JP2004257258A - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＥＧＲが行われている成層燃焼から均質燃焼へ切り替える際に、空燃比を一気に切り替えても失火しない燃焼切り替え制御装置を提供する。
【解決手段】成層燃焼と均質燃焼との燃焼切り替えが可能な筒内噴射式内燃機関において、排気の一部を少なくとも成層燃焼運転時に吸気中に還流させる排気還流手段と、機関運転中にリーン成層燃焼からストイキまたはリッチ均質燃焼への切り替えを要求する燃焼切り替え要求手段と、前記燃焼切り替え要求手段から均質燃焼要求が出された時に成層燃焼から均質燃焼に切り替え、かつ、切り替え時に一時的に成層燃焼時の点火栓周りの空燃比と略同等の空燃比となるように空燃比を濃くする空燃比補正手段とを備える。
【選択図】 図２
【解決手段】成層燃焼と均質燃焼との燃焼切り替えが可能な筒内噴射式内燃機関において、排気の一部を少なくとも成層燃焼運転時に吸気中に還流させる排気還流手段と、機関運転中にリーン成層燃焼からストイキまたはリッチ均質燃焼への切り替えを要求する燃焼切り替え要求手段と、前記燃焼切り替え要求手段から均質燃焼要求が出された時に成層燃焼から均質燃焼に切り替え、かつ、切り替え時に一時的に成層燃焼時の点火栓周りの空燃比と略同等の空燃比となるように空燃比を濃くする空燃比補正手段とを備える。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射エンジンにおいて成層燃焼から均質燃焼へ切り替える時の空燃比の制御方法に特徴のある燃焼切り替え制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
筒内噴射エンジンのリーン運転中に空燃比のリッチ要求が発生した場合には、成層燃焼から均質燃焼へ切り替えるとともに燃料噴射量を増量し、それに伴い点火時期を遅角化し、空燃比変化によるトルク変化を抑える方法が特許文献１に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−２７０３８１号公報
【０００４】
【本発明が解決しようとする課題】
しかしながら、成層燃焼時にＮＯｘ排出量を抑えるために排気還流（ＥＧＲ）量が吸入空気量の２０〜３０％導入されている場合には、たとえ切り替え後の均質燃焼において燃料噴射量を増量したとしても、成層燃焼から均質燃焼へ一気に切り替えると残留ＥＧＲガスにより失火してしまうため、特許文献１に開示された方法では残留ＥＧＲ率が十分に低下するまで均質燃焼に切り替えることができない。
【０００５】
また、失火を防ぐために、燃焼切り替え前にＥＧＲを切り、ＥＧＲ率が低下するのを待ってから均質燃焼へ切り替えると、ＥＧＲを切ることで燃焼切り替え直前のＮＯｘ濃度が高くなり、この結果処理されずに排出されるＮＯｘの量が増加してしまう。
【０００６】
そこで、本発明は成層燃焼から均質燃焼へ切り替える際に、空燃比を一気に切り替えても失火しない燃焼切り替え制御装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃焼切り替え装置は、排気の一部を少なくとも成層燃焼運転時に吸気中に還流させる排気還流手段を備えた、成層燃焼と均質燃焼との燃焼切り替えが可能な筒内噴射式内燃機関において、成層燃焼から均質燃焼への切り替え時に、成層燃焼時の点火栓周りの空燃比と略同等の空燃比となるように一時的に均質燃焼の空燃比を濃くする空燃比補正手段とを備える。
【０００８】
【作用・効果】
本発明によれば、加速時や坂道走行で内燃機関に高負荷がかかり、成層燃焼から均質燃焼へと切り替える場合などに、切り替え後の空燃比を成層燃焼時の点火栓周りの空燃比とほぼ同じになるように制御するので、排気還流ガスが残留していても切り替え直後に失火してしまうことを防止でき、かつ、残留排気還流ガスがなくなるまで待つ必要も無く短時間で燃焼状態を切り替えることが可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１０】
図１は本実施形態のシステム構成を示した図である。１は内燃機関、２は内燃機関１のシリンダヘッドであり、シリンダヘッド２の吸気ポート１５には吸気通路２６の一部となる吸気マニホールド１７を接続する。吸気通路２６はさらに吸気マニホールド１７の上流にはコレクタ２２、さらにその上流には吸入空気量を制御するスロットル弁１４、エアクリーナ２１から吸入した吸入空気量を検出するエアフローメータ７およびエアクリーナ２１を備える。スロットル弁１４近傍には、スロットル開度を検出するスロットルセンサー８を設ける。
【００１１】
シリンダヘッド２の排気ポート１６には排気マニホールド１８が接続して、その下流には酸素ストレージ能力を有し排気中のＣＯ、ＨＣの酸化とＮＯｘの還元とを行って排気を浄化する三元触媒１１を配置する。さらにその下流の排気通路９には、内燃機関がリーン混合気を燃焼させる時に排気ガスに含まれるＮＯｘをトラップし、ストイキもしくはリッチ混合気を燃焼させるときにＮＯｘを放出するとともに、放出されたＮＯｘを排気ガス中の未燃ＨＣ、ＣＯによって還元するＮＯｘ浄化用触媒５を設ける。
【００１２】
排気マニホールド１８には空燃比センサー１０を配置する。排気マニホールド１８とコレクタ２２を連通し、排気の一部を吸気系に還流するＥＧＲ通路１９を設け、その中間には排気還流量を制御するＥＧＲ弁２０を設ける（排気還流手段）。
【００１３】
燃料噴射弁３を燃焼室２５に臨むように設けるとともに、燃焼室２５内の混合気に点火するための点火栓４を設ける。
【００１４】
燃料噴射弁３、点火栓４およびＥＧＲ弁２０の制御を行うためにコントロールユニット６が備えられる。このためコントロールユニット６には、吸入空気量を検出するエアフローメータ７、スロットル開度を検出するスロットルセンサー８、空燃比を検出する空燃比センサー１０、機関回転数を検出する図示しない回転数センサからの回転信号およびエンジン冷却水の温度を検出する水温センサー１２からの信号等が入力し、これらに基づいて以下のような制御を行う。
【００１５】
内燃機関１の低・中負荷運転領域においては空燃比をリーンに制御し、内燃機関１の圧縮行程で燃料噴射弁３から燃料噴射を行わせ、燃焼室２５内の点火栓４の周辺にのみ可燃混合気層を集中的に形成して成層燃焼を行う。なお、この時ＥＧＲ弁２０を開弁してＥＧＲを行うことにより、燃焼温度を下げてＮＯｘを低減させる。高負荷運転領域においては、コントロールユニット６は、成層燃焼から均質燃焼への燃焼状態の切り替えを要求し、空燃比をストイキ空燃比またはリッチ空燃比に制御し、内燃機関１の吸入行程で燃料噴射して燃焼室２５内全体に略均質な空燃比の混合気を形成して均質燃焼を行う。そしてこの時、ＥＧＲ弁は開度が減少させられてＥＧＲ量は減少する、もしくは閉弁することによってＥＧＲ（排気還流）が止められる。
【００１６】
また、コントロールユニット６は低・中負荷運転領域における成層燃焼時であっても、均質燃焼要求を出して均質燃焼に切り替える。均質燃焼要求が出されるのは、前記高負荷時に加えて以下のような場合である。
【００１７】
例えば成層燃焼が一定時間以上続いた場合に、ＮＯｘ浄化用触媒５にトラップされたＮＯｘ量が多くなり、放出する必要がある場合。この場合はコントロールユニット６によって成層燃焼での運転時間を読み込み、予め定めた所定時間に達した時に均質燃焼要求を出す。
【００１８】
他には、ブレーキマスターバックの負圧が不足している場合である。これはブレーキの制動力を増大させるブレーキマスターバックは吸気管負圧によって作動するが、リーン混合気の燃焼中はスロットル弁１４の開度が相対的に大きいため吸気管負圧が小さく、制動倍力効果が低下してしまう。そこで均質燃焼要求を出してスロットル開度を小さくする必要がある。この場合は図示しない圧力センサーなどによってアキュームレータの負圧がコントロールユニット６に入力されて、ブレーキマスターバックの負圧不足を検出する。
【００１９】
