JP4389372B2 - エンジンの燃料制御装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気浄化用触媒を備え、低回転低負荷側の所定領域において気筒内燃焼室における点火前の平均的な空燃比(以下、筒内空燃比という)を理論空燃比よりもリーンになるように制御するとともに、所定条件下で燃料カット制御を行うようにしたエンジンの燃料制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、この種のエンジンの燃料制御装置として、例えば特開平11−229856号公報に開示されるように、エンジンの気筒内燃焼室に臨むように燃料噴射弁を設け、エンジンが低回転低負荷側の所定領域にあるときに該燃料噴射弁により燃料を主に気筒の圧縮行程で噴射させて、成層燃焼状態にさせる一方、高回転ないし高負荷側においては前記燃料噴射弁により燃料を主に気筒の吸気行程で噴射させて、燃焼室内に略均一な混合気を形成した上で燃焼させるようにしたものが知られている。
【0003】
前記成層燃焼状態では、混合気が点火プラグの電極付近に偏在する状態で燃焼するので、筒内空燃比を例えばA/F=30〜140というように極めてリーンな状態とすることができ、このことで、均一燃焼状態に比べてポンプ損失や熱損失を低減して、燃料消費率を大幅に改善することができる。
【0004】
そして、前記の如く筒内空燃比が極めてリーンな状態になると、排気の空燃比状態も同じようにリーンな状態になる。すなわち、一般的に、筒内空燃比が略理論空燃比であれば、排気中に残存する酸素濃度は略0.5%以下となり、このときの排気の空燃比状態が略理論空燃比に対応する状態ということになる。一方、筒内空燃比がリーンになれば、排気の空燃比状態もリーン、即ち酸素濃度の高い状態になるが、この酸素濃度の高い状態においてNOxを効率良く還元することは、極めて困難である。
【0005】
そこで、前記従来例においては酸素過剰雰囲気の排気中のNOxを吸収し、酸素濃度が低下するとNOxを放出するNOx吸収材を含有するNOx触媒を設けるとともに、これに隣接するように三元触媒を配設し、排気の空燃比状態がリーンのときには前記NOx触媒によりNOxを吸収させる一方、排気の空燃比状態が略理論空燃比ないしそれよりもリッチになったときには、該NOx触媒から放出されるNOxを三元触媒により還元浄化するようにしている。
【0006】
ここで、一般的に、前記のようなNOx吸収材には、NOx吸収量の増大に伴いNOxの吸収能力が低下するという性質がある。そこで、前記従来例のものでは、エンジンの成層燃焼状態での運転が長時間継続したときに、そのことによってNOx触媒によるNOx吸収性能が大きく低下することになる前に、均一燃焼状態に切り替えるとともに、筒内空燃比を強制的にリッチ側に変化させることにより、排気の空燃比状態をリッチ化させて、NOx触媒からNOxを放出させ、三元触媒により還元浄化するようにしている(以下、強制的なNOxパージともいう)。
【0007】
また、前記従来例のものでは、エンジンが減速運転状態にあってかつ例えばアクセルペダルの操作がなされていないというような所定の条件が成立したときに、燃料噴射弁による燃料の噴射供給を停止させる燃料カット制御を行うようにしており、このことで、エンジンブレーキの利きを高めることができるとともに、燃料消費率を低減できる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般的に、筒内空燃比がリーンになれば、略理論空燃比のときに比べて排気の温度状態は低くなるので、前記従来例のように低回転低負荷領域で成層燃焼状態とされる火花点火式直噴エンジンや、殆ど全ての運転領域において筒内空燃比がリーンになるディーゼルエンジンにおいては、触媒の温度状態が低くなりやすい。その上さらに、前記従来例のように燃料カット制御が行われると、そのことによって、前記触媒の温度状態が過度に低くなってしまい、この触媒による排気の浄化性能が損なわれる虞れがある。
【0009】
また、前記従来例の如くエンジンの運転状態に拘わらず、強制的なNOxパージを行うようにすると、エンジンが例えばアイドル運転状態のように本来的に振動や騒音の小さい運転状態にあるときに、その燃焼状態が強制的に成層燃焼→均一燃焼→成層燃焼と切替えられて、出力トルクが変動することがあり、このときのトルクの変動がたとえ小さなものであっても、それが運転者の操作とは無関係に発生することから、運転者が違和感を覚えやすく、その発生頻度が高くなれば運転フィーリングの低下を招くことになる。
【0010】
本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、エンジンを低回転低負荷領域では筒内空燃比のリーンな状態で運転するとともに、所定条件下で燃料カット制御を行うようにした燃料制御装置において、この燃料カット制御を終了して燃料供給を再開するときの排気の空燃比状態の制御手順に工夫を凝らして、触媒等の排気浄化性能を確保しながら、エンジン運転領域全体としての運転フィーリングの向上を図ることにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成すべく、本発明の解決手段では、エンジンが燃料カット状態から筒内空燃比のリーンな運転領域に移行した復帰のタイミングを捉えて、そのときに触媒が過冷却やNOx吸収量の増大によって浄化性能の低い状態になっていれば、排気の空燃比状態を理論空燃比に対応する状態かそれよりもリッチになるように制御するようにした。
【0012】
具体的に、請求項1の発明では、図1に一例を示すように、少なくとも排気の空燃比状態が理論空燃比に対応する状態のときに三元浄化機能を発揮する触媒32,34と、少なくともエンジン1が低回転低負荷側の所定領域にあるときに、気筒内燃焼室6における点火前の平均的な空燃比である筒内空燃比を、理論空燃比よりもリーンになるように制御する筒内空燃比制御手段40aと、エンジン1の減速運転時に所定条件下で、前記燃焼室6への燃料供給を強制的に停止させる燃料カット制御を行う燃料カット制御手段40bとを備えたエンジンの燃料制御装置Aを前提として、前記燃料カット制御手段40bは、エンジン回転速度が所定の復帰回転速度以下になったときに燃料カット制御を終了するものとする。
【0013】
そして、前記触媒32,34による排気浄化性能が低下する所定の低温状態であることを判定する触媒低温状態判定手段40cと、前記燃料カット制御手段40bにより燃料カット制御が行われるときに、吸気通路のスロットル弁を閉じるとともに、前記触媒低温状態判定手段40cにより触媒32,34が低温状態であると判定された場合は、エンジン回転速度が前記復帰回転速度よりも高い設定回転速度まで低下したときに、前記燃料カット制御の実行中であってもスロットル弁を開作動させるスロットル開度制御手段と、前記触媒低温状態判定手段40cにより触媒32,34が前記低温状態であると判定され、かつ、前記燃料カット制御手段40bによる燃料カット制御が終了して、エンジン1が前記所定領域に移行したとき、前記スロットル弁の開作動によって流量の増大した排気の空燃比状態を理論空燃比に対応する状態ないしそれよりもリッチになるように制御する排気空燃比制御手段40dとを備える構成とする。
【0014】
前記の構成により、エンジン1が低回転低負荷側の所定領域にあるときには筒内空燃比制御手段40aによりエンジン1の筒内空燃比が理論空燃比よりもリーンになるように制御されて、燃料消費率の低減が図られる。また、エンジン1の減速運転時に所定の条件が成立すると、燃料カット制御手段40bにより燃料カット制御が行われて、無駄な燃料の消費が阻止される。この燃料カット制御の間、エンジン1の燃焼室6に吸入された空気はそのまま排気通路に排出されることになり、このことで、触媒32,34の温度状態は急速に低下する。
【0015】
そのように触媒32,34の温度状態が低くなって、排気浄化性能の低下する所定の低温状態になれば、このことが触媒低温状態判定手段40cにより判定される。そして、前記燃料カット制御が終了して、エンジン1が前記所定領域に移行したときに、前記判定結果に基づいて、排気空燃比制御手段40dにより、排気の空燃比状態が理論空燃比に対応する状態ないしそれよりもリッチになるように制御される(以下、リッチ化ともいう)。
