JP4560978B2

JP4560978B2 - ターボ過給機付火花点火式直噴エンジン

Info

Publication number: JP4560978B2
Application number: JP2001100574A
Authority: JP
Inventors: 浩康内田; 和明梅園; 幹公藤井
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2021-03-30
Also published as: JP2002295287A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターボ過給機付火花点火式直噴エンジンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車用の火花点火式エンジンにおいては、省エネルギあるいはＣＯ_２（二酸化炭素）排出量の低減などといったグローバルな観点から、燃費性能の向上が強く求められている。そこで、燃焼室内に燃料を直接噴射することにより燃料を点火プラグまわりに層状化（成層化）させて混合気の着火性を高める一方、空燃比を理論空燃比よりもリーンにして燃費性能を高めるようにした火花点火式直噴エンジンが急速に普及しつつある。
【０００３】
また、自動車用のエンジンにおいては排気ガスがかなり高い圧力（排圧）をもつことから、この排気ガスの圧力を有効に利用して吸気圧力ないしは充填効率を高めるターボ過給機を設け、エンジン出力の向上を図るようにしたターボ過給機付エンジンも古くから知られている。そして、かかるターボ過給機付エンジンは、近年、空燃比を有効にリーン化するための手段としても注目されている。
【０００４】
ところで、自動車用のエンジンの燃焼室から排出される排気ガスには、ＮＯｘ（窒素酸化物）、ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）等の大気汚染物質が含まれているので、エンジンの排気通路には、通常、これらの大気汚染物質を浄化する排気ガス浄化触媒を用いた触媒コンバータ（排気ガス浄化装置）が介設される。かかる排気ガス浄化触媒は、一般に、その活性化温度より高温の状態では排気ガス浄化性能を発揮するが、活性化温度より低温の状態では排気ガス浄化性能を十分には発揮しないといった特性をもつ。
【０００５】
したがって、エンジンの冷間始動時においては、始動直後からある程度の時間が経過しないと、排気ガス浄化触媒は活性化されない。そこで、冷間始動時においては、エンジンのエミッション性能を高めるため、排気ガス浄化触媒を迅速に昇温させ、その早期活性化を図ることが必要である。
【０００６】
ところが、ターボ過給機付エンジンでは、一般に、排気通路にターボ過給機のタービンが介設され、その下流に触媒コンバータが介設される。このため、排気ガスがタービンによって冷却され（例えば、１００℃程度）、冷間始動時には排気ガス浄化触媒の昇温ないしは活性化が遅れるといった問題がある。そこで、触媒コンバータをターボ過給機より上流側に配置するといった対応が考えられる。
しかしながら、この場合、触媒コンバータが燃焼室のすぐ下流に位置することになるので、エンジン暖機時には排気ガス浄化触媒の温度が高くなりすぎ、熱劣化によりその耐久性が低下するといった問題が生じる。また、タービン上流の触媒コンバータが流動抵抗を生じさせるので、ターボラグが生じ、ターボ過給機の加速レスポンスが悪くなるといった問題も生じる。
【０００７】
そこで、例えば、冷間始動時にはタービン回転数を低下させて排気ガスからタービンへの放熱を抑制し、排気ガス浄化触媒の昇温ないしは活性化を促進するようにした過給機付エンジンが提案されている（特開平９−１００７２４号公報参照）。
【０００８】
また、冷間始動時に、燃料噴射を、吸気行程と圧縮行程とに２分割して行うことにより、排気ガス温度を高めて排気ガス浄化触媒の昇温ないしは活性化を促進するようにした火花点火式直噴エンジンも提案されている（特開平１０−２１２９８７号公報参照）。
【０００９】
