(57)【要約】【課題】燃焼室から排出される排気ガスを浄化するための触媒を備えた火花点火式直噴エンジンにおいて、エンジントルクを確保しつつ、触媒活性化を促進する。【解決手段】触媒が未活性状態にあるエンジンの低速域では、燃料噴射開始から点火までの時間が３ｍｓｅｃ以内となるように、直噴インジェクタ６７の燃料噴射圧力を３０ＭＰａ以上の所定圧力に設定するとともに、着火前の燃料噴射開始時期を、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内に設定し、且つ、圧縮上死点よりも所定クランク角後に燃焼を開始するようにしている。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
頂部に燃焼室を形成する気筒を有し、ガソリンを主成分とする燃料が供給されるように構成されたエンジン本体と、
上記燃焼室から排出される排気ガスを浄化するための触媒と、
上記燃焼室内に上記燃料を噴射するように構成された燃料噴射弁と、
上記燃料噴射弁が噴射する燃料の圧力を変更するように構成された燃圧可変機構と、
上記燃焼室内に臨んで配設され、当該燃焼室内の混合気に点火をするように構成された点火プラグと、
少なくとも上記燃料噴射弁、上記燃圧可変機構及び上記点火プラグを制御することによって、上記エンジン本体を運転するように構成された制御器と、を備えた火花点火式直噴エンジンであって、
上記制御器は、
上記触媒が未活性状態にある所定の運転状態では、燃料噴射開始から点火までの時間が３ｍｓｅｃ以内となるように、上記燃圧可変機構を用いて上記燃料噴射弁の燃料噴射圧力を３０ＭＰａ以上の所定圧力に設定するとともに、着火前の燃料噴射開始時期が、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内となり、且つ、圧縮上死点よりも所定クランク角後に燃焼を開始するように、上記燃料噴射弁及び上記点火プラグを駆動させることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
【請求項２】
請求項１記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、
上記制御器は、
上記所定の運転状態では、触媒温度の上昇過程で、エンジン温度が所定温度以下である半暖機状態にある場合、燃料噴射開始から点火までの時間が３ｍｓｅｃ以内となるように、上記燃圧可変機構を用いて上記燃料噴射弁の燃料噴射圧力を３０ＭＰａ以上の所定圧力に設定するとともに、上記着火前の燃料噴射開始時期を進角させて、圧縮行程内で噴射および点火を行うように、上記燃料噴射弁及び上記点火プラグを駆動させることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
【請求項３】
請求項１又は２記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、
上記制御器は、
上記所定の運転状態では、アクセル踏込時は分割噴射を行う一方、アクセル踏込がないときは一括噴射を行うように、上記燃料噴射弁を駆動させ、
上記分割噴射の後段噴射又は一括噴射における、燃料噴射開始から点火までの時間が、３ｍｓｅｃ以内となるように、上記燃圧可変機構を用いて上記燃料噴射弁の燃料噴射圧力を３０ＭＰａ以上の所定圧力に設定するとともに、上記分割噴射の後段噴射又は一括噴射の燃料噴射開始時期を、上記着火前の燃料噴射開始時期とすることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、
上記所定の運転状態は、エンジンの低速域における運転状態であることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、
空燃比をλ＝１±０．１の範囲内に設定していることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室から排出される排気ガスを浄化するための触媒を備えた火花点火式直噴エンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エンジンは、通常、その燃焼室から排出される排気ガスを浄化するための触媒を備えているところ、かかる触媒は、所定温度以上にならないと浄化機能を発揮することができないことから、エンジンの始動時には、触媒の床温を上昇させるための暖機運転を行うことが多い。
【０００３】
例えば、特許文献１には、エンジンの始動後から触媒活性までは、触媒を流れる排気ガスのエネルギが通常運転モードよりも高いモードである第１の暖機運転モードを実行し、触媒活性後は、触媒を流れる排気ガスの温度が、通常運転モードよりも高い第２の暖機運転モードを実行するディーゼルエンジンが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４１８２７７０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記特許文献１にも記載されるように、短時間リッチ低温燃焼を行なうと、触媒床温を上昇させて触媒活性を回復させることができるが、空燃比をリッチ化するとＲａｗ ＨＣが増大するという問題がある。
【０００６】
そこで、空燃比をリッチ化する方法以外の方法として、燃焼（点火）時期を大きくリタードさせることにより排気温度を急速上昇させて、触媒の活性化を促進することが考えられるが、燃焼時期を大幅にリタードさせると、エンジンの燃焼性が低下するおそれがある。より詳しくは、燃焼時期をリタードさせるべく、膨張行程においてピストンが下がった状態で点火を行った場合、火炎が燃え広がる速度よりも、ピストンが下降する速度の方が速いと、噴射された燃料が燃え切らず、エンジントルクの確保が困難になることから、車両走行状態において触媒活性化を促進できないという問題がある。
【０００７】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃焼室から排出される排気ガスを浄化するための触媒を備えた火花点火式直噴エンジンにおいて、エンジントルクを確保しつつ、触媒活性化を促進する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明に係る火花点火式直噴エンジンでは、排気温度を上昇させるべく、燃料噴射開始時期をリタードさせるとともに、強い流動を利用して燃料の気化霧化を促進すべく、燃料噴射圧力を所定以上の高い燃料圧力に設定するようにしている。
【０００９】
具体的には、第１の発明は、頂部に燃焼室を形成する気筒を有し、ガソリンを主成分とする燃料が供給されるように構成されたエンジン本体と、上記燃焼室から排出される排気ガスを浄化するための触媒と、上記燃焼室内に上記燃料を噴射するように構成された燃料噴射弁と、上記燃料噴射弁が噴射する燃料の圧力を変更するように構成された燃圧可変機構と、上記燃焼室内に臨んで配設され、当該燃焼室内の混合気に点火をするように構成された点火プラグと、少なくとも上記燃料噴射弁、上記燃圧可変機構及び上記点火プラグを制御することによって、上記エンジン本体を運転するように構成された制御器と、を備えた火花点火式直噴エンジンを対象としている。
【００１０】
そして、上記制御器は、上記触媒が未活性状態にある所定の運転状態では、燃料噴射開始から点火までの時間が３ｍｓｅｃ以内となるように、上記燃圧可変機構を用いて上記燃料噴射弁の燃料噴射圧力を３０ＭＰａ以上の所定圧力に設定するとともに、着火前の燃料噴射開始時期が、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内となり、且つ、圧縮上死点よりも所定クランク角後に燃焼を開始するように、上記燃料噴射弁及び上記点火プラグを駆動させることを特徴とするものである。
【００１１】
