JP4207295B2 - 筒内噴射式エンジンの制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室に直接燃料を噴射するインジェクタを備えるとともに、エンジンの排気通路に酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸収して酸素濃度が減少するに伴いＮＯｘを放出するＮＯｘ触媒を備えた筒内噴射式エンジンの制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、低負荷運転領域でリーン運転が行われるエンジンにおいて、酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸収して酸素濃度が減少するに伴いＮＯｘを放出する性質を有するＮＯｘ触媒を排気通路に設け、リーン運転状態のときに排気中のＮＯｘがＮＯｘ触媒に吸収され、空燃比がリッチ側に変化したときにＮＯｘがＮＯｘ触媒から放出されて還元されるようにしたものが知られている。このようなＮＯｘ触媒によると、ＮＯｘを還元により浄化することが困難なリーン運転時にも、ＮＯｘを吸収することにより外部へのＮＯｘの排出を防止することができる。
【０００３】
また、この種のＮＯｘ触媒を備えたエンジンにおいて、例えば特開平８−６１０５２号公報に示されるように、ＮＯｘ触媒の硫黄吸収量が所定値に達したとき、強制的に触媒温度を高めることにより触媒から硫黄を脱離させるようにしたものが知られている。
【０００４】
すなわち、この種のＮＯｘ触媒は、燃料やエンジンオイルに硫黄成分が含まれている場合に、排気中のＮＯｘを吸収するよりも排気中の硫黄酸化物（ＳＯｘ）を吸収し易いという性質を有し、硫黄によって被毒されたＮＯｘ触媒は事後のＮＯｘ吸収性が大きく低下する。そして、触媒温度を、リーン運転域でのＮＯｘ吸収性能の高い温度域よりもさらに高くするとともに、空燃比を略理論空燃比もしくはそれよりリッチとすることにより、触媒から硫黄を脱離することが可能である。
【０００５】
このため、上記公報に記載の装置では、ＮＯｘ触媒の硫黄吸収量が所定値に達し、かつ、排ガス温度が規定温度以上となるような所定運転領域にある場合に、硫黄被毒解消のための制御として、触媒に燃料と空気を供給してその燃料を燃焼させることにより、触媒温度を上昇させるようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記ＮＯｘ触媒の酸素過剰雰囲気におけるＮＯｘ吸収性能は、特定温度域（２５０〜４００°Ｃ程度）にあるときに高くなるため、リーン運転状態にあるときは触媒温度が上記特定温度域内に保たれることが望ましい。
【０００７】
しかし、例えば上記公報に示されるようにＮＯｘ触媒の硫黄被毒解消のために触媒温度を上昇させる制御が行われて、その直後にリーン運転域に移行した場合や、排ガス温度が高い高負荷運転領域からリーン運転域に移行した場合に、触媒温度が上記特定温度より高くなっていることがある。
【０００８】
このように触媒温度が上記特定温度域より高い状態でリーン運転が行われると、充分なＮＯｘ吸収性能が得られない。そして、リーン運転状態が持続すると排ガス温度の低下に伴って次第に触媒温度が低下し、ＮＯｘ吸収性能が高められる温度状態となるが、この状態になるまでの間におけるＮＯｘ浄化性能の低下が問題となる。
【０００９】
そこで、触媒温度が上記特定温度域より高い間はリーン運転へ移行せずに、空燃比を理論空燃比以下（空気過剰率λがλ≦１）のリッチ状態にすれば、ＮＯｘがＮＯｘ触媒の還元作用によって浄化されるので、ＮＯｘ浄化作用を良好に保つことができる。ただし、このようにする場合に、触媒温度が速やかに低下しなければ、リーン運転への移行が遅れ、燃費の悪化を招く。
【００１０】
本発明は、これらの事情に鑑み、触媒温度がＮＯｘ吸収性能の高い特定温度域よりも高温の状態でリーン運転域へ移行したときに、ＮＯｘ浄化作用を良好に保ち、かつ、速やかに触媒温度を上記特定温度域まで低下させることができる筒内噴射式エンジンの制御装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸収して酸素濃度が減少するに伴いＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収材を有するＮＯｘ触媒をエンジンの排気通路に具備するとともに、燃焼室に直接燃料を噴射するインジェクタを備え、かつ、空燃比が理論空燃比よりも大きくされるリーン運転領域と空燃比が理論空燃比もしくはそれより小さくされる運転領域とが予め設定されている筒内噴射式エンジンにおいて、ＮＯｘ触媒がＮＯｘ吸収性を阻害する所定の硫黄吸収状態となったとき、ＮＯｘ触媒の温度をＮＯｘ吸収率が高い所定温度幅の特定温度域よりも高い高温状態に加熱して硫黄を脱離させる硫黄脱離制御を行う手段と、硫黄脱離制御直後に上記リーン運転領域に移行させるとき、理論空燃比よりも大きい空燃比への変更を遅延する遅延手段と、その遅延期間中に吸入空気量の調整により空燃比を略理論空燃比とする空燃比制御手段と、上記遅延期間中に吸気行程内でインジェクタから燃料を噴射させる燃料噴射制御手段と、上記遅延期間中に排ガス温度を低減する排ガス温度低減手段とを備えたものである。
【００１２】
この構成によると、上記高温状態に触媒が加熱されている硫黄脱離制御直後に上記リーン運転領域に移行したときは、触媒温度がＮＯｘ吸収率の高い温度域よりも高温の状態（ＮＯｘ吸収率が低い温度状態）となり、このときに、リーンへの空燃比の変更が遅延されて、その遅延期間中に空燃比が略理論空燃比とされることにより、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ還元作用による浄化が行われる。そして、この遅延期間中に吸気行程内でインジェクタから燃料が噴射されて均一燃焼が行われるとともに、排ガス温度低減手段によって排ガス温度が低減されることにより、速やかに触媒温度がリーン運転状態でのＮＯｘ吸収率が高い温度域へ低下し、その後にリーンへの空燃比の変更が行われることにより、リーン空燃比となったときはＮＯｘの吸収による浄化が良好に行われる。
【００１５】
上記硫黄脱離制御は、例えばインジェクタからの燃料噴射を吸気行程と圧縮行程とに分割して行わせる制御を含むようにしておけばよく、このようにすれば、硫黄離脱に有用な排気ガス中のＣＯが増加するとともに、排気ガス温度が高められるため、硫黄の離脱が促進される。
【００１８】
上記燃料噴射制御手段は、上記遅延期間中に、インジェクタからの燃料噴射を複数回に分割して行わせ、かつ、吸気行程を３等分した前期、中期、後期のうちの前期から中期にかけての期間内に各噴射を開始させるように制御することが好ましい。このようにすると、燃焼効率が高められ、それに伴って排気ガス温度が低くなって、触媒温度の低下促進に有利となる。また、燃焼安定性が高められることから、次に述べるようなＥＧＲ率増加の許容度も高められる。
【００１９】
また、上記排ガス温度低減手段は、上記遅延期間中に、排気ガスの一部を吸気系に還流させるＥＧＲ手段を、ＥＧＲ率を増加するように制御するものであることが効果的であり、とくにＥＧＲ率が３０％以上となるようにＥＧＲ手段を制御することが好ましい。
【００２０】
なお、この明細書においていうＥＧＲ率とは、次式で求められる値である。
【００２１】
（ＩｎＣＯ2−ＡｔＣＯ2）／（ＥｘＣＯ2−ＩｎＣＯ2）
ＩｎＣＯ2：吸気中のＣＯ2濃度
ＡｔＣＯ2：大気中のＣＯ2濃度
ＥｘＣＯ2：排気中のＣＯ2濃度
大気中のＣＯ2濃度を近似的に０とすれば、ＥＧＲ率は次のようになる。
【００２２】
ＩｎＣＯ2／（ＥｘＣＯ2−ＩｎＣＯ2）
上記のようにＥＧＲ率を大きくすれば、燃焼温度及び排気ガス温度が低下し、触媒温度の低下が促進される。しかも、ＥＧＲによってエンジンの燃焼室からのＮＯｘ排出量が減少するため、上記遅延期間中のＮＯｘの浄化にも有利となる。
【００２３】
ＮＯｘ触媒が所定の硫黄吸収状態となったときの硫黄脱離制御は、点火時期をＭＢＴよりもリタードさせる制御を含むものとしておけばよく、この場合に、硫黄脱離制御直後に上記リーン運転領域に移行したときの上記遅延期間中に上記排ガス温度低減手段は、点火時期を硫黄脱離制御時と比べてアドバンスさせるように制御するとともに、ＥＧＲ率が増加するようにＥＧＲ手段を制御することが効果的である。
【００２４】
このようにすると、硫黄脱離制御は点火時期リタードにより排気ガス温度が上昇され、硫黄脱離制御直後に上記リーン運転領域に移行したときには点火時期のアドバンスとＥＧＲとにより排気ガス温度が低減される。
【００２５】
ＥＧＲ手段は、排気通路と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路中に還流ガス冷却手段を備えることが好ましい。また、ＥＧＲ状態は、排気マニフォールドから所定距離離れたエンジン下方位置ないしはそれより下流の排気通路から排気ガスを取出すようにすることが好ましい。
【００２６】
このようにすると、低温の排気ガスが還流され、排気ガス温度及び触媒温度を低下させる作用がさらに高められる。
【００２７】
上記の比較的低温の排気ガスを還流させるＥＧＲ手段のほかに、比較的高温の排気ガスを還流させる高温側ＥＧＲ手段を備え、リーン運転領域における低負荷低回転領域では上記高温側ＥＧＲ手段を駆動し、ＮＯｘ触媒の温度が所定値以上の状態で上記リーン運転領域に移行したときの上記遅延期間中には比較的低温の排気ガスを還流させるＥＧＲ手段を駆動するようにしておくようにしてもよい。
【００２８】
このようにすると、リーン運転領域における低負荷低回転領域では高温の排気ガスが還流されることでＮＯｘ低減及び燃焼安定性の確保が図られ、ＮＯｘ触媒の温度が所定値以上の状態で上記リーン運転領域に移行したときの上記遅延期間中には、低温の排気ガスが還流されることでＮＯｘ低減とともに触媒温度の低下が図られる。
【００２９】
このようにする場合に、吸気弁の開閉タイミングを可変とすることにより吸気弁と排気弁の開弁オーバーラップ期間を可変とするバルブタイミング可変機構を備え、高温側ＥＧＲ手段は上記開弁オーバーラップ期間を増大させるようにバルブタイミング可変機構を制御することにより内部ＥＧＲを行わせるものであり、ＮＯｘ触媒の温度が所定値以上の状態で上記リーン運転領域に移行したときの上記遅延期間中には吸気弁の開閉タイミングを遅らせて上記開弁オーバーラップ期間を小さくするようにバルブタイミング可変機構を制御するようになっているものとしてもよい。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００３１】
