JP3680613B2

JP3680613B2 - 筒内噴射式エンジンの制御装置

Info

Publication number: JP3680613B2
Application number: JP03197399A
Authority: JP
Inventors: 博文西村; 淳一田賀
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1999-02-09
Filing date: 1999-02-09
Publication date: 2005-08-10
Anticipated expiration: 2019-02-09
Also published as: JP2000230444A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室に直接燃料を噴射するインジェクタを備えるとともに、エンジンの排気通路にリーンＮＯｘ触媒を備えた筒内噴射式エンジンの制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、燃焼室に直接燃料を噴射するインジェクタを備え、低負荷領域では成層燃焼によるリーン運転で燃費を改善するようにした筒内噴射エンジンが知られている。この種のエンジンでは、酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸蔵し酸素濃度が減少するに伴ってＮＯｘを放出するリーンＮＯｘ触媒を排気通路に設け、このリーンＮＯｘ触媒でリーン運転時にもＮＯｘを浄化することが行われている。
【０００３】
このリーンＮＯｘ触媒を備える場合に、そのＮＯｘ吸蔵量が増加したときにリーンＮＯｘ触媒からＮＯｘを放出させてリフレッシュする必要があるので、例えばリーン運転状態が長時間持続するような場合に定期的に所定時間だけ空燃比を理論空燃比以下に変更することで触媒のリフレッシュを図っている。触媒リフレッシュ時には、ＮＯｘの離脱反応を起こり易くするとともに、離脱したＮＯｘをそのまま排出させないように還元する必要があり、そのために雰囲気中にＣＯ等の還元材を充分に存在させることが要求される。
【０００４】
このようなリーンＮＯｘ触媒のリフレッシュのための技術としては、例えば特開平１０−２７４０８５号に示されるように、触媒リフレッシュ時に、成層燃焼のための主噴射以外に膨張行程中に追加噴射を行うようにしたものが知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報に示されるような従来装置では、触媒リフレッシュ時に、膨張行程中に追加噴射が行われることにより排気中のＣＯが増加し、リーンＮＯｘ触媒からのＮＯｘの離脱及びそのＮＯｘの還元が促進されるが、エンジンの要求トルクに見合う噴射量の主噴射に加えて膨張行程中に追加噴射が行われ、この追加噴射による燃料は専らリーンＮＯｘ触媒からのＮＯｘの離脱、還元のためのＣＯ生成に用いられるだけなので、燃費が悪化し易いといった問題がある。
【０００６】
なお、このほかに触媒のリフレッシュを行う技術として、吸気行程で燃料を一括噴射するとともに、空燃比を理論空燃比よりも大幅にリッチにするように燃料噴射量を増量することが考えられるが、この場合も燃料の増量によって燃費の悪化を招く。
【０００７】
本発明は、上記の事情に鑑み、ＮＯｘを吸蔵したリーンＮＯｘ触媒のリフレッシュを効果的に行うことができ、とくに上記の膨張行程中に追加噴射等によって余分に燃料を消費するようなものと比べると燃費悪化を抑制しつつ、リフレッシュ効果を高めることができる筒内噴射式エンジンの制御装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、燃焼室に直接燃料を噴射するインジェクタを備え、エンジンの低負荷領域で空燃比を理論空燃比よりも大きくしてリーン運転を行うようにするとともに、エンジンの排気通路に、酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸蔵し酸素濃度が減少するに伴ってＮＯｘを放出するリーンＮＯｘ触媒を備えた筒内噴射式エンジンにおいて、理論空燃比より大きい空燃比と略理論空燃比もしくはそれ以下の空燃比とにわたって空燃比を変更する空燃比変更手段と、理論空燃比より大きい空燃比から略理論空燃比もしくはそれ以下の空燃比へ空燃比変更が行われた時から所定時間だけ、触媒リフレッシュ制御として、上記インジェクタからの燃料噴射を吸気行程期間内に噴射開始するタイミングで複数回に分割して行わせるとともに、点火時期をＭＢＴよりもリタードさせるようにした制御手段とを備えたものである（請求項１）。
【０００９】
この発明の装置によると、リーン空燃比からリッチ側への空燃比変更が行われたときに触媒リフレッシュ制御が行われ、この触媒リフレッシュ制御時に、略理論空燃比もしくはそれ以下の空燃比とされるとともに吸気行程での分割噴射が行われることにより燃焼安定性が高められ、これによって点火時期を大きくリタードすることが可能となり、この点火時期リタードにより、エンジン本体からリーンＮＯｘ触媒へ導かれる排気ガス中のＮＯｘが低減される。このため、ＮＯｘの量（リーンＮＯｘ触媒から放出されるＮＯｘと排気ガス中のＮＯｘとを加えた量）に対する排気ガス中のＣＯの量の相対的な比率が大きくなり、リーンＮＯｘ触媒からのＮＯｘの離脱及び還元が促進される。
【００１０】
