(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備え、車両の運転状態に応じて理論空燃比近傍で燃焼が行われる予混合燃焼と、前記理論空燃比よりも大きな空燃比で燃焼が行われると共に排ガス温度域が前記予混合燃焼の排ガス温度域より低い層状燃焼とを切り換える筒内噴射型内燃機関において、主に窒素酸化物を浄化するリーンNOx触媒を排気通路に設け、前記リーンNOx触媒の前記窒素酸化物を浄化可能な活性温度域における下限活性温度は、前記層状燃焼における排ガス温度域の上限排ガス温度域の上限排ガス温度よりも低く設定されていると共に、前記リーンNOx触媒の活性温度域における上限活性温度は、前記層状燃焼における排ガス温度域の前記上限排ガス温度よりも高く設定され、前記リーンNOx触媒は、前記予混合燃焼の排ガス温度域の下限排ガス温度と前記層状燃焼の排ガス温度域の上限排ガス温度との差が小さくなる位置における前記排気通路に設けられていることを特徴とする筒内噴射型内燃機関。
【請求項２】
燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備え、車両の運転状態に応じて理論空燃比近傍で燃焼が行われる予混合燃焼と、前記理論空燃比よりも大きな空燃比で燃焼が行われると共に排ガス温度域が前記予混合燃焼の排ガス温度域より低い層状燃焼とを切り換える筒内噴射型内燃機関において、主に窒素酸化物を浄化するリーンNOx触媒を排気通路に設け、前記リーンNOx触媒の前記窒素酸化物を浄化可能な活性温度域における下限活性温度は、前記層状燃焼における排ガス温度域の上限排ガス温度域の上限排ガス温度よりも低く設定されていると共に、前記リーンNOx触媒の活性温度域における上限活性温度は、前記層状燃焼における排ガス温度域の前記上限排ガス温度よりも高く設定され、前記層状燃焼が継続した場合に排ガス温度を上昇させる温度上昇手段を備え、前記リーンNOx触媒は、前記予混合燃焼の排ガス温度域の下限排ガス温度と前記層状燃焼の排ガス温度域の上限排ガス温度との差が小さくなる位置における前記排気通路に設けられていることを特徴とする筒内噴射型内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料を燃焼室内に直接噴射する筒内噴射型内燃機関（筒内噴射型エンジン）に関し、特に窒素酸化物（ＮＯＸ  ）の浄化性能の向上を企図したものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、有害排出ガス成分の低減や燃費の向上等を図るため、吸気管内に燃料を噴射する吸気管噴射エンジンに代えて、燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射型エンジンが種々提案されている（例えば、特開平５−２４００４４号公報）。筒内噴射型エンジンは、主として吸気行程で燃料噴射が行なわれて理論空燃比近傍の空燃比で燃焼が行なわれる予混合燃焼と、主として圧縮行程で燃料噴射が行なわれて理論空燃比よりも大きな空燃比で燃焼が行なわれる層状燃焼とを有している。そして、車両の運転状態に応じて予混合燃焼と層状燃焼とが切換えられ、加速走行時等には予混合燃焼が選択され、一定の車速での走行時（定常走行時）等には層状燃焼が選択されるようになっている。
【０００３】
層状燃焼は、理論空燃比よりも大きな空燃比（例えば２５〜５０程度）である酸素過剰域での燃焼（リーン燃焼）であるため、通常の三元触媒では窒素酸化物（ＮＯＸ  ）を十分に浄化することが困難な状況となっている。このため、リーン燃焼時に主にＮＯＸ  の低減を図る技術として、特開平３−１１６３６  号でリーンＮＯＸ  触媒を使用することが提案されている。リーンＮＯＸ  触媒は、触媒として白金等の貴金属が担持されたものが一般的である。また、一酸化炭素（ＣＯ）及び炭化水素（ＨＣ）の浄化は勿論、ＮＯＸ  の浄化を効率良く行なえる排気ガス浄化触媒が種々提案されている（特開平５−３８４５２  号公報等参照）。
【０００４】
