(57)【要約】【課題】  本発明の課題は、始動直後の成層燃焼運転移行時の間欠燃焼を抑止する精度の良い具体的構成が示された直接噴射式エンジンの制御装置を提供することにある。【解決手段】  本発明に係る制御装置は、エンジンの運転条件に応じて均質燃焼運転と成層燃焼運転とを切換えて、成層燃焼運転時にはＥＧＲを実行する直接噴射式エンジンの制御装置であって、始動時には、冷却水温度が基準温度に達するまでは第１暖機運転としての均質燃焼運転をして、冷却水温度が基準温度に達した時点から燃焼室温度が目標燃焼室温度に達するまでは第２暖機運転としての成層燃焼運転をして、前記燃焼室温度が前記目標燃焼室温度に達すると引続き定常運転としての成層燃焼運転を実行して、前記第２暖機運転中は、前記燃焼室温度に応じて定常運転時のＥＧＲ率よりも少ないＥＧＲ率に補正することを特徴としている。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの運転条件に応じて均質燃焼運転と成層燃焼運転とを切換えて、成層燃焼運転時にはＥＧＲを実行する直接噴射式エンジンの制御装置であって、
始動時には、冷却水温度が基準温度に達するまでは第１暖機運転としての均質燃焼運転をして、冷却水温度が基準温度に達した時点から燃焼室温度が目標燃焼室温度に達するまでは第２暖機運転としての成層燃焼運転をして、前記燃焼室温度が前記目標燃焼室温度に達すると引続き定常運転としての成層燃焼運転を実行して、
前記第２暖機運転中は、前記燃焼室温度に応じて定常運転時のＥＧＲ率よりも少ないＥＧＲ率に補正することを特徴とする、直接噴射式エンジンの制御装置。
【請求項２】
前記燃焼室温度は、ピストン表面温度を代表値として採用することを特徴とする、請求項１に記載の制御装置。
【請求項３】
前記燃焼室温度を、初期燃焼室温度と積算噴射量の関数との和で推定することを特徴とする、請求項１または２に記載の制御装置。
【請求項４】
前記初期燃焼室温度は、前記冷却水温度または潤滑油温度を代表値として採用することを特徴とする、請求項３に記載の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のＥＧＲ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの始動時に、エンジン本体や触媒を早く温めるために、均質燃焼運転をして多めの燃料を燃焼させ、エンジン本体や触媒が温まると、成層燃焼運転に切換えて少なめの燃料を燃焼させ、燃費の悪化を防止する直接噴射式ガソリンエンジンがある。エンジン本体や触媒を早く温める理由は、摩擦損失を低減させたり触媒を早く活性化させるためである。均質燃焼とは、燃焼室内全てを同じ空燃比（理論空燃比付近）にして燃焼させる方式を言い、成層燃焼とは、燃料の濃い層（理論空燃比程度）と薄い層を作り燃焼させる方式を言う。この形式のエンジンでは、成層燃焼運転時には、酸素リッチによりＮＯｘが発生しやすくなる。このＮＯｘは、リーンＮＯｘ触媒で吸蔵還元することになるが触媒容量に限界があるため、ＥＧＲ（排ガス再循環）を実施し不活性ガスである排ガスを燃焼室に導入して、ＮＯｘの発生を抑止している。
【０００３】
しかし、始動直後の成層燃焼運転移行時に、定常運転時（暖機運転終了時）と同じＥＧＲ率でＥＧＲを実施すると、燃焼室温度が定常運転時の温度まで上昇していないため、失火等により燃焼が不安定となり、間欠燃焼（いわゆる燃焼変動）により円滑な運転が阻害される。ちなみに間欠燃焼は、乗り心地も悪化させる。また、燃焼室温度が定常運転時の温度まで上昇しておらずＮＯｘ発生も少ないため、定常運転時と同じＥＧＲ率でＥＧＲを実施する必要もない。
このため、始動直後の成層燃焼運転移行時には、定常運転時のＥＧＲ率より少ないＥＧＲを実施することにより、間欠燃焼すなわち燃焼変動を抑止することが望まれる。
【０００４】
