(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ過給機と、
エンジンの燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射弁と、
スロットルバルブと該スロットルバルブを駆動するアクチュエータを有する電子制御式スロットルと、
前記アクチュエータを制御して前記スロットルバルブのスロットル開度を調整するスロットル制御手段と、
運転者からの加速要求を検出する加速要求検出手段と、
該加速要求検出手段により検出した加速要求とエンジン運転状態に基づいて前記エンジンの加速開始を判定する加速開始判定手段と、
該加速開始判定手段により加速開始と判定された場合に、吸気行程中または圧縮行程中と膨張行程中とに燃料を分割して噴射する分割噴射制御を行う燃料噴射制御手段と、
を有するターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置において、
前記燃料噴射制御手段は、
前記加速開始判定手段により加速開始と判定された後、エンジン運転領域が成層燃焼領域にあるときは圧縮行程中と膨張行程中に燃料を分割して噴射する成層燃焼分割噴射制御を行い、エンジン運転領域が成層燃焼領域から均一燃焼領域に移行したときは、吸気行程中と膨張行程中に燃料を分割して噴射する均一燃焼分割噴射制御を行うことを特徴とするターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置。
【請求項２】
前記スロットル制御手段は、
前記エンジン運転領域が成層燃焼領域から均一燃焼領域に移行する際に、前記スロットルバルブの閉弁側への動作を禁止するスロットル制御を行うことを特徴とする請求項１に記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置。
【請求項３】
前記スロットル制御手段は、
前記燃料噴射制御手段によって前記成層燃焼分割噴射制御から前記均一燃焼分割噴射制御への変更が行われた後に、前記スロットルバルブを全開状態にするスロットル制御を開始することを特徴とする請求項１又は２に記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置。
【請求項４】
前記燃料噴射制御手段は、
前記加速開始判定手段により加速開始の判定を受けた場合に、前記スロットルバルブ制御手段による前記スロットルバルブのスロットル制御に先駆けて、前記分割噴射制御を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置。
【請求項５】
前記燃料噴射制御手段は、
前記スロットルバルブ制御手段により前記スロットルバルブの実際のスロットル開度が全開状態に調整された時点で、前記分割噴射制御を吸気行程中または圧縮行程中に燃料を一括して噴射する通常噴射制御に戻すことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置。
【請求項６】
前記エンジンの吸気管内圧を検出する吸気管内圧検出センサを有し、
前記燃料噴射制御手段は、前記吸気管内圧が予め設定されている所定正圧値まで上昇した時点で、前記分割噴射制御を吸気行程中または圧縮行程中に燃料を一括して噴射する通常噴射制御に戻すことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置。
【請求項７】
前記燃料噴射制御手段は、
前記分割噴射制御により膨張行程中に噴射される燃料噴射量をエンジン出力の上昇に応じて減少させることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置。
【請求項８】
前記エンジンの吸気管内圧を検出する吸気管内圧検出センサと、前記加速要求検出手段により検出した加速要求に基づいて目標過給圧を設定する目標過給圧設定手段とを有し、
前記燃料噴射制御手段は、前記分割噴射制御により膨張行程中噴射される燃料噴射量を、前記目標過給圧と前記吸気管内圧検出センサにより検出した吸気管内圧との偏差に応じて決定することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置。
【請求項９】
前記燃料噴射制御手段は、
前記分割噴射制御により膨張行程中に噴射される燃料の噴射時期を、点火タイミングに応じて変更することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置。
【請求項１０】
前記燃料噴射制御手段は、
前記分割噴射制御により膨張行程中に行う燃料噴射の燃料噴射量及び燃料噴射時期を、前記燃焼室と排気通路との間に設けられている排気弁が開き始めるまでに前記燃焼室内の燃焼が終了する燃料噴射時期及び燃料噴射量に設定したことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置。
【請求項１１】
前記燃料噴射制御手段は、
前記分割噴射制御によって吸気行程から膨張行程までの間に噴射される燃料噴射量の総量を、有効なエンジン出力の発生に必要な基本燃料噴射量に、排気温度の上昇に必要な燃料噴射量分を加算した量としたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置。
【請求項１２】
前記燃料噴射制御手段は、
前記分割噴射制御によって膨張行程中に行う燃料噴射の噴射回数を、エンジン回転数が低い程、増加させる設定としたことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置。
【請求項１３】
前記燃料噴射制御手段は、
前記分割噴射制御によって膨張行程中に行う燃料噴射の噴射回数を、発生トルクが低くなるに応じて増加させる設定としたことを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置。
【請求項１４】
前記燃料噴射制御手段は、
前記分割噴射制御によって膨張行程中に行う燃料噴射の燃料噴射時期を、燃焼室内で火炎伝播を生じている期間中に設定したことを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置に関し、特に、加速を検出した場合に、吸気行程中又は圧縮行程中と膨張行程中とに燃料を分割して噴射する分割噴射制御を行うターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
ターボ過給機を備えたエンジンの場合、加速開始時におけるタービン回転の立ち上がり遅れにより、いわゆるターボラグが生じる。このターボラグを抑制する方法として従来より種々の方法が提案されており、その方法の一つとして、排気ガスの温度を上昇させてターボ過給機のタービンを駆動するエネルギを増大させて過給の効果を早期に得るものがある。
【０００３】
特開２０００−５４８９４号公報には、過給機付きの筒内噴射型エンジンにおいて、加速前期に吸気行程から点火時期にかけての範囲で燃料を複数回に分割して噴射する分割噴射制御を行うと共に、後期側の燃料噴射時期を圧縮行程の中期以降に設定する技術が開示されている。該公報によれば、後期側の燃料噴射により点火栓の周りに霧化が不十分なリッチ領域を設けることにより、後燃えを促進させ、排気温度の上昇を図っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般に、後燃えは、微粒化が不充分な液滴状の燃料が、大部分の燃焼が終了した後に霧化して酸化反応に至る現象であることから、エンジンの状態が冷態始動状態である場合には容易に発生する可能性があるが、暖機後の周辺温度が充分に高い状況では後燃えは発生し難く、充分な排気ガスの温度上昇を期待することはできない。
【０００５】
また、筒内噴射エンジンでは、いわゆる成層燃焼形態における燃焼状態を改善するために、燃料を充分に微粒化した状態で噴霧する性能を有した筒内噴射弁が用いられているので、かかる筒内噴射弁を用いて点火栓の周りに霧化が不十分なリッチ領域を設けることは困難であり、後燃えを期待することはできない。
