(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内にタンブル流を生成するタンブル生成手段と、タンブル流に逆行するように燃料を燃焼室内に噴射する燃料噴射弁とを備え、エンジンの低速、低負荷側の所定運転領域で点火時期に点火プラグ付近に可燃混合気を生成するように点火時期に対応づけて上記燃料噴射弁から燃料を噴射させるようにするとともに、排気通路に触媒を備えた火花点火式直噴エンジンにおいて、
上記触媒の温度状態を判別する温度状態判別手段と、上記燃料噴射弁からの燃料噴射を制御する燃料噴射制御手段と、点火プラグによる点火時期を制御する点火時期制御手段とを備え、
上記燃料噴射制御手段は、温度状態判別手段による温度状態の判別に基づき、触媒が未活性状態のとき、点火時期より前で圧縮行程の期間内に早期噴射と後期噴射の少なくとも２回の分割噴射を上記燃料噴射弁に行わせ、
そのうちの早期噴射は、その噴霧がタンブル流との衝突によって点火時期に点火プラグ周りの後期噴射の混合気層の周辺に分布するように、圧縮行程後半の期間内で強いタンブルが残っている期間に行わせ、後期噴射は、高い筒内圧力により噴霧が点火時期に点火プラグ周りにとどまるように、タンブルが大幅に減衰する一方で筒内圧力が高くなる圧縮行程後期に行わせるようにして、上記早期噴射の終了タイミングと上記後期噴射の開始タイミングとの中間点が、圧縮行程の略２／３を経過した時期以後に存在するように両噴射のタイミングを設定し、
上記点火時期制御手段は、触媒が未活性状態のとき、圧縮上死点よりさらに遅い時期まで点火時期をリタードさせるようにしたことを特徴とする火花点火式直噴エンジンの制御装置。
【請求項２】
上記早期噴射の噴射量を上記後期噴射の噴射量よりも多くしたことを特徴とする請求項１記載の火花点火式直噴エンジンの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タンブル生成手段と燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁とを備え、成層燃焼運転時にタンブル流を利用して点火プラグ周りに可燃混合気を成層化するようにするとともに、排気通路に触媒を備えている火花点火式直噴エンジンの制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、火花点火式エンジンにおいて、燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を設け、低回転低負荷側の運転領域では空燃比をリーンとするとともに燃料噴射弁から圧縮行程で燃料を噴射することにより点火プラグ周りに混合気を偏在させて成層燃焼を行わせ、これにより燃費改善を図るようにした火花点火式直噴エンジンは種々知られている。
【０００３】
ところで、一般に自動車等のエンジンでは排気ガス浄化のため排気通路中に触媒が設けられており、この触媒は活性化温度より低い未活性状態のときは充分に浄化作用を発揮することができないので、エミッション改善のためには触媒の暖機を促進して活性化するまでの時間をできるだけ短くすることが望まれる。
【０００４】
上記火花点火式直噴エンジンにおいてこのような触媒の暖機促進を図る技術としては、例えば特開２０００−５４８８１号公報に示されるように、触媒が未活性状態のときに燃料噴射弁からの燃料噴射を複数回に分けて行う分割噴射とすることが知られている。すなわち、上記公報に示されているエンジンでは、触媒が未活性状態のとき圧縮行程中に複数回の分割噴射を行わせることにより、点火時期において点火プラグ周りに比較的リッチな混合気層が偏在するとともに、その周囲に比較的リーンな混合気層が生成されるようにしており、このような混合気分布状態で点火が行われることにより、後述のように排気温度が上昇して触媒の暖機を促進する作用が得られる。
【０００５】
また、上記公報において図面に示された実施形態では、燃料噴射弁から噴射された燃料を点火プラグ周りに導く手法として、ピストンの頂部の燃料噴射弁側に偏った部分に深い凹部からなるキャビティが設けられ、このキャビティに向けて燃料が噴射されることにより、噴霧がキャビティの壁面に衝突してからこの壁面にガイドされて点火プラグ側に向うようになっている。
【０００６】
