JP4250856B2 - 筒内噴射型内燃機関 - Google Patents

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関し、特に、筒内噴射型内燃機関における冷態始動時の触媒の暖機技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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が、この種の内燃機関でも、冷態始動時においては、排気通路に設けられた触媒の早期活性化を図り大気中に放出される未燃ＨＣ等の有害物質の量を低減させたいという要求がある。
【０００３】
例えば、吸気ポート噴射型内燃機関においては、点火時期を上死点よりも遅らせる点火リタードが触媒の暖機促進手法として一般的である。このため、このような手法を筒内噴射型内燃機関にそのまま適用することが考えられる。この場合、吸気ポート噴射型内燃機関の燃焼は一般的に均一予混合燃焼であるので、吸気行程噴射として点火時期を上死点後に設定すればよいことになる。
【０００４】
しかしながら、エンジン始動時のような低負荷状態は吸入空気量の減少により残留ガスの影響を受け易いため、吸気行程噴射による予混合燃焼では燃焼反応が緩慢になり、図１０（ｃ）に示すように点火時期を遅らせると燃焼が不安定になってしまう。このため、図１０（ａ），図１０（ｂ）に示すように燃焼変動が増大して熱発生量にばらつきが生じ、さらに失火が発生する場合もある。失火は未燃ＨＣを発生させ排ガス性能を悪化させてしまう。
【０００５】
上記要求に対し、筒内噴射型内燃機関では、燃料噴射のタイミングを自由に設定できるという特性を生かし、主噴射以外に膨張行程中に追加の燃料噴射（追加噴射）を行なうようにした技術（二段燃焼）が提案されている。この技術は、主噴射による主燃焼による反応生成物の作用により追加燃料を燃焼させ、排ガスを昇温させることよって触媒の早期活性化を図るようにしたものである。
【０００６】
ところが、追加燃料の燃焼反応は進行が緩慢な低温酸化反応であるため、追加噴射で噴射された燃料の一部は燃焼室内で燃え尽きる前に排気管に排気される。したがって、未燃ＨＣの発生を低減するためには排気管内でも燃え残った燃料の燃焼反応を持続させる必要がある。
そこで、特開平１１−２９４１５７号公報に開示された筒内噴射型内燃機関に関する技術では、排ガスを滞留させる容積部を有する排気マニホールドを備え、排気マニホールドの容積部内で燃え残った燃料を燃焼させることにより、未燃ＨＣの発生を低減するとともに排気ガスの昇温を図っている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平１１−２９４１５７号公報に開示された技術は、触媒の早期活性化を図ると共に触媒活性化前の未燃ＨＣの排出を低減することができるものの、容積部において各気筒間の排気が干渉して出力の低下を招いてしまう。このため、高出力が要求されるエンジンには不向きであった。
【０００８】
また、近接触媒を低コストで設置するために排気マニホールドに近接触媒を一体化するようにした技術も提案されているが、この場合、近接触媒の前に十分な容積空間を確保することが難しい。このため、近接触媒一体型の排気マニホールドでは、特開平１１−２９４１５７号公報に開示された技術の採用は大きく制限されてしまう。
【０００９】
さらに、二段燃焼では、追加噴射による燃料はその殆ど全てが熱に代わり、機関の出力には殆ど寄与しないため、機関の負荷が高い条件（例えば、Ｄレンジでアイドリング状態にあるときや、補機が駆動されているとき）では、図１１（ａ）に示すように、主噴射による燃料を増やし、その分だけ追加噴射による燃料を減らさざるを得ない。ところが、追加噴射による燃料を減らすと、図１１（ｂ）に示すように排気ガスの昇温が十分に行なえなくなり、触媒の活性化が進まず、図１１（ｃ）に示すように排ガス性能を悪化させてしまう。したがって、追加噴射により触媒の暖機を促進できる運転条件には制約があった。
