JPH10212987A - 筒内噴射式エンジン - Google Patents

筒内噴射式エンジン

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JPH10212987A
JPH10212987A JP9017196A JP1719697A JPH10212987A JP H10212987 A JPH10212987 A JP H10212987A JP 9017196 A JP9017196 A JP 9017196A JP 1719697 A JP1719697 A JP 1719697A JP H10212987 A JPH10212987 A JP H10212987A
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洋幸 山下
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洋一 久慈
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料を直接燃焼室内に噴射するインジェクタ
を備えた筒内噴射式エンジンにおいて、触媒冷機時にエ
ンジンからのＨＣ、ＮＯｘ等の排出量を低減し、かつ、
触媒の暖機を促進することにより、大幅にエミッション
を改善する。 【解決手段】 排気ガス浄化用の触媒２２が冷機状態の
ときに、燃料を直接燃焼室に噴射するインジェクタ１１
で吸気行程と圧縮行程との分割噴射を行なうことによ
り、燃焼室内の点火プラグ付近の区域に理論空燃比もし
くはこれよりリッチな空燃比の混合気を形成するととも
にその周囲に理論空燃比よりもリーンな混合気を形成す
る。この状態で燃焼を行なわせることによりエンジンか
らのＨＣ、ＮＯｘの排出量を低減し、かつ、排気温度を
高めて触媒の暖機を促進する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料を直接燃焼室
内に噴射するインジェクタを備えた筒内噴射式エンジン
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、燃料を直接燃焼室内に噴射するイ
ンジェクタを備えた筒内噴射式エンジンは知られてい
る。このエンジンでは、低負荷時に、上記インジェクタ
から圧縮行程後半に燃料を噴射することで点火プラグま
わりに混合気が偏在する状態として、所謂成層燃焼を行
なうようにしている。このようにすると、燃焼安定性を
確保しつつ空燃比をリーンにし、燃費を良くすることが
できる。
【０００３】また、例えば特開平８−１９３５３６号公
報に示されるように、筒内噴射式エンジンにおいて、エ
ンジンの始動時（クランキング中）に、上記インジェク
タから吸気行程と圧縮行程とにそれぞれ燃料を噴射する
分割噴射を行ない、吸気行程噴射で燃焼室内に火焔伝播
可能な混合気を分散させるとともに、圧縮行程噴射で点
火プラグ付近に着火可能な混合気を形成するようにした
ものも提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、自動車等の
エンジンでは排気ガス中にＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘが含ま
れており、エミッションの改善としてこれらの有害成分
の発生、放出をできるだけ減少させることが要求され
る。このため、排気通路中に触媒を設けて排気ガスを浄
化することは従来から行なわれており、触媒としては理
論空燃比付近でＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを浄化し得る三元
触媒が一般に知られており、また成層燃焼によるリーン
バーンに適合するように、リーン運転域でもＮＯｘの浄
化が可能な触媒も開発されている。
【０００５】しかし、排気ガス浄化用の触媒は活性化温
度より低温の冷機時には充分に浄化作用を発揮できず、
このようなときにＨＣ（及びＣＯ）やＮＯｘが多く放出
され易い。このため、触媒冷機時等にエンジンから排気
通路へのＨＣ、ＮＯｘの排出量を減少されるとともに、
触媒の暖機を早めるようにすることが要求される。
【０００６】ところで、上記筒内噴射型エンジンで触媒
冷機時にも圧縮行程噴射により成層燃焼を行なって空燃
比をリーンにした場合は、熱効率が高められる反面、排
気通路に放出される熱量が少ないため触媒が暖機されに
くいという不都合がある。
【０００７】また、上記公報に示されている装置では始
動時に分割噴射を行なっているが、これはあくまで始動
時の対策であり、始動後の触媒冷機中のエミッションや
触媒の暖機についての対策を示すものではない。しか
も、このように始動時に吸気行程噴射と圧縮行程噴射と
を行なうと、却って圧縮行程噴射の燃料が点火プラグに
付着して着火性を損ねる可能性がある。
【０００８】なお、触媒の暖機を促進するためには、排
気通路中における触媒の位置をエンジン本体に近付け、
例えば排気マニホールドに触媒を直結することが考えら
れるが、このようなすると、排気温度が高くなる高速高
負荷時に、触媒の温度が上昇し過ぎてその機能が損なわ
れることが懸念されるため、出力空燃比よりも燃料を過
剰に供給するオーバーリッチとして燃料の気化潜熱で排
気温度を引き下げるというような手法が必要となり、こ
のため高速燃費が悪化する。
【０００９】そこで、高速燃費改善のためには、高速高
負荷時に上記オーバーリッチ状態としなくても触媒温度
の過度上昇を招くことがないように、触媒をエンジン本
体からある程度離れた位置に設けておくことが必要とな
るが、このようにした場合、エンジン始動後において触
媒が暖機するまで時間が増大し易くなるため、その間の
エミッション改善及び触媒暖機の促進が、より重要な課
題となる。
【００１０】本発明は、上記の事情に鑑み、触媒冷機時
等にエンジンからのＨＣ、ＮＯｘ等の排出量を低減し、
かつ、触媒の暖機促進にも有利で、大幅にエミッション
を改善することができる筒内噴射式エンジンを提供する
ことを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
燃料を直接燃焼室内に噴射するインジェクタを備えた筒
内噴射式エンジンにおいて、排気通路に設けられた排気
ガス浄化用の触媒の温度状態を判別する温度状態判別手
段と、この温度状態判別手段による判別に基づき、上記
触媒が活性温度より低い冷機状態にあるときに、上記イ
ンジェクタから圧縮行程で燃料を噴射することにより燃
焼室内の点火プラグ付近の区域に理論空燃比もしくはこ
れよりリッチな空燃比の混合気を形成するとともに、こ
れとは別の燃料供給により上記点火プラグ付近の区域の
周囲に理論空燃比よりもリーンな混合気を形成する燃料
供給制御手段とを備えたものである。
【００１２】この構成によると、触媒による排気ガス浄
化作用が充分に得られない触媒冷機状態のときに、点火
プラグ付近が比較的リッチな混合気、その周囲が比較的
リーンな混合気とされた状態で燃焼が行われることによ
り、後に実施形態の中で詳しく説明するようにエンジン
からのＨＣ、ＮＯｘの排出量が低減されるとともに、排
気温度が上昇して触媒の暖機を早める作用が得られる。
【００１３】上記温度状態判別手段は、例えばエンジン
冷却水の温度により触媒の温度状態を推定するものであ
る（請求項２）。