なお、この種のエンジンにおいて、触媒が未活性状態のとき吸気行程と圧縮行程との分割噴射を行うようにしたものもあり、この場合も、点火プラグ周りには圧縮行程噴射による比較的リッチな混合気層が形成され、その周囲（燃焼室周辺にまでわたる範囲）にはリーンな混合気が生成されることにより、排気温度が上昇して触媒の暖機を促進する作用が得られる。
【０００７】
また、火花点火式直噴エンジンで、効果的に点火プラグ周りに可燃混合気を成層化させるための構造としては、上述のようにピストンに設けたキャビティの壁で噴霧をガイドするもののほかに、例えば特開平１１−１４１３３８号公報に示されるように、燃焼室内にタンブルが生成されるように吸気ポートを形成するとともに、成層燃焼時には圧縮行程後期に燃料噴射弁からタンブル流に逆行する方向に燃料を噴射させることにより、燃料噴射弁からの燃料噴霧がタンブル流と衝突して点火プラグ付近へ輸送されるようにしたものが提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように触媒が未活性状態のときに圧縮行程での分割噴射噴射又は吸気行程及び圧縮行程の分割噴射を行うと、点火プラグ周りに比較的リッチな混合気層、その周囲に比較的リーンな混合気層が形成されることにより、点火直後は点火プラグ周りの比較的リッチな混合気が燃焼し、火炎が広がってリーンな混合気層に達すると燃焼が緩慢になり、さらに余剰空気が点火プラグ周りの燃え残りの燃料に与えられることにより、比較的遅い時期まで燃焼が持続する。
【０００９】
こうして燃焼終了時期が遅らされることにより排気温度が高められるが、排気温度の上昇をより一層促進するには、燃焼性を良好に保ってエミッションや燃費の悪化を招かないようにしつつ、できるだけ燃料噴射時期を遅らせることにより点火時期も遅くし、点火時期のリタードによっても触媒の暖機を促進する作用を高めることが望まれる。なお、特開平１１−１４１３３８号公報に示されるものでは、触媒が未活性状態のときの制御については格別に着目されていなかった。
【００１０】
本発明はこのような点に鑑み、触媒の未活性時に、エミッションや燃費の悪化を招かないようにしつつ、従来のこの種の装置と比べて触媒の暖機を促進する作用をより一層高めることができる火花点火式直噴エンジンの制御装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、燃焼室内にタンブル流を生成するタンブル生成手段と、タンブル流に逆行するように燃料を燃焼室内に噴射する燃料噴射弁とを備え、エンジンの低速、低負荷側の所定運転領域で点火時期に点火プラグ付近に可燃混合気を生成するように点火時期に対応づけて上記燃料噴射弁から燃料を噴射させるようにするとともに、排気通路に触媒を備えた火花点火式直噴エンジンにおいて、上記触媒の温度状態を判別する温度状態判別手段と、上記燃料噴射弁からの燃料噴射を制御する燃料噴射制御手段と、点火プラグによる点火時期を制御する点火時期制御手段とを備え、上記燃料噴射制御手段は、温度状態判別手段による温度状態の判別に基づき、触媒が未活性状態のとき、点火時期より前で圧縮行程の期間内に早期噴射と後期噴射の少なくとも２回の分割噴射を上記燃料噴射弁に行わせ、そのうちの早期噴射は、その噴霧がタンブル流との衝突によって点火時期に点火プラグ周りの後期噴射の混合気層の周辺に分布するように、圧縮行程後半の期間内で強いタンブルが残っている期間に行わせ、後期噴射は、高い筒内圧力により噴霧が点火時期に点火プラグ周りにとどまるように、タンブルが大幅に減衰する一方で筒内圧力が高くなる圧縮行程後期に行わせるようにして、上記早期噴射の終了タイミングと上記後期噴射の開始タイミングとの中間点が、圧縮行程の略２／３を経過した時期以後に存在するように両噴射のタイミングを設定し、上記点火時期制御手段は、触媒が未活性状態のとき、圧縮上死点よりさらに遅い時期まで点火時期をリタードさせるようにしたものである。
【００１２】
この装置によると、点火時期に、後期噴射の噴霧が点火プラグ周りに留まることによりこの部分に比較的リッチな混合気層が存在するとともに、その周囲に早期噴射による比較的リーンな混合気層が存在するような混合気分布状態が得られ、このような混合気分布状態で点火が行われることにより、先ず点火プラグ周りの比較的リッチな混合気が燃焼し、火炎が広がってリーンな混合気層に達すると燃焼が緩慢になり、さらに余剰空気が点火プラグ周りの燃え残りの燃料に与えられてこれが燃焼することにより、比較的遅い時期まで燃焼が持続する。これにより、排気温度を上昇させる作用が高められる。
【００１３】