このことに関連して、特許文献１では、段落番号〔０００７〕で「低温の内燃機関の始動後に、内燃機関の、改善された暖機運転を達成する。特に、運転静粛性と排ガス特性とを、温度に関連した制御によって改善を達成する。」ことを目的として、段落番号〔０００６〕で「エンジンが低温の場合に、制御装置により、成層燃焼運転が温度に関連して制御可能であるようにした」と、さらに段落番号〔０００９〕で「本発明のさらに有利な変化形では、…排ガス戻し案内弁を介しての排ガス再循環率が温度に関連して制御される」と、記述されているが、それ以上の具体的構成は示されていない。
【０００５】
さらに、特許文献２では、ＥＧＲ補正量を燃焼方式に応じて可変とする手段を特徴としたＥＧＲ制御装置が開示されているが、該装置は内燃機関の機関温度が低くなるほどＥＧＲ量を減量側に補正するＥＧＲ制御装置がベース技術となっており、段落番号〔００４９〕で、「ＥＧＲ用補正係数を冷却水温（機関温度）に基づきマップ演算する」と記載されている。目的は、ＮＯｘおよび失火対策としてのＥＧＲ量の適正化である。
【０００６】
また特許文献３においても、類似した構成のＥＧＲ制御装置が開示されているが、目的が間欠燃焼対策ではなく、過渡状態におけるＮＯｘ制御であり、本願発明とは異なる。また、シリンダ壁温を基準としてＥＧＲ制御をしており、段落番号〔００１７〕で「シリンダ壁温は、シリンダ壁温を検出するセンサの出力に基づいて特定してもよいし、シリンダ壁温と相関する物理量から推定しても良い。」としか記載されていない。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−１６４９６６号公報
【特許文献２】特開２０００−１０４６２７号公報
【特許文献３】特開２００４−０３６５５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来、特許文献２に記載のごとく、始動直後の成層燃焼運転移行時のＥＧＲ補正は、本願発明における「第１暖機運転たる均質燃焼運転から第２暖機運転たる成層燃焼運転移行時への切換え基準」と同じ冷却水温度に基づき実行していた。（ただし特許文献２では、第１暖機運転と第２暖機運転の区別はされていない。）
【０００９】
本願発明における、均質燃焼運転から成層燃焼運転移行時への切換え基準の冷却水温度は、例えば８０℃であり、特に問題となることはない。
しかし、冷却水温度がさらに上昇すると、冷却水路系に配設されたサーモスタットが、例えば８５℃付近で開弁し、温まった冷却水がラジエータにより空冷されるようになる。このため、水温上昇率カーブが収斂することにより、ＥＧＲ補正を必要とする第２暖機運転からＥＧＲ補正を必要としない定常運転への切換え基準を例えば水温で９０℃とした場合、切換え基準時（ＥＧＲ補正ゼロの時点）とＥＧＲ補正を必要としない現実の定常運転移行時との明確な一致が困難となり、該一致精度が非常に悪いという不具合があった。また、水温収斂後に、自動車が加速あるいは減速等を不規則に繰り返すと、水温は大きく乱れ、ＥＧＲ補正の外乱要因となる不具合もあった。
【００１０】
一方、エンジン燃焼に直接影響を及ぼすのは、燃焼室温度であり、ＥＧＲ補正は本来燃焼室温度に基づき実行すべきものである。しかし、燃焼室温度は計測が困難であるため、上述のごとく、従来は水温に基づき該補正をしていた。水温は、第１暖機運転を終了する判定基準である水温（例えば８０℃）を超えると、上記理由で水温上昇カーブが収斂するため、第２暖機運転を終了する判定基準水温（例えば９０℃）により現実の定常運転移行時を判定することが困難となり、前記ＥＧＲ補正は精度の悪いものとなっていた。
【００１１】
本発明の目的は、始動直後の成層燃焼運転移行時の間欠燃焼を抑止する精度の良い具体的構成が示された直接噴射式エンジンの制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、
