JP2000110643A

JP2000110643A - 内燃機関の燃料噴射装置

Info

Publication number: JP2000110643A
Application number: JP10284368A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Tanaka; 比呂志田中; Toshio Tanahashi; 敏雄棚橋; Kenji Kato; 健治加藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-10-06
Filing date: 1998-10-06
Publication date: 2000-04-18

Abstract

(57)【要約】【課題】機関の膨張または排気行程における二次燃料
噴射による機関出力トルク変動の発生を防止する。【解決手段】内燃機関の気筒に直接燃料を噴射する筒
内燃料噴射弁１１１を設け、気筒圧縮行程後半に主燃料
噴射を、また排気行程後半に燃焼に寄与しない二次燃料
噴射を、それぞれピストン１１頂面に設けたキャビティ
１１ａに向けて行う。主燃料噴射では噴射された燃料
は、キャビティにより偏流され点火プラグ１７周囲に可
燃空燃比混合気層を成層させるが、二次燃料噴射時には
排気弁１５ａが開弁しているため、偏流された燃料はそ
の全量が排気ポート１５から気筒外に排出される。この
ため、二次燃料噴射により気筒内に残留燃料が生じず、
次のサイクルにおける燃焼時に出力トルク変動が生じな
い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の燃料噴
射装置に関し、詳細には機関気筒内に直接燃料を噴射す
る筒内燃料噴射弁を有する燃料噴射装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】気筒内に直接燃料を噴射する筒内燃料噴
射弁を備え、通常の気筒内燃焼に寄与する主燃料噴射に
加えて、気筒の膨張行程または排気行程に二次燃料噴射
を行なう燃料噴射装置が知られている。この種の装置と
しては、例えば特開平６−２１２９６１号公報に開示さ
れたものがある。

【０００３】同公報の装置は、ディーゼル機関の排気通
路に、流入する排気の空燃比がリーンの時に排気中のＮ
Ｏ_Xを吸収し流入する排気中の酸素濃度が低下したとき
に吸収したＮＯ_Xを放出するＮＯ_X吸蔵還元触媒を配置
し、通常は機関気筒の圧縮上死点近傍で気筒内に主燃料
噴射を行ない、ＮＯ_X吸蔵還元触媒からＮＯ_Xを放出さ
せるべきときには、主燃料噴射に加えて気筒の膨張また
は排気行程に二次燃料噴射を行なうようにしている。膨
張または排気行程に気筒内に噴射された燃料は、気筒内
での燃焼には寄与せずに高温の既燃ガスに曝されること
になるため、燃料中の分子量の大きい炭化水素が分子量
の小さな炭化水素に分解する。また、二次燃料噴射によ
り噴射された燃料は燃焼に寄与せずにそのまま排気とと
もに排出されるため、ディーゼル機関においても気筒内
の爆発圧力を上昇させることなく排気をリッチ空燃比に
するだけの比較的多量の燃料を噴射することができる。
このため、二次燃料噴射により活性の高い低分子量の炭
化水素を多く含むリッチ空燃比の排気が排気通路のＮＯ
_X吸蔵還元触媒に流入するようになり、ＮＯ_X吸蔵還元
触媒から吸収したＮＯ_Xが放出されるとともに排気中の
炭化水素により還元浄化される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
に二次燃料噴射を行なう機関では二次燃料噴射により噴
射された燃料が排気行程中に完全に排出されず気筒内に
残留する場合がある。気筒内に二次燃料噴射の燃料の一
部が残留すると次回に主燃料噴射が行なわれたときに気
筒内では主燃料噴射により供給された燃料に加えて残留
した燃料が燃焼するため、燃焼による発生トルクが過大
となり機関の出力トルク変動が生じる問題がある。

【０００５】本発明は上記問題に鑑み、二次燃料噴射実
施時に残留燃料による機関出力トルク変動を防止するこ
とが可能な内燃機関の燃料噴射装置を提供することを目
的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
よれば、内燃機関の気筒に直接燃料を噴射する筒内燃料
噴射弁と、前記筒内燃料噴射弁を制御して、気筒内の燃
焼に寄与する燃料を噴射する主燃料噴射を行なうととも
に、必要に応じて主燃料噴射の後の膨張行程または排気
行程中に気筒内の燃焼に寄与しない燃料を噴射する二次
燃料噴射を行なう燃料噴射制御手段と、を備え、前記燃
料噴射制御手段は二次燃料噴射実行時に、二次燃料噴射
により噴射された燃料が排気行程終了時までに気筒から
排出されるように、機関運転状態に応じて二次燃料噴射
を制御する内燃機関の燃料噴射装置が提供される。

【０００７】すなわち、請求項１の発明では燃料噴射制
御手段は機関運転状態、例えばバルブタイミング、回転
数等に応じて二次燃料噴射を制御して、例えば燃料噴射
量、噴射タイミング等を変更することにより、二次燃料
噴射により噴射された燃料の全量が排気行程終了時、す
なわち排気弁閉弁までに気筒から排出されるようにす
る。これにより、気筒内に残留燃料が生じないので二次
燃料噴射実施時にも機関出力トルク変動が生じない。

【０００８】請求項２に記載の発明によれば、請求項１
の燃料噴射装置において、前記内燃機関は機関バルブタ
イミングを変更する可変バルブタイミング手段を備え、
前記燃料噴射制御手段は、機関バルブタイミングの変化
に応じて二次燃料噴射を制御する内燃機関の燃料噴射装
置が提供される。すなわち、請求項２に記載の発明で
は、燃料噴射制御手段は機関のバルブタイミングが変化
した場合にはバルブタイミングの変化に応じて二次燃料
噴射の燃料噴射量、噴射タイミング等を変更する。この
ため、機関バルブタイミングが変化した場合にも二次燃
料噴射により噴射された燃料の全量が排気弁閉弁までに
気筒から排出され気筒内に残留燃料が生じない。これに
より、機関バルブタイミング変化時にも二次燃料噴射に
よる機関出力トルクの変動が生じない。

【０００９】請求項３に記載の発明によれば、請求項１
に記載の燃料噴射装置において、前記燃料噴射制御手段
は、二次燃料噴射により噴射された燃料が、気筒内に排
気行程時に生じる排気ポートへと向かう排気流に乗るよ
うに二次燃料噴射を制御する内燃機関の燃料噴射装置が
提供される。すなわち、請求項３に記載の発明では、燃
料噴射制御手段は、排気行程時に気筒内に生じる排気ポ
ートへと向かう排気流に乗るように二次燃料噴射の燃料
噴射量、噴射タイミング、噴射圧力、噴射方向等を変更
する。このため、二次燃料噴射により気筒内に噴射され
た燃料は排気流に乗って排気ポートから排出され気筒内
に残留燃料が生じない。これにより、二次燃料噴射実施
時に機関出力トルクの変動が生じることが防止される。

【００１０】請求項４に記載の発明によれば、内燃機関
の気筒に直接燃料を噴射する筒内燃料噴射弁と、前記筒
内燃料噴射弁を制御して、気筒内の燃焼に寄与する燃料
を噴射する主燃料噴射を行なうとともに、必要に応じて
主燃料噴射の後の膨張行程または排気行程中に気筒内の
燃焼に寄与しない燃料を噴射する二次燃料噴射を行なう
燃料噴射制御手段と、を備え、前記燃料噴射制御手段は
二次燃料噴射の燃料噴射量が大きいほど二次燃料噴射の
噴射時期を進角させる内燃機関の燃料噴射装置が提供さ
れる。

【００１１】すなわち、請求項４に記載の発明では、燃
料噴射制御手段は二次燃料噴射量が大きいほど二次燃料
噴射時期を進角させる。これにより、二次燃料噴射量が
大きい場合でも排気弁閉弁までに充分な時間を確保でき
るため噴射された燃料が気筒内に残留することがなく、
二次燃料噴射による機関出力トルクの変動が防止され
る。

【００１２】請求項５に記載の発明によれば、内燃機関
の気筒に直接燃料を噴射する筒内燃料噴射弁と、前記筒
内燃料噴射弁を制御して、気筒内の燃焼に寄与する燃料
を噴射する主燃料噴射を行なうとともに、必要に応じて
主燃料噴射の後の膨張行程または排気行程中に気筒内の
燃焼に寄与しない燃料を噴射する二次燃料噴射を行なう
燃料噴射制御手段と、二次燃料噴射により噴射された燃
料の流れを気筒排気ポートに向けて偏流させる偏流手段
と、を備えた内燃機関の燃料噴射装置が提供される。

【００１３】すなわち、請求項５に記載の発明では、偏
流手段は二次燃料噴射により噴射された燃料を排気ポー
トに向けて流すようにするため、二次燃料噴射により噴
射された燃料の全量が排気ポートから排出され気筒内に
残留しない。このため、二次燃料噴射実施時にも機関出
力トルク変動が生じない。請求項６に記載の発明によれ
ば、請求項５に記載の燃料噴射装置において、前記偏流
手段は、ピストン頂面に設けられたキャビティを備え、
該キャビティ表面に沿って二次燃料噴射により噴射され
た燃料の流れを前記排気ポートに向けて偏流させる内燃
機関の燃料噴射装置が提供される。

