(57)【要約】【課題】エンジン始動時における排気の清浄性を達成する。【解決手段】火花点火式内燃機関において、排気圧を制御するため排気管に設けられた排気絞り弁２８を備え、排気浄化触媒が活性化温度以下のエンジン始動時には、エンジン制御部２００の制御により、燃料と空気との予混合燃焼（第１燃焼）を実行し、その膨張行程中に、筒内に燃料を供給して後燃え燃焼（第２燃焼）を実行し、また排気絞り弁を制御して排気圧を上昇させる。予混合燃焼によりＮＯｘの低減を実現し、第２燃焼を実行することで排気温度上昇と残存燃料（ＨＣ）を低減し、排気圧上昇により第２燃焼によって発生する煤を低減し、始動時におけるＮＯｘ、ＨＣ、煤の全てを低減する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
火花点火式内燃機関であって、
気筒に燃料を供給するための燃料噴射弁と、
排気圧を制御するため排気管に設けられた排気絞り弁と、
エンジン制御部と、を備え、
エンジン始動時において、
前記エンジン制御部の制御により、
燃料と空気との予混合燃焼を実行し、
該予混合燃焼による膨張行程中に、前記気筒内に燃料を供給して後燃え燃焼を実行し、
さらに、前記排気絞り弁を制御して排気圧を上昇させることを特徴とする火花点火式内燃機関。
【請求項２】
請求項１に記載の火花点火式内燃機関において、
前記燃料噴射弁は吸気管に設けられ、前記予混合燃焼では、空気と、前記吸気管に噴射された燃料との混合気を燃焼させ、
前記後燃え燃焼は、前記膨張行程途中に筒内噴射弁から前記気筒内に燃料を噴射して実行することを特徴とする火花点火式内燃機関。
【請求項３】
請求項１に記載の火花点火式内燃機関において、
前記燃料噴射弁は筒内噴射弁であり、前記予混合燃焼では、空気と、吸気行程中に筒内噴射された燃料との混合気を燃焼させることを特徴とする火花点火式内燃機関。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の火花点火式内燃機関において、
前記予混合燃焼は、空気過剰率１．１５以上の希薄燃焼であり、
前記後燃え燃焼と前記予混合燃焼との合計の空気過剰率は、１から１．１までの間の弱希薄であることを特徴とする火花点火式内燃機関。
【請求項５】
請求項４に記載の火花点火式内燃機関において、
前記予混合燃焼は、空気過剰率１．７以下の希薄燃焼であることを特徴とする火花点火式内燃機関。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の火花点火式内燃機関において、
前記後燃え燃焼における燃料の供給時期は、圧縮上死点後５０°から１８０°であることを特徴とする火花点火式内燃機関。
【請求項７】
請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の火花点火式内燃機関において、
前記排気圧は、ゲージ圧で１０ｋＰａ以上であることを特徴とする火花点火式内燃機関。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の火花点火式内燃機関において、
前記排気圧は、ゲージ圧で１００ｋＰａ以下であることを特徴とする火花点火式内燃機関。
【請求項９】
請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の火花点火式内燃機関において、
さらに排気圧センサを備え、前記エンジン制御部は、前記排気圧センサの検出する排気圧が所定の排気圧となるように前記排気絞り弁を制御することを特徴とする火花点火式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジン始動時の排気ガスの清浄性向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気を、搭載した触媒によって排気浄化する車両においては、有害排気組成の大部分は、内燃機関の始動直後から触媒の温度が上昇し化学反応活性が得られるまでの期間に排出される。有害組成の超低排出化を目指すためには、始動直後から触媒活性化までの期間を縮めること、および、始動直後から触媒活性化までの期間に排出される有害組成の濃度を低下させること、この二つの内容を同時に達成することが必要である。
