JP3325231B2 - 筒内噴射式エンジンの制御装置 - Google Patents

筒内噴射式エンジンの制御装置

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    • Y02T10/40—Engine management systems

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料を直接燃焼室
内に噴射するインジェクタ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、燃料を直接燃焼室内に噴射するイ
ンジェクタを備えた筒内噴射式エンジンは知られてい
る。このエンジンでは、低負荷時に、上記インジェクタ
から圧縮行程後半に燃料を噴射することで点火プラグま
わりに混合気が偏在する状態として、所謂成層燃焼を行
なうようにしている。このようにすると、燃焼安定性を
確保しつつ空燃比をリーンにし、燃費を良くすることが
できる。
【０００３】また、自動車等のエンジンでは排気ガス中
にＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘが含まれており、エミッション
の改善としてこれらの有害成分の発生、放出をできるだ
け減少させることが要求される。このため、排気通路中
に触媒を設けて排気ガスを浄化することは従来から行な
われており、上記筒内噴射式エンジンでも一般に排気通
路中に触媒を設けられている。触媒としては理論空燃比
付近でＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを浄化し得る三元触媒が一
般に知られており、また上記筒内噴射式エンジン等にお
いて成層燃焼によるリーンバーンに適合するように、リ
ーン運転域でもＮＯｘの浄化が可能な触媒も開発されて
いる。
【０００４】また、この種の筒内噴射式エンジンにおい
て、低温時等に触媒の浄化性能の向上を図る装置として
は、例えば特開平４−２３１６４５号公報に示されるよ
うな燃料噴射制御装置が知られている。この装置は、Ｎ
Ｏｘの還元にＨＣを必要とするようなタイプのリーンＮ
Ｏｘ触媒を排気通路中に備えた筒内噴射式エンジンにお
いて、インジェクタからの主噴射を圧縮行程後期に行な
うとともに、触媒の温度が低いときには、上記主噴射に
加えて、リーンＮＯｘ触媒へのＨＣ供給のために微小量
の燃料を噴射する副噴射を吸気行程から圧縮行程初期に
かけての期間内に行ない、触媒の温度が低いときには、
上記主噴射に加えて、上記副噴射を燃焼行程の後半から
排気行程初期にかけての期間内に行なうようにしたもの
である。この装置では、副噴射による噴射量を燃焼室で
の燃焼には殆ど関与しない程度の微小量とすることで副
噴射の燃料により得られるＨＣが排気通路の触媒に供給
されるようにし、かつ、副噴射タイミングを低温時と高
温時とで上記のように変えることにより、低温時は低沸
点成分のＨＣを触媒に供給し、高温時は高沸点成分のＨ
Ｃを触媒に供給するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、排気ガス浄
化用の触媒は活性化温度より低温の未暖機時には充分に
浄化作用を発揮できず、このようなときにＨＣやＮＯｘ
が多く放出され易い。このため、触媒未暖機時等にエン
ジンから排気通路へのＨＣ、ＮＯｘの排出量を減少させ
るとともに、排気温度を高めることにより触媒の暖機を
早めるようにすることが要求される。
【０００６】しかし、上記筒内噴射型エンジンでは、未
暖機時にも圧縮行程噴射により成層燃焼を行なって空燃
比をリーンにするような場合に、排気通路に放出される
熱量が少ないため触媒が暖機されにくいという不都合が
ある。
【０００７】また、上記公報に示されている装置では、
触媒温度が低いときに、圧縮行程後期の主噴射に加えて
それより前の副噴射を行なうことにより低温時の触媒性
能の向上を図るようにしているが、この副噴射による燃
料はきわめて微小であって、燃焼室内で殆ど燃焼されず
に排気通路の触媒に送られるものである。従って、ＮＯ
ｘの還元にＨＣを必要とするようなタイプのリーンＮＯ
ｘ触媒が用いられる場合に限って有効である。しかも、
低温とはいえ触媒がある程度は活性化した後に始めてＨ
Ｃの供給によりＮＯｘの浄化を図ることができるもので
あって、それ以前の未暖機状態ではＨＣが排出されてし
まうためエミッションの向上を図る上で好ましくなく、
また、このような状態において排気温度の上昇により触
媒の暖機を促進するといった機能は有しない。
【０００８】なお、この他に筒内噴射式エンジンの冷間
時の対策としては、特開平４−１８７８４１号公報に示
されるように、シリンダ内低温時に圧縮行程噴射におけ
る燃料噴射量を増量することで着火性を確保するように
し、具体的には、温間時に低負荷領域で圧縮行程噴射、
中負荷領域で吸気行程・圧縮行程の分割噴射、高負荷領
域で吸気行程噴射とする一方、エンジン冷機時に上記分
割噴射の領域を高負荷側に広げるようにしている。
【０００９】しかし、この装置は、エンジンの冷機時に
気化、霧化の悪化分だけ圧縮行程噴射量を増量すること
で着火性を確保しているだけであって、触媒の未暖機時
に排気温度の上昇による暖機促進及びエミッションの改
善を図るというようなものではない。
【００１０】本発明は、上記の事情に鑑み、触媒未暖機
時等にエンジンからのＨＣ及びＮＯｘ等の排出量を低減
し、かつ、排気温度を上昇させて触媒の暖機を促進し、
触媒暖機までの時間の短縮と触媒未暖機中のＨＣ等の低
減とにより大幅にエミッションを改善することができる
筒内噴射式エンジン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】請求項１に係る発明は、
排気通路に排気ガス浄化用の触媒を備えるとともに、燃
焼室内に直接燃料を噴射するインジェクタを備えた筒内
噴射式エンジンにおいて、上記触媒の温度状態を判別す
る温度状態判別手段と、上記インジェクタからの燃料噴
射を制御する燃料噴射制御手段と、点火時期制御手段と
を備え、上記燃料噴射制御手段は、上記温度状態判別手
段による判別に基づき、触媒が活性温度よりも低い未暖
機状態にあるときに、少なくともエンジンの低負荷領域
において、吸気行程から点火時期にかけての期間内で、
圧縮行程中期以降の後期噴射と、これより前の早期噴射
の少なくとも２回の分割噴射を行なわせ、かつ、上記後
期噴射及び早期噴射とも主燃焼に寄与する燃料を噴射さ
せるように上記インジェクタを制御し、上記点火時期制
御手段は、触媒未暖機状態において上記分割噴射が行な
われているときに、点火時期をＭＢＴより所定量リター
ドさせるように制御し、さらに上記燃料噴射制御手段お
よび点火時期制御手段は、触媒未暖機状態において分割
噴射及び点火時期リタードの開始後に、触媒温度の上昇
に伴い、上記分割噴射を解除する処理と点火時期をＭＢ
Ｔ側へ進角させる処理とのうちのいずれか一方を先に行
ない、その後に他方の処理を行なうようになっているこ
とを特徴とするものである。
【００１２】この発明によると、触媒未暖機状態のとき
に少なくともエンジンの低負荷領域で、上記インジェク
タから分割噴射が行なわれ、圧縮行程中期以降に行なわ
れる後期噴射により、局部的にリッチな混合気が形成さ
れるような混合気の濃淡が生じ、少なくとも点火プラグ
付近に比較的リッチな混合気が散在もしくは偏在するこ
とで着火性及び着火後の燃焼性が確保されるとともに、
早期噴射により均一でリーンな混合気が形成されること
により、燃焼期間の後半において燃焼が緩慢になり、比
較的遅い時期まで燃焼が持続する。このような燃焼期間
の後半の緩慢な燃焼（以下、これを後燃えと称する）に
より、燃焼室から排出される排気ガス中のＨＣ、ＮＯｘ
が低減されて触媒未暖機中のエミッションが向上される
とともに、排気温度が高められることにより大幅に触媒
の暖機が促進される。また、点火時期をリタードさせる
ことによっても排気温度を上昇させる作用が得られ、と
くに、分割噴射により燃焼性が確保されつつ、この分割
噴射と点火時期のリタードとにより、相乗的に触媒の暖
機を促進する作用が得られる。また、このように触媒未
暖機中に分割噴射と点火時期のリタードとが行われる場
合、これらの開始後に、触媒温度が上昇するに伴い、分
