(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路に排気ガス浄化用の触媒を備えるとともに、燃焼室内に直接燃料を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、上記触媒の温度状態を判別する温度状態判別手段と、エンジンの負荷状態を検出する負荷状態検出手段と、上記インジェクタからの燃料噴射を制御する燃料噴射制御手段とを備え、この燃料噴射制御手段は、上記温度状態判別手段による判別及び上記負荷状態検出手段による検出に基づき、触媒が活性温度よりも低い未暖機状態にあるときに、暖機促進制御として、エンジンの低負荷側の所定運転領域で上記インジェクタからの燃料噴射を圧縮行程で一括に行なわせ、エンジンの高負荷側の運転領域では、燃料噴射形態を、吸気行程の期間内の早期噴射と圧縮行程の期間内の後期噴射とからなる吸気・圧縮分割噴射とし、さらに、インジェクタからの燃料噴射を圧縮行程で一括に行なわせる低負荷側の運転領域と吸気・圧縮分割噴射を行なわせる高負荷側の運転領域との間の運転領域で、圧縮行程の期間中に分割噴射を行なわせるようにインジェクタを制御することを特徴とする筒内噴射式エンジンの制御装置。
【請求項２】
暖機促進制御時に、燃焼室全体の空燃比が１３〜１７の範囲になるようにインジェクタから噴射される全燃料量を設定しつつ、圧縮行程での一括噴射から吸気・圧縮分割噴射までにわたる各噴射形態での燃料噴射を行わせ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の制御装置。
【請求項３】
暖機促進制御時に、圧縮行程での一括噴射から吸気・圧縮分割噴射までの各噴射形態の燃料噴射を、燃焼室内の混合気の濃度が点火プラグまわりで理論空燃比もしくはこれよりリッチとなり、その周囲で理論空燃比よりリーンとなるように行わせることを特徴とする請求項２記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。
【請求項４】
暖機促進制御時のエンジン負荷の増大に応じた燃料噴射形態の切替わりは、燃焼室内の周辺部の混合気の濃度を、理論空燃比よりもリーンとなる範囲でリッチ側に変化させるものであることを特徴とする請求項３記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。
【請求項５】
暖機促進制御時のエンジン負荷の増大に応じた燃料噴射形態の切替わりは、点火プラグまわりの混合気の濃度を、理論空燃比もしくはこれよりリッチとなる範囲でリーン側に変化させるものであることを特徴とする請求項３または４記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。
【請求項６】
暖機促進制御時に所定運転領域で行う圧縮行程での一括噴射は、所定運転領域内でのエンジン負荷の増大につれて噴射タイミングを進角させるようになっていることを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。
【請求項７】
暖機促進制御時にエンジンの点火時期を所定量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１乃至６のいずれかに記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。
【請求項８】
シリンダボアに嵌挿されて燃焼室の下面側を構成するピストンの頂面に混合気トラップ用のキャビティを形成し、ピストンが上死点近くにあるときにインジェクタからの燃料噴射方向が上記キャビティを向くとともに、インジェクタから噴射された後上記キャビティで反射された燃料が点火プラグ付近に達するように、インジェクタ及びキャビティの配置を設定したことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室内に直接燃料を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、触媒未暖機時における燃料噴射の制御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。この筒内噴射式エンジンでは、吸気通路にインジェクタを設ける場合のように通路壁面への燃料付着が問題となることがなくて、空燃比制御の安定性、応答性等にすぐれ、また、インジェクタから圧縮行程後半に燃料を噴射した場合に混合気が点火プラグまわりに偏在するような燃焼室形状としておけば、所謂成層燃焼により空燃比のリーン化とそれによる燃費改善を図ることができる。
【０００３】
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、上記筒内噴射式エンジンでも一般に排気通路中に触媒が設けられている。
【０００４】
しかし、排気ガス浄化用の触媒は活性化温度より低温の未暖機時には充分に浄化作用を発揮できず、触媒が暖機状態に達するまでの時間が長いとその間にＨＣやＮＯｘが多く放出され易い。
【０００５】