【００１４】すなわち、請求項６に記載の発明では偏流
手段は、ピストン頂面に設けられたキャビティを備えて
おり、二次燃料噴射により噴射された燃料をキャビティ
表面に沿って流すことにより燃料の流れを排気ポートに
向けて偏流させる。請求項７に記載の発明によれば、請
求項５に記載の燃料噴射装置において、前記偏流手段
は、二次燃料噴射時に噴射弁の燃料噴射方向を排気ポー
ト方向に向けて変化させる手段を備えた内燃機関の燃料
噴射装置が提供される。

【００１５】すなわち、請求項７に記載の発明では偏流
手段は、二次燃料噴射実行時の筒内燃料噴射弁の燃料噴
射方向を排気ポート方向に向けて変化させる噴射方向制
御手段を備えている。噴射方向制御手段としては、例え
ば燃料噴射弁噴口付近に加圧空気を排気ポート方向に向
けて噴出するエアアシストポートを設けても良いし、或
いは主燃料噴射に用いる燃料噴射弁とは別の二次燃料噴
射用の副燃料噴射弁を設けるようにすることも可能であ
る。

【００１６】請求項８に記載の発明によれば、内燃機関
の気筒に直接燃料を噴射する筒内燃料噴射弁と、前記筒
内燃料噴射弁を制御して、気筒内の燃焼に寄与する燃料
を噴射する主燃料噴射を行なうとともに、必要に応じて
主燃料噴射の後の膨張行程または排気行程中に気筒内の
燃焼に寄与しない燃料を噴射する二次燃料噴射を行なう
燃料噴射制御手段と、を備え、前記燃料噴射制御手段
は、二次燃料噴射における燃料噴射圧を主燃料噴射にお
ける燃料噴射圧より低く設定する内燃機関の燃料噴射装
置が提供される。

【００１７】すなわち、請求項８に記載の発明では、燃
料噴射制御手段は二次燃料噴射における噴射圧を主燃料
噴射における噴射圧より低く設定する。これにより、二
次燃料噴射により噴射された燃料は気筒壁やピストンに
衝突して付着することなく、気筒内の排気とともに排出
される。このため、気筒内に燃料が残留することが防止
され、二次燃料噴射による機関出力トルク変動が生じな
い。

【００１８】請求項９に記載の発明によれば、内燃機関
の気筒に直接燃料を噴射する筒内燃料噴射弁と、前記筒
内燃料噴射弁を制御して、気筒内の燃焼に寄与する燃料
を噴射する主燃料噴射を行なうとともに、必要に応じて
主燃料噴射の後の膨張行程または排気行程中に気筒内の
燃焼に寄与しない燃料を噴射する二次燃料噴射を行なう
燃料噴射制御手段と、を備え、前記燃料噴射制御手段は
直前の二次燃料噴射により噴射された燃料のうち、気筒
内に残留している燃料量を算出するとともに、該残留燃
料量に応じて前記主燃料噴射の噴射量を補正する内燃機
関の燃料噴射装置が提供される。

【００１９】すなわち、請求項９に記載の発明では、燃
料噴射制御手段は直前の二次燃料噴射により気筒内に残
留する燃料の量を算出し、残留燃料量に応じて主燃料噴
射量を補正する。この補正は例えば、主燃料噴射量を残
留燃料量相当分だけ減量することにより行なう。これに
より、主燃料噴射時に燃焼に寄与する燃料量は目標量に
維持されるようになる。このため、二次燃料噴射により
気筒内に燃料が残留した場合でも機関の出力トルク変動
が生じない。

【００２０】請求項１０に記載の発明によれば、内燃機
関の気筒に直接燃料を噴射する筒内燃料噴射弁と、前記
筒内燃料噴射弁を制御して、気筒内の燃焼に寄与する燃
料を噴射する主燃料噴射を行なうとともに、必要に応じ
て主燃料噴射の後の膨張行程または排気行程中に気筒内
の燃焼に寄与しない燃料を噴射する二次燃料噴射を行な
う燃料噴射制御手段と、を備え、前記燃料噴射制御手段
は必要に応じて前記主燃料噴射を、気筒内に均質混合気
を生成させるための第１主燃料噴射と可燃混合気の層を
生成させるための第２主燃料噴射とに分けて２回行い、
前記二次燃料噴射実行時には、直前の二次燃料噴射によ
り噴射された燃料のうち、気筒内に残留している燃料量
を算出し、該残留燃料量に応じて前記第１主燃料噴射の
噴射量を補正する内燃機関の燃料噴射装置が提供され
る。

【００２１】すなわち、請求項１０に記載の発明では燃
料噴射制御手段は主燃料噴射を２回行なう際には、二次
燃料噴射による気筒内残留燃料量に応じて第１主燃料噴
射の量を補正する。この補正は例えば、第１主燃料噴射
量を残留燃料量相当分だけ減量することにより行なう。
第１主燃料噴射は気筒内に均質な混合気を生成するため
のものであるのに対して、第２主燃料噴射は混合気を成
層させるためのものである。一方、気筒内に残留した燃
料は気筒内に均質な混合気を生成する。このため、第１
主燃料噴射量を通常通りに設定すると生成される均質混
合気の空燃比は目標値よりリッチとなる。本発明では、
残留燃料量に応じて第１主燃料噴射量を補正することに
より、気筒内に生成される均質混合気の空燃比が目標値
に維持されるようになる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を用いて本発明の
実施形態について説明する。図１は本発明の燃料噴射装
置を自動車用内燃機関に適用した場合の実施形態の概略
構成を説明する図である。図１において、１は自動車用
内燃機関を示す。本実施形態では、機関１は＃１から＃
４の４つの気筒を備えた４気筒ガソリン機関とされ、＃
１から＃４気筒には直接気筒内に燃料を噴射する燃料噴
射弁１１１から１１４が設けられている。後述するよう
に、本実施形態の内燃機関１は、理論空燃比より高い
（リーンな）空燃比で運転可能なリーンバーンエンジン
とされている。

【００２３】また、本実施形態では＃１から＃４の気筒
は互いに点火時期が連続しない２つの気筒からなる２つ
の気筒群にグループ分けされている。（例えば、図１の
実施形態では、気筒点火順序は１−３−４−２であり、
＃１、＃４の気筒と＃２、＃３の気筒とがそれぞれ気筒
群を構成している。）また、各気筒の排気ポートは気筒
群毎に排気マニホルドに接続され、気筒群毎の排気通路
に接続されている。図１において、２１ａは＃１、＃４
気筒からなる気筒群の排気ポートを個別排気通路２ａに
接続する排気マニホルド、２１ｂは＃２、＃４気筒から
なる気筒群の排気ポートを個別排気通路２ｂに接続する
排気マニホルドである。本実施形態では、個別排気通路
２ａ、２ｂ上には三元触媒からなるスタートキャタリス
ト（以下「ＳＣ」と呼ぶ）５ａと５ｂがそれぞれ配置さ
れている。また、個別排気通路２ａ、２ｂはＳＣ下流側
で共通の排気通路２に合流している。

【００２４】共通排気通路２上には、後述するＮＯ_X吸
蔵還元触媒７が配置されている。図１に２９ａ、２９ｂ
で示すのは、個別排気通路２ａ、２ｂのスタートキャタ
リスト５ａ、５ｂ上流側に配置された空燃比センサ、３
１で示すのは、排気通路２のＮＯ_X吸蔵還元触媒７出口
に配置された空燃比センサである。空燃比センサ２９
ａ、２９ｂ及び３１は、広い空燃比範囲で排気空燃比に
対応する電圧信号を出力する、いわゆるリニア空燃比セ
ンサとされている。

【００２５】図１において、機関の１の気筒＃１から＃
４の吸気ポートは吸気マニホルド１０ｂを介してサージ
タンク１０ａに接続されており、サージタンクは共通の
吸気通路１０に接続されている。更に、本実施形態では
吸気通路１０上にはスロットル弁１５が設けられてい
る。本実施形態のスロットル弁１５はいわゆる電子制御
スロットル弁とされており、ステッパモータ等の適宜な
形式のアクチュエータ１５ａにより駆動され後述するＥ
ＣＵ３０からの制御信号に応じた開度をとる。図１に１
５ｂで示すのは、スロットル弁１５の開度を検出するス
ロットル弁開度センサである。

【００２６】本実施形態では、筒内燃料噴射弁１１１か
ら１１４は個別にコモンレール（蓄圧室）１１０に接続
され、コモンレール１１０内の高圧の燃料を気筒内に噴
射する。図１に１３０で示したのは、プランジャポンプ
等の高圧ポンプからなる燃料ポンプである。燃料ポンプ
１３０は、各燃料噴射弁（１１１〜１１４）の燃料噴射
が行なわれる毎にコモンレール１１０に高圧の燃料を圧
送している。

