(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮行程噴射を含み１燃焼サイクル内で複数回の燃料噴射を行うことが可能な筒内燃料噴射式の火花点火式内燃機関において、
冷間始動時および暖機運転中を含む低温運転条件下では、燃料噴射量が、ピストン冠面に設けたボウル状燃焼室からの燃料こぼれ量が許容値以下となるように定めた判定値以下のときには圧縮行程噴射のみによって燃料供給を行うようにした内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
機関燃焼室に燃料を直接噴射供給する燃料噴射ノズルと、燃料噴射ノズルに燃料を圧送する燃料供給装置と、機関運転状態に応じて燃料噴射ノズルの開弁時間、燃料噴射時期、燃料供給装置の燃料圧力および点火時期を制御するコントローラとを備え、吸気行程内での燃料噴射により均質燃焼を行わせる吸気行程噴射と、圧縮行程内での燃料噴射により成層燃焼を行わせる圧縮行程噴射とを行うようにした筒内燃料噴射式の火花点火式内燃機関において、
前記コントローラを、機関温度に基づいて低温運転条件下にあることを検出し、かつ燃料噴射量が、ピストン冠面に設けたボウル状燃焼室からの燃料こぼれ量が許容値以下となるように定めた判定値以下のときには、前記圧縮行程噴射のみによって燃料供給を行うように構成した内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
低温運転条件下での燃料噴射量が判定値よりも大きいときには、吸気行程噴射のみにより燃料供給を行う請求項１または請求項２の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
燃料噴射量の判定値は、エンジン回転速度、エンジン冷却水温度、燃料圧力のうち少なくとも１つに基づいて設定する請求項１または請求項２の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
圧縮行程噴射のみによって燃料を供給するときに、燃焼室内の平均空燃比を理論空燃比よりもリーンとする請求項１または請求項２の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
低温運転条件下では同一の目標燃料噴射量に対して燃料圧力を高めるとともに燃料噴射時間を減じて目標量の燃料噴射を行うようにした請求項１または請求項２の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
低温運転域内での温度が低いほど、燃料圧力の上昇量および燃料噴射時間の短縮量を増やすようにした請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
燃料噴射時期を、点火時までの圧縮行程噴射燃料の気化に要する時間と目標量の燃料噴射に要する噴射時間とを用いて決定する請求項１または請求項２の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項９】
燃料噴射時期を、ボウル状燃焼室からの燃料こぼれ量が許容量以下となるピストン位置を用いて決定する請求項１または請求項２の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関し、特に筒内燃料噴射式機関の低温運転条件下での排気エミッション性能を改善する排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
燃料を直接燃料室内に噴射供給する筒内燃料噴射式の内燃機関では、冷間始動時または暖機運転中等の低温運転条件下で、噴射燃料がシリンダボア壁面に付着して排気エミッション性能を悪化させるという問題がある。すなわち、シリンダボア壁面の温度が高いときはいったん壁面に付着した燃料も点火が行われるまでに気化し燃焼するので問題ないが、シリンダボア壁面の温度が低いと付着した燃料の一部が燃焼終了までに気化できず、膨張行程後半から排気行程中に気化してそのまま排出される。
【０００３】
このような課題に対し、特開平１０−２９９５３９公報に開示されたものでは、シリンダボア壁面への燃料付着量が少なくなる時期、具体的には吸気行程中の上死点後３０°〜６０°のクランク角度範囲内で燃料噴射を行うようにしている。また、特開平８−１９３５３６公報に開示されたものでは、始動時の燃料噴射を吸気行程噴射と圧縮行程噴射の２回に分けることで、シリンダボア壁面への燃料付着を引き起こす吸気行程噴射の噴射量を少なくするようにしている。
【０００４】
しかしながら、いずれのものも吸気行程噴射を行うので、点火までの間に燃焼室内に燃料が拡散してしまう。暖機完了後であれば火炎が燃焼室の隅々まで伝播するので問題ないが、燃焼室の温度が低いときはクエンチ領域が大きくなっており、クエンチ領域に入り込んでしまった燃料は未燃のまま排出されることになる。
【０００５】
一方、圧縮行程噴射を行えば、シリンダボア壁面への燃料付着量は少なくなり、かつ燃料が広く拡散する前に燃焼が開始されるので良好な排気エミッション性能が得られると期待される。しかしながら、単に圧縮行程噴射を行うと、特開平８−１９３５３６公報にも記載されているように失火を発生させる等の新たな問題を生じる。
