(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、シリンダ内の混合気に火花点火する点火プラグとを備える直噴火花点火式内燃機関において、
前記燃料噴射弁を、その燃料噴霧のシリンダ内を横断する方向の流速がピストン側へ向かう流速より大きくなるように構成する一方、
機関の冷機時に、圧縮行程にて全燃料噴射量の燃料噴射を行わせると共に、シリンダ内の空燃比がストイキないし若干リーンとなるように燃料噴射量を制御して、成層燃焼を行わせる制御手段を設けたことを特徴とする直噴火花点火式内燃機関。
【請求項２】
排気通路に排気浄化触媒を備え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。
【請求項３】
前記燃料噴射弁は、シリンダヘッドの吸気側から排気側を指向し且つ下方に傾斜して設けられ、その噴口が噴射弁軸線に対してシリンダヘッド側に偏向してい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。
【請求項４】
前記制御手段は、機関始動直後は吸気行程噴射による均質燃焼を行わせ、その後、直接、圧縮行程噴射による成層燃焼に移行させることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関。
【請求項５】
前記制御手段は、機関始動直後の吸気行程噴射時の空燃比はストイキよりリッチとし、これに続く圧縮行程噴射時の空燃比はストイキより若干リーンとすることを特徴とする請求項４記載の直噴火花点火式内燃機関。
【請求項６】
前記圧縮行程噴射による成層燃焼への移行条件は、ピストン冠面温度が高温状態を示す所定温度以上であると判定されたときに成立することを特徴とする請求項４又は請求項５記載の直噴火花点火式内燃機関。
【請求項７】
前記ピストン冠面温度に相関するパラメータとしての疑似水温が所定温度以上であることをもってピストン冠面温度が前記所定温度以上であると判定され、該疑似水温は、始動時冷却水温度に応じた初期値と、所定周期毎の吸入空気量に応じた遅れ補正係数とに基づいて、冷却水温度の変化に対して遅れを持たせて算出されることを特徴とする請求項６記載の直噴火花点火式内燃機関。
【請求項８】
燃料性状を推定する燃料性状推定手段を備え、
前記制御手段は、シリンダ内の空燃比をストイキないし若干リーンとするための要求燃料量を、燃料性状に応じて補正して算出することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関。
【請求項９】
前記制御手段は、燃料性状に応じて燃料が軽質であるほど要求燃料量を大きく減量補正することを特徴とする請求項８記載の直噴火花点火式内燃機関。
【請求項１０】
燃料性状に応じた補正量が、機関回転数に基づいて決定されることを特徴とする請求項８又は請求項９記載の直噴火花点火式内燃機関。
【請求項１１】
前記補正量に応じて機関回転数が低いときほど燃料噴射量が増量されることを特徴とする請求項１０記載の直噴火花点火式内燃機関。
【請求項１２】
燃料性状に応じた補正量が、機関温度に基づいて決定されることを特徴とする請求項８又は請求項９記載の直噴火花点火式内燃機関。
【請求項１３】
前記補正量に応じて機関温度が低いときほど燃料噴射量が増量されることを特徴とする請求項１２記載の直噴火花点火式内燃機関。
【請求項１４】
前記制御手段は、燃料性状に応じた補正を要求燃料量のオープン制御中に行うことを特徴とする請求項８〜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。
【請求項１５】
前記制御手段は、燃料性状に応じた補正を要求燃料量のフィードバック制御中に行うことを特徴とする請求項８〜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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直噴火花点火式内燃機関に関し、特に冷機時の燃焼改善技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、機関の燃焼室内に直接燃料を噴射供給する構成とした直噴火花点火式内燃機関が注目されており、このものでは、機関運転条件に応じて、燃焼方式を切換制御、即ち、吸気行程にて燃料を噴射することにより、燃焼室内に燃料を拡散させ均質の混合気を形成して行う均質燃焼と、圧縮行程にて燃料を噴射することにより、点火プラグ周りに局所的に層状の混合気を形成して行う成層燃焼とに切換制御するのが一般的である。
【０００３】
ところで、機関の冷機時において、筒内に噴射された燃料は、燃焼室壁面の温度が低いために、通常完暖状態に対して、同一燃焼状態を行わせるにあたり燃料の気化が悪いために、余剰な燃料を噴射させて点火プラグ近傍の混合比濃度を略一定としている。
従来では、機関の冷機始動から完暖過程において、これらの燃料増量での未燃ＨＣ、有害排気成分の排出低減のために、排気通路に設けられる排気浄化触媒の早期活性化を促進すべく、下記の排気昇温装置が提案されている。
【０００４】
特開平１０−１６９４８８号公報では、排気昇温が要求される時に、圧縮行程噴射を行い、点火プラグ周りの局所的な空燃比をリッチとし、また、その噴射時期を大きくリタードすることで、点火プラグ周りにオーバーリッチの不完全燃焼を生起している。従って、未燃成分がその後の筒内流動に伴い筒内の余剰酸素と反応することで排気温度が上昇する。
【０００５】
また、特開２０００−２４０４８５号公報では、前記と同様に触媒昇温が要求される時に、機関の空燃比がストイキ（理論空燃比）近傍となるように圧縮行程噴射を行うことが提案され、特に、冷間始動の場合、始動後、先ず所定回転数に達するまでの間は、吸気行程噴射を行い、次いで、吸気行程噴射（又は圧縮行程噴射）と膨張行程噴射との２段噴射を行い、この２段噴射を介して、ストイキ近傍での圧縮行程噴射に移行している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術においては、次のような問題点があった。
即ち、始動後の冷機状態のときに圧縮行程噴射を行うことで、成層燃焼を実施し、この際に、点火プラグ周りをオーバーリッチ状態にしているため、不完全燃焼が起こり、燃え残りの未燃ＨＣや有害排気成分が排出される恐れがあるという問題点があった。
【０００７】
また、始動後、触媒の昇温が要求された時に、ストイキ近傍での圧縮行程噴射を実施するという構成になっていたため、始動から昇温要求の間の、吸気行程噴射による燃料増量域で、未燃ＨＣが多く排出されるという問題点があった。