ところで、成層燃焼時の点火栓４の近傍の空燃比に着目すると、ストイキよりも濃い空燃比（燃料割合の多いリッチ空燃比）となっている。このため、多量のＥＧＲガスが導入されていても失火せずに燃焼することが可能となっている。しかしながら燃焼状態を均質燃焼へと切り替える場合に筒内全体の空燃比を、単純に均質燃焼に要求されるストイキ空燃比またはリッチ空燃比とすると、燃焼切り替え直後は成層燃焼時に導入されるＥＧＲガスが残留することで生じる残留ＥＧＲガスの影響により、エンジンは失火する恐れがある。
【００２０】
本発明ではこのような燃焼切り替え時のエンジン安定性を維持するために、コントロールユニット６は燃焼切り替え時に空燃比を均質燃焼に要求される空燃比よりも一時的に濃い状態、すなわち成層燃焼時の点火栓周りの空燃比と略同等の空燃比（切り替えリッチスパイク）となるように制御し、その後に均質燃焼に要求されるストイキ空燃比またはリッチ空燃比となるようにする（空燃比補正手段）。
【００２１】
ここで、図６〜図９のフローチャートを参照して、コントロールユニット６で行う燃焼切り替え時の空燃比の制御について説明する。なお、これ以降均質燃焼に要求される空燃比はストイキ空燃比の場合として説明する。
【００２２】
始めに目標当量比から、実際に燃料供給を行なう場合の当量比、すなわち実当量比を求めるフローについて図８を使って説明する。
【００２３】
本フローは、本発明による切り替えリッチスパイクが行われる場合のみならず、切り替えリッチスパイクが行なわれない通常時においても実行される。
【００２４】
ステップＳ３０１で目標当量比が均質燃焼要求の有無、アクセル開度、エンジン回転数に基づき、例えば燃焼状態毎に設けられたアクセル開度とエンジン回転数を座標軸としたマップの参照から求められる。次にステップＳ３０２では、後述する切り替えリッチスパイク制御を行う場合に要求される実当量比１００％要求の有無を判断し、切り替えリッチスパイク制御を行わない場合、すなわち通常時には実当量比１００％要求は行われず、ステップＳ３０４進み、実当量比ＴＦＢＹＡは目標当量比を重み付け係数αにより前回当量比との重み付けを行ってなまし処理した値として、実際に燃料供給を行う場合の当量比とする。１００％要求があった場合にはステップＳ３０３に進んで実当量比ＴＦＢＹＡは目標当量比に一致した値とされる。そして切り替えリッチスパイクを行う間、当量比は上記で求めた実当量比ＴＦＢＹＡ（実際には目標当量比の１００％）に、さらに切換えリッチスパイク分の燃料増量、すなわちスパイク高さを足し合わせたものとして制御される。
【００２５】
図６はリーンからストイキへの空燃比の切り替え時に、空燃比を一時的に濃くする切り替えリッチスパイク高さを求めるルーチンである。
【００２６】
ステップＳ１０１で、均質燃焼要求があるか否かの判定を行い、ある場合はステップＳ１０２へ進む。一方、前記要求がなければステップＳ１１４にて切り替えリッチスパイク高さはゼロ、ステップＳ１１７にて切り替えリッチスパイク未終了とされ、次回の均質燃焼要求時に切り替えリッチスパイクが確実に実行されるように準備する。そして、当量比は図８ステップＳ３０４で求めた実当量比に制御される。
【００２７】
ステップＳ１０２では現在切り替えリッチスパイク中であるか否かの判定を行い、切り替えリッチスパイク中である場合はステップＳ１０３へ進む。もし均質燃焼要求が生じた直後であればリッチスパイク中ではないのでステップＳ１１５に進み、切り替えリッチスパイク終了済みか否かが判断される。切り替えリッチスパイク終了済みであればステップＳ１１３に進んで、切り替えリッチスパイク高さはゼロとされる。一方、切り替えリッチスパイクが未終了であれば、ステップＳ１０７へ進み、後述の方法で決められる燃焼切り替え時の燃焼室２５内のＥＧＲ率と所定のスパイク許可ＥＧＲ率とを比較する。ＥＧＲ弁２０は均質燃焼要求に基づき閉弁され、燃焼室２５内のＥＧＲ率は徐々に低下する。そしてスパイク許可ＥＧＲ率は、均質燃焼切り替え直後の一時的に濃い空燃比が、万一筒内全体に行き渡らなかった場合にも失火が生じないように、ＥＧＲ率が成層燃焼時よりも低下したところで均質燃焼に切り替える為に内燃機関の特性に合わせて予め設定することができる。
【００２８】
ＥＧＲ率がリッチスパイク許可ＥＧＲ率以下であったら、ステップＳ１０８へ進みリッチスパイク中とし、ステップＳ１０９で実当量比ＴＦＢＹＡを目標当量比に対して１００％要求することで、図８ステップＳ３０３で実当量比が目標当量比に一致するように設定されて、ステップＳ１１０へ進む。
【００２９】
ステップＳ１１０では後述の方法で算出されるＮＯｘ浄化用触媒にトラップしたＮＯｘの量（ＮＯｘトラップ量）と後述する理由によって予め設定したＮＯｘトラップ量（ＴＲＡＰＮＯｘ）とを比較し、ＮＯｘトラップ量がＴＲＡＰＮＯｘ以上であったらステップＳ１１１へ進み、スパイク高さをトラップ量が大きい場合のＥＧＲ率の関数で示される切り替えリッチスパイク高さｆ１（後述する図１２）として、これをステップＳ１０９で求めた目標当量比に一致する実当量比ＴＦＢＹＡに加算して終了する。
【００３０】
ＮＯｘトラップ量がＴＲＡＰＮＯｘより少なかったらステップＳ１１２へ進み、スパイク高さを同様にＥＧＲ率の関数で示されるｆ２（後述する図１３）として、これをステップＳ１０９で求めた目標当量比に一致する実当量比ＴＦＢＹＡに加算して終了する。なお、ｆ１はｆ２よりも大となる関係がある。
【００３１】
ステップＳ１０７でＥＧＲ率がリッチスパイク許可ＥＧＲ率より大きければステップＳ１１５で切り替えリッチスパイク終了済みとされていた場合と同じようにステップＳ１１３へ進み、リッチスパイク高さをゼロとして終了する（当量比は図８ステップＳ３０４で求めた実当量比に制御される）。
【００３２】
ステップＳ１１１またはステップＳ１１２で切り替えリッチスパイクが開始された結果、ステップＳ１０２で切り替えリッチスパイク中であると判定された場合には、ステップＳ１０３では、後述する方法で算出される、三元触媒１１にストレージされている酸素量の積算値（積算ストレージ量）をヒステリシスを設けて、実質的にストレージ量がゼロになるように決められた所定値ＦＩＮＯＳＣと比較して、所定値以下であったらステップＳ１０４でリッチスパイク終了とし、ステップＳ１０５でリッチスパイク高さをゼロとして終了する（当量比は、図８ステップＳ３０４で求めた実当量比に制御される）。
【００３３】
一方、ステップＳ１０３で酸素の積算ストレージ量が所定値ＦＩＮＯＳＣよりも多ければ、ステップＳ１０６に進み、実当量比ＴＦＢＹＡを目標当量比に対して１００％に設定のうえ、切り替えリッチスパイクを継続する。
【００３４】
三元触媒１１には酸素ストレージ能力があり、リーン燃焼（成層燃焼）中にストレージした酸素量が残存している間は、三元触媒１１による排気浄化作用は低下する。リッチスパイクを三元触媒１１の残存酸素量がなくなるまで行うことで、三元触媒１１による排気浄化がその後適切に行われる。また、ＮＯｘ浄化用触媒の上流側に位置する三元触媒にストレージされた酸素が残存していると、機関がリッチ燃焼を行っても、その下流側にはＨＣ、ＣＯが到達しにくくなるが、今回の均質燃焼要求がＮＯｘ触媒のＮＯｘ放出を目的としていた場合、それ以後（ストレージされた酸素量がなくなった後）は、ＮＯｘ触媒５でのＮＯｘ還元が開始可能となる。
【００３５】
このように、切り替え後の均質燃焼の空燃比を、成層燃焼時の点火栓周りの空燃比と略同等の空燃比とすることで、残留ＥＧＲ率が多い場合であっても、失火を生じることなく速やかに均質燃焼に切り替えられるとともに、三元触媒１１にストレージされた酸素量がなくなるまで切り替えリッチスパイクを継続することにより、リーン燃焼の間に触媒に蓄積された酸素を放出させて、その後に均質燃焼における排気浄化性能を向上させることができる。
【００３６】
ステップＳ１０７で用いるＥＧＲ率は、ＥＧＲ通路１９を経て還流する外部ＥＧＲ率と、燃焼室２５に残留する内部ＥＧＲ率の合計で示される。ＥＧＲ率の算出フローを図１４に示す。
【００３７】