【0016】
すなわち、本来ならば排気の空燃比状態がリーンになる運転領域において、燃料カット制御からの復帰時に一時的に排気の空燃比状態がリッチ化されて、排気温度が上昇することになり、これにより、触媒32,34の温度状態を高めて、排気浄化性能の低下を防止することができる。しかも、元々、燃料噴射形態の変化する復帰のタイミングであるから、前記空燃比のリッチ化に伴いエンジン1の出力トルクが変化しても、運転者が違和感を覚えることは少ない。
【0017】
さらに、前記の構成では、前記燃料カット制御の実行中に、スロットル開度制御手段によりスロットル弁が閉じられることで、燃焼室6からの空気の排出量が可及的に減少し、触媒32,34の冷却が抑制される。そして、この燃料カット制御の実行中にエンジン回転速度が設定回転速度まで低下したときスロットル弁が開作動され、続いてエンジン回転速度が復帰回転速度まで低下したとき、即ち燃料カット制御が終了して、燃料噴射弁による燃焼室6への燃料の噴射供給が再開されるときには、該燃焼室6への吸入空気量が十分に増大するようになる。
【0018】
そして、それにより流量が増大した排気の空燃比状態がリッチ化される。すなわち、燃料カット状態からの復帰のタイミングに合わせて、排気流量を十分に増大させ、かつその排気の空燃比状態をリッチ化することにより、触媒32,34に高温の排気を多量に供給して、その温度状態を速やかに高めることができる。
【0019】
次に、請求項2の発明は、酸素過剰雰囲気の排気中の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吸収材と、少なくとも排気の空燃比状態が理論空燃比に対応する状態のときに三元浄化機能を発揮する触媒と、少なくともエンジンが低回転低負荷側の所定領域にあるときに、気筒内燃焼室における点火前の平均的な空燃比である筒内空燃比を、理論空燃比よりもリーンになるように制御する筒内空燃比制御手段と、エンジンの減速運転時に所定条件下で、前記燃焼室への燃料供給を強制的に停止させる燃料カット制御を行う燃料カット制御手段とを備えたエンジンの燃料制御装置を前提とし、前記燃料カット制御手段は、エンジン回転速度が所定の復帰回転速度以下になったときに燃料カット制御を終了するものとする。
【0020】
そして、前記NOx吸収材のNOx吸収量が設定量以上であることを判定するNOx吸収状態判定手段と、該NOx吸収状態判定手段によりNOx吸収量が設定量以上であると判定され、かつ、前記燃料カット制御手段による燃料カット制御が終了して、エンジンが前記所定領域に移行したとき、排気の空燃比状態を理論空燃比に対応する状態ないしそれよりもリッチになるように制御する排気空燃比制御手段と、前記触媒による排気浄化性能が低下する所定の低温状態であることを判定する触媒低温状態判定手段と、前記燃料カット制御手段により燃料カット制御が行われるときに、吸気通路のスロットル弁を閉じるとともに、前記触媒低温状態判定手段により触媒が低温状態であると判定された場合には、エンジン回転速度が前記復帰回転速度よりも高い設定回転速度まで低下すれば、前記燃料カット制御の実行中であってもスロットル弁を開作動させるスロットル開度制御手段と、を備える構成とする。
【0021】
前記の構成により、請求項1の発明と同様に、エンジンは、低回転低負荷側の所定領域にあるときには筒内空燃比がリーンな状態で運転され、また、所定条件下では燃料カット制御が行われる。前記空燃比のリーンな運転状態では、酸素過剰雰囲気の排気中のNOxがNOx吸収材に吸収され、このNOx吸収材におけるNOx吸収量が設定量以上になれば、このことがNOx吸収状態判定手段により判定される。そして、この判定がなされた場合、燃料カット制御を終了して、エンジンが前記所定領域に移行したときに、排気空燃比制御手段により排気の空燃比状態がリッチになるように制御される。
【0022】
このことで、本来ならば排気の空燃比状態がリーンになる運転領域において燃料カット制御からの復帰時に一時的に排気の空燃比状態がリッチ化されて、NOx吸収材からNOxが放出され、触媒により還元浄化されるようになる。しかも、燃料復帰のタイミングであるから、運転者が違和感を覚えることは少ない。つまり、燃料復帰のタイミングでNOxパージを行うようにすることで、NOx吸収材や触媒による排気浄化性能を確保しながら、空燃比のリーンな運転中に強制的なNOxパージが行われる頻度を下げて、運転フィーリングを向上させることができる。
【0023】
それに加えて、前記した請求項1の発明と同様に、燃料カット制御を終了して燃焼室への燃料の噴射供給を再開する時点で、該燃焼室への吸入空気量を十分に増大させた上で、排気の空燃比状態をリッチ化させることができ、これにより、燃料復帰タイミングを利用してのNOxパージを十分に促進し、触媒活性をより高めることができる。
【0024】
次に、請求項3の発明では、少なくとも排気の空燃比状態が理論空燃比に対応する状態のときに三元浄化機能を発揮する触媒と、少なくともエンジンが低回転低負荷側の所定領域にあるときに、気筒内燃焼室における点火前の平均的な空燃比である筒内空燃比を、理論空燃比よりもリーンになるように制御する筒内空燃比制御手段と、エンジンの減速運転時に所定条件下で、前記燃焼室への燃料供給を強制的に停止させる燃料カット制御を行う燃料カット制御手段とを備えたエンジンの燃料制御装置を前提とし、その燃料カット制御手段は、エンジン回転速度が所定の復帰回転速度以下になったときに燃料カット制御を終了するものとする。
【0025】
そして、前記燃料カット制御手段による燃料カット制御の継続時間が設定時間以上になったことを判定する継続時間判定手段と、該継続時間判定手段により燃料カット制御の継続時間が設定時間以上と判定された場合に、その燃料カット制御が終了して、エンジンが前記所定領域に移行したとき、排気の空燃比状態を理論空燃比に対応する状態ないしそれよりもリッチになるように制御する排気空燃比制御手段と、前記触媒による排気浄化性能が低下する所定の低温状態であることを判定する触媒低温状態判定手段と、前記燃料カット制御手段により燃料カット制御が行われるときに、吸気通路のスロットル弁を閉じるとともに、前記触媒低温状態判定手段により触媒が低温状態であると判定された場合には、エンジン回転速度が前記復帰回転速度よりも高い設定回転速度まで低下したときに、前記燃料カット制御の実行中であっても、スロットル弁を開作動させるスロットル開度制御手段とを備える構成とする。
【0026】
前記の構成により、請求項1、2の発明と同様に、エンジンが低回転低負荷側の所定領域にあるときには、筒内空燃比が理論空燃比よりもリーンになるように制御され、また、所定条件下で燃料カット制御が行われることで、触媒の温度状態が急速に低下するようになる。そして、その燃料カット制御の継続時間が設定時間以上になって、このことが継続時間判定手段により判定されると、排気空燃比制御手段による制御が行われて、排気の空燃比状態がリッチ化される。
【0027】
すなわち、前記燃料カット制御の継続時間が長いということは、そのことによって触媒が冷却されるということであり、また、燃料カット制御が開始されたときのエンジン回転速度が相対的に高く、触媒の空気流通量が多いということでもあり、従って、燃料カット制御の終了時点では触媒の温度状態がかなり低くなっていると考えられる。
【0028】
そこで、この場合に燃料カット制御からの復帰のタイミングを利用して、排気の空燃比状態をリッチ化させることにより、前記請求項1の発明と同様に、運転者の違和感を軽減しながら、触媒の温度状態を高めて、排気浄化性能の低下を防止することができる。
【0029】
しかも、そうして燃料カット制御からの復帰のタイミングで、前記した請求項1、2の発明と同様に、該燃焼室への吸入空気量を十分に増大させた上で、排気の空燃比状態をリッチ化させることができ、これにより、燃料復帰タイミングを利用してのNOxパージを十分に促進し、触媒活性をより高めることができる。
【0030】
