JP2002242728A

JP2002242728A - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP2002242728A
Application number: JP2001040824A
Authority: JP
Inventors: Takashi Fukuda; 隆福田; Hirobumi Tsuchida; 博文土田; Shunichi Shiino; 俊一椎野; Isamu Hotta; 勇堀田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-02-16
Filing date: 2001-02-16
Publication date: 2002-08-28
Anticipated expiration: 2021-02-16
Also published as: JP3951616B2

Abstract

(57)【要約】【課題】リーン空燃比による圧縮自己着火燃焼を行う
エンジンにおいて、ＮＯｘトラップ触媒の再生のため、
排気空燃比をリッチ化制御する場合に、圧縮自己着火燃
焼を継続可能とする。【解決手段】排気空燃比をリッチ化制御する場合に、
リッチ化制御を行わない通常の圧縮自己着火燃焼時のリ
ーン空燃比（１）での着火性と、ほぼ等価の着火性が得
られるリッチ空燃比（２）を選択する。これにより、圧
縮自己着火燃焼を継続しつつ、空燃比をリッチ化制御す
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、少なくとも圧縮自
己着火燃焼を行う運転条件を持つ内燃機関において、Ｎ
Ｏｘトラップ触媒の再生等のために排気空燃比をリッチ
化制御する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年ますます高まる環境問題への配慮か
ら、内燃機関についても燃費向上、排気低減への要求が
高まっている。ガソリンエンジンの熱効率を改善するた
めに、混合気をリーン化することでポンプ損失を低減す
ると共に、作動ガスの比熱比を大きくして理論熱効率を
向上する手法が知られている。

【０００３】しかしながら、従来の火花点火エンジンで
は、空燃比をリーンにすると燃焼期間が長期化して、燃
焼安定度が悪化する。このため、空燃比のリーン化には
限界がある。上記問題を解決する技術としては、特開平
７−７１２７９号公報に示されるように、予混合圧縮自
己着火燃焼を起こさせる手段が提示されている。これ
は、２サイクルエンジンにおいて、排気ポート近傍に該
排気ポートの開度を制御可能な排気制御弁を設け、この
排気制御弁を制御することにより、筒内圧力を制御して
自己着火燃焼を起こしている。

【０００４】予混合圧縮自己着火燃焼では、複数の位置
から燃焼反応が起こるため、空燃比をリーン化した場合
においても火花点火燃焼に比べると燃焼期間が長期化せ
ずに、よりリーンな空燃比での燃焼が可能となる。ま
た、空燃比がリーンのため、燃焼温度が低下し、ＮＯｘ
も大幅に低減できる。一方で、排気中に含まれるＮＯｘ
を排気空燃比がリーンであるときにトラップし、排気空
燃比をリッチにすることでトラップされているＮＯｘを
脱離浄化するＮＯｘトラップ触媒が知られている。この
技術によれば、リーン燃焼中の排気に含まれるＮＯｘを
有効に浄化可能である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記２
つの技術を組み合わせた場合、ＮＯｘトラップ触媒の再
生のために排気空燃比をリッチ化する必要があり、圧縮
自己着火燃焼を行いながらリッチ化制御を行った場合、
圧縮自己着火燃焼の着火時期が早期化し、ノッキングを
発生するという問題がある。

【０００６】また、圧縮自己着火燃焼を一旦終了し、火
花点火燃焼に切り替えることも可能だが、この場合には
筒内温度、筒内圧力、空燃比等を大幅にまた瞬時に切り
替える必要があり、運転性の悪化を生じる可能性が高か
った。また、再度圧縮自己着火燃焼を開始するためには
筒内温度、筒内圧力、空燃比等を自己着火に最適な条件
に整える必要があり、自己着火を開始するまでに時間が
かかるため、それまでの区間では燃費の良好な圧縮自己
着火燃焼を行えないため、燃費悪化を引起こすという問
題がある。

【０００７】本発明は、かかる問題に鑑みてなされたも
ので、排気系の要求から排気空燃比をリッチ化する場合
においても、圧縮自己着火燃焼を継続可能で、燃費が良
く、クリーンな内燃機関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】このため、請求項１の発
明では、少なくとも圧縮自己着火燃焼を行う運転条件を
持つ内燃機関の制御装置において、排気空燃比をリッチ
化制御する場合に、圧縮自己着火燃焼を継続しつつ、空
燃比をリッチ化制御することを特徴とする。請求項２の
発明では、排気空燃比をリッチ化制御する場合に、リッ
チ化制御を行わない通常の圧縮自己着火燃焼時の着火性
とほぼ等価の着火性が得られる空燃比を選択する空燃比
選択手段を有することを特徴とする。

