JP4432667B2 - 筒内直接噴射式内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、筒内直接噴射式内燃機関に関し、特に、始動開始から排気浄化触媒が活性化するまでの間における大気中へのＨＣの排出量を抑制しつつ、排気浄化触媒を早期に活性化させる技術に関する。

火花点火燃焼に際して、燃料噴射弁から筒内に燃料を直接噴射し、筒内に成層化した混合気を形成することで大幅な希薄燃焼を行う筒内直接噴射式内燃機関は、特に低・中負荷領域において、大幅に燃料消費が低減できることが知られている。
そして、このような筒内直接噴射式内燃機関に関して、冷機始動からの暖機過程において、排気浄化触媒の活性化の促進を図るべく、いくつかの技術が提案されている。

例えば、特許文献１に記載の技術では、排気昇温が要求されるときに、噴射時期を遅角して燃料と空気との混合時間を少なくし、点火プラグ周りの局所的な空燃比をオーバーリッチとすることで不完全燃焼物であるＣＯを生成させ、この生成したＣＯと燃焼に寄与しなかった筒内の余剰酸素とを主燃焼以降に反応させることにより、排気温度を上昇させるようにしている。

また、特許文献２に記載の技術では、層状燃焼のための主噴射を圧縮行程で行うとともに追加燃料を膨張行程で噴射するようにし、主燃焼（層状燃焼）を緩慢化させて追加燃料噴射直前の前炎反応生成物濃度を高めることにより、追加燃料を主燃焼の火炎伝播によって自己着火燃焼させて、排気温度を上昇させるようにしている。
特開平１０−１６９４８８号公報 特開平１０−２１２９９５号公報

ところで、上記特許文献１に記載の筒内直接噴射式内燃機関は、燃料噴射弁が燃焼室の端（サイド）に設置されており、燃料は燃焼室内に斜めに噴射されてピストンキャビティによって点火プラグ周りへ運ばれる構造となっている。このような構造では、排気浄化触媒の昇温が要求されるとき（例えば、冷機始動から暖機過程）には、暖機時と比較して噴射された燃料があまり気化しないため、壁面に衝突した燃料はそのまま壁面に付着して液膜を形成しやすい。このため、後燃え時の余剰酸素との反応性が高い不完全燃焼物（ＣＯ、Ｈ₂）の比率が減少して反応性の低い未燃ＨＣの割合が増加してしまうと考えられ、大気中へ多くのＨＣを排出するおそれがある。

また、点火プラグ周りの局所的な空燃比をオーバーリッチとすることにより、部分的なリッチ失火が想定され、燃焼安定性が悪化するため、排気温度上昇の重要な因子である点火時期の設定範囲が狭くなってしまう（設定し難い）と考えられる。
点火時期は、排気温度の上昇又は後燃えによるＨＣ低減効果に対して非常に感度を持っており、機関安定度限界の範囲内で最大限遅角させて設定するのが効果的である。すなわち、排気温度上昇の観点から言えば、点火時期は圧縮上死点後、膨張行程初期から中期に設定されることが望ましい。

ここで、特許文献１に記載の筒内直接噴射式内燃機関において、点火時期を膨張行程初期から中期に設定しようとすると、点火プラグ周りの空燃比をオーバーリッチにするためには噴射時期と点火時期を近づけて空気との混合時間を少なくする必要があり、噴射時期は必然的に膨張行程になる。しかし、かかる膨張行程ではピストンが下降していくため、ピストンキャビティへ向けて噴射された燃料が、点火プラグ周りへ十分に運ばれず、失火を招くおそれがあり（図３（ａ）参照）、点火時期を膨張行程初期から中期に設定することが困難である。

一方、特許文献２に記載の筒内直接噴射式内燃機関において、膨張行程に噴射した追加燃料の燃焼は自己着火燃焼であるため、その噴射時期又は主燃焼時の点火時期を厳密に制御する必要がある。さらに、始動直後のように燃焼室温度が低い状況下では、追加燃料の燃え残りが発生し、環境大気中へのＨＣの排出量が増大する可能性がある。
このように、特許文献１、２に記載の筒内直接噴射式内燃機関では、いずれもＨＣ排出量の抑制（特に始動直後）及び排気浄化触媒の早期活性化（排気温度上昇）といった点で更なる改良の余地があった。

本発明は、以上のような点に着目してなされたものであり、筒内直接噴射式内燃機関において、始動開始から排気浄化触媒が活性化するまでの間における環境大気中へのＨＣの排出を最大限に抑制しつつ、排気浄化触媒の早期活性化を促進すること並びに低負荷の成層運転が続いた等の原因により排気浄化触媒の温度が活性温度より低下した際にも直ちに活性化温度へと戻すことを目的とする。

このため、本発明は、燃焼室上部の中央部に設けられ、シリンダ軸線に沿ってピストン冠面中央部へ向かって燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃焼室上部の中央部に上記燃料噴射弁に隣接して設けられ、かつ上記燃料噴射弁からの燃料噴霧の一部が直接到達する位置に配置されてなる点火プラグと、機関の排気通路に介装された排気浄化触媒と、を有し、特定の運転条件時に、膨張行程にて燃料を噴射するとともに、この膨張行程で噴射された燃料噴霧の先端が前記燃焼室の壁面に到達する前に該燃料噴霧に直接点火を行って層状燃焼させることを特徴とする。

本発明に係る筒内直接噴射式内燃機関によると、排気温度上昇の観点から点火時期を圧縮上死点後、膨張行程初期から中期に設定した場合でも、点火時期に点火プラグ周りに混合気が確実に形成されることとなり、膨張行程時に噴射した燃料のほぼ全量を燃焼させることができる。ここで、膨張行程噴射での燃焼最高到達温度は通常の均質又は成層燃焼と比較して低いためＮＯｘの排出が低減され、また、熱発生位置が遅角であるため、未燃ＨＣの後燃えも促進されて排気温度が上昇し、ＨＣの排出を抑制することできる。さらに、燃料噴霧が未燃のまま壁面に到達して液膜を形成することを抑制でき、壁流分のＨＣの排出も合わせて低減できる。