上記発明において、触媒リフレッシュ制御として行う複数回の燃料噴射の各噴射タイミングは、吸気行程を３等分した前期、中期、後期のうちの前期から中期にかけての期間内に噴射開始されるよう設定しておけばよい（請求項２）。
【００１１】
このようにすると、燃焼安定性の向上及び燃費低減に有利となる。
【００１２】
また、上記発明において、触媒リフレッシュ制御として行う複数回の燃料噴射における後の噴射のタイミングを、吸気行程を３等分した前期、中期、後期のうちの後期の期間内に噴射開始されるよう設定してもよい（請求項３）。
【００１３】
このようにすると、吸気行程の前期から中期にかけての期間内に分割噴射を行う場合と比べ、排気ガス中のＣＯの量が増加し、これと点火時期リタードによるＮＯｘの低減とにより、ＮＯｘの量に対するＣＯの量の相対的な比率が増大する。
【００１４】
また、上記のような構成に加え、排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気還流手段を備えるとともに、上記制御手段は、触媒リフレッシュ制御時に排気還流を行わせるように上記排気還流手段を制御すること（請求項４）が好ましい。
【００１５】
このようにすると、触媒リフレッシュ時に、排気還流によってもＮＯｘが低減され、ＮＯｘの量に対するＣＯの量の相対的な比率がさらに増大する。
【００１６】
請求項１乃至４のいずれかに記載の装置において、リーン運転を行う運転領域より高負荷側の運転領域で空燃比を略理論空燃比もしくはそれ以下とし、運転状態の変化に応じて空燃比を変更するように空燃比変更手段を構成する場合に、リーン運転を行う運転領域から略理論空燃比もしくはそれ以下の空燃比とする運転領域へ移行したときに触媒リフレッシュ制御を行うようにすればよい（請求項５）。
【００１７】
このようにすると、アクセル開度の変化等によりリーン運転を行う運転領域から略理論空燃比もしくはそれ以下の運転領域に移行するときに、効果的に触媒のリフレッシュが行われる。
【００１８】
また、請求項１乃至４のいずれかに記載の装置において、リーン運転中にリーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量が所定値以上となる状態になったとき、略理論空燃比もしくはそれ以下に空燃比を変更し、リフレッシュ制御を行うようにしてもよい（請求項６）。
【００１９】
このようにすると、リーン運転が長時間続くような場合でも、触媒のリフレッシュが効果的に行われる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明が適用される筒内噴射式エンジンの全体構造を概略的に示したものである。この図において、エンジン本体１０は複数の気筒１２を有し、各気筒１２には、そのシリンダボアに挿入されたピストン１４の上方に燃焼室１５が形成されており、この燃焼室１５には吸気ポート及び排気ポートが開口し、これらのポートは吸気弁１７及び排気弁１８によってそれぞれ開閉されるようになっている。
【００２１】
上記燃焼室１５の中央部には点火プラグ２０が配設され、そのプラグ先端が燃焼室１５内に臨んでいる。また、燃焼室１５内には側方からインジェクタ２２の先端部が臨み、このインジェクタ２２から燃焼室１５内に直接燃料が噴射されるようになっている。上記インジェクタ２２には図外の高圧燃料ポンプ、プレッシャレギュレータ等を具備する燃料回路が接続され、各気筒のインジェクタ２２に燃料が供給されるとともにその燃圧が圧縮行程における筒内圧力よりも高い所定圧力となるように燃料回路が構成されている。
【００２２】
上記エンジン本体１０には吸気通路２４及び排気通路３４が接続されている。上記吸気通路２４には、その上流側から順に、エアクリーナ２５、吸入空気量検出手段としてのエアフローセンサ２６、モータ２７により駆動されるスロットル弁２８及びサージタンク３０が設けられており、上記スロットル弁２８及びこれを駆動するモータ２７により吸入空気量調節手段が構成されている。
【００２３】
サージタンク３０の下流には気筒別の独立吸気通路が設けられ、各独立吸気通路が吸気ポートに連通している。当実施形態では、各独立吸気通路の下流側部分が第１，第２の通路３１ａ，３１ｂに分岐し、その下流の２つの吸気ポートが燃焼室に開口するとともに、第２の通路３１ｂにスワール生成用のコントロール弁３２（以下、Ｓ弁３２と呼ぶ）が設けられている。
【００２４】
上記Ｓ弁３２はアクチュエータ３３により駆動されて開閉作動するもので、このＳ弁３２により第２の通路３１ｂが閉じられたときは第１の通路３１ａを通る吸気によって燃焼室１５内にスワールが生成され、Ｓ弁３２が開かれるにつれてスワールが弱められるようになっている。
【００２５】
また、上記排気通路３４には、排気ガス浄化のため三元触媒３５とリーンＮＯｘ触媒３６とが配設されている。上記三元触媒３５は、一般に知られているように、理論空燃比及びその付近の空燃比でＨＣ，ＣＯ及びＮＯｘに対して高い浄化性能を有するものである。
【００２６】
また、上記リーンＮＯｘ触媒３６は、空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン運転状態でもＮＯｘ浄化性能を有するものであって、酸素過剰雰囲気で排気ガス中のＮＯｘを吸蔵し、空燃比がリッチ側に変化して酸素濃度が低下したとき、吸蔵していたＮＯｘを放出するとともに、雰囲気中に存在するＣＯ等の還元材によりＮＯｘを還元させるようになっている。