第１の発明では、吸気行程において燃料噴射を開始する場合に比して燃焼時期を遅角（リタード）させることにより排気温度を急速上昇させて、吸気行程において燃料噴射を開始する場合に比して触媒の活性化を促進するようにしている。もっとも、燃焼時期をリタードさせるべく、膨張行程においてピストンが下がった状態で点火を行った場合、火炎が燃え広がる速度よりも、ピストンが下降する速度の方が速いと、噴射された燃料が燃え切らず、エンジントルクの確保が困難になるおそれがある。
【００１２】
そこで、第１の発明では、燃料噴射開始から点火までの時間が３ｍｓｅｃ以内となるように、３０ＭＰａ以上の高い燃料圧力で燃料を噴射するとともに、着火前の燃料噴射開始時期が、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内となり、且つ、圧縮上死点よりも所定クランク角後に燃焼を開始させるようにしている。より詳しくは、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内は、ピストンが圧縮上死点付近に位置していることから燃焼室が極めて狭くなっているところ、かかる狭い領域において高い燃料圧力で燃料を噴射すると、燃焼室内の空気に強い乱れが生じ、燃料の気化霧化が促進される。もっとも、燃料噴射開始から点火までの時間が長すぎると、燃焼室内に生じた空気の強い乱れが減少することから、第１の発明では、燃料噴射開始から点火までの時間が３ｍｓｅｃ以内となるように、燃料噴射圧力を３０ＭＰａ以上に設定している。このような高い燃料圧力で燃料を噴射することにより、所定量の燃料を短時間で噴き切ることができるとともに、燃焼室内に点火直前まで空気の強い乱れを残すことができ、これにより、燃料の気化霧化を一気に促進して、燃焼安定性が低下するのを抑えることができる。そうして、このように燃料の気化霧化が促進された状態で点火し、圧縮上死点よりも所定クランク角後に燃焼を開始させることから、燃焼ガスによってピストンがしっかりと押し下げられるので、エンジントルクを確保することが可能となり、その結果、車両走行状態においても触媒活性化を促進することが可能となる。
【００１３】
第２の発明は、上記第１の発明において、上記制御器は、上記所定の運転状態では、触媒温度の上昇過程で、エンジン温度が所定温度以下である半暖機状態にある場合、燃料噴射開始から点火までの時間が３ｍｓｅｃ以内となるように、上記燃圧可変機構を用いて上記燃料噴射弁の燃料噴射圧力を３０ＭＰａ以上の所定圧力に設定するとともに、上記着火前の燃料噴射開始時期を進角させて、圧縮行程内で噴射および点火を行うように、上記燃料噴射弁及び上記点火プラグを駆動させることを特徴とするものである。
【００１４】
第２の発明では、上記第１の発明の場合に比して燃焼時期を進角させて、エンジンの暖機に用いられる燃焼熱の割合を増やすことにより、吸気行程において燃料噴射を開始する場合に比して、エンジンの暖機を促進するようにしている。
【００１５】
より詳しくは、触媒温度の上昇過程においてエンジン温度が所定温度以下である半暖機状態にあるときは、着火前の燃料噴射開始時期を圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内とする場合に比して燃焼時期を進角させて、別の見方をすれば、吸気行程において燃料噴射を開始する場合に比して燃焼時期を遅角させて、圧縮行程内で噴射及び点火を行うことにより、燃焼室を区画するシリンダ壁部等の昇温に用いられる燃焼熱の割合を増大させて、エンジンの暖機を促進することができる。このように、燃焼熱を積極的にシリンダ壁部等の昇温に用いることから燃焼温度が下がるので、吸気行程において燃料噴射を開始する場合に比して、Ｒａｗ ＨＣの排出量を少なくできるとともに、吸気行程において燃料噴射を開始する場合に比して、エンジンの暖機促進を図ることができる。
【００１６】
第３の発明は、上記第１又は第２の発明において、上記制御器は、上記所定の運転状態では、アクセル踏込時は分割噴射を行う一方、アクセル踏込がないときは一括噴射を行うように、上記燃料噴射弁を駆動させ、上記分割噴射の後段噴射又は一括噴射における、燃料噴射開始から点火までの時間が、３ｍｓｅｃ以内となるように、上記燃圧可変機構を用いて上記燃料噴射弁の燃料噴射圧力を３０ＭＰａ以上の所定圧力に設定するとともに、上記分割噴射の後段噴射又は一括噴射の燃料噴射開始時期を、上記着火前の燃料噴射開始時期とすることを特徴とするものである。
【００１７】
ところで、触媒が未活性状態であり且つエンジン温度が所定温度以下である場合に、エンジンを始動する際には、触媒が活性化されるまでに所定時間を要するが、運転者の中には所定時間を待たずに走行を開始する運転者もいるところ、このような場合にはエンジントルクが不足するおそれがある。
【００１８】
そこで、第３の発明では、触媒が未活性状態にある所定の運転状態において、運転者に所定時間を待たずに走行を開始する意思がない場合、換言すると、アクセル踏込がないときは一括噴射を行うとともに、触媒活性化を図るべく、吸気行程において燃料噴射を開始する場合に比して燃焼時期をリタードさせて、触媒の活性化を促進する一方、運転者に所定時間を待たずに走行を開始する意思がある場合、換言すると、アクセル踏込時は分割噴射を行うようにしている。
【００１９】
このように、エンジントルクが要求される場合に分割噴射を行うことにより、より具体的には、例えば吸気行程において前段噴射を行うことにより、燃料の気化時間を十分にとることができる。そうして、かかる十分に燃料が気化された混合気に対して、燃料噴射開始から点火までの時間が３ｍｓｅｃ以内となるような３０ＭＰａ以上の高い燃料圧力をもって、燃料噴射開始時期が圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内となり、且つ、圧縮上死点よりも所定クランク角後に燃焼を開始するように、後段噴射を行うことにより、燃料の気化霧化がより一層促進されて燃焼安定性がよくなり、燃焼ガスによってピストンがしっかりと押し下げられるので、触媒活性化を促進しつつ走行に必要なエンジントルクを確保することが可能となる。
【００２０】
なお、第３の発明によれば、３０ＭＰａ以上の高い燃料圧力をもって、噴射開始時期が圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内となるように燃料噴射を行うことにより、触媒が部分的に活性し始め、ＨＣ浄化率が急速に上昇し始める状態までの期間は相当短縮されることから、所定時間を待たずに走行を始めても、排気ガスを浄化することは可能である。
【００２１】
第４の発明は、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、上記所定の運転状態は、エンジンの低速域における運転状態であることを特徴とするものである。
【００２２】
エンジンの低速域では高速域に比して吸気流動が弱いところ、かかるエンジンの低速域における運転状態において、高圧噴射且つリタード燃焼を行うことにより、燃焼安定性が低下するのを抑えることができる。
【００２３】
第５の発明は、上記第１〜第４のいずれか１つの発明において、空燃比をλ＝１±０．１の範囲内に設定していることを特徴とするものである。
【００２４】
