JP3546757B2 - 内燃機関の燃焼制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃焼形態を成層燃焼から均質リッチ燃焼へと一時的に切り換えるリッチスパイク処理を実行する内燃機関の燃焼制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、燃料を吸気行程中に噴射し機関燃焼室に均一に分散させて燃焼させる均質燃焼に加え、同燃料を圧縮行程中に噴射し機関燃焼室内の点火プラグ近傍に偏在させて燃焼させる成層燃焼を行うようにした内燃機関が提案されている（例えば、特開平７−３３２０７１号公報参照）。
【０００３】
こうした内燃機関では、排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）が成層燃焼中に増大するため、その排気通路にＮＯｘ吸蔵還元触媒（以下、「ＮＯｘ触媒」と略記する）を設けるようにしている。このＮＯｘ触媒は、成層燃焼時のように空燃比が理論空燃比よりもリーンに設定されているときに、排気中のＮＯｘを吸蔵する一方、空燃比が理論空燃比よりもリッチに設定されているときに、吸蔵したＮＯｘを窒素（Ｎ２）に還元して排気通路中に放出することにより、ＮＯｘを浄化するものである。
【０００４】
こうしたＮＯｘ触媒を備えた内燃機関にあっては、成層燃焼が長時間継続されてＮＯｘの吸蔵量がその限界量近くにまで達したときに、燃焼形態を成層燃焼から均質リッチ燃焼に一時的に切り換える処理、いわゆるリッチスパイク処理を実行するようにしている。このリッチスパイク処理の実行により、ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘは浄化された後に排気通路中に放出されるようになるため、同触媒のＮＯｘ吸蔵能力が維持されるようになる。
【０００５】
また、リッチスパイク処理時に燃焼形態を成層燃焼から均質リッチ燃焼に切り換えるに際し、燃料噴射量を増量するだけでは、燃焼形態の切り換えに伴う機関出力（トルク）の不必要な増大を招くこととなる。そこで、従来では、上記公報に記載されるように、燃焼形態を切り換える際に、スロットル開度を併せて減少させることにより吸入空気量を減量するようにしている。その結果、機関トルクを一定に保持したまま燃焼形態を切り換えことができるようになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＮＯｘ触媒には、ＮＯｘ吸蔵量がその限界量近くまで増大した状態で空燃比が理論空燃比近傍（以下、ストイキ近傍という）に保持されると、ＮＯｘを浄化しないまま放出してしまう特性がある。このため、上記リッチスパイク処理の実行に際しては以下のような問題も無視できないものとなっている。
【０００７】
すなわち、燃料噴射弁の開弁時間の変更に伴って燃料噴射量は速やかに変化するのに対し、吸入空気量は所定の応答遅れ時間が経過した後でなければスロットルバルブの開度に対応した量にまで変化しない。このため、図７のタイミングチャートに示すように、リッチスパイク処理が開始されると（同図７に示すタイミングｔ０）、燃料噴射量は燃料噴射弁の開弁時間の増大に伴って速やかに増加するものの、吸入空気量は燃料噴射量の増大よりも遅れて均質リッチ燃焼時に対応した量にまで徐々に減少するようになる。
【０００８】
そして、こうした吸入空気量の応答遅れに起因して空燃比もまたリーン領域からリッチ領域へと緩やかに移行するようになるため、同空燃比がストイキ近傍を通過するのに比較的長い時間（τｓ）を要するようになる。その結果、ＮＯｘ触媒から浄化されずに放出されてしまうＮＯｘの量が増大するようになり、同ＮＯｘ触媒における浄化能力の実質的な低下も避けきれないものとなる。
【０００９】
この発明はこうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、リッチスパイク処理の実行に際し、ＮＯｘ触媒からのＮＯｘの放出を抑制することのできる内燃機関の燃焼制御装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
上記目的を達成するために、請求項１に記載した発明では、燃料噴射形態を圧縮行程中に燃料を気筒内に直接噴射する形態として成層燃焼を実行するとともに前記燃料噴射形態を吸気行程中に燃料を噴射する形態として均質リッチ燃焼を実行する内燃機関の燃焼制御装置において、機関トルクが一定となるように成層燃焼から均質リッチ燃焼へと切り換えるに際し、燃料噴射形態を変更せずにスロットル開度を均質リッチ燃焼時に要求される開度に設定し燃料噴射量を該設定されるスロットル開度に応じて制御する燃焼形態を一旦実行した後、燃料噴射形態を変更し燃焼形態を均質リッチ燃焼へと切り換える切換手段を備えることをその要旨とする。
【００１１】
同構成においては、切換手段は、リッチスパイク処理の実行時、成層燃焼から均質リッチ燃焼へと切り換えるに際し、最初、燃料噴射形態は変更せずにスロットル開度の設定のみ成層燃焼時に設定された開度から均質リッチ燃焼に要求される開度に設定を変更し、燃料噴射量を該設定されるスロットル開度に応じて制御する燃焼形態を一旦実行する。その後、燃料噴射形態を変更し燃焼形態を均質リッチ燃焼へと切り換える。そのため、リッチスパイク処理の実行に際して、機関トルクの変化をなくしつつ、ＮＯｘがＮＯｘ触媒によって浄化されずに放出されてしまうストイキ近傍の空燃比域を通過する時間を短縮することができるようになる。その結果、ＮＯｘエミッションの悪化を抑制できる。
【００１２】
また、請求項２に記載した発明では、請求項１に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、前記切換手段は、前記燃料噴射形態を変更せずにスロットル開度を均質リッチ燃焼時に要求される開度に設定し燃料噴射量を該設定されるスロットル開度に応じて制御する燃焼形態の実行期間を、前記スロットル開度の設定に伴う機関の吸入空気量変化の応答遅れ期間より長い期間に設定することをその要旨とする。
【００１３】
燃焼形態を成層燃焼から均質リッチ燃焼へと切り換えるに際し、空燃比はリーン領域からリッチ領域へ移行する。そのとき空燃比は機関の吸入空気量の変化に対応して変化することとなるが、同構成によれば、吸入空気量の変化が終了してから、すなわち吸入空気量変化の応答遅れに影響されずに前記空燃比の移行が行われることとなる。そのため、より確実に空燃比がストイキ近傍を通過する時間を短縮することができるようになる。その結果、ＮＯｘエミッションの悪化も確実に抑制できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を筒内燃料噴射式ガソリンエンジンの燃焼制御装置に適用するようにした一実施の形態について図１〜図６を参照して説明する。
【００１５】
図１は本実施の形態に係る燃焼制御装置を示す概略構成図である。同図１に示されるエンジン１０のシリンダブロック１１に形成された複数のシリンダ１５（図１ではその一つを示す）内には、コネクティングロッド１６を介してクランクシャフト１４に連結されたピストン１３が往復動可能にそれぞれ設けられている。このピストン１３の上面とシリンダ１５の内壁面及びシリンダヘッド１２の下面によって燃焼室１７が区画形成されている。この燃焼室１７はシリンダヘッド１２に形成された吸気ポート１８及び排気ポート１９を介して吸気管２０及び排気管２１に接続されている。
【００１６】
吸気管２０にはサージタンク２２が設けられるとともに、その上流側にはスロットルモータ５４によって開度（スロットル開度）が調節されるスロットルバルブ３４が設けられている。このスロットルバルブ３４によって燃焼室１７に導入される吸入空気の量が調節される。
【００１７】
シリンダヘッド１２には燃焼室１７内に燃料を直接噴射するインジェクタ５０と、燃焼室１７内の混合気を点火する点火プラグ２６とが各シリンダ１５に対応してそれぞれ設けられている。燃料噴射量及び燃料噴射時期は、インジェクタ５０の開閉動作に基づいて調節される。
【００１８】
排気管２１には三元触媒２３が設けられ、さらにその下流側にはＮＯｘ触媒２４が設けられている。燃焼室１７から排気管２１に排出される排出ガスはこれら各触媒２３，２４によって浄化される。
【００１９】
吸気管２０においてスロットルバルブ３４の近傍にはアクセルセンサ６４が設けられている。このアクセルセンサ６４は運転者によって操作されるアクセルペダル４６とワイヤ（図示略）により連結されており、同センサ６４からはアクセルペダル４６の踏込量（アクセル開度ＡＣＣＰ）に応じた検出信号が出力される。
【００２０】
また、排気管２１は、排気還流（ＥＧＲ）通路４２を介してサージタンク２２に接続されている。このＥＧＲ通路４２の途中には、排気還流バルブ（ＥＧＲバルブ）４３が設けられている。このＥＧＲバルブ４３の開度に基づいて、排気管２１からＥＧＲ通路４２を通じて吸気管２０に再循環される排気の量（ＥＧＲ量）が調整される。
【００２１】
クランクシャフト１４の近傍にはクランクセンサ６５が設けられ、また、このクランクシャフト１４の回転と同期して回転する各カムシャフト３０，３１の一方の近傍にはカムセンサ６６が設けられている。これら各センサ６５，６６からはクランクシャフト１４の回転角（クランク角ＣＡ）と、同クランクシャフト１４の回転速度（機関回転速度ＮＥ）とに応じた信号が出力される。
【００２２】
サージタンク２２には吸気圧センサ６７が設けられており、同センサ６７からは吸気管２０内の吸入空気の圧力（吸気圧ＰＭ）に応じた検出信号が出力される。
【００２３】
これら各種センサ６４〜６７の検出信号はエンジン１０の電子制御装置（以下、「ＥＣＵ」と略記する）６０に入力される。ＥＣＵ６０はこれら検出信号に基づいてアクセル開度ＡＣＣＰ、クランク角ＣＡ、機関回転速度ＮＥ、吸気圧ＰＭをそれぞれ検出する。ＥＣＵ６０はこれら各検出値に基づいてインジェクタ５０の電磁弁、スロットルモータ５４、ＥＧＲバルブ４３等を駆動することにより、燃料噴射量、燃料噴射時期、吸入空気量、及びＥＧＲ量等を機関運転状態に適合するように制御する。ＥＣＵ６０はこうした各種制御を所定の手順にしたがって実行するための制御プログラムや関数データが予め記憶されたメモリ６１を備えている。
【００２４】
本実施の形態におけるエンジン１０は、以下の４つのモードの間で切り換えられるようになっている。
１．成層燃焼
燃焼形態として成層燃焼が選択されると、燃料噴射時期は、圧縮行程後期に設定される（圧縮行程噴射）。また、燃焼室１７内における混合気の平均的な空燃比は理論空燃比よりもリーンに設定される。
【００２５】
２．均質ストイキ燃焼
燃焼形態として均質ストイキ燃焼が選択されると、燃料噴射時期は吸気行程中に設定され（吸気行程噴射）、空燃比はストイキ近傍に設定される。
【００２６】
３．均質リッチ燃焼
燃焼形態として均質リッチ燃焼が選択されると、燃料噴射時期は均質ストイキ燃焼時と同様、吸気行程中に設定される（吸気行程噴射）。また、空燃比は理論空燃比よりもリッチに設定される。なお、この均質リッチ燃焼は、後述するリッチスパイク処理中においてのみ選択される。
【００２７】
