JP3772567B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの排気通路に酸素過剰雰囲気で窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸収するＮＯｘ吸収材を配設して、空燃比がリーンな状態でも排気中のＮＯｘを除去できるようにした排気浄化装置に関し、特にエンジン運転中に前記ＮＯｘ吸収材の性能が低下したときに、その性能を復活させるようにした触媒の再生の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種のエンジンの排気浄化装置として、エンジンの排気通路に、混合気の空燃比がリーンで排気中の酸素濃度が高いときに排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を吸収し、酸素濃度が低下するとＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収材を設け、この放出されるＮＯｘを還元浄化するようにしたものが知られている（例えば、特開平７−１３９３８８号公報、特開平９−１３３０３３号公報参照）。
【０００３】
ところで、燃料やエンジンオイルには硫黄成分（Ｓ）が微量に含まれており、この硫黄成分が燃焼し排出されると、前記ＮＯｘ吸収材はその性質上、排気中のＮＯｘを吸収するよりも硫黄酸化物（ＳＯｘ）を吸収しやすく、しかも、一旦、吸収されたＳＯｘは排気中の酸素濃度が低下しても殆ど放出されないので、時間の経過とともにＳＯｘの吸収量が増大して、ＮＯｘ吸収性能が徐々に低下するという硫黄被毒の問題がある。
【０００４】
このような硫黄被毒の問題に対し、例えば特開平８−６１０５２号公報に開示されるように、ＮＯｘ吸収材を加熱して硫黄成分を脱離させることが提案されている。このものでは、ＮＯｘ吸収材への硫黄成分の吸収量を推定し、その吸収量が所定以上に多くなったとき、多気筒エンジンの一部の気筒を空燃比がリッチな状態とする一方、残りの気筒を空燃比がリーンな状態とするというように、気筒別に空燃比を制御して、前記リッチ状態の気筒から排出される未燃燃料とリーン状態の気筒から排出される残存酸素とをＮＯｘ吸収材の近傍で燃焼させることにより、このＮＯｘ吸収材を高温に加熱して、吸収されている硫黄成分を燃焼除去するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記提案例（特開平８−６１０５２号公報）のようにＮＯｘ吸収材を加熱して硫黄成分を燃焼除去するためには、該ＮＯｘ吸収材を例えば８００〜９００℃ぐらいにまで加熱する必要があり、このことがＮＯｘ吸収材の熱劣化を招くという問題があるので、現実的は解決策とは言い難い。
【０００６】
これに対し、本願の発明者は前記硫黄被毒の問題について鋭意研究を進めた結果、このようなＮＯｘ吸収材に対し、排気中の酸素濃度を低下させるとともに、一酸化炭素（ＣＯ）等の還元剤成分を多量に供給することで、比較的低い温度状態でも（例えば４５０〜６００°Ｃ）、ＮＯｘ吸収材からＳＯｘを脱離できることを見出した。すなわち、硫黄被毒が問題となるようなＮＯｘ吸収材は、一般に、ＮＯｘやＳＯｘの他にＣＯや二酸化炭素（ＣＯ2）をも吸収する性質があり、しかも、ＮＯｘやＳＯｘよりもＣＯを吸収し易いという性質を持っているので、ＣＯを多量に供給することにより、ＳＯｘの脱離を大幅に促進することができるのである。
【０００７】
しかしながら、前記ようにＣＯの供給によりＳＯｘの脱離を促すことができるとしても、その間、排気中の酸素濃度を低下させるために空燃比を理論空燃比かそれよりもリッチな状態に制御しなくてはならない。このため、吸収されているＳＯｘを十分に脱離して、ＮＯｘ吸収材を再生しようとすれば、その再生のためだけに余計な燃料を消費することになる。つまり、ＮＯｘ吸収材を十分に再生しようとすれば燃費の悪化を招く一方、燃費悪化を抑えようとすればＮＯｘ吸収材の再生が不十分なものになるという不具合がある。
【０００８】
また、このような硫黄被毒の問題の他に、ＮＯｘ吸収材からＮＯｘを放出させるときには、通常、燃焼室の空燃比を理論空燃比よりもリッチな状態として、放出されたＮＯｘを排気中のＣＯやＨＣ等の還元剤成分と反応させるようにしている。このとき、ＮＯｘの放出量が多い間は排気中のＮＯｘ濃度と還元剤成分濃度とが均衡するものの、ＮＯｘ吸収材からのＮＯｘの放出が進むに連れて、その放出量が減少することから、前記のＨＣやＣＯ等がそのまま大気中に排出されるという新たな弊害が生じるので、この弊害を防止するために、ＮＯｘの放出量がある程度少なくなったときに、空燃比をリーン側に戻さざるを得ない。この結果、ＮＯｘ吸収材の再生が不十分なものに終わるという不具合がある。
【０００９】
本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、排気通路に設けたＮＯｘ吸収材の再生の手順に工夫を凝らして、燃費悪化等の弊害を最小限に抑えながら、ＮＯｘ吸収材を十分に再生して、ＮＯｘ除去性能の安定確保を図ることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成すべく、この発明では、直噴エンジンの排気通路に配設したＮＯｘ吸収材からＳＯｘを脱離させるときに、排気中の還元剤成分等の濃度を周期的に変動させるとともに、燃料噴射を分割することによって、還元剤成分であるＣＯの濃度を大幅に高めるようにした。
【００１１】
具体的に、請求項１の発明では、図１に示すように、エンジン１の排気通路２２に配設され、排気中の酸素濃度が高い酸素過剰雰囲気で排気中のＮＯｘ及び硫黄成分を吸収する一方、酸素濃度の低下によって前記吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収材２５と、このＮＯｘ吸収材２５への硫黄成分の吸収過剰状態を判定する硫黄過吸収判定手段ａと、この硫黄過吸収判定手段ａにより硫黄成分の吸収過剰状態が判定されたとき、前記ＮＯｘ吸収材２５から硫黄成分を脱離させる硫黄脱離手段ｂと、該硫黄脱離手段ｂによりＮＯｘ吸収材２５から硫黄成分が脱離されるときに、排気中の還元剤成分の濃度あるいは酸素濃度の少なくとも一方を周期的に変動させる濃度変動手段ｃとを備える構成とする。
【００１２】
そして、前記エンジン１の気筒内燃焼室に燃料を直接、噴射する燃料噴射弁が設けられていて、前記硫黄脱離手段が、ＮＯｘ吸収材から硫黄成分を脱離させるときに、前記燃料噴射弁により燃料を気筒の吸気行程から圧縮行程の間で少なくとも２回に分割して噴射させるように構成されているものとする。
【００１３】
前記の構成により、エンジン１の運転中に、ＮＯｘ吸収材２５を硫黄成分の吸収過剰状態であると硫黄過吸収判定手段ａにより判定したとき、そのＮＯｘ吸収材２５から硫黄脱離手段ｂにより、硫黄成分（ＳＯｘ）が脱離される。このとき、排気中のＣＯやＨＣといった還元剤成分の濃度あるいは酸素濃度の少なくとも一方が濃度変動手段ｃにより周期的に変動させられることで、ＮＯｘ吸収材２５の周囲の還元剤成分の分圧や酸素分圧が変動し、分圧が略一定の状態に比べて前記ＣＯ等のＮＯｘ吸収材２５への働きかけが強まることで、ＳＯｘの脱離が促進される。このことで、ＮＯｘ吸収材２５からＳＯｘを脱離させる時間を短縮して、燃費の悪化を最小限に抑えながら、ＮＯｘ吸収材２５を十分に再生して、ＮＯｘ除去性能を安定確保することができる。
【００１４】
その際に、前記エンジン１の気筒内燃焼室に燃料を直接、噴射する燃料噴射弁により、燃料が少なくとも２回に分割して噴射されると、最初に噴射された燃料が燃焼室に均一に拡散して希薄な混合気を形成するとともに、その後で噴射された燃料噴霧が過濃混合気を形成する。そして、前記過濃混合気部分では着火直後の初期燃焼速度は速いものの、酸素が不足しているので、局所的な不完全燃焼によりＣＯが生成しやすい状態になる。また、その周囲の希薄混合気部分における燃焼が緩慢になり、燃料の一部が燃焼しきらないうちに排出されることで、後燃えにより排気温度が上昇するとともに、ＣＯもさらに生成しやすくなる。
