(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、高地などでの始動性悪化を回避する。【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、点火時期前でかつ圧縮上死点後に燃料を噴射する超リタード燃焼を行う。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。高地などの空気密度が低いときには、発生トルクがさらに低下し機関が停止してしまう虞があるので、超リタード燃焼は禁止する。【選択図】図２
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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、所定の運転状態のときに、点火時期を圧縮上死点後に設定するとともに、この点火時期前でかつ圧縮上死点後に燃料を噴射する超リタード燃焼を行う一方、周囲の空気密度の判定に基づき、空気密度が低いときには上記超リタード燃焼を禁止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】
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】
超リタード燃焼においては、圧縮上死点後の燃料噴射に先だって、吸気行程中もしくは圧縮行程中に、さらに燃料噴射を行うことを特徴とする請求項１または２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】
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１〜３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５】
超リタード燃焼を禁止する空気密度の閾値が、水温が低いほど高く補正され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】
周囲の空気密度が第１の閾値よりも低いときには超リタード燃焼を禁止し、該第１の閾値よりも高い第２の閾値と第１の閾値との間では、超リタード燃焼としつつ点火時期を進角補正す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。
【請求項７】
所定の運転状態として、排気ガス温度の昇温が要求されたときに、上記超リタード燃焼を実行することを特徴とする請求項１〜６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８】
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、上記の排気ガス温度の昇温が要求されることを特徴とする請求項７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９】
排気系の触媒コンバータのＳＯｘ放出処理を行うときに、上記の排気ガス温度の昇温が要求されることを特徴とする請求項７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など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９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低減などのための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、所定の運転状態のとき、例えば触媒コンバータの冷機時のような排気ガス温度の昇温が必要な場合などに、点火時期を圧縮上死点後に設定するとともに、この点火時期前でかつ圧縮上死点後に燃料を噴射する超リタード燃焼を行うようにしたものである。なお、ＮＯｘを吸着するＮＯｘトラップ触媒においては、硫黄成分（ＳＯｘ）が触媒に付着することによりＮＯｘ吸着性能が低下するので、触媒を強制的に高温化してＳＯｘを放出するＳＯｘ放出処理（硫黄被毒解除）を行う必要があるが、このＳＯｘ放出処理の際の排気ガス温度の昇温を、上記の超リタード燃焼を利用して行うことも可能である。そして、本発明では、さらに、周囲の空気密度の判定に基づき、空気密度が低いときには上記超リタード燃焼を禁止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燃料噴射によって、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】
ここで、上記のように点火時期を大幅に遅角させた超リタード燃焼においては、同じ燃料量や吸気量に対して、発生するトルクは相対的に小さくなり、他方、この超リタード燃焼が行われる機関の冷機時は、機関各部のフリクションが暖機後よりも大きなものとなっている。従って、高地等の空気密度が低い環境においては、燃焼圧力が低下し、フリクションに打ち勝って機関を自立運転させ得るだけのトルクが得られない場合が起こりうる。つまり燃焼不安定化とは別の要因で、内燃機関が停止し、あるいは始動不能となる虞がある。
【００１２】
そこで、本発明では、周囲の空気密度の判定に基づき、空気密度が低いときには上記超リタード燃焼を禁止するようにしている。
【００１３】
超リタード燃焼を禁止したときは、例えば、吸気行程中もしくは圧縮行程中に燃料噴射が行われ、かつ点火時期が圧縮上死点前に設定される。
【００１４】
本発明の一つの態様では、超リタード燃焼を禁止する空気密度の閾値が、水温が低いほど高く補正されるようになっている。つまり、低水温であるほどフリクションが大となるが、超リタード燃焼を禁止する空気密度の閾値を、水温に応じて変化させることで、このフリクションによる機関の停止が確実に回避される。
【００１５】
また本発明の一つの態様では、周囲の空気密度が第１の閾値よりも低いときには超リタード燃焼を禁止し、該第１の閾値よりも高い第２の閾値と第１の閾値との間では、超リタード燃焼としつつ点火時期を進角補正するようになっている。点火時期が圧縮上死点後となる超リタード燃焼では、点火時期を進角させることで、排気昇温作用が小さくなる反面、トルクが増大する。従って、これによって、空気密度が低い環境での内燃機関の停止が回避される。また、超リタード燃焼が許容される空気密度が第２の閾値まで拡がることになり、それだけ排気温度が上昇し易くなる。
【発明の効果】
【００１６】
この発明によれば、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、例えば冷間始動の際に、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、高地等の空気密度が低い環境では、この超リタード燃焼を禁止することにより、空気密度が低い環境でのトルク低下による機関の停止や始動不能を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。また、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。さらに、本実施例では、周囲の空気密度を検出するために、大気圧センサ３１および外気温センサ３２を備えている。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
