JP5061861B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、内燃機関の排気通路に、排気ガスを浄化可能な排気浄化触媒と粒子状物質ＰＭを捕集するためのパティキュレートフィルタとを備える内燃機関を制御するうえで好適な内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、排気通路にディーゼルスモーク浄化手段（酸化触媒およびパティキュレートフィルタ）を備えるディーゼルエンジンが開示されている。この従来のディーゼルエンジンでは、エンジン始動初期にディーゼルスモーク浄化手段が過度に昇温してしまうのを防止すべく、エンジン始動後の所定期間に渡ってパティキュレートフィルタの再生処理の実行を禁止するようにしている。

特開２００６−９７６２３号公報 特開平４−１７５４１５号公報

ところで、ＨＣやＮＯｘなどの排気エミッションを浄化可能な排気浄化触媒と、粒子状物質ＰＭを捕集除去するためのパティキュレートフィルタとを排気通路に備える内燃機関においては、以下のような要求がある。すなわち、冷間始動時において、排気エミッションの排出低減を目的として、排気浄化触媒を所定の活性温度にまで早期に暖機させたいという要求がある。また、冷間始動時において特に多く排出される傾向を有するＰＭを、冷間始動時にパティキュレートフィルタで捕集した後に、通常運転時の空燃比制御が開始される前にパティキュレートフィルタから早期に除去させておきたいという要求がある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、排気浄化触媒とパティキュレートフィルタとを排気通路に備える内燃機関において、冷間始動時に排気エミッションの早期低減を図りつつ、冷間始動時にパティキュレートフィルタで捕集したＰＭを早期に除去させ得る内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、理論空燃比となるように行うストイキ制御を通常運転時の空燃比の基本制御として用いる内燃機関の制御装置であって、
内燃機関の排気通路に配置され、排気ガスを浄化可能な排気浄化触媒と、
前記排気通路に配置され、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、
粒子状物質が捕集された前記パティキュレートフィルタを再生するための制御として、理論空燃比よりもリーンなガスを前記パティキュレートフィルタに供給するフィルタ再生制御を行う再生制御実行手段と、
内燃機関の冷間始動時に、前記排気浄化触媒の暖機を促す触媒暖機制御を実行する暖機制御実行手段と、
冷間始動時に前記暖機制御実行手段による前記触媒暖機制御が開始された後に、前記ストイキ制御が開始されるまでの間に、前記フィルタ再生制御が行われるように制御タイミングを調整する制御タイミング調整手段と、
前記排気浄化触媒および前記パティキュレートフィルタよりも下流側の前記排気通路に配置され、酸素吸蔵能を有する三元触媒と、
前記三元触媒の雰囲気ガスの状態を判別する雰囲気ガス状態判別手段と、
を備え、
前記制御タイミング調整手段は、前記三元触媒がリッチ雰囲気となるまで、前記フィルタ再生制御の開始を禁止する再生制御禁止手段を含むことを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、前記制御タイミング調整手段は、前記触媒暖機制御の開始後に、前記パティキュレートフィルタの温度が当該パティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質を燃焼させるために必要な温度にまで上昇した時点で、前記フィルタ再生制御を開始させることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、内燃機関の冷間始動時に燃料増量がなされたか否かを判断する燃料増量有無判断手段を更に備え、
前記制御タイミング調整手段は、前記燃料増量がなされたと認められた場合に、前記フィルタ再生制御の開始を許可する再生制御許可手段を含むことを特徴とする。

また、第４の発明は、理論空燃比となるように行う制御を空燃比の基本制御として用いる内燃機関の制御装置であって、
内燃機関の排気通路に配置され、排気ガスを浄化可能な排気浄化触媒と、
前記排気通路に配置され、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、
粒子状物質が捕集された前記パティキュレートフィルタを再生するフィルタ再生制御を行う再生制御実行手段と、
内燃機関の冷間始動時に、前記排気浄化触媒の暖機を促す触媒暖機制御を実行する暖機制御実行手段と、
前記触媒暖機制御が開始した後に、前記フィルタ再生制御が開始するように制御タイミングを調整する制御タイミング調整手段と、
前記排気浄化触媒および前記パティキュレートフィルタよりも下流側の前記排気通路に配置され、酸素吸蔵能を有する三元触媒と、
前記三元触媒の雰囲気ガスの状態を判別する雰囲気ガス状態判別手段と、
を備え、
前記制御タイミング調整手段は、前記三元触媒がリッチ雰囲気となるまで、前記フィルタ再生制御の開始を禁止する再生制御禁止手段を含むことを特徴とする。

また、第５の発明は、第１または第４の発明において、前記排気浄化触媒よりも上流側の前記排気通路に配置され、その位置での排気空燃比に関する情報を取得する上流側空燃比センサと、
前記排気浄化触媒および前記パティキュレートフィルタよりも下流側の前記排気通路に配置され、その位置での排気空燃比に関する情報を取得する下流側空燃比センサと、
前記上流側空燃比センサおよび前記下流側空燃比センサの出力に基づいて、前記排気浄化触媒に供給される排気ガスの空燃比が制御目標空燃比となるように燃料噴射量を修正するフィードバック手段とを更に備え、
前記雰囲気ガス状態判別手段は、前記下流側空燃比センサの出力に基づいて、前記三元触媒の雰囲気ガスの状態を判別することを特徴とする。