【００２７】図１に２００で示すのは、機関１のバルブ
タイミングを変化させる可変バルブタイミング装置であ
る。本実施形態では、可変バルブタイミング装置２００
は後述するＥＣＵ３０からの指令信号に応じて機関１の
バルブタイミングを変更可能なものであれば、任意の公
知の形式のものが使用可能であり、吸気弁または／及び
排気弁の開閉タイミングのみを変化させるもの、開閉タ
イミングとともにバルブリフトをも変化させるもの等の
いずれも使用することができる。また、バルブタイミン
グの変更は連続的に行なうものでも、段階的に行なうも
のでも良い。

【００２８】図１に３０で示すのは、機関１の制御を行
なうＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）である。
ＥＣＵ３０はＲＡＭ、ＲＯＭ、ＣＰＵを双方向性バスで
相互に接続した公知の構成のマイクロコンピュータから
なり、機関１の主燃料噴射制御や点火時期制御等の基本
制御を行なう。また、ＥＣＵ３０は本実施形態では後述
するＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生操作時に気筒内の燃焼を
リッチ空燃比に切り換えたり、各気筒の膨張または排気
行程に二次燃料噴射を行ないＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入
する排気空燃比を短時間でリッチ空燃比に切り換えるた
めの二次燃料噴射制御を行なう。

【００２９】ＥＣＵ３０の入力ポートには、空燃比セン
サ２９ａ、２９ｂからＳＣ５ａ、５ｂ入口における排気
空燃比を表す信号と、空燃比センサ３１からＮＯ_X吸蔵
還元触媒７出口における排気空燃比を表す信号と、サー
ジタンク１０ａに設けられた吸気圧センサ３７から機関
の吸気圧力に対応する信号、及びアクセル開度センサ３
３から運転者のアクセルペダル踏込み量（アクセル開
度）に応じた信号がそれぞれ入力されている他、機関ク
ランク軸（図示せず）近傍に配置された回転数センサ３
５から機関クランク軸一定回転角度毎にクランク回転角
パルス信号が入力されている。ＥＣＵ３０は、このパル
ス信号からクランク軸回転角を算出するとともに、パル
ス信号の周波数から機関回転数を算出する。更に、ＥＣ
Ｕ３０の入力ポートにはコモンレール１１０に配置した
燃料圧力センサ１２０からコモンレール１１０内の燃料
圧力に対応する信号と、スロットル弁開度センサ１５ｂ
からスロットル弁１５の開度を表す信号が入力されてい
る。

【００３０】また、ＥＣＵ３０の出力ポートは、各気筒
への燃料噴射量及び燃料噴射時期を制御するために、図
示しない燃料噴射回路を介して各気筒の燃料噴射弁１１
１から１１４に接続されている他、スロットル弁１５の
アクチュエータ１５ｂに図示しない駆動回路を介して接
続されスロットル弁１５の開度を制御している。上記制
御の他にＥＣＵ３０は、燃料圧力センサ１２０から入力
したコモンレール１１０内燃料圧力信号に応じてコモン
レール内燃料圧力が目標値になるように燃料ポンプ１３
０の燃料圧送量をフィードバック制御している。なお、
燃料ポンプ１３０からコモンレール１１０への燃料の圧
送は、燃料噴射弁１１１〜１１４からの燃料噴射毎に行
なわれる。

【００３１】更に、ＥＣＵ３０の出力ポートは図示しな
い駆動回路を介して可変バルブタイミング装置２００に
接続されており、機関負荷状態（アクセル開度と機関回
転数）とに応じて機関１のバルブタイミングを制御して
いる。本実施形態では、機関１の主燃料噴射、すなわち
気筒内で燃焼させるための燃料の噴射は、機関負荷に応
じて次の５つのモードに制御される。

【００３２】リーン空燃比成層燃焼（圧縮行程１回
噴射）リーン空燃比均質混合気／成層燃焼（吸気行程／圧
縮行程２回噴射）リーン空燃比均質混合気燃焼（吸気行程１回噴射）理論空燃比均質混合気燃焼（吸気行程１回噴射）リッチ空燃比均質混合気燃焼（吸気行程１回噴射）すなわち、機関１の軽負荷運転領域では、上記のリー
ン空燃比成層燃焼が行なわれる。この状態では、筒内燃
料噴射は各気筒の圧縮行程後半に１回のみ行なわれ噴射
された燃料は気筒点火プラグ近傍に可燃混合気の層を形
成する。また、この運転状態での燃料噴射量は極めて少
なく、気筒内の全体としての空燃比は２５から３０程度
になる。

【００３３】また、上記の状態から負荷が増大して低
負荷運転領域になると、上記リーン空燃比均質混合気
／成層燃焼が行なわれる。機関負荷が増大するにつれて
気筒内に噴射する燃料は増量されるが、上記の成層燃
焼では燃料噴射を圧縮行程後半に行なうため、噴射時間
が限られてしまい成層させることのできる燃料量には限
界がある。そこで、この負荷領域では圧縮行程後半の燃
料噴射だけでは不足する燃料の量を予め吸気行程前半に
噴射することにより目標量の燃料を気筒に供給するよう
にしている。吸気行程前半に気筒内に噴射された燃料は
着火時までに極めてリーンな均質混合気を生成する。圧
縮行程後半ではこの極めてリーンな均質混合気中に更に
燃料が噴射され点火プラグ近傍に着火可能な可燃混合気
の層が生成される。着火時にはこの可燃混合気層が燃焼
を開始し周囲の希薄な混合気層に火炎が伝播するため安
定した燃焼が行なわれるようになる。この状態では吸気
行程と圧縮行程での噴射により供給される燃料量はよ
り増量されるが、全体としての空燃比はやや低いリーン
（例えば空燃比で２０から３０程度）になる。

【００３４】更に機関負荷が増大すると、機関１では上
記のリーン空燃比均質混合気燃焼が行なわれる。この
状態では燃料噴射は吸気行程前半に１回のみ実行され、
燃料噴射量は上記より更に増量される。この状態で気
筒内に生成される均質混合気は理論空燃比に比較的近い
リーン空燃比（例えば空燃比で１５から２５程度）とな
る。

【００３５】更に機関負荷が増大して機関高負荷運転領
域になると、の状態から更に燃料が増量され、上記
の理論空燃比均質混合気運転が行なわれる。この状態で
は、気筒内には理論空燃比の均質な混合気が生成される
ようになり、機関出力が増大する。また、更に機関負荷
が増大して機関の全負荷運転になると、の状態から燃
料噴射量が更に増量されのリッチ空燃比均質混合気運
転が行なわれる。この状態では、気筒内に生成される均
質混合気の空燃比はリッチ（例えば空燃比で１２から１
４程度）になる。

【００３６】本実施形態では、アクセル開度（運転者の
アクセルペダル踏込み量）と機関回転数とに応じて予め
実験等に基づいて最適な運転モード（上記から）が
設定されており、ＥＣＵ３０のＲＯＭにアクセル開度と
機関回転数とを用いたマップとして格納してある。機関
１運転中、ＥＣＵ３０はアクセル開度センサ３３で検出
したアクセル開度と機関回転数とに基づいて、現在上記
からのいずれの運転モードを選択すべきかを決定
し、それぞれのモードに応じて燃料噴射量、燃料噴射時
期、回数及びスロットル弁開度を決定する。

【００３７】すなわち、上記からのモード（リーン
空燃比燃焼）が選択された場合には、ＥＣＵ３０は上記
からのモード毎に予め準備されたマップに基づい
て、アクセル開度と機関回転数とから燃料噴射量を決定
する。又、上記とのモード（理論空燃比またはリッ
チ空燃比均質混合気燃焼）が選択された場合には、ＥＣ
Ｕ３０は上記とのモード毎に予め準備されたマップ
に基づいて、吸気圧センサ３３で検出された吸気圧力と
機関回転数とに基づいて燃料噴射量を設定する。

【００３８】また、モード（理論空燃比均質混合気燃
焼）が選択された場合には、ＥＣＵ３０は更に上記によ
り算出した燃料噴射量を、機関排気空燃比が理論空燃比
となるように空燃比センサ２９ａ、２９ｂの出力に基づ
いてフィードバック補正する空燃比制御を行なう。スタ
ートキャタリスト（ＳＣ）５ａ、５ｂは、ハニカム状に
成形したコージェライト等の担体を用いて、この担体表
面にアルミナの薄いコーティングを形成し、このアルミ
ナ層に白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ等の貴
金属触媒成分を担持させた三元触媒として構成される。
三元触媒は理論空燃比近傍でＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_Xの３成
分を高効率で浄化する。三元触媒は、流入する排気の空
燃比が理論空燃比より高くなるとＮＯ_Xの還元能力が低
下するため、機関１がリーン空燃比運転されているとき
の排気中のＮＯ_Xを充分に浄化することはできない。

