JPH1144245A - 筒内直接噴射式火花点火エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて
も、エンジンの安定性を悪化させることなく、ＨＣをリ
ーンＮＯｘ触媒に供給してリーンＮＯｘ触媒でのＮＯｘ
の還元率を高める。 【解決手段】 排気通路にリーンＮＯｘ触媒を配置した
直噴噴射式火花点火エンジンにおいて、成層燃焼条件で
圧縮行程での噴射に加えて、膨張行程または排気行程で
２回目の少量噴射を２回目噴射実行手段３２が行う。シ
リンダ内で燃焼するガスの温度は圧縮上死点直後にピー
クを迎え、その後は低下していくので、このガス温度の
ピークの後でありかつあるていどガス温度が低下したタ
イミングで２回目噴射を行うことで、２回目噴射の燃料
が酸化されることなく（つまりＨＣを保存したまま）リ
ーンＮＯｘ触媒へと供給される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は筒内直接噴射式火
花点火エンジンの排気浄化装置、特に排気通路にリーン
ＮＯｘ触媒を設けているものに関する。

【０００２】

【従来の技術】均質燃焼域において２０〜２５といった
リーンな空燃比で運転を行うとともに、そのリーン運転
域で発生するＮＯｘを、排気通路に設けたリーンＮＯｘ
触媒によりＨＣを用いて浄化するようにしたリーンバー
ンシステムにおいて、リーンＮＯｘ触媒は、排気中のＨ
Ｃが不足すると、ＮＯｘの還元効率が低下するので、リ
ーンＮＯｘ触媒に流入するＨＣ量が必要ＨＣ量に対して
不足しているときは排気中のＨＣが増加するように燃料
噴射時期を変更するようにしたものがある（特開平３−
２１７６４０号公報参照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、インジェク
タを燃焼室内に臨んで設けるとともに、燃焼室、吸気ポ
ートの形状やピストン頂面の形状などを工夫して、エン
ジン低負荷時に点火プラグ付近にだけ混合気を偏在させ
て燃焼（成層燃焼）を行わせることにより、燃焼室内平
均の空燃比が上記のリーンな空燃比よりもさらに大き
い、たとえば３０〜４０といった空燃比を実現するよう
にした、いわゆる筒内直接噴射式火花点火エンジンがあ
り、このエンジンとリーンＮＯｘ触媒を組み合わせる場
合にも、排気中のＨＣの不足でＮＯｘの還元効率が低下
するため、燃料噴射時期を変えることによってＨＣを増
やすことが考えられる。

【０００４】しかしながら、筒内直接噴射式火花点火エ
ンジンでは、燃料噴射時期を変えると、燃焼が悪化して
エンジンの安定性が悪くなるので、燃料噴射時期をむや
みに変えることはできない。

【０００５】そこで本発明は、圧縮行程での通常の噴射
はそのままとし、これとは別に膨張行程や排気行程で２
回目の噴射を行うことにより、筒内直接噴射式火花点火
エンジンにおいても、エンジンの安定性を悪化させるこ
となく、ＨＣをリーンＮＯｘ触媒に供給してリーンＮＯ
ｘ触媒でのＮＯｘの還元率を高めることを目的とする。

【０００６】なお、筒内直接噴射式火花点火エンジンに
おいて、圧縮行程での噴射に加えて、触媒の暖機のため
膨張行程や排気行程で追加の噴射を行うとともに、追加
燃料の混入した排気を点火プラグやグロープラグにより
再点火するようにしたものがある（特開平４−１８３９
２２号）。しかしながら、このものでは、追加の噴射燃
料に再点火して燃やし、燃焼による排気熱で触媒を加熱
する構成であるため、未燃のＨＣが触媒に到達すること
はない。

【０００７】

【課題を解決するための手段】第１の発明では、図２４
に示すように、排気通路にリーンＮＯｘ触媒を配置した
直噴噴射式火花点火エンジンにおいて、成層燃焼を行わ
せる条件かどうかを判定する手段３１と、この判定結果
より成層燃焼条件で圧縮行程での噴射に加えて、膨張行
程または排気行程で２回目の少量噴射を行う手段３２と
を設けた。

【０００８】第２の発明では、第１の発明において成層
燃焼条件でのＨＣとＮＯｘの各濃度を推定し、これらの
濃度比が理想バランスとなるように前記２回目噴射の噴
射量を演算する。

【０００９】第３の発明では、第２の発明において前記
ＨＣとＮＯｘの各濃度を、エンジン回転数、エンジン負
荷、ＥＧＲ率のすくなくとも一つから推定する。

【００１０】第４の発明では、第３の発明において成層
燃焼条件でかつエンジン暖機前に燃料増量（たとえば水
温増量補正）を行うときは、その燃料増量により定まる
空燃比に応じても、前記ＨＣとＮＯｘの各濃度を推定す
る。

【００１１】第５の発明では、第１から第４までのいず
れか一つの発明において前記膨張行程または排気行程に
おける２回目噴射の噴射開始タイミングが、ＨＣが酸化
しないシリンダ内ガス温度となるタイミングである。

【００１２】第６の発明では、第５の発明において前記
ＨＣが酸化しないシリンダ内ガス温度となるタイミング
を、ピークガス温度から予測する。

【００１３】第７の発明では、第６の発明において前記
ピークガス温度を、エンジンの回転数、負荷、ＥＧＲ
率、点火時期の少なくとも一つから予測する。

【００１４】第８の発明では、第５の発明において前記
ＨＣが酸化しない筒内ガス温度となるタイミングを、成
層燃焼条件での最大のピークガス温度にもとづき一律に
設定する。

【００１５】第９の発明では、第１から第８までのいず
れか一つの発明においてＮＯｘを吸着するとともにこの
吸着したＮＯｘをＨＣの存在下で脱離する性質を有する
手段を排気通路に配置するとともに、このＮＯｘ吸着手
段でのＮＯｘ吸着量を予測し、この予測したＮＯｘ吸着
量が飽和状態に達したタイミングで前記２回目噴射を行
い、この２回目噴射に伴うＨＣの供給によりＮＯｘ吸着
手段よりＮＯｘが脱離し終わったと思われるタイミング
で前記２回目噴射を終了する。

