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JP3348659B2 - 筒内噴射型内燃機関 - Google Patents

筒内噴射型内燃機関

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JP3348659B2
JP3348659B2 JP27208798A JP27208798A JP3348659B2 JP 3348659 B2 JP3348659 B2 JP 3348659B2 JP 27208798 A JP27208798 A JP 27208798A JP 27208798 A JP27208798 A JP 27208798A JP 3348659 B2 JP3348659 B2 JP 3348659B2
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広信 佐藤
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Mitsubishi Motors Corp
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃焼室内に直接燃
料を噴射する筒内噴射型内燃機関に関し、特に、冷態始
動直後における未燃ＨＣの排出の低減に用いて好適の、
筒内噴射型内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在、燃焼室内に燃料を直接噴射する筒
内噴射型内燃機関が実用化されており、かかる筒内噴射
型内燃機関では、燃料噴射のタイミングを自由に設定す
ることができるため、低負荷運転域では圧縮行程で燃料
噴射を行なって、着火に十分な燃料濃度の混合気を点火
プラグ近傍に部分的に集めて、いわゆる層状燃焼による
超希薄燃焼を行ない、より一層の燃費向上を図ってい
る。
【０００３】このような筒内噴射型内燃機関において
も、従来の内燃機関と同様、例えば、冷態始動時におい
ては、排気通路に設けられた触媒の早期活性化を図り大
気中に放出される未燃ＨＣ等の量を低減させたいという
要求がある。
【０００４】そこで、特開平８−１００６３８号公報に
開示された筒内噴射型内燃機関に関する技術では、膨張
行程初期から中期において主燃焼のための燃料噴射とは
別の追加の燃料噴射を行ない、この追加燃料噴射による
追加燃料を主燃焼の火炎伝播により着火させて排ガス温
度を上昇させ、触媒の暖機を促進して早期活性化を図っ
たものが提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
に主燃焼のための燃料噴射とは別の追加の燃料噴射を行
なった場合、追加噴射された追加燃料は燃焼室内から排
気ポート内にかけて燃焼する。このとき追加燃料の全て
が完全燃焼すれば排ガスに未燃ＨＣはほとんど含まれる
ことはない。
【０００６】ところが、排ガスが燃焼室内から排気ポー
トへ排出される際の排気通路は、排気弁が開いた瞬間は
非常に狭い。また、排気弁が開いた瞬間に高圧の排ガス
が燃焼室内から排気ポートへ流れ出ようとするため、図
１６に示すように、排気弁開時初期（クランク角が１３
５°〜１８０°の時）の排ガスの流速は非常に大きくな
る（この排気弁開時初期の流速の大きな排ガスを、以
下、ブローダウンガスという）。このため、燃焼室内で
燃焼していた追加燃料は、排気弁が開いた直後の狭い排
気通路をブローダウンガスとともに高速で流れ出る際に
消炎してしまい、燃え残った追加燃料はブローダウンガ
スとともに未燃ＨＣとして排出されてしまう。
【０００７】燃焼室内から排気ポートへ流れ出た排ガス
は、さらに複数の排気ポートに連接された排気マニホー
ルドへ排出され、この排気マニホールドにおいて他気筒
から排出された排ガスと混合されて下流に配設された触
媒へと排出される。このとき、ある気筒から排出された
排ガスに未燃ＨＣが含まれていたとしても、他の気筒か
ら排出された排ガスが未だ燃焼していれば、この燃焼し
ている排ガスと混合することにより未燃ＨＣが再燃焼す
ることが期待できる。
【０００８】しかしながら、従来の筒内噴射型内燃機関
における排気マニホールドは、図１７に示すように、複
数のパイプ５５，５６，５７，５８を連結したパイプ連
結型マニホールド（ここでは、４気筒の場合を例示す
る）５０であり、排ガスの干渉による出力の低下を防止
するため、燃焼が連続しない気筒同士がパイプにより接
続され、且つ、各パイプ５５，５６，５７，５８は排ガ
スがスムーズに流れ出るように湾曲を極力小さくした構
造となっている。
【０００９】このような排気マニホールド５０では、各
排気ポート５１，５２，５３，５４から排出された流速
の速いブローダウンガスは、他の排気ポートから排出さ
れたブローダウンガスと混合することなく下流へ排出さ
れることになる。また、各排気ポート５１，５２，５
３，５４から合流部５９までの各パイプ５５，５６，５
７，５８の管長は比較的長くとられているため、燃焼し
ている状態で排気ポート５１，５２，５３，５４から排
出された燃焼ガスも合流部５９に達したときには冷却さ
れ、反応が起きる温度以下になっている可能性が極めて
高い。
【００１０】このため、未燃ＨＣを含む排ガスが燃焼中
の排ガスと混合して再燃焼するということは期待できな
い。図１８は、図１７で示す排気マニホールド５０をそ
なえた筒内噴射型内燃機関における、点火信号と燃料噴
射信号とそれに伴う燃焼室内の圧力変化と未燃ＨＣの濃
度変化とを示したものであり、未燃ＨＣの濃度変化を示
す曲線の内、実線は、排気ポート５１のａ点における未
燃ＨＣの濃度を示し、破線は、合流部５９のｂ点におけ
る未燃ＨＣの濃度を示したものである。
【００１１】図１８に示すように、例えば、排気ポート
５１において燃え残った未燃ＨＣは、排ガスの高温雰囲
気中でわずかに酸化して減少するのみで、合流部５９に
おいて他の排気ポート５２，５３，５４から排出された
ブローダウンガスと混合して再燃焼することなく、高濃
度のまま排気マニホールド５０から後流へ排出されてし
まうのである。
【００１２】ここで、図１９は、冷態始動時の触媒中心
温度と排気マニホールド出口におけるＨＣ濃度とを、パ
イプ連結型マニホールドをそなえた筒内噴射型内燃機関
と従来の内燃機関〔図１９ではＭＰＩ（マルチポイント
インジェクション）エンジンの場合を例示する〕とで比
較したものである。図１９に示すように、上述の先行技
術のように筒内噴射型内燃機関において追加燃料噴射を
行なった場合、触媒中心温度が上昇して触媒が活性化す
るまでの時間は、従来のＭＰＩエンジンに比べて大きく
短縮させることが可能であるが、触媒が活性化するまで
は未燃ＨＣが大気中に放出されてしまうという事態には
変わりがない。さらに、主燃焼時に発生する未燃ＨＣに
加え、追加の燃料噴射に伴う未燃ＨＣも発生するので、
触媒が活性化するまでの未燃ＨＣの発生量は、従来のエ
ンジンよりも逆に増加してしまうという課題がある。
【００１３】特に、上述の先行技術のように膨張行程初
期から中期において追加の燃料噴射を行なった場合で
は、未燃ＨＣの発生量が多く、また、一部の追加燃料の
エネルギが筒内圧の上昇のために使われてしまい、この
筒内圧の上昇により出力トルクに変動が生じるととも
に、排ガス温度が大きく上昇せず触媒の活性化が進まな
いという課題もある。
【００１４】本発明は、このような課題に鑑み創案され
たもので、冷態始動時における触媒の早期活性化を図り
ながら、触媒活性化前の未燃焼ＨＣの排出を確実に低減