図１は本発明が適用される直噴エンジンの全体構造を概略的に示したものである。この図において、エンジン本体１０は複数の気筒１２を有し、各気筒１２には、そのシリンダボアに挿入されたピストン１４の上方に燃焼室１５が形成されており、この燃焼室１５には吸気ポート及び排気ポートが開口し、これらのポートは吸気弁１７及び排気弁１８によってそれぞれ開閉されるようになっている。
【００３２】
上記燃焼室１５の中央部には点火プラグ２０が配設され、そのプラグ先端が燃焼室１５内に臨んでおり、この点火プラグ２０に、点火コイル等からなる点火回路２１が接続されている。また、燃焼室１５内には側方からインジェクタ２２の先端部が臨み、このインジェクタ２２から燃焼室１５内に直接燃料が噴射されるようになっている。上記インジェクタ２２には図外の高圧燃料ポンプ、プレッシャレギュレータ等を具備する燃料回路が接続され、各気筒のインジェクタ２２に燃料が供給されるとともにその燃圧を圧縮行程における筒内圧力よりも高い所定圧力となるように燃料回路が構成されている。
【００３３】
上記エンジン本体１０には吸気通路２４及び排気通路３４が接続されている。上記吸気通路２４には、その上流側から順に、エアクリーナ２５、吸気流量を検出するエアフローセンサ２６、モータ２７により駆動されるスロットル弁２８及びサージタンク３０が設けられている。
【００３４】
また、上記排気通路３４には、ＮＯｘ触媒３５が配設されている。このＮＯｘ触媒３５は、空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン運転状態でもＮＯｘ浄化性能を有するものであって、酸素過剰雰囲気で排気ガス中のＮＯｘを吸収し、空燃比がリーンからリッチ側に変化して酸素濃度が低下したときに、吸収していたＮＯｘを放出するとともに、雰囲気中に存在するＣＯ等の還元材によりＮＯｘを還元させるようになっている。
【００３５】
より詳しく説明すると、上記ＮＯｘ触媒３５は、コージェライト製ハニカム構造体等からなる担体の上にＮＯｘ吸収材層と触媒材層とが前者を下（内側）、後者を上（外側）にして層状に形成されたものである。上記ＮＯｘ吸収材層は、比表面積の大きな活性アルミナにＰｔ成分とＮＯｘ吸収材としてのＢａ成分とを担持させたものを主成分として構成されている。また、触媒材層は、ゼオライトを担持母材としてこれにＰｔ成分及びＲｈ成分を担持させてなる触媒材を主成分として構成されている。なお、上記触媒材層の上にセリア層を形成してもよい。
【００３６】
さら排気通路３４と吸気通路２４との間には、排気ガスの一部を吸気系に還流させるＥＧＲ手段が設けられ、このＥＧＲ手段は、排気通路３４と吸気通路２４とを接続するＥＧＲ通路３７と、このＥＧＲ通路３７に介設されたＥＧＲ弁３８とを備えている。上記ＥＧＲ弁３８はアクチュエータ（図示せず）により駆動されて開閉作動するようになっている。
【００３７】
上記ＥＧＲ通路３７は、排気マニフォールドから所定距離離れたエンジン下方位置ないしはそれより下流の排気通路３４に一端側が接続されて、この位置から比較的低温の排気ガスを導くようになっており、ＥＧＲ通路３７の他端側は吸気通路２４におけるサージタンク３０の上流等に接続されている。また、ＥＧＲ通路３７の途中には、この通路３７を通るガスを冷却するＥＧＲクーラー３９（還流ガス冷却手段）が設けられている。こうして、ＥＧＲ通路３７により低温の排気ガスが吸気系に還流されるように構成されている。
【００３８】
なお、図１では上記ＥＧＲ通路３７をＮＯｘ触媒３５の下流の排気通路３４に接続しているが、ＮＯｘ触媒３５の上流の排気通路３４に接続してもよい。
【００３９】
このエンジンには、上記エアフローセンサ２６の他、サージタンク３０内の吸気負圧を検出するブーストセンサ４０、スロットル開度を検出するスロットル開度センサ４１、エンジンのクランク角を検出するクランク角センサ４２、アクセル開度（アクセル操作量）を検出するアクセル開度センサ４３、吸気温を検出する吸気温センサ４４、大気圧を検出する大気圧センサ４５、エンジン冷却水温を検出する水温センサ４６、排気ガス中の酸素濃度の検出によって空燃比を検出するＯ２センサ４７等のセンサ類が装備され、これらセンサの出力信号（検出信号）がＥＣＵ（コントロールユニット）５０に入力されている。
【００４０】
上記ＥＣＵ５０は、インジェクタ２２からの燃料噴射量及び噴射タイミングを制御するとともに、スロットル弁２８を駆動するモータ２７に制御信号を出力することによりスロットル弁２８の制御を行ない、また、点火回路２１に制御信号を出力することにより点火時期を制御し、さらに、ＥＧＲ弁３８の制御も行なうようになっている。
【００４１】
当実施形態の筒内噴射式エンジンの基本的な制御としては、上記インジェクタ２２からの燃料噴射時期及び空燃比等が異なる各種運転モードが選択可能とされ、運転領域によって運転モードが変更されるようになっており、例えば温間時には図２に示すようなマップに基づいて運転領域に応じた運転モードの選択が行われる。
【００４２】
すなわち、低負荷低回転側の特定運転領域が成層燃焼領域Ａ、それ以外の領域が均一燃焼領域Ｂとされる。そして、成層燃焼領域Ａでは、上記インジェクタ２２から圧縮行程の後期に燃料が噴射されることにより、点火プラグ２０付近に混合気が偏在する成層状態で燃焼が行なわれるような成層燃焼モードとされ、この場合、スロットル弁２８の開度が大きくされて吸入空気量が多くされることにより燃焼室全体の空燃比としては大幅なリーン状態（例えばＡ／Ｆ≧３０）とされる。一方、均一燃焼領域Ｂでは、上記インジェクタ２２から吸気行程の前期に燃料が噴射されることにより、燃焼室１５全体に均一に混合気が拡散する状態で燃焼が行なわれる均一燃焼モードとされる。この均一燃焼モードでは空気過剰率λがλ＝１、つまり理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）とされる。なお、均一燃焼領域Ｂのうち、アクセル全開域やその付近の高負荷域及び高回転域では、空燃比を理論空燃比よりもリッチ（λ＜１）に設定しておいてもよい。
【００４３】
また、このような運転領域の設定に基づく基本的な制御に加え、ＮＯｘ触媒３５がＮＯｘ吸収性を阻害する所定の硫黄吸収状態となったとき、ＮＯｘ触媒３５の温度を所定値以上に上昇させて硫黄を脱離させる硫黄脱離制御を行うようになっている。後述のフローチャートに示す具体例では、エンジン回転数Ｎｅが第１設定回転数Ｎ１と第２設定回転数Ｎ２との間にあり、かつ、エンジン負荷（平均有効圧力Ｐｅ）が第１の関数ｆ（Ｐｅ１）で表される曲線と第２の関数ｆ（Ｐｅ２）で表される曲線との間にある中回転中負荷の所定運転領域（図２参照）において、硫黄吸収量が所定値以上となっている場合に硫黄脱離制御が行われる。この硫黄脱離制御は、空燃比を略理論空燃比もしくはそれより多少リッチとしつつ、インジェクタ２２からの燃料噴射を吸気行程と圧縮行程とに分割して行わせる制御を含んでいる。
【００４４】
すなわち、図３に示すように、成層燃焼領域Ａでは、空燃比がリーンとされつつ、噴射タイミングＩＮＪＤが圧縮行程後期に設定された燃料噴射により成層燃焼が行われ、均一燃焼領域Ｂでは、空燃比が理論空燃比とされつつ、噴射タイミングＩＮＪＰが吸気行程前期に設定された燃料噴射により均一燃焼が行われるが、上記所定運転領域Ｃでの硫黄脱離制御時には、空燃比が略理論空燃比もしくはこれより多少リッチとされつつ分割噴射が行われ、例えば噴射タイミングＩＮＪＰＳ，ＩＮＪＤＳが吸気行程前期と圧縮行程中期とに設定された２回の分割噴射が行われる。上記噴射タイミングとは、噴射開始のタイミングを意味する。
【００４５】
硫黄脱離制御としては上記分割噴射のほかに、ＥＧＲ弁開度を小さくすることによりＥＧＲ率を低減する制御、及び点火時期をリタードさせる制御等が行われる。
【００４６】
さらに上記ＥＣＵ５０は、ＮＯｘ触媒の温度が所定値以上の状態で上記リーン運転領域に移行したとき、理論空燃比よりも大きい空燃比への変更を遅延する遅延手段５１を有するとともに、空燃比制御手段５２、燃料噴射制御手段５３及び排ガス温度低減手段５４を有している。
【００４７】
上記遅延手段５１は、例えば上記硫黄脱離制御が行われた直後に成層燃焼領域Ａ（リーン運転領域）へ移行したときや、図２中に示す第３の関数ｆ（Ｐｅ３）及び第４の関数ｆ（Ｐｅ４）で定められた境界よりも高負荷側の領域（ＮＯｘ触媒の温度が所定値以上となる高負荷運転状態）から成層燃焼領域Ａへ移行したときに、リーン空燃比（理論空燃比より大きい空燃比）への移行を遅延する。
【００４８】
空燃比制御手段５２は、リーン空燃比への移行の遅延期間中に、リーン運転時と比べ、スロットル開度を小さくして吸入空気量を少なくすることにより、空燃比を略理論空燃比とする。燃料噴射制御手段５３は、上記遅延期間中に吸気行程内で燃料を噴射させるようにインジェクタ２２を制御する。
【００４９】
上記排ガス温度低減手段５４は、上記遅延期間中に排ガス温度を低減し、例えば上記ＥＧＲ弁３８を開いてＥＧＲ通路３７から充分な排気ガスを還流させることにより、燃焼温度及び排気温度を低減する。また、硫黄脱離制御が行われた直後に成層燃焼領域Ａへ移行した場合には、硫黄脱離制御においてリタードされていた点火時期をＭＢＴ側へアドバンスする。
【００５０】
上記ＥＣＵ５０による制御の具体例を、図４〜図６のフローチャートによって説明する。
【００５１】
このフローチャートに示す処理がスタートすると、先ず図４のステップＳ１でアクセル開度、クランク角信号の周期計測値、エアフローセンサ２６の計測値及び水温等の信号が入力され、続いてステップＳ２で硫黄脱離制御許可フラッグＦＳＲＥが「１」か否かが判定される。
【００５２】
上記フラッグＦＳＲＥが「１」でなければ、運転領域の設定に基づく制御を行うべく、ステップＳ３で、上記周期計測値から求められるエンジン回転数と上記アクセル開度等から求められるエンジン負荷とによるエンジン運転状態が図２中の成層燃焼領域Ａにあるか否かが判定される。成層燃焼領域Ａにあることが判定されれば、さらにステップＳ４で後述の移行タイマがセット中か否かが判定される。
【００５３】
成層燃焼領域Ａにあって、かつ、移行タイマがセット中でない場合（ステップＳ４の判定がNOの場合）は、成層燃焼領域Ａでの通常の制御としてステップＳ５〜Ｓ１７の処理が行われる。
