JP2012002104A - 内燃機関 - Google Patents

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Abstract

【課題】 筒内に燃料を直接噴射する直噴インジェクタを備えることなく、吸気通路への燃料噴射の状況を制御することで、排気浄化触媒を早期に活性化する。
【解決手段】 排気浄化触媒５５の温度が所定温度に満たない時（冷態始動時等の冷態時）に、吸気行程中を含む時期に燃料を噴射し、混合気の燃料リッチ部分を点火プラグ３の周囲に集めて着火を安定させ、点火時期を遅角して排気温度を上昇させ、燃料リッチ部分のＣＯと燃料リーン部分のＯ２を排気ガスに共存させ、筒内の膨張行程後半における酸化反応や、排気管内での酸化反応、及び、排気浄化触媒５５の酸化反応を促進して排気浄化触媒５５の温度を昇温させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、吸気通路への燃料噴射の状況を制御することで、筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射装置を該筒内に設けることなく排気浄化触媒を早期に活性化することができる内燃機関に関する。
内燃機関（エンジン）として、筒内に燃料を直接噴射する直噴インジェクタが筒内に備えられた筒内噴射型エンジンが実用化されている。筒内噴射型エンジンでは、直噴インジェクタから筒内に高圧の燃料を直接噴射することで、点火プラグの周りに燃料が濃い混合気を集めることができる、所謂成層希薄燃焼によって、トータルとしての空燃比がリーンな状態で燃焼させることができ、燃費の大幅な低減が実現できる。そして、燃料の気化潜熱を吸気の冷却に利用し、混合気の温度を下げてノッキングの発生を抑制することができ、更に、吸気の冷却により空気密度を高くできるので、全負荷時の吸入空気量を増大させて性能を向上させることができる。
このような筒内噴射型エンジンにおいても、排気通路に排気ガスの浄化を行う排気浄化触媒が備えられている。排気浄化触媒は、所定の活性温度以上でなければ十分な浄化特性を得ることができないため、例えば、冷態始動時直後等に排気浄化触媒を早期に活性化させることが実施されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示された技術は、主噴射とは別に膨張行程に副噴射を行い、主燃焼の火炎伝播を利用して副噴射による燃料を燃焼させて排気ガスを昇温させ、排気浄化触媒を早期に活性化させるようにしている。
しかし、筒内噴射型エンジンは、排気浄化触媒の早期の活性化を容易に実施することができるが、直噴インジェクタが筒内に装着されるため、高温・高圧の燃焼ガスに曝されてしまう。このため、直噴インジェクタは耐温性・耐圧性の確保が必要になり、高価な燃料噴射系を必要としている。また、直噴インジェクタからは高圧の燃料を噴射する必要があるため、高圧ポンプの動力損失が性能に影響を及ぼすことは避けられず、更に、燃料の炭化により内部にデポジットが生成され、運転条件によってはデポジットが堆積しやすく、デポジット対策が必要になっていた。
特開平８−２２８４４７号公報
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、筒内に燃料を直接噴射する直噴インジェクタを該筒内に備えることなく、吸気通路への燃料噴射の状況を制御することで、排気浄化触媒を早期に活性化することができる内燃機関を提供することを目的とする。
上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の内燃機関は、燃料を吸気通路内に噴射するインジェクタと、前記吸気通路と筒内とを連通する吸気開口と、吸気行程中に前記インジェクタから燃料を噴射させる吸気行程噴射手段を少なくとも含む燃料噴射手段と、排気浄化触媒の温度が所定温度以下の場合に前記吸気行程噴射手段を制御し、前記吸気行程中に前記インジェクタから燃料を噴射させ、前記吸気開口から前記筒内に燃料を導入することで前記筒内に成層混合気を形成する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記インジェクタからの燃料噴射期間の中心が、吸気バルブに閉動作方向の変位速度が生じる以前に位置するように（吸気バルブの閉じ方向の変位速度が生じる以前に）前記吸気行程噴射手段を動作させて燃料を噴射させることを特徴とする。
