JP4433508B2

JP4433508B2 - 火花点火式直噴エンジンの制御装置

Info

Publication number: JP4433508B2
Application number: JP09380299A
Authority: JP
Inventors: 清孝間宮; 道宏今田; 健生山内; 雅之鐵野; 啓二荒木
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2019-03-31
Also published as: JP2000282916A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室に直接燃料を噴射するインジェクタを備えるとともに、酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸蔵し酸素濃度が減少するに伴ってＮＯｘを放出するＮＯｘ触媒をエンジンの排気通路に備えた火花点火式直噴エンジンの制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、燃焼室に直接燃料を噴射するインジェクタを備え、低負荷領域で燃費改善のため成層燃焼によるリーン運転を行なうようにした火花点火式直噴エンジンにおいて、酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸蔵し酸素濃度が減少するに伴ってＮＯｘを放出するＮＯｘ触媒を排気通路に設け、このＮＯｘ触媒でリーン運転時にもＮＯｘを浄化することは行われている。このようなＮＯｘ触媒を備える場合、適当な時期にＮＯｘ触媒からＮＯｘを放出させてＮＯｘ触媒をリフレッシュさせ、かつ、放出したＮＯｘを還元する必要があり、この触媒リフレッシュ及び放出ＮＯｘの還元のためには、排気の空燃比をリッチ化し、還元材としての排気中のＣＯ，ＨＣの量を増加させることが要求される。
【０００３】
低負荷側の成層燃焼領域で成層燃焼によるリーン運転を行なう一方、これより高負荷の均一燃焼領域で、空燃比を理論空燃比以下としつつ吸気行程で燃料を噴射して均一燃焼を行なわせるエンジンでは、少なくとも成層燃焼領域から均一領域へ移行する加速時に、空燃比がリッチ化されることによりＮＯｘ触媒のリフレッシュが図られる。また、成層燃焼モードでのリーン運転が持続してＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量が所定値以上に増加したとき、成層燃焼領域であっても所定時間だけ空燃比を理論空燃比以下にリッチ化してＮＯｘ触媒のリフレッシュを図るようにしたものも知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、成層燃焼燃焼モードから均一燃焼モードへ切り替わるとき、例えば成層燃焼領域から均一燃焼領域へ移行する加速時には、トルク調整のため、モード切り替わり時点でスロットル開度を小さくして吸気充填量を減少させることにより空燃比をリッチ化させるようにしているが、この際、スロットル開度を小さくする制御が行われてから実際に吸気充填量が減少するまでにかなりの遅れがあり、この遅れ期間中には吸気充填量が均一燃焼モードでの適正値より多い状態にある。この状態にある時、燃料噴射を吸気行程噴射に切り替えるとともに空燃比をリッチ化すべく燃料噴射量の増加させると、トルクの急変を生じる。
【０００５】
このため、燃料噴射の制御としては、上記遅れ期間中はリーン空燃比で圧縮行程噴射の状態を維持し、上記遅れ期間が経過して吸気充填量が充分に減少してから、理論空燃比以下で吸気行程噴射とする状態に切り替えるようにすることにより、トルクの急変を防止することが行われている。しかし、ＮＯｘ触媒のリフレッシュを図るという観点で見た場合、吸気充填量が減少してから空燃比をリッチ化するように制御するだけでは、ＮＯｘ触媒からＮＯｘを放出させ、かつ放出されたＮＯｘを還元する作用が必ずしも充分に得られない。
【０００６】
そこで、上記遅れ期間を利用して、ＮＯｘ触媒に導かれる排気ガス量が多い状態でその排気の空燃比をリッチ化すれば、ＮＯｘ触媒にＣＯ，ＨＣを多く供給することができ、触媒リフレッシュ及びＮＯｘの還元の促進が期待できる。
【０００７】
なお、触媒のリフレッシュ促進を図る技術として、例えば特開平１０−２７４０８５号公報に示されるように、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量が所定値以上で、かつ空燃比がリーンの運転状態にある時、成層燃焼のための主噴射に加え、膨張行程中に追加燃料を噴射させてＣＯを生成するようにしたものがある。また、特開平４−２３１６４５号公報に示されるように、主噴射に加えて微少量の副噴射を行なうことにより触媒にＨＣを供給するようにし、かつ、ＮＯｘ触媒の温度に応じて副噴射のタイミングを変えるようにしたものがある。
【０００８】
しかし、これら従来技術のいずれにも、成層燃焼モードから均一燃焼モードへの切り替わり時にスロットル開度変化に対する吸気充填量の変化の遅れ期間を利用して触媒のリフレッシュを図るという着想は見られない。
【０００９】
