(57)【要約】【課題】本発明は、触媒暖機中のアイドリング状態において、排気温度の低下を最小とし、排気ガス浄化触媒に対する排気ガスの暖機作用をほとんど低下させないで、負荷変動等に対応してアイドリング回転数を制御することができる筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。【解決手段】内燃機関がアイドル中に排気ガス浄化触媒が未暖機であると判断された場合、点火時期を基本進角値より遅角させて排気ガス温度を上昇させ、触媒の暖機を行う。触媒暖期中に負荷が変動し回転数の変動が生じた場合、目標アイドル回転数と実アイドル回転数の差から目標吸入空気量を算出し、吸入空気量調節手段で吸入空気量を変化させる。合わせて噴射時期を変化させることで内燃機関の出力を調整する。負荷の変動が大きい場合は点火時期も合わせて変更する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、排気ガス通路に排気ガス浄化触媒と、内燃機関の回転数検出手段と、排気ガス浄化触媒の暖機状態を判別する手段と、アイドル状態を判別する手段と、を備える筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置において、
前記制御装置は、前記アイドル状態を判別する手段が内燃機関がアイドル状態であることを判別し、かつ、前記排気ガス浄化触媒の暖機状態を判別する手段が、排気ガス浄化触媒が未暖機であると判断した場合は、点火時期を基本進角値より遅角させるとともに、少なくとも燃料噴射時期を変化させることによりアイドル回転数を制御することを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記制御装置は、燃料噴射時期を圧縮行程の範囲で変化させることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記制御装置は、前記内燃機関の回転数検出手段で検出した実アイドル回転数が目標アイドル回転数を下回った場合は燃料噴射時期を遅角させ、実回転数が目標回転数を上回った場合は燃料噴射時期を進角させることを特徴とする請求項１または２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記制御装置は、少なくとも燃料噴射時期と点火時期を変化させることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記制御装置は、実アイドル回転数が目標アイドル回転数を下回った場合は点火時期を進角させ、実回転数が目標回転数を上回った場合は点火時期を遅角させることを特徴とする請求項４に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記制御装置は、実アイドル回転数と目標アイドル回転数の差に基づいて燃料噴射時期と点火時期の変化量を決定して変化させることを特徴とする請求項５に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
【請求項７】
前記制御装置は、実アイドル回転数と目標アイドル回転数の差が小さい場合は燃料噴射時期の変化量を点火時期の変化量より大きくして変化させ、実アイドル回転数と目標アイドル回転数の差が大きい場合は点火時期の変化量を燃料噴射時期の変化量をより大きくして変化させることを特徴とする請求項６に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
【請求項８】
燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、排気ガス通路に排気ガス浄化触媒と、内燃機関の回転数検出手段と、吸入空気量計測手段と、アイドル状態を判別する手段と、排気ガス浄化触媒の暖機状態を判別する手段とを備え、前記内燃機関の回転数検出手段で検出した実アイドル回転数と目標アイドル回転数との差から目標吸入空気量を算出し、吸入空気量調節手段で吸入空気量を変化させる筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置であって、
前記制御装置は、前記アイドル状態を判別する手段が内燃機関がアイドル状態であることを判別し、かつ、前記排気ガス浄化触媒の暖機状態を判別する手段が、排気ガス浄化触媒が未暖機であると判断した場合は、点火時期を基本進角値より遅角させた値とし、前記吸入空気量調節手段によって吸入空気量を変化させるとともに、少なくとも燃料噴射時期を基本値から変化させることによりアイドル回転数を制御することを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
【請求項９】