【０００６】
更に、いわゆる均一燃焼形態において、分割噴射制御による後半の噴射タイミングを点火前の圧縮行程中に設定して、後燃えを生じさせるのに十分なリッチ領域を生じさせると、そのリッチ領域において空気利用率の低下を招き、点火栓による主燃焼の熱発生率が低下して、燃費の悪化や出力上昇の悪化を併発するおそれがある。
【０００７】
また、上記公報によれば、加速要求に応じて成層燃焼形態から均一燃焼形態に燃焼形態を変更する場合に、空燃比の変更に応じてスロットルバルブを閉弁側に移動させる閉弁操作を行っているが、この閉弁操作により吸入空気量が低下して排気ガスの排出量の低下を招くおそれがあり、タービン回転の立ち上がりが遅れる原因になる。
【０００８】
更に、上記公報によれば、圧縮行程中に燃料を噴射してエンジン運転を行う成層燃焼領域から吸気行程中に燃料を噴射してエンジン運転を行う均一燃焼領域にエンジン運転領域を移行させる加速要求を検出した場合、その加速要求を検出した直後に、エンジンの燃焼形態を成層燃焼形態から均一燃焼形態に移行させる燃焼形態移行制御が行われる。しかし、この燃焼形態移行制御に伴ってスロットルバルブの閉弁操作が行われ、成層燃焼形態から均一燃焼形態への移行完了までの間、発生トルクが一定に保たれることから、加速応答遅れが生じて走行フィーリングが悪化するおそれがある。
【０００９】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、加速前期に排気ガスの温度を上昇させてターボラグを抑制するターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する請求項１に記載の発明によるターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置は、ターボ過給機と、エンジンの燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射弁と、スロットルバルブと該スロットルバルブを駆動するアクチュエータを有する電子制御式スロットルと、アクチュエータを制御して前記スロットルバルブのスロットル開度を調整するスロットル制御手段と、運転者からの加速要求を検出する加速要求検出手段と、加速要求検出手段により検出した加速要求とエンジン運転状態に基づいて前記エンジンの加速開始を判定する加速開始判定手段と、加速開始判定手段により加速開始と判定された場合に、吸気行程中または圧縮行程中に燃料を一括して噴射する通常噴射制御を、吸気行程中または圧縮行程中と膨張行程中とに燃料を分割して噴射する分割噴射制御に変更する燃料噴射制御手段と、を有するターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置において、燃料噴射制御手段が、加速開始判定手段により加速開始と判定された後、エンジン運転領域が成層燃焼領域にあるときは圧縮行程中と膨張行程中に燃料を分割して噴射する成層燃焼分割噴射制御を行い、エンジン運転領域が成層燃焼領域から均一燃焼領域に移行したときは、吸気行程中と膨張行程中に燃料を分割して噴射する均一燃焼分割噴射制御を行うことを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、加速時にターボ過給機のタービン回転の立ち上がりを早めてターボラグを抑制するために、吸気行程中または圧縮行程中と膨張行程中とに燃料を分割して噴射する分割噴射制御が行われ、膨張行程中に噴射された燃料の燃焼により燃焼室内の燃焼期間を膨張行程期間の終期まで延長して燃焼室から排出される排気ガスの昇温が図られる。
【００１２】
そして、その分割噴射制御では、加速初期のエンジン運転状態が未だ成層燃焼領域にある間は、成層燃焼分割噴射制御が行われ、エンジン出力の上昇に伴ってエンジン運転領域が成層燃焼領域から均一燃焼領域に移行してから、均一燃焼分割噴射制御が行われる。
【００１３】
成層燃焼形態によるエンジン運転では、スロットルバルブはほぼ全開に近い位置に保持され、均一燃焼形態によるエンジン運転の場合よりもより多くの排気ガスの排出量を排出していることから、加速開始の判定後も、エンジン運転領域が成層燃焼領域にある間は、成層燃焼形態によるエンジン運転を続行することにより、加速開始時における排気ガスの排出量の低下を防ぎ、大量の排気ガスの質量流量を継続して確保することができる。また、均一燃焼形態に移行した後は、膨張行程中に燃料噴射を行う分割噴射制御を行うことにより、膨張行程中に噴射した燃料の燃焼による排気ガスの昇温効果を得ることができる。
【００１４】
従って、ターボ過給機のタービン回転の立ち上げをより早めることができ、膨張行程中の燃料噴射による排気ガスの昇温効果と相俟って、ターボラグを抑制し加速時間の短縮を図ることができる。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１に記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置において、エンジン運転領域が成層燃焼領域から均一燃焼領域に移行する際に、スロットルバルブの閉弁側への動作を禁止するスロットル制御をスロットル制御手段が行うことを特徴とする。
【００１６】
この発明によると、エンジン運転領域が成層燃焼領域から均一燃焼領域に移行する際、スロットルバルブの閉弁側への動作が禁止されるので、スロットルバルブのスロットル開度が、成層燃焼分割噴射制御時におけるスロットル開度以上に維持された状態で燃焼形態が成層燃焼形態から均一燃焼形態に移行される。従って、吸入空気量が多い状態で燃焼形態の移行が行われ、排気ガスの排出量の低下を防ぎ、大量の排気ガスの質量流量を継続して確保することができる。
【００１７】
また、均一燃焼形態に移行した後は、膨張行程中に燃料噴射を行う分割噴射制御を行うことにより、膨張行程中に噴射した燃料の燃焼による排気ガスの昇温効果を得ることができる。従って、ターボ過給機のタービン回転の立ち上げをより早めることができ、膨張行程中の燃料噴射による排気ガスの昇温効果と相俟って、ターボラグを抑制し加速時間の短縮を図ることができる。
【００１８】
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置において、スロットル制御手段が、燃料噴射制御手段によって成層燃焼分割噴射制御から均一燃焼分割噴射制御への変更が行われた後に、スロットルバルブを全開状態にするスロットル制御を開始することを特徴とする。この発明によれば、均一燃焼分割噴射制御が開始されると、スロットルバルブが全開状態に制御されて、エンジンに供給される吸入空気量が更に増大される。このため、ターボラグを抑制し、加速時間の短縮を図ることができる。
【００１９】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置において、燃料噴射制御手段が、加速開始判定手段により加速開始の判定を受けた場合に、スロットルバルブ制御手段によるスロットルバルブのスロットル制御に先駆けて、分割噴射制御を行うことを特徴とする。この発明によれば、加速開始の判定がされると、スロットルバルブのスロットル制御に先駆けて、分割噴射制御が行われる。電子制御式スロットルのスロットルバルブは、例えば電動モータ等のアクチュエータによって駆動されることから、制御指令を受けてから実際のスロットル開度が目標スロットル開度に到達するまでに、ある程度の時間が必要となり、作動の応答遅れが生じる。
【００２０】
従って、実際のスロットル開度が目標スロットル開度に到達するよりも前に分割噴射制御を開始することによって、排気ガスの昇温をより早期に開始し、タービン回転の立ち上げをより早めることができる。従って、ターボラグを抑制し、加速時間を短縮することができる。
【００２１】
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置において、燃料噴射制御手段が、スロットルバルブ制御手段によりスロットルバルブの実際のスロットル開度が全開状態に調整された時点で、分割噴射制御を吸気行程中または圧縮行程中に燃料を一括して噴射する通常噴射制御に戻すことを特徴とする。
