JP4424147B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、直噴火花点火式内燃機関の排気浄化装置に関し、特に排気通路に備えられる排気浄化触媒の早期活性化のための昇温技術に関する。

火花点火燃焼に際し、燃料噴射弁から筒内に燃料を直接噴射し、筒内に成層化した混合気を形成することで、大幅な希薄燃焼を行う内燃機関は、特に低・中負荷において、大幅に燃料消費が低減できることが知られている。
また、上記のような直噴火花点火式内燃機関に関し、冷機始動から暖機過程において、排気浄化触媒の活性化促進を図るべく、いくつかの技術が提案されている。

例えば、特許文献１に開示される技術は、排気昇温が要求されるときに、点火プラグ周りの局所的な空燃比をオーバーリッチとすることで、不完全燃焼物であるＣＯを生成させ、燃焼に寄与しなかった筒内の残存酸素と生成したＣＯを主燃焼以降に反応させて、排気温度を上昇させるものであり、排気浄化触媒の活性化が促進される。
特開平１０−１６９４８８号公報

しかしながら、特許文献１に開示される直噴火花点火式内燃機関では、燃料噴射弁は燃焼室の端（サイド）に設置され、燃料は燃焼室内に斜めに噴射され、ピストンキャビティによって点火プラグ周りへ燃料を運ぶ構造となっている。この場合、燃料は周囲の空気と混じって混合気となっていくため、点火プラグ周りの空燃比をオーバーリッチにするためには、噴射時期を遅角して、空気との混合時間を少なくする必要がある。この場合、燃料噴霧が十分に気化しないうちに点火するため、不完全燃焼物であるＣＯより未燃ＨＣを多く生成すると考えられ、また、スモークの発生が増大すると考えられる。

言い換えれば、サイド噴射では、燃料は徐々に拡散し、時間が経過するほど混合気はリーン化してしまうため、通常運転時には混合気が略ストイキとなるように燃料噴射時期から点火時期までの間隔（噴射−点火間隔）を設定するのに対し、オーバーリッチにするためには、通常運転時より噴射−点火間隔を短くすることが必須であり、これがゆえオーバーリッチ時に燃料の気化が不十分になりやすい。

さらに、部分的なリッチ失火が想定され、燃焼安定性の悪化が起こり、排気温度上昇の重要な因子である点火時期の設定範囲が狭くなってしまうと考えられる。
本発明は、このような問題点に鑑み、直噴火花点火式内燃機関において、始動開始から排気浄化触媒が活性化するまでの間における環境大気中へのＨＣの排出を最大限に抑制しつつ、排気浄化触媒の早期活性化を促進できるようにすることを目的とする。

このため、本発明では、燃焼室上部の略中央部に燃料噴射弁を有し、ピストン冠面の略中央部に径の異なる内外２重のキャビティを有し、キャビティ上空に点火プラグを有し、圧縮行程にて燃料噴射を行って成層燃焼を実施する運転領域の中で、比較的低負荷の運転領域では、内側キャビティ内及びその上空容積に可燃混合気を形成し、前記成層燃焼を実施する運転領域の中で、比較的高負荷の運転領域では、外側キャビティ内及びその上空容積に可燃混合気を形成する内燃機関を前提とした場合、排気浄化触媒の昇温要求時に、前記比較的低負荷の運転領域であっても、前記外側キャビティ内及びその上空容積にストイキよりリッチ且つ着火可能な混合気を形成して成層燃焼を行う構成とする。

本発明によれば、排気浄化触媒の昇温要求時に、比較的低負荷の運転領域であっても、外側キャビティ内及びその上空容積に可燃混合気を形成して成層燃焼を行うことにより、噴射−点火間隔を長くとることが可能となり、燃料の気化時間を確保して、未燃ＨＣを低減できる。従って、ＨＣ排出の悪化なく、排気温度を上昇させることが可能となる。尚、均質燃焼にすることでも排気温度の上昇効果は望めるが、その場合、壁流分ＨＣが増加するためＨＣ排出の増加を伴ってしまう。

また、外側キャビティ内及びその上空容積にストイキよりリッチ且つ着火可能な混合気を形成するため、点火時期に点火プラグ周りの混合気がストイキよりリッチな空燃比となり、主燃焼の際に不完全燃焼物であるＣＯ、Ｈ₂ が生成され、これが、主燃焼後に残存する酸素と、膨張行程、排気行程、触媒上流の排気通路内で反応（再燃焼）し、排気温度を上昇させ、また未燃ＨＣの後燃え促進によりＨＣ排出を抑制することが可能である。

