JP2007064132A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リッチスパイク制御時における粒子状物質の発生を抑制し、ひいては排気エミッションの改善を図る。
【解決手段】筒内噴射式エンジン１０では、インジェクタ１２により燃焼室１３内に燃料が直接噴射供給される。排気管１６には、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４が設けられている。ＥＣＵ４０は、エンジン１０のリーン運転中に空燃比を一時的にリッチ側に制御するリッチスパイク制御を実施する。また、ＥＣＵ４０は、リッチスパイク制御の実施に際し、ＰＭの発生状況を監視し、その監視結果に基づいてリッチスパイク制御時の空燃比を可変設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関するものである。

従来から、燃費の改善などを目的として、空燃比を理論空燃比よりもリーン側に制御するリーンバーンエンジンや筒内噴射エンジンが開発されている。これらのエンジンでは、リーン燃焼時に発生するＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するために排気系にＮＯｘ吸蔵還元触媒が設けられている。ＮＯｘ吸蔵還元触媒は、排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘを吸蔵し、空燃比がリッチになったときに吸蔵ＮＯｘを還元浄化して放出する特性を有している。

ここで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒では、ＮＯｘ吸蔵量が飽和して吸蔵限界になるとＮＯｘ浄化能力が低下する。そのため、ＮＯｘ浄化能力の低下を抑制するべく、一時的にリッチ燃焼が行われ、その際排出される排気中のＨＣ、ＣＯなどの還元成分により吸蔵ＮＯｘの還元が行われる。この技術は一般にリッチスパイクと称されており、その制御手法は例えば特許文献１などに開示されている。

ところで、リッチスパイク制御を実行する場合、燃焼室内の空燃比が過剰にリッチ化されると、その燃焼に際し粒子状物質（パティキュレート・マター）が生成される。そのため、リッチスパイク制御時における粒子状物質の発生を抑制することが望まれている。

ちなみに、内燃機関から排出される粒子状物質を除去する技術として、排気系にパティキュレートフィルタ（ＰＦ）を設け、このパティキュレートフィルタにより排気中の粒子状物質を捕集する技術が提案されている（例えば特許文献２，３）。しかしながら、パティキュレートフィルタを排気系に設ける構成では、当該フィルタの設置に伴いコストが上昇するといった不都合が生じる。
特開２００４−８４６１７号公報 特開２００３−２０６７８６号公報 特開２００３−２５４０３９号公報

本発明は、リッチスパイク制御時における粒子状物質の発生を抑制し、ひいては排気エミッションの改善を図ることができる内燃機関の制御装置を提供することを主たる目的とするものである。

内燃機関の排気系にＮＯｘ吸蔵還元型の触媒を設けた構成では、当該触媒のＮＯｘ浄化能力を再生するためにリッチスパイク制御が実施される。かかる場合、内燃機関の燃焼室内において過リッチの雰囲気が生じると、その過リッチ分の燃焼に伴い粒子状物質（パティキュレート・マター）が発生する。とりわけ直噴式内燃機関では、局所的に過リッチの雰囲気が生じ、粒子状物質発生の問題が生じやすくなると考えられる。この点請求項１の発明では、リッチスパイク制御の実施に際し、粒子状物質の発生状況を監視し、その監視結果に基づいてリッチスパイク制御時の空燃比を可変設定する。これにより、リッチスパイク制御の実施に伴う粒子状物質の発生を抑制することができ、排気ミッションの改善を図ることができる。

なおここで、「粒子状物質の発生状況を監視する」には、粒子状物質が発生するか否かを監視したり、粒子状物質が発生する場合にその発生量を求めたりすることが含まれる。「粒子状物質」は、一般にパティキュレート・マターと称される物質であり、可溶有機分ＳＯＦや不溶有機分ＩＳＦなどの総称である。以下の記載では、粒子状物質（パティキュレート・マター）を「ＰＭ」とも称することとする。

請求項２に記載の発明では、リッチスパイク制御の実施に際して、排気中の粒子状物質の量を計測又は推定により求め、該計測又は推定により求めた粒子状物質の量によって粒子状物質の発生状況を監視する。そして、粒子状物質の量に基づいてリッチスパイク制御時の空燃比のリッチ度合を決定する。この場合、粒子状物質の発生量を直接的又は間接的に求めるようにしているため、その発生量が逐次変化する場合にもそれに対応する好適なリッチスパイク制御を実施することができる。

より具体的には、粒子状物質の量が所定量よりも多い場合にリッチスパイク制御時の空燃比のリッチ度合を減少させたり、同粒子状物質の量が多いほどリッチスパイク制御時の空燃比のリッチ度合を減少させたりする構成が考えられる。

ここで、排気中の粒子状物質の量（ＰＭ量）を計測により求める手法としては、内燃機関の排気管において前記触媒よりも上流側にＰＭセンサなどの計測装置を設け、該計測装置の計測結果に基づいて粒子状物質の量（ＰＭ量）を算出する手法が考えられる。また、排気中の粒子状物質を推定により求める手法としては、吸入空気量や燃料噴射量などをパラメータとして、マップや演算式により算出する手法が考えられる。