ステップＳ４０１では外部ＥＧＲ率を算出する。外部ＥＧＲ率は、吸気通路２６の通路面積に対するＥＧＲ通路１９の通路面積の比、すなわちスロットル弁１４の開口面積に対するＥＧＲ弁２０の開口面積の比として算出することができる。ＥＧＲ弁およびスロットル弁の開口面積は、弁開度と開口面積の関係を予め記憶しておき、それぞれの弁開度制御信号に基づき算出することができる。また、吸入空気系に補助空気通路が構成される場合、吸気通路の開口面積に補助空気通路の開口面積を加算して、ＥＧＲ率の算出精度を向上させることができる。ところで、ステップＳ４０１算出式の分子に含まれるＥＧＲ弁開口面積には係数が掛け合わされているが、これはスロットル弁の背圧に対するＥＧＲ弁の背圧が異なる場合、例えば高回転時の排気ガス圧力上昇時にＥＧＲ通路１９を経て還流する外部ＥＧＲ率が増加傾向になることを補正するための係数であって、具体的には１以上で機関負荷の上昇に伴って増加するものとすることができる。また、分母には分子と同じＥＧＲ弁開口面積に係数が掛け合わされたものが含まれているが、これはスロットル弁開度が減少した場合にＥＧＲ率を正しく算出するために加算されたものである。
【００３８】
次にステップＳ４０２では内部ＥＧＲ率を算出する。内部ＥＧＲ率はエンジン吸排気弁の開閉時期から求まるオーバーラップ量と相関付けることができ、図１５のようにオーバーラップ量が増大すると内部ＥＧＲ率も増加する関係に基づいて算出される。
【００３９】
ステップＳ４０３では、外部ＥＧＲ率と内部ＥＧＲ率を足し合わせてＥＧＲ率を算出する。なお、ＥＧＲ弁１９を通過したＥＧＲおよびスロットル弁１４を通過した吸入空気はコレクタ２２に導入された後、コレクタの容積分だけ遅れを持って燃焼室２５に流入することになる。つまり、燃焼室２５におけるＥＧＲ率を示す実ＥＧＲ率はステップＳ４０３で算出されるＥＧＲ率とは異なるものである。従って次のステップＳ４０４以降では、ＥＧＲ率を前回の実ＥＧＲ率を使ってなまし処理することで燃焼室２５におけるＥＧＲ率である実ＥＧＲ率を求める。
【００４０】
ステップＳ４０４では、定数である加重平均基本値をエンジン回転数で割った値を加重平均係数として算出する。すなわち加重平均係数はエンジン回転数が高くなるのに伴い、より小さな値となる。次のステップＳ４０５では前回の実ＥＧＲ率である実ＥＧＲ率（ＯＬＤ）に加重平均係数を掛けたものと、ステップＳ４０３で算出したＥＧＲ率に１から加重平均係数を差し引いた値を掛けたものとの、和をとって実ＥＧＲ率（ステップＳ１０７のＥＧＲ率）とする。
【００４１】
ステップＳ１０３で用いる酸素量の積算ストレージ量は機関運転中の間、図７に示すルーチンによって、当量比と吸入空気量と積算Ｏ２ストレージ量に応じたストレージ率に応じて積算で求める。
【００４２】
ステップＳ２０１で実当量比ＴＦＢＹＡに図６のルーチンで決定したリッチスパイク高さを加えたものを補正後当量比ａとして読み込む。
【００４３】
ステップＳ２０２では以下の式（１）によってＯ２ストレージ量（その時の補正後当量比によってストレージされ得る酸素の量）を算出する。
【００４４】
Ｏ２ストレージ量＝（１００％−ａ）×０．２×吸入空気量ＱＡ／１００％・・・（１）
ａ：実当量比ＴＦＢＹＡにリッチスパイク高さを加えた補正後当量比
※ 式中の「０．２」は空気中の酸素質量分率
ステップＳ２０３ではＯ２ストレージ量がゼロより小さいか否か、すなわち酸素が触媒から放出される状況か否かを判定し、ゼロより小さければ（酸素が触媒から放出される状況であれば）ステップＳ２０４でストレージ率を１としてステップＳ２０５に進む。
【００４５】
ステップＳ２０５では以下の式（２）によって積算ストレージ量を算出する。
【００４６】
積算ストレージ量＝積算ストレージ量（ｏｌｄ）＋Ｏ２ストレージ量×ストレージ率 ・・・（２）
積算ストレージ量（ｏｌｄ）：前回計算時の積算ストレージ量
ステップＳ２０３でＯ２ストレージ量がゼロ以上であった場合、すなわち酸素が触媒に蓄積される状況の場合にはステップＳ２０６以降において、Ｏ２ストレージ量の大小に応じて、実際に触媒に蓄積されるストレージの割合を示すストレージ率を変えて積算ストレージ量を算出する。
【００４７】
ステップＳ２０６では、Ｏ２ストレージ量が、その値を超えるとストレージ率が低いと判定する為の閾値ＯＬと積算Ｏ２ストレージ量とを比較して、積算Ｏ２ストレージ量がＯＬ以上であった場合はステップＳ２０７へ進む。
【００４８】
ステップＳ２０７では、積算Ｏ２ストレージ量がその値を超えると、ストレージ率がさらに低くなって、ストレージ率がゼロであると判定する為の閾値ＯＨと積算Ｏ２ストレージ量とを比較して、積算Ｏ２ストレージ量がＯＨ以上であった場合はステップＳ２０８でストレージ率をゼロとしてステップＳ２０５へ進み積算ストレージ量を算出する。
【００４９】
ステップＳ２０６でＯ２ストレージ量が前記ＯＬより小さかった場合にはステップＳ２１０へ進み、積算Ｏ２ストレージ量は比較的少ないことから、ストレージ率を相対的に大きな値であるＳＨとしてステップＳ２０５へ進み積算ストレージ量を算出する。
【００５０】
ステップＳ２０７でＯ２ストレージ量がＯＨより小さかった場合にはステップＳ２０９へ進み、ストレージ率をＳＨと比較すると相対的に小さな値であるＳＬとしてステップＳ２０５へ進み積算ストレージ量を算出する。
【００５１】
一方、図６のルーチンのＳ１１０で用いるＮＯｘ浄化用触媒５におけるＮＯｘトラップ量は、図９のルーチンにしたがって算出する。
【００５２】
ステップＳ５０１で内燃機関１の運転状態を表す回転数、負荷、ＥＧＲ率、空燃比（Ａ／Ｆ）を読み込む。
【００５３】
空燃比としては、実当量比ＴＦＢＹＡを基に算出することができる。
【００５４】
ステップＳ５０２では、ステップＳ５０１で読み込んだ内燃機関１の回転数、負荷、ＥＧＲ率、空燃比をパラメータとし、このパラメータと図１０に示す相関図からその運転状態におけるＮＯｘ濃度を求めてステップＳ５０３に進む。
【００５５】
図１０（Ａ）は内燃機関１の回転数と負荷に対するＮＯｘ濃度の特性図で、等ＮＯｘ濃度の場合、回転数と負荷は反比例することがわかる。
【００５６】
図１０（Ｂ）はＮＯｘ濃度とＥＧＲ率の関係を表しており、ＥＧＲ率が高くなるほどＮＯｘ濃度は下がることがわかる。
【００５７】
図１０（Ｃ）はＮＯｘ濃度と空燃比の関係を表しており、混合気がストイキ近辺の時、もしくはそれより若干リーンの時にＮＯｘ排出量が極大となっている。
【００５８】
ステップＳ５０３では以下の式（３）によってＮＯｘ量を算出する。
【００５９】
ＮＯｘ量＝ＮＯｘ濃度×吸入空気量 ・・・（３）
ステップＳ５０４では実当量比ＴＦＢＹＡが１以上か否かを判定し、１以上であった場合はステップＳ５０５に進み、積算ＮＯｘ量をゼロとして終了する。
【００６０】
ステップＳ５０４で実当量比ＴＦＢＹＡが１より小さい場合は、ステップＳ５０６に進み、式（４）によって積算ＮＯｘ量を算出して終了する。
【００６１】
積算ＮＯｘ量＝積算ＮＯｘ量（ｏｌｄ）＋ＮＯｘ量 ・・・（４）
積算ＮＯｘ量（ｏｌｄ）：前回計算時の積算ＮＯｘ量
上記の方法で算出した積算ＮＯｘ量と所定のＴＲＡＰＮＯｘとの比較で参照先を決定した、ＥＧＲ率の関数であるリッチスパイク高さｆ１、ｆ２について図１１、図１２、図１３を用いて説明する。
【００６２】
図１１はスパイク高さと時間の積であるスパイク量とＮＯｘ、ＣＯの排出量の関係を表したものであり、スパイク高さが小さい場合を太線で表し、大きい場合を細線で表している。
【００６３】
ＮＯｘ排出量は（切り替え）リッチスパイク高さが高い場合と比べて、スパイク高さが低い場合に僅かに増大するだけであるのに対して、ＣＯ排出量（およびＨＣ排出量）はスパイク高さが低い場合と比べて、スパイク高さが高い場合に大幅に増大することがわかる。ＮＯｘトラップ量が多い場合には、ＮＯｘ浄化用触媒から放出されるＮＯｘ量が多くなって、リッチスパイクで供給されるＨＣの消費量が増大するので、切り替えリッチスパイクの間であって成層燃焼時の点火栓周りの空燃比と略同等の空燃比となるように制御される均質燃焼の空燃比は、さらに若干リッチ側の値に制御される。そしてその程度はＥＧＲ率に対する失火を生じない上限リッチスパイク高さを示した図１２からわかるように、ＥＧＲ率が大きい場合には失火を生じさせないようにする観点から、成層燃焼時の点火栓周りの空燃比と略同等の空燃比（破線で示される高さ）となるように制御される一方、ＥＧＲ率が減少すると成層燃焼時の点火栓周りの空燃比と略同等の空燃比よりリッチ側となるように制御しても失火を生じることがなくなるのでＮＯｘ処理を優先させるためにＥＧＲ率の減少に伴ってリッチ側への修正量を増大するよう制御する。