また、外側キャビティ内及びその上空容積にストイキよりリッチ且つ着火可能な混合気を形成するため、圧縮上死点後、膨張行程時においても着火性の良好なリッチ空燃比が点火プラグの周りに存在する確立がより高くなり、燃焼安定性が高まるため、圧縮上死点後に設定可能な点火時期の範囲が広くなり、排温上昇のための重要な因子である点火時期がより圧縮上死点後から遅角側に設定可能となり、排温上昇とＨＣ低減の効果をより促進することが可能である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
先ず本発明の第１実施形態について説明する。
図１は本発明の第１実施形態の構成図である。
この内燃機関（エンジン）１は、吸気ポート２から吸気バルブ３の開時に燃焼室４内に新気を吸入する。燃焼室４下部には往復運動を行うピストン５が設けられている。一方、燃焼室４上部には燃料噴射弁６及び点火プラグ７が設けられ、燃料噴射及び混合気への点火を行う。ここで、燃料噴射弁６は燃焼室４上部の中央部に下向きに配置し、点火プラグ７は燃料噴射弁６に近接させて斜め下向きに突出させ、後述するキャビティ５ａ、５ｂの上空に位置させる。また、燃料噴射弁６としては圧縮行程後半における筒内圧上昇時にも噴霧形状の変化が小さく、指向性の強いホールノズル噴射弁を用いる。

ピストン５冠面の中央部には、内外２重に、内側キャビティ５ａと外側キャビティ５ｂとが形成されている。言い換えれば、大径の外側キャビティ５ｂの底面中央部に小径の内側キャビティ５ａが形成されている。これにより、圧縮行程における燃料噴射により、噴射された燃料噴霧の持つ運動量で内側キャビティ５ａ又は外側キャビティ５ｂ内にて循環流がキャビティ形状に沿って形成される。

燃焼終了後の排気は、排気バルブ８の開時に排気通路９へ排出される。排気通路９には排気空燃比センサ１０が設けられ、その下流には排気浄化触媒１１が設けられている。さらに、排気浄化触媒１１には、触媒温度センサ１８が設けられている。
前記吸気バルブ３及び排気バルブ８は、それぞれ吸気カム１２及び排気カム１３により駆動される。吸気カム１２の軸端にはこれにより駆動される高圧燃料ポンプ１４が設けられており、ここで加圧された燃料は燃料配管１５を介して燃料噴射弁６に導かれる。また、燃料配管１５には燃圧センサ１６が設けられている。

この内燃機関１はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１７により統合的に制御される。このため、ＥＣＵ１７には、図示しない吸入空気量検出用エアフローメータの信号、アクセル開度信号、クランク角センサ信号、冷却水温センサ信号、並びに、排気空燃比センサ１０、燃圧センサ１６、触媒温度センサ１８の信号が入力され、これらの信号をもとに、燃料噴射弁６、点火プラグ７、燃料ポンプ１４等の制御を行う。

この内燃機関１での燃焼形態（燃焼モード）には、大別して、圧縮行程中に燃料噴射を行うことで点火プラグ７回りに成層混合気を形成し、これを点火燃焼させることでリーン運転を実現し燃費を向上させる成層燃焼モードと、吸気行程中に燃料噴射を行うことで燃焼室４全体に均質混合気を形成し、これを点火燃焼させることでストイキ運転を実現する均質燃焼モードとがあり、運転状態に応じて選択される。概ね、低回転・低負荷側で成層燃焼モードが選択され、高回転・高負荷側で均質燃焼モードが選択される。

成層燃焼の場合、通常は、成層燃焼を実施する運転領域の中で、比較的低負荷の運転領域では、ピストン５位置との関係で、燃料噴射時期を遅らせることで、内側キャビティ５ａ内に燃料を噴射する。内側キャビティ５ａの底面に衝突した噴霧は底面から側面の壁を伝うように上方へ進行する。これにより内側キャビティ５ａ上空に比較的小さな成層混合気が形成される。その一方、比較的高負荷の運転領域では、ピストン５位置との関係で、燃料噴射時期を早めることで、外側キャビティ５ｂ内に燃料を噴射する。これにより外側キャビティ５ｂ上空に比較的大きな成層混合気が形成される。

これに対し、排気浄化触媒の昇温要求時には、通常成層燃焼時とは、燃料噴射時期及び燃料噴射量を異ならせる。
図２に、（ａ）通常成層燃焼時、及び、（ｂ）触媒昇温要求時のそれぞれについて、第１実施形態での、機関負荷に対する燃料噴射時期及び燃料噴射量の制御方法を示す。
通常成層燃焼時、機関負荷が所定負荷Ｔ１より低いとき（比較的低負荷運転領域）は、圧縮行程後半に、１回のみの燃料噴射を行い、負荷の上昇に対して燃料噴射開始時期を進角させる。その際、燃料噴霧が内側キャビティ５ａに受け止められるように燃料噴射時期が設定される。また、機関負荷が所定負荷Ｔ１以上のとき（比較的高負荷運転領域）は、圧縮行程前半に、１回のみの燃料噴射を行い、負荷の上昇に対して燃料噴射開始時期を進角させる。その際、燃料噴霧が外側キャビティ５ｂに受け止められるように燃料噴射時期が設定される（図２（ａ））。尚、Ｔ１は内側キャビティ５ａを利用して１回の燃料噴射により形成する混合気塊が過濃となる負荷より低く設定される負荷である。

