(57)【要約】【課題】筒内噴射式の内燃機関で冷間始動時の排気ガス浄化性能と燃焼安定性を両立させることができる内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】本発明は、内燃機関（１）の燃焼室（１２）内に燃料を直接噴射する燃料噴射部（１７）と、燃料噴射を制御する燃料噴射制御部（５１）とを備えた内燃機関の制御装置であって、内燃機関の冷間始動時に、吸気行程で行う第１噴射（ＦＡ１）と、圧縮行程で行う第２噴射（ＦＡ２）とに分割して燃料噴射部からの燃料噴射を行う。第１噴射と第２噴射の燃料噴射量の割合に関し、燃焼安定性を優先させた第１割合（Ｒ１）と、排気中の微粒子数低減を優先させた第２割合（Ｒ２）とを設定し、第２割合で燃料噴射しているときに燃焼の不安定が検出されると、第２割合から第１割合に切り替えて燃料噴射を行う。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射部と、前記燃料噴射部からの燃料噴射期間または燃料噴射量を制御可能な燃料噴射制御部とを備えた内燃機関の制御装置であって、
内燃機関の冷間始動時に、吸気行程で行う第１噴射と、圧縮行程で行う第２噴射とに分割して前記燃料噴射部からの燃料噴射を行い、
前記第１噴射と前記第２噴射の燃料噴射量の割合に関し、燃焼安定性を優先させた第１割合と、前記第１割合よりも前記第２噴射の燃料噴射量の割合が少なく排気中の微粒子数低減を優先させた第２割合とを設定し、
前記第２割合で燃料噴射しているときに燃焼の不安定が検出されると、前記第２割合から前記第１割合に切り替えて燃料噴射を行うことを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
内燃機関の冷間始動時に、最初に前記第１割合での燃料噴射を行い、続いて前記第１噴射の燃料噴射量を徐々に増やし前記第２噴射の燃料噴射量を徐々に減らす徐変期間を経て、前記第２割合での燃料噴射を行い、
前記第２割合で燃料噴射しているときに燃焼の不安定が検出されると、前記徐変期間よりも急速に前記第１噴射の燃料噴射量と前記第２噴射の燃料噴射量を変化させて前記第１割合に切り替えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
燃焼の不安定が検出されて前記第２割合での燃料噴射から前記第１割合での燃料噴射に切り替えた後、所定の点火回数に達すると前記第１割合での燃料噴射から前記第２割合での燃料噴射に切り替えることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記所定の点火回数に達して行う前記第１割合から前記第２割合への切り替えは、前記徐変期間での前記第１割合から前記第２割合への切り替えよりも急速に前記第１噴射の燃料噴射量と前記第２噴射の燃料噴射量を変化させることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記燃焼の不安定が発生したときの内燃機関の状態及び環境を燃焼悪化条件として記憶し、
前記第２割合で燃料噴射しているときに前記燃焼悪化条件が検出されると、前記第２割合から前記第１割合に切り替えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記燃焼室内の推定温度が所定以上になると前記第２噴射を終了することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼室内に燃料を直接に噴射する筒内噴射式の内燃機関には、出力向上や耐ノック性能の向上といった利点がある。一方、噴射した燃料が空気と混合する時間が制約されるため、均質な混合気を生成しにくく、排気ガス浄化性能や冷機状態からの始動性の点で課題が生じやすい。特に、内燃機関の冷間始動時は、触媒が活性温度に達しておらず触媒の排気ガス浄化性能が低いので、早期に触媒を昇温させる必要がある。
【０００３】
筒内噴射式の内燃機関で均質な混合気を生成しやすくするために、吸気行程の初期段階で燃料噴射を行う技術が提案されている。しかし、吸気行程初期は、燃料噴射を行う燃料噴射弁に対して上死点近くにあるピストンが接近した位置にあるため、冷間始動時では噴射された燃料が空気を貫徹してピストン上面にウエットな（気化、霧化されていない）状態で付着して、ピストンウエットと呼ばれる状態が生じやすい。ピストンウエットが増加すると、排気ガス中の排気微粒子（Particulate  Matter：ＰＭ）の数（Particulate  Number：ＰＮ）が多くなり、スモークが発生しやすくなる。スモークの発生を抑えるべく、燃料噴射時間を吸気行程初期から遅らせて設定すると、混合気形成の時間が減少してしまう。
【０００４】