また、始動後、ストイキ近傍での圧縮行程噴射を実施するにあたり、筒内温度状態による筒内に噴射された燃料の気化及び混合気形成により、燃焼の安定性を確保しつつ最小限の燃費悪化で触媒昇温をさせるために、その圧縮行程噴射前に膨張行程噴射（追加燃料）による昇温制御を実施するという構成になっていたため、圧縮行程噴射による未燃ＨＣの低減の前に、膨張行程噴射により、著しく燃費悪化を招くという問題点があった。
【０００８】
本発明は、このような実状に鑑み、機関冷機時における圧縮行程噴射による成層燃焼の安定性を向上させ、またＨＣ排出量を低減し、このように燃焼安定性を向上できる分、早期に圧縮行程噴射による成層燃焼に移行可能として、燃費の向上を図ることができる直噴火花点火式内燃機関を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１の発明では、シリンダ内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、シリンダ内の混合気に火花点火する点火プラグとを備える直噴火花点火式内燃機関において、前記燃料噴射弁を、その燃料噴霧のシリンダ内を横断する方向の流速がピストン側へ向かう流速より大きくなるように構成する一方、機関の冷機時に、圧縮行程にて全燃料噴射量の燃料噴射を行わせると共に、シリンダ内の空燃比がストイキないし若干リーンとなるように燃料噴射量を制御して、成層燃焼を行わせる制御手段を設けたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２の発明では、請求項１の発明において、排気通路に排気浄化触媒を備えることを特徴とする。
請求項３の発明では、請求項１又は２の発明において、前記燃料噴射弁は、シリンダヘッドの吸気側から排気側を指向し且つ下方に傾斜して設けられ、その噴口が噴射弁軸線に対してシリンダヘッド側に偏向していることを特徴とする。
【００１１】
請求項４の発明では、請求項１〜３の発明において、前記制御手段は、機関始動直後は吸気行程噴射による均質燃焼を行わせ、その後、直接、圧縮行程噴射による成層燃焼に移行させることを特徴とする。
請求項５の発明では、請求項４の発明において、前記制御手段は、機関始動直後の吸気行程噴射時の空燃比はストイキよりリッチとし、これに続く圧縮行程噴射時の空燃比はストイキより若干リーンとすることを特徴とする。
【００１２】
請求項６の発明では、請求項４又は５の発明において、前記圧縮行程噴射による成層燃焼への移行条件は、ピストン冠面温度が高温状態を示す所定温度以上であると判定されたときに成立することを特徴とする。
請求項７の発明では、請求項６の発明において、前記ピストン冠面温度に相関するパラメータとしての疑似水温が所定温度以上であることをもってピストン冠面温度が前記所定温度以上であると判定され、該疑似水温は、始動時冷却水温度に応じた初期値と、所定周期毎の吸入空気量に応じた遅れ補正係数とに基づいて、冷却水温度の変化に対して遅れを持たせて算出されることを特徴とする。
【００１３】
請求項８の発明では、請求項１〜７の発明において、燃料性状を推定する燃料性状推定手段を備え、前記制御手段は、シリンダ内の空燃比をストイキないし若干リーンとするための要求燃料量を、燃料性状に応じて補正して算出することを特徴とする。
請求項９の発明では、請求項８の発明において、前記制御手段は、燃料性状に応じて燃料が軽質であるほど要求燃料量を大きく減量補正することを特徴とする。
【００１４】
請求項１０の発明では、請求項８又は９の発明において、燃料性状に応じた補正量が、機関回転数に基づいて決定されることを特徴とする。更に、請求項１１の発明では、前記補正量に応じて機関回転数が低いときほど燃料噴射量が増量されることを特徴とする。
請求項１２の発明では、請求項８又は９の発明において、燃料性状に応じた補正量が、機関温度に基づいて決定されることを特徴とする。更に、請求項１３の発明では、前記補正量に応じて機関温度が低いときほど燃料噴射量が増量されることを特徴とする。
【００１５】
請求項１４の発明では、請求項８〜１３の発明において、前記制御手段は、燃料性状に応じた補正を要求燃料量のオープン制御中に行うことを特徴とする。
請求項１５の発明では、請求項８〜１３の発明において、前記制御手段は、燃料性状に応じた補正を要求燃料量のフィードバック制御中に行うことを特徴とする。
【００１６】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、次のような効果が得られる。始動直後の冷機状態では、燃料の気化が良くないので、安定に燃焼させるために、不要な燃料増量をしていたが、燃料噴霧のシリンダ内を横断する方向の流速がピストン側へ向かう流速より大きくなるようにして、圧縮行程噴射を行い、かつシリンダ内の全体の空燃比をストイキないし若干リーンに制御することにより、点火プラグ近傍にストイキよりリッチな混合気が形成され、点火プラグ近傍外（対向シリンダ壁近傍）へもストイキよりリーンな混合気が形成され、シリンダ内の全体に可燃混合気を存在させることになり、従来の冷機時の均質燃焼と同等の安定性を確保しつつ、燃焼効率を向上させて未燃ＨＣの排出低減が可能となる。
【００１７】
特に、ピストン冠面へ向かい、はねかえって点火プラグに至る燃料噴霧を少なくできるので、点火プラグのリッチ失火を防止でき、燃焼安定性を向上させることができる。
また、点火プラグ周りのリッチ混合気とシリンダ壁近傍のリーン混合気とを燃焼させることで、酸化反応の効率化により燃焼温度を上昇させることができ、未燃ＨＣの減少と機関の暖機時間の短縮とが可能となる。
【００１８】
更に、成層燃焼での燃焼安定性を向上できる分、始動後、早期に成層燃焼を開始することができ、その分、燃費が向上する。
請求項２の発明によれば、排気通路に排気浄化触媒を備える内燃機関に適用することで、排気浄化触媒の早期活性化が可能となる。
請求項３の発明によれば、燃料噴射弁の噴口を偏向させることで、所望の噴霧形態を得ることができる。
【００１９】
請求項４の発明によれば、始動直後の吸気行程噴射による均質燃焼から、直接、圧縮行程噴射による成層燃焼に切換えることで、機関（排気浄化触媒を備える場合はその触媒）を低燃費で暖機でき、また、暖機完了までに排出されるＨＣの量をこれまで以上に削減できる。
請求項５の発明によれば、機関始動直後の吸気行程噴射時の空燃比はストイキよりリッチとし、これに続く圧縮行程噴射時の空燃比はストイキより若干リーンとすることで、機関（排気浄化触媒を備える場合はその触媒）を低燃費で暖機でき、また、暖機完了までに排出されるＨＣの量をこれまで以上に削減できる。
【００２０】
請求項６の発明によれば、冠面温度が高温状態となった後に圧縮行程噴射による成層燃焼を行うことにより、ピストン冠面を利用して点火プラグ周りに混合気を良好に形成できる。
