JP4535220B2 - 筒内噴射型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、筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置に係り、詳しくは、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、筒内噴射型内燃機関において、燃料噴射を２段階に分け、主噴射（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２段燃焼技術（或いは２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、排気圧上昇により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。
そして、２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】
ところで、２段燃焼技術においては、排気圧を上昇させると、一般には総合空燃比（全Ａ／Ｆ）がリーン空燃比から理論空燃比に近くなるほど排気系内での反応が促進されて排気温度が高くなり、これにより有害物質（主としてＨＣ）の排出量も低下すると考えられている。
【０００６】
しかしながら、実際には、全Ａ／Ｆが理論空燃比近傍にあるときには、より早期に排気昇温が達成される一方、有害物質（ＨＣ）の排出量については逆に増大してしまうことが確認された。
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、有害物質の排出量を抑制して２段燃焼の最適化を図った筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００７】
【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、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、排気昇温が要求されるとき、吸気行程及び圧縮行程のいずれか一方で主燃焼のための主噴射を行うとともに膨張行程以降において副噴射を行うよう前記噴射弁の駆動を制御する２段噴射制御手段と、前記２段噴射制御手段により２段噴射が行われるとき、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２段噴射制御手段は、２段噴射の実施期間中、前記触媒コンバータが活性状態となるまでの間、総合空燃比を値１８或いはその近傍値に設定するとともに主噴射の空燃比を値２５或いはその近傍値に設定し、これら総合空燃比値及び空燃比値を維持することを特徴としている。
【０００８】
即ち、２段燃焼技術においては、従来、排気流動を抑制し排気圧を上昇させると、総合空燃比（全Ａ／Ｆ）がリーン空燃比から理論空燃比に近くなるほど排気系内での反応が促進されて排気温度が高くなり、これにより有害物質（主としてＨＣ）の排出量も低下するものと考えられていたのであるが、出願人が実験したところ、エンジンの始動直後には、図１に全Ａ／ＦとＨＣ排出量との関係を示すように、理論空燃比近傍（例えば、値１６付近）では、排気温度は上昇するものの（図１（ａ））、ＨＣ排出量が増加していることが分かり（図１（ｂ））、この事実に基づき、２段噴射の実施期間中は、触媒コンバータが活性状態となるまでの間、総合空燃比を値１８或いはその近傍値に設定するとともに主噴射の空燃比を値２５或いはその近傍値に設定し、これら総合空燃比値及び空燃比値を維持する。
【００１２】
即ち、触媒コンバータが活性状態となるまでの間はできるだけ有害物質（ＨＣ）を排出させないのがよく、上記図１（ｂ）の関係によれば、排気中の全ＨＣ濃度が極小値となるのは全Ａ／Ｆが値１８のときであり、故に、触媒コンバータが活性状態となり浄化能を発揮し始めるまでの間は、全Ａ／Ｆを値１８或いはその近傍値に設定し維持する。
【００１３】
これにより、２段噴射の実施期間中、触媒コンバータが未だ不活性状態にあって浄化能を発揮していないような期間において、有害物質（ＨＣ）の排出量が極力少なく抑えられる。
【００１４】
また、出願人が実験したところ、エンジンの始動直後には、図２に示すように、主Ａ／ＦとＨＣ排出量との間には、図１（ｂ）と同様の関係があることが分かり、当該図２の関係によれば、排気中の全ＨＣ濃度が極小値となるのは主Ａ／Ｆが値２５のときであり、故に、触媒コンバータが活性状態となり浄化能を発揮し始めるまでの間は、主Ａ／Ｆを値２５或いはその近傍値に設定し維持する。
【００１５】
これにより、２段噴射の実施期間中、触媒コンバータが未だ不活性状態にあって浄化能を発揮していないような期間において、有害物質（ＨＣ）の排出量がより一層少なく抑えられる。
また、請求項２の発明では、前記２段噴射制御手段は、前記触媒コンバータが第１の活性状態となるまでの間、総合空燃比を値１８或いはその近傍値に設定するとともに主噴射の空燃比を値２５或いはその近傍値に設定し、これら総合空燃比値及び空燃比値を維持することを特徴としている。
【００１６】
即ち、触媒コンバータが第１の活性状態、例えば概略活性状態になれば触媒コンバータは十分な浄化能を発揮し始めることになるため、触媒コンバータが第１の活性状態（例えば概略活性状態）となり浄化能を発揮し始めるまでの間は、全Ａ／Ｆを値１８或いはその近傍値に設定し維持するとともに主Ａ／Ｆを値２５或いはその近傍値に設定し維持する。
【００１７】
これにより、２段噴射の実施期間中、触媒コンバータが未だ不活性状態にあって浄化能を発揮していないような期間において、有害物質（ＨＣ）の排出量が極力少なく抑えられる。
また、請求項３の発明では、上記請求項２において、前記２段噴射制御手段は、前記触媒コンバータが前記第１の活性状態となった後、より活性度の高い第２の活性状態となるまでの間、総合空燃比を値１６或いはその近傍値に設定するとともに主噴射の空燃比を値３０或いはその近傍値に設定し、これら総合空燃比値及び空燃比値を維持することを特徴としている。
【００１８】
即ち、触媒コンバータが第１の活性状態（例えば概略活性状態）となった後は、触媒コンバータはある程度は浄化能を発揮し始め、全Ａ／Ｆをリッチ空燃比寄りにしても、ＨＣは触媒コンバータ上で良好に反応することになり、一方このように全Ａ／Ｆをリッチ空燃比寄りにすることで燃焼熱の発生量が増大して排気昇温効果が高まることになるため、より活性度の高い第２の活性状態、例えば完全活性状態となるまでの間は、全Ａ／Ｆをリッチ空燃比寄りにし、併せて主Ａ／Ｆをよりリーン空燃比側として副噴射による空燃比をリッチ空燃比寄りとする。
【００１９】
これにより、２段噴射の実施期間中、２段燃焼の最適化が図られ、触媒コンバータが未だ不活性状態にあって浄化能を全く発揮していないような期間において、有害物質（ＨＣ）の排出量が極力少なく抑えられ、一方触媒コンバータが概略活性状態になった後ある程度の浄化能を発揮しているような期間において、触媒反応が促進されて排気昇温効果が十分に確保される。
【００２０】