【００１４】請求項３に係る発明は、燃料を直接燃焼室
内に噴射するインジェクタを備えた筒内噴射式エンジン
において、エンジンの温度状態を判別する温度状態判別
手段と、この温度状態判別手段による判別に基づき、エ
ンジンが冷機状態のとき、上記インジェクタから圧縮行
程で燃料を噴射することにより燃焼室内の点火プラグ付
近の区域に理論空燃比もしくはこれよりリッチな空燃比
の混合気を形成するとともに、これとは別の燃料供給に
より上記点火プラグ付近の区域の周囲に理論空燃比より
もリーンな混合気を形成する燃料供給制御手段とを備え
たものである。
【００１５】この構成によると、排気ガス中のＨＣ等が
増大し易いエンジン冷機状態のときに、点火プラグ付近
が比較的リッチな混合気、その周囲が比較的リーンな混
合気とされた状態で燃焼が行われることにより、エンジ
ンからのＨＣ等の排出量が低減されるとともに、排気温
度の上昇が促進される。
【００１６】また、請求項４に係る発明は、燃料を直接
燃焼室内に噴射するインジェクタを備えた筒内噴射式エ
ンジンにおいて、上記インジェクタから圧縮行程で燃料
を噴射することにより燃焼室内の点火プラグ付近の区域
に理論空燃比もしくはこれよりリッチな空燃比の混合気
を形成するとともに、これとは別に燃焼室に燃料を供給
して、上記点火プラグ付近の区域の周囲に理論空燃比よ
りもリーンな混合気を形成し、かつ、燃焼室全体として
の空燃比を略理論空燃比としたものである。
【００１７】この構成によると、燃焼室全体としての空
燃比が略理論空燃比とされつつ点火プラグ付近の区域が
比較的リッチな混合気、その周囲が理論空燃比よりもリ
ーンな混合気とされた状態で燃焼が行われることによ
り、エンジンからのＨＣ等の排出量が低減される。そし
て、例えば触媒が暖機している場合でも、触媒の浄化率
は一定であるがエンジンからのＨＣ、ＮＯｘの排出量が
低減されることによって浄化後のＨＣ、ＮＯｘがさらに
低減されることとなる。
【００１８】燃焼室内の点火プラグ付近の区域に理論空
燃比もしくはこれよりリッチな空燃比の混合気を形成す
るとともにその周囲に理論空燃比よりもリーンな混合気
を形成するような状態とする燃料供給の制御は、エンジ
ンの始動完了時よりも後に行なうこと（請求項５）が好
ましい。
【００１９】また、請求項６に係る発明は、請求項１乃
至５のいずれかに記載の筒内噴射式エンジンにおいて、
制御手段は、燃焼室内の点火プラグ付近の区域に理論空
燃比もしくはこれよりリッチな空燃比の混合気を形成す
るとともにその周囲に理論空燃比よりもリーンな混合気
を形成するような状態とする燃料供給の制御として、燃
料を直接燃焼室内に噴射するインジェクタから吸気行程
と圧縮行程とにそれぞれ燃料を噴射する分割噴射を行な
わせるようになっているものである。
【００２０】この構成によると、燃料を直接燃焼室に噴
射する１個のインジェクタを用いた上記分割噴射によ
り、吸気行程で噴射された燃料が点火プラグ付近の区域
の周囲に比較的リーンな混合気を形成するとともに、圧
縮行程で噴射された燃料が点火プラグ付近の区域に比較
的リッチな混合気を形成する。
【００２１】この発明において、分割噴射時の吸気行程
での噴射量が圧縮行程での噴射量以上となるように噴射
割合が設定されているもの（請求項７）とすれば、点火
プラグ付近の小さい区域に比較的リッチな混合気が形成
されて、ここで初期燃焼が行われるとともに、その周囲
の燃焼室の大部分に比較的リーンな混合気が形成され
て、ここで主燃焼が行われる。
【００２２】分割噴射時の吸気行程での噴射量の割合は
エンジン負荷の増大に伴って増大するように設定されて
いること（請求項８）が好ましい。
【００２３】上記のような発明において、燃焼室構造と
しては、例えば、燃焼室を形成するシリンダ内のピスト
ンの頂部に凹状のキャビティを設け、インジェクタから
の圧縮行程噴射による噴射燃料が上記キャビティで反射
されて点火プラグ付近に達するように構成すればよい
（請求項９）。また、燃焼室中央部に点火プラグを設け
るとともに、燃焼室周縁部にインジェクタを設けるよう
にすればよい（請求項１０）。このようにすれば、圧縮
行程で噴射された燃料が点火プラグ付近に偏在する状態
が良好に得られる。
【００２４】また、上記のように触媒冷機状態のときに
分割噴射を行なうものにおいて、その分割噴射に加え、
点火時期制御手段により点火時期を基本点火時期よりも
リタードさせるようにしてもよい（請求項１１）。この
ようにすると、主として上記分割噴射によりＨＣ、ＮＯ
ｘの低減及び排気温度上昇の作用が得られるが、補助的
に点火時期リタードによってこれらの作用が高められ
る。
【００２５】とくに、排気ガス浄化用の触媒が活性温度
より低い冷機状態でのエンジンの極低負荷時には、点火
時期をリタードするとともに、空気及び燃料を運転状態
に応じた量よりも増量しつつ分割噴射を行なうこと（請
求項１２）が好ましい。
【００２６】このようにすると、極低負荷時に分割噴射
によってパルス幅が制御困難な程度にまで小さくなるこ
とが燃料増量によって避けられ、かつ、点火時期リター
ドによるトルクダウンと空気及び燃料の増量によるトル
クアップとが相殺され、しかも、分割噴射と点火時期リ
タードとによりＨＣ、ＮＯｘの低減及び排気温度上昇の
作用が高められる。
【００２７】この場合、エンジン負荷が極低負荷から所
定負荷以上へ変化したときに点火時期のリタードと空気
及び燃料の増量とを停止すること（請求項１３）が好ま
しい。また、走行状態となったとき点火時期のリタード
を減少させること（請求項１４）が好ましい。このよう
にすると、不必要な点火時期のリタードによる燃費の悪
化や走行性の悪化が避けられる。なお、点火時期のリタ
ードを減少させるとは、リタードを停止する場合も含
む。
【００２８】また、触媒の配置の好ましい例としては、
触媒を排気マニホールドに接続されている排気管の途中
に配置することとし（請求項１５）、この場合に、高速
高負荷時には空燃比を出力最大となる出力空燃比もしく
はこれよりリーン側に設定すること（請求項１６）によ
り、高速燃費を低減するようにしておけばよい。
【００２９】つまり、触媒をエンジン本体からある程度
遠ざけて配置することにより、高速高負荷時に空燃比を
オーバーリッチ状態とすることで排気温度を引き下げる
というような手法をとらなくとも、触媒の温度が過度に
上昇することがない。そして、このような触媒配置にす
ると、冷機状態からの触媒暖機の面では不利となるが、
上記のような分割噴射等によりこれが補われ、充分に暖
機が促進される。
【００３０】また、上記のように触媒冷機時に分割噴射
を行なうものにおいて、触媒が暖機した後に上記インジ
ェクタからの燃料噴射を吸気行程噴射のみとするように
燃料供給制御手段を構成すれば（請求項１７）、後に実
施形態の中で詳しく説明するように、触媒暖機後に分割
噴射を継続するような場合と比べて燃費的に有利とな
り、かつ、触媒により浄化作用が得られる。
【００３１】さらに、エンジン暖機後に上記インジェク
タからの燃料噴射を圧縮行程噴射のみとするように燃料
供給制御手段を構成すれば（請求項１８）、燃費がより
一層改善される。
【００３２】また、触媒冷機時に分割噴射を行なうもの
において、触媒が暖機した後に上記インジェクタからの
燃料噴射を圧縮行程噴射のみとするように燃料供給制御
手段を構成しても（請求項１９）、燃費的に有利とな
る。
