(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒内の混合気に点火する点火プラグと、
筒内に燃料を噴射するインジェクタと、
排気通路に介装される触媒コンバータと
を備える多気筒の筒内直噴式火花点火エンジンにおいて、
触媒暖機時に前記インジェクタから吸気行程および圧縮行程で主燃料を噴射するとともに、各気筒の点火順にしたがって交互に膨張行程または排気行程で追加燃料を噴射する構成とし、
吸気行程で噴射される主燃料によって形成される混合気の空燃比を燃焼限界空燃比よりリーン側に設定し、
吸気行程および圧縮行程で噴射される主燃料によって形成される混合気のトータル空燃比をストイキよりリーン側に設定した
ことを特徴とする筒内直噴式火花点火エンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内直噴式火花点火エンジンにおいて、排気通路に設けられる触媒の活性化を早める技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの冷間始動後に触媒温度が低いとき、触媒の硫黄被毒やスモークカバーリングが進行したときなどに、触媒の温度を積極的に上昇させることが要求される。
【０００３】
従来、例えば特開平８−２９６４８５号公報に開示された筒内直噴式火花点火エンジンは、触媒の活性化が完了していない触媒暖機時にインジェクタから吸気行程または圧縮行程で主燃料を噴射するとともに続く膨張行程または排気行程で追加燃料を噴射する制御を行い、追加燃料を排気通路にて燃焼させるかまたは触媒を介して燃焼させて、触媒の昇温を早めるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、追加燃料を膨張行程で噴射する場合、触媒の暖機がある程度進んで活性化した運転条件において、追加燃料が燃焼室に滞在する期間が長いため、追加燃料の多くが排気通路を経て触媒まで到達する間に燃焼してしまい、触媒上で燃焼させて触媒を直接加熱することができないため、触媒の活性化が遅れる可能性があった。
【０００５】
また、追加燃料を膨張行程で噴射する場合、エンジン始動直後や厳寒時のような排気ポートや排気管の温度がかなり低い運転条件において、追加燃料が燃焼室に滞在する期間が短いため、未燃焼のまま触媒を通過して排出される燃料量が増える可能性があった。
【０００６】
本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、筒内直噴式火花点火エンジンにおいて、触媒の活性化を効率よく行うことを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、筒内の混合気に点火する点火プラグと、筒内に燃料を噴射するインジェクタと、排気通路に介装される触媒コンバータとを備える多気筒の筒内直噴式火花点火エンジンに適用する。
【０００８】
そして、触媒暖機時にインジェクタから吸気行程および圧縮行程で主燃料を噴射するとともに、各気筒の点火順にしたがって交互に膨張行程または排気行程で追加燃料を噴射する構成とし、吸気行程で噴射される主燃料によって形成される混合気の空燃比を燃焼限界空燃比よりリーン側に設定し、吸気行程および圧縮行程で噴射される主燃料によって形成される混合気のトータル空燃比をストイキよりリーン側に設定するものとした。
【００１４】
【発明の作用および効果】
請求項１に記載の発明において、吸気行程で噴射された燃料は、燃焼室２に燃焼限界空燃比よりリーンとなるクエンチ（消炎）層を形成する。
【００１５】
続く圧縮行程で噴射された燃料は点火プラグの近傍に可燃混合気層を形成し、ピストンの圧縮上死点付近で点火プラグ４を介して着火される。
【００１６】
続く膨張行程で可燃混合気層に分布する燃料は成層燃焼する。クエンチ層に分布する燃料は燃焼せず、成層燃焼の熱を吸収して燃えやすい高温状態になる。
