JP3843847B2 - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の空燃比制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、流入する排気の空燃比がリーンの時にＮＯｘ（窒素酸化物）をトラップし、該空燃比がリッチの時にトラップしたＮＯｘを脱離、浄化するＮＯｘトラップ触媒を備えた内燃機関において、リーン空燃比で運転した後、空燃比をリッチ化してＮＯｘを還元している。
【０００３】
特開２００１−５９４４０号には、前記触媒浄化のための空燃比リッチ化を、燃料の吸気行程での主噴射量を徐々に増量しつつ、該主噴射量の増量開始と同時に膨張行程での副噴射をステップ的に開始することが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、空燃比リッチ化の要求と同時に膨張行程での副噴射をステップ的に開始する方式では、排気通路内に残留した酸素と副噴射された燃料によりアフタバーンが発生しやすく、また、主噴射と副噴射とを合わせた全量での空燃比は矩形状であり、かつ、主噴射に比較して効率の劣る副噴射量を考慮していないため、ＮＯｘの脱離効率が悪く、燃費が悪化する。
【０００５】
なお、ＳＯｘ（硫黄酸化物）をトラップする触媒を備えたものでも、前記ＮＯｘと同様のことがいえる。
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、空燃比リッチ化の要求が生じた場合に、主噴射と副噴射とを適切量かつ適切なタイミングで行うことにより、アフターバーンの発生を防止できるようにした内燃機関の空燃比制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明は、
排気通路に備えられた触媒にトラップされた酸化物を放出するための空燃比リッチ化の要求が発生してから、所定期間は燃料の点火前に供給される主噴射のみでリッチ化するリッチ空燃比運転を行い、前記所定期間経過後前記主噴射と点火後に供給される副噴射とに分割してリッチ化するリッチ空燃比運転を行うことを特徴とする。
【０００７】
請求項１に係る発明によると、
空燃比リッチ化要求発生後、点火前の主噴射によるリッチ化で排気中の余剰酸素を消費してアフターバーン発生を防止した上で、所定期間経過後、主噴射によるリッチ化ではトルク変動限界により制限される不足分を、トルクへの影響が少ない点火後の副噴射を併用することによって補うことができる。なお、空燃比リッチ化要求は、排気通路に触媒を備える場合であれば、例えば、この触媒にトラップされたＮＯｘやＳＯｘを放出すべきときに発生する。
【０００８】
また、請求項２に係る発明は、
前記主噴射によるリッチ度合いをステップ的に大きくすることを特徴とする。
請求項２に係る発明によると、
空燃比のリッチ化が要求されて、リッチ度合いをステップ的に大きくすることが望ましい場合、排気中の余剰酸素を一度に消費するのでアフターバーンを生じやすいが、主噴射によるリッチ化ではトルク変動限界により制限される不足分を、所定期間が経過した後、点火後の副噴射により補うので、必要十分の還元剤をアフターバーンを防止しつつ、ステップ的に確保することができる。
【０００９】
また、請求項３に係る発明は、
前記主噴射によるリッチ度合いを、上限値以下に制限することを特徴とする。
請求項３に係る発明によると、
主噴射によるリッチ度合いを上限値以下に制限することにより、リッチ化によるトルク変動が過大となることを防止でき、運転性を良好に維持することができる。
【００１０】
また、請求項４に係る発明は、
排気通路を備え、前記主噴射によるリッチ度合いを、ステップ的に大きくした後、徐々に小さくすることを特徴とする。
請求項４に係る発明によると、
触媒でトラップされたＮＯｘやＳＯｘの放出特性は、放出開始時の放出量が大きく、その後は放出量が徐々に減少するので、この特性に合わせて主噴射によるリッチ度合いを、ステップ的に大きくした後、徐々に小さくすることにより、リッチ燃料によるＮＯｘやＳＯｘの放出処理効率を十分に高めることができる。
【００１１】
また、請求項５に係る発明は、
前記主噴射によるリッチ度合いを、ステップ的に大きくした後、一定度合いに保持し、その後徐々に小さくすることを特徴とする。
請求項５に係る発明によると、
リッチ化制御の初期に、主噴射によるリッチ度合いを、ステップ的に大きい値で保持してＮＯｘやＳＯｘの放出処理効率を高く維持し、かつ、トルクの増大も抑制しつつ後期ではＮＯｘやＳＯｘの放出量減少に見合うようにリッチ度合いを徐々に小さくすることにより、無駄な燃料噴射を抑制できる。
