(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃焼室を持ち、該燃焼室のそれぞれに燃料が直接噴射され、上記燃焼室の少なくとも一つが排出制御装置と結合され、そして上記燃焼室が空気と燃料の均一混合気での均一運転モード及び空気と燃料の層状混合気での層状運転モードを持つ、火花点火４ストローク・エンジンの制御方法であって、
上記層状運転モードで上記燃焼室を運転するために、燃料を圧縮行程中に上記燃焼室に噴射する工程、
上記排出制御装置の温度を示す値を発する工程、
上記排出制御装置の温度が予め選択された温度を下回った際にその低温状態を指摘する工程、
該低温状態の指摘に応じて、上記排出制御装置を加熱する発熱反応を起こすために、上記燃焼室が上記層状運転モードで作動している間に、排気行程中に追加燃料を上記燃焼室に噴射する工程、及び
上記燃焼室へ噴射された燃料の総量が所定値を越える場合に、上記層状運転モードから上記均一運転モードへ切換えて、上記追加燃料の噴射を中断する工程、
を有する方法。
【請求項２】
複数の燃焼室を持ち、該燃焼室のそれぞれに燃料が直接噴射され、そして上記燃焼室の少なくとも一つが排出制御装置と結合される、火花点火４ストローク・エンジンの制御方法であって、
空気と燃料の層状混合気での層状運転モードで上記燃焼室を運転するために、圧縮行程に対応する第１期間上記燃焼室に燃料を直接噴射する工程、
上記排出制御装置の温度を示す値を発する工程、
該排出制御装置の温度が予め選択された温度を下回った際にその低温状態を指摘する工程、
上記排出制御装置を加熱する発熱反応を起こすために、上記燃焼室が上記層状運転モードで作動している間に、上記低温状態の指摘に応じて、排気行程に対応する第２期間追加燃料を上記燃焼室に噴射する工程、及び
上記燃焼室へ噴射された燃料の総量が所定値を越える場合に、空気と燃料の上記層状混合気が空気と燃料の均一混合気へと変化させられる様に、上記第１期間の上記燃料噴射を吸入行程に対応する第３期間の燃料噴射へ切換え、そしてまた上記第２期間の上記追加燃料の噴射を中断する工程、
を有する方法。
【請求項３】
上記第２期間の上記追加燃料が上記排出制御装置の温度と上記予め選択された温度との間の差に比例する、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
上記排出制御装置が触媒コンバーター（70）を有する、請求項１、２又は３に記載の方法。
【請求項５】
上記排出制御装置がＮＯｘトラップ（72）を有する、請求項１、２又は３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は、直接噴射式火花点火エンジンに結合される排出制御装置の温度制御に関する。
【０００１】
直接噴射式火花点火エンジンにおいては、異なる空気燃料混合気の成層化された層を燃焼室が持つ成層空燃比運転の間に、エンジンが全負荷又はそれ近くで作動する。点火プラグに最も近い層は、理論混合気又は理論値より僅かにリッチな混合気を持ち、続く層は徐々にリーンな混合気を持つ。そのエンジンはまた、吸気行程中の燃焼室内への燃料の早期噴射により燃焼室内に生じる空気と燃料の均一混合気により、均一運転モードで作動する場合もある。均一運転は、理論値よりもリーン、理論値又は理論値よりリッチの、いずれの場合もある。
【０００２】
直接噴射エンジンはまた、ＣＯ，ＨＣ及びＮＯｘを低減するために、一般的な三元触媒コンバーターに結合される。理論値よりリーンな空燃比の混合気で運転される場合、ＮＯｘをさらに還元するために、ＮＯｘトラップ又は触媒が三元触媒コンバーターの下流に結合されるのが一般的である。
【０００３】
発明者はここで、リーン空燃比運転が触媒コンバーター及びＮＯｘトラップを非効率的に作動させる場合があると認識した。発明者はここでまた、触媒コンバーターを加熱することについての従来の取組みの中に、多くの有利な点を認識した。例えば、点火時期の遅角は、排気を加熱することに加えて、シリンダー壁の様なエンジン表面も加熱されることになるため、非効率的である。さらに、点火時期の遅角により生成され得る熱量は限られている。点火時期の遅角は成層モード運転中には適当ではない。
【０００４】
発明者はまた、ＮＯｘトラップの温度を制御するための可変長の排気管の使用が、コストとパッケージングのために、温度変化の幅が限られることも認識している。
【０００５】
