JP2002235647A

JP2002235647A - 筒内噴射型内燃機関

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Publication number: JP2002235647A
Application number: JP2001033640A
Authority: JP
Inventors: Kojiro Okada; 公二郎岡田; Shinichi Murata; 真一村田; Yasuki Tamura; 保樹田村; Yasuyuki Yamaguchi; 康之山口; Shigeo Yamamoto; 茂雄山本; Hideo Nakai; 英夫中井; Fumiaki Hiraishi; 文昭平石
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2001-02-09
Filing date: 2001-02-09
Publication date: 2002-08-23
Anticipated expiration: 2021-02-09
Also published as: JP4062884B2

Abstract

(57)【要約】【課題】触媒を効率的に昇温させることを可能にした
筒内噴射型内燃機関を提供する。【解決手段】触媒１８Ａ〜１８Ｃの昇温が要求される
ときには、燃料噴射手段９を駆動して空燃比が理論空燃
比近傍若しくは理論空燃比よりも若干希薄空燃比になる
ように燃料を圧縮行程中に燃焼室３内に直接噴射すると
ともに、制御開始後の所定期間はバルブタイミング調整
手段１０を駆動して排気バルブ７と吸気バルブ６との開
弁期間のオーバラップを通常運転時よりも増大させ、上
記所定期間の経過後は上記オーバラップを減少させると
ともに点火手段８による点火時期を通常運転時よりも遅
角させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、筒内噴射型内燃機
関、特に排気バルブ及び／又は吸気バルブの開閉タイミ
ングを調整しうる筒内噴射型内燃機関における触媒の昇
温技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】車両の内燃機関に備えられる触媒は、排
気ガス中の有害成分（ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ等）を浄化す
る効果を有している。しかしながら、この排ガス浄化効
果を得るためには触媒が所定の活性化温度に達している
ことが必要であり、冷態始動時のように触媒温度が低い
状態では十分な効果を得ることはできない。この点につ
いては近年実用化されている筒内噴射型内燃機関でも同
様であるが、筒内噴射型内燃機関では、燃料噴射時期を
任意に制御できるという特性を生かした種々の触媒昇温
技術が提案されている。

【０００３】例えば、特開２０００−２４０４８５号公
報には、触媒の昇温が要求される時、空燃比が理論空燃
比近傍になるように燃料を圧縮行程中に噴射して成層燃
焼を行わせる技術が開示されている。この技術は、成層
燃焼によって空燃比がリッチな領域とリーンな領域とを
局部的に生じさせ、リッチ空燃比領域では不完全燃焼に
より多量のＣＯ，Ｈ₂を発生させ、リーン空燃比領域で
は多量の余剰Ｏ₂を発生させるようにしたものである。
つまり、この技術によれば、多量のＣＯ，Ｈ₂及びＯ₂を
触媒に同時に供給することができ、触媒上でのＣＯ，Ｈ
₂とＯ₂との酸化反応による反応熱によって触媒を効率的
に昇温させることができる。

【０００４】また、筒内噴射型内燃機関においては、主
燃料の噴射後の膨張行程中に追加燃料を噴射することに
よって触媒を昇温させる技術も知られている。膨張行程
中に噴射された追加燃料は内燃機関の出力には寄与せ
ず、そのエネルギの多くは熱となって排気温度を高める
ことになるので、この技術によれば、高温の排気ガスを
触媒に供給して触媒を効率的に昇温させることができ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術は、何
れも、燃料噴射時期を任意に制御できるという筒内噴射
型内燃機関の特性を生かし、燃料噴射時期によって内燃
機関の燃焼状態を制御して触媒の昇温を図っている。し
かしながら、内燃機関の燃焼状態を制御するためのパラ
メータとしては、上記の燃料噴射時期のほかに、点火時
期や排気バルブ及び吸気バルブの開閉タイミング等があ
る。したがって、燃料噴射時期だけでなくこれらの燃料
噴射時期以外の制御パラメータも用いて内燃機関の燃焼
状態を制御すれば、より効率的な触媒の昇温制御が可能
になると考えられる。

【０００６】本発明はこのような課題に鑑み創案された
もので、触媒を効率的に昇温させることを可能にした筒
内噴射型内燃機関を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の筒内噴射型内燃機関は、排気通路に設けら
れ排気ガスの浄化を行う触媒の昇温が要求されるときに
は、制御手段により以下の昇温制御を実行することを特
徴としている。すなわち、上記触媒の昇温が要求される
ときには、燃料噴射手段を駆動して空燃比が理論空燃比
近傍若しくは理論空燃比よりも若干希薄空燃比になるよ
うに燃料を圧縮行程中に燃焼室内に直接噴射するととも
に、制御開始後の所定期間はバルブタイミング調整手段
を駆動して排気バルブと吸気バルブとの開弁期間のオー
バラップ（バルブオーバラップ）を通常運転時よりも増
大させ、上記所定期間の経過後はバルブオーバラップを
減少させるとともに点火手段による点火時期を通常運転
時よりも遅角させる。

【０００８】バルブオーバラップを通常運転時よりも増
大させることにより、内燃機関内の内部ＥＧＲ量は増大
する。このため、上記吸気バルブが開くことによる吸気
の負圧によって排気通路側に排出された排気ガス中の未
燃燃料は再び上記燃焼室内に引き戻され、また、上記燃
焼室内に残存している未燃燃料もそのまま上記燃焼室内
に閉じ込められることになる。したがって、未燃燃料は
上記燃焼室内で再燃焼させられることになり、制御開始
直後の上記触媒が十分に昇温されていないときであって
も、外部への未燃燃料の排出を抑制することができる。
なお、内部ＥＧＲの増大は一般に燃焼安定性の低下を招
くことになるが、本発明の筒内噴射型内燃機関では、圧
縮行程中に燃料を噴射することによって燃焼速度の速い
成層燃焼を実現しており、且つ空燃比が理論空燃比近傍
若しくは理論空燃比よりも若干希薄空燃比のときにはさ
らに燃焼安定性が高いので、バルブオーバラップの増大
に伴う燃焼安定性の低下を十分に相殺することができ
る。