また、請求項４の発明では、前記第１及び第２の活性状態は前記触媒コンバータの温度に基づき判定されるものであり、前記第２の活性状態の方が前記第１の活性状態よりも前記触媒コンバータの温度が高いことを特徴としている。
従って、第１の活性状態（例えば概略活性状態）及び第２の活性状態（例えば完全活性状態）が触媒コンバータの温度に基づいて確実に判定される。
【００２１】
また、請求項５の発明では、前記第１及び第２の活性状態は内燃機関の始動後の経過時間により判定されるものであり、前記第２の活性状態の方が前記第１の活性状態よりも前記内燃機関の始動後の経過時間が長いことを特徴としている。
従って、第１の活性状態（例えば概略活性状態）及び第２の活性状態（例えば完全活性状態）が内燃機関の始動後の経過時間に基づいて容易に判定される。
【００２２】
また、請求項６の発明では、前記第１及び前記第２の活性状態は前記２段噴射制御手段による２段噴射の開始後の経過時間により判定されるものであり、前記第２の活性状態の方が前記第１の活性状態よりも前記２段噴射の開始後の経過時間が長いことを特徴としている。
従って、第１の活性状態（例えば概略活性状態）及び第２の活性状態（例えば完全活性状態）が２段噴射の開始後の経過時間に基づいて容易且つ適正に判定される。
【００２３】
【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３を参照すると、本発明に係る筒内噴射型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。
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、容易にして理論空燃比（ストイキ）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）が実現可能である。
【００２４】
同図に示すように、エンジン１のシリンダヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ４とともに電磁式の燃料噴射弁６が取り付けられており、これにより、燃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。
【００２５】
シリンダヘッド２には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド１０の一端がそれぞれ接続されている。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が設けられている。
また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成されており、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド１２の一端がそれぞれ接続されている。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。
【００２６】
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。
【００２７】
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が配設されており、三元触媒３０には、触媒温度を検出する触媒温度センサ３２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４０が介装されている。
【００２８】
排気流動制御装置４０は、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（低減効果増強要因）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。具体的には、排気流動制御装置４０は排気管２０の流路面積を調節可能な密閉型開閉弁（排気流動制御手段）４２によって構成されている。
【００２９】
密閉型開閉弁４２としては種々の方式が考えられるが、ここでは、例えば、図４（ａ）に閉弁状態を示し、図４（ｂ）に開弁状態を示すように、排気管２０を貫通する軸４３回りに弁体４４を回転させることで排気管２０の流路面積を調節可能なバタフライ弁が採用される。バタフライ弁にはアクチュエータ４５が設けられており、バタフライ弁は当該アクチュエータ４５によって弁体４４が軸４３回りに回転させられて開閉作動する。
【００３０】
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、上述した排気圧センサ２２、触媒温度センサ３２等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力される。
【００３１】
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４５等の各種出力デバイスが接続されており、これら各種出力デバイスには各種センサ類からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期、排気流動制御量等がそれぞれ出力され、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、所望の排気流動制御量（例えば、目標排気圧）となるよう適正なタイミングで開閉弁４２が開閉操作される。
【００３２】
また、当該排気浄化装置では、燃料噴射弁６は、主燃焼用の主噴射の後、膨張行程後期以降に燃料を副噴射、即ち燃料を２段噴射して２段燃焼を行うことが可能に構成されている。この２段燃焼では、主噴射は圧縮行程で行われ、主燃焼の空燃比は酸素の多いリーン空燃比に設定される。
このように２段燃焼を行うと、排気系（燃焼室から三元触媒３０）内に主燃焼で残存した酸素と副噴射による未燃燃料とを同時に存在させることが可能となり、これら残留酸素と未燃燃料とが排気系内で反応し、三元触媒３０の早期昇温が実現される。
【００３３】
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、即ちエンジン１の冷態時における２段燃焼制御について説明する。
図５を参照すると、２段燃焼制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており（２段噴射制御手段）、以下同図に沿って説明する。
ステップＳ１０では、三元触媒３０が概略活性状態（第１の活性状態）であるか否かを判別する。具体的には、触媒温度センサ３２からの情報に基づき、三元触媒３０の温度が、十分な浄化能は得られないものの未燃物をある程度触媒反応させるだけの浄化能を有する概略活性温度（触媒によって異なり、例えば、２００℃）に達しているか否かを判別する。
【００３４】
ステップＳ１０の判別結果が偽（Ｎｏ）で、触媒温度が概略活性温度に達しておらず、三元触媒３０が概略活性状態にないと判定された場合には、ステップＳ１２に進む。