また、請求項３に記載の発明では、内燃機関の運転状態と粒子状物質の発生量との関係をあらかじめ規定してデータとして保持しておき、前記規定データを用い、都度の運転状態に基づいて粒子状物質の発生状況を監視する。この場合、粒子状物質の量を直接的又は間接的に求めなくても、粒子状物質の発生状況を監視することができる。

内燃機関の運転状態と粒子状物質の発生量との関係を表す規定データは、次のようなものであると良い。すなわち、
・前記規定データは、内燃機関の回転速度と粒子状物質の発生量との関係を規定したものである（請求項４）。このとき、内燃機関の回転速度が大きいほど粒子状物質の発生量が多くなるような関係が想定される。
・前記規定データは、燃料噴射弁による燃料噴射時期と粒子状物質の発生量との関係を規定したものである（請求項５）。
・前記規定データは、点火時期と粒子状物質の発生量との関係を規定したものである（請求項６）。このとき、点火時期が遅いほど粒子状物質の発生量が多くなるような関係が想定される。

ところで、内燃機関の燃焼室内では、実際に燃焼に供される燃焼ガスの空燃比（燃焼空燃比）が９．５以下になると粒子状物質が発生することが確認されている。ちなみに、この数値はＯＡＵ（Otto A.Uyehara）ナンバとして知られている。この点を踏まえると、請求項７に記載したように、前記規定データは、燃焼室内の局所的な空燃比が９．５以下とならないように規定したものであると良い。又は、請求項８に記載したように、前記規定データは、燃焼室内全体の空燃比が９．５以下とならないように規定したものであると良い。これにより、リッチスパイク制御時における粒子状物質の発生を抑制することができる。

また、請求項９に記載の発明では、排気中に含まれる粒子状物質の量を計測する計測装置を内燃機関の排気系に設けている。そして、前記規定データにより求めた粒子状物質の量と、前記計測装置により計測した粒子状物質の量とを比較し、その結果により前記規定データの正当性を判定する。

要するに、内燃機関を長期にわたって使用していると、燃料噴射弁等に付着した堆積物（デポジット）などにより燃料噴射量が適正量から相違し、それに起因して内燃機関の運転状態と粒子状物質の発生量との関係を規定した規定データにずれが生じることが考えられる。規定データのずれが生じると、本来は粒子状物質の量が所定レベル以下に制限されている筈の状態で粒子状物質の量が過多になる場合が生じる。この場合、ＰＭセンサ等の計測装置を用いれば、実際の粒子状物質の量が計測でき、その結果から規定データのずれを知り得ることができる。したがって、規定データの正当性を適正に評価できる。なお、規定データの正当性が損なわれた場合には、その時点でのリッチスパイク制御の空燃比を補正したり、規定データを補正したりすると良い。また、これらの補正が不可能な場合には警告を発したりすると良い。

また、リッチスパイク制御時における粒子状物質の発生量は、空燃比だけでなく、燃料噴射弁による燃料噴射時期や点火時期にも関与している。そこで、請求項１０に記載したように、監視手段による監視結果（リッチスパイク制御時の粒子状物質の発生状況）に基づいて、燃料噴射弁による燃料噴射時期を可変設定すると良い。又は、請求項１１に記載したように、監視手段による監視結果（リッチスパイク制御時の粒子状物質の発生状況）に基づいて、点火時期を可変設定すると良い。

請求項１０，１１の発明によれば、粒子状物質の発生を抑制する上で、空燃比のリッチ度合の制限を緩和することができる。したがって、所望とする触媒のＮＯｘ浄化能力の再生を効率良く実施することが可能となる。またこのとき、所望とするＮＯｘ浄化能力の再生がいち早く行われるため、リッチスパイクの継続時間を短縮することが可能となる。

また、請求項１２に記載の発明では、リッチスパイク制御の開始時に設定した目標空燃比に対し、そのリッチ度合を粒子状物質の発生状況に基づいて徐々に減じさせる。これにより、粒子状物質の減量化を図りつつ、触媒浄化能力を再生する上で要するリッチ成分の確保を図ることができる。

また、請求項１３に記載の発明では、粒子状物質の量が所定の限界値以上である場合に、リッチスパイク制御の実施を禁止する。「限界値」は、上述した空燃比の可変設定やその他の処理を行っても粒子状物質を許容レベル内に抑制することが不可能であると考えられる値であり、粒子状物質の量が限界値を超えた場合には、リッチスパイクを実施しないことで粒子状物質の発生を抑制する。

（第１の実施の形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態では、燃料噴射弁としてのインジェクタにより燃料を筒内（燃焼室内）に直接噴射するように構成した車両用の筒内噴射式ガソリンエンジンを制御対象に、エンジン制御システムを構築するものとしており、当該制御システムにおいては電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）を中枢として燃料噴射量制御、点火時期制御、電子スロットル制御等が実施される。なお周知の通り、筒内噴射式エンジンでは、吸気行程で燃料を噴射して均質燃焼させる均質燃焼運転と、圧縮行程で燃料を噴射して成層燃焼させる成層燃焼運転とで運転状態が切り替えられるようになっている。先ずは、図１を用いてエンジン制御システムの概略を説明する。

