(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関運転状態を検出する手段と、機関運転状態に応じて燃料噴射時期と点火時期とを設定する手段と、前記設定噴射時期と点火時期とに応じて燃料噴射装置および点火装置を制御する制御手段とを備え、予め定めた所定の運転領域では燃料を主に圧縮行程後半に噴射して成層燃焼を行うようにした直噴式の火花点火機関において、
失火を検出する手段と、
成層燃焼時の失火検出時に、点火時期を遅角方向に補正するとともに、圧縮行程中において燃料噴射時期を進角方向に補正し、失火解消時には燃料噴射時期の補正を優先的に終了する補正手段とを備えていることを特徴とする直噴式内燃機関の制御装置。
【請求項２】
機関運転状態を検出する手段と、機関運転状態に応じて燃料噴射時期と点火時期とを設定する手段と、前記設定噴射時期と点火時期とに応じて燃料噴射装置および点火装置を制御する制御手段とを備え、予め定めた所定の運転領域では燃料を主に圧縮行程後半に噴射して成層燃焼を行うようにした直噴式の火花点火機関において、
失火を検出する手段と、
成層燃焼時の失火検出時に、点火時期を遅角方向に補正し、この点火時期補正により失火が解消しないときには圧縮行程中において燃料噴射時期を進角方向に補正し、失火解消時には燃料噴射時期の補正を優先的に終了する補正手段とを備えていることを特徴とする直噴式内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記補正手段が、失火が解消するまで補正を継続するように構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の直噴式内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記補正手段が、失火検出時に予め定めた所定の時間が経過するまで補正を継続するように構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の直噴式内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直噴式火花点火機関の燃料噴射時期および点火時期の制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼室に燃料噴射ノズルを臨ませて配設した燃料噴射弁から、圧縮行程中に筒内に燃料を直接噴射して成層化した混合気を形成し、これを点火燃焼させて燃費を改善する直噴式内燃機関が一般に知られている。
【０００３】
この様な成層燃焼においては、燃料と空気の混合比をある程度以上はリッチにすることができないため、高負荷を要求される運転領域では、燃料を吸気行程中に噴射して均質な混合気を形成・燃焼させる均質燃焼運転モードを合わせ持つことが通常である。
【０００４】
このように、均質燃焼と成層燃焼を切り換えて運転する機関においては、低速・低負荷において主に圧縮行程後半に燃料を噴射して成層燃焼を行い、それ以外の回転・負荷においては主に吸気行程に燃料を噴射して均質燃焼を行う、という２つの運転領域を持っている。（この種の直噴式内燃機関の公知文献としては例えば特開昭６０−３０４３５号公報を参照。）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような直噴式内燃機関は長期間の運転にともなってシリンダ内にデポジットと呼ばれる燃焼堆積物が生じる。このデポジットがピストン冠面等に堆積した場合、噴射燃料の一部がデポジットに一時的に吸着されて次回以降のサイクルで吸気中に脱離することから空燃比過濃となり煤が発生しやすくなる。煤が点火栓の電極に付着するとスパーク自体が起こらない完全失火状態となるので、運転性や排気組成、特にＨＣ排出量が悪化するという問題が生じる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、機関運転状態を検出する手段と、機関運転状態に応じて燃料噴射時期と点火時期とを設定する手段と、前記設定噴射時期と点火時期とに応じて燃料噴射装置および点火装置を制御する制御手段とを備え、予め定めた所定の運転領域では燃料を主に圧縮行程後半に噴射して成層燃焼を行うようにした直噴式の火花点火機関において、失火を検出する手段と、成層燃焼時の失火検出時に、点火時期を遅角方向に補正するとともに、圧縮行程中において燃料噴射時期を進角方向に補正し、失火解消時には燃料噴射時期の補正を優先的に終了する補正手段とを備える。
