(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮行程もしくは吸気行程の主噴射及び膨張行程の副噴射によりリーン空燃比で燃料を燃焼させる２段燃焼モードと、
前記主噴射のみの噴射により目標非リーン空燃比で燃料を燃焼させる非リーン燃焼モードとを備え、
前記非リーン燃焼モードから前記２段燃焼モードへの切替えの過渡時には前記主噴射による燃料量を徐々に減少させると共に前記副噴射の実行は瞬時的に切替え、
前記２段燃焼モードから前記非リーン燃焼モードへの切替えの過渡時には前記主噴射による燃料量を徐々に増加させると共に前記副噴射による燃料量を徐々に減少させる制御手段を設けたことを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮行程もしくは吸気行程の主噴射及び膨張行程の副噴射により燃料を燃焼させ、排気ガス浄化用触媒を昇温させる２段燃焼モードを有する内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、有害排出ガス成分の低減や燃費の向上等を図るため、吸気管内に燃料を噴射する吸気管噴射エンジンに代えて、燃焼室内に直接燃料を噴射する多気筒型筒内噴射エンジン（筒内噴射エンジン）が種々提案されている。多気筒型筒内噴射エンジンは、主として吸気行程で燃料噴射が行なわれる吸気行程噴射モードと、主として圧縮行程で燃料噴射が行なわれる圧縮行程噴射モードとが運転状態に応じて切換えられるようになっている。そして、多気筒型筒内噴射エンジンにおいても、運転状態に応じてリーン空燃比として希薄燃焼運転（リーン運転）が可能となっている。
【０００３】
ところで、内燃機関の排気通路には排気ガス浄化用触媒（触媒）が設けられ、触媒により排気ガスが浄化されるようになっている。この触媒は、排気ガス浄化能力を発揮させるために、一定の温度まで昇温させて活性化する必要がある。近年、排出ガスの規制強化等により内燃機関の始動直後から排気ガスの浄化が求められてきており、触媒の早期活性化のために触媒を早期に昇温させることが要望されている。
【０００４】
そこで、上述した筒内噴射エンジンにあっては、圧縮行程噴射モードや吸気行程噴射モードでのみ燃料を噴射して燃焼させる通常の燃焼モードに代えて、始動直後に圧縮行程噴射モードや吸気行程噴射モードで燃料を噴射して燃焼させると共に膨張行程に追加燃料を噴射して燃焼させ（２段燃焼モード）、触媒を早期に昇温させることが提案されている（特開平8-296485号公報参照) 。筒内噴射エンジンで２段燃焼モードを実施することにより、触媒加熱用のヒータ等のハード構成を追加することなくコスト増を抑制しながら触媒の早期昇温化が実現できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
２段燃焼モードを実施する場合、目標空燃比は圧縮行程噴射モードや吸気行程噴射モードで噴射される燃料量と２段燃焼モードで噴射される追加燃料とのトータル量によって設定されている。そして、２段燃焼モードと通常の燃焼モードとの切替えの際には、トルクショックを低減するために目標空燃比を徐々に変更するようになっている。このため、２段燃焼モードによって触媒の早期活性化を実現する際には、２段燃焼モードと通常の燃焼モードとの切替え時の空燃比制御をいかに実施するかが排気ガス性能の良し悪しに大きな影響を与える。
【０００６】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、触媒の早期昇温化のための２段燃焼モードと通常の燃焼モードとの切替え時に的確な空燃比制御が実施できる内燃機関を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明では、圧縮行程もしくは吸気行程の主噴射及び膨張行程の副噴射によりリーン空燃比で燃料を燃焼させる２段燃焼モードと、主噴射のみの噴射により目標非リーン空燃比で燃料を燃焼させる非リーン燃焼モードとを備え、