【００６４】
一方、ＮＯｘトラップ量が少ない場合には、ＮＯｘ浄化用触媒から放出されるＮＯｘ量が少なくなって、リッチスパイクで供給されるＨＣの消費量が減少するので、切り替えリッチスパイクの間であって成層燃焼時の点火栓周りの空燃比と略同等の空燃比となるように制御される均質燃焼の空燃比は、若干リーン側の値に修正されて制御される。そしてその程度はＥＧＲ率に対する失火を生じさせない下限リッチスパイク高さを示した図１３からわかるように、ＥＧＲ率が大きい場合には失火を生じさせないようにする観点から、成層燃焼時の点火栓周りの空燃比と略同等の空燃比（破線で示される高さ）となるように制御される一方、ＥＧＲ率が減少すると成層燃焼時の点火栓周りの空燃比と略同等の空燃比より若干リーンとなるように制御しても失火を生じることがなくなるので、ＣＯ排出量の低減を優先させる為にＥＧＲ率の減少に伴ってリーン側への修正量を増大するように制御する。
【００６５】
以上のような観点付けに基づけば、図６の切り替えリッチスパイク高さを求めるルーチンのステップＳ１１０で用いる、予め設定されるＮＯｘトラップ量ＴＲＡＰＮＯＸは、例えば、トラップされたＮＯｘの放出完了直後の実質的にＮＯｘトラップ量がゼロとなるような時以外、すべてＮＯｘ処理を優先させるようにするならばゼロに設定すればよいし、切り替え後の均質燃焼でＮＯｘ処理はそもそも促進されるという考えに基づけば、ＴＲＡＰＮＯＸを高く設定してＣＯ排出量の低減を優先させることができる。
【００６６】
次に図２のタイムチャートを使って、本発明全体の作用を説明する。ｔ１でストイキ要求が出されると目標当量比をストイキ（＝１）にし、これに合わせてスロットル開度を調整して吸入空気量を低下させる。また、ＥＧＲバルブ２０の開度も調整して燃焼室２５内のＥＧＲ率を低下させる。
【００６７】
図２では均質燃焼要求直後、ＥＧＲ率が切り替えリッチスパイク許可ＥＧＲ率以下ではなかった場合を示しており、実当量比ＴＦＢＹＡは図８ステップＳ３０４で、前述した方法で計算する。ＴＦＢＹＡは徐々に増加し、空燃比を成層燃焼時の点火栓周りの空燃比と略同等の空燃比に一気切り替えても燃焼室２５内で失火しないＥＧＲ率になった時点（ｔ２）で、燃料噴射時期を圧縮行程から、吸気行程に切り替えて、成層燃焼から均質燃焼に切り替えるとともに、当量比を切り替えリッチスパイクが加えられた補正後当量比に一気に切り替える。この時、切り替え直後の均質燃焼では、空燃比を成層燃焼時の点火栓４周りの空燃比と略同等とすることで、ＥＧＲガスが燃焼室２５内に残留していても失火を生じることなく、速やかに燃焼切り替えを実施できる。
【００６８】
図３は点火栓４回りの拡大図である。成層燃焼時は、燃焼室２５全体の平均空燃比はリーンでも点火栓４周辺Ａの空燃比はストイキよりもリッチである。そのため、均質燃焼に比べてＥＧＲ率が高くても燃焼が成立する。
【００６９】
図４、図５は空燃比と着火性、燃焼速度の関係を表した特性図であり、着火性、燃焼速度ともに空燃比が成層燃焼時の点火栓４周りと略同等の空燃比である１１〜１２の時の方がどの空燃比よりも優れていることがわかる。
【００７０】
したがって、成層燃焼から均質燃焼に切り替える際に、燃焼室２５内全体を成層燃焼時の点火栓周辺Ａと略同等の空燃比で均質にすれば、燃焼室２５内にＥＧＲが残留していても、失火することがない。
【００７１】
この後、ｔ２から積算Ｏ２ストレージ量が所定値以下となるｔ３までは切り替え直後の当量比が維持されて（切り替えリッチスパイク）、補正後当量比は実当量比ＴＦＢＹＡにリッチスパイク高さを加えたものになる。切り替えリッチスパイクを積算Ｏ２ストレージ量が所定値以下となるまで継続するので、その直後から三元触媒１１による排気浄化作用が十分に得られるとともに、ＮＯｘ浄化用触媒でのＮＯｘ還元が開始可能となる。そして、図２の最下段に示されるように切り替えタイミングｔ２ではリッチ化に伴うトルク変動を点火時期のリタードによって吸収し、その後、徐々にリタード量を減少させてトルク変動を滑らかなものとする。ｔ３でリッチスパイクが終了した時点で燃焼切り替え終了である。
【００７２】
従来は、たとえ燃料増量を行なう場合であっても、残留ＥＧＲ率を考慮した燃料増量が行われていなかったため、失火しない程度まで残留ＥＧＲ率の低下を待つ必要が生じ、図２においてｔ１で均質燃焼要求があってから、本発明による切り替え時刻ｔ２を超えて成層燃焼を継続する必要があった。しかし本実施形態では、切り替え後の均質燃焼の空燃比を成層燃焼時の点火栓４周りの空燃比と略同等の空燃比となるようにしたので、残留ＥＧＲ率が高くても失火しない。よって残留ＥＧＲ率の低下に要する時間が短縮され、切り替え時間（ｔ１〜ｔ２）を短縮することができるので、切り替え直前にＮＯｘ濃度が高くなってＮＯｘ排出量が増大するのを抑えることができる。
【００７３】
以上により、本実施形態では、成層燃焼から均質燃焼へ切り替える際に、切り替え後の空燃比を成層燃焼時の点火栓４回りの空燃比と略同等の空燃比となるようにして一気に切り替えるので、切り替え後に失火することなく短時間で切り替えを終了することが可能である。
【００７４】
また、切り替え前のＥＧＲ量に基づいて切り替え後の空燃比を決定するので、切り替え後の空燃比を排気浄化処理に最適な空燃比に設定することが可能である。
【００７５】
切り替えリッチスパイクを積算Ｏ２ストレージ量が所定値以下となるまで継続するので、その直後から三元触媒１１による排気浄化作用が十分に得られるとともに、ＮＯｘ浄化用触媒でのＮＯｘ還元が開始可能となる。
【００７６】
そして、燃焼切り替え前の当量比と、切り替え直後のリッチスパイクを含めた当量比との間にトルクの差が生じる場合には、このトルクの差に応じて点火時期をリタードさせることでトルク変動の吸収を行う。この時のリタード量は、図２のタイムチャートに示すように、切り替え直後に最大で、徐々に小さくしていくことでトルク変動は滑らかなものとなる。
【００７７】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシステム構成を表す図である。
【図２】燃焼切り替え時のタイムチャートである。
【図３】成層燃焼時の点火栓周りの様子を表す図である。
【図４】空燃比と着火性の相関図である。
【図５】空燃比と燃焼速度の相関図である。
【図６】リッチスパイク高さを決定するルーチンである。
【図７】積算Ｏ２ストレージ量を算出するルーチンである。
【図８】実当量比ＴＦＢＹＡを算出するルーチンである。
【図９】積算ＮＯｘ量を算出するルーチンである。
【図１０】内燃機関回転数、負荷、ＥＧＲ率、空燃比とＮＯｘ量の相関図である。
【図１１】スパイク量とＮＯｘおよびＣＯ排出量との相関図である。
【図１２】ＮＯｘトラップ量が多いときの切り替え時ＥＧＲ率に基づくスパイク高さの設定例を表す図である。
【図１３】ＮＯｘトラップ量が少ないときの切り替え時ＥＧＲ率に基づくスパイク高さの設定例を表す図である。
【図１４】ＥＧＲ率の算出方法をしめすフローチャートである。
【図１５】エンジンのバルブオーバーラップ量と内部ＥＧＲ率の関係を表す図である。
【符号の説明】
１ 内燃機関
２ シリンダヘッド
３ 燃料噴射装置
４ 点火栓
５ ＮＯｘ浄化用触媒
６ コントロールユニット（燃焼切り替え要求手段、空燃比補正手段）
７ エアフローメータ
８ スロットルセンサー
９ 排気通路
１０ 空燃比センサー
１１ 三元触媒
１２ 水温センサー
１３ 燃料ポンプ
１４ スロットル弁
１５ 吸気ポート
１６ 排気ポート
１７ 吸気マニホールド
１８ 排気マニホールド
１９ ＥＧＲ通路（排気還流手段）
２０ ＥＧＲ弁（排気還流手段）
２１ エアクリーナ
２２ コレクタ
２３ 排気弁
２４ 吸気弁
２５ 燃焼室
２６ 吸気通路
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射エンジンにおいて成層燃焼から均質燃焼へ切り替える時の空燃比の制御方法に特徴のある燃焼切り替え制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
