(57)【要約】【課題】  触媒暖機運転等においてスモ−クの発生量の増加という問題を抑制できる筒内直接噴射式エンジンを提供する。【解決手段】  エンジン１は、燃焼室７と、点火プラグ９と、燃料噴射弁１０と、ピストン８と、コントロールユニット２１とを備える。点火プラグ９および燃焼噴射弁１０は、燃焼室７の上部の略中央に位置する。ピストン８の冠面の略中央には、内側キャビティ８ｂが形成されている。コントロールユニット２１は、触媒暖機運転時に、圧縮行程において燃料噴射弁１０から内側キャビティ８ｂへ向けて燃料を噴射させ、内側キャビティ８ｂ内および内側キャビティ８ｂの上空の領域だけに、理論空燃比よりもリッチな空燃比の所定混合気を形成させ、点火プラグにより点火燃焼させる。【選択図】      図１
2005113885.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室と、
前記燃焼室内の混合気に点火する点火プラグと、
前記燃焼室の上部の略中央に位置し、前記燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、
キャビティが冠面の略中央に形成されたピストンと、
前記燃焼室から排出される排気ガスの温度を高めることが要求される所定運転時に、圧縮行程において前記燃料噴射弁から前記キャビティへ向けて燃料を噴射させて前記キャビティ内および前記キャビティの上空の領域だけに理論空燃比よりもリッチな空燃比の所定混合気を形成させ、前記所定混合気を前記点火プラグにより点火燃焼させる、制御装置と、
を備える内燃機関。
【請求項２】
前記キャビティは、少なくとも、内側キャビティと、前記内側キャビティの周りに位置する外側キャビティとに分かれており、
前記制御装置は、前記所定運転時には、圧縮行程において前記燃料噴射弁から前記内側キャビティへ向けて燃料を噴射して前記内側キャビティ内および前記内側キャビティの上空の領域だけに前記所定混合気を形成させる、
請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記点火プラグは、前記燃焼室の上部の略中央に配置されており、前記所定運転時に形成される前記所定混合気が存在する領域に位置する、
請求項１又は２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記制御装置は、前記所定運転時には、圧縮行程において前記燃料噴射弁から前記キャビティへ向けて燃料を噴射させて、前記キャビティ内および前記キャビティの上空の領域だけに理論空燃比よりもリッチな空燃比の所定混合気を形成させるとともに、前記所定混合気の周りに理論空燃比よりもリーンな空燃比の混合気あるいは燃料を含まない空気を形成させる、
請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関。
【請求項５】
前記制御装置は、通常運転時ならば前記燃料噴射弁から前記外側キャビティ内に燃料を噴射させるような燃料量の場合においても、前記所定運転時には、前記燃料噴射弁から前記内側キャビティ内に燃料を噴射させる、
請求項２に記載の内燃機関。
【請求項６】
前記制御装置は、前記所定運転時には、通常運転時に較べ燃料量を増やして前記燃料噴射弁から前記キャビティ内に燃料を噴射させることによって、前記所定混合気の空燃比を理論空燃比よりもリッチにする、
請求項１から５のいずれかに記載の内燃機関。
【請求項７】
前記制御装置は、前記所定運転時には、通常運転時に較べ燃料噴射の時期を遅角化させて前記燃料噴射弁から前記キャビティ内に燃料を噴射させることによって、前記所定混合気の空燃比を理論空燃比よりもリッチにする、
請求項１から６のいずれかに記載の内燃機関。
【請求項８】
前記燃焼噴射弁は、噴霧する燃料の噴霧方向を変えることができ、
前記制御装置は、前記所定運転時には、通常運転時に較べ前記燃焼噴射弁による燃料の噴霧方向を変えて前記燃料噴射弁から前記内側キャビティ内に燃料を噴射させることによって、前記所定混合気の空燃比を理論空燃比よりもリッチにする、
請求項２に記載の内燃機関。
【請求項９】
前記制御装置は、前記所定運転時には、圧縮行程において前記燃料噴射弁から前記内側キャビティへ向けて燃料を噴射させるとともに、さらに吸気行程において前記燃料噴射弁から前記内側キャビティへ向けて燃料を噴射させて、前記点火プラグによる点火時において前記内側キャビティ内および前記内側キャビティの上空の領域だけに前記所定混合気を形成させる、
請求項２に記載の内燃機関。
【請求項１０】
前記所定運転時は、前記排気ガスを清浄化するための触媒を暖機する必要がある時である、
請求項１から９のいずれかに記載の内燃機関。
【請求項１１】
前記制御装置は、前記所定運転時には、前記触媒の暖機度合いに応じて、前記所定混合気の空燃比のリッチ度合いを変化させる、
請求項１０に記載の内燃機関。
【請求項１２】
前記制御装置は、前記所定運転時には、燃焼室内の平均空燃比が約１５〜１７となるように吸入空気量を制御する、
請求項１から１１のいずれかに記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関、特に、筒内直接噴射式の内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、エンジン（内燃機関）の熱効率は、一般に、低速回転・高負荷運転領域で良く、低負荷運転領域や高速回転運転領域になるほど悪くなる。このようなエンジンの熱効率を改善するための手法として、スロットル開度を大きくしてポンプ損失（絞りによる損失）を低減するとともに、混合気の空燃比をリーン化することで作動ガスの比熱比を大きくして、理論熱効率を向上する手法が知られている。