４．過渡時成層燃焼
この過渡時成層燃焼は、リッチスパイク処理により燃焼形態を成層燃焼から均質リッチ燃焼に切り換える途中及び均質リッチ燃焼から成層燃焼に切り換える途中に一時的に選択される。燃焼形態として過渡時成層燃焼が選択されると、燃料噴射時期は成層燃焼時と同じ圧縮行程後期に設定され（圧縮行程噴射）、スロットル開度及びＥＧＲ開度はいずれも成層燃焼時よりも小さく、均質リッチ燃焼時における開度と等しくなるように設定される。従って、吸入空気量は、成層燃焼時よりも少なくなり、均質リッチ燃焼時の量と等しくなる。さらに、燃料噴射量は、この吸入空気量の減少の伴って機関トルクが低下するのを抑制し得る量まで成層燃焼時の燃料噴射量よりも増量される。また、燃焼室１７内における混合気の平均的な空燃比は理論空燃比よりもリーンに設定される。
【００２８】
これら燃焼形態の切り換えは、ＥＣＵ６０によって、機関運転状態やＮＯｘ触媒２４のＮＯｘ吸蔵量等に基づいて行われる。以下、こうした燃焼形態の切換手順について説明する。
【００２９】
まず、ＥＣＵ６０は、図２に示すようなアクセル開度ＡＣＣＰ及び機関回転速度ＮＥと基本燃料噴射量Ｑｂｓｅとの関係を示すマップから基本燃料噴射量Ｑｂｓｅを求める。なお、このマップは前記メモリ６１に記憶されている。この基本燃料噴射量Ｑｂｓｅはエンジン１０の負荷状態を反映するものである。
【００３０】
次に、ＥＣＵ６０は、こうして求められた基本燃料噴射量Ｑｂｓｅと機関回転速度ＮＥとに基づいて燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅを決定する。この燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅは、前述した各燃焼形態のうちの何れを選択するかを決定するためのものである。
【００３１】
例えば、この燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅが「０」である場合には、燃焼形態として成層燃焼が選択され、燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅが「１２」である場合には、燃焼形態として均質ストイキ燃焼がそれぞれ選択される。さらに、燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅが「２」である場合には、燃焼形態として過渡時成層燃焼が選択され、燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅが「１１」である場合には、燃焼形態として均質リッチ燃焼がそれぞれ選択される。
【００３２】
ＥＣＵ６０のメモリ６１には、この燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値と機関回転速度ＮＥ及び基本燃料噴射量Ｑｂｓｅとの関係を定義する関数データが記憶されている。図３はこの関数データを概略的に示すマップである。
【００３３】
例えば、機関回転速度ＮＥ及び基本燃料噴射量Ｑｂｓｅが同図３に示す一点鎖線に沿って点Ａに示す状態から点Ｂに示す状態に変化する場合、燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅは「０」から「１２」と変化し、燃焼形態は成層燃焼から均質ストイキ燃焼に変更されることとなる。
【００３４】
一方、ＥＣＵ６０は所定の実行条件が満たされると、リッチスパイク処理を開始する。リッチスパイク処理が開始されると、前記燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅは「０」から「２」を経て「１１」に切り換えられ、この切り換えに伴って、燃焼形態は成層燃焼から過渡時成層燃焼を経て均質リッチ燃焼にまで強制的に切り換えられるようになる。
【００３５】
以下、こうしたリッチスパイク処理について説明する。
本実施の形態におけるリッチスパイク処理では、燃料噴射量及び吸入空気量をそれぞれ成層燃焼に対応する量から均質リッチ燃焼に対応する量へと変更する際に、その変化に応答遅れがある吸入空気量を先に変更し、所定期間が経過した後に再度、燃料噴射量を変更するようにしている。そして、このように吸入空気量と燃料噴射量の変更時期をずらすことにより、空燃比をリーン領域からリッチ領域にすばやく移行させ、同空燃比がストイキ近傍を通過するのに要する時間を短縮するようにしている。
【００３６】
次に、このリッチスパイク処理の実行手順の一例を、図４，図５に示すフロチャート及び図６に示すタイミングチャートを併せ参照して詳細に説明する。なお、ＥＣＵ６０は、これら図４，図５のフローチャートに示す一連の処理を、例えば所定のクランク角周期毎に実行する。
【００３７】
まず、ＥＣＵ６０は、図４に示すステップ１００において、前記アクセルセンサ６４、カムセンサ６６、及びクランクセンサ６５等から出力される検出信号に基づき、それぞれ現在のアクセル開度ＡＣＣＰ、クランク角ＣＡ、及び機関回転速度ＮＥ等のデータを得る。そして、このアクセル開度ＡＣＣＰ及び機関回転速度ＮＥに基づき前記マップから現在の基本燃料噴射量Ｑｂｓｅを求め、ステップ１１０に移行する。
【００３８】
このステップ１１０において、ＥＣＵ６０は、リッチスパイク処理実行フラグ（以下、単にＲＳ実行フラグという）ＸＲＳが「ＯＮ」であるか否かを判断する。このＲＳ実行フラグＸＲＳはリッチスパイク処理が実行中であるか否かを判断するためのフラグであり、同リッチスパイク処理が実行中は「ＯＮ」とされ、非実行中は「ＯＦＦ」とされる。なお、このＲＳ実行フラグＸＲＳは、図６において、タイミングｔ１に「ＯＮ」とされ、タイミングｔ４に「ＯＦＦ」とされる。そのため、同図６においてリッチスパイク処理はタイミングｔ１〜タイミングｔ４の期間に実行されることとなる。
【００３９】
ここで、ＲＳ実行フラグＸＲＳが現在「ＯＮ」である、すなわちリッチスパイク処理が現在、実行中と判断した場合は、ＥＣＵ６０はステップ２１０の処理に移行する。一方、リッチスパイク処理が現在、非実行中と判断した場合は、ＥＣＵ６０はステップ１２０の処理に移行する。以下において、このリッチスパイク処理が非実行中であって処理をステップ１２０に移行する場合について説明する。
【００４０】
ＥＣＵ６０は、ステップ１２０において、上記燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値が「０」、すなわち、現在、成層燃焼が行われているか否かを判断する。ここで燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値が「０」でないと判断した場合、ＥＣＵ６０は処理を一旦終了する。これは、ＥＣＵ６０は、現在、燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値は「１２」であり、燃焼形態として均質ストイキ燃焼が実行されていると判断したためである。すなわち、均質ストイキ燃焼中にはリッチスパイク処理は行われない。なお、燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値は「１２」である場合には、別の処理ルーチンを通じて均質ストイキ燃焼時に対応したスロットル開度、燃料噴射量等が算出される。
【００４１】
一方、同ステップ１２０において、燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値が「０」あると判断した場合、ＥＣＵ６０はステップ１３０の処理に移行する。
このステップ１３０において、ＥＣＵ６０は、機関回転速度ＮＥ及び基本燃料噴射量Ｑｂｓｅと目標スロットル開度ＴＲＴ（＝ｔｒｔ０ｍａｐ（ＮＥ，Ｑｂｓｅ））との関係を示す成層燃焼時用のマップ（図示略）から、現在の目標スロットル開度ＴＲＴを求める。同様に、機関回転速度ＮＥ及び基本燃料噴射量ＱｂｓｅとＥＧＲバルブ４３の目標開度である目標排気還流バルブ開度ＥＧＲ（＝ｅｇｒ０ｍａｐ（ＮＥ，Ｑｂｓｅ））との関係を示す成層燃焼時用のマップ（図示略）から、現在の目標排気還流バルブ開度ＥＧＲを求める。また、ＥＣＵ６０は、最終燃料噴射量ＱＩＮＪを現在の基本燃料噴射量Ｑｂｓｅに等しい量に設定して、ステップ１４０に移行する。
【００４２】
このステップ１４０において、ＥＣＵ６０は、触媒カウンタＣＮＴ１のカウント数が所定数αに達したか否かを判断する。ここで触媒カウンタＣＮＴ１は、燃焼形態として成層燃焼が選択されている期間、すなわち燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値が「０」または「２」に設定されている期間を累積してカウントするタイマカウンタであり、別の処理ルーチンを通じて操作されるものでる。そして、この触媒カウンタＣＮＴ１のカウント数に応じて前記ＮＯｘ 触媒２４に吸蔵されたＮＯｘ量が推定される。ここで、上記所定数αは、ＮＯｘ触媒２４に吸蔵されたＮＯｘ量が限界量近傍に達しているときの値として設定されている。
【００４３】
ＥＣＵ６０は、同ステップ１４０において、触媒カウンタＣＮＴ１のカウント数がまだ所定数αに達していないと判断した場合には、リッチスパイク処理を実行する必要がないため、処理を一旦終了する。一方、触媒カウンタＣＮＴ１のカウント数が所定数αに達したと判断した場合、ＥＣＵ６０は、ステップ１５０以降に移行し、リッチスパイク処理を開始する。なお、図６に示すタイミングチャートにおいては、この触媒カウンタＣＮＴ１のカウント数が所定数αに達する時点は、タイミングｔ１にて示される。
【００４４】
このステップ１５０において、ＥＣＵ６０は、ｆｍｏｄｅカウンタＣＮＴ２に対して加算動作の開始を指示するとともに、ＲＳ処理実行フラグＸＲＳを「ＯＮ」とする。さらに、燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値を「２」とする（図６）。ここでｆｍｏｄｅカウンタＣＮＴ２は、燃焼形態を過渡時成層燃焼に保持する期間をカウントするタイマカウンタであり、別の処理ルーチンを通じて操作されるものである。
【００４５】
またステップ１６０において、ＥＣＵ６０は、機関回転速度ＮＥ及び基本燃料噴射量Ｑｂｓｅと目標スロットル開度ＴＲＴ（＝ｔｒｔ１１ｍａｐ（ＮＥ，Ｑｂｓｅ））との関係を示す均質リッチ燃焼時用のマップ（図示略）から、目標スロットル開度ＴＲＴを求める。同様に、機関回転速度ＮＥ及び基本燃料噴射量Ｑｂｓｅと目標排気還流バルブ開度ＥＧＲ（＝ｅｇｒ１１ｍａｐ（ＮＥ，Ｑｂｓｅ））との関係を示す均質リッチ燃焼時用のマップ（図示略）から、目標排気還流バルブ開度ＥＧＲを求める。ちなみに、前記成層燃焼時用のマップに基づいて算出される目標スロットル開度ＴＲＴ（＝ｔｒｔ０ｍａｐ）及び目標排気還流バルブ開度ＥＧＲ（＝ｅｇｒ０ｍａｐ）と、均質リッチ燃焼時用のマップに基づいて算出される目標スロットル開度ＴＲＴ（＝ｔｒｔ１１ｍａｐ）及び目標排気還流バルブ開度ＥＧＲ（＝ｅｇｒ１１ｍａｐ）とを比較した場合、常に、ＴＲＴ（＝ｔｒｔ０ｍａｐ）＞ＴＲＴ（＝ｔｒｔ１１ｍａｐ），ＥＧＲ（＝ｅｇｒ０ｍａｐ）＞ＥＧＲ（＝ｅｇｒ１１ｍａｐ）といった関係が成立している。