請求項７の発明によれば、冠面温度が高温状態となったことを疑似水温により容易かつ比較的正確に判定できる。
【００２１】
請求項８の発明によれば、圧縮行程噴射による成層燃焼を行う際に燃料性状に応じて燃料噴射量を補正することとしたので、点火プラグ周りの混合気を燃料性状の違いによらず常に適正な空燃比に制御でき、このため、点火プラグ周りに発生する不完全燃焼生成物をシリンダ内に残っている酸素と後反応させて、燃焼し切ることが可能である。
【００２２】
請求項９の発明によれば、燃料が軽質であるほど燃料噴射量を大きく減量補正することにより、揮発性の高さに起因して点火プラグ周りの空燃比が適正域から逸脱して低下することによる失火を防止できる。
請求項１０に係る発明によれば、補正量を機関回転数に基づいて決定することにより、ガス流動の速さに対応して燃料噴射量を補正できる。特に請求項１１の発明のように、低回転数であるときほど、即ち、ガス流動が未発達であるときほど燃料噴射量を増量することで、気化しない壁面付着燃料成分を補い、プラグ周り混合気の空燃比を一層正確に制御できる。
【００２３】
請求項１２の発明によれば、補正量を機関温度に基づいて決定することにより、暖機状態に対応して燃料噴射量を補正できる。特に請求項１３の発明のように、機関温度が低いときほど、即ち、暖機が進んでおらず、壁面付着燃料成分が気化し難いときほど、燃料噴射量を増量することにより、プラグ周り混合気の空燃比を一層正確に制御できる。
【００２４】
請求項１４に係る発明によれば、燃料性状に応じた補正を燃料噴射量のオープン制御中に行うことにより、燃料性状の違いによる記憶値に対する空燃比のバラツキを補償できる。
請求項１５に係る発明によれば、燃料性状に応じた補正を燃料噴射量のフィードバック制御中に行うことにより、目標空燃比を正確に達成できるので、排気温度の上昇に必要な量の燃料を正確に供給し、あるいは不完全燃焼生成物の後反応に必要な酸素を正確に確保できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
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のシステム構成を示しており、先ずこれについて説明する。
機関１の吸気通路２には、吸入空気量Ｑａを検出するエアフローメータ３及び吸入空気量Ｑａを制御するスロットル弁４が設けられ、更に各気筒への分岐部より下流側には、スワール制御弁５が設けられている。そして、シリンダヘッド６とピストン７とにより画成される各気筒の燃焼室８に臨ませて、燃料噴射弁９が設けられている。
【００２６】
燃料噴射弁９は後述するコントロールユニット５０において設定される駆動パルス信号によって開弁駆動され、図示しない燃料ポンプから圧送されプレッシャレギュレータ（図示せず）により所定圧力に制御された燃料を燃焼室８内に直接噴射供給することができるようになっている。
また、各気筒の燃焼室８に臨ませて、点火プラグ１０が設けられ、点火プラグ１０はコントロールユニット５０からの点火信号に基づいて混合気に対して火花点火を行う。
【００２７】
一方、排気通路１１には、排気中の特定成分（例えば酸素）濃度を検出することによって排気延いては吸入混合気の空燃比を検出する空燃比センサ１２（リッチ・リーン出力する酸素センサであっても良いし、空燃比をリニアに広域に亘って検出する広域空燃比センサであっても良い）が設けられていて、その下流側には、排気を浄化するための排気浄化触媒１３が介装されている。尚、排気浄化触媒１３としては、ストイキ〔理論空燃比；Ａ／Ｆ（空気重量／燃料重量）＝１４．７〕近傍において排気中のＣＯ、ＨＣの酸化とＮＯｘの還元とを行って排気を浄化することができる三元触媒、或いは排気中のＣＯ、ＨＣの酸化を行う酸化触媒等を用いることができる。
【００２８】
更に、排気浄化触媒１３の下流側には、排気中の特定成分（例えば酸素）濃度を検出し、リッチ・リーン出力する下流側酸素センサ１４が設けられている。
ここでは、下流側酸素センサ１４の検出値により、空燃比センサ１２の検出値に基づく空燃比フィードバック制御を補正することで、空燃比センサ１２の劣化等に伴う制御誤差を抑制する等のために（所謂デュアル空燃比センサシステム採用のために）、下流側酸素センサ１４を設けて構成したが、空燃比センサ１２の検出値に基づく空燃比フィードバック制御を行わせるだけで良い場合には、かかる下流側酸素センサ１４は省略することができるものである。また、空燃比フィードバック制御を行わない場合には、空燃比センサ１２と下流側酸素センサ１４を共に省略することができるものである。
【００２９】
尚、本実施形態においては、クランク角センサ１５が備えられており、コントロールユニット５０では、クランク角センサ１５から機関回転と同期して出力されるクランク単位角信号を一定時間カウントして、又はクランク基準角信号の周期を計測して、機関回転数Ｎｅを検出できるようになっている。また、機関１の冷却ジャケットに臨んで、冷却ジャケット内の冷却水温度（水温）Ｔｗを検出する水温センサ１６が設けられている。更に、スロットル弁４の開度を検出するスロットルセンサ１７（アイドルスイッチとしても機能させることができる）が設けられている。
【００３０】
ところで、本実施形態においては、前記スロットル弁４の開度を、ＤＣモータ等のアクチュエータにより制御することができるスロットル弁制御装置１８が備えられている。
当該スロットル弁制御装置１８は、アクセルペダルセンサ１９により検出される運転者のアクセルペダル操作量等に基づき演算される要求トルクを達成できるように、コントロールユニット５０からの駆動信号に基づき、スロットル弁４の開度を電子制御するものとして構成することができる。
【００３１】
前記各種センサ類からの検出信号は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器及び入出カインタフエース等を含んで構成されるマイクロコンピュータからなるコントロールユニット５０へ入力され、当該コントロールユニット５０は、前記センサ類からの信号に基づいて検出される運転状態に応じて、前記スロットル弁制御装置１８を介してスロットル弁４の開度を制御し、前記燃料噴射弁９を駆動して燃料噴射量（燃料供給量）を制御し、点火時期を設定して該点火時期で前記点火プラグ１０を点火させる制御を行う。
【００３２】
尚、例えば、所定運転状態（低・中負荷領域など）で燃焼室８内に圧縮行程で燃料噴射して、燃焼室８内の点火プラグ１０周辺に可燃混合気を層状に形成して成層燃焼を行うことができる一方、他の運転状態（高負荷領域など）では燃焼室８内に吸気行程で燃料噴射して、燃焼室８全体に略均質な混合比の混合気を形成して均質燃焼を行うことができるように、燃料噴射時期（噴射タイミング）についても、運転状態などに応じて変更可能に構成されている。