請求項１に係る本発明では、吸気行程中にインジェクタから燃料を吸気通路内に噴射させると共に排気行程中にインジェクタから燃料を吸気通路内に噴射させ、吸気バルブが開いているときに燃料を筒内に流入させる。吸気行程での燃料噴射は、インジェクタからの燃料噴射期間の中心が、吸気バルブに閉じ動作方向の変位速度が生じる以前に位置するようにインジェクタから燃料を噴射させるので、混合気の筒内への吸引が促進される期間に少なくとも燃料の大半を噴射することができる。
排気浄化触媒の温度が所定温度以下の場合には、吸気行程中にインジェクタから燃料を噴射させて筒内に成層混合気を形成し、燃料リッチ部分の混合気を点火プラグ周りに集め、着火及び火炎伝播を安定させることにより点火時期を遅角することが可能となり、点火時期の遅角により排気ガス温度を上昇させる。更に、成層混合気の燃料リッチ部分の燃焼で生成するＣＯと燃料リーン部分の燃焼で生成するＯ２を排気ガスに共存させ、筒内の膨張行程後半における酸化反応や、排気管内での酸化反応、排気浄化触媒の酸化反応を促進して排気浄化触媒の温度を昇温させる。
これにより、筒内に燃料を直接噴射する直噴インジェクタを備えることなく、吸気通路への燃料噴射の状況を制御することで、排気浄化触媒を早期に活性化することが可能になる。
そして、吸気行程噴射手段による燃料噴射では、吸気バルブが開いているときに燃料を噴射させることにより、壁面等への燃料の付着を抑制して燃料の気化潜熱を比熱の大きな壁面の冷却でなく、吸気の冷却に利用し、混合気の温度を下げてノッキングの発生を抑制すると共に、空気密度を高めて全負荷時の吸入空気量を増大させることができる。インジェクタによる燃料噴射は、吸気バルブが開いているときに弁座と傘部の間を通過して筒内に燃料が向かうように指向するとより効果的である。
また、インジェクタは吸気通路に設けられているので、高温・高圧の燃焼ガスに曝されることがなく、耐温性・耐圧性の確保を要しない簡素な構造とされる。また、高圧の燃料を噴射する必要がないため、高圧ポンプが不要で、ポンプの動力損失による性能への影響を小さくすることができる。
そして、請求項２に係る本発明の内燃機関は、請求項１に記載の内燃機関において、前記制御手段は、前記吸気バルブに閉動作方向の変位速度が生じる以前に前記吸気行程噴射手段を動作させて前記インジェクタからの燃料噴射を完了させることを特徴とする。
請求項２に係る本発明では、吸気バルブに閉動作方向の変位速度が生じる以前に、即ち、吸気バルブの変位速度がゼロ以上である期間に、インジェクタからの燃料噴射を完了させるので、吸気バルブの開動作時により燃料が筒内に最も引き込まれる状態で、所定量の燃料全てを筒内に噴射することができる。
また、請求項３に係る本発明の内燃機関は、請求項１もしくは請求項２に記載の内燃機関において、前記インジェクタは、前記吸気行程噴射手段の動作により噴射された燃料が、前記吸気バルブの傘部外周と前記吸気開口の開口縁部との間を通り、前記成層混合気の燃料リッチ部分を点火プラグ周りに案内するように備えられていることを特徴とする。
請求項３に係る本発明では、噴射された燃料が吸気バルブの傘部外周と吸気開口の開口縁部との間を通り、吸気バルブの傘部の剥離渦に成層混合気の燃料リッチ部分を滞留させ、燃料リッチ部分を点火プラグ周りに案内するように燃料をインジェクタから噴射するので、着火をより安定させることができる。
また、請求項４に係る本発明の内燃機関は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の内燃機関において、前記吸気バルブの開閉時期が前記制御手段により変更されるバルブ開閉時期変更手段を備え、前記制御手段は、前記バルブ開閉時期変更手段により前記吸気バルブの閉時期を吸気下死点近傍に設定することを特徴とする。
請求項４に係る本発明では、吸気バルブの閉時期を吸気下死点近傍に設定することで、ピストンが上昇する際には吸気バルブが閉じられていることになり、燃料リッチ部分の混合気が吸気通路に吹き返して、点火プラグ周りがリーン化することがない。
本発明の内燃機関は、筒内に燃料を直接噴射する直噴インジェクタを備えることなく、吸気通路への燃料噴射の状況を制御することで、排気浄化触媒を早期に活性化することが可能になる。
本本発明の一実施形態例に係る内燃機関の概略構成図である。 図１中の要部構成図である。 噴射制御の機能を表した概略ブロック図である。 燃料噴射の制御フローチャートである。 吸気バルブのリフト動作と変位速度の経時変化の図である。 燃料噴射時期を説明する吸気バルブの動作説明図である。
図１、図２に基づいて本発明の内燃機関を説明する。
