(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、排気通路に酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸着し、酸素濃度が減少するにしたがって吸着したＮＯｘを放出するＮＯｘ触媒を備え、エンジン低負荷領域に空燃比がλ＞１のリーン領域が設定された筒内噴射式エンジンの制御装置において、
前記ＮＯｘ触媒の温度状態を検出する温度検出手段と、
気筒内の吸気流動強さを強制的に変化させる可変手段とを備え、
前記ＮＯｘ触媒の硫黄被毒回復処理の実行時に、気筒内の空燃比をλ≒１乃至λ＜１に設定し、前記ＮＯｘ触媒の昇温要求の高さに応じて、前記気筒内の吸気流動強さが弱くなるように前記可変手段を動作させ、
前記ＮＯｘ触媒が硫黄被毒回復処理の実行後に、ＮＯｘ浄化可能温度範囲から逸脱した高温時において、ＮＯｘ触媒温度が前記ＮＯｘ浄化可能温度範囲に低下するように、空燃比をλ≒１乃至λ＜１の領域からλ＞１のリーン領域に移行する前に吸気流動強さを強くしつつ、空燃比をλ≒１に設定するように前記可変手段を動作させることを特徴とする筒内噴射式エンジンの制御装置。
【請求項２】
吸気行程から点火時期にかけての期間内に、圧縮行程中期以降の後期噴射と、該後期噴射より早い早期噴射との少なくとも２回に分割して燃料を噴射し、空燃比をλ＜１乃至λ≒１の領域からλ＞１のリーン領域に移行する時に、少なくとも後期噴射時期を早めることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。
【請求項３】
ＮＯｘ放出還元実行時に、空燃比をλ＜１乃至λ≒１で運転し、吸気行程から点火時期にかけての期間内に少なくとも２回に分割して燃料を噴射すると共に、前記ＮＯｘ触媒がＮＯｘ浄化可能温度範囲から逸脱した高温時において、該空燃比をλ＜１乃至λ≒１の領域からλ＞１のリーン領域に移行する前に、吸気流動強さを強くしつつ、空燃比をλ≒１に設定するように前記可変手段を動作させることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。
【請求項４】
燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、排気通路に酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸着し、酸素濃度が減少するにしたがって吸着したＮＯｘを放出するＮＯｘ触媒を備え、エンジン低負荷領域に空燃比がλ＞１のリーン領域が設定された筒内噴射式エンジンの制御装置において、
気筒内の吸気流動強さを強制的に変化させる可変手段を備え、
前記ＮＯｘ触媒の硫黄被毒回復処理の実行時に、気筒内の空燃比をλ≒１乃至λ＜１に設定し、吸気行程から点火時期にかけての期間内に、圧縮行程中期以降の後期噴射と、該後期噴射より早い早期噴射との少なくとも２回に分割して燃料を噴射させ、且つ吸気流動強さが弱くなるように前記可変手段を動作させる一方、空燃比をλ≒１乃至λ＜１の領域からλ＞１のリーン領域に移行する前に、空燃比をλ≒１に設定しつつ、吸気流動強さを強くするように前記可変手段を動作させ、少なくとも後期噴射時期を早めることを特徴とする筒内噴射式エンジンの制御装置。
【請求項５】
エンジンの低負荷若しくは低回転領域において前記吸気流動強さを強くすることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射式エンジンの触媒硫黄被毒を回復する筒内噴射式エンジンの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、リーンＮＯｘ触媒の硫黄被毒回復時に触媒温度を昇温させるために、空燃比を略理論空燃比のλ≒１に設定し、吸気行程と圧縮行程の２回に分割して燃料を噴射するものが提案されている（特開平１１−１０７７４０号公報）。
【０００３】
このリーンＮＯｘ触媒の硫黄被毒回復時には、排気ガス温度を急速に上げることと、筒内噴射式エンジンの利点である燃費改善を損なわないことが要求される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方で、リーンＮＯｘ触媒の硫黄被毒回復後は触媒温度がＮＯｘ浄化可能温度範囲より高温となっているため、エンジンの運転状態をリーン領域に移行しても触媒温度がＮＯｘ浄化率の高い温度領域まで低下するまでの期間はＮＯｘ浄化率が低下してしまうという不都合がある。
【０００５】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされ、その目的は、リーンＮＯｘ触媒の硫黄被毒回復後に、ＮＯｘ浄化率の高い温度領域に迅速に戻し、その後、目標温度まで低下した際にリーン領域での運転に切り替えてＮＯｘ浄化率を高く維持できる筒内噴射式エンジンの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】
