JP2007154824A

JP2007154824A - 内燃機関の燃焼制御装置

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Publication number: JP2007154824A
Application number: JP2005353674A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Miyashita; 茂樹宮下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-12-07
Filing date: 2005-12-07
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2025-12-07
Also published as: JP4572827B2

Abstract

【課題】排気ガスの温度を上昇させるために吸気量を増大させると共に燃料噴射量を増大させる場合に内燃機関に対する要求をできるだけ良好に満たす。
【解決手段】排気ガスの昇温要求時、１機関サイクル中に、機関出力用に燃料を噴射して点火栓７によって点火して燃焼させる機関出力用燃料噴射燃焼制御の実行後に、燃料を噴射して点火栓によって点火して燃焼させる排気昇温用燃料噴射燃焼制御と、直前の燃料噴射燃焼制御による燃焼熱によって着火せしめられるタイミングで燃料を噴射して燃焼させる排気昇温用燃料噴射燃焼制御との少なくとも一方を少なくとも１回行う。排気ガスの昇温が要求されたときに吸気量が多くなると、１機関サイクル中に排気昇温用燃料噴射燃焼制御を行う回数を増やすことによって、或いは、排気昇温用燃料噴射燃焼制御１回当たりの燃料噴射量を増量することによって１機関サイクル中に排気昇温用のトータルの燃料噴射量を増量する。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の燃焼制御装置に関する。

燃焼室から排出される排気ガスを浄化する排気浄化触媒を排気通路に備えた内燃機関において、排気浄化触媒の温度がその活性温度に達していないときに、排気浄化触媒の温度を活性温度まで上昇させる技術が特許文献１に記載されている。同文献１に記載されている技術によれば、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備えた火花点火式内燃機関において、１機関サイクル中に燃料噴射弁から２回の燃料噴射を行い、先の燃料噴射によって燃焼室全体に均質にリーン混合気を形成すると共に後の燃料噴射によって点火栓周りに局所的にリッチ混合気を形成し、このリッチ混合気に点火する。

これによれば、点火直後、点火栓周りに形成されたリッチ混合気が一気に燃焼することによって内燃機関から出力を得られ、その後、燃焼室全体に均質に形成されたリーン混合気が緩慢に燃焼することによって燃焼室内のガスが昇温せしめられる。そして、斯くして昇温せしめられたガスが燃焼室から排気ガスとして排出され、排気浄化触媒に流入することから、排気浄化触媒が昇温せしめられる。

特開２００３−２１４２３５号公報特開２００４−２８０３１号公報特開２００４−２８０４６号公報

ところで、特許文献１に記載されているように、燃焼室から排出される排気ガスの温度を上昇させ、この排気ガスを排気浄化触媒に流入させることによって排気浄化触媒の温度を上昇させる場合、燃焼室内に吸入される空気の量（以下「吸気量」という）を増大させると共に燃焼室に噴射する燃料の量（以下「燃料噴射量」という）を増大させれば、燃焼室から排出される排気ガスの温度をより上昇させることができるので、排気浄化触媒の温度をより早くその活性温度まで上昇させることができる。

ところが、排気浄化触媒の温度をより早くその活性温度にまで上昇させようとして、単に、吸気量を増大させ、燃料噴射量を増大させるだけでは、内燃機関に対する他の要求を良好に満たすことができない場合がある。例えば、燃料が一気に燃焼し、燃焼温度が高くなれば、窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成量が増えてしまうと共に出力過大により機関回転数を一定に維持することができない。ここで、燃料に点火するタイミングを遅らせれば、出力は低下できるが短い燃焼期間内で一定出力を発生するためには燃焼温度のピークは高くならざるを得ないため、ＮＯｘの生成を抑制することはできない。

いずれにしても、排気浄化触媒の温度をより早く活性温度まで上昇させるために吸気量を増大させると共に燃料噴射量を増大させる場合、内燃機関に対する様々な要求をできるだけ良好に満たすためには、燃料噴射弁からの燃料の噴射形態や燃料の燃焼形態に関し、特別な工夫が必要である。また、排気浄化触媒の温度をより早く活性温度まで上昇させる以外の目的で、燃焼室から排出される排気ガスの温度を上昇させるために吸気量を増大させると共に燃料噴射量を増大させる場合にも、内燃機関に対する様々な要求をできるだけ良好に満たすために、特別な工夫が必要である。

本発明の目的は、燃焼室から排出される排気ガスの温度を上昇させるために吸気量を増大させると共に燃料噴射量を増大させる場合において、内燃機関に対する要求をできるだけ良好に満たすことにある。