できるようにした、筒内噴射型内燃機関を提供すること
を目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】このため、請求項１記載
の本発明の筒内噴射型内燃機関では、主噴射制御手段に
より燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を駆動し
て、運転状態に応じて予混合燃焼又は層状燃焼を行なわ
せる。そして、排気通路内に設けられ排ガスの浄化を行
なう触媒の昇温が要求される場合には、追加燃料噴射制
御手段は、主噴射制御手段による燃料噴射弁駆動後の膨
張行程中期又はそれ以降に燃料噴射弁より追加燃料を噴
射させ、膨張行程後半から排気行程にかけて追加燃料を
燃焼させて、触媒に供給される排ガスを昇温させる。ま
た、排気マニホールドには容積部がそなえられており、
排ガスはこの容積部にて滞留し、燃え残った追加燃料を
再燃焼させる。
【００１６】請求項２記載の本発明の筒内噴射型内燃機
関では、請求項１記載の筒内噴射型内燃機関において、
容積部の容積は、追加燃料噴射の実行中に未燃ＨＣを再
燃焼でき、しかも、追加燃料噴射の終了後に排気ガス温
度低下を抑えられるように設定してもよい。 これによれ
ば、追加燃料噴射の実行中に容積部内に滞留する未燃Ｈ
Ｃと燃焼ガスとを混合させて効率よく未燃ＨＣを再燃焼
させて未燃ＨＣの排出を低減できると共に、追加燃料噴
射の終了後に排気ガス温度低下に伴う触媒の温度低下を
最小限に抑えることができるため、例えば冷態始動時及
び通常運転域に亘って未燃ＨＣの排出を最小とすること
ができる。
【００１７】請求項３記載の本発明の筒内噴射型内燃機
関では、請求項１記載の筒内噴射型内燃機関において、
排気マニホールドの容積部の全容積を内燃機関の排気量
の略０．５〜１．０倍の範囲に設定する。
【００１８】請求項３の実施態様として、内燃機関が複
数気筒群に分割された複数の気筒を含み、各気筒群毎の
排気マニホールドの容積部の容積が、それぞれ各気筒群
毎の排気量の略０．５〜１．０倍の範囲に、特に略０．
６〜０．９倍の範囲に設定されることが好ましい。この
実施態様によれば、効率よく未燃ＨＣを再燃焼させて未
燃ＨＣの排出を低減できる。
【００１９】これにより、排ガスはさらに昇温するとと
もに、追加燃料の燃え残りによるＨＣの排出が抑制され
る。
【００２０】
【発明の実施形態】以下、図面により、本発明の実施の
形態について説明する。まず、本発明の第１実施形態に
かかる筒内噴射型内燃機関の構成の概要について図１〜
図１１を参照して説明すると、本筒内噴射型内燃機関
は、図２に示すように、吸気，圧縮，膨張，排気の各行
程を一作動サイクル中にそなえる内燃機関、即ち４サイ
クルエンジンであって、火花点火式で、且つ、燃焼室内
に燃料を直接噴射する筒内噴射型内燃機関として構成さ
れる。
【００２１】燃焼室１には、吸気通路２および排気通路
３が連通しうるように接続されており、吸気通路２と燃
焼室１とは吸気弁４によって連通制御されるとともに、
排気通路３と燃焼室１とは排気弁５によって連通制御さ
れるようになっている。また、吸気通路２の上流には、
図示しないエアクリーナおよびスロットル弁が設けられ
ており吸気ポート１２は燃焼室１に対して比較的直立し
て接続されている。排気通路３には、各気筒の燃焼室１
から排出された排ガスを一つに集合させる排気マニホー
ルド１０が排気ポート１３に連接されており、排気マニ
ホールド１０の下流側には排気浄化装置６および図示し
ないマフラ (消音器）が設けられており、排気浄化装置
６の上流側には、排ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃
度センサ１４が設けられ、排気浄化装置６内には、排気
浄化装置６内の温度を検出する触媒温度センサ１５が設
けられている。また、インジェクタ（燃料噴射弁）８
は、その開口を燃焼室１に臨ませるように配置されてい
る。
【００２２】このような構成により、図示しないスロッ
トル弁の開度に応じて吸入された空気は、吸気弁４の開
放により吸気ポート１２から燃焼室１内に吸入され、電
子制御ユニット（ＥＣＵ）２０からの信号に基づいてイ
ンジェクタ８から直接噴射された燃料と混合される。そ
して、点火プラグ７の適宜のタイミングでの点火により
燃焼せしめられて、エンジントルクを発生させたのち、
排気弁５の開放により燃焼室１内から排出ガスとして排
気通路３へ排出され、排気浄化装置６で排出ガス中のＣ
Ｏ，ＨＣ，ＮＯx の３つの有害成分を浄化されてから、
マフラで消音されて大気側へ脱離されるようになってい
る。
【００２３】この排気浄化装置６は、ＮＯx 触媒６Ａと
三元触媒６Ｂとを組み合わせたものになっている。つま
り、空燃比がリーンの場合は、排ガス中にはＣＯ，ＨＣ
はほとんど含まれない一方でＮＯx 濃度は急増するが、
このＮＯx を、酸素過剰雰囲気で機能するＮＯx 触媒６
Ａにより吸着し、還元雰囲気（空燃比が理論空燃比又は
リッチな空燃比）で吸着したＮＯx を還元放出するよう
にしており、理論空燃比下では三元触媒６Ｂの三元機能
により排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯx を浄化するよう
にしているのである。このようにＮＯx 触媒６ＡがＮＯ
x 吸蔵型の触媒の場合、その上流に更に三元触媒を配置
してもよい。なお、ＮＯx 触媒６Ａは吸蔵型ＮＯx 触媒
ではなく酸素過剰雰囲気において選択的にＮＯx を還元
浄化する選択還元型ＮＯx 触媒を利用してもよい。
【００２４】また、本筒内噴射型内燃機関では、燃料噴
射の態様として、層状燃焼によるリーン運転を実現し燃
費を向上させるために圧縮行程中（特に、圧縮行程後
半）で燃料噴射を行なう後期噴射モードと、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
めに吸気行程中（特に吸気行程前半）に燃料噴射を行な
う前期噴射モードと、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、前期噴射モードより出力
を向上させるために吸気行程中に燃料噴射を行なうスト
イキオモードとが設けられており、運転状態に応じて選
択されるようになっている。
【００２５】本筒内噴射型内燃機関のＥＣＵ２０には、
図２に示すように、運転モード選択手段２４と燃料噴射
制御手段２５と点火時期制御手段２８が設けられてい
る。運転モード選択手段２４では、エンジン回転数Ｎｅ
及びエンジン負荷（ここでは、平均有効圧力Ｐｅとする
が、アクセル開度等も可）に応じて上述のような各運転
モードの中から一つを選択するようになっている。
【００２６】また、燃料噴射制御手段２５には、エンジ
ン出力を得るための通常の燃焼を行なうべく燃料を噴射
する通常燃料噴射制御手段（主噴射制御手段）２６と、
触媒６Ａ，６Ｂを活性化させるために、膨張行程中に追
加燃料を噴射するための追加燃料噴射制御手段２７とが
そなえられている。通常燃料噴射制御手段２６は、運転
モード選択手段２４で設定された運転モードに応じた燃
料噴射制御マップを選択して、この選択した燃料噴射制
御マップを用いて、エンジン回転数Ｎｅ及び平均有効圧
力Ｐｅに応じて、通常の燃焼を行なうための燃料噴射量
及び噴射時期（即ち、燃料噴射終了時期及び燃料噴射開
始時期）を設定する。
【００２７】なお、エンジン回転数Ｎｅにはエンジン回
転数センサ１６の検出情報（又は、演算情報）が用いら
れ、平均有効圧力Ｐｅはエンジン回転数Ｎｅ及びアクセ
