濃度が低い混合気）による均質リーン燃焼を実現すべく、ＳＣＶ用アクチュエータ３７ａへ制御信号を送信してスワールコントロールバルブ３７の開度を小さくし、さらに各気筒２１の吸気行程時に燃料噴射弁３２に駆動電流を印加して吸気行程噴射を行う。
【０１２０】
この場合、各気筒２１の燃焼室２４内の略全域にわたって、新気と燃料とが均質に混じり合ったリーン混合気が形成され、均質リーン燃焼が実現される。
ＣＰＵ２０１は、内燃機関１００の運転状態が高負荷運転領域にあると判定した場合は、理論空燃比近傍の混合気による均質燃焼を実現すべく、ＳＣＶ用アクチュエータ３７ａへ制御信号を送信してスワールコントロールバルブ３７を全開状態とし、スロットル弁３９がアクセルペダル４２の踏み込み量（アクセルポジションセンサ４３の出力信号値）に対応した開度となるようスロットル用アクチュエータ４０へ制御信号を送信し、さらに各気筒２１の吸気行程時に燃料噴射弁３２に駆動電流を印加して吸気行程噴射を行う。
【０１２１】
この場合、各気筒２１の燃焼室２４内の略全域にわたって、新気と燃料とが均質に混じり合った理論空燃比の混合気が形成され、均質燃焼が実現される。
尚、ＣＰＵ２０１は、成層燃焼制御から均質燃焼制御へ移行する際、あるいは均質燃焼制御から成層燃焼制御へ移行する際に、内燃機関１００のトルク変動を防止すべく各気筒２１の圧縮行程時と吸気行程時との二回に分けて燃料噴射弁３２に駆動電流を印加するようにしてもよい。
【０１２２】
この場合、各気筒２１の燃焼室２４内には、点火栓２５の近傍に可燃混合気層が形成されるとともに、その他の領域にリーン混合気層が形成され、いわゆる弱成層燃焼が実現される。
【０１２３】
尚、内燃機関１００の運転状態がアイドル運転領域にある場合は、ＣＰＵ２０１は、実際の機関回転数を目標アイドル回転数に収束させるために必要な吸入空気量を確保すべくスロットル弁３９の開度を制御する、いわゆるアイドルスピードコントロール（ＩＳＣ）のフィードバック制御を行う。
【０１２４】
次に、内燃機関１００が成層燃焼運転状態、均質リーン燃焼運転状態、もしくは弱成層燃焼運転状態にあるとき、言い換えれば内燃機関１００が希薄燃焼運転状態にあるときは、排気の空燃比がリーンとなるため、排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯx）が吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に吸蔵されることになるが、内燃機関１００の希薄燃焼運転が長期間継続されると、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６の窒素酸化物（ＮＯx）吸蔵能力が飽和し、排気中の窒素酸化物（ＮＯx）が吸蔵還元型ＮＯx触媒４６にて除去もしくは浄化されずに大気中に放出される虞がある。
【０１２５】
そこで、本実施の形態では、ＣＰＵ２０１は、内燃機関１００の運転状態が希薄燃焼運転状態にある場合は、比較的に短い周期で排気の空燃比をリッチとすべくリッチスパイク制御を実行することにより、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６に吸蔵された窒素酸化物（ＮＯx）を短周期的に放出及び還元させるＮＯx浄化制御を実行する。
【０１２６】
ここで、リッチスパイク制御では、ＣＰＵ２０１は、例えば、内燃機関１００の各気筒２１の膨張行程時もしくは排気行程時に燃料噴射弁３２から副次的に燃料を噴射させる副噴射制御を行って排気の空燃比を一時的に理論空燃比（又はリッチ空燃比）とするようにしてもよく、あるいは内燃機関１の運転状態を一時的に均質燃焼運転に切り替えて排気の空燃比を一時的に理論空燃比（又はリッチ空燃比）とするようにしてもよい。
【０１２７】
次に、ＣＰＵ２０１は、内燃機関１の排気に含まれる未燃燃料成分（未燃ＨＣ）を低減すべき時期に、排気昇温制御を実行する。ここで、排気中に含まれる未燃ＨＣを低減すべき時期としては、内燃機関１が冷間始動後の暖機運転状態にある場合のように、内燃機関１から比較的多量の未燃ＨＣが排出され、且つ、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が未活性状態にある場合を例示することができる。
