(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関の燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備えると共に、機関運転条件に応じ、少なくとも、吸気行程にて燃料を噴射させて行う均質燃焼と、圧縮行程にて燃料を噴射させて行う成層燃焼とに切換制御する燃焼方式切換制御手段を備える直噴火花点火式内燃機関において、
所定の機関運転条件にて、一部の燃料を吸気行程にて噴射させ、残りの燃料を圧縮行程にて噴射させる２段噴射を指令する２段噴射指令手段と、
２段噴射の指令時に、そのときの目標空燃比に応じた分割比で、機関への燃料噴射量を、吸気行程にて噴射する均質燃焼用噴射量と、圧縮行程にて噴射する成層燃焼用噴射量とに分割する噴射量分割手段とを設け、
更に、分割後の各噴射量を燃料噴射弁の最低補償量と比較する比較手段と、
比較の結果、いずれか一方の噴射量が最低補償量未満と判定されたときに、分割比の小さい方の噴射量を最低補償量に設定し、分割比の大きい方の噴射量を全噴射量から最低補償量を引いた残量に設定する分割噴射量調整手段とを設けたことを特徴とする直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記分割噴射量調整手段は、両方の噴射量が最低補償量未満と判定されたときに、分割比の小さい方の噴射量を０に設定し、分割比の大きい方の噴射量を全噴射量に設定するものであることを特徴とする請求項１記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記分割噴射量調整手段は、両方の噴射量が最低補償量未満と判定されたときに、各噴射量を最低補償量に設定するものであることを特徴とする請求項１記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記２段噴射指令手段は、均質燃焼領域と成層燃焼領域との境界領域で、２段噴射を指令するものであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記噴射量分割手段は、目標空燃比がリーンになるほど、圧縮行程にて噴射する成層燃焼用噴射量の方が大となるように分割比を設定するものであることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
【０００１】
本発明は、直噴火花点火式内燃機関の制御装置に関し、特に、機関運転条件に応じて、燃焼方式を均質燃焼と成層燃焼とに切換制御するものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、直噴火花点火式内燃機関が注目されており、このものでは、機関運転条件に応じて、燃焼方式を切換制御、すなわち、吸気行程にて燃料を噴射することにより、燃焼室内に燃料を拡散させ均質の混合気を形成して行う均質燃焼と、圧縮行程にて燃料を噴射することにより、点火栓回りに集中的に層状の混合気を形成して行う成層燃焼とに切換制御するのが一般的である（特開昭５９−３７２３６号公報参照）。
【０００３】
また、機関回転数とトルクとの全性能マップ上で、均質燃焼領域と成層燃焼領域とに挟まれる境界領域に、一部の燃料を吸気行程にて噴射させ、残りの燃料を圧縮行程にて噴射させる２段噴射を行う弱成層燃焼領域を設けることで、成層燃焼でのリッチ過ぎによる失火やスモーク増大と、均質燃焼でのリーン過ぎによる失火や燃焼不安定とを防止するようにしたものもある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、２段噴射は、１段噴射（通常の噴射）と比較して、機関への燃料噴射量を分割しているため、１回に噴射する噴射量（噴射パルス幅）が小さくなる。