【０００６】
上記問題を解決するために、請求項１の発明では、圧縮行程噴射を含み１燃焼サイクル内で複数回の燃料噴射を行うことが可能な筒内燃料噴射式の火花点火式内燃機関において、冷間始動時および暖機運転中を含む低温運転条件下では、燃料噴射量が、ピストン冠面に設けたボウル状燃焼室からの燃料こぼれ量が許容値以下となるように定めた判定値以下のときには圧縮行程噴射のみによって燃料供給を行うようにした。
【０００７】
請求項２の発明は、機関燃焼室に燃料を直接噴射供給する燃料噴射ノズルと、燃料噴射ノズルに燃料を圧送する燃料供給装置と、機関運転状態に応じて燃料噴射ノズルの開弁時間、燃料噴射時期、燃料供給装置の燃料圧力および点火時期を制御するコントローラとを備え、吸気行程内での燃料噴射により均質燃焼を行わせる吸気行程噴射と、圧縮行程内での燃料噴射により成層燃焼を行わせる圧縮行程噴射との行うようにした筒内燃料噴射式の火花点火式内燃機関において、前記コントローラを、機関温度に基づいて低温運転条件下にあることを検出し、かつ燃料噴射量が、ピストン冠面に設けたボウル状燃焼室からの燃料こぼれ量が許容値以下となるように定めた判定値以下のときには、前記圧縮行程噴射のみによって燃料供給を行うように構成した。
【０００８】
請求項３の発明は、上記各発明において、低温運転条件下での燃料噴射量が判定値よりも大きいときには、吸気行程噴射のみにより燃料供給を行うものとした。
【０００９】
請求項４の発明は、上記請求項１または請求項２の発明において、燃料噴射量の判定値を、エンジン回転速度、エンジン冷却水温度、燃料圧力のうち少なくとも１つに基づいて設定するものとした。
【００１０】
請求項５の発明は、上記請求項１または請求項２の発明において、圧縮行程噴射のみによって燃料を供給するときに、燃焼室内の平均空燃比を理論空燃比よりもリーンとするものとした。
【００１３】
請求項６の発明は、上記請求項１または請求項２の発明において、低温運転条件下では同一の目標燃料噴射量に対して燃料圧力を高めるとともに燃料噴射時間を減じて目標量の燃料噴射を行うようにした。
【００１４】
請求項７の発明は、上記請求項６の発明において、低温運転域内での温度が低いほど、燃料圧力の上昇量および燃料噴射時間の短縮量を増やすようにした。
【００１５】
請求項８の発明は、上記請求項１または請求項２の発明において、燃料噴射時期を、点火時までの圧縮行程噴射燃料の気化に要する時間と目標量の燃料噴射に要する噴射時間とを用いて決定するものとした。
【００１６】
請求項９の発明は、上記請求項１または請求項２の発明の燃料噴射時期を、ボウル状燃焼室からの燃料こぼれ量が許容量以下となるピストン位置を用いて決定するものとした。
【００１７】
【作用・効果】
本発明では、冷間始動以後の暖機運転中など低温運転条件下では良好な燃焼性能が得られる比較的燃料量の少ない運転状態でのみ圧縮行程噴射による燃料供給を行い、燃料噴射量が多いときには吸気行程噴射を行う。この切換えの判断基準となる燃料量の判定値は燃焼室形状など機関の特性・仕様によって異なったものとなるが、これは機関回転速度、冷却水温度、燃料圧力などの基本的な運転状態を示す量に依存する値として予め実験的に定めておくことができる。
【００１８】
低温運転条件下で圧縮行程噴射を行うと点火時までの短い時間内にシリンダ内の燃料を点火栓の近傍に集中させておくことができるので、シリンダボア壁面への燃料の付着量を減じて排気エミッションを改善することができる。この場合、ピストン冠面に付着する燃料の量は増加するが、この付着燃料は火炎に直接さらされて速やかに気化し燃焼すること、およびピストン冠面はシリンダボア壁よりも昇温が早いので、シリンダボア壁面に付着する燃料よりも排気エミッションへの影響は少ない。
【００１９】
また、低温運転条件下で均質燃焼を行う場合には空然比をリッチに設定しないと安定した燃焼が得られないが、圧縮行程噴射により成層燃焼を行う場合は点火栓近傍にリッチ混合気を集中させられるので燃焼室内の平均空然比をリーンにすることが可能である。また、これにより触媒コンバータを酸素過剰の排気が供給されるのでその活性化を促進する効果も得られる。
【００２０】
ピストン冠面にボウル状燃焼室を備えた内燃機関ではある程度の噴射燃料をボウル状燃焼室に保持しておけるので、圧縮行程噴射は排気エミッション性能の改善により大きな効果を発揮する。ただし、ボウル状燃焼室から燃料がこぼれた場合、その燃料に火炎が伝播せずに排気エミッション性能が悪化するおそれがある。そこで、ボウル状燃焼室からの燃料のこぼれ量を許容量以下に抑えられる燃料量のときに圧縮行程噴射を行う。
【００２１】
ボウル状燃焼室からどの程度の燃料がこぼれるかは燃料噴射時期およびピストン位置によっても影響を受ける。そこで燃料噴射時期をボウル状燃焼室からの燃料こぼれ量が許容量以下となるピストン位置に応じて予め定めておくことが望ましい。
【００２２】
燃料のこぼれを抑制しまたは燃料混合気の成層化を促進するためには燃料噴射時期はできるだけ遅らせたほうがよいが、遅らせすぎると点火までの燃料気化状態が不十分で失火を起こすおそれを生じる。したがって燃料噴射時期を定めるにあたっては燃料の気化に要する時間と、目標量の燃料を噴射するのに要する時間とを考慮に入れ、すなわち点火までに燃料噴射と燃料気化に要する時間が確保できるタイミングで燃料噴射を開始することが望ましい。
