(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冠面に凹凸が形成されたピストンを有し、
この冠面の凹凸により形成される燃焼室内に、点火栓近傍領域が可燃空燃比となり、その周辺領域が稀薄な不可燃空燃比となる混合気層を形成して、成層燃焼を行わせることのできる内燃機関の排気浄化装置であって、
前記成層燃焼により発生した排気ガスから実際に燃焼に寄与して生成された排気ガスを分離すべく、前記排気ガスを燃焼に寄与した排気ガスと燃焼に寄与しなかった排気ガスとに分離して、前記燃焼に寄与した排気ガスを第１の排気通路に、前記燃焼に寄与しなかった排気ガスをこの第１の排気通路に対して並列に形成された第２の排気通路に流入させる排気ガス分離手段と、
前記第１の排気通路の途中に位置する第１の排気浄化手段と、を含んで構成され、
前記排気ガス分離手段は、前記第１の排気通路側の第１の排気弁と前記第２の排気通路側の第２の排気弁とのバルブタイミングを異ならせ、前記第１の排気弁の開時期を前記第２の排気弁の開時期より遅く設定するとともに、前記第１の排気弁の閉時期を前記第２の排気弁の閉時期より早く設定して、前記燃焼に寄与した排気ガスを前記第１の排気通路に流入させる内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
成層燃焼運転時において、前記第１の排気弁と前記第２の排気弁とがともに開弁しているときに、前記第１の排気通路の開口部面積は、前記第２の排気通路の開口部面積より大きい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】
前記第１の排気弁は、機関運転条件に応じてバルブタイミングを可変に設定可能であることを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記第１の排気弁は、機関回転数及び負荷のうちの少なくとも一方の増加に応じて、弁開期間が延長されることを特徴とする請求項３記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
冠面に凹凸が形成されたピストンを有し、
この冠面の凹凸により形成される燃焼室内に、点火栓近傍領域が可燃空燃比となり、その周辺領域が稀薄な不可燃空燃比となる混合気層を形成して、成層燃焼を行わせることのできる内燃機関の排気浄化装置であって、
前記成層燃焼により発生した排気ガスから実際に燃焼に寄与して生成された排気ガスを分離すべく、前記排気ガスを燃焼に寄与した排気ガスと燃焼に寄与しなかった排気ガスとに分離して、前記燃焼に寄与した排気ガスを第１の排気通路に、前記燃焼に寄与しなかった排気ガスをこの第１の排気通路に対して並列に形成された第２の排気通路に流入させる排気ガス分離手段と、
前記第１の排気通路の途中に位置する第１の排気浄化手段と、を含んで構成され、
前記排気ガス分離手段は、前記燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁により、前記第１の排気通路側の第１の排気弁及び前記第２の排気通路側の第２の排気弁のうち、前記第１の排気弁の方向に燃料を噴射して、前記燃焼に寄与した排気ガスを前記第１の排気通路に流入させる内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記第１の排気浄化手段は、三元触媒を有し、
前記排気ガス分離手段は、前記燃焼に寄与した排気ガスを、その平均空燃比がストイキとなるように、前記第１の排気通路に流入させることを特徴とする請求項１〜５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７】
前記第１の排気浄化手段は、流入した排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中のＮＯｘをトラップして保持し、流入した排気ガスの空燃比がリッチのときに保持しているＮＯｘを排気ガス中の還元剤成分で還元するトラップ触媒を有し、
前記排気ガス分離手段は、前記燃焼に寄与した排気ガスを、その平均空燃比がリーンとなるように、前記第１の排気通路に流入させることを特徴とする請求項１〜５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】
前記トラップ触媒によるＮＯｘ保持量が所定量以上となったときに、前記トラップ触媒に対して補助還元剤を添加可能であることを特徴とする請求項７記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項９】
前記排気ガス分離手段は、前記トラップ触媒によるＮＯｘ保持量が所定量以上となったときに、前記燃焼に寄与した排気ガスを、その平均空燃比がリッチとなるように、前記第１の排気通路に流入させることを特徴とする請求項７又は８記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１０】
前記第１の排気浄化手段は、空燃比がリーンの排気ガスを流入して、流入した排気ガス中のＮＯｘを排気ガス中の還元剤成分で還元可能な選択還元型触媒を有し、
前記排気ガス分離手段は、前記燃焼に寄与した排気ガスを、その平均空燃比がリーンとなるように、前記第１の排気通路に流入させることを特徴とする請求項１〜５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１１】
