(57)【要約】    【課題】  排気浄化触媒を昇温させる際に、未燃成分中の反応性の高い成分の比率を増加させて排気浄化触媒をより効果的に昇温（活性化）させ、エミッションの向上を図る。    【解決手段】  排気浄化触媒を昇温させるため、燃料噴射弁の開口面積を増加させるなどして燃料噴射率を増加させ、成層混合気の空燃比がリッチとなるように成層混合気を変更する（Ｓ２３）。燃料噴射弁の噴射開始時期ＩＴｓ及び燃料噴射期間ＴＩをそれぞれ算出し（Ｓ２４、Ｓ２５）、これらを考慮して、燃料噴射弁から噴射された燃料が燃焼室壁面に到達する前に混合気の燃焼を行うよう点火時期を設定する（Ｓ２６）。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、圧縮行程時に前記燃料噴射弁から燃料を噴射して層状の混合気を形成して火花点火により層状燃焼させる運転モードでの運転を行い、少なくとも排気通路に設けられた排気浄化触媒の昇温が要求される時には、前記層状混合気の空燃比がリッチとなるように成層混合気を変更する内燃機関において、
前記燃料噴射弁から噴射された燃料が燃焼室壁面に到達する前に前記混合気の燃焼を行う燃焼手段を設けたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記燃焼手段として、前記燃料噴射弁からの燃料噴射により形成される噴霧の一部が直接到達するように点火プラグを設け、前記噴霧が燃焼室壁面に到達する前に前記点火プラグによる点火をすることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記燃料噴射弁から噴射される燃料の単位時間あたりの噴射量を変更する手段を設け、前記燃焼手段によりリッチ成層燃焼を行う際は、リッチ成層燃焼を行わない場合に対して単位時間あたりの噴射量を増加させることを特徴とする請求項１または請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の速度を変更する手段を設け、前記燃焼手段によりリッチ成層燃焼を行う際は、リッチ成層燃焼を行わない場合に対して燃料噴霧の速度を低下させることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記内燃機関は、前記燃料噴射弁を燃焼室上面の略中央部に設け、ピストン冠面の略中央部にキャビティを設け、圧縮行程で噴射された燃料が前記キャビティに沿って移動しながら層状の混合気を形成し火花点火により成層燃焼させる運転を行うものであり、
前記内燃機関の冷間状態を検知する冷間状態検知手段を有し、
前記燃焼手段は、前記排気浄化触媒の昇温が要求され、且つ前記内燃機関が冷間状態にある時には、燃料が燃焼室壁面に到達する前に混合気の燃焼を行う一方、内燃機関の暖機後であり且つ前記触媒の昇温が要求される時には、前記キャビティに沿って噴霧を循環させることによりリッチ成層混合気を形成し、燃焼を行うことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記冷間状態検知手段は、ピストンキャビティ温度を推定する手段を有し、ピストンキャビティ温度に基づいて内燃機関の冷間状態を検知することを特徴とした請求項５記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
燃料の追加噴射を行う手段を有し、
前記燃焼手段により、噴射燃料が燃焼室壁面に到達する前に混合気の燃焼が行われている場合であり且つ高負荷時には、前記燃焼手段による燃料噴射タイミングよりも前に追加噴射を行うことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
燃料の追加噴射を行う手段を有し、
前記燃焼手段により、噴射燃料が燃焼室壁面に到達する前に混合気の燃焼が行われている場合であり、且つ高負荷時には、前記燃焼手段による燃料噴射タイミングよりも前に追加噴射を行う一方、
前記追加燃料噴射により噴射された燃料が、前記ピストンキャビティ内に到達するように、前記追加燃料噴射の噴射時期を設定することを特徴とする請求項５または請求項６記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
火花点火燃焼を行う内燃機関において、燃料噴射弁から筒内に燃料を直接噴射し、筒内に成層化した混合気を形成することで大幅な希薄燃焼を行う技術は、特に低、中負荷において、大幅に燃料消費が低減できることが知られている。
一方、内燃機関全般の排気低減技術として広く用いられているものの一つに排気浄化触媒があるが、一般に排気浄化触媒は所定の温度域において活性化しその効力を発揮するものであるので、例えば排気浄化触媒の温度が活性化温度域よりも低い場合は、活性化温度まで昇温させる必要がある。
【０００３】
排気浄化触媒の昇温を行うには幾つかの方法が知られており、その一つに排気温度を上昇させる技術がある。例えば点火時期を遅角して燃焼時期を遅らせることにより、比較的高温の排気を排気通路に排出して排気浄化触媒を昇温する方法や、理論空燃比よりもリッチの状態で内燃機関を運転し、その結果排出される未燃成分を含んだ排気ガスに２次空気を導入して、排気通路内で後燃えを生じさせることで排気浄化触媒を昇温する方法などがある。
