JP3812301B2

JP3812301B2 - Control device for direct-injection spark-ignition internal combustion engine

Info

Publication number: JP3812301B2
Application number: JP2000224029A
Authority: JP
Inventors: 孝雄米谷; 岩雄吉田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-07-25
Filing date: 2000-07-25
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2020-07-25
Also published as: JP2002038994A

Description

【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の制御装置に関し、特に燃焼制御によってＨＣ,ＮＯｘ等の排出を抑制しつつ排気浄化触媒の昇温活性を促進させる技術に関する。
【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、例えば、通常は吸気行程中に燃料噴射して均質混合気（燃焼室内全体に均等に燃料が分散している状態）で燃焼（均質燃焼）を行わせ、所定運転状態（低回転・低負荷状態等）において、圧縮行程中に燃料噴射し、点火栓周りに着火可能な可燃混合比の混合気からなる層状の成層混合気を形成し、極希薄な空燃比（リーン限界近傍の空燃比）での燃焼（成層燃焼）を行なわせるようにした内燃機関（直噴火花点火式内燃機関）が知られている（特開昭６２−１９１６２２号公報、特開平２−１６９８３４号公報参照）。
【０００３】
また、同上の直噴火花点火式内燃機関において、排気浄化触媒の昇温活性化促進のため、燃料を吸気行程と圧縮行程とで分割して噴射することにより、点火栓周りにストイキ（理論空燃比）若しくはストイキよりリッチな空燃比の成層混合気を形成し、その外側にストイキよりリーンな空燃比の混合気を形成して、燃焼させるようにしたものがある（特開平１０−２１２９８７号参照）。
【０００４】
即ち、点火栓周りの比較的リッチな混合気の初期燃焼で燃焼速度を早めつつ、リーン混合気による主燃焼へ移行させることにより、点火時期のリタードを可能とし、最後に点火栓付近で余剰燃料による後燃えを発生させることなどによって、ＨＣ,ＮＯｘ等の排出を抑制しつつ排気温度を上昇させて、排気浄化触媒の活性化促進を図っている。以下、このようにして形成された混合気の燃焼を成層ストイキ燃焼と称して説明する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のように吸気行程と圧縮行程とに分割して燃料噴射するものでは、分割された各燃料噴射期間（噴射パルス幅）が短くなるが、燃料噴射弁は、噴射パルス幅が短い低流量域で噴射パルス幅に対する燃料噴射量のリニアリティが低下し、要求どおりの燃料噴射量が得られず、安定した燃焼性を確保することができないという問題がある（図１８参照）。
【０００６】
このため、前記従来例では、前記分割燃料噴射による成層ストイキ燃焼を行なう条件として、噴射パルス幅のリニアリティを確保できる下限値以上とすることで対処していた。
しかし、本来エミッション低減、排気浄化触媒の早期活性が要求されるファーストアイドル域でこそ前記成層ストイキ燃焼を行ないたい要求があるにも関わらず、該ファーストアイドル域は機関の回転速度、負荷が低い領域であるため、燃料噴射量が少なく、分割噴射を行なうと、噴射パルス幅のリニアリティを確保できず、成層ストイキ燃焼を行なうことが実質的に困難であった。このため、始動からの成層ストイキ燃焼によるＨＣ,ＮＯｘ等の低減及び触媒の早期活性化時間を短縮することが阻害されてきた。
【０００７】
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、前記成層ストイキ燃焼を良好に遂行させて、ＨＣ,ＮＯｘ等の排出を抑制しつつ排気浄化触媒の活性化促進効果を十分に発揮できるようにした直噴火花点火式内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明は、
機関の燃焼室内に直接燃料を噴射供給する燃料噴射弁を備え、
機関の排気通路に配設された排気浄化触媒の昇温が要求され、かつ、機関が低回転・低負荷状態のときに、前記燃料噴射弁から吸気行程と圧縮行程とに分割して燃料噴射を行なって、点火栓周りに空燃比がストイキ若しくはストイキよりリッチな混合気を形成するとともに、その外側に空燃比がストイキよりリーンな混合気を形成し、かつ、前記燃料噴射弁への燃料供給圧力を減少補正する直噴火花点火式内燃機関の制御装置であって、
非分割燃料噴射から分割燃料噴射へ切り換えるときは、
前記分割燃料噴射が許可された後、前記燃料供給圧力が分割燃料噴射に見合った低圧値まで減少後、点火時期を所定の遅角量分徐々に遅角した後、分割燃料噴射への切り換えと同時に所定量進角させてトルク段差を抑制し、その後分割燃料噴射による燃焼に応じた点火時期まで徐々に遅角するように制御することを特徴とする。
【０００９】
請求項1に係る発明によると、
排気浄化触媒の昇温が要求され、かつ、機関が低回転・低負荷状態のときに、圧縮行程での燃料噴射によって点火栓周りにストイキ若しくはストイキよりリッチな成層混合気が形成され、その外側に吸気行程での燃料噴射によって、ストイキよりリーンな混合気が形成され、前記成層混合気の主燃焼によって生成された不完全燃焼物（ＣＯ）が、その外側のリーン混合気と共に再燃焼して燃焼室の隅々にまで火炎が良好に伝播されるので、ＨＣ，ＮＯｘ等を低減できると共に排気温度が上昇し排気浄化触媒が活性化される。
【００１０】
そして、前記燃焼（成層ストイキ燃焼）を行なうときは、燃料噴射弁への燃料供給圧力（以下燃圧という）を減少補正することにより、分割された各燃料噴射における噴射パルス幅を増大することができ、噴射パルス幅に対する噴射量のリニアリティを確保でき良好な噴射量制御を行えるので、該成層ストイキ燃焼を実行できる頻度を高めることができ、該成層ストイキ燃焼によるＨＣ，ＮＯｘ等の低減と排気浄化触媒の活性化を十分に促進することができる。
【００１３】
そして、燃圧が分割燃料噴射に見合った低圧値まで減少するのを待って、良好な噴射量精度を確保してから分割燃料噴射を行なって成層ストイキ燃焼を行なうので、安定した燃焼性を確保することができる。ただし、前記燃圧の低下を待つことで噴射量精度は確保されるが、非分割燃料噴射から分割燃料噴射への切り換えによる燃焼の切り換えで、切り換え前後の要求点火時期が異なり、また、切り換え過渡時の運転性を安定させる要求がある。
【００１４】
そこで、該燃焼の切り換えに応じた点火時期制御を行いつつ、分割燃料噴射に切り換えて燃焼を切り換えることで、切り換え過渡時および切り換え後の要求性能を満たすことができる。
【００１５】
具体的には、前記分割燃料噴射による成層ストイキ燃焼の前後の燃焼は、一般に吸気行程での燃料噴射による均質燃焼であり、該均質燃焼から熱効率が低い成層ストイキ燃焼へ切り換えるときは、点火時期を徐々に遅角させて十分な進角代を確保した後、燃焼の切り換えと同時に、一気に点火時期を進角させる。これにより、燃焼切換時のトルク低下を抑制する。
【００１６】
また、該燃焼切換時のトルク段差を抑制した後は、分割燃料噴射による成層ストイキ燃焼において点火時期を遅角することで、排気昇温効果を高めて触媒活性化をより促進することができる。
また、請求項２に係る発明は、
機関の燃焼室内に直接燃料を噴射供給する燃料噴射弁を備え、
機関の排気通路に配設された排気浄化触媒の昇温が要求され、かつ、機関が低回転・低負荷状態のときに、前記燃料噴射弁から吸気行程と圧縮行程とに分割して燃料噴射を行なって、点火栓周りに空燃比がストイキ若しくはストイキよりリッチな混合気を形成するとともに、その外側に空燃比がストイキよりリーンな混合気を形成し、かつ、前記燃料噴射弁への燃料供給圧力を減少補正する直噴火花点火式内燃機関の制御装置であって、
分割燃料噴射から非分割燃料噴射へ切り換えるときは、
前記分割燃料噴射が不許可とされた後、点火時期を所定量分徐々に進角した後、非分割燃料噴射への切り換えと同時に所定量遅角させてトルク段差を抑制し、その後非分割燃料噴射による燃焼に応じた点火時期まで徐々に進角すると共に燃料供給圧力を前記高圧値に増大するように制御することを特徴とする。
【００１７】
請求項２に係る発明によると、
分割燃料噴射を終了して非分割燃料噴射を行なうときは、燃圧を高圧値に増大して戻す。これにより、燃料噴射弁の単位噴射パルス幅当たりの燃料噴射量を増大できるので、高回転・高負荷状態での燃料噴射量を確保することができる。
【００１８】
ここで、既述したように、燃料噴射の分割,非分割による燃焼の切り換えで、切り換え前後の要求点火時期が異なり、また、切り換え過渡時の運転性を安定させる要求がある。また、分割燃料噴射による燃焼時は、良好な燃焼を確保するため、燃圧が低圧に維持されている必要がある。
【００１９】