【００１２】
また、請求項６に係る発明は、
前記副噴射によるリッチ度合いをステップ的に大きくすることを特徴とする。
また、請求項７に係る発明は、
前記副噴射によるリッチ度合いを、ステップ的に大きくした後、徐々に小さくすることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項８に係る発明は、
前記主噴射及び副噴射を合わせた全体のリッチ度合いを、ステップ的に大きくした後、徐々に小さくする略三角波状態とすることを特徴とする。
請求項６〜請求項８に係る発明によると、
副噴射についても主噴射と同様ＮＯｘやＳＯｘの放出特性に見合うように、設定することで、効率よくＮＯｘやＳＯｘを放出させて還元処理することができ、さらには、主噴射及び副噴射を合わせた全体のリッチ度合いを、略三角波状態とすることで、最も効率よく処理することができる。
【００１４】
また、請求項９に係る発明は、
排気通路内の酸素濃度を推定し、所定値を下回ったとき前記所定期間を経過したとして副噴射を開始することを特徴とする。
請求項９に係る発明によると、
推定した酸素濃度が所定値を下回ったときにアフターバーンを発生しないと判断して副噴射を開始させることにより、副噴射を速やかに開始ができる。
【００１５】
また、請求項１０に係る発明は、
前記主噴射の量と機関回転速度とに基づいて排気通路内の酸素濃度を推定することを特徴とする。
請求項１０に係る発明によると、
主噴射の量と機関回転速度とにより、排気通路内の酸素を還元消費できる還元剤（ＣＯ）供給量を求められるため、リッチ化前の酸素量から酸素消費量を減算して酸素濃度を推定することができる。
【００１６】
また、請求項１１に係る発明は、
排気通路に備えられた触媒下流の空燃比を検出し、該空燃比がリッチになったことを検出したときに、前記所定期間を経過したとして副噴射を開始することを特徴とする。
請求項１１に係る発明によると、
空燃比フィードバック制御に使用されるセンサを利用して空燃比のリッチを検出することにより、排気中酸素濃度の減少を検出して副噴射を開始させることができる。
【００１７】
また、請求項１２に係る発明は、
排気温度に相関するパラメータに基づいて前記所定期間を設定することを特徴とする。
また、請求項１３に係る発明は、
排気温度に相関するパラメータが低温を示すほど前記所定期間を短く設定することを特徴とする。
【００１８】
請求項１２及び請求項１３に係る発明によると、
排気温度が高くなるほどアフターバーンを発生しやすくなるので、排気温度に相関するパラメータに基づき設定し、具体的には該パラメータが低温を示すほど前記所定期間を短く設定設定することにより、副噴射を開始させる所定期間を適切に設定することができる。
【００１９】
また、請求項１４に係る発明は、
前記空燃比のリッチ化が要求されるのは、排気通路に備えられた触媒にトラップされたＮＯｘを放出するときであることを特徴とする。
また、請求項１５に係る発明は、
前記空燃比のリッチ化が要求されるのは、排気通路に備えられた触媒にトラップされたＳＯｘを放出するときであることを特徴とする。
【００２０】
請求項１４及び請求項１５に係る発明によると、
ＮＯｘやＳＯｘを触媒から放出させて還元処理するときに、空燃比をリッチ化することにより、これらを処理できる。
また、請求項１６に係る発明は、
前記主噴射は、吸気行程で行われることを特徴とする。
【００２１】
請求項１６に係る発明によると、
点火前の吸気行程で主噴射を行って均質燃焼によるリッチ化が行われる。
また、請求項１７に係る発明は、
前記副噴射は、膨張行程で行われることを特徴とする。
点火後の膨張行程で副噴射が行われる。
【００２２】
また、請求項１８に係る発明は、
前記主噴射によるリッチ度合いを所定度合いに制限し、一部の気筒以外におけるリッチ化の不足分を、該一部の気筒の副噴射で賄うことを特徴とする。
請求項１８に係る発明によると、
一部の気筒のみで主噴射での不足分の全量を賄うように副噴射を行うことにより、該一部の気筒での副噴射量を大きくすることができ、燃料噴射弁の開弁期間−噴射量特性のリニアリティが確保された領域で噴射できるため、良好な噴射量精度を得られＮＯｘやＳＯｘの放出要求量に見合った過不足の無い噴射量を供給することができる。
【００２３】
また、請求項１９に係る発明は、
複数の気筒群を有し、気筒群毎に触媒を備え、各気筒群にそれぞれ前記一部の気筒を設けることを特徴とする。
請求項１９に係る発明によると、
気筒群毎の触媒に対してそれぞれ本発明にかかるリッチ化制御を行うことにより、各触媒からのＮＯｘやＳＯｘの放出、還元処理を十分に遂行することができる。