【００３３】
ところで、本実施形態に係るコントロールユニット５０では、始動開始から排気浄化触媒１３が活性化するまでの間における大気中へのＨＣの排出を抑制しながら、排気浄化触媒１３の早期活性化を図るようにするために、キースイッチ２０からなど各種センサからの入力信号を受け、例えば、以下のような制御を行うようになっている。
【００３４】
具体的には、例えば、図２に示すようなフローチャートを実行するようになっている。
ステップ１（図にはＳ１と記す。以下同様）では、キースイッチ２０のイグニッション信号がＯＮとなったか（キー位置がイグニッションＯＮ位置とされたか）否かを判断する。ＹＥＳであればステップ２へ進み、ＮＯであれば本フローを終了する。
【００３５】
ステップ２では、キースイッチ２０のスタート信号がＯＮとなったか（キー位置がスタート位置とされたか）否かを判断する。即ち、スタータモータ（図示せず）によるクランキング要求があるか否かを判断する。
ＹＥＳであれば、始動のためのクランキング要求があるとしてステップ３へ進み、ＮＯであれば、未だクランキング要求はないと判断してステップ１ヘリターンする。
【００３６】
ステップ３では、従来同様に、スタータモータの駆動を開始して、機関１をクランキングする。
次のステップ４では、従来同様に、始動のための燃料噴射として、吸気行程噴射を行わせることで、吸気行程噴射による均質燃焼を行わせる。
次のステップ５では、排気浄化触媒１３が活性化していないか否かを判断する。当該判断は、例えば、後述する図３のフローチャートに一例として示したように、排気通路１１に臨んで設けられる下流側酸素センサ１４が活性化していないか否かを判断（ステップ１２で判断）することで代替することができる。即ち、排気浄化触媒１３が活性化しているか否かは、図４に示すような下流側酸素センサ１４の検出信号の変化の様子に基づいて判断することができるものである。
【００３７】
また、機関水温Ｔｗ若しくは油温を検出して排気浄化触媒１３の温度（或いは出口温度）を推定し、その結果に基づいて排気浄化触媒１３の活性化を判断することができ、或いは直接的に排気浄化触媒１３の温度（或いは出口温度）を検出することによっても判断することができる。
触媒が活性化していなければ（ＹＥＳであれば）、ステップ６へ進む。一方、触媒が活性化していれば（ＮＯであれば）、触媒活性化促進のための制御の必要はないとしてステップ１０へ進み、燃費改善等のために、従来同様の通常の燃焼制御により、運転状態に応じた燃焼形態（均質ストイキ燃焼、均質リーン燃焼、成層リーン燃焼）で燃焼を行わせて、本フローを終了する。
【００３８】
ステップ６では、ピストン７の冠面温度、特にピストン冠面に凹設したボウル部７ａの表面温度が、所定温度（圧縮行程噴射への移行許可温度）以上となっているか否かを判断する。かかる判定は、ピストン７（特にその冠面）に埋め込んだサーモカップル等により直接検出することで行うことができ、或いは機関水温Ｔｗ又は油温を検出することでピストン７の冠面温度を推定し、その結果に基づいて行わせることもできる。
【００３９】
尚、具体的には、例えば、後述する図５のフローチャートに一例として示したように、ピストン冠面温度と相関のある疑似水温ＴＷＦに基づいて行わせることができる、即ち、例えば図６に示すように、ピストン冠面温度と相関のある疑似水温ＴＷＦを推定演算し、その結果が所定値ＴＷＦ１（圧縮行程噴射への移行許可温度）に達したか否かで行うことが可能である。
【００４０】
ＹＥＳの場合には、ステップ７へ進む。一方、ＮＯの場合には、後述する触媒活性化促進のための圧縮行程噴射による成層燃焼を行わせると、ピストン冠面温度が所定より低温であるために、当該ピストン冠面を利用した成層混合気の霧化・気化促進などが良好に行われなくなり、以って着火性、燃焼安定性延いては機関安定性（機関運転性）等が低下する恐れがあるとして、圧縮行程噴射による成層燃焼への移行を禁止して、吸気行程噴射による均質燃焼を継続すべく、ステップ４ヘリターンする。
【００４１】
ステップ７では、圧縮行程噴射による成層燃焼を行わせるための条件を満たしているか否かを判断する。当該判断は、例えば、後述する図７のフローチャートに一例として示したように、圧縮行程噴射を実行するにあたり、圧縮行程噴射による成層燃焼を、アイドル中、走行中にかかわらず、機関運転性を損なうことなく、安定的に行うことが可能か否かを判断するものである。
【００４２】
具体的には、ステップ３１では、機関に付随する各種センサ類からの信号（例えばＴｗ、Ｎｅ、Ｑａ等）がコントロールユニット５０へ入力され、読込みが行われる。ステップ３２では、その読込み値に対し、予めコントロールユニット５０に内蔵されているＲＡＭ値と比較して、圧縮行程噴射で燃料噴射させた時に、燃焼安定性が損なわれずに実施できるか否かを判定する。
【００４３】
全ての信号入力値のＡ／Ｄ変換後の値がＲＡＭ値の設定範囲内であれば、ＹＥＳとして、ステップ３３へ進み、圧縮行程噴射許可フラグＦＬＧを１として、本フローを終了する。
一方、信号入力値のＡ／Ｄ変換後の値のいずれかが、ＲＡＭ値の設定範囲外にあれば、圧縮行程噴射への移行不可と判断して、ステップ３４へ進み、圧縮行程噴射許可フラグＦＬＧを０として、本フローを終了する。
【００４４】
従って、ステップ７では、圧縮行程噴射許可フラグＦＬＧが１となった場合のみにステップ８へ進み、圧縮行程噴射許可フラグＦＬＧが０の場合は、圧縮行程噴射不許可として、直ちに、ステップ１０に進み、運転状態に応じた通常の燃焼制御に移行して、本フローを終了する。
ステップ８では、触媒が活性化しておらず触媒活性化促進が必要であると共に、ピストン冠面温度が所定値以上で成層混合気の生成が良好に行える場合であるので、触媒活性化促進のための圧縮行程噴射による成層燃焼への移行を許可して、コールド成層燃焼（ストイキ成層燃焼）を行わせる。
【００４５】
具体的には、例えば、１燃焼サイクル当りの吸入空気量で略完全燃焼させることができるトータル燃料量（略ストイキからややリーンを達成するのに必要な燃料重量）を圧縮行程で燃焼室８内に噴射供給し、点火プラグ１０周りにストイキよりも比較的リッチな（燃料濃度の高い）混合気を略層状に形成して、燃焼させる。
【００４６】
上記のようなコールド成層燃焼によれば、従来の均質燃焼或いは主燃焼以降の膨張行程噴射による燃焼と比較して、燃費性能を極端に悪化させることなく、排気ガス温度を上昇させることができるだけでなく、燃焼室から排気通路に排出される未燃ＨＣを減少させることができる。
即ち、コールド成層燃焼によれば、従来の燃焼形態〔均質燃焼だけ、均質リーン、成層リーンに対し、更に追加燃料を燃焼後期以降（膨張行程以降や排気行程中）に噴射する燃焼〕で暖機を行わせる場合に比べて、始動開始から排気浄化触媒１３が活性化するまでの間に燃料消費量を抑えながら、大気中へのＨＣの排出を抑制しながら、排気浄化触媒１３の早期活性化を促進できることになる。
