(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気通路に設けられて排気に含まれているＮＯｘないしＳＯｘをトラップする触媒と、
前記触媒にトラップされているＮＯｘないしＳＯｘを放出あるいは還元する際に、前記触媒に流入する排気が通常運転時よりも濃い所定空燃比あるいは前記触媒にトラップされているＮＯｘないしＳＯｘが放出される所定の低酸素濃度となるように、前記エンジンの吸気または圧縮行程で第１の燃料噴射を行うとともに膨張または排気行程で第２の燃料噴射を行うように前記エンジンの燃料噴射弁を制御する手段と、
を備えた排気浄化装置において、
前記第１及び第２の燃料噴射を行う際に、目標空燃比に応じて前記第１の燃料噴射を開始するとともに前記触媒に流入する排気が前記所定空燃比あるいは所定の低酸素濃度となるように第２の燃料噴射を開始し、前記第１及び第２の燃料噴射の開始時点から前記第１の燃料噴射での燃料流量を前記第１の燃料噴射開始時の燃料流量から増大していくとともに前記第２の燃料噴射での燃料流量を前記第２の燃料噴射開始時の燃料流量から減じていく手段と、
前記第２の燃料噴射での燃料流量を減じていった結果、前記第２の燃料噴射での燃料流量が所定の燃料流量を下回る場合には、前記第２の燃料噴射を中止し、前記第１の燃料噴射での燃料流量をステップ的に増大させる手段と、
を備え、第１の燃料噴射での燃料流量をステップ的に増大した時点から前記第１の燃料噴射での燃料流量を減じていくことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
前記所定燃料流量は、前記燃料噴射弁の噴射特性に応じて決定される最小燃料流量であることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項３】
前記第２の燃料噴射を中止し前記第１の燃料噴射での燃料流量をステップ的に増大する前は、排気が前記所定空燃比ないし所定の低酸素濃度を維持するように第２の燃料噴射での燃料流量を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の排気浄化装置。
【請求項４】
前記第１の燃料噴射での燃料流量を減じていく際の減少度合いは、前記触媒にＮＯｘないしＳＯｘがトラップされる運転状態の継続時間に基づき決定されることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項５】
前記第１の燃料噴射での燃料流量を減じていく際の減少度合いは、排気空燃比、エンジン回転速度あるいはエンジン負荷に基づき推定される前記触媒にトラップされているＮＯｘないしＳＯｘの量に応じて決定されることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項６】
前記所定空燃比は、理論空燃比または所定のリッチ空燃比であることを特徴とする請求項１から５のいずれかひとつに記載の排気浄化装置。
【請求項７】
前記所定空燃比ないし所定の低酸素濃度は、前記触媒にＮＯｘないしＳＯｘがトラップされる運転の継続時間に応じて決定されることを特徴とする請求項１から５のいずれかひとつに記載の排気浄化装置。
【請求項８】
前記所定空燃比ないし所定の低酸素濃度は、排気空燃比、エンジン回転速度あるいはエンジン負荷に基づき推定される前記触媒にトラップされているＮＯｘないしＳＯｘの量に応じて決定されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はエンジンの排気浄化装置に関し、特に、排気中のＮＯｘをトラップするＮＯｘトラップ触媒を備えた排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