以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図１は、第１実施形態に係る筒内直接噴射式内燃機関（以下、単に「エンジン」という）の概略構成図である。エンジン１は、吸気ポート２及び吸気バルブ３を介して燃焼室４内に新気を導入する。燃焼室４の下部には、往復運動を行うピストン５が設けられており、燃焼室４の上部には、筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁６、燃焼室４内の混合気に火花点火を行う点火プラグ７が設けられている。ここで、点火プラグ７は、燃料噴射弁６からの噴射により形成される燃料噴霧の一部が直接到達する位置に配設されており、燃料噴射弁６は、圧縮行程後半における筒内圧上昇時にも噴霧形状の変化が小さく、指向性の強いホールノズル噴射弁を採用している。

燃焼終了後の排気は、排気バルブ８を介して燃焼室４から排気通路９に排出される。また、排気通路９には排気空燃比を検出する排気空燃比センサ２１が設けられており、その下流には排気浄化触媒１１が設けられている。なお、排気浄化触媒１１には、排気浄化触媒１１の温度を検出する触媒温度センサ２２が設けられている。
吸気バルブ３、排気バルブ８は、それぞれ吸気カム１２、排気カム１３により駆動される。吸気カム軸の端部には燃料ポンプ１４が介装されており、この燃料ポンプ１４で加圧された燃料は高圧燃料配管１５を通して燃料噴射弁６に導かれる。なお、高圧燃料配管１５には（高圧燃料配管１５内を通過する）燃料圧力を検知する燃圧センサ２３が設けられている。

エンジン１は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０により統合的に制御される。このため、ＥＣＵ２０には、上記排気空燃比センサ２１、触媒温度センサ２２、燃圧センサ２３のほか、吸入空気量を検出するエアフローメータ２４、アクセル開度センサ２５、クランク角センサ２６、カム角センサ２７、冷却水温度センサ２８、スタータスイッチ２９等から信号が入力され、ＥＣＵ２０はこれらの信号をもとに燃料噴射弁６、点火プラグ７並びに燃料ポンプ１４等を制御する。

また、燃焼形態としては、主に圧縮行程中に燃料噴射（圧縮行程噴射）を行うことでリーン運転を実現して燃費を向上させる「成層燃焼モード」と、吸気行程中に燃料噴射（吸気行程噴射）を行ってストイキ（理論空燃比）運転を実現する「均質燃焼モード」とが設けられており、エンジン運転状態に応じて燃焼形態（燃料モード）が選択されるようになっている。

図２は、本実施形態（第１実施形態）における燃料噴射量、噴射時期及び点火時期演算の制御フローチャートである。
図２において、Ｓ１では、吸入空気量ＱＭ、エンジン回転速度ＮＥ、アクセル開度ＡＰＯ、燃料圧力Ｐｆ、触媒温度Ｔｃａｔ等のエンジン運転条件を読込む。
Ｓ２では、アクセル開度ＡＰＯから目標トルクＴＴＣを求める。この目標トルクＴＴＣは、例えば図に示すような目標トルクＴＴＣをアクセル開度ＡＰＯに割り付けたテーブルデータを予めＥＣＵ２０に格納しておき、読込んだアクセル開度ＡＰＯに応じてテーブルデータを参照することで求めることが可能である。

Ｓ３では、成層燃焼領域か否か（燃焼形態を成層燃焼とするか均質燃焼とするか）をエンジン運転条件に基づいて判断する。この判断は、エンジン回転速度ＮＥ及びエンジン負荷と燃焼形態との関係を実験により求めて予め記憶させておいたテーブルより読み込む。そして、成層燃焼領域であればＳ４に進み、成層燃焼領域でなければ（すなわち、均質燃料領域であれば）Ｓ１２に進む。なお、基本的には、低負荷領域が成層燃焼領域、高負荷領域が均質燃焼領域と判断される。

Ｓ４では、エンジン回転速度ＮＥ及び目標トルクＴＴＣから目標燃空比ＴＦＢＹＡを求める。この目標燃空比ＴＦＢＹＡは、例えば図に示すような目標燃空比ＴＦＢＹＡをエンジン回転速度ＮＥ及び目標トルクＴＴＣに割り付けたマップデータをＥＣＵ２０に格納しておき、これらの値に応じてマップデータを参照することで求めることができる。なお、目標燃空比ＴＦＢＹＡは目標空気過剰率λの逆数を意味する。

Ｓ５では、現時点の触媒温度Ｔｃａｔが触媒の活性温度ＴｃａｔＨに達しているかを判定する。触媒温度Ｔｃａｔが活性温度ＴｃａｔＨ以上であればＳ６に進み、以下のようにして通常の圧縮行程噴射による成層燃焼を行う（Ｓ６〜Ｓ８）。なお、かかる判定は、換言すれば排気浄化触媒１１を昇温させる必要があるか否かを判定するものであり、Ｔｃａｔ＜ＴｃａｔＨであれば排気浄化触媒１１の昇温が要求されたことになる。

Ｓ６では、例えばエンジン回転速度ＮＥ及び目標トルクＴＴＣに割り付けたマップデータを参照して圧縮行程における最適な噴射開始時期ＩＴｃｏを読込む。なお、ここで使用するマップデータは、負荷と最適な噴射開始時期ＩＴｃｏとの関係を実験等により求め、予め格納したものである。
Ｓ７では、吸入空気量ＱＭとエンジン回転速度ＮＥとから定まる理論空燃比相当の基本燃料噴射量（Ｋ×ＱＭ／ＮＥ；Ｋは定数）と目標燃空比ＴＦＢＹＡとに基づいて、燃料噴射量Ｑｆｃｏが設定される。