さらには、冷間始動時において、その初期には燃料噴射を吸気行程と圧縮行程とに２分割して行う一方、その後は燃料噴射を圧縮行程と膨張行程とに２分割して行うことにより、排気ガス温度を高めて排気ガス浄化触媒の昇温ないしは活性化を促進するようにした火花点火式直噴エンジンも提案されている（特開平２０００−１２０４７１号公報参照）。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、自動車用エンジンに対するエミッション規制は近年ますます強化される傾向にあり、冷間始動時においては例えば３０秒程度で排気ガス浄化触媒を活性化させることが求められている。しかしながら、例えば、特開平９−１００７２４号公報、特開平１０−２１２９８７号公報あるいは特開平２０００−１２０４７１号公報に開示された従来の冷間始動時における排気ガス浄化触媒の早期活性化手法では、このように厳しいエミッション規制に対応する上で、排気ガス浄化触媒の昇温促進効果ないしは活性化促進効果が十分とはいえず、市場では、さらに有効な排気ガス浄化触媒の早期活性化手法が求められている。
【００１１】
本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、ターボ過給機を備えた火花点火式直噴エンジンに対して、タービン下流の排気通路に配置された排気ガス浄化触媒の冷間始動時における昇温ないしは活性化を十分に促進することができる手段を提供することを解決すべき課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた本発明にかかるターボ過給機付火花点火式直噴エンジンは、（ｉ）燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射装置と、燃料を着火させる火花点火装置と、ターボ過給機と、ターボ過給機のタービンより下流において排気通路に配置される排気ガス浄化触媒とが設けられているターボ過給機付火花点火式直噴エンジンにおいて、（ii）冷間始動直後から所定の切替時期（以下、「噴射形態切替時期」という。）までの、排気ガス浄化触媒が未活性状態にある期間は、燃料噴射が点火時期前のみで行われるとともに、排気温度昇温のために点火時期がＭＢＴ（最大トルクが得られる点火時期）より所定期間リタードさせられ、かつ点火時期前の燃料噴射後における排気空燃比が理論空燃比又は理論空燃比よりリッチ側に設定される一方、（iii）噴射形態切替時期後の、排気ガス浄化触媒が未活性状態にある期間は、燃料噴射が、吸気行程から点火時期前にかけての期間内に実行される前段燃料噴射と、点火時期後の膨張行程で実行される後段燃料噴射とに分けて行われるとともに、タービンによる排気ガスの攪拌によって未燃ＨＣの酸化反応が起こる排気温度まで昇温できるように、後段燃料噴射の時期を前段燃料噴射による前段燃焼の終了後で膨張行程における上死点後６０度クランク角までの範囲内に設定し、かつ後段燃料噴射後における排気空燃比（全燃料に対する全体としての空燃比）が理論空燃比よりリーン（λ＞１）となるように燃料噴射量が設定されていることを特徴とするものである。
【００１３】
このターボ過給機付火花点火式直噴エンジンにおいては、冷間始動直後から噴射形態切替時期までの期間、すなわちエンジン温度が比較的低いときには、点火時期のリタードにより排気ガス温度が高められ、エンジンの暖機ないしは排気ガス浄化触媒の昇温が促進される。なお、この状態では、たとえ点火時期後の膨張行程で燃料噴射を行っても（点火時期はリタードさせずに）、その排気ガス温度上昇効果は、点火時期をリタードさせた場合には及ばない。この状態では、エンジン温度ないしは排気ガス温度が比較的低いので、膨張行程で噴射された燃料の燃焼性が悪く、また後記のタービンによる排気ガスの撹拌（以下、「タービン撹拌」という。）による未燃ＨＣの酸化反応（再燃焼）がほとんど起こらないからである。
また、タービン撹拌によりＨＣの酸化反応が起こる状況下まで、排気ガス温度を早期に上昇させることができ、触媒活性化期間において燃料を有効に利用することができる。
【００１４】
他方、噴射形態切替時期後は、エンジン温度ないしは排気ガス温度が比較的高く、かつ空燃比がリーンである（酸素が十分に存在する）ので、後段燃料噴射の燃焼性が維持（失火を防止）され、該燃焼により排気ガス温度が高められ、さらにタービン撹拌により、未燃ＨＣの酸化反応が促進されて排気ガス温度が一層高められる。なお、この状態では、たとえ点火時期をリタードさせても（膨張行程では燃料噴射を行わず）、その排気ガス温度上昇効果は、後段燃料噴射を行う場合には及ばない。
このように、冷間始動時には、エンジンの運転状態に応じて、排気ガス温度上昇効果がより高い排気ガス昇温策が設定されるので、排気ガス浄化触媒を早期に昇温ないしは活性化させることができる。
