JP2004100476A - Engine exhaust emission control device - Google Patents

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JP2004100476A JP2002259706A JP2002259706A JP2004100476A JP 2004100476 A JP2004100476 A JP 2004100476A JP 2002259706 A JP2002259706 A JP 2002259706A JP 2002259706 A JP2002259706 A JP 2002259706A JP 2004100476 A JP2004100476 A JP 2004100476A
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堀田 勇
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To assure a sufficient amount of reducing agent for richening even under a low load condition with low exhaust flow rate is naturally low. <P>SOLUTION: This engine exhaust emission control device comprises a NOx trap catalyst (10) provided at an exhaust passage; main injection implementation means (7, 21) capable of selectively performing homogeneous combustion or stratified charge combustion at lean operation by changing the timings of main injections of a fuel injection means (7) for injecting fuel directly into a combustion chamber; additional injection implementation means (7, 21) for performing additional injection in an expansion stroke or exhaust stroke in a stratified charge combustion condition when catalyst temperature reaches activation temperature when richening is required in the stratified charge combustion condition; and richening operation means (7, 21) which presets an air-fuel ratio determined by a total of fuel amount and suction air amount of the additional injection and the main injection on richer side than a theoretical air-fuel ratio in performing the additional injection, thus performing the operation at an air-fuel ratio preset on the rich side. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明はエンジンの排気浄化装置、特にエンジンをリーン(希薄混合気)運転させるものに関する。
【0002】
【従来の技術】
排気の空燃比が理論空燃比よりもリーンのときにNOxをトラップし、排気の空燃比が理論空燃比や理論空燃比よりもリッチになると、触媒にトラップされているNOxを脱離すると共に、この脱離したNOxを排気中の未燃成分(未燃HCやCO)を還元剤として用いて還元浄化する機能を有する触媒を排気通路に設けておき、リーン空燃比での運転(この運転を以下「リーン運転」という。)中にNOxトラップ量が限界にきたと判断したら、排気の空燃比を理論空燃比(あるいは理論空燃比よりもリッチ側の空燃比)へとリッチ化する(この空燃比をリッチ化する処理を以下単に「リッチ化処理」という。)ようにしたものが各種提案されている(特開平6−10725号、同6−294319号公報参照)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、リッチ化処理を行って、触媒にトラップされているNOxの脱離・還元を行う場合、NOx脱離量に応じた必要量の還元成分を触媒へと導入する必要があるが、特にリーン運転の行われる低負荷時はもともと排気流量が少ないため、この低負荷でのリーン運転中にリッチ化処理を行っても還元成分の量が足りずNOx浄化率が悪化することがある。そこで、十分なNOx浄化率を得るために従来は比較的排気流量の多い加速開始時などにおいてリッチ化処理を行うのが一般的であった。従って、排気流量が多くリッチ化処理により必要な還元成分を触媒に到達させることができ十分なNOx浄化率が得られる運転状態になるまで、リッチ化処理を行うことができなかった。これを逆に言えば、リッチ化処理が行われるまでの間にNOxトラップ量が多いと、NOxトラップ率が低下し、このNOxトラップ率の低下によりトラップされずに大気へと放出されるNOx量が増加することになっていた。
【0004】
一方、燃焼室内に直接的に燃料を噴射供給する燃料噴射手段を備えるエンジンでは、リーン運転域の中でも低負荷側に成層燃焼域を設け(残りは均質燃焼域)、この低負荷側の成層燃焼でポンプ損失の低減と燃焼温度の低下による冷却損失の低減とを実現し、一層の燃費向上を図っている。
【0005】
リーン運転域においてこうした成層燃焼と均質燃焼とを選択的に行わせ得るエンジンと、トラップNOxの脱離・還元とを組み合わせて考えた場合に本発明の発明者は次のような知見を得た。すなわち、成層燃焼は、概ね圧縮行程の後半で主噴射を実行し点火プラグによる火花点火の時期に、点火プラグの近傍に理論空燃比あるいはその近傍の空燃比の混合気の塊を形成し、この混合気塊に対して点火プラグにより着火することで燃焼させるものである。一方、均質燃焼は吸気行程で主噴射を実行して燃焼室全体に均一に混合気を分布させ、この燃焼室全体に分布した混合気に対して点火プラグにより着火することで燃焼させるものである。こうした燃焼状態の違いにより、同一の運転条件で比較すると、成層燃焼状態では混合気塊の周囲に燃料を殆ど含まないガスが多く存在することになる。
【0006】
ということは、同じリーン運転でありながら、成層燃焼状態のほうが後からより多くの燃料を含ませることができる、つまり低負荷域(成層リーン燃焼が行われる)であっても、リッチ化処理のため、成層燃焼状態での膨張行程や排気行程において追加噴射を行ってやれば、その追加噴射による燃料は成層燃焼状態でのガス中に拡散して良好な未燃成分となり、十分な還元成分の量を確保できる、ということである。
【0007】
本発明は、こうした発明者の知見に基づいてなされたもので、成層燃焼状態でリッチ化処理が必要となった場合において触媒温度が活性温度に到達したとき、成層燃焼状態での膨張行程や排気行程で追加噴射を行うと共に、主噴射分と合わせた燃料量とそのときの吸入空気量とで定まる空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に設定し、そのリッチ側での空燃比での運転を行うことにより、本来排気流量の少ない低負荷時であっても、リッチ化処理のため十分な量の還元剤(HC、COといった未燃成分)を確保することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明は、活性状態において排気の空燃比がリーンのときにNOxをトラップし、排気の空燃比が理論空燃比またはリッチのときにトラップしたNOxを脱離すると共に、この脱離したNOxを排気中の還元成分を用いて還元浄化する機能を有する触媒を排気通路に備える一方、燃焼室内に直接的に燃料を噴射供給する燃料噴射手段と、この燃料噴射手段の主噴射の時期を相違させることによりリーン運転時に均質燃焼または成層燃焼を選択的に行わせ得る主噴射実行手段と、触媒温度を検出する触媒温度検出手段と、成層燃焼状態でリッチ化処理が必要となった場合において触媒温度が活性温度に到達したとき、成層燃焼状態での膨張行程または排気行程で追加噴射を行う追加噴射実行手段と、この追加噴射を実行する際に、追加噴射と主噴射との合計の燃料量と吸入空気量とで定まる空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に設定し、そのリッチ側に設定した空燃比での運転を行うリッチ運転手段と、成層燃焼状態でリッチ化処理が必要となった場合において触媒温度が完全暖機温度より高いとき、前記追加噴射を禁止する追加噴射禁止手段とを備える。
【0009】
【発明の効果】
請求項1に記載の発明は、前述のように本発明の発明者による知見に基づいたものである。繰り返しになるが述べると、成層燃焼は、概ね圧縮行程の後半で主噴射を実行し点火プラグによる火花点火の時期に、点火プラグの近傍に理論空燃比あるいはその近傍の空燃比の混合気の塊を形成し、この混合気塊に対して点火プラグにより着火することで燃焼させるものである。一方、均質燃焼は吸気行程で主噴射を実行して燃焼室全体に均一に混合気を分布させ、この燃焼室全体に分布した混合気に対して点火プラグにより着火することで燃焼させるものである。こうした燃焼状態の違いにより、同一の運転条件で比較すると、成層燃焼状態では混合気塊の周囲に燃料を殆ど含まないガスが多く存在することになる。
【0010】
ということは、同じリーン運転でありながら、成層燃焼状態のほうが後からより多くの燃料を含ませることができる、つまり成層燃焼が低負荷域で行われるとすれば、低負荷域であっても、リッチ化処理のため、成層燃焼状態での膨張行程や排気行程において追加噴射を行ってやれば、その追加噴射による燃料は成層燃焼状態でのガス中に拡散して良好な未燃成分となり、十分な還元成分の量を確保できる、ということである。
【0011】
請求項1の発明によれば、成層燃焼状態でリッチ化処理が必要となった場合において触媒温度が活性温度に到達したとき追加噴射を行うと共に、主噴射分と合わせた燃料量と吸入空気量とで定まる空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に設定し、そのリッチ側に設定した空燃比での運転を行うので、本来排気流量の少ない低負荷域のような運転域であっても、その運転域で成層燃焼が行われる限り、追加噴射により排気流量を増加させつつ排気中の未燃成分が増大する。これにより、十分な量の還元剤(HC、COといった未燃成分)を触媒に導入することが可能となり、触媒にトラップされているNOxを十分に脱離・還元することができる。
【0012】
加えて、追加噴射に伴う排気再燃焼により、低負荷域のように排気温度が比較的低いときであっても排気温度が高くなり、これによって触媒の温度低下を防止し触媒の活性を維持できるという効果も得られる。
【0013】
【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。
【0014】
図1において、1はエンジン本体、2は吸気通路、3はDCモータ等からなるスロットルアクチュエータによりスロットルバルブ3aが駆動されるスロットル装置、7はコントローラ21からの噴射信号により運転条件に応じて所定の空燃比となるように燃料を燃焼室5内に直接に噴射供給する燃料噴射弁(燃料噴射手段)、8は点火プラグである。
【0015】
コントローラ21にはクランク角センサ22からの基準位置信号と単位角度信号、エアフローメータ23からの吸入空気量信号、アクセルセンサ24からのアクセル開度信号、さらには水温センサ25からのエンジン冷却水温信号、トランスミッションのギア位置センサ(図示しない)からのギア位置信号、車速センサ(図示しない)からの車速信号等が入力し、これらに基づいて運転状態を判断しながら、負荷のそれほど大きくない所定の運転域においてはリーン運転を行い、それ以外の運転域では理論空燃比での運転(この運転を「ストイキ運転」とう。)を行う。その際、排気通路9のエンジン出口の近くに設けたOセンサ27出力に基づいて排気の空燃比が理論空燃比と一致するように空燃比のフィードバック制御を行う。また、全負荷に近い領域ではリッチ空燃比による運転(この運転を「リッチ運転」という。)が行われる。
【0016】
リーン運転域はさらに成層燃焼域と均質燃焼域とに分かれる。コントローラ21では大きなトルクが必要とされない低負荷域において成層燃焼を行い、成層燃焼域を外れて回転速度や負荷が大きくなると、成層燃焼へと切り換える。
【0017】
ここで、吸気ポート4の上流に位置する吸気制御弁(図示しない)を閉じて吸気を絞り、吸気ポート4の燃焼室5への開口部から燃焼室5に流入する吸気にタンブル(縦方向の渦流)を生じさせ、このタンブルに燃料噴射弁7より概ね圧縮行程の後半で噴射された燃料が乗って燃焼室5天井のほぼ中央に位置する点火プラグ8近傍へと輸送されるように、吸気ポート4の燃焼室5への吸気流入角とピストン6の冠面6aに設けるキャビティの形状とを決定することにより、成層燃焼を実現させている。すなわち、成層燃焼は、概ね圧縮行程の後半で主噴射を実行し点火プラグ8による火花点火の時期に、点火プラグ8の近傍に理論空燃比あるいはその近傍の空燃比の混合気の塊を形成し、この混合気塊に対して点火プラグ8により着火することで燃焼させるものである。
【0018】
一方、成層燃焼域を外れて回転速度や負荷が大きくなると、この運転域(均質燃焼域)では吸気の流量が多いことから吸気制御弁を開いた状態でも燃焼室5内にタンブルが発生する。従って均質燃焼域では吸気制御弁は開いた状態とし、燃焼室5内にタンブルを作りながら吸気行程で燃料を噴射することにより、燃焼室全体に均質な混合気が生成される。すなわち、均質燃焼は吸気行程で主噴射を実行して燃焼室5の全体に均一に混合気を分布させ、この燃焼室5全体に分布した混合気に対して点火プラグ8により着火することで燃焼させるものである。
【0019】
排気通路9にはNOxトラップ触媒(以下単に「触媒」という。)10を備える。触媒10は、流入排気の空燃比が理論空燃比よりもリーン側であるときに、流入排気中のNOxをトラップし、流入排気の空燃比が理論空燃比または理論空燃比よりもリッチ側になると、触媒10にトラップしているNOxを脱離すると共に、この脱離されるNOxを、理論空燃比やリッチ側空燃比の雰囲気中のHC、CO等を還元剤として用いて還元浄化する機能を有する。たとえばアルミナをコーティングしたハニカム担体に、白金Pt、パラジウムPd、ロジウムRh等の貴金属を担持した触媒をベースに、バリウムBaで代表されるアルカリ土類、Csで代表されるアルカリ金属から選ばれた少なくとも1つの成分を担持して構成されている。
【0020】
触媒10は触媒にトラップされているNOxの量が増加するに従ってNOxトラップ率が低下する性質を有するため、リーン運転をしばらく継続し触媒10にある程度NOxがトラップされたら、リッチ化処理を強制的に行って触媒10に対して還元成分を多く含んだ排気を流入させ、触媒10にトラップされているNOxを脱離・還元する(触媒10の再生)必要がある。このため、コントローラ21ではリーン運転中にリッチ化処理が必要となる毎にリッチ化処理を行って触媒10を再生する、という動作を繰り返す。これにより、比較的高い効率で排気中のNOx浄化を行うことが可能になる。
【0021】
ただし、リッチ化処理時には、NOx脱離量に応じた必要量の還元成分を触媒10へと導入する必要があるが、特にリーン運転の行われる低負荷時はもともと排気流量が少ないため、この低負荷でのリーン運転中にリッチ化処理を行っても還元成分の量が足りずNOx浄化率が悪化することがあるので、コントローラ21では、リーン運転中でも成層燃焼状態であって、リッチ化処理が必要となった場合において触媒温度が活性温度に到達したとき、成層燃焼状態での膨張行程や排気行程で追加噴射を行うと共に、主噴射と追加噴射を合わせた燃料量とそのときの吸入空気量とで定まる空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に設定し、そのリッチ側での空燃比での運転を行う(請求項1に記載の発明)。
【0022】
一般に触媒10にトラップされているNOxの脱離・還元は、酸素と還元成分とが共存する雰囲気中よりも酸素が無く還元成分のみが存在する雰囲気中のほうがより活発に行われる。このため、触媒10上流の排気通路(排気マニホルド)9に所定の空間容積を有する容積部11が設けられ、この容積部11で排気が滞留、攪拌され、燃え残った追加燃料と排気中の酸素との反応(燃焼)が促進される(請求項5に記載の発明)。
【0023】
また、触媒10がその性能を発揮するのは活性温度に達してからであるので、冷間始動後には触媒10を活性温度へと即座に上昇させる必要がある。このため、コントローラ21では温度センサ28により検出される触媒温度に基づいて触媒10が活性温度に到達しているかどうかを判定し、成層燃焼状態である場合に限り、活性温度に到達していないときにその成層燃焼状態での膨張行程や排気行程において追加噴射を行う(請求項10に記載の発明)。追加噴射による燃焼はエンジンの出力に寄与するものでなく、主に燃焼室5から燃焼室5を出た排気通路9内で燃焼し(後燃え)、高温になった排気が触媒10に流入して触媒10の昇温を早める。
【0024】
ただし、触媒昇温のための追加噴射中は触媒10が未活性状態にあるため、排気通路9で追加噴射による燃料が燃え残った場合には触媒10で浄化されずにそのまま大気へと排出されてしまい、排気の悪化につながる。また、追加噴射と主噴射との合計の燃料量と吸入空気量とで定まる空燃比がリッチ空燃比の場合には、いかに排気の再燃焼を促進しても追加燃料を完全燃焼させるために必要な酸素量が不足するので、やはり未燃分が外部に排出され排気の悪化を生じる。
【0025】
このためコントローラ21では、触媒昇温のための追加噴射を行う際には、追加噴射燃料分を含めた排気の空燃比が理論空燃比よりもわずかにりーンになるように設定し、そのリーン側に設定された空燃比での運転を行う(請求項10に記載の発明)。
【0026】
さらに、触媒10にトラップしているNOxが多量に残存している状態でエンジンを停止させた場合には、次回エンジン再始動後に触媒10が活性化しても、触媒10に残存するNOxを一旦脱離・還元してしまわない限り、良好なNOxトラップ性能を得ることができない。このため、コントローラ21では、エンジンの始動時にはNOxトラップ量の多少に関係なく強制的にリッチ化処理の要求を出す(請求項6に記載の発明)。そして、エンジン冷間始動後に触媒昇温のための追加噴射により触媒が活性温度に到達したタイミングでリッチ化処理を行わせる。
【0027】
このように、コントローラ21では、リーン運転時に成層燃焼や均質燃焼といった最適な燃焼状態が得られるように、主噴射の燃料噴射量及び燃料噴射時期並びに点火プラグ8による火花点火の時期である点火時期をそれぞれ制御するほか、成層燃焼状態において触媒10に対して昇温とリッチ化処理を行うため、追加噴射の燃料噴射量及び燃料噴射時期を制御する。
【0028】
コントローラ21で実行されるリッチ化処理、燃焼状態の設定、主噴射、追加噴射の各燃料量を定めることになる目標当量比の演算について、以下のフローチャートにしたがって詳細に説明する。
【0029】
図2のフローチャートはリッチ化要求フラグを設定するためのもので、一定時間毎(例えば10msec毎)に実行する。