このような問題の対策としては、例えば特表平８−５０５４４８号公報に示されるような装置がある。この装置は、触媒の未暖機時に、少なくとも１シリンダについて点火時期を上死点後に遅らせるとともに、燃料比をエンジンが正常に回転しているときに要求されるレベルよりも増加することにより、排気温度を上昇させて触媒の暖機促進を図るようにしている。また、筒内噴射式エンジンに適用する場合は、圧縮行程の上死点前（例えばＢＴＤＣ６０°〜８０°の間）に燃料を一括に噴射するようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報に示されている装置は、触媒未暖機時に、燃料を余分に供給しつつ、主として点火時期のリタードにより暖機の促進を図っており、筒内噴射式エンジンにおけるインジェクタからの燃料噴射の制御としては単に圧縮行程で一括に燃料を噴射しているが、このようにすると、エンジンの負荷が増大して燃料噴射量が多くなったときに、大幅に燃費が悪化し、その割にはＨＣ、ＮＯｘの低減及び排気温度上昇の効果が充分でない等、改善の余地が残されていた。
【０００７】
本発明は上記の事情に鑑み、触媒未暖機時に、低負荷時から高負荷時までにわたり、燃費の悪化を比較的小さくしつつ、ＨＣ、ＮＯｘを低減してエミッションを改善するとともに排気温度上昇による暖機促進の効果を高めることができる筒内噴射式エンジンの制御装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、排気通路に排気ガス浄化用の触媒を備えるとともに、燃焼室内に直接燃料を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、上記触媒の温度状態を判別する温度状態判別手段と、エンジンの負荷状態を検出する負荷状態検出手段と、上記インジェクタからの燃料噴射を制御する燃料噴射制御手段とを備え、この燃料噴射制御手段は、上記温度状態判別手段による判別及び上記負荷状態検出手段による検出に基づき、触媒が活性温度よりも低い未暖機状態にあるときに、暖機促進制御として、エンジンの低負荷側の所定運転領域で上記インジェクタからの燃料噴射を圧縮行程で一括に行なわせ、エンジンの高負荷側の運転領域では、燃料噴射形態を、吸気行程の期間内の早期噴射と圧縮行程の期間内の後期噴射とからなる吸気・圧縮分割噴射とし、さらに、インジェクタからの燃料噴射を圧縮行程で一括に行なわせる低負荷側の運転領域と吸気・圧縮分割噴射を行なわせる高負荷側の運転領域との間の運転領域で、圧縮行程の期間中に分割噴射を行なわせるようにインジェクタを制御するものである。
【０００９】
この発明によると、触媒未暖機時にエンジンの低負荷側の領域では、圧縮行程の一括噴射が行なわれる。この噴射によれば、点火時期までの時間が短いため、気化、霧化が悪くて液滴成分を含む混合気が燃焼室内に不均一に分布し、初期燃焼の抑制及び燃焼期間後半の燃焼（後燃え）の促進等の作用により、ＨＣ、ＮＯｘを低減するとともに、排気温度を上昇させて触媒の暖機を促進する等の効果が得られる。また、エンジン負荷が増大して燃料噴射量が多くなると、吸気・圧縮分割噴射に移行されることにより、適度に混合気が拡散され、高負荷時にはこのような噴射形態によりＨＣ、ＮＯｘの低減及び暖機促進の効果が得られる。
【００１０】
さらに、エンジン負荷の増大とそれに伴う燃料噴射量の増加に応じ、燃料噴射形態が圧縮行程一括噴射から圧縮行程分割噴射、吸気・圧縮分割に順次切替えられ、各負荷領域でＨＣ、ＮＯｘの低減及び暖機促進の効果が得られるように混合気分布状態が調整される。
【００１１】
また、暖機促進制御時に、燃焼室全体の空燃比が１３〜１７の範囲になるようにインジェクタから噴射される全燃料量を設定しつつ、圧縮行程での一括噴射から吸気・圧縮分割噴射までにわたる各噴射形態での燃料噴射を行わせることが好ましい（請求項２）。空燃比を上記範囲に設定しているのは、これが熱発生率の高い空燃比の範囲であり、従って、排気ガス温度を高くすることができる空燃比を利用するためである。
【００１２】
本発明の装置において、暖機促進制御時に、圧縮行程での一括噴射から吸気・圧縮分割噴射までの各噴射形態の燃料噴射を、燃焼室内の混合気の濃度が点火プラグまわりで理論空燃比もしくはこれよりリッチとなり、その周囲で理論空燃比よりリーンとなるように行わせるようにすればよい（請求項３）。このようにすることにより、初期燃焼の抑制及び燃焼期間後半の燃焼（後燃え）の促進等の作用が有効に発揮されるような成層状態が得られる。そして、エンジン負荷に応じ、燃料噴射形態が変更されることにより、各領域で上記作用が得られるように成層状態が適度に調整される。
【００１３】
暖機促進制御時のエンジン負荷の増大に応じた燃料噴射形態の切替わりは、燃焼室内の周辺部の混合気の濃度を、理論空燃比よりもリーンとなる範囲でリッチ側に変化させるものとすればよく（請求項４）、これにより、燃料噴射量が増加したときに適度に混合気が分散され、点火プラグまわりに混合気が集中し過ぎることが防止される。
【００１４】
また、暖機促進制御時のエンジン負荷の増大に応じた燃料噴射形態の切替わりは、点火プラグまわりの混合気の濃度を、理論空燃比もしくはこれよりリッチとなる範囲でリーン側に変化させるものとすればよく（請求項５）、これにより、燃料噴射量が増加したときに点火プラグまわりがオーバーリッチとなることが避けられる。