前記選択還元型触媒に対して補助還元剤を添加可能であることを特徴とする請求項１０記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１２】
前記第１の排気通路と前記第２の排気通路とは、前記第１の排気浄化手段より下流側で合流し、この合流部より下流側の排気通路に、第２の排気浄化手段を備えることを特徴とする請求項１〜１１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１３】
前記排気ガス分離手段は、機関の始動時を含む冷機時において、前記燃焼室から排出されるべき排気ガス量に対する、前記第１の排気通路に流入する排気ガス量の比を、ほぼ１とすることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、より詳細には、成層燃焼が可能な内燃機関において、成層燃焼運転時における触媒による排気浄化効果を高めるための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球温暖化防止の観点から内燃機関の燃費向上の必要性が高まり、特定運転領域で稀薄空燃比燃焼、すなわち、理論空燃比よりリーンで運転される内燃機関が普及しつつある。その中には、特に低負荷低回転域で成層燃焼、すなわち、点火栓近傍に適度の空燃比の混合気を形成し、更にその周りに多量の余剰空気が存在する状態での燃焼を行うものがある。この成層燃焼では、点火栓近傍の混合気のみが燃焼に寄与することになるため、均質燃焼の場合と比較して、空燃比を大幅にリーン化することができ、燃費向上効果が高い。
【０００３】
ところで、内燃機関の排気ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘといった汚染成分は、従来、三元触媒を用いて浄化している。この三元触媒は、流入する排気ガス中のＨＣ及びＣＯを酸化してＨ2ＯとＣＯ2とし、また、ＮＯｘを還元してＮ2とすることにより、これらの汚染成分を無害化するものであり、触媒中の平均空燃比がストイキのときに転換効率が最も高く、平均空燃比がリッチ側に変化すると、触媒中の酸素濃度が低下してＨＣ及びＣＯの転換効率（すなわち、酸化率）が低下し、他方、リーン側に変化すると、酸素濃度が過剰となってＮＯｘの転換効率（すなわち、還元率）が低下してしまう。
【０００４】
このような理由から、上記のようなリーン燃焼機関にあっては、三元触媒によって排気ガス中のＮＯｘを充分な低レベルにまで浄化することは困難である。ここで、リーンな空燃比の下でＮＯｘを浄化するための技術として、以下のものを挙げることができる。
まず、流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときに排気ガス中のＮＯｘをトラップして保持し、更に流入する排気ガスの空燃比がリッチであるときに保持されているＮＯｘを脱離還元して浄化するＮＯｘトラップ触媒と呼ばれるものがある（特開平０６−２９４３１９号公報参照）。
【０００５】
このＮＯｘトラップ触媒をリーン燃焼機関の排気通路に設置すれば、リーン運転時に燃焼室から排出されるＮＯｘをトラップして排気ガスから除去し、触媒により保持されているＮＯｘの量（以下、「ＮＯｘ保持量」という。）が所定量以上となった場合には、空燃比を一時的にリッチ化して、保持されているＮＯｘを脱離浄化することができる。
【０００６】
また、他の技術として、リーンな排気ガスが流入する場合でもＮＯｘを選択的に還元することができるＮＯｘ選択還元触媒と呼ばれるものがある（特開平０６−２８５３３５号公報参照）。選択還元の効率を向上させるため、触媒の上流で還元剤を添加することも可能である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、成層燃焼を行う内燃機関の排気ガスの浄化については、前述のいずれの触媒を適用するとしても、成層燃焼の特性に起因して、従来の構成では結果として触媒の性能が低下し、充分な排気浄化効果が得られないという問題がある。それは、次の理由による。
【０００８】
成層燃焼に際し、燃焼に寄与することができるのは、点火栓近傍領域に分布する可燃空燃比の混合気であり、その周辺領域に分布する不可燃空燃比の混合気は、燃焼に寄与することができない。燃焼に寄与して生成された排気ガスは、ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘを多く含んでおり、他方、燃焼に寄与せずに生成された排気ガスは、不可燃空燃比の混合気が燃焼せずに排出されるものであり、酸素を多く含んでいる。
【０００９】
成層燃焼により発生した排気ガスを、触媒を設けて浄化する従来の構成では、燃焼に寄与して生成された排気ガスと、燃焼に寄与せずに生成された排気ガスとが混ざり合った状態で触媒を通過することになる。ここで、触媒により浄化すべき成分は、実際には、燃焼に寄与して生成された排気ガスに含まれるＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘである。従って、触媒に対して上記のように混ざり合った状態の排気ガスが流入するのは、好ましくない。
【００１０】
すなわち、燃焼に寄与して生成された排気ガスと、燃焼に寄与せずに生成された排気ガスとが混ざり合った状態で触媒に流入することにより、燃焼に寄与して生成された排気ガスが触媒中に留まることができる時間は、燃焼に寄与せずに生成された排気ガスが触媒中を流れる分だけ短くなる。このことは、触媒の空間速度（＝触媒中を流れる排気ガス量／触媒の体積）が高くなるのと等価であり、触媒による転換効率（又はトラップ効率）が低下し、触媒の性能低下を来すのである。
