JP3741209B2 - 筒内噴射型内燃機関 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射型内燃機関に係り、詳しくは、筒内噴射型内燃機関における触媒昇温技術に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
近年、燃費と出力との両立を図るために、燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射型内燃機関が実用化されている。
そして、この種の内燃機関においても、排気通路には排ガス中の有害成分を浄化させるために触媒装置が設けられている。この触媒装置は、所定の活性温度以上でなければ十分な浄化特性を得ることができないため、例えば、アイドル運転等の排ガス温度が低くなるような運転が継続し、触媒装置が不活性状態に陥るような状況では、特開平１０−４７０４０号公報に開示されるように、運転モードを排ガス温度が高くなる均一予混合燃焼のモードに切り換えて触媒温度を活性温度に維持するように図らねばならない。
【０００３】
また、冷態始動直後においては、触媒装置の早期活性化を図るため、特開平８−１００６３８号公報に開示される如く、筒内噴射型内燃機関の特性を生かして主噴射以外に膨張行程の前半に副噴射を行い、主噴射による主燃焼の火炎伝播を利用して副噴射による燃料を燃焼させ排ガスを昇温させることが考えられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記各公報に開示された技術は、いずれも、全体として排ガス特性は良好となる一方、特開平１０−４７０４０号公報に開示の技術では排気温度の上昇度合いがそれほど大きくないために触媒装置の温度維持または昇温のために時間がかかり、また特開平８−１００６３８号公報に開示の技術では触媒装置が十分に昇温するまでの間、触媒昇温だけのために余分な燃料を供給し続ける必要があり、必然的に多くの燃料を使用しなければならず、燃料消費量が嵩み、燃費が悪化するという問題がある。
【０００５】
特に、膨張行程において副噴射を行う場合、当該副噴射による燃料は内燃機関の出力には一切寄与しないことになるため、副噴射が長期に亘ると燃費の悪化は避けられず好ましいことではない。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、燃費の悪化を伴うことなく触媒装置の温度を維持または昇温可能な筒内噴射型内燃機関を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、請求項１の発明では、筒内噴射型内燃機関において、触媒装置の昇温が要求されるとき、昇温手段により機関の空燃比が理論空燃比近傍となる燃料量を圧縮行程中に直接燃焼室内へ噴射して成層燃焼を実施し、当該成層燃焼中に生起された一酸化炭素及び燃焼に寄与しない余剰の酸素を、前記触媒装置に供給して酸化反応させるよう噴射時期制御手段により燃料噴射時期を制御し、点火時期制御手段により点火時期を制御することを特徴としている。
【０００７】
つまり、機関の空燃比が理論空燃比近傍となるようにして圧縮行程中に燃料が噴射されて成層燃焼が形成され、燃料噴射時期及び点火時期が制御されると、燃料は一箇所に集中して空燃比が局部的にリッチ空燃比となり不完全燃焼が生起されて一酸化炭素（ＣＯ）が多く発生する一方、局部的にリッチ空燃比となる領域以外では余剰酸素（Ｏ2）が多く存在することになり、これらＣＯとＯ2とが同時に排気通路に排出されることになる。そして、このように排出されたＣＯとＯ2とが共に触媒装置に供給されると、触媒の作用によってＣＯとＯ2とが酸化反応を起こすことになり、当該反応熱により触媒装置が良好に昇温する。
【０００８】
従って、触媒装置の昇温が要求されるときにおいて、機関の空燃比を理論空燃比近傍として圧縮行程中に燃料を噴射することで、例えば上記特開平８−１００６３８号公報に開示されるような長期間に亘る副噴射に依らず、燃費を悪化させることなく触媒装置を効率よく良好に昇温させることが可能とされる。
また、請求項２の発明では、成層燃焼が実施されるとき、変更手段により、燃料噴射時期と点火時期との間隔が広くなるよう、請求項３の発明では、燃料噴射時期と点火時期との間隔がクランクアングル幅で４０°〜６０°となるよう、少なくとも噴射時期制御手段によって設定される燃料噴射時期及び点火時期制御手段によって設定される点火時期のいずれか一方が変更される。
【０００９】
これにより、上述の如く機関空燃比を理論空燃比近傍に近づけて成層燃焼を行うと、従来の筒内噴射型内燃機関で実現されていた成層燃焼（例えば、空燃比２５以上での燃焼）に比べて主として点火栓近傍の一箇所が極めてリッチな空燃比となり燃焼が悪化するため、従来の成層燃焼より成層度合いを弱めるようにし、極めてリッチな空燃比となる領域を点火栓近傍から若干外す必要があるのであるが、このように、例えば、燃焼室空間が広いときに燃料を噴射させて燃料の拡散をし易くすべく燃料噴射時期を早めたり、ピストン上死点近傍での吸気流（例えば、タンブル流やスワール流等）の崩壊またはスキッシュ流による吸気流の乱れとともに点火すべく点火時期を遅角することで、ＣＯを適切に生起させながら上述の燃焼悪化が好適に抑制される。
【００１０】
また、点火までに気化が進んだ混合気を点火栓近傍に導くことができることになるので、燃料液滴が点火栓の電極に付着することによる点火栓の絶縁抵抗の低下も回避可能とされる。さらに、燃料噴射時期から点火時期までの間隔が広くなるため、噴射された燃料の霧化時間が確保され、スモークの抑制も可能となる。
また、請求項４の発明では、昇温手段による成層燃焼中に、排ガス中の酸素濃度を検出するセンサの出力に基づき機関の空燃比をフィードバック制御する制御手段を備えたことを特徴としている。
【００１１】
これにより、制御の信頼性を高めることができ、触媒装置の昇温効率が向上する。
また、請求項５の発明では、吸気系に排ガスを還流するようＥＧＲバルブを開弁する排気再循環装置を備え、昇温手段による成層燃焼中に、排ガスの還流を行わないようＥＧＲバルブを閉弁状態とすることを特徴としている。
【００１２】
これにより、昇温手段による成層燃焼の実施中における空燃比の変動が抑えられる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき説明する。
図１を参照すると、車両に搭載された本発明に係る筒内噴射型内燃機関の概略構成図が示されており、以下同図に基づいて本発明に係る筒内噴射型内燃機関の構成を説明する。
【００１４】
機関本体（以下、単にエンジンという）１は、例えば、燃料噴射モード（運転モード）を切換えることで均一予混合燃焼を行う吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射モード）または成層燃焼を行う圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射モード）を実施可能な筒内噴射型火花点火式直列４気筒ガソリンエンジンとされている。そして、この筒内噴射型のエンジン１は、容易にして理論空燃比（ストイキオ）での運転やリッチ空燃比での運転（リッチ空燃比運転）の他、リーン空燃比（空燃比１８〜２３程度）での運転（リーン空燃比運転）が実現可能とされており、特に圧縮行程噴射モードでは、超リーン空燃比（空燃比２５〜５０程度）での運転が可能とされている。
【００１５】
さらに、当該筒内噴射型のエンジン１は、吸気行程や圧縮行程での燃料噴射のみならず、膨張行程でも燃料を噴射可能とされており、吸気行程或いは圧縮行程で主燃焼のための主噴射を行った後、膨張行程でさらに追加燃料を供給する副噴射を行うような分割噴射（２段噴射）も実施可能とされている。この分割噴射（２段噴射）は、主として膨張行程で副噴射された燃料を正味仕事として寄与させず、膨張行程後半から排気行程中に余剰酸素と反応（燃焼）させることで排気昇温を行うようなものである。
【００１６】
図１に示すように、エンジン１のシリンダヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ４とともに電磁式の燃料噴射弁６が取り付けられており、これにより、燃焼室８内に燃料を直接噴射可能とされている。
燃料噴射弁６には、燃料パイプを介して燃料タンクを擁した燃料供給装置（共に図示せず）が接続されている。より詳しくは、燃料供給装置には、低圧燃料ポンプと高圧燃料ポンプとが設けられており、これにより、燃料タンク内の燃料を燃料噴射弁６に対し低燃圧或いは高燃圧で供給し、該燃料を燃料噴射弁６から燃焼室内に向けて所望の燃圧で噴射可能とされている。この際、燃料噴射量は高圧燃料ポンプの燃料吐出圧と燃料噴射弁６の開弁時間、即ち燃料噴射時間とから決定される。
【００１７】
シリンダヘッド２には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド１０の一端がそれぞれ接続されている。そして、吸気マニホールド１０の他端にはスロットル弁１１が接続されており、該スロットル弁１１にはスロットル開度θthを検出するスロットルセンサ１１ａが設けられている。
【００１８】
また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成されており、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド１２の一端がそれぞれ接続されている。
図中符号１３は、クランク角ＣＡを検出するクランク角センサであり、該クランク角センサ１３はクランク角ＣＡとともにエンジン回転速度Ｎeを検出可能とされている。また、図中符号１４は、エンジン１の冷却水温ＷＴを検出する水温センサであり、該水温センサ１４からの温度情報に基づいて、エンジン１が冷態状態にあるか暖機状態にあるかを判定することが可能とされている。
【００１９】
なお、当該筒内噴射型のエンジン１は既に公知のものであり、その構成の詳細についてはここでは説明を省略する。
排気マニホールド１２としては、排出された未燃燃料成分（未燃ＨＣ等の可燃物）を効率よく排気通路内で燃焼させることが可能なよう、反応型排気マニホールドが採用されている。反応型排気マニホールド１２は、図１中に示すように、通常の排気マニホールドに比べて各気筒からの排ガスが集中する排気合流部１２ａの容積が大きく、該排気合流部１２ａにおいて暫時滞留する未燃燃料成分が余剰酸素と混合し十分に反応（燃焼）するように設計されている。これにより、特に上記分割噴射（２段噴射）による副噴射によって排出された未燃燃料成分（主としてＨＣ）が十分に反応（燃焼）することとなり、排気昇温が良好に実現される。
【００２０】
また、同図に示すように、排気マニホールド１２には排気管（排気通路）２０が接続されており、この排気管２０には排気浄化触媒装置３０を介してマフラー（図示せず）が接続されている。そして、排気管２０にはＯ2センサ２２が設けられている。Ｏ2センサ２２は、排ガス中のＯ2の濃度を検出するものであって、これによりエンジン１の実際の空燃比（実Ａ／Ｆ）を検出可能となっている。詳しくは、Ｏ2センサ２２は、ストイキオにおいてその出力が大きく変化するような特性を有しており、具体的には、リッチ空燃比側では出力電圧が大である一方、リーン空燃比側では小（０値近傍）となる特性を有している。故に、Ｏ2センサ２２を用い、空燃比を故意にリーン−リッチ振動させることで、空燃比をストイキオ近傍にフィードバック制御（Ｏ2フィードバック制御ともいい、以下Ｏ2−Ｆ／Ｂ制御という）することが可能とされている。なお、当該Ｏ2センサ２２は公知のものであり、ここではその構成等の詳細については説明を省略する。
【００２１】
排気浄化触媒装置３０は、リーン空燃比運転時における排ガス中のＮＯxをＨＣ存在下で選択的に浄化する選択還元型ＮＯx触媒（以下、単に還元型ＮＯx触媒という）３０ａと三元触媒３０ｂとの２つの触媒を備えて構成されており、三元触媒３０ｂの方が選択型ＮＯx触媒３０ａよりも下流側に配設されている。
選択型ＮＯx触媒３０ａは、公知の如く、三元触媒３０ｂと構造は略同一であるものの、還元雰囲気中においてより多くのＮＯxを選択的に還元させることが可能に構成された触媒である。
【００２２】
そして、三元触媒３０ｂの下流側には排気浄化触媒装置３０を通った排ガスの温度、即ち排気温度Ｔexを検出する排気温センサ３２が設けられている。なお、排気浄化触媒装置３０を通った排ガスの温度は略排気浄化触媒装置３０の温度とみなすことができ、故に排気温度Ｔexを検出することによって排気浄化触媒装置３０の温度状態を知ることができる。これにより、排気浄化触媒装置３０が触媒機能を十分に果たすことができるか否か、即ち選択型ＮＯx触媒３０ａ及び三元触媒３０ｂが活性状態に達しているか否かを検出可能である。
【００２３】
さらに、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えたＥＣＵ（電子コントロールユニット）４０が設置されており、このＥＣＵ４０により、エンジン１を含めた本発明に係る筒内噴射型内燃機関の総合的な制御が行われる。ＥＣＵ４０の入力側には、上述したスロットルセンサ１１ａ、クランク角センサ１３、水温センサ１４、Ｏ2センサ２２、排気温センサ３２等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力する。
【００２４】
一方、ＥＣＵ４０の出力側には、点火コイルを介して上述した点火プラグ４や燃料噴射弁６等が接続されており、これら点火コイル、燃料噴射弁６等には、各種センサ類からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量、燃料噴射時期や点火時期等の最適値がそれぞれ出力される（噴射時期制御手段及び点火時期制御手段）。これにより、燃料噴射弁６から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラグ４によって適正なタイミングで点火が実施される。
【００２５】
実際には、ＥＣＵ４０では、スロットルセンサ１１ａからのスロットル開度情報θthとクランク角センサ１３からのエンジン回転速度情報Ｎeとに基づいてエンジン負荷に対応する目標平均有効圧Ｐeを求めるようにされており、通常は、当該目標平均有効圧Ｐeとエンジン回転速度情報Ｎeとに応じて燃料噴射モード設定マップ（図示せず）より燃料噴射モード、即ち運転モードを設定するようにされている。例えば、目標平均有効圧Ｐeとエンジン回転速度Ｎeとが共に小さいときには、運転モードは圧縮行程噴射モード（圧縮リーンモード、即ち圧縮Ｌモード）とされ、燃料は圧縮行程で噴射され、一方、目標平均有効圧Ｐeが大きくなり或いはエンジン回転速度Ｎeが大きくなると運転モードは吸気行程噴射モードとされ、燃料は吸気行程で噴射される。吸気行程噴射モードには、リーン空燃比とされる吸気リーンモード（吸気Ｌモード）、実Ａ／Ｆをストイキオとなるようフィードバック制御する吸気行程Ｏ2フィードバックモード（吸気Ｏ2−Ｆ／Ｂモード）、及び、リッチ空燃比とされるオープンループモード（吸気Ｏ／Ｌモード）がある。
【００２６】
そして、目標平均有効圧Ｐeとエンジン回転速度Ｎeとから制御目標となる目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）が設定され、上記適正量の燃料噴射量は、当該目標Ａ／Ｆに基づいて決定される。
また、各種センサ類からの検出情報に基づき、エンジン１の運転状態に応じて、運転モードは吸気行程或いは圧縮行程において主噴射を行い且つ膨張行程で追加燃料の副噴射を行う分割噴射モード（２段噴射モード）に切り換えられる。
【００２７】
さらに、本発明の筒内噴射型内燃機関では、各種センサ類からの検出情報に基づき、排気浄化触媒装置３０の温度が低いような状況では、運転モードは、圧縮行程において空燃比をストイキオよりもややリーン寄りのスライトリーン空燃比（例えば、値１４．７〜値１６）に制御する圧縮行程スライトリーンモード（圧縮Ｓ／Ｌモード）、或いは実Ａ／Ｆをストイキオ（値１４．７）となるようフィードバック制御する圧縮行程Ｏ2フィードバックモード（圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモード）に切り換えられる。これにより、排気浄化触媒装置３０の昇温が行われるようにされている。
【００２８】
以下、本発明に係る排気浄化触媒装置３０の昇温制御、即ち上記のように構成された本発明の筒内噴射型内燃機関の作用について説明する。
排気浄化触媒装置３０の温度が低いような状況には、エンジン１が作動中に排気温度Ｔexが低下することによって排気浄化触媒装置３０が所定の活性温度以下の低温となる場合と、エンジン１が長時間に亘って停止していたために排気浄化触媒装置３０が低温となっている場合、即ち冷態始動時の場合の２通りがあり、以下、これらの場合についてそれぞれ説明する。
【００２９】
「第１実施形態」
先ず、エンジン１が作動中に排気温度Ｔexが低下して排気浄化触媒装置３０が冷却される場合の昇温制御について説明する。
図２を参照すると、エンジン１の作動中に排気浄化触媒装置３０が冷却される場合の昇温制御、即ち排気浄化触媒装置３０が所定の活性温度以下の低温とならないように抑制する失活抑制制御のうちタイマ制御による場合の制御ルーチンがフローチャートで示されており、図３を参照すると、当該失活抑制制御の制御内容がタイムチャートで示されており、以下、当該図２のフローチャート及び図３のタイムチャートに沿って第１実施形態を説明する。
【００３０】
エンジン１が作動中に排気温度Ｔexが低下してしまう場合とは、運転モードが、例えば燃料噴射量が少なく吸入空気量が多く燃焼温度があまり上昇しないような圧縮Ｌモード等であって、エンジン回転速度Ｎeが低いアイドル運転時のような場合（総称して排気低温運転モードという）が該当する。
先ず、ステップＳ１０では、上記燃料噴射モード設定マップに基づき運転モードが圧縮Ｌモードであり且つエンジン回転速度Ｎeが低く例えばアイドル運転時と判定され、即ち排気低温運転モードでの運転が開始されたと判定された場合において、当該ルーチンで使用するタイマＴを値０にリセットし、計時を開始するようにする（図３（ａ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）参照）。そして、ステップＳ１２において、排気低温運転モードでの運転を実行する。
【００３１】
次のステップＳ１４では、タイマＴが所定タイマ時間Ｔ1を計時したか否か、即ち排気低温運転モードでの運転が所定タイマ時間Ｔ1を超えて継続したか否かを判別する。所定タイマ時間Ｔ1は、予め実験等により、例えば、排気低温運転モードでの運転を継続した場合に、排気浄化触媒装置３０が所定の活性温度以下、即ち排気温度Ｔexが所定値（失活温度）Ｔex0以下になったと推定されるまでの時間に設定されている。判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、ステップＳ１２に戻り排気低温運転モードでの運転を継続する。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合、即ちタイマＴが所定タイマ時間Ｔ1を計時し排気低温運転モードでの運転が所定タイマ時間Ｔ1を超えたと判定された場合（図３（ｄ）参照）には、次にステップＳ１６に進む。
【００３２】
ステップＳ１６では、排気浄化触媒装置３０の昇温を行う前に圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行ってもよいか否かを判別する。具体的には、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以下であるか否かを判別する。