ステップＳ１２では、２段燃焼制御用の空燃比を、全Ａ／Ｆ（総合空燃比）が値１８、且つ、主Ａ／Ｆが値２５になるように設定する。ここに、全Ａ／Ｆとは吸入空気量に対する主噴射及び副噴射の総燃料量の比であり、主Ａ／Ｆとは吸入空気量に対する主噴射の燃料量の比である。また、値１８や値２５はこれらの値の近傍値であればよい。
【００３５】
つまり、上記図１（ｂ）及び図２に示したように、エンジン１の始動直後、即ち三元触媒３０が概略活性状態に達しておらず未だ不活性状態にあるときには、全Ａ／Ｆが値１８、且つ、主Ａ／Ｆが値２５のときに有害物質（ＨＣ）の排出量が最も少なくなっていることが分かっており、故に、三元触媒３０が不活性状態にあるときには、全Ａ／Ｆを値１８に設定し、且つ、主Ａ／Ｆを値２５とになるように設定する。
【００３６】
このように全Ａ／Ｆが値１８の場合に有害物質（ＨＣ）の排出量が最も少なくなるのは、全Ａ／Ｆを値１８としたときに、排気系内において副噴射による未燃燃料と残留酸素とが最良の状態で関わり合いながら反応が完了するためと考えられる。
これにより、２段燃焼制御時における有害物質（ＨＣ）の排出量を少なく抑制することができる。
【００３７】
なお、ここでは、全Ａ／Ｆを値１８とし、且つ、主Ａ／Ｆを値２５に設定するようにしたが、全Ａ／Ｆを値１８とするだけでも有害物質（ＨＣ）の排出量を十分に抑制することができる。
そして、ステップＳ１４において、主Ａ／Ｆ及び全Ａ／Ｆが上記空燃比値となるように主噴射及び副噴射の燃料噴射量をそれぞれ設定して２段噴射を実施し、同時に、密閉型開閉弁４２を閉作動させて排気流動抑制を行う。
【００３８】
このように、２段噴射とともに排気流動抑制を行うと、排気圧が上昇して排気系内における排気密度が高まり、これにより未燃燃料と残留酸素との関わりが増強されて排気系内での反応が促進される。
一方、ステップＳ１０の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、触媒温度が概略活性温度に達し、三元触媒３０が概略活性状態にあると判定された場合には、ステップＳ１６に進む。
【００３９】
ステップＳ１６では、三元触媒３０が今度は活性状態（第２の活性状態）にあるか否かを判別する。具体的には、触媒温度センサ３２からの情報に基づき、三元触媒３０の温度が、概略活性温度よりも高く十分な浄化能を得られる完全活性温度（触媒によって異なり、例えば、３００℃）に達しているか否かを判別する。
【００４０】
ステップＳ１６の判別結果が偽（Ｎｏ）、即ち、触媒温度が概略活性温度と完全活性温度との間にあり、三元触媒３０が概略活性状態である場合には、ステップＳ１８に進む。
ステップＳ１８では、２段燃焼制御用の空燃比を、全Ａ／Ｆが値１６、且つ、主Ａ／Ｆが値３０になるように設定する。つまり、三元触媒３０が概略活性状態に達したときには、燃料量を増量して全Ａ／Ｆをリッチ空燃比寄りの値１６とし、さらに、主Ａ／Ｆをリーン空燃比寄りの値３０として主噴射量を減少させ、副噴射量を増加させる。なお、値１６や値３０はこれらの値の近傍値であればよい。
【００４１】
このようにすると、副噴射による排気系内の未燃燃料量が反応系内での反応限界を越えて余剰となり、三元触媒３０に達することとなる。
一方、上述したように、三元触媒３０が概略活性状態であると判定された場合には、三元触媒３０は十分な浄化能は得られないものの未燃物をある程度触媒反応させるだけの浄化能を有していると考えられる。
【００４２】
従って、三元触媒３０が概略活性状態になった後、全Ａ／Ｆを値１６にし、主Ａ／Ｆを値３０にすることにより、三元触媒３０上での触媒反応を促進させることができ、三元触媒３０を急速に昇温させることができる。なお、この場合、余剰の未燃燃料は排気系内反応と相まって三元触媒３０上で略完全に触媒反応に寄与することになるので、有害物質（ＨＣ）の排出量は継続して少なく抑えられる。
【００４３】
なお、ここでは、全Ａ／Ｆを値１６とし、且つ、主Ａ／Ｆを値３０に設定するようにしたが、全Ａ／Ｆを値１６とするだけでも触媒反応を十分に促進させることができる。
そして、やはり、ステップＳ１４において、主Ａ／Ｆ及び全Ａ／Ｆが上記空燃比値となるように主噴射及び副噴射の燃料噴射量をそれぞれ設定して２段噴射を実施し、同時に、密閉型開閉弁４２を閉作動させて排気流動抑制を行う。
【００４４】
これにより、未燃燃料と残留酸素との関わりが増強されて排気系内での反応や触媒反応が促進される。
このように、本発明の排気浄化装置では、２段燃焼時において、三元触媒３０が概略活性状態になるまでの未活性状態の間は、全Ａ／Ｆを値１８として有害物質（ＨＣ）の排出量を少なく抑制でき、三元触媒３０が概略活性状態になった後は、全Ａ／Ｆを値１６として有害物質（ＨＣ）の排出量を少なく抑えながら触媒温度を効果的に上昇させることができる。
【００４５】
即ち、図６を参照すると、始動後（モータリング後）に２段燃焼を実施した場合の触媒入口での排気温度、触媒温度、触媒上流のＨＣ濃度の実験結果が全Ａ／Ｆを値１６（実線）、値１８（破線）とした場合のそれぞれについてタイムチャートで示されているが、同図に示すように、三元触媒３０が概略活性状態になるまでの間全Ａ／Ｆを値１８（破線）とすることで、有害物質（ＨＣ）の排出量を少なく抑制でき、三元触媒３０が概略活性状態になった後全Ａ／Ｆを値１６（実線）とすることで、触媒を効果的に昇温させることができる。
【００４６】
つまり、本発明の排気浄化装置を用いることにより、２段燃焼中、全体として有害物質（ＨＣ）の排出量を少なく抑制しながら併せて触媒を効果的に昇温させることができ、２段燃焼の最適化を図ることができる。
ステップＳ１６の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、触媒温度が完全活性温度に達したと判定された場合には、ステップＳ２０に進む。
【００４７】
触媒温度が完全活性温度に達し、三元触媒３０が活性状態になった場合には、もはや三元触媒３０を強制的に昇温させる必要はなく、故に、ステップＳ２０では、２段噴射を停止するとともに密閉型開閉弁４２を開作動させて排気流動抑制を停止する。２段噴射の停止後は通常の空燃比制御が実施されることになる。
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。
【００４８】
例えば、上記実施形態では、三元触媒３０が概略活性状態（第１の活性状態）になったか否か及び三元触媒３０が活性状態（第２の活性状態）になったか否かについては、三元触媒３０の温度に基づいて判別するようにしたが、他の実施例として、エンジン１の始動後の経過時間、或いは２段噴射の開始後の経過時間に基づいて判別するようにしてもよい。つまり、実験等により概略活性状態及び活性状態になるまでのエンジン始動後或いは２段噴射開始後の経過時間を概略活性時間及び活性時間（但し、活性時間の方が概略活性時間よりも長い）として予め設定しておき、エンジン１の始動後の経過時間或いは２段噴射の開始後の経過時間がこれら概略活性時間、活性時間に達したか否かで三元触媒３０の概略活性状態、活性状態を判別するようにしてもよい。このようにすれば、三元触媒３０の概略活性状態や活性状態を触媒温度センサを用いることなく容易且つ適正に判定することができる。
【００４９】