【００４６】
さらに、ＥＣＵ６０は、最終燃料噴射量ＱＩＮＪを前記目標スロットル開度ＴＲＴ（＝ｔｒｔ１１ｍａｐ）に基づいて決定される噴射量ｑｉｎｊ（ｔｒｔ１１ｍａｐ）に設定する。
ここで、前記噴射量ｑｉｎｊの値は、過渡時成層燃焼時においても成層燃焼時と同等の機関トルクを確保することができ、かつ空燃比をリーンの領域に保持し得る値として実験等に基づいて設定されている。ＥＣＵ６０はここで処理を一旦終了する。
【００４７】
次に、上記ステップ１１０に戻って、ＥＣＵ６０が、現在、ＲＳ処理実行フラグＸＲＳが「ＯＮ」であると判断し、処理をステップ２１０に移行する場合を説明する。
【００４８】
ステップ２１０において、ＥＣＵ６０は、燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値が「２」であるか否かを判断する。ここで燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値が現在、「２」であると判断した場合、ＥＣＵ６０は図５に示すステップ３１０に移行する。なお、ここで、ＥＣＵ６０が燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値が「２」であると判断する場合は、図６に示されるタイミングｔ１〜タイミングｔ２の間、及びタイミングｔ３〜タイミングｔ４の間の２区間である。
【００４９】
一方、同ステップ２１０において、燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値が現在、「２」ではないと判断した場合、ＥＣＵ６０は処理をステップ２２０に移行する。ここで、ＥＣＵ６０が燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値が「２」でないと判断する場合は、図６に示されるタイミングｔ２〜タイミングｔ３の間に対応し、このときの燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値は、同図６に示されるように「１１」（均質リッチ燃焼）となる。
【００５０】
以下、まずステップ２１０において、ＥＣＵ６０が燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値が現在、「２」であると判断した場合から説明する。
図５に示すステップ３１０において、ＥＣＵ６０は、ｆｍｏｄｅカウンタＣＮＴ２のカウント数が所定数γに達したか否かを判断する。ここで前記所定数γは、燃焼形態を過渡時成層燃焼に保持する期間の長さを設定するためのものであり、同保持期間が吸入空気量の応答遅れ時間よりも十分に長く、また、機関燃焼状態を安定化させることのできる期間となるように設定されている。
【００５１】
そのため、ＥＣＵ６０は、同ステップ３１０において、ｆｍｏｄｅカウンタＣＮＴ２のカウント数がまだ所定数γに達していないと判断した場合、さらに過渡時成層燃焼を継続させるべく、処理を一旦終了する。一方、ｆｍｏｄｅカウンタＣＮＴ２のカウント数が所定数γに達したと判断した場合、ＥＣＵ６０は、ステップ３２０に移行する。
【００５２】
そして、このステップ３２０において、ＥＣＵ６０は、触媒カウンタＣＮＴ１のカウント数が所定数αを越えているか否かを判断する。触媒カウンタＣＮＴ１のカウント数が所定数αを越えていると判断した場合には、ステップ３３０に移行する。
【００５３】
このステップ３３０において、ＥＣＵ６０は、ｆｍｏｄｅカウンタＣＮＴ２をゼロリセットするとともに、燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値を均質リッチ燃焼に対応した「１１」とする。また、ＥＣＵ６０は、触媒カウンタＣＮＴ１に対して、これまでの加算動作から減算動作に切り換えるように指示する。さらに、ＥＣＵ６０は、均質リッチ燃焼を実行するために最終燃料噴射量ＱＩＮＪを（基本燃料噴射量Ｑｂｓｅ × 所定係数ＦＲＳＰＫ）に設定する。なお、前記噴射量（Ｑｂｓｅ×ＦＲＳＰＫ）の値は、リッチスパイク処理が開始されたときの成層燃焼時と同等の機関トルクを得ることのできる値に設定されている。ここで、ＥＣＵ６０は処理を一旦終了する。
【００５４】
一方、ステップ３２０において、触媒カウンタＣＮＴ１のカウント数が所定数αを越えていないと判断した場合、燃焼形態を過渡時成層燃焼から成層燃焼に切り換える時期と判断してステップ３４０に移行する。
【００５５】
そして、このステップ３４０において、ＥＣＵ６０は、ｆｍｏｄｅカウンタＣＮＴ２をゼロリセットするとともに燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値を「０」（成層燃焼）とし、さらに、ＲＳ実行フラグＸＲＳを「ＯＦＦ」とする。そして、ＥＣＵ６０は処理を一旦終了する。
【００５６】
さて、ここで先の図４に示されるステップ２１０に戻って説明する。前述したように同ステップ２１０において、ＥＣＵ６０は、燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値が現在、「２」ではないと判断した場合、すなわち、燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値が現在、「１１」（均質リッチ燃焼）であると判断した場合、ＥＣＵ６０は処理をステップ２２０に移行する。
【００５７】
このステップ２２０において、ＥＣＵ６０は、触媒カウンタＣＮＴ１のカウント数が所定数βまで減算されたか否かを判断する。ＥＣＵ６０は、同ステップ２２０において、触媒カウンタＣＮＴ１のカウント数が所定数βまで減算されたと判断した場合（図６のタイミングｔ３）、均質リッチ燃焼を終了すべく処理をステップ２３０に移行する。
【００５８】
ステップ２３０において、ＥＣＵ６０は、触媒カウンタＣＮＴ１に対して、これまでの減算動作から加算動作に切り換えるように指示するとともに、ｆｍｏｄｅカウンタＣＮＴ２に対して加算動作の開始を指示する。また、燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値を「２」とする。さらに、ＥＣＵ６０は、最終燃料噴射量ＱＩＮＪを先のステップ１６０と同様に噴射量ｑｉｎｊ（ｔｒｔ１１ｍａｐ）に設定する。そして、ＥＣＵ６０は、処理を一旦終了する。
【００５９】
一方、先のステップ２２０において、触媒カウンタＣＮＴ１のカウント数が所定数βまで減算されていないと判断した場合、ＥＣＵ６０は、均質リッチ燃焼を継続するため、処理を一旦終了する。
【００６０】
以上説明した処理手順に従って、ＥＣＵ６０は、リッチスパイク処理の実行時、上記燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅを、「０」（成層燃焼）→「２」（過渡時成層燃焼）→「１１」（均質リッチ燃焼）→「２」（過渡時成層燃焼）→「０」（成層燃焼）と順次、切り換える。
【００６１】
次に、このリッチスパイク制御処理中における燃焼形態の時間的推移及び同処理の作用について図６に示すタイミングチャートを参照して説明する。
同図６に示すように、触媒カウンタＣＮＴ１のカウント数が所定数αに達するタイミングｔ１において、ＲＳ実行フラグＸＲＳ（同図６（ｃ））が「ＯＮ」に設定されるとともに、燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅ（同図６（ｄ））が「０」から「２」に変更され、燃焼形態が成層燃焼から過渡的成層燃焼に切り換えられる。またこのとき、この過渡的成層燃焼の実行期間（τ１）をカウントするｆｍｏｄｅカウンタＣＮＴ２がそのカウントを開始する（同図６（ｂ））。
【００６２】
そしてこのタイミングｔ１において、最終燃料噴射量ＱＩＮＪは、前述したように、均質リッチ燃焼時の目標スロットル開度ＴＲＴ（＝ｔｒｔ１１ｍａｐ）に基づく噴射量であるｑｉｎｊ（ｔｒｔ１１ｍａｐ）に増量して設定される（同図６（ｅ））。このとき、前述したように、機関トルクの変化が生じることなく空燃比もリーン領域に留まる。
【００６３】
また、目標スロットル開度ＴＲＴは、均質リッチ燃焼時の目標スロットル開度ＴＲＴ（＝ｔｒｔ１１ｍａｐ）にまで減少させた値に設定される。また、目標排気還流バルブ開度ＥＧＲも、前記目標スロットル開度ＴＲＴの減少に伴って、同じく均質リッチ燃焼時の目標排気還流バルブ開度ＥＧＲ（＝ｅｇｒ１１ｍａｐ）にまで減少させた値に設定される。そして、これら目標スロットル開度ＴＲＴ及び目標排気還流バルブ開度ＥＧＲは、タイミングｔ４に至るまで変更されない（同図６（ｆ），図６（ｇ））。
【００６４】
こうした目標スロットル開度ＴＲＴの減少に伴って、タイミングｔ１以降、吸入空気量と相関を有する吸気圧ＰＭ（同図６（ｈ））も減少するが、この吸気圧ＰＭ（吸入空気量）の変化には、前述したように目標スロットル開度ＴＲＴの変化と比較して応答遅れ（Δτ）が存在している。これは、目標スロットル開度ＴＲＴに基づいてスロットルモータ５４を駆動させスロットルバルブ３４を変更したとしても、同スロットルバルブ３４の開度が目標スロットル開度ＴＲＴと等しくなるまで、また、吸気圧ＰＭがその目標スロットル開度ＴＲＴに対応した大きさにまで変化するまでには所定の時間が必要になるからである。
【００６５】
一方、タイミングｔ１において空燃比Ａ／Ｆの値は、上記最終燃料噴射量ＱＩＮＪの増加に伴って一旦急激に減少し、その後は吸入空気量（吸気圧ＰＭ）の変化に対応してゆっくり減少するようになる（同図６（ｉ））。
【００６６】
次に、タイミングｔ１以降、上記ｆｍｏｄｅカウンタＣＮＴ２のカウント数が増加して所定数γに達するタイミングｔ２において、すなわちタイミングｔ１から同所定数γによって定まる所定期間τ１が経過した時、燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅが「２」から「１１」に変更され、燃焼形態が過渡時成層燃焼から均質リッチ燃焼に切り換えられる。このとき、前述したように、最終燃料噴射量ＱＩＮＪは、均質リッチ燃焼を実行するために（基本燃料噴射量Ｑｂｓｅ × 所定係数ＦＲＳＰＫ）としてさらに増量される（同図６（ｅ））。また、燃料噴射形態が圧縮行程噴射から吸気行程噴射に変更される。このように燃料噴射形態が変更されるため、燃料噴射量が増量されても機関トルクの変化は生じない。
【００６７】
なお、このタイミングｔ２において、目標スロットル開度ＴＲＴ及び目標排気還流バルブ開度ＥＧＲの値は変更されない。また、上記所定期間τ１は上記吸気圧ＰＭの応答遅れ時間（Δτ）よりも長い時間として設定されるとともに、最終燃料噴射量ＱＩＮＪの変化に対する機関燃焼形態の安定性を確保できる時間として設定される。
【００６８】
このように、本実施の形態においては、このタイミングｔ２において燃焼形態を過渡時成層燃焼から均質リッチ燃焼に切り換える際、最終燃料噴射量ＱＩＮＪは増量されるものの吸入空気量（吸気圧ＰＭ）は一定に維持されるため、空燃比Ａ／Ｆは、吸入空気量の変化に影響されることなく噴射量ＱＩＮＪのみに依存してリーン領域からリッチ領域に素早く移行するようになる。そのため、同空燃比Ａ／Ｆはストイキ近傍を短時間に通過できることとなる（同図６（ｉ））。