また、第６の発明は、第１乃至第５の発明の何れかにおいて、前記制御タイミング調整手段は、前記フィルタ再生制御の開始タイミングが到来している場合または当該フィルタ再生制御の実行中である場合であっても、内燃機関の燃料カットが実行された場合には、前記フィルタ再生制御を、不実行または中止とする再生制御制限手段を含むことを特徴とする。
また、第７の発明は、理論空燃比となるように行う制御を空燃比の基本制御として用いる内燃機関の制御装置であって、
内燃機関の排気通路に配置され、排気ガスを浄化可能な排気浄化触媒と、
前記排気通路に配置され、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、
粒子状物質が捕集された前記パティキュレートフィルタを再生するフィルタ再生制御を行う再生制御実行手段と、
内燃機関の冷間始動時に、前記排気浄化触媒の暖機を促す触媒暖機制御を実行する暖機制御実行手段と、
前記触媒暖機制御が開始した後に、前記フィルタ再生制御が開始するように制御タイミングを調整する制御タイミング調整手段と、
を備え、
前記制御タイミング調整手段は、前記フィルタ再生制御の開始タイミングが到来している場合または当該フィルタ再生制御の実行中である場合であっても、内燃機関の燃料カットが実行された場合には、前記フィルタ再生制御を、不実行または中止とする再生制御制限手段を含むことを特徴とする。

第１の発明によれば、理論空燃比となるように行う空燃比制御を通常運転時の空燃比の基本制御とする内燃機関（ストイキバーン運転を行う内燃機関）において、フィルタ再生制御に先立って実行される触媒暖機制御により得られた熱を利用して、パティキュレートフィルタの温度を十分に確保したうえで、理論空燃比よりもリーンなガスを前記パティキュレートフィルタに供給するフィルタ再生制御を実施することができるようになる。ストイキバーン運転を行う内燃機関では、始動時においても、リーンバーン運転を行う内燃機関と比較して、排気ガスの温度が確実に確保され易い特性を有している。このため、ストイキバーン運転を行う内燃機関では、冷間始動時において、リーンバーン運転を行う内燃機関に比して、排気浄化触の暖機およびパティキュレートフィルタの昇温を好適に行うことができるようになる。このため、本発明によれば、上記特性を有するストイキバーンエンジンにおいて、制御タイミング調整手段による制御タイミングの調整がなされることで、冷間始動時に排気エミッションの早期低減を図りつつ、冷間始動時にパティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質を早期に除去することを極めて良好に行えるようになる。また、本発明によれば、パティキュレートフィルタの下流側に配置された三元触媒の雰囲気が常にリッチ雰囲気とされた状態で、上記フィルタ再生制御が実行されるようになる。三元触媒は、その雰囲気がストイキ近傍の雰囲気に制御されることで、排気ガス中に含まれる三元触媒（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）の十分な浄化が可能となる特性を有する触媒である。しかしながら、上記フィルタ再生制御がパティキュレートフィルタに通常よりも多くの酸素を供給する制御である場合には、そのようなフィルタ再生制御が長期間に渡って継続的に実行されることになると、上記三元触媒の雰囲気がリーン雰囲気となってしまい、ＮＯｘの浄化能の低下が懸念される。本発明によれば、当該フィルタ再生制御を行った際の背反として懸念されるＮＯｘ浄化能の低下の確実な回避と、始動時におけるパティキュレートフィルタの再生とを好適に両立させることができるようになる。

第２の発明によれば、触媒暖機制御により得られた熱を利用して、パティキュレートフィルタの温度が当該パティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質を燃焼させるために必要な温度にまで上昇した時点でフィルタ再生制御を行うことで、冷間始動時において、パティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質を早期かつ確実に除去することができる。

第３の発明によれば、パティキュレートフィルタへの粒子状物質の堆積量が増えると判断できる場合にのみフィルタ再生制御を行うことができ、不必要なフィルタ再生制御が実行されるのを回避することができる。

第４の発明によれば、理論空燃比となるように行う制御を空燃比の基本制御とする内燃機関（ストイキバーン運転を行う内燃機関）において、フィルタ再生制御に先立って実行される触媒暖機制御により得られた熱を利用して、パティキュレートフィルタの温度を十分に確保したうえで、フィルタ再生制御を実施することができるようになる。ストイキバーン運転を行う内燃機関では、始動時においても、リーンバーン運転を行う内燃機関と比較して、排気ガスの温度が確実に確保され易い特性を有している。このため、ストイキバーン運転を行う内燃機関では、冷間始動時において、リーンバーン運転を行う内燃機関に比して、排気浄化触の暖機およびパティキュレートフィルタの昇温を好適に行うことができるようになる。このため、本発明によれば、上記特性を有するストイキバーンエンジンにおいて、制御タイミング調整手段による制御タイミングの調整がなされることで、冷間始動時に排気エミッションの早期低減を図りつつ、冷間始動時にパティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質を早期に除去することを極めて良好に行えるようになる。また、本発明によれば、パティキュレートフィルタの下流側に配置された三元触媒の雰囲気が常にリッチ雰囲気とされた状態で、上記フィルタ再生制御が実行されるようになる。三元触媒は、その雰囲気がストイキ近傍の雰囲気に制御されることで、排気ガス中に含まれる三元触媒（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）の十分な浄化が可能となる特性を有する触媒である。しかしながら、上記フィルタ再生制御がパティキュレートフィルタに通常よりも多くの酸素を供給する制御である場合には、そのようなフィルタ再生制御が長期間に渡って継続的に実行されることになると、上記三元触媒の雰囲気がリーン雰囲気となってしまい、ＮＯｘの浄化能の低下が懸念される。本発明によれば、当該フィルタ再生制御を行った際の背反として懸念されるＮＯｘ浄化能の低下の確実な回避と、始動時におけるパティキュレートフィルタの再生とを好適に両立させることができるようになる。