また、上記実施形態では、三元触媒３０が概略活性状態となった後、全Ａ／Ｆを値１６に切り換えるようにしたが、三元触媒３０が活性状態となるまで全Ａ／Ｆを値１８に保持するようにしてもよい。このようにすれば、触媒の昇温速度は緩やかになる一方、有害物質（ＨＣ）の排出量を優先的に抑制することができる。
【００５０】
また、上記実施形態では、エンジン１として筒内噴射型ガソリンエンジンを用いるようにしたが、エンジンはディーゼルエンジンであってもよい。
また、上記実施形態では、触媒として三元触媒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く、ＭＣＣ、ＦＣＣ、ＵＣＣのいずれであってもよい。
【００５１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の請求項１の筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置によれば、２段噴射の実施期間中、触媒コンバータが活性状態となるまでの間、例えばエンジン始動直後の触媒コンバータが未だ不活性状態にあるような期間は、上記図１（ｂ）の関係に従い、全Ａ／Ｆを値１８或いはその近傍値に設定し維持するとともに主Ａ／Ｆを値２５或いはその近傍値に設定し維持するので、排気流動の抑制による排気系内反応の促進と相まって、触媒コンバータが未だ不活性状態にあって浄化能を発揮していないような期間における有害物質（ＨＣ）の排出量を極力少なく抑えることができる。
【００５５】
また、請求項２の筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置によれば、触媒コンバータが第１の活性状態（例えば概略活性状態）となり浄化能を発揮し始めるまでの間は、全Ａ／Ｆを値１８或いはその近傍値に設定し維持するとともに主Ａ／Ｆを値２５或いはその近傍値に設定し維持するので、２段噴射の実施期間中、触媒コンバータが未だ不活性状態にあって浄化能を発揮していないような期間における有害物質（ＨＣ）の排出量を極力少なく抑えることができる。
【００５６】
また、請求項３の筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置によれば、触媒コンバータが前記第１の活性状態（例えば概略活性状態）となった後、より活性度の高い第２の活性状態（例えば完全活性状態）となるまでの間、総合空燃比を値１６或いはその近傍値に設定するとともに主噴射の空燃比を値３０或いはその近傍値に設定しこれらを維持するので、２段噴射の実施期間中、２段燃焼の最適化を図ることができ、触媒コンバータが未だ不活性状態にあって浄化能を全く発揮していないような期間において有害物質（ＨＣ）の排出量を極力少なく抑えるようにでき、一方触媒コンバータが概略活性状態になった後ある程度の浄化能を発揮しているような期間において触媒反応を促進させ、排気昇温効果を十分に確保することができる。
【００５７】
また、請求項４の筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置によれば、第１及び第２の活性状態は触媒コンバータの温度に基づき判定されるものであり、第２の活性状態の方が第１の活性状態よりも触媒コンバータの温度が高いので、第１の活性状態（例えば概略活性状態）及び第２の活性状態（例えば完全活性状態）を触媒コンバータの温度に基づいて確実に判定できる。
【００５８】
また、請求項５の筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置によれば、第１及び第２の活性状態は内燃機関の始動後の経過時間により判定されるものであり、第２の活性状態の方が第１の活性状態よりも内燃機関の始動後の経過時間が長いので、第１の活性状態（例えば概略活性状態）及び第２の活性状態（例えば完全活性状態）を内燃機関の始動後の経過時間に基づいて容易に判定できる。
【００５９】
また、請求項６の筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置によれば、第１及び第２の活性状態は２段噴射制御手段による２段噴射の開始後の経過時間により判定されるものであり、第２の活性状態の方が第１の活性状態よりも２段噴射の開始後の経過時間が長いので、第１の活性状態（例えば概略活性状態）及び第２の活性状態（例えば完全活性状態）を２段噴射の開始後の経過時間に基づいて容易且つ適正に判定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】２段燃焼時における、全Ａ／Ｆと始動５０秒後の排気温度との関係（ａ）、全Ａ／Ｆと始動５０秒間のＨＣ排出量との関係（ｂ）を示す図である。
【図２】２段燃焼時における、主Ａ／Ｆと始動５０秒間のＨＣ排出量との関係を示す図である。
【図３】本発明に係る筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
【図４】排気流動制御装置としてのバタフライ弁を示す図である。
【図５】２段燃焼制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図６】始動後に２段燃焼を実施した場合の触媒入口での排気温度、触媒温度、触媒上流のＨＣ濃度の実験結果を全Ａ／Ｆが１６（実線）、１８（破線）である場合のそれぞれについて示したタイムチャートであって、本発明の効果を説明する図である。
【符号の説明】
１ エンジン本体
６ 燃料噴射弁
１２ 排気マニホールド
２０ 排気管
３０ 三元触媒
４０ 排気流動制御装置
４２ 密閉型開閉弁
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、筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置に係り、詳しくは、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、筒内噴射型内燃機関において、燃料噴射を２段階に分け、主噴射（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２段燃焼技術（或いは２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、排気圧上昇により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。
そして、２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】
ところで、２段燃焼技術においては、排気圧を上昇させると、一般には総合空燃比（全Ａ／Ｆ）がリーン空燃比から理論空燃比に近くなるほど排気系内での反応が促進されて排気温度が高くなり、これにより有害物質（主としてＨＣ）の排出量も低下すると考えられている。
【０００６】
しかしながら、実際には、全Ａ／Ｆが理論空燃比近傍にあるときには、より早期に排気昇温が達成される一方、有害物質（ＨＣ）の排出量については逆に増大してしまうことが確認された。