【００４７】
次にステップ９では、ステップ５と同様の手法（図３のフローチャート）により排気浄化触媒１３が活性化したか（暖機完了か）否かを判断する。ＹＥＳであれば、ステップ１０へ進む。ＮＯであれば、ステップ８ヘリターンして、排気浄化触媒１３が活性化するまで、コールド成層燃焼を継続する。
ステップ１０では、運転状態に応じ、所望の排気性能、或いは燃費性能、或いは運転性能（出力性能、安定性など）等を達成し得る燃焼形態（均質ストイキ燃焼、均質リーン燃焼、或いは成層リーン燃焼など）へ移行させた後、本フローを終了する。
【００４８】
尚、本実施形態では、圧縮行程噴射の燃焼性に悪影響を与える恐れのある運転状態において（例えば、ピストン冠面温度が所定温度より低温のときは）、該コールド成層燃焼への移行を禁止するように構成したが、排気浄化触媒１３の早期活性化を最優先したい場合等には、このような構成を採用しなくても良いものである（即ち、図２のフローチャートにおけるステップ６は省略することも可能である）。
【００４９】
ここで、排気浄化触媒の活性判断について、図３のフローチャートにより、図４のタイムチャートを参照しつつ、説明する。
ステップ１１では、下流側酸素センサ１４にヒーターによる加熱を行っていないか否を判断する。ＮＯであれば（行っていれば）、ヒーターによる加熱の影響が大きく、下流側酸素センサ１４延いては排気浄化触媒１３の活性化判断には誤差が生じるとして、本フローを終了する。一方、ＹＥＳであれば（行っていなければ）、下流側酸素センサ１４延いては排気浄化触媒１３の活性化判定を精度良く行うことができるとして、ステップ１２へ進む。
【００５０】
ステップ１２では、下流側酸素センサ１４が活性化しているか否かを判断する。例えば図４に示すように、下流側酸素センサ１４の出力電圧が、初期電圧Ｖ０に維持された状態から、所定レベル（Ｖ０＋ｄＶＲ）となったか否か等に基づいて判断することができる。尚、逆に、初期電圧Ｖ０に維持された状態から、所定レベル（Ｖ０＋ｄＶＬ）となったか否か等に基づいて判断することもできる。また、下流側酸素センサ１４の出力が所定回数リッチ・リーン反転したこと等に基づいて、下流側酸素センサ１４が活性化したか否かを判断するように構成することもできる。ＮＯであれば、活性化判断されるまで、ステップ１２を繰り返し、ＹＥＳであれば、ステップ１３へ進む。
【００５１】
ステップ１３では、排気浄化触媒１３が活性化したと判断する。即ち、排気浄化触媒１３の下流側に設けられる下流側酸素センサ１４が活性化したのは、排気浄化触媒１３の出口側排気温度の上昇（酸化反応）によるものであるとして、上流側の排気浄化触媒１３が活性化したと判断（推定）するものである。
ステップ１４では、下流側酸素センサ１４のヒーターに対する通電制御（下流側酸素センサ１４の温度を所定温度に維持するための制御など）を開始し、その後本フローを終了する。
【００５２】
次に、ピストン冠面温度判断について、図５のフローチャートにより、図６のタイムチャートを参照しつつ、説明する。
ステップ２１では、図６に示すような方法により、ピストン冠面温度と相関のある疑似水温ＴＷＦ[t] （ｔはイグニッション信号ＯＮ後の経過時間）を推定演算し、該推定演算された疑似水温ＴＷＦ[t] が、所定温度ＴＷＦ１以上であるか否かを判断する。
【００５３】
尚、疑似水温ＴＷＦは、始動時水温ＴＷｅ０に応じて、疑似水温初期値ＴＷＦ０から始まり、単位時間毎に吸入空気量Ｑａによって決まる遅れ補正係数Ｋｔｗｆずつ一次遅れで機関水温Ｔｗｅに向かって収束する。
ＴＷＦ[t] ＝ＴＷｅ[t] −（ＴＷｅ[t] −ＴＷＦ[t-1] ）×（１−Ｋｔｗｆ）
ここで、、ＴＷＦ[0] ＝ＴＷｅ[0] 、ｔはＩＧＮ／ＳＷ−ＯＮ後の経過時間である。尚、疑似水温初期値ＴＷＦ０は、始動時水温ＴＷｅ０に基づき図６に示すテーブル等を参照することで求めることができ、遅れ補正係数Ｋｔｗｆは吸入空気量Ｑａに基づき図６に示すテーブル等を参照して求めることができるものである。
【００５４】
ステップ２１での判断で、ＹＥＳ（ＴＷＦ[t] ≧ＴＷＦ１）であれば、ステップ２２へ進み、ＮＯであれば、ステップ２１ヘリターンする。ステップ２２では、ピストン冠面温度が所定値以上と判断して、本フローを終了する。
次に、前記コールド成層燃焼について、更に詳しく説明する。
従来の圧縮行程噴射では、機関冷機状態においては、ピストン冠面やシリンダ壁等の温度が低く、筒内に直接噴射された燃料の気化が悪く、点火プラグ周りに良好な可燃混合気を形成することが難しかった。
【００５５】
特開平１０−１６９４８８号公報には、完暖過程での圧縮行程噴射において燃料制御と共に燃料の噴射時期を遅角させて、点火プラグ周りの混合気をオーバーリッチにさせる一方、点火プラグ周り近傍以外の所には、残留酸素が存在する領域があり、主燃焼の後半に筒内酸化反応を行う制御手段が提示されている。
また、特開２０００−２４０４８５号公報には、冷機始動直後の機関状態では、圧縮行程噴射による昇温手段では排気浄化触媒でのＣＯやＨＣの酸化反応が鈍く昇温性が促進しないという観点から、前記圧縮行程噴射制御の前に、圧縮行程噴射＋膨張行程噴射などの２段噴射を行っている事例がある。
【００５６】
以上のことから、機関冷機状態の圧縮行程噴射による燃焼安定性向上及び残酸素による筒内酸化反応の促進による排気浄化触媒の昇温には、必ずしも良好な燃焼、燃費を極力悪化させない手法については確立していないと考えられる。
本発明は、このような背景から、完暖時に実現されている、成層燃焼、所謂層状燃焼による混合気形成について着目し、機関冷機状態においても、筒内に噴射された燃料の気化が十分になされない場合でも、燃焼安定性を実現できる、噴射弁特性と燃焼制御について提案するものである。また、従来の冷機始動直後の吸気行程噴射に対して、圧縮行程噴射に移行しても、同等以上の燃焼安定性を確保しつつ、かつ機関の空燃比をストイキないし若干リーン側に設定することで排気昇温性も向上させた。
【００５７】
本発明で用いる燃料噴射弁９について、図８（又は図９）及び図１０により、燃焼室構造と共に説明する。
ピストン７の冠面にその中心から吸気弁側にオフセットされた位置に中心を有するボウル部（凹部、キャビティ）７ａを形成し、ボウル部７ａのピストン中心側の周縁部の上方に位置させて、シリンダヘッド６の略中央部に点火プラグ１０を配置してある。
【００５８】
一方、燃料噴射弁９は、シリンダヘッド６の吸気弁側に、吸気弁側から排気弁側へ斜め下向きの取付角で配置する一方、燃料噴射弁９の噴口（オリフィス）９ａ（その噴射中心線ＯＣ）を噴射弁軸線ＢＣに対して偏向するように加工することで（偏向角β）、噴口９ａからの噴霧（噴射中心線ＯＣ）が噴射弁軸線ＢＣに対してシリンダヘッド６側に偏向して、偏向した方向の噴霧流速（Ｌ１）が反偏向側の噴霧流速（Ｌ２）より大きくなるように構成してある。
