JP2020070768A - エンジンの空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気の空燃比をより適切に制御して排気性能および燃費性能を高めることが可能となるエンジンの空燃比制御装置を提供する。【解決手段】三元触媒４１ａ下流に第１空燃比センサＳＮ１２を設け、第１空燃比センサＳＮ１２よりも広い範囲で空燃比に応じた値を出力し且つ理論空燃比近傍での空燃比に対する出力値の変化量が第１空燃比センサＳＮ１２よりも小さい第２空燃比センサＳＮ１１を三元触媒４１ａ上流に設け、三元触媒４１ａの下流に排気中のＮＯｘセンサＳＮ１３を設ける。気筒内の目標空燃比が理論空燃比であるときは、第１空燃比センサＳＮ１２および第２空燃比センサＳＮ１１の出力値に基づいて前記目標空燃比が実現されるように空燃比変更手段を制御し、目標空燃比が理論空燃比よりも高いときは、第２空燃比センサＳＮ１１およびＮＯｘセンサＳＮ１３の出力値に基づいて、目標空燃比が実現されるように空燃比変更手段を制御する。【選択図】図６

Description

本発明は、気筒が形成されたエンジン本体と、エンジン本体から排出された排気が通過する排気通路と、排気通路に設けられた三元触媒とを備えるエンジンの空燃比制御装置に関する。

従来、エンジンの排気通路に三元触媒を設けて、これにより排気を浄化することが行われている。具体的には、三元触媒は、通過する排気の空燃比が理論空燃比近傍のときにＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘを同時に浄化することが可能な触媒であり、この三元触媒を排気通路に設けるとともに排気の空燃比を理論空燃比近傍にすることで、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘを同時に浄化することが行われている。

例えば、引用文献１には、排気通路に三元触媒と排気の空燃比を検出可能な酸素センサと排気中のＮＯｘの濃度を検出可能なＮＯｘセンサとが設けられたエンジンであって、三元触媒の上流側の排気通路に酸素センサが配設され、三元触媒の下流側の排気通路にＮＯｘセンサが配設されたものが開示されている。引用文献１のエンジンでは、三元触媒に流入する排気の空燃比が理論空燃比となるように、酸素センサの出力値に基づいて気筒内の空燃比の基本値を決定するとともに、ＮＯｘセンサの出力値を用いてこの基本値を補正するように構成されている。

特開平１０−６８３４６号公報

ここで、排気性能を高める方法としては、排気の空燃比を理論空燃比よりも高くしてエンジンから排出されるＮＯｘそのものを低減し、ＨＣ、ＣＯは三元触媒で浄化させるという方法がある。この方法によれば、排気の空燃比がリーンにされる（高くされる）ことで燃費性能も高めることができる。しかし、エンジンから排出されるＮＯｘを十分に低減するには、排気の空燃比を十分に高くする必要があり、燃焼安定性の観点から全ての運転条件でこのような空燃比を実現するのは困難である。これに対して、本願発明者らは、一部の運転領域では排気の空燃比を理論空燃比にして三元触媒でＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘを浄化させ、一部の運転領域では排気の空燃比を理論空燃比よりも高くして排気性能および燃費性能を高める構成を検討した。ところが、この構成では、排気の空燃比を理論空燃比とこれよりも十分に高い値といった異なる値にそれぞれ精度よく制御する必要があり、空燃比の制御が困難であることが分かった。例えば、特許文献１の構成を適用して、前記の酸素センサとして排気の空燃比が理論空燃比であるか否かを精度よく検出できるセンサを用いた場合、排気の空燃比を理論空燃比近傍に精度よく制御することは可能かもしれないが、排気の空燃比を理論空燃比よりも十分に高い値に制御することが難しくなる。

本発明は、前記のような事情に鑑みてなされたものであり、排気の空燃比をより適切に制御して排気性能および燃費性能を高めることが可能となるエンジンの空燃比制御装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、気筒が形成されたエンジン本体と、当該エンジン本体から排出された排気が通過する排気通路と、当該排気通路に設けられた三元触媒とを備えるエンジンの空燃比制御装置であって、前記三元触媒下流の排気通路に配設されて、排気の空燃比が理論空燃比近傍であるときに当該空燃比に応じた値を出力する第１空燃比センサと、前記三元触媒上流の排気通路に配設されて、空燃比について前記第１空燃比センサよりも広い範囲で排気の空燃比に応じた値を出力し、且つ、理論空燃比近傍での空燃比に対する出力値の変化量が前記第１空燃比センサよりも小さい第２空燃比センサと、前記三元触媒下流の排気通路に配設されて、排気中のＮＯｘの濃度に応じた値を出力するＮＯｘセンサと、前記気筒内の空燃比を変更可能な空燃比変更手段と、前記空燃比変更手段を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記気筒内の空燃比の目標値である目標空燃比が理論空燃比であるときは、前記第１空燃比センサの出力値と前記第２空燃比センサの出力値とに基づいて、前記目標空燃比が実現されるように前記空燃比変更手段を制御し、前記目標空燃比が理論空燃比よりも高いときは、前記第２空燃比センサの出力値と前記ＮＯｘセンサの出力値とに基づいて、前記目標空燃比が実現されるように前記空燃比変更手段を制御する、ことを特徴とするエンジンの空燃比制御装置を提供する（請求項１）。

本発明によれば、目標空燃比が理論空燃比近傍のときは、理論空燃比近傍での空燃比に対する出力値の変化量が大きい第１空燃比センサ、つまり、理論空燃比近傍の空燃比の検出精度が高いセンサと、第１空燃比センサよりも広い範囲で排気の空燃比に応じた値を出力する第２空燃比センサ、つまり、第１空燃比センサよりは理論空燃比近傍の空燃比の検出精度は低いが広い範囲で空燃比を検出できるセンサとに基づいて、気筒内の空燃比が制御される。そのため、第２空燃比センサに基づいて空燃比を大まかに理論空燃比近傍に制御した上で、第１空燃比センサに基づいて空燃比を理論空燃比近傍に精度よく制御することができ、排気の空燃比をより早期に且つ確実に目標とする理論空燃比近傍にすることができる。

また、三元触媒に酸素が吸蔵されていたとき等では三元触媒よりも上流側の空燃比と三元触媒内の空燃比とがずれる場合があるが、本発明では、第１空燃比センサで検出された三元触媒の下流側の排気の空燃比に基づいて気筒内の空燃比が制御されるため、三元触媒内の空燃比をより確実に理論空燃比近傍に制御して排気性能を確実に高めることができる。

しかも、目標空燃比が理論空燃比よりも高いときは、第２空燃比センサに基づいて空燃比を大まかに理論空燃比よりも高い所定値に制御した上で、ＮＯｘセンサに基づいて空燃比をＮＯｘの濃度が所望の濃度となるように空燃比を制御することができ、空燃比が目標とする所定値から大幅にずれるのを回避して燃費性能および燃焼安定性を良好にしつつ、ＮＯｘの排出量を確実に小さくして排気性能を高めることができる。

従って、本発明によれば、排気の空燃比を理論空燃比近傍と理論空燃比よりも高い値との両方に精度よく制御することができ、排気の空燃比理論空燃比近傍にして三元触媒によって排気を確実に浄化し、且つ、燃焼安定性を良好にしながら排気の空燃比を理論空燃比よりも高い値にして排気性能と燃費性能とを高めることが可能になる。

前記構成において、好ましくは、前記制御手段は、前記目標空燃比が理論空燃比よりも高いとき、前記ＮＯｘセンサの出力値に基づいて前記目標空燃比を補正し、当該補正された後の目標空燃比が実現されるように前記第２空燃比センサの出力値に基づいて前記空燃比変更手段を制御する（請求項２）。

この構成によれば、気筒内の空燃比をＮＯｘ濃度が所望の量となる空燃比に適切に変更することができる。

前記構成において、好ましくは、前記制御手段は、前記目標空燃比が理論空燃比のとき、前記第１空燃比センサの出力値に基づいて前記目標空燃比を補正し、当該補正された後の目標空燃比が実現されるように前記第２空燃比センサの出力値に基づいて前記空燃比変更手段を制御する（請求項３）。

この構成によれば、気筒内の空燃比を三元触媒内の空燃比が理論空燃比となる空燃比に適切に変更することができる。

前記構成において、好ましくは、前記制御手段は、前記気筒内の混合気の一部を火花点火により強制的にＳＩ燃焼させた後に気筒内の残りの混合気を自着火によりＣＩ燃焼させる部分圧縮着火燃焼が少なくとも一部の運転領域で実行されるように前記空燃比変更手段を制御するとともに、当該部分圧縮着火燃焼が実行される運転領域の少なくとも一部で前記目標空燃比を理論空燃比よりも高い値に設定する（請求項４）。