【００１５】
暖機促進制御時に所定運転領域で行う圧縮行程での一括噴射は、所定運転領域内でのエンジン負荷の増大につれて噴射タイミングを進角させるようになっていることが好ましく（請求項６）、このようにすれば、圧縮行程での一括噴射が行なわれる運転領域の中でも、負荷に応じて燃焼室内の混合気分布状態が適正に調整される。
【００１６】
また、上記のように負荷に応じて噴射形態が調整されると、点火時期のリタード量を大きくすることが可能となり、この点火時期リタード（請求項７）により、ＨＣ、ＮＯｘの低減及び暖機促進の効果が高められる。
【００１７】
また、本発明の装置において、シリンダボアに嵌挿されて燃焼室の下面側を構成するピストンの頂面に混合気トラップ用のキャビティを形成し、ピストンが上死点近くにあるときにインジェクタからの燃料噴射方向が上記キャビティを向くとともに、インジェクタから噴射された後上記キャビティで反射された燃料が点火プラグ付近に達するように、インジェクタ及びキャビティの配置を設定しておけば（請求項８）、圧縮行程噴射等が行なわれたときに、成層化が良好に行なわれる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１は筒内噴射式エンジン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。
【００２０】
上記シリンダヘッド３の下面には燃焼室５の上面部を形成する所定形状の凹部が設けられ、例えば図示のようなペントルーフ形状に燃焼室５の上面部が形成されており、この燃焼室５の上面部に吸気ポート６及び排気ポート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及び各排気ポート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。
【００２１】
燃焼室５のほほ中央部には点火プラグ１０が配置され、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。
【００２２】
また、燃焼室５に直接燃料を噴射するインジェクタ１１が、燃焼室５の周縁部に設けられている。図１に示す実施形態では、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、インジェクタ１１の先端が燃焼室５内に臨み、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。
【００２３】
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１２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上記インジェクタ１１からの燃料噴射が行なわれる場合に、この燃料がキャビティ１２に向かって噴射され、さらにキャビティ１２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１２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。
【００２４】
なお、上記インジェクタ１１には高圧燃料ポンプ１３が燃料供給通路１４を介して接続され、この高圧燃料ポンプ１３と図外のリターン通路に配置された高圧レギュレータとにより、インジェクタ１１に作用する燃圧が圧縮行程中期以降の噴射が可能な程度の高圧に調整されるようになっている。
【００２５】
上記エンジン本体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はサージタンク１５ｂの下流側で気筒別に分岐し、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が燃焼室５に開口するとともに、一方の通路に、燃焼室内のガス流動を強化するためのスワール制御弁１７が設けられている。そして、スワール制御弁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燃焼室５内にスワールが生成され、燃焼室５内のガス流動が強化されるようになっている。
【００２６】
なお、燃焼室内のガス流動を強化する手段としては、上記スワール制御弁１７の替わりにタンブルを生成する弁を気筒別通路に設けてもよく、また、圧縮上死点付近でピストン頂面とこれに対向する燃焼室上面部（シリンダヘッド下面）との間にスキッシュが生成されるようにしておいてもよい。
【００２７】
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。
【００２８】
なお、サージタンク１５ｂには、ＥＧＲバルブ（図示せず）を介してＥＧＲ通路（図示せず）が接続されており、少なくともエンジン暖機後にＥＧＲを導入するようになっている。
【００２９】
一方、排気通路１６には、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。上記Ｏ２  センサ２１は、排気中の酸素濃度を検出することにより燃焼室内の混合気の空燃比を検出するものであり、例えば理論空燃比で出力が変化するセンサ（λＯ２  センサ）からなっている。
