JP3800324B2 - 筒内噴射型火花点火式内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射型火花点火式内燃機関の排気浄化装置に係り、詳しくは、排気浄化効率の向上を図り排気中の有害物質の排出量低減効果を高める技術に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
排気中の有害物質（ＨＣ、ＣＯ、Ｈ2等の未燃物の他、スモーク、ＮＯx等を含む）を低減させることを目的とした技術として、触媒上での反応を利用した排気浄化技術が知られている。
しかしながら、当該排気浄化技術では、触媒が活性化されるまでの間にＨＣ等の未燃物が大気放出されるという問題があり、このように触媒活性化までに放出される有害物質量は、コールドモードでの全放出量の９割にも達する場合があり重要な問題となっている。
【０００３】
そこで、筒内噴射型火花点火式内燃機関において、燃料噴射を２段階に分け、主噴射（超リーン空燃比設定）とは別に膨張行程以降に副噴射を行い、主噴射による主燃焼（層状燃焼）で残存した酸素と副噴射による未燃燃料を排気系（燃焼室から触媒コンバータを含む）内で反応させることにより有害物質を低減させ、触媒を早期活性化させる二段燃焼技術（或いは二段噴射技術）が知られている。
【０００４】
一方、例えば特開平３−１１７６１１号、特開平４−１８３９２１号公報に開示されるように、排気圧上昇（排気流動の抑制）により反応を促進させることで冷態時の触媒を早期活性化させる技術が開発されている。
さらに、これらを組み合わせ、二段燃焼を実施するとともに排気圧を上昇させることにより、冷態時における触媒の早期活性化を図る技術が開発されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように二段燃焼を実施すると、排気系内での反応が飛躍的に促進され触媒の早期活性化が図られる一方、副噴射される燃料は機関トルクの発生に直接寄与しないことになるため、副噴射する分だけ燃費が悪化するという問題がある。
【０００６】
また、二段燃焼では主噴射による主燃焼の空燃比を超リーン空燃比とする必要があることから、発生する機関トルクには自ずと限界があり、この限界は、排気圧を上昇させると、排気抵抗が増大してさらに厳しくなる傾向にある。このように機関トルクに限界があると、加速要求に十分対応できず好ましいことではない。
【０００７】
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、冷態時であっても燃費の悪化を最小限に抑え且つ加速性能を確保しながら排気浄化効率の向上を図り有害物質の排出量を抑制可能な筒内噴射型火花点火式内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００８】
【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、燃焼室内に直接燃料を噴射する噴射弁と、該噴射弁による燃料噴射を制御する燃料噴射制御手段と、燃焼空燃比を制御する空燃比制御手段とを備えた筒内噴射型火花点火式内燃機関の排気浄化装置において、排気通路に設けられ、排気中の有害物質を浄化する触媒コンバータと、前記触媒コンバータの活性状態を判定する触媒活性判定手段と、燃焼室内に主燃焼用の燃料を供給した後、該主燃焼の火炎消滅時期以降且つ排気弁の開弁開始時期以前に燃焼室内に燃料を再供給し二段燃焼運転を行う二段燃焼運転手段と、前記空燃比制御手段により燃焼空燃比を理論空燃比または理論空燃比よりもややリーン空燃比とするとともに前記燃料噴射制御手段により圧縮行程で燃料を噴射して圧縮スライトリーン運転を実施する圧縮スライトリーン運転手段と、排気通路内の排気流動を抑制する排気流動制御手段とを備え、前記触媒活性判定手段により前記触媒コンバータが活性状態にないと判定されたときには、前記二段燃焼運転手段による二段燃焼運転及び前記圧縮スライトリーン運転手段による前記圧縮スライトリーン運転のいずれか一方を選択的に実施するとともに前記排気流動制御手段により排気通路内の排気流動の抑制を行い、前記排気流動制御手段は、前記圧縮スライトリーン運転を行うとき、前記二段燃焼運転を行うときよりも前記排気流動の抑制制御量を大きくすることを特徴としている。
【００１４】
従って、二段燃焼運転を選択するとともに排気流動の抑制を行うことで触媒の早期活性化を優先しながら排気浄化効率の向上を実現可能であり、圧縮スライトリーン運転を選択して残留酸素（Ｏ ２ ）とともに未燃物としてＣＯを排気通路に排出するとともに排気流動の抑制を行うことで燃費の悪化を抑え且つ機関トルクを確保することを優先しながら排気浄化効率の向上を実現可能である。
【００１６】
そして、二段燃焼運転では主燃焼の空燃比を超リーン空燃比とするために吸入空気量が多く、故に排気流量が多く、排気流動の抑制制御量が比較的小さくても容易に排気流動を抑制して排気系内での反応を促進することが可能であるが、圧縮スライトリーン運転では排気流量が少ないため、排気流動の抑制制御量を大きくすることで排気流動の抑制を確保するようにしており、これにより、燃費の悪化を抑え且つ機関トルクを確保しながらより一層効果的に排気浄化効率の向上を実現可能である。
【００１８】
また、請求項２の発明では、燃焼室内に直接燃料を噴射する噴射弁と、該噴射弁による燃料噴射を制御する燃料噴射制御手段と、燃焼空燃比を制御する空燃比制御手段とを備えた筒内噴射型火花点火式内燃機関の排気浄化装置において、排気通路に設けられ、排気中の有害物質を浄化する触媒コンバータと、前記触媒コンバータの活性状態を判定する触媒活性判定手段と、前記空燃比制御手段により燃焼空燃比を理論空燃比または理論空燃比よりもややリーン空燃比とするとともに前記燃料噴射制御手段により圧縮行程で燃料を噴射して圧縮スライトリーン運転を実施する圧縮スライトリーン運転手段と、前記空燃比制御手段により燃焼空燃比を理論空燃比または理論空燃比よりもややリーン空燃比とするとともに前記燃料噴射制御手段により吸気行程で燃料を噴射して吸気スライトリーン運転を実施する吸気スライトリーン運転手段と、排気通路内の排気流動を抑制する排気流動制御手段とを備え、前記触媒活性判定手段により前記触媒コンバータが活性状態にないと判定されたときには、前記圧縮スライトリーン運転手段による前記圧縮スライトリーン運転及び前記吸気スライトリーン運転手段による前記吸気スライトリーン運転のいずれか一方を選択的に実施するとともに前記排気流動制御手段により排気通路内の排気流動の抑制を行い、前記排気流動制御手段は、前記吸気スライトリーン運転を行うとき、前記圧縮スライトリーン運転を行うときよりも前記排気流動の抑制制御量を大きくすることを特徴としている。
【００１９】
従って、圧縮スライトリーン運転を選択するとともに排気流動の抑制を行うことで燃費の悪化を抑え且つ機関トルクを確保することを優先しながら排気浄化効率の向上を実現可能であり、吸気スライトリーン運転を選択するとともに排気流動の抑制を行うことでより一層機関トルクを確保することを優先しながら排気浄化効率の向上を実現可能である。
【００２１】
そして、圧縮スライトリーン運転では層状燃焼するために吸入空気量が比較的多く、故に排気流量が比較的多く、排気流動の抑制制御量がある程度小さくても排気流動を抑制して排気系内での反応を促進することが可能であるが、吸気スライトリーン運転では排気流量がさらに少ないため、排気流動の抑制制御量を大きくすることで排気流動の抑制を確保するようにしており、これにより、燃費の悪化を抑え且つ機関トルクを十分に確保しながらより一層効果的に排気浄化効率の向上を実現可能である。
【００２７】
【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いて説明する。
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火花点火式内燃機関の排気浄化装置の概略構成図が示されており、以下、当該排気浄化装置の構成を説明する。
【００２８】
同図に示すように、内燃機関であるエンジン本体（以下、単にエンジンという）１としては、燃料噴射モードを切換えることで吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射）とともに圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射）を実施可能な筒内噴射型火花点火式ガソリンエンジンが採用される。
この筒内噴射型のエンジン１は、上記燃料噴射モードの切換えと空燃比制御とにより、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、リーン空燃比での運転（リーン空燃比運転）を実現可能である。また、当該筒内噴射型のエンジン１では、さらに、圧縮行程での燃料の主噴射による主燃焼に加えて膨張行程以降で副噴射を実施し二段燃焼運転を行う二段燃焼モードも選択可能である。
【００２９】
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、燃料を燃焼室内に直接噴射可能である。
点火プラグ４には高電圧を出力する点火コイル８が接続されている。また、燃料噴射弁６には、燃料パイプ７を介して燃料タンクを擁した燃料供給装置（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である。
【００３０】
シリンダヘッド２には、各気筒毎に略直立方向に延びて吸気ポート９が形成されており、各吸気ポート９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。なお、吸気マニホールド１０には吸入空気量を調節する電磁式のスロットル弁１４及び吸入空気量を検出する吸気量センサ１６が設けられている。吸気量センサ１６は、例えばカルマン渦式エアフローセンサが採用される。
【００３１】
また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に略水平方向に延びて排気ポート１１が形成されており、各排気ポート１１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。排気マニホールド１２としては、ここでは、デュアル型エキゾーストマニホールドシステムが採用される。その他、排気マニホールド１２は、シングル型エキゾーストマニホールドシステムであっても、またクラムシェル型エキゾーストマニホールドシステムであってもよい。
【００３２】
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るため、その構成の詳細については説明を省略する。
排気マニホールド１２の他端には排気管（排気通路）２０が接続されており、当該排気管２０には、排気浄化触媒装置として三元触媒（触媒コンバータ）３０が介装されている。この三元触媒３０は、担体に活性貴金属として銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）のいずれかを有している。
【００３３】
また、同図に示すように、排気管２０には、排気圧を検出する排気圧センサ２２が配設されている。
さらに、排気管２０の三元触媒３０よりも下流の部分には、排気流動制御装置として排気圧制御弁（排気流動制御手段、排気絞り弁）４０が介装されている。排気圧制御弁４０は、排気流動を抑制することにより排ガス中の有害物質（ＨＣ、ＣＯ等の未燃物の他、ＮＯx、スモーク、Ｈ2等を含む）の低減を促進させることを目的とする装置であり、排気圧、排気密度及び排気流速の少なくともいずれか一つを変更することが可能に構成されている。
【００３４】
図２を参照すると、排気圧制御弁４０の詳細図が示されている。同図に示すように、排気圧制御弁４０は、排気管２０の流路面積を調節可能なバタフライ弁４２とリリーフ弁４６によって構成されている。
バタフライ弁４２には弁体４４を回転させるためのアクチュエータ４３が設けられており、弁体４４が当該アクチュエータ４３により回転させられることでバタフライ弁４２が開閉作動し、これにより排気通路の通路断面積が変更され排気流動の抑制が実現される。