この構成によれば、部分圧縮着火燃焼の実行によって燃焼騒音の増大を抑制しつつ燃費性能を向上させることができるとともに、この部分圧縮着火燃焼の実行時において目標空燃比が理論空燃比よりも高い値に設定されることで燃費性能をさらに高めることができるとともにＮＯｘの排出量を小さくできる。

前記構成において、好ましくは、前記排気通路の前記三元触媒の下流側に設けられて排気中の微粒子を捕集する微粒子捕集装置をさらに備え、前記第１空燃比センサは、前記排気通路のうち前記三元触媒と前記微粒子捕集装置との間に配設されており、前記ＮＯｘセンサは、前記排気通路のうち前記微粒子捕集装置よりも下流側に設けられている（請求項５）。

この構成によれば、第１空燃比センサが三元触媒により近い位置に配設されることで、第１空燃比センサによって三元触媒内の排気の空燃比をより精度よく検出することができとともに、ＮＯｘセンサが燃焼室からより遠く温度が低い位置に配設されることで、ＮＯｘセンサに熱害が加えられるのを防止できる。

以上説明したように、本発明のエンジンの空燃比制御装置によれば、排気の空燃比をより適切に制御して排気性能および燃費性能を高めることができる。

本発明の一実施形態にかかるエンジンの全体構成を概略的に示すシステム図である。 リニアＡ／ＦセンサおよびλＯ２センサの各出力値と空燃比との関係を示したグラフである。 エンジンの制御系統を示すブロック図である。 エンジンの運転領域を燃焼形態の相違により区分けしたマップ図である。 ＳＰＣＣＩ燃焼（部分圧縮着火燃焼）時の熱発生率の波形を示すグラフである。 目標空燃比の補正の手順を示すフローチャートである。 空燃比の補正の手順を示すフローチャートである。 本実施形態の作用効果を説明するためのタイムチャートである。 本実施形態の作用効果を説明するためのタイムチャートである。

（１）エンジンの全体構成
図１は、本発明の空燃比制御装置が適用されたエンジンの好ましい実施形態を示す図である。本図に示されるエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載された４サイクルのガソリン直噴エンジンであり、エンジン本体１と、エンジン本体１に導入される吸気が流通する吸気通路３０と、エンジン本体１から排出される排気が流通する排気通路４０と、排気通路４０を流通する排気の一部を吸気通路３０に還流するＥＧＲ装置５０を備えている。

エンジン本体１は、気筒２が内部に形成されたシリンダブロック３と、気筒２を上から閉塞するようにシリンダブロック３の上面に取り付けられたシリンダヘッド４と、気筒２にそれぞれ往復摺動可能に挿入されたピストン５とを有している。エンジン本体１は、典型的には複数の気筒（例えば、図１の紙面と直交する方向に並ぶ４つの気筒）を有する多気筒型のものであるが、ここでは簡略化のため、１つの気筒２のみに着目して説明を進める。

ピストン５の上方には燃焼室６が画成されており、この燃焼室６には、ガソリンを主成分とする燃料が、後述するインジェクタ１５からの噴射によって供給される。そして、供給された燃料が燃焼室６で空気と混合されつつ燃焼し、その燃焼による膨張力で押し下げられたピストン５が上下方向に往復運動する。なお、燃焼室６に噴射される燃料には、主成分としてガソリンを含有したものが用いられる。この燃料には、ガソリンに加えてバイオエタノール等の副成分が含まれてもよい。以下、適宜、インジェクタ１５から噴射される燃料の量を単に噴射量という。

ピストン５の下方には、エンジン本体１の出力軸であるクランク軸７が設けられている。クランク軸７は、ピストン５とコネクティングロッド８を介して連結され、ピストン５の往復運動（上下運動）に応じて中心軸回りに回転駆動される。

気筒２の幾何学的圧縮比、つまりピストン５が上死点にあるときの燃焼室６の容積とピストン５が下死点にあるときの燃焼室の容積との比は、後述するＳＰＣＣＩ燃焼（部分圧縮着火燃焼）に好適な値として、１３以上３０以下に設定される。より詳しくは、気筒２の幾何学的圧縮比は、オクタン価が９１程度のガソリン燃料を使用するレギュラー仕様の場合に１４以上１７以下に設定し、オクタン価が９６程度のガソリン燃料を使用するハイオク仕様の場合に１５以上１８以下に設定するのが好ましい。

シリンダブロック３には、クランク軸７の回転角度（クランク角）およびクランク軸７の回転速度（エンジン回転速度）を検出するクランク角センサＳＮ１が設けられている。

シリンダヘッド４には、燃焼室６に開口する吸気ポート９および排気ポート１０と、吸気ポート９を開閉する吸気弁１１と、排気ポート１０を開閉する排気弁１２とが設けられている。なお、当実施形態のエンジンのバルブ形式は、吸気２バルブ×排気２バルブの４バルブ形式であり、吸気ポート９、排気ポート１０、吸気弁１１および排気弁１２は、１つの気筒２についてそれぞれ２つずつ設けられている。図示は省略するが、本実施形態では、１つの気筒２に接続された２つの吸気ポート９のうちの一方に、開閉可能なスワール弁（不図示）が設けられており、気筒２内のスワール流（気筒軸線の回りを旋回する旋回流）の強さが変更されるようになっている。

吸気弁１１および排気弁１２は、シリンダヘッド４に配設された一対のカム軸等を含む動弁機構１３，１４により、クランク軸７の回転に連動して開閉駆動される。

吸気弁１１用の動弁機構１３には、吸気弁１１の少なくとも開時期を変更可能な吸気ＶＶＴ１３ａが内蔵されている。同様に、排気弁１２用の動弁機構１４には、排気弁１２の少なくとも閉時期を変更可能な排気ＶＶＴ１４ａが内蔵されている。これら吸気ＶＶＴ１３ａおよび排気ＶＶＴ１４ａの制御により、当実施形態では、吸気弁１１および排気弁１２の双方が排気上死点を跨いで開弁するバルブオーバーラップ期間を調整することが可能であり、また、このバルブオーバーラップ期間の調整により、燃焼室６に残留する既燃ガス（内部ＥＧＲガス）の量を調整することが可能である。なお、吸気ＶＶＴ１３ａ（排気ＶＶＴ１４ａ）は、吸気弁１１（排気弁１２）の開時期（閉時期）を固定したまま閉時期（開時期）のみを変更するタイプの可変機構であってもよいし、吸気弁１１（排気弁１２）の開時期および閉時期を同時に変更する位相式の可変機構であってもよい。

シリンダヘッド４には、燃焼室６に燃料（主にガソリン）を噴射するインジェクタ１５と、インジェクタ１５から燃焼室６に噴射された燃料と燃焼室６に導入された空気との混合気に点火する点火プラグ１６とが設けられている。シリンダヘッド４には、さらに、燃焼室６の圧力である筒内圧を検出する筒内圧センサＳＮ２が設けられている。

インジェクタ１５は、その先端部に複数の噴孔を有した多噴孔型のインジェクタであり、当該複数の噴孔から放射状に燃料を噴射することが可能である。インジェクタ１５は、その先端部がピストン５の冠面の中心部と対向するように設けられている。なお、図示は省略するが、本実施形態では、ピストン５の冠面に、その中央部を含む比較的広い領域をシリンダヘッド４とは反対側（下方）に凹陥させたキャビティが形成されている。

点火プラグ１６は、インジェクタ１５に対し吸気側に幾分ずれた位置に配置されている。

吸気通路３０は、吸気ポート９と連通するようにシリンダヘッド４の一側面に接続されている。吸気通路３０の上流端から取り込まれた空気（新気）は、吸気通路３０および吸気ポート９を通じて燃焼室６に導入される。

吸気通路３０には、その上流側から順に、吸気中の異物を除去するエアクリーナ３１と、吸気の流量を調整する開閉可能なスロットル弁３２と、吸気を圧縮しつつ送り出す過給機３３と、過給機３３により圧縮された吸気を冷却するインタークーラ３５と、サージタンク３６とが設けられている。

吸気通路３０の各部には、吸気の流量を検出するエアフローセンサＳＮ３と、吸気の温度を検出する第１・第２吸気温センサＳＮ４，ＳＮ６と、吸気の圧力を検出する第１・第２吸気圧センサＳＮ５，ＳＮ７とが設けられている。エアフローセンサＳＮ３および第１吸気温センサＳＮ４は、吸気通路３０におけるエアクリーナ３１とスロットル弁３２との間の部分に設けられ、当該部分を通過する吸気の流量および温度を検出する。第１吸気圧センサＳＮ５は、吸気通路３０におけるスロットル弁３２と過給機３３との間（後述するＥＧＲ通路５１の接続口よりも下流側）の部分に設けられ、当該部分を通過する吸気の圧力を検出する。第２吸気温センサＳＮ６は、吸気通路３０における過給機３３とインタークーラ３５との間の部分に設けられ、当該部分を通過する吸気の温度を検出する。第２吸気圧センサＳＮ７は、サージタンク３６に設けられ、当該サージタンク３６内の吸気の圧力を検出する。