触媒雰囲気がリーンのときに排気中のＮＯｘをトラップする触媒（以下、「ＮＯｘトラップ触媒」という。）をエンジンの排気通路に設けることにより、リーン空燃比運転時にエンジンから排出されるＮＯｘが大気中に放出されるのを抑える技術が知られている。
【０００３】
このようなＮＯｘトラップ触媒においては、触媒にトラップされているＮＯｘ量がある飽和量に達するとＮＯｘをトラップすることができなくなるため、飽和状態となる前にエンジンを一時的にリッチ空燃比運転に切り換える等してＮＯｘトラップ触媒に還元剤（ＣＯ、ＨＣ等）を供給し、トラップされているＮＯｘを放出、還元する必要がある。また、ＮＯｘトラップ触媒には排気中のＳＯｘもトラップされ、このＳＯｘトラップ量が増えるとＮＯｘトラップ効率が低下するため、トラップされているＳＯｘを脱離させるために所定のタイミングでエンジンの空燃比を一時的にリッチ側にシフトさせる必要もある（以下、これらの空燃比の一時的なリッチ化制御を「リッチスパイク」という。）。
【０００４】
特開平11-223148号には、上記リッチスパイクを実行するにあたり、エンジンの目標空燃比を徐々にリッチ空燃比に変化させるように燃料を供給(主噴射）するとともに、エンジンの膨張行程において燃料を追加供給（副噴射）することによって、エンジン出力の変動を抑えつつ排気空燃比を直ちにリッチ空燃比に移行させる技術が開示されている。これによれば、主燃焼に寄与する主噴射流量は徐々に増大されることからエンジン出力が急激に変化することはなく、また、膨張行程で行われる副噴射はエンジンの出力トルクに変動を殆ど及ぼさないことから、出力トルク変動を抑えつつ排気空燃比を直ちにリッチ側にシフトさせることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、上記公報に開示されている技術においては、副噴射の流量が少なくなると副噴射を正確に行うことが難しくなり、排気空燃比の変動（空燃比バラツキ）を招き、トラップ触媒への還元剤（ＨＣ、ＣＯ等）の供給が不安定になるという問題があった。これは燃料噴射弁には燃料噴射を正確に行うことができる最小流量が規定されており、副噴射流量がこの最小流量よりも少なくなると副噴射を精度良く行うことが難しくなるからである。
【０００６】
本発明は、かかる技術的課題を鑑みてなされたものであり、触媒にトラップされているＮＯｘ、ＳＯｘを放出、還元するためのリッチスパイクを主噴射と副噴射で実現するにあたって、副噴射流量が燃料噴射弁の最小流量を下回ってしまうことによる空燃比バラツキを抑え、排気触媒に還元剤を安定して供給できるようにすることを目的とする。
【０００７】
【問題点を解決するための手段】
第１の発明は、エンジンの排気通路に設けられて排気に含まれているＮＯｘないしＳＯｘをトラップする触媒と、前記触媒にトラップされているＮＯｘないしＳＯｘを放出あるいは還元する際に、前記触媒に流入する排気が通常運転時よりも濃い所定空燃比あるいは前記触媒にトラップされているＮＯｘないしＳＯｘが放出される所定の低酸素濃度となるように、前記エンジンの吸気または圧縮行程で第１の燃料噴射を行うとともに膨張または排気行程で第２の燃料噴射を行うように前記エンジンの燃料噴射弁を制御する手段とを備えた排気浄化装置において、前記第１及び第２の燃料噴射を行う際に、目標空燃比に応じて前記第１の燃料噴射を開始するとともに前記触媒に流入する排気が前記所定空燃比あるいは所定の低酸素濃度となるように第２の燃料噴射を開始し、前記第１及び第２の燃料噴射の開始時点から前記第１の燃料噴射での燃料流量を前記第１の燃料噴射開始時の燃料流量から増大していくとともに前記第２の燃料噴射での燃料流量を前記第２の燃料噴射開始時の燃料流量から減じていく手段と、前記第２の燃料噴射での燃料流量を減じていった結果、前記第２の燃料噴射での燃料流量が所定の燃料流量を下回る場合には、前記第２の燃料噴射を中止し、前記第１の燃料噴射での燃料流量をステップ的に増大させる手段とを備え、第１の燃料噴射での燃料流量をステップ的に増大した時点から前記第１の燃料噴射での燃料流量を減じていくことを特徴とするものである。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、前記所定燃料流量が、前記燃料噴射弁の噴射特性に応じて決定される最小燃料流量であることを特徴とするものである。