【０００９】そして、制御開始から所定期間が経過して
上記触媒がある程度まで昇温された後は、バルブオーバ
ラップを減少させて燃焼安定性をさらに高めているの
で、点火時期を遅角させた場合でも安定した後燃え燃焼
が確保される。したがって、上記昇温制御の実行により
排気温度は確実に高められ、圧縮行程噴射により生成さ
れるＣＯ，Ｈ₂と余剰Ｏ₂の触媒上での反応と相俟って上
記触媒を効率よく昇温させることができ、上記触媒の早
期活性化により未燃燃料の排出も抑制できるようにな
る。

【００１０】なお、上記触媒の昇温が要求されるときと
しては、内燃機関の冷態始動時の他、アイドリングやリ
ーン運転がある程度の時間にわたって継続したときのよ
うに上記触媒の温度が活性化温度以下まで低下したり或
いは低下しそうな状況にあるとき等が挙げられる。昇温
要求の有無の判定は、例えば、触媒温度を直接検出した
り、或いは高温センサにより検出できる排気温度から触
媒温度を推定したりして、検出或いは推定した触媒温度
が所定温度以下のときに昇温要求が有ると判定してもよ
い。また、内燃機関の冷却水温（或いは油温）が所定温
度まで低下したら昇温要求があると判定してもよい。な
お、上記触媒の種類には限定はなく、三元触媒の他、吸
蔵型ＮＯｘ触媒や選択還元型ＮＯｘ触媒等も適用でき
る。また、上記触媒の配設位置にも限定はなく、床下触
媒でもよいし近接触媒でもよい。

【００１１】また、バルブオーバラップや点火時期の設
定を切り換える上記所定期間は、触媒温度が所定温度に
達するまでの期間とするのが好ましい。触媒温度は触媒
から直接検出してもよく、或いは高温センサにより検出
できる排気温度から推定してもよい。また、上記昇温制
御の開始からの経過時間と触媒温度との関係を予め実験
等で求めておき、タイマで上記昇温制御の開始からの経
過時間を計測し、タイマの計測値が所定値に達したらバ
ルブオーバラップや点火時期の設定を切り換えるように
してもよい。

【００１２】上記昇温制御時の空燃比（Ａ／Ｆ）は、リ
ッチ過ぎる場合には不完全燃焼の度合いが高すぎて未燃
燃料が多量に発生するとともに、上記点火手段としての
点火プラグのくすぶりの要因となり、スモークを発生さ
せる虞がある。逆にリーン過ぎる場合にはＣＯの生成量
が不足するとともに、燃費の悪化やドライバビリティの
低下を招いてしまう。したがって、上記昇温制御時の空
燃比（Ａ／Ｆ）は、１４〜１８の範囲に設定するのが好
ましく、より好ましくは１４．５〜１６の範囲に設定す
る。同様に上記点火手段の周囲に局所的に生成されるリ
ッチ領域の空燃比については８〜１０の範囲になるのが
好ましい。また、空燃比の制御はオープンループ制御で
もよいが、より好ましくは、上記触媒の上流側に設置さ
れるＯ₂センサが活性化した時点で空燃比のフィードバ
ック制御を行うようにする。

【００１３】また、上記バルブタイミング調整手段は、
吸気バルブの開閉タイミングを調整するものでもよく、
排気バルブの開閉タイミングを調整するものでもよい。
さらに、吸／排気バルブ双方の開閉タイミングを調整す
るものでもよい。バルブタイミングの調整機構として
は、切換式，位相切換式，偏芯式或いは電磁弁式等、少
なくともバルブタイミングを変更可能なものであればよ
い。好ましくは、ベーン式のタイミング可変機構のよう
に連続的にバルブタイミングを変更できる機構とする。
この場合、上記昇温制御開始から所定期間経過後のバル
ブオーバラップの量は、少なくとも所定期間経過する前
よりも減少していればよいが、クランク角度で０度以
下、すなわちバルブオーバラップが全く無いか或いは排
気バルブも吸気バルブも開いていない期間を設けるよう
にしてもよい。このようにバルブオーバラップが全く無
い状態とすることで、内部ＥＧＲを完全に無くして燃焼
安定性を高めることができる。

【００１４】また、上記昇温制御における圧縮行程噴射
においては、好ましくは、同負荷，同回転速度で比較し
たときの通常運転時の圧縮行程噴射における噴射時期よ
りも圧縮行程の範囲内で噴射時期を進角させる。このよ
うに噴射時期を進角させることで、燃焼室空間が比較的
広いときに燃料を噴射することができ、燃料の拡散を促
進して燃焼安定性をより向上させることが可能になる。
また、噴射された燃料の霧化時間が十分に確保されるこ
とにより、スモークの発生を抑制することもできる。

【００１５】また、上記所定時間経過後における点火時
期は、少なくとも通常運転時よりも遅角させていればよ
いが、好ましくは上死点後に設定する。具体的には、上
死点から上死点後３０度の範囲に設定するのが好まし
く、より好ましくは、上死点後５〜２０度の範囲に設定
する。このような範囲内に点火時期を設定することで、
燃費の悪化やドライバビリティの低下を招くことなく排
気温度を上昇させることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態について説明する。まず、本発明の一実施形態に
かかる筒内噴射型内燃機関の概要について説明すると、
本筒内噴射型内燃機関は、吸気，圧縮，膨張及び排気の
各行程を一作動サイクル中に備える４サイクル機関であ
って、火花点火式で、且つ、燃焼室内に燃料を直接噴射
可能に構成されている。より具体的には、本筒内噴射式
内燃機関は図１の概略構成図に示すように構成されてい
る。