そこで、分割燃料噴射から非分割燃料噴射への切換による燃焼の切り換えに応じた点火時期制御を行いつつ、燃圧を高めると同時に非分割燃料噴射に切り換えて燃焼を切り換えることで、切り換え過渡時および切り換え後の運転性を良好に維持することができる。
【００２０】
具体的には、成層ストイキ燃焼から非分割燃料噴射による均質燃焼へ切り換えるときは、点火時期を徐々に進角させて十分な遅角代を確保した後、燃焼の切り換えと同時に、一気に点火時期を遅角させる。これにより、燃焼切換時のトルク増大を抑制する。
【００２１】
また、該燃焼切換時のトルク段差を抑制した後、均質燃焼に適した点火時期（通常ＭＢＴ）まで徐々に進角することで燃費などを良好に維持することができる。
また、請求項３に係る発明は、前記分割燃料噴射を、アイドル状態であることを条件として実行することを特徴とする。
請求項３に係る発明によると、アイドル状態を条件として分割した燃料噴射を行って成層ストイキ燃焼を行なうことにより、運転性と排気浄化触媒の活性化促進とを両立することができる。ただし、排気浄化触媒の活性化促進をより重視する場合は、アイドル状態以外の低負荷・低回転状態でも分割燃料噴射を行って成層ストイキ燃焼を行なわせてもよい。
また、請求項４に係る発明は、空燃比を検出するセンサを備え、該センサの活性を前記分割燃料噴射の許可条件の１つとし、該分割燃料噴射の実行中は、前記センサの検出値に基づいて燃焼室全体の混合気がストイキとなるように燃料噴射量をフィードバック制御することを特徴とする。
【００２２】
請求項４に係る発明によると、
成層ストイキ燃焼時に高精度なストイキ制御を行なえ、排気浄化触媒の昇温効率を最良とすることができる。また、触媒が完全に活性化される前からある程度の浄化機能が発揮されるので、高精度にストイキ制御することで、触媒による排気浄化も高められる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を、添付の図面に基づいて説明する。
本発明の実施形態のシステム構成を示す図１において、機関１の吸気通路２には吸入空気流量Ｑａを検出するエアフローメータ３及び吸入空気流量Ｑａを制御するスロットル弁４が設けられると共に、各気筒の燃焼室に臨ませて、燃料噴射弁５が設けられている。
【００２４】
燃料タンク２１内の燃料は、電動式の低圧燃料ポンプ２２によって吸引され、該低圧燃料ポンプ２２から吐出された低圧燃料は、燃料フィルタ２３を介して機関駆動される高圧燃料ポンプ２４に供給される。
前記低圧燃料ポンプ２２による高圧燃料ポンプ２４に対する燃料の供給圧は、高圧燃料ポンプ２４の上流側から前記燃料タンク２１に戻るリターン通路２５に介装された低圧プレッシャレギュレータ２６によって所定の低圧に調整される。
【００２５】
前記低圧プレッシャレギュレータ２６は、燃圧が目標の低圧よりも高いときに前記リターン通路２５を開いて燃料を燃料タンク２１に戻すことで、燃圧を所定の低圧に調整するものである。
一方、前記高圧燃料ポンプ２４から吐出されて燃料噴射弁５に供給される燃圧は、高圧プレッシャレギュレータ２７によって所定の高圧に調整される。
【００２６】
前記高圧プレッシャレギュレータ２７は、後述するコントロールユニット５０からの制御信号に応じて、前記高圧燃料ポンプ２４の下流側の燃料を低圧側に戻す通路２８の開口面積を連続的に変化させるものであり、コントロールユニット５０は、燃圧センサ２９で検出される燃圧（燃料噴射弁５への燃料供給圧力）が目標の高圧になるように、前記制御信号を高圧プレッシャレギュレータ２７に出力する。
【００２７】
前記燃料噴射弁５は、前記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、前記高圧プレッシャレギュレータ２７により所定圧力に制御された燃料を燃焼室内に直接噴射供給することができるようになっている。
なお、燃焼室に臨んで装着されて、コントロールユニット５０からの点火信号に基づいて吸入混合気に対して点火を行う点火栓（点火プラグ）６が、各気筒に設けられている。
【００２８】
一方、排気通路７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８（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よい）が設けられ、その下流側には、排気を浄化するための排気浄化触媒９が介装されている。なお、排気浄化触媒９としては、理論空燃比｛λ＝１、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、或いは理論空燃比近傍において三元機能は発揮し、リーン空燃比において排気中のＮＯｘをトラップし、ストイキ乃至リッチ空燃比になったときにトラップしたＮＯｘを還元放出するＮＯｘトラップ触媒等を用いることができる。
【００２９】
更に、前記排気浄化触媒９の排気下流側には、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１０が設けられるようになっている。
ここでは、下流側酸素センサ１０の検出値により、空燃比センサ８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８の劣化等に伴う制御誤差を抑制する等のために（所謂ダブル空燃比センサシステム採用のために）、前記下流側酸素センサ１０を設けて構成したが、空燃比センサ８の検出値に基づく空燃比フィードバック制御を行なわせるだけで良い場合には、かかる下流側酸素センサ１０は省略することができるものである。
【００３０】
ところで、空燃比センサ８は、排気浄化触媒９の排気上流側に設けられ、かつ熱容量も小さいので、排気浄化触媒９に比べれば、活性化速度は極めて速い。また、空燃比センサ８を電熱ヒータ等により強制的に昇温（活性化）させることもできるから、成層ストイキ燃焼中（排気浄化触媒９の暖機過程中）に、当該空燃比センサ８の検出結果に基づく空燃比フィードバック制御を行なうことは可能である。
【００３１】
そこで、本実施の形態では、始動後直ちに空燃比センサ８を活性化させて、後述する成層ストイキ燃焼時に、燃焼室全体の空燃比がストイキとなるように、空燃比センサ８の検出値に基づいて、フィードバック制御する。
なお、本実施形態においては、クランク角センサ１１が備えられており、コントロールユニット５０では、該クランク角センサ１１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速度Ｎｅを検出できるようになっている。
【００３２】
そして、機関１の冷却ジャケットに臨んで設けられ、冷却ジャケット内の冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ１２が設けられている。
更に、前記スロットル弁４の開度を検出するスロットルセンサ１３（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。
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１４が備えられている。
【００３３】
当該スロットル弁制御装置１４は、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。
前記各種センサ類からの検出信号は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェ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１４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５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栓６を点火させる制御を行う。
【００３４】
なお、例えば、所定運転状態（低・中負荷領域など）で燃焼室内に圧縮行程で燃料噴射して、燃焼室内の点火栓６周辺に可燃混合気を層状に形成して成層燃焼を行なうことができる一方、他の運転状態（高負荷領域など）では燃焼室内に吸気行程で燃料噴射して、シリンダ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な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。
【００３５】
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９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９の早期活性化を図るようにするために、キースイッチ１６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なうようになっている。
【００３６】
具体的には、例えば、図２及び図３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（図では、Ｓと記してある。以下、同様）１では、従来同様の手法により、キースイッチ１６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。