【００１０】
以上のように、主噴射以外の追加噴射によって触媒の暖機及び活性化を行なう技術では、排気マニホールドの形状や運転条件等の影響を強く受け、排気マニホールドの形状や運転条件等に依っては必ずしも十分な効果を得ることができなかった。
本発明は、上述の課題に鑑み創案されたもので、触媒の急速暖機と早期活性化とをより効率よく行なえるようにした、筒内噴射型内燃機関を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明の筒内噴射型内燃機関では、排気通路に設けられた排気ガスを浄化する触媒の暖機が要求されるときは、機関の空燃比が理論空燃比近傍となるように圧縮行程中に燃料を一括噴射すると共に点火時期を上死点後に設定することにより上記触媒の暖機を行なう（第一の制御）。
【００１２】
上記第一の制御の後、機関の空燃比が理論空燃比又は理論空燃比より若干希薄側となるように圧縮行程中に燃料を噴射すると共に点火時期を上死点前に設定することにより上記触媒の更なる暖機を行なう（第二の制御）。なお、上記第一の制御から上記第二の制御への切換は、上記触媒の温度が所定温度（例えば触媒の最低活性温度）を超えた場合に行なうのが好ましい。
【００１３】
また、上記第一の制御の実施中あるいは上記第二の制御の実施中において、排気ガス中の酸素濃度を検出するO₂センサが活性化状態になったときには、上記O₂センサの出力に基づくフィードバック制御により機関の空燃比を制御するのが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面により、本発明の実施の形態について説明する。
図１〜図９は本発明の一実施形態としての筒内噴射型内燃機関について示すものであり、図１は本実施形態にかかる筒内噴射型内燃機関の構成の概要について示している。
【００１５】
図１に示すように、本筒内噴射型内燃機関（エンジン）１は、燃焼室２の上部側縁に高圧噴射弁（インジェクタ）７をそなえ、燃焼室２内に燃料を直接噴射可能なガソリン筒内噴射型内燃機関として構成されている。そして、燃料噴射の態様として、少なくとも、吸気行程中で燃料噴射を行ない予混合燃焼を行なう吸気行程噴射モードと、圧縮行程中で燃料噴射を行ない成層燃焼を行なう圧縮行程噴射モードとが実現可能に構成されている。また、本筒内噴射型内燃機関では、理論空燃比（ストイキオ）での運転に加えてリーン空燃比での運転も可能であり、リーン運転時の空気過剰率は任意に設定可能である。
【００１６】
燃焼室２の上部には中央に点火プラグ５が設けられるとともに、吸気通路３及び排気通路４が連通している。吸気通路３は燃焼室２に対して比較的直立して形成された吸気ポートに接続され、上流側から順に図示しないエアクリーナ，電子制御式スロットル弁（ＥＴＶ）６が設けられている。排気通路４には、各気筒の燃焼室２から排出された排ガスを一つに集合させる排気マニホールド９が排気ポートに連接され、排気マニホールド９内及びその下流側には機能の異なる複数の触媒８Ａ〜８Ｃが設けられている。
【００１７】
ここでは、排気マニホールド９と一体に近接触媒としての三元触媒８Ｃを配置し、その下流にＮＯｘ触媒８Ａと三元触媒８Ｂとを配置している。このような配置構成により、始動直後のようにＮＯｘ触媒８Ａ，三元触媒８Ｂが十分に機能するまで暖まっていない間は、エンジン１に近く暖まりやすい近接触媒８Ｃにより排気ガスの浄化を行ない、暖機後の理論空燃比下では三元触媒８Ｂにより排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘを浄化するようになっている。また、リーン運転時に発生するＮＯｘは酸素過剰雰囲気で機能するＮＯｘ触媒８Ａにより吸蔵し、吸蔵したＮＯｘは還元雰囲気でＮＯｘ触媒８Ａから放出して三元触媒８Ｂにより還元するようになっている。なお、ＮＯｘ触媒８Ａは上述のような吸蔵型ではなく酸素過剰雰囲気において選択的にＮＯｘを還元浄化する選択還元型を利用してもよい。
