WO2002053889A1 - Dispositif de purification de gaz d'echappement pour moteur a combustion interne a allumage par etincelle du type a injection intra-cylindre - Google Patents

Dispositif de purification de gaz d'echappement pour moteur a combustion interne a allumage par etincelle du type a injection intra-cylindre Download PDF

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internal combustion
combustion engine
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fuel
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Yasuki Tamura
Kazuhito Kawashima
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Mitsubishi Jidosha Kogyo Kabushiki Kaisha
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Definitions

  • the present invention relates to an exhaust gas purifying apparatus for a direct injection type spark ignition internal combustion engine, and more particularly to a technique for improving exhaust gas purifying efficiency and enhancing an effect of reducing harmful substances in exhaust gas. . Background art
  • Harmful substances in the exhaust gas (HC, CO, other unburned substances such as H 2, smoke, including N Ox, etc.) as a technique for the purpose of reducing exhaust gas purification technology using reaction on the catalyst It has been known.
  • the air-fuel ratio of the main combustion by the main injection needs to be set to a super-lean air-fuel ratio.
  • this limit is increased by increasing the exhaust pressure. Exhaust resistance is increasing and is becoming more severe. If the engine torque is limited in this way, it is not preferable because it cannot sufficiently meet the acceleration demand. Disclosure of the invention
  • an exhaust purification device of the present invention controls an injection valve that directly injects fuel into a combustion chamber, a fuel injection control unit that controls fuel injection by the injection valve, and a combustion air-fuel ratio.
  • An exhaust purification device of a direct injection type spark ignition type internal combustion engine provided with air-fuel ratio control means, provided in an exhaust passage, for purifying harmful substances in exhaust gas, and an activation state of the catalytic converter.
  • the catalyst air-fuel ratio is set to a stoichiometric air-fuel ratio or slightly leaner than the stoichiometric air-fuel ratio by the catalyst activity judging means and the air-fuel ratio control means, and fuel is injected in the compression stroke by the fuel injection control means.
  • Compression slide A compression / slight lean operating means for performing a lean operation; and an exhaust flow control means for suppressing an exhaust flow in an exhaust passage, wherein the catalyst activity determining means determines that the catalyst compa- nizer is not in an active state.
  • the present invention is characterized in that the compression straight lean operation is performed by the compression straight line operation means and the exhaust flow in the exhaust passage is suppressed by the exhaust flow control means.
  • the internal combustion engine in the cold-state it is not yet active, and can be as rich in CO as unburned with o 2 in the exhaust gas without performing the sub injection according to the two-stage combustion
  • this CO reacts more easily with O 2 than H
  • the reaction in the exhaust system is further promoted in addition to the effect of suppressing the exhaust flow.
  • the overall air-fuel ratio is set to a slightly leaner air-fuel ratio to suppress deterioration of fuel efficiency and improve engine exhaust gas purification efficiency while securing engine torque, thereby enabling early activation of the catalytic converter.
  • the exhaust purification device of the present invention further includes an exhaust port extending from the combustion chamber toward the exhaust passage or an exhaust port peripheral temperature detecting means for detecting a temperature around the exhaust port; By the catalyst core When it is determined that the member is not in the active state and the temperature around the exhaust port or the exhaust port is higher than a predetermined temperature by the exhaust port peripheral temperature detecting means, the compression slide line is removed. It is characterized in that the operation is performed and the exhaust flow is suppressed.
  • the catalytic converter in a situation where the catalytic converter the internal combustion engine is in the cold-state it is not yet active, and will be the reaction of ⁇ 2 and CO in the exhaust system is further suitably promoted, and suppressing the deterioration of fuel efficiency
  • the exhaust gas purification efficiency can be further improved while securing the engine torque, and the catalytic converter can be activated earlier.
  • a two-stage combustion operation means for supplying and performing a two-stage combustion operation wherein when the catalyst activity determination means determines that the catalyst converter is not in an active state, the two-stage combustion operation by the two-stage combustion operation means and
  • the present invention is characterized in that either one of the compression light lean operation by the compression light lean operation means is selectively performed and the exhaust gas flow is suppressed.
  • the two-stage combustion operation and the compression-slight-line operation can be appropriately selected according to the operating condition of the internal combustion engine, and the catalyst is activated quickly by selecting the two-stage combustion operation and suppressing the exhaust flow. While giving priority to exhaust purification efficiency.
  • By selecting compression-slight lean operation and suppressing exhaust gas flow it is possible to suppress deterioration of fuel economy and improve exhaust gas purification efficiency while giving priority to securing engine torque. .
  • the catalyst activity determination means determines that the catalyst converter is not in an active state
  • the two-stage combustion operation is performed, and then the compression light lean operation is performed. It is characterized by. Therefore, when the catalytic converter is not in an active state, the catalyst can be activated early by first suppressing the exhaust flow together with the two-stage combustion operation. By switching to the lean operation, deterioration of fuel efficiency can be suppressed and engine torque can be secured, and exhaust gas purification efficiency can be effectively improved.
  • the exhaust flow control means increases the control amount of the exhaust flow suppression when performing the compression-slight lean operation as compared with when performing the two-stage combustion operation. I do.
  • the amount of intake air is large in order to make the air-fuel ratio of the main combustion a super-lean air-fuel ratio, and therefore the amount of exhaust gas is large.
  • it is possible to suppress the reaction and promote the reaction in the exhaust system it is possible to secure the suppression of the exhaust flow by increasing the control amount of the exhaust flow suppression because the exhaust flow rate is small in the compression-slight lean operation.
  • the exhaust gas purification apparatus of the present invention further comprises a load detecting means for detecting a load on the internal combustion engine, and when the load on the internal combustion engine detected by the load detecting means is equal to or more than a predetermined value, the two-stage combustion operation is performed. It is characterized in that the compression lean operation is performed with priority.
  • the air-fuel ratio control means may set the combustion air-fuel ratio to a stoichiometric air-fuel ratio or a slightly leaner air-fuel ratio than the stoichiometric air-fuel ratio, and the fuel injection control means may supply fuel during an intake stroke.
  • An intake straight lean operating means for injecting and performing an intake straight lean operation wherein when the catalyst activity determining means determines that the catalytic converter is not in an active state, the compression smooth lean operating means performs the compression bright lean operation.
  • the method is characterized in that either one of the operation and the intake smooth lean operation by the intake slight lean operation means is selectively performed, and the exhaust flow is suppressed.
  • the catalyst activity determination means determines that the catalyst converter is not in an active state
  • the compression smooth lean operation is performed, and then the intake straight lean operation is performed. It is characterized by
  • the exhaust flow control means increases the control amount of the exhaust flow control when performing the intake straight lean operation as compared to when performing the compression slight lean operation. I do.
  • the amount of intake air is relatively large due to stratified combustion, and therefore the exhaust flow rate is relatively large.
  • the exhaust flow rate is smaller in the intake straight lean operation, so the exhaust flow suppression control amount is increased to secure the exhaust flow suppression.
  • the exhaust gas purifying apparatus of the present invention further comprises a load detecting means for detecting a load on the internal combustion engine, and when the load on the internal combustion engine detected by the load detecting means is equal to or more than a predetermined value, the compression lean lean operation is performed. It is characterized in that the intake slight lean operation is performed with priority.
  • the catalyst activity determining means includes: an elapsed time after starting the internal combustion engine, a cooling water temperature of the internal combustion engine, a lubricating oil temperature of the internal combustion engine, a temperature of the catalyst converter overnight, an exhaust flow rate, and The activation state of the catalyst converter is determined using at least one of the total amounts of heat acting on the catalyst converter as a parameter.
  • the active state of the catalytic converter can be easily determined based on the lubricating oil temperature, the temperature of the catalytic converter, the exhaust flow rate, the total amount of heat acting on the catalytic converter, and the like.
  • the exhaust flow control means suppresses the exhaust flow in the exhaust passage by reducing a cross-sectional area of the exhaust passage or an opening degree of an exhaust throttle valve interposed in the exhaust passage. It is characterized by doing.
  • the exhaust gas flow in the exhaust passage can be easily suppressed by reducing the cross-sectional area of the exhaust passage or the opening degree of the exhaust throttle valve interposed in the exhaust passage.
  • the load detection means detects a load of the internal combustion engine based on at least one of a throttle opening, an intake manifold pressure, and an intake air amount. I do.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an exhaust purification device for a direct injection type spark ignition internal combustion engine according to the present invention
  • Figure 2 shows an exhaust pressure control valve as an exhaust flow control device
  • FIG. 3 is a flowchart showing a control routine of the start-time control according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a time chart showing the change over time in the amount of HC emitted and the exhaust gas temperature when the start-time control according to the first embodiment is performed;
  • FIG. 5 is a flowchart showing a control routine of start-time control according to the second embodiment
  • FIG. 6 is a flowchart showing a control routine of start control according to the third embodiment. One part;
  • FIG. 7 is a flowchart showing a control routine of start-time control according to the fourth embodiment.
  • FIG. 8 is a map showing a relationship between an exhaust pressure coefficient and an exhaust pressure when calculating an index corresponding to a calorific value.
  • FIG. 1 there is shown a schematic configuration diagram of an exhaust purification device of a direct injection type spark ignition type internal combustion engine according to the present invention mounted on a vehicle.
  • the configuration of the exhaust purification device will be described.
  • the engine body (hereinafter simply referred to as the engine) 1 as an internal combustion engine has a fuel injection mode (intake stroke injection) as well as a fuel injection (compression stroke) by switching the fuel injection mode.
  • An in-cylinder injection spark ignition gasoline engine capable of performing compression stroke injection is used.
  • the in-cylinder injection type engine 1 can be easily operated at the stoichiometric air-fuel ratio (stoichio) or at the rich air-fuel ratio (rich air-fuel ratio operation) by switching the fuel injection mode and controlling the air-fuel ratio. Therefore, it is possible to realize a lean air-fuel ratio operation (lean air-fuel ratio operation).
  • the in-cylinder injection type engine 1 can also select a two-stage combustion mode in which in addition to the main combustion by the main injection of fuel in the compression stroke, a sub-injection is performed after the expansion stroke to perform two-stage combustion operation. It is.
  • the cylinder head 2 of the engine 1 is provided with an electromagnetic fuel injection valve 6 together with a spark plug 4 for each cylinder, whereby fuel can be directly injected into the combustion chamber.
  • the fuel injector 6 has a fuel tank through a fuel pipe 7. Feeding device (not shown) is connected. More specifically, the fuel supply device is provided with a low-pressure fuel pump and a high-pressure fuel pump, whereby the fuel in the fuel tank is supplied to the fuel injection valve 6 at a low fuel pressure or a high fuel pressure. The fuel can be injected from the fuel injection valve 6 into the combustion chamber at a desired fuel pressure.
  • An intake port 9 is formed in the cylinder head 2 so as to extend in a substantially upright direction for each cylinder, and one end of an intake manifold 10 is connected to each of the intake ports 9 so as to communicate with each intake port 9. I have.
  • the intake manifold 10 is provided with an electromagnetic throttle valve 14 for adjusting the amount of intake air and an intake amount sensor 16 for detecting the amount of intake air. As the intake air amount sensor 16, for example, a force-man vortex airflow sensor is employed.
  • An exhaust port 11 is formed in the cylinder head 2 so as to extend in a substantially horizontal direction for each cylinder, and one end of the exhaust manifold 12 is connected to each exhaust port 11 so as to communicate with each exhaust port 11. It is connected.
  • a dual exhaust manifold system is adopted as the exhaust manifold 12.
  • the exhaust manifold 12 may be a single type exhaust manifold system or a clamshell type exhaust manifold system.
  • An exhaust pipe (exhaust passage) 20 is connected to the other end of the exhaust manifold 12, and a three-way catalyst (catalyst converter) 30 as an exhaust purification catalyst device is connected to the exhaust pipe 20. It is interposed.