上記課題を解決するために、１番目の発明では、筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、燃料に点火する点火栓とを具備する内燃機関において、排気ガスの昇温が要求されたとき、１機関サイクル中に、主に内燃機関から出力を得るために燃料噴射弁から燃料を噴射して該噴射された燃料に点火栓によって点火して該燃料を燃焼させる機関出力用の燃料噴射燃焼制御を行う他に、該機関出力用の燃料噴射燃焼制御の実行後に排気ガスの温度を上昇させるために燃料噴射弁から燃料を噴射して該噴射された燃料を燃焼させる排気昇温用の燃料噴射燃焼制御として、燃料噴射弁から燃料を噴射して該噴射された燃料に点火栓によって点火して該燃料を燃焼させる第１の排気昇温用の燃料噴射燃焼制御と、直前に行われた燃料噴射燃焼制御によって燃焼せしめられた燃料の燃焼熱によって着火せしめられるタイミングで燃料噴射弁から燃料を噴射して該噴射された燃料を燃焼させる第２の排気昇温用の燃料噴射燃焼制御との少なくとも一方を少なくとも１回行う燃焼制御装置において、排気ガスの昇温が要求されたときに吸気量が多くなると、１機関サイクル中に排気昇温用の燃料噴射燃焼制御を行う回数を増やすことによって１機関サイクル中に排気ガスの昇温用に噴射するトータルの燃料量を増量するか、或いは、排気昇温用の燃料噴射燃焼制御１回当たりに噴射する燃料量を増量することによって１機関サイクル中に排気ガスの昇温用に噴射するトータルの燃料量を増量する。

２番目の発明では、１番目の発明において、上記排気昇温用の燃料噴射燃焼制御１回当たりに噴射する燃料量が多いほど、該排気昇温用の燃料噴射燃焼制御において燃料を噴射するタイミングを遅角する。

３番目の発明では、２または３番目の発明において、上記排気昇温用の燃料噴射燃焼制御において燃料を噴射するタイミングが膨張行程中のタイミングである。

４番目の発明では、１〜３番目の発明のいずれか１つにおいて、上記機関出力用の燃料噴射燃料制御において燃料を噴射するタイミングが圧縮行程中のタイミングである。

５番目の発明では、１〜４番目の発明のいずれか１つにおいて、上記第２の排気昇温用の燃料噴射燃焼制御が行われる場合に該第２の排気昇温用の燃料噴射燃焼制御において燃料を噴射するタイミングが燃料が噴射されると略同時に該燃焼が燃焼し始めるタイミングよりも遅いタイミングである。

６番目の発明では、１〜５番目の発明のいずれか１つにおいて、上記排気昇温用の燃料噴射燃焼制御が１機関サイクル中に複数回行われる場合に順序的に後に行われる排気昇温用の燃料噴射燃焼制御において噴射する燃料量ほど増量する。

７番目の発明では、１〜６番目の発明のいずれか１つにおいて、上記排気昇温用の燃料噴射燃焼制御１回における燃料噴射時間を長くすることによって該排気昇温用の燃料噴射燃焼制御１回当たりに噴射するトータルの燃料量を増量し、或いは、上記排気昇温用の燃料噴射燃焼制御１回における燃料噴射回数を多くすることによって該排気昇温用の燃料噴射燃焼制御１回当たりに噴射するトータルの燃料量を増量する。

８番目の発明では、１〜７番目の発明のいずれか１つにおいて、燃料噴射弁から噴射された燃料の一部が点火栓の点火電極に直接到達するように燃料噴射弁が構成されている。

９番目の発明では、１〜８番目の発明のいずれか１つにおいて、排気通路に排気ガスを浄化する触媒が配置されている。

本発明によれば、燃焼室から排出される排気ガスの温度を上昇させるために吸気量を増大させると共に燃料噴射量を増大させる場合において、内燃機関における燃焼の安定性に対する要求や内燃機関の出力に対する要求や内燃機関で発生するＮＯｘ（窒素酸化物）の量に対する要求といった内燃機関に対する要求を良好に満たすことができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の燃焼制御装置を備えた内燃機関の一例を示している。図１において、１は内燃機関の本体、２はシリンダヘッド、３はシリンダブロック、４はピストン、５は燃焼室、６は燃料噴射弁、７は点火栓、８は吸気弁、９は吸気ポート、１０は排気弁、１１は排気ポートを示している。燃料噴射弁６は、燃焼室５内に燃料を直接噴射することによって燃焼室５に燃料を直接供給するものである。