【００３０】
上記触媒装置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、ＣＯ、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、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（リーンＮＯｘ触媒）があるので、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。尤も、このようなリーンＮＯｘ触媒であっても、浄化性能が最も高められるのは理論空燃比付近である。
【００３１】
上記排気通路１６における触媒装置２２の位置としては、この触媒装置２２にリーンＮＯｘ触媒を備えているため、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過度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の下流に触媒装置２２が連結されている。なお、三元触媒であれば耐熱性能が高いため、排気マニホールドに直結しても良い。
【００３２】
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。
【００３３】
上記ＥＣＵ３０は、温度状態判別手段３１、負荷状態検出手段３２、燃料噴射制御手段３３、燃料噴射量演算手段３４、点火時期制御手段３５及び回転数制御手段３６を含んでいる。
【００３４】
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未暖機状態にあるか否かを判定するもので、水温が設定温度未満であれば触媒未暖機状態、設定温度以上であれば触媒暖機状態と判定する。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。
【００３５】
上記負荷状態検出手段３２は、アクセルセンサ２４によって検出されるアクセル開度及びクランク角センサ２３の信号から求められるエンジン回転数等に基づいて負荷状態を検出するようになっている。
【００３６】
上記燃料噴射制御手段３３は、インジェクタ駆動回路３７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、触媒未暖機状態のときは、暖機促進制御として、エンジンの低負荷側の所定運転領域で上記インジェクタからの燃料噴射を圧縮行程で一括に行なわせるとともに、エンジン負荷の増大に伴い、燃料噴射形態を、吸気行程の期間内の早期噴射と圧縮行程の期間内の後期噴射とからなる吸気・圧縮分割噴射に移行させるように制御する。さらに当実施形態では、圧縮行程での一括噴射に行なわせる低負荷側の運転領域と吸気・圧縮分割噴射を行なわせる高負荷側の運転領域との間の運転領域で、圧縮行程の期間中に分割噴射を行なわせるように制御する。
【００３７】
具体的には、触媒未暖機時に、図３に示すように区分した運転領域別に、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）のようにインジェクタ１１からの燃料噴射形態を変更することとしている。
【００３８】
すなわち、第１の設定負荷以下の低負荷領域Ａ（無負荷領域を含む）では、図２（ａ）に示すように、圧縮行程の後半に一括噴射Ｐ０を行なわせる。この場合に望ましくは、この領域Ａ内でのエンジン負荷の増大につれて噴射タイミングを進角させる。第１の設定負荷より大きくて第２の設定負荷以下の中負荷域Ｂでは、インジェクタ１１からの燃料噴射を圧縮行程期間内で早期噴射Ｐ１及び後期噴射Ｐ２の２回に分割して行なわせる。この分割噴射における分割割合は本発明で限定しないが、例えば早期噴射Ｐ１と後期噴射Ｐ２とが同程度（５０％ずつ）となるようにしておけばよい。
【００３９】
また、上記第２の設定負荷より高負荷の領域Ｃでは、早期噴射Ｐ１１を吸気行程、後期噴射Ｐ１２を圧縮行程とした分割噴射を行なうようにしている。この分割噴射における分割割合も本発明で限定しないが、例えば早期噴射Ｐ１と後期噴射Ｐ２とが同程度（５０％ずつ）となるようにしておけばよい。
【００４０】
なお、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）におけるＰ０，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ１１，Ｐ１２はインジェクタ駆動回路３７与えられる制御信号としての噴射パルスを示しており、この噴射パルスのパルス幅に相当する時間だけインジェクタ１１が開作動され、噴射パルス幅に応じた量の燃料が噴射されるようになっている。
【００４１】
上記のような暖機促進制御が行なわれる触媒未暖機時に、上記噴射量演算手段３４により燃焼室全体の空燃比が１３〜１７の範囲内の設定空燃比となるように燃料噴射量が演算される。この場合、Ｏ２  センサ２１が活性化するまでは吸入空気量及びエンジン回転数に応じて燃料噴射量を演算するオープン制御とし、Ｏ２  センサ２１が活性化した後は、その出力の変化に応じてＰＩ制御等によりフィードバック補正値を演算するようなフィードバック制御とすればよい。