【０００９】
請求項２の発明は、機関運転状態を検出する手段と、機関運転状態に応じて燃料噴射時期と点火時期とを設定する手段と、前記設定噴射時期と点火時期とに応じて燃料噴射装置および点火装置を制御する制御手段とを備え、予め定めた所定の運転領域では燃料を主に圧縮行程後半に噴射して成層燃焼を行うようにした直噴式の火花点火機関において、失火を検出する手段と、成層燃焼時の失火検出時に、点火時期を遅角方向に補正し、この点火時期補正により失火が解消しないときには圧縮行程中において燃料噴射時期を進角方向に補正し、失火解消時には燃料噴射時期の補正を優先的に終了する補正手段とを備える。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明の補正手段を、失火が解消するまで補正を継続するように構成する。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１又は請求項２の発明の補正手段を、失火検出時に予め定めた所定の時間が経過するまで補正を継続するように構成する。
【００１５】
【作用・効果】
請求項１の発明によれば、成層燃焼時の失火検出時には点火時期の遅角補正と燃料噴射時期の進角補正の双方が行われるためシリンダ内への燃料供給から点火までの期間を最大限に確保して失火の解消をより確実に行うことができる。
つまり、成層燃焼時の失火検出時に、点火時期を遅角方向に補正することで、シリンダ内に噴射された燃料が着火されるまでの期間が長くなり、それだけ燃料の気化および拡散が進むため点火栓付近の混合気の空燃比が希薄化し、デポジットによる過濃化が補償される。このため比較的希薄燃焼となって煤の発生が低減し、点火栓電極付近が清浄化されるので失火が解消される。また、成層燃焼時の失火検出時に、燃料噴射時期が進角方向に補正することで、着火までの期間が長くなって燃料の気化および拡散が促されるため失火が解消される。さらに、点火時期の遅角補正と燃料噴射時期の進角補正の双方を行っているとき、失火が解消したときにはまず燃料噴射時期の進角補正を優先的に解除するようにしているので、噴射時期の進角に伴い燃焼が悪化するおそれが生じる状態での運転時間を最小限にすることができる。
【００１６】
請求項２の発明によれば、成層燃焼時の失火検出時にはまず点火時期が遅角方向に補正され、これにより失火が解消しないときに次に燃料噴射時期が進角される。機関によっては噴射時期を進角させると燃焼室内での燃料分布が所期の状態から外れて燃焼が不安定方向になる場合があり、特にピストン冠面に設けたキャビティに噴射燃料を供給するようにしたものでは噴射時期の進角によりキャビティ外に燃料が供給されて燃焼が悪化するおそれがある。これに対して請求項２の発明では前記のようにまず点火時期を遅らせ、それでも失火が解消しないときに初めて噴射時期を進めるようにしているので、このような不都合を生じるおそれを少なくすることができる。また、点火時期の遅角補正と燃料噴射時期の進角補正の双方を行っているとき、失火が解消したときにはまず燃料噴射時期の進角補正を優先的に解除するようにしているので、噴射時期の進角に伴い燃焼が悪化するおそれが生じる状態での運転時間を最小限にすることができる。
【００１８】
請求項３の発明では、上記請求項１又は請求項２の発明において、失火が解消するまで点火時期または燃料噴射時期の補正を継続するものとしたことから、失火状態を確実に解消して機関運転性能を失火発生前の状態に確実に復帰させることができる。
【００１９】
請求項４の発明によれば、上記請求項１又は請求項２の発明において、予め定めた所定の時間が経過するまで点火時期または燃料噴射時期の補正を行い、その時間が経過したのちは補正を解除するようにしたことから、失火解消効果をある程度確保しつつ、点火時期または燃料噴射時期の補正に伴い運転性能が低下している期間を必要限度に抑制することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２１】
図１において、１は直噴式内燃機関の本体（シリンダブロック）、２はシリンダヘッド、３はピストン、４は点火プラグ、５は燃料噴射弁、６は吸気通路、７は排気通路、８は絞り弁、９は吸気弁、１０は排気弁を示している。１１はＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ｉ／０等からなる制御装置であり、以下の運転状態検出手段からの信号に基づいて燃料噴射量、噴射時期、燃圧を制御する。
【００２２】