前記非リーン燃焼モードから前記２段燃焼モードへの切替えの過渡時には前記主噴射による燃料量を徐々に減少させると共に前記副噴射の実行は瞬時的に切替え、
前記２段燃焼モードから前記非リーン燃焼モードへの切替えの過渡時には前記主噴射による燃料量を徐々に増加させると共に前記副噴射による燃料量を徐々に減少させる制御手段を設けたことにより、２段燃焼モードと非リーン燃焼モードとの切替えの過渡時のオーバーリーン状態を防ぎ、排気ガス性能の悪化を防止する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下図面に基づいて本発明の実施形態例を説明する。図１には本発明の一実施形態例に係る筒内噴射内燃機関の概略構成、図２には燃料噴射制御マップ、図３には２段燃焼モードのタイムチャート、図４、図５には２段燃焼モードのフローチャートを示してある。
【０００９】
図１に基づいて多気筒型筒内噴射内燃機関の構成を説明する。多気筒型筒内噴射内燃機関としては、例えば、燃料を直接燃焼室に噴射する筒内噴射型直列４気筒ガソリンエンジン（筒内噴射エンジン）１が適用される。筒内噴射エンジン１は、燃焼室や吸気装置及び排気ガス再循環装置（ＥＧＲ装置）等が筒内噴射専用に設計されている。
【００１０】
筒内噴射エンジン１のシリンダヘッド２には各気筒毎に点火プラグ３が取り付けられると共に、各気筒毎に電磁式の燃料噴射弁４が取り付けられている。燃焼室５内には燃料噴射弁４の噴射口が開口し、燃料噴射弁４から噴射される燃料が燃焼室５内に直接噴射されるようになっている。筒内噴射エンジン１のシリンダ６にはピストン７が上下方向に摺動自在に支持され、ピストン７の頂面には半球状に窪んだキャビティ８が形成されている。キャビティ８により、吸気流に通常のタンブル流とは逆の逆タンブル流を発生させるようになっている。
【００１１】
シリンダヘッド２には燃焼室５を臨む吸気ポート９及び排気ポート１０が形成され、吸気ポート９は吸気弁１１の駆動によって開閉され、排気ポート１０は排気弁１２の駆動によって開閉される。排気ポート１０には大径の排気ガス再循環ポート（ＥＧＲポート）１５が斜め下方に向けて分岐している。
【００１２】
筒内噴射エンジン１のシリンダ６の近傍には冷却水温を検出する水温センサ１６が設けられている。また、各気筒の所定のクランク位置でクランク角信号を出力するクランク角センサ１７が設けられ、クランク角センサ１７はエンジン回転速度を検出可能としている。
【００１３】
吸気ポート９には吸気マニホールド２１を介して吸気管４０が接続され、吸気マニホールド２１にはサージタンク２２が備えられている。また、吸気管４０には、エアクリーナ２３、吸入空気量を検出するエアフローセンサ２６、スロットルボデー２４が備えられている。また、吸気管４０にはスロットルボデー２４を迂回して吸気マニホールド２１に吸気を行うエアバイパスパイプ（図示省略）が設けられている。
【００１４】
スロットルボデー２４には流路を開閉するバタフライ式のスロットル弁２９が設けられると共に、スロットル弁２９の開度を検出するスロットルポジションセンサ３０が備えられている。スロットルポジションセンサ３０により、スロットル弁２９の開度に応じたスロットル電圧が出力され、スロットル電圧に基づいてスロットル弁２９の開度が認識されるようになっている。
【００１５】
一方、排気ポート１０には排気マニホールド３２を介して排気管３３が接続され、排気マニホールド３２にはO2センサ３４が取り付けられている。また、排気管３３には排気ガス浄化用触媒（触媒）３５及び図示しないマフラーが備えられている。また、ＥＧＲポート１５はＥＧＲパイプ３６を介して吸気マニホールド２１の上流側に接続され、ＥＧＲパイプ３６にはＥＧＲ弁３７が設けられている。