【０００９】請求項３の発明では、排気空燃比をリッチ
化制御する場合に、リッチ化制御を行わない通常の圧縮
自己着火燃焼時のエンジントルクとほぼ等価のエンジン
トルクが得られるように吸入空気量を減少させる吸入空
気量制限手段を有することを特徴とする。請求項４の発
明では、燃料を筒内に直接噴射可能な燃料噴射弁を備
え、排気空燃比をリッチ化制御する場合に、圧縮行程で
の燃料噴射時期を制御することで、リッチ化制御を行わ
ない通常の圧縮自己着火燃焼時の着火性及びエンジント
ルクとほぼ等価の着火性及びエンジントルクが得られる
ように、筒内の一部にリッチ混合気層を形成する燃料噴
射時期制御手段を有することを特徴とする。

【００１０】請求項５の発明では、筒内温度（吸気温
度）又は筒内圧力の少なくとも一方を所定値に制御する
手段を備えることを特徴とする。請求項６の発明では、
排気系に、排気空燃比がリーンのときにＮＯｘをトラッ
プし、排気空燃比がリッチのときにトラップされている
ＮＯｘを脱離浄化するＮＯｘトラップ触媒を備え、ＮＯ
ｘトラップ触媒の再生のために排気空燃比をリッチ化制
御することを特徴とする。

【００１１】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、圧縮自己着火
式の内燃機関において、排気空燃比をリッチ化制御する
場合に、圧縮自己着火燃焼を継続しつつ、空燃比をリッ
チ化制御するので、リッチ化制御終了後も圧縮自己着火
を継続できるため、好燃費を保ちつつ排気空燃比のリッ
チ化制御を行うことができる。

【００１２】請求項２の発明によれば、排気空燃比をリ
ッチ化制御する場合に、リッチ化制御を行わない通常の
圧縮自己着火燃焼時の着火性とほぼ等価の着火性が得ら
れる空燃比を選択するので、自己着火における着火時期
の過早化を引起こすことなく良好な自己着火を継続しつ
つ排気空燃比のリッチ化制御を行うことができる。請求
項３の発明によれば、排気空燃比をリッチ化制御する場
合に、リッチ化制御を行わない通常の圧縮自己着火燃焼
時のエンジントルクとほぼ等価のエンジントルクが得ら
れるように吸入空気量を一時的に減少させるので、運転
性の悪化なく排気空燃比のリッチ化制御を行うことがで
きる。

【００１３】請求項４の発明によれば、直噴式の燃料噴
射弁を用い、排気空燃比をリッチ化制御する場合に、圧
縮行程での燃料噴射時期を制御することで、リッチ化制
御を行わない通常の圧縮自己着火燃焼時の着火性及びエ
ンジントルクとほぼ等価の着火性及びエンジントルクが
得られるように、筒内の一部にリッチ混合気層を形成す
るので、請求項３の発明よりも更に運転性の悪化なく排
気空燃比のリッチ化制御を行うことができる。

【００１４】請求項５の発明によれば、筒内温度（吸気
温度）又は筒内圧力の少なくとも一方を所定値に制御す
る手段を備えることで、より自己着火の発生しやすい条
件に制御できる一方、等価の着火性が得られる空燃比を
選択する際も、条件を合わせることで、選択誤差を少な
くすることができる。請求項６の発明によれば、ＮＯｘ
トラップ触媒の再生のために用いることで、ＮＯｘトラ
ップ触媒のＮＯｘトラップ能を常に維持し、ＮＯｘ浄化
効率の向上によるエミッション改善を図ることができ
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。先ず本発明の第１実施形態につい
て説明する。図１は本発明の第１実施形態を示す内燃機
関（以下エンジンという）のシステム図である。

【００１６】エンジン１の吸気通路２には、吸入空気量
を制御する電制スロットル弁３が設けられ、また、吸入
空気の温度（吸気温度）を調節可能な吸気温度調節器４
が設けられ、更に、これらの下流側で各気筒へ吸入空気
を分配するマニホールド部には、各気筒の吸気ポートに
向けて燃料を噴射供給する燃料噴射弁５が設けられてい
る。更に、各気筒の燃焼室には、火花点火燃焼用の点火
プラグ６が設けられている。これらは、コントロールユ
ニット（以下Ｃ／Ｕという）７により駆動される。

【００１７】Ｃ／Ｕ７には、アクセルペダルセンサ８か
らのアクセル開度信号（Ａps）、クランク角センサ９か
らのクランク角信号（これからエンジン回転数Ｎｅを算
出可能）、吸気通路２に設けたエアフローメータ１０か
らの吸入空気量信号（Ｑａ）、吸気温度センサ１１から
の吸気温度信号（Ｔａ）、水温センサ１２からのエンジ
ン冷却水温度信号（Ｔｗ）などが入力されている。