第５の発明によれば、排気浄化触媒を対象として行う空燃比のフィードバック制御の実現のために備えられた空燃比センサの出力を利用して、パティキュレートフィルタよりも下流側の排気通路に配置された三元触媒の雰囲気を好適に判断することができる。

第６の発明によれば、触媒暖機制御により得られた熱がパティキュレートフィルタにも供給されている状況下において燃料カットが実行された場合に、フィルタ再生制御が完了したものと判断することで、なるべく不要なフィルタ再生制御の実施を回避することができる。
第７の発明によれば、理論空燃比となるように行う制御を空燃比の基本制御とする内燃機関（ストイキバーン運転を行う内燃機関）において、フィルタ再生制御に先立って実行される触媒暖機制御により得られた熱を利用して、パティキュレートフィルタの温度を十分に確保したうえで、フィルタ再生制御を実施することができるようになる。ストイキバーン運転を行う内燃機関では、始動時においても、リーンバーン運転を行う内燃機関と比較して、排気ガスの温度が確実に確保され易い特性を有している。このため、ストイキバーン運転を行う内燃機関では、冷間始動時において、リーンバーン運転を行う内燃機関に比して、排気浄化触の暖機およびパティキュレートフィルタの昇温を好適に行うことができるようになる。このため、本発明によれば、上記特性を有するストイキバーンエンジンにおいて、制御タイミング調整手段による制御タイミングの調整がなされることで、冷間始動時に排気エミッションの早期低減を図りつつ、冷間始動時にパティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質を早期に除去することを極めて良好に行えるようになる。また、本発明によれば、触媒暖機制御により得られた熱がパティキュレートフィルタにも供給されている状況下において燃料カットが実行された場合に、フィルタ再生制御が完了したものと判断することで、なるべく不要なフィルタ再生制御の実施を回避することができる。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１における内燃機関システムを説明するための概略図である。図１に示すシステムは、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は、理論空燃比（ストイキ）となるように行う制御を空燃比の基本制御として燃焼を行うストイキバーンエンジンであり、ここでは、内燃機関１０は、そのようなストイキバーン運転を行う内燃機関の一例として、ガソリンエンジンであるものとする。

内燃機関１０には、排気通路１２が備えられている。排気通路１２には、筒内から排出される排気ガスの空燃比を検出するためのメインリニアＡ／Ｆセンサ（以下、単に「Ａ／Ｆセンサ」と略する）１４が配置されている。Ａ／Ｆセンサ１４は、排気ガスの空燃比に対してほぼリニアな出力を発するセンサである。

Ａ／Ｆセンサ１４よりも下流側の排気通路１２には、排気ガス中に含まれる三元成分（（ＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯ）を浄化可能な上流側三元触媒１６が配置されている。上流側三元触媒１６よりも下流側の排気通路１２には、排気ガス中に含まれる粒子状物質ＰＭ（以下、単に「ＰＭ」と略することがある）を捕集して除去可能なパティキュレートフィルタ（以下、「ＰＭフィルタ」と称する）１８が配置されている。

ＰＭフィルタ１８よりも下流側の排気通路１２には、その位置の空燃比がリッチであるかリーンであるかに応じた信号を発するサブＯ２センサ２０が配置されている。更に、サブＯ２センサ２０よりも下流側の排気通路１２には、排気ガス中に含まれる上記三元成分を浄化可能な下流側三元触媒２２が配置されている。尚、上流側三元触媒１６の上流側に配置される空燃比センサは、上記のメインリニアＡ／Ｆセンサ１４でなくても、サブＯ２センサ２０と同様の構成の酸素センサであってもよい。

図１に示すシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)２４を備えている。ＥＣＵ２４には、上述したＡ／Ｆセンサ１４やサブＯ２センサ２０とともに内燃機関１０を制御するための各種情報（エンジン冷却水温度、吸入空気量、エンジン回転数、スロットル開度、アクセル開度など）を計測するための各種センサ（図示省略）が接続されている。また、ＥＣＵ２４には、スロットルバルブ、燃料噴射弁、点火プラグ等の各種アクチュエータ（図示省略）が接続されている。

