JP2000230444A

JP2000230444A - 筒内噴射式エンジンの制御装置

Info

Publication number: JP2000230444A
Application number: JP11031973A
Authority: JP
Inventors: Hirobumi Nishimura; 博文西村; Junichi Taga; 淳一田賀
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1999-02-09
Filing date: 1999-02-09
Publication date: 2000-08-22
Anticipated expiration: 2019-02-09
Also published as: JP3680613B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ＮＯｘを吸蔵したリーンＮＯｘ触媒のリフレ
ッシュを効果的に行うことができ、とくに燃費悪化を抑
制しつつリフレッシュ効果を高めることができるように
する。【解決手段】燃焼室に直接燃料を噴射するインジェ
クタ２２とリーンＮＯｘ触媒を備えた筒内噴射式エンジ
ンにおいて、理論空燃比より大きい空燃比と略理論空燃
比もしくはそれ以下の空燃比とにわたって空燃比を変更
する空燃比変更手段と、触媒リフレッシュのための制御
手段７１とを備える。この制御手段７１は、空燃比がリ
ーンから略理論空燃比もしくはそれ以下のリッチへ変更
されたとき、触媒リフレッシュ制御として、上記インジ
ェクタ２２からの燃料噴射を吸気行程期間内に噴射開始
するタイミングで複数回に分割して行わせるとともに、
点火時期をＭＢＴよりリタードさせるようになってい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃焼室に直接燃料
を噴射するインジェクタを備えるとともに、エンジンの
排気通路にリーンＮＯｘ触媒を備えた筒内噴射式エンジ
ンの制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、燃焼室に直接燃料を噴射する
インジェクタを備え、低負荷領域では成層燃焼によるリ
ーン運転で燃費を改善するようにした筒内噴射エンジン
が知られている。この種のエンジンでは、酸素過剰雰囲
気でＮＯｘを吸蔵し酸素濃度が減少するに伴ってＮＯｘ
を放出するリーンＮＯｘ触媒を排気通路に設け、このリ
ーンＮＯｘ触媒でリーン運転時にもＮＯｘを浄化するこ
とが行われている。

【０００３】このリーンＮＯｘ触媒を備える場合に、そ
のＮＯｘ吸蔵量が増加したときにリーンＮＯｘ触媒から
ＮＯｘを放出させてリフレッシュする必要があるので、
例えばリーン運転状態が長時間持続するような場合に定
期的に所定時間だけ空燃比を理論空燃比以下に変更する
ことで触媒のリフレッシュを図っている。触媒リフレッ
シュ時には、ＮＯｘの離脱反応を起こり易くするととも
に、離脱したＮＯｘをそのまま排出させないように還元
する必要があり、そのために雰囲気中にＣＯ等の還元材
を充分に存在させることが要求される。

【０００４】このようなリーンＮＯｘ触媒のリフレッシ
ュのための技術としては、例えば特開平１０−２７４０
８５号に示されるように、触媒リフレッシュ時に、成層
燃焼のための主噴射以外に膨張行程中に追加噴射を行う
ようにしたものが知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記公報に示されるよ
うな従来装置では、触媒リフレッシュ時に、膨張行程中
に追加噴射が行われることにより排気中のＣＯが増加
し、リーンＮＯｘ触媒からのＮＯｘの離脱及びそのＮＯ
ｘの還元が促進されるが、エンジンの要求トルクに見合
う噴射量の主噴射に加えて膨張行程中に追加噴射が行わ
れ、この追加噴射による燃料は専らリーンＮＯｘ触媒か
らのＮＯｘの離脱、還元のためのＣＯ生成に用いられる
だけなので、燃費が悪化し易いといった問題がある。

【０００６】なお、このほかに触媒のリフレッシュを行
う技術として、吸気行程で燃料を一括噴射するととも
に、空燃比を理論空燃比よりも大幅にリッチにするよう
に燃料噴射量を増量することが考えられるが、この場合
も燃料の増量によって燃費の悪化を招く。

【０００７】本発明は、上記の事情に鑑み、ＮＯｘを吸
蔵したリーンＮＯｘ触媒のリフレッシュを効果的に行う
ことができ、とくに上記の膨張行程中に追加噴射等によ
って余分に燃料を消費するようなものと比べると燃費悪
化を抑制しつつ、リフレッシュ効果を高めることができ
る筒内噴射式エンジンの制御装置を提供することを目的
とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、燃焼室に直接燃料を噴射するインジェク
タを備え、エンジンの低負荷領域で空燃比を理論空燃比
よりも大きくしてリーン運転を行うようにするととも
に、エンジンの排気通路に、酸素過剰雰囲気でＮＯｘを
吸蔵し酸素濃度が減少するに伴ってＮＯｘを放出するリ
ーンＮＯｘ触媒を備えた筒内噴射式エンジンにおいて、
理論空燃比より大きい空燃比と略理論空燃比もしくはそ
れ以下の空燃比とにわたって空燃比を変更する空燃比変
更手段と、理論空燃比より大きい空燃比から略理論空燃
比もしくはそれ以下の空燃比へ空燃比変更が行われたと
き、触媒リフレッシュ制御として、上記インジェクタか
らの燃料噴射を吸気行程期間内に噴射開始するタイミン
グで複数回に分割して行わせるとともに、点火時期をＭ
ＢＴよりもリタードさせるようにした制御手段とを備え
たものである（請求項１）。

【０００９】この発明の装置によると、リーン空燃比か
らリッチ側への空燃比変更が行われたときに触媒リフレ
ッシュ制御が行われ、この触媒リフレッシュ制御時に、
略理論空燃比もしくはそれ以下の空燃比とされるととも
に吸気行程での分割噴射が行われることにより燃焼安定
性が高められ、これによって点火時期を大きくリタード
することが可能となり、この点火時期リタードにより、
エンジン本体からリーンＮＯｘ触媒へ導かれる排気ガス
中のＮＯｘが低減される。このため、ＮＯｘの量（リー
ンＮＯｘ触媒から放出されるＮＯｘと排気ガス中のＮＯ
ｘとを加えた量）に対する排気ガス中のＣＯの量の相対
的な比率が大きくなり、リーンＮＯｘ触媒からのＮＯｘ
の離脱及び還元が促進される。

