(57)【要約】    【課題】  排気浄化触媒の暖機が要求されている時に、負荷に応じ、最適な燃焼方式で運転し、エンジンから排出されるＨＣの低減と触媒の暖機促進とを図る。    【解決手段】  触媒の暖機が要求されている時に、機関の負荷に応じ、低負荷域で、圧縮行程噴射による成層燃焼を行わせ、中負荷域で、吸気行程噴射と圧縮行程噴射とによる二度噴射燃焼を行わせる。高負荷域では、吸気行程噴射による均質燃焼を行わせる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路に排気浄化用の触媒を備える直噴火花点火式内燃機関において、
触媒の暖機が要求されている時に、機関の負荷に応じ、低負荷域で、圧縮行程噴射による成層燃焼を行わせ、負荷が高くなると、吸気行程噴射と圧縮行程噴射とによる二度噴射燃焼を行わせることを特徴とする直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
【請求項２】
成層燃焼の時の空燃比はストイキよりリーンとし、二度噴射燃焼の時の空燃比は略ストイキとすることを特徴とする請求項１記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
【請求項３】
燃焼方式毎に、点火時期の遅角側への補正量をそれぞれ設定して、点火時期を制御することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
【請求項４】
成層燃焼時の点火時期の遅角側への補正量を、二度噴射燃焼時の点火時期の遅角側への補正量より大きくすることを特徴とする請求項３記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
【請求項５】
燃焼方式毎に、吸入空気量の補正量をそれぞれ設定して、空気量を制御することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
【請求項６】
成層燃焼時の吸入空気量の増量側への補正量を、二度噴射燃焼時の吸入空気量の増量側への補正量より大きくすることを特徴とする請求項５記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
【請求項７】
中負荷域で、吸気行程噴射と圧縮行程噴射とによる二度噴射燃焼を行わせ、高負荷域で、吸気行程噴射による均質燃焼を行わせることを特徴とする請求項１記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
【請求項８】
成層燃焼の時の空燃比はストイキよりリーンとし、二度噴射燃焼及び均質燃焼の時の空燃比は略ストイキとすることを特徴とする請求項７記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
【請求項９】
燃焼方式毎に、点火時期の遅角側への補正量をそれぞれ設定して、点火時期を制御することを特徴とする請求項７又は請求項８記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
【請求項１０】
燃焼方式毎の点火時期の遅角側への補正量は、大きい方から順に、成層燃焼、二度噴射燃焼、均質燃焼とすることを特徴とする請求項９記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
【請求項１１】
燃焼方式毎に、吸入空気量の補正量をそれぞれ設定して、空気量を制御することを特徴とする請求項７〜請求項１０のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
【請求項１２】
燃焼方式毎の吸入空気量の増量側への補正量は、大きい方から順に、成層燃焼、二度噴射燃焼、均質燃焼とすることを特徴とする請求項１１記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
【請求項１３】
