JP4253825B2 - 火花点火式直噴エンジンの制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、火花点火式直噴エンジンの制御装置に関し、より詳細には、、低負荷・低回転領域では成層燃焼によるリーンバーンが行われる火花点火式直噴エンジンの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
低負荷・低回転などの所定条件下では、理論空燃比より大きな空燃比で燃料を燃焼させる所謂希薄燃焼を行う火花点火式直噴エンジンが提案されている。このような火花点火式直噴エンジンとして、希薄燃焼時に発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減するために、空燃比が理論空燃比より大きい所謂リーン状態のときには排ガス中のＮＯｘを吸着して排気中のＮＯｘを低減する一方、空燃比が理論空燃比以下の所謂リッチ状態のときには吸着したＮＯｘを還元するＮＯｘ触媒が排気管に設けられたものがある。このＮＯｘ触媒はリーン状態ではＮＯｘを吸着する一方、リッチ状態では三元触媒と同様の機能を果たす。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したようなＮＯｘ触媒は、有効に機能する温度範囲が狭いため、エンジンの冷間始動直後の十分加熱されていない時、または、アイドリング時および低負荷時などに行われる希薄燃焼により排気温度が低い時などには、この温度範囲に達せず、エミッションが悪化するという問題がある。また、高速定常走行時などの比較的多用される運転領域でも排気温度が高くなるので、ＮＯｘ触媒が高温になり有効に機能しなくなるという問題がある。
【０００４】
本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、ＮＯｘ触媒を、多くの運転領域において、活性温度範囲内に維持してエミッションを低減することができる火花点火式直噴エンジンを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、
空気過剰率λが１より大きいリーン領域で排気ガス中のＮＯｘを低減するＮＯｘ触媒がエンジンの排気通路に配置され、低負荷・低回転域をリーン状態の成層燃焼領域とし、中・高回転領域を空燃比１５以下の均一燃焼領域とする火花点火式直噴エンジンの制御装置において、
前記エンジンの排気ポート開口部及び該排気ポート開口部に連結される排気通路を前記エンジンの本体の車両後方側に配置し、前記ＮＯｘ触媒を前記エンジンの本体の車両後方側に設けた配置とし、
前記成層燃焼領域のλを１．３以上とし、
前記空燃比１５以下の均一燃焼領域である中・高回転領域のうち、前記成層燃焼領域に隣接する低負荷領域の燃料噴射形態を、吸気行程の前期から中期にかけての期間内のみ、燃料が分割して噴射される吸気分割噴射とした、
ことを特徴とする火花点火式直噴エンジンの制御装置が提供される。
【０００６】
このような構成によれば、ＮＯｘ触媒までの排気経路が、断熱配置および／または断熱構造とされているので、この排気経路での放熱量が少なくなる。このため、エンジン冷間始動直後には、ＮＯｘ触媒が活性温度まで速やかに昇温するとともに、排気ガス温度が比較的低い、λが１．３以上の成層燃焼領域（特に、アイドル域またはアイドル域近傍の低回転・低負荷領域）においても、ＮＯｘ触媒に流れ込む排気ガスの温度が低下しにくく、ＮＯｘ触媒の温度がＮＯｘ浄化（ＮＯｘ吸着を含む）が効率良く行われる温度範囲内になる程度に維持される。
【０００７】
さらに、エンジン中・高回転領域では、空燃比１５以下の均一燃焼領域であり、部分負荷領域にあるとき燃料噴射形態が、吸気行程の前期から中期にかけて分割して噴射が開始される吸気分割噴射とされている。具体的には、例えば、燃料は、吸気行程の前期から中期にかけて、燃料噴射装置から、早期噴射と後期噴射に二分割されて噴射される。この場合、早期噴射された燃料は、その後、後期噴射が開始されるまでの間、ピストンの下降移動による燃焼室の容積増大に伴って均一に拡散する。また、後期噴射された残りの燃料も、増大した燃焼室に拡散して均一になる。このことによって、燃焼室に均一な混合気が生成され、圧縮行程後の燃焼行程で、燃焼速度が速まることで、燃焼効率が高くなり、排気ガス温度が下がる。
【０００８】
また、分割噴射の各噴射の噴射タイミングが、吸気行程の中央時期より早い時期に設定されているので、▲１▼早期噴射がピストンの下降速度が大きく、それに伴う吸気流動速度も大きいときに行われ、▲２▼早期及び後期噴射がいずれも吸気行程の前半に行われる結果、後期噴射された燃料がピストンの下死点近く（吸気行程の終わり）でシリンダ壁に付着して燃料の均一化が阻害されることが回避され、且つ、▲３▼点火までの時間つまり燃料の気化霧化までの時間を長く確保できる。これらの▲１▼ないし▲３▼の相乗的な作用で、燃焼室での燃料の気化霧化を大きく促進して均一度を大幅に高めることができ、エンジンの燃焼効率を更に高くして、排気ガス温度が更に下がる。
【０００９】
したがって、燃料が吸気分割噴射される、空燃比１５以下の均一燃焼の部分負荷領域では、このような吸気分割噴射によって、排気ガス温が低くなる。これにより、排気通路の断熱配置または断熱構造に起因する、中・高回転・部分負荷領域での高温の排気ガスによる、ＮＯｘ触媒の過熱が抑制され、この使用頻度の高い、中・高回転・部分負荷領域で、ＮＯｘ触媒の温度をリーン領域でＮＯｘ浄化（ＮＯｘ吸着を含む）が効率良く行われる温度範囲内に維持できる。このため、ＮＯｘ触媒を、広い運転域で、ＮＯｘ浄化率の高い状態に維持することができ、エミッションが良好になる。
このような構成によれば、ＮＯｘ触媒までの排気経路（排気管）の少なくとも一部分が、走行風の影響の少ないエンジン後方の空間に配置され、且つ、ＮＯｘ触媒までの排気経路が短くなるので、排気通路（排気管）がエンジンからエンジン前方向に延びる構成に比して、エンジンからＮＯｘ触媒まで排気経路における放熱量が減少するので、エンジンとＮＯｘ触媒の間に位置する排気管からの放熱量が少なくなる。この結果、冷間始動直後には、ＮＯｘ触媒が活性温度まで速やかに昇温する。
さらに、このような構成によれば、リーン状態の成層燃焼領域に隣接して、エンジンからのＮＯｘ排出量が多く且つ排気ガス温度が比較的に高い中間空燃比（１６ないし１９）の均一燃焼領域ではなく、空燃比１５以下の吸気分割噴射による均一燃焼領域が存在することになる。したがって、リーン状態の成層燃焼領域に隣接した領域でもって、ＮＯｘ排出量の増大を抑制するとともに、排気ガス温度の上昇を抑制でき、広い運転域で、ＮＯｘ触媒が過熱することを抑制できる。
【００１１】
発明の好ましい形態では、エンジンは、気筒列が車軸方向に並ぶように搭載され、前記気筒列の方向に延びる一対のエンジン側壁のうち、車両後方側のエンジン側壁に排気ポート開口部が配置されている。
このような構成によれば、所謂横置きにされたエンジンが、エンジンからＮＯｘ触媒までの排気管にあたる走行風を遮るので、ＮＯｘ触媒に入る排気ガスの温度が、この排気管部分で低下しにくい。
本発明の好ましい形態では、前記エンジンからＮＯｘ触媒に至る排気通路に、断熱空間を備えた二重排気管を配置した。
このような構成によれば、エンジンからＮＯｘ触媒までの排気経路で、二重排気管により、排気ガスの温度が下がりにくくなる。
【００１３】
本発明の好ましい形態では、吸気分割噴射を行う領域で排気還流（ＥＧＲ）を行うように構成されている。
このような構成によれば、吸気分割噴射により燃焼安定性が高められるので、排気ガスの還流量を大幅に増加させることが可能となる。この結果、燃焼時に、気筒内に燃焼に寄与しない多量の不活性ガス（還流された排気ガス）が存在することになり、この多量の不活性ガスが燃焼時に生成された熱を奪うため、燃焼によって生成された排気ガスの温度は大きく低下する。このように、上述した構成によれば、燃料の吸気分割噴射により、多量のＥＧＲが可能となり、その結果、排気ガス温度をより低く押さえＮＯｘ触媒の過熱することが抑制されるとともに、ＮＯｘの生成量を一層低減でき更にエンジンのポンピングロスの低減により燃費改善が図られる。
【００１５】
本発明の好ましい形態では、前記吸気分割噴射を行う領域のエンジン回転数の上限値Ｎ３をエンジンの定格回転数の２／４〜３／４の範囲とし、成層燃焼領域のエンジン回転数の上限値Ｎ２から前記Ｎ３までのエンジン回転領域では、車両が高速ギア段で平坦路を定速走行するときの駆動負荷を示すロード・ロードラインを含む低負荷領域から、全負荷を除く高負荷領域までの負荷範囲で、燃料噴射形態を前記吸気分割噴射とし、空気過剰率λを略１とし、かつ、前記ロード・ロードラインを含む低負荷領域におけるＥＧＲ率を１０パーセント以上とするように構成されている。
【００１６】
本明細書において、ＥＧＲ率とは、｛（吸気中のＣＯ２濃度）−（大気中のＣＯ２濃度）｝／｛（排気中のＣＯ２濃度）−（吸気中のＣＯ２濃度）｝で定義される値であり、ＥＧＲ量（還流される排気ガス量）／新気量を意味する。したがって、ＥＧＲ率１００パーセントとは、新気と排気ガスとが、同量であることを意味し、１０パーセントとは、ＥＧＲ量が新気量の１０パーセントであることを意味する。
このような構成によれば、運転頻度が高く且つ触媒の温度が高くなり易いエンジン運転領域（高速ギア段で一定速度の高速走行をするエンジン運転領域）で、吸気分割噴射としているので、高い割合のＥＧＲが可能となる。そして、吸気分割噴射と高い割合のＥＧＲの相乗効果で、排気ガス温度が下がり（排気ガス温度の上昇が抑制され）、ＮＯｘ触媒をＮＯｘ浄化率が高い温度範囲に維持することが可能となる。さらに、吸気分割噴射を行う領域のエンジン回転数の上限値Ｎ３をエンジンの定格回転数の２／４〜３／４の範囲としているので、分割噴射の噴射間隔の設定の自由度が大きくなる。
【００１７】
本発明の好ましい実施の形態によれば、成層燃焼領域より高負荷側の領域では、成層燃焼領域のエンジン回転数の上限値Ｎ２より低い回転数Ｎ１以上のエンジン回転数では燃料噴射形態を前記吸気分割噴射とし、前記Ｎ１未満のエンジン回転数では燃料噴射形態を吸気行程に燃料が一括噴射される吸気一括噴射とするように構成されている。この吸気一括噴射は、必ずしも、吸気行程の前期から中期にかけておこなわれるものでなくもよい。
このような構成によれば、高温の吸気が充填されることにより、混合気温度が上昇しノッキングが発生し易くなる運転状態、すなわち、走行風による吸気冷却がない車両停止時または微低速時から急加速した場合でも、このような運転状態で飛び込むＮ１より低回転側の高負荷領域では、吸気一括噴射であるので、気筒内に燃料が集中して噴射されるので、この燃料の気化潜熱で、ノッキングが抑制される。
本発明の好ましい形態では、均一燃焼領域では、前記成層燃焼領域に隣接する領域において排気還流（ＥＧＲ）を行い、前記Ｎ１以上の吸気分割噴射時のＥＧＲ率が、前記Ｎ１未満の吸気一括噴射時のＥＧＲ率より大きく設定されている。このような構成によれば、エンジン回転数が高くなることにより排気ガス温度が上昇するエンジン回転数がＮ１より高い領域では、吸気分割噴射であるため、ＥＧＲ率が、吸気一括噴射時より高く設定でき、排気ガス温度が下げられ、ＮＯｘ触媒の温度上昇が抑制される。
【００１９】
本発明の好ましい形態によれば、前記成層燃焼領域では、前記ＮＯｘ触媒の温度が、該ＮＯｘ触媒のＮＯｘ低減率が低下し始める所定温度以上の高温状態に達したとき、吸気行程に燃料を分割して噴射しかつ排気還流（ＥＧＲ）を行う空燃比１５以下の均一燃焼を行うように構成されている。
このような構成によれば、ＮＯｘ触媒の温度状態が高温になったときには、λ１．３以上の成層燃焼状態にあっても、吸気分割噴射かつ排気還流（ＥＧＲ）を行う空燃比１５以下の均一燃焼とされるので、ＮＯｘ触媒の三元機能による排気ガス浄化が行われ、高温による、リーン領域（λが１より大きい領域）でのＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸着の低下が補われる。
すなわち、ＮＯｘ触媒の三元機能が高い温度範囲は、ＮＯｘ触媒のリーン領域のでのＮＯｘ吸着機能が高い温度範囲より広く（高温側に広く）、ＮＯｘ触媒の温度状態が高温になったときには、ＮＯｘ触媒が三元機能を果たすようにして、リーン領域でのＮＯｘ吸着機能の低下によるＮＯｘ排出量の増大を防止する。
【００２０】
本発明の好ましい形態によれば、前記ＮＯｘ触媒の温度が、該ＮＯｘ触媒のＮＯｘ低減率が低下し始める所定温度以上の高温状態にあるときには、空燃比１５以下の均一燃焼領域から、λが１．３以上の予め設定された成層燃焼領域に移行したときにおいても、前記吸気分割噴射とされかつ排気還流（ＥＧＲ）が行われる空燃比１５以下の均一燃焼を行うように構成されている。
このような構成によれば、ＮＯｘ触媒の温度状態が高温であるときには、均一燃焼領域から、本来のλ１．３以上の成層燃焼領域に移行したときであっても、吸気分割噴射および排気還流（ＥＧＲ）を行う空燃比１５以下の均一燃焼とされるので、ＮＯｘ触媒の三元機能による排気ガス浄化が行われＮＯｘが低減できる。詳しくは、ＣＯ、ＨＣとともにＮＯｘが低減される。さらに、吸気分割噴射により、多量のＥＧＲが可能となるため、ＮＯｘ低減を図りながら、エンジンのポンピングロスが低減でき、空燃比１５以下に変更したにもかかわらず、燃費の悪化を少なくでき、ＮＯｘ低減と燃費抑制の両立が可能となる。
本発明の好ましい形態によれば、前記成層燃焼領域のうちの高回転側領域において、前記ＮＯｘ触媒が前記所定温度以上の高温状態に達したときには、前記吸気分割噴射とされ且つ排気還流（ＥＧＲ）が行われ、空燃比１５以下で均一燃焼が行われるように構成されている。