上述の課題を解決し、目的を達成するために、本発明の筒内噴射式エンジンの制御装置は、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、排気通路に酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸着し、酸素濃度が減少するにしたがって吸着したＮＯｘを放出するＮＯｘ触媒を備え、エンジン低負荷領域に空燃比がλ＞１のリーン領域が設定された筒内噴射式エンジンの制御装置において、前記ＮＯｘ触媒の温度状態を検出する温度検出手段と、気筒内の吸気流動強さを強制的に変化させる可変手段とを備え、前記ＮＯｘ触媒の硫黄被毒回復処理の実行時に、気筒内の空燃比をλ≒１乃至λ＜１に設定し、前記ＮＯｘ触媒の昇温要求の高さに応じて、前記気筒内の吸気流動強さが弱くなるように前記可変手段を動作させ、前記ＮＯｘ触媒が硫黄被毒回復処理の実行後に、ＮＯｘ浄化可能温度範囲から逸脱した高温時において、ＮＯｘ触媒温度が前記ＮＯｘ浄化可能温度範囲に低下するように、空燃比をλ≒１乃至λ＜１の領域からλ＞１のリーン領域に移行する前に吸気流動強さを強くしつつ、空燃比をλ≒１に設定するように前記可変手段を動作させる。
【０００７】
また、好ましくは、吸気行程から点火時期にかけての期間内に、圧縮行程中期以降の後期噴射と、該後期噴射より早い早期噴射との少なくとも２回に分割して燃料を噴射し、空燃比をλ＜１乃至λ≒１の領域からλ＞１のリーン領域に移行する時に、少なくとも後期噴射時期を早める。
【０００８】
また、好ましくは、ＮＯｘ放出還元実行時に、空燃比をλ＜１乃至λ≒１で運転し、吸気行程から点火時期にかけての期間内に少なくとも２回に分割して燃料を噴射すると共に、前記ＮＯｘ触媒がＮＯｘ浄化可能温度範囲から逸脱した高温時において、該空燃比をλ＜１乃至λ≒１の領域からλ＞１のリーン領域に移行する前に、吸気流動強さを強くしつつ、空燃比をλ≒１に設定するように前記可変手段を動作させる。
【０００９】
本発明の筒内噴射式エンジンの制御装置は、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、排気通路に酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸着し、酸素濃度が減少するにしたがって吸着したＮＯｘを放出するＮＯｘ触媒を備え、エンジン低負荷領域に空燃比がλ＞１のリーン領域が設定された筒内噴射式エンジンの制御装置において、気筒内の吸気流動強さを強制的に変化させる可変手段を備え、前記ＮＯｘ触媒の硫黄被毒回復処理の実行時に、気筒内の空燃比をλ≒１乃至λ＜１に設定し、吸気行程から点火時期にかけての期間内に、圧縮行程中期以降の後期噴射と、該後期噴射より早い早期噴射との少なくとも２回に分割して燃料を噴射させ、且つ吸気流動強さが弱くなるように前記可変手段を動作させる一方、空燃比をλ≒１乃至λ＜１の領域からλ＞１のリーン領域に移行する前に、空燃比をλ≒１に設定しつつ、吸気流動強さを強くするように前記可変手段を動作させ、少なくとも後期噴射時期を早める。
【００１０】
また、好ましくは、エンジンの低負荷若しくは低回転領域において前記吸気流動強さを強くする。
【００１１】
【発明の効果】
以上のように、請求項１の発明によれば、ＮＯｘ触媒が硫黄被毒回復処理の実行後に、ＮＯｘ浄化可能温度範囲から逸脱した高温時において、空燃比をλ≒１乃至λ＜１の領域からλ＞１のリーン領域に移行する前に吸気流動強さを強くしつつ、空燃比をλ≒１に設定することにより、リーンＮＯｘ触媒の硫黄被毒回復処理後に、高い熱効率によってＮＯｘ浄化率の高い温度領域に戻し（低下させ）つつ、該温度領域に低下するまでの間において空燃比λ≒１の設定により、ＮＯｘ触媒の三元機能を発揮させて排気ガスの浄化を図ることができる。また、三元触媒が備えられた仕様では、三元触媒によっても排気ガスの浄化が図れる。その後は、目標温度（該温度領域）まで低下した際にリーン領域での運転に切り替えてＮＯｘ浄化率を高く維持できる。
【００１２】
請求項２の発明によれば、吸気行程から点火時期にかけての期間内に、圧縮行程中期以降の後期噴射と、該後期噴射より早い早期噴射との少なくとも２回に分割して燃料を噴射し、空燃比λ＜１乃至λ≒１の領域からλ＞１のリーン領域に移行する時に、少なくとも後期噴射時期を早めることにより、排気ガス温度を低下させて触媒温度をＮＯｘ浄化率の高い温度領域に迅速に戻すことができる。
【００１３】
請求項３の発明によれば、ＮＯｘ放出還元実行時に、空燃比をλ＜１乃至λ≒１に設定し、吸気行程から点火時期にかけての期間内に少なくとも２回に分割して燃料を噴射すると共に、前記ＮＯｘ触媒がＮＯｘ浄化可能温度範囲から逸脱した高温時において、該空燃比λ＜１乃至λ≒１の領域からλ＞１のリーン領域に移行する前に、吸気流動強さを強くしつつ、空燃比をλ≒１に設定することにより、排気ガス温度を低下させて触媒温度をＮＯｘ浄化率の高い温度領域に戻すと共に、λ≒１におけるＮＯｘ触媒の三元機能を利用して排気ガスの浄化を図りながらリーン領域に移行できる。
【００１４】
請求項４の発明によれば、ＮＯｘ触媒の硫黄被毒回復処理の実行時に、気筒内の空燃比をλ≒１乃至λ＜１に設定し、吸気行程から点火時期にかけての期間内に、圧縮行程中期以降の後期噴射と、該後期噴射より早い早期噴射との少なくとも２回に分割して燃料を噴射させ、且つ吸気流動強さが弱くなるように前記可変手段を動作させる一方、空燃比をλ≒１乃至λ＜１の領域からλ＞１のリーン領域に移行する前に、空燃比をλ≒１に設定しつつ、吸気流動強さを強くし、少なくとも後期噴射時期を早めることにより、硫黄被毒回復処理を迅速に行うことができ、その後は排気ガス温度を低下させて触媒温度をＮＯｘ浄化率の高い温度領域に迅速に戻すと共に、λ≒１におけるＮＯｘ触媒の三元機能を利用して排気ガスの浄化を図りながら迅速にリーン領域に移行できる。