【０００３】
しかしながら、従来のエンジンでは、空燃比をリーン化すると燃焼期間が長期化して燃焼安定度が悪化するため、空燃比のリーン化には限界がある。
【０００４】
このような燃焼安定度の悪化を避けながら空燃比をリーン化するエンジンとして、筒内直接噴射式エンジンが実用に供されている。このエンジンでは、圧縮行程後期に燃料を筒内（燃焼室内）に直接噴射することで、成層混合気を形成し、点火プラグ近傍領域の空燃比を局所的に燃焼可能なレベルにし、それ以外の領域の空燃比を小さくする。これにより、安定的な燃焼が行われるとともに、筒内をトータルで見ると大幅な空燃比のリーン化が実現することになる。このようなエンジンを採用すれば、低速回転・低負荷運転領域における熱効率の向上を図ることができる。例えば、特許文献１に、筒内直接噴射式エンジンが開示されている。
【特許文献１】特開平１０−１６９４８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に示されている筒内直接噴射式エンジンでは、排気ガスの温度を上昇させる必要があるときに、点火プラグの周りに局所的に理論空燃比よりもリッチな空燃比の混合気を形成させ、この混合気を点火燃焼させている。このようにすることで、混合気の不完全燃焼が起こり、それによって発生したＣＯが周りに拡散する過程で周囲の酸素（局所的にリッチな空燃比の混合気を取り巻いていた空気中の酸素）と反応して再燃焼する。すると、発生時期の遅い再燃焼によって生じる熱が、エンジン出力に変換されることなく、排気ガスの温度を上昇させることになる。
【０００６】
このように、特許文献１の技術を利用すれば、筒内直接噴射式エンジンにおいて、排気通路に配設した排気浄化装置（以下、触媒という。）を暖機する触媒暖機運転などを行うときに、排気ガスの温度をうまく上昇させることができる。
【０００７】
ところで、特許文献１に開示されているエンジンでは、燃料噴射弁を燃焼室の上部の周辺部分に配置しており、点火プラグの周りに局所的に理論空燃比よりもリッチな空燃比の混合気を形成させる場合には、燃料噴射から点火までの時間を極めて短くする必要が生じる。すなわち、燃焼室の上部の周辺部分に配置した燃料噴射弁からピストンの冠面へ向けて燃料を噴射し、ピストンの冠面の形状によって噴霧状態の燃料を点火プラグ近傍へ導く構造の筒内直接噴射式エンジンでは、噴射後の燃料が時間の経過とともに拡散し易いため、局所的にリッチな空燃比の状態で混合気を燃焼させるには、燃料噴射から点火までの時間を極めて短くする必要が生じる。
【０００８】
しかし、燃料噴射から点火までの時間が短くなると、ピストンの冠面に付着した燃料の気化が点火までに間に合わなくなり、スモ−クの発生量が増加するという問題がある。
【０００９】
本発明の目的は、このようなスモ−クの発生量の増加という問題を抑制できるエンジン（内燃機関）を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る内燃機関は、燃焼室と、点火プラグと、燃料噴射弁と、ピストンと、制御装置とを備えている。点火プラグは、燃焼室内の混合気に点火する。燃焼噴射弁は、燃焼室の上部の略中央に位置し、燃焼室内に直接燃料を噴射する。ピストンは、燃焼室内の混合気の爆発によって往復動するものであり、その冠面の略中央にキャビティが形成されている。制御装置は、燃焼室から排出される排気ガスの温度を高めることが要求される所定運転時に、圧縮行程において燃料噴射弁からキャビティへ向けて燃料を噴射させて、キャビティ内およびキャビティの上空の領域だけに、理論空燃比よりもリッチな空燃比の所定混合気を形成させる。また、制御装置は、こうして形成させた所定混合気を、点火プラグにより点火燃焼させる。
【００１１】
このように、燃焼室の上部の略中央に燃料噴射弁を配置し、ピストンの冠面の略中央に形成されたキャビティへ向けて燃料を噴射させる内燃機関の構成では、キャビティ内およびキャビティの上空の領域に燃料を比較的長時間保持することができる。このため、所定運転時において理論空燃比よりもリッチな空燃比の所定混合気を形成させる場合にも、燃料噴射から点火までの時間を長く取ることができ、スモークの発生を抑制することができるようになる。
【００１２】
また、所定運転時において外側キャビティではなく内側キャビティの中および内側キャビティの上空の領域だけに理論空燃比よりもリッチな空燃比の所定混合気を形成する構成とした場合には、その所定混合気の周りの領域に十分な量の酸素を残存させることができるようになるため、理論空燃比よりもリッチな空燃比の所定混合気の燃焼において発生するＣＯを、良好に再燃焼させることができる。これにより、燃焼室から排出される排気ガスの温度をより効果的に高めることが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る内燃機関では、燃焼室の上部の略中央の燃料噴射弁からピストンの冠面の略中央のキャビティへ向けて燃料を噴射させる構成としているため、所定運転時において理論空燃比よりもリッチな空燃比の所定混合気を形成させる場合にも、燃料噴射から点火までの時間を長く取ることができ、スモークの発生を抑制することができるようになる。