過給機３３は、エンジン本体１と機械的に連係された機械式の過給機（スーパーチャージャ）である。過給機３３の具体的な形式は特に問わないが、例えばリショルム式、ルーツ式、または遠心式といった公知の過給機のいずれかを過給機３３として用いることができる。過給機３３とエンジン本体１との間には、締結と解放を電気的に切り替えることが可能な電磁クラッチ３４が介設されている。電磁クラッチ３４が締結されると、エンジン本体１から過給機３３に駆動力が伝達されて、過給機３３による過給が行われる。一方、電磁クラッチ３４が解放されると、上記駆動力の伝達が遮断されて、過給機３３による過給が停止される。

吸気通路３０には、過給機３３をバイパスするためのバイパス通路３８が設けられている。バイパス通路３８は、サージタンク３６と後述するＥＧＲ通路５１とを互いに接続している。バイパス通路３８には開閉可能なバイパス弁３９が設けられている。バイパス弁３９は、サージタンク３６に導入される吸気の圧力つまり過給圧を調整するための弁である。例えば、バイパス弁３９の開度が大きくなるほど、バイパス通路３８を通じて過給機３３の上流側に逆流する吸気の流量が多くなる結果、過給圧は低くなる。

排気通路４０は、排気ポート１０と連通するようにシリンダヘッド４の他側面に接続されている。燃焼室６で生成された既燃ガス（排気）は、排気ポート１０および排気通路４０を通じて外部に排出される。

排気通路４０には触媒コンバータ４１が設けられている。触媒コンバータ４１には、三元触媒４１ａと、ＧＰＦ（ガソリン・パティキュレート・フィルタ）４１ｂとが、この順で上流側から内蔵されている。

三元触媒４１ａは、排気通路４０を流通する排気に含まれる有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）を浄化するためのものである。具体的には、三元触媒４１ａは、これを通過する排気の空燃比が理論空燃比近傍のときおよび理論空燃比よりも高い（リーンである）ときに、ＨＣ、ＣＯを高い浄化率で浄化（酸化）し、排気の空燃比が理論空燃比近傍のときおよび理論空燃比よりも低い（リッチである）ときに、ＮＯｘを高い浄化率で浄化（還元）する。ＧＰＦ４１ｂは、排気中に含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集するためのものである。このＧＰＦ４１ｂは、請求項の「微粒子捕集装置」に相当する。

排気通路４０の各部には、排気の空燃比をそれぞれ検出するリニアＡ／ＦセンサＳＮ１１およびλＯ２センサＳＮ１２と、排気に含まれるＮＯｘの濃度を検出するＮＯｘセンサＳＮ１３とが設けられている。

リニアＡ／ＦセンサＳＮ１１は、排気通路４０のうち触媒コンバータ４１よりも上流側の部分に設けられており、触媒コンバータ４１に流入する排気の空燃比を検出する。λＯ２センサＳＮ１２は、排気通路４０のうち三元触媒４１ａよりも下流側且つＧＰＦ４１ｂよりも上流側の部分に設けられており、触媒コンバータ４１の三元触媒４１ａとＧＰＦ４１ｂとの間の部分に取り付けられている。λＯ２センサＳＮ１２は、三元触媒４１ａを通過した後の排気の空燃比を検出する。ＮＯｘセンサＳＮ１３は、排気通路４０のうち触媒コンバータ４１よりも下流側の部分に設けられており、触媒コンバータ４１から流出した排気のＮＯｘ濃度を検出する。具体的には、ＮＯｘセンサＳＮ１３は、触媒コンバータ４１の直下流側であって排気通路４０のうち後述するＥＧＲ通路５１が接続される部分よりも上流側の部分に設けられている。

リニアＡ／ＦセンサＳＮ１１は、いわゆる全領域型のＡ／Ｆセンサであり、広い範囲にわたって空燃比に略比例した値を出力する。λＯ２センサＳＮ１２は、いわゆるＯ２センサであり、理論空燃比近傍でのみ空燃比に応じた値を出力する。これらのセンサは、周知であり、その詳細な構造の説明は省略する。このリニアＡ／ＦセンサＳＮ１１は請求項の「第２空燃比センサ」に相当し、λＯ２センサＳＮ１２は請求項の「第１空燃比センサ」に相当する。

これらリニアＡ／ＦセンサＳＮ１１とλＯ２センサＳＮ１２の出力値と空燃比との関係について図２を用いて簡単に説明する。図２は、これらセンサＳＮ１１、ＳＮ１２の出力値（出力電圧）と空燃比との関係を示したグラフである。図２において、実線は、リニアＡ／ＦセンサＳＮ１１の出力値を示し破線は、λＯ２センサＳＮ１２の出力値を示している。

図２の実線に示すように、空燃比が理論空燃比よりも十分に低い第１空燃比ｍｉｎ１から理論空燃比よりも十分に高い第２空燃比ｍａｘ１の広い範囲にわたって、リニアＡ／ＦセンサＳＮ１１の出力値は空燃比に応じて変化するようになっている。リニアＡ／センサＳＮ１１の出力値は、概ね空燃比に比例して変化する。

一方、図２の破線に示すように、λＯ２センサＳＮ１２の出力値は、空燃比が理論空燃比よりもわずかに低い第３空燃比ｍｉｎ２から理論空燃比よりもわずかに高い第４空燃比ｍａｘ２までの間では空燃比に応じて変化するものの、この範囲を外れると空燃比に対してほとんど変化しないようになっている。このように、λＯ２センサＳＮ１２により検出可能な空燃比の範囲は、理論空燃比近傍に限られており、リニアＡ／ＦセンサＳＮ１１より検出可能な空燃比の範囲よりも狭くなっている。これより、理論空燃比近傍から外れた領域では、λＯ２センサＳＮ１２による空燃比の検出精度は、リニアＡ／ＦセンサＳＮ１１の検出精度よりも低くなる。ただし、図２の破線と実線の比較から明らかなように、理論空燃比近傍におけるλＯ２センサＳＮ１２の出力値の空燃比に対する変化量は、リニアＡ／ＦセンサＳＮ１１の出力値の空燃比に対する変化量よりも大きい。そのため、理論空燃比近傍での空燃比の検出精度は、λＯ２センサＳＮ１２の方がリニアＡ／ＦセンサＳＮ１１よりも高くなる。

ＥＧＲ装置５０は、排気通路４０と吸気通路３０とを接続するＥＧＲ通路５１と、ＥＧＲ通路５１に設けられたＥＧＲクーラ５２およびＥＧＲ弁５３とを有している。ＥＧＲ通路５１は、排気通路４０における触媒コンバータ４１よりも下流側の部分と、吸気通路３０におけるスロットル弁３２と過給機３３との間の部分とを互いに接続している。ＥＧＲクーラ５２は、ＥＧＲ通路５１を通じて排気通路４０から吸気通路３０に還流される排気（外部ＥＧＲガス）を熱交換により冷却する。ＥＧＲ弁５３は、ＥＧＲクーラ５２よりも下流側（吸気通路３０に近い側）のＥＧＲ通路５１に開閉可能に設けられ、ＥＧＲ通路５１を流通する排気の流量を調整する。

ＥＧＲ通路５１には、ＥＧＲ弁５３の上流側の圧力と下流側の圧力との差を検出するための差圧センサＳＮ８が設けられている。

（２）制御系統
図３は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。本図に示されるＥＣＵ１００は、エンジンを統括的に制御するためのマイクロプロセッサであり、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されている。

ＥＣＵ１００には各種センサによる検出信号が入力される。例えば、ＥＣＵ１００は、前述したクランク角センサＳＮ１、筒内圧センサＳＮ２、エアフローセンサＳＮ３、第１・第２吸気温センサＳＮ４，ＳＮ６、第１・第２吸気圧センサＳＮ５，ＳＮ７、差圧センサＳＮ８、リニアＡ／ＦセンサＳＮ１１、λＯ２センサＳＮ１２およびＮＯｘセンサＳＮ１３と電気的に接続されており、これらのセンサによって検出された情報（つまりクランク角、エンジン回転速度、筒内圧、吸気流量、吸気温、吸気圧、ＥＧＲ弁５３の前後差圧等）、排気の空燃比、排気のＮＯｘ濃度がＥＣＵ１００に逐次入力されるようになっている。また、車両には、当該車両を運転するドライバーにより操作されるアクセルペダルの開度を検出するアクセルセンサＳＮ９が設けられており、このアクセルセンサＳＮ９による検出信号もＥＣＵ１００に入力される。