これに対し、触媒昇温要求時、機関負荷が所定負荷Ｔ１より低いとき（比較的低負荷運転領域）は、通常成層運転時には内側キャビティ５ａを利用する負荷領域（燃焼室内の平均空燃比が約４０〜５０程度で成層燃焼を実施している運転領域）であっても、燃料噴霧が外側キャビティ５ｂに受け止められるように、圧縮行程前半に、燃料噴射時期を設定する。その際、外側キャビティ５ｂ内及びその上空容積を可燃混合気とするために、通常成層燃焼時よりも燃料噴射量を増加させ、また負荷を合わせるために吸入空気量を減少させて吸入負圧を発達させる。すなわち、機関負荷を変えずに燃焼室内の平均空燃比が約２０〜３０程度で成層燃焼を実施する（図２（ｂ））。

図３に第１実施形態におけるＥＣＵ１７での制御フローチャートを示す。
先ずＳ１にて、吸入空気量ＱＭ、エンジン回転速度ＮＥ、アクセル開度ＡＰＯ、触媒温度Ｔcat を読込み、次のＳ２にて、アクセル開度ＡＰＯから予め記憶させておいたテーブルデータを参照するなどして目標トルクＴＴＣを求める。
次にＳ３にて、機関の運転条件に基づいて成層燃焼領域か均質燃焼領域かを判断する。ここでの燃焼形態の判断は、エンジン回転速度及び負荷（例えば目標トルク）と燃焼形態との関係を実験により求め、予め記憶させておいたマップに基づいて行う。

Ｓ３でＹｅｓ、すなわち成層燃焼領域と判断された場合は、Ｓ４に進む。
Ｓ４では、エンジン回転速度ＮＥ及び目標トルクＴＴＣから予め記憶させておいたマップデータを参照するなどして目標燃空比ＴＦＢＹＡを求める。尚、目標燃空比ＴＦＢＹＡは空気過剰率λの逆数に相当する値である。
次にＳ５にて、現在の目標トルクＴＴＣがＴ１以上であるかを判定する。ここで、Ｔ１は図２で説明した負荷のしきい値である。

Ｓ５にてＴＣＣ≧Ｔ１と判定された場合、すなわち成層高負荷領域の場合は、Ｓ６〜Ｓ９へ進み、通常成層燃焼を行わせる。具体的には、Ｓ６にて燃料噴射量Ｑｆａの設定を行い、Ｓ７にて燃料噴射時期ＩＴｃｏの設定を行い、Ｓ８にて点火時期ＡＤＶの設定を行い、Ｓ９にて圧縮行程噴射を実施する。
尚、Ｓ６での燃料噴射量Ｑｆａの設定は、吸入空気量ＱＭとエンジン回転速度ＮＥとから定まるストイキ相当の基本燃料噴射量（Ｋ×ＱＭ／ＮＥ；Ｋは定数）に、目標燃空比ＴＦＢＹＡを乗算し、更に各種補正を施すことにより、行う。

また、Ｓ７での燃料噴射時期ＩＴｃｏの設定は、図２（ａ）に示したように、負荷に応じて（負荷からテーブルデータを参照して）行う。従って、ＴＣＣ≧Ｔ１（高負荷）の場合、燃料噴射時期ＩＴｃｏは圧縮行程前半に設定され、外側キャビティ内に燃料噴射を行うことになる。
また、Ｓ８での点火時期ＡＤＶの設定は、例えばＭＢＴ設定とし、エンジン回転速度と負荷とからマップデータを参照して行う。

Ｓ５にてＮｏ、すなわち、ＴＣＣ＜Ｔ１で、成層低負荷領域の場合は、Ｓ１０へ進み、現時点の触媒温度Ｔcat が触媒の活性温度ＴcatHより低い（Ｔcat ＜ＴcatH）かを否か判定する。
Ｓ１０にてＮｏ、すなわち触媒温度Ｔcat が活性温度ＴcatHに達している時は、Ｓ６〜Ｓ９へ進み、通常成層燃焼を行う。具体的には、Ｓ６にて燃料噴射量Ｑｆａの設定を行い、Ｓ７にて燃料噴射時期ＩＴｃｏの設定を行い、Ｓ８にて点火時期ＡＤＶの設定を行い、Ｓ９にて圧縮行程噴射を実施する。この場合は、ＴＣＣ＜Ｔ１（低負荷）であるので、燃料噴射時期ＩＴｃｏは圧縮行程後半に設定され、内側キャビティ内に燃料噴射を行うことになる。

Ｓ１０にてＹｅｓ、すなわち触媒温度Ｔcat が活性温度ＴcatHに達していない時は、触媒昇温要求時と判断し、Ｓ１１〜Ｓ１５で排気温度を高くする触媒昇温制御を実施する。
先ずＳ１１にて、現在の目標燃空比ＴＦＢＹＡを基に、修正燃空比ＴＦＢＹＡ２を算出する。これは、外側キャビティに可燃混合気を形成しつつ、目標トルクを発生させるために必要とされる燃空比である。