【００１５】
請求項５の発明によれば、エンジンの低負荷若しくは低回転領域において吸気流動強さを強くすることにより、燃費悪化を抑えつつ、排気ガス温度を低下させて触媒温度をＮＯｘ浄化率の高い温度領域に迅速に戻すことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
［筒内噴射式エンジンの構造］
図１は、本実施形態の筒内噴射式エンジンの燃焼室部分の構造を示す概略断面図である。
【００１７】
図１に示すように、１はエンジンであって、シリンダブロック２には複数のシリンダが形成され、シリンダブロック２の頂部にシリンダヘッド３がガスケットを介して固定されている。各シリンダにはピストン４が嵌挿され、ピストン４の頂面とシリンダヘッド３の下面との間に燃焼室５が形成されている。そして、燃焼室５に連通するように吸気ポート６及び排気ポート７とこれらポート６、７を開閉する吸気弁８及び排気弁９とが配設され、燃焼室５に臨むように点火プラグ１０とインジェクタ１１が配設されている。インジェクタ１１は燃焼室５内に直接燃料を噴射する。
【００１８】
シリンダヘッド３の下面には断面略台形の凹部が形成され、燃焼室５の上部を画定している。燃焼室５の上面部には吸気ポート６が開口し、傾斜面部には排気ポート７が開口している。吸気ポート６及び排気ポート７は、夫々２個ずつ紙面と直交する方向に並んで設けられ、吸気弁８及び排気弁９が夫々配設されている。吸気弁８及び排気弁９は、図示しないカムシャフト等からなる動弁機構により作動されて所定タイミングで開閉する。
【００１９】
点火プラグ１０は、燃焼室５上部の略中央部に配置され、点火ギャップが燃焼室５内に臨むようにシリンダヘッド３に取り付られる。
【００２０】
インジェクタ１１は燃焼室５の周縁部に配設され、吸気ポート６の側方においてシリンダヘッド３に取り付けられ、吸気ポート６が開口する燃焼室５上面部とシリンダブロック２に対する合わせ面との間の壁面１２にインジェクタ１１のノズル部が臨み、斜め下方に向けて燃料を噴射する。
【００２１】
ビストン４頂部のインジェクタ１１寄りには、凹状の成層用キャビティ１３が形成されている。そして、ピストン４が上死点に近い位置となる圧縮行程後半に燃料がインジェクタ１１からキャビティ１３に向けて噴射されると共に、キャビティ１３で反射されて点火プラグ１０付近に達するように、インジェクタ１１の位置及び方向とキャビティ１の位置と点火プラグ１０の位置関係が予め設定されている。
【００２２】
図２は、筒内噴射式エンジン全体の概略図である。
【００２３】
図２に示すように、エンジン１には吸気通路１５及び排気通路１６が接続されている。吸気通路１５の下流には、吸気マニホールドにおいてシリンダごとに分岐し、且つ気筒別通路１５ａには並列に２つの分岐通路が形成され、その下流端に２つの吸気ポート６が図１の燃焼室５に開口している。一方の分岐通路には吸気流動制御弁１７が設けられ、吸気流動制御弁１７の開度を制御することにより、他方の分岐通路から導入される吸気により燃焼室５に吸気流動（スワール又はタンブル）が生成されると共に、吸気流動の強弱が制御される。尚、吸気流動の強弱は、２つの吸気弁の一方の開度を制御したり、バルブタイミングの可変制御により実行することもできる。
【００２４】
吸気通路１５の途中にはスロットル弁１８が設けられ、吸入空気量を制御可能にステップモータ等の電気的なアクチュエータ１９によってスロットル弁１８が作動される。
【００２５】
排気通路１６には、排気中の空燃比検出のためのＯ2センサ２１が配設されると共に、排気ガス浄化用の触媒を備えた触媒装置２２が設けられている。この触媒装置２２は、排気通路１６の上流側に配設されたＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘを浄化する三元触媒２２ａと、三元触媒２２ａの下流側に配設されたＮＯｘを吸着するＮＯｘ触媒２２ｂとから構成される。ＮＯｘ触媒２２ｂは、暖機後に空燃比をλ＞１のリーン領域にして成層燃焼を行う場合に、空燃比λ＞１においてＮＯｘを吸着する。また、ＮＯｘ触媒２２ｂは理論空燃比λ＝１付近において三元機能を発揮し、λ≦１の空燃比において吸着したＮＯｘを放出してＨＣやＣＯと反応させる。
【００２６】
排気通路１６における触媒装置２２は、排気マニホールド１６ａの直下流（排気マニホールドに直結）に配置すると高速高負荷時に触媒温度が過剰に上昇しやすくなり、触媒保護のためにエンジンから遠ざかるように排気マニホールド１６ａに接続された排気管１６ｂの途中に配置されている。
【００２７】
排気通路１６と吸気通路１５との間には、排気ガスの−部を吸気系に還流するＥＧＲ通路４３が接続され、このＥＧＲ通路４３にはＥＧＲバルブ４４が介設されている。
【００２８】
排気管１６ｂにおける触媒装置２２の上流側には、過給機のタービン４０と、タービン４０をバイパスするウエストゲート４１とが設けられている。ウエストゲート４１はウエストゲートバルブ４２により開閉され、過給圧が過剰に上昇するのを抑制する。