エンジンの運転条件に応じて均質燃焼運転と成層燃焼運転とを切換えて、成層燃焼運転時にはＥＧＲを実行する直接噴射式エンジンの制御装置であって、
始動時には、冷却水温度が基準温度に達するまでは第１暖機運転としての均質燃焼運転をして、冷却水温度が基準温度に達した時点から燃焼室温度が目標燃焼室温度に達するまでは第２暖機運転としての成層燃焼運転をして、前記燃焼室温度が前記目標燃焼室温度に達すると引続き定常運転としての成層燃焼運転を実行して、
前記第２暖機運転中は、前記燃焼室温度に応じて定常運転時のＥＧＲ率よりも少ないＥＧＲ率に補正することを特徴とする、直接噴射式エンジンの制御装置が提供される。
【００１３】
このように請求項１に記載の制御装置によれば、始動直後の成層燃焼運転移行時のＥＧＲ制御において、冷却水温度ではなく燃焼室温度に応じて定常運転時のＥＧＲ率よりも少ないＥＧＲ率に補正することにより、間欠燃焼を抑止している。これにより、具体的構成が示されかつ精度の良いＥＧＲ率補正制御装置が実現できる。
また、第１暖機運転終了基準に、燃焼室温度ではなく冷却水温度を採用している理由は、冷却水温度は、約１００℃までは計測容易でかつ正確な温度値が取得でき、さらに冷却水温度は、エンジン摩擦損失に直接的に影響を及ぼすからである。ちなみに、エンジン摩擦損失に最も影響を及ぼすのは、潤滑油温度であるが、冷却水温度で代用しても精度はほぼ同じである。
なお、冷却水温度は、燃焼室温度よりも上昇率が高い。始動時は、冷却水路系に配設されているサーモスタットが閉弁しているため、ラジエータにより空冷されないことが理由の一つである。
【００１４】
請求項２に記載の発明によれば、
前記燃焼室温度は、ピストン表面温度を代表値として採用することを特徴とする、請求項１に記載の制御装置が提供される。
このように請求項２に記載の制御装置によれば、燃焼に最も影響与えるピストン表面温度を燃焼室温度の代表値とするので、ＥＧＲ率の補正精度がベストとなる。成層燃焼運転時には、燃料噴射が圧縮上死点付近で実行され燃料噴霧がピストン表面に衝突して燃焼するため、ピストン表面温度が燃焼に最も影響与えることとなる。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、
前記燃焼室温度を、初期燃焼室温度と積算噴射量の関数との和で推定することを特徴とする、請求項１または２に記載の制御装置が提供される。
このように請求項３に記載の制御装置によれば、燃焼室温度を推定する合理的でかつ具体的な手法が示される。燃焼室温度の初期温度からの上昇率は、その時点までに噴射され燃焼した燃料量の積算値と直接的に関連しており、該積算値燃料の燃焼エネルギによる熱伝達とヒートバランスにより決まるからである。
【００１６】
請求項４に記載の発明によれば、
前記初期燃焼室温度は、前記冷却水温度または潤滑油温度を代表値として採用することを特徴とする、請求項３に記載の制御装置が提供される。
このように請求項４に記載の制御装置によれば、初期燃焼室温度を推定する合理的でかつ具体的な手法が示される。初期燃焼室温度は、エンジンが起動していない時は、冷却水温度または潤滑油温度と同じ温度になっているからである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、始動直後の成層燃焼運転移行時の間欠燃焼を抑止する精度の良い具体的構成が示された直接噴射式エンジンの制御装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の制御装置及びそれにより制御されるエンジンの一実施形態を示している。エンジン１は、例えば自動車に搭載される直列式の４気筒ガソリンエンジンとして構成されている。エンジン１の吸気通路７には、スロットルバルブ１１の開度に応じた空気（一次空気）がエアフィルタを介して吸入され、その空気は吸気通路７を介して各シリンダ３に取り込まれる。そしてシリンダ３内に燃料噴射弁１２と点火プラグ１０が設けられている。