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、有害物質の排出量を抑制して２段燃焼の最適化を図った筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００７】
【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、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、排気昇温が要求されるとき、吸気行程及び圧縮行程のいずれか一方で主燃焼のための主噴射を行うとともに膨張行程以降において副噴射を行うよう前記噴射弁の駆動を制御する２段噴射制御手段と、前記２段噴射制御手段により２段噴射が行われるとき、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２段噴射制御手段は、２段噴射の実施期間中、前記触媒コンバータが活性状態となるまでの間、総合空燃比を値１８或いはその近傍値に設定するとともに主噴射の空燃比を値２５或いはその近傍値に設定し、これら総合空燃比値及び空燃比値を維持することを特徴としている。
【０００８】
即ち、２段燃焼技術においては、従来、排気流動を抑制し排気圧を上昇させると、総合空燃比（全Ａ／Ｆ）がリーン空燃比から理論空燃比に近くなるほど排気系内での反応が促進されて排気温度が高くなり、これにより有害物質（主としてＨＣ）の排出量も低下するものと考えられていたのであるが、出願人が実験したところ、エンジンの始動直後には、図１に全Ａ／ＦとＨＣ排出量との関係を示すように、理論空燃比近傍（例えば、値１６付近）では、排気温度は上昇するものの（図１（ａ））、ＨＣ排出量が増加していることが分かり（図１（ｂ））、この事実に基づき、２段噴射の実施期間中は、触媒コンバータが活性状態となるまでの間、総合空燃比を値１８或いはその近傍値に設定するとともに主噴射の空燃比を値２５或いはその近傍値に設定し、これら総合空燃比値及び空燃比値を維持する。
【００１２】
即ち、触媒コンバータが活性状態となるまでの間はできるだけ有害物質（ＨＣ）を排出させないのがよく、上記図１（ｂ）の関係によれば、排気中の全ＨＣ濃度が極小値となるのは全Ａ／Ｆが値１８のときであり、故に、触媒コンバータが活性状態となり浄化能を発揮し始めるまでの間は、全Ａ／Ｆを値１８或いはその近傍値に設定し維持する。
【００１３】
これにより、２段噴射の実施期間中、触媒コンバータが未だ不活性状態にあって浄化能を発揮していないような期間において、有害物質（ＨＣ）の排出量が極力少なく抑えられる。
【００１４】
また、出願人が実験したところ、エンジンの始動直後には、図２に示すように、主Ａ／ＦとＨＣ排出量との間には、図１（ｂ）と同様の関係があることが分かり、当該図２の関係によれば、排気中の全ＨＣ濃度が極小値となるのは主Ａ／Ｆが値２５のときであり、故に、触媒コンバータが活性状態となり浄化能を発揮し始めるまでの間は、主Ａ／Ｆを値２５或いはその近傍値に設定し維持する。
【００１５】
これにより、２段噴射の実施期間中、触媒コンバータが未だ不活性状態にあって浄化能を発揮していないような期間において、有害物質（ＨＣ）の排出量がより一層少なく抑えられる。
また、請求項２の発明では、前記２段噴射制御手段は、前記触媒コンバータが第１の活性状態となるまでの間、総合空燃比を値１８或いはその近傍値に設定するとともに主噴射の空燃比を値２５或いはその近傍値に設定し、これら総合空燃比値及び空燃比値を維持することを特徴としている。
【００１６】
即ち、触媒コンバータが第１の活性状態、例えば概略活性状態になれば触媒コンバータは十分な浄化能を発揮し始めることになるため、触媒コンバータが第１の活性状態（例えば概略活性状態）となり浄化能を発揮し始めるまでの間は、全Ａ／Ｆを値１８或いはその近傍値に設定し維持するとともに主Ａ／Ｆを値２５或いはその近傍値に設定し維持する。
【００１７】
これにより、２段噴射の実施期間中、触媒コンバータが未だ不活性状態にあって浄化能を発揮していないような期間において、有害物質（ＨＣ）の排出量が極力少なく抑えられる。
また、請求項３の発明では、上記請求項２において、前記２段噴射制御手段は、前記触媒コンバータが前記第１の活性状態となった後、より活性度の高い第２の活性状態となるまでの間、総合空燃比を値１６或いはその近傍値に設定するとともに主噴射の空燃比を値３０或いはその近傍値に設定し、これら総合空燃比値及び空燃比値を維持することを特徴としている。
【００１８】
即ち、触媒コンバータが第１の活性状態（例えば概略活性状態）となった後は、触媒コンバータはある程度は浄化能を発揮し始め、全Ａ／Ｆをリッチ空燃比寄りにしても、ＨＣは触媒コンバータ上で良好に反応することになり、一方このように全Ａ／Ｆをリッチ空燃比寄りにすることで燃焼熱の発生量が増大して排気昇温効果が高まることになるため、より活性度の高い第２の活性状態、例えば完全活性状態となるまでの間は、全Ａ／Ｆをリッチ空燃比寄りにし、併せて主Ａ／Ｆをよりリーン空燃比側として副噴射による空燃比をリッチ空燃比寄りとする。
【００１９】
これにより、２段噴射の実施期間中、２段燃焼の最適化が図られ、触媒コンバータが未だ不活性状態にあって浄化能を全く発揮していないような期間において、有害物質（ＨＣ）の排出量が極力少なく抑えられ、一方触媒コンバータが概略活性状態になった後ある程度の浄化能を発揮しているような期間において、触媒反応が促進されて排気昇温効果が十分に確保される。
【００２０】
また、請求項４の発明では、前記第１及び第２の活性状態は前記触媒コンバータの温度に基づき判定されるものであり、前記第２の活性状態の方が前記第１の活性状態よりも前記触媒コンバータの温度が高いことを特徴としている。
従って、第１の活性状態（例えば概略活性状態）及び第２の活性状態（例えば完全活性状態）が触媒コンバータの温度に基づいて確実に判定される。
【００２１】
また、請求項５の発明では、前記第１及び第２の活性状態は内燃機関の始動後の経過時間により判定されるものであり、前記第２の活性状態の方が前記第１の活性状態よりも前記内燃機関の始動後の経過時間が長いことを特徴としている。
従って、第１の活性状態（例えば概略活性状態）及び第２の活性状態（例えば完全活性状態）が内燃機関の始動後の経過時間に基づいて容易に判定される。
【００２２】
また、請求項６の発明では、前記第１及び前記第２の活性状態は前記２段噴射制御手段による２段噴射の開始後の経過時間により判定されるものであり、前記第２の活性状態の方が前記第１の活性状態よりも前記２段噴射の開始後の経過時間が長いことを特徴としている。
従って、第１の活性状態（例えば概略活性状態）及び第２の活性状態（例えば完全活性状態）が２段噴射の開始後の経過時間に基づいて容易且つ適正に判定される。
【００２３】
【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３を参照すると、本発明に係る筒内噴射型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。