割噴射を解除する処理と点火時期のＭＢＴ側へ進角する
処理とが行われるが、これらの処理が時間的にずれて行
われることでトルクショックが軽減される。
【００１３】また、請求項２に係る発明は、排気通路に
排気ガス浄化用の触媒を備えるとともに、燃焼室内に直
接燃料を噴射するインジェクタを備えた筒内噴射式エン
ジンにおいて、上記触媒の温度状態を判別する温度状態
判別手段と、上記インジェクタからの燃料噴射を制御す
る燃料噴射制御手段と、点火時期制御手段とを備え、上
記燃料噴射制御手段は、上記温度状態判別手段による判
別に基づき、触媒が活性温度よりも低い未暖機状態にあ
るときにエンジンの暖機、未暖機に関わりなく、吸気行
程から点火時期にかけての期間内で、圧縮行程中期以降
の後期噴射と、これより前の早期噴射の少なくとも２回
の分割噴射を行なわせ、かつ、上記後期噴射及び早期噴
射とも主燃焼に寄与する燃料を噴射させるように上記イ
ンジェクタを制御し、上記点火時期制御手段は、触媒未
暖機状態において上記分割噴射が行なわれているとき
に、点火時期をＭＢＴより所定量リタードさせるように
制御し、さらに上記燃料噴射制御手段および点火時期制
御手段は、触媒未暖機状態において分割噴射及び点火時
期リタードの開始後に、触媒温度の上昇に伴い、上記分
割噴射を解除する処理と点火時期をＭＢＴ側へ進角させ
る処理とのうちのいずれか一方を先に行ない、その後に
他方の処理を行なうようになっていることを特徴とする
ものである。
【００１４】この発明によると、触媒未暖機状態では、
エンジンの暖機、未暖機に関わりなく、上記分割噴射に
より、着火性、燃焼性が確保されるとともに、後燃えに
よって排気温度を上昇させる作用が得られ、触媒未暖機
中のエミッションの向上と触媒の暖機促進が達成され
る。さらに、上記分割噴射と点火時期のリタードとによ
り相乗的に触媒の暖機を促進する作用が得られ、また、
これらの開始後に触媒温度が上昇するに伴い、分割噴射
を解除する処理と点火時期のＭＢＴ側へ進角する処理と
が時間的にずれて行われることでトルクショックが軽減
される。
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【００２４】
【００２５】
【００２６】
【００２７】
【００２８】
【００２９】
【００３０】
【００３１】
【００３２】
【００３３】
【００３４】
【００３５】
【００３６】
【００３７】請求項３に係る発明は、排気通路に排気ガ
ス浄化用の触媒を備えるとともに、燃焼室内に直接燃料
を噴射するインジェクタを備えた筒内噴射式エンジンに
おいて、上記触媒の温度状態を判別する温度状態判別手
段と、上記インジェクタからの燃料噴射を制御する燃料
噴射制御手段と、点火時期制御手段とを備え、上記燃料
噴射制御手段は、上記温度状態判別手段による判別に基
づき、触媒が活性温度よりも低い未暖機状態にあるとき
に、吸気行程の期間内の早期噴射と圧縮行程中期以降の
後期噴射の２回の分割噴射を行なわせるように上記イン
ジェクタを制御し、かつ、燃焼室全体の空燃比を１３〜
１７の範囲内に設定するとともに、早期噴射量を全噴射
量の約１／５〜約４／５の範囲内に設定し、上記点火時
期制御手段は、触媒未暖機状態において上記分割噴射が
行なわれているときに、点火時期をＭＢＴより所定量リ
タードさせるように制御し、さらに上記燃料噴射制御手
段および点火時期制御手段は、触媒未暖機状態において
分割噴射及び点火時期リタードの開始後に、触媒温度の
上昇に伴い、上記分割噴射を解除する処理と点火時期を
ＭＢＴ側へ進角させる処理とのうちのいずれか一方を先
に行ない、その後に他方の処理を行なうようになってい
ることを特徴とするものである。
【００３８】この発明によると、未暖機状態にあるとき
に、燃焼室全体の空燃比が１３〜１７の範囲内となるよ
うに全噴射量が調整されることにより、排気ガス温度を
高くすることができる熱発生率の高い空燃比が利用され
る。また、早期噴射が約１／５以上とされることで燃焼
室からの排出ガス中のＮＯｘの増大が防止されるととも
に、排気ガス温度上昇効果が得られ、早期噴射が約４／
５以下とされることで燃焼安定性が確保される。そし
て、このように全噴射量の約１／５〜約４／５が早期噴
射として吸気行程中に噴射され、残りが後期噴射として
圧縮行程中期以降に噴射されることにより、着火とその
直後の燃焼が良好に行なわれるとともに、燃焼期間後半
に緩慢燃焼が行なわれ、ＨＣ，ＮＯｘ等を低減するとと
もに排気温度を上昇させて触媒の暖機を促進する作用が
充分に発揮される。さらに、上記分割噴射と点火時期の
リタードとにより相乗的に触媒の暖機を促進する作用が
得られ、また、これらの開始後に触媒温度が上昇するに
伴い、分割噴射を解除する処理と点火時期のＭＢＴ側へ
進角する処理とが時間的にずれて行われることでトルク
ショックが軽減される。
【００３９】なお、全噴射量とは、吸気行程から点火時
期にかけての期間内に噴射される燃料の合計の量であ
る。
【００４０】
【００４１】
【００４２】
【００４３】
【００４４】
【００４５】
【００４６】
【００４７】
【００４８】
【００４９】
【００５０】請求項４に係る発明は、排気通路に排気ガ
ス浄化用の触媒を備えるとともに、燃焼室内に直接燃料
を噴射するインジェクタを備えた筒内噴射式エンジンに
おいて、上記触媒の温度状態を判別する温度状態判別手
段と、エンジンの負荷状態を検出する負荷状態検出手段
と、上記インジェクタからの燃料噴射を制御する燃料噴
射制御手段と、点火時期制御手段とを備え、上記燃料噴
射制御手段は、上記温度状態判別手段による判別及び上
記負荷状態検出手段による検出に基づき、触媒が活性温
度以上の暖機状態のときに、エンジンの低負荷領域では
成層燃焼とするように圧縮行程で燃料噴射を行なわせ、
エンジンの高負荷領域では均一燃焼とするように吸気行
程で燃料噴射を行わせる一方、触媒が活性温度よりも低
い未暖機状態にあるときに、少なくともエンジンの低負
荷領域において、吸気行程の期間内の早期噴射と圧縮行
程中期以降の後期噴射の２回の分割噴射を行なわせるよ
うに上記インジエクタを制御し、かつ、この分割噴射時
に燃焼室全体の空燃比を１３〜１７の範囲内に設定する
とともに、早期噴射量を全噴射量の約１／５〜約４／５
の範囲内に設定し、上記点火時期制御手段は、触媒未暖
機状態において上記分割噴射が行なわれているときに、
点火時期をＭＢＴより所定量リタードさせるように制御
し、さらに上記燃料噴射制御手段および点火時期制御手
段は、触媒未暖機状態において分割噴射及び点火時期リ
タードの開始後に、触媒温度の上昇に伴い、上記分割噴
射を解除する処理と点火時期をＭＢＴ側へ進角させる処
理とのうちのいずれか一方を先に行ない、その後に他方
の処理を行なうようになっていることを特徴とするもの
である。
【００５１】この発明によると、既に述べたように触媒
未暖機時にＨＣ、ＮＯｘ低減及び暖機促進の作用が得ら
れ、触媒暖機後は運転状態に応じて成層燃焼、均一燃焼
等が行なわれる。さらに、触媒暖機時に上記分割噴射と
点火時期のリタードとにより相乗的に触媒の暖機を促進
する作用が得られ、また、これらの開始後に触媒温度が
上昇するに伴い、分割噴射を解除する処理と点火時期の
ＭＢＴ側へ進角する処理とが時間的にずれて行われるこ
とでトルクショックが軽減される。
【００５２】請求項５に係る発明は、排気通路に排気ガ
ス浄化用の触媒を備えるとともに、燃焼室内に直接燃料
を噴射するインジェクタを備えた筒内噴射式エンジンに
おいて、上記触媒の温度状態を判別する温度状態判別手
段と、上記インジェクタからの燃料噴射を制御する燃料
噴射制御手段と、点火時期制御手段とを備え、上記燃料
噴射制御手段は、上記温度状態判別手段による判別に基
づき、触媒が活性温度以上の暖機状態のときに、均一燃
焼とするように吸気行程で燃料噴射を行なわせる一方、
触媒が活性温度よりも低い未暖機状態にあるときに、少
なくともエンジンの低負荷領域において、吸気行程の期
間内の早期噴射と圧縮行程中期以降の後期噴射の２回の
分割噴射を行なわせるように上記インジェクタを制御
し、かつ、この分割噴射時に燃焼室全体の空燃比を１３
〜１７の範囲内に設定するとともに、早期噴射量を全噴
射量の約１／５〜約４／５の範囲内に設定し、上記点火
時期制御手段は、触媒未暖機状態において上記分割噴射
