JP2002332889A

JP2002332889A - エンジンの排気浄化装置

Info

Publication number: JP2002332889A
Application number: JP2001135878A
Authority: JP
Inventors: Kengo Kubo; 賢吾久保
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-05-07
Filing date: 2001-05-07
Publication date: 2002-11-22
Anticipated expiration: 2021-05-07
Also published as: JP3823756B2

Abstract

(57)【要約】【課題】触媒にトラップされたＮＯｘないしＳＯｘを
脱離、還元するためのリッチスパイクを主噴射と副噴射
で実現するにあたり、副噴射流量が燃料噴射弁の最小流
量を下回ってしまうことによる空燃比バラツキを抑え
る。【解決手段】触媒５にトラップされているＮＯｘない
しＳＯｘを放出あるいは還元する際に、触媒５に流入す
る排気が通常運転時よりも濃い所定空燃比あるいは所定
の低酸素濃度となるように、エンジン１の吸気または圧
縮行程で第１の燃料噴射を行うとともに膨張または排気
行程で第２の燃料噴射を行う。この二段階の燃料噴射か
ら通常の第１の燃料噴射のみによる燃料噴射に移行する
際には、第１の燃料噴射での燃料流量を徐々に増大しつ
つ第２の燃料噴射での燃料流量を徐々に減少させてい
き、第２の燃料噴射での燃料流量が所定の燃料流量を下
回るタイミングで第２の燃料噴射を中止するとともに第
１の燃料噴射での燃料流量をステップ的に増大させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はエンジンの排気浄化装置
に関し、特に、排気中のＮＯｘをトラップするＮＯｘト
ラップ触媒を備えた排気浄化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】触媒雰囲気がリーンのときに排気中のＮ
Ｏｘをトラップする触媒（以下、「ＮＯｘトラップ触
媒」という。）をエンジンの排気通路に設けることによ
り、リーン空燃比運転時にエンジンから排出されるＮＯ
ｘが大気中に放出されるのを抑える技術が知られてい
る。

【０００３】このようなＮＯｘトラップ触媒において
は、触媒にトラップされているＮＯｘ量がある飽和量に
達するとＮＯｘをトラップすることができなくなるた
め、飽和状態となる前にエンジンを一時的にリッチ空燃
比運転に切り換える等してＮＯｘトラップ触媒に還元剤
（ＣＯ、ＨＣ等）を供給し、トラップされているＮＯｘ
を放出、還元する必要がある。また、ＮＯｘトラップ触
媒には排気中のＳＯｘもトラップされ、このＳＯｘトラ
ップ量が増えるとＮＯｘトラップ効率が低下するため、
トラップされているＳＯｘを脱離させるために所定のタ
イミングでエンジンの空燃比を一時的にリッチ側にシフ
トさせる必要もある（以下、これらの空燃比の一時的な
リッチ化制御を「リッチスパイク」という。）。

【０００４】特開平11-223148号には、上記リッチスパ
イクを実行するにあたり、エンジンの目標空燃比を徐々
にリッチ空燃比に変化させるように燃料を供給(主噴
射）するとともに、エンジンの膨張行程において燃料を
追加供給（副噴射）することによって、エンジン出力の
変動を抑えつつ排気空燃比を直ちにリッチ空燃比に移行
させる技術が開示されている。これによれば、主燃焼に
寄与する主噴射流量は徐々に増大されることからエンジ
ン出力が急激に変化することはなく、また、膨張行程で
行われる副噴射はエンジンの出力トルクに変動を殆ど及
ぼさないことから、出力トルク変動を抑えつつ排気空燃
比を直ちにリッチ側にシフトさせることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとしている問題点】しかしながら、
上記公報に開示されている技術においては、副噴射の流
量が少なくなると副噴射を正確に行うことが難しくな
り、排気空燃比の変動（空燃比バラツキ）を招き、トラ
ップ触媒への還元剤（ＨＣ、ＣＯ等）の供給が不安定に
なるという問題があった。これは燃料噴射弁には燃料噴
射を正確に行うことができる最小流量が規定されてお
り、副噴射流量がこの最小流量よりも少なくなると副噴
射を精度良く行うことが難しくなるからである。

【０００６】本発明は、かかる技術的課題を鑑みてなさ
れたものであり、触媒にトラップされているＮＯｘ、Ｓ
Ｏｘを放出、還元するためのリッチスパイクを主噴射と
副噴射で実現するにあたって、副噴射流量が燃料噴射弁
の最小流量を下回ってしまうことによる空燃比バラツキ
を抑え、排気触媒に還元剤を安定して供給できるように
することを目的とする。

