JPH11125132A - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】リーン燃焼の途中に一時的にリッチ燃焼を行わ
せる空燃比制御装置において、リッチ時間の短縮を図
り、燃費の改善やトルク変動の抑制を実現する。 【解決手段】エンジン排気管３には、リーン空燃比の状
態下でＮＯx を吸蔵すると共に、リッチ空燃比の状態下
で前記吸蔵したＮＯx をＣＯやＨＣで還元し放出するＮ
Ｏx 触媒１９が配設されている。ＥＣＵ３０内のＣＰＵ
３１は、リーン側の目標空燃比に基づいてリーン燃焼を
行わせる。また、ＣＰＵ３１は、エンジン１の吸気バル
ブ１４の開弁に伴う吸気行程期間に対応させてインジェ
クタ１８による燃料噴射を実施する、いわゆる「吸気行
程同期噴射」を実施し、それによりインジェクタ１８に
よる１回の噴射燃料がその都度、燃焼行程で燃焼される
よう燃焼を制御する。この吸気行程同期噴射の実施時に
は、吸気行程外噴射の実施時よりもリッチ時間を短縮し
て設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空燃比リーン領域
でのリーン燃焼を行わせる内燃機関の空燃比制御装置で
あって、リーン燃焼時に発生する排ガス中の窒素酸化物
（ＮＯx ）を浄化するためのＮＯx 吸蔵還元型触媒を有
する内燃機関の空燃比制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年における内燃機関の空燃比制御装置
では、燃費改善を図るべく理論空燃比よりもリーン側で
燃料を燃焼させる、いわゆるリーンバーン制御を実施す
る技術が多用化されつつある。こうしたリーン燃焼を行
わせる場合、内燃機関から排出される排ガスにはＮＯx
が多く含まれ、このＮＯx を浄化するためのリーンＮＯ
x 触媒が必要となる。例えば特許番号第２６００４９２
号公報の「内燃機関の排気浄化装置」には、排ガスの空
燃比がリーンである時にＮＯx を吸収すると共に、排ガ
スの酸素濃度が低下された時に、すなわちリッチ化され
た時に前記吸収したＮＯx を放出するＮＯx 吸収剤（Ｎ
Ｏx 吸蔵還元型触媒）が開示されている。

【０００３】また一方、リーン燃焼時に発生するＮＯx
をＮＯx 触媒にて吸収するシステムでは、ＮＯx 触媒で
ＮＯx が飽和状態になるとＮＯx 浄化能力が限界に達す
る。そのため、ＮＯx 触媒の浄化能力を回復させてＮＯ
x の排出を抑制すべく一時的にリッチ燃焼を行わせるよ
うにした技術が知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが上記従来技術
では、リーン燃焼からリッチ燃焼に切り換える際におい
て、触媒付近の空燃比が直ぐにはリッチに切り換わらな
い。そのため、リッチ時間を長めに設定し、排気通路内
の雰囲気がリーンからリッチに移行する時間をも見込ん
だ時間でリッチ燃焼を継続させる必要があった。かかる
場合、リッチ燃焼が継続されると、過多に噴射量が増量
されてしまい燃費の悪化が懸念される。また、リッチ燃
焼時には、リーン燃焼時に比べてエンジン発生トルクが
増大する。そのため、リッチ時間が長引くと回転変動が
大きくなり、ドライバビリティが悪化するという問題が
生じる。

【０００５】本発明は、上記問題に着目してなされたも
のであって、その目的とするところは、リーン燃焼を実
施すると共にＮＯx 触媒の浄化能力を回復させるべく一
時的にリッチ燃焼を行わせる空燃比制御装置において、
リッチ時間の短縮を図り、燃費の改善やトルク変動の抑
制を実現することができる内燃機関の空燃比制御装置を
提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明における内燃機関
の空燃比制御装置ではその前提として、内燃機関に供給
する混合気の目標空燃比を理論空燃比よりもリーン側に
設定してその目標空燃比に基づきリーン燃焼を行わせ
る。また、リーン燃焼時に排出される排ガス中のＮＯx
をリーンＮＯx 触媒で吸蔵し、さらに空燃比を一時的に
リッチに制御して前記吸蔵したＮＯx をリーンＮＯx 触
媒から放出する。

【０００７】そして、請求項１に記載の発明ではその特
徴として、インジェクタによる１回の噴射燃料がその都
度、燃焼行程で燃焼されるよう燃焼を制御する燃焼制御
手段と、前記燃焼制御手段により燃焼が制御されない時
に、リッチ燃焼のためのリッチ時間を所定時間に設定す
る第１のリッチ時間設定手段と、前記燃焼制御手段によ
り燃焼が制御される時に、リッチ時間を前記第１のリッ
チ時間設定手段により設定される所定時間よりも短縮し
て設定する第２のリッチ時間設定手段とを備える。

【０００８】要するに、インジェクタによる１回の噴射
燃料がその都度、燃焼行程で燃焼されれば、リーン燃焼
からリッチ燃焼への切り換え時において、排ガスがいち
早くリッチ化できる（所望のリッチ雰囲気に切り換わ
る）。従って、こうした燃焼制御の実施の下では、従来
一般の設定時間（第１のリッチ時間設定手段による設定
時間）よりもリッチ時間を短縮することが可能となる。
その結果、リッチ時間の短縮を図り、燃費の改善やトル
ク変動の抑制を実現することができる。

【０００９】請求項２に記載の発明では、前記燃焼制御
手段は、内燃機関の吸気バルブの開弁に伴う吸気行程期
間に対応させてインジェクタによる燃料噴射を実施する
手段よりなる。つまり、一般に「吸気行程同期噴射」と
呼ばれる上記の燃焼制御を実施することにより、排気行
程で燃料噴射を行い吸気ポート内で均一混合気を形成し
た後その混合気を気筒内に流入させる、いわゆる「吸気
行程外噴射」を実施する場合と比較して、噴射燃料のポ
ートウエット量やバルブウエット量が低減できる。その
ため、リーン燃焼からリッチ燃焼への切り換え時におい
て、排ガスがいち早くリッチ化できるようになる。

