JP3663895B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はリーン空燃比による運転時に排気中のＮＯｘを吸収し、ストイキもしくはリッチ空燃比に切換わったときにＮＯｘを脱離還元するＮＯｘ吸蔵触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平６−１０７２５号公報にもあるように、リーン空燃比により運転される内燃機関の排気中に含まれるＮＯｘを低減するために、ＮＯｘ吸蔵触媒を排気系に設置することが知られている。
【０００３】
ＮＯｘ吸蔵触媒は、リーン空燃比での運転中は排気中に含まれるＮＯｘを吸収し、空燃比がリッチに切換えられたときに、吸収したＮＯｘを脱離、還元するもので、従来の三元触媒が理論空燃比のときにのみＮＯｘの還元作用を発揮するのと異なり、リーン空燃比の運転中でもＮＯｘの外部への放出が防げるという利点がある。
【０００４】
ＮＯｘの吸収量が一定の飽和値に達すると、ＮＯｘは吸収されることなくそのまま排出されてしまうため、飽和状態の少し前に空燃比を一時的にリッチに切換え（これをリッチスパイクという）、保持されているＮＯｘの脱離還元を行い、触媒を再生する必要がある。ただし、このリッチスパイクは内燃機関にとっては空燃比が不必要に濃くなるだけのため、その分の燃費の悪化は避けられず、したがってＮＯｘ吸蔵触媒の再生時には空燃比を過剰に濃くすることなく、効率のよいリッチスパイクを行わないといけない。
【０００５】
そこで、特開平６−１７３６６０号公報によって、燃料タンク内に発生する蒸発燃料を利用して、リッチスパイクを行うことが提案されている。これは燃料タンクの蒸発燃料をキャニスタに保持しておき、ＮＯｘ吸蔵触媒で吸収したＮＯｘを脱離還元するときにパージ制御弁を開き、吸気系に蒸発燃料を導入し、燃料噴射弁から噴射される燃料とにより空燃比をリッチ化するのである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＮＯｘ吸蔵触媒の再生を適確に行うには、リッチスパイク時の空燃比を正確に要求値に制御する必要があり、空燃比が薄ければＮＯｘの脱離還元が不十分となり、濃すぎれば排気中のＨＣやＣＯが増加し、結果的に燃費も悪化する。
【０００７】
しかし、上記の方法では触媒再生時にキャニスタに吸着されている蒸発燃料量（パージしたときのガス濃度）によって、吸気系に導入される蒸発燃料量が異なり、これにより空燃比が変化し、このため適切にＮＯｘの脱離還元が行えないという問題があった。
【０００８】
本発明はこのような問題を解決するために提案されたもので、リッチスパイク時に要求空燃比となるように燃料噴射弁とパージ制御弁を制御し、ＮＯｘ吸蔵触媒の再生を適正に行うことを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、リーン空燃比での運転中に排気中のＮＯｘを吸収し、空燃比が理論空燃比よりも濃くなったときに吸収したＮＯｘを脱離還元するＮＯｘ吸蔵触媒を備えた内燃機関において、燃料タンクで発生する蒸発燃料を吸着保持するキャニスタと、キャニスタから吸気通路への蒸発燃料の導入量を調整するパージ制御弁と、ＮＯｘ吸蔵触媒に吸収されたＮＯｘを脱離還元すべきときに、燃料噴射弁から供給される燃料と吸気通路に導入される蒸発燃料とにより要求リッチ空燃比が得られるように燃料噴射弁とパージ制御弁を制御するリッチ空燃比制御手段とを備え、前記リッチ空燃比制御手段は、パージガス濃度が所定範囲以下のときはパージ制御弁を全閉にすると共に燃料噴射弁からの噴射量を調整して要求リッチ空燃比となるように制御し、パージガス濃度が所定の範囲のときは、パージ制御弁を全開にすると共に燃料噴射弁からの噴射量を調整して要求リッチ空燃比となるように制御し、パージガス濃度が所定の範囲以上のときは、燃料噴射弁からの噴射量を理論空燃比相当に制御すると共にパージ制御弁の開度を調整して要求リッチ空燃比となるように制御することを特徴とする。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において、パージ制御弁を開いて吸気系にパージガスを導入すると共に排気センサの出力に基づいて燃料噴射弁からの噴射量を理論空燃比にフィードバック制御する手段と、このフィードバック制御中の空燃比フィードバック補正値からパージガス濃度を推定する濃度推定手段とを備え、前記リッチ空燃比制御手段はパージガス濃度に応じてパージ制御弁と燃料噴射弁の開度を制御する。
【００１４】
【発明の作用・効果】
第１の発明において、ＮＯｘ吸蔵触媒がリーン運転中に吸収したＮＯｘは空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に切り換えることにより、ＮＯｘ吸蔵触媒から脱離し、還元される。このときの要求リッチ空燃比は吸収されているＮＯｘ量によっても変化するが、要求値に正確に制御しないと触媒の再生が不十分になったり、ＨＣ、ＣＯが多く排出されたりする。
【００１５】
このリッチ空燃比制御時、すなわちリッチスパイク制御時には、キャニスタに接続するパージ通路が開かれ、吸気通路に蒸発燃料が導入され、エンジンに供給される燃料量は燃料噴射弁から噴射される燃料量とこの導入蒸発燃料量との和となるが、この和がＮＯｘの脱離還元に最適な空燃比となるように、燃料噴射弁とパージ制御弁との開度が制御される。このためキャニスタに吸着保持されている蒸発燃料の状態のいかんにかかわらず、常に適正な触媒の再生が行われる。この場合、パージガス濃度が所定の範囲以下、つまりリッチスパイク時にキャニスタに吸着保持された蒸発燃料が非常に少ないときは、燃料噴射弁からの噴射燃料によって要求されるリッチ空燃比が得られる。パージガス濃度が所定の範囲内のときは、パージ制御弁を全開してパージガスを導入する共に、要求リッチ空燃比となるように燃料噴射弁から不足燃料分を補う。パージガス濃度が所定の範囲以上のとき、つまりキャニスタに吸着保持された蒸発燃料が非常に多いときは、燃料噴射弁からの噴射量は理論空燃比相当分としておき、要求リッチ空燃比はパージ制御弁の開度を調整しながら供給する。このようにパージガス濃度によって、パージ制御弁と燃料噴射弁の制御が分けられるので、制御が簡略化され、制御性も良好となる。
【００１６】
第２の発明では、パージガスを導入しながら空燃比のフィードバック制御を行うと、そのときのパージガス濃度に応じて燃料噴射量が変動し、例えばパージガス濃度が高いとその分だけ燃料噴射量が減らされる。したがって、燃料噴射量を制御するためのフィードバック補正値はパージガス濃度を反映したものとなり、これに基づいてパージガス濃度を推定することができる。このようにして実際のパージガス濃度を知ることで、次のリッチスパイク時に目標とする要求リッチ空燃比に正確に制御することが可能となる。
【００２１】
【実施の形態】
以下本発明の最良の実施の形態について図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１において、１は機関本体、２は吸気通路、３は排気通路であり、燃焼室４には、直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁５、及びこの噴射燃料を含む混合気を点火するための点火栓６が備えられる。
【００２３】
燃料噴射弁５からは、機関の部分負荷時など圧縮行程の後半に燃料が噴射され、その直後の点火時に点火栓近傍に可燃混合気層を形成維持し、全体的には超リーン混合気であっても、安定した成層燃焼を実現する。また機関の運転状態によって混合気は理論空燃比に切り換えられ、このときには燃料噴射時期は吸気行程に移り、均質的な理論空燃比の混合気を形成し、通常の予混合燃焼を行う。
【００２４】