【００５９】
ここで、燃料噴射弁９の噴霧特性は、噴射弁先端部のオリフィス偏向角βが最も影響しており、オリフィス偏向角βによって、燃料の接触長さを変更できる。このことによって、燃料噴射時に、オリフィス内部の接触部の長い所を通った燃料噴霧の速度は減衰し、接触部の短い所を通った燃料噴霧は減衰が抑えられ、噴霧の到達距離、貫徹力が強くなるのと同時に噴射量も増加することになる。
【００６０】
尚、最終的に、燃焼室内に形成される混合気分布は、機関本体温度、全燃料噴射量、運転状態による吸入空気量との組み合わせ、及び噴射、点火時期制御により異なるが、噴霧特性は、ほぼ噴射弁の構造に一任されるものである。
次に、本発明での機関冷機状態での混合気形成を説明する前に、先ず、完暖時の圧縮行程噴射による混合気形成について、図８を用いて説明する。
【００６１】
図８は機関完暖時の所謂成層燃焼時の燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧と気化した混合気の様子を示す。燃料の噴射時期は、圧縮過程において、点火プラグ１０周りに可燃混合気が形成できる時期（圧縮時の筒内ガス温度で噴射された燃料が充分に気化できる時間）、ガス流動（スワール流）に乗ってピストン７の冠面のボウル部７ａ内にこぼれなく収められる時期等によって決められる。実際には、機関の運転状態、運転者の要求トルクによって異なるため、点火時期と合わせて、予め決められた定数をコントロールユニット５０に内蔵された記憶装置から参照されて設定されるものである。
【００６２】
図８は次の状態を示している。
（１）噴霧の先端部は成層燃焼要件により吸入空気量が多く、筒内で圧縮端での圧力が高くなるので、噴霧の到達距離は吸気行程噴射に対して短くなる。
（２）噴霧の先端部では、圧縮端の温度が高いことにより気化が増進されることにより、噴霧の貫徹力が低下する。
（３）また、スワール制御弁による吸入時のガス流動の発生と圧縮行程でのスワール流の保持により噴霧貫徹力が弱められ、ピストンボウル部外に広がる噴霧を抑制している。
（４）ピストン上面及び近傍で気化した混合気は、スワール流によりボウル部内に保持されて、点火プラグ近傍に可燃混合気が形成される。
【００６３】
また、完暖時の混合気形成は、噴射弁先端構造の改良により、噴射弁の燃料噴射方向をピストン側ではなくシリンダヘッド側に偏向させており、かかる噴霧形状により、ピストンが上昇中の圧縮行程において、噴射されたピストン方向の燃料噴霧がピストン冠面に直接当たることを避けることで、ピストンボウル部上で点火プラグ周りに均等な可燃混合気の形成を実現している。
【００６４】
噴射量については、筒内平均理論空燃比が２５〜４０になるように設定されており全噴射量が気化しても筒内全域には広がらない。また、噴射直後に、筒内の高温ガスから熱をもらい噴霧先端部から気化が起きるため、噴霧の貫徹力は抑えられる。また、前記ガス流動により点火時点での混合気の広がりは、点火プラグ周りに集中していることになる。
【００６５】
一方、本発明での機関冷機時の圧縮行程噴射による混合気形成について、図９を用いて説明する。
図９は次の状態を示している。
（１）冷機時の燃焼要件によりトータル燃料噴射量は完暖成層燃焼に対して、２０〜３０％増量されるため、噴射期間が長くなり、噴霧の到達距離が長くなる。
（２）また、完暖時の成層燃焼要件との違いから、吸入空気量の減少による筒内の圧縮端圧力の低下、同時に圧縮端温度も低くなるために、噴射された燃料の貫徹力の妨げも小さく、噴霧先端部の気化の促進が悪いために、噴霧はボウル部外に広く分散される。
（３）更に、吸入空気量の低下からガス流動も完暖成層に対して弱められて噴霧の分散が起きている。
【００６６】
噴射時期は、前述の完暖時の噴射時期をベースとして検討しているが、以下の要件で決められるものである。
完暖時の噴射時期より、早い噴射時期においては、そもそもトータル燃料噴射量が多いことと、圧縮過程での圧縮端のガス温度が完暖時より低く、かつ、圧縮ＴＤＣより離れる程、吸入された空気の圧縮が遅れる分筒内温度も低いため、燃料が充分に気化されず、噴射弁の対向方向のシリンダ壁側に燃料が集中し、点火プラグ近傍に可燃混合気を形成しづらくなる恐れがある。
【００６７】
また、反対に噴射時期が完暖時の噴射時期より遅過ぎると、そもそも、圧縮行程期間で噴射して、燃料を気化させる時間が短くなり、可燃混合気を生成することが不可能となる。また、噴射時期が遅れることで、ピストン位置が上死点に近づくことで、噴射された噴霧が直接ピストン冠面に当り、スモークの発生等の不具合が発生し、点火プラグの絶縁抵抗低下による失火等を伴なう可能性が大きくなる。
【００６８】
以上のことから冷機時の圧縮行程噴射の噴射時期は、一義的に決まってくる。実際には、筒内の平均空燃比の設定機関条件により決められるものである。
尚、図１１は吸気行程噴射による混合気形成の様子を示しており、噴射時期は、吸気ＴＤＣに対して、４０〜９０°ＡＴＤＣとした。また、図１２は、完暖成層燃焼時の混合気形成の様子を示しており、噴射時期は、吸気ＴＤＣに対して、２８０〜３００°ＡＴＤＣとした。また、図１３は、冷機時圧縮行程噴射による混合気形成の様子を示しており、噴射時期は、吸気ＴＤＣに対して、２８０〜３００°ＡＴＤＣとした。
【００６９】
ところで、冷機時、圧縮行程噴射による混合気形成であるが、上述した完暖時の圧縮行程噴射制御に対して、以下の相違点が存在する。
冷機時の筒内平均空燃比の設定範囲は、完暖時の成層燃焼要件とは異なり、図１４に示す機関の各種性能（空燃比Ａ／Ｆと燃焼安定性及びＨＣ濃度との関係）から、略ストイキからリーン側となる。これは、ストイキよりリッチ側では、点火プラグ周りの空燃比が失火限界に達するためと予測される。逆にリーン側が排温が下がると共に、ＨＣの排出が増加する。これは、点火プラグ近傍の外の混合気がリーンになり過ぎて、火炎伝播が届かず未燃燃料が残るためと、燃焼温度低下に筒内温度の低下に伴う、酸化反応が減衰しているものと考えられる。
【００７０】
次に、始動直後のファーストアイドル等の運転条件等により、機関回転及び必要な発生要求トルクが低く、完暖時と比較して、吸入吸気量が減少する。このことにより、冷機時圧縮行程での圧縮端ガス温度は、完暖成層要求時とは異なり低下する。更に、吸入空気量が減少することで、吸気行程及び圧縮行程末期でのスワール流も完暖成層より弱くなることになり、筒内に噴射された噴霧混合気がピストンボウル部内に収まりにくくなる。
【００７１】
更に、圧縮端温度の低下と共に、全体の噴射量が増加することで、冷機時に圧縮行程時期に噴射された燃料は、図９に示したように、完暖成層時とは違いピストンボウル部外の噴射弁の取付け対向方向へも混合気が広がることになる。