【0030】
ステップ1では、スタータスイッチ(図では「ST SW」で略記。)29(図1参照)からの信号をみる。スタータスイッチ29からの信号がONである場合(エンジン始動時)にはステップ2へ進み、コントローラ21内の不揮発メモリ(バックアップRAM)からNOxトラップ量Vnを読み出す。この値は、前回のエンジン停止時に触媒10に残存しているNOxトラップ量であり、エンジン停止中にこの値を保持するようになっている(請求項9に記載の発明)。
【0031】
なお、簡易的には、飽和トラップ量に相当するVnをコントローラ21内のROMに格納しておき、エンジン始動時にこの値を読み出すようにしてもよい。
【0032】
ステップ3では、強制的にリッチ化要求フラグfR=1にセットする(請求項6に記載の発明)。
【0033】
ここで、リッチ化要求フラグfR=1はリッチ化処理が必要であることを、これに対してfR=0はリッチ化処理が不要であることを表す。
【0034】
エンジン始動時に強制的にリッチ化要求フラグfR=1(リッチ化処理が必要)としているのは、エンジン始動後できるだけ早い時期(触媒温度Tcが後述の活性温度TcLに到達した時点)にリッチ化処理を行って触媒10にトラップされているNOxを無くし、その後のリーン運転中のNOxのトラップを良好に行わせるためである。
【0035】
スタータスイッチ29からの信号がONでない場合(始動後)にはステップ2とステップ3の処理をスキップする(飛ばす)。
【0036】
ステップ4〜12は始動からの運転状態に応じてNOxトラップ量Vnを演算し(排気中のNOxが触媒10にトラップされるときには単位時間当たりのトラップ量を積算してゆき、この逆にトラップされているNOxが触媒10より脱離するときには単位時間当たりの脱離量を減算してゆく)、このようにして演算したNOxトラップ量Vnに基づいてリッチ化処理が必要であるか否かを判定する部分である。
【0037】
ステップ4では、現在のトータル目標当量比tFBYAと理論空燃比相当の1.0を比較する。
【0038】
トータル目標当量比tFBYAは後述する図6、図7のフローにより演算しており、当該フローにより演算されている値を図2のステップ4で用いることになる。目標当量比(理論空燃比を目標空燃比で除した値)は、この値が1.0のとき理論空燃比に相当し、この値が1.0未満のとき理論空燃比よりもリーン側の空燃比に、この逆に1.0を超えるとき理論空燃比よりリッチ側の空燃比に相当する。
【0039】
目標当量比の前に「トータル」を付けているのは、主噴射の後に追加噴射を行うことがあり、主噴射の目標当量比tFBYA1、追加噴射の目標当量比tFBYA2と区別するためである。すなわち、トータル目標当量比tFBYAは主噴射の目標当量比tFBYA1と追加噴射の目標当量比tFBYA2を加算した値である。
【0040】
本実施形態ではトータル目標当量比tFBYAを、触媒10に流入する排気の空燃比を表すパラメータとして、具体的にはリーン空燃比での運転(リーン運転)であるか否かを判定するために使用している。すなわち、トータル目標当量比tFBYAが1.0未満のときリーン空燃比での運転(リーン運転)であり、これに対してトータル目標当量比tFBYAが1.0以上のときリッチ空燃比での運転(リッチ運転)または理論空燃比での運転(ストイキ運転)である。
【0041】
触媒10に流入する排気の空燃比を表すパラメータはこれに限らない。例えば、Oセンサ27に代えて広域空燃比センサを排気通路9に設ける場合にはその広域空燃比センサの検出値を使用すればよい。
【0042】
トータル目標当量比tFBYAが1.0より小さい(リーン運転)場合には排気中のNOxが触媒10にトラップされるので、ステップ5に進み単位時間当たりのNOx排出量dVnを算出する。排気中のNOx濃度は、エンジン負荷(あるいは後述する目標トルク)、空燃比(あるいはトータル目標当量比)、冷却水温等のパラメータから推定することが可能であり、推定したNOx濃度に吸入空気流量Qaを乗じればdVnを算出することができる。
【0043】
各パラメータに対するNOx濃度の特性を図3に示すと、エンジン負荷と回転速度に対しては図3上段のように回転速度を一定とすればエンジン負荷が大きくなるほど、また負荷一定とすれば回転速度が高くなるほどNOx濃度は高くなる。また、空燃比に対しては図3中段のようにある空燃比(図では「A/F」で略記。図4最上段において同じ。)のところでNOx濃度は最大となり、その空燃比よりリーン側でもリッチ側でもNOx濃度は小さくなる。水温に対しては図3下段のように水温が高くなるほどNOx濃度は高くなる。
【0044】
ステップ6では、このようにして算出した単位時間当たりのNOx排出量dVnを用いて、
Vn=Vnz+C1×εT×dVn…(1)
ただし、εT :触媒のNOxトラップ率、
C1 :単位時間当たりから演算周期当たりへの換算係数、
Vnz:前回のVn、
の式によりNOxトラップ量Vnを算出する。
【0045】
(1)式は単位時間当たりのNOx排出量dVnにNOxトラップ率εTを乗じて単位時間当たりのNOxトラップ量を算出し、これを換算係数C1を用いて演算周期当たりのNOxトラップ量に変換し、この演算周期当たりのNOxトラップ量を前回までのNOxトラップ量であるVnzに積算して、最新のNOxトラップ量Vnを算出するものである。
【0046】
(1)式のNOxトラップ率εTは、空燃比(あるいはトータル目標当量比)、触媒温度、排気流量、そのときのNOxトラップ量等のパラメータから推定することが可能である。各パラメータに対するNOxトラップ率の特性を図4に示すと、空燃比に対しては、図4最上段のようにある空燃比よりもリーン側だけで所定のNOxトラップ率を有し、ある空燃比よりもリッチ側ではゼロになる。触媒温度に対しては図4第2段目のようにある温度で最大となりこの温度より高くても低くてもNOxトラップ率は低下してゆく。排気流量、NOxトラップ量に対しては図4第3段目、第4段目のように排気流量(図では「ガス流量」で表記。図5において同じ。)やNOxトラップ量が多くなるほどNOxトラップ率は低下してゆく。
【0047】
なお、排気流量の検出方法については、基本噴射パルス幅Tp(エンジン負荷相当)と回転速度をパラメータとする排気流量のマップを予め作成しておき、このマップ検索により求めることが考えられる。
【0048】
ステップ7では、ステップ6で算出した最新のNOxトラップ量VnとNOxトラップ上限量VnHを比較し、NOxトラップ量VnがNOxトラップ上限量VnHより大きい場合にはリッチ化処理を行う必要があると判断し、ステップ8に進んでッチ化要求フラグfR=1に設定する(請求項7に記載の発明)。NOxトラップ上限量VnHとしては、良好なNOxトラップ率を維持できなくなるNOxトラップ量を設定しておけばよい(請求項8に記載の発明)。
【0049】
一方、ステップ7でNOxトラップ量VnがNOxトラップ上限量VnH以下の場合はステップ8の操作をスキップし、直前までのリッチ化要求フラグfRの値をそのまま維持する。
【0050】
これに対して、ステップ4でトータル目標当量比tFBYAが1.0以上の場合(リッチ運転またはストイキ運転)には触媒10にトラップされているNOxが脱離するので、ステップ9に進み単位時間当たりのNOx脱離量dVnrを算出する。
【0051】
触媒10からのNOx脱離率は、そのときのNOxトラップ量、排気流量、触媒温度等のパラメータから推定することが可能であり、推定したNOx脱離率にNOxトラップ量Vnを乗じればdVnrを算出することができる。各パラメータに対するNOx脱離率の特性を図5に示すと、NOxトラップ量、排気流量に対しては図5上段、中段のようにNOxトラップ量、排気流量が多くなるほどNOx脱離率が高くなる。触媒温度に対しては図5下段のようにある温度以上でNOx脱離率が高くなり、ある温度以下ではNOx脱離率はゼロである。
【0052】
ステップ10では、このようにして算出した単位時間当たりのNOx脱離量dVnrを用いて、
Vn=Vnz−C2×dVnr…(2)
ただし、C2 :単位時間当たりから演算周期当たりへの換算係数、
Vnz:前回のVn、
の式によりNOxトラップ量Vnを算出する。
【0053】
(2)式は単位時間当たりのNOx脱離量dVnrを、換算係数C2を用いて演算周期当たりのNOx脱離量に変換し、その変換したNOx脱離量を直前までのNOxトラップ量であるVnzから減算して最新のNOxトラップ量Vnを算出するものである。
【0054】
ステップ11では、ステップ10で算出した最新のNOxトラップ量VnとNOxトラップ下限量VnLを比較し、NOxトラップ量VnがNOxトラップ下限量VnLより小さい場合には触媒10にトラップされているNOxの脱離・還元が完了したと判断し、ステップ12に進んでリッチ化要求フラグfR=0に設定する。上記のNOxトラップ下限量VnLとしてはゼロまたはその近傍の値を設定している。
【0055】
一方、ステップ11でNOxトラップ量VnがNOxトラップ下限量VnL以上の場合にはステップ12の操作をスキップし、直前までのリッチ化要求フラグfRの値をそのまま維持する。
【0056】
図6、図7のフローチャートは運転条件に応じて燃焼状態を設定すると共に、主噴射の目標当量比、追加噴射の目標当量比及びこれらの合計であるトータル目標当量比をそれぞれ演算するためのもので、所定時間毎(例えば10msec毎)に実行する。
【0057】
ここでは、主噴射の目標当量比を「tFBYA1」、追加噴射の目標当量比を「tFBYA2」、これらを合計した値であるトータル目標当量比を「tFBYA」として区別して扱う。
【0058】
ステップ21では、目標トルクtTCとエンジン回転速度Neとに基づいて燃焼フラグfCmbとリーン運転許可フラグfLとを設定する。
【0059】
例えば目標トルクtTCとエンジン回転速度Neとから図8を内容とするマップを検索することにより燃焼フラグfCmbを0または1に設定する。ここで、fCmb=0は成層燃焼を、fCmb=1は均質燃焼を表す。すなわち、図8のように運転領域を大きく3つに分けるとすれば、次のように燃焼フラグfCmbにより燃焼状態を定めている。
【0060】
(ア)低負荷・低回転速度域:fCmb=0(成層燃焼)、
(イ)中負荷・中回転速度域:fCmb=1(均質燃焼)、
(ウ)高負荷・高回転速度域:fCmb=1(均質燃焼)、
また、目標トルクtTCとエンジン回転速度Neとから図9を内容とするマップを検索することによりリーン運転許可フラグfLを0または1に設定する。ここで、fL=1はリーン運転を許可すること、fL=0はリーン運転を許可しないことを表す。すなわち、図9に示したように、運転領域を図8と同じに大きく3つに分けるとすれば、次のようにリーン運転許可フラグfLによりリーン運転を許可するか否かを定めている。
【0061】
(エ)低負荷・低回転速度域:fL=1(リーン運転許可)、
(オ)中負荷・中回転速度域:fL=1(リーン運転許可)、
(カ)高負荷・高回転速度域:fL=0(リーン運転禁止)、
これら2つのフラグfCmb、fLを組み合わせると、次のように3つの各運転域で最適な燃焼が行われることになる。
【0062】
〈1〉低負荷・低回転速度域:
fCmb=0かつfL=1(リーン運転・成層燃焼)、
〈2〉中負荷・中回転速度域:
fCmb=1かつfL=1(リーン運転・均質燃焼)、
〈3〉高負荷・高回転速度域:
fCmb=1かつfL=0(ストイキ運転、均質燃焼)、
なお、目標トルクtTCは、図示しないルーチンにおいて、基本的にアクセルセンサ24により検出されるアクセル開度Apsとクランク角センサ22により検出されるエンジン回転速度に基づいて演算している。簡単に、エンジン回転速度一定の条件でのアクセル開度Apsに対する特性を図10に示す。
【0063】
ステップ22では、水温センサ25により検出されるエンジン水温Twとリーン運転許可下限水温TwLとを比較する。リーン運転許可下限水温TwLとしては、リーン運転で十分な燃焼安定度を確保することができる下限の水温を設定すればよい。
【0064】
エンジン水温Twがリーン運転許可下限水温TwLより低い場合にはステップ23に進み燃焼フラグfCmb=1かつリーン運転許可フラグfL=0に設定する。これは強制的なものである。すなわち、ステップ21で低負荷・低回転速度域にありfCmb=0かつfL=1(リーン運転・成層燃焼)となっていても、エンジン水温Twがリーン運転許可下限水温TwL未満の低温時に限っては強制的にストイキ運転・均質燃焼が行われる。
【0065】
一方、ステップ22でエンジン水温Twがリーン運転許可下限水温TwL以上の場合にはリーン運転を行うことが可能となるので、ステップ24へ進みリッチ化要求フラグfRをみる。
【0066】
リッチ化要求フラグfR=1である場合(リッチ化処理が必要)にはステップ25へ進み、触媒温度Tcと完全暖機温度TcHを比較する。ここで、完全暖機温度TcHとは触媒10が完全に暖機されている温度のことである。
【0067】
触媒温度Tcが完全暖機温度TcHより高い場合はステップ26へ進み、燃焼フラグfCmb=1(均質燃焼)に設定する(請求項1に記載の発明)。このとき、リーン運転許可フラグfLはステップ21で設定されたままである。
【0068】
燃焼フラグfCmb=1(均質燃焼)に設定することで、後述するようにtFBYA1=tFBYAかつtFBYA2=0となり(図7ステップ41、43参照)、従ってリッチ化処理が要求されていても追加噴射は行われない。成層燃焼状態でリッチ化処理が要求されている場合に、触媒温度TcがTcHより高くなっても追加噴射を行うとすれば、触媒温度がさらに上昇して触媒10の性能が低下しかねないのであるが、このように触媒温度Tcが完全暖機温度TcHより高い場合に均質燃焼として追加噴射を禁止することにより、排気再燃焼に伴う触媒温度の上昇によって触媒の性能が低下するのを防止できる。
【0069】
ステップ24、25でリッチ化要求フラグfR=0であるときやリッチ化要求フラグfR=1であっても触媒温度Tcが完全暖機温度TcH以下であるときにはステップ26の操作をスキップし、ステップ21でセットした燃焼フラグfCmb、リーン運転許可フラグfLの値をそのまま維持する。
【0070】
ステップ27〜31は、設定された2つのフラグfCmb、fLの組み合わせに基づいて主噴射の目標当量比tFBYA1を演算する部分である。この目標当量比tFBYA1により主噴射からの燃料量が定まる。
【0071】
すなわち、ステップ27、28では、燃焼フラグfCmbとリーン運転許可フラグfLをみる。燃焼フラグfCmb=0である場合には上記〈1〉のリーン運転・成層燃焼域にあると判断してステップ29に進み、そのときの目標トルクtTCとエンジン回転速度Neとに基づいて主噴射の目標当量比tFBYA1を算出する。
【0072】
同様にして、燃焼フラグfCmb=1かつfL=1の場合には上記〈2〉のリーン運転・均質燃焼域にあると判断してステップ30に進み、ここでもそのときの目標トルクtTCとエンジン回転速度Neとに基づいて主噴射の目標当量比tFBYA1を算出する。
【0073】
これら2つの運転域(リーン運転・成層燃焼域とリーン運転・均質燃焼域)はいずれもリーン運転域であるため、主噴射の目標当量比tFBYA1を求めるためのマップは一つでよく、例えば目標トルクtTCとエンジン回転速度Neとから図11を内容とするマップを検索することにより主噴射の目標当量比tFBYA1を算出すればよい。図11において、tFBYA1の値は総て1.0未満の値である。図ではtFBYA1の値にある傾向があるように記載しているが、実際の値はエンジン仕様などから定めることになる。
【0074】
一方、燃焼フラグfCmb=1かつリーン運転許可フラグfL=0の場合には上記〈3〉のストイキ運転・均質燃焼域にあると判断してステップ31に進み主噴射の目標当量比tFBYA1=1.0(理論空燃比相当)とする。
【0075】
図7に進みステップ32〜40はエンジン水温Tw、触媒温度Tc、燃焼フラグfCmb、リッチ化要求フラグfRに応じてトータル目標当量比を演算(設定)する部分である。
【0076】
ステップ32では、エンジン水温Twとリーン運転許可下限水温TwLを比較する。エンジン水温Twがりーン許可下限水温TwLより低い場合にはステップ33に進み、トータル目標当量比tFBYA=1.0(理論空燃比相当)とする。これは、Tw<TwLのとき図6のステップ23でfCmb=1かつfL=0(ストイキ運転・均質燃焼)としたので、これを受けたものである。
【0077】
エンジン水温Twがリーン運転許可下限水温TwL以上である場合にはステップ34に進み触媒温度Tcと活性温度TcLを比較する。
【0078】
ここで、活性温度TcLとしては、触媒10にトラップされているNOxを、完全ではないがある程度、脱離・還元できる触媒温度を採用する(請求項2に記載の発明)。活性温度TcLは触媒10がある程度のNOxトラップ能を発揮し得る触媒温度でもある。当然ながら活性温度TcLは上記の完全暖機温度TcHより低い温度である。
【0079】
触媒温度Tcが活性温度TcLより低い場合には触媒10を早期に昇温させる必要があり、ステップ35に進んで燃焼フラグfCmbをみる。
【0080】
燃焼フラグfCmb=0(成層燃焼)である場合に限ってステップ36に進み、触媒10の昇温のための追加噴射を行うため、トータル目標当量比tFBYAを理論空燃比よりややリーンを示す昇温当量比TFLに設定する(請求項10に記載の発明)。
【0081】
ここで、昇温当量比TFLは、リーン運転用の制御マップ(図11)に格納されている主噴射の目標当量比tFBYA1の最大値よりもさらに大きな値(理論空燃比相当の1.0に近い値)である。トータル目標当量比tFBYAを昇温当量比TFLに設定することにより、主噴射によりリーン運転・成層燃焼を行わせつつ、排気通路9の容積部11で追加燃料を燃焼させるための追加噴射が行われる。
【0082】
これに対して燃焼フラグfCmb=1である(均質燃焼)場合には、ステップ37に進んでトータル目標当量比tFBYAを主噴射の目標当量比tFBYA1と一致させる(追加噴射は行わせない)。
【0083】
一方、触媒温度Tcが活性温度TcL以上である場合には触媒10にトラップされているNOxの脱離・還元が可能となるので、ステップ34よりステップ38に進んでリッチ化要求フラグfRをみる。
【0084】
リッチ化要求フラグfR=1(リッチ化処理が必要)である場合には、ステップ39に進んで単位時間当たりの目標還元剤供給量tdVrを算出する。図2のステップ9でも説明したように、触媒10からのNOx脱離率はそのときのNOxトラップ量、排気流量、触媒温度等のパラメータから推定することが可能であり、推定したNOx脱離率にNOxトラップ量Vnを乗じれば単位時間当たりのNOx脱離量dVnrを算出できるので、このdVnrに見合う量の(当量の)還元剤量を単位時間当たりの目標還元剤供給量tdVrとする。
【0085】
ステップ40では、このようにして算出した単位時間当たりの目標還元剤供給量tdVrとエアフローメータ23により検出される吸入空気流量Qaとに基づいて、
tFBYA=C3×(tdVr/Qa)+1…(3)
ただし、C3:当量比への換算係数、
の式によりトータル目標当量比tFBYAを算出する。(3)式は、単位時間当たりの目標還元剤供給量tdVrを吸入空気流量(単位時間当たりの吸入空気量)Qaで除し、その値を換算係数C3を用いて当量比への単位換算を行うことにより現在の吸入空気流量Qaで単位時間当たりの目標還元剤供給量tdVrを実現できる当量比を算出し、これに理論空燃比分の1を加算して、リッチ化処理時のトータル目標当量比tFBYAを算出するものである。
【0086】
一方、リッチ化要求フラグfR=1でない(リッチ化処理が不要)場合にはステップ38よりステップ37に進んでトータル目標当量比tFBYAを主噴射の目標当量比tFBYA1と一致させる(追加噴射は行わせない)。
【0087】
図7のステップ41〜43は追加噴射の目標当量比tFBYA2を演算する部分である。