このような構成によれば、ＮＯｘ触媒の過熱によりＮＯｘ低減率が悪化したとき、エンジンからのＮＯｘ排出量が比較的多い成層燃焼領域のうちの高回転側の領域（リーン領域のうちの相対的にリッチの空燃比領域であって、エンジンからのＮＯｘ排出量が相対的に多くなる領域）が、吸気分割およびＥＧＲが行われる空燃比１５以下の均一燃焼とされるので、ＮＯｘ触媒の三元機能により、この領域でのＮＯｘを低減できる。また、均一燃焼に変更したことによる、燃費の悪化は、吸気分割による高い割合のＥＧＲによって抑制される。このように、ＮＯｘ低減と燃費の悪化の抑制が両立される。
【００２１】
本発明の好ましい形態によれば、前記ＮＯｘ触媒が、該ＮＯｘ触媒のＮＯｘ低減率が低下し始める所定温度以上の高温状態に達したときには、λが１．３以上の成層燃焼領域のうちの低回転側領域では、吸気行程に燃料が一括噴射されかつ排気還流（ＥＧＲ）が行われる空燃比１５以下の均一燃焼を行い、λが１．３以上の成層燃焼領域のうちの高回転側領域では、吸気行程に燃料を分割して噴射しかつ排気還流（ＥＧＲ）を行う空燃比１５以下の均一燃焼を行う。
このような構成によれば、成層燃焼領域の中の低回転側領域においても、ＮＯｘ触媒の三元機能による排気ガス浄化と、燃費抑制の両立が図られる。
本発明の好ましい形態によれば、加速時に、エンジンの負荷及び回転数によって定められるエンジン運転状態が、前記成層燃焼領域のうちの高回転側領域にあるときには、吸気分割噴射および排気ガス還流（ＥＧＲ）を行う空燃比１５以下の均一燃焼を行うように構成されている。
このような構成によれば、エンジンからのＮＯｘ排出が比較的多くなる加速時に、ＮＯｘ触媒の三元機能によりＮＯｘを十分に低減しつつ、加速性が確保される。
本発明の好ましい形態によれば、前記成層燃焼領域のうちの高回転側領域で行われる前記吸気分割噴射による空燃比１５以下の均一燃焼におけるＥＧＲ率は、３０パーセント以上であるように構成されている。
このような構成によれば、燃料を吸気行程で分割して噴射することにより、高い率のＥＧＲが可能となるため、この高い率のＥＧＲにより排気ガス温度が低下し、ＮＯｘ触媒の温度を、ＮＯｘを効率良く浄化できる温度範囲に下げることが可能となる。
【００２２】
本発明の好ましい形態によれば、エンジン冷機時には、前記低負荷・低回転時でも、空燃比１５以下の均一燃焼とし、さらに、前記ＮＯｘ触媒の上流側に三元触媒が配置されている構成とされている。
このような構成によれば、エンジンの冷機時には、低負荷・低回転でも、空燃比１５以下の均一燃焼としているので、排気ガス温度が高くなり、触媒の温度が速やかに上昇する。また、ＮＯｘ触媒の上流側に三元触媒が配置されているので、この三元触媒の温度が上昇しやすくなる。
本発明の好ましい形態では、運転状態にかかわらず、前記三元触媒の温度状態が高温状態のときには、吸気分割噴射および排気還流（ＥＧＲ）を行う空燃比１５以下の均一燃焼を行うように構成されている。
このような構成によれば、三元触媒が耐熱温度限界に達しにくくなるので、三元触媒をよりエンジンに近く配置できる。このため、冷機時の三元触媒の昇温が速やかに行われ、冷間のエミッションが改善される。
本発明の好ましい形態では、燃料が吸気分割噴射される均一燃焼領域と、前記成層燃焼領域との双方で排気ガス還流（ＥＧＲ）を行うように構成されている。
このような構成によれば、幅広い運転域で、エンジンからのＮＯｘ排出量低減と、燃費の向上が図られる。
【００２３】
本願の他の発明によれば、
空気過剰率λが１より大きいリーン領域で排気ガス中のＮＯｘを低減するＮＯｘ触媒が排気マニホールドから離間した排気通路に配置され、低負荷・低回転域をリーン状態の成層燃焼領域とし、中・高回転領域を空燃比１５以下の均一燃焼領域とする火花点火式直噴エンジンの制御装置において、
前記エンジンは、気筒列が車軸方向に並ぶように搭載され、前記気筒列の方向に延びる一対のエンジン側壁のうち、車両前方側のエンジン側壁に排気ポート開口部が設けられ、前記排気マニホールドに連結される排気管がエンジン下方を通してエンジンの車両後方側に延びるとともに、前記ＮＯｘ触媒が、前記排気管の前記エンジンの下方より下流側部分に配置され、前記排気マニホールドから前記エンジン下方にかけての間であり且つ前記ＮＯｘ触媒の上流側に位置する排気管が、断熱空間を備えた二重排気管とされ、
前記成層燃焼領域のλを１．３以上とし、
前記空燃比１５以下の均一燃焼領域である中・高回転領域のうち、前記成層燃焼領域に隣接する低負荷領域の燃料噴射形態を、吸気行程の前期から中期にかけての期間内のみ、燃料が分割して噴射される吸気分割噴射とした、
ことを特徴とする火花点火式直噴エンジンの制御装置が提供される。
【００２４】
このような構成によれば、二重排気管により、排気ガスからの放熱が抑制され、エンジン始動直後の、車両停止時または定速走行時における、触媒の昇温が速やかに行われる。また、排気ガス温度が比較的低いλが１．３以上の成層燃焼領域においても、ＮＯｘ触媒に流れ込む排気ガスの温度が、ＮＯｘ触媒の温度がＮＯｘ浄化（ＮＯｘ吸着を含む）が効率良く行われる温度範囲内になる程度に維持される。さらに、エンジン中・高回転領域では、空燃比１５以下の均一燃焼領域であり、部分負荷領域にあるとき燃料噴射形態が、吸気行程の前期から中期にかけて噴射がそれぞれ開始される吸気分割噴射とされているので、この領域では、このような吸気分割噴射と、走行風によって、排気ガス温が低くなり、中・高回転・部分負荷領域で、ＮＯｘ触媒の温度をリーン領域でＮＯｘ浄化（ＮＯｘ吸着を含む）が効率良く行われる温度範囲内に維持できる。このため、ＮＯｘ触媒を、広い運転域で、ＮＯｘ浄化率の高い状態に維持することができ、エミッションが良好になる。
【００２５】
この発明の好ましい形態によれば、エンジン冷機時には、前記低負荷・低回転時でも、空燃比１５以下の均一燃焼とし、さらに、前記ＮＯｘ触媒の上流側に三元触媒が配置されている構成とされている。
このような構成によれば、三元触媒は、エンジンの前方側に配置されることになり、走行風によって、冷却されるので、過熱が抑制されるとともに、排気マニホールドへの直付けが可能となり、冷間始動直後の速やかな昇温が可能となり、冷間エミッションが改善される。
この発明の好ましい形態によれば、運転状態にかかわらず、前記三元触媒の温度状態が高温状態のときには、吸気行程に燃料を分割して噴射しかつ排気還流（ＥＧＲ）を行う空燃比１５以下の均一燃焼を行うように構成されている。
このような構成によれば、空燃比１５以下の均一燃焼による三元触媒の反応によって、三元触媒の下流の排気ガス温度は上昇し、ＮＯｘ触媒の温度も上昇する傾向にあるが、燃料の分割噴射およびＥＧＲによって、ＮＯｘ触媒の温度が、リーン領域でのＮＯｘ浄化率が高い温度範囲以上に高くなることを抑制し、速やかに希薄燃焼の運転形態に移行できる。
この発明の好ましい形態によれば、前記吸気分割噴射を行う領域のエンジン回転数の上限値Ｎ３をエンジンの定格回転数の２／４〜３／４の範囲とし、成層燃焼領域のエンジン回転数の上限値Ｎ２から前記Ｎ３までのエンジン回転領域では、車両が高速ギア段で平坦路を定速走行するときの駆動負荷を示すロード・ロードラインを含む低負荷領域から、全負荷を除く高負荷領域までの負荷範囲で、燃料噴射形態を前記吸気分割噴射とし、空気過剰率λを略１とし、かつ、前記ロード・ロードラインを含む低負荷領域におけるＥＧＲ率を１０パーセント以上とするように構成されている。
【００２６】
このような構成によれば、運転頻度が高く且つ触媒の温度が高くなり易いエンジン運転領域（高速ギア段で一定速度の高速走行をするエンジン運転領域）で、吸気分割噴射としているので、１０パーセント以上という高い割合のＥＧＲが可能となる。そして、吸気分割噴射と高い割合のＥＧＲの相乗効果で、排気ガス温度が下がり（排気ガス温度の上昇が抑制され）、ＮＯｘ触媒をＮＯｘ浄化率が高い温度範囲に維持することが可能となる。さらに、吸気分割噴射を行う領域のエンジン回転数の上限値Ｎ３をエンジンの定格回転数の２／４〜３／４の範囲としているので、分割噴射の噴射間隔の設定の自由度が大きくなる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係る筒内噴射式エンジンの制御装置Ａの全体構成を示す概略図である。制御装置Ａによって制御されるエンジン１は、例えば車両に搭載された直列４気筒エンジンである。このエンジン１は第１〜第４までの４つの気筒２，２，…（１つのみ図示する）を有し、各気筒２内にピストン３が往復動可能に嵌挿されていて、そのピストン３により気筒２内に燃焼室４が区画されている。この燃焼室４の上壁における気筒軸心上の位置には、点火回路５に接続された点火プラグ６が燃焼室４に臨むように取り付けられている。また、前記燃焼室４の側壁部には、移動するピストン３と干渉しない位置に、燃焼室４に燃料を直接噴射するようにインジェクタ（燃料噴射弁）７が取り付けられている。
【００２８】
前記インジェクタ７には、詳しくは後述するが、高圧燃料ポンプ７１やプレッシャレギュレータ７２，７３等を有する燃料供給回路７０が接続されており、この燃料供給回路７０によって、燃料タンク７４からの燃料を適正な圧力に調整しながら、インジェクタ７に供給するように構成されている。また、その燃料圧力を検出する燃圧センサ８が設けられている。そして、前記インジェクタ７により燃料が気筒２の圧縮行程後期に噴射されると、その燃料噴霧はピストン３の頂面に凹設したキャビティ（図示せず）にトラップされて、前記点火プラグ６近傍に比較的濃い混合気の層を形成する。一方、前記インジェクタ７により燃料が気筒２の吸気行程で噴射されると、その燃料噴霧は燃焼室４に拡散して吸気（空気）と混合され、燃焼室４に均一な混合気を形成する。
【００２９】
前記燃焼室４は、図示しない吸気ポートにより吸気弁９を介して吸気通路１０に連通されている。この吸気通路１０は、前記燃焼室４に対しエアクリーナ１１で濾過した吸気を供給するものであり、上流側から下流側に向かって順に、エンジン１に吸入される吸入空気量を検出する感熱式エアフローセンサ１２と、吸気通路１０を絞る電気式スロットル弁１と、サージタンク１４とが配設されている。前記電気式スロットル弁１３は、図外のアクセルペダルに対し機械的には連結されておらず、モータ１５により駆動されて開閉するようになっている。また、スロットル弁１３の開度を検出するスロットル開度センサ１６と、サージタンク１４内の吸気負圧を検出する吸気負圧センサ１７とがそれぞれ設けられている。前記サージタンク１４よりも下流側の吸気通路１０は、気筒２毎に分岐する独立通路１０ａとされていて、その各独立通路１０ａの下流端部がさらに２つに分岐してそれぞれ吸気ポートに連通しており、その分岐路のうちの一方にスワール制御弁１８が設けられている。このスワール制御弁１８はアクチュエータ１９により駆動されて開閉するものであり、スワール制御弁１８が開弁すると、吸気は他方の分岐路のみから燃焼室４に供給されて、強い吸気スワールを生成する一方、スワール制御弁１８が開くに連れて吸気スワールは弱められるようになっている。また、そのスワール制御弁１８の開度を検出するスワール制御弁開度センサ２０が設けられている。
【００３０】
燃焼室４から燃焼ガスを排出する排気通路２２が設けられ、排気通路２２の上流端は気筒２毎に分岐して排気マニホールド２２ａを形成し、これらの排気マニホールド２２ａが図示しない排気ポートにより排気弁２３を介して各燃焼室４に連通されている。この排気通路２２には上流側から下流側に向かって順に、排気中の酸素濃度を検出するＯ2センサ２４と、排気を浄化する触媒２５とが配設されている。前記Ｏ2センサ２４は、排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出するために用いられるもので、空燃比が理論空燃比のときを境に出力が急変する特性を有する。
【００３１】
また、前記触媒２５は、軸方向（排気の流れ方向）に沿って互いに平行に延びる多数の貫通孔が開口するハニカム構造のコージェライト製担体（図示せず）を有し、その各貫通孔壁面に触媒層を形成したものである。この触媒２５には、空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン状態でＮＯｘを吸着する一方、空燃比が理論空燃比近傍又はこれよりも小さいリッチ状態になると、吸着したＮＯｘを放出しかつ還元浄化するＮＯｘ吸着還元タイプのリーンＮＯｘ触媒が用いられている。このようなＮＯｘ吸着還元性能を有する触媒は、そのＮＯｘ浄化性能が温度状態に強く依存するという特性を有することが知られており、触媒のＮＯｘ浄化率は、所定温度範囲（例えば２５０〜４００℃）で極めて高くなる一方、それ以上の高温状態では温度上昇に伴い急速に低下する。
【００３２】
さらに、前記Ｏ2センサ２４よりも上流側の排気通路２０にはＥＧＲ通路２６の上流端が分岐接続され、このＥＧＲ通路２６の下流端は前記スロットル弁１３とサージタンク１４との間の吸気通路１０に接続されていて、排気の一部を吸気系に還流させるようになっている。このＥＧＲ通路２６の下流端寄りには開度調整可能な電気式のＥＧＲ弁２７が配設されており、ＥＧＲ通路２６による排気の還流量（以下ＥＧＲ量という）を調整するようになっている。また、そのＥＧＲ弁２７のリフト量を検出するリフトセンサ２８が設けられている。
【００３３】