【００３５】
また、バタフライ弁４２を迂回するようにしてリリーフ通路２２が設けられており、リリーフ弁４６は当該リリーフ通路２２の通路断面積を微調節可能に配設されている。詳しくは、リリーフ弁４６には弁体４８を往復動させるアクチュエータ４７が設けられており、弁体４８がアクチュエータ４７により被弁体２４と当接させられることでリリーフ通路２２が閉鎖され、弁体４８と被弁体２４との離間距離に応じてリリーフ通路２２を流れる排気流量が微調節される。即ち、リリーフ弁４６の弁開度を調節することにより排気流動の抑制制御量が変更される。なお、アクチュエータ４７の代わりにスプリング等を設け、リリーフ弁４６が当該スプリング等により自動制御されるようにしてもよい。
【００３６】
ＥＣＵ６０は、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ており、当該ＥＣＵ６０により、エンジン１を含めた排気浄化装置の総合的な制御が行われる。
ＥＣＵ６０の入力側には、上述した吸気量センサ１６、排気圧センサ２２やクランク角を検出するクランク角センサ６２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される。なお、クランク角センサ６２のクランク角情報に基づきエンジン回転速度Ｎeが求められる。
【００３７】
一方、ＥＣＵ６０の出力側には、上述の燃料噴射弁６、点火コイル８、スロットル弁１４、アクチュエータ４３、４７等の各種出力デバイスが接続されており、ＥＣＵ６０により燃料噴射モードが設定され、燃焼空燃比、即ち目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）が設定されると、各種出力デバイスには当該目標Ａ／Ｆや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、点火時期、スロットル開度の各信号がそれぞれ出力される（燃料噴射制御手段、空燃比制御手段）。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により適正なタイミングで火花点火が実施され、スロットル弁１４が適正な開度とされる。また、燃料噴射モードや各種センサ類からの検出情報に基づき、排気流動抑制度合いが所望の排気流動抑制度合い（例えば、目標排気圧）となるように、バタフライ弁４２が適正なタイミングで開閉操作され、リリーフ弁４６の開度が微調整される。
【００３８】
以下、このように構成された本発明に係る排気浄化装置の作用について説明する。
先ず、第１実施例を説明する。
図３を参照すると、本発明に係る始動時制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同図に沿って説明する。
【００３９】
ステップＳ１０では、エンジン１の始動後、所定時間ｔ1（例えば、３sec）経過したか否かを判別する。詳しくは、エンジン１の始動時には、点火時期を遅角側に設定する点火時期リタード等の排気ポート昇温制御を実施するようにしており、この判別は、即ち、エンジン１の始動後、排気系、特に排気ポート１１或いは排気ポート１１周辺の温度がある程度暖機され所定温度以上になったか否かを判別するものである（排気ポート周辺温度検出手段）。
【００４０】
なお、排気ポート１１或いは排気ポート１１周辺の温度を検出するセンサを設け、上記時間判別に代えて排気ポート１１の温度が所定温度以上か否かを直接判別するようにしてもよく、また、排気ポート昇温制御実施後としてもよい。
ステップＳ１０の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、そのまま当該ルーチンを抜ける。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）で、所定時間ｔ1経過したと判定された場合には、ステップＳ１２に進む。
【００４１】
ステップＳ１２では、エンジン１の始動後、所定時間ｔ2（例えば、４５sec〜２min）経過したか否かを判別する（触媒活性判定手段）。判別結果が偽（Ｎｏ）で、所定時間ｔ2経過しておらず、三元触媒３０が未だ活性状態にないような場合には、ステップＳ１４に進む。
ステップＳ１４では、目標Ａ／Ｆを理論空燃比よりもややリーン空燃比（エンジンや排気系にて最適化された値であり、例えば値１５）であるスライトリーン空燃比設定とし且つ圧縮行程で燃料噴射を行う圧縮スライトリーン運転（図３では圧縮Ｓ／Ｌ運転と略す）を実施する（圧縮スライトリーン運転手段）。実際には、目標Ａ／Ｆを理論空燃比としておき、空燃比フィードバック制御の制御ゲインをリーン空燃比側にシフトする。なお、目標Ａ／Ｆは制御ゲインを変えず理論空燃比のままとしてもよい。また、点火時期や圧縮行程での燃料噴射時期は、排気ポート１１内での反応が最も促進されるように予め最適化されており、ここでは運転条件（エンジン回転速度Ｎe、体積効率、正味平均有効圧、図示平均有効圧、マニホールド圧、スロットル開度、排気ポート１１周辺温度、冷却水温、吸入空気量、排気流量のいずれか一つ以上）に応じたマップ値とされている。
【００４２】
ステップＳ１６では、アクチュエータ４３、４７をそれぞれ駆動制御し、排気圧制御弁４０、即ちバタフライ弁４２及びリリーフ弁４６を閉弁側に操作する（排気流動制御手段）。詳しくは、バタフライ弁４２を閉弁操作するとともに、排気流動抑制度合いが所望の排気流動抑制度合いとなるようにリリーフ弁４６の開度を微調整する。これにより、排気圧制御弁４０よりも上流の排気系内の排気流動が所望の抑制度合いとされ、排気圧が上昇する。
【００４３】
このように圧縮スライトリーン運転を行うとともに排気流動の抑制を行うようにすると、上述したように圧縮スライトリーン運転では噴霧形態が良好であるために点火プラグ４のくすぶりも少なくＣＯが多く生成され、燃焼に寄与せずに残った残留Ｏ2とともに当該ＣＯが排気系に良好に排出され、これらＣＯと残留Ｏ2との反応が排気系内、特に排気ポート１１内において良好に促進される。また、このとき、上記ステップＳ１０の判別により排気ポート１１はある程度暖機された状態にあるので、ＣＯと残留Ｏ2との反応は排気ポート１１内において十分に促進される。
【００４４】
これにより、二段燃焼による副噴射を行わなくても、排気系内にＣＯとＯ2とを十分に存在させ、排気系内においてＣＯと残留Ｏ2の反応を良好に促進させることができることになり、エンジントルクに寄与しないような燃料供給を行うことなく、燃費の悪化を抑えながら、図４に実線で示すように、ＨＣ排出量を抑えて排気浄化効率の向上を図り、排気温度を十分に上昇させて三元触媒３０の早期活性化を図ることができる。
【００４５】
即ち、図４を参照すると、併せて、排気流動の抑制を行わずに圧縮スライトリーン運転のみを実施した場合のＨＣ排出量及び排気温度が破線で、排気流動の抑制を行い目標Ａ／Ｆをスライトリーン空燃比とするとともに吸気行程で燃料噴射を行った場合（吸気スライトリーン運転）のＨＣ排出量及び排気温度が二点差線で示されているが、実線の如く圧縮スライトリーン運転を行うとともに排気流動の抑制を行うことにより、圧縮スライトリーン運転のみの場合や吸気スライトリーン運転の場合に比べてＨＣ排出量を低く抑え且つ排気温度を高めることができる。また、圧縮スライトリーン運転を行うことで、吸気スライトリーン運転におけるエンジン始動直後のＨＣ排出量の急増現象をも抑えることができる。
【００４６】
さらに、圧縮スライトリーン運転を行うとともに排気流動の抑制を行うようにすると、二段燃焼の場合には主噴射による主燃焼の空燃比を超リーン空燃比とする必要があるために発生する機関トルクに限界があり、この限界は排気流動の抑制による排気抵抗の増大に伴ってさらに厳しくなる傾向にあるが、スライトリーン空燃比の下では十分な機関トルクを発生させることが可能であり、始動直後に加速要求があった場合であっても十分な加速性能を確保することができる。
【００４７】
一方、上記ステップＳ１２の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、所定時間ｔ2（例えば、４５sec〜２min）経過したと判定された場合には、ステップＳ１８に進む。つまり、ステップＳ１２では上記排気流動の抑制及び圧縮スライトリーン運転の終了判定を行っており、所定時間ｔ2経過したと判定された場合には、排気昇温により三元触媒３０が十分に活性した状態にあり、もはや上記排気流動の抑制及び圧縮スライトリーン運転は必要ない状況と判定でき、次にステップＳ１８に進む。
【００４８】
ステップＳ１８では、排気圧制御弁４０、即ちバタフライ弁４２を開弁側に操作し、上記排気流動の抑制を解除する。そして、ステップＳ２０において、圧縮スライトリーン運転を終了し、エンジン１の燃焼制御を通常の制御状態に戻すようにする。
次に、第２実施例を説明する。
【００４９】
図５を参照すると、本発明の第２実施例に係る始動時制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同図に沿って第２実施例について説明する。なお、当該第２実施例では、上記第１実施例に対し主として二段燃焼運転を実施した後に圧縮スライトリーン運転を行う点が異なっている。
ステップＳ３０では、上記図３のステップＳ１０の場合と同様に、エンジン１の始動後、所定時間ｔ1（例えば、３sec）経過したか否かを判別する。即ち、エンジン１の始動後、排気系、特に排気ポート１１或いは排気ポート１１周辺の温度がある程度暖機され所定温度以上になったか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、そのまま当該ルーチンを抜け、一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）で、所定時間ｔ1経過したと判定された場合には、ステップＳ３２に進む。
【００５０】
ステップＳ３２では、上記図３のステップＳ１２の場合と同様に、エンジン１の始動後、所定時間ｔ2（例えば、４５sec〜２min）経過したか否かを判別する（触媒活性判定手段）。判別結果が偽（Ｎｏ）で、所定時間ｔ2経過しておらず、三元触媒３０が未だ活性状態にないような場合には、ステップＳ３４に進む。ステップＳ３４では、エンジン１の始動後、所定時間ｔ3（例えば、１５sec）経過したか否かを判別する。この判別は、即ち三元触媒３０が半活性状態（十分に活性する直前の状態）に達したか否かの判別を意味する。判別結果が偽（Ｎｏ）で、所定時間ｔ3経過しておらず、三元触媒３０が未だ半活性状態にないような場合には、次にステップＳ３６に進む。
【００５１】
ステップＳ３６では、エンジン負荷Ｌが所定値Ｌ1以下であるか否かを判別する。即ち、エンジン１に加速要求があるか否かを判別する。エンジン負荷Ｌは、ここでは例えばスロットル弁１４の開度、即ちスロットル開度によって検出されるが、吸気マニホールド１２に圧力センサを設け、吸気マニホールド１２内の圧力、即ち吸気マニホールド圧から検出してもよいし、吸気量センサ１６からの吸入空気量情報から検出することも可能である。
【００５２】
ステップＳ３６の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、エンジン負荷Ｌが所定値Ｌ1以下、即ちエンジン１に加速要求が無いと判定された場合には、次にステップＳ３８に進む。
ステップＳ３８では、二段燃焼運転を行う。即ち、圧縮行程で主噴射による主燃焼を行うとともに膨張行程以降で副噴射を実施する（二段燃焼運転手段）。この場合、主噴射量は主燃焼の空燃比が超リーン空燃比となるように設定され、副噴射量は全体空燃比が所定のリーン空燃比（例えば、値１６）となるように設定される。また、副噴射の燃料供給時期は、火炎消滅時期以降で排気弁開時期以前とすることが最も好ましい。
【００５３】