  • the three-way catalyst 30 has a support containing copper (Cu), cobalt (Co), silver (Ag), platinum (Pt), rhodium (Rh), palladium (Pd) as active noble metals.
  • an exhaust pressure sensor 22 for detecting exhaust pressure is disposed in the exhaust pipe 20.
  • an exhaust pressure control valve (exhaust flow control means, exhaust throttle valve) 40 is provided as an exhaust flow control device in a portion of the exhaust pipe 20 downstream of the three-way catalyst 30.
  • Exhaust pressure control valve 4 0, harmful substances in the exhaust gas by suppressing the exhaust flow (HC, other unburned substances such as CO, N Ox, smoke, containing H 2, etc.) to promote the reduction of
  • the apparatus is configured to be able to change at least one of the exhaust pressure, the exhaust density, and the exhaust flow speed.
  • FIG. 2 a detailed view of the exhaust pressure control valve 40 is shown. As shown in the figure, the exhaust pressure control valve 40 is composed of a butterfly valve 42 and a relief valve 46 that can adjust the flow area of the exhaust pipe 20.
  • the butterfly valve 42 is provided with an actuator 43 for rotating the valve body 44, and the butterfly valve 42 is opened and closed by rotating the valve body 44 by the actuator 43. Accordingly, the cross-sectional area of the exhaust passage is changed, thereby suppressing the exhaust flow.
  • a relief passage 22 is provided so as to bypass the butterfly valve 42, and the relief valve 46 is arranged so that the cross-sectional area of the relief passage 22 can be finely adjusted.
  • the relief valve 46 is provided with an actuator 47 for reciprocating the valve 48, and the valve 48 is brought into contact with the valve 24 by the actuator 47. , The relief passage 22 is closed, and the flow rate of the exhaust gas flowing through the relief passage 22 is finely adjusted according to the distance between the valve body 48 and the valve body 24. That is, by controlling the valve opening of the relief valve 46, the control amount of exhaust flow suppression is changed.
  • a spring or the like may be provided instead of the actuator 47, and the relief valve 46 may be automatically controlled by the spring or the like.
  • the ECU 60 includes an input / output device, a storage device (R ⁇ M, RAM, non-volatile RAM, etc.), a central processing unit (CPU), a timer counter, and the like.
  • the ECU 60 controls the exhaust gas purifying apparatus including the engine 1 comprehensively.
  • crank angle sensor 62 for detecting the crank angle are connected to the input side of the ECU 60. Detection information is input. The engine speed Ne is obtained based on the crank angle information of the crank angle sensor 62.
  • the output side of the ECU 60 is connected to various output devices such as the above-described fuel injection valve 6, ignition coil 8, throttle valve 14, and actuators 43, 47.
  • various output devices are calculated based on the target A / F and detection information from various sensors.
  • Each signal of the fuel injection amount, fuel injection timing, ignition timing, and throttle opening is output (fuel injection control means, air-fuel ratio control means).
  • the butterfly valve 42 is opened and closed at an appropriate timing so that the exhaust flow suppression degree becomes a desired exhaust flow suppression degree (for example, a target exhaust pressure).
  • a desired exhaust flow suppression degree for example, a target exhaust pressure
  • FIG. 3 a control routine of the starting control according to the present invention is shown in a flowchart, and will be described below with reference to FIG.
  • a predetermined time tl (for example, 3 sec) It is determined whether or not the time has elapsed. Specifically, when the engine 1 is started, exhaust port temperature control such as ignition timing retard for setting the ignition timing to the retard side is performed. This determination is made after the engine 1 is started. This is to determine whether or not the temperature of the exhaust system, particularly the exhaust port 11 or the surroundings of the exhaust port 11 has been adjusted to some extent and has reached a predetermined temperature or higher (exhaust port peripheral temperature detecting means).
  • a sensor for detecting the temperature of the exhaust port 11 or the vicinity of the exhaust port 11 may be provided, and instead of the time determination, it may be directly determined whether the temperature of the exhaust port 11 is equal to or higher than a predetermined temperature. If the determination result of step S10 is false (No) after the execution of the exhaust port temperature raising control, the routine directly exits the routine. On the other hand, when the result of the determination is true (Yes) and it is determined that the predetermined time tl has elapsed, the process proceeds to step S12.
  • Step S 1 2 after the start of the engine 1, a predetermined time t2 (e.g., 4 5 sec ⁇ 2 m in) determines whether or not the elapsed (catalytic activity decision means). If the determination result is false (No), the predetermined time t2 has not elapsed, and the three-way catalyst 30 has not been activated yet, the process proceeds to step S14.
  • a predetermined time t2 e.g., 4 5 sec ⁇ 2 m in
  • the target AZF is set to a lean lean air-fuel ratio setting that is slightly leaner than the stoichiometric air-fuel ratio (a value optimized for the engine and the exhaust system, for example, a value of 15), and the compression stroke A compression slide line operation (in FIG. 3, abbreviated as compression S / L operation) in which fuel injection is performed (compression slide line operation means).
  • the target AZF is set as the stoichiometric air-fuel ratio, and the control gain of the air-fuel ratio feedback control is shifted toward the lean air-fuel ratio.
  • the target A / F may be kept at the stoichiometric air-fuel ratio without changing the control gain.
  • step S16 the actuators 43 and 47 are respectively driven and controlled, and the exhaust pressure control valve 40, that is, the butterfly valve 42 and the relief valve 46 are operated to the closing side (exhaust flow control means). .
  • the butterfly valve 42 is closed and the opening of the relief valve 46 is finely adjusted so that the degree of exhaust flow suppression becomes a desired degree of exhaust flow suppression.
  • the flow of exhaust gas in the exhaust system upstream of the exhaust pressure control valve 40 is controlled to a desired degree, and the exhaust pressure rises.
  • the smoldering of the spark plug 4 is small and C 0 is generated much because the spray form is favorable in the compression light lean operation as described above.
  • the CO is well discharged to the exhaust system together with the residual O 2 remaining without contributing to the combustion, and the reaction between the CO and the residual O 2 is favorably promoted in the exhaust system, particularly in the exhaust port 11. You. Further, at this time, the exhaust port 11 is in a state of being somewhat opened by the discrimination in the step S 10, so that the reaction between CO and the residual o 2 is sufficiently promoted in the exhaust port 11.
  • the HC emission and exhaust temperature when only the compression sled line operation is performed without suppressing the exhaust gas flow are indicated by broken lines.
  • the target AZF is set to the slide-line air-fuel ratio and the fuel injection is performed in the intake stroke (intake-slight lean operation)
  • the HC emission amount and the exhaust temperature are indicated by the two-dot line.
  • the solid line by performing the compression straight lean operation and suppressing the exhaust flow, it is possible to reduce the HC emissions and increase the exhaust gas temperature compared to the case of the compression slide lean operation alone or the case of the intake straight lean operation. it can.
  • the compression slide lean operation it is possible to suppress a sudden increase in HC emission immediately after the engine is started in the intake lean lean operation.
  • step S12 determines whether the predetermined time t2 (for example, 45 sec to 2 min) has elapsed. If it is determined that the predetermined time t2 has elapsed, the three-way catalyst 30 is activated by the exhaust gas temperature rise. It can be determined that it is in a sufficiently activated state and the suppression of the exhaust flow and the operation of the compression slide line are no longer necessary, and the process proceeds to step S18.
  • the predetermined time t2 for example, 45 sec to 2 min
  • step S18 the exhaust pressure control valve 40, that is, the butterfly valve 42 is operated to the valve opening side to release the exhaust flow suppression. Then, in step S20, the compression bright lean operation is terminated, and the combustion control of the engine 1 is returned to the normal control state.
  • FIG. 5 a control routine for start-up control according to a second embodiment of the present invention is shown in a flowchart, and the second embodiment will be described below with reference to FIG. Note that the second embodiment is different from the first embodiment in that the compression light lean operation is performed after the two-stage combustion operation is mainly performed.
  • step S30 similarly to the case of step S10 in FIG. 3 described above, it is determined whether or not a predetermined time t1 (for example, 3 sec) has elapsed after the engine 1 was started. That is, after the engine 1 is started, it is determined whether or not the temperature of the exhaust system, particularly the exhaust port 11 or the vicinity of the exhaust port 11, has been warmed up to some extent and has reached a predetermined temperature or higher. If the determination result is false (No), the process directly exits the routine. On the other hand, if the determination result is true (Yes) and it is determined that the predetermined time tl has elapsed, the process proceeds to step S32. move on.
  • a predetermined time t1 for example, 3 sec
  • step S 3 2 as in step S 1 2 of FIG. 3, after the start of E down gin 1, the predetermined time t 2 (e.g., 4 5 sec ⁇ 2 m in) determines whether elapsed (Catalyst activity determination means). If the determination result is false (No), the predetermined time t2 has not elapsed, and the three-way catalyst 30 has not been activated yet, the process proceeds to step S34.
  • the predetermined time t 2 e.g., 4 5 sec ⁇ 2 m in
  • step S34 it is determined whether or not a predetermined time t3 (for example, 15 sec) has elapsed after the start of the engine 1. This determination is, that is c determination result is false the three-way catalyst 3 0 means whether reached semi-activated state (just before the fully activated state) determination (N o), the predetermined time t 3 has elapsed If the three-way catalyst 30 is not yet half-activated, the process proceeds to step S36.
  • a predetermined time t3 for example, 15 sec
  • step S36 it is determined whether or not the engine load L is equal to or less than a predetermined value L1. That is, it is determined whether or not the engine 1 has an acceleration request.
  • the engine load L is, for example, the opening of the throttle valve 14, that is, the throttle opening.
  • a pressure sensor may be provided in the intake manifold 12 to detect from the pressure in the intake manifold 12, that is, the intake manifold pressure. It can be detected from the information on the amount of intake air.
  • step S36 If the result of the determination in step S36 is true (Y e s) and it is determined that the engine load L is equal to or less than the predetermined value L1, that is, it is determined that there is no acceleration request for the engine 1, then the process proceeds to step S38.
  • step S38 a two-stage combustion operation is performed. That is, the main combustion by the main injection is performed in the compression stroke, and the sub-injection is performed after the expansion stroke (two-stage combustion driving means).
  • the main injection amount is set so that the air-fuel ratio of the main combustion becomes a super-lean air-fuel ratio
  • the sub-injection amount is set so that the overall air-fuel ratio becomes a predetermined lean air-fuel ratio (for example, a value of 16).
  • the fuel supply timing of the sub-injection be after the flame extinguishing timing and before the exhaust valve opening timing.
  • the sub-injected fuel does not directly contribute to the generation of engine torque, so the fuel consumption is disadvantageous for the sub-injection, but the main combustion (stratified combustion) the reaction of the residual 0 2 and unburned fuel components by auxiliary injection (HC, etc.) is greatly promoted in the exhaust system at. As a result, the exhaust gas temperature rises rapidly, and early activation of the catalyst is achieved.
  • step S40 similarly to step S16 in FIG. 3 described above, the actuators 43, 47 are respectively driven and controlled, and the exhaust pressure control valve 40, that is, the butterfly valve 42, and the relief valve 42, Operate valves 46 to close.
  • the opening of the relief valve 46 is controlled, for example, by the first suppression control so that the degree of exhaust flow suppression becomes a desired degree of exhaust flow suppression (for example, target exhaust pressure). Automatically adjusted for quantity.
  • the flow of exhaust gas in the exhaust system upstream of the exhaust pressure control valve 40 is controlled to a desired degree, and the exhaust pressure increases.
  • step S34 proceeds to step S34. 4 Proceed to 2.
  • step S42 the two-stage combustion operation is stopped.
  • step S46 a compression straight lean operation (abbreviated as compression S / L operation in Fig. 5) is performed as in step S14 in Fig. 3 above.