上記の如く、冷機時圧縮行程噴射により生じた混合気形成は点火プラグ近傍だけでなくピストン冠面上及びシリンダ壁近傍迄に存在することとなる。即ち、完暖成層時の燃焼のために形成された混合気とは形態が大きくことなる。
【００７２】
具体的には、燃焼室全体に掛けて噴霧が分散することになるので、点火プラグ周りの空燃比を失火限界リッチ空燃比から遠ざけることができる。シリンダ壁面にも略ストイキよりリーンな空燃比を形成できていることから（図１３に混合気の形成模式を示す）、完暖成層時の空気層と異なり、燃焼火炎が末端まで到達し燃焼クエンチ分による未燃ＨＣが減少する。また、点火プラグ周り及びシリンダ壁近傍に形成された空燃比段差が小さいために、火炎伝播速度が速く（図１７参照）、燃焼効率が良く、かつ筒内残留酸素が有効に酸化されるため排気温度の上昇が得られている。
【００７３】
本発明による冷機時圧縮行程噴射の利点は、機関冷機時の燃料気化の悪い条件においても、噴射弁の噴霧特性の改良から、点火プラグ近傍に失火限界リッチ混合気を形成させず、始動直後からの燃焼切換えが可能となったことである。かつ、燃焼室全体に混合気を分散させ得たことによる燃焼効率の向上から、排気昇温を可能とし、機関冷機時に排出される有害成分の減少と始動直後から触媒浄化装置の昇温時期を極めて早くすることができ、他の混合気形成より燃費の悪化を抑制できるのである。
【００７４】
図１５には、完暖成層燃焼、冷機時圧縮行程噴射による燃焼による熱発生率を示す。完暖成層燃焼は着火遅れ期間が短く、急速な燃焼が点火プラグ周りで生じていることがわかる。また、熱発生の終了時期から推定すると、完暖成層燃焼はシリンダ壁面側に空気層が存在するために、燃焼終了時期が冷機時圧縮行程噴射による燃焼より早くなっていることがわかる。反対に冷機時圧縮行程噴射による燃焼では、空気層ではなく、リーンな混合気層を形成していると推察できる。
【００７５】
着火遅れ期間については、図１６に示すように、従来の吸気行程噴射での燃焼が着火遅れ期間が長いことがわかる。冷機時圧縮行程噴射による燃焼の着火遅れ期間が短いのは、点火プラグ近傍にストイキよりリッチな混合気が形成されていることを裏付けている。
尚、図１７は噴射された燃料の９０％が燃焼する燃焼期間を検証したもので、冷機時圧縮行程噴射の場合、火炎伝播速度が速いことから、燃焼期間が短くなっている。
【００７６】
次に燃料噴射量が燃焼形態に応じていかに演算されるかについて説明する。
コールド成層燃焼以外の燃焼形態による場合は、燃料噴射量は、概略次のように演算される。
コントロールユニット５０は、吸入空気量Ｑａ及び機関回転数Ｎｅに基づいて目標空燃比に対応する基本燃料噴射パルス幅（基本噴射量）Ｔｐｔを算出する。尚、Ｃは定数である。
【００７７】
Ｔｐｔ＝Ｃ×Ｑａ／Ｎｅ
そして、算出されたＴｐｔを水温補正係数Ｋｗ、始動後増量補正係数Ｋａｓ、空燃比フィードバック補正係数ＬＡＭＤ及び目標空燃比補正係数Ｚ等により補正し、有効燃料噴射パルス幅ＣＴＩを算出する。尚、Ｔｓは無効噴射時間である。
ＣＴＩ＝Ｔｐｔ×（１＋Ｋｗ＋Ｋａｓ＋・・・）×ＬＡＭＤ×Ｚ＋Ｔｓ
式中、ＬＡＭＤは、空燃比センサ１２からの入力信号に基づく空燃比検出結果に応じて比例積分制御等により増減されるものであり、これによってＴｐｔを補正することにより、混合気の空燃比が目標空燃比にフィードバック制御される。尚、コールド成層燃焼時などの空燃比フィードバック補正を行わない場合は、ＬＡＭＤは所定値（例えば１）に固定される。
【００７８】
そして、コールド成層燃焼による場合は、燃料噴射量は、次のように演算される。
この場合の有効燃料噴射パルス幅ＣＴＩは、上記噴射量演算式においてＴｐｔに係る補正項（例えば始動後増量補正係数Ｋａｓ）を変更することにより算出される。そこで、図１８に示すフローチャートを参照して、コールド成層燃焼時における補正係数Ｋａｓの算出手順について説明する。尚、本ルーチンは、所定時間（例えば１０ｍｓ）毎に実行される。
【００７９】
Ｓ４１では、コールド成層燃焼制御の実施が許可されているか否かを判定する。許可されていると判定した場合は、始動後増量補正係数ＫａｓをＮＡＫＡＳに置き換え、これをコールド成層燃焼での補正係数とするため、Ｓ４２へ進む。一方、許可されていないと判定した場合は、冷却水温度Ｔｗに応じた通常の始動後増量補正係数Ｋａｓを求める。このとき、Ｋａｓは、Ｔｗが高くなるほど小さな値とされ、目標当量比は、後述する図２１のｔ２〜５に示すように推移する。
【００８０】
Ｓ４２では、水温センサ及びクランク角センサからの入力信号に基づいて冷却水温度Ｔｗ及び機関回転数Ｎｅを検出する。
Ｓ４３では、冷却水温度Ｔｗに基づいて、図１９に示すような傾向を有するマップを参照して始動後増量補正係数の水温補正分ＮＴＫＡＳを読込む。ＮＴＫＡＳは、概してＴｗが低いときほど大きな値に設定される。低水温時には燃焼室壁面が冷たくなっており、壁面付着燃料成分が気化し難くなっていると判断できるので、点火プラグ周りに同じ空燃比の混合気を形成するために噴射すべき燃料量が多くなるからである。
【００８１】
また、水温補正分ＮＴＫＡＳは、一定水温に対しても燃料性状に応じて異なる値に設定され、燃料が軽質であるほど小さな値とされる。軽質燃料は重質燃料と比較して揮発性が高く、同じ量を噴射したとしても壁面付着燃料成分が少なくなるので、その分噴射量自体を減らしておき、燃料性状によらず点火プラグ周りの混合気を同じ空燃比とするためである。
【００８２】
尚、燃料性状は、本出願人に係る先願の公開公報（特開２０００−２９７６８９号）に開示された方法により推定するのが好適である。
この方法は、所謂学習制御によるものであり、概略次の通りである。始動時に所定の燃料性状推定・実施許可条件を満足したことをもって学習行為を実施する。そして、この条件成立下で燃料噴射量の変化に対する排気空燃比の応答波形をサンプリングし、入出力データを解析することにより燃料性状を推定する。具体的には、プラントモデルのパラメータを、入出力データに基づいて基準燃料（一般的には、重質燃料）に対するプラントモデルである規範モデルとの予測誤差が最小となるように調整して、使用燃料に対するプラントモデルを同定する。そして、同定したプラントモデルのカットオフ周波数ｆｃRealを算出し、算出したｆｃRealを規範モデルのカットオフ周波数ｆｃRef と比較する。その結果、ｆｃReal＞ｆｃRef であれば、使用燃料が基準燃料よりも軽質であると推定する。もちろん、燃料性状推定に関しては、上記方法以外にもセンサによる直接検出等、種々の方法を採用できる。
【００８３】