一方、筒内噴射型エンジンでは、予混合燃焼は、理論空燃比近傍の空燃比で燃焼が行なわれ、層状燃焼は、理論空燃比よりも大きな空燃比で燃焼が行なわれるようになっている。このため、予混合燃焼は燃焼エネルギーが多く排ガス温度が高くなり、予混合燃焼よりも低負荷側の層状燃焼は、燃焼エネルギーが少なく排ガス温度が低くなる特性があり、予混合燃焼の排ガス温度域と層状燃焼の排ガス温度域には大きな温度差が生じている。例えば、予混合燃焼の排ガス温度域は３５０  ℃から４５０  ℃であるのに対し、層状燃焼の排ガス温度域は１５０  ℃から３００  ℃となっている。従って、筒内噴射型エンジンの排ガス温度域は通常のエンジンに比べて広範囲な温度領域となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
筒内噴射型エンジンに用いられているリーンＮＯＸ  触媒は、触媒自体の触媒活性温度域（排ガス浄化可能な温度域）が触媒として担持される貴金属のもつ活性温度の影響を受けて触媒としては狭い活性温度域となっており、特に良好な浄化率が得られる活性温度範囲はピーク温度を挟んで非常に狭い温度域となっている。一方で、市街地等での実際の車両の走行は、加速や減速が繰り返されるため、予混合燃焼と層状燃焼が繰り返して選択され、排ガス温度は予混合燃焼と層状燃焼との過渡時の中間温度を挟んで高温から低温まで常に広範囲の温度域で変化しているのが現状である。このため、特に単一のリーンＮＯＸ  触媒を用いて筒内噴射型エンジンにおける広範囲にわたる排ガス温度域を十分にカバーすることは困難であった。
【０００６】
例えば、低温側での浄化性能に優れたリーンＮＯＸ  触媒を用いた場合、一定の車速での走行時等に選択される排ガス温度が低い状況の層状燃焼時にはＮＯＸ  を十分に浄化することができるが、加速走行時等に選択される排ガス温度が高い状況の予混合燃焼時にはＮＯＸ  を十分に浄化することができないのが現状となっている。また逆に、高温側での浄化性能に優れたリーンＮＯＸ  触媒を用いた場合、排ガス温度が高い状況の予混合燃焼時にはＮＯＸ  を十分に浄化することができるが、排ガス温度が低い状況の層状燃焼時にはＮＯＸ  を十分に浄化することができないのが現状となっている。
【０００７】
更に、予混合燃焼から層状燃焼に移行するＮＯＸ  が最も発生する過渡時の中間温度域での浄化性能に優れたリーンＮＯＸ  触媒を用いた場合、過渡時のＮＯＸ  を十分に浄化することができるが、排ガス温度が高い状況の予混合燃焼時及び排ガス温度が低い状況の層状燃焼時にはＮＯＸ  を十分に浄化することができないのが現状である。この場合、排ガス温度が高い状況ではＮＯＸ  の発生はあまり多くないので影響は少ないが、排ガス温度が低い状況でのＮＯＸ  の浄化性能を確保できない状況になってしまう。
【０００８】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、排ガス温度が低い状況でのＮＯＸ  の浄化性能を確保し、しかも、予混合燃焼から層状燃焼に移行する過渡時の中間温度域での浄化性能をも確保することができる筒内噴射型内燃機関を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の構成は、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備え、車両の運転状態に応じて理論空燃比近傍で燃焼が行なわれる予混合燃焼と、前記理論空燃比よりも大きな空燃比で燃焼が行なわれると共に排ガス温度域が前記予混合燃焼の排ガス温度域より低い層状燃焼とを切り換える筒内噴射型内燃機関において、主に窒素酸化物を浄化するリーンＮＯＸ  触媒を排気通路に設け、前記リーンＮＯＸ  触媒の前記窒素酸化物を浄化可能な活性温度域における下限活性温度は、前記層状燃焼における排ガス温度域の上限排ガス温度よりも低く設定されていると共に、前記リーンＮＯＸ  触媒の活性温度域における上限活性温度は、前記層状燃焼における排ガス温度域の前記上限排ガス温度よりも高く設定されていることを特徴とする。
【００１０】