図１に示す筒内噴射式エンジン（以下、エンジン１０という）において、シリンダブロック１１には電磁駆動式のインジェクタ１２が設けられている。インジェクタ１２には、図示しない燃料供給系から高圧燃料が供給され、インジェクタ１２の開弁に伴い当該インジェクタ１２から燃焼室１３内に燃料が直接噴射供給される。

吸気管１５に通じる吸気ポートと排気管１６に通じる排気ポートとにはそれぞれ吸気バルブ１７と排気バルブ１８とが設けられており、吸気バルブ１７の開動作により吸気管１５から燃焼室１３内に吸入空気が導入され、排気バルブ１８の開動作により燃焼後の排気が排気管１６に排出される。少なくとも吸気バルブ１７には可変動弁機構１９が設けられている。この可変動弁機構１９は、吸気バルブ１７のリフト量や開弁時期（作用角）等のバルブ開閉動作条件を可変とすることができる構造を有し、その都度のエンジン運転状態等に応じてバルブ開閉動作条件が適宜調整されるようになっている。吸気管１５には、吸入空気量を検出するためのエアフロメータ２０が設けられている。

エンジン１０のシリンダヘッドには気筒ごとに点火プラグ２１が取り付けられており、点火プラグ２１には、図示しない点火コイル等を通じて、所望とする点火時期において高電圧が印加される。この高電圧の印加により、各点火プラグ２１の対向電極間に火花放電が発生し、燃焼室１３内において燃料が着火されて燃焼に供される。

排気管１６には、排気中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を浄化するための三元触媒２３が設けられるとともに、その下流側にＮＯｘ吸蔵還元触媒２４が設けられている。周知のとおり、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４は、流入する排気の空燃比がリーンの時に排気中のＮＯｘを吸着、吸収又はその両方にて選択的に吸蔵保持し、流入する排気の空燃比がリッチ（又は理論空燃比）となった時に、吸蔵したＮＯｘを排気中のＨＣ、ＣＯ等の還元成分を用いて還元浄化するものである。

また、三元触媒２３の上流側には、排気中の酸素濃度等に基づいて空燃比（Ａ／Ｆ）を検出するＡ／Ｆセンサ３１が設けられ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４の上流側及び下流側には、排気がリッチかリーンかに応じて異なる起電力信号を出力するＯ2センサ３２，３３がそれぞれ設けられている。その他、シリンダブロック１１には、エンジン冷却水の温度を検出する冷却水温センサ３４や、エンジン１０の所定クランク角毎に（例えば３０°ＣＡ周期で）矩形状のクランク角信号を出力するクランク角度センサ３５が取り付けられている。

上述した各種センサの出力は、エンジン制御を司るＥＣＵ４０に入力される。ＥＣＵ４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータを主体として構成されており、ＲＯＭに記憶された各種の制御プログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて燃料噴射量の調整による空燃比制御や、点火時期の調整による点火制御などを適宜実施する。このとき、都度のエンジン運転状態に基づいて成層燃焼と均質燃焼とのいずれが適宜実施される。空燃比制御に関して簡単に説明すると、ＥＣＵ４０は、Ａ／Ｆセンサ３１により検出した実空燃比と都度設定される目標空燃比との偏差に基づいて空燃比フィードバック制御を実施する
また特に、ＥＣＵ４０は、所定のリッチスパイク実行条件が成立することに伴い、空燃比を一時的にリッチ側に制御するリッチスパイク制御を実施する。これにより、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４に吸着されたＮＯｘがＨＣ、ＣＯ等の還元成分により還元浄化され、同触媒２４のＮＯｘ浄化能力の再生が行われる。

なお、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４の前後に設けられたＯ2センサ３２，３３は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４のＮＯｘ吸蔵能力の低下、すなわち同触媒２４の劣化を検出するために用いられる。このとき、ＥＣＵ４０は、上流側のＯ2センサ３２の検出値により、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４に対して実際にリッチ成分が供給されるタイミングを検知するとともに、下流側のＯ2センサ３３の検出値により、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４において吸蔵ＮＯｘの還元浄化が完了したタイミングを検知し、それら各タイミング間の所要時間に基づいてＮＯｘ吸蔵還元触媒２４の劣化を検出する。

ところで、上記のような筒内噴射式のエンジン１０では、リッチスパイクを実施する際、燃焼室１３内において局所的に過リッチの雰囲気が生じると、その過リッチ分の燃焼に伴いＰＭ（粒子状物質）が発生すると考えられる。このとき、理論上は、燃焼空燃比≦９．５の状態でリッチ燃焼が行われるとＰＭが発生する。そこでその対策として、リッチスパイク時においてＰＭ発生状況を監視し、その監視結果に基づいてリッチスパイク時の空燃比を可変設定する。

本実施の形態では、エンジン運転状態とＰＭ発生量との関係をあらかじめ規定してマップデータとしてメモリ（ＲＯＭ）内に保持しておき、該マップデータを用い、都度の運転状態に基づいてＰＭ発生状況を監視する。