特許文献１の筒内噴射式内燃機関では、吸気行程初期の主燃料噴射期間と、圧縮行程における吸気弁の閉時期（吸気弁が全閉になる時期）の直前の副燃料噴射期間とに、燃料噴射時間を分割した複数回の燃料噴射を行っている。副燃料噴射期間に行われる燃料噴射では、圧縮行程で生じる吸気吹き戻しに乗せて、噴射した燃料が混合気として吸気ポート側に戻される。そして、吸気ポート内に予混合気を準備して次の吸気行程で燃焼室内に取り込む。主燃料噴射期間に行われる燃料噴射では、一度に噴射する燃料の量が減るため、燃料が拡散しやすくなると共に、燃料がウエットな状態でピストン等に付着することを抑制できる。その結果、排気ガス浄化性能、燃費、冷間始動性能等の向上を図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５０７１７１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ピストンが上死点に向けて移動している圧縮行程で燃料噴射を行うと、圧縮によるシリンダ内部の昇温によって燃料の気化が促進されるが、ピストン等が比較的低温の冷間始動時では噴射された燃料の一部が気化（霧化）されずにピストン上面に付着してピストンウエットが発生する。そのため、特許文献１の内燃機関において圧縮行程での副燃料噴射期間の燃料噴射量を増やすと、気化する燃料が増えて燃焼が安定し、且つ排気温度が高くなるので触媒の昇温効果が高くなるが、ピストンウエットとなる燃料が増えて排気微粒子の数は増える。一方、圧縮行程での副燃料噴射期間の燃料噴射量を減らすと、ピストンウエットとなる燃料が減って排気微粒子の数が減るが、冷間始動時では気化する燃料が少なくなることから燃焼が不安定になり、失火やドライバビリティの低下を招くおそれがある。
【０００７】
本発明は係る点に鑑みてなされたものであり、筒内噴射式の内燃機関で冷間始動時の排気ガス浄化性能と燃焼安定性を両立させることができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、内燃機関の燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射部と、燃料噴射部からの燃料噴射期間及び燃料噴射量を制御可能な燃料噴射制御部とを備えた内燃機関の制御装置であって、内燃機関の冷間始動時に、吸気行程で行う第１噴射と、圧縮行程で行う第２噴射とに分割して燃料噴射部からの燃料噴射を行い、第１噴射と第２噴射の燃料噴射量の割合に関し、燃焼安定性を優先させた第１割合と、第１割合よりも第２噴射の燃料噴射量の割合が少なく排気中の微粒子数低減を優先させた第２割合とを設定し、第２割合で燃料噴射しているときに燃焼の不安定が検出されると、第２割合から第１割合に切り替えて燃料噴射を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、筒内噴射式の内燃機関で冷間始動時の排気ガス浄化性能と燃焼安定性を両立させることができる内燃機関の制御装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施の形態の内燃機関の周辺模式図である。
【図２】本実施の形態の内燃機関の制御装置の制御ブロック図である。
【図３】クランク角に対する燃料噴射時期を示す図である。
【図４】分割した燃料噴射の燃料噴射量の割合の切り替え制御を示す図である。
【図５】学習結果を加味した燃料噴射量の割合の切り替え制御を示す図である。
【図６】本実施の形態の内燃機関の制御を示すフローチャートである。
【図７】本実施の形態の内燃機関の制御を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。まず、図１と図２を参照して、本実施の形態の内燃機関の構成要素について説明する。なお、以下の説明では、本開示の技術を車両に適用する構成について説明するが、内燃機関が設置される他の乗り物に適用することが可能である。また、図１及び図２は、説明の便宜上、本開示の技術を説明するために簡略化したものであり、車両が通常備える構成については図示されていなくても備えているものとする。
【００１２】
図１に示すように、内燃機関１は、吸気通路１１を通じて取り込まれた空気に燃料を混合して、燃焼室１２内で燃焼させて動力を発生し、排気通路１３を通じて燃焼後の排気ガスを外部に排出するように構成されている。吸気通路１１には、アクセルペダル１４の踏込量に応じて開度を変化させるスロットルバルブ１５が設置されている。スロットルバルブ１５のバルブ開度に応じて燃焼室１２に送り込まれる空気量が調整される。
【００１３】
燃焼室１２は、シリンダとクランクケースが一体化されたシリンダブロック２内に形成されている。シリンダブロック２上部に設けられるシリンダヘッド３には、吸気通路１１及び燃焼室１２に連通する吸気ポート２０と、排気通路１３及び燃焼室１２に連通する排気ポート２１が形成されている。吸排気に関与する可動弁として、吸気ポート２０と燃焼室１２の間を開閉する吸気弁２２と、排気ポート２１と燃焼室１２の間を開閉する排気弁２３が設置されている。
【００１４】
