JP4131151B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はエンジンの排気浄化装置、特にエンジンをリーン（希薄混合気）運転させるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
排気の空燃比が理論空燃比よりもリーンのときにＮＯｘをトラップし、排気の空燃比が理論空燃比や理論空燃比よりもリッチになると、触媒にトラップされているＮＯｘを脱離すると共に、この脱離したＮＯｘを排気中の未燃成分（未燃ＨＣやＣＯ）を還元剤として用いて還元浄化する機能を有する触媒を排気通路に設けておき、リーン空燃比での運転（この運転を以下「リーン運転」という。）中にＮＯｘトラップ量が限界にきたと判断したら、排気の空燃比を理論空燃比（あるいは理論空燃比よりもリッチ側の空燃比）へとリッチ化する（この空燃比をリッチ化する処理を以下単に「リッチ化処理」という。）ようにしたものが各種提案されている（特開平６−１０７２５号、同６−２９４３１９号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、リッチ化処理を行って、触媒にトラップされているＮＯｘの脱離・還元を行う場合、ＮＯｘ脱離量に応じた必要量の還元成分を触媒へと導入する必要があるが、特にリーン運転の行われる低負荷時はもともと排気流量が少ないため、この低負荷でのリーン運転中にリッチ化処理を行っても還元成分の量が足りずＮＯｘ浄化率が悪化することがある。そこで、十分なＮＯｘ浄化率を得るために従来は比較的排気流量の多い加速開始時などにおいてリッチ化処理を行うのが一般的であった。従って、排気流量が多くリッチ化処理により必要な還元成分を触媒に到達させることができ十分なＮＯｘ浄化率が得られる運転状態になるまで、リッチ化処理を行うことができなかった。これを逆に言えば、リッチ化処理が行われるまでの間にＮＯｘトラップ量が多いと、ＮＯｘトラップ率が低下し、このＮＯｘトラップ率の低下によりトラップされずに大気へと放出されるＮＯｘ量が増加することになっていた。
【０００４】
一方、燃焼室内に直接的に燃料を噴射供給する燃料噴射手段を備えるエンジンでは、リーン運転域の中でも低負荷側に成層燃焼域を設け（残りは均質燃焼域）、この低負荷側の成層燃焼でポンプ損失の低減と燃焼温度の低下による冷却損失の低減とを実現し、一層の燃費向上を図っている。
【０００５】
リーン運転域においてこうした成層燃焼と均質燃焼とを選択的に行わせ得るエンジンと、トラップＮＯｘの脱離・還元とを組み合わせて考えた場合に本発明の発明者は次のような知見を得た。すなわち、成層燃焼は、概ね圧縮行程の後半で主噴射を実行し点火プラグによる火花点火の時期に、点火プラグの近傍に理論空燃比あるいはその近傍の空燃比の混合気の塊を形成し、この混合気塊に対して点火プラグにより着火することで燃焼させるものである。一方、均質燃焼は吸気行程で主噴射を実行して燃焼室全体に均一に混合気を分布させ、この燃焼室全体に分布した混合気に対して点火プラグにより着火することで燃焼させるものである。こうした燃焼状態の違いにより、同一の運転条件で比較すると、成層燃焼状態では混合気塊の周囲に燃料を殆ど含まないガスが多く存在することになる。
【０００６】
ということは、同じリーン運転でありながら、成層燃焼状態のほうが後からより多くの燃料を含ませることができる、つまり低負荷域（成層リーン燃焼が行われる）であっても、リッチ化処理のため、成層燃焼状態での膨張行程や排気行程において追加噴射を行ってやれば、その追加噴射による燃料は成層燃焼状態でのガス中に拡散して良好な未燃成分となり、十分な還元成分の量を確保できる、ということである。
【０００７】
本発明は、こうした発明者の知見に基づいてなされたもので、成層燃焼状態でリッチ化処理が必要となった場合において触媒温度が活性温度に到達したとき、成層燃焼状態での膨張行程や排気行程で追加噴射を行うと共に、主噴射分と合わせた燃料量とそのときの吸入空気量とで定まる空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に設定し、そのリッチ側での空燃比での運転を行うことにより、本来排気流量の少ない低負荷時であっても、リッチ化処理のため十分な量の還元剤（ＨＣ、ＣＯといった未燃成分）を確保することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、活性状態において排気の空燃比がリーンのときにＮＯｘをトラップし、排気の空燃比が理論空燃比またはリッチのときにトラップしたＮＯｘを脱離すると共に、この脱離したＮＯｘを排気中の還元成分を用いて還元浄化する機能を有する触媒を排気通路に備える一方、燃焼室内に直接的に燃料を噴射供給する燃料噴射手段と、この燃料噴射手段の主噴射の時期を相違させることによりリーン運転時に均質燃焼または成層燃焼を選択的に行わせ得る主噴射実行手段と、触媒温度を検出する触媒温度検出手段と、成層燃焼状態でリッチ化処理が必要となった場合において触媒温度が活性温度に到達したとき、成層燃焼状態での膨張行程または排気行程で追加噴射を行う追加噴射実行手段と、この追加噴射を実行する際に、追加噴射と主噴射との合計の燃料量と吸入空気量とで定まる空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に設定し、そのリッチ側に設定した空燃比での運転を行うリッチ運転手段と、成層燃焼状態でリッチ化処理が必要となった場合において触媒温度が完全暖機温度より高いとき、前記追加噴射を禁止する追加噴射禁止手段とを備え、前記追加噴射を実行する際に、追加噴射と主噴射との合計の燃料と吸入空気量とで定まる空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に設定する空燃比設定手段は、単位時間当たりのＮＯｘ脱離量を算出する手段と、この単位時間当たりのＮＯｘ脱離量に見合う量の還元剤量を単位時間当たりの目標還元剤供給量として算出する手段と、吸入空気流量をこの単位時間当たりの目標還元剤供給量で除することにより現在の吸入空気流量で単位時間当たりの目標還元剤供給量を実現できる空燃比を算出する手段と、これを理論空燃比から差し引いた値を、追加噴射を実行する際のリッチ側の空燃比として設定する手段とからなる。
【０００９】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明は、前述のように本発明の発明者による知見に基づいたものである。繰り返しになるが述べると、成層燃焼は、概ね圧縮行程の後半で主噴射を実行し点火プラグによる火花点火の時期に、点火プラグの近傍に理論空燃比あるいはその近傍の空燃比の混合気の塊を形成し、この混合気塊に対して点火プラグにより着火することで燃焼させるものである。一方、均質燃焼は吸気行程で主噴射を実行して燃焼室全体に均一に混合気を分布させ、この燃焼室全体に分布した混合気に対して点火プラグにより着火することで燃焼させるものである。こうした燃焼状態の違いにより、同一の運転条件で比較すると、成層燃焼状態では混合気塊の周囲に燃料を殆ど含まないガスが多く存在することになる。
【００１０】
ということは、同じリーン運転でありながら、成層燃焼状態のほうが後からより多くの燃料を含ませることができる、つまり成層燃焼が低負荷域で行われるとすれば、低負荷域であっても、リッチ化処理のため、成層燃焼状態での膨張行程や排気行程において追加噴射を行ってやれば、その追加噴射による燃料は成層燃焼状態でのガス中に拡散して良好な未燃成分となり、十分な還元成分の量を確保できる、ということである。
【００１１】
請求項１の発明によれば、成層燃焼状態でリッチ化処理が必要となった場合において触媒温度が活性温度に到達したとき追加噴射を行うと共に、主噴射分と合わせた燃料量と吸入空気量とで定まる空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に設定し、そのリッチ側に設定した空燃比での運転を行うので、本来排気流量の少ない低負荷域のような運転域であっても、その運転域で成層燃焼が行われる限り、追加噴射により排気流量を増加させつつ排気中の未燃成分が増大する。これにより、十分な量の還元剤（ＨＣ、ＣＯといった未燃成分）を触媒に導入することが可能となり、触媒にトラップされているＮＯｘを十分に脱離・還元することができる。
【００１２】
加えて、追加噴射に伴う排気再燃焼により、低負荷域のように排気温度が比較的低いときであっても排気温度が高くなり、これによって触媒の温度低下を防止し触媒の活性を維持できるという効果も得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１４】
図１において、１はエンジン本体、２は吸気通路、３はＤＣモータ等からなるスロットルアクチュエータによりスロットルバルブ３ａが駆動されるスロットル装置、７はコントローラ２１からの噴射信号により運転条件に応じて所定の空燃比となるように燃料を燃焼室５内に直接に噴射供給する燃料噴射弁（燃料噴射手段）、８は点火プラグである。
【００１５】
コントローラ２１にはクランク角センサ２２からの基準位置信号と単位角度信号、エアフローメータ２３からの吸入空気量信号、アクセルセンサ２４からのアクセル開度信号、さらには水温センサ２５からのエンジン冷却水温信号、トランスミッションのギア位置センサ（図示しない）からのギア位置信号、車速センサ（図示しない）からの車速信号等が入力し、これらに基づいて運転状態を判断しながら、負荷のそれほど大きくない所定の運転域においてはリーン運転を行い、それ以外の運転域では理論空燃比での運転（この運転を「ストイキ運転」とう。）を行う。その際、排気通路９のエンジン出口の近くに設けたＯ2センサ２７出力に基づいて排気の空燃比が理論空燃比と一致するように空燃比のフィードバック制御を行う。また、全負荷に近い領域ではリッチ空燃比による運転（この運転を「リッチ運転」という。）が行われる。
【００１６】
リーン運転域はさらに成層燃焼域と均質燃焼域とに分かれる。コントローラ２１では大きなトルクが必要とされない低負荷域において成層燃焼を行い、成層燃焼域を外れて回転速度や負荷が大きくなると、成層燃焼へと切り換える。
【００１７】
ここで、吸気ポート４の上流に位置する吸気制御弁（図示しない）を閉じて吸気を絞り、吸気ポート４の燃焼室５への開口部から燃焼室５に流入する吸気にタンブル（縦方向の渦流）を生じさせ、このタンブルに燃料噴射弁７より概ね圧縮行程の後半で噴射された燃料が乗って燃焼室５天井のほぼ中央に位置する点火プラグ８近傍へと輸送されるように、吸気ポート４の燃焼室５への吸気流入角とピストン６の冠面６ａに設けるキャビティの形状とを決定することにより、成層燃焼を実現させている。すなわち、成層燃焼は、概ね圧縮行程の後半で主噴射を実行し点火プラグ８による火花点火の時期に、点火プラグ８の近傍に理論空燃比あるいはその近傍の空燃比の混合気の塊を形成し、この混合気塊に対して点火プラグ８により着火することで燃焼させるものである。
【００１８】
一方、成層燃焼域を外れて回転速度や負荷が大きくなると、この運転域（均質燃焼域）では吸気の流量が多いことから吸気制御弁を開いた状態でも燃焼室５内にタンブルが発生する。従って均質燃焼域では吸気制御弁は開いた状態とし、燃焼室５内にタンブルを作りながら吸気行程で燃料を噴射することにより、燃焼室全体に均質な混合気が生成される。すなわち、均質燃焼は吸気行程で主噴射を実行して燃焼室５の全体に均一に混合気を分布させ、この燃焼室５全体に分布した混合気に対して点火プラグ８により着火することで燃焼させるものである。
【００１９】
排気通路９にはＮＯｘトラップ触媒（以下単に「触媒」という。）１０を備える。触媒１０は、流入排気の空燃比が理論空燃比よりもリーン側であるときに、流入排気中のＮＯｘをトラップし、流入排気の空燃比が理論空燃比または理論空燃比よりもリッチ側になると、触媒１０にトラップしているＮＯｘを脱離すると共に、この脱離されるＮＯｘを、理論空燃比やリッチ側空燃比の雰囲気中のＨＣ、ＣＯ等を還元剤として用いて還元浄化する機能を有する。たとえばアルミナをコーティングしたハニカム担体に、白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ等の貴金属を担持した触媒をベースに、バリウムＢａで代表されるアルカリ土類、Ｃｓで代表されるアルカリ金属から選ばれた少なくとも１つの成分を担持して構成されている。
【００２０】
触媒１０は触媒にトラップされているＮＯｘの量が増加するに従ってＮＯｘトラップ率が低下する性質を有するため、リーン運転をしばらく継続し触媒１０にある程度ＮＯｘがトラップされたら、リッチ化処理を強制的に行って触媒１０に対して還元成分を多く含んだ排気を流入させ、触媒１０にトラップされているＮＯｘを脱離・還元する（触媒１０の再生）必要がある。このため、コントローラ２１ではリーン運転中にリッチ化処理が必要となる毎にリッチ化処理を行って触媒１０を再生する、という動作を繰り返す。これにより、比較的高い効率で排気中のＮＯｘ浄化を行うことが可能になる。
【００２１】
ただし、リッチ化処理時には、ＮＯｘ脱離量に応じた必要量の還元成分を触媒１０へと導入する必要があるが、特にリーン運転の行われる低負荷時はもともと排気流量が少ないため、この低負荷でのリーン運転中にリッチ化処理を行っても還元成分の量が足りずＮＯｘ浄化率が悪化することがあるので、コントローラ２１では、リーン運転中でも成層燃焼状態であって、リッチ化処理が必要となった場合において触媒温度が活性温度に到達したとき、成層燃焼状態での膨張行程や排気行程で追加噴射を行うと共に、主噴射と追加噴射を合わせた燃料量とそのときの吸入空気量とで定まる空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に設定し、そのリッチ側での空燃比での運転を行う（請求項１に記載の発明）。
【００２２】
一般に触媒１０にトラップされているＮＯｘの脱離・還元は、酸素と還元成分とが共存する雰囲気中よりも酸素が無く還元成分のみが存在する雰囲気中のほうがより活発に行われる。このため、触媒１０上流の排気通路（排気マニホルド）９に所定の空間容積を有する容積部１１が設けられ、この容積部１１で排気が滞留、攪拌され、燃え残った追加燃料と排気中の酸素との反応（燃焼）が促進される（請求項５に記載の発明）。
【００２３】
また、触媒１０がその性能を発揮するのは活性温度に達してからであるので、冷間始動後には触媒１０を活性温度へと即座に上昇させる必要がある。このため、コントローラ２１では温度センサ２８により検出される触媒温度に基づいて触媒１０が活性温度に到達しているかどうかを判定し、成層燃焼状態である場合に限り、活性温度に到達していないときにその成層燃焼状態での膨張行程や排気行程において追加噴射を行う（請求項１０に記載の発明）。追加噴射による燃焼はエンジンの出力に寄与するものでなく、主に燃焼室５から燃焼室５を出た排気通路９内で燃焼し（後燃え）、高温になった排気が触媒１０に流入して触媒１０の昇温を早める。
【００２４】
ただし、触媒昇温のための追加噴射中は触媒１０が未活性状態にあるため、排気通路９で追加噴射による燃料が燃え残った場合には触媒１０で浄化されずにそのまま大気へと排出されてしまい、排気の悪化につながる。また、追加噴射と主噴射との合計の燃料量と吸入空気量とで定まる空燃比がリッチ空燃比の場合には、いかに排気の再燃焼を促進しても追加燃料を完全燃焼させるために必要な酸素量が不足するので、やはり未燃分が外部に排出され排気の悪化を生じる。