【００１７】図１に示すように、本筒内噴射式内燃機関
（以下、エンジンという）１のシリンダヘッド２には、
吸気通路４および排気通路５が燃焼室３に連通しうるよ
うに接続されている。吸気通路４と燃焼室３とは吸気バ
ルブ６によって連通制御されるとともに、排気通路５と
燃焼室３とは排気バルブ７によって連通制御されるよう
になっている。このうち吸気バルブ６には、吸気バルブ
６の開閉タイミングを可変調整するバルブタイミング調
整装置１０が備えられている。バルブタイミング調整装
置（バルブタイミング調整手段）１０の機構は公知であ
るのでここでは詳細な説明は省略するが、例えばタイミ
ングベルトを介してクランク軸に連結されるタイミング
プーリのハウジング内にベーンロータを回動可能に設
け、このベーンロータに吸気カム軸を連結することによ
って構成される。そして、ベーンロータに作用させる油
圧を制御することでタイミングプーリに対する吸気カム
軸の位相を調整し、吸気バルブ６の開閉タイミングを連
続的に調整できるようになっている。

【００１８】また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に
燃料噴射弁（燃料噴射手段）９が備えられている。燃料
噴射弁９は、燃焼室３内に燃料を直接噴射できるよう
に、その開口を燃焼室３に臨ませるように配置されてい
る。この燃料噴射弁９には、図示しない低圧燃料ポンプ
及び高圧燃料ポンプにより加圧された燃料が供給される
ようになっている。さらに、シリンダヘッド２の各気筒
の燃焼室３の頂部中央には、点火プラグ（点火手段）８
が備えられている。

【００１９】吸気通路４には、各気筒の燃焼室３内に吸
入空気を導入するための吸気マニホールド１１が備えら
れている。シリンダヘッド２には、吸気ポートが気筒毎
に燃焼室３に対して比較的直立して設けられており、吸
気マニホールド１１は各吸気ポートと連通するようにシ
リンダヘッド２に接続されている。吸気マニホールド１
１の上流には、吸入空気量を調整するためのスロットル
バルブ１２が設けられている。

【００２０】一方、排気通路５には、各気筒の燃焼室３
から排出された排ガスを一つに集合させる排気マニホー
ルド１７が備えられている。シリンダヘッド２には、排
気ポートが気筒毎に比較的水平方向に設けられており、
排気マニホールド１７は各排気ポートと連通するように
シリンダヘッド２に接続されている。排気マニホールド
１７としては、各気筒の燃焼室３から排出される排気ガ
スの干渉を防止してエンジン出力の向上を図るためデュ
アルタイプの排気マニホールドが採用されている。ま
た、排気マニホールド１７の下流側で車両床下には触媒
装置１８および図示しないマフラ (消音器）が設けられ
ている。触媒装置１８は、排気ガス中の有害成分（Ｃ
Ｏ，未燃ＨＣ，ＮＯx）を浄化する装置であり、吸蔵型
ＮＯｘ触媒１８Ａの上下流に三元触媒１８Ｂ，１８Ｃを
配置した構造になっている。

【００２１】さらに、車室内には、エンジン１を制御す
る制御手段としての電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０が
備えられている。ＥＣＵ３０は、入出力装置，ＲＯＭ，
ＲＡＭ，ＣＰＵ及びタイマカウンタ等から構成されてお
り、入力側に接続された種々のセンサからの検出情報に
基づいてエンジン１の総合制御を行っている。ＥＣＵ３
０の入力側に接続されるセンサとして、まず吸気通路４
には、そのスロットルバルブ１２の配設部分に、スロッ
トルバルブ１２の開度θthを検出するためのスロットル
ポジションセンサ（ＴＰＳ）２０が付設されている。ま
た、排気通路５には、触媒装置１８の上流部分にＯ₂セ
ンサ２１と高温センサ２２とが配設されている。Ｏ₂セ
ンサ２１は、排気ガス中の酸素濃度を検出するセンサで
あり、理論空燃比（ストイキオ）を境としてその出力が
大きく変化するような特性を有している。高温センサ２
２は排気ガスの温度を検出するセンサである。さらに、
その他のセンサとして、エンジン１の冷却水の水温ＷＴ
を検出する水温センサ２３や、クランクシャフトの回転
に同期して信号を出力するクランク角センサ２４や、図
示しないアクセル開度センサやエアフローセンサ等が設
けられている。なお、クランク角センサ２４からの信号
はエンジン回転速度Ｎeの算出に用いられる。

【００２２】一方、ＥＣＵ３０の出力側には、点火プラ
グ８，燃料噴射弁９及びバルブタイミング調整装置１０
等が接続されている。ＥＣＵ３０は、上記の各種センサ
２０〜２４からの検出情報に基づいて、点火プラグ８の
点火時期や、燃料噴射弁９からの燃料噴射時期及び燃料
噴射量や、バルブタイミング調整装置１０による吸気バ
ルブ６の開閉タイミング等を制御している。

【００２３】なお、本実施形態にかかるエンジン１の燃
料噴射の態様（燃料噴射モード）としては、吸気行程中
に燃料を噴射して予混合燃焼を行う吸気行程噴射モード
と、圧縮行程中に燃料を噴射して成層燃焼を行う圧縮行
程噴射モードの燃料噴射時期の異なる２つのモードが設
けられている。より詳しくは、吸気行程噴射モードとし
て、Ｏ₂センサ２１からの信号を用いて空燃比がストイ
キオになるようにフィードバック制御する吸気Ｏ₂−Ｆ
／Ｂモード、ストイキオよりも希薄な空燃比（リーン空
燃比）となるようオープンループ制御する吸気リーンモ
ード、及び、ストイキオよりも過濃な空燃比（リッチ空
燃比）となるようオープンループ制御する吸気Ｏ／Ｌモ
ードが設けられている。一方、圧縮行程噴射モードとし
ては、吸気リーンモードよりもさらに希薄な空燃比とな
るようオープンループ制御する圧縮リーンモード、スト
イキオよりも若干リーンなスライトリーン空燃比（Ａ／
Ｆ＝１５〜１６）となるようオープンループ制御する圧
縮スライトリーンモード（圧縮Ｓ／Ｌモード）が設けら
れている。