内燃機関１は、燃焼室１２内に燃料を直接噴射する筒内噴射式の内燃機関である。燃料タンク（不図示）から燃料ポンプで圧送された燃料を供給する燃料供給通路２４を備え、燃料供給通路２４が燃料噴射弁１７に接続している。燃料噴射弁１７は、燃焼室１２のうち吸気ポート２０に近い位置にノズルを臨ませてシリンダヘッド３に設置されており、シリンダブロック２内のピストン２５の上面側に向けて燃料を噴射する。燃料噴射弁１７によって、アクセルペダル１４の踏込量に応じた燃料噴射が行われる。また、シリンダヘッド３には、燃焼室１２の上部に突出する点火プラグ１８が設けられ、点火プラグ１８には点火コイル１９が接続されている。
【００１５】
吸気弁２２の開弁により吸気通路１１を通じて空気が燃焼室１２に吸い込まれ、燃焼室１２内の空気に対して燃料噴射弁１７が燃料を噴射して混合気が生成される。そして、点火コイル１９の高圧電流で点火プラグ１８が放電し、燃焼室１２内の混合気に着火する。燃料の燃焼によってシリンダブロック２内のピストン２５が一気に押下げられて、ピストン２５の下動がコンロッド２６を介してクランクシャフト２７に伝達される。排気弁２３の開弁によって燃焼室１２内から排気ポート２１を通じて排気ガスが排出され、排気通路１３に設置された触媒２８によって排気ガスに含まれる大気汚染物質が浄化される。
【００１６】
吸気弁２２と排気弁２３に対応して、吸気カムシャフト３０と排気カムシャフト３１が設けられている。クランクシャフト２７の回転は、不図示のカムチェーンを介して各カムシャフト３０、３１に伝達される。吸気カムシャフト３０が回転されることで、吸気弁２２が燃焼室１２に向けて往復動して開閉動作され、排気カムシャフト３１が回転されることで、排気弁２３が燃焼室１２に向けて往復動して開閉動作される。このようにして、吸気弁２２及び排気弁２３のそれぞれにおける開閉動作が制御される。また、クランクシャフト２７に対する吸気カムシャフト３０の相対的な回転位相を変更して、吸気弁２２の開閉動作のタイミングを変更する可変バルブ機構３２を備えている。
【００１７】
内燃機関１は、各部の状態を検出する各種センサを備えている。アクセルペダル１４の踏込量は、アクセルポジションセンサ３５により検知される。吸気側には、スロットルバルブ１５の開度を検出するスロットル開度センサ３６と、スロットルバルブ１５の下流側の吸気通路１１内の圧力を測定する吸気圧センサ３７と、吸気通路１１内の吸気温度を測定する吸気温センサ３８とが設置されている。燃料供給通路２４から燃料噴射弁１７に供給される燃料の圧力が燃料圧センサ３９により検出される。クランクシャフト２７の回転位置（クランク角）及び回転数がクランク角センサ４０により検出され、吸気カムシャフト３０と排気カムシャフト３１の回転角がカム角センサ４１により検出される。シリンダのウォータジャケットには冷却水温度を測定する水温センサ４２が設置されている。排気通路１３には、排気温度を検出する排気温センサ４３を設けている。また、図２に示すように、ノッキングを検出するノッキングセンサ４４と、内燃機関１の外側の外気温度を測定する外気温センサ４５が設置されている。
【００１８】
上述の各センサ等からＥＣＵ（Electrical  Control  Unit）５０の入力ポートに信号が入力されて、ＥＣＵ５０が内燃機関１を統括制御する。ＥＣＵ５０は、各種処理を実行するプロセッサやメモリ等によって構成されている。メモリは、用途に応じてＲＯＭ（Read  Only  Memory）、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）等の記憶媒体で構成されている。メモリには、各種パラメータや各種マップ情報の他、燃料噴射弁１７による燃料噴射を実行させるためのプログラムが記憶されている。
【００１９】
ＥＣＵ５０の出力ポートには、上述の燃料噴射弁１７や点火コイル１９が接続している。また、ＥＣＵ５０は可変バルブ機構３２の動作を制御する。ＥＣＵ５０は、燃料噴射弁１７の動作を制御する燃料噴射制御部５１を備えている。上述の各種センサ等からの入力に基づく出力要求に応じて、ＥＣＵ５０の算出部５２において、燃料噴射弁１７からの燃料噴射量と燃料噴射期間を算出する。本実施の形態では、内燃機関１の冷機状態からの始動時（冷間始動時）に、燃料噴射期間を分割した複数回の燃料噴射を行うように制御する。その詳細を以下に説明する。
【００２０】
図３に示すように、本実施の形態では、可変バルブ機構３２により設定される吸気弁２２の開期間は、排気行程から圧縮行程にかけて設定されている。詳細には、吸気弁２２が開き始めるのは排気行程の上死点前であり、吸気弁２２が完全に閉じるのは圧縮行程の前半のタイミングとなっている。なお、膨張行程、排気行程、吸気行程、圧縮行程の各行程は、クランクシャフト２７の回転位置であって上死点と下死点にて区切られる行程である。ＥＣＵ５０は、出力要求に基づき算出された燃料噴射期間ＦＡの燃料噴射を、吸気行程で行う第１噴射ＦＡ１と圧縮行程で行う第２噴射ＦＡ２とに分割して実行させる。上述したように、吸気弁２２の開期間は吸気行程だけでなく吸気行程から圧縮行程にかけて設定されており、吸気弁２２の閉時期（閉動作を行う吸気弁２２が全閉状態に達するタイミング）は圧縮行程に含まれる。このため、第２噴射ＦＡ２の期間は、吸気弁２２の開期間内の圧縮行程となる場合や吸気弁２２が閉じた後の圧縮行程となる場合がある。詳細には、第１噴射ＦＡ１と第２噴射ＦＡ２の期間は次のように設定される。
