JPH04194312A - 筒内直接噴射式火花点火機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高圧に加圧されたガソリン等の燃料を気筒内
の燃焼室へ直接に噴射し、電気火花によって点火して燃
焼させるところの、いわゆる筒内直接噴射式火花点火機
関に関するもので、特に、その排気を浄化するため触媒
変換器を設けた場合に、触媒の機能を常に高い状態に保
持することができるようにしたこの種の機関に関する。

〔従来の技術〕

筒内直接噴射式火花点火機関の従来技術が特開平２−１
６９８３４号公報に記載されている。この機関において
は、応答の速い圧電素子を利用したアクチュエータによ
って駆動される燃料噴射弁が機関のシリンダヘッドに取
付けられており、燃料噴射ポンプによって高圧に加圧さ
れたガソリンのような燃料を、機関の吸気行程前半及び
圧縮行程後半の適時に、それぞれ必要量だけ機関の気筒
内燃焼室へ直接に噴射し、シリンダヘッドに取付けられ
た点火栓によって点火・燃焼させる。

この機関は、ディーゼル機関と同様に、燃料に対して空
気の過剰率が大の状態で運転されることが多いので、通
常の火花点火機関に比べて排気の温度が平均的に低くな
る傾向がある。また、筒内で形成される混合気の空燃比
が大（燃料が希薄）であるため、そのままでは電気火花
による点火が困難となる場合もあるので、圧縮行程の終
期に燃料を噴射して、点火栓の付近に理論空燃比程度の
着火性のよい混合気の層を形成させ、これに点火してか
ら他の希薄な混合気へ火焔を伝播させるいわゆる成層燃
焼の手法も採用される。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述のように、筒内直接噴射式火花点火機関においては
、燃料に対して空気過剰の状態で燃焼されることが多い
ために、排気の温度が低くなりがちで、排気を浄化する
ために排気通路の途中に三元触媒や還元触媒等を有する
触媒変換器を設けると、その触媒が排気の浄化機能を維
持することができなくなる状態のあることが見出された
。

その状態は、まず自動車に搭載される機関の場合、減速
時に、機関回転数が大でありながらアクセルペダルが解
放されて機関への燃料供給が停止された時に生じる。筒
内直接噴射式火花点火機関においては、ディーゼル機関
と同様に、機関の回転数制御は主として燃料噴射量の調
節によって行なわれるから、図示しない制御装置が減速
時にフューエルカット信号を発して、燃料噴射弁が気筒
内への燃料噴射を停止し、気筒内の燃焼がなくなった時
、空気はスロットル弁の絞られた開口から気筒内に吸入
されており、その空気が燃焼によって温度上昇すること
なく排気通路へ送られるたｔ１触媒は冷却されて排気を
浄化するために必要な活性化温度よりも下まわってしま
い、触媒変換器が排気浄化機能を失って、次の加速時に
燃料が供給されても触媒の温度がすぐには上らず、排気
浄化機能が容易に回復しないという問題がある。

同じような問題は、やはり制御装置がフューエルカット
信号を発する他の場合にも起り得る。その一つは、機関
のオーバーラン防止のための安全手段として、機関回転
数がたとえば６．５０Ｏｒｐｍを越えるところで制御装
置がフューエルカット信号を発するように設定した場合
や、自動車に搭載される機関においては、制限速度超過
を防止するために、所定の速度以上で機関の制御装置が
フューエルカット信号を発するように設定した場合には
、いずれもフューエルカット状態において、触媒変換器
を低温の空気が通過して触媒を冷却し、その後しばらく
の開は排気浄化機能が低下して、浄化されない排気が大
気中に放出されることになる。

通常の火花点火機関であれば、理論空燃比付近の比較的
濃い混合気が使用されるたｔに排気の温度も平均的に高
くて、触媒の立上り（暖気）が早いので、触媒の冷却は
あまり問題にならないが、筒内直接噴射式火花点火機関
においては、前述のように排気の温度が平均的に低いた
めに、フューエルカット状態において触媒の温度が−た
ん低下すると、回復するのに長時間を要することが問題
となるのである。

本発明は、筒内直接噴射式火花点火機関に触媒変換器を
使用した場合に見出されたこの問題を、簡単な手段によ
って解決することを発明の解決課題とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は前記の課題を解決するための手段として、気筒
内の燃焼室に燃料噴射弁によって燃料を直接に噴射し、
点火栓の近傍に比較的燃料濃度の大きい混合気の層を形
成させて点火・燃焼させると共に、前記燃焼室から排出
される排気の通路に触媒変換器を設け、前言己触媒変換
器にバイパス通路を付設して、少なくとも燃料カット時
には排気が触媒変換器を通過するのを阻止し、排気がバ
イパス通路を流れるように構成したことを特徴とする筒
内直接噴射式火花点火機関を提供する。