【０００９】
第３の発明は、第１または第２の発明において、前記第２の燃料噴射を中止し前記第１の燃料噴射での燃料流量をステップ的に増大する前は、排気が前記所定空燃比ないし所定の低酸素濃度を維持するように第２の燃料噴射での燃料流量を制御することを特徴とするものである。
【００１１】
第４の発明は、第１の発明において、前記第１の燃料噴射での燃料流量を減じていく際の減少度合いが、前記触媒にＮＯｘないしＳＯｘがトラップされる運転状態の継続時間に基づき決定されることを特徴とするものである。
【００１２】
第５の発明は、第１の発明において、前記第１の燃料噴射での燃料流量を減じていく際の減少度合いが、排気空燃比、エンジン回転速度あるいはエンジン負荷に基づき推定される前記触媒にトラップされているＮＯｘないしＳＯｘの量に応じて決定されることを特徴とするものである。
【００１３】
第６の発明は、第１から第５の発明において、前記所定空燃比が、理論空燃比または所定のリッチ空燃比であることを特徴とするものである。
【００１４】
第７の発明は、第１から第５の発明において、前記所定空燃比ないし所定の低酸素濃度が、前記触媒にＮＯｘないしＳＯｘがトラップされる運転の継続時間に応じて決定されることを特徴とするものである。
【００１５】
第８の発明は、前記第１から第５の発明において、前記所定空燃比ないし所定の低酸素濃度が、排気空燃比、エンジン回転速度あるいはエンジン負荷に基づき推定される前記触媒にトラップされているＮＯｘないしＳＯｘの量に応じて決定されることを特徴とするものである。
【００１６】
【作用及び効果】
したがって、本発明が適用される排気浄化装置においては、リーン空燃比運転が継続することにより触媒にトラップされているＮＯｘ量（あるいはＳＯｘ量）が増えると、触媒に流入する排気の空燃比を通常運転時よりも濃い所定の空燃比（理論空燃比ないし所定のリッチ空燃比）あるいは触媒にトラップされているＮＯｘないしＳＯｘが放出される所定の低酸素濃度とし、ＮＯｘトラップ触媒にトラップされているＮＯｘを放出、還元処理する制御が行われる。
【００１７】
このとき、燃料噴射が吸気または圧縮行程における第１の燃料噴射（主噴射）と膨張または排気行程における第２の燃料噴射（副噴射）とに分けて行われ、エンジン出力の変動が抑えられる。また、この二段階の燃料噴射から通常の主噴射のみの燃料噴射に復帰する際、前記所定の空燃比あるいは所定の低酸素濃度が維持されるように主噴射量を徐々に増大させつつ副噴射量を徐々に減少させていくが、副噴射の燃料流量が所定流量（例えば、燃料噴射弁の最小流量）よりも少なくなる前に主噴射のみの燃料噴射に切り換えられる。
【００１８】
このように副噴射流量が所定流量よりも少なくなるタイミングで副噴射を中止し、主噴射のみによる燃料噴射に切り換えることにより、副噴射の燃料流量が最小流量以下となって燃料流量のバラツキが大きくなることによる空燃比バラツキが抑えられ、触媒に安定して還元剤（ＨＣ、ＣＯ等）を供給することができる。なお、ＮＯｘトラップ触媒にはＮＯｘのみならずＳＯｘもトラップされ（ＳＯｘ被毒）、これによってもＮＯｘのトラップ効率が低下するため、トラップされているＳＯｘの量が多くなったときも同様の処理が行われる。
【００１９】
上記空燃比のリッチシフトあるいは低酸素濃度化の度合いは、トラップされているＮＯｘ等が効率よく放出、還元されるように、触媒にＮＯｘ等がトラップされる運転状態の継続時間や、触媒にトラップされているのＮＯｘ等の量に応じて設定される。