【００１５】
上記ターボ過給機付火花点火式直噴エンジンにおいては、噴射形態切替時期がエンジン温度（あるいは、エンジンの暖機状態）に基づいて設定されるのが好ましい。このようにすれば、後段燃料噴射が、噴射された燃料の燃焼性が高くなる時期から開始されるので、後段燃料噴射によって噴射された燃料が未燃焼のまま排出されず、ＨＣ排出量が低減される。
【００１６】
また、上記ターボ過給機付火花点火式直噴エンジンにおいては、噴射形態切替時期までは、燃料噴射が、圧縮行程後半と、これより前の時期（吸気行程又は圧縮行程前半）とに分けて実行される一方、噴射形態切替時期後は、後段燃料噴射が、膨張行程前半に実行されるのが好ましい。このようにすれば、タービン撹拌によりＨＣの酸化反応が起こる状況下まで、排気ガス温度を早期に上昇させることができ、触媒活性化期間において燃料を有効に利用することができる。
【００１８】
上記ターボ過給機付火花点火式直噴エンジンにおいては、噴射形態切替時期において、点火時期のリタードを解除して後段燃料噴射を開始する際には、前段燃料噴射量に対する後段燃料噴射量の割合が徐々に増加させられるのが好ましい。
このようにすれば、未燃ＨＣの排出を低減ないしは防止することができる。なお、後段燃料噴射量を急変させると、未燃ＨＣの排出量が増加することになる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を具体的に説明する。
図１に示すように、本発明にかかるターボ過給機付火花点火式直噴エンジン１（以下、「エンジン１」という。）は、吸気弁２が開かれたときに、吸気通路３から燃焼室４内に燃料燃焼用のエアを吸入するようになっている。そして、この燃焼室４内のエア中に、所定のタイミングで燃料噴射弁５（燃料噴射装置）から燃料（ガソリン）が直接噴射され、混合気が形成される。
【００２０】
この混合気は、ピストン６によって圧縮され、所定のタイミングで点火プラグ７（火花点火装置）により点火されて燃焼する。燃焼ガスすなわち排気ガスは、排気弁８が開かれたときに排気通路９に排出される。
【００２１】
燃料噴射弁５には、燃料供給通路１０を介して、高圧燃料ポンプ１１によって燃料が供給される。このように、高圧燃料ポンプ１１が用いられているので、燃焼室４内が高圧となる圧縮行程後半でも支障なく燃料噴射を行うことができる。
燃料噴射弁５はスワール型インジェクタであって、燃料噴射孔が燃焼室４に直接臨むように配置されている。また、燃料噴射弁５は、ピストン６が上死点位置近傍に位置するときに、該ピストン６の頂部に形成されたキャビティ６ａ内に向けて燃料を噴射できるように配置されている。これにより、圧縮行程後半において燃料噴射弁５から噴射された燃料が、キャビティ６ａによってはね返され、点火プラグ７まわりに層状化（成層化）される。このように、燃料ないしは混合気が層状化されてその着火性が高められるので、空燃比を大幅にリーンにすることができ、燃費性能が高められる。
【００２２】
吸気通路３には、エア（吸気）の流れ方向にみて、上流側から順に、エアを絞るエレキスロットルバルブ１２と、エアの流れを安定させるサージタンク２１と、スワールを生成するために燃焼室４へのエアの流入方向を調整するガス流動制御弁１３とが設けられている。ここで、エレキスロットルバルブ１２は、コントロールユニット２０（ＥＣＵ）から出力される制御信号に応じて作動する電気式アクチュエータ１２ａによって駆動され、燃焼室４に流入するエア量を調節するようになっている。なお、図示していないが、エレキスロットルバルブ１２より上流側において、吸気通路３には、上流側から順に、エア中のダスト等を除去するエアクリーナ（図示せず）と、エア流量を検出するエアフローセンサと、後で説明するターボ式過給機１５のブロワ（ポンプ）と、ブロワにより加圧されて高温となったエアを冷却するインタクーラとが設けられている。
【００２３】