【０００７】

【問題点を解決するための手段】第１の発明は、エンジ
ンの排気通路に設けられて排気に含まれているＮＯｘな
いしＳＯｘをトラップする触媒と、前記触媒にトラップ
されているＮＯｘないしＳＯｘを放出あるいは還元する
際に、前記触媒に流入する排気が通常運転時よりも濃い
所定空燃比あるいは所定の低酸素濃度となるように、前
記エンジンの吸気または圧縮行程で第１の燃料噴射を行
うとともに膨張または排気行程で第２の燃料噴射を行う
ように前記エンジンの燃料噴射弁を制御する手段とを備
えた排気浄化装置において、前記第１及び第２の燃料噴
射を行う際に、前記第１の燃料噴射での燃料流量を増大
していくとともに前記第２の燃料噴射での燃料流量を減
じていく手段と、前記第２の燃料噴射での燃料流量を減
じていった結果、前記第２の燃料噴射での燃料流量が所
定の燃料流量を下回る場合には、前記第２の燃料噴射を
中止し、前記第１の燃料噴射での燃料流量をステップ的
に増大させる手段とを備えたことを特徴とするものであ
る。

【０００８】第２の発明は、第１の発明において、前記
所定燃料流量が、前記燃料噴射弁の噴射特性に応じて決
定される最小燃料流量であることを特徴とするものであ
る。

【０００９】第３の発明は、第１または第２の発明にお
いて、前記第２の燃料噴射を中止し前記第１の燃料噴射
での燃料流量をステップ的に増大する前は、排気が前記
所定空燃比ないし所定の低酸素濃度を維持するように第
２の燃料噴射での燃料流量を制御することを特徴とする
ものである。

【００１０】第４の発明は、第１から第３の発明におい
て、第１の燃料噴射での燃料流量をステップ的に増大し
た後は、前記第１の燃料噴射での燃料流量を減じていく
ことを特徴とするものである。

【００１１】第５の発明は、第４の発明において、前記
第１の燃料噴射での燃料流量を減じていく際の減少度合
いが、前記触媒にＮＯｘないしＳＯｘがトラップされる
運転状態の継続時間に基づき決定されることを特徴とす
るものである。

【００１２】第６の発明は、第４の発明において、前記
第１の燃料噴射での燃料流量を減じていく際の減少度合
いが、排気空燃比、エンジン回転速度あるいはエンジン
負荷に基づき推定される前記触媒にトラップされている
のＮＯｘないしＳＯｘの量に応じて決定されることを特
徴とするものである。

【００１３】第７の発明は、第１から第６の発明におい
て、前記所定空燃比が、理論空燃比または所定のリッチ
空燃比であることを特徴とするものである。

【００１４】第８の発明は、第１から第６の発明におい
て、前記所定空燃比ないし所定の低酸素濃度が、前記触
媒にＮＯｘないしＳＯｘがトラップされる運転の継続時
間に応じて決定されることを特徴とするものである。

【００１５】第９の発明は、前記第１から第６の発明に
おいて、前記所定空燃比ないし所定の低酸素濃度が、排
気空燃比、エンジン回転速度あるいはエンジン負荷に基
づき推定される前記触媒にトラップされているＮＯｘな
いしＳＯｘの量に応じて決定されることを特徴とするも
のである。

【００１６】

【作用及び効果】したがって、本発明が適用される排気
浄化装置においては、リーン空燃比運転が継続すること
により触媒にトラップされているＮＯｘ量（あるいはＳ
Ｏｘ量）が増えると、触媒に流入する排気の空燃比を通
常運転時よりも濃い所定の空燃比（理論空燃比ないし所
定のリッチ空燃比）あるいは所定の低酸素濃度とし、Ｎ
Ｏｘトラップ触媒にトラップされているＮＯｘを放出、
還元処理する制御が行われる。

【００１７】このとき、燃料噴射が吸気または圧縮行程
における第１の燃料噴射（主噴射）と膨張または排気行
程における第２の燃料噴射（副噴射）とに分けて行わ
れ、エンジン出力の変動が抑えられる。また、この二段
階の燃料噴射から通常の主噴射のみの燃料噴射に復帰す
る際、前記所定の空燃比あるいは所定の低酸素濃度が維
持されるように主噴射量を徐々に増大させつつ副噴射量
を徐々に減少させていくが、副噴射の燃料流量が所定流
量（例えば、燃料噴射弁の最小流量）よりも少なくなる
前に主噴射のみの燃料噴射に切り換えられる。