  • the three-way catalyst 30 when the three-way catalyst 30 reaches the semi-activated state by performing the two-stage combustion operation and then performs the compression light lean operation, the three-way catalyst 30 can be quickly activated and the fuel efficiency can be reduced. While suppressing deterioration, it is possible to secure the acceleration performance by increasing the opportunities to secure sufficient engine torque as much as possible, and it is possible to effectively improve exhaust purification efficiency as a whole.
  • step S48 the exhaust flow is suppressed as in step S40.
  • the butterfly valve 42 is closed, and the opening of the relief valve 46 is set to the predetermined value so that the degree of exhaust flow suppression becomes a desired degree of exhaust flow suppression (for example, target exhaust pressure).
  • the reduction amount is automatically adjusted to a predetermined second suppression control amount (second suppression control amount> first suppression control amount) that is larger than the first suppression control amount.
  • second suppression control amount> first suppression control amount is larger than the first suppression control amount.
  • the compression light lean operation is the same as the two-stage combustion operation.
  • the degree of suppression of the exhaust flow can be maintained, and the exhaust gas purification efficiency can be more effectively improved while suppressing deterioration of fuel efficiency and securing engine torque.
  • step S36 determines whether the engine load L is larger than the predetermined value L1 is false (No) and the engine load L is determined to be larger than the predetermined value L1. If the determination result of step S36 is false (No) and the engine load L is determined to be larger than the predetermined value L1, the process proceeds to step S42. That is, when there is an acceleration request in the engine 1, even in the two-stage combustion operation, the operation is switched to the compression straight-line operation capable of securing a larger engine torque. As a result, sufficient acceleration performance can be obtained with good response according to the acceleration request.
  • step S32 when it is determined that the determination result of step S32 is true (Yes) and the predetermined time t2 (for example, 45 sec to 2 min) has elapsed, the exhaust gas temperature is sufficiently increased. Thus, it can be determined that the three-way catalyst 30 is completely activated. Accordingly, in this case, the process proceeds to step S50, and the exhaust pressure control valve 40, that is, the butterfly valve 42 and the relief valve 46 are operated to the valve opening side, similarly to step S18 in FIG. In addition, the suppression of the exhaust flow is released, and in step S52, the compression slight lean operation is terminated, and the combustion control of the engine 1 is returned to the normal control state.
  • the exhaust pressure control valve 40 that is, the butterfly valve 42 and the relief valve 46 are operated to the valve opening side, similarly to step S18 in FIG.
  • step S52 the compression slight lean operation is terminated, and the combustion control of the engine 1 is returned to the normal control state.
  • step S30 it is determined whether or not a predetermined time t1 'has elapsed.
  • step S32 it is determined whether or not a predetermined time t2' has elapsed.
  • step S34 After determining in step S34 whether or not the predetermined time t3 'has elapsed, the determination result in step S36 is true (Yes), and the engine load L is equal to or less than the predetermined value L1, that is, an acceleration request to engine 1 is issued. If it is determined that there is not, the process proceeds to step S38 '.
  • the predetermined time tl ', the predetermined time t2', and the predetermined time t3 ' are respectively set to optimal values, but are the same as the predetermined time tl, the predetermined time t2, and the predetermined time t3 described above. Is also good.
  • step S38 ' a compression slight lean operation is performed (in FIG. 6, the compression SZL operation is abbreviated).
  • step S40 ' as in step S48 in FIG. 5 described above, the butterfly valve 42 is closed and the exhaust flow suppression degree is set to a desired exhaust flow suppression degree (for example, target exhaust pressure).
  • the opening degree of the relief valve 46 is automatically adjusted by the predetermined second suppression control amount such that As a result, the flow of exhaust gas in the exhaust system upstream of the exhaust pressure control valve 40 is controlled to a desired degree, and the exhaust pressure increases.
  • step S34 determines whether the compression slide line operation is stopped. If the determination result of step S34 is true (Yes), the predetermined time t3 'has elapsed, and it is determined that the three-way catalyst 30 has reached the half-activated state, or If the determination result of step 6 is false (No) and the engine load L is determined to be larger than the predetermined value Ll, the process proceeds to step S42 ', and the compression slide line operation is stopped.
  • step S 46 ′ the target AZF is set to a lean air-fuel ratio slightly leaner than the stoichiometric air-fuel ratio (for example, a value of 15 but not necessarily the same as in the case of the compressed lean-lean operation).
  • the air-fuel ratio is set and the air intake lean-lean operation (indicated as intake S / L operation in Fig. 6) is performed in which fuel is injected during the intake stroke. .
  • the intake straight lean operation is performed after the three-way catalyst 30 reaches the semi-activated state by performing the compression straight lean operation, the intake thrust lean is performed. Since it is possible to obtain a larger engine torque in the gas-line operation than in the compression-slight-lean operation, it is possible to increase the opportunities to secure sufficient engine torque and to secure the acceleration performance while suppressing deterioration in fuel efficiency. In addition, the exhaust purification efficiency can be effectively improved as a whole while giving priority to acceleration performance.
  • step S48 ' the exhaust flow is suppressed in the same manner as in step S40 described above.
  • the butterfly valve 42 is closed, and the exhaust flow suppression degree is set to a desired level.
  • the opening degree of the relief valve 46 is set to a predetermined third suppression control amount (third control amount) larger than the predetermined second suppression control amount so that the flow suppression degree (for example, the target exhaust pressure) is attained.
  • the control amount is automatically adjusted to the reduction side with (suppression control amount> 2nd suppression control amount). In other words, while the exhaust flow rate is relatively large in the compression straight lean operation due to stratified combustion, the exhaust flow rate is reduced in the intake straight line operation due to uniform combustion. By increasing the suppression control amount to the third suppression control amount, the suppression of exhaust flow is ensured.
  • step S 50 the exhaust pressure control valve 40, that is, the butterfly Operate the valve 42 and the relief valve 46 to the valve opening side to release the suppression of the exhaust flow, terminate the intake straight lean operation in step S52, and set the combustion control of the engine 1 to the normal control state.
  • a fourth embodiment will be described.
  • a control routine of start-time control according to a fourth embodiment of the present invention is shown in a flowchart.
  • the fourth embodiment will be described below with reference to FIG.
  • the end determination of the start-up control and the determination of the semi-active state are performed in the second embodiment or the third embodiment (FIG. 5). , 6 from step S30 to step S34). Therefore, here, the description of the same portions as those of the second and third embodiments (the range indicated by the symbol 1 in FIG. 5 or the symbol 2 in FIG. 6) will be omitted, and only different portions will be described.
  • step S60 similarly to step S30, it is determined whether or not a predetermined time tl (for example, 3 sec) has elapsed after the start of the engine 1, and if the determination result is true (Yes), Goes to step S62.
  • a predetermined time tl for example, 3 sec
  • step S62 it is determined whether or not the engine rotation speed Ne is smaller than a predetermined value Nel (for example, 220 rpm).
  • a predetermined value Nel for example, 220 rpm.
  • the exhaust flow rate and the exhaust flow rate are large, and it can be determined that the three-way catalyst 30 has been sufficiently heated and is in an active state. Therefore, when the determination result of step S62 is true (Yes) and the engine speed Ne is smaller than the predetermined value Nel, the process proceeds to step S64, while when the determination result is false (No).
  • step S50 the control of the exhaust flow is released, the compression lean lean operation or the intake lean lean operation is terminated in step S52, and the combustion control of the engine 1 is controlled normally. Try to return to your state.
  • step S64 when a transmission (not shown) is connected to the engine 1, it is determined whether or not the gear ratio of the transmission has changed.
  • a transmission (not shown) is connected to the engine 1, it is determined whether or not the gear ratio of the transmission has changed.
  • the gear ratio is at the lowest gear ratio (one-gear). Therefore, a change in the gear ratio from this state can be regarded as an increase in the vehicle speed and a change in the gear ratio to a higher speed side.
  • the engine speed Ne also increases as the engine speed increases, the exhaust gas flow rate and the exhaust gas flow rate are large, as in the above description, and it can be determined that the three-way catalyst 30 has been sufficiently heated and is in the active state.
  • step S64 determines whether there is no change in the gear ratio of the transmission. If it is determined that the gear ratio of the transmission has changed, steps S50 and S52 are executed as described above.
  • step S66 an index corresponding to the amount of heat is calculated.
  • This index is a value corresponding to the total amount of heat (total amount of heat) applied to the three-way catalyst 30 after the suppression of the exhaust flow and the start of the compression-slight lean operation. Specifically, the following equation is used. Is calculated from
  • the parameters of the exhaust (volume) flow rate and the exhaust pressure are the above-mentioned intake air volume sensor 16 and exhaust It can be detected from the atmospheric pressure sensor 22 and the exhaust gas temperature can be obtained from a map value set in advance according to the operating conditions. Note that an exhaust temperature sensor may be provided to directly determine the exhaust temperature.
  • the exhaust pressure coefficient is a correction coefficient of the exhaust pressure for optimizing the value corresponding to the total amount of heat applied to the three-way catalyst 30, and can be obtained from, for example, a map shown in FIG. According to the map, the correction coefficient increases as the exhaust pressure increases.
  • step S68 it is determined in step S68 whether the index is smaller than the predetermined value XI. If the determination result is true (Y es) and the index is smaller than the predetermined value XI, the process proceeds to step S70, while the determination result is false.
  • the index is equal to or more than the predetermined value XI in (No)
  • step S70 it is determined whether or not the index is smaller than a predetermined value X2 (X2 ⁇ X1). That is, although the total amount of heat is not large enough to correspond to the predetermined value XI, the amount of heat corresponding to the predetermined value X2 is applied to the three-way catalyst 30 to determine whether the three-way catalyst 30 is in a semi-active state. Is determined. If the determination result is true (Y e s) and it is determined that the index is smaller than the predetermined value X2, the process proceeds to step S36.
  • step S70 determines whether the three-way catalyst 30 is in a semi-active state. If the determination result of step S70 is false (No) and the index is equal to or greater than the predetermined value X2, that is, if it is determined that the three-way catalyst 30 is in a semi-active state, the above-described step S4 Proceed to step 2 or step S 4 2 ′.
  • a high temperature sensor is provided in the three-way catalyst 30, and the catalyst temperature detected by the high temperature sensor is a predetermined temperature (for example, 4 It is also possible to determine whether or not the temperature of the engine 1 is equal to or higher than (50 ° C) (catalyst temperature ⁇ a predetermined temperature). It may be determined whether or not the lubricating oil temperature of the engine 1 is equal to or higher than a predetermined temperature (for example, 35 ° C) (lubricating oil temperature ⁇ a predetermined temperature).
  • the semi-active state can be determined in various ways other than the above.
  • a high temperature sensor is provided in the three-way catalyst 30 and the catalyst temperature detected by the high temperature sensor is a predetermined temperature (for example, 30 ° C.). 0 ° C) or more (catalyst temperature ⁇ specified temperature) It may be determined whether or not the temperature of the cooling water of the engine 1 is equal to or higher than a predetermined temperature (for example, 29 ° C) (cooling water temperature ⁇ a predetermined temperature). (For example, 27 ° C.) or more (lubricating oil temperature ⁇ predetermined temperature) may be determined.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment.
  • the degree of suppression of the exhaust flow is controlled using the exhaust pressure control valve 40. Any means may be used as long as it controls the amount of reduction in area and the cross-sectional area of the exhaust passage.
  • the reduction amount of the exhaust passage area and the exhaust passage sectional area become values corresponding to the first suppression control amount, the second suppression control amount, and the third suppression control amount, respectively.
  • the first suppression control amount, the second suppression control amount, and the third suppression control Although the suppression control amount such as the amount is a fixed value, for example, it may be finely adjusted as appropriate in accordance with the fluctuation of the exhaust flow rate or the exhaust temperature.