このように二段燃焼運転を行うと、副噴射される燃料は機関トルクの発生に直接寄与しないことになるために副噴射する分だけ燃費には不利であるものの、主燃焼（層状燃焼）における残留Ｏ2と副噴射による未燃燃料成分（ＨＣ等）との反応が排気系内で飛躍的に促進される。これにより排気温度が急速に上昇して触媒の早期活性化が図られる。
【００５４】
そして、ステップＳ４０では、上記図３のステップＳ１６の場合と同様、アクチュエータ４３、４７をそれぞれ駆動制御し、排気圧制御弁４０、即ちバタフライ弁４２及びリリーフ弁４６を閉弁側に操作する。ここでは、バタフライ弁４２を閉弁操作するとともに、排気流動抑制度合いが所望の排気流動抑制度合い（例えば、目標排気圧）となるように、リリーフ弁４６の開度が例えば第１抑制制御量に向けて自動調整される。これにより、排気圧制御弁４０よりも上流の排気系内の排気流動が所望の抑制度合いとされ、排気圧が上昇する。
【００５５】
一方、ステップＳ３４の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、所定時間ｔ3経過しており、三元触媒３０が半活性状態に達したと判定された場合には、次にステップＳ４２に進む。
三元触媒３０が半活性状態に達したような場合には、もはや排気温度をそれほど高くしなくても三元触媒３０は活性状態に到達すると考えられる。従って、ステップＳ４２では、上記二段燃焼運転を中止する。
【００５６】
ステップＳ４６では、上記図３のステップＳ１４の場合と同様に圧縮スライトリーン運転（図５では圧縮Ｓ／Ｌ運転と略す）を行う。
このように、二段燃焼運転を実施して三元触媒３０が半活性状態に達した後、圧縮スライトリーン運転を行うようにすると、三元触媒３０の早期活性化を図り且つ燃費の悪化を抑えながら、十分な機関トルクを確保できる機会を極力多くして加速性能をも確保することができ、全体として効果的に排気浄化効率の向上を図ることができる。
【００５７】
ステップＳ４８では、上記ステップＳ４０の場合と同様、排気流動の抑制を行う。しかしながら、ここでは、バタフライ弁４２を閉弁操作するとともに、排気流動抑制度合いが所望の排気流動抑制度合い（例えば、目標排気圧）となるように、リリーフ弁４６の開度が上記所定の第１抑制制御量よりも抑制制御量の大きな所定の第２抑制制御量（第２抑制制御量＞第１抑制制御量）で縮小側に自動調整される。つまり、二段燃焼運転では主燃焼の空燃比を超リーン空燃比とするために吸入空気量ひいては排気流量が多く、排気流動の抑制制御量が比較的小さくても容易に排気流動を抑制して排気系内での反応を促進することが可能であるが、圧縮スライトリーン運転では排気流量が少ないため、このように排気流動の抑制制御量を第２抑制制御量と大きくすることで排気流動の抑制を確保するようにする。
【００５８】
これにより、圧縮スライトリーン運転時においても二段燃焼運転時と同様の排気流動抑制度合いを維持できることになり、燃費の悪化を抑え且つ機関トルクを確保しながら、より一層効果的に排気浄化効率の向上を図ることができる。
ステップＳ３６の判別結果が偽（Ｎｏ）で、エンジン負荷Ｌが所定値Ｌ1より大と判定された場合にも、ステップＳ４２以降に進む。つまり、エンジン１に加速要求があるような場合には、二段燃焼運転時であっても、より大きな機関トルクを確保可能な圧縮スライトリーン運転に切り換えるようにする。これにより、加速要求に応じてレスポンスよく十分な加速性能を得ることができる。
【００５９】
一方、上記ステップＳ３２の判別結果が真（Ｙｅｓ）で所定時間ｔ2（例えば、４５sec〜２min）経過したと判定された場合には、排気昇温が十分に行われて三元触媒３０が完全に活性した状態にあると判断できる。従って、この場合には、ステップＳ５０に進み、上記図３のステップＳ１８と同様、排気圧制御弁４０、即ちバタフライ弁４２及びリリーフ弁４６を開弁側に操作して排気流動の抑制を解除するとともに、ステップＳ５２において、圧縮スライトリーン運転を終了し、エンジン１の燃焼制御を通常の制御状態に戻すようにする。
【００６０】
次に、第３実施例を説明する。
図６を参照すると、本発明の第３実施例に係る始動時制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同図に沿って第３実施例について説明する。なお、当該第３実施例では、上記第２実施例に対し圧縮スライトリーン運転を実施した後に吸気スライトリーン運転を行う点が異なっている。従って、ここでは、上記第２実施例と同一部分についてはステップ符号を同一として説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
【００６１】
ステップＳ３０において所定時間ｔ1’が経過したか否かを判別し、ステップＳ３２において所定時間ｔ2’が経過したか否かを判別し、ステップＳ３４において所定時間ｔ3’が経過したか否かを判別した後、ステップＳ３６の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、エンジン負荷Ｌが所定値Ｌ1以下、即ちエンジン１に加速要求が無いと判定された場合には、次にステップＳ３８’に進む。なお、所定時間ｔ1’、所定時間ｔ2’、所定時間ｔ3’はそれぞれ最適値に設定されるが、上述の所定時間ｔ1、所定時間ｔ2、所定時間ｔ3と同一の値であってもよい。
【００６２】
ステップＳ３８’では、圧縮スライトリーン運転を行う（図６では圧縮Ｓ／Ｌ運転と略す）。
そして、ステップＳ４０’では、上記図５のステップＳ４８の場合と同様、バタフライ弁４２を閉弁操作するとともに、排気流動抑制度合いが所望の排気流動抑制度合い（例えば、目標排気圧）となるように、リリーフ弁４６の開度が所定の第２抑制制御量で自動調整される。これにより、排気圧制御弁４０よりも上流の排気系内の排気流動が所望の抑制度合いとされ、排気圧が上昇する。
【００６３】
一方、ステップＳ３４の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、所定時間ｔ3’経過しており、三元触媒３０が半活性状態に達したと判定された場合、或いはステップＳ３６の判別結果が偽（Ｎｏ）でエンジン負荷Ｌが所定値Ｌ1より大と判定された場合には、ステップＳ４２’に進み、上記圧縮スライトリーン運転を中止する。そして、ステップＳ４６’では、目標Ａ／Ｆを理論空燃比よりもややリーン空燃比（例えば、値１５であるが、圧縮スライトリーン運転の場合と同一でなくてもよい）であるスライトリーン空燃比設定とし且つ吸気行程で燃料噴射を行う吸気スライトリーン運転（図６では吸気Ｓ／Ｌ運転と略す）を実施する。
【００６４】
このように、圧縮スライトリーン運転を実施して三元触媒３０が半活性状態に達した後、吸気スライトリーン運転を行うようにすると、吸気スライトリーン運転の方が圧縮スライトリーン運転の場合よりも大きな機関トルクを得られることから、燃費の悪化を抑えながら、十分な機関トルクを確保できる機会をさらに多くして加速性能を確保することができ、加速性能を優先しながら全体として効果的に排気浄化効率の向上を図ることができる。
【００６５】
そして、ステップＳ４８’では、上記ステップＳ４０の場合と同様、排気流動の抑制を行い、ここでは、バタフライ弁４２を閉弁操作するとともに、排気流動抑制度合いが所望の排気流動抑制度合い（例えば、目標排気圧）となるように、リリーフ弁４６の開度が上記所定の第２抑制制御量よりもさらに抑制制御量の大きな所定の第３抑制制御量（第３抑制制御量＞第２抑制制御量）で縮小側に自動調整される。つまり、圧縮スライトリーン運転では層状燃焼が行われるために排気流量が比較的多い一方、吸気スライトリーン運転では均一燃焼が行われるために排気流量が減少することから、このように排気流動の抑制制御量を第３抑制制御量と大きくすることで排気流動の抑制を確保するようにする。
【００６６】
これにより、吸気スライトリーン運転時においても圧縮スライトリーン運転時と同様の排気流動抑制度合いを維持できることになり、燃費の悪化を抑え且つ十分な機関トルクを確保しながら、より一層効果的に排気浄化効率の向上を図ることができる。
一方、上記ステップＳ３２の判別結果が真（Ｙｅｓ）で所定時間ｔ2’経過したと判定された場合には、上記同様ステップＳ５０に進み、排気圧制御弁４０、即ちバタフライ弁４２及びリリーフ弁４６を開弁側に操作して排気流動の抑制を解除するとともに、ステップＳ５２において、吸気スライトリーン運転を終了し、エンジン１の燃焼制御を通常の制御状態に戻すようにする。
【００６７】
次に、第４実施例を説明する。
図７を参照すると、本発明の第４実施例に係る始動時制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同図に沿って第４実施例について説明する。なお、当該第４実施例では、始動時制御の終了判定及び半活性状態の判定の部分（ステップＳ６０乃至ステップＳ７０）が上記第２実施例や第３実施例（図５、６のステップＳ３０乃至ステップＳ３４）と異なっている。従って、ここでは、上記第２、３実施例と同一部分（図５中の▲１▼又は図６中の▲２▼で示す範囲）については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００６８】
ステップＳ６０では、上記ステップＳ３０と同様に、エンジン１の始動後、所定時間ｔ1（例えば、３sec）経過したか否かを判別し、判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、ステップＳ６２に進む。
ステップＳ６２では、エンジン回転速度Ｎeが所定値Ｎe1（例えば、２２００rpm）よりも小さいか否かを判別する。エンジン回転速度Ｎeが所定値Ｎe1以上と大きいような場合には、排気流量及び排気流速が大きく、三元触媒３０は十分に昇温させられて活性状態にあると判断できる。従って、ステップＳ６２の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、エンジン回転速度Ｎeが所定値Ｎe1よりも小さいときにはステップＳ６４に進む一方、判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には上記ステップＳ５０に進み、排気流動の抑制を解除するとともに、上記ステップＳ５２において圧縮スライトリーン運転または吸気スライトリーン運転を終了し、エンジン１の燃焼制御を通常の制御状態に戻すようにする。
【００６９】
ステップＳ６４では、エンジン１に変速機（図示せず）が接続されている場合において、変速機のギヤ比の変化があったか否かを判別する。始動時にあっては、通常、車両は停車状態にあってギヤ比は最低速ギヤ比（ローギヤ）にあると判断できる。故に、この状態からのギヤ比の変化は、車速が増大してギヤ比が高速側に変化したものとみなすことができ、車速が増大するとエンジン回転速度Ｎeも上昇することから、上記同様、排気流量及び排気流速が大きく、三元触媒３０は十分に昇温させられて活性状態にあると判断できる。従って、ステップＳ６４の判別結果が偽（Ｎｏ）で変速機のギヤ比の変化がないと判定された場合にはステップＳ６６に進む一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）で、変速機のギヤ比の変化があったと判定された場合には、上記同様にステップＳ５０及びステップＳ５２を実行する。
【００７０】
ステップＳ６６では、熱量相当の指標を算出する。この指標は、排気流動の抑制及び圧縮スライトリーン運転が開始されてから三元触媒３０に付与された総熱量（熱量の総量）に相当する値であり、具体的には以下の演算式から算出される。
指標＝積算値｛排気（体積）流量×排気圧力×排気温度×排圧係数｝
ここに、排気（体積）流量、排気圧力のパラメータは、それぞれ上述した吸気量センサ１６、排気圧センサ２２から検出することができ、排気温度については、運転条件に応じて予め設定したマップ値から求めることができる。なお、排気温度センサを設けて直接排気温度を求めてもよい。
【００７１】
排圧係数は、三元触媒３０に付与される総熱量相当値の適正化を図るための排気圧力の補正係数であり、例えば図８に示すマップから求めることができる。同マップによれば、排気圧力の増加に応じて補正係数が増大しているが、これは、排気圧力が高いほど三元触媒３０内で転化されるべき物質（Ｈ2、ＨＣ、ＣＯ等）が三元触媒３０内に拡散して反応速度が増大し、三元触媒３０内における物質の反応熱が増大する傾向にあるためと考えられる。