筒内噴射エンジンのリーン運転中に空燃比のリッチ要求が発生した場合には、成層燃焼から均質燃焼へ切り替えるとともに燃料噴射量を増量し、それに伴い点火時期を遅角化し、空燃比変化によるトルク変化を抑える方法が特許文献１に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−２７０３８１号公報
【０００４】
【本発明が解決しようとする課題】
しかしながら、成層燃焼時にＮＯｘ排出量を抑えるために排気還流（ＥＧＲ）量が吸入空気量の２０〜３０％導入されている場合には、たとえ切り替え後の均質燃焼において燃料噴射量を増量したとしても、成層燃焼から均質燃焼へ一気に切り替えると残留ＥＧＲガスにより失火してしまうため、特許文献１に開示された方法では残留ＥＧＲ率が十分に低下するまで均質燃焼に切り替えることができない。
【０００５】
また、失火を防ぐために、燃焼切り替え前にＥＧＲを切り、ＥＧＲ率が低下するのを待ってから均質燃焼へ切り替えると、ＥＧＲを切ることで燃焼切り替え直前のＮＯｘ濃度が高くなり、この結果処理されずに排出されるＮＯｘの量が増加してしまう。
【０００６】
そこで、本発明は成層燃焼から均質燃焼へ切り替える際に、空燃比を一気に切り替えても失火しない燃焼切り替え制御装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃焼切り替え装置は、排気の一部を少なくとも成層燃焼運転時に吸気中に還流させる排気還流手段を備えた、成層燃焼と均質燃焼との燃焼切り替えが可能な筒内噴射式内燃機関において、成層燃焼から均質燃焼への切り替え時に、成層燃焼時の点火栓周りの空燃比と略同等の空燃比となるように一時的に均質燃焼の空燃比を濃くする空燃比補正手段とを備える。
【０００８】
【作用・効果】
本発明によれば、加速時や坂道走行で内燃機関に高負荷がかかり、成層燃焼から均質燃焼へと切り替える場合などに、切り替え後の空燃比を成層燃焼時の点火栓周りの空燃比とほぼ同じになるように制御するので、排気還流ガスが残留していても切り替え直後に失火してしまうことを防止でき、かつ、残留排気還流ガスがなくなるまで待つ必要も無く短時間で燃焼状態を切り替えることが可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１０】
図１は本実施形態のシステム構成を示した図である。１は内燃機関、２は内燃機関１のシリンダヘッドであり、シリンダヘッド２の吸気ポート１５には吸気通路２６の一部となる吸気マニホールド１７を接続する。吸気通路２６はさらに吸気マニホールド１７の上流にはコレクタ２２、さらにその上流には吸入空気量を制御するスロットル弁１４、エアクリーナ２１から吸入した吸入空気量を検出するエアフローメータ７およびエアクリーナ２１を備える。スロットル弁１４近傍には、スロットル開度を検出するスロットルセンサー８を設ける。
【００１１】
シリンダヘッド２の排気ポート１６には排気マニホールド１８が接続して、その下流には酸素ストレージ能力を有し排気中のＣＯ、ＨＣの酸化とＮＯｘの還元とを行って排気を浄化する三元触媒１１を配置する。さらにその下流の排気通路９には、内燃機関がリーン混合気を燃焼させる時に排気ガスに含まれるＮＯｘをトラップし、ストイキもしくはリッチ混合気を燃焼させるときにＮＯｘを放出するとともに、放出されたＮＯｘを排気ガス中の未燃ＨＣ、ＣＯによって還元するＮＯｘ浄化用触媒５を設ける。
【００１２】
排気マニホールド１８には空燃比センサー１０を配置する。排気マニホールド１８とコレクタ２２を連通し、排気の一部を吸気系に還流するＥＧＲ通路１９を設け、その中間には排気還流量を制御するＥＧＲ弁２０を設ける（排気還流手段）。
【００１３】
燃料噴射弁３を燃焼室２５に臨むように設けるとともに、燃焼室２５内の混合気に点火するための点火栓４を設ける。
【００１４】
燃料噴射弁３、点火栓４およびＥＧＲ弁２０の制御を行うためにコントロールユニット６が備えられる。このためコントロールユニット６には、吸入空気量を検出するエアフローメータ７、スロットル開度を検出するスロットルセンサー８、空燃比を検出する空燃比センサー１０、機関回転数を検出する図示しない回転数センサからの回転信号およびエンジン冷却水の温度を検出する水温センサー１２からの信号等が入力し、これらに基づいて以下のような制御を行う。
【００１５】
内燃機関１の低・中負荷運転領域においては空燃比をリーンに制御し、内燃機関１の圧縮行程で燃料噴射弁３から燃料噴射を行わせ、燃焼室２５内の点火栓４の周辺にのみ可燃混合気層を集中的に形成して成層燃焼を行う。なお、この時ＥＧＲ弁２０を開弁してＥＧＲを行うことにより、燃焼温度を下げてＮＯｘを低減させる。高負荷運転領域においては、コントロールユニット６は、成層燃焼から均質燃焼への燃焼状態の切り替えを要求し、空燃比をストイキ空燃比またはリッチ空燃比に制御し、内燃機関１の吸入行程で燃料噴射して燃焼室２５内全体に略均質な空燃比の混合気を形成して均質燃焼を行う。そしてこの時、ＥＧＲ弁は開度が減少させられてＥＧＲ量は減少する、もしくは閉弁することによってＥＧＲ（排気還流）が止められる。
【００１６】
また、コントロールユニット６は低・中負荷運転領域における成層燃焼時であっても、均質燃焼要求を出して均質燃焼に切り替える。均質燃焼要求が出されるのは、前記高負荷時に加えて以下のような場合である。
【００１７】
例えば成層燃焼が一定時間以上続いた場合に、ＮＯｘ浄化用触媒５にトラップされたＮＯｘ量が多くなり、放出する必要がある場合。この場合はコントロールユニット６によって成層燃焼での運転時間を読み込み、予め定めた所定時間に達した時に均質燃焼要求を出す。
【００１８】
他には、ブレーキマスターバックの負圧が不足している場合である。これはブレーキの制動力を増大させるブレーキマスターバックは吸気管負圧によって作動するが、リーン混合気の燃焼中はスロットル弁１４の開度が相対的に大きいため吸気管負圧が小さく、制動倍力効果が低下してしまう。そこで均質燃焼要求を出してスロットル開度を小さくする必要がある。この場合は図示しない圧力センサーなどによってアキュームレータの負圧がコントロールユニット６に入力されて、ブレーキマスターバックの負圧不足を検出する。
【００１９】
ところで、成層燃焼時の点火栓４の近傍の空燃比に着目すると、ストイキよりも濃い空燃比（燃料割合の多いリッチ空燃比）となっている。このため、多量のＥＧＲガスが導入されていても失火せずに燃焼することが可能となっている。しかしながら燃焼状態を均質燃焼へと切り替える場合に筒内全体の空燃比を、単純に均質燃焼に要求されるストイキ空燃比またはリッチ空燃比とすると、燃焼切り替え直後は成層燃焼時に導入されるＥＧＲガスが残留することで生じる残留ＥＧＲガスの影響により、エンジンは失火する恐れがある。
【００２０】
本発明ではこのような燃焼切り替え時のエンジン安定性を維持するために、コントロールユニット６は燃焼切り替え時に空燃比を均質燃焼に要求される空燃比よりも一時的に濃い状態、すなわち成層燃焼時の点火栓周りの空燃比と略同等の空燃比（切り替えリッチスパイク）となるように制御し、その後に均質燃焼に要求されるストイキ空燃比またはリッチ空燃比となるようにする（空燃比補正手段）。
【００２１】
ここで、図６〜図９のフローチャートを参照して、コントロールユニット６で行う燃焼切り替え時の空燃比の制御について説明する。なお、これ以降均質燃焼に要求される空燃比はストイキ空燃比の場合として説明する。
【００２２】
始めに目標当量比から、実際に燃料供給を行なう場合の当量比、すなわち実当量比を求めるフローについて図８を使って説明する。
【００２３】
本フローは、本発明による切り替えリッチスパイクが行われる場合のみならず、切り替えリッチスパイクが行なわれない通常時においても実行される。
【００２４】