【００２０】
また、主噴射のみの燃料噴射に切り換えるときには、それによる燃焼混合気の空燃比のリッチレベル(あるいは低酸素濃度の度合い）を一旦最大レベルまでステップ的に切り換え、その後徐々に減少していくようにし、このときの減少度合いを調節することで、排気がリッチ（あるいは低酸素濃度）の状態が触媒にＮＯｘ等がトラップされる運転状態の継続時間、あるいは触媒にトラップされているＮＯｘ等の量に応じて継続するようにする。トラップされているＮＯｘあるいはＳＯｘは触媒雰囲気がリッチになると直ちに放出される成分と触媒雰囲気がリッチになってから徐々に放出される成分とに分けることができるが、これにより、両成分を効果的に処理することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
【００２２】
図１はこの発明に係る筒内直接噴射式エンジンの排気浄化装置の概略構成を示し、エンジン１は、運転モードを切り換えることで吸気行程噴射または圧縮行程噴射（主噴射）を実施することができる筒内噴射型火花点火式ガソリン内燃機関である。このエンジン１は、理論空燃比（ストイキ）、リッチ空燃比あるいはリーン空燃比で運転することができる。
【００２３】
また、エンジン１のシリンダヘッド２には、気筒毎に点火プラグ４、燃料噴射弁３が取り付けられており、これにより、燃焼室内に直接燃料を噴射することができる。また、燃料噴射弁３の上流には、燃料ポンプ１３が接続されており、燃料を燃料噴射弁３から燃焼室内に向けて任意の燃圧で噴射することができる。
【００２４】
ここで燃料噴射弁３の特性について説明すると、燃料噴射弁３から噴射される燃料流量は、燃料ポンプ１３の燃料吐出圧と燃料噴射弁３の開弁時間に応じて決定される。燃料噴射弁３の開弁時間と燃料流量の関係は図２に示すようにある開弁時間以上では開弁時間と燃料流量はほぼ比例関係となるが、その開弁時間より開弁時間が短くなると、すなわち燃料流量がその開弁時間に対応する燃料流量よりも少なくなると比例関係が崩れ、燃料流量バラツキも大きくなる。
【００２５】
図３は燃料流量と燃料流量バラツキとの関係を示したものである。これに示されるように、最小流量（例えば、上記比例関係が保たれなくなる流量）よりも燃料流量が少なくなると燃料流量バラツキが大きくなり、燃料噴射を精度良く行うことが難しくなる。
【００２６】
図１に戻り、エンジン１のシリンダヘッド２には、気筒毎に吸気ポート１５が形成され、吸気ポート１５と連通するように吸気マニホールド１７が接続されている。その反対側には、気筒毎に排気ポート１６が形成され、排気ポート１６と連通するように排気マニホールド１８が接続されている。これら吸気マニホールド１７と排気マニホールド１８との間にはＥＧＲ通路１９、ＥＧＲ弁２０が設けてあり、運転条件に応じて排気ガスの循環量が調節される。
【００２７】
排気マニホールド１８には、排気浄化触媒（三元触媒）１１が接続され、さらに排気通路９を介して排気浄化触媒５が接続されている。また、排気マニホールド１８には、排気中の酸素量に基づいて燃焼室内の空燃比を検出する空燃比センサ１０が設けられている。
【００２８】
触媒５はいわゆるＮＯｘトラップ触媒であり、流入する排気の空燃比がリーンの時に排気中のＮＯｘをトラップするとともに、流入する排気の空燃比がストイキまたはリッチの時にＮＯｘを放出、還元する。典型的には、白金（Ｐｔ）等の貴金属とＮＯｘトラップ剤とを担持した基材のコート層をハニカム担体上に形成したものである。上記ＮＯｘトラップ剤は、セシウム（Ｃｓ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、リチウム（Ｌｉ）等のアルカリ金属、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）等のアルカリ土類、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）等の希土類から選ばれた少なくとも一つを含んでいる。なお、ここでは触媒５はリッチ雰囲気ないしストイキ雰囲気のときにトラップされているＮＯｘを放出するとしているが、低酸素濃度雰囲気のときにトラップされているＮＯｘを放出するものであってもよい。この場合は、例えば、リーンの度合いを強リーン（Ａ／Ｆ＝４０）から弱リーン（Ａ／Ｆ＝２０）に変更したときでもＮＯｘの放出が行われる。