【００１０】請求項３に記載の発明では、前記インジェ
クタによる噴射燃料を微粒化するための噴射燃料微粒化
手段を備える。この噴射燃料微粒化手段としては、 ・エアアシスト式のインジェクタを用い、当該インジェ
クタに給送されるエア圧力を調整すること、 ・インジェクタによる燃料噴霧を高温の吸気バルブの傘
部に向けて噴射すること、 ・多孔タイプ（例えば１２孔タイプ）のインジェクタを
使用すること、 といった構成が採用される。

【００１１】かかる場合には、噴射燃料を微粒化するこ
とで、気筒内における燃料の気化が促進され、上記の燃
焼制御が適切に実施されるようになる。請求項４に記載
の発明では、前記インジェクタによる噴射燃料が微粒化
できない場合に、前記第２のリッチ時間設定手段による
リッチ時間の短縮化を禁止する。つまり、燃料微粒化が
実施できないと、リーン燃焼とリッチ燃焼との切り換え
時に排ガスのリッチ化が遅れ、前記短縮化したリッチ時
間では当該リッチ時間が不足するおそれがある。そこ
で、ＮＯx 触媒付近での排ガス雰囲気を確実にリッチ化
させるために、リッチ時間の短縮化を禁止する。これに
より、リッチ時間が不足して吸蔵ＮＯx の還元・放出が
不十分になるといった問題が回避できる。

【００１２】具体的には、エアアシスト式のインジェク
タを採用する場合において、同インジェクタのエアアシ
スト機能が故障した時や、インジェクタに燃料を圧送す
るための燃料圧送系が故障した時に、リッチ時間の短縮
が禁止されることとなる。

【００１３】請求項５に記載の空燃比制御装置は、イン
ジェクタから燃焼室に燃料を直接噴射する筒内直噴式内
燃機関に適用される。この場合、リッチ燃焼のためのリ
ッチ時間を、前記リーンＮＯx 触媒付近で排ガスがリッ
チ化される最短時間で設定する。

【００１４】筒内直噴式内燃機関では、ポートウエット
やバルブウエットなどにより燃料量が不用意に変動分す
ることがないため、インジェクタによる１回の噴射燃料
の略全てがその都度、燃焼行程で燃焼される。つまり、
リーン燃焼からリッチ燃焼への切り換え時において、排
ガス雰囲気がいち早くリッチ化できる（所望のリッチ雰
囲気の切り換わる）。従って、何ら支障無くリッチ時間
の短縮が可能となる。その結果、リッチ時間の短縮を図
り、燃費の改善やトルク変動の抑制を実現することがで
きる。

【００１５】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態）以下、本発明を具体化した第１の
実施の形態について説明する。本実施の形態における空
燃比制御システムでは、内燃機関に供給する混合気の目
標空燃比を理論空燃比よりもリーン側に設定し、その目
標空燃比に基づいてリーン燃焼を行わせる、いわゆるリ
ーンバーン制御を実施する。同システムの主たる構成と
して、内燃機関の排気通路の途中にはＮＯx 吸蔵還元型
触媒（以下、ＮＯx 触媒という）が設けられ、そのＮＯ
x 触媒の上流側には限界電流式空燃比センサ（Ａ／Ｆセ
ンサ）が配設されている。そして、マイクロコンピュー
タを主体とする電子制御装置（以下、ＥＣＵという）
は、前記空燃比センサによる検出結果を取り込み、その
センサ検出結果に基づいてリーン空燃比でのフィードバ
ック制御を実施する。以下、図面を用いてその詳細な構
成を説明する。

【００１６】図１は、本実施の形態における空燃比制御
システムの概要を示す全体構成図である。図１におい
て、内燃機関は４気筒４サイクルの火花点火式エンジン
（以下、単にエンジン１という）として構成されてお
り、エンジン１には吸気管２と排気管３とが接続されて
いる。吸気管２には、アクセルペダル４に連動するスロ
ットル弁５が設けられており、同スロットル弁５の開度
はスロットル開度センサ６により検出される。また、吸
気管２のサージタンク７には吸気圧センサ８が配設され
ている。

【００１７】エンジン１の気筒を構成するシリンダ９内
には図の上下方向に往復動するピストン１０が配設され
ており、同ピストン１０はコンロッド１１を介して図示
しないクランク軸に連結されている。ピストン１０の上
方にはシリンダ９及びシリンダヘッド１２にて区画され
た燃焼室１３が形成されており、燃焼室１３は、吸気バ
ルブ１４及び排気バルブ１５を介して前記吸気管２及び
排気管３に連通している。

【００１８】排気管３には、排ガス中の酸素濃度（或い
は、未燃ガス中の一酸化炭素などの濃度）に比例して広
域で且つリニアな空燃比信号を出力する、限界電流式空
燃比センサからなるＡ／Ｆセンサ１６が設けられてい
る。また、排気管３においてＡ／Ｆセンサ１６の下流側
には、ＮＯx 浄化機能を有するＮＯx 触媒１９が配設さ
れている。このＮＯx 触媒１９は、ＮＯx 吸蔵還元型触
媒として知られており、リーン空燃比の状態下でＮＯx
を吸蔵し、リッチ空燃比の状態下で前記吸蔵したＮＯx
をＣＯやＨＣで還元し放出する。

【００１９】エンジン１の吸気ポート１７には電磁駆動
式のインジェクタ１８が設けられており、このインジェ
クタ１８には燃料タンク１９から燃料（ガソリン）が供
給される。本実施の形態では、吸気マニホールドの各分
岐管毎に１つずつインジェクタ１８を有するマルチポイ
ントインジェクション（ＭＰＩ）システムが構成されて
おり、各気筒のインジェクタ１８はデリバリパイプ２５
により連結されている。なお、本実施の形態では、４孔
タイプのエアアシスト式インジェクタ１８を採用してお
り、その詳細な構成については後述する。燃料タンク１
９とインジェクタ１８との間には、燃料圧力（燃圧）を
調整しつつ燃料をデリバリパイプ２５に供給する燃料ポ
ンプ２６が配設されている。この場合、吸気管上流から
供給される新気とインジェクタ１８による噴射燃料とが
吸気ポート１７にて混合され、その混合気が吸気バルブ
１４の開弁動作に伴い燃焼室１３内（シリンダ９内）に
流入する。