【００２１】
まず、吸気弁２２の開期間内の圧縮行程における第２噴射ＦＡ２について説明する。ＥＣＵ５０は、エンジン回転数やエンジン負荷（吸気管圧力や吸気量）等の内燃機関１の運転状態を各種センサからの出力として読み込み、要求される燃料噴射量に応じた燃料噴射期間ＦＡ（分割されない総噴射期間）を算出する。また、内燃機関１の運転状態により、吸気弁２２の閉時期（図３参照）を設定する。そして、吸気弁２２の閉時期とエンジン回転数及びエンジン負荷（吸気管圧力や吸気量）とに基づいて、吸気吹き戻し期間（図３参照）を算出する。図３に示すように、吸気吹き戻し期間は圧縮行程に含まれ、上死点に向けて移動するピストン２５により圧縮される燃焼室１２内の空気の一部が、吸気弁２２が閉じられる前に吸気ポート２０に戻される現象が発生する期間である。算出した燃料噴射期間ＦＡと吸気吹き戻し期間に基づいて、第１噴射ＦＡ１の期間と第２噴射ＦＡ２の期間を算出する。
【００２２】
第２噴射ＦＡ２の期間の長さは、吸気吹き戻し期間に所定の補正係数を乗じて算出される。第２噴射ＦＡ２の期間における噴射終了時期（吹き終わり）は、吸気弁２２の閉時期から所定時間後に設定される（図３参照）。第２噴射ＦＡ２の期間における噴射開始時期（吹き始め）は、終了時期から逆算して、吸気弁２２の閉時期に対して所定時間前に設定される。従って、第２噴射ＦＡ２は、吸気弁２２の開期間内の圧縮行程と吸気弁２２が閉じた後の圧縮行程に亘って行われる。
【００２３】
第１噴射ＦＡ１の期間の長さは、燃料噴射期間ＦＡから第２噴射ＦＡ２の期間を引いたものとして算出される。第１噴射ＦＡ１の期間は吸気行程の比較的早い段階に設定され、第１噴射ＦＡ１の期間における噴射開始時期（吹き始め）と噴射終了時期（吹き終わり）は、内燃機関１の運転状態に応じて設定される。例えば、図３に示す第１噴射ＦＡ１の開始時期は、吸気行程の最初期から少し遅らせたタイミングに設定されている。このタイミングではピストン２５が上死点から下方へ向けてある程度移動してピストンスピードが速くなっていることと、吸気弁２２が大きく開いた状態となることから、吸入空気の流速が早く多量の空気が流入する状態となっており、燃料噴射弁１７のノズルから噴射した燃料を燃焼室１２内に拡散させやすい。また、暖機された内燃機関１の燃焼室１２内では気化が促進されて、噴射した燃料がピストン２５上面に液体状態で付着しにくい。さらに、噴射された燃料が燃焼室１２内で混合気を形成する時間的余裕は確保される。しかし、始動直後の冷機状態では、燃焼室１２の内面（ピストン２５の上面、シリンダの内面等）が十分に温まっていないので、気化が促進されずに混合気の生成が不十分で点火プラグ１８で着火できずに失火等の問題が生じるおそれがある。
【００２４】
本実施形態との比較として、分割した燃料噴射を行わない燃料噴射期間ＦＢを図３に示した。この燃料噴射期間ＦＢの開始時期は、上述した第１噴射ＦＡ１の開始時期と同じである。このような燃料噴射期間ＦＢでの燃料噴射と比べて、吸気行程での第１噴射ＦＡ１と圧縮行程での第２噴射ＦＡ２とに分割した燃料噴射には、冷機時に次のような効果がある。
【００２５】
圧縮行程ではシリンダ内の空気が圧縮されて圧縮熱が発生しており、燃焼室１２内の圧縮途中の空気は比較的高温になっている。第２噴射ＦＡ２では、この圧縮途中の高温状態の空気中に燃料を噴射するので、気化する燃料が増え、着火性や火炎伝播が良好となり、燃焼安定性を向上させることができる。
【００２６】
また、第２噴射ＦＡ２の一部は吸気吹き戻し期間に行われるため、第２噴射ＦＡ２で噴射した燃料の一部は、圧縮行程で生じる吸気吹き戻しに乗せて、混合気として吸気ポート２０側に戻される。そして、吸気ポート２０内で予混合気を生成し、次の吸気行程で燃焼室１２内に取り込まれる。これにより、筒内噴射式でありながら、ポート内噴射式のように混合気生成の時間を確保して、均質な混合気を燃焼室１２内に供給する効果が得られる。
【００２７】
第１噴射ＦＡ１では、第２噴射ＦＡ２を差し引いた分だけ一度に噴射する燃料の量が減るため、燃焼室１２内に燃料が拡散しやすくなり、燃料噴射期間ＦＢのように一度に多くの燃料を噴射する場合に比して、均質な混合気生成に有利となる。
【００２８】
従って、燃料噴射期間ＦＡを第１噴射ＦＡ１と第２噴射ＦＡ２の各期間に分割することにより、燃焼が安定し、冷機状態からの始動直後でありながらドライバビリティを向上させることができる。また、燃焼の安定により、触媒２８を早期に活性温度まで上昇させることができる。
【００２９】