このため、層状燃焼における排ガス温度域の上限排ガス温度を挟んで両側にリーンＮＯＸ  触媒の活性温度域が存在することになり、予混合燃焼の排ガス温度域から層状燃焼での排ガス温度域に移行する中間域における温度の排ガスと、層状燃焼での排ガス温度域における温度の排ガスとの窒素酸化物を効率良く浄化することができる。
【００１１】
そして、本発明の筒内噴射型内燃機関は、前記層状燃焼が継続した場合に排ガス温度を上昇させる温度上昇手段を備えたことを特徴とする。また、前記リーンＮＯＸ  触媒は、前記予混合燃焼の排ガス温度域の下限排ガス温度と前記層状燃焼の排ガス温度域の上限排ガス温度との差が小さくなる位置における前記排気通路に設けられていることを特徴とする。
【００１２】
このため、層状燃焼が継続して排ガス温度が低下した場合による浄化効率の悪化を防止することができる。また、触媒の適正温度条件での使用が可能となり、トータルの窒素酸化物の排出量を低減することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下図面に基づいて本発明の実施形態例を説明する。図１には本発明の一実施形態例に係る筒内噴射型内燃機関の概略構成、図２には燃料噴射制御マップ、図３には運転状態の切換え動作を表すフローチャートを示してある。
【００１４】
図１に基づいて筒内噴射型内燃機関の構成を説明する。筒内噴射型内燃機関としては、例えば、４サイクル火花点火式の筒内噴射型直列４気筒エンジン（筒内噴射型エンジン）１が適用される。筒内噴射型エンジン１は、燃焼室や吸気装置及び排気ガス再循環装置（ＥＧＲ装置）等が筒内噴射専用に設計されている。
【００１５】
筒内噴射型エンジン１のシリンダヘッド２には各気筒毎に点火プラグ３が取り付けられると共に、各気筒毎に電磁式の燃料噴射弁４が取り付けられ、点火プラグ３は点火コイル１９によって高電圧が印加される。燃焼室５内には燃料噴射弁４の噴射口が開口し、図示しないドライバを介して燃料噴射弁４から噴射される燃料が燃焼室５内に直接噴射されるようになっている。筒内噴射型エンジン１のシリンダ６にはピストン７が上下方向に摺動自在に支持され、ピストン７の頂面には半球状に窪んだキャビティ８が形成されている。キャビティ８により、吸気流に通常のタンブル流とは逆の逆タンブル流を発生させるようになっている。
【００１６】
シリンダヘッド２には燃焼室５を臨む吸気ポート９及び排気ポート１０が形成され、吸気ポート９は吸気弁１１の駆動によって開閉され、排気ポート１０は排気弁１２の駆動によって開閉される。シリンダヘッド２の上部には吸気側のカムシャフト１３及び排気側のカムシャフト１４が回転自在に支持され、吸気側のカムシャフト１３の回転により吸気弁１１が駆動され、排気側のカムシャフト１４の回転により排気弁１２が駆動される。排気ポート１０には大径の排気ガス再循環ポート（ＥＧＲポート）１５が斜め下方に向けて分岐している。
【００１７】
吸気ポート９には吸気マニホールド２１を介して吸気管２２が接続され、吸気マニホールド２１にはサージタンク２３が備えられている。吸気管２２にはエアクリーナ２４及びスロットルボデー２５が備えられていると共に、ステッパモータ式の第１エアバイパス弁２６及びエアフローセンサ２７が備えられている。エアフローセンサ２７は吸入空気量を検出するもので、例えば、カルマン渦式フローセンサが用いられている。
【００１８】
吸気管２２にはスロットルボデー２５を迂回して吸気マニホールド２１に吸気を行う大径のエアバイパスパイプ２８が設けられ、エアバイパスパイプ２８にはリニアソレノイド式の第２エアバイパス弁２９が設けられている。エアバイパスパイプ２８は吸気管２２に準ずる流路面積を有し、第２エアバイパス弁２９の全開時には筒内噴射型エンジン１の低中速域で要求される量の吸気が可能とされている。
【００１９】
スロットルボデー２５には流路を開閉するバタフライ式のスロットル弁３０が設けられると共に、スロットル弁３０の開度を検出するスロットルポジションセンサ３１が備えられている。スロットル弁３０の開度を検出するスロットルポジションセンサ３１からは、スロットル弁３０の開度に応じたスロットル電圧が出力され、スロットル電圧に基づいてスロットル弁３０の開度が認識されるようになっている。また、スロットルボデー２５にはスロットル弁３０の全閉状態を検出して筒内噴射型エンジン１のアイドリング状態を認識するアイドルスイッチ３２が備えられている。