次にＳ１２にて、修正燃空比ＴＦＢＹＡ２を反映した修正燃料噴射量Ｑｆｗｐの設定を行い（燃料噴射量増量）、Ｓ１３にて燃料噴射時期ＩＴｗｐの設定を行い（図２（ｂ）に示されるように圧縮行程前半）、Ｓ１４にて点火時期ＡＤＶｗｐの設定を行い（Ｓ８と同様、又は後述のＳａ１４と同様）、Ｓ１５にて外側キャビティ内に燃料噴射を行う。
Ｓ３にてＮｏ、すなわち均質燃焼領域と判断された場合は、Ｓ１６に進む。

Ｓ１６では、目標燃空比ＴＦＢＹＡに１を代入し、次のＳ１７にて燃料噴射量Ｑｆａを設定する（Ｓ６と同様）。
次にＳ１８にて、均質燃焼のための吸気行程における燃料噴射時期ＩＴｉｎの設定を行い（エンジン回転速度と負荷とからマップデータを参照）、Ｓ１９にて点火時期ＡＤＶの設定を行い、Ｓ２０にて吸気行程噴射を実施する。

本実施形態によれば、排気浄化触媒の昇温要求時は、通常成層運転時は内側キャビティを利用する負荷領域においても、外側キャビティ内及びその上空容積に可燃混合気を形成し成層燃焼を行う構成とし、すなわち、例えばファストアイドル時等、通常では、２重キャビティの内側キャビティ内及びその上空容積に可燃混合気を形成し、燃焼室内の平均空燃比が約４０〜５０程度で成層燃焼を実施している運転領域の際に、外側キャビティ内及びその上空容積に可燃混合気を形成する燃料量を外側キャビティ内に噴射し、且つ、スロットルを絞り、吸入負圧を発達させることで、機関負荷を変えずに燃焼室内の平均空燃比が約２０〜３０程度で成層燃焼を行うように制御することで、ＨＣ排出の悪化なく、排気温度を上昇させることが可能である。ここで、均質燃焼にすることでも排気温度の上昇効果は望めるが、その場合、壁流分ＨＣが増加するためＨＣ排出の増加を伴ってしまう。

また、前記成層燃焼時は、点火時期における外側キャビティ内及びその上空容積の混合気がストイキよりリッチ且つ着火可能な空燃比となる燃料量を外側キャビティ内に噴射する構成とし、すなわち、点火時期に点火プラグ周りの混合気がストイキよりリッチな空燃比となるようにしているので、主燃焼の際に不完全燃焼物であるＣＯ、Ｈ₂ が生成され、これが、主燃焼後に存在する残存空気中の酸素と、膨張行程・排気行程・触媒上流の排気通路内で反応（再燃焼）し、排気温度を上昇させ、また未燃燃料ＨＣの後燃え促進によりＨＣ排出を抑制することが可能である。

また、外側キャビティ内及びその上空容積の混合気がストイキよりリッチ且つ着火可能な空燃比としているため、圧縮上死点後、膨張行程時においても着火性の良好なリッチ空燃比が点火プラグの周りに存在する確立がより高くなり、燃焼安定性が高まるため、圧縮上死点後に設定可能な点火時期の範囲が広くなり排温上昇のための重要な因子である点火時期がより圧縮上死点後から遅角側に設定可能となり、排温上昇とＨＣ低減の効果をより促進することが可能である。

また、外側キャビティ内に燃料噴射することで、排気浄化触媒の昇温要求時として想定される、例えば冷機始動後のファストアイドルや冷機始動後即の走行時に仕事として要求される負荷に対応するための燃料量と、排気温度上昇のためのエネルギー（後燃え）に使われる燃料量を筒内に噴射した場合に、点火プラグ周りにストイキよりリッチ且つ着火可能な空燃比を生成することが可能となり、点火プラグ周りがオーバーリッチとなることによる燃焼安定性の悪化や、スモークの発生を抑制することが可能である。

ここで、一例ではあるが、冷機始動後のファストアイドル運転条件における点火時期一定（圧縮上死点以降）、燃焼室内の平均空燃比一定（弱リーン）の実験結果を図４に示す。該負荷において、全燃料を内側キャビティ内に噴射すると、ＣＯが増加し、後燃えが促進するため、少ないＨＣ排出で排気温度を最も高くすることができる。しかし、燃焼安定性の悪化、スモーク発生の増加が見られ、点火プラグ周りがオーバーリッチになっていると推測している。一方、全燃料を外側キャビティの外に噴射すると、燃焼安定性、ＨＣ排出が悪化し、排温も最も低くなっている。これは、燃料がキャビティ内に入っていないため、点火時期の時点で混合気が拡散してしまい、点火プラグ周りがリーンとなっており、その結果、着火安定性が悪化し燃焼安定性が悪化していると推測している。また、主燃焼がリーン燃焼となりＣＯ排出が低下するため、未燃成分の後燃えが促進されず、さらに燃料がキャビティ内に収まっていないために壁流ＨＣが増大する結果、ＨＣ排出が悪化していると思われる。