ステップＳ３０１で目標当量比が均質燃焼要求の有無、アクセル開度、エンジン回転数に基づき、例えば燃焼状態毎に設けられたアクセル開度とエンジン回転数を座標軸としたマップの参照から求められる。次にステップＳ３０２では、後述する切り替えリッチスパイク制御を行う場合に要求される実当量比１００％要求の有無を判断し、切り替えリッチスパイク制御を行わない場合、すなわち通常時には実当量比１００％要求は行われず、ステップＳ３０４進み、実当量比ＴＦＢＹＡは目標当量比を重み付け係数αにより前回当量比との重み付けを行ってなまし処理した値として、実際に燃料供給を行う場合の当量比とする。１００％要求があった場合にはステップＳ３０３に進んで実当量比ＴＦＢＹＡは目標当量比に一致した値とされる。そして切り替えリッチスパイクを行う間、当量比は上記で求めた実当量比ＴＦＢＹＡ（実際には目標当量比の１００％）に、さらに切換えリッチスパイク分の燃料増量、すなわちスパイク高さを足し合わせたものとして制御される。
【００２５】
図６はリーンからストイキへの空燃比の切り替え時に、空燃比を一時的に濃くする切り替えリッチスパイク高さを求めるルーチンである。
【００２６】
ステップＳ１０１で、均質燃焼要求があるか否かの判定を行い、ある場合はステップＳ１０２へ進む。一方、前記要求がなければステップＳ１１４にて切り替えリッチスパイク高さはゼロ、ステップＳ１１７にて切り替えリッチスパイク未終了とされ、次回の均質燃焼要求時に切り替えリッチスパイクが確実に実行されるように準備する。そして、当量比は図８ステップＳ３０４で求めた実当量比に制御される。
【００２７】
ステップＳ１０２では現在切り替えリッチスパイク中であるか否かの判定を行い、切り替えリッチスパイク中である場合はステップＳ１０３へ進む。もし均質燃焼要求が生じた直後であればリッチスパイク中ではないのでステップＳ１１５に進み、切り替えリッチスパイク終了済みか否かが判断される。切り替えリッチスパイク終了済みであればステップＳ１１３に進んで、切り替えリッチスパイク高さはゼロとされる。一方、切り替えリッチスパイクが未終了であれば、ステップＳ１０７へ進み、後述の方法で決められる燃焼切り替え時の燃焼室２５内のＥＧＲ率と所定のスパイク許可ＥＧＲ率とを比較する。ＥＧＲ弁２０は均質燃焼要求に基づき閉弁され、燃焼室２５内のＥＧＲ率は徐々に低下する。そしてスパイク許可ＥＧＲ率は、均質燃焼切り替え直後の一時的に濃い空燃比が、万一筒内全体に行き渡らなかった場合にも失火が生じないように、ＥＧＲ率が成層燃焼時よりも低下したところで均質燃焼に切り替える為に内燃機関の特性に合わせて予め設定することができる。
【００２８】
ＥＧＲ率がリッチスパイク許可ＥＧＲ率以下であったら、ステップＳ１０８へ進みリッチスパイク中とし、ステップＳ１０９で実当量比ＴＦＢＹＡを目標当量比に対して１００％要求することで、図８ステップＳ３０３で実当量比が目標当量比に一致するように設定されて、ステップＳ１１０へ進む。
【００２９】
ステップＳ１１０では後述の方法で算出されるＮＯｘ浄化用触媒にトラップしたＮＯｘの量（ＮＯｘトラップ量）と後述する理由によって予め設定したＮＯｘトラップ量（ＴＲＡＰＮＯｘ）とを比較し、ＮＯｘトラップ量がＴＲＡＰＮＯｘ以上であったらステップＳ１１１へ進み、スパイク高さをトラップ量が大きい場合のＥＧＲ率の関数で示される切り替えリッチスパイク高さｆ１（後述する図１２）として、これをステップＳ１０９で求めた目標当量比に一致する実当量比ＴＦＢＹＡに加算して終了する。
【００３０】
ＮＯｘトラップ量がＴＲＡＰＮＯｘより少なかったらステップＳ１１２へ進み、スパイク高さを同様にＥＧＲ率の関数で示されるｆ２（後述する図１３）として、これをステップＳ１０９で求めた目標当量比に一致する実当量比ＴＦＢＹＡに加算して終了する。なお、ｆ１はｆ２よりも大となる関係がある。
【００３１】
ステップＳ１０７でＥＧＲ率がリッチスパイク許可ＥＧＲ率より大きければステップＳ１１５で切り替えリッチスパイク終了済みとされていた場合と同じようにステップＳ１１３へ進み、リッチスパイク高さをゼロとして終了する（当量比は図８ステップＳ３０４で求めた実当量比に制御される）。
【００３２】
ステップＳ１１１またはステップＳ１１２で切り替えリッチスパイクが開始された結果、ステップＳ１０２で切り替えリッチスパイク中であると判定された場合には、ステップＳ１０３では、後述する方法で算出される、三元触媒１１にストレージされている酸素量の積算値（積算ストレージ量）をヒステリシスを設けて、実質的にストレージ量がゼロになるように決められた所定値ＦＩＮＯＳＣと比較して、所定値以下であったらステップＳ１０４でリッチスパイク終了とし、ステップＳ１０５でリッチスパイク高さをゼロとして終了する（当量比は、図８ステップＳ３０４で求めた実当量比に制御される）。
【００３３】
一方、ステップＳ１０３で酸素の積算ストレージ量が所定値ＦＩＮＯＳＣよりも多ければ、ステップＳ１０６に進み、実当量比ＴＦＢＹＡを目標当量比に対して１００％に設定のうえ、切り替えリッチスパイクを継続する。
【００３４】
三元触媒１１には酸素ストレージ能力があり、リーン燃焼（成層燃焼）中にストレージした酸素量が残存している間は、三元触媒１１による排気浄化作用は低下する。リッチスパイクを三元触媒１１の残存酸素量がなくなるまで行うことで、三元触媒１１による排気浄化がその後適切に行われる。また、ＮＯｘ浄化用触媒の上流側に位置する三元触媒にストレージされた酸素が残存していると、機関がリッチ燃焼を行っても、その下流側にはＨＣ、ＣＯが到達しにくくなるが、今回の均質燃焼要求がＮＯｘ触媒のＮＯｘ放出を目的としていた場合、それ以後（ストレージされた酸素量がなくなった後）は、ＮＯｘ触媒５でのＮＯｘ還元が開始可能となる。
【００３５】
このように、切り替え後の均質燃焼の空燃比を、成層燃焼時の点火栓周りの空燃比と略同等の空燃比とすることで、残留ＥＧＲ率が多い場合であっても、失火を生じることなく速やかに均質燃焼に切り替えられるとともに、三元触媒１１にストレージされた酸素量がなくなるまで切り替えリッチスパイクを継続することにより、リーン燃焼の間に触媒に蓄積された酸素を放出させて、その後に均質燃焼における排気浄化性能を向上させることができる。
【００３６】
ステップＳ１０７で用いるＥＧＲ率は、ＥＧＲ通路１９を経て還流する外部ＥＧＲ率と、燃焼室２５に残留する内部ＥＧＲ率の合計で示される。ＥＧＲ率の算出フローを図１４に示す。
【００３７】
ステップＳ４０１では外部ＥＧＲ率を算出する。外部ＥＧＲ率は、吸気通路２６の通路面積に対するＥＧＲ通路１９の通路面積の比、すなわちスロットル弁１４の開口面積に対するＥＧＲ弁２０の開口面積の比として算出することができる。ＥＧＲ弁およびスロットル弁の開口面積は、弁開度と開口面積の関係を予め記憶しておき、それぞれの弁開度制御信号に基づき算出することができる。また、吸入空気系に補助空気通路が構成される場合、吸気通路の開口面積に補助空気通路の開口面積を加算して、ＥＧＲ率の算出精度を向上させることができる。ところで、ステップＳ４０１算出式の分子に含まれるＥＧＲ弁開口面積には係数が掛け合わされているが、これはスロットル弁の背圧に対するＥＧＲ弁の背圧が異なる場合、例えば高回転時の排気ガス圧力上昇時にＥＧＲ通路１９を経て還流する外部ＥＧＲ率が増加傾向になることを補正するための係数であって、具体的には１以上で機関負荷の上昇に伴って増加するものとすることができる。また、分母には分子と同じＥＧＲ弁開口面積に係数が掛け合わされたものが含まれているが、これはスロットル弁開度が減少した場合にＥＧＲ率を正しく算出するために加算されたものである。
【００３８】
次にステップＳ４０２では内部ＥＧＲ率を算出する。内部ＥＧＲ率はエンジン吸排気弁の開閉時期から求まるオーバーラップ量と相関付けることができ、図１５のようにオーバーラップ量が増大すると内部ＥＧＲ率も増加する関係に基づいて算出される。
【００３９】
ステップＳ４０３では、外部ＥＧＲ率と内部ＥＧＲ率を足し合わせてＥＧＲ率を算出する。なお、ＥＧＲ弁１９を通過したＥＧＲおよびスロットル弁１４を通過した吸入空気はコレクタ２２に導入された後、コレクタの容積分だけ遅れを持って燃焼室２５に流入することになる。つまり、燃焼室２５におけるＥＧＲ率を示す実ＥＧＲ率はステップＳ４０３で算出されるＥＧＲ率とは異なるものである。従って次のステップＳ４０４以降では、ＥＧＲ率を前回の実ＥＧＲ率を使ってなまし処理することで燃焼室２５におけるＥＧＲ率である実ＥＧＲ率を求める。
【００４０】