【００３３】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づ
いて説明する。図１は筒内噴射式エンジンの燃焼室部分
の構造の一例を示している。この図において、１はエン
ジン本体であって、シリンダブロック２及びシリンダヘ
ッド３等からなり、複数のシリンダを備えており、その
各シリンダにはピストン４が嵌挿され、このピストン４
の頂面とシリンダヘッド３の下面との間に燃焼室５が形
成されている。この燃焼室５に対し、吸気ポート６及び
排気ポート７と、これらのポート６，７を開閉する吸気
弁８及び排気弁９と、点火プラグ１０とが配設されると
ともに、燃焼室５内に直接燃料を噴射するインジェクタ
１１が設けられている。
【００３４】これらの構造を具体的に説明する。上記シ
リンダヘッド３の下面側には燃焼室５を構成する所定形
状の凹部が設けられ、例えば図示のような断面略台形の
凹部により燃焼室５が構成されている。この燃焼室５の
上端面部に吸気ポート６が開口するとともに、傾斜面部
に排気ポート７が開口している。この吸気ポート６及び
排気ポート７は、図面上は１個ずつ表れているが、好ま
しくは、２個ずつ、紙面と直交する方向に並んで設けら
れる。そして、各吸気ポート６及び排気ポート７に吸気
弁８及び排気弁９がそれぞれ設けられており、これら吸
気弁８及び排気弁９は図外の動弁装置により駆動されて
所定タイミングで開閉するようになっている。
【００３５】上記点火プラグ１０は、燃焼室５のほほ中
央部に位置し、点火ギャップが燃焼室５内に臨む状態
で、シリンダヘッド３に取付けられている。
【００３６】また、上記インジェクタ１１は、燃焼室５
の周縁部に設けられている。図１に示す実施例形態で
は、燃焼室５の吸気ポート６側の側方部においてシリン
ダヘッド３にインジェクタ１１が取り付けられ、吸気ポ
ート６が開口する燃焼室上端面部分とシリンダブロック
２に対する合わせ面との間の壁面１２にインジェクタ１
１の先端が臨み、かつ、斜め下方に向けて燃料を噴射す
るようになっている。
【００３７】さらに図示の実施形態では、燃焼室５の下
面側を構成するピストン４の頂部に、凹状のキャビティ
１３が形成されている。そして、ピストン４が上死点に
近い位置となる圧縮行程後半に燃料が上記インジェクタ
１１からキャビティ１３に向けて噴射され、さらにキャ
ビティ１３で反射されて点火プラグ１０付近に達するよ
うに、インジェクタ１１の位置及び方向とキャビティ１
３の位置と点火プラグ１０の位置との関係が予め設定さ
れている。
【００３８】図２は吸・排気系を含めたエンジン全体を
概略的に示しており、この図において、エンジン本体１
には吸気通路１５及び排気通路１６が接続されている。
上記吸気通路１５の下流側は吸気マニホールドにおいて
気筒別に分岐し、かつ、その気筒別通路１５ａには並列
に２つの通路（図面では１つの通路のみ示す）が形成さ
れて、その下流端の２つの吸気ポート７が図１に示す燃
焼室５に開口するとともに、一方の通路に吸気流動制御
弁１７が設けられている。そして、吸気流動制御弁１７
が閉じられたときに、他方の通路から燃焼室５に導入さ
れる吸気によってスワールが生成されるようになってい
る。
【００３９】また、吸気通路１５の途中にはスロットル
弁１８が設けられ、吸入空気量の制御が可能なようにス
テップモータ等の電気的なアクチュエータ１９によって
上記スロットル弁１８が作動されるようになっている。
【００４０】一方、排気通路１６には、排気中の空燃比
検出のためのＯ2 センサ２１が設けられるとともに、排
気浄化用の触媒を備えた触媒装置２２が設けられてい
る。この触媒装置２２は、三元触媒により構成してもよ
いが、後述のように暖機後に空燃比をリーンにして成層
燃焼を行なうような場合の浄化性能を高めるため、理論
空燃比よりもリーンな空燃比でもＮＯｘを浄化する機能
を有するような触媒を用いることが望ましい。つまり、
一般に知られているように三元触媒によるとＨＣ、Ｃ
Ｏ、ＮＯｘの全てに対して高い浄化性能を有するのが理
論空燃比付近に限られるが、最近、三元触媒の機能に加
えて理論空燃比よりもリーンな空燃比でもＮＯｘを浄化
する機能を有する触媒が開発されているので、これを用
いてリーン運転時のＮＯｘを低減することが好ましい。
【００４１】上記排気通路１６における触媒装置２２の
位置としては、排気マニホールド１６ａの直下流（排気
マニホールドに直結）とすると高速高負荷時に触媒温度
が可動に上昇し易くなることから、この位置よりもエン
ジンから遠ざかるように、排気マニホールド１６ａに接
続されている排気管１６ｂの途中に触媒装置２２が介設
されている。
【００４２】排気通路１６と吸気通路１５との間には、
排気ガスの一部を吸気系に還流するＥＧＲ通路２３が接
続され、このＥＧＲ通路２３にはＥＧＲバルブ２４が介
設されている。
【００４３】３０はエンジンの制御を行なうＥＣＵ（コ
ントロールユニット）であり、このＥＣＵ３０には、エ
ンジンのクランク角を検出するクランク角センサ２３、
アクセル開度（アクセルペダル踏み込み量）を検出する
アクセルセンサ２４、吸入空気量を検出するエアフロー
メータ２５、エンジン冷却水の水温を検出する水温セン
サ２６及び上記Ｏ2 センサ２１等からの信号が入力され
ている。
【００４４】上記ＥＣＵ３０は、温度状態判別手段３
１、燃料供給制御手段３２及び点火時期制御手段３３を
含んでいる。
【００４５】上記温度状態判別手段３１は、上記水温セ
ンサ２６からの水温検出信号によって触媒の温度状態を
推定して、触媒が活性温度より低い冷機状態にあるか否
かを判定するもので、水温が第１設定温度未満であれば
触媒冷機状態、第１設定温度以上であれば触媒暖機状態
と判定する。さらに温度状態判別手段は、エンジンの温
度状態も推定し、水温が第２設定温度未満であればエン
ジン冷機状態、第２設定温度以上であればエンジン暖機
状態と判定する。通常、上記第２設定温度は第１設定温
度よりも高い値となる。なお、触媒暖機状態を判定する
ための温度状態判別は、水温検出とエンジン始動からの
経過時間の判定とを併用して行なうようにしてもよく、
また、触媒温度を直接検出するようにしてもよい。
【００４６】上記燃料供給制御手段３２は、インジェク
タ駆動回路３４を介してインジェクタ１１からの燃料噴
射の時期及び噴射量を制御するものであり、触媒冷機状
態のときは、燃焼室５全体の空燃比は略理論空燃比とし
つつ、吸気行程の前半と圧縮行程の後半とにそれぞれ燃
料を噴射する分割噴射により、燃焼室５内の点火プラグ
１０付近の区域に理論空燃比もしくはこれよりリッチな
空燃比の混合気を形成するとともに、点火プラグ付近１
０の区域の周囲に理論空燃比よりもリーンな混合気を形
成するように制御する。
【００４７】上記点火時期制御手段３３は、点火装置３
５に制御信号を出力して、点火時期をエンジンの運転状
態に応じて制御するものであり、基本的には点火時期を
ＭＢＴに制御するが、後に詳述するように必要に応じ、
触媒冷機状態でのエンジンの極低負荷時には点火時期を
リタードする。
【００４８】なお、上記ＥＣＵ３０は、スロットル弁１
８を駆動するアクチュエータ１９に制御信号を出力する
ことによって吸入空気量の制御も行なうようになってお
り、エンジン暖機後に圧縮行程のみの燃料噴射により成
層燃焼が行われるような場合等に、空燃比をリーンとす
べく吸入空気量を調整する。また、後に詳述するよう
に、触媒冷機状態でのエンジンの極低負荷時において点