ルポジションセンサ（ＡＰＳ）１７で検出されたアクセ
ル開度θの各情報から算出したものが用いられるように
なっている。追加燃料噴射制御手段２７は、不活性状態
にある触媒６Ａ，６Ｂを活性化させるために排ガスを昇
温させる目的で行なう追加の燃料噴射を制御するもので
あり、触媒温度センサ１５からの検出情報に基づいて、
触媒６Ａ，６Ｂが活性状態にあるか否かを判定し、触媒
６Ａ，６Ｂが活性状態にない場合に、追加燃料噴射を行
ない膨張行程中の低温酸化反応（この後に、詳述する）
により着火させるようになっている。
【００２８】つまり、触媒温度センサ１５により検出さ
れた触媒６Ａ，６Ｂ若しくはその近傍の温度（以下、触
媒温度という）Ｔｃが所定温度Ｔｃ0 以下であると検出
される場合に、触媒６Ａ，６Ｂが活性状態にないと判定
し、この判定に基づき、各気筒の膨張行程内に追加燃料
噴射を行なうように制御するものである。本筒内噴射型
内燃機関では、ＨＣの発生量やエンジンの出力トルクへ
の影響を考慮して各気筒の膨張行程中期近傍（クランク
角９０°±３０°）で噴射を終了する追加燃料噴射（膨
張行程噴射）を行なうようにしている。なお、所定温度
Ｔｃ0 は触媒６Ａ，６Ｂの活性化温度（触媒の活性化領
域の下限値）と対応させてもよい（即ち、所定温度Ｔｃ
0 ＝活性化温度）が、制御遅れを考慮すると所定温度Ｔ
ｃ0 ＝活性化温度＋αと、所定温度Ｔｃ0 を活性化温度
よりも適当温度αだけ高く設定することが望ましい。な
お、触媒温度センサ１５を用いず、機関の冷却水温と始
動後のタイマに基づいて追加燃料の噴射を行なうように
してもよい。
【００２９】また、点火時期制御手段２８は、通常燃料
噴射制御手段２６の燃料噴射制御に対応して点火プラグ
７の点火時期を制御するものであり、運転モード選択手
段２４で設定された運転モードに応じた点火時期制御マ
ップを選択して、この選択した点火時期制御マップを用
いて、エンジン回転数Ｎｅ及び平均有効圧力Ｐｅに応じ
て、通常燃料噴射制御手段２６の燃料噴射制御に対応し
た点火時期を設定するようになっている。
【００３０】ここで、本筒内噴射型内燃機関における上
記の主噴射から膨張行程噴射にかけての一連の燃料制御
について、図３を用いて説明する。運転モード選択手段
２４は、冷態始動時においてエンジンが低負荷・低回転
であれば、後期噴射モード、即ち、層状燃焼によるリー
ン運転を実現し燃費を向上させるための燃料噴射モード
を選択するようになっている。このため、圧縮行程の後
半に通常燃料噴射制御手段２６からインジェクタ８に燃
料噴射信号が入力される。インジェクタ８は、燃料噴射
信号が入力されている間、燃焼室１内に燃料を噴射する
が、この燃料噴射が主燃焼のための燃料噴射、即ち、主
噴射である。
【００３１】この間、燃焼室内１の混合気はクランク軸
の回転にともなうピストン９の上昇により圧縮され続け
ており、燃焼室内１の温度（筒内温度），圧力（筒内圧
力）はピストン９による燃焼室１内の混合気の圧縮比に
応じて上昇を続けている。そして、インジェクタ８から
の燃料噴射が終了した圧縮行程末期において、点火時期
制御手段２８から点火プラグ７へ点火信号が入力され、
点火プラグ７は点火信号をうけて、燃焼室１内の混合気
への点火を行なう。
【００３２】このとき、インジェクタ８から直接噴射さ
れた燃料は、吸気ポート１２から吸入された流入空気に
よる縦渦流（逆タンブル流）により、燃焼室１の頂部中
央に配設された点火プラグ７の近傍のみ集められるよう
になっている。このため、点火プラグ７の近傍のみが理
論空燃比又はリッチな空燃比となっており、逆に点火プ
ラグ７から離隔した部分では極めてリーンな空燃比状態
となっている。これにより、燃焼室１内全体の空燃比は
理論空燃比に比べて十分リーンな空燃比でありながら、
点火プラグ７により点火された燃焼室１内の混合気は安
定した層状燃焼（層状超リーン燃焼）を行なうことがで
きる。
【００３３】混合気の燃焼により、燃焼室１内の温度，
圧力は急激に上昇し、ピストン９の位置が上死点をわず
かに過ぎた所でともに最大となり、温度は１０００Ｋを
大きくこえる。また、この燃焼に伴う燃焼室１内の圧力
の上昇はエンジントルクとしてクランク軸より出力され
る。一方、ピストン９が上死点を越えると、圧縮行程か
ら膨張行程へと遷移するが、この膨張行程における圧縮
比の減少にともない、燃焼室１内の温度，圧力も下降し
ていき膨張行程中期近くでは、燃焼室１内の温度は１０
００Ｋを大きく下回ってしまう。
【００３４】触媒６Ａ，６Ｂを早期に活性化させるに
は、触媒６Ａ，６Ｂの中心温度を活性化温度（約５７０
Ｋ）まで上昇させる必要がある。したがって、触媒６
Ａ，６Ｂへ供給する排ガスの温度は、少なくともこの活
性化温度以上は必要である。ところが、主燃焼により燃
焼室１内の温度、即ち、燃焼ガスが１０００Ｋ以上の高
温に達したとしても、その後の膨張行程により燃焼ガス
の温度は体積の膨張にともないどんどん低下していくの
で、このままでは、活性化温度以上の高温の排ガスを触
媒６Ａ，６Ｂに供給することはできない。さらに、本筒
内噴射型内燃機関のように層状超リーン燃焼を行なう場
合には、混合気中の燃料は高効率で燃焼するので、膨張
行程中に燃え残りの燃料が燃焼して燃焼ガスが高温（活
性化温度以上）に維持されるということは期待できな
い。
【００３５】そこで、本筒内噴射型内燃機関では、触媒
温度センサ１５が検出した触媒温度Ｔｃが所定温度Ｔｃ
0 よりも低い場合は、膨張行程中期（クランク角が９０
°）付近又はやや過ぎた所で、追加燃料噴射制御手段２
７よりインジェクタ８へ追加燃料噴射信号を入力するよ
うになっている。この追加燃料噴射信号は先の主噴射の
ための燃料噴射信号よりも長めに設定されており、この
間、インジェクタ８は燃焼室１内へ追加燃料を直接噴射
を行なう。この追加燃料の噴射が再燃焼のための燃料噴
射、即ち、膨張行程噴射である。
【００３６】インジェクタ８から燃焼室１内へ直接噴射
された追加燃料は、点火プラグ７を再点火することなく
高温雰囲気により着火する。着火した追加燃料は、膨張
行程後半から排気行程にかけて主燃焼に比べて比較的低
温で燃焼し、燃焼室１内の温度を１０００Ｋを上回った
程度まで上昇させる。このとき、追加燃料の燃焼により
発生したエネルギーは燃焼室１内の圧力の上昇に変換さ
れることなく、専ら燃焼室１内の温度上昇に用いられ
る。したがって、この追加燃料によりエンジントルクが
変動することはない。
【００３７】上述のように、膨張行程の中期以降に噴射
された追加燃料が、高温雰囲気中で主燃焼により燃焼し
得ず燃焼に移行し易い状態まで反応が進行したリーン混
合気と混合されることで燃焼室内の特定位置の混合気が
自己着火を開始する。このような追加燃料の膨張行程の
中期以降の噴射により、膨張行程後半から排気行程にか
けて主燃焼に比べて比較的低温で燃焼する減少を低温酸
化反応と称する。
【００３８】そして、膨張行程が末期になったところで
排気弁５が開き、燃焼室１内から排気通路３へ１０００
Ｋ以上の高温の燃焼ガスが排出される。追加燃料噴射制
御手段２７は、触媒温度センサ１５で検出される触媒６
Ａ，６Ｂの温度（触媒温度）Ｔｃが、所定温度Ｔｃ0 を
上回るまで、膨張行程噴射による排ガスの昇温を行なう
ようになっている。
【００３９】ところで、前述したように、燃焼ガスが燃
焼室１内から排気ポート１３へ排出される際の排気通路
３は、排気弁５が開いた瞬間は非常に狭く、また、排気
弁開時初期の燃焼ガスの流速は非常に大きい。このた
め、冷態始動時のように雰囲気温度が低い場合に、燃焼
室１内で燃焼して高温となった燃焼ガスの一部は、排気