【００１４】
また、所定運転時において外側キャビティではなく内側キャビティの中および内側キャビティの上空の領域だけに理論空燃比よりもリッチな空燃比の所定混合気を形成する構成とした場合には、燃焼室から排出される排気ガスの温度をより効果的に高めることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
＜エンジンの概略構成および動作＞
本発明の一実施形態に係るエンジン（内燃機関）およびその制御装置を、図１に示す。
【００１６】
エンジン１は、吸気通路２、燃焼室７、排気通路１２、電制スロットル５、吸気バルブ６、排気バルブ１１、点火プラグ９、燃料噴射弁１０、コントロールユニット（制御装置）２１などから構成されている。
【００１７】
吸気通路２は、燃焼室７に空気を吸入させるための通路であり、エアクリーナ３、エアーフローメータ４、電制スロットル５が配置されている。エアーフローメータ４の信号がコントロールユニット２１に送られると、コントロールユニット２１が燃焼室７へ吸入させる吸入空気量を演算し、電制スロットル５に指令を送る。電制スロットル５は、燃焼室７への吸入空気量を調整するためのスロットルバルブであり、コントロールユニット２１からの指令に基づき燃焼室７に入る空気の量を調節する。
【００１８】
吸気バルブ６は、吸気通路２を流れてくる空気を、所定のタイミングで燃焼室７に導入させる。この吸気バルブ６は、図示しないクランクシャフトの回転に応じて回転する吸気カム１６により駆動される。
【００１９】
燃焼室７内には、ピストン８が上下往復運動可能に配置されている。ピストン８の冠面には、外側キャビティ８ａと内側キャビティ８ｂとが設けられている。２つのキャビティ８ａ、８ｂは、ピストン中心軸Ａ１と直交する断面の形状が略円形である。２つのキャビティ８ａ、８ｂの中心は、いずれもピストン中心軸Ａ１上にある。
【００２０】
燃焼室７の上部には、点火プラグ９および燃料噴射弁１０が配設されている。燃料噴射弁１０は、筒内（燃焼室内）に直接燃料を噴射する装置であり、シリンダ中心軸Ａ１（ピストン中心軸Ａ１と同じ軸）上に位置している。すなわち、燃料噴射弁１０は、燃焼室７の上部においてほぼ中央に位置している。そして、燃料噴射弁１０は、ピストン８の冠面に向けて、中空円錐状に燃料を噴射する。
【００２１】
そして、燃料噴射弁１０から燃焼室７に直接燃料を噴射できるように、燃圧（燃料の圧力）を上昇させるための高圧燃料ポンプ１８が、吸気カム１６のカム軸上に配置され、カム軸の回転で駆動される。この高圧燃料ポンプ１８は、吸気カム１６のカム軸以外の回転力を利用したもので駆動してもよいし、エンジン１の回転力を利用しない電動機で駆動してもよい。高圧燃料ポンプ１８で昇圧された燃料は、高圧燃料配管１９を通り、燃料噴射弁１０へと導かれる。
【００２２】
高圧燃料配管１９には燃圧センサ２０が配置されており、その燃圧センサ２０の信号はコントロールユニット２１に送られる。運転状態に応じて必要な燃圧が変化するため、コントロールユニット２１により高圧燃料ポンプ１８の作動制御が行なわれる。コントロールユニット２１には、アクセル開度センサ２５、クランク角センサ２６、冷却水温センサ２７の各信号が入力される。これらのアクセル信号、クランク角信号および冷却水温センサ信号を基に、コントロールユニット２１は、それぞれ、要求トルク、エンジン回転数、エンジン温度を演算し、エンジン１の運転状態および要求トルクに応じて、燃料噴射弁１０や点火プラグ９を作動させる。
【００２３】
なお、燃料噴射弁１０からの燃料噴射のタイミングによって、燃焼室７内における噴射燃料の動きは、以下のように異なる。
【００２４】
まず、燃料噴射弁１０が圧縮行程中の比較的早い時期（ピストン８の位置が低いとき）に燃料噴射を行い、噴射した燃料が外側キャビティ８ａの底面に衝突する場合には、衝突後の燃料は、外側キャビティ８ａの側面に沿って上昇する。このような燃料の運動により、外側キャビティ８ａ内とその上空の領域には、比較的大きな混合気の塊が形成されることになる。
【００２５】
次に、燃料噴射弁１０が圧縮行程中の比較的遅い時期（ピストン８の位置が高いとき）に燃料噴射を行い、噴射した燃料が内側キャビティ８ｂの底面に衝突する場合には、衝突後の燃料は、内側キャビティ８ｂの側面に沿って上昇する。このような燃料の運動により、内側キャビティ８ｂ内とその上空の領域には、比較的小さな混合気の塊が形成されることになる。
【００２６】
そして、燃料噴射弁１０が吸気行程中に燃料噴射を行った場合には、燃焼室７の全域に均質な混合気が形成されることになる。
【００２７】
燃焼室７の上部において略中央に位置する点火プラグ９は、燃料噴射弁１０に隣接するように配置されており、上記の３種類の混合気に対して良好な点火が行えるようにされている。具体的には、点火プラグ９は、噴射燃料が内側キャビティ８ｂの底面に衝突して内側キャビティ８ｂ内とその上空の領域だけに比較的小さな混合気の塊ができたときにも良好な点火が行えるように、その混合気の塊が存在する内側キャビティ８ｂの上空の領域に位置している。なお、点火プラグ９による点火時期は、コントロールユニット２１によって調節される。
【００２８】