〔作　用〕

筒内直接噴射式火花点火機関においては、燃料の供給量
に対して空気の供給量が過剰な状態で運転されることが
多く、燃料噴射弁によって気筒内に形成される混合気の
空燃比は理論空燃比よりも大きい希薄混合気であること
が多い。そのため着火性が良くないので、本発明では点
火栓の近傍だけ比較的空燃比が小さくなるようにする成
層燃焼システムをとることにより、希薄混合気の確実な
点火を図っている。

それでも、平均的には空燃比が大であるため、排出され
る排気の温度は、ディーゼル機関と同じく普通の火花点
火機関の排気温度よりも低くなりがちで、排気を浄化処
理する触媒変換器においては、機関の燃料カットに゛よ
って触媒の温度が低くなると、その後に燃料噴射が再開
されても触媒の温度を活性化温度まで高めるためには長
時間を必要とする。

本発明においては、少なくとも燃料カット時に排気（殆
んど空気）をバイパス通路へ流すことによって、冷たい
排気が触媒変換器を通過するのを阻止し、触媒の温度が
低下しないように作動するので、燃料の噴射が再開され
て汚染物質を含む排気が触媒変換器を通過して流れるよ
うになった時に、直ちに排気の浄化が行なわれ、未処理
の排気が放出されることがない。

〔実施例〕

第１図は本発明の第１実施例を示したもので、図中１０
は筒内直接噴射式火花点火機関、１２は吸気マニホルド
、１４は排気マニホルド、１６は排気通路で、排気の一
部を還流させるＥＧＲ通路１８が排気通路１６から分岐
し、ＥＧＲ弁２０を経て吸気マニホルド１２に接続され
ている。排気通路１６には排気を浄化するための触媒変
換器２２が設けられており、その内部には多孔質又は粒
状の三元触媒あるいは還元触媒等の触媒担体２４が排気
の流路を横切るように置かれている。触媒変換器２２の
下流の排気通路２６には、図示しない酸化触媒を収容し
た別の触媒変換器が接続されることもあるが、排気通路
２６が消音器等を経て大気に解放される。

本発明の実施例においては、機関１０の制御装置と共用
されてもよい電子式制御装置（ＥＣｔｌ）　２８に、触
媒変換器２２の入口３０付近における排気の温度Ｔｇを
検出する排気温度センサ３２と、触媒（担体）２４の温
度Ｔｃを検出する触媒温度センサ３４の出力信号が入力
されている。

そして第１実施例では、ＰＣＩＩ　２８において実行さ
れる後述のような制御プログラムによって制御駆動され
る２つの弁３６及び３８が、触媒変換器の入口３０に設
けられる。弁３６は触媒変換器２２の入口３０を開閉し
て、排気が触媒変換器２２内へ流入するのを許し、或い
は遮断し得る触媒人口弁であり、図示のようなバタフラ
イ型の弁体のみならず、フラッパー型、ポペット型、そ
の他の形式の弁体を使用することができる。また弁３８
は触媒変換器２２を迂回して入口３０と下流側排気通路
２６とを直接に接続するバイパス通路４０を開閉するよ
うに、バイパス通路４０の上流側に設けたバイパス弁で
あって、やはり各種の形式の弁体を使用することができ
る。

これらの弁３６．３８をＥＣＬＩ　２８の指令によって
駆動するアクチュエータは図示していないが、電磁式、
真空式、空気圧式その他の既知の手段を利用することが
できる。

第２図は第１実施例についての制御プログラムを例示し
たものである。このプログラムは所定の時間間隔をふい
てＥＣＵ　２８により繰返し実行される。

ステップ（Ｓ）１００において制御プログラムが開始さ
れると、５１０１で機関１０についてフコ−エルヵット
信号が出ているか否かを判断する。ツユ−二ルカット信
号は、前述のように減速時、制限を越える高回転時、あ
るいは車速か制限速度を越えた時等に、機関１０の制御
族！　（ＥＣ［Ｉ　２８と同じものであってもよい。）
が燃料噴射弁の駆動回路に対して駆動信号を発すると同
時にフラグとして表示するもので、機関１０に供給され
る燃料が遮断された状態にあることを示す信号である。

フニーエルカット信号が出ている時は５１０２に進みバ
イパス弁３８を開くと共に３１０３において触媒人口弁
３６を閉じる。それによって機関１ｏから排出される排
気（燃料が噴射されていないから殆んど空気である。）
は触媒変換器２２を通らないでバイパス通路４０を通り
、直接に下流側排気通路２６へ流出する。フニーエルカ
ット時は排気の温度が著しく低下するので、このように
冷たい排気をバイパスすることによって触媒（担体）２
４が冷却されるのを防ぎ、次に燃料が供給された時に直
ちに排気が浄化されるように保温するのである。弁３６
．３８の操作の後、５１０４でプログラムを終了する。

５１０１において、フニーエルカット信号が出でぃない
と判定された時は、通常の運転状態であるから、５１０
５に進み触媒変換器入口３０に設けられている排気温度
センサ３２の出力信号である触媒入口排気温度Ｔｇが所
定値たとえば１５０℃よりも低いかどうか判定される。