前記燃料供給回路７０は、インジェクタ７と燃料タンク７４とを接続する燃料通路７５を有し、燃料タンク７４内に配置した低圧燃料ポンプ７６により燃料を汲み上げて、インジェクタ７に供給するものである。前記燃料通路７５の途中には上流側から順に、低圧プレッシャレギュレータ７２、燃料フィルタ７７、及び高圧供給ポンプ７１が配設されており、低圧燃料ポンプ７６から吐出された燃料は低圧プレッシャレギュレータ７２によって調圧されて後、高圧燃料ポンプ７１によってさらに増圧され、その高圧燃料がインジェクタ７へ供給される。
【００３４】
また、前記インジェクタ７へ供給された燃料の余剰分はリターン通路７８により、低圧プレッシャレギュレータ７２及び燃料フィルタ７７間の燃料通路７５に戻される。このリターン通路７８の途中には高圧プレッシャレギュレータ７３が配設されており、余剰の燃料が高圧プレッシャレギュレータ７３によって流量調整されながら高圧燃料ポンプ７１の上流側にリターンされることで、インジェクタ７に供給される燃料の圧力が適正に調整されるようになっている。
【００３５】
さらに、前記燃料タンク７４内の蒸発燃料を回収してエンジン１の吸気系に供給するリニアパージ装置（蒸発燃料供給手段）８０が設けられている。このリニアパージ装置８０は、蒸発燃料を吸着するキャニスタ８１と、このキャニスタ８１に燃料タンク７４からの蒸発燃料を導く導入通路８２と、前記キャニスタ８１及び吸気通路１０を連通するパージ通路８３とを備えている。
【００３６】
前記パージ通路８３は、前記キャニスタ８１に吸着されている蒸発燃料を吸気負圧により吸い出して、スロットル弁１３とサージタンク１４との間の吸気通路１０に供給するものであり、その途中にはデューティソレノイド弁からなるパージ弁８４が設けられている。そして、そのパージ弁８４の開度のデューティ制御によって、吸気通路１０への蒸発燃料量の供給量（パージ量）が連続的に調整されるようになっている。
【００３７】
前記点火プラグ６の点火回路５、インジェクタ７、電気式スロットル弁１３の駆動モータ１５、スワール制御弁１８のアクチュエータ１９、電気式ＥＧＲ弁２７、パージ弁８４等はコントロールユニット４０（以下、ＥＣＵという）によって作動制御されるようになっている。一方、このＥＣＵ４０には、前記エアフローセンサ１２、スロットル開度センサ１６、吸気負圧センサ１７、スワール制御弁開度センサ２０、Ｏ2センサ２４、ＥＧＲ弁２７のリフトセンサ２８等の各出力信号が入力されており、加えて、エンジン１の冷却水温度（エンジン水温）を検出する水温センサ（温度状態検出手段）３０、吸気温度を検出する吸気温センサ３１、大気圧を検出する大気圧センサ３２、エンジン回転数を検出する回転数センサ３３、及びアクセルペダルの開度（踏込み量）を検出するアクセル開度センサ３４の各出力信号が入力されている。
【００３８】
次に、図２および図３を参照して、エンジン１等と車両の位置関係を説明する。図２は、エンジン１を搭載した車両の前部分を車幅方向からみた概略的な図面であり、図３は、車両に搭載されたエンジン１を後方即ち運転席方向からみた概略的な図面である。図２および図３に示されているように、エンジン１は、その気筒列が車軸（車幅）方向に並ぶように、ミッションＭに隣接し且つラジエタ８９の後方に位置するようにして、車両のボンネットＢ下に形成されたエンジンルームＲ内に配置されている。エンジン１の側壁に形成された排気ポート開口９０は、車両後方側に位置している。排気ポート開口９０に接続された排気マニホールド２２ａは、エンジン１の後方側を下方に向かって延び、互いに連結されて排気管２２となっている。排気管２２は、エンジン１の後方側をエンジン１の後壁と略平行に下方に向かって延び、エンジン１の下端とほぼ同じ高さ位置で、車両後方側に向かって折れ曲がり、車両後方に向かって延びている。排気管２２の下流端は、フレキシブルジョイント９２を介して、フロアパネルＰの下方に配置された触媒（ＮＯｘ触媒）２５に連結されている。即ち、この実施形態では、排気ポート９０に排気マニホールド２２ａを介して連結されている排気管２２および触媒（ＮＯｘ触媒）２５は、エンジン１の本体の車両後方側に配置され、これらは走行風により熱が奪われにくい断熱配置とされている。
【００３９】
この実施形態に係るエンジンの制御装置Ａは、インジェクタ７による燃料噴射の形態（燃料噴射時期及び空燃比等）を切替えることにより、エンジン１を異なる燃焼状態で運転する、即ち、エンジン１の燃焼モード（運転モード）を切替える燃焼モード制御手段をＥＣＵ４０に備えている。
【００４０】
この燃焼モード制御手段には、エンジン１を、空燃比が理論空燃比より大きいリーン状態で運転しまたは理論空燃比以下のリッチ状態で運転するか、燃料の噴射をどの行程のどの時点で噴射するか、燃料の噴射は一括か分割か、排気還流を行うか否かなどのエンジン制御するデータが、エンジン回転数およびエンジン負荷に応じた複数の制御マップとして予め設定されており、エンジン制御装置は、この制御マップにより、エンジンの運転状態を切り替えるように構成されている。
【００４１】
具体的には、エンジン１が暖機後の基本制御モードにあるときには、図４Ａに示されているように、低負荷・低回転側の運転領域が、空気過剰率λが１．３以上の成層希薄燃焼領域Ｉ（Ｉ'を含む）とされ、燃料が圧縮行程で一括噴射され噴射モードとされる。
また、成層希薄燃焼領域Ｉ（Ｉ’）に高負荷ないし高回転側で隣接する運転領域II、III、IVは、λが１（または略１）即ち空燃比15以下の均一燃焼領域とされ、均一燃焼領域より高負荷・高回転側の領域は、エンリッチ領域Ｖとされている。この均一燃焼領域のうち、エンジン回転数がＮ1（例えば１２００ｒｐｍ）未満の低回転領域IIと、エンジン回転数がエンジン１の定格回転数の２／４〜３／４の範囲の値であるＮ3（例えば３５００ｒｐｍ）以上の高回転領域および成層希薄燃焼領域Ｉの上限エンジン回転数Ｎ２（例えば２２５０ｒｐｍ）からＮ3まで運転領域のうちの低負荷領域からなる領域IVでは、吸気行程で燃料を一括噴射する吸気一括噴射が行われる。さらに、均一燃焼領域のうちのII、IV以外の領域IIIすなわちエンジン回転数がＮ１からＮ３の範囲で全負荷領域と負荷が極めて低い領域とを除く領域IIIでは、燃料が吸気行程の前期から中期にかけて2分割で噴射される吸気分割噴射が行われる。この吸気分割噴射としては、例えば、吸気行程のクランク角が３０度および８０度付近で、それぞれ、燃料を２分割して噴射する噴射形態が好ましい。
【００４２】
図４Ａから明らかなように、更に、領域Ｉ（Ｉ'を含む）と、領域IIおよびIIIのうちの領域Ｉに隣接する領域II’およびIII’すなわち領域IIおよびIIIのうちの高負荷側の領域を除く領域とでは、ＥＧＲが実行されるように構成されている。
図４Ａに一点鎖線で示されるトランスミッションの高速段でのロード・ロードライン（車両が高速ギア段で略平坦な路面を、例えば時速１００キロメートル程度の高速で定速走行するときの駆動負荷を示すライン）は、エンジン回転数がＮ２からＮ３の間の範囲では、領域III'に入る。したがって、この実施形態では、エンジン回転数Ｎ２ないしＮ３の範囲で、車両が略平坦な路面を高速で定速走行するときには、エンジン１は、燃料が吸気分割噴射され且つＥＧＲが行われる均一燃焼で運転されることになる。また、領域III’内のロード・ロードライン近傍領域でのＥＧＲ率は、１０パーセント以上に設定され、吸気分割噴射と高い割合のＥＧＲの相乗効果で、この近傍領域での排気ガス温度の上昇は、抑制されている。さらに、領域III'でのEGR率は、領域II'のEGR率より高くなるように制御される。
また、エンジン冷間時には、図４Ｂに示されているように、高回転または高負荷領域のエンリッチ領域を除き、λを１（または略1）とした均一燃焼領域とされている。
【００４３】
さらに、暖機後であっても、加速時または触媒の温度状態が高温状態である過渡期には、図４Cに示される噴射モードとなる。この噴射モードは、基本的には、図４Ａの噴射モードと同一であるが、基本噴射モードの成層希薄燃焼領域のうちの高負荷・高回転側の領域では、燃料が吸気行程で２分割して噴射され、基本噴射モードにおける他の成層希薄燃焼領域では、燃料が吸気行程で一括噴射され噴射モードとされて、成層リ−ン燃焼領域がない点で、基本モードと相違する。すなわち、加速時のエンジンからのＮＯｘ排出量の増大を抑制するために成層リーン燃焼を中止して、また、触媒の過熱によりリーン領域でのＮＯｘ低減率が低下している高温状態でも成層リーン燃焼を中止して、それぞれ、ＮＯｘ触媒が三元機能を果たせる空燃比１５以下の均一燃焼としている。詳細には、図４Ｃに示されているように、基本モード（図４Ａ）の成層燃焼領域の高回転側の部分が、吸気分割噴射の均一燃焼領域VIの一部とされている。そして、この成層燃焼領域の高負荷・高回転側の部分での、EGR率は、３０パーセント以上となるように制御される。このように、エンジン回転数がＮ１からＮ３の範囲で全負荷領域と負荷が極めて低い領域を除く領域VIIは、基本的には、燃料が吸気行程の前期から中期にかけて2分割で噴射される吸気分割噴射による均一燃焼領域とされている。しかしながら、回転数N１未満の領域では、燃料噴射時期は、吸気行程中の前期から中期に限られず、吸気行程中のいずれかの時期に、一括して噴射されるように構成されているのが好ましい。そして、エンリッチ領域を除く他の領域が、一括噴射による均一燃焼領域VIIIとされている。
【００４４】
次に、ＥＣＵ４０が行う燃料噴射の具体的な制御を図５のフローチャートに沿って説明する。
図５に示されているように、スタート後のステップＳ１において、アクセル開度、エンジン回転数、大気圧力、排気中のＯ２濃度、吸入空気量、水温、吸気温、スロットル開度、ＥＧＲ弁開度などを読み込む。次に、ステップＳ２において、目標エンジン負荷を算出する。すなわち、アクセル開度およびエンジン回転数から成層燃焼領域の目標負荷である図示平均有功圧力（Ｐｉ）を、エンジン回転数、吸気温度および大気圧力（即ち吸入空気量）から均一燃焼領域の目標エンジン負荷である吸気充填効率（ｃｅ）を算出する。次に、ステップＳ３で、エンジンが冷間状態であるか否を判定すべく、水温が所定温度ＷＴ１以上であるか否かが判定される。ＷＴ１としては、例えば摂氏４５度から６０度の間の温度が選択される。Ｓ３でＮＯ即ち水温がＷＴ１未満であると判定されたときには、エンジンが冷間であるので、ステップＳ４に進み、ＥＧＲを伴わない吸気一括噴射の均一燃焼モードが選択される。
【００４５】
ステップＳ３でＹＥＳ即ち水温がＷＴ１以上と判定されたときには、ステップＳ５に進み、成層燃焼を行う領域であるか否か即ちエンジン回転数がＮ２未満の低負荷領域にあるか否かが判定される。ステップＳ５でＮＯすなわち均一燃焼を行う領域にあると判定されたときには、ステップＳ６に進み、燃料噴射を吸気分割で行う領域であるか否か、即ち、エンジン回転数がＮ１からＮ３の間であり且つ負荷が全負荷領域および極め負荷の低い領域を除く部分負荷領域であるか否かが判定される。ステップＳ６でＮＯ即ち吸気分割噴射を行う領域ではないと判定されたときには、ステップＳ７に進み、エンジン回転数が所定回転数Ｎ１以下であるか否かが判定される。ステップＳ７でＮＯ即ちエンジン回転数がＮ１より高いと判定されたときには、ステップＳ８に進み、吸気一括噴射による均一燃焼モードが選択される。
【００４６】
ステップＳ７でＹＥＳ即ちエンジン回転数がＮ１以下であると判定されたときには、ステップＳ９に進み、ＮＯｘ触媒２５の温度が所定温度ＣＴ２以下であるか否かが判定される。ここで、所定温度ＣＴ２としては、例えば、ＮＯｘ触媒２５の活性温度範囲の上限付近の摂氏４５０度から５００度の温度が選択される。ステップＳ９でＹＥＳ即ちＮＯｘ触媒２５の温度がＣＴ２以下であると判定されたときには、ステップＳ８に進み、吸気一括噴射による均一燃焼モードが選択される。一方、ステップＳ９でＮＯ即ちＮＯｘ触媒２５の温度がＣＴ２より高いと判定されたときには、排気ガスの温度を下げて、触媒２５の過熱を抑制すべく、ステップＳ１０に進み、吸気分割噴射による均一燃焼モードが選択される。また、ステップＳ６でＹＥＳ即ち吸気分割噴射を行う領域であると判定された場合にも、ステップＳ１０に進み、吸気分割噴射による均一燃焼モードが選択される。
【００４７】
また、ステップＳ５でＹＥＳ即ち成層燃焼を行う領域である判定された時には、ステップＳ１１に進み加速状態であるか否かが判定される。ステップＳ１１でＹＥＳ即ち成層燃焼を行う領域での加速状態であると判定されたときには、ステップＳ１２に進み、エンジン回転数が所定回転数Ｎ１以上であるが否かを判定される。ステップＳ１２で、ＮＯ即ちエンジン回転数がＮ１未満であると判定されたときには、ステップＳ８に進み、吸気一括噴射による均一燃焼モードが選択される。一方、ステップＳ１２で、ＹＥＳ即ちエンジン回転数がＮ１以上であると判定されたときには、ステップＳ１０に進み、吸気分割噴射による均一燃焼モードが選択される。
【００４８】
また、ステップＳ１１でＮＯ即ち加速状態ではないと判定されたときには、ステップＳ１３に進み、ＮＯｘ触媒２５の温度が所定温度ＣＴ１以下であるか否かが判定される。ここで、所定温度ＣＴ１としては、例えば、ＮＯｘ触媒２５の活性温度範囲の上限付近の摂氏４００度から４５０度の温度が選択される。
ステップＳ１３でＮＯ即ちＮＯｘ触媒２５の温度がＣＴ２より高いと判定されたときには、ステップＳ１２に進み、エンジン回転数により、ステップＳ８またはステップＳ１０のいずれか進む。ステップＳ１３でＹＥＳ即ちＮＯｘ触媒２５の温度がＣＴ２以下であると判定されたときには、ステップＳ１４に進み、燃料を圧縮行程で分割して噴射する領域であるか否かが判定され、ＹＥＳ即ち圧縮分割する領域であると判定されたときには、ステップＳ１５に進み、圧縮行程での分割噴射による成層燃焼モードが選択され、ＮＯ即ち圧縮分割する領域ではない判定されたときには、ステップＳ１６に進み、圧縮行程での一括噴射による成層燃焼モードが選択される。