【００１８】このように副噴射流量が所定流量よりも少
なくなるタイミングで副噴射を中止し、主噴射のみによ
る燃料噴射に切り換えることにより、副噴射の燃料流量
が最小流量以下となって燃料流量のバラツキが大きくな
ることによる空燃比バラツキが抑えられ、触媒に安定し
て還元剤（ＨＣ、ＣＯ等）を供給することができる。な
お、ＮＯｘトラップ触媒にはＮＯｘのみならずＳＯｘも
トラップされ（ＳＯｘ被毒）、これによってもＮＯｘの
トラップ効率が低下するため、トラップされているＳＯ
ｘの量が多くなったときも同様の処理が行われる。

【００１９】上記空燃比のリッチシフトあるいは低酸素
濃度化の度合いは、トラップされているＮＯｘ等が効率
よく放出、還元されるように、触媒にＮＯｘ等がトラッ
プされる運転状態の継続時間や、触媒にトラップされて
いるのＮＯｘ等の量に応じて設定される。

【００２０】また、主噴射のみの燃料噴射に切り換える
ときには、それによる燃焼混合気の空燃比のリッチレベ
ル(あるいは低酸素濃度の度合い）を一旦最大レベルま
でステップ的に切り換え、その後徐々に減少していくよ
うにし、このときの減少度合いを調節することで、排気
がリッチ（あるいは低酸素濃度）の状態が触媒にＮＯｘ
等がトラップされる運転状態の継続時間、あるいは触媒
にトラップされているＮＯｘ等の量に応じて継続するよ
うにする。トラップされているＮＯｘあるいはＳＯｘは
触媒雰囲気がリッチになると直ちに放出される成分と触
媒雰囲気がリッチになってから徐々に放出される成分と
に分けることができるが、これにより、両成分を効果的
に処理することができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、添付図面に基づき本発明の
実施の形態について説明する。

【００２２】図１はこの発明に係る筒内直接噴射式エン
ジンの排気浄化装置の概略構成を示し、エンジン１は、
運転モードを切り換えることで吸気行程噴射または圧縮
行程噴射（主噴射）を実施することができる筒内噴射型
火花点火式ガソリン内燃機関である。このエンジン１
は、理論空燃比（ストイキ）、リッチ空燃比あるいはリ
ーン空燃比で運転することができる。

【００２３】また、エンジン１のシリンダヘッド２に
は、気筒毎に点火プラグ４、燃料噴射弁３が取り付けら
れており、これにより、燃焼室内に直接燃料を噴射する
ことができる。また、燃料噴射弁３の上流には、燃料ポ
ンプ１３が接続されており、燃料を燃料噴射弁３から燃
焼室内に向けて任意の燃圧で噴射することができる。

【００２４】ここで燃料噴射弁３の特性について説明す
ると、燃料噴射弁３から噴射される燃料流量は、燃料ポ
ンプ１３の燃料吐出圧と燃料噴射弁３の開弁時間に応じ
て決定される。燃料噴射弁３の開弁時間と燃料流量の関
係は図２に示すようにある開弁時間以上では開弁時間と
燃料流量はほぼ比例関係となるが、その開弁時間より開
弁時間が短くなると、すなわち燃料流量がその開弁時間
に対応する燃料流量よりも少なくなると比例関係が崩
れ、燃料流量バラツキも大きくなる。

【００２５】図３は燃料流量と燃料流量バラツキとの関
係を示したものである。これに示されるように、最小流
量（例えば、上記比例関係が保たれなくなる流量）より
も燃料流量が少なくなると燃料流量バラツキが大きくな
り、燃料噴射を精度良く行うことが難しくなる。

【００２６】図１に戻り、エンジン１のシリンダヘッド
２には、気筒毎に吸気ポート１５が形成され、吸気ポー
ト１５と連通するように吸気マニホールド１７が接続さ
れている。その反対側には、気筒毎に排気ポート１６が
形成され、排気ポート１６と連通するように排気マニホ
ールド１８が接続されている。これら吸気マニホールド
１７と排気マニホールド１８との間にはＥＧＲ通路１
９、ＥＧＲ弁２０が設けてあり、運転条件に応じて排気
ガスの循環量が調節される。