【００１８】
さらに、このエンジン１を制御するために、制御装置２０と、種々のセンサ類とが設けられている。制御装置２０は、図示しない入出力装置，制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ，ＢＵＲＡＭ等），中央処理装置（ＣＰＵ）及びタイマカウンタ等からなる電子制御ユニット（ＥＣＵ）として構成され、後述する各種センサからの情報に基づいてエンジン１を制御するための各種制御信号を設定している。
【００１９】
本エンジン１に設けられるセンサ類としては、まず、吸気通路３のＥＴＶ６の配設部分に、ＥＴＶ６の開度を検出するスロットルセンサ１０が設けられている。また、図示しないクランクシャフトの回転に同期して信号を出力するクランク角センサ１３が設けられている。ＥＣＵ２０は、スロットルセンサ１０で検出されたスロットル開度とクランク角センサ１３からの出力に基づき算出されるエンジン回転速度とに基づきエンジン１の負荷を推定し、エンジン回転速度と推定したエンジン負荷とに応じて予め記憶された制御マップ（図示略）に基づき燃料噴射量，噴射時期及び点火時期を制御している。
【００２０】
また、排気通路４のＮＯｘ触媒８Ａの上流側部分には、排ガス中の酸素濃度を検出するＯ₂センサ１１が設けられている。エンジン１の空燃比はこのＯ₂センサ１１の出力に基づき推定することができ、ＥＣＵ２０は、所望の空燃比になるように空気量に応じて燃料噴射量を調整するオープンループ制御の他、Ｏ₂センサ１１の出力に基づき燃料噴射量を調整するＯ₂フィードバック制御も実施可能に構成されている。さらに、その他のセンサとして、排気マニホールド９の近接触媒８Ｃが設置された部分には、近接触媒８Ｃの温度（近接触媒８Ｃのベッド温度）を検出する触媒温度センサ１２が設けられ、ＮＯｘ触媒８Ａの上流側部分には排気温度を検出する排気温センサ１４がＯ₂センサ１１と並んで設けられている。
【００２１】
次に、本発明の要部について説明すると、本筒内噴射型内燃機関は、主噴射以外の追加噴射によって触媒の暖機及び活性化を行なう二段燃焼に頼ることなく、触媒８Ａ〜８Ｃの急速暖機と早期活性化とを可能にするべく構成されたものである。
ここで、図２は本発明の要部機能に着目した機能ブロック図である。図示するように、ＥＣＵ１１内には、その機能要素として、制御開始判定部２１，第一制御部２２，第二制御部２３，制御モード切換判定部２４及びＯ₂センサ活性判定部２５が備えられており、これら機能要素２１〜２５の協働により上記目的が達成されるようになっている。
【００２２】
制御開始判定部２１は、触媒８Ａ〜８Ｃを暖機して活性化させるための制御（後述する第一制御部２２又は第二制御部２３による制御）を開始するか否かを判定する機能を有している。触媒８Ａ〜８Ｃは、その温度が少なくとも最低活性化温度に達していれば活性化状態になるが、活性化の程度が低い状態では十分に機能を発揮することができない。未燃ＨＣの発生を低減するには、触媒８Ａ〜８Ｃの活性化の程度を高めて十分に機能を発揮させる必要があり、特に、近接触媒８Ｃについては速やかに活性化させる必要がある。そこで、制御開始判定部２１は、エンジン始動後に触媒温度センサ１２により検出された触媒温度Ｔ_Cが、近接触媒８Ｃが十分に活性化したと推定できる所定温度（触媒活性化十分温度）Ｔ_C0未満の場合には、近接触媒８Ｃを活性化させるべく上記制御を開始すると判定するようになっている。なお、触媒温度センサ１２により直接近接触媒８Ｃの温度を検出するのではなく、エンジン１の冷却水の水温とエンジン始動後のタイマとに基づいて近接触媒８Ｃの温度状態を推定したり、排気温センサ１４により検出される排気温に基づいて近接触媒８Ｃの温度状態を推定するようにしてもよい。
【００２３】
第一制御部２２及び第二制御部２３は、共に燃料噴射量（空燃比），噴射時期及び点火時期を制御する機能要素である。制御開始判定部２１により触媒暖機制御の開始が判定されたときには、まず、第一制御部２２が機能し、第一制御部２２は空燃比，燃料噴射時期及び点火時期を下記のように設定してインジェクタ７及び点火プラグ５を制御するようになっている。以下、この第一制御部２２による制御モードを触媒暖機モードという。