具体的には、ＰＭ発生量が、空燃比（Ａ／Ｆ）、エンジン回転速度ＮＥ、燃料の噴射開始時期ＳＯＩ及び点火時期ＩＧＴに応じて変わることに着目し、これら各パラメータに基づいてＰＭ発生状況を推測する。図２は、Ａ／Ｆと噴射開始時期ＳＯＩに対するＰＭ発生量の違いをエンジン回転速度ＮＥごとに示す図である。ここでは、吸気行程で燃料噴射を行うこととしており、図２中の噴射開始時期ＳＯＩは、進角側から遅角側へ順に、３００ＢＴＤＣ°ＣＡ、２５０ＢＴＤＣ°ＣＡ、２００ＢＴＤＣ°ＣＡである。

図２によれば、Ａ／Ｆがリッチになるほど、噴射開始時期ＳＯＩが進角側になるほどＰＭ発生量が増えることが分かる。また、エンジン回転速度ＮＥが高くなるほど、ＰＭ発生量が増えることが分かる。なお、図２では、噴射開始時期ＳＯＩを、ピストンが下動する吸気行程（３００ＢＴＤＣ°ＣＡ、２５０ＢＴＤＣ°ＣＡ、２００ＢＴＤＣ°ＣＡ）としていることにも絡み、噴射開始時期ＳＯＩが進角であるほどＰＭ発生量が増えているが、この傾向はピストン動作向きなどにより変更されると考えられる。

また、図３は、Ａ／Ｆと点火時期ＩＧＴに対するＰＭ発生量の違いを示す図である。図３中の点火時期ＩＧＴは、進角側から遅角側へ順に、３０ＢＴＤＣ°ＣＡ、２５ＢＴＤＣ°ＣＡ、２０ＢＴＤＣ°ＣＡである。図３によれば、点火時期ＩＧＴが進角側になるほど、ＰＭ発生量が増えることが分かる。

上記の図２，図３の関係によれば、Ａ／Ｆ、エンジン回転速度ＮＥ、噴射開始時期ＳＯＩ及び点火時期ＩＧＴに基づいてＰＭ発生量の推定が可能となる。本実施の形態では、ＰＭ発生量の推定結果に基づいて、リッチスパイク制御時における目標空燃比を可変設定する。

図４は、リッチスパイク制御時における目標空燃比の設定処理を示すフローチャートであり、本処理はＥＣＵ４０により所定の時間周期で実行される。

図４において、ステップＳ１０１では、リッチスパイクの実行条件が成立したか否かを判定する。本実施の形態では、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４のＮＯｘ吸着量が所定の判定レベルを超えた時にリッチスパイク実行条件が成立することとしている。このとき、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４のＮＯｘ吸着量は、都度のエンジン運転状態（運転モード）に基づいて推定することが可能であり、例えば、エンジン回転速度や負荷（吸入空気量など）に基づいて燃焼温度を算出するとともに、その燃焼温度に基づいてＮＯｘ発生濃度を算出する。そして、そのＮＯｘ発生濃度と排気流量とからＮＯｘ量を求め、ＮＯｘ量の積算によりＮＯｘ吸蔵還元触媒２４のＮＯｘ吸着量を推定する。また、筒内圧力をパラメータとして、燃焼温度の算出→ＮＯｘ発生濃度の算出→ＮＯｘ量の算出→ＮＯｘ吸着量の算出といった順序でＮＯｘ吸着量を推定したり、排気管にＮＯｘセンサを設けて該センサの検出値に基づいてＮＯｘ吸着量を算出したりすることも可能である。その他、所定時間が経過する度にリッチスパイク実行条件が成立することとしたり、車両の走行距離が所定距離となる度にリッチスパイク実行条件が成立することとしたりしても良い。

リッチスパイク実行条件が不成立の場合、そのまま本処理を終了する。このとき、エンジンのリーン運転等が継続される。また、リッチスパイク実行条件が成立する場合、ステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、都度のエンジン運転状態に基づいてＰＭ発生量を推定する。具体的には、Ａ／Ｆ、エンジン回転速度ＮＥ、噴射開始時期ＳＯＩ及び点火時期ＩＧＴをパラメータとして、前記図２や図３の関係に基づいて規定したマップデータによりＰＭ発生量を推定する。このとき、Ａ／Ｆはリッチスパイク時の基準Ａ／Ｆ（例えば、Ａ／Ｆ＝１２）とし、それ以外のパラメータは都度の値を用いる。なお簡易には、噴射開始時期ＳＯＩ及び点火時期ＩＧＴの少なくともいずれかを推定パラメータから排除し、それ以外のパラメータによりＰＭ発生量を推定することも可能である。

続くステップＳ１０３では、前記推定したＰＭ発生量が所定の限界値以上であるか否かを判定する。限界値は、後述する目標空燃比の補正処理を実施しても、ＰＭ発生量が許容値内に入らないと想定される値である。ＰＭ発生量≧限界値であれば、そのまま本処理を終了する。つまり、今回はリッチスパイクを実施しない。また、ＰＭ発生量＜限界値であれば、ステップＳ１０４に進み、後続のリッチスパイク処理を実行する。

ステップＳ１０４では、エンジン回転速度とＮＯｘ吸蔵還元触媒２４の温度（触媒温度）に基づいてリッチスパイク時のベース目標空燃比を設定する。このとき、例えば、あらかじめ規定した目標空燃比マップを参照し、ベース目標空燃比を設定する。触媒温度は、エンジン始動後の経過時間から推定したり、触媒に温度センサを設置して計測したりすることが可能である。ただし、ベース目標空燃比を固定値として設定することも可能である。