請求項4の発明では、請求項1〜3のいずれか1つにおいて、気筒内燃焼室に燃料を直接、噴射供給する燃料噴射弁を設けるとともに、排気空燃比補正手段を、排気の空燃比状態が理論空燃比に対応する状態ないしそれよりもリッチになるように、前記燃料噴射弁により燃料を気筒の膨張行程ないし排気行程で追加噴射させるものとする
【0031】
この構成によれば、前記したように燃料カット状態からの復帰のタイミングに合わせて、排気流量を十分に増大させ、かつその排気の空燃比状態をリッチ化するために、気筒の膨張行程ないし排気行程で燃料を追加噴射するものであり、この追加噴射による回転上昇(トルク上昇)は小さく、また、追加噴射の終了時点における回転変動(トルク変動)小さくすることができる。
【0032】
【発明の実施の形態】
参考形態
以下に、本発明の実施形態に係るエンジンの燃料制御装置について説明するが、説明の都合上、まず実施形態と概ね同じ構成の参考形態について説明し、その後、実施形態について説明する。
【0033】
図1は、本発明の実施形態及び参考形態共通のエンジンの燃料制御装置Aであり、1は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)が直列に設けられたシリンダブロック3と、このシリンダブロック3上に配置されたシリンダヘッド4とを有し、該各気筒2内にピストン5が図の上下方向に往復動可能に嵌挿されていて、そのピストン5の頂面とシリンダヘッド4の底面との間の気筒2内に燃焼室6が区画されている。一方、シリンダブロック3内にはクランク軸7が回転自在に支持されていて、このクランク軸7及びピストン5がコネクティングロッドにより連結されている。また、クランク軸7の一端側にはその回転角度を検出する電磁式のクランク角センサ8が配設されており、さらに、シリンダブロック3のウオータジャケットに臨んで、冷却水温度(エンジン水温)を検出する水温センサ9が配設されている。
【0034】
前記各気筒2毎のシリンダヘッド4には、点火回路10に接続された点火プラグ11が燃焼室6の上部に臨むように取り付けられる一方、該燃焼室6の周縁部には燃料を気筒中心に向かって直接、噴射供給するように、インジェクタ12(燃料噴射弁)が取り付けられている。すなわち、詳しくは図示しないが、前記燃焼室6は、天井部の2つの傾斜面が互いに差し掛けられた屋根のような形状をなすペントルーフ型のものであり、その各傾斜面に吸気及び排気ポート13,14がそれぞれ2つずつ開口していて、この各開口端を開閉するように吸気及び排気弁15,15,…が配設されている。
【0035】
また、前記インジェクタ12は、2つの吸気ポート13,13の間に挟まれるようにその下方に配置されていて、その先端側噴孔が2つの吸気弁15,15の傘部に近接して燃焼室6の周縁部に臨んでいる。一方、インジェクタ12は全気筒2,2,…に共通の燃料供給通路17を介して高圧燃料ポンプ18に接続されており、この高圧燃料ポンプ18と図外の高圧プレッシャレギュレータとによって燃料を適正な圧力状態に調節しながら、インジェクタ12に供給するようになっている。また、この燃料供給通路17には、内部の燃料の圧力状態(燃圧)を検出するための燃圧センサ19が設けられている。
【0036】
そして、前記インジェクタ12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5の頂面に形成された長円形状のキャビティ5aにトラップされて、点火プラグ11の近傍に比較的濃い混合気の層を形成する。一方、前記インジェクタ12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6に拡散して吸気と十分に混合され、点火時点までに燃焼室6に略均一な混合気を形成する。
【0037】
同図に示すように、エンジン1の一側面(図の左側の側面)には、各気筒2毎の吸気ポート13にそれぞれ連通するように、吸気通路20が接続されている。この吸気通路20は、エンジン1の燃焼室6に対し図外のエアクリーナで濾過した吸気を供給するものであり、その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21と、吸気通路20を絞る蝶弁からなるスロットル弁22と、サージタンク23とが配設されている。前記スロットル弁22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、弁軸が電動モータにより回動されて開閉する電気式のものである。さらに、該スロットル弁22の開度を検出するスロットル開度センサ24と、該スロットル弁22よりも下流の吸気の圧力状態を検出するための吸気圧センサ25とが設けられている。
【0038】
また、前記サージタンク23よりも下流側の吸気通路20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8,8に連通している。この分岐路のうちの一方にはスワール制御弁26が設けられており、該スワール制御弁26が閉じられると、吸気は殆どが他方の分岐路から燃焼室6に流入するようになり、このことで、燃焼室6に強いスワールが生成される。一方、スワール制御弁26が開かれると、両方の分岐路から吸気が吸い込まれるようになり、これにより、吸気のタンブル成分が強まるとともに、スワール成分が弱まるようになる。
【0039】
一方、エンジン1の他側面(図の右側の側面)には、燃焼室6から既燃ガスを排出する排気通路28が接続されている。この排気通路28の上流端部は、各気筒2毎に分岐して排気ポート14に連通する排気マニホルド29からなり、該排気マニホルド29の下流端は1つに集合して、この集合部に排気中の酸素濃度を検出する第1酸素濃度センサ30が配設されている。この第1酸素濃度センサ30は、その出力が理論空燃比を境にステップ状に反転するいわゆるλO2センサからなる。また、排気マニホルド29の集合部には、排気管31の上流端が接続されており、一方、この排気管31の下流端には、三元触媒32とリーンNOx触媒34とが接続され、さらに、該両触媒32,34の間の排気通路28に、前記第1酸素濃度センサ30と同じくλO2センサからなる第2酸素濃度センサ33が配設されている。
【0040】
そして、前記排気管31の上流側には、排気通路28を流れる排気の一部を吸気系に還流させるEGR通路35の上流端が分岐接続されており、このEGR通路35の下流端は前記スロットル弁22とサージタンク23との間の吸気通路20に接続され、その近傍には、電動モータにより開度が調節される電気式のEGR弁36が配設されている。
【0041】
前記上流側の三元触媒32は、詳しくは図示しないが、コージェライト製のハニカム状担体の壁面上に内側触媒層と外側触媒層との2層の触媒層を形成したもので、その内側触媒層には、例えばアルミナ及びセリアをサポート材としてパラジウムPd等の貴金属が担持されている一方、外側触媒層には、白金やロジウムがセリアをサポート材として担持されている。
【0042】
また、前記下流側のリーンNOx触媒34は、排気中の酸素濃度が高い酸素過剰雰囲気(例えば酸素濃度が4%以上の状態)で排気中のNOxを吸収する一方、酸素濃度が例えば1〜2%未満になると、吸収したNOxを放出しかつ還元浄化するNOx吸収還元型のものである。この触媒34も前記三元触媒32と同様の2層構造のものであり、内側触媒層には、白金とNOx吸収材であるバリウムとがアルミナ及びセリアをサポート材として担持されている一方、外側触媒層には、白金及びロジウムとバリウムとがゼオライトをサポート材として担持されている。
【0043】
前記リーンNOx触媒34によるNOxの浄化性能は、例えば図2に示すような温度依存性を有する。即ち、リーンNOx触媒34はその温度状態が200°C以下のときには未活性であり、温度上昇とともにNOx浄化性能が高くなって、約250〜400°Cくらいの範囲において高い浄化性能が得られるようになる。また、酸素過剰雰囲気であれば、図に実線で示すように、温度状態が400°C以上になると、NOx浄化性能は再び低下する。一方、排気が略理論空燃比に対応する状態であれば、リーンNOx触媒34は三元触媒32と同様の作用を有し、図に破線で示すように、約250°C以上の温度状態において極めて高いNOx浄化性能を発揮する。