【０１２８】
排気昇温制御では、ＣＰＵ２０１は、先ず吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が活性状態にあるか否かを判別する。ＣＰＵ２０１は、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が未活性状態にあると判定した場合に吸蔵還元型ＮＯx触媒４６の早期活性化を図るべく排気昇温処理を実行し、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が活性状態にあると判定した場合は排気昇温処理を実行しないものとする。
【０１２９】
排気昇温処理では、ＣＰＵ２０１は、内燃機関１の運転状態を理論空燃比又はリッチ空燃比の混合気による均質燃焼運転とすべく、燃料噴射弁３２、ＳＣＶ用アクチュエータ３７ａ、スロットル用アクチュエータ４０、及びイグナイタ２５ａを制御し、排気絞り弁４９を略全閉状態とすべく排気絞り用アクチュエータ５０を制御する。
【０１３０】
排気絞り弁４９が略全閉状態にされると、内燃機関１の燃焼室２４から排気絞り弁４９に至る排気経路（排気ポート２７、排気枝管４５、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６、及び、排気管４７において排気絞り弁４９より上流に位置する部位）内の圧力が上昇するとともに、それに応じて前記排気通路内の雰囲気温度が高められることになる。
【０１３１】
このように燃焼室２４から排気絞り弁４９に至る排気経路内の圧力及び雰囲気温度が上昇すると、燃焼室２４内の既燃ガスが排気ポート２７へ排出された際に、該既燃ガスの温度低下が抑制される。また、排気絞り弁４９が略全閉状態にされると、排気ポートから排気絞り弁４９に至る排気通路内における排気の流速が低下することになる。
【０１３２】
この結果、燃焼室２４から排出された排気は、燃焼室２４から排気絞り弁４９に至る排気経路において、高温状態で長期にわたって滞留することになり、その間に排気中に含まれる未燃ＨＣが酸化される。
【０１３３】
ところで、排気絞り弁４９が略全閉状態にされた場合であっても、燃焼室２４から排気ポート２７へ排出された時点における排気の温度が過剰に低い場合や、燃焼室２４から排出される排気に含まれる未燃ＨＣ量が過剰に多い場合は、未燃ＨＣの酸化反応が十分に行われなくなる虞がある。
【０１３４】
そこで、本実施の形態に係る排気昇温制御では、ＣＰＵ２０１は、排気絞り弁４９を略全閉状態に制御する場合に、機関出力に寄与する主たる燃料（主燃料）の噴射に加えて、主燃料噴射後の所定の時期（例えば、各気筒２１の膨張行程時であって主燃料の燃焼直後）に副次的に燃料を噴射させるべく燃料噴射弁３２を制御するようにしている。
【０１３５】
この場合、燃焼室２４内では、主燃料の燃え残りである未燃ＨＣが副燃料を着火源として燃焼せしめられることになる。その際、副燃料の噴射は、主燃料が燃焼した直後の高温下で行われるため、副燃料がほぼ完全燃焼することとなり、副燃料の噴射に起因した未燃ＨＣの発生量は極わずかとなる。
【０１３６】
上記したように副燃料が燃焼室２４内で燃焼せしめられると、主燃料の燃焼熱に加えて、副燃料の燃焼熱と未燃ＨＣの燃焼熱とが発生することになり、燃焼室２４内の既燃ガスの温度が一層高くなる。
【０１３７】
この結果、燃焼室２４から排気ポート２７へ排出される際に、排気の温度が十分に高くなるとともに、排気中に残存する未燃ＨＣ量が少なくなる。排気中に残存した未燃ＨＣは、燃焼室２４から排気絞り弁４９に至る排気経路において長期にわたって高温下に曝されるため、その間に未燃ＨＣの略全てが酸化されるようになる。
【０１３８】
更に、本実施の形態では、排気浄化触媒４６が排気絞り弁４９より上流の排気通路に配置されるため、上記したように排気温度が高められると、排気浄化触媒４６が高温の排気に長期間曝され、排気浄化触媒４６の活性化が促進される。