また、早期噴射開始タイミングと後期噴射開始タイミングとの中間点が圧縮行程後半の期間内となる程度に早期噴射及び後期噴射のタイミングが遅くされ、特に後期噴射は噴霧が圧縮行程後期の高い圧力によって点火時期に点火プラグ周りに留まる状態になるように圧縮上死点近くまで噴射タイミングが遅らされ、これに伴って点火時期が遅らされる。このように噴射タイミング及び点火時期が遅らされることにより、排気温度を上昇させる作用が高められる。
【００１４】
しかも、ピストン頂部に深いキャビティが設けられてそのキャビティの壁面で噴霧がガイドされるような構造の従来装置では噴射タイミングが遅くされるにつれてキャビティ壁面への燃料付着量が増大するため燃焼性の悪化やスモークの増大を招き易くなるのに対し、本発明では燃料噴射弁からの燃料噴射はタンブル流に逆行するようになっていて、噴射タイミングを遅くしても、壁面への燃料付着量が少ないため燃焼が良好に行われてスモーク及びＨＣが低減され、エミッション及び燃費の改善が図られる。
【００１５】
また、上記早期噴射は、その噴霧がタンブル流との衝突によって点火時期に点火プラグ周りに分布するようになるタイミングで行わせることにより、点火時期に、後期噴射の噴霧による比較的リッチな混合気層の周囲に、タンブル流との衝突により充分に気化、霧化が行われた比較的リーンな混合気が分布することとなって、燃焼安定性が確保される。
【００１６】
また、上記早期噴射の噴射量を上記後期噴射の噴射量よりも多くすることが好ましい。このようにすると、比較的気化、霧化が良い早期噴射の量が多く、気化、霧化が悪い後期噴射の量が少なくなることにより、スモークの低減に有利となる。
【００１８】
また、燃焼性が良好に保たれる範囲で早期噴射及び後期噴射のタイミングをできるだけ遅らせることにより、それに対応して点火時期を大きく遅らせることができ、排気温度を上昇させる作用がより一層高められる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１は、本発明の一実施形態による火花点火式直噴エンジンの全体的な構成を示す。この図において、エンジン本体１は、複数の気筒２が配設されたシリンダブロック３と、このシリンダブロック３上に配置されたシリンダヘッド４とを有し、各気筒２内にはピストン５が上下方向に往復動可能に嵌挿されていて、そのピストン５とシリンダヘッド４との間に燃焼室６が形成されている。上記ピストン５は、シリンダブロック３の下方部に回転自在に支持されたクランク軸７に、コネクティングロッド８を介して連結されている。クランク軸７の一端側には、クランク角（クランク軸７の回転角度）を検出する電磁式のクランク角センサ９が配置されている。
【００２３】
各気筒２の燃焼室６は、その天井部が中央部分からシリンダヘッドの下端まで延びる２つの傾斜面で構成された所謂ペントルーフ型となっている。この燃焼室６の天井部を構成する２つの傾斜面には吸気ポート１０及び排気ポート１１がそれぞれ２つずつ（図面では１つずつのみを示す）開口し、各ポート１０，１１の開口端に吸気弁１２及び排気弁１３が設けられている。これら吸気弁１２及び排気弁１３は、シリンダヘッド４の上部に軸支された２本のカム軸１４等からなる動弁機構により、それぞれ各気筒毎に所定のタイミングで開閉作動されるようになっている。
【００２４】
上記燃焼室６の中央部の上方には、上記４つの吸排気弁に取り囲まれるように点火プラグ１６が配置されており、この点火プラグ１６の先端が上記天井部から燃焼室６内に突出している。この点火プラグ１６には点火回路１７が接続され、各気筒２毎に所定のタイミングで点火プラグ１６に通電するようになっている。
【００２５】
また、燃焼室６の周縁部には、２つの吸気ポート１０に挟まれるように燃料噴射弁１８が配置され、この燃料噴射弁１８から燃焼室６内に直接燃料が噴射されるようになっている。この燃料噴射弁１８の基端部には、全気筒２に共通の燃料分配管１９が接続されていて、燃料供給系２０から供給される高圧の燃料を各気筒に分配するようになっている。
【００２６】
エンジン本体１の構造を、図２の拡大断面図を参照しつつさらに詳しく説明すると、上記吸気ポート１０は、燃焼室６から斜め上方に向かって直線的に延びていて、エンジン本体１の一側面（図２で右側面）に開口しており、２つの吸気ポート１０（一方は図示せず）は互いに独立して形成されている。これらの吸気ポート１０によりタンブル生成手段が構成され、吸気ポート１０を通って燃焼室６内に流入する吸気により燃焼室６内にタンブル流Ｔが生成されるようになっている。図２のように燃焼室６の右側に吸気ポート１０、左側に排気ポート１１が位置する断面においては反時計方向（図２中の矢印方向）にタンブル流Ｔが生成される。