【００１６】第１０の発明では、第１から第９までのい
ずれか一つの発明において前記２回目噴射量が規定値以
下のとき全気筒分の２回目噴射を一部の気筒だけで行
う。

【００１７】

【発明の効果】第１の発明では圧縮行程での噴射を行っ
たあとに、少量の２回目噴射が膨張行程または排気行程
で行われる。シリンダ内で燃焼するガスの温度は圧縮上
死点直後にピークを迎え、その後は低下していくので、
このガス温度のピークの後でありかつあるていどガス温
度が低下したタイミングで２回目噴射を行うことで、２
回目噴射の燃料が酸化されることなく（つまりＨＣを保
存したまま）リーンＮＯｘ触媒へと供給されるわけであ
る。

【００１８】このように第１の発明では、圧縮行程噴射
はそのままにして、２回目噴射によりＨＣを供給してい
るので、筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいても、
エンジンの安定性を悪化させることなく、リーンＮＯｘ
触媒でのＮＯｘの還元率を高めることができる。

【００１９】第２の発明では、リーンＮＯｘ触媒へのＨ
Ｃの供給を過不足なく行うことができる。

【００２０】第３の発明では、成層燃焼条件においてエ
ンジン回転数、エンジン負荷、ＥＧＲ率が相違しても、
ＨＣとＮＯｘの各濃度を精度よく推定することができ
る。

【００２１】ＨＣ濃度やＮＯｘ濃度は空燃比によっても
変化するので、ＨＣとＮＯｘの各濃度を推定する際に、
エンジン回転数とエンジン負荷から求めていれば、空燃
比は織り込まれている。空燃比は回転数と負荷を指定す
れば空燃比が定まるので、回転数と負荷をパラメータと
することは、これらに加えて空燃比もパラメータとして
いることになるからである。したがって、エンジンの暖
機後は問題ないのであるが、エンジンの暖機前に行われ
る燃料増量により空燃比がリッチ化される点については
考慮されていないので、エンジンの暖機前に成層燃焼条
件が成立してＨＣとＮＯｘの各濃度を推定するときは、
この燃料増量による空燃比のリッチ化の分だけの誤差が
生じてしまう。これに対して第４の発明では、エンジン
暖機前には、この暖機前のの空燃比をも考慮してＨＣと
ＮＯｘの各濃度を推定するので、エンジンの暖機前に燃
料増量が行われるときにも、ＨＣとＮＯｘの各濃度の推
定値に誤差が生じることがない。

【００２２】第５の発明では、ＨＣが酸化しないガス温
度となるタイミングで２回目噴射を行うので、２回目噴
射燃料のすべてをＨＣのままで供給することが可能とな
る。

【００２３】第７の発明では、成層燃焼条件においてエ
ンジン回転数、エンジン負荷、ＥＧＲ率、点火時期が相
違しても、ピークガス温度を精度よく推定することがで
きる。

【００２４】成層燃焼条件においてピークガス温度が最
大となる場合が２回目噴射の噴射開始タイミングが最も
遅れる場合である。したがって、この場合の噴射開始タ
イミングで一律に２回目噴射を行ってもＨＣが酸化する
ことはない。つまり、第８の発明により、成層燃焼条件
においてピークガス温度が最大となる場合にＨＣが酸化
しないガス温度となるタイミングで一律に２回目の噴射
を行わせることで、マッチングの工数を減らすことがで
きる。

【００２５】２０〜２５といったリーンな空燃比とそれ
よりも濃い空燃比（理論空燃比や出力空燃比）とを運転
条件により切換えるようにした、いわゆるリーンバーン
システムを採用するエンジンにおいて、排気の空燃比が
理論空燃比よりリーン側にあるときにはＮＯｘを吸着
し、排気の空燃比が理論空燃比よりもリッチ側になる
と、吸着したＮＯｘを脱離させる手段をリーンＮＯｘ触
媒上流の排気通路に配置し、リーン空燃比での運転時に
発生するＮＯｘをこのＮＯｘ吸着手段により吸着させ、
ＮＯｘ吸着手段へのＮＯｘ吸着量が飽和状態に達する前
に排気の空燃比を一時的に理論空燃比よりリッチ側にし
てＨＣを供給し、このＨＣでＮＯｘ吸着手段からＮＯｘ
を脱離させるとともに、下流のリーンＮＯｘ触媒でこの
脱離させたＮＯｘをＨＣを用いて還元するようにしたも
のが公知である（特開平６−６６１８５号参照）。

【００２６】これに対して第９の発明は、ＮＯｘ吸着手
段を排気通路に配置したものを前提とし、ＮＯｘ吸着手
段でのＮＯｘ吸着量を予測し、この予測したＮＯｘ吸着
量が飽和状態に達したタイミングで２回目の噴射を行
い、この２回目噴射に伴うＨＣの供給によりＮＯｘ吸着
手段よりＮＯｘが脱離し終わったと思われるタイミング
で２回目噴射を終了するようにしたものである。ここ
で、ＨＣを供給するための２回目噴射は成層燃焼条件で
行うのであるから、上記公知例のように、ＮＯｘ吸着手
段よりＮＯｘを脱離させるため空燃比を一時的に理論空
燃比よりもリッチ側に切換えることは必要でなく、した
がって上記公知例よりも燃費が向上する。

【００２７】第１０の発明では、２回目噴射の噴射量が
小さすぎて気筒別に２回目噴射を行ったのでは、２回目
噴射量がインジェクタの誤差の範囲内に入ってしまい、
十分な精度が確保できない場合に、全気筒分の２回目噴
射を一部の気筒だけで行わせるので、この場合（２回目
噴射量が小さすぎてすべての気筒で２回目噴射を行った
のでは、２回目噴射量がインジェクタの誤差の範囲内に
入ってしまう場合）でも、要求されるＨＣ量を精度よく
リーンＮＯｘ触媒へと供給できる。