ＥＣＵ１００は、上記各センサからの入力信号に基づいて種々の判定や演算等を実行しつつエンジンの各部を制御する。すなわち、ＥＣＵ１００は、吸気ＶＶＴ１３ａ、排気ＶＶＴ１４ａ、インジェクタ１５、点火プラグ１６、スロットル弁３２、電磁クラッチ３４、バイパス弁３９、およびＥＧＲ弁５３等と電気的に接続されており、前記演算の結果等に基づいてこれらの機器にそれぞれ制御用の信号を出力する。このＥＣＵ１００は、請求項の「制御手段」に相当する。ＥＣＵ１００は、機能的に、運転領域判定部１０１と、空燃比制御部１０２とを含む。

（３）燃焼制御
図４は、エンジンの回転速度／負荷に応じた制御の相違を説明するためのマップ図である。本図に示すように、エンジンの運転領域は、３つの運転領域Ａ１〜Ａ３に大別される。それぞれ第１運転領域Ａ１、第２運転領域Ａ２、第３運転領域Ａ３とすると、第１運転領域Ａ１は、回転速度および負荷の双方が低い低速・低負荷の領域であり、第２運転領域Ａ２は、回転速度が低くかつ負荷が高い低速・高負荷の領域であり、第３運転領域Ａ３は、回転速度が高い高速領域である。ＥＣＵ１００は、クランク角センサＳＮ１により検出されるエンジン回転速度およびエンジン負荷に基づいて、現在の運転ポイントが第１〜第３運転領域Ａ１〜Ａ３のいずれに含まれるかを判定し、以下に説明する制御を実施する。運転領域の判定は、運転領域判定部１０１によって実施される。なお、ＥＣＵ１００は、アクセルセンサＳＮ９により検出されたアクセルペダルの開度、エンジン回転速度等に基づいてエンジン負荷を算出する。

（ａ）第１運転領域Ａ１および第２運転領域Ａ２
第１運転領域Ａ１および第２運転領域Ａ２では、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とをミックスした部分圧縮着火燃焼（以下、これをＳＰＣＣＩ燃焼という）が実行される。なお、ＳＰＣＣＩ燃焼における「ＳＰＣＣＩ」とは、「Ｓｐａｒｋ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ」の略である。

ＳＩ燃焼とは、点火プラグ１６により混合気に点火し、その点火点から周囲へと燃焼領域を拡げていく火炎伝播により混合気を強制的に燃焼させる形態のことであり、ＣＩ燃焼とは、ピストン５の圧縮により高温・高圧化された環境下で混合気を自着火により燃焼させる形態のことである。そして、これらＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とをミックスしたＳＰＣＣＩ燃焼とは、混合気が自着火する寸前の環境下で行われる火花点火により燃焼室６内の混合気の一部をＳＩ燃焼させ、当該ＳＩ燃焼の後に（ＳＩ燃焼に伴うさらなる高温・高圧化により）燃焼室６内の残りの混合気を自着火によりＣＩ燃焼させる、という燃焼形態のことである。

図５は、ＳＰＣＣＩ燃焼が起きたときのクランク角に対する熱発生率（Ｊ／ｄｅｇ）の変化を示したグラフである。ＳＰＣＣＩ燃焼では、ＳＩ燃焼時の熱発生がＣＩ燃焼時の熱発生よりも穏やかになる。例えば、ＳＰＣＣＩ燃焼が行われたときの熱発生率の波形は、図５に示すように、立ち上がりの傾きが相対的に小さくなる。また、燃焼室６における圧力変動（つまりｄＰ／ｄθ：Ｐは筒内圧 θはクランク角度）も、ＳＩ燃焼時はＣＩ燃焼時よりも穏やかになる。言い換えると、ＳＰＣＣＩ燃焼時の熱発生率の波形は、ＳＩ燃焼によって形成された相対的に立ち上がりの傾きが小さい第１熱発生率部（Ｑ１で示した部分）と、ＣＩ燃焼によって形成された相対的に立ち上がりの傾きが大きい第２熱発生部（Ｑ２で示した部分）とが、この順に連続するように形成される。

ＳＩ燃焼によって、燃焼室６内の温度および圧力が高まると、これに伴い未燃混合気が自着火し、ＣＩ燃焼が開始される。図５に例示するように、この自着火のタイミング（つまりＣＩ燃焼が開始するタイミング）で、熱発生率の波形の傾きが小から大へと変化する。すなわち、ＳＰＣＣＩ燃焼における熱発生率の波形は、ＣＩ燃焼が開始するタイミングθｃｉで現れる変曲点（図５のＸ）を有している。

ＣＩ燃焼の開始後は、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とが並行して行われる。ＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼よりも熱発生が大きいため、熱発生率は相対的に大きくなる。ただし、ＣＩ燃焼は、圧縮上死点の後に行われるため、熱発生率の波形の傾きが過大になることはない。すなわち、圧縮上死点を過ぎるとピストン５の下降によりモータリング圧力が低下するので、このことが熱発生率の上昇を抑制する結果、ＣＩ燃焼時のｄｐ／ｄθが過大になることが回避される。このように、ＳＰＣＣＩ燃焼では、ＳＩ燃焼の後にＣＩ燃焼が行われるという性質上、燃焼騒音の指標となるｄｐ／ｄθが過大になり難く、単純なＣＩ燃焼（全ての燃料をＣＩ燃焼させた場合）に比べて燃焼騒音を抑制することができる。

ＣＩ燃焼の終了に伴いＳＰＣＣＩ燃焼も終了する。ＣＩ燃焼はＳＩ燃焼に比べて燃焼速度が速いので、単純なＳＩ燃焼（全ての燃料をＳＩ燃焼させた場合）に比べて燃焼終了時期を早めることができる。言い換えると、ＳＰＣＣＩ燃焼では、燃焼終了時期を膨張行程内において圧縮上死点に近づけることができる。これにより、ＳＰＣＣＩ燃焼では、単純なＳＩ燃焼に比べて燃費性能を向上させることができる。

（第１運転領域）
ＳＰＣＣＩ燃焼が行われる領域のうち負荷の低い第１運転領域Ａ１では、燃費性能を高めるために、燃焼室６内の空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比よりも高く（リーンに）される。つまり、インジェクタ１５は、燃焼室６内の空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比よりも高くなる量の燃料を燃焼室６に噴射する。ここで、燃焼室６内の空燃比を理論空燃比よりも高くすると、三元触媒４１ａでＮＯｘを十分に浄化できなくなる。そこで、第１運転領域Ａ１では、燃焼室６内で生成されるＮＯｘであるｒａｗＮＯｘの量が十分に小さくなる程度にまで燃焼室６内の空燃比を高くする。すなわち、燃焼室６内の空燃比が十分に高いときは、燃焼室６内の温度が低く抑えられることで、生成されるＮＯｘの量は少なくなる。本実施形態では、第１運転領域Ａ１において燃焼室６内の空燃比を３０程度にする。この空燃比の制御の詳細については後述する。

なお、図４のλは空気過剰率を表しており、空気過剰率λ＝１は燃焼室６内の空燃比が理論空燃比であることを意味し、空気過剰率λ＞１は燃焼室６内の空燃比が理論空燃比よりも高いことを意味している。

また、第１運転領域Ａ１では、ＳＰＣＣＩ燃焼が実現されるようにＥＣＵ１００によってエンジンの各部が次のように制御される。

インジェクタ１５は、１サイクル中に噴射すべき燃料の全量または大半を圧縮行程中に噴射する。例えば、第１運転領域Ａ１では、インジェクタ１５は、圧縮行程の中期から後期にかけた２回に分けて燃料を噴射する。点火プラグ１６は、圧縮上死点の近傍で混合気に点火する。この点火をきっかけにＳＰＣＣＩ燃焼が開始され、燃焼室６内の一部の混合気が火炎伝播により燃焼（ＳＩ燃焼）し、その後に残りの混合気が自着火により燃焼（ＣＩ燃焼）する。

吸気ＶＶＴ１３ａおよび排気ＶＶＴ１４ａは、吸・排気弁１１，１２の双方が排気上死点を跨いで開弁されるバルブオーバーラップ期間が十分に形成されるようなタイミングに設定する。これにより、燃焼室６に既燃ガスを残留させる内部ＥＧＲが実現され、燃焼室６の温度（圧縮前の初期温度）が高められる。

スロットル弁３２は全開とされる。ＥＧＲ弁５３は所定の開度まで開弁され、燃焼室６内には排気通路４０内のガスが外部ＥＧＲガスとして導入される。第１運転領域Ａ１では、前記のように空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比よりもリーンに設定される上に、燃焼室６にＥＧＲガス（外部ＥＧＲガスおよび内部ＥＧＲガス）が導入されるので、燃焼室６内の全ガスと燃料との重量比であるガス空燃比（Ｇ／Ｆ）がリーンとなる。