【００２５】
このためコントローラ２１では、触媒昇温のための追加噴射を行う際には、追加噴射燃料分を含めた排気の空燃比が理論空燃比よりもわずかにりーンになるように設定し、そのリーン側に設定された空燃比での運転を行う（請求項１０に記載の発明）。
【００２６】
さらに、触媒１０にトラップしているＮＯｘが多量に残存している状態でエンジンを停止させた場合には、次回エンジン再始動後に触媒１０が活性化しても、触媒１０に残存するＮＯｘを一旦脱離・還元してしまわない限り、良好なＮＯｘトラップ性能を得ることができない。このため、コントローラ２１では、エンジンの始動時にはＮＯｘトラップ量の多少に関係なく強制的にリッチ化処理の要求を出す（請求項６に記載の発明）。そして、エンジン冷間始動後に触媒昇温のための追加噴射により触媒が活性温度に到達したタイミングでリッチ化処理を行わせる。
【００２７】
このように、コントローラ２１では、リーン運転時に成層燃焼や均質燃焼といった最適な燃焼状態が得られるように、主噴射の燃料噴射量及び燃料噴射時期並びに点火プラグ８による火花点火の時期である点火時期をそれぞれ制御するほか、成層燃焼状態において触媒１０に対して昇温とリッチ化処理を行うため、追加噴射の燃料噴射量及び燃料噴射時期を制御する。
【００２８】
コントローラ２１で実行されるリッチ化処理、燃焼状態の設定、主噴射、追加噴射の各燃料量を定めることになる目標当量比の演算について、以下のフローチャートにしたがって詳細に説明する。
【００２９】
図２のフローチャートはリッチ化要求フラグを設定するためのもので、一定時間毎（例えば１０ｍｓｅｃ毎）に実行する。
【００３０】
ステップ１では、スタータスイッチ（図では「ＳＴ ＳＷ」で略記。）２９（図１参照）からの信号をみる。スタータスイッチ２９からの信号がＯＮである場合（エンジン始動時）にはステップ２へ進み、コントローラ２１内の不揮発メモリ（バックアップＲＡＭ）からＮＯｘトラップ量Ｖｎを読み出す。この値は、前回のエンジン停止時に触媒１０に残存しているＮＯｘトラップ量であり、エンジン停止中にこの値を保持するようになっている（請求項９に記載の発明）。
【００３１】
なお、簡易的には、飽和トラップ量に相当するＶｎをコントローラ２１内のＲＯＭに格納しておき、エンジン始動時にこの値を読み出すようにしてもよい。
【００３２】
ステップ３では、強制的にリッチ化要求フラグｆＲ＝１にセットする（請求項６に記載の発明）。
【００３３】
ここで、リッチ化要求フラグｆＲ＝１はリッチ化処理が必要であることを、これに対してｆＲ＝０はリッチ化処理が不要であることを表す。
【００３４】
エンジン始動時に強制的にリッチ化要求フラグｆＲ＝１（リッチ化処理が必要）としているのは、エンジン始動後できるだけ早い時期（触媒温度Ｔｃが後述の活性温度ＴｃＬに到達した時点）にリッチ化処理を行って触媒１０にトラップされているＮＯｘを無くし、その後のリーン運転中のＮＯｘのトラップを良好に行わせるためである。
【００３５】
スタータスイッチ２９からの信号がＯＮでない場合（始動後）にはステップ２とステップ３の処理をスキップする（飛ばす）。
【００３６】
ステップ４〜１２は始動からの運転状態に応じてＮＯｘトラップ量Ｖｎを演算し（排気中のＮＯｘが触媒１０にトラップされるときには単位時間当たりのトラップ量を積算してゆき、この逆にトラップされているＮＯｘが触媒１０より脱離するときには単位時間当たりの脱離量を減算してゆく）、このようにして演算したＮＯｘトラップ量Ｖｎに基づいてリッチ化処理が必要であるか否かを判定する部分である。
【００３７】
ステップ４では、現在のトータル目標当量比ｔＦＢＹＡと理論空燃比相当の１．０を比較する。
【００３８】
トータル目標当量比ｔＦＢＹＡは後述する図６、図７のフローにより演算しており、当該フローにより演算されている値を図２のステップ４で用いることになる。目標当量比（理論空燃比を目標空燃比で除した値）は、この値が１．０のとき理論空燃比に相当し、この値が１．０未満のとき理論空燃比よりもリーン側の空燃比に、この逆に１．０を超えるとき理論空燃比よりリッチ側の空燃比に相当する。
【００３９】
目標当量比の前に「トータル」を付けているのは、主噴射の後に追加噴射を行うことがあり、主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１、追加噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ２と区別するためである。すなわち、トータル目標当量比ｔＦＢＹＡは主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１と追加噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ２を加算した値である。
【００４０】
本実施形態ではトータル目標当量比ｔＦＢＹＡを、触媒１０に流入する排気の空燃比を表すパラメータとして、具体的にはリーン空燃比での運転（リーン運転）であるか否かを判定するために使用している。すなわち、トータル目標当量比ｔＦＢＹＡが１．０未満のときリーン空燃比での運転（リーン運転）であり、これに対してトータル目標当量比ｔＦＢＹＡが１．０以上のときリッチ空燃比での運転（リッチ運転）または理論空燃比での運転（ストイキ運転）である。
【００４１】
触媒１０に流入する排気の空燃比を表すパラメータはこれに限らない。例えば、Ｏ2センサ２７に代えて広域空燃比センサを排気通路９に設ける場合にはその広域空燃比センサの検出値を使用すればよい。
【００４２】
トータル目標当量比ｔＦＢＹＡが１．０より小さい（リーン運転）場合には排気中のＮＯｘが触媒１０にトラップされるので、ステップ５に進み単位時間当たりのＮＯｘ排出量ｄＶｎを算出する。排気中のＮＯｘ濃度は、エンジン負荷（あるいは後述する目標トルク）、空燃比（あるいはトータル目標当量比）、冷却水温等のパラメータから推定することが可能であり、推定したＮＯｘ濃度に吸入空気流量Ｑａを乗じればｄＶｎを算出することができる。
【００４３】
各パラメータに対するＮＯｘ濃度の特性を図３に示すと、エンジン負荷と回転速度に対しては図３上段のように回転速度を一定とすればエンジン負荷が大きくなるほど、また負荷一定とすれば回転速度が高くなるほどＮＯｘ濃度は高くなる。また、空燃比に対しては図３中段のようにある空燃比（図では「Ａ／Ｆ」で略記。図４最上段において同じ。）のところでＮＯｘ濃度は最大となり、その空燃比よりリーン側でもリッチ側でもＮＯｘ濃度は小さくなる。水温に対しては図３下段のように水温が高くなるほどＮＯｘ濃度は高くなる。
【００４４】
ステップ６では、このようにして算出した単位時間当たりのＮＯｘ排出量ｄＶｎを用いて、
Ｖｎ＝Ｖｎｚ＋Ｃ１×εＴ×ｄＶｎ…（１）
ただし、εＴ ：触媒のＮＯｘトラップ率、
Ｃ１ ：単位時間当たりから演算周期当たりへの換算係数、
Ｖｎｚ：前回のＶｎ、
の式によりＮＯｘトラップ量Ｖｎを算出する。
【００４５】
（１）式は単位時間当たりのＮＯｘ排出量ｄＶｎにＮＯｘトラップ率εＴを乗じて単位時間当たりのＮＯｘトラップ量を算出し、これを換算係数Ｃ１を用いて演算周期当たりのＮＯｘトラップ量に変換し、この演算周期当たりのＮＯｘトラップ量を前回までのＮＯｘトラップ量であるＶｎｚに積算して、最新のＮＯｘトラップ量Ｖｎを算出するものである。
【００４６】
（１）式のＮＯｘトラップ率εＴは、空燃比（あるいはトータル目標当量比）、触媒温度、排気流量、そのときのＮＯｘトラップ量等のパラメータから推定することが可能である。各パラメータに対するＮＯｘトラップ率の特性を図４に示すと、空燃比に対しては、図４最上段のようにある空燃比よりもリーン側だけで所定のＮＯｘトラップ率を有し、ある空燃比よりもリッチ側ではゼロになる。触媒温度に対しては図４第２段目のようにある温度で最大となりこの温度より高くても低くてもＮＯｘトラップ率は低下してゆく。排気流量、ＮＯｘトラップ量に対しては図４第３段目、第４段目のように排気流量（図では「ガス流量」で表記。図５において同じ。）やＮＯｘトラップ量が多くなるほどＮＯｘトラップ率は低下してゆく。
【００４７】
なお、排気流量の検出方法については、基本噴射パルス幅Ｔｐ（エンジン負荷相当）と回転速度をパラメータとする排気流量のマップを予め作成しておき、このマップ検索により求めることが考えられる。
【００４８】
ステップ７では、ステップ６で算出した最新のＮＯｘトラップ量ＶｎとＮＯｘトラップ上限量ＶｎＨを比較し、ＮＯｘトラップ量ＶｎがＮＯｘトラップ上限量ＶｎＨより大きい場合にはリッチ化処理を行う必要があると判断し、ステップ８に進んでッチ化要求フラグｆＲ＝１に設定する（請求項７に記載の発明）。ＮＯｘトラップ上限量ＶｎＨとしては、良好なＮＯｘトラップ率を維持できなくなるＮＯｘトラップ量を設定しておけばよい（請求項８に記載の発明）。
【００４９】
一方、ステップ７でＮＯｘトラップ量ＶｎがＮＯｘトラップ上限量ＶｎＨ以下の場合はステップ８の操作をスキップし、直前までのリッチ化要求フラグｆＲの値をそのまま維持する。
【００５０】
これに対して、ステップ４でトータル目標当量比ｔＦＢＹＡが１．０以上の場合（リッチ運転またはストイキ運転）には触媒１０にトラップされているＮＯｘが脱離するので、ステップ９に進み単位時間当たりのＮＯｘ脱離量ｄＶｎｒを算出する。
【００５１】
触媒１０からのＮＯｘ脱離率は、そのときのＮＯｘトラップ量、排気流量、触媒温度等のパラメータから推定することが可能であり、推定したＮＯｘ脱離率にＮＯｘトラップ量Ｖｎを乗じればｄＶｎｒを算出することができる。各パラメータに対するＮＯｘ脱離率の特性を図５に示すと、ＮＯｘトラップ量、排気流量に対しては図５上段、中段のようにＮＯｘトラップ量、排気流量が多くなるほどＮＯｘ脱離率が高くなる。触媒温度に対しては図５下段のようにある温度以上でＮＯｘ脱離率が高くなり、ある温度以下ではＮＯｘ脱離率はゼロである。
【００５２】
ステップ１０では、このようにして算出した単位時間当たりのＮＯｘ脱離量ｄＶｎｒを用いて、
Ｖｎ＝Ｖｎｚ−Ｃ２×ｄＶｎｒ…（２）
ただし、Ｃ２ ：単位時間当たりから演算周期当たりへの換算係数、
Ｖｎｚ：前回のＶｎ、
の式によりＮＯｘトラップ量Ｖｎを算出する。
【００５３】
（２）式は単位時間当たりのＮＯｘ脱離量ｄＶｎｒを、換算係数Ｃ２を用いて演算周期当たりのＮＯｘ脱離量に変換し、その変換したＮＯｘ脱離量を直前までのＮＯｘトラップ量であるＶｎｚから減算して最新のＮＯｘトラップ量Ｖｎを算出するものである。
【００５４】
ステップ１１では、ステップ１０で算出した最新のＮＯｘトラップ量ＶｎとＮＯｘトラップ下限量ＶｎＬを比較し、ＮＯｘトラップ量ＶｎがＮＯｘトラップ下限量ＶｎＬより小さい場合には触媒１０にトラップされているＮＯｘの脱離・還元が完了したと判断し、ステップ１２に進んでリッチ化要求フラグｆＲ＝０に設定する。上記のＮＯｘトラップ下限量ＶｎＬとしてはゼロまたはその近傍の値を設定している。
【００５５】
一方、ステップ１１でＮＯｘトラップ量ＶｎがＮＯｘトラップ下限量ＶｎＬ以上の場合にはステップ１２の操作をスキップし、直前までのリッチ化要求フラグｆＲの値をそのまま維持する。
【００５６】
図６、図７のフローチャートは運転条件に応じて燃焼状態を設定すると共に、主噴射の目標当量比、追加噴射の目標当量比及びこれらの合計であるトータル目標当量比をそれぞれ演算するためのもので、所定時間毎（例えば１０ｍｓｅｃ毎）に実行する。
【００５７】
ここでは、主噴射の目標当量比を「ｔＦＢＹＡ１」、追加噴射の目標当量比を「ｔＦＢＹＡ２」、これらを合計した値であるトータル目標当量比を「ｔＦＢＹＡ」として区別して扱う。
【００５８】
ステップ２１では、目標トルクｔＴＣとエンジン回転速度Ｎｅとに基づいて燃焼フラグｆＣｍｂとリーン運転許可フラグｆＬとを設定する。
【００５９】
例えば目標トルクｔＴＣとエンジン回転速度Ｎｅとから図８を内容とするマップを検索することにより燃焼フラグｆＣｍｂを０または１に設定する。ここで、ｆＣｍｂ＝０は成層燃焼を、ｆＣｍｂ＝１は均質燃焼を表す。すなわち、図８のように運転領域を大きく３つに分けるとすれば、次のように燃焼フラグｆＣｍｂにより燃焼状態を定めている。
【００６０】
（ア）低負荷・低回転速度域：ｆＣｍｂ＝０（成層燃焼）、
（イ）中負荷・中回転速度域：ｆＣｍｂ＝１（均質燃焼）、
（ウ）高負荷・高回転速度域：ｆＣｍｂ＝１（均質燃焼）、
また、目標トルクｔＴＣとエンジン回転速度Ｎｅとから図９を内容とするマップを検索することによりリーン運転許可フラグｆＬを０または１に設定する。ここで、ｆＬ＝１はリーン運転を許可すること、ｆＬ＝０はリーン運転を許可しないことを表す。すなわち、図９に示したように、運転領域を図８と同じに大きく３つに分けるとすれば、次のようにリーン運転許可フラグｆＬによりリーン運転を許可するか否かを定めている。
【００６１】
（エ）低負荷・低回転速度域：ｆＬ＝１（リーン運転許可）、
（オ）中負荷・中回転速度域：ｆＬ＝１（リーン運転許可）、
（カ）高負荷・高回転速度域：ｆＬ＝０（リーン運転禁止）、
これら２つのフラグｆＣｍｂ、ｆＬを組み合わせると、次のように３つの各運転域で最適な燃焼が行われることになる。
【００６２】
〈１〉低負荷・低回転速度域：
ｆＣｍｂ＝０かつｆＬ＝１（リーン運転・成層燃焼）、
〈２〉中負荷・中回転速度域：
ｆＣｍｂ＝１かつｆＬ＝１（リーン運転・均質燃焼）、
〈３〉高負荷・高回転速度域：
ｆＣｍｂ＝１かつｆＬ＝０（ストイキ運転、均質燃焼）、
なお、目標トルクｔＴＣは、図示しないルーチンにおいて、基本的にアクセルセンサ２４により検出されるアクセル開度Ａｐｓとクランク角センサ２２により検出されるエンジン回転速度に基づいて演算している。簡単に、エンジン回転速度一定の条件でのアクセル開度Ａｐｓに対する特性を図１０に示す。
【００６３】
ステップ２２では、水温センサ２５により検出されるエンジン水温Ｔｗとリーン運転許可下限水温ＴｗＬとを比較する。リーン運転許可下限水温ＴｗＬとしては、リーン運転で十分な燃焼安定度を確保することができる下限の水温を設定すればよい。
【００６４】
エンジン水温Ｔｗがリーン運転許可下限水温ＴｗＬより低い場合にはステップ２３に進み燃焼フラグｆＣｍｂ＝１かつリーン運転許可フラグｆＬ＝０に設定する。これは強制的なものである。すなわち、ステップ２１で低負荷・低回転速度域にありｆＣｍｂ＝０かつｆＬ＝１（リーン運転・成層燃焼）となっていても、エンジン水温Ｔｗがリーン運転許可下限水温ＴｗＬ未満の低温時に限っては強制的にストイキ運転・均質燃焼が行われる。
【００６５】
一方、ステップ２２でエンジン水温Ｔｗがリーン運転許可下限水温ＴｗＬ以上の場合にはリーン運転を行うことが可能となるので、ステップ２４へ進みリッチ化要求フラグｆＲをみる。
【００６６】
リッチ化要求フラグｆＲ＝１である場合（リッチ化処理が必要）にはステップ２５へ進み、触媒温度Ｔｃと完全暖機温度ＴｃＨを比較する。ここで、完全暖機温度ＴｃＨとは触媒１０が完全に暖機されている温度のことである。
【００６７】
触媒温度Ｔｃが完全暖機温度ＴｃＨより高い場合はステップ２６へ進み、燃焼フラグｆＣｍｂ＝１（均質燃焼）に設定する（請求項１に記載の発明）。このとき、リーン運転許可フラグｆＬはステップ２１で設定されたままである。
【００６８】