火時期がリタードされるときには、吸入空気量及び燃料
噴射量の増量を行なう。さらにＥＣＵ３０は、分割噴射
時等に燃焼室５内にスワールを生じさせるべく、上記吸
気流動制御弁１７を制御するとともに、空燃比をリーン
とする成層燃焼時等にＥＧＲを行なうべくＥＧＲバルブ
２４を制御する。
【００４９】図３は燃料系の構成の一例を示している。
この図において、インジェクタ１１と燃料タンク３６と
の間に燃料供給通路３７および燃料リターン通路３８が
接続され、上記燃料供給通路３７には、燃料タンク３６
側から順に低圧燃料ポンプ３９、フィルター４０及びエ
ンジン駆動の高圧燃料ポンプ４１が設けられ、一方、燃
料リターン通路３８には、高圧レギュレータ４２と、そ
の下流に位置する低圧レギュレータ４３が設けられてい
る。さらに、高圧燃料ポンプ４１をバイパスする通路４
４が設けられ、この通路４４にチェックバルブ４５が設
けられるとともに、高圧レギュレータ４２をバイパスす
る通路４６が設けられ、この通路４６にソレノイドバル
ブ４７が設けられている。
【００５０】そして、通常は、上記ソレノイドバルブ４
７が閉じられた状態で、高圧燃料ポンプ４１が作動さ
れ、かつ、高圧レギュレータ４２が機能することによ
り、インジェクタ１１に作用する燃圧が圧縮行程後半の
噴射が可能な程度の高圧に調整される。また、上記高圧
燃料ポンプ４１が充分に作動されないエンジン始動時に
は、低圧燃料ポンプ３９が駆動されるとともに、上記ソ
レノイドバルブ４７が開かれて高圧レギュレータ４２が
バイパスされることで低圧レギュレータ４３が機能する
ため、インジェクタ１１に作用する燃圧が吸気行程噴射
が可能な程度の低圧に調整されるようになっている。
【００５１】図４は上記インジェクタ１１からの燃料噴
射が分割噴射とされるときの噴射タイミングを示してい
る。この図のように、分割噴射は吸気行程噴射と圧縮行
程噴射とからなる。圧縮行程噴射は、圧縮行程の後半に
燃料噴射を行うもので、図１に示すような燃焼室構造に
よる場合、ピストン４が上死点に近づいてインジェクタ
１１からの噴射燃料がピストン頂部のキャビティ１３内
に向かうようなタイミングとされ、具体的にはＢＴＤＣ
５０°〜６０°ＣＡ程度（圧縮上死点前のクランク角５
０°〜６０°程度）の時期に燃料噴射が開始される。
【００５２】一方、吸気行程噴射は、吸気行程の前半に
燃料噴射を行うもので、好ましくは、圧縮行程噴射と比
べるとピストンの位置が上死点から遠ざかったときに噴
射を行なうことで噴射燃料が上記キャビティ１３から外
れるようにする。後述のようにシリンダ壁面への燃料付
着の抑制を考慮すると、ＡＴＤＣ７０°ＣＡ程度が好ま
しく、ＡＴＤＣ７０°±２０°ＣＡの範囲が有効であ
る。
【００５３】この筒内噴射式エンジンの制御パターンの
一例を、図５のタイムチャートを参照しつつ説明する。
【００５４】図５において、ｔ0 はエンジンの始動開始
時点、ｔ1 は始動完了時点であり、その間のエンジン始
動期間中(ｔ0〜ｔ1)は、インジェクタ１１からの燃料噴
射が吸気行程噴射のみとされる。このようにしているの
は、エンジン始動時に圧縮行程噴射を行なうと気化、霧
化が悪くて点火プラグへの燃料のかぶりによる失火を招
き易いことから、気化、霧化の時間を稼ぐべく吸気行程
噴射を行なうことが好ましく、また、前記のように図３
に示す燃料系では始動時に高圧ポンプが充分に作動しな
いため燃圧が吸気行程噴射が可能な程度の低圧とされる
ためである。
【００５５】エンジンの始動完了時点ｔ1 以後で、か
つ、触媒及びエンジンが冷機状態にあるときは、分割噴
射が行われ、つまり、インジェクタ１１からの燃料噴射
が吸気行程と圧縮行程とで行われる。この分割噴射時
に、燃焼室全体としての空燃比は略理論空燃比（λ≒
１）となるように総燃料噴射量が制御されつつ、そのう
ちの所定割合の燃料が吸気行程前半に噴射され、残りの
燃料が圧縮行程後半に噴射される。
【００５６】この場合、点火プラグ１０付近に理論空燃
比もしくはこれよりリッチな混合気が火種として有効な
程度に存在し、点火プラグ１０付近を除く燃焼室５の大
部分にリーンな混合気が分布するように、吸気行程での
噴射量を圧縮行程での噴射量よりも多くするとともに、
エンジン負荷が高くなるにつれて圧縮行程噴射に対する
吸気行程噴射の割合を多くすることが好ましい。つま
り、図６のように、エンジン負荷が高くなるにつれて総
燃料噴射量が増加するが、圧縮行程での噴射量は一定も
しくは多少増加する程度とする一方、吸気行程での噴射
量は大きく増大するようになっている。
【００５７】また、触媒冷機時におけるインジェクタ１
１の総燃料噴射量の制御は、Ｏ2 センサ２１が活性化す
るまではオープン制御、Ｏ2 センサ活性後はフィードバ
ック制御とされる。そして、上記オープン制御時にも燃
焼室全体の空燃比が略理論空燃比となるように、吸入空
気量に応じて燃料噴射量が演算される。ただし、このオ
ープン制御時の空燃比(Ａ／Ｆ)は１３〜１７の範囲で要
求に応じて多少リーンもしくはリッチとしてもよい。例
えば、ＨＣの低減等の効果を確実に発揮させるためには
多少リーンに設定することが考えられ、あるいはまた、
冷間時の燃焼安定性を高めるために多少リッチに設定す
ることも考えられる。なお、Ｏ2 センサ２１の活性の判
定は、Ｏ2 センサ出力の反転を調べることにより行な
う。あるいは、エンジン始動から所定時間が経過したと
きにＯ2 センサ２１が活性化したと判定する。
【００５８】触媒冷機時における点火時期の制御として
は、同図に実線で示すようにＭＢＴ等の基本点火時期に
保つようにしておいてもよいが、同図に破線で示すよう
に始動完了後のある程度の期間に少しだけリタードさせ
てもよい。とくに、エンジンのアイドル時等の極低負荷
時で、燃料噴射量が少ないために分割噴射を行なうとパ
ルス幅と燃料噴射量との関係が線形特性を維持できなく
なる程度にまでパルス幅が小さくなる（図４中の二点鎖
線）ような場合には、点火時期のリタードを行なうとと
もに、空気量及び燃料噴射量の増量補正を行なうことが
好ましい。
【００５９】この場合、点火時期のリタードによる燃費
の悪化や走行性の悪化を極力避けるため、エンジン負荷
が極低負荷から所定負荷（分割噴射を行なってもパルス
幅と燃料噴射量との関係が線形特性を維持できる程度の
負荷）以上へ変化したときに点火時期のリタードと空気
及び燃料の増量とを停止することとし、また、走行状態
となったとき点火時期のリタードを停止し、又は小さく
する。
【００６０】触媒暖機状態となった時点以後で、エンジ
ンが冷機状態にあるときは、吸気行程噴射のみ行なう状
態に切換えられる。さらに、エンジン暖機状態となった
時点以後は、圧縮行程噴射のみによる成層燃焼状態に切
換えられる。この場合、スロットル弁１８が開かれて吸
入空気量が多くされることで空燃比がリーンとされる。
なお、上記分割噴射から吸気行程噴射への切換えは、触
媒暖機状態となった時点からある程度のタイムラグをも
って行なうようにしてもよく、また、吸気行程噴射から
圧縮行程噴射への切換えも、ある程度のタイムラグをも
って行なうようにしてもよい。
【００６１】当実施形態の筒内噴射式エンジンによる
と、エンジン始動後において触媒が冷機状態にあるとき
は、燃焼室全体としては略理論空燃比となるように燃料
噴射量が制御されつつ、吸気行程前半と圧縮行程後半と
に燃料を噴射する分割噴射が行なわれる。そして、吸気