運転状態検出手段としては、エアフロメータ１２、特定の気筒の所定のクランク角位置を検出するための基準信号（ＲＥＦ）とクランク角度毎の信号（ＰＯＳ）を出力するクランク角センサ１３、水温センサ１４、排気酸素センサ１５、スロットル開度センサ１６、車速センサ１７、燃圧センサ１８を備えている。２０は制御装置からの指令に基づいて燃料噴射弁５に供給する燃料の圧力を可変制御する燃圧制御装置である。
【００２３】
図２は、成層燃焼と均質燃焼を機関運転状態によって切り換える際の設定例を示したものである。機関回転数Ｎ１以下かつ機関負荷Ｔ１以下の低速・低負荷領域では燃料を主に圧縮行程後半に噴射して成層燃焼を行い、それ以外の運転領域においては燃料を主に吸気行程に噴射して均質燃焼を行う。
【００２４】
なお、機関負荷と回転数はそれぞれ吸入空気量と単位時間あたりのクランクパルス数によって検出され、すなわちエアフロメータ１２とクランク角センサ１３からの信号により検出される。燃料噴射量と噴射時期は基本的にはこれら負荷と回転数によって決定され、水温センサ１４、酸素センサ１５等の信号に基づいて運転状態に応じた補正が施される。
【００２５】
図３は、上記構成下での本発明に係る制御動作の一例を示した流れ図である。以下この流れ図に沿って作用を説明する。
【００２６】
まず、ステップ３０１では負荷（燃料噴射量Ｔｐ）と回転数Ｎとを検出し、次にステップ３０２にて前記検出結果に基づき図３の運転域設定に基づいて成層燃焼を行うか運転域か均質燃焼を行う運転域かを判定する。もし均質運転域であればステップ３０４以下の均質運転域での制御ルーチンに移行して均質運転状態での燃料制御および点火時期制御を行う。これに対して、ステップ３０２にて成層運転域であればステップ３０３に移行して成層運転域に適合する燃料噴射時期ＩＴおよび点火時期ＡＤＶを演算またはテーブル検索等の手法により決定する。
【００２７】
成層運転状態での燃料噴射時期ＩＴおよび点火時期ＡＤＶを決定したのち、次のステップ３０５にて点火時期補正の可否を決定するために完全失火の有無を判定する。このとき失火が発生していれば点火時期ＡＤＶを遅角方向に補正する。なお失火判定については後述するように種々の手法を適用することができる。
【００２８】
このようにして決定した燃料噴射時期ＩＴおよび点火時期ＡＤＶはステップ３０９にてそれぞれの駆動回路に出力し、対応する時期に燃料噴射または着火を行わせる。このような制御は周期的に繰り返され、失火の有無に応じて点火時期補正の有無が制御される。
【００２９】
成層燃焼時の失火検出時に点火時期を遅角補正することにより、既述したように噴射燃料の気化時間が長くなって点火栓付近の混合気の空燃比が希薄化するためデポジットからの燃料気化にかかわらず混合気の過濃化を抑制して点火栓に付着した煤を減らし、失火を解消することができる。このようにして失火が解消すると、ステップ３０５からステップ３０８へと制御が移行するようになるので点火時期補正は解除され、通常の点火時期制御に戻る。
【００３０】
図４は失火を解消するための第２の制御例を示した流れ図である。この制御においてステップ４０１〜４０４、４０８は図３のステップ３０１〜３０４、３０８と対応しており、負荷と回転数とから成層運転域か均質運転域かを判定し、それぞれに対応した燃料噴射時期ＩＴと点火時期ＡＤＶとを決定して出力する。ただし、成層運転時において、ステップ４０５の失火判定にて失火発生と判定した場合には、次のステップ４０６にて燃料噴射時期ＩＴを進角方向に補正する点において図３のものとは異なる。
【００３１】
このようにして燃料噴射時期を進角することによっても着火までの期間が長くなって燃料の気化および拡散が促されるため上記したものと同様にして失火が解消される。失火が解消されたときは爾後の制御ループにてステップ４０７に入って燃料噴射時期補正が解除され、通常の燃料噴射時期に戻る。
【００３２】
上述した点火時期補正と噴射時期補正はこれらを併用してもよいが、その場合は図５に示したようにまず点火時期を補正し、これによって失火が解消されないときに初めて噴射時期を補正するのが好ましい。これは、図６に示したように設定点（失火が発生していない正常時の点火時期または噴射時期）からの補正において、噴射時期の進角補正は既述したようにシリンダ内燃料分布を不適切にする傾向を有しており、点火時期の遅角補正に比較して燃焼の安定度限界を超えるまでの余裕が少ないからである。なお、図６に示したように、前記と逆に設定点から点火時期を進めたり噴射時期を遅らせたりすると濃混合気が燃料と空気との混合が不十分な状態で着火されるため煤が多く発生して失火率が高くなってしまう。