【０００４】
一方、前記筒内直噴式の内燃機関においては、成層燃焼を行うことが可能であるという利点を活かし、例えば特許文献１に示すような方法により排気浄化触媒の昇温を行う技術が知られている。これは、点火プラグの周りにリッチ混合気を局所的に生成する量の燃料を圧縮行程で噴射し、主燃焼後の未燃成分と周囲の酸素とを反応させ、後燃えにより排温を上昇させるものである。
【０００５】
この技術によれば、２次空気システムのような装置を追加することなく、筒内から排気通路にかけて後燃えを生じさせ排温を上昇させることで排気浄化触媒の昇温を図り、触媒を早期に活性化させることが可能である。
【特許文献１】特開２００１−１８２５８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、このような従来の内燃機関の排気浄化装置にあっては、以下に示すような問題点があった。
後燃えの速度は、温度、圧力、未燃成分及び酸素の濃度、並びに未燃成分の反応性によって異なる。このため、排気浄化触媒の上流で後燃えが十分に行われない場合には、所望の排温上昇効果が得られない。特に機関低温時には、排気は燃焼室や排気ポート及び排気通路壁によって冷やされるので、十分な排温上昇を得るには未燃成分の反応性が高いことが望ましい。
【０００７】
ここで未燃成分のうち、比較的反応性の高い成分としてはＨ2、ＣＯ等があり、比較的反応性の低い成分としてはＨＣが挙げられる。即ち低温時において後燃えを十分に行い、排気浄化触媒の昇温を行うには、Ｈ2、ＣＯといった反応性の高い成分の比率が高い方が望ましい。
一方、仮に排気浄化触媒の上流で後燃えが完了しなかった場合でも、触媒上で未燃成分と酸素とが反応すれば触媒を昇温させることができる。この触媒での後燃えについても、反応性が高い成分の比率が高いほど効果が大きい。なお、排気浄化触媒で反応しなかった未燃成分はそのまま排出されてエミッションを増加させるため、この点においても、未燃成分中のＨ2、ＣＯ等の比率は高い方が望ましいといえる。
【０００８】
Ｈ2、ＣＯは、燃料の主成分であるＨＣが部分酸化する過程で発生するものであり、燃料が酸素不足の状態で燃焼することで生成される。前記技術においてリッチ成層混合気を形成する際、例えばピストン冠面を含む燃焼室壁面に燃料噴霧を衝突させて成層混合気を形成する内燃機関の場合には、冷間時には暖機後と比較して噴射された燃料があまり気化しないため、壁面に衝突した燃料はそのまま壁面に付着して液膜を形成しやすい。
【０００９】
そして液膜となった燃料は燃焼に寄与しないため、液膜となった部分からＣＯ、Ｈ2は生成されず、ＨＣのままとなる。この結果、相対的に未燃成分中のＣＯ、Ｈ2の比率は下がり、ＨＣの比率が上がる。
このため、未燃成分中の反応性の低い成分、即ちＨＣは、排気浄化触媒の上流及び触媒上にて十分に酸化されずに排出され、エミッションの増加につながる可能性がある。
【００１０】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、排気浄化触媒を昇温させる際に、未燃成分中の反応性の高い成分の比率を増加させて排気浄化触媒をより効果的に昇温（活性化）させ、エミッションの向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
そのため本発明では、排気浄化触媒を昇温させるため、成層混合気の空燃比がリッチとなるように成層混合気を変更する場合に、燃料噴射弁から噴射された燃料が燃焼室壁面に到達する前に混合気の燃焼を行う。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、燃料噴霧が未燃のまま壁面に到達して液膜を形成するのを抑制することができ、その結果、部分酸化が起こらずＨＣとして排出される燃料が減少し、ＣＯ、Ｈ2等の比較的反応性の高い成分の比率が高まる。よって、未燃燃料と酸素とを十分に反応させて高い排温上昇効果を得ることが可能になるとともに、エミッション増加を抑えることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面に基づいて本発明について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る構成を示す図である。
内燃機関（以下、「エンジン」と称する）１は、吸気ポート２に配設された吸気バルブ３を開いて燃焼室４に新気を導入する。燃焼室４の下部には、シリンダを往復運動するピストン５が配置されている。一方、燃焼室４の上部には、略中央に配設された燃料噴射弁６と、この近傍に配設された点火プラグ７とを備えている。点火プラグ７は、燃料噴射弁６からの噴霧の一部が直接到達する位置に配設されている。なお燃料噴射弁６は、噴後部の開口面積が変化させることで、噴射率を変化させることができるものを用いている。
【００１４】
燃焼終了後の排気は、排気バルブ８を開いて排気通路９に排出される。排気通路９には排気空燃比センサ１０が設けられ、その下流には排気浄化触媒１１が設けられている。これらの吸気バルブ３並びに排気バルブ８は、それぞれ吸気カム１２、排気カム１３により駆動される。吸気カム１２の軸端には燃料ポンプ１４が介装されており、ここで加圧された燃料は、燃料配管１５を通して燃料噴射弁６に導かれる。なお燃料ポンプ１４の制御により燃料配管１５内の燃圧が変更可能である。