弁５が開いた直後の狭い排気通路をブローダウンガスと
ともに高速で流れ出る際に消炎してしまい、その結果、
燃え残った追加燃料はブローダウンガスとともに未燃Ｈ
Ｃとして排出されてしまう。
【００４０】そこで、本筒内噴射型内燃機関における排
気マニホールド１０は、例えば図４に示すような構成に
より、未燃ＨＣの再燃焼を図っている。ただし、ここで
は本筒内噴射型内燃機関は直列４気筒エンジンであるも
のとする。図４に示すように、各気筒の排気ポート１３
と連接する各連接部（マニホールド入口）１０ａからは
互いに独立した分岐部分１０Ｂが延びており、やがて１
つに合流して一定の径の集合部分１０Ｃとなり、マニホ
ールド出口１０ｃにおいて下流側の排気通路に連接され
るようになっている。そして、合流部分、即ち、各分岐
部分１０Ｂが合流を開始する合流開始部１０ｂから合流
を完了し集合部分１０Ｃとなる合流完了部１０ｄまでの
間の部分に容積部１０Ａが設けられている。つまり、排
気マニホールド１０は、従来の排気マニホールド（図１
６に示すパイプ連結型マニホールド）における各気筒の
排気ポートと末端の合流部とを結ぶ各パイプを一体化し
てクラムシェル型に形成したものである。
【００４１】容積部１０Ａは、図１（ａ），（ｂ）に示
すように、排気ポート１３から流入した排ガスが容積部
１０Ａの内壁面に略垂直に衝突するような内部形状とな
っており、排ガスはこの衝突や他の気筒との排気干渉，
排気脈動によって生じる差圧等により様々な流れを形成
したり、旋回流を形成したりするようになっている。ま
た、容積部１０Ａは、従来の排気マニホールドのパイプ
に比べて極めて大きな内部容積を有しており、これによ
り、容積部１０Ａ内に流入した排ガスは、そのままマニ
ホールド出口１０ｃへ吹き抜けてしまうことなく容積部
１０Ａ内に滞留するようになっている。
【００４２】なお、図１（ａ），（ｂ）に示す矢印は流
入した容積部１０Ａ内に排ガスの流れを模式的に示した
ものであり、ここでは、例えば第２気筒目〔図１（ｂ）
中左から２番目〕の排気ポート１３から排ガスが流入し
てきた場合を示している。上述のような容積部１０Ａの
形状により、ブローダウンガスは流速が大きいために容
積部１０Ａを拭き抜け易いが、ブローダウンガスととも
に排出される未燃ＨＣは、上述のようにブローダウンガ
スが排気干渉や排気脈動による差圧等で流速を失い、容
積部１０Ａ内に滞留するようになっている。容積部１０
Ａ内に滞留している未燃ＨＣは、容積部１０Ａ内に流入
する同一気筒、または合流部１０ｂで合流した他気筒か
らの排ガスと混合する。このとき、図３に示すように、
消炎していない排ガスの温度は１０００Ｋを越えてお
り、膨張行程噴射時の追加燃料の一部がまだ燃焼を続け
ている状態であるので、このような燃焼している排ガス
と混合することにより、容積部１０Ａ内に滞留している
未燃ＨＣは着火して燃焼を始めるのである。
【００４３】なお、燃焼しながら排気マニホールド１０
に流入する排ガスも同様に容積部１０Ａ内に滞留するこ
とになるが、容積部１０Ａ内で未燃ＨＣを再燃焼させる
ことにより燃焼反応が継続するので、酸化能力（燃焼
性）は維持され、触媒６Ａ，６Ｂを活性化状態にするた
めの燃焼熱を有効利用できるようになっている。このよ
うに、未燃ＨＣを燃焼している排ガスと混合させて再燃
焼させることにより、排気マニホールド１０より排出さ
れる未燃ＨＣの量は、図５に示すように低減されること
になる。
【００４４】図５において、クランク角は第１気筒にお
けるクランク角に対応しており、実線は、下よりそれぞ
れ、第１気筒〔図４（ｂ）中左側の気筒〕における点火
信号と燃料噴射信号と、それに伴う燃焼室１内の圧力変
化と、排気ポート１３のａ点（図４参照）における未燃
ＨＣの濃度を示している。また、破線は、マニホールド
出口１０ｃのｂ点（図４参照）における未燃ＨＣの濃度
を示しており、４つの山部は４気筒それぞれから排出さ
れる未燃ＨＣの濃度に対応している。この４つの山部の
内、クランク角が２７０°付近の山部が第１気筒から排
出された未燃ＨＣの濃度に対応している。
【００４５】つまり、図５に示すように、排気ポート１
３から排気マニホールド１０内に流入した排ガス中の未
燃ＨＣは、容積部１０Ａ内で再燃焼し、マニホールド出
口１０ｃから排出される時には、流入時よりも大幅にそ
の濃度を低下する（図５中の矢印参照）ようになってい
るのである。図６は、冷態始動時の触媒中心温度と排気
マニホールド出口におけるＨＣ濃度とを、排気マニホー
ルド（容積型マニホールド）１０をそなえた本筒内噴射
型内燃機関と図１６に示すパイプ連結型マニホールドを
そなえた従来の筒内噴射型内燃機関とで比較したもので
ある。なお、比較に際しては、両内燃機関は同エンジン
回転数のアイドリング状態で運転しているものとしてい
る。
【００４６】図６に示すように、本筒内噴射型内燃機関
では、未燃ＨＣの排出濃度は、当初こそパイプ連結型マ
ニホールドをそなえた従来の筒内噴射型内燃機関と同程
度であるが、その後急速に低下していき、始動後１０秒
を過ぎた頃にはほとんど０の状態となるようになってい
る。これは、図１８に示した従来のＭＰＩエンジンと比
較しても遙に低い濃度である。
【００４７】このように、従来の筒内噴射型内燃機関に
比べて未燃ＨＣの濃度が低減されるのは、未燃ＨＣを含
む排ガスが排気マニホールド１０を通過する際、温度が
高い状態のまま、その容積部１０Ａにて他の気筒から排
出された排ガスと混合し再燃焼するようになっているか
らである。さらに、未燃ＨＣの発生濃度をほとんど０と
することができるのは、容積部１０Ａ内が燃焼状態とな
っているところに新たに未燃ＨＣが流入すると、火炎伝
播により新たに流入した未燃ＨＣも再燃焼し、このよう
に、連鎖的に未燃ＨＣが燃焼することで容積部１０Ａ内
は常に燃焼状態に保たれるため、効率よく未燃ＨＣを再
燃焼させるようになっているからである。
【００４８】また、この結果、触媒６Ａ，６Ｂに供給さ
れる排ガスは、膨張行程中期で行なった追加燃料噴射に
よる温度上昇に加え、容積部１０Ａ内での未燃ＨＣの再
燃焼によりさらに温度が上昇するようになっている。こ
れにより、触媒６Ａ，６Ｂの排ガスによる暖機が加速さ
れ、従来の筒内噴射型内燃機関の数倍の速さで触媒６
Ａ，６Ｂの中心温度が上昇するようになっている。
【００４９】ところで、上述のように排気マニホールド
１０に容積部１０Ａを設けた場合、容積部１０Ａの分だ
け排気マニホールド１０は大型化し、熱容量が大きくな
るとともに表面積も拡大する。このため、排ガスの有す
る熱は排気マニホールド１０を介して大気中に放熱され
やすくなる。つまり、容積部１０Ａを設けることは、容
積部１０Ａ内での未燃ＨＣの再燃焼により排ガス温度を
上昇させる効果を持つと同時に、表面積の拡大に伴う放
熱量の増大という逆の効果も有しているのである。
【００５０】触媒６Ａ，６Ｂが活性化するまでの間は、
通常の燃料噴射に加えて追加の燃料が噴射されるため、
この追加燃料の燃焼と容積部１０Ａ内での未燃ＨＣの再
燃焼とによる排ガスの昇温の効果が大きく、容積部１０
Ａからの放熱が排ガス温度に与える影響は相対的に小さ
くなる。逆に、容積部１０Ａがある程度の大きさでなけ
れば、排気を滞留させ反応が十分行なわれるに足る時間
がとれないため、効率よく未燃ＨＣを再燃焼させること
ができなくなる。
【００５１】ところが、触媒６Ａ，６Ｂが活性化して追
加の燃料噴射が終了し、通常の燃料噴射制御のみとなっ
た場合、容積部１０Ａからの放熱が排ガス温度に与える
影響が大きくなり、排ガス温度は放熱に伴ない低下して