【００２７】
上記燃料噴射弁１８からの燃料噴射方向は燃焼室６内のタンブル流Ｔに逆行するように設定されている。すなわち、図２に示す断面において燃焼室６の右側に位置する燃料噴射弁１８から斜め左下方に向けて燃料が噴射されることにより、噴射された燃料がピストン５の冠面上でタンブル流Ｔと逆行する方向に向かうようになっている。
【００２８】
また、上記ピストン５の冠面には凹部５ａが形成されている。この凹部５ａは、シリンダ軸線を挟んで左右両方に略同等に広がり、図２に示す断面において底面が滑らかに湾曲し、平面視では図３に示すように、凹部５ａの開口が燃料噴射弁１８による燃料噴射方向（燃料噴霧の中心線の延びる方向：図３において左右方向）を長軸、これと直交する方向を短軸とする略楕円形状に形成されている。この凹部５ａにタンブル流Ｔと燃料噴霧とが互いに逆の方向から導入されることにより凹部５ａ内でタンブル流Ｔと燃料噴霧とが正面衝突するようになっている。
【００２９】
上記凹部５ａを除いたピストン５冠面の外周側部分５ｂは、対向する燃焼室６天井部の傾斜面に略平行に沿うような形状とされていて、気筒２の圧縮上死点前の所定期間においてピストン５冠面の外周側部分５ｂと燃焼室６の天井部とにより挟まれる隙間がスキッシュエリアとなるように構成されている。
【００３０】
また、図１に示すように、各気筒の吸気ポート１０に連通する吸気通路２１がエンジン本体１の一側面に接続される一方、各気筒の排気ポート１１に連通する排気通路２２がエンジン本体１の他側面に接続されている。
【００３１】
上記吸気通路２１は、エンジン本体１の各気筒２の燃焼室６に対し図外のエアクリーナで濾過した吸気を供給するものであり、その上流側から順に、吸入空気量を検出するエアフローセンサ２３と、電動式モータ２５により駆動されて開閉する電気式スロットル弁２４と、サージタンク２６とが配設されている。また、サージタンク２６よりも下流の吸気通路２１は、各気筒２毎に分岐する独立吸気通路とされており、各独立吸気通路の下流端部はさらに２つに分岐して、２つの吸気ポート１０にそれぞれ連通している。
【００３２】
２つの吸気ポート１０の各上流側には、燃焼室６におけるタンブルの流速を調節するタンブル調節弁２７が配設され、このタンブル調節弁２７が、例えばステッピングモータからなるアクチュエータ２８によって開閉作動されるようになっている。このタンブル調節弁２７は、円形のバタフライバルブの一部を切り欠き、例えば弁軸より下側の部分を切り欠いて形成されており、タンブル調節弁２７が閉じられているときには吸気が切欠き部分から下流側に流れて、燃焼室６に強いタンブル流が生成され、タンブル調節弁２７が開かれるにつれ、タンブル流の強度が徐々に弱められるようになっている。
【００３３】
なお、吸気ポート１０やタンブル調節弁２７の形状は上述したものに限られず、例えば、吸気ポート１０は上流側で１つに合流する所謂コモンポートであってもよい。この場合、タンブル調節弁２７はコモンポートの断面形状に対応する形状のものをベースとして、その一部分を切り欠いた形状とすればよい。
【００３４】
一方、上記排気通路２２は、燃焼室６から既燃ガスを排出するものであり、その上流端側には各気筒２の排気ポート１１に連通する排気マニフォールド２２ａを備えている。この排気マニフォールド２２ａの集合部には排気中の酸素濃度を検出するリニアＯ2センサ３０が配設されている。このリニアＯ2センサ３０は排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出するために用いられるもので、理論空燃比を含む所定の空燃比範囲において酸素濃度に対しリニアな出力が得られるようになっている。排気マニフォールド２２ａの集合部には排気管２２ｂの上流端が接続され、この排気管２２ｂの下流側には排気を浄化するための触媒３１が設けられている。
【００３５】
上記点火回路1７、燃料噴射弁１８、燃料供給系２０、スロットル弁２４を駆動するモータ２５、タンブル調節弁２７のアクチュエータ２８等はエンジンコントロールユニット４０（以下、ＥＣＵという）によって制御されるようになっている。一方、このＥＣＵ４０には、上記クランク角センサ９、上記エアフローセンサ２３、上記リニアＯ2センサ３０、アクセル開度（アクセルペダルの操作量）を検出するアクセル開度センサ３６、エンジン回転速度を検出する回転速度センサ３７、エンジン冷却水の水温を検出する水温センサ３８等からの信号が入力されている。