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、排気温度が高い通常走行状態とみなすことができ、本制御を用いなくても排気浄化触媒装置３０の昇温効果は十分に得られる。故に、ステップＳ１６の判別結果が偽（Ｎｏ）であって、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よりも大きいような場合には、次にステップＳ１８に進む。
【００３３】
つまり、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より大きいような場合には、運転者がエンジン１に高出力を要求しており、エンジン１を積極的に運転したいような状況と判断でき、このような場合には、圧縮Ｓ／Ｌモードを実施すると排気浄化触媒装置３０の過昇温のおそれがあるため、圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行わないようにする。
【００３４】
従って、この場合には、圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行わず、つまり排気浄化触媒装置３０の昇温制御を行うことなく、ステップＳ１８において、通常制御を実施するようにする。つまり、上記燃料噴射モード設定マップに基づいてエンジン１の運転を行うようにする。
一方、ステップＳ１６の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、エンジン回転速度Ｎe、目標平均有効圧Ｐe、車速Ｖのいずれもがそれぞれ対応する所定値以下であると判定された場合には、次にステップＳ２０に進み、圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行うようにする。
【００３５】
圧縮Ｓ／Ｌモードでは、上述したように、圧縮行程において空燃比をストイキオ（値１４．７）よりもややリーン寄りのスライトリーン空燃比（例えば、値１４．７〜値１６）に制御して燃料噴射を行う（昇温手段）。
このようにすると、局部的に極めて燃料濃度の濃いリッチ空燃比状態が筒内に形成され、局部的に酸素が不足するために燃料が不完全燃焼を引き起こし、一酸化炭素（ＣＯ）が比較的多く発生することになる。また、このとき、酸素が不足するために、燃焼により発生した水素（Ｈ2）がそのまま存在する。
【００３６】
一方、圧縮行程噴射モードでの燃焼は成層燃焼であるために、局部的に濃いリッチ空燃比領域から離間した燃焼室８内の部分では、燃焼に寄与しない酸素（Ｏ2）が余剰酸素として多く存在している。
即ち、運転モードを圧縮Ｓ／Ｌモードとすると、一酸化炭素（ＣＯ）や水素（Ｈ2）が比較的多く生成されて排気マニホールド１２に排出されると同時に、燃焼に寄与しない余剰の酸素（Ｏ2）が排気マニホールド１２に排出されることになるのである。
【００３７】
つまり、図４を参照すると、空燃比Ａ／Ｆを変えて圧縮行程噴射を行った場合のＯ2センサ出力（ａ）、Ｏ2濃度（ｂ）、Ｈ2濃度（ｃ）、ＣＯ濃度（ｄ）が実線で示され、空燃比Ａ／Ｆを変えて吸気行程噴射を行った場合の同様の結果が一点鎖線で比較して示されているが、同図に示すように、空燃比をストイキオ近傍として吸気行程噴射を行った場合（一点鎖線）には、均一予混合燃焼となるためにＨ2濃度は略０vol％、ＣＯ濃度は略０．５vol％となっている一方、空燃比をストイキオ近傍として圧縮行程噴射を行った場合（実線）には、Ｏ2濃度とともにＨ2濃度やＣＯ濃度についても十分に高い値を示すのである（例えば、Ｏ2濃度：２．０vol％、Ｈ2濃度：０．５vol％、ＣＯ濃度１．５vol％）。
【００３８】
そして、このように一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ2）と酸素（Ｏ2）とが同時に排気マニホールド１２に排出されると、上述したように、排気マニホールド１２は反応型排気マニホールドであるために、ＣＯ、Ｈ2、Ｏ2が排気合流部１２ａにおいてある程度良好に酸化反応（燃焼）することになる。また、排ガス中には未燃ＨＣも含まれているため、当該未燃ＨＣについても排気合流部１２ａにおいてやはり良好に酸化反応（燃焼）することになる。これにより、排気温度がある程度昇温することになり、当該反応熱（燃焼熱）によって排気浄化触媒装置３０の昇温が図られることになる。
【００３９】
しかしながら、当該圧縮Ｓ／Ｌモードが実施される状況は、排気低温運転モードでの運転が所定タイマ時間Ｔ1を超えて実施され、排気温度Ｔexが極めて低い状況であることから、この排気マニホールド１２内における反応はそれほど促進されず、故に当該排気昇温による排気浄化触媒装置３０の昇温の効果はそれほど高いものではない。
【００４０】
従って、ＣＯ、Ｈ2、Ｏ2の殆どは、排気管２０を通って排気浄化触媒装置３０に達することになる。
ところで、一般に排気浄化触媒装置３０の選択型ＮＯx触媒３０ａと三元触媒３０ｂは、ともに酸素過剰雰囲気において触媒内にＯ2を貯留する機能を有しており、該貯留したＯ2によってＣＯ等の有害成分を酸化して無害化するよう構成されている。
【００４１】
従って、上記のようにＣＯやＨ2とＯ2とが同時に存在することになると、触媒の作用によってこれらＣＯやＨ2が良好に酸化反応することになり、このとき発生する反応熱によって排気浄化触媒装置３０が昇温することになる。
即ち、排気低温運転モードでの運転が所定タイマ時間Ｔ1を超えて実施されて排気温度Ｔexが極めて低い状況となったときには、運転モードを圧縮Ｓ／Ｌモードとすることで、排気浄化触媒装置３０にＣＯ、Ｈ2、Ｏ2を同時に供給でき、ＣＯやＨ2の酸化反応による反応熱で排気浄化触媒装置３０、即ち選択型ＮＯx触媒３０ａと三元触媒３０ｂとを良好且つ早期に昇温させることができるのである。
【００４２】
即ち、図５を参照すると、選択型ＮＯx触媒３０ａと三元触媒３０ｂとにそれぞれ排気温センサを設け、排気温度Ｔexが所定値（失活温度）Ｔex0以下となった後、本発明に係る圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を実施した場合の選択型ＮＯx触媒３０ａの中心部と三元触媒３０ｂの中心部における排気温度Ｔexの時間変化が実線で、また従来の技術のように、均一予混合燃焼での運転を行った場合の時間変化が一点鎖線で示されているが、同図に示すように、圧縮Ｓ／Ｌモード（実線）で運転すると、均一予混合燃焼を実施した場合（一点鎖線）よりも排気温度Ｔexが急速に高温域まで昇温することになり、選択型ＮＯx触媒３０ａとともに三元触媒３０ｂが早期に昇温することになるのである。
【００４３】
なお、同図では三元触媒３０ｂの中心部の排気温度Ｔexが選択型ＮＯx触媒３０ａの中心部の排気温度Ｔexよりも遅れて昇温しているが、これは、三元触媒３０ｂの方が選択型ＮＯx触媒３０ａよりも下流にあるために、ＣＯ、Ｈ2、Ｏ2は、その殆どが選択型ＮＯx触媒３０ａ内で反応して先ず選択型ＮＯx触媒３０ａを昇温させ、その後、選択型ＮＯx触媒３０ａが十分に昇温し余剰となった反応熱で三元触媒３０ｂが遅れて昇温されることになるためである。
【００４４】
そして、この場合、圧縮Ｓ／Ｌモードにおいては、全体としての空燃比はストイキオ（値１４．７）近傍の値（例えば、値１４．７〜値１６）であるので、上記従来の技術のように、触媒装置が活性状態となるまでの間、均一予混合燃焼（例えば、吸気Ｏ／Ｌモード運転）を長時間に亘って実施したり、副噴射を継続実施したりして無闇に燃料消費量を増大させることなく、つまり燃費の悪化なく排気浄化触媒装置３０を昇温させることができることになる。
【００４５】
ところで、運転モードを圧縮Ｓ／Ｌモードとし、成層燃焼により局部的にリッチ空燃比状態としてＣＯを多く発生させるような場合、いわゆるスモークとの関係が問題となるが、通常は、図６に示すように、ＣＯ濃度とスモーク濃度とは略比例関係にあり、ＣＯの量の増大につれてスモークも増大するという関係を有している。つまり、圧縮Ｓ／Ｌモードでの空燃比をリーン空燃比側にして燃料噴射量を少なくするほどＣＯの発生量が減ることになり、スモークの発生量を抑えることができる。
【００４６】
このようなことから、当該圧縮Ｓ／Ｌモードでは、空燃比をリッチ空燃比側ではなくスモークの発生量を極力抑えながらもＣＯを十分に得られるようなスライトリーン空燃比（例えば、値１４．７〜値１６）とするようにしている。
また、ＣＯの発生量及びスモークの発生量は点火時期と燃料噴射時期（実際には噴射終了時期）との相関性が大きく、特に点火時期と噴射終了時期との間隔に大きく起因していることが分かっている。従って、ここでは、点火時期と噴射終了時期とを、スモークの発生量を少なくでき且つＣＯを十分に得られるような最適な点火時期と噴射終了時期とに設定するようにしている。
【００４７】
図７を参照すると、空燃比を一定（例えば、値１５）とした場合の点火時期、噴射終了時期及び点火時期と噴射終了時期との間隔（一点鎖線で示す）とＣＯ濃度（実線）、スモーク濃度（斜線付き実線）との関係がマップが示されているが、実際には、当該マップに基づいて最適な点火時期と噴射終了時期とが設定される。具体的には、例えば、スモークを目視で認識できないレベルとみなせるスモーク濃度の基準値（例えば、スモーク濃度５．０％程度）を設定しておき、スモークの発生量を該基準値に抑えようとした場合に最もＣＯの発生量が多くなりＣＯ濃度が高い値（例えば、ＣＯ濃度１．５％近傍）となるような点火時期と噴射終了時期（設定点）を当該関係マップより読み出すようにする（変更手段）。この設定点とすると、最適な点火時期は例えば５°BTDCとなる一方、最適な噴射終了時期は例えば５５°BTDCとなり、点火時期と噴射終了時期との間隔は、同図より例えば５０°ＣＡ（クランクアングル）となる。
【００４８】
また、ここではスモーク濃度が基準値（例えば、スモーク濃度５．０％程度）となるようにして最適な点火時期と噴射終了時期とを設定するようにしているが、実際には、ＣＯの発生量とスモークの発生量とを勘案し、ＣＯをできるだけ多く発生させるように点火時期と噴射終了時期とを設定してもよいし、またスモークをできるだけ発生させないようにして点火時期と噴射終了時期とを設定してもよい。
【００４９】
この場合、具体的には、同図に示すように、ＣＯの発生量を多くしたい場合には点火時期と噴射終了時期との間隔を小さくすればよく、逆にスモークの発生量を少なくしたい場合には点火時期と噴射終了時期との間隔を大きくすればよい。実際上は、点火時期と噴射終了時期との間隔が上記５０°ＣＡの前後１０°程度の範囲内、即ち４０°ＣＡ〜６０°ＣＡの範囲内であればスモークの発生量を十分に少なくでき且つＣＯを十分に得ることが可能である。つまり、圧縮Ｓ／Ｌモードでは、点火時期と噴射終了時期との間隔は、４０°ＣＡ〜６０°ＣＡの範囲内であるのがよい。
【００５０】
なお、排気低温運転モードでの運転が例えばアイドル運転である場合には、運転モードが圧縮Ｓ／Ｌモードとされても、当該アイドル状態を維持する必要があることから、上記スロットル弁１１を迂回するよう設けられたバイパス通路（図示せず）のバイパス空気量を設定するとともに、エンジン回転速度Ｎeが所定のアイドル回転速度となるように設定する必要がある。
【００５１】
また、運転モードが圧縮Ｌモードである場合には、通常はＮＯx低減を目的として排気再循環（ＥＧＲ）を行うべくＥＧＲバルブ（図示せず）を開弁しているのであるが、当該圧縮Ｓ／Ｌモードが実施されるときには、空燃比の変動等を抑えるため、ＥＧＲバルブは閉弁状態とし、ＥＧＲは行わないようにする。
以上のように、図２のステップＳ２０において圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行い、排気浄化触媒装置３０の昇温を実施したら、次にステップＳ２２に進む。
【００５２】
ステップＳ２２では、タイマＴが所定タイマ時間Ｔ2を計時したか否か、即ち圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転が所定タイマ時間Ｔ2を超えて継続したか否かを判別する。所定タイマ時間Ｔ2は、上記所定タイマ時間Ｔ1と同様、予め実験等により、例えば、排気低温運転モードでの運転後、圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転の実行により排気浄化触媒装置３０が所定の高温、即ち排気温度Ｔexが所定値Ｔex1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、判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、ステップＳ１６を経てステップＳ２０において圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を継続する。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合、即ちタイマＴが所定タイマ時間Ｔ2を計時し、圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転が所定タイマ時間Ｔ2を超えたと判定された場合（図３（ｃ）参照）には、圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を終了し、次にステップＳ２４に進む。
【００５３】
ステップＳ２４では、運転モードを再びもとの運転モードに戻すようにする。つまり、ここでは、排気低温運転モードでの運転を継続するようにする。
「第２実施形態」
第２実施形態では、上記第１実施形態の失活抑制制御をタイマ制御に代えて排気温センサ制御で行った場合の実施形態について説明する。
【００５４】
図８を参照すると、エンジン１の作動中に排気浄化触媒装置３０が冷却される場合の失活抑制制御のうち排気温センサ制御による場合の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下、当該図８のフローチャートに沿い上記図３のタイムチャートをも参照しながら説明する。
先ず、ステップＳ３０では、排気低温運転モードでの運転の実施により、排気温センサ３２によって検出される排気温度Ｔexが上記所定値（失活温度）Ｔex0以下となったか否かを判別する（図３（ｂ）参照）。つまり、上記第１実施形態ではタイマＴの計時による排気温度Ｔexの推定によって基本的に圧縮Ｓ／Ｌモードを行うか否かの判別を行っていたが、ここでは、推定によらずに直接的に排気温度Ｔexを検出して判別を行うようにする。
【００５５】
そして、ステップＳ３０の判別結果が偽（Ｎｏ）であれば、ステップＳ３９に進み、圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行わず、つまり失活抑制制御を行う前の運転モードでの運転を継続する。
一方、ステップＳ３０の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、排気温度Ｔexが上記所定値（失活温度）Ｔex0以下と判定された場合には、ステップＳ３２に進み、上記同様に圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行ってもよいか否かの判別を行う。なお、この場合の判別条件については上述した通りであり、ここでは説明を省略する。
【００５６】
そして、ステップＳ３２の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、ステップＳ３４に進み、上記同様に通常制御を行う。一方、ステップＳ３２の判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、次にステップＳ３６に進み、圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を開始する。なお、圧縮Ｓ／Ｌモードの内容についても上述した通りであるため、ここでは説明を省略する。
【００５７】
このようにステップＳ３６において圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行い、排気浄化触媒装置３０の昇温を実施したら、次にステップＳ３８に進む。
ステップＳ３８では、排気温センサ３２によって検出される排気温度Ｔexが上記所定値Ｔex1以上となったか否かを判別する（図３（ｂ）参照）。つまり、上記第１実施形態ではタイマＴの計時による排気温度Ｔexの推定によって圧縮Ｓ／Ｌモードを終了するか否かの判別を行っていたが、ここでは、推定によらずに直接的に排気温度Ｔexを検出して圧縮Ｓ／Ｌモードの終了判定を行うようにする。
【００５８】
そして、ステップＳ３８の判別結果が偽（Ｎｏ）であれば、ステップＳ３２を経てステップＳ３６において圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を継続する。一方、ステップＳ３８の判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合、即ち圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転の継続により排気温度Ｔexが上記所定値Ｔex1以上と判定された場合（図３（ｂ）参照）には、圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を終了し、次にステップＳ３９に進む。
【００５９】
ステップＳ３９では、上述したように、運転モードを失活抑制制御を行う前の運転モードに戻して運転を継続する。この場合、実際には排気低温運転モードでの運転を継続することになる。
これにより、圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を必要に応じてより適正に実施できることになり、上記第１実施形態の場合と同様に、燃費の悪化なく且つスモークの発生少なく排気浄化触媒装置３０を良好に昇温させることができることになる。
【００６０】
「第３実施形態」
次に、エンジン１を冷態始動させる場合の排気浄化触媒装置３０の昇温制御について説明する。
図９を参照すると、エンジン１を冷態始動させる際の昇温制御、即ち排気浄化触媒装置３０を低温状態から所定の活性温度まで昇温させる冷態始動昇温制御のうちタイマ制御により圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転をオープンループ制御（Ｏ／Ｌ制御）する場合の制御ルーチンがフローチャートで示されており、図１０を参照すると、当該冷態始動昇温制御の制御内容がタイムチャートで示されており、以下、当該図９のフローチャート及び図１０のタイムチャートに沿って第３実施形態を説明する。
【００６１】
先ず、ステップＳ４０では、始動スイッチ（始動ＳＷ）、即ちイグニションキー（図示せず）が操作されてオン状態とされ、エンジン１が始動したと判定された場合において、上記第１実施形態の場合と同様に当該ルーチンで使用するタイマＴを値０にリセットし、計時を開始するようにする（図１０（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）参照）。そして、ステップＳ４２において、例えばエンジン回転速度Ｎeがアイドル回転速度より大きい所定値Ｎe1に達したと判定され、始動判定が完了したら、次にステップＳ４４に進む。なお、図１０（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Ｎe1に達するまでは、始動に十分な燃料を供給すべく運転モードは吸気Ｏ／Ｌモードとされる。
