(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、ストイキ空燃比でのストイキ燃焼とリーン空燃比でのリーン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、
機関運転条件に基づいて機関が発生しようとする目標機関トルクを算出する目標機関トルク算出手段と、
実際に機関が発生している実機関トルクを検出する実機関トルク検出手段と、目標機関トルクと実機関トルクとのズレ状態を表すズレ状態量を算出するズレ状態量算出手段と、
前記ズレ状態量が所定値以上のときにリーン燃焼を禁止するリーン燃焼禁止手段と、
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】
前記目標機関トルク算出手段は、機関回転数とアクセル開度とに基づいて目標機関トルクを算出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】
前記実機関トルク検出手段は、機関の燃焼行程での回転角加速度に基づいて実機関トルクを算出するものであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記実機関トルク検出手段は、機関の燃焼圧力に基づいて実機関トルクを算出するものであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記ズレ状態量算出手段は、前記ズレ状態量を、目標機関トルクと実機関トルクとの差として、算出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。
【請求項６】
前記ズレ状態量算出手段は、前記ズレ状態量を、目標機関トルクの変化量と実機関トルクの変化量との差として、算出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。
【請求項７】
前記燃焼方式切換制御手段は、機関運転条件に応じ、少なくとも、吸気行程で燃料を噴射してストイキ空燃比で行わせる均質ストイキ燃焼と、吸気行程で燃料を噴射してリーン空燃比で行わせる均質リーン燃焼と、圧縮行程で燃料を噴射してリーン空燃比で行わせる成層リーン燃焼とに切換制御するものであり、
前記リーン燃焼禁止手段は、前記ズレ状態量が所定値以上のときに、均質リーン燃焼及び成層リーン燃焼を禁止するものであることを特徴とする請求項１〜請求項６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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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、少なくとも、ストイキ空燃比（理論空燃比）でのストイキ燃焼と、リーン空燃比（理論空燃比より希薄側）でのリーン燃焼とに切換制御するものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、機関の燃焼室内に直接燃料を噴射する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、ストイキ燃焼（ストイキ均質燃焼）と、リーン燃焼（成層リーン燃焼あるいは均質ストイキ燃焼）とに切換制御している（特開昭５９−３７２３６号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、直噴火花点火式内燃機関においては、機関の燃焼室内に直接燃料を噴射することから、リーン燃焼時に、燃料系によるトルク感度が高くなり（燃料噴射量のわずかな変化でトルクが大きく変化するようになり）、燃料系部品の故障等により、瞬時に燃料噴射量が増加したりすると、急激な車両挙動変化による運転性の悪化を招く可能性がある。
【０００４】
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、燃料系部品の故障等による運転性の悪化を防止できるようにすることを目的とする。
【０００５】
【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、ストイキ空燃比でのストイキ燃焼とリーン空燃比でのリーン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、機関運転条件に基づいて機関が発生しようとする目標機関トルクを算出する目標機関トルク算出手段と、実際に機関が発生している実機関トルクを検出する実機関トルク検出手段と、目標機関トルクと実機関トルクとのズレ状態を表すズレ状態量を算出するズレ状態量算出手段と、前記ズレ状態量が所定値以上のときにリーン燃焼を禁止するリーン燃焼禁止手段と、を設けたことを特徴とする。