図２は、超リタード燃焼の３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、燃料噴射時期（詳しくは燃料噴射開始時期）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。
【００２５】
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。
【００２６】
図２の実施例２は、燃料噴射を２回に分割した例であり、１回目の燃料噴射を吸気行程中に行い、２回目の燃料噴射を圧縮上死点以降に行う。なお、点火時期および空燃比（２回の噴射を合わせた空燃比）は実施例１と同様である。
【００２７】
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、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。
【００２８】
また、図２の実施例３は、燃料噴射を２回に分割し、１回目の燃料噴射を圧縮行程にて行い、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２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。
【００２９】
この実施例３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。
【００３０】
このように、実施例１〜３の超リタード燃焼によれば、点火の直前に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。
【００３１】
ここで、高地等において空気密度が過度に低い場合には、トルクの低下による内燃機関の停止が生じることがあるため、超リタード燃焼は行わない。図３は、この空気密度に対する処理を示すフローチャートであって、ステップ１で、大気圧センサ３１および外気温センサ３２により検出された周囲の大気圧と外気温とを読み込み、ステップ２で、両者から空気密度を算出する。さらに、ステップ３で水温センサ２１により検出された水温を読み込み、ステップ４で、空気密度と水温とから定まる超リタード燃焼の許可条件を満たしているか否かを判定する。許可条件を満たしている場合には、ステップ５へ進んで超リタード燃焼を許可し、許可条件を満たしていない場合には、ステップ６へ進んで超リタード燃焼を禁止する。
【００３２】
ステップ４の判定は、例えば、図４に示すような制御マップに基づいて行われ、図示するように、閾値を示す線Ｌよりも低水温側もしくは低空気密度側で、超リタード燃焼が禁止される。線Ｌから明らかなように、空気密度がある下限よりも低いときには一律に超リタード燃焼が禁止され、同じく水温がある下限よりも低いときには一律に超リタード燃焼が禁止される。そして、その間では、水温が低いほど空気密度が高くなるような特性に、閾値となる線Ｌが設定されている。
【００３３】
なお、超リタード燃焼における内燃機関の発生トルクは、図５に示すように、空気密度が低いほど低いものとなる。また、内燃機関のフリクションは、図６に示すように、水温が低いほど大となる。そして、そのときの発生トルクαがフリクションβ以下であると、内燃機関の自立運転が困難となる。そこで、図４のような制御マップに代えて、そのときの空気密度に対する発生トルクαとそのときの水温に対するフリクションβとをそれぞれ求め、両者の大小関係から、超リタード燃焼の許可，禁止を判別するようにしてもよい。
【００３４】
次に、図７および図８は、空気密度に対する処理の異なる実施例を示すものであって、この実施例では、図７に示すように、第１の閾値を示す線Ｌ１よりも低水温側もしくは低空気密度側で、超リタード燃焼が禁止される。なお、この線Ｌ１は、図４の線Ｌよりも低空気密度側に設定されている。そして、この第１の閾値よりも高空気密度側に、線Ｌ２として示す第２の閾値が設定されており、線Ｌ１と線Ｌ２との間では、超リタード燃焼としつつ発生トルクを高めるように点火時期を進角補正するようになっている。なお、線Ｌ２は、例えば図４の線Ｌと同じ位置に設定されている。
【００３５】
線Ｌ１と線Ｌ２との間での点火時期の進角補正は、そのときの空気密度に応じて、つまり空気密度が第１の閾値Ｌ１に近いほど大きく進角するように行われる。図８は、超リタード燃焼における発生トルクと点火時期との関係を示したものであり、通常の超リタード燃焼においては、上死点よりも大きく遅角した例えばＰ１の点で運転される。換言すれば、発生トルクが最大となる点火時期よりも遅れた時期に点火され、これによって、排気温度が上昇することになる。そして、空気密度が低いときには、発生トルクが図示のように低下するが、このとき、空気密度が高い（例えば、平地かつ常温）場合のＰ１の点と同じトルクが得られるＰ２の点まで点火時期を進角すれば、空気密度による影響を回避できることになる。
【００３６】
この図７および図８に示す実施例では、点火時期を進角補正することで、超リタード燃焼を禁止する第１の閾値を、より低空気密度側に設定することが可能となり、それだけ超リタード燃焼による排気温度の昇温作用が広い範囲で得られることになる。従って、始動から暖機完了に至る間のＨＣ排出量の一層の抑制が図れる。
【００３７】
なお、上記実施例では、空気密度の判定のために大気圧を大気圧センサ３１により直接的に検出しているが、例えばＧＰＳシステムにより現在の高度を求め、これから大気圧を推定する、などの方法により、空気密度を圧力以外のパラメータから間接的に推定することも可能である。
【００３８】
また、本発明の超リタード燃焼は、排気系の触媒コンバータ１０としてＮＯｘトラップ触媒を用いた場合の硫黄被毒解除のためにも利用することができる。ＮＯｘトラップ触媒は、流入する排気の排気空燃比がリーンであるときにＮＯｘを吸着し、流入する排気の排気空燃比がリッチであると、吸着していたＮＯｘを放出して触媒作用により浄化処理するものであるが、燃料中の硫黄成分（ＳＯｘ）が触媒に結合するとＮＯｘ吸着性能が低下する。そのため、適当な時期に、触媒を強制的に高温化してＳＯｘを放出除去する処理（いわゆる硫黄被毒解除）が必要である。本発明の超リタード燃焼は、非常に高い排気温度を得られるので、このＮＯｘトラップ触媒の硫黄被毒解除処理に適したものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【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】空気密度に対する処理を示すフローチャート。
【図４】空気密度および水温に対する許可領域、禁止領域を示す特性図。
【図５】空気密度に対する発生トルクの特性を示す特性図。
【図６】水温に対するフリクションの特性を示す特性図。
【図７】第１の閾値と第２の閾値を示す特性図。
【図８】点火時期と発生トルクとの関係を示す特性図。
【図９】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】
【００４０】
３…燃焼室
１０…触媒コンバータ
１３…排気温度センサ
１４…点火プラグ
１５…燃料噴射弁
２５…コントロールユニット
３１…大気圧センサ  
【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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【図９】
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