【００４９】
ステップＳ４、Ｓ８、Ｓ１０、Ｓ１５およびＳ１６で各燃焼モードが選択されると、ステップＳ１７に進み、各噴射モード毎に、各制御マップから燃料噴射量、噴射時期、点火時期、スロットル開度、ＥＧＲ弁開度が算出される。詳細には、ＥＣＵ４０は、図６に示されているようなエンジン制御マップを備えている。まず、目標エンジン負荷とエンジン回転数に対応して設定された目標空燃比マップから、スロットル開度と燃料噴射量とが算出される。ここで、スロットル開度と燃料噴射量毎に、空燃比マップを備えていると精度がより向上する。更に、目標負荷とエンジン回転数（ただし、均一燃焼領域では、実負荷とエンジン回転数）に対応して設定されたEＧＲマップ、噴射タイミングマップ、および点火時期マップから、ＥＧＲ率、噴射タイミング、および点火タイミングが、それぞれ、算出される。さらに、ＥＧＲ率から、その運転状態におけるＥＧＲ弁開度が算出される。この結果、図４Ａ、Ｂ、Ｃに示されている噴射モードに対応する噴射状態などが決定される。
【００５０】
次いで、ステップＳ１８でスロットル弁が、ステップＳ１９で噴射弁が、更に、ステップＳ２０で燃料噴射弁がそれぞれ駆動され、ステップＳ２１で点火が実行される。さらに、ステップＳ２２で、エンジン回転数、吸気温度、燃料噴射量などの運転状態から、触媒２５の温度が推定され、リターンする。この推定された触媒温度が、次回のステップＳ９およびステップＳ１３で使用される。なお、エンジン始動直後の触媒温度は、エンジンを停止してからの経過時間、水温などから推定するのが好ましい。
【００５１】
図７および図８は、エンジン１の特性を示す図面であり、図７は、高速走行時のエンジン特性を、図８は最大ＥＧＲ率付近のエンジン特性をそれぞれ示している。これらの図から明らかなように、分割噴射（吸気分割噴射）の方が、一括噴射に比べて、高い割合のＥＧＲが可能となり、同じ率のＥＧＲで比較したとき、燃費率および排気ガス温度の両者とも分割噴射の方が低い値となっている。したがって、吸気分割噴射が高率のＥＧＲを可能とし、更に分割噴射自身の排ガス温低減効果との相乗効果で排ガス温度を図中に矢印で示す量だけ低下させ、冷間時のエンジン始動直後あるいは成層リーン燃焼などに有効な排気通路の構成又は配置を可能とすることがわかる。
ここでは、図示平均有効圧力（Pi）の変動率、つまり、同一気筒（自気筒）の（Pi変動幅／Pi平均値）が５パーセントの点を燃焼安定限界としている。また、セット点とは、エンジンの外部環境、個体差を考慮して燃焼安定限界からのマージンをとった点であり、Pi変動率が３から３．５パーセントの点である。
図９は、上記第１の実施形態の変形例を示す図２と同様の図面である。この変形例は、基本的構成は上記第１の実施形態と同一であるが、変形例は、排気マニホールド２２ａとフレキシブルジョイント９２とを連結する排気管が断熱空間を備えた二重構造の排気管１２２である点で上記第１の実施形態と異なる。
【００５２】
図１０および図１１は、排気管１２２の、排気マニホールド２２ａに接続される上流端部と、フレキシブルジョイント９２に接続される下流端部とを、それぞれ、示す断面図である。図１０から明らかなように、排気管１２２は、大径のパイプである外管１２３と小径のパイプである内管１２４とが間に環状の断熱空間１２５を形成するように重ねて配置されている。図１０に示されているように、排気管１２２の上流側の端部では、外管１２３は、その内径が内管１２４の外径と略等しくなるように縮径して、内管１２４と直接重なっている。さらに、両方の管１２３、１２４の端部が整列して接続用フランジ１２６に差し込まれ、外管１２３と内管１２４の上流側端部分は、このフンラジ１２６近傍で溶接されてる。又、図１１に示されているように、排気管１２２の下流端側では、外管１２３のみが接続用フランジ１２７に接続され、内管１２４の下流端は、外管１２３の下流端より上流側に位置している。内管１２４の下流端部分は、熱による内管１２４の軸線方向の伸縮を許容するように、断熱空間１２４と略同じ厚さの環状の耐熱マット１２８を介して外管１２３に対して位置決めされている。
以上のように構成された変形例では、上記第１の実施形態と同様の制御が行われるが、排気管１２２が二重構造を備えた断熱域構造であるため、中を通る排気ガスは、この部分で熱を奪われにくい。したがって、冷間始動後に触媒２５を速やか昇温させること、および、成層リーン燃焼時に触媒２５の温度を所定温度以上に維持することが容易になる。
【００５３】
次に、図１２を参照して、本発明の第２の実施形態を説明する。図１２は、第２の実施形態を示す図２と同様の図面である。
図１２から明らかなように、第２の実施形態は、基本的構成は上記第１の実施形態と同一であるが、第２の実施形態は、排気マニホールド２２ａと排気管22との間に三元触媒200が配置されている点で上記第１の実施形態と異なる。したがって、図１２では、第1の実施形態と同じ構成要素は、図2と同じ参照番号を付す。
更に、図１３および図１４を参照して、本発明の第３の実施形態を説明する。図１３は、第３の実施形態を示す図２と同様の図面であり、図１４は、図１３のエンジンを車両の前方側からみた概略的な図面である。
図１３および図１４から明らかなように、第３の実施形態は、基本的構成は上記第２の実施形態と同一であるが、第３の実施形態は、排気ポートが車両の前方側に位置するようにエンジンが車両に搭載され、さらに、三元触媒の下流側の排気管が第1の実施形態の変形例と同様の二重構造となっている点でのみ上記第２の実施形態と異なる。したがって、図１３では、他の実施形態と同じ構成要素は、図２などと同じ参照番号を付す。
【００５４】
図１３および図１４に示されているように、エンジン３００は、その気筒列が車軸（車幅）方向に並ぶように、ミッションＭに隣接し且つラジエタ８９の後方に位置するようにして、車両のボンネットＢ下に形成されたエンジンルームＲ内に配置されている。エンジン３００の側壁に形成された排気ポート開口３９０は、車両後方側に位置している。排気ポート開口３９０に接続された排気マニホールド３２２ａは、エンジン１の前方側を下方に向かって延び、三元触媒200の部分で互いに連結されて二重構造の排気管３２２となっている。排気管３２２は、エンジン３００の前方側をエンジン３００の前壁と略平行に下方に向かって延び、エンジン３００の下端より下方の高さ位置で、車両後方側に向かって折れ曲がり、エンジン300の下方を通り車両後方に向かって延びている。排気管３２２の下流端は、フレキシブルジョイント９２を介して、フロアパネルＰの下方に配置された触媒（ＮＯｘ触媒）２５に連結されている。したがって、この実施形態では、ＮＯｘ触媒がエンジン３００の下方より、排気管３２２の下流側部分に配置されている。
【００５５】
次に、図15を参照して、これら第２および第3の実施形態のＥＣＵで行われる燃料噴射制御を説明する。図１５は、第２および第３の実施形態で行われる燃料噴射制御を示す図５と同様にフローチャートである。
【００５６】
図１５のフローチャートは、図５のフローチャートと略同一であり、相違点は、第２および第３の実施形態がＮＯｘ触媒の上流側に三元触媒２００を備えているため、ステップＳ３とステップＳ５の間に、三元触媒２００の温度が所定温度ＣＴ３（例えば、摂氏８００度）より高いかを否か判定するステップＳ３０を有し、ステップＳ３０でＹＥＳ即ち三元触媒２００の温度がＣＴ３より高いと判定されたときには、排気ガスの温度を下げるべくステップＳ１０に進み、ＮＯ即ち三元触媒２００の温度がＣＴ３以下である判定されたときには、ステップＳ５に進む点である。
【００５７】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなくて、特許請求の範囲に記載された事項の範囲内で種々の変更、変形が可能である。
【００５８】
【発明の効果】
このような構成を有する本発明によれば、ＮＯｘ触媒を、多くの運転領域において、ＮＯｘ触媒が有効に機能する温度範囲内に維持してエミッションを低減することができる火花点火式直噴エンジンが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態に係る筒内噴射式エンジンの制御装置Ａの概略構成を示す図面である。
【図２】 本発明の第１の実施形態にかかるエンジン１を搭載した車両の前部分を車幅方向からみた概略的な図面である。
【図３】 図２のエンジン１を後方即ち運転席方向からみた概略的な図面である。
【図４Ａ】 エンジン暖機後の燃料噴射モードを示す図面である。
【図４Ｂ】 エンジン冷間時の燃料噴射モードを示す図面である。
【図４Ｃ】 エンジン暖機後の過渡期における燃料噴射モードを示す図面である。
【図５】 第1の実施形態で行われる燃料噴射の具体的な制御を示すフローチャートである。
【図６】 第1の実施形態で用いられるエンジン制御マップを示す図面である。
【図７】 高速走行時のエンジン特性を示す図面である。
【図８】 最大ＥＧＲ率付近のエンジン特性を示す図面である。
【図９】 第１の実施形態を示す図２と同様の図面である。
【図１０】 排気管１２２の排気マニホールド２２ａに接続される上流端部を示す断面図である。
【図１１】 フレキシブルジョイント９２に接続される下流端部を示す断面図である。
【図１２】 第２の実施形態を示す図２と同様の図面である。
【図１３】 第３の実施形態を示す図２と同様の図面である。
【図１４】 図１３のエンジンを車両の前方側からみた概略的な図面である。
【図１５】 第２および第3の実施形態で行われる燃料噴射の具体的な制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ エンジン
４ 燃焼室
７ インジェクタ（燃料噴射弁）
２２ 排気通路
２２ａ 排気マニホールド
２５ 触媒（ＮＯｘ）
４０ ECU
【発明の属する技術分野】
本発明は、火花点火式直噴エンジンの制御装置に関し、より詳細には、、低負荷・低回転領域では成層燃焼によるリーンバーンが行われる火花点火式直噴エンジンの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
低負荷・低回転などの所定条件下では、理論空燃比より大きな空燃比で燃料を燃焼させる所謂希薄燃焼を行う火花点火式直噴エンジンが提案されている。このような火花点火式直噴エンジンとして、希薄燃焼時に発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減するために、空燃比が理論空燃比より大きい所謂リーン状態のときには排ガス中のＮＯｘを吸着して排気中のＮＯｘを低減する一方、空燃比が理論空燃比以下の所謂リッチ状態のときには吸着したＮＯｘを還元するＮＯｘ触媒が排気管に設けられたものがある。このＮＯｘ触媒はリーン状態ではＮＯｘを吸着する一方、リッチ状態では三元触媒と同様の機能を果たす。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したようなＮＯｘ触媒は、有効に機能する温度範囲が狭いため、エンジンの冷間始動直後の十分加熱されていない時、または、アイドリング時および低負荷時などに行われる希薄燃焼により排気温度が低い時などには、この温度範囲に達せず、エミッションが悪化するという問題がある。また、高速定常走行時などの比較的多用される運転領域でも排気温度が高くなるので、ＮＯｘ触媒が高温になり有効に機能しなくなるという問題がある。
【０００４】
本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、ＮＯｘ触媒を、多くの運転領域において、活性温度範囲内に維持してエミッションを低減することができる火花点火式直噴エンジンを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、
空気過剰率λが１より大きいリーン領域で排気ガス中のＮＯｘを低減するＮＯｘ触媒がエンジンの排気通路に配置され、低負荷・低回転域をリーン状態の成層燃焼領域とし、中・高回転領域を空燃比１５以下の均一燃焼領域とする火花点火式直噴エンジンの制御装置において、
前記エンジンの排気ポート開口部及び該排気ポート開口部に連結される排気通路を前記エンジンの本体の車両後方側に配置し、前記ＮＯｘ触媒を前記エンジンの本体の車両後方側に設けた配置とし、
前記成層燃焼領域のλを１．３以上とし、
前記空燃比１５以下の均一燃焼領域である中・高回転領域のうち、前記成層燃焼領域に隣接する低負荷領域の燃料噴射形態を、吸気行程の前期から中期にかけての期間内のみ、燃料が分割して噴射される吸気分割噴射とした、
ことを特徴とする火花点火式直噴エンジンの制御装置が提供される。
【０００６】
このような構成によれば、ＮＯｘ触媒までの排気経路が、断熱配置および／または断熱構造とされているので、この排気経路での放熱量が少なくなる。このため、エンジン冷間始動直後には、ＮＯｘ触媒が活性温度まで速やかに昇温するとともに、排気ガス温度が比較的低い、λが１．３以上の成層燃焼領域（特に、アイドル域またはアイドル域近傍の低回転・低負荷領域）においても、ＮＯｘ触媒に流れ込む排気ガスの温度が低下しにくく、ＮＯｘ触媒の温度がＮＯｘ浄化（ＮＯｘ吸着を含む）が効率良く行われる温度範囲内になる程度に維持される。
【０００７】
さらに、エンジン中・高回転領域では、空燃比１５以下の均一燃焼領域であり、部分負荷領域にあるとき燃料噴射形態が、吸気行程の前期から中期にかけて分割して噴射が開始される吸気分割噴射とされている。具体的には、例えば、燃料は、吸気行程の前期から中期にかけて、燃料噴射装置から、早期噴射と後期噴射に二分割されて噴射される。この場合、早期噴射された燃料は、その後、後期噴射が開始されるまでの間、ピストンの下降移動による燃焼室の容積増大に伴って均一に拡散する。また、後期噴射された残りの燃料も、増大した燃焼室に拡散して均一になる。このことによって、燃焼室に均一な混合気が生成され、圧縮行程後の燃焼行程で、燃焼速度が速まることで、燃焼効率が高くなり、排気ガス温度が下がる。