【００２８】

【発明の実施の形態】図１は筒内直接噴射式火花点火エ
ンジンの制御システムである。

【００２９】図において、１はエンジン本体、２は燃焼
室、３はピストン、４は点火プラグ、５はインジェク
タ、６は吸気弁、７は排気弁、８はスワールコントロー
ルバルブ、９はＤＣモータ等からなるスロットルアクチ
ュエータにより駆動されるスロットル弁である。なお、
筒内直接噴射式火花点火エンジンは、インジェクタを燃
焼室内に臨んで設けるとともに、燃焼室、吸気ポートの
形状やピストン頂面の形状を工夫したものであるが、こ
うした構成そのものに本発明は関係しないので、図１に
は簡単に示している。

【００３０】ＥＣＵ（エレクトロニックコントロールユ
ニット）１１には、スロットル弁９上流の空気流量を検
出するエアフローセンサ１２、クランク角センサ１３、
エンジンの冷却水温を検出するセンサ１４からの信号
が、Ｏ₂センサ１５などからの信号とともに入力され、
これらの信号に基づいて、エンジン低負荷時に点火プラ
グ４付近にだけ混合気を偏在させて燃焼（成層燃焼）を
行わせることにより、燃焼室内平均の空燃比がたとえば
３０〜４０といった空燃比での運転を行わせ、エンジン
低負荷時を外れると、燃焼室内に均質な混合気を形成さ
せるとともに燃焼室内平均の空燃比を、低負荷時よりも
リッチな空燃比（理論空燃比や出力空燃比）に制御す
る。

【００３１】排気通路２１の途中には上流側と下流側に
触媒コンバータ２２、２３を備える。このうち上流側の
触媒コンバータ２２には三元触媒だけが、また下流側の
触媒コンバータ２３には三元触媒とリーンＮＯｘ触媒が
上流側よりこの順に配置されており、理論空燃比域で
は、三元触媒により排気中のＨＣ、ＣＯの酸化とＮＯｘ
の還元とが同時に行われる。また、成層燃焼域で発生す
るＮＯｘがリーンＮＯｘ触媒により浄化される。

【００３２】さて、リーンＮＯｘ触媒は、排気中のＨＣ
が不足すると、ＮＯｘの還元効率が低下するので、リー
ンＮＯｘ触媒に流入するＨＣ量が必要ＨＣ量に対して不
足しているときは排気中のＨＣが増加するように、吸気
ポートに設けたインジェクタの燃料噴射時期を変更する
ようにしたものが公知であるので、これを筒内直接噴射
式火花点火エンジンに適用すると、噴射時期の変更に伴
う燃焼の悪化でエンジンの安定性が悪くなるので、圧縮
行程での噴射時期をむやみに変えることはできない。

【００３３】これに対処するため本発明の第１実施形態
では、圧縮行程での噴射はそのままとし、これとは別に
シリンダ内でＨＣが酸化しないタイミング（たとえば圧
縮行程や排気行程）で２回目の噴射を行う。以下、簡単
に前者を圧縮行程噴射、後者を２回目噴射という。

【００３４】ＥＣＵ１１で実行されるこの制御の内容
を、以下のフローチャートにしたがって説明する。

【００３５】図２は、圧縮行程噴射の燃料噴射パルス幅
ＴＩ１と噴射開始クランク角ＴＩＳＴ１に加えて、２回
目噴射の燃料噴射パルス幅ＴＩ２を算出するためのもの
で、一定時間毎（たとえば１０ｍｓ毎）に実行する。な
お、噴射はシーケンシャルに行うので、特定の気筒（た
とえば１番気筒）について説明する。

【００３６】ステップ１では ＴＰ１＝Ｔｐ×ＴＦＢＹＡ×（α＋αｍ−１）×２ …（１） の式により圧縮行程噴射の有効パルス幅ＴＰ１を計算し
たあと、ステップ２において ＴＩ１＝ＴＰ１＋Ｔｓ …（２） の式により圧縮行程噴射の燃料噴射パルス幅ＴＩ１［ｍ
ｓ］を計算する。

【００３７】ここで、（１）式のＴｐは吸入空気量Ｑａ
とエンジン回転数ＮからＴｐ＝Ｋ×Ｑａ／Ｎ（ただし、
Ｋは定数）の式により計算される値で、このＴｐにより
ほぼ理論空燃比の混合気が得られる。

【００３８】（１）式のＴＦＢＹＡ［無名数］は目標燃
空比相当量で、 ＴＦＢＹＡ＝Ｍｄｍｌ＋ＫＴＷ …（３） の式により計算している。このうちＭｄｍｌはマップ値
である。たとえば、成層燃焼条件でないときは、理論空
燃比あるいはそれよりも濃い空燃比のマップ値（マップ
燃空比）を、図４に示す特性のマップを回転数Ｎと負荷
Ｔｐとで検索することにより求め、これに対して、成層
燃焼条件のときは、理論空燃比よりも所定の範囲だけ薄
い値のマップ燃空比を、図３に示す特性のマップにした
がって同じように検索する。なお、これらのマップに記
した数値は、理論空燃比の時を１．０とする相対値であ
るため、これよりも数値が大きければリッチ、小さけれ
ばリーンを示す。（３）式のＫＴＷは水温増量補正係数
である。

【００３９】また、（１）式のαは空燃比フィードバッ
ク補正係数、αｍは空燃比学習補正係数、Ｔｓはインジ
ェクタ５が噴射信号を受けてから実際に開弁するまでの
作動遅れを補償するための無効パルス幅である。ただ
し、成層燃焼条件ではαは１．０に固定される。