【００７２】
熱量相当の指標が算出されたら、ステップＳ６８において当該指標が所定値Ｘ1より小さいか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）で指標が所定値Ｘ1より小さい場合にはステップＳ７０に進む一方、判別結果が偽（Ｎｏ）で指標が所定値Ｘ1以上である場合には、三元触媒３０は十分に昇温させられて活性状態にあると判断でき、上記同様にステップＳ５０及びステップＳ５２を実行する。
【００７３】
ステップＳ７０では、指標が所定値Ｘ2（Ｘ2＜Ｘ1）より小さいか否かを判別する。即ち、総熱量が所定値Ｘ1に相当するほど大きくはないが、三元触媒３０に所定値Ｘ2に相当する程度の熱量が付与され、三元触媒３０が半活性状態にあるか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）で、指標が所定値Ｘ2より小さいと判別された場合には、上記ステップＳ３６に進む。
【００７４】
一方、ステップＳ７０の判別結果が偽（Ｎｏ）で、指標が所定値Ｘ2以上、即ち三元触媒３０が半活性状態にあると判定された場合には、上記ステップＳ４２またはステップＳ４２’に進む。
これにより、始動時制御の終了判定及び半活性状態の判定をエンジン回転速度Ｎe、変速機のギヤ比の変化、熱量相当の指標に基づいて容易に行うことができ、この場合においても、燃費の悪化を抑え且つ機関トルクを確保しながら、効果的に排気浄化効率の向上を図ることができる。
【００７５】
なお、始動時制御の終了判定の方法は、上記以外にも種々考えられ、例えば、三元触媒３０に高温センサを設け、当該高温センサにより検出される触媒温度が所定温度（例えば、４５０℃）以上（触媒温度≧所定温度）か否かを判別するようにしてもよく、エンジン１の冷却水温が所定温度（例えば、４０℃）以上（冷却水温≧所定温度）か否か、エンジン１の潤滑油温が所定温度（例えば、３５℃）以上（潤滑油温≧所定温度）か否かを判別するようにしてもよい。
【００７６】
また、同様に、半活性状態の判定についても上記以外にも種々考えられ、例えば、三元触媒３０に高温センサを設け、当該高温センサにより検出される触媒温度が所定温度（例えば、３００℃）以上（触媒温度≧所定温度）か否かを判別するようにしてもよく、エンジン１の冷却水温が所定温度（例えば、２９℃）以上（冷却水温≧所定温度）か否か、エンジン１の潤滑油温が所定温度（例えば、２７℃）以上（潤滑油温≧所定温度）か否かを判別するようにしてもよい。
【００７７】
以上で説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限られるものではない。
例えば、上記実施形態では、排気流動の抑制度合いを排気圧制御弁４０を用いて制御するようにしたが、排気通路面積の縮小量や排気通路断面積を制御するようなものであれば如何なる手段を用いてもよい。この場合、第２実施例乃至第４実施例において、排気通路面積の縮小量や排気通路断面積がそれぞれ第１抑制制御量、第２抑制制御量及び第３抑制制御量に応じた値に制御される（第３抑制制御量＞第２抑制制御量＞第１抑制制御量）。
【００７８】
また、上記実施形態では、排気流動の抑制を行うにあたり第１抑制制御量、第２抑制制御量及び第３抑制制御量等の抑制制御量を例えば固定値としているが、排気流量や排気温度の変動に応じて適宜微調整するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、第２実施例乃至第４実施例において、ステップＳ３６の判別結果が偽（Ｎｏ）でエンジン負荷Ｌが所定値Ｌ1より大、即ち加速要求があると判定された場合には、圧縮スライトリーン運転或いは吸気スライトリーン運転に切り換えるようにしたが、当該切り換えによっても要求機関トルクを満足できない場合にはステップＳ５２において通常制御を実施するようにしてもよい。この場合、必要に応じて排気流動の抑制を併せて実施するようにしてもよい。
【００７９】
また、上記実施形態では、第２実施例乃至第４実施例において、二段燃焼運転と圧縮スライトリーン運転との切り換え、或いは圧縮スライトリーン運転と吸気スライトリーン運転との切り換えを実施するようにしたが、触媒の早期活性化を優先する場合には、圧縮スライトリーン運転に対し二段燃焼運転を、吸気スライトリーン運転に対し圧縮スライトリーン運転を選択的に単独で実施するようにしてもよく、また、加速性能を優先する場合には、二段燃焼運転に対し圧縮スライトリーン運転を、圧縮スライトリーン運転に対し吸気スライトリーン運転を選択的に単独で実施してもよい。
【００８０】
また、上記実施形態では、ステップＳ１０、ステップＳ３０及びステップＳ６０において、エンジン１の始動後、所定時間ｔ1（例えば、３sec）経過したか否か、即ちエンジン１の始動後、排気系の温度がある程度暖機され所定温度以上になったか否かを判別するようにしたが、排気流動抑制による排気系内反応が良好なシステムであれば、所定時間ｔ1を０秒とし、エンジン１が完爆後、直ちに圧縮スライトリーン運転或いは二段燃焼運転を開始するようにしてもよい。
【００８１】
また、排気流動の抑制、即ち排気圧制御弁４０の閉弁をイグニションキーをオンとした時点から実施するようにしてもよい。このようにすれば、排気流動抑制の応答遅れの問題をも改善することができる。
また、上記実施形態では、圧縮スライトリーン運転時には圧縮行程噴射のみ行うようにしているが、例えば、圧縮スライトリーン運転時において圧縮行程噴射を行いながら圧縮行程以外に吸気行程にも燃料を一部分割して噴射するようにしてもよい。これにより、圧縮行程噴射の利益と吸気行程噴射の利益の両方を得ることができ、加速性能をさらに高めることができる。
【００８２】
また、上記実施形態では、排気圧制御弁４０を三元触媒３０の直下流に設けた場合について説明したが、排気圧制御弁４０の耐熱性が高い場合は、排気圧制御弁４０を触媒上流に設けるようにしてもよい。このようにすれば、排気圧制御弁４０よりも上流側の排気系容積が減少することになり、やはり排気流動抑制の応答性を改善することができる。
【００８３】
また、上記実施形態では、排気圧制御弁４０としてバタフライ弁４２とリリーフ弁４６を用いるようにしたが、吸排気系にターボチャージャを備える場合には、当該ターボチャージャのウエストゲートバルブを排気圧制御弁４０の代わりに使用することもできる。つまり、ウエストゲートバルブは排気圧制御弁４０と同様の弁機能を有しているため、排気流動抑制度合いに応じて当該ウエストゲートバルブを制御するようにしても上記同様の効果が得られる。
【００８４】
また、上記実施形態では、触媒コンバータとして三元触媒３０を用いたが、触媒はリーンＮＯx触媒、ＨＣ吸着触媒等いかなるものでもよい。
【００８７】
【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の筒内噴射型火花点火式内燃機関の排気浄化装置によれば、内燃機関が冷態状態にあって触媒コンバータが未だ活性していない状況下では、二段燃焼運転及び圧縮スライトリーン運転のいずれか一方を選択的に実施するとともに排気流動の抑制を行うので、内燃機関の運転状況に応じて二段燃焼運転と圧縮スライトリーン運転とを適宜選択可能であり、二段燃焼運転を選択するとともに排気流動の抑制を行うことで触媒の早期活性化を優先しながら排気浄化効率の向上を図ることができ、圧縮スライトリーン運転を選択するとともに排気流動の抑制を行うことで燃費の悪化を抑え且つ機関トルクを確保することを優先しながら排気浄化効率の向上を図ることができる。
【００８９】
また、圧縮スライトリーン運転を行うときには二段燃焼運転を行うときよりも排気流動の抑制制御量を大きくするので、排気流量の少ない圧縮スライトリーン運転においても排気流動の抑制を確保するようにでき、燃費の悪化を抑え且つ機関トルクを確保しながらより一層効果的に排気浄化効率の向上を図ることができる。
【００９１】
また、請求項２の筒内噴射型火花点火式内燃機関の排気浄化装置によれば、内燃機関が冷態状態にあって触媒コンバータが未だ活性していない状況下では、圧縮スライトリーン運転及び吸気スライトリーン運転のいずれか一方を選択的に実施するとともに排気流動の抑制を行うので、内燃機関の運転状況に応じて圧縮スライトリーン運転と吸気スライトリーン運転とを適宜選択可能であり、圧縮スライトリーン運転を選択するとともに排気流動の抑制を行うことで燃費の悪化を抑え且つ機関トルクを確保することを優先しながら排気浄化効率の向上を図ることができ、吸気スライトリーン運転を選択するとともに排気流動の抑制を行うことでより一層機関トルクを確保することを優先しながら排気浄化効率の向上を図ることができる。
【００９３】
また、吸気スライトリーン運転を行うときには圧縮スライトリーン運転を行うときよりも排気流動の抑制制御量を大きくするので、排気流量のさらに少ない吸気スライトリーン運転においても排気流動の抑制を確保するようにでき、燃費の悪化を抑え且つ機関トルクを十分に確保しながらより一層効果的に排気浄化効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】排気流動制御装置としての排気圧制御弁を示す図である。
【図３】本発明の第１実施例に係る始動時制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図４】第１実施例に係る始動時制御を実施した場合のＨＣ排出量と排気温度の時間変化を示すタイムチャートである。
【図５】本発明の第２実施例に係る始動時制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図６】本発明の第３実施例に係る始動時制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図７】本発明の第４実施例に係る始動時制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図８】熱量相当の指標を算出する際の排圧係数と排気圧力との関係を示すマップである。
【符号の説明】
１ エンジン本体
４ 点火プラグ
６ 燃料噴射弁
１１ 排気ポート
１２ 排気マニホールド
２０ 排気管
３０ 三元触媒（触媒コンバータ）
４０ 排気圧制御弁
４２ バタフライ弁
４６ リリーフ弁
６０ ＥＣＵ（電子コントロールユニット）
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射型火花点火式内燃機関の排気浄化装置に係り、詳しくは、排気浄化効率の向上を図り排気中の有害物質の排出量低減効果を高める技術に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
排気中の有害物質（ＨＣ、ＣＯ、Ｈ2等の未燃物の他、スモーク、ＮＯx等を含む）を低減させることを目的とした技術として、触媒上での反応を利用した排気浄化技術が知られている。
しかしながら、当該排気浄化技術では、触媒が活性化されるまでの間にＨＣ等の未燃物が大気放出されるという問題があり、このように触媒活性化までに放出される有害物質量は、コールドモードでの全放出量の９割にも達する場合があり重要な問題となっている。
【０００３】
そこで、筒内噴射型火花点火式内燃機関において、燃料噴射を２段階に分け、主噴射（超リーン空燃比設定）とは別に膨張行程以降に副噴射を行い、主噴射による主燃焼（層状燃焼）で残存した酸素と副噴射による未燃燃料を排気系（燃焼室から触媒コンバータを含む）内で反応させることにより有害物質を低減させ、触媒を早期活性化させる二段燃焼技術（或いは二段噴射技術）が知られている。
【０００４】
一方、例えば特開平３−１１７６１１号、特開平４−１８３９２１号公報に開示されるように、排気圧上昇（排気流動の抑制）により反応を促進させることで冷態時の触媒を早期活性化させる技術が開発されている。