【００２０】シリンダヘッド１２に配設された点火プラ
グ２７は、イグナイタ２８からの点火用高電圧により発
火する。イグナイタ２８には、点火用高電圧を各気筒の
点火プラグ２７に分配するためのディストリビュータ２
０が接続され、同ディストリビュータ２０にはクランク
軸の回転状態に応じて７２０°ＣＡ毎にパルス信号を出
力する基準位置センサ２１と、より細かなクランク角毎
（例えば、３０°ＣＡ毎）にパルス信号を出力する回転
角センサ２２とが配設されている。

【００２１】また、シリンダ９（ウォータジャケット）
には、冷却水温を検出するための水温センサ２３が配設
されている。ＥＣＵ３０は、周知のマイクロコンピュー
タシステムを中心に構成され、ＣＰＵ３１、ＲＯＭ３
２、ＲＡＭ３３、バックアップＲＡＭ３４、Ａ／Ｄ変換
器３５、入出力インターフェース（Ｉ／Ｏ）３６等を備
える。前記スロットル開度センサ６、吸気圧センサ８、
Ａ／Ｆセンサ１６及び水温センサ２３の各検出信号は、
Ａ／Ｄ変換器３５に入力され、Ａ／Ｄ変換された後にバ
ス３７を介してＣＰＵ３１に取り込まれる。また、前記
基準位置センサ２１及び回転角センサ２２のパルス信号
は、入出力インターフェース３６及びバス３７を介して
ＣＰＵ３１に取り込まれる。

【００２２】ＣＰＵ３１は、前記各センサの検出信号に
基づいてスロットル開度ＴＨ、吸気圧ＰＭ、空燃比（Ａ
／Ｆ）、冷却水温Ｔｗ、基準クランク位置（Ｇ信号）及
びエンジン回転数Ｎｅなどのエンジン運転状態を検知す
る。また、ＣＰＵ３１は、エンジン運転状態に基づいて
燃料噴射量や点火時期等の制御信号を演算し、その制御
信号をインジェクタ１８やイグナイタ２８に出力する。

【００２３】燃料噴射制御に際し、ＣＰＵ３１は、
（１）エンジン１が排気行程から吸気行程に移行する所
定期間内で燃料を吸気ポート１７に噴射し、この噴射燃
料を吸気行程での吸気バルブ１４の開弁に伴い気筒内
（燃焼室１３内）に流入させる、いわゆる「吸気行程同
期噴射」と、（２）エンジン１の排気行程で燃料を噴射
し、吸気ポート１７内で一旦、均一混合気を形成した
後、その混合気を気筒内に流入させる、いわゆる「吸気
行程外噴射」と、を選択的に実施する。

【００２４】上記（１）の吸気行程同期噴射によれば、
上記（２）の吸気行程外噴射に比べて噴射燃料のポート
ウエット量やバルブウエット量が低減できる。またこの
とき、インジェクタ１８による１回分の噴射燃料が次の
燃焼行程で略完全に燃焼され、燃焼後に排ガスとして排
気管３に排出される。そのため、例えばリーン燃焼から
リッチ燃焼への切り換え時において、リーンの排ガス雰
囲気が所望のリッチ雰囲気にいち早く切り換わるように
なる。

【００２５】因みに、上記（１）の吸気行程同期噴射で
は、排気ＴＤＣ付近にてインジェクタ１８の燃料噴射が
開始され、上記（２）の吸気行程外噴射では、排気ＴＤ
Ｃ前、９０°ＣＡ付近にてインジェクタ１８の燃料噴射
が開始されるようになっている。

【００２６】次に、図２を用いてインジェクタ１８の詳
細な構成を説明する。なお本実施の形態のインジェクタ
１８は、電磁式の常閉弁として構成されるものである。
図２において、インジェクタ１８の主要部は、バルブボ
ディ４１、弁体４２、電磁アクチュエータ４３及びエア
アシストアダプタ４４に大別される。略筒状をなすバル
ブボディ４１において、その一端（図の下端面）には燃
料を吸気管２内に噴射するための噴射口４５が形成さ
れ、バルブボディ４１内部には弁体４２を摺動可能に収
容する摺動孔４６が形成されている。バルブボディ４１
の噴射口４５と摺動孔４６との間には、円錐面からなる
弁座４７が形成されている。

【００２７】エアアシストアダプタ４４は、バルブボデ
ィ４１の噴射口４５側に装着されており、噴射口４５よ
り噴射される燃料を吸気管２内に案内する役割をなす。
当該アダプタ４４には、燃料噴霧を促進するための補助
空気を導入するエア導入孔４８が複数箇所に設けられる
と共に、前記噴射口４５から噴射される燃料とエア導入
孔４８から導入される補助空気との混合気を所定角度に
て複数方向に分岐して噴射させる分岐通路４９が設けら
れている。かかる場合、分岐通路４９は、各気筒２個ず
つの吸気バルブ１４の傘部中心を向くよう構成されてい
る。なお因みに、本実施の形態のインジェクタ１８で
は、エアアシストアダプタ４４の分岐通路４９が４方向
に分岐されており、その下端面に４つの噴射孔が形成さ
れることから前記インジェクタ１８を「４孔タイプイン
ジェクタ」と称する。

【００２８】エアアシストアダプタ４４のエア導入孔４
８には、この孔４８に供給するエアの圧力を調整するた
めのプレッシャレギュレータ７１が接続されており、エ
アの供給圧は吸気管２のスロットル弁下流の圧力に対し
て一定の差圧が生じるよう調整される。プレッシャレギ
ュレータ７１には、ＩＧキーのオン操作に伴い駆動され
るモータ駆動式のエア供給ポンプ７２が接続されてい
る。よって、スロットル弁下流の吸気負圧に対して所定
の差圧を有するエアがエア導入孔４８から導入されるこ
とで、前記噴射口４５から噴射される燃料噴霧の微粒化
が促進されるようになる。本実施の形態では、前記プレ
ッシャレギュレータ７１及びエア供給ポンプ７２により
エア導入孔４８に３ｋｇ／ｃｍ^2程度の加圧エアが連続
的に給送されるよう構成されている。加圧エアの供給方
法としては、燃料噴射のタイミングに同期させてエア供
給ポンプ７２によるエア加圧を行うようにしてもよく、
かかる場合には例えば噴射開始直前からエア加圧を開始
し、噴射終了と共に加圧を停止すればよい。こうした方
法によっても、燃料の微粒化には十分な効果が得られ
る。