スワール弁１８は全閉もしくは全閉に近い低開度まで閉じられる。これにより、燃焼室６内に強いスワール流が形成される。このスワール流は、吸気行程中に成長して、圧縮行程の途中まで残存する。このため、上記のように圧縮行程中に燃料を噴射した場合には、スワール流の作用によって燃料の成層化が実現される。すなわち、スワール流が存在する状況下で圧縮行程の中期以降に燃料が噴射されると、噴射された燃料は、スワール流が比較的弱い燃焼室６の中央部に集められる。これにより、燃焼室６の中央部の燃料濃度がその外側の領域（外周部）に比べて濃くなるという濃度差が生じ、燃料の成層化が実現される。

過給機３３は、第１運転領域Ａ１のうち回転速度が低い側ではＯＦＦ状態とされる。すなわち、電磁クラッチ３４が解放されて過給機３３とエンジン本体１との連結が解除されるとともに、バイパス弁３９が全開とされることにより、過給機３３による過給が停止される。一方、運転領域Ａ１のうち回転速度が高い側では、過給機３３はＯＮ状態とされる。すなわち、電磁クラッチ３４が締結されて過給機３３とエンジン本体１とが連結されることにより、過給機３３による過給が行われる。このとき、第２吸気圧センサＳＮ７により検出されるサージタンク３６内の圧力（過給圧）が、運転条件（回転速度／負荷）ごとに予め定められた目標圧力に一致するように、バイパス弁３９の開度が制御される。

（第２運転領域）
第２運転領域Ａ２は、第１運転領域Ａ１に比べてエンジン負荷が高く燃焼室６内に供給される燃料の量が多い領域である。そのため、第２運転領域Ａ２では、ｒａｗＮＯｘの量が十分に小さくなる程度にまで燃焼室６内の空燃比を高くするのが困難となる。そこで、第２運転領域Ａ２では、排気の空燃比すなわち燃焼室６内の空燃比を理論空燃比にし、三元触媒４１ａにてＮＯｘを浄化するようにする。つまり、第２運転領域Ａ２では、燃焼室６内の空燃比は基本的に理論空燃比とされる。前記と同様、この空燃比の制御の詳細については後述する。

また、第２運転領域Ａ２では、ＳＰＣＣＩ燃焼が実現されるようにＥＣＵ１００によってエンジンの各部が次のように制御される。

インジェクタ１５は、１サイクル中に噴射すべき燃料の一部を吸気行程中に噴射し、残りの燃料を圧縮行程中に噴射する。点火プラグ１６は、圧縮上死点の近傍で混合気に点火する。第２運転領域Ａ２でも、この点火をきっかけにＳＰＣＣＩ燃焼が開始され、燃焼室６内の一部の混合気が火炎伝播により燃焼（ＳＩ燃焼）し、その後に残りの混合気が自着火により燃焼（ＣＩ燃焼）する。

吸気ＶＶＴ１３ａおよび排気ＶＶＴ１４ａは、第２運転領域Ａ２の低負荷側の一部においてのみ内部ＥＧＲが行われるように（言い換えると高負荷側では内部ＥＧＲが停止されるように）、吸気弁１１および排気弁１２のバルブタイミングを制御する。

スロットル弁３２は全開とされる。ＥＧＲ弁５３は、ＥＧＲ通路５１を通じて還流される排気（外部ＥＧＲガス）の量が高負荷側ほど少なくなるように制御される。エンジンの最高負荷の近傍では、ＥＧＲ弁５３は全閉とされて、外部ＥＧＲガスの量はほぼゼロとされる。これに伴い、第２運転領域Ａ２でも、燃焼室６内のガス空燃比（Ｇ／Ｆ）は、エンジンの最高負荷の近傍を除いていずれもリーンとされる。

スワール弁１８は、全閉／全開を除いた適宜の中間開度まで開かれ、その開度は、負荷が高いほど大きくされる。

過給機３３は、第２運転領域Ａ２のうち回転速度および負荷がともに低い領域では、ＯＦＦ状態される。一方、第２運転領域Ａ２のその他の領域では、過給機３３はＯＮ状態とされる。

（ｂ）第３運転領域
第１、第２運転領域Ａ１、Ａ２よりも高速側の第３運転領域Ａ３では、比較的オーソドックスなＳＩ燃焼が実行される。このＳＩ燃焼の実現のために、第３運転領域Ａ３では、ＥＣＵ１００によってエンジンの各部が次のように制御される。

インジェクタ１５は、少なくとも吸気行程と重複する所定の期間にわたって噴射を噴射する。点火プラグ１６は、圧縮上死点の近傍で混合気に点火する。第３運転領域Ａ３では、この点火をきっかけにＳＩ燃焼が開始され、燃焼室６内の混合気の全てが火炎伝播により燃焼する。

過給機３３はＯＮ状態とされる。スロットル弁３２は全開とされる。ＥＧＲ弁５３は、燃焼室６内の空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比もしくはこれよりややリッチとなるように、その開度が制御される。一方、燃焼室６内のガス空燃比（Ｇ／Ｆ）は、エンジンの最高負荷の近傍を除いていずれもリーンとされる。スワール弁１８は全開とされる。

（４）空燃比制御
第１運転領域Ａ１および第２運転領域Ａ２つまりＳＰＣＣＩ燃焼が実施される領域で行われる空燃比の制御の詳細について説明する。この空燃比の制御は、空燃比制御部１０２で実施される。空燃比制御部１０２は、機能的に、基本目標空燃比設定部１１１と、目標空燃比補正部１１２と、空燃比補正部１１３とを含む。

基本目標空燃比設定部１１１は、燃焼室６内の空燃比の目標値である目標空燃比の基本的な値を設定する。以下、適宜、この目標空燃比の基本的な値を基本目標空燃比という。

目標空燃比補正部１１２は、基本目標空燃比設定部１１１で設定された基本目標空燃比を補正する。以下、適宜、目標空燃比補正部１１２により補正された後の目標空燃比を指令目標空燃比という。

空燃比補正部１１３は、燃焼室６内の空燃比が、指令目標空燃比となるように、リニアＡ／ＦセンサＳＮ１１の検出値に基づいて噴射量を補正する。このように、本実施形態では、噴射量の補正により燃焼室６内の空燃比が調整されるようになっており、インジェクタ１５が請求項の「空燃比変更手段」に相当する。

空燃比補正部１１３により実施される制御の詳細についてまず説明する。

空燃比補正部１１３は、燃焼室６とリニアＡ／ＦセンサＳＮ１１との距離やエアフローセンサＳＮ３により検出された吸気の流量等に基づいて、燃焼室６内の空燃比が仮に指令目標空燃比とされたとしたときにリニアＡ／ＦセンサＳＮ１１の位置で検出される排気の空燃比を算出する（以下、この算出値を目標排ガス空燃比という）。そして、空燃比補正部１１３は、リニアＡ／ＦセンサＳＮ１１で検出される排気の空燃比がこの目標排ガス空燃比となるように噴射量をフィードバック制御する。

具体的には、空燃比補正部１１３は、エアフローセンサＳＮ３により検出された吸気の流量等から燃焼室６内の空気の量を推定する。そして、この空気量と指令目標空燃比とから基本的な噴射量である基本噴射量を算出する。また、空燃比補正部１１３は、リニアＡ／ＦセンサＳＮ１１で検出された排気の空燃比（以下、第１実排ガス空燃比という）と、目標排ガス空燃比とを比較する。そして、第１実排ガス空燃比の方が目標排ガス空燃比よりも高い（リーンである）ときは噴射量が不足していたことになることから、空燃比補正部１１３は、第１実排ガス空燃比から目標排ガス空燃比を差し引いた値に対応する量だけ基本噴射量を増量補正して最終的な噴射量とする。一方、第１実排ガス空燃比の方が目標排ガス空燃比よりも低い（リッチである）ときは噴射量が過大であったことになることから、空燃比補正部１１３は、目標排ガス空燃比から第１実排ガス空燃比を差し引いた値に対応する量だけ基本噴射量を減量補正して最終的な噴射量とする。本実施形態では、噴射期間（インジェクタ１５の噴射パルスのパルス幅）を変更することで噴射量を補正する。

このように、本実施形態では、リニアＡ／ＦセンサＳＮ１１の検出値に基づいて、第１実排ガス空燃比が目標排ガス空燃比となるように、つまりは、燃焼室６内の空燃比が指令目標空燃比となるように、噴射量が補正される。