  • step S36 when the determination result of step S36 is false (No) and the engine load L is larger than the predetermined value L1, that is, there is an acceleration request. If it is determined, the operation is switched to the compression lean-lean operation or the intake thin-lean operation.However, if the required engine torque cannot be satisfied by the switching, the normal control is performed in step S52. You may make it. In this case, the exhaust flow may be suppressed as necessary.
  • the switching between the two-stage combustion operation and the compression-slight lean operation or the switching between the compression-slight lean operation and the intake-slight lean operation is performed. But If priority is given to the early activation of the catalyst, the two-stage combustion operation may be selectively performed for the compression light lean operation, and the compression light lean operation may be selectively performed for the intake light lean operation. If acceleration performance is prioritized, compression straight lean operation may be selectively used for two-stage combustion operation, and intake straight lean operation may be selectively performed independently for compression light lean operation.
  • step S10, step S30, and step S60 it is determined whether or not a predetermined time tl (for example, 3 sec) has elapsed after the start of the engine 1, that is, the start of the engine 1 After that, it was determined whether the temperature of the exhaust system was warmed up to some extent and reached a predetermined temperature or higher.However, if the system in the exhaust system has a good reaction due to exhaust flow suppression, the predetermined time t1 is set to 0 second. Then, immediately after the complete explosion of the engine 1, the compression slight lean operation or the two-stage combustion operation may be started.
  • a predetermined time tl for example, 3 sec
  • the exhaust gas flow may be suppressed, that is, the exhaust pressure control valve 40 may be closed when the initiation key is turned on. In this way, the problem of the response delay in suppressing the exhaust flow can be improved.
  • only the compression stroke injection is performed during the compression lean-lean operation.
  • the fuel is partially divided not only into the compression stroke but also into the intake stroke while performing the compression stroke injection. You may make it eject it.
  • both the benefit of the compression stroke injection and the benefit of the intake stroke injection can be obtained, and the acceleration performance can be further improved.
  • the exhaust pressure control valve 40 is provided immediately downstream of the three-way catalyst 30 .
  • the exhaust pressure control valve 40 has high heat resistance
  • the exhaust pressure control valve 40 0 may be provided upstream of the catalyst. By doing so, the exhaust system volume upstream of the exhaust pressure control valve 40 will decrease, Again, the responsiveness of the exhaust flow suppression can be improved.
  • the butterfly valve 42 and the relief valve 46 are used as the exhaust pressure control valve 40.
  • the waste gas of the turbocharger is not used.
  • An exhaust valve can be used in place of the exhaust pressure control valve 40. That is, since the wastegate valve has the same valve function as the exhaust pressure control valve 40, even if the wastegate valve is controlled in accordance with the degree of exhaust flow suppression, the same effect as described above can be obtained. can get.
  • one three-way catalyst 30 was used as a catalyst converter, but any catalyst such as a lean NOx catalyst or a HC adsorption catalyst may be used.

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Description

明 細 書 筒内噴射型火花点火式内燃機関の排気浄化装置 技術分野
本発明は、 筒内噴射型火花点火式内燃機関の排気浄化装置に係り、 詳し くは、排気浄化効率の向上を図り排気中の有害物質の排出量低減効果を高 める技術に関するものである。 背景技術
排気中の有害物質 （H C、 C O、 H 2等の未燃物の他、 スモーク、 N Ox 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。
ところが、 当該排気浄化技術では、 触媒が活性化されるまでの間に H C 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。
そこで、 筒内噴射型火花点火式内燃機関において、 燃料噴射を 2段階に 分け、 主噴射 （超リーン空燃比設定） とは別に膨張行程以降に副噴射を行 い、 主噴射による主燃焼 （層状燃焼） 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二段燃焼技術 （或いは 二段噴射技術） が知られている。
一方、 例えば特開平 3— 1 1 7 6 1 1号、 特開平 4一 1 8 3 9 2 1号公 報に開示されるように、 排気圧上昇 （排気流動の抑制） により反応を促進 させることで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。 さらに、 これらを組み合わせ、 二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。
しかしながら、 このように二段燃焼を実施すると、 排気系内での反応が 飛躍的に促進され触媒の早期活性化が図られる一方、副噴射される燃料は 機関トルクの発生に直接寄与しないことになるため、副噴射する分だけ燃 費が悪化するという問題がある。
また、二段燃焼では主噴射による主燃焼の空燃比を超リーン空燃比とす る必要があることから、 発生する機関トルクには自ずと限界があり、 この 限界は、 排気圧を上昇させると、 排気抵抗が増大してさらに厳しくなる傾 向にある。 このように機関トルクに限界があると、 加速要求に十分対応で きず好ましいことではない。 発明の開示
本発明の目的は、冷態時であっても燃費の悪化を最小限に抑え且つ加速 性能を確保しながら排気浄化効率の向上を図り有害物質の排出量を抑制 可能な筒内噴射型火花点火式内燃機関の排気浄化装置を提供することに ある。
上記した目的を達成するため、 本発明の排気浄化装置では、 燃焼室内に 直接燃料を噴射する噴射弁と、該噴射弁による燃料噴射を制御する燃料噴 射制御手段と、燃焼空燃比を制御する空燃比制御手段とを備えた筒内噴射 型火花点火式内燃機関の排気浄化装置であって、 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、前記触媒コンバータの活性 状態を判定する触媒活性判定手段と、前記空燃比制御手段により燃焼空燃 比を理論空燃比または理論空燃比よりもややリーン空燃比とするととも に前記燃料噴射制御手段により圧縮行程で燃料を噴射して圧縮スライ 卜 リーン運転を実施する圧縮スライトリーン運転手段と、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、前記触媒活性判定手段により 前記触媒コンパ一夕が活性状態にないと判定されたときには、前記圧縮ス ライ トリーン運転手段により圧縮スライトリーン運転を行うとともに前 記排気流動制御手段により排気通路内の排気流動の抑制を行うことを特 徴とする。
即ち、 筒内噴射型火花点火式内燃機関では、 従来、 圧縮行程噴射を行う と点火プラグ近傍に燃料を噴射するためにプラグくすぶりが発生し易い と考えられていたのであるが、 出願人が実験したところ、 内燃機関が特に 冷態状態にあるときに圧縮行程噴射を行うと、実際には噴霧形態が良好で 点火プラグのくすぶりが少なく、 機関トルクを確保しながらも C O (—酸 化炭素） が多く生成されることが分かり、 この事実に基づき、 内燃機関が 冷態状態のときには、燃焼空燃比が理論空燃比または理論空燃比よりもや やリーン空燃比となるようにして燃料を圧縮行程で噴射する圧縮スライ トリ一ン運転を実施し、 これにより残留酸素 （0 2 ) とともに未燃物とし て C Oを排気通路に排出し、 併せて排気流動を抑制する。