このため、吸気通路２のスロットル弁８の上流のエアフローメータ９からの吸入空気量信号がコントローラ１０に入力し、またエンジン回転数センサ１１から回転数信号、冷却水温度を検出する冷却水温センサ１２からの冷却水温信号、さらに排気中の酸素濃度を測定する排気センサ１３からの信号も入力し、これらに基づいて燃料噴射弁５から燃料噴射量を制御し、リーン空燃比での運転をしたり、理論空燃比での運転を行う。リーン運転時には空燃比をオープン制御するが、理論空燃比運転時には排気センサ出力に基づいてフィードバック制御するようになっている。
【００２５】
排気通路３にはリーン運転時に排気中のＮＯｘを吸収するＮＯｘ吸蔵触媒７が設けられる。このＮＯｘ吸蔵触媒７のＮＯｘの吸収量が飽和状態に達したときには、空燃比をリーンからリッチに一時的に切り換える（リッチスパイク）ことでＮＯｘ吸蔵触媒７を再生する。
【００２６】
このリッチスパイク時に燃料タンク内に発生する蒸発燃料（パージガス）を利用するように、蒸発燃料を吸着保持するキャニスタ１５と吸気通路２とを連通するパージ通路１６のパージ制御弁１７を開き、吸気通路２にパージガスを導入する。
【００２７】
この場合、触媒再生に必要なリッチ空燃比の要求値は、ＮＯｘ吸収触媒７のＮＯｘの吸収量によっても変化し、適正な空燃比に制御するために、前記コントローラ１０は燃料噴射弁５からの燃料噴射量と、パージ制御弁１７からのパージガス量とを制御する。
【００２８】
つまり、空燃比はパージ制御弁１７を介して吸気系に導入されるパージガス量と、燃料噴射弁５から燃焼室内に直接的に噴射供給される燃料噴射量との和に応じたものとなり、この空燃比が触媒再生時の目標とするリッチ空燃比となるように、パージ制御弁１７と燃料噴射弁５の開度を制御するのである。
【００２９】
これらの制御を図２、図３のフローチャートにしたがって詳しく説明する。
【００３０】
図２はコントローラで行われる空燃比の全体的な制御、図３はリッチスパイク時の空燃比制御を表す。
【００３１】
図２のルーチンは所定の時間間隔でもって繰り返し実行され、まずステップＳ１で空燃比のフィードバック制御条件（λコン）が成立しているかどうかを判断する。例えば機関冷却水温が所定値以上であり、かつ排気センサの出力反転回数が所定回数以上の排気センサの活性状態のときにλコン条件成立と判断する。ただし、機関の運転条件が高負荷、高回転などの燃料増量運転領域にあるときはλコン不成立とする。
【００３２】
ステップＳ２でリッチスパイク制御かどうかをフラグＦＬＧＲＳによって判断する。このフラグＦＬＧＲＳについては他の独立したルーチン（図示せず）でセットされる。例えばのＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ吸収量を運転状態の履歴などから推定し、この推定値が飽和量に達したとき、機関の負荷と回転数が所定のリーン運転領域からその領域外へ移行したときなどにセットされる。
【００３３】
リッチスパイク制御を行わないときは、ステップＳ３でリーン運転条件（リーン成層燃焼）を行う条件が成立しているかどうかを判断する。例えば、機関の負荷と回転数がリーン運転領域にあり、特別な条件によりリーン運転が禁止されていないときにリーン運転条件とする。
【００３４】
リーン運転条件が非成立のときは、ステップＳ４からステップＳ１４において、λコン制御による理論空燃比運転のための処理が行われる。
【００３５】
まずステップＳ４では、λコン制御中は空燃比フィードバック補正値αにより燃料噴射量を制御するため、燃料噴射量補正値Ｋ＝１にクランプする。ステップＳ５ではリッチスパイクの直後であるか（例えば前回のフラグＦＬＧＲＳ＝１かつ今回のＦＬＧＲＳ＝０のとき）どうかを判断する。
【００３６】
リッチスパイク直後であれば、ステップＳ６からＳ８でλコン制御の初期条件を設定する処理を行う。まずステップＳ６でパージ条件が成立しているかどうか判断する。例えば機関の冷却水温がパージ許可水温以上でかつ触媒活性完了のときにパージ条件が成立と判断する。このときは、燃料蒸気をパージしながら空燃比が理論空燃比となるように燃料噴射量をフィードバック制御する。このためステップＳ７ではリッチスパイク制御の直後にパージを伴ったλコン制御に移行するときの空燃比フィードバック補正値αの初期値と、パージ制御弁を駆動するためのデューティ信号、つまり駆動ＤＵＴＹ比の初期値を設定する。
【００３７】
ただし、これら初期値の設定は、後述するリッチスパイクの条件によっても異なり、直前のリッチスパイクが、燃料噴射弁からの燃料噴射のみのときは（図３で説明するステップＳ６）、キャニスタにパージガスが溜まっていない状況からさほどの変化がないものと見なすことができるので、パージ制御弁を全閉（ＤＵＤＹ＝０）、空燃比フィードバック補正値α＝１を初期値とする。
【００３８】
また、リッチスパイクの理論空燃比よりも増量分が燃料噴射とパージガスによって賄われるときは（図３のステップＳ８）、リッチスパイクによりキャニスタ内のパージガスが減っていることも想定でき、したがってこのときもＤＵＤＹ＝０、α＝１を初期値とする。
【００３９】
これに対して、リッチスパイクの増量分がパージガスのみによるときは（図３のステップＳ９）、もともとキャニスタにパージガスが十分あり、リッチスパイクにより消費されてもパージガス濃度がほとんど変化しないものと見なして、パージ制御弁全開、すなわちＤＵＤＹ＝１００％を初期値とし、αは後述するような前回に記憶したαＰのときのαを初期値とする。ただし、この場合、前回αＰを記憶したときの吸入空気量と現在の吸入空気量が異なると、αも要求値から変動するので、そのときの吸入空気量と現在の吸入空気量との比較により換算したαＰの値を用いる。また、この換算によりαの初期値が下限値よりも小さくなるようなときは、この下限値をαの初期値とし、その分だけＤＵＤＹの初期値を小さくして、これらを合わせて理論空燃比が得られるようにするとよい。
【００４０】
前記ステップＳ６で、パージ条件が成立していないときは、パージを行なわずにλコン制御するためにステップＳ８に進み、空燃比フィードバック補正値αの初期値のみを、例えばα＝１に設定する。
【００４１】
ステップＳ９では再度パージ条件が成立しているかどうかを判断し、成立時にはステップＳ１０でＤＵＴＹを演算する。ここでは、前回値に所定値を加えて今回値を算出する。この場合、リッチスパイク直後ならば、ＤＵＴＹは初期値であり、そうでなければ、既に設定された前回値に所定値が加算される。これにより、パージ制御弁全開（ＤＵＴＹ＝１００％）に向けて徐々に大きくしていき、ただし後述のように１００％になったらその値に制限する。
【００４２】
パージ条件が非成立ならば、ステップＳ１１でＤＵＴＹ＝０とする（パージ制御弁は全閉）。
【００４３】
ステップＳ１２では空燃比フィードバック補正値αを演算する。これは前回値に排気（酸素濃度）センサ出力に応じてのＰ分とＩ分を付加して今回値とするもので、いわゆる通常のλコン制御である。
【００４４】
ステップＳ１３ではパージ制御弁が全開かどうかを、ＤＵＴＹ＝１００％かどうかから判断する。全開のときはステップＳ１４でそのときの空燃比フィードバック補正値α（ただし、パージを行わないときからのずれ量：１−α）を、αＰとして演算し、記憶しておく。このαＰは全開でパージを行っているときの空燃比の補正値で、換言するとそのときのパージガス濃度を反映した値となる。
【００４５】
次に、ステップＳ１５、Ｓ１６はリーン運転のための処理である。
【００４６】
ステップＳ３でリーン運転条件が成立しているものと判断されたときは、ステップＳ１５で空燃比フィードバック補正値α＝１にクランプし、かつパージ制御弁の駆動デューティＤＵＴＹ＝０にする。リーン運転時にはλコン制御を中止するので、α＝１にクランプし、また蒸発燃料のパージも停止するため、ＤＵＴＹ＝０としてパージ制御弁を全閉にする。
【００４７】
ステップＳ１６ではそのときの運転条件から目標とするリーン空燃比に対応する燃料噴射量補正値Ｋを、例えば機関回転数と負荷に応じて所定の特性となるように設定してあるマップから算出する。
