(57)【要約】【課題】筒内噴射式内燃機関の始動時において、未燃ＨＣの排出量を低減しつつ、触媒の活性化時間を短縮すると共に、クランキングから触媒活性化を目的とした燃焼制御を実施するまでの運転期間においても、未燃ＨＣ排出量の少ない筒内噴射式内燃機関の燃焼制御方法を提供する。【解決手段】筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、排気管内に排気を浄化するための触媒を備えた筒内噴射式内燃機関において、触媒を早期活性化するための少なくとも２種類の燃焼制御パターンを有し、当該燃焼制御パターンを触媒温度に基づいて切り換える。さらに、筒内噴射式内燃機関の構成を最適化することにより始動から成層燃焼を実現する。【選択図】図３
2006183667.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、排気ガス中のＨＣにより活性化する触媒とを有する筒内噴式内燃機関において、前記触媒が排ガス中のＨＣで活性化できる温度条件になるまでの機関の燃焼制御パターンと、それ以後の機関の燃焼制御パターンとを異ならしめたことを特徴とする筒内噴射式内燃機関。
【請求項２】
未燃ＨＣにより活性化する触媒を備えた内燃機関の燃焼制御方法において、前記触媒が排気ガス中の未燃ＨＣを浄化可能な温度に達するまでは、未燃ＨＣの排出が少なく且つ排気温度の高い燃焼制御パターンを実行し、前記触媒が排気ガス中の未燃ＨＣを浄化可能な温度に達した後は、触媒に供給する未燃ＨＣを含んだ排気ガスを排出する別の燃焼制御を実行する筒内噴射式内燃機関における始動時の燃焼制御方法。
【請求項３】
筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、排気ガス中のＨＣにより活性化する触媒を備えた筒内噴射式内燃機関における始動時の燃焼制御方法おいて、前記触媒を早期活性化するための燃焼制御パターンを少なくとも２種類有し、前記燃焼制御パターンを触媒温度に基づいて切り換えることを特徴とする筒内噴射式内燃機関における始動時の燃焼制御方法。
【請求項４】
筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、排気ガス中のＨＣにより活性化する触媒とを備え、且つ燃焼行程に２回燃料を噴射する機能と、機関の冷却水温に基づき燃焼制御パターンを切換える機能とを有するものにおいて、水温が所定温度触媒の温度が所定値になるまでより低い場合は吸気行程で１回だけ燃料を噴射し、且つ点火時期を上死点近傍まで遅角し、水温が所定温度より高い場合は最初に圧縮行程で燃料噴射し、次の噴射を膨張行程で実行する様構成したことを特徴とする筒内噴射式内燃機関の始動時の燃焼制御方法。
【請求項５】
筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、排気ガス中のＨＣにより活性化する触媒とを備えたものにおいて、前記触媒の温度が所定値に達するまでは、前記噴射弁により、圧縮行程と膨張行程の前半で２回に分けて燃料を噴射し、前記触媒の温度が所定温度に達した後は前記噴射弁により圧縮行程と膨張行程の後半で２回に分けて燃料を噴射することを特徴とする筒内噴射式内燃機関における始動時の燃焼制御方法。
【請求項６】
請求項５記載のものにおいて、前記触媒の温度が所定値に達するまでは、前記噴射弁により圧縮行程と膨張行程の前半で２回に分けて燃料を噴射し、且つ、膨張行程の前半での噴射を２回に分けて噴射することを特徴とする筒内噴射式内燃機関における始動時の燃焼制御方法。
【請求項７】
クランキング時に燃料を圧縮行程で噴射すると共に成層燃焼運転を行う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内燃機関における始動時の燃焼制御方法。
【請求項８】
筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、排気管内に排気を浄化するための触媒を備えた筒内噴射式内燃機関において、触媒を早期活性化するための２種類の燃焼制御パターンを有し、触媒温度が所定値に達すると触媒活性化の為の燃焼制御パターンで燃焼制御し、当該燃焼制御では圧縮行程と膨張行程に燃料を２回に分けて噴射することを特徴する筒内噴射式内燃機関における始動時の燃焼制御方法。
【請求項９】
筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、排気管内に排気中の未燃ＨＣを浄化する触媒を備えたものにおいて、触媒温度が所定値以下の間は第１の燃料噴射を圧縮行程、第２の燃料噴射を膨張行程初期に行い、触媒温度が所定値に達すると前記第２の燃料噴射を膨張行程中期以降に切り換えることを特徴とする筒内噴射式内燃機関における始動時の燃焼制御方法。
【請求項１０】
請求項１乃至６，８及び９のいずれかに記載されたものにおいて、前記燃料噴射弁は、燃料計量部下流位置に空気導入口が設けられており、当該導入口から供給される空気と混合された混合気が筒内に噴射される様構成されていることを特徴とする筒内噴射式内燃機関及び、筒内噴射式内燃機関における始動時の燃焼制御方法。
【請求項１１】
請求項１乃至６，８及び９のいずれかに記載されたものにおいて、筒内圧力の変化に対する形状変化割合の少ない燃料噴霧パターンを有する燃料噴射弁を用いることを特徴とする筒内噴射式内燃機関及び筒内噴射式内燃機関における始動時の燃焼制御方法。
【請求項１２】
請求項５乃至９のいずれかに記載のものにおいて、触媒温度が所定値に達するまでの２回噴射制御において、２回目の噴射としての排気中の酸素濃度に応じて変化させることを特徴とする筒内噴射式内燃機関における始動時の燃焼制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射式内燃機関において、特に始動時における触媒の早期活性化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまでに、排気および燃費規制の強化に伴い、始動時における触媒の早期活性化の技術が提案されている。特に筒内噴射式内燃機関に関する技術に関しては次のようなものが提案されている。
【０００３】
従来の筒内噴射式内燃機関における触媒を早期活性化に関する技術は、特開平８−１００６３８号公報に開示された膨張行程の初期から中期に追加燃料噴射を行い、この追加燃料を主燃焼の火炎伝播によって着火させて排気温度を上昇させ、触媒を暖機する方法が提案されている。
【０００４】
その他にも特開平１１−２９４１５７号公報には、膨張行程中に追加燃料を噴射し、排気マニホールドに設けた容積部で排気を滞留させ、燃え残った追加燃料を前記容積部内で再燃焼させることで、未燃ＨＣを低減しつつ、排気温度を上昇し、触媒を暖機する方法が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−１００６３８号公報
【特許文献２】特開平１１−２９４１５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、膨張行程の初期から中期に追加燃料を噴射する場合は、追加噴射された燃料は燃焼室から燃焼しながら排出される。追加燃料噴射をＴＤＣ付近、すなわち膨張行程初期で行うと燃焼室から排出される未燃ＨＣは低減する傾向がある。したがって、排気温度は高くなる。しかし、この場合は追加燃料が燃料噴射弁から噴射された直後に着火し、酸素を取りこみながら燃焼するためスモークが大量に発生してしまう。また追加燃料を膨張行程の中期に噴射した場合は、主燃焼による火炎が残っていないため、追加燃料を確実に着火，燃焼させることが困難で、その結果未燃ＨＣが増加してしまい、排気温度も十分に上昇しないため触媒が活性化するまでに時間がかかってしまう。一方、膨張行程中に追加燃料噴射を行い、排気マニホールドに設けた容積部で未燃ＨＣを再燃焼させる方法は、未燃ＨＣを低減しつつ、高温の排気を触媒に供給できる。しかし、この方法においては、容積部の温度が所定の温度に達していないと、十分な残存酸素と未燃ＨＣが存在しても、容積部内で、再燃焼しない。すなわち、容積部が所定の温度に達するまでに時間を介し、その間燃焼室から排出された未燃ＨＣは大気にそのまま放出されてしまう。