【００５４】
すなわち、空燃比をリーンとしつつ圧縮行程後期に燃料噴射を行うことにより成層燃焼を行わせるべく、その圧縮行程噴射の噴射量ＱDが算出され（ステップＳ５）、それに応じた噴射パルス幅ＴDと噴射タイミングＩＮＪＤとが算出される（ステップＳ６）とともに、ＥＧＲ弁開度ＥＧＲＶがエンジン回転数Ｎｅ及び負荷Ｐｅに応じて求められ（ステップＳ７）、さらに点火タイミング（Ｉｇタイミング）ＩＧＴがエンジン回転数及Ｎｅび負荷Ｐｅに応じて求められる（ステップＳ８）。
【００５５】
そして、ＥＧＲ制御タイミングとなれば上記ＥＧＲ弁開度ＥＧＲＶとなるようにＥＧＲ弁３８が制御され（ステップＳ９，Ｓ１０）、噴射タイミングＩＮＪＤとなれば上記パルスＴDでインジェクタ２２からの燃料噴射が実行され（ステップＳ１１，Ｓ１２）、点火タイミングＩＧＴとなれば点火が実行される（ステップＳ１３，Ｓ１４）。
【００５６】
さらに、成層燃焼時にＮＯｘ触媒に硫黄が吸収されるので、硫黄吸収量ＧＳＡの推定が行われる（ステップＳ１５）。この硫黄吸収量ＧＳＡの推定の仕方としては、例えば、エンジン回転数Ｎｅ及び負荷Ｐｅに応じてマップから単位期間当りの量ｆSA（Ｎｅ，Ｐｅ）が求められ、これが累計される。そして、上記硫黄吸収量ＧＳＡが設定値ＫSA以上となったか否かが判定され（ステップＳ１６）、設定値ＫSAに達していなけばそのままリターンされるが、設定値以上になれば再生制御許可フラッグＦＳＲＥが「１」にセットとされてから（ステップＳ１７）、リターンされる。
【００５７】
上記ステップＳ３で成層燃焼領域にないことが判定されたときは、均一燃焼領域Ａでの通常の制御として図５のステップＳ１８以降の処理が行われる。
【００５８】
すなわち、空燃比を理論空燃比（もしくはそれよりリッチ）としつつ吸気行程前期に燃料噴射を行うことにより均一燃焼を行わせるべく、吸気行程噴射の噴射量ＱPが算出され（ステップＳ１８）、それに応じた噴射パルス幅ＴPと噴射タイミングＩＮＪＰとが算出される（ステップＳ１９）とともに、ＥＧＲ弁開度ＥＧＲＶがエンジン回転数Ｎｅ及び負荷Ｐｅに応じて求められ（ステップＳ２０）、さらに点火タイミング（Ｉｇタイミング）ＩＧＴがエンジン回転数及Ｎｅび負荷Ｐｅに応じて求められる（ステップＳ２１）。
【００５９】
そして、ＥＧＲ制御タイミングとなれば上記ＥＧＲ弁開度ＥＧＲＶとなるようにＥＧＲ弁３８が制御され（ステップＳ２２，Ｓ２３）、噴射タイミングＩＮＪＰとなれば上記パルスＴPでインジェクタ２２からの燃料噴射が実行され（ステップＳ２４，Ｓ２５）、点火タイミングＩＧＴとなれば点火が実行される（ステップS２６，Ｓ２７）。
【００６０】
さらに、負荷ＰｅがＰｅ≧ｆ（Ｐｅ３）かつＰｅ≧ｆ（Ｐｅ４）となる高負荷領域か否かが判定され（ステップＳ２８）、この判定がＮＯであればそのままリターンし、ＹＥＳであれば、移行タイマをセットした上で（ステップＳ２９）、後記の硫黄脱離度推定（ステップＳ４３）等の処理に移る。このような高負荷領域にあれば特別な硫黄脱離制御を行わなくても触媒温度が充分に高くなって、硫黄の脱離が行われるためである。
【００６１】
上記移行タイマは、後述のように成層燃焼領域へ移行したときの遅延時間を設定してこれを計測するものであり、上記高負荷領域にある間は移行タイマが繰り返しセットし直されるだけで実質的にカウントダウンされることはない。
【００６２】
また、上記ステップＳ２で硫黄脱離制御許可フラッグＦＳＲＥが「１」であると判定されたときは、それに続いて図６のステップＳ３０で、Ｎ１≦Ｎｅ≦Ｎ２かつｆ（Ｐｅ４）≦Ｐｅ≦ｆ（Ｐｅ３）の所定運転領域Ｃにあるか否かが判定され、所定運転領域になければステップＳ１８以降の処理に移る。
【００６３】
ステップＳ３０で所定運転領域Ｃにあることが判定されたときは、図６のステップＳ３１以降の硫黄脱離制御に移行する。
【００６４】
すなわち、ステップＳ３１で理論空燃比もしくはこれより多少リッチな空燃比となるように噴射量ＱPが算出され、続いてステップＳ３２で吸気行程と圧縮行程の分割噴射を行うようにその各噴射パルス幅ＴPS，ＴDS及び噴射タイミングＩＮＪＰＳ，ＩＮＪＤＳが算出される。この場合、噴射パルス幅は噴射量ＱPをパルス幅に換算した値ｆ（ＱP）と分割比ａとから、ＴPS＝ｆ（ＱP）×ａ，ＴDS＝ｆ（ＱP）×（１−ａ）と演算される。
【００６５】
続いてステップＳ３３，Ｓ３４でＥＧＲ弁開度ＥＧＲＶの算出及び点火タイミングＩＧＴの算出が行われる。この場合、ＥＧＲ弁開度ＥＧＲＶは、エンジン回転数及び負荷に応じた値ｆEGRP（Ｎｅ，Ｐｅ）に１より小さい補正係数ＫＥＧＲが掛けられることにより、通常運転時よりも小さい値とされる。また、点火タイミングＩＧＴは、エンジン回転数及び負荷に応じた進角値ｆIGTP（Ｎｅ，Ｐｅ）からリタード補正量ＫＩＧが減じられることにより、通常運転時よりリタードされる。
【００６６】
そして、ＥＧＲ制御タイミングとなれば上記ＥＧＲ弁開度ＥＧＲＶとなるようにＥＧＲ弁３８が制御され（ステップＳ３５，Ｓ３６）、分割噴射のうちの先の噴射タイミングＩＮＪＰＳとなればパルス幅ＴPSでインジェクタ２２からの燃料噴射が実行され（ステップＳ３７，Ｓ３８）、後の噴射タイミングＩＮＪＤＳとなればパルス幅ＴDSでインジェクタ２２からの燃料噴射が実行され（ステップＳ３９，Ｓ４０）、点火タイミングＩＧＴとなれば点火が実行される（ステップＳ４１，Ｓ４２）。
【００６７】
さらに、上記ステップＳ３１〜Ｓ４２の硫黄脱離制御によりＮＯｘ触媒から硫黄が脱離されるので、硫黄脱離度ＳＲＥの推定が行われる（ステップＳ４３）。この硫黄脱離度ＳＲＥの推定の仕方としては、例えば、エンジン回転数Ｎｅ及び負荷Ｐｅに応じてマップから単位期間当りの量ｆSRE（Ｎｅ，Ｐｅ）が求められ、これが累計される。そして、上記硫黄脱離度ＳＲＥが設定値ＫSRE以上となったか否かが判定され（ステップＳ４４）、設定値ＫSREに達していなけばそのままリターンされる。一方、硫黄脱離度ＳＲＥが設定値ＫSRE以上になれば、硫黄脱離制御許可フラッグＦＳＲＥが「０」にリセットとされる（ステップＳ４５）とともに、硫黄吸収量ＧＳＡ及び硫黄脱離度ＳＲＥの各推定値が「０」にリセットされ（ステップＳ４６）、さらに、移行タイマがセットされてから、リターンする。
【００６８】
上記硫黄脱離制御が終了した直後に運転状態が成層燃焼運転領域に移行すれば、ステップＳ２の判定がＮＯ（フラッグＦＳＲＥが「０」）、それに続くステップＳ３の判定かＹＥＳ（成層燃焼領域）、それに続くステップＳ４の判定がＹＥＳ（移行タイマセット中）となる。また、所定高負荷域（ステップＳ２８での判定がＹＥＳとなる運転域）から成層燃焼領域へ移行したときも同様となる。これらの場合は、ステップＳ１８以降の処理が行われ、つまり、均一燃焼領域にあるときと同様に、空燃比が理論空燃比とされつつ、燃料噴射が吸気行程で行われる。
【００６９】
この場合、フローチャート中では示していないが別のルーチンによりリーン運転時と比べて吸入空気量を少なくするようにスロットル弁が制御される。また、ＥＧＲ弁開度は運転状態に応じて設定されるが、ＥＧＲ率がこの場合には比較的大きくなるように、運転状態とＥＧＲ弁開度との関係が予め設定されている。また、点火時期は運転状態に応じた基本点火時期とされ、硫黄脱離制御時と比べるとアドバンスされる。
【００７０】
このような制御が所定の遅延時間だけ行われ、遅延時間が経過すると、移行タイマがタイムアップしてステップＳ４の判定がＮＯに変ることにより、本来の成層燃焼領域での制御であるステップＳ５以降の処理に移る。
【００７１】
以上のような当実施形態の制御装置を備えた筒内噴射式エンジンによると、基本的な制御としては、運転状態が低負荷低回転側の成層燃焼領域Ａにあるとき、空燃比がリーンとされつつ圧縮行程で燃料が噴射されて成層燃焼が行われることにより燃費が改善される。そして、このリーン運転状態では上記ＮＯｘ触媒３５によって排気ガス中のＮＯｘが吸収される。
【００７２】
運転状態が高負荷側や高回転側の均一燃焼領域Ｂにあるときには、空燃比が理論空燃比もしくはそれよりリッチとされつつ吸気行程で燃料が噴射されて均一燃焼が行われる。そして、運転状態が成層燃焼領域Ａから均一燃焼領域Ｂに移行したときに、空燃比が理論空燃比もしくはそれよりリッチの状態に変化することにより、成層燃焼領域Ａでのリーン運転中にＮＯｘ触媒３５に吸蔵されていたＮＯｘが放出され、そのＮＯｘが排気ガス中のＣＯなどにより還元される。なお、上記ＮＯｘ触媒３５は理論空燃比付近において三元触媒と同様に三元浄化機能を有するので、均一燃焼領域Ｂにおいて略理論空燃比で運転されているときはＮＯｘ及びＣＯ、ＨＣが浄化される。
【００７３】
また、硫黄吸収量が所定値以上になり、かつ、運転状態が図２中の運転領域Ｃ内にある状態となったときには硫黄脱離制御が行われる。この制御では空燃比がリッチとされるとともに吸気行程と圧縮行程の分割噴射が行われ、この吸気・圧縮行程分割噴射によると、後の噴射により点火プラグ付近に局部的にリッチな混合気が形成されて、着火直後の燃焼速度は速くなるが、酸素が少ないことからその燃焼によりＣＯが発生し易くなり、また、先の噴射により燃焼室周辺部に均一でリーンな混合気が形成されて、燃焼期間の後半において燃焼が緩慢になり、点火時期をリタードとさせたのと同様の効果が得られて、排気温度が高められる。さらに、ＥＧＲ弁開度の補正によってＥＧＲ量が少なくされることと、点火時期がリタードされることとによっても排気ガス温が高められる。これらの作用により、硫黄の脱離が促進される。
【００７４】
ところで、触媒温度とリーン空燃比でのＮＯｘ吸収率との関係は図７に実線で示すようになり、特定温度域（２５０°Ｃ程度から４００°Ｃ程度まで）でＮＯｘ吸収率が高くなり、この温度域より触媒温度が高くなるとＮＯｘ吸収率が低下する。一方、硫黄脱離性能は図７中に一点鎖線で示すように４５０°Ｃ乃至５００°Ｃ程度以上の高温度で高められ、硫黄脱離制御にはこのような高温度に触媒が加熱されている。このため、硫黄脱離制御の終了直後に成層燃焼領域Ａに移行すると、触媒温度がＮＯｘ吸収率の高い温度域よりも高温となる。また、所定高負荷域から成層燃焼領域Ａに移行したときも同様に触媒温度が高くなる。
【００７５】