前記制御装置は、前記吸入空気量計測手段で計測した実吸入空気量と目標吸入空気量との差が小さくなるにつれて燃料噴射時期を基本値に戻すことを特徴とする請求項８に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
【請求項１０】
前記制御装置は、燃料噴射時期を圧縮行程の範囲で変化させることを特徴とする請求項８または９に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
【請求項１１】
前記制御装置は、実アイドル回転数が目標アイドル回転数を下回った場合は吸入空気量調節手段で吸入空気量を多くすると共に、燃料噴射時期を遅角させ、実回転数が目標回転数を上回った場合は吸入空気量調節手段で吸入空気量を少なくすると共に、燃料噴射時期を進角させることを特徴とする請求項８から１０のいずれかに記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
【請求項１２】
前記制御装置は、前記吸入空気量調節手段によって吸入空気量を変化させると共に、少なくとも燃料噴射時期と点火時期を変化させることを特徴とする請求項８から１１のいずれかに記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
【請求項１３】
前記制御装置は、目標吸入空気量と実吸入空気量との差が小さくなるにつれて点火時期を基本進角値より遅角させた値に戻すことを特徴とする請求項１２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
【請求項１４】
前記制御装置は、実アイドル回転数が目標アイドル回転数を下回った場合は点火時期を進角させ、実回転数が目標回転数を上回った場合は点火時期を遅角させることを特徴とする請求項１２または１３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
【請求項１５】
前記制御装置は、実アイドル回転数と目標アイドル回転数の差に基づいて燃料噴射時期と点火時期の変化量を決定して変化させることを特徴とする請求項１４に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
【請求項１６】
前記制御装置は、実アイドル回転数と目標アイドル回転数の差が小さい場合は燃料噴射時期の変化量を点火時期の変化量より多くして変化させ、実アイドル回転数と目標アイドル回転数の差が大きい場合は点火時期の変化量を燃料噴射時期の変化量をより少なくして変化させることを特徴とする請求項１５に記載の筒内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】
本発明は燃料を直接燃焼室内部に噴射する燃料噴射弁を備えた筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車の排出ガスに含まれる一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等の排出ガス物質を低減することが求められており、火花点火内燃機関では空燃比制御と触媒とによる浄化作用を利用して排出ガス物質を低減してきた。しかしながら触媒の作用が有効となるのは触媒の温度が一定以上になって触媒が活性化してからであり、内燃機関始動直後の触媒が冷えた状態では排出ガス物質がそのまま排出されてしまう。よって始動直後は点火時期を通常よりも遅角させ、排気ガス温度を上昇させることで触媒の暖機を促進させ、触媒を早期に活性化するようにする内燃機関の制御が行われている。
【０００３】
さらに燃料を直接燃焼室内部に噴射する燃料噴射弁を備えた筒内噴射式火花点火内燃機関においては、点火プラグの周りに可燃混合気を偏在させた状態に燃料を噴射することで、点火時期を一層遅角させることができる。このため、筒内噴射式火花点火内燃機関は、燃料を吸気ポートで噴射させる内燃機関よりも排気温度を上昇させることができるので、触媒の活性化までの時間を一層短縮させ排出ガス物質の低減を図っている（特許文献１）。
【０００４】
従来、筒内噴射式火花点火内燃機関におけるアイドリング時の回転数制御については、特許文献２に示されるように吸気量補正手段のみならず燃料噴射量補正手段に基づいて回転数制御を行い、回転速度が急激に増減変化するような場合でも、燃料噴射量を補正することによって速やかにアイドル回転速度を適正な回転速度に制御でき、アイドル運転の安定化を図ることができる。
【０００５】
また、筒内噴射式火花点火内燃機関において、吸気行程に燃料を噴射して均質混合気を形成しているアイドル運転時には、点火時期を補正してアイドル回転速度を目標回転速度に一致させるべく制御し、圧縮行程に燃料を噴射して成層混合気を形成しているアイドル運転時には、燃料噴射量または空燃比を補正してアイドル回転速度を目標回転速度に一致させるべく制御する内燃機関の制御装置がある（特許文献３）。