【００２４】上記の噴射モードのうち、各吸気行程噴射
モードと圧縮リーンモードとは、通常時の燃料噴射制御
に用いられ、ＥＣＵ３０は、アクセル開度とエンジン回
転速度Ｎｅとで決まるエンジン１の運転状態に応じて適
宜の燃料噴射モードを選択するようになっている。一
方、圧縮Ｓ／Ｌモードは、後述する昇温制御時の燃料噴
射制御に用いられる。昇温制御は、触媒装置１８の昇温
が要求される場合、すなわち触媒１８Ａ〜１８Ｃの温度
が低下しているような状況で選択されるエンジン１の制
御方法であり、本実施形態にかかるエンジン１では、Ｅ
ＣＵ３０は、上記の燃料噴射モードに加え、点火プラグ
８の点火時期と、バルブタイミング調整装置１０による
吸気バルブ６の開閉タイミングとを総合制御することに
よって実現している。

【００２５】以下、本発明の一実施形態にかかる昇温制
御について、図２のフローチャート及び図３のタイムチ
ャートを用いて説明する。触媒装置１８の昇温が要求さ
れるときとしては、エンジン１の冷態始動時の他、アイ
ドリングやリーン運転（特にリーン化の度合いが大きい
圧縮リーン運転）が比較的長時間継続したときのよう
に、活性化していた触媒装置１８（触媒１８Ａ〜１８
Ｃ）の温度が活性化温度以下に低下したとき或いは低下
しそうなとき等も挙げられるが、本実施形態では、代表
して、エンジン１を冷態始動させる場合の昇温制御につ
いて説明する。

【００２６】まず、ステップＳ１０では、ＥＣＵ３０
は、始動スイッチ（例えばイグニションキー）が操作さ
れてオン状態とされた場合、すなわちエンジン１が始動
したと判定された場合に、本制御ルーチンで用いるタイ
マの値Ｔを０にリセットしてカウントを開始する〔すな
わちタイマオン、図３（ｄ）参照〕。そして、ステップ
Ｓ２０において、エンジン回転速度Ｎeが所定値Ｎe0
（Ｎe0＞アイドル回転速度）に達したと判定され、始動
判定が完了したら次のステップＳ３０に進む。なお、図
３（ａ）に示すように、エンジン１の始動後、エンジン
回転速度Ｎeが所定値Ｎe0に達するまでは、始動に十分
な燃料を供給すべく燃料噴射モードは吸気Ｏ／Ｌモード
が選択される。

【００２７】ステップＳ３０では、ＥＣＵ３０は、昇温
制御を実行してもよいか否かを判定する。具体的には、
水温（冷却水温）ＷＴ，エンジン回転速度Ｎe，目標平
均有効圧Ｐe（アクセル開度とエンジン回転速度Ｎeとか
ら推定），車速Ｖがそれぞれ対応する所定値ＷＴ1，Ｎe
1，Ｐe1，Ｖ1以下であるか否かを判定する〔図３（ｅ）
〜図３（ｈ）参照〕。エンジン回転速度Ｎe，目標平均
有効圧Ｐe，車速Ｖのいずれかが高い条件では、エンジ
ン１の運転状態は圧縮行程噴射領域を外れており、排気
温度が高い通常走行状態とみなすことができるので、昇
温制御を用いなくても触媒装置１８を昇温することがで
き、逆に昇温制御を実行すると排気浄化触媒装置１８の
過昇温を招く虞がある。また、水温センサ２３により検
出された冷却水温ＷＴが、所定値、すなわちエンジン１
が暖機したとみなせる暖機温度ＷＴ1以下であるか否か
を判定するのは、排気浄化触媒装置１８の過昇温を防止
するためである。

【００２８】したがって、水温ＷＴ，エンジン回転速度
Ｎe，目標平均有効圧Ｐe，車速Ｖのいずれかが対応する
所定値ＷＴ1，Ｎe1，Ｐe1，Ｖ1よりも大きい場合（Ｎｏ
ルート）には、ＥＣＵ３０は、昇温制御を実行すること
なく、ステップＳ４０において通常時の制御を実行す
る。つまり、エンジン１の運転状態に応じた燃料噴射モ
ード，点火時期，及び吸気バルブ６の開閉タイミングを
選択する。一方、水温ＷＴ，エンジン回転速度Ｎe，目
標平均有効圧Ｐe，車速Ｖのいずれもが対応する所定値
ＷＴ1，Ｎe1，Ｐe1，Ｖ1以下の場合（Ｙｅｓルート）に
は、次のステップＳ５０に進み、ステップＳ５０の第１
段階の昇温制御（第１昇温制御）を実行する。

【００２９】昇温制御は、上述したように燃料噴射モー
ド，点火時期，及び吸気バルブ６の開閉タイミングの総
合制御によって実現される。具体的には、ステップＳ５
０の第１昇温制御では、ＥＣＵ３０は、燃料噴射モード
として圧縮Ｓ／Ｌモードを選択し、吸気バルブ６の開閉
タイミングは図４に示すように排気バルブ７と吸気バル
ブ６との開弁期間のオーバラップが通常運転時よりも大
きくなるように進角させる〔図３（ａ），図３（ｂ）参
照〕。