【００２７】排気マニホールド１８には、排気浄化触媒
（三元触媒）１１が接続され、さらに排気通路９を介し
て排気浄化触媒５が接続されている。また、排気マニホ
ールド１８には、排気中の酸素量に基づいて燃焼室内の
空燃比を検出する空燃比センサ１０が設けられている。

【００２８】触媒５はいわゆるＮＯｘトラップ触媒であ
り、流入する排気の空燃比がリーンの時に排気中のＮＯ
ｘをトラップするとともに、流入する排気の空燃比がス
トイキまたはリッチの時にＮＯｘを放出、還元する。典
型的には、白金（Ｐｔ）等の貴金属とＮＯｘトラップ剤
とを担持した基材のコート層をハニカム担体上に形成し
たものである。上記ＮＯｘトラップ剤は、セシウム（Ｃ
ｓ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、リチウム
（Ｌｉ）等のアルカリ金属、バリウム（Ｂａ）、カルシ
ウム（Ｃａ）等のアルカリ土類、ランタン（Ｌａ）、イ
ットリウム（Ｙ）等の希土類から選ばれた少なくとも一
つを含んでいる。なお、ここでは触媒５はリッチ雰囲気
ないしストイキ雰囲気のときにトラップされているＮＯ
ｘを放出するとしているが、低酸素濃度雰囲気のときに
トラップされているＮＯｘを放出するものであってもよ
い。この場合は、例えば、リーンの度合いを強リーン
（Ａ／Ｆ＝４０）から弱リーン（Ａ／Ｆ＝２０）に変更
したときでもＮＯｘの放出が行われる。

【００２９】さらに、排気浄化装置にはコントロールユ
ニット６が設けられており、コントロールユニット６は
入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ）、中央演算処
理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えている。こ
のコントロールユニット６により、エンジン１を含めた
本発明に関わる排気浄化装置の総合的な制御が行われ
る。

【００３０】コントロールユニット６の入力側には、上
記空燃比センサ１０の他、エンジン１の吸入空気量を検
出するエアフローメータ７、スロットル１４の開度を検
出するスロットル開度センサ８、エンジン１の冷却水温
を検出する水温センサ１２、エンジン１の回転速度を検
出するクランク角センサ２１等の各種センサからの検出
情報が入力される。また、出力側には、燃料噴射弁３や
点火プラグ４等が接続されており、各種センサからの検
出情報に基づき演算された燃料流量や点火時期等の値が
出力される。

【００３１】以下、このコントロールユニット６が実行
する空燃比切り換え制御について図４に示すフローチャ
ートを参照しながら説明する。

【００３２】これによると、まず、ステップＳ１で運転
条件（空気流量、エンジン回転速度等）が読み込まれ
る。ここで、空気流量は、代表的にはエンジン１の吸気
通路に設けられているエアフローメータ７で検出され
る。ステップＳ２ではこれらの信号に基づき目標空燃比
を算出され、ステップＳ３では吸入空気量からステップ
Ｓ２の目標空燃比となるように燃料噴射流量（主噴射流
量）が算出される。触媒５にトラップされているＮＯｘ
ないしＳＯｘを放出、還元処理するための空燃比切り換
え制御が行われるときは、エンジン１の目標空燃比はリ
ーン空燃比から徐々に理論空燃比ないしリッチ空燃比に
近づくように変更され、これに対応して主噴射流量は徐
々に増加する。なお、触媒５が低酸素濃度でＮＯｘない
しＳＯｘを放出する特性を有する場合は、エンジン１の
排気の酸素濃度が徐々に低くなるように制御してもよ
い。

【００３３】ステップＳ４では、フラグFRSの値に基づ
き空燃比切り換え制御中であるか否かが判断される。空
燃比切り換え制御中、すなわちフラグFRSが「１」の場
合にはステップＳ５に進み、空燃比切り換え中でない場
合すなわちフラグFRSが「１」以外のときにはステップ
Ｓ１０に進む。フラグFRSは触媒５にトラップされてい
るＮＯｘ、ＳＯｘを放出、還元処理する条件（前回の放
出、還元処理から所定時間経過した、排気空燃比等に基
づき推定したＮＯｘ、ＳＯｘトラップ量が所定量に達し
た等）が成立したときに「１」に設定され、放出、還元
処理が終了したときに「０」に設定される。