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、容易にして理論空燃比（ストイキ）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）が実現可能である。
【００２４】
同図に示すように、エンジン１のシリンダヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ４とともに電磁式の燃料噴射弁６が取り付けられており、これにより、燃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。
【００２５】
シリンダヘッド２には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド１０の一端がそれぞれ接続されている。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が設けられている。
また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成されており、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド１２の一端がそれぞれ接続されている。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。
【００２６】
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。
【００２７】
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が配設されており、三元触媒３０には、触媒温度を検出する触媒温度センサ３２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４０が介装されている。
【００２８】
排気流動制御装置４０は、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（低減効果増強要因）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。具体的には、排気流動制御装置４０は排気管２０の流路面積を調節可能な密閉型開閉弁（排気流動制御手段）４２によって構成されている。
【００２９】
密閉型開閉弁４２としては種々の方式が考えられるが、ここでは、例えば、図４（ａ）に閉弁状態を示し、図４（ｂ）に開弁状態を示すように、排気管２０を貫通する軸４３回りに弁体４４を回転させることで排気管２０の流路面積を調節可能なバタフライ弁が採用される。バタフライ弁にはアクチュエータ４５が設けられており、バタフライ弁は当該アクチュエータ４５によって弁体４４が軸４３回りに回転させられて開閉作動する。
【００３０】
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、上述した排気圧センサ２２、触媒温度センサ３２等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力される。
【００３１】
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４５等の各種出力デバイスが接続されており、これら各種出力デバイスには各種センサ類からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期、排気流動制御量等がそれぞれ出力され、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、所望の排気流動制御量（例えば、目標排気圧）となるよう適正なタイミングで開閉弁４２が開閉操作される。
【００３２】
また、当該排気浄化装置では、燃料噴射弁６は、主燃焼用の主噴射の後、膨張行程後期以降に燃料を副噴射、即ち燃料を２段噴射して２段燃焼を行うことが可能に構成されている。この２段燃焼では、主噴射は圧縮行程で行われ、主燃焼の空燃比は酸素の多いリーン空燃比に設定される。
このように２段燃焼を行うと、排気系（燃焼室から三元触媒３０）内に主燃焼で残存した酸素と副噴射による未燃燃料とを同時に存在させることが可能となり、これら残留酸素と未燃燃料とが排気系内で反応し、三元触媒３０の早期昇温が実現される。
【００３３】
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、即ちエンジン１の冷態時における２段燃焼制御について説明する。
図５を参照すると、２段燃焼制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており（２段噴射制御手段）、以下同図に沿って説明する。
ステップＳ１０では、三元触媒３０が概略活性状態（第１の活性状態）であるか否かを判別する。具体的には、触媒温度センサ３２からの情報に基づき、三元触媒３０の温度が、十分な浄化能は得られないものの未燃物をある程度触媒反応させるだけの浄化能を有する概略活性温度（触媒によって異なり、例えば、２００℃）に達しているか否かを判別する。
【００３４】
ステップＳ１０の判別結果が偽（Ｎｏ）で、触媒温度が概略活性温度に達しておらず、三元触媒３０が概略活性状態にないと判定された場合には、ステップＳ１２に進む。
ステップＳ１２では、２段燃焼制御用の空燃比を、全Ａ／Ｆ（総合空燃比）が値１８、且つ、主Ａ／Ｆが値２５になるように設定する。ここに、全Ａ／Ｆとは吸入空気量に対する主噴射及び副噴射の総燃料量の比であり、主Ａ／Ｆとは吸入空気量に対する主噴射の燃料量の比である。また、値１８や値２５はこれらの値の近傍値であればよい。
【００３５】
つまり、上記図１（ｂ）及び図２に示したように、エンジン１の始動直後、即ち三元触媒３０が概略活性状態に達しておらず未だ不活性状態にあるときには、全Ａ／Ｆが値１８、且つ、主Ａ／Ｆが値２５のときに有害物質（ＨＣ）の排出量が最も少なくなっていることが分かっており、故に、三元触媒３０が不活性状態にあるときには、全Ａ／Ｆを値１８に設定し、且つ、主Ａ／Ｆを値２５とになるように設定する。
【００３６】
このように全Ａ／Ｆが値１８の場合に有害物質（ＨＣ）の排出量が最も少なくなるのは、全Ａ／Ｆを値１８としたときに、排気系内において副噴射による未燃燃料と残留酸素とが最良の状態で関わり合いながら反応が完了するためと考えられる。
これにより、２段燃焼制御時における有害物質（ＨＣ）の排出量を少なく抑制することができる。
【００３７】
なお、ここでは、全Ａ／Ｆを値１８とし、且つ、主Ａ／Ｆを値２５に設定するようにしたが、全Ａ／Ｆを値１８とするだけでも有害物質（ＨＣ）の排出量を十分に抑制することができる。
そして、ステップＳ１４において、主Ａ／Ｆ及び全Ａ／Ｆが上記空燃比値となるように主噴射及び副噴射の燃料噴射量をそれぞれ設定して２段噴射を実施し、同時に、密閉型開閉弁４２を閉作動させて排気流動抑制を行う。
【００３８】
このように、２段噴射とともに排気流動抑制を行うと、排気圧が上昇して排気系内における排気密度が高まり、これにより未燃燃料と残留酸素との関わりが増強されて排気系内での反応が促進される。