【０００３】
始動から触媒活性化までの時間を短縮する方法については、触媒を電気ヒータなどにより直接加熱することが有効であるが、車両のコストや効率を勘案するとその採用は望ましくない。
【０００４】
下記特許文献１、２には、始動直後から触媒活性化までの期間に排出される有害組成のうち、ＨＣについては、一旦吸着剤に吸着し触媒が活性化してから触媒で処理する方法が提案されている。これらの文献に記載された技術は、主にアルコール燃料のように沸点が高く揮発し難い燃料を使う車両の始動時において、未燃で排出される燃料を排気系で一時的に吸着し車外への放出を低減しようとするものであり、近年、車両の低エミッション化が極めて厳しく求められる社会状況の中で見直されつつある。
【０００５】
一方、ＮＯｘについては、車両で使用できる水準の吸着技術が開発されておらず、内燃機関の運転条件をＮＯｘ排出の少ない条件に設定する必要がある。
【０００６】
また、始動直後から触媒活性化までの期間における有害組成濃度の低下については、空燃比や点火時期などの運転条件を通常の運転状態とは大きく異なる設定にすることにより達成される場合もあるが、車両の走行性能を損なわないような条件でこれを達成することが望ましい。
【０００７】
例えば、特許文献３には、触媒の活性化を早める方法として、筒内噴射式ガソリンエンジンの特徴を生かして始動直後の排気温度を高める方法が記述されている。
【０００８】
この方法では、膨張行程において主燃焼が終了する前に、補助燃料を噴射して、燃焼させ排気温度を上げている。具体的には、既燃ガスの温度エネルギが補助燃料の着火に十分な状態にある主燃焼の期間中に、補助燃料を噴射し、補助燃料の燃焼が主燃料の火炎伝播に継続して起こるようにすることにより、補助燃料に対して新たな着火動作を行わずに補助燃料を燃焼させている。なお、補助燃料の噴射を２回以上行うことにより、燃焼を継続させる方法も記述されている。
【０００９】
【特許文献１】特開昭６２−１８９３０９号公報
【特許文献２】特開昭６３−２３５６１６号公報
【特許文献３】特許第２９５９７４８号
【特許文献４】特許第３０５２８５６号
【特許文献５】特許第３２５７４３０号
【特許文献６】特開２００３−２０１８３８号公報
【特許文献７】特開２００２−３３９７３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、上記特許文献３の方法では、主燃焼が継続している（即ち、主燃焼が終了する以前の）膨張行程において、比較的早期に補助燃料を噴射する必要があり、燃焼を継続させるため大量の補助燃料を噴射する必要がある。また、この補助燃料の燃焼に必要な酸素を残存させるため、主燃焼の空燃比を予混合燃焼より大幅に（空燃比で倍以上）リーン側に設定する必要があり、主燃焼について燃焼を成立させるためには、実質的に成層燃焼にせざるを得ず、主燃焼からは予混合燃焼に比べ多量のＮＯｘが発生してしまうことになる。また、このような早期の噴射では大量のスモークを発生することになる。
【００１１】
さらに、特許文献３の方法では、補助燃料噴射の燃焼開始を主燃焼に依存しているため、補助燃料の噴射を膨張行程の比較的早期に噴射する必要があり、この結果、補助燃料の燃焼エネルギが温度上昇のみならず膨張仕事にも回るため、排気温度を確実に上げるためには膨張仕事に回ってしまう分を余分に噴射する必要があった。
【００１２】
特許文献４及び特許文献５に記載の技術では、上記のような余分な燃料消費を回避するため、主燃焼を成層燃焼とし、補助燃料を追加噴射する場合には、成層燃焼が緩慢になる制御を行う。これにより、排気温度を高めると共に、追加補助燃料に対して燃焼直前連鎖反応を推進するのに必要な科学種（ＣＨＯ、Ｈ2Ｏ2、ＯＨ等）を増加させている。追加補助燃料は、自己着火しやすい状態で排気通路内を移動し、反応を進めながら更に自己着火しやすい状態へ変化し、主燃焼の火炎伝播未達により既に残存する前反応生成物（ＣＨＯ、Ｈ2Ｏ2、ＯＨ等）との総和が自己着火の限界濃度に達した時点で自己着火が起こり始める。