【００３４】ステップＳ４でフラグFRSが「１」の場合
はステップＳ５に進み、副噴射を実行するとして副噴射
流量Qbが算出される。この副噴射流量Qbは、空燃比切り
換え時に変化する目標空燃比と触媒５にトラップされて
いるＮＯｘ、ＳＯｘを効果的に放出、還元するのに要求
される所定のリッチ空燃比との差分に相当する流量とな
るように、すなわち前記主噴射に加えて副噴射が行われ
ることにより排気空燃比が所定のリッチ空燃比となるよ
うに算出される。ここでの所定のリッチ空燃比として
は、例えば触媒５にＮＯｘ、ＳＯｘがトラップされる運
転の継続時間、排気空燃比、エンジン回転速度、エンジ
ン負荷等から推定されるＮＯｘ、ＳＯｘトラップ量等に
応じて決定され、例えばＡ／Ｆ＝１２程度の値に設定さ
れる。

【００３５】ステップＳ６ではステップＳ５で算出され
た副噴射の燃料流量Qbが燃料噴射弁３の最小流量Qminよ
りも小さいか否かが判定される。最小流量Qminは燃料噴
射弁３の特性（噴射性能）により決まるものであり、図
３に示したように噴射される燃料流量のバラツキが大き
くなりはじめる流量に設定されている。そして、副噴射
流量Qbが最小流量Qmin以上と判定された場合は、ステッ
プＳ９に進み、主噴射に続いて副噴射が実行される。こ
のときの排気空燃比は所定のリッチ空燃比に維持され
る。

【００３６】これに対し、ステップＳ５で算出された副
噴射流量Qbが最小流量Qminよりも小さい場合はステップ
Ｓ７、Ｓ８に進み、副噴射が中止され、従来の主噴射の
みによるリッチ空燃比制御が実行される。このとき、ま
ず主噴射流量をステップ的に増大させた後にリッチレベ
ルを徐々に減少させる微分制御が行われ、その後、空燃
比センサ１０で検出される排気空燃比が要求される空燃
比（例えばストイキ空燃比）に近づくように燃料流量を
補正する空燃比フィードバック制御につなげられる。

【００３７】主噴射によるリッチ化の度合い（主噴射流
量の最初のステップ的な増加量）を規定するリッチレベ
ル基本量LRP(i)、主噴射流量をステップ的に増加させて
から主噴射流量を徐々に減少させて通常の空燃比フィー
ドバック制御に移行するまでの時間を規定するリッチ継
続時間基本量Iα(i)は、それぞれコントロールユニット
６のＲＯＭ内に記憶されているテーブルを参照すること
によって設定される。

【００３８】これらリッチレベル基本量LRP(i)、リッチ
継続時間基本量Iα(i)を設定するためのテーブルは、推
定ＮＯｘトラップ量、推定ＳＯｘトラップ量、あるいは
触媒５にＮＯｘ、ＳＯｘがトラップされるリーン運転の
継続時間（リーン継続時間）に応じて設定されている。

【００３９】例えば、リッチレベル基本量設定テーブル
は図５に示すようにエンジン回転速度、エンジン負荷、
排気空燃比等に基づき推定されるＮＯｘトラップ量に応
じて設定され、あるＮＯｘトラップ量まではリッチレベ
ル基本量LRP(i)はＮＯｘトラップ量に比例して大きくな
り、あるＮＯｘトラップ量以上ではＮＯｘトラップ量に
関係なくほぼ一定の値となるように設定される。また、
リッチ継続時間基本量テーブルは図６に示すように推定
ＮＯｘトラップ量に応じて設定され、リッチ継続時間基
本量Iα(i)はＮＯｘトラップ量が多くなるにつれ小さく
なる、すなわちリッチスパイクを継続する時間が長くな
るように設定される。

【００４０】なお、推定ＳＯｘトラップ量、リーン継続
時間に応じて設定される場合も同様のテーブルとなる。
また、ここではテーブルを参照することによってリッチ
レベル基本量LRP(i)、リッチ継続時間基本量Iα(i)を設
定しているが、推定ＮＯｘトラップ量、推定ＳＯｘトラ
ップ量、リーン継続時間から演算式等を用いて設定する
こともできる。

【００４１】このように、副噴射流量が最小燃料流量以
下となるタイミングで、副噴射を中止し、主噴射のみに
よるリッチ空燃比制御に移行することにより、燃料噴射
精度を確保し、排気空燃比のバラツキを抑えることがで
きる。また、触媒５にトラップされているＮＯｘないし
ＳＯｘの量が多いときはリッチ継続時間基本量Iα(i)に
小さな値が設定されてリッチスパイクの継続時間が長く
なるので、トラップされているＮＯｘないしＳＯｘのう
ち放出速度の遅い成分についても良好に放出、還元処理
することができる。