が行なわれているときに、点火時期をＭＢＴより所定量
リタードさせるように制御し、さらに上記燃料噴射制御
手段および点火時期制御手段は、触媒未暖機状態におい
て分割噴射及び点火時期リタードの開始後に、触媒温度
の上昇に伴い、上記分割噴射を解除する処理と点火時期
をＭＢＴ側へ進角させる処理とのうちのいずれか一方を
先に行ない、その後に他方の処理を行なうようになって
いることを特徴とするものである。
【００５３】この発明によると、既に述べたように触媒
未暖機時にＨＣ、ＮＯｘ低減及び暖機促進の作用が得ら
れ、触媒暖機後は均一燃焼が行なわれる。さらに、触媒
暖機時に上記分割噴射と点火時期のリタードとにより相
乗的に触媒の暖機を促進する作用が得られ、また、これ
らの開始後に触媒温度が上昇するに伴い、分割噴射を解
除する処理と点火時期のＭＢＴ側へ進角する処理とが時
間的にずれて行われることでトルクショックが軽減され
る。
【００５４】上記の請求項1乃至５のいずれかに係る発
明において、触媒未暖機状態において分割噴射及び点火
時期リタードの開始後に、触媒温度の上昇に伴い、点火
時期をＭＢＴ側へ進角させる処理を先に行うようにする
ことが好ましい（請求項６）。上記分割噴射を解除する
処理を先に行うと、点火時期のリタードによる燃焼性の
悪化を招きやすくなるからである。
【００５５】
【００５６】
【００５７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。
【００５８】図１は筒内噴射式エンジンの一例を示して
いる。この図において、１はエンジン本体であって、シ
リンダブロック２及びシリンダヘッド３等からなり、複
数のシリンダを備えており、その各シリンダにはピスト
ン４が嵌挿され、このピストン４の頂面とシリンダヘッ
ド３の下面との間に燃焼室５が形成されている。
【００５９】これらの構造を具体的に説明する。上記シ
リンダヘッド３の下面には燃焼室５の上面部を形成する
所定形状の凹部が設けられ、例えば図示のようなペント
ルーフ形状に燃焼室５の上面部が形成されており、この
燃焼室５の上面部に吸気ポート６及び排気ポート７が開
口している。この吸気ポート６及び排気ポート７は、図
面上は１個ずつ表れているが、好ましくは、２個ずつ、
紙面と直交する方向に並んで設けられる。そして、各吸
気ポート６及び各排気ポート７に吸気弁８及び排気弁９
がそれぞれ設けられており、これら吸気弁８及び排気弁
９は図外の動弁装置により駆動されて所定タイミングで
開閉するようになっている。
【００６０】燃焼室５のほほ中央部には点火プラグ１０
が配置され、点火ギャップが燃焼室５内に臨む状態で、
シリンダヘッド３に取付けられている。
【００６１】また、燃焼室５に直接燃料を噴射するイン
ジェクタ１１が、燃焼室５の周縁部に設けられている。
図１に示す実施例形態では、燃焼室５の吸気ポート６側
の側方部においてシリンダヘッド３にインジェクタ１１
が取り付けられ、インジェクタ１１の先端が燃焼室５内
に臨み、かつ、斜め下方に向けて燃料を噴射するように
なっている。
【００６２】さらに図示の実施形態では、燃焼室５の下
面側を構成するピストン４の頂部に、凹状のキャビティ
１２が形成されている。そして、ピストン４が上死点に
近い位置となる圧縮行程後半に燃料が上記インジェクタ
１１からキャビティ１２に向けて噴射され、さらにキャ
ビティ１２で反射されて点火プラグ１０付近に達するよ
うに、インジェクタ１１の位置及び方向とキャビティ１
２の位置と点火プラグ１０の位置との関係が予め設定さ
れている。
【００６３】なお、上記インジェクタ１１には高圧燃料
ポンプ１３が燃料供給通路１４を介して接続され、この
高圧燃料ポンプ１３と図外のリターン通路に配置された
高圧レギュレータとにより、インジェクタ１１に作用す
る燃圧が圧縮行程中期以降の噴射が可能な程度の高圧に
調整されるようになっている。
【００６４】上記エンジン本体１には吸気通路１５及び
排気通路１６が接続されている。上記吸気通路１５はサ
ージタンク１５ｂの下流側で気筒別に分岐し、かつ、そ
の気筒別通路１５ａには並列に２つの通路（図面では１
つの通路のみ示す）が形成されて、その下流端の２つの
吸気ポート７が燃焼室５に開口するとともに、一方の通
路に、ガス流動強化手段としてのスワール制御弁１７が
設けられている。そして、スワール制御弁１７が閉じら
れたときに、他方の通路から燃焼室５に導入される吸気
によって燃焼室５内にスワールが生成され、燃焼室５内
のガス流動が強化されるようになっている。
【００６５】なお、ガス流動強化手段としては、上記ス
ワール制御弁１７の替わりにタンブルを生成する弁を気
筒別通路に設けてもよく、また、圧縮上死点付近でピス
トン頂面とこれに対向する燃焼室上面部（シリンダヘッ
ド下面）との間にスキッシュが生成されるようにしてお
いてもよい。
【００６６】また、吸気通路１５の途中にはスロットル
弁１８が設けられ、吸入空気量の制御が可能なようにス
テップモータ等の電気的なアクチュエータ１９によって
上記スロットル弁１８が作動されるようになっている。
【００６７】なお、サージタンク１５ｂには、ＥＧＲバ
ルブ（図示せず）を介してＥＧＲ通路（図示せず）が接
続されており、少なくともエンジン暖機後にＥＧＲを導
入するようになっている。
【００６８】一方、排気通路１６には、Ｏ2 センサ２１
が設けられるとともに、排気浄化用の触媒を備えた触媒
装置２２が設けられている。上記Ｏ2 センサ２１は、排
気中の酸素濃度を検出することにより燃焼室内の混合気
の空燃比を検出するものであり、例えば理論空燃比で出
力が変化するセンサ（λＯ2 センサ）からなっている。
【００６９】上記触媒装置２２は、三元触媒により構成
してもよいが、後述のように暖機後に空燃比をリーンに
して成層燃焼を行なうような場合の浄化性能を高めるた
め、理論空燃比よりもリーンな空燃比でもＮＯｘを浄化
する機能を有するような触媒を用いることが望ましい。
つまり、一般に知られているように三元触媒によるとＨ
Ｃ、ＣＯ、ＮＯｘの全てに対して高い浄化性能を有する
のが理論空燃比付近に限られるが、三元触媒の機能に加
えて理論空燃比よりもリーンな空燃比でもＮＯｘを浄化
する機能を有する触媒（リーンＮＯｘ触媒）があるの
で、これを用いてリーン運転時のＮＯｘを低減すること
が好ましい。尤も、このようなリーンＮＯｘ触媒であっ
ても、浄化性能が最も高められるのは理論空燃比付近で
ある。
【００７０】上記排気通路１６における触媒装置２２の
位置としては、この触媒装置２２にリーンＮＯｘ触媒を
備えているため、排気マニホールド１６ａの直下流（排
気マニホールドに直結）とすると高速高負荷時に触媒温
度が過度に上昇し易くなることから、この位置よりもエ
ンジンから遠ざかるように、排気マニホールド１６ａに
接続されている排気管１６ｂの下流に触媒装置２２が連
結されている。なお、三元触媒であれば耐熱性能が高い
ため、排気マニホールドに直結しても良い。
【００７１】３０はエンジンの制御を行なうＥＣＵ（コ
ントロールユニット）であり、このＥＣＵ３０には、エ
ンジンのクランク角を検出するクランク角センサ２３、
アクセル開度（アクセルペダル踏み込み量）を検出する
アクセルセンサ２４、吸入空気量を検出するエアフロー
メータ２５、エンジン冷却水の水温を検出する水温セン
サ２６及び上記Ｏ2 センサ２１等からの信号が入力され
ている。
【００７２】上記ＥＣＵ３０は、温度状態判別手段３
１、負荷状態検出手段３２、燃料噴射制御手段３３、燃
料噴射量演算手段３４、点火時期制御手段３５及び回転
数制御手段３６を含んでいる。
【００７３】上記温度状態判別手段３１は、上記水温セ
ンサ２６からの水温検出信号によって触媒の温度状態を
推定して、触媒が活性温度より低い未暖機状態にあるか
否かを判定するもので、水温が第１設定温度未満であれ
ば触媒未暖機状態、第１設定温度以上であれば触媒暖機
状態と判定する。なお、触媒暖機状態を判定するための
温度状態判別は、水温検出とエンジン始動からの経過時
間の判定とを併用して行なうようにしてもよく、また、
触媒温度を直接検出するようにしてもよい。
【００７４】上記負荷状態検出手段３２は、クランク角
センサ２３からのクランク角検出信号に基づいて負荷状
態を検出するようになっている。
【００７５】上記燃料噴射制御手段３３は、インジェク