一方、ステップＳ１０の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、触媒温度が概略活性温度に達し、三元触媒３０が概略活性状態にあると判定された場合には、ステップＳ１６に進む。
【００３９】
ステップＳ１６では、三元触媒３０が今度は活性状態（第２の活性状態）にあるか否かを判別する。具体的には、触媒温度センサ３２からの情報に基づき、三元触媒３０の温度が、概略活性温度よりも高く十分な浄化能を得られる完全活性温度（触媒によって異なり、例えば、３００℃）に達しているか否かを判別する。
【００４０】
ステップＳ１６の判別結果が偽（Ｎｏ）、即ち、触媒温度が概略活性温度と完全活性温度との間にあり、三元触媒３０が概略活性状態である場合には、ステップＳ１８に進む。
ステップＳ１８では、２段燃焼制御用の空燃比を、全Ａ／Ｆが値１６、且つ、主Ａ／Ｆが値３０になるように設定する。つまり、三元触媒３０が概略活性状態に達したときには、燃料量を増量して全Ａ／Ｆをリッチ空燃比寄りの値１６とし、さらに、主Ａ／Ｆをリーン空燃比寄りの値３０として主噴射量を減少させ、副噴射量を増加させる。なお、値１６や値３０はこれらの値の近傍値であればよい。
【００４１】
このようにすると、副噴射による排気系内の未燃燃料量が反応系内での反応限界を越えて余剰となり、三元触媒３０に達することとなる。
一方、上述したように、三元触媒３０が概略活性状態であると判定された場合には、三元触媒３０は十分な浄化能は得られないものの未燃物をある程度触媒反応させるだけの浄化能を有していると考えられる。
【００４２】
従って、三元触媒３０が概略活性状態になった後、全Ａ／Ｆを値１６にし、主Ａ／Ｆを値３０にすることにより、三元触媒３０上での触媒反応を促進させることができ、三元触媒３０を急速に昇温させることができる。なお、この場合、余剰の未燃燃料は排気系内反応と相まって三元触媒３０上で略完全に触媒反応に寄与することになるので、有害物質（ＨＣ）の排出量は継続して少なく抑えられる。
【００４３】
なお、ここでは、全Ａ／Ｆを値１６とし、且つ、主Ａ／Ｆを値３０に設定するようにしたが、全Ａ／Ｆを値１６とするだけでも触媒反応を十分に促進させることができる。
そして、やはり、ステップＳ１４において、主Ａ／Ｆ及び全Ａ／Ｆが上記空燃比値となるように主噴射及び副噴射の燃料噴射量をそれぞれ設定して２段噴射を実施し、同時に、密閉型開閉弁４２を閉作動させて排気流動抑制を行う。
【００４４】
これにより、未燃燃料と残留酸素との関わりが増強されて排気系内での反応や触媒反応が促進される。
このように、本発明の排気浄化装置では、２段燃焼時において、三元触媒３０が概略活性状態になるまでの未活性状態の間は、全Ａ／Ｆを値１８として有害物質（ＨＣ）の排出量を少なく抑制でき、三元触媒３０が概略活性状態になった後は、全Ａ／Ｆを値１６として有害物質（ＨＣ）の排出量を少なく抑えながら触媒温度を効果的に上昇させることができる。
【００４５】
即ち、図６を参照すると、始動後（モータリング後）に２段燃焼を実施した場合の触媒入口での排気温度、触媒温度、触媒上流のＨＣ濃度の実験結果が全Ａ／Ｆを値１６（実線）、値１８（破線）とした場合のそれぞれについてタイムチャートで示されているが、同図に示すように、三元触媒３０が概略活性状態になるまでの間全Ａ／Ｆを値１８（破線）とすることで、有害物質（ＨＣ）の排出量を少なく抑制でき、三元触媒３０が概略活性状態になった後全Ａ／Ｆを値１６（実線）とすることで、触媒を効果的に昇温させることができる。
【００４６】
つまり、本発明の排気浄化装置を用いることにより、２段燃焼中、全体として有害物質（ＨＣ）の排出量を少なく抑制しながら併せて触媒を効果的に昇温させることができ、２段燃焼の最適化を図ることができる。
ステップＳ１６の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、触媒温度が完全活性温度に達したと判定された場合には、ステップＳ２０に進む。
【００４７】
触媒温度が完全活性温度に達し、三元触媒３０が活性状態になった場合には、もはや三元触媒３０を強制的に昇温させる必要はなく、故に、ステップＳ２０では、２段噴射を停止するとともに密閉型開閉弁４２を開作動させて排気流動抑制を停止する。２段噴射の停止後は通常の空燃比制御が実施されることになる。
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。
【００４８】
例えば、上記実施形態では、三元触媒３０が概略活性状態（第１の活性状態）になったか否か及び三元触媒３０が活性状態（第２の活性状態）になったか否かについては、三元触媒３０の温度に基づいて判別するようにしたが、他の実施例として、エンジン１の始動後の経過時間、或いは２段噴射の開始後の経過時間に基づいて判別するようにしてもよい。つまり、実験等により概略活性状態及び活性状態になるまでのエンジン始動後或いは２段噴射開始後の経過時間を概略活性時間及び活性時間（但し、活性時間の方が概略活性時間よりも長い）として予め設定しておき、エンジン１の始動後の経過時間或いは２段噴射の開始後の経過時間がこれら概略活性時間、活性時間に達したか否かで三元触媒３０の概略活性状態、活性状態を判別するようにしてもよい。このようにすれば、三元触媒３０の概略活性状態や活性状態を触媒温度センサを用いることなく容易且つ適正に判定することができる。
【００４９】
また、上記実施形態では、三元触媒３０が概略活性状態となった後、全Ａ／Ｆを値１６に切り換えるようにしたが、三元触媒３０が活性状態となるまで全Ａ／Ｆを値１８に保持するようにしてもよい。このようにすれば、触媒の昇温速度は緩やかになる一方、有害物質（ＨＣ）の排出量を優先的に抑制することができる。
【００５０】
また、上記実施形態では、エンジン１として筒内噴射型ガソリンエンジンを用いるようにしたが、エンジンはディーゼルエンジンであってもよい。
また、上記実施形態では、触媒として三元触媒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く、ＭＣＣ、ＦＣＣ、ＵＣＣのいずれであってもよい。
【００５１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の請求項１の筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置によれば、２段噴射の実施期間中、触媒コンバータが活性状態となるまでの間、例えばエンジン始動直後の触媒コンバータが未だ不活性状態にあるような期間は、上記図１（ｂ）の関係に従い、全Ａ／Ｆを値１８或いはその近傍値に設定し維持するとともに主Ａ／Ｆを値２５或いはその近傍値に設定し維持するので、排気流動の抑制による排気系内反応の促進と相まって、触媒コンバータが未だ不活性状態にあって浄化能を発揮していないような期間における有害物質（ＨＣ）の排出量を極力少なく抑えることができる。
【００５５】