燃焼方式を切換える負荷のしきい値は、機関の回転数に応じて変化させることを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
【請求項１４】
成層燃焼を行わせる低負荷域を、アイドル運転域とすることを特徴とする請求項１〜請求項１〜請求項１３のいずれか１つに記載の直噴火花点火式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、直噴火花点火式内燃機関の制御装置に関し、特に冷間始動時など、排気通路に備えられる排気浄化用の触媒の暖機が要求されている時の好適な制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、直噴火花点火式内燃機関において、触媒冷機時にエンジンからのＨＣ、ＮＯｘ等の排出量を低減し、かつ、暖機を促進することにより、大幅にエミッションを改善するため、触媒が冷機状態のときに、吸気行程噴射と圧縮行程噴射との分割噴射を行うことにより、燃焼室の点火プラグ付近の区域に理論空燃比もしくはこれよりリッチな空燃比の混合気を形成すると共にその周囲に理論空燃比よりもリーンな混合気を形成することが記載されている。
【０００３】
特許文献２には、直噴火花点火式内燃機関において、冷間時の始動時には、三元触媒が活性化していないので、吸気行程噴射による均質燃焼の場合、ＨＣが還元されないままで排出されることから、機関の温度を検出し、検出した温度が所定温度を下回る場合には、圧縮行程において理論空燃比よりリーン側に空燃比を調整して燃料を噴射することが記載されている。
【特許文献１】特開平１０−２１２９８７号公報
【特許文献２】特開２０００−１４５５１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１のように、触媒の暖機が要求されている時に、低負荷域で、吸気行程噴射と圧縮行程噴射とによる二度噴射燃焼を実施すると、均質燃焼よりはＨＣ排出量が少なくなるものの、成層燃焼と比べるとＨＣ排出量が多くなるという問題点がある。
その一方、特許文献２のように、触媒の暖機が要求されている時に、低負荷域で、圧縮行程噴射による成層燃焼を実施すると、ＨＣ排出量を低減できるが、負荷が高くなると、燃焼安定性が低下することから、実施できる範囲に限りがあるという問題点がある。
【０００５】
本発明は、このような実状に鑑み、触媒の暖機が要求されている時に、負荷条件に応じた最適な燃焼制御を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このため、本発明は、触媒の暖機が要求されている時に、機関の負荷に応じ、低負荷域で、圧縮行程噴射による成層燃焼を行わせ、負荷が高くなると、吸気行程噴射と圧縮行程噴射とによる二度噴射燃焼を行わせる構成とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、低負荷域で成層燃焼を行わせることで、ＨＣ排出量を低減でき、負荷が高くなると、二度噴射燃焼を行わせることで、燃焼安定性を確保しつつ、ＨＣ排出量を、成層燃焼時よりは多くなるものの、均質燃焼時よりは少なくできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示すエンジン（直噴火花点火式内燃機関）のシステム図である。
エンジン１の吸気通路２には、吸入空気量を制御する電制スロットル弁３が設置されている。電制スロットル弁３は、エンジンコントロールユニット（以下ＥＣＵという）２０からの信号により作動するステップモータ等により開度制御される。
【０００９】
エンジン１の燃焼室４には、点火プラグ５と共に、燃料噴射弁６が設置されている。
燃料噴射弁６は、ＥＣＵ２０からエンジン回転に同期して吸気行程又は圧縮行程にて出力される噴射パルス信号によりソレノイドに通電されて開弁し、所定圧力に調圧された燃料を噴射するようになっている。そして、噴射された燃料は、吸気行程噴射の場合は燃焼室４全体に拡散して均質な混合気を形成し、また圧縮行程噴射の場合は点火プラグ５周りに集中的に層状の混合気を形成し、ＥＣＵ２０からの点火信号に基づき、点火プラグ５により点火されて燃焼（均質燃焼又は成層燃焼）する。