【００１０】上記発明において、触媒リフレッシュ制御
として行う複数回の燃料噴射の各噴射タイミングは、吸
気行程を３等分した前期、中期、後期のうちの前期から
中期にかけての期間内に噴射開始されるよう設定してお
けばよい（請求項２）。

【００１１】このようにすると、燃焼安定性の向上及び
燃費低減に有利となる。

【００１２】また、上記発明において、触媒リフレッシ
ュ制御として行う複数回の燃料噴射における後の噴射の
タイミングを、吸気行程を３等分した前期、中期、後期
のうちの後期の期間内に噴射開始されるよう設定しても
よい（請求項３）。

【００１３】このようにすると、吸気行程の前期から中
期にかけての期間内に分割噴射を行う場合と比べ、排気
ガス中のＣＯの量が増加し、これと点火時期リタードに
よるＮＯｘの低減とにより、ＮＯｘの量に対するＣＯの
量の相対的な比率が増大する。

【００１４】また、上記のような構成に加え、排気ガス
の一部を吸気系に還流させる排気還流手段を備えるとと
もに、上記制御手段は、触媒リフレッシュ制御時に排気
還流を行わせるように上記排気還流手段を制御すること
（請求項４）が好ましい。

【００１５】このようにすると、触媒リフレッシュ時
に、排気還流によってもＮＯｘが低減され、ＮＯｘの量
に対するＣＯの量の相対的な比率がさらに増大する。

【００１６】請求項１乃至４のいずれかに記載の装置に
おいて、リーン運転を行う運転領域より高負荷側の運転
領域で空燃比を略理論空燃比もしくはそれ以下とし、運
転状態の変化に応じて空燃比を変更するように空燃比変
更手段を構成する場合に、リーン運転を行う運転領域か
ら略理論空燃比もしくはそれ以下の空燃比とする運転領
域へ移行したときに触媒リフレッシュ制御を行うように
すればよい（請求項５）。

【００１７】このようにすると、アクセル開度の変化等
によりリーン運転を行う運転領域から略理論空燃比もし
くはそれ以下の運転領域に移行するときに、効果的に触
媒のリフレッシュが行われる。

【００１８】また、請求項１乃至４のいずれかに記載の
装置において、リーン運転中にリーンＮＯｘ触媒のＮＯ
ｘ吸蔵量が所定値以上となる状態になったとき、略理論
空燃比もしくはそれ以下に空燃比を変更し、リフレッシ
ュ制御を行うようにしてもよい（請求項６）。

【００１９】このようにすると、リーン運転が長時間続
くような場合でも、触媒のリフレッシュが効果的に行わ
れる。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づ
いて説明する。図１は本発明が適用される筒内噴射式エ
ンジンの全体構造を概略的に示したものである。この図
において、エンジン本体１０は複数の気筒１２を有し、
各気筒１２には、そのシリンダボアに挿入されたピスト
ン１４の上方に燃焼室１５が形成されており、この燃焼
室１５には吸気ポート及び排気ポートが開口し、これら
のポートは吸気弁１７及び排気弁１８によってそれぞれ
開閉されるようになっている。

【００２１】上記燃焼室１５の中央部には点火プラグ２
０が配設され、そのプラグ先端が燃焼室１５内に臨んで
いる。また、燃焼室１５内には側方からインジェクタ２
２の先端部が臨み、このインジェクタ２２から燃焼室１
５内に直接燃料が噴射されるようになっている。上記イ
ンジェクタ２２には図外の高圧燃料ポンプ、プレッシャ
レギュレータ等を具備する燃料回路が接続され、各気筒
のインジェクタ２２に燃料が供給されるとともにその燃
圧が圧縮行程における筒内圧力よりも高い所定圧力とな
るように燃料回路が構成されている。

【００２２】上記エンジン本体１０には吸気通路２４及
び排気通路３４が接続されている。上記吸気通路２４に
は、その上流側から順に、エアクリーナ２５、吸入空気
量検出手段としてのエアフローセンサ２６、モータ２７
により駆動されるスロットル弁２８及びサージタンク３
０が設けられており、上記スロットル弁２８及びこれを
駆動するモータ２７により吸入空気量調節手段が構成さ
れている。

【００２３】サージタンク３０の下流には気筒別の独立
吸気通路が設けられ、各独立吸気通路が吸気ポートに連
通している。当実施形態では、各独立吸気通路の下流側
部分が第１，第２の通路３１ａ，３１ｂに分岐し、その
下流の２つの吸気ポートが燃焼室に開口するとともに、
第２の通路３１ｂにスワール生成用のコントロール弁３
２（以下、Ｓ弁３２と呼ぶ）が設けられている。

【００２４】上記Ｓ弁３２はアクチュエータ３３により
駆動されて開閉作動するもので、このＳ弁３２により第
２の通路３１ｂが閉じられたときは第１の通路３１ａを
通る吸気によって燃焼室１５内にスワールが生成され、
Ｓ弁３２が開かれるにつれてスワールが弱められるよう
になっている。

【００２５】また、上記排気通路３４には、排気ガス浄
化のため三元触媒３５とリーンＮＯｘ触媒３６とが配設
されている。上記三元触媒３５は、一般に知られている
ように、理論空燃比及びその付近の空燃比でＨＣ，ＣＯ
及びＮＯｘに対して高い浄化性能を有するものである。

【００２６】また、上記リーンＮＯｘ触媒３６は、空燃
比が理論空燃比よりもリーンなリーン運転状態でもＮＯ
ｘ浄化性能を有するものであって、酸素過剰雰囲気で排
気ガス中のＮＯｘを吸蔵し、空燃比がリッチ側に変化し
て酸素濃度が低下したとき、吸蔵していたＮＯｘを放出
するとともに、雰囲気中に存在するＣＯ等の還元材によ
りＮＯｘを還元させるようになっている。