【００６２】
ステップＳ４４では、上述の２段噴射を行ってもよいか否かを判別する。
当該第３実施形態では、冷態始動時のように、排気浄化触媒装置３０が極めて低温状態にあり十分に活性していないような場合には、上記圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行っても触媒による酸化反応が促進され難い。故に、この場合には、圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転に先だって２段噴射を行い、排気昇温によって予め排気浄化触媒装置３０をある程度昇温（予熱）させるようにしており、ここでは、先ず当該２段噴射の実施可否判別を行うようにする。
【００６３】
ここでは、上述した圧縮Ｓ／Ｌモードの実施可否判別の場合と同様に、例えば、図示しないアイドルスイッチがオフで、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以下であるか否かを判別する。また、水温センサ１４からの冷却水温情報ＷＴが、エンジン１が暖機したとみなせる温度、即ち暖機温度ＷＴ0以下であるか否かを判別する。冷却水温情報ＷＴが暖機温度ＷＴ0以下であるか否かをも判別するのは、特に排気浄化触媒装置３０の過昇温を防止することを考慮したためである。
【００６４】
ステップＳ４４の判別結果が偽（Ｎｏ）で、トルク不足、過昇温のおそれがあり、２段噴射を実施しない方がよいと判定された場合には、ステップＳ４６において、通常制御を実施するようにする。つまり、上記燃料噴射モード設定マップに基づいてエンジン１の運転を行うようにする。
一方、ステップＳ４４の判別結果が真（Ｙｅｓ）、即ちトルク不足、過昇温のおそれはなく、２段噴射を実施してもよいと判定された場合には、ステップＳ４８において２段噴射を実施する（図１０（ａ）参照）。つまり、吸気行程或いは圧縮行程で主燃焼のための主噴射を行った後、膨張行程でさらに追加燃料を供給する副噴射を行うようにする。これにより、副噴射による未燃燃料成分（主としてＨＣ）が上記反応型排気マニホールドの作用によって良好に反応（燃焼）して排気温度が上昇することになり、排気浄化触媒装置３０の昇温が行われる。
【００６５】
次のステップＳ５０では、２段噴射の実施後、タイマＴが所定タイマ時間Ｔ3を計時したか否かを判別する。所定タイマ時間Ｔ3は、予め実験等により、例えば、圧縮Ｓ／Ｌモードに切り換えたときに、排気浄化触媒装置３０の温度が排気浄化触媒装置３０内で酸化反応を開始することができる程度の温度となるまでの時間に設定されている。判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、ステップＳ４４を経てステップＳ４８において２段噴射を継続する。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合、即ちタイマＴが所定タイマ時間Ｔ3を計時したと判定された場合（図１０（ｄ）参照）には、次にステップＳ５２に進む。
【００６６】
ステップＳ５２では、上記第１及び第２実施形態の場合と同様に圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行ってもよいか否かの判別を行う。当該第３実施形態では、判別条件として上述したエンジン回転速度Ｎe、目標平均有効圧Ｐe、車速Ｖに関するものに加え、上記２段噴射の実施可否判別の場合と同様に、冷却水温情報ＷＴが暖機温度ＷＴ0以下であるか否かをも判別条件とし、さらに、２段噴射の合計実施時間が所定時間ｔ3以上であるか否かをも判別条件として圧縮Ｓ／Ｌモードの実施可否判別を行う。詳しくは、エンジン回転速度Ｎeが上記アイドル回転速度より大きい所定値Ｎe1以下であるか否か、目標平均有効圧Ｐeが所定値Ｐe1以下であるか否か、車速Ｖが所定値Ｖ1以下であるか否かの判別を行うとともに（図１０（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）参照）、冷却水温情報ＷＴが暖機温度ＷＴ0以下であるか否かの判別を行い（図１０（ｂ）参照）、さらに、２段噴射の合計実施時間が所定時間ｔ3（ｔ3＜Ｔ3）以上であるか否かの判別を行う。
【００６７】
ここで、２段噴射の合計実施時間が所定時間ｔ3以上であるか否かをも判別条件とするのは、タイマＴが所定タイマ時間Ｔ3を計時している途中で運転状態の変化によって上記ステップＳ４４の判別結果が一時的に偽（Ｎｏ）となり２段噴射が中断されるような場合には、排気浄化触媒装置３０が２段噴射によって十分に昇温しないおそれがあり、このような状態のままでは圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転の効果が十分に得られないことを考慮したためである。つまり、２段噴射の合計実施時間が排気浄化触媒装置３０を十分に昇温可能な時間、即ち所定時間ｔ3に満たないような場合には、圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転の効果が十分に得られないとみなせ、この場合には圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行わないようにするのである。
【００６８】
そして、ステップＳ５２の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、ステップＳ５４に進み、上記同様に通常制御（例えば、吸気Ｏ／Ｌモード運転）を行う。一方、ステップＳ５２の判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、次にステップＳ５６に進み、上記第１及び第２実施形態の場合と同様に圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を実施する（図１０（ａ）参照）。
【００６９】
このように、先ず２段噴射を実施し、その後に圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を実施するようにすると、冷態始動時でありながら、上記第１及び第２実施形態における失活抑制制御の場合と同様に、排気浄化触媒装置３０でＣＯやＨ2の酸化反応を良好に促進させ、その反応熱で排気浄化触媒装置３０、即ち選択型ＮＯx触媒３０ａと三元触媒３０ｂとを良好且つ早期に昇温させることができることとなる。
【００７０】
ここで、図１１を参照すると、本発明に係る圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行う際に、２段噴射を行った場合（実線）と行わなかった場合（一点鎖線）の選択型ＮＯx触媒３０ａの入口と中心部における排気温度Ｔexの時間変化がタイムチャートで比較して示されているが、同図に示すように、冷態始動時に先ず２段噴射を行うようにすると、２段噴射による排気昇温によって触媒入口における排気温度Ｔexが急速に上昇して選択型ＮＯx触媒３０ａが十分に予熱されるため、その後に圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行ったときには、上記図５で示したと同様に、選択型ＮＯx触媒３０ａは極めて良好に昇温することになるのである。なお、同図には三元触媒３０ｂについては省略してあるが、三元触媒３０ｂについても上記図５で示したと同様に良好に昇温することとなる。
【００７１】
また、図１２を参照すると、例えば所定タイマ時間Ｔ3に亘り２段噴射を行った後、圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行った場合（実線）と圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行うことなく上記均一予混合燃焼での運転を行った場合（一点鎖線）の選択型ＮＯx触媒３０ａの入口部と中心部及び三元触媒３０ｂの中心部における排気温度Ｔexの時間変化（ａ）が示され、併せて、排気浄化触媒装置３０のＮＯx浄化効率（ｂ）、ＣＯ浄化効率（ｃ）、ＨＣ浄化効率（ｄ）の時間変化がそれぞれ圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行った場合（実線）と上記均一予混合燃焼での運転を行った場合（一点鎖線）とで比較してタイムチャートで示されているが、同図に示すように、冷態始動時にあっては、２段噴射の実施後に圧縮Ｓ／Ｌモード（実線）で運転すると、２段噴射からの切り換え直後、極めて短時間にＨＣ、ＣＯ、ＮＯxが共に高い浄化効率を示し、触媒上で活発な反応が起こるので、上記図５で示したと同様に、選択型ＮＯx触媒３０ａとともに三元触媒３０ｂが、均一予混合燃焼を実施した場合（一点鎖線）よりも早期に昇温することになるのである。
【００７２】
ところで、通常、このように２段噴射を行うことは、上述したようにエンジン１の出力には一切寄与しない燃料を余分に供給するために燃費の悪化に繋がるのであるが、図１２からも明らかなように、本発明においては排気浄化触媒装置３０の昇温のために実施する２段噴射の時間、即ち所定タイマ時間Ｔ3は極めて短時間でよく、故に、従来のように２段噴射を長時間に亘り継続的に実施する場合に比べて燃費の悪化を極めて小さく抑えることができることになる。
【００７３】
つまり、圧縮Ｓ／Ｌモード（実線）で運転する前に２段噴射を必要最小限の時間だけ実施するようにすることで、冷態始動時において、燃費の悪化を極めて少なく抑えながら効率よく早期に排気浄化触媒装置３０を昇温させることができることになるのである。
そして、このように図９のステップＳ５６において圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行い、排気浄化触媒装置３０の昇温を実施したら、次にステップＳ５８に進む。
【００７４】
ステップＳ５８では、タイマＴが所定タイマ時間Ｔ4を計時したか否か、即ち圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転が所定タイマ時間Ｔ4を超えて継続したか否かを判別する。所定タイマ時間Ｔ4は、上記所定タイマ時間Ｔ2と同様、予め実験等により、例えば、冷態始動後、２段噴射及び圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転の実行により排気浄化触媒装置３０が所定の高温、即ち排気温度Ｔexが所定値Ｔex1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、判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、ステップＳ５２を経てステップＳ５６において圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を継続する。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合、即ちタイマＴが所定タイマ時間Ｔ4を計時し、圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転が所定タイマ時間Ｔ4を超えたと判定された場合（図１０（ｃ）参照）には、圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を終了し、ステップＳ５９に進む。
【００７５】
ステップＳ５９では、上記燃料噴射モード設定マップに基づく通常制御によりエンジン１の運転を行うようにする（例えば、吸気Ｏ／Ｌモード運転）。
「第４実施形態」
第４実施形態では、上記第３実施形態の冷態始動昇温制御においてタイマ制御により圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転をオープンループ制御（Ｏ／Ｌ制御）していたものを圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転に代えて圧縮行程Ｏ2フィードバック制御（圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂ制御）する場合、即ち圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードで運転する場合の実施形態について説明する。
【００７６】
図１３を参照すると、冷態始動昇温制御のうちタイマ制御により圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードでの運転を行う場合の制御ルーチンがフローチャートで示されており、図１４を参照すると、当該冷態始動昇温制御の制御内容がタイムチャートで示されており、以下、当該図１３のフローチャート及び図１４のタイムチャートに沿って第４実施形態を説明する。
【００７７】
なお、図１３中、▲１▼で示した部分は上記図９中のステップＳ４０乃至ステップＳ５０までの▲１▼で示した範囲、即ち２段噴射の制御部分と同一の制御であるため説明を省略し、ここでは、上記第３実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
ステップＳ６０では、圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードまたは圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行ってもよいか否かの判別を行う。ここでは、上記第３実施形態における圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行ってもよいか否かの判別条件と同一の判別条件で判別を行う（図１４（ｃ）、（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）参照）。そして、判別結果が偽（Ｎｏ）の場合にはステップＳ６２において通常制御（例えば、吸気Ｏ2−Ｆ／Ｂモード運転）を行い（図１４（ｂ）参照）、一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、次にステップＳ６４に進む。
【００７８】
ステップＳ６４では、Ｏ2センサ２２が活性状態にあるか否かを判別する。通常、Ｏ2センサ２２は、ある程度の高温下でその性能を発揮するように構成されており、故に低温のままでは圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂ制御を適正に実施することができない。そこで、当該ステップＳ６４では、Ｏ2センサ２２が活性状態にあるか否かを判別する。詳しくは、Ｏ2センサ２２が活性状態にあるか否かは、例えばＯ2センサ２２の出力電圧がリッチ空燃比のもとで所定の出力値、即ち活性判定電圧よりも大きいか否かで判別可能である。判別結果が偽（Ｎｏ）で、Ｏ2センサ２２が低温であってＯ2センサ２２が活性状態にない（オフ）と判定された場合には、ステップＳ６６に進む（図１４（ａ）参照）。
【００７９】
Ｏ2センサ２２が活性状態にない場合には、上述の如く圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂ制御を適正に実施することができない。故に、この場合には、ステップＳ６０の判別結果を受けて、ステップＳ６６において、上記第３実施形態の場合と同様に圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を実施する（図１４（ｂ）参照）。
一方、ステップＳ６４の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、Ｏ2センサ２２の出力電圧が活性判定電圧よりも大きく、Ｏ2センサ２２が活性状態（オン）と判定された場合には、次にステップＳ６８に進む（図１４（ａ）参照）。
【００８０】
ステップＳ６８では、圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードで運転を行う（図１４（ｂ）参照）。つまり、Ｏ2センサ２２からの出力情報に基づいて空燃比がストイキオになるように制御する。
このように、圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードで空燃比がストイキオ（値１４．７）となるようにフィードバック制御すると、上記図４に示したように、圧縮Ｓ／Ｌモードで空燃比をスライトリーン空燃比（例えば、値１４．７〜値１６）とした場合と略同様にＣＯ、Ｈ2、Ｏ2が十分に生成される。つまり、圧縮Ｓ／Ｌモードに代えて圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードで運転した場合であっても排気浄化触媒装置３０を十分に昇温可能である。
【００８１】
その上、さらに、このように圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂ制御を行うと、フィードバック制御であることから、上記圧縮Ｓ／ＬモードにおけるＯ／Ｌ制御に比べて極めて制御精度を高めることができることになる。つまり、圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードでの運転を行うようにすることで、制御の信頼性を高めることができ、排気浄化触媒装置３０の昇温効率を向上させることができることになるのである。
【００８２】
そして、このように図１３のステップＳ６６において圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行い、或いは、ステップＳ６８において圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードでの運転を行い、排気浄化触媒装置３０の昇温を実施したら、次にステップＳ７０に進む。
ステップＳ７０では、上記第３実施形態の場合と同様に、タイマＴが所定タイマ時間Ｔ4を計時したか否か、即ち圧縮Ｓ／Ｌモード或いは圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードでの運転が所定タイマ時間Ｔ4を超えて継続したか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、ステップＳ６０、６４を経てステップＳ６６或いはステップＳ６８において圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転、圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードでの運転を継続する。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合、即ちタイマＴが所定タイマ時間Ｔ4を計時したと判定された場合（図１４（ｄ）参照）には、圧縮Ｓ／Ｌモード或いは圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードでの運転を終了し、ステップＳ７２に進み、上記燃料噴射モード設定マップに基づく通常制御によりエンジン１の運転を行う（例えば、吸気Ｏ2−Ｆ／Ｂモード運転）。
【００８３】
「第５実施形態」