【００２９】
さらに、排気浄化装置にはコントロールユニット６が設けられており、コントロールユニット６は入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ）、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えている。このコントロールユニット６により、エンジン１を含めた本発明に関わる排気浄化装置の総合的な制御が行われる。
【００３０】
コントロールユニット６の入力側には、上記空燃比センサ１０の他、エンジン１の吸入空気量を検出するエアフローメータ７、スロットル１４の開度を検出するスロットル開度センサ８、エンジン１の冷却水温を検出する水温センサ１２、エンジン１の回転速度を検出するクランク角センサ２１等の各種センサからの検出情報が入力される。また、出力側には、燃料噴射弁３や点火プラグ４等が接続されており、各種センサからの検出情報に基づき演算された燃料流量や点火時期等の値が出力される。
【００３１】
以下、このコントロールユニット６が実行する空燃比切り換え制御について図４に示すフローチャートを参照しながら説明する。
【００３２】
これによると、まず、ステップＳ１で運転条件（空気流量、エンジン回転速度等）が読み込まれる。ここで、空気流量は、代表的にはエンジン１の吸気通路に設けられているエアフローメータ７で検出される。ステップＳ２ではこれらの信号に基づき目標空燃比を算出され、ステップＳ３では吸入空気量からステップＳ２の目標空燃比となるように燃料噴射流量（主噴射流量）が算出される。触媒５にトラップされているＮＯｘないしＳＯｘを放出、還元処理するための空燃比切り換え制御が行われるときは、エンジン１の目標空燃比はリーン空燃比から徐々に理論空燃比ないしリッチ空燃比に近づくように変更され、これに対応して主噴射流量は徐々に増加する。なお、触媒５が低酸素濃度でＮＯｘないしＳＯｘを放出する特性を有する場合は、エンジン１の排気の酸素濃度が徐々に低くなるように制御してもよい。
【００３３】
ステップＳ４では、フラグFRSの値に基づき空燃比切り換え制御中であるか否かが判断される。空燃比切り換え制御中、すなわちフラグFRSが「１」の場合にはステップＳ５に進み、空燃比切り換え中でない場合すなわちフラグFRSが「１」以外のときにはステップＳ１０に進む。フラグFRSは触媒５にトラップされているＮＯｘ、ＳＯｘを放出、還元処理する条件（前回の放出、還元処理から所定時間経過した、排気空燃比等に基づき推定したＮＯｘ、ＳＯｘトラップ量が所定量に達した等）が成立したときに「１」に設定され、放出、還元処理が終了したときに「０」に設定される。
【００３４】
ステップＳ４でフラグFRSが「１」の場合はステップＳ５に進み、副噴射を実行するとして副噴射流量Qbが算出される。この副噴射流量Qbは、空燃比切り換え時に変化する目標空燃比と触媒５にトラップされているＮＯｘ、ＳＯｘを効果的に放出、還元するのに要求される所定のリッチ空燃比との差分に相当する流量となるように、すなわち前記主噴射に加えて副噴射が行われることにより排気空燃比が所定のリッチ空燃比となるように算出される。ここでの所定のリッチ空燃比としては、例えば触媒５にＮＯｘ、ＳＯｘがトラップされる運転の継続時間、排気空燃比、エンジン回転速度、エンジン負荷等から推定されるＮＯｘ、ＳＯｘトラップ量等に応じて決定され、例えばＡ／Ｆ＝１２程度の値に設定される。