【０００６】
請求項２に係る発明では、前記目標機関トルク算出手段は、機関回転数とアクセル開度とに基づいて目標機関トルクを算出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、前記実機関トルク検出手段は、機関の燃焼行程での回転角加速度（回転角速度の変化量）に基づいて実機関トルクを算出するものであることを特徴とする。
【０００７】
請求項４に係る発明では、前記実機関トルク検出手段は、機関の燃焼圧力に基づいて実機関トルクを算出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、前記ズレ状態量算出手段は、前記ズレ状態量を、目標機関トルクと実機関トルクとの差として、算出するものであることを特徴とする。
【０００８】
請求項６に係る発明では、前記ズレ状態量算出手段は、前記ズレ状態量を、目標機関トルクの変化量と実機関トルクの変化量との差として、算出するものであることを特徴とする。
請求項７に係る発明では、前記燃焼方式切換制御手段は、機関運転条件に応じ、少なくとも、吸気行程で燃料を噴射してストイキ空燃比で行わせる均質ストイキ燃焼と、吸気行程で燃料を噴射してリーン空燃比で行わせる均質リーン燃焼と、圧縮行程で燃料を噴射してリーン空燃比で行わせる成層リーン燃焼とに切換制御するものであり、前記リーン燃焼禁止手段は、前記ズレ状態量が所定値以上のときに、均質リーン燃焼及び成層リーン燃焼を禁止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、機関が発生しようとする目標機関トルクと実際に機関が発生している実機関トルクとを検出し、目標機関トルクと実機関トルクとのズレ状態が大のときは、運転性の悪化の恐れがあるとしてリーン燃焼を禁止するので、リーン燃焼による運転性の悪化を未然に防止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、機関が発生しようとする目標機関トルクを、機関回転数とアクセル開度とから、的確に求めることができる。
請求項３に係る発明によれば、実際に機関が発生している実機関トルクを、機関の燃焼行程での回転角加速度から、的確に推定することができる。
請求項４に係る発明によれば、実際に機関が発生している実機関トルクを、機関の燃焼圧力から、的確に推定することができる。
【００１１】
請求項５に係る発明によれば、目標機関トルクと実機関トルクとの差により、ズレ状態を簡単に定量化することができる。
請求項６に係る発明によれば、目標機関トルクの変化量と実機関トルクの変化量との差により、ズレ状態を定量化することで、機差、環境条件等の影響をキャンセルすることができ、診断精度を向上させることができる。
【００１２】
請求項７に係る発明によれば、均質ストイキ燃焼と均質リーン燃焼と成層リーン燃焼とに切換制御する場合に、目標機関トルクと実機関トルクとのズレ状態が大のときに、均質リーン燃焼及び成層リーン燃焼を禁止することで、運転性の悪化を確実に防止することができる。
【００１３】
【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。
【００１４】
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、成層リーン燃焼に分けられる。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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〜図７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、基本燃料噴射量Ｔｐ（又は目標機関トルクｔＴｅ）、水温Ｔｗ等の機関運転条件を読込む。
【００１９】
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、機関回転数Ｎｅと基本燃料噴射量Ｔｐ（又は目標機関トルク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、均質リーン燃焼又は成層リーン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３中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。