【０００７】
本発明は、前記点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、触媒が活性化するまでの未燃ＨＣを低減しつつ、さらなる触媒の活性化時間の短縮化を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成すべく、本発明になる筒内噴射式内燃機関及びその始動時における燃焼制御方法は、本質的には、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、排気管内に排気中のＨＣ成分によって活性化させ髏Ｇ媒を備えている。そして前記触媒を早期活性化するための燃焼制御パターンを少なくとも２種有し、前記燃焼制御パターンを触媒温度に基づいて切り換えることを特徴としている。
【０００９】
また、冷却水温によっても燃焼制御することを提案するもので、好ましくは、水温に基づき燃焼制御方法を選択する手段を有し、水温が所定温度より低い場合で成層始動可能領域ではない場合は燃料噴射を吸気行程に行い、均質燃焼とし、水温が所定温度より高い場合で、成層燃焼が可能な領域では燃料噴射を圧縮行程に行い成層燃焼とする。
【００１０】
また、好ましくは、始動時から燃料を圧縮行程に噴射する、すなわち成層燃焼を行うものである。
【００１１】
そして、本発明の具体的な態様としては、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、排気中のＨＣ成分によって活性化する触媒を備えた筒内噴射式内燃機関において、触媒を早期活性化するための２つの燃焼制御パターンを有し、触媒温度が所定値に達すると第２の燃焼制御パターンを実行し、この第２の燃焼制御パターンは圧縮行程と膨張行程に燃料を噴射する２回噴射制御であることを特徴としている。
【００１２】
前記の態様において、好ましくは、運転条件に応じて第１の燃料噴射を圧縮行程、第２の燃料噴射を膨張行程初期に行い、触媒温度が所定値に達すると前記第２の燃料噴射を膨張行程中期以降に切り換えを行う方法である。
【００１３】
前記の態様において、好ましくは、空気と燃料を独立に制御及び噴射可能な燃料噴射弁を適応したものである。
【００１４】
前記の態様において、好ましくは、筒内圧力の変化に対する形状変化の少ない噴霧形成が可能な燃料噴射弁を適応したものである。
【００１５】
前記の態様において、好ましくは、触媒温度が所定値に達するまでの２回噴射において、第２の燃料噴射を複数回に分割して筒内に燃料噴射する方法である。
【００１６】
前記の態様において、好ましくは、触媒温度が所定値に達するまでの２回噴射制御において、排気中の酸素濃度に応じて追加燃料量を変化させる方法である。
【００１７】
このような構成及び燃焼制御方法により、始動時における未燃ＨＣの排出を低減しつつ、さらなる触媒の活性化時間を短縮することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、機関の始動時に触媒の温度や冷却水の温度に基づいて第１燃焼制御と、第２燃焼制御を切り換えることにより、触媒の活性化時間の大幅な短縮が可能である。その結果、触媒活性化のため燃焼制御期間中に排出される未燃ＨＣを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について図面に基づき説明する。図１は、本発明の実施形態における筒内噴射式内燃機関の斜視概念断面図であり、内燃機関本体１の各気筒は、下部にシリンダブロック２を備えると共に、前記シリンダブロック２の上部にシリンダヘッド３を配置している。
【００２０】
前記シリンダブロック２の内部には、ピストン４が上下摺動可能に配置され、前記シリンダブロック２と前記ピストン４との間の空間は、燃焼室５として形成されている。シリンダヘッド３は、ペントルーフとなっており、前記シリンダヘッド３には、燃焼室５に開口する二本の吸気管６と二本の排気管７が接続形成され、前記各吸気管６には各々吸気弁８が、前記各排気管７には各々排気弁９が前記シリンダヘッド３との接続部に配置されている。なお、ピストン４の冠面形状については、代表例としてフラットなものを示しているが、特に制約はない。