【００４２】
なお、λＯ２  センサを用いる場合、通常のフィードバック制御により理論空燃比に制御することができるが、λＯ２  センサの出力の反転に対するフィードバック補正値の変化の方向の反転にディレー時間を設定して、そのディレー時間をリーン側とリッチ側とで異ならせたり、ＰＩ制御におけるＰ値（比例ゲイン）やＩ値（積分ゲイン）をリーン側とリッチ側とで異ならせたりすることにより、理論空燃比より多少リーンもしくはリッチとなるようにフィードバック制御を行なうこともできる。
【００４３】
上記点火時期制御手段３５は、点火装置３８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、触媒未暖機状態における暖機促進制御時には点火時期をＭＢＴよりも所定量リタードするようになっている。
【００４４】
また、上記エンジン回転数制御手段３６は、触媒未暖機時に触媒暖機後よりもエンジンのアイドル回転数を高くするように、吸入空気量あるいは点火時期等を制御する。
【００４５】
なお、上記ＥＣＵ３０は、スロットル弁１８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、触媒未暖機時や暖機後に高負荷領域等において理論空燃比で運転するような場合はアクセル開度に応じてスロットル弁１８の開度を制御し、暖機後に低負荷領域等において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には、空燃比をリーンとすべくスロットル弁１８を開いて吸入空気量を増大させるように調整する。さらにＥＣＵ３０は、触媒未暖機時において圧縮行程での一括噴射や分割噴射が行なわれるとき等に燃焼室５内にスワールを生じさせるべく、上記スワール制御弁１７を制御する。
【００４６】
この筒内噴射式エンジンの制御の一例を、図４のフローチャートによって説明する。
【００４７】
図４のフローチャートに示す処理が開始されると、先ずステップＳ１で各種信号が入力され、ステップＳ２で始動時か否かが判定される。始動時であれば、燃料の気化、霧化の促進及びトルク確保に有利なように吸気行程で噴射が行なわれ（ステップＳ３）、点火時期はＭＢＴとされる。
【００４８】
始動時でなければ、ステップＳ４で水温や始動からの経過時間等が調べられることにより触媒未暖機時か否かが判定される。触媒未暖機時であれば、ステップＳ５で、１３〜１７の範囲内の設定空燃比となるように燃料噴射量が演算されるとともに、ステップＳ６でエンジン負荷が低負荷領域Ａか否かが判定され、低負荷領域Ａであれば、ステップＳ７でインジェクタ１１からの燃料噴射が圧縮行程での一括噴射とされる。この場合、望ましい制御としては、上記低負荷領域Ａ内で負荷が高くなるにつれて一括噴射の噴射時期が進角される。さらにステップＳ８で、点火時期がリタードされる。
【００４９】
ステップＳ６で低負荷領域Ａでないことが判定された場合は、ステップＳ９で中負荷領域Ｂか否かが判定され、中負荷領域Ｂであれば、ステップＳ１０でインジェクタ１１からの燃料噴射が圧縮行程での分割噴射とされ、かつ、点火時期がリタードされる（ステップＳ８）。
【００５０】
また、ステップＳ６，Ｓ９で低負荷領域Ａ及び中負荷領域Ｂでないことが判定された場合、つまり高負荷領域Ｃにある場合は、ステップＳ１１でインジェクタ１１からの燃料噴射が吸気・圧縮分割噴射（吸気行程と圧縮行程の分割噴射）とされ、かつ点火時期がリタードされる（ステップＳ８）。
【００５１】
触媒の暖機後は、ステップＳ１２で運転状態に応じた制御が行なわれ、例えば、低回転低負荷領域であれば成層燃焼を行うべく圧縮行程噴射とされるとともに空燃比がリーンとされ、高回転領域や高負荷領域であれば均一燃焼を行うべく吸気行程噴射とされる。さらにまた、中負荷領域において成層燃焼領域と均一燃焼領域との間では、必要に応じ、トルク急変の防止のために吸気行程、圧縮行程の分割噴射が行なわれる場合もある。
【００５２】
以上のような当実施形態の筒内噴射式エンジンによる作用、効果を、次に説明する。
【００５３】
エンジン始動後において触媒が未暖機状態にあるとき、無負荷領域等の低負荷領域Ａでは、圧縮行程での一括噴射が行なわれる。これにより、低負荷時にＨＣ及びＮＯｘが低減されるとともに、排気温度が上昇することで触媒の暖機が促進され、しかも、燃費の悪化は比較的小さく抑えられる。このような効果を示す実験結果を図５に示す。
【００５４】
図５（ａ）〜（ｃ）は、エンジン冷却水温が４０°Ｃの触媒未暖機状態で、エンジン回転数を１５００ｒｐｍ、正味平均有効圧力Ｐｅを０ｋＰａ、燃焼室全体の空燃比を理論空燃比（λ＝１）とした運転条件で、吸気・圧縮分割噴射（早期噴射を吸気行程、後期噴射を圧縮行程とする分割噴射）を行なった場合と、圧縮行程での一括噴射を行なった場合とにつき、燃焼室からのＨＣ排出量、ＮＯｘ排出量及び燃費悪化率を調べた実験結果をグラフで示している。燃費悪化率は、吸気行程一括噴射と比較したものである。
【００５５】