（空燃比のフィードバック制御）
本実施形態の内燃機関１０は、上述したように、理論空燃比となるように行う制御を空燃比の基本制御としてストイキバーン運転を行う内燃機関である。より具体的には、本実施形態では、Ａ／Ｆセンサ１４およびサブＯ２センサ２０の出力を利用した以下のような空燃比のフィードバック制御を実行することによって、空燃比を理論空燃比近傍の値に制御するようにしている。
すなわち、本実施形態のシステムでは、上流側のＡ／Ｆセンサ１４の出力に基づいてメインのフィードバック制御が実行される。そして、下流側のサブＯ２センサ２０の出力に基づいてサブのフィードバック制御が実行される。メインフィードバック制御では、上流側三元触媒１６に流入する排気ガスの空燃比が制御目標空燃比と一致するように燃料噴射量の制御が行われる。また、サブフィードバック制御では、上流側三元触媒１６の下流に流出してくる排気ガスの空燃比が理論空燃比となるように、メインフィードバック制御の内容が修正される。

（触媒暖機制御）
本実施形態のシステムにおいては、冷間始動時に、上流側三元触媒１６や下流側三元触媒２２の床温を所定の活性温度にまで早期に高めるべく、これらの三元触媒１６、２２（主に上流側三元触媒１６）の暖機を促す触媒暖機制御が実行される。より具体的には、このような触媒暖機制御としては、点火時期の遅角や空燃比のリーン化などが行われる。点火時期の遅角化によれば、筒内から排出される排気ガスの温度を高めることができ、上流側三元触媒１６や下流側三元触媒２２に高温の排気ガスを供給することが可能となる。また、空燃比のリーン化によれば、上流側三元触媒１６や下流側三元触媒２２の活性化のタイミングを早めることができる。
このような触媒暖機制御によれば、三元触媒１６、２２を早期に機能させることができるようになるので、冷間始動時における比較的早い段階から、排気エミッション（より具体的には、排気ガス中に含まれる三元成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ））を良好に低減することができるようになる。

（ＰＭフィルタによるＰＭの捕集とフィルタ再生制御）
図１に示すＰＭフィルタ１８によれば、排気ガス中に含まれるＰＭを捕集して、大気中に放出されるのを抑制することができる。このようなＰＭフィルタ１８を備えるシステムでは、ＰＭを継続的に捕集し続けるためには、捕集されたＰＭを除去してＰＭフィルタ１８の捕集能力を再生するためのフィルタ再生制御が必要となる。そのようなフィルタ再生制御としては、ＰＭフィルタ１８を高温かつリーンな雰囲気下に置くことによって捕集されたＰＭを燃焼除去する処理がある。
より具体的には、当該フィルタ再生制御は、ＰＭフィルタ１８の床温がＰＭフィルタ１８に捕集されたＰＭを燃焼させるために必要な温度以上となっている状況下において、空燃比を現在の制御目標空燃比よりもリーンな空燃比に制御したり、或いは、ＰＭフィルタ１８の上流側の排気通路１２に２次空気を供給したりすることによって、現在の制御目標空燃比よりもリーンなガスをＰＭフィルタ１８に供給する制御である。つまり、当該フィルタ再生制御によれば、ＰＭフィルタ１８には通常よりも多くの酸素が供給されるようになる。

（燃料低温増量（Ａ／Ｆリッチ）制御）
また、本実施形態のシステムでは、冷間始動直後などの燃料の気化が行われにくいタイミングにおいては、内燃機関１０のドライバビリティ確保のために、空燃比Ａ／Ｆをリッチ化する制御が実行されることがある。

［実施の形態１の特徴部分］
ところで、筒内からのＰＭの排出量は、特に冷間始動直後に多くなる。また、ＰＭは、空燃比がリッチ側の値に制御されている時に排出され易い傾向を有している。従って、冷間始動時に上記燃料低温増量制御が実行された場合には、ＰＭの排出量が多くなり、その結果、ＰＭフィルタ１８へのＰＭの堆積量が多くなる。

本実施形態では、冷間始動時に排気エミッションの早期低減を図りつつ、冷間始動時にＰＭフィルタ１８に捕集されたＰＭを早期に除去することによって、三元触媒１６、２２の活性化を受けて通常運転時の空燃比の制御（すなわち、制御目標空燃比をストイキとする上記フィードバック制御）が開始される際に、ＰＭフィルタ１８からＰＭが良好に除去されている状態とすべく、冷間始動時に、以下のような順序で制御を実行するようにした。

すなわち、本実施形態では、フィルタ再生制御の開始よりも触媒暖機制御の開始を優先させるようにした。より具体的には、内燃機関１０の冷間始動時には、三元触媒１６、２２の暖機を促す上記触媒暖機制御を実行した後に、上記フィルタ再生制御（例えば、制御目標空燃比のリーン化）を行うようにした。

また、本実施形態では、冷間始動時における上記燃料低温増量制御の実行の有無により、上記フィルタ再生制御の実行の要否を判断するようにした。より具体的には、冷間始動時に当該燃料低温増量制御が実行された場合には、当該フィルタ再生制御を実行するようにした。

更に、本実施形態では、ＰＭフィルタ１８の下流側に配置された下流側三元触媒２２の雰囲気ガスをリッチ状態（酸素放出状態）とした後に、上記フィルタ再生制御を実行するようにした。

更にまた、本実施形態では、上記触媒暖機制御が完了していることでＰＭフィルタ１８の床温がＰＭフィルタ１８に捕集されたＰＭを燃焼させるために必要な温度以上になっていると判断できる時点から、その後にフィルタ再生制御の実行が完了する前までに、内燃機関１０に燃料供給を停止する処理（すなわち、燃料カット）が実行された場合には、それ以後は、フィルタ再生制御を実行しないようにした。

