(57)【要約】【課題】点火時期の大幅な遅角によって、触媒の早期活性化と後燃えによるＨＣ低減を実現するとともに、筒内温度が低い段階でのＨＣの過渡的な悪化を回避する。【解決手段】触媒コンバータの早期昇温が要求される内燃機関の冷間始動時に、点火時期を圧縮上死点後に設定するとともに、燃料噴射を２回に分割して、吸気行程中もしくは圧縮行程中に１回目の燃料噴射を行い、点火時期前でかつ圧縮上死点後の膨張行程中に２回目の燃料噴射を行う。点火時期直前の高圧燃料噴射により筒内の乱れが向上し、火炎伝播が促進されるので、安定した燃焼を実現できる。筒内温度が非常に低い冷間始動直後は、２回目の燃料噴射の気化時間の不足によりＨＣが逆に増加するので、２回目の燃料噴射の割合を、初期は低くし、時間経過に伴って徐々に高くする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備えるとともに、点火プラグを備えてなる筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置において、排気系の触媒コンバータの早期昇温が要求される内燃機関の冷間始動時に、超リタード燃焼として、点火時期を圧縮上死点後に設定するとともに、燃料噴射を２回に分割して、吸気行程中もしくは圧縮行程中に１回目の燃料噴射を行い、点火時期前でかつ圧縮上死点後の膨張行程中に２回目の燃料噴射を行う一方、総噴射量の中の２回目の噴射量の割合を、冷間始動後、所定の割合に至るまで徐々に高くすることを特徴とする筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
【請求項２】
内燃機関の始動からの経過時間に応じて、上記の割合を徐々に高くすることを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
【請求項３】
内燃機関の筒内温度を推定し、これに応じて、上記の割合を徐々に高くすることを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
【請求項４】
内燃機関の排気温度に応じて、上記の割合を徐々に高くすることを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
【請求項５】
超リタード燃焼における空燃比は、理論空燃比もしくは若干リーンであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
【請求項６】
超リタード燃焼における点火時期は、圧縮上死点後１５°〜３０°ＣＡであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、筒内に燃料を直接に噴射する筒内直接噴射式火花点火内燃機関に関し、特に、排気系の触媒コンバータの早期昇温（早期活性化）が要求される冷間始動時における噴射時期および点火時期の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、筒内直接噴射式火花点火内燃機関の触媒暖機方法として、排気浄化用の触媒コンバータが活性温度よりも低い未暖機状態のときに、吸気行程から点火時期にかけての期間内で、部分的な空燃比の濃淡を有する混合気を燃焼室内に形成する後期噴射と、この後期噴射より前に燃料を噴射して、後期噴射の燃料と後期噴射の燃焼とで延焼可能な、理論空燃比よりもリーンな空燃比の混合気を燃焼室内に生成する早期噴射と、の少なくとも２回の分割噴射を行い、かつ点火時期をＭＢＴ点より所定量リタードさせるとともに、機関の無負荷領域では点火時期を圧縮上死点よりも前に設定し、無負荷領域を除く低速低負荷領域では点火時期を圧縮上死点以降までリタードさせる技術が記載されている。上記後期噴射は、圧縮行程の中期以降、例えば１２０°ＢＴＤＣ〜４５°ＢＴＤＣに行われる。
【特許文献１】特許第３３２５２３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