【００１９】
シリンダ３内の燃焼により生成される排気ガスは排気通路８を経て触媒９に導かれて浄化され、さらに触媒１５で浄化された後、不図示の消音器を経て大気へ排出される。触媒９はＨＣ、ＣＯを酸化する一方で、ＮＯｘを還元する周知の三元触媒である。触媒１５は、成層燃焼運転時に発生するＮＯｘを吸蔵還元するリーンＮＯｘ触媒である。排気通路８には、触媒９を通過した排気ガスを吸気通路７に還流させるためのＥＧＲ通路１３が接続される。ＥＧＲ通路１３を通過する排気ガスの流量はＥＧＲ弁１４により制御される。
【００２０】
吸気通路７には吸入空気流量に対応した信号を出力するエアフローメータ２１、吸気温度に対応した信号を出力する吸気温センサ２２、スロットルバルブ１１の開度に対応した信号を出力するスロットル開度センサが、それぞれ設けられる。各センサの出力信号は制御装置としてのエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１８に導かれる。
【００２１】
ＥＣＵ１８はマイクロプロセッサ、及びその動作に必要なＲＯＭ、ＲＡＭ等の周辺回路を備えたコンピュータとして構成される。ＥＣＵ１８は各種のセンサからの入力信号１９を参照して、エンジン１の運転制御に必要な各種の演算処理をして出力信号２０を各種機器へ送信してその動作制御を実行する。例えば、ＥＣＵ１８はエアフローメータ２１からの入力信号を参照して所定の空燃比の混合気が形成されるように燃料噴射弁１２の燃料噴射量を制御し、クランク角センサおよび水温センサの出力信号を参照してＥＧＲ弁１４の開度（デューティー比）を制御する。ＥＣＵ１８が参照するセンサとしては、上記のセンサの他にも、エンジン１の潤滑油温度に対応した信号を出力する油温センサがある。なお、水温センサは、エンジン１の冷却水温度に対応した信号を出力し、クランク角センサは、クランク軸の角度に対応した信号を出力する。
ＥＣＵ１８は所定のプログラムを実行することにより、ＥＧＲ弁１４の開度を制御する装置として機能する。
【００２２】
図２は上述したＥＣＵ１８がＥＧＲ率補正量を算出するために適当な周期で実行するＥＧＲ率補正量算出ルーチンを示すフローチャートである。このルーチンにおいて、ステップＳ１でエンジンが均質燃焼運転で始動すると、ＥＣＵ１８は、ステップＳ２で初期燃焼室温度ＴC0を設定する。初期燃焼室温度ＴC0には、冷却水温あるいは油温を採用する。初期燃焼室温度は、エンジンが起動していない時は、冷却水温度または潤滑油温度と同じ温度になっているからである。ステップＳ３で始動時から現在に至るまでの燃料噴射量を積算した積算噴射量Ｑを算出する。
【００２３】
続くステップＳ４では燃焼室温度ＴCを以下の計算式により算出する。本実施形態では、燃焼室温度ＴCは、ピストン表面温度を代表値として採用しており、以下の計算式でピストン表面温度を演算する。燃焼に最も影響与えるピストン表面温度を燃焼室温度の代表値とするので、ＥＧＲ率の補正精度がベストとなる。成層燃焼運転時には、燃料噴射が圧縮上死点付近で実行され燃料噴霧がピストン表面に衝突して燃焼するため、ピストン表面温度が燃焼に最も影響与えることとなる。
ＴC＝ＴC0＋Ｆ（Ｑ）
【００２４】
ただし、Ｆ（Ｑ）は、ピストン表面温度の、初期温度ＴC0からの上昇量であり、積算噴射量Ｑに関する関数となっている。該関数は、シミュレーション計算やピストン表面温度の計測結果等により求める。ピストン表面温度の初期温度からの上昇量は、その時点までに噴射され燃焼した燃料量の積算値と直接的に関連しており、該積算値燃料の燃焼エネルギによる熱伝達とヒートバランスにより決まるからである。
【００２５】
なお、燃焼室温度ＴCを、ピストン表面温度以外の燃焼室内の任意箇所の温度としても良い。この場合、Ｆ（Ｑ）は該任意箇所の、初期温度ＴC0からの上昇量となる。
【００２６】