これらのグラフから明らかなように、無負荷領域等の低負荷領域では、圧縮行程一括噴射によると、吸気・圧縮分割噴射に比べ、ＨＣ排出量及びＮＯｘ排出量が大幅に減少し、しかも、燃費の悪化は比較的小さく抑えられる。なお、排気温度上昇の効果についてはグラフに示していないが、ＨＣ排出量低減の効果と排気温度上昇効果とはほぼ対応しており、圧縮行程一括噴射によると、吸気・圧縮分割噴射に比べて排気温度が大幅に上昇し、暖機が促進される。
【００５６】
このように低負荷領域では圧縮行程一括噴射とすることでＨＣ、ＮＯｘの低減及び暖機促進の効果が高められるが、エンジン負荷が増大すると、後に詳述する図１４のグラフにも示されるように、ＨＣやＮＯｘを低減する効果が少なくなる（ＨＣ、ＮＯｘが増加する）。
【００５７】
また、図６はエンジン回転数を１５００ｒｐｍ、燃焼室全体の空燃比を理論空燃比とした状態で、図示平均有効圧力Ｐｉを種々変更し、インジェクタからの燃料噴射を吸気・圧縮分割噴射とした場合と吸気行程の一括噴射とした場合とにつき、排気温度、ＮＯｘ排出量、ＨＣ排出量及び燃費をグラフで示すとともに、低負荷、中負荷、高負荷での熱発生パターンを示している。この図のグラフ中、黒丸印で示すデータは吸気・圧縮分割噴射の場合、白丸印で示すデータは吸気行程一括噴射の場合のものである。また、熱発生パターンは、横軸をクランク角、縦軸を熱発生量とし、吸気・圧縮分割噴射とした場合を太線で示す一方、吸気行程の一括噴射とした場合を細線で示している。
【００５８】
この図のグラフに示すように、吸気・圧縮分割噴射によると、吸気行程一括噴射と比較して、図示平均有効圧力Ｐｉが２．５ｋｇ／ｃｍ２（２４５ｋＰａ）程度よりも小さい低負荷領域ではＨＣ、ＮＯｘ低減及び排気温度上昇の効果が小さいが、４ｋｇ／ｃｍ２（３９２ｋＰａ）程度の領域でＨＣ、ＮＯｘ低減及び排気温度上昇の効果が大きくなる。そして、このような領域での吸気・圧縮分割噴射による熱発生パターンは、後に詳述するような初期燃焼抑制、後燃え促進（図８参照）が良好に発揮されるパターンとなる。
【００５９】
さらにこれより高負荷側の領域でも、ＨＣ、ＮＯｘの低減及び排気温度上昇の効果がある程度は得られる。
【００６０】
これら図５、図６等のデータから、無負荷領域等の低負荷側の領域では圧縮行程一括噴射とし、高負荷側では吸気・圧縮分割噴射とすることにより、これらの領域でそれぞれＨＣ、ＮＯｘの低減及び排気温度上昇の効果が得られることがわかる。そして、圧縮行程一括噴射が行なわれる低負荷側の領域と吸気・圧縮分割噴射が行なわれる高負荷側の領域との間の領域では、中間的な噴射形態として圧縮行程分割噴射とすればよい。
【００６１】
このような効果が得られる理由として推測されるところを次に説明する。
【００６２】
インジェクタ１１から噴射された燃料による燃焼室内の混合気分布について考察すると、燃料噴射から点火までの時間が短いほど気化、霧化が不充分になるとともに噴射燃料が点火プラグまわりに集まり易くなるので、圧縮一括噴射の場合は、図７（ａ）のように、その噴射による混合気Ｍが点火プラグまわりに偏在し、その周囲には消炎層として燃料が殆ど存在しない空気層Ａｉｒが存在する状態となる。なお、混合気Ｍが偏在する範囲内でも中心側が比較的リッチ、周辺側が比較的リーンとなる。
【００６３】
吸気・圧縮分割噴射の場合は図７（ｂ）のように、後期噴射による比較的リッチな混合気層ＭＲ  が点火プラグまわりに偏在するとともに、その周囲に早期噴射による比較的リーンな混合気層ＭＬ  が生成される。そして、早期噴射も圧縮行程で行なわれるので完全に燃焼室全体に分散せず、燃焼室の周辺部には消炎層としての空気層Ａｉｒが存在する状態となる。
【００６４】
また、吸気・圧縮分割噴射の場合は、図７（ｃ）のように、後期噴射による比較的リッチな混合気層ＭＲ  が点火プラグまわりに偏在するとともに、その周囲に、吸気行程の早期噴射による比較的リーンな混合気ＭＬ  が略燃焼室全体に拡散した状態となる。
【００６５】
ところで、ＮＯｘ、ＨＣの低減及び排気温度上昇に有効な要因を考えると、ＮＯｘの低減には、燃焼を緩慢にするとともに最大発生熱量を抑えることが有効なので、燃焼室中心部（点火プラグまわり）の混合気を理論空燃比と比べてかなりリッチにすること、噴射燃料の気化、霧化を悪くすること等により初期燃焼を抑制することがＮＯｘ低減の要因となり、また、燃焼室周辺をリーンにして緩慢燃焼させるようにすること、点火時期リタード性を高めること等もＮＯｘ低減の要因となる。
【００６６】
また、ＨＣの低減及び排気温度上昇のためには、混合気を遅くまで充分に燃焼させるべく、噴射燃料の気化、霧化の悪化や燃焼室周辺のリーン化により燃焼期間の後半の燃焼（以下、後燃えと呼ぶ）を促進すること、シリンダ壁とピストンとの間に燃料が入り込んで燃焼せずに排出されてしまうことを避けるために燃焼室周辺に消炎層として空気層が存在すること、点火時期リタード性を高めること等が有効な要因となる。
【００６７】
そこで、点火後の熱発生パターン（単位クランク角当りの発生熱量ｄＱの変化）としては、図８中の実線のように、吸気行程一括噴射等による通常の燃焼（破線）と比べ、立上りが緩やかになるように初期燃焼が抑制されるとともに、燃焼期間の後期の燃焼（以下、後燃えと呼ぶ）が促進されるようにすることが、ＨＣ低減、ＮＯｘ低減及び暖機促進のために有効となる。