【００２３】
一方、所要量の燃料噴射に要する時間は燃料噴射ノズルの開弁時間と燃料噴射ノズルに供給する燃料圧力との関係で定まり、一定の要求燃料量に対して燃料圧力を高めるほど燃料噴射に要する時間は短くなる。また、低温時にはフリクションに対抗するために一般に燃料増量を行う必要があり、噴射時間としては増大傾向となる。そこで、圧縮行程噴射時には燃料圧力を高めて燃料噴射時間の短縮化を図ることが望ましい。燃料噴射時間を短縮するほど遅いタイミングで燃料を噴射できるので、それだけ燃料混合気の成層化を促進しかつボウル状燃焼室からの燃料のこぼれ量を少なくすることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明を適用した内燃機関の構成例である。図において、１は直噴式火花点火機関の本体（以下「エンジン」という。）、２と３はそれぞれその吸気通路と排気通路である。４は排気通路３の途中に設けられた触媒コンバータ、５は燃料タンク、６は燃料ポンプ、７は燃料ポンプ６を駆動するモータ、９は点火栓、１０はエンジン１の燃焼室内に直接燃料を噴射供給するように設けられた燃料噴射ノズルである。モータ７はイグニッションスイッチがＯＮであるときに作動して燃料ポンプ６を駆動し、燃料タンク５の燃料を所定の圧力で燃料噴射ノズル１０に供給する。モータ７に供給される電力はコントローラ２３からの燃料圧力信号により可変的に制御され、これにより燃料噴射ノズル１０に供給される燃料圧力は燃料圧力センサ１９からの検出値をフィードバックしながらそのときの運転状態に応じた目標値に制御される。
【００２５】
１２はエンジン吸入空気量を検出するエアフローメータ、１３はスロットルチャンバ、１４はスロットルバルブ、１５はスロットルバルブを駆動するスロットルアクチュエータである。１６はスロットルバルブ１４の開度を検出するスロットル開度センサ、２０はエンジン冷却水温度を検出する水温センサ、２１はエンジンクランク軸の位置および回転速度を検出するクランク角センサ、２２はアクセルペダルの踏み込み操作量を検出するアクセル開度センサである。
【００２６】
コントローラ２３は、上記燃料圧力に加えて、各種運転状態信号に基づいて、燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期、スロットル開度等を総合的に制御する。例えば、詳細は後述するが、燃料噴射量制御を例にとると、コントローラ２３はエアフローメータ１２からの吸入空気量信号とクランク角センサ２１からのエンジン回転速度信号とから基本燃料噴射量を算出し、これを冷却水温度、燃料圧力、スロットル開度等により補正して得た噴射量信号を噴射パルスとして燃料噴射ノズル１０に出力する。燃料噴射量は基本的には燃料噴射ノズル１０の開弁時間（噴射パルス幅）と燃料圧力との関数として決まるので、これらのパラメータに基づいて目標とする燃料量となるように演算またはテーブル検索により燃料噴射パルス幅の設定および補正を行う。
【００２７】
一方、コントローラ２３では、エンジン運転状態に応じて燃料噴射時期を変化させることによって複数の運転モードないし燃焼状態を制御する。第一には均質燃焼のモードであり、この場合は燃料を吸入行程内で噴射供給することにより着火までの間に燃焼室およびシリンダ内に十分に燃料を拡散させ、均質な混合気を形成して燃焼を行わせる。第二には成層燃焼のモードであり、この場合は燃料を圧縮行程に入ってから噴射供給し、点火栓近傍に濃混合気を集中させて成層燃焼を行わせる。吸入行程噴射は主として大きな出力を要するときに行い、圧縮行程噴射は主として部分負荷での燃費および排気エミッションを改善するときに行う。
【００２８】
ところで、すでに述べたように、このような直噴式エンジンにおいて、エンジンが冷えているときの始動時および暖機運転の間は燃焼室およびシリンダの壁面にクエンチ領域が生じるため吸入行程噴射を行うと未燃燃料の排出量が増え、これに対して圧縮行程噴射のみで対応しようとすると燃料量によっては運転安定性が損なわれるほか、やはり排気エミッションが悪化するおそれがある。そこで本発明では、低温運転条件下では良好な燃焼性能が得られる比較的燃料量の少ない運転状態でのみ圧縮行程噴射による燃料供給を行うことによりこうした問題点を解消する。以下にそのためのコントローラ２３における制御動作の一例につき、図２以下に示したフローチャートに沿って説明する。なお、図２以下に示したフローチャートは、イグニッションスイッチがＯＮとなっている間コントローラ２３により周期的、例えば約１０ｍｓ毎に実行される制御ルーチンを示している。
【００２９】
まず、図２に示した燃料圧力制御ルーチンについて説明する。燃料圧力は既述したように燃料噴射量に関連しており、燃料噴射ノズル１０の開弁時間が一定であれば燃料圧力を高めるほど燃料噴射量は増大する。燃料噴射量一定とすれば燃料圧力を高めるほど噴射に要する時間が短縮されるので燃料霧化および成層燃焼のためには有利となる。ここでは、低温運転条件下で比較的高圧の圧縮行程噴射による成層燃焼を行わせるにあたり、実際の燃料圧力Ｐｆが目標燃料圧力ＴＰｆと一致するように、モータ７への供給電力をフィードバック制御する。また、実際の燃料圧力Ｐｆに基づいて有効な燃料噴射が行えるか否かを判断し、フラグＦＰｆを設定する処理を行う。