Ｔｇが所定値よりも低い時は５１０６に進み、こんどは
触媒（担体）２４の温度（触媒付近の温度であってもよ
い。）を検出する触媒温度センサ３４の出力信号である
触媒温度Ｔｃが、所定値たとえば２５０℃よりも低いか
どうか判定される。やはりＴｃ　も所定値より低い時は
、５１０７に進み、更に触媒温度Ｔｃが触媒入口排気温
度Ｔｇよりも低いかどうか判定される。

５１０７においてＴ’ｃ　≦Ｔｇであると判定された時
は、８１０８に進み触媒人口弁３６を開くと共に、５１
０９でバイパス弁３８を閉じる操作を行って、排気が触
媒変換器２２を通過するようにする。これは、排気温度
Ｔｇ及び触媒温度Ｔｃが共に比較的低くても、排気温度
Ｔｇが触媒温度Ｔｃを上回っている時（たとえば始動時
）は、排気が少しでも触媒（担体）２４を加熱する能力
をもっているためである。

５１０５において否の判定があった時、つまり、排気温
度Ｔｇが所定値よりも高い時は、排気が触媒（担体）２
４を加熱する能力を十分もっているし、５１０６におい
て否の判定があった時、つまり、排気温度Ｔｇが所定値
より低くても、触媒温度Ｔｃが所定値より高い時は触媒
を過熱から守るために、いずれの場合も８１０８に飛ん
で、排気が触媒変換器２２の中を通過するようにする。

５１０７において否の判定があった時、つまり、排気温
度Ｔｇ及び触媒温度が共に低く、しかも触媒温度Ｔｃが
排気温度Ｔｇよりも高い時は、排気が触媒変換器２２を
通過すると触媒（担体）２４が冷却されるので、燃料噴
射が行なわれて機関１０が出力を発生している時であっ
ても、触媒（担体）２４を保温するために、５１０２へ
進み、バイパスａ路４０へ排気を迂回させる。

第３図は本発明の第２実施例を示したもので、その特徴
は第１実施例（第１図）における触媒人口弁３６とバイ
パス弁３８が単一の切換弁４２によって置きかえられた
点にあり、それに伴って、図示されていない弁のアクチ
ユエータや駆動回路の構成、及び電子式制御装置（ＥＣ
Ｕ）　４４０制御プログラム等にも一部異った点がある
が、効果は略同様である。

２つの弁３６及び３８の作動は相反的であるから、これ
らを単一の切換弁４２によって置きかえると、駆動回路
は１つでよく、第２図に示したような制御プログラムも
、５１０２と８１０３の処理を１つに、また５１０８と
５１０９の処理を１つにまとめることができる。

なお、第１実施例や第２実施例に示したような弁３６　
、３８、あるいは４２のようなものを、触媒変換器２２
の下流側（出口側）に設けた場合でも、排気が触媒変換
器２２とバイパス通路４０のいずれを通過するかを選択
することができるので、これらも本発明の実施例と考え
ることができる。

〔発明の効果〕

本発明を実施することにより、希薄混合気によって運転
されることの多い筒内直接噴射式火花点火機関でありな
がら点火ミスがなく、また、冷たい排気によって触媒が
冷却されて触媒変換器が一時的に浄化機能を失うことも
なく、浄化機能が正常に維持されて、未処理の排気を大
気中に放出することが殆んどなくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明機関の第１実施例を示す全体構成図、第
２図は第１実施例における制動プログラムを示すフロー
チャート、第３図は、第２実施例を示す全体構成図であ
る。 １０・・・筒内直接噴射式火花点火機関、１２・・・吸
気マニホルド、１４・・・排気マニホルド、１６・・・
排気通路、　　　　１８・・・ＥＧＲ通路、２０・・・
ＥＧＲ弁、　　　　２２・・・触媒変換器、２４・・・
触媒（担体）、　　２６・・・下流側排気通路、２８・
・・電子式制御装置（ＥＣＵ）、３０・・・触媒変換器
の入口、３２・・・排気温度センサ、３４・・・触媒温
度センサ、　３６・・・触媒人口弁、３８・・・バイパ
スＬ　　　　４０・・・バイパス通路、４２・・・切換
弁、 ４４・・・電子式制御装置（ＥＣ［Ｉ）。 第１図 １０−・・湾内直接噴射式火花点火機関１６・・・排気
通路 ２２・・・触媒変換器 ２８・・・電子式側Ｗ装置（Ｅ　ＣＵ）３２・・・排気
温度センサ ３４・・・触媒温度センサ ３６−・・触媒人口弁 ３Ｂ−・・バイパス弁 ４０・・・バイパス通路 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 気筒内の燃焼室に燃料噴射弁によって燃料を直接に噴射
   し、点火栓の近傍に比較的燃料濃度の大きい混合気の層
   を形成させて点火・燃焼させると共に、前記燃焼室から
   排出される排気の通路に触媒変換器を設け、前記触媒変
   換器にバイパス通路を付設して、少なくとも燃料カット
   時には排気が触媒変換器を通過するのを阻止し、排気が
   バイパス通路を流れるように構成したことを特徴とする
   筒内直接噴射式火花点火機関。