【００１５】
さらに、気筒の１回の燃焼サイクルあたりの燃料噴射弁の開弁回数が増えると、開弁初期に噴射される粒の粗い燃料液滴の割合が増えるので、燃料噴霧の気化・霧化状態が悪くなり、このことによってもＣＯが生成しやすくなる。
【００１６】
つまり、燃料噴射の分割により排気中のＣＯ濃度を高めることができるとともに、排気温度も高めることができ、このことにより、ＮＯｘ吸収材からＳＯｘの脱離を促すことができる。
【００１７】
請求項２の発明では、硫黄脱離手段は、ＮＯｘ吸収材を所定温度以上に保持するものとする。このことで、ＮＯｘ吸収材を所定温度（例えば４５０°Ｃ）以上に保持して、ＳＯｘの脱離を促すことができる。
【００１８】
請求項３の発明では、請求項１における硫黄脱離手段は、ＮＯｘ吸収材から硫黄成分を脱離させるときに、燃料噴射弁による燃料の噴射量を増量補正するものとする。このことで、燃料噴射量の増量によって燃焼室の空燃比がリッチ側に変化するので、排気中の還元剤成分の濃度が高まり、ＮＯｘ吸収材からの硫黄成分の脱離がさらに促進される。
【００１９】
請求項４の発明では、濃度変動手段を、エンジンの燃焼室の空燃比を理論空燃比近傍で周期的に変動するように制御するものとする。このことで、燃焼室の空燃比を理論空燃比近傍で周期的に変動するように制御することで、排気中の還元剤成分の濃度や酸素濃度を周期的に変動させることができる。
【００２０】
請求項５の発明では、請求項４において、排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を設けるとともに、濃度変動手段は、燃焼室の空燃比を理論空燃比よりもリッチ側とリーン側とに交互に変化するように、前記酸素濃度検出手段からの信号に基づいてフィードバック制御するものとする。これにより、排気中の還元剤成分の濃度や酸素濃度を高精度に制御できる。また、酸素濃度検出手段としていわゆるラムダＯ2センサを用いることができるので、空燃比の制御精度を高めることができ、よって、燃費低減が図られる。
【００２１】
請求項６の発明では、請求項４における濃度変動手段は、燃焼室の空燃比をフィードフォワード制御するものとする。すなわち、例えば空燃比の目標値を周期的に変化させるいわゆるディザ制御によっても、排気中の還元剤成分の濃度や酸素濃度を周期的に変動させることができる。また、前記空燃比の目的値を理論空燃比以外の値に設定できるので、この目標値をその平均値が理論空燃比よりもリーンになるように設定すれば、燃費の低減が図られる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
（エンジン全体構成）
図２は本発明の実施形態に係る排気浄化装置Ａを搭載したエンジンの全体構成を示し、１は例えば車両に搭載された多気筒エンジンである。このエンジン１は複数の気筒２，２，…（１つのみ図示する）を有し、各気筒２内にピストン３が往復動可能に嵌挿されていて、そのピストン３により気筒２内に燃焼室４が区画されている。この燃焼室４の上壁における気筒軸心上の位置には、点火回路５に接続された点火プラグ６が燃焼室４に臨むように取り付けられている。また、前記燃焼室４の周縁部には、この燃焼室４に燃料を直接噴射供給するようにインジェクタ（燃料噴射弁）７が取り付けられている。
【００２３】
前記インジェクタ７には、図示しないが、高圧燃料ポンプ、プレッシャレギュレータ等を有する燃料供給回路が接続されており、この燃料供給回路によって燃料タンクからの燃料を適正な圧力に調整しながら、インジェクタ７に供給するようになっている。また、その燃料圧力を検出する燃圧センサ８が設けられている。そして、前記インジェクタ７により燃料が気筒２の圧縮行程後期に噴射されると、その燃料噴霧はピストン３の頂面に凹設したキャビティ（図示せず）にトラップされて、前記点火プラグ６近傍に比較的濃い混合気の層が形成される。一方、前記インジェクタ７により燃料が気筒２の吸気行程で噴射されると、その燃料噴霧は燃焼室４に拡散して吸気（空気）と混合されて、燃焼室４に均一な混合気が形成される。
【００２４】
前記燃焼室４は、図示しない吸気ポートにより吸気弁９を介して吸気通路１０に連通されている。この吸気通路１０は、エンジン１の燃焼室４に対しエアクリーナ１１で濾過した吸気を供給するものであり、上流側から下流側に向かって順に、エンジン１に吸入される吸入空気量を検出するホットワイヤ式エアフローセンサ１２と、吸気通路１０を絞る電気式スロットル弁１３と、サージタンク１４とがそれぞれ配設されている。前記電気式スロットル弁１３は、図外のアクセルペダルに対し機械的には連結されておらず、モータ１５により駆動されて開閉するようになっている。さらに、前記スロットル弁１３の開度を検出するスロットル開度センサ１６と、サージタンク１４内の吸気圧を検出する吸気圧センサ１７とがそれぞれ設けられている。
【００２５】
前記サージタンク１４よりも下流側の吸気通路１０は、気筒２毎に分岐する独立通路とされていて、その各独立通路の下流端部がさらに２つに分岐してそれぞれ吸気ポートに連通しており、その分岐路のうちの一方にスワール制御弁１８が設けられている。このスワール制御弁１８はアクチュエータ１９により駆動されて開閉するものであり、スワール制御弁１８が閉弁すると、吸気は他方の分岐路のみから燃焼室４に供給されて、その燃焼室４に強い吸気スワールが生成される一方、スワール制御弁１８が開くに連れて、吸気スワールは弱められるようになっている。また、そのスワール制御弁１８の開度を検出するスワール制御弁開度センサ２０が設けられている。
【００２６】
図２において２２は燃焼室４から燃焼ガスを排出する排気通路で、この排気通路２２の上流端は気筒２毎に分岐して、図示しない排気ポートにより排気弁２３を介して燃焼室４に連通されている。この排気通路２２には上流側から下流側に向かって順に、排気中の酸素濃度を検出するＯ2センサ２４と、排気を浄化する触媒２５とがそれぞれ配設されている。前記Ｏ2センサ２４の出力（起電力）は、図３に示すように、排気中の酸素濃度が略理論空燃比に対応する濃度（約０．５％）になっているときに基準値Ｅ1になるが、それよりも濃い場合（リッチ側）には急増する一方、それよりも薄い場合（リーン側）には急減するようになっている。つまり、Ｏ2センサ２４は、その出力が理論空燃比を境にステップ状に反転するいわゆるラムダＯ2センサからなるものである。
【００２７】
また、前記触媒２５は、排気中の酸素濃度が高い酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸収する一方、酸素濃度の低下によって吸収したＮＯｘを放出しかつ還元浄化するＮＯｘ吸収還元タイプのものである。具体的に、前記リーンＮＯｘ触媒２５は、図４に示すように、コージェライト製のハニカム構造の担体２５ａを有し、その担体２５ａに形成された各貫通孔の壁面に内側触媒層２５ｂと、その上の外側触媒層２５ｃとを形成した２層コートのものである。
【００２８】
前記内側触媒層２５ｂには、白金Ｐｔ等の貴金属とＮＯｘ吸収材としてのバリウムＢａとが、多孔質材料であるアルミナやセリアをサポート材として担持されている。一方、外側触媒層２５ｃには、触媒金属としてのＰｔ及びロジウムＲｈとＢａとが多孔質材料であるゼオライトをサポート材として担持されている。
【００２９】
尚、前記バリウムに代えてそれ以外のアルカリ土類金属やナトリウムＮａ等のアルカリ金属、又は希土類金属のうちの少なくとも一種を用いるようにしてもよい。また、前記内側触媒層２５ｂのサポート材としてゼオライトを用いてもよく、その場合には前記外側触媒層２５ｃのサポート材として、アルミナ又はセリアを用いてもよい。さらに、前記触媒２５として、図示しないが、担体の壁表面にアルミナやセリアがサポート材として担持された触媒層を形成し、このサポート材に、白金Ｐｔ、ロジウムＲｈ、パラジウムＰｄ等の貴金属と、カリウムＫ等のアルカリ金属やバリウムＢａ等のアルカリ土類金属とを担持した１層コートタイプのものを用いてもよい。