次に、基本目標空燃比設定部１１１および目標空燃比補正部１１２により実施される制御の詳細について説明する。これらの制御は、第１運転領域Ａ１と第２運転領域Ａ２とで異なっており、運転領域毎にこれらの制御の詳細について説明する。

（第１運転領域Ａ１）
前記のように、第１運転領域Ａ１では、ｒａｗＮＯｘが小さくなるように燃焼室６の空燃比は理論空燃比よりも高くされる。これより、基本目標空燃比設定部１１１は、運転領域判定部１０１によって第１運転領域Ａ１でエンジンが運転されていると判定されると、基本目標空燃比を理論空燃比よりも高い値に設定する。本実施形態では、第１運転領域Ａ１における基本目標空燃比がエンジン回転速度とエンジン負荷とについてマップで記憶されており、基本目標空燃比設定部１１１は、このマップから現在のエンジン回転速度とエンジン負荷とに対応する値を抽出して基本目標空燃比に設定する。

空燃比補正部１１３によって燃焼室６内の空燃比がこの基本目標空燃比に制御されることで、ｒａｗＮＯｘの生成量は所望の量以下になるはずである。しかしながら、インジェクタ１５の機差ばらつき等に伴って、インジェクタ１５から噴射される燃料の噴霧状態が前記マップの基本目標空燃比を決定したときの状態と異なる場合がある。また、燃焼室６内の流動状態が、前記マップの基本目標空燃比を決定したときの状態と異なる場合がある。そして、これらの場合には、燃焼室６内の空燃比を基本目標空燃比にしても、ｒａｗＮＯｘの生成量が所望の値を超える可能性があり、リニアＡ／ＦセンサＳＮ１１の検出に基づいて燃焼室６内の空燃比を基本目標空燃比に制御しただけでは、エンジンから排出されるＮＯｘの量を所定値以下に抑えられないおそれがある。

そこで、本実施形態では、ＮＯｘセンサＳＮ１３で検出されたＮＯｘ濃度、つまり、実際にエンジンから排出されたＮＯｘの濃度（以下、適宜、実ＮＯｘ濃度という）が予め設定された目標値以下となるように、基本目標空燃比を補正する。具体的には、第１運転領域Ａ１でエンジンが運転されており基本目標空燃比が理論空燃比よりも高い値に設定されたとき、目標空燃比補正部１１２は、実ＮＯｘ濃度とその目標値である目標ＮＯｘ濃度との差を算出して、この差に応じて基本目標空燃比の補正量を算出する。詳細には、実ＮＯｘ濃度が目標ＮＯｘ濃度よりも高いときは、目標空燃比補正部１１２は、燃焼室６内の空燃比を高く（リーンに）するべく、基本目標空燃比に所定量を加算し、加算後の値を指令目標空燃比に設定する。本実施形態では、実ＮＯｘ濃度と目標ＮＯｘ濃度との差が大きいほどこの加算量を大きくする。また、実ＮＯｘ濃度が目標ＮＯｘ濃度よりも低いときは、目標空燃比補正部１１２は、燃焼室６内の空燃比を低く（リッチに）するべく、基本目標空燃比から所定量を低減し、低減後の値を指令目標空燃比に設定する。本実施形態では、実ＮＯｘ濃度と目標ＮＯｘ濃度との差が大きいほどこの低減量を大きくする。

（第２運転領域Ａ２）
前記のように、第２運転領域Ａ２では、三元触媒４１ａによってＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘが浄化されるように燃焼室６の空燃比は基本的に理論空燃比とされる。これより、基本目標空燃比設定部１１１は、運転領域判定部１０１によって第２運転領域２１でエンジンが運転されていると判定されると、基本目標空燃比を理論空燃比に設定する。

ここで、仮に、この基本目標空燃比つまり理論空燃比を指令目標空燃比とすれば、前記のように、空燃比補正部１１３によって、リニアＡ／ＦセンサＳＮ１１の検出値に基づいて燃焼室６の空燃比が理論空燃比となるように噴射量が調整される。ただし、前記のように、リニアＡ／ＦセンサＳＮ１１の理論空燃比近傍の空燃比の検出精度は比較的低い。そのため、リニアＡ／ＦセンサＳＮ１１の検出に基づいて単に噴射量を調整しただけでは、三元触媒４１ａ内の空燃比を精度よく理論空燃比に制御することができないおそれがある。また、車両の減速等に伴って燃料噴射が停止されると三元触媒４１ａ内に多量の空気が導入されて、三元触媒４１ａ内に酸素が吸蔵される場合があり、このときには、燃料噴射の再開後、三元触媒４１ａの上流側の空燃比が理論空燃比であっても、三元触媒４１ａ内の空燃比が理論空燃比よりも高くなることがある。

そこで、本実施形態では、三元触媒４１ａ内の空燃比をより確実に理論空燃比にするべく、リニアＡ／ＦセンサＳＮ１１よりも理論空燃比近傍の空燃比の検出精度が高く、且つ、三元触媒４１ａの下流側に設けられたλＯ２センサＳＮ１２で検出された排気の空燃比（以下、適宜、第２実排ガス空燃比という）が理論空燃比となるように、基本目標空燃比を補正する。具体的には、第２運転領域Ａ２でエンジンが運転されており基本目標空燃比が理論空燃比に設定されたとき、目標空燃比補正部１１２は、第２実排ガス空燃比と理論空燃比との差を算出して、この差に応じて基本目標空燃比の補正量を算出する。詳細には、第２実排ガス空燃比が理論空燃比よりも高いときは、目標空燃比補正部１１２は、基本目標空燃比から所定量を低減し、低減後の値を指令目標空燃比に設定する。本実施形態では、第２実排ガス空燃比と理論空燃比との差が大きいほどこの低減量を大きくする。また、第２実排ガス空燃比が理論空燃比よりも低いときは、目標空燃比補正部１１２は、基本目標空燃比に所定量を加算し、加算後の値を指令目標空燃比に設定する。本実施形態では、第２実排ガス空燃比と理論空燃比との差が大きいほどこの加算量を大きくする。

この空燃比の制御をまとめると図６および図７のフローチャートのようになる。図６は、基本目標空燃比設定部１１１および目標空燃比補正部１１２により実施される指令目標空燃比の算出手順を示した図である。図７は、空燃比補正部１１３により実施される指令目標空燃比を実現するための制御手順つまり燃焼室の空燃比の補正の手順を示した図である。なお、本実施形態では、図６、図７のフローは第１運転領域Ａ１あるいは第２運転領域Ａ２でエンジンが運転されているときにのみ実施される。

図６のフローチャートにおいて、まず、ステップＳ１にて、ＥＣＵ１００は、基本目標空燃比を設定する。前記のように、第２運転領域Ａ２でエンジンが運転されているときは基本目標空燃比は理論空燃比に設定され、第１運転領域Ａ１でエンジンが運転されているときは基本目標空燃比は理論空燃比よりも高い値であって予め設定された値に設定される。

次に、ステップＳ２において、ＥＣＵ１００は、基本目標空燃比が理論空燃比であるか否かを判定する。つまり、第１運転領域Ａ１でエンジンが運転されているか第２運転領域Ａ２でエンジンが運転されているかを判定する。

ステップＳ２の判定がＹＥＳであって、基本目標空燃比が理論空燃比に設定された場合、つまり、第２運転領域Ａ２でエンジンが運転されている場合、ＥＣＵ１００はステップＳ３に進む。ステップＳ３において、ＥＣＵ１００は、λＯ２センサＳＮ１２の検出値を読み込む。つまり、λＯ２センサＳＮ１２で検出された三元触媒４１ａよりも下流側の排気の空燃比である第２実排ガス空燃比を読み込む。次に、ステップＳ４において、ＥＣＵ１００は、第１実排ガス空燃比と理論空燃比とを比較するとともにその偏差を算出する。次に、ステップＳ５において、ＥＣＵ１００は、ステップＳ４で読み込んだ第２実排ガス空燃比と理論空燃比との比較結果およびこれらの偏差に基づいて、基本目標空燃比の補正量を算出する。その後、ステップＳ６において、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１で設定した基本目標空燃比（ステップＳ５の後に進むステップＳ６では、基本目標空燃比（理論空燃比）をステップＳ５で算出した補正量で補正して、補正後の空燃比を指令目標空燃比に設定する。