【００２１】
前記吸気弁８近傍の燃焼室側面には、燃料を直接機関の気筒内に噴射する燃料噴射弁１０が配設され、その噴口を燃焼室５に向けて位置している。前記燃料噴射弁１０は、噴霧燃料に旋回力を与えて所定の噴霧角の円錐形状なるような噴口の形状を有する高圧旋回燃料噴射弁である。前記シリンダヘッド３の天井部中心位置には、点火プラグ１１が配設されている。
【００２２】
前記吸気弁８と前記排気弁９は、シリンダヘッド３の上部に配置されたカムシャフト
（図示省略）により上下方向に移動して、前記シリンダヘッド３に形成された吸気管６と排気管７との連通弁孔を開閉する。前記ピストン４は、前記シリンダブロック２の下部に回転自在に軸支されたクランク軸（図示省略）にコンロッド１２を介して連動連結され、機関の稼働により前記ピストン４が前記シリンダブロック２内を上下するのに伴って、前記クランク軸を回転駆動する。
【００２３】
図２は、本発明の実施形態における筒内噴射式内燃機関のシステム構成図を示す。図１で説明した構成の筒内噴射式内燃機関において、排気管７の下流側には排気浄化装置１３が設けられており、排気浄化装置の上流側の排気管７には、排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ１４が設けられ、排気浄化装置１３内には触媒温度センサ１５が設けられている。前記排気浄化装置１３内は、三元触媒１３ａとＮＯｘ触媒１３ｂが備えられている。また三元触媒１３ａとＮＯｘ触媒１３ｂが独立に設けられた構成の場合は、例えば三元触媒１３ａとＮＯｘ触媒１３ｂの上流側と下流側の排気管７にそれぞれ排気温度センサを設けておき、触媒前後の排気温度から触媒温度を推定してもよい。
【００２４】
ＥＣＵ１６には、機関回転数，空気量，水温，アクセルポジションなどの信号などが入力されており、触媒温度推定手段と始動時の燃焼制御手段、具体的には燃料噴射制御部と点火時期制御部を備えている。前記燃料噴射制御部には機関出力を得るための主燃料噴射制御部と触媒１３ａ，１３ｂを活性化させるための追加燃料噴射制御部が備えられており、運転条件に応じて燃料噴射タイミング及び燃料噴射量が設定される。
【００２５】
図３に本発明の実施形態における始動時の燃焼制御方法の概要を説明する。機関が始動し、触媒が所定温度Ｔｓに到達すると触媒を活性化するための第１の燃焼制御を行う。前記第１燃焼制御が行われている間は、触媒が十分な活性状態にないため、燃焼室から未燃ＨＣが極力排出されないような燃焼を行わなければならない。さらに触媒温度が上昇し、触媒の活性化領域の下限値Ｔｃ（２５０℃〜３００℃程度）に到達すると、第２燃焼制御に切り換える。触媒温度がＴｃ以上になると、燃焼室から排出された未燃ＨＣが、触媒内で反応し始める。当然のことながら排気中には未燃ＨＣを燃焼させるのに見合った残存酸素が必要不可欠であるが、主燃焼を成層燃焼とすることによりシリンダ内に十分な空気を吸入することで対応することができる。第２燃焼制御は触媒温度が触媒の活性化領域の上限値Ｔｅに達すると終了する。触媒温度と浄化率の関係は図４に示すとおりである。触媒温度が２００℃〜２５０℃程度までは浄化率が０に近く、未燃ＨＣを浄化するのが困難である。すなわち、機関から排出される未燃ＨＣを低減しつつ、いかに早く触媒温度を２００℃〜２５０℃以上にするかが、触媒活性化時間の短縮における重要なポイントである。また浄化率が１００％に近づくのは、触媒温度が約５００℃であるため、前記Ｔｅは５００℃付近に設定するのが望ましい。なお、第１燃焼制御手段の開始については、触媒温度ではなく始動後のタイマに基づいて行うようにしてもよい。
【００２６】