内燃機関の冷機時における触媒の早期活性化および後燃えによるＨＣ低減のためには、点火時期の遅角が有効であり、より大きな効果を得るためには、圧縮上死点以降の点火（ＡＴＤＣ点火）が望ましい。ＡＴＤＣ点火で安定した燃焼を行わせるためには、燃焼期間を短縮する必要があり、そのために、筒内の乱れを強化して、燃焼速度（火炎伝播速度）を上昇させることが必要である。
【０００４】
このような乱れの強化のために、筒内に高圧で噴射される燃料噴霧のエネルギにより筒内に乱れを生成することが考えられる。
【０００５】
しかしながら、特許文献１では、主に、１回目の燃料噴射（早期噴射）を吸気行程中に行い、２回目の燃料噴射（後期噴射）を圧縮行程中の１２０°ＢＴＤＣ〜４５°ＢＴＤＣに行っている。このように最後の燃料噴射が圧縮上死点よりも前では、その噴霧により筒内に乱れを生成しても、圧縮上死点以降はその乱れが減衰してしまい、ＡＴＤＣ点火での火炎伝播速度上昇には寄与しない。
【０００６】
例えば、図６は、吸気ポート内に設けたガス流動制御弁（例えばタンブル制御弁）を作動させた場合とこのようなガス流動制御弁を具備しない場合とについて、筒内の乱れの大きさを示したものであるが、ガス流動制御弁を作動させることで吸気行程中に生成した乱れ（符号Ａの部分）は、圧縮行程の進行とともに減衰し、圧縮行程後期のタンブル流の崩壊に伴い一時的に乱れが大きくなる（符号Ｂの部分）ものの、圧縮上死点以降は符号Ｃで示すように急速に減衰してしまい、その乱れを用いた燃焼改善（火炎伝播向上）はあまり期待できない。燃料噴霧による乱れについても同様であり、圧縮上死点より前の燃料噴射により乱れが生成されたとしても、圧縮上死点以降の点火燃焼には寄与しない。
【０００７】
このため、ＡＴＤＣ点火の方が排温上昇やＨＣ低減に有利であるが、燃焼安定性が成立しないため、特許文献１では、無負荷領域では点火時期を圧縮上死点前（ＢＴＤＣ点火）としている。
【０００８】
本発明は、このような実状を踏まえて、触媒の早期活性化およびＨＣ低減のためのＡＴＤＣ点火での燃焼安定性を改善することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明は、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備えるとともに、点火プラグを備えてなる筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置において、排気系の触媒コンバータの早期昇温が要求される内燃機関の冷間始動時に、超リタード燃焼として、点火時期を圧縮上死点後に設定するとともに、燃料噴射を２回に分割して、吸気行程中もしくは圧縮行程中に１回目の燃料噴射を行い、点火時期前でかつ圧縮上死点後の膨張行程中に２回目の燃料噴射を行うようにしたものである。そして、さらに、総噴射量の中の２回目の噴射量の割合を、冷間始動後、所定の割合に至るまで徐々に高くすることを特徴としている。
【００１０】
すなわち、圧縮上死点以降では、吸気行程や圧縮行程で生成された乱れは減衰してしまうが、圧縮上死点以降の膨張行程中になされる２回目の燃料噴射（膨張行程噴射）によって、筒内の乱れを生成・強化することができ、ＡＴＤＣ点火での火炎伝播が促進される。従って、点火時期を圧縮上死点後とした超リタード燃焼が安定的に成立する。
【００１１】
また、圧縮上死点後の２回目の燃料噴射（膨張行程噴射）に先立ち、吸気行程中もしくは圧縮行程中に１回目の燃料噴射を行うことにより、その噴射燃料が燃焼室全体に予め拡散し、ＡＴＤＣ点火によるＨＣの後燃えの促進に寄与するので、ＨＣ低減および排温上昇に有効となる。
【００１２】
ここで、上記の超リタード燃焼では、圧縮上死点後に２回目の燃料噴射を行うため、燃料噴射から点火までの期間ひいては燃料気化時間が短くなる。そのため、筒内温度（換言すれば燃焼室壁温度）が非常に低い冷間始動直後の間は、燃料の気化不足に伴い、逆に未燃ＨＣの生成量が増加する傾向がある。しかも、このような冷間始動直後は、排気系温度も低いことから、排気通路内でのＨＣの酸化が十分に促進されず、筒内で生じた未燃ＨＣがそのまま外部へ排出され易くなる。つまり、冷間始動直後から多くの燃料を膨張行程中に噴射すると、排気系から外部へ排出されるＨＣが一時的に増加する。
【００１３】