さらに、これらを組み合わせ、二段燃焼を実施するとともに排気圧を上昇させることにより、冷態時における触媒の早期活性化を図る技術が開発されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように二段燃焼を実施すると、排気系内での反応が飛躍的に促進され触媒の早期活性化が図られる一方、副噴射される燃料は機関トルクの発生に直接寄与しないことになるため、副噴射する分だけ燃費が悪化するという問題がある。
【０００６】
また、二段燃焼では主噴射による主燃焼の空燃比を超リーン空燃比とする必要があることから、発生する機関トルクには自ずと限界があり、この限界は、排気圧を上昇させると、排気抵抗が増大してさらに厳しくなる傾向にある。このように機関トルクに限界があると、加速要求に十分対応できず好ましいことではない。
【０００７】
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、冷態時であっても燃費の悪化を最小限に抑え且つ加速性能を確保しながら排気浄化効率の向上を図り有害物質の排出量を抑制可能な筒内噴射型火花点火式内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００８】
【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、燃焼室内に直接燃料を噴射する噴射弁と、該噴射弁による燃料噴射を制御する燃料噴射制御手段と、燃焼空燃比を制御する空燃比制御手段とを備えた筒内噴射型火花点火式内燃機関の排気浄化装置において、排気通路に設けられ、排気中の有害物質を浄化する触媒コンバータと、前記触媒コンバータの活性状態を判定する触媒活性判定手段と、燃焼室内に主燃焼用の燃料を供給した後、該主燃焼の火炎消滅時期以降且つ排気弁の開弁開始時期以前に燃焼室内に燃料を再供給し二段燃焼運転を行う二段燃焼運転手段と、前記空燃比制御手段により燃焼空燃比を理論空燃比または理論空燃比よりもややリーン空燃比とするとともに前記燃料噴射制御手段により圧縮行程で燃料を噴射して圧縮スライトリーン運転を実施する圧縮スライトリーン運転手段と、排気通路内の排気流動を抑制する排気流動制御手段とを備え、前記触媒活性判定手段により前記触媒コンバータが活性状態にないと判定されたときには、前記二段燃焼運転手段による二段燃焼運転及び前記圧縮スライトリーン運転手段による前記圧縮スライトリーン運転のいずれか一方を選択的に実施するとともに前記排気流動制御手段により排気通路内の排気流動の抑制を行い、前記排気流動制御手段は、前記圧縮スライトリーン運転を行うとき、前記二段燃焼運転を行うときよりも前記排気流動の抑制制御量を大きくすることを特徴としている。
【００１４】
従って、二段燃焼運転を選択するとともに排気流動の抑制を行うことで触媒の早期活性化を優先しながら排気浄化効率の向上を実現可能であり、圧縮スライトリーン運転を選択して残留酸素（Ｏ ２ ）とともに未燃物としてＣＯを排気通路に排出するとともに排気流動の抑制を行うことで燃費の悪化を抑え且つ機関トルクを確保することを優先しながら排気浄化効率の向上を実現可能である。
【００１６】
そして、二段燃焼運転では主燃焼の空燃比を超リーン空燃比とするために吸入空気量が多く、故に排気流量が多く、排気流動の抑制制御量が比較的小さくても容易に排気流動を抑制して排気系内での反応を促進することが可能であるが、圧縮スライトリーン運転では排気流量が少ないため、排気流動の抑制制御量を大きくすることで排気流動の抑制を確保するようにしており、これにより、燃費の悪化を抑え且つ機関トルクを確保しながらより一層効果的に排気浄化効率の向上を実現可能である。
【００１８】
また、請求項２の発明では、燃焼室内に直接燃料を噴射する噴射弁と、該噴射弁による燃料噴射を制御する燃料噴射制御手段と、燃焼空燃比を制御する空燃比制御手段とを備えた筒内噴射型火花点火式内燃機関の排気浄化装置において、排気通路に設けられ、排気中の有害物質を浄化する触媒コンバータと、前記触媒コンバータの活性状態を判定する触媒活性判定手段と、前記空燃比制御手段により燃焼空燃比を理論空燃比または理論空燃比よりもややリーン空燃比とするとともに前記燃料噴射制御手段により圧縮行程で燃料を噴射して圧縮スライトリーン運転を実施する圧縮スライトリーン運転手段と、前記空燃比制御手段により燃焼空燃比を理論空燃比または理論空燃比よりもややリーン空燃比とするとともに前記燃料噴射制御手段により吸気行程で燃料を噴射して吸気スライトリーン運転を実施する吸気スライトリーン運転手段と、排気通路内の排気流動を抑制する排気流動制御手段とを備え、前記触媒活性判定手段により前記触媒コンバータが活性状態にないと判定されたときには、前記圧縮スライトリーン運転手段による前記圧縮スライトリーン運転及び前記吸気スライトリーン運転手段による前記吸気スライトリーン運転のいずれか一方を選択的に実施するとともに前記排気流動制御手段により排気通路内の排気流動の抑制を行い、前記排気流動制御手段は、前記吸気スライトリーン運転を行うとき、前記圧縮スライトリーン運転を行うときよりも前記排気流動の抑制制御量を大きくすることを特徴としている。
【００１９】
従って、圧縮スライトリーン運転を選択するとともに排気流動の抑制を行うことで燃費の悪化を抑え且つ機関トルクを確保することを優先しながら排気浄化効率の向上を実現可能であり、吸気スライトリーン運転を選択するとともに排気流動の抑制を行うことでより一層機関トルクを確保することを優先しながら排気浄化効率の向上を実現可能である。
【００２１】
そして、圧縮スライトリーン運転では層状燃焼するために吸入空気量が比較的多く、故に排気流量が比較的多く、排気流動の抑制制御量がある程度小さくても排気流動を抑制して排気系内での反応を促進することが可能であるが、吸気スライトリーン運転では排気流量がさらに少ないため、排気流動の抑制制御量を大きくすることで排気流動の抑制を確保するようにしており、これにより、燃費の悪化を抑え且つ機関トルクを十分に確保しながらより一層効果的に排気浄化効率の向上を実現可能である。
【００２７】
【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いて説明する。
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火花点火式内燃機関の排気浄化装置の概略構成図が示されており、以下、当該排気浄化装置の構成を説明する。
【００２８】
同図に示すように、内燃機関であるエンジン本体（以下、単にエンジンという）１としては、燃料噴射モードを切換えることで吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射）とともに圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射）を実施可能な筒内噴射型火花点火式ガソリンエンジンが採用される。
この筒内噴射型のエンジン１は、上記燃料噴射モードの切換えと空燃比制御とにより、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、リーン空燃比での運転（リーン空燃比運転）を実現可能である。また、当該筒内噴射型のエンジン１では、さらに、圧縮行程での燃料の主噴射による主燃焼に加えて膨張行程以降で副噴射を実施し二段燃焼運転を行う二段燃焼モードも選択可能である。
【００２９】
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、燃料を燃焼室内に直接噴射可能である。
点火プラグ４には高電圧を出力する点火コイル８が接続されている。また、燃料噴射弁６には、燃料パイプ７を介して燃料タンクを擁した燃料供給装置（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である。
【００３０】
シリンダヘッド２には、各気筒毎に略直立方向に延びて吸気ポート９が形成されており、各吸気ポート９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。なお、吸気マニホールド１０には吸入空気量を調節する電磁式のスロットル弁１４及び吸入空気量を検出する吸気量センサ１６が設けられている。吸気量センサ１６は、例えばカルマン渦式エアフローセンサが採用される。
【００３１】
また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に略水平方向に延びて排気ポート１１が形成されており、各排気ポート１１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。排気マニホールド１２としては、ここでは、デュアル型エキゾーストマニホールドシステムが採用される。その他、排気マニホールド１２は、シングル型エキゾーストマニホールドシステムであっても、またクラムシェル型エキゾーストマニホールドシステムであってもよい。
【００３２】
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るため、その構成の詳細については説明を省略する。
排気マニホールド１２の他端には排気管（排気通路）２０が接続されており、当該排気管２０には、排気浄化触媒装置として三元触媒（触媒コンバータ）３０が介装されている。この三元触媒３０は、担体に活性貴金属として銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）のいずれかを有している。
【００３３】
また、同図に示すように、排気管２０には、排気圧を検出する排気圧センサ２２が配設されている。
さらに、排気管２０の三元触媒３０よりも下流の部分には、排気流動制御装置として排気圧制御弁（排気流動制御手段、排気絞り弁）４０が介装されている。排気圧制御弁４０は、排気流動を抑制することにより排ガス中の有害物質（ＨＣ、ＣＯ等の未燃物の他、ＮＯx、スモーク、Ｈ2等を含む）の低減を促進させることを目的とする装置であり、排気圧、排気密度及び排気流速の少なくともいずれか一つを変更することが可能に構成されている。
【００３４】
図２を参照すると、排気圧制御弁４０の詳細図が示されている。同図に示すように、排気圧制御弁４０は、排気管２０の流路面積を調節可能なバタフライ弁４２とリリーフ弁４６によって構成されている。
バタフライ弁４２には弁体４４を回転させるためのアクチュエータ４３が設けられており、弁体４４が当該アクチュエータ４３により回転させられることでバタフライ弁４２が開閉作動し、これにより排気通路の通路断面積が変更され排気流動の抑制が実現される。
【００３５】
また、バタフライ弁４２を迂回するようにしてリリーフ通路２２が設けられており、リリーフ弁４６は当該リリーフ通路２２の通路断面積を微調節可能に配設されている。詳しくは、リリーフ弁４６には弁体４８を往復動させるアクチュエータ４７が設けられており、弁体４８がアクチュエータ４７により被弁体２４と当接させられることでリリーフ通路２２が閉鎖され、弁体４８と被弁体２４との離間距離に応じてリリーフ通路２２を流れる排気流量が微調節される。即ち、リリーフ弁４６の弁開度を調節することにより排気流動の抑制制御量が変更される。なお、アクチュエータ４７の代わりにスプリング等を設け、リリーフ弁４６が当該スプリング等により自動制御されるようにしてもよい。
【００３６】
ＥＣＵ６０は、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ており、当該ＥＣＵ６０により、エンジン１を含めた排気浄化装置の総合的な制御が行われる。
ＥＣＵ６０の入力側には、上述した吸気量センサ１６、排気圧センサ２２やクランク角を検出するクランク角センサ６２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される。なお、クランク角センサ６２のクランク角情報に基づきエンジン回転速度Ｎeが求められる。
【００３７】