【００２９】ニードル形状の弁体４２にはその軸方向の
二位置に摺接部５１ａ，５１ｂが形成されており、この
摺接部５１ａ，５１ｂが摺動孔４６の内周面に当接する
ことで、弁体４２が摺動孔４６内を摺動する。また、こ
の弁体４２において、摺接部５１ａ，５１ｂに周方向に
隣接する部位には平坦部５２ａ，５２ｂが形成されてお
り、平坦部５２ａ，５２ｂと摺動孔４６の内周面との間
に形成される隙間を燃料が流通するようになっている。

【００３０】弁体４２には、バルブボディ４１の弁座４
７に当接する当接部５３が形成されており、弁体４２
は、その当接部５３が弁座４７に当接して噴射口４５を
閉鎖する閉弁位置（図示する位置）と、当接部５３が弁
座４７から所定量だけ離れて噴射口４５を開放する開弁
位置との間で移動可能となっている。

【００３１】一方、バルブボディ４１の図の上端面には
リング状をなすストッパ５４が配設されており、弁体４
２はこのストッパ５４に挿通されてケーシング５５側に
突出している。ここで、弁体４２には周方向に張り出し
たフランジ５６が形成されており、弁体４２が電磁アク
チュエータ４３の駆動により引き上げられた時には、フ
ランジ５６がストッパ５４に当たり弁体４２の開弁位置
が規制される。

【００３２】ケーシング５５内に収容された電磁アクチ
ュエータ４３は、大別してコア（アーマチュア）５７、
ステータ５８及び電磁コイル５９から構成されている。
コア５７は、弁体４２に一体移動可能に連結され、リタ
ーンスプリング６０によって常に弁体４２の閉弁側（図
２の下側）に付勢されている。筒状の磁性体からなるス
テータ５８は、コア５７と同軸上に配設され、そのフラ
ンジ部５８ａがケーシング５５の端部によりカシメ着さ
れることによりケーシング５５に対して固定されてい
る。ステータ５８内には円管状の筒体６１が配設されて
いる。筒体６１の上流部には燃料を流入するための流入
口６２が形成され、同流入口６２にはフィルタ６３が配
設されている。

【００３３】電磁コイル５９には、外部（ＥＣＵ３０）
からの制御信号を取り込むための端子６４が接続されて
いる。この端子６４はコネクタ６５内に支持されるもの
であって、同コネクタ６５はケーシング５５端部に配設
されたモールド樹脂６６により形成されている。

【００３４】このように構成されたインジェクタ１８で
は、燃料が流入口６２から流入すると、同燃料はフィル
タ６３、筒体６１、コア５７、さらにストッパ５４と弁
体４２との間の間隙を介して摺動孔４６内に導かれる。
そして、電磁コイル５９がＥＣＵ３０によって通電され
ると、磁力が発生しコア５７がリターンスプリング６０
の付勢力に抗して図２の上方へ引き上げられる。これに
より、弁座４７と当接部５３との隙間が開放され、噴射
口４５並びにエアアシストアダプタ４４の分岐通路４９
を介して燃料が吸気管２内に噴射されることになる。

【００３５】要するに本実施の形態では、上述したよう
にエアアシスト式のインジェクタ１８を用い、同インジ
ェクタ１８に給送される加圧エアを調整することで、燃
料粒径（ザウタ平均粒径ＳＭＤ：Sauter's mean diamet
er）を例えば５０μｍ程度に微粒化している。なおここ
で、燃料粒径ＳＭＤは、インジェクタ１８の加圧エア圧
力に対して図８に示す関係を有し、加圧エア圧力が大き
くなるほど、燃料粒径ＳＭＤは小さくなり微粒化される
ようになる。

【００３６】次に、上記の如く構成される空燃比制御シ
ステムの作用を説明する。図３は、ＣＰＵ３１により実
行される燃料噴射制御ルーチンを示すフローチャートで
あり、本ルーチンは各気筒の燃料噴射毎（本実施の形態
では１８０°ＣＡ毎）に実行される。

【００３７】さて、図３のルーチンがスタートすると、
ＣＰＵ３１は、先ずステップ１０１でエンジン運転状態
を表すセンサ検出結果（エンジン回転数Ｎｅ、吸気圧Ｐ
Ｍ、冷却水温Ｔｗ等）を読み込み、続くステップ１０２
でＲＯＭ３２内に予め格納されている基本噴射マップを
用いてその時々のエンジン回転数Ｎｅ及び吸気圧ＰＭに
応じた基本噴射量Ｔｐを算出する。また、ＣＰＵ３１
は、ステップ１０３で周知の空燃比Ｆ／Ｂ条件が成立し
ているか否かを判別する。ここで、空燃比Ｆ／Ｂ条件と
は、冷却水温Ｔｗが所定温度以上であること、高回転・
高負荷状態でないこと、Ａ／Ｆセンサ１６が活性状態に
あることなどを含む。

【００３８】ステップ１０３が否定判別されれば（Ｆ／
Ｂ条件不成立の場合）、ＣＰＵ３１は、ステップ１０４
に進んで空燃比補正係数ＦＡＦを「１．０」とする。Ｆ
ＡＦ＝１．０とすることは、空燃比がオープン制御され
ることを意味する。また、ステップ１０３が肯定判別さ
れれば（Ｆ／Ｂ条件成立の場合）、ＣＰＵ３１は、ステ
ップ２００に進んで目標空燃比λＴＧの設定処理を実施
する。目標空燃比λＴＧの設定処理は後述する図４のル
ーチンに従い行われる。

【００３９】その後、ＣＰＵ３１は、ステップ１０５で
その時々の実際の空燃比λ（センサ計測値）と目標空燃
比λＴＧとの偏差に基づいて空燃比補正係数ＦＡＦを設
定する。本実施の形態では、現代制御理論に基づく空燃
比Ｆ／Ｂ制御を実施することとしており、そのＦ／Ｂ制
御に際し、Ａ／Ｆセンサ１６の検出結果を目標空燃比に
一致させるための空燃比補正係数ＦＡＦを次の（１），
（２）式を用いて算出する。なお、このＦＡＦ値の設定
手順については特開平１−１１０８５３号公報に詳細に
開示されている。