【００６８】
また、空燃比とＮＯｘ排出量及びＨＣ排出量との関係は図９のようになり、理論空燃比付近の空燃比（通常の空燃比）ではＮＯｘ排出量が多くなるので、この空燃比域での燃焼を避けて、同図中に示すリッチ空燃比またはリーン空燃比で燃焼を行なわせることがＮＯｘ低減のために好ましい。
【００６９】
図１０は横軸をクランク角として、圧縮行程一括噴射を行なった際の燃料噴射後の点火プラグ付近の空燃比の推移を示し、同図中の破線は燃費が最良となる噴射時期の場合、実線は噴射時期を遅らせることにより混合気の拡散を抑制した場合であり、また、図中の可燃範囲は点火により燃焼し得る空燃比の範囲であって、点火プラグ付近の空燃比がこの可燃範囲にある期間に点火することを要する。この図のように、噴射時期を遅らせることにより混合気の拡散を抑制した場合は、燃費が最良となる噴射時期の場合と比べ、点火プラグ付近の空燃比が可燃範囲となる期間が遅く、かつ長くなる。従って、点火時期のリタード量を大きくすること（リタード性を高めること）ができる。
【００７０】
これらのデータから、無負荷領域等の低負荷領域Ａで圧縮行程の一括噴射を行なった場合を考察すると、燃料噴射から点火まで時間が短いので図７（ａ）のように混合気が点火プラグまわりの所定範囲に偏在し、その範囲のうちでも点火プラグに近い中心側が比較的リッチとなるような成層状態が得られるとともに、噴射燃料の気化、霧化が充分でなく、混合気が偏在する部分に液滴成分が含まれる。このような混合気分布状態で燃焼が行なわれることにより、図８に実線で示す熱発生パターン、つまり初期燃焼が抑制されて後燃えが促進される燃焼状態が得られる。さらに、燃焼室周辺にはＨＣ抑制に有効な空気層が形成される。従って、ＨＣ及びＮＯｘの低減及び排気温度上昇の効果が得られる。
【００７１】
また、シリンダセンター（燃焼室の中心）からの距離を横軸として燃焼室内の各部位の空燃比を調べると、低負荷時に図１１のようになる。つまり、図１１は、低負荷時における燃焼室内の各部位の空燃比を、圧縮行程一括噴射（破線）、圧縮行程分割噴射（実線）及び吸気・圧縮分割噴射（一点鎖線）の各場合について示しており、この図のように、燃料噴射量の少ない低負荷時には、圧縮行程一括噴射（破線）により、燃焼室中心付近が適度にリッチとなるとともに、燃料噴射量に見合うように適度な混合気のコンパクト化が達成される。そして、シリンダセンターからある程度の距離までは適度にリッチな状態（図９中のリッチ空燃比に相当）が保たれ、そこから急激に空燃比がリーン化するので、ＮＯｘが発生し易い空燃比となる区域が非常に小さくなる。
【００７２】
このようなことからも、低負荷時に圧縮行程で一括圧縮とすることが、ＨＣ及びＮＯｘの低減に効果的なものとなる。
【００７３】
さらに、圧縮行程での一括圧縮によって混合気の拡散が抑制されるため、図１０から明らかなように、点火時期リタード量を大きくすることができる。そして、点火時期のリタードにより、ＨＣ及びＮＯｘの低減及び排気温度上昇の効果がより一層高められることとなる。
【００７４】
また、図１２は、図１１と同様に圧縮行程一括噴射（破線）、圧縮行程分割噴射（実線）及び吸気・圧縮分割噴射（一点鎖線）の各場合について燃焼室内の各部位の空燃比を示すものであるが、図１１に示す場合よりも高負荷側の運転領域（中負荷領域）にある場合を示している。この図のように、エンジン負荷が高くなった場合、圧縮行程一括噴射では、燃料噴射量の割にはリッチな混合気が燃焼室中央側に集中し過ぎる状態となり、点火プラグまわりの混合気の空燃比がオーバーリッチとなる。つまり、負荷が高くなると燃料噴射量が増加することにより混合気の密度が増加する傾向が生じる上に、負荷の増加に伴って燃焼室内圧力が高くなると、それに伴って噴射燃料の噴霧角度が狭まる傾向も有ることから、燃焼室中心部にリッチな混合気が集中しすぎる状態が生じ易くなる。
【００７５】
このために、燃焼室中心部分で燃料が充分に燃えきらずにＨＣが生じる可能性があるとともに、燃焼室中心からある程度離れて空燃比が次第にリーン側に変化する部分等でＮＯｘが生じ易くなると推測される。
【００７６】
これに対し、負荷の増大に伴って圧縮行程分割噴射に切替えられるようにすると、適度の成層状態（適度に混合気が拡散された状態）となって燃焼室中心部にリッチな混合気が集中しすぎることが避けられ、燃焼室中心部分が適度のリッチ状態になる。なお、燃料噴射量がさらに多くなる高負荷側では、吸気・圧縮行程一括噴射とすることで適度の成層化状態が得られる。つまり、負荷の増大に伴って噴射形態が圧縮行程一括噴射から圧縮行程分割噴射、吸気・圧縮行程一括噴射へと切替えられると、その切替わり時に、燃焼室内の周辺部の混合気の濃度は理論空燃比よりもリーンとなる範囲でリッチ側に変化し、点火プラグまわりの混合気の濃度は理論空燃比もしくはこれよりリッチとなる範囲でリーン側に変化するようになって、混合気分布が適正に調整される。
【００７７】
図１３はエンジン回転数を１５００ｒｐｍ、図示平均有効圧力を２ｋｇ／ｃｍ２（１９６ｋＰａ）として、燃焼室全体の空燃比を種々変えつつ圧縮行程一括噴射により混合気を成層化して燃焼させた場合につき、それぞれの熱発生パターンを示している。