第５実施形態では、上記第４実施形態の冷態始動昇温制御においてタイマ制御により圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転をオープンループ制御（Ｏ／Ｌ制御）していたものをタイマ制御に代えて排気温センサ制御で行った場合の実施形態について説明する。
【００８４】
図１５を参照すると、冷態始動昇温制御のうち排気温センサ制御により圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードでの運転を行う場合の制御ルーチンがフローチャートで示されており、図１６を参照すると、当該冷態始動昇温制御の制御内容がタイムチャートで示されており、以下、当該図１５のフローチャート及び図１６のタイムチャートに沿って第５実施形態を説明する。
【００８５】
なお、上記第４実施形態の場合と同様、図１５中、▲１▼で示した部分は上記第３実施形態における図９中のステップＳ４０乃至ステップＳ５０までの▲１▼で示した範囲、即ち２段噴射の制御部分と同一の制御であるため説明を省略し、ここでは、上記第３実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
ステップＳ８０では、圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードまたは圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行ってもよいか否かの判別を行う。この場合においても、上記第３実施形態における圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行ってもよいか否かの判別条件と同一の判別条件で判別を行う（図１６（ｃ）、（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）参照）。そして、判別結果が偽（Ｎｏ）の場合にはステップＳ８２において通常制御（例えば、吸気Ｏ2−Ｆ／Ｂモード運転）を行い（図１６（ｂ）参照）、一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、次にステップＳ８４に進む。
【００８６】
ステップＳ８４では、上記第４実施形態の場合と同様に、Ｏ2センサ２２が活性状態にあるか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）で、Ｏ2センサ２２が低温であってＯ2センサ２２が活性状態にないと判定された場合には、ステップＳ８６に進み（図１６（ａ）参照）、上記第４実施形態の場合と同様に、圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を実施する（図１６（ｂ）参照）。
【００８７】
一方、ステップＳ８４の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、Ｏ2センサ２２の出力電圧が活性判定電圧よりも大きく、Ｏ2センサ２２が活性状態と判定された場合には、次にステップＳ８８に進み（図１６（ａ）参照）、やはり上記第４実施形態の場合と同様に、圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードで運転を行う（図１６（ｂ）参照）。
そして、ステップＳ８６において圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行い、或いは、ステップＳ８８において圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードでの運転を行い、排気浄化触媒装置３０の昇温を実施したら、次にステップＳ９０に進む。
【００８８】
ステップＳ９０では、上記第２実施形態の場合と同様に、排気温センサ３２によって検出される排気温度Ｔexが上記所定値Ｔex1以上となったか否かを判別する（図１６（ｄ）参照）。つまり、上記第４実施形態ではタイマＴの計時による排気温度Ｔexの推定によって圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモード或いは圧縮Ｓ／Ｌモードを終了するか否かの判別を行っていたが、ここでは、推定によらずに直接的に排気温度Ｔexを検出して圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモード、圧縮Ｓ／Ｌモードの終了判定を行うようにする。
【００８９】
そして、ステップＳ９０の判別結果が偽（Ｎｏ）であれば、ステップＳ８０、８４を経てステップＳ８６或いはステップＳ８８において圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転、圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードでの運転を継続する。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合、即ち排気温度Ｔexが上記所定値Ｔex1以上と判定された場合（図１６（ｄ）参照）には、圧縮Ｓ／Ｌモード或いは圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードでの運転を終了し、ステップＳ９２に進み、上記燃料噴射モード設定マップに基づく通常制御によりエンジン１の運転を行う（例えば、吸気Ｏ2−Ｆ／Ｂモード運転）。
【００９０】
これにより、圧縮Ｓ／Ｌモード或いは圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードでの運転を必要に応じてより適正に実施できることになり、上記第４実施形態の場合と同様に、制御の信頼性を高めながら、燃費の悪化なく且つスモークの発生少なく排気浄化触媒装置３０をより一層効率よく良好に昇温させることができることになる。
ところで、上記第４及び第５実施形態では、上述したように、Ｏ2センサ２２が活性状態にあるか否かは、例えばＯ2センサ２２の出力電圧がリッチ空燃比のもとで所定の出力値、即ち活性判定電圧よりも大きいか否かで判別するようにしている。
【００９１】
しかしながら、２段噴射が実施される際に全体空燃比がリーン空燃比とされ、さらに、圧縮Ｓ／Ｌモードがスライトリーン空燃比（値１４．７〜値１６）で行われると、空燃比がリッチ空燃比とされる機会がなく、Ｏ2センサ２２の活性判定ができないことになる。
そこで、ここでは、さらに、上記第４及び第５実施形態において、Ｏ2センサ２２を強制的にリッチ空燃比とするＯ2センサ活性判定制御を併せて実施するようにし、確実にＯ2センサ２２の活性判定がされるようにしている。以下、Ｏ2センサ活性判定制御内容について説明する。
【００９２】
図１７を参照すると、Ｏ2センサ活性判定制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下、当該フローチャートに沿い説明する。
図１７のステップＳ１００では、上記第３実施形態における図９のステップＳ４０と同様に、始動スイッチ（始動ＳＷ）がオン状態とされ、エンジン１が始動したと判定された場合において、当該ルーチンで使用するタイマＴを値０にリセットして計時を開始する。そして、ステップＳ１０２において、例えばエンジン回転速度Ｎeがアイドル回転速度より大きい所定値Ｎe1に達したと判定され、始動判定が完了したら、次にステップＳ１０４に進む。
【００９３】
ステップＳ１０４では、Ｏ2センサ２２の出力電圧が上述した活性判定電圧以下であるか否かを判別する。つまり、当該ステップＳ１０４において、上述したようにして、Ｏ2センサ２２が活性状態にない状態であるか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）、即ちＯ2センサ２２が既に十分に活性状態にあると判定された場合には、ステップＳ１１４に進み、Ｏ2センサ２２の活性は完了と判定する。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）で、Ｏ2センサ２２が活性状態にないと判定された場合には、次にステップＳ１０６に進む。
【００９４】
ステップＳ１０６では、タイマＴが所定タイマ時間Ｔ5（例えば、１５sec）を計時したか否かを判別する。つまり、エンジン１が始動したと判定された後、所定タイマ時間Ｔ5（例えば、１５sec）が経過しても未だにＯ2センサ２２が活性状態となっていないかどうかを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、ステップＳ１０４に戻り、Ｏ2センサ２２が活性状態にあるか否かを継続して判別する。一方判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合、即ちエンジン１の始動後、所定タイマ時間Ｔ5（例えば、１５sec）経過しても未だにＯ2センサ２２が活性状態となっていないと判定された場合には、次にステップＳ１０８に進む。空燃比がリッチ空燃比とされずリーン空燃比のままの場合には、当然にしてＯ2センサ２２は未だ活性状態となっておらず、故にこの場合にはステップＳ１０８に進む。
【００９５】
ステップＳ１０８では、空燃比をＮ行程（Ｎは任意の整数）に亘って強制的にリッチ空燃比（エンリッチ）とする。つまり、強制的にＯ2センサ２２の活性判定が可能なようにする。
そして、ステップＳ１１０において、今度はＯ2センサ２２の出力電圧が上述した活性判定電圧以上であるか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）で、依然としてＯ2センサ２２が活性状態となっていないと判定された場合には、ステップＳ１１２において、所定タイマ時間Ｔ5を所定時間αだけ延長し（Ｔ5＝Ｔ5＋α）、再びステップＳ１０４、１０６を経てステップＳ１０８において強制的に空燃比をリッチ空燃比（エンリッチ）とする。
【００９６】
ステップＳ１０４の判別結果が真（Ｙｅｓ）とされ、Ｏ2センサ２２が十分に活性状態になったと判定されたら、ステップＳ１１４に進み、Ｏ2センサ２２の活性は完了と判定する。
これにより、２段噴射が実施される際に全体空燃比がリーン空燃比とされ、さらに、圧縮Ｓ／Ｌモードで空燃比がスライトリーン空燃比とされて運転が行われた場合であっても、確実にリッチ空燃比とされる機会が得られることになり、Ｏ2センサ２２の活性判定を確実に行うことが可能となる。故に、上記第４及び第５実施形態において、Ｏ2センサ２２が活性状態にあるときには、常に有効に圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードでの運転を実施するようにでき、上述した如く、制御の信頼性をより一層高めながら、燃費の悪化なく且つスモークの発生少なく排気浄化触媒装置３０を良好に昇温させることができることとなる。
【００９７】
なお、本発明は、上述した各実施形態に何ら限定されるものではなく、例えば、上記各実施形態の排気浄化触媒装置３０では選択還元型ＮＯx触媒３０ａと三元触媒３０ｂとを組み合わせているが、排気空燃比がリーン空燃比のときに排ガス中のＮＯxを吸蔵しストイキオまたはリッチ空燃比のときに吸蔵されたＮＯxを放出し還元する吸蔵型ＮＯx触媒等を用いるようにしてもよい。つまり、本発明は排気浄化触媒装置の昇温を図るものであって、触媒の種類や個数等には何ら限定されるものではない。
【００９８】
また、上記各実施形態では、圧縮Ｓ／Ｌモードにおいて空燃比をスライトリーン空燃比（例えば、値１４．７〜値１６）に設定しているが、エンジン１より排出されるＯ2やＣＯの関係（図４参照）から、空燃比をストイキオに対して若干リッチ空燃比（例えば、値１４程度）側に設定するようにしてもよい。
さらに、上記第３乃至第５実施形態では、図９中▲１▼で示した２段噴射の制御部分についてはタイマにて２段噴射の実行期間を計時するようにしているが、例えば、排気温センサを排気通路に設け、排気浄化触媒装置が触媒上で酸化反応可能な状態が当該排気温センサの出力値により検出或いは推定されるまでを実行期間とし２段噴射を実行するようにしてもよい。
【００９９】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の請求項１の筒内噴射型内燃機関によれば、機関の空燃比が理論空燃比近傍となる燃料量を圧縮行程中に直接燃焼室内へ噴射して成層燃焼を実施し、当該成層燃焼中に生起された一酸化炭素及び燃焼に寄与しない余剰の酸素を触媒装置に供給して酸化反応させるよう燃料噴射時期及び点火時期を制御するようにしたので、燃費を悪化させることなくＣＯとＯ2とを同時に触媒装置に供給して酸化反応を起こさせるようにでき、当該反応熱で触媒装置を効率よく良好に昇温させることが可能である。
【０１００】
また、請求項２、３の筒内噴射型内燃機関によれば、成層燃焼が実施されるときには燃料噴射時期と点火時期との間隔が広く、クランクアングル幅で４０°〜６０°となるようにしたので、特に、噴射された燃料の霧化時間を十分に確保でき、ＣＯを適切に生起させながらもスモークの発生を好適に抑制することができる。
また、請求項４の筒内噴射型内燃機関によれば、昇温手段による成層燃焼中に、排ガス中の酸素濃度を検出するセンサの出力に基づき機関の空燃比をフィードバック制御するようにしたので、制御の信頼性を高めることができ、触媒装置の昇温効率を向上させることができる。
【０１０１】
また、請求項５の筒内噴射型内燃機関によれば、吸気系に排ガスを還流するようＥＧＲバルブを開弁する排気再循環装置を備えている場合において、排気再循環装置は、昇温手段による成層燃焼中には、排ガスの還流を行わないようＥＧＲバルブを閉弁状態とするようにしたので、昇温手段による成層燃焼の実施中にあっては、空燃比の変動を抑えることができ、安定した成層燃焼を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る筒内噴射型内燃機関を示す概略構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る、失活抑制制御のうちタイマ制御による場合の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】図２のタイマ制御による場合の失活抑制制御の制御内容を示すタイムチャートである。
【図４】空燃比Ａ／Ｆを変えて圧縮行程噴射を行った場合（実線）及び吸気行程噴射を行った場合（一点鎖線）におけるＯ2濃度（ｂ）、Ｈ2濃度（ｃ）、ＣＯ濃度（ｄ）を比較して示した図である。
【図５】図２の失活抑制制御に基づき圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を実施した場合（実線）及び従来の均一予混合燃焼での運転を行った場合（一点鎖線）における選択型ＮＯx触媒の中心部と三元触媒の中心部における排気温度Ｔexの時間変化を比較して示したタイムチャートである。
【図６】ＣＯ濃度とスモーク濃度との関係を示す図である。
【図７】空燃比を一定（例えば、値１５）とした場合の点火時期、噴射終了時期及び点火時期と噴射終了時期との間隔（一点鎖線で示す）とＣＯ濃度（実線）、スモーク濃度（斜線付き実線）との関係を示すマップである。
【図８】本発明の第２実施形態に係る、失活抑制制御のうち排気温センサ制御による場合の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図９】本発明の第３実施形態に係る、冷態始動昇温制御のうちタイマ制御により圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転をオープンループ制御する場合の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１０】図９のタイマ制御により圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転をオープンループ制御する場合の冷態始動昇温制御の制御内容を示すタイムチャートである。
【図１１】図９の冷態始動昇温制御に基づき圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行う際に２段噴射を行った場合（実線）及び行わなかった場合（一点鎖線）における選択型ＮＯx触媒の入口と中心部における排気温度Ｔexの時間変化を比較して示したタイムチャートである。
【図１２】図９の冷態始動昇温制御に基づき２段噴射を行った後に圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行った場合（実線）と圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行うことなく従来の均一予混合燃焼での運転を行った場合（一点鎖線）における選択型ＮＯx触媒の入口部と中心部及び三元触媒の中心部における排気温度Ｔexの時間変化（ａ）、及び、排気浄化触媒装置のＮＯx浄化効率（ｂ）、ＣＯ浄化効率（ｃ）、ＨＣ浄化効率（ｄ）の時間変化を比較して示したタイムチャートである。
【図１３】本発明の第４実施形態に係る、冷態始動昇温制御のうちタイマ制御により圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードでの運転を行う場合の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１４】図１３のタイマ制御により圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードでの運転を行う場合の冷態始動昇温制御の制御内容を示すタイムチャートである。
【図１５】本発明の第５実施形態に係る、冷態始動昇温制御のうち排気温センサ制御により圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードでの運転を行う場合の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１６】図１５の排気温センサ制御により圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードでの運転を行う場合の冷態始動昇温制御の制御内容を示すタイムチャートである。
【図１７】Ｏ2センサ活性判定制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ エンジン（機関本体）
４ 点火プラグ
６ 燃料噴射弁
１１ スロットル弁
１１ａ スロットルセンサ
１２ 排気マニホールド
１３ クランク角センサ
１４ 水温センサ
２２ Ｏ2センサ
３０ 排気浄化触媒装置
３０ａ 選択還元型ＮＯx触媒
３０ｂ 三元触媒
３２ 排気温センサ
４０ 電子コントロールユニット（ＥＣＵ）
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射型内燃機関に係り、詳しくは、筒内噴射型内燃機関における触媒昇温技術に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
近年、燃費と出力との両立を図るために、燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射型内燃機関が実用化されている。
そして、この種の内燃機関においても、排気通路には排ガス中の有害成分を浄化させるために触媒装置が設けられている。この触媒装置は、所定の活性温度以上でなければ十分な浄化特性を得ることができないため、例えば、アイドル運転等の排ガス温度が低くなるような運転が継続し、触媒装置が不活性状態に陥るような状況では、特開平１０−４７０４０号公報に開示されるように、運転モードを排ガス温度が高くなる均一予混合燃焼のモードに切り換えて触媒温度を活性温度に維持するように図らねばならない。