【００２７】
より詳しく説明すると、上記リーンＮＯｘ触媒３６は、コージェライト製ハニカム構造体等からなる担体の上にＮＯｘ吸蔵材層と触媒材層とが前者を下（内側）、後者を上（外側）にして層状に形成されたものである。上記ＮＯｘ吸蔵材層は、比表面積の大きな活性アルミナにＰｔ成分とＮＯｘ吸蔵材としてのＢａ成分とを担持させたものを主成分として構成されている。また、触媒材層は、ゼオライトを担持母材としてこれにＰｔ成分及びＲｈ成分を担持させてなる触媒材を主成分として構成されている。なお、上記触媒材層の上にセリア層を形成してもよい。
【００２８】
さら排気通路３４と吸気通路２４との間には、排気ガスの一部を吸気系に還流させるＥＧＲ装置（排気還流手段）が設けられ、このＥＧＲ装置は、排気通路３４と吸気通路２４とを接続するＥＧＲ通路３７と、このＥＧＲ通路３７に介設されたＥＧＲ弁３８とを備えている。上記ＥＧＲ弁３８はアクチュエータ３９（図５参照）により駆動されて開閉作動するようになっている。
【００２９】
このエンジンには、上記エアフローセンサ２６の他、サージタンク３０内の吸気負圧を検出するブーストセンサ４０、スロットル開度を検出するスロットル開度センサ４１、エンジン回転数を検出する回転数センサ４２、アクセル開度（アクセル操作量）を検出するアクセル開度センサ４３、吸気温を検出する吸気温センサ４４、大気圧を検出する大気圧センサ４５、エンジン冷却水温を検出する水温センサ４６、排気ガス中の酸素濃度の検出によって空燃比を検出するＯ２センサ４７、ＥＧＲ弁のリフト量を検出するＥＧＲ弁リフトセンサ４８、インジェクタ２２に与えられる燃料の燃圧を検出する燃圧センサ４９等のセンサ類が装備され、これらセンサの出力信号（検出信号）がＥＣＵ（コントロールユニット）５０に入力されている。
【００３０】
上記ＥＣＵ５０は、インジェクタ２２からの燃料噴射量及び噴射タイミングを制御するとともに、スロットル弁２８を駆動するモータ２７に制御信号を出力することによりスロットル弁２８の制御を行ない、また、点火回路２１に制御信号を出力することにより点火時期を制御し、さらに、アクチュエータ３９に制御信号を出力することによりＥＧＲ弁３８の制御も行なうようになっている。なお、この他にＳ弁３２の制御等も上記ＥＣＵ５０により行なわれる。
【００３１】
当実施形態の筒内噴射式エンジンの基本的な制御としては、上記インジェクタ２２からの燃料噴射時期及び空燃比等が異なる各種運転モードが選択可能とされ、運転領域によって運転モードが変更されるようになっている。
【００３２】
具体的には、後にも説明するように、低負荷低回転側の所定領域が成層燃焼領域、それ以外の領域が均一燃焼領域とされる（図３参照）。そして、成層燃焼領域では、上記インジェクタ２２から圧縮行程の後期に燃料が噴射されることにより、点火プラグ２０付近に混合気が偏在する成層状態で燃焼が行なわれるような成層燃焼モードとされ、この場合、スロットル弁２８の開度が大きくされて吸入空気量が多くされることにより燃焼室全体の空燃比としては大幅なリーン状態（例えば３０以上）とされる。一方、均一燃焼領域では、上記インジェクタ２２から吸気行程の前期に燃料噴射が開始されることにより、燃焼室１５全体に均一に混合気が拡散する状態で燃焼が行なわれる均一燃焼モードとされる。この均一燃焼では空気過剰率λがλ＝１、つまり理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）とされる。
【００３３】
図２は上記ＥＣＵ５０に機能的に含まれる手段の構成を示している。上記ＥＣＵ５０は、吸気温センサ４４及び大気圧センサ４５からの信号に基づいて吸気密度状態を検出する吸気密度状態検出手段５１を有するとともに、アクセル開度センサ４３及びエンジン回転数センサ４２からの信号に基づき、上記吸気密度状態を加味して、目標負荷に相当する値を設定する目標負荷設定手段５２を有している。
【００３４】
上記目標負荷設定手段５２は、アクセル開度accel及びエンジン回転数neに応じてマップから求めた仮想体積効率と上記吸気密度状態とから、空燃比を理論空燃比に保つ標準運転条件を想定した場合の要求エンジントルクに見合う充填効率を仮想充填効率として求め、この仮想充填効率からこれに対応した値である目標図示平均有効圧力を求めて、これを目標負荷とする。
【００３５】
なお、上記仮想体積効率は、標準大気状態下で、かつ空燃比を理論空燃比に保った標準運転条件下において要求される出力性能が得られるような体積効率であって、予めベンチテスト等によりアクセル開度及びエンジン回転数と仮想体積効率との対応関係が定めら、マップとしてＥＣＵ５０内のメモリに記憶されている。
【００３６】
また、上記目標負荷設定手段５２において仮想充填効率から目標図示平均有効圧力を求める際、所定の計算で第１の目標図示平均有効圧力Piobjを求める一方、仮想充填効率になまし処理を施し、このなまし処理後の仮想充填効率から第２の目標図示平均有効圧力Piobjdを求めるようになつている。
【００３７】
ＥＣＵ５０はさらに基本的な運転モードmodsの設定を行う運転モード設定手段５３を有し、この運転モード設定手段５３は、第１の目標図示平均有効圧力Piobjとエンジン回転数neとに応じて基本的な運転モードmodsを設定する。すなわち、図３に示すように、第１の目標図示平均有効圧力Piobjが所定の低負荷側閾値より低く、かつ、エンジン回転数が低い領域（成層燃焼領域）では成層燃焼モードとし、この領域より負荷側及び高回転側の領域（均一燃焼領域）ではλ＝１の均一燃焼モード（以下、ストイキオモードと呼ぶ）とする。なお、均一燃焼領域のうち、アクセル全開域やその付近の高負荷域及び高回転域では、空燃比を理論空燃比よりもリッチ（λ＜１）に設定してもよい。