【０１３９】
一方、燃焼室２４から排気絞り弁４９に至る排気経路において、排気中に残存する未燃ＨＣを酸化させるためには、排気中に十分な量の酸素が必要となる。これに対し、内燃機関１００を成層燃焼運転させることによって排気中の酸素濃度を高める方法が考えらえるが、排気絞り弁４９を略全閉状態にした状態では内燃機関１に作用する背圧が大きくなるため、その際に内燃機関１００が成層燃焼運転されると内燃機関１００の運転状態が不安定になることが想定される。
【０１４０】
そこで、本実施の形態では、ＣＰＵ２０１は、排気昇温制御を実行する際に、内燃機関１を理論空燃比もしくはリッチ空燃比の混合気による均質燃焼運転させるとともに、二次空気噴射ノズル５３を作動させて排気中の酸素濃度を高めるようにしている。
【０１４１】
この場合、内燃機関１が均質燃焼運転されるため、排気絞り弁４９が略全閉状態に制御されても内燃機関１の運転状態が不安定となり難い。更に、二次空気噴射ノズル５３から排気ポート２７へ二次空気が供給されるため、排気中に残存する未燃ＨＣを酸化させる際に必要となる酸素を確保することが可能となる。
【０１４２】
以下、本実施の形態に係る排気昇温装置の作用及び効果について述べる。
ＣＰＵ２０１は、排気昇温制御を実行するにあたり、図６に示すような排気昇温制御ルーチンを実行する。この排気昇温制御ルーチンは、予めＲＯＭ２０２に記憶されたルーチンであり、内燃機関１００の始動完了をトリガにして実行されるルーチンである。
【０１４３】
排気昇温制御ルーチンでは、ＣＰＵ２０１は、先ずＳ６０１において、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が既に活性状態にあるか否かを判別する。
前記Ｓ６０１において吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が未だ活性状態にないと判定した場合は、ＣＰＵ２０１は、Ｓ６０２へ進み、排気中の未燃ＨＣを低減し、且つ、排気の温度を昇温させるべく、排気昇温処理の実行を開始する。
【０１４４】
具体的には、ＣＰＵ２０１は、排気昇温処理において、内燃機関１の運転状態を理論空燃比もしくはリッチ空燃比の混合気による均質燃焼運転に切り換え、内燃機関１の排気ポート内へ二次空気を供給すべく二次空気噴射ノズル５３を制御し、各気筒２１の膨張行程時に副燃料を噴射させるべく燃料噴射弁３２を制御し、排気絞り弁４９を略全閉状態とすべく排気絞り用アクチュエータ５０を制御する。
【０１４５】
この場合、各気筒２１の膨張行程時に燃料噴射弁３２から噴射された副燃料によって燃焼室２４内から排気ポート２７へ排出される時点における排気の温度が高められるとともに排気中に残存する未燃ＨＣが低減される。
【０１４６】
更に、排気絞り弁４９が略全閉状態に制御されることにより、燃焼室２４から排気絞り弁４９に至る排気経路内の圧力及び雰囲気温度が上昇するとともに、前記排気通路内の排気の流速が低下する。
【０１４７】
この結果、各気筒２１の燃焼室２４から排気ポート２７へ排出された時点における排気の温度低下が抑制され、前記排気経路内には高温状態の排気と二次空気とが長期にわたって滞留することになるため、排気中に残存する比較的少量の未燃ＨＣと二次空気中の酸素との反応が促進され、排気中に含まれる未燃ＨＣ量が大幅に減少する。
【０１４８】
また、未燃ＨＣと酸素との反応が活発になると、未燃ＨＣと酸素とが反応する際に発生する熱量が増加するため、排気の温度が一層高められる。排気の温度が高くなると、排気から吸蔵還元型ＮＯx触媒４６へ伝達される熱量が増加し、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６の昇温が促進される。
【０１４９】
また、排気絞り弁４９が全閉状態に制御されることによって、内燃機関１００に作用する背圧が高くなるが、内燃機関１００の運転状態が理論空燃比又はリッチ空燃比の混合気による均質燃焼運転とされるため、内燃機関１００の運転状態が不安定になることがない。
【０１５０】