【００２０】
一方、排気ポート１０には排気マニホールド４１を介して排気管４２が接続されており、排気マニホールド４１にはＯ２センサ４３が取り付けられている。ＥＧＲポート１５は大径のＥＧＲパイプ４４を介して吸気マニホールド２１の上流側に接続され、ＥＧＲパイプ４４にはステッパモータ式のＥＧＲ弁４５が設けられている。
【００２１】
排気通路としての排気管４２には、排ガスに含まれる主に窒素酸化物（ＮＯＸ  ）と一酸化炭素（ＣＯ）及び炭化水素（ＨＣ）とを浄化する、即ち、三元機能を有するリーンＮＯＸ  触媒４６が設けられ、リーンＮＯＸ  触媒４６はマフラー４７の上流側近傍に配置されている。リーンＮＯＸ  触媒４６の特性等の詳細については後述する。
【００２２】
燃料タンク５１に貯留された燃料は、燃料ポンプ５２の駆動により燃料調整手段５３を介して所定圧力に調圧されて各燃料噴射弁４に送給されるようになっている。燃料調整手段５３には、例えば、吸気側のカムシャフト１３又は排気側のカムシャフト１４により駆動される高圧燃料ポンプが設けられ、所定圧力（例えば５０気圧）以上の吐出圧を発生可能としている。
【００２３】
車両には制御装置としての電子制御ユニット（ＥＣＵ）６１が設けられ、このＥＣＵ６１には、入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶を行う記憶装置、中央処理装置及びタイマやカウンタ類が備えられている。ＥＣＵ６１によって筒内噴射型エンジン１の総合的な制御が実施される。前述した各種センサ類の検出情報はＥＣＵ６１に入力され、ＥＣＵ６１は各種センサ類の検出情報に基づいて、燃料噴射モードや燃料噴射量を始めとして点火時期やＥＧＲガスの導入量等を決定し、燃料噴射弁４のドライバや点火コイル１９、ＥＧＲ弁４５等を駆動制御する。
【００２４】
尚、ＥＣＵ６１の入力側には、前述した各種センサ類の他に、図示しない多数のスイッチ類等が接続され、また、出力側にも図示しない各種警告手段や機器類が接続されている。
【００２５】
筒内噴射型エンジン１におけるＥＣＵ６１による燃料噴射制御は、主として吸気行程で燃料噴射が行なわれる拡散燃焼モードと、主として圧縮行程で燃料噴射が行なわれて理論空燃比よりも大きな空燃比で燃焼が行なわれる層状燃焼モード（後期リーン域）とが選択されるようになっている。拡散燃焼モードには、理論空燃比近傍の空燃比で燃焼が行なわれる予混合燃焼モード（ストイキオフィードバック域）が存在している。そして、車両の運転状態に応じてストイキオフィードバック域と後期リーン域とが切換えられ、加速走行時等にはストイキオフィードバックが選択され、一定の車速での走行時等には後期リーン域が選択されるようになっている。
【００２６】
つまり、筒内噴射型エンジン１のＥＣＵ６１は、スロットル弁３０の開度に応じたスロットル電圧から得た目標出力相関値、例えば、目標平均有効圧Ｐｅ  とエンジン回転速度Ｎｅとに基づき、図２の燃料噴射マップから現在の燃料噴射領域を検索して燃料噴射モードを決定する。これにより、各燃料噴射モードでの目標空燃比に応じた燃料噴射量が決定され、この燃料噴射量に応じて燃料噴射弁４が駆動制御されると共に、点火コイルが駆動制御される。
【００２７】
ストイキオフィードバック域では、目標空燃比が理論空燃比となるようにＯ２センサ４３の出力電圧に応じて空燃比フィードバック制御を行い、燃料噴射量が制御される。後期リーン域では、第１エアバイパス弁２６と第２エアバイパス弁２９が制御され、理論空燃比よりも大きな空燃比、即ち、リーンな空燃比となるように目標平均有効圧Ｐｅ  に応じた目標空燃比がスロットル電圧とエンジン回転速度Ｎｅに基づき設定され、目標空燃比に応じた燃料噴射量が設定されてこの燃料噴射量に応じた燃料噴射を行うように燃料噴射弁４が駆動制御される。
【００２８】