【0044】
前記の如き2つの触媒32,34の配置構成により、エンジン1が理論空燃比近傍で運転されるときには、該両触媒32,34が三元浄化機能を発揮し、排気中のHC、CO及びNOxが反応して、略完全に浄化される。一方、エンジン1が空燃比のリーンな状態で運転されるときには、前記両触媒32,34により排気中のHC及びCOが浄化されるとともに、排気中のNOxはリーンNOx触媒34により吸収されて、除去される。
【0045】
前記点火回路10、インジェクタ12、スロットル弁22のモータ、スワール制御弁26のアクチュエータ、EGR弁36のアクチュエータ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。一方、このECU40には、少なくとも、前記クランク角センサ8、水温センサ9、エアフローセンサ21、スロットル開度センサ24、吸気圧センサ25及び酸素濃度センサ30,33の各出力信号が入力され、加えて、アクセルペダルの開度を検出するアクセル開度センサ37の出力信号と、図示しないが、吸気温度を検出する吸気温センサ、大気圧を検出する大気圧センサ等の各出力信号とが入力される。
【0046】
(エンジン制御の概要)
前記ECU40は、エンジン出力に関係する制御パラメータとして、インジェクタ12による燃料噴射量及び噴射時期、スロットル弁22により調節される吸入空気量、スワール制御弁26により調節される吸気スワール強さ、EGR弁36により調節される排気の還流割合等をそれぞれエンジン1の運転状態に応じて制御するものである。そして、エンジン1は、暖機後であれば、その運転状態に応じてインジェクタ12による燃料噴射形態が切替えられて、成層燃焼状態か均一燃焼状態かのいずれかで運転されるようになっている。
【0047】
具体的には、図3にエンジン暖機後の制御マップの一例を示すように、エンジン負荷とエンジン回転速度Nとにより規定されるエンジン1の全運転領域のうち、低回転低負荷側の所定領域が成層燃焼領域(イ)とされている。すなわち、エンジン負荷として例えばエアフローセンサ21の出力値及びエンジン回転速度N等から求められる正味平均有効圧を用い、全負荷の半分くらいまでの負荷状態であり、かつエンジン回転速度Nが許容最高回転速度の約1/2以下であれば、エンジン1が成層燃焼領域(イ)にあると判定する。
【0048】
そして、その成層燃焼領域(イ)では、図4(a)に模式的に示すように、インジェクタ12により気筒2の圧縮行程中期以降、即ち例えば図に矢印で示すBTDC120°CA〜BTDC35°CAのクランク角期間において燃料を一括して噴射させて、点火プラグ11の近傍に混合気が偏在する成層状態で燃焼させる成層燃焼状態とする。一方、前記成層燃焼領域(イ)よりも高回転ないし高負荷側の領域(ロ)(ハ)は、いずれも均一燃焼領域とされており、図4(b),(c)に示すように、インジェクタ12により気筒2の吸気行程で燃料を噴射させて吸気と十分に混合し、燃焼室6に均一な混合気を形成した上で燃焼させる均一燃焼状態になる。
【0049】
また、例えば車両の減速開始時のように、エンジン1が無負荷ないしマイナス負荷の状態にあって、かつエンジン回転速度Nが燃料カット制御を開始する所定回転速度以上のときには、その後にエンジン回転速度Nが降下して、予め設定した復帰回転速度N1になるまでの間、即ちエンジン1が図3の運転領域(ニ)にあるとき、各気筒2のインジェクタ12による燃料の噴射を一時的に停止させる燃料カット制御を行うようにしている。
【0050】
さらに、スロットル弁22の制御としては、基本的にはアクセル開度とエンジン回転速度Nとに基づいて、所要のトルク特性が得られるようにスロットル開度を調節するのであるが、エンジン1を成層燃焼状態とするときには、ポンプ損失を低減するためにスロットル弁22を相対的に大きく開くようにしており、このときの筒内空燃比は例えばA/F=約30〜140と極めてリーンな状態になる。
【0051】
特に、エンジン1が均一燃焼状態の領域(ロ)にあるときには、筒内空燃比が略理論空燃比(A/F=14.7)になるようにスロットル開度を制御する(以下、この領域をλ=1領域という)。また、このλ=1領域(ロ)の高負荷ないし高回転側に隣接する領域(ハ)では、筒内空燃比が理論空燃比よりもややリッチ(例えばA/F=13〜14)になるよう、燃料噴射量を増量補正して、高負荷に対応した大出力が得られるようにする(以下、この領域をエンリッチ領域という)。加えて、前記燃料カット制御が行われるときにはスロットル弁22は閉じて、エンジンブレーキの利きを高め、かつ空気の流通による触媒32、34の冷却を抑制するようにしている。
【0052】
尚、前記図3に斜線を入れて示す領域では、EGR弁36を開弁させて、EGR通路35により排気の一部を吸気通路20に還流させるようにしており、このことで、燃焼最高温度を適度に低下させて、NOxの生成を抑制することができる。また、エンジン冷間時には、燃焼安定性を確保するためにエンジン1を前記運転領域(イ)(ロ)(ハ)の全てで均一燃焼状態にさせるようにしている。
【0053】
前記のようなインジェクタ12及びスロットル弁22の作動制御は、いずれもECU40のROMに電子的に格納された制御プログラムがCPUにより実行されることで、実現される。すなわち、前記したインジェクタ12及びスロットル弁22の作動制御の手順により、エンジン1が低回転低負荷側の成層燃焼領域(イ)にあるときに、筒内空燃比を理論空燃比よりもリーンになるように制御する一方、λ=1領域(ロ)やエンリッチ領域(ハ)では、筒内空燃比を略理論空燃比ないしそれよりもリッチになるように切替えて制御する筒内空燃比制御部40aがソフトウエア的に構成されている。
【0054】
また、前記の如く、エンジン1の減速運転時に所定条件下でインジェクタ12による燃料噴射を停止させるという制御手順により、ソフトウエア的に燃料カット制御部40bが構成されている。
【0055】
さらに、この参考形態では、前記したような基本的な制御に加えて、前記リーンNOx触媒34の浄化性能を安定して発揮させるために、この触媒34におけるNOx吸収量を推定し、NOxの吸収により触媒34のNOx吸収量が飽和する前に、排気の空燃比状態を略理論空燃比になるように制御して、該触媒32に吸収されているNOxを放出させかつ還元浄化するようにしている(以下、強制的なNOxパージともいう)。
【0056】
また、前記リーンNOx触媒34における推定NOx吸収量が前記触媒34の飽和の判定基準(後述の第1設定量S1)よりも少ない設定量(後述の第2設定量S2)以上になったとき、或いは、該リーンNOx触媒34やその上流側の三元触媒32の温度状態が低下して、排気浄化性能の低下する低温状態になったときには、前記燃料カット制御が終了して、エンジンが成層燃焼領域(イ)に移行したときに、その燃料復帰のタイミングを利用して、前記強制的なNOxパージと同様に排気の空燃比状態をリッチ化させることで、触媒32,34による排気浄化性能を確保するようにしている。
【0057】
言い換えると、前記ECU40には、前記触媒32,34による排気浄化性能が低下する所定の低温状態であることを判定するとともに、リーンNOx触媒34におけるNOx吸収材のNOx吸収量が設定量以上であることを判定する触媒浄化状態判定部40c(触媒低温状態判定手段、NOx吸収状態判定手段)と、その触媒浄化状態判定部40cにより触媒32,34の排気浄化性能が低下していると判定されたときに、前記燃料カット制御からの復帰のタイミングを利用して、排気の空燃比状態をリッチ化させる排気空燃比制御部40dとが設けられている。
【0058】
(空燃比制御の手順)
以下に、前記ECU40によるエンジン1の空燃比制御の処理手順について、具体的に図5のフローチャート図に基づいて説明する。
【0059】