【００２２】
この発明によると、スロットルバルブの実際のスロットル開度が全開状態に調整されることによって分割噴射制御から通常噴射制御に戻される。分割噴射制御は、膨張行程中の燃料噴射により排気ガスの昇温を図り、タービン回転の上昇を促してターボラグの発生を抑制することを目的として行われるが、スロットルバルブのスロットル開度が全開状態に調整されると、タービンを駆動するのに十分な排気ガスの質量流量が得られるので、分割噴射制御を通常噴射制御に戻すことができる。
【００２３】
請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置が、エンジンの吸気管内圧を検出する吸気管内圧検出センサを有し、燃料噴射制御手段は、吸気管内圧が予め設定されている所定正圧値まで上昇した時点で、分割噴射制御を通常噴射制御に戻すことを特徴とする。
【００２４】
この発明によれば、加速開始の判定により分割噴射制御が開始され、吸気管内圧が所定正圧値まで上昇した時点で通常噴射制御に戻される。ターボラグは、タービン回転速度が極めて低い、吸入管内圧が負圧の状態から、過給を要する運転領域への過渡期に生じやすい。従って、加速後半のタービン回転速度がある程度上昇して、吸気管内圧が正圧となるエンジン運転状態においては、排気ガスの質量流量も十分に得られる状態にあるといえる。従って、分割噴射制御を通常噴射制御に戻すことができる。
【００２５】
請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置において、燃料噴射制御手段が、分割噴射制御により膨張行程中に噴射される燃料噴射量をエンジン出力の上昇に応じて減少させることを特徴とする。
【００２６】
この発明によると、分割噴射制御の膨張行程中に行われる燃料噴射の燃料噴射量は、エンジン出力の上昇に応じて減少される。エンジン出力が上昇すると、燃焼室内における燃料の燃焼期間は増長する特性を有し、そのため、燃料の燃焼終了時期は、膨張行程後期側に遅れる傾向がある。従って、加速によるエンジン出力の上昇に伴い、吸気行程中または圧縮行程中に噴射された燃料の燃焼終了から膨張行程終了までの期間は短縮される。このため、膨張行程中に噴射する燃料の燃料噴射量をエンジン出力の上昇に応じて減少させることによって、燃料の燃え残りを抑制し、燃料消費量を抑えることができる。従って、効率的に排気ガスの昇温を行うことができる。
【００２７】
請求項８の発明は、請求項１〜７のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置が、エンジンの吸気管内圧を検出する吸気管内圧検出センサと、加速要求検出手段により検出した加速要求に基づいて目標過給圧を設定する目標過給圧設定手段とを有し、燃料噴射制御手段は、分割噴射制御により膨張行程中に噴射される燃料噴射量を、目標過給圧と吸気管内圧検出センサにより検出した吸気管内圧との偏差に応じて決定することを特徴とする。
【００２８】
この発明によると、分割噴射の膨張行程中に行われる燃料噴射の燃料噴射量は、吸気管内圧検出センサにより検出した吸気管内圧と加速要求に基づいて設定された目標過給圧との偏差に応じて決定される。目標過給圧と吸入管内圧との偏差が大きい状態ほど、吸入管内圧が目標過給圧に上昇するまでの時間が長く、加速応答遅れが大きい。従って、目標過給圧と現在の吸入管内圧との偏差に応じて膨張行程中の燃料噴射量を設定することによって、より効果的に排気ガスを昇温させ、ターボラグを抑制することができる。
【００２９】
請求項９の発明は、請求項１〜８のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置において、燃料噴射制御手段が、分割噴射制御により膨張行程中に噴射される燃料の噴射時期を、点火タイミングに応じて変更することを特徴とする。
【００３０】
この発明によると、分割噴射制御により膨張行程中に噴射される燃料の噴射時期が点火タイミングに応じて変更される。エンジンのノッキング状態に応じて点火タイミングが進角又は遅角方向に変更されると、燃料の燃焼期間は一定のままで点火タイミングに応じて前後方向に位相ズレを生ずる。例えば、ノック学習機能などにより、点火タイミングが進角方向に変更された場合には、燃焼終了時期も同位相分だけ進角側に位相ズレを起こす。従って、膨張行程中の燃料の燃料噴射時期を、常に点火タイミングに対して同位相を保つように制御することによって、分割噴射によるエンジン運転を安定して行わせることができ、また、より効果的に排気ガスの昇温を行うことができる。
【００３１】
請求項１０の発明は、請求項１〜９のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置において、燃料噴射制御手段が、分割噴射制御により膨張行程中に行う燃料噴射の燃料噴射量及び燃料噴射時期を、燃焼室と排気通路との間に設けられている排気弁が開き始めるまでに燃焼が終了する燃料噴射時期及び燃料噴射量に設定したことを特徴とする。
【００３２】
この発明によると、分割噴射制御により膨張行程中に噴射される燃料の燃料噴射時期及び燃料噴射量は、燃焼室の排気弁が開き始めるまでに燃焼を終了する燃料噴射時期及び燃料噴射量に設定されるので、燃料が未燃状態で排気管側に排出されて燃料が無駄になることや排気ガスの悪化を防止して、より効果的に排気ガスの昇温を行うことができる。
【００３３】
請求項１１の発明は、請求項１〜１０のいずれかに記載のターボ過給機付き筒内噴射エンジンの制御装置において、燃料噴射制御手段が、分割噴射制御により吸気行程から膨張行程までの間に噴射される燃料噴射量の総量を、有効なエンジン出力の発生に必要とされる基本燃料噴射量に、排気温度の上昇に必要な燃料噴射量分を加算した量としたことを特徴とする。
【００３４】
この発明によると、分割噴射制御により吸気行程から膨張行程までの間に噴射される燃料噴射量の総量は、有効なエンジン出力の発生に必要とされる基本燃料噴射量に、排気温度の上昇に必要な燃料噴射量分を加算した量とされる。
【００３５】
排気温度の上昇には、温度を上昇させる分だけの熱量が必要とされるが、この熱量は、排気ガスに残存する熱量であり、エンジン出力に換算される熱発生量には計上されないため、同一の総燃料噴射量の場合においては、排気温度が高い状態ほど機関出力は低下する傾向にある。従って、膨張行程中の燃料噴射によって排気温度の上昇を図る場合、排気温度を上昇させるのに必要な分の燃料を増量させることによって、エンジン出力の低下を防止でき、走行フィーリングの悪化を招くことなく、ターボラグを抑制することができる。
【００３６】
請求項１２の発明は、請求項１〜１１のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置において、燃料噴射制御手段が、分割噴射制御により膨張行程中に噴射する燃料の噴射回数を、エンジン回転数が低い程、増加させる設定としたことを特徴とする。
【００３７】
この発明によると、分割噴射制御により膨張行程中に噴射する燃料の噴射回数をエンジン回転数が低いほど、増加させる設定としている。燃焼終了のタイミングはエンジン回転数が高くなるほど膨張行程終了側に遅れる傾向にあるので、エンジン回転数が低いほど、膨張行程中での燃焼余裕期間が長い。従って、エンジン回転数が低いほど噴射回数を増やすことで、燃焼期間を膨張行程の終期まで延長させることができ、より効果的に排気ガスの昇温を図ることができる。
【００３８】
請求項１３の発明は、請求項１〜１２のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置において、燃料噴射制御手段が、分割噴射制御により膨張行程中に噴射される燃料の噴射回数を、発生トルクが低くなるに応じて増加させる設定としたことを特徴とする。
【００３９】