タ駆動回路３７を介してインジェクタ１１からの燃料噴
射の時期及び噴射量を制御するものであり、触媒未暖機
状態のときは、少なくともエンジンの低負荷域におい
て、吸気行程から点火時期にかけての期間内で、圧縮程
中期以降の後期噴射と、これより前の早期噴射の少なく
とも２回の分割噴射を行なわせるようにインジェクタ１
１を制御する。
【００７６】ここで、圧縮行程中期とは、圧縮行程を前
期、中期、後期に３等分したときの中期、つまり、クラ
ンク角でＢＴＤＣ（上死点前）１２０°からＢＴＤＣ６
０°の期間を意味する。従って後期噴射はＢＴＤＣ１２
０°以降とされる。ただし、後述のように後期噴射の時
期が遅すぎると燃焼安定性が損なわれることから、圧縮
行程の３／４の期間が経過するまで（ＢＴＤＣ４５°ま
で）に後期噴射を開始することが望ましい。
【００７７】つまり、図２に示すように、後期噴射は圧
縮行程における上死点前１２０°から上死点前４５°ま
での期間内に開始されるように設定され、また早期噴射
は後期噴射より前の適当な時期、例えば吸気行程の期間
内に開始されるように設定される。
【００７８】このような触媒未暖機状態における分割噴
射時に、噴射量演算手段３４により空燃比が１３〜１７
の範囲内の設定空燃比となるように燃料噴射量が演算さ
れるとともに、上記燃料噴射制御手段３３により上記燃
料噴射量が所定の分割割合で分割されて早期噴射量及び
後期噴射量が制御される。
【００７９】この場合に、上記早期噴射及び後期噴射と
も主燃焼期間内にある主燃焼に寄与する燃料を噴射させ
るように制御される。つまり、一般に燃焼室内での燃焼
の進行過程で質量燃焼割合が１０％程度までが初期燃焼
期間、１０％程度から９０％程度までが主燃焼期間と呼
ばれるが、後にも説明するように後期噴射燃料が着火、
燃焼される初期燃焼は初期燃焼期間及び主燃焼期間の前
期にわたる燃焼であり、早期噴射燃料が後期噴射の燃料
と後期噴射の燃焼により延焼可能（火炎伝播可能）な空
燃比の混合気を燃焼室内に生成して、早期噴射燃料も後
期噴射燃料ともに主燃焼に関与し、かつ、早期噴射燃料
によるリーンな混合気が緩慢燃焼するように、それぞれ
の噴射量が設定される。
【００８０】具体的には、後期噴射燃料の燃焼による火
炎で延焼可能な空燃比として、早期噴射のみでの燃焼室
内空燃比が８５以下となるように設定され、全噴射量に
対する早期噴射量の割合が１／５以上（後期噴射量の割
合が４／５以下）とされる。因みに、燃焼室全体の空燃
比を１７、早期噴射のみでの燃焼室内空燃比を８５とす
ると早期噴射量の割合が１／５となる。
【００８１】また、全噴射量に対する後期噴射量の割合
が１／５以上（早期噴射量の割合が４／５以下）とされ
る。従って、早期噴射量の割合１／５〜４／５となる。
この範囲内でも望ましくは、早期噴射のみでの燃焼室内
空燃比が可燃限界空燃比（混合気がそれ自体で燃焼し得
る空燃比の限界；３０程度）以上となるように早期噴射
量が設定される。
【００８２】燃焼室全体の空燃比は上記範囲（１３〜１
７）の中でも理論空燃比もしくはこれより多少リーンに
設定することが望ましく、上記噴射量演算手段は、後に
詳述するようにオープン制御もしくはＯ2 センサの出力
に基づくフィードバック制御により燃焼室全体の空燃比
が設定空燃比となるように燃料噴射量を演算する。
【００８３】また、上記点火時期制御手段３５は、点火
装置３８に制御信号を出力して、点火時期をエンジンの
運転状態に応じて制御するものであり、基本的には点火
時期をＭＢＴに制御するが、触媒未暖機状態では点火時
期をＭＢＴよりも所定量リタードするようになってい
る。
【００８４】また、エンジン回転数制御手段３６は、触
媒未暖機時に触媒暖機後よりもエンジンのアイドル回転
数を高くするように、吸入空気量あるいは点火時期等を
制御する。
【００８５】なお、上記ＥＣＵ３０は、スロットル弁１
８を駆動するアクチュエータ１９に制御信号を出力する
ことによって吸入空気量の制御も行なうようになってお
り、触媒未暖機時や暖機後に高負荷領域等において理論
空燃比で運転するような場合はアクセル開度に応じてス
ロットル弁１８の開度を制御し、暖機後に低負荷領域等
において圧縮行程のみの燃料噴射により成層燃焼が行わ
れるような場合には、空燃比をリーンとすべくスロット
ル弁１８を開いて吸入空気量を増大させるように調整す
る。さらにＥＣＵ３０は、分割噴射時等に燃焼室５内に
スワールを生じさせるべく、上記スワール制御弁１７を
制御する。
【００８６】この筒内噴射式エンジンの制御の一例を、
図３のタイムチャートを参照しつつ説明する。
【００８７】図３において、ｔ1 はエンジンの始動完了
時点であり、この時点ｔ1までのエンジン始動中は、始
動トルクの確保等のため、空燃比が理論空燃比よりもリ
ッチとされるとともに、インジェクタ１１からの燃料噴
射が吸気行程噴射のみとされる。このようにしているの
は、エンジン始動時に圧縮行程噴射を行なうと気化、霧
化が悪くて点火プラグへの燃料のかぶりによる失火を招
き易いことから、気化、霧化の時間を稼ぐべく吸気行程
噴射を行なうことが好ましいためである。また、点火時
期はＭＢＴとされる。
【００８８】エンジンの始動完了時点ｔ1 以後で、か
つ、触媒が未暖機状態にあるときは、分割噴射が行わ
れ、つまり、インジェクタ１１からの燃料噴射が吸気行
程の早期噴射と圧縮行程中期以降の後期噴射とに分割さ
れて行われる。図３に示す例では早期噴射と後期噴射と
が同じ割合となっている。
【００８９】この分割噴射時に、燃焼室全体としての空
燃比は１３〜１７の範囲内に設定され、図３に示す例で
は、触媒未暖機時のうちでも特に触媒温度が低い始動直
後の所定時間（ｔ1〜ｔ3）は空燃比が理論空燃比よりも
リーンに設定され、かつ、Ｏ 2 センサ２１が活性化する
まではオープン制御で吸入空気量に応じて燃料噴射量が
演算されるが、Ｏ2 センサ２１が活性化した時点ｔ2 か
らはリーン空燃比を目標としつつＯ2 センサ２１の出力
に基づくフィードバック制御で燃料噴射量が演算され
る。さらに所定時間が経過した時点ｔ3からは理論空燃
比（λ＝１）を目標としてＯ2 センサ２１の出力に基づ
くフィードバック制御が行われる。
【００９０】さらに、触媒未暖機状態のときに点火時期
がリタードされる。そして、触媒温度が上昇すると点火
時期のＭＢＴ側への進角（リタード解除）、及び上記分
割噴射の解除が行われるが、トルクショック軽減のため
にこれらの時期はずらされ、とくに点火時期リタードの
方が上記分割噴射よりも燃費的の不利である（後記図１
０参照）ので、触媒温度がある程度上昇した時点ｔ4で
先ず点火時期が進角され、その後、触媒が暖機した時点
ｔ5で分割噴射が解除される。
【００９１】なお、図３は成層燃焼エンジンの例を示し
ており、触媒暖機後は、燃料噴射形態及び空燃比が運転
状態に応じて制御され、例えば低回転低負荷領域であれ
ば成層燃焼を行うべく圧縮行程噴射とされるとともに空
燃比がリーンとされる。また、高回転領域や高負荷領域
であれば均一燃焼を行うべく吸気行程噴射とされる。さ
らにまた、中負荷領域において成層燃焼領域と均一燃焼
領域との間では、必要に応じ、トルク急変の防止のため
に吸気行程、圧縮行程の分割噴射が行なわれる場合もあ
る。
【００９２】また、エンジン回転数はエンジン始動後に
エンジン水温等に応じて設定されたアイドル回転数に制
御され、この場合、従来では破線で示すようにエンジン
始動直後に速やかにエンジン水温に応じた通常のアイド
ル回転数まで低下されるが、当実施形態では、エンジン
始動直後の未暖機時に目標回転数の補正等によりエンジ
ン回転数がエンジン水温に応じた通常のアイドル回転数
より高くなるように制御され、徐々に通常のアイドル回
転数にまで低下される。このように始動直後にエンジン
回転数が高くされることで、燃焼安定性が高められて点
火時期のリタードの許容度が高められる。
【００９３】上記タイムチャートに示す制御の中の燃料
制御において、ｔ2〜ｔ3の時間に行なわれるリーン状態
のフィードバック制御及びｔ3以降に行なわれるフィー
ドバック制御を図６及び図７によって説明する。
【００９４】上記Ｏ2 センサ２１の出力は、図４に示す
ように理論空燃比（λ＝１）で急変するようになってい
る。このＯ2 センサ２１の出力に基づくフィードバック
制御としては一般に、図５のように、燃料噴射量のフィ