【０００６】
さらに、筒内噴射型内燃機関において、内燃機関の実エンジン回転数を検出する回転数検出手段を設け、アイドル安定化制御手段が目標アイドルエンジン回転数と実エンジン回転数との差に応じて燃料噴射時期を制御することにより目標アイドルエンジン回転数におけるアイドル運転の安定化、運転フィーリングの改善を実現することが提案されている（特許文献４）。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−３８９４５号公報
【特許文献２】特許第３４７８３１８号公報
【特許文献３】特許第３７００３２８号公報
【特許文献４】特開平９−１２６０１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、火花点火内燃機関のアイドリング状態における回転制御には、エンジン負荷の変動に対応して、吸入空気量を制御することによりアイドル回転数を維持するもの、燃料噴射量による空燃比を制御することによりアイドル回転数を維持するもの、点火時期を制御することによりアイドル回転数を維持するもの等、アイドル回転数を維持するアイドリング制御は各種提案されている。しかしながら、触媒暖機中のアイドリング状態において触媒暖機を考慮した上でエンジン回転数を維持するようにアイドリング制御するものは提案されていない。
【０００９】
そして、筒内噴射式火花点火内燃機関のアイドリング状態において、触媒暖機のために点火遅角を行っている場合には、吸気ポート噴射内燃機関に比べて点火遅角量が大きいため、スロットル弁開度が大きくなっていて吸入空気量が多くなっている。そのためスロットル弁のような吸入空気量調節手段の操作による空気量増減の応答性はいっそう遅くなり、アイドル回転数を維持するための制御性も悪化している。
【００１０】
また、負荷変動に対してスロットル弁の開度を変化させ吸入空気量を調節する場合には、スロットル弁によって調節された吸入空気量は、コレクタ、吸気管を通って燃焼室に導入されるため、エンジン回転数を目標エンジン回転数にするには時間がかかり、急な負荷変動には対応できない。
【００１１】
そのため、従来は触媒暖機中のアイドリング状態において、急な負荷変動があった場合には点火時期を変化させることで対応していた。つまり負荷が増大した場合、まず点火時期を進角することでエンジン回転の落ち込みを防ぎ、負荷の増大に見合う吸入空気量が増加された後、点火時期を本来のリタード（遅角）時期に戻すことになる。しかしながら内燃機関の構造上、シリンダ内に吸入される空気量の変化は遅れを伴うため、この間は本来の点火時期から進角させることとなり触媒の暖機性能が悪化する。
【００１２】
そこで、本発明者らは、筒内噴射式火花点火内燃機関におけるアイドリング状態における内燃機関の燃焼状態等を検証すべく様々な実験を行い、その挙動を解析した。
【００１３】
図６（ａ）は、点火時期を遅角させ、膨張行程に設定して燃焼させているときに、空燃比（Ａ／Ｆ）を変えた場合の空燃比と排気ガスの炭化水素（ＨＣ）成分、排気ガス温度との関係を示すものである。この燃焼形態では点火時期を遅らせることでシリンダ内での燃焼反応を緩慢にし、空燃比をストイキよりリーンとすることで排気ガス中に余剰酸素が存在するため、排気管以降で未燃燃料の後燃え反応が起こり、排気温度が上昇する。しかし、空燃比がリーン状態では、リーンにするほど排気温度が低くなり、未燃の燃料成分を表す未燃炭化水素（ＨＣ）の排出量が増加する。図６（ｂ）はその時のスモーク（SOOT）の排出量を示したものである。空燃比が16よりリッチな状態ではスモークの排出が急激に増加している。スモークは燃料成分が酸素不足の蒸焼きの状態で生成されるため、燃料がリッチな条件ほど排出されやすい。以上より三元触媒を早期に暖機するためには空燃比をストイキよりリーン側で、できるだけリッチにする必要があるが、スモーク排出量を基準値以下にする必要があり、空燃比はこれらを満たすように、適切な空燃比に設定しなければならない。このため触媒暖機を行っているアイドル状態において負荷変動に対して空燃比で調節することはできない。
【００１４】
図７は、点火時期を遅角させ、膨張行程に設定して燃焼させているときに、点火時期を変えた場合の点火時期と排気温度、図示平均有効圧の関係を示したものである。点火時期を遅角させると図示平均有効圧は低下し、排気温度が上昇する。点火時期を遅角させると燃焼が緩慢となり、有効仕事が減少するためであると考えられる。したがって、触媒暖機を行っているアイドル状態においては外部負荷の変動に対して点火時期を変化させることでエンジン出力を調節し、エンジン回転数を維持することができる。しかしながら点火時期を進角させると排気温度が低下するため、特に外部負荷が増大した場合に点火時期を変えてエンジン回転数を維持することは、触媒に対する排気ガスの暖機作用を低下させることになる。
