JP4110662B2 - 火花点火式直噴エンジンの制御装置 - Google Patents
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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の排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸収するＮＯｘ吸収触媒を配設して、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火花点火式直噴エンジンの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種のエンジンの制御に関して、エンジンが低負荷域にあるときに燃焼室の空燃比を所定のリーン状態（例えばＡ/Ｆ≧２０）になるように制御して、燃費低減を図るとともに、このときに酸素過剰雰囲気になる排気中のＮＯｘをＮＯｘ吸収触媒により吸収除去する一方、そのＮＯｘ吸収触媒のＮＯｘ吸収量が過剰になって吸収性能が低下する前に、エンジンの燃焼室の空燃比を強制的に略理論空燃比かそれよりもリッチな状態に切替えて、前記ＮＯｘ吸収触媒からＮＯｘを放出させる（以下、触媒のリフレッシュともいう）という制御の技術が知られている。
【０００３】
また、特開平１０−２７４０８５号公報に開示されるものでは、前記のようなＮＯｘ吸収触媒が酸素過剰雰囲気の排気中のＮＯｘを酸化させて硝酸塩として吸収する一方、酸素濃度が低下すると、吸収した硝酸塩を排気中の一酸化炭素（ＣＯ）と置換反応させてＮＯｘを放出するという特性を有することに着目し、ＮＯｘ吸収触媒からＮＯｘを放出させるときには、排気中の酸素濃度を低下させるとともに、気筒の膨張行程や排気行程で追加の燃料を噴射して再燃焼させることにより、排気中のＣＯ濃度を高めて、ＮＯｘの放出及び還元浄化を促進するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記従来の制御装置によれば、排気中の酸素濃度を低下させたり、ＣＯ濃度を高めたりすることはできても、ＮＯｘ吸収触媒を流通する排気流量そのものが少ないため、触媒のリフレッシュを十分に促進することができないという不具合がある。すなわち、一般的な車載エンジンの場合、例えば燃焼室の空燃比がリーンな状態になっている低負荷域で、ＮＯｘ吸収触媒のリフレッシュのために空燃比を強制的にリッチ側に変更するときには、エンジン出力の増大を抑えるためにスロットル弁を閉じて、吸入空気量を減少させる必要があるので、排気流量はかなり少なくなる。
【０００５】
また、我が国の一般的な交通事情を考慮すれば、車載エンジンが中高負荷以上の運転状態になる時間は短いので、このときにはスロットル弁の開度は十分に大きくなるものの、エンジン回転数はあまり高くはならず、結局、触媒に流通する排気量は多くはならない。
【０００６】
つまり、前記従来の制御装置を車載エンジンに適用した場合、エンジンの運転中に燃焼室の空燃比をリッチな状態にしかつ排気流量を十分に確保することができないため、触媒のリフレッシュを有効に促進するためには、リフレッシュ頻度を高めたり、リフレッシュ時の空燃比を余計にリッチな状態に制御したりせざるを得ず、このことが燃費悪化を招くという不具合がある。
【０００７】
また、前記従来例（特開平１０−２７４０８５号公報）の制御装置のように、気筒の膨張行程や排気行程で追加の燃料を噴射するようにしたものでは、この追加の燃料がエンジンの出力に殆ど寄与しないので、燃費が大幅に悪化する虞れがある。
【０００８】
本発明は斯かる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、ＮＯｘ吸収触媒のリフレッシュ時に排気流量そのものを十分に確保することの重要性に着目し、エンジンの燃焼室の空燃比をリーン状態からリッチ状態へ切替えるときの制御手順に工夫を凝らして、燃費の悪化を抑えつつ、触媒のリフレッシュを促進できるようにすることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成すべく、この発明の第１の解決手段では、ＮＯｘ吸収触媒のリフレッシュのためにエンジンの燃焼室の空燃比をリーン状態からリッチ状態へ切替えるときには、エンジンの燃焼室の吸気充填量を通常よりもゆっくりと減少させるようにした。
【００１０】
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の気筒内燃焼室４に燃料を直接、噴射供給する燃料噴射弁７と、前記燃焼室４に連通する排気通路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ＮＯｘ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吸収触媒２５と、エンジン１の運転状態に応じて前記燃焼室４の空燃比を、空気過剰率が１．３以上のリーン状態又はそれよりもリッチなリッチ状態のいずれかになるように切替えて制御するとともに、前記ＮＯｘ吸収触媒２５からＮＯｘを放出させるときには、前記燃焼室４の空燃比を強制的にリッチ状態に切替える空燃比制御手段４０ａとを備えた火花点火式直噴エンジンの制御装置Ａを前提とする。
【００１１】
そして、前記燃焼室４の吸気充填量を調整する充填量調整手段１３が設けられ、前記空燃比制御手段４０ａは、前記燃焼室４の空燃比がリーン状態からリッチ状態に切替えられるときに、燃焼室４の吸気充填量が減少するように前記充填量調整手段１３を制御する充填量制御手段４０ｂを有し、該充填量制御手段４０ｂは、前記空燃比制御手段４０ａにより燃焼室４の空燃比が強制的にリッチ状態に切替えられるときには、前記充填量調整手段１３の作動を遅延させるとともに、エンジンの燃焼室の空気過剰率λが１．１＜λ＜１．３のときの充填量調整手段の作動を、λ＜１．１のときよりも速くなるように制御する ものとする。
【００１２】
前記の構成により、エンジン１の燃焼室４の空燃比が該エンジン１の運転状態に応じてリーン状態からリッチ状態に切替えられるときには、充填量制御手段４０ｂにより充填量調整手段１３が制御されて、燃焼室４の吸気充填量が速やかに減らされるので、空燃比の切替えに伴うエンジン出力の変動が抑えられる。一方、ＮＯｘ吸収触媒２５のリフレッシュのために空燃比を強制的にリッチ状態に切替えるときには、前記充填量調整手段１３の作動が遅延されるので、燃焼室４の空燃比は吸気充填量があまり減少しないうちにリッチ状態に切替えられて、一時的に排気中の酸素濃度が低くかつ排気流量の多い状態が作り出される。このことで、ＮＯｘ吸収触媒からのＮＯｘの放出が有効に促進される。
【００１３】
つまり、エンジン１がリーン運転状態からリッチ運転状態へ切替わる過渡的状態を利用して、触媒のリフレッシュを有効に促進することができるので、その分、触媒リフレッシュの頻度を減らしたり、期間を短縮することができ、よって、燃費の悪化を抑えつつ、触媒のリフレッシュを促進することができる。
【００１４】
しかも、エンジンの燃焼室の空気過剰率λが１．１＜λ＜１．３のときの充填量調整手段の作動を、λ＜１．１のときよりも速くなるように制御するようにしているので、当該充填量調整手段の作動はエンジンの燃焼室の空気過剰率λがλ＞１．１のときに相対的に速くされることになり、燃焼室がＮＯｘ生成の盛んな状態になることを回避できる。また、燃料の増量補正や点火時期の遅角補正に伴う燃費悪化が軽減される。
【００１５】
次に、この発明の第２の解決手段では、エンジンを成層燃焼状態と均一燃焼状態とに切替えて運転する場合に、成層燃焼状態ではエンジンの燃焼室の吸気充填量がかなり多くなることに着目して、加速運転に伴い成層燃焼状態から均一燃焼状態へ移行するときに、エンジンの燃焼室の吸気充填量を通常よりもゆっくりと減少させることにより、排気流量を十分に確保して触媒のリフレッシュを促すようにした。
【００１６】
具体的に、請求項２の発明では、エンジンの気筒内燃焼室に燃料を直接、噴射供給する燃料噴射弁と、前記燃焼室に連通する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ＮＯｘ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吸収触媒と、前記燃料噴射弁により燃料を、エンジンが所定の低負荷領域にあるときに成層燃焼状態になるように気筒の圧縮行程で噴射させる一方、前記低負荷域よりも高負荷側では均一燃焼状態になるように気筒の吸気行程で噴射させる噴射時期制御手段とを備えた火花点火式直噴エンジンの制御装置を前提とする。
【００１７】
そして、前記燃焼室の吸気充填量を調整する充填量調整手段と、エンジンの燃焼室の空燃比を、前記成層燃焼状態では空気過剰率が１．３以上のリーン状態になるように制御する一方、均一燃焼状態では空気過剰率が１以下のリッチ状態になるように切替えて制御する空燃比制御手段と、エンジンが加速運転状態になって、前記成層燃焼状態の運転領域から均一燃焼状態の運転領域における少なくとも中負荷中回転の領域に移行するときに、前記ＮＯｘ吸収触媒からのＮＯｘ放出を促進する状態にある、と判定する判定手段とを設け、前記空燃比制御手段は、エンジンが前記成層燃焼状態から均一燃焼状態に移行するときに、燃焼室の吸気充填量が減少するように前記充填量調整手段を制御する充填量制御手段を有するものとし、該充填量制御手段は、前記判定手段によりＮＯｘ放出の促進状態と判定されたときには、非促進状態よりも前記充填量調整手段の作動を遅延させるものとする。
【００１８】
前記の構成により、エンジンが成層燃焼状態の低負荷領域からそれよりも高負荷側の領域へ移行するときには、該エンジンの燃焼状態が成層燃焼状態から均一燃焼状態へ切替えられるとともに、燃焼室の空燃比が空燃比制御手段によりリーン状態からリッチ状態に切替えられる。このとき、通常は充填量制御手段による充填量調整手段の制御によって、燃焼室の吸気充填量が速やかに減らされるので、燃焼状態や空燃比の切替えに伴うエンジン出力の変動は抑えられる。
【００１９】
一方、エンジンが加速運転状態になって、成層燃焼状態の低負荷領域から均一燃焼状態の運転領域における少なくとも中負荷中回転の領域に移行するときには、判定手段によりＮＯｘ放出の促進状態であると判定され、前記充填量調整手段の作動が遅延されるので、燃焼室の吸気充填量があまり減少しないうちに空燃比がリッチ状態に切替えられることになり、一時的に排気中の酸素濃度が低くかつ排気流量の多い状態になって、ＮＯｘ吸収触媒からのＮＯｘの放出が有効に促進される。つまり、エンジンの加速運転に伴う低負荷域から中高負荷域への移行時に過渡的に排気流量の多い状態を作り出して、触媒のリフレッシュを有効に促進することができる。
【００２０】
また、そのようにエンジンの運転状態の変化を利用して、高負荷側への移行時に排気流量の多い状態を作り出すようにしているので、これに伴いエンジン出力が変動しても、運転フィーリングが大きく悪化することはない。
【００２１】
請求項３の発明では、請求項２の発明における空燃比制御手段は、判定手段によりＮＯｘ放出の促進状態と判定されたときに、エンジンの燃焼室の空燃比がリッチ状態になるように燃料噴射弁からの燃料噴射量を増量する噴射量制御手段を有するものとする。
【００２２】
この構成では、エンジンが成層燃焼状態から均一燃焼状態に移行するときに、ＮＯｘ吸収触媒からのＮＯｘ放出を促進するのであれば、噴射量制御手段により燃料噴射量が増量されることで、エンジンの燃焼室の空気過剰率は１．３以上のリーン状態から直ちに１以下のリッチ状態に変更される。このことで、排気流量が十分に多い間に排気中の酸素濃度を低下させて、ＮＯｘ吸収触媒のリフレッシュを十分に促進でき、しかも、前記燃焼室の空燃比がＮＯｘ生成の盛んな状態になることを回避できる。
【００２３】
請求項４の発明では、請求項３の発明における噴射量制御手段は、吸気充填量の減少によって燃焼室の空気過剰率が１．３よりも小さくなる前に、燃料噴射量を増量するものとする。すなわち、一般に、燃焼に伴うＮＯｘの生成は空気過剰率がλ＝１〜１．３の範囲で最も盛んになるので、この発明では、エンジンの燃焼室の空気過剰率が１．３よりも小さくなる前に燃料噴射量を増量して、リッチ状態に切替えることで、請求項３の発明の作用効果を十分に得ることができる。
【００２４】
請求項５の発明では、請求項２の発明における空燃比制御手段は、エンジンが成層燃焼状態から均一燃焼状態に移行するときに、エンジンの燃焼室の空燃比がリッチ状態になるように燃料噴射弁からの燃料噴射量を増量する噴射量制御手段を有するものとし、該噴射量制御手段は、判定手段によりＮＯｘ放出の促進状態と判定されたときには、非促進状態よりも早く燃料噴射量を増量する構成とする。
【００２５】
この構成では、エンジンが成層燃焼状態から均一燃焼状態に移行するときに、ＮＯｘ吸収触媒からのＮＯｘ放出を促進するのであれば、噴射量制御手段により燃料噴射量が相対的に早く増量されるので、請求項３の発明と同様に、燃焼に伴うＮＯｘの生成を抑制し、かつＮＯｘ吸収触媒のリフレッシュを十分に促進できる。一方、ＮＯｘの放出を促進しないのであれば、燃料噴射量の増量は相対的に遅くされるので、その分、吸気充填量が減少した後で燃焼室の空燃比がリッチ状態に切替えられるようになり、このことで、エンジンの燃焼状態の切替えに伴う出力の変動や燃費悪化を軽減できる。
【００２６】
請求項６の発明では、請求項５の発明における噴射量制御手段は、判定手段によりＮＯｘ放出の促進状態と判定されたときには、エンジンの燃焼室の空気過剰率が１．３になったときに燃料噴射量を増量する一方、非促進状態と判定されたときには、空気過剰率が１．２になったときに燃料噴射量を増量する構成とする。この構成によれば、請求項１０の発明の作用効果を十分に得ることができる。
【００２７】
請求項７の発明では、請求項３〜６のいずれか１つの発明において、噴射量制御手段によって燃料噴射量が増量されたときに、点火時期を遅角側に補正する点火時期補正手段を設ける構成とする。こうすれば、点火時期補正手段により点火時期を遅角側に補正することで、燃料の増量に伴うエンジン出力の増大を相殺して、エンジン出力の変動を軽減できる。
【００２８】
請求項８の発明では、請求項２の発明における噴射時期制御手段は、判定手段によりＮＯｘ放出の促進状態と判定されたときに、燃料噴射弁により燃料を、気筒の吸気行程から圧縮行程にかけての早期噴射、及び圧縮行程での後期噴射に２分割して噴射させる構成とする。
【００２９】
この構成により、エンジンが成層燃焼状態から均一燃焼状態に移行するときに、ＮＯｘ吸収触媒からのＮＯｘ放出を促進するのであれば、噴射時期制御手段の制御により、燃料が吸気行程から圧縮行程にかけての早期噴射と圧縮行程での後期噴射とに２分割して噴射される。そして、このように２分割して噴射された燃料は、エンジンの燃焼室において点火プラグ周りにリッチな混合気を、また、その周囲にリーンな混合気を形成し、均一燃焼と成層燃焼との中間的な燃焼状態（以下、弱成層状態という）で燃焼する。そして、この弱成層状態の燃焼ではＣＯの排出量が大幅に増大するので、ＮＯｘ吸収触媒のリフレッシュをさらに促進することができる。
【００３０】
請求項９の発明では、請求項２の発明における判定手段は、さらにエンジンが所定以上の急加速運転状態になったときに、ＮＯｘ吸収触媒からのＮＯｘ放出の促進状態と判定するものとする。このことで、エンジンの急加速運転時にはエンジン出力が急増するものなので、このときにＮＯｘ吸収触媒からのＮＯｘ放出を促進するようにすれば、成層燃焼状態から均一燃焼状態への移行時にエンジン出力が変動しても、運転フィーリングへの悪影響を相対的に小さくすることができる。
【００３１】
請求項１０の発明では、請求項２の発明において、エンジンの吸気系に排気の一部を還流させる排気還流手段と、エンジンが成層燃焼状態の低負荷領域又は該低負荷領域に連続する所定の中負荷領域にあるときに、前記排気還流手段により排気を還流させる排気還流制御手段とを設け、噴射時期制御手段は、エンジンが前記中負荷領域にあるときに、燃料噴射弁により燃料を気筒の吸気行程で２分割して噴射させるものとし、判定手段は、さらにエンジンが前記低負荷領域から中負荷領域へ移行するときに、ＮＯｘ吸収触媒からのＮＯｘ放出の促進状態と判定するものとする。
【００３２】
この構成により、エンジンが成層燃焼状態の低負荷領域やその低負荷領域に続く所定の中負荷領域にあるとき、即ち車載エンジンの常用される運転領域にあるときに、排気還流制御手段の制御により排気の還流が行われて、燃焼に伴うＮＯｘ生成が抑えられる。特に、前記中負荷領域では、噴射時期制御手段の制御により燃料が気筒の吸気行程で２分割して噴射されることで、混合気の均一度合いが高まり燃焼安定性が向上するので、エンジン負荷が比較的高くても十分な量の排気を還流させることができる。
【００３３】
そして、エンジンが前記低負荷領域から中負荷領域に移行するときには、その移行時にも自ずと排気の還流が継続されて、排気中のＮＯｘ濃度が低くなるので、このときにはＮＯｘ吸収触媒からのＮＯｘの放出をさらに促進することができる。
【００３４】
請求項１１の発明では、請求項１０の発明における排気還流制御手段は、エンジンが成層燃焼状態から均一燃焼状態に移行するときに、排気の還流率が３０％以上になるように排気還流手段を制御するものとする。
【００３５】
このように、排気還流制御手段の制御により、排気の還流率が３０％以上になるように多量の排気を還流させることで、エンジンの燃焼室で燃焼に伴うＮＯｘの生成を十分に抑制し、かつ排気中のＣＯ、ＨＣ濃度を高めることができる。よって、請求項１０の発明の作用効果を十分に得ることができる。尚、前記排気の還流率は、二酸化炭素（ＣＯ2）の濃度を基準として、以下の式で表すものとする。
【００３６】
【数１】
【００３７】
請求項１２の発明では、請求項２の発明における判定手段は、さらにエンジンがアイドル運転状態で加速運転状態になったときに、ＮＯｘ吸収触媒からのＮＯｘ放出の促進状態と判定するものとする。このことで、アイドル運転状態からの加速時にはエンジンの運転状態が均一燃焼状態に切替わる頻度が高いので、このときにＮＯｘ吸収触媒からのＮＯｘ放出を促進することにより、触媒のリフレッシュを十分に促進できる。
【００３８】
請求項１３の発明では、請求項２の発明において、エンジンの負荷状態の変化に基づいて成層燃焼状態から均一燃焼状態への移行を予測する移行予測手段と、該移行予測手段によりエンジンが均一燃焼状態へ移行すると予測され、かつ判定手段によりＮＯｘ放出の非促進状態と判定されたときに、エンジンが均一燃焼状態へ移行する前に充填量調整手段により燃焼室の吸気充填量を減少させる充填量補正制御手段とを設ける構成とする。
【００３９】
すなわち、一般に、充填量調整手段による燃焼室の吸気充填量の調整には、該燃焼室への吸気流動等に起因して大きな応答遅れが生じる。このため、エンジンが成層燃焼状態から均一燃焼状態に移行するときには、燃焼室の吸気充填量を直ちに減少させることはできず、エンジン出力が変動しやすいという不具合がある。そこで、この発明では、ＮＯｘ吸収触媒からのＮＯｘ放出を促進しないときには、エンジンが成層燃焼状態から均一燃焼状態へ移行することを移行予測手段により予測して、エンジンが実際に均一燃焼状態へ移行する前に燃焼室の吸気充填量を減らすことにより、吸気充填量制御の応答遅れに起因するエンジン出力の変動を軽減できる。
【００４０】
請求項１４の発明では、請求項１又は２のいずれかの発明における充填量調整手段は、エンジンの吸気通路に配設されたスロットル弁であり、また、充填量制御手段は、少なくともエンジンが定常運転状態になっているときに、アクセル操作量及びエンジン回転数に応じて前記スロットル弁の開度を制御するものとする。このことで、充填量調整手段及び充填量制御手段の構成が具体化される。
【００４１】
【発明の実施の形態】
（制御装置の全体構成）
図２は本発明の実施形態１に係る火花点火式直噴エンジンの制御装置Ａ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の側壁部には、移動するピストン３と干渉しない位置に、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。
【００４２】
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の圧縮行程中期以降に噴射されると、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。
【００４３】
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（充填量調整手段）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。
【００４４】
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。
【００４５】
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おり、前記Ｏ2センサ２４は、排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出するために用いられるものであり、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センサが用いられている。また、触媒２５は、排気中の酸素濃度が高い（例えば４％以上の）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、特に理論空燃比近傍では、いわゆる三元触媒と同様の高い排気浄化性能を発揮する。
【００４６】
前記触媒２５は、図３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。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。
【００４７】
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。
【００４８】
前記Ｏ2センサ２４よりも上流側の排気通路２２には、ＥＧＲ通路（排気還流通路）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（排気還流量調整弁）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量ともいう）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おり、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。
【００４９】
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。
【００５０】
（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による燃料噴射時期や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、図４に示すように、エンジン１の温間状態では、低負荷低回転側の所定領域（イ）が成層燃焼領域とされ、インジェクタ７により圧縮行程中期以降に燃料を噴射させて、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。
【００５１】
一方、それ以外の運転領域（ロ）（ハ）（ニ）（ホ）は、全て均一燃焼領域とされており、インジェクタ７により吸気行程で燃料を噴射させて吸気と十分に混合して、燃焼室４に均一な混合気を形成した上で燃焼させる燃焼モードになる。このうちの領域（ロ）（ハ）（ニ）では、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、λ＝１）になるように、燃料噴射量やスロットル開度等を制御しており（以下、ストイキオモードという）、特にエンジン１の中負荷中回転領域（ハ）では、インジェクタ７により吸気行程前期及び後期に燃料を２分割して噴射させるようにしている。
【００５２】