本発明は、上記の事情に鑑み、成層燃焼モードから均一燃焼モードへの切り替わり時において吸気充填量の変化の遅れ期間を有効に利用し、燃焼性を確保するとともにトルクの急変を防止しつつ、ＮＯｘ触媒からのＮＯｘの放出と放出されたＮＯｘの還元を促進する効果を高めることができる火花点火式直噴エンジンの制御装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、エンジンの排気通路に、酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸蔵し酸素濃度が減少するに伴ってＮＯｘを放出するＮＯｘ触媒を備えるとともに、燃焼室に直接燃料を噴射するインジェクタを備え、空燃比を理論空燃比より大きくしつつ圧縮行程で燃料を噴射する成層燃焼モードと空燃比を理論空燃比としつつ吸気行程で燃料を噴射する均一燃焼モードとに燃焼状態を変更可能とするとともに、成層燃焼モードから均一燃焼モードへの切り替わり時に吸気充填量を減少させるように吸気量調節手段を制御することにより空燃比を調整するようにした火花点火式直噴エンジンにおいて、上記成層燃焼モードから均一燃焼モードへの切り替わり時に、吸気充填量減少方向に吸気量調節手段が制御されてから実際の吸気充填量が均一燃焼モードでの適正値に減少するまでの時間だけ、インジェクタからの燃料噴射を吸気行程噴射に切り換える時期を遅延させる遅延手段と、この遅延手段による遅延期間中に、インジェクタから圧縮行程での燃料噴射に加えて膨張行程での燃料噴射を行なわせ、かつ、圧縮行程噴射による燃焼室内の空燃比は理論空燃比よりも大きくしつつ、圧縮行程噴射と膨張行程噴射とによる排気の空燃比は理論空燃比よりも小さい値となるように制御するモード切り替わり時制御手段とを備えたものである（請求項１）。
【００１１】
この装置によると、成層燃焼モードから均一燃焼モードへの切り替わり時に、吸気量調節手段の制御に対する吸気系の遅れにより実際の吸気充填量が均一燃焼モードでの適正値と比べて多い状態にある期間に、圧縮行程噴射と膨張行程噴射とが行われて、圧縮行程噴射による燃焼室内の空燃比がリーンとされることにより成層燃焼による燃焼性が確保されるとともにトルクの急増が防止される。しかも、上記のように均一燃焼モードへの切り替わり時の吸気系の遅れにより吸気充填量が多くなっているときに、圧縮行程噴射と膨張行程噴射とで排気の空燃比がリッチとされるため、リッチな空燃比の排気ガスが多量にＮＯｘ触媒に供給されて、ＮＯｘの放出、還元が促進される。
また、この装置によると、上記遅延期間中は排気中のＣＯ，ＨＣが増加してＮＯｘ触媒からのＮＯｘの放出及び放出されたＮＯｘの還元が促進され、その後の均一燃焼モードではＣＯ，ＨＣの排出が抑制される。
【００１４】
また、本発明において、所定の低負荷領域を成層燃焼領域としてこの領域で上記成層燃焼モードを実行する一方、これより高負荷側の運転領域を均一燃焼領域としてこの領域で上記均一燃焼モードを実行するようにし、成層燃焼領域から均一燃焼領域へ移行する加速時に上記遅延手段による遅延及び上記モード切り替わり時制御手段による制御を行なうようにすればよい（請求項２）。
【００１５】
このようにすると、成層燃焼領域からの加速時に、均一燃焼領域に移行するまでは目標負荷の増加に伴って次第に吸気充填量が増加するように制御され、均一燃焼領域に移行して吸気充填量減少方向に吸気量調節手段が制御されてからも、吸気系の遅れにより実際の吸気充填量の増加傾向がある程度まで持続し、このようにして吸気充填量が多くなる期間に上記モード切り替わり時制御手段による圧縮行程噴射及び膨張行程噴射が行なわれることにより、ＮＯｘ触媒に送られる排気の空燃比がリッチにされるとともにその排気ガス量が充分に増大し、ＮＯｘの放出、還元を促進する作用が高められる。
【００１６】
あるいはまた、上記成層燃焼モードでの運転中にＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量が所定値以上に増大する状態となったとき、ＮＯｘ触媒からＮＯｘを放出させる触媒リフレッシュのため所定時間だけ均一燃焼モードに変更する制御を行なうとともに、この触媒リフレッシュのための成層燃焼モードから均一燃焼モードへの切り替わり時に、上記遅延手段による遅延及び上記モード切り替わり時制御手段による制御を行なうようにしてもよい（請求項３）。
【００１７】
このようにすると、成層燃焼モードでの運転中に触媒リフレッシュのため均一燃焼モードに変更するとき、吸気充填量減少方向に吸気量調節手段が制御されるのに対して実際の吸気充填量の減少に遅れが生じている期間は、上記モード切り替わり時制御手段による圧縮行程噴射及び膨張行程噴射が行われ、吸気充填量が減少した後に理論空燃比以下での吸気行程噴射による均一燃焼が行なわれることにより、燃焼性の確保及びトルク調整が良好に行なわれつつ、ＮＯｘ触媒からのＮＯｘの放出と放出されたＮＯｘの還元（以下、このＮＯｘの還元を含めて触媒リフレッシュという）が促進される。
【００１８】
上記請求項２の発明において、モード切り替わり時制御手段による制御としては、例えば、上記遅延手段による遅延期間の途中までは圧縮行程噴射量を次第に増加させ、遅延期間の途中から圧縮行程噴射量を次第に減少させるようにすればよい（請求項４）。
【００１９】
このようにすると、上記遅延期間の途中までは圧縮行程噴射量が次第に増加することで加速による目標負荷の上昇に見合うようにトルクが次第に高められ、上記遅延期間の途中からは、圧縮行程噴射量の増加が抑制されることで点火プラグまわりのオーバーリッチやＮＯｘ発生量の増大が避けられる。
【００２０】
また、上記請求項２又は３の発明において、上記モード切り替わり時制御手段による制御としては、上記遅延手段による遅延期間中に、圧縮行程噴射量を要求トルクに応じた値より減少させるとともに、圧縮行程噴射と膨張行程噴射とで要求トルクが得られるように膨張行程噴射量を制御するようにしてもよい（請求項５）。