【００３６】
上記ＥＣＵ４０は、温度状態判別手段４１、運転状態判別手段４２、燃料噴射制御手段４３、及び点火時期制御手段４４を機能的に含んでいる。
【００３７】
上記温度状態判別手段４１は、上記水温センサ３８からの水温検出信号によって触媒３１の温度状態を推定し、触媒３１が活性温度より低い未活性状態にあるか否かを判別するものである。なお、触媒３１の温度状態の判別は、水温検出とエンジン始動からの経過時間の判定とを併用して行うようにしてもよく、また、触媒温度を直接検出するようにしてもよい。
【００３８】
上記運転状態判別手段４２は、上記アクセル開度センサ３６及び回転速度センサ３７等からの信号に基づいてエンジンの運転状態（エンジン負荷及びエンジン回転速度）を検出するようになっている。
【００３９】
上記燃料噴射制御手段４３は、燃料噴射弁１９からの噴射形態（一括噴射又は分割噴射）、噴射時期及び噴射量を制御するものであり、上記温度状態判別手段４１による判別に基づき、触媒３１が未活性状態のときには、図４に示すように、点火時期より前で圧縮行程の期間内に早期噴射（Ｐ１）と後期噴射（Ｐ２）の少なくとも２回の分割噴射を上記燃料噴射弁１９に行わせる。
【００４０】
このときに燃焼室全体の空燃比は理論空燃比もしくはその近傍の値（例えば１３〜１７程度）となるように、吸入空気量の制御と関連して噴射量を制御する。なお、空燃比の好ましい制御として、触媒未活性状態のうちでも特に触媒温度が極端に低くて浄化作用が殆ど期待できない低温時にはスモーク及びＨＣの排出を抑制するため空燃比を理論空燃比よりもリーンとし、触媒温度が活性化温度にある程度近づいて多少は浄化作用が期待できる状態になれば暖機促進作用を高めるため空燃比を理論空燃比にするように制御してもよい。
【００４１】
この燃料噴射制御手段４３による触媒未活性状態のときの制御をさらに詳しく説明すると、分割噴射のうちの早期噴射は、その噴霧がタンブル流との衝突によって点火プラグ周りに分布するようになるタイミングで行われ、一方、後期噴射は、圧縮行程後期の、タンブルは減衰するが筒内圧力は高くなる時期に行われて、高い筒内圧力により噴霧が点火時期に点火プラグ周りに留まる状態となるように噴射タイミングが設定される。そして、点火時期において早期噴射の噴霧の分布範囲が後期噴射の噴霧の分布範囲よりはある程度広くなることにより、後期噴射の噴霧による混合気層の周辺に早期噴射の噴霧による比較的リーンな混合気層が得られるように設定される。
【００４２】
このような混合気分布状態が得られる設定として早期噴射（Ｐ１）の開始タイミングと後期噴射（Ｐ２）の開始タイミングとの中間点が圧縮行程後半の期間内となるように設定される。
【００４３】
とくに好ましい設定としては、少なくとも低速低負荷運転状態において触媒が未活性状態のとき、圧縮行程後半、つまりＢＴＤＣ（上死点前）９０°からＴＤＣ（上死点）までの期間内に早期噴射（Ｐ１）及び後期噴射（Ｐ２）の両方が行われるように設定される。そして、早期噴射（Ｐ１）の終了タイミングと後期噴射（Ｐ２）の開始タイミングとの中間点が圧縮行程の略２／３を経過した時期（ＢＴＤＣ６０°）以後に存在するように両噴射タイミングが設定される。具体的には、早期噴射（Ｐ１）の開始タイミングがＢＴＤＣ８０°程度、後期噴射（Ｐ２）の開始タイミングがＢＴＤＣ３５°程度とされる。また、この分割噴射時に点火時期はＡＴＤＣ（上死点後）１５°〜２０°程度とされる。
【００４４】
分割噴射における早期噴射及び後期噴射のタイミングは運転状態に応じて変化させるようにしてもよく、例えば燃料噴射量が多くなる高負荷時や高回転時は噴射タイミングを多少早くしてもよい。
【００４５】
また、早期噴射量と後期噴射量との割合としては、好ましくは早期噴射量の方が後期噴射量より多くされ、具体的には早期噴射量が後期噴射量の２倍程度とされる。
【００４６】
なお、触媒３１が暖機して活性状態となった後は、運転状態判別手段４２による運転状態の判別に応じて成層燃焼又は均一燃焼を行わせるように制御する。すなわち、所定の低負荷低回転側の領域を成層燃焼領域、それ以外の領域を均一燃焼領域とし、成層燃焼領域では燃焼室全体の空燃比を理論空燃比よりも大幅にリーンとするとともに、図５（ａ）に示すように、圧縮行程で一括噴射（Ｐ１０）を行わせるように制御する。また、均一燃焼領域では、燃焼室全体の空燃比を比較的リッチ（例えば理論空燃比）とするとともに、図５（ｂ）に示すように、吸気行程で一括噴射（Ｐ２０）を行わせるように制御する。