【００１５】
図８は、点火時期を遅角させ、膨張行程に設定して燃焼させているときに、燃料噴射時期を変えた場合の燃料噴射時期と排気温度、図示平均有効圧の関係を示している。圧縮行程で燃料噴射を行う場合、噴射時期を遅角させるほど図示平均有効圧は増加しているが、排気温度はほとんど変化しない。噴射時期を遅角させると点火時期までの時間が短くなり、気化燃料が点火プラグ周りに偏在しやすくなる。そのため、燃焼速度が向上して有効仕事が増加するため図示平均有効圧が増加すると考えられる。しかも、燃料噴射時期を進角側あるいは遅角側に変更して図示平均有効圧を変更させても排気温度がほとんど変化しない。したがって、筒内噴射式火花点火内燃機関において、触媒暖機を行っているアイドリング状態には、燃料噴射時期を調節することによってエンジントルクを調節してエンジン回転数を制御することが有効であることを知得した。
【００１６】
本発明は、上記のような実験とその考察による知得に基づいてなされたものであり、触媒暖機中のアイドリング状態において、排気温度の低下を最小とし、排気ガス浄化触媒に対する排気ガスの暖機作用をほとんど低下させないで、負荷変動等に対応したアイドリング回転数を速やかに制御することができる筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記目的を達成するために、本発明に係る筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置は、燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、排気ガス通路に排気ガス浄化触媒と、内燃機関の回転数検出手段と、排気ガス浄化触媒の暖機状態を判別する手段と、アイドル状態を判別する手段を備え、前記制御装置は、前記アイドル状態を判別する手段が内燃機関がアイドル状態であることを判別し、かつ、前記排気ガス浄化触媒の暖機状態を判別する手段が、排気ガス浄化触媒が未暖機であると判断した場合は、点火時期を基本進角値より遅角させるとともに、少なくとも燃料噴射時期を変化させることによりアイドル回転数を制御することを特徴としている。
【００１８】
本発明は、排気浄化触媒が未暖機である場合には、点火時期を基本進角値より遅角させるので、排気温度を高温として排気ガス浄化触媒の暖機を促進して早期に排気ガス浄化触媒を活性化することができ、しかも、負荷変動時等におけるアイドル回転数を少なくとも燃料噴射時期を変化させることにより制御するので、排気温度の低下を最小とし、排気ガス浄化触媒に対する排気ガスの暖機作用をほとんど低下させないでアイドル回転数を速やかに制御することができる。
【００１９】
本発明に係る筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置は、具体的には、燃料噴射時期を圧縮行程の範囲で変化させ、また、内燃機関の回転数検出手段で検出した実アイドル回転数が目標アイドル回転数を下回った場合は燃料噴射時期を遅角させ、実回転数が目標回転数を上回った場合は燃料噴射時期を進角させる。
【００２０】
また、本発明に係る筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置は、少なくとも燃料噴射時期と点火時期を変化させることを特徴としており、負荷変動等が大きく、燃料噴射時期を変化させるだけでは実アイドル回転数を目標アイドル回転数に制御することができないときには、点火時期をも変化させることにより実アイドル回転数を目標アイドル回転数に制御することができる。
【００２１】
本発明に係る筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置は、具体的には、実アイドル回転数が目標アイドル回転数を下回った場合は点火時期を進角させ、実回転数が目標回転数を上回った場合は点火時期を遅角させ、実アイドル回転数と目標アイドル回転数の差に応じて燃料噴射時期と点火時期の変化量を決定して変化させる。
【００２２】
本発明に係る筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置は、具体的には、実アイドル回転数と目標アイドル回転数の差が小さい場合は燃料噴射時期の変化量を点火時期の変化量より大きくして変化させ、実アイドル回転数と目標アイドル回転数の差が大きい場合は点火時期の変化量を燃料噴射時期の変化量より大きくして変化させるものである。
【００２３】