【００２１】
つまり、上記膨張行程噴射を圧縮上死点に近い時期に行なうようにすれば膨張行程噴射もある程度はトルク生成に寄与することとなるので、膨張行程噴射のトルク生成寄与分を見込んで圧縮行程噴射量を減少させ、かつ、圧縮行程噴射と膨張行程噴射とで目標負荷に対応するトルク（要求トルク）が得られるように膨張行程噴射量を調整すれば、トルク調整並びに触媒リフレッシュ等が良好に行われる。
【００２２】
また、上記モード切り替わり時制御手段は、上記遅延手段による遅延期間中に、燃料噴射の制御に加え、点火時期をリタードさせるようになっていてもよい（請求項６）。あるいは、上記モード切り替わり時制御手段は、上記遅延手段による遅延期間中に、燃料噴射の制御に加え、排気ガスの一部を吸気系に還流させるＥＧＲ装置を、排気ガスの還流を行なう状態に制御するようになっていてもよい（請求項７）。このようにすると、点火時期リタード又は排気ガスの還流により排気中のＮＯｘが低減され、ＮＯｘ量に対しするＣＯ量やＨＣ量の割合が大きくなり、触媒リフレッシュ性能の向上に有利となる。
【００２３】
本発明の装置が組み込まれるエンジン制御系の構成は、アクセル開度に基づいて目標負荷を設定し、この目標負荷とエンジン回転数とに基づいて吸気量制御用の目標空燃比を求め、この目標空燃比に応じて吸気量調節手段を制御する吸気量制御手段と、上記目標負荷をなまし処理した値と充填効率の検出値とに基づいて噴射量制御用の目標空燃比を求め、この目標空燃比に基づいてインジェクタからの燃料噴射量を演算する燃料噴射量制御手段とを備えているもの（請求項８）とすることが好ましい。
【００２４】
このようにすると、応答速度の低い吸気量の制御と応答速度の高い燃料噴射量の制御とのタイミングが効果的に調整されて、トルクショックやエミッションの悪化が防止される。そして、このような制御をもとにして、成層燃焼モードから均一燃焼モードへの切り替わり時において吸気充填量の変化の応答遅れが生じている期間に上記モード切り替わり時制御手段が行なわれることにより、トルク調整が適正に行われるとともに、触媒のリフレッシュが促進されることとなる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明が適用される筒内噴射式エンジンの全体構造を概略的に示したものである。この図において、エンジン本体１０は複数の気筒１２を有し、各気筒１２には、そのシリンダボアに挿入されたピストン１４の上方に燃焼室１５が形成されており、この燃焼室１５には吸気ポート及び排気ポートが開口し、これらのポートは吸気弁１７及び排気弁１８によってそれぞれ開閉されるようになっている。
【００２６】
上記燃焼室１５の中央部には点火プラグ２０が配設され、そのプラグ先端が燃焼室１５内に臨んでいる。また、燃焼室１５内には側方からインジェクタ２２の先端部が臨み、このインジェクタ２２から燃焼室１５内に直接燃料が噴射されるようになっている。上記インジェクタ２２には図外の高圧燃料ポンプ、プレッシャレギュレータ等を具備する燃料回路が接続され、各気筒のインジェクタ２２に燃料が供給されるとともにその燃圧が圧縮行程における筒内圧力よりも高い所定圧力となるように燃料回路が構成されている。
【００２７】
上記エンジン本体１０には吸気通路２４及び排気通路３１が接続されている。上記吸気通路２４には、その上流側から順に、エアクリーナ２５、エアフローセンサ２６、モータ２７により駆動されるスロットル弁２８及びサージタンク２９が設けられており、上記スロットル弁２８及びこれを駆動するモータ２７により吸気量調節手段が構成されている。
【００２８】
また、上記排気通路３１には、排気ガス浄化のためＮＯｘ触媒３３が配設されている。このＮＯｘ触媒３３は、空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン運転状態でもＮＯｘ浄化性能を有するものであって、酸素過剰雰囲気で排気ガス中のＮＯｘを吸蔵し、空燃比がリッチ側に変化して酸素濃度が低下したとき、吸蔵していたＮＯｘを放出するとともに、雰囲気中に存在するＣＯ等の還元材によりＮＯｘを還元させるようになっている。
【００２９】
より詳しく説明すると、上記ＮＯｘ触媒３３は、コージェライト製ハニカム構造体等からなる担体の上にＮＯｘ吸蔵材層と触媒材層とが前者を下（内側）、後者を上（外側）にして層状に形成されたものである。上記ＮＯｘ吸蔵材層は、比表面積の大きな活性アルミナにＰｔ成分とＮＯｘ吸蔵材としてのＢａ成分とを担持させたものを主成分として構成されている。また、触媒材層は、ゼオライトを担持母材としてこれにＰｔ成分及びＲｈ成分を担持させてなる触媒材を主成分として構成されている。なお、上記触媒材層の上にセリア層を形成してもよい。
【００３０】
さら排気通路３１と吸気通路２４との間には、排気ガスの一部を吸気系に還流させるＥＧＲ装置が設けられ、このＥＧＲ装置は、排気通路３１と吸気通路２４とを接続するＥＧＲ通路３５と、このＥＧＲ通路３５に介設されたＥＧＲ弁３６とを備えている。上記ＥＧＲ弁３６はアクチュエータにより駆動されて開閉作動するようになっている。
【００３１】