行程噴射により噴射燃料が拡散して、上記点火プラグ１
０付近の区域の周囲に理論空燃比よりもリーンな混合気
が形成されるとともに、圧縮行程後半の燃料噴射により
点火プラグ１０付近の区域に理論空燃比もしくはこれよ
りリッチな空燃比の混合気が形成される。
【００６２】このような燃料供給状態とされることによ
り、エンジン本体１から排気通路１６へ排出されるＨ
Ｃ、ＣＯ及びＮＯｘの量が低減されるとともに、触媒の
暖機が促進される。これらの作用を、図７を参照しつつ
具体的に説明する。
【００６３】図７（ａ）及び（ｂ）は、吸気ポートにイ
ンジェクタを備えたエンジンによる場合と、燃料を直接
燃焼室内に噴射するインジェクタを備えた筒内噴射式エ
ンジン（直噴エンジン）において吸気行程噴射のみを行
なった場合と、筒内噴射式エンジン（直噴エンジン）に
おいて吸気行程噴射と圧縮行程噴射の分割噴射を行なっ
た場合とについてそれぞれ、エンジン本体からのＨＣ排
出量及びＮＯｘ排出量の測定結果を示している。また、
同図（ｃ）及び（ｄ）は、筒内噴射式エンジン（直噴エ
ンジン）において吸気行程噴射のみを行なった場合と分
割噴射を行なった場合とにつき、排気ガス温度及び燃費
率の測定結果を示している。
【００６４】これらの測定結果は、エンジン回転数が１
５００ｒｐｍ、平均有効圧力がＰｅ＝３kg/cm2、空燃比
がλ＝１（理論空燃比）という条件下で行なった測定に
よるものである。
【００６５】なお、空燃比をλ＝１としているのは、リ
ッチであるとＨＣ排出量が増加し、リーンであると冷機
時における燃焼安定性や暖機促進等の面で不利となり、
また、触媒が完全暖機に至る前でもある程度触媒機能を
発揮し始める状態になってからは触媒による浄化性能を
できるだけ高めるためにλ＝１とする方が有利だからで
ある。つまり、当実施形態において分割噴射が行なわれ
ている触媒冷機状態のとき（触媒の完全暖機前）でも、
ある程度温度が高くなると触媒が次第に機能し始め、こ
のときに、三元触媒が用いられていれば理論空燃比でＨ
Ｃ、ＣＯおよびＮＯｘが浄化され、また、最近開発され
ているリーン状態でもＮＯｘをある程度浄化し得るよう
な触媒であっても、理論空燃比にある方がＮＯｘ浄化率
が高くなる。
【００６６】図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、筒内
噴射式エンジンで分割噴射を行なった場合は、ポート噴
射エンジンによる場合及び筒内噴射式エンジンで吸気行
程噴射を行なった場合のいずれと比べても、ＨＣの排出
量とＮＯｘの排出量がともに大幅に低減され、具体的に
はＨＣの排出量が４５％程度減少し、ＮＯｘの排出量が
５０％以上減少した。さらに、同図（ｃ）に示すよう
に、筒内噴射式エンジンの分割噴射によると、吸気行程
噴射と比べ、排気温度が大幅に（６５〜７０°Ｃ程度）
上昇した。
【００６７】また、同図（ｄ）に示すように、筒内噴射
式エンジンの分割噴射によると、吸気行程噴射と比べて
燃費は多少（４〜５％）悪化する。つまり、上記のよう
な排気温度上昇のために燃焼エネルギーが消費されるの
で、多少の燃費悪化はやむを得ない。もっとも、後に詳
述するように、分割噴射によらずに点火時期を大きくリ
タードさせることで排気温度上昇等の効果が同程度に得
られるようにした場合と比べると、燃費悪化の度合は格
段に小さくなる。
【００６８】上記分割噴射によりＨＣ、ＮＯｘ低減効果
及び排気温度上昇促進効果が得られる理由として推定さ
れるところを説明する。分割噴射により点火プラグ１０
付近の区域にλ≦１の比較的リッチな混合気、その周囲
にλ＞１のリーンな混合気が存在している状態での着火
後の燃焼の進み方を考察すると、次の〜のようにな
る。
【００６９】初期燃焼状態 点火プラグ１０付近にはλ≦１の混合気が存在すること
により、着火安定性が確保されるとともに、初期燃焼の
燃焼速度が早くなる。つまり、一般に知られているよう
にＡ／Ｆ＝１３〜１４．７程度で燃焼速度が早くなる。
そして、このように比較的リッチの状態では、燃焼速度
が早くなるものの、余剰Ｏ2 が存在しないことからＮＯ
ｘの発生は抑制される。また、この段階では点火プラグ
まわりに余剰燃料が存在する。
【００７０】主燃焼状態 点火プラグ１０付近の混合気からその周囲へ燃焼が広が
り、燃焼室の大部分を占めるλ＞１のリーンな混合気が
燃焼する主燃焼状態へと移行する。この場合、リーン混
合気であるため緩慢燃焼となり、かつ、点火時期をアド
バンスさせなくてよいことから、ＮＯｘが低減される。
すなわち、一般にリーン空燃比で着火、燃焼が行われる
場合は燃焼速度が遅くなることに対応して点火時期のＭ
ＢＴは進角側に移行するが、当実施形態による場合は上
記初期燃焼状態での燃焼速度が速いためにアドバンスさ
せなくてよく、このことはリーン空燃比で点火時期をリ
タードしたのと同様となる。これにより、ＮＯｘが低減
されるとともに、排気温度上昇及びＨＣ低減の効果も得
られる。
【００７１】また、圧縮行程噴射による噴霧は主燃焼時
においても運動量が残存しており、これにより、余剰燃
料及び既燃ガスを含むリッチ混合気層からその外周のリ
ーン混合気層へ燃焼が広がっていく過程で、余剰燃料が
リーン空燃比層の酸素を奪いつつ燃焼していくので、燃
焼室内の酸素濃度が低下し、これによってもＮＯｘの発
生が抑制される。つまり、一般に適度の余剰酸素が存在
するＡ／Ｆ＝１６〜１７程度のリーン空燃比での燃焼時
にＮＯｘ排出量が多くなる傾向があるが、上記のように
燃焼過程で余剰燃料により酸素が奪われて酸素濃度が低
下することから、リーン混合気層の燃焼においてもＮＯ
ｘが増大することがない。
【００７２】さらに上記既燃ガスが内部ＥＧＲ効果をも
たらし、これによってもＮＯｘを低減する作用が得られ
る。
【００７３】このようにして、主燃焼状態でＮＯ及びＨ
Ｃを低減するとともに排気温度を上昇させる機能が得ら
れる。
【００７４】後燃え状態 上記のように点火プラグ付近に生じた余剰燃料は次第に
リーン混合気層の酸素を奪って燃焼し、その燃焼が最後
まで続いて所謂後燃え状態となることにより、ＨＣを低
減させるとともに、排気温度を上昇させる機能が得られ
る。
【００７５】当実施形態によって一般的には相反する関
係にあるとされるＮＯｘ低減とＨＣ低減及び排気温度上
昇とを両立させることができるのは、以上のような現象
によるためである。
【００７６】ところで、排気温度の上昇及びＨＣ、ＮＯ
ｘの低減のためには点火時期をリタードすることも考え
られるが、これよりも上記のような分割噴射による方
が、燃費の悪化を小さくしつつ排気温度上昇及びＨＣ、
ＮＯｘ低減の効果を高めることができる。因みに、点火
時期リタードによる排気温度上昇と燃費、ＨＣ、ＮＯｘ
の変化との関係を図８（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す。な
お、図８（ｂ）（ｃ）はそれぞれＨＣ及びＮＯｘにつ
き、排気温度が約４２０°Ｃ（約６９３°Ｋ）のときの
量に対して排気温度が変わったときの量の割合を、パー
セントで示している。
【００７７】これらの図の中に示すように、排気温度が
約４２０°Ｃを基準として点火時期のリタードによって
排気温度を５０°Ｃ上昇させるようにした場合、燃費は
２５％悪化し、ＨＣは２５％低減され、ＮＯｘは４５％
低減される。これに対し、分割噴射を行なった場合は、
前記のように、排気温度の上昇が６５〜７０°Ｃ程度と