米国特許5,207,058号は、エンジンの燃焼室へ高圧燃料を直接噴射する燃料噴射弁を持つエンジンを開示している。点火プラグが燃焼室に設けられ、排気を浄化する触媒コンバーターが排気管の中央に設けられ、そして、触媒コンバーターの温度を検出する温度センサーが設けられている。入力として、エンジン回転数、負荷及び触媒温度センサーの検出値を受信する制御ユニットが、触媒の温度が所定の目標温度より低い場合に膨脹行程と排気行程の少なくとも一つにおいて燃料噴射弁が追加燃料を燃焼室へ噴射し、燃料を排気と混合させる様に、エンジンを制御する。その後で、追加燃料が内部に混合された排気が、触媒を目標温度まで加熱するために、触媒コンバーターの上流で再着火される。この特許のエンジンは常時、混合気全体がリーンな層状充填モードで作動する。
【０００６】
米国特許5,462,705号には、各気筒へ噴射される主燃料を着火し、エンジン運転条件に従い主燃料の燃焼の膨脹行程の所期から中期に少なくとも１回各気筒へ追加燃料が噴射され、排気を浄化する触媒を安定的に活性化するために排気温度が上昇され得る様に、失火を無くすために先の燃料の燃焼の火炎伝播により（再着火無しに）追加燃料を着火する、直接噴射エンジン用触媒活性制御システムが開示されている。更に、追加燃料噴射方法及び点火時期遅角方法のいずれか一つを、燃料の節約のために、エンジン運転条件に従い、選択することが出来る。更に、主燃料の燃焼により生成される熱の量が追加噴射燃料を着火するのに充分な程大きくない場合にはいつも、成層燃焼を均一燃焼へ変化させる方法、第１燃料噴射量を増大する方法及び追加燃料噴射を中断する方法のいずれか一つを、触媒を適切に保護するために選択することが出来る。
【０００７】
本発明によれば、複数の燃焼室を持ち、該燃焼室のそれぞれに燃料が直接噴射され、上記燃焼室の少なくとも一つが排出制御装置と結合され、そして上記燃焼室が空気と燃料の均一混合気での均一運転モード及び空気と燃料の層状混合気での層状運転モードを持つ、火花点火４ストローク・エンジンの制御方法であって、上記層状運転モードで上記燃焼室を運転するために、燃料を圧縮行程中に上記燃焼室に噴射する工程、上記排出制御装置の温度を示す値を発する工程、上記排出制御装置の温度が予め選択された温度を下回った際にその低温状態を指摘する工程、該低温状態の指摘に応じて、上記排出制御装置を加熱する発熱反応を起こすために、上記燃焼室が上記層状運転モードで作動している間に、排気行程中に追加燃料を上記燃焼室に噴射する工程、及び上記燃焼室へ噴射された燃料の総量が所定値を越える場合に、上記層状運転モードから上記均一運転モードへ切換えて、上記追加燃料の噴射を中断する工程、を有する方法が提供される。
【０００８】
本発明の効果は、排出制御装置の温度が、燃焼室の壁などのエンジンを加熱するために浪費されるエネルギーを生じることなしに、効果的な作動のための所望の温度に維持される、ということである。
【０００９】
さらなる効果は、排出制御装置の温度が、追加ハードウエアを加えることなしに、効果的な作動のための所望の温度に維持される、ということである。
【００１０】
本発明の第２の観点によれば、複数の燃焼室を持ち、該燃焼室のそれぞれに燃料が直接噴射され、そして上記燃焼室の少なくとも一つが排出制御装置と結合される、火花点火４ストローク・エンジンの制御方法であって、空気と燃料の層状混合気での層状運転モードで上記燃焼室を運転するために、圧縮行程に対応する第１期間上記燃焼室に燃料を直接噴射する工程、上記排出制御装置の温度を示す値を発する工程、該排出制御装置の温度が予め選択された温度を下回った際にその低温状態を指摘する工程、上記排出制御装置を加熱する発熱反応を起こすために、上記燃焼室が上記層状運転モードで作動している間に、上記低温状態の指摘に応じて、排気行程に対応する第２期間追加燃料を上記燃焼室に噴射する工程及び、上記燃焼室へ噴射された燃料の総量が所定値を越える場合に、空気と燃料の上記層状混合気が空気と燃料の均一混合気へと変化させられる様に、上記第１期間の上記燃料噴射を吸入行程に対応する第３期間の燃料の燃料噴射へ切換え、そしてまた上記第２期間の上記追加燃料の噴射を中断する工程、を有する方法が提供される。
【００１１】
以下に、添付の図面を参照し、例を用いて、本発明を説明する。
【００１２】