この発明によると、分割噴射制御により膨張行程中に噴射される燃料の噴射回数をエンジンの発生トルクが低くなるに応じて増加させる設定としている。一般に、エンジン回転数が同一の場合でも発生トルクが高くなるほど、すなわち燃料供給量が増大するほど、熱発生量が増大し、合わせて燃焼期間が増長するので、燃焼終了のタイミングは膨張行程終了側に遅れる傾向にあり、発生トルクが低いほど、燃焼余裕期間が長い。従って、発生トルクが低いほど、噴射回数を増やす設定とすることで、燃焼期間を膨張行程の終期まで延長させることができ、より効果的に排気ガスの昇温を図ることができる。
【００４０】
請求項１４の発明は、請求項１〜１３のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置において、燃料噴射制御手段が、分割噴射制御により膨張行程中に噴射する燃料の噴射時期を、燃焼室内で火炎伝播を生じている期間中に設定したことを特徴とする。
【００４１】
この発明によると、膨張行程中に噴射された燃料は、燃焼室内で生じている燃焼の火炎伝播を着火源とするので、その燃焼が終了するまでに噴射を開始することによって、確実に着火され、未燃状態で排気管側に排出されるのを防止することができる。従って、燃料の無駄や排気ガスの悪化を防ぎ、より効果的に排気ガスの昇温を行うことができる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。図１は、本実施の形態にかかるターボ過給機付筒内噴射エンジンシステムを概略的に示す説明図である。
【００４３】
上記エンジンシステム１は、自動車に搭載されるエンジンシステムであり、そのエンジン本体２は、クランクシャフト３が回転自在に支持されると共にピストン４がそれぞれ往復動可能に嵌挿されたシリンダブロック５と、吸気弁６ａを備えた吸気ポート６及び排気弁７ａを備えた排気ポート７を有するシリンダヘッド８とを備えている。
【００４４】
シリンダヘッド８には、燃焼室９頂部から燃焼室９内に電極１０ａが突出するように点火プラグ１０が取り付けられており、また、燃焼室９内に直接燃料を噴射するように筒内噴射弁１１が取り付けられている。この筒内噴射弁１１は、低中負荷運転領域で圧縮行程中の点火直前に燃料噴射することにより、点火プラグ１０の電極１０ａ付近に濃い混合気を形成し、その濃い混合気に着火して成層燃焼することが可能な位置に配置されている。
【００４５】
エンジン本体２には、吸気通路１２と排気通路２１が取り付けられている。この吸気通路１２には、吸入空気量を検出するエアフローメータ１３、エンジン本体２に過給を行うターボ過給機１４のコンプレッサ１４ａ、吸入空気を冷却するインタークーラ１５、吸入空気量を調整する電子制御スロットル１６が設けられており、吸気通路１２とシリンダヘッド８との間を連通する吸気マニホールド１７には、吸気マニホールド１７の内圧を検出する吸気管内圧検出センサ１８が取り付けられている。
【００４６】
電子制御スロットル１６は、スロットルバルブ１６ａと、スロットルバルブ１６ａを駆動する例えば電動モータなどのアクチュエータ１６ｂを備えており、アクセルペダル２０の操作状態やエンジン運転状態に応じてスロットルバルブ１６ａのスロットル開度Thを制御し、低負荷運転時には、スロットル開度Thをほぼ全開に制御して希薄空燃比にすることが可能である。また、この電子制御スロットル１６には、スロットルバルブ１６ａのスロットル開度Thを検出するスロットル開度センサ１９が取り付けられている。
【００４７】
一方、排気通路２１には、排気マニホールド２２と、ターボ過給機１４のタービン１４ｂと、触媒コンバータ２３が取り付けられており、触媒コンバータ２３の上流側には、排気通路２１内を通過する排気ガスの温度を検出するための排気温度センサ２４が取り付けられている。また、ターボ過給機１４のタービン１４ｂを迂回するバイパス通路２５にはタービン１４ｂへの排気ガスの流量を調整するためのウエストゲートバルブ２６が取り付けられている。
【００４８】
上記構成を有するエンジンシステム１は、電子制御装置（ＥＣＵ）３０によって制御される。ＥＣＵ３０は、周知の中央処理装置としてＣＰＵ、制御プログラムを格納したＲＯＭ、各種データを格納するＲＡＭ、各種学習データを格納するバックアップＲＡＭ、入出力回路及びそれらを相互に接続するバスライン等からなるマイクロコンピュータシステムを中心として構成されている。
【００４９】
このＥＣＵ３０に接続されるセンサ類としては、上述のエアフローメータ１３やスロットル開度センサ１９の他に、クランク角度を検出すると共に各気筒ごとに吸気、圧縮、膨張、排気行程を検出するクランク角センサ３１及びカム角センサ３２、エンジンの冷却水の温度検出を行う冷却水温センサ３４、ノッキングを検出するノックセンサ３５、アクセルペダル２０の踏込量を検出するアクセルセンサ３６等がある。又、ＥＣＵ３０に接続されるアクチュエータ類としては、上述の電子制御スロットルのアクチュエータ１６ｂや各気筒ごとに設けられた筒内噴射弁１１の他、点火プラグ１０に連設される点火コイルの一次電流を断続するためのイグナイタ３６等がある。
【００５０】
ＥＣＵ３０は、アクセルセンサ３６からの入力と、エンジン冷却水温度Tw、エンジン回転数Neなど現在のエンジン運転状態から、運転者が要求する要求トルクである目標トルクT_targetを算出し、加減速要求を判定すると共に、予め設定されている判定基準によって成層燃焼か均一燃焼かの燃焼形態判定を行い、スロットル開度Th、燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期等の各種運転パラメータを決定する。
【００５１】
例えば、ＥＣＵ３０の内部機構によって実現される燃料噴射制御手段は、アクセルセンサ３６により検出したアクセルペダル２０の踏込量と、クランク角センサ３１により検出したエンジン回転数Neを用いてＥＣＵ３０のＲＯＭ内に予め記憶されている定数マップを参照し補間計算することによって目標トルクT_targetを求め、この目標トルクT_targetとエアフローセンサ１３によって検出した吸入空気量Ｑとに基づいて目標燃料噴射量Tpを求める。目標燃料噴射量Tpは、エンジン運転領域が低中負荷である成層燃焼領域にある場合には、成層燃焼形態によるエンジン運転を実行すべく希薄空燃比とし、高負荷である均一燃焼領域にある場合には、均一燃焼形態によるエンジン運転を実行すべく通常の空燃比になるように設定される。
【００５２】
また、ＥＣＵ３０は、エンジン運転制御の一つとして、加速時のターボラグを抑制するための制御を行う。具体的には、過給を必要とする加速要求がなされた場合に、吸気行程から圧縮行程までの間と膨張行程中とに燃料を分割して噴射する分割噴射制御を行う。この分割噴射制御により膨張行程中に噴射した燃料によって、燃焼期間を膨張行程終期まで延長し、排気ポート７直下の排気ガス温度を積極的に昇温させて、ターボ過給機１４のタービン回転の立ち上がりを早めて、ターボラグを抑制し加速時間の短縮を図っている。
【００５３】
図２は、圧縮行程中に燃料を一括して噴射する成層燃焼通常噴射制御時における熱発生の形態を示したものである。この場合、点火プラグ１０での点火を基点とした火炎伝播によって全ての燃料が連続的に燃焼反応を起こすため、熱発生パターンは、二等辺三角形に近い一山形状となる。
【００５４】
これに対して、図３は、図２の場合と同一の総燃料噴射量を圧縮行程中と膨張行程中に分割して噴射する成層燃焼分割噴射制御時における熱発生の形態を示したものである。この場合、圧縮行程中に１回目噴射を行い、膨張行程中に２回目噴射を行っているので、１回目噴射での燃料噴射量が少なくなり、全体の熱発生量のピークは低くなるが、２回目噴射により膨張行程後期において、更に熱発生のピークが発生し、燃焼終了の時期を遅らせることができる。
【００５５】
図６は、熱発生の総量をほぼ同一とした場合の燃焼終了時期と排気温度との関係を示したものである。この図に示すように、熱発生の総量がほぼ同一であれば、発生トルクもほぼ同一であると考えて良く、この関係から、同一運転領域において、分割噴射制御による膨張行程中の燃料噴射が排気温度上昇に有効であることがわかる。
【００５６】