ここで、図６に戻り、前記したＳ６０２の処理を実行し終えたＣＰＵ２０１は、前述したＳ６０１の処理に戻り、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が活性したか否かを判別する。
【０１５１】
その際、ＣＰＵ２０１は、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が未だ活性していないと判定するとＳ６０２の排気昇温処理を継続して実行する。一方、吸蔵還元型ＮＯx触媒が活性したと判定した場合は、ＣＰＵ２０１は、Ｓ６０３へ進んで排気昇温処理の実行を終了し、本ルーチンの実行を終了する。
【０１５２】
このようにＣＰＵ２０１が排気昇温制御ルーチンを実行することにより、内燃機関１００が冷間始動された場合にように、内燃機関１００から比較的多量の未燃ＨＣが排出され易く、且つ、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６が未活性状態にある場合に、排気中の未燃ＨＣを大幅に低減することができるとともに、吸蔵還元型ＮＯx触媒４６の早期活性化を図ることが可能となる。
【０１５３】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関の排気昇温装置では、排気中に含まれる未燃燃料成分を低減させる必要が生じた場合に、排気絞り弁がほぼ全閉に制御され、内燃機関が理論空燃比もしくは燃料過剰空燃比で運転され、更に排気通路における上流の部位に二次空気が供給されるため、内燃機関から排気絞り弁に至る排気通路において排気を長期にわたって高温状態で滞留させることが可能となり、排気中に含まれる未燃燃料成分を確実に酸化させるとともに、その際に発生する熱によって排気の温度を高めることが可能となる。
【０１５４】
従って、本発明に係る内燃機関の排気昇温装置によれば、排気中に含まれる未燃燃料成分を低減させる必要がある場合に、排気中の未燃燃料成分を確実に低減させつつ排気の温度を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施の形態に係る排気昇温装置を適用する内燃機関の概略構成を示す図
【図２】 第１の実施の形態に係るＥＣＵの内部構成を示す図
【図３】 第１の実施の形態に係る排気昇温制御ルーチンを示すフローチャート図
【図４】 第２の実施の形態に係る排気昇温装置を適用する内燃機関の概略構成を示す図
【図５】 第２の実施の形態に係るＥＣＵの内部構成を示す図
【図６】 第２の実施の形態に係る排気昇温制御ルーチンを示すフローチャート図
【符号の説明】
１・・・・内燃機関
２０・・・ＥＣＵ
２１・・・気筒
２４・・・燃焼室
２７・・・排気ポート
２９・・・排気弁
３２・・・燃料噴射弁
４５・・・排気枝管
４６・・・排気浄化触媒
４７・・・排気管
４９・・・排気絞り弁
５０・・・アクチュエータ
５３・・・二次空気噴射ノズル
２０１・・ＣＰＵ
２０２・・ＲＯＭ
Claims (1)
- 筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射手段を具備し、成層燃焼運転と均質燃焼運転とを切り替え可能な筒内噴射型内燃機関に接続された排気通路と、
前記排気通路に設けられ、前記排気通路を流れる排気の流量を調節する排気絞り弁と、
排気中に含まれる未燃燃料成分量を低減すべきときに、前記排気絞り弁をほぼ全閉に制御する弁制御手段と、
前記弁制御手段によって前記排気絞り弁がほぼ全閉に制御されるときに、前記内燃機関を理論空燃比もしくは燃料過剰空燃比で均質燃焼運転させる機関空燃比制御手段と、
前記弁制御手段によって前記排気絞り弁がほぼ全閉に制御されるときに、前記排気通路における上流の部位へ二次空気を供給する二次空気供給手段と、を備え、
前記弁制御手段によって前記排気絞り弁がほぼ全閉に制御されるときに、前記燃料噴射手段による主たる燃料の噴射によって噴射された燃料の燃焼直後に前記燃料噴射手段から副次的に燃料を噴射させることを特徴とする内燃機関の排気昇温装置。
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