【００３８】
さらにＥＣＵ５０は、エンジン出力に関係する各種制御パラメータの値を目標負荷等に応じて決定する。当実施形態では、スロットル弁２８で調節される吸入空気量、ＥＧＲ弁３８で調節されるＥＧＲ量、Ｓ弁３２で調節されるスワール、インジェクタ２２からの燃料噴射量、燃料噴射時期及び点火プラグ２０の点火時期が制御パラメータとされ、これら制御パラメータの値が目標負荷及びエンジン回転数ne等に応じて決定される。この場合、制御パラメータのうちの低速応答系の制御値を決定するための目標負荷としては第１の目標図示平均有効圧力Piobjが用いられ、高速応答系の制御値を決定するための目標負荷としては第２の目標図示平均有効圧力Piobjdが用いられる。
【００３９】
すなわち、上記各制御パラメータのうちで吸入空気量、ＥＧＲ量及びスワールはそれぞれスロットル弁２８、ＥＧＲ弁３８及びＳ弁３２の作動に対する応答性が比較的低い低速応答系であって、これらの制御量であるスロットル開度tvoobj、ＥＧＲ弁３８の制御量egrobj及びＳ弁３２の開度は第１の目標図示平均有効圧力Piobjとエンジン回転数ne等に応じて決定される。一方、燃料噴射量、燃料噴射時期及び点火時期は制御信号に速やかに応答する高速応答系であって、これら燃料噴射量、燃料噴射時期及び点火時期は第２の目標図示平均有効圧力Piobjdとエンジン回転数ne等に応じて決定されるようになっている。
【００４０】
具体的に説明すると、吸入空気量制御のための手段としては目標空燃比設定手段５４、目標充填効率演算手段５５及びスロットル開度演算手段５６を有している。上記目標空燃比設定手段５４は、吸入空気量制御用の目標空燃比afwbを、上記運転モード設定手段５３で設定される運転モード別に設定するものであり、成層燃焼モードでは第１の目標図示平均有効圧力Piobjとエンジン回転数neとに応じ、予め作成されているマップから目標空燃比afwbを求め、また、ストイキオモードでは目標空燃比afwbを理論空燃比とするようになっている。
【００４１】
上記目標充填効率演算手段５５は、仮想充填効率ceimgと上記目標空燃比afwbとから目標充填効率ceobjを求める。この場合、リーン運転時には目標空燃比の空気過剰率分（afwb／１４．７）と燃費改善効果分とを加味して目標充填効率を求める。つまり、上記仮想充填効率ceimgは理論空燃比で運転される状態を想定した目標負荷に相当する値であり、これに対し、リーン運転時に同等の燃料噴射量を確保するには上記空気過剰分を加味する必要があるが、このようにするとリーン運転時は熱効率が高められて燃費が改善されるので、その分だけトルクが理論空燃比の場合と比べて高くなってしまう。そこで、目標負荷に対応するトルクを得るために、上記空気過剰率分に見合う程度に目標充填効率を減少方向に補正する。
【００４２】
スロットル開度演算手段５６は、上記目標充填効率から吸気密度補正を加味して目標体積効率を求め、この目標体積効率及びエンジン回転数neに応じてスロットル開度を決定する。この際、体積効率及びエンジン回転数とスロットル開度との対応関係はＥＧＲが有る場合と無い場合とで異なるため、その各場合についてそれぞれ上記対応関係を示すマップを予め作成し、ＥＧＲ判別手段５６ｃによるＥＧＲの有無の判別に応じていずれかのマップから目標体積効率に応じてスロットル開度を求めるようにすればよい。
【００４３】
ＥＧＲ量制御のための手段としてはＥＧＲ弁基本制御量設定手段５９及びＥＧＲ弁制御量演算手段６０を有するＥＧＲ弁制御手段５８が設けられている。上記ＥＧＲ弁基本制御量設定手段５９は、ＥＧＲ弁３８の基本制御量pbaseを上記運転モード設定手段５３で設定される運転モードmods別に設定するものであり、成層燃焼モードでは第１の目標図示平均有効圧力Piobjとエンジン回転数neとに応じ、予め作成されているマップから基本制御量pbaseを求め、ストイキオモードではエアフローセンサ２６の出力に基づいて求められる実充填効率ceとエンジン回転数neとに応じ、予め作成されているマップから基本制御量を求めるようになっている。
【００４４】
また、ＥＧＲ弁制御量演算手段６０は、上記基本制御量に対し、各種補正を加味して最終的なＥＧＲ弁制御量を求める。
【００４５】
Ｓ弁開度制御のための手段としてはＳ弁開度設定手段６１を有している。このＳ弁開度設定手段６１は、Ｓ弁開度を上記運転モード設定手段５３で設定される運転モードmods別に、各モードで要求されるスワールが得られるように設定するものであり、成層燃焼モードでは第１の目標図示平均有効圧力Piobjとエンジン回転数neとに応じ、予め作成されているマップからＳ弁開度scvobjを求め、ストイキオモードでは実充填効率ceとエンジン回転数neに応じ、予め作成されているマップからＳ弁開度scvobjを求めるようになっている。
【００４６】
インジェクタ２２からの燃料噴射を制御する手段としては、目標空燃比作成手段６２、運転モード設定手段６３、分割比設定手段６４、噴射量演算手段６５、噴射時期設定手段６６及び噴射制御手段６７を有する。
【００４７】