第５の発明では、空燃比を実質的にλ≒１とすることから、Ｒａｗ ＨＣ、ＣＯの排出量を少なくしつつ、暖機促進を図ることができる。換言すると、高圧噴射且つリタード燃焼を行うことにより、ＨＣ浄化率及びＣＯ浄化率が急速に上昇し始める状態までの期間を短縮するとともに、空燃比を実質的にλ≒１とすることにより、この間にエンジンから出るＲａｗ ＨＣ、ＣＯ自体を低減することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係る火花点火式直噴エンジンによれば、触媒が未活性状態にある所定の運転状態では、着火前の燃料噴射開始時期が、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内になるように燃料噴射を行うとともに、燃料噴射開始から点火までの時間が３ｍｓｅｃ以内となるように燃料噴射圧力を３０ＭＰａ以上の所定圧力に設定することから、ピストンが上昇することにより極めて狭くなっている燃焼室に、高い燃料圧力で燃料を噴射することにより、所定量の燃料を短時間で噴き切ることができるとともに、燃焼室内に点火直前まで空気の強い乱れを残すことができ、これにより、燃料の気化霧化を一気に促進して、燃焼安定性が低下するのを抑えることができる。
【００２６】
加えて、このように燃料の気化霧化が促進された状態で点火し、圧縮上死点よりも所定クランク角後に燃焼を開始させることから、燃焼ガスによってピストンがしっかりと押し下げられるので、触媒活性化を促進しつつエンジントルクを確保することが可能となり、その結果、車両走行状態においても触媒活性化を促進することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本実施形態に係る火花点火式直噴ガソリンエンジンの構成を示す概略図である。
【図２】火花点火式直噴ガソリンエンジンの制御に係るブロック図である。
【図３】燃焼室を拡大して示す断面図である。
【図４】図４（ａ）は、吸気行程噴射を行う場合の燃料噴射時期及び点火時期の一例と、それに伴う熱発生率の例示、同図（ｂ）は、触媒未活性時において高圧リタード噴射を行う場合の燃料噴射時期及び点火時期の一例と、それに伴う熱発生率の例示、同図（ｃ）は、エンジン未暖機時において高圧リタード噴射を行う場合の燃料噴射時期及び点火時期の一例と、それに伴う熱発生率の例示、同図（ｄ）は、触媒未活性時において吸気行程噴射と高圧リタード噴射との分割噴射を行う場合の燃料噴射時期及び点火時期の一例と、それに伴う熱発生率の例示、同図（ｅ）は、エンジン未暖機時において吸気行程噴射と高圧リタード噴射との分割噴射を行う場合の燃料噴射時期及び点火時期の一例と、それに伴う熱発生率の例示である。
【図５】図５（ａ）は、着火前の燃料噴射開始時期を圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内とした場合の熱発生率を示す概略図であり、同図（ｂ）は、各サイクルにおける圧力と体積の関係を示す概略図である。
【図６】高圧リタード噴射によるＳＩ燃焼の状態と、従来のＳＩ燃焼の状態とを比較する図である。
【図７】火花点火式ガソリンエンジンの制御の手順を示すフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本実施形態に係る火花点火式直噴ガソリンエンジンの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（全体構成）
図１は、本実施形態に係る火花点火式直噴ガソリンエンジンの構成を示す概略図であり、図２は、火花点火式直噴ガソリンエンジンの制御に係るブロック図である。このエンジン（エンジン本体）１は、車両に搭載される、ガソリンを主成分とする燃料が供給される火花点火式直噴ガソリンエンジンである。エンジン１は、各々頂部に燃焼室１９を形成する、複数の気筒１８が設けられたシリンダブロック１１と、このシリンダブロック１１上に配設されたシリンダヘッド１２と、シリンダブロック１１の下側に配設され、潤滑油が貯留されるオイルパン１３と、を有している。なお、図１では、１つの気筒１８のみを図示するが、シリンダブロック１１には例えば４つの気筒が直列に設けられている。
【００２９】
各気筒１８内には、コンロッド１４２を介してクランクシャフト１５と連結されているピストン１４が往復動可能に嵌挿されている。ピストン１４の頂面（冠面）には、図３に拡大して示すように、ディーゼルエンジンにおけるリエントラント型のようなキャビティ１４１が形成されており、このキャビティ１４１は、ピストン１４が圧縮上死点付近に位置するときには、後述する直噴インジェクタ６７に相対するようになっている。そうして、シリンダヘッド１２と、気筒１８と、キャビティ１４１を有するピストン１４とによって、燃焼室１９が区画されている。なお、燃焼室１９の形状は、図示する形状に限定されるものではなく、例えば、キャビティ１４１の形状、ピストン１４の頂面形状、及び、燃焼室１９の天井部の形状等は、適宜変更することが可能である。
【００３０】
このエンジン１は、理論熱効率の向上や、後述する圧縮着火燃焼の安定化等を目的として、１５以上の比較的高い幾何学的圧縮比に設定されている。なお、幾何学的圧縮比は１５以上２０以下程度の範囲で、適宜設定すればよい。
【００３１】
シリンダヘッド１２には、気筒１８毎に、吸気ポート１６及び排気ポート１７が形成されており、これら吸気ポート１６及び排気ポート１７には、燃焼室１９側の吸気ポート開口及び排気ポート開口の周縁部に固定されたバルブシート（図示せず）に当接することによって各ポート開口を開閉する吸気弁２１及び排気弁２２がそれぞれ配設されている。
【００３２】
これら吸気弁２１及び排気弁２２をそれぞれ駆動する動弁系のうち、排気側の動弁系には、排気弁２２の作動モードを通常モードと特殊モードとに切り替える、例えば油圧作動式の可変機構（Variable Valve Lift、以下、ＶＶＬともいう）７１が設けられている（図２参照）。ＶＶＬ７１は、その構成の詳細な図示は省略するが、カムプロファイルの異なる２種類のカム（カム山を一つ有する第１カム及びカム山を２つ有する第２カム）、並びに、その第１及び第２カムのいずれか一方のカムの作動状態を選択的に排気弁２２に伝達するロストモーション機構を含んで構成されている。排気弁２２は、第１カムの作動状態が伝達されているときには、排気行程において一度だけ開弁される通常モードで作動するのに対し、第２カムの作動状態が伝達されているときには、排気行程において開弁するのみならず吸気行程においても開弁する、所謂「排気二度開き」を行う特殊モードで作動し、これらの通常モードと特殊モードとは、エンジンの運転状態に応じて切り替えられる。
【００３３】
以上に対し、動弁系の吸気側には、図２に示すように、クランクシャフト１５に対する吸気カムシャフトの回転位相を変更することが可能な位相可変機構（Variable Valve Timing、以下、ＶＶＴともいう）７２と、吸気弁２１のリフト量を連続的に変更することが可能なリフト量可変機構（Continuously Variable Valve Lift、以下、ＣＶＶＬともいう）７３とが設けられている。ＶＶＴ７２は、液圧式、電磁式又は機械式の公知の構造を適宜採用すればよく、また、ＣＶＶＬ７３も、公知の種々の構造を適宜採用することが可能であり、これらの詳細な構造は図示省略する。これらＶＶＴ７２及びＣＶＶＬ７３によって、吸気弁２１はその開弁タイミング及び閉弁タイミング、並びに、リフト量をそれぞれ変更することが可能となっている。
【００３４】
また、シリンダヘッド１２には、燃焼室１９内に燃料を直接噴射する直噴インジェクタ（燃料噴射弁）６７が、気筒１８毎に取り付けられている。直噴インジェクタ６７は、図３に拡大して示すように、その噴口が燃焼室１９の天井面の中央部分から、当該燃焼室１９内に臨むように配設されている。直噴インジェクタ６７は、後述するＰＣＭ１０の指令に従って、エンジン１の運転状態に応じて設定された噴射タイミングで、且つ、エンジン１の運転状態に応じて設定された量だけ、燃料を燃焼室１９内に直接噴射する。この例では、直噴インジェクタ６７は、詳細な図示は省略するが、複数の噴口を有する多噴口型の直噴インジェクタであり、これによって、燃料噴霧が、燃焼室１９の中心位置から放射状に拡散されるように、燃料を噴射するようになっている。図３に矢印で示すように、ピストン１４が圧縮上死点付近に位置するタイミングで、燃焼室１９の中央部分から放射状に広がるように噴射された燃料噴霧は、ピストン１４の頂面に形成されたキャビティ１４１の壁面に沿って流動する。換言すると、キャビティ１４１は、ピストン１４が圧縮上死点付近に位置するタイミングで噴射された燃料噴霧を、その内部に収めるように形成されている。この多噴口型の直噴インジェクタ６７とキャビティ１４１との組み合わせは、燃料の噴射後、混合気形成期間を短くするとともに、燃焼期間を短くする上で有利な構成である。なお、直噴インジェクタ６７は、多噴口型の直噴インジェクタに限定されず、外開弁タイプの直噴インジェクタを採用してもよい。