燃焼フラグｆＣｍｂ＝１（均質燃焼）に設定することで、後述するようにｔＦＢＹＡ１＝ｔＦＢＹＡかつｔＦＢＹＡ２＝０となり（図７ステップ４１、４３参照）、従ってリッチ化処理が要求されていても追加噴射は行われない。成層燃焼状態でリッチ化処理が要求されている場合に、触媒温度ＴｃがＴｃＨより高くなっても追加噴射を行うとすれば、触媒温度がさらに上昇して触媒１０の性能が低下しかねないのであるが、このように触媒温度Ｔｃが完全暖機温度ＴｃＨより高い場合に均質燃焼として追加噴射を禁止することにより、排気再燃焼に伴う触媒温度の上昇によって触媒の性能が低下するのを防止できる。
【００６９】
ステップ２４、２５でリッチ化要求フラグｆＲ＝０であるときやリッチ化要求フラグｆＲ＝１であっても触媒温度Ｔｃが完全暖機温度ＴｃＨ以下であるときにはステップ２６の操作をスキップし、ステップ２１でセットした燃焼フラグｆＣｍｂ、リーン運転許可フラグｆＬの値をそのまま維持する。
【００７０】
ステップ２７〜３１は、設定された２つのフラグｆＣｍｂ、ｆＬの組み合わせに基づいて主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１を演算する部分である。この目標当量比ｔＦＢＹＡ１により主噴射からの燃料量が定まる。
【００７１】
すなわち、ステップ２７、２８では、燃焼フラグｆＣｍｂとリーン運転許可フラグｆＬをみる。燃焼フラグｆＣｍｂ＝０である場合には上記〈１〉のリーン運転・成層燃焼域にあると判断してステップ２９に進み、そのときの目標トルクｔＴＣとエンジン回転速度Ｎｅとに基づいて主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１を算出する。
【００７２】
同様にして、燃焼フラグｆＣｍｂ＝１かつｆＬ＝１の場合には上記〈２〉のリーン運転・均質燃焼域にあると判断してステップ３０に進み、ここでもそのときの目標トルクｔＴＣとエンジン回転速度Ｎｅとに基づいて主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１を算出する。
【００７３】
これら２つの運転域（リーン運転・成層燃焼域とリーン運転・均質燃焼域）はいずれもリーン運転域であるため、主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１を求めるためのマップは一つでよく、例えば目標トルクｔＴＣとエンジン回転速度Ｎｅとから図１１を内容とするマップを検索することにより主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１を算出すればよい。図１１において、ｔＦＢＹＡ１の値は総て１．０未満の値である。図ではｔＦＢＹＡ１の値にある傾向があるように記載しているが、実際の値はエンジン仕様などから定めることになる。
【００７４】
一方、燃焼フラグｆＣｍｂ＝１かつリーン運転許可フラグｆＬ＝０の場合には上記〈３〉のストイキ運転・均質燃焼域にあると判断してステップ３１に進み主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１＝１．０（理論空燃比相当）とする。
【００７５】
図７に進みステップ３２〜４０はエンジン水温Ｔｗ、触媒温度Ｔｃ、燃焼フラグｆＣｍｂ、リッチ化要求フラグｆＲに応じてトータル目標当量比を演算（設定）する部分である。
【００７６】
ステップ３２では、エンジン水温Ｔｗとリーン運転許可下限水温ＴｗＬを比較する。エンジン水温Ｔｗがりーン許可下限水温ＴｗＬより低い場合にはステップ３３に進み、トータル目標当量比ｔＦＢＹＡ＝１．０（理論空燃比相当）とする。これは、Ｔｗ＜ＴｗＬのとき図６のステップ２３でｆＣｍｂ＝１かつｆＬ＝０（ストイキ運転・均質燃焼）としたので、これを受けたものである。
【００７７】
エンジン水温Ｔｗがリーン運転許可下限水温ＴｗＬ以上である場合にはステップ３４に進み触媒温度Ｔｃと活性温度ＴｃＬを比較する。
【００７８】
ここで、活性温度ＴｃＬとしては、触媒１０にトラップされているＮＯｘを、完全ではないがある程度、脱離・還元できる触媒温度を採用する（請求項２に記載の発明）。活性温度ＴｃＬは触媒１０がある程度のＮＯｘトラップ能を発揮し得る触媒温度でもある。当然ながら活性温度ＴｃＬは上記の完全暖機温度ＴｃＨより低い温度である。
【００７９】
触媒温度Ｔｃが活性温度ＴｃＬより低い場合には触媒１０を早期に昇温させる必要があり、ステップ３５に進んで燃焼フラグｆＣｍｂをみる。
【００８０】
燃焼フラグｆＣｍｂ＝０（成層燃焼）である場合に限ってステップ３６に進み、触媒１０の昇温のための追加噴射を行うため、トータル目標当量比ｔＦＢＹＡを理論空燃比よりややリーンを示す昇温当量比ＴＦＬに設定する（請求項１０に記載の発明）。
【００８１】
ここで、昇温当量比ＴＦＬは、リーン運転用の制御マップ（図１１）に格納されている主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１の最大値よりもさらに大きな値（理論空燃比相当の１．０に近い値）である。トータル目標当量比ｔＦＢＹＡを昇温当量比ＴＦＬに設定することにより、主噴射によりリーン運転・成層燃焼を行わせつつ、排気通路９の容積部１１で追加燃料を燃焼させるための追加噴射が行われる。
【００８２】
これに対して燃焼フラグｆＣｍｂ＝１である（均質燃焼）場合には、ステップ３７に進んでトータル目標当量比ｔＦＢＹＡを主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１と一致させる（追加噴射は行わせない）。
【００８３】
一方、触媒温度Ｔｃが活性温度ＴｃＬ以上である場合には触媒１０にトラップされているＮＯｘの脱離・還元が可能となるので、ステップ３４よりステップ３８に進んでリッチ化要求フラグｆＲをみる。
【００８４】
リッチ化要求フラグｆＲ＝１（リッチ化処理が必要）である場合には、ステップ３９に進んで単位時間当たりの目標還元剤供給量ｔｄＶｒを算出する。図２のステップ９でも説明したように、触媒１０からのＮＯｘ脱離率はそのときのＮＯｘトラップ量、排気流量、触媒温度等のパラメータから推定することが可能であり、推定したＮＯｘ脱離率にＮＯｘトラップ量Ｖｎを乗じれば単位時間当たりのＮＯｘ脱離量ｄＶｎｒを算出できるので、このｄＶｎｒに見合う量の（当量の）還元剤量を単位時間当たりの目標還元剤供給量ｔｄＶｒとする。
【００８５】
ステップ４０では、このようにして算出した単位時間当たりの目標還元剤供給量ｔｄＶｒとエアフローメータ２３により検出される吸入空気流量Ｑａとに基づいて、
ｔＦＢＹＡ＝Ｃ３×（ｔｄＶｒ／Ｑａ）＋１…（３）
ただし、Ｃ３：当量比への換算係数、
の式によりトータル目標当量比ｔＦＢＹＡを算出する。（３）式は、単位時間当たりの目標還元剤供給量ｔｄＶｒを吸入空気流量（単位時間当たりの吸入空気量）Ｑａで除し、その値を換算係数Ｃ３を用いて当量比への単位換算を行うことにより現在の吸入空気流量Ｑａで単位時間当たりの目標還元剤供給量ｔｄＶｒを実現できる当量比を算出し、これに理論空燃比分の１を加算して、リッチ化処理時のトータル目標当量比ｔＦＢＹＡを算出するものである。
【００８６】
一方、リッチ化要求フラグｆＲ＝１でない（リッチ化処理が不要）場合にはステップ３８よりステップ３７に進んでトータル目標当量比ｔＦＢＹＡを主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１と一致させる（追加噴射は行わせない）。
【００８７】
図７のステップ４１〜４３は追加噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ２を演算する部分である。
【００８８】
追加噴射は成層燃焼の場合に限って行うことにしているので、ステップ４１では、燃焼フラグｆＣｍｂをみる。燃焼フラグｆＣｍｂ＝０（成層燃焼）である場合にステップ４２に進んでトータル目標当量比ｔＦＢＹＡから主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１を減じた値を追加噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ２として算出する。
【００８９】
ここで、本ステップ（ステップ４２）に進んでくる場合とは、次の３つのいずれかの場合である。
【００９０】
（ａ）ステップ３４、３５、３６を経てステップ４２に進んでくる場合、
（ｂ）ステップ３４、３８、３９、４０を経てステップ４２に進んでくる場合、
（ｃ）ステップ３４、３８、３７を経てステップ４２に進んでくる場合、
上記（ａ）の場合、つまり触媒活性前にあって成層燃焼状態である場合には触媒１０の昇温のための追加噴射（トータルの空燃比は理論空燃比からややリーン）が行われ、これに対して上記（ｂ）の場合、つまり触媒温度が活性温度に到達しておりかつリッチ化処理の要求がある場合には触媒１０の昇温かつリッチ化処理のための追加噴射が行われる。
【００９１】
一方、上記（ｃ）の場合、つまり触媒温度が活性温度に到達してはいるがリッチ化処理の要求がない場合にはステップ３７でｔＦＢＹＡとｔＦＢＹＡ１を等しくしているので、追加噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ２＝０となり、図６ステップ２１で定まる燃焼状態を実現するための主噴射のみが実施される。
【００９２】
燃焼フラグｆＣｍｂ＝１（均質燃焼）である場合にはステップ４３に進み、主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１をトータル目標当量比ｔＦＢＹＡに一致させると共に、追加噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ２＝０とする。すなわち、均質燃焼状態では追加噴射を行わせない。
【００９３】
ここで、本ステップ（ステップ４３）に進んでくる場合とは、次の３つのいずれかの場合である。
【００９４】
（ｄ）ステップ３２、３３を経てステップ４３に進んでくる場合、
（ｅ）ステップ３４、３８、３９、４０を経てステップ４３に進んでくる場合、
（ｆ）ステップ３４、３８、３７を経てステップ４３に進んでくる場合、
上記（ｅ）の場合、つまり触媒温度が活性温度に到達しておりかつリッチ化処理の要求がある場合には主噴射によりリッチ運転・均質燃焼が行われる。この場合、触媒温度が完全暖機温度ＴｃＨより高いときのリッチ化処理では必ずこのリッチ運転・均質燃焼が行われる。
【００９５】
また、上記（ｄ）の場合つまりエンジン水温がリーン運転許可下限水温ＴｗＬ未満である場合には主噴射によりストイキ運転・均質燃焼が、上記（ｆ）の場合には主噴射によりストイキ運転・均質燃焼あるいはリーン運転・均質燃焼が実現される。
【００９６】
図示しない燃料噴射制御ルーチンでは、このようにして演算された主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１、追加噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ２と、吸入空気流量Ｑａとに基づいて主噴射の燃料噴射パルス幅Ｔｉ１と追加噴射の燃料パルス幅Ｔｉ２とが算出されるほか、燃焼フラグｆＣｍｂに基づいて主噴射の噴射時期が決定されている。例えばシーケンシャル燃料噴射方式であれば、Ｔｉ１、Ｔｉ２の演算式は次のようになる。
【００９７】
Ｔｉ１＝Ｔｐ×ｔＦＢＹＡ１×（α＋αｍ−１）×２＋Ｔｓ…（４）
Ｔｉ２＝Ｔｐ×ｔＦＢＹＡ２×（α＋αｍ−１）×２＋Ｔｓ…（５）
ただし、Ｔｐ：基本噴射パルス幅、
α ：空燃比フィードバック補正係数、
αｍ：空燃比学習値、
Ｔｓ：無効パルス幅、
また、燃焼フラグｆＣｍｂ＝０（成層燃焼）であるときの主噴射の噴射時期は概ね圧縮行程の後半であり、燃焼フラグｆＣｍｂ＝１（均質燃焼）であるときの主噴射の噴射時期は吸気行程である。追加噴射の噴射時期は膨張行程半ば以降や排気行程に設定される。
【００９８】
さらに、図示しない吸入空気量制御ルーチンでは、目標トルクｔＴＣと主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１とに基づいて目標吸入空気流量が算出され、この目標吸入空気流量が得られるようにスロットル装置３のスロットルバルブ３ａの開度が制御される。
【００９９】
ここで、本実施形態の作用を図１２を参照しながら説明すると、同図はエンジンを冷間始動し、目標トルクと回転速度から定まる運転条件がしばらくリーン運転・成層燃焼域にある場合に、主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１、追加噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ２、その合計としてのトータル目標当量比ｔＦＢＹＡ、触媒温度Ｔｃ、リーン運転許可フラグｆＬ、燃焼フラグｆＣｍｂ、リッチ化要求フラグｆＲ、ＮＯｘトラップ量Ｖｎがどのように変化するかをモデル的に示したものである。
〔１〕ｔ１からｔ２直前まで：
図においてｔ１での始動に際してはそのときのＮＯｘトラップ量の多少に関係なく、強制的にリッチ化要求フラグｆＲ＝１となる（図２ステップ１、３）。
【０１００】
また、本実施形態（請求項９の発明）によれば、エンジンの運転を停止した後も再始動時まで前回エンジン運転終了時のＮＯｘトラップ量を記憶させておくので、この記憶されているＮＯｘトラップ量が、今回運転時のＮＯｘトラップ量の初期値とされる（図２ステップ１、２）。このため、再始動時に触媒１０にＮＯｘがトラップされたまま残存していても、触媒温度が活性温度に到達した後直ちに、触媒に残存するＮＯｘを含めて脱離・還元できることとなる。
【０１０１】
目標トルクと回転速度から定まる運転条件はリーン運転・成層燃焼域にあるため燃焼フラグｆＣｍｂ＝０かつｆＬ＝１に設定されるはずであっても（図６のステップ２１）、エンジン水温Ｔｗがリーン運転許可下限水温ＴｗＬより低い間だけは強制的にｆＣｍｂ＝ｌかつｆＬ＝０（ストイキ運転・均質燃焼）とされる（図６のステップ２２、２３）。このときにはトータル目標当量比ｔＦＢＹＡ＝１．０となり（図７のステップ２７、２８、３１）、こうしたトータル目標当量比ｔＦＢＹＡ＝１．０の設定によりＮＯｘトラップ量Ｖｎは始動時の値より徐々に小さくなってゆく（図２のステップ４、９、１０）。また、このときｔＦＢＹＡ１＝ｔＦＢＹＡ、ｆＴＢＹＡ２＝０であることより（図７のステップ３２、３３、４１、４３）、追加噴射は行われない。
〔２〕ｔ２からｔ３直前まで：
始動からのストイキ運転・均質燃焼によりやがてエンジン水温Ｔｗが上昇してリーン運転許可下限水温ＴｗＬに達するｔ２のタイミングになると、燃焼フラグｆＣｍｂ、リーン運転許可フラグｆＬが図６のステップ２１で設定される本来の値へと切換えられる。すなわち、燃焼フラグｆＣｍｂ＝０かつリーン運転許可フラグｆＬ＝１（リーン運転・成層燃焼）へと切換えられ、このときの目標トルクと回転速度に応じた１．０未満の値のｆＴＢＡ１が、図１２最上段の一点鎖線に示したように演算される（図７ステップ２７、２９）。
【０１０２】
また、リーン運転・成層燃焼域でありかつ触媒温度Ｔｃが活性温度ＴｃＬに到達していないことよりトータル目標当量比ｔＦＢＹＡは、昇温当量比ＴＦＬに設定され（図７のステップ３２、３４、３５、３６）、ｔＦＢＹＡ２＝ｔＦＢＹＡ−ｔＦＢＹＡ１により追加噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ２が演算されることから（図７のステップ４１、４２）、触媒昇温のための追加噴射が行われる。
【０１０３】