このため、２段噴射時に、分割された噴射量が燃料噴射弁の最低補償量（最低補償パルス幅；燃料噴射弁のパルス幅−流量特性において直線性を補償し得る下限値）未満となることがあり、燃料噴射弁として流量補償ができないため、リーン化若しくはリッチ化によるトルク段差やスモークの発生を招くという問題点があった。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、２段噴射時の噴射量を調整して、最低補償量未満でのリーン化若しくはリッチ化によるトルク段差やスモークの発生を抑制することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明では、機関の燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備えると共に、機関運転条件に応じ、少なくとも、吸気行程にて燃料を噴射させて行う均質燃焼と、圧縮行程にて燃料を噴射させて行う成層燃焼とに切換制御する燃焼方式切換制御手段を備える直噴火花点火式内燃機関の制御装置において、図１に示すように、所定の機関運転条件にて、一部の燃料を吸気行程にて噴射させ、残りの燃料を圧縮行程にて噴射させる２段噴射を指令する２段噴射指令手段と、２段噴射の指令時に、そのときの目標空燃比に応じた分割比で、機関への燃料噴射量を、吸気行程にて噴射する均質燃焼用噴射量と、圧縮行程にて噴射する成層燃焼用噴射量とに分割する噴射量分割手段とを設け、更に、分割後の各噴射量を燃料噴射弁の最低補償量と比較する比較手段と、比較の結果、いずれか一方の噴射量が最低補償量未満と判定されたときに、分割比の小さい方の噴射量を最低補償量に設定し、分割比の大きい方の噴射量を全噴射量から最低補償量を引いた残量に設定する分割噴射量調整手段とを設けたことを特徴とする。
【０００７】
請求項２に係る発明では、前記分割噴射量調整手段は、両方の噴射量が最低補償量未満と判定されたときに、分割比の小さい方の噴射量を０に設定し、分割比の大きい方の噴射量を全噴射量に設定するものであることを特徴とする。
請求項３に係る発明では、前記分割噴射量調整手段は、両方の噴射量が最低補償量未満と判定されたときに、各噴射量を最低補償量に設定するものであることを特徴とする。
【０００８】
請求項４に係る発明では、前記２段噴射指令手段は、均質燃焼領域と成層燃焼領域との境界領域で、２段噴射を指令するものであることを特徴とする。
請求項５に係る発明では、前記噴射量分割手段は、目標空燃比がリーンになるほど、圧縮行程にて噴射する成層燃焼用噴射量の方が大となるように分割比を設定するものであることを特徴とする。
【０００９】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、２段噴射の指令時に、そのときの目標空燃比に応じた分割比で、機関への燃料噴射量を、吸気行程にて噴射する均質燃焼用噴射量と、圧縮行程にて噴射する成層燃焼用噴射量とに分割するが、分割後の各噴射量を燃料噴射弁の最低補償量と比較して、比較の結果、いずれか一方の噴射量が最低補償量未満と判定されたときに、分割比の小さい方の噴射量を最低補償量に設定し、分割比の大きい方の噴射量を全噴射量から最低補償量を引いた残量に設定することで、最低補償量未満でのリーン化若しくはリッチ化によるトルク段差やスモークの発生を抑制することができると共に、要求噴射量を過不足なく実現することができるという効果が得られる。
【００１０】
請求項２に係る発明によれば、両方の噴射量が最低補償量未満と判定されたときに、分割比の小さい方の噴射量を０に設定し、分割比の大きい方の噴射量を全噴射量に設定して、１段噴射とすることで、要求噴射量を過不足なく実現することができる。
請求項３に係る発明によれば、両方の噴射量が最低補償量未満と判定されたときに、各噴射量を最低補償量に設定することで、少なくとも噴射量制御不能となることを防止できる。
【００１１】
請求項４に係る発明によれば、均質燃焼領域と成層燃焼領域との境界領域にて２段噴射を指令することにより、均質燃焼と成層燃焼とがスムーズにつながるようになる。
請求項５に係る発明によれば、目標空燃比がリーンになるほど、圧縮行程にて噴射する成層燃焼用噴射量の方が大となるように分割比を設定することにより、均質燃焼と成層燃焼とがスムーズにつながるようになる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について説明する。