一方、ステップＳ２の判定がＮＯであって、基本目標空燃比が理論空燃比ではない場合、つまり、基本目標空燃比が理論空燃比よりも高く第１運転領域Ａ１でエンジンが運転されている場合、ＥＣＵ１００はステップＳ７に進む。ステップＳ７において、ＥＣＵ１００は、ＮＯｘセンサＳＮ１３の検出値を読み込む。つまり、ＮＯｘセンサＳＮ１３で検出された排気のＮＯｘ濃度である実ＮＯｘ濃度を読み込む。次に、ステップＳ８において、ＥＣＵ１００は、排気のＮＯｘ濃度の目標値である目標ＮＯｘ濃度を設定する。次に、ステップＳ９において、ＥＣＵ１００は、実ＮＯｘ濃度と目標ＮＯｘ濃度とを比較するとともにその偏差を算出する。次に、ステップＳ１０において、ＥＣＵ１００は、ステップＳ９での実ＮＯｘ濃度と目標ＮＯｘ濃度との比較結果およびこれらの偏差に基づいて、基本目標空燃比の補正量を算出する。その後、ＥＣＵ１００は、ステップＳ６に進む。そして、ステップＳ６において、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１で設定した基本目標空燃比（ステップＳ１０の後に進むステップＳ６では、基本目標空燃比は理論空燃比よりも高い値である）をステップＳ１０で算出した補正量で補正して、補正後の空燃比を指令目標空燃比に設定する。

図７のフローチャートにおいて、まず、ステップＳ２１にて、ＥＣＵ１００は、前記のようにして算出した指令目標空燃比を読み込む。次に、ステップＳ２２において、ＥＣＵ１００は、エアフローセンサＳＮ３により検出された吸気の流量等から燃焼室６内の空気量を推定する。次に、ステップＳ２３において、ＥＣＵ１００は、推定した燃焼室６内の空気量とステップＳ２１で読み込んだ指令目標空燃比とから、推定した燃焼室６内の空気量において空燃比が指令目標空燃比となる燃料の量を基本噴射量として算出する。次に、ステップＳ２４において、ＥＣＵ１００は、リニアＡ／ＦセンサＳＮ１１の検出値を読み込む。つまり、リニアＡ／ＦセンサＳＮ１１で検出された排気の空燃比である第１実排ガス空燃比を読み込む。次に、ステップＳ２５において、指令目標空燃比に対応する排気の空燃比（リニアＡ／ＦセンサＳＮ１１の位置での排気の空燃比）である目標排ガス空燃比を算出する。次に、ステップＳ２６において、ＥＣＵ１００は、ステップＳ２２で算出した目標排ガス空燃比と第１実排ガス空燃比とを比較するとともにその偏差を算出する。次に、ステップＳ２７において、ＥＣＵ１００は、ステップＳ２６での目標排ガス空燃比と第１実排ガス空燃比との比較結果およびこれらの偏差に基づいて、噴射量の補正量を算出する。次に、ステップＳ２８において、ＥＣＵ１００は、ステップＳ２３で算出した基本噴射量をステップＳ２７で算出した補正量で補正して、最終的な噴射量に設定する。その後は、ＥＣＵ１００はこの最終的な噴射量に対応する噴射パルスで噴射を行うようにインジェクタ１５に指令を出す。

（５）作用等
図８は、第２運転領域Ａ２において前記の目標空燃比の補正を行ったときの各パラメータの時間変化を模式的に示したものである。比較として、図８には、前記の目標空燃比の補正を行わなかったときの各パラメータの時間変化を破線で示している。図８では、上から順に、燃焼室６内の空燃比、リニアＡ／ＦセンサＳＮ１１で検出された排気の空燃比、λＯ２センサＳＮ１２で検出された排気の空燃比、ＮＯｘ濃度（ＮＯｘセンサＳＮ１３で検出された排気のＮＯｘ濃度）の各時間変化を示している。

図８の破線に示すように、第２運転領域Ａ２において前記の目標空燃比の補正を行わなかったときは、燃焼室６内の空燃比の目標値である指令目標空燃比ひいては燃焼室６内の空燃比は理論空燃比に維持される。そして、λＯ２センサＳＮ１２の検出値も理論空燃比になる。ただし、前記のように、三元触媒４１ａ内に酸素が貯蔵されたこと等に伴って、リニアＡ／ＦセンサＳＮ１１で検出される空燃比は理論空燃比である一方、λＯ２センサＳＮ１２で検出される空燃比は理論空燃比からずれる場合がある。そして、時刻ｔ１にてこのような現象が生じて三元触媒４１ａの下流側の空燃比が理論空燃比よりもリーンになると、比較例では、三元触媒４１ａでＮＯｘが充分に浄化されなくなるため、排気のＮＯｘ濃度つまりはＮＯｘの排出量が増大してしまう。

これに対して、図８の実線に示すように、第２運転領域Ａ２において前記の目標空燃比の補正を行う本実施形態では、時刻ｔ１にてλＯ２センサＳＮ１２で検出された空燃比が理論空燃比よりも高くなると、目標空燃比が基本目標空燃比である理論空燃比よりも低い側に補正されて、燃焼室６内の空燃比が理論空燃比よりも低くされる。この結果、三元触媒４１ａの上流側の空燃比（リニアＡ／ＦセンサＳＮ１１で検出される空燃比）は理論空燃比よりもリッチになるが、三元触媒４１ａの下流側の空燃比（λＯ２センサＳＮ１２で検出される空燃比）ひいては三元触媒４１ａ内の空燃比が理論空燃比とされる。これにより、三元触媒４１ａにてＮＯｘが適切に浄化されてＮＯｘの排出量の増大が抑制される。

図９は、第１運転領域Ａ１でエンジンが運転されているときの各パラメータの時間変化を模式的に示したものである。図９において、実線は前記の目標空燃比の補正を行ったときの時間変化を、破線は比較例として前記の目標空燃比の補正を行わなかったときの時間変化を示している。また、図９では、上から順に、燃焼室６内の空燃比、三元触媒４１ａの上流側の排気の空燃比（リニアＡ／ＦセンサＳＮ１１で検出された排気の空燃比）、排気のＮＯｘ濃度（ＮＯｘセンサＳＮ１３で検出された排気のＮＯｘ濃度）の各時間変化を示している。

図９の破線に示すように、第１運転領域Ａ１において前記の目標空燃比の補正を行わなかったときは、指令目標空燃比ひいては燃焼室６内の空燃比は理論空燃比よりもリーンな基本目標空燃比に維持される。ここで、噴射の状態や燃焼室６内の流動が基本目標空燃比を設定したときの状態に維持されていれば、ＮＯｘ濃度は鎖線で示した目標ＮＯｘ濃度に維持される。ところが、時刻ｔ１にて、これらの状態が基本目標空燃比を設定したときの状態から変化した場合、比較例では、指令目標空燃比ひいては燃焼室６内の空燃比が基本目標空燃比に維持されることで、リニアＡ／ＦセンサＳＮ１１で検出された排気の空燃比が所定の値に維持されるにも関わらず、排気のＮＯｘ濃度が目標ＮＯｘ濃度を超えてしまう。

これに対して、図９の実線に示すように、前記の目標空燃比の補正を行う本実施形態では、時刻ｔ１にてＮＯｘセンサＳＮ１３で検出されたＮＯｘ濃度が目標値を超えるのに伴って、指令目標空燃比ひいては燃焼室６内の空燃比が、破線で示す基本目標空燃比に対して高い側に変更される。そのため、ＮＯｘ濃度が再び目標値に制御されてＮＯｘの排出量の増大が抑制される。

以上説明したように、本実施形態では、第２運転領域Ａ２でエンジンが運転されており燃焼室６内の空燃比の目標値である目標空燃比が理論空燃比であるときは、理論空燃比近傍の検出精度が高いλＯ２センサＳＮ１２と、理論空燃比近傍の検出精度はλＯ２センサＳＮ１２よりも低いが広い範囲で空燃比を検出できるリニアＡ／ＦセンサＳＮ１１の出力値とに基づいて、燃焼室６内の空燃比が制御される。そして、第１運転領域Ａ１でエンジンが運転されており目標空燃比が理論空燃比よりも高いときは、リニアＡ／ＦセンサＳＮ１１の出力値とＮＯｘセンサＳＮ１３の出力値とに基づいて、燃焼室６内の空燃比が制御される。

そのため、燃焼室６内の目標空燃比が理論空燃比とされる第２運転領域Ａ２と、燃焼室６内の目標空燃比が理論空燃比よりも高い値とされる第１運転領域Ａ１との両方において、燃焼室６内の空燃比を精度よく目標値に制御することができ、排気性能と燃費性能とをより確実に高めることができる。

具体的には、第２運転領域Ａ２であって燃焼室６内の空燃比が理論空燃比とされる場合に、リニアＡ／ＦセンサＳＮ１１に基づいて燃焼室６内の空燃比を大まかに理論空燃比近傍に制御した上で、λＯ２センサに基づいてこの空燃比を理論空燃比近傍に精度よく制御することができ、燃焼室６内の空燃比ひいては排気の空燃比をより早期に且つ確実に目標とする理論空燃比近傍にすることができる。さらに、λＯ２センサＳＮ１２で検出された三元触媒４１ａの下流側の排気の空燃比に基づいて燃焼室６内の空燃比が制御されることで、三元触媒４１ａに酸素が吸蔵されていたとき等であって三元触媒４１ａよりも上流側の空燃比と三元触媒４１ａ内の空燃比とがずれる場合であっても、三元触媒４１ａ内の空燃比をより確実に理論空燃比近傍に制御して排気性能を確実に高めることができる。