（１）空燃比：ストイキオ近傍〔好ましくは、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、空気過剰率１．０〜１．２）〕
（２）燃料噴射時期：圧縮行程中
（３）点火時期：上死点後（すなわち、膨張行程中）
そして、後述する制御モード切換判定部２４により切換判定がなされたときには、第一制御部２２に代わり第二制御部２３が機能し、第二制御部２３は空燃比，燃料噴射時期及び点火時期を下記のように設定してインジェクタ７及び点火プラグ５を制御するようになっている。以下、この第二制御部２３による制御モードを触媒反応モードという。
（１）空燃比：ストイキオ近傍〔好ましくは、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、空気過剰率１．０〜１．２）〕
（２）燃料噴射時期：圧縮行程中（噴射終了時期は触媒暖機モードよりも前）
（３）点火時期：上死点前（すなわち、圧縮行程中）
ただし、触媒反応モードにおける噴射時期及び点火時期については、触媒暖機モードにおける設定からステップ状に切り換えるのではなく、行程毎に或いはタイマを用いて、図３（ａ），図３（ｂ）に示すようにテーリング制御により徐々に切り換えていくようになっている。
【００２４】
また、上記第一制御部２２及び第二制御部２３は、後述するＯ₂センサ活性判定部２５によりＯ₂センサ１１の活性化が判定されるまでは、オープンループ制御により空燃比を制御（すなわち、燃料噴射量を制御）するよう構成されている。そして、Ｏ₂センサ１１の活性化が判定された後は、Ｏ₂センサ１１の出力値に基づくＯ₂フィードバック制御により空燃比を制御するようになっている。
【００２５】
制御モード切換判定部２４は、上述のように第一制御部２２による制御（触媒暖機モード）から、第二制御部２３による制御（触媒反応モード）への制御モードの切換判定を行なう機能要素である。ここでは、触媒温度センサ１２により検出された触媒温度Ｔ_Cが、近接触媒８Ｃが活性化したと判断できる最低温度（触媒活性判定温度）Ｔ_C1（＜Ｔ_C0）以上になったとき、触媒暖機モードから触媒反応モードへの切換判定を行なうようになっている。また、触媒温度センサ１２により検出された触媒温度Ｔ_Cが活性化十分温度Ｔ_C0以上になったときには、第二制御部２３による制御を終了して上記制御マップに基づく通常の制御に切り換えるようになっている。なお、ここでも、触媒温度センサ１２により直接近接触媒８Ｃの温度を検出するのではなく、エンジン１の冷却水の水温とエンジン始動後のタイマとに基づいて近接触媒８Ｃの温度状態を推定したり、排気温センサ１４により検出される排気温に基づき近接触媒８Ｃの温度状態を推定したりして、切換判定を行なうようにしてもよい。
【００２６】
Ｏ₂センサ活性判定部２５は、上述のようにＯ₂センサ１１が活性化状態になっているか否か判定する機能要素である。Ｏ₂センサ１１は所定温度（活性化温度）以下ではその機能を発揮することができず、精確なＯ₂フィードバック制御を実施することはできない。そこで、本実施形態では、Ｏ₂センサ活性判定部２５によりＯ₂センサ１１が活性化状態か否かを判定し、Ｏ₂センサ１１が活性化状態にあるときのみ第一制御部２２及び第二制御部２３にＯ₂フィードバック制御を許可するようにしているのである。ここでは、Ｏ₂センサ活性判定部２５は、排気温センサ１４で検出された排気温に基づきＯ₂センサ１１の内部温度を推定し、推定したＯ₂センサ１１の内部温度が活性化温度を越えた場合に、Ｏ₂センサ１１が活性化していると判定するようになっている。
【００２７】
上記のＥＣＵ２０（制御開始判定部２１，第一制御部２２，第二制御部２３，制御モード切換判定部２４及びＯ₂センサ活性判定部２５）による制御の流れを図示したものが図４に示すフローチャート（ステップＳ１０〜Ｓ１２０）である。ここでは、エンジン１の始動直後における暖機制御の方法を示している。