【００３０】冷態始動時のように触媒温度が低く触媒装
置１８の浄化能力が低いときには、空燃比は燃焼が悪化
しない範囲で極力リーン化したほうが未燃ＨＣの低減に
効果がある。その際、吸気行程噴射よりも圧縮行程噴射
のほうが成層燃焼のため燃焼が早く、燃焼安定性に優れ
ており、ドライバビリティも良好となる。加えて、空燃
比をストイキオ近傍或いはストイキオよりも若干リーン
寄りのスライトリーン空燃比に制御して圧縮行程噴射を
行った場合には、局部的に極めて燃料濃度の濃いリッチ
領域と燃料濃度の薄いリーン領域とが燃焼室３内に形成
される。そして、リッチ領域では局部的に酸素が不足す
るために不完全燃焼が生起されて比較的多量のＣＯ，Ｈ
₂が発生し、リーン領域では燃焼に寄与しないＯ₂が余剰
Ｏ₂として多く存在することになる。

【００３１】したがって、上述のように燃料噴射モード
として圧縮Ｓ／Ｌモードが選択されることにより、反応
性に富むＣＯ，Ｈ₂と余剰Ｏ₂とを排気通路５を経て触媒
装置１８へ同時供給することができ、排気通路５及び触
媒装置１８内での酸化反応によるＣＯ，Ｈ₂とＯ₂との反
応熱によって触媒装置１８の昇温が図られることにな
る。なお、空燃比がリッチ過ぎる場合には不完全燃焼の
度合いが高すぎて未燃ＨＣが多量に発生するとともに、
点火プラグ８のくすぶりの要因となり、スモークを発生
させる虞がある。逆に空燃比がリーン過ぎる場合にはＣ
Ｏ，Ｈ₂の生成量が不足するとともに、燃費の悪化やド
ライバビリティの低下を招いてしまう。したがって、昇
温制御における空燃比は、１４〜１８の範囲に設定され
るのが好ましく、より好ましくは１４．５〜１６の範囲
とする。また、点火プラグ８の周りに局所的に生成され
るリッチ領域の空燃比については８〜１０の範囲が好ま
しい。

【００３２】また、ＥＣＵ３０は、燃料噴射モードとし
て圧縮Ｓ／Ｌモードを選択すると同時に、排気バルブ７
と吸気バルブ６との開弁期間のオーバラップが通常運転
時よりも大きくなるように吸気バルブ６の開閉タイミン
グを進角させている。開弁期間のオーバラップを通常運
転時よりも増大させることにより、エンジン１内の内部
ＥＧＲ量が増大し、吸気バルブ６が開くことによる吸気
の負圧によって排気通路５側に排出された排気ガス中の
未燃ＨＣは再び燃焼室３内に引き戻され、また、燃焼室
３内に残存している未燃ＨＣもそのまま燃焼室３内に閉
じ込められることになる。したがって、未燃ＨＣは燃焼
室３内で再燃焼させられることになり、冷態始動直後の
触媒装置１８の浄化能力が十分に発揮されていないとき
であっても、未燃ＨＣが外部へ排出されるのを抑制する
ことができる。

【００３３】また、上述のように開弁期間のオーバラッ
プを増大させる場合、通常であれば燃焼が不安定になっ
てトルク変動等のドライバビリティの悪化を招いてしま
うことになる。しかしながら、ＥＣＵ３０は、燃焼噴射
モードとして圧縮Ｓ／Ｌモードを選択して燃焼安定性の
高い圧縮行程噴射を行っているので、開弁期間のオーバ
ラップの増大に伴う燃焼安定性の低下によってドライバ
ビリティが悪化することが抑制される。

【００３４】つまりステップＳ５０の第１昇温制御によ
れば、空燃比がストイキオ近傍若しくはスライトリーン
空燃比になるように燃料を圧縮行程中に噴射すること
と、排気バルブ７と吸気バルブ６との開弁期間のオーバ
ラップを通常運転時よりも増大させることの相乗効果に
よって、未燃ＨＣの排出を抑制しながら触媒装置１８を
効率的に昇温することができるという効果が得られる。

【００３５】次に、ＥＣＵ３０は、ステップＳ６０にお
いて、タイマが所定タイマ時間Ｔ１をカウントしたか否
かを判定する。所定タイマ時間Ｔ１は、予め実験等によ
り、例えば、冷態始動後、ステップＳ５０の第１昇温制
御の実行により未燃ＨＣがある程度浄化される程度まで
に触媒温度が上昇したと推定される時間に設定されてい
る。そして、タイマが所定タイマ時間Ｔ１に達していな
い場合（Ｎｏルート）には、ＥＣＵ３０は、ステップＳ
３０の処理を経てステップＳ５０の第１昇温制御を継続
し、タイマが所定タイマ時間Ｔ１をカウントした場合
（Ｙｅｓルート）には、次のステップＳ７０の処理を行
う。

【００３６】ステップＳ７０では、ＥＣＵ３０は、第２
段階の昇温制御（第２昇温制御）を実行してもよいか否
かを判定する。具体的には、ステップＳ３０と同様に、
水温ＷＴ，エンジン回転速度Ｎe，目標平均有効圧Ｐe，
車速Ｖがそれぞれ各対応する所定値ＷＴ1，Ｎe1，Ｐe
1，Ｖ1以下であるか否かを判定する〔図３（ｅ）〜図３
（ｈ）参照〕。そして、水温ＷＴ，エンジン回転速度Ｎ
e，目標平均有効圧Ｐe，車速Ｖのいずれかが対応する所
定値ＷＴ1，Ｎe1，Ｐe1，Ｖ1よりも大きい場合（Ｎｏル
ート）には、ＥＣＵ３０は、第２昇温制御を実行するこ
となく、ステップＳ８０において通常時の制御を実行す
る。一方、水温ＷＴ，エンジン回転速度Ｎe，目標平均
有効圧Ｐe，車速Ｖのいずれもが対応する所定値ＷＴ1，
Ｎe1，Ｐe1，Ｖ1以下の場合（Ｙｅｓルート）には、次
のステップＳ９０に進み、第２昇温制御を実行する。な
お、ここでは第１昇温制御の開始判定で用いた所定値Ｗ
Ｔ1，Ｎe1，Ｐe1，Ｖ1を第２昇温制御の開始判定でも用
いているが、第１昇温制御とは異なる所定値ＷＴ2，Ｎe
2，Ｐe2，Ｖ2を用いてもよい。