【００２４】
また、請求項２０に係る発明は、
前記所定期間経過後、最初に副噴射のタイミングを迎える気筒を前記一部の気筒とすることを特徴とする。
請求項２０に係る発明によると、
副噴射が可能となってから、最初の膨張行程となる気筒を、副噴射を行う一部の気筒とすることにより、可能な限り速やかにＮＯｘやＳＯｘの放出、還元処理を遂行できる。
【００２５】
また、請求項２１に係る発明は、
排気通路に備えられた触媒への距離が最も近い気筒を、前記一部の気筒とすることを特徴とする。
請求項２１に係る発明によると、
触媒に最も近い気筒を、副噴射を行う一部の気筒とすることで、副噴射された燃料を速やかに、かつ、排気通路壁への付着による損失を少なく触媒に到達させてＮＯｘやＳＯｘの放出、還元処理を遂行できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明にかかる空燃比制御装置の一実施形態のシステム構成を示す。
内燃機関１は、運転モードを切り換えることで吸気行程噴射または圧縮行程噴射（主噴射）を実施可能な筒内噴射型火花点火ガソリン内燃機関を適用する。この内燃機関１は、理論空燃比（ストイキ）での運転やリッチ空燃比運転、リーン空燃比での運転が可能である。
【００２７】
内燃機関１のシリンダヘッド２には、気筒毎に点火栓３、燃料噴射弁４が取り付けられる。前記燃料噴射弁４の上流には燃料ポンプ５が接続され、該燃料ポンプ５から吐出された燃料が燃料噴射弁４から燃焼室内に向けて任意の燃圧で直接噴射可能となっている。燃料噴射量は前記燃料ポンプ５の燃料吐出圧と燃料噴射弁４の開弁時間とで決定される。
【００２８】
前記シリンダヘッド２には、気筒毎に吸気ポート６が形成され、該吸気ポート６と連通して吸気マニホールド７が接続される。該吸気マニホールド７の上流に接続される吸気管２０には、上流側からエアクリーナ２１、吸入空気量を検出するエアフローメータ２２、吸入空気量を制御する電子制御式のスロットル弁２３が配設され、前記スロットル弁２３には該スロットル弁の開度を検出するスロットルセンサ２４が装着されている。また、前記シリンダヘッド２の反対側には、気筒毎に排気ポート８が形成され、該排気ポート８と連通して排気マニホールド９が接続される。シリンダブロック２５には、機関冷却水温度を検出する水温センサ２６、機関回転速度Ｎｅ等を検出するためのクランク角センサ２７が配設されている。
【００２９】
前記吸気マニホールド７と排気マニホールド９の間に、ＥＧＲ通路１０が接続され、該ＥＧＲ通路１０に介装されたＥＧＲ弁１１の開度を運転条件に応じて制御することにより、ＥＧＲ（排気還流）量が制御される。
排気マニホールド９には、排気中の酸素量に基づいて燃焼室内の空燃比を検出する空燃比センサ１２が設けられ、その下流側に三元触媒１３が介装され、その下流側に接続された排気管１４にＮＯｘトラップ触媒１５が介装される。前記三元触媒１３は流入する排気の空燃比がストイキのときにＨＣ，ＣＯを酸化すると共にＮＯｘを還元して浄化する機能を有する。前記ＮＯｘトラップ触媒１５は、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘをトラップするとともに、流入する排気の空燃比がストイキまたはリッチのときに、ＮＯｘを放出、還元するもので、典型的には、白金（Ｐｔ）等の貴金属とＮＯｘトラップ剤とを担持した基材のコート層をハニカム担体上に形成したものである。上記ＮＯｘトラップ剤は、セシウム（Ｃｓ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、リチウム（Ｌｉ）等のアルカリ金属、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）等のアルカリ土類、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）等の希土類から選ばれた少なくとも１つを含んでいる。
【００３０】
さらに、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えたＣ／Ｕ（コントロールユニット）１６が設置されている。このＣ／Ｕ１６により、内燃機関を含めた本発明に関わる排気浄化装置の総合的な制御が行われる。
Ｃ／Ｕ６の入力側には、前記各種センサからの検出情報が入力され、出力側には、燃料噴射弁４や点火栓５等が接続されており、各種センサからの検出情報に基づき演算された燃料噴射量や点火時期等の値が出力される。
【００３１】