【００４０】 ＦＡＦ＝Ｋ1 ・λ＋Ｋ2 ・ＦＡＦ1 ＋ ・・・＋Ｋn+1 ・ＦＡＦn ＋ＺＩ …（１） ＺＩ＝ＺＩ1 ＋Ｋａ・（λＴＧ−λ） …（２） 上記（１），（２）式において、λはＡ／Ｆセンサ１６
による限界電流の空燃比変換値を、Ｋ1 〜Ｋn+1 はＦ／
Ｂ定数を、ＺＩは積分項を、Ｋａは積分定数をそれぞれ
表す。また、添字１〜ｎ＋１はサンプリング開始からの
制御回数を示す変数である。

【００４１】ＦＡＦ値の設定後、ＣＰＵ３１は、ステッ
プ１０６で次の（３）式を用い、基本噴射量Ｔｐ、空燃
比補正係数ＦＡＦ及びその他の補正係数ＦＡＬＬ（水
温、エアコン負荷等の各種補正係数）から最終の燃料噴
射量ＴＡＵを算出する。

【００４２】 ＴＡＵ＝Ｔｐ・ＦＡＦ・ＦＡＬＬ …（３） 燃料噴射量ＴＡＵの算出後、ＣＰＵ３１は、そのＴＡＵ
値に相当する制御信号をインジェクタ１８に出力して本
ルーチンを一旦終了する。

【００４３】次に、上記ステップ２００の処理に相当す
るλＴＧ設定ルーチンについて、図４を用いて説明す
る。なお当該ルーチンでは、リーン燃焼の実施途中にお
いて一時的にリッチ燃焼が行われるよう、目標空燃比λ
ＴＧが適宜設定される。すなわち、燃料噴射毎に計数さ
れる周期カウンタの値を基に、所定の時間比となるよう
にリーン噴射回数ＴＬとリッチ噴射回数ＴＲとが設定さ
れ、それら各噴射回数ＴＬ，ＴＲに応じてリーン燃焼と
リッチ燃焼とが交互に実施される。

【００４４】図４において、ＣＰＵ３１は、先ずステッ
プ２０１でリーンカウンタ及びリッチカウンタが共に
「０」であるか否かを判別し、当該ステップが肯定判別
されることを条件に、ステップ２０２に進む。そしてＣ
ＰＵ３１は、ステップ２０２で今現在、吸気行程同期噴
射が実施されているか否かを判別する。例えばエンジン
１の定常運転時においては「吸気行程同期噴射」が実施
されるため、ＣＰＵ３１はステップ２０２を肯定判別し
てステップ２０３に進み、エンジン１の低温始動時など
においては「吸気行程外噴射」が実施されるため、ステ
ップ２０２を否定判別してステップ２０４に進む。

【００４５】ステップ２０３，２０４では、ＣＰＵ３１
は図５の関係に従い、リッチ噴射回数ＴＲを決定する。
すなわち、ステップ２０３では（吸気行程同期噴射の場
合）、図５の実線の特性を用いその時の吸入空気量Ｑａ
に応じてリッチ噴射回数ＴＲを決定する。また、ステッ
プ２０４では（吸気行程外噴射の場合）、図５の一点鎖
線の特性を用いその時の吸入空気量Ｑａに応じてリッチ
噴射回数ＴＲを決定する。なお、吸入空気量Ｑａはその
時々のエンジン回転数Ｎｅ及び吸気圧ＰＭに基づき演算
される。

【００４６】このとき、一点鎖線で示す吸気行程外噴射
の特性は、従来既存の装置（例えば特許番号第２６００
４９２号公報の装置など）に準ずるものであるのに対
し、実線で示す吸気行程同期噴射の特性は、前記一点鎖
線の特性よりもリッチ噴射回数が小さくなるように設定
されている。これは、吸気行程同期噴射の場合、噴射燃
料が吸気の流れに乗って気筒内に吸入され、燃料のポー
トウエット量やバルブウエット量が減って制御空燃比の
変化がいち早く排ガス雰囲気に反映されることを理由
に、リッチ時間が短縮できることを意味する。

【００４７】またここで、下記の（Ａ），（Ｂ）の場合
には、燃料の微粒化が阻害されるとして吸気行程同期噴
射が中断され、吸気行程外噴射が実施される。すなわ
ち、（Ａ）前記図２のエア供給ポンプ７２によるエアア
シスト機能が故障した場合、（Ｂ）前記インジェクタ１
８に燃料を圧送するための燃料圧送系が故障した場合、
などにおいて、その旨が検出されると、前記図５の一点
鎖線の特性を用いてリッチ噴射回数が設定されるように
なる。換言すれば、上記（Ａ），（Ｂ）の場合には、リ
ッチ時間の短縮が禁止される。

【００４８】因みに、上記（Ａ）の異常は、例えばエア
供給ポンプ７２の動作不良やエア通路詰まりが生じた際
にその旨が判定される。この異常時には図８からも分か
るように、加圧エア圧力が低下することで燃料粒径ＳＭ
Ｄが不用意に大きくなってしまう。

【００４９】具体的には、前記図２のプレッシャレギュ
レータ７１においてエア圧が所定圧力に調節できない時
に、上記（Ａ）の異常発生の旨を判定する。また、過渡
運転時における空燃比の変動幅を検出すると共に、その
変動幅がエアアシスト量に見合ったものか否かを判定
し、当該判定結果から上記（Ａ）の異常を検知すること
も可能である。この場合、例えば車両の加速時にはエア
アシスト量の増大に伴いリーン化度合が大きくなるが、
そのリーン化度合がエアアシスト量に見合ったものでな
い時に異常発生の旨を判定する。その他、エア供給ポン
プ７２の駆動源となるモータの発電状態を監視し、その
発電状態とエアアシストの実施状態とを対比させつつ上
記（Ａ）の異常を判定してもよい。