【００４８】
ステップＳ１７とＳ１８はリッチスパイク制御のための処理を示す。
【００４９】
ステップＳ２でフラグＦＬＧＲＳ＝１のリッチスパイク制御の成立時には、ステップＳ１７に進み、空燃比フィードバック補正値をα＝１にクランプする。リッチスパイク中はλコン制御は停止される。
【００５０】
そして、ステップＳ１８でリッチスパイク制御を行うための燃料噴射量補正値Ｋとパージ制御弁を駆動するためのＤＵＴＹを演算する。ただし、これはついては図３において詳しく説明する。
【００５１】
ステップＳ１９とＳ２０はλコン条件が不成立のときの処理である。
【００５２】
機関の始動直後などのように、ステップＳ１でλコン制御が不成立と判断されたときは、ステップＳ１９で空燃比フィードバック補正値α＝１とし、またパージも行わないのでＤＵＴＹ＝０％とする。また、ステップＳ２０では、燃料噴射量補正値Ｋを、例えば、始動直後の増量特性、暖機中の水温に応じての増量特性、あるいは高負荷、高回転時の増量特性などに応じて設定し、空燃比が理論空燃比よりも濃くなるように補正する。
【００５３】
このようにして空燃比フィードバック補正値α、パージ制御弁の制御ＤＵＴＹ、リッチスパイク用の燃料噴射量補正値、あるいはリーン運転用の燃料噴射量補正値、λコン非成立時の燃料噴射量補正値Ｋなどを算出したならば、ステップＳ２１で最終的な燃料噴射量Ｔｉを次式のように算出する。
【００５４】
Ｔｉ＝Ｔｐ×α×Ｋ＋Ｔｓ
ただし、Ｔｐは機関回転数と吸入空気量から演算される基本燃料噴射パルス幅であり、Ｔｓは燃料噴射弁の無効パルス幅をあらわし、このようにして演算されたＴｉは、メモリに記憶され、燃料噴射弁を駆動するための別のルーチン（図示せず）で読み出され、これに基づいて所定のタイミングで燃料噴射制御が行われる。
【００５５】
次に図３によって、リッチスパイク時の空燃比制御を説明する。なお、この図３の処理が図２のステップＳ１８の具体的な内容である。
【００５６】
まずステップＳ１ではフラグＦＬＧＲＳ＝１が成立直後かどうか判断する。例えば前回のＦＬＧＲＳ＝０、今回のＦＬＧＲＳ＝１のとき、成立直後と判定し、ステップＳ２でリッチスパイク制御の実行時間を計測するタイマＲＳＴをスタートさせる。
【００５７】
ステップＳ３ではリッチスパイク空燃比を得るための燃料増量係数Ｋ１と、リッチスパイク継続時間ＲＳＴＩＭを設定する。これらは予測されるＮＯｘ吸収量を脱離還元するのに必要十分な量に設定されるのであり、燃料増量係数Ｋ１は理論空燃比からの増量率として設定し、例えばＫ１＝０．１ならば理論空燃比よりも１０％リッチな空燃比にすることを意味する。
【００５８】
ステップＳ４では前記した図２において記憶されている空燃比フィードバック補正値αＰを増量係数Ｋ２に換算する。１−αをαＰとして記憶し、理論空燃比のときにα＝１であるので、αＰは理論空燃比からの増量率（Ｋ１と同様）をあらわしているが、αＰはパージガス濃度を反映したものとなり、そのときの吸入空気量によっても変動するので、これを考慮しての換算を行うのである。
【００５９】
いま、αＰを記憶したときの吸入空気量ＱＰ、リッチスパイク時の吸入空気量をＱ２としたすると、Ｋ２＝（Ｑ２／ＱＰ）×αＰとして求める。
【００６０】
このようにしてＫ２を求めたら、次にステップＳ５とＳ７以降において、パージガス量に対応するＫ２の大きさに応じて３種類の処理を行う。
【００６１】
ステップＳ５でＫ２＝０のとき、つまりキャニスタに燃料蒸気がほとんど吸着されていないときは、パージガスによるリッチスパイクができないため、燃料噴射弁からの噴射燃料だけによるリッチスパイク制御を行う。このため、ステップＳ６において、燃料噴射量補正値Ｋとして、リッチスパイク用の増量率Ｋ１と、理論空燃比相当値１とを加算し、すなわち、Ｋ＝Ｋ１＋１とする。なお、このときのパージ制御弁の開度はＤＵＴＹ＝０として全閉にする。
【００６２】
これに対して、ステップＳ５でＫ２＝０でないと判断されたときは、ステップＳ７でＫ２をＫ１と比較し、これよりも小さいときには、リッチスパイクに必要な理論空燃比からの燃料の増量分をパージガスだけで賄うことができないのであるから、ステップＳ８に進み、パージ制御弁を全開にすると共に不足する分を燃料噴射弁からの噴射で補う。このため、ステップＳ８では、燃料の不足分（Ｋ１−Ｋ２）に理論空燃比相当値１を加算して、燃料噴射量補正値Ｋ＝（Ｋ１−Ｋ２）＋１に設定する。パージ制御弁のＤＵＴＹはＤＵＴＹ＝１００％となる。
【００６３】
また、Ｋ２がのＫ１よりも大きいときは、ステップＳ９に進む。このときは、パージガスによる増量でリッチスパイクが可能なため、燃料噴射弁からは理論空燃比を確保するだけでよく、Ｋ＝１とする。ただし、パージ制御弁については、全開にすると空燃比がリッチスパイクの目標増量率Ｋ１よりも濃くなり過ぎるので、開度を小側に補正する。つまり、ＤＵＴＹ＝１００％のときの増量率がＫ２なので、ＤＵＴＹ＝（Ｋ１／Ｋ２）×１００％とすれば、パージガスによってＫ１の増量率を求めることができる。
【００６４】
このようにしてリッチスパイク用に空燃比を設定したら、ステップＳ１０に移り、リッチスパイクを実行している時間ＲＳＴがリッチスパイク継続時間ＲＳＴＩＭを経過したかどうか判断し、継続時間を経過したときは、ステップＳ１１でフラグＦＬＧＲＳ＝０、タイマＲＳＴ＝０にそれぞれリセットし、リッチスパイク制御を終了する。
【００６５】
次に全体的な作用について図４〜図７を参照しながら説明する。
【００６６】
まず、図４に示すように、理論空燃比による運転領域では、均質混合気燃焼のため、燃料噴射弁５から吸気行程において燃料が噴射される。このときパージ制御弁１７による蒸発燃料のパージ条件が成立すれば、パージ制御弁１７の開度が全開に向けて徐々に大きくなり、吸気系に蒸発燃料が導入される。
【００６７】
空燃比は排気センサ１３の出力に基づいて理論空燃比に正確にフィードバック制御される。このとき、パージガス濃度に応じて空燃比フィードバック補正値は変化し、理論空燃比を維持するのに必要な燃料の噴射量は相対的に少なくなる。
【００６８】
これに対して、リーン運転条件が成立すると、希薄混合気による成層燃焼を行うため、燃料噴射弁５からの噴射時期は圧縮行程の後半に移り、これにより圧縮上死点付近において点火栓近傍に噴射燃料を集め、可燃混合気層を形成する。なお、このとき空燃比のフィードバック制御は停止され、オープン制御される。
【００６９】
またリーン運転中はパージ制御弁１７は全閉に維持され、パージガスの導入が禁止される。もしも導入されたとすると、吸入空気と混合したパージガスの濃度（空燃比）は非常に薄く、このため成層燃焼するときに可燃混合気層の周囲に存在するパージガスに対しては火炎の伝播が円滑に行われず、燃焼が不完全となり、未燃状態でのＨＣやＣＯの排出量を増大させるからである。なお、パージガスが導入されないと、可燃混合気層の周囲には主に空気のみが存在し、このためこれらが燃焼しなくてもＨＣやＣＯが発生することは非常に少ない。
【００７０】
一方、このリーン運転中に燃焼により発生したＮＯｘは、ＮＯｘ吸蔵触媒７に吸収され、外部への放出が阻止される。リーン運転中にＮＯｘ吸蔵触媒７に吸収されたＮＯｘ量はフラグＦＬＧＲＳがセットされたときに、空燃比を一時的に濃くするリッチスパイク制御を行って脱離還元する。
【００７１】
図５〜図７はいずれもリッチスパイク制御を示すが、図５はキャニスタ１５に溜まった蒸発燃料が少なく、吸気系にパージガスを導入しないで燃料噴射弁５からの噴射燃料のみでリッチスパイクを行う場合である。
【００７２】
キャニスタ１５に吸着保持された蒸発燃料が少なく、パージ制御弁１７を開いても吸気系に導入されるパージガスが微量のときは、パージ制御弁１７を全閉にしたままリッチスパイク制御に入る。したがってこの場合には、燃料噴射弁５から噴射される燃料により、理論空燃比よりも所定値だけ濃い空燃比となるように、噴射量が制御される。このリッチスパイクによりＮＯｘ吸蔵触媒７に吸収されていたＮＯｘが脱離還元され、触媒が初期状態に復帰、つまり再生される。