また、均一燃焼領域における高負荷ないし高回転側の運転領域（ホ）では、空燃比を理論空燃比よりもリッチな状態（例えばＡ/Ｆ＝１３〜１４）にして、高出力を得るようにしている（以下、エンリッチモードという）。尚、エンジン冷間時には、図示しないが、燃焼安定性を確保するためにエンジン１の全ての運転領域を均一燃焼領域としている。
【００５３】
さらに、同図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おり、低負荷側の領域（イ）における排気還流率は最大で約４０％とされている。この多量の排気還流により燃焼室４の熱容量が増大して、燃焼に伴うＮＯｘの生成が十分に抑えられる。また、領域（ハ）では、燃料の分割噴射によってその燃料と吸気とのミキシングが改善されて、燃焼安定性が向上しているので、前記領域（イ）よりもエンジン負荷の高い状態であっても、十分な量の排気を還流させることができる。
【００５４】
図５は前記ＥＣＵ４０におけるエンジン制御の基本的な処理を示す機能ブロック図である。すなわち、ＥＣＵ４０は、吸気温センサ３１及び大気圧センサ３２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４１を備えるとともに、回転数センサ３３及びアクセル開度センサ３４からの信号に基づき、さらに前記吸気密度状態を加味してエンジン１の目標負荷を設定する目標負荷設定手段４２を備えている。
【００５５】
前記目標負荷設定手段４２では、図６に示すように、まず、仮想体積効率演算部４２ａにより、アクセル開度accel及びエンジン回転数neに基づいて仮想体積効率veimgを演算する。詳しくは、予めベンチテスト等により、標準大気状態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に、アクセル開度accel及びエンジン回転数neと仮想体積効率veimg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。そして、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に対応する仮想体積効率veimg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と仮想体積効率veimgとの対応関係は例えば図９に示すようになり、仮想体積効率veimg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が低いほど大きくなる。
【００５６】
続いて、仮想充填効率演算部４２ｂにより、前記のように求めた仮想体積効率veimgに、前記吸気密度状態検出手段４１により求められた吸気密度を加味して、仮想充填効率ceimgを演算する。この仮想充填効率ceimgは標準運転条件下でエンジン１に要求される出力に見合った充填効率（吸気充填量）であるが、このようにして求めた仮想充填効率ceimgに対し、なまし処理部４２ｃにおいて次式のような一時遅れ補正を行う。つまり、仮想充填効率ceimgに遅延処理を施す。
【００５７】
（数２）
ceimgd ＝（１−α）×ceimg＋α×ceimgd[i-1]
【００５８】
但し、ceimgd[i-1] は ceimgd の前回値、αは係数（０＜α＜１）である。
【００５９】
そして、前記仮想充填効率演算部４２ｂにより演算した仮想充填効率ceimg、又は前記なまし処理部４２ｃにより遅延処理した仮想充填効率ceimgdに基づいて、目標負荷演算部４２ｄにより、それぞれの値に対応する図示平均有効圧力（Ｐｉ）を目標負荷として演算する。すなわち、なまし処理されていない仮想充填効率ceimgに基づいて、第１目標負荷Piobjを、また、なまし処理された仮想充填効率ceimgdに基づいて、第２目標負荷Piobjdをそれぞれ演算する。
【００６０】
（数３）
Piobj ＝ K1×ceimg ＋K2
Piobjd ＝ K1×ceimgd＋K2
【００６１】
また、前記目標負荷設定手段４２には、エンジン１のアイドル運転中にエアコンディショナ等の外部負荷が加わったときに、その外部負荷に見合う程度にエンジン出力を高めるために、前記の目標負荷の演算に先立って仮想充填効率ceimg,ceimgdを補正するアイドリング負荷補正部４２ｅが設けられている。
【００６２】
さらに、前記目標負荷設定手段４２には、エンジン１の加速運転時に、成層燃焼モードから均一燃焼モードへと運転モードが変更されることを予測する切替予測部（移行予測手段）４２ｆと、該切替予測部４２ｆにより運転モードの切替えが予測されたとき、その切替えの前に前記第１目標負荷Piobjを、均一燃焼モードに切替わった後の値になるように補正する補正部４２ｇとが設けられている。これらの切替予測部４２ｆ及び補正部４２ｇによる制御の詳細については後述するが、前記補正部４２ｇにより第１目標負荷Piobjが補正されることにより、エンジン１の運転モードが実際に均一燃焼モードに切替わる前に、スロットル開度tvoobjが小さくされて、燃焼室４の充填効率が低下するようになっている。つまり、前記補正部４２ｇは充填量補正制御手段に対応している。
【００６３】
前記ＥＣＵ４０は、前記のように求めた第１目標負荷Piobjとエンジン回転数neとに基づいて、基本的な運転モードmodsを設定する運転モード設定手段４３を備えている。すなわち、例えばエンジン温間時には、前記図４のマップに示すように、第１目標負荷Piobjが所定の低負荷側しきい値Piobj*よりも低く、かつエンジン回転数neが低い運転領域（イ）では成層燃焼モードとする一方、それ以外の運転領域では均一燃焼モードとし、第１目標負荷Piobj及びエンジン回転数neに応じて、それぞれストイキオモード（ロ）（ハ）（ニ）かエンリッチモード（ホ）かのいずれかとする。
【００６４】
また、前記ＥＣＵ４０はエンジン出力に関係する各種制御パラメータの値を決定するようになっており、具体的には、スロットル弁１３により調整される吸入空気量、ＥＧＲ弁２７により調整されるＥＧＲ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、インジェクタ７による燃料噴射量、噴射時期、及び点火プラグ６による点火時期を制御パラメータとして、これらの制御パラメータの値を第１及び第２目標負荷Piobj,Piobjd及びエンジン回転数neに応じて決定する。
【００６５】
ここで、前記制御パラメータのうちの吸入空気量、ＥＧＲ量及びスワール強さはそれぞれスロットル弁１３、ＥＧＲ弁２７及びスワール制御弁１８の作動に対する応答性が比較的低い低速応答系なので、これらの制御量であるスロットル開度tvoobj、ＥＧＲ弁開度、スワール制御弁開度は第１目標負荷Piobjとエンジン回転数neとに応じて決定する。一方、燃料噴射量、噴射時期及び点火時期はいずれも制御信号に速やかに応答する高速応答系のものなので、これらは遅延処理後の第２目標負荷Piobjdとエンジン回転数neとに応じて決定する。
【００６６】
（スロットル制御）
具体的に、前記ＥＣＵ４０は、前記目標負荷設定手段４２により設定された第１目標負荷Piobjに応じて、スロットル弁１３を制御する手段（充填量制御手段）として、第１目標空燃比設定手段４４、目標充填効率演算手段４５及びスロットル開度演算手段４６を備えている。前記第１目標空燃比設定手段４４は、吸入空気量を制御するための目標空燃比afwbを上述の運転モード設定手段４３により設定された運転モード別に設定するものであり、図１０に示すように、成層燃焼モードやエンリッチモードでは第１目標負荷Piobj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。
【００６７】
また、前記目標充填効率演算手段４５は、第１目標負荷Piobj又はこれに対応する仮想充填効率ceimgと前記目標空燃比afwbとに基づいて、例えば次式に従って目標充填効率ceobjを演算する。
【００６８】
（数４）
ceobj ＝ceimg×｛（afwb＋K3）/ 14.7 ｝×K4
【００６９】
この（数４）の演算式は、仮想充填効率ceimgから、リーン状態で運転される場合の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ceobjを求めるようにしたもので、係数K3,K4はいずれも燃費改善効果分に見合う程度に目標充填効率を減少させるような値とされている。
【００７０】
つまり、前記仮想充填効率ceimgは、エンジン１が標準運転条件下で運転されるときの目標負荷に対応する値なので、リーン運転時に同等の燃料噴射量を確保するためには前記の空気過剰率分を加味する必要があるが、そのようにして理論空燃比の場合と同等の燃料噴射量を確保した場合、リーン運転時には熱効率が高くなることからエンジン出力が高くなってしまう（これを燃費改善効果という）。そこで、目標負荷に対応するエンジン出力を得るために、前記のように空気過剰率分を加味するほかに、燃費改善効果分も加味するようにしたものである。
【００７１】
尚、前記（数３）から、ceimg ＝（Piobj−K2）/K1 となるので、これを前記（数４）に代入して、第１目標負荷Piobjから目標充填効率ceobjを求めるようにしてもよい。
【００７２】
前記スロットル開度演算手段４６では、図７に示すように、前記のように求めた目標充填効率ceobjを、目標体積効率演算部４６ａにより吸気密度に応じて補正して、目標体積効率veobjを求め、この目標体積効率veobj及びエンジン回転数neに応じて目標のスロットル開度tvoobjを演算する。その際、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の有無によって異なるため、その各場合についてそれぞれ前記の対応関係を示すマップを予め作成し、ＥＧＲ判別部４６ｃによるＥＧＲの有無の判別結果に応じて、いずれかのマップから目標体積効率veobj及びエンジン回転数neに対応するスロットル開度tvoobjを読み込むようにしている。
【００７３】
ここで、前記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、例えば、ＥＧＲが行われていない場合に図１１に実線で示すようになり、ＥＧＲが行われている場合には同図に破線で示すようになる。すなわち、スロットル開度tvoobjは、目標体積効率veobjが大きいほど大きくされ、かつエンジン回転数neが高いほど大きくされるとともに、ＥＧＲがある場合にはない場合よりも大きめにされる。
【００７４】
また、詳しくは後述するが、本発明の特徴部分として、エンジン１の運転モードが成層燃焼モードからストイキオモードに切替わるときに、触媒２５からのＮＯｘの放出を促すためにスロットル弁１３の閉作動を遅延させるように、前記スロットル開度tvoobjになまし処理（遅延補正）を施すtvoobj補正部４６ｄが設けられている。
【００７５】
尚、成層燃焼モードでは、排気の空燃比が極めてリーンな状態になるので、ＥＧＲガス中にも既燃ガスだけでなく空気（酸素）が多量に含まれることになる。そのため、ＥＧＲがある場合にはそのＥＧＲガス中の既燃ガス体積割合を求め、その結果に応じて、スロットル開度tvoobj及びＥＧＲ弁制御量を補正するようにしている。
【００７６】
（ＥＧＲ制御）
前記ＥＣＵ４０には、ＥＧＲ制御のための手段（排気還流制御手段）として、ＥＧＲ弁基本制御量設定手段６２と、ＥＧＲ弁制御量演算手段６３とが設けられている。前記ＥＧＲ弁基本制御量設定手段６２はＥＧＲ弁２７の基本的な制御量を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目標負荷Piobj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基本制御量を読み込む一方、ストイキオモードではエアフローセンサ１２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とに応じて、予め作成されているマップから基本制御量を読み込む。そして、前記ＥＧＲ弁制御量演算手段６３では、前記基本制御量を前記のＥＧＲガス中の既燃ガス体積割合に応じて補正して、目標ＥＧＲ弁制御量を求め、リフトセンサ２８からの出力信号に応じて求められる実際のＥＧＲ弁制御量が前記目標ＥＧＲ弁制御量と一致するように、ＥＧＲ弁２７を制御する。
【００７７】
（燃料噴射制御）
前記ＥＣＵ４０は、エンジン１の目標負荷及び運転状態に応じて目標空燃比を設定する第２目標空燃比設定手段４７を備え、また、インジェクタ７による燃料噴射を制御するための手段として、運転モード設定手段４８、分割比設定手段４９、噴射量演算手段５０、噴射時期設定手段５１及び噴射制御手段５２を備えている。前記運転モード設定手段４８、分割比設定手段４９、噴射時期設定手段５１及び噴射制御手段５２により噴射時期制御手段が構成され、また、前記噴射量演算手段５０及び噴射制御手段５２により噴射量制御手段が構成されている。さらに、その噴射量制御手段と上述の排気還流制御手段及び充填量制御手段とにより、空燃比制御手段が構成されている。
【００７８】
前記第２目標空燃比設定手段４７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、より具体的には図８に示すように、第２目標負荷Piobjd又はこれに対応する仮想充填効率ceimgdと実充填効率（吸気充填量）ceとに基づいて、演算部４７ａにより、主としてエンジン１の過渡運転時に用いられる目標空燃比afw0を演算する。
【００７９】
（数５）
afw0 ＝14.7×K1×ce/｛K4×(Piobjd−K2)｝−K3
[＝14.7×ce/(K4×ceimgd)−K3]
【００８０】
この（数５）の演算式は、理論空燃比と実充填効率ceと第２目標負荷Piobjd（又は仮想充填効率ceimgd）と、上述の燃費改善効果分を加味する係数K3,K4とを用いて、実充填効率の下で目標負荷に対応するエンジントルクが得られるような空燃比を求めるようにしたものである。
【００８１】
また、設定部４７ｂにより、主としてエンジン１の定常運転時に用いられる目標空燃比afwbdを前記運転モード設定手段４８により設定される運転モードmodf別に設定する。すなわち、図１３（ａ）に示すように、成層燃焼モードやエンリッチモードでは、第２目標負荷Piobjdとエンジン回転数neとに基づいて、予め作成されているマップから目標空燃比afwbdを読み込む一方、ストイキオモードでは、目標空燃比afwbdを理論空燃比とする。
【００８２】
そして、第１目標空燃比設定手段４４で設定された吸入空気量制御用の目標空燃比afwbと、前記演算部４７ａにより演算された目標空燃比afw0との偏差dafwbを偏差演算部４７ｃにより演算して、この偏差dafwbが大きくなるエンジン１の過渡運転時には、前記演算部４７ａにより演算した目標空燃比afw0を最終的な目標空燃比afwとする一方、前記偏差dafwbが小さいエンジン１の定常運転時には、前記設定部４７ｂにより設定した目標空燃比afwbdを最終的な目標空燃比afwとする。
【００８３】
尚、第２目標空燃比設定手段４７をこのように構成しているのは、エンジン出力上の要求とエミッションとを同時に満足するためであるが、より簡単な構成としては、前記設定部４７ｂ及び偏差演算部４７ｃを省略し、常に演算部４７ａで求めた目標空燃比afw0を燃料噴射制御における最終的な目標空燃比afwとするようにしてもよい。
【００８４】
前記図８において、６０は、後述の如き過渡時の点火時期補正のための空燃比偏差dafwbd,dafw0を演算する手段であり、運転モード設定手段４８により成層燃焼モードやエンリッチモードが設定されるときには、dafwbd＝afwbd−afwを演算する一方、ストイキオモードが設定されるときにはdafw0＝afw0−afwを演算するようになっている。
【００８５】
前記運転モード設定手段４８は、高速応答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、燃料噴射量制御用の目標空燃比afw0とエンジン回転数neとに基づいて設定する。すなわち、図１２に示すように、前記演算部４７ａで演算された目標空燃比afw0が成層燃焼モードの下限側基準値afw0*よりも小さくなる場合はストイキオモードとし、さらに、目標空燃比afw0が理論空燃比よりも小さい所定値afw0**になればエンリッチモードにする。反対に前記目標空燃比afw0が下限側基準値afw0*以上であれば、成層燃焼モードにする。この運転モードmodfの切替えにより燃料噴射形態が切替えられて、エンジン１の運転モードが最終的に切替えられる。
【００８６】
前記分割比設定手段４９は、運転モード設定手段４８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との燃料の分割比を設定するものであり、成層燃焼モードでは吸気行程噴射割合を０％とする一方、ストイキオモードやエンリッチモードでは、吸気行程噴射割合を１００％とする。
【００８７】
前記噴射量演算手段５０は、主にエアフローセンサ１２の出力から求めた実充填効率ceと、前記第２目標空燃比設定手段４７により設定された目標空燃比afwと、分割比設定手段４９により設定された噴射割合とに基づいて、燃料噴射量を演算するようになっている。具体的には、これらの値と換算用の係数KGKFとに基づいて、吸気行程噴射及び圧縮行程噴射の各基本噴射量qbasep,qbasedをそれぞれ演算する。
【００８８】
（数６）
qbasep ＝ KGKF×(ce/afw)×rqbasep
qbased ＝ KGKF×ce[i]/afw[i-1]−qbasecp[i-1]
【００８９】
但し、rqbasepは噴射割合、ce[i]は充填効率の今回値（圧縮行程噴射直前の吸入空気量の検出値に基づく値）を意味し、afw[i-1], qbasep[i-1], ctotal[i-1]はそれぞれ目標空燃比、吸気行程噴射基本噴射量及び補正値の前回値（吸気行程噴射直前の検出に基づく値）を意味する。このように圧縮行程噴射の演算で目標空燃比等に前回値を用いるのは、目標空燃比等に今回値（圧縮行程噴射直前の値）を用いると、吸気行程噴射と圧縮行程噴射とで運転モード、空燃比等が変動して、整合性が得られなくなる場合があるからである。
【００９０】
そして、前記各基本噴射量qbasep,qbasedに対し、さらに燃料圧力に応じた吸気行程噴射、圧縮行程噴射の各補正量cdpfp,cdpfdと、その他の各種補正値ctotalを加味して、吸気行程噴射及び圧縮行程噴射の各最終噴射量qinjp,qinjdを演算し、この最終噴射量qinjp,qinjdに比例した噴射パルス幅Tiを求める。
【００９１】
（数７）
qinjp ＝ qbasep×cdpfp×(1＋ctotal)
qinjd ＝ qbased×cdpfd×(1＋ctotal[i-1])
【００９２】
前記噴射時期設定手段５１は、燃料噴射時期を前記運転モード設定手段４８により設定された運転モードmodf別に設定するものであり、図１３（ｂ）に示すように、成層燃焼モードでは第２目標負荷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thtinjdを求める一方、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マップから吸気行程噴射用の噴射時期thtinjpを求める。
【００９３】
尚、演算処理の便宜上、噴射時期のデータとしては常にthtinjd、thtinjpの両方に何らかの値を与えるようになっていて、成層燃焼モードでは圧縮行程噴射用の噴射時期thtinjdをマップにより与えるとともに、吸気行程噴射用の噴射時期thtinjpには固定値をセットする（但し、吸気行程噴射割合rqbasepが０％なので、実際には吸気行程噴射は行われない）。また、ストイキオモードやエンリッチモードでは、吸気行程噴射用の噴射時期thtinjpをマップにより与えるとともに、圧縮行程噴射用の噴射時期thtinjdに固定値（例えば圧縮行程初期の一定時期）をセットし、吸気行程噴射のみでは燃料噴射量が不足するときに追加分の噴射のために利用する。特に、ストイキオモードにおける領域（ハ）では、吸気行程噴射量qinjpを２等分して第１及び第２噴射量qinjp1，qinjp2とし、吸気行程噴射用の噴射時期thtinjpに第１噴射量qinjp1の燃料を噴射するとともに、この噴射の終了後に所定間隔を空けて第２噴射量qinjp2の燃料を噴射するようにしている。
【００９４】
そして、前記噴射制御手段５２は、噴射時期設定手段５１により設定された噴射時期に、噴射量演算手段５０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７を作動させるように、該インジェクタ７にパルス信号を出力する。
【００９５】
（点火時期制御）
前記ＥＣＵ４０は、エンジン１の点火時期を制御するための手段として、基本点火時期及び補正値を設定する設定手段（点火時期補正手段）５３と、点火時期演算手段５４とを備えている。前記設定手段５３は、前記運転モード設定手段４８で設定された運転モードmodf別に基本点火時期thtigbや各種の点火時期補正値を設定するもので、具体的には図１３（ｃ）に示すように、成層燃焼モードでは、第２目標負荷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基本点火時期thtigbを求めるとともに、上述の目標空燃比偏差dafwbdに応じた補正値thtigwdを予め作成されているテーブルから求める。この目標空燃比偏差dafwbdに応じた補正は、基本点火時期thtigbが定常運転時の目標空燃比afwbdに対応する第２目標負荷Piobjd及びエンジン回転数neに応じて定められているのに対し、過渡時にはafw0が最終的な目標空燃比afwとされて定常時とは空燃比のズレが生じるので、それに見合うように点火時期を調整するものである。
【００９６】
また、ストイキオモードやエンリッチモードでは充填効率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から基本点火時期thtigbを求めるとともに、ＥＧＲ実行時の補正値thtigweを充填効率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から求め、前記目標空燃比偏差dafw0に応じた補正値thtigwd及びエンジン水温thwに応じた冷間時補正値thtigwcをそれぞれ予め作成されているテーブルから求める。前記目標空燃比偏差dafw0(＝afw0-afw)に応じた補正は、後述のように目標空燃比afw0が理論空燃比よりもリーン側の所定値以下になったときにＮＯｘ生成量が増大する空燃比を通ることを避けるために、最終的な目標空燃比afwが理論空燃比とされる場合に、その空燃比の変更に見合うように点火時期を調整するものである。
【００９７】
さらに、エンジン１の加速運転に伴い成層燃焼モードから均一燃焼モードへと運転モードmodfが変更されるときには、その運転モードmodfの変更に伴うエンジン出力の変動を低減するために、所定期間だけ点火時期を遅角補正するようにしており、そのための遅角補正値thtigwfは目標空燃比afwの変化状態等に応じて予めマップとして設定されている。尚、分割噴射を行う場合には目標空燃比afwに応じて予め作成されているテーブルから基本点火時期を求めるようにすればよい。
【００９８】
このようにして、前記設定手段５３で設定された基本点火時期thtigbや各種補正値に基づいて、前記点火時期演算手段５４により、点火時期thtigが次式のように演算される。
【００９９】
（数８）
thtig ＝thtigb−(thtigwd＋thtigwe＋thtigwc＋thtigwf )
【０１００】
そして、各気筒２毎に前記点火時期thtigになると、点火回路５に制御信号が出力されて、点火プラグ６により点火が行われる。
【０１０１】
以上のような制御装置Ａを備えた本実施形態の火花点火式直噴エンジン１では、その運転状態に応じて成層燃焼モード、ストイキオモード及びエンリッチモードのいずれかが設定され、成層燃焼モードでは空燃比が理論空燃比よりも大幅にリーンな状態で成層燃焼が行われるので、燃費が大幅に改善される。一方、エンリッチモードでは、燃料の増量によってエンジン１の出力が高められるとともに、燃焼室４が適度に冷却されて熱負荷が低減される。
【０１０２】