このような場合に、上記ステップＳ４等の処理によりリーンへの空燃比の変更が遅延される。そしてこの遅延期間中に、空燃比が理論空燃比とされることにより、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ還元作用が得られる状態が維持され、ＮＯｘ浄化性能の悪化が避けられる。また、燃料噴射が吸気行程で行われることにより、硫黄脱離制御時のような吸気・圧縮行程分割噴射と比べると排気ガス温度が低くなり、高負荷の均一燃焼領域内で均一燃焼が行われているときと比べても負荷が低くて燃料噴射量が少ないため、排気ガス温度が低くなる。
【００７６】
さらに、図１に示すＥＧＲ手段のＥＧＲ通路３７から低温の排気ガスの還流が行われて、そのＥＧＲ量が比較的多くなるようにＥＧＲ弁３８が制御されることにより、エンジンの燃焼室から排出されるＮＯｘの量が低減されるとともに、燃焼温度及び排気ガス温度が引き下げられる。また、硫黄脱離制御時に行われていた点火時期のリタードが停止されることによっても排気ガス温度を低くする作用が得られる。
【００７７】
このように排気ガス温度が低くされることにより、触媒温度がＮＯｘ吸収率の高い温度域まで比較的速やかに低下するため、移行タイマによる遅延時間は比較的短く設定しておけばよい。そして、遅延時間の経過後は空燃比がリーンに変更されて成層燃焼が行われるが、そのときには触媒温度がＮＯｘ吸収率の高い温度域まで低下しているため、ＮＯｘ吸収による浄化が良好に行われることとなる。
【００７８】
なお、本発明の具体的構成は上記実施形態に限定されず、種々変更可能であり、以下に他の実施形態を説明する。
【００７９】
ＥＧＲ手段としては、図１中に示すように排気マニフォールドから所定距離以上離れた排気通路下流側からＥＧＲクーラー３９を介して低温の排気ガスを還流するようにしたＥＧＲ手段のほかに、比較的高温の排気ガスを還流させる高温側ＥＧＲ手段を設け、リーン運転領域における低負荷低回転領域では、燃焼安定性を確保するとともに触媒温度が低下しすぎることを避けるため、高温側ＥＧＲ手段によって排気ガスを還流するようにしてもよい。
【００８０】
高温側ＥＧＲ手段は、図示しないが、排気通路上流の排気マニフォールドもしくはその近傍から高温の排気ガスを、ＥＧＲクーラーを通さずに吸気通路に還流させるように構成すればよい。
【００８１】
あるいは、図８に示すように吸気弁の開閉タイミングを可変とすることにより吸気弁と排気弁の開弁オーバーラップ期間を可変とするバルブタイミング可変機構を設け、高温側ＥＧＲ手段は上記開弁オーバーラップ期間を増大させるようにバルブタイミング可変機構を制御することにより内部ＥＧＲを行なわせるものとしてもよい。この場合、リーン運転領域における低負荷低回転領域では、図８に破線で示すように吸気弁の開閉タイミングを早くして開弁オーバーラップ期間を大きくし、ＮＯｘ触媒の温度が所定値以上の状態でリーン運転領域に移行したときの遅延期間中には、図８に実線で示すように吸気弁の開閉タイミングを遅くして開弁オーバーラップ期間を小さくするようにバルブタイミング可変機構を制御しつつ、図１に示すＥＧＲ手段で外部ＥＧＲを行なわせるようにしておけばよい。
【００８２】
また、上記実施形態では、図４のステップＳ４で移行タイマがセット中であると判定されたとき（ＮＯｘ触媒の温度が所定値以上の状態で成層燃焼領域に移行した場合の遅延期間中）に、均一燃焼領域にある場合と同様のステップＳ１８以降の処理を行なうようにしているが、図９に示すような処理を行なうようにしてもよい。
【００８３】
すなわち、図９の処理は図４のステップＳ４の判定がＹＥＳの場合に続くものであって、ステップＳ５１で理論空燃比となるように噴射量ＱPが算出されるとともに、燃料噴射を吸気行程内で２回に分割して行なうように、ステップＳ５２で各噴射の噴射パルス幅ＴP１，ＴP２及び噴射タイミングＩＮＪＰ１，ＩＮＪＰ２が演算される。この場合、各噴射の噴射パルス幅ＴP１，ＴP２は、噴射量ＱPをパルス幅に換算した値と予め設定した分割比とから求められる。また、各噴射タイミングＩＮＪＰ１，ＩＮＪＰ２は、図１０に示すように、吸気行程を３分割した前期、中期、後期のうちの前期から中期にかけての期間内に噴射が開始されるように設定されている。
【００８４】
続いてステップＳ５３でＥＧＲ弁開度ＥＧＲＶが求められ、この場合にＥＧＲ率が３０％以上に大きくなるようなＥＧＲ弁開度とされる。さらに、ステップＳ５４で点火タイミングＩＧＴがエンジン回転数及び負荷に応じて求められる。
【００８５】
そして、ＥＧＲ制御タイミングとなれば上記ＥＧＲ弁開度ＥＧＲＶとなるようにＥＧＲ弁３８が制御され（ステップＳ５５，Ｓ５６）、分割噴射のうちの先の噴射タイミングＩＮＪＰ１となればパルス幅ＴP１でインジェクタ２２からの燃料噴射が実行され（ステップＳ５７，Ｓ５８）、後の噴射タイミングＩＮＪＰ２となればパルス幅ＴP２でインジェクタ２２からの燃料噴射が実行され（ステップＳ５９，Ｓ６０）、点火タイミングＩＧＴとなれば点火が実行される（ステップS６１，Ｓ６２）。
【００８６】
この実施形態によっても、硫黄脱離制御の終了直後に成層燃焼領域Ａに移行した場合や所定高負荷域から成層燃焼領域Ａに移行した場合に、リーンへの空燃比の変更が遅延されて、その遅延期間中に空燃比が理論空燃比とされることにより、ＮＯｘが還元される状態が維持されて、ＮＯｘ浄化性能の悪化が避けられる。また、この実施形態では上記遅延期間中に燃料噴射が吸気行程の前期から中期にかけての期間内に分割して行われ、このようにすると噴射燃料の拡散、均一化及び空気とのミキシングが良好に行われることにより、燃焼効率が高められる。この燃焼効率の向上に伴い、吸気行程一括噴射と比べても排気ガス温度がさらに低くなる。
【００８７】
その上、この吸気行程分割噴射により燃焼安定性が高められるため、ＥＧＲ量を増量することが可能となり、この運転領域が比較的低負荷低回転の領域（本来の成層燃焼領域Ａ）であるために、例えばＥＧＲ率を３０％以上としても燃焼安定性が充分に確保される。そして、図１中に示すＥＧＲ手段により低温の排気ガスを還流させるようにしつつこのようにＥＧＲ率を大きくすることにより、排気ガス温度がより低減される。
【００８８】
このように吸気行程分割噴射とＥＧＲ率の増大により、ＮＯｘ吸収率の高い温度域への触媒温度の低下が促進されることとなる。
【００８９】
【発明の効果】
以上のように本発明は、高温状態に触媒が加熱されている硫黄脱離制御直後に上記リーン運転領域に移行したとき、リーン空燃比への変更を遅延し、その遅延期間中に略理論空燃比とするとともに吸気行程内でインジェクタから燃料を噴射させるようにし、かつ、排ガス温度低減手段により排ガス温度を低減するとようにしているため、触媒温度が所定値以上に高い状態でのリーン運転域への直後はＮＯｘを還元により浄化し、かつ、速やかに触媒温度を所定値以下に低下させて、その後にリーン空燃比となったときにＮＯｘの吸収による浄化を良好に行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の装置の一実施形態を示す全体概略図である。
【図２】燃料噴射の制御等のための運転領域の設定を示す説明図である。
【図３】成層燃焼領域、均一燃焼領域及び所定運転領域での硫黄脱離制御時における燃料噴射のタイミング等を示す説明図である。
【図４】制御の具体例を示すフローチャートを３分割したうちの第１の部分である。
【図５】上記フローチャートの第２の部分である。
【図６】上記フローチャートの第３の部分である。
【図７】触媒温度とリーン空燃比でのＮＯｘ吸収率及び硫黄脱離性能との関係を示すグラフである。
【図８】バルブ機構可変機構を設けた場合のバルブタイミングを示す説明図である。
【図９】触媒温度が所定値以上の状態で成層燃焼領域へ移行したときの制御の別の実施形態を示すフローチャートである。
【図１０】図９に示す制御における燃料噴射のタイミング等を示す説明図である。
【符号の説明】
１０ エンジン本体
１５ 燃焼室
２０ 点火プラグ
２１ 点火装置
２２ インジェクタ
３５ ＮＯｘ触媒
３７ ＥＧＲ通路
３８ ＥＧＲ弁
５０ ＥＣＵ
５１ 遅延手段
５２ 空燃比制御手段
５３ 燃料噴射制御手段
５４ 排ガス温度低減手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室に直接燃料を噴射するインジェクタを備えるとともに、エンジンの排気通路に酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸収して酸素濃度が減少するに伴いＮＯｘを放出するＮＯｘ触媒を備えた筒内噴射式エンジンの制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、低負荷運転領域でリーン運転が行われるエンジンにおいて、酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸収して酸素濃度が減少するに伴いＮＯｘを放出する性質を有するＮＯｘ触媒を排気通路に設け、リーン運転状態のときに排気中のＮＯｘがＮＯｘ触媒に吸収され、空燃比がリッチ側に変化したときにＮＯｘがＮＯｘ触媒から放出されて還元されるようにしたものが知られている。このようなＮＯｘ触媒によると、ＮＯｘを還元により浄化することが困難なリーン運転時にも、ＮＯｘを吸収することにより外部へのＮＯｘの排出を防止することができる。
【０００３】
また、この種のＮＯｘ触媒を備えたエンジンにおいて、例えば特開平８−６１０５２号公報に示されるように、ＮＯｘ触媒の硫黄吸収量が所定値に達したとき、強制的に触媒温度を高めることにより触媒から硫黄を脱離させるようにしたものが知られている。
【０００４】
すなわち、この種のＮＯｘ触媒は、燃料やエンジンオイルに硫黄成分が含まれている場合に、排気中のＮＯｘを吸収するよりも排気中の硫黄酸化物（ＳＯｘ）を吸収し易いという性質を有し、硫黄によって被毒されたＮＯｘ触媒は事後のＮＯｘ吸収性が大きく低下する。そして、触媒温度を、リーン運転域でのＮＯｘ吸収性能の高い温度域よりもさらに高くするとともに、空燃比を略理論空燃比もしくはそれよりリッチとすることにより、触媒から硫黄を脱離することが可能である。
【０００５】
このため、上記公報に記載の装置では、ＮＯｘ触媒の硫黄吸収量が所定値に達し、かつ、排ガス温度が規定温度以上となるような所定運転領域にある場合に、硫黄被毒解消のための制御として、触媒に燃料と空気を供給してその燃料を燃焼させることにより、触媒温度を上昇させるようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記ＮＯｘ触媒の酸素過剰雰囲気におけるＮＯｘ吸収性能は、特定温度域（２５０〜４００°Ｃ程度）にあるときに高くなるため、リーン運転状態にあるときは触媒温度が上記特定温度域内に保たれることが望ましい。