次に、本発明に関わる排気浄化装置の作用について説明する。なお、ここでは、内燃機関の圧縮行程で主噴射を行い、かつ、リーン空燃比運転している場合を例に説明を行う。
リーン空燃比で運転を行うときの酸化雰囲気の場合、ＮＯｘトラップ触媒１５は、ＮＯｘをトラップするが飽和量に近づくとＮＯｘトラップ量が低下するため、トラップしたＮＯｘを放出、還元して除去する必要がある。そこで、ＮＯｘトラップ触媒を有した排気浄化装置では、例えば、予め設定された所定周期で目標空燃比を小さくして所定期間リッチ空燃比運転を行い（以下リッチスパイクという）、これにより、ＮＯｘトラップ触媒内に還元雰囲気を強制的に作り、トラップしたＮＯｘを脱離、還元するようにしている。
【００３２】
本発明では上記の制御を前提として空燃比のリッチ化を下記方法で行う。
第１の実施形態では、ＮＯｘ処理のための燃料増量分を算出し、トルク変動の無いレベルあるいは運転上許容できるレベルまで主噴射である吸気行程での燃料噴射量を増量する。
主噴射増量を開始してから、排気管の酸素濃度が所定値以下に低下するまで一定時間この状態を保持する。
【００３３】
前記一定時間経過後、トルク変動を回避するために増量できなかった燃料を副噴射である膨張行程での燃料噴射で補う。
該第１の実施形態のリッチスパイク制御を、図２のフローチャートに従って図３のタイムチャートを参照しつつ説明する。
ステップ１では、機関の回転速度、負荷（アクセル開度等）などの運転状態検出値を読み込む。
【００３４】
ステップ２では、前記運転状態検出値に基づいて目標空燃比を算出する。ここでの目標空燃比には、後述するリッチスパイク時であっても燃料増量分を含めない燃料噴射量に対応して設定される。
ステップ３では、前記目標空燃比に応じた燃料噴射量を算出する。この燃料噴射量は、点火前の吸気行程（または圧縮行程）で噴射される主噴射量ＴＰ１である。
【００３５】
ステップ４では、燃焼切換フラグの値に基づいて、成層燃焼（リーン燃焼）からストイキ燃焼（またはリッチ燃焼、以下ストイキ燃焼で代表する）へ切り換わったかを判定する。
ストイキ燃焼へ切り換わったと判定されたとき（図３のａ参照）は、所定期間リッチスパイク制御を行うため、ステップ５で、ＮＯｘの脱離・還元に必要な主噴射の増量分要求値ＴＰ２０を算出する。ここで、ＮＯｘトラップ触媒内にトラップされたＮＯｘの還元効率は、始めほど大きく次第に減少していくので、この特性に合わせて増量分要求値ＴＰ２０も初期値をステップ的に増大させ、時間と共に減少するように三角形状に設定する（図３のｂ参照）。
【００３６】
ステップ６では、点火前に噴射される主噴射による増量は、燃焼に供せられるためトルクアップ（変動）を生じるので、許容できるトルク変動限界に相当する主噴射増量分であるトルク変動許容増量限界ＴＰ２１（図３のｃ参照）を算出する。
ステップ７では、ステップ５で算出した主噴射の増量分要求値ＴＰ２０が、ステップ６で算出したトルク変動限界ＴＰ２１以下であるかを判定する。
【００３７】
ステップ７で、ＴＰ２０≦ＴＰ２１と判定されたときは、要求値ＴＰ２０どおりの主噴射増量を行ってもトルク変動を限界内に収められるので、ステップ８で、前記主噴射量ＴＰ１に増量要求値ＴＰ２０を増量した燃料噴射量で主噴射を行う。この場合、点火後の副噴射は行わない。
一方、ステップ７で増量分要求値ＴＰ２０が、トルク変動限界ＴＰ２１を超えていると判定されたときは、ステップ９で主噴射の増量分をトルク変動限界ＴＰ２１に設定する。
ステップ１０では、該トルク変動限界ＴＰ２１に増量分を抑えたことによる増量不足分ＴＰ２２をＴＰ２０からＴＰ２１を減算して算出した後、前記主噴射での増量不足分ＴＰ２２を、膨張行程での副噴射で賄うための副噴射量ＴＰ３を算出する。
【００３８】
主噴射の場合は主として燃焼により生成されたＣＯによりＮＯｘを還元するのに対し、点火後の膨張行程での副噴射の場合は燃焼に寄与できなかったＨＣ（未燃燃料）の割合が増え、このＨＣでＮＯｘを還元するため、主噴射に比較して還元効率が劣る。
【００３９】
そこで次式のように、前記主噴射の増量不足分ＴＰ２２に、前記ＮＯｘ還元効率の低下に見合った係数Ｋ（＞１、例えば、Ｋ＝ＣＯによるＮＯｘ還元効率／ＨＣによるＮＯｘ還元効率）を乗じることにより、副噴射量ＴＰ３を算出する。なお、増量不足分ＴＰ２２が時間と共に減少する三角形状になるので、副噴射量ＴＰ３も三角形状となる（図３のｄ参照）。
【００４０】
ＴＰ３＝ＴＰ２２×Ｋ
ステップ１１で前記副噴射開始のディレイ時間ｔｄが経過したかを判定し、経過前は、このルーチンを終了し主噴射のみを行うが、経過後はステップ１２で前記吸気行程での主噴射の後、膨張行程で前記算出したＴＰ３の燃料を副噴射する。