排気通路１２は、燃焼室７内で燃焼したガスを燃焼室７から排出するための通路である。この排気通路１２と燃焼室７との間に配置される排気バルブ１１は、クランクシャフトの回転に応じて回転する排気カム１７により駆動される。排気バルブ１１が開くと、燃焼室７内のガスは、排気通路１２に導かれて排出される。排気通路１２には、排気空燃比センサ１３と、排気浄化触媒１４とが配設されている。また、排気浄化触媒１４には、温度センサ１５が設置されている。これらのセンサ１３、１５により検出された排気空燃比および触媒温度のデータは、随時コントロールユニット２１に送られる。コントロールユニット２１は、排気空燃比センサ１３の出力値が排気浄化に必要な空燃比になるように、燃料噴射弁１０から噴射する燃料量を演算する。また、コントロールユニット２１は、排気浄化触媒１４の温度センサ１５で検出された触媒温度に応じて、排気浄化触媒１４の触媒活性状態を判定する。
【００２９】
＜コントロールユニットによる触媒暖機制御および通常制御＞
次に、コントロールユニット２１による触媒暖機制御について図２〜図４に示すフローに従い説明するとともに、触媒暖機制御の比較対象となる通常制御についても簡単に説明を行う。触媒暖機制御は、燃焼室７から排出される排気ガスの温度を高めて排気浄化触媒１４の活性化を促すことが要求されるときの触媒暖機運転を行うための制御である。図２〜図４に示すフローチャートは、基準クランク角信号Ref毎に計算される。
【００３０】
ステップＳ１では、エンジン負荷L、エンジン回転数Ne、水温Tw、触媒温度Tcatが、各種センサ出力から演算される。エンジン回転数Neは、クランク角センサの出力から計算され、エンジン負荷Lは、アクセルポジションから要求される負荷として計算される。
【００３１】
ステップＳ２では、触媒温度Tcatが所定温度Tcatkに達しているか否かが判断される。所定温度Tcatkは、排気浄化触媒１４が完全に活性する温度である。触媒温度Tcatが所定温度Tcatkに達していない場合には、ステップＳ３に移行して、触媒暖機制御を実行するか否かが判断される。なお、ここでは、触媒温度Tcatにより排気浄化触媒１４の活性判定を行っているが、水温Twによる排気浄化触媒１４の活性判定など、その他の方法を用いても構わない。
【００３２】
ステップＳ３では、現在のエンジン１の運転状態が触媒暖機制御の可能な運転状態か否かが判断される。触媒暖機制御では成層燃焼運転を行なうことになるため、具体的には、ステップＳ３では、エンジン１の運転が成層燃焼運転の可能な領域で行われているか否かが判定される。なお、成層燃焼運転の可能な領域は、実験等により予め決められているものである。
【００３３】
現在のエンジン１の運転が成層燃焼運転の可能な領域にある場合には、ステップＳ３１へ移行して、触媒暖機制御が行われる。
【００３４】
このステップＳ３１の触媒暖機制御のフローを、図３に示す。まず、ステップＳ４では、エンジン負荷Lとエンジン回転数Neとに応じた基本燃料噴射量Tp0が、コントロールユニット２１が保持するマップＭ５より算出される。この基本燃料噴射量Tp0のマップＭ５は、例えば図５に示すようなマップであり、エンジン１に要求されるエンジン負荷Lを発生するために必要な燃料噴射量である基本燃料噴射量Tp0を、エンジン回転数Neによって決めることができる。
【００３５】
ステップＳ５では、触媒温度Tcatに応じて点火時の混合気を理論空燃比よりもリッチ化してＣＯ発生量を増加させるための燃料噴射量Tpを決定する。具体的には、ステップＳ５において、触媒温度Tcatに応じた燃料増量補正値Hoscoを演算して、基本燃料噴射量Tp0に燃料増量補正値Hoscoを乗じて燃料噴射量Tpを求める。すなわち、次式により、燃料噴射量Tpが決定される。
【００３６】
式：Tp＝Tp0×Hosco
触媒温度Tcatに応じた燃料増量補正値Hoscoは、基本的には、図６に示すように、排気浄化触媒１４内でのＣＯの酸化反応速度の増加とともに、すなわち触媒温度Tcatとともに、ＣＯ発生量を多くする値とされる。したがって、まず、触媒温度Tcatk0からTcatkに向けて、触媒温度Tcatとともに燃料増量補正値Hoscoを大きくする。そして、触媒温度Tcatが完全活性温度Tcatkに近づくと、燃料増量補正値Hoscoを小さくする。但し、ある触媒温度Tcatk0以下ではＣＯを発生させても排気浄化触媒１４が活性しないため、燃料増量補正値Hoscoを１とし、燃料増量補正が実質的に為されないようにする。なお、触媒温度Tcatが完全活性温度Tcatk以上になると、ステップＳ２からステップＳ３２の通常制御に移行するため、この触媒暖機制御のフローには入ってこない。また、図６に示す触媒温度Tcatに基づく燃料増量補正値Hoscoは一例であり、使用する触媒の特性に応じて図６のカーブを最適なものにしたり、触媒の劣化度合いによって図６のカーブを変化させたりすることも想定される。
【００３７】
ステップＳ６では、目標吸入空気量Qを算出する。目標吸入空気量Qは、内側キャビティ８ｂ内および内側キャビティ８ｂの上空の領域だけに、基本燃料噴射量Tp0の燃料で理論空燃比の混合気を形成する空気量である。点火時（ピストン８が上死点近傍にある時）における燃焼室７の全容積と混合気を形成する領域の容積との比率をαとした場合、混合気を形成する領域内に存在する空気量は、［Q×α］で表される。この空気量［Q×α］と基本燃料噴射量Tp0との比が理論空燃比となるようにすることで、目標吸入空気量Qを次式で求めることができる。