【００４０】ステップ３では時間単位のＴＩ１をそのと
きのエンジン回転数Ｎを用いてクランク角単位の噴射期
間ＭＴＩＡ１［ｄｅｇ］に変換し、ステップ４において ＴＩＳＴ１＝ＴＩＴＭ１−ＭＴＩＡ１ …（４） の式により圧縮行程噴射の噴射開始クランク角ＴＩＳＴ
１［ｄｅｇ］を計算する。

【００４１】ここで、（４）式のＴＩＴＭ１は、圧縮行
程においてこのタイミングまでに噴き終わらなければな
らないクランク角（固定値）である。

【００４２】ステップ５では２回目噴射の有効パルス幅
ＴＰ２を算出し、このＴＰ２にステップ６において無効
パルス幅Ｔｓを加算することにより、２回目噴射の燃料
噴射パルス幅ＴＩ２［ｍｓ］を計算する。このＴＰ２の
算出については、図５のフローチャートにより説明す
る。

【００４３】図５において、ステップ１１では成層燃焼
条件かどうかみて、成層燃焼条件でないときは、ステッ
プ１１よりステップ１７に進み、ＴＰ２に０を入れる。
このときは、２回目噴射は行われない。

【００４４】成層燃焼条件のときは、ステップ１２以降
に進む。まず、ステップ１２では回転数Ｎ、負荷Ｔｐ、
ＥＧＲ率を読み込み、これらの値からステップ１３、１
４において関数により、あるいはマップ検索と直線補間
計算との組み合わせなどの良く知られた方法を用いてＨ
Ｃ濃度であるＨＣ１ ［ｐｐｍ］ 、ＮＯｘ濃度であるＮ
Ｏｘ１ ［ｐｐｍ］ を求める。ＨＣ、ＮＯｘの各濃度を
回転数Ｎ、負荷Ｔｐ、ＥＧＲ率をパラメータとして求め
るのは、図６、図７、図８に示したように、ＨＣ、ＮＯ
ｘの各濃度が回転数Ｎ、負荷Ｔｐ、ＥＧＲ率に応じて変
化するからである。

【００４５】ステップ１５では、このようにして求めた
ＨＣ１とＮＯｘ１を用いて ＨＣ２＝ＮＯｘ１×（ａ−ＨＣ１／ＮＯｘ１） …（５） の式により、不足しているＨＣ濃度であるＨＣ２ ［ｐ
ｐｍ］ を計算する。ただし、（５）式のａはＨＣ濃度
とＮＯｘ濃度の理想バランスである。

【００４６】ここで、ＮＯｘをＨＣの存在のもとで理想
的に還元するには、

【００４７】

【数１】

【００４８】の式が成立するように係数ｆ、ｇ、ｈ、
ｉ、ｊを定めればよい。つまり、ＨＣは当量比（濃度比
で置き換えることができる）でＮＯｘがｇあるときｆあ
ればよい。したがって、ＨＣ濃度とＮＯｘ濃度の理想バ
ランスはｆ／ｇであり、この比をａとおいたものであ
る。

【００４９】上記の（５）式は、次のようにして得たも
のである。ＨＣ１では不足するＨＣ濃度をＨＣ２とすれ
ば、これらの合計がＨＣ濃度となり、これとＮＯｘ濃度
の比がａに等しくなればよい。つまり、 （ＨＣ１＋ＨＣ２）／ＮＯｘ１＝ａ が成立する。この式をＨＣ２について解けば（５）式が
得られる。

【００５０】ステップ１６では ＴＰ２＝ＨＣ２×（Ｑａ／Ｎ）×ｂ …（６） ただし、ｂ：定数の式によりＴＰ２［ｍｓ］を計算す
る。

【００５１】ここで、（６）式は次のようにして得たも
のである。濃度であるＨＣ２にガスボリュームであるＱ
ａをかけたものがＨＣ量となり、これを１燃焼サイクル
（４気筒ではクランク角で７２０ｄｅｇ、エンジン２回
転分）当たりの値とするには、回転数Ｎの２倍で割れば
よい。つまり、１燃焼サイクル当たりに供給すべきＨＣ
量は、ＨＣ２×Ｑａ／（２Ｎ）である。ＨＣ量は燃料噴
射量（つまり有効パルス幅）にほぼ比例するので、ＨＣ
２×Ｑａ／（２Ｎ）に燃料噴射量への換算係数ｂ ′
（定数）をかけてやれば、１サイクル当たりに供給すべ
き燃料噴射量が求まる。これを整理すると、ＨＣ２×
（Ｑａ／Ｎ）×（ｂ ′ ／２）となる。ここでｂ ′ ／
２の全体も定数なので、全体を改めて１つの定数ｂで与
えてやれば、（６）式が得られた。

【００５２】成層燃焼条件では、このようにして得た圧
縮行程噴射の燃料噴射パルス幅ＴＩ１と燃料噴射開始ク
ランク角ＴＩＳＴ１に加えて、２回目噴射の燃料噴射パ
ルス幅ＴＩ２と、予め設定されている２回目噴射の燃料
噴射開始クランク角ＴＩＳＴ２を用いて、図示しない噴
射実行のフローにより２回目噴射を実行する。つまり、
図９に示したように、１番気筒用ＲＥＦ信号の立ち上が
りよりＰＯＳ信号（クランク角の１ｄｅｇ毎に立ち上が
る）をカウントして、これがＴＩＳＴ１と一致したタイ
ミングよりＴＩ１のあいだインジェクタ５を開弁するこ
とによって圧縮行程噴射を終了した後に、１番気筒用Ｒ
ＥＦ信号の立ち上がりよりカウントするＰＯＳ信号の数
がＴＩＳＴ２と一致したタイミングよりＴＩ２のあいだ
インジェクタを開弁することによって２回目噴射を行う
のである。