まず、ステップＳ１０で触媒温度センサ１２で検出された触媒温度Ｔ_Cが所定の活性化十分温度Ｔ_C0未満か否かを判定する。触媒温度Ｔ_Cが既に活性化十分温度Ｔ_C0以上になっている場合には、ステップＳ１２０に進んで通常の制御を行なう。すなわち、予め記憶されたマップに基づきエンジン１の運転を行なうようにする。
【００２８】
ステップＳ１０で触媒温度Ｔ_Cが活性化十分温度Ｔ_C0未満と判定した場合には、ステップＳ２０に進み、触媒暖機モードを実行する。すなわち、空燃比をストイキオ近傍〔好ましくは、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、空気過剰率１．０〜１．２）〕に設定し、燃料噴射時期を圧縮行程中に設定し、点火時期を上死点後に設定する。そして、ステップＳ３０で排気温センサ１４により検出される排気温度に基づきＯ₂センサ１１が活性化しているか否かを判定し、Ｏ₂センサ１１が活性化してない場合には、ステップＳ４０に進んでオープンループ制御により空燃比制御を行なうとともに点火時期を制御する。一方、Ｏ₂センサ１１が活性化している場合には、ステップＳ５０に進んでＯ₂フィードバック制御により空燃比制御を行なうとともに点火時期を制御する。
【００２９】
ステップＳ６０では触媒温度Ｔ_Cが所定の触媒活性判定温度Ｔ_C1に達したか否かを判定し、触媒温度Ｔ_Cが触媒活性判定温度Ｔ_C1に達するまでステップＳ２０〜Ｓ６０の制御、すなわち、触媒暖機モードによる制御を繰り返し行なう。そして、触媒温度Ｔ_Cが触媒活性判定温度Ｔ_C1に達したら、ステップＳ７０に進み、制御モードを触媒暖機モードから触媒反応モードに切り換える。
【００３０】
ステップＳ７０では触媒反応モードを実行し、テーリング制御によって噴射終了時期を触媒暖機モードよりも早めるとともに点火時期を上死点前に変更する。ここでも、ステップＳ８０で排気温度に基づきＯ₂センサ１１が活性化しているか否かを判定し、Ｏ₂センサ１１が活性化してない場合には、ステップＳ９０に進んでオープンループ制御により空燃比制御を行なうとともに点火時期を制御し、Ｏ₂センサ１１が活性化している場合には、ステップＳ１００に進んでＯ₂フィードバック制御により空燃比制御を行なうとともに点火時期を制御する。
【００３１】
ステップＳ１１０では触媒温度Ｔ_Cが活性化十分温度Ｔ_C0に達したか否かを判定し、触媒温度Ｔ_Cが活性化十分温度Ｔ_C0に達するまでステップＳ７０〜Ｓ１１０の制御、すなわち、触媒反応モードによる制御を繰り返し行なう。そして、触媒温度Ｔ_Cが活性化十分温度Ｔ_C0に達したら、ステップＳ１２０に進み、触媒反応モードによる制御を解除して予め記憶された制御マップに基づきエンジン１の制御を行なうようにする。
【００３２】
次に、上述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図５〜図９を参照しながら説明する。
まず、触媒暖機モードを実行することによる作用について説明する。
近接触媒８Ｃを活性化させる方法としては、近接触媒８ＣにＣＯとＯ₂とを多量に含む排ガスを供給し、ＣＯとＯ₂との触媒反応による反応熱によって近接触媒８Ｃを昇温させることが考えられる。しかしながら、このＣＯとＯ₂との触媒反応を起こすためには、少なくとも近接触媒８Ｃが最低活性温度に達していなければならなず、近接触媒８Ｃが最低活性温度未満の場合には速やかに昇温させる必要がある。
【００３３】
触媒暖機モードでは圧縮行程で燃料噴射を行なうが、このとき、インジェクタ７から直接噴射された燃料により、燃焼室２内には局所的に燃料濃度の濃いリッチな空燃比状態とリーンな空燃比状態とが層状に分布する。このため、点火プラグ５により点火された燃焼室２内の混合気は、図５（ｃ），（ｄ）に示すように吸気行程噴射による予混合燃焼に比較して極めて速い速度で燃焼することになる（成層燃焼）。
【００３４】