【００３５】
ステップＳ６ではステップＳ５で算出された副噴射の燃料流量Qbが燃料噴射弁３の最小流量Qminよりも小さいか否かが判定される。最小流量Qminは燃料噴射弁３の特性（噴射性能）により決まるものであり、図３に示したように噴射される燃料流量のバラツキが大きくなりはじめる流量に設定されている。そして、副噴射流量Qbが最小流量Qmin以上と判定された場合は、ステップＳ９に進み、主噴射に続いて副噴射が実行される。このときの排気空燃比は所定のリッチ空燃比に維持される。
【００３６】
これに対し、ステップＳ５で算出された副噴射流量Qbが最小流量Qminよりも小さい場合はステップＳ７、Ｓ８に進み、副噴射が中止され、従来の主噴射のみによるリッチ空燃比制御が実行される。このとき、まず主噴射流量をステップ的に増大させた後にリッチレベルを徐々に減少させる微分制御が行われ、その後、空燃比センサ１０で検出される排気空燃比が要求される空燃比（例えばストイキ空燃比）に近づくように燃料流量を補正する空燃比フィードバック制御につなげられる。
【００３７】
主噴射によるリッチ化の度合い（主噴射流量の最初のステップ的な増加量）を規定するリッチレベル基本量LRP(i)、主噴射流量をステップ的に増加させてから主噴射流量を徐々に減少させて通常の空燃比フィードバック制御に移行するまでの時間を規定するリッチ継続時間基本量Iα(i)は、それぞれコントロールユニット６のＲＯＭ内に記憶されているテーブルを参照することによって設定される。
【００３８】
これらリッチレベル基本量LRP(i)、リッチ継続時間基本量Iα(i)を設定するためのテーブルは、推定ＮＯｘトラップ量、推定ＳＯｘトラップ量、あるいは触媒５にＮＯｘ、ＳＯｘがトラップされるリーン運転の継続時間（リーン継続時間）に応じて設定されている。
【００３９】
例えば、リッチレベル基本量設定テーブルは図５に示すようにエンジン回転速度、エンジン負荷、排気空燃比等に基づき推定されるＮＯｘトラップ量に応じて設定され、あるＮＯｘトラップ量まではリッチレベル基本量LRP(i)はＮＯｘトラップ量に比例して大きくなり、あるＮＯｘトラップ量以上ではＮＯｘトラップ量に関係なくほぼ一定の値となるように設定される。また、リッチ継続時間基本量テーブルは図６に示すように推定ＮＯｘトラップ量に応じて設定され、リッチ継続時間基本量Iα(i)はＮＯｘトラップ量が多くなるにつれ小さくなる、すなわちリッチスパイクを継続する時間が長くなるように設定される。
【００４０】
なお、推定ＳＯｘトラップ量、リーン継続時間に応じて設定される場合も同様のテーブルとなる。また、ここではテーブルを参照することによってリッチレベル基本量LRP(i)、リッチ継続時間基本量Iα(i)を設定しているが、推定ＮＯｘトラップ量、推定ＳＯｘトラップ量、リーン継続時間から演算式等を用いて設定することもできる。
【００４１】
このように、副噴射流量が最小燃料流量以下となるタイミングで、副噴射を中止し、主噴射のみによるリッチ空燃比制御に移行することにより、燃料噴射精度を確保し、排気空燃比のバラツキを抑えることができる。また、触媒５にトラップされているＮＯｘないしＳＯｘの量が多いときはリッチ継続時間基本量Iα(i)に小さな値が設定されてリッチスパイクの継続時間が長くなるので、トラップされているＮＯｘないしＳＯｘのうち放出速度の遅い成分についても良好に放出、還元処理することができる。
【００４２】
次に、上記排気浄化装置の全体的な作用について説明する。ここでは、エンジン１が圧縮行程で主噴射が行われており、且つリーン空燃比運転されている場合を例に挙げて説明する。
【００４３】