図２は、上記の機能を実現するために、ＥＣＵ２４が実行するルーチンのフローチャートである。
図２に示すルーチンでは、先ず、内燃機関１０の始動後であるか否かが判別される（ステップ１００）。その結果、エンジン始動後であると判定された場合には、エンジン冷却水温度が所定値以下であるか否かが判別される（ステップ１０２）。

上記ステップ１０２において、エンジン冷却水温度が所定値以下であると判定された場合、つまり、内燃機関１０が冷間状態にあると判定された場合には、上述した触媒暖機制御が実施される（ステップ１０４）。次いで、下流側三元触媒（フィルタ後触媒）２２の暖機が完了しているか否か、つまり、下流側三元触媒２２が活性状態になっているか否かが判別される（ステップ１０６）。尚、下流側三元触媒２２が活性化状態になっていれば、その上流側に配置された上流側三元触媒１６についても活性化しているものと判断することができる。

上記ステップ１０６において、下流側三元触媒２２の暖機が未だ完了していないと判定された場合には、触媒暖機制御の実施が継続される（ステップ１０８）。一方、下流側三元触媒２２の暖機が完了していると判定された場合には、今回の冷間始動時において、燃料低温増量制御の実行履歴があるか否かが判別される（ステップ１１０）。

上記ステップ１１０において、燃料低温増量制御の実行履歴があると判定された場合には、下流側三元触媒（フィルタ後触媒）２２の雰囲気がリッチ雰囲気となっているか否かが判別される（ステップ１１２）。より具体的には、本ステップ１１２では、ＰＭフィルタ１８の下流、言い換えれば、下流側三元触媒２２の上流に配置されたサブＯ２センサ２０の出力を利用して、下流側三元触媒２２に供給される排気ガスの空燃比の状態と排気ガス量などに基づく推定手法によって、下流側三元触媒２２の雰囲気がリッチ雰囲気となっているか否かが判断される。

上記ステップ１１２において、下流側三元触媒２２の雰囲気がリッチ雰囲気になっていないと判定された場合には、下流側三元触媒２２の雰囲気をリッチ雰囲気とすべく、制御目標空燃比をストイキよりもリッチ側に制御するリッチ制御が実行される（ステップ１１４）。

一方、上記ステップ１１２において、下流側三元触媒２２の雰囲気がリッチ雰囲気になっていると判定された場合には、フィルタ再生制御（ＰＭ再生制御）が開始される（ステップ１１６）。より具体的には、ここでは、フィルタ再生制御として、既述したように、制御目標空燃比をストイキよりもリーン側に制御するリーン制御が実行される。

次に、燃料カットＦ／Ｃの実行が無いか否かが判別される（ステップ１１８）。その結果、燃料カットが実行されていないと判定された場合には、下流側三元触媒（フィルタ後触媒）２２の雰囲気がリッチ雰囲気となっているか否かが判別される（ステップ１２０）。より具体的には、本ステップ１２０では、リーン制御によるフィルタ再生制御が開始された後において、下流側三元触媒２２の雰囲気がリッチ雰囲気を維持しているか否かが判別される。

上記ステップ１２０において、下流側三元触媒２２の雰囲気がリッチ雰囲気でなくなっていると判定された場合には、フィルタ再生制御（ＰＭ再生制御）の実行が中断され（ステップ１２２）、上記ステップ１１４においてリッチ制御が実行されることになる。

一方、上記ステップ１２０において、下流側三元触媒２２の雰囲気がリッチ雰囲気を維持していると判定された場合には、サブＯ２センサ２０の出力を基礎として、ＰＭフィルタ１８の下流部位での排気ガスがリーン雰囲気となっている時間が所定時間に継続されたか否かが判別される（ステップ１２４）。上記ステップ１１８における燃料カットの実行の有無の判定、および、上記ステップ１２０における下流側三元触媒２２の雰囲気がリッチ雰囲気にあるか否かの判定は、当該所定時間が経過するまで、繰返し実行される。このような処理によれば、燃料カットが未実施である限り、下流側三元触媒２２の雰囲気が常にリッチ雰囲気に維持されている状態で、フィルタ再生制御が継続的に実施されることになる。尚、当該所定時間は、ＰＭフィルタ１８へのＰＭの堆積量に応じて変更される。

上記ステップ１２４における判定が成立した場合、或いは、上記ステップ１１８において燃料カットが実行されたと判定された場合には、フィルタ再生制御が完了され、空燃比の制御が通常運転時の空燃比フィードバック制御に切り換えられる（ステップ１２６）。