このように圧縮行程噴射は吸気行程噴射に比較して燃焼速度が速いため、燃焼状態は吸気行程噴射よりも安定する。このため、図５（ｅ）及び図６（ａ），（ｂ）に示すように、点火時期を上死点後までリタードさせた場合でも燃焼状態は安定しており、エンジン１が失火することもない。その結果、図５（ｂ）に示すように未燃ＨＣの排出濃度は吸気行程噴射に比較して低い値に抑えられる。そして、点火時期を上死点後までリタードさせることによって、燃焼状態は図６（ａ），（ｂ）に示すように排気弁開時期まで熱発生が継続する極端な後燃え燃焼となるので、図５（ａ）に示すように排気温度も吸気行程噴射と同様に上昇する（７００℃程度）。
【００３５】
したがって、触媒暖機モードを実行することにより、未燃ＨＣを発生させることなく、高温の排気ガスを近接触媒８Ｃに供給して近接触媒８Ｃを最低活性温度まで速やかに昇温させることが可能になるのである〔図９（ａ），図９（ｃ）参照〕。
なお、圧縮行程噴射を実行すると上述のように局所的に燃料濃度の濃い混合気が形成されるため、空燃比が理論空燃比近傍の場合にはスモークやＣＯの排出濃度が高くなる傾向がある。しかしながら、触媒暖機モードでは、点火時期を上死点後にリタードさせることによって燃料噴射から点火までのインターバルを十分にとっているので、噴射燃料と空気との混合が促進されることになり、図７及び図９（ｂ）に示すようにスモークやＣＯの排出濃度は低い値に抑制される。
【００３６】
また、Ｏ₂センサ１１が活性化するまでの間はオープンループ制御により触媒暖機モードが実行されるが、圧縮行程噴射による成層燃焼は予混合燃焼に比較して空燃比の変化に対して鈍感であるので、例え空燃比がリーン側に大きくずれたとしても、図８に示すように、予混合燃焼のように燃焼状態が悪化することはない。
【００３７】
さらに、エンジン始動直後のアイドリング時のように低負荷時には、図６（ａ）に示すようにエンジン１の起振力を代表する最大燃焼圧力は圧縮圧力よりも小さく、また、筒内圧の変動も小さいので、エンジン１の振動は低い値に抑えられることになる。
【００３８】
次に、触媒反応モードを実行することによる作用について説明する。
上述のように触媒暖機モードを実行することによって、近接触媒８Ｃを最低活性温度まで速やかに昇温させることが可能になる。しかしながら、触媒暖機モードでは排気温度を高温にすることができる分、エンジン１の出力に寄与することなく熱に代わる燃料が多いため、燃費は必ずしも良くはない。そこで、触媒反応モードでは、図９（ｅ）に示すように点火時期を上死点後から上死点前までテーリング制御により進角することによって、図７及び図９（ｄ）に示すように燃費の向上を図っているのである。
【００３９】
燃費が向上する分、図７及び図９（ａ）に示すように排気温度は低下することになる。そして、排気温度の低下とともに、図７及び図９（ｃ）に示すように未燃ＨＣの排出濃度も増加する。また、成層燃焼の特性上、燃料の噴射時期に点火時期が近づくと噴射燃料と空気との混合が進まなくなり、図７及び図９（ｂ）に示すようにＣＯの排出濃度も増加する。
【００４０】
しかしながら、近接触媒８Ｃは触媒反応モードの実行により既に最低活性温度（触媒活性判定温度）まで達しているので、近接触媒８Ｃ上では増加したＣＯとＯ₂との触媒反応が起き、その反応熱によって図９（ａ）に示すように触媒温度はさらに上昇していく。そして、この触媒温度の上昇により近接触媒８Ｃの活性化はさらに促進されるので、上述のようにエンジン１からのＣＯ，ＨＣの排出濃度が増加した場合でも、近接触媒８Ｃから下流側に排出されるＣＯ，ＨＣの排出濃度は図９（ｂ），図９（ｃ）中に示すように極めて低い値まで低減されることになる。
【００４１】
以上のように、本筒内噴射型内燃機関によれば、空燃比を理論空燃比近傍に設定して圧縮行程中に燃料噴射を行なうとともに点火時期を上死点後に設定することによって、安定した後燃え燃焼を実現して排気温度を高くすることができので、未燃ＨＣの排出を抑制しながら近接触媒８Ｃを効率よく暖機することができるという利点がある。