【００４１】
前記副噴射の開始を遅らせるのは、副噴射されたＨＣ（未燃燃料）がＮＯｘ還元に使用される前に、燃焼切換前のリーン燃焼時に排気管内に溜まった過剰な酸素と反応してアフターバーンを発生するのを防止するためであり、主噴射増量分ＴＰ２１により生じるＣＯで前記排気管内の過剰酸素分が消費される（図３のｅ参照）のを待って副噴射を開始させるのである。
【００４２】
このようにすれば、ＮＯｘ還元効率の高い主噴射による増量でトルク変動を許容値内に抑え、かつ、アフターバーンの発生も回避しつつ、要求値に対する不足分を副噴射で賄うことにより、ＮＯｘトラップ触媒でトラップされたＮＯｘを十分に脱離・還元処理することができ、この間のＮＯｘ排出を効果的に抑制できる（図３のｆ参照）。
【００４３】
本実施形態では、前記アフターバーン防止のためのディレイ時間ｔｄを固定値に設定し、その場合、排気管内に残存する酸素量が多い場合でも確実にアフターバーンを回避できるように大きめの値に設定する必要がある。
そこで、第２の実施形態では、排気管内の残存酸素量を推定しつつ、該酸素量が所定値以下に減少したときに副噴射を開始するようにする。
【００４４】
図４は、第２の実施形態におけるリッチスパイク制御のフローチャートを示す。第１の実施形態を示す図２のステップ１１でのディレイ時間経過判定に代えて、ステップ１１’で副噴射許可判定を行う。該副噴射許可判定は、副噴射許可フラグの値で判別し、１のときはステップ１２で副噴射を行い、０のときは副噴射を停止する。
【００４５】
図５は、上記副噴射許可フラグの値を設定するサブルーチンのフローチャートである。
ステップ２１では、機関回転速度Ｎｅを読み込む。
ステップ２２では、前記主噴射増量分ＴＰ２１による排気管内酸素消費量Ｏ２ｄを次式により算出する。
【００４６】
Ｏ２ｄ＝ＴＰ２１×Ｎｅ×Ａ
ここで、係数Ａは酸素の消費効率に応じた値であり、単位時間あたりに増量される燃料量（ＴＰ２１×Ｎｅ）に比例した値として、単位時間あたり酸素消費量Ｏ２ｄが算出される。
ステップ２３では、リッチスパイク制御つまり主噴射増量開始後に消費される排気管内酸素量の総量Ｏ２ｄｔを、前記単位時間あたり酸素消費量Ｏ２ｄを積算することにより、次式のように算出する。
【００４７】
Ｏ２ｄｔ＝Ｏ２ｄｔ（前回値）＋Ｏ２ｄ
ステップ２４では、リッチスパイク制御開始時にそれまでのリーン燃焼によって排気管内に残存していた酸素量の初期値Ｏ２ｓを読み込む。直前のリーン燃焼におけるリーン空燃比は、一定である場合が多いので、そのときは予め算出された初期値Ｏ２ｓを読み込めばよいが、リーン空燃比が可変となる場合は該リーン空燃比に応じて可変に算出（マップ参照等）すればよい。
【００４８】
ステップ２５では、前記酸素量の初期値Ｏ２ｓから前記消費酸素量の総量Ｏ２ｄｔを減算することにより、現在の排気管内酸素量Ｏ２ｒを算出する（次式参照）。
Ｏ２ｒ＝Ｏ２ｓ−Ｏ２ｄｔ
ステップ２６では、前記排気管内酸素量Ｏ２ｒが副噴射を開始してもアフターバーンを発生しない許容値Ｂ以下に減少したかを判定する。
【００４９】
ステップ２６で排気管内酸素量Ｏ２ｒが許容値Ｂ以下に減少したと判定されたときは、ステップ２７で副噴射許可フラグＦＴＰ３を１にセットし、まだ許容値Ｂを超えていると判定されたときは、ステップ２８で副噴射許可フラグＦＴＰ３を０に維持する。
このようにすれば、排気管内に残存する酸素量を推定しつつ副噴射を開始させるため、ディレイ時間を一定の大きめに設定する場合に比較して副噴射の開始を早めることができ、燃費、排気エミッションをより改善できる。
【００５０】
上記第２の実施形態では、排気管内酸素量のみで副噴射の開始時期を決定したが、アフターバーンは排気温度が高いほど発生しやすくなる。したがって、排気温度が最も高温となる場合を想定して許容値Ｂを設定する必要があり、排気温度が低温であるときには副噴射開始が必要以上に遅れる。
そこで、第３の実施形態では、排気温度も考慮して副噴射の開始時期を決定する。
【００５１】
第３の実施形態におけるリッチスパイク制御のフローチャート（メインルーチン）は、第２の実施形態の図４と同一であり、前記副噴射許可フラグの値を設定するサブルーチンのフローチャートを図６に示す。図６は、図５と一部異なる。すなわち、ステップ２１〜ステップ２５は同一であり、ステップ３１で、センサにより検出されまたは機関運転状態に基づいて推定された排気温度ＴＥＭＰを読み込み、ステップ３２で該排気温度ＴＥＭＰに基づいて図示のように、設定された特性マップから残存酸素量の許容値Ｂを参照する。ここで、排気温度が高いときほどアフターバーンを発生しやすいので、許容値Ｂが小さい値に設定されている。以下第２の実施形態と同様に、ステップ２６〜２８で現在の排気管内酸素量Ｏ２ｒと前記許容値Ｂとを比較しつつ副噴射許可フラグＦＴＰ３の値をセットする。