【００３７】
ステップ２では、従来同様の手法により、キースイッチ１６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、スターターモータ（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へリターンする。
【００３８】
ステップ３では、従来同様に、スターターモータの駆動を開始して、機関１をクランキングする。
ステップ４では、従来同様に、始動のための燃料噴射｛吸気行程での直接燃料噴射、図４（Ｂ）参照｝を行なわせて、機関１の運転（直噴均質燃焼）を行なわせる。
【００３９】
次のステップ５では、排気浄化触媒９が活性化していないか否かを判断する。当該判断は、該触媒９の温度をセンサを設けて検出し、あるいは、機関の運転履歴から該触媒９の温度を推定して、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１５へ進み、燃費改善等のために、運転状態に応じて、従来と同様の燃焼形態で燃焼を行なわせ、該燃焼に応じた点火時期制御と燃圧制御を行って本フローを終了する。
【００４０】
ステップ６では、前記成層ストイキ燃焼の許可条件が成立しているか否かを判定する。具体的には、下記▲１▼、▲２▼の条件が共に成立しているとき、成層ストイキ燃焼が許可される。
▲１▼空燃比センサ８が活性化していること（完爆から所定時間が経過していることで代替してもよい）。
【００４１】
▲２▼アイドルスイッチがＯＮであること。
そして、前記成層ストイキ燃焼の許可条件が成立したと判定された場合は、後述する触媒活性化促進等のための成層ストイキ燃焼を行なわせても良好な着火性・燃焼性延いては機関安定性（機関運転性）等が得られるとして、ステップ７へ進む。
【００４２】
一方、ＮＯの場合には、後述する触媒活性化促進のための成層ストイキ燃焼を行なわせると、燃焼安定性延いては機関安定性（機関運転性）等が低下する惧れがあるとして、成層ストイキ燃焼への移行を禁止して、吸気行程での直接燃料噴射（直噴均質燃焼）を継続すべく、ステップ４へリターンする。
ステップ７では、実際の成層ストイキ燃焼への切り換えに先立ち、燃圧を成層ストイキ燃焼を行なうのに要求される燃圧に切り換える制御を行なう。すなわち、成層ストイキ燃焼では吸気行程と圧縮行程とに分割して燃料噴射するので、各噴射のパルス幅が燃料噴射量に対してリニアリティを確保できる大きさ以上となるように、１回で噴射する場合に比較して燃圧を減少するように切換制御する。
【００４３】
上記燃圧切換制御の詳細なルーチンを、図５に示したフローチャートに従って説明する。
ステップ１０１では、上記成層ストイキ燃焼用の目標燃圧を算出する。図６に示すように、分割燃料噴射される成層ストイキ燃焼時は、非分割燃料噴射による従来燃焼時と同等の燃圧では分割された各噴射パルス幅に対する噴射量のリニアリティを確保することが難しく、燃圧を共用できない。そこで、目標燃圧を従来燃焼における燃圧より減少補正して設定する。これにより、分割された各噴射パルス幅を増大できるので、噴射パルス幅に対する噴射量のリニアリティを確保することができ、良好な成層ストイキ燃焼を行なうことができる。なお、図６に示すように、機関回転速度の増大に応じて噴射可能期間が短縮するので、機関回転速度に基づいて目標燃圧を可変に設定するようにしてもよい。
【００４４】
ステップ１０２では、上記成層ストイキ燃焼用の目標燃圧に減少補正する制御が実行される。具体的には、前記高圧プレッシャレギュレータ２７のリターン通路へのリターン流量を増大（開弁デューティを増大）することにより設定燃圧を減少補正し、燃圧センサ２９の検出値が目標燃圧となるようにフィードバック制御する。詳細には、図７に示すように、目標燃圧を中心として前後所定値分ずつ幅を持たせた不感帯燃圧を設定し、実際の燃圧（検出値）が該不感帯に入ったところで、フィードバック制御を停止し、前記不感帯より大きな幅を有した上下限値を超えたときフィードバック制御を再開する。このように、不感帯及び再開時のヒステリシスを持たせることで、制御のハンチングを防止して燃圧を安定させることができる。
【００４５】
ステップ１０３では、上記フィードバック制御における補正更新が無くなって収束したかを判定し、収束したと判定されたときは、ステップ１０４で所定のディレイ時間の経過を待って、ステップ１０５で成層ストイキ燃焼を実行する燃圧に切り換わったと判断する。
図２に戻って、上記のように燃圧が成層ストイキ燃焼用の燃圧に切り換わったと判断された後、ステップ８では、前記均質燃焼から成層ストイキ燃焼へ切り換えに応じた点火時期制御を行いつつ成層ストイキ燃焼へ切り換え、ステップ９で成層ストイキ燃焼を実行する。
【００４６】
図８は、前記均質燃焼から成層ストイキ燃焼への切換時の制御を示すサブルーチンである。
均質燃焼から成層ストイキ燃焼に切り換える場合は、熱効率が低い成層ストイキ燃焼への切換時のトルク低下を無くすためにトルクを増大補正する必要があるが、現在の均質燃焼では、点火時期は、所定の燃費（或いは機関安定性）を達成できるように、ＭＢＴ（最大トルク発生点火時期）に制御されているので、そのままではトルクを増大補正するための点火時期の進角補正代がない。
【００４７】
そこで、まず、ステップ１１１で、燃焼切換時のトルク増大補正が可能な進角代を確保できるまで点火時期を徐々に遅角する補正を行なう。詳細には、機関回転速度と負荷（基本燃料噴射量Ｔｐ等）などに基づいて、前記進角補正代を確保できる目標遅角点火時期をマップからの検索等で算出し、該目標遅角点火時期となるまで所定の遅角割合で徐々に遅角していく（図９［Ａ］→［Ｂ］）。
【００４８】
そして、ステップ１１２で前記目標遅角点火時期に達したと判定されたときに、ステップ１１３へ進んで、燃焼を均質燃焼から成層ストイキ燃焼に切り換える。具体的には、燃料噴射弁５から燃料噴射を吸気行程噴射から吸気行程噴射及び圧縮行程噴射（分割噴射）に切り換えて、成層ストイキ燃焼に切り換える。さらに、前記燃焼切換と同時に前記遅角補正開始からの総遅角補正量分を０として、点火時期を前記遅角補正開始前のＭＢＴに戻す（図９［Ｂ］→［Ｃ］）。即ち、前記総遅角補正量分を一気に進角方向に補正することにより、燃焼切換時のトルク段差（図９のａ）の発生を解消する。これにより、安定した運転性を確保できる。
【００４９】
ステップ１１４では、該切換後の成層ストイキ燃焼における最適な目標点火時期まで徐々に遅角する制御を行なう。なお、前記成層ストイキ燃焼での目標点火時期は、例えば、機関安定限界（運転性）内で最大限遅角させるようになっており、これにより、最大限排気温度を上昇させることができる（図９［Ｃ］→［Ｄ］）。
【００５０】
このようにすれば、始動用の均質燃焼から排気温度上昇用の成層ストイキ燃焼への切換過渡時のトルク段差を解消しながら、切換後は成層ストイキ燃焼による触媒活性化促進を最大限促進することができる。
図１０は、上記成層ストイキ燃焼とそれ以外の燃焼時との最終的な目標点火時期を切り換え設定するルーチンのフローチャートを示す。
【００５１】
ステップ５１では、成層ストイキ燃焼中であるか否かを判断する。当該判断は、図２のフローチャートにおけるステップ６で成層ストイキ燃焼への移行が許可されたことなど（例えば成層ストイキ燃焼移行許可フラグのセット状態など）に基づいて判断することができる。
ＹＥＳであればステップ５２へ進み、ＮＯであればステップ５３へ進む。
【００５２】
ステップ５２では、ステップ５２中に示すような点火時期リタード設定用マップを参照して、点火時期を設定する。なお、点火時期リタード設定用マップ中の↓印の位置が、成層ストイキ燃焼中における点火時期の設定時期を示している。即ち、本実施形態においては、成層ストイキ燃焼中は、点火時期をＭＢＴ（燃費最良点）に制御せず、機関安定限界（運転性）内で最大限遅角（リタード）させるようになっている。
【００５３】
一方、ステップ５３では、ステップ５３中に示すような従来点火時期設定用マップを参照して、点火時期を設定する。即ち、成層ストイキ燃焼中でなく、従来の燃焼形態であるので、所定の燃費（或いは機関安定性）を達成できるように、点火時期を従来の燃焼形態に応じたＭＢＴに制御する。
ところで、成層ストイキ燃焼によれば、点火時期をＭＢＴとしても、従来の燃焼形態のＭＢＴに対して点火時期を遅角でき、かつ、機関安定性をも向上させることができるので（点火時期リータド設定用マップ参照）、機関安定性と排気温度上昇とを高レベルで両立させることができるものであるが、本実施形態のように、成層ストイキ燃焼中に、点火時期を機関安定限界（運転性）内で最大限遅角（リタード）させるようにすれば、最大限排気温度を上昇させることができることになる。
【００５４】
なお、従来の燃焼形態と同等の機関安定性を達成する程度に点火時期を遅角させても良く、この場合でも、成層ストイキ燃焼によれば、従来に対して点火時期を大幅に遅角できるから、従来に対して排気温度の上昇効果は大きなものとできる。
次に、上記のようにして切り換えられる成層ストイキ燃焼の燃焼制御について、詳細に説明する。
【００５５】