しかし、全燃料を外側キャビティ内に噴射すると、点火プラグ周りにストイキよりリッチ且つ着火可能な空燃比を生成することが可能となり、点火時期を圧縮上死点から大きく遅角した場合においても良好な燃焼安定性にて、ＨＣ排出を最大限に抑制し、且つ排気温度を上昇させることができている。
また、本実施形態によれば、排気浄化触媒の昇温要求時に、昇温要求のない通常運転時よりも機関の吸入空気量を減少補正、及び／又は、燃料噴射量を増量補正することにより、負荷を変化させることなく、触媒昇温制御を実施可能となる。

また、本実施形態によれば、排気浄化触媒の昇温要求時に、昇温要求のない通常運転時よりも燃料噴射時期から点火時期までの時間を長く設定することにより、十分な燃料気化時間を確保することができ、常に安定した着火性を確保し、また、壁流分ＨＣ、スモークを低減することが可能である。
次に本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態の構成は第１実施形態の構成（図１）と同一であるので、その説明は省略する。

図５に、（ａ）通常成層燃焼時、及び、（ｂ）触媒昇温要求時のそれぞれについて、第２実施形態での、機関負荷に対する燃料噴射時期及び燃料噴射量の制御方法を示す。
通常成層燃焼時（図５（ａ））については、は図２（ａ）と同一であるので、説明は省略する。
触媒昇温要求時（図５（ｂ））は、各負荷で、点火時期における外側キャビティ内及びその上空容積の混合気がストイキよりリッチ且つ着火可能な空燃比となる燃料量を外側キャビティ内に噴射する構成としている。すなわち、各負荷領域それぞれで、仕事として要求される負荷に対応するための燃料量と、排気温度上昇のためのエネルギー（後燃え）に使われる燃料量との和が全燃料噴射量となっており、その燃料を外側キャビティ内に噴射する。また、負荷を合わせるために吸入空気量を減少させて吸入負圧を発達させ、機関負荷を変えずに燃焼室内の平均空燃比が約１４．４〜１８程度で成層燃焼を行う。

また、ここで、分割せず、全燃料量を外側キャビティ内に噴射する場合（パターン１）と、全燃料量の一部（全燃料量×分割比Ｋｓｐ）を吸気行程時に先行噴射する場合（パターン２）と、全燃料量の一部（全燃料量×分割比Ｋｓｐ）を圧縮行程後半に内側キャビティ内へ噴射する場合（パターン３）とが存在する（図５（ｂ））。
図６に第２実施形態におけるＥＣＵ１７での制御フローチャートを示す。

Ｓａ１〜Ｓａ４は、Ｓ１〜Ｓ４（図３）と同一であるので、説明は省略する。但し、本実施形態では、Ｓａ１にて、燃料圧力Ｐｆも読込む。
次のＳａ５では、現時点の触媒温度Ｔcat が触媒の活性温度ＴcatH以上である（Ｔcat ≧ＴcatH）か否かを判定する。
Ｓａ５にてＹｅｓ、すなわち触媒温度Ｔcat が活性温度ＴcatHに達している場合は、Ｓａ６〜Ｓａ９に進み、Ｓ６〜Ｓ９（図３）と同様に、通常成層燃焼を行う。すなわち、機関負荷に応じて、２重キャビティの、内側キャビティ又は外側キャビティに燃料噴射を行う（図５（ａ））。

Ｓａ５にてＮｏ、すなわち触媒温度Ｔcat が活性温度ＴcatHに達していない場合は、触媒昇温要求時と判断し、Ｓａ１０〜Ｓａ１５で排気温度を高くする触媒昇温制御を実施する。
Ｓａ１０では、現在の目標燃空比ＴＦＢＹＡを基に、修正燃空比ＴＦＢＹＡ３を算出する。これは、目標トルクを発生させるために必要とされる燃空比ＴＦＢＹＡと、後燃えをさせるための未燃成分量との和である。ここで、排気温度を効率的に昇温させるために、主燃焼により生成される不完全燃焼物であるＣＯ、Ｈ₂ の量と、主燃焼後に存在する残存酸素量とをバランスさせるため、ＴＦＢＹＡ３は０．８〜１．０の間で設定される。

次に、Ｓａ１１にて、修正燃空比ＴＦＢＹＡ３を反映した修正燃料噴射量Ｑｆｗｐの設定を行い（燃料噴射量増量）、Ｓａ１２にて燃料噴射時期ＩＴｗｐの設定を行う（図５（ｂ））。
次にＳａ１３にて、燃料分割比Ｋｓｐの設定を行う。実験結果より、この値は回転・負荷によって最適値が存在するものの、０％〜約３０％程度の値に設定される。