このエンジンには、上記エアフローセンサ２６の他、サージタンク２９内の吸気負圧を検出するブーストセンサ４０、スロットル開度を検出するスロットル開度センサ４１、エンジン回転数を検出する回転数センサ４２、アクセル開度（アクセル操作量）を検出するアクセル開度センサ４３、吸気温を検出する吸気温センサ４４、大気圧を検出する大気圧センサ４５、エンジン冷却水温を検出する水温センサ４６、排気ガス中の酸素濃度の検出によって空燃比を検出するＯ２センサ４７等のセンサ類が装備され、これらセンサの出力信号（検出信号）がＥＣＵ（コントロールユニット）５０に入力されている。
【００３２】
上記ＥＣＵ５０は、インジェクタ２２からの燃料噴射量及び噴射タイミングを制御するとともに、スロットル弁２８を駆動するモータ２７に制御信号を出力することによりスロットル弁２８の制御を行ない、また、点火回路２１に制御信号を出力することにより点火時期を制御し、さらに、ＥＧＲ弁３６の制御も行なうようになっている。
【００３３】
当実施形態の筒内噴射式エンジンの基本的な制御としては、所定の低負荷領域が成層燃焼領域、それより高負荷側の領域が均一燃焼領域とされる。そして、成層燃焼領域では、上記インジェクタ２２から圧縮行程の後期に燃料が噴射されることにより、点火プラグ２０付近に混合気が偏在する成層状態で燃焼が行なわれるような成層燃焼モードとされ、この場合、スロットル弁２８の開度が大きくされて吸気量が多くされることにより燃焼室全体の空燃比としては大幅なリーン状態（例えば３０以上）とされる。一方、均一燃焼領域では、空燃比が理論空燃比以下（空気過剰率λがλ≦１）とされつつ、上記インジェクタ２２から吸気行程の前期に燃料噴射が開始されることにより、燃焼室１５全体に均一に混合気が拡散する状態で燃焼が行なわれる均一燃焼モードとされる。
【００３４】
図２は上記ＥＣＵ５０に機能的に含まれる手段の構成を示している。上記ＥＣＵ５０は、吸気温センサ４４及び大気圧センサ４５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５１を有するとともに、アクセル開度センサ４３及びエンジン回転数センサ４２からの信号に基づき、上記吸気密度状態を加味して、目標負荷に相当する値を設定する目標負荷設定手段５２を有している。
【００３５】
上記目標負荷設定手段５２は、アクセル開度accel及びエンジン回転数neに応じてマップから求めた仮想体積効率と上記吸気密度状態とから、空燃比を理論空燃比に保つ標準運転条件を想定した場合の要求エンジントルクに見合う充填効率を仮想充填効率として求め、この仮想充填効率からこれに対応した値である目標図示平均有効圧力を求めて、これを目標負荷とする。
【００３６】
この場合に、所定の計算で第１の目標図示平均有効圧力Piobjを求める一方、仮想充填効率になまし処理を施し、このなまし処理後の仮想充填効率から第２の目標図示平均有効圧力Piobjdを求めるようになつている。
【００３７】
ＥＣＵ５０はさらに運転モード設定手段５３を有し、この運転モード設定手段５３は、第１の目標図示平均有効圧力Piobjとエンジン回転数neとに応じて基本的な運転モードmodsを設定する。すなわち、図３に示すように、第１の目標図示平均有効圧力Piobjが設定値より低く、かつ、エンジン回転数neが設定回転数より低い領域（成層燃焼領域）では成層燃焼モードとし、この領域より高負荷側及び高回転側の領域（均一燃焼領域）ではλ＝１の均一燃焼モード（ストイキオモード）とする。なお、均一燃焼領域のうち、アクセル全開域やその付近の高負荷域及び高回転域では、空燃比を理論空燃比よりもリッチ（λ＜１）に設定してもよい。
【００３８】
さらにＥＣＵ５０は、スロットル弁２８で調節される吸気量、インジェクタ２２からの燃料噴射量及び燃料噴射時期、ＥＧＲ弁３６で調節されるＥＧＲ量、点火プラグ２０の点火時期等の各種制御パラメータの値を目標負荷及びエンジン回転数ne等に応じて決定する。この場合、吸気量等の応答速度の低い制御パラメータ（低速応答系）の制御と、燃料噴射量等の応答速度の高い制御パラメータ（高速応答系）の制御とのタイミングを調整するため、制御パラメータのうちで低速応答系の制御値を決定するための目標負荷としては第１の目標図示平均有効圧力Piobjが用いられ、高速応答系の制御値を決定するための目標負荷としては第２の目標図示平均有効圧力Piobjdが用いられる。
【００３９】
すなわち、上記各制御パラメータのうちで吸気量及びＥＧＲ量はそれぞれスロットル弁２８及びＥＧＲ弁の作動に対する応答性が比較的低い低速応答系であって、これらの制御量であるスロットル開度tvoobj及びＥＧＲ弁３６の制御量は第１の目標図示平均有効圧力Piobjとエンジン回転数ne等に応じて決定される。一方、燃料噴射量、燃料噴射時期及び点火時期は制御信号に速やかに応答する高速応答系であって、これら燃料噴射量、燃料噴射時期及び点火時期は第２の目標図示平均有効圧力Piobjdとエンジン回転数ne等に応じて決定されるようになっている。
【００４０】
具体的に説明すると、吸気量制御のための手段としては目標空燃比設定手段５４及びスロットル開度演算手段５５を有している。上記目標空燃比設定手段５４は、吸気量制御用の目標空燃比afwbを、上記運転モード設定手段５３で設定される運転モードmods別に設定するものであり、成層燃焼モードでは第１の目標図示平均有効圧力Piobjとエンジン回転数neとに応じ、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ようになっている。
【００４１】