【０００８】
また、分割噴射の各噴射の噴射タイミングが、吸気行程の中央時期より早い時期に設定されているので、▲１▼早期噴射がピストンの下降速度が大きく、それに伴う吸気流動速度も大きいときに行われ、▲２▼早期及び後期噴射がいずれも吸気行程の前半に行われる結果、後期噴射された燃料がピストンの下死点近く（吸気行程の終わり）でシリンダ壁に付着して燃料の均一化が阻害されることが回避され、且つ、▲３▼点火までの時間つまり燃料の気化霧化までの時間を長く確保できる。これらの▲１▼ないし▲３▼の相乗的な作用で、燃焼室での燃料の気化霧化を大きく促進して均一度を大幅に高めることができ、エンジンの燃焼効率を更に高くして、排気ガス温度が更に下がる。
【０００９】
したがって、燃料が吸気分割噴射される、空燃比１５以下の均一燃焼の部分負荷領域では、このような吸気分割噴射によって、排気ガス温が低くなる。これにより、排気通路の断熱配置または断熱構造に起因する、中・高回転・部分負荷領域での高温の排気ガスによる、ＮＯｘ触媒の過熱が抑制され、この使用頻度の高い、中・高回転・部分負荷領域で、ＮＯｘ触媒の温度をリーン領域でＮＯｘ浄化（ＮＯｘ吸着を含む）が効率良く行われる温度範囲内に維持できる。このため、ＮＯｘ触媒を、広い運転域で、ＮＯｘ浄化率の高い状態に維持することができ、エミッションが良好になる。
このような構成によれば、ＮＯｘ触媒までの排気経路（排気管）の少なくとも一部分が、走行風の影響の少ないエンジン後方の空間に配置され、且つ、ＮＯｘ触媒までの排気経路が短くなるので、排気通路（排気管）がエンジンからエンジン前方向に延びる構成に比して、エンジンからＮＯｘ触媒まで排気経路における放熱量が減少するので、エンジンとＮＯｘ触媒の間に位置する排気管からの放熱量が少なくなる。この結果、冷間始動直後には、ＮＯｘ触媒が活性温度まで速やかに昇温する。
さらに、このような構成によれば、リーン状態の成層燃焼領域に隣接して、エンジンからのＮＯｘ排出量が多く且つ排気ガス温度が比較的に高い中間空燃比（１６ないし１９）の均一燃焼領域ではなく、空燃比１５以下の吸気分割噴射による均一燃焼領域が存在することになる。したがって、リーン状態の成層燃焼領域に隣接した領域でもって、ＮＯｘ排出量の増大を抑制するとともに、排気ガス温度の上昇を抑制でき、広い運転域で、ＮＯｘ触媒が過熱することを抑制できる。
【００１１】
発明の好ましい形態では、エンジンは、気筒列が車軸方向に並ぶように搭載され、前記気筒列の方向に延びる一対のエンジン側壁のうち、車両後方側のエンジン側壁に排気ポート開口部が配置されている。
このような構成によれば、所謂横置きにされたエンジンが、エンジンからＮＯｘ触媒までの排気管にあたる走行風を遮るので、ＮＯｘ触媒に入る排気ガスの温度が、この排気管部分で低下しにくい。
本発明の好ましい形態では、前記エンジンからＮＯｘ触媒に至る排気通路に、断熱空間を備えた二重排気管を配置した。
このような構成によれば、エンジンからＮＯｘ触媒までの排気経路で、二重排気管により、排気ガスの温度が下がりにくくなる。
【００１３】
本発明の好ましい形態では、吸気分割噴射を行う領域で排気還流（ＥＧＲ）を行うように構成されている。
このような構成によれば、吸気分割噴射により燃焼安定性が高められるので、排気ガスの還流量を大幅に増加させることが可能となる。この結果、燃焼時に、気筒内に燃焼に寄与しない多量の不活性ガス（還流された排気ガス）が存在することになり、この多量の不活性ガスが燃焼時に生成された熱を奪うため、燃焼によって生成された排気ガスの温度は大きく低下する。このように、上述した構成によれば、燃料の吸気分割噴射により、多量のＥＧＲが可能となり、その結果、排気ガス温度をより低く押さえＮＯｘ触媒の過熱することが抑制されるとともに、ＮＯｘの生成量を一層低減でき更にエンジンのポンピングロスの低減により燃費改善が図られる。
【００１５】
本発明の好ましい形態では、前記吸気分割噴射を行う領域のエンジン回転数の上限値Ｎ３をエンジンの定格回転数の２／４〜３／４の範囲とし、成層燃焼領域のエンジン回転数の上限値Ｎ２から前記Ｎ３までのエンジン回転領域では、車両が高速ギア段で平坦路を定速走行するときの駆動負荷を示すロード・ロードラインを含む低負荷領域から、全負荷を除く高負荷領域までの負荷範囲で、燃料噴射形態を前記吸気分割噴射とし、空気過剰率λを略１とし、かつ、前記ロード・ロードラインを含む低負荷領域におけるＥＧＲ率を１０パーセント以上とするように構成されている。
【００１６】
本明細書において、ＥＧＲ率とは、｛（吸気中のＣＯ２濃度）−（大気中のＣＯ２濃度）｝／｛（排気中のＣＯ２濃度）−（吸気中のＣＯ２濃度）｝で定義される値であり、ＥＧＲ量（還流される排気ガス量）／新気量を意味する。したがって、ＥＧＲ率１００パーセントとは、新気と排気ガスとが、同量であることを意味し、１０パーセントとは、ＥＧＲ量が新気量の１０パーセントであることを意味する。
このような構成によれば、運転頻度が高く且つ触媒の温度が高くなり易いエンジン運転領域（高速ギア段で一定速度の高速走行をするエンジン運転領域）で、吸気分割噴射としているので、高い割合のＥＧＲが可能となる。そして、吸気分割噴射と高い割合のＥＧＲの相乗効果で、排気ガス温度が下がり（排気ガス温度の上昇が抑制され）、ＮＯｘ触媒をＮＯｘ浄化率が高い温度範囲に維持することが可能となる。さらに、吸気分割噴射を行う領域のエンジン回転数の上限値Ｎ３をエンジンの定格回転数の２／４〜３／４の範囲としているので、分割噴射の噴射間隔の設定の自由度が大きくなる。
【００１７】
本発明の好ましい実施の形態によれば、成層燃焼領域より高負荷側の領域では、成層燃焼領域のエンジン回転数の上限値Ｎ２より低い回転数Ｎ１以上のエンジン回転数では燃料噴射形態を前記吸気分割噴射とし、前記Ｎ１未満のエンジン回転数では燃料噴射形態を吸気行程に燃料が一括噴射される吸気一括噴射とするように構成されている。この吸気一括噴射は、必ずしも、吸気行程の前期から中期にかけておこなわれるものでなくもよい。
このような構成によれば、高温の吸気が充填されることにより、混合気温度が上昇しノッキングが発生し易くなる運転状態、すなわち、走行風による吸気冷却がない車両停止時または微低速時から急加速した場合でも、このような運転状態で飛び込むＮ１より低回転側の高負荷領域では、吸気一括噴射であるので、気筒内に燃料が集中して噴射されるので、この燃料の気化潜熱で、ノッキングが抑制される。
本発明の好ましい形態では、均一燃焼領域では、前記成層燃焼領域に隣接する領域において排気還流（ＥＧＲ）を行い、前記Ｎ１以上の吸気分割噴射時のＥＧＲ率が、前記Ｎ１未満の吸気一括噴射時のＥＧＲ率より大きく設定されている。このような構成によれば、エンジン回転数が高くなることにより排気ガス温度が上昇するエンジン回転数がＮ１より高い領域では、吸気分割噴射であるため、ＥＧＲ率が、吸気一括噴射時より高く設定でき、排気ガス温度が下げられ、ＮＯｘ触媒の温度上昇が抑制される。
【００１９】
本発明の好ましい形態によれば、前記成層燃焼領域では、前記ＮＯｘ触媒の温度が、該ＮＯｘ触媒のＮＯｘ低減率が低下し始める所定温度以上の高温状態に達したとき、吸気行程に燃料を分割して噴射しかつ排気還流（ＥＧＲ）を行う空燃比１５以下の均一燃焼を行うように構成されている。
このような構成によれば、ＮＯｘ触媒の温度状態が高温になったときには、λ１．３以上の成層燃焼状態にあっても、吸気分割噴射かつ排気還流（ＥＧＲ）を行う空燃比１５以下の均一燃焼とされるので、ＮＯｘ触媒の三元機能による排気ガス浄化が行われ、高温による、リーン領域（λが１より大きい領域）でのＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸着の低下が補われる。
すなわち、ＮＯｘ触媒の三元機能が高い温度範囲は、ＮＯｘ触媒のリーン領域のでのＮＯｘ吸着機能が高い温度範囲より広く（高温側に広く）、ＮＯｘ触媒の温度状態が高温になったときには、ＮＯｘ触媒が三元機能を果たすようにして、リーン領域でのＮＯｘ吸着機能の低下によるＮＯｘ排出量の増大を防止する。
【００２０】
本発明の好ましい形態によれば、前記ＮＯｘ触媒の温度が、該ＮＯｘ触媒のＮＯｘ低減率が低下し始める所定温度以上の高温状態にあるときには、空燃比１５以下の均一燃焼領域から、λが１．３以上の予め設定された成層燃焼領域に移行したときにおいても、前記吸気分割噴射とされかつ排気還流（ＥＧＲ）が行われる空燃比１５以下の均一燃焼を行うように構成されている。
このような構成によれば、ＮＯｘ触媒の温度状態が高温であるときには、均一燃焼領域から、本来のλ１．３以上の成層燃焼領域に移行したときであっても、吸気分割噴射および排気還流（ＥＧＲ）を行う空燃比１５以下の均一燃焼とされるので、ＮＯｘ触媒の三元機能による排気ガス浄化が行われＮＯｘが低減できる。詳しくは、ＣＯ、ＨＣとともにＮＯｘが低減される。さらに、吸気分割噴射により、多量のＥＧＲが可能となるため、ＮＯｘ低減を図りながら、エンジンのポンピングロスが低減でき、空燃比１５以下に変更したにもかかわらず、燃費の悪化を少なくでき、ＮＯｘ低減と燃費抑制の両立が可能となる。
本発明の好ましい形態によれば、前記成層燃焼領域のうちの高回転側領域において、前記ＮＯｘ触媒が前記所定温度以上の高温状態に達したときには、前記吸気分割噴射とされ且つ排気還流（ＥＧＲ）が行われ、空燃比１５以下で均一燃焼が行われるように構成されている。
このような構成によれば、ＮＯｘ触媒の過熱によりＮＯｘ低減率が悪化したとき、エンジンからのＮＯｘ排出量が比較的多い成層燃焼領域のうちの高回転側の領域（リーン領域のうちの相対的にリッチの空燃比領域であって、エンジンからのＮＯｘ排出量が相対的に多くなる領域）が、吸気分割およびＥＧＲが行われる空燃比１５以下の均一燃焼とされるので、ＮＯｘ触媒の三元機能により、この領域でのＮＯｘを低減できる。また、均一燃焼に変更したことによる、燃費の悪化は、吸気分割による高い割合のＥＧＲによって抑制される。このように、ＮＯｘ低減と燃費の悪化の抑制が両立される。
【００２１】
本発明の好ましい形態によれば、前記ＮＯｘ触媒が、該ＮＯｘ触媒のＮＯｘ低減率が低下し始める所定温度以上の高温状態に達したときには、λが１．３以上の成層燃焼領域のうちの低回転側領域では、吸気行程に燃料が一括噴射されかつ排気還流（ＥＧＲ）が行われる空燃比１５以下の均一燃焼を行い、λが１．３以上の成層燃焼領域のうちの高回転側領域では、吸気行程に燃料を分割して噴射しかつ排気還流（ＥＧＲ）を行う空燃比１５以下の均一燃焼を行う。
このような構成によれば、成層燃焼領域の中の低回転側領域においても、ＮＯｘ触媒の三元機能による排気ガス浄化と、燃費抑制の両立が図られる。
本発明の好ましい形態によれば、加速時に、エンジンの負荷及び回転数によって定められるエンジン運転状態が、前記成層燃焼領域のうちの高回転側領域にあるときには、吸気分割噴射および排気ガス還流（ＥＧＲ）を行う空燃比１５以下の均一燃焼を行うように構成されている。
このような構成によれば、エンジンからのＮＯｘ排出が比較的多くなる加速時に、ＮＯｘ触媒の三元機能によりＮＯｘを十分に低減しつつ、加速性が確保される。
本発明の好ましい形態によれば、前記成層燃焼領域のうちの高回転側領域で行われる前記吸気分割噴射による空燃比１５以下の均一燃焼におけるＥＧＲ率は、３０パーセント以上であるように構成されている。
このような構成によれば、燃料を吸気行程で分割して噴射することにより、高い率のＥＧＲが可能となるため、この高い率のＥＧＲにより排気ガス温度が低下し、ＮＯｘ触媒の温度を、ＮＯｘを効率良く浄化できる温度範囲に下げることが可能となる。
【００２２】
本発明の好ましい形態によれば、エンジン冷機時には、前記低負荷・低回転時でも、空燃比１５以下の均一燃焼とし、さらに、前記ＮＯｘ触媒の上流側に三元触媒が配置されている構成とされている。
このような構成によれば、エンジンの冷機時には、低負荷・低回転でも、空燃比１５以下の均一燃焼としているので、排気ガス温度が高くなり、触媒の温度が速やかに上昇する。また、ＮＯｘ触媒の上流側に三元触媒が配置されているので、この三元触媒の温度が上昇しやすくなる。
本発明の好ましい形態では、運転状態にかかわらず、前記三元触媒の温度状態が高温状態のときには、吸気分割噴射および排気還流（ＥＧＲ）を行う空燃比１５以下の均一燃焼を行うように構成されている。
このような構成によれば、三元触媒が耐熱温度限界に達しにくくなるので、三元触媒をよりエンジンに近く配置できる。このため、冷機時の三元触媒の昇温が速やかに行われ、冷間のエミッションが改善される。
本発明の好ましい形態では、燃料が吸気分割噴射される均一燃焼領域と、前記成層燃焼領域との双方で排気ガス還流（ＥＧＲ）を行うように構成されている。
このような構成によれば、幅広い運転域で、エンジンからのＮＯｘ排出量低減と、燃費の向上が図られる。
【００２３】
本願の他の発明によれば、
空気過剰率λが１より大きいリーン領域で排気ガス中のＮＯｘを低減するＮＯｘ触媒が排気マニホールドから離間した排気通路に配置され、低負荷・低回転域をリーン状態の成層燃焼領域とし、中・高回転領域を空燃比１５以下の均一燃焼領域とする火花点火式直噴エンジンの制御装置において、