また、近接触媒８Ｃの触媒温度が触媒活性判定温度まで達したら点火時期を上死点前に変更することによって、排気ガス中にＣＯとＯ₂とを共存させて近接触媒８Ｃ上で反応させることができので、その反応熱によって近接触媒８Ｃをさらに暖機し、燃費の悪化を抑制しながら近接触媒８Ｃの活性化を促進することができるという利点がある。
【００４２】
さらに、本筒内噴射型内燃機関によれば、上記効果を排気マニホールド９の形状や運転条件に依存することなく得ることができるという利点もある。また、２次エアシステム等の付加的なデバイスを何ら用いないので、コストの増大を招くことがないという利点もある。
【００４３】
以上、本発明の筒内噴射型内燃機関の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態のものに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、本実施形態ではエンジン１の近傍に近接触媒（三元触媒）８Ｃを設けた場合について説明したが、本発明は近接触媒８Ｃが設けられていない場合にも適用することは勿論可能である。その場合は、下流に備えられるＮＯｘ触媒８Ａ及び三元触媒８Ｂを対象にして、ＮＯｘ触媒８Ａ及び三元触媒８Ｂを暖機して早期活性化させるように制御すればよい。また、本発明は触媒の暖機と早期活性化とを図るものであって、触媒の種類や個数には何ら限定されるものではない。
【００４４】
また、本実施形態では、触媒暖機モードから触媒反応モードへの切換タイミングを触媒温度センサ１２により検出された触媒温度Ｔ_Cが触媒活性判定温度Ｔ_C1に達したか否かで判定しているが、より簡単にタイマのカウントに基づき判定するようにしてもよい。すなわち、エンジン１の始動開始とともに触媒暖機モード許可タイマのカウントを開始（タイマオン）するとともに触媒暖機モードによる制御を実行する。そして、タイマが所定タイマ時間ｔ１を計時したら触媒暖機モードを終了する（タイマオフ）。また、触媒暖機モードの終了とともに触媒反応モード許可タイマのカウントを開始し（タイマオン）、触媒反応モードによる制御を実行する。そして、タイマが所定タイマ時間ｔ２を計時したら触媒暖機モードを終了し（タイマオフ）、通常の制御を行なうようにする。なお、所定タイマ時間ｔ１，ｔ２は予め実験等により最適値を求めておくようにする。また、冷却水温等をパラメータとして予めマップに記憶しておき、エンジン始動開始時の冷却水温等に応じて所定タイマ時間ｔ１，ｔ２を設定するようにしてもよい。
【００４５】
さらに、本実施形態では、エンジン始動後の触媒の暖機に本発明を適用した場合について説明したが、本発明の適用はこのような状況に限定されるものではない。例えば、一旦活性化状態になった後でも、長期間アイドル状態で放置していれば排ガス温度が低くなるため、触媒が失活する（活性化状態でなくなる）場合がある。このように触媒が失活して再び暖機が要求される状況でも本発明を適用することは可能である。
【００４６】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の筒内噴射型内燃機関によれば、機関の空燃比が理論空燃比近傍となるように圧縮行程中に燃料を噴射すると共に点火時期を上死点後に設定することによって、安定した後燃え燃焼を実現して排気温度を高くすることができので、未燃ＨＣの排出を抑制しながら触媒を効率よく暖機することができるという利点がある。
【００４７】
また、第一の制御手段による暖機後、機関の空燃比が理論空燃比又は若干希薄側となるように圧縮行程中に燃料を噴射すると共に点火時期を上死点前に設定することによって、排気ガス中にＣＯとＯ₂とを共存させて触媒上で反応させることができので、その反応熱によって触媒をさらに暖機し、燃費の悪化を抑制しながら触媒の活性化を促進することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態としての筒内噴射型内燃機関の構成を示す摸式図である。