【００１７】
続く排気行程で、未燃焼のまま燃焼室から排出される燃料は、成層燃焼の熱を吸収して燃えやすい高温状態になっているため、冷間時から排気通路における後燃えにより排気ガスを加熱する。これにより、未燃焼燃料が外部に排出されることを防止するとともに触媒の活性化を早められる。
【００１８】
触媒暖機時に主燃料と追加燃料によって形成される混合気のトータル空燃比をストイキよりリーン側に制御することにより、触媒上でＨＣの酸化反応が始まる温度が低下し、ＨＣの浄化効率が高まり、例えばエンジンの暖機時の早いうちから触媒を介して排気ガスの浄化を行うことができる。
【００１９】
また、膨張行程または排気行程の一方で追加燃料を噴射し、クエンチ層に分布する燃料の燃焼熱により追加燃料を燃えやすい高温状態とすることにより、追加燃料量を増やすことが可能となり、触媒の活性化を早められる。
【００２０】
そして、この追加燃料を、各気筒の点火順にしたがって交互に膨張行程または排気行程で噴射する構成により、１サイクル中に一つのインジェクタから燃料を３回噴射すればよく、１サイクル中に一つのインジェクタから燃料を４回噴射する場合に比べて、１サイクル中の燃料噴射量を要求値まで減らすことが容易にでき、必要以上に燃料を噴射することを回避できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１において、１は４気筒を備えるエンジン本体、２は燃焼室、３はピストン、４は点火プラグ、５は筒内に臨むインジェクタである。４サイクルエンジン１はピストン３が筒内を２往復する間に吸気、圧縮、膨張、排気行程が連続して行われる。吸気通路２０には、スワールコントロールバルブ８、スロットルバルブ９、エアフローセンサ１２がそれぞれ介装される。スロットルバルブ９はアクチュエータ９Ａを介して開閉駆動される。
【００２３】
コントロールユニット１１はインジェクタ５の燃料噴射時期、燃料噴射量を制御するとともに、点火プラグ４の点火時期を制御する。コントロールユニット１１にはクランク角センサ１３Ｂ，１３ＡからのＲｅｆ信号とＰｏｓ信号、アクセルペダル開度センサ１４からのアクセル開度、エアフローセンサ１２からの吸入空気量信号、排気通路２１に設置した空燃比センサ１５からの空燃比（酸素濃度）信号、触媒温度センサ２５からの触媒コンバータ２２の担体の温度信号、排気温度センサ１６からの排気マニホールド１０の温度信号、さらには水温センサ（図示しない）からのエンジン冷却水温信号、トランスミッションのギア位置センサ（図示しない）からのギア位置信号、車速センサ（図示しない）からの車速信号等が入力される。コントロールユニット１１は、これらに基づいて運転状態を判断しながら、触媒の暖機時において後述するように触媒の活性化を促す燃焼をさせ、一方触媒の暖機後において負荷のそれほど大きくない所定の運転域においてはリーン空燃比により成層燃焼をさせ、それ以外の運転域ではストイキ空燃比により均質燃焼をさせる。
【００２４】
排気通路２１には、２つの触媒コンバータ２２，２３が設置される。触媒コンバータ２２，２３は、ＮＯｘ吸蔵還元型三元触媒を用い、ストイキ混合気運転時に最大の転換効率をもって、排気中のＮＯｘの還元とＨＣ、ＣＯの酸化を行い、リーン混合気運転時に発生するＮＯｘを吸蔵する。
【００２５】
コントロールユニット１１は、触媒温度センサ２５によって検出される触媒温度ＴＣＡＴを入力し、ＴＣＡＴ＜ＴＣＣとなる触媒暖機時を判定し、この触媒暖機時に触媒の活性化を促す燃料噴射制御を行う。
【００２６】
第一の実施の形態では、触媒暖機時にインジェクタ５から吸気行程および圧縮行程で主燃料を噴射し、膨張行程または排気行程で追加燃料を噴射しない構成とする。
【００２７】
吸気行程で噴射される主燃料によって形成される混合気の空燃比を燃焼限界空燃比よりもリーン側に設定する。