【００１１】
このような実情に鑑み、本発明は、成層燃焼運転時における触媒による転換効率（又はトラップ効率）を触媒の体積を増すことなく高めることができるようにし、比較的小型の触媒によっても充分な低レベルにまで排気ガスを浄化することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、冠面に凹凸が形成されたピストンを有し、この冠面の凹凸により形成される燃焼室内に、点火栓近傍領域が可燃空燃比となり、その周辺領域が稀薄な不可燃空燃比となる混合気層を形成して、成層燃焼を行わせることのできる内燃機関ＥＮＧの排気浄化装置であって、図１に示すように、前記成層燃焼により発生した排気ガスから実際に燃焼に寄与して生成された排気ガスを分離すべく、前記排気ガスを燃焼に寄与した排気ガスと燃焼に寄与しなかった排気ガスとに分離して、前記燃焼に寄与した排気ガスを第１の排気通路に、前記燃焼に寄与しなかった排気ガスをこの第１の排気通路に対して並列に形成された第２の排気通路に流入させる排気ガス分離手段Ａと、前記第１の排気通路の途中に位置する第１の排気浄化手段Ｂと、を含んで構成される。
前記排気ガス分離手段Ａは、前記第１の排気通路側の第１の排気弁と前記第２の排気通路側の第２の排気弁とのバルブタイミングを異ならせ、前記第１の排気弁の開時期を前記第２の排気弁の開時期より遅く設定するとともに、前記第１の排気弁の閉時期を前記第２の排気弁の閉時期より早く設定して、前記燃焼に寄与した排気ガスを前記第１の排気通路に流入させるものである（請求項１）。
また、前記排気ガス分離手段Ａは、前記燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁により、前記第１の排気通路側の第１の排気弁及び前記第２の排気通路側の第２の排気弁のうち、前記第１の排気弁の方向に燃料を噴射して、前記燃焼に寄与した排気ガスを前記第１の排気通路に流入させるものである（請求項５）。
【００１３】
前記第１の排気浄化手段Ｂは、三元触媒を有し、前記排気ガス分離手段Ａは、前記燃焼に寄与した排気ガスを、その平均空燃比がストイキとなるように、前記第１の排気通路に流入させるのが好ましい（請求項６）。
前記第１の排気浄化手段Ｂは、流入した排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中のＮＯｘをトラップして保持し、流入した排気ガスの空燃比がリッチのときに保持しているＮＯｘを排気ガス中の還元剤成分で還元するトラップ触媒を有し、前記排気ガス分離手段Ａは、前記燃焼に寄与した排気ガスを、その平均空燃比がリーンとなるように、前記第１の排気通路に流入させるのが好ましい（請求項７）。
【００１４】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、前記トラップ触媒によるＮＯｘ保持量が所定量以上となったときに、前記トラップ触媒に対して補助還元剤を添加可能であるのが好ましい（請求項８）。
前記排気ガス分離手段Ａは、前記トラップ触媒によるＮＯｘ保持量が所定量以上となったときに、前記燃焼に寄与した排気ガスを、その平均空燃比がリッチとなるように、前記第１の排気通路に流入させるのが好ましい（請求項９）。
【００１５】
前記第１の排気浄化手段Ｂは、空燃比がリーンの排気ガスを流入して、流入した排気ガス中のＮＯｘを排気ガス中の還元剤成分で還元可能な選択還元型触媒を有し、前記排気ガス分離手段Ａは、前記燃焼に寄与した排気ガスを、その平均空燃比がリーンとなるように、前記第１の排気通路に流入させるのが好ましい（請求項１０）。
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、前記選択還元型触媒に対して補助還元剤を添加可能であるのが好ましい（請求項１１）。
【００１６】
【００１７】
前記第１及び第２の排気弁のバルブタイミングにより排気ガスを分離するもの（請求項１）では、成層燃焼運転時において、前記第１の排気弁と前記第２の排気弁とがともに開弁しているときに、前記第１の排気通路の開口部面積が、前記第２の排気通路の開口部面積より大きいのが好ましい（請求項２）。
前記第１の排気弁は、機関運転条件に応じてバルブタイミングを可変に設定可能であるのが好ましい（請求項３）。
【００１８】
前記第１の排気弁は、機関回転数及び負荷のうちの少なくとも一方の増加に応じて、弁開期間を延長するのが好ましい（請求項４）。
【００１９】
【００２０】
前記第１の排気通路と前記第２の排気通路とは、前記第１の排気浄化手段Ｂより下流側で合流し、この合流部より下流側の排気通路に、第２の排気浄化手段Ｃを備えるのが好ましい（請求項１２）。
前記排気ガス分離手段Ａは、機関の始動時を含む冷機時において、前記燃焼室から排出されるべき排気ガス量に対する、前記第１の排気通路に流入する排気ガス量の比を、ほぼ１とするのが好ましい（請求項１３）。
【００２１】
【００２２】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、次の効果を得ることができる。
本発明に係る内燃機関では、成層燃焼において、点火栓近傍領域の可燃空燃比の混合気のみが燃焼に寄与することができ、その周辺領域の余剰空気は、燃焼に寄与することはできない。従って、燃焼直後の燃焼室内には、燃焼に寄与して生成された排気ガスと、燃焼に寄与せずに生成された排気ガスとが混在している。これらのうち、前者の排気ガス中に、ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの汚染成分が多く存在する。