図４は、図２及び図３の場合と同一の総燃料噴射量を、圧縮行程中に１回と、膨張行程中に２回の合計３回に分割して噴射する成層燃焼分割噴射制御時における熱発生の形態を示したものである。この場合、１回目噴射での熱発生量のピークは、図３の１回目噴射の場合よりも更に低くなるものの、２回目噴射及び３回目噴射によって膨張行程後期において２度の熱発生のピークが発生し、燃焼終了の時期を更に遅らせることができる。
【００５７】
図５は、吸気行程中と膨張行程中とに燃料を分割して噴射する均一燃焼分割噴射制御時における熱発生の形態を示したものである。この場合も、成層燃焼分割噴射と同様に、２回目噴射により膨張行程後期において、更に熱発生のピークを発生させることができ、燃焼終了の時期を遅らせることができる。
【００５８】
次に、上記ＥＣＵ３０により実現されるターボラグを抑制するための制御について、図１０のフローチャートに基づいて説明する。尚、図１０のフローチャートは、ＥＣＵのＲＯＭ内に予め記憶されているプログラムであり、所定のプログラムサイクルで繰り返し実行されている。
【００５９】
上記プログラムがスタートすると、まずステップＳ１０１では、エアフローメータ１３、クランク角センサ３１、スロットル開度センサ１９、アクセルセンサ３６等、各種センサからの検出信号の読み込みが行われ、吸入空気量Ｑ、エンジン回転数Ｎｅ、スロットル開度Th、アクセル踏込量Ｓが求められる。
【００６０】
そして、ステップＳ１０２では、ステップＳ１０１で検出した検出信号によって求めた現在のアクセル踏込量Ｓとエンジン回転数Ｎｅに基づいて予めＥＣＵ３０のＲＯＭ内に記憶されている定数マップを参照し補間計算することによって目標トルクT_targetが算出される。
【００６１】
それから、ステップＳ１０３では、スロットル開度Thとエンジン回転数Ｎｅに基づいて同様にＥＣＵ３０のＲＯＭ内に記憶されている定数マップを参照し補間計算することによって発生トルクＴが算出される。
【００６２】
次に、ステップＳ１０４では、エンジン運転状態が加速中であるか否かの判断が行われる。この判断は、ステップＳ１０２とステップＳ１０３で算出した目標トルクT_targetと発生トルクＴとの偏差が、予め設定されている所定値よりも大きか否かによって行われる。ステップＳ１０４で加速中（ＹＥＳ）と判定されると、その加速中において、ターボラグを抑制するための制御を行う必要があるか否かを判断すべくステップＳ１０５に移行する。また、ステップＳ１０４で加速中ではない（ＮＯ）と判定されると、ステップＳ１１７に移行する。
【００６３】
ステップＳ１０５では、吸気管内圧検出センサ１８により検出した吸気管内圧Pbと予め設定されている所定の正圧値Piとの比較が行われる。ここで、吸気管内圧Pbが所定正圧値Piに満たない（ＹＥＳ）と判断されたときは、運転者によって加速が要求されているが、ターボ過給機１４のタービン回転数が低く、ターボラグが生じやすい状態にあるといえるので、ターボラグを抑制するための制御を行う必要があると判断して、ステップＳ１０６以降に移行する。
【００６４】
また、ステップＳ１０５で吸気管内圧Pbが所定正圧値Pi以上の正圧力である（ＮＯ）と判断されたときは、加速後半のタービン回転数がある程度上昇して、排気ガスの質量流量も十分に得られる状態にあるといえるので、加速中ではあるがターボラグを抑制する制御を行う必要はないと判断して、ステップＳ１１７に移行する。
【００６５】
ステップＳ１０６〜ステップＳ１１６では、ターボラグを抑制するために、吸気行程から圧縮行程までの間と膨張行程中に燃料を分割して噴射する分割噴射制御を行い、膨張行程中に噴射した燃料によって、排気ガスを積極的に昇温させて、タービン回転の上昇を促すことが行われる。
【００６６】
まず、ステップＳ１０６では、エンジン回転数Ｎｅと発生トルクＴに基づいて図９に示す運転領域マップが参照され、現在のエンジン運転領域が成層燃焼領域にあるか否かの判断が行われる。図９は、本実施の形態における運転領域マップを説明する図である。運転領域マップは、図に示すように、エンジン回転数ＮｅとトルクＴに基づいて運転領域を求めるためのものであり、低中負荷側には成層燃焼領域Ａが設定され、高負荷側には均一燃焼領域Ｂが設定されている。また、均一燃焼領域Ｂは、ターボ過給機による有効な過給が行われない無過給均一燃焼領域Ｂ１と、有効な過給が行われる過給均一燃焼領域Ｂ２に分けられている。そして、図中で符号Ｚ１は、成層燃焼形態によって出力可能な上限トルク値を示す成層燃焼上限トルクラインであり、図中で符号Ｚ２は、過給均一燃焼領域Ｂ２の上限を示す、全負荷トルクラインである。
【００６７】
ステップＳ１０６において現在のエンジン運転領域が、成層燃焼領域Ａ内にある（ＹＥＳ）と判断された場合には、成層燃焼運転を続行すべきか、それとも燃焼形態を均一燃焼形態に変更して均一燃焼運転を行うべきかを判断すべくステップＳ１０７以降に移行する。
【００６８】
ステップＳ１０７〜ステップＳ１１０では、仮に分割噴射によって成層燃焼運転を実行するとした場合に出力される仮想トルクTaが算出され、その仮想トルクTaが成層燃焼形態上限トルクT_str以下であるか否かの判断がなされ、この判断に基づいて成層燃焼運転を続行すべきかそれとも均一燃焼運転に変更すべきかが判断される。ここでは、加速要求を受けた場合に、エンジン出力とは無関係に燃焼形態をすぐに成層燃焼形態から均一燃焼形態に移行させるのではなく、成層燃焼形態によって出力可能な成層燃焼上限トルクT_strまでエンジン出力を上昇させてから均一燃焼形態に移行させるための処理が行われる。
【００６９】
成層燃焼運転領域Ａでは、希薄空燃比に調整するためにスロットルバルブ１６ａのスロットル開度はほぼ全開状態に制御されており、大量の吸入空気がエンジンに流入し、排気ガスとして排出されている。従って、加速初期は成層燃焼運転を継続し、スロットルバルブ１６ａのスロットル開度を維持することによって、エンジン本体２に流入される吸入空気量を維持し、タービンを駆動する排気ガスの質量流量の低下を抑制することができる。これにより、タービン回転数をより早く上昇させることができ、ターボラグを抑制することができる。
【００７０】
まず、ステップＳ１０７では、加速判定直後のトルクアップ分をトルクインクリメント量T_deltaとして算出する処理が行われる。トルクインクリメント量T_deltaは、加速時に不快なトルクショックを伴うことなくエンジン出力を増大させることができるトルク増加量であり、予め実験やシミュレーション等によって求められ、エンジン回転数Ｎｅと発生トルクＴに基づくデータマップに読み出し可能に記憶されている。
【００７１】
次に、ステップＳ１０８で、ステップＳ１０７で算出されたトルクインクリメント量T_deltaに現在の発生トルクＴを加算することによって仮想トルクTaが求められる。それから、ステップＳ１０９で、運転領域マップ（図９）を参照することにより、成層燃焼上限トルクT_strの読み込みが行われる。
【００７２】
そして、ステップＳ１１０では、ステップＳ１０８で算出された仮想トルクTaと、ステップＳ１０９で読み込まれた成層燃焼上限トルクT_strとの比較が行われ、仮想トルクTaが成層燃焼上限トルクT_strよりも小さいか否かの判断が行われる。ここで、仮想トルクTaの方が成層燃焼上限トルクT_strよりも小さい（ＹＥＳ）と判断された場合には、成層燃焼運転を実行すべく、ステップＳ１１１に移行する。また、仮想トルクTaが成層燃焼上限トルクT_str以上である（ＮＯ）と判断された場合には、分割噴射による成層燃焼運転は不可能であるので、燃焼形態を切り換えて、均一燃焼運転を行うべく、ステップＳ１１４以降に移行する。
【００７３】
ステップＳ１１１では、成層燃焼分割噴射制御が行われる。ここでは、スロットルバルブ１６ａはほぼ全開状態に維持されており、エンジン出力は、吸入空気量よりも燃料噴射量に依存する。従って、ステップＳ１０８で算出された仮想トルクに基づいて、噴射パルス幅などの各種運転パラメータが設定テーブルを参照する等により決定され、その各種運転パラメータに基づいて、圧縮行程中に１回目の燃料が噴射され、膨張行程中に２回目或いはそれ以上の回数の燃料が噴射されるように筒内噴射弁１１が制御される。
【００７４】