上記スロットル開度演算手段５５は、目標負荷に対応する仮想充填効率（理論空燃比で運転される状態を想定した目標負荷に相当する値）と上記目標空燃比afwbとから目標充填効率を求め、この目標充填効率から吸気密度補正を加味して目標体積効率を演算し、この目標体積効率とエンジン回転数neとに応じてスロットル開度を決定する。
【００４２】
インジェクタ２２からの燃料噴射を制御する手段としては、目標空燃比作成手段５６、噴射量演算手段５７、噴射時期設定手段５８及び噴射制御手段５９を有する。
【００４３】
上記目標空燃比作成手段５６は、燃料噴射量等制御用の目標空燃比を求めるものであり、過渡時の目標空燃比afw0と、定常時の目標空燃比afwbdとを求めるとともに、これら目標空燃比afw0，afwbdのいずれかを選択して最終的な目標空燃比afwを決定する。
【００４４】
過渡時の目標空燃比afw0は、実充填効率の下で目標負荷に対応するトルクが得られるように、第２の目標図示平均有効圧力Piobjdもしくはこれに対応する仮想充填効率と実充填効率ceとに基づき、燃費改善効果分を加味して求められる。一方、定常時の目標空燃比afwbdは、成層燃焼モードでは第２の目標図示平均有効圧力Piobjdとエンジン回転数neとに応じ、予め作成されているマップから求められ、ストイキオモードでは理論空燃比（λ＝１）とされる。そして、吸気量制御用の目標空燃比afwbと上記目標空燃比afw0との偏差dafwbが大きくなる過渡時には、目標空燃比afw0が最終的な目標空燃比afwとされ、上記偏差dafwbが小さい定常時には上記目標空燃比afwbdが最終的な目標空燃比afwとされる。
【００４５】
噴射量演算手段５７は、エアフローセンサ２６の出力から求められた実充填効率ceと、目標空燃比作成手段５６により求められた目標空燃比afwとから基本噴射量を演算し、さらに各種補正値を加味して最終噴射量を演算し、この最終噴射量に比例した噴射パルス幅Tiを求める。
【００４６】
噴射時期設定手段５８は、燃料噴射時期thtinj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２の目標図示平均有効圧力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を求め、ストイキオモードではエンジン回転数neに応じて予め作成されているテーブルから吸気行程噴射用の噴射時期を求める。
【００４７】
上記噴射制御手段５９は、上記噴射時期設定手段５８により設定された噴射時期に、上記噴射量演算手段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２２を作動させるように、噴射パルスを出力する。
【００４８】
また、６０は点火時期制御手段であって、成層燃焼モードでは第２の目標図示平均有効圧力Piobjdとエンジン回転数neとに応じてマップから基本点火時期を求め、ストイキオモードでは実充填量とceとエンジン回転数neとに応じてマップから基本点火時期を求めるようにし、この基本点火時期と水温等に応じた各種補正値とから点火時期を求めるようになっている。６１はＥＧＲ制御手段であって、成層燃焼モードでは第１の目標図示平均有効圧力Piobjとエンジン回転数neとに応じてマップから基本ＥＧＲ弁制御量を求め、ストイキオモードでは実充填量とceとエンジン回転数neとに応じてマップから基本ＥＧＲ弁制御量を求めるようにし、この基本ＥＧＲ弁制御量に各種補正値を加味してＥＧＲ弁制御量を演算し、それに応じた制御信号をＥＧＲ弁３６に出力するようになっている。
【００４９】
さらに、ＥＣＵ５０には上記各手段に加え、成層モードから均一モードへの切り替わり時に触媒のリフレッシュを促進するため、遅延手段６３及びモード切り替わり時制御手段６５が設けられている。
【００５０】
上記遅延手段６３は、運転モード設定手段５３により設定される運転モードが成層燃焼モードから均一燃焼モードへ切り替わったときに、スロットル開度を小さくして吸気充填量を減少させる制御が開始されてから実際の吸気充填量が均一燃焼モードでの適正値に減少するまでの時間だけ、インジェクタ２２からの燃料噴射を吸気行程噴射に切り換える時期を遅延させるものである。
【００５１】
また、モード切り替わり時制御手段６５は、遅延手段６３による遅延期間中に、上記噴射制御手段５９による制御を変更し、インジェクタ２２から圧縮行程での燃料噴射に加えて膨張行程での燃料噴射を行なわせる。すなわち、インジェクタ２２からの燃料噴射の制御として、図４に示すように、成層燃焼モードでは圧縮行程噴射とし、均一燃焼モードでは吸気行程噴射とするが、成層燃焼モードから均一燃焼モードへの切り替わり時における上記遅延期間中は、圧縮行程噴射に加え、膨張行程噴射を行なわせる。この膨張行程噴射の時期は、例えば圧縮上死点に近い膨張行程の前半としておけばよい。
【００５２】
そして、上記遅延期間中において圧縮行程噴射と膨張行程噴射とを行なう場合に、圧縮行程噴射による燃焼室内の空燃比は理論空燃比よりも大きくしつつ、圧縮行程噴射と膨張行程噴射とによる排気の空燃比は理論空燃比以下となるようにそれぞれの噴射量を制御する。
【００５３】
なお、上記モード切り替わり時制御手段６５は、遅延手段６３による遅延期間中に、上記のような燃料噴射の制御に加え、点火時期制御手段６０による点火時期の制御を変更して、点火時期をリタードさせるようにし、あるいはまた、ＥＧＲ弁制御手段６１を介し、均一燃焼モードにあるときと比べてＥＧＲ量を多くするようにＥＧＲ弁３６を制御するようにしてもよい。
【００５４】
図５は主に上記遅延手段６３及びモード切り替わり時制御手段６５の機能を果たす処理をフローチャートで示している。