【００３７】ステップＳ９０の第２昇温制御では、ＥＣ
Ｕ３０は、燃料噴射モードとして圧縮Ｓ／Ｌモードを選
択したまま、点火時期を圧縮上死点後に遅角させるとと
もに、図４に示すように排気バルブ７と吸気バルブ６と
の開弁期間のオーバラップが通常運転時よりも小さくな
るように吸気バルブ６の開閉タイミングを遅角させる
〔図３（ａ）〜図３（ｃ）参照〕。

【００３８】このように点火時期が圧縮上死点後まで遅
角されることによって、膨張行程での十分な後燃えが可
能になり、後燃えによる排気温度の上昇によってより速
やかに触媒装置１８の昇温が図られることになる。特
に、ＣＯ，Ｈ₂とＯ₂との反応熱のみでは、触媒１８Ａ〜
１８Ｃが全く活性していない場合や活性化度合いが低い
場合、触媒１８Ａ〜１８Ｃが活性化するまでに時間がか
かるが、上記のように点火時期が圧縮上死点後まで遅角
されることによって排気温度を高めることができ、触媒
１８Ａ〜１８Ｃ（特に１８Ｂ）を十分に加熱して活性化
させることができる。その結果、圧縮Ｓ／Ｌモードでの
燃料噴射により供給されるＣＯ，Ｈ₂及びＯ₂を触媒１８
Ａ〜１８Ｃ（特に１８Ｂ）上で有効に反応させることが
でき、その反応熱によって触媒１８Ａ〜１８Ｃ（特に１
８Ｂ）のさらなる早期活性化が図られることになる。

【００３９】また、上述のように点火時期が大きく遅角
される場合、通常であれば燃焼が不安定になってトルク
変動等のドライバビリティの悪化を招いてしまうことに
なるが、ＥＣＵ３０は、燃焼安定性の高い圧縮行程噴射
を行っている。そして、さらに、上述のように排気バル
ブ７と吸気バルブ６との開弁期間のオーバラップを通常
運転時よりも減少させことによってエンジン１の内部Ｅ
ＧＲを低減し、これによっても燃焼安定性を高めてい
る。したがって、点火時期を大きく遅角させた場合で
も、燃焼安定性の低下によってドライバビリティが悪化
することがない。

【００４０】つまりステップＳ９０の第２昇温制御によ
れば、空燃比がストイキオ近傍若しくはスライトリーン
空燃比になるように燃料を圧縮行程中に噴射すること
と、点火時期を圧縮上死点後に設定することと、排気バ
ルブ７と吸気バルブ６との開弁期間のオーバラップを通
常運転時よりも減少させることの相乗効果によって、燃
焼安定性の悪化を招くことなく触媒装置１８をさらに効
率的に昇温することができるという効果が得られる。特
に、本実施形態にかかる床下配置の触媒装置１８はエン
ジン１本体から遠いため排気ガスが触媒装置１８に到達
する前に排気温度が下がりやすく、また、デュアルタイ
プ排気マニホールド１７は排気干渉が少ない分、排気マ
ニホールド１７内での反応が少なく、且つ熱容量が大き
いと同時に表面積（放熱面積）が大きいために排気温度
が下がりやすい。しかしながら、このように排気温度の
維持に不利な構造であっても、触媒装置１８を早期に活
性化温度まで上昇させ、有害物質（ＨＣ，ＣＯ及びＮＯ
x）の浄化効率を速やかに上昇させることができる。

【００４１】なお、ステップＳ９０における排気バルブ
７と吸気バルブ６との開弁期間のオーバラップは、少な
くとも温態時（通常運転時）の同負荷，同回転速度にお
ける設定量よりも小さければよいが、バルブタイミング
調整装置１０の機構上可能であれば、好ましくは０度以
下の設定にする。オーバラップがある限りは燃焼安定性
の低下の要因である内部ＥＧＲは多少とも存在してお
り、特に吸気通路４に負圧が発生している場合には、わ
ずかでもオーバラップがあると負圧に引かれて本来排気
通路５に排出されるべき排気ガスが内部ＥＧＲとして燃
焼室３内に残存してしまう。したがって、上記のように
オーバラップを０度以下に設定することで内部ＥＧＲを
完全に無くし、さらなる燃焼安定性の向上を図ることが
可能になる。

【００４２】以上のように第２昇温制御を実行して触媒
装置１８の昇温を実施したら、ＥＣＵ３０は、次にステ
ップＳ１００の処理を行う。ステップＳ１００では、Ｅ
ＣＵ３０は、タイマが所定タイマ時間Ｔ２をカウントし
たか否か、即ち上記の第１，第２昇温制御の通算継続時
間が所定タイマ時間Ｔ２を超えたか否かを判定する。所
定タイマ時間Ｔ２は、予め実験等により、例えば、冷態
始動後、昇温制御の実行により触媒装置１８が活性化温
度に近い所定温度にまで昇温したと推定されるまでの時
間に設定されている。そして、タイマが所定タイマ時間
Ｔ２に達していない場合（Ｎｏルート）には、ＥＣＵ３
０は、ステップＳ７０の処理を経て再びステップＳ９０
において第２昇温制御を継続する。一方、タイマが所定
タイマ時間Ｔ２をカウントした場合（Ｙｅｓルート）に
は、次のステップＳ１１０の処理を行う。すなわち、ス
テップＳ１１０では、ＥＣＵ３０は、昇温制御を終了し
〔図３（ａ）〜図３（ｃ）参照〕、エンジン１の運転状
態に応じた燃料噴射モード，点火時期，及び吸気バルブ
６の開閉タイミングを選択して再び通常の制御を行う。