【0088】
追加噴射は成層燃焼の場合に限って行うことにしているので、ステップ41では、燃焼フラグfCmbをみる。燃焼フラグfCmb=0(成層燃焼)である場合にステップ42に進んでトータル目標当量比tFBYAから主噴射の目標当量比tFBYA1を減じた値を追加噴射の目標当量比tFBYA2として算出する。
【0089】
ここで、本ステップ(ステップ42)に進んでくる場合とは、次の3つのいずれかの場合である。
【0090】
(a)ステップ34、35、36を経てステップ42に進んでくる場合、
(b)ステップ34、38、39、40を経てステップ42に進んでくる場
合、
(c)ステップ34、38、37を経てステップ42に進んでくる場合、
上記(a)の場合、つまり触媒活性前にあって成層燃焼状態である場合には触媒10の昇温のための追加噴射(トータルの空燃比は理論空燃比からややリーン)が行われ、これに対して上記(b)の場合、つまり触媒温度が活性温度に到達しておりかつリッチ化処理の要求がある場合には触媒10の昇温かつリッチ化処理のための追加噴射が行われる。
【0091】
一方、上記(c)の場合、つまり触媒温度が活性温度に到達してはいるがリッチ化処理の要求がない場合にはステップ37でtFBYAとtFBYA1を等しくしているので、追加噴射の目標当量比tFBYA2=0となり、図6ステップ21で定まる燃焼状態を実現するための主噴射のみが実施される。
【0092】
燃焼フラグfCmb=1(均質燃焼)である場合にはステップ43に進み、主噴射の目標当量比tFBYA1をトータル目標当量比tFBYAに一致させると共に、追加噴射の目標当量比tFBYA2=0とする。すなわち、均質燃焼状態では追加噴射を行わせない。
【0093】
ここで、本ステップ(ステップ43)に進んでくる場合とは、次の3つのいずれかの場合である。
【0094】
(d)ステップ32、33を経てステップ43に進んでくる場合、
(e)ステップ34、38、39、40を経てステップ43に進んでくる場
合、
(f)ステップ34、38、37を経てステップ43に進んでくる場合、
上記(e)の場合、つまり触媒温度が活性温度に到達しておりかつリッチ化処理の要求がある場合には主噴射によりリッチ運転・均質燃焼が行われる。この場合、触媒温度が完全暖機温度TcHより高いときのリッチ化処理では必ずこのリッチ運転・均質燃焼が行われる。
【0095】
また、上記(d)の場合つまりエンジン水温がリーン運転許可下限水温TwL未満である場合には主噴射によりストイキ運転・均質燃焼が、上記(f)の場合には主噴射によりストイキ運転・均質燃焼あるいはリーン運転・均質燃焼が実現される。
【0096】
図示しない燃料噴射制御ルーチンでは、このようにして演算された主噴射の目標当量比tFBYA1、追加噴射の目標当量比tFBYA2と、吸入空気流量Qaとに基づいて主噴射の燃料噴射パルス幅Ti1と追加噴射の燃料パルス幅Ti2とが算出されるほか、燃焼フラグfCmbに基づいて主噴射の噴射時期が決定されている。例えばシーケンシャル燃料噴射方式であれば、Ti1、Ti2の演算式は次のようになる。
【0097】
Ti1=Tp×tFBYA1×(α+αm−1)×2+Ts…(4)
Ti2=Tp×tFBYA2×(α+αm−1)×2+Ts…(5)
ただし、Tp:基本噴射パルス幅、
α :空燃比フィードバック補正係数、
αm:空燃比学習値、
Ts:無効パルス幅、
また、燃焼フラグfCmb=0(成層燃焼)であるときの主噴射の噴射時期は概ね圧縮行程の後半であり、燃焼フラグfCmb=1(均質燃焼)であるときの主噴射の噴射時期は吸気行程である。追加噴射の噴射時期は膨張行程半ば以降や排気行程に設定される。
【0098】
さらに、図示しない吸入空気量制御ルーチンでは、目標トルクtTCと主噴射の目標当量比tFBYA1とに基づいて目標吸入空気流量が算出され、この目標吸入空気流量が得られるようにスロットル装置3のスロットルバルブ3aの開度が制御される。
【0099】
ここで、本実施形態の作用を図12を参照しながら説明すると、同図はエンジンを冷間始動し、目標トルクと回転速度から定まる運転条件がしばらくリーン運転・成層燃焼域にある場合に、主噴射の目標当量比tFBYA1、追加噴射の目標当量比tFBYA2、その合計としてのトータル目標当量比tFBYA、触媒温度Tc、リーン運転許可フラグfL、燃焼フラグfCmb、リッチ化要求フラグfR、NOxトラップ量Vnがどのように変化するかをモデル的に示したものである。
〔1〕t1からt2直前まで:
図においてt1での始動に際してはそのときのNOxトラップ量の多少に関係なく、強制的にリッチ化要求フラグfR=1となる(図2ステップ1、3)。
【0100】
また、本実施形態(請求項9の発明)によれば、エンジンの運転を停止した後も再始動時まで前回エンジン運転終了時のNOxトラップ量を記憶させておくので、この記憶されているNOxトラップ量が、今回運転時のNOxトラップ量の初期値とされる(図2ステップ1、2)。このため、再始動時に触媒10にNOxがトラップされたまま残存していても、触媒温度が活性温度に到達した後直ちに、触媒に残存するNOxを含めて脱離・還元できることとなる。
【0101】
目標トルクと回転速度から定まる運転条件はリーン運転・成層燃焼域にあるため燃焼フラグfCmb=0かつfL=1に設定されるはずであっても(図6のステップ21)、エンジン水温Twがリーン運転許可下限水温TwLより低い間だけは強制的にfCmb=lかつfL=0(ストイキ運転・均質燃焼)とされる(図6のステップ22、23)。このときにはトータル目標当量比tFBYA=1.0となり(図7のステップ27、28、31)、こうしたトータル目標当量比tFBYA=1.0の設定によりNOxトラップ量Vnは始動時の値より徐々に小さくなってゆく(図2のステップ4、9、10)。また、このときtFBYA1=tFBYA、fTBYA2=0であることより(図7のステップ32、33、41、43)、追加噴射は行われない。
〔2〕t2からt3直前まで:
始動からのストイキ運転・均質燃焼によりやがてエンジン水温Twが上昇してリーン運転許可下限水温TwLに達するt2のタイミングになると、燃焼フラグfCmb、リーン運転許可フラグfLが図6のステップ21で設定される本来の値へと切換えられる。すなわち、燃焼フラグfCmb=0かつリーン運転許可フラグfL=1(リーン運転・成層燃焼)へと切換えられ、このときの目標トルクと回転速度に応じた1.0未満の値のfTBA1が、図12最上段の一点鎖線に示したように演算される(図7ステップ27、29)。
【0102】
また、リーン運転・成層燃焼域でありかつ触媒温度Tcが活性温度TcLに到達していないことよりトータル目標当量比tFBYAは、昇温当量比TFLに設定され(図7のステップ32、34、35、36)、tFBYA2=tFBYA−tFBYA1により追加噴射の目標当量比tFBYA2が演算されることから(図7のステップ41、42)、触媒昇温のための追加噴射が行われる。
【0103】
昇温当量比TFLは、これを図12最上段でみると実線で示したように1.0(理論空燃比相当)よりやや小さい値である。そして実線で示されるトータル目標当量比tFBYAと、一点鎖線で示される主噴射の目標当量比tFBYA1との差が追加噴射の目標当量比tFBYA2であり、この差の分の追加噴射が行われると、図12第2段目のように触媒温度Tcが急上昇する。
【0104】
追加噴射中は触媒10が未活性状態であるため、排気通路9内で追加噴射による燃料が燃え残った場合には触媒10で浄化されずに大気へと排出され排気の悪化につながる。また、排気の空燃比がリッチの場合にはいかに排気再燃焼を促進しても追加噴射分の燃料を完全に燃焼させるために必要となる酸素が不足するので、やはり未燃成分が外部へと排出され排気の悪化を生じる。
【0105】
これに対して、本実施形態(請求項10に記載の発明)によれば、昇温当量比TFLを1.0(理論空燃比相当)よりやや小さい値、つまり追加噴射の燃料分を含めた排気の空燃比が理論空燃比よりもわずかにりーン側の空燃比になるようにトータル目標当量比tFBYAを定め、このトータル目標当量比tFBYAが実現されるように追加噴射の燃料量を調節するので、冷間始動後のように触媒温度Tcが活性温度TcLに到達していないときには、触媒10にトラップされているNOxの脱離・還元に使用されずに排出される未燃成分の排出を抑制しつつ、排気再燃焼により触媒10を急速に昇温させることができる。
【0106】
また、このとき、トータル目標当量比tFBYA(=TFL)は1.0未満の値であるので、NOxトラップ量Vnは図12最下段のように増加してゆく(図2のステップ4、5、6)。
〔3〕t3からt4まで:
触媒温度Tcが上昇してt3のタイミングで活性温度TcLに到達すると、触媒10にトラップされているNOxを、完全でなくても脱離・還元することが可能となる。
【0107】
この場合、エンジン始動に際しては上記のように強制的にリッチ化要求フラグfR=1としており、かつt3からも引き続き成層燃焼状態(fCmb=0)にあるので、t3のタイミングより即座にリッチ化処理に入る。
【0108】
この成層燃焼状態でのリッチ化処理では、単位時間当たりのNOx脱離量dVnrが算出され、この単位時間当たりのNOx脱離量dVnrに見合う量の還元剤量が単位時間当たりの目標還元剤供給量tdVrとして算出され、この単位時間当たりの目標還元剤供給量tdVrを吸入空気流量Qaで除し、その値を換算係数C3を用いて当量比への単位換算を行うことにより現在の吸入空気流量Qaで単位時間当たりの目標還元剤供給量tdVrを実現できる当量比が算出され、これに理論空燃比分の1.0を加算して、リッチ化処理時のトータル目標当量比tFBYAが算出される(図7のステップ32、34、37、38、39、40)。
【0109】
このリッチ化処理時のトータル目標当量比tFBYAを図12最上段でみると実線で示したように1.0(理論空燃比相当)を大きく超える値である。そして実線で示されるトータル目標当量比tFBYAと、一点鎖線で示される主噴射の目標当量比tFBYA1との差が追加噴射の目標当量比tFBYA2であり、この分が追加噴射され、この追加噴射による未燃成分の触媒10への導入により、触媒10にトラップされているNOxが排気通路9内に脱離してゆき、その脱離してゆくNOxは未燃成分を還元剤として還元浄化されるので、NOxトラップ量Vnが図12最下段のように減少してゆく(図2のステップ4、9、10)。
【0110】
成層燃焼状態でのリッチ化処理により、やがてNOxトラップ量Vnがt4のタイミングでNOxトラップ下限量VnL未満になると、触媒10にトラップされているNOxの脱離・還元を完了するため、リッチ化要求フラグfR=0となり(図2のステップ11、12)、追加噴射が終了する(図7のステッ32、34、38、37、41、43)。
【0111】
このように、本実施形態(請求項1の発明)によれば、成層燃焼状態でリッチ化処理が必要となった場合において触媒温度Tcが活性温度TcLに到達したとき追加噴射を行うと共に、主噴射分と合わせた燃料量と吸入空気量とで定まる空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に設定し、そのリッチ側に設定した空燃比での運転を行うので、本来排気流量の少ない低負荷域のような運転域であっても、その運転域で成層燃焼が行われる限り、追加噴射により排気流量を増加させつつ排気中の未燃成分が増大する。これにより、十分な量の還元剤(HC、COといった未燃成分)を触媒に導入することが可能となり、触媒10にトラップされているNOxを十分に脱離・還元することができる。
【0112】
加えて、追加噴射に伴う排気再燃焼により、低負荷域のように排気温度が比較的低いときであっても排気温度が高くなり、これによって触媒10の温度低下を防止し触媒10の活性を維持できるという効果も得られる。
【0113】
一般に触媒10にトラップされているNOxの脱離・還元は、酸素と還元成分とが共存する雰囲気中よりも酸素が無く還元成分のみが存在する雰囲気中のほうがより活発に行われる。本実施形態(請求項4の発明)によれば、触媒10上流に未燃成分燃焼促進手段を設け、当該手段により触媒10上流において排気中の残存酸素が未燃成分の燃焼によって消費されるのを促進するので、触媒10に流入する排気には酸素がほぼ含まれずに還元成分のみが含まれた状態となり、これによって効率良く触媒10にトラップされているNOxを脱離・還元できる。
【0114】
この場合に、未燃成分燃焼促進手段は触媒10よりも上流の排気通路9にあって排気を滞留、攪拌させ得る容積部11であるので(請求項5の発明)、未燃成分燃焼促進手段を安価かつ単純なハード構成で得ることができる。
【0115】
また、成層燃焼状態でリッチ化処理が必要となった場合において触媒温度Tcが活性温度TcLに到達していないとき、追加噴射を伴うリーン側に設定した空燃比での運転を行うことで、触媒10を急速に昇温させ、触媒温度Tcが活性温度TcLに到達すると、追加噴射を継続して追加噴射を伴うリッチ側に設定した空燃比での運転を行うようにしたので(請求項12の発明)、触媒温度Tcが活性温度TcLに到達した後に一旦追加噴射を中止する場合に懸念される触媒10の温度低下を防ぐことができる。
【0116】
また、触媒10にトラップしているNOxを脱離・還元するための追加噴射による排気再燃焼は、排気中の残存酸素がほぼ無い状態まで行われることが望ましく、そのためには排気温度が高いほうが有利である。本実施形態(請求項12に記載の発明)によれば、触媒温度Tcが活性温度TcLに到達した後に継続してリッチ化処理を行うので、リッチ化処理を行うに際して排気中の残存酸素がほぼ無い状態を実現することが可能となり、これによって触媒10にトラップされているNOxの脱離・還元の効率が向上し、かつ再度昇温させるために消費される追加燃料分の燃費悪化を防止できるという効果も得られる。
【0117】
また、成層燃焼状態において、追加噴射を伴うリーン側に設定した空燃比での運転(触媒昇温制御)より、追加噴射を伴うリッチ側に設定した空燃比での運転(リッチ化処理)へと移行するのに際して、移行の前後で主噴射の目標当量比tFBYA1は変えずに追加噴射の目標当量比tFBYA2だけを変化させている(主噴射の燃料量と吸入空気量とで定まる主噴射の空燃比を変更せず、追加噴射の燃料量を増加させる)ので(請求項13に記載の発明)、触媒昇温制御よりリッチ化処理への移行時にトルク段差が生じることもなく、従って触媒昇温制御よりリッチ化処理への移行時にトルクショックは発生しない。
【0118】
触媒10にトラップしているNOxが多量に残存している状態でエンジンを停止させた場合には、次回エンジン始動後に触媒10が活性化しても、触媒10に残存するNOxを一旦脱離・還元してしまわない限り、良好なNOxトラップ性能を得ることができないのであるが、本実施形態(請求項6の発明)によれば、エンジンの始動時に、NOxトラップ量の多少に関係なく、強制的にリッチ化要求フラグfR=1(つまりリッチ化処理が必要となった場合)とするので、エンジンの始動後に成層燃焼状態で触媒温度Tcが活性温度TcLに到達する毎に、リッチ化処理が行われて触媒10に残存するNOxがなくなる。これによってt4移行のリーン運転時に効率よく排気中のNOxを触媒10にトラップすることができる。
〔4〕t4以降:
t4以降は図6ステップ21で設定される2つのフラグfCmb、fLに従った燃焼状態に制御される。図にはt4以降もリーン運転・成層燃焼域にあり(fL=1かつfCmb=0)、その一方でアクセル開度や回転速度を変化させた場合を示す。このときには目標トルクと回転速度に応じてトータル目標当量比tFBYA(=主噴射の目標当量比tFBYA1)が変化し、これに応じて触媒温度TcとNOxトラップ量Vnとが変化する。
【0119】
すなわち、リーン運転・成層燃焼の継続によりNOxトラップ量Vnが増加してゆき(図2のステップ4、5、6)、やがてt5のタイミングでNOxトラップ上限量VnHより大きくなれば、リッチ化要求フラグfR=1となり(図2のステップ7、8)、このとき成層燃焼状態であるから、主噴射により成層燃焼を行いつつ追加噴射によるリッチ化処理が行われる(図7のステップ32、34、38、39、40、41、42)。
【0120】
この場合に、本実施形態(請求項8の発明)により、良好なNOxトラップ率を維持できなくなるNOxトラップ量をNOxトラップ上限量VnH(所定値)として設定しておけば、成層燃焼状態でNOxトラップ量が増え良好なNOxトラップ率を維持できなくなる前に、触媒10にトラップされているNOxが脱離・還元されることになり、これにより、リッチ化処理に伴う燃費の悪化を抑えつつNOxトラップ率を高く維持できる。
【0121】
なお、図でt4以降の時間スケールはt4までの時間スケールと異なり、t4以降の時間スケールのほうがt4までの時間スケールよりずっと大きいことはいうまでもない。また、Vnの動きも簡単な直線で示している。
【0122】
実施形態では、空燃比に代えて、一部、当量比で説明したが、当量比で演算した部分を空燃比で演算させるようにすることもできる。例えば、
1)単位時間当たりのNOx脱離量dVnrを算出し、
2)この単位時間当たりのNOx脱離量dVnrに見合う量の還元剤量を単位時間当たりの目標還元剤供給量tdVrとし、
3)この単位時間当たりの目標還元剤供給量tdVrを吸入空気流量Qaで除し、その値を換算係数C3を用いて当量比への単位換算を行うことにより現在の吸入空気流量Qaで単位時間当たりの目標還元剤供給量tdVrを実現できる当量比を算出し、
4)これに理論空燃比分の1を加算して、リッチ化処理時のトータル目標当量比tFBYAを算出した
が、これに代えて
1)単位時間当たりのNOx脱離量dVnrを算出し、
2)この単位時間当たりのNOx脱離量dVnrに見合う量の還元剤量を単位時間当たりの目標還元剤供給量tdVrとして算出し、
3´)吸入空気流量Qaをこの単位時間当たりの目標還元剤供給量tdVrで除することにより現在の吸入空気流量Qaで単位時間当たりの目標還元剤供給量tdVrを実現できる空燃比を算出し、
4´)これを理論空燃比である14.7から差し引いた値を、追加噴射を実行する際のリッチ側の空燃比として設定する
ようにしてもかまわない(請求項11に記載の発明)。
【0123】
実施形態では、未燃成分燃焼促進手段が、触媒10よりも上流の排気通路9にあって排気を滞留、攪拌させ得る容積部11である場合で説明したがこれに限られるものでなく、追加噴射を実行することにより生じる排気中の未燃成分の燃焼を触媒10よりも上流で促進する手段であればよい(請求項4に記載の発明)。
【0124】
実施形態では、成層燃焼状態において触媒昇温のための追加噴射を実行する際に、追加噴射と主噴射との合計の燃料量と吸入空気量とで定まる空燃比を理論空燃比よりもわずかにリーン側に設定する場合で説明したが、これは理論空燃比からの余裕を持たせたものであり、従って追加噴射と主噴射との合計の燃料量と吸入空気量とで定まる空燃比を理論空燃比に設定してもかまわない。
【図面の簡単な説明】
【図1】一実施形態の制御システム図である。
【図2】リッチ化要求フラグの設定を説明するためのフローチャート。
【図3】NOx濃度の特性図。
【図4】NOxトラップ率の特性図。
【図5】NOx脱離率の特性図。
【図6】燃焼状態を設定すると共に目標当量比を演算するためのフローチャート。
【図7】燃焼状態を設定すると共に目標当量比を演算するためのフローチャート。
【図8】燃焼フラグの特性図。
【図9】リーン運転許可フラグの特性図。
【図10】アクセル開度に対する目標トルクの特性図。
【図11】リーン運転時の主噴射の目標当量比の特性図。
【図12】一実施形態の冷間始動からの作用を説明するための波形図。
【符号の説明】
1 エンジン本体
7 燃料噴射弁(燃料噴射手段)
10 触媒
11 容積部(未燃成分燃焼促進手段)
21 コントローラ
28 触媒温度センサ