【００５３】ここで、第１実施形態の作用効果を説明す
る。

【００５４】この実施形態では、従来と同じに圧縮行程
噴射を行ったあとに、少量の２回目噴射が排気行程（あ
るいは膨張行程）で行われる。シリンダ内で燃焼するガ
スの温度は圧縮上死点直後にピークを迎え、その後は低
下していくので、このガス温度のピークの後でかつある
ていどガス温度が低下したところに２回目噴射の噴射開
始クランク角ＴＩＳＴ２を設定しておくことで、２回目
噴射の燃料が酸化されることなく（つまりＨＣを保存し
たまま）リーンＮＯｘ触媒へと供給されるわけである。

【００５５】このように第１実施形態では、圧縮行程噴
射はそのままにして、２回目噴射によりＨＣを供給する
ことにしたので、筒内直接噴射式火花点火エンジンにお
いても、エンジンの安定性を悪化させることなく、リー
ンＮＯｘ触媒でのＮＯｘの還元率を高めることができ
る。

【００５６】また、回転数、負荷、ＥＧＲ率から排気中
のＨＣ、ＮＯｘの各濃度を推定し、ＨＣ濃度とＮＯｘ濃
度の理想バランスに対して不足するＨＣ濃度を求め、こ
の不足ＨＣ濃度と吸入空気量から２回目噴射量を求めて
いるので、リーンＮＯｘ触媒で不足するＨＣ供給量を過
不足なく与えることができる。

【００５７】図１０のフローチャートは第２実施形態
で、第１実施形態の図５に対応する。図５と同一部分に
は同一のステップ番号を付けている。

【００５８】図５と相違する部分は、ステップ２１、２
２、２３であり、回転数Ｎと負荷Ｔｐから所定のマップ
を検索して２回目噴射の基本有効パルス幅ＴＰ２０を求
めるとともに、ＥＧＲ率から図１１を内容とするテーブ
ルを検索して補正係数を求め、これをＴＰ２０に乗算し
た値を２回目噴射の有効パルス幅ＴＰ２としている。こ
の実施形態でも、第１実施形態と同様の作用効果が得ら
れる。

【００５９】図１２のフローチャートは第３実施形態
で、図５に対応する。図５と同一部分には同一のステッ
プ番号をつけている。

【００６０】ＨＣ濃度やＮＯｘ濃度は空燃比によっても
変化するので（図１３参照）、第１実施形態では、図５
のステップ１３、１４においてＨＣとＮＯｘの各濃度を
求める際に、空燃比を織り込んでいる。空燃比は回転数
と負荷を指定すれば空燃比が定まるので（図３参照）、
回転数と負荷をパラメータとすることは、これらに加え
て空燃比もパラメータとしていることになるからであ
る。したがって、エンジンの暖機後は問題ないのである
が、エンジンの暖機前に行われる水温増量補正により空
燃比がリッチ化される点については、第１実施形態では
考慮していないので、エンジンの暖機前に成層燃焼条件
が成立してＨＣとＮＯｘの各濃度を求めるとき、この水
温増量補正による空燃比のリッチ化の分だけの誤差が生
じてしまう。

【００６１】そこで第３実施形態では、エンジン暖機前
の空燃比をも考慮して、ＨＣとＮＯｘの各濃度を求める
ようにしたものである。詳細には、ステップ３１、３２
で冷却水温Ｔｗを読み込み、この冷却水温Ｔｗから所定
のテーブルを検索して水温増量補正係数ＫＴＷを求め、
このＫＴＷを用いステップ３３において Ａ／Ｆ＝１４．７×（１００＋ＫＴＷ）／１００ …（７） の式により空燃比Ａ／Ｆを計算する。なお、１４．７は
理論空燃比の値である。ステップ３４、３５では、こう
して求めた空燃比をもパラメータとして関数により、あ
るいはマップ検索と直線補間計算との組み合わせなどの
良く知られた方法を用いてＨＣ１、ＮＯｘ１を求める。

【００６２】ここで、（７）式のＫＴＷは上記（３）式
と相違してパーセントの単位で考えている。ＫＴＷは周
知のように冷却水温Ｔｗが低くなるほど大きくなる値で
あり、エンジンの暖機前には、（７）式よりＡ／Ｆが理
論空燃比（このとき１４．７）より大きくなる（リッチ
側の値になる）わけである。一方、エンジンの暖機後に
なると、ＫＴＷ＝０よりＡ／Ｆ＝１４．７となり、この
ときのＨＣ濃度とＮＯｘ濃度の演算結果は、第１実施形
態と同じになる。

【００６３】このようにして第３実施形態では、エンジ
ンの暖機前には暖機前の空燃比をも考慮して、ＨＣとＮ
Ｏｘの各濃度を求めるようにしたので、エンジンの暖機
前で水温増量補正が行われるときにも、ＨＣとＮＯｘの
各濃度の演算値に誤差が生じることがない。

【００６４】図１４のフローチャートは第３実施形態で
ある。

【００６５】シリンダ内ガス温度は、図１５に示したよ
うに圧縮上死点直後にピークを迎え、その後はなだらか
に低下して、ＨＣが酸化しないガス温度（ほぼ６００
℃ 以下）にまで低下する。したがって図１５の場合で
あれば、Ａのタイミング以降で２回目噴射を行うこと
で、２回目噴射量のすべてをリーンＮＯｘ触媒へと供給
できることになる。

【００６６】この場合に、シリンダ内ガス温度の変化は
一定でなく、回転数Ｎ、負荷Ｔｐ、ＥＧＲ率および点火
時期に依存して変化する。たとえば、ピークガス温度
を、回転数Ｎ、負荷Ｔｐ、ＥＧＲ率、点火時期に対して
プロットすると、図１６、図１７、図１８、図１９のよ
うに回転数Ｎや負荷Ｔｐが増加するにつれて高くなり、
またＥＧＲ率や点火時期進角量が増加するにつれて逆に
低くなっている。ここで、ピークガス温度が高くなれ
ば、図１５においてガス温度の全体の波形が図で上方に
持ち上がる傾向を持つので、それだけ２回目噴射の噴射
開始クランク角を遅らせなければならない。したがっ
て、２回目噴射の噴射開始クランク角であるＴＩＳＴ２
が一定値であったのでは、せっかく２回目噴射を行って
も、噴射燃料全体や噴射燃料の一部が酸化してしまい、
要求ＨＣ量をリーンＮＯｘ触媒に到達させることができ
ないことがあり得る。