【００５０】一方、上記（Ｂ）の異常は、燃圧と経過時
間とを用いて得られる燃圧の時間変化率に基づいて判定
する。具体的には、前記図１の燃料ポンプ２６とデリバ
リパイプ２５（インジェクタ１８）との間の燃料配管に
燃圧センサを設け、当該センサの検出結果に基づく燃圧
の時間変化率が所定値よりも小さければ燃料ポンプ２６
の吐出量不足と判定し、燃圧の時間変化率が所定値より
も大きければ配管系が詰まっていると判定する。

【００５１】その後、ＣＰＵ３１は、ステップ２０５で
前記設定したリッチ噴射回数ＴＲを基に、リーン噴射回
数ＴＬを算出する。このとき、図６の関係により求めら
れる係数αを用い、 ＴＬ＝α・ＴＲ としてリーン噴射回数ＴＬを算出する。図６の関係によ
れば、吸入空気量Ｑａが低中負荷レベルにある場合、リ
ーン噴射回数ＴＬとリッチ噴射回数ＴＲとが「１００：
１」程度に設定され、吸入空気量Ｑａが低中負荷レベル
よりも高くなると、リーン噴射回数ＴＬがリッチ噴射回
数ＴＲに対して徐々に短くなるように設定される。

【００５２】上記ステップ２０２〜２０５の処理後、Ｃ
ＰＵ３１はステップ２０６に進む。一方、前記ステップ
２０１がＮＯの場合（リーン，リッチカウンタ≠０の場
合）、ＣＰＵ３１はステップ２０２〜２０５の処理を読
み飛ばし、そのままステップ２０６に進む。

【００５３】そしてステップ２０６では、ＣＰＵ３１は
今現在、リーン制御中であるか否か、すなわち目標空燃
比λＴＧがリーン制御値であるか否かを判別する。リー
ン制御中であれば、ＣＰＵ３１はステップ２０７に進
み、リーンカウンタを「１」インクリメントする。

【００５４】また、ＣＰＵ３１は、続くステップ２０８
でリーンカウンタの値が前記設定したリーン噴射回数Ｔ
Ｌ未満であるか否かを判別する。リーン噴射回数ＴＬ未
満であれば（ステップ２０８がＹＥＳの場合）、ＣＰＵ
３１は、ステップ２０９でリーン制御値を目標空燃比λ
ＴＧとして設定し元の図３のルーチンに戻る。このと
き、リーン制御値は、例えば図７に示す目標空燃比マッ
プを検索して求められ、λＴＧ値として例えばＡ／Ｆ＝
２０〜２３に相当する値が設定される（但し、定常運転
時でないなどリーン燃焼の実施条件が不成立の場合には
ストイキ近傍でλＴＧ値が設定される）。

【００５５】かかる場合、上述のステップ２０９で設定
したλＴＧ値が前記図３のステップ１０５でＦＡＦ値の
演算に用いられ、このＦＡＦ値により空燃比がリーン制
御される。

【００５６】リーンカウンタの値がリーン噴射回数ＴＬ
に達すると（ステップ２０８がＮＯの場合）、ＣＰＵ３
１は、ステップ２１０でリッチ制御値を目標空燃比λＴ
Ｇとして設定し、続くステップ２１１でリーンカウンタ
を「０」にクリアする。なおこのとき、リッチ制御値
は、リッチ燃焼を行うべくリッチ空燃比領域での固定値
としてもよいし、エンジン回転数Ｎｅや吸気圧ＰＭに基
づきマップ検索して可変に設定するようにしてもよい。
マップ検索を行う場合、エンジン回転数Ｎｅが高いほど
又は吸気圧ＰＭが高いほど、そのリッチ度合が強くなる
ようリッチ制御値が設定される。

【００５７】かかる場合、上述のステップ２１０で設定
したλＴＧ値が前記図３のステップ１０５でＦＡＦ値の
演算に用いられ、このＦＡＦ値により空燃比がリッチ制
御される。

【００５８】一方、前記ステップ２１０で目標空燃比λ
ＴＧがリーン制御値からリッチ制御値に切り換えられ、
それによりステップ２０６が否定判別されると、ＣＰＵ
３１はステップ２１２に進み、リッチカウンタを「１」
インクリメントする。また、ＣＰＵ３１は、続くステッ
プ２１３でリッチカウンタの値が前記設定したリッチ噴
射回数ＴＲ未満であるか否かを判別する。リッチ噴射回
数ＴＲ未満であれば（ステップ２１３がＹＥＳの場
合）、ＣＰＵ３１は、ステップ２１４でリッチ制御値を
目標空燃比λＴＧとして設定し元の図３のルーチンに戻
る。すなわち、今現在のリッチ制御を継続する。

【００５９】リッチカウンタの値がリッチ噴射回数ＴＲ
に達すると（ステップ２１３がＮＯの場合）、ＣＰＵ３
１は、ステップ２１５でリーン制御値を目標空燃比λＴ
Ｇとして設定し、続くステップ２１６でリッチカウンタ
を「０」にクリアする。すなわち、空燃比制御をリッチ
制御から元のリーン制御に切り換える。

【００６０】図９は、上記図３及び図４のルーチンによ
る制御動作を説明するためのタイムチャートである。図
９では、リーンカウンタ及びリッチカウンタが共に
「０」となるタイミング（例えば図の時刻ｔ１）でリー
ン噴射回数ＴＬとリッチ噴射回数ＴＲとが設定される。
ＴＬ，ＴＲは、「吸気行程同期噴射」が実施されている
か、若しくは「吸気行程外噴射」が実施されているかに
よって異なる値となる。つまり、前記図５から分かるよ
うに、吸気行程同期噴射が実施されていれば、ＴＬ，Ｔ
Ｒが短縮化されることになる。

【００６１】リーンカウンタ＝０〜ＴＬの期間（例えば
時刻ｔ１〜ｔ２の期間）では、空燃比がリーン制御され
る。このとき、排ガス中のＮＯx がＮＯx 触媒１９に吸
蔵される。また、リーンカウンタ＝ＴＬとなる時刻ｔ２
では、空燃比のリーン制御がリッチ制御に切り換えら
れ、リッチカウンタ＝０〜ＴＲの期間（例えば時刻ｔ２
〜ｔ３の期間）では、空燃比がリッチ制御される。この
とき、排ガス中の未燃ガス成分（ＨＣ，ＣＯ）により触
媒１９の吸蔵ＮＯx が還元されて放出される。こうし
て、空燃比のリーン制御とリッチ制御とがリーン噴射回
数ＴＬとリッチ噴射回数ＴＲとに応じて繰り返し実施さ
れる。