【００１３】
この方法により、追加補助燃料は、主燃焼の火炎伝播が終わった後、点火源なしで自己着火することが可能となる。追加補助燃料噴射時期について、特許文献３では＋１０°〜＋８０°ＡＴＤＣ（上死点後）において行う必要があったが、これを＋９０°〜１００°ＡＴＤＣ付近の膨張行程中期以降に噴射することが可能となり、結果として特許文献３の技術よりも補助燃料の内排気温度上昇に使われる分が増え、更に少ない補助燃料で同じ目的を達成することが可能となっている。
【００１４】
しかしながら、この方法においても、特許文献３と同様に追加燃料の着火時点で多くの酸素を必要とし、主燃焼を成層燃焼とすることが必要である。このため主燃焼から予混合燃焼に比べて多量のＮＯｘが発生してしまう。したがって、特許文献４及び５の何れにおいても、ＮＯｘ発生の問題を解決することができない。
【００１５】
本発明は、排気浄化触媒を備える内燃機関において、触媒機能が十分でないエンジン始動時において、排気の清浄化を実現する。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、火花点火式内燃機関であって、気筒に燃料を供給するための燃料噴射弁と、排気圧を制御するため排気管に設けられた排気絞り弁と、エンジン制御部と、を備え、エンジン始動時において、前記エンジン制御部の制御により、燃料と空気との予混合燃焼を実行し、該予混合燃焼による膨張行程中に、前記気筒内に燃料を供給して後燃え燃焼を実行し、さらに、排気絞り弁を制御して排気圧を上昇させる。
【００１７】
本発明の他の態様において、前記燃料噴射弁は、吸気管に設けられた吸気管噴射弁又は、筒内噴射弁を採用することができる。なお、筒内噴射弁からの燃料によって予混合燃焼する場合には、吸気行程中に筒内に燃料噴射する。また、後燃え燃焼は、筒内噴射弁から前記気筒内に燃料を筒内噴射して実行することができる。
【００１８】
本発明の他の態様では、上記火花点火式内燃機関において、前記予混合燃焼は、空気過剰率１．１５以上の希薄燃焼とできる。また、上限は、空気過剰率１．７で、それ以下とすることができる。
【００１９】
本発明の他の態様において、上記後燃え燃焼と上記予混合燃焼との合計の空燃比は、理論空燃比（空気過剰率１）から空気過剰率１．１までの間の弱希薄とすることができる。
【００２０】
本発明の他の態様では、上記火花点火式内燃機関において、前記後燃え燃焼における燃料の供給時期は、圧縮上死点後５０°から１８０°とすることができる。
【００２１】
また、本発明の他の態様において、前記排気圧は、ゲージ圧で１０ｋＰａ以上とすることができる。上限は１００ｋＰａとすることができる。
【００２２】
また、本発明の他の態様において、上記内燃機関は、さらに排気圧センサを備え、前記エンジン制御部は、前記排気圧センサの検出する排気圧が所定の排気圧となるように前記排気絞り弁を制御する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明では、エンジンの始動時において予混合燃焼を実行することでＮＯｘ排出量を低減でき、その膨張行程中に後燃え燃焼を行うことでＮＯｘを増加させることなく、炭化水素系物質（燃料の燃え残り）排出量を低減し、排気温度の上昇を実現する。さらに、排気圧を高めることで、煤の発生も抑制することができ、排気浄化触媒の温度が低いエンジン始動時であっても、ＨＣ，ＮＯｘ，煤等の何れについてもその排出の低減が可能となる。また、排気温度を上昇させることができることから、排気浄化触媒の活性化の迅速化を図ることも可能である。
【００２４】
また予混合燃焼は、希薄燃焼とすることでＮＯｘ排出量の大幅な低減を実現することができる。
【００２５】