【００６９】
その結果、空燃比がストイキ近傍を通過する際にＮＯｘ触媒２４からＮＯｘが浄化されずに放出されるということは好適に抑制されるようになる。また機関トルクの変化を生じさせないように燃焼形態が切り換えられるため、運転上のショックも抑制される。
【００７０】
続いてタイミングｔ２以降、所定期間τ２の間、燃焼形態が均質リッチ燃焼に設定されて空燃比がリッチに保持されるため、ＮＯｘ触媒２４に吸蔵されているＮＯｘは還元され、その吸蔵量は徐々に減少するようになる。なお、前記触媒カウンタＣＮＴ１によるカウント数の減算操作量は、上記所定期間τ２がＮＯｘ触媒２４の吸蔵量を所定下限量にまで低下させるに十分な期間となるように、予め実験等に基づいて設定されている。
【００７１】
そして、タイミングｔ２から所定期間τ２が経過し、そのカウント数を減少させている触媒カウンタＣＮＴ１のカウント数が所定数βに達するタイミングｔ３において（同図６（ａ））、燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅが「１１」から再び「２」に変更される。そして、このタイミングｔ３から、燃焼形態は再び過渡時成層燃焼に切り換えられるとともに、その継続期間（τ３）がｆｍｏｄｅカウンタＣＮＴ２によってカウントされる（同図６（ｂ））。
【００７２】
また、このタイミングｔ３において、燃焼形態を均質リッチ燃焼から過渡時成層燃焼に切り換えるために、最終燃料噴射量ＱＩＮＪが、前記噴射量ｑｉｎｊ（ｔｒｔ１１ｍａｐ）に設定される。そのため、このタイミングｔ３において、空燃比Ａ／Ｆの値は、同噴射量ＱＩＮＪのみに依存してリッチ領域から再びリーン領域に移行するようになる（同図６（ｉ））。また、このとき燃料噴射形態が吸気行程噴射から圧縮行程噴射に変更される。
【００７３】
そしてタイミングｔ３以降、所定期間τ３（＝τ１）が経過して、上記ｆｍｏｄｅカウンタＣＮＴ２のカウント数が所定数γに達するタイミングｔ４において（同図６（ｂ））、ＲＳ実行フラグＸＲＳが「ＯＦＦ」とされるとともに（同図６（ｃ））、燃焼形態が過渡時成層燃焼から成層燃焼に切り換えられる。
【００７４】
また、このタイミングｔ４において、最終燃料噴射量ＱＩＮＪは、噴射量ｑｉｎｊから基本燃料噴射量Ｑｂｓｅへとさらに減量され、前記タイミングｔ１の直前の噴射量に戻されるとともに（同図６（ｅ））、目標スロットル開度ＴＲＴ及び目標排気還流バルブ開度ＥＧＲも各々、前記タイミングｔ１の直前の開度に戻される。その後、空燃比Ａ／Ｆの値は、吸入空気量（吸気圧ＰＭ）に対応したかたちでリッチスパイク処理が実行される前の値に戻る（同図６（ｉ））。
【００７５】
以上詳述したように、本実施の形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）リッチスパイク処理によって、燃焼形態を成層燃焼から均質リッチ燃焼に切り換える際、空燃比Ａ／Ｆは、吸入空気量の変化に影響されることなく噴射量ＱＩＮＪのみに依存してリーン領域からリッチ領域に素早く移行するようになる。すなわち、同空燃比Ａ／Ｆはそのストイキ近傍を短時間に通過できることとなる。その結果、空燃比がストイキ近傍を通過する際に同ＮＯｘ触媒２４からＮＯｘが浄化されずに放出されるということも好適に抑制され、ＮＯｘエミッションの悪化を抑制できる。
【００７６】
（２）リッチスパイク処理の実行に際して、機関トルクが一定に保持されるように燃焼形態を切り換えているため、リッチスパイク処理に伴なう運転上のショックも好適に抑制される。
【００７７】
（３）本実施の形態によれば、過渡時成層燃焼を継続する所定期間τ１は上記吸気圧ＰＭの変化時間Δτよりも長い期間として設定されるとともに、最終燃料噴射量ＱＩＮＪの変化に伴う機関燃焼状態の安定性を確保できる時間として設定される。そのため、燃焼形態を成層燃焼から均質リッチ燃焼に切り換える際、吸入空気量の変化が空燃比Ａ／Ｆの変化におよぼす影響を確実になくし、上記（１）の効果をより確実なものとするとともに、リッチスパイク処理に伴う機関燃焼状態への影響をより低減させることができるようになる。
【００７８】
なお、上記実施の形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・上記実施の形態においては、燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの切り換え（「０」→「２」→「１１」→「２」→「０」）に際し、触媒カウンタＣＮＴ１及びｆｍｏｄｅカウンタＣＮＴ２を使用しその所定カウント数に基づいて行う例を示したが、これら燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの切り換え態様は、これらカウンタを使用したものに限られない。例えば、排気中のＮＯｘ濃度を検出し、その検出結果に基づいて同ｆｍｏｄｅの切り換えを行うようにしてもよい。
【００７９】
・また、上記実施の形態のようにカウンタを使用して上記燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの切り換え等を行う場合にあっても、そのカウンタの使用態様は、上記実施の形態に限られない。例えば１個のカウンタを使用して同指示値ｆｍｏｄｅを切り換えるようにもよいし、あるいは３個のカウンタを使用するものであってもよい。また、先の図５に示したステップＳ３２０の判断に係る処理を、触媒カウンタＣＮＴ１のカウント数αに基づいて行う代わりに、例えば、別途前記タイミングｔ３にて「ＯＦＦ」とされるＮＯｘ吸蔵フラグ等を設定し同フラグに基づいて行うようにしてもよい。
【００８０】
・上記実施の形態においては、目標スロットル開度ＴＲＴ及び目標排気還流バルブ開度ＥＧＲを上記リッチスパイク処理の際に変更するようにしたが、目標排気還流バルブ開度ＥＧＲの同変更は割愛するようにしてもよい。
【００８１】
・上記実施の形態において、均質リッチ燃焼の後に実行される過渡時成層燃焼の継続時間（実行期間）τ３を、同均質リッチ燃焼の前に実行される過渡時成層燃焼の実行期間τ１よりも短くするものであってもよい。これは、先の図６に示されるように、上記実行期間τ３には吸気圧ＰＭの応答遅れ時間Δτは含まれないため、同実行期間τ３を短縮することができることによる。このように実行期間τ３を短縮することにより、リッチスパイク処理に要する時間を短縮することができる。
【００８２】
・上記所定数γによって定まる過渡時成層燃焼の実行期間τ１を、燃焼形態を成層燃焼から均質リッチ燃焼に切り換える際の目標スロットル開度ＴＲＴの変化量ΔＴＲＴ（ｔｒｔ０ｍａｐ − ｔｒｔ１１ｍａｐ）に応じて可変設定するようにしてもよい。このように同変化量ΔＴＲＴに応じて過渡時成層燃焼の実行期間τ１を可変とすることにより、例えば同変化量ΔＴＲＴが大きい場合は同期間τ１を長く設定し、逆に同変化量ΔＴＲＴが小さい場合には同期間τ１を短く設定することにより、リッチスパイク処理に伴う機関燃焼状態への影響をさらに好適に低減させることができるようになるとともに、リッチスパイク処理に要する時間も最適化できるようになる。
【００８３】
・上記実施の形態においては、均質リッチ燃焼が終了してからの後処理において、過渡時成層燃焼（ｆｍｏｄｅ「２」）を介して成層燃焼に切り換えるようにしたが、同過渡時成層燃焼（ｆｍｏｄｅ「２」）を介さずにいきなり成層燃焼に切り換えるようにしてもよい。
【００８４】
・上記実施の形態においては、上記過渡時成層燃焼の実行期間τ１を、吸気圧ＰＭの応答遅れ時間Δτより長い期間となるように設定するようにしたが、これに限られない。例えば、同実行期間τ１を同応答遅れ時間Δτと同一あるいは短い期間としてもよい。
【００８５】
・上記実施の形態においては、通常の燃焼形態として成層燃焼及び均質ストイキ燃焼が選択されるエンジン１０に本発明の燃焼制御装置を適用するようにしたが、例えば、さらに弱成層燃焼（圧縮行程噴射と吸気行程噴射を併用して成層強度を成層燃焼より弱めたもの）あるいは均質リーン燃焼といった燃焼形態が選択されるエンジンにも同様にして適用することができる。
【００８６】
最後に、上述した実施の形態から把握できる請求項以外の技術的思想について、以下にそれらの効果とともに記載する。
（１）請求項２に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、前記切換手段は、前記実行期間を、前記燃焼形態を成層燃焼から均質リッチ燃焼へと切り換える際の前記スロットル開度の設定値の変化量に応じで可変設定することを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。同構成によれば、例えば前記スロットル開度の設定値の変化量が大きい場合は前記実行期間を長く設定し、逆に同変化量が小さい場合には同期間を短く設定するようにして、リッチスパイク処理に伴う機関燃焼状態への影響をさらに好適に低減させることができるようになるとともに、リッチスパイク処理に要する時間も最適化できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明にかかる内燃機関の燃焼制御装置をエンジンの燃焼制御装置に適用した一実施の形態についてその構成を示す概略構成図。
【図２】基本燃料噴射量を算出する際に参照されるマップの構造を示すグラフ。
【図３】燃焼方式を切り換える際に参照されるマップの構造を示すグラフ。
【図４】リッチスパイク制御の処理手順を示すフローチャート。
【図５】リッチスパイク制御の処理手順を示すフローチャート。
【図６】リッチスパイク制御の時間的推移の一例を示すタイミングチャート。
【図７】スロットルバルブ開度の変化に係る空燃比の時間的推移を示すタイミングチャート。
【符号の説明】
１０…エンジン、１１…シリンダブロック、１２…シリンダヘッド、１３…ピストン、１４…クランクシャフト、１５…シリンダ、１６…コネクティングロッド、１７…燃焼室、１８…吸気ポート、１９…排気ポート、２０…吸気管、２１…排気管、２２…サージタンク、２４…ＮＯｘ 触媒、２６…点火プラグ、３０，３１…カムシャフト、３４…スロットルバルブ、４２…ＥＧＲ通路、４３…ＥＧＲバルブ、４３ａ…ステップモータ、４６…アクセルペダル、５０…インジェクタ、５３…点火コイル、５４…スロットルモータ、６０…ＥＣＵ、６１…メモリ、６４…アクセルセンサ、６５…クランクセンサ、６６…カムセンサ、６７…吸気圧センサ。
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃焼形態を成層燃焼から均質リッチ燃焼へと一時的に切り換えるリッチスパイク処理を実行する内燃機関の燃焼制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、燃料を吸気行程中に噴射し機関燃焼室に均一に分散させて燃焼させる均質燃焼に加え、同燃料を圧縮行程中に噴射し機関燃焼室内の点火プラグ近傍に偏在させて燃焼させる成層燃焼を行うようにした内燃機関が提案されている（例えば、特開平７−３３２０７１号公報参照）。