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust gas purification apparatus for an engine, and more particularly to an apparatus for operating an engine lean (lean mixture).
[0002]
[Prior art]
When the air-fuel ratio of the exhaust gas is leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, NOx is trapped. When the air-fuel ratio of the exhaust gas becomes richer than the stoichiometric air-fuel ratio or the stoichiometric air-fuel ratio, NOx trapped in the catalyst is desorbed, A catalyst having a function of reducing and purifying the desorbed NOx using unburned components (unburned HC and CO) in the exhaust gas as a reducing agent is provided in the exhaust passage, and operation at a lean air-fuel ratio (this operation If it is determined that the NOx trap amount has reached the limit during the “lean operation”, the air-fuel ratio of the exhaust gas is enriched to the stoichiometric air-fuel ratio (or an air-fuel ratio richer than the stoichiometric air-fuel ratio). Various processes for enriching the fuel ratio (hereinafter simply referred to as "enrichment process") have been proposed (see JP-A-6-10725 and JP-A-6-294319).
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, when the enrichment process is performed to desorb and reduce NOx trapped in the catalyst, it is necessary to introduce a necessary amount of reducing component to the catalyst in accordance with the amount of desorbed NOx. Since the exhaust gas flow rate is originally small at the time of low load during operation, even if the enrichment process is performed during the lean operation at this low load, the amount of the reducing component may be insufficient and the NOx purification rate may deteriorate. Therefore, in order to obtain a sufficient NOx purification rate, conventionally, it has been general to perform the enrichment processing at the start of acceleration with a relatively large exhaust flow rate. Therefore, the enrichment process could not be performed until the exhaust gas flow rate was large and the required reduction component was able to reach the catalyst by the enrichment process and the operation state was such that a sufficient NOx purification rate was obtained. Conversely, if the NOx trapping amount is large before the enrichment process is performed, the NOx trapping rate decreases, and the NOx amount released to the atmosphere without being trapped due to the decrease in the NOx trapping rate. Was supposed to increase.
[0004]
On the other hand, in an engine having a fuel injection means for directly injecting fuel into the combustion chamber, a stratified combustion region is provided on the low load side in the lean operation region (the rest is a homogeneous combustion region), and the stratified combustion region on the low load side is provided. As a result, a reduction in pump loss and a reduction in cooling loss due to a decrease in combustion temperature have been realized, thereby further improving fuel efficiency.
[0005]
The inventor of the present invention has obtained the following knowledge when considering a combination of an engine capable of selectively performing such stratified combustion and homogeneous combustion in a lean operation range and desorption / reduction of trap NOx. . That is, in the stratified combustion, the main injection is performed in the latter half of the compression stroke, and at the time of spark ignition by the spark plug, a stoichiometric air-fuel ratio or an air-fuel ratio air-fuel mixture in the vicinity thereof is formed in the vicinity of the spark plug. The mixture is ignited by a spark plug and burned. On the other hand, in the homogeneous combustion, the main injection is performed in the intake stroke to uniformly distribute the air-fuel mixture over the entire combustion chamber, and the air-fuel mixture distributed over the entire combustion chamber is ignited by a spark plug and burned. . Due to such a difference in the combustion state, when compared under the same operating conditions, in the stratified combustion state, a large amount of gas containing almost no fuel is present around the mixed gas mass.
[0006]
This means that even in the same lean operation, the stratified combustion state can contain more fuel later, that is, even in a low load range (stratified lean combustion is performed), Therefore, if additional injection is performed in the expansion stroke or the exhaust stroke in the stratified combustion state, the fuel from the additional injection diffuses into the gas in the stratified combustion state to become a good unburned component, and a sufficient reduction component It means that we can secure the quantity.
[0007]
The present invention has been made based on such findings of the inventor. When the catalyst temperature reaches the activation temperature in the case where the enrichment treatment is required in the stratified combustion state, the expansion process and the exhaust gas in the stratified combustion state are performed. In addition to performing additional injection during the stroke, the air-fuel ratio determined by the fuel amount combined with the main injection and the intake air amount at that time is set to be richer than the stoichiometric air-fuel ratio, and operation at the air-fuel ratio on the rich side The purpose of the present invention is to secure a sufficient amount of reducing agent (unburned components such as HC and CO) for the enrichment process even when the exhaust gas flow rate is low and the load is low.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The invention described in claim 1 traps NOx when the air-fuel ratio of the exhaust gas is lean in the active state, and desorbs the trapped NOx when the air-fuel ratio of the exhaust gas is the stoichiometric air-fuel ratio or rich. A catalyst having a function of reducing and purifying the separated NOx by using a reducing component in the exhaust gas is provided in the exhaust passage, while a fuel injection means for directly injecting fuel into the combustion chamber and a main injection of the fuel injection means are provided. Main injection execution means capable of selectively performing homogeneous combustion or stratified combustion during lean operation by making the timing different, catalyst temperature detection means for detecting catalyst temperature, and enrichment processing in a stratified combustion state are required. In the case, when the catalyst temperature reaches the activation temperature, additional injection performing means for performing additional injection in an expansion stroke or an exhaust stroke in a stratified combustion state, and when performing this additional injection, A rich operation means for setting an air-fuel ratio determined by the total fuel amount of the additional injection and the main injection and the intake air amount to a richer side than the stoichiometric air-fuel ratio and performing an operation at the air-fuel ratio set to the rich side, An additional injection prohibiting unit for prohibiting the additional injection when the catalyst temperature is higher than the complete warm-up temperature when the enrichment processing is required in the stratified combustion state.
[0009]
【The invention's effect】
The invention described in claim 1 is based on the findings by the inventor of the present invention as described above. To reiterate, stratified combustion generally performs main injection in the second half of the compression stroke, and at the time of spark ignition by the spark plug, a lump of stoichiometric air-fuel ratio or a mixture of air-fuel ratios near the stoichiometric air-fuel ratio near the spark plug Is formed, and the mixture is ignited by a spark plug to be burned. On the other hand, in the homogeneous combustion, the main injection is performed in the intake stroke to uniformly distribute the air-fuel mixture over the entire combustion chamber, and the air-fuel mixture distributed over the entire combustion chamber is ignited by a spark plug and burned. . Due to such a difference in the combustion state, when compared under the same operating conditions, in the stratified combustion state, a large amount of gas containing almost no fuel is present around the mixed gas mass.
[0010]
This means that even in the same lean operation, the stratified combustion state can contain more fuel later, that is, if stratified combustion is performed in the low load region, even in the low load region For the enrichment process, if additional injection is performed in the expansion stroke or exhaust stroke in the stratified combustion state, the fuel from the additional injection diffuses into the gas in the stratified combustion state and becomes a good unburned component, That is, a sufficient amount of the reducing component can be secured.