【００３０】
まずＳ１０１にて水温センサ２０の出力信号から水温Ｔｗを、燃料圧力センサ１９の出力信号から実際の燃圧Ｐｆをそれぞれ読み込む。次にＳ１０２にて水温Ｔｗが所定値Ｔｗｔｈ１より低いか否かを判断する。ここで水温Ｔｗが所定値Ｔｗｔｈ１より低いと判断された場合、Ｓ１０３にて目標燃圧ＴＰｆを高圧設定値ＴＰｆＨに設定する。水温Ｔｗが低いときはフリクションに対抗するために燃料噴射量が多くなるので、目標燃圧ＴＰｆを高く設定して燃料噴射パルス幅の短縮化と燃料の微粒化を図る。これにより、始動時または暖機完了前の低温運転条件下での成層燃焼を最適化する。なお、水温Ｔｗが所定値Ｔｗｔｈ１より低い場合、水温Ｔｗが低くなるほど目標燃圧ＴＰｆが高くなるように設定してもよい。一方、Ｓ１０２にて水温Ｔｗが所定値Ｔｗｔｈ１より高いと判断された場合、Ｓ１０４にて目標燃圧ＴＰｆを通常設定値ＴＰｆＬに設定する。
【００３１】
次に、Ｓ１０５にて、このようにして得た目標燃圧ＴＰｆと実際の燃圧Ｐｆとに基づき、燃圧制御値を算出する。すなわち、実際の燃圧Ｐｆが目標燃圧ＴＰｆより低い場合は燃圧制御値を増大させ、反対に実際の燃圧Ｐｆが目標燃圧ＴＰｆより高い場合は燃圧制御値を減少させる。算出された燃料制御値に応じた信号は燃料ポンプ６を駆動するモータ７の制御回路に送られ、バッテリからモータ７へ供給される電力が調整される。このような制御により、燃料供給回路内の燃圧Ｐｆをほぼ目標燃圧ＴＰｆに一致させることができる。
【００３２】
一方、Ｓ１０６では実際の燃圧Ｐｆが下限圧力に相当する基準値Ｐｆｔｈより低いか否かを判断し、実際の燃圧Ｐｆが基準値Ｐｆｔｈより低いと判断された場合、このような場合にはどのようなモードで燃料噴射を行っても失火する可能性が高いことから、Ｓ１０７にて燃料噴射許可フラグＦＰｆを噴射禁止を意味する０にセットする。なお通常時はイグニッションスイッチがＯＮとなった直後のみフラグＦＰｆが０となる。これに対して、実際の燃料Ｐｆが基準値Ｐｆｔｈより高いと判断された場合には、Ｓ１０８にてフラグＦＰｆを噴射許可を意味する１にセットする。この燃料噴射許可フラグＦＰｆは他の制御ルーチンからも参照可能とするため、コントローラ内のメモリにその値を記憶させる。
【００３３】
図３は目標燃焼圧トルク演算ルーチンである。ここでは目標燃焼圧トルクすなわち燃焼によって発生させるべき出力トルクを算出し、これにより暖機運転の間の燃料噴射量増量制御等を行う。
【００３４】
まずＳ２０１にて、クランク角センサ２１の信号からエンジン回転速度Ｎｅを、アクセル開度センサ２２の信号からアクセル開度ＡＰＳを、水温センサ２０の信号から水温Ｔｗを、それぞれ読み込む。次に、Ｓ２０２にてスタータスイッチがＯＦＦであるか否かを判断する。本ステップの判断がＮＯである場合、すなわち、スタータモータによるクランキング中であると判断された場合、目標燃焼圧トルクの算出を行わずに本ルーチンを終了する。これに対して、スタータスイッチがＯＦＦであればエンジン始動完了後の運転状態であるので、Ｓ２０３にてエンジン回転速度Ｎｅとアクセル開度ＡＰＳとから目標燃焼圧トルクの基本値ＴＴＣ１を求める。ＴＴＣ１は、エンジン運転者の要求出力を表す値であり、例えばＮｅとＡＰＳに基づいて制御マップを検索することで設定される。なお、アイドル運転条件、すなわちエンジン回転速度Ｎｅが所定値より低くアクセル開度ＡＰＳがほぼ０が成立しているとき、ＴＴＣ１は０とされる。
【００３５】
次に、Ｓ２０４にて、エンジン回転速度Ｎｅと水温Ｔｗとから目標燃焼圧トルクのフリクション補正値ＴＴＣ２を算出する。ＴＴＣ２は、エンジンフリクションと釣り合う出力、換言すると無負荷条件下で現在のエンジン回転速度Ｎｅをそのまま維持するのに必要な出力を表す値である。水温Ｔｗが低いときは、摺動部分の潤滑を行うオイルの粘度が大きく、フリクションも大きくなる。よって、水温Ｔｗが低いほどＴＴＣ２は大きく設定される。このような補正により、水温Ｔｗが低いときには燃料噴射量が増量される。
【００３６】
Ｓ２０５では、上述のアイドル運転条件が成立しているか否かを判断する。アイドル運転条件が成立していると判断された場合は、Ｓ２０６にて目標アイドル回転速度ＴＮｅを水温Ｔｗに基づいて算出する。水温Ｔｗが低いときは、エンジン回転が不安定になりやすいので、水温Ｔｗが低いときほど目標アイドル回転速度ＴＮｅは高く設定される。
【００３７】
次のＳ２０７では、目標アイドル回転速度ＴＮｅと実際のエンジン回転速度Ｎｅとに基づき、目標燃焼圧トルクのアイドル回転フィードバック補正値ＴＴＣ３を算出する。具体的には、目標アイドル回転速度ＴＮｅと実際のエンジン回転速度Ｎｅとの差（ＴＮｅ−Ｎｅ）に所定のゲインを乗じてＴＴＣ３を求める。ＴＮｅ>ＮｅであればＴＴＣ３は正の値となり、反対にＴＮｅ<ＮｅであればＴＴＣ３は負の値となる。このような目標燃焼圧トルクのフィードバック制御により、アイドル運転時のエンジン回転速度Ｎｅを目標アイドル回転速度ＴＮｅに収束させる。一方、Ｓ２０５にてアイドル運転条件が成立していないと判断された場合は、目標燃焼圧トルクのアイドル回転フィードバック補正値ＴＴＣ３を０とする。
【００３８】