Ｓ８では、点火時期ＡＤＶを算出する。ここで、成層燃焼では燃料噴射終了近傍の混合気に点火を行うので、例えば次に示す方法で点火時期ＡＤＶを算出する。
先ず、燃料圧力Ｐｆにて燃料噴射量Ｑｆｃｏを噴射するのに必要な噴射期間のクランク角換算値Ｔｌを求める。この噴射期間（クランク角換算値）Ｔｌは、例えば単位時間あたりの噴射量（噴射率）ｄＱｆを求め、基本噴射量Ｑｆｃｏ及び噴射率ｄＱｆから次式（１）にて求める。なお、噴射率ｄＱｆは、燃料噴射弁６の燃料圧力Ｐｆに対する噴射率特性を予め実験により求めてテーブルデータとしてＥＣＵ２０に格納しておき、読込んだ燃料圧力Ｐｆに応じてテーブルデータを参照することで求めることが可能である（Ｃは単位換算用の定数）。

Ｔｌ＝Ｑｆｃｏ／ｄＱｆ×３６０×ＮＥ／６０×Ｃ・・・（１）
そして、算出した噴射期間Ｔｌ、読込んだ噴射開始時期ＩＴｃｏを用いて、次式（２）にて点火時期ＡＤＶを算出する。
ＡＤＶ＝ＩＴｃｏ＋Ｔｌ−Ｔｄ・・・（２）
ここで、Ｔｄは、噴霧の終端近傍に点火を行え、かつ噴霧先端が燃焼室４壁面に到達する前に点火を行えるように点火時期ＡＤＶを適合するための適合用の係数である。なお、この適合用の係数Ｔｄは、予め実験により最適値を求めてそのデータをＥＣＵ２０のＲＯＭに格納しておき、その都度参照することで求めることが可能である。

一方、Ｓ５において触媒温度Ｔｃａｔが活性温度ＴｃａｔＨを下回っていれば（すなわち、排気浄化触媒１１の昇温が要求されると）Ｓ９に進み、以下のようにして膨張行程にて燃料を噴射する膨張行程噴射による成層燃焼を行う（Ｓ９〜Ｓ１１）。
Ｓ９では、例えばエンジン回転速度ＮＥ及び目標トルクＴＴＣに割り付けたマップデータを参照して膨張行程における最適な噴射開始時期ＩＴｅを読込む。なお、ここで使用するマップデータは、エンジン回転速度ＮＥ及びエンジン負荷と最適な噴射開始時期ＩＴｅｘとの関係を実験等により求め、予め格納したものである。なお、ここで読込まれる（設定される）噴射開始時期ＩＴｅｘは、噴射された供給燃料が比較的トルクとなる割合が高い膨張行程初期〜中期の間に設定される。

Ｓ１０では、膨張行程にて噴射する燃料噴射量Ｑｆｅｘを求める。この燃料噴射量Ｑｆｅｘの算出は上記Ｓ７と概略同様であるが、膨張行程噴射では供給燃料の全量がトルクとならない（一部は「後燃え」に用いられる）ため、その燃焼効率を考慮した燃焼効率係数Ｋｃｏ（＞１）を乗算して最終的な燃料噴射量Ｑｆｅｘを求める。なお、燃焼補正係数Ｋｃｏは、例えば燃焼効率とエンジン負荷に対する関係を予め実験により求めてその関係をＥＣＵ２０のＲＯＭに格納しておき、エンジン回転速度ＮＥ及び目標トルクＴＴＣに割り付けたマップデータを参照して読込む。また、目標燃空比ＴＦＢＹＡとなるように、燃焼効率を考慮することで増加した燃料量分に応じてスロットル（空気量）が調節される。

なお、膨張行程噴射による成層燃焼時は、その点火時期における点火プラグ７周辺の混合気がストイキよりリッチかつ着火可能な空燃比となり、また、膨張行程噴射による成層燃焼時は、そのトータル排気空燃比（燃焼室４内の平均空燃比）がストイキから弱リーン（排気Ａ／Ｆ＝１４．４〜１８程度）となるように制御されるのが望ましい。
Ｓ１１では、点火時期ＡＤＶを算出する。かかる算出は、噴射開始時期ＩＴｅｘ、燃料噴射量Ｑｆｅｘを用いてＳ８と同様である（式（１）、（２）参照）。

Ｓ１２（Ｓ３において均質燃料領域と判断された場合である）では、目標燃空比ＴＦＢＹＡに１を代入し、以下のようにして通常の吸気行程噴射による均質燃焼を行う（Ｓ１３〜Ｓ１５）。
Ｓ１３では、吸気行程における燃料噴射開始時期ＩＴｉｎを設定する。なお、燃料噴射開始時期ＩＴｉｎは実験によりマッチングした、エンジン回転速度ＮＥと目標トルクＴＴＣに割り付けたマップデータをＥＣＵ２０に格納しておき、これらの値に応じて参照することで求めることができる。

Ｓ１４では、吸入空気量ＱＭとエンジン回転速度ＮＥとから定まる理論空燃比相当の基本燃料噴射量（Ｋ×ＱＭ／ＮＥ；Ｋは定数）が燃料噴射量Ｑｆｉｎとして設定される。
Ｓ１５では、点火時期ＡＤＶの設定を行う。ここでの点火時期ＡＤＶの演算は、上記Ｓ８、Ｓ１１（すなわち、膨張行程噴射の場合）とは異なり、例えばＭＢＴ設定とし、エンジン回転速度ＮＥ及び負荷に対するＭＢＴの関係を実験により求めて予め記憶させておき、その都度参照することにより行う。