【００３８】
式：Q＝理論空燃比×Tp0／α
このような目標吸入空気量Qの設定により、内側キャビティ８ｂ内および内側キャビティ８ｂの上空の領域に形成される混合気の空燃比は、点火時において、燃料増量補正値Hoscoで増量した分だけ理論空燃比よりもリッチとなる。
【００３９】
なお、燃焼室７全体の平均空燃比は、［Q／Tp］、すなわち［理論空燃比／（α×Hosco）］となる。したがって、［α×Hosco］を１よりも小さくすれば、燃焼室７全体の平均空燃比を理論空燃比よりもリーンにすることができる。一般に、触媒に流入させる排気ガスの空燃比（＝燃焼室７全体の平均空燃比）を１５〜１７程度のリーン空燃比にすれば触媒を効率よく暖機できることが判明しているので、このことを考慮して上記の燃料増量補正値Hoscoの設定を行うとよい。
【００４０】
ステップＳ７では、ステップＳ６でセットした目標吸入空気量Qを実現するように、電制スロットル５を駆動制御する。
【００４１】
ステップＳ８では、ステップＳ５での燃料増量補正によりエンジン１の出力トルクが過剰とならないように、燃料増量補正に応じてリタードした点火時期ADVを計算する。具体的には、まず、基本点火時期ADV0が、基本燃料噴射量Tp0とエンジン回転数Ｎｅに応じたマップ（図示せず）から算出される。そして、この基本点火時期ADV0が燃料増量補正値Hoscoに応じた点火時期リタード量Hosretにより補正され、次式のように点火時期ADVが求められる。
【００４２】
式：ADV＝ADV0−Hosret
なお、燃料増量補正値Hoscoと点火時期リタード量Hosretとの関係は、例えば図７に示すような関係となる。基本的には、燃料増量補正値Hoscoが大きくなり燃料増量が増えるにつれ、点火時期リタード量Hosretが大きくなる。
【００４３】
ステップＳ９では、ステップＳ５で計算された燃料噴射量Tpの全量を圧縮行程中に噴射可能であるか否かを判定する。内側キャビティ８ｂ内および内側キャビティ８ｂの上空の領域だけに混合気を形成するためには、ピストン８の位置が高いときに燃料噴射を行う必要があり、燃料噴射が可能な期間（ピストン８の高さ位置の範囲）が限定される。そこで、本ステップＳ９では、圧縮行程における限定された期間内に噴射可能な最大燃料量Tpmaxと燃料噴射量Tpとを比較し、燃料噴射量Tpが最大燃料量Tpmax以下であるときに、燃料噴射量Tpの全量を圧縮行程中に噴射することが可能であると判断する。なお、燃料噴射可能な期間がエンジン回転数Neによって変化するので、コントロールユニット２１は、上記の比較において、エンジン回転数Neに応じた最大燃料量Tpmaxを用いることになる。
【００４４】
そして、ステップＳ９において、燃料噴射量Tpの全量を１回の圧縮行程中に噴射することが可能であると判断すると、ステップＳ１０へ移行する。ステップＳ１０では、圧縮行程燃料噴射量Tpaに燃料噴射量Tpをセットし、吸気行程燃料噴射量Tpkにゼロ（０）をセットする。圧縮行程燃料噴射量Tpaは、圧縮行程中に燃料噴射弁１０から噴射させる燃料量である。吸気行程燃料噴射量Tpkについては後述する。
【００４５】
一方、ステップＳ９において、燃料噴射量Tpの全量を１回の圧縮行程中に噴射することができないと判断すると、ステップＳ１１に移行する。ステップＳ１１では、圧縮行程燃料噴射量Tpaに最大燃料量Tpmaxをセットし、吸気行程燃料噴射量Tpkに、全燃料噴射量Tpから圧縮行程燃料噴射量Tpaを差し引いた量をセットする。
【００４６】
吸気行程燃料噴射量Tpkは、圧縮行程の前の吸気行程において内側キャビティ８ｂに向けて燃料噴射弁１０から噴射させる燃料量である。吸気行程中の燃料噴射であっても、その噴射時期をピストン８の上死点近傍に設定すれば、噴射した燃料が内側キャビティ８ｂの底面に付着し、燃料が比較的長い時間内側キャビティ８ｂ内に保持されることになる。これに鑑み、このエンジン１では、燃料噴射量Tpの全量を１回の圧縮行程中に噴射することができない場合に、その前の吸気行程中の上死点近傍で最初の（１回目の）噴射を行わせ、圧縮行程中に２回目の噴射を行わせて、点火プラグ９による点火時において内側キャビティ８ｂ内および内側キャビティ８ｂの上空の領域だけに、理論空燃比よりもリッチな空燃比の混合気を形成するようにしている。これにより、必要となる燃料増量補正が大きい場合にも、その増量された燃料量（燃料噴射量Tp）が確保されるようになっている。なお、燃焼室７全体の平均空燃比を理論空燃比以上にすることで、点火プラグ９による点火時において内側キャビティ８ｂ内および内側キャビティ８ｂの上空の領域だけに理論空燃比よりもリッチな空燃比の混合気が形成されるときには、その混合気の周りに理論空燃比よりもリーンな空燃比の混合気が形成されることになる。
【００４７】
ステップＳ１２では、吸気行程における燃料噴射弁１０による燃料噴射と、圧縮行程における燃料噴射弁１０による燃料噴射とのそれぞれにおける燃料噴射時期ITを、マップ（図示せず）より計算する。
【００４８】
ステップＳ１３では、圧縮行程燃料噴射時間Tiaと吸気行程燃料噴射時間Tikとを、無効パルス幅（燃料噴射弁１０への作動指示後に実際に燃料噴射弁１０が開くまでの時間）を考慮して、圧縮行程燃料噴射量Tpaおよび吸気行程燃料噴射量Tpkから、それぞれ算出する。これにより、圧縮行程および吸気行程における燃料噴射時期および燃料噴射時間が決定され、触媒暖機制御のフローが終了する。