図１には本発明の一実施形態例に係る内燃機関の全体の概略構成、図２には吸気ポート周りの構成を示してある。
図１に示すように、内燃機関（エンジン）であるエンジン本体（以下、エンジンと称する）１のシリンダヘッド２には気筒毎に点火プラグ３が取り付けられ、点火プラグ３には高電圧を出力する点火コイル４が接続されている。シリンダヘッド２には気筒毎に吸気ポート５（吸気通路）が形成され、各吸気ポート５の燃焼室６側には吸気バルブ７がそれぞれ設けられている。吸気バルブ７は、エンジン回転に応じて回転するカムシャフト（図示省略）のカムに倣って開閉作動され、各吸気ポート５と燃焼室６との連通・遮断を行なうようになっている。
各吸気ポート５には吸気マニホールド９の一端がそれぞれ接続され、各吸気ポート５に吸気マニホールド９が連通している。吸気マニホールド９（またはシリンダヘッド２）には電磁式の燃料噴射弁（インジェクタ）１０が取り付けられ、燃料タンクから燃料パイプ８を介してインジェクタ１０に燃料が供給される。
また、シリンダヘッド２には気筒毎に排気ポート１１が形成され、各排気ポート１１の燃焼室６側には排気バルブ１２がそれぞれ設けられている。排気バルブ１２は、エンジン回転に応じて回転するカムシャフト（図示省略）のカムに倣って開閉作動され、各排気ポート１１と燃焼室６との連通・遮断を行うようになっている。そして、各排気ポート１１には排気マニホールド１３の一端がそれぞれ接続され、各排気ポート１１に排気マニホールド１３が連通している。
尚、このようなエンジンは公知のものであるため、構成の詳細については省略してある。
インジェクタ１０の上流側における吸気マニホールド９には吸気管１４が接続され、吸気管１４には電磁式のスロットルバルブ１５が取り付けられ、スロットルバルブ１５の弁開度を検出するスロットルポジションセンサ１６が設けられている。アクセルペダル６１の踏み込み量がアクセルポジションセンサ６２で検出され、アクセルポジションセンサ６２の検出情報に基づいてスロットルバルブ１５が動作される。
スロットルバルブ１５の上流側には吸入空気量を計測するエアフローセンサ１７が設けられている。エアフローセンサ１７としては、カルマン渦流式やホットフィルム式のエアフローセンサが使用される。また、吸気マニホールド９とスロットルバルブ１５との間における吸気管１４にはサージタンク１８が設けられている。
排気マニホールド１３の他端には排気管２０が接続され、排気マニホールド１３には排気ガス循環ポート（ＥＧＲポート）２１が分岐している。ＥＧＲポート２１にはＥＧＲ管２２の一端が接続され、ＥＧＲ管２２の他端はサージタンク１８の上流部の吸気管１４に接続されている。サージタンク１８に近接するＥＧＲ管２２にはＥＧＲバルブ２３が設けられ、ＥＧＲバルブ２３が開かれることにより排気ガスの一部がＥＧＲ管２２を介してサージタンク１８の上流部の吸気管１４に導入される。
つまり、ＥＧＲ管２２及びＥＧＲバルブ２３により排気ガス還流手段（ＥＧＲ装置）が構成されている。ＥＧＲ装置は、排気ガスの一部をエンジン１の吸気系（サージタンク１８）に還流させ、エンジン１の燃焼室６内の燃焼温度を低下させ、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を低減させるための装置であり、ＥＧＲバルブ２３が開閉動作されることにより開度に応じて所定のＥＧＲ率で排気ガスの一部がＥＧＲガスとして吸気系に還流される。
また、ＥＧＲ装置により排気ガスをエンジン１の吸気系に還流させることにより、スロットルバルブ１５で規制される空気量を減らすことができ、即ち、スロットルバルブ１５を開いても大量の空気が流入することがなく、スロットルバルブ１５の絞り損失を減少させることができる。また、低速、低回転領域であっても、燃焼室に流入する吸気に乱れを生じさせることができる。
一方、吸気マニホールド９にはタンブルフラップ２５が設けられ、タンブルフラップ２５は負圧アクチュエータ等のアクチュエータ２６によって開閉される。タンブルフラップ２５はバタフライバルブやシャッターバルブ等の開閉式のバルブで構成され、タンブルフラップ２５は、図１に示したように、吸気通路の下半分を開閉するようになっている。即ち、タンブルフラップ２５を閉じることにより、吸気通路の断面の上側に開口部を形成し、吸気通路の断面積を狭くすることで燃焼室６の内部に縦タンブル流を発生させるようになっている。
また、サージタンク１８の上流部の吸気管１４には過給機５１が備えられ、過給機５１はエンジン１の排気ガスが、排気マニホールド１３に設けられた排気タービン５１ａを回転させ、排気タービン５１ａに直結した吸気コンプレッサ５１ｂの作動により、吸気が加圧されて体積密度が高められ、加圧されて体積密度が高められた吸気が燃焼室６に送られる（過給される）。