従って、内燃機関が冷態状態にあって触媒コンバータが未だ活性してい ない状況において、 二段燃焼による副噴射を実施せずとも排ガス中に o 2 とともに未燃物として C Oを多く含むようにでき、 この C Oは Hじよりも 0 2と反応し易いため、 排気流動の抑制効果と併せて排気系内での反応が より一層促進される。 これにより、 全体空燃比をややリーン空燃比として 燃費の悪化を抑え且つ機関トルクを確保しながらも排気浄化効率の向上 を図り、 触媒コンバータの早期活性化を図ることができる。
また、 本発明の排気浄化装置では、 さらに、 前記燃焼室から排気通路に 向けて延びる排気ポー卜または該排気ポート周辺の温度を検出する排気 ポート周辺温度検出手段を有し、前記触媒活性判定手段により前記触媒コ ンバ一夕が活性状態にないと判定され、且つ前記排気ポート周辺温度検出 手段により排気ポートまたは該排気ポ一ト周辺の温度が所定温度以上で あることが検出されたとき、前記圧縮スライトリ一ン運転を行うとともに 前記排気流動の抑制を行うことを特徴とする。
即ち、 出願人の実験によれば、 排気系内での C Oの反応は、 排ガスが燃 焼室から排出された直後の排気ポート内で促進されることが確認されて おり、 この反応は排気ポートの温度が高いほど促進されることから、 内燃 機関が冷態状態のときには、排気ポート周辺の温度が所定温度以上と高い 状態のときに、 圧縮スライトリーン運転を実施し、 残留 0 2とともに未燃 物として C Oを排気通路に排出し、 併せて排気流動を抑制する。
従って、内燃機関が冷態状態にあって触媒コンバータが未だ活性してい ない状況において、 排気系内での〇2と C Oの反応がさらに好適に促進さ れることになり、燃費の悪化を抑え且つ機関トルクを確保しながらも排気 浄化効率のさらなる向上を図り、触媒コンバータをさらに早期に活性化す ることができる。
また、 本発明の排気浄化装置では、 さらに、 燃焼室内に主燃焼用の燃料 を供給した後、該主燃焼の火炎消滅時期以降且つ排気弁の開弁開始時期以 前に燃焼室内に燃料を再供給し二段燃焼運転を行う二段燃焼運転手段を 備え、前記触媒活性判定手段により前記触媒コンバ一夕が活性状態にない と判定されたときには、前記二段燃焼運転手段による二段燃焼運転及び前 記圧縮スライトリーン運転手段による前記圧縮スライトリーン運転のい ずれか一方を選択的に実施するとともに前記排気流動の抑制を行うこと を特徴とする。
従って、内燃機関の運転状況に応じて二段燃焼運転と圧縮スライトリ一 ン運転とを適宜選択可能であり、二段燃焼運転を選択するとともに排気流 動の抑制を行うことで触媒の早期活性化を優先しながら排気浄化効率の 向上を図ることができ、圧縮スライトリーン運転を選択するとともに排気 流動の抑制を行うことで燃費の悪化を抑え且つ機関トルクを確保するこ とを優先しながら排気浄化効率の向上を図ることができる。
また、 本発明の排気浄化装置では、 前記触媒活性判定手段により前記触 媒コンバータが活性状態にないと判定されたときには、前記二段燃焼運転 を実施した後、前記圧縮スライトリーン運転を実施することを特徴とする。 従って、 触媒コンパ一夕が活性状態にないときには、 先ず二段燃焼運転 とともに排気流動の抑制を行うことで触媒の早期活性化を図ることがで き、触媒がある程度活性化された時点では圧縮スライ卜リーン運転に切り 換えることで燃費の悪化を抑え且つ機関トルクを確保することができ、効 果的に排気浄化効率の向上を図ることができる。
また、 本発明の排気浄化装置では、 前記排気流動制御手段は、 前記圧縮 スライトリーン運転を行うとき、前記二段燃焼運転を行うときよりも前記 排気流動の抑制制御量を大きくすることを特徴とする。
つまり、二段燃焼運転では主燃焼の空燃比を超リーン空燃比とするため に吸入空気量が多く、 故に排気流量が多く、 排気流動の抑制制御量が比較 的小さくても容易に排気流動を抑制して排気系内での反応を促進するこ とが可能であるが、圧縮スライトリーン運転では排気流量が少ないため、 排気流動の抑制制御量を大きくすることで排気流動の抑制を確保する。
これにより、燃費の悪化を抑え且つ機関トルクを確保しながらより一層 効果的に排気浄化効率の向上を図ることができる。
また、 本発明の排気浄化装置では、 さらに、 内燃機関の負荷を検出する 負荷検出手段を備え、前記負荷検出手段により検出される内燃機関の負荷 が所定値以上のときには、前記二段燃焼運転に優先して前記圧縮スライト リーン運転を実施することを特徴とする。
従って、触媒コンバータが活性状態にないときであっても加速要求があ るときには、二段燃焼運転に優先して圧縮スライ卜リーン運転が実施され、 燃費の悪化を抑え且つ機関トルクを十分に確保しながら排気浄化効率の 向上を図ることができる。
また、 本発明の排気浄化装置では、 さらに、 前記空燃比制御手段により 燃焼空燃比を理論空燃比または理論空燃比よりもややリーン空燃比とす るとともに前記燃料噴射制御手段により吸気行程で燃料を噴射して吸気 スライトリーン運転を実施する吸気スライトリーン運転手段を備え、前記 触媒活性判定手段により前記触媒コンバータが活性状態にないと判定さ れたときには、前記圧縮スライトリーン運転手段による前記圧縮スライト リーン運転及び前記吸気スライトリーン運転手段による前記吸気スライ トリーン運転のいずれか一方を選択的に実施するとともに前記排気流動 の抑制を行うことを特徴とする。
従って、内燃機関の運転状況に応じて圧縮スライトリーン運転と吸気ス ライトリ一ン運転とを適宜選択可能であり、圧縮スライトリ一ン運転を選 択するとともに排気流動の抑制を行うことで燃費の悪化を抑え且つ機関 トルクを確保することを優先しながら排気浄化効率の向上を図ることが でき、吸気スライトリーン運転を選択するとともに排気流動の抑制を行う ことでより一層機関トルクを確保することを優先しながら排気浄化効率 の向上を図ることができる。
また、 本発明の排気浄化装置では、 前記触媒活性判定手段により前記触 媒コンバータが活性状態にないと判定されたときには、前記圧縮スライト リーン運転を実施した後、前記吸気スライトリ一ン運転を実施することを 特徴とする。
従って、 触媒コンバータが活性状態にないときには、 先ず圧縮スライト リーン運転とともに排気流動の抑制を行うことで燃費の悪化を抑え且つ 機関トルクを確保することが可能であり、触媒がある程度活性化された時 点では吸気スライトリーン運転に切り換えることでさらに機関トルクを 確保することができ、 効果的に排気浄化効率の向上を図ることができる。 また、 本発明の排気浄化装置では、 前記排気流動制御手段は、 前記吸気 スライトリーン運転を行うとき、前記圧縮スライトリーン運転を行うとき よりも前記排気流動の抑制制御量を大きくすることを特徴とする。
つまり、圧縮スライ卜リーン運転では層状燃焼するために吸入空気量が 比較的多く、 故に排気流量が比較的多く、 排気流動の抑制制御量がある程 度小さくても排気流動を抑制して排気系内での反応を促進することが可 能であるが、吸気スライトリーン運転では排気流量がさらに少ないため、 排気流動の抑制制御量を大きくすることで排気流動の抑制を確保する。
これにより、燃費の悪化を抑え且つ機関トルクを十分に確保しながらよ り一層効果的に排気浄化効率の向上を図ることができる。
また、 本発明の排気浄化装置では、 さらに、 内燃機関の負荷を検出する 負荷検出手段を備え、前記負荷検出手段により検出される内燃機関の負荷 が所定値以上のときには、前記圧縮スライトリーン運転に優先して前記吸 気スライトリーン運転を実施することを特徴とする。
従って、触媒コンバータが活性状態にないときであっても加速要求があ るときには、圧縮スライトリーン運転に優先して吸気スライトリーン蓮転 が実施され、燃費の悪化を抑え且つ機関トルクをより一層十分に確保しな がら排気浄化効率の向上を図ることができる。
また、 本発明の排気浄化装置では、 前記触媒活性判定手段は、 内燃機関 の始動後経過時間、 内燃機関の冷却水温、 内燃機関の潤滑油温、 前記触媒 コンバ一夕の温度、排気流量及び前記触媒コンバー夕に作用する熱量の総 量の少なくともいずれか一つをパラメータとして前記触媒コンバ一夕の 活性状態を判定することを特徴とする。
従って、 内燃機関の始動後経過時間、 内燃機関の冷却水温、 内燃機関の 潤滑油温、 触媒コンバータの温度、 排気流量及び触媒コンバータに作用す ' る熱量の総量等に基づいて触媒コンバータの活性状態を容易に判定する ことができる。
また、 本発明の排気浄化装置では、 前記排気流動制御手段は、 排気通路 断面積或いは排気通路に介装した排気絞り弁の開度を縮小することによ り前記排気通路内の排気流動を抑制することを特徴とする。
従って、排気通路断面積の縮小或いは排気通路に介装した排気絞り弁の 開度の縮小によって排気通路内の排気流動を容易に抑制することができ る。
また、 本発明の排気浄化装置では、 前記負荷検出手段は、 スロットル開 度、吸気マ二ホールド圧及び吸入空気量の少なくともいずれか一つに基づ き内燃機関の負荷を検出することを特徴とする。
従って、 スロットル開度、 吸気マ二ホールド圧及び吸入空気量等に基づ いて内燃機関の負荷を容易に検出することができる。 図面の簡単な説明
図 1は、本発明に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関の排気浄化装置の 概略構成図；
図 2は、 排気流動制御装置としての排気圧制御弁を示す図；
図 3は、 第 1実施例に係る始動時制御の制御ルーチンを示すフローチヤ —卜 ；
図 4は、第 1実施例に係る始動時制御を実施した場合の H C排出量と排 気温度の時間変化を示すタイムチヤ一ト ；
図 5は、 第 2実施例に係る始動時制御の制御ルーチンを示すフローチヤ —ト ；
図 6は、 第 3実施例に係る始動時制御の制御ルーチンを示すフローチヤ 一卜 ；
図 7は、 第 4実施例に係る始動時制御の制御ルーチンを示すフローチヤ ート ；及び
図 8は、熱量相当の指標を算出する際の排圧係数と排気圧力との関係を 示すマップである。 発明を実施するための最良の形態
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 1を参照すると、車両に搭載された本発明に係る筒内噴射型火花点火 式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ェンジンが採用される。
この筒内噴射型のエンジン 1は、 上記燃料噴射モードの切換えと空燃比 制御とにより、 容易にして理論空燃比 （ストイキォ） 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） を実現可能である。 また、 当該筒内噴射型のエンジン 1では、 さらに、 圧縮行程での燃料の主噴射による主燃焼に加えて膨張行程以降で 副噴射を実施し二段燃焼運転を行う二段燃焼モードも選択可能である。 エンジン 1のシリンダへッド 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。 シリンダへッド 2には、 各気筒毎に略直立方向に延びて吸気ポート 9が 形成されており、 各吸気ポート 9と連通するようにして吸気マ二ホールド 1 0の一端がそれぞれ接続されている。 なお、 吸気マ二ホールド 1 0には 吸入空気量を調節する電磁式のスロットル弁 1 4及び吸入空気量を検出 する吸気量センサ 1 6が設けられている。 吸気量センサ 1 6は、 例えば力 ルマン渦式エアフローセンサが採用される。
また、 シリンダヘッド 2には、 各気筒毎に略水平方向に延びて排気ポー ト 1 1が形成されており、 各排気ポート 1 1と連通するようにして排気マ 二ホールド 1 2の一端がそれぞれ接続されている。 排気マ二ホールド 1 2 としては、 ここでは、 デュアル型ェキゾ一ストマニホ一ルドシステムが採 用される。 その他、 排気マ二ホールド 1 2は、 シングル型ェキゾーストマ 二ホールドシステムであっても、またクラムシェル型ェキゾーストマニホ ールドシステムであってもよい。
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。
排気マ二ホールド 1 2の他端には排気管 （排気通路） 2 0が接続されて おり、 当該排気管 2 0には、 排気浄化触媒装置として三元触媒 （触媒コン バー夕） 3 0が介装されている。 この三元触媒 3 0は、 担体に活性貴金属 として銅 （C u ) 、 コバルト （C o ) 、 銀 （A g ) 、 白金 （P t ) 、 ロジ ゥム （R h ) 、 パラジウム （P d ) のいずれかを有している。
また、 同図に示すように、 排気管 2 0には、 排気圧を検出する排気圧セ ンサ 2 2が配設されている。 さらに、 排気管 2 0の三元触媒 3 0よりも下流の部分には、 排気流動制 御装置として排気圧制御弁 （排気流動制御手段、 排気絞り弁） 4 0が介装 されている。