まず、スタート後のステップSA1において、クランク角センサ8、水温センサ9,エアフローセンサ21、アクセル開度センサ35等の各種センサ信号を入力するとともに、ECU40のメモリから各種データを読み込む。続いて、ステップSA2では、排気の空燃比状態をリッチ化補正する期間であることを示すリッチタイマがセットされているかどうか判定し、この判定がNOならば、ステップSA7に進む一方、判定がYESならばステップSA3に進んで、エンジン1の筒内空燃比が略理論空燃比になるように、気筒2の吸気行程で燃料を噴射させる(λ≦1吸気行程噴射)。
【0060】
続いて、ステップSA4において、エンジン1の運転状態に応じて、エンジン1の筒内空燃比が略理論空燃比になるように、スロットル弁22の開度を制御する(λ≦1スロットル制御)。つまり、リッチタイマがセットされている間、負荷状態や回転速度Nに拘わらず、エンジン1を筒内空燃比の相対的にリッチな均一燃焼状態で運転する。尚、この際、エンジン1の出力トルクが大きく変化しないように、例えば筒内空燃比をリッチ側に変化させるときに、点火時期を一時的に遅角側に補正するようにする(点火リタード)。
【0061】
続いて、ステップSA5において、触媒32,34の温度状態を推定する。詳しくは、2つの触媒32,34のうち、相対的に温度状態の低くなるリーンNOx触媒34の温度状態Tcatを推定するが、この触媒温度Tcatの推定は、例えばエンジン水温とエンジン1の運転履歴とに基づいて行うようにすればよい。続いて、ステップSA6において、今度はリーンNOx触媒34におけるNOx吸収量Snoxを推定し、しかる後にリターンする。前記NOx吸収量の推定方法としては、例えば、車両の走行距離やエンジン1の運転時間とその間の燃料の総噴射量とを積算し、その積算値に基づいて、NOx吸収量を推定するようにすればよい。
【0062】
また、前記ステップSA2において、リッチタイマがセットされていないNOと判定して進んだステップSA7では、燃料カット制御を行う条件が成立しているかどうか判定する(領域(ニ)?)。すなわち、例えば、エンジン回転速度Nが予め設定した燃料カット制御の開始回転速度以上であり、かつアクセルペダルの操作量が零であれば、燃料カット制御を行う領域(ニ)にあるYESと判定して、ステップSA8に進み、インジェクタ12による燃料の噴射を停止させる。続いて、ステップSA9においてスロットル弁22を略全閉状態とさせ、その後、前記したステップSA5に進む。
【0063】
このように、燃料カット制御中にスロットル弁22を閉じることで、エンジンブレーキの利きが高まるとともに、触媒32,34への空気の流通量が可及的に少なくなり、よって、該触媒32,34の温度状態が低くなることを抑制できる。
【0064】
これに対し、前記ステップSA7における判定がNOで、エンジン1が領域(ニ)になければ、ステップSA10に進み、今度は、ちょうど燃料カット制御を終了して、インジェクタ12による燃料の噴射供給を再開させるとき、即ち燃料復帰のタイミングかどうか判定する。具体的には、燃料カット制御が行われていてかつアクセルペダルが踏み込まれたか、或いはエンジン回転速度Nが所定の復帰回転速度N1(図3参照)になったときに、YESと判定して、ステップSA16に進む一方、判定がNOであれば、ステップSA11に進む。
【0065】
このステップSA11では、エンジン1がλ=1領域(ロ)ないしエンリッチ領域(ハ)のいずれかにあるかどうか判定し、判定がYESでエンジン1が領域(ロ)(ハ)のいずれかにあるときには、前記したステップSA3に進み、λ=1領域(ロ)であれば、筒内空燃比が略理論空燃比になるように、また、エンリッチ領域(ハ)であれば、理論空燃比よりもリッチになるように、それぞれ気筒2の吸気行程で燃料を噴射させる。続いて、前記したステップSA4〜SA6の制御手順を実行して、しかる後にリターンする。
【0066】
つまり、エンジン1がλ=1領域(ロ)やエンリッチ領域(ハ)にあるときには、エンジン1の運転状態に応じて、インジェクタ12による燃料噴射量と吸入空気量とを制御して、筒内空燃比を出力と排気の清浄化とのバランスにおいて適切な状態に維持するようにしている。このとき、排気の空燃比状態は略理論空燃比に対応する状態ないしそれよりもリッチな状態になるので、自ずと、リーンNOx触媒34に吸収されていたNOxが放出されて、還元される。
【0067】
一方、前記ステップSA11の判定がNOであれば、エンジン1は成層燃焼領域(イ)にあるということになるが、このときには、続くステップSA12において前記ステップSA6にて推定したリーンNOx触媒34におけるNOx吸収量Snoxを予め設定した第1設定量S1と比較する。この第1設定量S1は、リーンNOx触媒34のNOx吸収量が飽和する少し手前の状態に対応するように設定されており、従って、Snox≧S1であれば強制的なNOxパージを行う必要があるので、ステップSA15に進む一方、Snox<S1であれば、即ち、触媒34のNOx吸収量に余裕があれば、ステップSA13に進んで、インジェクタ12により燃料を、成層燃焼状態になるように気筒2の圧縮行程で噴射させる(成層圧縮行程噴射)。続いて、ステップSA14において、成層燃焼状態に対応して、筒内空燃比がリーンになるように、スロットル弁22の開度を制御し(λ>1スロットル制御)、その後、前記ステップSA5に進む。
【0068】
また、前記ステップSA12においてYESと判定して進んだステップSA15では、強制的なNOxパージのために排気の空燃比状態をリッチ化させる時間T1をリッチタイマにセットし、前記ステップSA3に進んで、エンジン1の筒内空燃比が略理論空燃比になるように、気筒2の吸気行程で燃料を噴射させる。続いて、前記の時間T1が経過するまで、ステップSA4〜SA6の制御手順を実行して、しかる後にリターンする。尚、前記時間T1は、排気の空燃比が略理論空燃比に対応する状態のときに、リーンNOx触媒34に吸収されているNOxが略全部放出されるのに要する時間に対応するものである。
【0069】
つまり、エンジン1が成層燃焼領域(イ)にあるときに通常は成層燃焼状態となるように制御する一方、リーンNOx触媒34のNOx吸収量が飽和しそうなときには、強制的なNOxパージを行うようにしており、このことで、低回転低負荷域における燃費率の改善とNOx浄化性能の確保とを両立することができる。
【0070】
さらにまた、前記ステップSA10において、燃料カット制御からの復帰のタイミングであるYESと判定して進んだステップSA16では、前記ステップSA5にて推定した推定触媒温度Tcatを予め設定した設定温度Tcat1と比較する。この設定温度Tcat1は、リーンNOx触媒34による排気浄化性能が低下する所定の低温状態として、約200°〜約250°Cの間に設定されており、従って、Tcat≦Tcat1であれば、排気温度を高めて、触媒32,34の昇温を促進すべく、ステップSA18に進む一方、Tcat>Tcat1であれば、ステップSA17に進む。
【0071】
このステップSA17では、今度はリーンNOx触媒34におけるNOx吸収量Snoxが前記第1設定量S1よりも少ない第2設定量S2以上かどうか判定する。この第2設定量S2は、燃費率の低減とNOx浄化性能の確保との均衡上、復帰時のNOxパージを行う方が好ましいという境界的な意味を持つように設定されており、Snox≧S2で判定がYESであれば、NOxパージを行うべく、ステップSA18に進む一方、Snox<S2であれば、前記したステップSA11に進む。
【0072】
そして、ステップSA18において、前記ステップSA16から進んだときには推定触媒温度Tcatに見合うように、また、ステップSA17から進んだときには触媒34におけるNOx吸収量Snoxに見合うように、それぞれ、筒内空燃比をリッチ化補正する時間T2をリッチタイマにセットする。続いて、前記したステップSA3に進み、エンジン1の筒内空燃比が略理論空燃比になるように、インジェクタ12により気筒2の吸気行程で燃料を噴射させ、続いて、前記したステップSA4〜SA6の制御手順を実行して、しかる後にリターンする。
【0073】
つまり、リーンNOx触媒34の温度状態が低下して、排気浄化性能の低下する低温状態になっているか、或いは該リーンNOx触媒34におけるNOx吸収量がある程度多くなっていれば、エンジン1の燃料カット制御からの復帰のタイミングを利用して、排気の空燃比状態をリッチ化させることにより、触媒32,34による排気浄化性能を確保するようにしている。