排気マニホールド１３に接続された排気管２０には、排気浄化触媒（例えば、三元触媒）５５が介装され、排気浄化触媒５５により排気ガスが浄化される。排気浄化触媒５５には触媒温度センサ５６が設けられ、触媒温度センサ５６で検出された温度情報により排気浄化触媒５５の活性状態（例えば、冷態状態か否か）が判断される。
尚、排気浄化触媒５５の温度を検出する場合、触媒温度センサ５６を用いる代わりに、エンジン１の運転状態等からＥＣＵ（電子コントロールユニット）３１で推定（演算）することも可能である。
例えば、排気浄化触媒５５では、排気空燃比が理論空燃比（ストイキ）近傍の時に排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等が浄化される。また、排気空燃比が酸化雰囲気（リーン空燃比）になった際に、ＨＣやＣＯが酸化・浄化されると共に、排気空燃比が還元雰囲気（リッチ空燃比）となるまで酸素（Ｏ２）がストレージされ、リッチ空燃比となった際に、ＮＯｘが還元・浄化されると共に、ストレージされたＯ２が放出され、ＨＣやＣＯが酸化・浄化される。
エンジン１には、吸気バルブ７及び排気バルブ１２のリフト量及びリフト時期（バルブ動作状態）を任意に変更する可変動弁機構６３が設けられ、可変動弁機構６３によりカムの位相が変更される等して、吸気バルブ７及び排気バルブ１２の動作状態が任意に設定される。また、燃料パイプ８にはインジェクタ１０に供給される燃料の圧力を検出する燃料圧力センサ６４が備えられている。更に、エンジン１には、クランク角を検出してエンジン回転速度（Ｎｅ）を求めるクランク角センサ３２、冷却水温を検出する水温センサ３３が備えられている。
ＥＣＵ（電子コントロールユニット）３１は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えている。このＥＣＵ３１により、エンジン１の総合的な制御が行われる。
ＥＣＵ３１の入力側には、上述したスロットルポジションセンサ１６、エアフローセンサ１７、クランク角センサ３２、水温センサ３３、触媒温度センサ５６、アクセルポジションセンサ６２、燃料圧力センサ６４等の各種センサ類が接続され、これらセンサ類からの検出情報が入力される。また、ＥＣＵ３１には、可変動弁機構６３の情報が入力され、吸気バルブ７及び排気バルブ１２のリフト量及びリフト時期の情報が送られる。
一方、ＥＣＵ３１の出力側には、上述の点火コイル４、スロットルバルブ１５、インジェクタ１０の駆動装置、ＥＧＲバルブ２３、タンブルフラップ２５のアクチュエータ２６、可変動弁機構６３等の各種出力デバイスが接続されている。これら各種出力デバイスには、各種センサ類からの検出情報に基づきＥＣＵ３１で演算された燃料噴射量、燃料噴射期間、燃料噴射時期、点火時期、ＥＧＲバルブ２３の操作時期・操作量、タンブルフラップ２５の操作時期、吸気バルブ７及び排気バルブ１２の動作状態（バルブ動作状態）等がそれぞれ出力される。
各種センサ類からの検出情報に基づき空燃比が適正な目標空燃比に設定され、目標空燃比に応じた量の燃料が適正なタイミングでインジェクタ１０から噴射され、また、スロットルバルブ１５が適正な開度に調整され、点火プラグ３により適正なタイミングで火花点火が実施される。
本実施例のエンジン１は、吸気行程中にインジェクタ１０から燃料を噴射すると共に排気行程中にインジェクタ１０から燃料を噴射するようにされる。尚、噴射した燃料が吸気バルブ７の近傍に到達した際に吸気バルブ７が開弁していれば吸気行程噴射と定義し、吸気バルブ７が開弁前である場合を排気行程噴射と定義する。実際にはインジェクタ駆動指令から燃料が吸気バルブ７の近傍に到達するまでインジェクタ針弁の開弁遅れやインジェクタ１０から吸気バルブ７までの輸送遅れなど時間遅れが存在するので、吸気行程噴射のインジェクタ駆動指令が排気行程中に行われる場合もある。
吸気行程中に（吸気バルブ７が開いている間に）燃料を噴射することにより、吸気ポート５や吸気バルブ７の傘部等への燃料の付着を抑制して燃料の気化潜熱を吸気の冷却に利用できる。
このため、混合気の温度を下げてノッキングの発生を抑制すると共に、空気密度を高めて全負荷時の吸入空気量を増大させ、ポート噴射であっても、吸気冷却の効果を最大限に引き出すことができる。