ステップＳ５では、冷却水温ＴXが、成層燃焼への切替えをする基準温度ＴX1（例えば８０℃）以上かどうかを比較する。冷却水温ＴXが、該基準温度以上であれば、ステップＳ６へ進む。そうでなければ、ステップＳ３へ戻り、積算噴射量Ｑを再算出する。ステップＳ１からステップＳ５までが第１暖機運転となる。
ステップＳ６では、エンジン運転を成層燃焼運転に切換える。すなわち、燃料噴射の吸気行程における実行から、圧縮行程における実行へ切換える。ステップＳ７では、第２暖機運転を終了する基準となる目標燃焼室温度ＴC1（例えば１５０℃）と推定燃焼室温度ＴCとの差ΔＴCを演算しステップＳ８へ進む。ステップＳ８では、ΔＴCが正であるかどうかを判別し、正であればステップＳ９へ進み、ゼロまたは負であればステップＳ１０へ進む。
【００２７】
ステップＳ９では、ΔＴC、エンジン回転数、負荷に基づいてＥＧＲ率補正量ΔＥＧＲを演算する。前記四つのパラメータはマップとなっており、このマップからΔＥＧＲを読取ることとなる。ΔＴCが小さければ、ΔＥＧＲも小さくなる。
ΔＴCがゼロまたは負になっている場合は、第２暖機運転は終了し定常運転状態となっていることを示しているので、ステップＳ１０へ進みΔＥＧＲをゼロに設定する。すなわち補正しないと言うことである。
【００２８】
ステップＳ９またはステップＳ１０からは、ステップＳ１１へ進み、成層燃焼運転に切換え直後の要求ＥＧＲ率ＥＧＲ1を以下の計算式により演算し、ステップＳ１２へ進む。
ＥＧＲ1  ＝ＥＧＲ0−ΔＥＧＲ
ここで                        ＥＧＲ0＝定常運転時のＥＧＲ率
ＥＧＲ1＝第２暖機運転時のＥＧＲ率
なお、定常運転とは、第２暖機運転が終了した後の成層燃焼運転、すなわちピストン表面温度が目標燃焼室温度（例えば１５０℃）以上になっている状態での成層燃焼運転を言う。第２暖機運転とは、第１暖機運転終了後、ピストン表面温度が目標燃焼室温度（例えば１５０℃）に達するまでの成層燃焼運転を言う。第１暖機運転とは、始動時から水温が基準温度（例えば８０℃）に達するまでの均質燃焼運転を言う。
【００２９】
ステップＳ１２では、ＥＧＲ制御弁の開度をＥＧＲ1に基づき制御する。その後ステップＳ１３へ進み、ステップＳ３へリターンする。ステップＳ６からステップＳ１３までが第２暖機運転となる。これにより図２の処理を終える。
【００３０】
以上の制御フローにより、始動直後の成層燃焼運転移行時には、定常運転時のＥＧＲ率より少ないＥＧＲを実施することにより、該移行時における間欠燃焼を抑止できる。また、該移行時には、燃焼室温度が定常運転時の温度まで上昇しておらずＮＯｘ発生も少ないため、定常運転時のＥＧＲ率より少ないＥＧＲを実施することによるＮＯｘ発生の弊害も少ない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態に係るエンジンの制御装置である。
【図２】本発明の実施形態に係る制御装置のフローチャートを示す。
【符号の説明】
【００３２】
ＴC    燃焼室温度
ＴC0    初期燃焼室温度
ＴC1    目標燃焼室温度
ＴX    水温
ＴX1    成層燃焼への切換えに関する基準水温
ＥＧＲ0    定常運転時のＥＧＲ率
ＥＧＲ1    暖機運転時のＥＧＲ率
ΔＥＧＲ    ＥＧＲ率補正量
１    エンジン
２    ピストン
３    シリンダ
４    燃焼室
５    吸気弁
６    排気弁
７    吸気通路
８    排気通路
９    触媒
１０    点火プラグ
１１    スロットルバルブ
１２    燃料噴射弁
１３    ＥＧＲ通路
１４    ＥＧＲ弁
１５    リーンＮＯｘ触媒
１８    エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
１９    入力信号
２０    出力信号
【図１】
2006299816.tif 000003
【図２】
2006299816.tif 000004