【0074】
前記図5に示すフローのステップSA3,SA4,SA13,SA14が筒内空燃比制御部40aに対応し、また、ステップSA8が燃料カット制御部40bに対応し、さらに、ステップSA16,SA17が触媒浄化状態判定部40cに対応している。
【0075】
また、前記ステップSA16,SA17のいずれかにおいてYESと判定されて、ステップSA3に進むという制御手順が、触媒32,34が所定の低温状態であるか、或いはリーンNOx触媒34の推定NOx吸収量が第2設定量S2以上の場合に、エンジン1が燃料カット状態から成層燃焼領域(イ)に復帰したとき、排気の空燃比状態を略理論空燃比になるように制御する排気空燃比制御部40dに対応している。
【0076】
さらに、ステップSA4,SA9,SA14により、アクセル操作量とエンジン1の運転状態とに応じて、スロットル弁22の開度を制御するとともに、前記燃料カット制御部40bによる燃料カット制御の実行中は、スロットル弁22を閉じるスロットル開度制御部40eが構成されている。
【0077】
さらにまた、前記の如くステップSA16,SA17のいずれかにおいてYESと判定されて、ステップSA3,SA4に進んだときには、仮にアクセル操作量が零であれば、エンジン1はアイドル運転状態に復帰することになり、また、均一燃焼状態であるから、スロットル弁22は燃料カット制御の実行中と同様に略全閉状態に維持されることになる。すなわち、このときのスロットル弁22の開度は、通常の成層燃焼状態でのアイドル運転時と比較して、相対的に小さくなり、従って、前記ステップSA16,SA17からステップSA3,SA4に進むという制御手順により、前記排気空燃比制御部40dによる筒内空燃比のリッチ化補正制御が行われるときに、アクセル操作量が零であれば、前記スロットル開度制御部40eによるスロットル弁22の開作動制御を規制するスロットル弁開作動規制部40fが構成されている。
【0078】
参考形態の作用効果)
次に、前記参考形態の作用効果を説明する。
【0079】
前記の如きECU40によるエンジン1の筒内空燃比の制御により、まず、エンジン1が低回転低負荷側の成層燃焼領域(イ)にあるとき、通常は、インジェクタ12により燃料が主に気筒2の圧縮行程中期以降で噴射されて、成層燃焼状態となり、ポンプ損失等の少ない燃費効率に優れた運転状態となる。この際、排気の空燃比状態が筒内空燃比と同じく極めてリーンな状態になるが、排気中のNOxはリーンNOx触媒34に吸収され、大気中へのNOxの排出は十分に低減される。
【0080】
そして、エンジン1の前記成層燃焼領域(イ)での燃焼が継続して、触媒34におけるNOxの吸収量が徐々に増大すると、そのことによって触媒34のNOx吸収容量が減少し、該触媒34のNOx吸収能力が徐々に低下することになる。これに対し、図6に一例を示すように、触媒34におけるNOx吸収量Snoxが第1設定量S1になれば、強制的なNOxパージが行われて、触媒34のNOx吸収量が飽和する前にNOxが放出されて、還元浄化される。
【0081】
一方、エンジン1が均一燃焼領域(ロ)(ハ)にあるときには、インジェクタ12により燃料が主に気筒2の吸気行程で噴射されて、均一燃焼状態となり、高負荷に対応する高出力が得られるとともに、排気の空燃比が略理論空燃比ないしそれよりもリッチな状態になることで、自ずと触媒34に吸収されていたNOxが放出されて、還元浄化される。
【0082】
ここで、車両の走行に伴い、例えば図7に示すようにエンジン回転速度Nが変化するときの、触媒34におけるNOx吸収量Snoxの変化について、具体的に説明する。まず、エンジン1がアイドル運転状態にあるときには(〜t1)、NOxの生成量が比較的少なく、また、排気の流通量も少ないことから、触媒34におけるNOx吸収量Snoxは緩やかに増大する。続いて、エンジン1が例えば加速運転状態になり、均一燃焼モードで運転されるようになると(t1〜t2)、排気の空燃比が略理論空燃比ないしそれよりもリッチな状態になるので、触媒34に吸収されたNOxが放出されて、還元浄化される。
【0083】
続いて、エンジン1が成層燃焼領域(イ)の高回転側で一定速度で運転される間(t2〜t3)、触媒34のNOx吸収量は急速に増大するが、その後、エンジン減速運転中の燃料カット状態では(t3〜t4)、NOx吸収量は変化しない(t3〜t4)。また、この燃料カット状態では、触媒32,34を流通する空気によって該触媒32,34が冷やされることを抑制するために、スロットル弁22が略全閉状態にされるが、それでも、触媒32,34の温度状態は徐々に低下することになる。
【0084】
そして、例えば、アクセルペダルが踏み込まれたとき、或いはエンジン回転速度Nが復帰回転速度N1になったとき、即ち、図8に模式的に示すように、燃料カット制御を終了して、エンジン1が成層燃焼状態に移行したときに(t=t4)、触媒32,34が低温状態にあるか(Tcat≦Tcat1)或いはリーンNOx触媒34のNOx吸収量がある程度多い状態であれば(Snox≧S2)、エンジン1は一時的に均一燃焼状態とされかつ筒内空燃比がリッチ化補正される。このことで、排気温度が高められて、触媒32,34の昇温が促進されるとともに、排気の空燃比状態がリッチ化とされて、リーンNOx触媒34のNOxパージが行われる。
【0085】
この結果、その後、エンジン1が通常の成層燃焼状態に切替えられて、筒内空燃比の極めてリーンな運転状態になっても(t4〜t5)、このときには触媒34のNOx吸収能力が十分に回復しているので、排気中のNOxを十分に吸収して、大気中へのNOx排出量を低減することができる。しかも、元々、燃料噴射形態の変化する燃料復帰のタイミングで、前記の筒内空燃比のリッチ化補正を行うようにしており、さらに、点火時期の遅角補正等も行われるので、エンジン1の出力トルクが若干、変化しても、運転者が違和感を覚えることは少ない。
【0086】
続いて、エンジン1が再び燃料カット状態になった後に(t5〜t6)、再度、一定速度でのリーン運転状態に復帰したときにも(t=t6)、触媒34が低温状態ないしNOx吸収量のある程度多い状態であれば、前記と同様に筒内空燃比のリッチ化補正が行われて、触媒32,34の排気浄化性能が高められる。
【0087】
ここで、仮に、前記したような復帰時のNOxパージを行わないようにした場合、触媒34におけるNOx吸収量の変化は、前記図7に仮想線で示すようになり、復帰時のNOxパージを行うようににした場合(実線のグラフ)と比べて、特にt4〜t7 の期間において平均的にNOx吸収量Snoxの多い状態、即ちNOx吸収能力の低い状態になってしまう。
【0088】
また、復帰時のNOxパージを行わないようにした場合、前記図7に示すように、エンジン1が低速の定常運転状態にあるときに触媒34におけるNOx吸収量Snoxが第1設定量S1に達して(t=t7)、強制的なNOxパージが行われることになり、本来、エンジン1の出力が変化しない状況で運転者の操作とは無関係に、強制的にエンジン1の燃焼状態や筒内空燃比が切換えられることになるので、このときのトルクの変動がたとえ小さなものであっても、運転者が違和感を感じることは避けられない。
【0089】
これに対し、この参考形態の燃料制御装置Aによれば、上述の如く、エンジン1が燃料カット状態から成層燃焼状態に復帰する燃料復帰のタイミングを利用して、本来ならば排気の空燃比状態がリーンになる成層燃焼領域(イ)において、一時的に排気の空燃比状態をリッチ化させ、触媒32,34の昇温促進やNOxパージを行うようにしているので、該触媒32,34による排気浄化性能を確保しながら、成層燃焼領域(イ)における強制的なNOxパージの頻度を下げることができ、よって、全体的な燃費の改善と違和感の軽減による運転フィーリングの向上とを実現できる。
【0090】
加えて、そのような筒内空燃比のリッチ化補正を、触媒32,34が排気浄化性能の低い低温状態にあるときや、リーンNOx触媒34におけるNOx吸収量Snoxがある程度多いときにのみ行うようにしているので、この燃料復帰時の筒内空燃比のリッチ化補正は必要以上に頻繁に行われることはなく、このことによっても燃費率の改善が図られる。