【００６２】なお本実施の形態では、吸気行程同期噴射
を実施するＣＰＵ３１が請求項記載の燃焼制御手段に相
当する。また、前記図４のステップ２０４が第１のリッ
チ時間設定手段に相当し、同ステップ２０５が第２のリ
ッチ時間設定手段に相当する。

【００６３】以上詳述した本実施の形態によれば、以下
に示す効果が得られる。 （ａ）本実施の形態では、吸気行程同期噴射を実施し、
それによりインジェクタ１８による１回の噴射燃料がそ
の都度、燃焼行程で燃焼されるよう燃焼を制御するよう
にした。そして、この吸気行程同期噴射の実施時には、
吸気行程外噴射の実施時よりもリッチ時間（リッチ噴射
回数ＴＲ）を短縮することとした。かかる場合、吸気行
程同期噴射では、吸気行程外噴射と比較して、噴射燃料
のポートウエット量やバルブウエット量が低減でき、リ
ーン燃焼からリッチ燃焼への切り換え時において排ガス
がいち早くリッチ化できる（所望のリッチ雰囲気に切り
換わる）。従って、吸気行程同期噴射の実施時には、同
噴射の非実施時よりもリッチ時間が短縮でき、ひいては
燃費の改善やトルク変動の抑制を実現することができ
る。

【００６４】図１０は、１回当たりのリッチ時間とその
時々のトルク変動との関係を示す実験データである。同
図によれば、リッチ時間が短いほどルク変動が抑制され
ることが分かる。

【００６５】（ｂ）また、リッチ時間（リッチ噴射回数
ＴＲ）と（リーン噴射回数ＴＬ）リーン時間とが所定の
比率で設定される場合において、リッチ時間が短縮され
ることでリーン時間も短縮されるようになる。従って、
触媒劣化時や触媒温度の変動時といったＮＯx 触媒１９
におけるＮＯx 吸蔵能力の低下時にも高いＮＯx 浄化率
が維持できる。

【００６６】（ｃ）エアアシスト式のインジェクタ１８
を用いて当該インジェクタ１８に給送されるエア圧力を
調整することや、燃料噴霧を高温の吸気バルブ１４の傘
部に向けて噴射することにより、噴射燃料を微粒化する
ようにした。かかる場合には、噴射燃料を微粒化するこ
とで、気筒内での燃料の気化が促進され、上記の燃焼制
御が適切に実施されるようになる。

【００６７】（ｄ）インジェクタ１８による噴射燃料が
微粒化できない場合に、リッチ時間の短縮化を禁止する
ようにした。つまり、燃料微粒化が実施できないと、リ
ーン燃焼とリッチ燃焼との切り換え時に排ガスのリッチ
化が遅れ、前記短縮化したリッチ時間では当該リッチ時
間が不足するおそれがある。そこで、ＮＯx 触媒１９付
近での排ガス雰囲気を確実にリッチ化させるために、リ
ッチ時間の短縮化を禁止する。これにより、リッチ時間
が不足して吸蔵ＮＯx の還元・放出が不十分になるとい
った問題が回避できる。

【００６８】（第２の実施の形態）次に、本発明におけ
る第２の実施の形態を説明する。但し、第２の実施の形
態の構成において、上述した第１の実施の形態と同等で
あるものについては図面に同一の記号を付すと共にその
説明を簡略化する。

【００６９】上記第１の実施の形態では、吸気行程同期
噴射を実施することによりインジェクタの１回の噴射燃
料をその都度、燃焼行程で燃焼させるようにしたが、第
２の実施の形態ではこれを変更する。インジェクタから
燃焼室に燃料を直接噴射する、いわゆる筒内直噴式エン
ジンに本発明を具体化する。図１１は、筒内直噴式エン
ジン８１の構成図であり、前記図１との相違点としてイ
ンジェクタ８２が筒内噴射タイプのものに変更されてい
る。

【００７０】かかる場合、前記ＣＰＵ３１は、ＮＯx 触
媒１９付近で排ガスが確実にリッチ化される最短時間で
リッチ時間を設定する。ＣＰＵ３１による処理として
は、前記図４のルーチンを流用し、同ルーチンのステッ
プ２０２，２０４を削除した形で実現できる。同図のス
テップ２０３では、例えば前記図５の実線の特性（吸気
行程同期噴射の特性）を用いてリッチ噴射回数（リッチ
時間）が設定される。

【００７１】筒内直噴式エンジンでは、ポートウエット
やバルブウエットなどにより燃料量が不用意に変動分す
ることがないため、インジェクタ８２による１回の噴射
燃料の略全てがその都度、燃焼行程で燃焼される。つま
り、リーン燃焼からリッチ燃焼への切り換え時におい
て、排ガス雰囲気がいち早くリッチ化できる（所望のリ
ッチ雰囲気に切り換わる）。従って、何ら支障無くリッ
チ時間の短縮が可能となる。その結果、上記実施の形態
と同様に、リッチ時間の短縮を図り、燃費の改善やトル
ク変動の抑制を実現することができる。

【００７２】なお、本発明の実施の形態は、上記以外に
次の形態にて実現できる。上記各実施の形態では、吸入
空気量Ｑａに応じてリッチ噴射回数ＴＲ（リッチ時間）
を設定し、その後、「ＴＬ＝α・ＴＲ」として、リーン
噴射回数ＴＬ（リーン時間）を設定したが（前記図４の
ステップ２０３〜２０５）、これを変更する。例えばＴ
Ｒ，ＴＬをマップ検索により個々に設定する。