さらに、本発明のようなエンジン始動時の排気浄化運転のための制御は、排気温度を上げるために、特別にエンジン回転数を上昇させたり、あるいは点火時期を大幅に遅角したりする必要はなく、通常時と運転状況に大きな差が無く、車両の走行性能を損ねることを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態（以下、実施形態）について説明する。なお、以下では燃料としてガソリンを例に説明するが、ガソリンに限らず、他の火花点火式内燃機関用の液体燃料を用いても同様な効果を得ることができる。この他の液体燃料としては、例えば、イソオクタン、ヘプタン等の液体炭化水素燃料や、メタノール、エタノール等の有機化合物液体燃料、或いはこれらを混合した燃料があげられる。
【００２７】
図１は、本実施形態に係る内燃機関の概略構成を示している。この内燃機関では、気筒１０の上部に吸気弁１４、排気弁１８、点火プラグ１６を備える。気筒に連結された吸気管２０には、その吸気ポート付近に燃料噴射弁２４が設けられ、また排気管３０には、排気絞り弁２８が設けられ、後述するエンジン始動時において排気圧を制御する。また、気筒１０には、筒内噴射弁２６が設けられ、後述する後燃え燃焼のための追加の燃料噴射を行う。
【００２８】
エンジン制御部（ＥＣＵ）２００は、例えば、エンジン回転数、クランク角度、吸入空気量、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）、排気圧等を検知して、吸気管燃料噴射弁２４、点火プラグ１６等を制御すると共に、さらに、筒内噴射弁２６及び排気絞り弁２８の制御も実行する。なお、排気圧の検知は、図１に示すように排気管３０の排気経路中に設けられた排気圧センサ３４によって実行することができる。
【００２９】
ここで、エンジン始動時（冷間始動時）は、排気管３０の排気経路に設けられる排気浄化触媒３２の温度が低く、その触媒機能が活性化していないことがある。特に、始動時の外気温が低いような環境では、この触媒温度を上昇させるのに時間を要し、冷間始動時には触媒による排気の清浄が期待できない。しかし、本実施形態では、このようなエンジン始動時（冷間始動時）において、第１燃焼（予混合燃焼）と、第２燃焼（後燃え燃焼）及び排気圧上昇を実行することで、排気浄化触媒の低活性時における排気ガスの浄化を達成する。以下、図２の動作説明図と図３のフローチャートを参照し、このエンジン始動時における排気浄化運転について説明する。
【００３０】
イグニッションスイッチがオンとなるとエンジン制御部２００は、ラジエータの水温や排気浄化触媒温度等を検知して、排気浄化運転が必要な始動時（冷間始動時）かどうかを判断する（Ｓ１）。排気浄化触媒温度の活性化温度（一例として２００〜２５０℃）未満の場合や、ラジエータ水温が９０℃未満の所定温度（例えば、４０℃以下）の時には、排気浄化触媒３２が十分な浄化機能を発揮できない冷間始動時と判断し（Ｙｅｓ）、排気浄化運転を行う（Ｓ２）。始動時の温度が十分高ければ、排気浄化触媒が始動当初から機能するため（判断：Ｎｏ）、この場合には、エンジンは最初から通常モードでの運転を行う（Ｓ３）。
【００３１】
温度が低く排気浄化運転の実行が必要と判断した場合、まず、第１燃焼として予混合燃焼を実行する。この予混合燃焼は、吸気管２０の燃料噴射弁２４から吸気ポートへガソリンなどの燃料を噴射し、図２（ａ）に示すように、気筒１０内で燃料と空気との混合気に対し、点火プラグ１６により火花点火を行って実行する。この予混合燃焼では、ＮＯｘの低減が可能であり、希薄燃焼とすることでさらにＮＯｘ排出量を低減することができる。詳しくは後述するが、より具体的には、空気過剰率１．１５以上（空燃比はガソリン燃料の場合で１７以上）とすることが有効であり、後燃え燃焼を実現するために適切な筒内ガス（燃焼ガス）温度を得るために空気過剰率１．７以下（空燃比はガソリン燃料の場合２５以下）とすることが好適である。なお、空気過剰率１は、理論空燃比に等しい。
【００３２】
次に、第２燃焼として後燃え燃焼が行われる。この第２燃焼は、上記予混合燃焼の膨張行程途中において実行され、エンジン制御部２００の制御のもと、図２（ｂ）に示すように、燃焼ガス中に、筒内噴射弁２６から所定量の燃料を筒内噴射することで行われる。この膨張行程途中、つまり混合気の燃焼中又は燃焼終了後に、筒内に追加して供給される燃料は、燃焼ガスの熱により自動的に着火して燃焼する（後燃え燃焼）。この後燃え燃焼により、排気温度は上昇し、また、筒内噴射にて過濃状態で供給されるため、ＮＯｘ濃度を上昇させることなく、予混合燃焼（特に希薄予混合燃焼）において燃え残った燃料及びＨＣ（炭化水素系物質）の燃焼を促進させることができる。ここで、適正な排気温度と、燃え残りの低減とを両立させるために、予混合希薄燃焼と、後燃え燃焼との合計の空燃比が、空気過剰率１（理論空燃比）から空気過剰率１．１（空燃比１６）程度までの弱希薄燃焼とすることが好適である。