【００４３】なお、以上の制御において、第１昇温制御
に先立って、所定時間の間、第２昇温制御と同様にバル
ブオーバラップを通常運転時よりも減少させる制御を追
加してもよい。これによって、特に触媒温度が低く触媒
装置１８による排ガス浄化が期待できない初期におい
て、バルブオーバラップ期間中に吸気してそのまま排気
管へ吹き抜ける未燃ＨＣを低減することができる。

【００４４】以上、本発明の実施の形態について説明し
たが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではな
く、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更して実施
しうるものである。例えば、上述の実施形態では、所定
タイマ時間Ｔ１の経過後、点火時期を圧縮上死点後まで
遅角させているが、少なくとも通常制御時の点火時期よ
りも遅角させれば、後燃えによる排気温度の上昇により
触媒装置１８を昇温させることができ、本発明の目的と
する効果を達成することができる。

【００４５】また、上記の昇温制御においてＯ₂センサ
２１が活性化状態に達した後は、Ｏ₂センサ２１からの
信号を用いて空燃比がストイキオ近傍或いはスライトリ
ーン空燃比になるようにフィードバック制御を行うよう
にしてもよい。このように空燃比がストイキオ近傍或い
はスライトリーン空燃比になるようにフィードバック制
御しながら圧縮行程噴射を実行することにより、圧縮Ｓ
／Ｌモードを選択した場合と同様に成層燃焼によって比
較的多量のＣＯ，Ｈ₂及び余剰Ｏ₂を生成することができ
る。さらに、フィードバック制御であることから、圧縮
Ｓ／Ｌモードにおけるオープンループ制御に比較して空
燃比を正確に設定することができ、制御精度を高めるこ
とが可能になる。また、圧縮行程噴射では、成層燃焼に
伴う局部的な不完全燃焼により排気ガス中に比較的多量
のＨ₂が発生するが、このＨ₂はＯ₂よりもＯ₂センサ２１
のＰt電極を覆うコート層を拡散する速度が速いため、
Ｏ₂濃度が実際よりも小さく検出されてＯ₂センサ２１の
出力はややリッチ寄りとなる。したがって、ストイキオ
を目標空燃比としてフィードバック制御を行った場合で
も、実際の空燃比は自然にストイキオよりも若干リーン
寄りのスライトリーン空燃比に制御されることになる。

【００４６】また、図１ではＯ₂センサ２１は触媒装置
１８の上流側に配置しているが、Ｏ₂センサ２１を触媒
装置１８の下流側に配置してもよく、さらに上下流両側
に配置してもよい。さらに、Ｏ₂センサ２１として、リ
ニア空燃比センサを用いることもできる。この場合に
は、任意の空燃比を目標空燃比としてフィードバック制
御を実行することができる。

【００４７】また、上述の実施形態では、吸気バルブ６
にバルブタイミング調整装置１０を備えているが、排気
バルブ７の開閉タイミングを調整してもよく、或いは吸
気バルブ６，排気バルブ７両方の開閉タイミングを調整
してもよい。また、昇温制御における圧縮行程噴射（圧
縮Ｓ／Ｌモード）の噴射時期は、通常運転時における圧
縮行程噴射の噴射時期より進角させてもよい。このよう
に噴射時期を進角させることで、燃焼室３の空間が比較
的広い時に燃料を噴射することができ、燃料の拡散を促
進して燃焼安定性をより向上させることができる利点が
ある。また、噴射された燃料の霧化時間が十分に確保さ
れることにより、スモークの発生を抑制することができ
る利点もある。

【００４８】また、上述の実施形態では、第１昇温制御
の間は、点火時期は通常制御時と同じ時期に設定してい
るが、ある程度遅角させてもよい。点火時期の遅角は燃
焼安定性を低下させる要因であるが、燃料噴射モードと
して圧縮Ｓ／Ｌモードを選択して燃焼安定性の高い圧縮
行程噴射を行っているので、燃焼悪化を抑制することが
できる。そして、このように点火時期をある程度遅角さ
せることにより、さらに効率的に触媒温度を昇温させる
ことができるようになる。

【００４９】また、スロットルバルブ１２が電子制御式
の場合には、点火時期の遅角度合いに応じてスロットル
バルブ１２を開き、吸入空気量を増加してもよい。点火
時期を遅角させると出力が低下するので、このようにス
ロットルバルブ１２を制御することで点火時期の遅角に
よる出力の低下を補うことができる利点がある。また、
上述の実施形態のエンジン１は、出力の向上を図るため
に排気干渉の少ないデュアルタイプの排気マニホールド
１７を備えているが、放熱面積及び熱容量が少なく排気
温度の低下防止に有利で且つ低コストのシングルタイプ
の排気マニホールド１７を備えてもよい。さらに、積極
的に排気干渉をさせるための容積部を有するクラムシェ
ルタイプの排気マニホールド（反応型排気マニホール
ド）を備えてもよい。このタイプの排気マニホールドに
よれば、排気マニホールド内部での排気干渉に伴う未燃
成分の反応によって排気温度をさらに高めることができ
る。

【００５０】また、上述の実施形態では、タイマを用い
て第１昇温制御から第２昇温制御への切り換え時期を計
測しているが、高温センサ２２で検出された触媒装置１
８の直上流の排気温度から触媒温度Ｔexを推定し、推定
した触媒温度Ｔexが所定温度（触媒がある程度まで活性
化したと判断できる温度）Ｔex1に達したら制御を切り
換えるようにしてもよい。同様に、昇温制御の終了時期
についても、推定した触媒温度Ｔexが所定温度（触媒が
十分に活性化したと判断できる温度）Ｔex2に達したら
昇温制御を終了するようにしてもよい。なお、触媒温度
Ｔexは、例えば、排気温度と触媒温度Ｔexとの関係を記
憶したマップを参照したり、排気温度をパラメータとす
る所定の計算式を用いたりすることによって推定した
り、エンジン負荷，エンジン回転速度，車速，空燃比等
に基づいて推定してもよい。また、排気温度から触媒温
度Ｔexを推定する代わりに、水温センサ２３で検出され
た冷却水の水温ＷＴ（或いは油温）を用いてもよい。

