(57)【要約】【課題】  油水温のみに基づいて超リタード燃焼の解除を行うと、駐車場等で内燃機関のＯＮ−ＯＦＦが比較的短い期間・周期で繰り返し行われるような場合に、触媒温度の過度な上昇を招くおそれがある。【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。超リタード燃焼が行われた累積継続時間ｒＴを機関停止状態でも保持し、この累積継続時間ｒＴが所定の上限時間Ｔｓに達すると超リタード燃焼を解除する。【選択図】図５
2008180089.tif 000002
【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と点火プラグとを備え、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、点火時期を圧縮上死点後に設定する超リタード燃焼を行う筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置において、
超リタード燃焼が行われる累積継続時間を計測し、この累積継続時間は機関停止状態でも保持され、この累積継続時間が所定の上限時間に達すると上記超リタード燃焼を解除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】
機関油水温を検出する油水温センサを備え、上記機関油水温が所定の上限温度に達すると、上記累積継続時間を”０”にクリア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】
機関油水温を検出する油水温センサを備え、機関停止直前の油水温を保持し、機関始動直後に、上記機関停止直前の油水温と機関始動直後の油水温との差に基づいて、上記累積継続時間を減少側に補正することを特徴とする請求項１又は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。
【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超リタード燃焼を行う技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、特許文献１等に開示されているように、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、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ことを本出願人は検討している。
【特許文献１】特開２００６−１１２３６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
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、例えばアイドル時にＢＴＤＣ点火とする従来の技術に比べて、排気温度が非常に高くなるため、触媒コンバータが過昇温となる懸念が生じる。
【０００４】
そこで、例えば、触媒コンバータ又はその近傍に触媒温度センサを設け、このセンサにより検出される触媒温度が所定温度に達したら超リタード燃焼を解除することが考えられる。しかしながら、この場合、触媒温度を検出する触媒温度センサを別途設ける必要があり、その分、部品点数の増加やコストの増加を招くという問題がある。
【０００５】
そこで、既存の内燃機関に一般的に用いられる水温センサや油温センサのような油水温センサを利用し、例えば水温センサにより検出される水温が所定の上限水温に達すると、超リタード燃焼を解除することが考えられる。この場合、既存の水温センサを用いることから、部品点数の増加がなくコスト的には有利である。しかしながら、上記の超リタード燃焼では排気温度が急激に上昇するために、超リタード燃焼が短期間の場合には、機関水温がほとんど上昇することなく排気温度が上昇することとなる。従って、図８に示すように、例えば駐車場などでイグニッションキーの操作により内燃機関の始動・停止（ＯＮ−ＯＦＦ）が比較的短期間に繰り返し行われるような場合、機関水温がほとんど上昇することなく超リタード燃焼が何度も繰り返し行われて、排気温度、ひいては触媒温度が上昇し、水温が上限水温に達する前に触媒温度が触媒劣化温度（目標昇温温度）を超えて過度に昇温つまりオーバシュートする虞がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は、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に関し、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、点火時期を圧縮上死点後に設定するとともに、典型的には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ものである。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。
【０００７】
そして、特に、超リタード燃焼が行われた累積継続時間を計測するとともに、これを機関停止状態でも保持し、この累積継続時間が所定の上限時間に達すると上記超リタード燃焼を解除することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
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、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。
