(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備えるとともに、生成された混合気に点火する点火プラグを備え、かつ排気通路に、少なくとも酸化作用を有する触媒装置が介装されてなる内燃機関の排気浄化装置において、
上記触媒装置の活性状態を判定する触媒活性判定手段と、この触媒活性判定手段によって触媒が不活性状態であると判定したときに燃料噴射時期を圧縮行程中でかつ触媒が完全活性した状態での通常制御時の噴射時期よりも遅角側の第１の噴射時期に、中間活性状態であると判定したときに上記第１の噴射時期よりも遅い圧縮行程中の第２の噴射時期に、それぞれ制御する燃料噴射時期制御手段と、を備えていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
中間活性状態であると判定したときに燃圧を低下制御する燃圧制御手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
噴射時期の遅角と同時に点火時期を遅角補正する点火時期制御手段をさらに有し、上記第１の噴射時期に対応する第１の点火時期よりも上記第２の噴射時期に対応する第２の点火時期が遅角側に設定されていることを特徴とする請求項１または２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】
この発明は、内燃機関の排気浄化装置、特に筒内直噴型内燃機関において始動直後の排気ガスの排気浄化を図った排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の内燃機関から排出される排気ガスの浄化には、貴金属（白金、パラジウム、ロジウム等）またはその他の金属を担持した触媒が従来から使われている。このような触媒は、排気ガス中の有害成分であるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等を酸化もしくは還元して浄化している。ところで、この触媒作用を得るためには、排気温度が高くなければならず、例えばＨＣの触媒による浄化のためには、一般に、２００〜３００℃程度の温度が必要である。しかし内燃機関の始動直後では、排気ガス温度が低く、上記の触媒が活性する温度（例えば２００℃以上）に達しないため、ＨＣの浄化はほとんど行われず、ＨＣの大気への放出量が増大する結果となる。
【０００３】
そこで、このような問題を解決するために、筒内直噴型内燃機関において、燃料噴射を圧縮行程中に行うとともに、その噴射時期を最適時期よりも遅角させて、排気ガス温度を上昇させ、触媒の昇温を促進する技術が知られている（特開平１０−１６９４８８号公報等）。つまり、上記のように噴射時期を遅角させることで、点火プラグ周囲に局所的にリッチな混合気が形成されて不完全燃焼し、これにより生じたＣＯやＨＣが、その後の膨張行程においてシリンダ内の余剰酸素とともに緩慢に酸化反応し、排気ガス温度が上昇するのである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図１の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、燃料噴射時期と排温、ＣＯ濃度および燃焼安定度との関係をそれぞれ示しているが、噴射時期の遅角による不完全燃焼に伴うＣＯやＨＣを、膨張行程においてシリンダ内の余剰酸素で全て酸化させ、内燃機関から排出されないようにするためには、図１の▲１▼点のように、比較的遅角量の小さな噴射時期までしか遅角することができず、（ａ）から明らかなように、排気ガスの昇温効果が小さい。また、逆に、十分な昇温効果を得るために、例えば図１の▲２▼点のように、燃料噴射時期を一層大きく遅角させたとすると、ＣＯやＨＣの発生量の増加に伴い、シリンダ内の余剰酸素で全てを酸化させることができなくなり、これらのＣＯ等が内燃機関から排出され、しかも触媒も不活性であるため、浄化されずに大気中に放出されてしまう可能性がある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、シリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備えるとともに、生成された混合気に点火する点火プラグを備え、かつ排気通路に、すくなくとも酸化作用を有する触媒装置が介装されてなる内燃機関の排気浄化装置において、