【００１８】Ｃ／Ｕ７では、これらの入力信号に基づい
て、運転条件に応じた目標トルク及び空燃比を実現する
ように、電制スロットル弁３の開度、燃料噴射弁５の燃
料噴射量及び噴射時期を制御し、また、火花点火燃焼時
には点火プラグ６の点火時期を制御している。特に燃料
噴射弁５の制御に際しては、エアフローメータ１０によ
り検出される吸入空気量Ｑａに対し、運転条件に応じた
所望の空燃比となるように、燃料噴射量を制御する。

【００１９】また、Ｃ／Ｕ７では、吸気温度センサ１１
からの信号に基づいて、所望の吸気温度（延いては所望
の筒内温度）となるように、吸気温度調節器４を制御し
ている。エンジン１からの排気は排気通路１３より排出
されるが、この排気通路１３には、各気筒からの排気を
集合するマニホールド部の下流側に、三元触媒１４が設
けられ、更にその下流側に、ＮＯｘトラップ触媒１５が
設けられており、排気はこれらを通過後に大気中に排出
される。

【００２０】三元触媒１４は、排気空燃比が略ストイキ
のときにＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを同時に効率良く浄化する
特性を有している。ＮＯｘトラップ触媒１５は、排気空
燃比がリーンのときにＮＯｘをトラップし、排気空燃比
がリッチのときにトラップされているＮＯｘを脱離し、
このとき触媒作用によりＮＯｘを還元浄化する特性を有
している。

【００２１】以上の構成において、暖機後においては、
エンジン１は圧縮自己着火燃焼（以下単に自己着火燃焼
という）を行っている。自己着火燃焼では、空燃比をリ
ーン化可能のため、ＮＯｘ排出量を火花点火燃焼と比べ
大幅に低減可能であるが、前述のように更なるエミッシ
ョン改善のため、三元触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒
１５を設け、エンジン１から排出される有害物質の浄化
処理を行っている。

【００２２】ＮＯｘトラップ触媒１５では、排気空燃比
がリーンのときに排気中のＮＯｘをトラップ可能である
が、このＮＯｘトラップを継続すると、ＮＯｘトラップ
能が飽和し、やがてＮＯｘをトラップできなくなる。こ
の場合、排気空燃比をリッチ化することで、トラップさ
れたＮＯｘを脱離浄化できる。そこで、本実施形態で
は、例えば図２に示すように、エンジン回転数とトルク
とから単位時間毎のＮＯｘ排出量を予め求めて記憶させ
たＮＯｘ排出量マップを参照し、そのＮＯｘ排出量を積
算することで、ＮＯｘトラップ触媒１５でのＮＯｘトラ
ップ量を推定し、このＮＯｘトラップ量が飽和量に近く
なった時点で、ＮＯｘトラップ触媒１５の飽和（トラッ
プ限界）と判断し、排気空燃比のリッチ化制御を行う。

【００２３】次に図３に基づいて自己着火式エンジンに
おける吸気温度、空燃比、着火時期（着火遅れ期間）の
関係を説明する。図３には、吸気温度を例として２５
℃、１００℃、２００℃とし、各吸気温度で、混合気の
空燃比（Ａ／Ｆ）を変化させた場合の着火時期を示して
いる。これによると、吸気温度が２５℃の場合、混合気
の空燃比がストイキ付近のときには自己着火を行うこと
は可能であるが、安定度限界線とほぼ一致しており、こ
のポイントでのみ自己着火が可能である。しかし、空燃
比がストイキでのみ運転可能であり、自己着火のメリッ
トであるリーン燃焼を行えないため、実際にはこの吸気
温度では運転することは燃費儲け代がないため行わな
い。

【００２４】吸気温度が１００℃の場合、図中（１）に
示すポイントは、混合気の空燃比がリーン側で且つ安定
度限界線よりも下側の点であり、このポイントが空燃比
がリーンで且つ安定度限界内となる通常の自己着火燃焼
時の空燃比設定点である。これに対して、混合気の空燃
比をリッチ化していくと、着火時期が次第に早期化し、
ノッキングを生じるようになり、ここではエンジンの破
損の恐れが生じることや、また燃焼時期が早期化しすぎ
るため燃費のゲインが減少することから、ここで運転す
ることは望ましくない。通常ではこの領域よりリッチ側
では自己着火燃焼は難しいとして、火花点火に切り替え
ることが一般的である。

【００２５】しかし、更に混合気の空燃比をリッチ化し
ていくと、燃料の気化により筒内温度が低下し着火時期
が遅れる傾向と、空燃比のリッチ化により着火遅れが減
少する傾向とのバランスにより、リッチ化する程、着火
時期が遅れる傾向となる。このリッチ領域では通常の運
転では前述のようにリーン燃焼ではないことから、燃費
的には何らゲインがない設定であるが、自己着火燃焼を
べ一スとして排気空燃比をリッチ化する場合には、自己
着火燃焼を継続しつつ、排気空燃比をリッチ化できると
いうメリットがあり、本実施形態では、図中（２）に示
すポイントを排気空燃比をリッチ化する場合の空燃比設
定点とすることで、リッチ化制御を行わない場合の通常
の自己着火燃焼時の着火性とほぼ等価の着火性を得て、
自己着火燃焼を継続しつつ、排気空燃比のリッチ化が可
能となる。