【００７３】上記第１の実施の形態では、エア供給ポン
プ７２を用いたエアアシストインジェクタ１８により噴
射燃料微粒化手段を構成したが、これを変更する。例え
ば差圧式のエアアシストインジェクタにより噴射燃料微
粒化手段を構成する。当該インジェクタの場合、スロッ
トル弁５の上流側と下流側との吸気圧の差圧を利用して
噴射燃料を微粒化する。そして、この差圧エアアシスト
による燃料微粒化が実施される状態下においてリッチ時
間を短縮する。但し、エンジンの高負荷領域では差圧が
なくなるため、リッチ時間の短縮を禁止する。

【００７４】噴射燃料微粒化手段として、既述の手法以
外に次のように具体化する。多孔タイプ（例えば１２孔
タイプ）のインジェクタを使用する。すなわち、既述の
４孔タイプのインジェクタよりも噴射孔の径（具体的に
は、前記図２の分岐通路４９の開口部の径）を微小化す
ると共に、孔数を１２個、或いはそれ以上に増やす。か
かる場合、エア圧が比較的低くても燃料微粒化の効果が
得られるため、エア加圧により燃料流速が過剰に大きく
なってシリンダウエット量が増加するといった不都合も
回避できる。インジェクタの多孔化に伴い、前記図２の
エア供給ポンプ７２によるエア加圧を省略することも可
能である。

【００７５】上記各実施の形態では、目標空燃比λＴＧ
をリーン制御値とリッチ制御値とで切り換えることによ
り、リーン燃焼とリッチ燃焼とを行わせるようにしてい
たが、これを変更する。例えば空燃比補正係数ＦＡＦを
リーン補正側とリッチ補正側とで切り換え、それにより
リーン燃焼とリッチ燃焼とを行わせるようにしてもよ
い。

【００７６】上記各実施の形態における空燃比制御シス
テムでは、現代制御理論を用い、目標空燃比と実際に検
出した空燃比（実空燃比）との偏差に応じて空燃比をフ
ィードバック制御していたが、この構成を変更する。例
えばＰＩ制御により空燃比をフィードバック制御した
り、空燃比をオープン制御したりしてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】発明の実施の形態におけるエンジンの空燃比制
御システムの概要を示す全体構成図。

【図２】インジェクタの構成を示す断面図。

【図３】燃料噴射制御ルーチンを示すフローチャート。

【図４】λＴＧ設定ルーチンを示すフローチャート。

【図５】吸入空気量とリッチ噴射回数との関係を示すグ
ラフ。

【図６】吸入空気量と係数αとの関係を示すグラフ。

【図７】エンジン回転数及び吸気圧に応じたリーン目標
空燃比を設定するためのマップ。

【図８】加圧エア圧力と燃料粒径ＳＭＤとの関係を示す
グラフ。

【図９】実施の形態における作用を説明するためのタイ
ムチャート。

【図１０】リッチ時間とその時のトルク変動との関係を
示すグラフ。

【図１１】筒内直噴式エンジンの構成図。

【符号の説明】

１…エンジン（内燃機関）、１８…噴射燃料微粒化手段
を構成するインジェクタ、１９…ＮＯx 触媒（ＮＯx 吸
蔵還元型触媒）、３０…ＥＣＵ（電子制御装置）、３１
…燃焼制御手段，第１のリッチ時間設定手段，第２のリ
ッチ時間設定手段を構成するＣＰＵ、８１…筒内直噴式
エンジン、８２…インジェクタ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｄ 41/02 ３２５ Ｆ０２Ｄ 41/02 ３２５Ｈ 41/14 ３１０ 41/14 ３１０Ａ 41/34 41/34 Ｅ Ｆ０２Ｍ 61/18 ３４０ Ｆ０２Ｍ 61/18 ３４０Ｅ 69/00 ３１０ 69/00 ３１０Ａ ３１０Ｑ 69/04 69/04 Ｌ Ｐ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内燃機関に供給する混合気の目標空燃比を
   理論空燃比よりもリーン側に設定してその目標空燃比に
   基づきリーン燃焼を行わせると共に、リーン燃焼時に排
   出される排ガス中のＮＯx をリーンＮＯx 触媒で吸蔵
   し、さらに空燃比を一時的にリッチに制御して前記吸蔵
   したＮＯx をリーンＮＯx 触媒から放出するようにした
   内燃機関の空燃比制御装置であって、 インジェクタによる１回の噴射燃料がその都度、燃焼行
   程で燃焼されるよう燃焼を制御する燃焼制御手段と、 前記燃焼制御手段により燃焼が制御されない時に、リッ
   チ燃焼のためのリッチ時間を所定時間に設定する第１の
   リッチ時間設定手段と、 前記燃焼制御手段により燃焼が制御される時に、リッチ
   時間を前記第１のリッチ時間設定手段により設定される
   所定時間よりも短縮して設定する第２のリッチ時間設定
   手段とを備えることを特徴とする内燃機関の空燃比制御
   装置。
2. 【請求項２】前記燃焼制御手段は、内燃機関の吸気バル
   ブの開弁に伴う吸気行程期間に対応させてインジェクタ
   による燃料噴射を実施する手段よりなる請求項１に記載
   の内燃機関の空燃比制御装置。
3. 【請求項３】請求項２に記載の空燃比制御装置におい
   て、 前記インジェクタによる噴射燃料を微粒化するための噴
   射燃料微粒化手段を備える内燃機関の空燃比制御装置。
4. 【請求項４】請求項３に記載の空燃比制御装置におい
   て、 前記インジェクタによる噴射燃料が微粒化できない場合
   に、前記第２のリッチ時間設定手段によるリッチ時間の
   短縮化を禁止する内燃機関の空燃比制御装置。
5. 【請求項５】インジェクタから燃焼室に燃料を直接噴射
   する筒内直噴式内燃機関に適用され、前記内燃機関に供
   給する混合気の目標空燃比を理論空燃比よりもリーン側
   に設定してその目標空燃比に基づきリーン燃焼を行わせ
   ると共に、リーン燃焼時に排出される排ガス中のＮＯx
   をリーンＮＯx 触媒で吸蔵し、さらに空燃比を一時的に
   リッチに制御して前記吸蔵したＮＯx をリーンＮＯx 触
   媒から放出するようにした内燃機関の空燃比制御装置で
   あって、 リッチ燃焼のためのリッチ時間を、前記リーンＮＯx 触
   媒付近で排ガスがリッチ化される最短時間で設定するこ
   とを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。