【００３５】
図外の燃料タンクと直噴インジェクタ６７との間は、燃料供給経路によって互いに連結されている。この燃料供給経路上には、直噴インジェクタ６７に比較的高い燃料圧力で燃料を供給することが可能な、燃料ポンプ６３とコモンレール６４とを含む高圧燃料供給システム（燃圧可変機構）６２が介設されている。燃料ポンプ６３は、燃料タンクからコモンレール６４に燃料を圧送し、コモンレール６４は、圧送された燃料を比較的高い燃料圧力で蓄えることが可能に構成されている。そうして、直噴インジェクタ６７が開弁することによって、コモンレール６４に蓄えられている燃料が直噴インジェクタ６７の噴口から噴射される。ここで、燃料ポンプ６３は、図示は省略するが、プランジャー式のポンプであり、エンジン１によって駆動される。このエンジン駆動のポンプを含む構成の高圧燃料供給システム６２は、３０ＭＰａ以上の高い燃料圧力の燃料を、直噴インジェクタ６７に供給することを可能にし、その燃料圧力は最大で１２０ＭＰａ程度に設定することができる。直噴インジェクタ６７に供給される燃料の圧力は、後述するように、エンジン１の運転状態に応じて変更される。なお、高圧燃料供給システム６２は、この構成に限定されるものではない。
【００３６】
さらに、シリンダヘッド１２には、図３に示すように、燃焼室１９内の混合気に点火するための点火プラグ２５が取り付けられている。点火プラグ２５は、この例では、エンジン１の排気側から斜め下向きに延びるように、シリンダヘッド１２内を貫通するとともに、その先端が、圧縮上死点に位置するピストン１４のキャビティ１４１内に臨むように配置されている。
【００３７】
図１に示すように、エンジン１の一側面には、各気筒１８の吸気ポート１６に連通するように吸気通路３０が接続されている一方、エンジン１の他側面には、各気筒１８の燃焼室１９からの既燃ガス（排気ガス）を排出する排気通路４０が接続されている。
【００３８】
吸気通路３０の上流端部には、吸入空気を濾過するエアクリーナ３１が配設されている一方、吸気通路３０における下流端近傍には、サージタンク３３が配設されており、このサージタンク３３よりも下流側の吸気通路３０は、各気筒１８毎に分岐する独立通路とされ、これら各独立通路の下流端が各気筒１８の吸気ポート１６にそれぞれ接続されている。
【００３９】
吸気通路３０におけるエアクリーナ３１とサージタンク３３との間には、空気を冷却又は加熱する、水冷式のインタークーラ／ウォーマ３４と、各気筒１８への吸入空気量を調節するスロットル弁３６とが配設されている。また、吸気通路３０には、インタークーラ／ウォーマ３４をバイパスするインタークーラバイパス通路３５が接続されており、このインタークーラバイパス通路３５には、当該通路３５を通過する空気流量を調整するためのインタークーラバイパス弁３５１が配設されている。このインタークーラバイパス弁３５１の開度調整を通じて、インタークーラバイパス通路３５の通過流量とインタークーラ／ウォーマ３４の通過流量との割合を調整することにより、気筒１８に導入する新気の温度を調整することが可能となっている。
【００４０】
排気通路４０の上流側の部分は、各気筒１８毎に分岐して排気ポート１７の外側端に接続された独立通路と該各独立通路が集合する集合部とを有する排気マニホールドによって構成されている。この排気通路４０における排気マニホールドよりも下流側には、燃焼室１９から排出される排気ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置として、直キャタリスト４１とアンダーフットキャタリスト４２とがそれぞれ接続されている。直キャタリスト４１及びアンダーフットキャタリスト４２はそれぞれ、筒状ケースと、そのケース内の流路に配置した三元触媒とを備えて構成されている。
【００４１】
吸気通路３０におけるサージタンク３３とスロットル弁３６との間の部分と、排気通路４０における直キャタリスト４１よりも上流側の部分とは、排気ガスの一部を吸気通路３０に還流するためのＥＧＲ通路５０を介して接続されている。このＥＧＲ通路５０は、排気ガスをエンジン冷却水によって冷却するためのＥＧＲクーラ５２が配設された主通路５１と、ＥＧＲクーラ５２をバイパスするためのＥＧＲクーラバイパス通路５３と、を含んで構成されている。主通路５１には、排気ガスの吸気通路３０への還流量を調整するためのＥＧＲ弁５１１が配設され、ＥＧＲクーラバイパス通路５３には、ＥＧＲクーラバイパス通路５３を流通する排気ガスの流量を調整するためのＥＧＲクーラバイパス弁５３１が配設されている。
【００４２】
このように構成されたエンジン１は、パワートレイン・コントロール・モジュール（以下、ＰＣＭという）１０によって制御される。ＰＣＭ１０は、ＣＰＵ、メモリ、カウンタタイマ群、インターフェース及びこれらのユニットを接続するパスを有するマイクロプロセッサで構成されている。このＰＣＭ１０が本発明で言うところの制御器を構成する。
【００４３】
ＰＣＭ１０には、図１及び図２に示すように、各種のセンサＳＷ１〜ＳＷ１６の検出信号が入力される。この各種のセンサには、次のセンサが含まれる。すなわち、エアクリーナ３１の下流側で、新気の流量を検出するエアフローセンサＳＷ１及び新気の温度を検出する吸気温度センサＳＷ２、インタークーラ／ウォーマ３４の下流側に配置され、インタークーラ／ウォーマ３４を通過した後の新気の温度を検出する第２吸気温度センサＳＷ３、ＥＧＲ通路５０における吸気通路３０との接続部近傍に配置され、外部ＥＧＲガスの温度を検出するＥＧＲガス温センサＳＷ４、吸気ポート１６に取り付けられ、気筒１８内に流入する直前の吸気の温度を検出する吸気ポート温度センサＳＷ５、シリンダヘッド１２に取り付けられ、気筒１８内の圧力を検出する筒内圧センサＳＷ６、排気通路４０におけるＥＧＲ通路５０の接続部近傍に配置され、それぞれ排気温度及び排気圧力を検出する排気温センサＳＷ７及び排気圧センサＳＷ８、直キャタリスト４１の上流側に配置され、排気中の酸素濃度を検出するリニアＯ２センサＳＷ９、直キャタリスト４１とアンダーフットキャタリスト４２との間に配置され、排気中の酸素濃度を検出するラムダＯ２センサＳＷ１０、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサＳＷ１１、クランクシャフト１５の回転角を検出するクランク角センサＳＷ１２、車両のアクセルペダル（図示省略）の操作量に対応したアクセル開度を検出するアクセル開度センサＳＷ１３、吸気側及び排気側のカム角センサＳＷ１４，ＳＷ１５、及び、高圧燃料供給システム６２のコモンレール６４に取り付けられ、直噴インジェクタ６７に供給する燃料圧力を検出する燃圧センサＳＷ１６である。
【００４４】
ＰＣＭ１０は、これらの検出信号に基づいて種々の演算を行うことによってエンジン１や車両の状態を判定し、これに応じて直噴インジェクタ６７、点火プラグ２５、吸気弁２１側のＶＶＴ７２及びＣＶＶＬ７３、排気弁２２側のＶＶＬ７１、高圧燃料供給システム６２、並びに、各種の弁（スロットル弁３６、インタークーラバイパス弁３５１、ＥＧＲ弁５１１、及びＥＧＲクーラバイパス弁５３１）のアクチュエータへ制御信号を出力する。こうしてＰＣＭ１０は、エンジン１を運転する。
【００４５】
（エンジン制御の概要）