以上説明した図２に示すルーチンによれば、内燃機関１０の冷間始動時には、触媒暖機制御が実行された後に、フィルタ再生制御が実行されることになる。既述したように、本実施形態のシステムでは、三元触媒１６、２２のうちの主に上流側三元触媒１６の早期活性化を図るべく、触媒暖機制御が冷間始動時に実行される。
例えば、点火時期の遅角を用いた触媒暖機制御が実行されると、高温の排気ガスが三元触媒１６、２２だけでなく、ＰＭフィルタ１８にも供給されることになるので、三元触媒１６、２２の温度を所定の活性温度に高められるのに加え、ＰＭフィルタ１８の温度を当該ＰＭフィルタ１８に捕集されたＰＭの燃焼除去に必要な温度にまで高めることが可能となる。つまり、三元触媒１６、２２の暖機のために排気系に投入する熱をＰＭフィルタ１８の昇温に活用することができる。
また、空燃比のリーン化による触媒暖機制御を行った場合には、上流側三元触媒１６の活性化が促進されることとなり、その結果として上流側三元触媒１６の内部で生じる反応熱によって当該三元触媒１６の暖機が促進されるとともに、その下流側に配置されたＰＭフィルタ１８にもその反応熱が供給されることとなり、ＰＭフィルタ１８の温度をＰＭの燃焼除去に必要な温度にまで高めることが可能となる。この場合にも、上流側三元触媒１６、２２の暖機を目的として得られた熱をＰＭフィルタ１８の昇温に活用することができる。

このため、上記ルーチンによれば、フィルタ再生制御に先立って実行される触媒暖機制御により得られた熱を利用して、ＰＭフィルタ１８の温度を十分に確保したうえで、フィルタ再生制御を実施することができるので、冷間始動時に排気エミッションの早期低減を図りつつ、冷間始動時にＰＭフィルタ１８に捕集されたＰＭを早期に除去することができる。また、これにより、三元触媒１６、２２の活性化を受けて通常運転時の空燃比の制御（すなわち、制御目標空燃比をストイキとする上記フィードバック制御）が開始される際に、ＰＭフィルタ１８からＰＭが良好に除去された状態とすることが可能となる。

更に、本実施形態の内燃機関１０は、既述したように、理論空燃比となるように行う制御を空燃比の基本制御として燃焼を行うストイキバーンエンジンである。このようなストイキバーン運転を行う内燃機関１０では、始動時においても、リーンバーン運転を行う内燃機関（ディーゼルエンジンやガソリンリーンバーンエンジン等）と比較して、排気ガスの温度が確実に確保され易い特性を有している。このため、ストイキバーン運転を行う内燃機関１０では、冷間始動時において、リーンバーン運転を行う内燃機関に比して、上流側三元触媒１６、２２の暖機およびＰＭフィルタ１８の昇温を好適に行うことができるようになる。つまり、ストイキバーン運転を行う内燃機関１０は、上記ルーチンの制御に用いる内燃機関として優れた適性を有しており、上記ルーチンの効果を十分に得ることが可能となる。

また、上記ルーチンによれば、触媒暖機制御が実行され、かつ、今回の冷間始動時に燃料低温増量制御の実行履歴があった場合に、フィルタ再生制御の実行が許可されるようになる。言い換えれば、ＰＭフィルタ１８に多くのＰＭが堆積されていない場合や、内燃機関１０が暖機された状態にある再始動時のようにリッチ運転（燃料低温増量制御）がされなかった場合には、フィルタ再生制御の実行が禁止されるようになる。既述したように、ＰＭはリッチ運転時に多く排出されるので、燃料低温増量制御の実行履歴があった場合には、ＰＭの排出量が多くなり、その結果、ＰＭフィルタ１８へのＰＭの堆積量が多くなっていると判断することができる。
フィルタ再生制御は、既述したように、通常よりも多くの酸素をＰＭフィルタ１８に供給する制御であるので、当該ＰＭフィルタ１８よりも下流の下流側三元触媒２２に対しても、リーンなガスが供給されることとなる。その結果、過剰なフィルタ再生制御の実施によって、下流側三元触媒２２の雰囲気がリーン雰囲気となると、ＮＯｘの排出量が増加することが懸念される。また、フィルタ再生制御が外部から２次空気を導入する手法である場合には、過剰なフィルタ再生制御の実施は、そのような２次空気の供給のためのポンプ駆動分の電気負荷の増大を招いてしまう。
これに対し、上記ルーチンの手法によれば、燃料低温増量制御の実行の有無によって、フィルタ再生制御の要否を判断することにより、ＰＭの堆積量が増えると判断できる場合にのみフィルタ再生制御を行うことができ、不必要なフィルタ再生制御が実行されるのを回避することができる。

ストイキバーン運転を行う本実施形態の内燃機関１０で用いられる下流側三元触媒２２は、その雰囲気がストイキ近傍の雰囲気に制御されることで、排気ガス中に含まれる三元成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）の十分な浄化が可能となる特性を有する触媒である。しかしながら、既述したように、ＰＭフィルタ１８に捕集されたＰＭの燃焼除去のためには、酸素（リーンガス）が必要となる。ＰＭの燃焼除去のために下流側三元触媒２２へのリーンガスの供給が長く維持されることになると、下流側三元触媒２２の雰囲気がリーン雰囲気となってしまい、ＮＯｘの浄化能の低下が懸念される。
上記ルーチンでは、下流側三元触媒２２の雰囲気が常にリッチ雰囲気とされた状態で、フィルタ再生制御を実行するようにしている。このような制御によれば、ＰＭフィルタ１８に通常よりも多くの酸素を供給するフィルタ再生制御を行った際の背反として懸念されるＮＯｘ浄化能の低下の確実な回避と、始動時におけるＰＭフィルタ１８の再生とを好適に両立させることができるようになる。
また、本実施形態のシステム構成によれば、上流側三元触媒１６を対象として行う空燃比のフィードバック制御の実現のために上流側三元触媒１６の下流側に配置されたサブＯ２センサ２０の出力を利用して、下流側三元触媒２２の雰囲気を好適に判断することができる。更に付け加えると、本実施形態では、上記のような目的で排気通路１２に備えられるサブＯ２センサ２０をＰＭフィルタ１８の下流側に配置していることで、当該サブＯ２センサ２０の出力を利用して、上記ステップ１２４におけるＰＭ再生制御を完了させるべき時点を好適に判断することもできる。