【００４９】
なお、上記の触媒暖機制御では燃料増量補正を行っているが、燃料噴射量等を後述の通常制御と同様に設定しつつ、燃料噴射時期のみを変更して触媒暖機制御を行うことも可能である。例えば、通常制御であれば外側キャビティ８ａに向けて燃料を噴射するべき燃料噴射量のときに燃料噴射時期を遅らせて内側キャビティ８ｂに向けて燃料を噴射させると、内側キャビティ８ｂ内と内側キャビティ８ｂの上空の領域だけに理論空燃比よりもリッチな空燃比の混合気の塊を形成することができる。
【００５０】
以上が触媒暖機制御のフローである。一方、ステップＳ２もしくはステップＳ３で、触媒暖機制御を行なわない、あるいは触媒暖機制御を行える運転状態ではないと判定した場合には、ステップＳ３２へ移行し、通常制御が行われる。
【００５１】
このステップＳ３２の通常制御のフローを、図４に示す。まず、ステップＳ１４では、図９に示すエンジン負荷Lとエンジン回転数Neに応じた目標当量比マップＭ９より、目標当量比TFBYAを算出する。当量比とは、理論空燃比と空燃比との比（＝理論空燃比／空燃比）である。そして、ステップＳ１４で設定する目標当量比TFBYAは、燃焼室７全体の平均空燃比の目標値で理論空燃比を除した値である。
【００５２】
ステップＳ１５では、要求されるエンジン負荷Lと目標当量比TFBYAとから求まる目標吸入空気量Qが確保されるように、電制スロットル５を駆動制御する。目標吸入空気量Qは、次式で計算される。
【００５３】
式：Q＝L／TFBYA×Kt  （Ktは単位を合せる定数）
ステップＳ１６では、目標吸入空気量Q、エンジン回転数Ne、目標当量比TFBYAから、燃料噴射量Tpを次式により算出する。
【００５４】
式：Tp=Q／Ne×TFBYA×Ktc  （Ktcは単位を合せる定数）
ステップＳ１７では、燃料噴射量Tpとエンジン回転数Neとから、燃料噴射時期ITをマップにより算出する。成層燃焼運転時と均質燃焼運転時とでは燃料噴射時期ITが大きく異なるため、コントロールユニット２１は、目標当量比TFBYAに応じた燃料噴射時期ITのマップを複数持っている（図１参照）。
【００５５】
目標当量比TFBYAが１以上であるとき（すなわち、空燃比が理論空燃比またはそれよりもリッチな空燃比のとき）は、均質燃焼を行うので、燃料噴射時期ITが吸気行程中に設定されている均質燃焼運転用マップＭ０を参照する。
【００５６】
目標当量比TFBYAが１より小さいとき（すなわち、空燃比が理論空燃比よりもリーンな空燃比のとき）は、成層燃焼を行うので、燃料噴射時期ITが圧縮行程中に設定されている成層燃焼運転用マップＭ１あるいは成層燃焼運転用マップＭ２を参照する。ここでは、成層燃焼運転用マップが２種類用意されている。目標当量比TFBYAが比較的大きい（燃料噴射量が多い）ときは、圧縮行程中の比較的早い時期に燃料噴射を行って外側キャビティ８ａ内および外側キャビティ８ａと内側キャビティ３ｂとの上空の領域に比較的大きな混合気の塊を形成させるための成層燃焼運転用マップＭ１が参照される。一方、目標当量比TFBYAが比較的小さい（燃料噴射量が少ない）ときは、圧縮行程中の比較的遅い時期に燃料噴射を行って内側キャビティ８ｂ内および内側キャビティ８ｂの上空の領域に比較的小さな混合気の塊を形成させるための成層燃焼運転用マップＭ２が参照される。
【００５７】
ステップＳ１８では、点火時期ADVを燃料噴射量Tpとエンジン回転数Neからマップ（図示せず）により算出する。
【００５８】
ステップＳ１９では、無効パルス幅を考慮して、燃料噴射量Tpから燃料噴射時間Tiを算出する。これにより、燃料噴射時期および燃料噴射時間が決定され、通常制御のフローが終了する。
【００５９】
＜エンジンの特徴＞
（１）
エンジン１では、燃焼室７から排出される排気ガスの温度を高めて排気浄化触媒１４の活性化を促すことが要求される触媒暖機運転時に、圧縮行程において燃料噴射弁１０からピストン８の冠面の内側キャビティ８ｂへ向けて燃料を噴射させ、内側キャビティ８ｂ内および内側キャビティ８ｂの上空の領域だけに、理論空燃比よりもリッチな空燃比の混合気（以下、リッチ混合気という。）を形成させている。そして、内側キャビティ８ｂ内および内側キャビティ８ｂの上空の領域だけに、リッチ混合気が形成され、そのリッチ混合気の周りには理論空燃比よりもリーンな空燃比の混合気が形成された状態において、点火プラグ９による点火が行われる。
【００６０】
ここでは、燃焼室７の上部の略中央にある燃料噴射弁１０から、ピストン８の冠面の略中央に形成された内側キャビティ８ｂへ向けて燃料を噴射させるため、内側キャビティ８ｂ内および内側キャビティ８ｂの上空の領域だけにリッチ混合気を比較的長時間保持することができている。このため、燃料噴射弁１０による燃料噴射から点火プラグ９による点火までの時間を長く取ることができ、スモークの発生が殆どなくなっている。
【００６１】
また、触媒暖機運転時において外側キャビティ８ａではなく内側キャビティ８ｂの中および内側キャビティ８ｂの上空の領域だけにリッチ混合気を形成させているため、そのリッチ混合気の周りの領域に十分な量の酸素を残存させることができており、リッチ混合気の燃焼で発生するＣＯを良好に再燃焼させることができている。これにより、燃焼室７から排出される排気ガスの温度は、効果的に高められている。
【００６２】
（２）