【００３０】
さらに、前記Ｏ2センサ２４よりも上流側の排気通路２２には、ＥＧＲ通路２６の上流端が分岐接続され、このＥＧＲ通路２６の下流端は前記スロットル弁１３とサージタンク１４との間の吸気通路１０に接続されていて、排気の一部を吸気系に還流させるようになっている。このＥＧＲ通路２６の下流端寄りには開度調整可能な電気式のＥＧＲ弁２７が配設されており、ＥＧＲ通路２６による排気の還流量（以下ＥＧＲ量という）を調整するようになっている。そのＥＧＲ通路２６及びＥＧＲ弁２７により、排気還流手段が構成されている。また、そのＥＧＲ弁２７のリフト量を検出するリフトセンサ２８が設けられている。
【００３１】
前記点火プラグ６の点火回路５、インジェクタ７、電気式スロットル弁１３の駆動モータ１５、スワール制御弁１８のアクチュエータ１９、電気式ＥＧＲ弁２７等はコントロールユニット４０（以下、ＥＣＵという）によって作動制御されるようになっている。一方、このＥＣＵ４０には、前記エアフローセンサ１２、スロットル開度センサ１６、吸気圧センサ１７、スワール制御弁開度センサ２０、Ｏ2センサ２４及びＥＧＲ弁２７のリフトセンサ２８の各出力信号が入力されており、加えて、エンジン１の冷却水温度（エンジン水温）を検出する水温センサ３０、吸気温度を検出する吸気温センサ３１、大気圧を検出する大気圧センサ３２、エンジン回転数を検出する回転数センサ３３、及びアクセルペダルの開度（アクセル操作量）を検出するアクセル開度センサ３４の各出力信号が入力されている。
【００３２】
（エンジン制御の概要）
この実施形態に係るエンジン１は、その運転状態に応じてインジェクタ７による燃料噴射の形態（燃料噴射時期及び空燃比等）が切替えられて、異なる燃焼状態で運転されるようになっている。すなわち、エンジン１の温間時には、例えば図５に示すように、低負荷低回転側の所定領域が成層燃焼領域とされ、図６に示すように、インジェクタ７により圧縮行程後期に燃料を一括して噴射させて、点火プラグ６の近傍に混合気が偏在する成層状態で燃焼させる燃焼モードになる。この成層燃焼モードでは、エンジン１のポンプ損失を低減するためにスロットル弁１３の開度を大きくしており、このことで、燃焼室４の平均空燃比は大幅にリーンな状態（例えばＡ/Ｆ＝３０くらい）になる。
【００３３】
一方、それ以外の運転領域は均一燃焼領域とされており、低負荷側のλ＝１分割領域では、インジェクタ７により燃料を吸気行程と圧縮行程とでそれぞれ１回ずつ合計２回に分割して噴射させるとともに、燃焼室４における混合気の空燃比が略理論空燃比（Ａ/Ｆ＝１４．７）になるように、燃料噴射量やスロットル開度等を制御する（以下、λ＝１分割モードという）。また、均一燃焼領域における高負荷ないし高回転側のエンリッチ領域では、インジェクタ７により燃料を吸気行程前期に一括して噴射させるとともに、空燃比は理論空燃比よりもリッチな状態（例えばＡ/Ｆ＝１３〜１４）にさせる（以下、エンリッチモードという）。
【００３４】
また、前記図５の制御マップに斜線を入れて示す領域では、ＥＧＲ弁２７を開弁させて、ＥＧＲ通路２６により排気の一部を吸気通路１０に還流させるようにしている。尚、図示しないが、エンジン冷間時には燃焼安定性の向上のためにエンジン１の全ての運転領域を均一燃焼領域としている。
【００３５】
より詳しくは、前記ＥＣＵ４０はエンジン出力に関係する各種制御パラメータとして、例えば、インジェクタ７による燃料噴射量及び噴射時期、スロットル弁１３により調整される吸入空気量、スワール制御弁１８により調整される吸気スワール強さ、ＥＧＲ弁２７により調整されるＥＧＲ量等をエンジン１の運転状態に応じて決定するようになっている。
【００３６】
すなわち、まず、アクセル開度accel及びエンジン回転数neに基づいて、エンジン１の目標トルクtrqが演算される。この目標トルクtrqは予めベンチテスト等により、要求される出力性能が得られるようにアクセル開度accel及びエンジン回転数neとの対応関係が求められ、この対応関係がマップとしてＥＣＵ４０のメモリに記憶されていて、このマップから、実際のアクセル開度accel及びエンジン回転数neに対応する値が読み込まれる。前記アクセル開度accel及びエンジン回転数neと目標トルクtrqとの対応関係は、例えば、図７（ａ）に示すようになり、目標トルクtrqはアクセル開度accelが大きくなるに連れて増加し、かつエンジン回転数neが高いほど大きくなる。
【００３７】
続いて、前記のように求めた目標トルクtrqとエンジン回転数neとに基づいて、運転モードが設定される。すなわち、例えばエンジン温間時には、前記図５に示すように、目標トルクtrqが所定の低負荷側しきい値trq*よりも低く、かつエンジン回転数neが低いときには成層燃焼モードとされる一方、それ以外の運転状態では均一燃焼モードとされ、さらにこの場合は、目標トルクtrq及びエンジン回転数neに応じてλ＝１分割モードかエンリッチモードかが選択される。
【００３８】
続いて、前記運転モード別に目標空燃比afwが設定される。すなわち、成層燃焼モードやエンリッチモードでは目標トルクtrq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目標空燃比afwを求め、また、λ＝１分割モードでは目標空燃比afwを理論空燃比とする。そして、この目標空燃比afw、エンジン回転数ne及び前記目標トルクtrqに基づいて目標充填効率ceが演算され、さらに、この目標充填効率ce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（図７（ｂ）参照）からスロットル開度tvoが求められる。尚、エンジン回転数とスロットル開度との対応関係はＥＧＲの有無によって異なり、スロットル開度tvoはＥＧＲがある場合にはない場合よりも大きめにされる。
【００３９】
また、エアフローセンサ１２からの出力信号に基づいて、エンジン１の実充填効率ceが演算され、この実充填効率ceと前記目標空燃比afwとに基づいて、基本的な燃料噴射量qbaseが演算される。
【００４０】
qbase ＝ KGKF×ce/afw （但し、KGKFは換算用の係数）
これとともに、運転モード別に吸気行程噴射と圧縮行程噴射との燃料の分割比が設定され、成層燃焼モードでは吸気行程噴射割合が０％となる一方、エンリッチモードでは吸気行程噴射割合が１００％となり、また、λ＝１分割モードでは目標空燃比afw及びエンジン回転数neに応じて分割比が設定される。
【００４１】
さらに、燃料噴射時期が前記運転モード別に設定され、図示しないが、成層燃焼モードでは目標トルクtrq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Inj_TTが求められる一方、均一燃焼モードではエンジン回転数neに応じて予め設定されているテーブルから吸気行程噴射用の噴射時期Inj_TLが求められる。また、分割噴射の場合には圧縮行程噴射用の噴射時期Inj_TTとして成層燃焼モードにおけるデータが流用されるとともに、目標空燃比afw及びエンジン回転数neに応じて予め作成されているマップから吸気行程噴射用の噴射時期Inj_TLが求められる。
【００４２】
その他、エンジン１の点火時期も運転モード別に設定されており、成層燃焼モードでは、主に目標トルクtrqとエンジン回転数neとに基づいて基本点火時期が求められる一方、λ＝１分割モードやエンリッチモードでは、基本点火時期は充填効率ceとエンジン回転数neとに基づいて求められ、この基本点火時期がエンジン水温等に基づいて補正される。さらに、前記スワール制御弁１８も運転モード別に制御されるようになっており、成層燃焼モードでは、スワール制御弁１８の開度は目標トルクtrqが大きいほど、またエンジン回転数neが高いほど大きくされる一方、λ＝１分割モードやエンリッチモードでは、スワール制御弁１８の開度は目標トルクtrqが大きいほど、またエンジン回転数neが高いほど小さくされる。尚、詳しくは後述するが、ＥＧＲ量もエンジン１の運転状態に応じて、運転モード別に制御されるようになっている。