一方、ＥＣＵ６０の出力側には、上述の燃料噴射弁６、点火コイル８、スロットル弁１４、アクチュエータ４３、４７等の各種出力デバイスが接続されており、ＥＣＵ６０により燃料噴射モードが設定され、燃焼空燃比、即ち目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）が設定されると、各種出力デバイスには当該目標Ａ／Ｆや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、点火時期、スロットル開度の各信号がそれぞれ出力される（燃料噴射制御手段、空燃比制御手段）。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により適正なタイミングで火花点火が実施され、スロットル弁１４が適正な開度とされる。また、燃料噴射モードや各種センサ類からの検出情報に基づき、排気流動抑制度合いが所望の排気流動抑制度合い（例えば、目標排気圧）となるように、バタフライ弁４２が適正なタイミングで開閉操作され、リリーフ弁４６の開度が微調整される。
【００３８】
以下、このように構成された本発明に係る排気浄化装置の作用について説明する。
先ず、第１実施例を説明する。
図３を参照すると、本発明に係る始動時制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同図に沿って説明する。
【００３９】
ステップＳ１０では、エンジン１の始動後、所定時間ｔ1（例えば、３sec）経過したか否かを判別する。詳しくは、エンジン１の始動時には、点火時期を遅角側に設定する点火時期リタード等の排気ポート昇温制御を実施するようにしており、この判別は、即ち、エンジン１の始動後、排気系、特に排気ポート１１或いは排気ポート１１周辺の温度がある程度暖機され所定温度以上になったか否かを判別するものである（排気ポート周辺温度検出手段）。
【００４０】
なお、排気ポート１１或いは排気ポート１１周辺の温度を検出するセンサを設け、上記時間判別に代えて排気ポート１１の温度が所定温度以上か否かを直接判別するようにしてもよく、また、排気ポート昇温制御実施後としてもよい。
ステップＳ１０の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、そのまま当該ルーチンを抜ける。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）で、所定時間ｔ1経過したと判定された場合には、ステップＳ１２に進む。
【００４１】
ステップＳ１２では、エンジン１の始動後、所定時間ｔ2（例えば、４５sec〜２min）経過したか否かを判別する（触媒活性判定手段）。判別結果が偽（Ｎｏ）で、所定時間ｔ2経過しておらず、三元触媒３０が未だ活性状態にないような場合には、ステップＳ１４に進む。
ステップＳ１４では、目標Ａ／Ｆを理論空燃比よりもややリーン空燃比（エンジンや排気系にて最適化された値であり、例えば値１５）であるスライトリーン空燃比設定とし且つ圧縮行程で燃料噴射を行う圧縮スライトリーン運転（図３では圧縮Ｓ／Ｌ運転と略す）を実施する（圧縮スライトリーン運転手段）。実際には、目標Ａ／Ｆを理論空燃比としておき、空燃比フィードバック制御の制御ゲインをリーン空燃比側にシフトする。なお、目標Ａ／Ｆは制御ゲインを変えず理論空燃比のままとしてもよい。また、点火時期や圧縮行程での燃料噴射時期は、排気ポート１１内での反応が最も促進されるように予め最適化されており、ここでは運転条件（エンジン回転速度Ｎe、体積効率、正味平均有効圧、図示平均有効圧、マニホールド圧、スロットル開度、排気ポート１１周辺温度、冷却水温、吸入空気量、排気流量のいずれか一つ以上）に応じたマップ値とされている。
【００４２】
ステップＳ１６では、アクチュエータ４３、４７をそれぞれ駆動制御し、排気圧制御弁４０、即ちバタフライ弁４２及びリリーフ弁４６を閉弁側に操作する（排気流動制御手段）。詳しくは、バタフライ弁４２を閉弁操作するとともに、排気流動抑制度合いが所望の排気流動抑制度合いとなるようにリリーフ弁４６の開度を微調整する。これにより、排気圧制御弁４０よりも上流の排気系内の排気流動が所望の抑制度合いとされ、排気圧が上昇する。
【００４３】
このように圧縮スライトリーン運転を行うとともに排気流動の抑制を行うようにすると、上述したように圧縮スライトリーン運転では噴霧形態が良好であるために点火プラグ４のくすぶりも少なくＣＯが多く生成され、燃焼に寄与せずに残った残留Ｏ2とともに当該ＣＯが排気系に良好に排出され、これらＣＯと残留Ｏ2との反応が排気系内、特に排気ポート１１内において良好に促進される。また、このとき、上記ステップＳ１０の判別により排気ポート１１はある程度暖機された状態にあるので、ＣＯと残留Ｏ2との反応は排気ポート１１内において十分に促進される。
【００４４】
これにより、二段燃焼による副噴射を行わなくても、排気系内にＣＯとＯ2とを十分に存在させ、排気系内においてＣＯと残留Ｏ2の反応を良好に促進させることができることになり、エンジントルクに寄与しないような燃料供給を行うことなく、燃費の悪化を抑えながら、図４に実線で示すように、ＨＣ排出量を抑えて排気浄化効率の向上を図り、排気温度を十分に上昇させて三元触媒３０の早期活性化を図ることができる。
【００４５】
即ち、図４を参照すると、併せて、排気流動の抑制を行わずに圧縮スライトリーン運転のみを実施した場合のＨＣ排出量及び排気温度が破線で、排気流動の抑制を行い目標Ａ／Ｆをスライトリーン空燃比とするとともに吸気行程で燃料噴射を行った場合（吸気スライトリーン運転）のＨＣ排出量及び排気温度が二点差線で示されているが、実線の如く圧縮スライトリーン運転を行うとともに排気流動の抑制を行うことにより、圧縮スライトリーン運転のみの場合や吸気スライトリーン運転の場合に比べてＨＣ排出量を低く抑え且つ排気温度を高めることができる。また、圧縮スライトリーン運転を行うことで、吸気スライトリーン運転におけるエンジン始動直後のＨＣ排出量の急増現象をも抑えることができる。
【００４６】
さらに、圧縮スライトリーン運転を行うとともに排気流動の抑制を行うようにすると、二段燃焼の場合には主噴射による主燃焼の空燃比を超リーン空燃比とする必要があるために発生する機関トルクに限界があり、この限界は排気流動の抑制による排気抵抗の増大に伴ってさらに厳しくなる傾向にあるが、スライトリーン空燃比の下では十分な機関トルクを発生させることが可能であり、始動直後に加速要求があった場合であっても十分な加速性能を確保することができる。
【００４７】
一方、上記ステップＳ１２の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、所定時間ｔ2（例えば、４５sec〜２min）経過したと判定された場合には、ステップＳ１８に進む。つまり、ステップＳ１２では上記排気流動の抑制及び圧縮スライトリーン運転の終了判定を行っており、所定時間ｔ2経過したと判定された場合には、排気昇温により三元触媒３０が十分に活性した状態にあり、もはや上記排気流動の抑制及び圧縮スライトリーン運転は必要ない状況と判定でき、次にステップＳ１８に進む。
【００４８】
ステップＳ１８では、排気圧制御弁４０、即ちバタフライ弁４２を開弁側に操作し、上記排気流動の抑制を解除する。そして、ステップＳ２０において、圧縮スライトリーン運転を終了し、エンジン１の燃焼制御を通常の制御状態に戻すようにする。
次に、第２実施例を説明する。
【００４９】
図５を参照すると、本発明の第２実施例に係る始動時制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同図に沿って第２実施例について説明する。なお、当該第２実施例では、上記第１実施例に対し主として二段燃焼運転を実施した後に圧縮スライトリーン運転を行う点が異なっている。
ステップＳ３０では、上記図３のステップＳ１０の場合と同様に、エンジン１の始動後、所定時間ｔ1（例えば、３sec）経過したか否かを判別する。即ち、エンジン１の始動後、排気系、特に排気ポート１１或いは排気ポート１１周辺の温度がある程度暖機され所定温度以上になったか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、そのまま当該ルーチンを抜け、一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）で、所定時間ｔ1経過したと判定された場合には、ステップＳ３２に進む。
【００５０】
ステップＳ３２では、上記図３のステップＳ１２の場合と同様に、エンジン１の始動後、所定時間ｔ2（例えば、４５sec〜２min）経過したか否かを判別する（触媒活性判定手段）。判別結果が偽（Ｎｏ）で、所定時間ｔ2経過しておらず、三元触媒３０が未だ活性状態にないような場合には、ステップＳ３４に進む。ステップＳ３４では、エンジン１の始動後、所定時間ｔ3（例えば、１５sec）経過したか否かを判別する。この判別は、即ち三元触媒３０が半活性状態（十分に活性する直前の状態）に達したか否かの判別を意味する。判別結果が偽（Ｎｏ）で、所定時間ｔ3経過しておらず、三元触媒３０が未だ半活性状態にないような場合には、次にステップＳ３６に進む。
【００５１】
ステップＳ３６では、エンジン負荷Ｌが所定値Ｌ1以下であるか否かを判別する。即ち、エンジン１に加速要求があるか否かを判別する。エンジン負荷Ｌは、ここでは例えばスロットル弁１４の開度、即ちスロットル開度によって検出されるが、吸気マニホールド１２に圧力センサを設け、吸気マニホールド１２内の圧力、即ち吸気マニホールド圧から検出してもよいし、吸気量センサ１６からの吸入空気量情報から検出することも可能である。
【００５２】
ステップＳ３６の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、エンジン負荷Ｌが所定値Ｌ1以下、即ちエンジン１に加速要求が無いと判定された場合には、次にステップＳ３８に進む。
ステップＳ３８では、二段燃焼運転を行う。即ち、圧縮行程で主噴射による主燃焼を行うとともに膨張行程以降で副噴射を実施する（二段燃焼運転手段）。この場合、主噴射量は主燃焼の空燃比が超リーン空燃比となるように設定され、副噴射量は全体空燃比が所定のリーン空燃比（例えば、値１６）となるように設定される。また、副噴射の燃料供給時期は、火炎消滅時期以降で排気弁開時期以前とすることが最も好ましい。
【００５３】
このように二段燃焼運転を行うと、副噴射される燃料は機関トルクの発生に直接寄与しないことになるために副噴射する分だけ燃費には不利であるものの、主燃焼（層状燃焼）における残留Ｏ2と副噴射による未燃燃料成分（ＨＣ等）との反応が排気系内で飛躍的に促進される。これにより排気温度が急速に上昇して触媒の早期活性化が図られる。
【００５４】
そして、ステップＳ４０では、上記図３のステップＳ１６の場合と同様、アクチュエータ４３、４７をそれぞれ駆動制御し、排気圧制御弁４０、即ちバタフライ弁４２及びリリーフ弁４６を閉弁側に操作する。ここでは、バタフライ弁４２を閉弁操作するとともに、排気流動抑制度合いが所望の排気流動抑制度合い（例えば、目標排気圧）となるように、リリーフ弁４６の開度が例えば第１抑制制御量に向けて自動調整される。これにより、排気圧制御弁４０よりも上流の排気系内の排気流動が所望の抑制度合いとされ、排気圧が上昇する。
【００５５】
一方、ステップＳ３４の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、所定時間ｔ3経過しており、三元触媒３０が半活性状態に達したと判定された場合には、次にステップＳ４２に進む。
三元触媒３０が半活性状態に達したような場合には、もはや排気温度をそれほど高くしなくても三元触媒３０は活性状態に到達すると考えられる。従って、ステップＳ４２では、上記二段燃焼運転を中止する。
【００５６】
ステップＳ４６では、上記図３のステップＳ１４の場合と同様に圧縮スライトリーン運転（図５では圧縮Ｓ／Ｌ運転と略す）を行う。
このように、二段燃焼運転を実施して三元触媒３０が半活性状態に達した後、圧縮スライトリーン運転を行うようにすると、三元触媒３０の早期活性化を図り且つ燃費の悪化を抑えながら、十分な機関トルクを確保できる機会を極力多くして加速性能をも確保することができ、全体として効果的に排気浄化効率の向上を図ることができる。