【００２９】
エンジン制御ＥＣＵ（電気的コントロールユニット）３０は、排気ガス中の酸素濃度を検出するＯ2センサ２１、エンジンのクランク角を検出するクランク角センサ２３、アクセル開度（アクセルペダル踏み込み量）を検出するアクセル開度センサ２４、吸入空気量を検出するエアフローメータ２５、エンジン冷却水の水温を検出する水温センサ２６、エンジン回転数センサ２７、吸気温センサ２８及び大気圧センサ２９等からの信号が入力される。
【００３０】
図３は、エンジン及び触媒の状態検出及びエンジン制御を実行するためのエンジン制御ＥＣＵに入力される各種パラメータを示す図である。
【００３１】
エンジン制御ＥＣＵ３０は、温度状態判別部３１、運転状態検出部３２、燃料供給制御部３３、噴射量演算部３４、点火時期制御部３５及び回転数制御部３６を含んでいる。
【００３２】
温度状態判別部３１は、エンジン回転数センサ２７からのエンジン回転数検出信号、アクセル開度センサ２４からのアクセル開度検出信号、エアフローメータ２５からの吸気流量検出信号、水温センサ２６からの水温検出信号、燃料噴射量Ｔａ、噴射モード等の過去の履歴によって触媒温度を推定すると共に、この推定された触媒温度からＮＯｘ浄化率を検出することで触媒温度を昇温させて硫黄被毒回復処理を実行するか否かを判定する。さらに温度状態判別部３１はエンジン温度も推定し、水温が設定温度未満であればエンジン冷機状態、設定温度以上であればエンジン暖機状態と判定する。尚、触媒温度の推定は、水温検出とエンジン始動からの経過時間の判定とを併用して行なうようにしてもよく、また、触媒温度を直接検出するようにしてもよい。
【００３３】
噴射モードは、吸気行程噴射（均一燃焼領域）、又は圧縮行程噴射（成層燃焼領域）、更にこれらの領域での分割噴射という噴射形態を有し、運転領域ごとに予め設定されているため、運転領域の判定により設定される。
【００３４】
運転状態検出部３２は、エンジン回転数センサ２７からのエンジン回転数検出信号、アクセル開度センサ２４からのアクセル開度検出信号、エアフローメータ２５からの吸気流量検出信号及び水温センサ２６からの水温検出信号、吸気温センサ２８からの吸気温検出信号、大気圧センサ２９からの大気圧検出信号によってリーン領域やリッチ領域等のエンジンの運転領域を判定する。また、吸気流量検出信号からエンジンの急加速や高負荷運転等の過渡運転状態を判定する。また、水温検出信号からエンジンの冷間若しくは温間運転状態の判定を行う。更に、Ｏ2センサ２１からのＯ2検出信号はＯ2センサ２１の活性時に出力され、Ｏ2フィードバック制御時に用いられる。
【００３５】
燃料噴射制御部３３は、エンジン回転数センサ２７からのエンジン回転数検出信号、アクセル開度センサ２４からのアクセル開度検出信号、エアフローメータ２５からの吸気流量検出信号及び水温センサ２６からの水温検出信号、Ｏ2センサ２１からのＯ2検出信号によって燃料の噴射時期Ｑａを演算する。
【００３６】
噴射量演算部３４は、エンジン回転数センサ２７からのエンジン回転数検出信号、アクセル開度センサ２４からのアクセル開度検出信号、エアフローメータ２５からの吸気流量検出信号、水温センサ２６からの水温検出信号、燃圧及び噴射モードによって燃料噴射量Ｔａを演算する。
【００３７】
燃圧は、インジェクタに作用する高圧燃料ポンプの吐出圧力であり、燃圧センサ出力と筒内圧（推測値）との差圧により噴射量Ｔａが補正される。
【００３８】
燃料噴射制御部３３及び噴射量演算部３４は、インジェクタ駆動回路３７を介してインジェクタ１１からの燃料噴射時期Ｑａ及び噴射量（パルス幅）Ｔａを制御するものであり、触媒冷機状態のときは、燃焼室５全体の空燃比は略理論空燃比λ≒１としつつ、吸気行程から点火時期にかけての期間内に、圧縮行程中期以降の後期噴射と、この後期噴射より早い吸気行程前半の早期噴射との少なくとも２つに分割して燃料を噴射する分割噴射により、燃焼室５内の点火プラグ１０付近の領域に理論空燃比（λ＝１）若しくはこれよりリッチな空燃比λ＜１の混合気を形成するとともに、点火プラグ１０付近の領域の周囲に理論空燃比λ＝１よりもリーンな空燃比λ＞１の混合気を形成するように制御する。
【００３９】
点火時期制御部３５は、エンジン回転数センサ２７からのエンジン回転数検出信号、アクセル開度センサ２４からのアクセル開度検出信号、エアフローメータ２５からの吸気流量検出信号、水温センサ２６からの水温検出信号及び噴射モードによって点火時期θｉｇを演算する。
【００４０】
点火時期制御部３５は、点火装置３８に制御信号を出力して、点火時期θｉｇをエンジンの運転状態に応じて制御するものであり、基本的には点火時期θｉｇをＭＢＴ（ベストトルクを発揮する点火タイミング近傍）に制御するが、後述のように硫黄被毒回復処理時にエンジン低負荷の成層運転領域において点火時期をリタードする。
【００４１】
また、エンジン制御ＥＣＵ３０は、スロットル弁１８を駆動するアクチュエータ１９に制御信号を出力することによって吸入空気量の制御も行なうようになっており、エンジン暖機後に圧縮行程のみの燃料噴射により成層燃焼が行われるような場合等に、空燃比をリーンとすべく吸入空気量を調整する。スロットル弁開度θｔｖは、エンジン回転数センサ２７からのエンジン回転数検出信号、アクセル開度センサ２４からのアクセル開度検出信号、エアフローメータ２５からの吸気流量検出信号、吸気温センサ２８からの吸気温検出信号、大気圧センサ２９からの大気圧検出信号及び噴射モードによって演算される。