次に、吸気弁２２が閉じた後の圧縮行程における第２噴射ＦＡ２について説明する。第２噴射ＦＡ２の期間の長さは、実験によりあらかじめ決められた所定の期間である。第２噴射ＦＡ２の期間における終了時期は、吸気弁２２が完全に閉じた後に設定される。従って、上述の吸気弁２２の開期間内で行われる第２噴射ＦＡ２よりもシリンダ内の空気の圧縮がさらに進んでおり、燃焼室１２内は圧縮熱がさらに発生した高温状態となっている。この第２噴射ＦＡ２は、この高温状態の空気中に燃料を噴射することになるので、さらに気化する燃料が増え、着火性や火炎伝播が良好となり、燃焼安定性を向上させることができる。しかし、噴射後すぐに着火されるため、昇温していない燃焼室１２内に付着した燃料が熱を吸収して気化する時間的余裕がなく、排気微粒子の数は増えることになる。
【００３０】
より詳しくは、燃焼室内の燃料の状態として、液体状態（シリンダの壁面やピストン表面に付着するウエットな状態）、霧化状態（微細な浮遊液体の状態）、気体状態（蒸発した状態）がある。圧縮行程では、下死点から上死点に向かうピストン２５の上面が、燃料噴射弁１７のノズルに徐々に接近する。そのため、第２噴射ＦＡ２のように圧縮行程で燃料噴射を行うと、噴射された燃料が気化や霧化されずに燃焼室１２内の空気を貫通してピストン２５の上面に液体状態で付着する。そして、冷機時には付着した燃料の気化が間に合わず、いわゆるピストンウエットが発生しやすい状況になる。ピストンウエットが増加すると、排気ガス中の排気微粒子（ＰＭ）の数（ＰＮ）が増えてスモーク発生量が多くなる。従って、第２噴射ＦＡ２における燃料噴射量が多くなる（噴射割合が大きくなる）と、ピストンウエットとなる燃料が増えて排気微粒子の数が多くなり、逆に、第２噴射ＦＡ２における燃料噴射量が少なくなる（噴射割合が小さくなる）と、ピストンウエットとなる燃料が減少して、排気微粒子の数が少なくなる。
【００３１】
燃焼性については、第２噴射ＦＡ２における燃料噴射量が多くなる（噴射割合が大きくなる）と、圧縮熱によって気化する燃料が増えて燃焼が安定しドライバビリティが向上する。また、排気温度が高くなり触媒２８を活性温度まで良好に昇温させることができる。逆に、第２噴射ＦＡ２における燃料噴射量が少なくなる（噴射割合が小さくなる）と、気化する燃料が減って燃焼の安定性が低減するため、失火やドライバビリティの低下が生じる可能性があり、触媒２８の昇温も相対的に遅くなる。
【００３２】
つまり、圧縮行程で行う第２噴射ＦＡ２に関し、燃料噴射量（噴射割合）を増やすと、燃焼が安定して触媒２８の昇温に寄与するが、排気微粒子数が多くなりスモーク性能が悪化し、燃料噴射量（噴射割合）を減らすと、排気微粒子数が少なくなりスモーク性能が改善するが、燃焼の安定性が低減するというトレードオフの関係がある。このような関係性に着目し、本実施の形態の内燃機関の制御装置では、第１噴射ＦＡ１と第２噴射ＦＡ２の割合を状況に応じて変化させるように制御する。具体的には、可能な限り第２噴射ＦＡ２の燃料噴射量（噴射割合）を減らして排気微粒子数を低減させながら、失火等の問題が発生する状況では迅速に第２噴射ＦＡ２の燃料噴射量（噴射割合）を増やして燃焼の安定性を確保する。
【００３３】
第１噴射ＦＡ１の燃料噴射量と第２噴射ＦＡ２の燃料噴射量は、一方が増えればその分だけ他方が減るという相関関係がある。燃焼の安定を優先させて、第２噴射ＦＡ２の燃料噴射量を相対的に多くし第１噴射ＦＡ１の燃料噴射量を相対的に少なくした割合（燃料噴射量の比率）を、第１割合Ｒ１（図４及び図５参照）として設定する。排気中の微粒子の削減を優先させて、第２噴射ＦＡ２の燃料噴射量を相対的に少なくし第１噴射ＦＡ１の燃料噴射量を相対的に多くした割合（燃料噴射量の比率）を、第２割合Ｒ２（図４及び図５参照）として設定する。第１割合Ｒ１と第２割合Ｒ２における第１噴射ＦＡ１と第２噴射ＦＡ２の各々の燃料噴射量の比率は、内燃機関１の構成や外部環境に応じて適宜決定されており、ＥＣＵ５０のメモリに記録されている。なお、「相対的」とは、第１割合Ｒ１と第２割合Ｒ２における第１噴射ＦＡ１と第２噴射ＦＡ２の各々の燃料噴射量の比率の比較を示している。
【００３４】
図４は、冷機状態から内燃機関１を始動させる冷間始動時における第１噴射ＦＡ１と第２噴射ＦＡ２の燃料噴射量の割合変更の制御を示したものである。図４の横軸は時間経過を示し、縦軸は燃料噴射量を示している。実線の折れ線グラフは第１噴射ＦＡ１の燃料噴射量の変化であり、一点鎖線の折れ線グラフは第２噴射ＦＡ２の燃料噴射量の変化である。
【００３５】
図４に示すように、冷機状態から内燃機関１を始動すると（図４のＴ１）、ＥＣＵ５０は、上述の各種センサ（例えば、クランク角センサ４０やノッキングセンサ４４等）の検出結果に基づいて燃焼悪化判定を継続的に行いながら、出力要求に基づいて第１噴射ＦＡ１と第２噴射ＦＡ２に分割した燃料噴射を燃料噴射弁１７に行わせる。始動直後の最初期段階（図４のＴ１からＴ２）では、燃焼の安定を優先させた第１割合Ｒ１で第１噴射ＦＡ１と第２噴射ＦＡ２を行わせる。これにより、燃焼を安定させて始動の安定性を向上させると共に、排気温度を高めて触媒２８の迅速な昇温を行わせる。なお、図４に示された燃焼の安定を優先させた第１割合Ｒ１では、第１噴射ＦＡ１と第２噴射ＦＡ２の燃料噴射量の割合は５０：５０となっている。この燃料噴射量の比率は、予め実験結果を基に決定されている。