排気圧制御弁 4 0は、排気流動を抑制することにより排ガス中の有害物 質 （H C、 C O等の未燃物の他、 N Ox、 スモーク、 H 2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。 図 2を参照すると、 排気圧制御弁 4 0の詳細図が示されている。 同図に 示すように、 排気圧制御弁 4 0は、 排気管 2 0の流路面積を調節可能なバ 夕フライ弁 4 2とリリーフ弁 4 6によって構成されている。
バタフライ弁 4 2には弁体 4 4を回転させるためのァクチユエ一夕 4 3が設けられており、弁体 4 4が当該ァクチユエ一夕 4 3により回転させ られることでバタフライ弁 4 2が開閉作動し、 これにより排気通路の通路 断面積が変更され排気流動の抑制が実現される。
また、バタフライ弁 4 2を迂回するようにしてリリーフ通路 2 2が設け られており、 リリーフ弁 4 6は当該リリーフ通路 2 2の通路断面積を微調 節可能に配設されている。 詳しくは、 リリーフ弁 4 6には弁体 4 8を往復 動させるァクチユエ一夕 4 7が設けられており、弁体 4 8がァクチユエ一 タ 4 7により被弁体 2 4と当接させられることでリリーフ通路 2 2が閉 鎖され、弁体 4 8と被弁体 2 4との離間距離に応じてリリーフ通路 2 2を 流れる排気流量が微調節される。 即ち、 リリーフ弁 4 6の弁開度を調節す ることにより排気流動の抑制制御量が変更される。 なお、 ァクチユエ一夕 4 7の代わりにスプリング等を設け、 リリーフ弁 4 6が当該スプリング等 により自動制御されるようにしてもよい。
E C U 6 0は、 入出力装置、 記憶装置 （R〇M、 R A M , 不揮発性 R A M等） 、 中央処理装置 （C P U) 、 タイマカウンタ等を備えており、 当該 E C U 6 0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。
E C U 6 0の入力側には、 上述した吸気量センサ 1 6、 排気圧センサ 2 2やクランク角を検出するクランク角センサ 6 2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。 なお、 クラ ンク角センサ 6 2のクランク角情報に基づきエンジン回転速度 N eが求め られる。
一方、 E C U 6 0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 1 4、 ァクチユエ一タ 4 3、 4 7等の各種出力デバイスが接 続されており、 E C U 6 0により燃料噴射モードが設定され、 燃焼空燃比， 即ち目標空燃比 （目標 AZ F ) が設定されると、 各種出力デバイスには当 該目標 A / Fや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、 スロットル開度の各信号がそれぞれ出力 される （燃料噴射制御手段、 空燃比制御手段） 。 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、スロットル弁 1 4が適正な開度 とされる。 また、 燃料噴射モードや各種センサ類からの検出情報に基づき， 排気流動抑制度合いが所望の排気流動抑制度合い （例えば、 目標排気圧） となるように、 バタフライ弁 4 2が適正なタイミングで開閉操作され、 リ リーフ弁 4 6の開度が微調整される。
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について 説明する。
先ず、 第 1実施例を説明する。
図 3を参照すると、 本発明に係る始動時制御の制御ルーチンがフローチ ャ一卜で示されており、 以下同図に沿って説明する。
ステップ S 1 0では、 エンジン 1の始動後、 所定時間 t l (例えば、 3 sec) 経過したか否かを判別する。 詳しくは、 エンジン 1の始動時には、 点火時期を遅角側に設定する点火時期リタ一ド等の排気ポート昇温制御 を実施するようにしており、 この判別は、 即ち、 エンジン 1の始動後、 排 気系、特に排気ポート 1 1或いは排気ポート 1 1周辺の温度がある程度暧 機され所定温度以上になったか否かを判別するものである（排気ポート周 辺温度検出手段） 。
なお、排気ポート 1 1或いは排気ポート 1 1周辺の温度を検出するセン サを設け、上記時間判別に代えて排気ポート 1 1の温度が所定温度以上か 否かを直接判別するようにしてもよく、 また、 排気ポート昇温制御実施後 ステップ S 1 0の判別結果が偽 （No) の場合には、 そのまま当該ルー チンを抜ける。 一方、 判別結果が真 （Y e s) で、 所定時間 tl経過した と判定された場合には、 ステップ S 1 2に進む。
ステップ S 1 2では、 エンジン 1の始動後、 所定時間 t2 (例えば、 4 5sec〜2min) 経過したか否かを判別する （触媒活性判定手段） 。 判別結 果が偽 （No) で、 所定時間 t2経過しておらず、 三元触媒 30が未だ活 性状態にないような場合には、 ステップ S 14に進む。
ステップ S 1 4では、 目標 AZFを理論空燃比よりもややリーン空燃比 (エンジンや排気系にて最適化された値であり、 例えば値 1 5) であるス ライトリーン空燃比設定とし且つ圧縮行程で燃料噴射を行う圧縮スライ トリーン運転 （図 3では圧縮 S/L運転と略す） を実施する （圧縮スライ トリーン運転手段） 。 実際には、 目標 AZFを理論空燃比としておき、 空 燃比フィ一ドバック制御の制御ゲインをリーン空燃比側にシフトする。な お、 目標 A/Fは制御ゲインを変えず理論空燃比のままとしてもよい。 ま た、 点火時期や圧縮行程での燃料噴射時期は、 排気ポート 1 1内での反応 が最も促進されるように予め最適化されており、 ここでは運転条件 （ェン ジン回転速度 Ne、 体積効率、 正味平均有効圧、 図示平均有効圧、 マニホ 一ルド圧、 スロットル開度、 排気ポート 1 1周辺温度、 冷却水温、 吸入空 気量、 排気流量のいずれか一つ以上） に応じたマップ値とされている。 ステップ S 1 6では、 ァクチユエ一夕 4 3、 4 7をそれぞれ駆動制御し、 排気圧制御弁 4 0、即ちバタフライ弁 4 2及びリリーフ弁 4 6を閉弁側に 操作する （排気流動制御手段） 。 詳しくは、 バタフライ弁 4 2を閉弁操作 するとともに、排気流動抑制度合いが所望の排気流動抑制度合いとなるよ うにリリーフ弁 4 6の開度を微調整する。 これにより、 排気圧制御弁 4 0 よりも上流の排気系内の排気流動が所望の抑制度合いとされ、排気圧が上 昇する。
このように圧縮スライトリーン運転を行うとともに排気流動の抑制を 行うようにすると、上述したように圧縮スライトリーン運転では噴霧形態 が良好であるために点火プラグ 4のくすぶりも少なく C 0が多く生成さ れ、 燃焼に寄与せずに残った残留 O 2とともに当該 C Oが排気系に良好に 排出され、 これら C Oと残留 0 2との反応が排気系内、 特に排気ポート 1 1内において良好に促進される。 また、 このとき、 上記ステップ S 1 0の 判別により排気ポート 1 1はある程度暧機された状態にあるので、 C Oと 残留 o 2との反応は排気ポート 1 1内において十分に促進される。
これにより、 二段燃焼による副噴射を行わなくても、 排気系内に C Oと 0 2とを十分に存在させ、 排気系内において C Oと残留 0 2の反応を良好 に促進させることができることになり、エンジントルクに寄与しないよう な燃料供給を行うことなく、 燃費の悪化を抑えながら、 図 4に実線で示す ように、 H C排出量を抑えて排気浄化効率の向上を図り、 排気温度を十分 に上昇させて三元触媒 3 0の早期活性化を図ることができる。
即ち、 図 4を参照すると、 併せて、 排気流動の抑制を行わずに圧縮スラ ィトリーン運転のみを実施した場合の H C排出量及び排気温度が破線で、 排気流動の抑制を行い目標 A Z Fをスライ トリーン空燃比とするととも に吸気行程で燃料噴射を行った場合 （吸気スライトリーン運転） の H C排 出量及び排気温度が二点差線で示されているが、実線の如く圧縮スライト リーン運転を行うとともに排気流動の抑制を行うことにより、圧縮スライ トリーン運転のみの場合や吸気スライトリーン運転の場合に比べて H C 排出量を低く抑え且つ排気温度を高めることができる。 また、 圧縮スライ トリーン運転を行うことで、吸気スライトリーン運転におけるエンジン始 動直後の H C排出量の急増現象をも抑えることができる。
さらに、圧縮スライトリーン運転を行うとともに排気流動の抑制を行う ようにすると、二段燃焼の場合には主噴射による主燃焼の空燃比を超リー ン空燃比とする必要があるために発生する機関トルクに限界があり、 この 限界は排気流動の抑制による排気抵抗の増大に伴ってさらに厳しくなる 傾向にあるが、スライトリーン空燃比の下では十分な機関トルクを発生さ せることが可能であり、始動直後に加速要求があった場合であっても十分 な加速性能を確保することができる。
一方、 上記ステップ S 1 2の判別結果が真 （Y e s ) で、 所定時間 t 2 (例えば、 4 5 sec〜2 min) 経過したと判定された場合には、 ステップ S 1 8に進む。 つまり、 ステップ S 1 2では上記排気流動の抑制及び圧縮ス ライトリーン運転の終了判定を行っており、 所定時間 t 2経過したと判定 された場合には、排気昇温により三元触媒 3 0が十分に活性した状態にあ り、 もはや上記排気流動の抑制及び圧縮スライトリ一ン運転は必要ない状 況と判定でき、 次にステップ S 1 8に進む。
ステップ S 1 8では、 排気圧制御弁 4 0、 即ちバタフライ弁 4 2を開弁 側に操作し、 上記排気流動の抑制を解除する。 そして、 ステップ S 2 0に おいて、 圧縮スライトリーン運転を終了し、 エンジン 1の燃焼制御を通常 の制御状態に戻すようにする。 次に、 第 2実施例を説明する。
図 5を参照すると、本発明の第 2実施例に係る始動時制御の制御ル一チ ンがフローチャートで示されており、 以下同図に沿って第 2実施例につい て説明する。 なお、 当該第 2実施例では、 上記第 1実施例に対し主として 二段燃焼運転を実施した後に圧縮スライトリーン運転を行う点が異なつ ている。
ステップ S 3 0では、 上記図 3のステップ S 1 0の場合と同様に、 ェン ジン 1の始動後、 所定時間 t l (例えば、 3 sec) 経過したか否かを判別す る。 即ち、 エンジン 1の始動後、 排気系、 特に排気ポート 1 1或いは排気 ポート 1 1周辺の温度がある程度暖機され所定温度以上になったか否か を判別する。 判別結果が偽 （N o ) の場合には、 そのまま当該ルーチンを 抜け、 一方、 判別結果が真 （Y e s ) で、 所定時間 t l経過したと判定さ れた場合には、 ステップ S 3 2に進む。
ステップ S 3 2では、 上記図 3のステップ S 1 2の場合と同様に、 ェン ジン 1の始動後、 所定時間 t 2 (例えば、 4 5 sec〜2 min) 経過したか否 かを判別する （触媒活性判定手段） 。 判別結果が偽 （N o ) で、 所定時間 t 2経過しておらず、 三元触媒 3 0が未だ活性状態にないような場合には， ステップ S 3 4に進む。
ステップ S 3 4では、 エンジン 1の始動後、 所定時間 t 3 (例えば、 1 5 sec) 経過したか否かを判別する。 この判別は、 即ち三元触媒 3 0が半 活性状態 （十分に活性する直前の状態） に達したか否かの判別を意味する c 判別結果が偽 （N o ) で、 所定時間 t 3経過しておらず、 三元触媒 3 0が 未だ半活性状態にないような場合には、 次にステップ S 3 6に進む。
ステップ S 3 6では、 エンジン負荷 Lが所定値 L 1以下であるか否かを 判別する。 即ち、 エンジン 1に加速要求があるか否かを判別する。 ェンジ ン負荷 Lは、 ここでは例えばスロットル弁 1 4の開度、 即ちスロットル開 度によって検出されるが、 吸気マ二ホールド 1 2に圧力センサを設け、 吸 気マ二ホールド 1 2内の圧力、即ち吸気マニホ一ルド圧から検出してもよ いし、吸気量センサ 1 6からの吸入空気量情報から検出することも可能で める。
ステップ S 3 6の判別結果が真 （Y e s ) で、 エンジン負荷 Lが所定値 L 1以下、 即ちエンジン 1に加速要求が無いと判定された場合には、 次に ステップ S 3 8に進む。
ステップ S 3 8では、 二段燃焼運転を行う。 即ち、 圧縮行程で主噴射に よる主燃焼を行うとともに膨張行程以降で副噴射を実施する （二段燃焼運 転手段） 。 この場合、 主噴射量は主燃焼の空燃比が超リーン空燃比となる ように設定され、 副噴射量は全体空燃比が所定のリーン空燃比 （例えば、 値 1 6 ) となるように設定される。 また、 副噴射の燃料供給時期は、 火炎 消滅時期以降で排気弁開時期以前とすることが最も好ましい。