【００５２】
第４の実施形態は、三元触媒上流の空燃比センサ１２の検出値に基づいて上記副噴射許可フラグＦＴＰ３の値をセットするものであり、リッチスパイク制御のフローチャート（メインルーチン）は、第２の実施形態の図４と同一である。
図７に示す副噴射許可フラグの値を設定するサブルーチンのフローチャートにおいて、ステップ４１で空燃比センサの検出値を読み込み、ステップ４２で該検出値がリッチに反転したかを判定し、リッチに反転したと判定されたときに、ステップ４３で副噴射許可フラグＦＴＰ３の値を１にセットし、それ以外のときは０に維持する。
【００５３】
このように、空燃比フィードバック制御に用いられる空燃比センサを利用して簡易に排気管内酸素量が低下したことを検出して、副噴射を開始させることができる。
第５の実施形態は、排気温度のみを用いて副噴射の開始時期を決定するものであり、リッチスパイク制御のフローチャート（メインルーチン）は、第１の実施形態の図２と同一である。
【００５４】
図８に示す副噴射許可フラグの値を設定するサブルーチンのフローチャートにおいて、ステップ５１で機関回転速度、負荷を読み込み、ステップ５２でこれら機関回転速度、負荷に基づいて検出される運転状態に基づいて、排気管内の排気温度ＴＥＭＰを推定し、ステップ５３で副噴射開始のディレイ時間ｔｄｅを前記排気温度ＴＥＭＰに基づいてマップ参照等により算出する。上述のように排気温度が高いときほどアフターバーンを発生しやすいので、ディレイ時間ｔｄｅが大きい値に算出される。
【００５５】
以上の実施形態では、全気筒で副噴射を行うものを示したが、主噴射の不足分を賄うだけの副噴射量は少量であるため、全気筒に分割して副噴射を行うと気筒あたりの副噴射量はさらに少量となり、図９の燃料噴射弁の噴射量ばらつきが大きい小噴射量領域が使用されることにより、噴射量誤差が増大する。
そこで、以下の実施形態では、一部の気筒のみで副噴射を行うようにして噴射量誤差を抑制するようにしたものを示す。
【００５６】
図１０は、第６の実施形態におけるリッチスパイク制御のフローチャートを示す。ステップ１〜ステップ１０’までは図２と同様であるが、ステップ１０’で算出される副噴射量ＴＰ３’は、次式のように算出され、第１〜第５の実施形態のように各気筒で副噴射を行う場合に設定される気筒毎の副噴射量ＴＰ３に気筒数を乗じた値となる。
【００５７】
ＴＰ３’＝ＴＰ２２（主噴射の増量不足分）×Ｋ×気筒数
ステップ１１で副噴射開始ディレイ時間が経過したことを判定した後（または第２〜第４の実施形態のように副噴射許可判定された後）、ステップ６１で副噴射を行う気筒を特定し、ステップ６２で該特定気筒のみで前記副噴射量ＴＰ３’分の副噴射を行う。
【００５８】
図１１は、前記ステップ６１で副噴射を行う気筒を特定するサブルーチンのフローチャートを示す。
ステップ７１では、前記クランク角センサ２７からの信号を入力する。
ステップ７２では、前記クランク角センサ２７からの信号に基づいて、前記副噴射開始ディレイ時間が経過したことを判定した直後（または第２〜第４の実施形態のように副噴射許可判定された直後）の時点において、次に膨張行程となる気筒を、副噴射を行う気筒として特定する。
【００５９】
図１２は、本実施形態を直列４気筒機関に適用したときの副噴射を行う気筒が特定されて副噴射が開始されるときの様子を示し、図１３は、同じくリッチスパイク制御開始から終了までの様子を示す。
このように、特定気筒のみで副噴射を行うことにより、該特定気筒での副噴射量を大きくすることができ、図９に示された燃料噴射弁の開弁期間−噴射量特性のリニアリティが確保された領域で噴射できるため、良好な噴射量精度を得られＮＯｘ脱離要求量に見合った過不足の無い噴射量を供給することができる。また、副噴射が可能となってから、最初の膨張行程となる気筒を、副噴射を行う特定気筒とすることにより、可能な限り速やかにＮＯｘの脱離還元処理を遂行できる。
【００６０】
次に、一部の気筒のみで副噴射を行う別の実施形態（第７の実施形態）について説明する。
本実施形態は、気筒群毎に副噴射を行う特定気筒を有し、また、触媒に最も近い気筒を特定気筒とするものであり、Ｖ型内燃機関に適用したものを示す。
図１４は、本実施形態のシステムにおける触媒と気筒の位置関係を示す。図において、Ｖ型６気筒内燃機関１’は、左右のバンクに接続された排気マニホールド３１，３２のそれぞれの下流部分に、三元触媒３３，３４及びその下流側にＮＯｘトラップ触媒３５，３６が配設されている。