排気通路９には、排気流れ方向にみて上流側から順に、排気ガス中の酸素濃度ひいては空燃比を検出するリニアＯ_２センサ１４（λ＝１近傍で出力が逆転する普通のλO_２センサでもよい）と、ターボ過給機１５のタービン１５ａと、第１触媒コンバータ１６と、第２触媒コンバータ１７とが設けられている。詳しくは図示していないが、第１触媒コンバータ１６は、２ベッドタイプのものであって、その上流側のベッドにはＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯ等を浄化する三元触媒が装填され、下流側のベッドには主としてＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒が装填されている。なお、第１触媒コンバータ１６を１ベッドタイプとして、三元触媒のみを装填するようにしてもよい。また、第２触媒コンバータ１６は、１ベッドタイプのものであって、主としてＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒が装填されている。なお、いずれの排気ガス浄化触媒も、その温度が活性化温度以上になると十分な浄化力を発揮するが、その温度が活性化温度より低いと、十分な浄化力は得られない。
【００２４】
また、エンジン１には、排気通路９内の排気ガスの一部をＥＧＲとして吸気通路３に戻すＥＧＲ通路１８が設けられ、このＥＧＲ通路１８に、ＥＧＲガス流量を制御するＥＧＲ制御弁１９が介設されている。なお、吸気弁２は、可変バルブタイミング機構２２により、その開閉タイミングを変えることができる。
【００２５】
コントロールユニット２０は、エンジン１の総合的な制御装置であって、各種制御情報に基づいて種々のエンジン制御を行うようになっている。具体的には、コントロールユニット２０には、吸入空気量、スロットル開度、クランク角、エンジン回転数、エンジン水温（エンジン温度）、空燃比等の各種制御情報が入力される。そして、コントロールユニット２０は、これらの制御情報に基づいて、燃料噴射弁５の燃料噴射量及び噴射タイミングの制御（燃料噴射制御）、点火プラグ７の点火時期の制御（点火時期制御）、エレキスロットルバルブ１２の開度の制御、ＥＧＲ制御弁１９の開度の制御、ガス流動制御弁１３の開度の制御、吸気弁２の開閉タイミングの制御等を行う。
【００２６】
しかしながら、コントロールユニット２０によるエンジン１の通常の制御は一般に知られており、またかかる通常の制御は本願発明の要旨とするところでもないのでその説明を省略し、以下では本願発明の要旨にかかる、エンジン１の冷間始動時における燃料噴射制御と点火時期制御とについてのみ説明する。なお、ここで「冷間始動」とは、エンジン１が常温の未暖機状態から始動される場合を意味し、寒冷状態からの始動に限定されるものではない。
【００２７】
エンジン１が冷間始動された直後から所定の噴射切替時期までの期間（以下、「触媒活性化前期」という。）は、燃料噴射弁５の燃料噴射は点火時期前のみで行われる一方、点火プラグ７の点火時期はＭＢＴより所定期間リタードさせられる。なお、噴射切替時期は、エンジン温度ないしはエンジン水温に基づいて設定される。具体的には、後で説明する後段燃料噴射によって噴射された燃料の燃焼性が十分に確保され、タービン撹拌による未燃ＨＣの酸化反応が起こる状態となるまでエンジン温度が上昇する時点が噴射切替時期とされる。
【００２８】
この触媒活性化前期においては、両触媒コンバータ１６、１７内の排気ガス浄化触媒は未活性状態にあり、かつエンジン温度ないしは排気ガス温度は比較的低い状態にある。ここで、燃料噴射は、吸気行程に実行される吸気行程噴射と、圧縮行程後半に実行される圧縮行程噴射とに２分割して実施される。なお、吸気行程噴射及び圧縮行程噴射における総燃料噴射量は、およそ次のような手法で設定される。すなわち、まず、アクセル開度とエンジン回転数とに基づいて、マップ等を用いてエンジンの目標トルクが設定される。次に、目標トルクと吸入空気量とに基づいて、マップ等を用いて総燃料噴射量が設定される。この触媒活性化前期においては、排気空燃比、すなわち全体としての空燃比は、エンジントルクを確保するため、略理論空燃比（すなわち、λ≒１）又は理論空燃比よりリッチ側（すなわち、λ＜１）に設定される。なお、λは空気過剰率である。
【００２９】
他方、噴射切替時期後において、両触媒コンバータ１６、１７内の排気ガス浄化触媒が未活性状態にある期間（以下、「触媒活性化後期」という。）は、燃料噴射弁５の燃料噴射は、圧縮行程後半に実行される前段燃料噴射と、点火時期後の膨張行程前半で実行される後段燃料噴射とに分割して実施される。そして、点火時期のリタードは解除される。なお、前段燃料噴射及び後段燃料噴射における総燃料噴射量の設定方法は、触媒活性化前期の場合と同様である。この触媒活性化後期では、排気空燃比が、触媒活性化前期の場合よりもリーン側、すなわち実質的には理論空燃比よりリーン側（λ＞１）に設定される。