【００４７】
また、点火時期制御手段４４は、点火回路１７に制御信号を出力して、点火時期をエンジンの運転状態に応じて制御するものであり、基本的には点火時期をＭＢＴに制御するが、触媒未活性状態では点火時期をリタードし、特に上記のような燃料の分割噴射に関連して、着火、燃焼性を確保しつつ排気温度上昇を促進するため、上死点（ＴＤＣ）よりもさらに所定量遅い時期まで点火時期をリタードするように制御する。
【００４８】
以上のような当実施形態の装置によると、触媒が活性化した後の通常運転時における低速低負荷側の成層燃焼領域では、空燃比が理論空燃比よりもリーンとなるように吸気充填量及び燃料噴射量が調整されつつ、圧縮行程で燃料噴射弁１８から燃料が噴射され、成層燃焼が行われる。この場合に、燃焼室６内にタンブル流が生成されて、このタンブル流に対して逆行するように燃料が噴射されることにより、燃焼室６内でタンブル流と燃料噴霧とが互いに衝突し、燃料の微粒化が促進されつつ、点火時期に点火プラグ付近に可燃混合気が成層化される。とくに、タンブル流の調整等によってタンブル流の強さと燃料噴霧の貫徹力とのバランスが保たれることにより、点火時期に点火プラグ付近に適度の濃度の可燃混合気が滞在する状態が得られ、良好に成層燃焼が行われる。
【００４９】
また、均一燃焼領域では、成層燃焼領域よりもリッチな空燃比、例えば理論空燃比となるように吸気充填量及び燃料噴射量が調整されつつ、吸気行程で燃料噴射弁１８から燃料が噴射されることにより、混合気が燃焼室全体に均一に拡散して、均一燃焼が行われる。
【００５０】
ところで、触媒が未活性状態のときは、圧縮行程で分割噴射が行われることにより暖機が促進され、特にタンブル流と圧縮行程後期の筒内圧力とを利用して好適な混合気分布状態が得られるように早期噴射及び後期噴射のタイミングが設定されていることにより、エミッションの悪化を防止しつつ触媒の暖機を促進する作用が高められる。このような作用、効果を、図６〜図１０を参照しつつ具体的に説明する。
【００５１】
図６は圧縮行程でのタンブル比の変化を示しており、この図のように、圧縮行程の初期（ＢＴＤＣ１５０°程度）から中期（ＢＴＤＣ９０°程度）まではタンブル比が増加するが、中期から後期に掛けてはピストンの上昇につれてタンブル流のうちの下向きの流れが阻害されることから次第にタンブル比が減少（タンブル流が減衰）する。
【００５２】
そして、分割噴射のうちの早期噴射の時点では、かなり強いタンブル流が残っているため、早期噴射の噴霧はタンブル流との衝突によって点火時期に点火プラグ周りに分布する状態となる。一方、後期噴射の時点ではタンブル流が大幅に減衰してしまっているので、上記のようなタンブル流による作用は殆ど期待できないが、この時点では筒内圧力がかなり高くなっており、この高い筒内圧力により後期噴射の噴霧が点火プラグ周りに留められる。
【００５３】
ここで、圧縮行程の進行に応じて上昇する筒内圧力が燃料噴霧の分布状態に及ぼす影響を、図７に示す。この図は、特定の燃料噴射弁１８を用い、その噴口が臨む部分の雰囲気圧が大気圧に相当する０．１ＭＰａの場合と、ＢＴＤＣ（上死点前）約６０°における筒内圧に相当する０．２５ＭＰａの場合と、ＢＴＤＣ約４０°における筒内圧に相当する０．４ＭＰａの場合とにつき、燃料噴射開始から一定時間後の噴霧の状態を示している。この図に示すように、圧縮行程で上死点に近づいて筒内圧力が高くなるにつれ、抵抗の増大により噴霧の延びが小さくなる。なお、この図に例では筒内圧力が高くなっても噴霧角はあまり変化していないが、燃料噴射弁によっては筒内圧力が高くなるにつれて噴霧角が小さくなるものもある。いずれにしても、筒内圧力が上昇するにつれ、噴霧の拡がりが抑えられるとともに噴霧の移動速度（一定時間経過時の噴霧の到達距離）が小さくなる。
【００５４】
そこで、後期噴射は、上死点に近い圧縮行程後期に行われ、かつ、燃料噴射時期と点火時期との時間間隔が調整されることにより、圧縮行程後期の高い筒内圧力を利用して点火時期に点火プラグ周りに噴霧が留まるように設定されている。
【００５５】
このようにして、点火時期には点火プラグ周りのある程度の範囲にわたって早期噴射の噴霧による混合気が分布し、そのうちで特に点火プラグに近い部分には後期噴射の噴霧が加わった比較的リッチな混合気層が生じる。これにより、点火直後は点火プラグに近い比較的リッチな混合気層が燃焼し、火炎が広がってリーンな混合気層に達すると燃焼が緩慢になり、さらにこのリーンな混合気層において得られる余剰空気とリッチな混合気層で生じた燃え残りの燃料とが混合して燃焼することにより、比較的遅い時期まで燃焼が持続する。