大きくなりながら、燃費の悪化は４〜５％程度で点火時
期リタードと比べて格段に小さく、かつ、ＨＣの減少は
４５％程度、ＮＯｘの減少は５０％程度といずれも点火
時期リタードの場合より向上される（図７）。
【００７８】従って、前記の図５に示したようにエンジ
ンの始動完了後において触媒冷機状態のときに分割噴射
を行なうと、エンジンからのＨＣ（及びＣＯ）とＮＯｘ
の排出量が大幅に減少することにより触媒による浄化作
用が充分にえられない状況下でのエミッションが改善さ
れるとともに、排気温度の上昇が促進されることで触媒
の暖機が早められ、触媒の浄化作用が充分に得られない
期間が短くなる。また、分割噴射時に燃焼室全体の空燃
比は略理論空燃比とされることにより、先にも述べたよ
うに、完全暖機前でもある程度温度が上昇して触媒が機
能し始める状態となってからの浄化性能が高められる。
【００７９】これらの作用により、エミッションが大幅
に改善され、しかも、燃費の悪化は点火時期リタードに
よる場合と比べて格段に小さくなる。そして、点火時期
は必ずしもリタードしなくても分割噴射により上記効果
が得られるが、分割噴射に加えて図５中に破線で示すよ
うに点火時期をリタードすれば、これらの相乗作用によ
り、触媒暖機促進等の効果がより一層高められる。
【００８０】とくに、燃料噴射量が極めて少ないアイド
ル時等の極低負荷時に、点火時期をリタードするととも
に、空気量及び燃料噴射量の増量補正を行なうようにす
ると、触媒暖機促進及びトルク制御が効果的に行われ
る。すなわち、一般にインジェクタはパルス幅が所定の
下限値より小さくなるとパルス幅と燃料噴射量との関係
が線形特性を維持できなくて充分な燃料コントロール精
度が得られなくなるため、燃料噴射量が極めて少ない極
低負荷に分割噴射を行なうとパルス幅が上記下限値より
小さくなる可能性がある。このような状況下で燃料噴射
量を増量補正すると分割噴射してもパルス幅を上記下限
値以上に保つことができ、燃料コントロール精度を維持
し得る。しかも、点火時期リタードによるトルク低下分
と空気量及び燃料噴射量の増量によるトルク上昇分とが
相殺されて要求トルクが維持される。そして、分割噴射
に加え、点火時期がリタードされること及び燃料噴射量
が増量されることによっても排気温度が上昇し、触媒暖
機が促進される。
【００８１】もっとも、このように点火時期をリタード
させるにしても、分割噴射を行なわずに点火時期リター
ドだけで排気温度上昇等の効果を同程度にもたせようと
する場合と比べると、リタード量は充分に小さくし得る
ため、燃費の悪化は抑制される。
【００８２】上記分割噴射を行なう場合に、図１に示す
ような構造において吸気行程噴射及び圧縮行程噴射の各
タイミングが前記の図４に示すように設定されることで
好ましい混合気分布状態が得られる。
【００８３】すなわち、圧縮行程噴射時には、燃焼室５
の周縁部に設けられたインジェクタ１１からの噴射燃料
がピストン４の頂部のキャビティ１３内に向かうように
噴射開始時期が設定されることにより、噴射燃料がキャ
ビティ１３で反射されて点火プラグ１０付近に達し、点
火プラグ１０付近に比較的リッチな混合気層を形成す
る。
【００８４】一方、吸気行程噴射時には、上記インジェ
クタ１１からの噴射燃料が上記キャビティ１３からはず
れるような噴射タイミングとされることにより噴射燃料
が拡散し、点火プラグ１０付近の区域の周囲にリーンな
混合気層を形成する。
【００８５】ここで、吸気行程噴射タイミングを種々変
えた場合のシリンダ壁への燃料付着割合の変化とそれに
伴うＨＣ排出量の変化についてのデータを図９に示す。
この図において、黒丸印は、図１に示す構造で吸気行程
噴射の噴射開始時期がＡＴＤＣ４５°ＣＡ、ＡＴＤＣ９
０°ＣＡ、ＡＴＤＣ１３５°ＣＡ、ＡＴＤＣ１８０°Ｃ
Ａの各場合についてＣＦＤにより求めたシリンダ壁への
燃料付着割合を示しており、白丸印は図１に示す構造の
実機を用いて吸気行程噴射の噴射開始時期を種々変えた
場合のＨＣ排出濃度の測定データを示している。また、
三角印は、インジェクタを燃焼室の中央に設けて下向き
に燃料を噴射するようにした構造で吸気行程噴射の噴射
開始時期がＡＴＤＣ９０°ＣＡ、ＡＴＤＣ１３５°Ｃ
Ａ、ＡＴＤＣ１８０°ＣＡの各場合についてＣＦＤによ
り求めたシリンダ壁への燃料付着割合を示している。
【００８６】この図のように、インジェクタを燃焼室の
中央に設けて下向きに燃料を噴射する場合は噴射タイミ
ングが変化しても上記燃料付着割合はあまり変化しない
が、図１のようにインジェクタ１１を燃焼室５の周縁部
に設けた場合は噴射タイミングによって上記燃料付着割
合が大きく変化し、それに伴ってＨＣ排出量も変動する
もので、ＡＴＤＣ７０°ＣＡ程度でＨＣ排出量が最も少
なくなる。このような傾向が生じるのは、ピストン４が
上死点に極めて近い位置にある状態で燃料が噴射される
とピストン頂部で反射した燃料がシリンダ壁へ多く付着
し、ピストン４が上死点からある程度離れた位置で下降
している状態にあるＡＴＤＣ７０°ＣＡ程度では、噴射
燃料のピストン頂部での反射が少なくなるとともに燃料
が下方に引き込まれることでシリンダ壁への付着が少な
くなり、また、ピストン４が上死点から大きく離れたと
ころで燃料が噴射されると直接シリンダ壁まで達して燃
料付着が増加するためであると推測される。
【００８７】そして、このようなデータから、吸気行程
噴射の開始時期をＡＴＤＣ７０°ＣＡ程度（ＡＴＤＣ７
０°±２０°ＣＡの範囲）とすれば、ＨＣ排出量を低減
する効果が高められる。
【００８８】また、このような分割噴射時に、上記吸気
流動制御弁１７を閉じることによってスワールを生成す
れば、燃焼室内の混合気の燃焼性が向上され、とくに吸
気行程噴射によるリーン混合気層での燃焼性が向上され
る。
【００８９】ところで、当実施形態によると、触媒暖機
後においてエンジン暖機状態となるまでは、空燃比が理
論空燃比に保たれつつ吸気行程噴射のみ行われる状態に
切換えられ、これにより、図７（ｄ）から理解されるよ
うに分割噴射に比べて燃費が良くなる。そして、触媒暖
機後は触媒による排気浄化作用でエミッションが良好に
保たれ、また、空燃比がリーンとされる場合よりはエン
ジンの暖機促進に有利となる。
【００９０】さらに、エンジン暖機後は、少なくとも低
負荷時に、空燃比が大幅なリーン状態（例えばＡ／Ｆ≧
３０）とされつつ、圧縮行程噴射のみが行われる。これ
により、点火プラグ１０付近に混合気が偏在する状態と
なって成層燃焼が行われ、燃焼安定性が確保されつつ大
幅なリーン化により燃費が改善される。そして、このよ
うに圧縮行程噴射で成層化が行われると空燃比（Ａ／
Ｆ）が３０程度のリーン状態でも充分に燃焼安定性が高
められて、多量のＥＧＲを導入することも可能であるの
で、ＥＧＲバルブ２４を開いてＥＧＲ通路２３からＥＧ
Ｒを導入することにより、ＮＯｘを低減することができ
る。
【００９１】このような作用を、図１０を参照しつつ説
明する。この図は、ポート噴射エンジンの場合と筒内噴
射式エンジン（直噴エンジン）で圧縮行程噴射により成
層燃焼を行なった場合とにつき、エンジン本体から排気
通路に排出されるＮＯｘを実線で示すとともに、三元触
媒を用いた場合の排気ガス浄化後のＮＯｘの量を破線で
示している。この図のように、ポート噴射の場合、空燃
比（Ａ／Ｆ）が１６〜１７でＮＯｘ排出量が最大となっ
て、それよりリーンになると次第にＮＯｘ排出量が減少