【０００３】
こうした内燃機関では、排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）が成層燃焼中に増大するため、その排気通路にＮＯｘ吸蔵還元触媒（以下、「ＮＯｘ触媒」と略記する）を設けるようにしている。このＮＯｘ触媒は、成層燃焼時のように空燃比が理論空燃比よりもリーンに設定されているときに、排気中のＮＯｘを吸蔵する一方、空燃比が理論空燃比よりもリッチに設定されているときに、吸蔵したＮＯｘを窒素（Ｎ２）に還元して排気通路中に放出することにより、ＮＯｘを浄化するものである。
【０００４】
こうしたＮＯｘ触媒を備えた内燃機関にあっては、成層燃焼が長時間継続されてＮＯｘの吸蔵量がその限界量近くにまで達したときに、燃焼形態を成層燃焼から均質リッチ燃焼に一時的に切り換える処理、いわゆるリッチスパイク処理を実行するようにしている。このリッチスパイク処理の実行により、ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘは浄化された後に排気通路中に放出されるようになるため、同触媒のＮＯｘ吸蔵能力が維持されるようになる。
【０００５】
また、リッチスパイク処理時に燃焼形態を成層燃焼から均質リッチ燃焼に切り換えるに際し、燃料噴射量を増量するだけでは、燃焼形態の切り換えに伴う機関出力（トルク）の不必要な増大を招くこととなる。そこで、従来では、上記公報に記載されるように、燃焼形態を切り換える際に、スロットル開度を併せて減少させることにより吸入空気量を減量するようにしている。その結果、機関トルクを一定に保持したまま燃焼形態を切り換えことができるようになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＮＯｘ触媒には、ＮＯｘ吸蔵量がその限界量近くまで増大した状態で空燃比が理論空燃比近傍（以下、ストイキ近傍という）に保持されると、ＮＯｘを浄化しないまま放出してしまう特性がある。このため、上記リッチスパイク処理の実行に際しては以下のような問題も無視できないものとなっている。
【０００７】
すなわち、燃料噴射弁の開弁時間の変更に伴って燃料噴射量は速やかに変化するのに対し、吸入空気量は所定の応答遅れ時間が経過した後でなければスロットルバルブの開度に対応した量にまで変化しない。このため、図７のタイミングチャートに示すように、リッチスパイク処理が開始されると（同図７に示すタイミングｔ０）、燃料噴射量は燃料噴射弁の開弁時間の増大に伴って速やかに増加するものの、吸入空気量は燃料噴射量の増大よりも遅れて均質リッチ燃焼時に対応した量にまで徐々に減少するようになる。
【０００８】
そして、こうした吸入空気量の応答遅れに起因して空燃比もまたリーン領域からリッチ領域へと緩やかに移行するようになるため、同空燃比がストイキ近傍を通過するのに比較的長い時間（τｓ）を要するようになる。その結果、ＮＯｘ触媒から浄化されずに放出されてしまうＮＯｘの量が増大するようになり、同ＮＯｘ触媒における浄化能力の実質的な低下も避けきれないものとなる。
【０００９】
この発明はこうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、リッチスパイク処理の実行に際し、ＮＯｘ触媒からのＮＯｘの放出を抑制することのできる内燃機関の燃焼制御装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
上記目的を達成するために、請求項１に記載した発明では、燃料噴射形態を圧縮行程中に燃料を気筒内に直接噴射する形態として成層燃焼を実行するとともに前記燃料噴射形態を吸気行程中に燃料を噴射する形態として均質リッチ燃焼を実行する内燃機関の燃焼制御装置において、機関トルクが一定となるように成層燃焼から均質リッチ燃焼へと切り換えるに際し、燃料噴射形態を変更せずにスロットル開度を均質リッチ燃焼時に要求される開度に設定し燃料噴射量を該設定されるスロットル開度に応じて制御する燃焼形態を一旦実行した後、燃料噴射形態を変更し燃焼形態を均質リッチ燃焼へと切り換える切換手段を備えることをその要旨とする。
【００１１】
同構成においては、切換手段は、リッチスパイク処理の実行時、成層燃焼から均質リッチ燃焼へと切り換えるに際し、最初、燃料噴射形態は変更せずにスロットル開度の設定のみ成層燃焼時に設定された開度から均質リッチ燃焼に要求される開度に設定を変更し、燃料噴射量を該設定されるスロットル開度に応じて制御する燃焼形態を一旦実行する。その後、燃料噴射形態を変更し燃焼形態を均質リッチ燃焼へと切り換える。そのため、リッチスパイク処理の実行に際して、機関トルクの変化をなくしつつ、ＮＯｘがＮＯｘ触媒によって浄化されずに放出されてしまうストイキ近傍の空燃比域を通過する時間を短縮することができるようになる。その結果、ＮＯｘエミッションの悪化を抑制できる。
【００１２】
また、請求項２に記載した発明では、請求項１に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、前記切換手段は、前記燃料噴射形態を変更せずにスロットル開度を均質リッチ燃焼時に要求される開度に設定し燃料噴射量を該設定されるスロットル開度に応じて制御する燃焼形態の実行期間を、前記スロットル開度の設定に伴う機関の吸入空気量変化の応答遅れ期間より長い期間に設定することをその要旨とする。
【００１３】
燃焼形態を成層燃焼から均質リッチ燃焼へと切り換えるに際し、空燃比はリーン領域からリッチ領域へ移行する。そのとき空燃比は機関の吸入空気量の変化に対応して変化することとなるが、同構成によれば、吸入空気量の変化が終了してから、すなわち吸入空気量変化の応答遅れに影響されずに前記空燃比の移行が行われることとなる。そのため、より確実に空燃比がストイキ近傍を通過する時間を短縮することができるようになる。その結果、ＮＯｘエミッションの悪化も確実に抑制できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を筒内燃料噴射式ガソリンエンジンの燃焼制御装置に適用するようにした一実施の形態について図１〜図６を参照して説明する。
【００１５】
図１は本実施の形態に係る燃焼制御装置を示す概略構成図である。同図１に示されるエンジン１０のシリンダブロック１１に形成された複数のシリンダ１５（図１ではその一つを示す）内には、コネクティングロッド１６を介してクランクシャフト１４に連結されたピストン１３が往復動可能にそれぞれ設けられている。このピストン１３の上面とシリンダ１５の内壁面及びシリンダヘッド１２の下面によって燃焼室１７が区画形成されている。この燃焼室１７はシリンダヘッド１２に形成された吸気ポート１８及び排気ポート１９を介して吸気管２０及び排気管２１に接続されている。
【００１６】
吸気管２０にはサージタンク２２が設けられるとともに、その上流側にはスロットルモータ５４によって開度（スロットル開度）が調節されるスロットルバルブ３４が設けられている。このスロットルバルブ３４によって燃焼室１７に導入される吸入空気の量が調節される。
【００１７】
シリンダヘッド１２には燃焼室１７内に燃料を直接噴射するインジェクタ５０と、燃焼室１７内の混合気を点火する点火プラグ２６とが各シリンダ１５に対応してそれぞれ設けられている。燃料噴射量及び燃料噴射時期は、インジェクタ５０の開閉動作に基づいて調節される。
【００１８】
排気管２１には三元触媒２３が設けられ、さらにその下流側にはＮＯｘ触媒２４が設けられている。燃焼室１７から排気管２１に排出される排出ガスはこれら各触媒２３，２４によって浄化される。
【００１９】
吸気管２０においてスロットルバルブ３４の近傍にはアクセルセンサ６４が設けられている。このアクセルセンサ６４は運転者によって操作されるアクセルペダル４６とワイヤ（図示略）により連結されており、同センサ６４からはアクセルペダル４６の踏込量（アクセル開度ＡＣＣＰ）に応じた検出信号が出力される。
【００２０】
また、排気管２１は、排気還流（ＥＧＲ）通路４２を介してサージタンク２２に接続されている。このＥＧＲ通路４２の途中には、排気還流バルブ（ＥＧＲバルブ）４３が設けられている。このＥＧＲバルブ４３の開度に基づいて、排気管２１からＥＧＲ通路４２を通じて吸気管２０に再循環される排気の量（ＥＧＲ量）が調整される。
【００２１】
クランクシャフト１４の近傍にはクランクセンサ６５が設けられ、また、このクランクシャフト１４の回転と同期して回転する各カムシャフト３０，３１の一方の近傍にはカムセンサ６６が設けられている。これら各センサ６５，６６からはクランクシャフト１４の回転角（クランク角ＣＡ）と、同クランクシャフト１４の回転速度（機関回転速度ＮＥ）とに応じた信号が出力される。
【００２２】
サージタンク２２には吸気圧センサ６７が設けられており、同センサ６７からは吸気管２０内の吸入空気の圧力（吸気圧ＰＭ）に応じた検出信号が出力される。
【００２３】
これら各種センサ６４〜６７の検出信号はエンジン１０の電子制御装置（以下、「ＥＣＵ」と略記する）６０に入力される。ＥＣＵ６０はこれら検出信号に基づいてアクセル開度ＡＣＣＰ、クランク角ＣＡ、機関回転速度ＮＥ、吸気圧ＰＭをそれぞれ検出する。ＥＣＵ６０はこれら各検出値に基づいてインジェクタ５０の電磁弁、スロットルモータ５４、ＥＧＲバルブ４３等を駆動することにより、燃料噴射量、燃料噴射時期、吸入空気量、及びＥＧＲ量等を機関運転状態に適合するように制御する。ＥＣＵ６０はこうした各種制御を所定の手順にしたがって実行するための制御プログラムや関数データが予め記憶されたメモリ６１を備えている。
【００２４】
本実施の形態におけるエンジン１０は、以下の４つのモードの間で切り換えられるようになっている。
１．成層燃焼
燃焼形態として成層燃焼が選択されると、燃料噴射時期は、圧縮行程後期に設定される（圧縮行程噴射）。また、燃焼室１７内における混合気の平均的な空燃比は理論空燃比よりもリーンに設定される。
【００２５】
２．均質ストイキ燃焼
燃焼形態として均質ストイキ燃焼が選択されると、燃料噴射時期は吸気行程中に設定され（吸気行程噴射）、空燃比はストイキ近傍に設定される。
【００２６】
３．均質リッチ燃焼
燃焼形態として均質リッチ燃焼が選択されると、燃料噴射時期は均質ストイキ燃焼時と同様、吸気行程中に設定される（吸気行程噴射）。また、空燃比は理論空燃比よりもリッチに設定される。なお、この均質リッチ燃焼は、後述するリッチスパイク処理中においてのみ選択される。
【００２７】
４．過渡時成層燃焼
この過渡時成層燃焼は、リッチスパイク処理により燃焼形態を成層燃焼から均質リッチ燃焼に切り換える途中及び均質リッチ燃焼から成層燃焼に切り換える途中に一時的に選択される。燃焼形態として過渡時成層燃焼が選択されると、燃料噴射時期は成層燃焼時と同じ圧縮行程後期に設定され（圧縮行程噴射）、スロットル開度及びＥＧＲ開度はいずれも成層燃焼時よりも小さく、均質リッチ燃焼時における開度と等しくなるように設定される。従って、吸入空気量は、成層燃焼時よりも少なくなり、均質リッチ燃焼時の量と等しくなる。さらに、燃料噴射量は、この吸入空気量の減少の伴って機関トルクが低下するのを抑制し得る量まで成層燃焼時の燃料噴射量よりも増量される。また、燃焼室１７内における混合気の平均的な空燃比は理論空燃比よりもリーンに設定される。