【００２８】
吸気行程および圧縮行程で噴射される主燃料によって形成される混合気のトータル空燃比をストイキよりリーン側に設定する。
【００２９】
以上、図２に基づいて燃焼過程を説明する。
【００３０】
吸気行程噴射▲１▼として、ピストン３が下降する吸入行程でインジェクタ５から噴射された燃料は、ピストン３が上昇して点火時期を迎えるまでに燃焼室２に均質な混合気を形成する。この混合気の空燃比は燃焼限界空燃比より若干リーンとなり、クエンチ（消炎）層となる。
【００３１】
圧縮行程噴射▲２▼として、ピストン３が上昇する圧縮行程でインジェクタ５から噴射された燃料は、ピストン３が上昇して圧縮された状態で点火プラグ４の近傍に可燃混合気層を形成し、ピストン３が圧縮上死点付近に到達すると点火プラグ４を介して着火される。
【００３２】
ピストン３が下降する膨張行程で可燃混合気層に分布する燃料は成層燃焼する。点火プラグ４から離れた領域に形成されたクエンチ層に分布する燃料は燃焼せず、成層燃焼の熱を吸収して燃えやすい高温状態になる。
【００３３】
ピストン３が上昇する排気行程で、未燃焼のまま燃焼室２から排気ポート１７に排出される燃料は、成層燃焼の熱を吸収して燃えやすい高温状態になっているため、冷間時から排気ポート１７や排気マニホールド１０で燃焼する後燃えにより排気ガスを加熱しながら触媒コンバータ２２に導かれる。これにより、未燃焼燃料が外部に排出されることを防止するとともに触媒の活性化を早められる。
【００３４】
そして、２回の主燃料噴射によって形成される混合気のトータル空燃比をストイキよりリーンにすることにより、触媒上で未燃焼燃料の酸化反応が始まる温度が低下し、未燃焼燃料の浄化効率が高まり、早期にＨＣの浄化が行われる。図３は、燃焼室２に形成される混合気のトータル空燃比と、未燃焼燃料の５０％以上が触媒を介して酸化する温度Ｔ５０の関係を示している。この図５の特性からトータル空燃比をストイキよりリーンにするのに伴って温度Ｔ５０が低下することがわかる。
【００３５】
次に、図４に示す第二の実施の形態について説明する。
【００３６】
第二の実施の形態では、触媒暖機時にインジェクタ５から吸気行程および圧縮行程で主燃料を噴射するとともに続く膨張行程で追加燃料を噴射する構成とする。
【００３７】
吸気行程噴射▲１▼として、ピストン３が下降する吸入行程でインジェクタ５から噴射された燃料は、燃焼限界空燃比より若干リーンとなるクエンチ層を形成する。
【００３８】
圧縮行程噴射▲２▼として、ピストン３が上昇する圧縮行程でインジェクタ５から噴射された燃料は、点火プラグ４の近傍に可燃混合気層を形成し、点火プラグ４を介して着火され、ピストン３が下降する膨張行程で成層燃焼する。このとき、点火プラグ４から離れた領域に形成されたクエンチ層に分布する燃料は燃焼せず、成層燃焼の熱を吸収して燃えやすい高温状態になる。
【００３９】
膨張行程噴射▲３▼として、ピストン３が下降する膨張行程でインジェクタ５から噴射された追加燃料は、その一部が燃焼室２で燃焼し、残りが成層燃焼の熱を吸収して燃えやすい高温状態になる。
【００４０】
ピストン３が上昇する排気行程で、クエンチ層の燃料と追加燃料の一部は未燃焼のまま燃焼室２から排出されるが、成層燃焼の熱を吸収して燃えやすい高温状態になっているため、冷間時から排気ポート１７や排気マニホールドで後燃えし、排気ガスを加熱しながら触媒コンバータ２２に導かれる。これにより、未燃焼燃料が外部に排出されることを防止するとともに触媒の活性化を早められる。
【００４１】
次に、図５に示す第三の実施の形態について説明する。
【００４２】
第三の実施の形態では、触媒暖機時にインジェクタ５から吸気行程および圧縮行程で主燃料を噴射するとともに続く排気行程で追加燃料を噴射する構成とする。
【００４３】