ードバック補正係数が比例係数であるＰ値と積分係数で
あるＩ値とで変えられるようになっており、Ｏ2 センサ
２１の出力がリッチのときは比例係数がＰ値もしくはＩ
値だけ燃料噴射量減少方向に変えられ、また、Ｏ2 セン
サ２１の出力がリーンのときは比例係数がＰ値もしくは
Ｉ値だけ燃料噴射量増加方向に変えられるようになって
いる。また、Ｏ2 センサ２１のリッチからリーンへの反
転と、リーンからリッチへの反転とに対してそれぞれ、
フィードバック補正係数の反転にディレー時間ＴRL、Ｔ
LRが設定されている。
【００９５】このようなフィードバック制御において、
上記ｔ2〜ｔ3の時間に理論空燃比よりもリーン側の所定
空燃比に制御するときは、例えば上記ディレー時間ＴRL
を同ＴLRよりも大きくするように調整することにより、
フィードバック補正係数の平均値が燃料噴射量減少方向
にずれることにより、空燃比が理論空燃比よりもリーン
側にずれるように調整されることとなる。上記Ｐ値やＩ
値をＯ2 センサ２１の出力がリッチのときとリーンのと
きとで異ならせることによっても、同様の調整が可能で
ある。
【００９６】そして、上記ｔ3以降のフィードバック制
御では、ディレー時間ＴRL，ＴLR等をリッチ側とリーン
側とで同等の状態とすることにより、空燃比を理論空燃
比とするような通常の制御が行なわれる。
【００９７】なお、図１に示すエンジンは、ピストン４
の頂部に、インジェクタ１１から噴射された燃料をトラ
ップして点火プラグ１０方向に導く成層化用のキャビテ
ィ１２を設けることにより、圧縮行程中期以降にインジ
ェクタ１１から燃料噴射を行なったときに点火プラグ１
０付近に比較的リッチな混合気が偏在するような成層状
態が得られるようにしているが、本発明装置はこのよう
なエンジン（以下、成層エンジンと呼ぶ）に限らず、例
えば図６（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すようなフラットピス
トン４１，４２，４３を備えることにより、必ずしも混
合気を成層化させない筒内噴射式エンジン（以下、非成
層エンジンと呼ぶ）に適用することもできる。
【００９８】ここで、当明細書においていうフラットピ
ストンとは、上記のような成層化用のキャビティ１２を
有しないピストンを意味するものであって、図６（ａ）
にように頂部が完全に平坦なピストンに限らず、図６
（ｂ）（ｃ）に示すように要求に応じた燃焼室形状を得
るためにピストン頂面が凹状や凸状に形成されているも
のでも成層化用のものでなければフラットピストンに含
まれることとする。
【００９９】上記非成層エンジンに適用する場合でも、
インジェクタからの燃料噴射を圧縮行程中期以降の後期
噴射とそれ以前（例えば吸気行程期間内）の早期噴射と
の２回に分割する等の触媒未暖機時の制御は、図３中に
示すように行なえばよい。また、触媒暖機後は、均一燃
焼とするように吸気行程で燃料噴射を行なわせるように
しても良い。この場合、全運転領域でλ＝１の均一燃焼
を行なうようにしても良いが、低回転低負荷領域ではリ
ーン空燃比の均一燃焼を行なうようにしても良い。
【０１００】以上のような当実施形態の筒内噴射式エン
ジンによる作用を、次に説明する。エンジン始動後にお
いて触媒が未暖機状態にあるときは、少なくとも低負荷
領域で、燃焼室全体としては略理論空燃比もしくはこれ
より多少リーンな空燃比となるように燃料噴射量が制御
されつつ、吸気行程の早期噴射と圧縮行程中期以降の後
期噴射とに分割してインジェクタから燃料が噴射され
る。
【０１０１】そして、早期噴射の燃料は、点火までに気
化、霧化及び拡散に充分な時間があるため燃焼室全体に
拡散して、延焼可能な程度のリーンな混合気層を形成す
る。また、後期噴射の燃料は、少なくとも点火プラグ１
０付近に比較的リッチな空燃比の混合気を存在させるよ
うにし、とくに図１に示すような成層エンジンでは後期
噴射の燃料が点火プラグまわりに多く集められて、理論
空燃比もしくはこれよりリッチな空燃比の混合気層を形
成するような成層状態が得られる。
【０１０２】このような燃料供給状態とされることによ
り、混合気の着火、燃焼が良好に行なわれつつ、エンジ
ンから排出される排気ガス中のＨＣ及びＮＯｘが低減さ
れて触媒未暖機時のエミッションが改善されるととも
に、排気温度が上昇し、触媒の暖機が促進される。この
ような効果を、図７〜図１４を参照しつつ具体的に説明
する。なお、図７〜図１４の中でいう分割噴射は、上記
実施形態のように早期噴射を吸気行程、後期噴射を圧縮
行程とした分割噴射をいう。
【０１０３】図７は、分割噴射を行なった場合と、吸気
行程一括噴射とした場合（比較例）とにつき、点火後の
質量燃焼割合の変化を調べたデータであり、運転条件と
してはエンジン回転数を１５００ｒｐｍ、正味平均有効
圧力Ｐｅを２９４ｋＰａとし、点火時期をＴＤＣ（圧縮
上死点）までリタード（ＭＢＴはＢＴＤＣ１０°程度）
させている。
【０１０４】この図に示すように、上記比較例の一括噴
射と比べて分割噴射の方が燃焼期間後期の燃焼が遅くな
り、これは、分割噴射の方が後燃えによって排気温度を
上昇させる効果が高いことを意味する。そして、このよ
うに後燃えが充分に行なわれることにより触媒の暖機が
促進されるとともに、ＨＣが低減される。さらに後に説
明する実験データに示すようにＮＯｘも低減される。こ
のような現象が生じる理由としては、次のようなことが
推測される。
【０１０５】すなわち、圧縮行程中期以降の後期噴射に
よると点火プラグ１０の近くに少なくとも部分的にλ≦
１の混合気が存在し、例えば図１に示す成層エンジンで
は点火プラグ１０まわりにリッチな混合気層が偏在する
ことにより、着火安定性が確保されるとともに、着火後
の燃焼が良好に行なわれ、初期燃焼の燃焼速度が速くな
る。
【０１０６】また、早期噴射の燃料は燃焼室全体に拡散
してリーンな混合気を形成しており、上記後期噴射によ
る混合気の燃焼が進むにつれ、後期噴射の燃焼の一部と
混合した早期噴射の燃料によるリーンな混合気に火炎が
伝播され、このリーンな混合気が燃焼する。つまり、主
燃焼中に後期噴射の燃料による混合気の燃焼と、それに
続いての早期噴射の燃料等によるリーンな混合気の燃焼
とが行なわれるが、そのリーンな混合気の燃焼は緩慢燃
焼となるので、ＮＯｘの発生が抑制される。
【０１０７】そして、排気温度が上昇して暖機が促進さ
れるとともに、ＨＣが酸化されて低減されるものと推測
される。
【０１０８】このような現象は図６に示すフラットピス
トンを用いた非成層エンジンでも得られる。つまり、非
成層エンジンでも圧縮行程中期以降の後期噴射は点火ま
での期間が短いため、成層化はしなくても燃料が完全に
均一には拡散せずに比較的リッチな混合気とリーンな混
合気とが散在するような状態となり、点火プラグ近くに
も部分的にリッチな混合気が存在するため着火及び燃焼
は良好に行なわれ、また、早期噴射の燃料は均一でリー
ンな混合気を形成するために延焼し、この混合気が緩慢
燃焼する。
【０１０９】また、この図７によると、分割噴射による
場合に吸気行程一括噴射と比べて燃焼前期の質量燃焼割
合の立上りが速くなり、これは燃焼安定性が高いことを
示す。このような現象は、図６に示すようなフラットピ
ストンを用いた非成層エンジンにおいて顕著に見られる
とともに、図１に示すような成層エンジンでも分割噴射
時に燃料噴射量が少なくて成層度が比較的弱い場合等に
見られる。このような現象が生じる理由としては、次の
ようなことが推測される。
【０１１０】すなわち、上述のように非成層エンジンで
は後期噴射により比較的リッチな混合気とリーンな混合
気とが散在するような状態となるので、火炎が広がる過
程で火炎伝播速度が不均一になって火炎表面が凹凸状と
なり、これにより火炎面積が大きくなって燃焼促進に寄
与するため、燃焼前期における燃焼が促進されるものと
推測される。
【０１１１】また、成層エンジンでも、後期噴射から点
火までの期間が短いので、後期噴射の燃料による混合気
が点火プラグまわりに偏在するとともに、その偏在した
範囲内でも空燃比分布にむらがあって、成層度が比較的
弱い場合には点火プラグまわりでも比較的リッチな混合
気とリーンな混合気とが存在するため、火炎が広がる過
程で火炎伝播速度が不均一になることにより火炎面積が
大きくなり、燃焼前期における燃焼が促進されるものと
推測される。