上記目標空燃比作成手段６２は、燃料噴射量等の制御に用いる目標空燃比を求めるものであり、主として過渡時に利用される目標空燃比afw0と、主として定常時に利用される目標空燃比afwbdとを求めるとともに、これら目標空燃比afw0，afwbdのいずれかを選択して最終的な目標空燃比afwを決定する。
【００４８】
主として過渡時に利用される目標空燃比afw0は、実充填効率の下で目標負荷に対応するトルクが得られるように、第２の目標図示平均有効圧力Piobjdもしくはこれに対応する仮想充填効率と実充填効率ceとに基づき、燃費改善効果分を加味して求められる。一方、主として定常時に利用される目標空燃比afwbdは、成層燃焼モードでは第２の目標図示平均有効圧力Piobjdとエンジン回転数neとに応じ、予め作成されているマップから求められ、ストイキオモードでは理論空燃比（λ＝１）とされる。
【００４９】
そして目標空燃比作成手段６２は、吸入空気量制御用の目標空燃比afwbと上記のように演算された目標空燃比afw0との偏差dafwbを演算し、この偏差dafwbが大きくなる過渡時には目標空燃比afw0を最終的な目標空燃比afwとし、偏差dafwbが小さい定常時には目標空燃比afwbdを最終的な目標空燃比afwとするようになっている。
【００５０】
この目標空燃比作成手段６２及び上記目標空燃比設定手段５４により、理論空燃比より大きい空燃比と略理論空燃比もしくはそれ以下の空燃比とにわたって空燃比を変更する空燃比変更手段が構成されている。
【００５１】
運転モード設定手段６３は、高速系の制御パラメータを決定するために用いる運転モードmodfを、燃料噴射量等制御用の目標空燃比afw0に応じて例えば図４のように設定する。すなわち、上記目標空燃比afw0が成層燃焼下限側基準値（例えば１９程度）よりも大きい値となるときは成層燃焼モードとし、それ以下の値となるときはストイキオモードとする。
【００５２】
分割比設定手段６４は、運転モード設定手段６３により設定される運転モードmodfに応じて吸気行程噴射と圧縮行程噴射の分割比を設定するものであって、成層燃焼モードでは吸気行程噴射割合を０％（圧縮行程噴射割合を１００％）とし、ストイキオモードでは吸気行程噴射割合を１００％（圧縮行程噴射割合を０％）とする。また、後述の分割噴射が行われるときは、それに応じて噴射割合を設定する。
【００５３】
噴射量演算手段６５は、エアフローセンサ２６の出力から求められた実充填効率ceと、目標空燃比作成手段６２により求められた目標空燃比afwと、分割比設定手段６４により設定された噴射割合とに応じ、燃料噴射量を演算する。この場合、先ず実充填効率ce及び目標空燃比afwに応じた基本噴射量（分割噴射を行う場合はその各噴射の基本噴射量）を演算し、さらに、燃圧に応じた補正値及びその他の各種補正値を加味して最終噴射量を演算し、この最終噴射量に比例した噴射パルス幅を求める。
【００５４】
噴射時期設定手段６６は、燃料噴射時期thtinjを上記運転モード設定手段６３で設定される運転モード別に設定するものであり、成層燃焼モードでは第２の目標図示平均有効圧力Piobjdとエンジン回転数neとに応じて予め作成されているマップから圧縮行程噴射用の噴射時期を求め、ストイキオモードではエンジン回転数neに応じて予め作成されているテーブルから吸気行程噴射用の噴射時期を求める。
【００５５】
上記噴射制御手段６７は、上記噴射時期設定手段６６により設定された噴射時期に、上記噴射量演算手段により演算された噴射パルス幅Tiに相当する時間だけインジェクタ２２を作動させるように、噴射パルスを出力する。
【００５６】
また、点火時期を制御する手段としては、基本点火時期及び補正量を設定する設定手段６８と、点火時期演算手段６９とを有する点火時期制御手段７０が設けられている。
【００５７】
上記設定手段６８は、上記運転モード設定手段６３で設定される運転モードmodf別に基本点火時期や、各種の点火時期補正値を設定し、上記点火時期演算手段６９は、上記設定手段６８で設定された基本噴射量及び各種補正値から点火時期を求めるようになっている。
【００５８】
また、ＥＣＵ５０には上記各手段に加え、触媒リフレッシュ制御のための制御手段７１が設けられている。
【００５９】
この制御手段７１は、図５にも示すように、運転モード設定手段６３による設定に基づいて成層燃焼モードからストイキオモードに切り替わったとき、次のように分割比設定手段６４、噴射量演算手段６５、噴射時期設定手段６６等を介して触媒リフレッシュのための燃料噴射の制御を行うとともに、ＥＧＲ制御手段５８の制御を行うようになっている。
【００６０】
すなわち、触媒リフレッシュ制御として、ストイキオモードへ切り替わってから所定時間だけ、上記インジェクタ２２からの燃料噴射を吸気行程期間内に噴射開始するタイミングで複数回に分割して行わせ、例えば２回に分割して行わせる。具体的には、図６（ａ）に示すように、吸気行程を３等分した前期、中期、後期のうち前期から中期にかけての期間内に２回の噴射を開始させる。つまり、先の噴射を吸気行程前期に開始させるとともに、後の噴射を吸気行程の前期もしくは中期に開始させるように、上記各噴射の噴射時期を設定する。
【００６１】
あるいは、図６（ｂ）に示すように、先の噴射を吸気行程前期に開始させるとともに、後の噴射を吸気行程の後期に開始させるように設定してもよい。
【００６２】
各噴射の噴射割合は本発明で限定しないが、例えば先の噴射の噴射量と後の噴射の噴射量とを略等しくするように各噴射の噴射割合を設定しておけばよい。また、空燃比を略理論空燃比かこれより多少リッチとするように噴射量を調整する。