【００３９】本実施形態では、ＳＣ５ａ、５ｂは、主に
冷間始動直後の機関１のリッチ空燃比運転時の排気浄
化、及び通常運転時に機関１が理論空燃比で運転される
場合の排気浄化を行なう。このため、ＳＣ５ａ、５ｂは
機関始動後短時間で触媒の活性温度に到達し触媒作用を
開始することができるように、排気通路２ａ、２ｂの機
関１に近い部分に配置され、熱容量を低減するために比
較的小容量のものとされている。

【００４０】次に、本実施形態のＮＯ_X吸蔵還元触媒７
について説明する。本実施形態のＮＯ_X吸蔵還元触媒７
は、例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカ
リウムＫ、ナトリウムＮa 、リチウムＬi 、セシウムＣ
s のようなアルカリ金属、バリウムＢa 、カルシウムＣ
a のようなアルカリ土類、ランタンＬa 、セリウムＣ
ｅ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なく
とも一つの成分と、白金Ｐｔのような貴金属とを担持し
たものである。ＮＯ_X吸蔵還元触媒は流入する排気ガス
の空燃比がリーンのときに、排気中のＮＯ_X（窒素酸化
物）を硝酸イオンＮＯ₃ ^-の形で吸収し、流入排気ガス
が理論空燃比以下（リッチ空燃比）になると吸収したＮ
Ｏ_Xを放出するＮＯ_Xの吸放出作用を行う。

【００４１】この吸放出のメカニズムについて、以下に
白金ＰｔおよびバリウムＢａを使用した場合を例にとっ
て説明するが他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土
類、希土類を用いても同様なメカニズムとなる。流入排
気中の酸素濃度が増大すると（すなわち排気空燃比がリ
ーンになると）、これら酸素は白金Ｐｔ上にＯ₂ ^-また
はＯ^2-の形で付着し、排気中のＮＯ_Xは白金Ｐｔ上のＯ
₂ ^-またはＯ^2-と反応し、これによりＮＯ₂が生成され
る。また、流入排気中のＮＯ₂及び上記により生成した
ＮＯ₂は白金Ｐｔ上で更に酸化されつつ吸収剤中に吸収
されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら硝酸イオンＮ
Ｏ ₃ ^-の形で吸収剤内に拡散する。このため、リーン雰
囲気下では排気中のＮＯ_XがＮＯ_X吸収剤内に硝酸塩の
形で吸収されるようになる。

【００４２】また、流入排気中の酸素濃度が大幅に低下
すると（すなわち、排気空燃比が理論空燃比より小さく
（リッチに）なると）、白金Ｐｔ上でのＮＯ₂生成量が
減少するため、反応が逆方向に進むようになり、吸収剤
内の硝酸イオンＮＯ₃ ^-はＮＯ₂の形で吸収剤から放出
されるようになる。この場合、排気中にＣＯ等の還元成
分やＨＣ、ＣＯ₂等の成分が存在すると白金Ｐｔ上でこ
れらの成分によりＮＯ ₂が還元される。

【００４３】本実施形態では、前述のように通常運転に
おいては機関１は高負荷運転を除いて大部分の負荷領域
でリーン空燃比で運転され、ＮＯ_X吸蔵還元触媒は流入
する排気中のＮＯ_Xを吸収する。また、機関１がリッチ
空燃比で運転されると、ＮＯ _X吸蔵還元触媒７は吸収し
たＮＯ_Xを放出、還元浄化する。このため、従来リーン
空燃比運転中にＮＯ_X吸蔵還元触媒７に吸収されたＮＯ
_X量が増大すると、短時間機関空燃比をリーン空燃比か
らリッチ空燃比に切り換えるリッチスパイク運転を行
い、ＮＯ_X吸蔵還元触媒からのＮＯ_Xの放出と還元浄化
（ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生）を行なうようにしてい
る。

【００４４】ところが、機関１のリッチスパイク運転を
行なうとリーン空燃比からリッチ空燃比に切り換えた直
後にＮＯ_X吸蔵還元触媒から未浄化のＮＯ_Xが放出され
ることが判明している。これは、機関をリーン空燃比運
転からリッチ空燃比運転に切り換える際に排気中のＨ
Ｃ、ＣＯ成分が不足する場合が生じるためと考えられ
る。すなわち、リーンからリッチに切り換えの際排気空
燃比は連続的に変化するが、この際にリッチ空燃比では
あるもののリッチの度合いが低く排気中のＨＣ、ＣＯ成
分が比較的少ない領域を通過するため、この領域では排
気中のＨＣ、ＣＯ成分が不足して、ＮＯ_X吸蔵還元触媒
から放出されたＮＯ_Xの全量を還元できないためと考え
られる。

【００４５】そこで、本実施形態ではＮＯ_X吸蔵還元触
媒からＮＯ_Xを放出させるべきときには、主燃料噴射後
の膨張または排気行程に二次燃料噴射を行って排気空燃
比を急激にかなりのリッチ空燃比とすることにより、Ｎ
Ｏ_X吸蔵還元触媒からの未浄化のＮＯ_Xの放出を防止し
ている。主燃料噴射により気筒内に供給された燃料の燃
焼後の膨張または排気行程に噴射された燃料は燃焼せず
に高温の既燃ガスと接触して気化するとともに低分子量
のＨＣを生成する。また、二次燃料噴射により供給され
た燃料は気筒内での燃焼に寄与しないため比較的多量の
燃料を二次燃料噴射により供給しても機関出力トルク増
大が生じない。このため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒からＮＯ
_Xを放出させるべきときに二次燃料噴射を行なうことに
より、機関出力トルクの変動を生じることなく排気空燃
比を低い値まで急激に変化させることができる。これに
より、ＮＯ_X吸蔵還元触媒には中間の空燃比を経ること
なく、リッチの程度の高い排気を供給することが可能と
なりＮＯ_X吸蔵還元触媒からのＮＯ_X放出時初期に未浄
化のＮＯ_Xが放出される事態が防止される。なお、ＮＯ
_X吸蔵還元触媒からのＮＯ_Xの放出は二次燃料噴射のみ
によって行なうことも可能であるし、主燃料噴射量を増
量して通常のリッチスパイクを行なう際にリッチスパイ
ク初期のみ二次燃料噴射を行い排気空燃比を急激にリッ
チ空燃比に切り換えるようにしても良い。

【００４６】ところが、二次燃料噴射を行なう際に二次
燃料噴射により噴射された燃料の一部が気筒内に残留す
ると機関出力トルクの変動が生じる場合がある。前述の
ように、ＥＣＵ３０は機関負荷状態（アクセル開度、回
転数）に基づいて必要とされる燃料量を算出し主燃料噴
射により気筒に供給している。このため、二次燃料噴射
による残留燃料が生じると、次のサイクルでは主燃料噴
射により供給された燃料に加えて上記残留燃料が気筒内
で燃焼することになり、必要量以上の燃料の燃焼により
機関出力トルクが増大しトルク変動が生じる問題があ
る。本発明では、この問題を以下に説明する２つの方法
により解決している。

【００４７】(A) 二次燃料噴射により噴射された燃料の
全量を排気行程中（排気弁開弁中）に気筒外に排出し残
留燃料が生じないようにする。 (B) 残留燃料が生じた場合には、次回の主燃料噴射時の
燃料噴射量を残留燃料分だけ減量補正し燃焼に寄与する
燃料量が主燃料噴射の目標噴射量と一致するようにす
る。

【００４８】以下、それぞれの方法をとった場合の実施
形態について説明する。（１）第１の実施形態本実施形態では、二次燃料噴射により噴射された燃料の
全量を排気行程中に気筒外に排出することにより、二次
燃料噴射による機関出力トルクの変動を防止している。

【００４９】図２は、機関１の気筒の縦断面を示す図で
ある。図２は＃１気筒の断面を示すが、＃２〜＃４気筒
の構成も図２と同様となっている。図２において、１０
は気筒燃焼室、１１はピストン、１３は吸気ポート、１
３ａは吸気弁、１５は排気ポート、１５ａは排気弁をそ
れぞれ示している。また、１１１は筒内燃料噴射弁、１
７はシリンダヘッド気筒中央部に設けられた点火プラグ
である。本実施形態では、ピストン１１の頂面には凹上
のピストンキャビティ１１ａが設けられている。キャビ
ティ１１ａは、リーン空燃比運転時の圧縮行程後半に燃
料噴射弁１１１から噴射された燃料を点火プラグ１７近
傍に集中させてプラグ１７近傍に可燃空燃比の混合気層
を生成する役割を果たしている。すなわち、前述のリ
ーン空燃比成層燃焼（圧縮行程１回噴射）及び、リー
ン空燃比均質混合気／成層燃焼（吸気行程／圧縮行程２
回噴射）の主燃料噴射においては、圧縮行程後半にピス
トンが充分に上昇した位置に来たときに筒内燃料噴射１
１１から比較的貫徹力の強い（噴射圧の高い）燃料がピ
ストンキャビティ１１ａに向けて噴射される。