【００４２】
また、エンジン制御ＥＣＵ３０は、分割噴射時等に燃焼室５内にスワールを生じさせるべく、吸気流動制御弁１７を制御すると共に、空燃比をλ＝１よりリーンとする成層燃焼時等にＥＧＲを行なうべくＥＧＲ弁４４を制御する。
【００４３】
吸気流動制御弁１７の開閉は、エンジン回転数センサ２７からのエンジン回転数検出信号、アクセル開度センサ２４からのアクセル開度検出信号、エアフローメータ２５からの吸気流量検出信号及び噴射モードによって制御され、気筒内のスワール比（スワールの旋回角速度／エンジン回転角速度）により制御される。
【００４４】
ＥＧＲ弁開度θｅｇｒは、エンジン回転数センサ２７からのエンジン回転数検出信号、アクセル開度センサ２４からのアクセル開度検出信号、エアフローメータ２５からの吸気流量検出信号、水温センサ２６からの水温検出信号及び噴射モードによって演算される。
【００４５】
エンジン制御ＥＣＵ３０は、エンジン回転数センサ２７からのエンジン回転数検出信号及びスタータ信号からエンジン始動を判定する。
【００４６】
更に、エンジン制御ＥＣＵ３０は、硫黄被毒回復処理時にエンジン低負荷ならばウエストゲートバルブ４２によりウエストゲート４１を開いてリーンＮＯｘ触媒２２ｂに流れる排気ガス量を増加させて昇温効果を高めている。
［触媒の温度制御］
＜硫黄被毒回復処理のための触媒の昇温制御＞
先ず、リーンＮＯｘ触媒の硫黄被毒回復時において、触媒温度を６００℃以上に急速に上昇させるための触媒の昇温制御について説明する。
【００４７】
図４及び図５は、本実施形態の筒内噴射式ガソリンエンジンにおける触媒の昇温制御を示すフローチャートである。
【００４８】
先ず、触媒の昇温制御の概要について説明する。
【００４９】
本実施形態では、リーンＮＯｘ触媒が暖機した状態で、リーンＮＯｘ触媒の硫黄被毒回復処理時に触媒温度を６００℃以上に急速に上昇させるために、エンジン低負荷のリーン運転領域において以下の制御を実行する。但し、ＮＯｘ触媒は暖機した状態である。
【００５０】
▲１▼気筒内の空燃比をλ≒１に設定しつつ、吸気行程から点火時期にかけての期間内に、圧縮行程中期以降の後期噴射と、該後期噴射より早い早期噴射との少なくとも２回に分割して燃料を噴射する。
【００５１】
▲２▼触媒温度の昇温要求の高さに応じて、スワールが弱くなるように吸気流動制御弁を開動作させ、スワール弱の時の要求噴射タイミング（同一運転領域においてスワール強の時の要求噴射タイミングよりリタード側に設定されたタイミング）に設定する。
【００５２】
▲３▼触媒温度の昇温要求の高さに応じて、スワールを弱くし、且つ後期噴射時期を上記スワール弱の時の要求噴射時期に対してリタードさせる。
【００５３】
▲４▼触媒温度の昇温要求が最も高いときには、上記スワールを弱くし、且つ後期噴射時期のリタードに加え、さらに点火時期をリタードさせる。
【００５４】
次に、図４及び図５を参照して上記▲１▼〜▲４▼の制御を実行するためのエンジン制御ＥＣＵ３０による具体的フローについて説明する。
【００５５】
図４に示すように、ステップＳ１では、フラグＦをゼロリセットし、ステップＳ２では、エンジン制御ＥＣＵ３０は、Ｏ2センサ２１、エンジンのクランク角を検出するクランク角センサ２３、アクセル開度センサ２４、エアフローメータ２５、水温センサ２６、エンジン回転数センサ２７、吸気温センサ２８、大気圧センサ２９、燃圧センサ及びスタータ等からの各検出信号を読み込む。
【００５６】
ステップＳ３では、エンジン回転数センサ２７からのエンジン回転数検出信号、アクセル開度センサ２４からのアクセル開度検出信号、エアフローメータ２５からの吸気流量検出信号、水温センサ２６からの水温検出信号、燃料噴射量Ｔａ、噴射モード等の過去の履歴によってＮＯｘ触媒温度Ｔcatを推定する。尚、排気ガス温度を計測し、ＮＯｘ触媒温度Ｔcatに代用してもよい。
【００５７】
ステップＳ４では、ステップＳ２で推定されたＮＯｘ触媒温度ＴcatからＮＯｘ浄化率Ｃを検出する。
【００５８】
ステップＳ６では、タイマＮ１〜Ｎ３を設定する。期間Ｎ１〜Ｎ３は実験等により最適な時間に設定される。
【００５９】
ステップＳ８では、ＮＯｘ浄化率Ｃが所定値Ｃ１未満か否かを判定する。
【００６０】
ステップＳ８でＮＯｘ浄化率Ｃが所定値Ｃ１以上ならば（ステップＳ８でＮＯ）、ステップＳ９で通常のエンジン制御を実行する。
【００６１】
ステップＳ８でＮＯｘ浄化率Ｃが所定値Ｃ１未満ならば（ステップＳ８でＹＥＳ）、硫黄被毒によりＮＯｘ浄化率Ｃが低下しているのでステップＳ１０に進む。
【００６２】
ステップＳ１０では、硫黄被毒回復処理に必要な温度Ｔre（例えば、６００℃）と現在のＮＯｘ触媒温度Ｔcatとの差ΔＴを算出して触媒の昇温要求度合を算出する。
【００６３】
ステップＳ１２では、触媒温度差ΔＴが所定温度Ｔ１以上か否かを判定する。ステップＳ１２で触媒温度差ΔＴが所定温度Ｔ１以上ならば（ステップＳ１２でＹＥＳ）、触媒の昇温要求が高いのでステップＳ１４に進み、触媒温度差ΔＴが所定温度Ｔ１未満ならば（ステップＳ１２でＮＯ）、触媒の昇温要求が低いのでステップＳ２２に進む。