【００６７】そこで第３実施形態では、回転数Ｎ、負荷
Ｔｐ、ＥＧＲ率および点火時期からピークガス温度を予
測し、この予測値に応じて２回目噴射の噴射開始クラン
ク角を設定するようにしたものである。具体的には、図
１４において、成層燃焼条件のときステップ４２で回転
数Ｎ、負荷Ｔｐ、ＥＧＲ率、点火時期を読み込み、これ
らからステップ４３において関数を用いることなどによ
ってピークガス温度を求める。このピークガス温度から
ステップ４４において、図２０を内容とするテーブルを
検索することで、２回目噴射の噴射開始クランク角ＴＩ
ＳＴ２を求める。図２０のように、ピークガス温度が高
くなるほど、ＴＩＳＴ２を遅らせるのである。

【００６８】なお、空燃比の設定について、成層燃焼条
件の成立時と非成立時とで別々のマップを持っていたよ
うに（図３、図４参照）、点火時期についても成層燃焼
条件の成立時と非成立時とで別々のマップを持ってお
り、ステップ４２で読み込む点火時期は、成層燃焼条件
の成立時に選択されるマップを用いて求めたものであ
る。

【００６９】このようにして第４実施形態では、ＨＣが
酸化しないガス温度となるタイミングで２回目噴射を行
うようにしたので、２回目噴射燃料のすべてをＨＣのま
まで供給することが可能となる。

【００７０】ところで、成層燃焼条件においてピークガ
ス温度が最大となる場合が２回目の噴射開始クランク角
が最も遅れる場合である。したがって、この場合の噴射
開始クランク角で一律に２回目噴射を行ってもＨＣが酸
化することはない。つまり、成層燃焼条件においてピー
クガス温度が最大となる場合にＨＣが酸化しないガス温
度に対応するクランク角で一律に２回目の噴射開始を行
わせるようにすれば、マッチングの工数を減らすことが
できる。

【００７１】図２１、図２２のフローチャートは第５実
施形態である。

【００７２】２０〜２５といったリーンな空燃比とそれ
よりも濃い空燃比（理論空燃比や出力空燃比）とを運転
条件により切換えるようにした、いわゆるリーンバーン
システムを採用するエンジンにおいて、排気の空燃比が
理論空燃比よりリーン側にあるときにはＮＯｘを吸着
し、排気の空燃比が理論空燃比よりもリッチ側になる
と、吸着したＮＯｘを脱離させるＮＯｘ吸着剤をリーン
ＮＯｘ触媒上流の排気通路に配置し、リーン空燃比での
運転時に発生するＮＯｘをこのＮＯｘ吸着剤により吸着
させ、ＮＯｘ吸着剤へのＮＯｘ吸着量が飽和状態に達す
る前に排気の空燃比を一時的に理論空燃比よりもリッチ
側にしてＨＣを供給し、このＨＣでＮＯｘ吸着剤からＮ
Ｏｘを脱離させるとともに、下流のリーンＮＯｘ触媒で
この脱離させたＮＯｘをＨＣを用いて還元するようにし
たものが公知である（特開平６−６６１８５号参照）。

【００７３】第５実施形態は、上記のＮＯｘ吸着剤をリ
ーンＮＯｘ触媒の上流に配置したものを前提とし、成層
燃焼条件において、ＮＯｘ吸着剤でのＮＯｘ吸着量を予
測し、この予測したＮＯｘ吸着量が飽和状態に達したタ
イミングで２回目噴射を開始し、この２回目噴射による
ＨＣの供給によりＮＯｘ吸着剤からＮＯｘが脱離し終わ
ったと思われるタイミングで２回目噴射を終了するよう
にしたものである。

【００７４】ここで、ＨＣを供給するための２回目噴射
は成層燃焼条件で行うのであるから、上記公知例のよう
に、ＮＯｘ吸着剤よりＮＯｘを脱離させるため空燃比を
一時的に理論空燃比よりもリッチ側に切換えることは必
要でなく、したがって上記公知例よりも燃費が向上する
のである。

【００７５】具体的に図２１の説明に入ると、同図のフ
ローは一定時間毎に実行する。

【００７６】成層燃焼条件のときステップ５１よりステ
ップ５２に進んで２回目噴射許可フラグＦ１をみる。こ
のフラグは、Ｆ１＝１のとき２回目噴射を許可するもの
で、始動時には“０”に初期設定されている。したがっ
て、始動後初めてステップ５２に進んできたときはＦ１
＝０であるのでステップ５３に進み、積算ＮＯｘ吸着量
（始動時に０に初期設定）と規定値を比較する。始動当
初は積算ＮＯｘ吸着量＜規定値であることよりステップ
５４、５５に進み、 ＮＯｘ吸着量＝ＮＯｘ１×（Ｑａ／Ｎ）×ｃ …（８） の式により１演算周期当たりのＮＯｘ吸着量を計算し、
このＮＯｘ吸着量を前回の積算ＮＯｘ吸着量である積算
ＮＯｘ吸着量（ｏｌｄ）に加算することによって積算Ｎ
Ｏｘ吸着量を更新する。なお、積算ＮＯｘ吸着量も始動
時に０に初期設定されている。

【００７７】ここで、（８）式は、上記（６）式と類似
の式である。つまり、（８）式においてＮＯｘ１×Ｑａ
／（２Ｎ）がＮＯｘ吸着剤を流れるＮＯｘ量で、このう
ち所定割合２ｃの分だけがＮＯｘ吸着剤に吸着するわけ
である。また、ステップ５３での規定値はＮＯｘ吸着剤
の容量と性能から定めることができる。