【0091】
(変形例)
図9は、前記参考形態の変形例を示し、この変形例では、エンジン1の燃料カット制御が行われているときに、その継続時間を計測し、この燃料カット制御の継続時間が長いときに、原則として、燃料復帰タイミングを利用して、排気空燃比状態のリッチ化を行うようにしたものである。
【0092】
具体的に、図9のフローのステップSB1〜SB9では、前記図5に示すフローのステップSA1〜SA9と同じ制御手順を実行する。そして、続くステプSB10において、ECU40のタイマにより燃料カット制御の継続時間Δtを計測する。また、ステップSB11において燃料カット制御からの復帰でないNOと判定された場合、ステップSB12〜SB16において前記フローのステップSA11〜SA15と同じ制御手順を実行する。
【0093】
さらに、前記ステップSB11において、燃料カット制御からの復帰であるYESと判定されたときには、ステップSB17に進んで、燃料カット制御の継続時間Δtが予め設定した時間Δt*以上になったかどうか判定する。この判定がNOならばステップSB12に進む一方、判定がYESであればステップSB18に進んで、今度は、推定触媒温度Tcatが予め設定した高温状態の判定基準温度Tcat2(例えば400°C)以下かどうか判別する。
【0094】
そして、Tcat>Tcat2でNOあれば、リーンNOx触媒34の温度状態がかなり高く、排気の空燃比状態をリッチ化すると、そのことによってNOx吸収性能が低下する虞れがあるので、このときにはステップSB12に進む一方、Tcat≦Tcat2であれば、ステップSB19〜SB3,SB4に進んで、前記ステップSA3,SA4と同じく、筒内空燃比のリッチ化補正を行う。
【0095】
すなわち、燃料カット制御の継続時間が長いということは、そのことによって触媒32,34が冷却されるということであり、また、燃料カット制御が開始されたときのエンジン回転速度Nが相対的に高く、触媒32,34の空気流通量が多いということでもあるから、このときにはその燃料カット制御により触媒32,34が冷却されて、該触媒32,34の温度状態がかなり低くなると考えられる。
【0096】
そこで、この変形例では、燃料カット制御の継続時間を計測し、この時間Δtが設定時間Δt*以上のときには、燃料の復帰のタイミングを利用して、排気の空燃比状態をリッチ化させることにより、運転者の違和感を軽減しながら、触媒32,34の温度状態を高めて、排気浄化性能の低下を防止するようにしている。
【0097】
但し、燃料カット制御の継続時間Δtが長くても、例えば燃料カット制御の開始時点で触媒32,34が過熱気味であるような場合、燃料カット制御の終了時点で触媒32,34が浄化性能の低下する低温状態になることはないので、このときには前記の空燃比のリッチ化は行わないようにしている。
【0098】
前記図9に示すフローのステップSB17により、エンジン1の燃料カット制御の継続時間Δtが設定時間Δt*以上になったことを判定する継続時間判定部40gが構成されている。そして、この変形例においては、排気空燃比制御部40dは、前記継続時間判定部40gにより燃料カット制御の継続時間Δtが設定時間Δt*以上と判定された場合に、その燃料カット制御が終了して、エンジン1が成層燃焼領域(イ)に移行したとき、筒内空燃比をリッチ化補正するように構成されている。
【0099】
(実施形態)
次に実施形態について説明する。この実施形態に係る制御装置Aの構成は概ね上述した参考形態及びその変形例と同じなので、異なる部分についてのみ説明する。この実施形態では、上述した参考形態等と同じく燃料カット制御からの復帰のタイミングに合わせて、筒内空燃比をリッチ化補正するのであるが、これに先立って燃料カット制御の実行中に、エンジン回転速度Nが復帰回転速度N1よりも高い設定回転速度まで低下したとき、燃料カット制御は継続しながら、一方で、スロットル弁22を開作動させるようにしたものである。
【0100】
このようにすれば、続いてエンジン回転速度Nが復帰回転速度N1まで低下したとき、即ち燃料カット制御を終了して、エンジン1がアイドル運転状態になるときに、燃焼室6への吸入空気量を十分に増大させることができ、この状態で前記のように燃料の追加噴射等を行って空燃比をリッチ化することで、触媒32,34に高温の排気を多量に供給して、その温度状態を速やかに高めることができる。また、同時に、リーンNOx触媒34に対するHC、COの供給量を十分に増大させることができ、このことで、NOxパージも極めて効果的に行える。
【0101】
(他の実施形態)
尚、本発明の構成は、前記実施形態に限定されるものではなく、その他の種々の構成をも包含するものである。すなわち、前記実施形態では、排気の空燃比状態をリッチ化させるために、エンジン1の筒内空燃比を理論空燃比(A/F=14.7)になるように制御するようにしているが、これに限らず、筒内空燃比を理論空燃比よりもリッチ(例えば、A/F=12〜14)になるように制御するようにしてもよい。
【0102】
また、排気の空燃比状態をリッチ化させる際に、インジェクタ12により燃料を気筒2の膨張行程ないし排気行程で追加噴射させるようにしてもよい。このようにすれば、エンジン1の出力トルクの変動を最小限に抑えながら、排気の空燃比状態を確実にリッチ化することができる上に、気筒2の膨張行程等に追加噴射された燃料は、その一部が後燃えしたり、或いは排気通路28内で排気中の酸素と反応したりするので、触媒34の温度状態を極めて効果的に高めることができる
【0103】
また、前記実施形態では、エンジン1の排気通路28において上流側に三元触媒32を、その下流側にリーンNOx触媒34を配置しているが、これに限るものではなく、上流側にリーンNOx触媒を配置し、その下流側に三元触媒を配置するようにしてもよい。或いは、リーンNOx触媒34のみを配置するようにしてもよい。また、リーンNOx触媒34としては、前記実施形態のようなNOx吸収還元型のものに限らず、NOx吸収材を有するNOx吸収タイプのものであればよい。
【0104】
また、前記実施形態では、本発明に係る燃料制御装置を火花点火式直噴エンジン1に適用しているが、これに限るものではない。すなわち、本発明は、エンジンの吸気ポートに燃料を噴射するようにインジェクタを配設したいわゆるポート噴射式の火花点火式エンジンにも適用可能であり、また、ディーゼルエンジンに適用することもできる。さらに、これらのエンジンを、走行用の電気モータと組み合わせて、いわゆるハイブリッド方式のパワートレインとすることも可能である。
【0105】
【発明の効果】
以上、説明したように、請求項1の発明に係るエンジンの燃料制御装置によると、排気の温度状態が相対的に低くなるリーン運転領域を有し、かつ所定条件下で燃料カット制御の行われるエンジンにおいて、特に前記燃料カット制御の実行中に触媒が冷却されることに着目し、この燃料カット制御を終了して、エンジンが前記リーン運転領域に移行したときに、触媒が浄化性能の低い低温状態になっていれば、燃料供給を再開する復帰のタイミングを利用して、排気の空燃比状態をリッチ化させることにより、運転者の違和感を軽減しながら、触媒の温度状態を高めて排気浄化性能の低下を防止することができる。
【0106】
また、請求項2の発明に係るエンジンの燃料制御装置によると、排気が酸素過剰雰囲気となるリーン運転領域を有し、かつ所定条件下で燃料カット制御の行われるエンジンにおいて、排気通路に設けたNOx吸収材が、NOx吸収量の増大に応じてNOx吸収能力の低下するものであることに着目し、燃料カット制御を終了して、エンジンが前記リーン運転領域に移行したときに、触媒に設定量以上のNOxが吸収されていれば、燃料供給を再開する復帰のタイミングを利用して、排気の空燃比状態をリッチ化させることにより、運転者の違和感を軽減しながら、前記NOx吸収材からNOxを放出させ、かつ還元浄化して、排気浄化性能の低下を防止することができる
【0107】