【０００７】
しかし、例えば上記公報に示されるようにＮＯｘ触媒の硫黄被毒解消のために触媒温度を上昇させる制御が行われて、その直後にリーン運転域に移行した場合や、排ガス温度が高い高負荷運転領域からリーン運転域に移行した場合に、触媒温度が上記特定温度より高くなっていることがある。
【０００８】
このように触媒温度が上記特定温度域より高い状態でリーン運転が行われると、充分なＮＯｘ吸収性能が得られない。そして、リーン運転状態が持続すると排ガス温度の低下に伴って次第に触媒温度が低下し、ＮＯｘ吸収性能が高められる温度状態となるが、この状態になるまでの間におけるＮＯｘ浄化性能の低下が問題となる。
【０００９】
そこで、触媒温度が上記特定温度域より高い間はリーン運転へ移行せずに、空燃比を理論空燃比以下（空気過剰率λがλ≦１）のリッチ状態にすれば、ＮＯｘがＮＯｘ触媒の還元作用によって浄化されるので、ＮＯｘ浄化作用を良好に保つことができる。ただし、このようにする場合に、触媒温度が速やかに低下しなければ、リーン運転への移行が遅れ、燃費の悪化を招く。
【００１０】
本発明は、これらの事情に鑑み、触媒温度がＮＯｘ吸収性能の高い特定温度域よりも高温の状態でリーン運転域へ移行したときに、ＮＯｘ浄化作用を良好に保ち、かつ、速やかに触媒温度を上記特定温度域まで低下させることができる筒内噴射式エンジンの制御装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸収して酸素濃度が減少するに伴いＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収材を有するＮＯｘ触媒をエンジンの排気通路に具備するとともに、燃焼室に直接燃料を噴射するインジェクタを備え、かつ、空燃比が理論空燃比よりも大きくされるリーン運転領域と空燃比が理論空燃比もしくはそれより小さくされる運転領域とが予め設定されている筒内噴射式エンジンにおいて、ＮＯｘ触媒がＮＯｘ吸収性を阻害する所定の硫黄吸収状態となったとき、ＮＯｘ触媒の温度をＮＯｘ吸収率が高い所定温度幅の特定温度域よりも高い高温状態に加熱して硫黄を脱離させる硫黄脱離制御を行う手段と、硫黄脱離制御直後に上記リーン運転領域に移行させるとき、理論空燃比よりも大きい空燃比への変更を遅延する遅延手段と、その遅延期間中に吸入空気量の調整により空燃比を略理論空燃比とする空燃比制御手段と、上記遅延期間中に吸気行程内でインジェクタから燃料を噴射させる燃料噴射制御手段と、上記遅延期間中に排ガス温度を低減する排ガス温度低減手段とを備えたものである。
【００１２】
この構成によると、上記高温状態に触媒が加熱されている硫黄脱離制御直後に上記リーン運転領域に移行したときは、触媒温度がＮＯｘ吸収率の高い温度域よりも高温の状態（ＮＯｘ吸収率が低い温度状態）となり、このときに、リーンへの空燃比の変更が遅延されて、その遅延期間中に空燃比が略理論空燃比とされることにより、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ還元作用による浄化が行われる。そして、この遅延期間中に吸気行程内でインジェクタから燃料が噴射されて均一燃焼が行われるとともに、排ガス温度低減手段によって排ガス温度が低減されることにより、速やかに触媒温度がリーン運転状態でのＮＯｘ吸収率が高い温度域へ低下し、その後にリーンへの空燃比の変更が行われることにより、リーン空燃比となったときはＮＯｘの吸収による浄化が良好に行われる。
【００１５】
上記硫黄脱離制御は、例えばインジェクタからの燃料噴射を吸気行程と圧縮行程とに分割して行わせる制御を含むようにしておけばよく、このようにすれば、硫黄離脱に有用な排気ガス中のＣＯが増加するとともに、排気ガス温度が高められるため、硫黄の離脱が促進される。
【００１８】
上記燃料噴射制御手段は、上記遅延期間中に、インジェクタからの燃料噴射を複数回に分割して行わせ、かつ、吸気行程を３等分した前期、中期、後期のうちの前期から中期にかけての期間内に各噴射を開始させるように制御することが好ましい。このようにすると、燃焼効率が高められ、それに伴って排気ガス温度が低くなって、触媒温度の低下促進に有利となる。また、燃焼安定性が高められることから、次に述べるようなＥＧＲ率増加の許容度も高められる。
【００１９】
また、上記排ガス温度低減手段は、上記遅延期間中に、排気ガスの一部を吸気系に還流させるＥＧＲ手段を、ＥＧＲ率を増加するように制御するものであることが効果的であり、とくにＥＧＲ率が３０％以上となるようにＥＧＲ手段を制御することが好ましい。
【００２０】
なお、この明細書においていうＥＧＲ率とは、次式で求められる値である。
【００２１】
（ＩｎＣＯ2−ＡｔＣＯ2）／（ＥｘＣＯ2−ＩｎＣＯ2）
ＩｎＣＯ2：吸気中のＣＯ2濃度
ＡｔＣＯ2：大気中のＣＯ2濃度
ＥｘＣＯ2：排気中のＣＯ2濃度
大気中のＣＯ2濃度を近似的に０とすれば、ＥＧＲ率は次のようになる。
【００２２】
ＩｎＣＯ2／（ＥｘＣＯ2−ＩｎＣＯ2）
上記のようにＥＧＲ率を大きくすれば、燃焼温度及び排気ガス温度が低下し、触媒温度の低下が促進される。しかも、ＥＧＲによってエンジンの燃焼室からのＮＯｘ排出量が減少するため、上記遅延期間中のＮＯｘの浄化にも有利となる。
【００２３】
ＮＯｘ触媒が所定の硫黄吸収状態となったときの硫黄脱離制御は、点火時期をＭＢＴよりもリタードさせる制御を含むものとしておけばよく、この場合に、硫黄脱離制御直後に上記リーン運転領域に移行したときの上記遅延期間中に上記排ガス温度低減手段は、点火時期を硫黄脱離制御時と比べてアドバンスさせるように制御するとともに、ＥＧＲ率が増加するようにＥＧＲ手段を制御することが効果的である。
【００２４】
このようにすると、硫黄脱離制御は点火時期リタードにより排気ガス温度が上昇され、硫黄脱離制御直後に上記リーン運転領域に移行したときには点火時期のアドバンスとＥＧＲとにより排気ガス温度が低減される。
【００２５】
ＥＧＲ手段は、排気通路と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路中に還流ガス冷却手段を備えることが好ましい。また、ＥＧＲ状態は、排気マニフォールドから所定距離離れたエンジン下方位置ないしはそれより下流の排気通路から排気ガスを取出すようにすることが好ましい。
【００２６】
このようにすると、低温の排気ガスが還流され、排気ガス温度及び触媒温度を低下させる作用がさらに高められる。
【００２７】
上記の比較的低温の排気ガスを還流させるＥＧＲ手段のほかに、比較的高温の排気ガスを還流させる高温側ＥＧＲ手段を備え、リーン運転領域における低負荷低回転領域では上記高温側ＥＧＲ手段を駆動し、ＮＯｘ触媒の温度が所定値以上の状態で上記リーン運転領域に移行したときの上記遅延期間中には比較的低温の排気ガスを還流させるＥＧＲ手段を駆動するようにしておくようにしてもよい。
【００２８】
このようにすると、リーン運転領域における低負荷低回転領域では高温の排気ガスが還流されることでＮＯｘ低減及び燃焼安定性の確保が図られ、ＮＯｘ触媒の温度が所定値以上の状態で上記リーン運転領域に移行したときの上記遅延期間中には、低温の排気ガスが還流されることでＮＯｘ低減とともに触媒温度の低下が図られる。
【００２９】
このようにする場合に、吸気弁の開閉タイミングを可変とすることにより吸気弁と排気弁の開弁オーバーラップ期間を可変とするバルブタイミング可変機構を備え、高温側ＥＧＲ手段は上記開弁オーバーラップ期間を増大させるようにバルブタイミング可変機構を制御することにより内部ＥＧＲを行わせるものであり、ＮＯｘ触媒の温度が所定値以上の状態で上記リーン運転領域に移行したときの上記遅延期間中には吸気弁の開閉タイミングを遅らせて上記開弁オーバーラップ期間を小さくするようにバルブタイミング可変機構を制御するようになっているものとしてもよい。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００３１】
図１は本発明が適用される直噴エンジンの全体構造を概略的に示したものである。この図において、エンジン本体１０は複数の気筒１２を有し、各気筒１２には、そのシリンダボアに挿入されたピストン１４の上方に燃焼室１５が形成されており、この燃焼室１５には吸気ポート及び排気ポートが開口し、これらのポートは吸気弁１７及び排気弁１８によってそれぞれ開閉されるようになっている。
【００３２】
上記燃焼室１５の中央部には点火プラグ２０が配設され、そのプラグ先端が燃焼室１５内に臨んでおり、この点火プラグ２０に、点火コイル等からなる点火回路２１が接続されている。また、燃焼室１５内には側方からインジェクタ２２の先端部が臨み、このインジェクタ２２から燃焼室１５内に直接燃料が噴射されるようになっている。上記インジェクタ２２には図外の高圧燃料ポンプ、プレッシャレギュレータ等を具備する燃料回路が接続され、各気筒のインジェクタ２２に燃料が供給されるとともにその燃圧を圧縮行程における筒内圧力よりも高い所定圧力となるように燃料回路が構成されている。
【００３３】
上記エンジン本体１０には吸気通路２４及び排気通路３４が接続されている。上記吸気通路２４には、その上流側から順に、エアクリーナ２５、吸気流量を検出するエアフローセンサ２６、モータ２７により駆動されるスロットル弁２８及びサージタンク３０が設けられている。
【００３４】
また、上記排気通路３４には、ＮＯｘ触媒３５が配設されている。このＮＯｘ触媒３５は、空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン運転状態でもＮＯｘ浄化性能を有するものであって、酸素過剰雰囲気で排気ガス中のＮＯｘを吸収し、空燃比がリーンからリッチ側に変化して酸素濃度が低下したときに、吸収していたＮＯｘを放出するとともに、雰囲気中に存在するＣＯ等の還元材によりＮＯｘを還元させるようになっている。
【００３５】
より詳しく説明すると、上記ＮＯｘ触媒３５は、コージェライト製ハニカム構造体等からなる担体の上にＮＯｘ吸収材層と触媒材層とが前者を下（内側）、後者を上（外側）にして層状に形成されたものである。上記ＮＯｘ吸収材層は、比表面積の大きな活性アルミナにＰｔ成分とＮＯｘ吸収材としてのＢａ成分とを担持させたものを主成分として構成されている。また、触媒材層は、ゼオライトを担持母材としてこれにＰｔ成分及びＲｈ成分を担持させてなる触媒材を主成分として構成されている。なお、上記触媒材層の上にセリア層を形成してもよい。