しまう。この放熱に伴なう排ガス温度の低下は、当然な
がら容積部１０Ａの容積を大きく設定するほど顕著にな
る。
【００５２】排ガス温度が低下すると、それに伴い触媒
６Ａ，６Ｂの触媒温度も低下する。特に、本筒内噴射型
内燃機関のように層状超リーン燃焼を行なう場合には、
混合気中の燃料は高効率で燃焼し熱効率が向上するた
め、排出ガスへの熱損失が低下し、排ガス温度は従来の
エンジンに比べると低下する。このため、容積部１０Ａ
からの放熱に伴う排ガス温度の低下が大きい場合、触媒
温度が活性化温度以下となって触媒６Ａ，６Ｂの浄化効
率が低下してしまう虞がある。
【００５３】したがって、容積部１０Ａの容積は、冷態
始動時において容積部１０Ａ内部に滞留する未燃ＨＣと
燃焼ガスとを混合させ、効率よく未燃ＨＣを再燃焼させ
て未燃ＨＣの排出を低減できるようにするとともに、追
加燃料噴射の終了後の排ガス温度の低下に伴う触媒６
Ａ，６Ｂの浄化効率の低下を最小限に抑えることができ
るように設定する必要がある。逆に言えば、そのように
容積部１０Ａの容積を設定することにより、冷態始動時
から通常運転時にかけての全体としての未燃ＨＣの排出
を最小にすることができるようになる。
【００５４】ここで、図７〜図９は、未燃ＨＣの排出量
に対する容積部１０Ａの容積設定の影響について示すも
のであり、容積部１０Ａの容積をエンジン排気量に対す
る比（α＝容積部容積／エンジン排気量）として表した
場合、図７及び図８中のＡ線はα＝１．３，Ｂ線はα＝
１．０，Ｃ線はα＝０．８，Ｄ線はα＝０．６，Ｅ線は
α＝０．４の場合を示している。なお、容積部１０Ａの
容積としては、図１０（ａ）〜（ｃ）に示すように、排
気マニホールド１０における合流部分、即ち、排気マニ
ホールド１０において上流側の各気筒毎に分岐した分岐
部分１０Ｂと下流側の通路が最も絞られた集合部分１０
Ｃを除いた部分〔図１０（ａ）〜（ｃ）中にスマッジン
グを施した部分〕の容積を指している。
【００５５】まず、図７は、冷態始動時における触媒温
度（触媒中心温度）と排気マニホールド出口における未
燃ＨＣの積算値とをエンジン回転数と対応させて時間経
過に伴う変化を示したものである。図７に示すように、
触媒温度は、比αが大きい程、即ち、容積部１０Ａの容
積が大きい程、容積部１０Ａの大型化に伴う表面積の拡
大により、排ガスの容積部１０Ａからの放熱が促進さ
れ、排ガス温度が低下してしまう。
【００５６】このため、Ａ線（α＝１．３）とＢ線（α
＝１．０）とを比較して分かるように、容積部１０Ａが
Ｂ線を越えるようなある程度の容積以上となると、表面
積の拡大に伴う排ガス温度の低下の影響が大きくなり、
触媒温度の昇温が遅くなるため、αは１．０と同等もし
くは１．０より小さいほうが好ましい。一方、排気マニ
ホールド出口における未燃ＨＣの積算値は、容積部１０
Ａの容積がある程度以上確保されている方が低下する傾
向になっている。これは、容積部１０Ａ内に滞留する未
燃ＨＣと燃焼ガスとを上手く混合させ反応させるには、
容積部１０Ａにはある程度の容積が必要なためであり、
容積不足の場合には混合による未燃ＨＣの再燃焼が促進
されず、未燃ＨＣがそのまま排出されてしまうことにな
るためである。
【００５７】ただし、Ａ線（α＝１．３）とＢ線（α＝
０．８）とを比較して分かるように、容積部１０Ａがあ
る程度の容積以上となると、容積部１０Ａ内に無駄な空
間が生じることになり、却って滞留する未燃ＨＣと燃焼
ガスとの混合の効率が低下し、また、表面積の拡大に伴
う排ガス温度の低下の影響が大きくなり、逆に未燃ＨＣ
の排出量は増加することになる。
【００５８】次に、図８は、図７の冷態始動時から車速
を所定のモードで変化させながら運転した場合のテール
パイプ出口における未燃ＨＣの積算排出量を比較したも
のである。図８に示すように、テールパイプ出口におけ
る未燃ＨＣの積算排出量は、Ｃ線（α＝０．８），Ｄ線
（α＝０．６）が低い値を示している。これは、図７に
示したように、Ｃ線の場合、冷態始動時において発生す
る未燃ＨＣが、容積部１０Ａ内での再燃焼により低減さ
れるためであり、Ｄ線の場合は、容積部での反応がＣ線
より少ないものの容積部からの放熱量が少なく温態時の
触媒温度を高く保てるためである。
【００５９】ところが、Ａ線（α＝１．３）とＥ線（α
＝０．４）とは未燃ＨＣの積算排出量が高い値を示して
いる。これは、Ａ線の場合、図７に示したように、容積
部１０Ａの容積がある程度以上となると、触媒の昇温が
遅く触媒６Ａ，６Ｂの浄化効率が早期に向上しないため
である。また、Ｅ線の場合、容積部１０Ａの容積が小さ
いので、触媒昇温効果は容積が大きい場合に比して高い
が、容積が小さいため容積部１０Ａ内に滞留する未燃Ｈ
Ｃと燃焼ガスとの混合が十分でなく未燃ＨＣの再燃焼の
効率が悪化し、エキマニ出口の未燃ＨＣ排出量が増大し
てしまうからである。
【００６０】この容積部１０Ａの容積の大きさと冷態始
動時から所定走行モードに至るまでの全体の未燃ＨＣの
排出量の関係を示したものが図９であり、図９には、容
積部１０Ａの容積の大きさ〔α（α＝容積部容積／エン
ジン排気量）の大きさ）とある運転時間後におけるテー
ルパイプ出口における未燃ＨＣの積算排出量との関係を
示している。
【００６１】図９に示すように、αの値が０．５より小
さくなったり、１．０より大きくなったりすると急激に
テールパイプ積算ＨＣが増大するため、未燃ＨＣの積算
排出量を十分に低い値に抑制するには、容積部１０Ａの
容積をエンジン排気量の０．５〜１．０倍（α＝０．５
〜１．０）に設定することが適当であることが分かる。
そこで、本筒内噴射型内燃機関では、容積部１０Ａの容
積をエンジン排気量に対して０．５〜１．０倍に設定す
るようになっている。さらに未燃ＨＣの排出抑制を厳し
く行なうには、例えば、比αの値を０．６〜０．９又は
０．７〜０．８程度の範囲で設定することが望ましい。
ただし、この比αの設定範囲は、一つの基準とはなるが
必ずしも厳密なものではなく、エンジンや触媒の種類や
排出ＨＣの目標レベル等によって若干変化するものであ
る。
【００６２】本発明の第１実施形態にかかる筒内噴射型
内燃機関は、上述のように構成されているので、冷態始
動時の運転は次のようにして行なわれる。まず、エンジ
ン始動時、ＥＣＵ２０の運転モード選択手段２４は、層
状燃焼によるリーン運転を実現し燃費を向上させるため
の後期噴射モードを選択する。通常燃料噴射制御手段２
６は、運転モード選択手段２４の選択に応じて、圧縮行
程後半に主燃焼のための燃料噴射を行なわせるべくイン
ジェクタ８に燃料噴射信号を入力する。
【００６３】インジェクタ８は、燃料噴射信号が入力さ
れている間、燃焼室１内に主燃焼のための燃料を直接噴
射する。インジェクタ８から直接噴射された燃料は、吸
気ポート１２から吸入された流入空気による縦渦流（逆
タンブル流）により、燃焼室１の頂部中央に配設された
点火プラグ７の近傍のみ集められる。そして、インジェ
クタ８からの燃料噴射が終了した圧縮行程末期におい
て、点火時期制御手段２８は点火プラグ７へ点火信号を
入力し、点火プラグ７は燃焼室１内の混合気への点火を
行なう。点火プラグ７により点火された燃焼室１内の混
合気は安定した層状超リーン燃焼を行なう。この主燃焼
により上昇した燃焼室１内圧力は、ピストン９を押し下
げ、クランク軸よりエンジントルクとして出力される。
【００６４】このとき、触媒温度センサ１５で検出され
る排気浄化装置６内の温度（触媒温度）Ｔｃが、所定温
度Ｔｃ0 よりも低い場合、追加燃料噴射制御手段２７
は、膨張行程中期付近でインジェクタ８へ追加燃料噴射