吸気行程噴射▲１▼として、ピストン３が下降する吸入行程でインジェクタ５から噴射された燃料は、燃焼限界空燃比より若干リーンとなるクエンチ層を形成する。
【００４４】
圧縮行程噴射▲２▼として、ピストン３が上昇する圧縮行程でインジェクタ５から噴射された燃料は、点火プラグ４の近傍に可燃混合気層を形成し、点火プラグ４を介して着火され、ピストン３が下降する膨張行程で成層燃焼する。このとき、点火プラグ４から離れた領域に形成されたクエンチ層に分布する燃料は燃焼せず、成層燃焼の熱を吸収して燃えやすい高温状態になる。
【００４５】
排気行程噴射▲４▼として、ピストン３が上昇する排気行程でインジェクタ５から噴射された追加燃料は、高温化したクエンチ層の燃料と混合しながら未燃焼のまま燃焼室２から排出される。追加燃料の一部は排気ポート１７や排気マニホールドで後燃えて排気ガスを加熱しながら触媒コンバータ２２に導かれ、残りは触媒上で燃焼して触媒を直接加熱する。これにより、未燃焼燃料が外部に排出されることを防止するとともに触媒の活性化を早められる。
【００４６】
次に、図６に示す第四の実施の形態について説明する。
【００４７】
第四の実施の形態では、触媒暖機時にインジェクタ５から吸気行程および圧縮行程で主燃料を噴射するとともに続く膨張行程および排気行程で追加燃料を噴射する構成とする。
【００４８】
吸気行程噴射▲１▼として、ピストン３が下降する吸入行程でインジェクタ５から噴射された燃料は、燃焼限界空燃比より若干リーンとなるクエンチ層を形成する。
【００４９】
圧縮行程噴射▲２▼として、ピストン３が上昇する圧縮行程でインジェクタ５から噴射された燃料は、点火プラグ４の近傍に可燃混合気層を形成し、点火プラグ４を介して着火され、ピストン３が下降する膨張行程で成層燃焼する。このとき、点火プラグ４から離れた領域に形成されたクエンチ層に分布する燃料は燃焼せず、成層燃焼の熱を吸収して燃えやすい高温状態になる。
【００５０】
膨張行程噴射▲３▼として、ピストン３が下降する膨張行程でインジェクタ５から噴射された追加燃料は、その一部が燃焼室２で燃焼し、残りが成層燃焼の熱を吸収して燃えやすい高温状態になる。
【００５１】
排気行程噴射▲４▼として、ピストン３が上昇する排気行程でインジェクタ５から噴射された追加燃料は、高温化したクエンチ層の燃料と混合しながら未燃焼のまま燃焼室２から排出される。追加燃料の一部は排気ポート１７や排気マニホールドで後燃えて排気ガスを加熱しながら触媒コンバータ２２に導かれ、残りは触媒上で燃焼して触媒を直接加熱する。
【００５２】
ピストン３が上昇する排気行程で、クエンチ層の燃料と追加燃料の一部は未燃焼のまま燃焼室２から排出されるが、成層燃焼の熱を吸収して燃えやすい高温状態になっているため、冷間時から排気ポート１７や排気マニホールドで後燃えし、排気ガスを加熱しながら触媒コンバータ２２に導かれる。これにより、未燃焼燃料が外部に排出されることを防止するとともに触媒の活性化を早められる。
【００５３】
図７は前記各実施の形態において触媒暖機時に触媒温度が上昇する様子を示す特性図である。これから第一、第二、第三、第四の実施の形態の順に追加燃料噴射量が増えるのにしたがって、触媒温度が早く上昇することがわかる。
【００５４】
また、各気筒毎に第一、第三の実施の形態の噴射パターンを組み合わせたり、第二、第四の実施の形態の噴射パターンを組み合わせて燃料を供給してもよい。この場合も、図８に示すように、１サイクル中の燃料噴射回数が多くなるほど触媒温度が早く上昇する。
【００５５】
ところで、第四の実施の形態のように１サイクル中に１つのインジェクタ５から燃料を４回噴射する場合、インジェクタ５の性能によっては１サイクル中の燃料噴射量を要求値まで減らすことができず、必要以上に燃料を噴射してしまう場合がある。
【００５６】
これに対処して第五の実施の形態は、各気筒の点火順にしたがって追加燃料を膨張行程と排気行程で交互に行う構成とする。