【００４３】
（触媒の再生のための燃料噴射制御）
この実施形態では、上述の如く、エンジン１を低負荷域で成層燃焼状態として、燃費の大幅な改善を図るとともに、その成層燃焼状態のように空燃比が極めてリーンな状態でも排気中のＮＯｘを低減できるように、いわゆる吸収還元タイプのリーンＮＯｘ触媒２５を採用しており、この触媒２５の浄化性能を安定して発揮させるために、触媒２５におけるＮＯｘの吸収量がある程度多くなれば、そのＮＯｘを放出させて還元浄化するようにしている。また、排気に含まれる僅かなＳＯｘが徐々にバリウムに吸収されることで、触媒２５におけるＳＯｘの吸収量が時間の経過とともに徐々に増大して、ＮＯｘ除去性能が阻害されるようになれば、そのＳＯｘを触媒２５から強制的に脱離させるようにしている。
【００４４】
そして、本発明の特徴は、前記のＮＯｘの放出やＳＯｘの脱離による触媒２５の再生のときに、従来までと同様に燃焼室４の空燃比を略理論空燃比近傍に制御するとともに、インジェクタ７による燃料の噴射を２分割することにより、排気中のＣＯ濃度を大幅に高め、かつ、前記空燃比をリッチ側とリーン側とに交互に切り替わるように変化せることで、排気中のＣＯ濃度やＨＣ濃度を周期的に変動させるようにしたことにある。
【００４５】
次に、前記の触媒２５の再生のための制御手順を含む燃料噴射制御の具体的な処理手順を、図８〜図１１に示すフローチャート図に沿って説明する。
【００４６】
まず、前記図８に示すように、スタート後のステップＳＡ１において、エアフローセンサ１２、Ｏ2センサ２４，水温センサ３０、回転数センサ３３、アクセル開度センサ３４等の各種センサ信号を受け入れるとともに、ＥＣＵ４０のメモリから各種データを入力する。続いて、ステップＳＡ２において、上述の如く充填効率ceや目標空燃比afw等に基づいて基本燃料噴射量qbaseを演算して設定する。
【００４７】
続いて、ステップＳＡ３〜ＳＡ９の各ステップにおいて、吸気行程噴射及び圧縮行程噴射のそれぞれの噴射パルス幅τL，τTと、それぞれの噴射時期Inj_TL，Inj_TTとを運転モード別に求める。すなわち、まずステップＳＡ３ではλ＝１分割モードかどうか判定する。この判定がＮＯならばステップＳＡ６に進む一方、判定がＹＥＳならばステップＳＡ４に進んで、前記基本燃料噴射量qbaseを分割比に応じて吸気行程と圧縮行程とに分け、その各噴射量に対応する噴射パルス幅τをインジェクタ７の流量特性に基づいて、それぞれ吸気行程噴射パルス幅τL＝τL1、及び圧縮行程噴射パルス幅τT＝τT2として設定する。続いて、ステップＳＡ５において、吸気行程噴射及び圧縮行程噴射のそれぞれの噴射時期を設定する（Inj_TL＝Inj_TL1、Inj_TT＝Inj_TT1）。
【００４８】
また、前記ステップＳＡ３でλ＝１分割モードではないＮＯと判定されて進んだステップＳＡ６では、成層燃焼モードかどうか判定し、この判定がＮＯならばステップＳＡ９に進む一方、判定がＹＥＳならばステップＳＡ７に進んで、吸気行程噴射パルス幅τL＝０とするとともに、圧縮行程噴射パルス幅τTを前記基本燃料噴射量qbaseに対応する値τT1とする。続いて、ステップＳＡ８では、圧縮行程噴射の噴射時期を設定する（Inj_TT＝Inj_TT2）。一方、前記ステップＳＡ６で成層燃焼モードではないＮＯと判定されて進んだステップＳＡ９では、フーエルカット制御を行うかどうか判定し、この判定がＹＥＳならばリターンする一方、判定がＮＯならばステップＳＡ１０に進んで、吸気行程噴射パルス幅τLを前記基本燃料噴射量qbaseに対応する値τL1とするとともに、圧縮行程噴射パルス幅τT＝０とし、続くステップＳＡ１１で、吸気行程噴射の噴射時期を設定する（Inj_TL＝Inj_TL3）。
【００４９】
前記図８のステップＳＡ５，ＳＡ８，ＳＡ１１に続いて、図９に示すステップＳＢ１では、触媒２５におけるＮＯｘ吸収量を推定する。この推定は例えば、最後にＮＯｘの放出を促す制御（ＮＯｘ放出制御）を行ってからの走行距離とその間に消費した燃料の総量とに基づいて行い、その推定結果に基づいて、続くステップＳＢ２において、ＮＯｘ吸収量が予め設定した所定値以上になったかどうか、即ち、ＮＯｘの吸収過剰状態か否か判定する。この判定がＮＯであればステップＳＢ１０に進む一方、判定がＹＥＳであればステップＳＢ３に進み、ＮＯｘ放出制御を行う期間であることを示すフラグＦ１をオンにする（Ｆ１＝１）。尚、前記ステップＳＢ２において、エンジン１の加速運転時にはＮＯｘ吸収量に拘わらずＹＥＳと判定して、後述の如くＮＯｘ放出制御を行うようにしてもよい。
【００５０】
続いて、ステップＳＢ４では、初期値０の第１タイマ値Ｔ１をインクリメントし、続くステップＳＢ５において、この第１タイマ値Ｔ１が予め設定したしきい値Ｔ１0以上になったか否か判別する。この判別がＹＥＳであれば、ＮＯｘ放出制御を行う期間は終了したと判定してステップＳＢ１１，ＳＢ１２に進み、フラグＦ１をクリアして（Ｆ１＝０）、第１タイマをリセットする（Ｔ１＝０）。一方、判定がＮＯであればステップＳＢ６に進み、このステップＳＢ６〜ＳＢ９の各ステップにおいて、Ｏ2センサ２４からの信号に基づくフィードバック制御演算を行う。
【００５１】
具体的に、まず前記ステップＳＢ６では、Ｏ2センサ２４からの出力Ｅを理論空燃比に対応する基準値Ｅ1と比較し、出力Ｅが基準値Ｅ1よりも大きいＹＥＳであればステップＳＢ７に進んで、フィードバック補正値τCL，τCTを演算する。すなわち、フィードバック補正値τCL，τCTの前回値からそれぞれ定数α、βを減算して今回値とする。一方、前記ステップＳＢ６でＯ2センサ２４からの出力Ｅが基準値Ｅ1以下でＮＯであれば、ステップＳＢ８に進み、フィードバック補正値τCL，τCTの前回値に定数α、βを加算して、今回値を求める。
【００５２】
続いて、ステップＳＢ９では、燃焼室４の空燃比が理論空燃比になるように実充填効率ceに応じて求めた噴射パルス幅τL4，τT4と、前記ステップＳＢ７，ＳＢ８で求めたフィードバック補正値τCL，τCTとに基づいて、ＮＯｘ放出制御時の吸気行程及び圧縮行程噴射パルス幅τL，τTをそれぞれ演算するとともに、それらの噴射時期を改めて設定する。
【００５３】
τL ＝ τL4＋τCL、 Inj_TL ＝ Inj_TL4
τT ＝ τT4＋τCT、 Inj_TT ＝ Inj_TT4
つまり、Ｏ2センサ２４からの出力Ｅが基準値Ｅ1よりも大きい間は、空燃比は理論空燃比よりもリッチなので、制御のサイクル毎に吸気及び圧縮行程での燃料噴射量を一定量α，βずつ徐々に減少させて、空燃比をリーン側に変化させる。一方、前記出力Ｅが基準値Ｅ1よりも小さくなれば、今度は空燃比がリーンになったので、燃料噴射量を徐々に増大させて、空燃比をリッチ側に変化させるようにしている。尚、前記ステップＳＢ７〜ＳＢ９では、吸気行程及び圧縮行程噴射量を両方共にフィードバック補正するようにしているが、これに限らず、吸気行程噴射量だけをフィードバック補正するようにしてもよい。これは、吸気行程での燃料噴射量を変更しても、燃焼状態や排気への悪影響は少ないからである。
【００５４】
また、前記ステップＳＢ２で、ＮＯと判定されて進んだステップＳＢ１０では、フラグＦ１の状態を判別して、フラグがオンであれば（Ｆ１＝１）、ＮＯｘ放出制御を行う期間であると判定して前記ステップＳＢ４に進む一方、フラグがオフであれば（Ｆ１＝０）、ＮＯｘ放出制御を行う期間でないと判定して前記ステップＳＢ１１，ＳＢ１２に進む。
【００５５】
前記図９のステップＳＢ９，ＳＢ１２に続いて、図１０に示すステップＳＣ１では、今度は、触媒２５の硫黄被毒の度合い、即ちＳＯｘ吸収量を推定する。この推定も前記ステップＳＢ１におけるＮＯｘ吸収量の推定と同様に、最後にＳＯｘの脱離を促す制御（ＳＯｘ脱離制御）を行ってからの走行距離とその間に消費した燃料の総量とに基づいて、その間の触媒の温度状態を加味して行う