エンジン１では、通常制御における成層燃焼運転時には、成層混合気を完全燃焼させる必要があるので、コントロールユニット２１は、成層混合気の空燃比が理論空燃比の近傍の値になるように制御している。このため、燃料噴射量が多いときは大きな成層混合気が形成され、燃料噴射量が少ないときは小さな成層混合気が形成されるように、燃料噴射時期が設定されている（図８（Ａ）参照）。すなわち、燃料噴射量が多いときは燃料噴射時期が早く、燃料がピストン８の両キャビティ８ａ、８ｂに噴射されることで両キャビティ８ａ、８ｂの上空の領域に大きな成層混合気が形成され、燃料噴射量が少ないときは、燃料噴射時期が遅く、燃料がピストン８の内側キャビティ８ｂに噴射されることで内側キャビティ８ｂの上空の領域だけに小さな成層混合気が形成される。
【００６３】
これに対して、触媒暖機制御中には、コントロールユニット２１は、小さな成層混合気の空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に制御する。このため、通常制御中であれば大きな成層混合気を形成する燃料噴射量でも、触媒暖機運転中では小さな成層混合気が形成される場合が出てくる（図６（Ａ）参照）。例えば、図８（Ａ）、（Ｂ）に示すように、燃料噴射量Tpz1〜Tpz2の範囲では、通常運転においては外側キャビティ８ａに燃料を噴射するのに対し、触媒暖機運転においては燃料噴射時期を遅らせて内側キャビティ８ｂに燃料を噴射する。換言すると、同一燃料噴射量（および同一エンジン回転数）で比較した場合、触媒暖機制御中の燃料噴射時期は、通常制御中の燃料噴射時期よりも遅れ側に設定される。
【００６４】
このように、触媒暖機運転において不完全燃焼によりＣＯを発生させるために必要な燃料噴射量が多い場合には、燃料の増量に加えて燃料噴射時期をリタードすることによって、点火時における点火プラグ９近傍のリッチ混合気の高いリッチ度合いを確保できるようにしている。
【００６５】
（３）
エンジン１のコントロールユニット２１は、触媒暖機運転において、排気浄化触媒１４の暖機度合いに応じてリッチ混合気のリッチ度合いを変化させている。具体的には、図６に示すように、触媒温度Tcatに応じて燃料増量補正値Hoscoを変化させることで、点火時に点火プラグ９の近傍に形成されるリッチ混合気の空燃比のリッチ度合いを変えている。
【００６６】
これにより、排気浄化触媒１４の暖機状態に応じてリッチ混合気の不完全燃焼により発生するＣＯ発生量を変化させ、排気浄化触媒１４の暖機時間の短縮を行いつつ有害な排気ガスの排出を抑えることができている。
【００６７】
なお、上記のように、図６に示す触媒温度Tcatに基づく燃料増量補正値Hoscoは一例であり、使用する触媒の特性に応じて図６のカーブを最適なものにしたり、触媒の劣化度合いによって図６のカーブを変化させたりすることが有効である。
【００６８】
例えば、水分やＨＣを除くとＣＯの酸化反応が常温から起こる常温活性触媒を排気浄化触媒１４として用いた場合には、排気浄化触媒１４が活性していない始動直後から多量のＣＯと０２とを排気浄化触媒１４に送り込み、速やかに排気浄化触媒１４の暖機を行わせることが望ましい。その後は、触媒温度Tcatの上昇とともに暖機が不要になるために、リッチ度合いを下げることが望ましい。
【００６９】
また、常温活性触媒ではなく通常の三元触媒等を排気浄化触媒１４として用いた場合は、ある程度まで触媒温度Tcatが上昇するまでは、ＣＯと０２とを排気浄化触媒１４に送っても酸化反応が生じないため、エンジン１の始動直後など触媒温度Tcatが酸化反応の生じない温度では通常運転を行い、触媒温度Tcatが酸化反応の生じる温度以上になってから、ＣＯと０２とを排気浄化触媒１４に送ることが望ましい。その後は、温度上昇に伴って酸化反応が早くなるため、リッチ混合気リッチ度合いを高めて排気浄化触媒１４の酸化反応熱を増加させることによって、排気浄化触媒１４の完全暖機までの時間を短縮させることが望ましい。
【００７０】
（４）
エンジン１では、触媒暖機運転時に、燃焼室７全体の平均空燃比を理論空燃比よりもリーンにして、具体的には燃焼室７全体の平均空燃比を１５〜１７程度のリーン空燃比に設定して、排気浄化触媒１４を効率よく暖機させている。このように、排気浄化触媒１４に流入させる排気ガスの空燃比（排気空燃比）を１５〜１７になるように吸入空気量を制御することで、点火プラグ９近傍のリッチ混合気から発生したＣＯが酸化反応するために必要な酸素濃度がリッチ混合気の周囲において確保されるとともに、不要な作動空気による排気ガス温度の低下も抑えることができている。
【００７１】
＜他の実施形態＞
（Ａ）
上記実施形態では、燃料を噴霧するときの噴霧角（中空円錐状噴霧の頂角）が一定である燃料噴射弁１０を前提として説明を行ったが、図１０に示すような噴霧角を変更できる燃料噴射弁５０を使用すると、より広い範囲で燃料噴射弁５０からピストン８の内側キャビティ８ｂへの噴射を行うことができるようになる。具体的には、例えば噴霧角を小さくすると、上記のステップＳ９で登場する最大燃料量Tpmaxを大きくすることができ、吸気行程における燃料噴射を使わずに圧縮行程における燃料噴射だけで触媒暖機制御を行える範囲が広くなる。また、燃料噴射時期を通常制御時と同様に設定しつつ、噴霧角のみを変更して、点火時における内側キャビティ８ｂ内及びその上空の領域にリッチ混合気を形成させることができる。すなわち、通常運転中であれば外側キャビティ８ａに向けて燃料を噴射するべき燃料噴射量のときにも、噴霧角を小さくすると、燃料噴射時期を変更しなくても内側キャビティ８ｂに向けて燃料を噴射して触媒暖機運転を行うことができるようになる。