図２に示すように、インジェクタ１０による燃料噴射は、吸気バルブ７が開いているときに吸気ポート５の弁座と吸気バルブ７の傘部の間を通過して燃焼室６内に燃料が向かうようにされる。この場合、弁軸を挟んで図中上側に燃料を偏在させることにより、燃料噴射の誘起する流動によって燃焼室６内でのタンブル流を強化することができる。また、弁軸を挟んで左右方向のいずれかに燃料を偏在させることにより、燃焼室６内でのスワール流を強化することができる。
排気行程中にインジェクタ１０から燃料を噴射することにより、吸気ポート５の内部で燃料と空気が十分に均質混合された混合気が得られる。インジェクタ１０は吸気ポート５に設けられているので、高温・高圧の燃焼ガスに曝されることがなく、耐温性・耐圧性の確保を要しない簡素な取り付け構造とされる。また、高圧の燃料を噴射する必要がないため、ポンプの動力損失による性能への影響を小さくすることができる。
このため、筒内に燃料を直接噴射する直噴インジェクタを筒内に備えることなく、吸気通路への燃料噴射の状況を制御することで、即ち、吸気行程での燃料噴射と排気行程での燃料噴射の割合を運転状態に応じて設定することで、筒内に燃料を直接噴射した場合の性能を維持し、高い性能を得ることが可能になる。
一方、本実施例のエンジン１は、排気浄化触媒５５の温度が所定温度に満たない時（冷態始動時等の冷態時）に、排気浄化触媒５５を早期に活性温度以上にするための燃料噴射（触媒暖機燃焼）が実施される。即ち、吸気行程中を含む時期に燃料を噴射して触媒暖機燃焼が実施される。
吸気行程中にインジェクタ１０により燃料噴射を行うことにより、図２に示すように、吸気ポート５の弁座と吸気バルブ７の傘部の間の燃焼室６内に燃料が向かうように噴射される。これにより、燃焼室６内に成層混合気が形成され、混合気の燃料リッチ部分を点火プラグ３の周囲に集めることができる。このため、着火及び火炎伝播を安定させることにより点火時期の遅角が可能となり、点火時期の遅角により排気ガス温度を上昇させることができる。更に、成層混合気の燃料リッチ部分のＣＯと燃料リーン部分のＯ２を排気ガスに共存させ、筒内の膨張行程後半における酸化反応や、排気管内での酸化反応、排気浄化触媒５５の酸化反応を促進して排気浄化触媒５５の温度を昇温させることができる。
弁軸を挟んで図２中上側に燃料が偏在しているので、吸気流動や燃料噴射が誘起する流動によって吸気バルブ７の傘部に形成される剥離渦Ｓ内に燃料が滞留し、混合気の燃料リッチ部分が点火プラグ３の周囲に案内され、着火の安定をより確実にすることができる。また、前述した通り、燃料噴射の誘起する流動によって筒内にタンブル流やスワール流を強化することができるので、筒内の乱流強化によって火炎伝播を促進し、燃焼を安定させることができる。
例えば、吸気２バルブのエンジンで２つの吸気バルブに応じた吸気ポートにそれぞれインジェクタが備えられているエンジン（ツインインジェクタ）の場合、一方のインジェクタからのみ燃料を噴射することで、燃料噴射が誘起する流動によって筒内に旋回流（スワール流）を形成し、筒内の乱流強化によって火炎伝播を促進し、燃焼を安定化させることができる。
更に、本実施例のエンジン１は、吸気行程中を含む時期に燃料を噴射して触媒暖機燃焼を実施する際、必要に応じて、可変動弁機構６３により吸気バルブ７の閉じられる時期が、ピストンの吸気下死点近傍の時期とされる。これにより、ピストンが上昇した後には吸気バルブ７が閉じられていることになり、燃料リッチ部分の混合気が吸気ポートに吹き返して、点火プラグ周りがリーン化することがない。
吸気行程中の燃料噴射と排気行程中の燃料噴射の割合は、エンジン１の運転状況に応じてＥＣＵ３１の噴射制御手段により設定される。そして、冷態始動時等、冷態時であっても排気浄化触媒５５による十分な浄化特性が早期に得られるように、排気浄化触媒５５の温度が所定温度に満たない場合には、排気浄化触媒５５を早期に活性温度以上にするための燃料噴射（触媒暖機燃焼）が実施される。触媒暖機燃焼を実施する際の燃料噴射は、排気浄化触媒５５の温度状況に応じてＥＣＵ３１の噴射制御手段（制御手段）により設定される。
図３から図６に基づいて具体的な制御の状況を説明する。
図３には噴射制御の機能を表した概略ブロック、図４には噴射制御手段による燃料噴射の状況を説明するフロー、図５には吸気バルブのリフト動作と変位速度の経時変化状態、図６には触媒暖機燃焼の際の吸気バルブのリフト動作と変位速度の経時変化状態を示してある。
図３に示すように、ＥＣＵ３１には、クランク角センサ３２の検出情報によるエンジン回転速度（Ｎｅ）、エアフローセンサ１７の検出情報、触媒温度センサ５６の情報による触媒温度（ＴＣＡＴ）、アクセルポジションセンサ６２の検出情報、燃料圧力センサ６４の検出情報による実燃料圧力（Ｐｒｅａｌ）、可変動弁機構６３の情報による位相リフト情報（バルブ位相、バルブリフト）が入力される。