【０１１２】このように燃焼安定性が高められると、点
火時期のリタード量を大きくすることが可能となるた
め、上記の後燃えによる排気温度上昇の効果に加え、点
火時期のリタードによってより一層排気温度上昇を上昇
させ、暖機促進及びＨＣ等低減の効果を高めることがで
きる。
【０１１３】図８は、分割噴射が火炎面積に及ぼす影響
として、吸気行程一括噴射と、分割噴射とにつき、点火
からのクランク角に応じた火炎面積の変化を調べたデー
タを示しており、この図のように、分割噴射によると一
括噴射と比べ、火炎面積の増大が速く、燃焼安定性が高
められる。
【０１１４】図９は吸気行程一括噴射で点火時期をＭＢ
Ｔからリタード側に変化させた場合と、分割噴射で点火
時期はＭＢＴとしつつ、後期噴射時期を変化させた場合
とにつき、燃費率及び排ガス温度の変化を示している。
運転状態としてはエンジン回転数を１５００ｒｐｍ、正
味平均有効圧力Ｐｅを２９４ｋＰａとしている。この図
のように、吸気行程一括噴射の場合は点火時期をリター
ドさせていくと排ガス温度が上昇するとともに燃費が悪
化し、また、分割噴射の場合は、後期噴射時期を圧縮行
程のＢＴＤＣ（上死点前）９０°程度から遅らせていく
につれ、排ガス温度が上昇するとともに燃費が悪化す
る。
【０１１５】ただし、これらの場合を比較すると、同じ
排ガス温度（例えば一括噴射で点火時期がＭＢＴのとき
と比べて６０°Ｃ上昇）でも、分割噴射によると燃費率
が低くなる。換言すると、燃費の悪化を同程度にするな
らば、一括噴射で点火時期をリタードするよりも分割噴
射の方が排気温度が高められる。また。分割噴射を行な
った上でさらに点火時期をリタードさせれば、より大き
く排気温度を高めることができる。
【０１１６】図１０はエンジン回転数が１５００ｒｐｍ
で無負荷状態という運転条件において、吸気行程一括噴
射で点火時期をリタードさせた比較例と、分割噴射で点
火時期のリタードも行なうようにした本発明の実施例と
につき、燃料消費量を同じにするように点火時期リター
ド量を調整した状態（比較例、実施例とも点火時期はＴ
ＤＣまでリタード）で、排ガス温度、燃焼室から排出さ
れる排気ガス中のＨＣ濃度、同ＮＯｘ濃度及び回転数変
動率ΔＲＰＭ（標準偏差）を調べたものである。この図
のように、同じ運転条件及び同じ燃料消費量でも、本発
明の実施例の方が比較例よりも排ガス温度が大幅に高め
られ、しかもＨＣ濃度及びＮＯｘ濃度が低減され、か
つ、回転数変動率ΔＲＰＭが小さくなる。
【０１１７】これは、分割噴射によると、前述のよう
に、分割噴射により燃焼後期の燃焼が遅くなることで排
気温度が高められるとともにＨＣが低減され、また早期
噴射によるリーンな混合気の燃焼が緩慢燃焼となること
等でＮＯｘが低減され、また燃焼期間の前期における燃
焼が促進されて燃焼安定性が高められる等の理由による
ものと推測される。
【０１１８】図１１は吸気行程一括噴射とした場合と分
割噴射とした場合とにつき、筒内噴射式エンジンを搭載
した車両を運転しつつＨＣ浄化率、ＮＯｘ浄化率及び排
気温度を調べたものであり、この図のように、分割噴射
とした場合は、吸気行程一括噴射とした場合と比べて排
気ガス温度の上昇が早められることにより、ＨＣ浄化
率、ＮＯｘ浄化率がそれぞれ５０％に達する時期が大幅
に短縮（図中のｔａ，ｔｂだけ短縮）される。
【０１１９】図１２は、点火時期と図示平均有効圧力と
の関係について調べたデータを、吸気行程一括噴射とし
た場合と分割噴射とした場合とについて示すものであ
る。この図のように、点火時期がリタードされると図示
平均有効圧力（トルク）が低下するが、その低下度合
は、分割噴射の場合の方が吸気行程一括噴射の場合より
も小さくなる。
【０１２０】これらのデータから、本発明のように触媒
未暖機時に分割噴射を行なうことにより、燃焼室から排
出される排気ガス中のＨＣ及びＮＯｘを低減してエミッ
ションを改善しつつ、排気温度を上昇させて触媒の暖機
を促進し、かつ、一括噴射で点火時期リタードを大きく
するような場合と比べると燃焼安定性及び燃費も良くな
ることがわかる。
【０１２１】次に、後期噴射と早期噴射との比率及び後
期噴射のタイミングについての好ましい範囲を、図１３
及び図１４によって説明する。
【０１２２】図１３は後期噴射割合（全噴射量に対する
後期噴射量の割合）とＰｉ（図示平均有効圧力）変動
率、排ガス温度、燃費率、ＨＣ排出量及びＮＯｘ排出量
との関係について調べたデータである。運転条件として
はエンジン回転数を１５００ｒｐｍ、正味平均有効圧力
Ｐｅを２９４ｋＰａ、エンジン冷却水温を４０°Ｃと
し、点火時期はＴＤＣ（圧縮上死点）までリタードさせ
ている。この図のように、後期噴射割合が２０％（１／
５）より小さいと排ガス温度上昇効果及びＨＣ，ＮＯｘ
低減効果が充分に得られず、後期噴射割合が２０％（１
／５）以上になれば、後期噴射割合が大きくなるにつ
れ、排ガス温度上昇効果及びＨＣ，ＮＯｘ低減効果が増
大するが、Ｐｉ変動率及び燃費率が次第に高くなり、後
期噴射割合が８０％を越えるとＰｉ変動率が許容度を越
えて燃焼安定性が損なわれる。
【０１２３】従って、排ガス温度上昇効果及びＨＣ，Ｎ
Ｏｘ低減効果が得られるようにしつつ燃焼安定性及びト
ルクを確保するには、後期噴射割合を２０％〜８０％
（１／５〜４／５）の範囲内とすることが好ましく、こ
のようにすると早期噴射の割合も４／５〜１／５の範囲
内となる。また、このような範囲内では、後期噴射割合
を多くするほど、つまり早期噴射の割合少なくするほど
排ガス温度上昇効果及びＨＣ，ＮＯｘ低減効果が大きく
なる。そして、早期噴射量を、早期噴射のみでの燃焼室
内空燃比が可燃空燃比（３０程度）以上となるように少
なくしておけば、早期噴射の燃料による混合気が充分に
リーンになることにより、その燃焼が緩慢になって燃焼
期間後期の燃焼が遅くなることにより、排ガス温度上昇
効果及びＨＣ，ＮＯｘの低減効果が充分に得られる。
【０１２４】また、後期噴射量を早期噴射量より小（後
期噴射率が５０％より小）としておけば、燃焼安定性が
高められるとともに燃費が低減され、一方、後期噴射量
を早期噴射量より大（後期噴射率が５０％より大）とし
ておけば、排ガス温度上昇効果及びＨＣ，ＮＯｘの低減
効果が高められることとなる。
【０１２５】なお、燃焼室への燃料供給量が少ないアイ
ドル時等のごく低負荷領域では、分割された噴射量に応
じた噴射パルス幅（インジェクタの開弁時間を決める噴
射パルスのパルス幅）が制御可能な最小パルス幅に近づ
くため、早期噴射量と後期噴射量とが異なると、少ない
方の噴射量に応じた噴射パルス幅が最小噴射パルス幅を
下回って燃料噴射量の制御が困難になる可能性がある。
そこでこのような場合には、後期噴射量を早期噴射量と
同等（後期噴射率が５０％）としておけばよい。
【０１２６】図１４は、後期噴射の開始時期とＰｉ変動
率及び排気ガス温度との関係を示しており、運転条件と
してはエンジン回転数を１５００ｒｐｍ、正味平均有効
圧力Ｐｅを２９４ｋＰａ、エンジン冷却水温を４０°Ｃ
とし、点火時期はＴＤＣ（圧縮上死点）までリタードさ
せている。この図のように、後期噴射の開始時期がＢＴ
ＤＣ１２０°より早ければ排ガス温度上昇効果は殆ど得
られず、ＢＴＤＣ１２０°以降になると、後期噴射の開
始時期が遅くなるにつれて排気ガス温度上昇効果が高め
られるが、Ｐｉ変動率が大きくなり、後期噴射の開始時
期がＢＴＤＣ６０°よりもさらに遅くなるとＰｉ変動率
が許容度を越えて燃焼安定性が損なわれる。
【０１２７】従って、点火時期をＴＤＣまでリタードさ
せた場合に、後期噴射の開始時期はＢＴＤＣ１２０°〜
ＢＴＤＣ６０°の範囲内とすれば、燃料の気化、霧化時
間も確保できることから、燃焼安定性を確保しつつ排気
ガス温度を上昇させる効果が得られる。なお、点火時期
をＴＤＣまでリタードさせなければ、燃焼安定性が高め
られることから、後期噴射の開始時期はＢＴＤＣ１２０
°〜ＢＴＤＣ４５°の範囲内とすることができる。
【０１２８】なお、燃料噴射量が少ないごく低負荷領域
では、燃料の気化、霧化の観点から、後期噴射の開始時
期をＢＴＤＣ４５°までの範囲としつつ、点火時期を充
分にリタードすることができる。
【０１２９】また、後期噴射の燃料噴射量が比較的少な
ければ、点火時期をＴＤＣ以降としつつ、後期噴射の開
始時期をＢＴＤＣ１２０°〜ＢＴＤＣ４５°の範囲とす
ることができる。