【００６３】
さらに制御手段７１は、触媒リフレッシュ制御時に、点火時期をリタードするように点火時期制御手段７０を制御する。すなわち、触媒リフレッシュ制御時には上記のように吸気行程での分割噴射が行われるが、このような噴射形態で燃焼が行われるときのＭＢＴを基本点火時期とし、これに所定量のリタード補正を加味することによりの触媒リフレッシュ制御時の点火時期を求める。
【００６４】
なお、制御手段７１は、触媒リフレッシュ制御時に、さらに、ある程度のＥＧＲを行わせるようにＥＧＲ制御手段５８を制御してもよい。
【００６５】
図７は、上記制御手段７１による触媒リフレッシュ制御の具体例をタイムチャートで示している。
【００６６】
この図のように、アクセル開度変化に応じた目標負荷の変化等により成層燃焼モードから均一燃焼のストイキオモードに移行するとき、先ず運転モード設定手段５３により設定される運転モードmodsが移行した時点t1から、吸入空気量の調整により空燃比を変更すべくスロットル開度が小さくなる方向に制御され、それに対しある程度の応答遅れをもって吸入空気量が減少方向に変化する。そして、目標空燃比作成手段６２による吸入空気量等に応じた噴射量等制御用の目標空燃比の演算及びそれに応じた燃料噴射量の制御により、実際の空燃比が次第にリッチ方向に変化し、その空燃比が所定値α（例えば１９程度）まで減少した時点t2で、運転モード設定手段５３により設定される運転モードmodfがストイキオモードに切り替わる。
【００６７】
この時点t2から所定時間だけ、触媒リフレッシュ制御として、空燃比が理論空燃比より若干小さい値（例えば１４程度）に設定されるとともに、インジェクタ２２からの燃料噴射が吸気行程で分割して行われる。
【００６８】
また、触媒リフレッシュ制御が行われる時点t2で、点火時期がＭＢＴ（上記分割噴射が行われている状態でのＭＢＴ）よりリタードされる。この点火時期のリタードは、上記時点t2で空燃比が理論空燃比以下まで一気に変化するように燃料噴射量が急増することによるトルクの急変を抑制する作用をなすとともに、後に上述するようにＮＯｘ発生量を減少させることで触媒リフレッシュを促進する作用をなすものである。
【００６９】
触媒リフレッシュ開始時から所定時間が経過した時点t3以後は、ストイキオモードでの制御としてインジェクタ２２からの燃料噴射が吸気行程一括噴射とされるとともに、空燃比が理論空燃比に移行し、点火時期がＭＢＴに戻される。
【００７０】
以上のような当実施形態の装置による触媒リフレッシュ促進等の作用、効果を、図８を参照しつつ説明する。
【００７１】
リーンＮＯｘ触媒３６は、リーン空燃比で排気ガス中のＮＯｘを吸蔵し、空燃比がリッチになったときＮＯｘを放出するが、このときに、リーンＮＯｘ触媒３６から放出されたＮＯｘがそのまま触媒下流に排出されてしまうことを避けるためには、雰囲気中に存在する還元材によってＮＯｘを還元することが必要となる。この還元材としてはＣＯが効果的であり、相対的にＮＯｘの量に対するＣＯの量の比率、つまり〔（ＣＯ量）／（ＮＯｘ量）〕を大きくするほど、リーンＮＯｘ触媒３６からのＮＯｘの離脱及び還元が促進されることにより、触媒下流へのＮＯｘ排出量が低減される。
【００７２】
ここで、上記比率におけるＮＯｘ量とは、リーンＮＯｘ触媒から放出されるＮＯｘと触媒に導かれる排気ガス中に含まれるＮＯｘとを加えた量であり、〔（ＣＯ量）／（ＮＯｘ量）〕を小さくするには、触媒に導かれる排気ガス中のＣＯの量を増加させるか、この排気ガス中のＮＯｘの量を減少させるようにすればよい。
【００７３】
ところで、分割噴射における後期側噴射タイミング（後の噴射の噴射開始タイミング）を種々変えつつ、燃焼不安定性を示すPi変動率（Picov）、燃費（Be）、エンジン本体から排出されるＣＯの量、及びエンジン本体から排出されるＮＯｘの量を調べると、図８（ａ）〜（ｄ）のような結果が得られた。分割噴射における先の噴射の噴射開始タイミングは吸気上死点後２０°で固定とした。
【００７４】
図８（ａ）〜（ｄ）の各グラフ中、実線で示す各データは先の噴射と後の噴射の分割割合が５０％：５０％、７０％：３０％、３０％：７０％の各場合を示している。また、破線で示すデータは分割割合を５０％：５０％とするとともに点火時期をリタードした場合を示している。
【００７５】
なお、これらのグラフにおいて横軸は圧縮上死点を基準とした上死点前のクランク角（ＣＡＢＴＤＣ）を表し、ＢＴＤＣ３６０°が吸気上死点、ＢＴＤＣ１８０°が下死点（ＢＤＣ）であり、時間的には横軸の右側ほど早く、左側ほど遅い時期となる。
【００７６】
この図に示すように、後期側噴射タイミングを吸気行程の前期乃至中期とした場合、Pi変動率が低くて燃焼安定性が良いことを示し、さらに燃費も低く保たれ、またＣＯの量は少ない。このような傾向が生じるのは、吸気行程の早い時期に燃料が噴射されることにより、噴射燃料が燃焼室全体に均一に分散するとともに、点火までの間に燃料の気化、霧化が充分行われるためである。そして、吸気行程で一括噴射が行われる場合と比べても、分割して燃料が噴射されることで噴射燃料の分散性が高められ、より均一な混合気分布状態が得られることにより、燃焼安定性が高められるとともに燃費が改善される。
【００７７】