【００６４】
ステップＳ１４では、触媒の昇温要求が高いので吸気流動制御弁を開作動させてスワール弱とし、排気ガス温度を上昇させる。
【００６５】
ステップＳ１６では、噴射パルス幅Ｔａをα：１−αに配分して、分割噴射における早期噴射パルスＴａｋ（＝α×Ｔａ）と、後期噴射パルスＴａｄ（＝（１−α）×Ｔａ）とを算出する。但し、α＜０．５に設定して後期噴射パルス幅Ｔａｄを大きくする。
【００６６】
ステップＳ１８では、スワール弱の時に要求される早期基本噴射時期θａｋｂと後期基本噴射時期θａｄｂとを設定する。
【００６７】
ステップＳ２０では、スワール弱の時に要求される後期基本噴射時期θａｄｂを設定する。尚、この後期基本噴射時期θａｄｂは、相対的にスワール弱の時の要求値がスワール強の時の要求値に対してリタード側にある。
【００６８】
一方、触媒の昇温要求が低いときには、ステップＳ２２で吸気流動制御弁１７を閉作動させてスワール強とする。
【００６９】
ステップＳ２４では、噴射パルス幅Ｔａをα：１−αに配分して、分割噴射における早期噴射パルスＴａｋ（＝α×Ｔａ）と、後期噴射パルスＴａｄ（＝（１−α）×Ｔａ）とを算出する。但し、α≧０．５に設定して後期噴射パルス幅Ｔａｄを小さくする。
【００７０】
ステップＳ２６では、スワール強の時に要求される早期基本噴射時期θａｋｂと後期基本噴射時期θａｄｂとを設定する。
【００７１】
ステップＳ２８では、スワール強の時に要求される後期基本噴射時期θａｄｂを設定する。尚、このスワール強の時に要求される後期基本噴射時期θａｄｂは、スワール弱の時に要求される値より相対的にアドバンス側にある。
【００７２】
ステップＳ３０では、フラグＦが１か否かを判定し、点火時期θｉｇリタードのフラグＦが１ならば（ステップＳ３０でＹＥＳ）、ステップＳ４５で設定された点火時期θｉｇ（点火リタード）のまま、ステップＳ３２に進む。
【００７３】
一方、ステップＳ３０でフラグＦが１でないならば（ステップＳ３０でＮＯ）、ステップＳ３１に進む。
【００７４】
ステップＳ３１では、ステップＳ４５で設定される点火時期θｉｇよりもアドバンス側にある適切な点火時期θｉｇを設定する。
【００７５】
ステップＳ３２では、クランク角センサ２３から検出されたエンジンのクランク角が設定された噴射時期になったならば（ステップＳ３２でＹＥＳ）、ステップＳ３４に進む。
【００７６】
ステップＳ３４では、ステップＳ１６又はＳ２４で算出された噴射パルス幅Ｔａｋ，Ｔａｄにてインジェクタ１１から燃料を噴射する。
【００７７】
図５に示すように、ステップＳ３６では、ステップＳ３１乃至Ｓ４５で設定された点火時期θｉｇになったならば（ステップＳ３６でＹＥＳ）、ステップＳ３８に進む。
【００７８】
ステップＳ３８では、ステップＳ３１乃至Ｓ４５で設定された点火時期θｉｇにて点火プラグ１０を点火させる。
【００７９】
ステップＳ３９では、フラグＦが１か否かを判定し、点火時期θｉｇリタードのフラグＦが１ならば（ステップＳ３９でＹＥＳ）、ステップＳ４４へ進む。
【００８０】
一方、フラグＦが１でないならば（ステップＳ３９でＮＯ）、ステップＳ４０へ進む。
【００８１】
ステップＳ４０、４２では、タイマＮ２をカウントダウンが終了するまでステップＳ８〜Ｓ３８までのエンジン制御を継続する。
【００８２】
ステップＳ４４では、触媒温度差ΔＴがゼロ以下、つまり触媒温度Ｔcat硫黄被毒回復処理に必要な温度Ｔreまで上昇したか否かを判定する。
【００８３】
ステップＳ４４で触媒温度Ｔcatが硫黄被毒回復処理に必要な温度Ｔreまで上昇したならば（ステップＳ４４でＹＥＳ）、ステップＳ４７に進む。
【００８４】
また、触媒温度Ｔcatが硫黄被毒回復処理に必要な温度Ｔreまで上昇していないならば（ステップＳ４４でＮＯ）、ステップＳ４５に進む。
【００８５】
ステップＳ４５では、さらに触媒温度Ｔcatの上昇を図るため、点火時期θｉｇをリタードさせ、ステップＳ４６で点火時期θｉｇのリタードフラグＦを１にセットし、上記ステップＳ８〜Ｓ３８までのエンジン制御を継続する。
【００８６】
ステップＳ４７では、ステップＳ４６までのフローに基づいたステップＳ８〜Ｓ３８までのエンジン制御を継続する。
【００８７】
ステップＳ４８、５０では、タイマＮ１のカウントダウンが終了するまで上記ステップＳ８〜Ｓ３８までのエンジン制御を継続する。
【００８８】
ステップＳ５２では、ＮＯｘ浄化率Ｃが所定値Ｃ２（所定値Ｃ１より多少大きい値）未満か否かを判定する。
【００８９】
ステップＳ５２でＮＯｘ浄化率Ｃが所定値Ｃ２以上ならば（ステップＳ５２でＹＥＳ）、硫黄被毒が十分に回復したので、ステップＳ５４に進んで硫黄被毒回復制御終了処理を実行してリターンする。
【００９０】
ステップＳ５２でＮＯｘ浄化率Ｃが所定値Ｃ２未満ならば（ステップＳ５２でＮＯ）、硫黄被毒が十分に回復していないので、ステップＳ５６に進む。
【００９１】
ステップＳ５６、５８、６０では、タイマＮ３のカウントダウンが終了するまで上記ステップＳ８〜Ｓ３８までのエンジン制御を継続して、硫黄被毒回復処理を延長する。
【００９２】