【００１６】
車両には制御装置としての電子制御ユニット（ＥＣＵ）６１が設けられ、このＥＣＵ６１には、入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶を行う記憶装置、中央処理装置及びタイマやカウンタ類が備えられている。ＥＣＵ６１によって筒内噴射エンジン１の総合的な制御が実施される。エアコン装置、パワーステアリング装置、自動変速装置等の作動状況を検出する各種センサ類やスイッチ類（例えば、エアコンスイッチ、パワーステアリングスイッチ、インヒビタスイッチ等）の検出情報はＥＣＵ６１に入力され、ＥＣＵ６１は各種センサ類やスイッチ類の検出情報に基づいて、燃料噴射モードや燃料噴射量を始めとして点火時期やＥＧＲガスの導入量等を決定し、燃料噴射弁４や点火プラグ３、ＥＧＲ弁３７等を駆動制御する。
【００１７】
上述した筒内噴射エンジン１では、吸気ポート９から燃焼室５内に流入した吸気流が逆タンブル流を形成し、圧縮行程中期以降に燃料噴射弁４から燃料を噴射して逆タンブル流を利用しながら燃焼室５の頂部中央に配設された点火プラグ３の近傍のみに少量の燃料を集め、点火プラグ３から離隔した部分で極めてリーンな空燃比状態とする。点火プラグ３の近傍のみを理論空燃比又はリッチな空燃比とすることで、安定した層状燃焼（層状超リーン燃焼）を実現しながら燃料消費を抑制する。
【００１８】
また、この筒内噴射エンジン１から高出力を得る場合には、燃料噴射弁４からの燃料を吸気行程に噴射することにより燃焼室５全体に均質化し、予混合燃焼を行う。もちろん、理論空燃比もしくはリッチ空燃比による方がリーン空燃比によるよりも高出力が得られるため、この際にも、燃料の霧化及び気化が十分に行なわれるようなタイミングで燃料噴射を行ない、効率よく高出力を得るようにしている。
【００１９】
ＥＣＵ６１は、スロットル弁２９の開度に応じた運転中の負荷Peとエンジン回転速度Neとに基づき、図２の燃料噴射マップから現在の燃料噴射領域を検索して燃料噴射モードを決定する。これにより、各燃料噴射モードでの目標空燃比に応じた燃料噴射量が決定され、この燃料噴射量に応じて燃料噴射弁４が駆動制御されると共に、点火プラグ３が駆動制御される。また、同時にＥＧＲ弁３７の開閉制御も実施される。
【００２０】
アイドル運転時や低速走行時等の低負荷領域では、燃料噴射領域は図２中の後期噴射リーンモード（圧縮リーンモード）が選択される。圧縮リーンモードでは、層状超リーン燃焼によるリーン運転を実現し燃費を向上させるため、圧縮行程中（特に圧縮行程後半）に燃料噴射を行う。
【００２１】
高速走行時等の中負荷領域では、燃料噴射領域は図２中の前期噴射リーンモード（吸気リーンモード）、あるいはストイキオフィードバックモードが選択される。吸気リーンモードでは、予混合燃焼によるリーン運転を実現し緩加速による出力を得るため、吸気行程中（特に吸気行程前半）に燃料噴射を行う。ストイキオフィードバックモードでは、予混合燃焼によるストイキオ運転（理論空燃比運転）を実現し吸気リーンモードより出力を向上させるため、吸気行程中に燃料噴射を行う。
【００２２】
急加速時等の高負荷領域では、燃料噴射領域は図２中のオープンループモードが選択される。オープンループモードでは、予混合燃焼によるリッチ運転を実現しストイキオフィードバックモードより出力を向上させる。更に、惰性走行や停止に移行する走行でスロットル弁が略全閉状態にされた領域では、燃料噴射領域は図２中の燃料カットモードとなり、燃焼室５内への燃料の供給が停止される。
【００２３】