図３は、膨張行程噴射によって形成される混合気について、前記特許文献１に記載のもの（ａ）と本実施形態（ｂ）とを比較したものである。
図３（ａ）に示すように、特許文献１に記載のものは、燃料を燃料室内に斜めに噴射する構成であるところ、膨張行程ではピストンが下降していくため、ピストンキャビティに向けて噴射した燃料が点火プラグ周りへと十分に運ばれず、失火のおそれがある。

これに対し、本実施形態では、燃料噴射弁が燃焼室上部の略中央部に設けられ、（特定の運転条件時に）膨張行程にて燃料を噴射するとともに噴射された燃料噴霧が燃焼室の壁面に到達する前に直接点火を行うので（Ｓ３〜５、９〜１１参照）、図３（ｂ）に示すように、排気温度上昇の観点から望ましい点火時期、すなわち、点火時期を圧縮上死点後、膨張行程初期から中期に設定した場合であっても、点火時期に点火プラグ周りに確実に混合気が形成されることとなり、膨張行程時に噴射した燃料のほぼ全量を燃焼することが可能である。

ここで、膨張行程噴射での燃焼最高到達温度は、通常の均質または成層燃焼と比較して低いため、ＮＯｘの排出を低減することができる。また、熱発生位置が遅角（側）であることから、未燃ＨＣの「後燃え」も促進されて排気温度が上昇し、ＨＣの排出も抑制することが可能である。さらに、燃料噴霧が未燃のまま壁面に到達して液膜を形成することを抑制することができ、壁流分のＨＣの排出についても合わせて低減可能である。

また、点火プラグは燃料噴射弁からの噴射により形成される燃料噴霧の一部が直接到達するように配置されており、燃料噴霧の先端が前記燃焼室の壁面に到達する前に点火プラグを作動させるようにしている（Ｓ１１、式（１）、式（２）参照）。これにより、混合気が燃焼室壁面に到達する前に確実に着火させることができる。
また、排気浄化触媒の昇温が要求された場合（例えば、触媒温度が活性温度に達していない場合）に膨張行程噴射による成層燃焼を行う構成としたので、触媒活性化前であっても、ＨＣ、ＮＯｘの排出を最大限抑制しつつ、触媒温度を早期に上昇させること（すなわち、触媒の早期活性化）が可能である。

次に、本発明の第２実施形態について記載する。なお、構成は上記第１実施形態（図１）と同じであるので、その説明は省略する。
図４は、第２実施形態における燃料噴射量、噴射時期及び点火時期演算の制御フローチャートである。図４において、Ｓ２１〜Ｓ２８は図２のＳ１〜Ｓ８と同様であるので説明は省略する。

Ｓ２５において、触媒温度Ｔｃａｔが触媒の活性温度ＴｃａｔＨを下回っていればＳ２９に進み、以下に記すように、「圧縮行程噴射＋点火」に追加して「膨張行程噴射＋点火」を行う（Ｓ２９〜Ｓ３４）。
Ｓ２９〜Ｓ３１は図２のＳ６〜Ｓ８と同様である。
Ｓ３２では、「圧縮行程噴射＋点火」後の膨張行程における追加噴射の噴射開始時期ＩＴｅｘを設定する。ここで設定される噴射開始時期ＩＴｅｘは、供給燃料全量が排気温度を上昇させるため又は未燃ＨＣを低減させるための「後燃え」に使用されるように、図２のＳ９における噴射開始時期ＩＴｅｘの設定とは異なり、膨張行程中期から後期の間に設定される。なお、かかる噴射開始時期ＩＴｅｘは、エンジン回転速度ＮＥが高いほど膨張行程中期側に設定されるようになっており、具体的には、実験により求めた関係をエンジン回転速度ＮＥに割り付けたテーブルデータとしてＥＣＵ２０に格納しておき、読込んだエンジン回転速度ＮＥに応じてテーブルデータを参照することで設定できる。

Ｓ３３では、膨張行程中期から後期に追加噴射する追加燃料噴射量ａｄＱｆｅｘを求める。この追加燃料噴射量ａｄＱｆｅｘは、現時点の触媒温度Ｔｃａｔ、主燃焼の目標燃空比ＴＦＢＹＡに応じて図５に示すような関係を有しており、例えば図５に示すようなテーブルデータをＥＣＵ２０に格納しておき、これを参照することで求める。
なお、現在の触媒温度Ｔｃａｔが低いほど、早く活性温度にするためにより多くの追加燃料量を噴射する（追加燃料量が多く設定される）。また、「後燃え」するための十分な空気量がない場合は追加燃料が燃え残ってしまうため、目標燃空比ＴＦＢＹＡが大きくなる場合（すなわち、空燃比Ａ／Ｆがリッチ化する方向であり、主燃焼後の残存酸素量がより少なくなる場合）は、追加燃料量は少なく設定される。

Ｓ３４では、Ｓ３２で設定された噴射開始時期ＩＴｅｘにてＳ３３で設定された追加噴射量ａｄＱｆｅｘを燃焼させる追加点火時期ＡＤＶを設定する。なお、この追加点火時期ＡＤＶは、噴射開始時期ＩＴｅｘ、追加燃料噴射量ａｄＱｆｅｘを用いて、図２のＳ８と同様な方法で算出する（式（１）、（２）参照）。
Ｓ３５（Ｓ３３において均質燃焼領域と判断された場合である）では、現時点の触媒温度Ｔｃａｔが触媒の活性温度ＴｃａｔＨ以上であるか否かを判定する。触媒温度Ｔｃａｔが活性温度ＴｃａｔＨ以上であればＳ３６に進み、通常の吸気行程噴射による均質燃焼を行う（Ｓ３６〜Ｓ３９）。なお、Ｓ３６〜Ｓ３９は図２のＳ１２〜Ｓ１５と同じである。