リーン空燃比で運転を行うような酸化雰囲気の場合、触媒５は流入してくる排気中のＮＯｘをトラップしＮＯｘの大気への排出量は抑えられるが、ＮＯｘトラップ量が所定の飽和量に近づくとＮＯｘトラップ効率が低下してくるため、トラップしたＮＯｘを放出、還元除去する必要がある。そこで、本装置では、例えば予め設定された所定周期でエンジン１の目標空燃比を一時的に小さくして燃料流量を増量することによってリッチ空燃比運転を行い（リッチスパイク）、触媒５を強制的に還元雰囲気とし、トラップされているＮＯｘを放出還元処理する。なお、触媒５にトラップされるＳＯｘ量が増大したときも同様のリッチスパイクが実行される。
【００４４】
リッチスパイクを行うにあたっては、エンジン１の出力トルク変動を抑制することを目的としてエンジン１の目標空燃比が理論空燃比ないしリッチ空燃比に向けて徐々に変更され、主燃焼に寄与する主噴射がこの目標空燃比に応じて行われる。さらに、この目標空燃比の変更に合わせて排気空燃比を目標とするリッチ空燃比へと移行させるためにエンジンの膨張行程または排気行程において燃料が燃料室内に噴射（副噴射）される。このときの副噴射における燃料流量は排気空燃比が目標とするリッチ空燃比ないし理論空燃比となるようにエンジンの目標空燃比と要求される排気空燃比との差分に応じて設定される。
【００４５】
エンジン１の目標空燃比がリッチ空燃比に移行するに従い、すなわちエンジン１の目標空燃比が要求される排気空燃比に近づくにつれて副噴射の燃料流量は減少するが、副噴射流量が図３に示した燃料噴射弁の最小流量以下となる場合には、副噴射が中止され、主噴射流量をステップ的に増大させてリッチ空燃比を実現する方式（制御開始時に燃焼混合気の空燃比をリッチレベルを最大とし、その後徐々に減少させる方式）に切り換えられる。
【００４６】
図７は触媒５にトラップされているＮＯｘを放出、還元するために空燃比がリーンからリッチに切り換えられるときの様子を示したものである。
【００４７】
これによると、時刻ｔ1でリーン運転継続時間が所定時間に達した（あるいは推定ＮＯｘトラップ量、ＳＯｘトラップ量が所定量に達した）と判断されると、図７（ａ）に示すように、コントロールユニット６内部で空燃比切り換え指令（フラグFRS→１）が出され、エンジン１の目標空燃比がリーン空燃比から理論空燃比ないしリッチ空燃比に切り換えられる。このとき、エンジン１の目標空燃比は直ちにリッチ空燃比にはならず、図７（ｂ）に示すように徐々にリッチ空燃比に近づくように変更される。目標空燃比を変化させる度合い（変化速度）はエンジン１のトルク変動が許容範囲内に収まるように設定され、この目標空燃比に応じて図７（ｄ）に示すように主噴射が行われる。
【００４８】
さらに、主噴射に併せて、図７（ｃ）に示すように、エンジン１が膨張行程にあるときにおいて燃料噴射弁３から燃料が噴射される（副噴射）。この副噴射では、図７（ｆ）に示すように、排気の空燃比が所定のリッチ空燃比（例えばＡ／Ｆ＝１２）となるように噴射される。具体的には、副噴射では、空燃比切り換えにより変化する目標空燃比と所定のリッチ空燃比との差分に相当する量の燃料が燃料噴射弁より噴射される。なお、排気空燃比は空燃比センサによって常時検出されており、また、副噴射の時期は、膨張行程また排気行程の間で任意とする。
【００４９】
このような副噴射を行うことにより、噴射された燃料の一部が燃焼室内の残存酸素の存在によって燃焼するものの、燃料過剰状態であるためにＨＣ、ＣＯが多く排出されることになる。つまり、副噴射を行うことにより、エンジン１の目標空燃比を徐々に変化させつつも、空燃比切り換え開始直後からＮＯｘの放出、還元処理に必要なＨＣ、ＣＯ等を触媒５に供給することができ、速やかに触媒５にトラップされているＮＯｘを脱離還元することができる。
【００５０】
また、副噴射は膨張行程においてが行われ、ピストンが下降を開始した後に燃料を追加供給することになるので、副噴射がエンジン１の出力トルクに影響を与えることは殆どない。つまり、ＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘ放出、還元を行う際、エンジン出力を殆ど変動させることなく空燃比切り換え開始直後から還元剤（ＨＣ、ＣＯ等）を供給することができる。