その後、ステップＳ１０５では、ＰＭ発生量（前記ステップＳ１０２で算出したＰＭ発生量）があらかじめ定めた許容値以上であるか否かを判定する。そして、ＰＭ発生量＜許容値であれば、ステップＳ１０６に進み、ベース目標空燃比をそのまま最終の目標空燃比とする。また、ＰＭ発生量≧許容値であれば、ステップＳ１０７に進み、ベース目標空燃比よりもリーン側のＡ／Ｆを最終の目標空燃比とする。具体的には、前記図２や図３の関係に基づいて規定したマップデータを用い、ＰＭ発生量が許容値未満となるような目標空燃比を設定する。

目標空燃比の修正に関して図５を用いて説明する。図５において、ベース目標空燃比は「ＡＦＲ１」として算出される。このとき、Ａ／Ｆ＝ＡＦＲ１では、ＰＭ発生量が許容値を超えると推測されるため、ベース目標空燃比のリッチ度合を減少させるような修正が行われる。これにより、最終の目標空燃比が「ＡＦＲ２」とされる。

上記のようにリッチスパイク制御の目標空燃比が設定されると、その目標空燃比に基づいてリッチスパイクが実施される。このリッチスパイクは、開始から所定時間が経過した時点で終了される。

以上詳述した本実施の形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

リッチスパイク制御の実施に際し、ＰＭ発生量を規定したマップデータ（前記図２や図３の関係に基づいて規定したマップデータ）によりＰＭの発生状況を監視し、その監視結果に基づいてリッチスパイク制御時の空燃比を可変設定するようにしたため、リッチスパイク制御の実施に伴うＰＭの発生を抑制することができ、排気ミッションの改善を図ることができる。この場合、マップデータを用いることにより、ＰＭ発生量を直接的又は間接的に求めなくてもＰＭの発生状況を監視することができる。

その他、パティキュレートフィルタなどの外部装置を付加せずに、リッチスパイク制御時のＰＭ排出を抑制することができる。パティキュレートフィルタなどの外部装置を付加するとしても、比較的小型のもので済むといったメリットもある。

ＰＭ発生量が、空燃比（Ａ／Ｆ）、エンジン回転速度ＮＥ、燃料の噴射開始時期ＳＯＩ及び点火時期ＩＧＴに応じて変わることに着目し、これらをパラメータとして、ＰＭ発生量に関するマップデータを規定したため、ＰＭの発生状況を好適に把握することができる。

ＰＭ発生量が所定の限界値以上である場合に、リッチスパイク制御の実施を禁止するようにしたため、ＰＭ発生を確実に防止することができる。

（第２の実施の形態）
上記第１の実施の形態では、あらかじめ規定したマップデータを用い、都度のエンジン運転状態に基づいてリッチスパイク制御時のＰＭ発生量を推定したが、本実施の形態ではこれを変更し、排気管１６において三元触媒２３よりも上流側にＰＭセンサを設け、そのＰＭセンサの検出信号に基づいてＰＭ発生量を直接的に検知する。システム構成は、前記図１の構成に対し排気管１６にＰＭセンサを設けることだけが相違し、その相違は微小であるため、ここでは図示を省略する。

ＰＭセンサの構成は従来より知られており（例えば、特開２００３−９８１３６号公報）、それを簡単に説明する。ＰＭセンサは、絶縁性材料よりなる基体を有し、その基体には排気を流通させるための多数の孔部が形成されている。また、該孔部にはその上流側及び下流側に一対の電極が設けられている。かかる構成において、排気中にＰＭが含まれていると、ＰＭが電極付近に付着し、それに伴い各電極間が導通される。このとき、電極間を流れる電流を計測することによりＰＭ発生量が検出される。

図６は、本実施の形態における目標空燃比の設定処理を示すフローチャートであり、本処理は前記図４の代わりにＥＣＵ４０により実行される。なお、図６は、前記図４と重複する処理も含まれており、ステップＳ２０１，Ｓ２０３，Ｓ２０５などは同一処理であるため説明を簡略化する。

図６において、ステップＳ２０１では、リッチスパイクの実行条件が成立したか否かを判定する。リッチスパイク実行条件が不成立の場合、そのまま本処理を終了する。このとき、エンジンのリーン運転等が継続される。また、リッチスパイク実行条件が成立する場合、ステップＳ２０２に進む。

ステップＳ２０２では、ＰＭセンサの検出信号に基づいてＰＭ発生量を検出する。続くステップＳ２０３では、前記検出したＰＭ発生量が所定の限界値以上であるか否かを判定する。ＰＭ発生量≧限界値であれば、そのまま本処理を終了する。つまり、今回はリッチスパイクを実施しない。また、ＰＭ発生量＜限界値であれば、ステップＳ２０４に進み、後続のリッチスパイク処理を実行する。