【００３３】
次に、エンジン制御部２００は、図２（ｃ）に示すように、少なくとも排気行程において排気絞り弁２８を制御して気筒１０から排気管に流出する排気を絞ることで、排気管３０及び気筒１０内の排気圧を上昇させる。このように排気圧を上昇させることで、排気温度はさらに上昇し、また排気管内のガス密度が上昇するために、排気管内での排気ガスの反応性が向上し、ＨＣと、煤とを再燃焼させることが可能となり、排気ガスにおけるＨＣ濃度だけでなく、煤濃度を低減することが可能となる。なお、排気圧は、後述するように、ゲージ圧で、例えば１０ｋＰａ〜１００ｋＰａ程度とすることが好適である。
【００３４】
排気行程の後、吸気弁１４が開き、次の吸気行程に移行すると、再び気筒１０内には、吸気ポートに噴射された燃料と空気との混合気が供給され、この混合気に点火プラグ１６によって火花点火が行われ（予混合燃焼）、後燃え燃焼、排気絞りが繰り返される。
【００３５】
冷間動作時の排気浄化運転は、例えば予め設定した時間の経過後に自動終了し、通常運転に移行してもよいし、エンジン制御部２００が排気浄化触媒温度が活性温度となったことを検知して通常運転に移行しても良い（冷間始動終了判断：Ｓ４）。ここで、通常運転としては、理論空燃比付近での予混合燃焼運転を採用しても良いし、筒内への燃料直接噴射による成層燃焼等を用いた希薄燃焼運転を採用することも可能である。
【００３６】
以上のような排気浄化運転により、本実施形態では、冷間動作時においてＮＯｘの排出量、ＨＣ，ＮＯｘ，煤（スモーク）等の何れについてもその排出を低減することが可能となる。
【００３７】
また、図１では、予混合燃焼において、吸気管２０に設けられた吸気管燃料噴射弁２４から燃料を噴射しているが、図４に示すように、燃料噴射弁として、筒内噴射弁３６を採用することも可能である。図４のエンジン構成では、吸気管には燃料噴射弁を設けておらず、筒内噴射弁３６のみである点で図１のエンジン構成と異なるが、他の構成は図１と共通する。図４のエンジン構成では、吸気行程において、筒内噴射弁３６から筒内に燃料を噴射し、筒内で、吸気管２０から吸気弁１４を介して供給される空気との混合気を形成して、点火プラグ１６で着火することで予混合燃焼（第１燃焼）を実行する。また、第２燃焼（後燃え燃焼）時には、同じ筒内噴射弁３６から追加の燃料を筒内に噴射して供給し、過濃状態での燃焼を実行する。もちろん、排気管３０には、図１と同様、排気絞り弁２８が設けられており、排気圧が高められる構成が採用されている。この図４に示すような構成によっても、エンジンの冷間始動時における排気浄化運転を可能としている。
【００３８】
次に、図５〜図９を参照し、本実施形態の排気浄化運転についてそのメカニズムの観点から説明する。
【００３９】
（予混合希薄燃焼、後燃え燃焼及び排気絞りの意義）
図５（ａ）は、運転条件（ｉ）〜（ｉｖ）と、ＮＯｘ排出量、ＨＣ排出量との関係、図５（ｂ）は、運転条件（ｉ）〜（ｉｖ）と排気温度、スモーク（煤）濃度との関係を示している。
【００４０】
運転条件（ｉ）は通常のエンジンの運転条件であり、具体的には、予混合燃焼と点火遅角を行い、予混合燃焼の空燃比は、理論混合比（理論空燃比）〜やや希薄条件で運転する場合である。
【００４１】
運転条件（ｉｉ）では予混合希薄燃焼を行っている。運転条件（ｉｉｉ）では、予混合希薄燃焼と後燃え燃焼を実行しており、運転条件（ｉｖ）では、本実施形態のように、予混合希薄燃焼、後燃え燃焼及び排気絞りを実行している。
【００４２】