また、例えば前記成層燃焼モードでは、要求されるトルクを確保しつつ空燃比をリーンにするために、スロットル開度を大きくして吸入空気量を増加させるというように、運転モードや目標負荷等に基づいて吸入空気量が制御されるとともに、燃料噴射量、噴射時期、点火時期等が制御され、併せて、ＥＧＲ弁２７やスワール制御弁１８の制御も行われるが、それらの種々の制御パラメータはそれぞれの制御応答性を考慮して適切に制御されるようになっている。
【０１０３】
すなわち、吸入空気量の制御としては、目標負荷等に応じて設定された吸入空気量制御用の目標空燃比afwbに基づいて目標充填効率ceobjが求められ、さらに、吸気密度に応じた補正により目標体積効率veobjが求められて、それに基づいてスロットル開度の演算が行われる。このことで、スロットル開度の制御が精度良く行われる。一方、第２目標空燃比設定手段４７により目標負荷及び実充填効率等から求められる噴射量制御用の空燃比に基づいて、運転モード設定手段４８による運転モードの設定及び燃料噴射量、噴射時期、点火時期等の制御が行われ、このことで、充填効率が変化するエンジンの過渡運転時にも、運転モードや空燃比等が適切に制御される。
【０１０４】
また、制御信号に対する応答速度が低い吸入空気量の制御には、第１目標負荷piobjを用いる一方、制御信号に対する応答速度が高い燃料噴射量等の制御には、なまし処理後の仮想充填効率ceimgdに基づく第２目標負荷piobjdを用いることで、各制御パラメータの作動タイミングを適切に調整することができる。
【０１０５】
すなわち、大部分の運転領域で空燃比が理論空燃比とされる標準運転条件が保たれつつ、アクセル操作量に対応してスロットル開度が変化するような一般的なガソリンエンジンでは、例えばエンジンの加速運転時にアクセル操作量及びそれに対応するスロットル開度が急激に変化しても、吸入空気量の変化には遅れがあり、エンジン出力の変化はその吸入空気量の変化に対応したものになる。そこで、そのような一般的なガソリンエンジンを模擬した出力制御を行おうとすれば、なまし処理した仮想充填効率ceimgdに基づく第２目標負荷Piobjdを実際の目標負荷とみなすことが適当である。
【０１０６】
従って、高速応答系である燃料噴射量等の制御を実際の目標負荷とみなされる第２目標負荷Piobjdに基づいて行うことにより、一般的なエンジンと同様のトルク特性が得られ、良好なエンジンフィールを確保することができる。一方、低速応答系であるスロットル開度等の制御については、吸入空気量等の変化がある程度大きな遅れを有し、その変化が緩慢になる傾向があるので、なまし処理をしていない仮想充填効率ceimgに基づく第１目標負荷Piobjに応じて、スロットル弁１３の開度等を制御することで、制御の応答遅れを緩和することができる。
【０１０７】
（触媒リフレッシュのための強制リッチ制御）
上述の如く、この実施形態ではエンジン１を低負荷域で成層燃焼モードとして、燃費の大幅な改善を図るようにしており、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にされるときに、酸素過剰雰囲気になる排気中でＮＯｘを除去できるように、いわゆる吸収還元タイプの触媒２５を採用している。そして、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（触媒のリフレッシュ）。
【０１０８】
すなわち、エンジン１の成層燃焼モードでの運転が長く続いて触媒２５のＮＯｘ吸収量が過剰になれば、そのことによるＮＯｘ吸収性能の低下を防ぐために、エンジン１の燃焼室４の空燃比を強制的に理論空燃比付近になるように制御して（強制リッチ運転）、触媒２５をリフレッシュするようにしている。そして、本発明の第１の特徴として、そのように空燃比をリッチ側に変更するときに、スロットル弁１３の閉作動を遅延させて、前記燃焼室４の実充填効率ceを通常よりもゆっくりと減少させるとともに、燃料噴射量を増量することにより、一時的に排気流量が多くかつ排気中の酸素濃度が低い状態を作り出して、触媒２５からのＮＯｘの放出を促進するようにしている。
【０１０９】
次に、前記の強制リッチ制御の具体的な処理手順を、図１４に示すフローチャート図に沿って説明すると、まず、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、エンジン１が成層燃焼モードで運転されている時間を積算するリーン運転カウンタの値Ｔleanを読み込み、その積算値が第１設定値Ｔ1よりも小さいかどうか判別する。この第１設定値Ｔ1は、エンジン１のリーン運転により触媒２５のＮＯｘ吸収量が過剰になって、その吸収性能が低下するまでの時間に対応するように設定されているので、前記判別結果がＮＯならば、触媒２５からＮＯｘを放出させる時期になったと判定して、ステップＳＡ１３に進む一方、判別結果がＹＥＳならば、ステップＳＡ３に進む。
【０１１０】
このステップＳＡ３では、今度は、強制リッチ運転の時間並びに、エンジン１がストイキオモード又はエンリッチモードで運転されている時間を積算するリッチ運転カウンタの値Ｔrichを読み込み、その値が第２設定値Ｔ2よりも小さいかどうか判別する。この判別結果がＹＥＳということは、触媒２５からのＮＯｘの放出が不十分であるということなので、この場合にはステップＳＡ６に進む。一方、前記判別結果がＮＯであれば、触媒２５は十分にＮＯｘを放出したと判定してステップＳＡ４に進み、強制リッチフラグＦrをオフ状態にする（Ｆr＝０）。この強制リッチフラグＦrは、触媒２５のリフレッシュのために強制リッチ運転を行うことを示すものである。続いて、ステップＳＡ５ではリッチ運転カウンタをリセットして（Ｔrich＝０）、ステップＳＡ６に進む。
【０１１１】
前記ステップＳＡ３又はステップＳＡ５に続くステップＳＡ６では、前記強制リッチフラグＦrがオフ状態かどうか判別し、オン状態でＮＯであれば（Ｆr＝１）、強制リッチ運転を継続すると判定して後述のステップＳＡ１９に進む一方、オフ状態でＹＥＳであれば（Ｆr＝０）、強制リッチ運転を行う必要はないと判定して、ステップＳＡ７に進む。このステップＳＡ７では、運転モード設定手段４８により設定された現在の運転モードmodfを読み込んで（運転モードの判定）、続くステップＳＡ８において、エンジン１の現在の運転モードが成層燃焼モードであるか否か判別する。
【０１１２】
この判別結果がＹＥＳならば、ステップＳＡ９に進んで、エンジン１を成層燃焼モードで運転し、続くステップＳＡ１０でリーン運転カウンタの値Ｔleanをカウントアップして、しかる後にリターンする。一方、判別結果がＮＯならば、ステップＳＡ１１に進み、エンジン１をその負荷状態や回転数状態に応じてストイキオモード又はエンリッチモード（λ≦１）で運転し、続くステップＳＡ１２ではリッチ運転カウンタの値Ｔrichをカウントアップして、しかる後にリターンする。
【０１１３】
つまり、触媒２５をリフレッシュするために強制リッチ運転を行う必要がなければ、エンジン１はその運転状態に対応するいずれかの燃焼モードで運転され、成層燃焼モードで運転するときにはリーン運転カウンタによりその運転時間を積算する一方、ストイキオモード又はエンリッチモードで運転するときには、リッチ運転カウンタによりその運転時間を積算する。
【０１１４】
一方、前記ステップＳＡ２において、触媒２５からＮＯｘを放出させる時期になったと判定して進んだステップＳＡ１３では、強制リッチフラグＦrをオン状態にし（Ｆr＝１）、続く、ステップＳＡ１４でリーン運転カウンタの値Ｔleanをリセットする（Ｔlean＝０）。続いて、ステップＳＡ１５において、意図的に排気流量を増大させる期間に対応するディレータイマＴdelayをセットする。続いて、ステップＳＡ１６では、通常のスロットル制御により、目標体積効率veobj及びエンジン回転数neに応じて演算されたスロットル開度tvoobjを、tvoobj補正部４６ｄによりなまし処理して（図７参照）、スロットル弁１３の閉作動を遅延させるようにする。
【０１１５】
続いて、ステップＳＡ１７では、前記のスロットル制御の遅延に伴うエンジン出力の変動を緩和するように点火時期を遅角補正（リタード）し、続くステップＳＡ１８では、エンジン１の燃焼室４の空燃比が理論空燃比よりもややリーンな状態（１＜λ＜１．１）になるように燃料噴射量を増量する。詳しくは、エアフローセンサ１２等の出力値から演算される実充填効率ceと目標空燃比（Ａ/Ｆ＝１５〜１６）とに基づいて燃料噴射量を求め、その燃料噴射量に対応する噴射パルス幅を設定する。そして、インジェクタ７により燃料を気筒の吸気行程前期に一括して噴射させて、エンジン１を均一燃焼状態とした後に、前記ステップＳＡ１２に進んで、リッチ運転カウンタの値Ｔrichをカウントアップし、しかる後にリターンする。
【０１１６】
つまり、触媒２５をリフレッシュするときには、エンジン１の運転モードを強制的に均一燃焼モードに切替えるとともに、燃焼室４の空燃比を理論空燃比付近になるように制御するのであるが、その運転モードの切替えのときにスロットル弁１３の閉作動を遅延させるとともに、燃料噴射量を増量させて前記燃焼室４の空燃比をリッチ側に変化させることにより、一時的に排気流量が多くかつ排気中の酸素濃度が低い状態を作り出せるのである。
【０１１７】
尚、前記ステップＳＡ１８では、インジェクタ７により燃料を気筒の吸気行程前期に一括して噴射させるようにしているが、これに限らず、燃料を吸気行程から圧縮行程にかけて複数回に分割して噴射させるようにしてもよい。こうすれば、エンジン１の燃焼室４において点火プラグ６の周囲に比較的リッチな混合気が形成され、弱成層状態での燃焼となるので、排気中のＣＯ濃度が大幅に増大し、このことで、触媒２５のリフレッシュをさらに促進することができる。
【０１１８】
さらに、前期ステップＳＡ６において、強制リッチフラグＦrがオン状態になっていて（Ｆr＝１）、強制リッチ運転を継続すると判定して進んだステップＳＡ１９では、ディレータイマＴdelayの値が零になったかどうか判別する。この判別結果がＮＯであれば、前記ステップＳＡ１６に進んで、スロットル弁１３の遅延補正等の制御を続ける一方、判別結果がＹＥＳになれば（Ｔdelay＝０）、ステップＳＡ１８に進み、その後は強制リッチフラグＦrがクリアされるまで、強制リッチ運転を行う。
【０１１９】
つまり、エンジン１が成層燃焼モードから均一燃焼モードに移行するときに、ディレータイマＴdelayにセットされた所定時間が経過するまでは、スロットル弁１３の閉作動を遅延させる一方、その所定時間が経過すれば、通常の均一燃焼モードと同様のの制御を行うようにしている。
【０１２０】
前記図１４のフローに示すステップＳＡ９，ＳＡ１１，ＳＡ１８の各ステップは、エンジン１の運転状態に応じて燃焼室４の空燃比を空気過剰率λでλ≧１．３のリーン状態又はそれよりもリッチなリッチ状態のいずれかになるように切替えて制御するとともに、触媒２５からＮＯｘを放出させるときには、前記燃焼室４の空燃比を強制的にリッチ状態に切替えるという空燃比制御手段の制御に対応している。そして、この制御によれば、エンジン１の成層燃焼モードでの運転時間の積算値が設定時間を越えたときに、燃焼室４の空燃比を強制的にリッチ側に変更するようにしている（ステップＳＡ２）。
【０１２１】
また、前記ステップＳＡ１５，ＳＡ１６が、触媒２５からのＮＯｘ放出のために燃焼室４の空燃比を強制的にリッチ状態に切替えるときに、そうでないときよりもスロットル弁１３の閉作動を遅延させるというtvoobj補正部４６ｄ（充填量制御手段）の制御に対応している。
【０１２２】
さらに、前記ステップＳＡ１８は、エンジン１の燃焼室４の空燃比を強制的にリッチ状態に切替えるときに、該燃焼室４の空気過剰率λがλ＜１．１になるように燃料噴射量を増量するという噴射量制御手段の制御に対応しており、又、ステップＳＡ１７が、そのときに点火時期を遅角側に補正するという点火時期補正手段の制御に対応している。
【０１２３】
したがって、この実施形態の制御装置Ａによれば、まず、図４に示すように、エンジン１は低負荷側の領域（イ）では成層燃焼モードで運転され、このときに酸素過剰雰囲気の排気中のＮＯｘが触媒２５により吸収除去される。そして、この状態での運転時間の積算値Ｔleanが第１設定値Ｔ1を越えると、強制リッチフラグＦrがオン状態になり（Ｆ＝１）、前記フローのステップＳＡ１５〜ＳＡ１８に示すように、エンジン１の燃焼室４の空燃比を強制的にリッチ側に変化させて、触媒２５からＮＯｘを放出させる強制リッチ制御が行われる。
【０１２４】
すなわち、スロットル弁１３が閉じられて吸入空気量が減らされるとともに、インジェクタ７による燃料噴射量が増量されて、エンジン１の燃焼室４の空燃比がλ＝１〜１．１の範囲になるように制御されるようになる。しかも、この運転状態の切替え時に前記スロットル弁１３の閉作動が遅延されるので、燃焼室４の空燃比は吸気充填効率ceがあまり減少しないうちにリッチな状態に切替えられることになる。このことにより、単に排気中の酸素濃度を低下させるだけでなく、一時的ではあっても排気流量を十分に多くすることができるので、触媒２５からのＮＯｘの放出を有効に促進することができる。
【０１２５】
つまり、エンジン１が成層燃焼状態から均一燃焼状態へ切替わる過渡的状態を利用して、触媒２５のリフレッシュを有効に促進することができるので、その分、触媒２５リフレッシュの頻度を減らしたり、リフレッシュ時の空燃比をリーン側に制御したり、リフレッシュの期間を短縮したりすることができ、よって、燃費の悪化を抑えつつ、触媒２５のリフレッシュを促進することができる。
【０１２６】
その際、前記のように、燃焼室４の吸気充填効率ceが多いうちに、該燃焼室の空気過剰率λがλ＜１．１になるように燃料噴射量を増量することで、排気流量がかなり多い状態で排気中の酸素濃度を低下させることができ、触媒２５のリフレッシュ効果をさらに高めることができる。しかも、エンジン１の燃焼室４の空燃比がＮＯｘ生成の盛んな中間空燃比（λ＝１〜１．３）の状態になることがないので、排気中のＮＯｘ濃度の増大によって触媒２５のリフレッシュが阻害されることもない。加えて、そのように燃焼室４の吸気充填効率ceが多いにも拘わらず、点火時期を遅角補正することによってエンジン出力の変動を軽減することができる。
【０１２７】
そして、前記の強制リッチ運転により、ＮＯｘ吸収性能が低下する前に触媒２５がリフレッシュされて、該触媒２５によるＮＯｘ浄化性能が安定的に維持される。
【０１２８】
（加速運転時の制御）
本発明の第２の特徴として、この実施形態に係るエンジンの制御装置Ａでは、例えば加速運転時等にエンジン１が成層燃焼状態から均一燃焼状態に移行するときに、触媒２５からのＮＯｘの放出を促進する場合には、前記の強制リッチ運転のときと同様にスロットル弁１３の閉作動を遅延させ、かつ燃料噴射量を増量するようにしている。
【０１２９】
次に、エンジン１の加速運転時に触媒２５のリフレッシュを促進する処理手順を、図１５，１６に示すフローチャート図に沿って具体的に説明する。
【０１３０】
前記図１５に示すフローにおいてスタート後のステップＳＢ０では、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ＳＢ１において、触媒２５のＮＯｘ吸収量StNOが予め設定した第１の吸収量St1よりも少ないかどうか判定する。前記ＮＯｘ吸収量StNOは、例えば、触媒２５から最後にＮＯｘを放出させた後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推定するようにすればよい。また、前記第１の吸収量St1は、触媒２５がＮＯｘの吸収過剰状態ではないものの、その吸収性能を維持するためにはＮＯｘを放出させるのが好ましいというくらいの量に設定されている。
【０１３１】
前記ステップＳＢ１の判定がＹＥＳであれば、触媒２５のＮＯｘ吸収量は多くはないので、ステップＳＢ２に進む一方、判定がＮＯであれば触媒２５はＮＯｘ吸収量の多い状態なので、ステップＳＢ３に進み、エンジン１の運転状態の変化を利用して触媒２５のリフレッシュを促進することを示すＮＯｘ放出促進フラグＦsをオン状態にして（Ｆs＝１）、ステップＳＢ７に進む。一方、前記ステップＳＢ２では、今度は、触媒２５のＮＯｘ吸収量StNOが予め設定した第２の吸収量St2（St2＜St1）よりも多いかどうか判定する。この第２の吸収量St2は触媒２５のＮＯｘ吸収性能に十分な余裕があるというくらいの量に設定されている。この判定がＹＥＳならばステップＳＢ５に進む一方、判定がＮＯで、触媒２５のＮＯｘ吸収性能に十分な余裕があれば、ステップＳＢ４に進んで、ＮＯｘ放出促進フラグＦsをクリアした後に（Ｆs＝０）、ステップＳＢ５に進む。
【０１３２】
前記ステップＳＢ２，ＳＢ３，ＳＢ４に続いて、ステップＳＢ５では、エンジン１の負荷状態や回転数状態等に基づいて、該エンジン１の現在の運転領域を判定し、続くステップＳＢ６において、エンジン１の現在の運転状態が領域（イ）（図４参照）にあるか否か判別する。この判別結果がＹＥＳならば、図１６に示すステップＳＢ１０に進んで、エンジン１を成層燃焼モードで運転する一方、判別結果がＮＯならば、ステップＳＢ７に進んで、前記と同様にしてエンジン１の現在の運転状態が領域（ハ）にあるか否か判別する。そして、この判別結果がＹＥＳならば図１６に示すステップＳＢ１６に進む一方、判別結果がＮＯならばステップＳＢ８に進み、前記と同様にしてエンジン１の現在の運転状態が領域（ロ）にあるか否か判別する。この判別結果がＮＯならば、図１６のステップＳＢ２１に進んで、エンジン１を均一燃焼モードで運転する一方、判別結果がＹＥＳならばステップＳＢ９に進み、今度はＮＯｘ放出促進フラグＦsがオン状態か否か判別する。そして、この判別結果がＹＥＳならば前記ステップＳＢ１６に進む一方、判別結果がＮＯならば前記ステップＳＢ２１に進む。
【０１３３】
前記図１５のステップＳＢ６に続いて、図１６のステップＳＢ１０では、まず、ＥＣＵ４０の目標負荷設定手段４２（図５参照）により設定された第１目標負荷Piobjを読み出し、この第１目標負荷Piobjの今回値Piobj[i]から前回値Piobj[i-1]を減算して、目標負荷の変化量ΔPiを算出する。続いて、ステップＳＢ１１では、前記目標負荷変化量ΔPiを予め設定した判定基準値Ｃ１と比較し、その比較結果に基づいて、エンジン１の運転モードが切替わるかどうか予測する。すなわち、目標負荷変化量ΔPiが判定基準値Ｃ１よりも大きいＹＥＳ（ΔPi＞Ｃ１）ということは、エンジン１の目標負荷が急増しているということなので、運転モードは成層燃焼モードから均一燃焼モードに切替わると予測して、ステップＳＢ１２に進む。一方、目標負荷変化量ΔPiが判定基準値Ｃ１よりも大きくないＮＯ（ΔPi≦Ｃ１）であれば、運転モードは切替わらないと予測して、ステップＳＢ１４に進む。
【０１３４】
前記ステップＳＢ１２では、ＮＯｘ放出促進フラグＦsがオフ状態か否か判別し、この判別結果がＮＯならば前記ステップＳＢ１４に進む一方、判別結果がＹＥＳならばステップＳＢ１３に進んで、エンジン１の運転モードが均一燃焼モードに切替わるとした場合の、その切替わり直後の均一燃焼モードにおける第１目標負荷Piobj（＝Piobj*）をマップから読み込み、この値を改めて第１目標負荷Piobjとして設定する。つまり、成層燃焼モードのエンジン１が均一燃焼モードへ切替わると予測され、かつ、ＮＯｘ放出促進フラグＦsがオフ状態になっていれば、そのときには、実際に運転モードが切替わる前に第１目標負荷Piobjを均一燃焼モードに切替わった直後の値に補正する。
【０１３５】
続いて、ステップＳＢ１４においてエンジン１を成層燃焼モードで運転する。このとき、前記の改めて設定した第１目標負荷Piobjに基づいてスロットル開度tvoobjが演算されるので、スロットル弁１３は均一燃焼モードにおける目標開度状態になるように閉じられる。そして、続くステップＳＢ１５で、エンジン１の現在の運転領域をＥＣＵ４０のメモリに記憶して、しかる後にリターンする。
【０１３６】
つまり、触媒２５のリフレッシュを促進する必要がなければ、エンジン１が成層燃焼モードで運転されていて、かつ均一燃焼モードへの移行が予測されたときには、実際に均一燃焼モードに移行する前にスロットル弁１３を閉じるようにしている。
【０１３７】
これに対し、前記図１５のフローにおいてエンジン１が領域（イ）にない（成層燃焼モードでない）と判定して進んだステップＳＢ１６では、まず、前回の制御サイクルで記憶したエンジン１の前回の運転領域をＥＣＵ４０のメモリから読み出し、該前回の運転領域が領域（イ）かどうか判別する。この判定がＮＯならばステップＳＢ２２に進む一方、判定がＹＥＳならば、エンジン１の運転モードが成層燃焼モードから均一燃焼モードに切替わった直後なので、続くステップＳＢ１７でディレータイマＴdelayをセットする。続いて、ステップＳＢ１８では、スロットル開度tvoobj（図７（ｂ）の実線参照）をtvoobj補正部４６ｄによりなまし処理して（図７（ｂ）の破線参照）、スロットル弁１３の閉作動を遅延させるように補正する。
【０１３８】
続いて、ステップＳＢ１９において、エアフローセンサ１２等の出力値から演算される実充填効率ceに基づいて、インジェクタ７による燃料噴射量を燃焼室４の空燃比が略理論空燃比になるように補正し、続くステップＳＢ２０では、前記のスロットル制御の遅延や燃料噴射量の補正に伴うエンジン出力の変動を緩和するように、点火時期を遅角補正（リタード）する。そして、続くステップＳＢ２１では、エンジン１を運転モード切替後の領域に対応するように、ストイキオモード又はエンリッチモードで運転し（λ≦１で運転）、前記ステップＳＢ１５に進んで、エンジン１の現在の運転領域をＥＣＵ４０のメモリに記憶した後に、リターンする。
【０１３９】
つまり、エンジン１が成層燃焼状態の領域（イ）から均一燃焼状態の領域（ハ）に移行したとき、又は、成層燃焼状態の領域（イ）から均一燃焼状態の領域（ロ）に移行したときであって、かつＮＯｘ放出促進フラグＦsがオン状態になっていれば、その運転モードの切替えのときに、所定時間だけスロットル弁１３の閉作動を遅延させるとともに、燃料噴射量を増量させて前記燃焼室４の空燃比をリッチ側に変化させるようにしており、このことで、一時的ではあっても排気流量が多くかつ排気中の酸素濃度が低い状態を作り出して、触媒２５のリフレッシュを十分に促進することができる。しかも、エンジン１の燃焼室４の空燃比はかなりリーンな状態から一気に理論空燃比に切替えられるので、ＮＯｘ生成の盛んな中間空燃比（λ＝１〜１．３）になることもない。
【０１４０】
尚、そのようにスロットル弁１３の閉作動を遅らせるとともに、インジェクタ７により燃料を気筒の吸気行程から圧縮行程にかけて複数回に分割して噴射させるようにしてもよく、こうすれば、弱成層状態での燃焼により排気中のＣＯ濃度が大幅に増大するので、触媒２５のリフレッシュをさらに促進することができる。
【０１４１】
一方、前期ステップＳＢ１６において、エンジン１の前回の運転領域が領域（イ）ではないＮＯと判定されて進んだステップＳＢ２２では、ディレータイマＴdelayの値が零になったかどうか判別し、零でないＮＯであれば前記ステップＳＢ１８に進んで、スロットル弁１３の遅延補正等の制御を続ける一方、ディレータイマＴdelay＝０でＹＥＳになれば、ステップＳＢ２１に進み、その後は運転モード切替え後の各領域における通常の制御を行ない（ステップＳＢ２１）、ステップＳＢ１５において現在の運転領域を記憶して、しかる後にリターンする。
【０１４２】
つまり、加速運転等に伴いエンジン１が成層燃焼モードから均一燃焼モードに移行するときに、ディレータイマＴdelayにセットされた所定時間が経過するまでは、スロットル弁１３の閉作動が遅延されて排気流量が十分に確保される一方、その所定時間が経過すれば、通常の均一燃焼モードの制御が行われる。
【０１４３】
前記図１６のフローに示すステップＳＢ１４，ＳＢ２１の各ステップは、エンジン１が低負荷側の領域（イ）にあるときに、インジェクタ７により気筒２の圧縮行程で燃料を噴射させて成層燃焼モードにする一方、それよりも高負荷側の領域（ロ）（ハ）（ニ）（ホ）では、気筒２の吸気行程で燃料を噴射させて均一燃焼モードにするという噴射時期制御手段の制御に対応している。また、この各ステップは、エンジン１の燃焼室４の空燃比を前記成層燃焼モードにおいて空気過剰率λでλ≧１．３のリーン状態になるように制御する一方、均一燃焼モードではλ≦１のリッチ状態になるように切替えて制御するという空燃比制御手段の制御にも対応している。