【００２６】尚、着火性がほぼ等価となるような空燃比
を選択するときは、着火時期の差が例えば低回転側では
±５°ＣＡ程度以内、高回転側では±１５°ＣＡ程度以
内となるようにするのが望ましい。従って、本実施形態
では、ＮＯｘトラップ触媒１５の再生のために排気空燃
比をリッチ化制御する場合に、吸気温度調節器４により
吸気温度を所定の温度（例えば１００℃）に制御しつ
つ、リッチ化制御を行わない場合の通常のリーン空燃比
での自己着火燃焼時の着火性とほぼ等価の着火性が得ら
れる空燃比（図３の（２）のポイントの空燃比）を選択
し、自己着火燃焼を継続しつつ、空燃比をリッチ化制御
する。

【００２７】これによれば、排気空燃比をリッチ化する
ために、燃焼を火花点火に切り替えないため、リッチ化
制御を終了した後もすぐに自己着火燃焼を行えるため、
燃費が良好でクリーンな自己着火式エンジンが実現可能
となる。尚、上記の説明の中で、吸気温度はリッチスパ
イクのように急激な変化に追従することは難しいので、
ここでは一定温度に制御しているが、必要に応じて吸気
温度も合わせて変化させても構わない。

【００２８】また、図３はある運転条件での関係を示し
たものであるが、各運転条件についてこのようなマップ
を持ち、リッチ化制御の際には運転条件に応じたマップ
からリッチ化空燃比を参照すればよい。また、このよう
に各運転条件毎の多数のマップを持つようにするのでは
なく、各運転条件毎に空燃比を示したマップを１つ用意
するようにしてもよく、これによれば更に簡素化可能で
ある。

【００２９】次に本発明の第２実施形態について説明す
る。本実施形態では、前述の第１実施形態と同様に、排
気空燃比をリッチ化制御する場合に、リッチ化制御を行
わない自己着火燃焼時の着火性とほぼ等価の着火性が得
られるようにするのみならず、電制スロットル弁３など
により吸入空気量を制限することで、リッチ化制御を行
わない自己着火燃焼時のエンジントルクとほぼ等価のエ
ンジントルクが得られるようにする。

【００３０】但し、駆動力に使用されるトルクを等価に
保つよう吸入空気量を制限することで、着火性を等価に
保つ空燃比の選択は、次のように行う。図４を参照し、
第１実施形態では、通常の自己着火燃焼時は図中（１）
のポイントの空燃比、リッチ化制御時は図中（２）のポ
イントの空燃比を選択したが、本実施形態では、吸気温
度を一定（例えば１００℃）としても吸気絞りによる吸
気制限に伴い、断熱圧縮による温度上昇が減少するた
め、図中上向きの矢印で示すように、着火時期がシフト
する。これは図３に示した吸気温度が低下した場合とほ
ぼ同様の現象である。このため、本実施形態では、リッ
チ化制御時は図中（３）に示すポイントの空燃比を選択
する。

【００３１】従って、運転条件毎に、リッチ化制御時の
発生トルクに見合うだけの吸入空気減少量と、その時の
安定度限界に至らない空燃比とを、予め実験で求めてお
き、データとしてＣ／Ｕ７内に格納しておく。そして、
リッチ化制御が必要と判断されたとき、上記のごとく吸
入空気量の制限を行う共に、吸入空気減少量に対応した
空燃比であって、着火性が通常の自己着火燃焼時のポイ
ント（１）と略等価になるポイント（３）のリッチ空燃
比に制御することにより、自己着火燃焼を維持しつつ、
駆動力に使用されるトルクを略一定に保ちつつ、リッチ
化制御が可能となる。

【００３２】尚、吸入空気量の制限は、電制スロットル
弁３によって行ってもよいし、吸気弁の作動特性を変化
させても行っても構わない。また吸気温度を上昇させる
ことによっても吸入空気量を低下させることが可能であ
るが、吸気温度をステップ的に変化させた場合には、そ
れに伴いエンジンの吸気管や吸気ポート、エンジン内部
の熱容量により、一次遅れ的に温度が変化するため、本
実施形態には適さないと考える。

【００３３】次に本発明の第３実施形態について説明す
る。本実施形態は、前述の第２実施形態の制御をベース
に、より具体化し、図５〜図７に空燃比制御のフローチ
ャートとして示したものである。尚、かかる制御の実現
のため、本実施形態では、筒内温度制御手段として、前
述の吸気温度調節器４を用いる。また、筒内圧力制御手
段として、図１には示していない過給機又は可変圧縮比
機構を用いる。