【０００３】
また、冷態始動直後においては、触媒装置の早期活性化を図るため、特開平８−１００６３８号公報に開示される如く、筒内噴射型内燃機関の特性を生かして主噴射以外に膨張行程の前半に副噴射を行い、主噴射による主燃焼の火炎伝播を利用して副噴射による燃料を燃焼させ排ガスを昇温させることが考えられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記各公報に開示された技術は、いずれも、全体として排ガス特性は良好となる一方、特開平１０−４７０４０号公報に開示の技術では排気温度の上昇度合いがそれほど大きくないために触媒装置の温度維持または昇温のために時間がかかり、また特開平８−１００６３８号公報に開示の技術では触媒装置が十分に昇温するまでの間、触媒昇温だけのために余分な燃料を供給し続ける必要があり、必然的に多くの燃料を使用しなければならず、燃料消費量が嵩み、燃費が悪化するという問題がある。
【０００５】
特に、膨張行程において副噴射を行う場合、当該副噴射による燃料は内燃機関の出力には一切寄与しないことになるため、副噴射が長期に亘ると燃費の悪化は避けられず好ましいことではない。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、燃費の悪化を伴うことなく触媒装置の温度を維持または昇温可能な筒内噴射型内燃機関を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、請求項１の発明では、筒内噴射型内燃機関において、触媒装置の昇温が要求されるとき、昇温手段により機関の空燃比が理論空燃比近傍となる燃料量を圧縮行程中に直接燃焼室内へ噴射して成層燃焼を実施し、当該成層燃焼中に生起された一酸化炭素及び燃焼に寄与しない余剰の酸素を、前記触媒装置に供給して酸化反応させるよう噴射時期制御手段により燃料噴射時期を制御し、点火時期制御手段により点火時期を制御することを特徴としている。
【０００７】
つまり、機関の空燃比が理論空燃比近傍となるようにして圧縮行程中に燃料が噴射されて成層燃焼が形成され、燃料噴射時期及び点火時期が制御されると、燃料は一箇所に集中して空燃比が局部的にリッチ空燃比となり不完全燃焼が生起されて一酸化炭素（ＣＯ）が多く発生する一方、局部的にリッチ空燃比となる領域以外では余剰酸素（Ｏ2）が多く存在することになり、これらＣＯとＯ2とが同時に排気通路に排出されることになる。そして、このように排出されたＣＯとＯ2とが共に触媒装置に供給されると、触媒の作用によってＣＯとＯ2とが酸化反応を起こすことになり、当該反応熱により触媒装置が良好に昇温する。
【０００８】
従って、触媒装置の昇温が要求されるときにおいて、機関の空燃比を理論空燃比近傍として圧縮行程中に燃料を噴射することで、例えば上記特開平８−１００６３８号公報に開示されるような長期間に亘る副噴射に依らず、燃費を悪化させることなく触媒装置を効率よく良好に昇温させることが可能とされる。
また、請求項２の発明では、成層燃焼が実施されるとき、変更手段により、燃料噴射時期と点火時期との間隔が広くなるよう、請求項３の発明では、燃料噴射時期と点火時期との間隔がクランクアングル幅で４０°〜６０°となるよう、少なくとも噴射時期制御手段によって設定される燃料噴射時期及び点火時期制御手段によって設定される点火時期のいずれか一方が変更される。
【０００９】
これにより、上述の如く機関空燃比を理論空燃比近傍に近づけて成層燃焼を行うと、従来の筒内噴射型内燃機関で実現されていた成層燃焼（例えば、空燃比２５以上での燃焼）に比べて主として点火栓近傍の一箇所が極めてリッチな空燃比となり燃焼が悪化するため、従来の成層燃焼より成層度合いを弱めるようにし、極めてリッチな空燃比となる領域を点火栓近傍から若干外す必要があるのであるが、このように、例えば、燃焼室空間が広いときに燃料を噴射させて燃料の拡散をし易くすべく燃料噴射時期を早めたり、ピストン上死点近傍での吸気流（例えば、タンブル流やスワール流等）の崩壊またはスキッシュ流による吸気流の乱れとともに点火すべく点火時期を遅角することで、ＣＯを適切に生起させながら上述の燃焼悪化が好適に抑制される。
【００１０】
また、点火までに気化が進んだ混合気を点火栓近傍に導くことができることになるので、燃料液滴が点火栓の電極に付着することによる点火栓の絶縁抵抗の低下も回避可能とされる。さらに、燃料噴射時期から点火時期までの間隔が広くなるため、噴射された燃料の霧化時間が確保され、スモークの抑制も可能となる。
また、請求項４の発明では、昇温手段による成層燃焼中に、排ガス中の酸素濃度を検出するセンサの出力に基づき機関の空燃比をフィードバック制御する制御手段を備えたことを特徴としている。
【００１１】
これにより、制御の信頼性を高めることができ、触媒装置の昇温効率が向上する。
また、請求項５の発明では、吸気系に排ガスを還流するようＥＧＲバルブを開弁する排気再循環装置を備え、昇温手段による成層燃焼中に、排ガスの還流を行わないようＥＧＲバルブを閉弁状態とすることを特徴としている。
【００１２】
これにより、昇温手段による成層燃焼の実施中における空燃比の変動が抑えられる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき説明する。
図１を参照すると、車両に搭載された本発明に係る筒内噴射型内燃機関の概略構成図が示されており、以下同図に基づいて本発明に係る筒内噴射型内燃機関の構成を説明する。
【００１４】
機関本体（以下、単にエンジンという）１は、例えば、燃料噴射モード（運転モード）を切換えることで均一予混合燃焼を行う吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射モード）または成層燃焼を行う圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射モード）を実施可能な筒内噴射型火花点火式直列４気筒ガソリンエンジンとされている。そして、この筒内噴射型のエンジン１は、容易にして理論空燃比（ストイキオ）での運転やリッチ空燃比での運転（リッチ空燃比運転）の他、リーン空燃比（空燃比１８〜２３程度）での運転（リーン空燃比運転）が実現可能とされており、特に圧縮行程噴射モードでは、超リーン空燃比（空燃比２５〜５０程度）での運転が可能とされている。
【００１５】
さらに、当該筒内噴射型のエンジン１は、吸気行程や圧縮行程での燃料噴射のみならず、膨張行程でも燃料を噴射可能とされており、吸気行程或いは圧縮行程で主燃焼のための主噴射を行った後、膨張行程でさらに追加燃料を供給する副噴射を行うような分割噴射（２段噴射）も実施可能とされている。この分割噴射（２段噴射）は、主として膨張行程で副噴射された燃料を正味仕事として寄与させず、膨張行程後半から排気行程中に余剰酸素と反応（燃焼）させることで排気昇温を行うようなものである。
【００１６】
図１に示すように、エンジン１のシリンダヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ４とともに電磁式の燃料噴射弁６が取り付けられており、これにより、燃焼室８内に燃料を直接噴射可能とされている。
燃料噴射弁６には、燃料パイプを介して燃料タンクを擁した燃料供給装置（共に図示せず）が接続されている。より詳しくは、燃料供給装置には、低圧燃料ポンプと高圧燃料ポンプとが設けられており、これにより、燃料タンク内の燃料を燃料噴射弁６に対し低燃圧或いは高燃圧で供給し、該燃料を燃料噴射弁６から燃焼室内に向けて所望の燃圧で噴射可能とされている。この際、燃料噴射量は高圧燃料ポンプの燃料吐出圧と燃料噴射弁６の開弁時間、即ち燃料噴射時間とから決定される。
【００１７】
シリンダヘッド２には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド１０の一端がそれぞれ接続されている。そして、吸気マニホールド１０の他端にはスロットル弁１１が接続されており、該スロットル弁１１にはスロットル開度θthを検出するスロットルセンサ１１ａが設けられている。
【００１８】
また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成されており、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド１２の一端がそれぞれ接続されている。
図中符号１３は、クランク角ＣＡを検出するクランク角センサであり、該クランク角センサ１３はクランク角ＣＡとともにエンジン回転速度Ｎeを検出可能とされている。また、図中符号１４は、エンジン１の冷却水温ＷＴを検出する水温センサであり、該水温センサ１４からの温度情報に基づいて、エンジン１が冷態状態にあるか暖機状態にあるかを判定することが可能とされている。
【００１９】
なお、当該筒内噴射型のエンジン１は既に公知のものであり、その構成の詳細についてはここでは説明を省略する。
排気マニホールド１２としては、排出された未燃燃料成分（未燃ＨＣ等の可燃物）を効率よく排気通路内で燃焼させることが可能なよう、反応型排気マニホールドが採用されている。反応型排気マニホールド１２は、図１中に示すように、通常の排気マニホールドに比べて各気筒からの排ガスが集中する排気合流部１２ａの容積が大きく、該排気合流部１２ａにおいて暫時滞留する未燃燃料成分が余剰酸素と混合し十分に反応（燃焼）するように設計されている。これにより、特に上記分割噴射（２段噴射）による副噴射によって排出された未燃燃料成分（主としてＨＣ）が十分に反応（燃焼）することとなり、排気昇温が良好に実現される。
【００２０】
また、同図に示すように、排気マニホールド１２には排気管（排気通路）２０が接続されており、この排気管２０には排気浄化触媒装置３０を介してマフラー（図示せず）が接続されている。そして、排気管２０にはＯ2センサ２２が設けられている。Ｏ2センサ２２は、排ガス中のＯ2の濃度を検出するものであって、これによりエンジン１の実際の空燃比（実Ａ／Ｆ）を検出可能となっている。詳しくは、Ｏ2センサ２２は、ストイキオにおいてその出力が大きく変化するような特性を有しており、具体的には、リッチ空燃比側では出力電圧が大である一方、リーン空燃比側では小（０値近傍）となる特性を有している。故に、Ｏ2センサ２２を用い、空燃比を故意にリーン−リッチ振動させることで、空燃比をストイキオ近傍にフィードバック制御（Ｏ2フィードバック制御ともいい、以下Ｏ2−Ｆ／Ｂ制御という）することが可能とされている。なお、当該Ｏ2センサ２２は公知のものであり、ここではその構成等の詳細については説明を省略する。
【００２１】
排気浄化触媒装置３０は、リーン空燃比運転時における排ガス中のＮＯxをＨＣ存在下で選択的に浄化する選択還元型ＮＯx触媒（以下、単に還元型ＮＯx触媒という）３０ａと三元触媒３０ｂとの２つの触媒を備えて構成されており、三元触媒３０ｂの方が選択型ＮＯx触媒３０ａよりも下流側に配設されている。
選択型ＮＯx触媒３０ａは、公知の如く、三元触媒３０ｂと構造は略同一であるものの、還元雰囲気中においてより多くのＮＯxを選択的に還元させることが可能に構成された触媒である。
【００２２】
そして、三元触媒３０ｂの下流側には排気浄化触媒装置３０を通った排ガスの温度、即ち排気温度Ｔexを検出する排気温センサ３２が設けられている。なお、排気浄化触媒装置３０を通った排ガスの温度は略排気浄化触媒装置３０の温度とみなすことができ、故に排気温度Ｔexを検出することによって排気浄化触媒装置３０の温度状態を知ることができる。これにより、排気浄化触媒装置３０が触媒機能を十分に果たすことができるか否か、即ち選択型ＮＯx触媒３０ａ及び三元触媒３０ｂが活性状態に達しているか否かを検出可能である。
【００２３】
さらに、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えたＥＣＵ（電子コントロールユニット）４０が設置されており、このＥＣＵ４０により、エンジン１を含めた本発明に係る筒内噴射型内燃機関の総合的な制御が行われる。ＥＣＵ４０の入力側には、上述したスロットルセンサ１１ａ、クランク角センサ１３、水温センサ１４、Ｏ2センサ２２、排気温センサ３２等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力する。
【００２４】
一方、ＥＣＵ４０の出力側には、点火コイルを介して上述した点火プラグ４や燃料噴射弁６等が接続されており、これら点火コイル、燃料噴射弁６等には、各種センサ類からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量、燃料噴射時期や点火時期等の最適値がそれぞれ出力される（噴射時期制御手段及び点火時期制御手段）。これにより、燃料噴射弁６から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラグ４によって適正なタイミングで点火が実施される。
【００２５】
実際には、ＥＣＵ４０では、スロットルセンサ１１ａからのスロットル開度情報θthとクランク角センサ１３からのエンジン回転速度情報Ｎeとに基づいてエンジン負荷に対応する目標平均有効圧Ｐeを求めるようにされており、通常は、当該目標平均有効圧Ｐeとエンジン回転速度情報Ｎeとに応じて燃料噴射モード設定マップ（図示せず）より燃料噴射モード、即ち運転モードを設定するようにされている。例えば、目標平均有効圧Ｐeとエンジン回転速度Ｎeとが共に小さいときには、運転モードは圧縮行程噴射モード（圧縮リーンモード、即ち圧縮Ｌモード）とされ、燃料は圧縮行程で噴射され、一方、目標平均有効圧Ｐeが大きくなり或いはエンジン回転速度Ｎeが大きくなると運転モードは吸気行程噴射モードとされ、燃料は吸気行程で噴射される。吸気行程噴射モードには、リーン空燃比とされる吸気リーンモード（吸気Ｌモード）、実Ａ／Ｆをストイキオとなるようフィードバック制御する吸気行程Ｏ2フィードバックモード（吸気Ｏ2−Ｆ／Ｂモード）、及び、リッチ空燃比とされるオープンループモード（吸気Ｏ／Ｌモード）がある。
【００２６】
そして、目標平均有効圧Ｐeとエンジン回転速度Ｎeとから制御目標となる目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）が設定され、上記適正量の燃料噴射量は、当該目標Ａ／Ｆに基づいて決定される。
また、各種センサ類からの検出情報に基づき、エンジン１の運転状態に応じて、運転モードは吸気行程或いは圧縮行程において主噴射を行い且つ膨張行程で追加燃料の副噴射を行う分割噴射モード（２段噴射モード）に切り換えられる。
【００２７】
さらに、本発明の筒内噴射型内燃機関では、各種センサ類からの検出情報に基づき、排気浄化触媒装置３０の温度が低いような状況では、運転モードは、圧縮行程において空燃比をストイキオよりもややリーン寄りのスライトリーン空燃比（例えば、値１４．７〜値１６）に制御する圧縮行程スライトリーンモード（圧縮Ｓ／Ｌモード）、或いは実Ａ／Ｆをストイキオ（値１４．７）となるようフィードバック制御する圧縮行程Ｏ2フィードバックモード（圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモード）に切り換えられる。これにより、排気浄化触媒装置３０の昇温が行われるようにされている。
【００２８】
以下、本発明に係る排気浄化触媒装置３０の昇温制御、即ち上記のように構成された本発明の筒内噴射型内燃機関の作用について説明する。
排気浄化触媒装置３０の温度が低いような状況には、エンジン１が作動中に排気温度Ｔexが低下することによって排気浄化触媒装置３０が所定の活性温度以下の低温となる場合と、エンジン１が長時間に亘って停止していたために排気浄化触媒装置３０が低温となっている場合、即ち冷態始動時の場合の２通りがあり、以下、これらの場合についてそれぞれ説明する。
【００２９】
「第１実施形態」
先ず、エンジン１が作動中に排気温度Ｔexが低下して排気浄化触媒装置３０が冷却される場合の昇温制御について説明する。
図２を参照すると、エンジン１の作動中に排気浄化触媒装置３０が冷却される場合の昇温制御、即ち排気浄化触媒装置３０が所定の活性温度以下の低温とならないように抑制する失活抑制制御のうちタイマ制御による場合の制御ルーチンがフローチャートで示されており、図３を参照すると、当該失活抑制制御の制御内容がタイムチャートで示されており、以下、当該図２のフローチャート及び図３のタイムチャートに沿って第１実施形態を説明する。
【００３０】
エンジン１が作動中に排気温度Ｔexが低下してしまう場合とは、運転モードが、例えば燃料噴射量が少なく吸入空気量が多く燃焼温度があまり上昇しないような圧縮Ｌモード等であって、エンジン回転速度Ｎeが低いアイドル運転時のような場合（総称して排気低温運転モードという）が該当する。
先ず、ステップＳ１０では、上記燃料噴射モード設定マップに基づき運転モードが圧縮Ｌモードであり且つエンジン回転速度Ｎeが低く例えばアイドル運転時と判定され、即ち排気低温運転モードでの運転が開始されたと判定された場合において、当該ルーチンで使用するタイマＴを値０にリセットし、計時を開始するようにする（図３（ａ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）参照）。そして、ステップＳ１２において、排気低温運転モードでの運転を実行する。
【００３１】
次のステップＳ１４では、タイマＴが所定タイマ時間Ｔ1を計時したか否か、即ち排気低温運転モードでの運転が所定タイマ時間Ｔ1を超えて継続したか否かを判別する。所定タイマ時間Ｔ1は、予め実験等により、例えば、排気低温運転モードでの運転を継続した場合に、排気浄化触媒装置３０が所定の活性温度以下、即ち排気温度Ｔexが所定値（失活温度）Ｔex0以下になったと推定されるまでの時間に設定されている。判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、ステップＳ１２に戻り排気低温運転モードでの運転を継続する。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合、即ちタイマＴが所定タイマ時間Ｔ1を計時し排気低温運転モードでの運転が所定タイマ時間Ｔ1を超えたと判定された場合（図３（ｄ）参照）には、次にステップＳ１６に進む。
【００３２】
ステップＳ１６では、排気浄化触媒装置３０の昇温を行う前に圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行ってもよいか否かを判別する。具体的には、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以下であるか否かを判別する。
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、排気温度が高い通常走行状態とみなすことができ、本制御を用いなくても排気浄化触媒装置３０の昇温効果は十分に得られる。故に、ステップＳ１６の判別結果が偽（Ｎｏ）であって、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よりも大きいような場合には、次にステップＳ１８に進む。
【００３３】
つまり、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より大きいような場合には、運転者がエンジン１に高出力を要求しており、エンジン１を積極的に運転したいような状況と判断でき、このような場合には、圧縮Ｓ／Ｌモードを実施すると排気浄化触媒装置３０の過昇温のおそれがあるため、圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行わないようにする。