【０１４４】
また、前記図１５に示すフローのステップＳＢ１〜ＳＢ４、ＳＢ７〜ＳＢ９の各ステップにより、エンジン１が成層燃焼モードから均一燃焼モードに移行するときに、触媒２５からのＮＯｘ放出を促進する状態であるか否かを判定する判定手段６４が構成されている。そして、この判定手段６４は、ＮＯｘ放出の促進状態であるか否かを触媒２５のＮＯｘ吸収量に基づいて判定するとともに、エンジン１が成層燃焼モードの領域（イ）からそれよりも中負荷側の領域（ハ）へ移行するときには、触媒２５のＮＯｘ吸収量に拘わらず、ＮＯｘ放出の促進状態と判定するように構成されている。
【０１４５】
また、前記図１６のステップＳＢ１７，ＳＢ１８は、前記判定手段６４によりＮＯｘ放出の促進状態と判定されたときには、非促進状態よりもスロットル弁１３の閉作動を遅延させるというtvoobj補正部４６ｄ（充填量制御手段）の制御に対応している。
【０１４６】
さらに、前記ステップＳＢ１９は、前記判定手段６４によりＮＯｘ放出を促進すると判定され、かつエンジン１が成層燃焼モードから均一燃焼モードに移行するときに、該エンジン１の燃焼室４の空燃比が略理論空燃比になるように燃料噴射量を増量するという噴射量制御手段の制御に対応しており、また、ステップＳＢ２０は、そのときに点火時期を遅角側に補正するという点火時期補正手段の制御に対応している。そして、前記噴射量制御手段は、燃焼室４の吸気充填効率ceの減少によって空気過剰率λがλ≦１．３になる前に、燃料噴射量を増量するように構成されている。
【０１４７】
また、前記ステップＳＢ１０，ＳＢ１１の各ステップは、エンジン１の加速運転に伴う成層燃焼モードから均一燃焼モードへの移行を、第１目標負荷Piobjの変化状態に基づいて予測する移行予測部（切替え予測手段）４２ｆに対応しており、ステップＳＢ１３は、その移行予測部４２ｆによりエンジン１の均一燃焼モードへの移行が予測され、かつ判定手段６４によりＮＯｘ放出を促進しないと判定されたときに、エンジン１が実際に均一燃焼モードへ移行する前に第１目標負荷Piobjを補正することにより、スロットル弁１３を閉作動させて、燃焼室４の吸気充填効率ceを減少させる補正部４２ｇ（充填量補正制御手段）に対応している。
【０１４８】
次に、前記加速運転時の制御によって、成層燃焼モードから均一燃焼モードに移行するときのエンジン１の燃焼室４の空燃比等がどのように変化するかを、図１７のタイムチャートを参照しながら説明する。
【０１４９】
まず、触媒２５のＮＯｘ吸収量に余裕があって、ＮＯｘ放出促進フラグＦsがオフ状態になっている場合について説明する。この場合、エンジン１の加速時に運転者のアクセ操作に応じてアクセル開度accelが増大すると、これに応じて、ＥＣＵ４０の目標負荷設定手段４２により設定される第１目標負荷Piobjと、この第１目標負荷Piobjに基づいて演算されるスロットル開度tvoobjとが、同図（ａ）（ｂ）にそれぞれ示すように増大する（ｔ＝ｔ１）。そして、実際のスロットル弁１３の開作動からやや遅れて、各気筒の充填効率ceが同図（ｃ）に示すように増大するとともに、燃焼室４の空燃比が燃料噴射量の増量によって同図（ｄ）に示すように徐々にリッチ側に変化する。
【０１５０】
このとき、前記図１６のフローのステップＳＢ１０〜ＳＢ１４に示すように、前記第１目標負荷Piobjの変化度合いに基づいて運転モードの切替えが予測されると（ｔ＝ｔ２）、図１７（ａ）に一点鎖線で示すように、第１目標負荷Piobjが均一燃焼モードに切替わった直後の値に補正され、スロットル等制御用の基本的な運転モードmodsが均一燃焼モードに切替えられて、スロットル開度tvoobjが同図（ｂ）に一点鎖線で示すように急速に小さくされる。そして、スロットル弁１３が閉じられることで、同図（ｃ）に一点鎖線で示すように、各気筒２の充填効率ceはあまり大きくならないうちに減少に転じる。
【０１５１】
そして、この実充填効率ceと第２目標負荷Piobjdとに基づいて、最終的な運転モードmodfが切り替えられると、インジェクタ７による燃料噴射が各気筒２の吸気行程で行われるようになり、また、同図（ｄ）に一点鎖線で示すように空燃比が理論空燃比にされて（ｔ＝ｔ３）、エンジン１が均一燃焼モードで運転されるようになる。
【０１５２】
ここで、仮に前記の運転モード切替えの予測が行われないとすると、エンジン１は、スロットル開度tvoobjが同図（ｂ）に実線で示すようにかなり大きくなった後に、均一燃焼モードに切替わることになり（ｔ＝ｔ４）、そのときに、同図（ｃ）に実線で示すように各気筒２の充填効率ceがかなり大きくなっていることから、エンジン出力が大きく変動する虞れがある。
【０１５３】
これに対し、この実施形態の制御によれば、上述の如くエンジン１の運転モードの切替えの前にスロットル弁１３を閉じることで、充填効率ceの変動を極めて小さくすることができ、これにより、前記のようなエンジン出力の変動を防止することができる。
【０１５４】
一方、ＮＯｘ放出促進フラグＦsがオン状態になっている場合には、前記のような運転モード切替えの予測やそれに対応した制御は行われないので、エンジン１の加速運転時には、運転者のアクセル操作に応じて第１目標負荷Piobjが大きくなり、これに伴い、スロットル開度tvoobjは、スロットル等制御用の基本的な運転モードmodsが切替えられるまで（ｔ＝ｔ３）、増大する。
【０１５５】
そして、前記基本的な運転モードmodsの切替えによって、スロットル開度tvoobjが小さくされるとき、今度は、図１６のフローのステップＳＢ１６〜ＳＢ２０に示す制御手順により、図１７（ｂ）に破線で示すようにスロットル開度tvoobjがなまし処理されて、スロットル弁１３の閉作動が遅延され、同図（ｃ）に破線で示すように各気筒２の充填効率ceは極めて多い状態になる。このとき、燃料噴射量が増量補正されて、同図（ｄ）に破線で示すように燃焼室４の空燃比が理論空燃比に切り替えられるので、同図（ｃ）に斜線を入れて示すように、エンジン１は一時的に、排気中の酸素濃度が低くかつ排気流量の極めて多い状態になる。
【０１５６】
その際、同図（ｅ）に示すように、前記運転モードの切替えが予測された時点（ｔ＝ｔ２）から排気の還流量が増大されるようにＥＧＲ制御が行われることで、前記の排気中の酸素濃度が低くかつ排気流量の極めて多い状態になるまでには確実に排気還流率（ＥＧＲ率）が高められるので、エンジン１の燃焼室４では燃焼に伴うＮＯｘの生成が十分に抑制され、かつ、燃焼が緩慢になることで排気中のＣＯ、ＨＣ濃度が高められる。
【０１５７】
したがって、前記の加速運転時の制御によれば、加速運転時等にエンジン１が成層燃焼モードから均一燃焼モードに移行するときに、過渡的に排気流量のかなり多い状態を作り出すことができ、このときに、燃料噴射量の制御によって排気中の酸素濃度を低下させるとともに、多量の排気を還流させることにより、ＮＯｘ濃度をも低下させ、還元剤成分であるＨＣ、ＣＯの濃度を高めることができるので、触媒２５のリフレッシュを極めて有効に促進することができる。
【０１５８】
しかも、加速運転時には本来、エンジン出力が大きく変化するものなので、運転モードの切替えに伴いエンジン出力が変動しても、運転フィーリングへの悪影響は相対的に小さくて済む。その上さらに、点火時期を遅角側に補正することや、多量の排気還流によって燃焼を緩慢にさせることで、エンジン出力の変動を軽減することができる。
【０１５９】
また、この実施形態では、エンジン１が成層燃焼モードの領域（イ）から中負荷中回転の領域（ハ）に移行するときには、触媒２５のＮＯｘ吸収状態に拘わらず、該触媒２５からのＮＯｘ放出を促進するようにしている。これは、前記領域（ハ）では燃料噴射の分割によって燃焼安定性を高めて、多量の排気を還流させるようにしているからであり、このことによって、エンジン１の運転状態が前記領域（イ）から領域（ハ）へ移行するときには、その両方の領域で多量の排気が還流されているので、その運転状態の移行中にも自ずと多量の排気還流が継続されることになり、たとえＥＧＲ弁の作動応答性が低くても、エンジン１の運転モードの切替え時に前記のような多量の排気還流を容易に実現できるのである。
【０１６０】
（実施形態２）
図１８は、本発明の実施形態２に係る火花点火式直噴エンジンの制御装置Ａによる強制リッチ制御のフローを示し、この実施形態２では、まず、触媒２５からＮＯｘを放出させる時期になったことを、該触媒２５のＮＯｘ吸収量の推定値に基づいて判定するようにしており、また、強制リッチ運転のときに、排気還流率が成層燃焼モードのとき以上になるようにＥＧＲ制御を行うようにしている。さらに、エンジン１の強制リッチ運転への移行時であっても、燃焼室４の空気過剰率λが１．１＜λ＜１．３のときにはスロットル弁１３の閉作動を遅延させないようにしたものである。尚、この実施形態２に係る制御装置Ａの全体構成は前記実施形態１のもの（図１参照）と同様なので、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。
【０１６１】
具体的に、前記図１８に示すフローのステップＳＣ１では、実施形態１と同様に各種データを入力し、続くステップＳＣ２において、触媒２がＮＯｘ吸収量の過剰な状態かどうか判定する。すなわち、前記実施形態１と同様にして触媒２５のＮＯｘ吸収量を推定し、この推定吸収量が所定値を越えたときにＮＯｘ吸収過剰状態と判定すればよい。そして、この判定がＹＥＳならばステップＳＣ１０に進んで強制リッチフラグＦrをオン状態にする（Ｆr＝１）一方、判定がＮＯならば、ステップＳＣ３に進む。
【０１６２】
このステップＳＣ３では、同様にして触媒２５からのＮＯｘの放出が完了したかどうか判定し、この判定がＹＥＳであれば、ステップＳＣ４に進んで強制リッチフラグＦrをクリアする（Ｆr＝０）一方、判定がＮＯであればそのままで、ステップＳＣ５に進む。このステップＳＣ５では、前記強制リッチフラグＦrがオフ状態かどうか判別し、オン状態でＮＯであれば（Ｆr＝１）ステップＳＣ１７に進む一方、オフ状態でＹＥＳであれば（Ｆr＝０）、ステップＳＣ６に進んで、このステップＳＣ６〜ＳＣ９の各ステップにおいて、実施形態１と同様にエンジン１をその運転状態に応じて異なる燃焼モードで運転する。
【０１６３】
一方、前記ステップＳＣ２においてＮＯｘ吸収過剰状態と判定し、ステップＳＣ１０で強制リッチフラグＦrをオン状態とした場合には、続くステップＳＣ１１で実施形態１と同様にディレータイマＴdelayをセットし、続くステップＳＣ１２において、エンジン１の燃焼室４の空燃比が空気過剰率λでλ＜１．１かどうか判定する。この判定は、エアフローセンサ出力及び実際の燃料噴射量から求められる空気過剰率に基づいて行えばよい。そして、この判定がＹＥＳならばステップＳＣ１３、ＳＣ１４に進んで、実施形態１と同様にスロットル弁１３の閉作動を遅延補正し、かつ点火時期を遅角補正して、ステップＳＣ１５に進む一方、判定がＮＯならば、それらの制御を行わすにステップＳＣ１５に進む。
【０１６４】
つまり、触媒２５からＮＯｘを放出させるためにエンジン１を強制リッチ運転に切替えるときに、該燃焼室４の空気過剰率λがλ≧１．１のときにはスロットル弁１３を速やかに閉作動させて、燃焼に伴うＮＯｘの生成が盛んな状態をできるだけ速く通過するようにしている。
【０１６５】
前記ステップＳＣ１２，ＳＣ１４に続くステップＳＣ１５では、ＥＧＲ弁２７の開度をそのままに保持して（ＥＧＲ弁ホールド）ステップＳＣ１６に進み、このステップでエンジン１の運転状態を強制的に均一燃焼状態に切替えて（強制リッチ運転）、しかる後にリターンする。つまり、ＥＧＲ弁２７の開度を成層燃焼モードと同じに保持することで、スロットル弁１３の閉作動に伴い自ずと排気還流率が高まるようにしている。
【０１６６】
前記図１８のフローに示すステップＳＣ８，ＳＣ９，ＳＣ１６の各ステップが空燃比制御手段の制御に、また、前記ステップＳＣ１１〜ＳＣ１３の各ステップがtvoobj補正部４６ｄ（充填量制御手段）の制御にそれぞれ対応している。さらに、前記ステップＳＣ１４が点火時期補正手段の制御に、また、ステップＳＣ１５が排気還流制御手段の制御にそれぞれ対応している。
【０１６７】
したがって、この実施形態２によれば、実施形態１のものと同様の作用効果が得られるとともに、触媒２５をリフレッシュするためにエンジン１を強制リッチ運転に切替えるときに、燃料の大幅な増量補正を行わないことで、その分、燃費悪化を抑制することができる上に、点火時期の遅角補正量も少なくて済むので、そのことによっても燃費の悪化を軽減できる。
【０１６８】
（他の実施形態）
尚、本発明は前記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、前記各実施形態では、触媒２５のリフレッシュを促進するかどうかの判定手段６４として、触媒２５のＮＯｘ吸収量が設定量以上であるか、又はエンジン１が領域（イ）から領域（ハ）へ移行するときに、ＮＯｘ放出の促進状態と判定するようにしているが、これに限るものではない。
【０１６９】
例えば、エンジン１が成層燃焼モードのアイドル運転状態から加速運転状態に移行したときに、ＮＯｘ放出の促進状態と判定するようにしてもよく、こうすれば、アイドル運転状態からの加速時にはエンジン１が均一燃焼モードに移行する頻度が高いので、このときに触媒２５からのＮＯｘ放出を促進するようにすれば、自然に触媒２５のリフレッシュ頻度を高めることができる。
【０１７０】
また、エンジン１が所定以上の急加速運転状態になったときに、ＮＯｘ放出の促進状態と判定するようにしてもよい。この場合には、エンジン１の急加速運転時には自ずとエンジン出力が急増するものなので、このときに触媒２５からのＮＯｘ放出を促進するようにすれば、これに伴いエンジン出力の変動が大きくなっても、そのことによる運転フィーリングの悪化は相対的に小さくて済む。
【０１７１】
さらにまた、前記各実施形態では、ＮＯｘ放出の促進状態においてエンジン１が成層燃焼モードから均一燃焼モードに移行するときに、直ちにインジェクタ７からの燃料噴射量を増量補正するようにしているが、これに限らず、その燃料噴射量の増量補正を非促進状態よりも早い時期に行うようにしてもよい。
【０１７２】
すなわち、ＮＯｘ放出の促進状態では、例えばエンジン１の燃焼室４の空気過剰率がλ＝１．３になったときに燃料噴射量を増量する一方、非促進状態では、空気過剰率がλ＝１．２になったときに燃料噴射量を増量するようにすればよく、こうすれば、ＮＯｘ放出の非促進状態では、燃焼室４の充填効率ceが減少した後で空燃比がリッチ状態に切替えられるようになり、エンジン出力の変動をさらに小さく抑えることができる。
【０１７３】
【発明の効果】
以上説明した如く、請求項１の発明に係る火花点火式直噴エンジンの制御装置によると、エンジンの運転状態に応じて燃焼室の空燃比をリーン状態からリッチ状態に切替えるときには、充填量制御手段の制御によって燃焼室の吸気充填量を速やかに減少させ、エンジン出力の変動を抑えることができる一方、ＮＯｘ吸収触媒のリフレッシュのために空燃比を強制的にリッチ状態に切替えるときには、充填量調整手段の作動を遅延させることにより、一時的に排気中の酸素濃度が低くかつ排気流量の多い状態を作り出して、ＮＯｘ吸収触媒からのＮＯｘの放出を有効に促進することができる。このことで、触媒リフレッシュの頻度を減らしたり、期間を短縮することができるので、燃費の悪化を抑えつつ、触媒のリフレッシュを促進することができる。
【０１７４】
また、充填量調整手段の作動をエンジンの燃焼室の空気過剰率に応じて遅延させることでＮＯｘ生成の盛んな状態になることを回避できる上に、燃費悪化をさらに軽減できる。
【０１７５】
また、請求項２の発明に係る火花点火式直噴エンジンの制御装置によると、エンジンが加速運転に伴い成層燃焼状態の低負荷領域からそれよりも高負荷側の所定領域へ移行して、均一燃焼状態へ切替えられるときに、充填量調整手段の作動を遅延させることにより、一時的に排気中の酸素濃度が低くかつ排気流量の多い状態を作り出して、ＮＯｘ吸収触媒からのＮＯｘの放出を有効に促進することができる。よって、エンジンの運転状態の変化を利用して、運転フィーリングの大幅な悪化を招くことなく、過渡的に排気流量の多い状態を作り出して、触媒のリフレッシュを有効に促進できる。
【０１７６】
請求項３の発明によると、ＮＯｘ吸収触媒のリフレッシュを十分に促進でき、しかも、前記燃焼室の空燃比がＮＯｘ生成の盛んな状態になることを回避できる。また、請求項４の発明によるとその効果を十分に得ることができる。
【０１７７】
請求項５の発明によると、請求項３の発明と同様の効果が得られる上に、ＮＯｘの放出を促進しない場合には、エンジンの燃焼状態の切替えに伴う出力の変動や燃費悪化を軽減できる。また、請求項６の発明によるとその効果を十分に得ることができる。
【０１７８】
請求項７の発明によると、点火時期の遅角補正によってエンジン出力の変動を軽減できる。
【０１７９】
請求項８の発明によると、燃料噴射の分割によって弱成層状態の燃焼とすることにより、排気中のＣＯ等の濃度を高めて、触媒のリフレッシュをさらに促進できる。
【０１８０】
請求項９の発明によると、エンジンの急加速運転状態で触媒のリフレッシュを促進することで、燃焼状態の移行に伴う運転フィーリングの悪化を小さくできる。
【０１８１】
請求項１０の発明によると、車載エンジンの常用運転領域において、排気の還流により排気中のＮＯｘ濃度を低減でき、また、エンジンが低負荷領域から所定の中負荷領域に移行するときに排気の還流が継続されるので、このときの触媒のリフレッシュをさらに促進できる。さらに、請求項１１の発明によると、前記請求項１０の発明の作用効果を十分に得ることができる。
【０１８２】
請求項１２の発明によると、エンジンがアイドル運転状態で加速運転状態になったときに触媒のリフレッシュを促進することにより、リフレッシュの頻度を高めることができる。
【０１８３】
請求項１３の発明によると、ＮＯｘ吸収触媒からのＮＯｘ放出を促進しない場合には、エンジンの加速時に均一燃焼状態へ移行する前に、燃焼室の吸気充填量を減らすことによって、吸気充填量制御の応答遅れに起因するエンジン出力の変動を軽減できる。
【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】 本発明に係る火花点火式直噴エンジンの制御装置の実施形態を示す概略構成図である。
【図３】 触媒の概略構成を示す断面図である。
【図４】 エンジンの成層燃焼モード、ストイキオモード及びエンリチモードの各運転領域を設定した制御マップの一例を示す図である。
【図５】 ＥＣＵの機能ブロック図である。
【図６】 図５における目標負荷設定手段の具体的構成を示す機能ブロック図である。
【図７】 図５おけるスロットル開度演算手段の具体的構成を示す機能ブロック図である。
【図８】 図５における第２目標空燃比設定手段の具体的構成を示す機能ブロック図である。
【図９】 アクセル操作量及びエンジン回転数と仮想体積効率との対応関係を示す図である。
【図１０】 吸入空気量制御用の目標空燃比を運転モード別に設定したマップを示す図である。
【図１１】 目標体積効率とスロットル開度との対応関係を示す図である。
【図１２】 燃料噴射量等の演算に用いる運転モードの設定を示す図である。
【図１３】 燃料噴射量等制御用の目標空燃比（ａ）、噴射時期（ｂ）及び点火時期（ｃ）を、それぞれ運転モード別に設定したマップを示す図である。
【図１４】 触媒リフレッシュのための強制リッチ制御の処理手順を示すフローチャート図である。
【図１５】 エンジンの加速運転時の制御の前半の処理手順を示すフローチャート図である。
【図１６】 エンジンの加速運転時の制御の後半の処理手順を示すフローチャート図である。
【図１７】 エンジンの加速運転時にそれぞれ変化する第１目標負荷、スロットル開度、実充填効率、空燃比等を示すタイムチャート図である。
【図１８】 実施形態２に係る図１４相当図である。
【符号の説明】
Ａ 火花点火式直噴エンジンの制御装置
１ エンジン
２ 気筒
４ 燃焼室
７ インジェクタ（燃料噴射弁）
１３ スロットル弁
４０ コントロールユニット（ＥＣＵ）
４２ｆ 切替予測部（移行予測手段）
４２ｇ 補正部（充填量補正制御手段）
４４ 目標空燃比設定手段（充填量制御手段）
４５ 目標充填効率演算手段（充填量制御手段）
４６ スロットル開度演算手段（充填量制御手段）
４６ｄ tvoobj補正部（充填量制御手段）
４８ 運転モード設定手段（噴射時期制御手段）
４９ 分割比設定手段（噴射時期制御手段）
５０ 噴射量演算手段（噴射量制御手段）
５１ 噴射時期設定手段（噴射時期制御手段）
５２ 噴射制御手段（噴射時期制御手段、噴射量制御手段）
５３ 設定手段（点火時期補正手段）
６２ ＥＧＲ弁基本制御量設定手段（排気還流制御手段）
６３ ＥＧＲ弁制御量演算手段
６４ 判定手段
【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の排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸収するＮＯｘ吸収触媒を配設して、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火花点火式直噴エンジンの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種のエンジンの制御に関して、エンジンが低負荷域にあるときに燃焼室の空燃比を所定のリーン状態（例えばＡ/Ｆ≧２０）になるように制御して、燃費低減を図るとともに、このときに酸素過剰雰囲気になる排気中のＮＯｘをＮＯｘ吸収触媒により吸収除去する一方、そのＮＯｘ吸収触媒のＮＯｘ吸収量が過剰になって吸収性能が低下する前に、エンジンの燃焼室の空燃比を強制的に略理論空燃比かそれよりもリッチな状態に切替えて、前記ＮＯｘ吸収触媒からＮＯｘを放出させる（以下、触媒のリフレッシュともいう）という制御の技術が知られている。
【０００３】
また、特開平１０−２７４０８５号公報に開示されるものでは、前記のようなＮＯｘ吸収触媒が酸素過剰雰囲気の排気中のＮＯｘを酸化させて硝酸塩として吸収する一方、酸素濃度が低下すると、吸収した硝酸塩を排気中の一酸化炭素（ＣＯ）と置換反応させてＮＯｘを放出するという特性を有することに着目し、ＮＯｘ吸収触媒からＮＯｘを放出させるときには、排気中の酸素濃度を低下させるとともに、気筒の膨張行程や排気行程で追加の燃料を噴射して再燃焼させることにより、排気中のＣＯ濃度を高めて、ＮＯｘの放出及び還元浄化を促進するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記従来の制御装置によれば、排気中の酸素濃度を低下させたり、ＣＯ濃度を高めたりすることはできても、ＮＯｘ吸収触媒を流通する排気流量そのものが少ないため、触媒のリフレッシュを十分に促進することができないという不具合がある。すなわち、一般的な車載エンジンの場合、例えば燃焼室の空燃比がリーンな状態になっている低負荷域で、ＮＯｘ吸収触媒のリフレッシュのために空燃比を強制的にリッチ側に変更するときには、エンジン出力の増大を抑えるためにスロットル弁を閉じて、吸入空気量を減少させる必要があるので、排気流量はかなり少なくなる。
【０００５】
また、我が国の一般的な交通事情を考慮すれば、車載エンジンが中高負荷以上の運転状態になる時間は短いので、このときにはスロットル弁の開度は十分に大きくなるものの、エンジン回転数はあまり高くはならず、結局、触媒に流通する排気量は多くはならない。
【０００６】
つまり、前記従来の制御装置を車載エンジンに適用した場合、エンジンの運転中に燃焼室の空燃比をリッチな状態にしかつ排気流量を十分に確保することができないため、触媒のリフレッシュを有効に促進するためには、リフレッシュ頻度を高めたり、リフレッシュ時の空燃比を余計にリッチな状態に制御したりせざるを得ず、このことが燃費悪化を招くという不具合がある。
【０００７】
また、前記従来例（特開平１０−２７４０８５号公報）の制御装置のように、気筒の膨張行程や排気行程で追加の燃料を噴射するようにしたものでは、この追加の燃料がエンジンの出力に殆ど寄与しないので、燃費が大幅に悪化する虞れがある。
【０００８】