昇温当量比ＴＦＬは、これを図１２最上段でみると実線で示したように１．０（理論空燃比相当）よりやや小さい値である。そして実線で示されるトータル目標当量比ｔＦＢＹＡと、一点鎖線で示される主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１との差が追加噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ２であり、この差の分の追加噴射が行われると、図１２第２段目のように触媒温度Ｔｃが急上昇する。
【０１０４】
追加噴射中は触媒１０が未活性状態であるため、排気通路９内で追加噴射による燃料が燃え残った場合には触媒１０で浄化されずに大気へと排出され排気の悪化につながる。また、排気の空燃比がリッチの場合にはいかに排気再燃焼を促進しても追加噴射分の燃料を完全に燃焼させるために必要となる酸素が不足するので、やはり未燃成分が外部へと排出され排気の悪化を生じる。
【０１０５】
これに対して、本実施形態（請求項１０に記載の発明）によれば、昇温当量比ＴＦＬを１．０（理論空燃比相当）よりやや小さい値、つまり追加噴射の燃料分を含めた排気の空燃比が理論空燃比よりもわずかにりーン側の空燃比になるようにトータル目標当量比ｔＦＢＹＡを定め、このトータル目標当量比ｔＦＢＹＡが実現されるように追加噴射の燃料量を調節するので、冷間始動後のように触媒温度Ｔｃが活性温度ＴｃＬに到達していないときには、触媒１０にトラップされているＮＯｘの脱離・還元に使用されずに排出される未燃成分の排出を抑制しつつ、排気再燃焼により触媒１０を急速に昇温させることができる。
【０１０６】
また、このとき、トータル目標当量比ｔＦＢＹＡ（＝ＴＦＬ）は１．０未満の値であるので、ＮＯｘトラップ量Ｖｎは図１２最下段のように増加してゆく（図２のステップ４、５、６）。
〔３〕ｔ３からｔ４まで：
触媒温度Ｔｃが上昇してｔ３のタイミングで活性温度ＴｃＬに到達すると、触媒１０にトラップされているＮＯｘを、完全でなくても脱離・還元することが可能となる。
【０１０７】
この場合、エンジン始動に際しては上記のように強制的にリッチ化要求フラグｆＲ＝１としており、かつｔ３からも引き続き成層燃焼状態（ｆＣｍｂ＝０）にあるので、ｔ３のタイミングより即座にリッチ化処理に入る。
【０１０８】
この成層燃焼状態でのリッチ化処理では、単位時間当たりのＮＯｘ脱離量ｄＶｎｒが算出され、この単位時間当たりのＮＯｘ脱離量ｄＶｎｒに見合う量の還元剤量が単位時間当たりの目標還元剤供給量ｔｄＶｒとして算出され、この単位時間当たりの目標還元剤供給量ｔｄＶｒを吸入空気流量Ｑａで除し、その値を換算係数Ｃ３を用いて当量比への単位換算を行うことにより現在の吸入空気流量Ｑａで単位時間当たりの目標還元剤供給量ｔｄＶｒを実現できる当量比が算出され、これに理論空燃比分の１．０を加算して、リッチ化処理時のトータル目標当量比ｔＦＢＹＡが算出される（図７のステップ３２、３４、３７、３８、３９、４０）。
【０１０９】
このリッチ化処理時のトータル目標当量比ｔＦＢＹＡを図１２最上段でみると実線で示したように１．０（理論空燃比相当）を大きく超える値である。そして実線で示されるトータル目標当量比ｔＦＢＹＡと、一点鎖線で示される主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１との差が追加噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ２であり、この分が追加噴射され、この追加噴射による未燃成分の触媒１０への導入により、触媒１０にトラップされているＮＯｘが排気通路９内に脱離してゆき、その脱離してゆくＮＯｘは未燃成分を還元剤として還元浄化されるので、ＮＯｘトラップ量Ｖｎが図１２最下段のように減少してゆく（図２のステップ４、９、１０）。
【０１１０】
成層燃焼状態でのリッチ化処理により、やがてＮＯｘトラップ量Ｖｎがｔ４のタイミングでＮＯｘトラップ下限量ＶｎＬ未満になると、触媒１０にトラップされているＮＯｘの脱離・還元を完了するため、リッチ化要求フラグｆＲ＝０となり（図２のステップ１１、１２）、追加噴射が終了する（図７のステッ３２、３４、３８、３７、４１、４３）。
【０１１１】
このように、本実施形態（請求項１の発明）によれば、成層燃焼状態でリッチ化処理が必要となった場合において触媒温度Ｔｃが活性温度ＴｃＬに到達したとき追加噴射を行うと共に、主噴射分と合わせた燃料量と吸入空気量とで定まる空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に設定し、そのリッチ側に設定した空燃比での運転を行うので、本来排気流量の少ない低負荷域のような運転域であっても、その運転域で成層燃焼が行われる限り、追加噴射により排気流量を増加させつつ排気中の未燃成分が増大する。これにより、十分な量の還元剤（ＨＣ、ＣＯといった未燃成分）を触媒に導入することが可能となり、触媒１０にトラップされているＮＯｘを十分に脱離・還元することができる。
【０１１２】
加えて、追加噴射に伴う排気再燃焼により、低負荷域のように排気温度が比較的低いときであっても排気温度が高くなり、これによって触媒１０の温度低下を防止し触媒１０の活性を維持できるという効果も得られる。
【０１１３】
一般に触媒１０にトラップされているＮＯｘの脱離・還元は、酸素と還元成分とが共存する雰囲気中よりも酸素が無く還元成分のみが存在する雰囲気中のほうがより活発に行われる。本実施形態（請求項４の発明）によれば、触媒１０上流に未燃成分燃焼促進手段を設け、当該手段により触媒１０上流において排気中の残存酸素が未燃成分の燃焼によって消費されるのを促進するので、触媒１０に流入する排気には酸素がほぼ含まれずに還元成分のみが含まれた状態となり、これによって効率良く触媒１０にトラップされているＮＯｘを脱離・還元できる。
【０１１４】
この場合に、未燃成分燃焼促進手段は触媒１０よりも上流の排気通路９にあって排気を滞留、攪拌させ得る容積部１１であるので（請求項５の発明）、未燃成分燃焼促進手段を安価かつ単純なハード構成で得ることができる。
【０１１５】
また、成層燃焼状態でリッチ化処理が必要となった場合において触媒温度Ｔｃが活性温度ＴｃＬに到達していないとき、追加噴射を伴うリーン側に設定した空燃比での運転を行うことで、触媒１０を急速に昇温させ、触媒温度Ｔｃが活性温度ＴｃＬに到達すると、追加噴射を継続して追加噴射を伴うリッチ側に設定した空燃比での運転を行うようにしたので、触媒温度Ｔｃが活性温度ＴｃＬに到達した後に一旦追加噴射を中止する場合に懸念される触媒１０の温度低下を防ぐことができる。
【０１１６】
また、触媒１０にトラップしているＮＯｘを脱離・還元するための追加噴射による排気再燃焼は、排気中の残存酸素がほぼ無い状態まで行われることが望ましく、そのためには排気温度が高いほうが有利である。本実施形態によれば、触媒温度Ｔｃが活性温度ＴｃＬに到達した後に継続してリッチ化処理を行うので、リッチ化処理を行うに際して排気中の残存酸素がほぼ無い状態を実現することが可能となり、これによって触媒１０にトラップされているＮＯｘの脱離・還元の効率が向上し、かつ再度昇温させるために消費される追加燃料分の燃費悪化を防止できるという効果も得られる。
【０１１７】
また、成層燃焼状態において、追加噴射を伴うリーン側に設定した空燃比での運転（触媒昇温制御）より、追加噴射を伴うリッチ側に設定した空燃比での運転（リッチ化処理）へと移行するのに際して、移行の前後で主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１は変えずに追加噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ２だけを変化させている（主噴射の燃料量と吸入空気量とで定まる主噴射の空燃比を変更せず、追加噴射の燃料量を増加させる）ので、触媒昇温制御よりリッチ化処理への移行時にトルク段差が生じることもなく、従って触媒昇温制御よりリッチ化処理への移行時にトルクショックは発生しない。
【０１１８】
触媒１０にトラップしているＮＯｘが多量に残存している状態でエンジンを停止させた場合には、次回エンジン始動後に触媒１０が活性化しても、触媒１０に残存するＮＯｘを一旦脱離・還元してしまわない限り、良好なＮＯｘトラップ性能を得ることができないのであるが、本実施形態（請求項６の発明）によれば、エンジンの始動時に、ＮＯｘトラップ量の多少に関係なく、強制的にリッチ化要求フラグｆＲ＝１（つまりリッチ化処理が必要となった場合）とするので、エンジンの始動後に成層燃焼状態で触媒温度Ｔｃが活性温度ＴｃＬに到達する毎に、リッチ化処理が行われて触媒１０に残存するＮＯｘがなくなる。これによってｔ４移行のリーン運転時に効率よく排気中のＮＯｘを触媒１０にトラップすることができる。
〔４〕ｔ４以降：
ｔ４以降は図６ステップ２１で設定される２つのフラグｆＣｍｂ、ｆＬに従った燃焼状態に制御される。図にはｔ４以降もリーン運転・成層燃焼域にあり（ｆＬ＝１かつｆＣｍｂ＝０）、その一方でアクセル開度や回転速度を変化させた場合を示す。このときには目標トルクと回転速度に応じてトータル目標当量比ｔＦＢＹＡ（＝主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１）が変化し、これに応じて触媒温度ＴｃとＮＯｘトラップ量Ｖｎとが変化する。
【０１１９】
すなわち、リーン運転・成層燃焼の継続によりＮＯｘトラップ量Ｖｎが増加してゆき（図２のステップ４、５、６）、やがてｔ５のタイミングでＮＯｘトラップ上限量ＶｎＨより大きくなれば、リッチ化要求フラグｆＲ＝１となり（図２のステップ７、８）、このとき成層燃焼状態であるから、主噴射により成層燃焼を行いつつ追加噴射によるリッチ化処理が行われる（図７のステップ３２、３４、３８、３９、４０、４１、４２）。
【０１２０】
この場合に、本実施形態（請求項８の発明）により、良好なＮＯｘトラップ率を維持できなくなるＮＯｘトラップ量をＮＯｘトラップ上限量ＶｎＨ（所定値）として設定しておけば、成層燃焼状態でＮＯｘトラップ量が増え良好なＮＯｘトラップ率を維持できなくなる前に、触媒１０にトラップされているＮＯｘが脱離・還元されることになり、これにより、リッチ化処理に伴う燃費の悪化を抑えつつＮＯｘトラップ率を高く維持できる。
【０１２１】
なお、図でｔ４以降の時間スケールはｔ４までの時間スケールと異なり、ｔ４以降の時間スケールのほうがｔ４までの時間スケールよりずっと大きいことはいうまでもない。また、Ｖｎの動きも簡単な直線で示している。
【０１２２】
実施形態では、空燃比に代えて、一部、当量比で説明したが、当量比で演算した部分を空燃比で演算させるようにすることもできる。例えば、
１）単位時間当たりのＮＯｘ脱離量ｄＶｎｒを算出し、
２）この単位時間当たりのＮＯｘ脱離量ｄＶｎｒに見合う量の還元剤量を単位時間当たりの目標還元剤供給量ｔｄＶｒとし、
３）この単位時間当たりの目標還元剤供給量ｔｄＶｒを吸入空気流量Ｑａで除し、その値を換算係数Ｃ３を用いて当量比への単位換算を行うことにより現在の吸入空気流量Ｑａで単位時間当たりの目標還元剤供給量ｔｄＶｒを実現できる当量比を算出し、
４）これに理論空燃比分の１を加算して、リッチ化処理時のトータル目標当量比ｔＦＢＹＡを算出したが、これに代えて
１）単位時間当たりのＮＯｘ脱離量ｄＶｎｒを算出し、
２）この単位時間当たりのＮＯｘ脱離量ｄＶｎｒに見合う量の還元剤量を単位時間当たりの目標還元剤供給量ｔｄＶｒとして算出し、
３´）吸入空気流量Ｑａをこの単位時間当たりの目標還元剤供給量ｔｄＶｒで除することにより現在の吸入空気流量Ｑａで単位時間当たりの目標還元剤供給量ｔｄＶｒを実現できる空燃比を算出し、
４´）これを理論空燃比である１４．７から差し引いた値を、追加噴射を実行する際のリッチ側の空燃比として設定する
ようにしてもかまわない（請求項１に記載の発明）。
【０１２３】
実施形態では、未燃成分燃焼促進手段が、触媒１０よりも上流の排気通路９にあって排気を滞留、攪拌させ得る容積部１１である場合で説明したがこれに限られるものでなく、追加噴射を実行することにより生じる排気中の未燃成分の燃焼を触媒１０よりも上流で促進する手段であればよい（請求項４に記載の発明）。
【０１２４】
実施形態では、成層燃焼状態において触媒昇温のための追加噴射を実行する際に、追加噴射と主噴射との合計の燃料量と吸入空気量とで定まる空燃比を理論空燃比よりもわずかにリーン側に設定する場合で説明したが、これは理論空燃比からの余裕を持たせたものであり、従って追加噴射と主噴射との合計の燃料量と吸入空気量とで定まる空燃比を理論空燃比に設定してもかまわない。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態の制御システム図である。
【図２】リッチ化要求フラグの設定を説明するためのフローチャート。
【図３】ＮＯｘ濃度の特性図。
【図４】ＮＯｘトラップ率の特性図。
【図５】ＮＯｘ脱離率の特性図。
【図６】燃焼状態を設定すると共に目標当量比を演算するためのフローチャート。
【図７】燃焼状態を設定すると共に目標当量比を演算するためのフローチャート。
【図８】燃焼フラグの特性図。
【図９】リーン運転許可フラグの特性図。
【図１０】アクセル開度に対する目標トルクの特性図。
【図１１】リーン運転時の主噴射の目標当量比の特性図。
【図１２】一実施形態の冷間始動からの作用を説明するための波形図。
【符号の説明】
１ エンジン本体
７ 燃料噴射弁（燃料噴射手段）
１０ 触媒
１１ 容積部（未燃成分燃焼促進手段）
２１ コントローラ
２８ 触媒温度センサ
【発明の属する技術分野】
この発明はエンジンの排気浄化装置、特にエンジンをリーン（希薄混合気）運転させるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
排気の空燃比が理論空燃比よりもリーンのときにＮＯｘをトラップし、排気の空燃比が理論空燃比や理論空燃比よりもリッチになると、触媒にトラップされているＮＯｘを脱離すると共に、この脱離したＮＯｘを排気中の未燃成分（未燃ＨＣやＣＯ）を還元剤として用いて還元浄化する機能を有する触媒を排気通路に設けておき、リーン空燃比での運転（この運転を以下「リーン運転」という。）中にＮＯｘトラップ量が限界にきたと判断したら、排気の空燃比を理論空燃比（あるいは理論空燃比よりもリッチ側の空燃比）へとリッチ化する（この空燃比をリッチ化する処理を以下単に「リッチ化処理」という。）ようにしたものが各種提案されている（特開平６−１０７２５号、同６−２９４３１９号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、リッチ化処理を行って、触媒にトラップされているＮＯｘの脱離・還元を行う場合、ＮＯｘ脱離量に応じた必要量の還元成分を触媒へと導入する必要があるが、特にリーン運転の行われる低負荷時はもともと排気流量が少ないため、この低負荷でのリーン運転中にリッチ化処理を行っても還元成分の量が足りずＮＯｘ浄化率が悪化することがある。そこで、十分なＮＯｘ浄化率を得るために従来は比較的排気流量の多い加速開始時などにおいてリッチ化処理を行うのが一般的であった。従って、排気流量が多くリッチ化処理により必要な還元成分を触媒に到達させることができ十分なＮＯｘ浄化率が得られる運転状態になるまで、リッチ化処理を行うことができなかった。これを逆に言えば、リッチ化処理が行われるまでの間にＮＯｘトラップ量が多いと、ＮＯｘトラップ率が低下し、このＮＯｘトラップ率の低下によりトラップされずに大気へと放出されるＮＯｘ量が増加することになっていた。
【０００４】