【００２７】より詳しく説明すると、上記リーンＮＯｘ
触媒３６は、コージェライト製ハニカム構造体等からな
る担体の上にＮＯｘ吸蔵材層と触媒材層とが前者を下
（内側）、後者を上（外側）にして層状に形成されたも
のである。上記ＮＯｘ吸蔵材層は、比表面積の大きな活
性アルミナにＰｔ成分とＮＯｘ吸蔵材としてのＢａ成分
とを担持させたものを主成分として構成されている。ま
た、触媒材層は、ゼオライトを担持母材としてこれにＰ
ｔ成分及びＲｈ成分を担持させてなる触媒材を主成分と
して構成されている。なお、上記触媒材層の上にセリア
層を形成してもよい。

【００２８】さら排気通路３４と吸気通路２４との間に
は、排気ガスの一部を吸気系に還流させるＥＧＲ装置
（排気還流手段）が設けられ、このＥＧＲ装置は、排気
通路３４と吸気通路２４とを接続するＥＧＲ通路３７
と、このＥＧＲ通路３７に介設されたＥＧＲ弁３８とを
備えている。上記ＥＧＲ弁３８はアクチュエータ３９
（図５参照）により駆動されて開閉作動するようになっ
ている。

【００２９】このエンジンには、上記エアフローセンサ
２６の他、サージタンク３０内の吸気負圧を検出するブ
ーストセンサ４０、スロットル開度を検出するスロット
ル開度センサ４１、エンジン回転数を検出する回転数セ
ンサ４２、アクセル開度（アクセル操作量）を検出する
アクセル開度センサ４３、吸気温を検出する吸気温セン
サ４４、大気圧を検出する大気圧センサ４５、エンジン
冷却水温を検出する水温センサ４６、排気ガス中の酸素
濃度の検出によって空燃比を検出するＯ２センサ４
７、ＥＧＲ弁のリフト量を検出するＥＧＲ弁リフトセン
サ４８、インジェクタ２２に与えられる燃料の燃圧を検
出する燃圧センサ４９等のセンサ類が装備され、これら
センサの出力信号（検出信号）がＥＣＵ（コントロール
ユニット）５０に入力されている。

【００３０】上記ＥＣＵ５０は、インジェクタ２２から
の燃料噴射量及び噴射タイミングを制御するとともに、
スロットル弁２８を駆動するモータ２７に制御信号を出
力することによりスロットル弁２８の制御を行ない、ま
た、点火回路２１に制御信号を出力することにより点火
時期を制御し、さらに、アクチュエータ３９に制御信号
を出力することによりＥＧＲ弁３８の制御も行なうよう
になっている。なお、この他にＳ弁３２の制御等も上記
ＥＣＵ５０により行なわれる。

【００３１】当実施形態の筒内噴射式エンジンの基本的
な制御としては、上記インジェクタ２２からの燃料噴射
時期及び空燃比等が異なる各種運転モードが選択可能と
され、運転領域によって運転モードが変更されるように
なっている。

【００３２】具体的には、後にも説明するように、低負
荷低回転側の所定領域が成層燃焼領域、それ以外の領域
が均一燃焼領域とされる（図３参照）。そして、成層燃
焼領域では、上記インジェクタ２２から圧縮行程の後期
に燃料が噴射されることにより、点火プラグ２０付近に
混合気が偏在する成層状態で燃焼が行なわれるような成
層燃焼モードとされ、この場合、スロットル弁２８の開
度が大きくされて吸入空気量が多くされることにより燃
焼室全体の空燃比としては大幅なリーン状態（例えば３
０以上）とされる。一方、均一燃焼領域では、上記イン
ジェクタ２２から吸気行程の前期に燃料噴射が開始され
ることにより、燃焼室１５全体に均一に混合気が拡散す
る状態で燃焼が行なわれる均一燃焼モードとされる。こ
の均一燃焼では空気過剰率λがλ＝１、つまり理論空燃
比（Ａ／Ｆ＝１４．７）とされる。

【００３３】図２は上記ＥＣＵ５０に機能的に含まれる
手段の構成を示している。上記ＥＣＵ５０は、吸気温セ
ンサ４４及び大気圧センサ４５からの信号に基づいて吸
気密度状態を検出する吸気密度状態検出手段５１を有す
るとともに、アクセル開度センサ４３及びエンジン回転
数センサ４２からの信号に基づき、上記吸気密度状態を
加味して、目標負荷に相当する値を設定する目標負荷設
定手段５２を有している。

【００３４】上記目標負荷設定手段５２は、アクセル開
度accel及びエンジン回転数neに応じてマップから求め
た仮想体積効率と上記吸気密度状態とから、空燃比を理
論空燃比に保つ標準運転条件を想定した場合の要求エン
ジントルクに見合う充填効率を仮想充填効率として求
め、この仮想充填効率からこれに対応した値である目標
図示平均有効圧力を求めて、これを目標負荷とする。

【００３５】なお、上記仮想体積効率は、標準大気状態
下で、かつ空燃比を理論空燃比に保った標準運転条件下
において要求される出力性能が得られるような体積効率
であって、予めベンチテスト等によりアクセル開度及び
エンジン回転数と仮想体積効率との対応関係が定めら、
マップとしてＥＣＵ５０内のメモリに記憶されている。

【００３６】また、上記目標負荷設定手段５２において
仮想充填効率から目標図示平均有効圧力を求める際、所
定の計算で第１の目標図示平均有効圧力Piobjを求める
一方、仮想充填効率になまし処理を施し、このなまし処
理後の仮想充填効率から第２の目標図示平均有効圧力Pi
objdを求めるようになつている。