【００７３】
リッチスパイク制御を行うときには、燃料噴射時期は吸気行程となり、空燃比が理論空燃比より濃い均質な混合気による均質燃焼が行われる。またリッチスパイク制御が終了すると、その時点における機関の運転条件に応じての通常のリーン成層燃焼あるいは理論空燃比での均質燃焼が行われる。図５はリッチスパイク制御終了時にリーン運転条件が成立していない場合を示している。なお、リッチスパイク制御を行った際に、その後所定期間の間はリーン運転を禁止するようにするとよい。このようにしておくと、リッチスパイク制御後の所定期間は理論空燃比で運転され、パージガス濃度の推定（図２の制御ルーチンでのαＰの演算）を行う機会が確保されるので、直前のパージガス濃度の推定結果に応じて次回のリッチスパイク制御を行うことが可能となる。
【００７４】
図６はリッチスパイクがパージガスを導入しながら行われるときで、ただし、パージガスだけではリッチスパイクに必要な空燃比まで濃くできない場合の制御を示している。
【００７５】
リッチスパイクに必要な空燃比とするのに、理論空燃比からの燃料の増加分をパージガスだけでは賄えないときは、パージ制御弁１７を全開にしてパージガスを吸気系に導入すると共に、不足分については燃料噴射弁５からの噴射により補い、目標とするリッチ空燃比が得られるようにする。
【００７６】
この場合、パージガス濃度については、前回に空燃比をフィードバック制御したときのフィードバック補正値から推定している。つまり、図４にも示したように、パージガスを吸気系に導入しながらの均質燃焼時には、フィードバック制御される燃料噴射量は、理論空燃比からパージガスを除いた空燃比相当分となる。このため、前回の均質燃焼中の空燃比のフィードバック補正値はパージガス濃度を反映したものとなり、したがって、リッチスパイクの目標空燃比が決まると、その空燃比からパージガス濃度に基づいての空燃比相当分を差し引いた分だけ、燃料噴射弁５からの噴射量を増量すれば、正確に目標とするリッチ空燃比が得られるのである。
【００７７】
この場合もリッチスパイク制御中の燃料噴射時期は吸気行程とされ、噴射燃料による均質な混合気とパージガスによる均質な混合気とで均質なリッチ混合気が形成される。
【００７８】
このようにして、パージガスを利用しながらＮＯｘ吸蔵触媒７の再生を適切に行うことができ、またこれにより燃費の改善も図れる。
【００７９】
なお、リッチスパイク終了後は、キャニスタ１５に残存するパージガス濃度が大幅に減っている可能性もあるので、パージ制御弁１７を全開保持しながら空燃比のフィードバック制御を行うのではなく、いったんパージ制御弁１７を全閉し、それから時間の経過と共に徐々に開くことにより、パージガスを導入しながらのフィードバック制御の安定性を確保している。
【００８０】
次に図７は、リッチスパイクに必要な空燃比の濃化をパージガスによってのみ行う場合を示す。
【００８１】
上記したように、パージガス濃度は前回の空燃比フィードバック制御時のフィードバック補正値から判断でき、これがリッチスパイクに必要な理論空燃比からの燃料増量分よりも大きいときは、燃料噴射弁５からの噴射量は理論空燃比相当分としておき、パージガスによる空燃比の濃化分でまかなう。
【００８２】
この場合、キャニスタ１５は蒸発燃料で飽和状態にあることなどが予想されるので、燃料噴射弁５から理論空燃比相当分の燃料を噴射しながら、パージ制御弁１７を全開すると、必要以上に濃い空燃比となってしまうので、パージ制御弁１７の開度は全開よりも減少するように調整される。この調整は、前回の均質燃焼時のフィードバック補正値から換算されたパージガスによる空燃比相当分と、リッチスパイクに必要な理論空燃比からのリッチ相当分との比較に基づいてパージ制御弁１７の開度を減少補正することで行う。
【００８３】
この制御では、燃料噴射弁５からは理論空燃比相当分の燃料を噴射するだけでよく、残りはパージガスにより補えるので、燃費がそれだけ改善される。
【００８４】
なお、理論空燃比相当分の燃料を燃料噴射弁５からの噴射で賄うようにしているのは、パージ制御弁１７やパージ通路１６に予期せぬ不具合が発生したときにも帰還の運転を確保するためであり、これらのパージ系に不具合が無いことが診断手段などにより確認できる場合には、図６の制御と同様に、パージ制御弁１７を全開として不足分のみを燃料噴射弁５から噴射してもよい。ただし、この場合は噴射燃料量が極少となることもありうるので、燃料噴射弁５が正確な量を維持できる最低噴射量だけは確保するか、あるいは燃料噴射弁５からの噴射を全く行わないかのいずれかとなるようにする必要がある。
【００８５】
リッチスパイクが終了したらパージ制御弁１７を全開にしてできるだけ多くのパージガスを導入しながら、理論空燃比にフィードバック制御し、均質予混合燃焼を行う。この切換時に、空燃比フィードバック補正値の初期値は、パージガスと合わせて理論空燃比となる値に設定されているので、切換当初から正確な理論空燃比での制御が実行される。
【００８６】
このようにして、リッチスパイクの空燃比制御は、パージガスを導入するとき、しないときの、いずれにおいても目標とするリッチ空燃比に正確に制御でき、これにより過不足のないＮＯｘ吸蔵触媒７の再生が実行でき、リッチスパイク時にＨＣ、ＣＯが発生したり、あるいは燃料が無駄に消費されるなどの問題を確実に回避することができる。
【００８７】
上記実施の形態では、筒内直噴式の内燃機関により成層燃焼に基づくリーン運転を行う例を示したが、これに限定されるわけではなく、その他のリーン燃焼方式にも本発明を適用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の全体構成を示す概略構成図である。
【図２】空燃比制御の全体を示すフローチャートである。
【図３】リッチスパイク時の空燃比制御を示すフローチャートである。
【図４】空燃比フィードバック制御の特性を示すタイミングチャートである。
【図５】パージガスの導入を伴わないリッチスパイク制御の特性を示すタイミングチャートである。
【図６】パージガスと燃料噴射とにより空燃比をリッチ化したときのリッチスパイク制御の特性を示すタイミングチャートである。
【図７】パージガスによってのみ空燃比をリッチ化したときのリッチスパイク制御の特性を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 機関本体
４ 燃焼室
５ 燃料噴射弁
７ ＮＯｘ吸蔵触媒
１０ コントローラ
１１ 回転数センサ
１２ 冷却水温センサ
１３ 排気センサ
１５ キャニスタ
１７ パージ制御弁
【発明の属する技術分野】
本発明はリーン空燃比による運転時に排気中のＮＯｘを吸収し、ストイキもしくはリッチ空燃比に切換わったときにＮＯｘを脱離還元するＮＯｘ吸蔵触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平６−１０７２５号公報にもあるように、リーン空燃比により運転される内燃機関の排気中に含まれるＮＯｘを低減するために、ＮＯｘ吸蔵触媒を排気系に設置することが知られている。
【０００３】
ＮＯｘ吸蔵触媒は、リーン空燃比での運転中は排気中に含まれるＮＯｘを吸収し、空燃比がリッチに切換えられたときに、吸収したＮＯｘを脱離、還元するもので、従来の三元触媒が理論空燃比のときにのみＮＯｘの還元作用を発揮するのと異なり、リーン空燃比の運転中でもＮＯｘの外部への放出が防げるという利点がある。
【０００４】
ＮＯｘの吸収量が一定の飽和値に達すると、ＮＯｘは吸収されることなくそのまま排出されてしまうため、飽和状態の少し前に空燃比を一時的にリッチに切換え（これをリッチスパイクという）、保持されているＮＯｘの脱離還元を行い、触媒を再生する必要がある。ただし、このリッチスパイクは内燃機関にとっては空燃比が不必要に濃くなるだけのため、その分の燃費の悪化は避けられず、したがってＮＯｘ吸蔵触媒の再生時には空燃比を過剰に濃くすることなく、効率のよいリッチスパイクを行わないといけない。