【００１５】
燃料配管１５には燃圧センサ１６が設けられ、ここで燃料圧力を検知し、この信号がエンジンコントロールユニット（以下、「ＥＣＵ」と称する）１７に送られる。
なお、エンジン１はＥＣＵ１７により統合的に制御される。このため、ＥＣＵ１７には、吸入空気量を検出するエアフローメータの信号、アクセル開度信号、クランク角センサ信号、冷却水温センサ信号、並びに排気空燃比センサ１０の信号など各種の信号が入力され、これらの信号に基づいて燃料噴射弁６、点火プラグ７、並びに燃料ポンプ１４等の制御を行う。
【００１６】
またエンジン１では、燃焼形態として、主に圧縮行程中（特に、圧縮行程後半）に燃料噴射を行うことでリーン運転を実現し燃費を向上させる成層燃焼モードと、主に吸気行程中（特に吸気行程前半）に燃料噴射を行うことでストイキ運転（理論空燃比運転）を実現する均質燃焼モードとがある。これらの燃焼（運転）モードは、運転状態に応じて選択されるようになっている。
【００１７】
成層燃焼モードによる運転では、少なくとも排気浄化触媒１１の昇温が要求される時には、層状混合気の空燃比がリッチとなるように成層混合気を変更する。ここでは燃料噴射弁６の開口面積を増加させる。この時、燃料噴射弁６から噴射された燃料（噴霧）は空気と混合して層状の混合気を形成し、この混合気が点火プラグ７により点火される。点火プラグ７は、噴霧が燃焼室４の壁面に到達する前に混合気に点火するように点火時期が制御される。これにより排気未燃成分中の反応性の高い成分（Ｈ2、ＣＯ等）の比率を増加させて排気浄化触媒１１の昇温を高め、エミッションの増加を抑える。
【００１８】
次に図２の燃料噴射量、噴射時期及び点火時期演算のフローチャートを用いて、第１の実施形態の作用を説明する。
先ずステップ１（以下、「Ｓ１」と示す。以下同様）にて、冷却水温Ｔｗ、エンジン回転速度（回転数）Ｎｅ、アクセル開度Ａｐｓ、吸入空気量Ｑａ、燃圧Ｐｆ、及びスタートスイッチ（ＳＴ／ＳＷ）信号を読込む。
【００１９】
次のＳ２では、スタートスイッチ信号がＯＮからＯＦＦに切り替わったか否か、即ちエンジン始動直後であるか否かを判定する。実際には、前回ルーチンでスイッチ信号がＯＮであり且つ今回ＯＦＦであることを検出すればよい。
Ｓ２でスタートスイッチ信号がＯＮからＯＦＦに切り替わった場合、即ち始動直後である場合は、Ｓ３に進み、リッチ成層時間ＴＲＳを算出する。これは、リッチ成層混合気燃焼モードにより排気浄化触媒１１を活性化温度まで昇温させるために要する時間を意味している。ここでは排気浄化触媒１１の温度をセンサにより直接計測せず、始動時水温Ｔｗと昇温時間ＴＲＳとの関係を予め実験等により求め、これをＥＣＵ１７内のＲＯＭに格納しておく。そして、始動時水温Ｔｗに応じてテーブルを参照してリッチ成層時間（昇温時間）ＴＲＳを求めるようにする。これにより、触媒温度センサを設けないことによるコスト低減を図るためである。
【００２０】
ここで水温Ｔｗが高くなるほどリッチ成層時間ＴＲＳは短くなるが、水温Ｔｗが所定値ＬＴｗ未満（Ｔｗ＜ＬＴｗ）の場合には、リッチ成層時間ＴＲＳ＝０、即ちリッチ成層運転を行わないように設定されている。これはＳ５で説明するが、所定値ＬＴｗは燃焼安定性の問題から、成層運転を行うことができないと判断される温度を意味する。
一方、Ｓ２でスタートスイッチ信号がＯＮからＯＦＦへの切り替わり時点でない場合、即ち始動直後ではない場合は、Ｓ３の処理を行わないで直接Ｓ４へ進む。
【００２１】
Ｓ４では、アクセル開度Ａｐｓからエンジン１に必要な目標トルクＴＴＣを求める。この目標トルクＴＴＣは、例えば、予めアクセル開度Ａｐｓに割り付けたテーブルデータをＥＣＵ１７内のＲＯＭに格納しておき、アクセル開度Ａｐｓに応じて参照することで求める。なお、このテーブルは、アクセル開度Ａｐｓが大きければ目標トルクＴＴＣも大きく、アクセル開度Ａｐｓが小さければ目標トルクＴＴＣも小さくなる傾向にある。
【００２２】
ここで求めた目標トルクＴＴＣは、図示しないスロットル開度の制御や、後述するＳ８における目標空燃比ＴＦＢＹＡの演算に使用される。
次のＳ５では、エンジン冷却水温Ｔｗが所定値ＬＴｗ未満（Ｔｗ＜ＬＴｗ）であるか否かを判定する。所定値ＬＴｗ未満（Ｔｗ＜ＬＴｗ）の場合は、リーン運転を行うと燃焼が不安定となり運転性を損なう可能性があると判断してＳ６に進む。一方、所定値ＬＴｗ以上（Ｔｗ≧ＬＴｗ）の場合は、後述するＳ８に進む。
【００２３】
Ｓ６では低温時燃料補正率ＫＴｗを読込む。低温時燃料補正率ＫＴｗは、冷機時に燃料の気化割合が低く、目標よりも混合気がリーンとなって燃焼安定性が低下するのを防ぐための補正率であり、例えば予め冷却水温Ｔｗに割付けたテーブルデータをＥＣＵ１７内のＲＯＭに格納しておき、冷却水温Ｔｗに応じて参照することで求める。
次のＳ７では、目標空燃比ＴＦＢＹＡに１及び低温時燃料補正率ＫＴｗの和（１＋ＫＴｗ）を代入する。ここで目標空燃比ＴＦＢＹＡは空気過剰率λの逆数（ＴＦＢＹＡ＝１／λ）とし、ＴＦＢＹＡ＝１．０はストイキであり、これより小さい場合（ＴＦＢＹＡ＜１．０）は空燃比リーンを、それより大きい場合（ＴＦＢＹＡ＞１．０）は空燃比リッチを意味する。
【００２４】