図２は実施の一形態を示す内燃機関のシステム図である。先ず、これについて説明する。
車両に搭載される内燃機関１の各気筒の燃焼室には、エアクリーナ２から吸気通路３により、電制スロットル弁４の制御を受けて、空気が吸入される。また、スワール制御弁５が設けられており、ポート断面積を制御して燃焼室に吸入される空気の流動を制御可能である。
【００１３】
そして、燃焼室内に燃料（ガソリン）を直接噴射するように、電磁式の燃料噴射弁（インジェクタ）６が設けられている。
燃料噴射弁６は、後述するコントロールユニット２０から機関回転に同期して吸気行程又は圧縮行程にて出力される噴射パルス信号によりソレノイドに通電されて開弁し、所定圧力に調圧された燃料を噴射するようになっている。そして、噴射された燃料は、吸気行程噴射の場合は燃焼室内に拡散して均質な混合気を形成し、また圧縮行程噴射の場合は点火栓７回りに集中的に層状の混合気を形成し、後述するコントロールユニット２０からの点火信号に基づき、点火栓７により点火されて、燃焼（均質燃焼又は成層燃焼）する。尚、燃焼方式は、空燃比制御との組合わせで、均質ストイキ燃焼、均質リーン燃焼（空燃比２０〜３０）、成層リーン燃焼（空燃比４０程度）などに分けられる。
【００１４】
機関１からの排気は排気通路８より排出され、排気通路８には排気浄化用の触媒９が介装されている。また、排気の一部は電制ＥＧＲ弁１０を介してＥＧＲ通路１１により吸気通路３のスロットル弁４下流（吸気マニホールド）に還流される。
コントロールユニット２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器及び入出力インターフェイス等を含んで構成されるマイクロコンピュータを備え、各種センサからの入力信号を受け、これに基づいて演算処理して、燃料噴射弁６及び点火栓７などの作動を制御する。
【００１５】
前記各種センサとしては、機関１のクランク軸又はカム軸回転を検出するクランク角センサ２１，２２が設けられている。これらのクランク角センサ２１，２２は、気筒数をｎとすると、クランク角７２０°／ｎ毎に、予め定めたクランク角位置（例えば圧縮上死点前１１０°）で基準パルス信号ＲＥＦを出力すると共に、１〜２°毎に単位パルス信号ＰＯＳを出力するもので、基準パルス信号ＲＥＦの周期などから機関回転数Ｎｅを算出可能である。また特に、カム軸センサ２２はクランク角７２０°毎に予め定めたクランク角位置で特定気筒に対応する気筒判別信号ＰＨＡＳＥを出力し、これにより気筒判別が可能となる。
【００１６】
この他、吸気通路３のスロットル弁４上流で吸入空気流量Ｑａを検出するエアフローメータ２３、アクセルペダルの踏込み量（アクセル開度）ＡＣＣを検出するアクセルセンサ２４、スロットル弁４の開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサ２５（スロットル弁４の全閉位置でＯＮとなるアイドルスイッチを含む）、機関１の冷却水温Ｔｗを検出する水温センサ２６、排気通路８にて排気空燃比のリッチ・リーンに応じた信号を出力するＯ2 センサ２７、車速ＶＳＰを検出する車速センサ２８などが設けられている。
【００１７】
次に、コントロールユニット２０により行われる燃焼方式の切換制御について、図３のフローチャートにより説明する。
図３は燃焼方式切換ルーチンであり、所定時間（例えば１０ｍｓ）毎に実行される。本ルーチンが燃焼方式切換制御手段に相当する。
ステップ１（図にはＳ１と記す。以下同様）では、機関回転数Ｎｅ、目標機関トルクｔＴｅ、水温Ｔｗ等の機関運転条件を読込む。尚、目標機関トルクｔＴｅは、アクセル開度ＡＣＣ及び車速ＶＳＰより設定される目標駆動力ｔＴｄをベースとし、変速比及びトルク比を考慮して、定めるか、アクセル開度ＡＣＣと機関回転数Ｎｅとから定める。
【００１８】