次にＳａ１４にて、点火時期ＡＤＶｗｐの設定を行う。ＡＤＶｗｐについては、点火時期の排気温度上昇への感度は高いため、機関安定度限界の範囲内で最大に遅角させるように設定する。ここで、同点火時期における燃焼の安定性は、燃圧Ｐｆの低下により悪化する惧れがあるため、仮に燃圧Ｐｆが設定値より低い場合は、点火時期ＡＤＶｗｐを燃圧値Ｐｆに応じて進角する設定にしている。また、点火時期を遅角することにより燃焼圧力が低下するが、空気量を増大させることにより、機関出力の低下を抑制している。

次にＳａ１５にて、燃料噴射を行うが、ここで、燃料分割比Ｋｓｐ＝０の場合は、そのまま、全燃料量を設定した燃料噴射時期ＩＴｗｐにて、噴射する（パターン１）。また、Ｋｓｐ≒０の場合は、Ｑｆｗｐ×Ｋｓｐの燃料量を吸気行程時に先行噴射し、残りのＱｆｗｐ×（１−Ｋｓｐ）の燃料量を設定した燃料噴射時期ＩＴｗｐにて噴射する（パターン２）。又は、設定した燃料噴射時期ＩＴｗｐにて、Ｑｆｗｐ×（１−Ｋｓｐ）の燃料量を噴射し、その後、Ｑｆｗｐ×Ｋｓｐの燃料量を圧縮行程後期にて内側キャビティ内に噴射する（パターン３）。

それぞれのパターンの点火時期における混合気の様子を図７に示す。
パターン１では、点火時期において、外側キャビティ内及びその上空容積の混合気がストイキよりリッチ且つ着火可能な空燃比となっており、その混合気の外側には空気が存在している。また、パターン２では、点火時期において、外側キャビティ内及びその上空容積の混合気がストイキよりリッチ且つ着火可能な空燃比となっており、その混合気の外側にはリーンな混合気が存在する。また、パターン３では、点火時期において、外側キャビティ内及びその上空容積にはストイキよりリッチな空燃比の混合気が、また、内側キャビティ及びその上空容積には外側キャビティ及びその上空容積よりさらにリッチ且つ着火可能な空燃比の混合気が存在し、さらにこれらの外側には空気が存在する。

尚、Ｓａ１６〜Ｓａ２０は、Ｓ１６〜Ｓ２０（図３）と同一であるので、説明は省略する。
ここで、本実施形態では、修正燃料噴射量Ｑｆｗｐが外側キャビティ内に噴射しきれる量である場合において、分割噴射を行う構成であるが、仮に、算出された修正燃料噴射量Ｑｆｗｐが多く、外側キャビティ内に噴射しきれない場合に、外側キャビティ内に噴射可能な最大値を外側キャビティ内に噴射し、その残りの燃料を吸気行程時又は圧縮行程後期に内側キャビティ内に噴射する構成としてもよい。

特に本実施形態によれば、排気浄化触媒の昇温要求時の成層燃焼時は、燃焼室内の平均空燃比をストイキから弱リーン、具体的には１４．４〜１８程度とする構成とすることにより、主燃焼により生成される不完全燃焼物であるＣＯ、Ｈ₂ の量と、主燃焼後に存在する残存酸素量とをバランスさせることができ、排気温度を効率的に昇温させることができる。特に平均空燃比をほぼストイキにすると、不完全燃焼物量と残存酸素量とがほぼ当量となり、排気温度の昇温効率が最良となる。

また、特に本実施形態によれば、排気浄化触媒の昇温要求時に、昇温要求のない通常の成層燃焼時よりも点火時期を遅角側に設定する構成とすることにより、排気温度がより高くなり、また、後燃え促進効果も高まるためＨＣ排出を抑制することが可能である。ここで、点火時期は、機関安定度限界の範囲内で最大に遅角させるように設定すればよい。
また、特に本実施形態によれば、排気浄化触媒の昇温要求時に、燃料の一部を吸気行程中に先行して分割噴射する構成とすることにより、点火時期において、外側キャビティ及びその上空容積には空燃比がストイキよりリッチな混合気が、さらに、その混合気の外側にはリーンな混合気が存在する。この場合、主燃焼の結果、リッチ混合気により不完全燃焼物であるＣＯやＨ₂ が生成し、また、主燃焼の熱または多少の火炎伝播により、外側のリーンな混合気内の燃料が部分反応を起こし、化学反応的に活性な燃焼前駆体物質（Ｒ−ＣＨＯ、ＯＨラジカル等）を生成する。それにより、膨張行程・排気行程・触媒上流の排気通路内でのＣＯ、Ｈ₂ の反応（再燃焼）がより連鎖的に行われ、排気温度をさらに上昇させ、ＨＣ排出をさらに抑制することが可能である。