ステップＳ４０４では、定数である加重平均基本値をエンジン回転数で割った値を加重平均係数として算出する。すなわち加重平均係数はエンジン回転数が高くなるのに伴い、より小さな値となる。次のステップＳ４０５では前回の実ＥＧＲ率である実ＥＧＲ率（ＯＬＤ）に加重平均係数を掛けたものと、ステップＳ４０３で算出したＥＧＲ率に１から加重平均係数を差し引いた値を掛けたものとの、和をとって実ＥＧＲ率（ステップＳ１０７のＥＧＲ率）とする。
【００４１】
ステップＳ１０３で用いる酸素量の積算ストレージ量は機関運転中の間、図７に示すルーチンによって、当量比と吸入空気量と積算Ｏ２ストレージ量に応じたストレージ率に応じて積算で求める。
【００４２】
ステップＳ２０１で実当量比ＴＦＢＹＡに図６のルーチンで決定したリッチスパイク高さを加えたものを補正後当量比ａとして読み込む。
【００４３】
ステップＳ２０２では以下の式（１）によってＯ２ストレージ量（その時の補正後当量比によってストレージされ得る酸素の量）を算出する。
【００４４】
Ｏ２ストレージ量＝（１００％−ａ）×０．２×吸入空気量ＱＡ／１００％・・・（１）
ａ：実当量比ＴＦＢＹＡにリッチスパイク高さを加えた補正後当量比
※ 式中の「０．２」は空気中の酸素質量分率
ステップＳ２０３ではＯ２ストレージ量がゼロより小さいか否か、すなわち酸素が触媒から放出される状況か否かを判定し、ゼロより小さければ（酸素が触媒から放出される状況であれば）ステップＳ２０４でストレージ率を１としてステップＳ２０５に進む。
【００４５】
ステップＳ２０５では以下の式（２）によって積算ストレージ量を算出する。
【００４６】
積算ストレージ量＝積算ストレージ量（ｏｌｄ）＋Ｏ２ストレージ量×ストレージ率 ・・・（２）
積算ストレージ量（ｏｌｄ）：前回計算時の積算ストレージ量
ステップＳ２０３でＯ２ストレージ量がゼロ以上であった場合、すなわち酸素が触媒に蓄積される状況の場合にはステップＳ２０６以降において、Ｏ２ストレージ量の大小に応じて、実際に触媒に蓄積されるストレージの割合を示すストレージ率を変えて積算ストレージ量を算出する。
【００４７】
ステップＳ２０６では、Ｏ２ストレージ量が、その値を超えるとストレージ率が低いと判定する為の閾値ＯＬと積算Ｏ２ストレージ量とを比較して、積算Ｏ２ストレージ量がＯＬ以上であった場合はステップＳ２０７へ進む。
【００４８】
ステップＳ２０７では、積算Ｏ２ストレージ量がその値を超えると、ストレージ率がさらに低くなって、ストレージ率がゼロであると判定する為の閾値ＯＨと積算Ｏ２ストレージ量とを比較して、積算Ｏ２ストレージ量がＯＨ以上であった場合はステップＳ２０８でストレージ率をゼロとしてステップＳ２０５へ進み積算ストレージ量を算出する。
【００４９】
ステップＳ２０６でＯ２ストレージ量が前記ＯＬより小さかった場合にはステップＳ２１０へ進み、積算Ｏ２ストレージ量は比較的少ないことから、ストレージ率を相対的に大きな値であるＳＨとしてステップＳ２０５へ進み積算ストレージ量を算出する。
【００５０】
ステップＳ２０７でＯ２ストレージ量がＯＨより小さかった場合にはステップＳ２０９へ進み、ストレージ率をＳＨと比較すると相対的に小さな値であるＳＬとしてステップＳ２０５へ進み積算ストレージ量を算出する。
【００５１】
一方、図６のルーチンのＳ１１０で用いるＮＯｘ浄化用触媒５におけるＮＯｘトラップ量は、図９のルーチンにしたがって算出する。
【００５２】
ステップＳ５０１で内燃機関１の運転状態を表す回転数、負荷、ＥＧＲ率、空燃比（Ａ／Ｆ）を読み込む。
【００５３】
空燃比としては、実当量比ＴＦＢＹＡを基に算出することができる。
【００５４】
ステップＳ５０２では、ステップＳ５０１で読み込んだ内燃機関１の回転数、負荷、ＥＧＲ率、空燃比をパラメータとし、このパラメータと図１０に示す相関図からその運転状態におけるＮＯｘ濃度を求めてステップＳ５０３に進む。
【００５５】
図１０（Ａ）は内燃機関１の回転数と負荷に対するＮＯｘ濃度の特性図で、等ＮＯｘ濃度の場合、回転数と負荷は反比例することがわかる。
【００５６】
図１０（Ｂ）はＮＯｘ濃度とＥＧＲ率の関係を表しており、ＥＧＲ率が高くなるほどＮＯｘ濃度は下がることがわかる。
【００５７】
図１０（Ｃ）はＮＯｘ濃度と空燃比の関係を表しており、混合気がストイキ近辺の時、もしくはそれより若干リーンの時にＮＯｘ排出量が極大となっている。
【００５８】
ステップＳ５０３では以下の式（３）によってＮＯｘ量を算出する。
【００５９】
ＮＯｘ量＝ＮＯｘ濃度×吸入空気量 ・・・（３）
ステップＳ５０４では実当量比ＴＦＢＹＡが１以上か否かを判定し、１以上であった場合はステップＳ５０５に進み、積算ＮＯｘ量をゼロとして終了する。
【００６０】
ステップＳ５０４で実当量比ＴＦＢＹＡが１より小さい場合は、ステップＳ５０６に進み、式（４）によって積算ＮＯｘ量を算出して終了する。
【００６１】
積算ＮＯｘ量＝積算ＮＯｘ量（ｏｌｄ）＋ＮＯｘ量 ・・・（４）
積算ＮＯｘ量（ｏｌｄ）：前回計算時の積算ＮＯｘ量
上記の方法で算出した積算ＮＯｘ量と所定のＴＲＡＰＮＯｘとの比較で参照先を決定した、ＥＧＲ率の関数であるリッチスパイク高さｆ１、ｆ２について図１１、図１２、図１３を用いて説明する。
【００６２】
図１１はスパイク高さと時間の積であるスパイク量とＮＯｘ、ＣＯの排出量の関係を表したものであり、スパイク高さが小さい場合を太線で表し、大きい場合を細線で表している。
【００６３】
ＮＯｘ排出量は（切り替え）リッチスパイク高さが高い場合と比べて、スパイク高さが低い場合に僅かに増大するだけであるのに対して、ＣＯ排出量（およびＨＣ排出量）はスパイク高さが低い場合と比べて、スパイク高さが高い場合に大幅に増大することがわかる。ＮＯｘトラップ量が多い場合には、ＮＯｘ浄化用触媒から放出されるＮＯｘ量が多くなって、リッチスパイクで供給されるＨＣの消費量が増大するので、切り替えリッチスパイクの間であって成層燃焼時の点火栓周りの空燃比と略同等の空燃比となるように制御される均質燃焼の空燃比は、さらに若干リッチ側の値に制御される。そしてその程度はＥＧＲ率に対する失火を生じない上限リッチスパイク高さを示した図１２からわかるように、ＥＧＲ率が大きい場合には失火を生じさせないようにする観点から、成層燃焼時の点火栓周りの空燃比と略同等の空燃比（破線で示される高さ）となるように制御される一方、ＥＧＲ率が減少すると成層燃焼時の点火栓周りの空燃比と略同等の空燃比よりリッチ側となるように制御しても失火を生じることがなくなるのでＮＯｘ処理を優先させるためにＥＧＲ率の減少に伴ってリッチ側への修正量を増大するよう制御する。
【００６４】
一方、ＮＯｘトラップ量が少ない場合には、ＮＯｘ浄化用触媒から放出されるＮＯｘ量が少なくなって、リッチスパイクで供給されるＨＣの消費量が減少するので、切り替えリッチスパイクの間であって成層燃焼時の点火栓周りの空燃比と略同等の空燃比となるように制御される均質燃焼の空燃比は、若干リーン側の値に修正されて制御される。そしてその程度はＥＧＲ率に対する失火を生じさせない下限リッチスパイク高さを示した図１３からわかるように、ＥＧＲ率が大きい場合には失火を生じさせないようにする観点から、成層燃焼時の点火栓周りの空燃比と略同等の空燃比（破線で示される高さ）となるように制御される一方、ＥＧＲ率が減少すると成層燃焼時の点火栓周りの空燃比と略同等の空燃比より若干リーンとなるように制御しても失火を生じることがなくなるので、ＣＯ排出量の低減を優先させる為にＥＧＲ率の減少に伴ってリーン側への修正量を増大するように制御する。
【００６５】
以上のような観点付けに基づけば、図６の切り替えリッチスパイク高さを求めるルーチンのステップＳ１１０で用いる、予め設定されるＮＯｘトラップ量ＴＲＡＰＮＯＸは、例えば、トラップされたＮＯｘの放出完了直後の実質的にＮＯｘトラップ量がゼロとなるような時以外、すべてＮＯｘ処理を優先させるようにするならばゼロに設定すればよいし、切り替え後の均質燃焼でＮＯｘ処理はそもそも促進されるという考えに基づけば、ＴＲＡＰＮＯＸを高く設定してＣＯ排出量の低減を優先させることができる。
【００６６】
次に図２のタイムチャートを使って、本発明全体の作用を説明する。ｔ１でストイキ要求が出されると目標当量比をストイキ（＝１）にし、これに合わせてスロットル開度を調整して吸入空気量を低下させる。また、ＥＧＲバルブ２０の開度も調整して燃焼室２５内のＥＧＲ率を低下させる。
【００６７】