【００５５】
このフローチャートの処理がスタートすると、先ずステップＳ１でエンジン回転数、アクセル開度、エアフローセンサ出力、水温等の各種信号が入力され、次にステップＳ２で、目標負荷とエンジン回転数とに基づいて運転モード設定手段５３により設定される運転モードmodsが調べられて、成層燃焼モードか否かが判定される。成層燃焼モードであることが判定された場合は、ステップＳ３で圧縮行程噴射が行なわれる。
【００５６】
ステップＳ２で成層燃焼モードでないこと（均一燃焼モードであること）が判定された場合は、ステップＳ４で前回も均一燃焼モードであったか否かが判定される。
【００５７】
ステップＳ４の判定がＮＯのとき、つまり成層燃焼モードから均一燃焼モードに切り替わったときは、ステップＳ５でタイマーがセットされるとともに、ステップＳ６で圧縮行程噴射と膨張行程噴射とが行われる。上記タイマーでセットされる時間は、上記運転モード設定手段により設定される運転モードの切り替わり時点から吸気充填量が均一燃焼モードでの適正値に減少するまでに要する時間に相当する程度とされる。この運転モード切り替わり時点から吸気充填量が均一燃焼モードでの適正値に減少するまでに要する時間はエンジン回転数によって変化するため、予め実験的に各種エンジン回転数における上記時間を調べ、これをテーブルとしてメモリに記憶させておくことにより、上記ステップＳ５ではそのときのエンジン回転数に応じた時間がテーブルから求められて、タイマーにセットされるようにすることが望ましい。
【００５８】
ステップＳ４の判定がＹＥＳとなったときは、ステップＳ７で上記タイマーが０となっていないかどうかが判定されることにより、均一燃焼モードへの切り替わり時点からの経過時間がタイマーによる設定時間以内か否かが調べられる。そして、上記切り替わり時点からの経過時間が設定時間以内であれば、ステップＳ６に移って圧縮行程噴射と膨張行程噴射とが行われる状態が維持される。
【００５９】
ステップＳ７の判定がＮＯとなったとき、つまり上記切り替わり時点からの経過時間が設定時間を越えたときは、ステップＳ８で、均一燃焼モードでの通常の制御として吸気行程噴射が行われる。
【００６０】
当実施形態の装置による作用を、図６のタイムチャートを参照しつつさらに具体的に説明する。
【００６１】
アクセル開度が小さくて充填効率が低い低負荷側の成層燃焼領域では、空燃比（Ａ／Ｆ）が大幅なリーンとされるとともに、インジェクタ２２から圧縮行程で燃料が噴射されることにより、燃費改善に有利な成層燃焼状態とされる。そして、この成層燃焼によるリーン運転中は、排気ガス中のＮＯｘがＮＯｘ触媒３３に吸蔵される。
【００６２】
この状態からアクセルペダルの踏み込みによる加速操作が行なわれると、図6中に示すように、成層燃焼領域内にある間は加速操作開始時点ｔ0 からアクセル開度の増大に対応してスロットル開度が次第に大きくなるとともに充填効率が次第に増加する。そして、アクセル開度に対応して増加する目標負荷（第１の目標図示平均有効圧力Piobj）が所定値以上になって均一燃焼領域へ移行すると、その時点ｔ1 で空燃比をリッチ化すべくスロットル開度が小さくされるが、吸気系の一時遅れにより、充填効率ceはスロットル開度が小さくなってからもある程度増加してから次第に減少し、充填効率ceが均一燃焼モードでの定常時の値に充分近づくまでにかなりの遅れ時間がある。
【００６３】
そこで、スロットル開度が小さくされた時点ｔ1 から充填効率が均一燃焼モードでの適正範囲内（均一燃焼モードでの定常時の値から所定範囲内）に減少する時点ｔ2 までの時間Ｔ（図５中のステップＳ５でタイマーセットされる時間）だけ、均一燃焼状態とするための吸気行程噴射への切り換えが遅延される。
【００６４】
この遅延期間Ｔ中に、圧縮行程噴射と膨張行程噴射とが行われるようにインジェクタ２２からの燃料噴射が制御される。そして、この場合の圧縮行程噴射による燃焼室内空燃比は図6中に破線ａで示すように理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）よりも大きいリーンとされ、かつ、この圧縮行程噴射と膨張行程噴射との両方による排気の空燃比は実線ｂで示すように理論空燃比以下のリッチとされることにより、燃焼性の確保及びトルクの急変の防止が図られつつ、ＮＯｘ触媒３３からＮＯｘを放出させて還元する触媒リフレッシュ効果が高められる。
【００６５】
すなわち、触媒リフレッシュ効果を高めるには、排気の空燃比をリッチ化して排気中の還元材としてのＣＯ及びＨＣを増加させることが有効であるが、仮に圧縮行程噴射による空燃比をリッチ化すると点火プラグまわりがオーバーリッチとなって燃焼性が悪化する。また、吸気行程噴射による均一燃焼状態に切り換えて空燃比をリッチ化すれば燃焼性は確保されるが、吸気系の一次遅れにより吸気充填量が均一燃焼モードでの適正値と比べて過剰の状態にある上記遅延期間Ｔ中にこのようにして空燃比をリッチ化するには、燃料噴射量を増加させる必要があるため、トルクの急増を招くことになる。
【００６６】
これに対し、本発明の装置では、上記遅延期間Ｔ中に、圧縮行程噴射によってリーン空燃比での成層燃焼が行なわれることにより、吸気過剰状態でも燃焼性が確保されるとともにトルクの急増が避けられ、しかも、この圧縮行程噴射に加えて膨張行程噴射が行なわれることで排気の空燃比はリッチとされ、ＮＯｘ触媒のリフレッシュが促進される。特に、吸気系の一次遅れにより充填効率が高い状態にある上記遅延期間中に排気の空燃比がリッチとされるため、充填効率が低下した後（上記遅延期間Ｔの経過後）の均一燃焼モードで空燃比がリッチ化される場合と比べ、リッチ空燃比の排気ガス量が多くなるため、ＮＯｘ触媒３３に供給されるＣＯ、ＨＣの量が増加し、ＮＯｘ放出、還元作用が高められることとなる。