一方、Ｓ５でエンジン冷却水温Ｔｗが所定値ＬＴｗ以上（Ｔｗ≧ＬＴｗ）と判定された場合はＳ８に進み、エンジン回転速度Ｎｅ及び目標トルクＴＴＣから目標空燃比ＴＦＢＹＡを求める。目標空燃比ＴＦＢＹＡは、例えばエンジン回転数Ｎｅ及び目標トルクＴＴＣに割り付けたマップデータをＥＣＵ１７内のＲＯＭに格納しておき、これらの値に応じて参照することで求めることができる。
【００２５】
次のＳ９では空燃比フィードバック（Ｆ／Ｂ）制御が行われているか否かを判定する。空燃比フィードバック制御が行われている場合はＳ１０に進み、排気空燃比センサ１０の信号をもとに演算された燃料噴射量のフィードバック制御係数αを読込む。次のＳ１１では、以降少なくとも再始動時までリッチ成層運転を行わないよう、リッチ成層時間ＴＲＳに０を代入する。
【００２６】
一方、Ｓ９で空燃比フィードバック制御が行われていないと判定された場合はＳ１２に進み、フィードバック制御係数αに１（すなわち１００％）を代入する。
次のＳ１３では目標空燃比ＴＦＢＹＡが１以上（ＴＦＢＹＡ≧１）であるか否かを判定する。目標空燃比ＴＦＢＹＡが１以上（ＴＦＢＹＡ≧１）である場合は均質燃焼モードと判断し、Ｓ１４に進む。一方、目標空燃比ＴＦＢＹＡが１未満（ＴＦＢＹＡ＜１）である場合はＳ１９に進み、リッチ成層時間ＴＲＳが０より大きい（ＴＲＳ＞０）状態であるか否かを判定する。リッチ成層時間ＴＲＳが０より大きい（ＴＲＳ＞０）場合は後述するＳ２０〜Ｓ２６のリッチ成層燃焼時演算ルーチンに進む。一方、リッチ成層時間ＴＲＳが０以下（ＴＲＳ≦０）の場合はＳ１４〜１８の通常燃焼時演算ルーチンに進む。
【００２７】
先ず、通常燃焼時演算ルーチンについて説明する。
Ｓ１４では、気筒あたりの吸入空気量、すなわちＱａ／（Ｎｅ・ｎ／２）（ｎは気筒数）に、目標空燃比ＴＦＢＹＡと燃料噴射量のフィードバック制御係数αとの積を乗じて、燃料噴射量Ｑｆを求める。
次のＳ１５では、燃料噴射弁６の噴射率特性を低噴射側の所定値Ｌに設定する。これにより燃料噴射弁６から噴射される燃料の単位時間あたりの噴射量（噴射率）を変更する。なお本実施形態において噴射率、即ち単位時間あたりの燃料流量特性（噴射量）は、低噴射側の所定値Ｌと高噴射側の所定値Ｈとの２パターンに切り替えられるようになっており、それぞれ例えば図３に示すような特性となっている。噴射率は、例えば燃料噴射弁６の開口面積を変化させることにより変更することが可能である。なお燃料ポンプ１４により燃圧Ｐｆを変更することで噴射率を変更してもよい。
【００２８】
次のＳ１６では、エンジン回転速度Ｎｅ及び目標トルクＴＴＣに予め割付けたマップデータを参照して噴射開始時期ＩＴｓを読込む。図示しないが、この時の目標空燃比ＴＦＢＹＡが１以上（目標空燃比≧１）であるか否かにより、読込むマップを切り替える。目標空燃比ＴＦＢＹＡが１以上（目標空燃比≧１）の場合は、吸気行程に燃料を噴射して燃焼室全体に均質な混合気を形成する、いわゆる均質燃焼モードにて運転が行われる。一方、目標空燃比ＴＦＢＹＡが１未満（目標空燃比＜１）の場合は、圧縮行程に燃料を噴射して点火プラグ近傍に混合気を形成する、いわゆる成層燃焼モードにて運転が行われる。
【００２９】
次のＳ１７では、燃料圧力Ｐｆに応じて、燃料噴射量Ｑｆを噴射するのに必要な噴射期間（クランク角度換算値）ＴＩを求める。
燃料噴射期間ＴＩは、例えば以下の方法で求める。先ず単位時間あたりの燃料噴射量、即ち燃料噴射率ｄＱｆを求める。具体的な方法としては、予め実験により燃料噴射弁６の燃料圧力Ｐｆに対する噴射率特性を求め、テーブルデータとしてＥＣＵ１７内のＲＯＭに格納しておき、燃料圧力Ｐｆに応じて参照するなどの方法で求める。次に、燃料噴射量Ｑｆを噴射するのに必要な噴射期間ＴＩを求める。燃料噴射期間ＴＩは次式にて求めることが可能である。
【００３０】
ＴＩ＝Ｑｆ／｛ｄＱｆ×３６０／（Ｎｅ・６０）｝・Ｃ      ・・・（１）
ここでＣは単位換算用の定数である。
次のＳ１８では、点火時期ＡＤＶを算出する。図示しないが、この時の目標空燃比ＴＦＢＹＡが１以上（ＴＦＢＹＡ≧１）であるか否かによって、異なる算出方式をとる。目標空燃比ＴＦＢＹＡが１以上（ＴＦＢＹＡ≧１）の場合は、エンジン回転速度Ｎｅ及び目標トルクＴＴＣに予め割付けたマップデータを参照して点火時期ＡＤＶを読込む。一方、目標空燃比ＴＦＢＹＡが１未満（ＴＦＢＹＡ＜１）の場合、即ち成層燃焼時は燃料噴射終了近傍の混合気に点火を行うので、例えば次式により求める。
【００３１】
ＡＤＶ＝ＩＴｓ＋ＴＩ−Ｔｄ                        ・・・（２）
ここで、Ｔｄは適合用の係数であるが、この詳細については後述する。以上のルーチンにより、通常燃焼時の点火時期ＡＤＶ、燃料噴射量Ｑｆ及び噴射時期ＩＴｓ、ＴＩが算出され、これに基づきＥＣＵ１７は燃料噴射弁６及び点火プラグ７の制御を行う。
次にＳ２０〜Ｓ２６のリッチ成層燃焼時演算ルーチンについて説明する。
【００３２】
先ずＳ２０では、リッチ成層時間ＴＲＳから１を減じる（カウントダウン）。次のＳ２１では修正空燃比ＴＦＢＹＡ２を求める。修正空燃比ＴＦＢＹＡ２は、目標トルクＴＴＣを発生させるために必要とされる目標空燃比ＴＦＢＹＡと、後燃えをさせるための未燃成分量相当の修正分との和である。ここで、完全燃焼した際にエミッションの増加を生じないために、修正空燃比ＴＦＢＹＡ２は１以下（ＴＦＢＹＡ２≦１）となるように設定する必要がある。