するが、空燃比（Ａ／Ｆ）が２０〜２５程度でリーン限
界となる。一方、筒内噴射式エンジンで成層燃焼を行な
うと、ある程度以上のリーン運転域で、燃焼性が向上さ
れることによりポート噴射エンジンと比べてＮＯｘ排出
量は多くなる傾向があるが、空燃比のリーン限界が大幅
に高められるとともに、空燃比（Ａ／Ｆ）が３０以上の
リーン状態でも多量のＥＧＲを導入し得ることから、Ｎ
Ｏｘ排出量を抑制することができる。そして、大幅な空
燃比のリーン化によりポート噴射エンジンと比べて燃費
は良くなる。
【００９２】また、エンジンの高速高負荷時には、均一
燃焼を行なわせるべく吸気行程噴射とされるとともに、
空燃比が出力確保のために必要な程度にリッチ側に制御
される。この場合、触媒装置が排気通路中でエンジン本
体に近い位置（例えば排気マニホールドに直結）となっ
ていると、高速高負荷時に触媒の過熱防止のため、空燃
比を出力空燃比以上のオーバーリッチ状態として過剰燃
料の気化潜熱で排気温度の引き下げることが必要とな
り、燃費の悪化を招く。そこで当実施形態では、高速燃
費改善のため高速高負荷時に空燃比を出力空燃比（Ａ／
Ｆ＝１３程度）もしくはこれよりリーンにする一方、触
媒装置２２を排気マニホールド１６ａの下流の排気管１
６ｂの途中に設けてエンジン本体１から遠ざけるように
することで触媒の過熱を防止している。そして、このよ
うに触媒装置２２をエンジン本体１から遠ざけるとエン
ジン始動後の触媒暖機にとっては不利となるが、上記の
ように触媒冷機時には分割噴射により暖機促進及びＨ
Ｃ、ＮＯｘの低減が図られる。
【００９３】なお、本発明の筒内噴射式エンジンの制御
パターンは、図５に示すものに限定されず、種々変更可
能である。
【００９４】例えば、エンジンの始動が完了してからの
触媒冷機時の制御として、エンジン始動完了直後は燃料
の気化霧化を良くするため吸気行程噴射とした状態で点
火時期をリタードし、触媒冷機状態でもある程度エンジ
ン温度が上がった状態となってから分割噴射を行なうよ
うにしてもよい。
【００９５】また、上記実施形態では、触媒暖機後でエ
ンジンが冷機状態のときは理論空燃比での吸気行程噴射
を行なうようにしているが、触媒暖機後もエンジンが冷
機状態にあるときに分割噴射を行なうようにしてもよ
い。このようにすると、この上記実施形態と比べ、触媒
暖機からエンジン暖機までの期間をおいて、燃費は多少
悪くなるものの、暖機促進及びエミッション改善の効果
は高められる。つまり、この期間は触媒が既に活性化し
ていることにより、所定の浄化率でＨＣ及びＮＯｘが浄
化されるが、同じ浄化率でもエンジン本体からのＨＣ、
ＮＯｘの排出量が変わればそれに応じて浄化後のＨＣ、
ＮＯｘの量が変化するので、分割噴射によりエンジンか
らのＨＣ、ＮＯｘの排出量を低減すればエミッションが
より一層改善される。
【００９６】また、エンジン暖機後でも低負荷運転域等
で分割噴射を行なうようにすれば、エンジンからのＨ
Ｃ、ＮＯｘの排出量が低減されることにより、触媒によ
る浄化後のＨＣ、ＮＯｘの量がより一層低減される。
【００９７】また、上記実施形態では、燃焼室５内の点
火プラグ１０付近の区域に理論空燃比もしくはこれより
リッチな空燃比の混合気を形成するとともにその周囲に
理論空燃比よりもリーンな混合気を形成するような状態
とする燃料供給の制御として、燃料を直接燃焼室内に噴
射するインジェクタ１１から吸気行程と圧縮行程とにそ
れぞれ燃料を噴射する分割噴射を行なっているが、上記
インジェクタ１１に加えて吸気ポートにインジェクタを
設け、吸気ポートのインジェクタからの燃料噴射と上記
インジェクタ１１からの圧縮行程後半の燃料噴射とを行
なうようにしても、上記のような混合気分布状態とする
ことができる。
【００９８】また、上記実施形態では分割噴射時等に吸
気流動制御弁１７を制御することで燃焼室内にスワール
を生成するようにしているが、スワールの代りにタンブ
ルを生成するようにしてもよい。
【００９９】
【発明の効果】本発明の筒内噴射式エンジンは、排気ガ
ス浄化用の触媒が活性温度より低い冷機状態にあるとき
に、燃料を直接燃焼室に噴射するインジェクタで吸気行
程と圧縮行程との分割噴射を行なう等により、燃焼室内
の点火プラグ付近の区域に理論空燃比もしくはこれより
リッチな空燃比の混合気を形成するとともにその周囲に
理論空燃比よりもリーンな混合気を形成するようにして
いるため、触媒による浄化作用が充分に得られない触媒
冷機時にエンジンからのＨＣ、ＮＯｘの排出量を低減
し、かつ、排気温度を高めて触媒の暖機を促進すること
ができる。従って、エンジン始動後に触媒が暖機状態に
移行する過程でのエミッションを大幅に改善することが
できる。
【０１００】また、エンジン冷機時に、分割噴射等によ
って燃焼室内の点火プラグ付近の区域に理論空燃比もし
くはこれよりリッチな空燃比の混合気を形成するととも
にその周囲に理論空燃比よりもリーンな混合気を形成す
るようにすれば、エンジン冷機時に増加し易いＨＣ等を
低減することができる。
【０１０１】また、分割噴射等によって燃焼室内の点火
プラグ付近の区域に理論空燃比もしくはこれよりリッチ
な空燃比の混合気を形成するとともにその周囲に理論空
燃比よりもリーンな混合気を形成し、かつ、燃焼室全体
としての空燃比を略理論空燃比とすれば、ＨＣ及びＮＯ
ｘの排出量が低減され、さらに触媒暖機後であれば触媒
による浄化作用も有効に発揮され、エミッションが大幅
に改善されることとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による筒内噴射式エンジン
のエンジン本体部分の構造を示す断面図である。
【図２】筒内噴射式エンジン全体の概略図である。
【図３】燃料系統の構成説明図である。
【図４】インジェクタにより分割噴射が行われるときの
吸気行程噴射及び圧縮行程噴射の噴射パルスを示す図で
ある。
【図５】制御パターンの一例を示すタイムチャートであ
る。
【図６】インジェクタにより分割噴射が行われるときの
吸気行程噴射及び圧縮行程噴射の噴射量を示す図であ
る。
【図７】ポート噴射エンジン、直噴エンジンによる吸気
行程噴射及び分割噴射の各場合の比較データを示すグラ
フであって、（ａ）はＨＣ排出量、（ｂ）はＮＯｘ排出
量、（ｃ）は排気温度、（ｄ）は燃費率をそれぞれ示し
ている。
【図８】点火時期リタードによって排気温度を上昇させ
るようにした場合の燃費及びエミッションの変化につい
てのデータを示すグラフであって、（ａ）は燃費、
（ｂ）はＨＣ排出量の変化の割合、（ｃ）はＮＯｘ排出
量の変化の割合をそれぞれ示している。
【図９】筒内噴射式エンジンにおいて吸気行程噴射のタ
イミングを種々変えた場合のシリンダ壁への燃料付着割
合及びＨＣ排出量の変化を示すグラフである。
【図１０】吸気ポート噴射エンジンの場合と筒内噴射式
エンジンによって成層燃焼を行なった場合とにつき、空
燃比とＮＯｘ排出量都の関係を示す説明図である。
【符号の説明】
１ エンジン本体 ４ ピストン ５ 燃焼室 １０ 点火プラグ １１ インジェクタ １３ キャビティ １７ 吸気流動制御弁 ２６ 水温センサ ３０ ＥＣＵ ３１ 温度状態判別手段 ３２ 燃料供給制御手段 ３３ 点火時期制御手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｄ 41/06 ３３５ Ｆ０２Ｄ 41/06 ３３５Ｚ 41/34 41/34 Ｈ 43/00 ３０１ 43/00 ３０１Ｂ ３０１Ｄ Ｆ０２Ｐ 5/15 Ｆ０２Ｐ 5/15 Ｅ (72)発明者 太田 統之 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツダ 株式会社内