【００５１】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の筒内噴射
型内燃機関によれば、触媒温度が低い制御開始直後は、
開弁期間のオーバラップを通常運転時よりも増大させる
ことによる内部ＥＧＲの増大によって外部への未燃燃料
の排出を抑制しながら、圧縮行程噴射により生成される
ＣＯ，Ｈ₂及び余剰Ｏ₂の触媒上での反応により触媒を昇
温させることができ、触媒がある程度昇温した後は、圧
縮行程噴射による成層燃焼の実現と上記オーバラップを
減少させることによる内部ＥＧＲの低減とによって燃焼
安定性を高めながら、点火時期を通常運転時よりも遅角
させることによる排気温度の上昇と圧縮行程噴射により
生成されるＣＯ，Ｈ₂及び余剰Ｏ₂の触媒上での反応との
相乗効果によって触媒をさらに効率よく昇温させること
ができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態にかかる筒内噴射型内燃機
関の概略構成図である。

【図２】本発明の一実施形態にかかる冷態始動時の昇温
制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。

【図３】図２に示す昇温制御の制御内容を示すタイムチ
ャートであり、タイマ値（ｄ）、水温（ｅ）、エンジン
回転速度（ｆ）、目標有効圧力（ｇ）、車速（ｈ）の各
時間変化と、対応する燃料噴射モード（ａ）、点火時期
（ｂ）、オーバラップ量（ｃ）の各設定を示したもので
ある。

【図４】本発明の一実施形態にかかる開弁期間のオーバ
ラップ量の設定を示す図である。

【符号の説明】

１エンジン（筒内噴射型内燃機関）２シリンダヘッド４吸気通路５排気通路６吸気バルブ７排気バルブ８点火プラグ（点火手段）９燃料噴射弁（燃料噴射手段）１０バルブタイミング調整装置（バルブタイミング調
整手段）１２スロットルバルブ１８触媒装置１８Ａ吸蔵型ＮＯｘ触媒１８Ｂ，１８Ｃ三元触媒２０スロットルポジションセンサ２１Ｏ₂センサ２２高温センサ２３水温センサ２４クランク角センサ３０ＥＣＵ（制御手段）

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）Ｆ０２Ｄ 13/02 Ｆ０２Ｄ 41/02 ３２５Ａ 41/02 ３２５ 41/06 ３２０ 41/06 ３２０３３５Ｚ３３５ 43/00 ３０１Ｂ 43/00 ３０１３０１Ｇ３０１Ｊ３０１Ｚ 45/00 ３１２Ｂ 45/00 ３１２３６２Ｓ３６２Ｆ０２Ｐ 5/15 Ｅ (72)発明者田村保樹東京都港区芝五丁目33番８号三菱自動車工業株式会社内 (72)発明者山口康之東京都港区芝五丁目33番８号三菱自動車工業株式会社内 (72)発明者山本茂雄東京都港区芝五丁目33番８号三菱自動車工業株式会社内 (72)発明者中井英夫東京都港区芝五丁目33番８号三菱自動車工業株式会社内 (72)発明者平石文昭東京都港区芝五丁目33番８号三菱自動車工業株式会社内Ｆターム(参考） 3G022 AA06 CA01 CA02 DA02 DA07 GA01 GA02 GA05 GA08 GA09 GA10 GA12 3G084 BA09 BA15 BA17 BA23 CA02 DA00 EA07 EA11 EC02 EC03 FA10 FA20 FA27 FA29 FA33 FA36 FA38 FA39 3G091 AA02 AA12 AA17 AA24 AA28 AB01 AB03 AB06 BA03 BA14 BA15 BA16 BA19 BA32 CB02 CB03 CB05 CB08 DA01 DA02 DA04 DA07 DB06 DB10 DC01 EA05 EA07 EA16 EA17 EA26 EA30 EA34 EA39 FA02 FA04 FA12 FA13 FB02 FB10 FB11 FB12 FC04 FC07 HA09 HA10 HA12 HA36 HA38 HA47 3G092 AA01 AA06 AA11 BA05 BA09 BB06 DA01 DA08 EA02 EA04 EA06 EA07 EA09 EA11 FA00 GA02 HA06Z HD02Z HD05Z HE01Z HE03Z HE04Z HE08Z HF19Z 3G301 HA01 HA04 HA19 JA00 KA05 MA01 MA19 NA08 NE06 NE12 NE19 PA11Z PD02Z PD12Z PE01Z PE03Z PE04Z PE08Z PF16Z

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】排気通路に設けられ排気ガスの浄化を行
う触媒と、燃料を燃焼室内に直接噴射しうる燃料噴射手段と、排気バルブ及び／又は吸気バルブの開閉タイミングを調
整するバルブタイミング調整手段と、上記燃焼室内の混合気に点火しうる点火手段と、上記触媒の昇温が要求されるとき、上記燃料噴射手段を
駆動して空燃比が理論空燃比近傍若しくは理論空燃比よ
りも若干希薄空燃比になるように燃料を圧縮行程中に噴
射するとともに、制御開始後の所定期間は上記バルブタ
イミング調整手段を駆動して上記排気バルブと上記吸気
バルブとの開弁期間のオーバラップを通常運転時よりも
増大させ、上記所定期間の経過後は上記オーバラップを
減少させるとともに上記点火手段による点火時期を通常
運転時よりも遅角させる、昇温制御を実行する制御手段
とを備えたことを特徴とする、筒内噴射型内燃機関。