【００３６】
続いて、上述の各種センサ（例えば、水温センサ４２、吸気温センサ３８、排気温センサ４３等）の検出値に基づいて燃焼室１２内の推定温度が所定の第１温度に達したことが判断されると（図４のＴ２）、ＥＣＵ５０は、燃焼の安定を優先させた第１割合Ｒ１から、排気中の微粒子の削減を優先させた第２割合Ｒ２に変更して第１噴射ＦＡ１と第２噴射ＦＡ２を行わせる。第１温度は、内燃機関１がある程度暖機されて、第２噴射ＦＡ２の割合を減らしても気化する燃料がある程度確保されて燃焼の安定性を維持できると見込まれる温度である。第１温度は予め実験結果を基に決定される。また、燃焼室１２内の温度の推定は、水温や外気温の条件の下、内燃機関１の始動からの時間や点火回数による燃焼室１２内の温度変化の実験値から推定する。
【００３７】
内燃機関１の始動から最初に行われる（すなわち１回目の）第１割合Ｒ１から第２割合Ｒ２への切り替えは、第１噴射ＦＡ１と第２噴射ＦＡ２の互いの燃料噴射量を徐々に変化させる徐変期間（図４のＴ２からＴ３）を有し、徐々に第２割合Ｒ２に近づける。徐々に第２割合Ｒ２に近づけるので、燃料噴射量の急変による失火等のドライバビリティの悪化を最小限に防いで、スムーズに移行させることができる。
【００３８】
徐変期間を経て第２割合Ｒ２への移行が完了したら（図４のＴ３）、燃焼悪化判定を継続しながら、第２割合Ｒ２での分割された第１噴射ＦＡ１と第２噴射ＦＡ２を引き続き行う。第２割合Ｒ２では第２噴射ＦＡ２の燃料噴射量の割合が少ないため、ピストンウエットとなる燃料が少なく、排気微粒子の数を削減した状態を維持させることができる。
【００３９】
第２割合Ｒ２の移行後に燃焼悪化（失火等）が検出されると（図４のＴ４）、ＥＣＵ５０は、第２割合Ｒ２から第１割合Ｒ１への切り替えを行う。上述した１回目の第１割合Ｒ１から第２割合Ｒ２への徐変期間とは異なり、第１割合Ｒ１への切り替えは一気に（徐変期間での燃料噴射量の割合変更に比べて急速に）行われる。これにより、燃焼悪化を迅速に解消して安定した燃焼に戻すことができる。なお、図４のＴ３で第２割合Ｒ２に切り替わった後で燃焼悪化が検出されない場合は、第１割合Ｒ１へ戻すことなく第２割合Ｒ２での燃料噴射を後述する図４のＴ６まで継続する。
【００４０】
図４のＴ４で第２割合Ｒ２から第１割合Ｒ１への切り替えを行ってから、上述の各種センサ（例えば、水温センサ４２等）の検出値に基づいて所定の点火回数に達したことが検出されると（図４のＴ５）、ＥＣＵ５０は、再び第１割合Ｒ１から第２割合Ｒ２に変更して燃料噴射を行わせる。上述した徐変期間とは異なり、２回目以降の第１割合Ｒ１から第２割合Ｒ２への切り替えは一気に（徐変期間での燃料噴射量の割合変更に比べて急速に）行われる。この段階では徐変期間に比べて内燃機関１の暖機が進んでおり、一気に第２割合Ｒ２へ移行させても失火等が生じるおそれが少ない。また、所定の点火回数で第１割合Ｒ１から第２割合Ｒ２へ切り替えるので、複雑な演算等を要さず制御が容易である。
【００４１】
ＥＣＵ５０は、上述の各種センサ（例えば、水温センサ４２、吸気温センサ３８、排気温センサ４３等）の検出値に基づいて、燃焼室１２内の推定温度が所定の第２温度に達したかを判定する。第２温度は第１温度よりも高温で、内燃機関１が完全に暖機され触媒２８が活性温度まで達した状態に対応するものである。燃焼室１２内の推定温度が第２温度に達したことが検出されると（図４のＴ６）、ＥＣＵ５０は第２噴射ＦＡ２を停止して分割した燃料噴射を終了する。これ以降は、停止した第２噴射ＦＡ２の分の噴射量を第１噴射ＦＡ１の噴射量に加えて、分割されない燃料噴射を第１噴射ＦＡ１のタイミングで行って内燃機関１の駆動を継続させる。このように、分割した燃料噴射を冷間始動時（図４のＴ１からＴ６）だけで行うので、燃料噴射弁１７の使用回数の増加を抑えて耐久性を向上させることができる。また、冷間始動時以外の暖機状態では、内燃機関１における燃料噴射を含む全体的な制御が容易になる。
【００４２】
なお、図４では第１割合Ｒ１での第１噴射ＦＡ１と第２噴射ＦＡ２の燃料噴射量を同じ（５０：５０の均等な割合）として示したが、これは模式化した一例であり、第１割合Ｒ１や第２割合Ｒ２における第１噴射ＦＡ１と第２噴射ＦＡ２の燃料噴射量が均等な割合でなくてもよい。また、図４に示すＴ２からＴ３までの徐変期間の長さ（第１噴射ＦＡ１と第２噴射ＦＡ２の燃料噴射量の変化を示すグラフの傾斜角）は、適宜変化させることができる。
【００４３】
ＥＣＵ５０は、各種センサによって内燃機関１の状態や外部環境を検出しており、図４のＴ４のように第２割合Ｒ２での燃料噴射時に燃焼悪化が生じた際の状態及び環境を、燃焼悪化条件として学習して保存（メモリに記憶）する。そして、以後に当該燃焼悪化条件に合致する状態になった場合に、燃料噴射を第２割合Ｒ２から第１割合Ｒ１に切り替えて失火等を防ぐことができる。
【００４４】