【００５７】
ステップＳ４８では、上記ステップＳ４０の場合と同様、排気流動の抑制を行う。しかしながら、ここでは、バタフライ弁４２を閉弁操作するとともに、排気流動抑制度合いが所望の排気流動抑制度合い（例えば、目標排気圧）となるように、リリーフ弁４６の開度が上記所定の第１抑制制御量よりも抑制制御量の大きな所定の第２抑制制御量（第２抑制制御量＞第１抑制制御量）で縮小側に自動調整される。つまり、二段燃焼運転では主燃焼の空燃比を超リーン空燃比とするために吸入空気量ひいては排気流量が多く、排気流動の抑制制御量が比較的小さくても容易に排気流動を抑制して排気系内での反応を促進することが可能であるが、圧縮スライトリーン運転では排気流量が少ないため、このように排気流動の抑制制御量を第２抑制制御量と大きくすることで排気流動の抑制を確保するようにする。
【００５８】
これにより、圧縮スライトリーン運転時においても二段燃焼運転時と同様の排気流動抑制度合いを維持できることになり、燃費の悪化を抑え且つ機関トルクを確保しながら、より一層効果的に排気浄化効率の向上を図ることができる。
ステップＳ３６の判別結果が偽（Ｎｏ）で、エンジン負荷Ｌが所定値Ｌ1より大と判定された場合にも、ステップＳ４２以降に進む。つまり、エンジン１に加速要求があるような場合には、二段燃焼運転時であっても、より大きな機関トルクを確保可能な圧縮スライトリーン運転に切り換えるようにする。これにより、加速要求に応じてレスポンスよく十分な加速性能を得ることができる。
【００５９】
一方、上記ステップＳ３２の判別結果が真（Ｙｅｓ）で所定時間ｔ2（例えば、４５sec〜２min）経過したと判定された場合には、排気昇温が十分に行われて三元触媒３０が完全に活性した状態にあると判断できる。従って、この場合には、ステップＳ５０に進み、上記図３のステップＳ１８と同様、排気圧制御弁４０、即ちバタフライ弁４２及びリリーフ弁４６を開弁側に操作して排気流動の抑制を解除するとともに、ステップＳ５２において、圧縮スライトリーン運転を終了し、エンジン１の燃焼制御を通常の制御状態に戻すようにする。
【００６０】
次に、第３実施例を説明する。
図６を参照すると、本発明の第３実施例に係る始動時制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同図に沿って第３実施例について説明する。なお、当該第３実施例では、上記第２実施例に対し圧縮スライトリーン運転を実施した後に吸気スライトリーン運転を行う点が異なっている。従って、ここでは、上記第２実施例と同一部分についてはステップ符号を同一として説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
【００６１】
ステップＳ３０において所定時間ｔ1’が経過したか否かを判別し、ステップＳ３２において所定時間ｔ2’が経過したか否かを判別し、ステップＳ３４において所定時間ｔ3’が経過したか否かを判別した後、ステップＳ３６の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、エンジン負荷Ｌが所定値Ｌ1以下、即ちエンジン１に加速要求が無いと判定された場合には、次にステップＳ３８’に進む。なお、所定時間ｔ1’、所定時間ｔ2’、所定時間ｔ3’はそれぞれ最適値に設定されるが、上述の所定時間ｔ1、所定時間ｔ2、所定時間ｔ3と同一の値であってもよい。
【００６２】
ステップＳ３８’では、圧縮スライトリーン運転を行う（図６では圧縮Ｓ／Ｌ運転と略す）。
そして、ステップＳ４０’では、上記図５のステップＳ４８の場合と同様、バタフライ弁４２を閉弁操作するとともに、排気流動抑制度合いが所望の排気流動抑制度合い（例えば、目標排気圧）となるように、リリーフ弁４６の開度が所定の第２抑制制御量で自動調整される。これにより、排気圧制御弁４０よりも上流の排気系内の排気流動が所望の抑制度合いとされ、排気圧が上昇する。
【００６３】
一方、ステップＳ３４の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、所定時間ｔ3’経過しており、三元触媒３０が半活性状態に達したと判定された場合、或いはステップＳ３６の判別結果が偽（Ｎｏ）でエンジン負荷Ｌが所定値Ｌ1より大と判定された場合には、ステップＳ４２’に進み、上記圧縮スライトリーン運転を中止する。そして、ステップＳ４６’では、目標Ａ／Ｆを理論空燃比よりもややリーン空燃比（例えば、値１５であるが、圧縮スライトリーン運転の場合と同一でなくてもよい）であるスライトリーン空燃比設定とし且つ吸気行程で燃料噴射を行う吸気スライトリーン運転（図６では吸気Ｓ／Ｌ運転と略す）を実施する。
【００６４】
このように、圧縮スライトリーン運転を実施して三元触媒３０が半活性状態に達した後、吸気スライトリーン運転を行うようにすると、吸気スライトリーン運転の方が圧縮スライトリーン運転の場合よりも大きな機関トルクを得られることから、燃費の悪化を抑えながら、十分な機関トルクを確保できる機会をさらに多くして加速性能を確保することができ、加速性能を優先しながら全体として効果的に排気浄化効率の向上を図ることができる。
【００６５】
そして、ステップＳ４８’では、上記ステップＳ４０の場合と同様、排気流動の抑制を行い、ここでは、バタフライ弁４２を閉弁操作するとともに、排気流動抑制度合いが所望の排気流動抑制度合い（例えば、目標排気圧）となるように、リリーフ弁４６の開度が上記所定の第２抑制制御量よりもさらに抑制制御量の大きな所定の第３抑制制御量（第３抑制制御量＞第２抑制制御量）で縮小側に自動調整される。つまり、圧縮スライトリーン運転では層状燃焼が行われるために排気流量が比較的多い一方、吸気スライトリーン運転では均一燃焼が行われるために排気流量が減少することから、このように排気流動の抑制制御量を第３抑制制御量と大きくすることで排気流動の抑制を確保するようにする。
【００６６】
これにより、吸気スライトリーン運転時においても圧縮スライトリーン運転時と同様の排気流動抑制度合いを維持できることになり、燃費の悪化を抑え且つ十分な機関トルクを確保しながら、より一層効果的に排気浄化効率の向上を図ることができる。
一方、上記ステップＳ３２の判別結果が真（Ｙｅｓ）で所定時間ｔ2’経過したと判定された場合には、上記同様ステップＳ５０に進み、排気圧制御弁４０、即ちバタフライ弁４２及びリリーフ弁４６を開弁側に操作して排気流動の抑制を解除するとともに、ステップＳ５２において、吸気スライトリーン運転を終了し、エンジン１の燃焼制御を通常の制御状態に戻すようにする。
【００６７】
次に、第４実施例を説明する。
図７を参照すると、本発明の第４実施例に係る始動時制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同図に沿って第４実施例について説明する。なお、当該第４実施例では、始動時制御の終了判定及び半活性状態の判定の部分（ステップＳ６０乃至ステップＳ７０）が上記第２実施例や第３実施例（図５、６のステップＳ３０乃至ステップＳ３４）と異なっている。従って、ここでは、上記第２、３実施例と同一部分（図５中の▲１▼又は図６中の▲２▼で示す範囲）については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００６８】
ステップＳ６０では、上記ステップＳ３０と同様に、エンジン１の始動後、所定時間ｔ1（例えば、３sec）経過したか否かを判別し、判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、ステップＳ６２に進む。
ステップＳ６２では、エンジン回転速度Ｎeが所定値Ｎe1（例えば、２２００rpm）よりも小さいか否かを判別する。エンジン回転速度Ｎeが所定値Ｎe1以上と大きいような場合には、排気流量及び排気流速が大きく、三元触媒３０は十分に昇温させられて活性状態にあると判断できる。従って、ステップＳ６２の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、エンジン回転速度Ｎeが所定値Ｎe1よりも小さいときにはステップＳ６４に進む一方、判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には上記ステップＳ５０に進み、排気流動の抑制を解除するとともに、上記ステップＳ５２において圧縮スライトリーン運転または吸気スライトリーン運転を終了し、エンジン１の燃焼制御を通常の制御状態に戻すようにする。
【００６９】
ステップＳ６４では、エンジン１に変速機（図示せず）が接続されている場合において、変速機のギヤ比の変化があったか否かを判別する。始動時にあっては、通常、車両は停車状態にあってギヤ比は最低速ギヤ比（ローギヤ）にあると判断できる。故に、この状態からのギヤ比の変化は、車速が増大してギヤ比が高速側に変化したものとみなすことができ、車速が増大するとエンジン回転速度Ｎeも上昇することから、上記同様、排気流量及び排気流速が大きく、三元触媒３０は十分に昇温させられて活性状態にあると判断できる。従って、ステップＳ６４の判別結果が偽（Ｎｏ）で変速機のギヤ比の変化がないと判定された場合にはステップＳ６６に進む一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）で、変速機のギヤ比の変化があったと判定された場合には、上記同様にステップＳ５０及びステップＳ５２を実行する。
【００７０】
ステップＳ６６では、熱量相当の指標を算出する。この指標は、排気流動の抑制及び圧縮スライトリーン運転が開始されてから三元触媒３０に付与された総熱量（熱量の総量）に相当する値であり、具体的には以下の演算式から算出される。
指標＝積算値｛排気（体積）流量×排気圧力×排気温度×排圧係数｝
ここに、排気（体積）流量、排気圧力のパラメータは、それぞれ上述した吸気量センサ１６、排気圧センサ２２から検出することができ、排気温度については、運転条件に応じて予め設定したマップ値から求めることができる。なお、排気温度センサを設けて直接排気温度を求めてもよい。
【００７１】
排圧係数は、三元触媒３０に付与される総熱量相当値の適正化を図るための排気圧力の補正係数であり、例えば図８に示すマップから求めることができる。同マップによれば、排気圧力の増加に応じて補正係数が増大しているが、これは、排気圧力が高いほど三元触媒３０内で転化されるべき物質（Ｈ2、ＨＣ、ＣＯ等）が三元触媒３０内に拡散して反応速度が増大し、三元触媒３０内における物質の反応熱が増大する傾向にあるためと考えられる。
【００７２】
熱量相当の指標が算出されたら、ステップＳ６８において当該指標が所定値Ｘ1より小さいか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）で指標が所定値Ｘ1より小さい場合にはステップＳ７０に進む一方、判別結果が偽（Ｎｏ）で指標が所定値Ｘ1以上である場合には、三元触媒３０は十分に昇温させられて活性状態にあると判断でき、上記同様にステップＳ５０及びステップＳ５２を実行する。
【００７３】
ステップＳ７０では、指標が所定値Ｘ2（Ｘ2＜Ｘ1）より小さいか否かを判別する。即ち、総熱量が所定値Ｘ1に相当するほど大きくはないが、三元触媒３０に所定値Ｘ2に相当する程度の熱量が付与され、三元触媒３０が半活性状態にあるか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）で、指標が所定値Ｘ2より小さいと判別された場合には、上記ステップＳ３６に進む。
【００７４】
一方、ステップＳ７０の判別結果が偽（Ｎｏ）で、指標が所定値Ｘ2以上、即ち三元触媒３０が半活性状態にあると判定された場合には、上記ステップＳ４２またはステップＳ４２’に進む。
これにより、始動時制御の終了判定及び半活性状態の判定をエンジン回転速度Ｎe、変速機のギヤ比の変化、熱量相当の指標に基づいて容易に行うことができ、この場合においても、燃費の悪化を抑え且つ機関トルクを確保しながら、効果的に排気浄化効率の向上を図ることができる。