【００１０】
エンジン１の排気通路７には、排気浄化用の触媒８が設けられている。
ＥＣＵ２０には、アクセルペダルセンサ２１により検出されるアクセル開度Ａpo、クランク角センサ２２により検出されるエンジン回転数Ｎｅ、エアフローメータ２３により検出される吸入空気量Ｑａ、水温センサ２４により検出されるエンジン冷却水温度（水温）Ｔｗ、燃圧センサ２５により検出される燃料噴射弁６への燃料の圧力（燃圧）Ｐｆなどが入力されている。
【００１１】
ＥＣＵ２０は、これらの入力信号より検出されるエンジン運転条件に基づいて、燃焼方式（均質燃焼、成層燃焼）を設定し、これに合わせて、電制スロットル弁３の開度、燃料噴射弁６の燃料噴射時期及び燃料噴射量、点火プラグ５の点火時期を制御する。尚、通常運転条件（暖機完了後）において、成層燃焼は、Ａ／Ｆ＝３０〜４０程度の極リーンで行われる（成層リーン燃焼）。均質燃焼には、均質リーン燃焼（Ａ／Ｆ＝２０〜３０）と、均質ストイキ燃焼とがある。
【００１２】
本発明は、冷間始動時を含め、触媒８の暖機が要求されている時に、負荷条件に応じた最適な燃焼制御を実現するものであり、これは、ＥＣＵ２０により、始動時〜暖機中制御として、図２のフローチャートに従ってなされる。
図２の始動時〜暖機中制御のフローチャートについて説明する。
Ｓ１では、始動時に、成層始動（成層燃焼による始動）を許可するか否かを判定する。具体的には、始動時水温Ｔｗが所定値（例えば−１０℃）以上、燃圧Ｐｆが圧縮行程噴射可能なレベルまで上がっていることを条件として、成層始動を許可する。
【００１３】
成層始動の許可条件を満たしている場合は、Ｓ２へ進み、成層始動を行う。すなわち、圧縮行程噴射による成層燃焼で始動する。
成層始動の許可条件を満たしていない場合は、Ｓ３へ進み、均質始動を行う。すなわち、吸気行程噴射による均質燃焼で始動する。
始動後は、Ｓ４へ進む。
【００１４】
Ｓ４では、触媒８が活性化しているか否かを判定する。具体的には、触媒温度センサを有する場合は、これにより触媒温度を検出する。触媒温度センサを有しない場合は、水温Ｔｗより触媒温度を推定する。又は、始動時水温と、始動後の吸入空気量の積算値とに基づいて、触媒温度を推定する。そして、検出又は推定された触媒温度が所定の活性温度以上か否かを判定する。
【００１５】
触媒が活性化している場合は、Ｓ１１へ進んで、通常制御へ移行し、暖機中制御を終了する。通常制御では、運転条件に応じ、前述した成層リーン燃焼、均質リーン燃焼、均質ストイキ燃焼などがなされる。
触媒が活性化していない場合は、Ｓ５へ進む。
Ｓ６では、負荷ＴＰに応じ、燃焼方式を選択する。
【００１６】
低負荷域、すなわち、負荷ＴＰが第１しきい値ＴＰ１未満のときは、圧縮行程噴射による成層燃焼とする。成層燃焼では、空燃比をストイキより若干リーン（Ａ／Ｆ＝１５〜１６）に設定し、圧縮行程噴射にて燃料を噴射して点火プラグ周りに層状にリッチな混合気を形成して、成層燃焼を行わせる。また、このとき、点火時期（水温Ｔｗに基づいて設定される基本点火時期）を遅角側に補正する（成層リタード燃焼）。
【００１７】
中負荷域、すなわち、負荷ＴＰが第１しきい値ＴＰ１以上で、第１しきい値ＴＰ１より大きい第２しきい値ＴＰ２未満のときは、吸気行程噴射と圧縮行程噴射とによる二度噴射燃焼とする。二度噴射燃焼では、空燃比をストイキに設定し、燃料噴射を２回に分割して、吸気行程噴射と圧縮行程噴射とを行い、点火プラグ周りに比較的リッチな混合気を形成し、その周囲に比較的リーンな混合気を形成して、弱成層燃焼を行わせる。また、このときも、点火時期を遅角側に補正する（二度噴射リタード燃焼）。
【００１８】