そこで、本発明では、冷間始動直後のごく短い期間、換言すれば超リタード燃焼の初期の段階においては、総噴射量の中の２回目の噴射量の割合（以下、分割割合と称する）を低くし、冷間始動後の経過時間あるいは筒内温度等に応じて、所定の割合に至るまで徐々に高くする。これにより、冷間始動直後の一時的なＨＣ排出量の増加を抑制しつつ排気系温度を上昇させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、膨張行程噴射により点火時期を圧縮上死点後に設定した超リタード燃焼の燃焼安定性を十分に確保することができ、冷間始動の際に、触媒の早期活性化および後燃えによるＨＣ低減を達成することができる。そして、筒内温度が非常に低い冷間始動直後の間は、膨張行程噴射の分割割合を低くし、かつ経過時間や筒内温度等に応じて徐々に高くすることで、筒内での燃料噴霧の気化が不十分となることによるＨＣの一時的な増加を回避しつつ、触媒の早期活性化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１６】
図１は、この発明が適用される筒内直接噴射式火花点火内燃機関のシステム構成を示す構成説明図である。
【００１７】
この内燃機関１のピストン２により形成される燃焼室３には、吸気弁（図示せず）を介して吸気通路４が接続され、かつ排気弁（図示せず）を介して排気通路５が接続されている。上記吸気通路４には、吸入空気量を検出するエアフロメータ６が配設されているとともに、制御信号によりアクチュエータ８を介して開度制御される電子制御スロットル弁７が配設されている。排気通路５には、排気浄化用の触媒コンバータ１０が配設されているとともに、その上流側および下流側にそれぞれ空燃比センサ１１，１２が設けられており、さらに、上流側の空燃比センサ１１と並んで、触媒コンバータ１０入口側での排気温度を検出する排気温度センサ１３が設けられている。
【００１８】
燃焼室３の中央頂上部には、点火プラグ１４が配置されている。また、燃焼室３の吸気通路４側の側部に、該燃焼室３内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁１５が配置されている。この燃料噴射弁１５には、高圧燃料ポンプ１６およびプレッシャレギュレータ１７によって所定圧力に調圧された燃料が、高圧燃料通路１８を介して供給されている。従って、各気筒の燃料噴射弁１５が制御パルスにより開弁することで、その開弁期間に応じた量の燃料が噴射される。なお、１９は、燃圧を検出する燃圧センサ、２０は、上記高圧燃料ポンプ１６へ燃料を送る低圧燃料ポンプである。
【００１９】
また内燃機関１には、機関冷却水温を検出する水温センサ２１が設けられているとともに、クランク角を検出するクランク角センサ２２が設けられている。さらに、運転者によるアクセルペダル踏み込み量を検出するアクセル開度センサ２３が設けられている。
【００２０】
上記内燃機関１の燃料噴射量や噴射時期、点火時期、等は、コントロールユニット２５によって制御される。このコントロールユニット２５には、上述した各種のセンサ類の検出信号が入力されている。コントロールユニット２５は、これらの入力信号により検出される機関運転条件に応じて、燃焼方式つまり均質燃焼とするか成層燃焼とするかを決定するとともに、これに合わせて、電子制御スロットル弁７の開度、燃料噴射弁１５の燃料噴射時期および燃料噴射量、点火プラグ１４の点火時期、等を制御する。なお、暖機完了後においては、低速低負荷側の所定の領域では、通常の成層燃焼運転として、圧縮行程の適宜な時期に燃料噴射が行われ、かつ圧縮上死点前の時期に点火が行われる。燃料噴霧は点火プラグ１４近傍に層状に集められ、これにより、空燃比を３０〜４０程度とした極リーンの成層燃焼が実現される。また、高速高負荷側の所定の領域では、通常の均質燃焼運転として、吸気行程中に燃料噴射が行われ、かつ圧縮上死点前のＭＢＴ点近傍において点火が行われる。この場合は、燃料は筒内で均質な混合気となる。この均質燃焼運転としては、運転条件に応じて、空燃比を理論空燃比とした均質ストイキ燃焼と、空燃比を２０〜３０程度のリーンとした均質リーン燃焼と、がある。
【００２１】
本発明は、触媒コンバータ１０の早期昇温が要求される内燃機関１の冷間始動時において、排気温度を高温とするように、超リタード燃焼を行うものであり、以下、この超リタード燃焼の燃料噴射時期および点火時期を図２に基づいて説明する。