【００３４】
従って、この場合には、圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行わず、つまり排気浄化触媒装置３０の昇温制御を行うことなく、ステップＳ１８において、通常制御を実施するようにする。つまり、上記燃料噴射モード設定マップに基づいてエンジン１の運転を行うようにする。
一方、ステップＳ１６の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、エンジン回転速度Ｎe、目標平均有効圧Ｐe、車速Ｖのいずれもがそれぞれ対応する所定値以下であると判定された場合には、次にステップＳ２０に進み、圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行うようにする。
【００３５】
圧縮Ｓ／Ｌモードでは、上述したように、圧縮行程において空燃比をストイキオ（値１４．７）よりもややリーン寄りのスライトリーン空燃比（例えば、値１４．７〜値１６）に制御して燃料噴射を行う（昇温手段）。
このようにすると、局部的に極めて燃料濃度の濃いリッチ空燃比状態が筒内に形成され、局部的に酸素が不足するために燃料が不完全燃焼を引き起こし、一酸化炭素（ＣＯ）が比較的多く発生することになる。また、このとき、酸素が不足するために、燃焼により発生した水素（Ｈ2）がそのまま存在する。
【００３６】
一方、圧縮行程噴射モードでの燃焼は成層燃焼であるために、局部的に濃いリッチ空燃比領域から離間した燃焼室８内の部分では、燃焼に寄与しない酸素（Ｏ2）が余剰酸素として多く存在している。
即ち、運転モードを圧縮Ｓ／Ｌモードとすると、一酸化炭素（ＣＯ）や水素（Ｈ2）が比較的多く生成されて排気マニホールド１２に排出されると同時に、燃焼に寄与しない余剰の酸素（Ｏ2）が排気マニホールド１２に排出されることになるのである。
【００３７】
つまり、図４を参照すると、空燃比Ａ／Ｆを変えて圧縮行程噴射を行った場合のＯ2センサ出力（ａ）、Ｏ2濃度（ｂ）、Ｈ2濃度（ｃ）、ＣＯ濃度（ｄ）が実線で示され、空燃比Ａ／Ｆを変えて吸気行程噴射を行った場合の同様の結果が一点鎖線で比較して示されているが、同図に示すように、空燃比をストイキオ近傍として吸気行程噴射を行った場合（一点鎖線）には、均一予混合燃焼となるためにＨ2濃度は略０vol％、ＣＯ濃度は略０．５vol％となっている一方、空燃比をストイキオ近傍として圧縮行程噴射を行った場合（実線）には、Ｏ2濃度とともにＨ2濃度やＣＯ濃度についても十分に高い値を示すのである（例えば、Ｏ2濃度：２．０vol％、Ｈ2濃度：０．５vol％、ＣＯ濃度１．５vol％）。
【００３８】
そして、このように一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ2）と酸素（Ｏ2）とが同時に排気マニホールド１２に排出されると、上述したように、排気マニホールド１２は反応型排気マニホールドであるために、ＣＯ、Ｈ2、Ｏ2が排気合流部１２ａにおいてある程度良好に酸化反応（燃焼）することになる。また、排ガス中には未燃ＨＣも含まれているため、当該未燃ＨＣについても排気合流部１２ａにおいてやはり良好に酸化反応（燃焼）することになる。これにより、排気温度がある程度昇温することになり、当該反応熱（燃焼熱）によって排気浄化触媒装置３０の昇温が図られることになる。
【００３９】
しかしながら、当該圧縮Ｓ／Ｌモードが実施される状況は、排気低温運転モードでの運転が所定タイマ時間Ｔ1を超えて実施され、排気温度Ｔexが極めて低い状況であることから、この排気マニホールド１２内における反応はそれほど促進されず、故に当該排気昇温による排気浄化触媒装置３０の昇温の効果はそれほど高いものではない。
【００４０】
従って、ＣＯ、Ｈ2、Ｏ2の殆どは、排気管２０を通って排気浄化触媒装置３０に達することになる。
ところで、一般に排気浄化触媒装置３０の選択型ＮＯx触媒３０ａと三元触媒３０ｂは、ともに酸素過剰雰囲気において触媒内にＯ2を貯留する機能を有しており、該貯留したＯ2によってＣＯ等の有害成分を酸化して無害化するよう構成されている。
【００４１】
従って、上記のようにＣＯやＨ2とＯ2とが同時に存在することになると、触媒の作用によってこれらＣＯやＨ2が良好に酸化反応することになり、このとき発生する反応熱によって排気浄化触媒装置３０が昇温することになる。
即ち、排気低温運転モードでの運転が所定タイマ時間Ｔ1を超えて実施されて排気温度Ｔexが極めて低い状況となったときには、運転モードを圧縮Ｓ／Ｌモードとすることで、排気浄化触媒装置３０にＣＯ、Ｈ2、Ｏ2を同時に供給でき、ＣＯやＨ2の酸化反応による反応熱で排気浄化触媒装置３０、即ち選択型ＮＯx触媒３０ａと三元触媒３０ｂとを良好且つ早期に昇温させることができるのである。
【００４２】
即ち、図５を参照すると、選択型ＮＯx触媒３０ａと三元触媒３０ｂとにそれぞれ排気温センサを設け、排気温度Ｔexが所定値（失活温度）Ｔex0以下となった後、本発明に係る圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を実施した場合の選択型ＮＯx触媒３０ａの中心部と三元触媒３０ｂの中心部における排気温度Ｔexの時間変化が実線で、また従来の技術のように、均一予混合燃焼での運転を行った場合の時間変化が一点鎖線で示されているが、同図に示すように、圧縮Ｓ／Ｌモード（実線）で運転すると、均一予混合燃焼を実施した場合（一点鎖線）よりも排気温度Ｔexが急速に高温域まで昇温することになり、選択型ＮＯx触媒３０ａとともに三元触媒３０ｂが早期に昇温することになるのである。
【００４３】
なお、同図では三元触媒３０ｂの中心部の排気温度Ｔexが選択型ＮＯx触媒３０ａの中心部の排気温度Ｔexよりも遅れて昇温しているが、これは、三元触媒３０ｂの方が選択型ＮＯx触媒３０ａよりも下流にあるために、ＣＯ、Ｈ2、Ｏ2は、その殆どが選択型ＮＯx触媒３０ａ内で反応して先ず選択型ＮＯx触媒３０ａを昇温させ、その後、選択型ＮＯx触媒３０ａが十分に昇温し余剰となった反応熱で三元触媒３０ｂが遅れて昇温されることになるためである。
【００４４】
そして、この場合、圧縮Ｓ／Ｌモードにおいては、全体としての空燃比はストイキオ（値１４．７）近傍の値（例えば、値１４．７〜値１６）であるので、上記従来の技術のように、触媒装置が活性状態となるまでの間、均一予混合燃焼（例えば、吸気Ｏ／Ｌモード運転）を長時間に亘って実施したり、副噴射を継続実施したりして無闇に燃料消費量を増大させることなく、つまり燃費の悪化なく排気浄化触媒装置３０を昇温させることができることになる。
【００４５】
ところで、運転モードを圧縮Ｓ／Ｌモードとし、成層燃焼により局部的にリッチ空燃比状態としてＣＯを多く発生させるような場合、いわゆるスモークとの関係が問題となるが、通常は、図６に示すように、ＣＯ濃度とスモーク濃度とは略比例関係にあり、ＣＯの量の増大につれてスモークも増大するという関係を有している。つまり、圧縮Ｓ／Ｌモードでの空燃比をリーン空燃比側にして燃料噴射量を少なくするほどＣＯの発生量が減ることになり、スモークの発生量を抑えることができる。
【００４６】
このようなことから、当該圧縮Ｓ／Ｌモードでは、空燃比をリッチ空燃比側ではなくスモークの発生量を極力抑えながらもＣＯを十分に得られるようなスライトリーン空燃比（例えば、値１４．７〜値１６）とするようにしている。
また、ＣＯの発生量及びスモークの発生量は点火時期と燃料噴射時期（実際には噴射終了時期）との相関性が大きく、特に点火時期と噴射終了時期との間隔に大きく起因していることが分かっている。従って、ここでは、点火時期と噴射終了時期とを、スモークの発生量を少なくでき且つＣＯを十分に得られるような最適な点火時期と噴射終了時期とに設定するようにしている。
【００４７】
図７を参照すると、空燃比を一定（例えば、値１５）とした場合の点火時期、噴射終了時期及び点火時期と噴射終了時期との間隔（一点鎖線で示す）とＣＯ濃度（実線）、スモーク濃度（斜線付き実線）との関係がマップが示されているが、実際には、当該マップに基づいて最適な点火時期と噴射終了時期とが設定される。具体的には、例えば、スモークを目視で認識できないレベルとみなせるスモーク濃度の基準値（例えば、スモーク濃度５．０％程度）を設定しておき、スモークの発生量を該基準値に抑えようとした場合に最もＣＯの発生量が多くなりＣＯ濃度が高い値（例えば、ＣＯ濃度１．５％近傍）となるような点火時期と噴射終了時期（設定点）を当該関係マップより読み出すようにする（変更手段）。この設定点とすると、最適な点火時期は例えば５°BTDCとなる一方、最適な噴射終了時期は例えば５５°BTDCとなり、点火時期と噴射終了時期との間隔は、同図より例えば５０°ＣＡ（クランクアングル）となる。
【００４８】
また、ここではスモーク濃度が基準値（例えば、スモーク濃度５．０％程度）となるようにして最適な点火時期と噴射終了時期とを設定するようにしているが、実際には、ＣＯの発生量とスモークの発生量とを勘案し、ＣＯをできるだけ多く発生させるように点火時期と噴射終了時期とを設定してもよいし、またスモークをできるだけ発生させないようにして点火時期と噴射終了時期とを設定してもよい。
【００４９】
この場合、具体的には、同図に示すように、ＣＯの発生量を多くしたい場合には点火時期と噴射終了時期との間隔を小さくすればよく、逆にスモークの発生量を少なくしたい場合には点火時期と噴射終了時期との間隔を大きくすればよい。実際上は、点火時期と噴射終了時期との間隔が上記５０°ＣＡの前後１０°程度の範囲内、即ち４０°ＣＡ〜６０°ＣＡの範囲内であればスモークの発生量を十分に少なくでき且つＣＯを十分に得ることが可能である。つまり、圧縮Ｓ／Ｌモードでは、点火時期と噴射終了時期との間隔は、４０°ＣＡ〜６０°ＣＡの範囲内であるのがよい。
【００５０】
なお、排気低温運転モードでの運転が例えばアイドル運転である場合には、運転モードが圧縮Ｓ／Ｌモードとされても、当該アイドル状態を維持する必要があることから、上記スロットル弁１１を迂回するよう設けられたバイパス通路（図示せず）のバイパス空気量を設定するとともに、エンジン回転速度Ｎeが所定のアイドル回転速度となるように設定する必要がある。
【００５１】
また、運転モードが圧縮Ｌモードである場合には、通常はＮＯx低減を目的として排気再循環（ＥＧＲ）を行うべくＥＧＲバルブ（図示せず）を開弁しているのであるが、当該圧縮Ｓ／Ｌモードが実施されるときには、空燃比の変動等を抑えるため、ＥＧＲバルブは閉弁状態とし、ＥＧＲは行わないようにする。
以上のように、図２のステップＳ２０において圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行い、排気浄化触媒装置３０の昇温を実施したら、次にステップＳ２２に進む。
【００５２】
ステップＳ２２では、タイマＴが所定タイマ時間Ｔ2を計時したか否か、即ち圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転が所定タイマ時間Ｔ2を超えて継続したか否かを判別する。所定タイマ時間Ｔ2は、上記所定タイマ時間Ｔ1と同様、予め実験等により、例えば、排気低温運転モードでの運転後、圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転の実行により排気浄化触媒装置３０が所定の高温、即ち排気温度Ｔexが所定値Ｔex1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、判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、ステップＳ１６を経てステップＳ２０において圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を継続する。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合、即ちタイマＴが所定タイマ時間Ｔ2を計時し、圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転が所定タイマ時間Ｔ2を超えたと判定された場合（図３（ｃ）参照）には、圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を終了し、次にステップＳ２４に進む。
【００５３】
ステップＳ２４では、運転モードを再びもとの運転モードに戻すようにする。つまり、ここでは、排気低温運転モードでの運転を継続するようにする。
「第２実施形態」
第２実施形態では、上記第１実施形態の失活抑制制御をタイマ制御に代えて排気温センサ制御で行った場合の実施形態について説明する。
【００５４】
図８を参照すると、エンジン１の作動中に排気浄化触媒装置３０が冷却される場合の失活抑制制御のうち排気温センサ制御による場合の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下、当該図８のフローチャートに沿い上記図３のタイムチャートをも参照しながら説明する。
先ず、ステップＳ３０では、排気低温運転モードでの運転の実施により、排気温センサ３２によって検出される排気温度Ｔexが上記所定値（失活温度）Ｔex0以下となったか否かを判別する（図３（ｂ）参照）。つまり、上記第１実施形態ではタイマＴの計時による排気温度Ｔexの推定によって基本的に圧縮Ｓ／Ｌモードを行うか否かの判別を行っていたが、ここでは、推定によらずに直接的に排気温度Ｔexを検出して判別を行うようにする。
【００５５】
そして、ステップＳ３０の判別結果が偽（Ｎｏ）であれば、ステップＳ３９に進み、圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行わず、つまり失活抑制制御を行う前の運転モードでの運転を継続する。
一方、ステップＳ３０の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、排気温度Ｔexが上記所定値（失活温度）Ｔex0以下と判定された場合には、ステップＳ３２に進み、上記同様に圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行ってもよいか否かの判別を行う。なお、この場合の判別条件については上述した通りであり、ここでは説明を省略する。
【００５６】
そして、ステップＳ３２の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、ステップＳ３４に進み、上記同様に通常制御を行う。一方、ステップＳ３２の判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、次にステップＳ３６に進み、圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を開始する。なお、圧縮Ｓ／Ｌモードの内容についても上述した通りであるため、ここでは説明を省略する。
【００５７】
このようにステップＳ３６において圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行い、排気浄化触媒装置３０の昇温を実施したら、次にステップＳ３８に進む。
ステップＳ３８では、排気温センサ３２によって検出される排気温度Ｔexが上記所定値Ｔex1以上となったか否かを判別する（図３（ｂ）参照）。つまり、上記第１実施形態ではタイマＴの計時による排気温度Ｔexの推定によって圧縮Ｓ／Ｌモードを終了するか否かの判別を行っていたが、ここでは、推定によらずに直接的に排気温度Ｔexを検出して圧縮Ｓ／Ｌモードの終了判定を行うようにする。
【００５８】
そして、ステップＳ３８の判別結果が偽（Ｎｏ）であれば、ステップＳ３２を経てステップＳ３６において圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を継続する。一方、ステップＳ３８の判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合、即ち圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転の継続により排気温度Ｔexが上記所定値Ｔex1以上と判定された場合（図３（ｂ）参照）には、圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を終了し、次にステップＳ３９に進む。
【００５９】
ステップＳ３９では、上述したように、運転モードを失活抑制制御を行う前の運転モードに戻して運転を継続する。この場合、実際には排気低温運転モードでの運転を継続することになる。
これにより、圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を必要に応じてより適正に実施できることになり、上記第１実施形態の場合と同様に、燃費の悪化なく且つスモークの発生少なく排気浄化触媒装置３０を良好に昇温させることができることになる。
【００６０】
「第３実施形態」
次に、エンジン１を冷態始動させる場合の排気浄化触媒装置３０の昇温制御について説明する。
図９を参照すると、エンジン１を冷態始動させる際の昇温制御、即ち排気浄化触媒装置３０を低温状態から所定の活性温度まで昇温させる冷態始動昇温制御のうちタイマ制御により圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転をオープンループ制御（Ｏ／Ｌ制御）する場合の制御ルーチンがフローチャートで示されており、図１０を参照すると、当該冷態始動昇温制御の制御内容がタイムチャートで示されており、以下、当該図９のフローチャート及び図１０のタイムチャートに沿って第３実施形態を説明する。
【００６１】
先ず、ステップＳ４０では、始動スイッチ（始動ＳＷ）、即ちイグニションキー（図示せず）が操作されてオン状態とされ、エンジン１が始動したと判定された場合において、上記第１実施形態の場合と同様に当該ルーチンで使用するタイマＴを値０にリセットし、計時を開始するようにする（図１０（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）参照）。そして、ステップＳ４２において、例えばエンジン回転速度Ｎeがアイドル回転速度より大きい所定値Ｎe1に達したと判定され、始動判定が完了したら、次にステップＳ４４に進む。なお、図１０（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Ｎe1に達するまでは、始動に十分な燃料を供給すべく運転モードは吸気Ｏ／Ｌモードとされる。
【００６２】
ステップＳ４４では、上述の２段噴射を行ってもよいか否かを判別する。
当該第３実施形態では、冷態始動時のように、排気浄化触媒装置３０が極めて低温状態にあり十分に活性していないような場合には、上記圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行っても触媒による酸化反応が促進され難い。故に、この場合には、圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転に先だって２段噴射を行い、排気昇温によって予め排気浄化触媒装置３０をある程度昇温（予熱）させるようにしており、ここでは、先ず当該２段噴射の実施可否判別を行うようにする。