図５に本発明の実施形態における制御フローチャートを示す。まずステップ１０１で、排気管に設けた触媒温度センサ１５により触媒温度Ｃｔを設定する。Ｓ１０２でＣｔ＜Ｔｓの場合は第１燃焼制御を行わず、再度、ステップ１０１で触媒温度Ｃｔを計測する。前記動作を繰り返した後、触媒温度Ｃｔ≧Ｔｓとなるとステップ１０３で第１燃焼制御を開始する。次へ進みステップ１０４で触媒温度Ｃｔ≧Ｔｓとなるまでの間、第１燃焼制御を行う。ステップ１０４で触媒温度Ｃｔ≧Ｔｓが成立すると、ステップ１０５で第２燃焼制御を開始する。そして、ステップ１０５で触媒温度Ｃｔ≧Ｔｅとなるまでの間、第２燃焼制御を行い、ステップ１０６で触媒温度Ｃｔ≧Ｔｅとなったら本発明の燃焼制御を終了する。
【００２７】
ところで、筒内噴射式内燃機関の成層燃焼時はピストン冠面に設けられたキャビティに向けて燃料を噴射し、燃料噴霧をキャビティでガイドして、点火プラグへ搬送するものが一般的である。このようなコンセプトにおいては、燃料をピストンに衝突させるため、ピストン冠面に燃料を液膜付着する。特に始動時においては、ピストンや燃焼室壁面が冷えているため、壁面付着燃料の気化が不十分となり、燃焼の安定領域が縮小される課題がある。これらの課題に対して本発明では、図６に示すとおり、始動時の水温により第１燃焼制御手段を選択するようになっている。始動時の水温がＴｗ以上（成層燃焼実現可能領域）の場合は、第１燃焼制御パターンとして、第１燃料噴射を圧縮行程、追加燃料である第２燃料噴射を膨張行程に行い、追加燃料による後燃えにより排気温度を上昇させ、触媒温度を上昇させる。一方、始動時の水温がＴｗ以下の場合は、図１５に示す如く第１燃料噴射を吸気行程で行い、均質リーン燃焼に加え点火時期をＴＤＣ近傍にまでリタードすることにより前記同様の効果を得る。
【００２８】
次に、始動時の水温がＴｗ以上の場合について、具体的に説明する。
【００２９】
図７に、本発明の代表的な実施形態における燃料噴射制御方法を示す。この実施例では、触媒温度がＴｃ前後において、共に第１燃料噴射時期は圧縮行程で行い、引き続く第２燃料噴射は触媒温度がＴｃに達するまでは膨張行程の初期に、触媒温度がＴｃに達した後は膨張行程の中期以降に切り換える制御方法である。第１燃焼制御として、第１燃料噴射を圧縮行程に行い、第２燃料噴射を膨張行程初期に行う燃焼メカニズムを図８に基づき説明する。圧縮行程に噴射された第１の燃料は、その後の点火により燃焼する。膨張行程の初期に噴射される第２の燃料は、前記第１の燃焼の火炎伝播により着火される。よって第２燃料噴射を行うときは燃焼室内が非常に高温となっており、第２噴射燃料は、燃焼室内の残存酸素と十分に混ざることなく、噴射直後から酸素を取り込みながら燃焼する。これを拡散燃焼と言うが、このような燃焼形態の場合、酸化不足によりスモークが大量に発生する。図９に第２燃料噴射時期を変化させた場合の排気温度、未燃ＨＣ及びスモークの特性を示す。排気温度は４０degＡＴＤＣ から遅らせるほど低下し、対して未燃ＨＣは増加する一方である。７０degＡＴＤＣ 付近では、主燃焼の火炎が残っていないため、第２噴射燃料に着火しなくなると考ええられる。またスモークは、４０degＡＴＤＣ より前で急激に増加してしまう。
【００３０】
そこで本実施例では、前記課題である未燃ＨＣ及びスモークの低減を図りながら、かつ排気温度を上昇させるための具体的な改良案をも提案するものであり、この改良案を図１０，図１１を用いて説明する。
【００３１】
図１０は、膨張行程初期に噴射する第２噴射燃料の最適な噴霧形態について示したものである。図中（ａ）は、空気と燃料を独立に制御可能な燃料噴射弁を適応した場合について示したものである。第１燃料を圧縮行程に噴射し、点火プラグ周りに集中して形成された混合気に点火プラグにより着火する。ここで言う第１燃料は燃料だけであっても、空気と燃料が混合されたものであっても特に問題はない。前記燃料噴射弁の適応は第２燃料噴射時に効果を発揮する。膨張行程初期に噴射される第２噴射燃料を、あらかじめ空気と燃料とが混合された状態で燃焼室に供給することが可能となるため、第２噴射燃料による燃焼形態を予混合燃焼とすることができる。すなわち、課題であるスモークを大幅に低減できると共に、第２噴射時期を最適化することにより燃焼室から排出される未燃ＨＣも低減できる。