【図２】本発明の一実施形態としての筒内噴射型内燃機関の要部機能に着目した機能ブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態としての筒内噴射型内燃機関にかかる制御特性を示すタイムチャートである。
【図４】本発明の一実施形態としての筒内噴射型内燃機関の動作を説明するためのフローチャートであり、（ａ）は噴射時期の設定を示す図、（ｂ）は点火時期の設定を示す図、（ｃ）は機関速度の時間変化を示す図である。
【図５】理論空燃比下で点火時期を変えて圧縮行程噴射を行なった場合（一点鎖線）と吸気行程噴射を行なった場合（実線）とにおける排気温度（ａ），ＨＣ排出重量（ｂ），主燃焼期間（ｃ），着火遅れ期間（ｄ），燃焼変動率（ｅ）をそれぞれ比較して示した図である。
【図６】アイドリング時に理論空燃比下での圧縮行程噴射において点火時期を上死点後に設定した場合の筒内圧（ａ），熱発生量（ｂ）の時間変化を点火信号（ｃ）の時間変化とともに示すタイムチャートである。
【図７】機関速度，負荷が一定の条件で空燃比をスライトリーン空燃比にした場合の、点火時期と噴射終了時期とに対する排気温度（太実線），ＨＣ排出濃度（破線），ＣＯ及びスモーク排出濃度（一点鎖線），燃費（細実線）の関係をあわせて示した図である。なお、二点鎖線は、安定した燃焼が実現できる領域を示している。
【図８】機関速度及び負荷が一定であり、点火時期を上死点後に設定した条件において、空燃比を変えて圧縮行程噴射を行なった場合（一点鎖線）と吸気行程噴射を行なった場合（実線）とにおける主燃焼期間（ａ），着火遅れ期間（ｂ），燃焼変動率（ｃ））をそれぞれ比較して示した図である。
【図９】本発明の一実施形態としての筒内噴射型内燃機関による作用を示すタイムチャートであり、（ａ）は触媒温度（一点鎖線）と排気温度（実線）の時間変化を示す図、（ｂ）は触媒上流側（実線）のＣＯ濃度と触媒下流側（一点鎖線）のＣＯ濃度の時間変化を示す図、（ｃ）は触媒上流側（実線）のＨＣ濃度と触媒下流側（一点鎖線）のＨＣ濃度の時間変化を示す図、（ｄ）は燃料消費の時間変化を示す図、（ｅ）は点火時期の設定を示す図、（ｆ）は空燃比の設定を示す図、（ｇ）は機関速度の時間変化を示す図である。
【図１０】従来の課題を説明するための図であり、アイドリング時に理論空燃比下での吸気行程程噴射において点火時期を上死点後に設定した場合の筒内圧（ａ），熱発生量（ｂ）の時間変化を点火信号（ｃ）の時間変化とともに示すタイムチャートである。
【図１１】従来の課題を説明するための図であり、機関速度及び負荷が一定であり、空気過剰率を一定に設定した条件において、正味平均有効圧（負荷）を変えて二段燃焼を行なった場合の圧縮行程噴射（実線）における燃料噴射量と膨張行程噴射（一点鎖線）における燃料噴射量（ａ），排気温度（ｂ），触媒上流側でのＨＣ濃度（ｃ）の変化を示す図である。
【符号の説明】
１ エンジン（筒内噴射型内燃機関）
８Ａ ＮＯｘ触媒
８Ｂ 三元触媒
８Ｃ 近接触媒（三元触媒）
１１ Ｏ₂センサ
１２ 触媒温度センサ
１３ 排気温センサ
２０ ＥＣＵ
２２ 第一制御部（第一の制御手段）
２３ 第二制御部（第二の制御手段）

Claims (1)

1. 排気通路に設けられ、排気ガスを浄化する触媒と、
   上記触媒の暖機が要求されるときは、機関の空燃比が理論空燃比近傍となるように圧縮行程中に燃料を一括噴射すると共に点火時期を上死点後に設定する第一の制御手段と、
   上記第一の制御手段による暖機後で上記触媒の温度が活性化十分温度に達するまで、機関の空燃比が理論空燃比又は理論空燃比より若干希薄側となるように圧縮行程中に燃料を噴射すると共に点火時期を上死点前に設定して前記第一の制御手段よりもＣＯ排出濃度を増加させ増加したＣＯとＯ_２とを前記触媒で反応させる第二の制御手段とを
   備えた
   ことを特徴とする、筒内噴射型内燃機関。

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