【００２２】
図２は、超リタード燃焼の２つの実施例を示しており、実施例１では、点火時期を１５°〜３０°ＡＴＤＣ（例えば２０°ＡＴＤＣ）とし、かつ、燃料噴射を２回に分割し、１回目の燃料噴射の噴射時期（詳しくは燃料噴射開始時期）を吸気行程中に設定し、２回目の燃料噴射の噴射時期（同じく燃料噴射開始時期）を、圧縮上死点以降でかつ点火時期前に設定する。なお、このとき、空燃比（２回の噴射を合わせた空燃比）は、理論空燃比ないしはこれよりも若干リーン（１６〜１７程度）に設定される。
【００２３】
すなわち、触媒暖機促進ならびにＨＣ低減のためには、点火時期遅角が有効であり、上死点以降の点火（ＡＴＤＣ点火）が望ましいが、ＡＴＤＣ点火で安定した燃焼を行わせるためには、燃焼期間を短縮する必要があり、そのためには、乱れによる火炎伝播を促進しなければならない。前述したように、圧縮上死点以降では、吸気行程や圧縮行程で生成された乱れは減衰してしまうが、本発明では、圧縮上死点以降の膨張行程中になされる高圧の燃料噴射（２回目の噴射）によって、ガス流動が生じ、これにより筒内の乱れを生成・強化することができる。従って、ＡＴＤＣ点火での火炎伝播が促進され、安定した燃焼が可能となる。
【００２４】
また、上記のように、圧縮上死点後の燃料噴射（膨張行程噴射）に先立ち、吸気行程中に燃料噴射（吸気行程噴射）を行うと、吸気行程噴射の燃料噴霧による乱れは圧縮行程後半で減衰してしまい、圧縮上死点後におけるガス流動強化には殆ど影響を与えないが、噴射燃料が燃焼室全体に拡散していて、ＡＴＤＣ点火によるＨＣの後燃えの促進に寄与するので、ＨＣ低減および排温上昇には有効である。
【００２５】
また、図２の実施例２は、１回目の燃料噴射を圧縮行程中に行い、２回目の燃料噴射を圧縮上死点以降に行う。このように、圧縮上死点後の燃料噴射（膨張行程噴射）に先立ち、圧縮行程中に燃料噴射（圧縮行程噴射）を行うと、実施例１の吸気行程噴射に比べれば、圧縮行程噴射の方が、その燃料噴霧による乱れの減衰が遅くなるため、この１回目の燃料噴射による乱れが残り、圧縮上死点以降に２回目の燃料噴射を行うことで、１回目の燃料噴射で生成した乱れを助長するように乱れを強化でき、圧縮上死点付近における更なるガス流動強化が図れる。
【００２６】
この実施例２の場合に、１回目の圧縮行程噴射は、圧縮行程前半でもよいが、圧縮行程後半（９０°ＢＴＤＣ以降）に設定すると、上死点付近での乱れをより高めることができる。特に、この１回目の圧縮行程噴射を、４５°ＢＴＤＣ以降、より望ましくは２０°ＢＴＤＣ以降とすると、圧縮上死点以降のガス流動をより強化することができる。
【００２７】
このように、実施例１，２の超リタード燃焼によれば、点火の直前に膨張行程噴射の燃料噴霧により筒内の乱れを生成・強化することができ、火炎伝播を促進して、安定した燃焼を行わせることができる。特に、点火時期を１５°〜３０°ＡＴＤＣまで遅角させることにより、触媒の早期活性化およびＨＣ低減のための十分な後燃え効果を得ることができる。換言すれば、このように点火時期を大きく遅らせても、その直前まで２回目の燃料噴射を遅らせて、乱れの生成時期も遅らせることで、火炎伝播向上による燃焼改善を達成できるのである。
【００２８】
ところで、上記の超リタード燃焼では、２回目の燃料噴射から点火までの期間ひいては２回目に噴射された燃料の気化時間が短くなるため、筒内温度が非常に低い冷間始動直後は、燃料の気化不足に起因して未燃ＨＣやスモークの増加が生じる。そして、冷間始動直後は、排気系温度が低いことから、排気通路内での酸化が十分に促進されず、筒内で生じた未燃ＨＣやスモークがそのまま外部へ排出され易くなる。なお、筒内温度がある程度の温度に達すると、ＨＣやスモークは急激に減少する。因みに、このＨＣやスモークが問題となる冷間始動直後の期間は、例えば、数秒ないし数十秒程度のものである。
【００２９】