ＥＣＵ３１には、エンジン１のエンジン回転速度（Ｎｅ）及び負荷（吸気量等）に応じて燃料圧力（目標燃料圧力：Ｐｏｂｊ）を設定する燃料圧力設定手段７１が備えられ、燃料圧力設定手段７１で設定された目標燃料圧力（Ｐｏｂｊ）は噴射制御手段７２に送られる。噴射制御手段７２では、目標燃料圧力（Ｐｏｂｊ）と、エンジン１のエンジン回転速度（Ｎｅ）及び負荷（吸気量等）に応じて、吸気行程噴射での燃料噴射と排気行程噴射での燃料噴射の割合が設定される。
また、ＥＣＵ３１には、各種の入力情報により暖機燃焼が必用なことを判断する暖機燃焼手段７５が備えられ、暖機燃焼手段７５からの暖機燃焼の情報は噴射制御手段７２（制御手段）に送られる。噴射制御手段７２では、触媒温度（ＴＣＡＴ）と、エンジン１のエンジン回転速度（Ｎｅ）及び吸気量等に応じて、吸気行程噴射での燃料噴射の状況（噴射時期、燃料圧力等）が制御される。
そして、ＥＣＵ３１には、吸気行程中にインジェクタ１０から燃料を噴射させる吸気行程噴射手段７３（燃料噴射手段）と、排気行程中に前記インジェクタから燃料を噴射させる排気行程噴射手段７４（燃料噴射手段）が備えられている。吸気行程噴射手段７３及び排気行程噴射手段７４からインジェクタ１０に駆動指令が送られ、所定の行程時期に所定量の燃料が噴射される。
吸気行程噴射手段７３及び排気行程噴射手段７４には、噴射制御手段７２で設定された吸気行程噴射での燃料噴射と排気行程噴射での燃料噴射の割合の情報が送られ、割合の情報に応じて吸気行程噴射手段７３及び排気行程噴射手段７４からインジェクタ１０に駆動指令が送られる。また、触媒暖機燃焼時には、吸気行程噴射での燃料噴射の状況（噴射時期、燃料圧力等）の情報が送られ、送られた情報に応じて吸気行程噴射手段７３及び排気行程噴射手段７４からインジェクタ１０に駆動指令が送られる。
吸気行程での燃料噴射の噴射終了時期は、吸気ポート５への吹き返しや吸気バルブ７の傘部の付着量の変化による空燃比の変動を抑制するため、噴射終了時期を固定している。図５に示すように、吸気バルブ７のリフトが開始されてからリフトが最大になるまでの期間は、吸気バルブ７の開き動作方向の変位速度が発生している期間とされ、燃料が吸気バルブ７に付着し難く、筒内に直入しやすい。
一方、リフトが最大になった以降は吸気バルブ７に閉じ動作方向の変位速度が生じる期間とされ、燃料が吸気バルブ７に付着しやすく筒内に直入し難くなる。また、ピストンが吸気下死点（吸気ＢＤＣ）以降で吸気バルブ７のリフトがゼロでない期間に燃料噴射を行うと、ピストンの上昇により筒内から吸気ポート５への吹き返しが起こり、燃料が筒内に直入しなくなるため望ましくない。
このため、燃料噴射期間の中心位置が、吸気バルブ７の閉じ動作以前に位置するように燃料を噴射し、筒内への燃料の吸引を促進している。この場合、吸気バルブ７の最大リフト時期までに（吸気バルブ７に閉動作方向の変位速度が生じる以前に）燃料噴射を終了させることも可能である。排気行程での燃料噴射の噴射終了時期は、吸気バルブ７の傘部の付着量の変化が小さく、筒内の空燃比に影響を及ぼさないため、噴射終了時期を可変としている。
図４、図６に基づいて具体的な処理の状況を説明する。
図４に示すように、処理がスタートすると、ステップＳ１でエンジン回転速度（Ｎｅ）とアクセル開度（θａｐｓ）から目標トルク（Ｔｏｂｊ）を算出する。ステップＳ２１でエンジン１が暖機されているかや、排気浄化触媒５５を活性化させるための暖機燃焼を必用としているか否かが判断される。暖機燃焼が必用とされる場合の判断は、触媒温度センサ５６の検出情報や、エンジン１の始動からの経過時間、水温センサ３３の検出情報等により判断される。
ステップＳ２１で暖機燃焼が必用ではないと判断された場合、即ち、エンジン１が暖気されており、且つ、排気浄化触媒５５も活性状態にあると判断された場合、運転状態に応じて設定された割合に基づいて吸気行程噴射での燃料噴射と排気行程噴射での燃料噴射が実行され、リターンとなる。
ステップＳ２１で暖機燃焼が必用であると判断された場合、ステップＳ２３で排気浄化触媒５５の温度（触媒温度：ＴＣＡＴ）が所定温度に満たないか否かが判断される。ステップＳ２３で触媒温度（ＴＣＡＴ）が所定温度に満たないと判断された場合、ステップＳ２４でエンジン回転速度（Ｎｅ）と目標トルク（Ｔｏｂｊ）を基に、目標スロットル開度（θｔｐｓ）、目標燃圧（Ｐｏｂｊ）、目標燃料噴射量（Ｑｏｂｊ）、目標点火時期（θｓａ）がＥＣＵマップから読込まれて設定される。