【００３７】ＥＣＵ５０はさらに基本的な運転モードmo
dsの設定を行う運転モード設定手段５３を有し、この運
転モード設定手段５３は、第１の目標図示平均有効圧力
Piobjとエンジン回転数neとに応じて基本的な運転モー
ドmodsを設定する。すなわち、図３に示すように、第１
の目標図示平均有効圧力Piobjが所定の低負荷側閾値よ
り低く、かつ、エンジン回転数が低い領域（成層燃焼領
域）では成層燃焼モードとし、この領域より負荷側及び
高回転側の領域（均一燃焼領域）ではλ＝１の均一燃焼
モード（以下、ストイキオモードと呼ぶ）とする。な
お、均一燃焼領域のうち、アクセル全開域やその付近の
高負荷域及び高回転域では、空燃比を理論空燃比よりも
リッチ（λ＜１）に設定してもよい。

【００３８】さらにＥＣＵ５０は、エンジン出力に関係
する各種制御パラメータの値を目標負荷等に応じて決定
する。当実施形態では、スロットル弁２８で調節される
吸入空気量、ＥＧＲ弁３８で調節されるＥＧＲ量、Ｓ弁
３２で調節されるスワール、インジェクタ２２からの燃
料噴射量、燃料噴射時期及び点火プラグ２０の点火時期
が制御パラメータとされ、これら制御パラメータの値が
目標負荷及びエンジン回転数ne等に応じて決定される。
この場合、制御パラメータのうちの低速応答系の制御値
を決定するための目標負荷としては第１の目標図示平均
有効圧力Piobjが用いられ、高速応答系の制御値を決定
するための目標負荷としては第２の目標図示平均有効圧
力Piobjdが用いられる。

【００３９】すなわち、上記各制御パラメータのうちで
吸入空気量、ＥＧＲ量及びスワールはそれぞれスロット
ル弁２８、ＥＧＲ弁３８及びＳ弁３２の作動に対する応
答性が比較的低い低速応答系であって、これらの制御量
であるスロットル開度tvoobj、ＥＧＲ弁３８の制御量eg
robj及びＳ弁３２の開度は第１の目標図示平均有効圧力
Piobjとエンジン回転数ne等に応じて決定される。一
方、燃料噴射量、燃料噴射時期及び点火時期は制御信号
に速やかに応答する高速応答系であって、これら燃料噴
射量、燃料噴射時期及び点火時期は第２の目標図示平均
有効圧力Piobjdとエンジン回転数ne等に応じて決定され
るようになっている。

【００４０】具体的に説明すると、吸入空気量制御のた
めの手段としては目標空燃比設定手段５４、目標充填効
率演算手段５５及びスロットル開度演算手段５６を有し
ている。上記目標空燃比設定手段５４は、吸入空気量制
御用の目標空燃比afwbを、上記運転モード設定手段５３
で設定される運転モード別に設定するものであり、成層
燃焼モードでは第１の目標図示平均有効圧力Piobjとエ
ンジン回転数neとに応じ、予め作成されているマップか
ら目標空燃比afwbを求め、また、ストイキオモードでは
目標空燃比afwbを理論空燃比とするようになっている。

【００４１】上記目標充填効率演算手段５５は、仮想充
填効率ceimgと上記目標空燃比afwbとから目標充填効率c
eobjを求める。この場合、リーン運転時には目標空燃比
の空気過剰率分（afwb／１４．７）と燃費改善効果分と
を加味して目標充填効率を求める。つまり、上記仮想充
填効率ceimgは理論空燃比で運転される状態を想定した
目標負荷に相当する値であり、これに対し、リーン運転
時に同等の燃料噴射量を確保するには上記空気過剰分を
加味する必要があるが、このようにするとリーン運転時
は熱効率が高められて燃費が改善されるので、その分だ
けトルクが理論空燃比の場合と比べて高くなってしま
う。そこで、目標負荷に対応するトルクを得るために、
上記空気過剰率分に見合う程度に目標充填効率を減少方
向に補正する。

【００４２】スロットル開度演算手段５６は、上記目標
充填効率から吸気密度補正を加味して目標体積効率を求
め、この目標体積効率及びエンジン回転数neに応じてス
ロットル開度を決定する。この際、体積効率及びエンジ
ン回転数とスロットル開度との対応関係はＥＧＲが有る
場合と無い場合とで異なるため、その各場合についてそ
れぞれ上記対応関係を示すマップを予め作成し、ＥＧＲ
判別手段５６ｃによるＥＧＲの有無の判別に応じていず
れかのマップから目標体積効率に応じてスロットル開度
を求めるようにすればよい。

【００４３】ＥＧＲ量制御のための手段としてはＥＧＲ
弁基本制御量設定手段５９及びＥＧＲ弁制御量演算手段
６０を有するＥＧＲ弁制御手段５８が設けられている。
上記ＥＧＲ弁基本制御量設定手段５９は、ＥＧＲ弁３８
の基本制御量pbaseを上記運転モード設定手段５３で設
定される運転モードmods別に設定するものであり、成層
燃焼モードでは第１の目標図示平均有効圧力Piobjとエ
ンジン回転数neとに応じ、予め作成されているマップか
ら基本制御量pbaseを求め、ストイキオモードではエア
フローセンサ２６の出力に基づいて求められる実充填効
率ceとエンジン回転数neとに応じ、予め作成されている
マップから基本制御量を求めるようになっている。

【００４４】また、ＥＧＲ弁制御量演算手段６０は、上
記基本制御量に対し、各種補正を加味して最終的なＥＧ
Ｒ弁制御量を求める。

【００４５】Ｓ弁開度制御のための手段としてはＳ弁開
度設定手段６１を有している。このＳ弁開度設定手段６
１は、Ｓ弁開度を上記運転モード設定手段５３で設定さ
れる運転モードmods別に、各モードで要求されるスワー
ルが得られるように設定するものであり、成層燃焼モー
ドでは第１の目標図示平均有効圧力Piobjとエンジン回
転数neとに応じ、予め作成されているマップからＳ弁開
度scvobjを求め、ストイキオモードでは実充填効率ceと
エンジン回転数neに応じ、予め作成されているマップか
らＳ弁開度scvobjを求めるようになっている。

【００４６】インジェクタ２２からの燃料噴射を制御す
る手段としては、目標空燃比作成手段６２、運転モード
設定手段６３、分割比設定手段６４、噴射量演算手段６
５、噴射時期設定手段６６及び噴射制御手段６７を有す
る。