。そして、その推定結果に基づいて、続くステップＳＣ２において、ＳＯｘ吸収量が予め設定した所定値以上になったかどうか、即ち、ＳＯｘの吸収過剰状態か否か判定する。ここで、排気中の硫黄成分は僅かなので、通常、ＳＯｘ吸収過剰状態になるまでの走行距離は、ＮＯｘ吸収過剰状態になるまでの走行距離よりもはるかに長い。
【００５６】
前記ステップＳＣ２における判定がＮＯであればステップＳＣ１３に進む一方、判定がＹＥＳであればステップＳＣ３に進み、ＳＯｘ脱離制御を行う期間であることを示すフラグＦ２をオンにする（Ｆ２＝１）。そして、ステップＳＣ４では排気温度thg、即ち触媒２５の温度状態を推定する。この推定は、主に推定時の実充填効率ceとエンジン回転数neとに基づいて、そこに推定前の所定時間内における成層燃焼モードでの運転時間や、分割噴射を行った時間を加味して行うが、排気温度thgは、充填効率やエンジン回転数が高いほど高くなるとともに、分割噴射によっても高くなる傾向がある。一方、成層燃焼モードでは排気温度thgがかなり低くなるので、成層燃焼モードでの運転時間が長いほど触媒２５の温度状態は低くなる。
【００５７】
続いて、ステップＳＣ５では、排気温度thgが設定温度thg0（例えば４５０°Ｃ）以上か否か判別し、この判別がＮＯならば図１１のステップＳＤ１に進む一方、判別がＹＥＳならばステップＳＣ６に進んで、ＳＯｘ脱離制御を実行する。このように排気温度がある程度高いときにのみＳＯｘ脱離制御を行うようにするのは、触媒２５の温度状態がある程度以上に高くならないと、触媒２５からＳＯｘを脱離させることはできないからである。
【００５８】
前記ステップＳＣ５に続くステップＳＣ６では、初期値０の第２タイマ値Ｔ２をインクリメントし、続くステップＳＣ７において、この第２タイマ値Ｔ２が予め設定したしきい値Ｔ２0以上になったか否か判別する。この判定がＮＯである間ば、ステップＳＣ８に進んで、このステップＳＣ８〜ＳＣ１１の各ステップにおいて、Ｏ2センサ２４からの信号に基づくフィードバック制御演算を行う。このフィードバック制御演算の具体的な手順は前記図９のステップＳＢ６〜ＳＢ９と同じなので、説明は省略する。そして、前記しきい値Ｔ２0に対応する時間が経過して、触媒２５からＳＯｘが十分に脱離すれば、前記ステップＳＣ７の判定がＹＥＳになってステップＳＣ１２に進み、フラグＦ２をクリアして（Ｆ２＝０）、図１１のステップＳＤ１に進む。
【００５９】
一方、前記ステップＳＣ２で、ＮＯと判定されて進んだステップＳＣ１３では、フラグＦ２の状態を判別して、フラグがオンであれば（Ｆ２＝１）、ＳＯｘ脱離制御を行う期間であると判定して前記ステップＳＣ４に進む一方、フラグがオフであれば（Ｆ２＝０）、ＳＯｘ脱離制御を行う期間でないと判定してステップＳＣ１４，ＳＣ１５に進み、フラグＦ２をクリアするとともに（Ｆ２＝０）、第２タイマをリセットして（Ｔ２＝０）、図１１のステップＳＤ１に進む。
【００６０】
前記ステップＳＣ５，ＳＣ１２，ＳＣ１５に続いて、図１１のステップＳＤ１では、まず吸気行程噴射パルス幅τLが零であるか否か判別して、パルス幅が零でＹＥＳあれば（τL＝０）ステップＳＤ４に進む一方、パルス幅が零でないＮＯであればステップＳＤ２に進んで、吸気行程噴射時期Inj_TLのタイミングになったか否か判別する。そして、噴射タイミングになるまで待機して、噴射タイミングになれば（ステップＳＤ２でＹＥＳ）、ステップＳＤ３に進んでインジェクタ７により吸気行程噴射を実行する。続いて、ステップＳＤ４〜ＳＤ６の各ステップにおいて、前記と同様に圧縮行程噴射を実行して、しかる後にリターンする。
【００６１】
前記図１０に示すフローのステップＳＣ１，ＳＣ２の各ステップにより、触媒２５におけるＳＯｘの吸収量が所定以上多いＳＯｘ吸収過剰状態であることを判定する硫黄過吸収判定手段４０ａが構成されている。また、ステップＳＣ１１によって、前記硫黄過吸収判定手段ａによりＳＯｘ吸収過剰状態が判定されたとき、前記触媒２５のバリウムからＳＯｘを脱離させる硫黄脱離手段４０ｂが構成されている。そして、前記硫黄脱離手段４０ｂは、排気温度thgが設定温度thg0以上のときに、インジェクタ７により燃料を気筒の吸気行程及び圧縮行程でそれぞれ１回ずつ２分割して噴射させることで、触媒２５を高温状態に保持し、かつ排気中のＣＯ濃度を大幅に増大させるとともに、燃料噴射量を増量補正することによってもＣＯ濃度を増大させるようになっている。
【００６２】
また、ステップＳＣ８〜ＳＣ１０の各ステップにより、前記触媒２５のバリウムからＳＯｘを脱離させるときに、排気中のＣＯ濃度を周期的に変動させる濃度変動手段４０ｃが構成されており、この濃度変動手段４０ｃは、Ｏ2センサ２４からの信号に基づいて、燃料噴射量をフィードバック補正することにより、各気筒２の燃焼室４の空燃比を、理論空燃比よりもリッチ側とリーン側とに交互に変化するように周期的に変動させるようになっている。
【００６３】
（ＥＧＲ制御）
次に、ＥＧＲ制御の処理手順を図１２に示すフローチャート図に沿って具体的に説明すると、まず、スタート後のステップＳＥ１において、エアフローセンサ１２、回転数センサ３３等の各種センサ信号を受け入れるとともに、ＥＣＵ４０のメモリから各種データを入力する。続いて、ステップＳＥ２において、実充填効率ce及びエンジン回転数neに基づいて目標ＥＧＲ率を演算し、この目標ＥＧＲ率になるようなＥＧＲ量を基本ＥＧＲ量EGRbとして設定する。尚、前記目標ＥＧＲ率は、予めベンチテスト等により充填効率ce及びエンジン回転数neとの対応関係が求められ、この対応関係がマップとしてＥＣＵ４０のメモリに記憶されている。
【００６４】
続いて、ステップＳＥ３では、第１フラグＦ１の値に基づいて、ＮＯｘ放出制御を行う期間かどうか判定し、この判定がＹＥＳであればステップＳＥ５に進む一方、判定がＮＯであればステップＳＥ４に進んで、今度は第２フラグＦ２の値に基づいて、ＳＯｘ脱離制御を行う期間かどうか判定する。この判定がＹＥＳであればステップＳＥ５に進んで、ＥＧＲ量を増減補正する補正値EGRcの値を所定値γ（γ＜０）とする一方、判定がＮＯであればステップＳＥ６に進み、補正値EGRcの値を零にする（EGRc＝０）。そして、ステップＳＥ５又はステップＳＥ６に続いて、ステップＳＥ７では、前記基本ＥＧＲ量EGRbと補正値EGRcとを加算して最終的なＥＧＲ量EGRtを演算し、続くステップＳＥ８において、ＥＧＲ弁２７に制御信号を出力して、前記最終的なＥＧＲ量EGRtに対応する開度になるように駆動し、しかる後にリターンする。
【００６５】
つまり、上述の如く、ＮＯｘ放出制御又はＳＯｘ脱離制御の少なくとも一方を行い、インジェクタ７による燃料噴射量をフィードバック制御することにより、燃焼室４の空燃比を理論空燃比近傍に維持する間は、ＥＧＲ量がやや少なくなるように、ＥＧＲ弁２７の開度を補正している。
【００６６】
（作用効果）
次に、前記実施形態の作用効果を説明する。
【００６７】
このエンジン１は、例えば図１３に示すように、加速運転状態では燃料噴射量が増量されて、ラムダ＝１分割モードかエンリッチモードで運転され、このときには触媒２５に吸収されているＮＯｘが放出されて還元浄化される。そして、その後しばらくの間、定常運転状態が続くと、最後にＮＯｘを放出してからの走行距離とその間の燃料消費量とに基づいて、触媒２５のＮＯｘ吸収過剰状態が判定されて（フラグＦ１＝１）、図９のフローに示すようなＮＯｘ放出制御が行われる。
【００６８】
すなわち、インジェクタ７により燃料が２分割して噴射されることで、まず、各気筒２の吸気行程で噴射された一部の燃料が燃焼室４に均一に拡散して希薄な混合気を形成する一方、圧縮行程で噴射された残りの燃料が点火プラグ６の近傍に過濃混合気を形成する。そして、この過濃混合気部分では着火直後の初期燃焼速度は速いものの、酸素が不足しているので、局所的な不完全燃焼によりＣＯが生成しやすい状態になる。一方、その周囲の希薄混合気部分における燃焼は緩慢になり、燃料の一部が燃焼しきらないうちに排出されることで、後燃えにより排気温度が上昇するとともに、ＣＯはますます生成しやすくなる。さらに、燃料噴射の分割によりインジェクタ７の開弁回数が増えると、開弁初期に噴射される粒の粗い燃料液滴の割合が増えるので、このことによっても、ＣＯが生成しやすくなる。