このように二段燃焼運転を行うと、副噴射される燃料は機関トルクの発 生に直接寄与しないことになるために副噴射する分だけ燃費には不利で あるものの、 主燃焼 （層状燃焼） における残留 0 2と副噴射による未燃燃 料成分 （H C等） との反応が排気系内で飛躍的に促進される。 これにより 排気温度が急速に上昇して触媒の早期活性化が図られる。
そして、 ステップ S 4 0では、 上記図 3のステップ S 1 6の場合と同様， ァクチユエ一タ 4 3、 4 7をそれぞれ駆動制御し、 排気圧制御弁 4 0、 即 ちバタフライ弁 4 2及びリリーフ弁 4 6を閉弁側に操作する。 ここでは、 バタフライ弁 4 2を閉弁操作するとともに、排気流動抑制度合いが所望の 排気流動抑制度合い （例えば、 目標排気圧） となるように、 リリーフ弁 4 6の開度が例えば第 1抑制制御量に向けて自動調整される。 これにより、 排気圧制御弁 4 0よりも上流の排気系内の排気流動が所望の抑制度合い とされ、 排気圧が上昇する。 一方、 ステップ S 3 4の判別結果が真 （Y e s ) で、 所定時間 t 3経過 しており、 三元触媒 3 0が半活性状態に達したと判定された場合には、 次 にステップ S 4 2に進む。
三元触媒 3 0が半活性状態に達したような場合には、 もはや排気温度を それほど高くしなくても三元触媒 3 0は活性状態に到達すると考えられ る。 従って、 ステップ S 4 2では、 上記二段燃焼運転を中止する。
ステップ S 4 6では、上記図 3のステップ S 1 4の場合と同様に圧縮ス ライトリーン運転 （図 5では圧縮 S / L運転と略す） を行う。
このように、二段燃焼運転を実施して三元触媒 3 0が半活性状態に達し た後、 圧縮スライトリーン運転を行うようにすると、 三元触媒 3 0の早期 活性化を図り且つ燃費の悪化を抑えながら、十分な機関トルクを確保でき る機会を極力多くして加速性能をも確保することができ、全体として効果 的に排気浄化効率の向上を図ることができる。
ステップ S 4 8では、 上記ステップ S 4 0の場合と同様、 排気流動の抑 制を行う。 しかしながら、 ここでは、 バタフライ弁 4 2を閉弁操作すると ともに、 排気流動抑制度合いが所望の排気流動抑制度合い （例えば、 目標 排気圧） となるように、 リリーフ弁 4 6の開度が上記所定の第 1抑制制御 量よりも抑制制御量の大きな所定の第 2抑制制御量（第 2抑制制御量 >第 1抑制制御量） で縮小側に自動調整される。 つまり、 二段燃焼運転では主 燃焼の空燃比を超リーン空燃比とするために吸入空気量ひいては排気流 量が多く、排気流動の抑制制御量が比較的小さくても容易に排気流動を抑 制して排気系内での反応を促進することが可能であるが、圧縮スライトリ ーン運転では排気流量が少ないため、 このように排気流動の抑制制御量を 第 2抑制制御量と大きくすることで排気流動の抑制を確保するようにす る。
これにより、圧縮スライトリーン運転時においても二段燃焼運転時と同 様の排気流動抑制度合いを維持できることになり、燃費の悪化を抑え且つ 機関トルクを確保しながら、より一層効果的に排気浄化効率の向上を図る ことができる。
ステップ S 3 6の判別結果が偽 （N o ) で、 エンジン負荷 Lが所定値 L 1より大と判定された場合にも、 ステップ S 4 2以降に進む。 つまり、 ェ ンジン 1に加速要求があるような場合には、二段燃焼運転時であつても、 より大きな機関トルクを確保可能な圧縮スライトリ一ン運転に切り換え るようにする。 これにより、 加速要求に応じてレスポンスよく十分な加速 性能を得ることができる。
一方、 上記ステップ S 3 2の判別結果が真（Y e s ) で所定時間 t 2 (例 えば、 4 5 sec〜 2 min) 経過したと判定された場合には、 排気昇温が十分 に行われて三元触媒 3 0が完全に活性した状態にあると判断できる。従つ て、 この場合には、 ステップ S 5 0に進み、 上記図 3のステップ S 1 8と 同様、 排気圧制御弁 4 0、 即ちバタフライ弁 4 2及びリリーフ弁 4 6を開 弁側に操作して排気流動の抑制を解除するとともに、ステップ S 5 2にお いて、 圧縮スライトリーン運転を終了し、 エンジン 1の燃焼制御を通常の 制御状態に戻すようにする。
次に、 第 3実施例を説明する。
図 6を参照すると、本発明の第 3実施例に係る始動時制御の制御ルーチ ンがフローチャートで示されており、 以下同図に沿って第 3実施例につい て説明する。 なお、 当該第 3実施例では、 上記第 2実施例に対し圧縮スラ ィトリーン運転を実施した後に吸気スライ トリーン運転を行う点が異な つている。 従って、 ここでは、 上記第 2実施例と同一部分についてはステ ップ符号を同一として説明を省略し、 異なる点についてのみ説明する。 ステップ S 3 0において所定時間 t 1 ' が経過したか否かを判別し、 ス テツプ S 3 2において所定時間 t 2' が経過したか否かを判別し、 ステツ プ S 34において所定時間 t3' が経過したか否かを判別した後、 ステツ プ S 36の判別結果が真 （Y e s) で、 エンジン負荷 Lが所定値 L1以下、 即ちエンジン 1に加速要求が無いと判定された場合には、次にステップ S 38 ' に進む。 なお、 所定時間 t l' 、 所定時間 t 2' 、 所定時間 t 3' は それぞれ最適値に設定されるが、 上述の所定時間 t l、 所定時間 t 2、 所定 時間 t 3と同一の値であってもよい。
ステップ S 38 ' では、 圧縮スライトリーン運転を行う （図 6では圧縮 SZL運転と略す） 。
そして、 ステップ S 40 ' では、 上記図 5のステップ S 48の場合と同 様、 バタフライ弁 42を閉弁操作するとともに、 排気流動抑制度合いが所 望の排気流動抑制度合い （例えば、 目標排気圧） となるように、 リリーフ 弁 46の開度が所定の第 2抑制制御量で自動調整される。 これにより、 排 気圧制御弁 40よりも上流の排気系内の排気流動が所望の抑制度合いと され、 排気圧が上昇する。
一方、 ステップ S 34の判別結果が真 （Ye s ) で、 所定時間 t 3' 経 過しており、 三元触媒 30が半活性状態に達したと判定された場合、 或い はステップ S 3 6の判別結果が偽 （No) でエンジン負荷 Lが所定値 Ll より大と判定された場合には、 ステップ S 42 ' に進み、 上記圧縮スライ トリーン運転を中止する。
そして、 ステップ S 46 ' では、 目標 AZFを理論空燃比よりもややリ 一ン空燃比 （例えば、 値 1 5であるが、 圧縮スライトリーン運転の場合と 同一でなくてもよい）であるスライトリーン空燃比設定とし且つ吸気行程 で燃料噴射を行う吸気スライトリーン運転（図 6では吸気 S / L運転と略 す） を実施する。 .
このように、圧縮スライトリ一ン運転を実施して三元触媒 30が半活性 状態に達した後、 吸気スライトリーン運転を行うようにすると、 吸気スラ ィトリーン運転の方が圧縮スライトリーン運転の場合よりも大きな機関 トルクを得られることから、 燃費の悪化を抑えながら、 十分な機関トルク を確保できる機会をさらに多くして加速性能を確保することができ、加速 性能を優先しながら全体として効果的に排気浄化効率の向上を図ること ができる。
そして、 ステップ S 4 8 ' では、 上記ステップ S 4 0の場合と同様、 排 気流動の抑制を行い、 ここでは、 バタフライ弁 4 2を閉弁操作するととも に、 排気流動抑制度合いが所望の排気流動抑制度合い （例えば、 目標排気 圧） となるように、 リリーフ弁 4 6の開度が上記所定の第 2抑制制御量よ りもさらに抑制制御量の大きな所定の第 3抑制制御量（第 3抑制制御量 > 第 2抑制制御量） で縮小側に自動調整される。 つまり、 圧縮スライトリー ン運転では層状燃焼が行われるために排気流量が比較的多い一方、吸気ス ライ トリーン運転では均一燃焼が行われるために排気流量が減少するこ とから、 このように排気流動の抑制制御量を第 3抑制制御量と大きくする ことで排気流動の抑制を確保するようにする。
これにより、吸気スライトリーン運転時においても圧縮スライトリ一ン 運転時と同様の排気流動抑制度合いを維持できることになり、燃費の悪化 を抑え且つ十分な機関トルクを確保しながら、より一層効果的に排気浄化 効率の向上を図ることができる。
一方、 上記ステップ S 3 2の判別結果が真 （Y e s ) で所定時間 t 2' 経過したと判定された場合には、 上記同様ステップ S 5 0に進み、 排気圧 制御弁 4 0、即ちバタフライ弁 4 2及びリリーフ弁 4 6を開弁側に操作し て排気流動の抑制を解除するとともに、 ステップ S 5 2において、 吸気ス ライトリーン運転を終了し、エンジン 1の燃焼制御を通常の制御状態に戻 すようにする。
次に、 第 4実施例を説明する。 図 7を参照すると、本発明の第 4実施例に係る始動時制御の制御ルーチ ンがフローチャートで示されており、 以下同図に沿って第 4実施例につい て説明する。 なお、 当該第 4実施例では、 始動時制御の終了判定及び半活 性状態の判定の部分 （ステップ S 6 0乃至ステップ S 7 0 ) が上記第 2実 施例や第 3実施例 （図 5、 6のステップ S 3 0乃至ステップ S 3 4 ) と異 なっている。 従って、 ここでは、 上記第 2、 3実施例と同一部分 （図 5中 の①又は図 6中の②で示す範囲） については説明を省略し、 異なる部分に ついてのみ説明する。
ステップ S 6 0では、 上記ステップ S 3 0と同様に、 エンジン 1の始動 後、 所定時間 t l (例えば、 3 sec) 経過したか否かを判別し、 判別結果が 真 （Y e s ) の場合には、 ステップ S 6 2に進む。
ステップ S 6 2では、 エンジン回転速度 Neが所定値 Nel (例えば、 2 2 0 O rpm) よりも小さいか否かを判別する。 エンジン回転速度 N e が所 定値 N el以上と大きいような場合には、排気流量及び排気流速が大きく、 三元触媒 3 0は十分に昇温させられて活性状態にあると判断できる。従つ て、 ステップ S 6 2の判別結果が真 （Y e s ) で、 エンジン回転速度 N e が所定値 Nelよりも小さいときにはステップ S 6 4に進む一方、判別結果 が偽 （N o ) の場合には上記ステップ S 5 0に進み、 排気流動の抑制を解 除するとともに、上記ステップ S 5 2において圧縮スライトリーン運転ま たは吸気スライトリーン運転を終了し、エンジン 1の燃焼制御を通常の制 御状態に戻すようにする。
ステップ S 6 4では、 エンジン 1に変速機 （図示せず） が接続されてい る場合において、 変速機のギヤ比の変化があつたか否かを判別する。 始動 時にあっては、 通常、 車両は停車状態にあってギヤ比は最低速ギヤ比 （口 一ギヤ） にあると判断できる。 故に、 この状態からのギヤ比の変化は、 車 速が増大してギヤ比が高速側に変化したものとみなすことができ、車速が 増大するとエンジン回転速度 Neも上昇することから、 上記同様、 排気流 量及び排気流速が大きく、三元触媒 3 0は十分に昇温させられて活性状態 にあると判断できる。 従って、 ステップ S 6 4の判別結果が偽 （N o ) で 変速機のギヤ比の変化がないと判定された場合にはステップ S 6 6に進 む一方、 判別結果が真 （Y e s ) で、 変速機のギヤ比の変化があつたと判 定された場合には、上記同様にステップ S 5 0及びステップ S 5 2を実行 する。
ステップ S 6 6では、 熱量相当の指標を算出する。 この指標は、 排気流 動の抑制及び圧縮スライトリーン運転が開始されてから三元触媒 3 0に 付与された総熱量 （熱量の総量） に相当する値であり、 具体的には以下の 演算式から算出される。
指標: =積算値 {排気（体積）流量 X排気圧力 X排気温度 X排圧係数 } ここに、 排気 （体積） 流量、 排気圧力のパラメ一夕は、 それぞれ上述し た吸気量センサ 1 6、 排気圧センサ 2 2から検出することができ、 排気温 度については、運転条件に応じて予め設定したマップ値から求めることが できる。 なお、 排気温度センサを設けて直接排気温度を求めてもよい。 排圧係数は、三元触媒 3 0に付与される総熱量相当値の適正化を図るた めの排気圧力の補正係数であり、例えば図 8に示すマップから求めること ができる。 同マップによれば、 排気圧力の増加に応じて補正係数が増大し ているが、 これは、 排気圧力が高いほど三元触媒 3 0内で転化されるべき 物質 （H 2、 H C：、 C O等） が三元触媒 3 0内に拡散して反応速度が増大 し、三元触媒 3 0内における物質の反応熱が増大する傾向にあるためと考 えられる。