本発明は斯かる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、ＮＯｘ吸収触媒のリフレッシュ時に排気流量そのものを十分に確保することの重要性に着目し、エンジンの燃焼室の空燃比をリーン状態からリッチ状態へ切替えるときの制御手順に工夫を凝らして、燃費の悪化を抑えつつ、触媒のリフレッシュを促進できるようにすることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成すべく、この発明の第１の解決手段では、ＮＯｘ吸収触媒のリフレッシュのためにエンジンの燃焼室の空燃比をリーン状態からリッチ状態へ切替えるときには、エンジンの燃焼室の吸気充填量を通常よりもゆっくりと減少させるようにした。
【００１０】
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の気筒内燃焼室４に燃料を直接、噴射供給する燃料噴射弁７と、前記燃焼室４に連通する排気通路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ＮＯｘ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吸収触媒２５と、エンジン１の運転状態に応じて前記燃焼室４の空燃比を、空気過剰率が１．３以上のリーン状態又はそれよりもリッチなリッチ状態のいずれかになるように切替えて制御するとともに、前記ＮＯｘ吸収触媒２５からＮＯｘを放出させるときには、前記燃焼室４の空燃比を強制的にリッチ状態に切替える空燃比制御手段４０ａとを備えた火花点火式直噴エンジンの制御装置Ａを前提とする。
【００１１】
そして、前記燃焼室４の吸気充填量を調整する充填量調整手段１３が設けられ、前記空燃比制御手段４０ａは、前記燃焼室４の空燃比がリーン状態からリッチ状態に切替えられるときに、燃焼室４の吸気充填量が減少するように前記充填量調整手段１３を制御する充填量制御手段４０ｂを有し、該充填量制御手段４０ｂは、前記空燃比制御手段４０ａにより燃焼室４の空燃比が強制的にリッチ状態に切替えられるときには、前記充填量調整手段１３の作動を遅延させるとともに、エンジンの燃焼室の空気過剰率λが１．１＜λ＜１．３のときの充填量調整手段の作動を、λ＜１．１のときよりも速くなるように制御する ものとする。
【００１２】
前記の構成により、エンジン１の燃焼室４の空燃比が該エンジン１の運転状態に応じてリーン状態からリッチ状態に切替えられるときには、充填量制御手段４０ｂにより充填量調整手段１３が制御されて、燃焼室４の吸気充填量が速やかに減らされるので、空燃比の切替えに伴うエンジン出力の変動が抑えられる。一方、ＮＯｘ吸収触媒２５のリフレッシュのために空燃比を強制的にリッチ状態に切替えるときには、前記充填量調整手段１３の作動が遅延されるので、燃焼室４の空燃比は吸気充填量があまり減少しないうちにリッチ状態に切替えられて、一時的に排気中の酸素濃度が低くかつ排気流量の多い状態が作り出される。このことで、ＮＯｘ吸収触媒からのＮＯｘの放出が有効に促進される。
【００１３】
つまり、エンジン１がリーン運転状態からリッチ運転状態へ切替わる過渡的状態を利用して、触媒のリフレッシュを有効に促進することができるので、その分、触媒リフレッシュの頻度を減らしたり、期間を短縮することができ、よって、燃費の悪化を抑えつつ、触媒のリフレッシュを促進することができる。
【００１４】
しかも、エンジンの燃焼室の空気過剰率λが１．１＜λ＜１．３のときの充填量調整手段の作動を、λ＜１．１のときよりも速くなるように制御するようにしているので、当該充填量調整手段の作動はエンジンの燃焼室の空気過剰率λがλ＞１．１のときに相対的に速くされることになり、燃焼室がＮＯｘ生成の盛んな状態になることを回避できる。また、燃料の増量補正や点火時期の遅角補正に伴う燃費悪化が軽減される。
【００１５】
次に、この発明の第２の解決手段では、エンジンを成層燃焼状態と均一燃焼状態とに切替えて運転する場合に、成層燃焼状態ではエンジンの燃焼室の吸気充填量がかなり多くなることに着目して、加速運転に伴い成層燃焼状態から均一燃焼状態へ移行するときに、エンジンの燃焼室の吸気充填量を通常よりもゆっくりと減少させることにより、排気流量を十分に確保して触媒のリフレッシュを促すようにした。
【００１６】
具体的に、請求項２の発明では、エンジンの気筒内燃焼室に燃料を直接、噴射供給する燃料噴射弁と、前記燃焼室に連通する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ＮＯｘ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吸収触媒と、前記燃料噴射弁により燃料を、エンジンが所定の低負荷領域にあるときに成層燃焼状態になるように気筒の圧縮行程で噴射させる一方、前記低負荷域よりも高負荷側では均一燃焼状態になるように気筒の吸気行程で噴射させる噴射時期制御手段とを備えた火花点火式直噴エンジンの制御装置を前提とする。
【００１７】
そして、前記燃焼室の吸気充填量を調整する充填量調整手段と、エンジンの燃焼室の空燃比を、前記成層燃焼状態では空気過剰率が１．３以上のリーン状態になるように制御する一方、均一燃焼状態では空気過剰率が１以下のリッチ状態になるように切替えて制御する空燃比制御手段と、エンジンが加速運転状態になって、前記成層燃焼状態の運転領域から均一燃焼状態の運転領域における少なくとも中負荷中回転の領域に移行するときに、前記ＮＯｘ吸収触媒からのＮＯｘ放出を促進する状態にある、と判定する判定手段とを設け、前記空燃比制御手段は、エンジンが前記成層燃焼状態から均一燃焼状態に移行するときに、燃焼室の吸気充填量が減少するように前記充填量調整手段を制御する充填量制御手段を有するものとし、該充填量制御手段は、前記判定手段によりＮＯｘ放出の促進状態と判定されたときには、非促進状態よりも前記充填量調整手段の作動を遅延させるものとする。
【００１８】
前記の構成により、エンジンが成層燃焼状態の低負荷領域からそれよりも高負荷側の領域へ移行するときには、該エンジンの燃焼状態が成層燃焼状態から均一燃焼状態へ切替えられるとともに、燃焼室の空燃比が空燃比制御手段によりリーン状態からリッチ状態に切替えられる。このとき、通常は充填量制御手段による充填量調整手段の制御によって、燃焼室の吸気充填量が速やかに減らされるので、燃焼状態や空燃比の切替えに伴うエンジン出力の変動は抑えられる。
【００１９】
一方、エンジンが加速運転状態になって、成層燃焼状態の低負荷領域から均一燃焼状態の運転領域における少なくとも中負荷中回転の領域に移行するときには、判定手段によりＮＯｘ放出の促進状態であると判定され、前記充填量調整手段の作動が遅延されるので、燃焼室の吸気充填量があまり減少しないうちに空燃比がリッチ状態に切替えられることになり、一時的に排気中の酸素濃度が低くかつ排気流量の多い状態になって、ＮＯｘ吸収触媒からのＮＯｘの放出が有効に促進される。つまり、エンジンの加速運転に伴う低負荷域から中高負荷域への移行時に過渡的に排気流量の多い状態を作り出して、触媒のリフレッシュを有効に促進することができる。
【００２０】
また、そのようにエンジンの運転状態の変化を利用して、高負荷側への移行時に排気流量の多い状態を作り出すようにしているので、これに伴いエンジン出力が変動しても、運転フィーリングが大きく悪化することはない。
【００２１】
請求項３の発明では、請求項２の発明における空燃比制御手段は、判定手段によりＮＯｘ放出の促進状態と判定されたときに、エンジンの燃焼室の空燃比がリッチ状態になるように燃料噴射弁からの燃料噴射量を増量する噴射量制御手段を有するものとする。
【００２２】
この構成では、エンジンが成層燃焼状態から均一燃焼状態に移行するときに、ＮＯｘ吸収触媒からのＮＯｘ放出を促進するのであれば、噴射量制御手段により燃料噴射量が増量されることで、エンジンの燃焼室の空気過剰率は１．３以上のリーン状態から直ちに１以下のリッチ状態に変更される。このことで、排気流量が十分に多い間に排気中の酸素濃度を低下させて、ＮＯｘ吸収触媒のリフレッシュを十分に促進でき、しかも、前記燃焼室の空燃比がＮＯｘ生成の盛んな状態になることを回避できる。
【００２３】
請求項４の発明では、請求項３の発明における噴射量制御手段は、吸気充填量の減少によって燃焼室の空気過剰率が１．３よりも小さくなる前に、燃料噴射量を増量するものとする。すなわち、一般に、燃焼に伴うＮＯｘの生成は空気過剰率がλ＝１〜１．３の範囲で最も盛んになるので、この発明では、エンジンの燃焼室の空気過剰率が１．３よりも小さくなる前に燃料噴射量を増量して、リッチ状態に切替えることで、請求項３の発明の作用効果を十分に得ることができる。
【００２４】
請求項５の発明では、請求項２の発明における空燃比制御手段は、エンジンが成層燃焼状態から均一燃焼状態に移行するときに、エンジンの燃焼室の空燃比がリッチ状態になるように燃料噴射弁からの燃料噴射量を増量する噴射量制御手段を有するものとし、該噴射量制御手段は、判定手段によりＮＯｘ放出の促進状態と判定されたときには、非促進状態よりも早く燃料噴射量を増量する構成とする。
【００２５】
この構成では、エンジンが成層燃焼状態から均一燃焼状態に移行するときに、ＮＯｘ吸収触媒からのＮＯｘ放出を促進するのであれば、噴射量制御手段により燃料噴射量が相対的に早く増量されるので、請求項３の発明と同様に、燃焼に伴うＮＯｘの生成を抑制し、かつＮＯｘ吸収触媒のリフレッシュを十分に促進できる。一方、ＮＯｘの放出を促進しないのであれば、燃料噴射量の増量は相対的に遅くされるので、その分、吸気充填量が減少した後で燃焼室の空燃比がリッチ状態に切替えられるようになり、このことで、エンジンの燃焼状態の切替えに伴う出力の変動や燃費悪化を軽減できる。
【００２６】
請求項６の発明では、請求項５の発明における噴射量制御手段は、判定手段によりＮＯｘ放出の促進状態と判定されたときには、エンジンの燃焼室の空気過剰率が１．３になったときに燃料噴射量を増量する一方、非促進状態と判定されたときには、空気過剰率が１．２になったときに燃料噴射量を増量する構成とする。この構成によれば、請求項１０の発明の作用効果を十分に得ることができる。
【００２７】
請求項７の発明では、請求項３〜６のいずれか１つの発明において、噴射量制御手段によって燃料噴射量が増量されたときに、点火時期を遅角側に補正する点火時期補正手段を設ける構成とする。こうすれば、点火時期補正手段により点火時期を遅角側に補正することで、燃料の増量に伴うエンジン出力の増大を相殺して、エンジン出力の変動を軽減できる。
【００２８】
請求項８の発明では、請求項２の発明における噴射時期制御手段は、判定手段によりＮＯｘ放出の促進状態と判定されたときに、燃料噴射弁により燃料を、気筒の吸気行程から圧縮行程にかけての早期噴射、及び圧縮行程での後期噴射に２分割して噴射させる構成とする。
【００２９】
この構成により、エンジンが成層燃焼状態から均一燃焼状態に移行するときに、ＮＯｘ吸収触媒からのＮＯｘ放出を促進するのであれば、噴射時期制御手段の制御により、燃料が吸気行程から圧縮行程にかけての早期噴射と圧縮行程での後期噴射とに２分割して噴射される。そして、このように２分割して噴射された燃料は、エンジンの燃焼室において点火プラグ周りにリッチな混合気を、また、その周囲にリーンな混合気を形成し、均一燃焼と成層燃焼との中間的な燃焼状態（以下、弱成層状態という）で燃焼する。そして、この弱成層状態の燃焼ではＣＯの排出量が大幅に増大するので、ＮＯｘ吸収触媒のリフレッシュをさらに促進することができる。
【００３０】
請求項９の発明では、請求項２の発明における判定手段は、さらにエンジンが所定以上の急加速運転状態になったときに、ＮＯｘ吸収触媒からのＮＯｘ放出の促進状態と判定するものとする。このことで、エンジンの急加速運転時にはエンジン出力が急増するものなので、このときにＮＯｘ吸収触媒からのＮＯｘ放出を促進するようにすれば、成層燃焼状態から均一燃焼状態への移行時にエンジン出力が変動しても、運転フィーリングへの悪影響を相対的に小さくすることができる。
【００３１】
請求項１０の発明では、請求項２の発明において、エンジンの吸気系に排気の一部を還流させる排気還流手段と、エンジンが成層燃焼状態の低負荷領域又は該低負荷領域に連続する所定の中負荷領域にあるときに、前記排気還流手段により排気を還流させる排気還流制御手段とを設け、噴射時期制御手段は、エンジンが前記中負荷領域にあるときに、燃料噴射弁により燃料を気筒の吸気行程で２分割して噴射させるものとし、判定手段は、さらにエンジンが前記低負荷領域から中負荷領域へ移行するときに、ＮＯｘ吸収触媒からのＮＯｘ放出の促進状態と判定するものとする。
【００３２】
この構成により、エンジンが成層燃焼状態の低負荷領域やその低負荷領域に続く所定の中負荷領域にあるとき、即ち車載エンジンの常用される運転領域にあるときに、排気還流制御手段の制御により排気の還流が行われて、燃焼に伴うＮＯｘ生成が抑えられる。特に、前記中負荷領域では、噴射時期制御手段の制御により燃料が気筒の吸気行程で２分割して噴射されることで、混合気の均一度合いが高まり燃焼安定性が向上するので、エンジン負荷が比較的高くても十分な量の排気を還流させることができる。
【００３３】
そして、エンジンが前記低負荷領域から中負荷領域に移行するときには、その移行時にも自ずと排気の還流が継続されて、排気中のＮＯｘ濃度が低くなるので、このときにはＮＯｘ吸収触媒からのＮＯｘの放出をさらに促進することができる。
【００３４】
請求項１１の発明では、請求項１０の発明における排気還流制御手段は、エンジンが成層燃焼状態から均一燃焼状態に移行するときに、排気の還流率が３０％以上になるように排気還流手段を制御するものとする。
【００３５】
このように、排気還流制御手段の制御により、排気の還流率が３０％以上になるように多量の排気を還流させることで、エンジンの燃焼室で燃焼に伴うＮＯｘの生成を十分に抑制し、かつ排気中のＣＯ、ＨＣ濃度を高めることができる。よって、請求項１０の発明の作用効果を十分に得ることができる。尚、前記排気の還流率は、二酸化炭素（ＣＯ2）の濃度を基準として、以下の式で表すものとする。
【００３６】
【数１】
請求項１２の発明では、請求項２の発明における判定手段は、さらにエンジンがアイドル運転状態で加速運転状態になったときに、ＮＯｘ吸収触媒からのＮＯｘ放出の促進状態と判定するものとする。このことで、アイドル運転状態からの加速時にはエンジンの運転状態が均一燃焼状態に切替わる頻度が高いので、このときにＮＯｘ吸収触媒からのＮＯｘ放出を促進することにより、触媒のリフレッシュを十分に促進できる。
【００３８】
請求項１３の発明では、請求項２の発明において、エンジンの負荷状態の変化に基づいて成層燃焼状態から均一燃焼状態への移行を予測する移行予測手段と、該移行予測手段によりエンジンが均一燃焼状態へ移行すると予測され、かつ判定手段によりＮＯｘ放出の非促進状態と判定されたときに、エンジンが均一燃焼状態へ移行する前に充填量調整手段により燃焼室の吸気充填量を減少させる充填量補正制御手段とを設ける構成とする。
【００３９】
すなわち、一般に、充填量調整手段による燃焼室の吸気充填量の調整には、該燃焼室への吸気流動等に起因して大きな応答遅れが生じる。このため、エンジンが成層燃焼状態から均一燃焼状態に移行するときには、燃焼室の吸気充填量を直ちに減少させることはできず、エンジン出力が変動しやすいという不具合がある。そこで、この発明では、ＮＯｘ吸収触媒からのＮＯｘ放出を促進しないときには、エンジンが成層燃焼状態から均一燃焼状態へ移行することを移行予測手段により予測して、エンジンが実際に均一燃焼状態へ移行する前に燃焼室の吸気充填量を減らすことにより、吸気充填量制御の応答遅れに起因するエンジン出力の変動を軽減できる。
【００４０】
請求項１４の発明では、請求項１又は２のいずれかの発明における充填量調整手段は、エンジンの吸気通路に配設されたスロットル弁であり、また、充填量制御手段は、少なくともエンジンが定常運転状態になっているときに、アクセル操作量及びエンジン回転数に応じて前記スロットル弁の開度を制御するものとする。このことで、充填量調整手段及び充填量制御手段の構成が具体化される。
【００４１】
【発明の実施の形態】
（制御装置の全体構成）
図２は本発明の実施形態１に係る火花点火式直噴エンジンの制御装置Ａ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の側壁部には、移動するピストン３と干渉しない位置に、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。
【００４２】
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の圧縮行程中期以降に噴射されると、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。
【００４３】
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（充填量調整手段）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。
【００４４】
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。
【００４５】
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おり、前記Ｏ2センサ２４は、排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出するために用いられるものであり、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センサが用いられている。また、触媒２５は、排気中の酸素濃度が高い（例えば４％以上の）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、特に理論空燃比近傍では、いわゆる三元触媒と同様の高い排気浄化性能を発揮する。
【００４６】
前記触媒２５は、図３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。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。
【００４７】
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。
【００４８】
前記Ｏ2センサ２４よりも上流側の排気通路２２には、ＥＧＲ通路（排気還流通路）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（排気還流量調整弁）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量ともいう）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おり、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。
【００４９】
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。
【００５０】
（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による燃料噴射時期や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、図４に示すように、エンジン１の温間状態では、低負荷低回転側の所定領域（イ）が成層燃焼領域とされ、インジェクタ７により圧縮行程中期以降に燃料を噴射させて、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。
【００５１】
一方、それ以外の運転領域（ロ）（ハ）（ニ）（ホ）は、全て均一燃焼領域とされており、インジェクタ７により吸気行程で燃料を噴射させて吸気と十分に混合して、燃焼室４に均一な混合気を形成した上で燃焼させる燃焼モードになる。このうちの領域（ロ）（ハ）（ニ）では、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、λ＝１）になるように、燃料噴射量やスロットル開度等を制御しており（以下、ストイキオモードという）、特にエンジン１の中負荷中回転領域（ハ）では、インジェクタ７により吸気行程前期及び後期に燃料を２分割して噴射させるようにしている。
【００５２】
また、均一燃焼領域における高負荷ないし高回転側の運転領域（ホ）では、空燃比を理論空燃比よりもリッチな状態（例えばＡ/Ｆ＝１３〜１４）にして、高出力を得るようにしている（以下、エンリッチモードという）。尚、エンジン冷間時には、図示しないが、燃焼安定性を確保するためにエンジン１の全ての運転領域を均一燃焼領域としている。
【００５３】
さらに、同図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おり、低負荷側の領域（イ）における排気還流率は最大で約４０％とされている。この多量の排気還流により燃焼室４の熱容量が増大して、燃焼に伴うＮＯｘの生成が十分に抑えられる。また、領域（ハ）では、燃料の分割噴射によってその燃料と吸気とのミキシングが改善されて、燃焼安定性が向上しているので、前記領域（イ）よりもエンジン負荷の高い状態であっても、十分な量の排気を還流させることができる。
【００５４】
図５は前記ＥＣＵ４０におけるエンジン制御の基本的な処理を示す機能ブロック図である。すなわち、ＥＣＵ４０は、吸気温センサ３１及び大気圧センサ３２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４１を備えるとともに、回転数センサ３３及びアクセル開度センサ３４からの信号に基づき、さらに前記吸気密度状態を加味してエンジン１の目標負荷を設定する目標負荷設定手段４２を備えている。
【００５５】
前記目標負荷設定手段４２では、図６に示すように、まず、仮想体積効率演算部４２ａにより、アクセル開度accel及びエンジン回転数neに基づいて仮想体積効率veimgを演算する。詳しくは、予めベンチテスト等により、標準大気状態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に、アクセル開度accel及びエンジン回転数neと仮想体積効率veimg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。そして、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に対応する仮想体積効率veimg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と仮想体積効率veimgとの対応関係は例えば図９に示すようになり、仮想体積効率veimg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が低いほど大きくなる。
【００５６】
続いて、仮想充填効率演算部４２ｂにより、前記のように求めた仮想体積効率veimgに、前記吸気密度状態検出手段４１により求められた吸気密度を加味して、仮想充填効率ceimgを演算する。この仮想充填効率ceimgは標準運転条件下でエンジン１に要求される出力に見合った充填効率（吸気充填量）であるが、このようにして求めた仮想充填効率ceimgに対し、なまし処理部４２ｃにおいて次式のような一時遅れ補正を行う。つまり、仮想充填効率ceimgに遅延処理を施す。
【００５７】
（数２）
ceimgd ＝（１−α）×ceimg＋α×ceimgd[i-1]
【００５８】
但し、ceimgd[i-1] は ceimgd の前回値、αは係数（０＜α＜１）である。
【００５９】
そして、前記仮想充填効率演算部４２ｂにより演算した仮想充填効率ceimg、又は前記なまし処理部４２ｃにより遅延処理した仮想充填効率ceimgdに基づいて、目標負荷演算部４２ｄにより、それぞれの値に対応する図示平均有効圧力（Ｐｉ）を目標負荷として演算する。すなわち、なまし処理されていない仮想充填効率ceimgに基づいて、第１目標負荷Piobjを、また、なまし処理された仮想充填効率ceimgdに基づいて、第２目標負荷Piobjdをそれぞれ演算する。
【００６０】
（数３）
Piobj ＝ K1×ceimg ＋K2
Piobjd ＝ K1×ceimgd＋K2