【００３４】図５は空燃比制御のメインルーチンのフロ
ーチャートであり、先ずこれに沿って説明する。Ｓ１で
は、各種センサの信号、具体的には、アクセル開度Ａp
s、エンジン回転数Ｎｅ、吸入空気量Ｑａ、吸気温度Ｔ
ａ、冷却水温度Ｔｗ等を読込む。Ｓ２では、主にアクセ
ル開度Ａpsに基づいて、運転者の要求である目標トルク
ＴＴＣを算出する。

【００３５】Ｓ３では、エンジン回転数Ｎｅと目標トル
クＴＴＣとをパラメータとするマップから、運転領域に
基づき、低中回転、低中負荷の自己着火燃焼領域か、高
回転又は高負荷の火花点火燃焼（均質燃焼）領域かを判
定し、自己着火燃焼領域の場合は燃焼フラグＦＣｍｂ＝
０に、火花点火燃焼領域の場合は燃焼フラグＦＣｍｂ＝
１にセットする。

【００３６】Ｓ４では、エンジン回転数Ｎｅと目標トル
クＴＴＣとをパラメータとするマップから、運転領域に
基づき、燃料噴射量制御に必要な目標燃空比ＴＦＢＹＡ
を設定する。尚、ここでいう燃空比とは、空気過剰率λ
の逆数で、ストイキ空燃比を１４．６とすると、燃空比
＝１４．６／空燃比となる。従って、目標空燃比がスト
イキのときＴＦＢＹＡ＝１となり、リーンのときは１よ
り小さく、リッチのときは１より大きくなる。そして、
吸入空気量Ｑａに対するストイキ相当の燃料噴射量に対
し、ＴＦＢＹＡを乗じることで、目標空燃比を得るため
の燃料噴射量を算出することができる。

【００３７】Ｓ５では、現在の冷却水温度Ｔｗと暖機判
定用のしきい値ＴｗＬとを比較し、Ｔｗ≧ＴｗＬ（暖機
後）の場合は、現在の燃焼フラグＦＣｍｂ及び目標燃空
比ＴＦＢＹＡを維持するが、Ｔｗ＜ＴｗＬ（暖機前）の
場合は、Ｓ６へ進んで、燃焼フラグＦＣｍｂ＝１にセッ
トし、また目標燃空比ＴＦＢＹＡ＝１（ストイキ）にセ
ットする。

【００３８】すなわち、Ｓ６は、Ｔｗ＜ＴｗＬで、暖機
前と判定された場合には、自己着火燃焼を安定して行う
ことが難しいため、Ｓ３の領域判定でたとえ自己着火燃
焼（ＦＣｍｂ＝０）と判定された場合においても、火花
点火燃焼（ＦＣｍｂ＝１）を行わせるために設けてあ
る。Ｓ７では、燃焼フラグＦＣｍｂ＝０（自己着火燃
焼）か否かを判定し、ＦＣｍｂ＝０の場合は、Ｓ８へ進
んで、自己着火燃焼の制御に入る。

【００３９】Ｓ８では、図６の自己着火判定制御サブル
ーチンに従って、処理を行う。図６の自己着火判定制御
サブルーチンに沿って説明する。ここでは、先ず、自己
着火燃焼領域に突入した場合に直ちに自己着火燃焼を開
始できる（自己着火可能）か否かの判定を行っている。
Ｓ１０１では、筒内温度推定手段により時々刻々の筒内
温度を推定する。具体的には、エンジン運転条件（エン
ジン回転数Ｎｅ、目標トルクＴＴＣ、目標燃空比ＴＦＢ
ＹＡ等）、吸気温度Ｔａなどを基に、筒内温度を推定す
る。

【００４０】Ｓ１０２では、筒内圧力推定手段により時
々刻々の筒内圧力を推定する。具体的には、エンジン運
転条件（エンジン回転数Ｎｅ、目標トルクＴＴＣ、目標
燃空比ＴＦＢＹＡ等）、吸気温度Ｔａ、クランク角度な
どを基に、筒内圧力を推定する。尚、時々刻々の筒内圧
力ではなく、所定のクランク角度での筒内圧力を推定す
るようにしても構わない。

【００４１】Ｓ１０３では、前述のＳ４で用いたマップ
を参照し、エンジン回転数Ｎｅと目標トルクＴＴＣとか
ら、目標燃空比ＴＦＢＹＡを読込む。Ｓ１０４では、目
標燃空比ＴＦＢＹＡ毎に、筒内温度と筒内圧力とをパラ
メータとして１／τ（着火遅れ期間τの逆数）を予め記
憶させたマップを参照し、現在の運転状態での目標燃空
比ＴＦＢＹＡにおける、現在の筒内温度及び筒内圧力で
の、１／τを求める。ここで用いるマップは、ＴＦＢＹ
Ａに応じて数個用意されており、ＴＦＢＹＡの値を補間
することで、１／τを求める。尚、図６のＳ１０４に示
すマップ上の○点は、筒内温度及び筒内圧力の目標点を
示している。