上述の如く、本実施形態のエンジン１は、主に冷間時のＨＣ及びＣＯを浄化するための直キャタリスト４１及び主にＮＯｘを浄化するためのアンダーフットキャタリスト４２を備えているところ、これらに備えられている三元触媒は所定温度以上にならないと浄化機能を発揮することができないことから、エンジンの始動時には、触媒の床温を上昇させるために暖機運転を行うことが多い。しかし、エンジンを始動した後、停車したままアイドリング程度の回転数を維持し、エンジン各部が適度な温度に達するまで待つという暖機運転では、エンジンにほとんど負荷がかからないため発熱量も少なく、なかなか触媒が所定温度以上にならない。そこで、触媒床温を短時間で上昇させるために、空燃比をリッチ化することが考えられるが、空燃比をリッチ化すると、燃費が悪化する上、Ｒａｗ ＨＣが増大することから好ましくない。このため、本実施形態では、Ｒａｗ ＨＣの増大を抑えるべく、実質的に理論空燃比となるように、空燃比をλ＝１±０．１の範囲内に設定している。
【００４６】
そうして、触媒床温を短時間で上昇させるべく、燃焼（点火）時期を大きく遅角（リタード）させることにより排気温度を急速上昇させて、三元触媒の活性化を促進するようにしている。もっとも、燃焼時期を大幅にリタードさせるべく、膨張行程においてピストン１４が下がった状態で点火を行った場合、火炎が燃え広がる速度よりも、ピストン１４が下降する速度の方が速いと、噴射された燃料が燃え切らず、エンジントルクの確保が困難になり、車両走行状態において触媒活性化を促進することが困難となる。そこで、本実施形態では、単に燃焼時期をリタードさせるだけではなく、燃料噴射圧力を３０ＭＰａ以上の所定圧力に設定するようにしている。具体的に、この燃料噴射形態は、従来と比較して大幅に高圧化した燃料圧力でもって、圧縮行程から膨張行程初期までの期間内に、気筒１８内に燃料噴射を実行するものであり、この特徴的な燃料噴射形態を、以下においては「高圧リタード噴射」又は単に「リタード噴射」と呼ぶ。
【００４７】
もっとも、本実施形態では、常に高圧リタード噴射を実行する訳ではなく、触媒の活性状態や車両の状態に応じて、以下に説明する、様々な燃料噴射形態を使い分けるようにしている。
【００４８】
先ず、図４（ａ）は、吸気行程噴射を行う場合の燃料噴射時期の一例と、それに伴う熱発生率の例示である。この燃料噴射形態は、吸気行程中に燃焼室１９内に所定量の燃料噴射を実行することから、燃料噴射後、気筒１８内ではピストン１４が圧縮上死点に至るまでの間に、比較的均質な混合気が形成される。そして、この例では、圧縮上死点近傍の所定タイミングで点火が実行され、それによって燃焼が開始し、熱発生率のピークを経て燃焼が終了する。以下、この燃料噴射形態を「均一燃焼モード」と称する。均一燃焼モードは、理論空燃比による均質燃焼によって、高い燃焼効率とエンジントルクの確保を図ることができるが、触媒床温を上昇させるには不向きである。
【００４９】
次に、図４（ｂ）は、触媒未活性時において高圧リタード噴射を行う場合の燃料噴射時期及び点火時期の一例と、それに伴う熱発生率の例示である。この燃料噴射形態は、触媒が未活性状態にあるエンジン低速域で実行されるものであり、触媒活性化を促進すべく、図４（ｂ）に示すように、燃料噴射時期を均一燃焼モードよりも大きくリタードさせて、着火前の燃料噴射開始時期を圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内としている。そうして、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内は、ピストン１４が圧縮上死点付近に位置していることからが極めて狭くなっているところ、この燃料噴射形態では、かかる狭い領域（燃焼室１９）において、燃料噴射開始から点火までの時間が３ｍｓｅｃ以内となるように、燃料噴射圧力を３０ＭＰａ以上の所定圧力に設定して燃料を噴射する。これにより、燃焼室１９内の空気に強い乱れが生じ、燃料の気化霧化が促進されるとともに、燃料噴射開始から点火までの時間が３ｍｓｅｃ以内と短いことから、燃焼室１９内に生じた空気の強い乱れを点火直前まで残して、燃焼安定性が低下するのを抑えることができる。また、この燃料噴射形態では、圧縮上死点よりも所定クランク角後に燃焼を開始させる。こうすることにより、燃焼ガスによってピストン１４がしっかりと押し下げられるので、エンジントルクを確保することが可能となる。
【００５０】
以上のように、この燃料噴射形態によれば、均一燃焼モードに比して、排気温度を高めて触媒活性化を促進することができるとともに、エンジン１を運転するのに必要なある程度のエンジン回転数（例えば１０００ｒｐｍ）を維持できる位のエンジントルクを確保することができる。以下、この燃料噴射形態を「触媒未活性モード」と称する。
【００５１】
次いで、図４（ｃ）は、エンジン未暖機時において高圧リタード噴射を行う場合の燃料噴射時期及び点火時期の一例と、それに伴う熱発生率の例示である。この燃料噴射形態は、触媒未活性モードと同様に、触媒が未活性状態にあるエンジン低速域で実行されるものであるが、触媒未活性モードとは異なり、触媒温度の上昇過程で（触媒が活性化された後に）、エンジン温度が所定温度以下である未暖機時（半暖機状態）に実行されるものであり、図４（ｂ）に示すように、燃料噴射時期を均一燃焼モードよりも大きくリタードさせているものの、エンジンの暖機に用いられる燃焼熱の割合を増やすべく、触媒未活性モードよりも着火前の燃料噴射開始時期を進角させて、圧縮行程内で噴射及び点火を行うようにしている。そうして、この燃料噴射形態では、触媒未活性モードと同様に、ピストン１４が圧縮上死点付近に位置することで極めて狭くなった燃焼室１９において、燃料噴射開始から点火までの時間が３ｍｓｅｃ以内となるように、燃料噴射圧力を３０ＭＰａ以上の所定圧力に設定して燃料を噴射することから、燃焼室１９内の空気に強い乱れが生じ、燃料の気化霧化が促進されるとともに、燃料噴射開始から点火までの時間が短いことから、燃焼室１９内に生じた空気の強い乱れを点火直前まで残して、燃焼安定性が低下するのを抑えることができる。のみならず、この燃料噴射形態では、触媒未活性モードとは異なり、圧縮行程において上昇しているピストン１４が圧縮上死点付近に位置しているときに、換言すると、気筒１８内が高圧且つ高温に達したときに、噴射及び点火を行うことから、図４（ｃ）に示すように、触媒未活性モードよりも熱発生率を高めることができる。
【００５２】
以上のように、この燃料噴射形態では、触媒未活性モードに比して燃焼時期を進角させて、別の見方をすれば、均一燃焼モードに比して燃焼時期をリタードさせて、圧縮行程内で噴射及び点火を行うことにより、燃焼室１９を区画するシリンダ壁部等の昇温に用いられる燃焼熱の割合を増大させて、均一燃焼モードよりもエンジンの暖機を促進することができる。また、燃焼熱を積極的にシリンダ壁部等の昇温に用いることから、燃焼温度が下がるので、均一燃焼モードよりもＲａｗ ＨＣの排出量を少なくできる。以下、この燃料噴射形態を「エンジン未暖機モード」と称する。
【００５３】
ところで、触媒が未活性状態である場合に、エンジンを始動する際には、触媒が活性化されるまでに所定時間（例えば２０秒程度）を要するが、運転者の中には所定時間を待たずに走行を開始する運転者もいるところ、このような場合にはエンジントルクが不足するおそれがある。そこで、このような場合には、エンジントルクを高めるような燃料噴射形態を採ることが必要となる。
【００５４】