具体的には、例えば、１燃焼サイクル当た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（理論空燃比）を達成するのに必要な燃料重量｝のうち、例えば略５０％乃至略９０％の燃料重量を、吸気行程で燃焼室内に噴射供給し、燃焼室内全体にストイキよりも比較的リーン（希薄）な均質混合気を形成すると共に｛図４（Ｂ）に示す燃料噴射により形成する｝、残りの略５０％乃至略１０％の燃料重量を、圧縮行程で燃焼室内に噴射供給し、点火栓６周りにストイキよりも比較的リッチな（燃料濃度の高い）混合気を層状に形成して｛図４（Ａ）参照｝、燃焼させる（図１１参照）。
【００５６】
なお、当該成層ストイキ燃焼形態は、吸気行程中に燃焼室内に（本実施形態では吸気行程噴射により）形成されるストイキよりもリーンな混合気の空燃比を１６〜２８とし、圧縮行程中の燃料噴射により点火栓周りに形成されるストイキよりもリッチな混合気の空燃比が９〜１３となるように、吸気行程中の燃料噴射量と、圧縮行程中の燃料噴射量と、の分担率を設定するようにしても良い。
【００５７】
また、各混合気層の空燃比を上記のような範囲とすれば、燃焼室内の平均空燃比を理論空燃比から多少ずれた空燃比（例えば、１３．８〜１８の範囲）に設定することもできる（本実施形態では、理論空燃比にフィードバック制御する）。上記のような成層ストイキ燃焼によれば、従来の均質ストイキ燃焼と比較して排気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量を減少させることができる（図１２、図１３参照）。
【００５８】
即ち、成層ストイキ燃焼によれば、従来の燃焼形態｛均質燃焼だけ、成層燃焼だけ、或いは、これら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）に噴射する燃焼形態など｝で暖機を行なわせる場合に比べて、始動開始から排気浄化触媒９が活性化するまでの間における大気中へのＨＣ,ＮＯｘの排出を抑制しながら、排気浄化触媒９の早期活性化を格段に促進できることになる。
【００５９】
図３に戻って、排気温度上昇用の成層ストイキ燃焼に切り換え後、ステップ10では、ステップ５と同様の手法により、排気浄化触媒９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１１へ進む。ＮＯであれば、ステップ９へリターンして、排気浄化触媒９が活性化するまで、成層ストイキ燃焼を継続する。
【００６０】
ステップ１１では、排気浄化触媒９の活性化により、成層ストイキ燃焼から従来と同様の燃焼形態での燃焼への切り換えが許可されるが、まず、該燃焼の切り換えに応じた点火時期制御を開始する。
該点火時期制御は前記成層ストイキ燃焼への切り換え時の制御とは、全く逆に制御する。すなわち、燃焼切り換え時のトルク増大を抑制するため、燃焼切り換え時に点火時期を遅角制御するための遅角代を確保するため徐々に進角させる。
【００６１】
そして、ステップ１２で所定の進角量分進角されたかを判定し、進角されたと判定されたときは、実際に燃焼を切り換えるためステップ１３へ進む。
ステップ１３で、前記遅角量分と同一の進角量分を一気に進角させる点火時期制御と、燃圧を切り換え後の燃焼に見合った燃圧に増大する制御とを同時に行なって、ステップ１４で燃料噴射を１回で行なう（非分割燃料噴射）従来の燃焼に切り換え、その後、点火時期は切り換え後の燃焼に見合った最適点火時期（ＭＢＴ）まで徐々に進角制御される。
【００６２】
これにより、燃焼切り換え時のトルク段差を抑制しつつ十分な燃圧に増大されて燃焼を切り換えることができる。
以上の均質燃焼から成層ストイキ燃焼、成層ストイキ燃焼から均質燃焼への切換時の一連の制御時における各状態の変化の様子を図１４に示す。
ところで、前記成層ストイキ燃焼は、燃料の供給を、吸気行程噴射と、圧縮行程噴射と、で行なわせるが、具体的には、例えば、以下に説明するようにして各行程での燃料噴射量と噴射時期（噴射タイミング）が設定されるようになっている。
【００６３】
成層ストイキ燃焼を行なわない場合には、燃料噴射量は、従来同様、概略以下のようにして設定される。
エアフローメータ３からの電圧信号から求められる吸入空気流量Ｑａと、クランク角センサ１１からの信号から求められる機関回転速度Ｎｅとから基本燃料噴射パルス幅（基本燃料噴射量に相当）Ｔｐｔ＝ｃ×Ｑａ／Ｎｅ（ｃは定数）を演算すると共に、低水温時に機関安定性等のためにリッチ側に補正する水温補正係数Ｋｗや、始動及び始動後増量補正係数Ｋasや、空燃比フィードバック補正係数ＬＡＭＤ、目標空燃比補正係数Ｚ等により、有効燃料噴射パルス幅ＣＴＩ＝Ｔｐｔ×（１＋Ｋｗ＋Ｋas＋・・・）×ＬＡＭＤ×Ｚ＋Ｔｓを演算する。Ｔｓは、電圧補正分である。上記空燃比フィードバック補正係数ＬＡＭＤは、排気浄化触媒９の上流側に設けられた空燃比センサ８の空燃比検出結果に基づいて比例積分（ＰＩ）制御等により増減されるもので、これに基づきコントロールユニット５０では燃料噴射量Ｔｐｔを補正し、燃焼用混合気の空燃比を目標空燃比にフィードバック制御することができるようになっている。なお、当該空燃比フィードバック制御を行なわない場合には、該ＬＡＭＤは所定値（例えば１．０）にクランプ（固定）されるようになっている。
【００６４】
そして、成層ストイキ燃焼を行なう場合には、前記燃料噴射パルス幅ＣＴＩのうち、所定の割合分｛ＣＴＩＨ＝ＣＴＩ×Ｋｓｐ；Ｋｓｐは分担率（比）或いは分割比｝を吸気行程で噴射し、残り分｛ＣＴＩＳ＝ＣＴＩ×（１−Ｋｓｐ）｝を圧縮行程で噴射する。
なお、この分割比Ｋｓｐは固定値であっても良いが、運転状態に応じて可変設定できるようにするのが好ましい。なお、具体的には、既述したように、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（理論空燃比）を達成するのに必要な燃料重量｝のうち、例えば略５０％乃至略９０％の燃料重量を、吸気行程中の燃料噴射量とし、残りの略５０％乃至略１０％の燃料重量が圧縮行程中の燃料噴射量となるように、分割（分担）比（或いは率）Ｋｓｐを設定することが好ましい。
【００６５】
また、吸気行程中の燃料噴射量と、圧縮行程中の燃料噴射量と、の分割（分担）比（或いは率）Ｋｓｐは、吸気行程中に燃焼室内に形成されるストイキよりもリーンな混合気の空燃比を１６〜２８とし、圧縮行程中の燃料噴射により点火栓周りに形成されるストイキよりもリッチな混合気の空燃比が９〜１３となるように設定することもできる。
【００６６】
ところで、吸気行程噴射の燃料噴射時期は、図１５のタイミングチャートに示すように、機関回転速度Ｎｅと燃料噴射パルス幅ＣＴＩＨとから定まる噴射時期ＴＩＴＭＨ（図１５中のマップＡ参照）に制御されるようになっている。
そして、圧縮行程噴射の燃料噴射時期は、図１５のタイミングチャートに示すように、機関回転速度Ｎｅと燃料噴射パルス幅ＣＴＩＳとから定まる噴射時期ＴＩＴＭＳ（図１５中のマップＢ参照）に制御されるようになっている。この噴射時期ＴＩＴＭＳは、成層リーン燃焼を行う際の噴射時期よりも進角側に設定されている。
【００６７】
ここで、本実施形態に係る燃料噴射量と燃料噴射時期の制御の一例を示した図１６のフローチャートについて説明する。
ステップ３１では、例えば、上述した方法で、燃料噴射パルス幅ＣＴＩを演算する。ここで、本実施形態では既述したように成層ストイキ燃焼でも可能な限り速やかに空燃比センサ８の検出値に基づく空燃比フィードバック制御を行なう。該空燃比フィードバック制御については、後述する。
【００６８】
ステップ３２では、噴射分割比Ｋｓｐ（ｔ）を、次式に従って演算する。
例えば、Ｋｓｐ（ｔ）＝Ｋｓｐ（ｔ−１）−ｄＫｓｐ
但し、Ｋｓｐ（０）＝１、Ｋｓｐ（ｔ）≧Ｋｓｐ０、Ｋｓｐ（ｔ）は今回値、Ｋｓｐ（ｔ−１）は前回値。ｔは、所定時間毎に行なわれる本ルーチンの実行回数（１以上）である。
【００６９】
これにより、噴射分割比Ｋｓｐ（ｔ）は、成層ストイキ燃焼移行許可後に、”１”から単位時間毎（例えば１０ｍｓｅｃ毎）に、ｄＫｓｐずつＫｓｐ０まで変化されることになる。
ステップ３３では、吸気行程噴射の燃料噴射パルス幅ＣＴＩＨを、次式に従い演算する。
【００７０】
ＣＴＩＨ＝ＣＴＩ×Ｋｓｐ（ｔ）
ステップ３４では、圧縮行程噴射の燃料噴射パルス幅ＣＴＩＳを、次式に従い演算する。
ＣＴＩＳ＝ＣＴＩ×｛１−Ｋｓｐ（ｔ）｝
ステップ３５では、ステップ３３、３４で設定されたパルス幅で噴射可能か否かを判断する。即ち、低流量域では、燃料噴射弁５の噴射特性がリニアにならない領域（パルス幅と実噴射量とが一義的に定まらない領域）が存在するため、燃料噴射量制御に誤差が生じ、燃焼安定性（運転性）、排気性能、燃費性能等を悪化させる惧れがあるので、このような事態を回避するための処理ステップである。
【００７１】
具体的には、リニアな特性が良好に得られる最小噴射パルス幅ＴＩＭＩＮと、各噴射パルス幅ＣＴＩＨ、ＣＴＩＳと、を比較することでなされる。
即ち、ＣＴＩＨ≧ＴＩＭＩＮ、且つ、ＣＴＩＳ≧ＴＩＭＩＮ
であるか否かを判断する。
ＹＥＳであれば、ステップ３６へ進む。ＮＯであれば、ステップ３９へ進む。
【００７２】
ステップ３６では、ステップ３３、３４で設定されたパルス幅ＣＴＩＨ、ＣＴＩＳを、最終的なパルス幅ＣＴＩＨ、ＣＴＩＳとして決定する。
ステップ３７では、吸気行程噴射、圧縮行程噴射での各燃料噴射時期ＴＩＴＭＨ、ＴＩＴＭＳを決定する。