ステップＳ２０４では、今回がリッチスパイク制御の初回処理時であるか否かを判定し、初回処理時であることを条件に、続くステップＳ２０５でエンジン回転速度とＮＯｘ吸蔵還元触媒２４の温度（触媒温度）に基づいてリッチスパイク時のベース目標空燃比を設定する。その後、ステップＳ２０６では、その時のＰＭ発生量の検出値があらかじめ定めた許容値以上であるか否かを判定する。そして、ＰＭ発生量＜許容値であれば、ステップＳ２０７に進み、前回の目標空燃比をそのまま最終の目標空燃比とする。なお、初回処理時である場合には、ベース目標空燃比をそのまま最終の目標空燃比とする。

また、ＰＭ発生量≧許容値であれば、ステップＳ２０８に進み、前回の目標空燃比（初回処理時にはベース目標空燃比）を所定の増加分αだけリーン側に補正し、その補正後の空燃比を最終の目標空燃比とする。具体的には、前回の目標空燃比を５％加増する。この目標空燃比の補正は、ＰＭ発生量が許容レベル未満となるまで繰り返し行われる。これにより、ＰＭ発生量が許容レベルを越える場合に、目標空燃比のリッチ度合が徐々に減じられる。

以上第２の実施の形態によれば、上記第１の実施の形態と同様に、リッチスパイク制御の実施に伴うＰＭの発生を抑制することができ、排気ミッションの改善を図ることができる。またこのとき、ＰＭセンサの検出値によりＰＭ発生量が直接的に求められるため、ＰＭ発生量が逐次変化する場合にもそれに対応する好適なリッチスパイク制御が実施できる。

また、リッチスパイク制御時において、その制御開始時に設定した目標空燃比に対し、ＰＭ発生状況に応じてリッチ度合を徐々に減じさせるようにしたため、ＰＭ抑制を図る上で最適なる空燃比を求め、その空燃比でのリッチスパイク制御を実施することができる。この場合、ＰＭ量の減量化を図りつつ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４のＮＯｘ浄化能力を再生する上で要するリッチ成分の確保を図ることができる。

（第３の実施の形態）
本実施の形態では、リッチスパイク制御に際し、ＰＭ発生量に基づいて目標空燃比を可変設定するとともに、インジェクタ１２による噴射開始時期ＳＯＩを可変設定する。これは、目標空燃比の可変設定（リッチ度合の低減）によるＰＭ抑制効果と、噴射開始時期ＳＯＩの可変設定によるＰＭ抑制効果とにより、ＰＭ発生量の低減を図るものである。システム構成は前記図１を流用する。

図７は、本実施の形態における目標空燃比の設定処理を示すフローチャートであり、本処理は前記図４等の代わりにＥＣＵ４０により実行される。なお、図７は、前記図４と重複する処理も含まれており、ステップＳ３０１〜Ｓ３０５は同一処理であるため説明を簡略化する。

図７では、リッチスパイクの実行条件が成立する場合においてＰＭ発生量を算出する（ステップＳ３０１，Ｓ３０２）。このとき、ＰＭ発生量は、第１の実施の形態で説明したようにマップデータを用いて算出されても良いし、第２の実施の形態で説明したようにＰＭセンサの検出信号に基づいて算出されても良い。その後、ＰＭ発生量が所定の限界値未満であることを条件に、リッチスパイク時のベース目標空燃比を設定する（ステップＳ３０３，Ｓ３０４）。

その後、ＰＭ発生量があらかじめ定めた許容値以上であるか否かを判定し（ステップＳ３０５）、ＰＭ発生量＜許容値であれば、ステップＳ３０６に進み、ベース目標空燃比をそのまま最終の目標空燃比とする。

また、ＰＭ発生量≧許容値であれば、ステップＳ３０７に進み、噴射開始時期ＳＯＩを遅角側に修正するとともに、ベース目標空燃比よりもリーン側のＡ／Ｆを最終の目標空燃比とする。具体的には、前記図２や図３の関係に基づいて規定したマップデータを用い、ＰＭ発生量が許容値未満となるような噴射開始時期ＳＯＩと目標空燃比とを設定する。

噴射開始時期ＳＯＩ及び目標空燃比の補正に関して図８を用いて説明する。図８において、修正前は制御点が図のＡ１（Ａ／Ｆ＝ＡＦＲ１、ＳＯＩ＝ＳＯＩ１）であり、これではＰＭ発生量が許容値を超えると推測される。そのため、目標空燃比がリッチ度合減少側に修正されるとともに噴射開始時期ＳＯＩが遅角側に修正され、制御点が図のＡ２（Ａ／Ｆ＝ＡＦＲ２、ＳＯＩ＝ＳＯＩ２）に変更される。このとき、目標空燃比のリッチ度合だけを修正する場合、すなわち制御点を図のＡ３（Ａ／Ｆ＝ＡＦＲ３、ＳＯＩ＝ＳＯＩ１）に変更する場合に比して、目標空燃比のリッチ度合減少の程度が小さくなる。

以上第３の実施の形態によれば、リッチスパイク制御に際し、ＰＭ発生量に基づいて目標空燃比だけでなく噴射開始時期ＳＯＩを可変設定するようにしため、ＰＭ発生を抑制する上で、空燃比のリッチ度合の制限を緩和することができる。したがって、所望とするＮＯｘ吸蔵還元触媒２４のＮＯｘ浄化能力の再生を効率良く実施することが可能となる。また、所望とするＮＯｘ浄化能力の再生がいち早く行われるため、リッチスパイクの継続時間を短縮することが可能となる。