【００２８】
これら燃焼形態の切り換えは、ＥＣＵ６０によって、機関運転状態やＮＯｘ触媒２４のＮＯｘ吸蔵量等に基づいて行われる。以下、こうした燃焼形態の切換手順について説明する。
【００２９】
まず、ＥＣＵ６０は、図２に示すようなアクセル開度ＡＣＣＰ及び機関回転速度ＮＥと基本燃料噴射量Ｑｂｓｅとの関係を示すマップから基本燃料噴射量Ｑｂｓｅを求める。なお、このマップは前記メモリ６１に記憶されている。この基本燃料噴射量Ｑｂｓｅはエンジン１０の負荷状態を反映するものである。
【００３０】
次に、ＥＣＵ６０は、こうして求められた基本燃料噴射量Ｑｂｓｅと機関回転速度ＮＥとに基づいて燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅを決定する。この燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅは、前述した各燃焼形態のうちの何れを選択するかを決定するためのものである。
【００３１】
例えば、この燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅが「０」である場合には、燃焼形態として成層燃焼が選択され、燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅが「１２」である場合には、燃焼形態として均質ストイキ燃焼がそれぞれ選択される。さらに、燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅが「２」である場合には、燃焼形態として過渡時成層燃焼が選択され、燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅが「１１」である場合には、燃焼形態として均質リッチ燃焼がそれぞれ選択される。
【００３２】
ＥＣＵ６０のメモリ６１には、この燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値と機関回転速度ＮＥ及び基本燃料噴射量Ｑｂｓｅとの関係を定義する関数データが記憶されている。図３はこの関数データを概略的に示すマップである。
【００３３】
例えば、機関回転速度ＮＥ及び基本燃料噴射量Ｑｂｓｅが同図３に示す一点鎖線に沿って点Ａに示す状態から点Ｂに示す状態に変化する場合、燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅは「０」から「１２」と変化し、燃焼形態は成層燃焼から均質ストイキ燃焼に変更されることとなる。
【００３４】
一方、ＥＣＵ６０は所定の実行条件が満たされると、リッチスパイク処理を開始する。リッチスパイク処理が開始されると、前記燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅは「０」から「２」を経て「１１」に切り換えられ、この切り換えに伴って、燃焼形態は成層燃焼から過渡時成層燃焼を経て均質リッチ燃焼にまで強制的に切り換えられるようになる。
【００３５】
以下、こうしたリッチスパイク処理について説明する。
本実施の形態におけるリッチスパイク処理では、燃料噴射量及び吸入空気量をそれぞれ成層燃焼に対応する量から均質リッチ燃焼に対応する量へと変更する際に、その変化に応答遅れがある吸入空気量を先に変更し、所定期間が経過した後に再度、燃料噴射量を変更するようにしている。そして、このように吸入空気量と燃料噴射量の変更時期をずらすことにより、空燃比をリーン領域からリッチ領域にすばやく移行させ、同空燃比がストイキ近傍を通過するのに要する時間を短縮するようにしている。
【００３６】
次に、このリッチスパイク処理の実行手順の一例を、図４，図５に示すフロチャート及び図６に示すタイミングチャートを併せ参照して詳細に説明する。なお、ＥＣＵ６０は、これら図４，図５のフローチャートに示す一連の処理を、例えば所定のクランク角周期毎に実行する。
【００３７】
まず、ＥＣＵ６０は、図４に示すステップ１００において、前記アクセルセンサ６４、カムセンサ６６、及びクランクセンサ６５等から出力される検出信号に基づき、それぞれ現在のアクセル開度ＡＣＣＰ、クランク角ＣＡ、及び機関回転速度ＮＥ等のデータを得る。そして、このアクセル開度ＡＣＣＰ及び機関回転速度ＮＥに基づき前記マップから現在の基本燃料噴射量Ｑｂｓｅを求め、ステップ１１０に移行する。
【００３８】
このステップ１１０において、ＥＣＵ６０は、リッチスパイク処理実行フラグ（以下、単にＲＳ実行フラグという）ＸＲＳが「ＯＮ」であるか否かを判断する。このＲＳ実行フラグＸＲＳはリッチスパイク処理が実行中であるか否かを判断するためのフラグであり、同リッチスパイク処理が実行中は「ＯＮ」とされ、非実行中は「ＯＦＦ」とされる。なお、このＲＳ実行フラグＸＲＳは、図６において、タイミングｔ１に「ＯＮ」とされ、タイミングｔ４に「ＯＦＦ」とされる。そのため、同図６においてリッチスパイク処理はタイミングｔ１〜タイミングｔ４の期間に実行されることとなる。
【００３９】
ここで、ＲＳ実行フラグＸＲＳが現在「ＯＮ」である、すなわちリッチスパイク処理が現在、実行中と判断した場合は、ＥＣＵ６０はステップ２１０の処理に移行する。一方、リッチスパイク処理が現在、非実行中と判断した場合は、ＥＣＵ６０はステップ１２０の処理に移行する。以下において、このリッチスパイク処理が非実行中であって処理をステップ１２０に移行する場合について説明する。
【００４０】
ＥＣＵ６０は、ステップ１２０において、上記燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値が「０」、すなわち、現在、成層燃焼が行われているか否かを判断する。ここで燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値が「０」でないと判断した場合、ＥＣＵ６０は処理を一旦終了する。これは、ＥＣＵ６０は、現在、燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値は「１２」であり、燃焼形態として均質ストイキ燃焼が実行されていると判断したためである。すなわち、均質ストイキ燃焼中にはリッチスパイク処理は行われない。なお、燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値は「１２」である場合には、別の処理ルーチンを通じて均質ストイキ燃焼時に対応したスロットル開度、燃料噴射量等が算出される。
【００４１】
一方、同ステップ１２０において、燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値が「０」あると判断した場合、ＥＣＵ６０はステップ１３０の処理に移行する。
このステップ１３０において、ＥＣＵ６０は、機関回転速度ＮＥ及び基本燃料噴射量Ｑｂｓｅと目標スロットル開度ＴＲＴ（＝ｔｒｔ０ｍａｐ（ＮＥ，Ｑｂｓｅ））との関係を示す成層燃焼時用のマップ（図示略）から、現在の目標スロットル開度ＴＲＴを求める。同様に、機関回転速度ＮＥ及び基本燃料噴射量ＱｂｓｅとＥＧＲバルブ４３の目標開度である目標排気還流バルブ開度ＥＧＲ（＝ｅｇｒ０ｍａｐ（ＮＥ，Ｑｂｓｅ））との関係を示す成層燃焼時用のマップ（図示略）から、現在の目標排気還流バルブ開度ＥＧＲを求める。また、ＥＣＵ６０は、最終燃料噴射量ＱＩＮＪを現在の基本燃料噴射量Ｑｂｓｅに等しい量に設定して、ステップ１４０に移行する。
【００４２】
このステップ１４０において、ＥＣＵ６０は、触媒カウンタＣＮＴ１のカウント数が所定数αに達したか否かを判断する。ここで触媒カウンタＣＮＴ１は、燃焼形態として成層燃焼が選択されている期間、すなわち燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値が「０」または「２」に設定されている期間を累積してカウントするタイマカウンタであり、別の処理ルーチンを通じて操作されるものでる。そして、この触媒カウンタＣＮＴ１のカウント数に応じて前記ＮＯｘ 触媒２４に吸蔵されたＮＯｘ量が推定される。ここで、上記所定数αは、ＮＯｘ触媒２４に吸蔵されたＮＯｘ量が限界量近傍に達しているときの値として設定されている。
【００４３】
ＥＣＵ６０は、同ステップ１４０において、触媒カウンタＣＮＴ１のカウント数がまだ所定数αに達していないと判断した場合には、リッチスパイク処理を実行する必要がないため、処理を一旦終了する。一方、触媒カウンタＣＮＴ１のカウント数が所定数αに達したと判断した場合、ＥＣＵ６０は、ステップ１５０以降に移行し、リッチスパイク処理を開始する。なお、図６に示すタイミングチャートにおいては、この触媒カウンタＣＮＴ１のカウント数が所定数αに達する時点は、タイミングｔ１にて示される。
【００４４】
このステップ１５０において、ＥＣＵ６０は、ｆｍｏｄｅカウンタＣＮＴ２に対して加算動作の開始を指示するとともに、ＲＳ処理実行フラグＸＲＳを「ＯＮ」とする。さらに、燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値を「２」とする（図６）。ここでｆｍｏｄｅカウンタＣＮＴ２は、燃焼形態を過渡時成層燃焼に保持する期間をカウントするタイマカウンタであり、別の処理ルーチンを通じて操作されるものである。
【００４５】
またステップ１６０において、ＥＣＵ６０は、機関回転速度ＮＥ及び基本燃料噴射量Ｑｂｓｅと目標スロットル開度ＴＲＴ（＝ｔｒｔ１１ｍａｐ（ＮＥ，Ｑｂｓｅ））との関係を示す均質リッチ燃焼時用のマップ（図示略）から、目標スロットル開度ＴＲＴを求める。同様に、機関回転速度ＮＥ及び基本燃料噴射量Ｑｂｓｅと目標排気還流バルブ開度ＥＧＲ（＝ｅｇｒ１１ｍａｐ（ＮＥ，Ｑｂｓｅ））との関係を示す均質リッチ燃焼時用のマップ（図示略）から、目標排気還流バルブ開度ＥＧＲを求める。ちなみに、前記成層燃焼時用のマップに基づいて算出される目標スロットル開度ＴＲＴ（＝ｔｒｔ０ｍａｐ）及び目標排気還流バルブ開度ＥＧＲ（＝ｅｇｒ０ｍａｐ）と、均質リッチ燃焼時用のマップに基づいて算出される目標スロットル開度ＴＲＴ（＝ｔｒｔ１１ｍａｐ）及び目標排気還流バルブ開度ＥＧＲ（＝ｅｇｒ１１ｍａｐ）とを比較した場合、常に、ＴＲＴ（＝ｔｒｔ０ｍａｐ）＞ＴＲＴ（＝ｔｒｔ１１ｍａｐ），ＥＧＲ（＝ｅｇｒ０ｍａｐ）＞ＥＧＲ（＝ｅｇｒ１１ｍａｐ）といった関係が成立している。
【００４６】
さらに、ＥＣＵ６０は、最終燃料噴射量ＱＩＮＪを前記目標スロットル開度ＴＲＴ（＝ｔｒｔ１１ｍａｐ）に基づいて決定される噴射量ｑｉｎｊ（ｔｒｔ１１ｍａｐ）に設定する。
ここで、前記噴射量ｑｉｎｊの値は、過渡時成層燃焼時においても成層燃焼時と同等の機関トルクを確保することができ、かつ空燃比をリーンの領域に保持し得る値として実験等に基づいて設定されている。ＥＣＵ６０はここで処理を一旦終了する。
【００４７】
次に、上記ステップ１１０に戻って、ＥＣＵ６０が、現在、ＲＳ処理実行フラグＸＲＳが「ＯＮ」であると判断し、処理をステップ２１０に移行する場合を説明する。
【００４８】