図５（ａ）、図５（ｂ）に示されるように、予混合燃焼（ｉ）を予混合希薄燃焼（ｉｉ）とすることで、排気中の煤（スモーク）濃度を増加させることなく、ＮＯｘ排出量を大幅に低減することができる。しかし、このような希薄の燃焼状態では、ＮＯｘの排出量を低減することはできるが、排気温度の低下は避けられず、排気中の燃料の燃え残り成分（ＨＣ）濃度が増大する。なお、希薄条件で燃焼させた場合であっても、予混合燃焼ではなく、成層燃焼とすると、ＮＯｘ排出量は増大する。
【００４３】
これに対し、運転条件（ｉｉｉ）に示されるように、予混合希薄燃焼と後燃え燃焼を実行することで、排気温度を上昇させることができ（図５（ｂ）参照）、また、ＨＣ排出量については、図５（ａ）に示されるようにＨＣ排出量の許容限界値にまで低減することが可能となる。しかし、煤濃度については、図５（ｂ）に示されるように、許容限界を上回る濃度となってしまう。これは、後燃え燃焼では、膨張行程に直接噴射された燃料が、高温の筒内で、過濃（リッチ）状態で存在するためであり、ＮＯｘの増加はほとんど無いが、煤が大量に生成され、いわゆるスモークとなるためである。
【００４４】
しかし、運転条件（ｉｖ）のように、予混合希薄燃焼、後燃え燃焼に加えて排気絞りを実行すると、排気圧が上昇し、図５（ｂ）に示すように排気温度が上昇する。この排気温度の上昇と、排気圧上昇による排気管内のガス密度が上昇することとの相乗効果で排気管内の排気ガスの反応性が向上しＨＣ、及び煤の再燃焼が促進される。その結果、運転条件（ｉ）の条件（理論混合気〜やや希薄燃焼＋点火遅角）の場合と比較して、ＮＯｘ，ＨＣ，煤についてこれら全てを低減することが可能となっている。
【００４５】
（予混合燃焼の意義）
次に、本実施形態において採用する第１燃焼として予混合燃焼の意義について説明する。予混合燃焼は、筒内において燃料と空気との混合気を形成してから点火することで行う。図１のように吸気ポートに燃料噴射弁２４を設けて空気と共に筒内に吸気することで予混合燃焼を実行できる。また、図４に示すように第１燃焼のための燃料を筒内噴射弁３６によって筒内へ直接噴射する場合、吸気行程中に燃料噴射を行うことで、点火前に筒内で混合気を形成することができ、予混合燃焼を実行することができる。
【００４６】
第１燃焼を成層燃焼とした場合、トータルの空燃比が薄く、膨張行程の筒内ガス温度が低下する。よって、第二燃焼を確実に起こすためには、そのための燃料噴射時期は、膨張行程の比較的早い時期に限定される。第１燃焼が成層燃焼の場合には、噴射時期が膨張行程の余り早い時期では、燃料が点火プラグを直撃し燻りの原因になる。このように第一燃焼を成層燃焼とすると、膨張行程噴射の噴射時期自由度が著しく制限される。
【００４７】
しかし、第１燃焼として、予混合燃焼を行うことで、膨張行程の筒内ガス温度も成層燃焼と比較して高くすることが可能であるため、第２燃焼のための噴射燃料タイミングの自由度が高い。従って、第２燃焼用燃料の点火プラグ直撃の恐れも無く、それによる煤（ｓｏｏｔ）の発生を防止することも可能である。
【００４８】
（空燃比と、ＮＯｘ排出量、ＨＣ排出量、排気温度との関係）
図６は、第１燃焼における空燃比（Ａ／Ｆ）と、ＮＯｘ排出量、ＨＣ排出量、排気温度との関係を示し、図７は、第１燃焼及び第２燃焼の合計の空燃比と、ＮＯｘ排出量、ＨＣ排出量、排気温度との関係を示している。なお、図７では、第１燃焼における空燃比を２１に固定し、膨張行程中に筒内に直接噴射する燃料量を変化させることで第１及び第２燃焼の合計空燃比を変更した例である。
【００４９】
まず、第一燃焼である予混合燃焼は、図６（ａ）に示されるように、ＮＯｘ排出量を大幅に低減される推奨領域（ＮＯｘ排出限界以下）とするために、空燃比が１７以上の希薄燃焼とすることが好適である。十分なＮＯｘ低減効果を得るためは、空燃比１８以上とすることがさらに好適である。ここで、ＮＯｘ排出量は、推奨領域において、空燃比が高くなると減少するが、減少程度は小さくなっている。一方で、図６（ｂ）に示すように、空燃比が大きくなるにつれて排気温度は低下を続け、逆にＨＣ排出量は増加する。ＨＣ濃度は、第２燃焼によって低減させることは可能であるが、排気温度（筒内ガス温度）が低くなりすぎると、第２燃焼が困難になる。そこで、希薄燃焼の空燃比は、第２燃焼が実現可能な程度の排気温度が得られる値、例えば２５程度を上限とすることが好適である。
【００５０】