上述した筒内噴射エンジン１では、上述した圧縮行程もしくは吸気行程で燃料を噴射する主噴射のみの燃焼モードの他に、触媒３５を活性化するために、膨張行程に燃料を追加噴射する副噴射が主噴射と共に実施される２段燃焼モードを備えている。２段燃焼モードにおける主噴射及び副噴射は、トータルの空燃比はリーン空燃比で燃料を燃焼させるようになっている。
【００２４】
２段燃焼モードは触媒の温度が活性温度まで達していないと考えられるような例えば、冷態始動時に実施され、２段燃焼モードは、主噴射により圧縮行程に燃料を噴射して燃焼させると共に副噴射により膨張行程に燃料を追加噴射して燃焼させることで、触媒３５の早期昇温を行ない早期活性化を図るようにしている。尚、２段燃焼モードの主噴射は、吸気行程に行われてもよい。
【００２５】
例えば、圧縮リーンモード及び２段燃焼モードの許可条件（詳細は後述する）が成立し、エンジン１の回転速度Neが所定回転数に満たない場合（停車中）、図３(a) に示すように、吸気行程噴射のオープンループモードから２段燃焼モードに燃焼モードが切り替えられ(t1)、同時に、図３(d) に示すように、膨張パルスが立ち上がり(t1)、膨張行程噴射が実施されて触媒３５が早期活性化される。そして、図３(c) に示すように、モード切り替え時のトルクショックを低減するために、目標空燃比を徐々にリーン化し目標空燃比が所定の空燃比になった時に、噴射終了時期が圧縮行程となる圧縮リーンモードの圧縮行程噴射が実施される。その後、圧縮リーンモードもしくは２段燃焼モードの許可条件が不成立になった場合、図３(a) に示すように、２段燃焼モードから非リーン燃焼モードとして例えばオープンループモードに燃焼モードが切り替えられ(t2)、吸気行程噴射の主噴射のみで燃料が噴射される。
【００２６】
２段燃焼モードからオープンループモードへの燃焼モードの切り替え時は、トルクショックを低減するために目標空燃比が２段燃焼モードのリーン空燃比から徐々にオープンループモードの非リーン空燃比に変更され（図３(b)t2 からt3) 、オープンループモードでの燃料量の制御（主噴射による燃料制御）によって空燃比が制御される。この時、２段燃焼モードの終了と同時に副噴射を無くすと（図３(d)t2 からt3で二点鎖線で示す) 、瞬間的に目標空燃比に対して燃料過少の状態になり、オーバーリーンの状態になってしまう。
【００２７】
このため本実施形態例では、２段燃焼モードからオープンループモードへの燃焼モードの切り替えの過渡時には、吸気行程噴射による主噴射による燃料量を徐々に増加させると共に（図３(b)t2 からt3に示すように目標空燃比を徐々に非リーン側に変化させる）、膨張行程に燃料を追加噴射する副噴射による燃料量を徐々に減少させるようにしている。即ち、図３(d)t2 からt3で実線で示すように、膨張パルスを徐々に低下（テーリング）させるようにしている。これにより、２段燃焼モードからオープンループモードへの燃焼モードの切り替えの過渡時のオーバーリーン状態を防ぎ、排気ガス性能の悪化を防止することができる。
【００２８】
図４、図５に基づいて一例として、圧縮行程と膨張行程で燃料噴射を行う２段燃焼モードの状況を具体的に説明する。
【００２９】
図４に示すように、触媒３５が活性化されていない状態における始動時である冷態始動時に、ステップＳ１で圧縮リーンモードの許可条件が成立しているか否かが判断される。圧縮リーンモードの許可条件は、運転中の負荷Peとエンジン回転速度Neとに基づき、図２の燃料噴射マップから現在の燃料噴射領域を検索して燃料噴射モードが圧縮リーンモードの領域にあるか否かで判断される。ただし、冷態始動時の場合は、圧縮行程と膨張行程で燃料噴射を行う２段燃焼モードの許可水温は水温センサ１６で検出される水温の判定値が圧縮リーンモードでの許可水温の判定値に比べて低い値に設定されている。尚、他のパラメータを追加して圧縮リーンモードの許可条件としてもよい。