【００３３】
次のＳ２２では、気筒あたりの吸入空気量、すなわちＱａ／（Ｎｅ・ｎ／２）（ｎは気筒数）に、修正空燃比ＴＦＢＹＡ２と燃料噴射量のフィードバック制御係数αとを乗じて、燃料噴射量Ｑｆを求める。
次のＳ２３では、燃料噴射弁６の噴射率として高噴射側の所定値Ｈを設定する。これにより燃料噴射弁６から噴射される燃料の単位時間当たりの噴射量（噴射率）を変更する。なお本実施形態において、噴射率は燃料噴射弁６の開口面積を変化させることにより変更する。なお、前述のように燃料ポンプ１４により燃圧Ｐｆを変更することで噴射率を変更してもよい。
【００３４】
次のＳ２４では、エンジン回転速度Ｎｅ及び目標トルクＴＴＣに予め割付けたマップデータを参照して噴射開始時期ＩＴｓを読込む。ここで読込むマップは、Ｓ１８において目標空燃比ＴＦＢＹＡが１未満（ＴＦＢＹＡ＜１）の場合に読込むものと同一の、成層燃焼モード用のマップである。
次のＳ２５は前述のＳ１７と同様の処理を行い、燃料噴射期間ＴＩを算出する。
【００３５】
次のＳ２６では、前述の（２）式により、点火時期ＡＤＶを算出する。ここでＴｄは、噴霧の終端近傍に点火を行い、且つ噴射率特性Ｈで噴射された噴霧が燃焼室壁面に到達する前に点火を行えるように点火時期ＡＤＶを適合するための値であり、予め実験により最適値を求め、このデータをＥＣＵ１７内のＲＯＭに格納しておきその都度参照することで求めることが可能である。なお、リッチ成層混合気に点火を行う際の点火時期ＡＤＶは、燃料噴霧に吹き消されるのを防ぐために噴射終了時期近傍に設定することが望ましい。
【００３６】
以上のルーチンにより、排気浄化触媒１１の昇温が要求される時に、燃料を高い噴射率、即ち高密度で噴射して点火プラグ７の近傍にリッチ成層混合気を形成し、且つその燃料が燃焼室壁面に到達する前に点火プラグ７を作動させることが可能となる。
なお後述するが、ピストン５の冠面に形成したキャビティに燃料を噴射して成層混合気を形成する場合は、キャビティの形状により混合気の大きさ（混合気中の空気量）が決まるので、燃料噴射量を増やすと混合気の空燃比がリッチになる。
【００３７】
これに対し、燃料噴射弁６から噴射される燃料噴霧の大きさがそのまま混合気の大きさとなる本実施形態では、噴霧の空燃比を変えて成層混合気の空燃比を変更している。なお、噴霧角によって定まる噴霧の大きさを変えずに噴射率を高くすると噴霧の空燃比（＝混合気の空燃比）がリッチになる。噴射率を変えずに噴霧角を小さくしたり、噴射率を高くしつつ噴霧角を小さくしたりしてもよい。
【００３８】
通常燃焼時の成層混合気の空燃比は理論空燃比近傍が良いので、低噴射率Ｌのときは噴霧の空燃比がほぼ理論空燃比になるようにする。
なお、本実施形態については、燃料噴射弁６及び点火プラグ７を燃焼室の略中心に設けた構成にて説明を行ったが、燃料噴射弁６からの燃料噴霧の一部が直接点火プラグ７に到達するよう配設されていればよいのであって、前記のような配置に限定する必要はない。例えば図４に示すように、燃焼室４の側壁近傍に燃料噴射弁６を配置し、そこから燃焼室４の中心軸上に設けた点火プラグ７に向かって燃料を噴霧する構成に対して本実施形態を適用してもよい。
【００３９】
本実施形態によれば、燃焼室４に直接燃料を噴射する燃料噴射弁６を備え、圧縮行程時に燃料噴射弁６から燃料を噴射して層状の混合気を形成して火花点火により層状燃焼させる運転モードでの運転を行い、少なくとも排気通路９に設けられた排気浄化触媒１１の昇温が要求される時には、層状混合気の空燃比がリッチとなるように成層混合気を変更する内燃機関において、燃料噴射弁６から噴射された燃料が燃焼室４壁面に到達する前に混合気の燃焼を行う燃焼手段を設けた（Ｓ２６）。このため、燃料噴霧が未燃のまま燃焼室４の壁面に到達して液膜を形成するのを抑制することができ、その結果、部分酸化が起こらずＨＣとして排出される燃料が減少し、ＣＯ、Ｈ2等の比較的反応性の高い成分の比率が高まる。よって、未燃燃料と酸素は十分に反応して高い排温上昇効果を得ることが可能になるとともに、エミッション増加を抑えることができるという効果が得られる。
【００４０】
また本実施形態によれば、燃焼手段として、燃料噴射弁６からの燃料噴射により形成される噴霧の一部が直接到達するように点火プラグ７を設け、噴霧が燃焼室４の壁面に到達する前に点火プラグ７による点火をする（Ｓ２０〜Ｓ２６）。このため、リッチ混合気が燃焼室壁面に到達する前に確実に着火させることができ、請求項１の効果を十分に得ることが可能となる。
【００４１】
また本実施形態によれば、燃料噴射弁６から噴射される燃料の単位時間あたりの噴射量を変更する手段（Ｓ２３）を設け、燃焼手段によりリッチ成層燃焼を行う際は、リッチ成層燃焼を行わない場合に対して単位時間あたりの噴射量を増加させる。このため、燃料噴射量Ｑｆの増量に伴う燃料噴射期間ＴＩの増加を抑制することが可能となる。そして燃料噴射量Ｑｆが多い場合であっても、点火よりも前に噴射開始時の噴霧が燃焼室４の壁面に到達して液膜を形成するのを抑制することが可能となる。
【００４２】
次に、本発明に係る第２の実施形態について図５〜８を用いて説明する。
前述の第１の実施形態の構成との相違は、ピストン冠面の略中心軸上にキャビティ５ａを有する点、及び排気浄化触媒１１に触媒温度センサ１８を設けた点である。他は同一であるので説明を省略する。