【００６１】
また、前記目標負荷設定手段４２には、エンジン１のアイドル運転中にエアコンディショナ等の外部負荷が加わったときに、その外部負荷に見合う程度にエンジン出力を高めるために、前記の目標負荷の演算に先立って仮想充填効率ceimg,ceimgdを補正するアイドリング負荷補正部４２ｅが設けられている。
【００６２】
さらに、前記目標負荷設定手段４２には、エンジン１の加速運転時に、成層燃焼モードから均一燃焼モードへと運転モードが変更されることを予測する切替予測部（移行予測手段）４２ｆと、該切替予測部４２ｆにより運転モードの切替えが予測されたとき、その切替えの前に前記第１目標負荷Piobjを、均一燃焼モードに切替わった後の値になるように補正する補正部４２ｇとが設けられている。これらの切替予測部４２ｆ及び補正部４２ｇによる制御の詳細については後述するが、前記補正部４２ｇにより第１目標負荷Piobjが補正されることにより、エンジン１の運転モードが実際に均一燃焼モードに切替わる前に、スロットル開度tvoobjが小さくされて、燃焼室４の充填効率が低下するようになっている。つまり、前記補正部４２ｇは充填量補正制御手段に対応している。
【００６３】
前記ＥＣＵ４０は、前記のように求めた第１目標負荷Piobjとエンジン回転数neとに基づいて、基本的な運転モードmodsを設定する運転モード設定手段４３を備えている。すなわち、例えばエンジン温間時には、前記図４のマップに示すように、第１目標負荷Piobjが所定の低負荷側しきい値Piobj*よりも低く、かつエンジン回転数neが低い運転領域（イ）では成層燃焼モードとする一方、それ以外の運転領域では均一燃焼モードとし、第１目標負荷Piobj及びエンジン回転数neに応じて、それぞれストイキオモード（ロ）（ハ）（ニ）かエンリッチモード（ホ）かのいずれかとする。
【００６４】
また、前記ＥＣＵ４０はエンジン出力に関係する各種制御パラメータの値を決定するようになっており、具体的には、スロットル弁１３により調整される吸入空気量、ＥＧＲ弁２７により調整されるＥＧＲ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、インジェクタ７による燃料噴射量、噴射時期、及び点火プラグ６による点火時期を制御パラメータとして、これらの制御パラメータの値を第１及び第２目標負荷Piobj,Piobjd及びエンジン回転数neに応じて決定する。
【００６５】
ここで、前記制御パラメータのうちの吸入空気量、ＥＧＲ量及びスワール強さはそれぞれスロットル弁１３、ＥＧＲ弁２７及びスワール制御弁１８の作動に対する応答性が比較的低い低速応答系なので、これらの制御量であるスロットル開度tvoobj、ＥＧＲ弁開度、スワール制御弁開度は第１目標負荷Piobjとエンジン回転数neとに応じて決定する。一方、燃料噴射量、噴射時期及び点火時期はいずれも制御信号に速やかに応答する高速応答系のものなので、これらは遅延処理後の第２目標負荷Piobjdとエンジン回転数neとに応じて決定する。
【００６６】
（スロットル制御）
具体的に、前記ＥＣＵ４０は、前記目標負荷設定手段４２により設定された第１目標負荷Piobjに応じて、スロットル弁１３を制御する手段（充填量制御手段）として、第１目標空燃比設定手段４４、目標充填効率演算手段４５及びスロットル開度演算手段４６を備えている。前記第１目標空燃比設定手段４４は、吸入空気量を制御するための目標空燃比afwbを上述の運転モード設定手段４３により設定された運転モード別に設定するものであり、図１０に示すように、成層燃焼モードやエンリッチモードでは第１目標負荷Piobj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。
【００６７】
また、前記目標充填効率演算手段４５は、第１目標負荷Piobj又はこれに対応する仮想充填効率ceimgと前記目標空燃比afwbとに基づいて、例えば次式に従って目標充填効率ceobjを演算する。
【００６８】
（数４）
ceobj ＝ceimg×｛（afwb＋K3）/ 14.7 ｝×K4
【００６９】
この（数４）の演算式は、仮想充填効率ceimgから、リーン状態で運転される場合の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ceobjを求めるようにしたもので、係数K3,K4はいずれも燃費改善効果分に見合う程度に目標充填効率を減少させるような値とされている。
【００７０】
つまり、前記仮想充填効率ceimgは、エンジン１が標準運転条件下で運転されるときの目標負荷に対応する値なので、リーン運転時に同等の燃料噴射量を確保するためには前記の空気過剰率分を加味する必要があるが、そのようにして理論空燃比の場合と同等の燃料噴射量を確保した場合、リーン運転時には熱効率が高くなることからエンジン出力が高くなってしまう（これを燃費改善効果という）。そこで、目標負荷に対応するエンジン出力を得るために、前記のように空気過剰率分を加味するほかに、燃費改善効果分も加味するようにしたものである。
【００７１】
尚、前記（数３）から、ceimg ＝（Piobj−K2）/K1 となるので、これを前記（数４）に代入して、第１目標負荷Piobjから目標充填効率ceobjを求めるようにしてもよい。
【００７２】
前記スロットル開度演算手段４６では、図７に示すように、前記のように求めた目標充填効率ceobjを、目標体積効率演算部４６ａにより吸気密度に応じて補正して、目標体積効率veobjを求め、この目標体積効率veobj及びエンジン回転数neに応じて目標のスロットル開度tvoobjを演算する。その際、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の有無によって異なるため、その各場合についてそれぞれ前記の対応関係を示すマップを予め作成し、ＥＧＲ判別部４６ｃによるＥＧＲの有無の判別結果に応じて、いずれかのマップから目標体積効率veobj及びエンジン回転数neに対応するスロットル開度tvoobjを読み込むようにしている。
【００７３】
ここで、前記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、例えば、ＥＧＲが行われていない場合に図１１に実線で示すようになり、ＥＧＲが行われている場合には同図に破線で示すようになる。すなわち、スロットル開度tvoobjは、目標体積効率veobjが大きいほど大きくされ、かつエンジン回転数neが高いほど大きくされるとともに、ＥＧＲがある場合にはない場合よりも大きめにされる。
【００７４】
また、詳しくは後述するが、本発明の特徴部分として、エンジン１の運転モードが成層燃焼モードからストイキオモードに切替わるときに、触媒２５からのＮＯｘの放出を促すためにスロットル弁１３の閉作動を遅延させるように、前記スロットル開度tvoobjになまし処理（遅延補正）を施すtvoobj補正部４６ｄが設けられている。
【００７５】
尚、成層燃焼モードでは、排気の空燃比が極めてリーンな状態になるので、ＥＧＲガス中にも既燃ガスだけでなく空気（酸素）が多量に含まれることになる。そのため、ＥＧＲがある場合にはそのＥＧＲガス中の既燃ガス体積割合を求め、その結果に応じて、スロットル開度tvoobj及びＥＧＲ弁制御量を補正するようにしている。
【００７６】
（ＥＧＲ制御）
前記ＥＣＵ４０には、ＥＧＲ制御のための手段（排気還流制御手段）として、ＥＧＲ弁基本制御量設定手段６２と、ＥＧＲ弁制御量演算手段６３とが設けられている。前記ＥＧＲ弁基本制御量設定手段６２はＥＧＲ弁２７の基本的な制御量を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目標負荷Piobj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基本制御量を読み込む一方、ストイキオモードではエアフローセンサ１２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とに応じて、予め作成されているマップから基本制御量を読み込む。そして、前記ＥＧＲ弁制御量演算手段６３では、前記基本制御量を前記のＥＧＲガス中の既燃ガス体積割合に応じて補正して、目標ＥＧＲ弁制御量を求め、リフトセンサ２８からの出力信号に応じて求められる実際のＥＧＲ弁制御量が前記目標ＥＧＲ弁制御量と一致するように、ＥＧＲ弁２７を制御する。
【００７７】
（燃料噴射制御）
前記ＥＣＵ４０は、エンジン１の目標負荷及び運転状態に応じて目標空燃比を設定する第２目標空燃比設定手段４７を備え、また、インジェクタ７による燃料噴射を制御するための手段として、運転モード設定手段４８、分割比設定手段４９、噴射量演算手段５０、噴射時期設定手段５１及び噴射制御手段５２を備えている。前記運転モード設定手段４８、分割比設定手段４９、噴射時期設定手段５１及び噴射制御手段５２により噴射時期制御手段が構成され、また、前記噴射量演算手段５０及び噴射制御手段５２により噴射量制御手段が構成されている。さらに、その噴射量制御手段と上述の排気還流制御手段及び充填量制御手段とにより、空燃比制御手段が構成されている。
【００７８】
前記第２目標空燃比設定手段４７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、より具体的には図８に示すように、第２目標負荷Piobjd又はこれに対応する仮想充填効率ceimgdと実充填効率（吸気充填量）ceとに基づいて、演算部４７ａにより、主としてエンジン１の過渡運転時に用いられる目標空燃比afw0を演算する。
【００７９】
（数５）
afw0 ＝14.7×K1×ce/｛K4×(Piobjd−K2)｝−K3
[＝14.7×ce/(K4×ceimgd)−K3]
【００８０】
この（数５）の演算式は、理論空燃比と実充填効率ceと第２目標負荷Piobjd（又は仮想充填効率ceimgd）と、上述の燃費改善効果分を加味する係数K3,K4とを用いて、実充填効率の下で目標負荷に対応するエンジントルクが得られるような空燃比を求めるようにしたものである。
【００８１】
また、設定部４７ｂにより、主としてエンジン１の定常運転時に用いられる目標空燃比afwbdを前記運転モード設定手段４８により設定される運転モードmodf別に設定する。すなわち、図１３（ａ）に示すように、成層燃焼モードやエンリッチモードでは、第２目標負荷Piobjdとエンジン回転数neとに基づいて、予め作成されているマップから目標空燃比afwbdを読み込む一方、ストイキオモードでは、目標空燃比afwbdを理論空燃比とする。
【００８２】
そして、第１目標空燃比設定手段４４で設定された吸入空気量制御用の目標空燃比afwbと、前記演算部４７ａにより演算された目標空燃比afw0との偏差dafwbを偏差演算部４７ｃにより演算して、この偏差dafwbが大きくなるエンジン１の過渡運転時には、前記演算部４７ａにより演算した目標空燃比afw0を最終的な目標空燃比afwとする一方、前記偏差dafwbが小さいエンジン１の定常運転時には、前記設定部４７ｂにより設定した目標空燃比afwbdを最終的な目標空燃比afwとする。
【００８３】
尚、第２目標空燃比設定手段４７をこのように構成しているのは、エンジン出力上の要求とエミッションとを同時に満足するためであるが、より簡単な構成としては、前記設定部４７ｂ及び偏差演算部４７ｃを省略し、常に演算部４７ａで求めた目標空燃比afw0を燃料噴射制御における最終的な目標空燃比afwとするようにしてもよい。
【００８４】
前記図８において、６０は、後述の如き過渡時の点火時期補正のための空燃比偏差dafwbd,dafw0を演算する手段であり、運転モード設定手段４８により成層燃焼モードやエンリッチモードが設定されるときには、dafwbd＝afwbd−afwを演算する一方、ストイキオモードが設定されるときにはdafw0＝afw0−afwを演算するようになっている。
【００８５】
前記運転モード設定手段４８は、高速応答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、燃料噴射量制御用の目標空燃比afw0とエンジン回転数neとに基づいて設定する。すなわち、図１２に示すように、前記演算部４７ａで演算された目標空燃比afw0が成層燃焼モードの下限側基準値afw0*よりも小さくなる場合はストイキオモードとし、さらに、目標空燃比afw0が理論空燃比よりも小さい所定値afw0**になればエンリッチモードにする。反対に前記目標空燃比afw0が下限側基準値afw0*以上であれば、成層燃焼モードにする。この運転モードmodfの切替えにより燃料噴射形態が切替えられて、エンジン１の運転モードが最終的に切替えられる。
【００８６】
前記分割比設定手段４９は、運転モード設定手段４８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との燃料の分割比を設定するものであり、成層燃焼モードでは吸気行程噴射割合を０％とする一方、ストイキオモードやエンリッチモードでは、吸気行程噴射割合を１００％とする。
【００８７】
前記噴射量演算手段５０は、主にエアフローセンサ１２の出力から求めた実充填効率ceと、前記第２目標空燃比設定手段４７により設定された目標空燃比afwと、分割比設定手段４９により設定された噴射割合とに基づいて、燃料噴射量を演算するようになっている。具体的には、これらの値と換算用の係数KGKFとに基づいて、吸気行程噴射及び圧縮行程噴射の各基本噴射量qbasep,qbasedをそれぞれ演算する。
【００８８】
（数６）
qbasep ＝ KGKF×(ce/afw)×rqbasep
qbased ＝ KGKF×ce[i]/afw[i-1]−qbasecp[i-1]
【００８９】
但し、rqbasepは噴射割合、ce[i]は充填効率の今回値（圧縮行程噴射直前の吸入空気量の検出値に基づく値）を意味し、afw[i-1], qbasep[i-1], ctotal[i-1]はそれぞれ目標空燃比、吸気行程噴射基本噴射量及び補正値の前回値（吸気行程噴射直前の検出に基づく値）を意味する。このように圧縮行程噴射の演算で目標空燃比等に前回値を用いるのは、目標空燃比等に今回値（圧縮行程噴射直前の値）を用いると、吸気行程噴射と圧縮行程噴射とで運転モード、空燃比等が変動して、整合性が得られなくなる場合があるからである。
【００９０】
そして、前記各基本噴射量qbasep,qbasedに対し、さらに燃料圧力に応じた吸気行程噴射、圧縮行程噴射の各補正量cdpfp,cdpfdと、その他の各種補正値ctotalを加味して、吸気行程噴射及び圧縮行程噴射の各最終噴射量qinjp,qinjdを演算し、この最終噴射量qinjp,qinjdに比例した噴射パルス幅Tiを求める。
【００９１】
（数７）
qinjp ＝ qbasep×cdpfp×(1＋ctotal)
qinjd ＝ qbased×cdpfd×(1＋ctotal[i-1])
【００９２】
前記噴射時期設定手段５１は、燃料噴射時期を前記運転モード設定手段４８により設定された運転モードmodf別に設定するものであり、図１３（ｂ）に示すように、成層燃焼モードでは第２目標負荷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thtinjdを求める一方、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マップから吸気行程噴射用の噴射時期thtinjpを求める。
【００９３】
尚、演算処理の便宜上、噴射時期のデータとしては常にthtinjd、thtinjpの両方に何らかの値を与えるようになっていて、成層燃焼モードでは圧縮行程噴射用の噴射時期thtinjdをマップにより与えるとともに、吸気行程噴射用の噴射時期thtinjpには固定値をセットする（但し、吸気行程噴射割合rqbasepが０％なので、実際には吸気行程噴射は行われない）。また、ストイキオモードやエンリッチモードでは、吸気行程噴射用の噴射時期thtinjpをマップにより与えるとともに、圧縮行程噴射用の噴射時期thtinjdに固定値（例えば圧縮行程初期の一定時期）をセットし、吸気行程噴射のみでは燃料噴射量が不足するときに追加分の噴射のために利用する。特に、ストイキオモードにおける領域（ハ）では、吸気行程噴射量qinjpを２等分して第１及び第２噴射量qinjp1，qinjp2とし、吸気行程噴射用の噴射時期thtinjpに第１噴射量qinjp1の燃料を噴射するとともに、この噴射の終了後に所定間隔を空けて第２噴射量qinjp2の燃料を噴射するようにしている。
【００９４】
そして、前記噴射制御手段５２は、噴射時期設定手段５１により設定された噴射時期に、噴射量演算手段５０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７を作動させるように、該インジェクタ７にパルス信号を出力する。
【００９５】
（点火時期制御）
前記ＥＣＵ４０は、エンジン１の点火時期を制御するための手段として、基本点火時期及び補正値を設定する設定手段（点火時期補正手段）５３と、点火時期演算手段５４とを備えている。前記設定手段５３は、前記運転モード設定手段４８で設定された運転モードmodf別に基本点火時期thtigbや各種の点火時期補正値を設定するもので、具体的には図１３（ｃ）に示すように、成層燃焼モードでは、第２目標負荷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基本点火時期thtigbを求めるとともに、上述の目標空燃比偏差dafwbdに応じた補正値thtigwdを予め作成されているテーブルから求める。この目標空燃比偏差dafwbdに応じた補正は、基本点火時期thtigbが定常運転時の目標空燃比afwbdに対応する第２目標負荷Piobjd及びエンジン回転数neに応じて定められているのに対し、過渡時にはafw0が最終的な目標空燃比afwとされて定常時とは空燃比のズレが生じるので、それに見合うように点火時期を調整するものである。
【００９６】
また、ストイキオモードやエンリッチモードでは充填効率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から基本点火時期thtigbを求めるとともに、ＥＧＲ実行時の補正値thtigweを充填効率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から求め、前記目標空燃比偏差dafw0に応じた補正値thtigwd及びエンジン水温thwに応じた冷間時補正値thtigwcをそれぞれ予め作成されているテーブルから求める。前記目標空燃比偏差dafw0(＝afw0-afw)に応じた補正は、後述のように目標空燃比afw0が理論空燃比よりもリーン側の所定値以下になったときにＮＯｘ生成量が増大する空燃比を通ることを避けるために、最終的な目標空燃比afwが理論空燃比とされる場合に、その空燃比の変更に見合うように点火時期を調整するものである。
【００９７】
さらに、エンジン１の加速運転に伴い成層燃焼モードから均一燃焼モードへと運転モードmodfが変更されるときには、その運転モードmodfの変更に伴うエンジン出力の変動を低減するために、所定期間だけ点火時期を遅角補正するようにしており、そのための遅角補正値thtigwfは目標空燃比afwの変化状態等に応じて予めマップとして設定されている。尚、分割噴射を行う場合には目標空燃比afwに応じて予め作成されているテーブルから基本点火時期を求めるようにすればよい。
【００９８】
このようにして、前記設定手段５３で設定された基本点火時期thtigbや各種補正値に基づいて、前記点火時期演算手段５４により、点火時期thtigが次式のように演算される。
【００９９】
（数８）
thtig ＝thtigb−(thtigwd＋thtigwe＋thtigwc＋thtigwf )
【０１００】
そして、各気筒２毎に前記点火時期thtigになると、点火回路５に制御信号が出力されて、点火プラグ６により点火が行われる。
【０１０１】
以上のような制御装置Ａを備えた本実施形態の火花点火式直噴エンジン１では、その運転状態に応じて成層燃焼モード、ストイキオモード及びエンリッチモードのいずれかが設定され、成層燃焼モードでは空燃比が理論空燃比よりも大幅にリーンな状態で成層燃焼が行われるので、燃費が大幅に改善される。一方、エンリッチモードでは、燃料の増量によってエンジン１の出力が高められるとともに、燃焼室４が適度に冷却されて熱負荷が低減される。
【０１０２】
また、例えば前記成層燃焼モードでは、要求されるトルクを確保しつつ空燃比をリーンにするために、スロットル開度を大きくして吸入空気量を増加させるというように、運転モードや目標負荷等に基づいて吸入空気量が制御されるとともに、燃料噴射量、噴射時期、点火時期等が制御され、併せて、ＥＧＲ弁２７やスワール制御弁１８の制御も行われるが、それらの種々の制御パラメータはそれぞれの制御応答性を考慮して適切に制御されるようになっている。
【０１０３】
すなわち、吸入空気量の制御としては、目標負荷等に応じて設定された吸入空気量制御用の目標空燃比afwbに基づいて目標充填効率ceobjが求められ、さらに、吸気密度に応じた補正により目標体積効率veobjが求められて、それに基づいてスロットル開度の演算が行われる。このことで、スロットル開度の制御が精度良く行われる。一方、第２目標空燃比設定手段４７により目標負荷及び実充填効率等から求められる噴射量制御用の空燃比に基づいて、運転モード設定手段４８による運転モードの設定及び燃料噴射量、噴射時期、点火時期等の制御が行われ、このことで、充填効率が変化するエンジンの過渡運転時にも、運転モードや空燃比等が適切に制御される。
【０１０４】
また、制御信号に対する応答速度が低い吸入空気量の制御には、第１目標負荷piobjを用いる一方、制御信号に対する応答速度が高い燃料噴射量等の制御には、なまし処理後の仮想充填効率ceimgdに基づく第２目標負荷piobjdを用いることで、各制御パラメータの作動タイミングを適切に調整することができる。
【０１０５】
すなわち、大部分の運転領域で空燃比が理論空燃比とされる標準運転条件が保たれつつ、アクセル操作量に対応してスロットル開度が変化するような一般的なガソリンエンジンでは、例えばエンジンの加速運転時にアクセル操作量及びそれに対応するスロットル開度が急激に変化しても、吸入空気量の変化には遅れがあり、エンジン出力の変化はその吸入空気量の変化に対応したものになる。そこで、そのような一般的なガソリンエンジンを模擬した出力制御を行おうとすれば、なまし処理した仮想充填効率ceimgdに基づく第２目標負荷Piobjdを実際の目標負荷とみなすことが適当である。
【０１０６】
従って、高速応答系である燃料噴射量等の制御を実際の目標負荷とみなされる第２目標負荷Piobjdに基づいて行うことにより、一般的なエンジンと同様のトルク特性が得られ、良好なエンジンフィールを確保することができる。一方、低速応答系であるスロットル開度等の制御については、吸入空気量等の変化がある程度大きな遅れを有し、その変化が緩慢になる傾向があるので、なまし処理をしていない仮想充填効率ceimgに基づく第１目標負荷Piobjに応じて、スロットル弁１３の開度等を制御することで、制御の応答遅れを緩和することができる。
【０１０７】
（触媒リフレッシュのための強制リッチ制御）
上述の如く、この実施形態ではエンジン１を低負荷域で成層燃焼モードとして、燃費の大幅な改善を図るようにしており、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にされるときに、酸素過剰雰囲気になる排気中でＮＯｘを除去できるように、いわゆる吸収還元タイプの触媒２５を採用している。そして、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（触媒のリフレッシュ）。
【０１０８】
すなわち、エンジン１の成層燃焼モードでの運転が長く続いて触媒２５のＮＯｘ吸収量が過剰になれば、そのことによるＮＯｘ吸収性能の低下を防ぐために、エンジン１の燃焼室４の空燃比を強制的に理論空燃比付近になるように制御して（強制リッチ運転）、触媒２５をリフレッシュするようにしている。そして、本発明の第１の特徴として、そのように空燃比をリッチ側に変更するときに、スロットル弁１３の閉作動を遅延させて、前記燃焼室４の実充填効率ceを通常よりもゆっくりと減少させるとともに、燃料噴射量を増量することにより、一時的に排気流量が多くかつ排気中の酸素濃度が低い状態を作り出して、触媒２５からのＮＯｘの放出を促進するようにしている。