また、特に本実施形態によれば、排気浄化触媒の昇温要求時に、燃料の一部を圧縮行程の後期にて２重キャビティの内側キャビティ内に噴射する構成とすることにより、点火時期において、外側キャビティ及びその上空容積には空燃比がストイキよりリッチな混合気が、また、内側キャビティ及びその上空容積には外側キャビティ及びその上空容積の空燃比よりさらにリッチ且つ着火可能な空燃比の混合気が、さらに混合気の外側には空気が存在する。それにより、内側の混合気のリッチ度合いが高いため、より多くの不完全燃焼物であるＣＯ、Ｈ₂ を生成可能であり、膨張行程・排気行程・触媒上流の排気通路内でのＣＯ、Ｈ₂ の反応（再燃焼）がより多く行われ、排気温度をさらに上昇させ、ＨＣ排出をさらに抑制することが可能である。ここで、内側キャビティのみに、燃料の全量を入れると、局所的にオーバーリッチとなるため、燃焼安定性の悪化、またはスモーク発生の増加が危惧される。

また、特に本実施形態によれば、燃圧が所定の要求設定燃圧より低い場合は、要求設定燃圧の場合に比べ、点火時期を燃圧値に応じて進角側に設定する構成とすることにより、同点火時期における燃焼の安定性は、燃圧の低下により悪化する惧れがあるが、燃圧値に応じて、点火時期を進角するため、燃焼安定性の悪化を回避することが可能である。かかる構成とすれば、例えば、冷機始動直後の燃圧が要求設定値まで立上らない場合、又は高圧燃料ポンプ等の故障等による何らかの原因により排気触媒の昇温要求時に燃圧が低下した場合でも、燃焼安定性すなわち機関安定性の悪化なしに、ＨＣの排出を抑制しつつ、排気浄化触媒の活性化を促進することが可能である。

また、特に本実施形態によれば、排気浄化触媒の昇温要求時に、点火時期の遅角設定に応じて、吸入空気量を増加させる構成とすることにより、点火時期の遅角により燃焼圧力が低下するが、空気量を増大することにより、機関出力の低下を抑制することが可能である。
次に本発明の第３実施形態について説明する。第３実施形態の構成は第１実施形態の構成（図１）に対し、触媒温度センサ１８を設置しないものとすればよく、その構成図は省略する。尚、本実施形態は、冷機始動からファストアイドル時において、触媒昇温制御を実施する場合の例である。

図８に第３実施形態におけるＥＣＵ１７での制御フローチャートを示す。
先ずＳｂ１にて、キースイッチがオンとなり、スタータ起動位置までキーが回されるとスタータが起動し、エンジンがクランキングを開始する。次にＳｂ２にて、エンジン回転によって入力されるクランク角度センサ及びカム角度センサを用いて気筒判別を行う。次にＳｂ３にて、吸入空気量ＱＭ、エンジン回転速度ＮＥ、冷却水温Ｔｗ、燃料圧力Ｐｆ、初爆からの各気筒のサイクル数Ｎｃｙｌを読込む。尚、Ｎｃｙｌは燃料噴射弁の噴射回数や点火プラグの点火回数等から判断可能である。

次のＳｂ４では、エンジン回転速度Ｎｅ及び冷却水温Ｔｗに応じて目標トルクＴＴＣを算出し、Ｓｂ５にて、エンジン回転速度ＮＥと目標トルクＴＴＣとから目標燃空比ＴＦＢＹＡを求める。次にＳｂ６にて、スタータスイッチがＯＮからＯＦＦに切り替わったか否かを判定する。
Ｓｂ６にてＹｅｓの場合はＳｂ７に進み、触媒昇温制御サイクル数Ｋｃｙｌを算出する。これは、触媒が活性温度に達するまでに実施する必要がある昇温制御のサイクル数である。本実施形態においては触媒温度を直接計測せず、始動時水温と触媒昇温制御サイクル数との関係を予め実験等により求めてＥＣＵのＲＯＭに記憶させておき、始動時水温に応じてテーブルデータを参照して求めるようにしている。本構成によれば、触媒温度センサを必要としないので、コスト増加を抑制できる効果もある。ここで、本実施形態においては、水温Ｔｗが所定値ＬＴｗ未満では、Ｋｃｙｌ＝０、すなわち触媒昇温制御を行わないように設定されている。ＬＴｗは、燃焼安定性の問題から成層燃焼を行うことができないと判断される温度である。

次にＳｂ８にて、現時点のサイクル数Ｎｃｙｌが触媒昇温制御サイクル数Ｋｃｙｌ未満であるかどうかを判定する。Ｓｂ８にてＹｅｓの場合は、Ｓｂ９〜Ｓｂ１３に進み、触媒昇温制御を実施する。尚、Ｓｂ９〜Ｓｂ１１はＳａ１０〜Ｓａ１２と同一、Ｓｂ１２はＳａ１４と同一、Ｓｂ１３はＳａ１５（１）と同一であるので、説明は省略する。
Ｓｂ６でＮｏ、すなわちスタータスイッチがＯＮの状態である際は、急激な回転上昇を伴う始動過渡時であり、Ｓｂ１４へ進んで始動過渡時の通常制御を行う。始動過渡時は、基本燃料噴射量（Ｋ×ＱＭ／ＮＥ；Ｋは定数）、目標燃空比ＴＦＢＹＡ、水温増量補正または始動及び始動後増量補正などから算出された燃料を吸気行程または圧縮行程前半に噴射し、良好な回転上昇のため、点火時期は通常のファストアイドル時の点火時期より、比較的進角側に設定する。