前記エンジンは、気筒列が車軸方向に並ぶように搭載され、前記気筒列の方向に延びる一対のエンジン側壁のうち、車両前方側のエンジン側壁に排気ポート開口部が設けられ、前記排気マニホールドに連結される排気管がエンジン下方を通してエンジンの車両後方側に延びるとともに、前記ＮＯｘ触媒が、前記排気管の前記エンジンの下方より下流側部分に配置され、前記排気マニホールドから前記エンジン下方にかけての間であり且つ前記ＮＯｘ触媒の上流側に位置する排気管が、断熱空間を備えた二重排気管とされ、
前記成層燃焼領域のλを１．３以上とし、
前記空燃比１５以下の均一燃焼領域である中・高回転領域のうち、前記成層燃焼領域に隣接する低負荷領域の燃料噴射形態を、吸気行程の前期から中期にかけての期間内のみ、燃料が分割して噴射される吸気分割噴射とした、
ことを特徴とする火花点火式直噴エンジンの制御装置が提供される。
【００２４】
このような構成によれば、二重排気管により、排気ガスからの放熱が抑制され、エンジン始動直後の、車両停止時または定速走行時における、触媒の昇温が速やかに行われる。また、排気ガス温度が比較的低いλが１．３以上の成層燃焼領域においても、ＮＯｘ触媒に流れ込む排気ガスの温度が、ＮＯｘ触媒の温度がＮＯｘ浄化（ＮＯｘ吸着を含む）が効率良く行われる温度範囲内になる程度に維持される。さらに、エンジン中・高回転領域では、空燃比１５以下の均一燃焼領域であり、部分負荷領域にあるとき燃料噴射形態が、吸気行程の前期から中期にかけて噴射がそれぞれ開始される吸気分割噴射とされているので、この領域では、このような吸気分割噴射と、走行風によって、排気ガス温が低くなり、中・高回転・部分負荷領域で、ＮＯｘ触媒の温度をリーン領域でＮＯｘ浄化（ＮＯｘ吸着を含む）が効率良く行われる温度範囲内に維持できる。このため、ＮＯｘ触媒を、広い運転域で、ＮＯｘ浄化率の高い状態に維持することができ、エミッションが良好になる。
【００２５】
この発明の好ましい形態によれば、エンジン冷機時には、前記低負荷・低回転時でも、空燃比１５以下の均一燃焼とし、さらに、前記ＮＯｘ触媒の上流側に三元触媒が配置されている構成とされている。
このような構成によれば、三元触媒は、エンジンの前方側に配置されることになり、走行風によって、冷却されるので、過熱が抑制されるとともに、排気マニホールドへの直付けが可能となり、冷間始動直後の速やかな昇温が可能となり、冷間エミッションが改善される。
この発明の好ましい形態によれば、運転状態にかかわらず、前記三元触媒の温度状態が高温状態のときには、吸気行程に燃料を分割して噴射しかつ排気還流（ＥＧＲ）を行う空燃比１５以下の均一燃焼を行うように構成されている。
このような構成によれば、空燃比１５以下の均一燃焼による三元触媒の反応によって、三元触媒の下流の排気ガス温度は上昇し、ＮＯｘ触媒の温度も上昇する傾向にあるが、燃料の分割噴射およびＥＧＲによって、ＮＯｘ触媒の温度が、リーン領域でのＮＯｘ浄化率が高い温度範囲以上に高くなることを抑制し、速やかに希薄燃焼の運転形態に移行できる。
この発明の好ましい形態によれば、前記吸気分割噴射を行う領域のエンジン回転数の上限値Ｎ３をエンジンの定格回転数の２／４〜３／４の範囲とし、成層燃焼領域のエンジン回転数の上限値Ｎ２から前記Ｎ３までのエンジン回転領域では、車両が高速ギア段で平坦路を定速走行するときの駆動負荷を示すロード・ロードラインを含む低負荷領域から、全負荷を除く高負荷領域までの負荷範囲で、燃料噴射形態を前記吸気分割噴射とし、空気過剰率λを略１とし、かつ、前記ロード・ロードラインを含む低負荷領域におけるＥＧＲ率を１０パーセント以上とするように構成されている。
【００２６】
このような構成によれば、運転頻度が高く且つ触媒の温度が高くなり易いエンジン運転領域（高速ギア段で一定速度の高速走行をするエンジン運転領域）で、吸気分割噴射としているので、１０パーセント以上という高い割合のＥＧＲが可能となる。そして、吸気分割噴射と高い割合のＥＧＲの相乗効果で、排気ガス温度が下がり（排気ガス温度の上昇が抑制され）、ＮＯｘ触媒をＮＯｘ浄化率が高い温度範囲に維持することが可能となる。さらに、吸気分割噴射を行う領域のエンジン回転数の上限値Ｎ３をエンジンの定格回転数の２／４〜３／４の範囲としているので、分割噴射の噴射間隔の設定の自由度が大きくなる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係る筒内噴射式エンジンの制御装置Ａの全体構成を示す概略図である。制御装置Ａによって制御されるエンジン１は、例えば車両に搭載された直列４気筒エンジンである。このエンジン１は第１〜第４までの４つの気筒２，２，…（１つのみ図示する）を有し、各気筒２内にピストン３が往復動可能に嵌挿されていて、そのピストン３により気筒２内に燃焼室４が区画されている。この燃焼室４の上壁における気筒軸心上の位置には、点火回路５に接続された点火プラグ６が燃焼室４に臨むように取り付けられている。また、前記燃焼室４の側壁部には、移動するピストン３と干渉しない位置に、燃焼室４に燃料を直接噴射するようにインジェクタ（燃料噴射弁）７が取り付けられている。
【００２８】
前記インジェクタ７には、詳しくは後述するが、高圧燃料ポンプ７１やプレッシャレギュレータ７２，７３等を有する燃料供給回路７０が接続されており、この燃料供給回路７０によって、燃料タンク７４からの燃料を適正な圧力に調整しながら、インジェクタ７に供給するように構成されている。また、その燃料圧力を検出する燃圧センサ８が設けられている。そして、前記インジェクタ７により燃料が気筒２の圧縮行程後期に噴射されると、その燃料噴霧はピストン３の頂面に凹設したキャビティ（図示せず）にトラップされて、前記点火プラグ６近傍に比較的濃い混合気の層を形成する。一方、前記インジェクタ７により燃料が気筒２の吸気行程で噴射されると、その燃料噴霧は燃焼室４に拡散して吸気（空気）と混合され、燃焼室４に均一な混合気を形成する。
【００２９】
前記燃焼室４は、図示しない吸気ポートにより吸気弁９を介して吸気通路１０に連通されている。この吸気通路１０は、前記燃焼室４に対しエアクリーナ１１で濾過した吸気を供給するものであり、上流側から下流側に向かって順に、エンジン１に吸入される吸入空気量を検出する感熱式エアフローセンサ１２と、吸気通路１０を絞る電気式スロットル弁１と、サージタンク１４とが配設されている。前記電気式スロットル弁１３は、図外のアクセルペダルに対し機械的には連結されておらず、モータ１５により駆動されて開閉するようになっている。また、スロットル弁１３の開度を検出するスロットル開度センサ１６と、サージタンク１４内の吸気負圧を検出する吸気負圧センサ１７とがそれぞれ設けられている。前記サージタンク１４よりも下流側の吸気通路１０は、気筒２毎に分岐する独立通路１０ａとされていて、その各独立通路１０ａの下流端部がさらに２つに分岐してそれぞれ吸気ポートに連通しており、その分岐路のうちの一方にスワール制御弁１８が設けられている。このスワール制御弁１８はアクチュエータ１９により駆動されて開閉するものであり、スワール制御弁１８が開弁すると、吸気は他方の分岐路のみから燃焼室４に供給されて、強い吸気スワールを生成する一方、スワール制御弁１８が開くに連れて吸気スワールは弱められるようになっている。また、そのスワール制御弁１８の開度を検出するスワール制御弁開度センサ２０が設けられている。
【００３０】
燃焼室４から燃焼ガスを排出する排気通路２２が設けられ、排気通路２２の上流端は気筒２毎に分岐して排気マニホールド２２ａを形成し、これらの排気マニホールド２２ａが図示しない排気ポートにより排気弁２３を介して各燃焼室４に連通されている。この排気通路２２には上流側から下流側に向かって順に、排気中の酸素濃度を検出するＯ2センサ２４と、排気を浄化する触媒２５とが配設されている。前記Ｏ2センサ２４は、排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出するために用いられるもので、空燃比が理論空燃比のときを境に出力が急変する特性を有する。
【００３１】
また、前記触媒２５は、軸方向（排気の流れ方向）に沿って互いに平行に延びる多数の貫通孔が開口するハニカム構造のコージェライト製担体（図示せず）を有し、その各貫通孔壁面に触媒層を形成したものである。この触媒２５には、空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン状態でＮＯｘを吸着する一方、空燃比が理論空燃比近傍又はこれよりも小さいリッチ状態になると、吸着したＮＯｘを放出しかつ還元浄化するＮＯｘ吸着還元タイプのリーンＮＯｘ触媒が用いられている。このようなＮＯｘ吸着還元性能を有する触媒は、そのＮＯｘ浄化性能が温度状態に強く依存するという特性を有することが知られており、触媒のＮＯｘ浄化率は、所定温度範囲（例えば２５０〜４００℃）で極めて高くなる一方、それ以上の高温状態では温度上昇に伴い急速に低下する。
【００３２】
さらに、前記Ｏ2センサ２４よりも上流側の排気通路２０にはＥＧＲ通路２６の上流端が分岐接続され、このＥＧＲ通路２６の下流端は前記スロットル弁１３とサージタンク１４との間の吸気通路１０に接続されていて、排気の一部を吸気系に還流させるようになっている。このＥＧＲ通路２６の下流端寄りには開度調整可能な電気式のＥＧＲ弁２７が配設されており、ＥＧＲ通路２６による排気の還流量（以下ＥＧＲ量という）を調整するようになっている。また、そのＥＧＲ弁２７のリフト量を検出するリフトセンサ２８が設けられている。
【００３３】
前記燃料供給回路７０は、インジェクタ７と燃料タンク７４とを接続する燃料通路７５を有し、燃料タンク７４内に配置した低圧燃料ポンプ７６により燃料を汲み上げて、インジェクタ７に供給するものである。前記燃料通路７５の途中には上流側から順に、低圧プレッシャレギュレータ７２、燃料フィルタ７７、及び高圧供給ポンプ７１が配設されており、低圧燃料ポンプ７６から吐出された燃料は低圧プレッシャレギュレータ７２によって調圧されて後、高圧燃料ポンプ７１によってさらに増圧され、その高圧燃料がインジェクタ７へ供給される。
【００３４】
また、前記インジェクタ７へ供給された燃料の余剰分はリターン通路７８により、低圧プレッシャレギュレータ７２及び燃料フィルタ７７間の燃料通路７５に戻される。このリターン通路７８の途中には高圧プレッシャレギュレータ７３が配設されており、余剰の燃料が高圧プレッシャレギュレータ７３によって流量調整されながら高圧燃料ポンプ７１の上流側にリターンされることで、インジェクタ７に供給される燃料の圧力が適正に調整されるようになっている。
【００３５】
さらに、前記燃料タンク７４内の蒸発燃料を回収してエンジン１の吸気系に供給するリニアパージ装置（蒸発燃料供給手段）８０が設けられている。このリニアパージ装置８０は、蒸発燃料を吸着するキャニスタ８１と、このキャニスタ８１に燃料タンク７４からの蒸発燃料を導く導入通路８２と、前記キャニスタ８１及び吸気通路１０を連通するパージ通路８３とを備えている。
【００３６】
前記パージ通路８３は、前記キャニスタ８１に吸着されている蒸発燃料を吸気負圧により吸い出して、スロットル弁１３とサージタンク１４との間の吸気通路１０に供給するものであり、その途中にはデューティソレノイド弁からなるパージ弁８４が設けられている。そして、そのパージ弁８４の開度のデューティ制御によって、吸気通路１０への蒸発燃料量の供給量（パージ量）が連続的に調整されるようになっている。
【００３７】
前記点火プラグ６の点火回路５、インジェクタ７、電気式スロットル弁１３の駆動モータ１５、スワール制御弁１８のアクチュエータ１９、電気式ＥＧＲ弁２７、パージ弁８４等はコントロールユニット４０（以下、ＥＣＵという）によって作動制御されるようになっている。一方、このＥＣＵ４０には、前記エアフローセンサ１２、スロットル開度センサ１６、吸気負圧センサ１７、スワール制御弁開度センサ２０、Ｏ2センサ２４、ＥＧＲ弁２７のリフトセンサ２８等の各出力信号が入力されており、加えて、エンジン１の冷却水温度（エンジン水温）を検出する水温センサ（温度状態検出手段）３０、吸気温度を検出する吸気温センサ３１、大気圧を検出する大気圧センサ３２、エンジン回転数を検出する回転数センサ３３、及びアクセルペダルの開度（踏込み量）を検出するアクセル開度センサ３４の各出力信号が入力されている。
【００３８】
次に、図２および図３を参照して、エンジン１等と車両の位置関係を説明する。図２は、エンジン１を搭載した車両の前部分を車幅方向からみた概略的な図面であり、図３は、車両に搭載されたエンジン１を後方即ち運転席方向からみた概略的な図面である。図２および図３に示されているように、エンジン１は、その気筒列が車軸（車幅）方向に並ぶように、ミッションＭに隣接し且つラジエタ８９の後方に位置するようにして、車両のボンネットＢ下に形成されたエンジンルームＲ内に配置されている。エンジン１の側壁に形成された排気ポート開口９０は、車両後方側に位置している。排気ポート開口９０に接続された排気マニホールド２２ａは、エンジン１の後方側を下方に向かって延び、互いに連結されて排気管２２となっている。排気管２２は、エンジン１の後方側をエンジン１の後壁と略平行に下方に向かって延び、エンジン１の下端とほぼ同じ高さ位置で、車両後方側に向かって折れ曲がり、車両後方に向かって延びている。排気管２２の下流端は、フレキシブルジョイント９２を介して、フロアパネルＰの下方に配置された触媒（ＮＯｘ触媒）２５に連結されている。即ち、この実施形態では、排気ポート９０に排気マニホールド２２ａを介して連結されている排気管２２および触媒（ＮＯｘ触媒）２５は、エンジン１の本体の車両後方側に配置され、これらは走行風により熱が奪われにくい断熱配置とされている。
【００３９】