吸気ポート９は、吸気管１２を介してサージタンク１３に接続されている。また、サージタンク１３は、吸気管１４を介してエアクリーナ１５に接続されている。吸気管１４内には、燃焼室５に吸入される空気の量を制御するスロットル弁１６が配置されている。スロットル弁１６の開度は、ステップモータ１７によって制御せしめられる。一方、排気ポート１１には、排気管１８が接続されている。排気管１８は、三元触媒１９を収容したケーシング２０に接続されている。

三元触媒１９は、その温度がその活性温度よりも高いときに、排気ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、および、窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化することができ、そして、該三元触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍にあるときには、ＣＯとＨＣとＮＯｘとを高い浄化率で同時に浄化することができる。

ところで、燃料噴射弁６から噴射された燃料は、図２に示されているように、燃料噴射弁６から円錐状に広がる壁面２ａに沿って燃料室５内へと移動する。すなわち、燃料噴射弁６から噴射された燃料Ｆは、燃料噴射弁６から広がる円錐面に沿った中空円錐状に広がる燃料噴霧を形成する。そして、燃料噴射弁６から噴射された燃料噴霧の一部は、点火栓７の点火電極７ａに直接到達する。すなわち、燃料噴射弁６は、中空円錐状に広がる燃料噴霧の稜線が点火電極７ａに重なるように燃料を噴射する。すなわち、燃料噴射弁６から噴射された燃料噴霧は、ピストン４の上壁面や燃焼室５を画成するシリンダボア壁に衝突したり、燃料室５内に比較的均質に拡散したりする前に、点火電極７ａに到達する。

そして、燃料噴射弁６から点火栓７の点火電極７ａに直接到達した燃料に点火して燃料を燃焼させたいときには、圧縮工程中または膨張行程中に燃料噴射弁６から燃料を噴射させ、燃料噴射弁６から噴射された燃料が点火電極７ａに到達したタイミングで点火栓７を作動させて燃料に点火すればよい（このときの燃焼は、いわゆる成層燃焼であるとも言える）。一方、燃料噴射弁６から噴射されて燃焼室５内に均質に拡散した燃料に点火して燃料を燃焼させたいときには、吸気行程中に燃料噴射弁６から燃料を噴射させ、圧縮上死点近傍のタイミングで点火栓７を作動させて燃料に点火すればよい（このときの燃焼は、いわゆる均質燃焼であるとも言える）。

なお、燃料噴射弁６から点火栓７の点火電極７ａに直接到達した燃料に点火した場合、点火電極７ａに到達した一部の燃料の燃焼によって生成された火炎が残りの燃料に伝播することによって燃料全体が燃焼せしめられる。

ところで、内燃機関が始動された直後は、多くの場合、三元触媒１９の温度は、その活性温度よりも低い。この場合、三元触媒１９は、そこに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比であっても、ＣＯやＨＣやＮＯｘを高い浄化率で浄化することはできない。したがって、三元触媒にこれらＣＯやＨＣやＮＯｘを高い浄化率で浄化させるためには、三元触媒の温度を早期にその活性温度に到達させる必要がある。そこで、本実施形態では、内燃機関が始動された後、以下のようにして、燃焼室５から排出される排気ガスの温度を上昇させることによって、三元触媒の温度を早期にその活性温度に到達させる。

すなわち、本実施形態では、内燃機関の始動後、１機関サイクル中に、主に内燃機関から出力を得るために燃料噴射弁６から燃料を圧縮上死点直前で噴射すると共に噴射された燃料が点火栓７の点火電極７ａに到達したタイミングで点火栓を作動させて燃料に点火して該燃料を燃焼させる制御（以下「主噴射燃焼制御」という）を行う他に、該主噴射燃焼制御の実行後の膨張行程中に、主に排気ガスの温度を上昇させるために燃料噴射弁から燃料を噴射してこれにより噴射した燃料を燃焼させる制御（以下「副噴射燃焼制御」という）を行う。これによれば、副噴射燃焼制御によって排気ガスの温度が上昇せしめられるので、三元触媒の温度が強制的に上昇せしめられ、その結果、三元触媒の温度が早期にその活性温度に到達することになる。