さらに、本発明に係る筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置は、燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、排気ガス通路に排気ガス浄化触媒と、内燃機関の回転数検出手段と、吸入空気量計測手段と、アイドル状態を判別する手段と、排気ガス浄化触媒の暖機状態を判別する手段とを備え、前記内燃機関の回転数検出手段で検出した実アイドル回転数と目標アイドル回転数との差から目標吸入空気量を算出し、吸入空気量調節手段で吸入空気量を変化させ、前記制御装置は、前記アイドル状態を判別する手段が内燃機関がアイドル状態であることを判別し、かつ、前記排気ガス浄化触媒の暖機状態を判別する手段が、排気ガス浄化触媒が未暖機であると判断した場合は、点火時期を基本進角値より遅角させた値とし、前記吸入空気量調節手段によって吸入空気量を変化させるとともに、少なくとも燃料噴射時期を基本値から変化させることによりアイドル回転数を制御することを特徴としている。
【００２４】
本発明は、排気ガス浄化触媒が未暖機である場合には、点火時期を基本進角値より遅角させるので、排気温度を高温として排気ガス浄化触媒の暖機を促進して早期に排気ガス浄化触媒を活性化することができ、また、負荷変動時等におけるアイドル回転数を少なくとも燃料噴射時期を変化させることにより制御するので、吸入空気量の変化によるアイドル回転数制御の遅れを、燃料噴射時期を変化させることによるアイドル回転数の制御によってカバーすることができ、しかも、排気温度の低下を最小とし、排気ガス浄化触媒に対する排気ガスの暖機作用をほとんど低下させないでアイドル回転数を速やかに制御することができる。
【００２５】
さらに、本発明に係る筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置は、吸入空気量計測手段で計測した実吸入空気量と目標吸入空気量との差が小さくなるにつれて燃料噴射時期を基本値に戻すことを特徴としており、負荷変動等が再度生じた場合にも燃料噴射時期を変化させることによりアイドル回転数を速やかに制御することができる。
【００２６】
本発明に係る筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置は、具体的には、燃料噴射時期を圧縮行程の範囲で変化させており、実アイドル回転数が目標アイドル回転数を下回った場合は吸入空気量調節手段で吸入空気量を多くすると共に、燃料噴射時期を遅角させ、実回転数が目標回転数を上回った場合は吸入空気量調節手段で吸入空気量を少なくすると共に、燃料噴射時期を進角させる。
【００２７】
また、本発明に係る筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置は、吸入空気量調節手段によって吸入空気量を変化させるとともに、少なくとも燃料噴射時期と点火時期を変化させることを特徴としており、負荷変動等が大きく、燃料噴射時期を変化させるだけでは実アイドル回転数を目標アイドル回転数に制御することができないときには、点火時期をも変化させ、吸入空気量の変化によるアイドル回転数制御の遅れを、燃料噴射時期と点火時期とを変化させることによるアイドル回転数の制御によってカバーすることができる。
【００２８】
さらに、本発明に係る筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置は、目標吸入空気量と実吸入空気量の差が小さくなるにつれて点火時期を基本進角値より遅角させた値に戻すことを特徴としており、実吸入空気量が変更して目標トルクが得られるようになるにしたがって点火時期を基本進角値より遅角させた値に戻すので、排気温度を上昇させて触媒暖機を早めることができる。
【００２９】
本発明に係る筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置は、具体的には、実アイドル回転数が目標アイドル回転数を下回った場合は点火時期を進角させ、実回転数が目標回転数を上回った場合は点火時期を遅角させるものである。
【００３０】
本発明に係る筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置は、実アイドル回転数と目標アイドル回転数との差に基づいて燃料噴射時期と点火時期の変化量を決定して変化させることを特徴としており、実アイドル回転数と目標アイドル回転数の差が小さい場合は燃料噴射時期の変化量を点火時期の変化量より多くして変化させ、実アイドル回転数と目標アイドル回転数の差が大きい場合は点火時期の変化量を燃料噴射時期の変化量をより少なくして変化させることを特徴としている。
【００３１】