【００２３】
そこで、成層燃焼運転時において、排気ガス分離手段Ａにより、燃焼によって発生した排気ガスから実際に燃焼に寄与して生成された排気ガスを分離すべく、前記排気ガスを燃焼に寄与した排気ガスと燃焼に寄与しなかった排気ガスとに分離し、これらの排気ガスのうち燃焼に寄与した排気ガスのみを第１の排気浄化手段Ｂに流入させることで、燃焼に寄与した排気ガスに含まれる上記汚染成分は、第１の排気浄化手段Ｂ内に、これまで以上に長く留まることができるようになる。従って、第１の排気浄化手段Ｂによる排気浄化効果を高めることができる。
請求項１に係る発明によれば、燃焼に寄与した排気ガスは、排気ガス分離手段Ａにより燃焼に寄与しなかった排気ガスから分離された後、燃焼に寄与しなかった排気ガスとは別に第１の排気通路内を流れる。従って、燃焼に寄与した排気ガスは、燃焼に寄与しなかった排気ガスと混ざることなく第１の排気浄化手段Ｂに流入することとなるので、第１の排気浄化手段Ｂによる排気浄化効果をより高めることができる。
また、前述のように、成層燃焼直後の燃焼室内には、燃焼に寄与して生成された排気ガスと、燃焼に寄与せずに生成された排気ガスとが混在しているが、前者は主に点火栓周りの燃焼室略中央に分布しており、後者は、前記燃焼に寄与して生成された排気ガス周辺の、より壁面に近いところに分布している。従って、排気時では、まず、排気弁近傍の燃焼に寄与せずに生成された排気ガスが排気され、燃焼に寄与して生成された排気ガスが続き、更に燃焼に寄与せずに生成された排気ガスが排気される。
そこで、排気時において、第１の排気弁が、第２の排気弁の開時期より遅く開き、かつ第２の排気弁の閉時期より早く閉じることで、主に燃焼室略中央に分布する燃焼に寄与して生成された排気ガスを積極的に抽出し、燃焼に寄与した排気ガスと燃焼に寄与しなかった排気ガスとの分離を良好なものとして、浄化すべき汚染成分を多く含む燃焼に寄与した排気ガスを、第１の排気浄化手段Ｂに流すことができる。
また、請求項５に係る発明によれば、燃料の噴射方向を第１及び第２の排気弁のうち、第１の排気弁の方向に傾けることで、燃焼に寄与することのできる混合気は、この第１の排気弁近傍に集中的に分布されることとなる。従って、第１の排気弁と第２の排気弁とのバルブタイミングが同じであっても、燃焼に寄与して生成された排気ガスを、第２の排気通路より第１の排気通路内に多量に取り込むことができる。
【００２４】
請求項６に係る発明によれば、三元触媒により、成層燃焼により発生した汚染成分であるＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘを同時に浄化することができる。また、触媒へは、排気ガス分離手段Ａにより分離された、平均空燃比がストイキの燃焼に寄与した排気ガスのみが流入するため、これに含まれる汚染成分が触媒内に長く留まることができ、触媒による転換効率が向上する。
【００２５】
請求項７に係る発明によれば、トラップ触媒へは、排気ガス分離手段Ａにより分離された、平均空燃比がリーンの燃焼に寄与した排気ガスのみが流入するため、これに含まれる汚染成分が触媒内に長く留まることができ、触媒によるトラップ効率が向上する。
請求項８に係る発明によれば、次の効果を得ることができる。
【００２６】
トラップ触媒へは、排気ガス分離手段Ａにより分離された燃焼に寄与した排気ガスのみが流入するが、この燃焼に寄与した排気ガスは、成層燃焼により発生した排気ガス全体よりリッチな状態にある。従って、補助還元剤を添加して保持されているＮＯｘを脱離還元することができるだけでなく、その添加量を低減してこれを行うことができる。
【００２７】
請求項９に係る発明によれば、燃焼に寄与した排気ガスの平均空燃比をリッチとすることで、トラップ触媒に流入する排気ガスもリッチとなる。このため、成層燃焼運転時においても、排気ガス中の還元剤成分により、保持されているＮＯｘを脱離還元することができる。
請求項１０に係る発明によれば、選択還元型触媒へは、排気ガス分離手段Ａにより分離された、平均空燃比がリーンの燃焼に寄与した排気ガスのみが流入するため、これに含まれる汚染成分が触媒内に長く留まることができ、触媒による転換効率が向上する。
【００２８】
請求項１１に係る発明によれば、選択還元型触媒に添加される補助還元剤が触媒内に長く留まることができるため、添加する補助還元剤の量を低減することができる。
【００２９】
【００３０】
【００３１】
請求項２に係る発明によれば、第１の排気通路の排気ガス流量を、第２の排気通路の排気ガス流量より大きくすることができるため、燃焼に寄与して生成された排気ガスは、第１の排気通路側により積極的に流入するようになる。このため、より多量の汚染成分を第１の排気浄化手段Ｂに流すことができる。
請求項３に係る発明によれば、第１の排気弁のバルブタイミングを機関運転条件に応じて変更することで、燃焼に寄与して生成された排気ガスを効率的に抽出して排気ガスを分離することができる。
【００３２】
請求項４に係る発明によれば、次の効果を得ることができる。
機関回転数が増加すると、１サイクル当たりの排気の実時間は減少する。このときに、第１の排気弁の弁開期間を延長することで、第１の排気弁による排気の実時間を延長して、燃焼に寄与して生成された排気ガスの第１の排気通路への流入量を可及的に維持することができる。
【００３３】
また、負荷が増加すると、これに付随して燃料噴射量も増加して、燃焼に寄与することのできる混合気の絶対量が増える。従って、この場合にも第１の排気弁の弁開期間を延長することで、燃焼に寄与して生成された排気ガスをより多く第１の排気通路に流すことができる。