この実施形態に係るエンジンの制御装置Ａは、インジェクタ７による燃料噴射の形態（燃料噴射時期及び空燃比等）を切替えることにより、エンジン１を異なる燃焼状態で運転する、即ち、エンジン１の燃焼モード（運転モード）を切替える燃焼モード制御手段をＥＣＵ４０に備えている。
【００４０】
この燃焼モード制御手段には、エンジン１を、空燃比が理論空燃比より大きいリーン状態で運転しまたは理論空燃比以下のリッチ状態で運転するか、燃料の噴射をどの行程のどの時点で噴射するか、燃料の噴射は一括か分割か、排気還流を行うか否かなどのエンジン制御するデータが、エンジン回転数およびエンジン負荷に応じた複数の制御マップとして予め設定されており、エンジン制御装置は、この制御マップにより、エンジンの運転状態を切り替えるように構成されている。
【００４１】
具体的には、エンジン１が暖機後の基本制御モードにあるときには、図４Ａに示されているように、低負荷・低回転側の運転領域が、空気過剰率λが１．３以上の成層希薄燃焼領域Ｉ（Ｉ'を含む）とされ、燃料が圧縮行程で一括噴射され噴射モードとされる。
また、成層希薄燃焼領域Ｉ（Ｉ’）に高負荷ないし高回転側で隣接する運転領域II、III、IVは、λが１（または略１）即ち空燃比15以下の均一燃焼領域とされ、均一燃焼領域より高負荷・高回転側の領域は、エンリッチ領域Ｖとされている。この均一燃焼領域のうち、エンジン回転数がＮ1（例えば１２００ｒｐｍ）未満の低回転領域IIと、エンジン回転数がエンジン１の定格回転数の２／４〜３／４の範囲の値であるＮ3（例えば３５００ｒｐｍ）以上の高回転領域および成層希薄燃焼領域Ｉの上限エンジン回転数Ｎ２（例えば２２５０ｒｐｍ）からＮ3まで運転領域のうちの低負荷領域からなる領域IVでは、吸気行程で燃料を一括噴射する吸気一括噴射が行われる。さらに、均一燃焼領域のうちのII、IV以外の領域IIIすなわちエンジン回転数がＮ１からＮ３の範囲で全負荷領域と負荷が極めて低い領域とを除く領域IIIでは、燃料が吸気行程の前期から中期にかけて2分割で噴射される吸気分割噴射が行われる。この吸気分割噴射としては、例えば、吸気行程のクランク角が３０度および８０度付近で、それぞれ、燃料を２分割して噴射する噴射形態が好ましい。
【００４２】
図４Ａから明らかなように、更に、領域Ｉ（Ｉ'を含む）と、領域IIおよびIIIのうちの領域Ｉに隣接する領域II’およびIII’すなわち領域IIおよびIIIのうちの高負荷側の領域を除く領域とでは、ＥＧＲが実行されるように構成されている。
図４Ａに一点鎖線で示されるトランスミッションの高速段でのロード・ロードライン（車両が高速ギア段で略平坦な路面を、例えば時速１００キロメートル程度の高速で定速走行するときの駆動負荷を示すライン）は、エンジン回転数がＮ２からＮ３の間の範囲では、領域III'に入る。したがって、この実施形態では、エンジン回転数Ｎ２ないしＮ３の範囲で、車両が略平坦な路面を高速で定速走行するときには、エンジン１は、燃料が吸気分割噴射され且つＥＧＲが行われる均一燃焼で運転されることになる。また、領域III’内のロード・ロードライン近傍領域でのＥＧＲ率は、１０パーセント以上に設定され、吸気分割噴射と高い割合のＥＧＲの相乗効果で、この近傍領域での排気ガス温度の上昇は、抑制されている。さらに、領域III'でのEGR率は、領域II'のEGR率より高くなるように制御される。
また、エンジン冷間時には、図４Ｂに示されているように、高回転または高負荷領域のエンリッチ領域を除き、λを１（または略1）とした均一燃焼領域とされている。
【００４３】
さらに、暖機後であっても、加速時または触媒の温度状態が高温状態である過渡期には、図４Cに示される噴射モードとなる。この噴射モードは、基本的には、図４Ａの噴射モードと同一であるが、基本噴射モードの成層希薄燃焼領域のうちの高負荷・高回転側の領域では、燃料が吸気行程で２分割して噴射され、基本噴射モードにおける他の成層希薄燃焼領域では、燃料が吸気行程で一括噴射され噴射モードとされて、成層リ−ン燃焼領域がない点で、基本モードと相違する。すなわち、加速時のエンジンからのＮＯｘ排出量の増大を抑制するために成層リーン燃焼を中止して、また、触媒の過熱によりリーン領域でのＮＯｘ低減率が低下している高温状態でも成層リーン燃焼を中止して、それぞれ、ＮＯｘ触媒が三元機能を果たせる空燃比１５以下の均一燃焼としている。詳細には、図４Ｃに示されているように、基本モード（図４Ａ）の成層燃焼領域の高回転側の部分が、吸気分割噴射の均一燃焼領域VIの一部とされている。そして、この成層燃焼領域の高負荷・高回転側の部分での、EGR率は、３０パーセント以上となるように制御される。このように、エンジン回転数がＮ１からＮ３の範囲で全負荷領域と負荷が極めて低い領域を除く領域VIIは、基本的には、燃料が吸気行程の前期から中期にかけて2分割で噴射される吸気分割噴射による均一燃焼領域とされている。しかしながら、回転数N１未満の領域では、燃料噴射時期は、吸気行程中の前期から中期に限られず、吸気行程中のいずれかの時期に、一括して噴射されるように構成されているのが好ましい。そして、エンリッチ領域を除く他の領域が、一括噴射による均一燃焼領域VIIIとされている。
【００４４】
次に、ＥＣＵ４０が行う燃料噴射の具体的な制御を図５のフローチャートに沿って説明する。
図５に示されているように、スタート後のステップＳ１において、アクセル開度、エンジン回転数、大気圧力、排気中のＯ２濃度、吸入空気量、水温、吸気温、スロットル開度、ＥＧＲ弁開度などを読み込む。次に、ステップＳ２において、目標エンジン負荷を算出する。すなわち、アクセル開度およびエンジン回転数から成層燃焼領域の目標負荷である図示平均有功圧力（Ｐｉ）を、エンジン回転数、吸気温度および大気圧力（即ち吸入空気量）から均一燃焼領域の目標エンジン負荷である吸気充填効率（ｃｅ）を算出する。次に、ステップＳ３で、エンジンが冷間状態であるか否を判定すべく、水温が所定温度ＷＴ１以上であるか否かが判定される。ＷＴ１としては、例えば摂氏４５度から６０度の間の温度が選択される。Ｓ３でＮＯ即ち水温がＷＴ１未満であると判定されたときには、エンジンが冷間であるので、ステップＳ４に進み、ＥＧＲを伴わない吸気一括噴射の均一燃焼モードが選択される。
【００４５】
ステップＳ３でＹＥＳ即ち水温がＷＴ１以上と判定されたときには、ステップＳ５に進み、成層燃焼を行う領域であるか否か即ちエンジン回転数がＮ２未満の低負荷領域にあるか否かが判定される。ステップＳ５でＮＯすなわち均一燃焼を行う領域にあると判定されたときには、ステップＳ６に進み、燃料噴射を吸気分割で行う領域であるか否か、即ち、エンジン回転数がＮ１からＮ３の間であり且つ負荷が全負荷領域および極め負荷の低い領域を除く部分負荷領域であるか否かが判定される。ステップＳ６でＮＯ即ち吸気分割噴射を行う領域ではないと判定されたときには、ステップＳ７に進み、エンジン回転数が所定回転数Ｎ１以下であるか否かが判定される。ステップＳ７でＮＯ即ちエンジン回転数がＮ１より高いと判定されたときには、ステップＳ８に進み、吸気一括噴射による均一燃焼モードが選択される。
【００４６】
ステップＳ７でＹＥＳ即ちエンジン回転数がＮ１以下であると判定されたときには、ステップＳ９に進み、ＮＯｘ触媒２５の温度が所定温度ＣＴ２以下であるか否かが判定される。ここで、所定温度ＣＴ２としては、例えば、ＮＯｘ触媒２５の活性温度範囲の上限付近の摂氏４５０度から５００度の温度が選択される。ステップＳ９でＹＥＳ即ちＮＯｘ触媒２５の温度がＣＴ２以下であると判定されたときには、ステップＳ８に進み、吸気一括噴射による均一燃焼モードが選択される。一方、ステップＳ９でＮＯ即ちＮＯｘ触媒２５の温度がＣＴ２より高いと判定されたときには、排気ガスの温度を下げて、触媒２５の過熱を抑制すべく、ステップＳ１０に進み、吸気分割噴射による均一燃焼モードが選択される。また、ステップＳ６でＹＥＳ即ち吸気分割噴射を行う領域であると判定された場合にも、ステップＳ１０に進み、吸気分割噴射による均一燃焼モードが選択される。
【００４７】
また、ステップＳ５でＹＥＳ即ち成層燃焼を行う領域である判定された時には、ステップＳ１１に進み加速状態であるか否かが判定される。ステップＳ１１でＹＥＳ即ち成層燃焼を行う領域での加速状態であると判定されたときには、ステップＳ１２に進み、エンジン回転数が所定回転数Ｎ１以上であるが否かを判定される。ステップＳ１２で、ＮＯ即ちエンジン回転数がＮ１未満であると判定されたときには、ステップＳ８に進み、吸気一括噴射による均一燃焼モードが選択される。一方、ステップＳ１２で、ＹＥＳ即ちエンジン回転数がＮ１以上であると判定されたときには、ステップＳ１０に進み、吸気分割噴射による均一燃焼モードが選択される。
【００４８】
また、ステップＳ１１でＮＯ即ち加速状態ではないと判定されたときには、ステップＳ１３に進み、ＮＯｘ触媒２５の温度が所定温度ＣＴ１以下であるか否かが判定される。ここで、所定温度ＣＴ１としては、例えば、ＮＯｘ触媒２５の活性温度範囲の上限付近の摂氏４００度から４５０度の温度が選択される。
ステップＳ１３でＮＯ即ちＮＯｘ触媒２５の温度がＣＴ２より高いと判定されたときには、ステップＳ１２に進み、エンジン回転数により、ステップＳ８またはステップＳ１０のいずれか進む。ステップＳ１３でＹＥＳ即ちＮＯｘ触媒２５の温度がＣＴ２以下であると判定されたときには、ステップＳ１４に進み、燃料を圧縮行程で分割して噴射する領域であるか否かが判定され、ＹＥＳ即ち圧縮分割する領域であると判定されたときには、ステップＳ１５に進み、圧縮行程での分割噴射による成層燃焼モードが選択され、ＮＯ即ち圧縮分割する領域ではない判定されたときには、ステップＳ１６に進み、圧縮行程での一括噴射による成層燃焼モードが選択される。
【００４９】
ステップＳ４、Ｓ８、Ｓ１０、Ｓ１５およびＳ１６で各燃焼モードが選択されると、ステップＳ１７に進み、各噴射モード毎に、各制御マップから燃料噴射量、噴射時期、点火時期、スロットル開度、ＥＧＲ弁開度が算出される。詳細には、ＥＣＵ４０は、図６に示されているようなエンジン制御マップを備えている。まず、目標エンジン負荷とエンジン回転数に対応して設定された目標空燃比マップから、スロットル開度と燃料噴射量とが算出される。ここで、スロットル開度と燃料噴射量毎に、空燃比マップを備えていると精度がより向上する。更に、目標負荷とエンジン回転数（ただし、均一燃焼領域では、実負荷とエンジン回転数）に対応して設定されたEＧＲマップ、噴射タイミングマップ、および点火時期マップから、ＥＧＲ率、噴射タイミング、および点火タイミングが、それぞれ、算出される。さらに、ＥＧＲ率から、その運転状態におけるＥＧＲ弁開度が算出される。この結果、図４Ａ、Ｂ、Ｃに示されている噴射モードに対応する噴射状態などが決定される。
【００５０】
次いで、ステップＳ１８でスロットル弁が、ステップＳ１９で噴射弁が、更に、ステップＳ２０で燃料噴射弁がそれぞれ駆動され、ステップＳ２１で点火が実行される。さらに、ステップＳ２２で、エンジン回転数、吸気温度、燃料噴射量などの運転状態から、触媒２５の温度が推定され、リターンする。この推定された触媒温度が、次回のステップＳ９およびステップＳ１３で使用される。なお、エンジン始動直後の触媒温度は、エンジンを停止してからの経過時間、水温などから推定するのが好ましい。
【００５１】
図７および図８は、エンジン１の特性を示す図面であり、図７は、高速走行時のエンジン特性を、図８は最大ＥＧＲ率付近のエンジン特性をそれぞれ示している。これらの図から明らかなように、分割噴射（吸気分割噴射）の方が、一括噴射に比べて、高い割合のＥＧＲが可能となり、同じ率のＥＧＲで比較したとき、燃費率および排気ガス温度の両者とも分割噴射の方が低い値となっている。したがって、吸気分割噴射が高率のＥＧＲを可能とし、更に分割噴射自身の排ガス温低減効果との相乗効果で排ガス温度を図中に矢印で示す量だけ低下させ、冷間時のエンジン始動直後あるいは成層リーン燃焼などに有効な排気通路の構成又は配置を可能とすることがわかる。
ここでは、図示平均有効圧力（Pi）の変動率、つまり、同一気筒（自気筒）の（Pi変動幅／Pi平均値）が５パーセントの点を燃焼安定限界としている。また、セット点とは、エンジンの外部環境、個体差を考慮して燃焼安定限界からのマージンをとった点であり、Pi変動率が３から３．５パーセントの点である。
図９は、上記第１の実施形態の変形例を示す図２と同様の図面である。この変形例は、基本的構成は上記第１の実施形態と同一であるが、変形例は、排気マニホールド２２ａとフレキシブルジョイント９２とを連結する排気管が断熱空間を備えた二重構造の排気管１２２である点で上記第１の実施形態と異なる。
【００５２】
図１０および図１１は、排気管１２２の、排気マニホールド２２ａに接続される上流端部と、フレキシブルジョイント９２に接続される下流端部とを、それぞれ、示す断面図である。図１０から明らかなように、排気管１２２は、大径のパイプである外管１２３と小径のパイプである内管１２４とが間に環状の断熱空間１２５を形成するように重ねて配置されている。図１０に示されているように、排気管１２２の上流側の端部では、外管１２３は、その内径が内管１２４の外径と略等しくなるように縮径して、内管１２４と直接重なっている。さらに、両方の管１２３、１２４の端部が整列して接続用フランジ１２６に差し込まれ、外管１２３と内管１２４の上流側端部分は、このフンラジ１２６近傍で溶接されてる。又、図１１に示されているように、排気管１２２の下流端側では、外管１２３のみが接続用フランジ１２７に接続され、内管１２４の下流端は、外管１２３の下流端より上流側に位置している。内管１２４の下流端部分は、熱による内管１２４の軸線方向の伸縮を許容するように、断熱空間１２４と略同じ厚さの環状の耐熱マット１２８を介して外管１２３に対して位置決めされている。