即ち、吸気行程噴射の燃料噴射時期ＴＩＴＭＨを、次式に従い演算する。
【００７３】
ＴＩＴＭＨ＝ｆ（ＣＴＩＨ，Ｎｅ）
圧縮行程噴射の燃料噴射時期ＴＩＴＭＳを、次式に従い演算する。
ＴＩＴＭＳ＝ｆ（ＣＴＩＳ，Ｎｅ）
なお、具体的には、図１５中に示したマップＡ，Ｂ等を検索することで決定することができる。
【００７４】
つづくステップ３８では、上記で決定された各パルス幅、各燃料噴射時期に対応した駆動パルス信号を燃料噴射弁５に送信し、吸気行程中と圧縮行程中のそれぞれにおいて、所定量に調量された燃料を、所定時期に、燃焼室内に直接噴射供給し、本フローを終了する。
なお、上記ステップ３５で、ＮＯ（ステップ３３、３４で設定されたパルス幅では噴射できない）と判断された場合は、ステップ３９へ進むことになるが、当該ステップ３９では、以下の条件を満たすか否かを判断する。
【００７５】
即ち、
ＣＴＩＨ≧ＴＩＭＩＮ、且つ、ＣＴＩＳ＜ＴＩＭＩＮ
であるか否かを判断する。
ＹＥＳであれば、ステップ４０へ進み、ＮＯであればステップ４１へ進む。
ステップ４０では、ＣＴＩＳ＜ＴＩＭＩＮであるので、良好な噴射特性を達成できないとして、ＣＴＩＳを最小噴射パルス幅（噴射量）ＴＩＭＩＮにセットして最小流量を確保する一方で、トータル燃料噴射量合わせを行なう。
【００７６】
即ち、
ＣＴＩＨ＝ＣＴＩ−ＣＴＩＳ
ＣＴＩＳ＝ＴＩＭＩＮ
なる処理を行い、各噴射パルス幅ＣＴＩＨ、ＣＴＩＳを決定する。
そして、ステップ３７、３８へ進み、各噴射時期を決定し、燃料噴射を行なわせる。
【００７７】
一方、ステップ４１では、以下の条件を満たすか否かを判断する。
即ち、
ＣＴＩＨ＜ＴＩＭＩＮ、且つ、ＣＴＩＳ≧ＴＩＭＩＮ
であるか否かを判断する。
ＹＥＳであれば、ステップ４２へ進み、ＮＯであればステップ４３へ進む。
【００７８】
ステップ４２では、ＣＴＩＨ＜ＴＩＭＩＮであるので、良好な噴射特性を達成できないとして、ＣＴＩＨを最小噴射パルス幅（噴射量）ＴＩＭＩＮにセットして最小流量を確保する一方で、トータル燃料噴射量合わせを行なう。
即ち、
ＣＴＩＨ＝ＴＩＭＩＮ
ＣＴＩＳ＝ＣＴＩ−ＣＴＩＨ
なる処理を行い、各噴射パルス幅ＣＴＩＨ、ＣＴＩＳを決定する。
【００７９】
そして、ステップ３７、３８へ進み、各噴射時期を決定し、燃料噴射を行なわせる。
なお、ステップ４３では、ＣＴＩＨ＜ＴＩＭＩＮ、且つ、ＣＴＩＳ＜ＴＩＭＩＮであると判断し、吸気行程と圧縮行程の双方で燃料噴射を行なうと、良好な噴射特性を達成できないと判断し、ステップ４４へ進み、吸気行程噴射を禁止し、圧縮行程噴射のみを行なわせる。
【００８０】
即ち、ステップ４４では、
ＣＴＩＨ＝０
ＣＴＩＳ＝ＣＴＩ
なる処理を行なう。
そして、ステップ３７、３８へ進み、吸気行程噴射に対応した噴射時期を決定し、吸気行程噴射のみで燃料噴射を行なわせる。
【００８１】
なお、点火時期については、例えば、所謂ＭＢＴ（Minimum Spark Advance of Best Torque）に制御することができるものである。
ここで、本発明にかかる構成として、成層ストイキ燃焼では燃圧を減少補正する構成としたので、吸気行程噴射及び圧縮行程噴射での燃料噴射量が共に最小燃料噴射量ＴＩＭＩＮを下回る頻度を大幅に減少させ、成層ストイキ燃焼が実行される頻度を大幅に増大することができるので、ＨＣ，ＮＯｘの発生を抑制しつつ排気浄化触媒の早期活性化を十分に促進することができる。
【００８２】
また、本実施形態では、図２のステップ６での成層ストイキ燃焼許可条件として、空燃比センサ８が活性化されたことを条件▲１▼として設定し、成層ストイキ燃焼中は必ず空燃比フィードバック制御を行なうようにしたが、成層ストイキ燃焼中に空燃比センサ８の活性を判定して空燃比フィードバック制御に移行するようにすることもできる。このようにした実施形態について、図１７のフローチャートに従って説明する。
【００８３】
ステップ６１では、成層ストイキ燃焼において、λコントロール（空燃比フィードバック制御）を許可するか否かを判断する。当該判断は、従来同様の手法を用いることができ、例えば、空燃比センサ８が活性化したか否かに基づいて判断することができる。具体的には、例えば、空燃比センサ８の出力変化の様子や、機関水温、機関始動後経過時間等に基づいて判断することが可能である。
【００８４】
ＹＥＳであればステップ６２へ進み、ＮＯであればステップ６４へ進む。
ステップ６２では、従来同様の方法で、空燃比フィードバック（Ｆ／Ｂ）制御を開始する。具体的には、例えば、排気浄化触媒９の上流側に設けられた空燃比センサ８の空燃比検出結果に基づいて、実際の空燃比とストイキ（理論空燃比）との偏差を求め、該偏差を縮小するように、比例積分（ＰＩ）制御等により空燃比フィードバック補正係数ＬＡＭＤを設定する。
【００８５】
つづくステップ６３では、ステップ６２の空燃比フィードバック制御で得られたＬＡＭＤを、燃料噴射パルス幅ＣＴＩの演算に反映させる。
その後は、前記図１６のフローチャートによって、各行程での燃料噴射パルス幅ＣＴＩＨ，ＣＴＩＳ、噴射時期ＴＩＴＭＨ，ＴＩＴＭＳを設定し、燃料噴射を行なわせる。
【００８６】
一方、ステップ６４では、λコントロールが許可されない場合であるので、第１の実施形態と同様、空燃比オープン（フィードフォワード）制御を実行するべく、空燃比フィードバック補正係数ＬＡＭＤを所定値（例えば１．０）にクランプして、燃料噴射パルス幅ＣＴＩを演算する。
その後は、図１６のフローチャートによって、各行程での燃料噴射パルス幅ＣＴＩＨ，ＣＴＩＳ、噴射時期ＴＩＴＭＨ，ＴＩＴＭＳを設定し、燃料噴射を行なわせる。
【００８７】
また、同じく図２のステップ６での成層ストイキ燃焼許可条件として、アイドル状態であることを条件▲２▼として設定したため、運転の安定性も確保されるが、アイドル以外の低回転・低負荷状態も含めた運転状態を許可条件とすることもできる。例えば、ファーストアイドル時は水温が低いため、極低回転・負荷時より燃料噴射量が大きいので、該燃料噴射量に相当するようなアクセル操作量までは、成層ストイキ燃焼を行なわせて、触媒活性化をより促進させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るシステム構成図。
【図２】同上実施形態における制御を説明するためのフローチャート（前段）。
【図３】同上実施形態における制御を説明するためのフローチャート（後段）。
【図４】（Ａ）は、直噴圧縮行程噴射を説明するための模式図。（Ｂ）は、直噴吸気行程噴射を説明するための模式図。
【図５】同上実施形態における成層ストイキ燃焼への切換時の燃圧切換制御ルーチンを示すフローチャート。
【図６】燃焼形態による適正燃圧の相違を示す図。
【図７】同上実施形態における燃圧フィードバック制御の様子を示すタイムチャート。
【図８】同上実施形態における成層ストイキ燃焼への切換時の点火時期制御ルーチンを示すフローチャート。
【図９】燃焼形態による適正点火時期の相違を示す図。
【図１０】同上実施形態における燃焼形態に応じた最終の目標点火時期の切換制御ルーチンを示すフローチャート。
【図１１】本発明にかかる成層ストイキ燃焼形態の燃焼室内における混合気の形成状態を説明するための図。
【図１２】本発明にかかる成層ストイキ燃焼による暖機特性改善効果（排気温度の変化の様子）を説明するためのタイミングチャート（その１）。
【図１３】本発明にかかる成層ストイキ燃焼による暖機特性改善効果（排気成分の変化の様子）を説明するためのタイミングチャート（その２）。
【図１４】同上実施形態における燃焼切換時の一連の制御中の各状態変化の様子を示すタイムチャート。
【図１５】同上実施形態における吸気行程噴射と圧縮行程噴射の噴射時期及び点火時期を説明するためのタイミングチャート。
【図１６】同上実施形態における吸気行程噴射と圧縮行程噴射の噴射パルス幅及び噴射時期を設定するためのフローチャート。
【図１７】本発明の第２の実施形態において行われる空燃比フィードバック制御（λコントロール）を行う場合の制御を説明するためのフローチャート。
【図１８】燃料噴射弁の噴射パルス幅と噴射量との関係を示す図。
【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燃料噴射弁
６点火栓
７排気通路
８空燃比センサ
９排気浄化触媒
10 下流側酸素センサ
11 クランク角センサ
13 スロットルセンサ
14 スロットル弁制御装置
27 高圧プレッシャレギュレータ
29 燃圧センサ
50 コントロールユニット[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a control device for a direct-injection spark ignition internal combustion engine, and more particularly to a technique for promoting the temperature raising activity of an exhaust purification catalyst while suppressing the emission of HC, NOx and the like by combustion control.