【００３０】
このように、触媒活性化初期においては、点火時期後の膨張行程における燃料噴射を行わずに点火時期をリタードさせる一方、触媒活性化後期においては、点火時期のリタードを解除して点火時期後の膨張行程における燃料噴射を行う理由は、およそ次のとおりである。
【００３１】
一般に、点火時期をＭＢＴ（ベストトルク点）よりもリタードさせると、エンジン出力（力学的エネルギ）が低下する。すなわち、燃料の燃焼により生成された熱エネルギの力学的エネルギへの変換率が低下し、その低下分のエネルギが排気ガス中に熱エネルギの形態で残留する。このため、排気ガス温度が上昇する。
そこで、触媒活性化初期には、点火時期をＭＢＴよりもリタードさせ、エンジン温度ないしは排気ガス温度の上昇を促進するようにしている。この排気ガスの温度上昇により、両触媒コンバータ１６、１７内の排気ガス浄化触媒の昇温ないしは活性化が促進される。ただし、この場合、エンジン出力が低下するので、これを補うため、空燃比はほぼ理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチ側に設定される。なお、触媒活性化前期では点火時期後の膨張行程における燃料噴射を行わない理由は、後で説明する。
【００３２】
エンジン温度ないしは排気ガス温度が比較的高いときに、点火時期後の膨張行程で燃料噴射を行うと、噴射された燃料が燃焼して排気ガス温度が上昇する。その際、燃料の一部は燃焼せず未燃ＨＣとして排気ガス中に残留する。しかしながら、この未燃ＨＣを含む排気ガスは、ターボ過給機１５のタービン１５ａを通過するときにタービンによって撹拌される（タービン撹拌）。その際、このタービン撹拌の作用に起因して、未燃ＨＣが排気ガス中の酸素によって酸化される（再燃焼する）。この未燃ＨＣの酸化反応の生成熱により排気ガス温度がさらに上昇する。かくして、この排気ガスの温度上昇により、両触媒コンバータ１６、１７内の排気ガス浄化触媒の昇温ないしは活性化が促進される。
【００３３】
ただし、この場合、後段燃料噴射により噴射された燃料を有効に燃焼させ、また未燃ＨＣをタービン撹拌により有効に酸化するために、十分な酸素が必要である。そこで、触媒活性化後期には、空燃比をリーンにして上記燃焼ないしは酸化に必要な酸素を確保するようにしている。なお、このように冷間始動時に空燃比を理論空燃比よりもリーンにするといった空燃比制御は、従来の空燃比制御ではみられない極めて斬新な手法である。
【００３４】
しかしながら、エンジン温度ないしは排気ガス温度が比較的低いときに点火時期後の膨張行程で燃料噴射を行う場合、噴射された燃料の燃焼性が低く、またタービン撹拌による未燃ＨＣの酸化反応も起こりにくいので、排気ガスの昇温効果は低い。また、ＨＣ排出量が増加するので、第１触媒コンバータ１６内の三元触媒への負荷が大きくなる。このため、エンジン温度ないしは排気ガス温度が比較的低い触媒活性化前期において、点火時期後の膨張行程で燃料噴射を行っても、排気ガスの昇温効果が少ないばかりか、ＨＣ排出量の増加を招く。これが、触媒活性化前期では点火時期後の膨張行程における燃料噴射を行わない理由である。
【００３５】
なお、触媒活性化前期から触媒活性化後期への切替時には、点火時期のリタードが解除される一方、後段燃料噴射が開始される。その際、前段燃料噴射量に対する後段燃料噴射量の割合は、徐々に増加させられる（例えば、０％から２０％まで徐々に）。これは、後段燃料噴射量を急変させると、未燃ＨＣの排出量が増加するからである。
【００３６】
以下、実験により得られたデータに基づいて、上記の冷間始動時における燃料噴射制御ないしは点火時期制御の特徴ないしは効果を、具体的に説明する。
図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に、それぞれ、ターボ過給機１５を備えたエンジン１において、吸気行程噴射及び圧縮行程噴射を行う一方点火時期をＭＢＴよりリタードさせた場合、すなわち全期間にわたって触媒活性化前期の状態を継続した場合（以下、「過給・Ｉｇリタードによる活性化」という。）と、点火時期のリタードを解除して前段燃料噴射及び後段燃料噴射を行った場合、すなわち全期間にわたって触媒活性化後期の状態を継続した場合（以下、「過給・膨張行程噴射による活性化」という。）とについて、エンジン回転数と、タービン上流の排気ガス温度と、タービン下流の排気ガス温度とを測定した結果を示す。
【００３７】