【００５７】
例えば図９に示すように、＃３気筒が最初で続く＃４、＃２、＃１気筒と点火順を迎える場合、＃３、＃２気筒が追加燃料を膨張行程で噴射し、＃４、＃１気筒が追加燃料を排気行程で噴射する構成とする。
【００５８】
例えば図１０に示すように、＃４気筒が最初で続く＃２、＃１、＃３気筒と点火順を迎える場合、＃４、＃１気筒が追加燃料を膨張行程で噴射し、＃２、＃３気筒が追加燃料を
排気行程で噴射する構成とする。
【００５９】
これにより、１サイクル中に一つのインジェクタ５から燃料を３回噴射すればよく、１サイクル中の燃料噴射量を要求値まで減らすことが容易にでき、必要以上に燃料を噴射することを回避できる。
【００６０】
また、予め追加燃料を膨張行程で噴射する気筒と排気行程で噴射する気筒を決める構成としてもよい。
【００６１】
例えば図１１に示すように、＃１、＃４気筒が追加燃料を膨張行程で噴射し、＃３、＃２気筒が追加燃料を排気行程で噴射する構成とする。
【００６２】
例えば図１２に示すように、＃３、＃２気筒が追加燃料を膨張行程で噴射し、＃１、＃４気筒が追加燃料を排気行程で噴射する構成とする。
【００６３】
いずれの場合も、各気筒の点火順にしたがって追加燃料を膨張行程と排気行程で交互に行うことができる。
【００６４】
また、図１３に示すように、追加燃料を噴射する触媒暖機時を判定する手段として、エンジン温度、エンジン冷却水温度、排気ガス温度、触媒温度、始動時のエンジン冷却水温度、始動時からの運転時間、始動時からの車両の走行距離、始動時からの吸入空気量の積算値、始動時からのエンジン回転数の積算値および始動時からのトルク積算値等の検出値に基づいて触媒の活性化度合いを判定する構成としてもよい。
【００６５】
また、図１４の図のフローチャートに示すように、ステップ１にて別のルーチンで設定されるフラグＦＬＧＳＴＳＷに基づき始動後であることを判定し、ステップ２で触媒温度ＴＣＡＴが所定値ＴＣＣより低いことを判定し、ステップ３に進んで追加燃料を噴射する触媒暖機時を判定するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示すエンジンの制御システム図。
【図２】同じく燃焼過程を示す説明図。
【図３】同じく燃焼室に形成される混合気のトータル空燃比と触媒活性化温度Ｔ５０の関係を示す特性図。
【図４】他の実施の形態において燃焼過程を示す説明図。
【図５】さらに他の実施の形態において燃焼過程を示す説明図。
【図６】さらに他の実施の形態において燃焼過程を示す説明図。
【図７】触媒暖機時の経過時間と触媒温度の関係を示す特性図。
【図８】触媒暖機時の経過時間と触媒温度の関係を示す特性図。
【図９】さらに他の実施の形態を示す追加燃料の噴射タイミングを示す図表。
【図１０】同じく追加燃料の噴射タイミングを示す図表。
【図１１】さらに他の実施の形態を示す追加燃料の噴射タイミングを示す図表。
【図１２】同じく追加燃料の噴射タイミングを示す図表。
【図１３】さらに他の実施の形態を示す制御構成図。
【図１４】さらに他の実施の形態を示すフローチャート。
【符号の説明】
１  エンジン
４  点火プラグ
５  インジェクタ
１０  排気マニホールド
１１  コントロールユニット
１６  排気温度センサ
２２  触媒コンバータ
２３  触媒コンバータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
0003721791.tif 000011
【図１１】
0003721791.tif 000012
【図１２】
0003721791.tif 000013
【図１３】
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【図１４】
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