このようにピストンキャビティ５ａに沿って噴霧を循環させ混合気の成層化を図る技術は、成層度が高い、即ち形成された成層混合気と周囲の空気の境界近傍における希薄な混合気が存在する部分が少なく、消炎に伴う未燃ＨＣが少ないという利点を持つ。
【００４３】
しかし、機関冷間時は暖機後と比較して噴射された燃料があまり気化しないため、燃料噴霧の一部は液滴となり循環流に乗り切れずピストンキャビティ壁面に付着する上、ピストンキャビティ５ａが冷えている場合には付着した燃料があまり気化せず液膜となって未燃ＨＣの増加を招く可能性がある。
そこで本実施形態では、機関冷間時は噴霧が燃焼室壁面に到達する前にリッチ成層混合気の燃焼を行うようにし、暖機後、燃料噴霧がピストンキャビティ５ａに付着して液膜となる可能性が低い場合は、循環流により成層度の高いリッチ成層混合気を形成して後燃えを生じさせ、触媒昇温を行う構成とした。
【００４４】
図６及び図８には本実施形態における燃料噴射量、噴射時期及び点火時期演算のフローチャートを示す。先ず図６について説明する。
先ずステップ１（以下「Ｓａ１」と示す。以下同様）にて、冷却水温Ｔｗ、エンジン回転速度Ｎｅ、アクセル開度Ａｐｓ、吸入空気量Ｑａ、燃圧Ｐｆ、触媒温度Ｔｃ、及びスタートスイッチ信号を読込む。
【００４５】
次のＳａ２でスタートスイッチ信号がＯＮ→ＯＦＦに切り替わったと判定された場合はＳａ３に進み、キャビティ温度カウンタＴＴＲＳに０を代入してリセットし、Ｓａ４に進む。一方Ｓａ２でスタートスイッチ信号がＯＮ→ＯＦＦに切り替わらなかった場合は、Ｓａ３を経由せずに直接Ｓａ４に進む。
Ｓａ４〜１０、１１〜１３は、図２におけるＳ４〜１０、１２〜１４と同一であるので説明を省略する。
【００４６】
Ｓａ１４では燃料噴射弁６の噴射特性として燃料噴霧速度を高速側の所定値Ｆに設定する。なお本実施形態においては、低速側の所定値Ｓと高速側の所定値Ｆとの２パターンの燃料噴射特性を運転条件に応じて選択する。所定値ＳとＦとは例えば図７に示すように、Ｆに対しＳは単位時間あたりの燃料流量は等しいが、燃料噴霧の速度は遅くなるように設定されている。これは例えば、所定値Ｓは所定値Ｆと比較して燃料噴射弁６の開口面積を大きく、且つ燃圧設定を低く設定することにより単一の燃料噴射弁６でも実現することが可能である。
【００４７】
次のＳａ１５〜１７は、図２におけるＳ１６〜１８と同一であるので説明を省略する。次のＳａ１８では、キャビティ温度カウンタＴＴＲＳに所定値ＴＴＲＳＺを代入する。ここで所定値ＴＴＲＳＺには、後述するキャビティ暖機時間ＴＴＲＳＨよりも大きな値（ＴＴＲＳＺ＞ＴＴＲＳＨ）を設定する。
一方、Ｓａ９及び１２にて、空燃比フィードバック中ではなく且つ目標空燃比ＴＦＢＹＡが１未満、即ちリーン運転中と判定された場合に進むＳａ１９では、触媒温度Ｔｃが活性温度ＴｃＬ未満（Ｔｃ＜ＴｃＬ）であるか否かを判定する。
【００４８】
Ｓａ１９にて触媒温度Ｔｃが活性温度ＴｃＬ未満（Ｔｃ＜ＴｃＬ）である場合は、Ｓａ２０以降のリッチ成層燃焼時演算ルーチンに進む。一方、触媒温度Ｔｃが活性温度ＴｃＬ以上（Ｔｃ≧ＴｃＬ）である場合は、Ｓａ１３〜１７の通常燃焼時演算ルーチンに進む。
Ｓａ２０〜２１は、図２におけるＳ２１〜２２と同一であるので説明を省略する。
次のＳａ２２では、噴射特性として燃料噴霧速度を低速側の所定値Ｓに設定する。燃料噴霧速度を所定値Ｓに設定するためには、燃料噴射弁６の開口面積を変更（増加）させる。所定値Ｓは通常燃焼時に選択される所定値Ｆと比較して噴霧速度が遅いため（Ｓ＜Ｆ）、混合気中の燃料密度が高まり空燃比をリッチ化することが可能であり、また噴霧の燃焼室壁面到達を遅らせることができる。なお燃料噴射弁６の開口面積を変更するだけでなく、燃料ポンプ１４の燃圧Ｐｆを変更することにより噴霧速度を変更してもよい。この場合は、開口面積を大きくするほか、燃圧を低下させることで噴射速度を変更（低下）させる。
【００４９】
Ｓａ２２以降のルーチンＢについては、図８に詳細を示す。
先ずステップ１（以下「Ｓｂ１」と示す。以下同様）では、キャビティ温度カウンタＴＴＲＳが０（ＴＴＲＳ＝０）であるか否かを判定する。カウンタＴＴＲＳが０（ＴＴＲＳ＝０）、即ち始動直後の場合はＳｂ２に進み、キャビティ暖機時間ＴＴＲＳＨを読込む。キャビティ暖機時間ＴＴＲＳＨは、キャビティ壁面温度が十分に上昇するまでの間に、キャビティ温度カウンタＴＴＲＳがカウントアップする数を意味する。本ブロックにより、キャビティ温度を直接計測しなくともキャビティ壁面温度を推定することが可能である。
【００５０】
なお本実施形態においては、始動時の水温との相関を予め実験により求めておき、これを水温に割付けたテーブルデータとしてＥＣＵ１７のＲＯＭに格納しておき、始動時水温に応じて参照することでキャビティ暖機時間ＴＴＲＳＨを求めるようにしている。一方、Ｓｂ１でカウンタＴＴＲＳが０でない（ＴＴＲＳ≠０）場合は、直接Ｓｂ３に進む。
Ｓｂ３では、キャビティ温度カウンタＴＴＲＳがキャビティ暖機時間ＴＴＲＳＨ未満（ＴＴＲＳ＜ＴＴＲＳＨ）であるか否かを判定する。Ｙｅｓ、即ちキャビティ壁温が十分に上昇していない（ＴＴＲＳ＜ＴＴＲＳＨ）と判断した時は、Ｓｂ４〜１３のリッチ噴霧直接点火モードルーチンに進む。一方、Ｎｏ（ＴＴＲＳ≧ＴＴＲＳＨ）と判断した時は、Ｓｂ１４以降のリッチ循環流点火モードルーチンに進む。