図７は、エンジンの運転領域を示すマップである。図８は、本実施形態の触媒の昇温制御による排気ガス温度の変化を示す図である。図９は、点火時期に応じた排気ガス温度と図示平均有効圧力との関係を示す図である。図１０は、２分割噴射における燃料噴射量と噴射時期とを示すタイミングチャートである。
【００９３】
図７に示す成層燃焼領域は、圧縮行程後期のみに燃料を噴射することにより、点火プラグ１０まわりに混合気を偏在させて成層燃焼を行わせる領域である。λ＝１の領域は、吸気行程前期及び圧縮行程中期乃至後期に燃料を噴射し且つ燃焼室全体の空燃比を略理論空燃比（λ≒１）とする領域である。エンリッチ領域は、吸気行程前期乃至圧縮行程中期のみに燃料を噴射する領域である。
【００９４】
図１に示すエンジン１は、ピストン４の頂部に、インジェクタ１１から噴出された燃料をトラップして点火プラグ１０方向に導く成層化用のキャビティ１２を設けることにより、圧縮行程中期以降にインジェクタ１１から燃料が噴射されたときに点火プラグ１０付近の局所空燃比が後期噴射によりリッチとなるように気筒内のスワール比（スワール流動角速度／エンジン角速度）が設定される。
【００９５】
本実施形態の硫黄被毒回復処理は、図７に示す成層燃焼領域で且つエンジン負荷が低い領域で実行され、空燃比をλ≒１に設定して吸気流動制御弁１７を開作動させてスワール弱とし、吸気行程から点火時期にかけての期間内に、圧縮行程中期以降の後期噴射と、後期噴射より早い早期噴射との２分割で燃料を噴射する。更に、後期噴射割合を前期噴射割合より大きくしている。
【００９６】
図８に示すように、後期噴射の割合を２０〜６０％で変化させた場合に、後期噴射割合を大きくする程排気ガス温度が高まり、且つスワール弱により燃焼速度が抑制されて緩慢燃焼になり排気ガス温度が高められるため、触媒温度を急速に上昇させることができる。また、成層領域で且つエンジン負荷が低い領域なので燃費の悪化を最小限に抑えることができる。
【００９７】
ここで、圧縮行程中期とは、図１０に示すように圧縮行程を前期、中期、後期に３等分したときの中期、つまり、クランク角でＢＴＤＣ（上死点前）１２０°からＢＴＤＣ６０°の期間を意味する。従って、後期噴射はＢＴＤＣ１２０°以降となる。但し、後述のように後期噴射の時期が遅すぎると燃焼安定性が損なわれることから、圧縮行程の３／４の期間が経過するまで（ＢＴＤＣ４５°まで）に後期噴射を開始することが望ましい。
【００９８】
つまり、図１０に示すように後期噴射は圧縮行程における上死点前１２０°から上死点前４５°までの期間内に開始されるように設定され、早期噴射は後期噴射より前の適当な時期、例えば吸気行程の期間内に開始されるように設定される。
【００９９】
更に、上記制御に加えて、図１０の点線に示すように、後期噴射時期をリタードさせ、必要ならば点火時期もリタードさせることにより、排気ガス温度を急速に上昇できる。
【０１００】
点火時期のリタードは、図９に示すように、エンジンのＰｉ（図示平均有効圧力）変動率が約５％の範囲内において実行される。尚、このＰｉ変動率は、Ｐｉの標準偏差σ／Ｐｉのサイクル平均×１００（％）で定義される。
＜他の触媒の昇温制御＞
また、他の昇温制御手順として、空燃比をλ≒１に設定して分割噴射させたときに、ＮＯｘ触媒温度が硫黄被毒回復処理に必要な温度Ｔreに未達のときは点火時期をリタードさせ、更にＮＯｘ触媒温度が温度Ｔreに未達のときはスワール弱とし、それでも温度Ｔreに未達のときは後期噴射時期を遅らせるか、又は点火時期をリタードさせてもＮＯｘ触媒温度が硫黄被毒回復処理に必要な温度Ｔreに未達のときは点火時期を戻しつつ、スワール弱とし、その後温度Ｔreに未達のときは後期噴射時期をリタードさせることによって、燃費悪化を最小限に抑えることができる。
【０１０１】
尚、本実施形態のように過給機を搭載するエンジンならば、エンジン低負荷領域では過給を必要としないので、硫黄被毒回復処理時にウエストゲートを開通することにより、タービンへの放熱が少なくして触媒に流れる排気ガス温度を高温に保ち、昇温効果をより高めることができる。
＜硫黄被毒回復制御後の触媒の温度復帰制御＞
次に、リーンＮＯｘ触媒の硫黄被毒回復制御後に、６００℃以上に昇温されてＮＯｘ浄化率の低い触媒を急速にＮＯｘ浄化率の高い４００℃程度の温度領域まで戻すための触媒の温度復帰制御について説明する。
【０１０２】
図６は、本実施形態の筒内噴射式ガソリンエンジンにおける触媒の温度復帰制御を示すフローチャートである。
【０１０３】
先ず、触媒の温度復帰制御の概要について説明する。
【０１０４】
硫黄被毒回復処理後の浄化可能温度範囲から逸脱した触媒高温状態においてエンジンの運転状態が空燃比λ≦１の領域からλ＞１のリーン領域に移行してしまうと、ＮＯｘ触媒温度が低下するまでＮＯｘ吸着性能が低いという不都合がある。
【０１０５】
このため、本実施形態では、リーンＮＯｘ触媒が暖機した状態で、硫黄被毒回復処理後の浄化可能温度範囲から逸脱したＮＯｘ触媒温度を、早急にＮＯｘ浄化率の高い温度領域まで戻す（温度を下げる）ために以下の制御を実行する。
【０１０６】
▲１▼空燃比をλ≦１からλ＞１のリーン領域に移行する前にスワール強としつつ、空燃比λ≒１に設定する。
【０１０７】
▲２▼空燃比がλ＜１乃至λ≒１で分割噴射による運転状態から、λ＞１のリーン領域に移行する時に、少なくとも後期噴射時期をアドバンスする。
【０１０８】