複数の燃焼室を有する直接噴射式火花点火内燃機関10は、電子エンジン制御器12によって制御される。図１には、その中に配置されクランクシャフト40に連結されるピストン36と共に燃焼室壁32を含むエンジン10の燃焼室30が、示されている。この特定の例においてピストン30は、空気及び燃料の成層充填気の形成を促進するためリセス又はボウル（不図示）を含む。燃焼室30が、それぞれ吸気弁52aと52b（不図示）及び排気弁54aと54b（不図示）を経由して、吸気マニフォールド44及び排気マニフォールド48と連通するのが、示されている。燃料噴射弁66が、一般的な電子ドライバー68を介し制御器12から受信される信号fpwのパルス幅に比例して液体燃料を直接燃焼室30内に供給するために、燃焼室30に直接結合されるのが示されている。燃料は、燃料タンク、燃料ポンプ及び燃料レールを含む一般的な高圧燃料システム（不図示）により、燃料噴射弁66へ輸送される。
【００１３】
吸気マニフォールド44が、絞り板62を介しスロットル・ボディ58と連通するのが、示されている。この特定の例においては、電気モーター94を介し制御器12により絞り板62の位置が制御されるように、絞り板62が電気モーター94と結合されている。この構成は、通常アイドル回転数制御中にも用いられる電子絞り弁制御（ＥＴＣ）と呼ばれるのが、普通である。当業者に周知の代替実施形態（不図示）においては、アイドル回転数制御の間その空気通路内に設けられた絞り制御弁を介して吸入空気量を制御するために、絞り板62に平行にバイパス空気通路が設けられる。
【００１４】
排気酸素センサー76が、触媒コンバーター70上流の排気マニフォールド48と結合されるのが、示されている。この特定の例においてセンサー76は、信号ＥＧＯを双状態信号ＥＧＯＳに変換する制御器12へ信号ＥＧＯを送信する。信号ＥＧＯＳの高電圧状態は排気が理論値よりリッチであることを示し、信号ＥＧＯＳの低電圧状態は排気が理論値よりリーンであることを示す。信号ＥＧＯＳは、理論値均一運転モードにおいて平均空燃比を理論値に維持する既知の方法でのフィードバック空燃比制御中に利用される。
【００１５】
通常のディストリビューターレス点火システム88は、制御器12からの点火進角信号ＳＡに応じて、点火プラグ92を介して燃焼室内30へ点火火花を与える。
【００１６】
制御器12は、噴射時期を制御することにより、燃焼室30を均一空燃比モード又は成層空燃比モードのいずれかで運転する。成層モードにおいて、ピストン36のボウル内に燃料が直接噴霧される様に、制御器12が燃料噴射器66をエンジンの圧縮行程の間に作動させる。それにより、成層化された空気と燃料の層が形成される。点火プラグに最も近い層は、理論混合気あるいは理論値より僅かにリッチな混合気からなり、続く層は徐々にリーンな混合気を持つ。均一モード中には、点火システム88によって点火電力が点火プラグ92に供給される時に実質的に均一な空気燃料混合気が形成されるように、制御器12が吸気行程の間に燃料噴射弁66を作動させる。制御器12は、燃焼室30内の均一空気燃料混合気が理論空燃比、理論空燃比よりもリッチな値又は理論空燃比よりもリーンな値に選択され得る様に、燃料噴射弁66により供給される燃料の量を制御する。成層空気燃料混合気は常に理論値よりリーンな値になるが、正確な空燃比は燃焼室30へ供給される燃料の量の関数である。成層モードでの運転中に排気行程の間に追加燃料が噴射される追加分割運転モードは、特に図２を参照して後述する。分割モードは触媒コンバーター70及びＮＯｘトラップ72を加熱するための発熱反応を生成するために用いられる。
【００１７】
窒素酸化物（ＮＯｘ）吸収体すなわちトラップ72が触媒コンバーター70の下流に配置されているのが示されている。ＮＯｘトラップ72は、エンジン10が理論値よりリーンで作動している時に、ＮＯｘを吸収する。吸収されたＮＯｘはその後、制御器12がエンジン10をリッチ均一モード又は理論値均一モードのいずれかで運転する時に、ＮＯｘパージ・サイクル中でＨＣとの反応及び触媒反応がなされる。
【００１８】