【００６３】
ここでは、上述した圧縮Ｓ／Ｌモードの実施可否判別の場合と同様に、例えば、図示しないアイドルスイッチがオフで、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以下であるか否かを判別する。また、水温センサ１４からの冷却水温情報ＷＴが、エンジン１が暖機したとみなせる温度、即ち暖機温度ＷＴ0以下であるか否かを判別する。冷却水温情報ＷＴが暖機温度ＷＴ0以下であるか否かをも判別するのは、特に排気浄化触媒装置３０の過昇温を防止することを考慮したためである。
【００６４】
ステップＳ４４の判別結果が偽（Ｎｏ）で、トルク不足、過昇温のおそれがあり、２段噴射を実施しない方がよいと判定された場合には、ステップＳ４６において、通常制御を実施するようにする。つまり、上記燃料噴射モード設定マップに基づいてエンジン１の運転を行うようにする。
一方、ステップＳ４４の判別結果が真（Ｙｅｓ）、即ちトルク不足、過昇温のおそれはなく、２段噴射を実施してもよいと判定された場合には、ステップＳ４８において２段噴射を実施する（図１０（ａ）参照）。つまり、吸気行程或いは圧縮行程で主燃焼のための主噴射を行った後、膨張行程でさらに追加燃料を供給する副噴射を行うようにする。これにより、副噴射による未燃燃料成分（主としてＨＣ）が上記反応型排気マニホールドの作用によって良好に反応（燃焼）して排気温度が上昇することになり、排気浄化触媒装置３０の昇温が行われる。
【００６５】
次のステップＳ５０では、２段噴射の実施後、タイマＴが所定タイマ時間Ｔ3を計時したか否かを判別する。所定タイマ時間Ｔ3は、予め実験等により、例えば、圧縮Ｓ／Ｌモードに切り換えたときに、排気浄化触媒装置３０の温度が排気浄化触媒装置３０内で酸化反応を開始することができる程度の温度となるまでの時間に設定されている。判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、ステップＳ４４を経てステップＳ４８において２段噴射を継続する。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合、即ちタイマＴが所定タイマ時間Ｔ3を計時したと判定された場合（図１０（ｄ）参照）には、次にステップＳ５２に進む。
【００６６】
ステップＳ５２では、上記第１及び第２実施形態の場合と同様に圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行ってもよいか否かの判別を行う。当該第３実施形態では、判別条件として上述したエンジン回転速度Ｎe、目標平均有効圧Ｐe、車速Ｖに関するものに加え、上記２段噴射の実施可否判別の場合と同様に、冷却水温情報ＷＴが暖機温度ＷＴ0以下であるか否かをも判別条件とし、さらに、２段噴射の合計実施時間が所定時間ｔ3以上であるか否かをも判別条件として圧縮Ｓ／Ｌモードの実施可否判別を行う。詳しくは、エンジン回転速度Ｎeが上記アイドル回転速度より大きい所定値Ｎe1以下であるか否か、目標平均有効圧Ｐeが所定値Ｐe1以下であるか否か、車速Ｖが所定値Ｖ1以下であるか否かの判別を行うとともに（図１０（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）参照）、冷却水温情報ＷＴが暖機温度ＷＴ0以下であるか否かの判別を行い（図１０（ｂ）参照）、さらに、２段噴射の合計実施時間が所定時間ｔ3（ｔ3＜Ｔ3）以上であるか否かの判別を行う。
【００６７】
ここで、２段噴射の合計実施時間が所定時間ｔ3以上であるか否かをも判別条件とするのは、タイマＴが所定タイマ時間Ｔ3を計時している途中で運転状態の変化によって上記ステップＳ４４の判別結果が一時的に偽（Ｎｏ）となり２段噴射が中断されるような場合には、排気浄化触媒装置３０が２段噴射によって十分に昇温しないおそれがあり、このような状態のままでは圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転の効果が十分に得られないことを考慮したためである。つまり、２段噴射の合計実施時間が排気浄化触媒装置３０を十分に昇温可能な時間、即ち所定時間ｔ3に満たないような場合には、圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転の効果が十分に得られないとみなせ、この場合には圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行わないようにするのである。
【００６８】
そして、ステップＳ５２の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、ステップＳ５４に進み、上記同様に通常制御（例えば、吸気Ｏ／Ｌモード運転）を行う。一方、ステップＳ５２の判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、次にステップＳ５６に進み、上記第１及び第２実施形態の場合と同様に圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を実施する（図１０（ａ）参照）。
【００６９】
このように、先ず２段噴射を実施し、その後に圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を実施するようにすると、冷態始動時でありながら、上記第１及び第２実施形態における失活抑制制御の場合と同様に、排気浄化触媒装置３０でＣＯやＨ2の酸化反応を良好に促進させ、その反応熱で排気浄化触媒装置３０、即ち選択型ＮＯx触媒３０ａと三元触媒３０ｂとを良好且つ早期に昇温させることができることとなる。
【００７０】
ここで、図１１を参照すると、本発明に係る圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行う際に、２段噴射を行った場合（実線）と行わなかった場合（一点鎖線）の選択型ＮＯx触媒３０ａの入口と中心部における排気温度Ｔexの時間変化がタイムチャートで比較して示されているが、同図に示すように、冷態始動時に先ず２段噴射を行うようにすると、２段噴射による排気昇温によって触媒入口における排気温度Ｔexが急速に上昇して選択型ＮＯx触媒３０ａが十分に予熱されるため、その後に圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行ったときには、上記図５で示したと同様に、選択型ＮＯx触媒３０ａは極めて良好に昇温することになるのである。なお、同図には三元触媒３０ｂについては省略してあるが、三元触媒３０ｂについても上記図５で示したと同様に良好に昇温することとなる。
【００７１】
また、図１２を参照すると、例えば所定タイマ時間Ｔ3に亘り２段噴射を行った後、圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行った場合（実線）と圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行うことなく上記均一予混合燃焼での運転を行った場合（一点鎖線）の選択型ＮＯx触媒３０ａの入口部と中心部及び三元触媒３０ｂの中心部における排気温度Ｔexの時間変化（ａ）が示され、併せて、排気浄化触媒装置３０のＮＯx浄化効率（ｂ）、ＣＯ浄化効率（ｃ）、ＨＣ浄化効率（ｄ）の時間変化がそれぞれ圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行った場合（実線）と上記均一予混合燃焼での運転を行った場合（一点鎖線）とで比較してタイムチャートで示されているが、同図に示すように、冷態始動時にあっては、２段噴射の実施後に圧縮Ｓ／Ｌモード（実線）で運転すると、２段噴射からの切り換え直後、極めて短時間にＨＣ、ＣＯ、ＮＯxが共に高い浄化効率を示し、触媒上で活発な反応が起こるので、上記図５で示したと同様に、選択型ＮＯx触媒３０ａとともに三元触媒３０ｂが、均一予混合燃焼を実施した場合（一点鎖線）よりも早期に昇温することになるのである。
【００７２】
ところで、通常、このように２段噴射を行うことは、上述したようにエンジン１の出力には一切寄与しない燃料を余分に供給するために燃費の悪化に繋がるのであるが、図１２からも明らかなように、本発明においては排気浄化触媒装置３０の昇温のために実施する２段噴射の時間、即ち所定タイマ時間Ｔ3は極めて短時間でよく、故に、従来のように２段噴射を長時間に亘り継続的に実施する場合に比べて燃費の悪化を極めて小さく抑えることができることになる。
【００７３】
つまり、圧縮Ｓ／Ｌモード（実線）で運転する前に２段噴射を必要最小限の時間だけ実施するようにすることで、冷態始動時において、燃費の悪化を極めて少なく抑えながら効率よく早期に排気浄化触媒装置３０を昇温させることができることになるのである。
そして、このように図９のステップＳ５６において圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行い、排気浄化触媒装置３０の昇温を実施したら、次にステップＳ５８に進む。
【００７４】
ステップＳ５８では、タイマＴが所定タイマ時間Ｔ4を計時したか否か、即ち圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転が所定タイマ時間Ｔ4を超えて継続したか否かを判別する。所定タイマ時間Ｔ4は、上記所定タイマ時間Ｔ2と同様、予め実験等により、例えば、冷態始動後、２段噴射及び圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転の実行により排気浄化触媒装置３０が所定の高温、即ち排気温度Ｔexが所定値Ｔex1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、判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、ステップＳ５２を経てステップＳ５６において圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を継続する。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合、即ちタイマＴが所定タイマ時間Ｔ4を計時し、圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転が所定タイマ時間Ｔ4を超えたと判定された場合（図１０（ｃ）参照）には、圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を終了し、ステップＳ５９に進む。
【００７５】
ステップＳ５９では、上記燃料噴射モード設定マップに基づく通常制御によりエンジン１の運転を行うようにする（例えば、吸気Ｏ／Ｌモード運転）。
「第４実施形態」
第４実施形態では、上記第３実施形態の冷態始動昇温制御においてタイマ制御により圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転をオープンループ制御（Ｏ／Ｌ制御）していたものを圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転に代えて圧縮行程Ｏ2フィードバック制御（圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂ制御）する場合、即ち圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードで運転する場合の実施形態について説明する。
【００７６】
図１３を参照すると、冷態始動昇温制御のうちタイマ制御により圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードでの運転を行う場合の制御ルーチンがフローチャートで示されており、図１４を参照すると、当該冷態始動昇温制御の制御内容がタイムチャートで示されており、以下、当該図１３のフローチャート及び図１４のタイムチャートに沿って第４実施形態を説明する。
【００７７】
なお、図１３中、▲１▼で示した部分は上記図９中のステップＳ４０乃至ステップＳ５０までの▲１▼で示した範囲、即ち２段噴射の制御部分と同一の制御であるため説明を省略し、ここでは、上記第３実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
ステップＳ６０では、圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードまたは圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行ってもよいか否かの判別を行う。ここでは、上記第３実施形態における圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行ってもよいか否かの判別条件と同一の判別条件で判別を行う（図１４（ｃ）、（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）参照）。そして、判別結果が偽（Ｎｏ）の場合にはステップＳ６２において通常制御（例えば、吸気Ｏ2−Ｆ／Ｂモード運転）を行い（図１４（ｂ）参照）、一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、次にステップＳ６４に進む。
【００７８】
ステップＳ６４では、Ｏ2センサ２２が活性状態にあるか否かを判別する。通常、Ｏ2センサ２２は、ある程度の高温下でその性能を発揮するように構成されており、故に低温のままでは圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂ制御を適正に実施することができない。そこで、当該ステップＳ６４では、Ｏ2センサ２２が活性状態にあるか否かを判別する。詳しくは、Ｏ2センサ２２が活性状態にあるか否かは、例えばＯ2センサ２２の出力電圧がリッチ空燃比のもとで所定の出力値、即ち活性判定電圧よりも大きいか否かで判別可能である。判別結果が偽（Ｎｏ）で、Ｏ2センサ２２が低温であってＯ2センサ２２が活性状態にない（オフ）と判定された場合には、ステップＳ６６に進む（図１４（ａ）参照）。
【００７９】
Ｏ2センサ２２が活性状態にない場合には、上述の如く圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂ制御を適正に実施することができない。故に、この場合には、ステップＳ６０の判別結果を受けて、ステップＳ６６において、上記第３実施形態の場合と同様に圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を実施する（図１４（ｂ）参照）。
一方、ステップＳ６４の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、Ｏ2センサ２２の出力電圧が活性判定電圧よりも大きく、Ｏ2センサ２２が活性状態（オン）と判定された場合には、次にステップＳ６８に進む（図１４（ａ）参照）。
【００８０】
ステップＳ６８では、圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードで運転を行う（図１４（ｂ）参照）。つまり、Ｏ2センサ２２からの出力情報に基づいて空燃比がストイキオになるように制御する。
このように、圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードで空燃比がストイキオ（値１４．７）となるようにフィードバック制御すると、上記図４に示したように、圧縮Ｓ／Ｌモードで空燃比をスライトリーン空燃比（例えば、値１４．７〜値１６）とした場合と略同様にＣＯ、Ｈ2、Ｏ2が十分に生成される。つまり、圧縮Ｓ／Ｌモードに代えて圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードで運転した場合であっても排気浄化触媒装置３０を十分に昇温可能である。
【００８１】
その上、さらに、このように圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂ制御を行うと、フィードバック制御であることから、上記圧縮Ｓ／ＬモードにおけるＯ／Ｌ制御に比べて極めて制御精度を高めることができることになる。つまり、圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードでの運転を行うようにすることで、制御の信頼性を高めることができ、排気浄化触媒装置３０の昇温効率を向上させることができることになるのである。
【００８２】
そして、このように図１３のステップＳ６６において圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行い、或いは、ステップＳ６８において圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードでの運転を行い、排気浄化触媒装置３０の昇温を実施したら、次にステップＳ７０に進む。
ステップＳ７０では、上記第３実施形態の場合と同様に、タイマＴが所定タイマ時間Ｔ4を計時したか否か、即ち圧縮Ｓ／Ｌモード或いは圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードでの運転が所定タイマ時間Ｔ4を超えて継続したか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、ステップＳ６０、６４を経てステップＳ６６或いはステップＳ６８において圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転、圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードでの運転を継続する。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合、即ちタイマＴが所定タイマ時間Ｔ4を計時したと判定された場合（図１４（ｄ）参照）には、圧縮Ｓ／Ｌモード或いは圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードでの運転を終了し、ステップＳ７２に進み、上記燃料噴射モード設定マップに基づく通常制御によりエンジン１の運転を行う（例えば、吸気Ｏ2−Ｆ／Ｂモード運転）。
【００８３】
「第５実施形態」
第５実施形態では、上記第４実施形態の冷態始動昇温制御においてタイマ制御により圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転をオープンループ制御（Ｏ／Ｌ制御）していたものをタイマ制御に代えて排気温センサ制御で行った場合の実施形態について説明する。
【００８４】
図１５を参照すると、冷態始動昇温制御のうち排気温センサ制御により圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードでの運転を行う場合の制御ルーチンがフローチャートで示されており、図１６を参照すると、当該冷態始動昇温制御の制御内容がタイムチャートで示されており、以下、当該図１５のフローチャート及び図１６のタイムチャートに沿って第５実施形態を説明する。
【００８５】
なお、上記第４実施形態の場合と同様、図１５中、▲１▼で示した部分は上記第３実施形態における図９中のステップＳ４０乃至ステップＳ５０までの▲１▼で示した範囲、即ち２段噴射の制御部分と同一の制御であるため説明を省略し、ここでは、上記第３実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