【０００５】
そこで、特開平６−１７３６６０号公報によって、燃料タンク内に発生する蒸発燃料を利用して、リッチスパイクを行うことが提案されている。これは燃料タンクの蒸発燃料をキャニスタに保持しておき、ＮＯｘ吸蔵触媒で吸収したＮＯｘを脱離還元するときにパージ制御弁を開き、吸気系に蒸発燃料を導入し、燃料噴射弁から噴射される燃料とにより空燃比をリッチ化するのである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＮＯｘ吸蔵触媒の再生を適確に行うには、リッチスパイク時の空燃比を正確に要求値に制御する必要があり、空燃比が薄ければＮＯｘの脱離還元が不十分となり、濃すぎれば排気中のＨＣやＣＯが増加し、結果的に燃費も悪化する。
【０００７】
しかし、上記の方法では触媒再生時にキャニスタに吸着されている蒸発燃料量（パージしたときのガス濃度）によって、吸気系に導入される蒸発燃料量が異なり、これにより空燃比が変化し、このため適切にＮＯｘの脱離還元が行えないという問題があった。
【０００８】
本発明はこのような問題を解決するために提案されたもので、リッチスパイク時に要求空燃比となるように燃料噴射弁とパージ制御弁を制御し、ＮＯｘ吸蔵触媒の再生を適正に行うことを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、リーン空燃比での運転中に排気中のＮＯｘを吸収し、空燃比が理論空燃比よりも濃くなったときに吸収したＮＯｘを脱離還元するＮＯｘ吸蔵触媒を備えた内燃機関において、燃料タンクで発生する蒸発燃料を吸着保持するキャニスタと、キャニスタから吸気通路への蒸発燃料の導入量を調整するパージ制御弁と、ＮＯｘ吸蔵触媒に吸収されたＮＯｘを脱離還元すべきときに、燃料噴射弁から供給される燃料と吸気通路に導入される蒸発燃料とにより要求リッチ空燃比が得られるように燃料噴射弁とパージ制御弁を制御するリッチ空燃比制御手段とを備え、前記リッチ空燃比制御手段は、パージガス濃度が所定範囲以下のときはパージ制御弁を全閉にすると共に燃料噴射弁からの噴射量を調整して要求リッチ空燃比となるように制御し、パージガス濃度が所定の範囲のときは、パージ制御弁を全開にすると共に燃料噴射弁からの噴射量を調整して要求リッチ空燃比となるように制御し、パージガス濃度が所定の範囲以上のときは、燃料噴射弁からの噴射量を理論空燃比相当に制御すると共にパージ制御弁の開度を調整して要求リッチ空燃比となるように制御することを特徴とする。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において、パージ制御弁を開いて吸気系にパージガスを導入すると共に排気センサの出力に基づいて燃料噴射弁からの噴射量を理論空燃比にフィードバック制御する手段と、このフィードバック制御中の空燃比フィードバック補正値からパージガス濃度を推定する濃度推定手段とを備え、前記リッチ空燃比制御手段はパージガス濃度に応じてパージ制御弁と燃料噴射弁の開度を制御する。
【００１４】
【発明の作用・効果】
第１の発明において、ＮＯｘ吸蔵触媒がリーン運転中に吸収したＮＯｘは空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に切り換えることにより、ＮＯｘ吸蔵触媒から脱離し、還元される。このときの要求リッチ空燃比は吸収されているＮＯｘ量によっても変化するが、要求値に正確に制御しないと触媒の再生が不十分になったり、ＨＣ、ＣＯが多く排出されたりする。
【００１５】
このリッチ空燃比制御時、すなわちリッチスパイク制御時には、キャニスタに接続するパージ通路が開かれ、吸気通路に蒸発燃料が導入され、エンジンに供給される燃料量は燃料噴射弁から噴射される燃料量とこの導入蒸発燃料量との和となるが、この和がＮＯｘの脱離還元に最適な空燃比となるように、燃料噴射弁とパージ制御弁との開度が制御される。このためキャニスタに吸着保持されている蒸発燃料の状態のいかんにかかわらず、常に適正な触媒の再生が行われる。この場合、パージガス濃度が所定の範囲以下、つまりリッチスパイク時にキャニスタに吸着保持された蒸発燃料が非常に少ないときは、燃料噴射弁からの噴射燃料によって要求されるリッチ空燃比が得られる。パージガス濃度が所定の範囲内のときは、パージ制御弁を全開してパージガスを導入する共に、要求リッチ空燃比となるように燃料噴射弁から不足燃料分を補う。パージガス濃度が所定の範囲以上のとき、つまりキャニスタに吸着保持された蒸発燃料が非常に多いときは、燃料噴射弁からの噴射量は理論空燃比相当分としておき、要求リッチ空燃比はパージ制御弁の開度を調整しながら供給する。このようにパージガス濃度によって、パージ制御弁と燃料噴射弁の制御が分けられるので、制御が簡略化され、制御性も良好となる。
【００１６】
第２の発明では、パージガスを導入しながら空燃比のフィードバック制御を行うと、そのときのパージガス濃度に応じて燃料噴射量が変動し、例えばパージガス濃度が高いとその分だけ燃料噴射量が減らされる。したがって、燃料噴射量を制御するためのフィードバック補正値はパージガス濃度を反映したものとなり、これに基づいてパージガス濃度を推定することができる。このようにして実際のパージガス濃度を知ることで、次のリッチスパイク時に目標とする要求リッチ空燃比に正確に制御することが可能となる。
【００２１】
【実施の形態】
以下本発明の最良の実施の形態について図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１において、１は機関本体、２は吸気通路、３は排気通路であり、燃焼室４には、直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁５、及びこの噴射燃料を含む混合気を点火するための点火栓６が備えられる。
【００２３】
燃料噴射弁５からは、機関の部分負荷時など圧縮行程の後半に燃料が噴射され、その直後の点火時に点火栓近傍に可燃混合気層を形成維持し、全体的には超リーン混合気であっても、安定した成層燃焼を実現する。また機関の運転状態によって混合気は理論空燃比に切り換えられ、このときには燃料噴射時期は吸気行程に移り、均質的な理論空燃比の混合気を形成し、通常の予混合燃焼を行う。
【００２４】
このため、吸気通路２のスロットル弁８の上流のエアフローメータ９からの吸入空気量信号がコントローラ１０に入力し、またエンジン回転数センサ１１から回転数信号、冷却水温度を検出する冷却水温センサ１２からの冷却水温信号、さらに排気中の酸素濃度を測定する排気センサ１３からの信号も入力し、これらに基づいて燃料噴射弁５から燃料噴射量を制御し、リーン空燃比での運転をしたり、理論空燃比での運転を行う。リーン運転時には空燃比をオープン制御するが、理論空燃比運転時には排気センサ出力に基づいてフィードバック制御するようになっている。
【００２５】
排気通路３にはリーン運転時に排気中のＮＯｘを吸収するＮＯｘ吸蔵触媒７が設けられる。このＮＯｘ吸蔵触媒７のＮＯｘの吸収量が飽和状態に達したときには、空燃比をリーンからリッチに一時的に切り換える（リッチスパイク）ことでＮＯｘ吸蔵触媒７を再生する。
【００２６】
このリッチスパイク時に燃料タンク内に発生する蒸発燃料（パージガス）を利用するように、蒸発燃料を吸着保持するキャニスタ１５と吸気通路２とを連通するパージ通路１６のパージ制御弁１７を開き、吸気通路２にパージガスを導入する。
【００２７】
この場合、触媒再生に必要なリッチ空燃比の要求値は、ＮＯｘ吸収触媒７のＮＯｘの吸収量によっても変化し、適正な空燃比に制御するために、前記コントローラ１０は燃料噴射弁５からの燃料噴射量と、パージ制御弁１７からのパージガス量とを制御する。
【００２８】