ところで、排気ガスの温度は、上述した副噴射燃焼制御によって燃焼せしめられるトータルの燃料の量が多いほど高くなる。したがって、三元触媒１９の温度をより早くその活性温度に到達させるためには、副噴射燃焼制御によって燃焼させるトータルの燃料の量を多くすることが好ましい。そして、より多くの燃料を燃焼させるためには、より多くの空気が必要である。そこで、本実施形態では、内燃機関の始動後、１機関サイクル中に主噴射燃焼制御と副噴射燃焼制御とを行うとき、アクセルペダルの踏込量が一定であっても、スロットル弁１６の開度（以下「スロットル開度」という）を徐々に大きくすることによって燃焼室に吸入される空気の量（以下「吸気量」という）を徐々に多くすると共に、吸気量に応じて１機関サイクル中に副噴射燃焼制御によって燃焼させるトータルの燃料の量を徐々に多くする。これによれば、副噴射燃焼制御によって排気ガスの温度がより大きく上昇せしめられるので、三元触媒の温度がより早くその活性温度に到達することになる。

ところで、１機関サイクル中に副噴射燃焼制御によって燃焼させるトータルの燃料量を多くする手段としては、様々なものが考えられるが、本実施形態では、以下の２つの手段のいずれかを採用する。すなわち、１つ目の手段は、１機関サイクル中に副噴射燃焼制御を行う回数を吸気量が多くなるほど多くするというものである。この場合、１機関サイクル中に行われる各副噴射燃焼制御において噴射する燃料の量を同じ量としてもよいし異なる量としてもよいが、いずれにしても、１機関サイクル中に副噴射燃焼制御を行う回数が多いほど、１機関サイクル中に副噴射燃焼制御によって燃焼されるトータルの燃料量が多くなるように各副噴射燃焼制御において噴射する燃料量を設定する。

なお、一般的に、圧縮上死点に近いタイミングで燃料を燃焼させるほど、その燃焼が内燃機関の出力に寄与する割合が大きくなり、その燃焼が排気ガスの昇温に寄与する割合が小さくなる。したがって、燃焼が排気ガスの昇温に寄与する割合をできるだけ大きくするという観点では、圧縮上死点に近いタイミングで行われる副噴射燃焼制御ほど、燃焼させる燃料の量を少なくすることが好ましい。したがって、この観点では、１機関サイクル中に各副噴射燃焼制御において噴射する燃料量を異なる量とする場合には、順序的に後の副噴射燃焼制御ほど噴射する燃料量を多くすることが好ましい。

一方、１機関サイクル中に副噴射燃焼制御によって燃焼させるトータルの燃料量を多くする２つ目の手段は、１機関サイクル中に行う副噴射燃焼制御を１回とするが、この１回の副噴射燃焼制御において噴射する燃料量を多くするというものである。そして、上述したように、圧縮上死点に近いタイミングで燃料を燃焼させるほど、燃焼が排気ガスの昇温に寄与する割合が小さくなってしまうので、この２つ目の手段では、副噴射燃焼制御において噴射する燃料量が多いほど、燃料を噴射するタイミングを遅くすることが好ましい。

なお、この２つ目の手段において、噴射する燃料量を多くするためには、燃料噴射弁を開弁する時間を長くすればよいが、これに代えて、極めて短い時間内に複数の燃料噴射を行うことによって副噴射燃焼制御１回における単位時間当たりの燃料噴射回数を多くするようにしてもよい。

また、本実施形態では、各副噴射燃焼制御によって燃料を燃焼させる手段としては、以下の２つの手段のいずれかを採用する。すなわち、１つ目の手段は、各副噴射燃焼制御において噴射した燃料が点火栓７の点火電極７ａに到達したときに点火栓を作動させて点火電極によって燃料に点火して該燃料を燃焼させるというものである。また、２つ目の手段は、各副噴射燃焼制御において燃料を噴射するタイミングを、直前に行われた主噴射燃焼制御または副噴射燃焼制御によって燃焼せしめられた燃料の燃焼熱によって着火せしめられるタイミングとするという手段である。

なお、この２つ目の手段では、各副噴射燃焼制御において燃料を噴射するタイミングを、燃料が噴射されると略同時に該燃料が燃焼し始めるタイミングよりも遅いタイミングとすることが好ましい。これによれば、燃料の燃焼が比較的緩慢に行われることから、燃焼温度（特に、そのピーク温度）が比較的低く抑えられるので、燃焼室でのＮＯｘ（窒素酸化物）の発生が抑制される。また、燃料の燃焼が比較的緩慢に行われることから、燃焼に起因する騒音の発生が抑制される。

図３は、排気ガスの温度を上昇させるために、１機関サイクル中に、主噴射燃焼制御を行う他に、副噴射燃焼制御を複数回行う場合において、各副噴射燃焼制御において燃料噴射弁から噴射された燃料が点火栓の点火電極に到達したときに点火栓を作動させて点火電極によって燃料に点火して該燃料を燃焼させる手段を採用した例を示している。