Ｓｂ８でＮｏ、すなわちＮｃｙｌ≧Ｋｃｙｌとなった場合には、触媒昇温制御を終了する。
ここで、本実施形態のように、始動過渡後のファストアイドル時において、触媒昇温制御を行った場合と、通常制御（均質燃焼）を行った場合とについて、エンジン回転速度、触媒入口排気温度、エンジンアウトＨＣ、空燃比（Ａ／Ｆ）、点火時期の比較を図９に示す。図９の始動過渡区間は均質燃焼を実施している。尚、触媒昇温制御はエンジン回転のオーバーシュートが終了した時点より実施しており、点火時期を徐々に遅角していき、最終的に機関安定度限界付近まで遅角している。また、空燃比は通常制御のストイキよりも、ややリーン設定とした。その結果、排気温度が上昇し、且つエンジンアウトＨＣが低減し、本制御が冷機始動からファストアイドル時に非常に有用であることを示した。

本発明の第１実施形態の構成図 本発明の第１実施形態の制御特性図 本発明の第１実施形態の制御フローチャート 本発明の効果を示す図 本発明の第２実施形態の制御特性図 本発明の第２実施形態の制御フローチャート 本発明の第２実施形態での混合気分布の説明図 本発明の第３実施形態の制御フローチャート 本発明の第３実施形態の効果を示す図

符号の説明

１ エンジン
２ 吸気ポート
３ 吸気バルブ
４ 燃焼室
５ ピストン
５ａ 内側キャビティ
５ｂ 外側キャビティ
６ 燃料噴射弁
７ 点火プラグ
８ 排気バルブ
９ 排気通路
１０ 排気空燃比センサ
１１ 排気浄化触媒
１２ 吸気カム
１３ 排気カム
１４ 高圧燃料ポンプ
１５ 燃料配管
１６ 燃圧センサ
１７ エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
１８ 触媒温度センサ

Claims (12)

1. 燃焼室上部の略中央部に燃料噴射弁を有し、ピストン冠面の略中央部に径の異なる内外２重のキャビティを有し、キャビティ上空に点火プラグを有し、
   圧縮行程にて燃料噴射を行って成層燃焼を実施する運転領域の中で、比較的低負荷の運転領域では、内側キャビティ内及びその上空容積に可燃混合気を形成し、前記成層燃焼を実施する運転領域の中で、比較的高負荷の運転領域では、外側キャビティ内及びその上空容積に可燃混合気を形成する内燃機関において、
   内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒の昇温要求時に、前記比較的低負荷の運転領域であっても、前記外側キャビティ内及びその上空容積にストイキよりリッチ且つ着火可能な混合気を形成して成層燃焼を行うことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 排気浄化触媒の昇温要求時に、昇温要求のない通常運転時よりも機関の吸入空気量を減少補正する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。
3. 排気浄化触媒の昇温要求時に、昇温要求のない通常運転時よりも燃料噴射量を増大補正する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。
4. 排気浄化触媒の昇温要求時の成層燃焼時は、燃焼室内の平均空燃比をストイキから弱リーンとすることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 排気浄化触媒の昇温要求時に、昇温要求のない通常運転時よりも燃料噴射時期から点火時期までの時間を長く設定することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 排気浄化触媒の昇温要求時に、昇温要求のない通常の成層燃焼時よりも点火時期を遅角側に設定することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 排気浄化触媒の昇温要求時に、燃料の一部を吸気行程中に先行して分割噴射することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 排気浄化触媒の昇温要求時に、燃料の一部を圧縮行程の後期にて前記内側キャビティ内に噴射することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
9. 排気浄化触媒の昇温要求時に、燃圧が所定の要求設定燃圧より低い場合は、要求設定燃圧の場合に比べ、点火時期を燃圧値に応じて進角側に設定することを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
10. 排気浄化触媒の昇温要求時に、点火時期の遅角設定に応じて、吸入空気量を増加させることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
11. 燃焼室上部の略中央部に燃料噴射弁を有し、ピストン冠面の略中央部に径の異なる内外２重のキャビティを有し、キャビティ上空に点火プラグを有する内燃機関において、
    内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒の昇温要求時に、前記外側キャビティ内及びその上空容積にストイキよりリッチ且つ着火可能な混合気を形成して成層燃焼を行うことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
12. 燃焼室上部の略中央部に燃料噴射弁を有し、ピストン冠面の略中央部に径の異なる内外２重のキャビティを有し、キャビティ上空に点火プラグを有する内燃機関において、
    内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒の昇温要求時に、前記外側キャビティ内及びその上空容積に混合気を形成し、圧縮上死点後に点火して成層燃焼を行うことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。

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