したがって、第２燃料噴射を膨張行程の初期に行っても、未燃ＨＣとスモークを低減しつつ、排気の昇温により触媒を活性化することが可能である。図１６にこの燃料噴射弁１６０の一例の要部を示す。当該噴射弁１６０は、弁体１６１と弁座１６２の下流に噴孔１６３を有し、当該噴孔１６３の下流に空気との混合室１６４を有する。この混合室１６４には空気導入孔１６５より、空気が導入され混合室１６４で計量済燃料と混合され、噴孔１６６から筒内に供給される。また（ｂ）は、圧力変化による形状変化の少ない燃料噴霧を噴射可能な燃料噴射弁を用いた場合について示したものである。第２燃料を噴射する時の燃焼室内は第１の燃焼により高圧になっている。そこで、前記燃料噴射弁を用いた場合は、第２燃料噴霧が燃焼室内の圧力により影響しづらいため、第１噴射燃料の噴霧形状と類似した噴霧を形成することができる。したがって、燃料噴霧が縮小することなく、燃焼室内の残存酸素の利用率が向上し、未燃ＨＣを低減することができるため、（ａ）と同様に未燃ＨＣとスモークを低減しつつ、排気の昇温により触媒を活性化することが可能である。
【００３２】
図１７(ｃ)に当該噴射弁１７０の一例を示す。この噴射弁１７０は噴口１７１の先端部が、噴口１７１の中心で段階状１７２にカットされており、切り取られた側１７３がプラグに対面する様に取り付けられている。このように構成された噴射弁１７０が取付けられたエンジンを図１７（ａ）に示す。このエンジンでは燃料噴霧は図示の如く、プラグ側に偏向されピストン側のペネトレーションが短く、さらに燃料量が少ない。燃料噴霧をＡ−Ａ線で断面すると図１７（ｂ）のように見える。中央の線は階段状１７２にカットされたカット面を示す線である。
【００３３】
このような噴霧は噴霧内外の圧力が同じになるので燃焼室内の圧力が高くなっても噴霧の形状が変形し難い利点がある。
【００３４】
また第２燃料噴射の制御により、第２燃料噴射を膨張行程の初期に行っても、未燃ＨＣとスモークを低減しつつ、排気の昇温により触媒を活性化することのできる方法について説明する。図１１は、膨張行程初期に第２燃料噴射を行う場合の最適な燃焼噴射方法を示す。具体的には、触媒温度がＴｃに到達するまでの第１燃焼制御の第２噴射燃料を２回以上に分割して噴射する方法である。第２噴射燃料を２回以上に分割して噴射することにより、図１０の（ｂ）で説明したように残存酸素の利用率が向上するため、未燃ＨＣとスモークを低減しつつ、排気の昇温により触媒の活性化を図る。
【００３５】
次に最適な第２燃焼制御方法について説明する。ここで言う第２燃焼制御とは、図１１の膨張行程中期以降に第２燃料噴射を行う方法のことである。図３で説明したとおり、前記第２燃焼制御を開始する時の触媒温度は２５０℃〜３００℃に達している。以降における未燃ＨＣは触媒内で反応し始めるが、その発熱量は残存酸素量により大きく影響を受ける。排気中の残存酸素量が燃焼室から排出された未燃ＨＣ量に対して十分な量を含まない場合は、前記未燃ＨＣが触媒内で燃焼しきれず、触媒下流の排気管に排出される。そこで、本実施例では、排気中の酸素濃度に基づいて第２燃料噴射パルス幅を設定するようにする。具体的には図１２に示すとおり、排気中の酸素濃度が濃いと第２燃料噴射パルス幅を長くする。これにより、残存酸素量に適した燃料を触媒に供給することが可能となり触媒内で確実に未燃ＨＣを燃やすことができる。水温が低く主燃焼の設定Ａ／Ｆをリッチにせざるを得ない場合を想定すると、好ましくは図１０の（ａ）で説明したような空気と燃料を独立に制御可能な燃料噴射弁を適応し、排気行程中に空気だけを燃焼室に供給して、触媒を活性化するのに必要な燃料量に適した排気中の酸素量を確保する。
【００３６】
以上のような構成及び燃焼制御方法により、従来と比べ大幅に触媒の活性化時間を短縮することが実現できる。
【００３７】
ところが、クランキングから第１燃焼制御を開始するまでの運転期間においては、触媒が活性化していないため燃焼室から排出される未燃ＨＣは、浄化されることなく大気へ放出される。
【００３８】
そこで本発明は、筒内噴射式内燃機関における触媒の活性化時間の短縮を図る燃焼制御方法だけではなく、クランキングから第１燃焼制御を開始するまでの運転期間に排出される未燃ＨＣの低減を実現するのに最適な筒内噴射式内燃機関を提案する。