【００４２】次に、上記排気浄化装置の全体的な作用に
ついて説明する。ここでは、エンジン１が圧縮行程で主
噴射が行われており、且つリーン空燃比運転されている
場合を例に挙げて説明する。

【００４３】リーン空燃比で運転を行うような酸化雰囲
気の場合、触媒５は流入してくる排気中のＮＯｘをトラ
ップしＮＯｘの大気への排出量は抑えられるが、ＮＯｘ
トラップ量が所定の飽和量に近づくとＮＯｘトラップ効
率が低下してくるため、トラップしたＮＯｘを放出、還
元除去する必要がある。そこで、本装置では、例えば予
め設定された所定周期でエンジン１の目標空燃比を一時
的に小さくして燃料流量を増量することによってリッチ
空燃比運転を行い（リッチスパイク）、触媒５を強制的
に還元雰囲気とし、トラップされているＮＯｘを放出還
元処理する。なお、触媒５にトラップされるＳＯｘ量が
増大したときも同様のリッチスパイクが実行される。

【００４４】リッチスパイクを行うにあたっては、エン
ジン１の出力トルク変動を抑制することを目的としてエ
ンジン１の目標空燃比が理論空燃比ないしリッチ空燃比
に向けて徐々に変更され、主燃焼に寄与する主噴射がこ
の目標空燃比に応じて行われる。さらに、この目標空燃
比の変更に合わせて排気空燃比を目標とするリッチ空燃
比へと移行させるためにエンジンの膨張行程または排気
行程において燃料が燃料室内に噴射（副噴射）される。
このときの副噴射における燃料流量は排気空燃比が目標
とするリッチ空燃比ないし理論空燃比となるようにエン
ジンの目標空燃比と要求される排気空燃比との差分に応
じて設定される。

【００４５】エンジン１の目標空燃比がリッチ空燃比に
移行するに従い、すなわちエンジン１の目標空燃比が要
求される排気空燃比に近づくにつれて副噴射の燃料流量
は減少するが、副噴射流量が図３に示した燃料噴射弁の
最小流量以下となる場合には、副噴射が中止され、主噴
射流量をステップ的に増大させてリッチ空燃比を実現す
る方式（制御開始時に燃焼混合気の空燃比をリッチレベ
ルを最大とし、その後徐々に減少させる方式）に切り換
えられる。

【００４６】図７は触媒５にトラップされているＮＯｘ
を放出、還元するために空燃比がリーンからリッチに切
り換えられるときの様子を示したものである。

【００４７】これによると、時刻ｔ₁でリーン運転継続
時間が所定時間に達した（あるいは推定ＮＯｘトラップ
量、ＳＯｘトラップ量が所定量に達した）と判断される
と、図７（ａ）に示すように、コントロールユニット６
内部で空燃比切り換え指令（フラグFRS→１）が出さ
れ、エンジン１の目標空燃比がリーン空燃比から理論空
燃比ないしリッチ空燃比に切り換えられる。このとき、
エンジン１の目標空燃比は直ちにリッチ空燃比にはなら
ず、図７（ｂ）に示すように徐々にリッチ空燃比に近づ
くように変更される。目標空燃比を変化させる度合い
（変化速度）はエンジン１のトルク変動が許容範囲内に
収まるように設定され、この目標空燃比に応じて図７
（ｄ）に示すように主噴射が行われる。

【００４８】さらに、主噴射に併せて、図７（ｃ）に示
すように、エンジン１が膨張行程にあるときにおいて燃
料噴射弁３から燃料が噴射される（副噴射）。この副噴
射では、図７（ｆ）に示すように、排気の空燃比が所定
のリッチ空燃比（例えばＡ／Ｆ＝１２）となるように噴
射される。具体的には、副噴射では、空燃比切り換えに
より変化する目標空燃比と所定のリッチ空燃比との差分
に相当する量の燃料が燃料噴射弁より噴射される。な
お、排気空燃比は空燃比センサによって常時検出されて
おり、また、副噴射の時期は、膨張行程また排気行程の
間で任意とする。