【００６９】
また、インジェクタ７による燃料噴射量が増量されて、燃焼室４の空燃比が略理論空燃比になるように制御されることで、排気中のＣＯやＨＣといった還元剤成分の濃度が高まるとともに、前記の燃料噴射量がＯ2センサ２４からの信号に基づいてフィードバック補正されることで、空燃比がリッチ側とリーン側とに交互に変化するように周期的に変動するので、排気中のＣＯ、ＨＣ、Ｏ2等の濃度は周期的に変動する。このことで、触媒２５に吸着されているＮＯｘへのＣＯ、ＨＣ、Ｏ2等の働きかけが強まり、触媒２５からのＮＯｘの放出が促進される。
【００７０】
より具体的には、触媒２５において、ＮＯｘはバリウム粒子の表面に硝酸塩の形態で吸着されており、この硝酸バリウムＢａ（ＮＯ3）2がＣＯの供給により置換されて、炭酸バリウムＢａＣＯ3と二酸化窒素とが生成すると考えられる。
【００７１】
Ｂａ（ＮＯ3）2＋ＣＯ → ＢａＣＯ3＋ＮＯ2↑ （係数省略）
そして、触媒金属上で二酸化窒素ＮＯ2がＨＣやＣＯ等と反応して還元浄化される。
【００７２】
ＮＯ2 ＋ＨＣ＋ＣＯ−＞Ｎ2 ＋Ｈ2Ｏ＋ＣＯ2 （係数省略）
つまり、触媒２５からＮＯｘが放出されて還元浄化されるので、触媒２５は再び排気中のＮＯｘを十分に吸収できる状態になる（触媒の再生）。
【００７３】
ここで、前記触媒２５は、主にＮＯｘを吸収又は放出する内側触媒層２５ｂの外側に外側触媒層２５ｃを形成した２層コートのものであり、該外側触媒層２５ｃにゼオライトが担持されている。そして、このゼオライトにより排気中のＣＯやＨＣが吸着保持されることで、前記のように放出されたＮＯｘを確実に還元浄化することができる。すなわち、触媒２５からのＮＯｘの放出量が少なくなっても、ＣＯやＨＣを大気中に排出させずに前記ＮＯｘと反応させることができるので、触媒２５に吸収されているＮＯｘの殆どを放出させて、触媒２５を十分に再生させることができる。
【００７４】
また、前記外側触媒層２５ｃにはＰｔ及びロジウムＲｈが担持されているので、比較的低い温度状態（例えば２００〜２５０°Ｃ）でも、ＮＯ2を有効に還元分解することができる。そして、この実施形態のように成層燃焼状態で運転するようにしたエンジン１では、その成層燃焼状態で空燃比が極めてリーンになることから、排気温度がかなり低くなるので、前記の触媒金属の作用によって、比較的低い温度状態でもＮＯ2を有効に還元分解できることは特に有効である。
【００７５】
さらにまた、この実施形態によれば、触媒２５の硫黄被毒によるＮＯｘ除去性能の低下を防止することができる。
【００７６】
具体的に、例えば、エンジン１が車両に搭載されていて、車両の走行距離が数千ｋｍに及んだときには、エンジン１の運転中に触媒２５にＳＯｘが徐々に蓄積されることによりＮＯｘの吸収性能が低下する虞れがある。そこで、図１０のフローに示すように、エンジン１の運転中に硫黄過吸収判定手段によりＳＯｘの吸収過剰状態が判定されて、フラグＦ２がオンになると（図１３参照）、このときに触媒２５が高温状態（例えば４５０°Ｃ以上）になっていれば、前記のＮＯｘ放出制御と同様のＳＯｘ放出制御、即ち燃料の２分割噴射と空燃比の理論空燃比近傍でのフィードバック制御とが行われ、排気中のＣＯ濃度やＨＣ濃度が大幅に増大しかつ周期的に変動することで、触媒２５からのＳＯｘの脱離が促進される。
【００７７】
より具体的には、触媒２５において、ＳＯｘはＮＯｘと同様にバリウム粒子の表面に硫酸塩の形態で吸着されており、この硫酸バリウムＢａＳＯ4がＣＯの供給により置換されて、炭酸バリウムＢａＣＯ3と二酸化硫黄とが生成すると考えられる。
【００７８】
ＢａＳＯ4＋ＣＯ → ＢａＣＯ3＋ＳＯ2↑ （係数省略）
また、ＣＯ濃度が高くなると、このＣＯと排気中の水分Ｈ2Ｏとの間でいわゆる水性ガスシフト反応が進み、これにより、触媒の反応サイトで水素Ｈ2が生成される。
【００７９】
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ → Ｈ2＋ＣＯ2
そして、この水素Ｈ2によりＳＯｘが硫化水素Ｈ2Ｓの形態で脱離されるので、このことによっても、触媒２５からの硫黄成分の脱離が促進される。この水性ガスシフト反応は比較的低温でも進行するものなので、触媒２５の温度状態をあまり高くしなくても、ＳＯｘの脱離を促進することができる。
【００８０】
さらに、前記触媒２５の外側触媒層２５ｃにはゼオライトが担持されており、このゼオライトにより排気中のＨＣが部分酸化されてＨＣＯやＣＯに変わるので、内側触媒層２５ｂのバリウム粒子表面に吸着されているＳＯｘに作用するＣＯの濃度はさらに増大する。
【００８１】
要するに、この実施形態によれば、燃料噴射の分割等によって排気中のＣＯ濃度を高めるとともに、触媒２５そのものの構成により、ＮＯｘ吸収材であるバリウム粒子の表面に作用するＣＯを増大させることができ、このことで、触媒２５の温度状態を過度に高めることなく、その触媒２５からＳＯｘを脱離させることができる。また、このときに燃焼室４の空燃比を理論空燃比よりもリッチ側とリーン側とに周期的に変化させることで、触媒２５の周囲のＣＯ分圧を変動させてその作用を強めることができ、これにより、ＳＯｘの脱離をさらに促進することができる。しかも、空燃比の制御はラムダＯ2センサ２４からの信号に基づいて行われるので、その制御精度は極めて高い。
【００８２】
この結果、触媒２５からＳＯｘを十分に脱離させるのに要する時間、即ちそのためだけに空燃比を略理論空燃比に制御する時間が短縮されるので、燃費の悪化を最小限度に抑えながら、触媒２５を十分に再生してＮＯｘ除去性能を安定確保することができる。
【００８３】
（実施形態２）
図１４及び図１５には、本発明の実施形態２に係るエンジンの排気浄化装置における、ＮＯｘ放出制御及びＳＯｘ脱離制御の手順をそれぞれ示す。この排気浄化装置の全体構成は実施形態１のものと同じなので、実施形態１と同じ構成要素については同一符号を付して、その説明は省略する。そして、この実施形態２の排気浄化装置では、ＮＯｘの放出やＳＯｘの脱離を促進する際に、前記実施形態１のものと同じく燃料を吸気行程と排気行程とに２分割して噴射する一方、Ｏ2センサ２４からの信号に基づくフィードバック補正は行わずに、燃料噴射量の目標値自体を周期的に変動させるいわゆるディザ制御を行うようにしている。
【００８４】
具体的には、まず、図１４に示すフローのステップＳＢ１〜ＳＢ５の各ステップにおいて、前期実施形態１と同じ処理を行う。そして、そのステップＳＢ５で第１タイマ値Ｔ１が予め設定したしきい値Ｔ１0以上になったＹＥＳと判別すれば、ＮＯｘ放出制御を行う期間が経過したと判定してステップＳＢ１１に進む一方、判定がＮＯであれば、ステップＳＢ２０に進み、このステップＳＢ２０〜ＳＢ２６の各ステップにおいて、ディザ制御のための演算を行う。
【００８５】
すなわち、前記ステップＳＢ２０では、燃料噴射量の変動周期をカウントするための初期値０のディザタイマ値Ｔmをインクリメントする（Ｔm＝Ｔm＋１）。続いて、ステップＳＢ２１では、そのディザタイマ値Ｔmを変動周期の半分に対応するように設定したしきい値Ｔm1と比較し、Ｔm＜Ｔm1の間（ステップＳＢ２１でＮＯ）はステップＳＢ２２に進んで、燃料噴射量の補正値τCL，τCTをそれぞれ定数α、βとする。
【００８６】
また、前記ステップＳＢ２１においてＴm≧Ｔm1でＹＥＳと判定されて進んだステップＳＢ２３では、今度はディザタイマ値Ｔmを変動周期に対応するように設定したしきい値Ｔm2と比較する。そして、Ｔm＜Ｔm2の間（ステップＳＢ２３でＮＯ）はステップＳＢ２４に進んで、燃料噴射量の補正値τCL，τCTをそれぞれ定数α、βとする。一方、前記ステップＳＢ２３においてＴm≧Ｔm2でＹＥＳと判定されれば、ステップＳＢ２５に進み、ディザタイマ値Ｔmをリセットする（Ｔm＝０）。