【００５０】この時、噴射された燃料はピストンキャビ
ティ１１ａ表面に到達し、キャビティ１１ａの曲面に沿
って流れる。キャビティ１１ａの燃料噴射弁１１１から
遠い側の側面１１ｂは比較的曲率が大きく（曲率半径が
小さく）形成されており、キャビティ１１ａの表面に沿
って流れる燃料を点火プラグ１７近傍に向けて偏流する
ようになっている。これにより、燃料噴射弁１１１から
噴射された燃料が点火プラグ１７近傍に成層するように
なる。

【００５１】本実施形態では、このピストンキャビティ
１１ａを利用して二次燃料噴射により噴射された燃料の
全量を排気ポート１５から排出するようにしている。す
なわち、本実施形態では燃料噴射タイミングは排気行程
後半の、主燃料噴射が行なわれる燃料噴射タイミングか
らクランク角で３６０度遅れた時点に設定される。これ
により、二次燃料噴射実行時にはピストン１１は混合気
を成層させるための主燃料噴射（以下「圧縮行程燃料噴
射」という）実施時と同一の位置になっている。このた
め、二次燃料噴射により噴射された燃料は主燃料噴射と
同様に曲面１１ｂにより偏流され、点火プラグ１７近傍
（すなわち排気ポート１３）に向けて流れることにな
る。ところが、排気行程後半では排気弁１５ａが開弁し
ているため、上記により偏流された二次噴射燃料は図２
にＦで示したように点火プラグ１７周りに成層すること
なく、その全量が排気ポート１３から気筒外に排出され
るようになる。このため、二次燃料噴射による気筒内残
留燃料が生じることが防止される。なお、この場合噴射
された燃料がピストンキャビティ１１ａ表面に接触する
ことになるが、運転中ピストンは高温になっているため
キャビティ１１ａ表面に接触した燃料は直ちに気化し、
キャビティ１１ａ表面に付着、残留することはない。

【００５２】ところで、上記のように二次燃料噴射によ
り噴射された燃料の全量を気筒外に排出させるために
は、排気行程時に吸気弁１３ａが開弁を開始するまでの
間に燃料の全部を排気ポート１５から排出し終わる必要
がある。排気弁１５ａと吸気弁１３ａとが同時に開弁し
ている期間（バルブオーバラップ期間）に気筒内に燃料
が残っていると、燃料の一部が吸気ポートに逆流し次の
吸気行程で再度気筒内に流入するようになり二次噴射燃
料の一部が気筒内に残留する可能性があるためである。
また、本実施形態の機関１は可変バルブタイミング装置
２００を備えており、機関負荷状態に応じてバルブタイ
ミングが変更される。そこで、本実施形態では二次燃料
噴射実行時に吸気弁の開弁タイミングを読み込み、二次
燃料噴射量を吸気弁開弁タイミングに応じて変更するこ
とにより、二次燃料噴射により噴射された燃料が吸気ポ
ートに逆流して気筒内に残留することを防止している。

【００５３】図３は、本実施形態における燃料噴射制御
操作を説明するフローチャートである。本操作は、ＥＣ
Ｕ３０によりクランク軸一定回転角毎に実行されるルー
チンにより行なわれる。図３において操作がスタートす
ると、ステップ３０１では二次燃料噴射が要求されてい
るか否かが判定される。本実施形態では、別途実行され
る図示しないルーチンによりＮＯ_X吸蔵還元触媒７に吸
収されたＮＯ_X量を機関運転状態に基づいて推定してお
り、吸収ＮＯ_X量が所定値に到達した場合に二次燃料噴
射（リッチスパイク）が要求される。なお、ＮＯ_X吸収
量を推定する代わりに、前回のＮＯ_X放出操作実行時か
ら一定時間が経過したとき、或いは前回ＮＯ_X放出操作
実行時からの機関回転数積算値が所定値に到達したとき
にＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸収ＮＯ_X量が所定値に到達し
たと仮定して二次燃料噴射を要求するようにしても良
い。

【００５４】ステップ３０１で二次燃料噴射が要求され
ていない場合には本操作はステップ３０３から３２１を
実行することなく直ちに終了し、二次燃料噴射は実施さ
れない。一方、ステップ３０１で二次燃料噴射が要求さ
れている場合には、次にステップ３０３が実行され二次
燃料噴射量の目標値qinjexが算出される。ステップ３０
３では、機関１回転当たりに気筒に吸入される空気量Ｑ
と主燃料噴射量とから所望の空燃比を得るために必要な
二次燃料噴射量qinjexを算出する。本実施形態では、予
め実験により機関回転数Ｎと負荷（アクセル開度）ＡＣ
ＣＰと機関１回転当たりの気筒吸入空気量Ｑとの関係を
求め、Ｎ、ＡＣＣＰを用いた数値マップの形でＥＣＵ３
０のＲＯＭに格納してある。また、主燃料噴射量も同様
にＮ、ＡＣＣＰの数値マップとしてＥＣＵ３０のＲＯＭ
に格納してある。従って、ステップ３０３では現在の負
荷条件（Ｎ、ＡＣＣＰ）を用いてこれらの数値マップか
ら吸入空気量Ｑと主燃料噴射量とを算出し、排気空燃比
を目標値にするのに必要とされる二次燃料噴射量qinjex
を算出する。

【００５５】二次燃料噴射量qinjex算出後、ステップ３
０５では、算出された二次燃料噴射量qinjex(ml)をコモ
ンレール１１０内燃料圧力と筒内燃料噴射弁の特性値と
を用いて燃料噴射時間（燃料噴射弁開弁時間）tauex (m
s)に換算する。そして、ステップ３０７では現在可変バ
ルブタイミング装置２００により設定されている吸気弁
開弁時期（クランク角）ＩＯを読み込み、ステップ３０
９では現在許容可能な最大二次燃料噴射時間（ガード
値）tauexmax を算出する。

【００５６】本実施形態では、前述したように燃料噴射
弁から二次燃料噴射により噴射された燃料の全量が吸気
弁開弁前に気筒外に排出される必要がある。また、本実
施形態では二次燃料噴射のタイミングは固定されている
( 圧縮行程噴射タイミングから３６０度遅れ）。このた
め、噴射した燃料の全量を吸気弁開弁前に気筒外に排出
するためには燃料噴射量の最大値を制限する必要があ
る。ステップ３０９では、ステップ３０７で読み込んだ
吸気弁開弁クランク角ＩＯと二次燃料噴射開始クランク
角ainjc ＋360 との差(ainjcは圧縮行程主燃料噴射タイ
ミング) と現在の機関回転数Ｎとを用いて、燃料噴射開
始から吸気弁開弁までの時間 t₁(ms)を算出する。ま
た、二次燃料噴射最終段階で噴射された燃料が排気ポー
トから排出されるためには燃料噴射弁から排気ポートま
での飛行に要する時間t₂が必要となる。ここで、t₂はコ
モンレール１１０内圧力により定まる。従って、本実施
形態では、燃料噴射弁からの燃料噴射は開始後（ｔ₁−
ｔ₂）の時間内に終了しなければ気筒内に残留燃料が生
じる可能性がある。そこで、ステップ３０９では、吸気
弁開弁クランク角ＩＯ、機関回転数Ｎ、コモンレール内
燃料圧力とを用いて上記ｔ₁とｔ₂を算出し、最大燃料
噴射時間tauexmaxを、tauexmax＝ｔ₁−ｔ₂として算出
している。

【００５７】次いで、ステップ３１１から３１７ではス
テップ３０５で設定した目標二次燃料噴射時間tauex を
最大値tauexmaxと最小値tauminとで制限し、taumin≦ta
uex≦tauexmaxの範囲にtauex の値を設定する。最小値t
auemin は、燃料噴射弁１１１の制御可能な最小開弁時
間であり、燃料噴射弁１１１の特性値である。そして、
ステップ３１９では二次燃料噴射開始タイミングainjex
を、ainjex＝ainjc ＋360 に設定するとともに、ステッ
プ３２１で図示しない燃料噴射回路にainjexとtauex と
をセットする。これにより、二次燃料噴射はクランク角
ainjexで開始されtauex の時間噴射が行なわれる。

【００５８】上述のように、本実施形態ではピストンキ
ャビティ１１ａを利用して二次燃料噴射により噴射され
た燃料を排気ポート１３に偏流するとともに、機関負荷
状態とバルブタイミングとに応じて燃料噴射量を制御す
ることにより、二次燃料噴射により噴射された燃料の全
量を排気行程中に気筒外に排出することを可能としてい
る。

【００５９】なお、図２の例ではピストン頂面に形成さ
れたキャビティ１１ａにより二次燃料噴射により噴射さ
れた燃料の流れを排気ポートに向けて偏流しているが、
他の手段を用いて燃料の流れを排気ポートに向けて偏流
するようにしても良い。例えば、燃料噴射弁を加圧空気
を燃料とともに噴射するエアアシスト弁として構成し、
二次燃料噴射時にのみ加圧空気を排気ポート側に向けて
噴射することにより噴射された燃料をアシストエアによ
り排気ポート側に偏流するようにすることも可能であ
る。