【００３４】
【００３５】
【００３６】
【００３７】
請求項１２に係る発明によれば、第１の排気浄化手段Ｂを浄化されずに通過した汚染成分と、排気ガス分離手段Ａにより分離されて第２の排気通路を介した排気ガス中の汚染成分とを、第２の排気浄化手段Ｃにより浄化することができる。
請求項１３に係る発明によれば、第１の排気浄化手段Ｂの暖機（活性化）のために、燃焼に寄与した排気ガスの熱に加えて燃焼に寄与しなかった排気ガスの熱をも利用することができるため、第１の排気浄化手段Ｂの暖機に要する時間を短縮することがきる。
【００３８】
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態に係る内燃機関（以下、「エンジン」という。）１の構造を概略示す断面図であり、本発明に係る排気浄化装置を備えている。同図を参照して、エンジン１の構造について説明する。
【００４０】
エンジン１の吸気通路２の入口には、エアクリーナ３が取り付けられている。このすぐ下流には、エアフロメータ４が設置されており、その検出信号が後述する電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という。）４１に送られて、エンジン１への吸入空気量Ｑａを測定可能となっている。
エアフロメータ４の下流の吸気通路２には、スロットル弁５が設置されており、これにより吸入空気量Ｑａが制御される。さらに、スロットル弁５の下流には、コレクタ６及びポート部７が接続し、スロットル弁５により流量制御された空気は、これらを介して、１気筒につき２つの吸気弁８（８ａ，８ｂ）の弁開期間に、シリンダ９内の燃焼室に供給される。これらの吸気弁８ａ及び８ｂは、ＥＣＵ４１からの制御信号に基づいて作動する吸気側電磁アクチュエータ３１により、所定のバルブタイミングで吸気通路２を開く。
【００４１】
シリンダ９の内部には、ピストン１０が往復動自在に挿入されている。このピストン１０の冠面には、タンブル制御のための凹凸１１が設けられており、燃焼室内に進入した吸入空気は、この凹凸１１により案内されてタンブル流を形成する。なお、ポート部７は、燃焼室に対して、このタンブル流が形成され易い角度で接続されている。
【００４２】
また、シリンダ９には、燃料噴射弁１２が、ポート部７の開口部近傍に、燃焼室内に直接臨むように設置されるとともに、点火栓１３が、燃焼室略中央に位置するように設置されている。上記のようにしてタンブル流を形成する吸入空気に対して、燃料噴射弁１２により所定のタイミングに、所定量の燃料が噴射供給され、このようにして形成された混合気は、点火栓１３の作動により、所定のタイミングで着火燃焼する。
【００４３】
なお、燃料噴射弁１２は、エンジン１の燃焼方式に応じて噴射時期が切り換えられ、燃料を燃焼室内に均一に分布させて出力を得る均質燃焼の場合には、吸気行程で噴射する。一方、燃焼に寄与することのできる可燃空燃比の混合気を点火栓１３の近傍に分布させて混合気を層状化して、燃費向上を狙う成層燃焼の場合には、圧縮行程で噴射する。
【００４４】
燃焼後、生成された排気ガスは、１気筒につき２つずつ形成されている排気ポート２１（２１ａ，２１ｂ）から排気通路２２（２２ａ，２２ｂ）を通して排気される。これらの排気通路２２ａ及び２２ｂをそれぞれ開閉する排気弁２３（２３ａ，２３ｂ）は、ＥＣＵ４１からの制御信号に基づいて作動する排気側電磁アクチュエータ３２により駆動される。
【００４５】
なお、排気弁２３ａ及び２３ｂと、排気側電磁アクチュエータ３２とは、本発明の排気ガス分離手段を構成する。
図３は、シリンダ９を上方から見たところを表している。２つの排気通路２２ａ，２２ｂのうち第１の排気通路２２ａの途中には、上流側の触媒コンバータ２４が設けられている。この触媒コンバータ２４には、エンジン１とのマッチングに応じて三元触媒、ＮＯｘトラップ触媒及びＮＯｘ選択還元触媒のいずれをも内蔵させることができる。排気通路２２ａと２２ｂとは、触媒コンバータ２４より下流において合流しており、この合流部より下流の排気通路に、下流側の触媒コンバータ２５が設けられている。
【００４６】
下流側の触媒コンバータ２５は、第１の排気通路２２ａを通過したものの上流側の触媒コンバータ２４では完全に浄化しきれなかった汚染成分や、第２の排気通路２２ｂを通過した排気ガス中の汚染成分を、大気への放出前に浄化するためのものであり、上流側の触媒コンバータ２４と同様にエンジン１とのマッチングに応じて適宜選択することができる。
【００４７】
なお、上流側の触媒コンバータ２４は、本発明の第１の排気浄化手段を構成し、下流側の触媒コンバータ２５は、本発明の第２の排気浄化手段を構成する。
また、図２に示すように、排気通路にＯ2センサ５１が設置されており、これにより排気ガス中のＯ2濃度が測定される。そして、エンジン１を理論空燃比で運転する際には、このＯ2センサ５１からの情報に基づいてフィードバック制御が行われる。
【００４８】
電子制御ユニット４１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェースを含んで構成され、吸入空気量ＱａやＯ2濃度の他、クランク角センサ５２からのクランク軸回転位置信号（これに基づいてエンジン回転数Ｎｅを算出することができる。）、アクセルセンサ５３からのアクセルペダル開度信号Ａｐｓ、及び水温センサ５４からのエンジン冷却水温Ｔｗなどの情報を入力し、これらに基づいて吸気側電磁アクチュエータ３１及び排気側電磁アクチュエータ３２についての制御信号を発生する。