更にまた、上記ルーチンによれば、触媒暖機制御が完了していることでＰＭフィルタ１８の床温がＰＭフィルタ１８に捕集されたＰＭを燃焼させるために必要な温度以上になっていると判断できる時点（上記ステップ１０６の判定成立時点）から、その後にフィルタ再生制御の実行が完了する時点（上記ステップ１２４の判定成立時点）までの間に、燃料カットが実行された場合には、フィルタ再生制御の実施が中止される。
燃料カットが実行された場合には、空燃比のリーン化によるフィルタ再生制御の実行時よりも十分な量の酸素がＰＭフィルタ１８に対して供給されることになる。このような燃料カットが実行されると、内燃機関１０がトルクを発生させなくなる。従って、燃料カットは、システム側の都合で任意に行えるものではなく、あくまで、運転者の要求に伴う車両の運転状態に変化に起因して偶発的に行われるものである。
本実施形態では、触媒暖機制御が完了していることでＰＭフィルタ１８が高温状態となっている状況下で燃料カットが実行された場合に、ＰＭフィルタ１８を高温かつリーンな雰囲気に置く条件が成立し、ＰＭフィルタ１８の再生が完了されたものと判断するようにしている。このような処理によれば、なるべく不要なフィルタ再生制御の実施を回避することができる。

ところで、上述した実施の形態１においては、冷間始動時に、触媒暖機制御が完了した後に、フィルタ再生制御を開始するようにしている。しかしながら、本発明において、触媒暖機制御の実行時に生ずる熱をＰＭフィルタ１８の昇温に活用するためのフィルタ再生制御の開始タイミングは、上記のタイミングに限定されるものではない。すなわち、フィルタ再生制御の開始タイミングは、触媒暖機制御が開始された後であればよく、例えば、触媒暖機制御の実行中であってもよい。具体的には、例えば、触媒暖機のための点火時期の遅角制御の開始時点から遅れたタイミングにおいて、当該点火時期の遅角制御とともに空燃比のリーン制御を行うものであってもよい。

また、上述した実施の形態１においては、触媒暖機制御の完了後であってフィルタ再生制御の完了前に燃料カットが実行された場合には、それ以後はフィルタ再生制御の実施を中止するようにしている。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、仮に、触媒暖機制御の完了後或いは実行中にＰＭの燃焼除去に必要な温度にまでＰＭフィルタ１８が昇温している状況下において、フィルタ再生制御が開始される前に燃料カットが実行された場合には、当該燃料カットの実行によりＰＭフィルタ１８の再生が完了したと判断して、今回の冷間始動時におけるフィルタ再生制御を不実行としてもよい。

また、上述した実施の形態１においては、冷間始動時の触媒暖機制御の主たる対象となる排気浄化触媒が上流側三元触媒１６である例について説明を行った。しかしながら、本発明において触媒暖機制御の対象となる排気浄化触媒の構成は、三元触媒に限定されるものではない。

尚、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ２４が、上記ステップ１１６、１２４、および１２６の処理を実行することにより前記第１、第４または第７の発明における「再生制御実行手段」が、上記ステップ１０４の処理を実行することにより前記第１、第４または第７の発明における「暖機制御実行手段」が、上記図２に示すルーチンの手順に従った制御を実行することにより前記第１、第４または第７の発明における「制御タイミング調整手段」が、それぞれ実現されている。
また、ＥＣＵ２４が、上記ステップ１１０の処理を実行することにより前記第３の発明における「燃料増量有無判断手段」が、上記ステップ１１０の判定が成立した後に上記ステップ１１６の処理を実行することにより前記第３の発明における「再生制御許可手段」が、それぞれ実現されている。
また、ＥＣＵ２４が、上記ステップ１１２または１２０の処理を実行することにより前記第１または第４の発明における「雰囲気ガス状態判別手段」が、上記ステップ１１２の判定が成立するまで上記ステップ１１６の処理を実行しない（若しくは上記ステップ１２２の処理を実行する）ことにより前記第１または第４の発明における「再生制御禁止手段」が、それぞれ実現されている。
また、ＥＣＵ２４がメインリニアＡ／Ｆセンサ１４およびサブＯ２センサ２０の出力に利用して上流側三元触媒１６を対象とする上記空燃比のフィードバック制御を実行することにより前記第５の発明における「フィードバック手段」が実現されている。
また、ＥＣＵ２４が上記ステップ１１８の判定が不成立であった場合に上記ステップ１２６の処理に進むことにより前記第６または第７の発明における「再生制御制限手段」が実現されている。

本発明の実施の形態１における内燃機関システムを説明するための概略図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０ 内燃機関
１２ 排気通路
１４ メインリニアＡ／Ｆセンサ
１６ 上流側三元触媒
１８ パティキュレートフィルタ（ＰＭフィルタ）
２０ サブＯ２センサ
２２ 下流側三元触媒
２４ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)