ステップ２では、機関運転条件に基づいて、燃焼方式切換マップを参照する。すなわち、図４に示すように、機関回転数Ｎｅと目標機関トルクｔＴｅとをパラメータとして燃焼方式（及び基本目標当量比ＴＦＢＹＡ０）を定めたマップを、水温Ｔｗ、始動後時間などの条件別に複数備えていて、これらの条件から選択されたマップより、実際の機関運転状態のパラメータに従って、均質ストイキ燃焼、均質リーン燃焼、成層リーン燃焼又は２段噴射（弱成層燃焼）のいずれかに燃焼方式（及び基本目標当量比ＴＦＢＹＡ０）を設定する。図４に例示したマップは、暖機完了後（水温Ｔｗ高、始動後時間大）のものである。
【００１９】
ステップ３では、燃焼方式の判定に従って分岐する。
均質ストイキ燃焼の場合は、ステップ４へ進んで対応した制御を行う。すなわち、燃料噴射量をストイキ空燃比（１４．６）相当に設定して、Ｏ2 センサ２７による空燃比フィードバック制御を行う一方、噴射時期を吸気行程に設定して、均質ストイキ燃焼を行わせる。
【００２０】
均質リーン燃焼の場合は、ステップ５へ進んで対応した制御を行う。すなわち、燃料噴射量を空燃比２０〜３０のリーン空燃比相当に設定して、オープン制御を行う一方、噴射時期を吸気行程に設定して、均質リーン燃焼を行わせる。
成層リーン燃焼の場合は、ステップ６へ進んで対応した制御を行う。すなわち、燃料噴射量を空燃比４０程度のリーン空燃比相当に設定して、オープン制御を行う一方、噴射時期を圧縮行程に設定して、成層リーン燃焼を行わせる。
【００２１】
２段噴射（弱成層燃焼）の場合は、ステップ７へ進んで対応した制御を行う。すなわち、一部の燃料を吸気行程にて噴射させ、残りの燃料を圧縮行程にて噴射させる２段噴射、更に詳しくは、燃料噴射量を吸気行程にて噴射する均質燃焼用噴射量と圧縮行程にて噴射する成層燃焼用噴射量とに分割して、２段噴射を行わせる。従って、この部分が２段噴射指令手段に相当する。
【００２２】
図５は燃料噴射量（２段噴射の場合は全噴射量）の演算ルーチンであり、所定時間毎に実行されて、その結果は前記均質ストイキ制御、均質リーン制御、成層リーン制御、２段噴射制御において参照される。
ステップ１１では、吸入空気流量Ｑａ、機関回転数Ｎｅ等を検出する。
ステップ１２では、次式により、ストイキ空燃比相当の基本燃料噴射量Ｔｐを演算する。
【００２３】
Ｔｐ＝Ｋ×Ｑａ／Ｎｅ      但し、Ｋは定数。
ステップ１３では、次式により、燃料噴射量ＴＩを演算する。
ＴＩ＝Ｔｐ×ＴＦＢＹＡ×ＫＡＴＨＯＳ×（ＡＬＰＨＡ＋ＫＢＬＲＣ−１）
ＴＦＢＹＡは目標当量比であり、マップから求められた基本目標当量比ＴＦＢＹＡ０を燃焼効率等により補正すると共に、１次遅れを与えて得る。尚、目標当量比ＴＦＢＹＡは、目標燃空比補正係数ともいい、目標空燃比をｔＡＦとすると、１４．６／ｔＡＦで表される。
【００２４】
ＫＡＴＨＯＳは過渡補正係数であり、スロットル開度ＴＶＯの変化量などに基づいて設定される。
ＡＬＰＨＡはＯ2 センサ信号に基づく空燃比フィードバック補正係数であり、リーン燃焼時は＝１にクランプされる。また、ＫＢＬＲＣは空燃比フィードバック制御の制御結果に基づく学習補正係数である。
【００２５】
図６は２段噴射時の噴射量制御ルーチンであり、２段噴射制御（図３のステップ７）において実行される。
ステップ３１では、目標当量比ＴＦＢＹＡに応じて分割比（ここでは全噴射量に対する成層燃焼用噴射量の割合）ＫＰＡＲＴを予め定めて記憶させたテーブルを参照し、実際の目標当量比ＴＦＢＹＡから分割比ＫＰＡＲＴを設定する。
【００２６】
ここで、目標当量比ＴＦＢＹＡが小さくなる程（すなわち目標空燃比がリーンになる程）、成層燃焼用噴射量の方の分割比ＫＰＡＲＴを大きくし、目標当量比ＴＦＢＹＡが大きくなって１に近づく程（すなわち目標空燃比がストイキに近づく程）、成層燃焼用噴射量の方の分割比ＫＰＡＲＴを小さくする。
ステップ３２では、分割比に従って、２段噴射量を演算する。すなわち、次式（１）のごとく、燃料噴射量ＴＩに分割比ＫＰＡＲＴを乗じて、圧縮行程噴射の成層燃焼用噴射量ＴＩＳを演算し、また、次式（２）のごとく、燃料噴射量ＴＩに分割比（１−ＫＰＡＲＴ）を乗じて、吸気行程噴射の均質燃焼用噴射量ＴＩＨを演算する。
【００２７】
ＴＩＳ＝ＴＩ×ＫＰＡＲＴ          ・・・（１）
ＴＩＨ＝ＴＩ×（１−ＫＰＡＲＴ）  ・・・（２）