【００４９】
次に、電子制御ユニット４１の制御内容を、図４及び５に示すフローチャートを参照して説明する。まず始めに、燃焼方式選択について図４を参照して説明した後、続いて、排気側電磁アクチュエータ３２の燃焼方式に応じた制御について図５を参照して説明する。
図４は、燃焼方式選択ルーチンのフローチャートである。
【００５０】
まず、ステップ（以下、単に「Ｓ」という。）１で各種運転条件を読み込んだ後、続くＳ２で、アクセル開度Ａｐｓに基づいてマップから目標トルクＴＴＣを求める。
Ｓ３では、エンジン回転数Ｎｅと目標トルクＴＴＣとに基づいて燃焼フラグＦｃｍｂ（０〜２）を設定する。成層燃焼により燃費向上を図るべき運転条件では、燃焼フラグＦｃｍｂは０に設定される。これ以外の運転条件では、均質燃焼が行われることとなるが、特に燃費を向上すべき領域では、均質リーン燃焼のため、燃焼フラグＦｃｍｂは１に設定される。上記２つの領域以外の領域では、均質ストイキ燃焼のため、燃焼フラグＦｃｍｂは２に設定される。
【００５１】
Ｓ４では、水温Ｔｗが所定値ＴｗＬ以上か否かを判定する。所定値ＴｗＬ以上であると判定された場合には、本ルーチンをそのままリターンして、Ｓ３で設定された燃焼フラグＦｃｍｂを維持する。しかし、上記判定が否定的（即ち、水温Ｔｗが所定値ＴｗＬ未満）と判定された場合には、Ｓ５に進んで、燃焼フラグＦｃｍｂを２に設定する。冷機時では、リーン燃焼を行う場合に安定性が得られない可能性があるため、リーン燃焼を禁止し、理論空燃比での燃焼を行うためである。
【００５２】
次に、排気側電磁アクチュエータ３２の燃焼方式に応じた制御について説明する。図５は、排気弁２３ａ及び２３ｂのバルブ作動角設定ルーチンの基本的な流れを示すフローチャートである。
まず、Ｓ１１では、各種制御情報を読み込む。
Ｓ１２では、水温Ｔｗが所定値ＴｗＬ以上であるか、すなわち、エンジン１の暖機後であるか否かを判定する。所定値ＴｗＬ以上であると判定された場合には、Ｓ１４に進む。一方、上記判定が否定的である場合（冷機時）には、Ｓ１３に進んで、第２の排気弁２３ｂを停止してその閉状態を維持し、第１の排気弁２３ａのみによる排気を選択する。エンジン始動時を含む冷機時では、触媒温度を上げて触媒を活性化する必要があるので、そのような条件では、発生したすべての排気ガスを上流側の触媒コンバータ２４に提供することにより、より多くの熱量を触媒に与え、活性時間の短縮を図るのである。
【００５３】
Ｓ１４では、燃焼フラグＦｃｍｂが０であるか、すなわち、選択された燃焼方式が成層燃焼であるか否かを判定する。その結果、燃焼フラグＦｃｍｂが０であると判定された場合には、Ｓ１５に進んで、エンジン回転数Ｎｅ及び目標トルクＴＴＣに対応させて割り付けられたマップを用いて、排気弁２３ａ及び２３ｂの目標バルブ作動角を設定する。
【００５４】
たとえば、運転条件が領域Ａにある場合には、第１及び第２の排気弁２３ａ，２３ｂのリフトカーブは、それぞれ図６（ａ）に示すプロフィールＰｒａ１，Ｐｒｂ１のようになり、第１の排気弁２３ａの開時期は、第２の排気弁２３ｂの開時期より遅く設定され、かつ第１の排気弁２３ａの閉時期は、第２の排気弁２３ｂの閉時期より早く設定される。
【００５５】
第１の排気弁２３ａの目標バルブ作動角は、エンジン回転数Ｎｅの変化に伴い、及び、特に目標トルクＴＴＣの変化に伴って変更され、これらの増大に応じて目標バルブ作動角が拡大設定される（図中の矢印方向）と、図６（ｂ）に示すプロフィールＰｒａ２のように、第１の排気弁２３ａは、開時期が早められるとともに閉時期が遅らされて、弁開期間が延長される。
【００５６】
一方、Ｓ１４の判定結果が否定的、すなわち、選択された燃焼方式が均質燃焼（均質リーン燃焼又は均質ストイキ燃焼）であると判定された場合には、Ｓ１６に進んで、選択された燃焼方式のための目標バルブ作動角を設定する。
図７は、成層燃焼運転時における燃焼直後の燃焼室内のＣＯ2濃度の分布傾向を表している。
【００５７】
前述のようにして燃焼方式として成層燃焼が選択された場合（即ち、燃焼フラグＦｃｍｂ＝０）には、点火栓１３近傍の混合気のみが燃焼に寄与することができ、その周辺の混合気は稀薄な状態であって、燃焼に寄与することができない。このため、燃焼直後の燃焼室内のＣＯ2濃度分布は、図示のように、点火栓１３周りが高く、その周りは低くなる。
【００５８】
このようなＣＯ2濃度の分布傾向は、排気弁２３が開いて排気が開始された後も、およそ維持される。すなわち、排気弁２３が開くと、まず、排気弁２３近傍の燃焼に寄与せずに生成されたＣＯ2濃度の低い排気ガスが燃焼室から排出され、燃焼室中央部に集中している燃焼に寄与して生成されたＣＯ2濃度の高い排気ガスが続き、更に排気弁２３から遠い位置にあるＣＯ2濃度の低い排気ガスが排出されることとなる。従って、燃焼室から排気通路２２に排出される排気ガス中のＣＯ2濃度は、図８（ａ）に示すような傾向で変化する。
【００５９】
排気ガス中のＣＯ2濃度は、排気ガスの空燃比をほぼ示しているから、排気ガス中のＣＯ2濃度、ＣＯ濃度及び排気ガスの空燃比の時間変化は、それぞれ図８（ａ）〜（ｃ）のようになる。なお、ＣＯは、一般的に、空燃比がリッチな領域で検出されるものであり、図示のＣＯの検出点は、ＣＯ2濃度変化のピーク点に対応し、このピーク点にくぼみが検出される。
【００６０】