【００５６】
また、早期噴射開始タイミングと後期噴射開始タイミングとの中間点が圧縮行程後半の期間内とされ、より好ましくは早期噴射と後期噴射の両方が圧縮行程後半に行われ、早期噴射の終了タイミングと後期噴射の開始タイミングとの中間点がＢＴＤＣ６０°以後とされるというように、燃焼が良好に行われる範囲で早期噴射及び後期噴射のタイミングが遅らされ、これに伴って点火時期もＡＴＤＣ１５°〜２０°程度というように大きくリタードされ、これによっても燃焼終了時期が遅くされる。
【００５７】
このように燃焼が遅くまで行われることにより排気ガスに与えられるエネルギーが増大して排気温度が大幅に上昇する。そして、従来のこの種の装置と比べても、エミッションの悪化を抑制しつつ排気温度を上昇させて触媒暖機を促進する作用がより一層高められる。
【００５８】
また、上記早期噴射の燃料はタンブルとの衝突により気化、霧化が促進されるのに比べ、後期噴射は点火時期までに気化、霧化が充分に行なわれにくいことから、早期噴射量を後期噴射量よりも多くしておけば燃焼性の向上及びスモークの低減に有利となる。そして、このように後期噴射量を早期噴射量より少なくしても、早期噴射の噴霧が点火プラグ周りに分布した上に点火プラグ近くでは後期噴射の噴霧が加わるので、点火プラグに近い部分はリッチになり、暖機促進等にとって好ましい混合気分布状態が得られる。
【００５９】
このような効果を確認するため、図８〜図１０に、本発明の実施例と比較例と従来例とにつき、排気ポート出口温度、スモーク発生量及びＨＣの排出量を、それぞれ点火時期を種々変えて調べた実験データを示す。
【００６０】
ここで、本発明の実施例は、上記実施形態のようにタンブル流と噴射燃料とを衝突させるようにしたエンジンを用い、圧縮行程で２回の分割噴射を行うこととして、その早期噴射の開始タイミングをＢＴＤＣ８０°、後期噴射の開始タイミングをＢＴＤＣ３５°とし、早期噴射量と後期噴射量の割合を２：１としたものである。
【００６１】
比較例は、本発明の実施例と同様のエンジンを用いるが、吸気行程期間内と圧縮行程期間内の分割噴射を行うこととして、早期噴射（吸気行程噴射）の開始タイミングをＢＴＤＣ３１５°、後期噴射（圧縮行程噴射）の開始タイミングをＢＴＤＣ６０°とし、早期噴射量と後期噴射量の割合を１：１としたものである。ここで、ＢＴＤＣ６０°としているのは、これ以上に後期噴射のタイミングを遅らせると、後期噴射の噴霧は高い筒内圧力により分散が抑えられる一方、早期噴射（吸気行程噴射）による噴霧が燃焼室全体に分散してしまっているので、点火プラグ周りとそれ以外とで極端に燃料分布状態が変わって安定した燃焼が困難になるからである。噴射割合を１：１としているのは、それ以上に早期噴射量を多くすると燃料が分散しすぎて燃焼性が悪くなるからである。
【００６２】
また、従来例は、ピストンに深いキャビティを設けてその壁で噴霧を点火プラグ側にガイドするようにしたタイプの直噴エンジンを用い、吸気行程期間内と圧縮行程期間内の分割噴射を行うこととして、早期噴射（吸気行程噴射）の開始タイミングをＢＴＤＣ３１５°、後期噴射（圧縮行程噴射）の開始タイミングをＢＴＤＣ７０°としたものである。この従来例でも、後期噴射の開始タイミングをこれより遅らせると燃焼性が悪化し、とくに噴射開始タイミングが上死点に近づくと上記キャビティの壁面への燃料付着量が増大して燃焼性の悪化を招き易くなる。
【００６３】
図８に示すように、点火時期を遅くするほど燃焼が遅れることで排気温度（排気ポート出口温度）が高くなって暖機促進に有利となる。このような傾向は本発明の実施例、比較例、従来例のいずれにも見られるが、特に本発明の実施形態では排気温度上昇効果が高い。これは、タンブル流を利用して点火プラグ回りに適度の噴霧が分布するようにした早期噴射と圧縮行程後期の高い筒内圧力を利用して点火プラグ付近に噴霧を留めてリッチな混合気層が得られるようにした後期噴射とにより、排気温度の上昇により有利な混合気分布状態が得られるためである。
【００６４】