第２燃焼は、上記図６（ｂ）で示すように、単なる予混合希薄燃焼を実行しただけでは排気温度が低下しすぎ、またＨＣ排出量が増加することを解決するために膨張行程中に筒内への液体燃料を直接噴射することで行われる。
【００５１】
第２燃焼での燃料供給量が多いほど（図７のＡ／Ｆ値は低下）、排気温度が上昇し、ＨＣ排出量が減少する。そして、図７（ｂ）において、ＨＣ排出量が少なくかつ排気温度が高いという推奨条件を満たすのは、第一と第二の燃焼を合わせた空燃比が、理論空燃比から空燃比１６程度の弱希薄領域である。よって、第１及び第２燃焼の合計空燃比は、理論空燃比から空燃比１６程度とすることが好適である。
【００５２】
なお、図７（ａ）に示すように、第２燃焼における供給燃料量が変化しても、第１及び第２燃焼の合計空燃比が理論空燃比より希薄条件であれば、ＮＯｘ排出量は変化しない。しかし、前述の図５（ｂ）及び図８に示すように、運転条件（ｉ）、（ｉｉ）の場合と比較して、運転条件（ｉｉｉ）、つまり、予混合希薄燃焼と後燃え燃焼を行った場合、煤が発生し、この煤を低減させることが必要になる。液体燃料としてガソリン等を用いたエンジンにおいて、ディーゼルエンジンのように、排気微粒子除去装置（ＤＰＦ）を採用することで、運転条件（ｉｉｉ）で発生する煤を除去することはできるが、冷間始動時にのみ発生する煤除去のために、通常運転条件では不要のフィルタを採用することは、内燃機関のコスト上昇を招き好ましくない。これに対し、本実施形態では、排気絞りという簡易な構成によって排気圧を上昇させ、図８に示すように、通常運転と同等の濃度まで煤を低減させることができる。
【００５３】
（排気圧とＮＯｘ排出量、ＨＣ排出量、排気温度との関係）
次に、排気圧とＮＯｘ排出量、ＨＣ排出量、排気温度との関係について、図９を参照して説明する。本実施形態においては、膨張行程中の第２燃焼（後燃え燃焼）を実行後、排気行程において、排気絞りを行い、排気圧を上昇させ、また、排気圧センサ３４によってその排気圧を検知することにより、その排気圧が下記のような所定の圧力となるように制御すればよい。
【００５４】
ここで、排気温度は、図９（ａ）に示すように、排気圧（ゲージ圧）が上昇するにつれて上昇する。逆に、ＨＣ排出量と、煤濃度は、図９（ｂ）、（ｃ）に示すように、排気圧を高めることにより低下する。これは、上述のように、排気温度の上昇と、排気管内ガス密度の上昇により、ＨＣと煤の再燃焼が促進されるためである。排気圧が１０ｋＰａ以上の範囲では、煤の濃度はその許容上限濃度を下回り、またＨＣ排出量についてもその許容上限排出量を下回る。よって、排気圧が１０ｋＰａ程度以上となるように排気絞り弁２８を制御することが望ましい。
【００５５】
一方で、排気圧を１００ｋＰａ以上にすると、気筒内での残留ガスが増加し、主燃焼の温度が上がるため、図９（ｄ）に示すようにＮＯｘ排出量は急激に増加する。したがって、排気圧は、ゲージ圧で１００ｋＰａ以下に制御することが望ましい。
【００５６】
なお、排気絞り弁を備えない通常のエンジンにおいても、排気触媒、過給機などの存在により、排気圧が０ｋＰａでないこともあるが、一例として６気筒エンジンにおいて始動時の排気圧は２．５ｋＰａ程度であり、スロットルを全開にしても、始動時の回転数の範囲において、最大３ｋＰａ程度である。これに対し、本実施形態のように、冷間始動時の排気浄化運転において、十分な効果が得られる１０ｋＰａ以上の排気圧を達成するためには、排気絞り弁２８によって積極的な排気絞りを実行することが必要である。
【００５７】
（第２燃焼のための燃料噴射時期）
次に、本実施形態における第２燃焼のための燃料噴射時期について説明する。本実施形態において、第２燃焼のための燃料噴射タイミングは、以上において第１燃焼の膨張行程中と説明しているが、より具体的には、圧縮上死点後（圧縮ＡＴＤＣ）、５０°〜１８０°という広い範囲内で実行することができる。
【００５８】
膨張行程において、燃料の筒内噴射（直噴）の時期を遅らせて行くと、ピストンの下降に伴い燃焼ガスが膨張しガス温度が低下する。噴射された燃料混合気中には温度分布が存在するが、噴射燃料混合気のうち最も低温となる部分が自着火温度以下になると、その部分は着火困難で燃焼に至らずそのまま排出されるようになる。この燃料は排気温度上昇に寄与しないだけでなく、未燃ＨＣの急増にも繋がる。これが燃料噴射時期を遅らせることの障害となる。