以上のように構成された変形例では、上記第１の実施形態と同様の制御が行われるが、排気管１２２が二重構造を備えた断熱域構造であるため、中を通る排気ガスは、この部分で熱を奪われにくい。したがって、冷間始動後に触媒２５を速やか昇温させること、および、成層リーン燃焼時に触媒２５の温度を所定温度以上に維持することが容易になる。
【００５３】
次に、図１２を参照して、本発明の第２の実施形態を説明する。図１２は、第２の実施形態を示す図２と同様の図面である。
図１２から明らかなように、第２の実施形態は、基本的構成は上記第１の実施形態と同一であるが、第２の実施形態は、排気マニホールド２２ａと排気管22との間に三元触媒200が配置されている点で上記第１の実施形態と異なる。したがって、図１２では、第1の実施形態と同じ構成要素は、図2と同じ参照番号を付す。
更に、図１３および図１４を参照して、本発明の第３の実施形態を説明する。図１３は、第３の実施形態を示す図２と同様の図面であり、図１４は、図１３のエンジンを車両の前方側からみた概略的な図面である。
図１３および図１４から明らかなように、第３の実施形態は、基本的構成は上記第２の実施形態と同一であるが、第３の実施形態は、排気ポートが車両の前方側に位置するようにエンジンが車両に搭載され、さらに、三元触媒の下流側の排気管が第1の実施形態の変形例と同様の二重構造となっている点でのみ上記第２の実施形態と異なる。したがって、図１３では、他の実施形態と同じ構成要素は、図２などと同じ参照番号を付す。
【００５４】
図１３および図１４に示されているように、エンジン３００は、その気筒列が車軸（車幅）方向に並ぶように、ミッションＭに隣接し且つラジエタ８９の後方に位置するようにして、車両のボンネットＢ下に形成されたエンジンルームＲ内に配置されている。エンジン３００の側壁に形成された排気ポート開口３９０は、車両後方側に位置している。排気ポート開口３９０に接続された排気マニホールド３２２ａは、エンジン１の前方側を下方に向かって延び、三元触媒200の部分で互いに連結されて二重構造の排気管３２２となっている。排気管３２２は、エンジン３００の前方側をエンジン３００の前壁と略平行に下方に向かって延び、エンジン３００の下端より下方の高さ位置で、車両後方側に向かって折れ曲がり、エンジン300の下方を通り車両後方に向かって延びている。排気管３２２の下流端は、フレキシブルジョイント９２を介して、フロアパネルＰの下方に配置された触媒（ＮＯｘ触媒）２５に連結されている。したがって、この実施形態では、ＮＯｘ触媒がエンジン３００の下方より、排気管３２２の下流側部分に配置されている。
【００５５】
次に、図15を参照して、これら第２および第3の実施形態のＥＣＵで行われる燃料噴射制御を説明する。図１５は、第２および第３の実施形態で行われる燃料噴射制御を示す図５と同様にフローチャートである。
【００５６】
図１５のフローチャートは、図５のフローチャートと略同一であり、相違点は、第２および第３の実施形態がＮＯｘ触媒の上流側に三元触媒２００を備えているため、ステップＳ３とステップＳ５の間に、三元触媒２００の温度が所定温度ＣＴ３（例えば、摂氏８００度）より高いかを否か判定するステップＳ３０を有し、ステップＳ３０でＹＥＳ即ち三元触媒２００の温度がＣＴ３より高いと判定されたときには、排気ガスの温度を下げるべくステップＳ１０に進み、ＮＯ即ち三元触媒２００の温度がＣＴ３以下である判定されたときには、ステップＳ５に進む点である。
【００５７】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなくて、特許請求の範囲に記載された事項の範囲内で種々の変更、変形が可能である。
【００５８】
【発明の効果】
このような構成を有する本発明によれば、ＮＯｘ触媒を、多くの運転領域において、ＮＯｘ触媒が有効に機能する温度範囲内に維持してエミッションを低減することができる火花点火式直噴エンジンが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態に係る筒内噴射式エンジンの制御装置Ａの概略構成を示す図面である。
【図２】 本発明の第１の実施形態にかかるエンジン１を搭載した車両の前部分を車幅方向からみた概略的な図面である。
【図３】 図２のエンジン１を後方即ち運転席方向からみた概略的な図面である。
【図４Ａ】 エンジン暖機後の燃料噴射モードを示す図面である。
【図４Ｂ】 エンジン冷間時の燃料噴射モードを示す図面である。
【図４Ｃ】 エンジン暖機後の過渡期における燃料噴射モードを示す図面である。
【図５】 第1の実施形態で行われる燃料噴射の具体的な制御を示すフローチャートである。
【図６】 第1の実施形態で用いられるエンジン制御マップを示す図面である。
【図７】 高速走行時のエンジン特性を示す図面である。
【図８】 最大ＥＧＲ率付近のエンジン特性を示す図面である。
【図９】 第１の実施形態を示す図２と同様の図面である。
【図１０】 排気管１２２の排気マニホールド２２ａに接続される上流端部を示す断面図である。
【図１１】 フレキシブルジョイント９２に接続される下流端部を示す断面図である。
【図１２】 第２の実施形態を示す図２と同様の図面である。
【図１３】 第３の実施形態を示す図２と同様の図面である。
【図１４】 図１３のエンジンを車両の前方側からみた概略的な図面である。
【図１５】 第２および第3の実施形態で行われる燃料噴射の具体的な制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ エンジン
４ 燃焼室
７ インジェクタ（燃料噴射弁）
２２ 排気通路
２２ａ 排気マニホールド
２５ 触媒（ＮＯｘ）
４０ ECU
Claims (20)
- 空気過剰率λが１より大きいリーン領域で排気ガス中のＮＯｘを低減するＮＯｘ触媒がエンジンの排気通路に配置され、低負荷・低回転域をリーン状態の成層燃焼領域とし、中・高回転領域を空燃比１５以下の均一燃焼領域とする火花点火式直噴エンジンの制御装置において、
前記エンジンの排気ポート開口部及び該排気ポート開口部に連結される排気通路を前記エンジンの本体の車両後方側に配置し、前記ＮＯｘ触媒を前記エンジンの本体の車両後方側に設けた配置とし、
前記成層燃焼領域のλを１．３以上とし、
前記空燃比１５以下の均一燃焼領域である中・高回転領域のうち、前記成層燃焼領域に隣接する低負荷領域の燃料噴射形態を、吸気行程の前期から中期にかけての期間内のみ、燃料が分割して噴射される吸気分割噴射とした、
ことを特徴とする火花点火式直噴エンジンの制御装置。 - 前記エンジンは、気筒列が車軸方向に並ぶように搭載され、前記気筒列の方向に延びる一対のエンジン側壁のうち、車両後方側のエンジン側壁に排気ポート開口部が配置されている、
請求項１に記載の火花点火式直噴エンジンの制御装置。 - 前記エンジンからＮＯｘ触媒に至る排気通路に、断熱空間を備えた二重排気管を配置した、
請求項１または２に記載の火花点火式直噴エンジンの制御装置。 - 前記吸気分割噴射を行う領域で排気還流（ＥＧＲ）を行う、
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の火花点火式直噴エンジンの制御装置。 - 前記吸気分割噴射を行う領域のエンジン回転数の上限値Ｎ３をエンジンの定格回転数の２／４〜３／４の範囲とし、成層燃焼領域のエンジン回転数の上限値Ｎ２から前記Ｎ３までのエンジン回転領域では、車両が高速ギア段で平坦路を定速走行するときの駆動負荷を示すロード・ロードラインを含む低負荷領域から、全負荷を除く高負荷領域までの負荷範囲で、燃料噴射形態を前記吸気分割噴射とし、空気過剰率λを略１とし、かつ、前記ロード・ロードラインを含む低負荷領域におけるＥＧＲ率を１０パーセント以上とする、
請求項１又は４に記載の火花点火式直噴エンジンの制御装置。 - 前記成層燃焼領域より高負荷側の領域では、成層燃焼領域のエンジン回転数の上限値Ｎ２より低い回転数Ｎ１以上のエンジン回転数では燃料噴射形態を前記吸気分割噴射とし、前記Ｎ１未満のエンジン回転数では燃料噴射形態を吸気行程に燃料が一括噴射される吸気一括噴射とする、
請求項１に記載の火花点火式直噴エンジンの制御装置。 - 前記均一燃焼領域では、前記成層燃焼領域に隣接する領域において排気還流（ＥＧＲ）を行い、前記Ｎ１以上の吸気分割噴射時のＥＧＲ率が、前記Ｎ１未満の吸気一括噴射時のＥＧＲ率より大きく設定されている、
請求項６に記載の火花点火式直噴エンジンの制御装置。 - 前記成層燃焼領域では、前記ＮＯｘ触媒の温度が、該ＮＯｘ触媒のＮＯｘ低減率が低下し始める所定温度以上の高温状態に達したとき、吸気行程に燃料を分割して噴射しかつ排気還流（ＥＧＲ）を行う空燃比１５以下の均一燃焼を行う、
請求項１に記載の火花点火式直噴エンジンの制御装置。 - 前記ＮＯｘ触媒の温度が、該ＮＯｘ触媒のＮＯｘ低減率が低下し始める所定温度以上の高温状態にあるときには、空燃比１５以下の均一燃焼領域から、λが１．３以上の予め設定された成層燃焼領域に移行したときにおいても、前記吸気分割噴射とされかつ排気還流（ＥＧＲ）が行われる空燃比１５以下の均一燃焼を行う、
請求項１に記載の火花点火式直噴エンジンの制御装置。 - 前記成層燃焼領域のうちの高回転側領域において、前記ＮＯｘ触媒が前記所定温度以上の高温状態に達したときには、前記吸気分割噴射とされ且つ排気還流 （ＥＧＲ）が行われ、空燃比１５以下で均一燃焼が行われる、
請求項８に記載の火花点火式直噴エンジンの制御装置。 - 前記ＮＯｘ触媒が、該ＮＯｘ触媒のＮＯｘ低減率が低下し始める所定温度以上の高温状態に達したときには、λが１．３以上の成層燃焼領域のうちの低回転側領域では、吸気行程に燃料が一括噴射されかつ排気還流（ＥＧＲ）が行われる空燃比１５以下の均一燃焼を行い、λが１．３以上の成層燃焼領域のうちの高回転側領域では、吸気行程に燃料を分割して噴射しかつ排気還流（ＥＧＲ）を行う空燃比１５以下の均一燃焼を行う、
請求項１に記載の火花点火式直噴エンジンの制御装置。 - 加速時に、エンジンの負荷及び回転数によって定められるエンジン運転状態が、前記成層燃焼領域のうちの高回転側領域にあるときには、前記吸気分割噴射および排気ガス還流（ＥＧＲ）を行う空燃比１５以下の均一燃焼が行われる、
請求項１に記載の火花点火式直噴エンジンの制御装置。 - 前記成層燃焼領域のうちの高回転側領域で行われる前記吸気分割噴射による空燃比１５以下の均一燃焼におけるＥＧＲ率は、３０パーセント以上である、
請求項１０または１２に記載の火花点火式直噴エンジンの制御装置。 - 前記エンジン冷機時には、前記低負荷・低回転時でも、空燃比１５以下の均一燃焼とし、さらに、前記ＮＯｘ触媒の上流側に三元触媒が配置されている、
請求項１に記載の火花点火式直噴エンジンの制御装置。 - 運転状態にかかわらず、前記三元触媒の温度状態が高温状態のときには、前記吸気分割噴射および排気還流（ＥＧＲ）を行う空燃比１５以下の均一燃焼を行う、
請求項１に記載の火花点火式直噴エンジンの制御装置。 - 前記吸気分割噴射による均一燃焼領域と、前記成層燃焼領域との双方で排気ガス還流（ＥＧＲ）を行う、
請求項１に記載の火花点火式直噴エンジンの制御装置。 - 空気過剰率λが１より大きいリーン領域で排気ガス中のＮＯｘを低減するＮＯｘ触媒が排気マニホールドから離間した排気通路に配置され、低負荷・低回転域をリーン状態の成層燃焼領域とし、中・高回転領域を空燃比１５以下の均一燃焼領域とする火花点火式直噴エンジンの制御装置において、
前記エンジンは、気筒列が車軸方向に並ぶように搭載され、前記気筒列の方向に延びる一対のエンジン側壁のうち、車両前方側のエンジン側壁に排気ポート開口部が設けられ、前記排気マニホールドに連結される排気管がエンジン下方を通してエンジンの車両後方側に延びるとともに、前記ＮＯｘ触媒が、前記排気管の前記エンジンの下方より下流側部分に配置され、前記排気マニホールドから前記エンジン下方にかけての間であり且つ前記ＮＯｘ触媒の上流側に位置する排気管が、断熱空間を備えた二重排気管とされ、
前記成層燃焼領域のλを１．３以上とし、
前記空燃比１５以下の均一燃焼領域である中・高回転領域のうち、前記成層燃焼領域に隣接する低負荷領域の燃料噴射形態を、吸気行程の前期から中期にかけての期間内のみ、燃料が分割して噴射される吸気分割噴射とした、
ことを特徴とする火花点火式直噴エンジンの制御装置。 - 前記エンジン冷機時には、前記低負荷・低回転時でも、空燃比１５以下の均一燃焼とし、さらに、前記ＮＯｘ触媒の上流側に三元触媒が配置されている、
請求項１７に記載の火花点火式直噴エンジンの制御装置。 - 運転状態にかかわらず、前記三元触媒の温度状態が高温状態のときには、吸気行程に燃料を分割して噴射しかつ排気還流（ＥＧＲ）を行う空燃比１５以下の均一燃焼を行う、
請求項１８に記載の火花点火式直噴エンジンの制御装置。 - 前記吸気分割噴射を行う領域のエンジン回転数の上限値Ｎ３をエンジンの定格回転数の２／４〜３／４の範囲とし、成層燃焼領域のエンジン回転数の上限値Ｎ２から前記Ｎ３までのエンジン回転領域では、車両が高速ギア段で平坦路を定速走行するときの駆動負荷を示すロード・ロードラインを含む低負荷領域から、全負荷を除く高負荷領域までの負荷範囲で、燃料噴射形態を前記吸気分割噴射とし、空気過剰率λを略１とし、かつ、前記ロード・ロードラインを含む低負荷領域におけるＥＧＲ率を１０パーセント以上とする、
請求項１７に記載の火花点火式直噴エンジンの制御装置。
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