また、請求項3の発明に係るエンジンの燃料制御装置によると、燃料カット制御の継続時間が設定時間以上になったときに、この燃料カット制御を終了して燃料復帰するタイミングを利用して、排気の空燃比状態をリッチ化させることで、触媒の温度状態が燃料カット制御中に低下しても、燃料の復帰タイミングを利用して、直ちに触媒の温度状態を回復させる、即ち活性温度状態へ高めることができる。
【0108】
しかも、前記請求項1〜3のいずれかの発明によると、燃料カット制御の実行中はスロットル弁が閉じられることで、触媒の温度状態の低下が抑制されるとともに、その燃料カット制御を終了して、燃料の噴射供給を再開するときには十分な吸入空気量を確保して、触媒に高温の排気を多量に供給して、その温度状態を速やかに高めることができる。さらに請求項4の発明によると、気筒の膨張行程等で燃料の追加噴射を行うことにより、リッチ化に伴うトルク変動を十分に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の参考形態、実施形態に係るエンジンの燃料制御装置の全体構成図である。
【図2】 触媒の温度状態の変化に対するNOx浄化率の変化特性を、酸素過剰雰囲気(実線)と略理論空燃比に対応する状態(破線)とで対比して示す図である。
【図3】 エンジンの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4】 インジェクタによる燃料噴射の形態を模式的に示す図である。
【図5】 ECUによる空燃比制御の処理手順を示すフローチャート図である。
【図6】 成層燃焼モードが継続して、強制的なNOxパージが行われるときの触媒のNOx吸収量の変化を示すタイムチャート図である。
【図7】 エンジンの運転状態が種々、変化するときのエンジン回転速度N、排気の空燃比状態及び触媒のNOx吸収量の変化を互いに対比して示すタイムチャート図である。
【図8】 燃料カット制御からの復帰を模式的に示す説明図である。
【図9】 変形例に係る図5相当図である。
【符号の説明】
A エンジンの燃料制御装置
1 エンジン
2 気筒
6 燃焼室
32 三元触媒
34 リーンNOx触媒
40 コントロールユニット(ECU)
40a 筒内空燃比制御部(筒内空燃比制御手段)
40b 燃料カット制御部(燃料カット制御手段)
40c 触媒浄化状態判定部(触媒低温状態判定手段、NOx吸収状態判定手段)
40d 排気空燃比制御部(排気空燃比制御手段)
40e スロットル開度制御部(スロットル開度制御手段)
40f スロットル弁開作動規制部(スロットル弁開作動規制手段)
40g 継続時間判定部(継続時間判定手段)

Claims (4)

  1. 少なくとも排気の空燃比状態が理論空燃比に対応する状態のときに三元浄化機能を発揮する触媒と、
    少なくともエンジンが低回転低負荷側の所定領域にあるときに、気筒内燃焼室における点火前の平均的な空燃比である筒内空燃比を、理論空燃比よりもリーンになるように制御する筒内空燃比制御手段と、
    エンジンの減速運転時に所定条件下で、前記燃焼室への燃料供給を強制的に停止させる燃料カット制御を行う燃料カット制御手段とを備えたエンジンの燃料制御装置において、
    前記燃料カット制御手段は、エンジン回転速度が所定の復帰回転速度以下になったときに燃料カット制御を終了するものであり、
    前記触媒による排気浄化性能が低下する所定の低温状態であることを判定する触媒低温状態判定手段と、
    前記燃料カット制御手段により燃料カット制御が行われるときに、吸気通路のスロットル弁を閉じるとともに、前記触媒低温状態判定手段により触媒が低温状態であると判定された場合には、エンジン回転速度が前記復帰回転速度よりも高い設定回転速度まで低下したときに、前記燃料カット制御の実行中であってもスロットル弁を開作動させるスロットル開度制御手段と、
    前記触媒低温状態判定手段により触媒が前記低温状態であると判定され、かつ、前記燃料カット制御手段による燃料カット制御が終了して、エンジンが前記所定領域に移行したとき、前記スロットル弁の開作動によって流量の増大した排気の空燃比状態を理論空燃比に対応する状態ないしそれよりもリッチになるように制御する排気空燃比制御手段とを備えていることを特徴とするエンジンの燃料制御装置。
  2. 酸素過剰雰囲気の排気中の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吸収材と、
    少なくとも排気の空燃比状態が理論空燃比に対応する状態のときに三元浄化機能を発揮する触媒と、
    少なくともエンジンが低回転低負荷側の所定領域にあるときに、気筒内燃焼室における点火前の平均的な空燃比である筒内空燃比を、理論空燃比よりもリーンになるように制御する筒内空燃比制御手段と、
    エンジンの減速運転時に所定条件下で、前記燃焼室への燃料供給を強制的に停止させる燃料カット制御を行う燃料カット制御手段とを備えたエンジンの燃料制御装置において、
    前記燃料カット制御手段は、エンジン回転速度が所定の復帰回転速度以下になったときに燃料カット制御を終了するものであり、
    前記NOx吸収材のNOx吸収量が設定量以上であることを判定するNOx吸収状態判定手段と、
    前記NOx吸収状態判定手段によりNOx吸収量が設定量以上であると判定され、かつ、前記燃料カット制御手段による燃料カット制御が終了して、エンジンが前記所定領域に移行したとき、排気の空燃比状態を理論空燃比に対応する状態ないしそれよりもリッチになるように制御する排気空燃比制御手段と
    前記触媒による排気浄化性能が低下する所定の低温状態であることを判定する触媒低温状態判定手段と、
    前記燃料カット制御手段により燃料カット制御が行われるときに、吸気通路のスロットル弁を閉じるとともに、前記触媒低温状態判定手段により触媒が低温状態であると判定された場合には、エンジン回転速度が前記復帰回転速度よりも高い設定回転速度まで低下したときに、前記燃料カット制御の実行中であってもスロットル弁を開作動させるスロットル開度制御手段と、を備えていることを特徴とするエンジンの燃料制御装置。
  3. 少なくとも排気の空燃比状態が理論空燃比に対応する状態のときに三元浄化機能を発揮する触媒と、
    少なくともエンジンが低回転低負荷側の所定領域にあるときに、気筒内燃焼室における点火前の平均的な空燃比である筒内空燃比を、理論空燃比よりもリーンになるように制御する筒内空燃比制御手段と、
    エンジンの減速運転時に所定条件下で、前記燃焼室への燃料供給を強制的に停止させる燃料カット制御を行う燃料カット制御手段とを備えたエンジンの燃料制御装置において、
    前記燃料カット制御手段は、エンジン回転速度が所定の復帰回転速度以下になったときに燃料カット制御を終了するものであり、
    前記燃料カット制御手段による燃料カット制御の継続時間が設定時間以上になったことを判定する継続時間判定手段と、
    前記継続時間判定手段により燃料カット制御の継続時間が設定時間以上と判定された場合に、その燃料カット制御が終了して、エンジンが前記所定領域に移行したとき、排気の空燃比状態を理論空燃比に対応する状態ないしそれよりもリッチになるように制御する排気空燃比制御手段と、
    前記触媒による排気浄化性能が低下する所定の低温状態であることを判定する触媒低温状態判定手段と、
    前記燃料カット制御手段により燃料カット制御が行われるときに、吸気通路のスロットル弁を閉じるとともに、前記触媒低温状態判定手段により触媒が低温状態であると判定された場合には、エンジン回転速度が前記復帰回転速度よりも高い設定回転速度まで低下したときに、前記燃料カット制御の実行中であっても、スロットル弁を開作動させるスロットル開度制御手段とを備えていることを特徴とするエンジンの燃料制御装置。
  4. 請求項1〜3のいずれか1つにおいて、
    気筒内燃焼室に燃料を直接、噴射供給する燃料噴射弁が設けられ
    排気空燃比補正手段は、排気の空燃比状態が理論空燃比に対応する状態ないしそれよりもリッチになるように、前記燃料噴射弁により燃料を気筒の膨張行程ないし排気行程で追加噴射させるものであことを特徴とするエンジンの燃料制御装置
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