【００３６】
さら排気通路３４と吸気通路２４との間には、排気ガスの一部を吸気系に還流させるＥＧＲ手段が設けられ、このＥＧＲ手段は、排気通路３４と吸気通路２４とを接続するＥＧＲ通路３７と、このＥＧＲ通路３７に介設されたＥＧＲ弁３８とを備えている。上記ＥＧＲ弁３８はアクチュエータ（図示せず）により駆動されて開閉作動するようになっている。
【００３７】
上記ＥＧＲ通路３７は、排気マニフォールドから所定距離離れたエンジン下方位置ないしはそれより下流の排気通路３４に一端側が接続されて、この位置から比較的低温の排気ガスを導くようになっており、ＥＧＲ通路３７の他端側は吸気通路２４におけるサージタンク３０の上流等に接続されている。また、ＥＧＲ通路３７の途中には、この通路３７を通るガスを冷却するＥＧＲクーラー３９（還流ガス冷却手段）が設けられている。こうして、ＥＧＲ通路３７により低温の排気ガスが吸気系に還流されるように構成されている。
【００３８】
なお、図１では上記ＥＧＲ通路３７をＮＯｘ触媒３５の下流の排気通路３４に接続しているが、ＮＯｘ触媒３５の上流の排気通路３４に接続してもよい。
【００３９】
このエンジンには、上記エアフローセンサ２６の他、サージタンク３０内の吸気負圧を検出するブーストセンサ４０、スロットル開度を検出するスロットル開度センサ４１、エンジンのクランク角を検出するクランク角センサ４２、アクセル開度（アクセル操作量）を検出するアクセル開度センサ４３、吸気温を検出する吸気温センサ４４、大気圧を検出する大気圧センサ４５、エンジン冷却水温を検出する水温センサ４６、排気ガス中の酸素濃度の検出によって空燃比を検出するＯ２センサ４７等のセンサ類が装備され、これらセンサの出力信号（検出信号）がＥＣＵ（コントロールユニット）５０に入力されている。
【００４０】
上記ＥＣＵ５０は、インジェクタ２２からの燃料噴射量及び噴射タイミングを制御するとともに、スロットル弁２８を駆動するモータ２７に制御信号を出力することによりスロットル弁２８の制御を行ない、また、点火回路２１に制御信号を出力することにより点火時期を制御し、さらに、ＥＧＲ弁３８の制御も行なうようになっている。
【００４１】
当実施形態の筒内噴射式エンジンの基本的な制御としては、上記インジェクタ２２からの燃料噴射時期及び空燃比等が異なる各種運転モードが選択可能とされ、運転領域によって運転モードが変更されるようになっており、例えば温間時には図２に示すようなマップに基づいて運転領域に応じた運転モードの選択が行われる。
【００４２】
すなわち、低負荷低回転側の特定運転領域が成層燃焼領域Ａ、それ以外の領域が均一燃焼領域Ｂとされる。そして、成層燃焼領域Ａでは、上記インジェクタ２２から圧縮行程の後期に燃料が噴射されることにより、点火プラグ２０付近に混合気が偏在する成層状態で燃焼が行なわれるような成層燃焼モードとされ、この場合、スロットル弁２８の開度が大きくされて吸入空気量が多くされることにより燃焼室全体の空燃比としては大幅なリーン状態（例えばＡ／Ｆ≧３０）とされる。一方、均一燃焼領域Ｂでは、上記インジェクタ２２から吸気行程の前期に燃料が噴射されることにより、燃焼室１５全体に均一に混合気が拡散する状態で燃焼が行なわれる均一燃焼モードとされる。この均一燃焼モードでは空気過剰率λがλ＝１、つまり理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）とされる。なお、均一燃焼領域Ｂのうち、アクセル全開域やその付近の高負荷域及び高回転域では、空燃比を理論空燃比よりもリッチ（λ＜１）に設定しておいてもよい。
【００４３】
また、このような運転領域の設定に基づく基本的な制御に加え、ＮＯｘ触媒３５がＮＯｘ吸収性を阻害する所定の硫黄吸収状態となったとき、ＮＯｘ触媒３５の温度を所定値以上に上昇させて硫黄を脱離させる硫黄脱離制御を行うようになっている。後述のフローチャートに示す具体例では、エンジン回転数Ｎｅが第１設定回転数Ｎ１と第２設定回転数Ｎ２との間にあり、かつ、エンジン負荷（平均有効圧力Ｐｅ）が第１の関数ｆ（Ｐｅ１）で表される曲線と第２の関数ｆ（Ｐｅ２）で表される曲線との間にある中回転中負荷の所定運転領域（図２参照）において、硫黄吸収量が所定値以上となっている場合に硫黄脱離制御が行われる。この硫黄脱離制御は、空燃比を略理論空燃比もしくはそれより多少リッチとしつつ、インジェクタ２２からの燃料噴射を吸気行程と圧縮行程とに分割して行わせる制御を含んでいる。
【００４４】
すなわち、図３に示すように、成層燃焼領域Ａでは、空燃比がリーンとされつつ、噴射タイミングＩＮＪＤが圧縮行程後期に設定された燃料噴射により成層燃焼が行われ、均一燃焼領域Ｂでは、空燃比が理論空燃比とされつつ、噴射タイミングＩＮＪＰが吸気行程前期に設定された燃料噴射により均一燃焼が行われるが、上記所定運転領域Ｃでの硫黄脱離制御時には、空燃比が略理論空燃比もしくはこれより多少リッチとされつつ分割噴射が行われ、例えば噴射タイミングＩＮＪＰＳ，ＩＮＪＤＳが吸気行程前期と圧縮行程中期とに設定された２回の分割噴射が行われる。上記噴射タイミングとは、噴射開始のタイミングを意味する。
【００４５】
硫黄脱離制御としては上記分割噴射のほかに、ＥＧＲ弁開度を小さくすることによりＥＧＲ率を低減する制御、及び点火時期をリタードさせる制御等が行われる。
【００４６】
さらに上記ＥＣＵ５０は、ＮＯｘ触媒の温度が所定値以上の状態で上記リーン運転領域に移行したとき、理論空燃比よりも大きい空燃比への変更を遅延する遅延手段５１を有するとともに、空燃比制御手段５２、燃料噴射制御手段５３及び排ガス温度低減手段５４を有している。
【００４７】
上記遅延手段５１は、例えば上記硫黄脱離制御が行われた直後に成層燃焼領域Ａ（リーン運転領域）へ移行したときや、図２中に示す第３の関数ｆ（Ｐｅ３）及び第４の関数ｆ（Ｐｅ４）で定められた境界よりも高負荷側の領域（ＮＯｘ触媒の温度が所定値以上となる高負荷運転状態）から成層燃焼領域Ａへ移行したときに、リーン空燃比（理論空燃比より大きい空燃比）への移行を遅延する。
【００４８】
空燃比制御手段５２は、リーン空燃比への移行の遅延期間中に、リーン運転時と比べ、スロットル開度を小さくして吸入空気量を少なくすることにより、空燃比を略理論空燃比とする。燃料噴射制御手段５３は、上記遅延期間中に吸気行程内で燃料を噴射させるようにインジェクタ２２を制御する。
【００４９】
上記排ガス温度低減手段５４は、上記遅延期間中に排ガス温度を低減し、例えば上記ＥＧＲ弁３８を開いてＥＧＲ通路３７から充分な排気ガスを還流させることにより、燃焼温度及び排気温度を低減する。また、硫黄脱離制御が行われた直後に成層燃焼領域Ａへ移行した場合には、硫黄脱離制御においてリタードされていた点火時期をＭＢＴ側へアドバンスする。
【００５０】
上記ＥＣＵ５０による制御の具体例を、図４〜図６のフローチャートによって説明する。
【００５１】
このフローチャートに示す処理がスタートすると、先ず図４のステップＳ１でアクセル開度、クランク角信号の周期計測値、エアフローセンサ２６の計測値及び水温等の信号が入力され、続いてステップＳ２で硫黄脱離制御許可フラッグＦＳＲＥが「１」か否かが判定される。
【００５２】
上記フラッグＦＳＲＥが「１」でなければ、運転領域の設定に基づく制御を行うべく、ステップＳ３で、上記周期計測値から求められるエンジン回転数と上記アクセル開度等から求められるエンジン負荷とによるエンジン運転状態が図２中の成層燃焼領域Ａにあるか否かが判定される。成層燃焼領域Ａにあることが判定されれば、さらにステップＳ４で後述の移行タイマがセット中か否かが判定される。
【００５３】
成層燃焼領域Ａにあって、かつ、移行タイマがセット中でない場合（ステップＳ４の判定がNOの場合）は、成層燃焼領域Ａでの通常の制御としてステップＳ５〜Ｓ１７の処理が行われる。
【００５４】
すなわち、空燃比をリーンとしつつ圧縮行程後期に燃料噴射を行うことにより成層燃焼を行わせるべく、その圧縮行程噴射の噴射量ＱDが算出され（ステップＳ５）、それに応じた噴射パルス幅ＴDと噴射タイミングＩＮＪＤとが算出される（ステップＳ６）とともに、ＥＧＲ弁開度ＥＧＲＶがエンジン回転数Ｎｅ及び負荷Ｐｅに応じて求められ（ステップＳ７）、さらに点火タイミング（Ｉｇタイミング）ＩＧＴがエンジン回転数及Ｎｅび負荷Ｐｅに応じて求められる（ステップＳ８）。
【００５５】
そして、ＥＧＲ制御タイミングとなれば上記ＥＧＲ弁開度ＥＧＲＶとなるようにＥＧＲ弁３８が制御され（ステップＳ９，Ｓ１０）、噴射タイミングＩＮＪＤとなれば上記パルスＴDでインジェクタ２２からの燃料噴射が実行され（ステップＳ１１，Ｓ１２）、点火タイミングＩＧＴとなれば点火が実行される（ステップＳ１３，Ｓ１４）。
【００５６】
さらに、成層燃焼時にＮＯｘ触媒に硫黄が吸収されるので、硫黄吸収量ＧＳＡの推定が行われる（ステップＳ１５）。この硫黄吸収量ＧＳＡの推定の仕方としては、例えば、エンジン回転数Ｎｅ及び負荷Ｐｅに応じてマップから単位期間当りの量ｆSA（Ｎｅ，Ｐｅ）が求められ、これが累計される。そして、上記硫黄吸収量ＧＳＡが設定値ＫSA以上となったか否かが判定され（ステップＳ１６）、設定値ＫSAに達していなけばそのままリターンされるが、設定値以上になれば再生制御許可フラッグＦＳＲＥが「１」にセットとされてから（ステップＳ１７）、リターンされる。
【００５７】
上記ステップＳ３で成層燃焼領域にないことが判定されたときは、均一燃焼領域Ａでの通常の制御として図５のステップＳ１８以降の処理が行われる。
【００５８】
すなわち、空燃比を理論空燃比（もしくはそれよりリッチ）としつつ吸気行程前期に燃料噴射を行うことにより均一燃焼を行わせるべく、吸気行程噴射の噴射量ＱPが算出され（ステップＳ１８）、それに応じた噴射パルス幅ＴPと噴射タイミングＩＮＪＰとが算出される（ステップＳ１９）とともに、ＥＧＲ弁開度ＥＧＲＶがエンジン回転数Ｎｅ及び負荷Ｐｅに応じて求められ（ステップＳ２０）、さらに点火タイミング（Ｉｇタイミング）ＩＧＴがエンジン回転数及Ｎｅび負荷Ｐｅに応じて求められる（ステップＳ２１）。
【００５９】
そして、ＥＧＲ制御タイミングとなれば上記ＥＧＲ弁開度ＥＧＲＶとなるようにＥＧＲ弁３８が制御され（ステップＳ２２，Ｓ２３）、噴射タイミングＩＮＪＰとなれば上記パルスＴPでインジェクタ２２からの燃料噴射が実行され（ステップＳ２４，Ｓ２５）、点火タイミングＩＧＴとなれば点火が実行される（ステップS２６，Ｓ２７）。