【００６１】
左バンクの気筒群（♯１，♯３，♯５）において、触媒に最も近い気筒は♯５気筒であるので、該気筒群の特定気筒を♯５気筒とし、右バンクの気筒群（♯２，♯４，♯６）において、触媒に最も近い気筒は♯６気筒であるので、該気筒群の特定気筒を♯６気筒とする。
本実施形態におけるリッチスパイク制御のフローチャートは、第６の実施形態の図１０と同様である。副噴射を行う特定気筒は上記のように決まっており、これらの気筒の膨張行程で副噴射を行う。
【００６２】
このようにすれば、気筒群毎の触媒に対してそれぞれ本発明にかかるリッチスパイク制御を実施でき、また、Ｖ型内燃機関では触媒からの距離が気筒間で大きく異なるので触媒に最も近い気筒を特定気筒とすることで、副噴射された燃料を速やかに、かつ、排気通路壁への付着による損失を少なく触媒に到達させてＮＯｘの脱離還元処理を遂行できる。
【００６３】
なお、高速時など副噴射が可能となってから最初の膨張行程となる気筒で副噴射を行う方が先に触媒に到達するような場合は、当該気筒を特定気筒とし、そうでない場合は触媒に近い気筒を特定気筒とするように、運転状態によって特定気筒を切り換えるようにしてもよい。
また、以上示した実施形態ではリッチスパイク制御中は、特定気筒を固定とするが、可変とすることもできる。例えば、副噴射の効果が大きい最初に副噴射される気筒については、前記実施形態同様に特定気筒を設定するが、２回目以降は気筒数とは異なる数の膨張行程毎に特定気筒を設定するようにしてもよい。例えば、４気筒機関で３気筒毎に副噴射を行わせて副噴射のサイクルを早めたり、逆に、５気筒毎に副噴射を行わせて最初の副噴射量をより大きくしたりするようにしてもよい。
【００６４】
さらに、以上の実施形態ではＮＯｘトラップ触媒でトラップしたＮＯｘを、空燃比リッチ化により放出させて還元処理するものを示したが、ＳＯｘをトラップする触媒を備え、該触媒でトラップしたＳＯｘを、空燃比リッチ化により放出させて還元処理するものにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態のシステム構成を示す図
【図２】 第1の実施形態におけるリッチスパイク制御のフローチャート
【図３】 上記リッチスパイク制御中の様子を示すタイムチャート
【図４】 第２の実施形態におけるリッチスパイク制御のメインルーチンのフローチャート
【図５】 同上リッチスパイク制御における副噴射許可フラグの設定ルーチンのフローチャート
【図６】 第３の実施形態における副噴射許可フラグの設定ルーチンのフローチャート
【図７】 第４の実施形態における副噴射許可フラグの設定ルーチンのフローチャート
【図８】 第５の実施形態におけるディレイ時間の設定ルーチンのフローチャート
【図９】 燃料噴射弁の噴射量特性を示す図
【図１０】 第６の実施形態におけるリッチスパイク制御のメインルーチンのフローチャート
【図１１】 同上リッチスパイク制御における副噴射を行う気筒を特定するルーチンのフローチャート
【図１２】 第６の実施形態のリッチスパイク制御中の副噴射開始時の様子を示すタイムチャート
【図１３】 第６の実施形態のリッチスパイク制御時の様子を示すタイムチャート
【図１４】 第７の実施形態における触媒と各気筒の位置関係を示した平面図
【符号の説明】
１ 内燃機関
１’ Ｖ型内燃機関
４ 燃料噴射弁
９ 排気マニホールド
１３ 三元触媒
１５ ＮＯｘトラップ触媒
１６ コントロールユニット
２２ エアフローメータ
２６ 水温センサ
２７ クランク角センサ
３３，３４ 三元触媒
３５，３６ ＮＯｘトラップ触媒

Claims (21)

1. 排気通路に備えられた触媒にトラップされた酸化物を放出するための空燃比リッチ化の要求が発生してから、所定期間は燃料の点火前に供給される主噴射のみでリッチ化するリッチ空燃比運転を行い、前記所定期間経過後前記主噴射と点火後に供給される副噴射とに分割してリッチ化するリッチ空燃比運転を行うことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
2. 前記主噴射によるリッチ度合いをステップ的に大きくすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
3. 前記主噴射によるリッチ度合いを、上限値以下に制限することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