[0002]
[Prior art]
In recent years, fuel has been configured to be directly injected into the combustion chamber of an engine. For example, fuel is usually injected during the intake stroke and burned in a homogeneous mixture (a state where fuel is evenly distributed throughout the combustion chamber) (homogeneous). In a predetermined operating state (low rotation, low load state, etc.), fuel is injected during the compression stroke to form a stratified stratified mixture consisting of an flammable mixture that can be ignited around the spark plug An internal combustion engine (direct injection spark ignition type internal combustion engine) that performs combustion (stratified combustion) at an extremely lean air-fuel ratio (an air-fuel ratio in the vicinity of the lean limit) is known (Japanese Patent Laid-Open No. Sho 62-62). No. 191622, Japanese Patent Laid-Open No. 2-169834).
[0003]
In the direct-injection spark-ignition internal combustion engine, the fuel is divided into an intake stroke and a compression stroke and injected in order to promote activation of the exhaust purification catalyst at a higher temperature. (Fuel ratio) or an air-fuel ratio stratified mixture richer than stoichiometric, and an air-fuel mixture leaner than stoichiometric outside is formed and burned (see JP-A-10-212987) ).
[0004]
That is, the ignition timing can be retarded by shifting to the main combustion by the lean mixture while increasing the combustion speed by the initial combustion of the relatively rich mixture around the spark plug, and finally surplus fuel near the spark plug For example, by generating afterburn due to the above, the exhaust temperature is raised while suppressing the emission of HC, NOx, etc., and the activation of the exhaust purification catalyst is promoted. Hereinafter, the combustion of the air-fuel mixture thus formed will be described as stratified stoichiometric combustion.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the fuel injection divided into the intake stroke and the compression stroke as described above, each divided fuel injection period (injection pulse width) becomes short, but the fuel injection valve has a short injection pulse width. There is a problem that the linearity of the fuel injection amount with respect to the injection pulse width decreases in the flow rate region, the fuel injection amount as required cannot be obtained, and stable combustibility cannot be ensured (see FIG. 18).
[0006]
For this reason, in the conventional example, the condition for performing the stratified stoichiometric combustion by the divided fuel injection has been dealt with by setting it to a lower limit value or more that can ensure the linearity of the injection pulse width.
However, although there is a demand to perform the stratified stoichiometric combustion only in the fast idle region where emission reduction and early activation of the exhaust purification catalyst are originally required, the fast idle region is a region where the engine speed and load are low. Therefore, when the fuel injection amount is small and split injection is performed, the linearity of the injection pulse width cannot be ensured and it is substantially difficult to perform stratified stoichiometric combustion. For this reason, it has been impeded to reduce HC, NOx, and the like due to stratified stoichiometric combustion from the start and to shorten the early activation time of the catalyst.
[0007]
The present invention has been made paying attention to such a conventional problem, and can sufficiently perform the stratified stoichiometric combustion to sufficiently suppress the emission of HC, NOx, etc., and sufficiently activate the exhaust purification catalyst. It is an object of the present invention to provide a control device for a direct-injection spark-ignition internal combustion engine that can be applied to the above.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
For this reason, the invention according to claim 1
A fuel injection valve that directly injects fuel into the combustion chamber of the engine ;
When the temperature of the exhaust purification catalyst disposed in the exhaust passage of the engine is required to be increased and the engine is in a low rotation / low load state, fuel injection is performed by dividing the fuel injection valve into an intake stroke and a compression stroke. The air-fuel ratio is stoichiometric or richer than stoichiometric around the spark plug, the air-fuel ratio is leaner than stoichiometric outside, and the fuel is supplied to the fuel injection valve. A control device for a direct-injection spark-ignition internal combustion engine that corrects pressure to decrease ,
When switching from non-split fuel injection to split fuel injection,
After the split fuel injection is permitted, the fuel supply pressure is decreased to a low pressure value commensurate with the split fuel injection, the ignition timing is gradually retarded by a predetermined delay amount, and then the switching to the split fuel injection is performed. At the same time, a predetermined amount is advanced to suppress a torque step, and thereafter control is performed so as to gradually retard the ignition timing according to combustion by split fuel injection .
[0009]
According to the invention of claim 1,
When the temperature of the exhaust purification catalyst is required and the engine is in a low rotation / low load state, the fuel injection in the compression stroke forms a stoichiometric or rich stratified mixture around the spark plug, outside of it As a result of the fuel injection in the intake stroke, an air-fuel mixture that is leaner than the stoichiometric mixture is formed, and the incompletely combusted product (CO) generated by the main combustion of the stratified air-fuel mixture is recombusted together with the lean air-fuel mixture on the outside. Since the flame is propagated well to every corner of the combustion chamber, HC, NOx and the like can be reduced and the exhaust temperature rises to activate the exhaust purification catalyst.
[0010]
When performing the combustion (stratified stoichiometric combustion), it is possible to increase the injection pulse width in each divided fuel injection by reducing and correcting the fuel supply pressure (hereinafter referred to as fuel pressure) to the fuel injection valve. Since the injection amount linearity with respect to the injection pulse width can be ensured and good injection amount control can be performed, the frequency at which the stratified stoichiometric combustion can be executed can be increased, and HC, NOx and the like can be reduced by the stratified stoichiometric combustion and the exhaust purification catalyst Can be sufficiently promoted.
[0013]
Then, waiting for the fuel pressure to decrease to a low pressure value commensurate with split fuel injection, ensuring good injection quantity accuracy, and then performing split fuel injection to perform stratified stoichiometric combustion, ensuring stable combustibility be able to. However, the injection amount accuracy is ensured by waiting for the fuel pressure to decrease, but the required ignition timing before and after switching differs depending on the switching of combustion by switching from non-split fuel injection to split fuel injection. There is a demand to stabilize the drivability.
[0014]
Therefore, by performing the ignition timing control according to the switching of the combustion and switching to the divided fuel injection and switching the combustion, the required performance at the switching transition time and after the switching can be satisfied .
[0015]
Specifically, combustion before and after stratified stoichiometric combustion by split fuel injection is generally homogeneous combustion by fuel injection in the intake stroke, and when switching from homogeneous combustion to stratified stoichiometric combustion with low thermal efficiency, the ignition timing is changed. After gradually retarding to secure a sufficient advance angle, the ignition timing is advanced at once at the same time as switching of combustion. Thereby, the torque fall at the time of combustion switching is suppressed.
[0016]
Moreover, after suppressing the torque step at the time of the combustion switching, the ignition timing is retarded in the stratified stoichiometric combustion by the divided fuel injection, so that the exhaust gas temperature raising effect can be enhanced and the catalyst activation can be further promoted .
The invention according to claim 2
A fuel injection valve that directly injects fuel into the combustion chamber of the engine;
When the temperature of the exhaust purification catalyst disposed in the exhaust passage of the engine is required to be increased and the engine is in a low rotation / low load state, fuel injection is performed by dividing the fuel injection valve into an intake stroke and a compression stroke. The air-fuel ratio is stoichiometric or richer than stoichiometric around the spark plug, the air-fuel ratio is leaner than stoichiometric outside, and the fuel is supplied to the fuel injection valve. A control device for a direct-injection spark-ignition internal combustion engine that corrects pressure to decrease,
When switching from split fuel injection to non-split fuel injection,
After the split fuel injection is not permitted, the ignition timing is gradually advanced by a predetermined amount, and simultaneously with switching to non-split fuel injection, it is retarded by a predetermined amount to suppress the torque step, and then the non-split fuel Control is performed such that the fuel supply pressure is increased to the high pressure value while gradually advancing to an ignition timing corresponding to combustion by injection .
[0017]
According to the invention of claim 2 ,
When the split fuel injection is finished and the non-split fuel injection is performed, the fuel pressure is increased to the high pressure value and returned. Thereby, since the fuel injection amount per unit injection pulse width of the fuel injection valve can be increased, the fuel injection amount in the high rotation / high load state can be ensured .
[0018]
Here, as described above , the required ignition timing before and after switching differs depending on whether the fuel injection is divided or not divided, and there is a need to stabilize the operability during the switching transition. Further, at the time of combustion by split fuel injection, the fuel pressure needs to be maintained at a low pressure in order to ensure good combustion.
[0019]
Therefore, while performing ignition timing control according to the switching of combustion by switching from split fuel injection to non-split fuel injection, the fuel pressure is increased and at the same time, switching to non-split fuel injection and switching combustion is performed, so that the switching transient and switching The subsequent drivability can be maintained well .
[0020]
Specifically, when switching from stratified stoichiometric combustion to homogeneous combustion by non-split fuel injection, after gradually igniting the ignition timing to ensure a sufficient retard angle, simultaneously with switching of combustion, the ignition timing is changed at once. Retard. Thereby, the torque increase at the time of combustion switching is suppressed.
[0021]
Moreover, after suppressing the torque step at the time of the combustion switching, the fuel consumption and the like can be favorably maintained by gradually advancing to the ignition timing (usually MBT) suitable for homogeneous combustion .
The invention according to claim 3 is characterized in that the split fuel injection is executed on condition that the fuel is in an idle state.