[0011]
According to the first aspect of the present invention, when the enrichment process is required in the stratified combustion state, additional injection is performed when the catalyst temperature reaches the activation temperature, and the fuel amount and the intake air amount combined with the main injection amount The air-fuel ratio determined by the formula is set to a richer side than the stoichiometric air-fuel ratio, and the operation is performed at the air-fuel ratio set to the rich side. As long as the stratified charge combustion is performed in the operation range, the unburned component in the exhaust gas increases while the exhaust gas flow rate is increased by the additional injection. As a result, a sufficient amount of reducing agent (unburned components such as HC and CO) can be introduced into the catalyst, and NOx trapped in the catalyst can be sufficiently desorbed and reduced.
[0012]
In addition, due to the exhaust gas re-combustion accompanying the additional injection, the exhaust gas temperature becomes high even when the exhaust gas temperature is relatively low such as in a low load region, thereby preventing the catalyst temperature from decreasing and maintaining the activity of the catalyst. The effect is also obtained.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0014]
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes an engine body, 2 denotes an intake passage, 3 denotes a throttle device in which a throttle valve 3a is driven by a throttle actuator composed of a DC motor or the like, and 7 denotes a predetermined value in accordance with operating conditions based on an injection signal from a controller 21. A fuel injection valve (fuel injection means) 8 for directly injecting fuel into the combustion chamber 5 so as to have an air-fuel ratio, and 8 is a spark plug.
[0015]
The controller 21 has a reference position signal and a unit angle signal from the crank angle sensor 22, an intake air amount signal from the air flow meter 23, an accelerator opening signal from the accelerator sensor 24, an engine cooling water temperature signal from the water temperature sensor 25, A gear position signal from a gear position sensor (not shown) of the transmission, a vehicle speed signal from a vehicle speed sensor (not shown), and the like are input, and a driving state is determined based on these. , A lean operation is performed, and in the other operation range, an operation is performed at the stoichiometric air-fuel ratio (this operation is referred to as “stoichiometric operation”). At this time, the O provided in the exhaust passage 9 near the engine outlet 2 Based on the output of the sensor 27, feedback control of the air-fuel ratio is performed so that the air-fuel ratio of the exhaust gas matches the stoichiometric air-fuel ratio. In a region near the full load, an operation based on the rich air-fuel ratio (this operation is referred to as “rich operation”) is performed.
[0016]
The lean operation region is further divided into a stratified combustion region and a homogeneous combustion region. The controller 21 performs stratified combustion in a low load region where a large torque is not required, and switches to stratified combustion when the rotation speed or load increases outside the stratified combustion region.
[0017]
Here, the intake control valve (not shown) located upstream of the intake port 4 is closed to restrict the intake air, and the intake air flowing into the combustion chamber 5 from the opening of the intake port 4 to the combustion chamber 5 is tumbled (in the vertical direction). Swirl), and the fuel injected from the fuel injection valve 7 in the latter half of the compression stroke rides on the tumble and is transported to the vicinity of the ignition plug 8 located substantially at the center of the ceiling of the combustion chamber 5 so that the intake air is sucked. The stratified combustion is realized by determining the intake flow angle of the port 4 into the combustion chamber 5 and the shape of the cavity provided in the crown surface 6a of the piston 6. That is, in the stratified combustion, the main injection is performed in the latter half of the compression stroke, and at the time of spark ignition by the spark plug 8, a stoichiometric air-fuel ratio or an air-fuel ratio mixture in the vicinity thereof is formed near the spark plug 8. The mixture is ignited by the spark plug 8 and burned.
[0018]
On the other hand, if the rotation speed or the load increases outside the stratified combustion region, the flow of intake air is large in this operation region (homogeneous combustion region), so that tumble is generated in the combustion chamber 5 even when the intake control valve is open. Therefore, in the homogeneous combustion region, the intake control valve is opened, and fuel is injected in the intake stroke while creating a tumble in the combustion chamber 5, whereby a homogeneous air-fuel mixture is generated in the entire combustion chamber. That is, in the homogeneous combustion, the main injection is performed in the intake stroke to uniformly distribute the air-fuel mixture throughout the combustion chamber 5, and the air-fuel mixture distributed throughout the combustion chamber 5 is ignited by the ignition plug 8 to perform combustion. It is to let.
[0019]
The exhaust passage 9 is provided with a NOx trap catalyst (hereinafter simply referred to as “catalyst”) 10. The catalyst 10 traps NOx in the inflow exhaust gas when the air-fuel ratio of the inflow exhaust gas is leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, and when the air-fuel ratio of the inflow exhaust gas becomes richer than the stoichiometric air-fuel ratio or the stoichiometric air-fuel ratio. Has a function of desorbing NOx trapped in the catalyst 10 and reducing and purifying the desorbed NOx by using HC, CO, or the like in an atmosphere having a stoichiometric air-fuel ratio or a rich air-fuel ratio as a reducing agent. . For example, based on a catalyst in which a noble metal such as platinum Pt, palladium Pd, and rhodium Rh is supported on a honeycomb carrier coated with alumina, at least one selected from alkaline earths represented by barium Ba and alkali metals represented by Cs It is configured to carry one component.
[0020]
Since the catalyst 10 has a property that the NOx trap rate decreases as the amount of NOx trapped in the catalyst increases, the lean operation is continued for a while, and when NOx is trapped to a certain extent by the catalyst 10, the enrichment process is forcibly performed. It is necessary to make the exhaust gas rich in reducing components flow into the catalyst 10 to desorb and reduce NOx trapped in the catalyst 10 (regeneration of the catalyst 10). For this reason, the controller 21 repeats the operation of performing the enrichment process and regenerating the catalyst 10 every time the enrichment process is required during the lean operation. This makes it possible to purify NOx in exhaust gas with relatively high efficiency.
[0021]
However, at the time of the enrichment process, it is necessary to introduce a required amount of the reducing component according to the NOx desorption amount into the catalyst 10. However, especially at the time of a low load during which the lean operation is performed, the exhaust gas flow rate is originally small. Even if the enrichment process is performed during the lean operation with the load, the amount of the reducing component may be insufficient and the NOx purification rate may deteriorate. Therefore, the controller 21 is in the stratified combustion state even during the lean operation, and the enrichment process is not performed. When necessary, when the catalyst temperature reaches the activation temperature, additional injection is performed in the expansion stroke and exhaust stroke in the stratified combustion state, and the fuel amount obtained by combining the main injection and the additional injection and the intake air amount at that time Is set on the rich side of the stoichiometric air-fuel ratio, and the operation at the air-fuel ratio on the rich side is performed (the invention according to claim 1).
[0022]
In general, desorption and reduction of NOx trapped in the catalyst 10 are more actively performed in an atmosphere where there is no oxygen and only a reducing component exists than in an atmosphere where oxygen and a reducing component coexist. For this purpose, a volume portion 11 having a predetermined space volume is provided in an exhaust passage (exhaust manifold) 9 upstream of the catalyst 10, and the exhaust gas is retained and agitated in the volume portion 11, additional fuel remaining unburned and oxygen in the exhaust gas are removed. The reaction (combustion) with is accelerated (the invention according to claim 5).
[0023]
Further, since the catalyst 10 exhibits its performance only after reaching the activation temperature, it is necessary to immediately raise the catalyst 10 to the activation temperature after the cold start. For this reason, the controller 21 determines whether or not the catalyst 10 has reached the activation temperature based on the catalyst temperature detected by the temperature sensor 28, and determines whether or not the catalyst 10 has reached the activation temperature only in the stratified combustion state. During the expansion stroke and the exhaust stroke in the stratified combustion state, additional injection is performed (the invention according to claim 10). The combustion by the additional injection does not contribute to the output of the engine, but mainly burns in the exhaust passage 9 exiting the combustion chamber 5 from the combustion chamber 5 (afterburning), and the high-temperature exhaust gas flows into the catalyst 10. To accelerate the temperature rise of the catalyst 10.
[0024]
However, since the catalyst 10 is in an inactive state during the additional injection for raising the temperature of the catalyst, if the fuel due to the additional injection remains unburned in the exhaust passage 9, the fuel is discharged to the atmosphere without being purified by the catalyst 10. It leads to worse exhaust. When the air-fuel ratio determined by the total fuel amount of the additional injection and the main injection and the intake air amount is a rich air-fuel ratio, it is necessary to completely burn the additional fuel no matter how much the reburning of the exhaust is promoted. Since the amount of oxygen is insufficient, unburned components are discharged to the outside, and the exhaust gas deteriorates.
[0025]
For this reason, when performing additional injection for raising the temperature of the catalyst, the controller 21 sets the air-fuel ratio of the exhaust including the additional injected fuel to be slightly leaner than the stoichiometric air-fuel ratio. The operation is performed with the air-fuel ratio set on the side (the invention according to claim 10).
[0026]
Further, if the engine is stopped in a state where a large amount of NOx trapped in the catalyst 10 remains, even if the catalyst 10 is activated after the next engine restart, the NOx remaining in the catalyst 10 is once removed. Unless it is separated and reduced, good NOx trap performance cannot be obtained. For this reason, the controller 21 forcibly issues a request for the enrichment process at the time of starting the engine irrespective of the amount of NOx trapping (the invention according to claim 6). Then, after the cold start of the engine, the enrichment process is performed at the timing when the catalyst reaches the activation temperature by the additional injection for raising the temperature of the catalyst.
[0027]
As described above, the controller 21 controls the fuel injection amount and the fuel injection timing of the main injection and the ignition timing that is the timing of the spark ignition by the spark plug 8 so that the optimum combustion state such as the stratified combustion or the homogeneous combustion is obtained during the lean operation. In addition, the fuel injection amount and the fuel injection timing of the additional injection are controlled in order to perform the temperature increase and the enrichment process on the catalyst 10 in the stratified combustion state.
[0028]
The enrichment process executed by the controller 21, the setting of the combustion state, and the calculation of the target equivalence ratio for determining each fuel amount of the main injection and the additional injection will be described in detail according to the following flowchart.
[0029]
The flowchart in FIG. 2 is for setting the enrichment request flag, and is executed at regular intervals (for example, every 10 msec).
[0030]
In step 1, a signal from a starter switch (abbreviated as "ST SW" in the figure) 29 (see FIG. 1) is checked. If the signal from the starter switch 29 is ON (when the engine is started), the process proceeds to step 2, where the NOx trap amount Vn is read from the non-volatile memory (backup RAM) in the controller 21. This value is the amount of NOx trap remaining in the catalyst 10 at the time of the previous engine stop, and this value is held while the engine is stopped (the invention according to claim 9).
[0031]
For simplicity, Vn corresponding to the saturation trap amount may be stored in the ROM in the controller 21, and this value may be read when the engine is started.
[0032]
In step 3, the enrichment request flag fR is forcibly set to 1 (the invention according to claim 6).
[0033]
Here, the enrichment request flag fR = 1 indicates that enrichment processing is required, whereas fR = 0 indicates that enrichment processing is unnecessary.
[0034]
The reason why the enrichment request flag fR = 1 (enrichment is necessary) when the engine is started is that enrichment is performed at the earliest possible time after the engine is started (when the catalyst temperature Tc reaches an activation temperature TcL described later). In order to eliminate NOx trapped in the catalyst 10 and to satisfactorily trap NOx during the subsequent lean operation.
[0035]
If the signal from the starter switch 29 is not ON (after starting), the processing of steps 2 and 3 is skipped (skipped).
[0036]
In steps 4 to 12, the NOx trap amount Vn is calculated according to the operating state from the start (when NOx in the exhaust gas is trapped by the catalyst 10, the trap amount per unit time is accumulated, and conversely, the trap amount is trapped. When the NOx desorbed from the catalyst 10, the desorbed amount per unit time is subtracted.) Based on the NOx trap amount Vn calculated in this way, it is determined whether or not the enrichment process is necessary. This is the part to do.
[0037]
In step 4, the current total target equivalent ratio tFBYA is compared with 1.0 corresponding to the stoichiometric air-fuel ratio.
[0038]
The total target equivalent ratio tFBYA is calculated according to the flowcharts of FIGS. 6 and 7 described later, and the value calculated according to the flowcharts is used in step 4 of FIG. The target equivalence ratio (the value obtained by dividing the stoichiometric air-fuel ratio by the target air-fuel ratio) corresponds to the stoichiometric air-fuel ratio when this value is 1.0, and when this value is less than 1.0, the target air-fuel ratio is leaner than the stoichiometric air-fuel ratio. When the air-fuel ratio exceeds 1.0, on the contrary, it corresponds to an air-fuel ratio richer than the stoichiometric air-fuel ratio.
[0039]
The reason why “total” is added before the target equivalence ratio is to distinguish the target equivalence ratio tFBYA1 of the main injection and the target equivalence ratio tFBYA2 of the additional injection in some cases where the additional injection is performed after the main injection. That is, the total target equivalent ratio tFBYA is a value obtained by adding the target equivalent ratio tFBYA1 of the main injection and the target equivalent ratio tFBYA2 of the additional injection.
[0040]
In the present embodiment, the total target equivalence ratio tFBYA is used as a parameter representing the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the catalyst 10, specifically, to determine whether or not the operation is at a lean air-fuel ratio (lean operation). are doing. That is, when the total target equivalent ratio tFBYA is less than 1.0, the operation is a lean air-fuel ratio operation (lean operation). On the other hand, when the total target equivalent ratio tFBYA is 1.0 or more, the operation is a rich air-fuel ratio (lean operation). (Rich operation) or operation at the stoichiometric air-fuel ratio (stoichiometric operation).
[0041]
The parameter representing the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the catalyst 10 is not limited to this. For example, O 2 When a wide area air-fuel ratio sensor is provided in the exhaust passage 9 instead of the sensor 27, the detection value of the wide area air-fuel ratio sensor may be used.
[0042]
If the total target equivalent ratio tFBYA is smaller than 1.0 (lean operation), NOx in the exhaust gas is trapped by the catalyst 10, so the process proceeds to step 5, where the NOx emission amount dVn per unit time is calculated. The NOx concentration in the exhaust gas can be estimated from parameters such as engine load (or target torque, which will be described later), air-fuel ratio (or total target equivalent ratio), cooling water temperature, and the like. , DVn can be calculated.
[0043]
FIG. 3 shows the characteristics of the NOx concentration with respect to each parameter. As shown in the upper part of FIG. 3, the engine load and the rotational speed become larger as the engine load becomes larger and the rotational speed becomes larger as the load becomes constant. Becomes higher, the NOx concentration becomes higher. Further, the NOx concentration becomes maximum at an air-fuel ratio (abbreviated as “A / F” in the figure; the same at the top of FIG. 4) as shown in the middle part of FIG. However, even on the rich side, the NOx concentration decreases. As for the water temperature, as shown in the lower part of FIG. 3, the higher the water temperature, the higher the NOx concentration.
[0044]
In step 6, using the NOx emission amount dVn per unit time thus calculated,
Vn = Vnz + C1 × εT × dVn (1)
Where εT: NOx trap rate of the catalyst,
C1: conversion coefficient from per unit time to per operation cycle,
Vnz: previous Vn,
The NOx trap amount Vn is calculated by the following equation.
[0045]
Equation (1) calculates the NOx trap amount per unit time by multiplying the NOx emission amount dVn per unit time by the NOx trap rate εT, and converts this to the NOx trap amount per operation cycle using the conversion coefficient C1. The latest NOx trap amount Vn is calculated by integrating the NOx trap amount per operation cycle with the previous NOx trap amount Vnz.
[0046]
The NOx trap rate εT in the equation (1) can be estimated from parameters such as the air-fuel ratio (or the total target equivalent ratio), the catalyst temperature, the exhaust flow rate, and the NOx trap amount at that time. FIG. 4 shows the characteristic of the NOx trap rate with respect to each parameter. As for the air-fuel ratio, as shown in the uppermost row of FIG. It becomes zero on the rich side. The catalyst temperature reaches its maximum at a certain temperature as shown in the second stage of FIG. 4, and the NOx trapping rate decreases even if the temperature is higher or lower than this temperature. Regarding the exhaust flow rate and the NOx trap amount, as shown in the third stage and the fourth stage of FIG. The trap rate decreases.