【００４２】Ｓ１０５では、Ｓ１０４で求めた１／τの
値を積算する（∫１／τ＝∫１／τ＋１／τ）。Ｓ１０
６では、１／τの積算値（∫１／τ）が所定値（１／τ
th）を超えたか否かを判定する。ここで、１／τが所定
値を超える場合は自己着火燃焼が行われる場合であり、
１／τが所定値を超えない場合は自己着火燃焼が起こら
ない場合であり、判定の正確さを期すため、積算値をも
って判定している。

【００４３】この判定の結果、∫１／τ＜１／τth（自
己着火が発生不能）の場合は、Ｓ１０７〜Ｓ１０９へ進
み、自己着火を発生可能な状態にするために、以下の処
理を行う。すなわち、Ｓ１０７で、筒内温度制御手段
（吸気温度調節器４）により筒内温度を所定値上昇させ
るようにし、またＳ１１１で、筒内圧力制御手段（過給
機又は可変圧縮比機構）により筒内圧力を所定値上昇さ
せるようにする。自己着火燃焼に必要なレベルまで筒内
温度及び筒内圧力が上昇していないと考えられるので、
筒内温度及び筒内圧力を上昇させて、自己着火が起こり
やすい条件にするためである。

【００４４】更に、Ｓ１０９で、燃焼フラグＦＣｍｂ＝
１にセットし、また目標燃空比ＴＦＢＹＡ＝１（ストイ
キ）にセットする。これは、筒内温度及び筒内圧力の上
昇により自己着火可能な条件となるまで、自己着火燃焼
を開始せず、火花点火燃焼を行わせるためである。Ｓ１
０６での判定で、∫１／τ≧１／τth（自己着火が発生
可能）の場合は、Ｓ１１０〜Ｓ１１２へ進み、自己着火
を発生可能な状態を維持するために、以下の処理を行
う。

【００４５】すなわち、Ｓ１１０で、筒内温度制御手段
（吸気温度調節器４）により筒内温度を所定値Ｔ１に制
御し、またＳ１１１で、筒内圧力制御手段（過給機又は
可変圧縮比機構）により筒内圧力を所定値Ｐ１に制御す
る。ここでの所定値Ｔ１，Ｐ１はそれぞれの目標値であ
り、これを含む所定幅の範囲内に入るように、筒内温度
及び筒内圧力を制御する。

【００４６】そして、Ｓ１１２で、自己着火燃焼による
運転を行うように指示する。このとき、筒内温度及び筒
内圧力は図６のＳ１０４に示すマップ上の目標点（○
点）に制御されており、着火遅れ期間が最適な状態に制
御されるので、ノッキングや失火等を発生することがな
い。以上で図６の自己着火判定制御サブルーチンの説明
を終了し、図５のメインルーチンのフローチャートの説
明に戻る。

【００４７】フロー上では省略したが、前述のＳ１１２
にて自己着火燃焼による運転を指示した場合以外は、火
花点火燃焼による運転を指示している。Ｓ９では、自己
着火燃焼又は火花点火燃焼を行っている状態において、
ＮＯｘトラップ触媒１５の再生時期か否か、すなわち、
ＮＯｘトラップ触媒１５のＮＯｘトラップ量が所定値に
達したか否かの判定を行う。

【００４８】すなわち、既に説明したように、エンジン
回転数（Ｎｅ）とトルク（ＴＴＣ）とから単位時間毎の
ＮＯｘ排出量を予め求めて記憶させたＮＯｘ排出量マッ
プ（図２）を参照し、そのＮＯｘ排出量を積算すること
で、ＮＯｘトラップ触媒１５でのＮＯｘトラップ量を推
定する。更に、運転条件毎にマップから求めたＮＯｘ排
出量に対し、ＮＯｘトラップ触媒１５がＮＯｘをトラッ
プ可能な割合（トラップ率）を乗じ、これを積算して、
ＮＯｘトラップ量を求めるようにしてもよい。もちろん
公知の他の方法で推定又は測定しても構わない。

【００４９】そして、このＮＯｘトラップ量を再生時期
判定用のしきい値と比較し、しきい値以上となったとき
に、再生時期と判定する。ここでのＮＯｘトラップ量の
しきい値は、再生処理中に排出されるＮＯｘもトラップ
可能なように、トラップ可能な量に対して例えば８０％
程度の値に設定してある。この判定で、ＮＯｘトラップ
触媒１５の再生時期でないと判定された場合は、再生制
御（排気空燃比のリッチ化制御）を行うことなく、本ル
ーチンを終了するが、ＮＯｘトラップ触媒１５の再生時
期と判定された場合は、再生制御（排気空燃比のリッチ
化制御）のため、Ｓ１０へ進む。