【００７５】
なお、始動時制御の終了判定の方法は、上記以外にも種々考えられ、例えば、三元触媒３０に高温センサを設け、当該高温センサにより検出される触媒温度が所定温度（例えば、４５０℃）以上（触媒温度≧所定温度）か否かを判別するようにしてもよく、エンジン１の冷却水温が所定温度（例えば、４０℃）以上（冷却水温≧所定温度）か否か、エンジン１の潤滑油温が所定温度（例えば、３５℃）以上（潤滑油温≧所定温度）か否かを判別するようにしてもよい。
【００７６】
また、同様に、半活性状態の判定についても上記以外にも種々考えられ、例えば、三元触媒３０に高温センサを設け、当該高温センサにより検出される触媒温度が所定温度（例えば、３００℃）以上（触媒温度≧所定温度）か否かを判別するようにしてもよく、エンジン１の冷却水温が所定温度（例えば、２９℃）以上（冷却水温≧所定温度）か否か、エンジン１の潤滑油温が所定温度（例えば、２７℃）以上（潤滑油温≧所定温度）か否かを判別するようにしてもよい。
【００７７】
以上で説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限られるものではない。
例えば、上記実施形態では、排気流動の抑制度合いを排気圧制御弁４０を用いて制御するようにしたが、排気通路面積の縮小量や排気通路断面積を制御するようなものであれば如何なる手段を用いてもよい。この場合、第２実施例乃至第４実施例において、排気通路面積の縮小量や排気通路断面積がそれぞれ第１抑制制御量、第２抑制制御量及び第３抑制制御量に応じた値に制御される（第３抑制制御量＞第２抑制制御量＞第１抑制制御量）。
【００７８】
また、上記実施形態では、排気流動の抑制を行うにあたり第１抑制制御量、第２抑制制御量及び第３抑制制御量等の抑制制御量を例えば固定値としているが、排気流量や排気温度の変動に応じて適宜微調整するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、第２実施例乃至第４実施例において、ステップＳ３６の判別結果が偽（Ｎｏ）でエンジン負荷Ｌが所定値Ｌ1より大、即ち加速要求があると判定された場合には、圧縮スライトリーン運転或いは吸気スライトリーン運転に切り換えるようにしたが、当該切り換えによっても要求機関トルクを満足できない場合にはステップＳ５２において通常制御を実施するようにしてもよい。この場合、必要に応じて排気流動の抑制を併せて実施するようにしてもよい。
【００７９】
また、上記実施形態では、第２実施例乃至第４実施例において、二段燃焼運転と圧縮スライトリーン運転との切り換え、或いは圧縮スライトリーン運転と吸気スライトリーン運転との切り換えを実施するようにしたが、触媒の早期活性化を優先する場合には、圧縮スライトリーン運転に対し二段燃焼運転を、吸気スライトリーン運転に対し圧縮スライトリーン運転を選択的に単独で実施するようにしてもよく、また、加速性能を優先する場合には、二段燃焼運転に対し圧縮スライトリーン運転を、圧縮スライトリーン運転に対し吸気スライトリーン運転を選択的に単独で実施してもよい。
【００８０】
また、上記実施形態では、ステップＳ１０、ステップＳ３０及びステップＳ６０において、エンジン１の始動後、所定時間ｔ1（例えば、３sec）経過したか否か、即ちエンジン１の始動後、排気系の温度がある程度暖機され所定温度以上になったか否かを判別するようにしたが、排気流動抑制による排気系内反応が良好なシステムであれば、所定時間ｔ1を０秒とし、エンジン１が完爆後、直ちに圧縮スライトリーン運転或いは二段燃焼運転を開始するようにしてもよい。
【００８１】
また、排気流動の抑制、即ち排気圧制御弁４０の閉弁をイグニションキーをオンとした時点から実施するようにしてもよい。このようにすれば、排気流動抑制の応答遅れの問題をも改善することができる。
また、上記実施形態では、圧縮スライトリーン運転時には圧縮行程噴射のみ行うようにしているが、例えば、圧縮スライトリーン運転時において圧縮行程噴射を行いながら圧縮行程以外に吸気行程にも燃料を一部分割して噴射するようにしてもよい。これにより、圧縮行程噴射の利益と吸気行程噴射の利益の両方を得ることができ、加速性能をさらに高めることができる。
【００８２】
また、上記実施形態では、排気圧制御弁４０を三元触媒３０の直下流に設けた場合について説明したが、排気圧制御弁４０の耐熱性が高い場合は、排気圧制御弁４０を触媒上流に設けるようにしてもよい。このようにすれば、排気圧制御弁４０よりも上流側の排気系容積が減少することになり、やはり排気流動抑制の応答性を改善することができる。
【００８３】
また、上記実施形態では、排気圧制御弁４０としてバタフライ弁４２とリリーフ弁４６を用いるようにしたが、吸排気系にターボチャージャを備える場合には、当該ターボチャージャのウエストゲートバルブを排気圧制御弁４０の代わりに使用することもできる。つまり、ウエストゲートバルブは排気圧制御弁４０と同様の弁機能を有しているため、排気流動抑制度合いに応じて当該ウエストゲートバルブを制御するようにしても上記同様の効果が得られる。
【００８４】
また、上記実施形態では、触媒コンバータとして三元触媒３０を用いたが、触媒はリーンＮＯx触媒、ＨＣ吸着触媒等いかなるものでもよい。
【００８７】
【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の筒内噴射型火花点火式内燃機関の排気浄化装置によれば、内燃機関が冷態状態にあって触媒コンバータが未だ活性していない状況下では、二段燃焼運転及び圧縮スライトリーン運転のいずれか一方を選択的に実施するとともに排気流動の抑制を行うので、内燃機関の運転状況に応じて二段燃焼運転と圧縮スライトリーン運転とを適宜選択可能であり、二段燃焼運転を選択するとともに排気流動の抑制を行うことで触媒の早期活性化を優先しながら排気浄化効率の向上を図ることができ、圧縮スライトリーン運転を選択するとともに排気流動の抑制を行うことで燃費の悪化を抑え且つ機関トルクを確保することを優先しながら排気浄化効率の向上を図ることができる。
【００８９】
また、圧縮スライトリーン運転を行うときには二段燃焼運転を行うときよりも排気流動の抑制制御量を大きくするので、排気流量の少ない圧縮スライトリーン運転においても排気流動の抑制を確保するようにでき、燃費の悪化を抑え且つ機関トルクを確保しながらより一層効果的に排気浄化効率の向上を図ることができる。
【００９１】
また、請求項２の筒内噴射型火花点火式内燃機関の排気浄化装置によれば、内燃機関が冷態状態にあって触媒コンバータが未だ活性していない状況下では、圧縮スライトリーン運転及び吸気スライトリーン運転のいずれか一方を選択的に実施するとともに排気流動の抑制を行うので、内燃機関の運転状況に応じて圧縮スライトリーン運転と吸気スライトリーン運転とを適宜選択可能であり、圧縮スライトリーン運転を選択するとともに排気流動の抑制を行うことで燃費の悪化を抑え且つ機関トルクを確保することを優先しながら排気浄化効率の向上を図ることができ、吸気スライトリーン運転を選択するとともに排気流動の抑制を行うことでより一層機関トルクを確保することを優先しながら排気浄化効率の向上を図ることができる。
【００９３】
また、吸気スライトリーン運転を行うときには圧縮スライトリーン運転を行うときよりも排気流動の抑制制御量を大きくするので、排気流量のさらに少ない吸気スライトリーン運転においても排気流動の抑制を確保するようにでき、燃費の悪化を抑え且つ機関トルクを十分に確保しながらより一層効果的に排気浄化効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】排気流動制御装置としての排気圧制御弁を示す図である。
【図３】本発明の第１実施例に係る始動時制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図４】第１実施例に係る始動時制御を実施した場合のＨＣ排出量と排気温度の時間変化を示すタイムチャートである。
【図５】本発明の第２実施例に係る始動時制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図６】本発明の第３実施例に係る始動時制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図７】本発明の第４実施例に係る始動時制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図８】熱量相当の指標を算出する際の排圧係数と排気圧力との関係を示すマップである。
【符号の説明】
１ エンジン本体
４ 点火プラグ
６ 燃料噴射弁
１１ 排気ポート
１２ 排気マニホールド
２０ 排気管
３０ 三元触媒（触媒コンバータ）
４０ 排気圧制御弁
４２ バタフライ弁
４６ リリーフ弁
６０ ＥＣＵ（電子コントロールユニット）
Claims (2)
- 燃焼室内に直接燃料を噴射する噴射弁と、該噴射弁による燃料噴射を制御する燃料噴射制御手段と、燃焼空燃比を制御する空燃比制御手段とを備えた筒内噴射型火花点火式内燃機関の排気浄化装置において、
排気通路に設けられ、排気中の有害物質を浄化する触媒コンバータと、
前記触媒コンバータの活性状態を判定する触媒活性判定手段と、
燃焼室内に主燃焼用の燃料を供給した後、該主燃焼の火炎消滅時期以降且つ排気弁の開弁開始時期以前に燃焼室内に燃料を再供給し二段燃焼運転を行う二段燃焼運転手段と、
前記空燃比制御手段により燃焼空燃比を理論空燃比または理論空燃比よりもややリーン空燃比とするとともに前記燃料噴射制御手段により圧縮行程で燃料を噴射して圧縮スライトリーン運転を実施する圧縮スライトリーン運転手段と、
排気通路内の排気流動を抑制する排気流動制御手段とを備え、
前記触媒活性判定手段により前記触媒コンバータが活性状態にないと判定されたときには、前記二段燃焼運転手段による二段燃焼運転及び前記圧縮スライトリーン運転手段による前記圧縮スライトリーン運転のいずれか一方を選択的に実施するとともに前記排気流動制御手段により排気通路内の排気流動の抑制を行い、
前記排気流動制御手段は、前記圧縮スライトリーン運転を行うとき、前記二段燃焼運転を行うときよりも前記排気流動の抑制制御量を大きくすることを特徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機関の排気浄化装置。 - 燃焼室内に直接燃料を噴射する噴射弁と、該噴射弁による燃料噴射を制御する燃料噴射制御手段と、燃焼空燃比を制御する空燃比制御手段とを備えた筒内噴射型火花点火式内燃機関の排気浄化装置において、
排気通路に設けられ、排気中の有害物質を浄化する触媒コンバータと、
前記触媒コンバータの活性状態を判定する触媒活性判定手段と、
前記空燃比制御手段により燃焼空燃比を理論空燃比または理論空燃比よりもややリーン空燃比とするとともに前記燃料噴射制御手段により圧縮行程で燃料を噴射して圧縮スライトリーン運転を実施する圧縮スライトリーン運転手段と、
前記空燃比制御手段により燃焼空燃比を理論空燃比または理論空燃比よりもややリーン空燃比とするとともに前記燃料噴射制御手段により吸気行程で燃料を噴射して吸気スライトリーン運転を実施する吸気スライトリーン運転手段と、
排気通路内の排気流動を抑制する排気流動制御手段とを備え、
前記触媒活性判定手段により前記触媒コンバータが活性状態にないと判定されたときには、前記圧縮スライトリーン運転手段による前記圧縮スライトリーン運転及び前記吸気スライトリーン運転手段による前記吸気スライトリーン運転のいずれか一方を選択的に実施するとともに前記排気流動制御手段により排気通路内の排気流動の抑制を行い、
前記排気流動制御手段は、前記吸気スライトリーン運転を行うとき、前記圧縮スライトリーン運転を行うときよりも前記排気流動の抑制制御量を大きくすることを特徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機関の排気浄化装置。
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