急加速時や高速走行時等の高負荷域では、図２中のオープンループ域となり、理論空燃比よりも小さな空燃比、即ち、リッチな空燃比となるように燃料噴射弁４が駆動制御される。更に、惰性走行や停止に移行する走行でスロットル弁３０が略全閉状態にされた運転時には、図２中の燃料カット域となり、燃焼室５内への燃料の供給が停止される。
【００２９】
後期リーン域とストイキオフィードバック域との切換えは、図３に示したフローチャートに基づいて実行される。図３に示すように、ステップＳ１で車両の状態、例えばエンジン回転速度等が読み込まれ、ステップＳ２で車両の状態が後期リーン域であるか否かが判断される。ステップＳ２で後期リーン域ではないと判断された場合、ステップＳ３で燃料噴射時期、燃料噴射量及び点火時期等をストイキオフィードバックの制御にセットしメインの処理に戻る。ステップＳ２で後期リーン域であると判断された場合、ステップＳ４で燃料噴射時期、燃料噴射量及び点火時期等を後期リーンにセットし、ステップＳ５で車両が加速中であるか否かが判断される。ステップＳ５で車両が加速中ではないと判断された場合、一定の車速での走行であるとされてそのままメインの処理に戻り、ステップＳ５で車両が加速中であると判断された場合、加速走行時であるとされてステップＳ３に移行した後メインの処理に戻る。
【００３０】
尚、図３には後期リーン域とストイキオフィードバック域との切換え時のみについて示してあるが、筒内噴射型エンジン１では、車両の走行状態等に応じて、オープンループ域や燃料カット域、更に、拡散燃焼モードにおけるリーン域等、あらゆる条件に応じて燃料噴射の状態が種々制御されるようになっている。
【００３１】
ところで、筒内噴射型エンジン１では、ストイキオフィードバック域では、理論空燃比近傍の空燃比で燃焼が行なわれ、後期リーン域では、理論空燃比よりも大きな空燃比であるリーンな空燃比で燃焼が行なわれるようになっている。このため、ストイキオフィードバック域では燃焼エネルギーが多く排ガス温度が高くなり、ストイキオフィードバック域よりも低負荷側の後期リーン域では、燃焼エネルギーが少なく排ガス温度が低くなる特性があり、ストイキオフィードバック域での排ガス温度域と後期リーン域での排ガス温度域には大きな温度差が生じている。例えば、ストイキオフィードバック域での排ガス温度域は３５０  ℃から４５０  ℃であるのに対し、後期リーン域での排ガス温度域は１５０  ℃から３００  ℃となっている。従って、筒内噴射型エンジン１の排ガス温度域は非常に広範囲な温度領域となっている。
【００３２】
また、通常、市街地等を車両が走行する場合、加速と減速を繰り返して運転されるため、ストイキオフィードバック域から後期リーン域に移行する、またはその逆に移行する過渡時の中間域で運転されることが最も多い。また、高速道路等を車両が走行する場合、略一定の車速を維持して運転されるため、後期リーン域が維持された状態で運転されることになる。更に、排ガス中のＮＯＸ  は中間域での排ガスに最も多く含まれ、ストイキオフィードバック域での排ガスにはほとんど含まれていないのが現状である。このため、筒内噴射型エンジン１のリーンＮＯＸ  触媒４６としては、排ガス温度が低い状況でのＮＯＸ  の浄化性能が確保され、しかも、過渡時の中間温度での浄化性能を確保することができるものがＮＯＸ  の浄化性能に優れ、トータルとしてＮＯＸ  の排出量を低減させることができる。
【００３３】
このため、前述したリーンＮＯＸ  触媒４６は、触媒の適正な温度条件での使用を可能としてトータルとしてのＮＯＸ  の排出量を低減させるために、ストイキオフィードバック域での排ガス温度の下限値と後期リーン域での排ガス温度の上限値との差が小さくなる位置における排気通路に設けられている。また、リーンＮＯＸ  触媒４６は、排ガス温度域が非常に広範囲な温度領域となっている筒内噴射型エンジン１の有害排気ガス成分を効率良く浄化できるようになっており、リーンＮＯＸ  触媒４６は、活性金属として活性温度域が低温側に設定される白金系（白金、ロジウム、イリジウム等）の触媒となっている。図４に基づいてリーンＮＯＸ  触媒４６の特性を説明する。図４にはリーンＮＯＸ  触媒４６の浄化率と排ガス温度との関係を示してある。