図３において、（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ、１機関サイクル中の噴射燃焼制御を示し、各機関サイクルは、（Ａ）から（Ｄ）へと順に行われ、また、（Ａ）から（Ｄ）に行くに従って吸気量が多くなっており、図３において、ＴＤＣは、圧縮上死点を示し、ＢＤＣ１は、吸気下死点を示し、ＢＤＣ２は、膨張下死点を示している。

図３（Ａ）に示されている最初の機関サイクルでは、内燃機関の出力を得るために圧縮上死点直前にて燃料を噴射する（図中、Ｆｍ）と共に該噴射された燃料が点火栓の点火電極に到達したときに点火栓を作動させ（図中、Ｉｍ）て燃料を燃焼させる主噴射燃焼制御を行う。そして、図３（Ｂ）に示されている次の機関サイクルでは、上と同じ主噴射燃焼制御を行い、その後の膨張行程中に排気ガスの温度を上昇させるために燃料を噴射する（図中、Ｆｓ）と共に該噴射された燃料が点火栓の点火電極に到達したときに点火栓を作動させ（図中、Ｉｓ）て燃料を燃焼させる副噴射燃焼制御を１回行う。そして、図３（Ｃ）に示されているさらに次の機関サイクルでは、上と同じ主噴射燃焼制御を行い、その後の膨張行程中に上と同じ副噴射燃焼制御を２回行う。そして、図３（Ｄ）に示されているさらに次の機関サイクルでは、上と同じ主噴射燃焼制御を行い、その後の膨張行程中に上と同じ副噴射燃焼制御を３回行う。

また、図４は、排気ガスの温度を上昇させるために、１機関サイクル中に、主噴射燃焼制御を行う他に、副噴射燃焼制御を１回行う場合において、各副噴射燃焼制御において燃料噴射弁から噴射された燃料が点火栓の点火電極に到達したときに点火栓を作動させて点火電極によって燃料に点火して該燃料を燃焼させる手段を採用した例を示している。

図４においても、（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ、１機関サイクル中の噴射燃焼制御を示し、各機関サイクルは、（Ａ）から（Ｄ）へと順に行われ、また、（Ａ）から（Ｄ）に行くに従って吸気量が多くなっており、図３において、ＴＤＣは、圧縮上死点を示し、ＢＤＣ１は、吸気下死点を示し、ＢＤＣ２は、膨張下死点を示している。

図４（Ａ）に示されている最初の機関サイクルでは、内燃機関の出力を得るために圧縮上死点直前にて燃料を噴射する（図中、Ｆｍ）と共に該噴射された燃料が点火栓の点火電極に到達したときに点火栓を作動させ（図中、Ｉｍ）て燃料を燃焼させる主噴射燃焼制御を行う。そして、図４（Ｂ）に示されている次の機関サイクルでは、上と同じ主噴射燃焼制御を行い、その後の膨張行程中の所定のタイミング（以下「第１のタイミング」という）で排気ガスの温度を上昇させるために所定量（以下「第１の量」という）の燃料を噴射する（図中、Ｆｓ）と共に該噴射された燃料が点火栓の点火電極に到達したときに点火栓を作動させ（図中、Ｉｓ）て燃料を燃焼させる副噴射燃焼制御を１回行う。そして、図４（Ｃ）に示されているさらに次の機関サイクルでは、上と同じ主噴射燃焼制御を行い、上記第１のタイミングよりも遅いタイミング（以下「第２のタイミング」という）で上記第１の量よりも多い量（以下「第２の量」という）の燃料を噴射することを除いて上と同じ副噴射燃焼制御を１回行う。そして、図４（Ｄ）に示されているさらに次の機関サイクルでは、上と同じ主噴射燃焼制御を行い、上記第２のタイミングよりも遅いタイミングで上記第２の量よりも多い量の燃料を噴射することを除いて上と同じ副噴射燃焼制御を１回行う。

また、図５は、排気ガスの温度を上昇させるために、１機関サイクル中に、主噴射燃焼制御を行う他に、副噴射燃焼制御を複数回行う場合において、各副噴射燃焼制御において燃料噴射弁から燃料を噴射するタイミングを、直前に行われた主噴射燃焼制御または副噴射燃焼制御によって燃焼せしめられた燃料の燃焼熱によって着火せしめられるタイミングにすることによって副噴射燃焼制御において燃料を燃焼させる手段を採用した例を示している。