【００６０】
さらに、負荷ＰｅがＰｅ≧ｆ（Ｐｅ３）かつＰｅ≧ｆ（Ｐｅ４）となる高負荷領域か否かが判定され（ステップＳ２８）、この判定がＮＯであればそのままリターンし、ＹＥＳであれば、移行タイマをセットした上で（ステップＳ２９）、後記の硫黄脱離度推定（ステップＳ４３）等の処理に移る。このような高負荷領域にあれば特別な硫黄脱離制御を行わなくても触媒温度が充分に高くなって、硫黄の脱離が行われるためである。
【００６１】
上記移行タイマは、後述のように成層燃焼領域へ移行したときの遅延時間を設定してこれを計測するものであり、上記高負荷領域にある間は移行タイマが繰り返しセットし直されるだけで実質的にカウントダウンされることはない。
【００６２】
また、上記ステップＳ２で硫黄脱離制御許可フラッグＦＳＲＥが「１」であると判定されたときは、それに続いて図６のステップＳ３０で、Ｎ１≦Ｎｅ≦Ｎ２かつｆ（Ｐｅ４）≦Ｐｅ≦ｆ（Ｐｅ３）の所定運転領域Ｃにあるか否かが判定され、所定運転領域になければステップＳ１８以降の処理に移る。
【００６３】
ステップＳ３０で所定運転領域Ｃにあることが判定されたときは、図６のステップＳ３１以降の硫黄脱離制御に移行する。
【００６４】
すなわち、ステップＳ３１で理論空燃比もしくはこれより多少リッチな空燃比となるように噴射量ＱPが算出され、続いてステップＳ３２で吸気行程と圧縮行程の分割噴射を行うようにその各噴射パルス幅ＴPS，ＴDS及び噴射タイミングＩＮＪＰＳ，ＩＮＪＤＳが算出される。この場合、噴射パルス幅は噴射量ＱPをパルス幅に換算した値ｆ（ＱP）と分割比ａとから、ＴPS＝ｆ（ＱP）×ａ，ＴDS＝ｆ（ＱP）×（１−ａ）と演算される。
【００６５】
続いてステップＳ３３，Ｓ３４でＥＧＲ弁開度ＥＧＲＶの算出及び点火タイミングＩＧＴの算出が行われる。この場合、ＥＧＲ弁開度ＥＧＲＶは、エンジン回転数及び負荷に応じた値ｆEGRP（Ｎｅ，Ｐｅ）に１より小さい補正係数ＫＥＧＲが掛けられることにより、通常運転時よりも小さい値とされる。また、点火タイミングＩＧＴは、エンジン回転数及び負荷に応じた進角値ｆIGTP（Ｎｅ，Ｐｅ）からリタード補正量ＫＩＧが減じられることにより、通常運転時よりリタードされる。
【００６６】
そして、ＥＧＲ制御タイミングとなれば上記ＥＧＲ弁開度ＥＧＲＶとなるようにＥＧＲ弁３８が制御され（ステップＳ３５，Ｓ３６）、分割噴射のうちの先の噴射タイミングＩＮＪＰＳとなればパルス幅ＴPSでインジェクタ２２からの燃料噴射が実行され（ステップＳ３７，Ｓ３８）、後の噴射タイミングＩＮＪＤＳとなればパルス幅ＴDSでインジェクタ２２からの燃料噴射が実行され（ステップＳ３９，Ｓ４０）、点火タイミングＩＧＴとなれば点火が実行される（ステップＳ４１，Ｓ４２）。
【００６７】
さらに、上記ステップＳ３１〜Ｓ４２の硫黄脱離制御によりＮＯｘ触媒から硫黄が脱離されるので、硫黄脱離度ＳＲＥの推定が行われる（ステップＳ４３）。この硫黄脱離度ＳＲＥの推定の仕方としては、例えば、エンジン回転数Ｎｅ及び負荷Ｐｅに応じてマップから単位期間当りの量ｆSRE（Ｎｅ，Ｐｅ）が求められ、これが累計される。そして、上記硫黄脱離度ＳＲＥが設定値ＫSRE以上となったか否かが判定され（ステップＳ４４）、設定値ＫSREに達していなけばそのままリターンされる。一方、硫黄脱離度ＳＲＥが設定値ＫSRE以上になれば、硫黄脱離制御許可フラッグＦＳＲＥが「０」にリセットとされる（ステップＳ４５）とともに、硫黄吸収量ＧＳＡ及び硫黄脱離度ＳＲＥの各推定値が「０」にリセットされ（ステップＳ４６）、さらに、移行タイマがセットされてから、リターンする。
【００６８】
上記硫黄脱離制御が終了した直後に運転状態が成層燃焼運転領域に移行すれば、ステップＳ２の判定がＮＯ（フラッグＦＳＲＥが「０」）、それに続くステップＳ３の判定かＹＥＳ（成層燃焼領域）、それに続くステップＳ４の判定がＹＥＳ（移行タイマセット中）となる。また、所定高負荷域（ステップＳ２８での判定がＹＥＳとなる運転域）から成層燃焼領域へ移行したときも同様となる。これらの場合は、ステップＳ１８以降の処理が行われ、つまり、均一燃焼領域にあるときと同様に、空燃比が理論空燃比とされつつ、燃料噴射が吸気行程で行われる。
【００６９】
この場合、フローチャート中では示していないが別のルーチンによりリーン運転時と比べて吸入空気量を少なくするようにスロットル弁が制御される。また、ＥＧＲ弁開度は運転状態に応じて設定されるが、ＥＧＲ率がこの場合には比較的大きくなるように、運転状態とＥＧＲ弁開度との関係が予め設定されている。また、点火時期は運転状態に応じた基本点火時期とされ、硫黄脱離制御時と比べるとアドバンスされる。
【００７０】
このような制御が所定の遅延時間だけ行われ、遅延時間が経過すると、移行タイマがタイムアップしてステップＳ４の判定がＮＯに変ることにより、本来の成層燃焼領域での制御であるステップＳ５以降の処理に移る。
【００７１】
以上のような当実施形態の制御装置を備えた筒内噴射式エンジンによると、基本的な制御としては、運転状態が低負荷低回転側の成層燃焼領域Ａにあるとき、空燃比がリーンとされつつ圧縮行程で燃料が噴射されて成層燃焼が行われることにより燃費が改善される。そして、このリーン運転状態では上記ＮＯｘ触媒３５によって排気ガス中のＮＯｘが吸収される。
【００７２】
運転状態が高負荷側や高回転側の均一燃焼領域Ｂにあるときには、空燃比が理論空燃比もしくはそれよりリッチとされつつ吸気行程で燃料が噴射されて均一燃焼が行われる。そして、運転状態が成層燃焼領域Ａから均一燃焼領域Ｂに移行したときに、空燃比が理論空燃比もしくはそれよりリッチの状態に変化することにより、成層燃焼領域Ａでのリーン運転中にＮＯｘ触媒３５に吸蔵されていたＮＯｘが放出され、そのＮＯｘが排気ガス中のＣＯなどにより還元される。なお、上記ＮＯｘ触媒３５は理論空燃比付近において三元触媒と同様に三元浄化機能を有するので、均一燃焼領域Ｂにおいて略理論空燃比で運転されているときはＮＯｘ及びＣＯ、ＨＣが浄化される。
【００７３】
また、硫黄吸収量が所定値以上になり、かつ、運転状態が図２中の運転領域Ｃ内にある状態となったときには硫黄脱離制御が行われる。この制御では空燃比がリッチとされるとともに吸気行程と圧縮行程の分割噴射が行われ、この吸気・圧縮行程分割噴射によると、後の噴射により点火プラグ付近に局部的にリッチな混合気が形成されて、着火直後の燃焼速度は速くなるが、酸素が少ないことからその燃焼によりＣＯが発生し易くなり、また、先の噴射により燃焼室周辺部に均一でリーンな混合気が形成されて、燃焼期間の後半において燃焼が緩慢になり、点火時期をリタードとさせたのと同様の効果が得られて、排気温度が高められる。さらに、ＥＧＲ弁開度の補正によってＥＧＲ量が少なくされることと、点火時期がリタードされることとによっても排気ガス温が高められる。これらの作用により、硫黄の脱離が促進される。
【００７４】
ところで、触媒温度とリーン空燃比でのＮＯｘ吸収率との関係は図７に実線で示すようになり、特定温度域（２５０°Ｃ程度から４００°Ｃ程度まで）でＮＯｘ吸収率が高くなり、この温度域より触媒温度が高くなるとＮＯｘ吸収率が低下する。一方、硫黄脱離性能は図７中に一点鎖線で示すように４５０°Ｃ乃至５００°Ｃ程度以上の高温度で高められ、硫黄脱離制御にはこのような高温度に触媒が加熱されている。このため、硫黄脱離制御の終了直後に成層燃焼領域Ａに移行すると、触媒温度がＮＯｘ吸収率の高い温度域よりも高温となる。また、所定高負荷域から成層燃焼領域Ａに移行したときも同様に触媒温度が高くなる。
【００７５】
このような場合に、上記ステップＳ４等の処理によりリーンへの空燃比の変更が遅延される。そしてこの遅延期間中に、空燃比が理論空燃比とされることにより、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ還元作用が得られる状態が維持され、ＮＯｘ浄化性能の悪化が避けられる。また、燃料噴射が吸気行程で行われることにより、硫黄脱離制御時のような吸気・圧縮行程分割噴射と比べると排気ガス温度が低くなり、高負荷の均一燃焼領域内で均一燃焼が行われているときと比べても負荷が低くて燃料噴射量が少ないため、排気ガス温度が低くなる。
【００７６】
さらに、図１に示すＥＧＲ手段のＥＧＲ通路３７から低温の排気ガスの還流が行われて、そのＥＧＲ量が比較的多くなるようにＥＧＲ弁３８が制御されることにより、エンジンの燃焼室から排出されるＮＯｘの量が低減されるとともに、燃焼温度及び排気ガス温度が引き下げられる。また、硫黄脱離制御時に行われていた点火時期のリタードが停止されることによっても排気ガス温度を低くする作用が得られる。
【００７７】
このように排気ガス温度が低くされることにより、触媒温度がＮＯｘ吸収率の高い温度域まで比較的速やかに低下するため、移行タイマによる遅延時間は比較的短く設定しておけばよい。そして、遅延時間の経過後は空燃比がリーンに変更されて成層燃焼が行われるが、そのときには触媒温度がＮＯｘ吸収率の高い温度域まで低下しているため、ＮＯｘ吸収による浄化が良好に行われることとなる。
【００７８】
なお、本発明の具体的構成は上記実施形態に限定されず、種々変更可能であり、以下に他の実施形態を説明する。
【００７９】
ＥＧＲ手段としては、図１中に示すように排気マニフォールドから所定距離以上離れた排気通路下流側からＥＧＲクーラー３９を介して低温の排気ガスを還流するようにしたＥＧＲ手段のほかに、比較的高温の排気ガスを還流させる高温側ＥＧＲ手段を設け、リーン運転領域における低負荷低回転領域では、燃焼安定性を確保するとともに触媒温度が低下しすぎることを避けるため、高温側ＥＧＲ手段によって排気ガスを還流するようにしてもよい。
【００８０】
高温側ＥＧＲ手段は、図示しないが、排気通路上流の排気マニフォールドもしくはその近傍から高温の排気ガスを、ＥＧＲクーラーを通さずに吸気通路に還流させるように構成すればよい。
【００８１】
あるいは、図８に示すように吸気弁の開閉タイミングを可変とすることにより吸気弁と排気弁の開弁オーバーラップ期間を可変とするバルブタイミング可変機構を設け、高温側ＥＧＲ手段は上記開弁オーバーラップ期間を増大させるようにバルブタイミング可変機構を制御することにより内部ＥＧＲを行なわせるものとしてもよい。この場合、リーン運転領域における低負荷低回転領域では、図８に破線で示すように吸気弁の開閉タイミングを早くして開弁オーバーラップ期間を大きくし、ＮＯｘ触媒の温度が所定値以上の状態でリーン運転領域に移行したときの遅延期間中には、図８に実線で示すように吸気弁の開閉タイミングを遅くして開弁オーバーラップ期間を小さくするようにバルブタイミング可変機構を制御しつつ、図１に示すＥＧＲ手段で外部ＥＧＲを行なわせるようにしておけばよい。