【００３４】
ＮＯＸ  を浄化可能なリーンＮＯＸ  触媒４６の活性温度域における浄化率は、図に実線で示すように、最大浄化率値Ｒとなる排ガス温度Ｔまでの排ガス温度域では排ガス温度が低温から高温になるにしたがって徐々に上昇し、最大浄化率値Ｒとなる排ガス温度Ｔより高い排ガス温度域では排ガス温度が高温になるにしたがって徐々に降下する特性となっている。そして、リーンＮＯＸ  触媒４６の活性温度域における浄化率の下限活性温度Ｓは、後期リーン域での排ガス温度域Ｘにおける上限排ガス温度Ｐよりも低く設定されていると共に、上限活性温度Ｑは、後期リーン域での排ガス温度域Ｘにおける上限排ガス温度Ｐよりも高く設定されている。そして、リーンＮＯＸ  触媒４６の浄化率の最大浄化率値Ｒは、後期リーン域での排ガス温度域Ｘにおける上限排ガス温度Ｐの近傍に設定され、リーンＮＯＸ  触媒４６の活性温度域は特に低温側に広がるように設定されている。
【００３５】
上述した特性を得るために、リーンＮＯＸ  触媒４６は筒内噴射型エンジン１に対して所定距離離れた排気通路の位置（例えばマフラ上流近傍）に設置されている。リーンＮＯＸ  触媒４６の設置位置が制限される車両では、排気管４２の長さを調節することで筒内噴射型エンジン１からの排気通路の距離を所望の状態にし、必要な特性が得られるようにしてもよい。
【００３６】
上述した特性のリーンＮＯＸ  触媒４６は、後期リーン域での排ガス温度域Ｘにおける上限排ガス温度Ｐを挟んで両側に活性温度域が存在するため、ストイキオフィードバック域での排ガス温度域Ｙ（図中点線で示してある）から後期リーン域での排ガス温度域Ｘに移行する中間域における温度の排ガスと、後期リーン域での排ガス温度域Ｘにおける温度の排ガスとのＮＯＸ  を効率良く浄化することができる。また、リーンＮＯＸ  触媒４６は三元機能を有しているので、ストイキオフィードバック域での排ガス中のＣＯ及びＨＣも浄化することができる。従って、排ガス温度が低い後期リーン域でのＮＯＸ  の浄化性能が確保され、しかも、ストイキオフィードバック域と後期リーン域の過渡時の中間温度域での浄化性能も確保され、トータルとしてＮＯＸ  の排出量を低減させることができる。
【００３７】
尚、リーンＮＯＸ  触媒４６が三元機能をもたない場合、リーンＮＯＸ  触媒４６の後方に三元触媒を設置することが好ましい。三元触媒を設置することで、排ガス中ＮＯＸ  に加えＣＯ及びＨＣを確実に浄化することが可能となる。ここで、リーンＮＯＸ  触媒４６の後方に三元触媒を設置する理由を説明する。リーンＮＯＸ  触媒４６ではＨＣを部分酸化し、部分酸化されたＨＣによりＮＯＸ  が還元されてＮＯＸ  が浄化される。このため、リーンＮＯＸ  触媒４６の前に三元触媒を設置してＨＣを浄化してしまうと、ＮＯＸ  の浄化ができなくなるからである。
【００３８】
後期リーン域での運転が一定時間継続すると、図４に二点鎖線で示すように、後期リーン域での排ガス温度が低下して排ガス温度域Ｘが低温側に移行し、リーンＮＯＸ  触媒４６の活性温度域における浄化率の下限活性温度Ｓを下回る虞が生じる。このため、図５に示すように、リーンＮＯＸ  触媒４６の前には温度上昇手段としての電気加熱器（電機加熱触媒）６２が設けられ、排ガス温度が低下した場合に排ガスを所定周期（または一定時間）で加熱して後期リーン域での排ガス温度がリーンＮＯＸ  触媒４６の下限活性温度Ｓを下回らないようにしている。
【００３９】
電気加熱器６２は、車両の運転状況に応じてＥＣＵ６１の指令に基づいて作動される。即ち、低速の場合には排ガス量が少なく排気管からの熱の影響を受けやすいので排ガス温度の降下が遅く、高速の場合には排ガス量が多く排気管からの熱の影響を受け難いので排ガス温度の降下が早くなる。このため、低速時の場合（排ガス量が少ない場合）、排ガス温度の経時変化を表す図６に示すように、電気加熱器６２を作動させる周期Ｗが長く設定され、高速の場合（排ガス量が多い場合）、排ガス温度の経時変化を表す図７に示すように、電気加熱器６２を作動させる周期ｗが短く設定されている。尚、図６、図７には、排ガスの温度状況を実線で示しリーンＮＯＸ  触媒４６の温度状況を点線で示してある。