膨張行程中に噴射される燃料の噴射回数は、エンジン回転数が低いほど、増加するように設定されている。一般に、燃焼終了のタイミングは、図１３に示すように、エンジン回転数が高くなる程、膨張行程終了側に遅れる傾向にある。従って、エンジン回転数が低いほど燃焼余裕期間が長いので、その分だけ、噴射回数を増やす設定にすることによって、燃焼期間を膨張行程終期まで延長することができる。従って、排気ポート直下の排気ガス温度をより早期に昇温させることができ、タービン回転の立ち上がりをより早めることができる。
【００７５】
また、膨張行程中に噴射される燃料の噴射回数は、エンジンの発生トルクが低いほど、増加されるように設定されている。一般に、エンジン回転数が同一の場合でも、図１４に示すように、発生トルクが高いほど、換言すれば燃料噴射量が多いほど熱発生量が増大し合わせて燃焼期間も増長する。このため、燃焼終了のタイミングは、膨張行程の終了側に遅れる傾向にある。従って、発生トルクが低いほど燃焼余裕期間が長いので、その分だけ、噴射回数を増やす設定にすることによって、燃焼期間を膨張行程終期まで延長することができる。これにより、排気ポート直下の排気ガス温度をより早期に昇温させることができ、タービン回転の立ち上がりを早めることができる。
【００７６】
更に、膨張行程中に噴射される燃料の噴射時期は、前回噴射の燃料の燃焼が終了する前に噴射される時期に設定されている。従って、前回噴射した燃料が燃焼する火炎伝播を着火源として、確実に着火させ燃焼させることができる。例えば、２回目噴射は、１回目噴射の燃料の燃焼が終了する前に噴射される。また、膨張行程中に２回目と３回目の燃料噴射を行う場合には、３回目噴射は、２回目噴射の燃料の燃焼が終了する前に噴射される。
【００７７】
また、２回目以降に噴射される燃料の噴射時期は、進角及び遅角される点火時期に対して同位相を保つように制御される。一般に、点火時期を進角或いは遅角させた場合に、燃料の燃焼期間はほぼ一定で点火時期に応じて前後に位相ズレを生ずる。例えば、ノック学習制御などにより、図１２に示すように、点火時期が進角側に変化した場合には、燃焼終了時期も同位相分だけ、進み側に位相ズレを起こす。従って、２回目の噴射時期を、点火時期に対して同位相を保つように制御することにより、２回目に噴射した燃料を、１回目噴射燃料の火炎伝播によって確実に着火燃焼させることができ、より安定した排気温度の昇温効果を得ることができる。
【００７８】
また、２回目以降に噴射される燃料の噴射時期は、排気バルブの開動作開始までに燃焼を終了するように設定されている。これにより、燃焼途中で排気バルブ７ａが開き始めて、未燃焼の燃料が排気通路２１に排出されて排気温度上昇に寄与せずに燃料が無駄になってしまうことや排気ガスの悪化を防止して、より効果的に排気ガスの昇温を行うことができる。
【００７９】
それから、膨張行程中に噴射される燃料の燃料噴射量は、増量補正される。排気温度の上昇には、その温度を上昇させる分だけの熱量を必要とするが、この熱量は、排出ガスに残存する熱量であり、エンジン出力には寄与しない。そのため、通常噴射制御時における燃料噴射量と、分割噴射制御時における総燃料噴射量を、同一の量とした場合、排気温度が高い状態ほどエンジン出力は低下する傾向にある。従って、分割噴射制御による膨張行程中の燃料噴射によって排気温度の上昇を図る場合、排気温度を上昇させるのに必要な燃料分を増量させることにより、エンジン出力の低下を抑制でき、運転フィーリングを悪化させることなく、ターボラグの発生を抑制することができる。
【００８０】
一方、ステップＳ１０６で、現在のエンジンの運転領域が均一燃焼領域Ｂ内にある（ＮＯ）と判断された場合には、分割噴射制御によって均一燃焼運転を実行するために、ステップＳ１１２以降に移行する。
【００８１】
まず、ステップＳ１１２では、スロットル開度センサ１９からの検出信号に基づいてスロットルバルブ１６ａの現在のスロットル開度Thが検出される。そして、ステップＳ１１３では、その検出したスロットル開度Thが、予め設定されているほぼ全開状態に近い基準スロットル開度WOT以上であるか、または基準スロットル開度WOTに満たないかが判断される。
【００８２】
ここで、現在のスロットル開度Thが基準スロットル開度WOTに満たない（ＹＥＳ）と判断された場合には、ステップＳ１１４以降に移行する。また、ステップＳ１１３で現在のスロットル開度Thが基準スロットル開度WOT以上である（ＮＯ）と判断された場合には、大量の吸入空気がエンジン内に流入しており、排気ガスの質量流量も十分に得られる状態にあるといえるので、ターボラグを抑制する制御を行う必要はないと判断して、ステップＳ１１７に移行する。
【００８３】
ステップＳ１１４では、均一燃焼分割噴射制御が行われる。ここでは、そのときの吸入空気量に応じて空燃比が略ストイキオ相当になるように総燃料噴射量が決定され、その総燃料噴射量に基づいて、吸気行程中に１回目の燃料が噴射され、膨張行程中に２回目或いはそれ以上の回数の燃料が噴射されるように筒内噴射弁１１が制御される。尚、２回目以降に噴射される燃料の噴射時期、噴射量、噴射回数は、ステップＳ１１１の場合と同様の制御が行われる。
【００８４】
それから、ステップＳ１１５ではスロットルバルブ１６ａを開側に駆動させる制御が行われ、閉側への駆動が禁止される。これにより、スロットルバルブ１６ａは、全開状態に制御される。そして、ステップＳ１１６では、点火時期をリタード制御するための点火時期リタード量が現在の発生トルクに基づいて決定される。
【００８５】
例えば、ステップＳ１１０で仮想トルクTaが成層燃焼上限トルクT_str以上であると判断されて、燃焼形態を均一燃焼形態に切り換えるべくステップＳ１１４に移行してきた場合には、リーン燃焼を行う成層燃焼からステップ的にストイキオでの均一燃焼に移行するので、急激なトルク上昇による走行フィーリングの悪化が懸念される。
【００８６】
従来より、成層燃焼形態から均一燃焼形態に燃焼形態を切り換える場合には、スロットルバルブ１６ａを閉じて吸入空気量Ｑを減少させてトルク段差を抑制する方法が採られているが、この従来の方法では、排気ガスの質量流量が低下し、タービン回転の早期の立ち上げが困難となり、ターボラグの改善を望むことはできない。
【００８７】
そこで、本実施の形態では、スロットルバルブ１６ａを閉じることは行わず、点火時期をリタード制御することによって急激なトルク上昇を抑制している。これにより、吸入空気量が多い状態で燃焼形態が移行されるので、燃焼形態移行時にも、より多くの排気ガスの質量流量を確保することができ、タービン回転の立ち上げをより早期に行うことができる。従って、ターボラグを抑制し加速時間の短縮を図ることができる。
【００８８】
また、ステップＳ１１７では、ターボラグを抑制するための制御を行う必要がないとして、現在のエンジン運転領域に応じた燃焼形態によってエンジン運転を行うための通常噴射制御が行われる。現在のエンジン運転領域は、図９の運転領域マップを参照することによって判断され、例えば、成層燃焼運転領域Ａであるときは、成層燃焼通常噴射制御が行われ、均一燃焼運転領域Ｂであるときは、均一燃焼通常噴射制御が行われる。
【００８９】
図７は、均一燃焼形態によるエンジン運転時にターボラグを抑制するための制御が行われた場合のエンジン運転状態を説明するタイムチャートである。均一燃焼形態によるエンジン運転時に、運転者からの加速要求を受けると、まず最初に、均一燃焼分割噴射制御が開始される（ステップＳ１１４）。そして、スロットルバルブ１６ａのスロットル開度を全開状態にする制御が開始される（ステップＳ１１５）。
【００９０】
スロットルバルブ１６ａは、アクチュエータ１６ｂによって駆動されているので、実際に指示されたスロットル開度Thに対してある程度の遅れ時間を有して配置される。従って、運転者からの加速要求があった時点で、スロットルバルブ１６ａのスロットル制御に先駆けて分割噴射を開始することによって、排気ガスの昇温をより早期に開始することができる。従って、図中に破線で示される従来の場合よりも、ターボ過給機１４のタービン回転の立ち上がりが早められており、ターボラグが大幅に改善され、加速時間が短縮されている。
【００９１】