リッチスパイク制御に際し、ＰＭ発生量に基づいて目標空燃比と点火時期ＩＧＴとを可変設定するようにしても良い。かかる場合には、リッチスパイク制御時にＰＭ発生量≧許容値であれば、点火時期ＩＧＴを遅角側に修正するとともに、ベース目標空燃比よりもリーン側のＡ／Ｆを最終の目標空燃比とする。具体的には、前記図２や図３の関係に基づいて規定したマップデータを用い、ＰＭ発生量が許容値未満となるような点火時期ＩＧＴと目標空燃比とを設定する。

点火時期ＩＧＴ及び目標空燃比の補正に関して図９を用いて説明する。図９において、修正前は制御点が図のＢ１（Ａ／Ｆ＝ＡＦＲ１、ＩＧＴ＝ＩＧＴ１）であり、これではＰＭ発生量が許容値を超えると推測される。そのため、目標空燃比がリッチ度合減少側に修正されるとともに点火時期ＩＧＴが遅角側に修正され、制御点が図のＢ２（Ａ／Ｆ＝ＡＦＲ２、ＩＧＴ＝ＩＧＴ２）に変更される。このとき、目標空燃比のリッチ度合だけを修正する場合、すなわち制御点を図のＢ３（Ａ／Ｆ＝ＡＦＲ３、ＩＧＴ＝ＩＧＴ１）に変更する場合に比して、目標空燃比のリッチ度合減少の程度が小さくなる。

本構成においても、前述のとおりＰＭ発生を抑制する上で、空燃比のリッチ度合の制限を緩和することができる。したがって、所望とするＮＯｘ吸蔵還元触媒２４のＮＯｘ浄化能力の再生を効率良く実施することが可能となる。また、所望とするＮＯｘ浄化能力の再生がいち早く行われるため、リッチスパイクの継続時間を短縮することが可能となる。

なお、リッチスパイク制御時にＰＭ発生量が許容値を超える場合において、空燃比の修正と、噴射開始時期ＳＯＩの修正と、点火時期ＩＧＴの修正とを同時に行うようにすることも可能である。

（第４の実施の形態）
エンジンを長期にわたって使用していると、インジェクタ１２などに付着した堆積物（デポジット）などに起因して燃料噴射量が適正量から相違し、それに起因してＰＭ発生量を規定したマップデータ（前記図２や図３の関係に基づいて規定したマップデータ）にずれが生じることが考えられる。マップデータのずれが生じると、本来はＰＭ発生量が所定レベル以下に制限されている筈の状態でＰＭ発生量が過多になる場合が生じる。そこで本実施の形態では、排気管１６にＰＭセンサを設けたシステム構成を採用し（上記第２の実施の形態と同様）、マップデータにより求めたＰＭ発生量と、ＰＭセンサにより検出したＰＭ発生量とを比較し、その結果によりマップデータの正当性を判定する。

図１０は、マップデータの評価処理を示すフローチャートであり、本処理は、前記図４の目標空燃比の設定処理に並行してＥＣＵ４０により実行される。

図１０において、ステップＳ４０１では、今現在リッチスパイク制御の実行中であるか否かを判定し、リッチスパイク制御の実行中であれば、後続のステップＳ４０２に進む。ステップＳ４０２では、ＰＭセンサの検出信号に基づいてＰＭ発生量を検出する。また、ステップＳ４０３では、前記検出したＰＭ発生量が所定の判定値ＴＨ以上であるか否かを判定する。判定値ＴＨは、マップデータの正当性を評価するための判定値であり、マップデータで規定されるＰＭ発生量の許容値に相当する。

そして、ＰＭ発生量（センサ検出値）≧ＴＨであれば、ステップＳ４０４に進み、マップデータの正当性が低下した旨判定する。また、続くステップＳ４０５では、マップデータの正当性低下に対応するフェイルセーフ処理を実行する。具体的には、その時点でのリッチスパイク制御の空燃比をリッチ度合低減方向に補正したり、マップデータを補正したりする。例えば、インジェクタ１２に堆積したデポジットにより燃料噴射量が減少する場合には、補正による対処が可能であるため、こうした補正処理を実行する。また、これらの補正が不可能な場合には、リッチスパイク制御を禁止したり、警告ランプの点灯などによる異常警告を発したりする。例えば、インジェクタ１２に堆積したデポジットにより燃料の噴霧形状が変化する場合には、筒内混合気の分布が乱れることにより異常燃焼が生じる。かかる場合には補正による対処が困難であるため、異常警告などを実行する。

以上第４の実施の形態によれば、マップデータを用いてのリッチスパイク制御に際し、それに並行してＰＭセンサにより実際のＰＭ発生量が計測される。これにより、マップデータのずれを知り得ることができ、同マップデータの正当性を適正に評価できる。