According to the third aspect of the present invention, by performing the stratified stoichiometric combustion by performing the fuel injection divided under the condition of the idle state, both the drivability and the activation promotion of the exhaust purification catalyst can be achieved. However, if more importance is given to promoting activation of the exhaust purification catalyst, stratified stoichiometric combustion may be performed by performing split fuel injection even in a low load / low rotation state other than the idle state.
According to a fourth aspect of the present invention, a sensor for detecting an air-fuel ratio is provided, and the activity of the sensor is set as one of the permission conditions for the split fuel injection. Based on the above, the fuel injection amount is feedback-controlled so that the mixture in the entire combustion chamber becomes stoichiometric.
[0022]
According to the invention of claim 4 ,
Accurate stoichiometric control can be performed during stratified stoichiometric combustion, and the temperature raising efficiency of the exhaust purification catalyst can be optimized. Further, since a certain degree of purification function is exhibited before the catalyst is completely activated, exhaust purification by the catalyst can be enhanced by performing stoichiometric control with high accuracy.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
In FIG. 1 showing a system configuration of an embodiment of the present invention, an intake passage 2 of an engine 1 is provided with an air flow meter 3 for detecting an intake air flow rate Qa and a throttle valve 4 for controlling the intake air flow rate Qa. A fuel injection valve 5 is provided facing the combustion chamber.
[0024]
The fuel in the fuel tank 21 is sucked by the electric low-pressure fuel pump 22, and the low-pressure fuel discharged from the low-pressure fuel pump 22 is supplied to the high-pressure fuel pump 24 driven by the engine through the fuel filter 23. .
The fuel supply pressure to the high-pressure fuel pump 24 by the low-pressure fuel pump 22 is adjusted to a predetermined low pressure by a low-pressure pressure regulator 26 interposed in a return passage 25 returning from the upstream side of the high-pressure fuel pump 24 to the fuel tank 21. The
[0025]
The low pressure regulator 26 adjusts the fuel pressure to a predetermined low pressure by opening the return passage 25 and returning the fuel to the fuel tank 21 when the fuel pressure is higher than a target low pressure.
On the other hand, the fuel pressure discharged from the high-pressure fuel pump 24 and supplied to the fuel injection valve 5 is adjusted to a predetermined high pressure by the high-pressure pressure regulator 27.
[0026]
The high pressure regulator 27 continuously changes the opening area of the passage 28 for returning the fuel on the downstream side of the high pressure fuel pump 24 to the low pressure side in response to a control signal from the control unit 50 described later. The control unit 50 outputs the control signal to the high pressure regulator 27 so that the fuel pressure detected by the fuel pressure sensor 29 (fuel supply pressure to the fuel injection valve 5) becomes a target high pressure.
[0027]
The fuel injection valve 5 is driven to open by a drive pulse signal set in the control unit 50 so that the fuel controlled to a predetermined pressure by the high-pressure pressure regulator 27 can be directly injected into the combustion chamber. It has become.
An ignition plug (ignition plug) 6 that is mounted facing the combustion chamber and ignites the intake air mixture based on an ignition signal from the control unit 50 is provided in each cylinder.
[0028]
On the other hand, in the exhaust passage 7, an air-fuel ratio sensor 8 (an oxygen sensor that performs rich / lean output) detects the air-fuel ratio of the exhaust gas mixture by detecting the concentration of a specific component (for example, oxygen) in the exhaust gas. Or a wide area air-fuel ratio sensor that linearly detects the air-fuel ratio over a wide area), and an exhaust purification catalyst 9 for purifying exhaust gas is provided downstream thereof. Has been. As the exhaust purification catalyst 9, the exhaust gas is oxidized by oxidizing CO and HC and reducing NOx in the exhaust in the vicinity of the theoretical air-fuel ratio {λ = 1, A / F (air weight / fuel weight) · 14.7}. A three-way catalyst that can purify exhaust gas, an oxidation catalyst that oxidizes CO and HC in exhaust gas, or a three-way function in the vicinity of the theoretical air-fuel ratio, traps NOx in exhaust gas at a lean air-fuel ratio, and Alternatively, a NOx trap catalyst that reduces and releases NOx trapped when the air-fuel ratio becomes rich can be used.
[0029]
Further, a downstream oxygen sensor 10 that detects the concentration of a specific component (for example, oxygen) in the exhaust and outputs a rich lean gas is provided on the exhaust downstream side of the exhaust purification catalyst 9.
Here, in order to suppress a control error associated with deterioration of the air-fuel ratio sensor 8 or the like by correcting the air-fuel ratio feedback control based on the detection value of the air-fuel ratio sensor 8 based on the detection value of the downstream oxygen sensor 10. Although the downstream oxygen sensor 10 is provided (for the so-called double air-fuel ratio sensor system), it is necessary to perform the air-fuel ratio feedback control based on the detected value of the air-fuel ratio sensor 8. The downstream oxygen sensor 10 can be omitted.
[0030]
By the way, the air-fuel ratio sensor 8 is provided on the exhaust upstream side of the exhaust purification catalyst 9 and has a small heat capacity. Therefore, the activation rate is extremely fast compared to the exhaust purification catalyst 9. Further, since the air-fuel ratio sensor 8 can be forcibly heated (activated) by an electric heater or the like, the detection of the air-fuel ratio sensor 8 during stratified stoichiometric combustion (during the warm-up process of the exhaust purification catalyst 9). It is possible to perform air-fuel ratio feedback control based on the result.
[0031]
Therefore, in the present embodiment, the air-fuel ratio sensor 8 is activated immediately after starting, and based on the detected value of the air-fuel ratio sensor 8 so that the air-fuel ratio of the entire combustion chamber becomes stoichiometric during stratified stoichiometric combustion described later. Feedback control.
In the present embodiment, the crank angle sensor 11 is provided, and the control unit 50 counts a crank unit angle signal output from the crank angle sensor 11 in synchronization with the engine rotation for a predetermined time, or The engine rotational speed Ne can be detected by measuring the cycle of the crank reference angle signal.
[0032]
A water temperature sensor 12 that is provided facing the cooling jacket of the engine 1 and detects the cooling water temperature Tw in the cooling jacket is provided.
Further, a throttle sensor 13 (which can also function as an idle switch) for detecting the opening degree of the throttle valve 4 is provided.
By the way, in this embodiment, the throttle valve control apparatus 14 which can control the opening degree of the said throttle valve 4 with actuators, such as a DC motor, is provided.
[0033]
The throttle valve control device 14 electronically controls the opening degree of the throttle valve 4 based on the drive signal from the control unit 50 so that the required torque calculated based on the driver's accelerator pedal operation amount and the like can be achieved. Can be configured.
Detection signals from the various sensors are input to a control unit 50 including a microcomputer including a CPU, a ROM, a RAM, an A / D converter, an input / output interface, and the like. The opening of the throttle valve 4 is controlled via the throttle valve control device 14 in accordance with the operating state detected based on the signals from the sensors, and the fuel injection valve 5 is driven to drive the fuel injection amount (fuel The amount of supply) is controlled, the ignition timing is set, and the ignition plug 6 is ignited at the ignition timing.
[0034]
Note that, for example, stratified combustion can be performed by injecting fuel into the combustion chamber in a compression stroke in a predetermined operation state (low / medium load region, etc.) and forming a combustible air-fuel mixture in the vicinity of the spark plug 6 in the combustion chamber. On the other hand, in other operating conditions (high load region, etc.), fuel can be injected into the combustion chamber during the intake stroke, so that an air-fuel mixture with a substantially uniform mixing ratio can be formed in the entire cylinder so that homogeneous combustion can be performed. The fuel injection timing (injection timing) can also be changed according to the operating state.
[0035]
By the way, in the control unit 50 according to the present embodiment, the exhaust purification catalyst 9 can be activated early while suppressing the discharge of HC into the atmosphere from the start to the activation of the exhaust purification catalyst 9. In order to achieve this, input signals from various sensors such as the key switch 16 are received and, for example, the following control is performed.
[0036]
Specifically, for example, flowcharts as shown in FIGS. 2 and 3 are executed.
In step (denoted as S in the figure, the same applies hereinafter) 1, whether or not the ignition signal of the key switch 16 is turned ON (whether the key position is set to the ignition ON position) is determined by a method similar to the prior art. To do. If YES, the process proceeds to Step 2, and if NO, this flow ends.
[0037]
In step 2, it is determined whether or not the start signal of the key switch 16 is turned ON (whether or not the key position is set to the start position) by a method similar to the conventional technique. That is, it is determined whether or not there is a cranking request by a starter motor (not shown).
If YES, it is determined that there is a start cranking request, and the process proceeds to step 3. If NO, it is determined that there is no cranking request yet, and the process returns to step 1.
[0038]
In step 3, the starter motor is started and the engine 1 is cranked as in the prior art.
In step 4, as in the prior art, fuel injection for start-up {direct fuel injection in the intake stroke, see FIG. 4B} is performed, and the engine 1 is operated (direct injection homogeneous combustion).
[0039]
In the next step 5, it is determined whether or not the exhaust purification catalyst 9 is not activated. The determination can be made by detecting the temperature of the catalyst 9 by providing a sensor, or by estimating the temperature of the catalyst 9 from the operation history of the engine.