[0047]
As a method of detecting the exhaust flow rate, a map of the exhaust flow rate using the basic injection pulse width Tp (corresponding to the engine load) and the rotation speed as parameters may be created in advance, and the map search may be performed.
[0048]
In step 7, the latest NOx trap amount Vn calculated in step 6 is compared with the NOx trap upper limit amount VnH, and when the NOx trap amount Vn is larger than the NOx trap upper limit amount VnH, it is determined that the enrichment process needs to be performed. Then, the process proceeds to step 8 to set the switch request flag fR = 1 (the invention according to claim 7). As the NOx trap upper limit amount VnH, a NOx trap amount at which a good NOx trap rate cannot be maintained may be set (the invention according to claim 8).
[0049]
On the other hand, if the NOx trap amount Vn is equal to or smaller than the NOx trap upper limit amount VnH in step 7, the operation in step 8 is skipped, and the value of the enrichment request flag fR up to immediately before is maintained.
[0050]
On the other hand, if the total target equivalent ratio tFBYA is equal to or greater than 1.0 (rich operation or stoichiometric operation) in step 4, NOx trapped in the catalyst 10 is desorbed. Of the NOx desorption amount dVnr is calculated.
[0051]
The NOx desorption rate from the catalyst 10 can be estimated from parameters such as the NOx trap amount, the exhaust flow rate, and the catalyst temperature at that time. If the estimated NOx desorption rate is multiplied by the NOx trap amount Vn, dVnr Can be calculated. FIG. 5 shows the characteristics of the NOx desorption rate with respect to each parameter. The NOx desorption rate increases as the NOx trapping quantity and the exhaust flow rate increase as shown in the upper and middle stages of FIG. . As for the catalyst temperature, the NOx desorption rate becomes higher at a certain temperature or higher as shown in the lower part of FIG. 5, and at a certain temperature or lower, the NOx desorption rate is zero.
[0052]
In step 10, using the NOx desorption amount dVnr per unit time calculated in this way,
Vn = Vnz−C2 × dVnr (2)
Where C2 is a conversion coefficient from per unit time to per operation cycle,
Vnz: previous Vn,
The NOx trap amount Vn is calculated by the following equation.
[0053]
Equation (2) converts the NOx desorption amount per unit time dVnr into a NOx desorption amount per operation cycle using the conversion coefficient C2, and the converted NOx desorption amount is a NOx trap amount immediately before. The latest NOx trap amount Vn is calculated by subtracting from Vnz.
[0054]
In step 11, the latest NOx trap amount Vn calculated in step 10 is compared with the NOx trap lower limit amount VnL. It is determined that the release / reduction has been completed, and the routine proceeds to step 12, where the enrichment request flag fR = 0 is set. The NOx trap lower limit amount VnL is set to zero or a value close to zero.
[0055]
On the other hand, if the NOx trap amount Vn is equal to or larger than the NOx trap lower limit amount VnL in step 11, the operation in step 12 is skipped, and the value of the enrichment request flag fR up to immediately before is maintained.
[0056]
The flowcharts of FIGS. 6 and 7 are for setting the combustion state in accordance with the operating conditions and calculating the target equivalent ratio of the main injection, the target equivalent ratio of the additional injection, and the total target equivalent ratio which is the sum of these. Then, the process is executed every predetermined time (for example, every 10 msec).
[0057]
Here, the target equivalent ratio of the main injection is referred to as “tFBYA1”, the target equivalent ratio of the additional injection is referred to as “tFBYA2”, and the total target equivalent ratio which is the sum of these is referred to as “tFBYA”.
[0058]
In step 21, a combustion flag fCmb and a lean operation permission flag fL are set based on the target torque tTC and the engine speed Ne.
[0059]
For example, the combustion flag fCmb is set to 0 or 1 by searching a map having the contents shown in FIG. 8 from the target torque tTC and the engine rotation speed Ne. Here, fCmb = 0 represents stratified combustion, and fCmb = 1 represents homogeneous combustion. That is, assuming that the operating region is roughly divided into three as shown in FIG. 8, the combustion state is determined by the combustion flag fCmb as follows.
[0060]
(A) Low load / low speed range: fCmb = 0 (stratified combustion)
(B) Medium load / medium rotation speed range: fCmb = 1 (homogeneous combustion),
(C) High load / high rotation speed range: fCmb = 1 (homogeneous combustion)
Further, a lean operation permission flag fL is set to 0 or 1 by searching a map having the contents shown in FIG. 9 from the target torque tTC and the engine rotation speed Ne. Here, fL = 1 indicates that lean operation is permitted, and fL = 0 indicates that lean operation is not permitted. That is, as shown in FIG. 9, assuming that the operation area is roughly divided into three as in FIG. 8, whether or not to allow the lean operation is determined by the lean operation permission flag fL as follows.
[0061]
(D) Low load / low speed range: fL = 1 (lean operation permitted),
(E) Medium load / medium rotation speed range: fL = 1 (lean operation permitted),
(F) High load / high speed range: fL = 0 (lean operation prohibited),
When these two flags fCmb and fL are combined, optimal combustion is performed in each of the three operating ranges as follows.
[0062]
<1> Low load / low speed range:
fCmb = 0 and fL = 1 (lean operation / stratified combustion),
<2> Medium load / medium rotation speed range:
fCmb = 1 and fL = 1 (lean operation / homogeneous combustion),
<3> High load / high speed range:
fCmb = 1 and fL = 0 (stoichiometric operation, homogeneous combustion),
The target torque tTC is calculated in a routine (not shown) based on the accelerator opening Aps detected by the accelerator sensor 24 and the engine speed detected by the crank angle sensor 22. FIG. 10 briefly shows the characteristics with respect to the accelerator opening Aps under the condition that the engine rotation speed is constant.
[0063]
In step 22, the engine coolant temperature Tw detected by the coolant temperature sensor 25 is compared with the lean operation permission lower limit coolant temperature TwL. As the lean operation permission lower limit water temperature TwL, a lower limit water temperature at which sufficient combustion stability can be ensured in the lean operation may be set.
[0064]
If the engine water temperature Tw is lower than the lean operation permission lower limit water temperature TwL, the routine proceeds to step 23, where the combustion flag fCmb = 1 and the lean operation permission flag fL = 0 are set. This is mandatory. That is, even in the low-load / low-speed range in step 21 and fCmb = 0 and fL = 1 (lean operation / stratified combustion), only when the engine water temperature Tw is lower than the lean operation permission lower limit water temperature TwL. Forcibly, stoichiometric operation and homogeneous combustion are performed.
[0065]
On the other hand, if it is determined in step 22 that the engine coolant temperature Tw is equal to or higher than the lean operation permission lower limit coolant temperature TwL, the lean operation can be performed. Therefore, the process proceeds to step 24 and the enrichment request flag fR is checked.
[0066]
If the enrichment request flag fR = 1 (enrichment processing is necessary), the routine proceeds to step 25, where the catalyst temperature Tc and the complete warm-up temperature TcH are compared. Here, the complete warm-up temperature TcH is a temperature at which the catalyst 10 is completely warmed up.
[0067]
If the catalyst temperature Tc is higher than the complete warm-up temperature TcH, the routine proceeds to step 26, where the combustion flag fCmb = 1 (homogeneous combustion) is set (the invention according to claim 1). At this time, the lean operation permission flag fL remains set in step 21.
[0068]
By setting the combustion flag fCmb = 1 (homogeneous combustion), tFBYA1 = tFBYA and tFBYA2 = 0 as described later (see steps 41 and 43 in FIG. 7). Therefore, even if the enrichment processing is requested, additional injection is not performed. Not done. In the case where the enrichment process is required in the stratified combustion state, if the additional injection is performed even if the catalyst temperature Tc becomes higher than TcH, the performance of the catalyst 10 may decrease because the catalyst temperature further increases. However, when the catalyst temperature Tc is higher than the complete warm-up temperature TcH, the additional injection is prohibited as the homogeneous combustion, so that the performance of the catalyst can be prevented from being deteriorated due to an increase in the catalyst temperature due to the exhaust combustion. .
[0069]
If the enrichment request flag fR = 0 in steps 24 and 25, or if the catalyst temperature Tc is equal to or lower than the complete warm-up temperature TcH even if the enrichment request flag fR = 1, the operation in step 26 is skipped, and step 21 is executed. The value of the combustion flag fCmb and the value of the lean operation permission flag fL set in the above are maintained as they are.
[0070]
Steps 27 to 31 are for calculating the target equivalent ratio tFBYA1 of the main injection based on the combination of the two set flags fCmb and fL. The fuel amount from the main injection is determined by the target equivalent ratio tFBYA1.
[0071]
That is, in steps 27 and 28, the combustion flag fCmb and the lean operation permission flag fL are checked. If the combustion flag is fCmb = 0, it is determined that the engine is in the lean operation / stratified combustion region of <1>, and the routine proceeds to step 29, where the main injection is performed based on the target torque tTC and the engine speed Ne at that time. The target equivalent ratio tFBYA1 is calculated.
[0072]
Similarly, if the combustion flag is fCmb = 1 and fL = 1, it is determined that the engine is in the lean operation / homogeneous combustion range of <2> and the routine proceeds to step 30, where the target torque tTC and the engine rotation The target equivalence ratio tFBYA1 of the main injection is calculated based on the speed Ne.
[0073]
Since these two operation ranges (lean operation / stratified combustion region and lean operation / homogeneous combustion region) are both lean operation regions, only one map may be used to determine the target equivalent ratio tFBYA1 of the main injection. The target equivalent ratio tFBYA1 of the main injection may be calculated by searching a map having the contents shown in FIG. 11 from the torque tTC and the engine rotation speed Ne. In FIG. 11, the values of tFBYA1 are all less than 1.0. Although the figure shows that the value of tFBYA1 tends to be present, the actual value is determined from engine specifications and the like.
[0074]
On the other hand, if the combustion flag fCmb = 1 and the lean operation permission flag fL = 0, it is determined that the engine is in the stoichiometric operation / homogeneous combustion region of <3>, and the routine proceeds to step 31, where the target equivalence ratio tFBYA1 = 1. 0 (equivalent to the stoichiometric air-fuel ratio).
[0075]
Referring to FIG. 7, steps 32 to 40 calculate (set) the total target equivalent ratio in accordance with the engine coolant temperature Tw, the catalyst temperature Tc, the combustion flag fCmb, and the enrichment request flag fR.
[0076]
In step 32, the engine coolant temperature Tw is compared with the lean operation permission lower limit coolant temperature TwL. If the engine water temperature Tw is lower than the greenhouse permission lower limit water temperature TwL, the routine proceeds to step 33, where the total target equivalent ratio tFBYA = 1.0 (corresponding to the stoichiometric air-fuel ratio). This is because fCmb = 1 and fL = 0 (stoichiometric operation / homogenous combustion) in Step 23 of FIG. 6 when Tw <TwL, and this is received.
[0077]
When the engine coolant temperature Tw is equal to or higher than the lean operation permission lower limit coolant temperature TwL, the routine proceeds to step 34, where the catalyst temperature Tc and the activation temperature TcL are compared.
[0078]
Here, as the activation temperature TcL, a catalyst temperature at which NOx trapped in the catalyst 10 can be desorbed and reduced to some extent, if not completely, is employed (the invention according to claim 2). The activation temperature TcL is also a catalyst temperature at which the catalyst 10 can exhibit a certain NOx trapping ability. Of course, the activation temperature TcL is lower than the above-mentioned complete warm-up temperature TcH.
[0079]
If the catalyst temperature Tc is lower than the activation temperature TcL, it is necessary to raise the temperature of the catalyst 10 at an early stage, and the routine proceeds to step 35, where the combustion flag fCmb is checked.
[0080]
Only when the combustion flag fCmb is 0 (stratified combustion), the process proceeds to step 36, where the total target equivalent ratio tFBYA is slightly leaner than the stoichiometric air-fuel ratio in order to perform additional injection for raising the temperature of the catalyst 10. The equivalent ratio TFL is set (the invention according to claim 10).
[0081]
Here, the temperature rise equivalent ratio TFL is set to a value larger than the maximum value of the target equivalent ratio tFBYA1 of the main injection stored in the control map for the lean operation (FIG. 11) (to 1.0 corresponding to the stoichiometric air-fuel ratio). (Close value). By setting the total target equivalence ratio tFBYA to the temperature raising equivalence ratio TFL, additional injection for burning additional fuel in the volume portion 11 of the exhaust passage 9 is performed while performing lean operation and stratified combustion by main injection. .
[0082]
On the other hand, if the combustion flag fCmb = 1 (homogeneous combustion), the routine proceeds to step 37, where the total target equivalence ratio tFBYA is made to match the target equivalence ratio tFBYA1 of the main injection (no additional injection is performed).
[0083]
On the other hand, if the catalyst temperature Tc is equal to or higher than the activation temperature TcL, the NOx trapped in the catalyst 10 can be desorbed and reduced. Therefore, the process proceeds from step 34 to step 38 to check the enrichment request flag fR.
[0084]
If the enrichment request flag fR = 1 (enrichment processing is necessary), the routine proceeds to step 39, where the target reducing agent supply amount tdVr per unit time is calculated. As described in step 9 of FIG. 2, the NOx desorption rate from the catalyst 10 can be estimated from parameters such as the NOx trap amount, the exhaust flow rate, and the catalyst temperature at that time. Is multiplied by the NOx trap amount Vn, the NOx desorption amount dVnr per unit time can be calculated. Therefore, an amount of (equivalent) reducing agent corresponding to this dVnr is set as a target reducing agent supply amount tdVr per unit time.
[0085]
In step 40, based on the target reducing agent supply amount tdVr per unit time thus calculated and the intake air flow rate Qa detected by the air flow meter 23,
tFBYA = C3 × (tdVr / Qa) +1 (3)
However, C3: conversion coefficient to equivalent ratio,
Is used to calculate the total target equivalent ratio tFBYA. The equation (3) is obtained by dividing the target reducing agent supply amount tdVr per unit time by the intake air flow rate (intake air amount per unit time) Qa, and converting the value to the equivalent ratio using the conversion coefficient C3. By performing the calculation, an equivalent ratio capable of realizing the target reducing agent supply amount tdVr per unit time at the current intake air flow rate Qa is calculated, and a stoichiometric air-fuel ratio is added to the calculated equivalent ratio to obtain a total target equivalent in the enrichment processing. The ratio tFBYA is calculated.
[0086]
On the other hand, if the enrichment request flag fR is not 1 (enrichment processing is unnecessary), the process proceeds from step 38 to step 37 to make the total target equivalent ratio tFBYA coincide with the target equivalent ratio tFBYA1 of the main injection (additional injection is performed). Absent).
[0087]
Steps 41 to 43 in FIG. 7 are portions for calculating the target equivalent ratio tFBYA2 of the additional injection.
[0088]
Since the additional injection is performed only in the case of stratified combustion, in step 41, the combustion flag fCmb is checked. If the combustion flag fCmb = 0 (stratified combustion), the routine proceeds to step 42, where a value obtained by subtracting the target equivalent ratio tFBYA1 of the main injection from the total target equivalent ratio tFBYA is calculated as the target equivalent ratio tFBYA2 of the additional injection.
[0089]
Here, the case where the process proceeds to the present step (step 42) is any of the following three cases.
[0090]
(A) When proceeding to step 42 via steps 34, 35 and 36,
(B) Where the process proceeds to step 42 after steps 34, 38, 39 and 40
If
(C) When proceeding to step 42 via steps 34, 38 and 37,
In the case of the above (a), that is, when the catalyst is in a stratified combustion state before the activation of the catalyst, an additional injection for raising the temperature of the catalyst 10 (total air-fuel ratio is slightly lean from the stoichiometric air-fuel ratio) is performed. On the other hand, in the case of the above (b), that is, when the catalyst temperature has reached the activation temperature and there is a request for the enrichment processing, the temperature of the catalyst 10 is increased and additional injection for the enrichment processing is performed.