【００６０】また、１つの燃料噴射弁で主燃料噴射と二
次燃料噴射とで噴射方向を切り換えることが可能な構造
を有する場合には、二次燃料噴射のときに燃料噴射方向
を排気ポートまたは排気ポートに向かう偏流に向けて切
り換えるようにしても良い。更に、図２の例では主燃料
噴射と二次燃料噴射とを同一の燃料噴射弁で行なってい
るが、主燃料噴射用の燃料噴射弁とは別に二次燃料噴射
専用の副燃料噴射弁を設け、この副燃料噴射弁の噴射方
向を排気ポートに向けて設定するようにしても良い。

【００６１】更に、ピストンキャビティの代わりに、二
次燃料噴射時のみ気筒内に突出する偏流板を設け、二次
燃料噴射により噴射された燃料の流れをこの偏流板に衝
突させて燃料を排気ポートに向けて流すようにしても良
い。（２）第２の実施形態次に、本発明の第２の実施形態について説明する。上述
の第１の実施形態と同様、本実施形態においても二次燃
料噴射により噴射された燃料の全量を排気行程中に気筒
外に排出することにより、二次燃料噴射による機関出力
トルクの変動を防止している。

【００６２】図４は、機関１の気筒断面を示す図２と同
様な図である。図４において、図２と同一の参照符号は
図２と同一の要素を示している。本実施形態では、二次
燃料噴射はピストンが下死点に近い位置にある排気行程
の早い時期に行い、二次燃料噴射の噴射圧力（コモンレ
ール圧力）は主燃料噴射時の圧力に較べて低く設定す
る。このように、排気行程の早い時期では気筒内の既燃
ガスの圧力が高く、図４に矢印で示すように排気ポート
に向かう比較的強い排気流が気筒内に生じている。この
時期に比較的低い噴射圧力で二次燃料噴射を行なうと、
図４にＦで示すように、噴射された燃料は気筒内の排気
流を貫徹してシリンダ壁やピストンに到達することなく
気筒中央付近で排気流に乗り排気ポートに搬送される。
このため、噴射された燃料がシリンダ壁やピストン、シ
リンダヘッド等に付着することなく二次燃料噴射により
噴射された燃料の全量が排気行程中に気筒外に排出さ
れ、気筒内に残留燃料が生じない。

【００６３】前述の実施形態においては、吸気弁開弁ま
でに二次燃料噴射により噴射された燃料の全量を気筒外
に排出するために、機関運転状態（負荷状態）とバルブ
タイミングとに応じて二次燃料噴射量を制御していた
が、本実施形態においては二次燃料噴射のタイミングが
重要となる。すなわち、燃料噴射タイミングが遅くなる
と噴射した燃料の一部が吸気ポートに逆流する可能性が
あり、燃料噴射タイミングが早過ぎると噴射燃料が気筒
内に拡散してしまい、全量が排気流に乗って気筒外に排
出されなくなるおそれがあるためである。以下、本実施
形態における燃料噴射タイミングの制御について説明す
る。

【００６４】図５は本実施形態における燃料噴射制御操
作を説明するフローチャートである。本操作は、ＥＣＵ
３０によりクランク軸一定回転角毎に実行されるルーチ
ンにより行なわれる。図５において操作がスタートする
と、ステップ５０１では二次燃料噴射の要否が判定さ
れ、ステップ５０３では二次燃料噴射量の目標値qinjex
が算出され、更にステップ５０５では目標噴射量qinjex
から噴射時間tauex が算出される。ステップ５０３の目
標噴射量qinjexとステップ５０５の噴射時間tauex との
算出は、それぞれ図３ステップ３０３、３０５と同一の
方法で行なわれるが、本実施形態では二次燃料噴射時に
は主燃料噴射時よりコモンレール１１０圧力が低くなる
ように制御されるため、図３の場合と目標噴射量qinjex
が同一であった場合でも噴射時間tauex は図３の場合よ
り大きくなる。

【００６５】上記によりqinjexとtauex 算出後、本実施
形態ではステップ５０７で現在の吸気弁開弁時期（クラ
ンク角）ＩＯと排気弁開弁時期（クランク角）ＥＯとが
読み込まれ、ステップ５０９では燃料噴射弁１１１から
噴射された燃料が排気ポートから排出されるまでの飛行
時間ｔ₂が、ｔ₂＝α＋βとして算出される。ここで、
αは燃料噴射弁１１１２から噴射された燃料が気筒中央
部に到達するのに必要な時間であり、コモンレール１１
０圧力（燃料噴射圧力）に比例した時間となる。また、
βは中央部に到達した燃料が排気流に乗って排気ポート
から排出されるのに必要な時間であり、機関回転数Ｎに
比例した時間となる。

【００６６】ステップ５０９で飛行時間ｔ₂を算出後、
ステップ５１１では二次燃料噴射時間の最大値（ガード
値）tauexmaxが、tauexmax＝ｔ₃−ｔ₂として算出され
る。ここで、ｔ₃は排気弁が開弁してから吸気弁が開弁
するまでの時間であり、ステップ５０７で読み込んだ吸
排気弁の開弁タイミングＩＯ、ＥＯと機関回転数Ｎとを
用いて算出される。すなわち、tauexmaxは排気弁が開弁
したと同時に二次燃料噴射を行なった場合に、吸気ポー
トに噴射燃料が逆流を生じることなく全量を気筒外に排
出可能な最大燃料噴射量に対応する噴射時間である。

【００６７】ステップ５１１でtauexmax算出後、ステッ
プ５１３からステップ５１７では、ステップ５０５で算
出した目標噴射時間tauex を最大値tauexmaxと最小値ta
uminとで制限し、ステップ５２１では吸気弁開弁時期Ｉ
Ｏと機関回転数Ｎ及び制限後のtauex とに基づいて、二
次燃料噴射開始タイミングainjexが算出される。すなわ
ち、二次燃料噴射開始タイミングは、吸気弁開弁時期よ
り（tauex ＋ｔ₂）だけ早い時期、すなわち、二次燃料
噴射終了時に噴射された燃料が吸気弁開弁直前に排気ポ
ートから排出されるタイミングに開始される。つまり、
本実施形態では二次燃料噴射量が多いほど二次燃料噴射
タイミングは進角されることになる。これにより、二次
燃料噴射により噴射された燃料は吸気弁が開弁する前に
その全量が排気ポートに到達するようになるとともに、
二次燃料噴射タイミングが早くなり過ぎて噴射された燃
料が気筒内に拡散してしまうことが防止される。

【００６８】なお、上述の第２の実施形態では筒内燃料
噴射弁１１１の燃料噴射方向は図２の実施形態のものと
同一であったが、例えば図６に示すようにシリンダヘッ
ドの気筒中央部に下向きに筒内燃料噴射弁を設け、二次
燃料噴射時には低い燃料噴射圧力で燃料を気筒中央部に
向けて噴射するようにすると残留燃料防止効果が更に高
まるようになる。

【００６９】（３）第３の実施形態次に本発明の第３の実施形態について説明する。本実施
形態では、二次燃料噴射実施時に二次燃料噴射により噴
射された燃料の一部が気筒内に残留することを前提とし
て、残留燃料量を機関運転状態から算出するとともに、
次回の主燃料噴射時の燃料噴射量を残留燃料分だけ減量
補正するようにしている。これにより、主燃料噴射時に
気筒内に供給される（燃焼に寄与する）燃料量が主燃料
噴射の目標噴射量と正確に一致するようになる。これに
より、二次燃料噴射実施時に残留燃料が生じた場合でも
機関出力トルク変動が生じることが防止される。

【００７０】まず、最初に本実施形態における二次燃料
噴射における残留燃料量の算出方法について説明する。
図７は、機関を所定の一定回転数で運転した場合の機関
出力トルク（縦軸）と主燃料噴射量（横軸）との関係を
示すグラフである。図７において、カーブＩは主燃料噴
射のみで二次燃料噴射を実行しない場合の出力トルクと
主燃料噴射量との関係を、また、カーブＩＩは主燃料噴
射に加えて二次燃料噴射を実行した場合の出力トルクと
主燃料噴射量との関係を示している。なお、前述したよ
うに二次燃料噴射量はそれぞれの場合において排気空燃
比を目標の空燃比にするために必要な量に設定してお
り、機関負荷（主燃料噴射）と回転数とから決定され
る。また、この場合には二次燃料噴射タイミングは前述
のいずれかの方法で設定しても良いし、一定の適宜なク
ランク角に固定しても良い。