上記触媒装置の活性状態を判定する触媒活性判定手段と、この触媒活性判定手段によって触媒が不活性状態であると判定したときに燃料噴射時期を圧縮行程中でかつ触媒が完全活性した状態での通常制御時の噴射時期よりも遅角側の第１の噴射時期に、中間活性状態であると判定したときに上記第１の噴射時期よりも遅い圧縮行程中の第２の噴射時期に、それぞれ制御する燃料噴射時期制御手段と、を備えていることを特徴としている。
【０００７】
すなわち、機関の始動直後のような触媒の不活性状態においては、噴射時期が圧縮行程中の第１の噴射時期に保たれる。この第１の噴射時期は、噴射された燃料がある程度不完全燃焼するように設定されており、不完全燃焼に伴い発生したＣＯやＨＣが、膨張行程においてシリンダ内の余剰酸素と緩慢に酸化反応することによって、排気ガス温度が昇温する。特に、この第１の噴射時期は、発生したＣＯやＨＣが膨張行程においてシリンダ内の余剰酸素によって全て酸化し得るように設定されており、ＣＯやＨＣが内燃機関から排出されることがない。
【０００８】
また触媒が昇温して中間活性状態となると、噴射時期は、さらに遅角した第２の噴射時期となる。これにより、ＣＯやＨＣが一層多く発生し、膨張行程における余剰酸素との酸化反応によって、排気ガス温度がさらに昇温する。そして、この第２の噴射時期では、発生したＣＯやＨＣが膨張行程においてシリンダ内の余剰酸素によって全て酸化できなかったとしても、触媒が中間活性状態にあることから、この触媒によって酸化され、大気へ放出されることはない。従って、触媒が速やかに加熱され、短時間で完全活性状態に至る。
【０００９】
また請求項１の発明をさらに限定した請求項２の発明では、中間活性状態であると判定したときに燃圧を低下制御する燃圧制御手段をさらに備えている。このように燃圧を低下させると、燃料の微粒化レベルが悪化することから、不完全燃焼によるＣＯやＨＣが一層多く発生するようになる。
【００１０】
また、請求項３の発明は、噴射時期の遅角と同時に点火時期を遅角補正する点火時期制御手段をさらに有し、上記第１の噴射時期に対応する第１の点火時期よりも上記第２の噴射時期に対応する第２の点火時期が遅角側に設定されていることを特徴としている。すなわち、第１の点火時期は、発生したＣＯやＨＣがその後の膨張行程で全て酸化し得る範囲内で、最も高い排気ガス温度が得られるように設定される。また第２の点火時期は、機関の安定度の範囲内で、最も高い排気ガス温度が得られるように設定される。
【００１１】
【発明の効果】
この発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、触媒の不活性状態では、不完全燃焼に伴い発生するＣＯやＨＣが膨張行程においてシリンダ内の余剰酸素によって全て酸化し得る範囲で排気ガスの昇温を行い、かつ触媒が中間活性状態となった段階で、噴射時期をさらに大きく遅角させて排気ガス温度をさらに昇温させるようにしたので、ＣＯやＨＣの大気中への放出を確実に防止しつつ触媒を短時間で完全活性状態まで昇温させることができる。
【００１２】
また請求項２および請求項３の発明によれば、燃圧の低下および点火時期の遅角と組み合わせることによって、機関の安定度を損なわずにさらに排気ガス温度を高めることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１４】
図２は、本発明の実施の形態の一例を示している。内燃機関１は、筒内直噴型のガソリン機関であって、燃焼室１２に向かって直接燃料を噴射する燃料噴射弁５を備えているとともに、この燃料噴射弁５によって形成された混合気に点火する点火プラグ７をシリンダ中心位置に備えている。６は、冷却水温度を検出する水温センサである。なお、上記燃料噴射弁５に供給される燃料の圧力（燃圧）は、図示せぬ可変型のプレッシャレギュレータによって可変制御可能となっている。
【００１５】
上記内燃機関１の吸気通路４には、吸入空気量を検出する例えば熱線式のエアフロメータ２が介装されているとともに、スロットル弁３ａがその下流側に配置されている。このスロットル弁３ａの開度はスロットル開度センサ３によって検出される。また、内燃機関１の排気通路９には、三元触媒を用いた触媒装置１０が介装されている。この触媒装置１０は、その温度を検出する触媒温度センサ１１を備えている。
【００１６】