図５において、（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ、１機関サイクル中の噴射燃焼制御を示し、各機関サイクルは、（Ａ）から（Ｄ）へと順に行われ、また、（Ａ）から（Ｄ）に行くに従って吸気量が多くなっており、図３において、ＴＤＣは、圧縮上死点を示し、ＢＤＣ１は、吸気下死点を示し、ＢＤＣ２は、膨張下死点を示している。

図５（Ａ）に示されている最初の機関サイクルでは、内燃機関の出力を得るために圧縮上死点直前にて燃料を噴射する（図中、Ｆｍ）と共に該噴射された燃料が点火栓の点火電極に到達したときに点火栓を作動させ（図中、Ｉｍ）て燃料を燃焼させる主噴射燃焼制御を行う。そして、図５（Ｂ）に示されている次の機関サイクルでは、上と同じ主噴射燃焼制御を行い、その後の膨張行程中に、主噴射燃焼制御によって燃焼せしめられた燃料の燃焼熱によって燃料が着火されるタイミングで燃料を噴射する（図中、Ｆｓ）副噴射燃焼制御を１回行う。そして、図５（Ｃ）に示されているさらに次の機関サイクルでは、上と同じ主噴射燃焼制御を行い、その後の膨張行程中に、上と同じ副噴射燃焼制御を行い、その後、この副噴射燃焼制御によって燃焼せしめられた燃料の燃焼熱によって燃料が着火されるタイミングで燃料を噴射する（図中、Ｆｓ）副噴射燃焼制御を行う。そして、図５（Ｄ）に示されているさらに次の機関サイクルでは、上と同じ主噴射燃焼制御を行い、その後の膨張行程中に、上と同じ２回の副噴射燃焼制御を行い、その後、最後の副噴射燃焼制御によって燃焼せしめられた燃料の燃焼熱によって燃料が着火されるタイミングで燃料を噴射する（図中、Ｆｓ）副噴射燃焼制御を行う。

また、図６は、排気ガスの温度を上昇させるために、１機関サイクル中に、主噴射燃焼制御を行う他に、副噴射燃焼制御を１回行う場合において、各副噴射燃焼制御において燃料噴射弁から燃料を噴射するタイミングを、直前に行われた主噴射燃焼制御または副噴射燃焼制御によって燃焼せしめられた燃料の燃焼熱によって着火せしめられるタイミングにすることによって副噴射燃焼制御において燃料を燃焼させる手段を採用した例を示している。

図６において、（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ、１機関サイクル中の噴射燃焼制御を示し、各機関サイクルは、（Ａ）から（Ｄ）へと順に行われ、また、（Ａ）から（Ｄ）に行くに従って吸気量が多くなっており、図６において、ＴＤＣは、圧縮上死点を示し、ＢＤＣ１は、吸気下死点を示し、ＢＤＣ２は、膨張下死点を示している。

図６（Ａ）に示されている最初の機関サイクルでは、内燃機関の出力を得るために圧縮上死点直前にて燃料を噴射する（図中、Ｆｍ）と共に該噴射された燃料が点火栓の点火電極に到達したときに点火栓を作動させ（図中、Ｉｍ）て燃料を燃焼させる主噴射燃焼制御を行う。そして、図６（Ｂ）に示されている次の機関サイクルでは、上と同じ主噴射燃焼制御を行い、その後の膨張行程中に、主噴射燃焼制御によって燃焼せしめられた燃料の燃焼熱によって燃料が着火されるタイミング（以下「第１のタイミング」という）で排気ガスの温度を上昇させるために所定量（以下「第１の量」という）の燃料を噴射する（図中、Ｆｓ）副噴射燃焼制御を１回行う。そして、図６（Ｃ）に示されているさらに次の機関サイクルでは、上と同じ主噴射燃焼制御を行い、その後の膨張行程中に、主噴射燃焼制御によって燃焼せしめられた燃料の燃焼熱によって燃料が着火されるタイミングであって上記第１のタイミングよりも遅いタイミング（以下「第２のタイミング」という）で排気ガスの温度を上昇させるために上記第１の量よりも多い量（以下「第２の量」という）の燃料を噴射する（図中、Ｆｓ）副噴射燃焼制御を１回行う。そして、図６（Ｄ）に示されているさらに次の機関サイクルでは、上と同じ主噴射燃焼制御を行い、その後の膨張行程中に、主噴射燃焼制御によって燃焼せしめられた燃料の燃焼熱によって燃料が着火されるタイミングであって上記第２のタイミングよりも遅いタイミングで上記第２の量よりも多い量の燃料を噴射する副噴射燃焼制御を１回行う。