【００７８】成層燃焼条件においてステップ５４、５５
を繰り返すことによりやがて積算ＮＯｘ吸着量≧規定値
となるので、このタイミング（つまりＮＯｘ吸着量が飽
和状態に達したタイミング）からステップ５３よりステ
ップ５６、５７に進み、２回目噴射許可フラグＦ１に
“１”をセットし、カウント値を所定値にセットする。

【００７９】ここで、セットされるカウント値は、２回
目噴射を許可する期間を与えるものである。

【００８０】ステップ５８ではカウント値と０を比較す
る。カウント値を設定した当初はカウント値＞０である
ので、そのまま今回の処理を終了する。

【００８１】ステップ５６でのフラグＦ１の“１”への
セットにより次回にはステップ５１、５２よりステップ
５９に進んでカウント値をデクリメントし、デクリメン
ト後のカウント値が０でなけばこの回の処理を終了す
る。カウント値が０となるまでステップ５９の操作を繰
り返し、やがてカウント値が０になれば、このタイミン
グ（つまり２回目噴射によるＨＣの供給によりＮＯｘ吸
着剤からのＮＯｘの脱離が終了したタイミング）でステ
ップ６０、６１に進み、フラグＦ１に“０”を、積算Ｎ
Ｏｘ吸着量に０を入れて今回の処理を終了する。

【００８２】なお、Ｆ１＝１の状態でも、成層燃焼条件
でなくなったときは、ステップ５１よりステップ６２に
進んで、Ｆ１を“０”に戻す。

【００８３】次に、図２２は２回目噴射の有効パルス幅
ＴＰ２を算出するためのもので、第１実施形態の図５に
対応する。図５と同一部分には同一のステップ番号を付
けている。図５と相違するのは、ステップ６１だけであ
り、第５実施形態では、成層燃焼条件の成立時のうちＦ
１＝１のときだけステップ１２以降でＴＰ２を算出す
る。つまり、ＮＯｘ吸着剤のＮＯｘ吸着量が飽和状態と
なってからＮＯｘ吸着剤からのＮＯｘの脱離が終了する
までの期間でだけ２回目噴射が行われる。

【００８４】図２３のフローチャートは第６実施形態
で、第１実施形態の図５に対応する。図５と同一の部分
には同一のステップ番号をつけている。

【００８５】２回目噴射の有効パルス幅ＴＰ２が小さす
ぎると、２回目噴射を行っても、２回目噴射量がインジ
ェクタの誤差の範囲内に入ってしまい、十分な精度が確
保できない。そこで、この第６実施形態では、ＴＰ２が
小さすぎるときに全気筒分の２回目噴射を一部気筒だけ
で行わせるようにしたものである。

【００８６】ここでは、たとえば４気筒分の２回目噴射
を半分の気筒（点火順序を♯１−♯３−♯４−♯２とし
たとき１番気筒と４番気筒）で行わせる場合で具体的に
説明すると、ＴＰ２を計算した後、このＴＰ２と規定値
（精度が補償される最低の値）をステップ７１において
比較し、ＴＰ２ ＜ 規定値のときステップ７２、７３に
進んで、フラグＦ２（始動時に“０”に初期設定）に
“１”を入れるとともに、ＴＰ２を２倍した値を改めて
ＴＰ２に入れる。

【００８７】ここで、フラグＦ２は、Ｆ２＝１のとき４
気筒分の２回目噴射を半分の気筒だけで行わせることを
許可するためのものである。したがって、図示しない噴
射実行のフローにおいて、１番気筒と４番気筒の噴射だ
けが許可され（３番気筒と２番気筒は噴射が禁止され
る）、この場合に、１番と４番の各気筒では２気筒分の
２回目噴射量がまとめて噴射されるわけである。なお、
４気筒において、噴射を許可する半分の気筒は、１、４
番気筒に限られるわけでなく、３、２番気筒、１、３番
気筒、４、２番気筒でもかまわない。また、６気筒エン
ジンにおいて全気筒分の２回目噴射を１つの気筒（たと
えば１番気筒）だけでまとめて行うには、１番気筒の２
回目噴射のタイミングでＴＰ２（図２２ステップ１６の
ＴＰ２）を６倍にしたものを噴射させればよい。

【００８８】このように第６実施形態では、２回目噴射
の有効パルス幅ＴＰ２が小さすぎてすべての気筒で２回
目噴射を行ったのでは、２回目噴射量がインジェクタの
誤差の範囲内に入ってしまい、十分な精度が確保できな
い場合に、全気筒分の２回目噴射を一部気筒だけで行わ
せるようにしたので、この場合（２回目噴射の有効パル
ス幅ＴＰ２が小さすぎてすべての気筒で２回目噴射を行
ったのでは、２回目噴射量がインジェクタの誤差の範囲
内に入ってしまう場合）でも、要求されるＨＣ量を精度
よくリーンＮＯｘ触媒へと供給できる。

【００８９】実施形態では、三元触媒の下流にリーンＮ
Ｏｘ触媒を配置したもので説明したが、リーンＮＯｘ触
媒を三元触媒の上流に設けていてもかまわない。

【００９０】第５実施形態では、リーンＮＯｘ触媒の上
流にＮＯｘ吸着剤を配置したもので説明したが、これに
かぎられない。たとえば、リーンＮＯｘ触媒にＮＯｘ吸
着機能をもたせて一体としたものや、リーンＮＯｘ触媒
の下流にＮＯｘ吸着触媒を配置したものに対しても第５
実施形態を適用することができる。

【００９１】実施形態では、成層燃焼条件の成立時と非
成立時とで空燃比を大きく切換える場合で説明したが、
これに限られるものではない。たとえば、成層燃焼条件
の非成立時（つまり均質燃焼条件の成立時）の運転域を
さらに理論空燃比を中心とする運転域と、２０〜２５と
いったリーンな空燃比で運転する領域とに分割したもの
にも本発明を適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態の制御システム図である。