4. 排気通路に触媒を備え、前記主噴射によるリッチ度合いを、ステップ的に大きくした後、徐々に小さくすることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
5. 前記主噴射によるリッチ度合いを、ステップ的に大きくした後、一定度合いに保持し、その後徐々に小さくすることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
6. 前記副噴射によるリッチ度合いをステップ的に大きくすることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
7. 前記副噴射によるリッチ度合いを、ステップ的に大きくした後、徐々に小さくすることを特徴とする請求項４〜請求項６のいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
8. 前記主噴射及び副噴射を合わせた全体のリッチ度合いを、ステップ的に大きくした後、徐々に小さくする略三角波状態とすることを特徴とする請求項４〜請求項７のいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
9. 排気通路内の酸素濃度を推定し、所定値を下回ったとき前記所定期間を経過したとして副噴射を開始することを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
10. 前記主噴射の量と機関回転速度とに基づいて排気通路内の酸素濃度を推定することを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
11. 排気通路に備えられた触媒下流の空燃比を検出し、該空燃比がリッチになったことを検出したときに、前記所定期間を経過したとして副噴射を開始することを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
12. 排気温度に相関するパラメータに基づいて前記所定期間を設定することを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
13. 排気温度に相関するパラメータが低温を示すほど前記所定期間を短く設定することを特徴とする請求項１１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
14. 前記空燃比のリッチ化が要求されるのは、排気通路に備えられた触媒にトラップされたＮＯｘを放出するときであることを特徴とする請求項１〜請求項１３のいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
15. 前記空燃比のリッチ化が要求されるのは、排気通路に備えられた触媒にトラップされたＳＯｘを放出するときであることを特徴とする請求項１〜請求項１３のいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
16. 前記主噴射は、吸気行程で行われることを特徴とする請求項１〜請求項１５のいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
17. 前記副噴射は、膨張行程で行われることを特徴とする請求項１〜請求項１６のいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
18. 前記主噴射によるリッチ度合いを所定度合いに制限し、一部の気筒以外におけるリッチ化の不足分を、該一部の気筒の副噴射で賄うことを特徴とする請求項１〜請求項１７のいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
19. 複数の気筒群を有し、気筒群毎に触媒を備え、各気筒群にそれぞれ前記一部の気筒を設けることを特徴とする請求項１８に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
20. 前記所定期間経過後、最初に副噴射のタイミングを迎える気筒を前記一部の気筒とすることを特徴とする請求項１８または請求項１９に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
21. 排気通路に備えられた触媒への距離が最も近い気筒を、前記一部の気筒とすることを特徴とする請求項１８〜請求項２０のいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。

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