また、燃焼に寄与して生成されたＣＯ2濃度の高い排気ガスには、燃焼時に発生したＮＯｘが多く含まれており、一方、燃焼に寄与せずに生成されたＣＯ2濃度の低い排気ガスに含まれるＮＯｘは、少ない。従って、ＮＯｘを多く含む排気ガスは、主に排気行程中期に排出されることとなる。そこで、前述の構成により、第１の排気弁２３ａの弁開期間を排気行程中期、すなわち、燃焼に寄与して生成されたＮＯｘを多く含む排気ガスの排出タイミングに合わせて設定することで、ＮＯｘを多く含む排気ガスのみを上流側の触媒コンバータ２４に流すことができる。
【００６１】
ここで、上流側の触媒コンバータ２４に三元触媒を内蔵させた場合には、空燃比が主にストイキ〜リッチの燃焼に寄与して生成された排気ガスを、第１の排気通路２２ａ内に取り込むことで、第１の排気通路２２ａ内の平均空燃比をストイキとし、三元触媒の転換効率が最も高い状態で排気ガス中のＮＯｘを浄化することができる。
【００６２】
この触媒コンバータ２４ですべてのＮＯｘを浄化しきれないとしても、下流側の触媒コンバータ２５にＮＯｘトラップ触媒や、ＮＯｘ選択還元触媒を内蔵させることで、残りのＮＯｘを浄化することができる。ここで、下流側の触媒によって浄化すべきＮＯｘは上流側の触媒によって低減されているので、燃費やエミッションを改善することができる。
【００６３】
また、上流側の触媒コンバータ２４にＮＯｘトラップ触媒を内蔵させた場合には、第１の排気通路２２ａ内の平均空燃比は、リーンにする。
すなわち、排気ガス中のＮＯｘをトラップするときには、第１の排気弁２３ａの弁開期間を図９（ａ−１）に示す期間Δｔａとして、空燃比がストイキ〜リッチの排気ガスの排出タイミングを含む比較的長期に渡って第１の排気弁２３ａを開弁させる。このときの第１及び第２の排気弁２３ａ，２３ｂのリフトカーブは、それぞれ図９（ａ−２）のプロファイルＰｒａ３，Ｐｒｂ３のようになる。
【００６４】
これに対して、ＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘ保持量が所定量以上となった場合など、保持されているＮＯｘを還元するときには、第１の排気弁２３ａの弁開期間を図９（ｂ−１）に示す期間Δｔｂとして、空燃比がリッチの排気ガスの排出タイミングに合わせて第１の排気弁２３ａを開弁させる。このときの第１及び第２の排気弁２３ａ，２３ｂのリフトカーブは、それぞれ図９（ｂ−２）のプロファイルＰｒａ４，Ｐｒｂ４のようになり、第１の排気弁２３ａの弁開期間は、ＮＯｘをトラップするときと比べて、より狭められる。
【００６５】
このようにして上流側の触媒コンバータ２４に流入する排気ガスの空燃比をリッチとすることで、保持されているＮＯｘを、排気ガス中の還元剤成分によって還元浄化することができる。
また、上流側の触媒コンバータ２４に三元触媒や、ＮＯｘ選択還元触媒などを内蔵させる場合には、触媒コンバータ２４上流の第１の排気通路２２ａ内にＮＨ3，Ｈ2，ＣＯ，ＨＣなどの補助還元剤を添加して、ＮＯｘを浄化することも可能である。第１の排気通路２２ａ内の排気ガスは、そのリーン度合いが従来より低くなっている（よりリッチ側にある）から、補助還元剤の添加量は、従来より少なくて済む。
【００６６】
図１０は、成層燃焼運転時における燃焼直後の燃焼室内のＣＯ2濃度の分布傾向を、負荷の違い（高低）に分けて表したものである。また、図１１は、負荷が低い場合と高い場合とにおける第１及び第２の排気弁２３ａ，２３ｂの弁開期間を、燃焼室から排出される排気ガス中のＣＯ2濃度の時間変化に対応させて示したものである。
【００６７】
低負荷側、すなわち、燃料噴射量が少ない場合には、図１０（ａ）に示すように、ＣＯ2濃度の高い部分は点火栓１３近傍のごく狭い範囲内に限られ、その周辺に形成されるＣＯ2濃度の低い部分の占める割合が大きくなる。このため、排気ガス中のＣＯ2濃度の時間変化は、図１１（ａ）のように一時的なピークを形成する。前述のように、排気ガス中のＣＯ2濃度は、排気ガスの空燃比をほぼ示しているから、第１の排気弁２３ａの作動角を狭めることで、燃焼に寄与して生成された排気ガスを精度良く第１の排気通路２２ａ内に取り込むことができる。
【００６８】
一方、高負荷側、すなわち、燃料噴射量が多い場合には、図１０（ｂ）に示すように、ＣＯ2濃度の高い部分は点火栓１３周りの比較的広い範囲に拡大する。このため、排気ガス中のＣＯ2濃度は、図１１（ｂ）のように高濃度値をある程度の時間維持する。従って、第１の排気弁２３ａの作動角を比較的広くとることで、燃焼に寄与して生成された排気ガスを、より多く第１の排気通路２２ａ内に取り込むことができる。
【００６９】
本実施形態では、吸排気弁の動弁装置として、電磁駆動式アクチュエータを利用しているので、バルブタイミングだけでなくリフト量も所望に変化させることができる。
そこで、第１の排気弁２３ａ及び第２の排気弁２３ｂのリフトカーブを、たとえば、図１２に示すプロファイルＰｒａ５，Ｐｒｂ５に沿うように設定して、第１及び第２の排気弁がともに開弁しているときに、第１の排気弁のリフト量が、第２の排気弁のリフト量より大きくなるようにする。
【００７０】
これにより、排気ポート２１ａの開口部面積が、排気ポート２１ｂの開口部面積より大きくなるため、第１の排気通路２２ａへの排気ガス流量を、第２の排気通路２２ｂへの排気ガス流量より大きくすることができる。なお、第２の排気通路２２ｂの流路面積を調節可能な絞り弁を設けても同様な効果を得ることができる。
【００７１】
また、第１の排気弁２３ａ及び第２の排気弁２３ｂのリフトカーブを、図１３に示すプロファイルＰｒａ６，Ｐｒｂ６に沿うように設定して、燃焼室から燃焼に寄与して生成された排気ガスが排出されるタイミングに合わせて第１の排気弁２３ａを開き、これとともに第２の排気弁２３ｂのリフト量を小さくすることも可能である。
【００７２】