【００６７】
また、当実施形態の装置では、目標負荷に相当する第1の目標図示平均有功圧力Piobjとエンジン回転数neとに基づいて設定された吸気量制御用の目標空燃比afwbに応じてスロットル開度が制御される一方、過渡時の燃料噴射量の制御は第２の目標図示平均有功圧力Piobjd（なまし処理された目標負荷）と充填効率ceとに基づいて求められた噴射量制御用の過渡時の目標空燃比afw0に応じて行われるようになっているため、過渡時にも空燃比及びトルクが適正に調整され、トルクショックやエミッションの悪化が防止される。そして、このような制御に基づき、成層燃焼モードから均一燃焼モードへの切り替わり時における上記遅延期間中の燃料噴射量の制御も適正に行なうことができる。
【００６８】
例えば、上記噴射量制御用の過渡時の目標空燃比afw0に応じて演算される噴射量を圧縮行程噴射量とし、目標空燃比以下の所定のリッチ空燃比とするのに必要な噴射量と圧縮行程噴射量との差に相当する程度の量を膨張行程噴射量とすればよい。
【００６９】
すなわち、前記目標空燃比作成手段５６において求められる過渡時の目標空燃比afw0は、実充填効率の下で目標負荷に対応するトルクが得られるように求められるので、上記遅延期間中の、定常時と比べて充填効率が高くなっている状況下においては、目標負荷に対応するトルクが得られるように目標空燃比afw0がリーンとされる。そして、上記圧縮行程噴射と膨張行程噴射のうちでトルクに寄与するのは主に圧縮行程噴射であるため、その噴射量を上記目標空燃比afw0に応じて設定するとともに、このように圧縮行程噴射量を設定しつつ排気の空燃比を理論空燃比以下とするように膨張行程噴射量を設定すれば、トルク調整及び触媒のリフレッシュが良好に行なわれることとなる。
【００７０】
なお、上記遅延期間中の制御において、遅延期間の途中までは加速操作による目標負荷の上昇に応じてトルクを増大させるべく上記圧縮行程噴射量を次第に増加させればよいが、上記遅延期間の途中からは、点火プラグまわりのオーバーリッチやＮＯｘ発生量の増大を避けるため、上記圧縮行程噴射量の増加を抑制するように制御することが好ましい。
【００７１】
また、上記膨張行程噴射を圧縮上死点に近い時期に行なうことにより、この膨張行程噴射もある程度はトルク生成に寄与するようにしておくこともできる。このようにした場合は、膨張行程噴射のトルク生成寄与分を見込んで、圧縮行程噴射量は上記目標空燃比afw0に応じた値（実充填効率の下で目標負荷に対応するトルクが得られる値）よりも減量補正するとともに、この圧縮行程噴射と膨張行程噴射とで目標負荷に対応するトルク（要求トルク）が得られるように膨張行程噴射量を調整すればよい。
【００７２】
また、上記遅延期間中に上記のような燃料噴射の制御に加え、点火時期をリタードすれば、燃焼室から排出されるＮＯｘの量が減少するため、ＮＯｘ量に対するＣＯ量及びＨＣ量の比率（ＣＯ／ＮＯｘ、ＨＣ／ＮＯｘ）がより大きくなり、これによりＮＯｘ触媒３３からのＮＯｘの放出、還元を促進する効果がさらに高められる。この点火時期のリタードに代え、あるいはこれに加え、ＥＧＲを行なうようにしても、排気ガス中のＮＯｘの減少によりＣＯ／ＮＯｘ、ＨＣ／ＮＯｘが大きくなって触媒リフレッシュ効果が高められる。
【００７３】
なお、上記実施形態では、成層燃焼領域から均一燃焼領域へ移行する加速時にＮＯｘ触媒３３のリフレッシュを図っているが、成層燃焼モードでのリーン運転中にＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量が所定値以上に増大する状態となった場合に、所定時間だけ理論空燃比以下で吸気行程噴射とする均一燃焼モードに変更することにより、ＮＯｘ触媒のリフレッシュを図るようにするとともに、この場合の成層燃焼モードから均一燃焼モードへの切り替わり時に、上記遅延手段による遅延及び上記モード切り替わり時制御手段による制御を行なうようにしてもよい。
【００７４】
すなわち、成層燃焼領域内での運転が持続している状態においてＮＯｘ触媒のリフレッシュのために均一燃焼モードへ切り替わる場合も、空燃比をリッチ化すべくスロットル開度が小さくされる制御に対し、吸気充填量の減少に遅れが生じるが、この遅れが生じている期間に、圧縮行程噴射と膨張行程噴射とが行われることにより、燃焼性が確保されるとともにトルク変動が抑制されつつ、触媒リフレッシュ効果が高められることとなる。
【００７５】
【発明の効果】
以上のように本発明は、ＮＯｘ触媒を備えた直噴エンジンにおいて、成層燃焼モードから均一燃焼モードへの切り替わり時に、吸気充填量減少方向に吸気量調節手段が制御されてから吸気充填量が減少するまでの遅れ期間に、圧縮行程噴射に加えて膨張行程噴射を行なわせ、かつ、圧縮行程噴射による燃焼室内の空燃比は理論空燃比よりも大きくし、圧縮行程噴射と膨張行程噴射とによる排気の空燃比は理論空燃比以下となるようにしているため、モード切り替わり時に、燃焼性を確保するとともにトルク調整を良好に行ないつつ、上記遅れ期間に吸気充填量が多くなることを利用して、リッチな空燃比の排気ガスを多量にＮＯｘ触媒に供給し、これによりＮＯｘの放出、還元を促進し、触媒リフレッシュ効果を高めることができる。