図１に制御器12が、マイクロプロセッサー・ユニット102、入出力ポート104、この特定の例では読出し専用メモリー・チップ106として示される動作プログラム及び校正値のための電子記憶媒体、ランダム・アクセス・メモリー108、キープアライブ・メモリー110及び一般的なデータ・バスを含む、一般的なマイクロコンピューターとして示されている。制御器12が、前述の信号に加えてエンジン10に結合されたセンサーからの各種信号を受信するのが図示されており、それらの信号には、スロットル・ボディ58に結合された質量空気量センサー100からの吸入質量空気量の計測値（ＭＡＦ）、冷却スリーブ114に結合された温度センサー112からのエンジン冷却水温度信号（ＥＣＴ）、クランクシャフト40と組み合わされたホール効果センサー118からのプロファイル点火ピックアップ信号（ＰＩＰ）、絞り弁位置センサー120からの絞り弁位置ＴＰ及び、センサー122からのマニフォールド内絶対圧信号ＭＡＰが含まれる。エンジン回転数信号ＲＰＭが信号ＰＩＰから一般的な方法で制御器12により生成され、そしてマニフォールド圧力信号ＭＡＰはエンジン負荷を表す。
【００１９】
この特定の例において、その明細書が参照してここに組込まれている米国特許5,414,994号に開示されたように、触媒コンバーター70の温度Ｔcat及びＮＯｘトラップ72の温度Ｔtrapがエンジン運転状態から推定される。代替実施形態においては、温度Ｔcatが温度センサー124から与えられ、そして温度Ｔtrapが温度センサー126から与えられる。
【００２０】
ここで図２を参照すると、先に言及した分割モードの噴射時期を用いることにより、ＮＯｘトラップ72そして必要に応じて触媒コンバーター70の温度を維持する処理過程が記載されている。ステップ202に示される様にエンジン10が成層充填モード（ＳＣ）作動していない時、燃料噴射及び点火の時期が、均一リーン・モード又は均一理論値モード用に、計画される（ステップ206）。均一リーン・モード又は均一理論値モードの選択は、要求出力、燃料蒸気パージ及びＮＯｘトラップ72のパージの様な他の運転パラメーターにより決定される。
【００２１】
エンジン10が成層燃焼モードで作動している場合（ステップ202）、ＮＯｘトラップ72の温度（Ｔtrp）が温度推定器から決定される。前述の様に、その明細書がここに組込まれている米国特許5,414,994号に温度推定器は記載されている。代わりに、ＮＯｘトラップ72の温度が温度センサー126から与えられる場合もある。
【００２２】
ＮＯｘトラップの温度Ｔtrpが、ＮＯｘトラップ72の効率的なトラップ有効性及び触媒コンバーター70のＨＣ酸化についての最低温度と関連付けられた臨界温度（Ｔcrit）よりも高い時、エンジンの作動は成層充填モードのために計画された燃料噴射及び点火の時期を用いて継続する（ステップ214及び218）。
【００２３】
一方、ＮＯｘトラップの温度Ｔtrpが臨界温度Ｔcritよりも低い場合（ステップ214）、温度差ΔＴがステップ218にて決定される。ΔＴに比例する追加燃料量Faddがステップ222にて決定される。追加燃料量Faddは排気流中に未燃焼ＨＣを導くために、各燃焼室の排気行程中に噴射される。そのＨＣは、触媒コンバーター70及びＮＯｘトラップ72を加熱するために、リーン成層運転中に起こる酸素との発熱反応を生成することになる。このようにして、ＮＯｘトラップ72の温度が臨界温度Ｔtcritよりも高く維持される。
【００２４】
所望の温度までＮＯｘトラップ72の温度を上昇させるために必要とされる追加燃料量Faddが、成層エンジン作動に伴なう燃料の節約量よりも大きい時は、エンジン10が成層モードから均一リーン・モードへ切り替えられる（ステップ228及び230）。別の言い方をすると、追加燃料量Faddが最大燃料量Faddmaxよりも多い場合（ステップ228）、エンジン10は均一リーン・モードに切り替えられる（ステップ230）。燃料噴射及び点火時期はそして、ステップ206において均一リーン・モード用に設定される。
【００２５】
一方、追加燃料量FaddがFaddmaxよりも少ない場合（ステップ228）、ステップ232に示す様に追加燃料量Faddが追加されて成層運転が継続する。
【００２６】
当業者であれば、上述の処理過程を用いることにより、エンジンの冷間始動中に触媒コンバーター70をより迅速に加熱するために本発明を実施する場合もあろう。そして本発明は、ＮＯｘトラップ72を硫黄酸化物のパージに関連する温度まで加熱するために用いられる場合もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が利用される実施形態のブロック図である。
【図２】図１に示された実施形態の作動の一部が示されたフローチャートである。
【図１】
0004234323.tif 000002
【図２】
0004234323.tif 000003