【００３０】
ステップＳ１で圧縮リーンモードの許可条件が成立していると判断された場合、ステップＳ２で２段燃焼モードの許可条件が成立しているか否かが判断されるようになっている。２段燃焼モードは、例えば、キーがオフ状態またはクランキング中の時の水温が所定値の範囲内で、エンジン回転速度Neが所定回転速度以下で、アイドル条件が成立し車両が停車中である、といった条件が全て成立した時に許可される。尚、２段燃焼モードの許可条件としては、上記条件を適宜組み合わせたり、他のパラメータを追加する等、上記実施形態例以外にも車種や使用環境等によって種々変更することができる。
【００３１】
ステップＳ２で２段燃焼モードの許可条件が成立していると判断された場合、ステップＳ３でエンジン回転速度Neが規定回転速度NeＡを越えていないか否か、即ち、エンジン回転速度Neが高過ぎないか否かが判断される。ステップＳ３でエンジン回転速度Neが規定回転速度NeＡを越えていないと判断された場合、ステップＳ４に移行して燃焼モードがオープンループモードから２段燃焼モードに切り替えられる（図３中t1）。そして、ステップＳ５に移行して圧縮リーンモードの圧縮行程噴射と膨張行程噴射が実施されて２段燃焼モードが実施され、触媒３５が昇温されて触媒３５が活性化される（図３中t1からt2の間）。
【００３２】
ステップＳ１で圧縮リーンモードの許可条件が成立していないと判断された場合、ステップＳ２で２段燃焼モードの許可条件が成立していないと判断された場合及びステップＳ３でエンジン回転速度Neが規定回転速度NeＡ以上であると判断された場合、リターンとなり２段燃焼モードは実施されない。
【００３３】
ステップＳ５で２段燃焼が実行された後、ステップＳ６で圧縮リーンモードの許可条件が不成立となったか、または２段燃焼モードの許可条件が不成立となったか否かが判断される。圧縮リーンモードの許可条件及び２段燃焼モードの許可条件が不成立となっていないと判断された場合、ステップＳ５で２段燃焼の実行を続ける。ステップＳ６で圧縮リーンモードの許可条件が不成立となったか、または２段燃焼モードの許可条件が不成立となったと判断された場合、即ち、圧縮リーンモードの許可条件及び２段燃焼モードの許可条件がひとつでも不成立となったと判断された場合、図５に示したステップＳ７に移行する。
【００３４】
図５に示すように、ステップＳ７では、燃焼モードが２段燃焼モードからオープンループモードに切り替えられる（図３中t2）。つまり、ステップＳ８で圧縮リーンモードの圧縮行程噴射における目標空燃比をリーンから徐々に非リーン方向にテーリングさせて燃料量を徐々に増加させ（図３(b)t2 からt3の実線）、目標空燃比が所定の空燃比になった時にステップＳ９で圧縮リーンモードからオープンループモードの吸気行程噴射に切り替える（図３(c)t2 からt3の実線）。同時に、ステップＳ１０で膨張行程噴射における目標空燃比を非リーンから徐々にリーン方向にテーリングさせて燃料量を徐々に減少させ、ステップＳ１１で膨張行程噴射における燃料噴射を終了する（図３(d)t2 からt3の実線）。そして、ステップＳ１２に移行してオープンループモードの吸気行程噴射を実施する。
【００３５】
尚、ステップＳ７では燃焼モードを２段燃焼モードからオープンループモードに切り替えるようにしたが、水温等を判断して水温が高い場合や運転者の要求するトルクが比較的小さい場合には、ストイキオモードに切り替えるようにしてもよい。
【００３６】
膨張行程で噴射される燃料量を徐々に減少させる際のテーリングの終了時期の設定は、燃料量を徐々に増加させるテーリングの終了時期に合わせるようにするのが望ましい。この場合、実験値等によりテーリングゲインを個別に設定したり、燃料量を徐々に増加させるテーリングの状況に連動するように燃料量を徐々に減少させる目標空燃比を略一定に変化させる等の設定が可能である。尚、膨張行程噴射はトルク変動に寄与しないため、膨張行程噴射の燃料量を徐々に減少させるテーリングの状況は、吸気行程噴射の燃料量を徐々に増加させるテーリングの状況に完全に一致しない設定も可能で、これにより、トルクショック等が生じることはない。