以上の説明では、複数の排気通路のうち特定の排気通路に対して、上流側の触媒コンバータ２４を個別に設置する例を説明したが、本発明はこれに限らず、集合的な上流側の触媒コンバータを設けて、実施することもできる。
図１４は、その一例を示しており、すべての排気通路が１つの上流側の触媒コンバータ１２４に接続されている。この触媒コンバータ１２４内は、格子状の通路となっているため、分離された後に混ざり合うことなく流入した排気ガス（即ち、燃焼に寄与した排気ガス及び燃焼に寄与しなかった排気ガス）は、触媒コンバータ１２４内においても混ざり合うことはない。上流側の触媒コンバータ１２４下流の排気通路には、下流側の触媒コンバータを設けることもできる。
【００７３】
このように、本発明によれば、成層燃焼運転時において、燃焼に寄与して生成されたＮＯｘを多く含む排気ガスを、積極的に第１の排気通路２２ａ内に取り込むことができる。その結果、燃焼によって発生した排気ガスは、燃焼に寄与した排気ガスと燃焼に寄与しなかった排気ガスとに分離され、燃焼に寄与した排気ガスのみが、前記分離状態が維持されたまま上流側の触媒コンバータ２４（集合的な触媒コンバータ１２４の一部）に流入することとなる。従って、汚染成分を多く含む排気ガスを選択的に上流側の触媒コンバータ２４に流入させることができ、体積を増すことなく上流側の触媒の空間速度を低減し、その触媒による転換効率（又はトラップ効率）を高めることができる。
【００７４】
本実施形態では、電磁駆動式の動弁装置を利用しているが、本発明はこれに限らず、カム駆動式の可変動弁装置を利用しても同様な効果を得ることができるし、また、所望のリフトカーブを与える固定カムを設けてもよい。
【００７５】
【００７６】
【００７７】
なお、吸排気弁の動弁装置は、求められるエンジン性能に応じて選択することができるが、図示の例では、吸気弁８は、リフタ３１を介して吸気側カム３２により、排気弁２３は、リフタ３３を介して排気側カム３４により、それぞれ駆動される。
排気ガスを燃焼に寄与した排気ガスと燃焼に寄与しなかった排気ガスとに分離する方法は、以上に示した排気弁２３によるものに限られない。以下に示すように、燃料噴射弁による燃料の噴射方向により分離することも可能である。そこで、次に、本発明の第２実施形態について説明する。
【００７８】
図１５は、実施形態に係るエンジン２０１の構造を示す平面図である。前述のエンジン１と同一の構成部分については、図２における符号と同一の符号を付している。
このように、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁２１２の噴射方向を、第１の排気通路２２ａのポート部（排気弁）に向けて設定し、燃焼に寄与することのできる混合気を、このポート部の開口部近傍に集中させる。これにより、燃焼に寄与して生成された排気ガスを、第２の排気通路２２ｂより第１の排気通路２２ａ内に多量に取り込むことができる。
【００７９】
これに加えて、図１６に示すように、ピストン２０９の冠面に形成されるピストンボウル（凹部）Ｃの位置を、第１の排気通路２２ａの開口部寄りに設定して、燃焼に寄与することのできる混合気を、この開口部近傍に集中させることとしてもよい。この場合には、燃料噴射弁２１２及びピストンボウルＣが本発明の排気ガス分離手段を構成する。
【００８０】
【００８１】
【００８２】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構成を示すブロック図
【図２】本発明の第１の実施形態に係る内燃機関の構成を概略示す断面図
【図３】同上内燃機関の排気系の平面図
【図４】燃焼方式選択ルーチンのフローチャート
【図５】目標バルブ作動角設定ルーチンのフローチャート
【図６】排気弁のリフトカーブの一例を示す図
【図７】成層燃焼運転時における燃焼直後の燃焼室内のＣＯ2濃度の分布傾向を示す図
【図８】成層燃焼後に燃焼室から排出される排気ガス中のＣＯ2濃度、ＣＯ濃度及び空燃比の時間変化を示す図
【図９】燃焼に寄与した排気ガスの空燃比の制御方法を示す図
【図１０】ＣＯ2濃度分布の目標トルクに応じた変化傾向を示す図
【図１１】排気弁開期間の目標トルクに応じた変化傾向を示す図
【図１２】排気弁のリフトカーブの他の例を示す図
【図１３】排気弁のリフトカーブの他の例を示す図
【図１４】集合的な上流側の触媒コンバータの一例を示す図
【図１５】本発明の第２の実施形態に係る内燃機関の構成を概略示す平面図
【図１６】同上内燃機関のピストン形状を示す図
【符号の説明】
１…エンジン、２…吸気通路、８…吸気弁、９…シリンダ、１０…ピストン、１２…燃料噴射弁、１３…点火栓、２１…排気ポート、２２…排気通路、２３…排気弁、２４…上流側の触媒コンバータ、２５…下流側の触媒コンバータ、３１…吸気側電磁アクチュエータ、３２…排気側電磁アクチュエータ、４１…電子制御ユニット。
【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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【図１１】
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【図１２】
0003733845.tif 000013
【図１３】
0003733845.tif 000014
【図１４】
0003733845.tif 000015
【図１５】
0003733845.tif 000016
【図１６】
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