JP3629984B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも膨張行程の燃料噴射と圧縮行程もしくは吸気行程の燃料噴射と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す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】
上述した筒内噴射エンジンは、例えば始動時等において、吸気行程噴射モードで比較的リッチな空燃比で運転され、その後に追加燃料が燃焼する２段燃焼モードに運転モードが切り替えられる。このため、燃焼室から触媒にかけての排気系がオーバーリッチ状態になり未燃のＨＣが排出されやすくなってしまう。従って、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、比較的リッチな空燃比で運転される燃焼モードから２段燃焼モードへの切替え時の排気ガス性能をいかに向上させるかが重要となる。
【０００６】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、触媒の早期活性化のための２段燃焼モードを実施する際に排気ガス性能を悪化させることがない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、少なくとも膨張行程の燃料噴射と圧縮行程もしくは吸気行程の燃料噴射とにより燃料を燃焼させる２段燃焼モードと、希薄混合気により燃料を燃焼させる希薄燃焼モードと、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を備え、制御手段により非リーン燃焼モードから２段燃焼モードへの切り換え時に所定期間前記希薄燃焼モードを実行させ、排気系を酸化雰囲気にすることで、２段燃焼モードを実施する前の排気系を酸化雰囲気にして燃焼を促進し、２段燃焼モードへの切り替え時のオーバーリッチ状態を防ぎ、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には２段燃焼モード切り替え時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Ｏ_２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】
クランキング等の始動時は、ＥＣＵ６１は吸気行程で燃料が噴射されるオープンループモード（もしくはストイキオフィードバックモード）を選択し、比較的リッチな空燃比（もしくは理論空燃比）となるように燃料が噴射される。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
上述した筒内噴射エンジン１では、始動時に吸気行程で燃料を噴射する燃焼モードの他に、膨張行程に燃料を追加噴射して触媒３５を活性化する２段燃焼モードを備えている。２段燃焼モードは触媒３５が活性化していないと考えられるエンジン冷態時に実施され、２段燃焼モードにおける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。２段燃焼モードは圧縮行程で燃料を噴射すると共に膨張行程に燃料を追加噴射することで、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。
【００２５】
例えば、始動後、噴射行程が圧縮行程と膨張行程となる２段燃焼モードの許可条件が成立すると、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段燃焼許可モードに燃焼モードが切り替えられ（ｔ１）、図３（ｂ） に示すように、噴射行程が圧縮行程となる希薄燃焼モードとしての圧縮リーンモードが実施される。圧縮リーンモードが所定期間（ｔ２）経過した後、図３（ｃ） に示すように、膨張パルスが立ち上がり（ｔ２）、噴射行程が圧縮行程及び膨張行程となる２段燃焼モードが実施されて触媒３５が昇温される。
【００２６】
２段燃焼許可モードに燃焼モードが切り替えられた後に圧縮リーンモードが実施される所定期間は、例えば、筒内噴射エンジン１の気筒数のｎ（１〜１０）倍行程で設定される。尚、所定期間の設定は、気筒数のｎ倍行程に限らず、タイマ等を用いて時間設定したり、運転状態に応じて設定値を変化させることが可能である。
【００２７】
このため本実施形態例では、比較的リッチな空燃比で運転される燃焼モードから２段燃焼モードへの切り換え時に２段燃焼許可モードとなると、所定期間圧縮リーンモードを実施した後２段燃焼モードを実行するようにしたので、２段燃焼モードを実施する前の排気系を酸化雰囲気にして未燃ＨＣと反応し易い条件にすることができ、燃焼を促進して２段燃焼モードへの切り替え時のオーバーリッチ状態を防ぎ、排気ガス性能の悪化を防止することができる。
【００２８】
図４に基づいて一例として噴射行程が圧縮行程と膨張行程となる２段燃焼モードの開始状況を具体的に説明する。
【００２９】
図４に示すように、始動後に、ステップＳ１でエンジン回転速度Ｎｅが所定ａを越えているか否かが判断され、エンジン回転速度Ｎｅが所定ａを越えていると判断された場合、ステップＳ２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Ｓ２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Ｓ３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、触媒３５の温度が低いと考えられるような水温センサ１６で検出される水温が所定値よりも低い時に許可される。
【００３１】
尚、２段燃焼モードの許可条件は、キーがオフ状態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、といった条件を設定することが可能である。また、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。
【００３２】
ステップＳ３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段燃焼許可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が実施され、ステップＳ６で圧縮リーンモードを実施してからの行程数が所定行程数ｂ（気筒数のｎ倍行程）を越えたか否かが判断される（図３中ｔ２に至ったか否か）。
【００３３】
ステップＳ６で圧縮リーンモードを実施してからの行程数が所定行程数ｂを越えていないと判断された場合、所定行程数ｂを越えるまで圧縮リーンモードを続行する。ステップＳ６で圧縮リーンモードを実施してからの行程数が所定行程数ｂを越えたと判断された場合、ステップＳ７で２段燃焼モードが実施され、圧縮行程噴射と膨張行程噴射が実施される。つまり、所定期間圧縮リーンモードを実施した後に２段燃焼モードが実行され、２段燃焼モードを実施する前の排気系を酸化雰囲気にして未燃ＨＣと反応し易い条件にすることができる。
【００３４】
ステップＳ１でエンジン回転速度Ｎｅが所定ａを越えていないと判断された場合、ステップＳ２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及びステップＳ３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、リターンとなり２段燃焼モードは実施されない。
【００３５】
上述した筒内噴射エンジン１は、例えば始動時等の比較的リッチな空燃比で運転される燃焼モードから２段燃焼モードへの切り換え時に２段燃焼許可モードとなると、所定期間圧縮リーンモードを実施した後２段燃焼モードを実行するようにしたので、２段燃焼モードを実施する前の排気系を酸化雰囲気にすることができ、未燃ＨＣと反応し易い条件となって燃焼を促進することができる。このため、２段燃焼モードへの切り替え時のオーバーリッチ状態を防ぎ、冷態時に排出される排気ガス性能の悪化を防止することができる。
【００３６】
尚、本実施形態例では、冷態始動時の触媒３５の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。また、上記実施形態例では、非リーン燃焼モードから２段燃焼モードへの切り換え時に所定期間希薄燃焼モードを実行させる例として、非リーン燃焼モードをオープンループモードとし、希薄燃焼モードを圧縮リーンモードとして説明したが、非リーン燃焼モードはストイキオフィードバックモードであっても良いし、希薄燃焼モードは吸気リーンモードであっても良い。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の内燃機関は、非リーン燃焼モードから２段燃焼モードへの切り換え時に所定期間希薄燃焼モードを実行させ、排気系を酸化雰囲気にするようにしたので、２段燃焼モードを実施する前の排気系が酸化雰囲気になり未燃HCと反応し易い条件となって燃焼を促進することができる。この結果、触媒の早期活性化のための２段燃焼モードへの切り替え時のオーバーリッチ状態を防ぎ、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段燃焼モード開始時のフローチャート。
【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

Claims (1)

1. 少なくとも膨張行程の燃料噴射と圧縮行程もしくは吸気行程の燃料噴射とにより燃料を燃焼させる２段燃焼モードと、
   希薄混合気により燃料を燃焼させる希薄燃焼モードと、
   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り換え時に所定期間前記希薄燃焼モードを実行させ、排気系を酸化雰囲気にする制御手段を設けたことを特徴とする内燃機関。

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