ステップＳ２５でエンジン回転速度（Ｎｅ）、バルブ位相、バルブリフトから吸気バルブ７の開弁時期（θＩＯ）及び閉弁時期（θＩＣ）を算出し、ピストンの吸気上死点（ＴＤＣ）をθＩＴＤＣと設定し、吸気下死点（ＢＤＣ）をθＩＢＤＣと設定する。ステップＳ２６で吸気バルブ７の変位速度がゼロ以上から負に変わる時期、即ち、閉じ動作方向の変位速度が生じる時期（θＡＣＣ０）を算出する。
触媒温度（ＴＣＡＴ）が所定温度よりも低く冷態時であるとされた場合、排気行程で単独で燃料噴射を行わず、吸気行程での燃料噴射を含む制御を実施する。吸気行程で燃料噴射を実施することで、成層混合気を燃焼室に供給して暖機燃焼を行い、排気浄化触媒５５を早期に活性化させる。
ステップＳ２６で吸気バルブ７の変位速度がゼロ以上から負に変わる時期（θＡＣＣ０）が算出された後、ステップＳ２７に移行して触媒暖機燃焼における燃料噴射時期が設定される。ステップＳ２７では、吸気行程で燃料噴射を実施する際の噴射開始時期（θＳＯＩ）と噴射終了時期（θＥＯＩ）の設定を示してある。
この場合、図６に示すように、ピストンの圧縮上死点が０°とされ、吸気下死点（θＩＢＤＣ）が−１８０°、吸気上死点（θＩＴＤＣ）が−３６０°、排気下死点が−５４０°とされている時の角度の大小により時期が設定される。
ステップＳ２７で噴射開始時期（θＳＯＩ）と噴射終了時期（θＥＯＩ）が設定され、リターンとなって触媒暖機燃焼の処理が終了する。このとき、噴射期間を短くして、より成層度を高めるために、燃圧を高めに設定しても良い。
噴射開始時期（θＳＯＩ）は、吸気バルブ７の開弁時期（θＩＯ）と吸気上死点（θＩＴＤＣ）の大きい方（遅い方）から、噴射した燃料が吸気バルブ７に到達するまでの遅れ時間（θｄｌｙ：インジェクタ針弁の開弁遅れも含む）を減じた（早めた）時期よりも遅い時期に設定される。つまり、吸気バルブ７が開いている状態で燃料が噴射されて燃料が筒内に噴射されるように噴射開始時期（θＳＯＩ）が設定される。
即ち、噴射開始時期（θＳＯＩ）＞Ｍａｘ（θＩＯ、θＩＴＤＣ）−θｄｌｙ
とされる。
噴射終了時期（θＥＯＩ）は、吸気バルブ７の変位速度がゼロ以上から負に変わる時期（θＡＣＣ０）と吸気下死点（θＩＢＤＣ）の小さい方（早い方）から噴射した燃料が吸気バルブ７に到達するまでの遅れ時間（θｄｌｙ）を減じた（早めた）時期よりも早い時期に設定される。
即ち、噴射終了時期（θＥＯＩ）＜Ｍｉｎ（θＡＣＣ０、θＩＢＤＣ）−θｄｌｙ
とされる。
一方、ステップＳ２３で触媒温度（ＴＣＡＴ）が所定温度以上であると判断された場合、ステップＳ２８でエンジン回転速度（Ｎｅ）と目標トルク（Ｔｏｂｊ）を基に、目標スロットル開度（θｔｐｓ）、目標燃圧（Ｐｏｂｊ）、目標燃料噴射量（Ｑｏｂｊ）、目標点火時期（θｓａ）がＥＣＵマップから読込み設定される。
ステップＳ２９でエンジン回転速度（Ｎｅ）、バルブ位相、バルブリフトから吸気バルブ７の開弁時期（θＩＯ）及び閉弁時期（θＩＣ）を算出し、ピストンの吸気上死点（ＴＤＣ）をθＩＴＤＣと設定し、吸気下死点（ＢＤＣ）をθＩＢＤＣと設定する。ステップＳ３０で噴射開始時期（θＳＯＩ）が設定され、リターンとなって触媒暖機燃焼の処理が終了する。
噴射開始時期（θＳＯＩ）は、吸気バルブ７の開弁時期（θＩＯ）と吸気上死点（θＩＴＤＣ）の大きい方（遅い方）から、噴射した燃料が吸気バルブ７に到達するまでの遅れ時間（θｄｌｙ：インジェクタ針弁の開弁遅れも含む）を減じた（早めた）時期よりも早い時期に設定される。
つまり、吸気バルブ７が閉じている状態で燃料が噴射されて燃料が十分に均質混合された混合気が筒内に供給されるように噴射開始時期（θＳＯＩ）が設定される。
即ち、噴射開始時期（θＳＯＩ）＜Ｍａｘ（θＩＯ、θＩＴＤＣ）−θｄｌｙ
とされる。
触媒暖機燃焼の処理が終了した後、エンジンの暖機が終了するまでは、燃料の気化時間を十分にとって、ＨＣの排出を抑制するために、排気行程噴射とすることが望ましい。このときＨＣの排出抑制を優先し、噴霧の微粒化を促進によるＨＣの排出抑制を実現するために、燃圧を高めに設定しても良い。また、燃費の改善を優先し、燃料ポンプの駆動損失低減による燃費改善を実現するために、燃圧を低めに設定しても良い。
ステップＳ２３で触媒温度（ＴＣＡＴ）が所定温度に満たないと判断された場合である触媒暖機中は、ステップＳ２３で触媒温度（ＴＣＡＴ）が所定温度以上であると判断された場合である触媒暖機後に比べて、排気ガス温度を高くする目的で点火時期を大きく遅角する設定によりトルクが出ないため、スロットルバルブを大きく開く必用がありこれに伴い燃料噴射量が増えることになる。