[0091]
On the other hand, in the case of the above (c), that is, when the catalyst temperature has reached the activation temperature but there is no request for the enrichment processing, since tFBYA and tFBYA1 are made equal in step 37, the target equivalent of the additional injection is set. The ratio tFBYA2 = 0, and only the main injection for realizing the combustion state determined in step 21 of FIG. 6 is performed.
[0092]
If the combustion flag fCmb = 1 (homogeneous combustion), the process proceeds to step 43, where the target equivalence ratio tFBYA1 of the main injection is made equal to the total target equivalence ratio tFBYA, and the target equivalence ratio tFBYA2 of the additional injection is set to 0. That is, no additional injection is performed in the homogeneous combustion state.
[0093]
Here, the case where the process proceeds to the present step (step 43) is any of the following three cases.
[0094]
(D) When proceeding to step 43 via steps 32 and 33,
(E) When the process proceeds to step 43 after steps 34, 38, 39 and 40
If
(F) When proceeding to step 43 via steps 34, 38 and 37,
In the case of the above (e), that is, when the catalyst temperature has reached the activation temperature and there is a request for enrichment processing, rich operation and homogeneous combustion are performed by main injection. In this case, in the enrichment process when the catalyst temperature is higher than the complete warm-up temperature TcH, the rich operation and the homogeneous combustion are always performed.
[0095]
In the case of (d), that is, when the engine water temperature is lower than the lean operation permission lower limit water temperature TwL, the stoichiometric operation / homogeneous combustion is performed by the main injection in the case of (f), and the stoichiometric operation / homogeneous combustion is performed by the main injection. Alternatively, lean operation and homogeneous combustion are realized.
[0096]
In a fuel injection control routine (not shown), the fuel injection pulse width Ti1 of the main injection is added based on the target equivalent ratio tFBYA1 of the main injection, the target equivalent ratio tFBYA2 of the additional injection calculated in this way, and the intake air flow rate Qa. The fuel pulse width Ti2 of the injection is calculated, and the injection timing of the main injection is determined based on the combustion flag fCmb. For example, in the case of the sequential fuel injection system, the arithmetic expressions of Ti1 and Ti2 are as follows.
[0097]
Ti1 = Tp × tFBYA1 × (α + αm−1) × 2 + Ts (4)
Ti2 = Tp × tFBYA2 × (α + αm−1) × 2 + Ts (5)
Here, Tp: basic injection pulse width,
α: air-fuel ratio feedback correction coefficient,
αm: Air-fuel ratio learning value,
Ts: invalid pulse width,
Further, the injection timing of the main injection when the combustion flag fCmb = 0 (stratified combustion) is substantially in the latter half of the compression stroke, and the injection timing of the main injection when the combustion flag fCmb = 1 (homogeneous combustion) is the intake stroke. It is. The injection timing of the additional injection is set after the middle of the expansion stroke or in the exhaust stroke.
[0098]
Further, in an intake air amount control routine (not shown), a target intake air flow rate is calculated based on the target torque tTC and the target equivalent ratio tFBYA1 of the main injection, and the throttle valve of the throttle device 3 is set so as to obtain the target intake air flow rate. The opening of 3a is controlled.
[0099]
Here, the operation of the present embodiment will be described with reference to FIG. 12. FIG. 12 shows that when the engine is cold started and the operating condition determined from the target torque and the rotational speed is in the lean operation / stratified combustion region for a while, The target equivalent ratio tFBYA1 of the main injection, the target equivalent ratio tFBYA2 of the additional injection, the total target equivalent ratio tFBYA as the sum thereof, the catalyst temperature Tc, the lean operation permission flag fL, the combustion flag fCmb, the enrichment request flag fR, and the NOx trap amount Vn Is a model showing how changes occur.
[1] From t1 to immediately before t2:
In the figure, at the time of starting at t1, the enrichment request flag fR = 1 is forcibly set regardless of the NOx trap amount at that time (steps 1, 3 in FIG. 2).
[0100]
Further, according to this embodiment (the ninth aspect of the present invention), since the NOx trap amount at the end of the previous engine operation is stored even after the operation of the engine is stopped until the restart, the stored NOx is stored. The trap amount is set as the initial value of the NOx trap amount during the current operation (Steps 1 and 2 in FIG. 2). For this reason, even if NOx remains trapped in the catalyst 10 at the time of restart, it can be desorbed and reduced immediately after the catalyst temperature reaches the activation temperature, including NOx remaining in the catalyst.
[0101]
Since the operating condition determined from the target torque and the rotation speed is in the lean operation / stratified combustion region, even if the combustion flag fCmb = 0 and fL = 1 should be set (step 21 in FIG. 6), the engine water temperature Tw is lean. Only during the period lower than the operation permission lower limit water temperature TwL, fCmb = 1 and fL = 0 (stoichiometric operation / homogeneous combustion) are forcibly set (steps 22 and 23 in FIG. 6). At this time, the total target equivalent ratio tFBYA = 1.0 (steps 27, 28, and 31 in FIG. 7), and by setting the total target equivalent ratio tFBYA = 1.0, the NOx trap amount Vn becomes gradually smaller than the value at the time of starting. (Steps 4, 9, and 10 in FIG. 2). At this time, since tFBYA1 = tFBYA and fTBYA2 = 0 (steps 32, 33, 41, and 43 in FIG. 7), no additional injection is performed.
[2] From t2 to just before t3:
At the timing t2 when the engine water temperature Tw rises due to the stoichiometric operation and homogeneous combustion from the start and reaches the lean operation permission lower limit water temperature TwL, the combustion flag fCmb and the lean operation permission flag fL are set in step 21 in FIG. It is switched to the original value. That is, the combustion flag is switched to the combustion flag fCmb = 0 and the lean operation permission flag fL = 1 (lean operation / stratified combustion). At this time, the fTBA1 having a value less than 1.0 according to the target torque and the rotation speed is obtained as shown in FIG. The calculation is performed as shown by the one-dot chain line at the top (steps 27 and 29 in FIG. 7).
[0102]
Further, the total target equivalence ratio tFBYA is set to the temperature raising equivalence ratio TFL since the operation is in the lean operation / stratified combustion region and the catalyst temperature Tc has not reached the activation temperature TcL (steps 32, 34 and 35 in FIG. 7). , 36), since the target equivalent ratio tFBYA2 of the additional injection is calculated by tFBYA2 = tFBYA-tFBYA1 (steps 41 and 42 in FIG. 7), the additional injection for increasing the temperature of the catalyst is performed.
[0103]
The temperature rise equivalent ratio TFL is slightly smaller than 1.0 (corresponding to the stoichiometric air-fuel ratio) as shown by the solid line when viewed at the top of FIG. The difference between the total target equivalence ratio tFBYA shown by the solid line and the target equivalence ratio tFBYA1 of the main injection shown by the one-dot chain line is the target equivalence ratio tFBYA2 of the additional injection, and when the additional injection is performed by the difference, As shown in the second stage of FIG. 12, the catalyst temperature Tc rises sharply.
[0104]
Since the catalyst 10 is in an inactive state during the additional injection, if the fuel due to the additional injection remains in the exhaust passage 9, the fuel is not purified by the catalyst 10 but is discharged to the atmosphere and deteriorates the exhaust. When the air-fuel ratio of the exhaust gas is rich, no matter how much the reburning of the exhaust gas is promoted, the amount of oxygen required to completely burn the fuel for the additional injection is insufficient. It is discharged and deteriorates exhaust gas.
[0105]
On the other hand, according to the present embodiment (the invention according to claim 10), the temperature rise equivalent ratio TFL includes a value slightly smaller than 1.0 (corresponding to the stoichiometric air-fuel ratio), that is, the fuel amount of the additional injection is included. The total target equivalent ratio tFBYA is determined such that the air-fuel ratio of the exhaust gas is slightly leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, and the fuel amount of the additional injection is adjusted so as to realize the total target equivalent ratio tFBYA. Therefore, when the catalyst temperature Tc has not reached the activation temperature TcL as in the case after the cold start, the unburned components discharged without being used for desorption and reduction of NOx trapped in the catalyst 10 are discharged. While suppressing the temperature, the catalyst 10 can be rapidly heated by exhaust gas reburning.
[0106]
At this time, since the total target equivalent ratio tFBYA (= TFL) is a value less than 1.0, the NOx trap amount Vn increases as shown in the lowermost part of FIG. 12 (steps 4, 5, and 5 in FIG. 2). 6).
[3] From t3 to t4:
When the catalyst temperature Tc rises and reaches the activation temperature TcL at the timing of t3, NOx trapped in the catalyst 10 can be desorbed and reduced even if not completely.
[0107]
In this case, when the engine is started, the enrichment request flag fR = 1 is forcibly set as described above, and since the stratified combustion state (fCmb = 0) continues from t3, the enrichment process is performed immediately from the timing of t3. to go into.
[0108]
In the enrichment process in the stratified combustion state, the NOx desorption amount per unit time dVnr is calculated, and the amount of the reducing agent corresponding to the NOx desorption amount per unit time dVnr is equal to the target reducing agent supply per unit time. The current intake air flow rate is calculated by dividing the target reducing agent supply amount tdVr per unit time by the intake air flow rate Qa, and performing a unit conversion to an equivalent ratio using a conversion coefficient C3. The equivalent ratio that can realize the target reducing agent supply amount tdVr per unit time is calculated by Qa, and 1.0 of the stoichiometric air-fuel ratio is added to the equivalent ratio to calculate the total target equivalent ratio tFBYA in the enrichment process. (Steps 32, 34, 37, 38, 39, 40 in FIG. 7).
[0109]
When the total target equivalent ratio tFBYA at the time of this enrichment processing is viewed at the top of FIG. 12, it is a value greatly exceeding 1.0 (corresponding to the stoichiometric air-fuel ratio) as indicated by the solid line. The difference between the total target equivalence ratio tFBYA shown by the solid line and the target equivalence ratio tFBYA1 of the main injection shown by the dashed line is the target equivalence ratio tFBYA2 of the additional injection. By introducing the fuel component into the catalyst 10, NOx trapped in the catalyst 10 is desorbed into the exhaust passage 9, and the desorbed NOx is reduced and purified using the unburned component as a reducing agent. The trap amount Vn decreases as shown in the lowermost part of FIG. 12 (steps 4, 9, and 10 in FIG. 2).
[0110]
When the NOx trap amount Vn becomes less than the NOx trap lower limit amount VnL at the timing of t4 due to the enrichment process in the stratified combustion state, the desorption / reduction of NOx trapped in the catalyst 10 is completed. The flag fR = 0 (steps 11 and 12 in FIG. 2), and the additional injection ends (steps 32, 34, 38, 37, 41 and 43 in FIG. 7).
[0111]
As described above, according to the present embodiment (the invention of claim 1), when the enrichment process is required in the stratified combustion state, the additional injection is performed when the catalyst temperature Tc reaches the activation temperature TcL, and the main injection is performed. The air-fuel ratio, which is determined by the fuel amount and the intake air amount together with the injection amount, is set to be richer than the stoichiometric air-fuel ratio, and the operation is performed at the air-fuel ratio set to the rich side. Even in an operating region such as the region, as long as stratified combustion is performed in the operating region, the unburned components in the exhaust gas increase while the exhaust gas flow rate is increased by the additional injection. As a result, a sufficient amount of reducing agent (unburned components such as HC and CO) can be introduced into the catalyst, and NOx trapped in the catalyst 10 can be sufficiently desorbed and reduced.
[0112]
In addition, the exhaust gas re-combustion accompanying the additional injection increases the exhaust gas temperature even when the exhaust gas temperature is relatively low, such as in a low load region, thereby preventing the temperature of the catalyst 10 from decreasing and reducing the activity of the catalyst 10. The effect of being able to maintain is also obtained.
[0113]
In general, desorption and reduction of NOx trapped in the catalyst 10 are more actively performed in an atmosphere where there is no oxygen and only a reducing component exists than in an atmosphere where oxygen and a reducing component coexist. According to this embodiment (invention of claim 4), the unburned component combustion promoting means is provided upstream of the catalyst 10, and the remaining oxygen in the exhaust gas is consumed by the combustion of the unburned component upstream of the catalyst 10 by the means. Therefore, the exhaust gas flowing into the catalyst 10 contains almost no oxygen and only a reducing component, so that NOx trapped in the catalyst 10 can be efficiently desorbed and reduced.
[0114]
In this case, the unburned component combustion promoting means is the volume portion 11 in the exhaust passage 9 upstream of the catalyst 10 and capable of retaining and stirring the exhaust gas (the invention of claim 5). Can be obtained with an inexpensive and simple hardware configuration.
[0115]
Further, when the catalyst temperature Tc has not reached the activation temperature TcL in the case where the enrichment process is required in the stratified combustion state, the catalyst is operated at the air-fuel ratio set to the lean side with additional injection, thereby performing the catalyst. 10, when the catalyst temperature Tc reaches the activation temperature TcL, the additional injection is continued and the operation is performed at the air-fuel ratio set on the rich side accompanied by the additional injection. Invention), it is possible to prevent a decrease in the temperature of the catalyst 10 which is concerned when the additional injection is temporarily stopped after the catalyst temperature Tc reaches the activation temperature TcL.
[0116]
Further, it is desirable that the exhaust gas reburning by additional injection for desorbing and reducing NOx trapped in the catalyst 10 be performed until almost no residual oxygen is present in the exhaust gas. It is advantageous. According to the present embodiment (the invention according to claim 12), the enrichment process is continuously performed after the catalyst temperature Tc reaches the activation temperature TcL. Therefore, when performing the enrichment process, the residual oxygen in the exhaust gas is substantially reduced. It is possible to realize a state where there is no fuel, thereby improving the efficiency of desorption / reduction of NOx trapped in the catalyst 10 and preventing a decrease in fuel efficiency of the additional fuel consumed for raising the temperature again. The effect is also obtained.
[0117]
Further, in the stratified combustion state, the operation from the air-fuel ratio set on the lean side with additional injection (catalyst temperature increase control) to the operation on the air-fuel ratio set on the rich side with additional injection (enrichment processing). At the time of the shift, the target equivalent ratio tFBYA1 of the main injection is not changed before and after the shift, and only the target equivalent ratio tFBYA2 of the additional injection is changed (the empty amount of the main injection determined by the fuel amount of the main injection and the intake air amount). Since the fuel amount of the additional injection is increased without changing the fuel ratio (the invention according to claim 13), there is no torque step at the time of transition from the catalyst temperature increase control to the enrichment process, and therefore, the catalyst temperature increase No torque shock occurs at the time of transition from the control to the enrichment process.
[0118]
When the engine is stopped in a state where a large amount of NOx trapped in the catalyst 10 remains, even if the catalyst 10 is activated after the next engine start, the NOx remaining in the catalyst 10 is once desorbed and reduced. However, according to the present embodiment (the invention of claim 6), when the engine is started, regardless of the amount of NOx trapping, forced NOx trapping performance cannot be obtained. Since the enrichment request flag fR = 1 (that is, the enrichment process is required), the enrichment process is performed every time the catalyst temperature Tc reaches the activation temperature TcL in the stratified combustion state after the engine is started. As a result, there is no NOx remaining in the catalyst 10. As a result, NOx in the exhaust gas can be efficiently trapped in the catalyst 10 during the lean operation at the time t4.
[4] After t4:
After t4, the combustion state is controlled in accordance with the two flags fCmb and fL set in step 21 in FIG. The figure shows a case where the engine is still in the lean operation / stratified combustion region after t4 (fL = 1 and fCmb = 0), while changing the accelerator opening and the rotation speed. At this time, the total target equivalent ratio tFBYA (= the target equivalent ratio tFBYA1 of the main injection) changes according to the target torque and the rotation speed, and the catalyst temperature Tc and the NOx trap amount Vn change accordingly.