本発明は、点火時期の変化量よりも燃料噴射時期の変化量を優先してアイドル回転数を制御しており、排気温度の低下を少なくして触媒暖機を促進し、しかもアイドル回転数を速やかに制御することができる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明は、排気ガス浄化触媒が未暖機である場合には、点火時期を基本進角値より遅角させるので、排気温度を高温とし、排気ガス浄化触媒の暖機を促進して早期に排気ガス浄化触媒を活性化することができ、しかも、負荷変動時等におけるアイドル回転数を少なくとも燃料噴射時期を変化させることにより制御するので、排気温度の低下を最小とし、排気ガス浄化触媒に対する排気ガスの暖機作用をほとんど低下させないでアイドル回転数を速やかに制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明に係る筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置の実施形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明に係る筒内噴射式火花点火内燃機関とその制御装置の基本構成を示している。図において、エンジン１には、ピストン２、吸気弁３、排気弁４が備えられる。吸気は、空気流量計（ＡＦＭ）２０を通過してスロットル弁１９に入り、分岐部であるコレクタ１５より吸気管１０、吸気弁３を介してエンジン１の燃焼室２１に供給される。燃料は、燃料噴射弁５から、エンジン１の燃焼室２１に噴射供給され、点火コイル７、点火プラグ６で点火される。燃焼後の排気ガスは排気弁４を介して排気管１１に排出される。排気管１１には排気ガス浄化のための三元触媒１２が備えられている。ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）９には、エンジン１のクランク角度センサ１６の信号、ＡＦＭ２０の空気量信号、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサ１３の信号、アクセル開度センサ２２のアクセル開度等の信号が入力される。ＥＣＵ９は、アクセル開度センサ２２の信号からエンジンへの要求トルクを算出するとともに、アイドル状態の判定等を行う。ＥＣＵ９には、クランク角度センサ１６の信号からエンジン回転数を演算する回転数検出手段と、水温センサ８から得られる内燃機関の水温とエンジン始動後の経過時間等から三元触媒１２が暖機された状態であるかを判断する手段が備えられている。また、ＥＣＵ９は、エンジン１に必要な吸入空気量を算出し、それに見合った開度信号をスロットル弁１９に出力し、吸入空気量に応じた燃料量を算出して燃料噴射弁５に燃料噴射信号を出力し、点火プラグ６に点火信号を出力する。
【００３４】
三元触媒１２は排気管１１を通して排出される排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍である場合、排気ガスに含まれる一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）を同時に浄化することができる。このためＥＣＵ９は酸素センサ１３の信号から排気空燃比を判定し、燃料噴射弁５から噴射される燃料量をフィードバック制御することで排気ガスの空燃比を理論空燃比近傍に保っている。しかしながら三元触媒１２の浄化作用が有効となるのは温度が一定以上（例えば３００℃以上）になってからであり、エンジン始動直後の三元触媒１２が冷えた状態では排出ガスに含まれる物質は三元触媒１２で浄化されずにそのまま排出されてしまう。
【００３５】
エンジン始動直後に三元触媒１２が未活性であるとＥＣＵ９が判定した場合、点火時期を通常よりも遅角させ、例えば膨張行程に設定し、排気温度を上昇させることで三元触媒１２を暖機し、三元触媒１２を早期に活性化するためのエンジン制御を行う。燃料を直接燃焼室２１に噴射する燃料噴射弁５を備えた筒内直噴噴射式エンジンでは、点火プラグ６の周りに可燃混合気を偏在させることができるため、吸気管１０で燃料噴射を行うエンジンよりも点火時期を遅角させて排気温度を上昇させることができる。
【００３６】
一方、ＥＣＵ９がアクセル開度センサ２２からの信号でエンジンがアイドル状態にあると判定した場合、ＥＣＵ９は、実アイドル回転数であるエンジン回転数を目標アイドル回転数である目標エンジン回転数に保つために必要な吸入空気量を演算し、スロットル弁１９の開度を変化させる。スロットル弁１９によって調節された吸入空気量は、コレクタ１５、吸気管１０を通して燃焼室２１に導入されることで、エンジン負荷に対して必要な空気量が得られることなる。しかしながら、スロットル弁１９によって吸入空気量を調節することによるエンジン回転数の制御では、エンジン回転数が目標エンジン回転数に到達するまでに時間がかかる。よって急な負荷変動に対してはスロットル弁１９の調節と合わせて燃料の噴射時期を変化させることでエンジン出力を調節し、エンジン回転数を安定させている。負荷変動が大きく燃料の噴射時期を変化させるだけでは目標エンジン回転数にすることができない場合は、燃料の噴射時期に加え点火時期を変化させることでエンジン出力を調節し、エンジン回転数を安定させている。
【００３７】