上記の水温センサ６、エアフロメータ２、スロットル開度センサ３および触媒温度センサ１１、さらには図示せぬ機関回転数センサ等の各種センサ類の検出信号は、エンジンコントロールユニット８に入力される。このエンジンコントロールユニット８は、これらの検出信号に基づいて、燃料噴射弁５による燃料噴射量や噴射時期、点火プラグ７による点火時期、燃圧等を制御している。
【００１７】
次に、上記の触媒装置１０の早期活性化のための処理の流れを図３のフローチャートに基づいて説明する。なお、この図３のルーチンは、例えば１０ｍｓｅｃ毎に繰り返し実行されるものである。先ずステップ１で、触媒温度センサ１１が検出した触媒温度Ｔｃａｔを所定の中間活性温度Ｔｍと比較し、触媒が中間活性状態となっているか否かを判定する。なお、触媒温度Ｔｃａｔを触媒温度センサ１１でもって直接検出せずに、冷却水温や始動後の経過時間、運転履歴等によって推定することも可能である。中間活性温度Ｔｍは、完全な活性状態には至らないものの、ＨＣやＣＯをある程度酸化できる状態になっていると考えられる触媒温度である。冷間始動直後のように触媒温度Ｔｃａｔが中間活性温度Ｔｍ以下である場合には、触媒が不活性であるとみなし、ステップ２へ進む。ステップ２では、燃圧を通常値と同様に制御する。そして、ステップ３へ進み、燃料噴射時期を、圧縮行程中でかつ完全活性状態での通常噴射時期よりも多少遅角した第１の噴射時期に設定する。さらに、ステップ４へ進み、点火時期を、最適点火時期よりも遅角した第１の点火時期に補正する。すなわち、燃料噴射時期および点火時期を、例えば、図１の▲１▼の点とする。このように噴射時期を遅らせることにより、噴射された燃料噴霧は点火プラグ７周辺に多く集まって局所的にリッチとなり、かつ噴射から点火時期までの気化時間が短いことから、不完全燃焼を起こし、ＨＣやＣＯを発生させる。但し、ここで発生したＨＣやＣＯは、その後の膨張行程で全て酸化するため、ＨＣやＣＯが外部へ放出されることなく、排気ガス温度が昇温する。なお、第１の点火時期は、発生したＨＣやＣＯが、その後の膨張行程で全て酸化し得る量となる範囲内で、最も高い排気ガス温度が得られるように設定される。
【００１８】
従って、冷間始動後、比較的短時間で触媒温度Ｔｃａｔが中間活性温度Ｔｍに達する。触媒温度Ｔｃａｔが中間活性温度Ｔｍを越えたら、ステップ１からステップ５へ進む。ステップ５では、触媒温度Ｔｃａｔを、触媒の完全活性状態に相当する完全活性温度Ｔｈと比較する。ステップ５で、完全活性温度Ｔｈ以下であれば、触媒は中間活性状態にあるとみなし、ステップ６へ進む。このステップ６では、燃圧を通常時よりも低い所定値に設定する。これは、燃料の微粒化を悪化させ、不完全燃焼によるＨＣやＣＯをより多く発生させるためである。そして、ステップ７へ進み、燃料噴射時期を、圧縮行程中でかつ上記第１の噴射時期よりもさらに遅角した第２の噴射時期に設定する。さらに、ステップ８へ進み、点火時期を、上記第１の点火時期よりも遅角した第２の点火時期に補正する。すなわち、燃料噴射時期および点火時期を、例えば、図１の▲２▼の点とする。このように噴射時期を大きく遅らせることにより、点火プラグ７周辺での局所的なリッチの程度が高まり、かつ噴射から点火時期までの気化時間が一層短くなることから、燃圧低下と相俟って、より不完全な燃焼となり、ＨＣやＣＯをより多く発生させる。ここで発生したＨＣやＣＯの多くは、その後の膨張行程で酸化するため、排気ガス温度は大幅に昇温する。そして、膨張行程で酸化し得なかったＨＣやＣＯは、中間活性状態にある触媒装置１０において酸化され、大気中へ放出されることはない。なお、第２の点火時期は、機関の安定度（図１の（ｃ）参照）の許容範囲内で、最も高い排気ガス温度が得られるように設定される。
【００１９】
この排気ガス温度の昇温により、触媒は速やかに活性化し、触媒温度Ｔｃａｔが完全活性温度Ｔｈに達する。触媒温度Ｔｃａｔが完全活性温度Ｔｈを越えたら、ステップ５からステップ９へ進み、燃圧、噴射時期、点火時期のそれぞれが、通常制御に復帰する。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料噴射時期と排温（ａ）、ＣＯ濃度（ｂ）および燃焼安定度（ｃ）との関係を示す特性図。
【図２】この発明の実施の形態の構成を示す構成説明図。
【図３】この実施の形態の処理の流れを示すフローチャート。
【符号の説明】
１…内燃機関
５…燃料噴射弁
１０…触媒装置
１１…触媒温度センサ
【図１】
0003794179.tif 000002
【図２】
0003794179.tif 000003
【図３】
0003794179.tif 000004