信号を入力する。この追加燃料噴射信号をうけてインジ
ェクタ８は燃焼室１内へ追加燃料を直接噴射する。イン
ジェクタ８から燃焼室１内へ直接噴射された追加燃料
は、点火プラグ７を再点火することなく膨張行程中の低
温酸化反応により点火され、膨張行程後半から排気行程
にかけて主燃焼に比べて比較的低温で燃焼し、燃焼室１
内の温度を１０００Ｋを上回った程度に上昇させる。
【００６５】膨張行程が末期になったところで排気弁５
を開き、燃焼室１内から排気ポート１３へ高温の燃焼ガ
スを排出する。このとき、燃焼ガスの一部は排気弁５が
開いた直後の狭い排気通路３をブローダウンガスとして
高速で流れ出る際に消炎してしまい、燃え残った追加燃
料はブローダウンガスとともに未燃ＨＣとして排気ポー
ト１３へ排出される。
【００６６】燃焼室１から排気ポート１３へ排出された
ブローダウンガスは、排気ポート１３から排気マニホー
ルド１０へ流入し、排気干渉や排気脈動による差圧等に
よりブローダウンガスとともに排出された未燃ＨＣは、
失速して方向性を失い、様々な流れを形成したり旋回流
を形成したりして容積部１０Ａ内に滞留する。容積部１
０Ａには、続いて排出される同一気筒からの排ガスや合
流部１０ｂで合流した他気筒からの排ガスが連続して流
入し、容積部１０Ａ内に滞留している未燃ＨＣは、これ
らの排ガスと混合する。このとき、消炎せず膨張行程噴
射時の追加燃料の一部がまだ燃焼を続けている排ガスも
あり、このような燃焼している排ガスと混合することに
より、容積部１０Ａ内に滞留している未燃ＨＣは再び燃
焼を始める。
【００６７】さらに、未燃ＨＣの再燃焼により容積部１
０Ａ内が燃焼状態となっているところに続いて未燃ＨＣ
が流入してくると、新たに流入した未燃ＨＣも再燃焼す
る。そして、容積部１０Ａ内に流入してくる未燃ＨＣは
連鎖的に燃焼し、容積部１０Ａ内は常に燃焼状態に保た
れる。これにより、排ガス中の未燃ＨＣはほぼ燃焼しつ
くされるとともに、未燃ＨＣの燃焼により排ガスの温度
はさらに上昇する。
【００６８】こうして、膨張行程噴射により昇温されて
排出された排ガスが、排気マニホールド１０内での未燃
ＨＣの再燃焼によりさらに昇温された上で、排気浄化装
置６の触媒６Ａ，６Ｂに供給され、触媒６Ａ，６Ｂの中
心温度を上昇させていく。そして、触媒温度センサ１５
が検出した排気浄化装置６内の温度（触媒温度）Ｔｃが
所定温度Ｔｃ0 を上回ったとき、追加燃料噴射制御手段
２７は、触媒６Ａ，６Ｂが活性化状態になったものと判
断して膨張行程噴射を停止する。
【００６９】このように、本筒内噴射型内燃機関によれ
ば、触媒温度センサ１５で検出される触媒６Ａ，６Ｂの
中心温度が活性化温度よりも低い場合は、追加燃料噴射
制御手段２７が、膨張行程中期において主燃焼のための
燃料噴射とは別の追加の燃料噴射を行ない、主燃焼時の
火炎伝播により追加の燃料を燃焼させるので、膨張行程
において低下してきた燃焼ガスの温度を再び昇温するこ
とができ、この高温の燃焼ガスを触媒６Ａ，６Ｂに供給
して触媒６Ａ，６Ｂの早期活性化を図ることができると
いう利点がある。
【００７０】また、燃焼ガスの一部は、排気弁５が開い
た直後の燃焼室１と排気ポート１３との間の狭い排気通
路３を、ブローダウンガスとして高速で流れ出る際に消
炎してしまい、燃え残った追加燃料はブローダウンガス
とともに未燃ＨＣとして排出されてしまうが、排気マニ
ホールド１０には、流入した未燃ＨＣを滞留させる容積
部１０Ａがそなえられているので、滞留した未燃ＨＣと
燃焼を続けている排ガスとをこの容積部１０Ａ内で混合
させ、未燃ＨＣを再燃焼させることができる。
【００７１】この容積部１０Ａ内での未燃ＨＣの再燃焼
により、排ガス中の未燃ＨＣの濃度を大幅に低減するこ
とができ、従来からの課題であった触媒６Ａ，６Ｂが活
性化状態になるまでの大気中への未燃ＨＣの排出を大幅
に低減することができるという利点がある。また、未燃
ＨＣのみならず、スートも高温の排ガスに取り込んで燃
焼させることができるので、スートの発生も大幅に低減
することができるという利点もある。
【００７２】さらに、容積部１０Ａ内での未燃ＨＣの再
燃焼により、膨張行程中期における追加の燃料噴射によ
り昇温された排ガスをさらに昇温させることができ、触
媒６Ａ，６Ｂの暖機を加速してさらに活性化を早めるこ
とができるという利点がある。これにより、熱的に厳し
い排気マニホールド付近への触媒設置や高コストな電気
加熱触媒は必要なく、従来の排気浄化装置（床下触媒）
のみで対応することができるのである。
【００７３】特に、本筒内噴射型内燃機関では、容積部
１０Ａの容積をエンジン排気量の略０．５〜１．０倍の
範囲に設定しているので、冷態始動時において容積部１
０Ａ内部に滞留する未燃ＨＣと燃焼ガスとを混合させ、
効率よく未燃ＨＣを再燃焼させて未燃ＨＣの排出を低減
できるとともに、触媒温度の活性化温度以下への低下を
防止することができ、これにより、冷態始動時から通常
運転時にかけての全体としての未燃ＨＣの排出を最小レ
ベルまで低減することができるという利点もある。
【００７４】また、本筒内噴射型内燃機関では、排気マ
ニホールド１０を表裏２つの部材を張り合わせて形成さ
れるクラムシェル型とし、その合流部分を容積部１０Ａ
としているので、容易かつ低コストで上記の効果を得る
ことができるという利点もある。
【００７５】ところで、図４，図１に示す排気マニホー
ルド１０の形状は、あくまでも一例であり、排気ポート
１３から流入してきた排ガスが流れを乱して容積部１０
Ａ内で滞留するような構成であればよい。したがって、
例えば以下に説明する第２実施形態や第３実施形態にか
かる筒内噴射型内燃機関の排気マニホールドのように構
成することも可能である。
【００７６】まず、本発明の第２実施形態にかかる筒内
噴射型内燃機関の排気マニホールドの構成について説明
すると、図１２（ａ），（ｂ）に示すように、排気マニ
ホールド３０は、容積部３０Ａの形状を円筒型にしたも
のであり、その円筒型の容積部３０Ａの側面中央に合流
開始部３０ｂが連接するような形状となっている。この
ような形状により、容積部３０Ａ内に流入した排ガス
は、合流開始部３０ｂから容積部３０Ａの直径方向に流
れた後、合流開始部３０ｂと反対側の内側面に衝突する
ようになっている。そして、容積部３０Ａの内側面に衝
突した排ガスは、容積部３０Ａの上側を旋回しながら筒
長方向に拡散していく流れや下側を旋回しながら筒長方
向に拡散していくような流れを形成し、容積部３０Ａ内
に滞留するようになっている。なお、容積部３０Ａの容
積は、第１実施形態と同様にエンジン排気量の略０．５
〜１．０倍に設定することが望ましい。
【００７７】本発明の第２実施形態にかかる筒内噴射型
内燃機関の排気マニホールドは、上述のように構成され
ているので、各気筒の排気ポート１３から排気マニホー
ルド３０の容積部３０Ａ内に流入したブローダウンガス
は、合流開始部３０ｂから容積部３０Ａの直径方向に流
れた後、合流開始部３０ｂと反対側の内側面に垂直に衝
突する。この衝突によりブローダウンガスとともに排出
された未燃ＨＣは、失速して方向性を失い、容積部３０
Ａの上側を旋回しながら筒長方向に拡散していく流れや
下側を旋回しながら筒長方向に拡散していくような流れ
を形成し、容積部３０Ａ内に滞留する。
【００７８】これにより、第１実施形態の排気マニホー
ルド１０と同様に、容積部３０Ａ内に滞留した未燃ＨＣ
と燃焼を続けている排ガスとを混合させ、未燃ＨＣを再
燃焼させることができる。さらに、容積部３０Ａ内に流
入したブローダウンガスは内側面に垂直に衝突するの