【００４９】このような副噴射を行うことにより、噴射
された燃料の一部が燃焼室内の残存酸素の存在によって
燃焼するものの、燃料過剰状態であるためにＨＣ、ＣＯ
が多く排出されることになる。つまり、副噴射を行うこ
とにより、エンジン１の目標空燃比を徐々に変化させつ
つも、空燃比切り換え開始直後からＮＯｘの放出、還元
処理に必要なＨＣ、ＣＯ等を触媒５に供給することがで
き、速やかに触媒５にトラップされているＮＯｘを脱離
還元することができる。

【００５０】また、副噴射は膨張行程においてが行わ
れ、ピストンが下降を開始した後に燃料を追加供給する
ことになるので、副噴射がエンジン１の出力トルクに影
響を与えることは殆どない。つまり、ＮＯｘトラップ触
媒のＮＯｘ放出、還元を行う際、エンジン出力を殆ど変
動させることなく空燃比切り換え開始直後から還元剤
（ＨＣ、ＣＯ等）を供給することができる。

【００５１】また、空燃比切り換えが進むにつれて主噴
射の燃料量が多くなり、排気空燃比を実現するための副
噴射流量は少なくなるが、副噴射燃料量が燃料噴射弁３
の最小流量を下回ると、図３に示したように燃料流量バ
ラツキが大きくなり、排気空燃比もバラツクことになっ
て、ＮＯｘトラップ触媒に安定した還元剤が供給できな
くなる。しかし、本発明によれば副噴射の燃料流量が燃
料噴射弁５の最小燃料量Qmin以下となった場合には（時
刻ｔ₂）、主噴射による燃料増量に切り換えられ、安定
した還元剤供給が確保される。

【００５２】このときの主噴射による燃料増量制御は、
制御開始時に燃焼混合気の空燃比のリッチレベルをステ
ップ的に最大リッチレベルまで増大させるものである。
そして、この最大リッチレベルからリッチレベルを減少
する微分制御が行われ、この減少速度、つまり微分値
（リッチ継続時間基本量Iα(i)）によってリッチ状態維
持時間が決定される。具体的には、ＮＯｘトラップ量、
ＳＯｘトラップ量が多いほどリッチ継続時間基本量Iα
(i)に小さな値が設定されてリッチ状態が継続する時間
が長くなる。これによって、トラップされているＮＯ
ｘ、ＳＯｘのうち、脱離速度の遅い成分も効果的に処理
することができる。

【００５３】その後、空燃比センサ１０で検出される排
気空燃比が目標空燃比（ここではストイキ）に達すると
（時刻ｔ₃）、排気空燃比を目標空燃比に近づけるよう
に燃料流量を補正する空燃比フィードバック制御に移行
し、安定した燃焼が確保される。

【００５４】以上説明したように、本発明に係る排気浄
化装置においては、空燃比切り換え時の副噴射を行う際
に、燃料噴射弁の最小流量に達した場合には副噴射を主
噴射に切り換え、通常の燃料増量制御に切り換えるよう
にしたことにより、排気空燃比のバラツキを最小限に抑
え、触媒に還元剤を安定して供給することができる。

【００５５】また、通常の主噴射のみによる燃料増量制
御に切り換えられた後は、リッチレベルを徐々に減少さ
せる微分制御が行われるので、トラップされているＮＯ
ｘのうち脱離速度の遅い成分についても良好に浄化処理
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る筒内直接噴射式エンジンの排気浄
化装置の概略図である。

【図２】燃料噴射弁の開弁時間と噴射される燃料流量と
の関係を示した特性図である。

【図３】噴射される燃料流量と燃料流量のバラツキとの
関係を示した特性図である。

【図４】燃料噴射制御を説明するためのフローチャート
である。

【図５】推定ＮＯｘトラップ量とリッチレベル基本量LR
P(i)との関係を規定するテーブルの例である。

【図６】推定ＮＯｘトラップ量とリッチ継続時間基本量
Iα(i)との関係を規定するテーブルの例である。

【図７】本発明の作用を説明するためのタイムチャート
で、ＮＯｘを放出還元処理するために空燃比がリーンか
らリッチに切り換えられるときの様子を示す。

【符号の説明】

１エンジン２シリンダヘッド３燃料噴射弁４点火プラグ５排気浄化触媒（ＮＯｘトラップ触媒）６コントロールユニット７エアフローメ一夕８スロットルセンサ９排気通路１０空燃比センサ１１三元触媒１２水温センサ１３燃料ポンプ１４スロットル弁１５吸気ポート１６排気ポート１７吸気マニホールド１８排気マニホールド１９ＥＧＲ通路２０ＥＧＲ弁