最後に、Ｓ２０９にてＴＴＣ１〜ＴＴＣ３を加算して最終的な目標燃焼圧トルクＴＴＣを算出し、算出したＴＴＣをＳ２１０にてコントローラ２３内のメモリに記憶させる。
【００３９】
図４は上述した運転モードの設定ルーチンであり、この場合は運転状態に応じて次の４つのモードにそれぞれそのモードを指示するフラグＦｍの値を割り当てている。
・Ｆｍ＝０：始動時または暖機完了前に均質燃焼を行うモード（以下、コールド均質モードという。）で、空燃比は理論空燃比よりもリッチとする。
・Ｆｍ＝１：始動時または暖機完了前に成層燃焼を行うモード（以下、コールド成層モードという。）で、空燃比は理論空燃比よりもリーンとする。
・Ｆｍ＝２：暖機完了後に均質燃焼を行うモード（以下、通常均質モードという。）で、空燃比は理論空燃比または理論空燃比よりもリッチとする。
・Ｆｍ＝３：暖機完了後に成層燃焼を行うモード（以下、通常成層モードという。）で、空燃比は理論空燃比よりもリーンとする。
【００４０】
始動時または暖機完了前に均質燃焼を行わせるべく吸気行程噴射すると、温度の低いシリンダボア壁面に付着した燃料の一部が燃焼終了までに気化できず、膨張行程後半から排気行程中に気化してそのまま排出され、エミッションを悪化させる。これに対し、成層燃焼を行わせるべく圧縮行程噴射すると、シリンダボア壁面に付着する燃料の量が大幅に減少し、エミッションが良好となる。なお、ピストン冠面またはピストン冠面上に形成されたボウル状燃焼室の壁面に付着する燃料の量は増加するが、この付着燃料は火炎に直接さらされて速やかに気化し燃焼すること、およびピストン冠面はシリンダボア壁よりも昇温が早いこと等の要因により、シリンダボア壁面に付着する燃料よりも排気エミッションへの悪影響は少ない。ただし、ボウル状燃焼室を有する場合には、ボウル状燃焼室からの燃料のこぼれが発生した場合、こぼれた燃料には火炎が伝播せず、こぼれる燃料量によっては排気エミッション性能が悪化するおそれがある。また、点火実行時点における燃料の気化状態が不十分である場合、失火が発生して排気エミッションをより悪化させるおそれを生じる。
【００４１】
これらの点を考慮し、以下に述べるようにこの制御では始動時または暖機完了前において、ボウル状燃焼室からの燃料のこぼれ量を少量に抑え、かつ点火実行までに燃料を十分気化させることができると判断できる場合にコールド成層モードを選択し、それ以外のときはコールド均質モードを選択するようにしている。
【００４２】
まずＳ３０１にてクランク角センサ２１の信号からエンジン回転速度Ｎｅを、水温センサ２０の信号から水温Ｔｗを、燃料圧力センサ１９の信号から燃圧Ｐｆを、コントローラ２３内のメモリから目標燃焼圧トルクＴＴＣを、それぞれ読み込む。
【００４３】
次に、Ｓ３０２にてスタータスイッチがＯＮであるか否かを判断する。スタータスイッチがＯＮのときは始動クランキング時であり、このときは水温Ｔｗに基づいて燃焼モード判定用の燃料噴射量ｍＴｉ１を求める。具体的には、Ｔｗに対応させてｍＴｉ１の値を記憶させてある制御テーブルから値を検索する。このテーブル値は、Ｔｗが低いほどｍＴｉ１が多くなる特性が設定されている。なお、ここで使用する制御テーブルの内容は、後述の始動時Ｔｉ制御テーブルの内容と同じである。
【００４４】
一方、Ｓ３０２にてスタータスイッチがＯＦＦ、つまり始動完了後であると判断された場合は、Ｓ３０４にて水温Ｔｗが所定値Ｔｗｔｈ２より低いか否かを判断する。所定値Ｔｗｔｈ２はエンジンの暖機を判定するための値で、水温Ｔｗが所定値Ｔｗｔｈ２より低いときは暖機完了前であると判断する。ここで水温Ｔｗが所定値Ｔｗｔｈ２より低いと判断された場合は、Ｓ３０５にて目標燃焼圧トルクＴＴＣに基づいて燃焼モード判定用の燃料噴射量ｍＴｉ１を算出する。ＴＴＣが大きいほどｍＴｉ１は大きくなる特性が設定されている。
【００４５】
次に、Ｓ３０６にて、燃圧Ｐｆに基づいて、燃焼モード判定用の燃料噴射量ｍＴｉ１を燃焼モード判定用の燃料噴射パルス幅ｍＴｉ２に換算する。燃圧Ｐｆが高くなるほど燃料噴射ノズル１０の単位開弁時間当たりの燃料噴射量が多くなるので、燃圧Ｐｆが高くなるほどｍＴｉ２は短い時間となる。
【００４６】
次のＳ３０７では、燃焼モード判定用の燃料噴射パルス幅ｍＴｉ２、エンジン回転速度Ｎｅ、水温Ｔｗ、燃圧Ｐｆに基づいて、燃料噴射パルス幅判定値Ｔｉｔｈを算出する。Ｔｉｔｈは、圧縮行程噴射を行ったときに、ボウル状燃焼室からの燃料のこぼれ量を少量に抑え、かつ点火実行までに燃料を十分気化させることができる最大の燃料噴射パルス幅を表す。なおその具体的な算出方法は図６を用いて後述する。
【００４７】
Ｓ３０８では、燃焼モード判定用の燃料噴射パルス幅ｍＴｉ２が燃料噴射パルス幅判定値Ｔｉｔｈより大きいか否かを判断する。ここでｍＴｉ２がＴｉｔｈより大きいと判断された場合は、圧縮行程噴射を行うとエミッションが悪化すると推定されるので、Ｓ３０９にてコールド均質モードを選択する。これに対して、ｍＴｉ２がＴｉｔｈ以下であると判断された場合は、Ｓ３１０にてコールド成層モードを選択する。
【００４８】
Ｓ３０４で水温Ｔｗが所定値Ｔｗｔｈ以上（暖磯完了）であると判断された場合は、Ｓ３１１にて、図５に示したような通常運転時の燃焼モード設定マップを参照して、現在の運転条件（Ｎｅ、ＴＴＣ）が均質燃焼領域内にあるか否かを判断する。ここで均質燃焼領域内であればＳ３１２にて通常均質モードを選択し、均質燃焼領域内でなければＳ３１３にて通常成層モードを選択する。最後に、こうして設定した燃焼モードフラグＦｍの値をコントローラ２３内のメモリに記憶させる。