ステップ２１０において、ＥＣＵ６０は、燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値が「２」であるか否かを判断する。ここで燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値が現在、「２」であると判断した場合、ＥＣＵ６０は図５に示すステップ３１０に移行する。なお、ここで、ＥＣＵ６０が燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値が「２」であると判断する場合は、図６に示されるタイミングｔ１〜タイミングｔ２の間、及びタイミングｔ３〜タイミングｔ４の間の２区間である。
【００４９】
一方、同ステップ２１０において、燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値が現在、「２」ではないと判断した場合、ＥＣＵ６０は処理をステップ２２０に移行する。ここで、ＥＣＵ６０が燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値が「２」でないと判断する場合は、図６に示されるタイミングｔ２〜タイミングｔ３の間に対応し、このときの燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値は、同図６に示されるように「１１」（均質リッチ燃焼）となる。
【００５０】
以下、まずステップ２１０において、ＥＣＵ６０が燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値が現在、「２」であると判断した場合から説明する。
図５に示すステップ３１０において、ＥＣＵ６０は、ｆｍｏｄｅカウンタＣＮＴ２のカウント数が所定数γに達したか否かを判断する。ここで前記所定数γは、燃焼形態を過渡時成層燃焼に保持する期間の長さを設定するためのものであり、同保持期間が吸入空気量の応答遅れ時間よりも十分に長く、また、機関燃焼状態を安定化させることのできる期間となるように設定されている。
【００５１】
そのため、ＥＣＵ６０は、同ステップ３１０において、ｆｍｏｄｅカウンタＣＮＴ２のカウント数がまだ所定数γに達していないと判断した場合、さらに過渡時成層燃焼を継続させるべく、処理を一旦終了する。一方、ｆｍｏｄｅカウンタＣＮＴ２のカウント数が所定数γに達したと判断した場合、ＥＣＵ６０は、ステップ３２０に移行する。
【００５２】
そして、このステップ３２０において、ＥＣＵ６０は、触媒カウンタＣＮＴ１のカウント数が所定数αを越えているか否かを判断する。触媒カウンタＣＮＴ１のカウント数が所定数αを越えていると判断した場合には、ステップ３３０に移行する。
【００５３】
このステップ３３０において、ＥＣＵ６０は、ｆｍｏｄｅカウンタＣＮＴ２をゼロリセットするとともに、燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値を均質リッチ燃焼に対応した「１１」とする。また、ＥＣＵ６０は、触媒カウンタＣＮＴ１に対して、これまでの加算動作から減算動作に切り換えるように指示する。さらに、ＥＣＵ６０は、均質リッチ燃焼を実行するために最終燃料噴射量ＱＩＮＪを（基本燃料噴射量Ｑｂｓｅ × 所定係数ＦＲＳＰＫ）に設定する。なお、前記噴射量（Ｑｂｓｅ×ＦＲＳＰＫ）の値は、リッチスパイク処理が開始されたときの成層燃焼時と同等の機関トルクを得ることのできる値に設定されている。ここで、ＥＣＵ６０は処理を一旦終了する。
【００５４】
一方、ステップ３２０において、触媒カウンタＣＮＴ１のカウント数が所定数αを越えていないと判断した場合、燃焼形態を過渡時成層燃焼から成層燃焼に切り換える時期と判断してステップ３４０に移行する。
【００５５】
そして、このステップ３４０において、ＥＣＵ６０は、ｆｍｏｄｅカウンタＣＮＴ２をゼロリセットするとともに燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値を「０」（成層燃焼）とし、さらに、ＲＳ実行フラグＸＲＳを「ＯＦＦ」とする。そして、ＥＣＵ６０は処理を一旦終了する。
【００５６】
さて、ここで先の図４に示されるステップ２１０に戻って説明する。前述したように同ステップ２１０において、ＥＣＵ６０は、燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値が現在、「２」ではないと判断した場合、すなわち、燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値が現在、「１１」（均質リッチ燃焼）であると判断した場合、ＥＣＵ６０は処理をステップ２２０に移行する。
【００５７】
このステップ２２０において、ＥＣＵ６０は、触媒カウンタＣＮＴ１のカウント数が所定数βまで減算されたか否かを判断する。ＥＣＵ６０は、同ステップ２２０において、触媒カウンタＣＮＴ１のカウント数が所定数βまで減算されたと判断した場合（図６のタイミングｔ３）、均質リッチ燃焼を終了すべく処理をステップ２３０に移行する。
【００５８】
ステップ２３０において、ＥＣＵ６０は、触媒カウンタＣＮＴ１に対して、これまでの減算動作から加算動作に切り換えるように指示するとともに、ｆｍｏｄｅカウンタＣＮＴ２に対して加算動作の開始を指示する。また、燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの値を「２」とする。さらに、ＥＣＵ６０は、最終燃料噴射量ＱＩＮＪを先のステップ１６０と同様に噴射量ｑｉｎｊ（ｔｒｔ１１ｍａｐ）に設定する。そして、ＥＣＵ６０は、処理を一旦終了する。
【００５９】
一方、先のステップ２２０において、触媒カウンタＣＮＴ１のカウント数が所定数βまで減算されていないと判断した場合、ＥＣＵ６０は、均質リッチ燃焼を継続するため、処理を一旦終了する。
【００６０】
以上説明した処理手順に従って、ＥＣＵ６０は、リッチスパイク処理の実行時、上記燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅを、「０」（成層燃焼）→「２」（過渡時成層燃焼）→「１１」（均質リッチ燃焼）→「２」（過渡時成層燃焼）→「０」（成層燃焼）と順次、切り換える。
【００６１】
次に、このリッチスパイク制御処理中における燃焼形態の時間的推移及び同処理の作用について図６に示すタイミングチャートを参照して説明する。
同図６に示すように、触媒カウンタＣＮＴ１のカウント数が所定数αに達するタイミングｔ１において、ＲＳ実行フラグＸＲＳ（同図６（ｃ））が「ＯＮ」に設定されるとともに、燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅ（同図６（ｄ））が「０」から「２」に変更され、燃焼形態が成層燃焼から過渡的成層燃焼に切り換えられる。またこのとき、この過渡的成層燃焼の実行期間（τ１）をカウントするｆｍｏｄｅカウンタＣＮＴ２がそのカウントを開始する（同図６（ｂ））。
【００６２】
そしてこのタイミングｔ１において、最終燃料噴射量ＱＩＮＪは、前述したように、均質リッチ燃焼時の目標スロットル開度ＴＲＴ（＝ｔｒｔ１１ｍａｐ）に基づく噴射量であるｑｉｎｊ（ｔｒｔ１１ｍａｐ）に増量して設定される（同図６（ｅ））。このとき、前述したように、機関トルクの変化が生じることなく空燃比もリーン領域に留まる。
【００６３】
また、目標スロットル開度ＴＲＴは、均質リッチ燃焼時の目標スロットル開度ＴＲＴ（＝ｔｒｔ１１ｍａｐ）にまで減少させた値に設定される。また、目標排気還流バルブ開度ＥＧＲも、前記目標スロットル開度ＴＲＴの減少に伴って、同じく均質リッチ燃焼時の目標排気還流バルブ開度ＥＧＲ（＝ｅｇｒ１１ｍａｐ）にまで減少させた値に設定される。そして、これら目標スロットル開度ＴＲＴ及び目標排気還流バルブ開度ＥＧＲは、タイミングｔ４に至るまで変更されない（同図６（ｆ），図６（ｇ））。
【００６４】
こうした目標スロットル開度ＴＲＴの減少に伴って、タイミングｔ１以降、吸入空気量と相関を有する吸気圧ＰＭ（同図６（ｈ））も減少するが、この吸気圧ＰＭ（吸入空気量）の変化には、前述したように目標スロットル開度ＴＲＴの変化と比較して応答遅れ（Δτ）が存在している。これは、目標スロットル開度ＴＲＴに基づいてスロットルモータ５４を駆動させスロットルバルブ３４を変更したとしても、同スロットルバルブ３４の開度が目標スロットル開度ＴＲＴと等しくなるまで、また、吸気圧ＰＭがその目標スロットル開度ＴＲＴに対応した大きさにまで変化するまでには所定の時間が必要になるからである。
【００６５】
一方、タイミングｔ１において空燃比Ａ／Ｆの値は、上記最終燃料噴射量ＱＩＮＪの増加に伴って一旦急激に減少し、その後は吸入空気量（吸気圧ＰＭ）の変化に対応してゆっくり減少するようになる（同図６（ｉ））。
【００６６】
次に、タイミングｔ１以降、上記ｆｍｏｄｅカウンタＣＮＴ２のカウント数が増加して所定数γに達するタイミングｔ２において、すなわちタイミングｔ１から同所定数γによって定まる所定期間τ１が経過した時、燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅが「２」から「１１」に変更され、燃焼形態が過渡時成層燃焼から均質リッチ燃焼に切り換えられる。このとき、前述したように、最終燃料噴射量ＱＩＮＪは、均質リッチ燃焼を実行するために（基本燃料噴射量Ｑｂｓｅ × 所定係数ＦＲＳＰＫ）としてさらに増量される（同図６（ｅ））。また、燃料噴射形態が圧縮行程噴射から吸気行程噴射に変更される。このように燃料噴射形態が変更されるため、燃料噴射量が増量されても機関トルクの変化は生じない。
【００６７】
なお、このタイミングｔ２において、目標スロットル開度ＴＲＴ及び目標排気還流バルブ開度ＥＧＲの値は変更されない。また、上記所定期間τ１は上記吸気圧ＰＭの応答遅れ時間（Δτ）よりも長い時間として設定されるとともに、最終燃料噴射量ＱＩＮＪの変化に対する機関燃焼形態の安定性を確保できる時間として設定される。
【００６８】
このように、本実施の形態においては、このタイミングｔ２において燃焼形態を過渡時成層燃焼から均質リッチ燃焼に切り換える際、最終燃料噴射量ＱＩＮＪは増量されるものの吸入空気量（吸気圧ＰＭ）は一定に維持されるため、空燃比Ａ／Ｆは、吸入空気量の変化に影響されることなく噴射量ＱＩＮＪのみに依存してリーン領域からリッチ領域に素早く移行するようになる。そのため、同空燃比Ａ／Ｆはストイキ近傍を短時間に通過できることとなる（同図６（ｉ））。
【００６９】
その結果、空燃比がストイキ近傍を通過する際にＮＯｘ触媒２４からＮＯｘが浄化されずに放出されるということは好適に抑制されるようになる。また機関トルクの変化を生じさせないように燃焼形態が切り換えられるため、運転上のショックも抑制される。
【００７０】
続いてタイミングｔ２以降、所定期間τ２の間、燃焼形態が均質リッチ燃焼に設定されて空燃比がリッチに保持されるため、ＮＯｘ触媒２４に吸蔵されているＮＯｘは還元され、その吸蔵量は徐々に減少するようになる。なお、前記触媒カウンタＣＮＴ１によるカウント数の減算操作量は、上記所定期間τ２がＮＯｘ触媒２４の吸蔵量を所定下限量にまで低下させるに十分な期間となるように、予め実験等に基づいて設定されている。