吸気行程後半から圧縮行程にかけては、後期側噴射タイミングが遅くなるにつれ、Pi変動率及び燃費が高くなるとともに、ＣＯの量が増加する。これは、後期側噴射タイミングが遅くなると点火までの時間が短くなって、燃料の分散及び気化、霧化が悪くなること等によると推測される。なお、後期側噴射タイミングが圧縮行程中期となるところで、Pi変動率及び燃費がある程度低くなる（その理由として圧縮行程中期にはピストンの移動速度が速いため噴射燃料のミキシングが行われ易くなること等が考えられる）が、さらに後期側噴射タイミングが遅くなるにつれ、Pi変動率及び燃費が大きく上昇する。
【００７８】
また、図８中の破線は点火時期をリタードさせた場合のデータであり、点火時期のリタードによりＮＯｘは減少し、Pi変動率及び燃費は高くなる傾向がある。
【００７９】
このような図８のデータから明らかなように、吸気行程の前期から中期にかけての期間内に分割噴射を行えば燃焼安定性が高められるため、点火時期を比較的大きくリタードさせても燃焼安定性が許容範囲内に保たれ、この点火時期のリタードにより、リーンＮＯｘ触媒に導かれる排気ガス中のＮＯｘの量が大幅に低減される。
【００８０】
従って、触媒リフレッシュ時に、吸気行程の前期から中期にかけての期間内に噴射開始されるよう分割噴射を行うとともに点火時期をリタードさせることにより、排気ガス中のＣＯは比較的少ないものの、排気ガス中のＮＯｘが減少するために〔（ＣＯ量）／（ＮＯｘ量）〕が大きくなり、リーンＮＯｘ触媒に吸蔵されていたＮＯｘの離脱、還元が促進され、触媒下流に排出されるＮＯｘの量が充分に減少することとなる。そして、燃費は、点火時期をリタードしない場合と比べると多少高くなるものの、燃料の増量や追加噴射を行うような場合と比べると充分に低くなる。
【００８１】
なお、触媒リフレッシュ時における分割噴射のタイミングとしては、後期側噴射タイミングを吸気行程後期の期間内に噴射開始されるよう設定することも効果的である。
【００８２】
すなわち、図８から明らかなように、後期側噴射タイミングを吸気行程後期の期間内に噴射開始されるようにすると、吸気行程の前期乃至中期の期間内に噴射開始されるよう設定した場合と比べ、Pi変動率及び燃費が多少高くなるものの、ＣＯの量は増加する。
【００８３】
従って、触媒リフレッシュ時に、後期側噴射タイミングを吸気行程後期の期間内に噴射開始されるよう分割噴射を行うとともに、この場合の燃焼安定性を損なわない範囲で点火時期をリタードすることにより、リーンＮＯｘ触媒に導かれる排気ガス中のＣＯの量が増加し、かつＮＯｘの量が減少するため、〔（ＣＯ量）／（ＮＯｘ量）〕が大きくなり、リーンＮＯｘ触媒に吸蔵されていたＮＯｘの離脱、還元が促進されることとなる。
【００８４】
図９は、別の実施形態として、リーン運転の持続中にリーンＮＯｘ触媒３６のＮＯｘ吸蔵量が増加する状態となったときに、所定時間だけ触媒リフレッシュ制御を行う場合の例をタイムチャートで示している。
【００８５】
この実施形態でも前述の図１、図２のようにエンジン及びＥＣＵが構成されるが、触媒リフレッシュ用の制御手段７１は、成層燃焼モードによるリーン運転中にリーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量が所定値以上となる状態を判定して触媒リフレッシュを行い、例えば、リーン運転持続時間あるいはリーン運転中の燃料噴射量の累計値を調べて、その値が所定値以上になったとき、図９に示すような触媒リフレッシュを行う。
【００８６】
すなわち、成層燃焼モードによるリーン運転中にリーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量が所定値以上となる状態が判定されたとき、略理論空燃比もしくはそれ以下の空燃比とすべくスロットル開度が小さくなる方向に制御され、それに対しある程度の応答遅れをもって吸入空気量が減少方向に変化する。そして、吸入空気量の変化に応じて空燃比が次第に減少方向（リッチ方向）に変化し、その空燃比が所定値まで減少した時点で、それまでの圧縮行程一括噴射から吸気行程分割噴射に噴射形態が変更されるとともに、空燃比が理論空燃比より若干小さい値にまで変化するように燃料噴射量が制御される。
【００８７】
この場合も、前述の図７に示したモード移行時の触媒リフレッシュ制御と同様に、吸気行程の前期から中期にかけての期間内に噴射開始する分割噴射、あるいは後期側噴射開始タイミングが吸気行程後期に設定された分割噴射が行われるとともに、点火時期のリタードが行われる。なお、特にこの例では、先の噴射と後の噴射とを略同じ量とすることが、極低負荷領域での燃料噴射量の制御などの面で好ましい。つまり、この例では、成層燃焼領域内で、燃料供給量の少ない極低負荷領域でも触媒リフレッシュ制御としての分割噴射が行われることがあり、このように燃料供給量の少ない領域で分割噴射が行なわれるとき、分割された噴射量が制御可能な最小噴射量（最小パルス幅）に近づくため、先の噴射と後の噴射の量が異なると少ない方の噴射量が最小噴射量を下回る懸念があるが、噴射量を等しくしておけばこのような事態が避けられる。
【００８８】
この例によっても、触媒リフレッシュ制御時に、空燃比が略理論空燃比もしくはそれ以下に変更されることにより、リーンＮＯｘ触媒３６に吸蔵されていたＮＯｘの放出、還元が行われ、この場合に、吸気行程での分割噴射が行われつつ点火時期がリタードされることにより、〔（ＣＯ量）／（ＮＯｘ量）〕が大きくなり、リーンＮＯｘ触媒に吸蔵されていたＮＯｘの離脱、還元を促進する作用がさらに高められる。
【００８９】