【００４９】
上記Ｓ３０７での燃料噴射パルス幅判定値演算の詳細を図６に示す。ここではまずＳ３２１にて燃焼モード判定用の燃料噴射パルス幅ｍＴｉ２とエンジン回転速度Ｎｅとから、燃焼モード判定用の点火時期ｍＡＤＶを求める。具体的には、ｍＴｉ２とＮｅに対応させてｍＡＤＶの値を記憶させてある制御マップから値を検索する。なお、ここで使用する制御マップの内容は、後述の成層燃焼用基本ＡＤＶ制御マップの内容と同じである。
【００５０】
次に、Ｓ３２２にてエンジン回転速度Ｎｅに基づいて、燃料噴射開始可能時期ｍＩＴを算出する。圧縮行程噴射を行う場合にボウル状燃焼室から燃料がこぼれるか否かには、燃料噴射を開始する時期とそのときのピストンの位置が関連する。すなわち、燃料噴霧がピストンに到達したときピストンが所定の位置（ボウル状燃焼室がおおむね噴霧の半分以上を保持する位置）より上方にあればこぼれ量を少量に抑えることができる。このときの燃料噴射開始時期を燃料噴射開始可能時期ｍＩＴとして算出する。ｍＩＴはＮｅが高いほど進角側に設定される特性である。
【００５１】
次に、Ｓ３２３にて、エンジンのクランク軸が燃料噴射開始可能時期ｍＩＴから燃焼モード判定用の点火時期ｍＡＤＶまで回転するのに要する時間ＴＡを算出する。燃焼モード判定用の点火時期ｍＡＤＶと燃料噴射開始可能時期ｍＩＴとの差は、この間のクランク回転角を表すので、これをエンジン回転速度Ｎｅに基づいて時間に換算すればＴＡを算出することができる。
【００５２】
また、Ｓ３２４にて、水温Ｔｗと燃圧Ｐｆとに基づいて、噴射された燃料が十分に気化するのに要する気化時間ＴＢを算出する。気化時間ＴＢは、燃焼室内の温度が低いほど長くなる一方、燃圧Ｐｆが高いほど噴霧の燃料粒径が小さくなるので短くなる特性に設定されている。なお燃焼室内の温度は冷却水温から推定することができる。
【００５３】
最後に、Ｓ３２５で時間ＴＡから気化時間ＴＢを減算して燃料噴射パルス幅判定値Ｔｉｔｈを算出する。燃料噴射開始可能時期ｍＩＴに噴射を開始し、点火より気化時間ＴＢだけ早期に噴射を終了させるときの噴射実行時間がＴｉｔｈである。
【００５４】
次に、図７により目標当量比演算すなわち理論空燃比と目標空燃比との比ＴＦＢＹＡを算出する処理につき説明する。このＴＦＢＹＡは図８以下の処理においてスロットル開度および燃料噴射量を演算するために用いられる。
【００５５】
まず、Ｓ４０１にて、クランク角センサ２１の信号からエンジン回転速度Ｎｅを、水温センサ２０の信号から水温Ｔｗを、コントローラ２３内のメモリから目標燃焼圧トルクＴＴＣと燃焼モードフラグＦｍの値を、それぞれ読み込む。
【００５６】
次に、Ｓ４０２にてスタータスイッチがＯＦＦであるか否かを判断する。本ステップの判断がＮＯすなわち始動クランキング中であるときは、目標当量比ＴＦＢＹＡを用いた燃料噴射量の算出を行わないので、目標当量比ＴＦＢＹＡの算出を行わずに本ルーチンを終了する。
【００５７】
これに対して、スタータスイッチがＯＦＦの始動完了後には、次のＳ４０３にて燃焼モードフラグＦｍが０であるか否か、すなわちコールド均質モードが選択されているか否かを判断する。ここで燃焼モードフラグＦｍが０のコールド均質モードが選択されているときには、Ｓ４０４にて水温Ｔｗに基づいてコールド均質モード用の目標当量比ＴＦＢＹＡ０を算出する。このＴＦＢＹＡ０は、空然比を理論空然比よりもリッチとする値（１より大）であり、水温Ｔｗが低いほどリッチの度合いが大きくなるような特性が設定されている。次いで、Ｓ４０５では前記ＴＦＢＹＡ０を、最終的な目標当量比ＴＦＢＹＡに設定する。
【００５８】
一方、燃焼モードフラグＦｍが０でないときは、Ｓ４０６にてさらに燃焼モードフラグＦｍが１であるか否か、すなわちコールド成層モードが選択されているか否かを判断する。ここで燃焼モードフラグＦｍが１であるときは、Ｓ４０７にて水温Ｔｗに基づいてコールド成層モード用の目標当量比ＴＦＢＹＡ１を算出し、これをＳ４０８にて最終的な目標当量比ＴＦＢＹＡに設定する。前記ＴＦＢＹＡ１は、空然比を理論空添比よりもリーンとする値（１未満）であり、水温Ｔｗが高いほどリーンの度合いが大きくなるような特性が設定されている。始動時または暖磯完了前に均質燃焼を行う場合は、空然比をリッチに設定しないと安定した燃焼が得られないが、成層燃焼を行う場合は、点火栓近傍にリッチ混合気を集中させつつ燃焼室内の平均空然比をリーンにすることができるので、触媒コンバータ４に酸素過剰な排気を送ることが可能となって触媒コンバータ４の早期活性化にも寄与する。
【００５９】
もし燃焼モードフラグＦｍが０または１の何れでもないときは、Ｓ４０９の処理に移り、ここで通常運転用の目標当量比設定マップ（図５）から、エンジン回転速度Ｎｅと目標燃焼圧トルクＴＴＣとに基づいて、通常運転用の目標当量比ＴＦＢＹＡ２３を検索し、これをＳ４１０にて最終的な目標当量比ＴＦＢＹＡに設定する。なお、前記の目標当量比設定マップは燃焼モード設定マップと同一のもので、成層燃焼領域には空然比を理論空然比よりもリーンとする値（１未満）が書き込まれており、均質燃焼領域には空然比を理論空然比または理論空然比よりもリッチとする値（１以上）が書き込まれている。