図２では均質燃焼要求直後、ＥＧＲ率が切り替えリッチスパイク許可ＥＧＲ率以下ではなかった場合を示しており、実当量比ＴＦＢＹＡは図８ステップＳ３０４で、前述した方法で計算する。ＴＦＢＹＡは徐々に増加し、空燃比を成層燃焼時の点火栓周りの空燃比と略同等の空燃比に一気切り替えても燃焼室２５内で失火しないＥＧＲ率になった時点（ｔ２）で、燃料噴射時期を圧縮行程から、吸気行程に切り替えて、成層燃焼から均質燃焼に切り替えるとともに、当量比を切り替えリッチスパイクが加えられた補正後当量比に一気に切り替える。この時、切り替え直後の均質燃焼では、空燃比を成層燃焼時の点火栓４周りの空燃比と略同等とすることで、ＥＧＲガスが燃焼室２５内に残留していても失火を生じることなく、速やかに燃焼切り替えを実施できる。
【００６８】
図３は点火栓４回りの拡大図である。成層燃焼時は、燃焼室２５全体の平均空燃比はリーンでも点火栓４周辺Ａの空燃比はストイキよりもリッチである。そのため、均質燃焼に比べてＥＧＲ率が高くても燃焼が成立する。
【００６９】
図４、図５は空燃比と着火性、燃焼速度の関係を表した特性図であり、着火性、燃焼速度ともに空燃比が成層燃焼時の点火栓４周りと略同等の空燃比である１１〜１２の時の方がどの空燃比よりも優れていることがわかる。
【００７０】
したがって、成層燃焼から均質燃焼に切り替える際に、燃焼室２５内全体を成層燃焼時の点火栓周辺Ａと略同等の空燃比で均質にすれば、燃焼室２５内にＥＧＲが残留していても、失火することがない。
【００７１】
この後、ｔ２から積算Ｏ２ストレージ量が所定値以下となるｔ３までは切り替え直後の当量比が維持されて（切り替えリッチスパイク）、補正後当量比は実当量比ＴＦＢＹＡにリッチスパイク高さを加えたものになる。切り替えリッチスパイクを積算Ｏ２ストレージ量が所定値以下となるまで継続するので、その直後から三元触媒１１による排気浄化作用が十分に得られるとともに、ＮＯｘ浄化用触媒でのＮＯｘ還元が開始可能となる。そして、図２の最下段に示されるように切り替えタイミングｔ２ではリッチ化に伴うトルク変動を点火時期のリタードによって吸収し、その後、徐々にリタード量を減少させてトルク変動を滑らかなものとする。ｔ３でリッチスパイクが終了した時点で燃焼切り替え終了である。
【００７２】
従来は、たとえ燃料増量を行なう場合であっても、残留ＥＧＲ率を考慮した燃料増量が行われていなかったため、失火しない程度まで残留ＥＧＲ率の低下を待つ必要が生じ、図２においてｔ１で均質燃焼要求があってから、本発明による切り替え時刻ｔ２を超えて成層燃焼を継続する必要があった。しかし本実施形態では、切り替え後の均質燃焼の空燃比を成層燃焼時の点火栓４周りの空燃比と略同等の空燃比となるようにしたので、残留ＥＧＲ率が高くても失火しない。よって残留ＥＧＲ率の低下に要する時間が短縮され、切り替え時間（ｔ１〜ｔ２）を短縮することができるので、切り替え直前にＮＯｘ濃度が高くなってＮＯｘ排出量が増大するのを抑えることができる。
【００７３】
以上により、本実施形態では、成層燃焼から均質燃焼へ切り替える際に、切り替え後の空燃比を成層燃焼時の点火栓４回りの空燃比と略同等の空燃比となるようにして一気に切り替えるので、切り替え後に失火することなく短時間で切り替えを終了することが可能である。
【００７４】
また、切り替え前のＥＧＲ量に基づいて切り替え後の空燃比を決定するので、切り替え後の空燃比を排気浄化処理に最適な空燃比に設定することが可能である。
【００７５】
切り替えリッチスパイクを積算Ｏ２ストレージ量が所定値以下となるまで継続するので、その直後から三元触媒１１による排気浄化作用が十分に得られるとともに、ＮＯｘ浄化用触媒でのＮＯｘ還元が開始可能となる。
【００７６】
そして、燃焼切り替え前の当量比と、切り替え直後のリッチスパイクを含めた当量比との間にトルクの差が生じる場合には、このトルクの差に応じて点火時期をリタードさせることでトルク変動の吸収を行う。この時のリタード量は、図２のタイムチャートに示すように、切り替え直後に最大で、徐々に小さくしていくことでトルク変動は滑らかなものとなる。
【００７７】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシステム構成を表す図である。
【図２】燃焼切り替え時のタイムチャートである。
【図３】成層燃焼時の点火栓周りの様子を表す図である。
【図４】空燃比と着火性の相関図である。
【図５】空燃比と燃焼速度の相関図である。
【図６】リッチスパイク高さを決定するルーチンである。
【図７】積算Ｏ２ストレージ量を算出するルーチンである。
【図８】実当量比ＴＦＢＹＡを算出するルーチンである。
【図９】積算ＮＯｘ量を算出するルーチンである。
【図１０】内燃機関回転数、負荷、ＥＧＲ率、空燃比とＮＯｘ量の相関図である。
【図１１】スパイク量とＮＯｘおよびＣＯ排出量との相関図である。
【図１２】ＮＯｘトラップ量が多いときの切り替え時ＥＧＲ率に基づくスパイク高さの設定例を表す図である。
【図１３】ＮＯｘトラップ量が少ないときの切り替え時ＥＧＲ率に基づくスパイク高さの設定例を表す図である。
【図１４】ＥＧＲ率の算出方法をしめすフローチャートである。
【図１５】エンジンのバルブオーバーラップ量と内部ＥＧＲ率の関係を表す図である。
【符号の説明】
１ 内燃機関
２ シリンダヘッド
３ 燃料噴射装置
４ 点火栓
５ ＮＯｘ浄化用触媒
６ コントロールユニット（燃焼切り替え要求手段、空燃比補正手段）
７ エアフローメータ
８ スロットルセンサー
９ 排気通路
１０ 空燃比センサー
１１ 三元触媒
１２ 水温センサー
１３ 燃料ポンプ
１４ スロットル弁
１５ 吸気ポート
１６ 排気ポート
１７ 吸気マニホールド
１８ 排気マニホールド
１９ ＥＧＲ通路（排気還流手段）
２０ ＥＧＲ弁（排気還流手段）
２１ エアクリーナ
２２ コレクタ
２３ 排気弁
２４ 吸気弁
２５ 燃焼室
２６ 吸気通路
Claims (7)
- 排気の一部を少なくとも成層燃焼運転時に吸気中に還流させる排気還流手段を備えた、
成層燃焼と均質燃焼との燃焼切り替えが可能な筒内噴射式内燃機関の燃焼切り替え制御装置において、
成層燃焼から均質燃焼への切り替え時に、成層燃焼時の点火栓周りの空燃比と略同等の空燃比となるように一時的に均質燃焼の空燃比を濃くする空燃比補正手段とを備えることを特徴とする内燃機関の燃焼切り替え制御装置。 - 前記空燃比補正手段は、切り替え時の排気還流量に基づいて一時的に濃くする均質燃焼の空燃比を決定する請求項１に記載の内燃機関の燃焼切り替え制御装置。
- 前記空燃比補正手段は、一時的に濃くする均質燃焼の空燃比を燃焼切り替え時の排気還流量が多いほど濃くする請求項２に記載の内燃機関の燃焼切り替え制御装置。
- 前記内燃機関の排気通路にＮＯｘをトラップするＮＯｘ浄化用触媒を設け、前記空燃比補正手段は、燃焼切り替え時の排気還流量および前記ＮＯｘ浄化用触媒にトラップされているＮＯｘ量に基づいて一時的に濃くする均質燃焼の空燃比を決定する請求項２に記載の内燃機関の燃焼切り替え制御装置。
- 前記空燃比補正手段は、一時的に濃くする均質燃焼の空燃比を、ＮＯｘ浄化用触媒にトラップされているＮＯｘ量が多いときには燃焼切り替え時の排気還流量が少ないほど濃くし、トラップされているＮＯｘ量が少ないときには燃焼切り替え時の排気還流量が少ないほど薄くする請求項４に記載の内燃機関の燃焼切り替え制御装置。
- 前記内燃機関の排気通路に酸素ストレージ能力を有する三元触媒を設け、前記三元触媒にストレージされている酸素量が一定値を下回ることで、前記燃焼切り替え時に均質燃焼の空燃比を一時的に濃くする制御を終了する請求項２から５のいずれか一つに記載の内燃機関の燃焼切り替え制御装置。
- 前記筒内噴射式内燃機関の燃焼切り替え制御装置に点火時期調整手段を設け、燃焼切り替え時に空燃比を一時的に濃くしたときに、前記点火時期調整手段によって点火時期を遅らせる請求項２から６のいずれか一つに記載の内燃機関の燃焼切り替え制御装置。
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2003
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