一方、Ｓ３５において触媒温度Ｔｃａｔが活性温度ＴｃａｔＨを下回っていればＳ４０に進み、以下に記すように、主燃焼の「吸気行程噴射＋点火」に追加して「膨張行程噴射＋点火」を行う（Ｓ４０〜Ｓ４６）。
先ず、Ｓ４０では、主燃焼である「吸気行程噴射＋点火」による排気空燃比がストイキよりリーンとなるように、すなわち、排気Ａ／Ｆ＝１５〜１８程度となるように、目標燃空比ＴＦＢＹＡに０．８〜０．９６を代入する。これは、続いて行う膨張行程噴射の追加燃料が燃えるための酸素量を主燃焼後に残存させるためである。

その後のＳ４１〜Ｓ４３は図２のＳ１３〜Ｓ１５と同様であり、Ｓ４４〜Ｓ４６は図２のＳ１２〜Ｓ１４と同様である。
この実施形態によると、上記第１実施形態における効果に加えて、さらに次のような効果を有する。
すなわち、本実施形態では、成層燃焼領域において排気浄化触媒の昇温要求があったときは、トータル排気空燃比がストイキよりリーンとなる量の燃料を圧縮行程にて噴射し、火花点火して層状の主燃焼を行った後に、膨張行程にて比較的少量の燃料を追加噴射し、火花点火して層状燃焼させるようにしている（Ｓ２５、Ｓ２９〜Ｓ３４）。これにより、例えば、排気浄化触媒の昇温要求直前に運転が圧縮行程噴射の成層運転だった場合は、排気浄化触媒の昇温要求時に、まず、トータル排気空燃比（燃焼室内平均空燃比）をリーンとして酸素量を残存させ、その後、膨張行程（特に、膨張行程中期から後期）にて追加噴射した比較的少量の燃料分の燃焼エネルギーが、排気温度の上昇または不完全燃焼物であるＣＯ、Ｈ₂、未燃ＨＣの「後燃え」に使われることになるため、制御切替え時のトルクショックが少なく運転性の悪化を抑制できる。つまり、膨張行程中期から後期への比較的少量の燃料噴射と２回目の点火を追加するだけで運転性の悪化を抑制しつつ排気温度（触媒）を昇温することが可能である。

一方、均質燃焼領域において排気浄化触媒の昇温要求があったときは、トータル排気空燃比がストイキよりリーンとなるような量の燃料を吸気行程にて噴射し、点火して均質な主燃焼を行った後に、前記膨張行程にて比較的少量の燃料を噴射し、点火して層状燃焼させるようにしている（Ｓ３５、Ｓ４０〜Ｓ４６）。これにより、例えば、排気浄化触媒の昇温要求直前に運転が吸気行程噴射による均質燃焼運転だった場合は、排気浄化触媒の昇温要求時（触媒温度が活性温度未満となったとき）に、燃料量と空気量を調整し空燃比をリーンとすれば、続いて行う膨張行程噴射の追加燃料が燃えるための酸素量を主燃焼後に残存させることができる。そして、その後の膨張行程（特に、膨張行程中期から後期）にて追加噴射した比較的少量の燃料分の燃焼エネルギーが、排気温度の上昇または不完全燃焼物であるＣＯ、Ｈ₂、未燃ＨＣの「後燃え」に使われることになるため、制御切替え時のトルクショックが少なく運転性の悪化を抑制できる。

なお、上記のいずれであっても、膨張行程へ噴射する追加燃料は、前記特許文献２に記載されているような自己着火燃焼するのではなく、点火プラグにより確実に点火されるため、始動直後のように燃焼室温度が低い状況下での追加燃料の燃え残りを抑制し、環境大気中へのＨＣの排出量を低減できる。また、１回目の点火時期や２回目の噴射時期を機関要求等に応じて、容易に変更することも可能である。

次に、本発明の第３実施形態について記載する。図６は、第３実施形態に係るエンジンの概略構成図である。本実施形態における前記第１、第２実施形態との構成上の相違は、ピストン５の上面略中央部にキャビティ５ａが形成されている点及び触媒温度センサ２２が設置されていない点である（その他は同じであるので説明は省略する）。
図７は、第３実施形態における燃料噴射量、噴射時期及び点火時期演算の制御フローチャートである。

図７において、Ｓ５１では、キースイッチがオンとなりスタータ起動位置までキーが回されるとスタータが起動し（スタータスイッチがＯＮし）、エンジンがクランキングを開始する。
Ｓ５２では、エンジン回転によって入力されるクランク角度センサ２７及びカム角度センサ２８を用いて気筒判別を行う。

Ｓ５３では、吸入空気量ＱＭ、エンジン回転速度ＮＥ、燃料圧力Ｐｆ、冷却水温度Ｔｗ、初爆からの各気筒のサイクル数Ｎｃｙｌを読込む。なお、各気筒のサイクル数Ｎｃｙｌは燃料噴射弁６の噴射回数や点火プラグ７の点火回数等から判断可能である。
Ｓ５４では、冷却水温度Ｔｗ、エンジン回転速度ＮＥに応じて目標トルクＴＴＣを算出する。本実施形態においては、図に示すような冷却水温度Ｔｗ、エンジン回転速度ＮＥに割り付けたテーブルデータを予めＥＣＵ２０に格納しておき、読込んだ冷却水温度Ｔｗ、エンジン回転速度ＮＥに応じてテーブルデータを参照することで求める。

Ｓ５５では、目標トルクＴＴＣとエンジン回転速度ＮＥとから目標燃空比ＴＦＢＹＡを求める（図２のＳ４と同様である）。
Ｓ５６では、スタータスイッチ（ＳＴＳＷ）がＯＮからＯＦＦに切り替わったか否かを判定する。ＯＮからＯＦＦに切り替わっていればＳ５７に進み、ＯＮのままであればＳ６６に進む。