また、図７に示される例の場合、スロットルバルブ１６ａの実際のスロットル開度が全開状態にされた場合に、タービン１４ｂを駆動するのに十分な排気ガスの質量流量が得られており、これ以上続けてターボラグを抑制するための制御を行う必要がないとして、分割噴射制御が通常噴射制御に戻されている。
【００９２】
図８は、成層燃焼形態によるエンジン運転時にターボラグを抑制するための制御が行われた場合のエンジン運転状態を説明するタイムチャートである。
【００９３】
従来は、図中に破線で示すように、成層燃焼形態によるエンジン運転時に、運転者からの加速要求を受けると、燃焼形態を成層燃焼形態から均一燃焼形態に移行する制御がすぐに開始され、燃焼形態移行時における吸入空気量の増大に起因したトルクショックを防止するために、スロットルバルブを閉じる方向に制御するスロットルバルブ制御指示値が出力される。従って、スロットルバルブ１６ａもそれに追従するように閉じる方向に移動し、吸気管内圧力も一時的に落ち込んでいる。このため、タービン回転の立ち上がりが遅れて、ターボラグが生じている。
【００９４】
しかし、本発明の場合、成層燃焼形態によるエンジン運転時に、運転者からの加速要求を受けると、燃焼形態は成層燃焼形態のままで、分割噴射制御が行われ（ステップＳ１１１）、エンジンの発生トルクが成層燃焼上限トルクT_strに到達するまで、成層燃焼分割噴射制御が継続される。
【００９５】
そして、発生トルクが成層燃焼上限トルクT_strを越えると（ステップＳ１１０）、燃焼形態が成層燃焼形態から均一燃焼形態に変更され、均一燃焼分割噴射制御が行われる（ステップＳ１１４）。それから、燃焼形態の変更に伴ってスロットルバルブ１６ａを全開状態に制御するスロットル制御が開始され（ステップＳ１１５）、同時に点火時期のリタード制御が行われる（ステップＳ１１６）。そして、スロットルバルブ１６ａが実際に全開状態にされた時点で、均一燃焼通常噴射制御が行われる（ステップＳ１１７）。
【００９６】
このように加速要求を受けた場合に、燃焼形態をすぐに成層燃焼形態から均一燃焼形態に移行させるのではなく、成層燃焼形態によって出力可能な成層燃焼上限トルクT_strまでトルクを上昇させてから均一燃焼形態に移行させることによって、加速初期にスロットルバルブ１６ａをほぼ全開状態に近いスロットル開度に保持し、大量の吸入空気をエンジンに導入し、排気ガスの質量流量が低下するのを防止している。また、均一燃焼形態に移行した後も分割噴射制御を引き続き行うことにより、膨張行程中に噴射した燃料の燃焼による排気ガスの昇温効果が得られる。従って、ターボ過給機のタービン回転の立ち上げをより早めることができ、膨張行程中の燃料噴射による排気ガスの昇温効果と相俟って、ターボラグを大幅に改善し、加速時間を短縮することができる。
【００９７】
それから、図７の場合と同様に、スロットルバルブ１６ａの実際のスロットル開度が全開状態にされた場合に、タービンを駆動するのに十分な排気ガスの質量流量が得られており、これ以上続けてターボラグを抑制するための制御を行う必要がないとして、分割噴射制御を通常噴射制御に戻している。
【００９８】
また、分割噴射制御を終了するタイミングとして、スロットルバルブ１６ａの実際のスロットル開度が全開状態にされたときではなく、吸気管内圧Pbが所定正圧値となったときとしても良い。一般に、ターボラグはタービン回転速度が極めて低い吸気管内圧Pbが負圧の状態から、過給を要する運転領域への過渡運転時において生じやすいので、加速後半のタービン回転速度がある程度上昇して、吸気管内圧Pbが正圧となる運転状態においては、排気ガスの質量流量も十分に得られる状態にあるといえる。従って、吸気管内圧Pbが所定正圧値となった時点で分割噴射制御を通常噴射制御に戻すことによって、より効果的に排気ガスの昇温を図ることができ、ターボラグを改善することができる。
【００９９】
そして、分割噴射制御を終了するタイミングを、スロットルバルブ１６ａが実際に全開状態にされるまでではなく、図１１のタイムチャートに示すように、加速終了と判定されるまでとし、更に膨張行程中に噴射する燃料の燃料噴射量を加速開始から加速完了するまでの間、発生トルクの上昇に応じて漸次減少させてもよい。一般に、発生トルクの増大によって燃料の燃焼期間は増長する特性にあり、そのため、燃焼終了時期は膨張行程後期側に遅れる傾向がある。従って、膨張行程中に噴射する燃料の燃料噴射量を、加速開始から加速完了までの期間で発生トルクの上昇に応じて漸次減少させることにより、燃料の燃え残りを防止することができ、また、燃料消費を抑えることができる。従って、効果的に排気ガスの昇温を図ることができる。
【０１００】
尚、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更が可能である。例えば、上述の実施の形態では、燃焼形態が、均一燃焼形態の場合、及び成層燃焼形態から均一燃焼形態に燃焼形態を移行する場合について説明したが、成層燃焼形態の場合でも同様である。
【０１０１】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によるターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置によれば、加速時にターボ過給機のタービン回転の立ち上がりを早めてターボラグを抑制するために、吸気行程中または圧縮行程中と膨張行程中とに燃料を分割して噴射する分割噴射制御が行われ、膨張行程中に噴射された燃料の燃焼により燃焼室内の燃焼期間を膨張行程期間の終期まで延長して燃焼室から排出される排気ガスの昇温が図られる。
【０１０２】
そして、その分割噴射制御では、加速初期のエンジン運転状態が未だ成層燃焼領域にある間は、成層燃焼分割噴射制御が行われ、エンジン出力の上昇に伴ってエンジン運転領域が成層燃焼領域から均一燃焼領域に移行してから、均一燃焼分割噴射制御が行われる。
【０１０３】
成層燃焼形態によるエンジン運転では、スロットルバルブはほぼ全開に近い位置に保持され、均一燃焼形態によるエンジン運転の場合よりもより多くの排気ガスの排出量を排出していることから、加速開始の判定後も、エンジン運転領域が成層燃焼領域にある間は、成層燃焼形態によるエンジン運転を続行することにより、加速開始時における排気ガスの排出量の低下を防ぎ、大量の排気ガスの質量流量を継続して確保することができる。
【０１０４】
また、均一燃焼形態に移行した後は、膨張行程中に燃料噴射を行う分割噴射制御を行うことにより、膨張行程中に噴射した燃料の燃焼による排気ガスの昇温効果を得ることができる。従って、ターボ過給機のタービン回転の立ち上げをより早めることができ、膨張行程中の燃料噴射による排気ガスの昇温効果と相俟って、ターボラグを改善することができる。
【０１０５】
請求項２の発明によれば、エンジン運転領域が成層燃焼領域から均一燃焼領域に移行する際、スロットルバルブの閉弁側への動作が禁止されるので、スロットルバルブのスロットル開度が、成層燃焼分割噴射制御時におけるスロットル開度以上に維持された状態で燃焼形態が成層燃焼形態から均一燃焼形態に移行される。従って、吸入空気量が多い状態で燃焼形態の移行が行われ、排気ガスの排出量の低下を防ぎ、大量の排気ガスの質量流量を継続して確保することができる。また、均一燃焼形態に移行した後は、膨張行程中に燃料噴射を行う分割噴射制御を行うことにより、膨張行程中に噴射した燃料の燃焼による排気ガスの昇温効果を得ることができる。従って、ターボ過給機のタービン回転の立ち上げをより早めることができ、膨張行程中の燃料噴射による排気ガスの昇温効果と相俟って、ターボラグを抑制し加速時間の短縮を図ることができる。
【０１０６】
請求項３の発明によれば、均一燃焼分割噴射制御が開始されると、スロットルバルブが全開状態に制御されて、エンジンに供給される吸入空気量が更に増大される。従って、ターボラグを抑制し、加速時間の短縮を図ることができる。
【０１０７】
請求項４の発明によれば、加速開始の判定がされると、スロットルバルブのスロットル制御に先駆けて、分割噴射制御が行われるので、実際のスロットル開度が目標スロットル開度に到達するよりも前に分割噴射制御を開始し、膨張行程中に燃料を噴射することによって、排気ガスの昇温をより早期に開始し、タービン回転の上昇を促して、タービン回転の立ち上がりを早めることができる。従って、ターボラグを抑制し、加速時間を短縮することができる。