また、図３に示した例において、各機関サイクルにおいて主噴射燃焼制御を行う前に少量の燃料を噴射するいわゆるパイロット噴射を行ってもよい。この例を図７に示した。図７において、符号Ｆｐで示されている噴射がパイロット噴射である。

図８は、内燃機関の始動後に本発明に従って排気ガスの温度を上昇させる場合におけるスロットル開度などの時間推移を示したタイムチャートを示している。図８において、（Ａ）がスロットル開度を示し、（Ｂ）が吸気量を示し、（Ｃ）が主噴射燃焼制御において噴射する燃料量（主噴射量）を示し、（Ｄ）が副噴射燃焼制御において噴射するトータルの燃料量（副噴射量）を示し、（Ｅ）が機関回転数を示している。

図８に示した例では、時刻Ｔ０が内燃機関が始動される時刻である。時刻Ｔ０において内燃機関を始動しようとしたとき、スロットル弁が開弁されて一定量の空気が燃焼室に吸入され、主噴射燃焼制御が行われると共に副噴射燃焼制御が行われ、機関回転数が上昇する。そして、その後、時刻Ｔ１において、いったん、主噴射量が少なくされた後、時刻Ｔ２から、スロットル開度が徐々に大きされて吸気量が徐々に多くなる。そして、この吸気量の増大に応じて、副噴射量が多くされる。

そして、時刻Ｔ３において、スロットル開度が一定とされ、吸気量が一定となると、副噴射量も一定とされる。

なお、本発明によれば、以下のような利点も得られる。すなわち、従来、排気ガスの温度を上昇させる方法として、内燃機関を駆動するために燃焼室に供給された燃料に点火するタイミングを遅角する（遅らせる）方法が知られているが、この方法によると、燃料の燃焼が不安定となるし、内燃機関の出力が要求値よりも小さくなってしまうという不具合がある。しかしながら、本発明によれば、排気ガスの温度を上昇させようとしたときに、内燃機関から出力を得るために燃焼室に供給された燃料に点火するタイミングを遅角する必要はないので、燃料の燃焼が不安定となることも、内燃機関の出力が要求値よりも小さくなることもない。

また、従来において、燃料に点火するタイミングを遅角する場合に、内燃機関の出力を要求値にしようとして、吸気量を多くすると共に燃焼室に供給する燃料の量を多くすると、図９（Ａ）の符号Ｘで示したように、圧縮上死点ＴＤＣ後に燃焼室内の圧力（以下「筒内圧」という）Ｐｃが非常に高い状態が発生する。このため、図９（Ｂ）の符号Ｙで示したように、燃焼室内の温度（以下「筒内温度」という）Ｔｃが、燃焼室内でＮＯｘ（窒素酸化物）が多量に発生する可能性のある温度Ｔｎｏｘを超えて、燃焼室内で発生するＮＯｘ（窒素酸化物）の量が多くなってしまうという不具合がある。

しかしながら、本発明によれば、吸気量を多くすると共に燃焼室に噴射する燃料の量を多くしたとしても、複数回の分けて燃料を噴射するので、図９（Ｃ）に示したように、筒内圧Ｐｃが非常に高い状態が発生することはなく、このため、図９（Ｄ）に示したように、筒内温度Ｔｃが、燃焼室内でＮＯｘが多量に発生する可能性のある温度Ｔｎｏｘを超えてしまうこともない。

なお、上述した実施形態では、主噴射燃焼制御において、燃料を噴射するタイミングを圧縮上死点直前とし、燃料に点火するタイミングを噴射された燃料が点火栓７の点火電極７ａに到達したタイミングとしているが、燃料を噴射するタイミングを吸気行程中のタイミングとし、燃料に点火するタイミングを圧縮上死点近傍としてもよい。

また、上述では、内燃機関の始動後に、三元触媒の温度を上昇させるために排気ガスの温度を上昇させる場合に本発明を適用した実施形態を説明したが、三元触媒の温度を上昇させるため以外に、排気ガスの温度を上昇させる場合にも本発明を適用可能である。

なお、上述では、内燃機関の始動後に、三元触媒の温度を活性温度に早期に到達させる場合を例に本発明を説明したが、内燃機関の始動後ではなくても、三元触媒の温度が活性温度に達していないときに、三元触媒の温度を活性温度まで上昇させる場合にも、本発明を適用可能である。