図４（ｄ）は、触媒未活性時において吸気行程噴射と高圧リタード噴射との分割噴射を行う場合の燃料噴射時期及び点火時期の一例と、それに伴う熱発生率の例示である。この燃料噴射形態は、触媒未活性モードと同様に、触媒が未活性状態にあるエンジン低速域で実行されるものであるが、触媒未活性モードとは異なり、アクセル踏込時には分割噴射を行う。より詳しくは、後段噴射（前段噴射の残り）は、触媒未活性モードと同様に、着火前の燃料噴射開始時期を圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内とし、燃料噴射開始から点火までの時間が３ｍｓｅｃ以内となるように、燃料噴射圧力を３０ＭＰａ以上の所定圧力に設定して燃料を噴射するとともに、圧縮上死点よりも所定クランク角後に燃焼を開始させるが、前段噴射は、図４（ｄ）に示すように、吸気行程期間内に行うようにしている。なお、前段噴射の噴射時期は吸気行程期間内に限定されないし、３段以上の多段分割噴射としてもよい。このように、エンジントルクが要求される場合に分割噴射を行うことにより、燃料の気化時間を十分にとることができ、かかる十分に燃料が気化された混合気に対して、高圧リタード噴射による後段噴射を行うことにより、燃料の気化霧化がより一層促進されて燃焼安定性がよくなり、触媒活性化を促進しつつ走行に必要なエンジントルクを確保することが可能となる。以下、この燃料噴射形態を「第１分割噴射モード」と称する。
【００５５】
なお、第１分割噴射モードでは、所定時間を待たずに走行を開始することを想定しているが、空燃比を実質的にλ≒１とすることから、Ｒａｗ ＨＣ、ＣＯの排出量を少なくできるとともに、高圧リタード噴射を行うことにより、触媒が部分的に活性し始め、ＨＣ浄化率が急速に上昇し始める状態までの期間は相当短縮されることから、所定時間を待たずに走行を始めても、排気ガスを浄化することは可能である。
【００５６】
図４（ｅ）は、エンジン未暖機時において吸気行程噴射と高圧リタード噴射との分割噴射を行う場合の燃料噴射時期及び点火時期の一例と、それに伴う熱発生率の例示である。この燃料噴射形態は、エンジン未暖機モードと同様に、エンジン温度が所定温度以下である未暖機時に実行されるものであるが、エンジン未暖機モードとは異なり、アクセル踏込時には分割噴射を行う。より詳しくは、後段噴射（前段噴射の残り）は、エンジン未暖機モードと同様に、燃料噴射開始から点火までの時間が３ｍｓｅｃ以内となるように、燃料噴射圧力を３０ＭＰａ以上の所定圧力に設定して燃料を噴射するとともに、着火前の燃料噴射開始時期を進角させて、圧縮行程内で噴射及び点火を行うが、前段噴射は、図４（ｅ）に示すように、吸気行程期間内に行うようにしている。なお、前段噴射の噴射時期は吸気行程期間内に限定されないし、３段以上の多段分割噴射としてもよい。このように、エンジントルクが要求される場合に分割噴射を行うことにより、燃料の気化時間を十分にとることができ、かかる十分に燃料が気化された混合気に対して、高圧リタード噴射による後段噴射を行うことにより、燃料の気化霧化がより一層促進されて燃焼安定性がよくなり、エンジンの暖機を促進しつつ走行に必要なエンジントルクを確保することが可能となる。以下、この燃料噴射形態を「第２分割噴射モード」と称する。
【００５７】
高圧リタード噴射についての詳細な説明は後述するが、触媒未活性モード等において高圧リタード噴射を行った場合の効果について説明する。図５（ａ）は、着火前の燃料噴射開始時期を圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内とした場合の熱発生率を示す概略図であり、同図（ｂ）は、各サイクルにおける圧力と体積の関係を示す概略図である。図５（ａ）中の実線は、高圧リタード噴射を行った場合の熱発生率であり、図５（ｂ）中の実線は、高圧リタード噴射を行った場合の圧力−体積線図である。一方、図５（ａ）中の破線は、従来の吸気行程噴射を行った場合の熱発生率であり、図５（ｂ）中の破線は、従来の吸気行程噴射を行った場合の圧力−体積線図である。なお、触媒活性およびエンジンの暖機のための高圧リタード噴射は、主としてエンジンの低速域において且つ空燃比がλ＝１±０．１の範囲内で実行されることに鑑み、図５の圧力−体積線図は、比較的低回転速度（図示の例では１５００ｒｐｍ）で、且つ空気過剰率λ＝１のものを示す。また、高圧リタード噴射を行った場合の圧縮比は１８とし、従来の吸気行程噴射を行った場合の圧縮比は１４とした。
【００５８】
従来の吸気行程噴射を行った場合には、図５（ａ）に示すように、燃焼期間（点火によって開始された燃焼が終了するまでの期間）が長く、熱発生率の低い燃焼となったことから、図５（ｂ）に示すように、圧縮上死点付近（ＴＤＣ）で燃焼を開始し、なだらかに圧力が上昇しながら膨張した後、圧力が減少しながら膨張して膨張下死点（ＢＤＣ）に至った。それ故、実線の場合において、仮に高圧リタード噴射を行わず単に燃焼噴射時期を遅角させた場合には、燃焼開始が遅れる分だけ圧縮上死点（ＴＤＣ）から急激に圧力が下がった後、燃焼を開始し、図５（ｂ）中の二点鎖線のようになだらかに圧力が上昇しながら膨張することが推測される。
【００５９】
しかしながら、高圧リタード噴射を行った場合には、図５（ａ）に示すように、燃焼期間が短く、熱発生率の高い燃焼を実現できることから、図５（ｂ）に示すように、燃焼開始が遅れる分だけ圧縮上死点（ＴＤＣ）から急激に圧力が下がった後、燃焼を開始し、良好な圧力上昇を伴いながら膨張し、それ故に、図５（ｂ）の斜線を付した面積の分だけ仕事量が増大した。これらにより、触媒未活性モード等において高圧リタード噴射を行った場合には、触媒活性化を促進しつつ走行に必要なエンジントルクを確保することが可能となることが分かる。
【００６０】
次に、図６を参照しながら、高圧リタード噴射について説明する。図６は、前述した高圧リタード噴射によるＳＩ燃焼（実線）と、吸気行程中に燃料噴射を実行する従来のＳＩ燃焼（破線）とにおける、熱発生率（上図）及び未燃混合気反応進行度（下図）の違いを比較する図である。図６の横軸はクランク角である。この比較の前提として、噴射する燃料量は、高圧リタード噴射によるＳＩ燃焼と従来のＳＩ燃焼との場合で互いに同じである。
【００６１】
先ず、従来のＳＩ燃焼では、吸気行程中に気筒１８内に所定量の燃料噴射を実行する（上図の破線）。気筒１８内では、その燃料の噴射後、ピストン１４が圧縮上死点に至るまでの間に、比較的均質な混合気が形成される。そして、この例では、圧縮上死点以降の、白丸で示す所定タイミングで点火が実行され、それによって燃焼が開始する。燃焼の開始後は、図６の上図に破線で示すように、熱発生率のピークを経て燃焼が終了する。燃料噴射の開始から燃焼の終了までの間が未燃混合気の反応可能時間（以下、単に反応可能時間ともいう）に相当し、図６の下図に破線で示すように、この間に未燃混合気の反応は次第に進行する。同図における点線は、未燃混合気が着火に至る反応度である、着火しきい値を示しており、従来のＳＩ燃焼は、低速域であることと相俟って、反応可能時間が非常に長く、その間、未燃混合気の反応が進行し続けてしまうことから、点火の前後に未燃混合気の反応度が着火しきい値を超えてしまい、過早着火又はノッキングといった異常燃焼を引き起こす。
【００６２】
これに対し、高圧リタード噴射は反応可能時間の短縮を図り、そのことによって異常燃焼を回避することを目的とする。すなわち、反応可能時間は、図６にも示しているように、直噴インジェクタ６７が燃料を噴射する期間（（１）噴射期間）と、噴射終了後、点火プラグ２５の周りに可燃混合気が形成されるまでの期間（（２）混合気形成期間）と、点火によって開始された燃焼が終了するまでの期間（（３）燃焼期間）と、を足し合わせた時間、つまり、（１）＋（２）＋（３）である。高圧リタード噴射は、噴射期間、混合気形成期間及び燃焼期間をそれぞれ短縮し、それによって、反応可能時間を短くする。このことについて、順に説明する。
【００６３】
先ず、高い燃料圧力は、単位時間当たりに直噴インジェクタ６７から噴射される燃料量を相対的に多くする。このため、燃料噴射量を一定とした場合に、燃料圧力と燃料の噴射期間との関係は概ね、燃料圧力が低いほど噴射期間は長くなり、燃料圧力が高いほど噴射期間は短くなる。従って、燃料圧力が従来に比べて大幅に高く設定された高圧リタード噴射は、噴射期間を短縮する。