で、未燃ＨＣの失速度が大きく容積部３０Ａ内に滞留し
やすく、また、容積部３０Ａは第１実施形態の排気マニ
ホールド１０の容積部１０Ａよりも大容量なので、未燃
ＨＣがブローダウンガスとともに排気マニホールド３０
内を吹き抜けてしまうことを抑制することができるとい
う利点がある。
【００７９】次に、本発明の第３実施形態にかかる筒内
噴射型内燃機関の排気マニホールドの構成について説明
すると、図１３（ａ），（ｂ）に示すように、排気マニ
ホールド４０は、第２実施形態の排気マニホールド３０
と同様に容積部４０Ａの形状を円筒型にしたものであ
り、その円筒型の容積部４０Ａの側面上部に合流開始部
４０ｂが連接するような構成となっている。このため、
容積部４０Ａ内に流入した排ガスは、容積部４０Ａの内
側面に沿って円周方向に旋回しながら、円筒の筒長方向
に拡散していくような流れを形成し、容積部４０Ａ内に
滞留するようになっている。なお、容積部４０Ａの容積
は、第１実施形態と同様にエンジン排気量の０．５〜
１．０倍に設定することが望ましい。
【００８０】本発明の第３実施形態にかかる筒内噴射型
内燃機関の排気マニホールドは、上述のように構成され
ているので、各気筒の排気ポート１３から排気マニホー
ルド４０の容積部４０Ａ内に流入したブローダウンガス
は、容積部４０Ａの内側面に沿って円周方向に旋回しな
がら、円筒の筒長方向に拡散していくような流れを形成
し、ブローダウンガスとともに排出された未燃ＨＣは容
積部４０Ａ内に滞留する。
【００８１】これにより、第１実施形態の排気マニホー
ルド１０や第２実施形態の排気マニホールド３０と同様
に、容積部４０Ａ内に滞留した未燃ＨＣと燃焼を続けて
いる排ガスとを混合させ、未燃ＨＣを再燃焼させること
ができる。さらに、容積部４０Ａ内の未燃ＨＣは、内側
面に沿った円周方向の旋回流を形成するので、容積部４
０Ａ内に均等に滞留し、より効率的に燃焼を続けている
排ガスとの混合が行われるという利点がある。
【００８２】さらに、以下に説明する第４実施形態のよ
うに、排気マニホールドを従来のパイプ連結型マニホー
ルドとこの下流に連接した合流部とから構成して、連接
した合流部内にフロント触媒を設け、合流部内のフロン
ト触媒よりも上流側に容積部を設けるようにしてもよ
い。本発明の第４実施形態にかかる筒内噴射型内燃機関
の構成について説明すると、図１４（ａ），（ｂ）に示
すように、本筒内噴射型内燃機関では、排気マニホール
ド本体（パイプ連結型マニホールド）４５の下流には中
間部を拡径させた合流部４６が設けられ、これらの排気
マニホールド本体４５，合流部４６から排気マニホール
ド４７が構成されている。そして、合流部４６内には、
ＦＣＣ（フロント触媒）４８が設けられており、合流部
４６内のこのＦＣＣ４８の上流側は、容積を拡張された
容積部４６Ａとして形成されている。そして、この容積
部４６Ａ内にて未燃ＨＣを再燃焼させるようになってい
る。
【００８３】このようにＦＣＣ４８の直前で未燃ＨＣを
再燃焼させることにより、再燃焼した排ガスが触媒に到
達するまでの外部への放熱による熱エネルギーのロスを
低減し、より多くの熱エネルギーをＦＣＣ４８の昇温に
用いることができるようになる。その結果、再燃焼によ
る未燃ＨＣの低減とともに、ＦＣＣ４８の早期活性化が
可能になるという利点がある。
【００８４】なお、排気浄化装置（床下触媒）の構成と
しては、図２に示したような、前方にＮＯx 触媒６Ａを
配置し、後方に三元触媒６Ｂを配置する構成に限定され
ず、例えば、ＮＯx 触媒のＮＯx の吸着，放出特性に応
じて、図１１（ａ）に示すように、ＮＯx 触媒の機能と
三元触媒の機能とを含む触媒を一つ配置する構成や、図
１１（ｃ）に示すように、前方に三元触媒を配置し、後
方にＮＯx 触媒を配置する構成や、さらに、図１１
（ｄ）に示すように、ＮＯx 触媒を挟んで前後に三元触
媒を配置するような構成でもよい。なお、図１１（ｂ）
に示す構成は図２に示したものと同一である。
【００８５】また、第１〜第３実施形態にかかる筒内噴
射型内燃機関についても、第４実施形態と同様に排気マ
ニホールドの下流にフロント触媒を設けてもよい。例え
ば、図１５は、第１実施形態の排気マニホールド１０の
排気マニホールド１０ｃにＦＣＣ（フロント触媒）４８
を連設したものである。ここでは、合流完了部１０ｄか
ら排気マニホールド１０ｃまでの距離（集合部分１０Ｃ
の長さ）を短くして（図１５では略０としている）、排
気マニホールド１０の容積部１０ＡとＦＣＣ４８の上流
側の容積部４６Ａとで一つの容積部を形成するようにな
っている。この場合、排気マニホールド１０内での混合
を促進し、反応のための滞留時間が得られるため、未燃
ＨＣの低減とＦＣＣ４８の早期活性化が可能になるとい
う利点がある。
【００８６】また、本発明は上述した各実施形態に限定
されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で
種々変形して実施することができることは言うまでもな
い。例えば、本実施形態では直列４気筒エンジンの場合
について述べてきたが、他の多気筒エンジンでももちろ
ん可能であり、例えば、Ｖ型エンジン（例えばＶ型６気
筒）の場合は、片バンク（Ｖ型６気筒ならそのうちの３
気筒）毎に、上述のような容積部を有した排気マニホー
ルドをそなえるようにすればよい。
【００８７】なお、容積部の容積の設定基準となるエン
ジン排気量は、各排気マニホールドが分担する気筒の排
気量の和であり、直列４気筒エンジンのように排気マニ
ホールドが一つの場合には全気筒の排気量の和である
が、Ｖ型６気筒エンジンのように排気マニホールドが片
バンクずつ設けられている場合には、片バンクの気筒の
排気量の和（３気筒分の排気量の和）となる。
【００８８】
【発明の効果】以上詳述したように、請求項１記載の本
発明の筒内噴射型内燃機関によれば、膨張行程中に噴射
される追加燃料が再燃焼することで高温の排ガスを触媒
へ供給することができる。
【００８９】さらに、排気マニホールドにおいて、高温
の排ガスを容積部で滞留させることで、排ガスとともに
流入した未燃ＨＣを再燃焼させることができ、触媒が活
性化状態になるまでの大気中への未燃ＨＣの排出を大幅
に低減することができる。さらに、容積部内での未燃Ｈ
Ｃの再燃焼により、膨張行程中の追加燃料の噴射により
昇温された排ガスをさらに昇温させることができ、触媒
の昇温を早めることもできる。さらに、追加燃料のエネ
ルギーの一部が筒内圧上昇のために使われることがな
く、好適に排気昇温を図ることができ、未燃ＨＣの排出
をより抑制することが可能となる。
【００９０】請求項２記載の本発明の筒内噴射型内燃機
関によれば、追加燃料噴射の実行中に容積部内に滞留す
る未燃ＨＣと燃焼ガスとを混合させて効率よく未燃ＨＣ
を再燃焼させて未燃ＨＣの排出を低減できると共に、追
加燃料噴射の終了後に排気ガス温度低下に伴う触媒の温
度低下を最小限に抑えることができるため、例えば冷態
始動時及び通常運転域に亘って未燃ＨＣの排出を最小と
することができる。請求項３記載の本発明の筒内噴射型
内燃機関によれば、排気マニホールドの容積部の全容積
を内燃機関の排気量の略０．５〜１．０倍の範囲に設定
しているので、効率よく未燃ＨＣを再燃焼させて未燃Ｈ
Ｃの排出を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる筒内噴射型内燃
機関の排気マニホールド内の排ガスの流れを示す模式図
であり、（ａ）は側面から見た排ガスの流れを示す図、