【００７１】前述したように、本来二次燃料噴射による
残留燃料が生じなければ二次燃料噴射の有無にかかわら
ず機関出力トルクは同一となる。しかし、二次燃料噴射
により残留燃料が生じると二次燃料噴射実施時の機関出
力トルクは残留燃料の量に相当する分だけ増大する（図
７カーブＩＩ）。すなわち、ある主燃料噴射量において
二次燃料噴射時に図７にａで示すだけ出力トルクが増大
したとする。また、このときの出力トルク増大量は主燃
料噴射量を図７にｂで示す量だけ増大させた場合と等し
いとする。この場合、出力トルク増大量ａは二次燃料噴
射による気筒内残留燃料の燃焼により生じているのであ
るから、残留燃料量は同じだけ出力トルクを増大させる
のに必要な主燃料噴射量、すなわち図７ｂに示す燃料量
に等しくなるはずである。従って本実施形態では、二次
燃料噴射による出力トルクの増大量が図７にａで示す量
であった場合には、図７にｂで示す量を気筒内残留燃料
量に等しいと仮定して残留燃料量を推定する。

【００７２】すなわち、本実施形態では予め機関の各回
転数と後述のからの燃料噴射モードとの組み合わせ
毎に図７に相当するカーブを実験等により作成し、それ
ぞれの主燃料噴射量における残留燃料量（図７、ｂ）を
算出してある。そして、残留燃料量ｂの値を機関回転数
Ｎと主燃料噴射量(qinj ＝qinjei＋qinjec）とをパラメ
ータとして用いた数値マップとして各燃料噴射モード毎
に作成し、ＥＣＵ３０のＲＯＭに格納してある。機関運
転中ＥＣＵ３０は機関回転数Ｎと主燃料噴射量qinjとに
基づいて二次燃料噴射実施時の気筒内残留燃料量を算出
するようにしている。なお、qinjeiは吸気行程中の第１
主燃料噴射における噴射量、qinjecは圧縮行程における
第２主燃料噴射における噴射量、qinjは両方の合計量で
ある。

【００７３】本実施形態においても、機関１の燃料噴射
モードは下記の５種類とされている。リーン空燃比成層燃焼（圧縮行程１回噴射）リーン空燃比均質混合気／成層燃焼（吸気行程／圧
縮行程２回噴射）リーン空燃比均質混合気燃焼（吸気行程１回噴射）理論空燃比均質混合気燃焼（吸気行程１回噴射）リッチ空燃比均質混合気燃焼（吸気行程１回噴射）本実施形態では、モード（吸気行程／圧縮行程２回噴
射）の場合には、上記補正は吸気行程噴射における燃料
噴射量を残留燃料分だけ減量することにより行う。残留
燃料は気筒内に拡散して均質混合気の一部となり気筒内
に形成される均質混合気の空燃比が直接的に影響を受け
る。本実施形態では、これを防止するため、均質混合気
を生成する吸気行程燃料噴射の量を残留燃料分だけ減量
することにより、実際に生成される均質混合気の空燃比
を目標値に維持するようにしているのである。

【００７４】図８は、本実施形態の主燃料噴射制御操作
を説明するフローチャートである。本操作は、機関クラ
ンク軸一定回転角毎に実行される。図８において、操作
がスタートするとステップ８０１では機関負荷（アクセ
ル開度）ＡＣＣＰと回転数Ｎとが読み込まれる。そし
て、ステップ８０３、８１１、８２３ではアクセル開度
ＡＣＣＰと回転数Ｎとに基づいて上記からのいずれ
の燃料噴射モードを採用するかが決定される。

【００７５】すなわち、ステップ８０３では燃料噴射モ
ードリーン空燃比均質混合気燃焼（吸気行程１回噴
射）または理論空燃比均質混合気燃焼（吸気行程１回
噴射）またはリーン空燃比均質混合気燃焼（吸気行程１
回噴射）を採用すべきか否かがＡＣＣＰとＮとから判定
され、モードまたは、を採用すべき場合には、ス
テップ８０５でＡＣＣＰとＮとに基づいて予めＥＣＵ３
０のＲＯＭに格納した数値マップから吸気行程燃料噴射
量qinjeiが算出され、ステップ８０７では圧縮行程燃料
噴射量qinjecは０に設定される。

【００７６】次いで、ステップ８０９ではqinjeiとqinj
ecとの合計qinjを算出するとともに、二次燃料噴射を実
施した場合の気筒内残留燃料量ｂが回転数Ｎと主燃料噴
射量qinjとに基づいて燃料噴射モード又はにおける
図７の関係から算出される。そして、ステップ８１７で
は現在二次燃料噴射の要求があるか否かを判断し、要求
があった場合にはステップ８１９に進み吸気行程燃料噴
射量qinjeiを残留燃料量ｂだけ減量補正し、ステップ８
２１では補正後の吸気行程燃料噴射量qinjeiと圧縮行程
燃料噴射量qinjec（この場合はqinjec＝０）を燃料噴射
回路にセットして操作を終了する。これにより、二次燃
料噴射実施時には主燃料噴射量は残留燃料量ｂだけ減量
補正されるため、二次燃料噴射実施時にも機関出力トル
ク変動が生じることが防止される。

【００７７】一方、ステップ８０３で燃料噴射モード
、、のいずれもが採用されなかった場合には、ス
テップ８１１に進み、燃料噴射モード（リーン空燃比
均質混合気／成層燃焼（吸気行程／圧縮行程２回噴
射））を採用すべきか否かが判断され、モードが採用
された場合には、ステップ８１３でＡＣＣＰとＮとに基
づいて予めＥＣＵ３０のＲＯＭに格納した数値マップか
ら吸気行程燃料噴射量qinjeiと圧縮行程燃料噴射量qinj
ecとが算出される。そして、ステップ８１５ではモード
における図７の関係から二次燃料噴射実施時の残留燃
料量ｂを算出し、前述のステップ８１７以下の操作を行
なう。すなわち、この場合も吸気行程燃料噴射量qinjei
のみが残留燃料量ｂだけ減量補正され、圧縮行程燃料噴
射量qinjecの補正は行なわない。

【００７８】一方、ステップ８０３と８０１で燃料噴射
モードからのいずれもが採用されなかった場合に
は、燃料噴射モード（リーン空燃比成層燃焼（圧縮行
程１回噴射））が採用され、ステップ８２３ではＡＣＣ
とＮとに基づいて圧縮行程燃料噴射量qinjecが算出さ
れ、吸気行程燃料噴射量qinjeiは０に設定される。ま
た、この場合もステップ８２７ではモードにおける図
７の関係から二次燃料噴射実施時の残留燃料量ｂを算出
し、ステップ８２９では二次燃料噴射要求があるか否か
を判定する。そして、この場合には二次燃料噴射要求が
あったときにはステップ８３１で圧縮行程燃料噴射量qi
njecを残留燃料ｂだけ減量補正してステップ８２１を実
行する。

【００７９】本実施形態では、上述したように二次燃料
噴射による残留燃料量に応じて主燃料噴射量を補正する
ことにより、二次燃料噴射により機関出力トルク変動が
生じることが防止される。また、上記補正の際にモード
（吸気行程と圧縮行程との両方の燃料噴射が行なわれ
る場合）には吸気行程燃料噴射量のみを補正するように
したことにより、均質空燃比混合気の空燃比が目標値に
一致するようになる。

【００８０】なお、本実施形態では、予め実験により求
めた主燃料噴射量と気筒内残留燃料量との関係を用いて
１サイクル毎に補正を行なっているが、実際に気筒内残
留燃料により生じる機関出力トルク変化（図７にａで示
す変動）を機関回転数変動や気筒内燃焼圧力の変化等か
ら検出し、このトルク変化量に基づいて図７の関係から
主燃料噴射量の補正量ｂを算出するようにしても良い。
この場合には、主燃料噴射量の補正はトルク変化を検出
したサイクルの次のサイクルで行なわれることになる。

【００８１】また、上述の各実施形態は機関運転状態に
応じて燃料噴射モードを切り換える機関について説明し
ているが、燃料噴射モードが吸気行程燃料噴射または圧
縮行程燃料噴射、又は両方（２回噴射）に固定された機
関にも本発明が適用できることはいうまでもない。更
に、上記各実施形態では、ＮＯ_X吸蔵還元触媒を排気通
路に配置した場合を例にとって説明したが、本発明はこ
の実施形態に限定されるものではなく二次燃料噴射を実
施する全ての場合において適用可能であることはいうま
でもない。例えば、排気通路にリーン空燃比下で選択的
に排気中のＨＣ（または触媒に吸着したＨＣ）とＮＯ_X
とを反応させることによりＮＯ_Xを還元する選択還元触
媒を配置したような場合には、選択還元触媒にＨＣを供
給する必要が生じるが、本発明は、二次燃料噴射により
選択還元触媒にＨＣを供給するような場合にも適用可能
である。

【００８２】

【発明の効果】請求項１から請求項８に記載の発明で
は、二次燃料噴射実施の際に噴射された燃料の全量を排
気行程中に気筒外に排出するようにしたことにより、二
次燃料噴射実施時にも気筒内に燃料が残留しないため二
次燃料噴射による機関出力トルク変動の発生を防止する
ことが可能となる。