一方、燃焼室内に直接的に燃料を噴射供給する燃料噴射手段を備えるエンジンでは、リーン運転域の中でも低負荷側に成層燃焼域を設け（残りは均質燃焼域）、この低負荷側の成層燃焼でポンプ損失の低減と燃焼温度の低下による冷却損失の低減とを実現し、一層の燃費向上を図っている。
【０００５】
リーン運転域においてこうした成層燃焼と均質燃焼とを選択的に行わせ得るエンジンと、トラップＮＯｘの脱離・還元とを組み合わせて考えた場合に本発明の発明者は次のような知見を得た。すなわち、成層燃焼は、概ね圧縮行程の後半で主噴射を実行し点火プラグによる火花点火の時期に、点火プラグの近傍に理論空燃比あるいはその近傍の空燃比の混合気の塊を形成し、この混合気塊に対して点火プラグにより着火することで燃焼させるものである。一方、均質燃焼は吸気行程で主噴射を実行して燃焼室全体に均一に混合気を分布させ、この燃焼室全体に分布した混合気に対して点火プラグにより着火することで燃焼させるものである。こうした燃焼状態の違いにより、同一の運転条件で比較すると、成層燃焼状態では混合気塊の周囲に燃料を殆ど含まないガスが多く存在することになる。
【０００６】
ということは、同じリーン運転でありながら、成層燃焼状態のほうが後からより多くの燃料を含ませることができる、つまり低負荷域（成層リーン燃焼が行われる）であっても、リッチ化処理のため、成層燃焼状態での膨張行程や排気行程において追加噴射を行ってやれば、その追加噴射による燃料は成層燃焼状態でのガス中に拡散して良好な未燃成分となり、十分な還元成分の量を確保できる、ということである。
【０００７】
本発明は、こうした発明者の知見に基づいてなされたもので、成層燃焼状態でリッチ化処理が必要となった場合において触媒温度が活性温度に到達したとき、成層燃焼状態での膨張行程や排気行程で追加噴射を行うと共に、主噴射分と合わせた燃料量とそのときの吸入空気量とで定まる空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に設定し、そのリッチ側での空燃比での運転を行うことにより、本来排気流量の少ない低負荷時であっても、リッチ化処理のため十分な量の還元剤（ＨＣ、ＣＯといった未燃成分）を確保することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、活性状態において排気の空燃比がリーンのときにＮＯｘをトラップし、排気の空燃比が理論空燃比またはリッチのときにトラップしたＮＯｘを脱離すると共に、この脱離したＮＯｘを排気中の還元成分を用いて還元浄化する機能を有する触媒を排気通路に備える一方、燃焼室内に直接的に燃料を噴射供給する燃料噴射手段と、この燃料噴射手段の主噴射の時期を相違させることによりリーン運転時に均質燃焼または成層燃焼を選択的に行わせ得る主噴射実行手段と、触媒温度を検出する触媒温度検出手段と、成層燃焼状態でリッチ化処理が必要となった場合において触媒温度が活性温度に到達したとき、成層燃焼状態での膨張行程または排気行程で追加噴射を行う追加噴射実行手段と、この追加噴射を実行する際に、追加噴射と主噴射との合計の燃料量と吸入空気量とで定まる空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に設定し、そのリッチ側に設定した空燃比での運転を行うリッチ運転手段と、成層燃焼状態でリッチ化処理が必要となった場合において触媒温度が完全暖機温度より高いとき、前記追加噴射を禁止する追加噴射禁止手段とを備え、前記追加噴射を実行する際に、追加噴射と主噴射との合計の燃料と吸入空気量とで定まる空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に設定する空燃比設定手段は、単位時間当たりのＮＯｘ脱離量を算出する手段と、この単位時間当たりのＮＯｘ脱離量に見合う量の還元剤量を単位時間当たりの目標還元剤供給量として算出する手段と、吸入空気流量をこの単位時間当たりの目標還元剤供給量で除することにより現在の吸入空気流量で単位時間当たりの目標還元剤供給量を実現できる空燃比を算出する手段と、これを理論空燃比から差し引いた値を、追加噴射を実行する際のリッチ側の空燃比として設定する手段とからなる。
【０００９】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明は、前述のように本発明の発明者による知見に基づいたものである。繰り返しになるが述べると、成層燃焼は、概ね圧縮行程の後半で主噴射を実行し点火プラグによる火花点火の時期に、点火プラグの近傍に理論空燃比あるいはその近傍の空燃比の混合気の塊を形成し、この混合気塊に対して点火プラグにより着火することで燃焼させるものである。一方、均質燃焼は吸気行程で主噴射を実行して燃焼室全体に均一に混合気を分布させ、この燃焼室全体に分布した混合気に対して点火プラグにより着火することで燃焼させるものである。こうした燃焼状態の違いにより、同一の運転条件で比較すると、成層燃焼状態では混合気塊の周囲に燃料を殆ど含まないガスが多く存在することになる。
【００１０】
ということは、同じリーン運転でありながら、成層燃焼状態のほうが後からより多くの燃料を含ませることができる、つまり成層燃焼が低負荷域で行われるとすれば、低負荷域であっても、リッチ化処理のため、成層燃焼状態での膨張行程や排気行程において追加噴射を行ってやれば、その追加噴射による燃料は成層燃焼状態でのガス中に拡散して良好な未燃成分となり、十分な還元成分の量を確保できる、ということである。
【００１１】
請求項１の発明によれば、成層燃焼状態でリッチ化処理が必要となった場合において触媒温度が活性温度に到達したとき追加噴射を行うと共に、主噴射分と合わせた燃料量と吸入空気量とで定まる空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に設定し、そのリッチ側に設定した空燃比での運転を行うので、本来排気流量の少ない低負荷域のような運転域であっても、その運転域で成層燃焼が行われる限り、追加噴射により排気流量を増加させつつ排気中の未燃成分が増大する。これにより、十分な量の還元剤（ＨＣ、ＣＯといった未燃成分）を触媒に導入することが可能となり、触媒にトラップされているＮＯｘを十分に脱離・還元することができる。
【００１２】
加えて、追加噴射に伴う排気再燃焼により、低負荷域のように排気温度が比較的低いときであっても排気温度が高くなり、これによって触媒の温度低下を防止し触媒の活性を維持できるという効果も得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１４】
図１において、１はエンジン本体、２は吸気通路、３はＤＣモータ等からなるスロットルアクチュエータによりスロットルバルブ３ａが駆動されるスロットル装置、７はコントローラ２１からの噴射信号により運転条件に応じて所定の空燃比となるように燃料を燃焼室５内に直接に噴射供給する燃料噴射弁（燃料噴射手段）、８は点火プラグである。
【００１５】
コントローラ２１にはクランク角センサ２２からの基準位置信号と単位角度信号、エアフローメータ２３からの吸入空気量信号、アクセルセンサ２４からのアクセル開度信号、さらには水温センサ２５からのエンジン冷却水温信号、トランスミッションのギア位置センサ（図示しない）からのギア位置信号、車速センサ（図示しない）からの車速信号等が入力し、これらに基づいて運転状態を判断しながら、負荷のそれほど大きくない所定の運転域においてはリーン運転を行い、それ以外の運転域では理論空燃比での運転（この運転を「ストイキ運転」とう。）を行う。その際、排気通路９のエンジン出口の近くに設けたＯ2センサ２７出力に基づいて排気の空燃比が理論空燃比と一致するように空燃比のフィードバック制御を行う。また、全負荷に近い領域ではリッチ空燃比による運転（この運転を「リッチ運転」という。）が行われる。
【００１６】
リーン運転域はさらに成層燃焼域と均質燃焼域とに分かれる。コントローラ２１では大きなトルクが必要とされない低負荷域において成層燃焼を行い、成層燃焼域を外れて回転速度や負荷が大きくなると、成層燃焼へと切り換える。
【００１７】
ここで、吸気ポート４の上流に位置する吸気制御弁（図示しない）を閉じて吸気を絞り、吸気ポート４の燃焼室５への開口部から燃焼室５に流入する吸気にタンブル（縦方向の渦流）を生じさせ、このタンブルに燃料噴射弁７より概ね圧縮行程の後半で噴射された燃料が乗って燃焼室５天井のほぼ中央に位置する点火プラグ８近傍へと輸送されるように、吸気ポート４の燃焼室５への吸気流入角とピストン６の冠面６ａに設けるキャビティの形状とを決定することにより、成層燃焼を実現させている。すなわち、成層燃焼は、概ね圧縮行程の後半で主噴射を実行し点火プラグ８による火花点火の時期に、点火プラグ８の近傍に理論空燃比あるいはその近傍の空燃比の混合気の塊を形成し、この混合気塊に対して点火プラグ８により着火することで燃焼させるものである。
【００１８】
一方、成層燃焼域を外れて回転速度や負荷が大きくなると、この運転域（均質燃焼域）では吸気の流量が多いことから吸気制御弁を開いた状態でも燃焼室５内にタンブルが発生する。従って均質燃焼域では吸気制御弁は開いた状態とし、燃焼室５内にタンブルを作りながら吸気行程で燃料を噴射することにより、燃焼室全体に均質な混合気が生成される。すなわち、均質燃焼は吸気行程で主噴射を実行して燃焼室５の全体に均一に混合気を分布させ、この燃焼室５全体に分布した混合気に対して点火プラグ８により着火することで燃焼させるものである。
【００１９】
排気通路９にはＮＯｘトラップ触媒（以下単に「触媒」という。）１０を備える。触媒１０は、流入排気の空燃比が理論空燃比よりもリーン側であるときに、流入排気中のＮＯｘをトラップし、流入排気の空燃比が理論空燃比または理論空燃比よりもリッチ側になると、触媒１０にトラップしているＮＯｘを脱離すると共に、この脱離されるＮＯｘを、理論空燃比やリッチ側空燃比の雰囲気中のＨＣ、ＣＯ等を還元剤として用いて還元浄化する機能を有する。たとえばアルミナをコーティングしたハニカム担体に、白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ等の貴金属を担持した触媒をベースに、バリウムＢａで代表されるアルカリ土類、Ｃｓで代表されるアルカリ金属から選ばれた少なくとも１つの成分を担持して構成されている。
【００２０】
触媒１０は触媒にトラップされているＮＯｘの量が増加するに従ってＮＯｘトラップ率が低下する性質を有するため、リーン運転をしばらく継続し触媒１０にある程度ＮＯｘがトラップされたら、リッチ化処理を強制的に行って触媒１０に対して還元成分を多く含んだ排気を流入させ、触媒１０にトラップされているＮＯｘを脱離・還元する（触媒１０の再生）必要がある。このため、コントローラ２１ではリーン運転中にリッチ化処理が必要となる毎にリッチ化処理を行って触媒１０を再生する、という動作を繰り返す。これにより、比較的高い効率で排気中のＮＯｘ浄化を行うことが可能になる。
【００２１】
ただし、リッチ化処理時には、ＮＯｘ脱離量に応じた必要量の還元成分を触媒１０へと導入する必要があるが、特にリーン運転の行われる低負荷時はもともと排気流量が少ないため、この低負荷でのリーン運転中にリッチ化処理を行っても還元成分の量が足りずＮＯｘ浄化率が悪化することがあるので、コントローラ２１では、リーン運転中でも成層燃焼状態であって、リッチ化処理が必要となった場合において触媒温度が活性温度に到達したとき、成層燃焼状態での膨張行程や排気行程で追加噴射を行うと共に、主噴射と追加噴射を合わせた燃料量とそのときの吸入空気量とで定まる空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に設定し、そのリッチ側での空燃比での運転を行う（請求項１に記載の発明）。
【００２２】
一般に触媒１０にトラップされているＮＯｘの脱離・還元は、酸素と還元成分とが共存する雰囲気中よりも酸素が無く還元成分のみが存在する雰囲気中のほうがより活発に行われる。このため、触媒１０上流の排気通路（排気マニホルド）９に所定の空間容積を有する容積部１１が設けられ、この容積部１１で排気が滞留、攪拌され、燃え残った追加燃料と排気中の酸素との反応（燃焼）が促進される（請求項５に記載の発明）。
【００２３】
また、触媒１０がその性能を発揮するのは活性温度に達してからであるので、冷間始動後には触媒１０を活性温度へと即座に上昇させる必要がある。このため、コントローラ２１では温度センサ２８により検出される触媒温度に基づいて触媒１０が活性温度に到達しているかどうかを判定し、成層燃焼状態である場合に限り、活性温度に到達していないときにその成層燃焼状態での膨張行程や排気行程において追加噴射を行う（請求項１０に記載の発明）。追加噴射による燃焼はエンジンの出力に寄与するものでなく、主に燃焼室５から燃焼室５を出た排気通路９内で燃焼し（後燃え）、高温になった排気が触媒１０に流入して触媒１０の昇温を早める。
【００２４】
ただし、触媒昇温のための追加噴射中は触媒１０が未活性状態にあるため、排気通路９で追加噴射による燃料が燃え残った場合には触媒１０で浄化されずにそのまま大気へと排出されてしまい、排気の悪化につながる。また、追加噴射と主噴射との合計の燃料量と吸入空気量とで定まる空燃比がリッチ空燃比の場合には、いかに排気の再燃焼を促進しても追加燃料を完全燃焼させるために必要な酸素量が不足するので、やはり未燃分が外部に排出され排気の悪化を生じる。
【００２５】
このためコントローラ２１では、触媒昇温のための追加噴射を行う際には、追加噴射燃料分を含めた排気の空燃比が理論空燃比よりもわずかにりーンになるように設定し、そのリーン側に設定された空燃比での運転を行う（請求項１０に記載の発明）。
【００２６】
さらに、触媒１０にトラップしているＮＯｘが多量に残存している状態でエンジンを停止させた場合には、次回エンジン再始動後に触媒１０が活性化しても、触媒１０に残存するＮＯｘを一旦脱離・還元してしまわない限り、良好なＮＯｘトラップ性能を得ることができない。このため、コントローラ２１では、エンジンの始動時にはＮＯｘトラップ量の多少に関係なく強制的にリッチ化処理の要求を出す（請求項６に記載の発明）。そして、エンジン冷間始動後に触媒昇温のための追加噴射により触媒が活性温度に到達したタイミングでリッチ化処理を行わせる。
【００２７】
このように、コントローラ２１では、リーン運転時に成層燃焼や均質燃焼といった最適な燃焼状態が得られるように、主噴射の燃料噴射量及び燃料噴射時期並びに点火プラグ８による火花点火の時期である点火時期をそれぞれ制御するほか、成層燃焼状態において触媒１０に対して昇温とリッチ化処理を行うため、追加噴射の燃料噴射量及び燃料噴射時期を制御する。
【００２８】
コントローラ２１で実行されるリッチ化処理、燃焼状態の設定、主噴射、追加噴射の各燃料量を定めることになる目標当量比の演算について、以下のフローチャートにしたがって詳細に説明する。
【００２９】
図２のフローチャートはリッチ化要求フラグを設定するためのもので、一定時間毎（例えば１０ｍｓｅｃ毎）に実行する。
【００３０】
ステップ１では、スタータスイッチ（図では「ＳＴ ＳＷ」で略記。）２９（図１参照）からの信号をみる。スタータスイッチ２９からの信号がＯＮである場合（エンジン始動時）にはステップ２へ進み、コントローラ２１内の不揮発メモリ（バックアップＲＡＭ）からＮＯｘトラップ量Ｖｎを読み出す。この値は、前回のエンジン停止時に触媒１０に残存しているＮＯｘトラップ量であり、エンジン停止中にこの値を保持するようになっている（請求項９に記載の発明）。
【００３１】