【００３３】
図５において、ステップ５０１〜５０４、５１０は図３のステップ３０１〜３０４、３０８と対応しており、負荷と回転数とから成層運転域か均質運転域かを判定し、それぞれに対応した燃料噴射時期ＩＴと点火時期ＡＤＶとを決定して出力する。ただし、成層運転時において、ステップ５０６の失火判定にて失火発生と判定した場合には、次のステップ５０７にてまず点火時期ＡＤＶを遅角補正し、次のステップ５０８にて依然として失火発生と判定した場合にはさらに燃料噴射時期ＩＴを進角方向に補正するようにしている。
【００３４】
もしステップ５０６の判定にて失火が発生していないと判定された場合には点火時期ＡＤＶの補正も燃料噴射時期ＩＴの補正も行わない（ステップ５１１、５１２）。
【００３５】
ここで、ステップ５０６の失火判定に先立ち、ステップ５０５にて噴射時期ＩＴの遅角補正中であるか否かを判定し、補正中である場合には燃料噴射時期ＩＴの補正の有無を決定するためのステップ５０８の失火判定ルーチンにジャンプするようにしている。これにより、噴射時期ＩＴの進角補正により失火が解消したときにはまずステップ５０８の判定によりステップ５１２に移行して燃料噴射時期ＩＴの進角補正が解除され、これにより以後の制御ループにてステップ５０５から５０６へと入るので、その状態で失火が解消していれば次に点火時期ＡＤＶの遅角補正が解除されることになる。
【００３６】
このように、成層運転時の失火発生時には点火時期の補正を燃料噴射時期の補正よりも優先し、失火解消時には燃料噴射時期の補正を点火時期の補正よりも優先して解除することにより、失火解消効果を確保しつつ、運転性悪化のおそれを生じる噴射時期補正を最小限で済ませることができる。
【００３７】
ところで、上記各実施形態の制御において、点火時期ＡＤＶまたは燃料噴射時期ＩＴの補正量は、段階的に増やすようにしてもよいし、予め定めた補正量を一度に与えるようにしてもよい。また補正の解除は、失火が解消したことを条件としてもよいし、失火の有無にかかわらず一定時間後に解除するようにしてもよい。
【００３８】
また、失火の検出は次のような種々の手法が適用可能である。第１には、機関回転数変動を検出する手法であり、該検出変動量が予め定めた基準値よりも大きいときに失火があると判定することができる。この場合、クランク角センサ１３（図１参照）の信号を利用して回転変動を算出できるので低コストで失火検出できるという利点がある。第２には筒内圧センサを設けて燃焼時の筒内圧を検出する手法であり、この場合ピーク圧の検出だけでもある程度は失火を判定することが可能であるが、筒内圧から算出した図示平均有効圧から判定するのがより確実である。失火発生時には図示平均有効圧が負の値となるため精度よく失火を検出できる。第３には燃焼室にイオン電流検出センサを設ける手法である。イオン電流は燃焼中に燃焼物質が化学的にイオン化された物質に変化することにより生じる電流であり、したがって失火するとこの電流が生じないことから失火判定が可能である。第４には、点火栓の電極間の絶縁抵抗を利用する手法である。一般的に点火栓のくすぶりは絶縁抵抗が１０メガオーム以下になると発生することが知られており、よって該絶縁抵抗値を計測することで失火発生を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の機構部分及び制御系の概略構成図。
【図２】成層燃焼運転域と均質燃焼運転域の説明図。
【図３】本発明の制御動作に関する第１の実施形態の概略を示す流れ図。
【図４】同じく第２の実施形態の概略を示す流れ図。
【図５】同じく第３の実施形態の概略を示す流れ図。
【図６】燃料噴射時期ＩＴと点火時期ＡＤＶの補正方向と安定度限界との関係を示す説明図。
【符号の説明】
１    直噴式内燃機関の本体（シリンダブロック）
２    シリンダヘッド
３    ピストン
４    点火プラグ
５    燃料噴射弁
６    吸気通路
７    排気通路
８    絞り弁
９    吸気弁
１０    排気弁
１１    制御装置
１２    エアフロメータ
１３    クランク角センサ
１４    水温センサ
１５    排気酸素センサ
１６    スロットル開度センサ
１７    車速センサ
１８    燃圧センサ
２０    燃圧制御装置
【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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