【００６０】
最後に、Ｓ４１１にて最終的に設定した目標当量比ＴＦＢＹＡをコントローラ２３内のメモリに記憶させる。
【００６１】
次に図８に示したスロットルバルブ制御ルーチンについて説明する。ここでは実際のスロットル開度ＴＶＯが目標スロットル開度ＴＴＶＯと一致するように、スロットルアクチュエータ１５へ送るスロットル開度制御信号をフィードバック制御する。
【００６２】
まずＳ５０１にてクランク角センサ２１の信号からエンジン回転速度Ｎｅを、スロットル開度センサ１６の信号からスロットル開度ＴＶＯを、コントローラ２３内のメモリから目標燃焼圧トルクＴＴＣと燃焼モードフラグＦｍの値と目標当量比ＴＦＢＹＡを、それぞれ読み込み、次いでＳ５０２にてスタータスイッチがＯＮであるか否かを判断する。
【００６３】
Ｓ５０２においてスタータスイッチがＯＮであると判断された場合、さらにＳ５０３にて燃焼モードフラグＦｍが０（コールド均質モード）であるか否かを判断する。この判断にて燃焼モードフラグＦｍが０であるときには、Ｓ５０４にて目標スロットル開度ＴＴＶＯをコールド均質モードによる始動用のＴＴＶＯ０に設定する。ＴＴＶＯ０はスロットルバルブ１４をほぼ全閉状態とする所定値である。
【００６４】
これに対して、燃焼モードフラグＦｍが０でないときは、コールド成層モードが選択されているはずであるから、Ｓ５０５にて目標スロットル開度ＴＴＶＯをコールド成層モードによる始動用のＴＴＶＯ１に設定する。ＴＴＶＯ１はスロットルバルブ１４を半開あるいは全開状態とする所定値である。
【００６５】
また、Ｓ５０２でスタータスイッチがＯＦＦであると判断された場合は、Ｓ５０６にて目標燃焼圧トルクＴＴＣと目標当量比ＴＦＢＹＡとから目標吸入空気量ＴＱａを算出し、次いでＳ５０７にて目標吸入空気量ＴＱａとエンジン回転速度Ｎｅとから目標スロットル開度ＴＴＶＯを算出する。
【００６６】
最後に、Ｓ５０８にて目標スロットル開度ＴＴＶＯと実際のスロットル開度ＴＶＯとに基づき、スロットル開度のフィードバック制御値を算出する。すなわち、実際のスロットル開度ＴＶＯが目標スロットル開度ＴＴＶＯより小さい場合はスロットル開度制御値を増大させ、反対に実際のスロットル開度ＴＶＯが目標スロットル開度ＴＴＶＯより大きい場合はスロットル開度制御値を減少させる。算出されたスロットル開度制御値に応じた信号をスロットルアクチュエータ１５に送ることにより、スロットル開度ＴＶＯを目標スロットル開度ＴＴＶＯに一致させる。
【００６７】
次に、図９により燃料噴射制御値演算ルーチンについて説明する。これは、燃料噴射を実行する際に必要となる制御値すなわち燃料噴射パルス幅Ｔｉ、燃料噴射時期ＩＴを算出する処理である。なお、本ルーチンは制御値の算出のみを行うルーチンで、実際の燃料噴射は、図示しない燃料噴射制御ルーチンにより、クランク角センサ２１のクランク角検出信号が燃料噴射時期ＩＴと一致した時点から幅Ｔｉの燃料噴射パルス信号を燃料噴射ノズル１０に送るという処理により実行される。
【００６８】
まず、Ｓ６０１にてエアフローメータ１２の信号から吸入空気量Ｑａを、クランク角センサ２１の信号からエンジン回転速度Ｎｅを、水温センサ２０の信号から水温Ｔｗを、燃料圧力センサ１９の信号から燃圧Ｐｆを、コントローラ２３内のメモリから燃料噴射許可フラグＦＰｆと燃焼モードフラグＦｍの値と目標当量比ＴＦＢＹＡを、それぞれ読み込む。
【００６９】
次に、Ｓ６０２にて燃料噴射許可フラグＦＰｆが１（燃料噴射を許可）であるか否かを判断する。本ステップの判断がＮＯ（燃料噴射禁止）であった場合、Ｓ６１９にて燃料噴射パルス幅Ｔｉを０に設定し、本ルーチンを終了する。これに対して、Ｓ６０２での判断がＹＥＳ（燃料噴射許可）であった場合には、次いでＳ６０３にてスタータスイッチがＯＮであるか否かを判断する。
【００７０】
Ｓ６０３にてスタータＳＷがＯＮであると判断された場合は、Ｓ６０４に進み、水温Ｔｗに基づいて燃料噴射量Ｔｉ０を算出する。具体的には、Ｔｗに対応させてＴｉ０の値を記憶させてある始動時Ｔｉ制御テーブルから値を検索する。これに対してスタータスイッチがＯＦＦであると判断された場合は、Ｓ６０５およびＳ６０６にてエンジン回転速度Ｎｅ、吸入空気量Ｑａ、比例定数Ｋから、基本燃料噴射量Ｔｐを算出し、これに目標当量比ＴＦＢＹＡを乗じて燃料噴射量Ｔｉ０を算出する。前記Ｔｐは、燃焼室内の平均空然比を理論空然比とするときの燃料噴射量である。次いでＳ６０７にて、前述のようにして決定した燃料噴射量Ｔｉ０を燃圧Ｐｆに基づいて燃料噴射パルス幅Ｔｉに換算する。
【００７１】
次に、Ｓ６０８にて燃焼モードフラグＦｍが０（コールド均質モード）であるか否かを判断する。この判断において燃焼モードフラグＦｍが０であったときは、Ｓ６０９にて燃料噴射パルス幅Ｔｉとエンジン回転速度Ｎｅとに基づいてコールド均質モード用の燃料噴射時期ＩＴ０を算出し、最後にＳ６１０にてこれを最終的な燃料噴射時期ＩＴとして設定する。前記Ｓ６０９の処理は、具体的にはＴｉとＮｅに対応させてＩＴ０の値を記憶させてあるコールド均質モード用ＩＴ制御マップから値を検索する。ＩＴ０のマップ値は、吸気行程のクランク角範囲内で、燃焼室に流入してくる空気と燃料との混合が良好となり、かつ、シリンダボア壁面への燃料付着量が最少となる時期を予め実験的に確認して得た値である。