【００７２】
以下に、可変噴霧角を持つ燃料噴射弁５０を、図１０および図１１を参照して説明する。
【００７３】
図１０は、可変噴霧角を持つ燃料噴射弁５０の噴射部分の縦断面構造である。燃料噴射弁５０は、本体５１と、針弁５２とを備えている。本体５１の中には、メイン流路５０ａ、第１枝流路５０ｃ、および第２枝流路５０ｄが形成されている。本体５１の下面には、噴孔５０ｂが形成されている。第１枝流路５０ｃおよび第２枝流路５０ｄは、メイン流路５０ａと噴孔５０ｂとを結ぶ流路であるが、メイン流路５０ａと連絡する位置が異なっており、それぞれ異なる角度でメイン流路５０ａから噴孔５０ｂに延びている。この燃料噴射弁５０では、針弁５２のリフトによって燃料を遮断したり燃料を噴孔５０ｂから噴射したりすることができる。また、燃料噴射弁５０は、針弁５２のリフト量の大小によって、燃料が第１枝流路５０ｃへ流れる量および第２枝流路５０ｄへ流れる量を変更できる構造となっている。
【００７４】
燃料噴射弁５０の作動について、図１１を参照しながら説明する。
【００７５】
本体５１に対して針弁５２が一番下にある時には、第１枝流路５０ｃおよび第２枝流路５０ｄが針弁５２によって遮断され、噴孔５０ｂから燃料は噴射されない。
【００７６】
針弁５２が上に移動していく（リフトしていく）と、まず、メイン流路５０ａから第１枝流路５０ｃに燃料が流れ、噴孔５０ｂから燃料が噴射される。この場合、第１枝流路５０ｃを通って燃料が噴射されるため、第１枝流路５０ｃの角度によって噴霧角が決定される。
【００７７】
さらに針弁５２が上に移動すると、第１枝流路５０ｃだけでなく、第２枝流路５０ｄにも燃料が流れるようになる。そして、噴孔５０ｂから燃料が噴射されるが、第１枝流路５０ｃの角度と第２枝流路５０ｄの角度との違いにより噴射された燃料同士がぶつかり、両流路５０ｃ，５０ｄを流れる燃料量の割合によって噴霧角が変化する。
【００７８】
針弁５２が最大リフト量まで上に移動すると、第２枝流路５０ｄのみを通って燃料が噴孔５０ｂから噴射されるようになり、第２枝流路５０ｄの角度によって噴霧角が決定される。
【００７９】
このような燃料噴射弁５０の作動から明らかなように、針弁５２のリフト量の調節によって、燃料噴射弁５０からの燃料の噴霧角（噴霧方向）を変えることができる。なお、針弁５２のリフト量を所望値にするためには、例えば、電圧によって変形量が変わるピエゾ素子を針弁５２のアクチュエータに用いたピエゾ式燃料噴射弁を、燃料噴射弁５０として採用すればよい。
【００８０】
（Ｂ）
上記実施形態における触媒暖機制御は、排気浄化触媒１４の活性化のために排気ガスの温度を高めることが要求されるエンジン始動直後や外気温度が低い環境下における低負荷運転時以外にも、例えば排気浄化触媒１４に付着したＳＯｘ除去のために排気浄化触媒１４の温度を上げる運転を行うときにも、採用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明に係る内燃機関では、触媒暖機運転などの排気ガスの温度を上げる必要がある所定運転時において、理論空燃比よりもリッチな空燃比の所定混合気を形成させる場合に、燃料噴射から点火までの時間を長く取ることができ、スモークの発生を抑制することができるようになる。したがって、本発明に係る内燃機関は、筒内直接噴射式の内燃機関として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明に係るエンジンの概略構成図である。
【図２】基準クランク角信号Ref毎に実行される制御のフローチャートである。
【図３】触媒暖機制御のフローチャートである。
【図４】通常制御のフローチャートである。
【図５】エンジン負荷、回転数に対する基本燃料噴射量を示すマップである。
【図６】触媒温度に対する燃料増量補正値を示すグラフである。
【図７】燃料増量補正値に対する点火時期補正のリタード量を示すグラフである。
【図８】（Ａ）通常運転における圧縮行程時の燃料噴射時期を示すグラフである。
【００８３】
（Ｂ）触媒暖機運転における圧縮行程時の燃料噴射時期を示すグラフである。
【図９】エンジン負荷、回転数に対する目標当量比を示すマップである。
【図１０】他の実施形態における燃料噴射弁の断面図である。
【図１１】他の実施形態における燃料噴射弁の作動を示す図である。
【符号の説明】
【００８４】
１    エンジン
７    燃焼室
８    ピストン
８ａ    外側キャビティ
８ｂ    内側キャビティ
９    点火プラグ
１０    燃料噴射弁
１４    排気浄化触媒
２１    コントロールユニット
５０    燃料噴射弁
【図１】
2005113885.tif 000003
【図２】
2005113885.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005113885.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2005113885.tif 000009
【図８】
2005113885.tif 000010
【図９】
2005113885.tif 000011
【図１０】
2005113885.tif 000012
【図１１】
2005113885.tif 000013