【００５１】
先ず、リッチ噴霧直接点火モードルーチンについて説明する。Ｓｂ４〜５は、前述の第１の実施形態の図２におけるＳ２４〜２５と同一であるので説明を省略する。
次のＳｂ６では、エンジン回転速度Ｎｅ及び目標トルクＴＴＣに予め割付けたマップデータを参照して点火時期ＡＤＶを読込む。
次のＳｂ７では、噴射期間限界値ＴＩｍａｘを算出する。噴射期間限界値ＴＩｍａｘは、噴射終了時点で噴射開始時の噴霧が壁面に付着しない最大噴射期間を意味し、ＴＩがこれを超えた場合は、所望の燃料量を点火前に壁面に付着せずに全量噴射することができない。
【００５２】
次のＳｂ８にて燃料噴射期間ＴＩが噴射期間限界値ＴＩｍａｘを超える（ＴＩ＞ＴＩｍａｘ）と判断した場合は、Ｓｂ９に進み、追加噴射期間ＴＩ２に燃料噴射期間ＴＩと噴射期間限界値ＴＩｍａｘとの差分（ＴＩ−ＴＩｍａｘ）を代入し、その次のＳｂ１０にて噴射期間ＴＩに噴射期間限界値ＴＩｍａｘを代入する。この操作により、所望の燃料をＴＩ２とＴＩとの２回に分けて噴射することができる。
【００５３】
次のＳｂ１１では追加噴射時期ＩＴｓ２を読込む。追加噴射時期ＩＴｓ２は、噴射開始時期ＩＴｓよりも前、例えば吸気行程や圧縮行程初期に設定されている。追加噴射された燃料は点火よりも前に燃焼室壁面に付着することになるが、一旦液膜となった後、筒内に長く留まる間に一部が気化する。
一方、追加噴射を主噴射直前に行い、連続して主噴射を行う場合は、点火までの時間が少なく、気化率は比較的低くなり、液膜となる燃料量が多くなるため、前述の理由により後燃えが不十分（ＨＣが増加）となってエミッション増加を生じる可能性がある。そこで本実施形態のような設定とすることにより、所望の量の燃料噴射と、エミッション増加の抑制とを両立させることが可能となる。
【００５４】
Ｓｂ８にて噴射期間ＴＩが噴射期間限界値以下（ＴＩ≦ＴＩｍａｘ）と判断した場合はＳｂ１２に進み、追加噴射量ＴＩ２に０を代入し、追加噴射は行わない。
最後にＳｂ１３において、キャビティ温度カウンタＴＴＲＳに１を加算する。
次に、Ｓｂ１４以降のリッチ循環流点火モードルーチンについて説明する。
Ｓｂ１４では、エンジン回転速度Ｎｅ及び目標トルクＴＴＣに予め割付けたマップデータを参照して噴射開始時期ＩＴｓを読込む。噴射開始時期ＩＴｓは、噴霧のベクトルとキャビティ５ａとの幾何的関係により、燃料噴霧がキャビティ５ａ内の壁面に到達するよう所定範囲内に設定される。
【００５５】
次のＳｂ１５では燃料噴射期間ＴＩが前述のＳｂ５と同様に算出される。その次のＳｂ１６では、エンジン回転速度Ｎｅ及び目標トルクＴＴＣに予め割付けたマップデータを参照して点火時期ＡＤＶを読込む。このマップデータには、キャビティ５ａに沿って循環してきた混合気に着火するタイミングを、予め実験などにより求めておいた値が格納されている。
【００５６】
次のＳｂ１７では、噴射期間限界値ＴＩｍａｘを算出する。噴射期間限界値ＴＩｍａｘは、噴射開始から終了までの噴霧がキャビティ内壁に到達する最大噴射期間を意味し、燃料噴射期間ＴＩがこれを超えた（ＴＩ＞ＴＩｍａｘ）場合は、噴霧の一部がキャビティ外に到達し、循環流を形成できないために成層度が弱まり、所望のリッチ混合気を得ることができない。
【００５７】
次のＳｂ１８にて燃料噴射期間ＴＩが噴射期間限界値ＴＩｍａｘを超える（ＴＩ＞ＴＩｍａｘ）と判断した場合は、Ｓｂ１９に進み、追加噴射期間ＴＩ２にＴＩとＴＩｍａｘとの差分（ＴＩ２−ＴＩｍａｘ）を代入し、その次のＳｂ２０にて噴射期間ＴＩに噴射期間限界値ＴＩｍａｘを代入する。この操作により、所望の燃料を追加噴射期間ＴＩ２と噴射期間ＴＩとの２回に分けて噴射することができる。
【００５８】
次のＳｂ２１では追加噴射時期ＩＴｓ２を読込む。追加噴射時期ＩＴｓ２は、ＩＴｓよりも前且つ噴霧がキャビティ５ａ内に到達するように、例えば吸気行程初期に設定されている。追加噴射された燃料は、主噴射よりも前に気化、拡散するが、キャビティ５ａ内に噴射することにより、キャビティ５ａの外への拡散を抑えて成層度を保つことができる。
一方、Ｓｂ１８にて燃料噴射期間ＴＩが噴射期間限界値ＴＩｍａｘ以下（ＴＩ≦ＴＩｍａｘ）と判断した場合はＳｂ２２に進み、追加噴射量ＴＩ２に０を代入し、追加噴射は行わない。
【００５９】
最後にＳｂ２３において、キャビティ温度カウンタＴＴＲＳに所定値ＴＴＲＳＺを代入する。所定値ＴＴＲＳＺはキャビティ暖機時間ＴＴＲＳＨよりも常に大きな値であり、以降本フローチャートを実行しても、Ｓｂ３にてＹｅｓ（ＴＴＲＳ≧ＴＴＲＳＨ）となることを防ぐためのものである。
以上述べてきたように、本実施形態では、排気浄化触媒１１の昇温が要求される場合に、ピストンキャビティ５ａの内壁が冷えていて付着した燃料が液膜となる可能性がある時には、リッチ噴霧直接点火により、燃料が壁面に付着する前に燃焼させる。一方、キャビティ暖機完了後は、リッチ循環流点火により、成層度の高いリッチ混合気を燃焼させることにより、未燃成分中における反応性の比較的高い成分、ＣＯ、Ｈ2の比率を増加させて十分な後燃えを生じさせ、排気浄化触媒１１の早期活性化並びに触媒１１の昇温制御中のエミッション増加を抑制することができる。また、高負荷時のように燃料噴射量が多く、所定の期間内に所望の量の燃料を噴射しきれない場合においては所定期間よりも前に追加噴射を行うことで、エミッション増加を抑制しながら、後燃えの効果を得ることが可能である。