本発明の筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置において、アイドル制御を行うためのフローチャートを図２に示す。ステップ９０でＥＣＵ９が、アイドル状態を判別する手段であるアクセル開度センサ２２からの信号に基づきエンジンがアイドル状態であるか判定し、アイドル状態であると判定した場合、ステップ９１に進む。ステップ９１では、三元触媒１２が暖機された状態であるかを判断する手段が、三元触媒１２が暖機された状態であるかを判断し、三元触媒１２が暖機されていて暖機が必要ないと判断した場合は、ステップ９３に移行して通常のアイドル制御を行い、暖機が必要と判断した場合は、ステップ９２で触媒暖機アイドル制御を実施する。このときの燃焼方式は少なくとも圧縮行程に燃料噴射を行い、点火時期を膨張行程に設定する。
【００３８】
図３は、本発明の筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置における触媒暖機アイドル制御（図２におけるステップ９１）のフローチャートを示す。ステップ１０１では、ＥＣＵ９が実エンジン回転数と目標エンジン回転数との差を認識するか、あるいはエアコンやパワーステアリング等の補機による外部負荷を認識した場合、ステップ１０２に進んで回転数差、負荷変動分に応じた目標トルクを演算するとともに目標トルクに対応した目標空気量を演算し、スロットル弁１９の開度を変更して吸入空気量を補正する。ステップ１０３では、ＡＦＭ２０より検知される吸入空気量が目標空気量と一致しているかを判断し、一致していない場合は、ステップ１０４に進む。ステップ１０４では、実エンジン回転数と目標エンジン回転数との差、又は負荷変動の大きさが基準値よりも大きいかを判断し、基準値よりも大きい場合には、ステップ１０５で燃料噴射時期の補正と、点火時期の補正によってエンジン回転数を制御することで空気応答の遅れを補う。また、ステップ１０４で、実エンジン回転数と目標エンジン回転数との差、又は負荷変動の大きさが基準値よりも小さい場合は、ステップ１０６に進んで噴射時期のみの補正を行ってエンジン回転数を制御することで空気応答の遅れを補う。
【００３９】
図４に触媒暖機中の燃焼成立範囲における燃料の噴射時期、点火時期及びエンジンのトルクの大小との関係を示す。燃焼成立範囲は燃焼安定性や排気ガス排出成分の排出量等のエンジン性能を全て満足する領域である。触媒暖機中は排気温度をできるだけ高くする必要があるため、燃焼が成立する範囲内で余裕を持たせた上で、できるだけ点火時期を遅角させた基準点火時期ＦＢが設定されている。今、エンジンが、基準点火時期ＦＢ、噴射時期Ｔ１で駆動されてトルク１を出力しているＡ点の燃焼状態であるとき、負荷変動等によりトルク２を出力することが必要になった場合、燃料噴射時期を噴射時期Ｔ１をから射時期Ｔ２に補正し（Ｂ点の燃焼状態）トルク２を出力させてエンジン回転数を制御する（噴射時期の補正方法は図４の矢印aに示す。）。すなわち、図３のステップ１０４で実エンジン回転数と目標エンジン回転数の差、あるいは負荷変動が基準値以下であると判定された場合であり、燃料噴射時期補正（ステップ１０６）を行う。この補正では排気温度が低くならないので、触媒暖機が促進される。
【００４０】
しかし、負荷変動等が大きくて、エンジン出力をトルク３まで出力することが必要になった場合には、噴射時期の補正だけでは必要なトルクを得ることができないので、点火時期を点火時期Ｆ１に補正するとともに、燃料の噴射時期を噴射時期Ｔ３となるように補正し（Ｃ点の燃焼状態）、必要なトルク３が出力されるように制御する。すなわち、図３のステップ１０４で実エンジン回転数と目標エンジン回転数の差、あるいは負荷変動が基準値以上であると判定された場合であり、燃料噴射時期とあわせて点火時期補正（ステップ１０５）を行う。三元触媒１２に対する排気ガスの暖機作用を悪化させないようにできるだけ高い排気温度を維持するために、同じトルクを出力できる噴射時期、点火時期の組み合わせが矢印ｂ、ｃに示すように複数ある場合は、点火時期をできるだけ遅角できる矢印ｂの噴射時期、点火時期の組み合わせを選択する。
【００４１】
実エンジン回転数と目標エンジン回転数の差、あるいは負荷変動が基準値をわずかに上回る場合は、燃料噴射時期の変化による制御を優先し、燃料噴射時期の変化量が点火時期の変化量より大きく変化させ、実アイドル回転数と目標アイドル回転数の差、あるいは負荷変動が基準値を大きく上回る場合は、点火時期の変化量が燃料噴射時期の変化量をより大きくして変化させることになる。
【００４２】
また、実エンジン回転数が目標エンジン回転数より増加した場合、あるいは外部負荷が低下した場合も、実エンジン回転数が目標エンジン回転数より減少した場合、あるいは外部負荷が増加した場合と同様に燃料噴射時期の変化を優先して制御する。
【００４３】