【００３９】
図１３に本発明の実施形態における最適な筒内噴射式内燃機関の斜視概念断面図を示す。基本的には図１に示した構成であるが、吸気弁８の上流側の吸気管６内には、前記吸気管６の吸入流路を上下に二分割する整流板１７が各々配置されており、前記整流板１７の上流には、分流弁１８が配置されている。前記分流弁１８は、弁軸が回動することにより、弁体が真下から真横までの９０度の角度範囲で位置移動するように配置されている。前記分流弁１８の開閉により燃焼室５内に生成されるタンブル流１９の速度を調節する。さらにピストン４の冠面には、前記タンブル流１９を整流及び保存性を向上するための湾曲の溝を形成する。
【００４０】
このような構成の筒内噴射式内燃機関を用いることにより、燃料噴射弁１０から噴射された燃料は、あらかじめ燃焼室に形成されてタンブル流１９により点火プラグ周辺に搬送され、クランキングから成層燃焼を実現することができる。その結果図１４に示すとおり、均質燃焼時と比べ大幅に未燃ＨＣの排気量を低減することができる。なお、機関回転数が吹き上がるまでの期間においては、燃焼室内に吸入される空気量が少ないため、燃料噴霧の一部が点火プラグ方向に噴射されるような噴霧を噴射する燃料噴射弁を用いるのが望ましい。
【００４１】
以上の説明から理解されるように、本実施例では、未燃ＨＣ及びスモークを低減しつつ、排気温度を上昇する第１燃焼制御と、未燃ＨＣを触媒に供給して触媒内で燃焼させる第２燃焼制御を触媒温度に基づき最適なタイミングで切り換えることにより、触媒の活性化時間の大幅な短縮が可能である。
【００４２】
また、本実施例では、始動から成層燃焼を実現することが可能であるため、クランキングから触媒活性化のため燃焼制御を行うまでの運転期間に排出される未燃ＨＣを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施形態における筒内噴射式内燃機関の斜視概念断面図。
【図２】本発明の実施形態における筒内噴射式内燃機関のシステム構成。
【図３】本発明の実施形態における始動時の燃焼制御方法の概要。
【図４】触媒温度と浄化率の関係。
【図５】本発明の実施形態における制御フローチャートを示す。
【図６】本発明の実施形態における始動時の水温を考慮した燃焼制御方法の概要。
【図７】本発明の代表的な実施形態における燃料噴射制御方法。
【図８】圧縮行程と膨張行程初期の２回噴射時における燃焼メカニズム。
【図９】本発明の実施形態における第２燃料噴射時期を変化させた場合の排気温度、未燃ＨＣ及びスモークの特性。
【図１０】本発明の実施形態における膨張行程初期に噴射する第２噴射燃料の最適な形態。
【図１１】本発明の実施形態における膨張行程初期に第２燃料噴射を行う場合の一例としての燃焼噴射方法。
【図１２】本発明の実施形態における排気中の酸素濃度と第２燃料噴射パルス幅の関係。
【図１３】本発明の実施形態における最適な筒内噴射式内燃機関の斜視概念断面図。
【図１４】始動時における均質燃焼時と成層燃焼時に燃焼室から排出される未燃ＨＣ排出量。
【図１５】本発明の他の実施例を示すタイムチャート。
【図１６】空気アシスト式燃料噴射弁の一例を示す図面。
【図１７】（ａ）圧力変化の影響を受け難い噴射弁を用いた場合のシステムを示す図面。（ｂ）噴霧の形状を示す断面図。（ｃ）噴射弁の要部断面図。
【符号の説明】
【００４４】
１…内燃機関本体、２…シリンダブロック、３…シリンダヘッド、４…ピストン、５…燃焼室、６…吸気管、７…排気管、８…吸気弁、９…排気弁、１０…燃料噴射弁、１１…点火プラグ、１２…コンロッド、１３…排気浄化装置、１３ａ…三元触媒、１３ｂ…ＮＯｘ触媒、１４…酸素濃度センサ、１５…触媒温度センサ、１６…ＥＣＵ、１７…整流板、１８…分流弁、１９…タンブル流。
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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