【０１３０】ところで、図１に示すような構造及び図３
のタイムチャートに示すような制御によると、さらに次
のような作用、効果が得られる。
【０１３１】図１中に示すスワール制御弁１７は、触媒
未暖機時に、少なくとも低負荷領域で閉じられることに
より燃焼室４内にスワールを生成し、燃焼室４内のガス
流動を強化する。このようなスワール制御弁１７等のガ
ス流動強化手段が設けられていると、触媒未暖機時にお
いて少なくとも低負荷領域で上記のような分割噴射が行
なわれるときに、燃焼室内のガス流動の強化により燃焼
安定性が高められる。従って、分割噴射時に暖機促進効
果を高めるべく後期噴射の開始時期を比較的遅くした場
合にもＰｉ変動率の増大を抑えて燃焼安定性を確保する
ことができ、また点火時期リタード量の許容度も高めら
れることにより、触媒の暖機がより一層促進される。
【０１３２】また、図３のタイムチャートに示す制御に
おいては、触媒未暖機状態の内でもとくに触媒温度が低
い所定期間（ｔ1〜ｔ3）は空燃比がリーンとされること
により、排気ガス中のＨＣ等が低減される。また、この
ように空燃比がリーンにされると余剰酸素が存在するこ
とから、分割噴射された燃料の後燃えを充分に行なわせ
ることができ、暖機促進にも有利となる。触媒未暖機状
態のうちでも触媒温度がある程度上昇して多少は活性化
し始めるような所定時点ｔ3以降は、空燃比が理論空燃
比（λ＝１）とされることにより、触媒の浄化作用でＨ
Ｃ及びＮＯｘが低減されつつ、その触媒での反応によっ
ても触媒の暖機が促進される。
【０１３３】なお、空燃比の制御は上記の例に限らず、
触媒未暖機状態にある期間中、空燃比を理論空燃比より
リーン（ただし１７以下）としてもよく、また、始動直
後から空燃比を理論空燃比に制御するようにしてもよ
い。
【０１３４】また、図３中では、触媒未暖機状態にある
ときに、暖機促進のための分割噴射と点火時期のリター
ドとを行なうとともに、これらの制御の解除時のトルク
ショックを軽減と燃費等に有利なように、触媒温度の上
昇に伴い、まずＭＢＰ側への点火時期の進角を行ない、
その後に上記分割噴射の解除を行なっているが、上記点
火時期の進角と上記分割噴射の解除とを同じに行なって
もよい。
【０１３５】触媒未暖機状態のときの分割噴射における
早期噴射の時期は吸気行程に限らず、吸気行程もしくは
それ以後であって後期噴射よりも前であればよく、例え
ば燃料噴射量が少ない低負荷時等には圧縮行程前期に噴
射するようにしてもよい。
【０１３６】
【発明の効果】以上のように本発明は、筒内噴射式エン
ジンにおいて、触媒が活性温度よりも低い未暖機状態に
あるときに、少なくともエンジンの低負荷領域におい
て、吸気行程から点火時期にかけての期間内で、圧縮程
中期以降の後期噴射と、これより前の早期噴射の少なく
とも２回の分割噴射を行なわせ、かつ、上記後期噴射及
び早期噴射とも主燃焼に寄与する燃料を噴射させるよう
にしているため、触媒未暖機状態において上記分割噴射
が行なわれているとき、着火性及び着火後の燃焼性が確
保されるとともに、燃焼期間の後期に緩慢燃焼が行なわ
れる。このため、燃焼室から排出される排気ガス中のＨ
Ｃ及びＮＯｘを低減して触媒未暖機中のエミッションを
改善することができるとともに、排気温度が高められる
ことにより大幅に触媒の暖機を促進することができる。
【０１３７】とくに、未暖機状態における分割噴射時
に、燃焼室全体の空燃比を１３〜１７の範囲内に設定す
るとともに、早期噴射量を全噴射量の約１／５〜約４／
５の範囲内に設定しておくと、触媒未暖機中のエミッシ
ョンの改善及び暖機促進を効果的に行なうことができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による筒内噴射式エンジン
の全体概略図である。
【図２】分割噴射における早期噴射及び後期噴射の噴射
時期を示す図である。
【図３】制御の一例を示すタイムチャートである。
【図４】Ｏ2 センサの出力を示す図である。
【図５】空燃比のフィードバック制御を行なっていると
きのＯ2 センサの出力の変化とそれに応じたフィードバ
ック補正係数の変化とを示す図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は筒内噴射式エンジンにおける
ピストンの変形例を示す図である。
【図７】分割噴射を行なった場合と吸気行程で一括噴射
を行なった場合とにつき、質量燃料割合の変化を示す図
である。
【図８】分割噴射を行なった場合と一括噴射を行なった
場合とにつき、火炎面積の変化を示す図である。
【図９】分割噴射を行なってその後期噴射の噴射時期を
種々変えた場合と、一括噴射を行ないつつ点火時期のリ
タード量を種々変えた場合とにつき、排ガス温度及び燃
費率を示す図である。
【図１０】分割噴射を行なった場合と一括噴射を行なっ
た場合とにつき、排ガス温度（ａ）ＨＣ濃度（ｂ）、Ｎ
Ｏｘ濃度（ｃ）及びエンジン回転数変動度（ｄ）を示す
グラフである。
【図１１】車載のエンジンにおいてＨＣ浄化率、ＮＯｘ
浄化率、排ガス温度及び車速の時間的変化を示す図であ
る。
【図１２】分割噴射を行なった場合と一括噴射を行なっ
た場合とにつき、点火時期と図示平均有効圧力との関係
を示す図である。
【図１３】後期噴射割合を種々変えた場合につき、Ｐｉ
変動率等の変化を示す図である。
【図１４】後期噴射開始時期を種々変えた場合につき、
Ｐｉ変動率等の変化を示す図である。
【符号の説明】
１ エンジン本体 １０ 点火プラグ １１ インジェクタ １５ 吸気通路 １６ 排気通路 ２１ Ｏ2センサ ２２ 触媒装置 ３０ ＥＣＵ ３１ 温度状態判別手段 ３２ 燃料噴射制御手段 ３３ 噴射量演算手段 ３４ 点火時期制御手段 ３５ 回転数制御手段
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｄ 41/04 ３２５ Ｆ０２Ｄ 41/04 ３２５Ｃ 41/06 ３０５ 41/06 ３０５ 41/14 ３１０ 41/14 ３１０Ｅ ３１０Ｌ 43/00 ３０１ 43/00 ３０１Ｂ ３０１Ｇ ３０１Ｊ 45/00 ３１２ 45/00 ３１２Ｒ Ｆ０２Ｐ 5/15 Ｆ０２Ｐ 5/15 Ｂ Ｅ (72)発明者 山下 洋幸 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツ ダ株式会社内 (72)発明者 荒木 啓二 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツ ダ株式会社内 (56)参考文献 特開 平４−231645（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−187841（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−271540（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−36919（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−324765（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−169488（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−296486（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−22533（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−242577（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F02D 41/34 F02B 23/10 F02D 41/02 325 F02D 41/04 325 F02D 41/06 305 F02D 41/14 310 F02D 43/00 301 F02D 45/00 312 F02P 5/15

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 排気通路に排気ガス浄化用の触媒を備え
    るとともに、燃焼室内に直接燃料を噴射するインジェク