【００８７】
前記ステップＳＢ２２，ＳＢ２４，ＳＢ２５に続いて、ステップＳＢ９では、実施形態１と同様に吸気行程及び圧縮行程噴射パルス幅τL，τTをそれぞれ演算して設定するとともに、それらの噴射時期を改めて設定する。
【００８８】
τL ＝ τL5＋τCL、 Inj_TL ＝ Inj_TL5
τT ＝ τT5＋τCT、 Inj_TT ＝ Inj_TT5
但し、τL5，τT5は、空燃比がＡ/Ｆ＝１５〜１６の範囲の設定値になるように実充填効率ceに応じて求められる値である。
【００８９】
つまり、ＮＯｘ放出制御が始まると、ディザタイマ値ＴmがＴm1だけ変化する毎に、インジェクタ７による吸気行程噴射量がτL5＋αとτL5−αとに交互に変化し、また、圧縮行程噴射量もτT5＋βとτT5−βとに交互に変化するので、燃焼室４の空燃比はＡ/Ｆ＝１５〜１６の範囲で周期的に変動するようになる（図１６参照）。
【００９０】
また、前記図１４に示すＮＯｘ放出制御と同様に、図１５に示すＳＯｘ脱離制御のフローでも、ステップＳＣ１〜ＳＢ７の各ステップにおいて、前期実施形態１と同じ処理を行う。そして、そのステップＳＣ７で第２タイマ値Ｔ２がしきい値Ｔ２0以上になったＹＥＳと判別されれば、ＳＯｘ脱離制御を行う期間が経過したと判定してステップＳＣ１２に進む一方、判定がＮＯであれば、ステップＳＣ２０に進み、このステップＳＣ２０〜ＳＣ２５の各ステップにおいて、ディザ制御のための演算を行う。このディザ制御演算の具体的な手順は前記図１４のステップＳＢ２０〜ＳＢ２５と同じなので、その説明は省略する。
【００９１】
前記図１４のフローに示すステップＳＢ１，ＳＢ２の各ステップにより、触媒２５におけるＮＯｘの吸収量が所定以上多いＮＯｘ吸収過剰状態であることを判定するＮＯｘ過吸収判定手段４０ｄが構成されている。また、ステップＳＢ９によって、前記ＮＯｘ過吸収判定手段４０ｄによりＮＯｘ吸収過剰状態が判定されたとき、排気中の酸素濃度を低下させる酸素低減手段４０ｅが構成されている。そして、この酸素低減手段４０ｅは、燃料噴射量を増量補正して燃焼室４の空燃比を変化させることにより、排気中の酸素濃度を低下させるようにしている。
【００９２】
また、ステップＳＢ２０〜ＳＢ２５の各ステップによって、前記酸素低減手段により排気中の酸素濃度を低下させるときに、排気中のＣＯ濃度やＨＣ濃度を周期的に変動させる濃度変動手段４０ｆが構成されており、この濃度変動手段４０ｆは、インジェクタ７の噴射パルス幅τをディザ制御により強制的に増減させるようになっている。
【００９３】
さらに、この実施形態２においては、実施形態１と同様のＥＧＲ制御を行う際に、図１２に示すフローのステップＳＥ５において、ＥＧＲ量を補正する補正値EGRcの値を正値（γ＞０）としている。つまり、この実施形態２では前記ＮＯｘ放出制御又はＳＯｘ脱離制御の少なくとも一方を行うときに、前記実施形態１とは反対にＥＧＲ量を増大補正するようにしており、このことにより、ディザ制御によって燃焼室４の空燃比をＡ/Ｆ＝１５〜１６の範囲に制御していても、そのことによって燃焼に伴うＮＯｘ生成量が増大することを抑制できる。
【００９４】
したがって、この実施形態２によれば、例えば図１６に示すように、エンジン１は加速運転状態にあるときには実施形態１と同様に、ラムダ＝１分割モードかエンリッチモードで運転され、このときには触媒２５に吸収されているＮＯｘが放出されて還元浄化される。そして、その後しばらくの間、定常運転状態が続いて、触媒２５のＮＯｘ吸収過剰状態が判定されると（フラグＦ１＝１）、図１４のフローに示すようなＮＯｘ放出制御が行われる。すなわち、インジェクタ７により燃料が２分割して噴射されることで、前期実施形態１と同様にして排気中のＣＯ濃度が大幅に高まる。一方、インジェクタ７による燃料噴射量は増量されるが、燃焼室４の空燃比は理論空燃比よりもややリーンな状態（Ａ/Ｆ＝１５〜１６）に制御され、かつ、燃料噴射量のディザ制御により周期的に変動するようになる。
【００９５】
そして、そのように燃料噴射量を増量補正し、排気中の酸素濃度を低下させて還元剤成分であるＣＯやＨＣの濃度を高めるとともに、それらＣＯ、ＨＣ、Ｏ2等の濃度を周期的に変動させることにより、実施形態１の場合よりもやや少ないが、触媒２５からのＮＯｘの放出を促進して、該触媒２５を十分に再生することができる。特に、この実施形態の触媒２５は、主にＮＯｘを吸収又は放出する内側触媒層２５ｂの外側に、ゼオライトを担持した外側触媒層２５ｃを形成したものなので、そのゼオライトにより排気中のＣＯやＨＣを吸着保持して内側触媒層２５ｂに作用させることができ、このことにより、ＮＯｘの放出及び還元浄化を十分に促進することができる。
【００９６】
さらに、前記のように燃焼室４の空燃比を理論空燃比よりもややリーンに制御することで、その分、燃費を低減することができる。つまり、この実施形態２によれば、実施形態１と同様に触媒２５を十分に再生して、ＮＯｘの除去性能を安定確保しながら、その再生のための燃費の悪化をより一層、低減することができる。
【００９７】
【実施例】
次に、具体的に実施した実施例（試験結果）について説明する。
【００９８】
この試験に用いたリーンＮＯｘ触媒は、前記各実施形態のものと同じく２層コートのものであり、内側触媒層には、サポート材としてアルミナとセリアとを用い、これに白金ＰｔとバリウムＢａとを担持させた。また、外側触媒層には、サポート材としてゼオライトを用い、これに白金Ｐｔ及びロジウムＲｈとＢａとを担持させた。そして、前記の触媒を排気量２０００ｃｃの筒内噴射式ガソリンエンジンの排気通路に配設し、排気中の酸素濃度が約７％となるリーンＡ状態（空燃比Ａ/Ｆ＝２２くらい）と、排気中の酸素濃度が略０．５〜略１％となるリーンＢ状態（空燃比Ａ/Ｆ＝１５〜１６くらい）とに交互に、３分毎に切替えて運転して、その運転状態の切替え後に所定時間が経過するまで、触媒下流側でＮＯｘ濃度を積算して、ＮＯｘ除去率を求めた。尚、酸素以外の排気の組成は以下の通りである。
【００９９】
ＨＣ：４０００ppmC （プロピレンＣ3Ｈ6を用いる）
ＮＯ： ２６０ppm
Ｈ2： ６５０ppm
ＣＯ：０．１６％
Ｎ2：残部
図１７（ａ）には、排気温度を変更して、触媒の入り口温度を３５０°Ｃ又は２５０°Ｃのいずれかとした場合について、それぞれ試験結果を示す。同図（ａ）の左側に示すように排気温度が高いときには、リーンＢ状態に対応するＮＯｘ放出還元時のＮＯｘ除去率はマイナスになっており、触媒から放出されるＮＯｘは還元しきれずに、大気中に排出されている。また、このときに触媒から十分にＮＯｘを放出させることができないので、結果的に、リーンＡ状態に対応するＮＯｘ吸収時のＮＯｘ除去率もあまり高くはならない。
【０１００】
これに対し、同図（ａ）の右側に示すように排気温度を低くすると、触媒金属の活性が高まることで、ＮＯｘ放出還元時のＮＯｘ除去率が大幅に向上し、これに伴いＮＯｘ吸収時のＮＯｘ除去率も十分に高くなることが分かる。すなわち、前期実施形態の如く成層燃焼状態で運転されるエンジンにおいては、排気温度が従来よりもかなり低くなることから、触媒の温度状態も低温側にシフトするので、そのことによって、ＮＯｘ除去性能が全体的に高められることが分かる。
【０１０１】
また、同図（ｂ）には、触媒の入り口温度を２５０°Ｃにしたものについて、リーンＢ状態において上述のディザ制御により、燃焼室の空燃比を周期的に変動させたときのＮＯｘ除去性能の向上を示す。すなわち、同図（ｂ）の左側には、リーンＢ状態において燃焼室の空燃比をＡ/Ｆ＝１５〜１６の範囲の一定値になるように制御したときのＮＯｘ除去率（すなわち、前記（ａ）の右側に示した除去率）を示し、一方、（ｂ）の右側には、ディザ制御によって空燃比を周期的に変動させたときのＮＯｘ除去率を示す。同図によれば、ディザ制御によってリーンＢ状態でのＮＯｘ除去率が向上していることが分かる。
【０１０２】