【００４７】上記目標空燃比作成手段６２は、燃料噴射
量等の制御に用いる目標空燃比を求めるものであり、主
として過渡時に利用される目標空燃比afw0と、主として
定常時に利用される目標空燃比afwbdとを求めるととも
に、これら目標空燃比afw0，afwbdのいずれかを選択し
て最終的な目標空燃比afwを決定する。

【００４８】主として過渡時に利用される目標空燃比af
w0は、実充填効率の下で目標負荷に対応するトルクが得
られるように、第２の目標図示平均有効圧力Piobjdもし
くはこれに対応する仮想充填効率と実充填効率ceとに基
づき、燃費改善効果分を加味して求められる。一方、主
として定常時に利用される目標空燃比afwbdは、成層燃
焼モードでは第２の目標図示平均有効圧力Piobjdとエン
ジン回転数neとに応じ、予め作成されているマップから
求められ、ストイキオモードでは理論空燃比（λ＝１）
とされる。

【００４９】そして目標空燃比作成手段６２は、吸入空
気量制御用の目標空燃比afwbと上記のように演算された
目標空燃比afw0との偏差dafwbを演算し、この偏差dafwb
が大きくなる過渡時には目標空燃比afw0を最終的な目標
空燃比afwとし、偏差dafwbが小さい定常時には目標空燃
比afwbdを最終的な目標空燃比afwとするようになってい
る。

【００５０】この目標空燃比作成手段６２及び上記目標
空燃比設定手段５４により、理論空燃比より大きい空燃
比と略理論空燃比もしくはそれ以下の空燃比とにわたっ
て空燃比を変更する空燃比変更手段が構成されている。

【００５１】運転モード設定手段６３は、高速系の制御
パラメータを決定するために用いる運転モードmodfを、
燃料噴射量等制御用の目標空燃比afw0に応じて例えば図
４のように設定する。すなわち、上記目標空燃比afw0が
成層燃焼下限側基準値（例えば１９程度）よりも大きい
値となるときは成層燃焼モードとし、それ以下の値とな
るときはストイキオモードとする。

【００５２】分割比設定手段６４は、運転モード設定手
段６３により設定される運転モードmodfに応じて吸気行
程噴射と圧縮行程噴射の分割比を設定するものであっ
て、成層燃焼モードでは吸気行程噴射割合を０％（圧縮
行程噴射割合を１００％）とし、ストイキオモードでは
吸気行程噴射割合を１００％（圧縮行程噴射割合を０
％）とする。また、後述の分割噴射が行われるときは、
それに応じて噴射割合を設定する。

【００５３】噴射量演算手段６５は、エアフローセンサ
２６の出力から求められた実充填効率ceと、目標空燃比
作成手段６２により求められた目標空燃比afwと、分割
比設定手段６４により設定された噴射割合とに応じ、燃
料噴射量を演算する。この場合、先ず実充填効率ce及び
目標空燃比afwに応じた基本噴射量（分割噴射を行う場
合はその各噴射の基本噴射量）を演算し、さらに、燃圧
に応じた補正値及びその他の各種補正値を加味して最終
噴射量を演算し、この最終噴射量に比例した噴射パルス
幅を求める。

【００５４】噴射時期設定手段６６は、燃料噴射時期th
tinjを上記運転モード設定手段６３で設定される運転モ
ード別に設定するものであり、成層燃焼モードでは第２
の目標図示平均有効圧力Piobjdとエンジン回転数neとに
応じて予め作成されているマップから圧縮行程噴射用の
噴射時期を求め、ストイキオモードではエンジン回転数
neに応じて予め作成されているテーブルから吸気行程噴
射用の噴射時期を求める。

【００５５】上記噴射制御手段６７は、上記噴射時期設
定手段６６により設定された噴射時期に、上記噴射量演
算手段により演算された噴射パルス幅Tiに相当する時間
だけインジェクタ２２を作動させるように、噴射パルス
を出力する。

【００５６】また、点火時期を制御する手段としては、
基本点火時期及び補正量を設定する設定手段６８と、点
火時期演算手段６９とを有する点火時期制御手段７０が
設けられている。

【００５７】上記設定手段６８は、上記運転モード設定
手段６３で設定される運転モードmodf別に基本点火時期
や、各種の点火時期補正値を設定し、上記点火時期演算
手段６９は、上記設定手段６８で設定された基本噴射量
及び各種補正値から点火時期を求めるようになってい
る。

【００５８】また、ＥＣＵ５０には上記各手段に加え、
触媒リフレッシュ制御のための制御手段７１が設けられ
ている。

【００５９】この制御手段７１は、図５にも示すよう
に、運転モード設定手段６３による設定に基づいて成層
燃焼モードからストイキオモードに切り替わったとき、
次のように分割比設定手段６４、噴射量演算手段６５、
噴射時期設定手段６６等を介して触媒リフレッシュのた
めの燃料噴射の制御を行うとともに、ＥＧＲ制御手段５
８の制御を行うようになっている。

【００６０】すなわち、触媒リフレッシュ制御として、
ストイキオモードへ切り替わってから所定時間だけ、上
記インジェクタ２２からの燃料噴射を吸気行程期間内に
噴射開始するタイミングで複数回に分割して行わせ、例
えば２回に分割して行わせる。具体的には、図６（ａ）
に示すように、吸気行程を３等分した前期、中期、後期
のうち前期から中期にかけての期間内に２回の噴射を開
始させる。つまり、先の噴射を吸気行程前期に開始させ
るとともに、後の噴射を吸気行程の前期もしくは中期に
開始させるように、上記各噴射の噴射時期を設定する。

【００６１】あるいは、図６（ｂ）に示すように、先の
噴射を吸気行程前期に開始させるとともに、後の噴射を
吸気行程の後期に開始させるように設定してもよい。

【００６２】各噴射の噴射割合は本発明で限定しない
が、例えば先の噴射の噴射量と後の噴射の噴射量とを略
等しくするように各噴射の噴射割合を設定しておけばよ
い。また、空燃比を略理論空燃比かこれより多少リッチ
とするように噴射量を調整する。