【００２０】
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６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。
【００２１】
均質リーン燃焼の場合は、ステップ７へ進んで対応した制御を行う。すなわち、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８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。
【００２２】
但し、ステップ７の均質リーン燃焼制御及びステップ８の成層リーン燃焼制御のそれぞれ直前に、ステップ４及びステップ５が設けられ、ここでリーン燃焼禁止（リーン燃焼禁止フラグ＝１）か否かを判定して、リーン燃焼禁止の場合は、均質リーン燃焼制御及び成層リーン燃焼制御を行うことなく、ステップ６へ進んで、均質ストイキ制御を行うようになっている。
【００２３】
燃料噴射量の計算式は次の通りである。
ＴＩ＝Ｔｐ×ＴＦＢＹＡ×α＋Ｔｓ
ここで、Ｔｐはストイキ空燃比相当の基本燃料噴射量であり、Ｔｐ＝Ｋ０×Ｑａ／Ｎｅ（Ｋ０は定数）により求める。
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】
α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。
Ｔｓはバッテリ電圧に依存する無効噴射時間補正分である。
図４はリーン燃焼禁止判定ルーチンであり、所定時間（例えば１０ｍｓ）毎に実行される。
【００２５】
ステップ１１では、機関運転条件に基づいて機関が発生しようとする目標機関トルクｔＴｅを算出する。この部分が目標機関トルク算出手段に相当する。但し、実際の算出は別ルーチン、すなわち、図５のサブルーチンにより行う。
図５のサブルーチンについて説明すれば、ステップ１０１で機関回転数Ｎｅを検出し、ステップ１０２でアクセル開度ＡＣＣを検出する。そして、ステップ１０３で、機関回転数Ｎｅとアクセル開度ＡＣＣとをパラメータとして機関が発生しようとする目標機関トルクｔＴｅを予め定めて記憶させたマップを参照し、実際のＮｅ，ＡＣＣから、目標機関トルクｔＴｅを検索により求める。
【００２６】
ステップ１２では、実際に機関が発生している実機関トルクＴｅを検出する。この部分が実機関トルク検出手段に相当する。但し、実際の検出は別ルーチン、すなわち、図６のサブルーチン、又は図７のサブルーチンにより行う。
図６のサブルーチンについて説明すれば、クランク角センサ２１，２２からの信号に基づいてクランク角を監視しつつ、先ず、ステップ２０１で上死点ＴＤＣの前後３０°の第１区間での機関の回転角速度ω１を計測する。次に、ステップ２０２で上死点ＴＤＣから所定クランク角ＡＮＧ後の前後３０°の第２区間での機関の回転角速度ω２を計測する。尚、回転角速度は、各区間の開始点から終了点までの時間を計測して求める。
【００２７】
そして、ステップ２０３で、これらの回転角速度ω１，ω２に基づいて、燃焼行程での回転角加速度Δω＝（ω２−ω１）／ｄｔを算出する。ｄｔは所定クランク角ＡＮＧの開始点から終了点までの時間（計測値）である。
そして、ステップ２０４で、次式のごとく、燃焼行程での回転角加速度Δωに基づいて、実機関トルクＴｅを算出する。
【００２８】
Ｔｅ＝Δω×Ｋ＋ＯＦＦＳＥＴ
但し、Ｋは変換係数、ＯＦＦＳＥＴはオフセット値（いずれも定数）である。図７のサブルーチンについて説明すれば、点火栓７又は燃料噴射弁６のねじ込み式の取付部に、取付座金状に、圧電素子からなる燃焼圧力センサ（図２では図示を省略）を設けておき、ステップ２１１で、クランク角センサ２１，２２からの信号に基づいてクランク角を監視しつつ、予め定めた積分開始クランク角から積分終了クランク角までの間、所定のサンプリングタイミング毎に、燃焼圧力センサからの信号をＡ／Ｄ変換して、燃焼圧力Ｐを読込むと同時に、その積算値ΣＰ＝ΣＰ＋Ｐを算出する。そして、ステップ２１２で、積分開始クランク角から積分終了クランク角までの積算値ΣＰを図示平均有効圧力Ｐｉとして検出する。
【００２９】
そして、ステップ２１３で、次式のごとく、図示平均有効圧力Ｐｉに基づいて、実機関トルクＴｅを算出する。
Ｔｅ＝Ｐｉ×Ｋ＋ＯＦＦＳＥＴ
但し、Ｋは変換係数、ＯＦＦＳＥＴはオフセット値（いずれも定数）である。
ステップ１３では、目標機関トルクｔＴｅと実機関トルクＴｅとのズレ状態を表すズレ状態量として、実機関トルクＴｅと目標機関トルクｔＴｅとのトルク差ΔＴＱ＝Ｔｅ−ｔＴｅ（又は、ΔＴＱ＝｜Ｔｅ−ｔＴｅ｜）を算出する。この部分がズレ状態量算出手段に相当する。