また、上述では、三元触媒の温度を活性温度に早期に到達させる場合を例に本発明を説明したが、三元触媒の温度を活性温度に早期に到達させる目的だけではく、それ以外の目的で、排気ガスの温度を上昇させるためにも、本発明を利用可能である。

本発明の制御装置を備えた内燃機関を示す図である。図１に示した内燃機関の燃料噴射弁周りの構成を示す図である。本発明に従った噴射燃焼制御の一例を示す図である。本発明に従った噴射燃焼制御の別の一例を示す図である。本発明に従った噴射燃焼制御の別の一例を示す図である。本発明に従った噴射燃焼制御の別の一例を示す図である。本発明に従った噴射燃焼制御の別の一例を示す図である。本発明に従って噴射燃焼制御を行った場合のスロットル開度等の時間推移の一例のタイムチャートを示す図である。従来の噴射燃焼制御を行った場合の筒内圧および筒内温度と本発明に従って噴射燃焼制御を行った場合の筒内圧および筒内温度とを示す図である。

符号の説明

５燃焼室
６燃料噴射弁
７点火栓
７ａ点火電極
１９三元触媒

Claims

筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、燃料に点火する点火栓とを具備する内燃機関において、排気ガスの昇温が要求されたとき、１機関サイクル中に、主に内燃機関から出力を得るために燃料噴射弁から燃料を噴射して該噴射された燃料に点火栓によって点火して該燃料を燃焼させる機関出力用の燃料噴射燃焼制御を行う他に、該機関出力用の燃料噴射燃焼制御の実行後に排気ガスの温度を上昇させるために燃料噴射弁から燃料を噴射して該噴射された燃料を燃焼させる排気昇温用の燃料噴射燃焼制御として、燃料噴射弁から燃料を噴射して該噴射された燃料に点火栓によって点火して該燃料を燃焼させる第１の排気昇温用の燃料噴射燃焼制御と、直前に行われた燃料噴射燃焼制御によって燃焼せしめられた燃料の燃焼熱によって着火せしめられるタイミングで燃料噴射弁から燃料を噴射して該噴射された燃料を燃焼させる第２の排気昇温用の燃料噴射燃焼制御との少なくとも一方を少なくとも１回行う燃焼制御装置において、排気ガスの昇温が要求されたときに吸気量が多くなると、１機関サイクル中に排気昇温用の燃料噴射燃焼制御を行う回数を増やすことによって１機関サイクル中に排気ガスの昇温用に噴射するトータルの燃料量を増量するか、或いは、排気昇温用の燃料噴射燃焼制御１回当たりに噴射する燃料量を増量することによって１機関サイクル中に排気ガスの昇温用に噴射するトータルの燃料量を増量することを特徴とする燃焼制御装置。
上記排気昇温用の燃料噴射燃焼制御１回当たりに噴射する燃料量が多いほど、該排気昇温用の燃料噴射燃焼制御において燃料を噴射するタイミングを遅角することを特徴とする請求項１に記載の燃焼制御装置。
上記排気昇温用の燃料噴射燃焼制御において燃料を噴射するタイミングが膨張行程中のタイミングであることを特徴とする請求項２または３に記載の燃焼制御装置。
上記機関出力用の燃料噴射燃料制御において燃料を噴射するタイミングが圧縮行程中のタイミングであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃焼制御装置。
上記第２の排気昇温用の燃料噴射燃焼制御が行われる場合に該第２の排気昇温用の燃料噴射燃焼制御において燃料を噴射するタイミングが燃料が噴射されると略同時に該燃焼が燃焼し始めるタイミングよりも遅いタイミングであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の燃焼制御装置。
上記排気昇温用の燃料噴射燃焼制御が１機関サイクル中に複数回行われる場合に順序的に後に行われる排気昇温用の燃料噴射燃焼制御において噴射する燃料量ほど増量することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃焼制御装置。
上記排気昇温用の燃料噴射燃焼制御１回における燃料噴射時間を長くすることによって該排気昇温用の燃料噴射燃焼制御１回当たりに噴射するトータルの燃料量を増量し、或いは、上記排気昇温用の燃料噴射燃焼制御１回における燃料噴射回数を多くすることによって該排気昇温用の燃料噴射燃焼制御１回当たりに噴射するトータルの燃料量を増量することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の燃焼制御装置。
燃料噴射弁から噴射された燃料の一部が点火栓の点火電極に直接到達するように燃料噴射弁が構成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の燃焼制御装置。
排気通路に排気ガスを浄化する触媒が配置されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の燃焼制御装置。