また、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）には、比較のため、ターボ過給機を備えていない非過給エンジンについて吸気行程噴射及び圧縮行程噴射を行う一方点火時期をＭＢＴよりリタードさせた場合（以下、「非過給・Ｉｇリタードによる活性化」という。）における、エンジン回転数、タービン上流の排気ガス温度及びタービン下流の排気ガス温度も併せて記載されている。なお、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、破線は過給・Ｉｇリタードによる活性化の場合のグラフであり、実線は過給・膨張行程噴射による活性化の場合のグラフであり、点線（ドット）は非過給・Ｉｇリタードによる活性化の場合である。
【００３８】
図２（ｃ）から明らかなとおり、エンジンの冷間始動後、およそ１１〜１２秒の時点までは、過給・Ｉｇリタードによる活性化の方が、過給・膨張行程噴射による活性化よりも、タービン下流における排気ガス温度が高い。他方、上記時点以降は、過給・膨張行程噴射による活性化の方が、過給・Ｉｇリタードによる活性化よりも、タービン下流における排気ガス温度が高い。このような実験的事実に鑑み、本発明にかかるエンジン１では、上記時点を噴射切替時期とした上で、それ以前（すなわち、触媒活性化前期）は過給・Ｉｇリタードによる活性化を行う一方、それ以降（すなわち、触媒活性化後期）は過給・膨張行程噴射による活性化を行い、排気ガス浄化触媒の昇温ないしは活性化を有効に促進するようにしている。
【００３９】
図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に、それぞれ、過給・膨張行程噴射による活性化における、排気ガス温度、ＨＣ濃度及びスモーク量の、後段燃料噴射の噴射時期（以下、「後段噴射時期」という。）に対する変化特性を示す。
また、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に、それぞれ、過給・Ｉｇリタードによる活性化における、排気ガス温度、ＨＣ濃度及びスモーク量の、点火時期に対する変化特性を示す。
【００４０】
図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）から明らかなとおり、後段噴射時期がおおむね４０〜８０ＡＴＤＣ．ｄｅｇであれば、タービン下流における排気ガス温度が高くなっている。したがって、触媒活性化後期における後段噴射時期はおおむね４０〜８０ＡＴＤＣ．ｄｅｇの範囲内に設定するのが好ましい。ただし、後段噴射時期が６０ＡＴＤＣ．ｄｅｇより遅角するとＨＣ濃度が急増する。また、後段噴射時期が５０ＡＴＤＣ．ｄｅｇより進角するとスモーク量が急増する。したがって、触媒活性化後期における後段噴射時期は、おおむね５０〜６０ＡＴＤＣ．ｄｅｇの範囲内に設定するのが、より好ましい。
【００４１】
図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）から明らかなとおり、点火時期がおおむね１０〜２０ＡＴＤＣ．ｄｅｇ（すなわち、−１０〜−２０ｄｅｇ進角）であれば、タービン下流における排気ガス温度が高くなる。したがって、触媒活性化前期における点火時期は、おおむね１０〜２０ＡＴＤＣ．ｄｅｇの範囲内に設定するのが好ましい。ただし、点火時期が１５ＡＴＤＣ．ｄｅｇより遅角するとスモーク量が急増する。したがって、触媒活性化前期における点火時期は、おおむね１０〜１５ＡＴＤＣ．ｄｅｇの範囲内に設定するのが、より好ましい。
【００４２】
以下、実験により得られたデータに基づいて、膨張行程噴射による排気ガス温度の上昇効果ないしはタービン撹拌による排気ガス温度の上昇効果を、具体的に説明する。
図５（ａ）に示すように点火時期前の圧縮行程で前段燃料噴射を行う一方、点火時期後の膨張行程で後段燃料噴射を行った場合、図５（ｂ）にその燃焼パターンを示すように、おおむね２４０〜３２０ＣＡ.ｄｅｇ（クランク角）で、燃料の燃焼により熱が発生している。したがって、膨張行程で噴射された燃料も有効に燃焼されることがわかる。なお、図５（ｂ）には、比較のため、後段燃料噴射を行わない場合の熱発生パターンも記載されている。
【００４３】