【００８３】また、請求項９と請求項１０に記載の発明
では、二次燃料噴射実施時に気筒内に残留する燃料量を
算出し、残留燃料量に応じて主燃料噴射量を補正するよ
うにしたことにより、二次燃料噴射により気筒内残留燃
料が生じた場合であっても機関出力の変動の発生を防止
することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を自動車用ガソリン機関に適用した場合
の実施形態の概略構成を説明する図である。

【図２】本発明の第１の実施形態を説明する気筒縦断面
図である。

【図３】第１の実施形態の二次燃料噴射制御操作を説明
するフローチャートである。

【図４】本発明の第２の実施形態を説明する気筒縦断面
図である。

【図５】第２の実施形態の二次燃料噴射制御操作を説明
するフローチャートである。

【図６】第２の実施形態の変形例を説明する図４と同様
な図である。

【図７】本発明の第３の実施形態の残留燃料量の算出方
法を説明する図である。

【図８】第３の実施形態の主燃料噴射制御操作を説明す
るフローチャートである。

【符号の説明】

１…機関本体１１…ピストン１１ａ…ピストンキャビティ１５…排気ポート１５ａ…排気弁１１１〜１１４…筒内燃料噴射弁２００…可変バルブタイミング装置３０…エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）７…ＮＯ_X吸蔵還元触媒Ｆ…噴射された燃料

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０２Ｂ 23/08 Ｆ０２Ｂ 23/08 Ｑ３Ｇ３０１Ｖ 23/10 23/10 ＤＦ０２Ｄ 13/02 Ｆ０２Ｄ 13/02 Ｊ 41/02 ３２５ 41/02 ３２５Ａ 41/04 ３２５ 41/04 ３２５Ｚ３３５３３５Ｚ３４５３４５Ｚ 43/00 ３０１ 43/00 ３０１Ｊ３０１ＺＦ０２Ｆ 3/28 Ｆ０２Ｆ 3/28 ＢＦ０２Ｍ 37/00 Ｆ０２Ｍ 37/00 Ｑ // Ｆ０２Ｍ 61/14 ３１０ 61/14 ３１０Ａ (72)発明者加藤健治愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 3G023 AA18 AB01 AC04 AC05 AD02 AG01 AG02 3G066 AA02 AA05 AC09 BA19 CC31 CD26 CE29 DA04 DA09 DB01 DB08 DB09 DC01 DC04 DC11 DC17 DC18 DC19 DC24 3G084 AA04 BA05 BA09 BA14 BA15 BA23 CA01 CA03 CA04 DA11 DA25 EA07 EB11 EC02 EC03 FA00 FA10 FA13 FA18 FA21 FA29 FA33 FA38 3G091 AA17 AA24 AB05 AB06 AB09 CA18 CB00 CB03 CB07 DA06 DC01 EA00 EA01 EA03 EA06 EA07 EA08 EA12 EA33 FA01 FA13 FA14 FB10 FB11 FB12 GA06 GB02Y GB03Y GB04Y GB05X GB05Y GB06X GB06Y GB07X HA11 HA12 HA19 HA36 HA37 HA42 HB07 3G092 AA01 AA06 AA09 AA11 BA06 BA07 BB06 BB13 BB19 DA03 DA12 DC03 DC07 DE03S EA03 EA05 EA06 EA07 EA09 EA13 EA17 EC01 FA04 GA01 GA05 GA06 HA05Z HA06Z HA11Z HA13Z HB01X HB01Z HB03X HB03Z HD06X HD06Z HE01Z HE02Z HE03Z HE07Z HF08Z 3G301 HA04 HA16 HA19 JA04 KA01 KA08 KA09 LA00 LA03 LA07 LA08 LB04 LC04 MA01 MA19 MA26 MA29 NB02 ND01 NE11 NE13 NE14 NE15 NE16 NE17 NE19 NE23 PA07Z PA11Z PA17Z PB03A PB03Z PB08A PB08Z PC01Z PD04A PD04Z PD08A PD08Z PE01Z PE02Z PE03Z PE07Z PE10Z PF03Z

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の気筒に直接燃料を噴射する筒
内燃料噴射弁と、前記筒内燃料噴射弁を制御して、気筒内の燃焼に寄与す
る燃料を噴射する主燃料噴射を行なうとともに、必要に
応じて主燃料噴射の後の膨張行程または排気行程中に気
筒内の燃焼に寄与しない燃料を噴射する二次燃料噴射を
行なう燃料噴射制御手段と、を備え、前記燃料噴射制御手段は二次燃料噴射実行時に、二次燃
料噴射により噴射された燃料が排気行程終了時までに気
筒から排出されるように、機関運転状態に応じて二次燃
料噴射を制御する内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項２】請求項１の燃料噴射装置において、前記
内燃機関は機関バルブタイミングを変更する可変バルブ
タイミング手段を備え、前記燃料噴射制御手段は、機関
バルブタイミングの変化に応じて二次燃料噴射を制御す
る内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項３】請求項１に記載の燃料噴射装置におい
て、前記燃料噴射制御手段は、二次燃料噴射により噴射
された燃料が、気筒内に排気行程時に生じる排気ポート
へと向かう排気流に乗るように二次燃料噴射を制御する
内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項４】内燃機関の気筒に直接燃料を噴射する筒
内燃料噴射弁と、前記筒内燃料噴射弁を制御して、気筒内の燃焼に寄与す
る燃料を噴射する主燃料噴射を行なうとともに、必要に
応じて主燃料噴射の後の膨張行程または排気行程中に気
筒内の燃焼に寄与しない燃料を噴射する二次燃料噴射を
行なう燃料噴射制御手段と、を備え、前記燃料噴射制御手段は二次燃料噴射の燃料噴射量が大
きいほど二次燃料噴射の噴射時期を進角させる内燃機関
の燃料噴射装置。
【請求項５】内燃機関の気筒に直接燃料を噴射する筒
内燃料噴射弁と、前記筒内燃料噴射弁を制御して、気筒内の燃焼に寄与す
る燃料を噴射する主燃料噴射を行なうとともに、必要に
応じて主燃料噴射の後の膨張行程または排気行程中に気
筒内の燃焼に寄与しない燃料を噴射する二次燃料噴射を
行なう燃料噴射制御手段と、二次燃料噴射により噴射された燃料の流れを気筒排気ポ
ートに向けて偏流させる偏流手段と、を備えた内燃機関
の燃料噴射装置。
【請求項６】請求項５に記載の燃料噴射装置におい
て、前記偏流手段は、ピストン頂面に設けられたキャビ
ティを備え、該キャビティ表面に沿って二次燃料噴射に
より噴射された燃料の流れを前記排気ポートに向けて偏
流させる内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項７】請求項５に記載の燃料噴射装置におい
て、前記偏流手段は、二次燃料噴射時に噴射弁の燃料噴
射方向を排気ポート方向に向けて変化させる噴射方向制
御手段を備えた内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項８】内燃機関の気筒に直接燃料を噴射する筒
内燃料噴射弁と、前記筒内燃料噴射弁を制御して、気筒内の燃焼に寄与す
る燃料を噴射する主燃料噴射を行なうとともに、必要に
応じて主燃料噴射の後の膨張行程または排気行程中に気
筒内の燃焼に寄与しない燃料を噴射する二次燃料噴射を
行なう燃料噴射制御手段と、を備え、前記燃料噴射制御手段は、二次燃料噴射における燃料噴
射圧を主燃料噴射における燃料噴射圧より低く設定する
内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項９】内燃機関の気筒に直接燃料を噴射する筒
内燃料噴射弁と、前記筒内燃料噴射弁を制御して、気筒内の燃焼に寄与す
る燃料を噴射する主燃料噴射を行なうとともに、必要に
応じて主燃料噴射の後の膨張行程または排気行程中に気
筒内の燃焼に寄与しない燃料を噴射する二次燃料噴射を
行なう燃料噴射制御手段と、を備え、前記燃料噴射制御手段は直前の二次燃料噴射により噴射
された燃料のうち、気筒内に残留している燃料量を算出
するとともに、該残留燃料量に応じて前記主燃料噴射の
噴射量を補正する内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項１０】内燃機関の気筒に直接燃料を噴射する
筒内燃料噴射弁と、前記筒内燃料噴射弁を制御して、気筒内の燃焼に寄与す
る燃料を噴射する主燃料噴射を行なうとともに、必要に
応じて主燃料噴射の後の膨張行程または排気行程中に気
筒内の燃焼に寄与しない燃料を噴射する二次燃料噴射を
行なう燃料噴射制御手段と、を備え、前記燃料噴射制御手段は必要に応じて前記主燃料噴射
を、気筒内に均質混合気を生成させるための第１主燃料
噴射と可燃混合気の層を生成させるための第２主燃料噴
射とに分けて２回行い、前記二次燃料噴射実行時には、
直前の二次燃料噴射により噴射された燃料のうち、気筒
内に残留している燃料量を算出し、該残留燃料量に応じ
て前記第１主燃料噴射の噴射量を補正する内燃機関の燃
料噴射装置。