【０１０９】
次に、前記の強制リッチ制御の具体的な処理手順を、図１４に示すフローチャート図に沿って説明すると、まず、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、エンジン１が成層燃焼モードで運転されている時間を積算するリーン運転カウンタの値Ｔleanを読み込み、その積算値が第１設定値Ｔ1よりも小さいかどうか判別する。この第１設定値Ｔ1は、エンジン１のリーン運転により触媒２５のＮＯｘ吸収量が過剰になって、その吸収性能が低下するまでの時間に対応するように設定されているので、前記判別結果がＮＯならば、触媒２５からＮＯｘを放出させる時期になったと判定して、ステップＳＡ１３に進む一方、判別結果がＹＥＳならば、ステップＳＡ３に進む。
【０１１０】
このステップＳＡ３では、今度は、強制リッチ運転の時間並びに、エンジン１がストイキオモード又はエンリッチモードで運転されている時間を積算するリッチ運転カウンタの値Ｔrichを読み込み、その値が第２設定値Ｔ2よりも小さいかどうか判別する。この判別結果がＹＥＳということは、触媒２５からのＮＯｘの放出が不十分であるということなので、この場合にはステップＳＡ６に進む。一方、前記判別結果がＮＯであれば、触媒２５は十分にＮＯｘを放出したと判定してステップＳＡ４に進み、強制リッチフラグＦrをオフ状態にする（Ｆr＝０）。この強制リッチフラグＦrは、触媒２５のリフレッシュのために強制リッチ運転を行うことを示すものである。続いて、ステップＳＡ５ではリッチ運転カウンタをリセットして（Ｔrich＝０）、ステップＳＡ６に進む。
【０１１１】
前記ステップＳＡ３又はステップＳＡ５に続くステップＳＡ６では、前記強制リッチフラグＦrがオフ状態かどうか判別し、オン状態でＮＯであれば（Ｆr＝１）、強制リッチ運転を継続すると判定して後述のステップＳＡ１９に進む一方、オフ状態でＹＥＳであれば（Ｆr＝０）、強制リッチ運転を行う必要はないと判定して、ステップＳＡ７に進む。このステップＳＡ７では、運転モード設定手段４８により設定された現在の運転モードmodfを読み込んで（運転モードの判定）、続くステップＳＡ８において、エンジン１の現在の運転モードが成層燃焼モードであるか否か判別する。
【０１１２】
この判別結果がＹＥＳならば、ステップＳＡ９に進んで、エンジン１を成層燃焼モードで運転し、続くステップＳＡ１０でリーン運転カウンタの値Ｔleanをカウントアップして、しかる後にリターンする。一方、判別結果がＮＯならば、ステップＳＡ１１に進み、エンジン１をその負荷状態や回転数状態に応じてストイキオモード又はエンリッチモード（λ≦１）で運転し、続くステップＳＡ１２ではリッチ運転カウンタの値Ｔrichをカウントアップして、しかる後にリターンする。
【０１１３】
つまり、触媒２５をリフレッシュするために強制リッチ運転を行う必要がなければ、エンジン１はその運転状態に対応するいずれかの燃焼モードで運転され、成層燃焼モードで運転するときにはリーン運転カウンタによりその運転時間を積算する一方、ストイキオモード又はエンリッチモードで運転するときには、リッチ運転カウンタによりその運転時間を積算する。
【０１１４】
一方、前記ステップＳＡ２において、触媒２５からＮＯｘを放出させる時期になったと判定して進んだステップＳＡ１３では、強制リッチフラグＦrをオン状態にし（Ｆr＝１）、続く、ステップＳＡ１４でリーン運転カウンタの値Ｔleanをリセットする（Ｔlean＝０）。続いて、ステップＳＡ１５において、意図的に排気流量を増大させる期間に対応するディレータイマＴdelayをセットする。続いて、ステップＳＡ１６では、通常のスロットル制御により、目標体積効率veobj及びエンジン回転数neに応じて演算されたスロットル開度tvoobjを、tvoobj補正部４６ｄによりなまし処理して（図７参照）、スロットル弁１３の閉作動を遅延させるようにする。
【０１１５】
続いて、ステップＳＡ１７では、前記のスロットル制御の遅延に伴うエンジン出力の変動を緩和するように点火時期を遅角補正（リタード）し、続くステップＳＡ１８では、エンジン１の燃焼室４の空燃比が理論空燃比よりもややリーンな状態（１＜λ＜１．１）になるように燃料噴射量を増量する。詳しくは、エアフローセンサ１２等の出力値から演算される実充填効率ceと目標空燃比（Ａ/Ｆ＝１５〜１６）とに基づいて燃料噴射量を求め、その燃料噴射量に対応する噴射パルス幅を設定する。そして、インジェクタ７により燃料を気筒の吸気行程前期に一括して噴射させて、エンジン１を均一燃焼状態とした後に、前記ステップＳＡ１２に進んで、リッチ運転カウンタの値Ｔrichをカウントアップし、しかる後にリターンする。
【０１１６】
つまり、触媒２５をリフレッシュするときには、エンジン１の運転モードを強制的に均一燃焼モードに切替えるとともに、燃焼室４の空燃比を理論空燃比付近になるように制御するのであるが、その運転モードの切替えのときにスロットル弁１３の閉作動を遅延させるとともに、燃料噴射量を増量させて前記燃焼室４の空燃比をリッチ側に変化させることにより、一時的に排気流量が多くかつ排気中の酸素濃度が低い状態を作り出せるのである。
【０１１７】
尚、前記ステップＳＡ１８では、インジェクタ７により燃料を気筒の吸気行程前期に一括して噴射させるようにしているが、これに限らず、燃料を吸気行程から圧縮行程にかけて複数回に分割して噴射させるようにしてもよい。こうすれば、エンジン１の燃焼室４において点火プラグ６の周囲に比較的リッチな混合気が形成され、弱成層状態での燃焼となるので、排気中のＣＯ濃度が大幅に増大し、このことで、触媒２５のリフレッシュをさらに促進することができる。
【０１１８】
さらに、前期ステップＳＡ６において、強制リッチフラグＦrがオン状態になっていて（Ｆr＝１）、強制リッチ運転を継続すると判定して進んだステップＳＡ１９では、ディレータイマＴdelayの値が零になったかどうか判別する。この判別結果がＮＯであれば、前記ステップＳＡ１６に進んで、スロットル弁１３の遅延補正等の制御を続ける一方、判別結果がＹＥＳになれば（Ｔdelay＝０）、ステップＳＡ１８に進み、その後は強制リッチフラグＦrがクリアされるまで、強制リッチ運転を行う。
【０１１９】
つまり、エンジン１が成層燃焼モードから均一燃焼モードに移行するときに、ディレータイマＴdelayにセットされた所定時間が経過するまでは、スロットル弁１３の閉作動を遅延させる一方、その所定時間が経過すれば、通常の均一燃焼モードと同様のの制御を行うようにしている。
【０１２０】
前記図１４のフローに示すステップＳＡ９，ＳＡ１１，ＳＡ１８の各ステップは、エンジン１の運転状態に応じて燃焼室４の空燃比を空気過剰率λでλ≧１．３のリーン状態又はそれよりもリッチなリッチ状態のいずれかになるように切替えて制御するとともに、触媒２５からＮＯｘを放出させるときには、前記燃焼室４の空燃比を強制的にリッチ状態に切替えるという空燃比制御手段の制御に対応している。そして、この制御によれば、エンジン１の成層燃焼モードでの運転時間の積算値が設定時間を越えたときに、燃焼室４の空燃比を強制的にリッチ側に変更するようにしている（ステップＳＡ２）。
【０１２１】
また、前記ステップＳＡ１５，ＳＡ１６が、触媒２５からのＮＯｘ放出のために燃焼室４の空燃比を強制的にリッチ状態に切替えるときに、そうでないときよりもスロットル弁１３の閉作動を遅延させるというtvoobj補正部４６ｄ（充填量制御手段）の制御に対応している。
【０１２２】
さらに、前記ステップＳＡ１８は、エンジン１の燃焼室４の空燃比を強制的にリッチ状態に切替えるときに、該燃焼室４の空気過剰率λがλ＜１．１になるように燃料噴射量を増量するという噴射量制御手段の制御に対応しており、又、ステップＳＡ１７が、そのときに点火時期を遅角側に補正するという点火時期補正手段の制御に対応している。
【０１２３】
したがって、この実施形態の制御装置Ａによれば、まず、図４に示すように、エンジン１は低負荷側の領域（イ）では成層燃焼モードで運転され、このときに酸素過剰雰囲気の排気中のＮＯｘが触媒２５により吸収除去される。そして、この状態での運転時間の積算値Ｔleanが第１設定値Ｔ1を越えると、強制リッチフラグＦrがオン状態になり（Ｆ＝１）、前記フローのステップＳＡ１５〜ＳＡ１８に示すように、エンジン１の燃焼室４の空燃比を強制的にリッチ側に変化させて、触媒２５からＮＯｘを放出させる強制リッチ制御が行われる。
【０１２４】
すなわち、スロットル弁１３が閉じられて吸入空気量が減らされるとともに、インジェクタ７による燃料噴射量が増量されて、エンジン１の燃焼室４の空燃比がλ＝１〜１．１の範囲になるように制御されるようになる。しかも、この運転状態の切替え時に前記スロットル弁１３の閉作動が遅延されるので、燃焼室４の空燃比は吸気充填効率ceがあまり減少しないうちにリッチな状態に切替えられることになる。このことにより、単に排気中の酸素濃度を低下させるだけでなく、一時的ではあっても排気流量を十分に多くすることができるので、触媒２５からのＮＯｘの放出を有効に促進することができる。
【０１２５】
つまり、エンジン１が成層燃焼状態から均一燃焼状態へ切替わる過渡的状態を利用して、触媒２５のリフレッシュを有効に促進することができるので、その分、触媒２５リフレッシュの頻度を減らしたり、リフレッシュ時の空燃比をリーン側に制御したり、リフレッシュの期間を短縮したりすることができ、よって、燃費の悪化を抑えつつ、触媒２５のリフレッシュを促進することができる。
【０１２６】
その際、前記のように、燃焼室４の吸気充填効率ceが多いうちに、該燃焼室の空気過剰率λがλ＜１．１になるように燃料噴射量を増量することで、排気流量がかなり多い状態で排気中の酸素濃度を低下させることができ、触媒２５のリフレッシュ効果をさらに高めることができる。しかも、エンジン１の燃焼室４の空燃比がＮＯｘ生成の盛んな中間空燃比（λ＝１〜１．３）の状態になることがないので、排気中のＮＯｘ濃度の増大によって触媒２５のリフレッシュが阻害されることもない。加えて、そのように燃焼室４の吸気充填効率ceが多いにも拘わらず、点火時期を遅角補正することによってエンジン出力の変動を軽減することができる。
【０１２７】
そして、前記の強制リッチ運転により、ＮＯｘ吸収性能が低下する前に触媒２５がリフレッシュされて、該触媒２５によるＮＯｘ浄化性能が安定的に維持される。
【０１２８】
（加速運転時の制御）
本発明の第２の特徴として、この実施形態に係るエンジンの制御装置Ａでは、例えば加速運転時等にエンジン１が成層燃焼状態から均一燃焼状態に移行するときに、触媒２５からのＮＯｘの放出を促進する場合には、前記の強制リッチ運転のときと同様にスロットル弁１３の閉作動を遅延させ、かつ燃料噴射量を増量するようにしている。
【０１２９】
次に、エンジン１の加速運転時に触媒２５のリフレッシュを促進する処理手順を、図１５，１６に示すフローチャート図に沿って具体的に説明する。
【０１３０】
前記図１５に示すフローにおいてスタート後のステップＳＢ０では、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ＳＢ１において、触媒２５のＮＯｘ吸収量StNOが予め設定した第１の吸収量St1よりも少ないかどうか判定する。前記ＮＯｘ吸収量StNOは、例えば、触媒２５から最後にＮＯｘを放出させた後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推定するようにすればよい。また、前記第１の吸収量St1は、触媒２５がＮＯｘの吸収過剰状態ではないものの、その吸収性能を維持するためにはＮＯｘを放出させるのが好ましいというくらいの量に設定されている。
【０１３１】
前記ステップＳＢ１の判定がＹＥＳであれば、触媒２５のＮＯｘ吸収量は多くはないので、ステップＳＢ２に進む一方、判定がＮＯであれば触媒２５はＮＯｘ吸収量の多い状態なので、ステップＳＢ３に進み、エンジン１の運転状態の変化を利用して触媒２５のリフレッシュを促進することを示すＮＯｘ放出促進フラグＦsをオン状態にして（Ｆs＝１）、ステップＳＢ７に進む。一方、前記ステップＳＢ２では、今度は、触媒２５のＮＯｘ吸収量StNOが予め設定した第２の吸収量St2（St2＜St1）よりも多いかどうか判定する。この第２の吸収量St2は触媒２５のＮＯｘ吸収性能に十分な余裕があるというくらいの量に設定されている。この判定がＹＥＳならばステップＳＢ５に進む一方、判定がＮＯで、触媒２５のＮＯｘ吸収性能に十分な余裕があれば、ステップＳＢ４に進んで、ＮＯｘ放出促進フラグＦsをクリアした後に（Ｆs＝０）、ステップＳＢ５に進む。
【０１３２】
前記ステップＳＢ２，ＳＢ３，ＳＢ４に続いて、ステップＳＢ５では、エンジン１の負荷状態や回転数状態等に基づいて、該エンジン１の現在の運転領域を判定し、続くステップＳＢ６において、エンジン１の現在の運転状態が領域（イ）（図４参照）にあるか否か判別する。この判別結果がＹＥＳならば、図１６に示すステップＳＢ１０に進んで、エンジン１を成層燃焼モードで運転する一方、判別結果がＮＯならば、ステップＳＢ７に進んで、前記と同様にしてエンジン１の現在の運転状態が領域（ハ）にあるか否か判別する。そして、この判別結果がＹＥＳならば図１６に示すステップＳＢ１６に進む一方、判別結果がＮＯならばステップＳＢ８に進み、前記と同様にしてエンジン１の現在の運転状態が領域（ロ）にあるか否か判別する。この判別結果がＮＯならば、図１６のステップＳＢ２１に進んで、エンジン１を均一燃焼モードで運転する一方、判別結果がＹＥＳならばステップＳＢ９に進み、今度はＮＯｘ放出促進フラグＦsがオン状態か否か判別する。そして、この判別結果がＹＥＳならば前記ステップＳＢ１６に進む一方、判別結果がＮＯならば前記ステップＳＢ２１に進む。
【０１３３】
前記図１５のステップＳＢ６に続いて、図１６のステップＳＢ１０では、まず、ＥＣＵ４０の目標負荷設定手段４２（図５参照）により設定された第１目標負荷Piobjを読み出し、この第１目標負荷Piobjの今回値Piobj[i]から前回値Piobj[i-1]を減算して、目標負荷の変化量ΔPiを算出する。続いて、ステップＳＢ１１では、前記目標負荷変化量ΔPiを予め設定した判定基準値Ｃ１と比較し、その比較結果に基づいて、エンジン１の運転モードが切替わるかどうか予測する。すなわち、目標負荷変化量ΔPiが判定基準値Ｃ１よりも大きいＹＥＳ（ΔPi＞Ｃ１）ということは、エンジン１の目標負荷が急増しているということなので、運転モードは成層燃焼モードから均一燃焼モードに切替わると予測して、ステップＳＢ１２に進む。一方、目標負荷変化量ΔPiが判定基準値Ｃ１よりも大きくないＮＯ（ΔPi≦Ｃ１）であれば、運転モードは切替わらないと予測して、ステップＳＢ１４に進む。
【０１３４】
前記ステップＳＢ１２では、ＮＯｘ放出促進フラグＦsがオフ状態か否か判別し、この判別結果がＮＯならば前記ステップＳＢ１４に進む一方、判別結果がＹＥＳならばステップＳＢ１３に進んで、エンジン１の運転モードが均一燃焼モードに切替わるとした場合の、その切替わり直後の均一燃焼モードにおける第１目標負荷Piobj（＝Piobj*）をマップから読み込み、この値を改めて第１目標負荷Piobjとして設定する。つまり、成層燃焼モードのエンジン１が均一燃焼モードへ切替わると予測され、かつ、ＮＯｘ放出促進フラグＦsがオフ状態になっていれば、そのときには、実際に運転モードが切替わる前に第１目標負荷Piobjを均一燃焼モードに切替わった直後の値に補正する。
【０１３５】
続いて、ステップＳＢ１４においてエンジン１を成層燃焼モードで運転する。このとき、前記の改めて設定した第１目標負荷Piobjに基づいてスロットル開度tvoobjが演算されるので、スロットル弁１３は均一燃焼モードにおける目標開度状態になるように閉じられる。そして、続くステップＳＢ１５で、エンジン１の現在の運転領域をＥＣＵ４０のメモリに記憶して、しかる後にリターンする。
【０１３６】
つまり、触媒２５のリフレッシュを促進する必要がなければ、エンジン１が成層燃焼モードで運転されていて、かつ均一燃焼モードへの移行が予測されたときには、実際に均一燃焼モードに移行する前にスロットル弁１３を閉じるようにしている。
【０１３７】
これに対し、前記図１５のフローにおいてエンジン１が領域（イ）にない（成層燃焼モードでない）と判定して進んだステップＳＢ１６では、まず、前回の制御サイクルで記憶したエンジン１の前回の運転領域をＥＣＵ４０のメモリから読み出し、該前回の運転領域が領域（イ）かどうか判別する。この判定がＮＯならばステップＳＢ２２に進む一方、判定がＹＥＳならば、エンジン１の運転モードが成層燃焼モードから均一燃焼モードに切替わった直後なので、続くステップＳＢ１７でディレータイマＴdelayをセットする。続いて、ステップＳＢ１８では、スロットル開度tvoobj（図７（ｂ）の実線参照）をtvoobj補正部４６ｄによりなまし処理して（図７（ｂ）の破線参照）、スロットル弁１３の閉作動を遅延させるように補正する。
【０１３８】
続いて、ステップＳＢ１９において、エアフローセンサ１２等の出力値から演算される実充填効率ceに基づいて、インジェクタ７による燃料噴射量を燃焼室４の空燃比が略理論空燃比になるように補正し、続くステップＳＢ２０では、前記のスロットル制御の遅延や燃料噴射量の補正に伴うエンジン出力の変動を緩和するように、点火時期を遅角補正（リタード）する。そして、続くステップＳＢ２１では、エンジン１を運転モード切替後の領域に対応するように、ストイキオモード又はエンリッチモードで運転し（λ≦１で運転）、前記ステップＳＢ１５に進んで、エンジン１の現在の運転領域をＥＣＵ４０のメモリに記憶した後に、リターンする。
【０１３９】
つまり、エンジン１が成層燃焼状態の領域（イ）から均一燃焼状態の領域（ハ）に移行したとき、又は、成層燃焼状態の領域（イ）から均一燃焼状態の領域（ロ）に移行したときであって、かつＮＯｘ放出促進フラグＦsがオン状態になっていれば、その運転モードの切替えのときに、所定時間だけスロットル弁１３の閉作動を遅延させるとともに、燃料噴射量を増量させて前記燃焼室４の空燃比をリッチ側に変化させるようにしており、このことで、一時的ではあっても排気流量が多くかつ排気中の酸素濃度が低い状態を作り出して、触媒２５のリフレッシュを十分に促進することができる。しかも、エンジン１の燃焼室４の空燃比はかなりリーンな状態から一気に理論空燃比に切替えられるので、ＮＯｘ生成の盛んな中間空燃比（λ＝１〜１．３）になることもない。
【０１４０】
尚、そのようにスロットル弁１３の閉作動を遅らせるとともに、インジェクタ７により燃料を気筒の吸気行程から圧縮行程にかけて複数回に分割して噴射させるようにしてもよく、こうすれば、弱成層状態での燃焼により排気中のＣＯ濃度が大幅に増大するので、触媒２５のリフレッシュをさらに促進することができる。
【０１４１】
一方、前期ステップＳＢ１６において、エンジン１の前回の運転領域が領域（イ）ではないＮＯと判定されて進んだステップＳＢ２２では、ディレータイマＴdelayの値が零になったかどうか判別し、零でないＮＯであれば前記ステップＳＢ１８に進んで、スロットル弁１３の遅延補正等の制御を続ける一方、ディレータイマＴdelay＝０でＹＥＳになれば、ステップＳＢ２１に進み、その後は運転モード切替え後の各領域における通常の制御を行ない（ステップＳＢ２１）、ステップＳＢ１５において現在の運転領域を記憶して、しかる後にリターンする。
【０１４２】
つまり、加速運転等に伴いエンジン１が成層燃焼モードから均一燃焼モードに移行するときに、ディレータイマＴdelayにセットされた所定時間が経過するまでは、スロットル弁１３の閉作動が遅延されて排気流量が十分に確保される一方、その所定時間が経過すれば、通常の均一燃焼モードの制御が行われる。
【０１４３】
前記図１６のフローに示すステップＳＢ１４，ＳＢ２１の各ステップは、エンジン１が低負荷側の領域（イ）にあるときに、インジェクタ７により気筒２の圧縮行程で燃料を噴射させて成層燃焼モードにする一方、それよりも高負荷側の領域（ロ）（ハ）（ニ）（ホ）では、気筒２の吸気行程で燃料を噴射させて均一燃焼モードにするという噴射時期制御手段の制御に対応している。また、この各ステップは、エンジン１の燃焼室４の空燃比を前記成層燃焼モードにおいて空気過剰率λでλ≧１．３のリーン状態になるように制御する一方、均一燃焼モードではλ≦１のリッチ状態になるように切替えて制御するという空燃比制御手段の制御にも対応している。
【０１４４】
また、前記図１５に示すフローのステップＳＢ１〜ＳＢ４、ＳＢ７〜ＳＢ９の各ステップにより、エンジン１が成層燃焼モードから均一燃焼モードに移行するときに、触媒２５からのＮＯｘ放出を促進する状態であるか否かを判定する判定手段６４が構成されている。そして、この判定手段６４は、ＮＯｘ放出の促進状態であるか否かを触媒２５のＮＯｘ吸収量に基づいて判定するとともに、エンジン１が成層燃焼モードの領域（イ）からそれよりも中負荷側の領域（ハ）へ移行するときには、触媒２５のＮＯｘ吸収量に拘わらず、ＮＯｘ放出の促進状態と判定するように構成されている。
【０１４５】
また、前記図１６のステップＳＢ１７，ＳＢ１８は、前記判定手段６４によりＮＯｘ放出の促進状態と判定されたときには、非促進状態よりもスロットル弁１３の閉作動を遅延させるというtvoobj補正部４６ｄ（充填量制御手段）の制御に対応している。
【０１４６】
さらに、前記ステップＳＢ１９は、前記判定手段６４によりＮＯｘ放出を促進すると判定され、かつエンジン１が成層燃焼モードから均一燃焼モードに移行するときに、該エンジン１の燃焼室４の空燃比が略理論空燃比になるように燃料噴射量を増量するという噴射量制御手段の制御に対応しており、また、ステップＳＢ２０は、そのときに点火時期を遅角側に補正するという点火時期補正手段の制御に対応している。そして、前記噴射量制御手段は、燃焼室４の吸気充填効率ceの減少によって空気過剰率λがλ≦１．３になる前に、燃料噴射量を増量するように構成されている。
【０１４７】
また、前記ステップＳＢ１０，ＳＢ１１の各ステップは、エンジン１の加速運転に伴う成層燃焼モードから均一燃焼モードへの移行を、第１目標負荷Piobjの変化状態に基づいて予測する移行予測部（切替え予測手段）４２ｆに対応しており、ステップＳＢ１３は、その移行予測部４２ｆによりエンジン１の均一燃焼モードへの移行が予測され、かつ判定手段６４によりＮＯｘ放出を促進しないと判定されたときに、エンジン１が実際に均一燃焼モードへ移行する前に第１目標負荷Piobjを補正することにより、スロットル弁１３を閉作動させて、燃焼室４の吸気充填効率ceを減少させる補正部４２ｇ（充填量補正制御手段）に対応している。
【０１４８】
次に、前記加速運転時の制御によって、成層燃焼モードから均一燃焼モードに移行するときのエンジン１の燃焼室４の空燃比等がどのように変化するかを、図１７のタイムチャートを参照しながら説明する。
【０１４９】
まず、触媒２５のＮＯｘ吸収量に余裕があって、ＮＯｘ放出促進フラグＦsがオフ状態になっている場合について説明する。この場合、エンジン１の加速時に運転者のアクセ操作に応じてアクセル開度accelが増大すると、これに応じて、ＥＣＵ４０の目標負荷設定手段４２により設定される第１目標負荷Piobjと、この第１目標負荷Piobjに基づいて演算されるスロットル開度tvoobjとが、同図（ａ）（ｂ）にそれぞれ示すように増大する（ｔ＝ｔ１）。そして、実際のスロットル弁１３の開作動からやや遅れて、各気筒の充填効率ceが同図（ｃ）に示すように増大するとともに、燃焼室４の空燃比が燃料噴射量の増量によって同図（ｄ）に示すように徐々にリッチ側に変化する。
【０１５０】
このとき、前記図１６のフローのステップＳＢ１０〜ＳＢ１４に示すように、前記第１目標負荷Piobjの変化度合いに基づいて運転モードの切替えが予測されると（ｔ＝ｔ２）、図１７（ａ）に一点鎖線で示すように、第１目標負荷Piobjが均一燃焼モードに切替わった直後の値に補正され、スロットル等制御用の基本的な運転モードmodsが均一燃焼モードに切替えられて、スロットル開度tvoobjが同図（ｂ）に一点鎖線で示すように急速に小さくされる。そして、スロットル弁１３が閉じられることで、同図（ｃ）に一点鎖線で示すように、各気筒２の充填効率ceはあまり大きくならないうちに減少に転じる。