【００６３】さらに制御手段７１は、触媒リフレッシュ
制御時に、点火時期をリタードするように点火時期制御
手段７０を制御する。すなわち、触媒リフレッシュ制御
時には上記のように吸気行程での分割噴射が行われる
が、このような噴射形態で燃焼が行われるときのＭＢＴ
を基本点火時期とし、これに所定量のリタード補正を加
味することによりの触媒リフレッシュ制御時の点火時期
を求める。

【００６４】なお、制御手段７１は、触媒リフレッシュ
制御時に、さらに、ある程度のＥＧＲを行わせるように
ＥＧＲ制御手段５８を制御してもよい。

【００６５】図７は、上記制御手段７１による触媒リフ
レッシュ制御の具体例をタイムチャートで示している。

【００６６】この図のように、アクセル開度変化に応じ
た目標負荷の変化等により成層燃焼モードから均一燃焼
のストイキオモードに移行するとき、先ず運転モード設
定手段５３により設定される運転モードmodsが移行した
時点t1から、吸入空気量の調整により空燃比を変更すべ
くスロットル開度が小さくなる方向に制御され、それに
対しある程度の応答遅れをもって吸入空気量が減少方向
に変化する。そして、目標空燃比作成手段６２による吸
入空気量等に応じた噴射量等制御用の目標空燃比の演算
及びそれに応じた燃料噴射量の制御により、実際の空燃
比が次第にリッチ方向に変化し、その空燃比が所定値α
（例えば１９程度）まで減少した時点t2で、運転モード
設定手段５３により設定される運転モードmodfがストイ
キオモードに切り替わる。

【００６７】この時点t2から所定時間だけ、触媒リフレ
ッシュ制御として、空燃比が理論空燃比より若干小さい
値（例えば１４程度）に設定されるとともに、インジェ
クタ２２からの燃料噴射が吸気行程で分割して行われ
る。

【００６８】また、触媒リフレッシュ制御が行われる時
点t2で、点火時期がＭＢＴ（上記分割噴射が行われてい
る状態でのＭＢＴ）よりリタードされる。この点火時期
のリタードは、上記時点t2で空燃比が理論空燃比以下ま
で一気に変化するように燃料噴射量が急増することによ
るトルクの急変を抑制する作用をなすとともに、後に上
述するようにＮＯｘ発生量を減少させることで触媒リフ
レッシュを促進する作用をなすものである。

【００６９】触媒リフレッシュ開始時から所定時間が経
過した時点t3以後は、ストイキオモードでの制御として
インジェクタ２２からの燃料噴射が吸気行程一括噴射と
されるとともに、空燃比が理論空燃比に移行し、点火時
期がＭＢＴに戻される。

【００７０】以上のような当実施形態の装置による触媒
リフレッシュ促進等の作用、効果を、図８を参照しつつ
説明する。

【００７１】リーンＮＯｘ触媒３６は、リーン空燃比で
排気ガス中のＮＯｘを吸蔵し、空燃比がリッチになった
ときＮＯｘを放出するが、このときに、リーンＮＯｘ触
媒３６から放出されたＮＯｘがそのまま触媒下流に排出
されてしまうことを避けるためには、雰囲気中に存在す
る還元材によってＮＯｘを還元することが必要となる。
この還元材としてはＣＯが効果的であり、相対的にＮＯ
ｘの量に対するＣＯの量の比率、つまり〔（ＣＯ量）／
（ＮＯｘ量）〕を大きくするほど、リーンＮＯｘ触媒３
６からのＮＯｘの離脱及び還元が促進されることによ
り、触媒下流へのＮＯｘ排出量が低減される。

【００７２】ここで、上記比率におけるＮＯｘ量とは、
リーンＮＯｘ触媒から放出されるＮＯｘと触媒に導かれ
る排気ガス中に含まれるＮＯｘとを加えた量であり、
〔（ＣＯ量）／（ＮＯｘ量）〕を小さくするには、触媒
に導かれる排気ガス中のＣＯの量を増加させるか、この
排気ガス中のＮＯｘの量を減少させるようにすればよ
い。

【００７３】ところで、分割噴射における後期側噴射タ
イミング（後の噴射の噴射開始タイミング）を種々変え
つつ、燃焼不安定性を示すPi変動率（Picov）、燃費（B
e）、エンジン本体から排出されるＣＯの量、及びエン
ジン本体から排出されるＮＯｘの量を調べると、図８
（ａ）〜（ｄ）のような結果が得られた。分割噴射にお
ける先の噴射の噴射開始タイミングは吸気上死点後２０
°で固定とした。

【００７４】図８（ａ）〜（ｄ）の各グラフ中、実線で
示す各データは先の噴射と後の噴射の分割割合が５０
％：５０％、７０％：３０％、３０％：７０％の各場合
を示している。また、破線で示すデータは分割割合を５
０％：５０％とするとともに点火時期をリタードした場
合を示している。

【００７５】なお、これらのグラフにおいて横軸は圧縮
上死点を基準とした上死点前のクランク角（ＣＡＢＴ
ＤＣ）を表し、ＢＴＤＣ３６０°が吸気上死点、ＢＴＤ
Ｃ１８０°が下死点（ＢＤＣ）であり、時間的には横軸
の右側ほど早く、左側ほど遅い時期となる。

【００７６】この図に示すように、後期側噴射タイミン
グを吸気行程の前期乃至中期とした場合、Pi変動率が低
くて燃焼安定性が良いことを示し、さらに燃費も低く保
たれ、またＣＯの量は少ない。このような傾向が生じる
のは、吸気行程の早い時期に燃料が噴射されることによ
り、噴射燃料が燃焼室全体に均一に分散するとともに、
点火までの間に燃料の気化、霧化が充分行われるためで
ある。そして、吸気行程で一括噴射が行われる場合と比
べても、分割して燃料が噴射されることで噴射燃料の分
散性が高められ、より均一な混合気分布状態が得られる
ことにより、燃焼安定性が高められるとともに燃費が改
善される。