尚、本発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、その他の種々の実施形態を包含するものである。すなわち、前記実施形態２では、酸素低減手段として、インジェクタ７による燃料噴射量を増量補正して、燃焼室４の空燃比を変化させることで、排気中の酸素濃度を低下させるようにしているが、これに限らず、例えば各気筒の排気行程で燃料を噴射することにより、排気中の酸素濃度を低下させたり、ＨＣやＣＯ等の濃度を変動させるようにしてもよい。また、排気通路２２に直接、ＨＣ、ＣＯ、Ｏ2等を供給する手段を設けて、前記各実施形態のように、ＨＣ、ＣＯ、Ｏ2等の濃度を低下させたり、変動させるようにしてもよい。
【０１０３】
また、前記各実施形態では、酸素濃度検出手段としてラムダＯ2センサ２４を用いているが、これに代えて、排気中の酸素濃度が理論空燃比を含む所定範囲内にあるときに、その酸素濃度に対応するリニアな出力が得られるようないわゆるリニアＯ2センサを用いてもよい。
【０１０４】
さらに、前記各実施形態では、インジェクタ７により燃料を、２回に分割して各気筒の吸気行程と圧縮行程とでそれぞれ噴射させるようにしているが、これに限らず、吸気行程のみで２回に分割させるようにしてもよく、また、３回以上に分割させるようにしてもよい。
【０１０５】
【発明の効果】
以上説明した如く、請求項１の発明に係るエンジンの排気浄化装置によれば、エンジンの運転中にＮＯｘ吸収材が硫黄成分の吸収過剰状態であると判定したとき、排気中のＣＯやＨＣといった還元剤成分の濃度や酸素濃度を濃度変動手段により周期的に変動させて、それらＣＯ等のＮＯｘ吸収材への働きかけを強めながら、硫黄脱離手段によりＮＯｘ吸収材から硫黄成分を脱離させることで、ＳＯｘの脱離を促進することができ、よって、燃費の悪化を最小限に抑えながら、ＮＯｘ吸収材を十分に再生して、ＮＯｘ除去性能を安定確保できる。
【０１０６】
その際、燃料を気筒の吸気行程から圧縮行程の間で少なくとも２回に分割して噴射させることで、排気中のＣＯ濃度を高めかつ排気温度も高めることができ、これにより、ＳＯｘの脱離を促進できる。
【０１０７】
請求項２の発明によると、硫黄脱離手段によりＮＯｘ吸収材を所定温度以上に保持することで、ＳＯｘの脱離を促進できる。
【０１０８】
請求項３の発明によると、燃料噴射量の増量補正により、排気中の還元剤成分の濃度を高めて、ＳＯｘの脱離をさらに促進できる。
【０１０９】
請求項４の発明によると、燃焼室の空燃比を制御することで、排気中の還元剤成分等の濃度を周期的に変動させることができる。
【０１１０】
請求項５の発明によると、空燃比をラムダＯ2センサからの信号に基づいてフィードバック制御することで、排気中の還元剤成分等の濃度を高精度に制御でき、燃費も低減できる。
【０１１１】
請求項６の発明によると、空燃比のディザ制御によって、排気中の還元剤成分等の濃度を周期的に変動させることができ、また、空燃比の制御目的値を理論空燃比よりもリーンになるように設定すれば、燃費の低減が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の構成を示す説明図である。
【図２】 本発明の実施形態１に係る排気浄化装置の概略構成図である。
【図３】 空燃比の変化に対するＯ2センサの出力特性を示す図である。
【図４】 触媒の概略構成を示す断面図である。
【図５】 エンジンの成層燃焼モード、λ＝１分割モード及びエンリチモードの各運転領域を設定したマップの一例を示す図である。
【図６】 エンジンの各運転領域における燃料噴射時期を示すタイムチャート図である。
【図７】 エンジン回転数及びアクセル開度に対応するエンジンの目標トルクを設定したマップ（ａ）と、エンジン回転数及び目標トルクに対応するスロットル弁の開度を設定したマップ（ｂ）とをそれぞれ例示する説明図である。
【図８】 基本的な燃料噴射量及び燃料噴射時期の設定手順を示すフローチャート図である。
【図９】 ＮＯｘ放出制御の処理手順を示すフローチャート図である。
【図１０】 ＳＯｘ脱離制御の処理手順を示すフローチャート図である。
【図１１】 吸気行程噴射及び圧縮行程噴射の実行手順を示すフローチャート図である。
【図１２】 ＥＧＲ制御の処理手順を示すフローチャート図である。
【図１３】 エンジン運転中にＮＯｘ放出制御やＳＯｘ脱離制御が行われるときの空燃比の変化を示すタイムチャート図である。
【図１４】 本発明の実施形態２に係る図９相当図である。
【図１５】 実施形態２に係る図１０相当図である。
【図１６】 実施形態２に係る図１３相当図である。
【図１７】 ＮＯｘの放出還元時に空燃比を周期的に変動させることで、ＮＯｘ除去性能が向上することを示したグラフ図である。
【符号の説明】
Ａ エンジンの排気浄化装置
１ エンジン
２ 気筒
４ 燃焼室
７ インジェクタ（燃料噴射弁）
２４ Ｏ2センサ（酸素濃度検出手段）
２５ 触媒（ＮＯｘ吸収材）
２６ ＥＧＲ通路（排気還流手段）
２７ ＥＧＲ弁（排気還流手段）
４０ コントロールユニット（ＥＣＵ）
４０ａ 硫黄過吸収判定手段
４０ｂ 硫黄脱離手段
４０ｃ，４０ｆ 濃度変動手段
４０ｄ ＮＯｘ過吸収判定手段
４０ｅ 酸素低減手段

Claims (6)

1. エンジンの排気通路に配設され、排気中の酸素濃度が高い酸素過剰雰囲気で排気中のＮＯｘ及び硫黄成分を吸収する一方、酸素濃度の低下によって前記吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収材と、
   前記ＮＯｘ吸収材への硫黄成分の吸収過剰状態を判定する硫黄過吸収判定手段と、
   前記硫黄過吸収判定手段により硫黄成分の吸収過剰状態が判定されたとき、前記ＮＯｘ吸収材から硫黄成分を脱離させる硫黄脱離手段と、
   前記硫黄脱離手段によりＮＯｘ吸収材から硫黄成分が脱離されるときに、排気中の還元剤成分の濃度あるいは酸素濃度の少なくとも一方を周期的に変動させる濃度変動手段とを備え、
   前記エンジンには、その気筒内燃焼室に燃料を直接、噴射する燃料噴射弁が設けられ、
   前記硫黄脱離手段が、ＮＯｘ吸収材から硫黄成分を脱離させるときに、前記燃料噴射弁により燃料を気筒の吸気行程から圧縮行程の間で少なくとも２回に分割して噴射させるように構成されていることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
2. 請求項１において、
   硫黄脱離手段は、ＮＯｘ吸収材を所定温度以上に保持するものであることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
3. 請求項１において、
   硫黄脱離手段は、ＮＯｘ吸収材から硫黄成分を脱離させるときに、燃料噴射弁による燃料の噴射量を増量補正するように構成されていることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
4. 請求項１において、
   濃度変動手段は、エンジンの燃焼室の空燃比を理論空燃比近傍で周期的に変動するように制御するものであることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
5. 請求項４において、
   排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段が設けられ、
   濃度変動手段は、燃焼室の空燃比を、理論空燃比よりもリッチ側とリーン側とに交互に変化するように、前記酸素濃度検出手段からの信号に基づいてフィードバック制御するように構成されていることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
6. 請求項４において、
   濃度変動手段は、燃焼室の空燃比をフィードフォワード制御するように構成されている
   ことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。

Images