【００６４】
また、高い燃料圧力は、気筒１８内に噴射する燃料噴霧の微粒化に有利になると共に、燃料噴霧の飛翔距離を、より長くする。このため、燃料圧力と燃料蒸発時間との関係は概ね、燃料圧力が低いほど燃料蒸発時間は長くなり、燃料圧力が高いほど燃料蒸発時間は短くなる。また、燃料圧力と点火プラグ２５の周りに燃料噴霧が到達するまでの時間は概ね、燃料圧力が低いほど到達までの時間は長くなり、燃料圧力が高いほど到達までの時間は短くなる。混合気形成期間は、燃料蒸発時間と、点火プラグ２５の周りへの燃料噴霧到達時間とを足し合わせた時間であるから、燃料圧力が高いほど混合気形成期間は短くなる。従って、燃料圧力が従来に比べて大幅に高く設定された高圧リタード噴射は、燃料蒸発時間及び点火プラグ２５の周りへの燃料噴霧到達時間がそれぞれ短くなる結果、混合気形成期間を短縮する。これに対し、同図に白丸で示すように、従来の、低い燃料圧力での吸気行程噴射は、混合気形成期間が大幅に長くなる。なお、多噴口型の直噴インジェクタ６７とキャビティ１４１との組み合わせは、燃料の噴射後、点火プラグ２５の周りに燃料噴霧が到達するまでの時間を短くする結果、混合気形成期間の短縮に有効である。
【００６５】
このように、噴射期間及び混合気形成期間を短縮することは、燃料の噴射タイミング、より正確には、噴射開始タイミングを、比較的遅いタイミングにすることを可能にする。そこで、高圧リタード噴射では、図６の上図に示すように、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけてのリタード期間内に燃料噴射を行う。高い燃料圧力で気筒１８内に燃料を噴射することに伴い、その気筒１８内の乱れが強くなり、気筒１８内の乱れエネルギが高まるところ、この高い乱れエネルギは、燃料噴射のタイミングが比較的遅いタイミングに設定されることと相俟って、燃焼期間の短縮に有利になる。
【００６６】
すなわち、燃料噴射をリタード期間内に行った場合、燃料圧力と燃焼期間内での乱流エネルギとの関係は概ね、燃料圧力が低いほど乱流エネルギが低くなり、燃料圧力が高いほど乱流エネルギは高くなる。ここで、仮に高い燃料圧力で燃焼室１９内に燃料を噴射するとしても、その噴射タイミングが吸気行程中にある場合は、点火タイミングまでの時間が長いことや、吸気行程後の圧縮行程において気筒１８内が圧縮されることに起因して、気筒１８内の乱れは減衰してしまう。その結果、吸気行程中に燃料噴射を行った場合、燃焼期間内での乱流エネルギは、燃料圧力の高低に拘わらず比較的低くなってしまう。
【００６７】
燃焼期間での乱流エネルギと燃焼期間との関係は概ね、乱流エネルギが低いほど燃焼期間が長くなり、乱流エネルギが高いほど燃焼期間が短くなる。従って、燃料圧力と燃焼期間との関係は、燃料圧力が低いほど燃焼期間は長くなり、燃料圧力が高いほど燃焼期間は短くなる。すなわち、高圧リタード噴射は、燃焼期間を短縮する。これに対し、従来の、低い燃料圧力での吸気行程噴射は、燃焼期間が長くなる。なお、多噴口型の直噴インジェクタ６７は、気筒１８内の乱れエネルギの向上に有利であって、燃焼期間の短縮に有効であるとともに、その多噴口型の直噴インジェクタ６７とキャビティ１４１との組み合わせによって、燃料噴霧をキャビティ１４１内に収めることもまた、燃焼期間の短縮に有効である。
【００６８】
このように高圧リタード噴射は、噴射期間、混合気形成期間、及び、燃焼期間をそれぞれ短縮し、その結果、図６に示すように、燃料の噴射開始タイミングＳＯＩから燃焼終了時期θｅｎｄまでの、未燃混合気の反応可能時間を、従来の吸気行程中での燃料噴射の場合と比較して大幅に短くすることを可能にする。この反応可能時間を短縮する結果、図６の上段に示す図のように、従来の低い燃料圧力での吸気行程噴射では、白丸で示すように、燃焼終了時における未燃混合気の反応進行度が、着火しきい値を超えてしまい、異常燃焼が発生してしまうのに対し、高圧リタード噴射は、黒丸で示すように、燃焼終了時における未燃混合気の反応の進行を抑制し、異常燃焼を回避することが可能になる。なお、図６の上図における白丸と黒丸とで、点火タイミングは互いに同じタイミングに設定している。
【００６９】
燃料圧力は、例えば３０ＭＰａ以上に設定することによって、燃焼期間を効果的に短縮化することが可能である。また、３０ＭＰａ以上の燃料圧力は、噴射期間及び混合気形成期間も、それぞれ有効に短縮化することが可能である。なお、燃料圧力は、ガソリンを主成分とする、使用燃料の性状に応じて適宜設定するのが好ましい。その上限値は、一例として、１２０ＭＰａとしてもよい。
【００７０】
高圧リタード噴射は、気筒１８内への燃料噴射の形態を工夫することによって異常燃焼の発生を回避する。これとは異なり、異常燃焼の回避を目的として点火タイミングを遅角することが、従来から知られている。点火タイミングの遅角化は、未燃混合気の温度及び圧力の上昇を抑制することによって、その反応の進行を抑制する。しかしながら、点火タイミングの遅角化は熱効率及びトルクの低下を招くのに対し、高圧リタード噴射を行う場合は、燃料噴射の形態の工夫によって異常燃焼を回避する分、点火タイミングを進角させることが可能であるから、熱効率及びトルクが向上する。つまり、高圧リタード噴射は、異常燃焼を回避するだけでなく、その回避可能な分だけ、点火タイミングを進角することを可能にして、燃費を良くするのに有利になる。
【００７１】
（具体的な制御手順）
次に、エンジン制御の具体的な手順を図７に示すフローチャートに基づいて説明する。
【００７２】
先ず、フローのスタート後のステップＳ１では、排気温センサＳＷ７、リニアＯ２センサＳＷ９、ラムダＯ２センサＳＷ１０、アクセル開度センサＳＷ１３、水温センサＳＷ１１等の各種センサからの信号がＰＣＭ１０に入力される。そうして、ＰＣＭ１０は、排気温センサＳＷ７から入力された信号に基づき、演算等により触媒の温度を求める。なお、各種センサからの信号は、これ以降のステップにおいても随時ＰＣＭ１０に入力される。
【００７３】
次のステップＳ２では、ＰＣＭ１０が、算出した触媒の温度（またはラムダＯ２センサＳＷ１０により検出された排気中の酸素濃度）に基づき、触媒が未活性状態であるか否かを判定する。このステップＳ２の判定がＮＯの場合、すなわち、触媒が活性状態にある場合には、ステップＳ１０に進んで均一燃焼モード制御を行い、換言すると、ＰＣＭ１０が、吸気行程噴射を行うように直噴インジェクタ６７を駆動し且つ点火プラグ２５を用いて点火を行った後、リターンする。一方、ステップＳ２の判定がＹＥＳの場合には、ステップＳ３に進む。
【００７４】
次いで、ステップＳ３では、運転者が、触媒が活性化されるまでに必要な所定時間を待たずに走行を開始しようとしているか否か、具体的には、アクセルが踏み込まれたか否かを、アクセル開度センサＳＷ１３から入力された信号に基づいてＰＣＭ１０が判定する。このステップＳ３の判定がＮＯの場合、すなわち、運転者が所定時間を待たずに走行を開始しようとしている場合には、ステップＳ１１に進む。一方、ステップＳ３の判定がＹＥＳの場合には、ステップＳ４に進む。
【００７５】
次のステップＳ４では、ＰＣＭ１０が直噴インジェクタ６７、点火プラグ２５及び高圧燃料供給システム６２を駆動して触媒未活性モード制御を行う。具体的には、燃焼室１９内の空気に強い乱れを生じさせるべく、ＰＣＭ１０が、高圧燃料供給システム６２を用いて、燃料噴射開始から点火までの時間が３ｍｓｅｃ以内となるように、直噴インジェクタ６７の燃料噴射圧力を３０ＭＰａ以上の所定圧力に設定する。そうして、上記図４（ｂ）に示すように、ＰＣＭ１０が、着火前の燃料噴射開始時期が、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内となるように直噴インジェクタ６７を駆動させるとともに、圧縮上死点よりも所定クランク角後に燃焼を開始するように点火プラグ２５を駆動させ、その後ステップＳ５に進む。