Ｓ５７では、燃料圧力Ｐｆが所定の燃料圧力値ＬＰｆより高いかを判定する。なお、ここで用いる所定の燃料圧力値ＬＰｆは、燃料噴射弁６から噴射された燃料噴霧形状が変形して燃料噴霧の一部が直接点火プラグ７に到達せず、失火するおそれがある燃圧値として設定されたものであり、予め実験によって燃料噴射弁６の特性として燃料圧圧と噴霧との関係を調べて決定した値である。Ｐｆ＞ＬＰｆであればＳ５８に進み、Ｐｆ≦ＬＰｆであればＳ６５に進む。

Ｓ５８では、触媒昇温制御サイクル数Ｋｃｙｌを算出する。この触媒昇温制御サイクル数Ｋｃｙｌは、排気浄化触媒１１が活性温度ＴｃａｔＨに達するまでに実施する必要があるサイクル数（すなわち、昇温制御に必要なサイクル数）である。本実施形態では、触媒温度Ｔｃａｔを直接計測せず、始動時水温Ｔｗ０と触媒昇温制御サイクル数Ｋｃｙｌとの関係を予め実験等により求めてテーブルデータとしてＥＣＵ２０のＲＯＭに格納しておき、始動時水温Ｔｗ０に応じてテーブルデータを参照して求めるようにした。ここで、本実施形態においては、始動時水温Ｔｗ０が所定温度ＬＴｗ未満ではＫｃｙｌ＝０が設定される（すなわち、触媒昇温制御を行わない）。なお、所定温度ＬＴｗは、燃焼安定性の問題から成層燃焼を行うことができないと判断される温度として設定されるものである。

Ｓ５９では、現時点のサイクル数Ｎｃｙｌが触媒昇温制御サイクル数Ｋｃｙｌ未満であるかどうかを判断する。Ｋｃｙｌ＞Ｎｃｙｌであれば触媒の昇温要求ありとしてＳ６０に進み、以下に記すように、触媒昇温制御を実施する（Ｓ６０〜Ｓ６４）。
Ｓ６０では、修正燃空比ＴＦＢＹＡ２を算出する。この修正燃空比ＴＦＢＹＡ２は、目標トルクＴＴＣを発生させるために必要とされる目標燃空比ＴＦＢＹＡと、「後燃え」をさせるための未燃成分量との和である。ここで、排気温度を効率的に昇温させるためには、主燃焼により生成される不完全燃焼物であるＣＯ、Ｈ₂の量と、主燃焼後に存在する残存酸素量とをバランスさせる必要があるため、修正燃空比ＴＦＢＹＡ２は０．８〜１．０の間で設定される。

Ｓ６１では、図２のＳ９と同様に、エンジン回転速度ＮＥ及び目標トルクＴＴＣから膨張行程の最適な噴射開始時期ＩＴｅｘ（膨張行程初期〜中期）を設定する。
Ｓ６２では、図２のＳ１０と同様、基本燃料噴射量（Ｋ×ＱＭ／ＮＥ；Ｋは定数）に、修正目標燃空比ＴＦＢＹＡ２、燃焼効率係数Ｋｃｏが乗算されて、修正燃料噴射量Ｑｆｅｘが設定される。

Ｓ６３では、点火時期ＡＤＶの設定を行う。点火時期ＡＤＶは、噴射開始時期ＩＴｅｘ、修正燃料噴射量Ｑｆｅｘを用いて、図２のＳ８と同様な方法で算出する（式（１）、（２）参照）。
Ｓ６４では、修正燃料噴射量（全燃料量）Ｑｆｅｘを膨張行程初期〜中期の間で設定した噴射開始時期ＩＴｅｘにて噴射する。図８は、かかる燃料噴射を行った場合の点火時期における混合気の様子を示している。図８に示すように、点火時期ＡＤＶにおいて、点火プラグ７周りの混合気はストイキよりリッチ着火可能な空燃比となっており、その混合気の外側には空気が存在している。すなわち、本実施形態においては、燃料噴射量Ｑｆｅｘは点火時期における点火プラグ７周辺の混合気がストイキよりリッチかつ着火可能な空燃比となるように設定され、また、膨張行程噴射による成層燃焼時は、そのトータル排気空燃比（燃焼室４内の平均空燃比）がストイキから弱リーン（排気Ａ／Ｆ＝１４．４〜１８程度）となるように制御されている。

一方、Ｓ６５（Ｓ５６でにおいてスタータスイッチがＯＮのままである場合又はＳ５７において燃料圧力Ｐｆが所定の燃料圧力値ＬＰｆ以下である場合である）では、通常の制御を行う。この通常の制御は、具体的には、次のようなものである。
まず、スタータスイッチがＯＮのままである場合は急激な回転上昇を伴う始動過渡時であり、この始動過渡時には、基本燃料噴射量（Ｋ×ＱＭ／ＮＥ；Ｋは定数）、目標燃空比ＴＦＢＹＡ、水温増量補正、始動及び始動後増量補正などから算出された燃料量を吸気行程または圧縮行程前半に噴射する。また、良好な回転上昇のため、点火時期ＡＤＶは、通常のファストアイドル時の点火時期よりも比較的進角側に設定する。

一方、スタータスイッチがＯＮからＯＦＦに切り替わった後であっても、燃料圧力Ｐｆが所定の燃料圧力値ＬＰｆ以下の場合は、燃料噴霧の一部が直接点火プラグ７に到達せずに失火するおそれがあると判断し、吸気行程または圧縮行程に燃料を噴射し、点火時期ＡＤＶは燃料噴射時期にかかわらず、例えばエンジン回転・機関負荷に対するＭＢＴ設定とする。

この実施形態によると、上記第１実施形態における効果に加えて、さらに次のような効果を有する。
すなわち、初爆からの各気筒のサイクル数Ｎｃｙｌが所定回数（触媒昇温制御サイクル数Ｋｃｙｌ）未満のときに、触媒昇温制御（膨張行程噴射による層状燃焼）を行うようにしたので（５９〜Ｓ６４）、触媒温度センサを削除できコストを低減できる。