【００７７】吸気行程後半から圧縮行程にかけては、後
期側噴射タイミングが遅くなるにつれ、Pi変動率及び燃
費が高くなるとともに、ＣＯの量が増加する。これは、
後期側噴射タイミングが遅くなると点火までの時間が短
くなって、燃料の分散及び気化、霧化が悪くなること等
によると推測される。なお、後期側噴射タイミングが圧
縮行程中期となるところで、Pi変動率及び燃費がある程
度低くなる（その理由として圧縮行程中期にはピストン
の移動速度が速いため噴射燃料のミキシングが行われ易
くなること等が考えられる）が、さらに後期側噴射タイ
ミングが遅くなるにつれ、Pi変動率及び燃費が大きく上
昇する。

【００７８】また、図８中の破線は点火時期をリタード
させた場合のデータであり、点火時期のリタードにより
ＮＯｘは減少し、Pi変動率及び燃費は高くなる傾向があ
る。

【００７９】このような図８のデータから明らかなよう
に、吸気行程の前期から中期にかけての期間内に分割噴
射を行えば燃焼安定性が高められるため、点火時期を比
較的大きくリタードさせても燃焼安定性が許容範囲内に
保たれ、この点火時期のリタードにより、リーンＮＯｘ
触媒に導かれる排気ガス中のＮＯｘの量が大幅に低減さ
れる。

【００８０】従って、触媒リフレッシュ時に、吸気行程
の前期から中期にかけての期間内に噴射開始されるよう
分割噴射を行うとともに点火時期をリタードさせること
により、排気ガス中のＣＯは比較的少ないものの、排気
ガス中のＮＯｘが減少するために〔（ＣＯ量）／（ＮＯ
ｘ量）〕が大きくなり、リーンＮＯｘ触媒に吸蔵されて
いたＮＯｘの離脱、還元が促進され、触媒下流に排出さ
れるＮＯｘの量が充分に減少することとなる。そして、
燃費は、点火時期をリタードしない場合と比べると多少
高くなるものの、燃料の増量や追加噴射を行うような場
合と比べると充分に低くなる。

【００８１】なお、触媒リフレッシュ時における分割噴
射のタイミングとしては、後期側噴射タイミングを吸気
行程後期の期間内に噴射開始されるよう設定することも
効果的である。

【００８２】すなわち、図８から明らかなように、後期
側噴射タイミングを吸気行程後期の期間内に噴射開始さ
れるようにすると、吸気行程の前期乃至中期の期間内に
噴射開始されるよう設定した場合と比べ、Pi変動率及び
燃費が多少高くなるものの、ＣＯの量は増加する。

【００８３】従って、触媒リフレッシュ時に、後期側噴
射タイミングを吸気行程後期の期間内に噴射開始される
よう分割噴射を行うとともに、この場合の燃焼安定性を
損なわない範囲で点火時期をリタードすることにより、
リーンＮＯｘ触媒に導かれる排気ガス中のＣＯの量が増
加し、かつＮＯｘの量が減少するため、〔（ＣＯ量）／
（ＮＯｘ量）〕が大きくなり、リーンＮＯｘ触媒に吸蔵
されていたＮＯｘの離脱、還元が促進されることとな
る。

【００８４】図９は、別の実施形態として、リーン運転
の持続中にリーンＮＯｘ触媒３６のＮＯｘ吸蔵量が増加
する状態となったときに、所定時間だけ触媒リフレッシ
ュ制御を行う場合の例をタイムチャートで示している。

【００８５】この実施形態でも前述の図１、図２のよう
にエンジン及びＥＣＵが構成されるが、触媒リフレッシ
ュ用の制御手段７１は、成層燃焼モードによるリーン運
転中にリーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量が所定値以上と
なる状態を判定して触媒リフレッシュを行い、例えば、
リーン運転持続時間あるいはリーン運転中の燃料噴射量
の累計値を調べて、その値が所定値以上になったとき、
図９に示すような触媒リフレッシュを行う。

【００８６】すなわち、成層燃焼モードによるリーン運
転中にリーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量が所定値以上と
なる状態が判定されたとき、略理論空燃比もしくはそれ
以下の空燃比とすべくスロットル開度が小さくなる方向
に制御され、それに対しある程度の応答遅れをもって吸
入空気量が減少方向に変化する。そして、吸入空気量の
変化に応じて空燃比が次第に減少方向（リッチ方向）に
変化し、その空燃比が所定値まで減少した時点で、それ
までの圧縮行程一括噴射から吸気行程分割噴射に噴射形
態が変更されるとともに、空燃比が理論空燃比より若干
小さい値にまで変化するように燃料噴射量が制御され
る。

【００８７】この場合も、前述の図７に示したモード移
行時の触媒リフレッシュ制御と同様に、吸気行程の前期
から中期にかけての期間内に噴射開始する分割噴射、あ
るいは後期側噴射開始タイミングが吸気行程後期に設定
された分割噴射が行われるとともに、点火時期のリター
ドが行われる。なお、特にこの例では、先の噴射と後の
噴射とを略同じ量とすることが、極低負荷領域での燃料
噴射量の制御などの面で好ましい。つまり、この例で
は、成層燃焼領域内で、燃料供給量の少ない極低負荷領
域でも触媒リフレッシュ制御としての分割噴射が行われ
ることがあり、このように燃料供給量の少ない領域で分
割噴射が行なわれるとき、分割された噴射量が制御可能
な最小噴射量（最小パルス幅）に近づくため、先の噴射
と後の噴射の量が異なると少ない方の噴射量が最小噴射
量を下回る懸念があるが、噴射量を等しくしておけばこ
のような事態が避けられる。