【００５０】Ｓ１０では、燃焼方式に応じた再生方法を
選定するため、燃焼方式が自己着火燃焼（ＦＣｍｂ＝
０）であるか、火花点火燃焼（ＦＣｍｂ＝１）であるか
の判定を行う。この結果、自己着火燃焼（ＦＣｍｂ＝
０）の場合はＳ１１へ進み、火花点火燃焼の場合はＳ１
２へ進む。

【００５１】Ｓ１１では、図７の自己着火リッチ化制御
サブルーチンに従って、所定期間、自己着火燃焼でのリ
ッチ化制御を行う。これについては後述する。Ｓ１２で
は、所定期間、火花点火燃焼でのリッチ化制御を行う。
この場合は、目標燃空比ＴＦＢＹＡを予め定めたリッチ
相当のＴＦＢＹＡrichに設定して、通常のリッチ化制御
を行えばよい。

【００５２】図７の自己着火リッチ化制御サブルーチン
について説明する。Ｓ２０１では、運転条件毎に、空燃
比（目標空燃比ＴＦＢＹＡ）と着火遅れ（着火時期θ1
0）との関係を示したテーブルを参照し、通常の自己着
火燃焼時のリーン側のＴＦＢＹＡ（●点）と等価な着火
遅れとなるリッチ側のＴＦＢＹＡ（○点）を求め、目標
燃空比ＴＦＢＹＡをこのリッチ側のＴＦＢＹＡ（○点）
に設定する。詳しくは、第１実施形態として示した図３
の（２）点、又は、第２実施形態として示した図４の
（３）点に設定する。この部分がリッチ化制御時の空燃
比選択手段に相当する。

【００５３】Ｓ２０２では、Ｓ２０１で求めたリッチ側
のＴＦＢＹＡでのエンジンの発生トルクと通常の自己着
火燃焼時のエンジンの発生トルクとの差分に応じた吸入
空気量の減少分を予め実験等で求めておいて、エンジン
回転数Ｎｅと目標トルクＴＴＣとをパラメータとして補
正目標吸入空気量Ｑａ’を記憶させたマップを参照し、
エンジントルクを等価にするための、補正目標吸入空気
量Ｑａ’を求め、これを得るように制御する。この部分
が吸入空気量制限手段に相当する。

【００５４】Ｓ２０３では、筒内温度制御手段（吸気温
度調節器４）により筒内温度を所定値Ｔ２（但しＴ２＞
Ｔ１）に制御する。Ｓ２０４では、筒内圧力制御手段
（過給機又は可変圧縮比機構）により筒内圧力を所定値
Ｐ２（但しＰ２＞Ｐ１）に制御する。このＳ２０３及び
Ｓ２０４の動作は、筒内への吸入空気量を減少すること
に伴い、圧縮される作動ガス量が減少するため、筒内温
度及び筒内圧力を通常の自己着火燃焼時よりも上昇させ
る必要があることから、行っている。従って、Ｔ２＞Ｔ
１、Ｐ２＞Ｐ１に設定されるが、これらの値はそれぞれ
使用するエンジンに応じて設定されるものである。

【００５５】以上説明してきた動作を行うことで自己着
火燃焼を継続しつつ、リッチ化制御を行うことができる
ため、燃費のゲインが増加し、またトルクを略一定に保
つように制御するため、トルク変動のない自己着火式エ
ンジンのリッチ化制御を実現できる。次に本発明の第４
実施形態について説明する。

【００５６】構成は、第１実施形態に対し、燃料を筒内
に直接噴射可能な燃料噴射弁５’（図１参照）を有する
点が異なる。そして、自己着火燃焼を行う場合には、直
噴式の燃料噴射弁５’より、圧縮行程にて燃料噴射を行
い、この燃料噴射時期を制御する燃料噴射時期制御手段
を有している。

【００５７】ここで、圧縮行程での燃料噴射時期を進角
することにより、図８（ａ）に示すように混合気の存在
する範囲（混合気層）を比較的広範囲にすることがで
き、また反対に遅角することにより、図８（ｂ）に示す
ように混合気の存在する範囲（混合気層）を比較的狭い
範囲にすることができ、燃料噴射時期の制御により、混
合気範囲を可変にする構成をとっている。

【００５８】次に本実施形態の動作を説明する。排気空
燃比のリッチ化制御の判断までは、第１実施形態と同様
である。本実施形態では、リッチ化制御が必要と判断さ
れた場合には、第１実施形態と同様に空燃比をリッチ化
する。但し、このときにリッチ化するのは混合気の存在
する範囲内の空燃比であり、筒内の平均的な空燃比では
ない点が異なる。