【０００９】
そして、機関停止状態でも保持される累積継続時間に基づいて超リタード燃焼の解除を行うようにしたので、触媒温度センサ等を敢えて必要としない簡素な構成でありながら、例えば駐車場等で内燃機関の始動・停止が比較的短い期間・周期で繰り返し行われるような場合、つまり断続的に超リタード燃焼が行われることによって機関油水温の温度上昇を伴うことなく排気温度や触媒温度が上昇するような状況であっても、触媒温度の過度な上昇を回避できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、この発明の一実施形態の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。
【００１１】
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が設けられている。
【００１２】
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。
【００１３】
また内燃機関１には、機関油水温を検出する油水温センサとして、機関冷却水の水温を検出する水温センサ２１及び機関作動油の油温を検出する油温センサ２４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。
【００１４】
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（もしくは後述する均質燃焼運転）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。
【００１５】
本実施形態は、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。
【００１６】
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。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、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、本実施形態では、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。
【００１７】
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。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。
【００１８】
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。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。
【００１９】
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。
【００２０】
ここで、上記の超リタード燃焼においては、排気ガス温度が非常に高く得られることから、触媒コンバータ１０が上流側から急速に加熱され、触媒コンバータ１０の熱歪や過度の温度上昇の懸念がある。そのため、本実施形態では、図３〜図７に示すように、超リタード燃焼が行われる累積継続時間ｒＴに応じて燃焼モードの切換が行われる。なお、図３はコントロールユニット２５に予め記憶され、所定の短期間（例えば１０ｍｓ）毎に繰り返し実行されるフローチャートであり、図５〜図７は、図３のルーチンを適用した機関始動時の幾つかの例を示すタイムチャートである。
【００２１】
図３を参照して、ステップＳ１では、内燃機関の始動・停止の操作が可能なイグニッションキーやインテリジェントキーによるキーＯＦＦの操作、つまり機関停止操作がなされたかを判定する。機関停止操作がなされたと判定された場合、ステップＳ２へ進み、上記の水温センサ２１により検出される機関停止時の水温を適宜なメモリ内に記憶・保持した後、ステップＳ３へ進み、内燃機関が停止されるとともに、コントロールユニット２５への通電が停止されて、コントロールユニット２５を含めた電気系統の作動が完全に停止される（セルフシャットオフ）。
【００２２】
キーＯＦＦの操作がなされていない状態、つまり内燃機関及び電気系統の作動状態では、ステップＳ４において、超リタード燃焼を行う条件が成立するかを判定する。具体的には、機関水温ｒＷが超リタード許可温度Ｗｓ未満であるか等を判定する。
【００２３】
超リタード燃焼を行う条件が成立していると判定されると、ステップＳ５及びステップＳ６において、リミッタ値Ｔｍａｘを上限として、超リタード燃焼が実行された累積の時間である累積継続時間ｒＴが計測・計時される。つまり、ステップＳ５では、累積継続時間ｒＴがリミッタ値Ｔｍａｘ未満であるかを判定し、リミッタ値Ｔｍａｘ未満であれば、Ｓ６において、累積継続時間ｒＴを計測するタイマの値がカウントアップされる。この累積継続時間ｒＴは、機関停止状態やコントロールユニット２５を含めた電気系統の非作動状態でも、その値が初期化されることなく保持されるものである。なお、この例では図５〜図７に示すようにリミット値Ｔｍａｘを後述する上限時間Ｔｓよりも大きい値に設定しているが、リミット値Ｔｍａｘを上限時間Ｔｓと同じ値に設定しても良い。
【００２４】