Claims (7)

1. 理論空燃比となるように行うストイキ制御を通常運転時の空燃比の基本制御として用いる内燃機関の制御装置であって、
   内燃機関の排気通路に配置され、排気ガスを浄化可能な排気浄化触媒と、
   前記排気通路に配置され、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、
   粒子状物質が捕集された前記パティキュレートフィルタを再生するための制御として、理論空燃比よりもリーンなガスを前記パティキュレートフィルタに供給するフィルタ再生制御を行う再生制御実行手段と、
   内燃機関の冷間始動時に、前記排気浄化触媒の暖機を促す触媒暖機制御を実行する暖機制御実行手段と、
   冷間始動時に前記暖機制御実行手段による前記触媒暖機制御が開始された後に、前記ストイキ制御が開始されるまでの間に、前記フィルタ再生制御が行われるように制御タイミングを調整する制御タイミング調整手段と、
   前記排気浄化触媒および前記パティキュレートフィルタよりも下流側の前記排気通路に配置され、酸素吸蔵能を有する三元触媒と、
   前記三元触媒の雰囲気ガスの状態を判別する雰囲気ガス状態判別手段と、
   を備え、
   前記制御タイミング調整手段は、前記三元触媒がリッチ雰囲気となるまで、前記フィルタ再生制御の開始を禁止する再生制御禁止手段を含むことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記制御タイミング調整手段は、前記触媒暖機制御の開始後に、前記パティキュレートフィルタの温度が当該パティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質を燃焼させるために必要な温度にまで上昇した時点で、前記フィルタ再生制御を開始させることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 内燃機関の冷間始動時に燃料増量がなされたか否かを判断する燃料増量有無判断手段を更に備え、
   前記制御タイミング調整手段は、前記燃料増量がなされたと認められた場合に、前記フィルタ再生制御の開始を許可する再生制御許可手段を含むことを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の制御装置。
4. 理論空燃比となるように行う制御を空燃比の基本制御として用いる内燃機関の制御装置であって、
   内燃機関の排気通路に配置され、排気ガスを浄化可能な排気浄化触媒と、
   前記排気通路に配置され、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、
   粒子状物質が捕集された前記パティキュレートフィルタを再生するフィルタ再生制御を行う再生制御実行手段と、
   内燃機関の冷間始動時に、前記排気浄化触媒の暖機を促す触媒暖機制御を実行する暖機制御実行手段と、
   前記触媒暖機制御が開始した後に、前記フィルタ再生制御が開始するように制御タイミングを調整する制御タイミング調整手段と、
   前記排気浄化触媒および前記パティキュレートフィルタよりも下流側の前記排気通路に配置され、酸素吸蔵能を有する三元触媒と、
   前記三元触媒の雰囲気ガスの状態を判別する雰囲気ガス状態判別手段と、
   を備え、
   前記制御タイミング調整手段は、前記三元触媒がリッチ雰囲気となるまで、前記フィルタ再生制御の開始を禁止する再生制御禁止手段を含むことを特徴とする内燃機関の制御装置。
5. 前記排気浄化触媒よりも上流側の前記排気通路に配置され、その位置での排気空燃比に関する情報を取得する上流側空燃比センサと、
   前記排気浄化触媒および前記パティキュレートフィルタよりも下流側の前記排気通路に配置され、その位置での排気空燃比に関する情報を取得する下流側空燃比センサと、
   前記上流側空燃比センサおよび前記下流側空燃比センサの出力に基づいて、前記排気浄化触媒に供給される排気ガスの空燃比が制御目標空燃比となるように燃料噴射量を修正するフィードバック手段とを更に備え、
   前記雰囲気ガス状態判別手段は、前記下流側空燃比センサの出力に基づいて、前記三元触媒の雰囲気ガスの状態を判別することを特徴とする請求項１または４記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記制御タイミング調整手段は、前記フィルタ再生制御の開始タイミングが到来している場合または当該フィルタ再生制御の実行中である場合であっても、内燃機関の燃料カットが実行された場合には、前記フィルタ再生制御を、不実行または中止とする再生制御制限手段を含むことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の内燃機関の制御装置。
7. 理論空燃比となるように行う制御を空燃比の基本制御として用いる内燃機関の制御装置であって、
   内燃機関の排気通路に配置され、排気ガスを浄化可能な排気浄化触媒と、
   前記排気通路に配置され、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、
   粒子状物質が捕集された前記パティキュレートフィルタを再生するフィルタ再生制御を行う再生制御実行手段と、
   内燃機関の冷間始動時に、前記排気浄化触媒の暖機を促す触媒暖機制御を実行する暖機制御実行手段と、
   前記触媒暖機制御が開始した後に、前記フィルタ再生制御が開始するように制御タイミングを調整する制御タイミング調整手段と、
   を備え、
   前記制御タイミング調整手段は、前記フィルタ再生制御の開始タイミングが到来している場合または当該フィルタ再生制御の実行中である場合であっても、内燃機関の燃料カットが実行された場合には、前記フィルタ再生制御を、不実行または中止とする再生制御制限手段を含むことを特徴とする内燃機関の制御装置。

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