【図２】ＴＩ１、ＴＩＳＴ１、ＴＩ２の算出を説明する
ためのフローチャートである。

【図３】成層燃焼条件の成立時に選択される空燃比マッ
プの特性図である。

【図４】成層燃焼条件の非成立時に選択される空燃比マ
ップの特性図である。

【図５】２回目噴射の有効パルス幅ＴＰ２の算出を説明
するためのフローチャートである。

【図６】回転数に対するＨＣとＮＯｘの各濃度の特性図
である。

【図７】負荷に対するＨＣとＮＯｘの各濃度の特性図で
ある。

【図８】ＥＧＲ率に対するＨＣとＮＯｘの各濃度の特性
図である。

【図９】圧縮行程噴射と２回目噴射の各噴射タイミング
を説明するための波形図である。

【図１０】第２実施形態の２回目噴射の有効パルス幅Ｔ
Ｐ２の算出を説明するためのフローチャートである。

【図１１】第２実施形態の補正係数の特性図である。

【図１２】第３実施形態の２回目噴射の有効パルス幅Ｔ
Ｐ２の算出を説明するためのフローチャートである。

【図１３】空燃比Ａ／Ｆに対するＨＣとＮＯｘの各濃度
の特性図である。

【図１４】第４実施形態の２回目噴射の噴射開始クラン
ク角ＴＩＴＳＴ２の算出を説明するためのフローチャー
トである。

【図１５】第４実施形態のシリンダ内ガス温度の変化波
形図である。

【図１６】第４実施形態の回転数に対するピークガス温
度の特性図である。

【図１７】第４実施形態の負荷に対するピークガス温度
の特性図である。

【図１８】第４実施形態のＥＧＲ率に対するピークガス
温度の特性図である。

【図１９】第４実施形態の点火時期に対するピークガス
温度の特性図である。

【図２０】第４実施形態のピークガス温度に対するＴＩ
ＴＳ２の特性図である。

【図２１】第５実施形態のフラグＦ１の設定を説明する
ためのフローチャートである。

【図２２】第５実施形態の２回目噴射の有効パルス幅Ｔ
Ｐ２の算出を説明するためのフローチャートである。

【図２３】第６実施形態の２回目噴射の有効パルス幅Ｔ
Ｐ２の算出を説明するためのフローチャートである。

【図２４】第１の発明のクレーム対応図である。

【符号の説明】

５ インジェクタ ９ スロットル弁 ２３ リーンＮＯｘ触媒が入っている触媒コンバータ

───────────────────────────────────────────────────── 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 ３２５Ａ 41/06 ３３０ 41/06 ３３０Ｚ 41/36 41/36 Ｂ

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】排気通路にリーンＮＯｘ触媒を配置した直
   噴噴射式火花点火エンジンにおいて、成層燃焼を行わせ
   る条件かどうかを判定する手段と、この判定結果より成
   層燃焼条件で圧縮行程での噴射に加えて、膨張行程また
   は排気行程で２回目の少量噴射を行う手段とを設けたこ
   とを特徴とする筒内直接噴射式火花点火エンジンの排気
   浄化装置。
2. 【請求項２】成層燃焼条件でのＨＣとＮＯｘの各濃度を
   推定し、これらの濃度比が理想バランスとなるように前
   記２回目噴射の噴射量を演算することを特徴とする請求
   項１に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンの排気浄
   化装置。
3. 【請求項３】前記ＨＣとＮＯｘの各濃度を、エンジン回
   転数、エンジン負荷、ＥＧＲ率のすくなくとも一つから
   推定することを特徴とする請求項２に記載の筒内直接噴
   射式火花点火エンジンの排気浄化装置。
4. 【請求項４】成層燃焼条件でかつエンジン暖機前に燃料
   増量を行うときは、その燃料増量により定まる空燃比に
   応じても、前記ＨＣとＮＯｘの各濃度を推定することを
   特徴とする請求項３に記載の筒内直接噴射式火花点火エ
   ンジンの排気浄化装置。
5. 【請求項５】前記膨張行程または排気行程における２回
   目噴射の噴射開始タイミングは、ＨＣが酸化しないシリ
   ンダ内ガス温度となるタイミングであることを特徴とす
   る請求項１から４までのいずれか一つに記載の筒内直接
   噴射式火花点火エンジンの排気浄化装置。
6. 【請求項６】前記ＨＣが酸化しないシリンダ内ガス温度
   となるタイミングを、ピークガス温度から予測すること
   を特徴とする請求項５に記載の筒内直接噴射式火花点火
   エンジンの排気浄化装置。
7. 【請求項７】前記ピークガス温度を、エンジンの回転
   数、負荷、ＥＧＲ率、点火時期の少なくとも一つから予
   測することを特徴とする請求項６に記載の筒内直接噴射
   式火花点火エンジンの排気浄化装置。
8. 【請求項８】前記ＨＣが酸化しない筒内ガス温度となる
   タイミングを、成層燃焼条件での最大のピークガス温度
   に基づき一律に設定することを特徴とする請求項５に記
   載の筒内直接噴射式火花点火エンジンの排気浄化装置。
9. 【請求項９】ＮＯｘを吸着するとともにこの吸着したＮ
   ＯｘをＨＣの存在下で脱離する性質を有する手段を排気
   通路に配置するとともに、このＮＯｘ吸着手段でのＮＯ
   ｘ吸着量を予測し、この予測したＮＯｘ吸着量が飽和状
   態に達したタイミングで前記２回目噴射を行い、この２
   回目噴射に伴うＨＣの供給によりＮＯｘ吸着手段よりＮ
   Ｏｘが脱離し終わったと思われるタイミングで前記２回
   目噴射を終了することを特徴とする請求項１から８まで
   のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式火花点火エンジ
   ンの排気浄化装置。
10. 【請求項１０】前記２回目噴射量が規定値以下のとき全
    気筒分の２回目噴射を一部の気筒だけで行うことを特徴
    とする請求項１から９までのいずれか一つに記載の筒内
    直接噴射式火花点火エンジンの排気浄化装置。