そして、触媒リフレッシュ制御の開始から所定時間が経過した後は、圧縮行程一括噴射による成層燃焼モードのリーン運転に戻される。
【００９０】
なお、上記の図７に示す例や図９に示す例において、触媒リフレッシュ時に、吸気行程分割噴射及び点火時期のリタードに加え、ＥＧＲを行うようにしてもよく、このようにすると、ＥＧＲによってもリーンＮＯｘ触媒に導かれる排気ガス中のＮＯｘが減少し、上記のＮＯｘ離脱、還元作用が高められる。
【００９１】
【発明の効果】
以上のように本発明は、リーンＮＯｘ触媒を備えた筒内噴射式エンジンにおいて、理論空燃比より大きい空燃比から略理論空燃比もしくはそれ以下の空燃比へ空燃比変更が行われた時から所定時間だけ、触媒リフレッシュ制御として、上記インジェクタからの燃料噴射を吸気行程期間内に噴射開始するタイミングで複数回に分割して行わせるとともに、点火時期をＭＢＴよりもリタードさせるようにしているため、触媒リフレッシュ制御時に、吸気行程分割噴射により燃焼安定性を確保しつつ点火時期のリタードにより排気ガス中のＮＯｘを低減し、ＮＯｘの量に対する排気ガス中のＣＯの量の相対的な比率を大きくすることができる。このため、燃料の増量や追加噴射を行うような従来技術と比べると燃費を低く抑え得るようにしつつ、リーンＮＯｘ触媒からのＮＯｘの離脱及び還元を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の装置の一実施形態を示す全体概略図である。
【図２】ＥＣＵの機能的構成を示すブロック図である。
【図３】運転モードの領域設定を示す説明図である。
【図４】燃料噴射量等の演算の際に用いる運転モードの設定を示す説明図である。
【図５】図２中の触媒リフレッシュ用の制御に関わる部分を抽出して示すブロック図である。
【図６】燃料噴射のタイミングを示す説明図である。
【図７】触媒リフレッシュ制御の具体例を示すタイムチャートである。
【図８】分割噴射における後期側噴射タイミングを種々変えつつ、Pi変動率、燃費、エンジン本体から排出されるＣＯの量及びＮＯｘの量を調べたデータを示すグラフである。
【図９】別の実施形態による触媒リフレッシュ制御の例を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１０エンジン本体
１５燃焼室
２２インジェクタ
２６エアフローセンサ
３６リーンＮＯｘ触媒
３８ＥＧＲ弁
５０ＥＣＵ
５８ＥＧＲ弁制御手段
６７噴射制御手段
７０点火時期制御手段
７１制御手段

Claims

燃焼室に直接燃料を噴射するインジェクタを備え、エンジンの低負荷領域で空燃比を理論空燃比よりも大きくしてリーン運転を行うようにするとともに、エンジンの排気通路に、酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸蔵し酸素濃度が減少するに伴ってＮＯｘを放出するリーンＮＯｘ触媒を備えた筒内噴射式エンジンにおいて、理論空燃比より大きい空燃比と略理論空燃比もしくはそれ以下の空燃比とにわたって空燃比を変更する空燃比変更手段と、理論空燃比より大きい空燃比から略理論空燃比もしくはそれ以下の空燃比へ空燃比変更が行われた時から所定時間だけ、触媒リフレッシュ制御として、上記インジェクタからの燃料噴射を吸気行程期間内に噴射開始するタイミングで複数回に分割して行わせるとともに、点火時期をＭＢＴよりもリタードさせるようにした制御手段とを備えたことを特徴とする筒内噴射式エンジンの制御装置。
触媒リフレッシュ制御として行う複数回の燃料噴射の各噴射タイミングを、吸気行程を３等分した前期、中期、後期のうちの前期から中期にかけての期間内に噴射開始されるよう設定したことを特徴とする請求項１記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。
触媒リフレッシュ制御として行う複数回の燃料噴射における後の噴射のタイミングを、吸気行程を３等分した前期、中期、後期のうちの後期の期間内に噴射開始されるよう設定したことを特徴とする請求項１記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。
排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気還流手段を備えるとともに、上記制御手段は、触媒リフレッシュ制御時に排気還流を行わせるように上記排気還流手段を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。
リーン運転を行う運転領域より高負荷側の運転領域で空燃比を略理論空燃比もしくはそれ以下とし、運転状態の変化に応じて空燃比を変更するように空燃比変更手段を構成するとともに、リーン運転を行う運転領域から略理論空燃比もしくはそれ以下の空燃比とする運転領域へ移行したときに触媒リフレッシュ制御を行うようにしたことを特徴する請求項１乃至４のいずれかに記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。
リーン運転中にリーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量が所定値以上となる状態になったとき、略理論空燃比もしくはそれ以下に空燃比を変更し、リフレッシュ制御を行うようにしたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。