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃料を直接燃焼室内に噴射するインジェ
    クタを備えた筒内噴射式エンジンにおいて、排気通路に
    設けられた排気ガス浄化用の触媒の温度状態を判別する
    温度状態判別手段と、この温度状態判別手段による判別
    に基づき、上記触媒が活性温度より低い冷機状態にある
    ときに、上記インジェクタから圧縮行程で燃料を噴射す
    ることにより燃焼室内の点火プラグ付近の区域に理論空
    燃比もしくはこれよりリッチな空燃比の混合気を形成す
    るとともに、これとは別の燃料供給により上記点火プラ
    グ付近の区域の周囲に理論空燃比よりもリーンな混合気
    を形成する燃料供給制御手段とを備えたことを特徴とす
    る筒内噴射式エンジン。
  2. 【請求項２】 温度状態判別手段はエンジン冷却水の温
    度により触媒の温度状態を推定するものであることを特
    徴とする請求項１記載の筒内噴射式エンジン。
  3. 【請求項３】 燃料を直接燃焼室内に噴射するインジェ
    クタを備えた筒内噴射式エンジンにおいて、エンジンの
    温度状態を判別する温度状態判別手段と、この温度状態
    判別手段による判別に基づき、エンジンが冷機状態のと
    き、上記インジェクタから圧縮行程で燃料を噴射するこ
    とにより燃焼室内の点火プラグ付近の区域に理論空燃比
    もしくはこれよりリッチな空燃比の混合気を形成すると
    ともに、これとは別の燃料供給により上記点火プラグ付
    近の区域の周囲に理論空燃比よりもリーンな混合気を形
    成する燃料供給制御手段とを備えたことを特徴とする筒
    内噴射式エンジン。
  4. 【請求項４】 燃料を直接燃焼室内に噴射するインジェ
    クタを備えた筒内噴射式エンジンにおいて、上記インジ
    ェクタから圧縮行程で燃料を噴射することにより燃焼室
    内の点火プラグ付近の区域に理論空燃比もしくはこれよ
    りリッチな空燃比の混合気を形成するとともに、これと
    は別に燃焼室に燃料を供給して、上記点火プラグ付近の
    区域の周囲に理論空燃比よりもリーンな混合気を形成
    し、かつ、燃焼室全体としての空燃比を略理論空燃比と
    したことを特徴とする筒内噴射式エンジン。
  5. 【請求項５】 燃焼室内の点火プラグ付近の区域に理論
    空燃比もしくはこれよりリッチな空燃比の混合気を形成
    するとともにその周囲に理論空燃比よりもリーンな混合
    気を形成するような状態とする燃料供給の制御を、エン
    ジンの始動完了時よりも後に行なうことを特徴とする１
    乃至４のいずれかに記載の筒内噴射式エンジン。
  6. 【請求項６】 制御手段は、燃焼室内の点火プラグ付近
    の区域に理論空燃比もしくはこれよりリッチな空燃比の
    混合気を形成するとともにその周囲に理論空燃比よりも
    リーンな混合気を形成するような状態とする燃料供給の
    制御として、燃料を直接燃焼室内に噴射するインジェク
    タから吸気行程と圧縮行程とにそれぞれ燃料を噴射する
    分割噴射を行なわせるようになっていることを特徴とす
    る請求項１乃至５のいずれかに記載の筒内噴射式エンジ
    ン。
  7. 【請求項７】 分割噴射時の吸気行程での噴射量が圧縮
    行程での噴射量以上となるように噴射割合が設定されて
    いることを特徴とする請求項６記載の筒内噴射式エンジ
    ン。
  8. 【請求項８】 分割噴射時の吸気行程での噴射量の割合
    がエンジン負荷の増大に伴って増大するように設定され
    ていることを特徴とする請求項６または７記載の筒内噴
    射式エンジン。
  9. 【請求項９】 燃焼室を形成するシリンダ内のピストン
    の頂部に凹状のキャビティを設け、インジェクタからの
    圧縮行程噴射による噴射燃料が上記キャビティで反射さ
    れて点火プラグ付近に達するように構成したことを特徴
    とする請求項６乃至８のいずれかに記載の筒内噴射式エ
    ンジン。
  10. 【請求項１０】 燃焼室中央部に点火プラグを設けると
    ともに、燃焼室周縁部にインジェクタを設けたことを特
    徴とする請求項９記載の筒内噴射式エンジン。
  11. 【請求項１１】 排気ガス浄化用の触媒が活性温度より
    低い冷機状態にあって、上記分割噴射が行われていると
    きに、点火時期を基本点火時期よりもリタードさせる点
    火時期制御手段を備えたことを特徴とする請求項６乃至
    ９のいずれかに記載の筒内噴射式エンジン。
  12. 【請求項１２】 排気ガス浄化用の触媒が活性温度より
    低い冷機状態でのエンジンの極低負荷時に、点火時期を
    リタードするとともに、空気及び燃料を運転状態に応じ
    た量よりも増量しつつ分割噴射を行なうようにしたこと
    を特徴とする請求項１１記載の筒内噴射式エンジン。
  13. 【請求項１３】 エンジン負荷が極低負荷から所定負荷
    以上へ変化したときに点火時期のリタードと空気及び燃
    料の増量とを停止するようにしたことを特徴とする請求
    項１２記載の筒内噴射式エンジン。
  14. 【請求項１４】 走行状態となったとき点火時期のリタ
    ードを減少させることを特徴とする請求項１１乃至１３
    のいずれかに記載の筒内噴射式エンジン。
  15. 【請求項１５】 触媒が排気マニホールドに接続されて
    いる排気管の途中に配置されていることを特徴とする請
    求項６乃至１４のいずれかに記載の筒内噴射式エンジ
    ン。
  16. 【請求項１６】 高速高負荷時には空燃比を出力最大と
    なる出力空燃比もしくはこれよりリーン側に設定するこ
    とを特徴とする請求項１５記載の筒内噴射式エンジン。
  17. 【請求項１７】 排気ガス浄化用の触媒が活性温度より
    低い冷機状態にあるときに上記分割噴射を行なうととも
    に、触媒が暖機した後に上記インジェクタからの燃料噴
    射を吸気行程噴射のみとするように燃料供給制御手段を
    構成したことを特徴とする請求項６〜１５のいずれかに
    記載の筒内噴射式エンジン。
  18. 【請求項１８】 エンジン暖機後に上記インジェクタか
    らの燃料噴射を圧縮行程噴射のみとするように燃料供給
    制御手段を構成したことを特徴とする請求項１７記載の
    筒内噴射式エンジン。
  19. 【請求項１９】 排気ガス浄化用の触媒が活性温度より
    低い冷機状態にあるときに上記分割噴射を行なうととも
    に、触媒が暖機した後に上記インジェクタからの燃料噴
    射を圧縮行程噴射のみとするように燃料供給制御手段を
    構成したことを特徴とする請求項６〜１５のいずれかに
    記載の筒内噴射式エンジン。
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