高負荷域、すなわち、負荷ＴＰが第２しきい値ＴＰ２以上のときは、吸気行程噴射による均質燃焼とする。均質燃焼では、空燃比をストイキに設定し、吸気行程にて燃料を噴射して燃焼室全体に均質な混合気を形成して、均質燃焼を行わせる。また、このときも、点火時期を遅角側に補正する（均質リタード燃焼）。
点火時期の遅角側への補正量は、燃焼方式毎に異なり、大きい方から順に、成層燃焼、二度噴射燃焼、均質燃焼である。また、吸入空気量（スロットル開度）の補正量も、燃焼方式毎に異なり、大きい方から順に、成層燃焼、二度噴射燃焼、均質燃焼である。
【００１９】
負荷ＴＰとしては、例えば、単位回転当たりの吸入空気量（Ｑａ／Ｎｅ）を用いる。この他、全開空気量に対する要求空気量の比率、そのトルク変換値、アクセル開度、スロットル開度、燃料噴射パルス幅などを用いることもできる。
また、第１しきい値ＴＰ１、第２しきい値ＴＰ２は、エンジン回転数Ｎｅに応じて設定するとよく、この場合、図３に示すような運転領域別に、成層燃焼、二度噴射燃焼、均質燃焼の切換えが実施される。
【００２０】
Ｓ６では、始動後の最初の選択か否かを判定し、最初の選択の場合は、Ｓ７へ進んで、選択された燃焼方式で運転し、Ｓ４へ戻る。
最初の選択でない場合は、Ｓ８へ進んで、切換要求があるか否か、すなわち選択された燃焼方式が前回と異なるか否かを判定する。
切換要求無しの場合は、現在の燃焼方式を維持して、Ｓ４へ戻る。
【００２１】
切換要求有りの場合は、切換ダンパ制御を行う。切換ダンパ制御は、切換前の燃焼方式で運転し、空気量（スロットル開度ＴＶＯ）、空燃比Ａ／Ｆ、点火時期ＡＤＶ（それらの補正量）を切換前の燃焼方式に対応した値から切換後の燃焼方式に対応した値まで、時間経過と共に徐々に変化させる。そして、空気量（スロットル開度ＴＶＯ）、空燃比Ａ／Ｆ、点火時期ＡＤＶ（それらの補正量）が切換後の燃焼方式に対応した値に達した時点で、Ｓ１０へ進み、選択された燃焼方式に切換える。そして、Ｓ４へ戻る。
【００２２】
このような暖機中制御により、触媒８が活性化すると、Ｓ４からＳ１１へ進んで、通常制御へ移行する。
図４にエンジン負荷が低負荷→中負荷→高負荷→中負荷→高負荷と変化した場合のタイミングチャートを示す。ここでは、燃焼方式の選択を「燃焼方式選択フラグ」の値として、また燃焼方式の実際の切換えを「燃焼切換実行フラグ」の値として示している。また、ＴＰＨＹＳは、しきい値ＴＰ１、ＴＰ２に対するハンチング防止のためのヒステリシスである。
【００２３】
次に本実施形態の効果について説明する。
冷間状態での成層燃焼は、点火プラグ周りに濃い混合気を集めることで燃焼安定性が向上する。また、燃焼室壁面に付着する燃料が少なくなるのでエンジンから排出されるＨＣのレベルを下げることができる。燃焼安定性が向上する分、点火時期をリタードでき、触媒の暖機促進のための排気温度上昇を図ることができる。但し、負荷が高くなっていくと、点火プラグ周りが濃すぎることになって、燃焼安定性が低下し、スモークが出るという跳ね返りがある。
【００２４】
一方、冷間状態での二度噴射燃焼は、点火プラグ回りに比較的リッチな混合気を形成し、その周囲に比較的リーンな混合気を形成することから、燃焼室壁面への燃料の付着という観点で、ＨＣ低減効果は、成層燃焼より劣るものの、均質燃焼よりは優れる。また、燃料を燃焼室全体に行き渡らせているので、比較的高負荷まで燃焼を安定させることができ、点火時期のリタードによる排気温度上昇が可能である。
【００２５】
従って、本発明では、触媒の暖機が要求されている時に、機関の負荷に応じ、低負荷域で、圧縮行程噴射による成層燃焼を行わせることで、燃焼室壁面に付着する燃料を少なくして、エンジンから排出されるＨＣのレベルを低下させると共に、点火プラグ回りに濃い混合気を集めることで低負荷域では燃焼安定性を向上できる分、点火時期のリタードを可能にして、排気温度上昇を図ることにより、触媒の活性化を図る。
【００２６】
また、負荷が高くなると、成層燃焼では、点火プラグ回りが濃すぎることによって燃焼安定性が悪化したりスモークが出たりするので、負荷が高くなった場合には、吸気行程噴射と圧縮行程噴射とによる二度噴射燃焼を行わせることで、ＨＣ低減効果を確保しつつ、燃焼安定性を向上させ、点火時期のリタードを可能にして、排気温度上昇を図ることにより、触媒の活性化を図る。