【００５１】
また、空燃比切り換えが進むにつれて主噴射の燃料量が多くなり、排気空燃比を実現するための副噴射流量は少なくなるが、副噴射燃料量が燃料噴射弁３の最小流量を下回ると、図３に示したように燃料流量バラツキが大きくなり、排気空燃比もバラツクことになって、ＮＯｘトラップ触媒に安定した還元剤が供給できなくなる。しかし、本発明によれば副噴射の燃料流量が燃料噴射弁５の最小燃料量Qmin以下となった場合には（時刻ｔ2）、主噴射による燃料増量に切り換えられ、安定した還元剤供給が確保される。
【００５２】
このときの主噴射による燃料増量制御は、制御開始時に燃焼混合気の空燃比のリッチレベルをステップ的に最大リッチレベルまで増大させるものである。そして、この最大リッチレベルからリッチレベルを減少する微分制御が行われ、この減少速度、つまり微分値（リッチ継続時間基本量Iα(i)）によってリッチ状態維持時間が決定される。具体的には、ＮＯｘトラップ量、ＳＯｘトラップ量が多いほどリッチ継続時間基本量Iα(i)に小さな値が設定されてリッチ状態が継続する時間が長くなる。これによって、トラップされているＮＯｘ、ＳＯｘのうち、脱離速度の遅い成分も効果的に処理することができる。
【００５３】
その後、空燃比センサ１０で検出される排気空燃比が目標空燃比（ここではストイキ）に達すると（時刻ｔ3）、排気空燃比を目標空燃比に近づけるように燃料流量を補正する空燃比フィードバック制御に移行し、安定した燃焼が確保される。
【００５４】
以上説明したように、本発明に係る排気浄化装置においては、空燃比切り換え時の副噴射を行う際に、燃料噴射弁の最小流量に達した場合には副噴射を主噴射に切り換え、通常の燃料増量制御に切り換えるようにしたことにより、排気空燃比のバラツキを最小限に抑え、触媒に還元剤を安定して供給することができる。
【００５５】
また、通常の主噴射のみによる燃料増量制御に切り換えられた後は、リッチレベルを徐々に減少させる微分制御が行われるので、トラップされているＮＯｘのうち脱離速度の遅い成分についても良好に浄化処理することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る筒内直接噴射式エンジンの排気浄化装置の概略図である。
【図２】燃料噴射弁の開弁時間と噴射される燃料流量との関係を示した特性図である。
【図３】噴射される燃料流量と燃料流量のバラツキとの関係を示した特性図である。
【図４】燃料噴射制御を説明するためのフローチャートである。
【図５】推定ＮＯｘトラップ量とリッチレベル基本量LRP(i)との関係を規定するテーブルの例である。
【図６】推定ＮＯｘトラップ量とリッチ継続時間基本量Iα(i)との関係を規定するテーブルの例である。
【図７】本発明の作用を説明するためのタイムチャートで、ＮＯｘを放出還元処理するために空燃比がリーンからリッチに切り換えられるときの様子を示す。
【符号の説明】
１  エンジン
２  シリンダヘッド
３  燃料噴射弁
４  点火プラグ
５  排気浄化触媒（ＮＯｘトラップ触媒）
６  コントロールユニット
７  エアフローメ一夕
８  スロットルセンサ
９  排気通路
１０  空燃比センサ
１１  三元触媒
１２  水温センサ
１３  燃料ポンプ
１４  スロットル弁
１５  吸気ポート
１６  排気ポート
１７  吸気マニホールド
１８  排気マニホールド
１９  ＥＧＲ通路
２０  ＥＧＲ弁
【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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