（ｂ）は正面から見た排ガスの流れを示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態にかかる筒内噴射型内燃
機関の構成を制御系統とともに示す模式図である。
【図３】本発明の第１実施形態にかかる筒内噴射型内燃
機関の点火信号，燃料噴射信号のタイミングとそれに伴
う筒内温度，筒内圧力の変化をピストン位置との関係で
示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態にかかる筒内噴射型内燃
機関の排気マニホールドの構成を示す模式図であり、
（ａ）は側面から見た図、（ｂ）は正面から見た図であ
る。
【図５】本発明の第１実施形態にかかる筒内噴射型内燃
機関の点火信号，燃料噴射信号のタイミングとそれに伴
う未燃ＨＣ濃度，筒内圧力の変化をクランク角との関係
で示す図である。
【図６】本発明の第１実施形態にかかる筒内噴射型内燃
機関の冷態始動時の触媒中心温度，未燃ＨＣ濃度の時間
変化を示す図である。
【図７】本発明の第１実施形態にかかる筒内噴射型内燃
機関の冷態始動時の触媒中心温度，未燃ＨＣの積算排出
量の時間変化と排気マニホールドの容積部の容積との関
係を示す図である。
【図８】本発明の第１実施形態にかかる冷態始動から車
速を所定のモードで変化させた場合の筒内噴射型内燃機
関の未燃ＨＣの積算排出量の時間変化と排気マニホール
ドの容積部の容積との関係を示す図である。
【図９】本発明の第１実施形態にかかる筒内噴射型内燃
機関の未燃ＨＣの積算排出量と排気マニホールドの容積
部の容積の大きさα（α＝容積部容積／エンジン排気
量）との関係を示す図である。
【図１０】本発明の第１実施形態にかかる筒内噴射型内
燃機関の排気マニホールドの容積部について説明するた
めの図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、
（ｃ）は側面図である。
【図１１】本発明の第１実施形態にかかる筒内噴射型内
燃機関の触媒の配置例を示す図であり、（ａ）は三元機
能付きＮＯx 触媒を配置した図、（ｂ）はＮＯx 触媒の
下流側に三元触媒を配置した図、（ｃ）はＮＯx 触媒の
上流側に三元触媒を配置した図、（ｄ）はＮＯx 触媒の
上流，下流それぞれに三元触媒を配置した図である。
【図１２】本発明の第２実施形態にかかる筒内噴射型内
燃機関の排気マニホールド内の排ガスの流れを示す模式
図であり、（ａ）は側面から見た排ガスの流れを示す
図、（ｂ）は正面から見た排ガスの流れを示す図であ
る。
【図１３】本発明の第３実施形態にかかる筒内噴射型内
燃機関の排気マニホールド内の排ガスの流れを示す模式
図であり、（ａ）は側面から見た排ガスの流れを示す
図、（ｂ）は正面から見た排ガスの流れを示す図であ
る。
【図１４】本発明の第４実施形態にかかる筒内噴射型内
燃機関の排気マニホールドの構成を示す模式図であり、
（ａ）は正面から見た図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視
断面図である。
【図１５】本発明の第１実施形態にかかる筒内噴射型内
燃機関の排気マニホールドの変形例を示す模式図であ
り、（ａ）は正面から見た図、（ｂ）は（ａ）のＡ′−
Ａ′矢視断面図である。
【図１６】燃焼室から流出する排ガスの流速と、発生す
る未燃ＨＣ濃度とをクランク角との関係で示す図であ
る。
【図１７】従来の筒内噴射型内燃機関の排気マニホール
ドの構成を示す模式図であり、（ａ）は側面から見た
図、（ｂ）は正面から見た図である。
【図１８】従来の筒内噴射型内燃機関の点火信号，燃料
噴射信号のタイミングとそれに伴う未燃ＨＣ濃度，筒内
圧力の変化をクランク角との関係で示す図である。
【図１９】従来の筒内噴射型内燃機関の冷態始動時の触
媒中心温度，未燃ＨＣ濃度の時間変化を示す図である。
【符号の説明】
１ 燃焼室 ３ 排気通路 ６ 排気浄化装置 ６Ａ ＮＯx 触媒（触媒） ６Ｂ 三元触媒（触媒） ７ 点火プラグ ８ インジェクション（燃料噴射弁） １０，３０，４０ 排気マニホールド（容積型マニホー
ルド） ４５ 排気マニホールド本体（パイプ連結型マニホール
ド） ４７ 排気マニホールド ４８ ＦＣＣ（フロント触媒） １０Ａ，３０Ａ，４０Ａ，４６Ａ 容積部 １３ 排気ポート １５ 触媒温度センサ ２０ ＥＣＵ ２５ 燃料噴射制御手段 ２６ 通常燃料噴射制御手段（主噴射制御手段） ２７ 追加燃料噴射制御手段 ２８ 点火時期制御手段
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｄ 41/02 ＺＡＢ Ｆ０２Ｄ 41/02 ＺＡＢ 41/34 41/34 Ｈ Ｆ０２Ｍ 45/02 ＺＡＢ Ｆ０２Ｍ 45/02 ＺＡＢ (72)発明者 中根 一芳 東京都港区芝五丁目33番８号 三菱自動 車工業株式会社内 (72)発明者 佐藤 広信 東京都港区芝五丁目33番８号 三菱自動 車工業株式会社内 (72)発明者 竹村 純 東京都港区芝五丁目33番８号 三菱自動 車工業株式会社内 (72)発明者 安東 弘光 東京都港区芝五丁目33番８号 三菱自動 車工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平１−273818（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−100638（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−169107（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F01N 7/10 F01N 3/20 ZAB F01N 3/24 ZAB F02D 41/02 325 F02D 41/02 ZAB F02D 41/34 F02M 45/02 ZAB

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内燃機関の排気通路内に設けられ排ガス
    の浄化を行なう触媒と、 燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、 運転状態に応じて予混合燃焼又は層状燃焼を行なうよう
    該燃料噴射弁の駆動を制御する主噴射制御手段と、 該触媒の昇温が要求される場合、該主噴射制御手段によ
    る該燃料噴射弁駆動後の膨張行程中に該燃料噴射弁より
    追加燃料を噴射させる追加燃料噴射制御手段と、 該燃焼室から排出された排ガスを滞留させる容積部を有
    する排気マニホールドとをそなえ、 該追加燃料噴射制御手段は、高温雰囲気で自己着火を開
    始するように膨張行程中期又はそれ以降で追加燃料を噴
    射させることによって、膨張行程後半から排気行程にか
    けて追加燃料を燃焼させる ことを特徴とする、筒内噴射
    型内燃機関。
  2. 【請求項２】 該排気マニホールドの該容積部は、追加
    燃料噴射の実行中に未燃ＨＣを再燃焼でき、しかも、追
    加燃料噴射の終了後に排気ガス温度の低下を抑えられる
    ような容積に設定されていることを特徴とする、請求項
    １記載の筒内噴射型内燃機関。
  3. 【請求項３】 該排気マニホールドの該容積部の全容積
    が、該内燃機関の総排気量の略０．５〜１．０倍の範囲
    に設定されていることを特徴とする、請求項１又は２に
    記載の筒内噴射型内燃機関。
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