(57)【特許請求の範囲】
【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、ピークガス温度に基づいて設定した、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、膨張行程または排気行程での２回目の少量噴射を開始する手段と
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。
【請求項２】
成層燃焼条件でのＨＣとＮＯｘの各濃度を推定し、ＮＯｘ濃度に対して過不足のない理想バランスとなるＨＣ濃度が得られる前記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。
【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。
【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。
【請求項５】
前記ピークガス温度が高いほど２回目噴射の開始時期を遅らせる
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。
【請求項６】
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１から５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。
【請求項７】
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１から６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。
【請求項８】
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
ことを特徴とする請求項１から７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。
【請求項９】
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。
【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ＮＯｘ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４−１８３９２２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、ピークガス温度に基づいて設定した、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、膨張行程または排気行程での２回目の少量噴射を開始する手段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、ＮＯｘ濃度に対して過不足のない理想バランスとなるＨＣ濃度が得られる前記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ピークガス温度が高いほど２回目噴射の開始時期を遅らせる。
【００１３】
第６の発明では、第１から第５までのいずれか一つ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７の発明では、第１から第６までのいずれか一つ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８の発明では、第１から第７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。
また、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。
【００１９】
第２の発明では、リーンＮＯｘ触媒へのＨＣ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、ピークガス温度が高いほど２回目噴射の開始時期を遅らせるので、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６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７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８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９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［ｍｓ］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ＴＩＳＴ１［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、１４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ＨＣ濃度であるＨＣ１ ［ｐｐｍ］ 、ＮＯｘ濃度であるＮＯｘ１ ［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、ＮＯｘ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 ［ｐｐｍ］ 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】
0003885302.tif 000002
【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Ｑａ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、ＨＣ２×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ＲＥＦ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、２２、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（リーン側の値になる）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ＮＯｘ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ＴＩＳＴ２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）。
【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ＮＯｘ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ＮＯｘ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Ｆ１＝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ＮＯｘ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ＴＰ２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ＴＰ２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ＴＩＴＳ２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ＴＰ２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ＴＰ２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
【図１】
0003885302.tif 000003
【図２】
0003885302.tif 000004
【図３】
0003885302.tif 000005
【図４】
0003885302.tif 000006
【図５】
0003885302.tif 000007
【図６】
0003885302.tif 000008
【図７】
0003885302.tif 000009
【図８】
0003885302.tif 000010
【図９】
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【図１０】
0003885302.tif 000012
【図１１】
0003885302.tif 000013
【図１２】
0003885302.tif 000014
【図１３】
0003885302.tif 000015
【図１４】
0003885302.tif 000016
【図１５】
0003885302.tif 000017
【図１６】
0003885302.tif 000018
【図１７】
0003885302.tif 000019
【図１８】
0003885302.tif 000020
【図１９】
0003885302.tif 000021
【図２０】
0003885302.tif 000022
【図２１】
0003885302.tif 000023
【図２２】
0003885302.tif 000024
【図２３】
0003885302.tif 000025
【図２４】
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