【００７６】
次のステップＳ５では、ＰＣＭ１０が、排気温度から算出した触媒の温度（またはラムダＯ２センサＳＷ１０により検出された排気中の酸素濃度）に基づき、触媒が活性化したか否かを判定する。このステップＳ５の判定がＮＯの場合、すなわち、触媒が未だ未活性である場合には、ステップＳ３に戻り、（前回の）触媒未活性モード制御が実行された後にアクセルが踏み込まれたか否かを再度判定した後、触媒の活性化を図るべく、触媒未活性モード制御を継続して行う。一方、ステップＳ５の判定がＹＥＳの場合、すなわち、触媒が活性化された場合には、ステップＳ６に進む。
【００７７】
次のステップＳ６では、ＰＣＭ１０が、水温センサＳＷ１１によって検出されたエンジン冷却水の温度に基づき、エンジンが未暖機状態であるか否か、より詳しくは、エンジン温度が所定温度以下である半暖機状態であるか否かを判定する。このステップＳ６の判定がＮＯの場合、すなわち、エンジンの暖機が完了している場合には、ステップＳ１０に進んで均一燃焼モード制御を行った後、リターンする。一方、ステップＳ６の判定がＹＥＳの場合、すなわち、エンジンが半暖機状態である場合には、ステップＳ７に進む。
【００７８】
次いで、ステップＳ７では、運転者がエンジンの暖機完了を待たずに走行を開始しようとしているか否か、具体的には、アクセルが踏み込まれたか否かを、アクセル開度センサＳＷ１３から入力された信号に基づいてＰＣＭ１０が判定する。このステップＳ７の判定がＮＯの場合、すなわち、運転者が暖機完了を待たずに走行を開始しようとしている場合には、ステップＳ１４に進む。一方、ステップＳ７の判定がＹＥＳの場合には、ステップＳ８に進む。
【００７９】
次のステップＳ８では、ＰＣＭ１０が直噴インジェクタ６７、点火プラグ２５及び高圧燃料供給システム６２を駆動してエンジン未暖機モード制御を行う。具体的には、触媒未活性モード制御と同様に、ＰＣＭ１０が、高圧燃料供給システム６２を用いて、燃料噴射開始から点火までの時間が３ｍｓｅｃ以内となるように、直噴インジェクタ６７の燃料噴射圧力を３０ＭＰａ以上の所定圧力に設定する。そうして、排気温度の上昇に用いていた燃焼熱を、燃焼室１９内でシリンダに対して放熱すべく、ＰＣＭ１０が、上記図４（ｃ）に示すように、着火前の燃料噴射開始時期をエンジン未暖機モード制御よりも進角させて、圧縮行程内で噴射及び点火を行うように直噴インジェクタ６７及び点火プラグ２５を駆動させ、その後ステップＳ９に進む。
【００８０】
次のステップＳ９では、ＰＣＭ１０が、エンジン水温に基づき、エンジンの暖機が完了したか否かを判定する。このステップＳ９の判定がＮＯの場合、すなわち、未だ未暖機状態である場合には、ステップＳ７に戻り、（前回の）エンジン未暖機モード制御が実行された後にアクセルが踏み込まれたか否かを再度判定した後、エンジンの暖機を図るべく、エンジン未暖機モードを継続して行う。一方、ステップＳ９の判定がＹＥＳの場合、すなわち、暖機が完了した場合には、ステップＳ１０に進み、均一燃焼モード制御を行った後、リターンする。
【００８１】
これらに対し、上述の如く、ステップＳ３の判定がＮＯの場合、すなわち、運転者が所定時間を待たずに走行を開始しようとしている場合には、ステップＳ１１に進む。このステップＳ１１では、ＰＣＭ１０が、直噴インジェクタ６７、点火プラグ２５及び高圧燃料供給システム６２を駆動して第１分割噴射モード制御を行う。具体的には、後段噴射については触媒未活性モード制御と同様の制御を行うが、前段噴射については、ＰＣＭ１０が、燃料噴射開始時期が吸気行程期間内となるように直噴インジェクタ６７を駆動させて、走行に必要なエンジントルクを確保し、その後、ステップＳ１２に進む。
【００８２】
次のステップＳ１２では、ＰＣＭ１０が、排気温度から算出した触媒の温度（またはラムダＯ２センサＳＷ１０により検出された排気中の酸素濃度）に基づき、触媒が活性化したか否かを判定する。このステップＳ１２の判定がＮＯの場合には、ステップＳ１１に戻り、第１分割噴射モード制御を継続して行う。一方、ステップＳ１２の判定がＹＥＳの場合、すなわち、触媒が活性化された場合には、ステップＳ１３に進む。
【００８３】
次のステップＳ１３では、ＰＣＭ１０が、水温センサＳＷ１１によって検出されたエンジン冷却水の温度に基づき、エンジンが未暖機状態であるか否かを判定する。このステップＳ６の判定がＮＯの場合、すなわち、エンジンの暖機が完了している場合には、ステップＳ１０に進んで均一燃焼モード制御を行った後、リターンする。一方、ステップＳ６の判定がＹＥＳの場合、及び、上述の如くステップＳ７の判定がＮＯの場合には、共にステップＳ１４に進む。
【００８４】
次いで、ステップＳ１４では、ＰＣＭ１０が、直噴インジェクタ６７、点火プラグ２５及び高圧燃料供給システム６２を駆動して第２分割噴射モード制御を行う。具体的には、後段噴射についてはエンジン未暖機モード制御と同様の制御を行うが、前段噴射については、ＰＣＭ１０が、燃料噴射開始時期が吸気行程期間内となるように直噴インジェクタ６７を駆動させて、走行に必要なエンジントルクを確保し、その後、ステップＳ１５に進む。
【００８５】
次のステップＳ１５では、ＰＣＭ１０が、エンジン水温に基づき、エンジンの暖機が完了したか否かを判定する。このステップＳ１５の判定がＮＯの場合、すなわち、未だ未暖機状態である場合には、ステップＳ１４に戻りエンジン未暖機モードを継続して行う。一方、ステップＳ１５の判定がＹＥＳの場合、すなわち、暖機が完了した場合には、ステップＳ１０に進み、均一燃焼モード制御を行った後、リターンする。
【００８６】
（その他の実施形態）
本発明は、実施形態に限定されず、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく他の色々な形で実施することができる。すなわち、前述したエンジン構成への適用に限定されるものではない。例えば、吸気行程期間内における燃料噴射は、気筒１８内に設けた直噴インジェクタ６７ではなく、別途、吸気ポート１６に設けたポートインジェクタを通じて、吸気ポート１６内に燃料を噴射してもよい。
【００８７】
また、エンジン１は、直列４気筒エンジンに限らず、直列３気筒、直列２気筒、直列６気筒エンジン等に適用してもよい。また、Ｖ型６気筒、Ｖ型８気筒、水平対向４気筒等の各種のエンジンに適用可能である。
【００８８】
さらに、高圧リタード噴射は、必要に応じて分割噴射にしてもよく、同様に、吸気行程噴射もまた、必要に応じて分割噴射にしてもよい。これらの分割噴射では、吸気行程と圧縮行程とのそれぞれにおいて燃料を噴射してもよい。
【００８９】
また、上記実施形態では、排気温センサＳＷ７により検出された排気ガス温度に基づき演算等により触媒の温度を求めるようにしたが、これに限らず、触媒温度センサを直キャタリスト４１に設け、かかる触媒温度センサにより触媒の温度を直接的に検出するようにしてもよい。また、エンジン１の運転状態（回転速度及び負荷）や外気温等に基づいて、演算のみによって触媒の温度を求めてもよい。
【００９０】
このように、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
以上説明したように、本発明は、燃焼室から排出される排気ガスを浄化するための触媒を備えた火花点火式直噴エンジン等について有用である。
【符号の説明】
【００９２】
１      エンジン（エンジン本体）
１０    ＰＣＭ（制御器）
１８    気筒
１９    燃焼室
２５    点火プラグ
４１    直キャタリスト（触媒）
６２    高圧燃料供給システム（燃圧可変機構）
６７    直噴インジェクタ（燃料噴射弁）
【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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