ステップ３３では、成層燃焼用噴射量ＴＩＳを燃料噴射弁の最低補償量ＭＩＮと比較して、その結果に従って分岐し、分岐先のステップ３４又はステップ３５では、均質燃焼用噴射量ＴＩＨを燃料噴射弁の最低補償量ＭＩＮと比較する。
【００２８】
これらの結果、両方の噴射量ＴＩＳ，ＴＩＨが共に最低補償量ＭＩＮ以上と判定された場合（ＴＩＳ≧ＭＩＮ，ＴＩＨ≧ＭＩＮの場合）は、調整不要であるので、ステップ３２で分割した噴射量ＴＩＳ，ＴＩＨを維持する。そして、ステップ４１へ進んで、吸気行程噴射の均質燃焼用噴射量ＴＩＨ及び圧縮行程噴射の成層燃焼用噴射量ＴＩＳを噴射量制御用の所定のレジスタにセットする。
【００２９】
いずれか一方の噴射量、例えば成層燃焼用噴射量ＴＩＳが最低補償量ＭＩＮ未満の場合（ＴＩＳ＜ＭＩＮ，ＴＩＨ≧ＭＩＮの場合）は、ステップ３６へ進み、分割比の小さい方の噴射量である成層燃焼用噴射量ＴＩＳを最低補償量ＭＩＮに設定し、分割比の大きい方の噴射量である均質燃焼用噴射量ＴＩＨを全噴射量ＴＩから最低補償量ＭＩＮを引いた残量（ＴＩ−ＭＩＮ）に設定する。
【００３０】
逆に、均質燃焼用噴射量ＴＩＨが最低補償量ＭＩＮ未満の場合（ＴＩＳ≧ＭＩＮ，ＴＩＨ＜ＭＩＮの場合）は、ステップ３７へ進み、分割比の小さい方の噴射量である均質燃焼用噴射量ＴＩＨを最低補償量ＭＩＮに設定し、分割比の大きい方の噴射量である成層燃焼用噴射量ＴＩＳを全噴射量ＴＩから最低補償量ＭＩＮを引いた残量（ＴＩ−ＭＩＮ）に設定する。
【００３１】
両方の噴射量ＴＩＳ，ＴＩＨが共に最低補償量ＭＩＮ未満と判定された場合（ＴＩＳ＜ＭＩＮ，ＴＩＨ＜ＭＩＮの場合）は、ステップ３８へ進み、成層燃焼用噴射量ＴＩＳと均質燃焼用噴射量ＴＩＨとの大小（成層燃焼用噴射量の分割比ＫＰＡＲＴと均質燃焼用噴射量の分割比１−ＫＰＡＲＴとの大小）とを比較する。
ＴＩＳ＜ＴＩＨの場合は、ステップ３９へ進み、分割比の小さい方の噴射量である成層燃焼用噴射量ＴＩＳを０に設定し、分割比の大きい方の噴射量である均質燃焼用噴射量ＴＩＨを全噴射量ＴＩに設定する。この場合は、均質燃焼用の吸気行程噴射のみの１段噴射となる。
【００３２】
逆にＴＩＳ≧ＴＩＨの場合は、ステップ４０へ進み、分割比の小さい方の噴射量である均質燃焼用噴射量ＴＩＨを０に設定し、分割比の大きい方の噴射量である成層燃焼用噴射量ＴＩＳを全噴射量ＴＩに設定する。この場合は、成層燃焼用の圧縮行程噴射のみの１段噴射となる。
これらの調整後は、ステップ４１へ進んで、調整後の吸気行程噴射の均質燃焼用噴射量ＴＩＨ及び圧縮行程噴射の成層燃焼用噴射量ＴＩＳを噴射量制御用の所定のレジスタにセットして、本ルーチンを終了する。
【００３３】
尚、ステップ３１，３２の部分が噴射量分割手段に相当し、ステップ３３〜３５の部分が比較手段に相当し、ステップ３６〜４０の部分が分割噴射量調整手段に相当する。
この他の実施例としては、図６のフローチャートにおいて、両方の噴射量ＴＩＳ，ＴＩＨが共に最低補償量ＭＩＮ未満と判定された場合（ＴＩＳ＜ＭＩＮ，ＴＩＨ＜ＭＩＮの場合）の、ステップ３８〜４０の処理を、各噴射量ＴＩＳ，ＴＩＨを最低補償量ＭＩＮに設定する処理（ＴＩＳ＝ＭＩＮ，ＴＩＨ＝ＭＩＮ）に変更してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の構成を示す機能ブロック図
【図２】  本発明の実施の一形態を示す内燃機関のシステム図
【図３】  燃焼方式切換ルーチンのフローチャート
【図４】  燃焼方式切換マップの概略図
【図５】  燃料噴射量演算ルーチンのフローチャート
【図６】  ２段噴射時の噴射量制御ルーチンのフローチャート
【符号の説明】
１  内燃機関
３  吸気通路
４  電制スロットル弁
６  燃料噴射弁
７  点火栓
８  排気通路
20  コントロールユニット
21，22  クランク角センサ
23  エアフローメータ
24  アクセルセンサ
【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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