[0119]
That is, the NOx trap amount Vn increases due to the continuation of the lean operation and the stratified combustion (steps 4, 5, and 6 in FIG. 2). If the NOx trap amount eventually becomes larger than the NOx trap upper limit amount VnH at the timing of t5, the enrichment request flag is set. fR = 1 (steps 7 and 8 in FIG. 2). At this time, since the stratified combustion state is established, the enrichment process by the additional injection is performed while performing the stratified combustion by the main injection (steps 32, 34, and 38 in FIG. 7). , 39, 40, 41, 42).
[0120]
In this case, according to the present embodiment (the invention of claim 8), if the NOx trap amount at which a good NOx trap rate cannot be maintained is set as the NOx trap upper limit amount VnH (predetermined value), NOx in the stratified combustion state is set. Before the trap amount increases and a good NOx trap rate cannot be maintained, the NOx trapped in the catalyst 10 is desorbed / reduced, thereby suppressing the deterioration of the fuel consumption due to the enrichment process while suppressing the NOx. The trap rate can be kept high.
[0121]
In the drawing, the time scale after t4 is different from the time scale up to t4, and it goes without saying that the time scale after t4 is much larger than the time scale up to t4. The movement of Vn is also indicated by a simple straight line.
[0122]
In the embodiment, the equivalence ratio is partially described instead of the air-fuel ratio. However, the portion calculated based on the equivalence ratio may be calculated based on the air-fuel ratio. For example,
1) Calculate the NOx desorption amount dVnr per unit time,
2) A reducing agent amount corresponding to the NOx desorption amount dVnr per unit time is set as a target reducing agent supply amount tdVr per unit time,
3) The target reducing agent supply amount tdVr per unit time is divided by the intake air flow rate Qa, and the value is converted into an equivalent ratio by using a conversion coefficient C3 to obtain a unit time at the current intake air flow rate Qa. Calculate the equivalent ratio that can achieve the target reducing agent supply amount tdVr per
4) By adding 1 / stoichiometric air-fuel ratio to this, the total target equivalent ratio tFBYA at the time of the enrichment processing was calculated.
But instead of this
1) Calculate the NOx desorption amount dVnr per unit time,
2) Calculate a reducing agent amount corresponding to the NOx desorption amount dVnr per unit time as a target reducing agent supply amount tdVr per unit time,
3 ′) By dividing the intake air flow rate Qa by the target reducing agent supply amount tdVr per unit time, an air-fuel ratio capable of realizing the target reducing agent supply amount tdVr per unit time with the current intake air flow rate Qa is calculated.
4 ') A value obtained by subtracting this from 14.7 which is the stoichiometric air-fuel ratio is set as the rich-side air-fuel ratio at the time of executing the additional injection.
This may be done (the invention according to claim 11).
[0123]
In the embodiment, the case where the unburned component combustion promoting means is the volume portion 11 in the exhaust passage 9 upstream of the catalyst 10 and capable of retaining and stirring exhaust gas is described, but the present invention is not limited to this. Any means may be used as long as the means promotes the combustion of unburned components in the exhaust gas generated by executing the injection upstream of the catalyst 10 (the invention according to claim 4).
[0124]
In the embodiment, when performing the additional injection for raising the catalyst temperature in the stratified combustion state, the air-fuel ratio determined by the total fuel amount of the additional injection and the main injection and the intake air amount is slightly smaller than the stoichiometric air-fuel ratio. As described in the case of setting on the lean side, this is to give a margin from the stoichiometric air-fuel ratio.Therefore, the air-fuel ratio determined by the total fuel amount of the additional injection and the main injection and the intake air amount is theoretically determined. The air-fuel ratio may be set.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a control system diagram of one embodiment.
FIG. 2 is a flowchart for explaining setting of a rich request flag;
FIG. 3 is a characteristic diagram of NOx concentration.
FIG. 4 is a characteristic diagram of a NOx trap rate.
FIG. 5 is a characteristic diagram of a NOx desorption rate.
FIG. 6 is a flowchart for setting a combustion state and calculating a target equivalent ratio.
FIG. 7 is a flowchart for setting a combustion state and calculating a target equivalent ratio.
FIG. 8 is a characteristic diagram of a combustion flag.
FIG. 9 is a characteristic diagram of a lean operation permission flag.
FIG. 10 is a characteristic diagram of a target torque with respect to an accelerator opening.
FIG. 11 is a characteristic diagram of a target equivalent ratio of main injection during lean operation.
FIG. 12 is a waveform chart for explaining an operation from a cold start in one embodiment.
[Explanation of symbols]
1 Engine body
7 Fuel injection valve (fuel injection means)
10 Catalyst
11 volume part (unburned component combustion promotion means)
21 Controller
28 Catalyst temperature sensor

Claims (13)

活性状態において排気の空燃比がリーンのときにNOxをトラップし、排気の空燃比が理論空燃比またはリッチのときにトラップしたNOxを脱離すると共に、この脱離したNOxを排気中の還元成分を用いて還元浄化する機能を有する触媒を排気通路に備える一方、
燃焼室内に直接的に燃料を噴射供給する燃料噴射手段と、
この燃料噴射手段の主噴射の時期を相違させることによりリーン運転時に均質燃焼または成層燃焼を選択的に行わせ得る主噴射実行手段と、
触媒温度を検出する触媒温度検出手段と、
成層燃焼状態でリッチ化処理が必要となった場合において触媒温度が活性温度に到達したとき、成層燃焼状態での膨張行程または排気行程で追加噴射を行う追加噴射実行手段と、
この追加噴射を実行する際に、追加噴射と主噴射との合計の燃料量と吸入空気量とで定まる空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に設定し、そのリッチ側に設定した空燃比での運転を行うリッチ運転手段と、
成層燃焼状態でリッチ化処理が必要となった場合において触媒温度が完全暖機温度より高いとき、前記追加噴射を禁止する追加噴射禁止手段と
を備えることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
In the active state, when the air-fuel ratio of the exhaust gas is lean, NOx is trapped, and when the air-fuel ratio of the exhaust gas is the stoichiometric air-fuel ratio or rich, the trapped NOx is desorbed. While providing a catalyst having a function of reducing and purifying using exhaust gas in the exhaust passage,
Fuel injection means for directly injecting fuel into the combustion chamber,
Main injection execution means capable of selectively performing homogeneous combustion or stratified combustion during lean operation by making the main injection timing of the fuel injection means different,
Catalyst temperature detecting means for detecting a catalyst temperature;
Additional injection performing means for performing additional injection in the expansion stroke or the exhaust stroke in the stratified combustion state, when the catalyst temperature reaches the activation temperature in the case where the enrichment processing is required in the stratified combustion state,
When performing this additional injection, the air-fuel ratio determined by the total fuel amount of the additional injection and the main injection and the intake air amount is set to be richer than the stoichiometric air-fuel ratio, and the air-fuel ratio is set to the rich side. Rich driving means for driving the vehicle,
An exhaust gas purifying apparatus for an engine, comprising: additional injection prohibiting means for prohibiting the additional injection when the catalyst temperature is higher than the complete warm-up temperature when the enrichment process is required in the stratified combustion state.
活性温度は触媒にトラップされているNOxを、完全ではないがある程度、脱離・還元できる触媒温度であることを特徴とする請求項1に記載のエンジンの排気浄化装置。2. The exhaust gas purifying apparatus for an engine according to claim 1, wherein the activation temperature is a catalyst temperature at which NOx trapped in the catalyst can be desorbed and reduced to some extent, if not completely. 成層燃焼を行わせる運転域はエンジンの低負荷域であることを特徴とする請求項1に記載のエンジンの排気浄化装置。2. The exhaust gas purifying apparatus for an engine according to claim 1, wherein the operation range in which the stratified combustion is performed is a low load range of the engine. 追加噴射を実行することにより生じる排気中の未燃成分の燃焼を触媒よりも上流で促進する未燃成分燃焼促進手段を設けたことを特徴とする請求項1に記載のエンジンの排気浄化装置。2. The exhaust gas purifying apparatus for an engine according to claim 1, further comprising an unburned component combustion promoting means for promoting the combustion of unburned components in the exhaust gas generated by performing the additional injection upstream of the catalyst. 未燃成分燃焼促進手段は、触媒よりも上流の排気通路にあって排気を滞留、攪拌させ得る容積部であることを特徴とする請求項4に記載のエンジンの排気浄化装置。5. The exhaust gas purifying apparatus for an engine according to claim 4, wherein the unburned component combustion promoting means is a volume in an exhaust passage upstream of the catalyst and capable of retaining and stirring exhaust gas. エンジンの始動時は強制的にリッチ化処理が必要となった場合とすることを特徴とする請求項1に記載のエンジンの排気浄化装置。2. The exhaust gas purifying apparatus for an engine according to claim 1, wherein the enrichment process is forcibly performed when the engine is started. 触媒にトラップされているNOxトラップ量を推定するNOxトラップ量推定手段を備え、成層燃焼状態でこのNOxトラップ量推定手段により推定されるNOxトラップ量が所定値VnHを超えたときリッチ化処理が必要となったと判定することを特徴とする請求項1に記載のエンジンの排気浄化装置。NOx trap amount estimating means for estimating the NOx trap amount trapped in the catalyst is provided. When the NOx trap amount estimated by the NOx trap amount estimating means exceeds a predetermined value VnH in a stratified combustion state, enrichment processing is required. The exhaust gas purifying apparatus for an engine according to claim 1, wherein it is determined that the following condition is satisfied. 所定値は良好なNOxトラップ率を維持できなくなるNOxトラップ量であることを特徴とする請求項7に記載のエンジンの排気浄化装置。The exhaust gas purifying apparatus for an engine according to claim 7, wherein the predetermined value is a NOx trap amount at which a good NOx trap rate cannot be maintained. エンジンの運転を停止した後、少なくとも再始動時までNOxトラップ量を記憶させておくことを特徴とする請求項7に記載のエンジンの排気浄化装置。8. The exhaust gas purifying apparatus for an engine according to claim 7, wherein after stopping the operation of the engine, the NOx trap amount is stored at least until restarting. 成層燃焼状態でリッチ化処理が必要となった場合において触媒温度が活性温度に到達していないとき、成層燃焼状態での膨張行程または排気行程で追加噴射を行う追加噴射実行手段と、この追加噴射を実行する際に、追加噴射と主噴射との合計の燃料量と吸入空気量とで定まる空燃比を理論空燃比よりもわずかにリーン側に設定し、そのリーン側に設定した空燃比での運転を行うリーン運転手段とを備えることを特徴とする請求項1に記載のエンジンの排気浄化装置。Additional injection executing means for performing additional injection in an expansion stroke or an exhaust stroke in a stratified combustion state when the catalyst temperature has not reached the activation temperature in a case where the enrichment processing is required in the stratified combustion state; When performing the above, the air-fuel ratio determined by the total fuel amount of the additional injection and the main injection and the intake air amount is set slightly leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, and the air-fuel ratio at the air-fuel ratio set on the lean side is set. The exhaust gas purifying apparatus for an engine according to claim 1, further comprising a lean operating means for performing an operation. 追加噴射を実行する際に、追加噴射と主噴射との合計の燃料と吸入空気量とで定まる空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に設定する空燃比設定手段は、単位時間当たりのNOx脱離量を算出する手段と、この単位時間当たりのNOx脱離量に見合う量の還元剤量を単位時間当たりの目標還元剤供給量として算出する手段と、吸入空気流量をこの単位時間当たりの目標還元剤供給量で除することにより現在の吸入空気流量で単位時間当たりの目標還元剤供給量を実現できる空燃比を算出する手段と、これを理論空燃比から差し引いた値を、追加噴射を実行する際のリッチ側の空燃比として設定する手段とからなることを特徴とする請求項1に記載のエンジンの排気浄化装置。When executing the additional injection, the air-fuel ratio setting means for setting the air-fuel ratio determined by the total fuel of the additional injection and the main injection and the amount of intake air to be richer than the stoichiometric air-fuel ratio is provided by NOx removal per unit time. Means for calculating a separation amount; means for calculating a reducing agent amount corresponding to the NOx desorption amount per unit time as a target reducing agent supply amount per unit time; and setting the intake air flow rate to the target per unit time. A means for calculating the air-fuel ratio that can achieve the target reducing agent supply amount per unit time at the current intake air flow rate by dividing by the reducing agent supply amount, and executing the additional injection by subtracting this from the stoichiometric air-fuel ratio 2. The exhaust gas purifying apparatus for an engine according to claim 1, further comprising means for setting the air-fuel ratio on the rich side when the engine is running. 活性状態において排気の空燃比がリーンのときにNOxをトラップし、排気の空燃比が理論空燃比またはリッチのときにトラップしたNOxを脱離すると共に、この脱離したNOxを排気中の還元成分を用いて還元浄化する機能を有する触媒を排気通路に備える一方、
燃焼室内に直接的に燃料を噴射供給する燃料噴射手段と、
この燃料噴射手段の主噴射の時期を相違させることによりリーン運転時に均質燃焼または成層燃焼を選択的に行わせ得る主噴射実行手段と、
触媒温度を検出する触媒温度検出手段と、
成層燃焼状態でリッチ化処理が必要となった場合において触媒温度が活性温度に到達していないとき、成層燃焼状態での膨張行程または排気行程で追加噴射を行う追加噴射実行手段と、
この追加噴射を実行する際に、追加噴射と主噴射との合計の燃料量と吸入空気量とで定まる空燃比を理論空燃比よりもわずかにリーン側に設定し、そのリー側に設定した空燃比での運転を行うリーン運転手段と、
成層燃焼状態でリッチ化処理が必要となった場合において前記追加噴射を伴うリーン側に設定した空燃比での運転により触媒温度が活性温度に到達したとき、前記追加噴射を継続して行う追加噴射継続実行手段と、
この追加噴射を継続実行する際に、追加噴射と主噴射との合計の燃料量と吸入空気量とで定まる空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に設定し、そのリッチ側に設定した空燃比での運転を行うリッチ運転手段と
を備えることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
In the active state, when the air-fuel ratio of the exhaust gas is lean, NOx is trapped, and when the air-fuel ratio of the exhaust gas is the stoichiometric air-fuel ratio or rich, the trapped NOx is desorbed. While providing a catalyst having a function of reducing and purifying using exhaust gas in the exhaust passage,
Fuel injection means for directly injecting fuel into the combustion chamber,
Main injection execution means capable of selectively performing homogeneous combustion or stratified combustion during lean operation by making the main injection timing of the fuel injection means different,
Catalyst temperature detecting means for detecting a catalyst temperature;
When the catalyst temperature has not reached the activation temperature when the enrichment process is required in the stratified combustion state, additional injection execution means for performing additional injection in the expansion stroke or the exhaust stroke in the stratified combustion state,
When performing this additional injection, the air-fuel ratio determined by the total fuel amount of the additional injection and the main injection and the intake air amount is set slightly leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, and the air set on the lean side is set. Lean operating means for operating at a fuel ratio;
When the enrichment process becomes necessary in the stratified combustion state, the additional injection is performed by continuously performing the additional injection when the catalyst temperature reaches the activation temperature by the operation at the air-fuel ratio set to the lean side accompanied by the additional injection. Continuation execution means,
When the additional injection is continuously performed, the air-fuel ratio determined by the total fuel amount of the additional injection and the main injection and the intake air amount is set to be richer than the stoichiometric air-fuel ratio, and the air-fuel ratio set to the rich side is set. An exhaust purification device for an engine, comprising: rich operation means for performing the operation in the engine.
追加噴射を伴うリーン側に設定した空燃比での運転より追加噴射を伴うリッチ側に設定した空燃比での運転への移行に際して、主噴射の燃料量と吸入空気量とで定まる主噴射の空燃比は変更せず、追加噴射の燃料量を増加させることを特徴とする請求項12に記載のエンジンの排気浄化装置。When shifting from the operation with the air-fuel ratio set on the lean side with additional injection to the operation with the air-fuel ratio set on the rich side with additional injection, the main injection air determined by the fuel amount of the main injection and the intake air amount 13. The exhaust gas purifying apparatus for an engine according to claim 12, wherein the fuel amount of the additional injection is increased without changing the fuel ratio.
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