図６（ａ）に示すように、膨張行程における後段噴射時期は、おおむね４０ＡＴＤＣ．ｄｅｇまでは進角すればするほど、すなわち筒内ガス温度が高い膨張行程の上死点に近づくほど、排気ガス温度が高くなり、かつＨＣ排出量が低減される。しかしながら、後段燃料噴射が、前段燃料噴射によって噴射された燃料の燃焼終了時点（以下、「前段燃焼終了時期」という。）より前、すなわち該燃料の燃焼中に行われると、多量のカーボンが発生し、燃料噴射弁５に異常が発生することになる。したがって、後段噴射時期は、前段燃焼終了時期の後に設定することが必要である。なお、この例では、前段燃焼終了時期は、およそ２５ＡＴＤＣ．ｄｅｇである。
【００４４】
図６（ｂ）に、エンジン出口（タービン上流の排気通路）における排気ガス温度の、前段燃料噴射により噴射された燃料の燃焼時の空燃比（以下、「前段燃焼空燃比」という。）及び後段燃料噴射により噴射された燃料の燃焼時の空燃比（以下、「後段燃焼空燃比」という。）に対する変化特性を示す。図６（ｂ）から明らかなとおり、エンジン出口における排気ガス温度は、前段燃焼空燃比及び後段燃焼空燃比に依存する。具体的には、エンジン出口における排気ガス温度は、前段燃焼空燃比がリーンなときほど高くなる（少なくとも、Ａ／Ｆが３６程度までは）。また、エンジン出口における排気ガス温度は、後段燃焼空燃比が、前段燃焼空燃比に依存するある値をとるときに極大となり、それより高くてもまた低くても低下する。したがって、後段燃焼空燃比は、エンジン出口における排気ガス温度が極大となるように、前段燃焼空燃比に応じて好ましく設定する必要がある。
【００４５】
図７（ａ）、（ｂ）に、それぞれ、タービン撹拌を行う場合と行わない場合とについて、ＨＣ排出量とタービン下流における排気ガス温度とを測定した結果を示す。図７（ａ）、（ｂ）に示すように、タービン撹拌を行う場合は、これを行わない場合に比べて、ＨＣ排出量が低くなり、かつ排気ガス温度が高くなっている。これは、タービン撹拌により、排気ガス中の未燃ＨＣが酸化される（再燃焼する）からである。
【００４６】
図８（ａ）に、タービン撹拌を行う場合と行わない場合とについて、タービン上流の排気ガス温度とタービン下流の排気ガス温度とを比較して示す。図８（ａ）から明らかなとおり、この例では、タービン撹拌による排気ガス温度の上昇効果は、およそ６０℃である。
また、図８（ｂ）に、後段燃料噴射を行う場合と点火時期をリタードさせる場合とにおける、排気ガス温度と燃料消費率との関係を示す。図８（ｂ）から明らかなとおり、排気ガス温度が同一であれば、後段燃料噴射を行う場合の方が、点火時期をリタードさせる場合よりも燃料消費率が低い（燃費性能が良い）。また、燃料消費率が同一であれば、後段燃料噴射を行う場合の方が、点火時期をリタードさせる場合よりも排気ガス温度が高い。このような実験的事実に鑑み、本発明にかかるエンジン１では、触媒活性化後期では、点火時期のリタードではなく、後段燃料噴射（膨張行程噴射）により排気ガス温度を高め、排気ガス浄化触媒の昇温ないしは活性化を促進するようにしている。
【００４７】
図９に、本発明にかかるターボ過給機付エンジン１と、従来のターボ過給機付エンジンと、従来の非過給エンジンとについて、触媒コンバータ（排気ガス浄化触媒）入口における排気ガス温度を測定した値の一例を示す。図９に示すように、本発明にかかるターボ過給機付エンジン１では、従来のターボ過給機付エンジンに比べて排気ガス温度が約１４０℃高められ、また従来の非過給エンジンに比べても排気ガス温度が約３０℃高められている。なお、従来のターボ過給機付エンジンでは、従来の非過給エンジンに比べて、排気ガス温度が約１１０℃低下している。このように、本発明にかかるエンジン１では、後段燃料噴射による効果（２段燃焼効果）とタービン撹拌による効果（ターボ撹拌効果）とが相俟って、排気ガス温度が十分に高められている。
【００４８】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、ターボ過給機を備えた火花点火式直噴エンジンに対して、タービン下流の排気通路に配置された排気ガス浄化触媒の冷間始動時における昇温ないしは活性化を十分に促進することができる手段を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる過給機付火花点火式直噴エンジンの構成を示す模式図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ、エンジンの冷間始動時における、エンジン回転数、タービン上流における排気ガス温度及びタービン下流における排気ガス温度の、時間に対する変化特性を示すグラフである。