図５は、このような学習を利用した制御の一例を示したものである。燃焼悪化条件の保存には、水温センサ４２等により検出されるエンジン水温（冷却水温度）、クランク角センサ４０等により検出されるエンジン回転数、スロットル開度センサ３６や吸気圧センサ３７等により検出されるエンジン負荷（吸気管圧力や吸気量）といった要素に基づいて、以前に冷間始動時からの昇温中に燃焼悪化が発生した場合の条件が記憶されている。ＥＣＵ５０は、上述の各種センサからの入力を常時監視しており、各センサの検出内容が記憶されている燃焼悪化条件に合致すると、燃料噴射弁１７からの燃料噴射を第２割合Ｒ２から第１割合Ｒ１に切り替えさせる（図５のＴ４’）。なお、図５には燃焼悪化条件に関連付けられる要素として、エンジン水温、エンジン回転数、エンジン負荷を示したが、これ以外の情報を参照して燃焼悪化条件を定めてもよい。
【００４５】
続いて、図６と図７を参照して、ＥＣＵ５０の制御に基づいて実行される本実施の形態の制御フローについて説明する。なお、図６と図７のフローチャートは一例を示すものであり、適宜変更が可能である。内燃機関１が停止して燃焼室１２内や触媒２８の温度が低くなっている冷機状態において、内燃機関１の始動要求が入力されることで、図６に示す制御フローが開始される。
【００４６】
図６のステップＳ１では、圧縮行程での第２噴射ＦＡ２の割合を第２割合Ｒ２よりも大きくして燃焼安定性を優先させた第１割合Ｒ１での分割した燃料噴射が行われる。この冷機始動の最初期段階での第１割合Ｒ１での燃料噴射は、図４及び図５のＴ１からＴ２までに相当するものである。第１割合Ｒ１での燃料噴射によって、始動の安定性（燃焼の安定性）を向上させ、排気温度を高めて触媒２８を早期に昇温させる。
【００４７】
第１割合Ｒ１での燃料噴射により内燃機関１が始動すると、ＥＣＵ５０は、各種センサを用いて内燃機関１の状態と周辺環境の検出を開始する（ステップＳ２）。この状態及び環境の検出は、以後継続的に行われる。また、ＥＣＵ５０は、各種センサの検出結果に基づいて燃焼室１２内の温度を推定する（ステップＳ３）。
【００４８】
ステップＳ４では、ステップＳ２で検出を開始した内燃機関１の状態と周辺環境が、以前に学習及び保存した燃焼悪化条件に合致するか否かを判定する。燃焼悪化条件に合致する場合（ステップＳ４のＹｅｓ）、ステップＳ１に戻って第１割合Ｒ１での燃料噴射を継続して行って、燃焼の悪化を未然に防ぐ。燃焼悪化条件に合致しない場合（ステップＳ４のＮｏ）、ステップＳ５に進む。
【００４９】
ステップＳ５では、燃焼室１２内の推定温度が第１温度に達したかが判定される。第１温度に達していない場合（ステップＳ５のＮｏ）、燃焼室１２の温度上昇が不十分であり、第１割合Ｒ１から第２割合Ｒ２への切り替えで失火等が発生するおそれが高い。従って、できるだけ早く第１温度に到達させられるように、ステップＳ１に戻って第１割合Ｒ１での燃料噴射を継続して行う。
【００５０】
ステップＳ５で燃焼室１２内の推定温度が第１温度に達している場合（ステップＳ５のＹｅｓ）、ステップＳ６に進んで、燃焼室１２内の推定温度が第１温度よりも高い第２温度に達したかが判定される（ステップＳ６）。第２温度に達していない場合（ステップＳ６のＮｏ）、ステップＳ７に進んで、圧縮行程での第２噴射ＦＡ２の割合を第１割合Ｒ１よりも小さくして排気中の微粒子の削減を優先させた第２割合Ｒ２での分割した燃料噴射に切り替える。第２割合Ｒ２での燃料噴射によって、排気のスモーク発生を抑制しながら、引き続き燃焼室１２内と触媒２８の温度上昇を図る。
【００５１】
なお、内燃機関１の始動開始から最初に行う第１割合Ｒ１から第２割合Ｒ２への切り替え（ステップＳ７）は、図４及び図５のＴ２からＴ３までの徐変期間のように徐々に行うことが好ましい。切り替え完了後は、図４及び図５のＴ３からＴ４（Ｔ４’あるいはＴ６）まで第２割合Ｒ２での燃料噴射を継続する。
【００５２】
第２割合Ｒ２での燃料噴射を行っているとき、燃焼の悪化が検出されたかを判定する（ステップＳ８）。ステップＳ８で判定する燃焼の悪化の検出とは、先のステップＳ４における燃焼悪化条件の検出（図５のＴ４’）とは異なり、実際の失火等の発生を検出（図４のＴ４）するものである。燃焼悪化が検出されない場合（ステップＳ８のＮｏ）、ステップＳ２に戻る。ステップＳ８のＮｏからステップＳ２に進んだ場合、ステップＳ２からステップＳ６までが、第１割合Ｒ１ではなく第２割合Ｒ２での燃料噴射で進む点が先の説明と異なる。
【００５３】
ステップＳ８で燃焼の悪化が検出された場合（ステップＳ８のＹｅｓ）、当該燃焼悪化が発生したときの内燃機関１の状態や外部環境を燃焼悪化条件として学習及び保存した上で（ステップＳ９）、図７のステップＳ１１に進む。ステップＳ１１では、ステップＳ１と同様に、圧縮行程での第２噴射ＦＡ２の割合を第２割合Ｒ２よりも大きくして燃焼安定性を優先させた第１割合Ｒ１での分割した燃料噴射が行われる。すなわち、ステップＳ８で燃焼の悪化が検出された場合、第２割合Ｒ２から第１割合Ｒ１の燃料噴射に切り替えて、燃焼の安定を図る。この第１割合Ｒ１の燃料噴射への切り替えは、図４のＴ４や図５のＴ４’に示すように、時間をかけずに一気に行われて、燃焼の悪化を迅速に解消する。