なお、簡易的には、飽和トラップ量に相当するＶｎをコントローラ２１内のＲＯＭに格納しておき、エンジン始動時にこの値を読み出すようにしてもよい。
【００３２】
ステップ３では、強制的にリッチ化要求フラグｆＲ＝１にセットする（請求項６に記載の発明）。
【００３３】
ここで、リッチ化要求フラグｆＲ＝１はリッチ化処理が必要であることを、これに対してｆＲ＝０はリッチ化処理が不要であることを表す。
【００３４】
エンジン始動時に強制的にリッチ化要求フラグｆＲ＝１（リッチ化処理が必要）としているのは、エンジン始動後できるだけ早い時期（触媒温度Ｔｃが後述の活性温度ＴｃＬに到達した時点）にリッチ化処理を行って触媒１０にトラップされているＮＯｘを無くし、その後のリーン運転中のＮＯｘのトラップを良好に行わせるためである。
【００３５】
スタータスイッチ２９からの信号がＯＮでない場合（始動後）にはステップ２とステップ３の処理をスキップする（飛ばす）。
【００３６】
ステップ４〜１２は始動からの運転状態に応じてＮＯｘトラップ量Ｖｎを演算し（排気中のＮＯｘが触媒１０にトラップされるときには単位時間当たりのトラップ量を積算してゆき、この逆にトラップされているＮＯｘが触媒１０より脱離するときには単位時間当たりの脱離量を減算してゆく）、このようにして演算したＮＯｘトラップ量Ｖｎに基づいてリッチ化処理が必要であるか否かを判定する部分である。
【００３７】
ステップ４では、現在のトータル目標当量比ｔＦＢＹＡと理論空燃比相当の１．０を比較する。
【００３８】
トータル目標当量比ｔＦＢＹＡは後述する図６、図７のフローにより演算しており、当該フローにより演算されている値を図２のステップ４で用いることになる。目標当量比（理論空燃比を目標空燃比で除した値）は、この値が１．０のとき理論空燃比に相当し、この値が１．０未満のとき理論空燃比よりもリーン側の空燃比に、この逆に１．０を超えるとき理論空燃比よりリッチ側の空燃比に相当する。
【００３９】
目標当量比の前に「トータル」を付けているのは、主噴射の後に追加噴射を行うことがあり、主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１、追加噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ２と区別するためである。すなわち、トータル目標当量比ｔＦＢＹＡは主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１と追加噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ２を加算した値である。
【００４０】
本実施形態ではトータル目標当量比ｔＦＢＹＡを、触媒１０に流入する排気の空燃比を表すパラメータとして、具体的にはリーン空燃比での運転（リーン運転）であるか否かを判定するために使用している。すなわち、トータル目標当量比ｔＦＢＹＡが１．０未満のときリーン空燃比での運転（リーン運転）であり、これに対してトータル目標当量比ｔＦＢＹＡが１．０以上のときリッチ空燃比での運転（リッチ運転）または理論空燃比での運転（ストイキ運転）である。
【００４１】
触媒１０に流入する排気の空燃比を表すパラメータはこれに限らない。例えば、Ｏ2センサ２７に代えて広域空燃比センサを排気通路９に設ける場合にはその広域空燃比センサの検出値を使用すればよい。
【００４２】
トータル目標当量比ｔＦＢＹＡが１．０より小さい（リーン運転）場合には排気中のＮＯｘが触媒１０にトラップされるので、ステップ５に進み単位時間当たりのＮＯｘ排出量ｄＶｎを算出する。排気中のＮＯｘ濃度は、エンジン負荷（あるいは後述する目標トルク）、空燃比（あるいはトータル目標当量比）、冷却水温等のパラメータから推定することが可能であり、推定したＮＯｘ濃度に吸入空気流量Ｑａを乗じればｄＶｎを算出することができる。
【００４３】
各パラメータに対するＮＯｘ濃度の特性を図３に示すと、エンジン負荷と回転速度に対しては図３上段のように回転速度を一定とすればエンジン負荷が大きくなるほど、また負荷一定とすれば回転速度が高くなるほどＮＯｘ濃度は高くなる。また、空燃比に対しては図３中段のようにある空燃比（図では「Ａ／Ｆ」で略記。図４最上段において同じ。）のところでＮＯｘ濃度は最大となり、その空燃比よりリーン側でもリッチ側でもＮＯｘ濃度は小さくなる。水温に対しては図３下段のように水温が高くなるほどＮＯｘ濃度は高くなる。
【００４４】
ステップ６では、このようにして算出した単位時間当たりのＮＯｘ排出量ｄＶｎを用いて、
Ｖｎ＝Ｖｎｚ＋Ｃ１×εＴ×ｄＶｎ…（１）
ただし、εＴ ：触媒のＮＯｘトラップ率、
Ｃ１ ：単位時間当たりから演算周期当たりへの換算係数、
Ｖｎｚ：前回のＶｎ、
の式によりＮＯｘトラップ量Ｖｎを算出する。
【００４５】
（１）式は単位時間当たりのＮＯｘ排出量ｄＶｎにＮＯｘトラップ率εＴを乗じて単位時間当たりのＮＯｘトラップ量を算出し、これを換算係数Ｃ１を用いて演算周期当たりのＮＯｘトラップ量に変換し、この演算周期当たりのＮＯｘトラップ量を前回までのＮＯｘトラップ量であるＶｎｚに積算して、最新のＮＯｘトラップ量Ｖｎを算出するものである。
【００４６】
（１）式のＮＯｘトラップ率εＴは、空燃比（あるいはトータル目標当量比）、触媒温度、排気流量、そのときのＮＯｘトラップ量等のパラメータから推定することが可能である。各パラメータに対するＮＯｘトラップ率の特性を図４に示すと、空燃比に対しては、図４最上段のようにある空燃比よりもリーン側だけで所定のＮＯｘトラップ率を有し、ある空燃比よりもリッチ側ではゼロになる。触媒温度に対しては図４第２段目のようにある温度で最大となりこの温度より高くても低くてもＮＯｘトラップ率は低下してゆく。排気流量、ＮＯｘトラップ量に対しては図４第３段目、第４段目のように排気流量（図では「ガス流量」で表記。図５において同じ。）やＮＯｘトラップ量が多くなるほどＮＯｘトラップ率は低下してゆく。
【００４７】
なお、排気流量の検出方法については、基本噴射パルス幅Ｔｐ（エンジン負荷相当）と回転速度をパラメータとする排気流量のマップを予め作成しておき、このマップ検索により求めることが考えられる。
【００４８】
ステップ７では、ステップ６で算出した最新のＮＯｘトラップ量ＶｎとＮＯｘトラップ上限量ＶｎＨを比較し、ＮＯｘトラップ量ＶｎがＮＯｘトラップ上限量ＶｎＨより大きい場合にはリッチ化処理を行う必要があると判断し、ステップ８に進んでッチ化要求フラグｆＲ＝１に設定する（請求項７に記載の発明）。ＮＯｘトラップ上限量ＶｎＨとしては、良好なＮＯｘトラップ率を維持できなくなるＮＯｘトラップ量を設定しておけばよい（請求項８に記載の発明）。
【００４９】
一方、ステップ７でＮＯｘトラップ量ＶｎがＮＯｘトラップ上限量ＶｎＨ以下の場合はステップ８の操作をスキップし、直前までのリッチ化要求フラグｆＲの値をそのまま維持する。
【００５０】
これに対して、ステップ４でトータル目標当量比ｔＦＢＹＡが１．０以上の場合（リッチ運転またはストイキ運転）には触媒１０にトラップされているＮＯｘが脱離するので、ステップ９に進み単位時間当たりのＮＯｘ脱離量ｄＶｎｒを算出する。
【００５１】
触媒１０からのＮＯｘ脱離率は、そのときのＮＯｘトラップ量、排気流量、触媒温度等のパラメータから推定することが可能であり、推定したＮＯｘ脱離率にＮＯｘトラップ量Ｖｎを乗じればｄＶｎｒを算出することができる。各パラメータに対するＮＯｘ脱離率の特性を図５に示すと、ＮＯｘトラップ量、排気流量に対しては図５上段、中段のようにＮＯｘトラップ量、排気流量が多くなるほどＮＯｘ脱離率が高くなる。触媒温度に対しては図５下段のようにある温度以上でＮＯｘ脱離率が高くなり、ある温度以下ではＮＯｘ脱離率はゼロである。
【００５２】
ステップ１０では、このようにして算出した単位時間当たりのＮＯｘ脱離量ｄＶｎｒを用いて、
Ｖｎ＝Ｖｎｚ−Ｃ２×ｄＶｎｒ…（２）
ただし、Ｃ２ ：単位時間当たりから演算周期当たりへの換算係数、
Ｖｎｚ：前回のＶｎ、
の式によりＮＯｘトラップ量Ｖｎを算出する。
【００５３】
（２）式は単位時間当たりのＮＯｘ脱離量ｄＶｎｒを、換算係数Ｃ２を用いて演算周期当たりのＮＯｘ脱離量に変換し、その変換したＮＯｘ脱離量を直前までのＮＯｘトラップ量であるＶｎｚから減算して最新のＮＯｘトラップ量Ｖｎを算出するものである。
【００５４】
ステップ１１では、ステップ１０で算出した最新のＮＯｘトラップ量ＶｎとＮＯｘトラップ下限量ＶｎＬを比較し、ＮＯｘトラップ量ＶｎがＮＯｘトラップ下限量ＶｎＬより小さい場合には触媒１０にトラップされているＮＯｘの脱離・還元が完了したと判断し、ステップ１２に進んでリッチ化要求フラグｆＲ＝０に設定する。上記のＮＯｘトラップ下限量ＶｎＬとしてはゼロまたはその近傍の値を設定している。
【００５５】
一方、ステップ１１でＮＯｘトラップ量ＶｎがＮＯｘトラップ下限量ＶｎＬ以上の場合にはステップ１２の操作をスキップし、直前までのリッチ化要求フラグｆＲの値をそのまま維持する。
【００５６】
図６、図７のフローチャートは運転条件に応じて燃焼状態を設定すると共に、主噴射の目標当量比、追加噴射の目標当量比及びこれらの合計であるトータル目標当量比をそれぞれ演算するためのもので、所定時間毎（例えば１０ｍｓｅｃ毎）に実行する。
【００５７】
ここでは、主噴射の目標当量比を「ｔＦＢＹＡ１」、追加噴射の目標当量比を「ｔＦＢＹＡ２」、これらを合計した値であるトータル目標当量比を「ｔＦＢＹＡ」として区別して扱う。
【００５８】
ステップ２１では、目標トルクｔＴＣとエンジン回転速度Ｎｅとに基づいて燃焼フラグｆＣｍｂとリーン運転許可フラグｆＬとを設定する。
【００５９】
例えば目標トルクｔＴＣとエンジン回転速度Ｎｅとから図８を内容とするマップを検索することにより燃焼フラグｆＣｍｂを０または１に設定する。ここで、ｆＣｍｂ＝０は成層燃焼を、ｆＣｍｂ＝１は均質燃焼を表す。すなわち、図８のように運転領域を大きく３つに分けるとすれば、次のように燃焼フラグｆＣｍｂにより燃焼状態を定めている。
【００６０】
（ア）低負荷・低回転速度域：ｆＣｍｂ＝０（成層燃焼）、
（イ）中負荷・中回転速度域：ｆＣｍｂ＝１（均質燃焼）、
（ウ）高負荷・高回転速度域：ｆＣｍｂ＝１（均質燃焼）、
また、目標トルクｔＴＣとエンジン回転速度Ｎｅとから図９を内容とするマップを検索することによりリーン運転許可フラグｆＬを０または１に設定する。ここで、ｆＬ＝１はリーン運転を許可すること、ｆＬ＝０はリーン運転を許可しないことを表す。すなわち、図９に示したように、運転領域を図８と同じに大きく３つに分けるとすれば、次のようにリーン運転許可フラグｆＬによりリーン運転を許可するか否かを定めている。
【００６１】
（エ）低負荷・低回転速度域：ｆＬ＝１（リーン運転許可）、
（オ）中負荷・中回転速度域：ｆＬ＝１（リーン運転許可）、
（カ）高負荷・高回転速度域：ｆＬ＝０（リーン運転禁止）、
これら２つのフラグｆＣｍｂ、ｆＬを組み合わせると、次のように３つの各運転域で最適な燃焼が行われることになる。
【００６２】
〈１〉低負荷・低回転速度域：
ｆＣｍｂ＝０かつｆＬ＝１（リーン運転・成層燃焼）、
〈２〉中負荷・中回転速度域：
ｆＣｍｂ＝１かつｆＬ＝１（リーン運転・均質燃焼）、
〈３〉高負荷・高回転速度域：
ｆＣｍｂ＝１かつｆＬ＝０（ストイキ運転、均質燃焼）、
なお、目標トルクｔＴＣは、図示しないルーチンにおいて、基本的にアクセルセンサ２４により検出されるアクセル開度Ａｐｓとクランク角センサ２２により検出されるエンジン回転速度に基づいて演算している。簡単に、エンジン回転速度一定の条件でのアクセル開度Ａｐｓに対する特性を図１０に示す。
【００６３】
ステップ２２では、水温センサ２５により検出されるエンジン水温Ｔｗとリーン運転許可下限水温ＴｗＬとを比較する。リーン運転許可下限水温ＴｗＬとしては、リーン運転で十分な燃焼安定度を確保することができる下限の水温を設定すればよい。
【００６４】
エンジン水温Ｔｗがリーン運転許可下限水温ＴｗＬより低い場合にはステップ２３に進み燃焼フラグｆＣｍｂ＝１かつリーン運転許可フラグｆＬ＝０に設定する。これは強制的なものである。すなわち、ステップ２１で低負荷・低回転速度域にありｆＣｍｂ＝０かつｆＬ＝１（リーン運転・成層燃焼）となっていても、エンジン水温Ｔｗがリーン運転許可下限水温ＴｗＬ未満の低温時に限っては強制的にストイキ運転・均質燃焼が行われる。
【００６５】
一方、ステップ２２でエンジン水温Ｔｗがリーン運転許可下限水温ＴｗＬ以上の場合にはリーン運転を行うことが可能となるので、ステップ２４へ進みリッチ化要求フラグｆＲをみる。
【００６６】
リッチ化要求フラグｆＲ＝１である場合（リッチ化処理が必要）にはステップ２５へ進み、触媒温度Ｔｃと完全暖機温度ＴｃＨを比較する。ここで、完全暖機温度ＴｃＨとは触媒１０が完全に暖機されている温度のことである。
【００６７】
触媒温度Ｔｃが完全暖機温度ＴｃＨより高い場合はステップ２６へ進み、燃焼フラグｆＣｍｂ＝１（均質燃焼）に設定する（請求項１に記載の発明）。このとき、リーン運転許可フラグｆＬはステップ２１で設定されたままである。
【００６８】
燃焼フラグｆＣｍｂ＝１（均質燃焼）に設定することで、後述するようにｔＦＢＹＡ１＝ｔＦＢＹＡかつｔＦＢＹＡ２＝０となり（図７ステップ４１、４３参照）、従ってリッチ化処理が要求されていても追加噴射は行われない。成層燃焼状態でリッチ化処理が要求されている場合に、触媒温度ＴｃがＴｃＨより高くなっても追加噴射を行うとすれば、触媒温度がさらに上昇して触媒１０の性能が低下しかねないのであるが、このように触媒温度Ｔｃが完全暖機温度ＴｃＨより高い場合に均質燃焼として追加噴射を禁止することにより、排気再燃焼に伴う触媒温度の上昇によって触媒の性能が低下するのを防止できる。
【００６９】
ステップ２４、２５でリッチ化要求フラグｆＲ＝０であるときやリッチ化要求フラグｆＲ＝１であっても触媒温度Ｔｃが完全暖機温度ＴｃＨ以下であるときにはステップ２６の操作をスキップし、ステップ２１でセットした燃焼フラグｆＣｍｂ、リーン運転許可フラグｆＬの値をそのまま維持する。
【００７０】
ステップ２７〜３１は、設定された２つのフラグｆＣｍｂ、ｆＬの組み合わせに基づいて主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１を演算する部分である。この目標当量比ｔＦＢＹＡ１により主噴射からの燃料量が定まる。
【００７１】
すなわち、ステップ２７、２８では、燃焼フラグｆＣｍｂとリーン運転許可フラグｆＬをみる。燃焼フラグｆＣｍｂ＝０である場合には上記〈１〉のリーン運転・成層燃焼域にあると判断してステップ２９に進み、そのときの目標トルクｔＴＣとエンジン回転速度Ｎｅとに基づいて主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１を算出する。
【００７２】
同様にして、燃焼フラグｆＣｍｂ＝１かつｆＬ＝１の場合には上記〈２〉のリーン運転・均質燃焼域にあると判断してステップ３０に進み、ここでもそのときの目標トルクｔＴＣとエンジン回転速度Ｎｅとに基づいて主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１を算出する。
【００７３】