【００５９】すなわち、リッチ化制御を行う場合には、
通常の自己着火燃焼を行っている場合の燃料噴射時期を
基準とすると、相対的に燃料噴射時期を遅角化すること
によって、図８（ｂ）のごとく混合気の存在する範囲を
狭くする、これにより仮に燃料噴射量が同一とすると、
混合気の存在する範囲内の空燃比をリッチ化可能であ
る。

【００６０】本実施形態で排気空燃比をリッチ化制御す
る場合には、燃料噴射量を増加させるが、この増量は、
燃料噴射時期を遅角化することで、混合気の存在する範
囲内の空燃比が所望の空燃比となり、且つ発生トルクと
しては、通常の自己着火燃焼時と同等となるように設定
される。この燃料噴射時期と燃料噴射量は予め実験で求
めたものをマップとしてＣ／Ｕ７内に格納しておけばよ
い。

【００６１】ここで、混合気の存在する範囲内の空燃比
はストイキよりも大幅にリッチであるため、筒内では十
分に燃焼しきれないため、リーン燃焼の場合と発生トル
クは大幅に変化せず、また排気まで未燃燃料が排出され
るため、ＮＯｘの還元に適している。本実施形態によれ
ば、リッチ混合気層の着火性を通常の自己着火燃焼時と
同等に維持しつつ、自己着火燃焼を継続したまま、排気
空燃比をリッチ化制御できるため、燃費が良く、クリー
ンな自己着火式エンジンを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態を示すエンジンのシステム図

【図２】エンジンからのＮＯｘ排出量特性を示す図

【図３】第１実施形態として自己着火燃焼における吸
気温度、空燃比、着火時期の関係を示す図

【図４】第２実施形態として吸気を制限した場合の自
己着火燃焼の特性変化を示す図

【図５】第３実施形態の空燃比制御のメインルーチン
のフローチャート

【図６】自己着火判定制御サブルーチンのフローチャ
ート

【図７】自己着火リッチ化制御サブルーチンのフロー
チャート

【図８】第４実施形態における混合気形成領域を示す
図

【符号の説明】

１エンジン２吸気通路３電制スロットル弁４吸気温度調節器５燃料噴射弁５’直噴式の燃料噴射弁６点火プラグ７Ｃ／Ｕ８アクセル開度センサ９クランク角センサ１０エアフローメータ１１吸気温度センサ１２冷却水温度センサ１３排気通路１４三元触媒１５ＮＯｘトラップ触媒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０２Ｄ 41/02 ３５１Ｆ０２Ｄ 41/02 ３５１ (72)発明者椎野俊一神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者堀田勇神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内Ｆターム(参考） 3G091 AA02 AA10 AA17 AA23 AA24 AB03 AB06 BA14 BA17 EA01 EA05 EA07 EA16 FB10 FB12 FC01 3G301 HA00 HA01 HA04 HA11 HA16 JA00 JA25 KA21 LA01 LB01 LB04 MA01 NA04 NA08 NC04 NE13 PA01Z PA10A PA10Z PE01Z PE08Z PF03Z

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも圧縮自己着火燃焼を行う運転条
件を持つ内燃機関において、排気空燃比をリッチ化制御
する場合に、圧縮自己着火燃焼を継続しつつ、空燃比を
リッチ化制御することを特徴とする内燃機関の制御装
置。
【請求項２】排気空燃比をリッチ化制御する場合に、リ
ッチ化制御を行わない通常の圧縮自己着火燃焼時の着火
性とほぼ等価の着火性が得られる空燃比を選択する空燃
比選択手段を有す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。
【請求項３】排気空燃比をリッチ化制御する場合に、リ
ッチ化制御を行わない通常の圧縮自己着火燃焼時のエン
ジントルクとほぼ等価のエンジントルクが得られるよう
に吸入空気量を減少させる吸入空気量制限手段を有する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関
の制御装置。
【請求項４】燃料を筒内に直接噴射可能な燃料噴射弁を
備え、排気空燃比をリッチ化制御する場合に、圧縮行程
での燃料噴射時期を制御することで、リッチ化制御を行
わない通常の圧縮自己着火燃焼時の着火性及びエンジン
トルクとほぼ等価の着火性及びエンジントルクが得られ
るように、筒内の一部にリッチ混合気層を形成する燃料
噴射時期制御手段を有することを特徴とする請求項１又
は請求項２記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】筒内温度又は筒内圧力の少なくとも一方を
所定値に制御する手段を備えることを特徴とする請求項
１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装
置。
【請求項６】排気系に、排気空燃比がリーンのときにＮ
Ｏｘをトラップし、排気空燃比がリッチのときにトラッ
プされているＮＯｘを脱離浄化するＮＯｘトラップ触媒
を備え、ＮＯｘトラップ触媒の再生のために排気空燃比
をリッチ化制御することを特徴とする請求項１〜請求項
５のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。