また、膨張行程噴射は、その点火時期において点火プラグ周りの混合気がストイキよりリッチかつ着火可能な空燃比となるように（なるような量の）燃料を噴射しているので、主燃焼の際に不完全燃焼物であるＣＯ、Ｈ₂が生成され、これが燃焼室内の余剰酸素と、残りの膨張行程・排気行程・触媒上流の排気通路内で反応（再燃焼）し、排気温度がさらに上昇し、また、未燃ＨＣの「後燃え」が促進されるためＨＣ排出をさらに抑制することが可能である。

さらに、膨張行程噴射による成層燃焼時は、トータル排気空燃比（燃焼室内の平均空燃比）をストイキから弱リーン（排気Ａ／Ｆ＝１４．４〜１８程度）としたので、主燃焼により生成される不完全燃焼物であるＣＯ、Ｈ₂の量と、主燃焼後に存在する残存酸素量とをバランスさせることができ、排気温度を効率的に昇温させることができる。特に、トータル排気空燃比（燃焼室内平均空燃比）をほぼ理論空燃比（ストイキ）とすれば、不完全燃焼物量と残存酸素量とがほぼ当量となり、排気温度の昇温効率を最良の状態にできる。

さらにまた、燃料圧力Ｐｆが所定値ＬＰｆを下回る場合あるいは冷却水温度Ｔｗ（Ｔｗ０）が所定温度ＬＴｗを下回る場合には、膨張行程にて燃料を噴射して行う成層燃焼運転を行わないので（Ｓ５７、Ｓ５８）、失火及び燃焼不安定を回避することができる。
次に、本発明の第４実施形態について説明する。なお、構成は上記第３実施形態（図６）と同じであるので、その説明は省略する。

図９は、第４実施形態における燃料噴射量、噴射時期及び点火時期演算の制御フローチャートである。図９において、Ｓ７１〜Ｓ８２は図７のＳ５１〜Ｓ６２と同じであるので説明は省略する。
Ｓ８３では、燃料分割比Ｋｓｐ、すなわち、全（修正）燃料量Ｑｆｅｘに対して一部の燃料を先行して噴射するための先行噴射燃料量の割合を設定する。この燃料分割比Ｋｓｐはエンジン回転速度ＮＥ・エンジン負荷によって最適値が存在するものの、通常、０〜０．３（０％〜３０％）程度の値に設定される。本実施形態においては、実験結果に基づいて燃料分割比Ｋｓｐが設定されている。

Ｓ８４では、図７のＳ６３と同様にして点火時期ＡＤＶの設定を行う。
Ｓ８５では、燃料噴射を行う。但し、上記第３実施形態と異なり、先行噴射燃料量（＝全燃料量Ｑｆｅｘ×燃料分割比Ｋｓｐ）を吸気行程時に先行して噴射し、残り（＝Ｑｆｅｘ×（１−Ｋｓｐ））を膨張行程初期〜中期の間で設定した燃料噴射時期ＩＴｅｘにて噴射する。図１０は、かかる燃料噴射を行った場合の点火時期における混合気の様子を示している。図１０に示すように、本実施形態では、点火時期ＡＤＶにおいて、点火プラグ７周りの混合気はストイキよりリッチかつ着火可能な空燃比となっており、その混合気の外側にはリーンな混合気が存在することになる。

なお、Ｓ８６は図７のＳ６５と同じであるので説明は省略する。
この実施形態によると、上記第１、第３実施形態における効果に加えて、さらに次のような効果を有する。
すなわち、膨張行程噴射による成層燃焼運転時に、燃料の一部を吸気行程中に先行して分割噴射するようにしたので（Ｓ８５）、膨張行程初期から中期に設定した点火時期において、点火プラグ周辺には空燃比がストイキ又はストイキよりリッチな混合気が存在し、その混合気の外側にはリーンな混合気が存在する（図１０）。この場合、主燃焼の結果、不完全燃焼物であるＣＯ、Ｈ₂又は未燃ＨＣが生成され、また、主燃焼の熱又は多少の火炎伝播によって外側のリーンな混合気内の燃料が部分反応を起こし、化学反応的に活性な燃焼前駆体物質（アルデヒド類、ＯＨラジカル等）を生成する。これにより、残りの膨張行程・排気行程・触媒上流の排気通路内でのＣＯ、Ｈ₂及び未燃ＨＣの反応（再燃焼）がより連鎖的に行われ、排気温度をさらに効果的に上昇させることができるとともに、ＨＣの排出をさらに抑制することが可能である。

次に、本発明の第５実施形態について説明する。なお、構成は上記第３実施形態（図６）と同じであるので、その説明は省略する。
図１１は、第５実施形態における燃料噴射量、噴射時期及び点火時期演算の制御フローチャートである。図１１において、Ｓ９１〜Ｓ１０４は図９のＳ７１〜Ｓ８４と同様であるので説明は省略する。

Ｓ１０５では、図９のＳ８５と同様、燃料噴射を行う。すなわち、先行噴射燃料量（＝全燃料量Ｑｆｅｘ×燃料分割比Ｋｓｐ）を圧縮行程時に先行して噴射し、残り（＝Ｑｆｅｘ×（１−Ｋｓｐ））を膨張行程初期〜中期の間で設定した設定した燃料噴射時期ＩＴｅｘ１にて噴射する。ここで、本実施形態における圧縮行程時の先行噴射時期は、噴霧のベクトルとピストン５の略中央部に形成したキャビティ５ａとの幾何学的関係によって、燃料噴霧の全量がキャビティ５ａ内に入る範囲内で設定されている。図１２は、かかる燃料噴射を行った場合の点火時期における混合気の様子を示している。図１２に示すように、本実施形態では、点火時期ＡＤＶにおいて、点火プラグ７周りの混合気はストイキよりリッチかつ着火可能な空燃比となっており、キャビティ５ａの上空にはリーンな混合気が、さらにそのリーン混合気の外側には空気が存在することになる。