また、図９に示すように、本発明の実施例ではＢＴＤＣ２０°程度までは点火時期を遅らせるほどスモークが減少する。これは、前記のように本発明では圧縮行程の中期以後もある程度までは残存するタンブル流を利用して早期噴射の噴霧を点火プラグ周りに分布させるとともに、圧縮行程後期の高い筒内圧力を利用して後期噴射の噴霧を点火プラグ周りに留めるようにすべく、早期噴射及び後期噴射のタイミングを遅くしており、それにより点火時期をＡＴＤＣ２０°程度まで遅くしたときに好適な混合気分布状態が得られて燃焼が良好に行われるためである。
【００６５】
これに対し、比較例では、上述のように後期噴射のタイミングをＢＴＤＣ６０°程度より遅らせることが難しいこと等に起因して、点火時期をＡＴＤＣ１０°付近よりさらに遅らせると、点火時期における混合気分布状態が悪くなって燃焼状態が悪化することでスモークが急激に増大する。また、従来例では、後期噴射された燃料の一部がキャビティ壁面に付着して燃え残るため総体的にスモークが多くなる。
【００６６】
そして、点火時期がＡＴＤＣ１５°〜２０°の範囲では、本発明の実施例により比較例及び従来例と比べてスモークが低減されることとなる。
【００６７】
また、図１０に示すようにＨＣ排出量は、従来例によるとキャビティ壁面への燃料付着に起因して多くなり、これと比べて本発明の実施例及び比較例では少なくなる。
【００６８】
従って、本発明の実施例によると、点火時期をＡＴＤＣ１５°〜２０°程度まで遅くすることで、従来例及び比較例と比べ、スモーク及びＨＣを低減しつつ、排気温度を高め、触媒の暖機を促進できることとなる。
【００６９】
なお、上記の図８〜図１０に示すデータにおいて、従来例としてはピストンに深いキャビティを設けてその壁で噴霧を点火プラグ側にガイドするようにしたタイプの直噴エンジンで、吸気行程期間内と圧縮行程期間内との分割噴射を行うようにしたものを示したが、これと同様の直噴エンジンを用いて圧縮行程期間内に分割噴射を行なうにした場合でも、噴射タイミングを遅くするとキャビティ壁面への燃料付着量が増大することにより燃焼性が悪化するとともにスモークやＨＣが増大するという傾向は、上記従来例と同様である。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、タンブル生成手段とタンブル流に逆行するように燃料を燃焼室内に噴射する燃料噴射弁とを備えるとともに、触媒が未活性状態のとき、圧縮行程の期間内に分割噴射を行わせ、そのうちの後期噴射は噴霧が圧縮行程後期の高い圧力によって点火時期に点火プラグ周りに留まる状態となるタイミングにし、早期噴射はその混合気が点火時期において後期噴射の混合気層の周辺に分布する状態となるタイミングにして、早期噴射開始タイミングと後期噴射開始タイミングとの中間点が圧縮行程後半の期間内となるようにしているため、燃焼性を良好に保ってスモークやＨＣの増大を招かないようにしながら、排気温度を上昇させる作用を高めることができる。従って、エミッションや燃費の悪化を避けつつ、従来のこの種の装置と比べてより一層触媒の暖気を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の制御装置が適用される火花点火式直噴エンジンの全体構造の一例を示す概略図である。
【図２】エンジン本体の断面図である。
【図３】ピストンの平面図である。
【図４】触媒未活性時の分割噴射のタイミングを示す説明図である。
【図５】（ａ）（ｂ）は触媒活性時における成層燃焼領域での噴射タイミング及び均一燃焼領域での噴射タイミングをそれぞれ示す説明図である。
【図６】圧縮行程期間中のタンブル比の変化を示す図である。
【図７】（ａ）（ｂ）（ｃ）は種々異なる雰囲気圧力下で燃料噴射弁から燃料を噴射したときの噴霧の状態を示す図である。
【図８】本願発明の実施例と比較例と従来例とにつき、点火時期と排気ポート出口温度との関係について調べたデータを示すグラフである。
【図９】本願発明の実施例と比較例と従来例とにつき、点火時期とスモーク発生量との関係について調べたデータを示すグラフである。
【図１０】本願発明の実施例と比較例と従来例とにつき、点火時期とＨＣ排出量との関係について調べたデータを示すグラフである。
【符号の説明】
１  エンジン本体
６  燃焼室
１０  吸気ポート
１６  点火プラグ
１７  点火回路
１８  燃料噴射弁
３１  触媒
４０  ＥＣＵ
４１  温度状態判別手段
４２  運転状態判別手段
４３  燃料噴射制御手段
４４  点火時期制御手段
【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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