つまり、空燃比はパージ制御弁１７を介して吸気系に導入されるパージガス量と、燃料噴射弁５から燃焼室内に直接的に噴射供給される燃料噴射量との和に応じたものとなり、この空燃比が触媒再生時の目標とするリッチ空燃比となるように、パージ制御弁１７と燃料噴射弁５の開度を制御するのである。
【００２９】
これらの制御を図２、図３のフローチャートにしたがって詳しく説明する。
【００３０】
図２はコントローラで行われる空燃比の全体的な制御、図３はリッチスパイク時の空燃比制御を表す。
【００３１】
図２のルーチンは所定の時間間隔でもって繰り返し実行され、まずステップＳ１で空燃比のフィードバック制御条件（λコン）が成立しているかどうかを判断する。例えば機関冷却水温が所定値以上であり、かつ排気センサの出力反転回数が所定回数以上の排気センサの活性状態のときにλコン条件成立と判断する。ただし、機関の運転条件が高負荷、高回転などの燃料増量運転領域にあるときはλコン不成立とする。
【００３２】
ステップＳ２でリッチスパイク制御かどうかをフラグＦＬＧＲＳによって判断する。このフラグＦＬＧＲＳについては他の独立したルーチン（図示せず）でセットされる。例えばのＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ吸収量を運転状態の履歴などから推定し、この推定値が飽和量に達したとき、機関の負荷と回転数が所定のリーン運転領域からその領域外へ移行したときなどにセットされる。
【００３３】
リッチスパイク制御を行わないときは、ステップＳ３でリーン運転条件（リーン成層燃焼）を行う条件が成立しているかどうかを判断する。例えば、機関の負荷と回転数がリーン運転領域にあり、特別な条件によりリーン運転が禁止されていないときにリーン運転条件とする。
【００３４】
リーン運転条件が非成立のときは、ステップＳ４からステップＳ１４において、λコン制御による理論空燃比運転のための処理が行われる。
【００３５】
まずステップＳ４では、λコン制御中は空燃比フィードバック補正値αにより燃料噴射量を制御するため、燃料噴射量補正値Ｋ＝１にクランプする。ステップＳ５ではリッチスパイクの直後であるか（例えば前回のフラグＦＬＧＲＳ＝１かつ今回のＦＬＧＲＳ＝０のとき）どうかを判断する。
【００３６】
リッチスパイク直後であれば、ステップＳ６からＳ８でλコン制御の初期条件を設定する処理を行う。まずステップＳ６でパージ条件が成立しているかどうか判断する。例えば機関の冷却水温がパージ許可水温以上でかつ触媒活性完了のときにパージ条件が成立と判断する。このときは、燃料蒸気をパージしながら空燃比が理論空燃比となるように燃料噴射量をフィードバック制御する。このためステップＳ７ではリッチスパイク制御の直後にパージを伴ったλコン制御に移行するときの空燃比フィードバック補正値αの初期値と、パージ制御弁を駆動するためのデューティ信号、つまり駆動ＤＵＴＹ比の初期値を設定する。
【００３７】
ただし、これら初期値の設定は、後述するリッチスパイクの条件によっても異なり、直前のリッチスパイクが、燃料噴射弁からの燃料噴射のみのときは（図３で説明するステップＳ６）、キャニスタにパージガスが溜まっていない状況からさほどの変化がないものと見なすことができるので、パージ制御弁を全閉（ＤＵＤＹ＝０）、空燃比フィードバック補正値α＝１を初期値とする。
【００３８】
また、リッチスパイクの理論空燃比よりも増量分が燃料噴射とパージガスによって賄われるときは（図３のステップＳ８）、リッチスパイクによりキャニスタ内のパージガスが減っていることも想定でき、したがってこのときもＤＵＤＹ＝０、α＝１を初期値とする。
【００３９】
これに対して、リッチスパイクの増量分がパージガスのみによるときは（図３のステップＳ９）、もともとキャニスタにパージガスが十分あり、リッチスパイクにより消費されてもパージガス濃度がほとんど変化しないものと見なして、パージ制御弁全開、すなわちＤＵＤＹ＝１００％を初期値とし、αは後述するような前回に記憶したαＰのときのαを初期値とする。ただし、この場合、前回αＰを記憶したときの吸入空気量と現在の吸入空気量が異なると、αも要求値から変動するので、そのときの吸入空気量と現在の吸入空気量との比較により換算したαＰの値を用いる。また、この換算によりαの初期値が下限値よりも小さくなるようなときは、この下限値をαの初期値とし、その分だけＤＵＤＹの初期値を小さくして、これらを合わせて理論空燃比が得られるようにするとよい。
【００４０】
前記ステップＳ６で、パージ条件が成立していないときは、パージを行なわずにλコン制御するためにステップＳ８に進み、空燃比フィードバック補正値αの初期値のみを、例えばα＝１に設定する。
【００４１】
ステップＳ９では再度パージ条件が成立しているかどうかを判断し、成立時にはステップＳ１０でＤＵＴＹを演算する。ここでは、前回値に所定値を加えて今回値を算出する。この場合、リッチスパイク直後ならば、ＤＵＴＹは初期値であり、そうでなければ、既に設定された前回値に所定値が加算される。これにより、パージ制御弁全開（ＤＵＴＹ＝１００％）に向けて徐々に大きくしていき、ただし後述のように１００％になったらその値に制限する。
【００４２】
パージ条件が非成立ならば、ステップＳ１１でＤＵＴＹ＝０とする（パージ制御弁は全閉）。
【００４３】
ステップＳ１２では空燃比フィードバック補正値αを演算する。これは前回値に排気（酸素濃度）センサ出力に応じてのＰ分とＩ分を付加して今回値とするもので、いわゆる通常のλコン制御である。
【００４４】
ステップＳ１３ではパージ制御弁が全開かどうかを、ＤＵＴＹ＝１００％かどうかから判断する。全開のときはステップＳ１４でそのときの空燃比フィードバック補正値α（ただし、パージを行わないときからのずれ量：１−α）を、αＰとして演算し、記憶しておく。このαＰは全開でパージを行っているときの空燃比の補正値で、換言するとそのときのパージガス濃度を反映した値となる。
【００４５】
次に、ステップＳ１５、Ｓ１６はリーン運転のための処理である。
【００４６】
ステップＳ３でリーン運転条件が成立しているものと判断されたときは、ステップＳ１５で空燃比フィードバック補正値α＝１にクランプし、かつパージ制御弁の駆動デューティＤＵＴＹ＝０にする。リーン運転時にはλコン制御を中止するので、α＝１にクランプし、また蒸発燃料のパージも停止するため、ＤＵＴＹ＝０としてパージ制御弁を全閉にする。
【００４７】
ステップＳ１６ではそのときの運転条件から目標とするリーン空燃比に対応する燃料噴射量補正値Ｋを、例えば機関回転数と負荷に応じて所定の特性となるように設定してあるマップから算出する。
【００４８】
ステップＳ１７とＳ１８はリッチスパイク制御のための処理を示す。
【００４９】
ステップＳ２でフラグＦＬＧＲＳ＝１のリッチスパイク制御の成立時には、ステップＳ１７に進み、空燃比フィードバック補正値をα＝１にクランプする。リッチスパイク中はλコン制御は停止される。
【００５０】
そして、ステップＳ１８でリッチスパイク制御を行うための燃料噴射量補正値Ｋとパージ制御弁を駆動するためのＤＵＴＹを演算する。ただし、これはついては図３において詳しく説明する。
【００５１】
ステップＳ１９とＳ２０はλコン条件が不成立のときの処理である。
【００５２】
機関の始動直後などのように、ステップＳ１でλコン制御が不成立と判断されたときは、ステップＳ１９で空燃比フィードバック補正値α＝１とし、またパージも行わないのでＤＵＴＹ＝０％とする。また、ステップＳ２０では、燃料噴射量補正値Ｋを、例えば、始動直後の増量特性、暖機中の水温に応じての増量特性、あるいは高負荷、高回転時の増量特性などに応じて設定し、空燃比が理論空燃比よりも濃くなるように補正する。
【００５３】
このようにして空燃比フィードバック補正値α、パージ制御弁の制御ＤＵＴＹ、リッチスパイク用の燃料噴射量補正値、あるいはリーン運転用の燃料噴射量補正値、λコン非成立時の燃料噴射量補正値Ｋなどを算出したならば、ステップＳ２１で最終的な燃料噴射量Ｔｉを次式のように算出する。