    タを備えた筒内噴射式エンジンにおいて、 上記触媒の温度状態を判別する温度状態判別手段と、上
    記インジェクタからの燃料噴射を制御する燃料噴射制御
    手段と、点火時期制御手段とを備え、上記燃料噴射制御手段は、 上記温度状態判別手段による
    判別に基づき、触媒が活性温度よりも低い未暖機状態に
    あるときに、少なくともエンジンの低負荷領域におい
    て、吸気行程から点火時期にかけての期間内で、圧縮行
    程中期以降の後期噴射と、これより前の早期噴射の少な
    くとも２回の分割噴射を行なわせ、かつ、上記後期噴射
    及び早期噴射とも主燃焼に寄与する燃料を噴射させるよ
    うに上記インジェクタを制御し、 上記点火時期制御手段は、触媒未暖機状態において上記
    分割噴射が行なわれているときに、点火時期をＭＢＴよ
    り所定量リタードさせるように制御し、 さらに上記燃料噴射制御手段および点火時期制御手段
    は、触媒未暖機状態において分割噴射及び点火時期リタ
    ードの開始後に、触媒温度の上昇に伴い、上記分割噴射
    を解除する処理と点火時期をＭＢＴ側へ進角させる処理
    とのうちのいずれか一方を先に行ない、その後に他方の
    処理を行なうようになっている ことを特徴とする筒内噴
    射式エンジンの制御装置。
  2. 【請求項２】 排気通路に排気ガス浄化用の触媒を備え
    るとともに、燃焼室内に直接燃料を噴射するインジェク
    タを備えた筒内噴射式エンジンにおいて、上記 触媒の温度状態を判別する温度状態判別手段と、上
    記インジェクタからの燃料噴射を制御する燃料噴射制御
    手段と、点火時期制御手段とを備え、上記 燃料噴射制御手段は、上記温度状態判別手段による
    判別に基づき、触媒が活性温度よりも低い未暖機状態に
    あるときにエンジンの暖機、未暖機に関わりなく、吸気
    行程から点火時期にかけての期間内で、圧縮行程中期以
    降の後期噴射と、これより前の早期噴射の少なくとも２
    回の分割噴射を行なわせ、かつ、上記後期噴射及び早期
    噴射とも主燃焼に寄与する燃料を噴射させるように上記
    インジェクタを制御し、上記点火時期制御手段は、触媒未暖機状態において上記
    分割噴射が行なわれているときに、点火時期をＭＢＴよ
    り所定量リタードさせるように制御し、 さらに上記燃料噴射制御手段および点火時期制御手段
    は、触媒未暖機状態において分割噴射及び点火時期リタ
    ードの開始後に、触媒温度の上昇に伴い、上記分割噴射
    を解除する処理と点火時期をＭＢＴ側へ進角させる処理
    とのうちのいずれか一方を先に行ない、その後に他方の
    処理を行なうようになっている ことを特徴とする筒内噴
    射式エンジンの制御装置。
  3. 【請求項３】 排気通路に排気ガス浄化用の触媒を備え
    るとともに、燃焼室内に直接燃料を噴射するインジェク
    タを備えた筒内噴射式エンジンにおいて、 上記触媒の温度状態を判別する温度状態判別手段と、上
    記インジェクタからの燃料噴射を制御する燃料噴射制御
    手段と、点火時期制御手段とを備え、上記 燃料噴射制御手段は、上記温度状態判別手段による
    判別に基づき、触媒が活性温度よりも低い未暖機状態に
    あるときに、吸気行程の期間内の早期噴射と圧縮行程中
    期以降の後期噴射の２回の分割噴射を行なわせるように
    上記インジェクタを制御し、かつ、燃焼室全体の空燃比
    を１３〜１７の範囲内に設定するとともに、早期噴射量
    を全噴射量の約１／５〜約４／５の範囲内に設定し、 上記点火時期制御手段は、触媒未暖機状態において上記
    分割噴射が行なわれているときに、点火時期をＭＢＴよ
    り所定量リタードさせるように制御し、 さらに上記燃料噴射制御手段および点火時期制御手段
    は、触媒未暖機状態において分割噴射及び点火時期リタ
    ードの開始後に、触媒温度の上昇に伴い、上記分割噴射
    を解除する処理と点火時期をＭＢＴ側へ進角させる処理
    とのうちのいずれか一方を先に行ない、その後に他方の
    処理を行なうようになっている ことを特徴とする筒内噴
    射式エンジンの制御装置。
  4. 【請求項４】 排気通路に排気ガス浄化用の触媒を備え
    るとともに、燃焼室内に直接燃料を噴射するインジェク
    タを備えた筒内噴射式エンジンにおいて、 上記触媒の温度状態を判別する温度状態判別手段と、エ
    ンジンの負荷状態を検出する負荷状態検出手段と、上記
    インジェクタからの燃料噴射を制御する燃料噴射制御手
    段と、点火時期制御手段とを備え、上記 燃料噴射制御手段は、上記温度状態判別手段による
    判別及び上記負荷状態検出手段による検出に基づき、触
    媒が活性温度以上の暖機状態のときに、エンジンの低負
    荷領域では成層燃焼とするように圧縮行程で燃料噴射を
    行なわせ、エンジンの高負荷領域では均一燃焼とするよ
    うに吸気行程で燃料噴射を行わせる一方、触媒が活性温
    度よりも低い未暖機状態にあるときに、少なくともエン
    ジンの低負荷領域において、吸気行程の期間内の早期噴
    射と圧縮行程中期以降の後期噴射の２回の分割噴射を行
    なわせるように上記インジエクタを制御し、かつ、この
    分割噴射時に燃焼室全体の空燃比を１３〜１７の範囲内
    に設定するとともに、早期噴射量を全噴射量の約１／５
    〜約４／５の範囲内に設定し、 上記点火時期制御手段は、触媒未暖機状態において上記
    分割噴射が行なわれているときに、点火時期をＭＢＴよ
    り所定量リタードさせるように制御し、 さらに上記燃料噴射制御手段および点火時期制御手段
    は、触媒未暖機状態において分割噴射及び点火時期リタ
    ードの開始後に、触媒温度の上昇に伴い、上記分割噴射
    を解除する処理と点火時期をＭＢＴ側へ進角させる処理
    とのうちのいずれか一方を先に行ない、その後に他方の
    処理を行なうようになっている ことを特徴とする筒内噴
    射式エンジンの制御装置。
  5. 【請求項５】 排気通路に排気ガス浄化用の触媒を備え
    るとともに、燃焼室内に直接燃料を噴射するインジェク
    タを備えた筒内噴射式エンジンにおいて、 上記触媒の温度状態を判別する温度状態判別手段と、上
    記インジェクタからの燃料噴射を制御する燃料噴射制御
    手段と、点火時期制御手段とを備え、 上記燃料噴射制御手段は、上記温度状態判別手段による
    判別に基づき、触媒が活性温度以上の暖機状態のとき
    に、均一燃焼とするように吸気行程で燃料噴射を行なわ
    せる一方、触媒が活性温度よりも低い未暖機状態にある
    ときに、少なくともエンジンの低負荷領域において、吸
    気行程の期間内の早期噴射と圧縮行程中期以降の後期噴
    射の２回の分割噴射を行なわせるように上記インジェク
    タを制御し、かつ、この分割噴射時に燃焼室全体の空燃
    比を１３〜１７の範囲内に設定するとともに、早期噴射
    量を全噴射量の約１／５〜約４／５の範囲内に設定し、 上記点火時期制御手段は、触媒未暖機状態において上記
    分割噴射が行なわれているときに、点火時期をＭＢＴよ
    り所定量リタードさせるように制御し、 さらに上記燃料噴射制御手段および点火時期制御手段
    は、触媒未暖機状態において分割噴射及び点火時期リタ
    ードの開始後に、触媒温度の上昇に伴い、上記分割噴射
    を解除する処理と点火時期をＭＢＴ側へ進角させる処理
    とのうちのいずれか一方を先に行ない、その後に他方の
    処理を行なうようになっている ことを特徴とする筒内噴
    射式エンジンの制御装置。
  6. 【請求項６】 触媒未暖機状態において分割噴射及び点
    火時期リタードの開始後に、触媒温度の上昇に伴い、点
    火時期をＭＢＴ側へ進角させる処理を先に行うようにし
    たことを特徴とする請求項1乃至５のいずれかに記載の
    筒内噴射式エンジンの制御装置。
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