【００８２】
また、上記実施形態では、図４のステップＳ４で移行タイマがセット中であると判定されたとき（ＮＯｘ触媒の温度が所定値以上の状態で成層燃焼領域に移行した場合の遅延期間中）に、均一燃焼領域にある場合と同様のステップＳ１８以降の処理を行なうようにしているが、図９に示すような処理を行なうようにしてもよい。
【００８３】
すなわち、図９の処理は図４のステップＳ４の判定がＹＥＳの場合に続くものであって、ステップＳ５１で理論空燃比となるように噴射量ＱPが算出されるとともに、燃料噴射を吸気行程内で２回に分割して行なうように、ステップＳ５２で各噴射の噴射パルス幅ＴP１，ＴP２及び噴射タイミングＩＮＪＰ１，ＩＮＪＰ２が演算される。この場合、各噴射の噴射パルス幅ＴP１，ＴP２は、噴射量ＱPをパルス幅に換算した値と予め設定した分割比とから求められる。また、各噴射タイミングＩＮＪＰ１，ＩＮＪＰ２は、図１０に示すように、吸気行程を３分割した前期、中期、後期のうちの前期から中期にかけての期間内に噴射が開始されるように設定されている。
【００８４】
続いてステップＳ５３でＥＧＲ弁開度ＥＧＲＶが求められ、この場合にＥＧＲ率が３０％以上に大きくなるようなＥＧＲ弁開度とされる。さらに、ステップＳ５４で点火タイミングＩＧＴがエンジン回転数及び負荷に応じて求められる。
【００８５】
そして、ＥＧＲ制御タイミングとなれば上記ＥＧＲ弁開度ＥＧＲＶとなるようにＥＧＲ弁３８が制御され（ステップＳ５５，Ｓ５６）、分割噴射のうちの先の噴射タイミングＩＮＪＰ１となればパルス幅ＴP１でインジェクタ２２からの燃料噴射が実行され（ステップＳ５７，Ｓ５８）、後の噴射タイミングＩＮＪＰ２となればパルス幅ＴP２でインジェクタ２２からの燃料噴射が実行され（ステップＳ５９，Ｓ６０）、点火タイミングＩＧＴとなれば点火が実行される（ステップS６１，Ｓ６２）。
【００８６】
この実施形態によっても、硫黄脱離制御の終了直後に成層燃焼領域Ａに移行した場合や所定高負荷域から成層燃焼領域Ａに移行した場合に、リーンへの空燃比の変更が遅延されて、その遅延期間中に空燃比が理論空燃比とされることにより、ＮＯｘが還元される状態が維持されて、ＮＯｘ浄化性能の悪化が避けられる。また、この実施形態では上記遅延期間中に燃料噴射が吸気行程の前期から中期にかけての期間内に分割して行われ、このようにすると噴射燃料の拡散、均一化及び空気とのミキシングが良好に行われることにより、燃焼効率が高められる。この燃焼効率の向上に伴い、吸気行程一括噴射と比べても排気ガス温度がさらに低くなる。
【００８７】
その上、この吸気行程分割噴射により燃焼安定性が高められるため、ＥＧＲ量を増量することが可能となり、この運転領域が比較的低負荷低回転の領域（本来の成層燃焼領域Ａ）であるために、例えばＥＧＲ率を３０％以上としても燃焼安定性が充分に確保される。そして、図１中に示すＥＧＲ手段により低温の排気ガスを還流させるようにしつつこのようにＥＧＲ率を大きくすることにより、排気ガス温度がより低減される。
【００８８】
このように吸気行程分割噴射とＥＧＲ率の増大により、ＮＯｘ吸収率の高い温度域への触媒温度の低下が促進されることとなる。
【００８９】
【発明の効果】
以上のように本発明は、高温状態に触媒が加熱されている硫黄脱離制御直後に上記リーン運転領域に移行したとき、リーン空燃比への変更を遅延し、その遅延期間中に略理論空燃比とするとともに吸気行程内でインジェクタから燃料を噴射させるようにし、かつ、排ガス温度低減手段により排ガス温度を低減するとようにしているため、触媒温度が所定値以上に高い状態でのリーン運転域への直後はＮＯｘを還元により浄化し、かつ、速やかに触媒温度を所定値以下に低下させて、その後にリーン空燃比となったときにＮＯｘの吸収による浄化を良好に行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の装置の一実施形態を示す全体概略図である。
【図２】燃料噴射の制御等のための運転領域の設定を示す説明図である。
【図３】成層燃焼領域、均一燃焼領域及び所定運転領域での硫黄脱離制御時における燃料噴射のタイミング等を示す説明図である。
【図４】制御の具体例を示すフローチャートを３分割したうちの第１の部分である。
【図５】上記フローチャートの第２の部分である。
【図６】上記フローチャートの第３の部分である。
【図７】触媒温度とリーン空燃比でのＮＯｘ吸収率及び硫黄脱離性能との関係を示すグラフである。
【図８】バルブ機構可変機構を設けた場合のバルブタイミングを示す説明図である。
【図９】触媒温度が所定値以上の状態で成層燃焼領域へ移行したときの制御の別の実施形態を示すフローチャートである。
【図１０】図９に示す制御における燃料噴射のタイミング等を示す説明図である。
【符号の説明】
１０ エンジン本体
１５ 燃焼室
２０ 点火プラグ
２１ 点火装置
２２ インジェクタ
３５ ＮＯｘ触媒
３７ ＥＧＲ通路
３８ ＥＧＲ弁
５０ ＥＣＵ
５１ 遅延手段
５２ 空燃比制御手段
５３ 燃料噴射制御手段
５４ 排ガス温度低減手段
Claims (10)
- 酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸収して酸素濃度が減少するに伴いＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収材を有するＮＯｘ触媒をエンジンの排気通路に具備するとともに、燃焼室に直接燃料を噴射するインジェクタを備え、かつ、空燃比が理論空燃比よりも大きくされるリーン運転領域と空燃比が理論空燃比もしくはそれより小さくされる運転領域とが予め設定されている筒内噴射式エンジンにおいて、ＮＯｘ触媒がＮＯｘ吸収性を阻害する所定の硫黄吸収状態となったとき、ＮＯｘ触媒の温度をＮＯｘ吸収率が高い所定温度幅の特定温度域よりも高い高温状態に加熱して硫黄を脱離させる硫黄脱離制御を行う手段と、硫黄脱離制御直後に上記リーン運転領域に移行させるとき、理論空燃比よりも大きい空燃比への変更を遅延する遅延手段と、その遅延期間中に吸入空気量の調整により空燃比を略理論空燃比とする空燃比制御手段と、上記遅延期間中に吸気行程内でインジェクタから燃料を噴射させる燃料噴射制御手段と、上記遅延期間中に排ガス温度を低減する排ガス温度低減手段とを備えたことを特徴とする筒内噴射式エンジンの制御装置。
- ＮＯｘ触媒が所定の硫黄吸収状態となったときの硫黄脱離制御は、インジェクタからの燃料噴射を吸気行程と圧縮行程とに分割して行わせる制御を含むことを特徴とする請求項１記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。
- 上記燃料噴射制御手段は、上記遅延期間中に、インジェクタからの燃料噴射を複数回に分割して行わせ、かつ、吸気行程を３等分した前期、中期、後期のうちの前期から中期にかけての期間内に各噴射を開始させるように制御することを特徴とする請求項１又は２記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。
- 排ガス温度低減手段は、上記遅延期間中に、排気ガスの一部を吸気系に還流させるＥＧＲ手段を、ＥＧＲ率が増加するように制御することを特徴とする請求項１乃至３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。
- 排ガス温度低減手段は、上記遅延期間中に、ＥＧＲ率が３０％以上となるようにＥＧＲ手段を制御することを特徴とする請求項４記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。
- ＮＯｘ触媒が所定の硫黄吸収状態となったときの硫黄脱離制御は、点火時期をＭＢＴよりもリタードさせる制御を含むものであり、硫黄脱離制御直後に上記リーン運転領域に移行したときの上記遅延期間中に上記排ガス温度低減手段は、点火時期を硫黄脱離制御時と比べてアドバンスさせるように制御するとともに、ＥＧＲ率が増加するようにＥＧＲ手段を制御することを特徴とする請求項１又は２記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。
- ＥＧＲ手段は、排気通路と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路中に還流ガス冷却手段を備えることを特徴とする請求項４乃至６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。
- ＥＧＲ手段は、排気マニフォールドから所定距離離れたエンジン下方位置ないしはそれより下流の排気通路から排気ガスを取出すことを特徴とする請求項４乃至７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。
- 比較的低温の排気ガスを還流させるＥＧＲ手段のほかに、比較的高温の排気ガスを還流させる高温側ＥＧＲ手段を備え、リーン運転領域における低負荷低回転領域では上記高温側ＥＧＲ手段を駆動し、ＮＯｘ触媒の温度が所定値以上の状態で上記リーン運転領域に移行したときの上記遅延期間中には比較的低温の排気ガスを還流させるＥＧＲ手段を駆動するようにしたことを特徴とする請求項４乃至７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。
- 吸気弁の開閉タイミングを可変とすることにより吸気弁と排気弁の開弁オーバーラップ期間を可変とするバルブタイミング可変機構を備え、高温側ＥＧＲ手段は上記開弁オーバーラップ期間を増大させるようにバルブタイミング可変機構を制御することにより内部ＥＧＲを行わせるものであり、ＮＯｘ触媒の温度が所定値以上の状態で上記リーン運転領域に移行したときの上記遅延期間中には吸気弁の開閉タイミングを遅らせて上記開弁オーバーラップ期間を小さくするようにバルブタイミング可変機構を制御することを特徴とする請求項９記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。
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