熱量相当の指標が算出されたら、ステップ S 6 8において当該指標が所 定値 X Iより小さいか否かを判別する。 判別結果が真 （Y e s ) で指標が 所定値 X Iより小さい場合にはステップ S 7 0に進む一方、 判別結果が偽 ( N o ) で指標が所定値 X I以上である場合には、 ≡元触媒 3 0は十分に 昇温させられて活性状態にあると判断でき、上記同様にステップ S 5 0及 びステップ S 5 2を実行する。
ステップ S 7 0では、 指標が所定値 X2 ( X2< X 1) より小さいか否か を判別する。 即ち、 総熱量が所定値 X Iに相当するほど大きくはないが、 三元触媒 3 0に所定値 X2に相当する程度の熱量が付与され、 三元触媒 3 0が半活性状態にあるか否かを判別する。 判別結果が真 （Y e s ) で、 指 標が所定値 X2より小さいと判別された場合には、 上記ステップ S 3 6に 進む。
一方、 ステップ S 7 0の判別結果が偽 （N o ) で、 指標が所定値 X2以 上、 即ち Ξ元触媒 3 0が半活性状態にあると判定された場合には、 上記ス テツプ S 4 2またはステップ S 4 2 ' に進む。
これにより、始動時制御の終了判定及び半活性状態の判定をエンジン回 転速度 N e、 変速機のギヤ比の変化、 熱量相当の指標に基づいて容易に行 うことができ、 この場合においても、 燃費の悪化を抑え且つ機関トルクを 確保しながら、 効果的に排気浄化効率の向上を図ることができる。
なお、 始動時制御の終了判定の方法は、 上記以外にも種々考えられ、 例 えば、 三元触媒 3 0に高温センサを設け、 当該高温センサにより検出され る触媒温度が所定温度 （例えば、 4 5 0 °C ) 以上 （触媒温度≥所定温度） か否かを判別するようにしてもよく、 エンジン 1の冷却水温が所定温度 (例えば、 4 0 °C) 以上 （冷却水温≥所定温度） か否か、 エンジン 1の潤 滑油温が所定温度 （例えば、 3 5 °C) 以上 （潤滑油温≥所定温度） か否か を判別するようにしてもよい。
また、 同様に、 半活性状態の判定についても上記以外にも種々考えられ， 例えば、 三元触媒 3 0に高温センサを設け、 当該高温センサにより検出さ れる触媒温度が所定温度（例えば、 3 0 0 °C) 以上（触媒温度≥所定温度） か否かを判別するようにしてもよく、 エンジン 1の冷却水温が所定温度 (例えば、 2 9 °C ) 以上 （冷却水温≥所定温度） か否か、 エンジン 1の潤 滑油温が所定温度 （例えば、 2 7 °C ) 以上 （潤滑油温≥所定温度） か否か を判別するようにしてもよい。
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 例えば、 上記実施形態では、 排気流動の抑制度合いを排気圧制御弁 4 0 を用いて制御するようにしたが、排気通路面積の縮小量や排気通路断面積 を制御するようなものであれば如何なる手段を用いてもよい。 この場合、 第 2実施例乃至第 4実施例において、排気通路面積の縮小量や排気通路断 面積がそれぞれ第 1抑制制御量、第 2抑制制御量及び第 3抑制制御量に応 じた値に制御される （第 3抑制制御量 >第 2抑制制御量 >第 1抑制制御 また、 上記実施形態では、 排気流動の抑制を行うにあたり第 1抑制制御 量、第 2抑制制御量及び第 3抑制制御量等の抑制制御量を例えば固定値と しているが、排気流量や排気温度の変動に応じて適宜微調整するようにし てもよい。
また、 上記実施形態では、 第 2実施例乃至第 4実施例において、 ステツ プ S 3 6の判別結果が偽 （N o ) でエンジン負荷 Lが所定値 L 1より大、 即ち加速要求があると判定された場合には、圧縮スライトリーン運転或い は吸気スライトリ一ン運転に切り換えるようにしたが、当該切り換えによ つても要求機関トルクを満足できない場合にはステツプ S 5 2において 通常制御を実施するようにしてもよい。 この場合、 必要に応じて排気流動 の抑制を併せて実施するようにしてもよい。
また、 上記実施形態では、 第 2実施例乃至第 4実施例において、 二段燃 焼運転と圧縮スライトリーン運転との切り換え、或いは圧縮スライトリー ン運転と吸気スライトリーン運転との切り換えを実施するようにしたが、 触媒の早期活性化を優先する場合には、圧縮スライトリーン運転に対し二 段燃焼運転を、吸気スライトリーン運転に対し圧縮スライトリーン運転を 選択的に単独で実施するようにしてもよく、 また、 加速性能を優先する場 合には、 二段燃焼運転に対し圧縮スライトリーン運転を、 圧縮スライトリ ーン運転に対し吸気スライトリーン運転を選択的に単独で実施してもよ い。
また、 上記実施形態では、 ステップ S 1 0、 ステップ S 3 0及びステツ プ S 6 0において、 エンジン 1の始動後、 所定時間 t l (例えば、 3 sec) 経過したか否か、 即ちエンジン 1の始動後、 排気系の温度がある程度暖機 され所定温度以上になったか否かを判別するようにしたが、排気流動抑制 による排気系内反応が良好なシステムであれば、 所定時間 t 1を 0秒とし、 エンジン 1が完爆後、直ちに圧縮スライトリーン運転或いは二段燃焼運転 を開始するようにしてもよい。
また、 排気流動の抑制、 即ち排気圧制御弁 4 0の閉弁をイダニションキ 一をオンとした時点から実施するようにしてもよい。 このようにすれば、 排気流動抑制の応答遅れの問題をも改善することができる。
また、 上記実施形態では、 圧縮スライトリ一ン運転時には圧縮行程噴射 のみ行うようにしているが、 例えば、 圧縮スライトリーン運転時において 圧縮行程噴射を行いながら圧縮行程以外に吸気行程にも燃料を一部分割 して噴射するようにしてもよい。 これにより、 圧縮行程噴射の利益と吸気 行程噴射の利益の両方を得ることができ、加速性能をさらに高めることが できる。
また、 上記実施形態では、 排気圧制御弁 4 0を三元触媒 3 0の直下流に 設けた場合について説明したが、排気圧制御弁 4 0の耐熱性が高い場合は, 排気圧制御弁 4 0を触媒上流に設けるようにしてもよい。 このようにすれ ば、排気圧制御弁 4 0よりも上流側の排気系容積が減少することになり、 やはり排気流動抑制の応答性を改善することができる。
また、 上記実施形態では、 排気圧制御弁 4 0としてバタフライ弁 4 2と リリーフ弁 4 6を用いるようにしたが、吸排気系に夕一ポチャージャを備 える場合には、当該ターボチャージャのウェストゲ一トバルブを排気圧制 御弁 4 0の代わりに使用することもできる。 つまり、 ウェストゲートバル ブは排気圧制御弁 4 0と同様の弁機能を有しているため、排気流動抑制度 合いに応じて当該ウェストゲートバルブを制御するようにしても上記同 様の効果が得られる。
また、 上記実施形態では、 触媒コンパ一夕として三元触媒 3 0を一用いた が、 触媒はリーン N Ox触媒、 H C吸着触媒等いかなるものでもよい。

Claims

請求の範囲
1 . 燃焼室内に直接燃料を噴射する噴射弁と、 該噴射弁による燃料噴射 を制御する燃料噴射制御手段と、燃焼空燃比を制御する空燃比制御手段と を備えた筒内噴射型火花点火式内燃機関の排気浄化装置であって、 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、 前記触媒コンバータの活性状態を判定する触媒活性判定手段と、 前記空燃比制御手段により燃焼空燃比を理論空燃比または理論空燃比 よりもややリーン空燃比とするとともに前記燃料噴射制御手段により圧 縮行程で燃料を噴射して圧縮スライ トリーン運転を実施する圧縮スライ トリーン運転手段と、
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、 前記触媒活性判定手段により前記触媒コンバータが活性状態にないと 判定されたときには、前記圧縮スライトリーン運転手段により圧縮スライ トリーン運転を行うとともに前記排気流動制御手段により排気通路内の 排気流動の抑制を行うことを特徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機関 の排気浄化装置。
2 . さらに、 前記燃焼室から.排気通路に向けて延びる排気ポートまたは 該排気ポート周辺の温度を検出する排気ポート周辺温度検出手段を有し、 前記触媒活性判定手段により前記触媒コンバ一夕が活性状態にないと 判定され、且つ前記排気ポート周辺温度検出手段により排気ポートまたは 該排気ポ一ト周辺の温度が所定温度以上であることが検出されたとき、前 記圧縮スライトリ一ン運転を行うとともに前記排気流動の抑制を行うこ とを特徴とする、請求項 1記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関の排気浄 化装置。
3 . さらに、 燃焼室内に主燃焼用の燃料を供給した後、 該主燃焼の火炎 消滅時期以降且つ排気弁の開弁開始時期以前に燃焼室内に燃料を再供給 し二段燃焼運転を行う二段燃焼運転手段を備え、
前記触媒活性判定手段により前記触媒コンバータが活性状態にないと 判定されたときには、前記二段燃焼運転手段による二段燃焼運転及び前記 圧縮スライ トリ一ン運転手段による前記圧縮スライトリ一ン運転のいず れか一方を選択的に実施するとともに前記排気流動の抑制を行うことを 特徴とする、請求項 1記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関の排気浄化装
4 . 前記触媒活性判定手段により前記触媒コンバー夕が活性状態にない と判定されたときには、 前記二段燃焼運転を実施した後、 前記圧縮スライ トリーン運転を実施する.ことを特徴とする、請求項 3記載の筒内噴射型火 花点火式内燃機関の排気浄化装置。
5 . 前記排気流動制御手段は、 前記圧縮スライトリ一ン運転を行うとき、 前記二段燃焼運転を行うときよりも前記排気流動の抑制制御量を大きく することを特徴とする、請求項 3記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関の 排気浄化装置。
6 . さらに、 内燃機関の負荷を検出する負荷検出手段を備え、
前記負荷検出手段により検出される内燃機関の負荷が所定値以上のと きには、前記二段燃焼運転に優先して前記圧縮スライトリーン運転を実施 することを特徴とする、請求項 3記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関の 排気浄化装置。
7 . さらに、 前記空燃比制御手段により燃焼空燃比を理論空燃比または 理論空燃比よりもややリーン空燃比とするとともに前記燃料噴射制御手 段により吸気行程で燃料を噴射して吸気スライトリーン運転を実施する 吸気スライトリ一ン運転手段を備え、
前記触媒活性判定手段により前記触媒コンパ一夕が活性状態にないと 判定されたときには、前記圧縮スライトリーン運転手段による前記圧縮ス ライ卜リーン運転及び前記吸気スライトリーン運転手段による前記吸気 スライトリーン運転のいずれか一方を選択的に実施するとともに前記排 気流動の抑制を行うことを特徴とする、請求項 1記載の筒内噴射型火花点 火式内燃機関の排気浄化装置。
8 . 前記触媒活性判定手段により前記触媒コンバ一夕が活性状態にない と判定されたときには、 前記圧縮スライトリーン運転を実施した後、 前記 吸気スライトリ一ン蓮転を実施することを特徴とする、請求項 7記載の筒 内噴射型火花点火式内燃機関の排気浄化装置。
9 . 前記排気流動制御手段は、 前記吸気スライトリーン運転を行うとき、 前記圧縮スライ トリーン運転を行うときよりも前記排気流動の抑制制御 量を大きくすることを特徴とする、請求項 7記載の筒内噴射型火花点火式 内燃機関の排気浄化装置。
1 0 . さらに、 内燃機関の負荷を検出する負荷検出手段を備え、
前記負荷検出手段により検出される内燃機関の負荷が所定値以上のと きには、前記圧縮スライトリーン運転に優先して前記吸気スライ卜リーン 運転を実施することを特徴とする、請求項 7記載の筒内噴射型火花点火式 内燃機関の排気浄化装置。
1 1 . 前記触媒活性判定手段は、 内燃機関の始動後経過時間、 内燃機関 の冷却水温、 内燃機関の潤滑油温、 前記触媒コンパ一夕の温度、 排気流量 及び前記触媒コンバ一夕に作用する熱量の総量の少なくともいずれか一 つをパラメータとして前記触媒コンバータの活性状態を判定することを 特徴とする、請求項 1記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関の排気浄化装
1 2 . 前記排気流動制御手段は、 排気通路断面積或いは排気通路に介装 した排気絞り弁の開度を縮小することにより前記排気通路内の排気流動 を抑制することを特徴とする、請求項 1記載の筒内噴射型火花点火式内燃 機関の排気浄化装置。
1 3 . 前記負荷検出手段は、 スロットル開度、 吸気マ二ホールド圧及び 吸入空気量の少なくともいずれか一つに基づき内燃機関の負荷を検出す ることを特徴とする、請求項 6または 1 0記載の筒内噴射型火花点火式内 燃機関の排気浄化装置。
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