▲３▼吸着されたＮＯｘを放出するとき、いわゆるＮＯｘパージ時に、空燃比をλ＜１乃至λ≒１に設定し、吸気行程から点火時期にかけての期間内に少なくとも２回に分割して燃料を噴射すると共に、この運転状態からλ＞１のリーン領域に移行する前に、スワール強としつつ、空燃比をλ≒１に設定する。
【０１０９】
次に、図６を参照して上記▲１▼〜▲３▼の制御を実行するためのエンジン制御ＥＣＵ３０による具体的フローについて説明する。
【０１１０】
図６に示すように、ステップＳ６２では、エンジン制御ＥＣＵ３０は、空燃比をλ≒１に保持した状態で、吸気流動制御弁１７が閉状態か否かを判定する。
【０１１１】
ステップＳ６２で閉状態ならば（ステップＳ６２でＹＥＳ）、スワール強を保持して、ステップＳ６４に進む。
【０１１２】
ステップＳ６４では、上記ステップＳ４５で設定された点火時期θｉｇのリタードを終了する。
【０１１３】
ステップＳ６６では分割噴射を終了して成層燃焼領域での運転に戻され、上記ステップＳ９での通常のエンジン制御を実行する。
【０１１４】
ステップＳ６２で開状態ならば（ステップＳ６２でＹＥＳ）、ステップＳ６８に進んで吸気流動制御弁を閉動作させてスワール強とする。
【０１１５】
ステップＳ７０では、上記ステップＳ１８又はＳ２６で設定された後期基本噴射時期θａｄｂをアドバンスしてステップＳ６６に進む。
【０１１６】
図１１は、リーンＮＯｘ触媒と三元触媒の温度変化に伴うＮＯｘ浄化率の特性を示す図である。図１２は、本実施形態の触媒の温度復帰制御による排気ガス温度の変化を示す図である。
【０１１７】
図７及び図１２に示すように、上記温度復帰制御は、硫黄被毒回復処理後に空燃比をλ≦１のリッチ領域からλ＞１の成層燃焼領域に移行させる前にスワール強とすることにより、燃費悪化及び燃焼安定性低下を抑えつつ、図１１に示すように排気ガス温度を急速に低下させて硫黄被毒回復制御後に６００℃程度まで昇温された触媒を急速にＮＯｘ浄化率の高い４００℃程度の温度領域まで戻すことができ、この間、空燃比をλ≒１に設定することにより三元触媒の浄化ウィンドウにおいてＮＯｘ浄化を図ることができる。
【０１１８】
また、三元触媒がない仕様においても空燃比λ≒１の設定によって、ＮＯｘ触媒の三元機能を利用し、排気ガスの浄化を図ることができる。
【０１１９】
また、スワール強にするための吸気流動制御弁の閉作動は、燃焼室への吸入空気量が少ないエンジン低負荷及び低回転領域において行われ、出力効率が低下する高負荷、高回転領域では行わないことが望ましい。尚、スワールの代わりに、吸気弁等の他の手段を用いて吸気流動を強化してもよい。
【０１２０】
更に、空燃比がλ＜１乃至λ≒１で分割噴射による運転状態から、λ＞１のリーン領域に移行する時に、少なくとも後期噴射時期をアドバンスすることにより、より排気ガス温度を急速に低下させることができる。
【０１２１】
特に、リーンＮＯｘ触媒が吸着したＮＯｘを放出して、この触媒が有する還元浄化機能によりＮＯｘを還元する触媒リフレッシュが実行されるときに、空燃比をλ＜１乃至λ≒１に設定し、吸気行程から点火時期にかけての期間内に少なくとも２回に分割して燃料を噴射するとＮＯｘと反応するＣＯを増加できるので、ＮＯｘを効率よく浄化できる。
【０１２２】
尚、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で上記実施形態を修正又は変形したものに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の筒内噴射式エンジンの燃焼室部分の構造を示す概略断面図である。
【図２】筒内噴射式エンジン全体の概略図である。
【図３】エンジン及び触媒の状態検出及びエンジン制御を実行するためのエンジン制御ＥＣＵに入力される各種パラメータを示す図である。
【図４】本実施形態の筒内噴射式ガソリンエンジンにおける触媒の昇温制御を示すフローチャートである。
【図５】本実施形態の筒内噴射式ガソリンエンジンにおける触媒の昇温制御を示すフローチャートである。
【図６】本実施形態の筒内噴射式ガソリンエンジンにおける触媒の温度復帰制御を示すフローチャートである。
【図７】エンジンの運転領域を示すマップである。
【図８】本実施形態の触媒の昇温制御による排気ガス温度の変化を示す図である。
【図９】点火時期に応じた排気ガス温度と図示平均有効圧力との関係を示す図である。
【図１０】２分割噴射における燃料噴射量と噴射時期とを示すタイミングチャートである。
【図１１】リーンＮＯｘ触媒と三元触媒の温度変化に伴うＮＯｘ浄化率の特性を示す図である。
【図１２】本実施形態の触媒の温度復帰制御による排気ガス温度の変化を示す図である。
【符号の説明】
１…エンジン
１０…点火プラグ
１１…インジェクタ
１５…吸気通路
１６…排気通路
２１…Ｏ2センサ
２２…触媒装置
３０…ＥＣＵ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003787834.tif 000009
【図９】
0003787834.tif 000010
【図１０】
0003787834.tif 000011
【図１１】
0003787834.tif 000012
【図１２】
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