【００２７】
更に、負荷が高くなって、高負荷（全開付近）となると、二度噴射燃焼でも、点火プラグ周りが濃すぎて却ってＨＣが増加してしまうこと、及び、出力要求から、均質燃焼に切換え、このときも、可能な限り、点火時期をリタードして、排気温度上昇を図ることにより、触媒の活性化を図る。
ここで、図５に示す比較例制御１、比較例制御２と本発明制御とを比較する。
【００２８】
比較例制御１では、図５（ａ）に示すように、冷機エンジン始動後、アイドルで吸気行程噴射と圧縮行程噴射との二度噴射を行い、その条件から負荷が高負荷へ上がった際、均質燃焼への切換えを実施するものとする。
比較例制御２では、図５（ｂ）に示すように、冷機エンジン始動後、アイドルで成層燃焼を行い、その条件から負荷が上がった際、均質燃焼への切換えを実施するものとする。
【００２９】
これに対し、本発明制御では、図５（ｃ）に示すように、低負荷域で成層燃焼、中負荷域で吸気行程噴射と圧縮行程噴射との二度噴射、高負荷域で均質燃焼に切換える。
図６は、成層燃焼、二度噴射燃焼、均質燃焼のそれぞれについて負荷に対するＨＣ排出量の特性を示したものである。
本発明制御では、低負荷で成層燃焼、中負荷で二度噴射燃焼、高負荷で均質燃焼に切換えることにより、負荷条件に応じ常にＨＣ排出量が最小となる燃焼方式に選択的に切換えることで、ＨＣ低減が可能となる。特に、比較例制御１との比較では、低負荷条件にて低ＨＣ化が図れる。比較例制御２との比較では、中負荷条件にて低ＨＣ化が図れる。
【００３０】
図７は、成層燃焼、二度噴射燃焼、均質燃焼のそれぞれについて負荷に対する要求空気量の特性を示したものである。
本発明制御では、低負荷で成層燃焼、中負荷で二度噴射燃焼、高負荷で均質燃焼に切換えることにより、等トルクを発生するのに必要な切換時の要求空気量の差を小さくすることができ、もってトルク段差を小さくすることができる。特に、比較例制御２では、低負荷から中負荷への切換時（成層燃焼から均質燃焼への切換時）に図示ｂの空気量段差を生じていたが、本発明制御では、空気量段差が図示ｃとなり、大幅に低減される。
【００３１】
以上のように、負荷に応じ、成層燃焼→二度噴射燃焼→均質燃焼と切換えることで、排気（ＨＣ）を改善しつつ、トルク段差なくつなぐことができる。
また、燃焼方式を切換える負荷のしきい値をエンジン回転数に応じて変化させることで、成層燃焼又は二度噴射燃焼を行う領域を高回転側に拡大でき、どのような加速においてもトルク段差を発生させることなく切換えを行って、触媒の暖機を促進できる。
【００３２】
尚、燃焼方式を切換えるしきい値（特に二度噴射燃焼と均質燃焼とを切換える第２しきい値ＴＰ２）は、水温Ｔｗに応じて変化させ、水温Ｔｗが高いときほど、小さくして、より低負荷側で均質燃焼に切換わるようにしてもよい。
また、図８に示すように、成層燃焼を行う低負荷域は、アイドル運転域のみとして、燃焼切換えの煩雑さを低減するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態を示すエンジンのシステム図
【図２】始動時〜暖機中制御のフローチャート
【図３】燃焼切換領域の設定例を示す図
【図４】燃焼方式切換えのタイミングチャート
【図５】比較例制御１、２及び本発明制御の概念図
【図６】負荷に対するＨＣ排出量の特性図
【図７】負荷に対する要求空気量の特性図
【図８】燃焼切換領域の他の設定例を示す図
【符号の説明】
【００３４】
１  エンジン
２  吸気通路
３  電制スロットル弁
４  燃焼室
５  点火プラグ
６  燃料噴射弁
７  排気通路
８  触媒
２０  ＥＣＵ
【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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