ステップＳ７では、機関始動直後であるかを判定する。この判定は、例えば機関停止とともに初期化されるフラグを利用して行うことができる。機関始動直後、つまり機関始動後の最初のルーチンである場合には、ステップＳ８へ進み、例えば図４に示すようなマップを参照して、前述の機関停止時の水温（ステップＳ２）と現在の機関始動時の水温との差ΔＷに基づいて、累積継続時間ｒＴに対する減算時間ΔＴを算出する。図４に示すように、水温差ΔＷが大きくなるほど減算時間ΔＴがほぼ比例して大きくなる関係にある。
【００２５】
続くステップＳ９では、累積継続時間ｒＴから減算時間ΔＴを減算して累積継続時間ｒＴを更新する。ステップＳ１０では、累積継続時間ｒＴが所定の上限時間Ｔｓ未満であるかを判定する。この上限時間Ｔｓは、超リタード燃焼により触媒コンバータの内部温度が触媒劣化温度にまでオーバシュートすることのないように予め設定される固定値である。累積継続時間ｒＴが上限時間Ｔｓ未満であれば、ステップＳ１１へ進み、超リタード燃焼が行われる。
【００２６】
ステップＳ１０で累積継続時間ｒＴが上限時間Ｔｓに達していると判定された場合、あるいは上記のステップＳ４において超リタード燃焼を行う条件が成立していないと判定された場合、ステップＳ１２へ進み、前述した通常の成層燃焼運転あるいは均質燃焼運転が行われる。
【００２７】
ステップＳ１３では、水温ｒＷが所定の上限温度Ｗｃに達したかを判定する。この上限温度Ｗｃは、少なくとも前述した超リタード許可温度Ｗｓ（例えば、３０〜４０℃）よりも高い値（例えば、５０〜７０℃）の予め設定される固定値である。
【００２８】
水温ｒＷが上限温度Ｗｃを超えていれば、ステップＳ１４へ進み、累積継続時間ｒＴを”０”にクリア・初期化する。言い換えると、水温ｒＷが上限温度Ｗｃを超えない限り、機関停止状態やコントロールユニット２５を含めた電気系統の非作動状態であっても、累積継続時間ｒＴがクリアされることはない。
【００２９】
このような本実施形態によれば、超リタード燃焼が行われた累積継続時間ｒＴを機関停止状態やコントロールユニット２５の非作動状態であっても保持し、この累積継続時間ｒＴに基づいて超リタード燃焼の解除を行うようにしたので、触媒温度センサ等を敢えて設ける必要のない簡素な構成でありながら、図５に示すように機関始動と始動停止とが短い期間・周期で繰り返し行われ、機関油水温があまり上昇することなく排気温度や触媒温度が上昇するような状況であっても、触媒温度が所定の目標昇温温度を超えて過度に昇温することを確実に防止することができる。
【００３０】
また図６に示すように、機関停止時の水温と機関始動時の水温との温度差ΔＷに応じて減算時間ΔＴを算出し、この減算時間ΔＴを累積経過時間ｒＴから減算しているために、既存の水温センサ２１を利用した簡素な構成でありながら、機関停止状態がある程度長くなって触媒温度が低下するような場合にも、この触媒温度の低下分を減算時間ΔＴの減算により良好に吸収・相殺し、機関停止時間の長期化による超リタード燃焼の解除タイミングのばらつきを低減・解消することができる。
【００３１】
図７は、図５や図６の例のように機関の始動・停止の繰り返しが行われることなく、機関始動後に通常の走行が行われて機関油水温が十分に高くなってから内燃機関を停止して長時間放置する、いわゆるソーク状態を経て、機関始動が行われるような場合の例を示している。このように水温が十分に高くなると、次に超リタード燃焼が行われるのは水温ｒＷが超リタード許可温度Ｗｓより低くなるまで機関停止状態が長期化している場合であり、このように機関停止状態が長期化すると、触媒温度も十分に低下することとなる。本実施形態では上限温度Ｗｃを適宜に設定し、水温ｒＷが上限温度Ｗｃを超えると累積継続時間ｒＴを”０”にクリアすることで、触媒温度が十分に低い状況で超リタード燃焼が開始する場合には、累積継続時間ｒＴの計測を確実に”０”から開始させることができる。
【００３２】
以上のように本発明を具体的な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。例えば、機関油水温として、上記実施形態では水温センサ２１により検出される水温を利用しているが、これに代えて、油温センサ２４により検出される油温を利用するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態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】本実施形態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】本実施形態の燃焼モード切換の処理を示すフローチャート。
【図４】機関停止時と機関始動時の水温差と減算時間との関係を示す制御マップの一例を示す特性図。
【図５】本実施形態に係る機関始動時の第１の例を示すタイムチャート。
【図６】本実施形態に係る機関始動時の第２の例を示すタイムチャート。
【図７】本実施形態に係る機関始動時の第３の例を示すタイムチャート。
【図８】比較例に係る機関始動時の例を示すタイムチャート。
【符号の説明】
【００３４】
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】
2008180089.tif 000003
【図２】
2008180089.tif 000004
【図３】
2008180089.tif 000005
【図４】
2008180089.tif 000006
【図５】
2008180089.tif 000007
【図６】
2008180089.tif 000008
【図７】
2008180089.tif 000009
【図８】
2008180089.tif 000010