このような冷間始動直後の未燃ＨＣやスモークは、基本的には、２回目に噴射された燃料に起因するものであるので、総噴射量の中の２回目の噴射量の割合つまり分割割合によって左右される。図３は、（ａ）排気温度と分割割合との関係、（ｂ）ＨＣと分割割合との関係、（ｃ）スモークと分割割合との関係、をまとめて示したものであり、特に、実線ｔ１は、筒内温度が非常に低い段階での特性を示し、一点鎖線ｔ３は、筒内温度が燃料気化に十分な温度に達した段階での特性を示し、破線ｔ２は、両者の中間の段階での特性を示す。図示するように、全体の傾向として、２回目つまり膨張行程噴射の割合を高くするほど、排気温度が高く得られるが、その反面、ＨＣやスモークが増大する。そしてＨＣやスモークは、筒内温度が非常に低い段階では多く発生するが、筒内温度が燃料気化に十分な温度に達すると、急激に減少する。
【００３０】
そこで、本発明では、筒内温度が非常に低い冷間始動直後は、分割割合を低く（つまり膨張行程噴射を少なく）設定し、その後、筒内温度の上昇に伴って、分割割合を徐々に高く（つまり膨張行程噴射を多く）していく。すなわち、図３と同様の特性図である図４に示すように、冷間始動直後は、分割割合として低い初期分割割合Ｒ１とし、その後、最終的な目標分割割合Ｒ２まで徐々に高くしていく。なお、最終的な目標分割割合Ｒ２は、そのときの運転条件、例えば、冷却水温、負荷、機関回転数、等に基づいて、安定した燃焼を確保しつつ排気温度がより高く得られるように、予め設定されている。
【００３１】
このように分割割合を変化させることで、ＨＣやスモークならびに排気温度は、冷間始動後、時間経過に伴い、図４に矢印で概略示すように変化していくことになる。これに対し、仮に当初から一定の目標分割割合Ｒ２とした場合には、図３に矢印で示すように、ＨＣ、スモーク、排気温度が変化していく。従って、両者の比較から明らかなように、本実施例によれば、筒内温度が低い冷間始動直後の段階での一時的なＨＣやスモークの悪化を、より低いレベルに抑制することができる。なお、排気温度の特性に着目すると、図３の例に比べて図４の方が温度上昇が緩慢となるが、その差は僅かであり、最終的な目標である触媒が活性化するまでの所要時間は、当初から一定の目標分割割合Ｒ２とした場合と殆ど大差のないものとなる。
【００３２】
上記の分割割合は、燃料の気化に関与する筒内温度（換言すれば燃焼室壁温度）に応じて、演算もしくはテーブルルックアップ等の手法により設定することが望ましいが、筒内温度は、始動後、ある時定数でもって徐々に上昇するので、始動時の水温、積算吸入空気量、機関回転数、負荷、等のパラメータを用いて推定することができる。さらに制御の簡易化のために、単純に始動からの経過時間でもって筒内温度の代替とすることもできる。
【００３３】
また、排気系温度が低い冷間始動直後は、排気通路内でのＨＣやスモークの酸化が十分に促進されず、筒内で生じた未燃ＨＣやスモークがそのまま外部へ排出され易くなるが、排気温度がある程度高くなれば、排気通路内で未燃ＨＣやスモークが酸化され、外部へ実際に排出される量は減少する。従って、筒内温度の代替として、排気温度に応じて、分割割合を徐々に高くするようにしてもよい。排気温度は、始動後、ある時定数でもって徐々に上昇するので、排気温度センサ１３による直接的な検出のほか、始動時の水温、積算吸入空気量、機関回転数、負荷、等のパラメータを用いて推定することもできる。
【００３４】
図５は、一例として、冷間始動後の経過時間（もしくは筒内温度）に対する分割割合の変化の一例を示している。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る内燃機関全体のシステム構成を示す構成説明図。
【図２】本発明の超リタード燃焼の燃料噴射時期および点火時期を示す特性図。
【図３】排気温度、スモークおよびＨＣと、分割割合との関係を、３段階の筒内温度について示した特性図。
【図４】分割割合を変化させた場合の図３と同様の特性図。
【図５】冷間始動後の経過時間に対する分割割合の変化の一例を示す特性図。
【図６】従来技術における筒内の乱れの変化を示す説明図。
【符号の説明】
【００３６】
３…燃焼室
１０…触媒コンバータ
１４…点火プラグ
１５…燃料噴射弁
２５…コントロールユニット  
【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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