ステップＳ８０では、圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードまたは圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行ってもよいか否かの判別を行う。この場合においても、上記第３実施形態における圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行ってもよいか否かの判別条件と同一の判別条件で判別を行う（図１６（ｃ）、（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）参照）。そして、判別結果が偽（Ｎｏ）の場合にはステップＳ８２において通常制御（例えば、吸気Ｏ2−Ｆ／Ｂモード運転）を行い（図１６（ｂ）参照）、一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、次にステップＳ８４に進む。
【００８６】
ステップＳ８４では、上記第４実施形態の場合と同様に、Ｏ2センサ２２が活性状態にあるか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）で、Ｏ2センサ２２が低温であってＯ2センサ２２が活性状態にないと判定された場合には、ステップＳ８６に進み（図１６（ａ）参照）、上記第４実施形態の場合と同様に、圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を実施する（図１６（ｂ）参照）。
【００８７】
一方、ステップＳ８４の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、Ｏ2センサ２２の出力電圧が活性判定電圧よりも大きく、Ｏ2センサ２２が活性状態と判定された場合には、次にステップＳ８８に進み（図１６（ａ）参照）、やはり上記第４実施形態の場合と同様に、圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードで運転を行う（図１６（ｂ）参照）。
そして、ステップＳ８６において圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行い、或いは、ステップＳ８８において圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードでの運転を行い、排気浄化触媒装置３０の昇温を実施したら、次にステップＳ９０に進む。
【００８８】
ステップＳ９０では、上記第２実施形態の場合と同様に、排気温センサ３２によって検出される排気温度Ｔexが上記所定値Ｔex1以上となったか否かを判別する（図１６（ｄ）参照）。つまり、上記第４実施形態ではタイマＴの計時による排気温度Ｔexの推定によって圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモード或いは圧縮Ｓ／Ｌモードを終了するか否かの判別を行っていたが、ここでは、推定によらずに直接的に排気温度Ｔexを検出して圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモード、圧縮Ｓ／Ｌモードの終了判定を行うようにする。
【００８９】
そして、ステップＳ９０の判別結果が偽（Ｎｏ）であれば、ステップＳ８０、８４を経てステップＳ８６或いはステップＳ８８において圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転、圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードでの運転を継続する。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合、即ち排気温度Ｔexが上記所定値Ｔex1以上と判定された場合（図１６（ｄ）参照）には、圧縮Ｓ／Ｌモード或いは圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードでの運転を終了し、ステップＳ９２に進み、上記燃料噴射モード設定マップに基づく通常制御によりエンジン１の運転を行う（例えば、吸気Ｏ2−Ｆ／Ｂモード運転）。
【００９０】
これにより、圧縮Ｓ／Ｌモード或いは圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードでの運転を必要に応じてより適正に実施できることになり、上記第４実施形態の場合と同様に、制御の信頼性を高めながら、燃費の悪化なく且つスモークの発生少なく排気浄化触媒装置３０をより一層効率よく良好に昇温させることができることになる。
ところで、上記第４及び第５実施形態では、上述したように、Ｏ2センサ２２が活性状態にあるか否かは、例えばＯ2センサ２２の出力電圧がリッチ空燃比のもとで所定の出力値、即ち活性判定電圧よりも大きいか否かで判別するようにしている。
【００９１】
しかしながら、２段噴射が実施される際に全体空燃比がリーン空燃比とされ、さらに、圧縮Ｓ／Ｌモードがスライトリーン空燃比（値１４．７〜値１６）で行われると、空燃比がリッチ空燃比とされる機会がなく、Ｏ2センサ２２の活性判定ができないことになる。
そこで、ここでは、さらに、上記第４及び第５実施形態において、Ｏ2センサ２２を強制的にリッチ空燃比とするＯ2センサ活性判定制御を併せて実施するようにし、確実にＯ2センサ２２の活性判定がされるようにしている。以下、Ｏ2センサ活性判定制御内容について説明する。
【００９２】
図１７を参照すると、Ｏ2センサ活性判定制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下、当該フローチャートに沿い説明する。
図１７のステップＳ１００では、上記第３実施形態における図９のステップＳ４０と同様に、始動スイッチ（始動ＳＷ）がオン状態とされ、エンジン１が始動したと判定された場合において、当該ルーチンで使用するタイマＴを値０にリセットして計時を開始する。そして、ステップＳ１０２において、例えばエンジン回転速度Ｎeがアイドル回転速度より大きい所定値Ｎe1に達したと判定され、始動判定が完了したら、次にステップＳ１０４に進む。
【００９３】
ステップＳ１０４では、Ｏ2センサ２２の出力電圧が上述した活性判定電圧以下であるか否かを判別する。つまり、当該ステップＳ１０４において、上述したようにして、Ｏ2センサ２２が活性状態にない状態であるか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）、即ちＯ2センサ２２が既に十分に活性状態にあると判定された場合には、ステップＳ１１４に進み、Ｏ2センサ２２の活性は完了と判定する。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）で、Ｏ2センサ２２が活性状態にないと判定された場合には、次にステップＳ１０６に進む。
【００９４】
ステップＳ１０６では、タイマＴが所定タイマ時間Ｔ5（例えば、１５sec）を計時したか否かを判別する。つまり、エンジン１が始動したと判定された後、所定タイマ時間Ｔ5（例えば、１５sec）が経過しても未だにＯ2センサ２２が活性状態となっていないかどうかを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、ステップＳ１０４に戻り、Ｏ2センサ２２が活性状態にあるか否かを継続して判別する。一方判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合、即ちエンジン１の始動後、所定タイマ時間Ｔ5（例えば、１５sec）経過しても未だにＯ2センサ２２が活性状態となっていないと判定された場合には、次にステップＳ１０８に進む。空燃比がリッチ空燃比とされずリーン空燃比のままの場合には、当然にしてＯ2センサ２２は未だ活性状態となっておらず、故にこの場合にはステップＳ１０８に進む。
【００９５】
ステップＳ１０８では、空燃比をＮ行程（Ｎは任意の整数）に亘って強制的にリッチ空燃比（エンリッチ）とする。つまり、強制的にＯ2センサ２２の活性判定が可能なようにする。
そして、ステップＳ１１０において、今度はＯ2センサ２２の出力電圧が上述した活性判定電圧以上であるか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）で、依然としてＯ2センサ２２が活性状態となっていないと判定された場合には、ステップＳ１１２において、所定タイマ時間Ｔ5を所定時間αだけ延長し（Ｔ5＝Ｔ5＋α）、再びステップＳ１０４、１０６を経てステップＳ１０８において強制的に空燃比をリッチ空燃比（エンリッチ）とする。
【００９６】
ステップＳ１０４の判別結果が真（Ｙｅｓ）とされ、Ｏ2センサ２２が十分に活性状態になったと判定されたら、ステップＳ１１４に進み、Ｏ2センサ２２の活性は完了と判定する。
これにより、２段噴射が実施される際に全体空燃比がリーン空燃比とされ、さらに、圧縮Ｓ／Ｌモードで空燃比がスライトリーン空燃比とされて運転が行われた場合であっても、確実にリッチ空燃比とされる機会が得られることになり、Ｏ2センサ２２の活性判定を確実に行うことが可能となる。故に、上記第４及び第５実施形態において、Ｏ2センサ２２が活性状態にあるときには、常に有効に圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードでの運転を実施するようにでき、上述した如く、制御の信頼性をより一層高めながら、燃費の悪化なく且つスモークの発生少なく排気浄化触媒装置３０を良好に昇温させることができることとなる。
【００９７】
なお、本発明は、上述した各実施形態に何ら限定されるものではなく、例えば、上記各実施形態の排気浄化触媒装置３０では選択還元型ＮＯx触媒３０ａと三元触媒３０ｂとを組み合わせているが、排気空燃比がリーン空燃比のときに排ガス中のＮＯxを吸蔵しストイキオまたはリッチ空燃比のときに吸蔵されたＮＯxを放出し還元する吸蔵型ＮＯx触媒等を用いるようにしてもよい。つまり、本発明は排気浄化触媒装置の昇温を図るものであって、触媒の種類や個数等には何ら限定されるものではない。
【００９８】
また、上記各実施形態では、圧縮Ｓ／Ｌモードにおいて空燃比をスライトリーン空燃比（例えば、値１４．７〜値１６）に設定しているが、エンジン１より排出されるＯ2やＣＯの関係（図４参照）から、空燃比をストイキオに対して若干リッチ空燃比（例えば、値１４程度）側に設定するようにしてもよい。
さらに、上記第３乃至第５実施形態では、図９中▲１▼で示した２段噴射の制御部分についてはタイマにて２段噴射の実行期間を計時するようにしているが、例えば、排気温センサを排気通路に設け、排気浄化触媒装置が触媒上で酸化反応可能な状態が当該排気温センサの出力値により検出或いは推定されるまでを実行期間とし２段噴射を実行するようにしてもよい。
【００９９】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の請求項１の筒内噴射型内燃機関によれば、機関の空燃比が理論空燃比近傍となる燃料量を圧縮行程中に直接燃焼室内へ噴射して成層燃焼を実施し、当該成層燃焼中に生起された一酸化炭素及び燃焼に寄与しない余剰の酸素を触媒装置に供給して酸化反応させるよう燃料噴射時期及び点火時期を制御するようにしたので、燃費を悪化させることなくＣＯとＯ2とを同時に触媒装置に供給して酸化反応を起こさせるようにでき、当該反応熱で触媒装置を効率よく良好に昇温させることが可能である。
【０１００】
また、請求項２、３の筒内噴射型内燃機関によれば、成層燃焼が実施されるときには燃料噴射時期と点火時期との間隔が広く、クランクアングル幅で４０°〜６０°となるようにしたので、特に、噴射された燃料の霧化時間を十分に確保でき、ＣＯを適切に生起させながらもスモークの発生を好適に抑制することができる。
また、請求項４の筒内噴射型内燃機関によれば、昇温手段による成層燃焼中に、排ガス中の酸素濃度を検出するセンサの出力に基づき機関の空燃比をフィードバック制御するようにしたので、制御の信頼性を高めることができ、触媒装置の昇温効率を向上させることができる。
【０１０１】
また、請求項５の筒内噴射型内燃機関によれば、吸気系に排ガスを還流するようＥＧＲバルブを開弁する排気再循環装置を備えている場合において、排気再循環装置は、昇温手段による成層燃焼中には、排ガスの還流を行わないようＥＧＲバルブを閉弁状態とするようにしたので、昇温手段による成層燃焼の実施中にあっては、空燃比の変動を抑えることができ、安定した成層燃焼を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る筒内噴射型内燃機関を示す概略構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る、失活抑制制御のうちタイマ制御による場合の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】図２のタイマ制御による場合の失活抑制制御の制御内容を示すタイムチャートである。
【図４】空燃比Ａ／Ｆを変えて圧縮行程噴射を行った場合（実線）及び吸気行程噴射を行った場合（一点鎖線）におけるＯ2濃度（ｂ）、Ｈ2濃度（ｃ）、ＣＯ濃度（ｄ）を比較して示した図である。
【図５】図２の失活抑制制御に基づき圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を実施した場合（実線）及び従来の均一予混合燃焼での運転を行った場合（一点鎖線）における選択型ＮＯx触媒の中心部と三元触媒の中心部における排気温度Ｔexの時間変化を比較して示したタイムチャートである。
【図６】ＣＯ濃度とスモーク濃度との関係を示す図である。
【図７】空燃比を一定（例えば、値１５）とした場合の点火時期、噴射終了時期及び点火時期と噴射終了時期との間隔（一点鎖線で示す）とＣＯ濃度（実線）、スモーク濃度（斜線付き実線）との関係を示すマップである。
【図８】本発明の第２実施形態に係る、失活抑制制御のうち排気温センサ制御による場合の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図９】本発明の第３実施形態に係る、冷態始動昇温制御のうちタイマ制御により圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転をオープンループ制御する場合の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１０】図９のタイマ制御により圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転をオープンループ制御する場合の冷態始動昇温制御の制御内容を示すタイムチャートである。
【図１１】図９の冷態始動昇温制御に基づき圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行う際に２段噴射を行った場合（実線）及び行わなかった場合（一点鎖線）における選択型ＮＯx触媒の入口と中心部における排気温度Ｔexの時間変化を比較して示したタイムチャートである。
【図１２】図９の冷態始動昇温制御に基づき２段噴射を行った後に圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行った場合（実線）と圧縮Ｓ／Ｌモードでの運転を行うことなく従来の均一予混合燃焼での運転を行った場合（一点鎖線）における選択型ＮＯx触媒の入口部と中心部及び三元触媒の中心部における排気温度Ｔexの時間変化（ａ）、及び、排気浄化触媒装置のＮＯx浄化効率（ｂ）、ＣＯ浄化効率（ｃ）、ＨＣ浄化効率（ｄ）の時間変化を比較して示したタイムチャートである。
【図１３】本発明の第４実施形態に係る、冷態始動昇温制御のうちタイマ制御により圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードでの運転を行う場合の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１４】図１３のタイマ制御により圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードでの運転を行う場合の冷態始動昇温制御の制御内容を示すタイムチャートである。
【図１５】本発明の第５実施形態に係る、冷態始動昇温制御のうち排気温センサ制御により圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードでの運転を行う場合の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１６】図１５の排気温センサ制御により圧縮Ｏ2−Ｆ／Ｂモードでの運転を行う場合の冷態始動昇温制御の制御内容を示すタイムチャートである。
【図１７】Ｏ2センサ活性判定制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ エンジン（機関本体）
４ 点火プラグ
６ 燃料噴射弁
１１ スロットル弁
１１ａ スロットルセンサ
１２ 排気マニホールド
１３ クランク角センサ
１４ 水温センサ
２２ Ｏ2センサ
３０ 排気浄化触媒装置
３０ａ 選択還元型ＮＯx触媒
３０ｂ 三元触媒
３２ 排気温センサ
４０ 電子コントロールユニット（ＥＣＵ）
Claims (5)
- 排気通路に設けられ、排ガス中の有害成分を浄化する触媒装置と、
前記触媒装置の昇温が要求されるとき、機関の空燃比が理論空燃比近傍となる量の燃料を圧縮行程中に直接燃焼室内に噴射して成層燃焼を実施する昇温手段と、
燃料噴射時期を制御する噴射時期制御手段と、
点火時期を制御する点火時期制御手段とを備え、
前記昇温手段による成層燃焼中に生起された一酸化炭素及び燃焼に寄与しない余剰の酸素を、前記触媒装置に供給して酸化反応させるよう燃料噴射時期及び点火時期を制御することを特徴とする筒内噴射型内燃機関。 - 前記昇温手段により成層燃焼が実施されるとき、燃料噴射時期と点火時期との間隔が広くなるよう、少なくとも前記噴射時期制御手段により設定される燃料噴射時期及び前記点火時期制御手段により設定される点火時期のいずれか一方を変更する変更手段を備えたことを特徴とする、請求項１記載の筒内噴射型内燃機関。
- 前記変更手段は、燃料噴射時期と点火時期との間隔がクランクアングル幅で４０°〜６０°となるよう、少なくとも前記噴射時期制御手段により設定される燃料噴射時期及び前記点火時期制御手段により設定される点火時期のいずれか一方を変更することを特徴とする、請求項２記載の筒内噴射型内燃機関。
- 前記昇温手段による成層燃焼中に、排ガス中の酸素濃度を検出するセンサの出力に基づき前記機関の空燃比をフィードバック制御する制御手段を備えたことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか記載の筒内噴射型内燃機関。
- 吸気系に排ガスを還流するようＥＧＲバルブを開弁する排気再循環装置を備え、前記排気再循環装置は、前記昇温手段による成層燃焼中に、排ガスの還流を行わないよう前記ＥＧＲバルブを閉弁状態とすることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか記載の筒内噴射型内燃機関。
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