───────────────────────────────────────────────────── 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）Ｆ０１Ｎ 3/18 Ｆ０１Ｎ 3/18 ＢＥ 3/24 3/24 Ｒ 3/28 ３０１ 3/28 ３０１ＥＦ０２Ｄ 45/00 ３１４Ｆ０２Ｄ 45/00 ３１４ＺＦターム(参考） 3G084 AA04 BA09 BA13 BA15 DA10 DA11 EA07 EA11 EB08 EB11 EC02 FA10 FA13 FA18 FA20 FA29 FA33 FA38 3G091 AA11 AA12 AA17 AA24 AB03 AB06 BA07 BA11 BA14 CB03 DA01 DA02 DA03 DA05 DC03 EA01 EA03 EA05 EA30 EA34 EA35 FB10 FB11 FB12 GB02Y GB03Y GB04Y GB06W HA36 3G301 HA04 HA13 HA15 JA04 JA25 LB04 MA01 MA11 MA19 MA23 MA26 MA27 NA08 NC02 ND01 NE02 NE06 NE13 NE14 NE19 NE23 PA01Z PA11Z PA17Z PB03Z PD01Z PD02Z PE01Z PE03Z PE08Z

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】エンジンの排気通路に設けられて排気に含
まれているＮＯｘないしＳＯｘをトラップする触媒と、前記触媒にトラップされているＮＯｘないしＳＯｘを放
出あるいは還元する際に、前記触媒に流入する排気が通
常運転時よりも濃い所定空燃比あるいは所定の低酸素濃
度となるように、前記エンジンの吸気または圧縮行程で
第１の燃料噴射を行うとともに膨張または排気行程で第
２の燃料噴射を行うように前記エンジンの燃料噴射弁を
制御する手段と、を備えた排気浄化装置において、前記第１及び第２の燃料噴射を行う際に、前記第１の燃
料噴射での燃料流量を増大していくとともに前記第２の
燃料噴射での燃料流量を減じていく手段と、前記第２の燃料噴射での燃料流量を減じていった結果、
前記第２の燃料噴射での燃料流量が所定の燃料流量を下
回る場合には、前記第２の燃料噴射を中止し、前記第１
の燃料噴射での燃料流量をステップ的に増大させる手段
と、を備えたことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】前記所定燃料流量は、前記燃料噴射弁の噴
射特性に応じて決定される最小燃料流量であることを特
徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項３】前記第２の燃料噴射を中止し前記第１の燃
料噴射での燃料流量をステップ的に増大する前は、排気
が前記所定空燃比ないし所定の低酸素濃度を維持するよ
うに第２の燃料噴射での燃料流量を制御することを特徴
とする請求項１または２に記載の排気浄化装置。
【請求項４】第１の燃料噴射での燃料流量をステップ的
に増大した後は、前記第１の燃料噴射での燃料流量を減
じていくことを特徴とする請求項１から３のいずれか一
つに記載の排気浄化装置。
【請求項５】前記第１の燃料噴射での燃料流量を減じて
いく際の減少度合いは、前記触媒にＮＯｘないしＳＯｘ
がトラップされる運転状態の継続時間に基づき決定され
ることを特徴とする請求項４に記載の排気浄化装置。
【請求項６】前記第１の燃料噴射での燃料流量を減じて
いく際の減少度合いは、排気空燃比、エンジン回転速度
あるいはエンジン負荷に基づき推定される前記触媒にト
ラップされているのＮＯｘないしＳＯｘの量に応じて決
定されることを特徴とする請求項４に記載の排気浄化装
置。
【請求項７】前記所定空燃比は、理論空燃比または所定
のリッチ空燃比であることを特徴とする請求項１から６
のいずれかひとつに記載の排気浄化装置。
【請求項８】前記所定空燃比ないし所定の低酸素濃度
は、前記触媒にＮＯｘないしＳＯｘがトラップされる運
転の継続時間に応じて決定されることを特徴とする請求
項１から６のいずれかひとつに記載の排気浄化装置。
【請求項９】前記所定空燃比ないし所定の低酸素濃度
は、排気空燃比、エンジン回転速度あるいはエンジン負
荷に基づき推定される前記触媒にトラップされているＮ
ＯｘないしＳＯｘの量に応じて決定されることを特徴と
する請求項１から６のいずれか一つに記載の排気浄化装
置。