【００７８】
図１４は、エンジン回転数が１５００ｒｐｍで、図示平均有効圧力が２ｋｇ／ｃｍ２（１９６ｋＰａ）、２．５ｋｇ／ｃｍ２（２４５ｋＰａ）、５．５ｋｇ／ｃｍ２（５３９ｋＰａ）の各負荷につき、空燃比を種々変えつつ圧縮行程一括噴射を行なった場合のＨＣ排出量、ＮＯｘ排出量及び燃費を調べた結果を示している。
【００７９】
これらの図に示すように、圧縮行程一括噴射を行なう場合に、燃焼室全体の空燃比が２０程度以上になると初期燃焼が急速になり、ＨＣ及びＮＯｘの排出量が増加する傾向となるのに対し、燃焼室全体の空燃比が１７程度にまで小さくなれば、圧縮行程分割噴射により初期燃焼抑制及び後燃え促進の効果が得られ、これによりＨＣ及びＮＯｘの排出量が減少する。
【００８０】
以上要するに、低負荷領域Ａでは、燃焼室全体の空燃比を１３〜１７としつつ、分割噴射を行なうことにより、ＨＣ、ＮＯｘの低減及び排気温度上昇による暖機促進の効果が良好に得られる。また、負荷が増加して中負荷領域Ｂになれば圧縮行程分割噴射に切替え、さらに負荷が上昇して高負荷領域Ｃになると吸気・圧縮行程分割噴射とすることにより、燃焼室中心部にリッチな混合気が集中しすぎて点火プラグまわりがオーバーリッチになるという事態が避けられ、中、高負荷でも適度の成層状態となることでＨＣ、ＮＯｘの低減及び排気温度上昇による暖機促進の効果が得られる。
【００８１】
さらに、このような適度の成層状態により点火時期のリタード量を大きくすることができ、これによってＨＣ、ＮＯｘの低減及び排気温度上昇の効果を高めることができる。
【００８２】
なお、上記低負荷領域Ａにおいて、圧縮行程の一括噴射を行ないつつ、負荷の増大につれて圧縮行程の一括噴射の噴射時期を進角させれば、混合気の分布が適度に調整される。つまり、燃料噴射量が所定値までの範囲であれば、一括噴射でも燃料噴射量の増加に応じて噴射時期を進角することで混合気が燃焼室中心部に集中し過ぎることが避けられる。
【００８３】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、筒内噴射式エンジンにおいて、触媒が活性温度よりも低い未暖機状態にあるときに、暖機促進制御として、エンジンの低負荷側の所定運転領域で上記インジェクタからの燃料噴射を圧縮行程で一括に行なわせるとともに、エンジン負荷の増大に伴い、燃料噴射形態を、吸気・圧縮分割噴射に移行させるように制御しているため、エンジンの低負荷側から高負荷側までにわたり、ＨＣ及びＮＯｘを低減するとともに、排気温度を上昇させて暖機を促進する効果を高めることができる。
【００８４】
とくに、暖機促進制御時に、燃焼室全体の空燃比を１３〜１７の範囲とし、また、圧縮行程での一括噴射から吸気・圧縮分割噴射までの各噴射形態の燃料噴射を、燃焼室内の混合気の濃度が点火プラグまわりで理論空燃比もしくはこれよりリッチとなり、その周囲で理論空燃比よりリーンとなるように行わせると、ＨＣ、ＮＯｘの低減及び暖機促進に有利な適度の成層状態を得ることができる。
【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全体概略図である。
【図２】圧縮行程の一括噴射（ａ）、圧縮行程の分割噴射（ｂ）及び吸気行程と圧縮行程の分割噴射（ｃ）の各噴射時期を示す図である。
【図３】触媒未暖機時の燃料噴射制御についての運転領域の設定を示す図である。
【図４】制御の一例を示すフローチャートである。
【図５】圧縮行程の一括噴射、吸気・圧縮分割噴射の各場合につき、ＨＣ排出量（ａ）、ＮＯｘ排出量（ｂ）及び燃費悪化率（ｃ）をそれぞれ示すグラフである。
【図６】吸気・圧縮分割噴射と吸気行程一括噴射とにつき、各種負荷での熱発生パターン、排ガス温度、ＮＯｘ排出量、ＨＣ排出量及び燃費を示すグラフである。
【図７】燃焼室内の混合気の分布を圧縮行程の一括噴射の場合（ａ）、圧縮行程の分割噴射の場合（ｂ）、吸気行程と圧縮行程の分割噴射の場合（ｃ）についてそれぞれ模式的に示す図である。
【図８】熱発生パターンを示す説明図である。
【図９】空燃比とＮＯｘ、ＨＣの排出量との関係を示す図である。
【図１０】点火プラグまわりの混合気の空燃比推移を示す説明図である。
【図１１】エンジン低負が低いときの、燃焼室内各部位の空燃比を示すグラフである。
【図１２】エンジン負荷がある程度高いときの、燃焼室内各部位の空燃比を示すグラフである。
【図１３】圧縮行程一括噴射による場合の各種空燃比での熱発生パターンを示す図である。
【図１４】圧縮行程一括噴射による場合の各種負荷及び各種空燃比でのＨＣ排出量、ＮＯｘ排出量及び燃費を示す図である。
【符号の説明】
１  エンジン本体
１０  点火プラグ
１１  インジェクタ
２２  触媒装置
３０  ＥＣＵ
３１  温度状態判別手段
３２  負荷状態検出手段
３３  燃料噴射制御手段
３５  点火時期制御手段
【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】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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