【００３０】
ステップ１４では、ズレ状態量としてのトルク差ΔＴＱと、所定値（異常判定用の閾値）ＳＬとを比較して、ΔＴＱ≧ＳＬか否かを判定する。
ズレ状態量大、すなわち、ΔＴＱ≧ＳＬのときは、運転性の悪化の恐れがあるとして、ステップ１５で、ＮＧ判定を行い、ステップ１６でリーン燃焼禁止（リーン燃焼禁止フラグ＝１）とする。
【００３１】
これにより、以降、図３の燃焼方式切換ルーチン（ステップ４，５）において、均質リーン燃焼制御及び成層リーン燃焼制御が禁止され、均質ストイキ制御（ステップ６）がなされる。
従って、図４のステップ１４，１６と図３のステップ４，５とがリーン燃焼禁止手段に相当する。
【００３２】
一方、ズレ状態量小、すなわち、ΔＴＱ＜ＳＬのときは、正常であるので、そのまま本ルーチンを終了する。
次に他の実施例について説明する。
図８はリーン燃焼禁止判定ルーチンであり、図４に代わって実行される。
ステップ２１では、機関運転条件に基づいて機関が発生しようとする目標機関トルクｔＴｅを算出する。この部分が目標機関トルク算出手段に相当する。但し、実際の算出は別ルーチン、すなわち、図５のサブルーチンにより行う。
【００３３】
ステップ２２では、目標機関トルクの変化量ΔｔＴｅ＝ｔＴｅ−ｔＴｅｏｌｄ  （ｔＴｅｏｌｄ  は前回の算出値）を算出する。
ステップ２３では、実際に機関が発生している実機関トルクＴｅを検出する。この部分が実機関トルク検出手段に相当する。但し、実際の検出は別ルーチン、すなわち、図６のサブルーチン、又は図７のサブルーチンにより行う。
【００３４】
ステップ２４では、実機関トルクの変化量ΔＴｅ＝Ｔｅ−Ｔｅｏｌｄ  （Ｔｅｏｌｄ  は前回の検出値）を算出する。
ステップ２５では、目標機関トルクｔＴｅと実機関トルクＴｅとのズレ状態を表すズレ状態量として、実機関トルクの変化量ΔＴｅと目標機関トルクの変化量ΔｔＴｅとのトルク変化量差ΔΔＴＱ＝ΔＴｅ−ΔｔＴｅ（又は、ΔΔＴＱ＝｜ΔＴｅ−ΔｔＴｅ｜）を算出する。この部分がズレ状態量算出手段に相当する。
【００３５】
ステップ２６では、ズレ状態量としてのトルク変化量差ΔΔＴＱと、所定値（異常判定用の閾値）ＳＬとを比較して、ΔΔＴＱ≧ＳＬか否かを判定する。尚、ここでの所定値ＳＬは本ルーチンの実行時間隔に依存して設定する必要があり、実行時間隔が短い機種ほど、大きな値に設定する。
ズレ状態量大、すなわち、ΔΔＴＱ≧ＳＬのときは、運転性の悪化の恐れがあるとして、ステップ２７で、ＮＧ判定を行い、ステップ２８でリーン燃焼禁止（リーン燃焼禁止フラグ＝１）とする。
【００３６】
これにより、以降、図３の燃焼方式切換ルーチン（ステップ４，５）において、均質リーン燃焼制御及び成層リーン燃焼制御が禁止され、均質ストイキ制御（ステップ６）がなされる。
従って、図８のステップ２６，２８と図３のステップ４，５とがリーン燃焼禁止手段に相当する。
【００３７】
一方、ズレ状態量小、すなわち、ΔΔＴＱ＜ＳＬのときは、正常であるので、そのまま本ルーチンを終了する。
この実施例では、目標機関トルクの変化量と実機関トルクの変化量との差により、ズレ状態を定量化することで、機差、環境条件等の影響をキャンセルすることができ、診断精度を向上させることができる。
【００３８】
尚、ズレ状態量を、Ｔｅ−ｔＴｅ又はΔＴｅ−ΔｔＴｅとして、これをプラス側の所定値と比較した場合は、目標機関トルクに比べて実機関トルクが大き過ぎる場合に運転性の悪化の恐れがあるとしてリーン燃焼を禁止できるが、ズレ状態量を｜Ｔｅ−ｔＴｅ｜又は｜ΔＴｅ−ΔｔＴｅ｜として、これをプラス側の所定値と比較した場合は、目標機関トルクに比べて実機関トルクが小さ過ぎる場合も運転性の悪化の恐れがあるとしてリーン燃焼を禁止できる。
【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】リーン燃焼禁止判定ルーチンのフローチャート
【図５】目標機関トルク算出用サブルーチンのフローチャート
【図６】実機関トルク検出用サブルーチンのフローチャート
【図７】実機関トルク検出用サブルーチンの他の例のフローチャート
【図８】他の実施例を示すリーン燃焼禁止判定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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【図７】
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【図８】
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