【０１０８】
請求項５の発明によれば、スロットルバルブの実際のスロットル開度が全開状態に調整されることによって分割噴射制御から通常噴射制御に戻される。分割噴射制御は、膨張行程中の燃料噴射により排気ガスの昇温を図り、タービン回転の上昇を促してターボラグの発生を抑制することを目的として行われるが、スロットルバルブのスロットル開度が全開状態に調整されると、タービンを駆動するのに十分な排気ガスの質量流量が得られるので、分割噴射制御を通常噴射制御に戻すことができる。
【０１０９】
請求項６の発明によれば、加速開始の判定により分割噴射制御が開始され、吸気管内圧が所定正圧値まで上昇した時点で通常噴射制御に戻される。ターボラグは、タービン回転速度が極めて低い、吸入管内圧が負圧の状態から、過給を要する運転領域への過渡期に生じやすい。従って、加速後半のタービン回転速度がある程度上昇して、吸気管内圧が正圧となるエンジン運転状態においては、排気ガスの質量流量も十分に得られる状態にあるといえる。従って、分割噴射制御を通常噴射制御に戻すことができる。
【０１１０】
請求項７の発明によれば、分割噴射制御の膨張行程中に行われる燃料噴射の燃料噴射量は、エンジン出力の上昇に応じて減少される。エンジン出力が上昇すると、燃焼室内における燃料の燃焼期間は増長する特性を有し、燃料の燃焼終了時期は、膨張行程後期側に遅れる傾向があるので、加速によるエンジン出力の上昇に伴い、吸気行程中または圧縮行程中に噴射された燃料の燃焼終了から膨張行程終了までの期間は短縮される。従って、膨張行程中に噴射する燃料の燃料噴射量をエンジン出力の上昇に応じて減少させることによって、燃料の燃え残りを抑制し、燃料消費量を抑えることができる。従って、効率的に排気ガスの昇温を行うことができる。
【０１１１】
請求項８の発明によれば、分割噴射の膨張行程中に行われる燃料噴射の燃料噴射量は、吸気管内圧検出センサにより検出した吸気管内圧と加速要求に基づいて設定された目標過給圧との偏差に応じて決定される。目標過給圧と吸入管内圧との偏差が大きい状態ほど、吸入管内圧が目標過給圧に上昇するまでの時間が長く、加速応答遅れが大きい。従って、目標過給圧と現在の吸入管内圧との偏差に応じて膨張行程中の燃料噴射量を設定することによって、より効果的に排気ガスを昇温させ、ターボラグを抑制することができる。
【０１１２】
請求項９の発明によれば、分割噴射制御により膨張行程中に噴射される燃料の噴射時期が点火タイミングに応じて変更される。エンジンのノッキング状態に応じて点火タイミングが進角又は遅角方向に変更されると、燃料の燃焼期間は一定のままで点火タイミングに応じて前後方向に位相ズレを生ずるので、膨張行程中の燃料の燃料噴射時期を、常に点火タイミングに対して同位相を保つように制御することによって、分割噴射によるエンジン運転を安定して行わせることができ、また、より効果的に排気ガスの昇温を行うことができる。
【０１１３】
請求項１０の発明によれば、分割噴射制御により膨張行程中に噴射される燃料の燃料噴射時期及び燃料噴射量は、燃焼室の排気弁が開き始めるまでに燃焼を終了する燃料噴射時期及び燃料噴射量に設定されるので、燃料が未燃状態で排気管側に排出されて燃料が無駄になることや排気ガスの悪化を防止して、より効果的に排気ガスの昇温を行うことができる。
【０１１４】
請求項１１の発明によれば、分割噴射制御により吸気行程から膨張行程までの間に噴射される燃料噴射量の総量は、有効なエンジン出力の発生に必要な基本燃料噴射量に、排気温度の上昇に必要な燃料噴射量分を加算した量とされる。排気温度の上昇には、温度を上昇させる分だけの熱量が必要とされるが、この熱量は、排気ガスに残存する熱量であり、エンジン出力に換算される熱発生量には計上されないため、同一の総燃料噴射量の場合においては、排気温度が高い状態ほど機関出力は低下する傾向にある。従って、膨張行程中の燃料噴射によって排気温度の上昇を図る場合、排気温度を上昇させるのに必要な分の燃料を増量させることによって、エンジン出力の低下を防止でき、走行フィーリングの悪化を招くことなく、ターボラグを抑制することができる。
【０１１５】
請求項１２の発明によれば、分割噴射制御により膨張行程中に噴射する燃料の噴射回数をエンジン回転数が低いほど、増加させる設定としている。燃焼終了のタイミングはエンジン回転数が高くなるほど膨張行程終了側に遅れる傾向にあるので、エンジン回転数が低いほど、膨張行程中での燃焼余裕期間が長い。従って、エンジン回転数が低いほど噴射回数を増やすことで、燃焼期間を膨張行程の終期まで延長させることができ、より効果的に排気ガスの昇温を図ることができる。
【０１１６】
請求項１３の発明によれば、分割噴射制御により膨張行程中に噴射される燃料の噴射回数をエンジンの発生トルクが低くなるに応じて増加させる設定としている。エンジン回転数が同一の場合でも発生トルクが高くなるほど、すなわち燃料供給量が増大するほど、熱発生量が増大し、合わせて燃焼期間が増長するので、燃焼終了のタイミングは膨張行程終了側に遅れる傾向にあり、発生トルクが低いほど、燃焼余裕期間が長い。従って、発生トルクが低いほど、噴射回数を増やす設定とすることで、燃焼期間を膨張行程の終期まで延長させることができ、より効果的に排気ガスの昇温を図ることができる。
【０１１７】
請求項１４の発明によれば、膨張行程中に噴射された燃料は、燃焼室内で生じている燃焼の火炎伝播を着火源とするので、その燃焼が終了するまでに噴射を開始することによって、確実に着火され、未燃状態で排気管側に排出されるのを防止することができる。従って、燃料の無駄や排気ガスの悪化を防ぎ、より効果的に排気ガスの昇温を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態にかかるターボ過給機付筒内噴射エンジンシステムを概略的に示す説明図である。
【図２】圧縮行程中に燃料を一括して噴射する成層燃焼通常噴射制御時における熱発生の形態を示したものである。
【図３】図２の場合と同一の総燃料噴射量を圧縮行程中と膨張行程中に分割して噴射する成層燃焼分割噴射制御時における熱発生の形態を示したものである。
【図４】図２及び図３の場合と同一の総燃料噴射量を、圧縮行程中に１回と、膨張行程中に２回の合計３回に分割して噴射する成層燃焼分割噴射制御時における熱発生の形態を示したものである。
【図５】吸気行程中と膨張行程中とに燃料を分割して噴射する均一燃焼分割噴射制御時における熱発生の形態を示したものである。
【図６】熱発生の総量をほぼ同一とした場合の燃焼終了時期と排気温度との関係を示したものである。
【図７】ターボラグを抑制するための制御が行われた場合のエンジン運転状態を説明するタイムチャートである。
【図８】ターボラグを抑制するための制御が行われた場合のエンジン運転状態を説明するタイムチャートである。
【図９】本実施の形態における運転領域マップを説明する図である。
【図１０】ターボラグを抑制するための制御を説明するためのフローチャートである。
【図１１】ターボラグを抑制するための制御が行われた場合のエンジン運転状態を説明するタイムチャートである。
【図１２】点火タイミングと２回目噴射の噴射時期との関係を説明するタイムチャートである。
【図１３】エンジン回転数と燃焼期間の関係を説明する図である。
【図１４】エンジンの発生トルクと燃焼期間の関係を説明する図である。
【符号の説明】
１  エンジンシステム
２  エンジン本体
１１  筒内噴射弁
１３  エアフローメータ
１４  ターボ過給機
１４ａ  コンプレッサ
１４ｂ  タービン
１６  電子制御スロットル
１６ａ  スロットルバルブ
１６ｂ  アクチュエータ
１８  吸気管内圧検出センサ
１９  スロットル開度センサ
３１  クランク角センサ
３２  カム角センサ
３４  水温センサ
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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