【００７６】
とくに、低負荷側の成層燃焼領域から高負荷側の均一燃焼領域へ移行する加速時に上記遅延手段による遅延及び上記モード切り替わり時制御手段による制御を行なうようにすれば、加速によって均一燃焼領域へ移行したときに吸気系の遅れにより吸気充填量が増大するため、これを利用して、ＮＯｘ触媒に供給するリッチな空燃比の排気ガス量を充分に増大させ、触媒リフレッシュ効果を大幅に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の装置の一実施形態を示す全体概略図である。
【図２】ＥＣＵの機能的構成を示すブロック図である。
【図３】運転モードの領域設定を示す説明図である。
【図４】燃料噴射のタイミングを示す説明図である。
【図５】制御の具体例を示すフローチャートである。
【図６】加速操作によって成層燃焼モードから均一燃焼モードへ切り替わるときの各種制御パラメータ等の変化を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１０エンジン本体
１５燃焼室
２０点火プラグ
２２インジェクタ
２４吸気通路
３１排気通路
３３ＮＯｘ触媒
３６ＥＧＲ弁
５０ＥＣＵ
６３遅延手段
６５モード切り替わり時制御手段

Claims

エンジンの排気通路に、酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸蔵し酸素濃度が減少するに伴ってＮＯｘを放出するＮＯｘ触媒を備えるとともに、燃焼室に直接燃料を噴射するインジェクタを備え、空燃比を理論空燃比より大きくしつつ圧縮行程で燃料を噴射する成層燃焼モードと空燃比を理論空燃比としつつ吸気行程で燃料を噴射する均一燃焼モードとに燃焼状態を変更可能とするとともに、成層燃焼モードから均一燃焼モードへの切り替わり時に吸気充填量を減少させるように吸気量調節手段を制御することにより空燃比を調整するようにした火花点火式直噴エンジンにおいて、上記成層燃焼モードから均一燃焼モードへの切り替わり時に、吸気充填量減少方向に吸気量調節手段が制御されてから実際の吸気充填量が均一燃焼モードでの適正値に減少するまでの時間だけ、インジェクタからの燃料噴射を吸気行程噴射に切り換える時期を遅延させる遅延手段と、この遅延手段による遅延期間中に、インジェクタから圧縮行程での燃料噴射に加えて膨張行程での燃料噴射を行なわせ、かつ、圧縮行程噴射による燃焼室内の空燃比は理論空燃比よりも大きくしつつ、圧縮行程噴射と膨張行程噴射とによる排気の空燃比は理論空燃比よりも小さい値となるように制御するモード切り替わり時制御手段とを備えたことを特徴とする火花点火式直噴エンジンの制御装置。
所定の低負荷領域を成層燃焼領域としてこの領域で上記成層燃焼モードを実行する一方、これより高負荷側の運転領域を均一燃焼領域としてこの領域で上記均一燃焼モードを実行するようにし、成層燃焼領域から均一燃焼領域へ移行する加速時に上記遅延手段による遅延及び上記モード切り替わり時制御手段による制御を行なうことを特徴とする請求項１記載の火花点火式直噴エンジンの制御装置。
上記成層燃焼モードでの運転中にＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量が所定値以上に増大する状態となったとき、ＮＯｘ触媒からＮＯｘを放出させる触媒リフレッシュのため所定時間だけ均一燃焼モードに変更する制御を行なうとともに、この触媒リフレッシュのための成層燃焼モードから均一燃焼モードへの切り替わり時に、上記遅延手段による遅延及び上記モード切り替わり時制御手段による制御を行なうことを特徴とする請求項１記載の火花点火式直噴エンジンの制御装置。
上記モード切り替わり時制御手段は、上記遅延手段による遅延期間の途中までは圧縮行程噴射量を次第に増加させ、遅延期間の途中から圧縮行程噴射量を次第に減少させるように制御することを特徴とする請求項２記載の火花点火式直噴エンジンの制御装置。
上記モード切り替わり時制御手段は、上記遅延手段による遅延期間中に、圧縮行程噴射量を要求トルクに応じた値より減少させるとともに、圧縮行程噴射と膨張行程噴射とで要求トルクが得られるように膨張行程噴射量を制御することを特徴とする請求項２又は３記載の火花点火式直噴エンジンの制御装置。
上記モード切り替わり時制御手段は、上記遅延手段による遅延期間中に、燃料噴射の制御に加え、点火時期をリタードさせることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の火花点火式直噴エンジンの制御装置。
上記モード切り替わり時制御手段は、上記遅延手段による遅延期間中に、燃料噴射の制御に加え、排気ガスの一部を吸気系に還流させるＥＧＲ装置を、排気ガスの還流を行なう状態に制御することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の火花点火式直噴エンジンの制御装置。
アクセル開度に基づいて目標負荷を設定し、この目標負荷とエンジン回転数とに基づいて吸気量制御用の目標空燃比を求め、この目標空燃比に応じて吸気量調節手段を制御する吸気量制御手段と、上記目標負荷をなまし処理した値と充填効率の検出値とに基づいて噴射量制御用の目標空燃比を求め、この目標空燃比に基づいてインジェクタからの燃料噴射量を演算する燃料噴射量制御手段とを備えていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の火花点火式直噴エンジンの制御装置。