なお、Ｓ１０６は図７のＳ６５（図９のＳ８６）同じであるので説明は省略する。
この実施形態によると、上記第１、第３実施形態における効果に加えて、さらに次のような効果を有する。
すなわち、膨張行程噴射による成層燃焼運転時に、燃料の一部を圧縮行程中に先行して分割噴射するようにしたので（Ｓ１０５）、上記第４実施形態と同様な効果が得られ、特に、圧縮行程噴射による通常の成層燃焼用にピストンキャビティが形成されている場合には、圧縮行程中に先行して行う燃料の噴射時期を燃料噴霧がキャビティ内に入る時期に設定することで、壁流分のＨＣが減少し、ＨＣ排出をさらに抑制することできる。

本発明の実施形態に係る筒内直接噴射式内燃機関の概略構成図である。 第１実施形態に係る燃料噴射量、噴射時期及び点火時期演算の制御フローチャートである。 従来の技術（ａ）と第１実施形態（ｂ）とのぞれぞれで膨張行程噴射により形成される混合気の様子を示した図である。 第２実施形態に係る燃料噴射量、噴射時期及び点火時期演算の制御フローチャートである。 追加燃料噴射量ａｄＱｆｅｘの設定テーブルの一例を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る筒内直接噴射式内燃機関の概略構成図である。 第３実施形態に係る燃料噴射量、噴射時期及び点火時期演算の制御フローチャートである。 第３実施形態において膨張行程噴射による成層燃焼運転時の点火時期における混合気の様子を示す図である。 第４実施形態に係る燃料噴射量、噴射時期及び点火時期演算の制御フローチャートである。 第４実施形態において膨張行程噴射による成層燃焼運転時の点火時期における混合気の様子を示す図である。 第５実施形態に係る燃料噴射量、噴射時期及び点火時期演算の制御フローチャートである。 第５実施形態において膨張行程噴射による成層燃焼運転時の点火時期における混合気の様子を示す図である。

符号の説明

１…筒内直接噴射式内燃機関（エンジン）、４…燃焼室、５…ピストン、５…キャビティ、６…燃料噴射弁、７…点火プラグ、１４…燃料ポンプ、２０…エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）、２１…排気空燃比センサ、２２…触媒温度センサ、２３…燃圧センサ、２４…エアフローメータ、２５…アクセル開度センサ、２６…クランク角センサ、２７…カム角センサ、２８…冷却水温度センサ、２９…スタータスイッチ

Claims (13)

1. 燃焼室上部の中央部に設けられ、シリンダ軸線に沿ってピストン冠面中央部へ向かって燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   燃焼室上部の中央部に上記燃料噴射弁に隣接して設けられ、かつ上記燃料噴射弁からの燃料噴霧の一部が直接到達する位置に配置されてなる点火プラグと、
   機関の排気通路に介装された排気浄化触媒と、を有し、
   特定の運転条件時に、膨張行程にて燃料を噴射するとともに、この膨張行程で噴射された燃料噴霧の先端が前記燃焼室の壁面に到達する前に該燃料噴霧に直接点火を行って層状燃焼させることを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
2. 前記燃料噴霧の先端が前記燃焼室の壁面に到達する前に該燃料噴霧の終端近傍に点火を行うように点火時期が設定されることを特徴とする請求項１記載の筒内直接噴射式内燃機関。
3. 前記特定の運転条件時は、前記排気浄化触媒の昇温が要求されたときであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の筒内直接噴射式内燃機関。
4. 前記特定の運転条件時は、前記排気浄化触媒の温度が所定温度を下回っているとき又は初爆からのサイクル数が所定回数未満のときであることを特徴とする請求項３記載の筒内直接噴射式内燃機関。
5. 前記所定回数は、機関冷却水温度に応じて設定されることを特徴とする請求項４記載の筒内直接噴射式内燃機関。
6. 点火時期において点火プラグ周辺の混合気がストイキよりリッチかつ着火可能な空燃比となるように前記膨張行程にて燃料を噴射することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
7. 膨張行程にて燃料を噴射する膨張行程噴射による成層燃焼運転時は、トータル排気空燃比がストイキから弱リーンとすることを特徴とする請求項６記載の筒内直接噴射式内燃機関。
8. 前記特定の運転条件時に、トータル排気空燃比がストイキよりリーンとなるような量の燃料を圧縮行程にて噴射し、点火して層状の主燃焼を行った後に、膨張行程にて比較的少量の燃料を追加噴射し、点火して層状燃焼させることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
9. 前記特定の運転条件時に、トータル排気空燃比がストイキよりリーンとなるような量の燃料を吸気行程にて噴射し、点火して均質な主燃焼を行った後に、膨張行程にて比較的少量の燃料を追加噴射し、火花点火して層状燃焼させることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
10. 膨張行程にて燃料を噴射する膨張行程噴射による成層燃焼運転時に、燃料の一部を吸気行程中に先行して分割噴射することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
11. 膨張行程にて燃料を噴射する膨張行程噴射による成層燃焼運転時に、燃料の一部を圧縮行程中に先行して分割噴射することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
12. 上面略中央部にキャビティが形成されたピストンを有し、
    燃料噴霧が前記キャビティ内に入るように前記圧縮行程中の分割噴射を行うことを特徴とする請求項１１記載の筒内直接噴射式内燃機関。
13. 燃料圧力が所定値を下回るとき又は機関冷却水温度が所定温度を下回るときは、膨張行程噴射による成層燃焼運転を行わないことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。

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