【００５４】
Ｔｉ＝Ｔｐ×α×Ｋ＋Ｔｓ
ただし、Ｔｐは機関回転数と吸入空気量から演算される基本燃料噴射パルス幅であり、Ｔｓは燃料噴射弁の無効パルス幅をあらわし、このようにして演算されたＴｉは、メモリに記憶され、燃料噴射弁を駆動するための別のルーチン（図示せず）で読み出され、これに基づいて所定のタイミングで燃料噴射制御が行われる。
【００５５】
次に図３によって、リッチスパイク時の空燃比制御を説明する。なお、この図３の処理が図２のステップＳ１８の具体的な内容である。
【００５６】
まずステップＳ１ではフラグＦＬＧＲＳ＝１が成立直後かどうか判断する。例えば前回のＦＬＧＲＳ＝０、今回のＦＬＧＲＳ＝１のとき、成立直後と判定し、ステップＳ２でリッチスパイク制御の実行時間を計測するタイマＲＳＴをスタートさせる。
【００５７】
ステップＳ３ではリッチスパイク空燃比を得るための燃料増量係数Ｋ１と、リッチスパイク継続時間ＲＳＴＩＭを設定する。これらは予測されるＮＯｘ吸収量を脱離還元するのに必要十分な量に設定されるのであり、燃料増量係数Ｋ１は理論空燃比からの増量率として設定し、例えばＫ１＝０．１ならば理論空燃比よりも１０％リッチな空燃比にすることを意味する。
【００５８】
ステップＳ４では前記した図２において記憶されている空燃比フィードバック補正値αＰを増量係数Ｋ２に換算する。１−αをαＰとして記憶し、理論空燃比のときにα＝１であるので、αＰは理論空燃比からの増量率（Ｋ１と同様）をあらわしているが、αＰはパージガス濃度を反映したものとなり、そのときの吸入空気量によっても変動するので、これを考慮しての換算を行うのである。
【００５９】
いま、αＰを記憶したときの吸入空気量ＱＰ、リッチスパイク時の吸入空気量をＱ２としたすると、Ｋ２＝（Ｑ２／ＱＰ）×αＰとして求める。
【００６０】
このようにしてＫ２を求めたら、次にステップＳ５とＳ７以降において、パージガス量に対応するＫ２の大きさに応じて３種類の処理を行う。
【００６１】
ステップＳ５でＫ２＝０のとき、つまりキャニスタに燃料蒸気がほとんど吸着されていないときは、パージガスによるリッチスパイクができないため、燃料噴射弁からの噴射燃料だけによるリッチスパイク制御を行う。このため、ステップＳ６において、燃料噴射量補正値Ｋとして、リッチスパイク用の増量率Ｋ１と、理論空燃比相当値１とを加算し、すなわち、Ｋ＝Ｋ１＋１とする。なお、このときのパージ制御弁の開度はＤＵＴＹ＝０として全閉にする。
【００６２】
これに対して、ステップＳ５でＫ２＝０でないと判断されたときは、ステップＳ７でＫ２をＫ１と比較し、これよりも小さいときには、リッチスパイクに必要な理論空燃比からの燃料の増量分をパージガスだけで賄うことができないのであるから、ステップＳ８に進み、パージ制御弁を全開にすると共に不足する分を燃料噴射弁からの噴射で補う。このため、ステップＳ８では、燃料の不足分（Ｋ１−Ｋ２）に理論空燃比相当値１を加算して、燃料噴射量補正値Ｋ＝（Ｋ１−Ｋ２）＋１に設定する。パージ制御弁のＤＵＴＹはＤＵＴＹ＝１００％となる。
【００６３】
また、Ｋ２がのＫ１よりも大きいときは、ステップＳ９に進む。このときは、パージガスによる増量でリッチスパイクが可能なため、燃料噴射弁からは理論空燃比を確保するだけでよく、Ｋ＝１とする。ただし、パージ制御弁については、全開にすると空燃比がリッチスパイクの目標増量率Ｋ１よりも濃くなり過ぎるので、開度を小側に補正する。つまり、ＤＵＴＹ＝１００％のときの増量率がＫ２なので、ＤＵＴＹ＝（Ｋ１／Ｋ２）×１００％とすれば、パージガスによってＫ１の増量率を求めることができる。
【００６４】
このようにしてリッチスパイク用に空燃比を設定したら、ステップＳ１０に移り、リッチスパイクを実行している時間ＲＳＴがリッチスパイク継続時間ＲＳＴＩＭを経過したかどうか判断し、継続時間を経過したときは、ステップＳ１１でフラグＦＬＧＲＳ＝０、タイマＲＳＴ＝０にそれぞれリセットし、リッチスパイク制御を終了する。
【００６５】
次に全体的な作用について図４〜図７を参照しながら説明する。
【００６６】
まず、図４に示すように、理論空燃比による運転領域では、均質混合気燃焼のため、燃料噴射弁５から吸気行程において燃料が噴射される。このときパージ制御弁１７による蒸発燃料のパージ条件が成立すれば、パージ制御弁１７の開度が全開に向けて徐々に大きくなり、吸気系に蒸発燃料が導入される。
【００６７】
空燃比は排気センサ１３の出力に基づいて理論空燃比に正確にフィードバック制御される。このとき、パージガス濃度に応じて空燃比フィードバック補正値は変化し、理論空燃比を維持するのに必要な燃料の噴射量は相対的に少なくなる。
【００６８】
これに対して、リーン運転条件が成立すると、希薄混合気による成層燃焼を行うため、燃料噴射弁５からの噴射時期は圧縮行程の後半に移り、これにより圧縮上死点付近において点火栓近傍に噴射燃料を集め、可燃混合気層を形成する。なお、このとき空燃比のフィードバック制御は停止され、オープン制御される。
【００６９】
またリーン運転中はパージ制御弁１７は全閉に維持され、パージガスの導入が禁止される。もしも導入されたとすると、吸入空気と混合したパージガスの濃度（空燃比）は非常に薄く、このため成層燃焼するときに可燃混合気層の周囲に存在するパージガスに対しては火炎の伝播が円滑に行われず、燃焼が不完全となり、未燃状態でのＨＣやＣＯの排出量を増大させるからである。なお、パージガスが導入されないと、可燃混合気層の周囲には主に空気のみが存在し、このためこれらが燃焼しなくてもＨＣやＣＯが発生することは非常に少ない。
【００７０】
一方、このリーン運転中に燃焼により発生したＮＯｘは、ＮＯｘ吸蔵触媒７に吸収され、外部への放出が阻止される。リーン運転中にＮＯｘ吸蔵触媒７に吸収されたＮＯｘ量はフラグＦＬＧＲＳがセットされたときに、空燃比を一時的に濃くするリッチスパイク制御を行って脱離還元する。
【００７１】
図５〜図７はいずれもリッチスパイク制御を示すが、図５はキャニスタ１５に溜まった蒸発燃料が少なく、吸気系にパージガスを導入しないで燃料噴射弁５からの噴射燃料のみでリッチスパイクを行う場合である。
【００７２】
キャニスタ１５に吸着保持された蒸発燃料が少なく、パージ制御弁１７を開いても吸気系に導入されるパージガスが微量のときは、パージ制御弁１７を全閉にしたままリッチスパイク制御に入る。したがってこの場合には、燃料噴射弁５から噴射される燃料により、理論空燃比よりも所定値だけ濃い空燃比となるように、噴射量が制御される。このリッチスパイクによりＮＯｘ吸蔵触媒７に吸収されていたＮＯｘが脱離還元され、触媒が初期状態に復帰、つまり再生される。
【００７３】
リッチスパイク制御を行うときには、燃料噴射時期は吸気行程となり、空燃比が理論空燃比より濃い均質な混合気による均質燃焼が行われる。またリッチスパイク制御が終了すると、その時点における機関の運転条件に応じての通常のリーン成層燃焼あるいは理論空燃比での均質燃焼が行われる。図５はリッチスパイク制御終了時にリーン運転条件が成立していない場合を示している。なお、リッチスパイク制御を行った際に、その後所定期間の間はリーン運転を禁止するようにするとよい。このようにしておくと、リッチスパイク制御後の所定期間は理論空燃比で運転され、パージガス濃度の推定（図２の制御ルーチンでのαＰの演算）を行う機会が確保されるので、直前のパージガス濃度の推定結果に応じて次回のリッチスパイク制御を行うことが可能となる。
【００７４】
図６はリッチスパイクがパージガスを導入しながら行われるときで、ただし、パージガスだけではリッチスパイクに必要な空燃比まで濃くできない場合の制御を示している。
【００７５】
リッチスパイクに必要な空燃比とするのに、理論空燃比からの燃料の増加分をパージガスだけでは賄えないときは、パージ制御弁１７を全開にしてパージガスを吸気系に導入すると共に、不足分については燃料噴射弁５からの噴射により補い、目標とするリッチ空燃比が得られるようにする。