上述したエンジン１では、排気浄化触媒５５の温度が所定温度に満たない時（冷態始動時等の冷態時）に、吸気行程中を含む時期に燃料を噴射して触媒暖機燃焼を実施することができ、排気浄化触媒５５を早期に活性温度以上にすることができる。即ち、混合気の燃料リッチ部分を点火プラグ３の周囲に集め、着火及び火炎伝播を安定させることで点火時期の遅角が可能となり、点火時期の遅角により排気温度を上昇させることができる。また、成層混合気の燃料リッチ部分のＣＯと燃料リーン部分のＯ２を排気ガスに共存させ、筒内の膨張行程後半における酸化反応や、排気管内での酸化反応、排気浄化触媒５５の酸化反応を促進して排気浄化触媒５５の温度を昇温させることができる。
触媒暖機燃焼では、吸気行程の燃料噴射量の期間は、燃料噴射期間の中心位置が吸気バルブ７の閉動作以前に位置するように噴射される期間とされ、吸気バルブ７の開き動作方向の変位速度が発生している期間とされている。このため、混合気の筒内への吸引が促進される期間に燃料を噴射することができる。また、吸気バルブ７の閉じられる時期が、ピストンの吸気下死点近傍の時期とされる。これにより、ピストンが上昇した後には吸気バルブ７が閉じられていることになり、燃料リッチ部分の混合気が吸気ポートに吹き返して点火プラグ周りがリーン化することがない。
従って、上述したエンジン１は、筒内に燃料を直接噴射する直噴インジェクタを筒内に備えることなく、吸気通路への燃料噴射の状況を制御することで、排気浄化触媒５５を早期に活性化することが可能になる。
本発明は、排気浄化触媒を早期に活性化することができる内燃機関の産業分野で利用することができる。
１ エンジン
２ シリンダヘッド
３ 点火プラグ
４ 点火コイル
５ 吸気ポート
６ 燃焼室
７ 吸気バルブ
８ 燃料パイプ
９ 吸気マニホールド
１０ 燃料噴射弁（インジェクタ）
１１ 排気ポート
１２ 排気バルブ
１３ 排気マニホールド
１４ 吸気管
１５ スロットルバルブ
１６ スロットルポジションセンサ
１７ エアフローセンサ
１８ サージタンク
２０ 排気管
２１ 排気ガス循環ポート（ＥＧＲポート）
２２ ＥＧＲ管
２５ タンブルフラップ
２６ アクチュエータ
３１ ＥＣＵ
３２ クランク角センサ
３３ 水温センサ
５１ 過給機
５５ 排気浄化触媒
５６ 触媒温度センサ
６１ アクセルペダル
６２ アクセルポジションセンサ
６３ 可変動弁機構
６４ 燃料圧力センサ
７１ 燃料圧力設定手段
７２ 噴射制御手段
７３ 吸気行程噴射手段
７４ 排気行程噴射手段
７５ 暖機燃焼手段

Claims (4)

  1. 燃料を吸気通路内に噴射するインジェクタと、
    前記吸気通路と筒内とを連通する吸気開口と、
    吸気行程中に前記インジェクタから燃料を噴射させる吸気行程噴射手段を少なくとも含む燃料噴射手段と、
    排気浄化触媒の温度が所定温度以下の場合に前記吸気行程噴射手段を制御し、前記吸気行程中に前記インジェクタから燃料を噴射させ、前記吸気開口から前記筒内に燃料を導入することで前記筒内に成層混合気を形成する制御手段とを備え、
    前記制御手段は、
    前記インジェクタからの燃料噴射期間の中心が、吸気バルブに閉動作方向の変位速度が生じる以前に位置するように前記吸気行程噴射手段を動作させて燃料を噴射させる
    ことを特徴とする内燃機関。
  2. 請求項１に記載の内燃機関において、
    前記制御手段は、
    前記吸気バルブに閉動作方向の変位速度が生じる以前に前記吸気行程噴射手段を動作させて前記インジェクタからの燃料噴射を完了させる
    ことを特徴とする内燃機関。
  3. 請求項１もしくは請求項２に記載の内燃機関において、
    前記インジェクタは、
    前記吸気行程噴射手段の動作により噴射された燃料が、前記吸気バルブの傘部外周と前記吸気開口の開口縁部との間を通り、前記成層混合気の燃料リッチ部分を点火プラグ周りに案内するように備えられている
    ことを特徴とする内燃機関。
  4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の内燃機関において、
    前記吸気バルブの開閉時期が前記制御手段により変更されるバルブ開閉時期変更手段を備え、
    前記制御手段は、
    前記バルブ開閉時期変更手段により前記吸気バルブの閉時期を吸気下死点近傍に設定する
    ことを特徴とする内燃機関。
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