【００５９】
しかし、本実施形態では、排気絞りによって排気圧を上昇させるため、排気絞りがない場合に比べ、排気管だけでなく膨張行程の途中から排気行程中のシリンダ内の温度・圧力が高くなる。圧力増加はガス密度上昇に繋がるため、温度上昇と併せてガスの反応性が大幅に向上することになる。
【００６０】
これにより、本実施形態では、単に予混合希薄燃焼と後燃え燃焼のみを実行するような技術では着火困難な噴射時期に設定した場合でも、噴射燃料は着火可能となる。例えば、上述の特許文献３に開示された主燃焼に続く燃焼のための補助燃料供給期間は、圧縮上死点後１０°〜８０°（主燃焼が終了する前）である。また、特許文献４及び５等に開示された主燃焼後の追加燃焼は、圧縮上死点後９０°〜１００°である。これに対し、本実施形態では、圧縮上死点後１００°〜１８０°というこれら従来の噴射タイミングでは設定することが困難な範囲まで、第２燃焼のための燃料噴射を行うことができる。
【００６１】
また、逆に第２燃焼の噴射時期を進めると、ガス温度が高いため噴射された燃料が、すぐに（気筒内で十分広がる前に）着火し、局所的に非常に燃料リッチな状態で燃焼することになり、煤がより発生しやすくなる。しかし、本実施形態では、排気絞りによりガスの反応性が向上しているため、大量に煤が発生しても再燃焼が容易になる。従って、第２燃焼のための燃焼噴射タイミングは、圧縮上死点後の非常に早い時期から、膨張行程の最終時期までの極めて広い範囲内に、自由に設定することができる。なお、特許文献２に開示されている補助燃焼供給期間の内、圧縮上死点後１０°〜５０°の期間は、本実施形態でもこのような期間に噴射することは不可能ではないが、主燃焼が活発な時期に当たり、極端に大量の煤が発生する。従って、圧縮上死点後５０°以前に第２燃焼のための燃料噴射を実行する意義は低い。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施形態に係る内燃機関の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る運転方法を説明する図である。
【図３】本発明の実施形態に係る運転方法を説明するフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態に係る内燃機関の図１とは別の概略構成を示す図である。
【図５】エンジンの運転条件と、ＮＯｘ排出量、ＨＣ排出量、排気温度及び煤濃度との関係を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係る第１燃焼の空燃比と、ＮＯｘ排出量、ＨＣ排出量及び排気温度との関係を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係る第１燃焼及び第２燃焼の合計の空燃比と、ＮＯｘ排出量、ＨＣ排出量及び排気温度との関係を示す図である。
【図８】運転条件と発生煤濃度との関係を示す図である。
【図９】本発明の実施形態に係る排気圧と、ＮＯｘ排出量、ＨＣ排出量及び排気温度との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００６３】
１０  気筒、１２  ピストン、１４  吸気弁、１６  点火プラグ、１８  排気弁、２０  吸気管、２４  燃料噴射弁（吸気管燃料噴射弁）、２６，３６  筒内噴射弁、２８  排気絞り弁、３０  排気管、３２  排気浄化触媒、３４  排気圧センサ、２００  エンジン制御部（コントローラ）。
【図１】
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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２】
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