【０１５１】
そして、この実充填効率ceと第２目標負荷Piobjdとに基づいて、最終的な運転モードmodfが切り替えられると、インジェクタ７による燃料噴射が各気筒２の吸気行程で行われるようになり、また、同図（ｄ）に一点鎖線で示すように空燃比が理論空燃比にされて（ｔ＝ｔ３）、エンジン１が均一燃焼モードで運転されるようになる。
【０１５２】
ここで、仮に前記の運転モード切替えの予測が行われないとすると、エンジン１は、スロットル開度tvoobjが同図（ｂ）に実線で示すようにかなり大きくなった後に、均一燃焼モードに切替わることになり（ｔ＝ｔ４）、そのときに、同図（ｃ）に実線で示すように各気筒２の充填効率ceがかなり大きくなっていることから、エンジン出力が大きく変動する虞れがある。
【０１５３】
これに対し、この実施形態の制御によれば、上述の如くエンジン１の運転モードの切替えの前にスロットル弁１３を閉じることで、充填効率ceの変動を極めて小さくすることができ、これにより、前記のようなエンジン出力の変動を防止することができる。
【０１５４】
一方、ＮＯｘ放出促進フラグＦsがオン状態になっている場合には、前記のような運転モード切替えの予測やそれに対応した制御は行われないので、エンジン１の加速運転時には、運転者のアクセル操作に応じて第１目標負荷Piobjが大きくなり、これに伴い、スロットル開度tvoobjは、スロットル等制御用の基本的な運転モードmodsが切替えられるまで（ｔ＝ｔ３）、増大する。
【０１５５】
そして、前記基本的な運転モードmodsの切替えによって、スロットル開度tvoobjが小さくされるとき、今度は、図１６のフローのステップＳＢ１６〜ＳＢ２０に示す制御手順により、図１７（ｂ）に破線で示すようにスロットル開度tvoobjがなまし処理されて、スロットル弁１３の閉作動が遅延され、同図（ｃ）に破線で示すように各気筒２の充填効率ceは極めて多い状態になる。このとき、燃料噴射量が増量補正されて、同図（ｄ）に破線で示すように燃焼室４の空燃比が理論空燃比に切り替えられるので、同図（ｃ）に斜線を入れて示すように、エンジン１は一時的に、排気中の酸素濃度が低くかつ排気流量の極めて多い状態になる。
【０１５６】
その際、同図（ｅ）に示すように、前記運転モードの切替えが予測された時点（ｔ＝ｔ２）から排気の還流量が増大されるようにＥＧＲ制御が行われることで、前記の排気中の酸素濃度が低くかつ排気流量の極めて多い状態になるまでには確実に排気還流率（ＥＧＲ率）が高められるので、エンジン１の燃焼室４では燃焼に伴うＮＯｘの生成が十分に抑制され、かつ、燃焼が緩慢になることで排気中のＣＯ、ＨＣ濃度が高められる。
【０１５７】
したがって、前記の加速運転時の制御によれば、加速運転時等にエンジン１が成層燃焼モードから均一燃焼モードに移行するときに、過渡的に排気流量のかなり多い状態を作り出すことができ、このときに、燃料噴射量の制御によって排気中の酸素濃度を低下させるとともに、多量の排気を還流させることにより、ＮＯｘ濃度をも低下させ、還元剤成分であるＨＣ、ＣＯの濃度を高めることができるので、触媒２５のリフレッシュを極めて有効に促進することができる。
【０１５８】
しかも、加速運転時には本来、エンジン出力が大きく変化するものなので、運転モードの切替えに伴いエンジン出力が変動しても、運転フィーリングへの悪影響は相対的に小さくて済む。その上さらに、点火時期を遅角側に補正することや、多量の排気還流によって燃焼を緩慢にさせることで、エンジン出力の変動を軽減することができる。
【０１５９】
また、この実施形態では、エンジン１が成層燃焼モードの領域（イ）から中負荷中回転の領域（ハ）に移行するときには、触媒２５のＮＯｘ吸収状態に拘わらず、該触媒２５からのＮＯｘ放出を促進するようにしている。これは、前記領域（ハ）では燃料噴射の分割によって燃焼安定性を高めて、多量の排気を還流させるようにしているからであり、このことによって、エンジン１の運転状態が前記領域（イ）から領域（ハ）へ移行するときには、その両方の領域で多量の排気が還流されているので、その運転状態の移行中にも自ずと多量の排気還流が継続されることになり、たとえＥＧＲ弁の作動応答性が低くても、エンジン１の運転モードの切替え時に前記のような多量の排気還流を容易に実現できるのである。
【０１６０】
（実施形態２）
図１８は、本発明の実施形態２に係る火花点火式直噴エンジンの制御装置Ａによる強制リッチ制御のフローを示し、この実施形態２では、まず、触媒２５からＮＯｘを放出させる時期になったことを、該触媒２５のＮＯｘ吸収量の推定値に基づいて判定するようにしており、また、強制リッチ運転のときに、排気還流率が成層燃焼モードのとき以上になるようにＥＧＲ制御を行うようにしている。さらに、エンジン１の強制リッチ運転への移行時であっても、燃焼室４の空気過剰率λが１．１＜λ＜１．３のときにはスロットル弁１３の閉作動を遅延させないようにしたものである。尚、この実施形態２に係る制御装置Ａの全体構成は前記実施形態１のもの（図１参照）と同様なので、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。
【０１６１】
具体的に、前記図１８に示すフローのステップＳＣ１では、実施形態１と同様に各種データを入力し、続くステップＳＣ２において、触媒２がＮＯｘ吸収量の過剰な状態かどうか判定する。すなわち、前記実施形態１と同様にして触媒２５のＮＯｘ吸収量を推定し、この推定吸収量が所定値を越えたときにＮＯｘ吸収過剰状態と判定すればよい。そして、この判定がＹＥＳならばステップＳＣ１０に進んで強制リッチフラグＦrをオン状態にする（Ｆr＝１）一方、判定がＮＯならば、ステップＳＣ３に進む。
【０１６２】
このステップＳＣ３では、同様にして触媒２５からのＮＯｘの放出が完了したかどうか判定し、この判定がＹＥＳであれば、ステップＳＣ４に進んで強制リッチフラグＦrをクリアする（Ｆr＝０）一方、判定がＮＯであればそのままで、ステップＳＣ５に進む。このステップＳＣ５では、前記強制リッチフラグＦrがオフ状態かどうか判別し、オン状態でＮＯであれば（Ｆr＝１）ステップＳＣ１７に進む一方、オフ状態でＹＥＳであれば（Ｆr＝０）、ステップＳＣ６に進んで、このステップＳＣ６〜ＳＣ９の各ステップにおいて、実施形態１と同様にエンジン１をその運転状態に応じて異なる燃焼モードで運転する。
【０１６３】
一方、前記ステップＳＣ２においてＮＯｘ吸収過剰状態と判定し、ステップＳＣ１０で強制リッチフラグＦrをオン状態とした場合には、続くステップＳＣ１１で実施形態１と同様にディレータイマＴdelayをセットし、続くステップＳＣ１２において、エンジン１の燃焼室４の空燃比が空気過剰率λでλ＜１．１かどうか判定する。この判定は、エアフローセンサ出力及び実際の燃料噴射量から求められる空気過剰率に基づいて行えばよい。そして、この判定がＹＥＳならばステップＳＣ１３、ＳＣ１４に進んで、実施形態１と同様にスロットル弁１３の閉作動を遅延補正し、かつ点火時期を遅角補正して、ステップＳＣ１５に進む一方、判定がＮＯならば、それらの制御を行わすにステップＳＣ１５に進む。
【０１６４】
つまり、触媒２５からＮＯｘを放出させるためにエンジン１を強制リッチ運転に切替えるときに、該燃焼室４の空気過剰率λがλ≧１．１のときにはスロットル弁１３を速やかに閉作動させて、燃焼に伴うＮＯｘの生成が盛んな状態をできるだけ速く通過するようにしている。
【０１６５】
前記ステップＳＣ１２，ＳＣ１４に続くステップＳＣ１５では、ＥＧＲ弁２７の開度をそのままに保持して（ＥＧＲ弁ホールド）ステップＳＣ１６に進み、このステップでエンジン１の運転状態を強制的に均一燃焼状態に切替えて（強制リッチ運転）、しかる後にリターンする。つまり、ＥＧＲ弁２７の開度を成層燃焼モードと同じに保持することで、スロットル弁１３の閉作動に伴い自ずと排気還流率が高まるようにしている。
【０１６６】
前記図１８のフローに示すステップＳＣ８，ＳＣ９，ＳＣ１６の各ステップが空燃比制御手段の制御に、また、前記ステップＳＣ１１〜ＳＣ１３の各ステップがtvoobj補正部４６ｄ（充填量制御手段）の制御にそれぞれ対応している。さらに、前記ステップＳＣ１４が点火時期補正手段の制御に、また、ステップＳＣ１５が排気還流制御手段の制御にそれぞれ対応している。
【０１６７】
したがって、この実施形態２によれば、実施形態１のものと同様の作用効果が得られるとともに、触媒２５をリフレッシュするためにエンジン１を強制リッチ運転に切替えるときに、燃料の大幅な増量補正を行わないことで、その分、燃費悪化を抑制することができる上に、点火時期の遅角補正量も少なくて済むので、そのことによっても燃費の悪化を軽減できる。
【０１６８】
（他の実施形態）
尚、本発明は前記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、前記各実施形態では、触媒２５のリフレッシュを促進するかどうかの判定手段６４として、触媒２５のＮＯｘ吸収量が設定量以上であるか、又はエンジン１が領域（イ）から領域（ハ）へ移行するときに、ＮＯｘ放出の促進状態と判定するようにしているが、これに限るものではない。
【０１６９】
例えば、エンジン１が成層燃焼モードのアイドル運転状態から加速運転状態に移行したときに、ＮＯｘ放出の促進状態と判定するようにしてもよく、こうすれば、アイドル運転状態からの加速時にはエンジン１が均一燃焼モードに移行する頻度が高いので、このときに触媒２５からのＮＯｘ放出を促進するようにすれば、自然に触媒２５のリフレッシュ頻度を高めることができる。
【０１７０】
また、エンジン１が所定以上の急加速運転状態になったときに、ＮＯｘ放出の促進状態と判定するようにしてもよい。この場合には、エンジン１の急加速運転時には自ずとエンジン出力が急増するものなので、このときに触媒２５からのＮＯｘ放出を促進するようにすれば、これに伴いエンジン出力の変動が大きくなっても、そのことによる運転フィーリングの悪化は相対的に小さくて済む。
【０１７１】
さらにまた、前記各実施形態では、ＮＯｘ放出の促進状態においてエンジン１が成層燃焼モードから均一燃焼モードに移行するときに、直ちにインジェクタ７からの燃料噴射量を増量補正するようにしているが、これに限らず、その燃料噴射量の増量補正を非促進状態よりも早い時期に行うようにしてもよい。
【０１７２】
すなわち、ＮＯｘ放出の促進状態では、例えばエンジン１の燃焼室４の空気過剰率がλ＝１．３になったときに燃料噴射量を増量する一方、非促進状態では、空気過剰率がλ＝１．２になったときに燃料噴射量を増量するようにすればよく、こうすれば、ＮＯｘ放出の非促進状態では、燃焼室４の充填効率ceが減少した後で空燃比がリッチ状態に切替えられるようになり、エンジン出力の変動をさらに小さく抑えることができる。
【０１７３】
【発明の効果】
以上説明した如く、請求項１の発明に係る火花点火式直噴エンジンの制御装置によると、エンジンの運転状態に応じて燃焼室の空燃比をリーン状態からリッチ状態に切替えるときには、充填量制御手段の制御によって燃焼室の吸気充填量を速やかに減少させ、エンジン出力の変動を抑えることができる一方、ＮＯｘ吸収触媒のリフレッシュのために空燃比を強制的にリッチ状態に切替えるときには、充填量調整手段の作動を遅延させることにより、一時的に排気中の酸素濃度が低くかつ排気流量の多い状態を作り出して、ＮＯｘ吸収触媒からのＮＯｘの放出を有効に促進することができる。このことで、触媒リフレッシュの頻度を減らしたり、期間を短縮することができるので、燃費の悪化を抑えつつ、触媒のリフレッシュを促進することができる。
【０１７４】
また、充填量調整手段の作動をエンジンの燃焼室の空気過剰率に応じて遅延させることでＮＯｘ生成の盛んな状態になることを回避できる上に、燃費悪化をさらに軽減できる。
【０１７５】
また、請求項２の発明に係る火花点火式直噴エンジンの制御装置によると、エンジンが加速運転に伴い成層燃焼状態の低負荷領域からそれよりも高負荷側の所定領域へ移行して、均一燃焼状態へ切替えられるときに、充填量調整手段の作動を遅延させることにより、一時的に排気中の酸素濃度が低くかつ排気流量の多い状態を作り出して、ＮＯｘ吸収触媒からのＮＯｘの放出を有効に促進することができる。よって、エンジンの運転状態の変化を利用して、運転フィーリングの大幅な悪化を招くことなく、過渡的に排気流量の多い状態を作り出して、触媒のリフレッシュを有効に促進できる。
【０１７６】
請求項３の発明によると、ＮＯｘ吸収触媒のリフレッシュを十分に促進でき、しかも、前記燃焼室の空燃比がＮＯｘ生成の盛んな状態になることを回避できる。また、請求項４の発明によるとその効果を十分に得ることができる。
【０１７７】
請求項５の発明によると、請求項３の発明と同様の効果が得られる上に、ＮＯｘの放出を促進しない場合には、エンジンの燃焼状態の切替えに伴う出力の変動や燃費悪化を軽減できる。また、請求項６の発明によるとその効果を十分に得ることができる。
【０１７８】
請求項７の発明によると、点火時期の遅角補正によってエンジン出力の変動を軽減できる。
【０１７９】
請求項８の発明によると、燃料噴射の分割によって弱成層状態の燃焼とすることにより、排気中のＣＯ等の濃度を高めて、触媒のリフレッシュをさらに促進できる。
【０１８０】
請求項９の発明によると、エンジンの急加速運転状態で触媒のリフレッシュを促進することで、燃焼状態の移行に伴う運転フィーリングの悪化を小さくできる。
【０１８１】
請求項１０の発明によると、車載エンジンの常用運転領域において、排気の還流により排気中のＮＯｘ濃度を低減でき、また、エンジンが低負荷領域から所定の中負荷領域に移行するときに排気の還流が継続されるので、このときの触媒のリフレッシュをさらに促進できる。さらに、請求項１１の発明によると、前記請求項１０の発明の作用効果を十分に得ることができる。
【０１８２】
請求項１２の発明によると、エンジンがアイドル運転状態で加速運転状態になったときに触媒のリフレッシュを促進することにより、リフレッシュの頻度を高めることができる。
【０１８３】
請求項１３の発明によると、ＮＯｘ吸収触媒からのＮＯｘ放出を促進しない場合には、エンジンの加速時に均一燃焼状態へ移行する前に、燃焼室の吸気充填量を減らすことによって、吸気充填量制御の応答遅れに起因するエンジン出力の変動を軽減できる。
【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】 本発明に係る火花点火式直噴エンジンの制御装置の実施形態を示す概略構成図である。
【図３】 触媒の概略構成を示す断面図である。
【図４】 エンジンの成層燃焼モード、ストイキオモード及びエンリチモードの各運転領域を設定した制御マップの一例を示す図である。
【図５】 ＥＣＵの機能ブロック図である。
【図６】 図５における目標負荷設定手段の具体的構成を示す機能ブロック図である。
【図７】 図５おけるスロットル開度演算手段の具体的構成を示す機能ブロック図である。
【図８】 図５における第２目標空燃比設定手段の具体的構成を示す機能ブロック図である。
【図９】 アクセル操作量及びエンジン回転数と仮想体積効率との対応関係を示す図である。
【図１０】 吸入空気量制御用の目標空燃比を運転モード別に設定したマップを示す図である。
【図１１】 目標体積効率とスロットル開度との対応関係を示す図である。
【図１２】 燃料噴射量等の演算に用いる運転モードの設定を示す図である。
【図１３】 燃料噴射量等制御用の目標空燃比（ａ）、噴射時期（ｂ）及び点火時期（ｃ）を、それぞれ運転モード別に設定したマップを示す図である。
【図１４】 触媒リフレッシュのための強制リッチ制御の処理手順を示すフローチャート図である。
【図１５】 エンジンの加速運転時の制御の前半の処理手順を示すフローチャート図である。
【図１６】 エンジンの加速運転時の制御の後半の処理手順を示すフローチャート図である。
【図１７】 エンジンの加速運転時にそれぞれ変化する第１目標負荷、スロットル開度、実充填効率、空燃比等を示すタイムチャート図である。
【図１８】 実施形態２に係る図１４相当図である。
【符号の説明】
Ａ 火花点火式直噴エンジンの制御装置
１ エンジン
２ 気筒
４ 燃焼室
７ インジェクタ（燃料噴射弁）
１３ スロットル弁
４０ コントロールユニット（ＥＣＵ）
４２ｆ 切替予測部（移行予測手段）
４２ｇ 補正部（充填量補正制御手段）
４４ 目標空燃比設定手段（充填量制御手段）
４５ 目標充填効率演算手段（充填量制御手段）
４６ スロットル開度演算手段（充填量制御手段）
４６ｄ tvoobj補正部（充填量制御手段）
４８ 運転モード設定手段（噴射時期制御手段）
４９ 分割比設定手段（噴射時期制御手段）
５０ 噴射量演算手段（噴射量制御手段）
５１ 噴射時期設定手段（噴射時期制御手段）
５２ 噴射制御手段（噴射時期制御手段、噴射量制御手段）
５３ 設定手段（点火時期補正手段）
６２ ＥＧＲ弁基本制御量設定手段（排気還流制御手段）
６３ ＥＧＲ弁制御量演算手段
６４ 判定手段
Claims (14)
- エンジンの気筒内燃焼室に燃料を直接、噴射供給する燃料噴射弁と、
前記燃焼室に連通する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ＮＯｘ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吸収触媒と、
エンジンの運転状態に応じて前記燃焼室の空燃比を、空気過剰率が１．３以上のリーン状態又はそれよりもリッチなリッチ状態のいずれかになるように切替えて制御するとともに、前記ＮＯｘ吸収触媒からＮＯｘを放出させるときには、前記燃焼室の空燃比を強制的にリッチ状態に切替える空燃比制御手段とを備えた火花点火式直噴エンジンの制御装置において、
前記燃焼室の吸気充填量を調整する充填量調整手段が設けられ、
前記空燃比制御手段は、前記燃焼室の空燃比がリーン状態からリッチ状態に切替えられるときに、燃焼室の吸気充填量が減少するように前記充填量調整手段を制御する充填量制御手段を有し、
前記充填量制御手段は、前記空燃比制御手段により燃焼室の空燃比が強制的にリッチ状態に切替えられるときには、前記充填量調整手段の作動を遅延させるとともに、エンジンの燃焼室の空気過剰率λが１．１＜λ＜１．３のときの充填量調整手段の作動を、λ＜１．１のときよりも速くなるように制御するように構成されていることを特徴とする火花点火式直噴エンジンの制御装置。 - エンジンの気筒内燃焼室に燃料を直接、噴射供給する燃料噴射弁と、
前記燃焼室に連通する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ＮＯｘ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吸収触媒と、
前記燃料噴射弁により燃料を、エンジンが所定の低負荷領域にあるときに成層燃焼状態になるように気筒の圧縮行程で噴射させる一方、前記低負荷域よりも高負荷側では均一燃焼状態になるように気筒の吸気行程で噴射させる噴射時期制御手段とを備えた火花点火式直噴エンジンの制御装置において、
前記燃焼室の吸気充填量を調整する充填量調整手段と、
エンジンの燃焼室の空燃比を、前記成層燃焼状態では空気過剰率が１．３以上のリーン状態になるように制御する一方、均一燃焼状態では空気過剰率が１以下のリッチ状態になるように切替えて制御する空燃比制御手段と、
エンジンが加速運転状態になって、前記成層燃焼状態の運転領域から均一燃焼状態の運転領域における少なくとも中負荷中回転の領域に移行するときに、前記ＮＯｘ吸収触媒からのＮＯｘ放出を促進する状態にある、と判定する判定手段とが設けられ、
前記空燃比制御手段は、エンジンが前記成層燃焼状態から均一燃焼状態に移行するときに、燃焼室の吸気充填量が減少するように前記充填量調整手段を制御する充填量制御手段を有し、
前記充填量制御手段は、前記判定手段によりＮＯｘ放出の促進状態と判定されたときには、非促進状態よりも前記充填量調整手段の作動を遅延させるように構成されていることを特徴とする火花点火式直噴エンジンの制御装置。 - 請求項２において、
空燃比制御手段は、判定手段によりＮＯｘ放出の促進状態と判定されたときに、エンジンの燃焼室の空燃比がリッチ状態になるように、燃料噴射弁からの燃料噴射量を増量する噴射量制御手段を有することを特徴とする火花点火式直噴エンジンの制御装置。 - 請求項３において、
噴射量制御手段は、吸気充填量の減少によって燃焼室の空気過剰率が１．３よりも小さくなる前に、燃料噴射量を増量するように構成されていることを特徴とする火花点火式直噴エンジンの制御装置。 - 請求項２において、
空燃比制御手段は、エンジンが成層燃焼状態から均一燃焼状態に移行するときに、エンジンの燃焼室の空燃比がリッチ状態になるように燃料噴射弁からの燃料噴射量を増量する噴射量制御手段を有し、
前記噴射量制御手段は、判定手段によりＮＯｘ放出の促進状態と判定されたときには、非促進状態よりも早く燃料噴射量を増量するように構成されていることを特徴とする火花点火式直噴エンジンの制御装置。 - 請求項５において、
噴射量制御手段は、判定手段によりＮＯｘ放出の促進状態と判定されたときには、エンジンの燃焼室の空気過剰率が１．３になったときに燃料噴射量を増量する一方、非促進状態と判定されたときには、空気過剰率が１．２になったときに燃料噴射量を増量するように構成されていることを特徴とする火花点火式直噴エンジンの制御装置。 - 請求項３〜６のいずれか１つにおいて、
噴射量制御手段によって燃料噴射量が増量されたときに、点火時期を遅角側に補正する点火時期補正手段が設けられていることを特徴とする火花点火式直噴エンジンの制御装置。 - 請求項２において、
噴射時期制御手段は、判定手段によりＮＯｘ放出の促進状態と判定されたときに、燃料噴射弁により燃料を、気筒の吸気行程から圧縮行程にかけての早期噴射と圧縮行程での後期噴射とに２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火花点火式直噴エンジンの制御装置。 - 請求項２において、
判定手段は、さらにエンジンが所定以上の急加速運転状態になったときに、ＮＯｘ吸収触媒からのＮＯｘ放出の促進状態と判定するように構成されていることを特徴とする火花点火式直噴エンジンの制御装置。 - 請求項２において、
エンジンの吸気系に排気の一部を還流させる排気還流手段と、
エンジンが成層燃焼状態の低負荷領域又は該低負荷領域に連続する所定の中負荷領域にあるときに、前記排気還流手段により排気を還流させる排気還流制御手段とが設けられ、
噴射時期制御手段は、エンジンが前記中負荷領域にあるときに、燃料噴射弁により燃料を気筒の吸気行程で２分割して噴射させるものであり、
判定手段は、さらにエンジンが前記低負荷領域から中負荷領域へ移行するときに、ＮＯｘ吸収触媒からのＮＯｘ放出の促進状態と判定するように構成されていることを特徴とする火花点火式直噴エンジンの制御装置。 - 請求項１０において、
排気還流制御手段は、エンジンが成層燃焼状態から均一燃焼状態に移行するときに、排気の還流率が３０％以上になるように排気還流手段を制御するものであることを特徴とする火花点火式直噴エンジンの制御装置。 - 請求項２において、
判定手段は、さらにエンジンがアイドル運転状態で加速運転状態になったときに、ＮＯｘ吸収触媒からのＮＯｘ放出の促進状態と判定するように構成されていることを特徴とする火花点火式直噴エンジンの制御装置。 - 請求項２において、
エンジンの負荷状態の変化に基づいて成層燃焼状態から均一燃焼状態への移行を予測する移行予測手段と、
前記移行予測手段によりエンジンが均一燃焼状態へ移行すると予測され、かつ判定手段によりＮＯｘ放出の非促進状態と判定されたときに、エンジンが均一燃焼状態へ移行する前に充填量調整手段により燃焼室の吸気充填量を減少させる充填量補正制御手段とが設けられていることを特徴とする火花点火式直噴エンジンの制御装置。 - 請求項１又は２のいずれかにおいて、
充填量調整手段は、エンジンの吸気通路に配設されたスロットル弁であり、
充填量制御手段は、少なくともエンジンが定常運転状態になっているときに、アクセル操作量及びエンジン回転数に応じて前記スロットル弁の開度を制御するものであることを特徴とする火花点火式直噴エンジンの制御装置。
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