これら２つの運転域（リーン運転・成層燃焼域とリーン運転・均質燃焼域）はいずれもリーン運転域であるため、主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１を求めるためのマップは一つでよく、例えば目標トルクｔＴＣとエンジン回転速度Ｎｅとから図１１を内容とするマップを検索することにより主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１を算出すればよい。図１１において、ｔＦＢＹＡ１の値は総て１．０未満の値である。図ではｔＦＢＹＡ１の値にある傾向があるように記載しているが、実際の値はエンジン仕様などから定めることになる。
【００７４】
一方、燃焼フラグｆＣｍｂ＝１かつリーン運転許可フラグｆＬ＝０の場合には上記〈３〉のストイキ運転・均質燃焼域にあると判断してステップ３１に進み主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１＝１．０（理論空燃比相当）とする。
【００７５】
図７に進みステップ３２〜４０はエンジン水温Ｔｗ、触媒温度Ｔｃ、燃焼フラグｆＣｍｂ、リッチ化要求フラグｆＲに応じてトータル目標当量比を演算（設定）する部分である。
【００７６】
ステップ３２では、エンジン水温Ｔｗとリーン運転許可下限水温ＴｗＬを比較する。エンジン水温Ｔｗがりーン許可下限水温ＴｗＬより低い場合にはステップ３３に進み、トータル目標当量比ｔＦＢＹＡ＝１．０（理論空燃比相当）とする。これは、Ｔｗ＜ＴｗＬのとき図６のステップ２３でｆＣｍｂ＝１かつｆＬ＝０（ストイキ運転・均質燃焼）としたので、これを受けたものである。
【００７７】
エンジン水温Ｔｗがリーン運転許可下限水温ＴｗＬ以上である場合にはステップ３４に進み触媒温度Ｔｃと活性温度ＴｃＬを比較する。
【００７８】
ここで、活性温度ＴｃＬとしては、触媒１０にトラップされているＮＯｘを、完全ではないがある程度、脱離・還元できる触媒温度を採用する（請求項２に記載の発明）。活性温度ＴｃＬは触媒１０がある程度のＮＯｘトラップ能を発揮し得る触媒温度でもある。当然ながら活性温度ＴｃＬは上記の完全暖機温度ＴｃＨより低い温度である。
【００７９】
触媒温度Ｔｃが活性温度ＴｃＬより低い場合には触媒１０を早期に昇温させる必要があり、ステップ３５に進んで燃焼フラグｆＣｍｂをみる。
【００８０】
燃焼フラグｆＣｍｂ＝０（成層燃焼）である場合に限ってステップ３６に進み、触媒１０の昇温のための追加噴射を行うため、トータル目標当量比ｔＦＢＹＡを理論空燃比よりややリーンを示す昇温当量比ＴＦＬに設定する（請求項１０に記載の発明）。
【００８１】
ここで、昇温当量比ＴＦＬは、リーン運転用の制御マップ（図１１）に格納されている主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１の最大値よりもさらに大きな値（理論空燃比相当の１．０に近い値）である。トータル目標当量比ｔＦＢＹＡを昇温当量比ＴＦＬに設定することにより、主噴射によりリーン運転・成層燃焼を行わせつつ、排気通路９の容積部１１で追加燃料を燃焼させるための追加噴射が行われる。
【００８２】
これに対して燃焼フラグｆＣｍｂ＝１である（均質燃焼）場合には、ステップ３７に進んでトータル目標当量比ｔＦＢＹＡを主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１と一致させる（追加噴射は行わせない）。
【００８３】
一方、触媒温度Ｔｃが活性温度ＴｃＬ以上である場合には触媒１０にトラップされているＮＯｘの脱離・還元が可能となるので、ステップ３４よりステップ３８に進んでリッチ化要求フラグｆＲをみる。
【００８４】
リッチ化要求フラグｆＲ＝１（リッチ化処理が必要）である場合には、ステップ３９に進んで単位時間当たりの目標還元剤供給量ｔｄＶｒを算出する。図２のステップ９でも説明したように、触媒１０からのＮＯｘ脱離率はそのときのＮＯｘトラップ量、排気流量、触媒温度等のパラメータから推定することが可能であり、推定したＮＯｘ脱離率にＮＯｘトラップ量Ｖｎを乗じれば単位時間当たりのＮＯｘ脱離量ｄＶｎｒを算出できるので、このｄＶｎｒに見合う量の（当量の）還元剤量を単位時間当たりの目標還元剤供給量ｔｄＶｒとする。
【００８５】
ステップ４０では、このようにして算出した単位時間当たりの目標還元剤供給量ｔｄＶｒとエアフローメータ２３により検出される吸入空気流量Ｑａとに基づいて、
ｔＦＢＹＡ＝Ｃ３×（ｔｄＶｒ／Ｑａ）＋１…（３）
ただし、Ｃ３：当量比への換算係数、
の式によりトータル目標当量比ｔＦＢＹＡを算出する。（３）式は、単位時間当たりの目標還元剤供給量ｔｄＶｒを吸入空気流量（単位時間当たりの吸入空気量）Ｑａで除し、その値を換算係数Ｃ３を用いて当量比への単位換算を行うことにより現在の吸入空気流量Ｑａで単位時間当たりの目標還元剤供給量ｔｄＶｒを実現できる当量比を算出し、これに理論空燃比分の１を加算して、リッチ化処理時のトータル目標当量比ｔＦＢＹＡを算出するものである。
【００８６】
一方、リッチ化要求フラグｆＲ＝１でない（リッチ化処理が不要）場合にはステップ３８よりステップ３７に進んでトータル目標当量比ｔＦＢＹＡを主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１と一致させる（追加噴射は行わせない）。
【００８７】
図７のステップ４１〜４３は追加噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ２を演算する部分である。
【００８８】
追加噴射は成層燃焼の場合に限って行うことにしているので、ステップ４１では、燃焼フラグｆＣｍｂをみる。燃焼フラグｆＣｍｂ＝０（成層燃焼）である場合にステップ４２に進んでトータル目標当量比ｔＦＢＹＡから主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１を減じた値を追加噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ２として算出する。
【００８９】
ここで、本ステップ（ステップ４２）に進んでくる場合とは、次の３つのいずれかの場合である。
【００９０】
（ａ）ステップ３４、３５、３６を経てステップ４２に進んでくる場合、
（ｂ）ステップ３４、３８、３９、４０を経てステップ４２に進んでくる場合、
（ｃ）ステップ３４、３８、３７を経てステップ４２に進んでくる場合、
上記（ａ）の場合、つまり触媒活性前にあって成層燃焼状態である場合には触媒１０の昇温のための追加噴射（トータルの空燃比は理論空燃比からややリーン）が行われ、これに対して上記（ｂ）の場合、つまり触媒温度が活性温度に到達しておりかつリッチ化処理の要求がある場合には触媒１０の昇温かつリッチ化処理のための追加噴射が行われる。
【００９１】
一方、上記（ｃ）の場合、つまり触媒温度が活性温度に到達してはいるがリッチ化処理の要求がない場合にはステップ３７でｔＦＢＹＡとｔＦＢＹＡ１を等しくしているので、追加噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ２＝０となり、図６ステップ２１で定まる燃焼状態を実現するための主噴射のみが実施される。
【００９２】
燃焼フラグｆＣｍｂ＝１（均質燃焼）である場合にはステップ４３に進み、主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１をトータル目標当量比ｔＦＢＹＡに一致させると共に、追加噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ２＝０とする。すなわち、均質燃焼状態では追加噴射を行わせない。
【００９３】
ここで、本ステップ（ステップ４３）に進んでくる場合とは、次の３つのいずれかの場合である。
【００９４】
（ｄ）ステップ３２、３３を経てステップ４３に進んでくる場合、
（ｅ）ステップ３４、３８、３９、４０を経てステップ４３に進んでくる場合、
（ｆ）ステップ３４、３８、３７を経てステップ４３に進んでくる場合、
上記（ｅ）の場合、つまり触媒温度が活性温度に到達しておりかつリッチ化処理の要求がある場合には主噴射によりリッチ運転・均質燃焼が行われる。この場合、触媒温度が完全暖機温度ＴｃＨより高いときのリッチ化処理では必ずこのリッチ運転・均質燃焼が行われる。
【００９５】
また、上記（ｄ）の場合つまりエンジン水温がリーン運転許可下限水温ＴｗＬ未満である場合には主噴射によりストイキ運転・均質燃焼が、上記（ｆ）の場合には主噴射によりストイキ運転・均質燃焼あるいはリーン運転・均質燃焼が実現される。
【００９６】
図示しない燃料噴射制御ルーチンでは、このようにして演算された主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１、追加噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ２と、吸入空気流量Ｑａとに基づいて主噴射の燃料噴射パルス幅Ｔｉ１と追加噴射の燃料パルス幅Ｔｉ２とが算出されるほか、燃焼フラグｆＣｍｂに基づいて主噴射の噴射時期が決定されている。例えばシーケンシャル燃料噴射方式であれば、Ｔｉ１、Ｔｉ２の演算式は次のようになる。
【００９７】
Ｔｉ１＝Ｔｐ×ｔＦＢＹＡ１×（α＋αｍ−１）×２＋Ｔｓ…（４）
Ｔｉ２＝Ｔｐ×ｔＦＢＹＡ２×（α＋αｍ−１）×２＋Ｔｓ…（５）
ただし、Ｔｐ：基本噴射パルス幅、
α ：空燃比フィードバック補正係数、
αｍ：空燃比学習値、
Ｔｓ：無効パルス幅、
また、燃焼フラグｆＣｍｂ＝０（成層燃焼）であるときの主噴射の噴射時期は概ね圧縮行程の後半であり、燃焼フラグｆＣｍｂ＝１（均質燃焼）であるときの主噴射の噴射時期は吸気行程である。追加噴射の噴射時期は膨張行程半ば以降や排気行程に設定される。
【００９８】
さらに、図示しない吸入空気量制御ルーチンでは、目標トルクｔＴＣと主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１とに基づいて目標吸入空気流量が算出され、この目標吸入空気流量が得られるようにスロットル装置３のスロットルバルブ３ａの開度が制御される。
【００９９】
ここで、本実施形態の作用を図１２を参照しながら説明すると、同図はエンジンを冷間始動し、目標トルクと回転速度から定まる運転条件がしばらくリーン運転・成層燃焼域にある場合に、主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１、追加噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ２、その合計としてのトータル目標当量比ｔＦＢＹＡ、触媒温度Ｔｃ、リーン運転許可フラグｆＬ、燃焼フラグｆＣｍｂ、リッチ化要求フラグｆＲ、ＮＯｘトラップ量Ｖｎがどのように変化するかをモデル的に示したものである。
〔１〕ｔ１からｔ２直前まで：
図においてｔ１での始動に際してはそのときのＮＯｘトラップ量の多少に関係なく、強制的にリッチ化要求フラグｆＲ＝１となる（図２ステップ１、３）。
【０１００】
また、本実施形態（請求項９の発明）によれば、エンジンの運転を停止した後も再始動時まで前回エンジン運転終了時のＮＯｘトラップ量を記憶させておくので、この記憶されているＮＯｘトラップ量が、今回運転時のＮＯｘトラップ量の初期値とされる（図２ステップ１、２）。このため、再始動時に触媒１０にＮＯｘがトラップされたまま残存していても、触媒温度が活性温度に到達した後直ちに、触媒に残存するＮＯｘを含めて脱離・還元できることとなる。
【０１０１】
目標トルクと回転速度から定まる運転条件はリーン運転・成層燃焼域にあるため燃焼フラグｆＣｍｂ＝０かつｆＬ＝１に設定されるはずであっても（図６のステップ２１）、エンジン水温Ｔｗがリーン運転許可下限水温ＴｗＬより低い間だけは強制的にｆＣｍｂ＝ｌかつｆＬ＝０（ストイキ運転・均質燃焼）とされる（図６のステップ２２、２３）。このときにはトータル目標当量比ｔＦＢＹＡ＝１．０となり（図７のステップ２７、２８、３１）、こうしたトータル目標当量比ｔＦＢＹＡ＝１．０の設定によりＮＯｘトラップ量Ｖｎは始動時の値より徐々に小さくなってゆく（図２のステップ４、９、１０）。また、このときｔＦＢＹＡ１＝ｔＦＢＹＡ、ｆＴＢＹＡ２＝０であることより（図７のステップ３２、３３、４１、４３）、追加噴射は行われない。
〔２〕ｔ２からｔ３直前まで：
始動からのストイキ運転・均質燃焼によりやがてエンジン水温Ｔｗが上昇してリーン運転許可下限水温ＴｗＬに達するｔ２のタイミングになると、燃焼フラグｆＣｍｂ、リーン運転許可フラグｆＬが図６のステップ２１で設定される本来の値へと切換えられる。すなわち、燃焼フラグｆＣｍｂ＝０かつリーン運転許可フラグｆＬ＝１（リーン運転・成層燃焼）へと切換えられ、このときの目標トルクと回転速度に応じた１．０未満の値のｆＴＢＡ１が、図１２最上段の一点鎖線に示したように演算される（図７ステップ２７、２９）。
【０１０２】
また、リーン運転・成層燃焼域でありかつ触媒温度Ｔｃが活性温度ＴｃＬに到達していないことよりトータル目標当量比ｔＦＢＹＡは、昇温当量比ＴＦＬに設定され（図７のステップ３２、３４、３５、３６）、ｔＦＢＹＡ２＝ｔＦＢＹＡ−ｔＦＢＹＡ１により追加噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ２が演算されることから（図７のステップ４１、４２）、触媒昇温のための追加噴射が行われる。
【０１０３】
昇温当量比ＴＦＬは、これを図１２最上段でみると実線で示したように１．０（理論空燃比相当）よりやや小さい値である。そして実線で示されるトータル目標当量比ｔＦＢＹＡと、一点鎖線で示される主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１との差が追加噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ２であり、この差の分の追加噴射が行われると、図１２第２段目のように触媒温度Ｔｃが急上昇する。
【０１０４】
追加噴射中は触媒１０が未活性状態であるため、排気通路９内で追加噴射による燃料が燃え残った場合には触媒１０で浄化されずに大気へと排出され排気の悪化につながる。また、排気の空燃比がリッチの場合にはいかに排気再燃焼を促進しても追加噴射分の燃料を完全に燃焼させるために必要となる酸素が不足するので、やはり未燃成分が外部へと排出され排気の悪化を生じる。
【０１０５】
これに対して、本実施形態（請求項１０に記載の発明）によれば、昇温当量比ＴＦＬを１．０（理論空燃比相当）よりやや小さい値、つまり追加噴射の燃料分を含めた排気の空燃比が理論空燃比よりもわずかにりーン側の空燃比になるようにトータル目標当量比ｔＦＢＹＡを定め、このトータル目標当量比ｔＦＢＹＡが実現されるように追加噴射の燃料量を調節するので、冷間始動後のように触媒温度Ｔｃが活性温度ＴｃＬに到達していないときには、触媒１０にトラップされているＮＯｘの脱離・還元に使用されずに排出される未燃成分の排出を抑制しつつ、排気再燃焼により触媒１０を急速に昇温させることができる。
【０１０６】
また、このとき、トータル目標当量比ｔＦＢＹＡ（＝ＴＦＬ）は１．０未満の値であるので、ＮＯｘトラップ量Ｖｎは図１２最下段のように増加してゆく（図２のステップ４、５、６）。
〔３〕ｔ３からｔ４まで：
触媒温度Ｔｃが上昇してｔ３のタイミングで活性温度ＴｃＬに到達すると、触媒１０にトラップされているＮＯｘを、完全でなくても脱離・還元することが可能となる。
【０１０７】
この場合、エンジン始動に際しては上記のように強制的にリッチ化要求フラグｆＲ＝１としており、かつｔ３からも引き続き成層燃焼状態（ｆＣｍｂ＝０）にあるので、ｔ３のタイミングより即座にリッチ化処理に入る。
【０１０８】