また、第１運転領域Ａ１でエンジンが運転されており燃焼室６内の目標空燃比が理論空燃比よりも高いときは、リニアＡ／ＦセンサＳＮ１１に基づいて燃焼室６内の空燃比を大まかに目標空燃比近傍に制御した上で、ＮＯｘセンサＳＮ１３に基づいて実ＮＯｘ濃度がＮＯｘの濃度となるように燃焼室６内の空燃比が制御されることで、燃焼室６内の空燃比が目標空燃比から大幅にずれるのを回避して燃費性能および燃焼安定性を良好にしつつ、ＮＯｘの排出量を確実に小さくすることができる。

特に、本実施形態では、第１運転領域Ａ１でエンジンが運転されており燃焼室６内の目標空燃比が理論空燃比よりも高いときに、ＮＯｘセンサＳＮ１３で検出された実ＮＯｘ濃度に基づいて前記目標空燃比を補正し、当該補正された後の目標空燃比が実現されるようにリニアＡ／ＦセンサＳＮ１１で検出された排気の空燃比に基づいて燃焼室６内の空燃比が制御される。そのため、第１運転領域Ａ１において、ＮＯｘ濃度が目標ＮＯｘ濃度となる空燃比に燃焼室６内の空燃比を適切に制御することができる。

また、本実施形態では、第２運転領域Ａ２でエンジンが運転されており目標空燃比が理論空燃比のときに、λＯ２センサＳＮ１２で検出された排気の空燃比に基づいて前記目標空燃比を補正し、当該補正された後の目標空燃比が実現されるようにリニアＡ／ＦセンサＳＮ１１で検出された排気の空燃比に基づいて燃焼室６内の空燃比が制御される。そのため、第２運転領域Ａ２において、三元触媒４１ａ内の空燃比が理論空燃比となる空燃比に燃焼室６内の空燃比を適切に変更することができる。

また、本実施形態では、第１運転領域Ａ１と第２運転領域Ａ２においてＳＰＣＣＩ燃焼が実行される。そのため、ＳＰＣＣＩ燃焼の実行によって燃焼騒音の増大を抑制しつつ燃費性能を向上させることができるとともに、このＳＰＣＣＩ燃焼が実行される第１運転領域Ａ１において目標空燃比が理論空燃比よりも高い値に設定されることで燃費性能をさらに高めることおよびＮＯｘの排出量を小さくすることができる。

また、本実施形態では、λＯ２センサＳＮ１２が、排気通路４０のうち三元触媒４１ａと微粒子捕集装置４１ｂとの間に配設され、ＮＯｘセンサＳＮ１３が、排気通路４０のうち微粒子捕集装置４１ｂよりも下流側に設けられている。つまり、λＯ２センサＳＮ１２が三元触媒４１ａにより近い位置に配設されている。そのため、λＯ２センサＳＮ１２によって三元触媒４１ａ内の排気の空燃比をより精度よく検出することができる。また、熱害を比較的受けやすいＮＯｘセンサＳＮ１３が燃焼室６からより遠く温度が低い位置に配設されることで、ＮＯｘセンサＳＮ１３に加えられる熱害が抑制できる。

（６）変形例
前記実施形態では、ＮＯｘ濃度が予め設定された目標ＮＯｘ濃度となるように目標空燃比が補正される場合について説明したが、これに代えて、ＮＯｘ濃度が目標ＮＯｘ濃度以下となるように目標空燃比が補正されてもよい。

前記実施形態では、ＮＯｘセンサＳＮ１３の検出値と目標ＮＯｘ濃度とを直接比較して、その比較結果に基づいて目標空燃比が補正される場合について説明したが、モデル計算により排気のＮＯｘ濃度を推定し、このＮＯｘ濃度の推定値の誤差（いわゆるモデル誤差）の学習にＮＯｘセンサＳＮ１３の検出値を用い、ＮＯｘセンサＳＮ１３の検出値に基づいて修正された後のＮＯｘ濃度の推定値と、目標ＮＯｘ濃度との差に基づいて目標空燃比を補正するように構成してもよい。

前記実施形態では、ＳＰＣＣＩ燃焼を実施する第１運転領域Ａ１および第２運転領域Ａ２において、λＯ２センサＳＮ１２およびＮＯｘセンサＳＮ１３の検出値を用いて目標空燃比を補正する場合について説明したが、この補正は、ＳＰＣＣＩ燃焼以外の燃焼が行われる場合に適用されてもよい。ただし、ＳＰＣＣＩ燃焼を実施すれば燃費性能を高めることができるため、第１運転領域Ａ１のように燃焼室６内の空燃比を理論空燃比よりもリーンにしつつＳＰＣＣＩ燃焼を実施すれば、燃費性能を格段に高めることができる。そして、この場合には、特に、ＮＯｘを精度よく制御することが求められるため、このような場合に適用すれば、効果的である。

１ エンジン本体
２ 気筒
６ 燃焼室
１５ インジェクタ（空燃比変更手段）
１６ 点火プラグ
４１ａ 三元触媒
１００ ＥＣＵ（制御手段）
ＳＮ１１ リニアＡ／Ｆセンサ（第２空燃比センサ）
ＳＮ１２ λＯ２センサ（第１空燃比センサ）
ＳＮ１３ ＮＯｘセンサ

Claims (5)

1. 気筒が形成されたエンジン本体と、当該エンジン本体から排出された排気が通過する排気通路と、当該排気通路に設けられた三元触媒とを備えるエンジンの空燃比制御装置であって、
   前記三元触媒下流の排気通路に配設されて、排気の空燃比が理論空燃比近傍であるときに当該空燃比に応じた値を出力する第１空燃比センサと、
   前記三元触媒上流の排気通路に配設されて、空燃比について前記第１空燃比センサよりも広い範囲で排気の空燃比に応じた値を出力し、且つ、理論空燃比近傍での空燃比に対する出力値の変化量が前記第１空燃比センサよりも小さい第２空燃比センサと、
   前記三元触媒下流の排気通路に配設されて、排気中のＮＯｘの濃度に応じた値を出力するＮＯｘセンサと、
   前記気筒内の空燃比を変更可能な空燃比変更手段と、
   前記空燃比変更手段を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、
   前記気筒内の空燃比の目標値である目標空燃比が理論空燃比であるときは、前記第１空燃比センサの出力値と前記第２空燃比センサの出力値とに基づいて、前記目標空燃比が実現されるように前記空燃比変更手段を制御し、
   前記目標空燃比が理論空燃比よりも高いときは、前記第２空燃比センサの出力値と前記ＮＯｘセンサの出力値とに基づいて、前記目標空燃比が実現されるように前記空燃比変更手段を制御する、ことを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。
2. 請求項１に記載のエンジンの空燃比制御装置において、
   前記制御手段は、前記目標空燃比が理論空燃比よりも高いとき、前記ＮＯｘセンサの出力値に基づいて前記目標空燃比を補正し、当該補正された後の目標空燃比が実現されるように前記第２空燃比センサの出力値に基づいて前記空燃比変更手段を制御する、ことを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。
3. 請求項１または２に記載のエンジンの空燃比制御装置において、
   前記制御手段は、前記目標空燃比が理論空燃比のとき、前記第１空燃比センサの出力値に基づいて前記目標空燃比を補正し、当該補正された後の目標空燃比が実現されるように前記第２空燃比センサの出力値に基づいて前記空燃比変更手段を制御する、ことを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジンの空燃比制御装置において、
   前記制御手段は、前記気筒内の混合気の一部を火花点火により強制的にＳＩ燃焼させた後に気筒内の残りの混合気を自着火によりＣＩ燃焼させる部分圧縮着火燃焼が少なくとも一部の運転領域で実行されるように前記空燃比変更手段を制御するとともに、当該部分圧縮着火燃焼が実行される運転領域の少なくとも一部で前記目標空燃比を理論空燃比よりも高い値に設定する、ことを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のエンジンの空燃比制御装置において、
   前記排気通路の前記三元触媒の下流側に設けられて排気中の微粒子を捕集する微粒子捕集装置をさらに備え、
   前記第１空燃比センサは、前記排気通路のうち前記三元触媒と前記微粒子捕集装置との間に配設されており、
   前記ＮＯｘセンサは、前記排気通路のうち前記微粒子捕集装置よりも下流側に設けられている、ことを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。

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