【００７２】
Ｓ６０８で燃焼モードフラグＦｍが０でないと判断されたときは、さらにＳ６１１にて燃焼モードフラグＦｍが１（コールド成層モード）であるか否かを判断する。燃焼モードフラグＦｍが１であるときは、Ｓ６１２にて燃料噴射パルス幅Ｔｉ、エンジン回転速度Ｎｅ、水温Ｔｗ、燃圧Ｐｆに基づいてコールド成層モード用の燃料噴射時期ＩＴ１を算出する。このときの燃料噴射時期の算出方法の詳細は図１０により後述する。次のＳ６１３では、Ｓ６１２で算出した燃料噴射時期ＩＴ１を最終的な燃料噴射時期ＩＴとして設定する。
【００７３】
一方、Ｓ６０８、Ｓ６１１で燃焼モードフラグＦｍが０、１の何れでもないと判断されたときは、さらにＳ６１４にて燃焼モードフラグＦｍが２（通常均質モード）であるか否かを判断する。燃焼モードフラグＦｍが２であるときは、Ｓ６１５にて燃料噴射パルス幅Ｔｉとエンジン回転速度Ｎｅとに基づいて通常均質モード用の燃料噴射時期ＩＴ２を算出し、Ｓ６１６にてこれを最終的な燃料噴射時期ＩＴとして設定する。前記Ｓ６１５の処理は、具体的にはＴｉとＮｅに対応させてＩＴ２の値を記憶させてある通常均質モード用ＩＴ制御マップから値を検索する。ＩＴ２のマップ値は、吸気行程のクランク角範囲内で、燃焼室に流入してくる空気と燃料との混合が良好となる時期を予め実験的に確認して得た値である。
【００７４】
もしＳ６０８、Ｓ６１１、Ｓ６１４で燃焼モードフラグＦｍが０〜２の何れでもないと判断されたときは通常成層モード選択中であるから、Ｓ６１７の処理として燃料噴射パルス幅Ｔｉとエンジン回転速度Ｎｅとに基づいて通常成層モード用の燃料噴射時期ＩＴ３をマップ検索から求め、これをＳ６１８にて最終的な燃料噴射時期ＩＴとして設定する。前記ＩＴ３のマップ値は、圧縮行程のクランク角範囲内で、ピストン上に形成されたボウル状燃焼室内にほぼ理論空然比の混合気層が形成され、安定した燃焼と良好な排気特性の得られる時期を予め実験的に確認して得た値である。
【００７５】
このようにして最終的に設定された燃料噴射パルス幅Ｔｉと燃料噴射時期ＩＴは、それぞれＳ６２０にてコントローラ２３内のメモリに記憶される。なお、Ｓ６０２での判断がＮＯすなわち燃料噴射禁止である場合、燃料噴射パルス幅Ｔｉは０に設定される。
【００７６】
図１０は上記Ｓ６１２で実行されるコールド成層モード燃料噴射時期の演算ルーチンの詳細を示したものである。
【００７７】
この処理では、まずＳ６３１にて燃料噴射パルス幅Ｔｉとエンジン回転速度Ｎｅとから、噴射時期演算用の点火時期ｉｔＡＤＶを算出する。具体的には、ＴｉとＮｅに対応させてｉｔＡＤＶの値を記憶させてある制御マップから値を検索する。次いで、Ｓ６３２にて、水温Ｔｗと燃圧Ｐｆとに基づいて、噴射された燃料が十分に気化するのに要する気化時間ＴＢを算出する（Ｓ３２４と同じ）。
【００７８】
次のＳ６３３では、燃料噴射パルス幅Ｔｉと気化時間ＴＢとの和を、エンジン回転速度Ｎｅに基づいてクランク回転角Ｃに変換し、さらにＳ６３４にて点火時期ｉｔＡＤＶよりクランク回転角Ｃだけ進角側のクランク角位置をコールド成層モード用の燃料噴射時期ＩＴ１に設定する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用可能なエンジンの一実施形態の概略を示す構成図。
【図２】本発明による排気浄化制御の一実施形態の処理内容を示す第１の流れ図。
【図３】本発明による排気浄化制御の一実施形態の処理内容を示す第２の流れ図。
【図４】本発明による排気浄化制御の一実施形態の処理内容を示す第３の流れ図。
【図５】上記実施形態の処理において用いるマップの一例の説明図。
【図６】本発明による排気浄化制御の一実施形態の処理内容を示す第４の流れ図。
【図７】本発明による排気浄化制御の一実施形態の処理内容を示す第５の流れ図。
【図８】本発明による排気浄化制御の一実施形態の処理内容を示す第６の流れ図。
【図９】本発明による排気浄化制御の一実施形態の処理内容を示す第７の流れ図。
【図１０】本発明による排気浄化制御の一実施形態の処理内容を示す第８の流れ図。
【符号の説明】
１    エンジン」という。
２    吸気通路
３    排気通路
４    触媒コンバータ
５    燃料タンク
６    燃料ポンプ
７    燃料ポンプのモータ
９    点火栓
１０    燃料噴射ノズル
１２    エアフローメータ
１３    スロットルチャンバ
１４    スロットルバルブ
１５    スロットルアクチュエータ
１６    スロットル開度センサ
１９    燃料圧力センサ
２０    水温センサ
２１    クランク角センサ
２２    アクセル開度センサ
２３    コントローラ
【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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【図８】
0003642243.tif 000009
【図９】
0003642243.tif 000010
【図１０】
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