また、請求項２の筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置によれば、触媒コンバータが第１の活性状態（例えば概略活性状態）となり浄化能を発揮し始めるまでの間は、全Ａ／Ｆを値１８或いはその近傍値に設定し維持するとともに主Ａ／Ｆを値２５或いはその近傍値に設定し維持するので、２段噴射の実施期間中、触媒コンバータが未だ不活性状態にあって浄化能を発揮していないような期間における有害物質（ＨＣ）の排出量を極力少なく抑えることができる。
【００５６】
また、請求項３の筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置によれば、触媒コンバータが前記第１の活性状態（例えば概略活性状態）となった後、より活性度の高い第２の活性状態（例えば完全活性状態）となるまでの間、総合空燃比を値１６或いはその近傍値に設定するとともに主噴射の空燃比を値３０或いはその近傍値に設定しこれらを維持するので、２段噴射の実施期間中、２段燃焼の最適化を図ることができ、触媒コンバータが未だ不活性状態にあって浄化能を全く発揮していないような期間において有害物質（ＨＣ）の排出量を極力少なく抑えるようにでき、一方触媒コンバータが概略活性状態になった後ある程度の浄化能を発揮しているような期間において触媒反応を促進させ、排気昇温効果を十分に確保することができる。
【００５７】
また、請求項４の筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置によれば、第１及び第２の活性状態は触媒コンバータの温度に基づき判定されるものであり、第２の活性状態の方が第１の活性状態よりも触媒コンバータの温度が高いので、第１の活性状態（例えば概略活性状態）及び第２の活性状態（例えば完全活性状態）を触媒コンバータの温度に基づいて確実に判定できる。
【００５８】
また、請求項５の筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置によれば、第１及び第２の活性状態は内燃機関の始動後の経過時間により判定されるものであり、第２の活性状態の方が第１の活性状態よりも内燃機関の始動後の経過時間が長いので、第１の活性状態（例えば概略活性状態）及び第２の活性状態（例えば完全活性状態）を内燃機関の始動後の経過時間に基づいて容易に判定できる。
【００５９】
また、請求項６の筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置によれば、第１及び第２の活性状態は２段噴射制御手段による２段噴射の開始後の経過時間により判定されるものであり、第２の活性状態の方が第１の活性状態よりも２段噴射の開始後の経過時間が長いので、第１の活性状態（例えば概略活性状態）及び第２の活性状態（例えば完全活性状態）を２段噴射の開始後の経過時間に基づいて容易且つ適正に判定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】２段燃焼時における、全Ａ／Ｆと始動５０秒後の排気温度との関係（ａ）、全Ａ／Ｆと始動５０秒間のＨＣ排出量との関係（ｂ）を示す図である。
【図２】２段燃焼時における、主Ａ／Ｆと始動５０秒間のＨＣ排出量との関係を示す図である。
【図３】本発明に係る筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
【図４】排気流動制御装置としてのバタフライ弁を示す図である。
【図５】２段燃焼制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図６】始動後に２段燃焼を実施した場合の触媒入口での排気温度、触媒温度、触媒上流のＨＣ濃度の実験結果を全Ａ／Ｆが１６（実線）、１８（破線）である場合のそれぞれについて示したタイムチャートであって、本発明の効果を説明する図である。
【符号の説明】
１ エンジン本体
６ 燃料噴射弁
１２ 排気マニホールド
２０ 排気管
３０ 三元触媒
４０ 排気流動制御装置
４２ 密閉型開閉弁
６０ ＥＣＵ（電子コントロールユニット）
Claims (6)
- 燃焼室内に直接燃料を噴射する噴射弁と、
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、
排気昇温が要求されるとき、吸気行程及び圧縮行程のいずれか一方で主燃焼のための主噴射を行うとともに膨張行程以降において副噴射を行うよう前記噴射弁の駆動を制御する２段噴射制御手段と、
前記２段噴射制御手段により２段噴射が行われるとき、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２段噴射制御手段は、２段噴射の実施期間中、前記触媒コンバータが活性状態となるまでの間、総合空燃比を値１８或いはその近傍値に設定するとともに主噴射の空燃比を値２５或いはその近傍値に設定し、これら総合空燃比値及び空燃比値を維持することを特徴とする筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置。 - 前記２段噴射制御手段は、前記触媒コンバータが第１の活性状態となるまでの間、総合空燃比を値１８或いはその近傍値に設定するとともに主噴射の空燃比を値２５或いはその近傍値に設定し、これら総合空燃比値及び空燃比値を維持することを特徴とする、請求項１記載の筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置。
- 前記２段噴射制御手段は、前記触媒コンバータが前記第１の活性状態となった後、より活性度の高い第２の活性状態となるまでの間、総合空燃比を値１６或いはその近傍値に設定するとともに主噴射の空燃比を値３０或いはその近傍値に設定し、これら総合空燃比値及び空燃比値を維持することを特徴とする、請求項２記載の筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置。
- 前記第１及び第２の活性状態は前記触媒コンバータの温度に基づき判定されるものであり、前記第２の活性状態の方が前記第１の活性状態よりも前記触媒コンバータの温度が高いことを特徴とする、請求項３記載の筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置。
- 前記第１及び第２の活性状態は内燃機関の始動後の経過時間により判定されるものであり、前記第２の活性状態の方が前記第１の活性状態よりも前記内燃機関の始動後の経過時間が長いことを特徴とする、請求項３記載の筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置。
- 前記第１及び前記第２の活性状態は前記２段噴射制御手段による２段噴射の開始後の経過時間により判定されるものであり、前記第２の活性状態の方が前記第１の活性状態よりも前記２段噴射の開始後の経過時間が長いことを特徴とする、請求項３記載の筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置。
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