【００６０】
なお本実施形態では、噴霧速度を変更することで噴霧の空燃比を変更している。ただし、この実施形態では通常運転時にキャビティ５ａを使って成層混合気を作る（噴霧の空燃比と無関係に通常運転時の成層混合気の空燃比を調整できる）ので、噴射特性固定（噴霧の空燃比は理論空燃比よりリッチ）の噴射弁を使用することもできる。
本実施形態によれば、内燃機関（エンジン）１は、燃料噴射弁６を燃焼室４上面の略中央部に設け、ピストン５冠面の略中央部にキャビティ５ａを設け、圧縮行程で噴射された燃料がキャビティ５ａに沿って移動しながら層状の混合気を形成し火花点火により成層燃焼させる運転を行うものであり、内燃機関１の冷間状態を検知する冷間状態検知手段（Ｓｂ１〜３）を有し、燃焼手段は、排気浄化触媒１１の昇温が要求され、且つ内燃機関１が冷間状態にある時には、燃料が燃焼室４壁面に到達する前に混合気の燃焼を行う一方（Ｓｂ９〜Ｓｂ１２）、内燃機関１の暖機後であり且つ触媒１１の昇温が要求される時には、キャビティ５ａに沿って噴霧を循環させることによりリッチ成層混合気を形成し、燃焼を行う（Ｓｂ１９〜Ｓｂ２２）。このため、機関冷間時及び暖機後において未燃ＨＣの比率の増加に伴うエミッション増加を抑制することができる。
【００６１】
また本実施形態によれば、冷間状態検知手段は、ピストンキャビティ温度を推定する手段（Ｓｂ２）を有し、ピストンキャビティ温度に基づいて内燃機関１の冷間状態を検知する（Ｓｂ３）。このため、燃料がキャビティ５ａに付着した場合、液膜を形成するか否かを判定することが可能である。
また本実施形態によれば、燃料噴射弁６から噴射される燃料噴霧の速度を変更する手段（Ｓａ２２）を設け、燃焼手段によりリッチ成層燃焼を行う際は、リッチ成層燃焼を行わない場合に対して燃料噴霧の速度を低下させる。このため、燃料噴射量の増加により、噴射期間ＴＩが増加した場合であっても、点火よりも前に噴射開始時の噴霧が燃焼室４の壁面に到達して液膜を形成するのを抑制することが可能となる。
【００６２】
また本実施形態によれば、燃料の追加噴射を行う手段（Ｓｂ９〜Ｓｂ１２、Ｓｂ１９〜Ｓｂ２２）を有し、燃焼手段により、噴射燃料が燃焼室４壁面に到達する前に混合気の燃焼が行われている場合であり且つ高負荷時には、燃焼手段による燃料噴射タイミングよりも前に追加噴射を行う。このため、点火まで液滴、液膜のまま燃焼室４内に存在しその結果燃焼に寄与せず未燃ＨＣとして排出される燃料を低減することができ、未燃成分の反応性低下に伴う排温上昇代の低下並びにエミッション増加を抑制することができるという効果が得られる。例えば、噴射量が非常に多いために長い噴射期間を必要とし、着火燃焼までに全量を噴射することができないと判断した場合に、それよりも前のタイミングで追加分の燃料噴射を行うことで所望の噴射量を確保することが可能となる。しかも追加分の燃料噴射により噴射された燃料は、燃焼室内に比較的長く留まるため、点火までに気化する割合が比較的高くなることが期待できる。
【００６３】
また本実施形態によれば、燃料の追加噴射を行う手段（Ｓｂ９〜Ｓｂ１２、Ｓｂ１９〜Ｓｂ２２）を有し、燃焼手段により、噴射燃料が燃焼室壁面に到達する前に混合気の燃焼が行われている場合であり、且つ高負荷時には、前記燃焼手段による燃料噴射タイミングよりも前に追加噴射を行う一方、追加燃料噴射により噴射された燃料が、ピストンキャビティ５ａ内に到達するように、追加燃料噴射の噴射時期を設定する。このため、ピストンキャビティ５ａ内に噴射された燃料は、その後に気化した際、キャビティ５ａによって拡散が抑制されて燃焼室４の略中央部に留まるため、成層度を損なうのを抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】第１の実施形態に係る構成を示す図
【図２】燃料噴射量、噴射時期及び点火時期演算のフローチャート
【図３】噴射率の特性を示す図
【図４】第１の実施形態に係る別の構成を示す図
【図５】第２の実施形態に係る構成を示す図
【図６】燃料噴射量、噴射時期及び点火時期演算のフローチャート
【図７】燃料噴射特性を示す図
【図８】燃料噴射量、噴射時期及び点火時期演算のフローチャート
【符号の説明】
【００６５】
１  エンジン
２  吸気ポート
３  吸気バルブ
４  燃焼室
５  ピストン
５ａ  キャビティ
６  燃料噴射弁
７  点火プラグ
８  排気バルブ
９  排気通路
１０  排気空燃比センサ
１１  排気浄化触媒
１２  吸気カム
１３  排気カム
１４  燃料ポンプ
１５  燃料配管
１６  燃圧センサ
１７  エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
１８  触媒温度センサ
【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】
2005090337.tif 000007
【図６】
2005090337.tif 000008
【図７】
2005090337.tif 000009
【図８】
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