この成層燃焼状態でのリッチ化処理では、単位時間当たりのＮＯｘ脱離量ｄＶｎｒが算出され、この単位時間当たりのＮＯｘ脱離量ｄＶｎｒに見合う量の還元剤量が単位時間当たりの目標還元剤供給量ｔｄＶｒとして算出され、この単位時間当たりの目標還元剤供給量ｔｄＶｒを吸入空気流量Ｑａで除し、その値を換算係数Ｃ３を用いて当量比への単位換算を行うことにより現在の吸入空気流量Ｑａで単位時間当たりの目標還元剤供給量ｔｄＶｒを実現できる当量比が算出され、これに理論空燃比分の１．０を加算して、リッチ化処理時のトータル目標当量比ｔＦＢＹＡが算出される（図７のステップ３２、３４、３７、３８、３９、４０）。
【０１０９】
このリッチ化処理時のトータル目標当量比ｔＦＢＹＡを図１２最上段でみると実線で示したように１．０（理論空燃比相当）を大きく超える値である。そして実線で示されるトータル目標当量比ｔＦＢＹＡと、一点鎖線で示される主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１との差が追加噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ２であり、この分が追加噴射され、この追加噴射による未燃成分の触媒１０への導入により、触媒１０にトラップされているＮＯｘが排気通路９内に脱離してゆき、その脱離してゆくＮＯｘは未燃成分を還元剤として還元浄化されるので、ＮＯｘトラップ量Ｖｎが図１２最下段のように減少してゆく（図２のステップ４、９、１０）。
【０１１０】
成層燃焼状態でのリッチ化処理により、やがてＮＯｘトラップ量Ｖｎがｔ４のタイミングでＮＯｘトラップ下限量ＶｎＬ未満になると、触媒１０にトラップされているＮＯｘの脱離・還元を完了するため、リッチ化要求フラグｆＲ＝０となり（図２のステップ１１、１２）、追加噴射が終了する（図７のステッ３２、３４、３８、３７、４１、４３）。
【０１１１】
このように、本実施形態（請求項１の発明）によれば、成層燃焼状態でリッチ化処理が必要となった場合において触媒温度Ｔｃが活性温度ＴｃＬに到達したとき追加噴射を行うと共に、主噴射分と合わせた燃料量と吸入空気量とで定まる空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に設定し、そのリッチ側に設定した空燃比での運転を行うので、本来排気流量の少ない低負荷域のような運転域であっても、その運転域で成層燃焼が行われる限り、追加噴射により排気流量を増加させつつ排気中の未燃成分が増大する。これにより、十分な量の還元剤（ＨＣ、ＣＯといった未燃成分）を触媒に導入することが可能となり、触媒１０にトラップされているＮＯｘを十分に脱離・還元することができる。
【０１１２】
加えて、追加噴射に伴う排気再燃焼により、低負荷域のように排気温度が比較的低いときであっても排気温度が高くなり、これによって触媒１０の温度低下を防止し触媒１０の活性を維持できるという効果も得られる。
【０１１３】
一般に触媒１０にトラップされているＮＯｘの脱離・還元は、酸素と還元成分とが共存する雰囲気中よりも酸素が無く還元成分のみが存在する雰囲気中のほうがより活発に行われる。本実施形態（請求項４の発明）によれば、触媒１０上流に未燃成分燃焼促進手段を設け、当該手段により触媒１０上流において排気中の残存酸素が未燃成分の燃焼によって消費されるのを促進するので、触媒１０に流入する排気には酸素がほぼ含まれずに還元成分のみが含まれた状態となり、これによって効率良く触媒１０にトラップされているＮＯｘを脱離・還元できる。
【０１１４】
この場合に、未燃成分燃焼促進手段は触媒１０よりも上流の排気通路９にあって排気を滞留、攪拌させ得る容積部１１であるので（請求項５の発明）、未燃成分燃焼促進手段を安価かつ単純なハード構成で得ることができる。
【０１１５】
また、成層燃焼状態でリッチ化処理が必要となった場合において触媒温度Ｔｃが活性温度ＴｃＬに到達していないとき、追加噴射を伴うリーン側に設定した空燃比での運転を行うことで、触媒１０を急速に昇温させ、触媒温度Ｔｃが活性温度ＴｃＬに到達すると、追加噴射を継続して追加噴射を伴うリッチ側に設定した空燃比での運転を行うようにしたので、触媒温度Ｔｃが活性温度ＴｃＬに到達した後に一旦追加噴射を中止する場合に懸念される触媒１０の温度低下を防ぐことができる。
【０１１６】
また、触媒１０にトラップしているＮＯｘを脱離・還元するための追加噴射による排気再燃焼は、排気中の残存酸素がほぼ無い状態まで行われることが望ましく、そのためには排気温度が高いほうが有利である。本実施形態によれば、触媒温度Ｔｃが活性温度ＴｃＬに到達した後に継続してリッチ化処理を行うので、リッチ化処理を行うに際して排気中の残存酸素がほぼ無い状態を実現することが可能となり、これによって触媒１０にトラップされているＮＯｘの脱離・還元の効率が向上し、かつ再度昇温させるために消費される追加燃料分の燃費悪化を防止できるという効果も得られる。
【０１１７】
また、成層燃焼状態において、追加噴射を伴うリーン側に設定した空燃比での運転（触媒昇温制御）より、追加噴射を伴うリッチ側に設定した空燃比での運転（リッチ化処理）へと移行するのに際して、移行の前後で主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１は変えずに追加噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ２だけを変化させている（主噴射の燃料量と吸入空気量とで定まる主噴射の空燃比を変更せず、追加噴射の燃料量を増加させる）ので、触媒昇温制御よりリッチ化処理への移行時にトルク段差が生じることもなく、従って触媒昇温制御よりリッチ化処理への移行時にトルクショックは発生しない。
【０１１８】
触媒１０にトラップしているＮＯｘが多量に残存している状態でエンジンを停止させた場合には、次回エンジン始動後に触媒１０が活性化しても、触媒１０に残存するＮＯｘを一旦脱離・還元してしまわない限り、良好なＮＯｘトラップ性能を得ることができないのであるが、本実施形態（請求項６の発明）によれば、エンジンの始動時に、ＮＯｘトラップ量の多少に関係なく、強制的にリッチ化要求フラグｆＲ＝１（つまりリッチ化処理が必要となった場合）とするので、エンジンの始動後に成層燃焼状態で触媒温度Ｔｃが活性温度ＴｃＬに到達する毎に、リッチ化処理が行われて触媒１０に残存するＮＯｘがなくなる。これによってｔ４移行のリーン運転時に効率よく排気中のＮＯｘを触媒１０にトラップすることができる。
〔４〕ｔ４以降：
ｔ４以降は図６ステップ２１で設定される２つのフラグｆＣｍｂ、ｆＬに従った燃焼状態に制御される。図にはｔ４以降もリーン運転・成層燃焼域にあり（ｆＬ＝１かつｆＣｍｂ＝０）、その一方でアクセル開度や回転速度を変化させた場合を示す。このときには目標トルクと回転速度に応じてトータル目標当量比ｔＦＢＹＡ（＝主噴射の目標当量比ｔＦＢＹＡ１）が変化し、これに応じて触媒温度ＴｃとＮＯｘトラップ量Ｖｎとが変化する。
【０１１９】
すなわち、リーン運転・成層燃焼の継続によりＮＯｘトラップ量Ｖｎが増加してゆき（図２のステップ４、５、６）、やがてｔ５のタイミングでＮＯｘトラップ上限量ＶｎＨより大きくなれば、リッチ化要求フラグｆＲ＝１となり（図２のステップ７、８）、このとき成層燃焼状態であるから、主噴射により成層燃焼を行いつつ追加噴射によるリッチ化処理が行われる（図７のステップ３２、３４、３８、３９、４０、４１、４２）。
【０１２０】
この場合に、本実施形態（請求項８の発明）により、良好なＮＯｘトラップ率を維持できなくなるＮＯｘトラップ量をＮＯｘトラップ上限量ＶｎＨ（所定値）として設定しておけば、成層燃焼状態でＮＯｘトラップ量が増え良好なＮＯｘトラップ率を維持できなくなる前に、触媒１０にトラップされているＮＯｘが脱離・還元されることになり、これにより、リッチ化処理に伴う燃費の悪化を抑えつつＮＯｘトラップ率を高く維持できる。
【０１２１】
なお、図でｔ４以降の時間スケールはｔ４までの時間スケールと異なり、ｔ４以降の時間スケールのほうがｔ４までの時間スケールよりずっと大きいことはいうまでもない。また、Ｖｎの動きも簡単な直線で示している。
【０１２２】
実施形態では、空燃比に代えて、一部、当量比で説明したが、当量比で演算した部分を空燃比で演算させるようにすることもできる。例えば、
１）単位時間当たりのＮＯｘ脱離量ｄＶｎｒを算出し、
２）この単位時間当たりのＮＯｘ脱離量ｄＶｎｒに見合う量の還元剤量を単位時間当たりの目標還元剤供給量ｔｄＶｒとし、
３）この単位時間当たりの目標還元剤供給量ｔｄＶｒを吸入空気流量Ｑａで除し、その値を換算係数Ｃ３を用いて当量比への単位換算を行うことにより現在の吸入空気流量Ｑａで単位時間当たりの目標還元剤供給量ｔｄＶｒを実現できる当量比を算出し、
４）これに理論空燃比分の１を加算して、リッチ化処理時のトータル目標当量比ｔＦＢＹＡを算出したが、これに代えて
１）単位時間当たりのＮＯｘ脱離量ｄＶｎｒを算出し、
２）この単位時間当たりのＮＯｘ脱離量ｄＶｎｒに見合う量の還元剤量を単位時間当たりの目標還元剤供給量ｔｄＶｒとして算出し、
３´）吸入空気流量Ｑａをこの単位時間当たりの目標還元剤供給量ｔｄＶｒで除することにより現在の吸入空気流量Ｑａで単位時間当たりの目標還元剤供給量ｔｄＶｒを実現できる空燃比を算出し、
４´）これを理論空燃比である１４．７から差し引いた値を、追加噴射を実行する際のリッチ側の空燃比として設定する
ようにしてもかまわない（請求項１に記載の発明）。
【０１２３】
実施形態では、未燃成分燃焼促進手段が、触媒１０よりも上流の排気通路９にあって排気を滞留、攪拌させ得る容積部１１である場合で説明したがこれに限られるものでなく、追加噴射を実行することにより生じる排気中の未燃成分の燃焼を触媒１０よりも上流で促進する手段であればよい（請求項４に記載の発明）。
【０１２４】
実施形態では、成層燃焼状態において触媒昇温のための追加噴射を実行する際に、追加噴射と主噴射との合計の燃料量と吸入空気量とで定まる空燃比を理論空燃比よりもわずかにリーン側に設定する場合で説明したが、これは理論空燃比からの余裕を持たせたものであり、従って追加噴射と主噴射との合計の燃料量と吸入空気量とで定まる空燃比を理論空燃比に設定してもかまわない。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態の制御システム図である。
【図２】リッチ化要求フラグの設定を説明するためのフローチャート。
【図３】ＮＯｘ濃度の特性図。
【図４】ＮＯｘトラップ率の特性図。
【図５】ＮＯｘ脱離率の特性図。
【図６】燃焼状態を設定すると共に目標当量比を演算するためのフローチャート。
【図７】燃焼状態を設定すると共に目標当量比を演算するためのフローチャート。
【図８】燃焼フラグの特性図。
【図９】リーン運転許可フラグの特性図。
【図１０】アクセル開度に対する目標トルクの特性図。
【図１１】リーン運転時の主噴射の目標当量比の特性図。
【図１２】一実施形態の冷間始動からの作用を説明するための波形図。
【符号の説明】
１ エンジン本体
７ 燃料噴射弁（燃料噴射手段）
１０ 触媒
１１ 容積部（未燃成分燃焼促進手段）
２１ コントローラ
２８ 触媒温度センサ
Claims (10)
- 活性状態において排気の空燃比がリーンのときにＮＯｘをトラップし、排気の空燃比が理論空燃比またはリッチのときにトラップしたＮＯｘを脱離すると共に、この脱離したＮＯｘを排気中の還元成分を用いて還元浄化する機能を有する触媒を排気通路に備える一方、
燃焼室内に直接的に燃料を噴射供給する燃料噴射手段と、
この燃料噴射手段の主噴射の時期を相違させることによりリーン運転時に均質燃焼または成層燃焼を選択的に行わせ得る主噴射実行手段と、
触媒温度を検出する触媒温度検出手段と、
成層燃焼状態でリッチ化処理が必要となった場合において触媒温度が活性温度に到達したとき、成層燃焼状態での膨張行程または排気行程で追加噴射を行う追加噴射実行手段と、
この追加噴射を実行する際に、追加噴射と主噴射との合計の燃料量と吸入空気量とで定まる空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に設定し、そのリッチ側に設定した空燃比での運転を行うリッチ運転手段と、
成層燃焼状態でリッチ化処理が必要となった場合において触媒温度が完全暖機温度より高いとき、前記追加噴射を禁止する追加噴射禁止手段と
を備え、
前記追加噴射を実行する際に、追加噴射と主噴射との合計の燃料と吸入空気量とで定まる空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に設定する空燃比設定手段は、単位時間当たりのＮＯｘ脱離量を算出する手段と、この単位時間当たりのＮＯｘ脱離量に見合う量の還元剤量を単位時間当たりの目標還元剤供給量として算出する手段と、吸入空気流量をこの単位時間当たりの目標還元剤供給量で除することにより現在の吸入空気流量で単位時間当たりの目標還元剤供給量を実現できる空燃比を算出する手段と、これを理論空燃比から差し引いた値を、追加噴射を実行する際のリッチ側の空燃比として設定する手段とからなることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。 - 活性温度は前記完全暖機温度より低い温度であることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
- 成層燃焼を行わせる運転域はエンジンの低負荷域であることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
- 追加噴射を実行することにより生じる排気中の未燃成分の燃焼を触媒よりも上流で促進する未燃成分燃焼促進手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
- 未燃成分燃焼促進手段は、触媒よりも上流の排気通路にあって排気を滞留、攪拌させ得る容積部であることを特徴とする請求項４に記載のエンジンの排気浄化装置。
- エンジンの始動時は強制的にリッチ化処理が必要となった場合とすることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
- 触媒にトラップされているＮＯｘトラップ量を推定するＮＯｘトラップ量推定手段を備え、成層燃焼状態でこのＮＯｘトラップ量推定手段により推定されるＮＯｘトラップ量が所定値を超えたときリッチ化処理が必要となったと判定することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
- 所定値は良好なＮＯｘトラップ率を維持できなくなるＮＯｘトラップ量であることを特徴とする請求項７に記載のエンジンの排気浄化装置。
- エンジンの運転を停止した後、少なくとも再始動時までＮＯｘトラップ量を記憶させておくことを特徴とする請求項７に記載のエンジンの排気浄化装置。
- 成層燃焼状態でリッチ化処理が必要となった場合において触媒温度が活性温度に到達していないとき、成層燃焼状態での膨張行程または排気行程で追加噴射を行う追加噴射実行手段と、この追加噴射を実行する際に、追加噴射と主噴射との合計の燃料量と吸入空気量とで定まる空燃比を理論空燃比よりもリーン側に設定し、そのリーン側に設定した空燃比での運転を行うリーン運転手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
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