本実施形態では、実エンジン回転数と目標エンジン回転数の差、あるいは負荷変動が生じた場合に、燃料噴射時期の補正を優先してエンジン回転数を制御しているので、図８に示したように排気温度の変化を最小にし、三元触媒１２の暖機を悪化させること無くアイドル状態のエンジン回転数を安定化させることができる。
【００４４】
以上のように、吸入空気量の応答遅れがある間は点火時期をできるだけ進角させないように噴射時期、点火時期を変化させることでエンジン出力を調整し、アイドル回転数を安定化させるように制御する。図５に外部負荷が増加した場合のエンジントルク、空気量、噴射時期、点火時期の変化を（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）に示す。外部負荷が入力された場合、ＥＣＵ９は、アイドル回転数を維持するために（Ａ）の実線で示すように目標トルクを増加し、目標トルクが得られるように目標吸入空気量を（Ｂ）の実線のように算出してスロットル弁１９の開度を開く。しかし、スロットル弁１９によって燃焼室２１に流入する吸入空気は遅れを伴うため、（Ｂ）の破線のような応答を示す。この空気量の応答遅れを補うため、（Ｃ）に示すように噴射時期を遅角させエンジントルクを（Ａ）の波線に示すように速やかに目標トルクまで増加させ、実吸入空気量が目標吸入空気量に近づくにつれて燃料噴射時期を初期の噴射時期に戻すように制御する。点火時期は（Ｄ）に示すように、燃料噴射時期の変更だけで目標トルクを達成できる場合は実線ａのように点火時期の進角を行わない。燃料噴射時期の変更だけで目標トルクを達成できない場合は破線ｂに示すように点火時期を進角するように制御する。この場合は前述したように点火時期をできるだけ遅角側に設定して目標トルクを達成させ、実吸入空気量が目標吸入空気量に近づくにつれて初期の点火時期に戻すように制御する。また噴射時期の変更だけで目標トルクが達成できる場合は点火時期の進角をやめて基準の点火時期に戻す。
【００４５】
本実施形態では、以上の制御を行うことにより、図５（Ａ）の実線で示す外部負荷の増加に対して、破線に示すエンジントルクを出力することができ、応答遅れを最小限にし、かつ、排気温度の低下を最小にして三元触媒１２暖機を遅延させないで、触媒暖機アイドリング中のエンジン回転数を速やかに安定化することができる。
【００４６】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではない。また、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明に係る内燃機関と制御装置が適用される筒内直接噴射式火花点火内燃機関の全体構成図。
【図２】発明に係る筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置におけるアイドル制御のフローチャート。
【図３】本発明に係る筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置における触媒暖機アイドル制御のフローチャート。
【図４】本発明に係る筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置における触媒暖機燃焼時の噴射時期、点火時期に対するトルクのマップ。
【図５】本発明に係る筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置において、外部負荷増加時の目標トルクと実トルク、目標吸入空気量と実吸入空気量、噴射時期、点火時期の変化を示す図。
【図６】本発明に関する筒内直接噴射式火花点火内燃機関における触媒暖機燃焼時の空燃比に対する排気温度と排気ガス成分の関係を示す図。
【図７】本発明に関する筒内直接噴射式火花点火内燃機関における触媒暖機燃焼時の点火時期に対する排気温度と図示平均有効圧の関係を示す図。
【図８】本発明に関する筒内直接噴射式火花点火内燃機関における触媒暖機燃焼時の噴射時期に対する排気温度と図示平均有効圧を示す図。
【符号の説明】
【００４８】
１  エンジン
２  ピストン
３  吸気弁
４  排気弁
５  燃料噴射弁
６  点火プラグ
７  点火コイル
８  水温センサ
９  ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）
１０  吸気管
１１  排気管
１２  三元触媒
１３  酸素センサ
１４  ＥＧＲ弁
１５  コレクタ
１６  クランク角センサ
１８  ＥＧＲ通路
１９  スロットル弁
２０  ＡＦＭ
２１  燃焼室
２２  アクセル開度センサ
【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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