また、マップデータの評価結果に基づいてフェイルセーフ処理が適宜実行されることにより、ＰＭ漏れに至る不具合を解消することができる。

なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。

上記実施の形態では、図４のフローチャートおいて、Ａ／Ｆ、エンジン回転速度ＮＥ、噴射開始時期ＳＯＩ及び点火時期ＩＧＴをパラメータとして、マップデータ（図２や図３の関係に基づいて規定したマップデータ）によりＰＭ発生量を推定したが、これを変更し、演算式によりＰＭ発生量を推定することも可能である。このとき、吸入空気量、燃料噴射量、噴射開始時期ＳＯＩ、点火時期ＩＧＴなどをパラメータとする演算式を用いてＰＭ発生量を算出する。

上記各実施の形態では、リッチスパイク制御時におけるＰＭ発生量を所定の許容値未満に抑えるべく、空燃比の可変設定などを適宜実施したが、リッチスパイク制御時にＰＭが全く発生しないような制御を実施するようにしても良い（ただし許容値＝０とすれば、上記の説明に含まれる）。かかる場合、例えば、ＰＭ発生量を規定するマップデータを、燃焼室１３内の局所的な空燃比が９．５以下とならないように規定すると良い。又は、同マップデータを、燃焼室１３内全体の空燃比が９．５以下とならないように規定すると良い。

上記実施の形態では、筒内噴射式のガソリンエンジンに本発明を適用したが、これ以外に、ポート噴射式のガソリンエンジンに本発明を適用することも可能である。ポート噴射式エンジンにおいてもリーン燃焼が行われるエンジンでは、排気系にＮＯｘ吸蔵還元触媒が設けられる。この場合、上記のとおりリッチスパイク制御が行われ、その際ＰＭ発生状況に基づいて空燃比の可変設定等を実行する。

発明の実施の形態におけるエンジン制御システムの概略を示す構成図である。 Ａ／Ｆと噴射開始時期に対するＰＭ発生量の違いをエンジン回転速度ごとに示す図である。 Ａ／Ｆと点火時期に対するＰＭ発生量の違いを示す図である。 リッチスパイク制御時の目標空燃比設定処理を示すフローチャートである。 目標空燃比の修正に伴いＰＭ発生量が低減されることを説明するための図である。 第２の実施の形態においてリッチスパイク制御時の目標空燃比設定処理を示すフローチャートである。 第３の実施の形態においてリッチスパイク制御時の目標空燃比設定処理を示すフローチャートである。 目標空燃比及び噴射開始時期の修正に伴いＰＭ発生量が低減されることを説明するための図である。 目標空燃比及び点火時期の修正に伴いＰＭ発生量が低減されることを説明するための図である。 マップデータ評価処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１０…エンジン、１２…インジェクタ、１３…燃焼室、１６…排気管、２４…ＮＯｘ吸蔵還元触媒、４０…ＥＣＵ。

Claims (13)

1. 内燃機関の排気系に設けた触媒に吸蔵した窒素酸化物を還元浄化するために、内燃機関のリーン運転中に空燃比を一時的にリッチ側に制御するリッチスパイク制御を行う内燃機関の制御装置において、
   前記リッチスパイク制御の実施に際し、粒子状物質の発生状況を監視する監視手段と、
   前記監視手段による監視結果に基づいて前記リッチスパイク制御時の空燃比を可変設定する空燃比設定手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記リッチスパイク制御の実施に際し、排気中の粒子状物質の量を計測又は推定により求める手段を備え、
   前記監視手段は、前記計測又は推定により求めた粒子状物質の量によって前記粒子状物質の発生状況を監視し、
   前記空燃比設定手段は、前記粒子状物質の量に基づいて前記リッチスパイク制御時の空燃比のリッチ度合を決定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記内燃機関の運転状態と前記粒子状物質の発生量との関係をあらかじめ規定してデータとして保持しておき、前記監視手段は、前記規定データを用い、都度の運転状態に基づいて前記粒子状物質の発生状況を監視することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記規定データは、前記内燃機関の回転速度と前記粒子状物質の発生量との関係を規定したものであることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記規定データは、燃料噴射弁による燃料噴射時期と前記粒子状物質の発生量との関係を規定したものであることを特徴とする請求項３又は４に記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記規定データは、点火時期と前記粒子状物質の発生量との関係を規定したものであることを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
7. 前記規定データは、燃焼室内の局所的な空燃比が９．５以下とならないように規定したものであることを特徴とする請求項３乃至６のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
8. 前記規定データは、燃焼室内全体の空燃比が９．５以下とならないように規定したものであることを特徴とする請求項３乃至６のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
9. 排気中に含まれる粒子状物質の量を計測する計測装置を前記内燃機関の排気系に設け、
   前記規定データにより求めた粒子状物質の量と、前記計測装置により計測した粒子状物質の量とを比較し、その結果により前記規定データの正当性を判定することを特徴とする請求項３乃至８のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
10. 前記監視手段による監視結果に基づいて、燃料噴射弁による燃料噴射時期を可変設定することを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
11. 前記監視手段による監視結果に基づいて、点火時期を可変設定することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
12. 前記空燃比設定手段は、前記リッチスパイク制御の開始時に設定した目標空燃比に対し、そのリッチ度合を前記粒子状物質の発生状況に基づいて徐々に減じさせることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
13. 前記粒子状物質の量が所定の限界値以上である場合に、前記リッチスパイク制御の実施を禁止することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。

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