【００８８】この例によっても、触媒リフレッシュ制御
時に、空燃比が略理論空燃比もしくはそれ以下に変更さ
れることにより、リーンＮＯｘ触媒３６に吸蔵されてい
たＮＯｘの放出、還元が行われ、この場合に、吸気行程
での分割噴射が行われつつ点火時期がリタードされるこ
とにより、〔（ＣＯ量）／（ＮＯｘ量）〕が大きくな
り、リーンＮＯｘ触媒に吸蔵されていたＮＯｘの離脱、
還元を促進する作用がさらに高められる。

【００８９】そして、触媒リフレッシュ制御の開始から
所定時間が経過した後は、圧縮行程一括噴射による成層
燃焼モードのリーン運転に戻される。

【００９０】なお、上記の図７に示す例や図９に示す例
において、触媒リフレッシュ時に、吸気行程分割噴射及
び点火時期のリタードに加え、ＥＧＲを行うようにして
もよく、このようにすると、ＥＧＲによってもリーンＮ
Ｏｘ触媒に導かれる排気ガス中のＮＯｘが減少し、上記
のＮＯｘ離脱、還元作用が高められる。

【００９１】

【発明の効果】以上のように本発明は、リーンＮＯｘ触
媒を備えた筒内噴射式エンジンにおいて、理論空燃比よ
り大きい空燃比から略理論空燃比もしくはそれ以下の空
燃比へ空燃比変更が行われたとき、触媒リフレッシュ制
御として、上記インジェクタからの燃料噴射を吸気行程
期間内に噴射開始するタイミングで複数回に分割して行
わせるとともに、点火時期をＭＢＴよりもリタードさせ
るようにしているため、触媒リフレッシュ制御時に、吸
気行程分割噴射により燃焼安定性を確保しつつ点火時期
のリタードにより排気ガス中のＮＯｘを低減し、ＮＯｘ
の量に対する排気ガス中のＣＯの量の相対的な比率を大
きくすることができる。このため、燃料の増量や追加噴
射を行うような従来技術と比べると燃費を低く抑え得る
ようにしつつ、リーンＮＯｘ触媒からのＮＯｘの離脱及
び還元を促進することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の装置の一実施形態を示す全体概略図で
ある。

【図２】ＥＣＵの機能的構成を示すブロック図である。

【図３】運転モードの領域設定を示す説明図である。

【図４】燃料噴射量等の演算の際に用いる運転モードの
設定を示す説明図である。

【図５】図２中の触媒リフレッシュ用の制御に関わる部
分を抽出して示すブロック図である。

【図６】燃料噴射のタイミングを示す説明図である。

【図７】触媒リフレッシュ制御の具体例を示すタイムチ
ャートである。

【図８】分割噴射における後期側噴射タイミングを種々
変えつつ、Pi変動率、燃費、エンジン本体から排出され
るＣＯの量及びＮＯｘの量を調べたデータを示すグラフ
である。

【図９】別の実施形態による触媒リフレッシュ制御の例
を示すタイムチャートである。

【符号の説明】

１０エンジン本体１５燃焼室２２インジェクタ２６エアフローセンサ３６リーンＮＯｘ触媒３８ＥＧＲ弁５０ＥＣＵ５８ＥＧＲ弁制御手段６７噴射制御手段７０点火時期制御手段７１制御手段

フロントページの続きＦターム(参考） 3G301 HA01 HA04 HA13 HA16 JA02 JA25 KA08 KA09 LA00 LA03 LA05 LB04 MA01 MA19 MA26 PA01Z PA07Z PA09Z PA10Z PA11Z PB08Z PD03Z PD15Z PE01Z PE08Z PF03Z

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼室に直接燃料を噴射するインジェク
タを備え、エンジンの低負荷領域で空燃比を理論空燃比
よりも大きくしてリーン運転を行うようにするととも
に、エンジンの排気通路に、酸素過剰雰囲気でＮＯｘを
吸蔵し酸素濃度が減少するに伴ってＮＯｘを放出するリ
ーンＮＯｘ触媒を備えた筒内噴射式エンジンにおいて、
理論空燃比より大きい空燃比と略理論空燃比もしくはそ
れ以下の空燃比とにわたって空燃比を変更する空燃比変
更手段と、理論空燃比より大きい空燃比から略理論空燃
比もしくはそれ以下の空燃比へ空燃比変更が行われたと
き、触媒リフレッシュ制御として、上記インジェクタか
らの燃料噴射を吸気行程期間内に噴射開始するタイミン
グで複数回に分割して行わせるとともに、点火時期をＭ
ＢＴよりもリタードさせるようにした制御手段とを備え
たことを特徴とする筒内噴射式エンジンの制御装置。
【請求項２】触媒リフレッシュ制御として行う複数回
の燃料噴射の各噴射タイミングを、吸気行程を３等分し
た前期、中期、後期のうちの前期から中期にかけての期
間内に噴射開始されるよう設定したことを特徴とする請
求項１記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。
【請求項３】触媒リフレッシュ制御として行う複数回
の燃料噴射における後の噴射のタイミングを、吸気行程
を３等分した前期、中期、後期のうちの後期の期間内に
噴射開始されるよう設定したことを特徴とする請求項１
記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。
【請求項４】排気ガスの一部を吸気系に還流させる排
気還流手段を備えるとともに、上記制御手段は、触媒リ
フレッシュ制御時に排気還流を行わせるように上記排気
還流手段を制御することを特徴とする請求項１乃至３の
いずれかに記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。
【請求項５】リーン運転を行う運転領域より高負荷側
の運転領域で空燃比を略理論空燃比もしくはそれ以下と
し、運転状態の変化に応じて空燃比を変更するように空
燃比変更手段を構成するとともに、リーン運転を行う運
転領域から略理論空燃比もしくはそれ以下の空燃比とす
る運転領域へ移行したときに触媒リフレッシュ制御を行
うようにしたことを特徴する請求項１乃至４のいずれか
に記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。
【請求項６】リーン運転中にリーンＮＯｘ触媒のＮＯ
ｘ吸蔵量が所定値以上となる状態になったとき、略理論
空燃比もしくはそれ以下に空燃比を変更し、リフレッシ
ュ制御を行うようにしたことを特徴とする請求項１乃至
４のいずれかに記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。