【００４０】
このように排ガスを加熱することにより、後期リーン域での排ガスの温度が所定温度Ｋよりも低下することがなく、排ガス温度域ＸがリーンＮＯＸ  触媒４６の下限活性温度Ｓを下回ることがない。従って、後期リーン域での運転が継続して排ガス温度が低下した場合であっても、浄化効率の悪化を防止することが可能となる。しかも、車両の運転状況に応じて所定周期で加熱するようにしているので、電気加熱器６１の消費電力を最小限に抑えることができる。
【００４１】
上記実施形態例では、温度上昇手段として電気加熱器６２を例に挙げて説明したが、火炎伝播が存在する膨張行程の初期から中期に追加燃料を噴射し、主燃焼とは別に筒内で再燃焼させて排ガスを昇温させる手段（例えば、特開平８−１００３６８号公報参照）を適用することも可能である。また、後期リーン域での運転中であっても周期的に予混合燃焼モードでの運転に切換えて排ガスを昇温させる手段を適用することも可能である。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の筒内噴射型内燃機関は、リーンＮＯＸ  触媒の前記窒素酸化物を浄化可能な活性温度域における下限活性温度は、層状燃焼における排ガス温度域の上限排ガス温度よりも低く設定されていると共に、リーンＮＯＸ  触媒の活性温度域における上限活性温度は、層状燃焼における排ガス温度域の上限排ガス温度よりも高く設定されているので、層状燃焼における排ガス温度域の上限排ガス温度を挟んで両側にリーンＮＯＸ  触媒の活性温度域が存在するため、予混合燃焼の排ガス温度域から層状燃焼での排ガス温度域に移行する中間域における温度の排ガスと、層状燃焼での排ガス温度域における温度の排ガスとの窒素酸化物を効率良く浄化することができる。この結果、排ガス温度が低い層状燃焼での窒素酸化物の浄化性能が確保され、しかも、予混合燃焼と層状燃焼の過渡時の中間温度域での窒素酸化物の浄化性能も確保され、トータルとして窒素酸化物の排出量を低減させることができる。
【００４３】
また、本発明の筒内噴射型内燃機関は、層状燃焼が継続した場合に排ガス温度を上昇させる温度上昇手段を備えたので、層状燃焼が継続して排ガス温度が低下した場合による浄化効率の悪化を防止することができる。また、リーンＮＯＸ  触媒は、予混合燃焼の排ガス温度域の下限排ガス温度と層状燃焼の排ガス温度域の上限排ガス温度との差が小さくなる位置における排気通路に設けられているので、触媒の適正温度条件での使用が可能となり、トータルの窒素酸化物の排出量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態例に係る筒内噴射型内燃機関の概略構成図。
【図２】燃料噴射制御マップ。
【図３】運転状態の切換え動作を表すフローチャート。
【図４】リーンＮＯＸ  触媒４６の浄化率と排ガス温度との関係を表すグラフ。
【図５】リーンＮＯＸ  触媒４６の詳細図。
【図６】排ガス温度の経時変化を表すグラフ。
【図７】排ガス温度の経時変化を表すグラフ。
【符号の説明】
１  多気筒型筒内噴射内燃機関（筒内噴射エンジン）
２  シリンダヘッド
３  点火プラグ
４  燃料噴射弁
５  燃焼室
６  シリンダ
７  ピストン
８  キャビティ
９  吸気ポート
１０  排気ポート
１１  吸気弁
１２  排気弁
１３，１４  カムシャフト
１５  排気ガス循環ポート（ＥＧＲポート）
１９  点火コイル
２１  吸気マニホールド
２２  吸気管
２５  スロットルボデー
３０  スロットル弁
４１  排気マニホールド
４２  排気管
４６  リーンＮＯＸ  触媒
５１  燃料タンク
６１  電子制御ユニット（ＥＣＵ）
６２  電気加熱器
【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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