【図３】（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ、排気ガス温度、ＨＣ濃度及びスモーク量の、後段噴射時期に対する変化特性を示すグラフである。
【図４】（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ、排気ガス温度、ＨＣ濃度及びスモーク量の、点火時期に対する変化特性を示すグラフである。
【図５】（ａ）は触媒活性化後期における燃料噴射タイミングを示す図であり、（ｂ）は（ａ）に示すタイミングで燃料を噴射した場合の熱発生パターンを示す図である。
【図６】（ａ）は排気ガス温度及びＨＣ排出量の、後段燃料噴射時期に対する変化特性を示すグラフであり、（ｂ）はエンジン出口における排気ガス温度の、前段燃焼空燃比及び後段燃焼空燃比に対する変化特性を示すグラフである。
【図７】（ａ）はタービン撹拌を行う場合と行わない場合とにおける、ＨＣ排出量の後段燃焼空燃比に対する変化特性を示すグラフであり、（ｂ）はタービン撹拌を行う場合と行わない場合とにおける、排気ガス温度の後段燃焼空燃比に対する変化特性を示すグラフである。
【図８】（ａ）はタービン撹拌を行う場合と行わない場合とについて、タービン上流及びタービン下流における排気ガス温度を比較して示すグラフであり、（ｂ）は後段燃料噴射を行う場合と点火時期をリタードさせる場合とについて、排気ガス温度と燃料消費率との関係を示すグラフである。
【図９】本発明にかかるターボ過給機付エンジンと、従来のターボ過給機付エンジンと、従来の非過給エンジンとについて、触媒コンバータ入口における排気ガス温度を比較して示すグラフである。
【符号の説明】
１…エンジン、２…吸気弁、３…吸気通路、４…燃焼室、５…燃料噴射弁、６…ピストン、７…点火プラグ、８…排気弁、９…排気通路、１０…燃料供給通路、１１…高圧燃料ポンプ、１２…エレキスロットルバルブ、１２ａ…電気式アクチュエータ、１３…ガス流動制御弁、１４…リニアＯ_２センサ、１５…ターボ過給機、１５ａ…タービン、１６…第１触媒コンバータ、１７…第２触媒コンバータ、１８…ＥＧＲ通路、１９…ＥＧＲ制御弁、２０…コントロールユニット、２１…サージタンク、２２…可変バルブタイミング機構。

Claims

燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射装置と、上記燃料を着火させる火花点火装置と、ターボ過給機と、ターボ過給機のタービンより下流において排気通路に配置される排気ガス浄化触媒とが設けられているターボ過給機付火花点火式直噴エンジンにおいて、
冷間始動直後から所定の切替時期までの、排気ガス浄化触媒が未活性状態にある期間は、燃料噴射が点火時期前のみで行われるとともに、排気温度昇温のために点火時期がＭＢＴより所定期間リタードさせられ、かつ点火時期前の燃料噴射後における排気空燃比が理論空燃比又は理論空燃比よりリッチ側に設定される一方、
上記切替時期後の、排気ガス浄化触媒が未活性状態にある期間は、燃料噴射が、吸気行程から点火時期前にかけての期間内に実行される前段燃料噴射と、点火時期後の膨張行程で実行される後段燃料噴射とに分けて行われるとともに、上記タービンによる排気ガスの攪拌によって未燃ＨＣの酸化反応が起こる排気温度まで昇温できるように、上記後段燃料噴射の時期を前段燃料噴射による前段燃焼の終了後で膨張行程における上死点後６０度クランク角までの範囲内に設定し、かつ後段燃料噴射後における排気空燃比が理論空燃比よりリーンとなるように燃料噴射量が設定されていることを特徴とするターボ過給機付火花点火式直噴エンジン。
上記切替時期がエンジン温度に基づいて設定されることを特徴とする請求項１に記載のターボ過給機付火花点火式直噴エンジン。
上記切替時期までは、燃料噴射が、圧縮行程後半と、これより前の時期とに分けて実行される一方、
上記切替時期後は、後段燃料噴射が、膨張行程前半に実行されることを特徴とする請求項１又は２に記載のターボ過給機付火花点火式直噴エンジン。
上記切替時期において、点火時期のリタードを解除して後段燃料噴射を開始する際には、前段燃料噴射量に対する後段燃料噴射量の割合が徐々に増加させられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のターボ過給機付火花点火式直噴エンジン。