Ｓ４４では、機関回転数Ｎｅに基づいて、図２０に示すような傾向を有するマップを参照して始動後増量補正係数の回転速度補正分ＮＴＮＫＡＳを読込む。ＮＴＮＫＡＳは、概してＮｅが低いときほど大きな値に設定される。低回転時には筒内のガス流動が弱くなっており、壁面付着燃料成分が気化し難くなっているため、点火プラグ周りに同じ空燃比の混合気を形成するために噴射すべき燃料量が多くなるからである。
【００８４】
また、回転速度補正分ＮＴＮＫＡＳは、一定回転数においても燃料性状に応じて異なる値に設定され、燃料が軽質であるほど小さな値とされる。軽質燃料の揮発性の高さを考慮して噴射量自体を減らしておき、点火プラグ周りの混合気を同じ空燃比とするためである。
尚、図１９及び図２０に示したマップを走行中（例えば、アイドル域以外の低負荷域）にのみ使用し、アイドル時には固定値として設定されたＮＴＫＡＳ及びＮＴＮＫＡＳを使用してもよい。
【００８５】
Ｓ４５では、水温補正分ＮＴＫＡＳ及び回転数補正速度ＮＴＮＫＡＳの積ＮＡＫＡＳ＝ＮＴＫＡＳ×ＮＴＮＫＡＳを算出する。
Ｓ４６では、最新のＮＡＫＡＳを保存する。保存されているＮＡＫＡＳは、コールド成層燃焼時における補正係数Ｋａｓとして有効燃料噴射パルス幅ＣＴＩの演算に反映される（Ｋａｓ＝ＮＡＫＡＳ＝ＮＴＫＡＳ×ＮＴＮＫＡＳ）。
【００８６】
次に、本実施形態に係る燃焼制御の動作について、図２１に示すタイムチャートを参照して説明する。同チャートは、始動から暖機までの燃焼形態の遷移に対照して点火時期、スワール制御弁の開度、目標当量比及び機関回転数の経時変化を示している。
本実施形態によれば、時刻ｔ０においてスタート信号がオンされると、機関のクランキングが行われ、そのときの回転に合わせて点火時期が徐々に進角される。そして、時刻ｔ１において完爆が済んでスタート信号がオフされると、点火時期は、冷却水温度Ｔｗ及び機関回転数Ｎｅに対応して設定された所定時期に固定される。
【００８７】
目標当量比は、始動時から、安定性のために冷却水温度Ｔｗに応じてストイキ相当よりもリッチ側に補正設定される。そして、暖機運転に移ると、この燃料増量分は、Ｔｗの上昇に従って徐々に減少される。
時刻ｔ２において燃料性状推定が終了したことが判定され、さらに時刻ｔ３においてピストンの冠面温度が所定温度以上にまで上昇したことが判定されると、排気昇温のためのコールド成層燃焼への切換えが許可される。これを受けてスワール制御弁が全閉位置に駆動され（これに対応して点火時期が遅角される）、時刻ｔ４においてスワール制御弁が全閉したことが判定されると、時刻ｔ５において燃焼形態が吸気行程噴射による均質燃焼から圧縮行程噴射による成層燃焼に切換えられる。このとき、燃料噴射時期が圧縮行程（圧縮上死点前５０〜８０°）に変更されることに対応して点火時期が遅角される。
【００８８】
時刻ｔ５からの排気昇温のためのコールド成層燃焼では、目標当量比は、燃焼室全体でストイキないし若干リーン側に設定される。但し、始動後増量補正係数Ｋａｓ（＝ＮＡＫＡＳ）が上記のように設定される結果、目標当量比は、燃料性状に応じて異なる値とされ、これが軽質であるときほど低く、即ち、燃料噴射量が減量される。ここで、本実施形態によれば、冷却水温度Ｔｗも目標当量比の設定に寄与するが、簡潔さのため、ここではＴｗの変化により生じる動きは表していない。
【００８９】
このような当量比設定により、点火時期において点火プラグ近傍には、空燃比がストイキないし若干リーンの混合気が形成される。従って、点火プラグ近傍では燃料が燃焼し切らず、未燃ＨＣ及びＣＯ等の不完全燃焼生成物が生成されるが、これらの生成物の発生量は適量であり、筒内に残っている酸素と後反応して燃焼し切る。そして、このときに発生する熱により燃焼ガスが加熱され、排気温度が上昇される。
【００９０】
コールド成層燃焼により排気温度が高温に維持される間に、触媒が速やかに昇温され、時刻ｔ６において活性化したことが判定されると、時刻ｔ７において通常の燃焼制御（ここでは、均質ストイキ燃焼）に移行する。そして、これに対応して点火時期が進角される。但し、触媒活性前であっても、アクセルが大きく踏み込まれた場合は、運転性能を確保するため、その時点で通常の燃焼制御に移行する。
【００９１】
燃焼形態の移行を受けてスワール制御弁が全開位置に向けて駆動されると、それに対応して点火時期が進角される。
尚、以上の説明では、コールド成層燃焼時において噴射量演算式の空燃比フィードバック補正係数ＬＡＭＤを１に固定し、燃焼噴射量をオープン制御したが、ＬＡＭＤを機能させて、目標空燃比へのフィードバック制御を行うと共に、このときの噴射量演算式に燃料性状を反映させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態を示すシステム構成図
【図２】  燃焼制御のフローチャート
【図３】  触媒活性判断のフローチャート
【図４】  触媒活性判断の説明用のタイムチャート
【図５】  ピストン冠面温度判断のフローチャート
【図６】  ピストン冠面温度判断の説明用のタイムチャート
【図７】  圧縮行程噴射条件判断のフローチャート
【図８】  完暖成層燃焼時の噴霧形態を説明するための模式図
【図９】  冷機時圧縮行程噴射時の噴霧形態を説明するための模式図
【図１０】  燃料噴射弁の構造図
【図１１】  吸気行程噴射時の混合気形成を説明するための模式図
【図１２】  完暖成層燃焼時の混合気形成を説明するための模式図
【図１３】  冷機時圧縮行程噴射時の混合気形成を説明するための模式図
【図１４】  圧縮行程噴射による燃焼性能を説明するための図
【図１５】  熱発生率を示す図
【図１６】  着火遅れ期間を示す図
【図１７】  燃焼期間を示す図
【図１８】  始動後増量補正係数算出のフローチャート
【図１９】  水温補正分の設定マップを示す図
【図２０】  回転速度補正分の設定マップを示す図
【図２１】  燃焼制御の動作を示すタイムチャート
【符号の説明】
１  内燃機関
２  吸気通路
３  エアフローメータ
４  スロットル弁
５  スワール制御弁
６  シリンダヘッド
７  ピストン
７ａ  ボウル部
８  燃焼室
９  燃料噴射弁
９ａ  噴口
１０  点火プラグ
１１  排気通路
１２  空燃比センサ
１３  排気浄化触媒
１４  下流側酸素センサ
１５  クランク角センサ
１６  水温センサ
１７  スロットルセンサ
１８  スロットル制御装置
１９  アクセルペダルセンサ
２０  キースイッチ
５０  コントロールユニット
【図１】
0003890449.tif 000002
【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】
0003890449.tif 000009
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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