【００５４】
ステップＳ１１にて第２割合Ｒ２から第１割合Ｒ１に切り替えられると、ＥＣＵ５０は、各種センサを用いて内燃機関１の状態と周辺環境の検出をする（ステップＳ１２）。その後、ステップＳ８で検出された燃焼悪化を解消させるのに十分な所定の点火回数に達しているか否かを判定する（ステップＳ１３）。ステップＳ１３にて所定の点火回数に達していない場合（ステップＳ１３のＮｏ）、ステップＳ１２に戻り、燃焼安定性を優先させた第１割合Ｒ１での分割した燃料噴射を継続する。ステップＳ１３にて所定の点火回数に達した場合（ステップＳ１３のＹｅｓ）、図６のステップＳ２に戻り、ステップＳ４からステップ６の判断を経て、第２噴射ＦＡ２の割合を再び第２割合Ｒ２とする（ステップＳ７）。第２噴射ＦＡ２の割合を第１割合Ｒ１から第２割合Ｒ２に切り替える前に、ステップＳ４にて内燃機関１の状態と周辺環境が、燃焼悪化条件に合致するか否かを判定するので、不要な切り替えを抑制してドライバビリティの低下を最小限とすることができる。
【００５５】
再びステップＳ７で第１割合Ｒ１から第２割合Ｒ２への切り替えを行う場合は、図４及び図５のＴ５に示すように、時間をかけずに一気に切り替えを実行する。この段階では、第１割合Ｒ１から第２割合Ｒ２への最初の切り替え時（Ｔ２からＴ３までの徐変期間）に比して燃焼室１２内の温度が上昇しているので、一気に切り替えを行っても失火等が生じにくい。
【００５６】
なお、ステップＳ１３からステップＳ２に戻った場合、ステップＳ５で判定される第１温度には既に達している状態であるので、このステップＳ５の判定を省略することができる。
【００５７】
ステップＳ６で燃焼室１２内の推定温度が第２温度に達した（図４及び図５のＴ６に相当）と判定されると（ステップＳ６のＹｅｓ）、第２噴射ＦＡ２を終了して、終了した第２噴射ＦＡ２の分を合わせた燃料噴射を第１噴射ＦＡ１のタイミングで行うようにする（ステップＳ１０）。すなわち、分割された燃料噴射を完了し、冷間始動時の昇温制御を終了して制御フローから抜ける。
【００５８】
以上説明したように、本実施形態の内燃機関の制御装置によれば、吸気行程の第１噴射ＦＡ１と圧縮行程の第２噴射ＦＡ２とに燃料噴射時期を分割し、さらに、第２噴射ＦＡ２の割合を変化させることによる作用に着目して、燃焼の安定を優先させた第１割合Ｒ１と、排気中の微粒子削減を優先させた第２割合Ｒ２とに適宜切り替えて分割した燃料噴射を行うようにしている。これにより、筒内噴射式の内燃機関において、冷間始動時における燃焼安定性と排気ガス浄化性能を両立させることができる。
【００５９】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている構成や制御等については、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。
【００６０】
例えば、上記実施の形態では、第１噴射ＦＡ１の開始時期（吹き始め）を、吸気行程の最初期よりも若干遅らせたタイミングに設定しているが（図３参照）、過剰なピストンウエット等が生じないことを前提として、吸気行程のうちさらに早いタイミングで第１噴射ＦＡ１を開始させてもよい。また、上述した第２噴射ＦＡ２の利点（圧縮熱や吸気吹き戻しを利用した混合気生成）を得られることを前提として、図３に示すよりも早いタイミングで第２噴射ＦＡ２を行うことも可能である。さらに、第２噴射ＦＡ２の期間を、吸気弁２２が完全に閉じた後に設定することも可能である。すなわち、吸気行程で第１噴射を行い、圧縮行程で第２噴射を行うという関係を満たしていれば、第１噴射と第２噴射のそれぞれの期間は運転状態等に応じて適宜変更可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
以上説明したように、本発明の内燃機関の制御装置は、冷間始動時における燃焼安定性と排気ガス浄化性能の両立が求められる筒内噴射式の内燃機関に有用である。
【符号の説明】
【００６２】
１      ：内燃機関
１１    ：吸気通路
１２    ：燃焼室
１３    ：排気通路
１７    ：燃料噴射弁（燃料噴射部）
１８    ：点火プラグ
２０    ：吸気ポート
２１    ：排気ポート
２２    ：吸気弁
２３    ：排気弁
２４    ：燃料供給通路
２５    ：ピストン
２８    ：触媒
３７    ：吸気圧センサ
３８    ：吸気温センサ
３９    ：燃料圧センサ
４０    ：クランク角センサ
４１    ：カム角センサ
４２    ：水温センサ
４３    ：排気温センサ
５０    ：ＥＣＵ
５１    ：燃料噴射制御部
ＦＡ    ：燃料噴射期間
ＦＡ１  ：第１噴射
ＦＡ２  ：第２噴射
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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