【００７１】
そして、タイミングｔ２から所定期間τ２が経過し、そのカウント数を減少させている触媒カウンタＣＮＴ１のカウント数が所定数βに達するタイミングｔ３において（同図６（ａ））、燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅが「１１」から再び「２」に変更される。そして、このタイミングｔ３から、燃焼形態は再び過渡時成層燃焼に切り換えられるとともに、その継続期間（τ３）がｆｍｏｄｅカウンタＣＮＴ２によってカウントされる（同図６（ｂ））。
【００７２】
また、このタイミングｔ３において、燃焼形態を均質リッチ燃焼から過渡時成層燃焼に切り換えるために、最終燃料噴射量ＱＩＮＪが、前記噴射量ｑｉｎｊ（ｔｒｔ１１ｍａｐ）に設定される。そのため、このタイミングｔ３において、空燃比Ａ／Ｆの値は、同噴射量ＱＩＮＪのみに依存してリッチ領域から再びリーン領域に移行するようになる（同図６（ｉ））。また、このとき燃料噴射形態が吸気行程噴射から圧縮行程噴射に変更される。
【００７３】
そしてタイミングｔ３以降、所定期間τ３（＝τ１）が経過して、上記ｆｍｏｄｅカウンタＣＮＴ２のカウント数が所定数γに達するタイミングｔ４において（同図６（ｂ））、ＲＳ実行フラグＸＲＳが「ＯＦＦ」とされるとともに（同図６（ｃ））、燃焼形態が過渡時成層燃焼から成層燃焼に切り換えられる。
【００７４】
また、このタイミングｔ４において、最終燃料噴射量ＱＩＮＪは、噴射量ｑｉｎｊから基本燃料噴射量Ｑｂｓｅへとさらに減量され、前記タイミングｔ１の直前の噴射量に戻されるとともに（同図６（ｅ））、目標スロットル開度ＴＲＴ及び目標排気還流バルブ開度ＥＧＲも各々、前記タイミングｔ１の直前の開度に戻される。その後、空燃比Ａ／Ｆの値は、吸入空気量（吸気圧ＰＭ）に対応したかたちでリッチスパイク処理が実行される前の値に戻る（同図６（ｉ））。
【００７５】
以上詳述したように、本実施の形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）リッチスパイク処理によって、燃焼形態を成層燃焼から均質リッチ燃焼に切り換える際、空燃比Ａ／Ｆは、吸入空気量の変化に影響されることなく噴射量ＱＩＮＪのみに依存してリーン領域からリッチ領域に素早く移行するようになる。すなわち、同空燃比Ａ／Ｆはそのストイキ近傍を短時間に通過できることとなる。その結果、空燃比がストイキ近傍を通過する際に同ＮＯｘ触媒２４からＮＯｘが浄化されずに放出されるということも好適に抑制され、ＮＯｘエミッションの悪化を抑制できる。
【００７６】
（２）リッチスパイク処理の実行に際して、機関トルクが一定に保持されるように燃焼形態を切り換えているため、リッチスパイク処理に伴なう運転上のショックも好適に抑制される。
【００７７】
（３）本実施の形態によれば、過渡時成層燃焼を継続する所定期間τ１は上記吸気圧ＰＭの変化時間Δτよりも長い期間として設定されるとともに、最終燃料噴射量ＱＩＮＪの変化に伴う機関燃焼状態の安定性を確保できる時間として設定される。そのため、燃焼形態を成層燃焼から均質リッチ燃焼に切り換える際、吸入空気量の変化が空燃比Ａ／Ｆの変化におよぼす影響を確実になくし、上記（１）の効果をより確実なものとするとともに、リッチスパイク処理に伴う機関燃焼状態への影響をより低減させることができるようになる。
【００７８】
なお、上記実施の形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・上記実施の形態においては、燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの切り換え（「０」→「２」→「１１」→「２」→「０」）に際し、触媒カウンタＣＮＴ１及びｆｍｏｄｅカウンタＣＮＴ２を使用しその所定カウント数に基づいて行う例を示したが、これら燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの切り換え態様は、これらカウンタを使用したものに限られない。例えば、排気中のＮＯｘ濃度を検出し、その検出結果に基づいて同ｆｍｏｄｅの切り換えを行うようにしてもよい。
【００７９】
・また、上記実施の形態のようにカウンタを使用して上記燃焼モード指示値ｆｍｏｄｅの切り換え等を行う場合にあっても、そのカウンタの使用態様は、上記実施の形態に限られない。例えば１個のカウンタを使用して同指示値ｆｍｏｄｅを切り換えるようにもよいし、あるいは３個のカウンタを使用するものであってもよい。また、先の図５に示したステップＳ３２０の判断に係る処理を、触媒カウンタＣＮＴ１のカウント数αに基づいて行う代わりに、例えば、別途前記タイミングｔ３にて「ＯＦＦ」とされるＮＯｘ吸蔵フラグ等を設定し同フラグに基づいて行うようにしてもよい。
【００８０】
・上記実施の形態においては、目標スロットル開度ＴＲＴ及び目標排気還流バルブ開度ＥＧＲを上記リッチスパイク処理の際に変更するようにしたが、目標排気還流バルブ開度ＥＧＲの同変更は割愛するようにしてもよい。
【００８１】
・上記実施の形態において、均質リッチ燃焼の後に実行される過渡時成層燃焼の継続時間（実行期間）τ３を、同均質リッチ燃焼の前に実行される過渡時成層燃焼の実行期間τ１よりも短くするものであってもよい。これは、先の図６に示されるように、上記実行期間τ３には吸気圧ＰＭの応答遅れ時間Δτは含まれないため、同実行期間τ３を短縮することができることによる。このように実行期間τ３を短縮することにより、リッチスパイク処理に要する時間を短縮することができる。
【００８２】
・上記所定数γによって定まる過渡時成層燃焼の実行期間τ１を、燃焼形態を成層燃焼から均質リッチ燃焼に切り換える際の目標スロットル開度ＴＲＴの変化量ΔＴＲＴ（ｔｒｔ０ｍａｐ − ｔｒｔ１１ｍａｐ）に応じて可変設定するようにしてもよい。このように同変化量ΔＴＲＴに応じて過渡時成層燃焼の実行期間τ１を可変とすることにより、例えば同変化量ΔＴＲＴが大きい場合は同期間τ１を長く設定し、逆に同変化量ΔＴＲＴが小さい場合には同期間τ１を短く設定することにより、リッチスパイク処理に伴う機関燃焼状態への影響をさらに好適に低減させることができるようになるとともに、リッチスパイク処理に要する時間も最適化できるようになる。
【００８３】
・上記実施の形態においては、均質リッチ燃焼が終了してからの後処理において、過渡時成層燃焼（ｆｍｏｄｅ「２」）を介して成層燃焼に切り換えるようにしたが、同過渡時成層燃焼（ｆｍｏｄｅ「２」）を介さずにいきなり成層燃焼に切り換えるようにしてもよい。
【００８４】
・上記実施の形態においては、上記過渡時成層燃焼の実行期間τ１を、吸気圧ＰＭの応答遅れ時間Δτより長い期間となるように設定するようにしたが、これに限られない。例えば、同実行期間τ１を同応答遅れ時間Δτと同一あるいは短い期間としてもよい。
【００８５】
・上記実施の形態においては、通常の燃焼形態として成層燃焼及び均質ストイキ燃焼が選択されるエンジン１０に本発明の燃焼制御装置を適用するようにしたが、例えば、さらに弱成層燃焼（圧縮行程噴射と吸気行程噴射を併用して成層強度を成層燃焼より弱めたもの）あるいは均質リーン燃焼といった燃焼形態が選択されるエンジンにも同様にして適用することができる。
【００８６】
最後に、上述した実施の形態から把握できる請求項以外の技術的思想について、以下にそれらの効果とともに記載する。
（１）請求項２に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、前記切換手段は、前記実行期間を、前記燃焼形態を成層燃焼から均質リッチ燃焼へと切り換える際の前記スロットル開度の設定値の変化量に応じで可変設定することを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。同構成によれば、例えば前記スロットル開度の設定値の変化量が大きい場合は前記実行期間を長く設定し、逆に同変化量が小さい場合には同期間を短く設定するようにして、リッチスパイク処理に伴う機関燃焼状態への影響をさらに好適に低減させることができるようになるとともに、リッチスパイク処理に要する時間も最適化できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明にかかる内燃機関の燃焼制御装置をエンジンの燃焼制御装置に適用した一実施の形態についてその構成を示す概略構成図。
【図２】基本燃料噴射量を算出する際に参照されるマップの構造を示すグラフ。
【図３】燃焼方式を切り換える際に参照されるマップの構造を示すグラフ。
【図４】リッチスパイク制御の処理手順を示すフローチャート。
【図５】リッチスパイク制御の処理手順を示すフローチャート。
【図６】リッチスパイク制御の時間的推移の一例を示すタイミングチャート。
【図７】スロットルバルブ開度の変化に係る空燃比の時間的推移を示すタイミングチャート。
【符号の説明】
１０…エンジン、１１…シリンダブロック、１２…シリンダヘッド、１３…ピストン、１４…クランクシャフト、１５…シリンダ、１６…コネクティングロッド、１７…燃焼室、１８…吸気ポート、１９…排気ポート、２０…吸気管、２１…排気管、２２…サージタンク、２４…ＮＯｘ 触媒、２６…点火プラグ、３０，３１…カムシャフト、３４…スロットルバルブ、４２…ＥＧＲ通路、４３…ＥＧＲバルブ、４３ａ…ステップモータ、４６…アクセルペダル、５０…インジェクタ、５３…点火コイル、５４…スロットルモータ、６０…ＥＣＵ、６１…メモリ、６４…アクセルセンサ、６５…クランクセンサ、６６…カムセンサ、６７…吸気圧センサ。
Claims (2)
- 燃料噴射形態を圧縮行程中に燃料を気筒内に直接噴射する形態として成層燃焼を実行するとともに前記燃料噴射形態を吸気行程中に燃料を噴射する形態として均質リッチ燃焼を実行する内燃機関の燃焼制御装置において、
機関トルクが一定となるように成層燃焼から均質リッチ燃焼へと切り換えるに際し、燃料噴射形態を変更せずにスロットル開度を均質リッチ燃焼時に要求される開度に設定し燃料噴射量を該設定されるスロットル開度に応じて制御する燃焼形態を一旦実行した後、燃料噴射形態を変更し燃焼形態を均質リッチ燃焼へと切り換える切換手段を備える
ことを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。 - 請求項１に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
前記切換手段は、前記燃料噴射形態を変更せずにスロットル開度を均質リッチ燃焼時に要求される開度に設定し燃料噴射量を該設定されるスロットル開度に応じて制御する燃焼形態の実行期間を、前記スロットル開度の設定に伴う機関の吸入空気量変化の応答遅れ期間より長い期間に設定する
ことを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
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