【００７６】
この場合、パージガス濃度については、前回に空燃比をフィードバック制御したときのフィードバック補正値から推定している。つまり、図４にも示したように、パージガスを吸気系に導入しながらの均質燃焼時には、フィードバック制御される燃料噴射量は、理論空燃比からパージガスを除いた空燃比相当分となる。このため、前回の均質燃焼中の空燃比のフィードバック補正値はパージガス濃度を反映したものとなり、したがって、リッチスパイクの目標空燃比が決まると、その空燃比からパージガス濃度に基づいての空燃比相当分を差し引いた分だけ、燃料噴射弁５からの噴射量を増量すれば、正確に目標とするリッチ空燃比が得られるのである。
【００７７】
この場合もリッチスパイク制御中の燃料噴射時期は吸気行程とされ、噴射燃料による均質な混合気とパージガスによる均質な混合気とで均質なリッチ混合気が形成される。
【００７８】
このようにして、パージガスを利用しながらＮＯｘ吸蔵触媒７の再生を適切に行うことができ、またこれにより燃費の改善も図れる。
【００７９】
なお、リッチスパイク終了後は、キャニスタ１５に残存するパージガス濃度が大幅に減っている可能性もあるので、パージ制御弁１７を全開保持しながら空燃比のフィードバック制御を行うのではなく、いったんパージ制御弁１７を全閉し、それから時間の経過と共に徐々に開くことにより、パージガスを導入しながらのフィードバック制御の安定性を確保している。
【００８０】
次に図７は、リッチスパイクに必要な空燃比の濃化をパージガスによってのみ行う場合を示す。
【００８１】
上記したように、パージガス濃度は前回の空燃比フィードバック制御時のフィードバック補正値から判断でき、これがリッチスパイクに必要な理論空燃比からの燃料増量分よりも大きいときは、燃料噴射弁５からの噴射量は理論空燃比相当分としておき、パージガスによる空燃比の濃化分でまかなう。
【００８２】
この場合、キャニスタ１５は蒸発燃料で飽和状態にあることなどが予想されるので、燃料噴射弁５から理論空燃比相当分の燃料を噴射しながら、パージ制御弁１７を全開すると、必要以上に濃い空燃比となってしまうので、パージ制御弁１７の開度は全開よりも減少するように調整される。この調整は、前回の均質燃焼時のフィードバック補正値から換算されたパージガスによる空燃比相当分と、リッチスパイクに必要な理論空燃比からのリッチ相当分との比較に基づいてパージ制御弁１７の開度を減少補正することで行う。
【００８３】
この制御では、燃料噴射弁５からは理論空燃比相当分の燃料を噴射するだけでよく、残りはパージガスにより補えるので、燃費がそれだけ改善される。
【００８４】
なお、理論空燃比相当分の燃料を燃料噴射弁５からの噴射で賄うようにしているのは、パージ制御弁１７やパージ通路１６に予期せぬ不具合が発生したときにも帰還の運転を確保するためであり、これらのパージ系に不具合が無いことが診断手段などにより確認できる場合には、図６の制御と同様に、パージ制御弁１７を全開として不足分のみを燃料噴射弁５から噴射してもよい。ただし、この場合は噴射燃料量が極少となることもありうるので、燃料噴射弁５が正確な量を維持できる最低噴射量だけは確保するか、あるいは燃料噴射弁５からの噴射を全く行わないかのいずれかとなるようにする必要がある。
【００８５】
リッチスパイクが終了したらパージ制御弁１７を全開にしてできるだけ多くのパージガスを導入しながら、理論空燃比にフィードバック制御し、均質予混合燃焼を行う。この切換時に、空燃比フィードバック補正値の初期値は、パージガスと合わせて理論空燃比となる値に設定されているので、切換当初から正確な理論空燃比での制御が実行される。
【００８６】
このようにして、リッチスパイクの空燃比制御は、パージガスを導入するとき、しないときの、いずれにおいても目標とするリッチ空燃比に正確に制御でき、これにより過不足のないＮＯｘ吸蔵触媒７の再生が実行でき、リッチスパイク時にＨＣ、ＣＯが発生したり、あるいは燃料が無駄に消費されるなどの問題を確実に回避することができる。
【００８７】
上記実施の形態では、筒内直噴式の内燃機関により成層燃焼に基づくリーン運転を行う例を示したが、これに限定されるわけではなく、その他のリーン燃焼方式にも本発明を適用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の全体構成を示す概略構成図である。
【図２】空燃比制御の全体を示すフローチャートである。
【図３】リッチスパイク時の空燃比制御を示すフローチャートである。
【図４】空燃比フィードバック制御の特性を示すタイミングチャートである。
【図５】パージガスの導入を伴わないリッチスパイク制御の特性を示すタイミングチャートである。
【図６】パージガスと燃料噴射とにより空燃比をリッチ化したときのリッチスパイク制御の特性を示すタイミングチャートである。
【図７】パージガスによってのみ空燃比をリッチ化したときのリッチスパイク制御の特性を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 機関本体
４ 燃焼室
５ 燃料噴射弁
７ ＮＯｘ吸蔵触媒
１０ コントローラ
１１ 回転数センサ
１２ 冷却水温センサ
１３ 排気センサ
１５ キャニスタ
１７ パージ制御弁
Claims (2)
- リーン空燃比での運転中に排気中のＮＯｘを吸収し、空燃比が理論空燃比よりも濃くなったときに吸収したＮＯｘを脱離還元するＮＯｘ吸蔵触媒を備えた内燃機関において、燃料タンクで発生する蒸発燃料を吸着保持するキャニスタと、キャニスタから吸気通路への蒸発燃料の導入量を調整するパージ制御弁と、ＮＯｘ吸蔵触媒に吸収されたＮＯｘを脱離還元すべきときに、燃料噴射弁から供給される燃料と吸気通路に導入される蒸発燃料とにより要求リッチ空燃比が得られるように燃料噴射弁とパージ制御弁を制御するリッチ空燃比制御手段とを備え、前記リッチ空燃比制御手段は、パージガス濃度が所定範囲以下のときはパージ制御弁を全閉にすると共に燃料噴射弁からの噴射量を調整して要求リッチ空燃比となるように制御し、パージガス濃度が所定の範囲のときは、パージ制御弁を全開にすると共に燃料噴射弁からの噴射量を調整して要求リッチ空燃比となるように制御し、パージガス濃度が所定の範囲以上のときは、燃料噴射弁からの噴射量を理論空燃比相当に制御すると共にパージ制御弁の開度を調整して要求リッチ空燃比となるように制御することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
- パージ制御弁を開いて吸気系にパージガスを導入すると共に排気センサの出力に基づいて燃料噴射弁からの噴射量を理論空燃比にフィードバック制御する手段と、このフィードバック制御中の空燃比フィードバック補正値からパージガス濃度を推定する濃度推定手段とを備え、前記リッチ空燃比制御手段はパージガス濃度に応じてパージ制御弁と燃料噴射弁の開度を制御する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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Applications Claiming Priority (1)
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Family Applications (1)
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-
1998
- 1998-03-13 JP JP06348498A patent/JP3663895B2/ja not_active Expired - Lifetime
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