【００３７】
上述した筒内噴射エンジン１は、冷態始動の触媒３５の早期活性化のための２段燃焼モードを実施した後、２段燃焼モードからオープンループモードへの燃焼モードの切り替えの過渡時には、２段燃焼モードで噴射される主噴射における燃料量を徐々に増加させると共に、２段燃焼の膨張行程噴射における燃料量を徐々に減少させるようにしたので、瞬間的に目標空燃比に対して燃料過少の状態になってオーバーリーンの状態になることがなくなる。このため、２段燃焼モードからオープンループモードへの燃焼モードの切り替えの過渡時のオーバーリーン状態を防ぎ、排気ガス性能の悪化を防止することができる。
【００３８】
尚、本実施形態例では、冷態始動時の触媒早期活性化のための昇温制御に２段燃焼モードを適用した場合について説明したが、本発明は何らこれに限定されるものではなく、例えば、吸蔵型NOx 触媒のサルファパージのための昇温制御に２段燃焼モードを適用した場合にも使用できる。
【００３９】
また、本実施形態例では、２段燃焼モードからオープンループモードへの切り替え過渡時のオーバーリーン防止のための燃料量テーリングについて説明したが、逆にオープンループモードから２段燃焼モードへの切り替え過渡時に膨張行程噴射を図３(d) 中の一点鎖線のような特性とすれば、オーバーリッチ防止にも全く同様の燃料量テーリングが適用できる。尚、この際の膨張行程の燃料量のテーリングは圧縮行程噴射の燃料量を徐々に減少させるテーリングの状況に完全に一致しない設定も可能であり、圧縮行程噴射のテーリングより先に膨張行程のテーリングを終了させれば２段燃焼モードの効果をより早く得ることができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の内燃機関は、圧縮行程もしくは吸気行程の主噴射及び膨張行程の副噴射によりリーン空燃比で燃料を燃焼させる２段燃焼モードと、主噴射のみの噴射により目標非リーン空燃比で燃料を燃焼させる非リーン燃焼モードとを備え、記非リーン燃焼モードから前記２段燃焼モードへの切替えの過渡時には前記主噴射による燃料量を徐々に減少させると共に前記副噴射の実行は瞬時的に切替え、前記２段燃焼モードから前記非リーン燃焼モードへの切替えの過渡時には前記主噴射による燃料量を徐々に増加させると共に前記副噴射による燃料量を徐々に減少させる制御手段を設けたことにより、２段燃焼モードと非リーン燃焼モードとの切替えの過渡時のオーバーリーン状態を防ぐことができる。この結果、触媒の早期活性化のための２段燃焼モードと通常の燃焼モードとの切替え時に的確な空燃比制御が実施でき、排気ガス性能の悪化を防止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態例に係る筒内噴射内燃機関の概略構成図。
【図２】燃料噴射制御マップ。
【図３】２段燃焼モードのタイムチャート。
【図４】２段燃焼モードのフローチャート。
【図５】２段燃焼モードのフローチャート。
【符号の説明】
１  多気筒型筒内噴射内燃機関（筒内噴射エンジン）
２  シリンダヘッド
４  燃料噴射弁
５  燃焼室
３５  排気ガス浄化用触媒（触媒）
６１  ＥＣＵ
【図１】
0004135233.tif 000002
【図２】
0004135233.tif 000003
【図３】
0004135233.tif 000004
【図４】
0004135233.tif 000005
【図５】
0004135233.tif 000006