If the catalyst is not activated (if YES), go to step 6.
On the other hand, if the catalyst is activated (if NO), it is determined that there is no need for control for promoting catalyst activation, and the process proceeds to step 15 to improve fuel efficiency and the like according to the driving state. Combustion is performed in a combustion mode, ignition timing control and fuel pressure control corresponding to the combustion are performed, and this flow ends.
[0040]
In step 6, it is determined whether or not the stratified stoichiometric combustion permission condition is satisfied. Specifically, stratified stoichiometric combustion is permitted when the following conditions (1) and (2) are both satisfied.
{Circle around (1)} The air-fuel ratio sensor 8 is activated (it may be replaced when a predetermined time has passed since the complete explosion).
[0041]
(2) The idle switch is ON.
If it is determined that the conditions for permitting stratified stoichiometric combustion are satisfied, even if stratified stoichiometric combustion for promoting catalyst activation, which will be described later, is performed, good ignitability, combustibility, and engine stability are achieved. If (engine driveability) is obtained, the process proceeds to step 7.
[0042]
On the other hand, in the case of NO, if the stratified stoichiometric combustion for promoting the catalyst activation described later is performed, the combustion stability and the engine stability (engine operability) may be lowered. Return to step 4 in order to prohibit the transition to stoichiometric combustion and continue the direct fuel injection (direct injection homogeneous combustion) in the intake stroke.
In step 7, prior to switching to actual stratified stoichiometric combustion, control is performed to switch the fuel pressure to the fuel pressure required to perform stratified stoichiometric combustion. That is, in stratified stoichiometric combustion, fuel injection is performed by being divided into an intake stroke and a compression stroke, so that injection is performed once so that the pulse width of each injection is greater than or equal to the amount that can ensure linearity with respect to the fuel injection amount. Switching control is performed so that the fuel pressure is reduced as compared with the case.
[0043]
A detailed routine of the fuel pressure switching control will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
In step 101, a target fuel pressure for stratified stoichiometric combustion is calculated. As shown in FIG. 6, at the time of stratified stoichiometric combustion in which split fuel injection is performed, it is difficult to ensure the linearity of the injection amount with respect to each divided injection pulse width at the fuel pressure equivalent to that in conventional combustion by non-split fuel injection, Fuel pressure cannot be shared. Therefore, the target fuel pressure is set so as to be corrected to be lower than the fuel pressure in the conventional combustion. Thereby, since each divided injection pulse width can be increased, linearity of the injection amount with respect to the injection pulse width can be ensured, and good stratified stoichiometric combustion can be performed. Note that, as shown in FIG. 6, the injection possible period is shortened in accordance with the increase in the engine rotational speed, so the target fuel pressure may be set variably based on the engine rotational speed.
[0044]
In step 102, control for reducing and correcting the target fuel pressure for stratified stoichiometric combustion is executed. Specifically, the set fuel pressure is corrected to decrease by increasing the return flow rate to the return passage of the high-pressure pressure regulator 27 (increasing the valve opening duty), and feedback is performed so that the detected value of the fuel pressure sensor 29 becomes the target fuel pressure. Control. In detail, as shown in FIG. 7, a dead zone fuel pressure having a predetermined width before and after the target fuel pressure is set, and when the actual fuel pressure (detected value) enters the dead zone, feedback control is performed. Stop and resume feedback control when the upper and lower limits having a width greater than the dead zone are exceeded. In this way, by providing the dead zone and the hysteresis at the time of restart, it is possible to prevent the hunting of the control and stabilize the fuel pressure.
[0045]
In step 103, it is determined whether or not the correction update in the feedback control has disappeared, and when it has been determined that convergence has been completed, in step 104, a lapse of a predetermined delay time is awaited, and stratified stoichiometric combustion is executed in step 105. It is judged that the fuel pressure has been switched to.
Returning to FIG. 2, after determining that the fuel pressure has been switched to the fuel pressure for stratified stoichiometric combustion as described above, in step 8, stratified while performing ignition timing control according to switching from the homogeneous combustion to the stratified stoichiometric combustion. Switch to stoichiometric combustion. In step 9, stratified stoichiometric combustion is executed.
[0046]
FIG. 8 is a subroutine showing the control at the time of switching from the homogeneous combustion to the stratified stoichiometric combustion.
When switching from homogeneous combustion to stratified stoichiometric combustion, it is necessary to compensate for an increase in torque in order to eliminate the torque drop when switching to stratified stoichiometric combustion with low thermal efficiency. Since it is controlled to MBT (maximum torque generation ignition timing) so that fuel consumption (or engine stability) can be achieved, there is no ignition timing advance correction allowance for correcting torque increase.
[0047]
Therefore, first, in step 111, correction is performed to gradually retard the ignition timing until an advance angle that can correct torque increase at the time of combustion switching is secured. More specifically, based on the engine speed and load (basic fuel injection amount Tp, etc.), the target retard ignition timing that can secure the advance angle correction allowance is calculated by searching the map, and the target retard ignition The timing is gradually retarded at a predetermined retardation rate until the time comes (FIG. 9 [A] → [B]).
[0048]
When it is determined in step 112 that the target retarded ignition timing has been reached, the routine proceeds to step 113 where the combustion is switched from homogeneous combustion to stratified stoichiometric combustion. Specifically, the fuel injection from the fuel injection valve 5 is switched from intake stroke injection to intake stroke injection and compression stroke injection (split injection) to switch to stratified stoichiometric combustion. Further, the ignition timing is returned to the MBT before the start of the retard correction (FIG. 9 [B] → [C]) by setting the total retard correction amount from the start of the retard correction to 0 simultaneously with the combustion switching. That is, by correcting the total retardation correction amount in the advance direction at once, occurrence of a torque step (a in FIG. 9) at the time of combustion switching is eliminated. Thereby, stable drivability can be ensured.
[0049]
In step 114, control is performed to gradually retard the optimum target ignition timing in the stratified stoichiometric combustion after switching. Note that the target ignition timing in the stratified stoichiometric combustion is, for example, retarded to the maximum within the engine stability limit (operability), whereby the exhaust gas temperature can be raised to the maximum (see FIG. 9 [C] → [D]).
[0050]
In this way, the acceleration of catalyst activation by stratified stoichiometric combustion is maximized after switching while eliminating the torque step during switching transition from homogeneous combustion for starting to stratified stoichiometric combustion for increasing exhaust temperature. Can do.
FIG. 10 shows a flowchart of a routine for switching and setting the final target ignition timing between the stratified stoichiometric combustion and other combustion.
[0051]
In step 51, it is determined whether or not stratified stoichiometric combustion is being performed. This determination can be made based on the fact that the transition to the stratified stoichiometric combustion is permitted in step 6 in the flowchart of FIG. 2 (for example, the set state of the stratified stoichiometric combustion permission flag).
If yes, then continue with step 52, otherwise continue with step 53.
[0052]
In step 52, the ignition timing is set with reference to the ignition timing retard setting map as shown in step 52. Note that the position of the ↓ mark in the ignition timing retard setting map indicates the ignition timing setting timing during stratified stoichiometric combustion. That is, in the present embodiment, during the stratified stoichiometric combustion, the ignition timing is not controlled to the MBT (best fuel consumption point), but is retarded to the maximum within the engine stability limit (operability). .
[0053]
On the other hand, in step 53, the ignition timing is set with reference to the conventional ignition timing setting map as shown in step 53. That is, since the conventional combustion mode is not under stratified stoichiometric combustion, the ignition timing is controlled to MBT corresponding to the conventional combustion mode so that a predetermined fuel consumption (or engine stability) can be achieved.
By the way, according to the stratified stoichiometric combustion, even if the ignition timing is MBT, the ignition timing can be retarded with respect to the conventional combustion mode MBT, and the engine stability can be improved (ignition timing retard setting). The engine stability and the exhaust gas temperature rise can be achieved at a high level. However, as in this embodiment, during the stratified stoichiometric combustion, the ignition timing is limited to the engine stability limit (operability). If the maximum retardation (retard) is made, the exhaust temperature can be raised to the maximum.
[0054]
It should be noted that the ignition timing may be retarded to such an extent that the engine stability equivalent to that of the conventional combustion mode is achieved. Even in this case, the ignition timing can be significantly retarded with respect to the conventional case by stratified stoichiometric combustion. Therefore, the effect of increasing the exhaust temperature can be greater than that of the conventional one.
Next, combustion control of stratified stoichiometric combustion that is switched as described above will be described in detail.
[0055]
Specifically, for example, about 50 of the total fuel amount {fuel weight necessary to achieve a substantially stoichiometric (theoretical air-fuel ratio)} that can be almost completely burned with the amount of intake air per combustion cycle, for example, about 50 % To approximately 90% of the fuel weight is injected and supplied into the combustion chamber in the intake stroke to form a homogeneous mixture that is relatively leaner than the stoichiometric air in the entire combustion chamber {the fuel shown in FIG. 4 (B) The remaining fuel weight of about 50% to about 10% is injected and supplied into the combustion chamber in the compression stroke, and the air-fuel mixture is relatively richer (higher fuel concentration) than the stoichiometry around the spark plug 6. Are formed in layers {see FIG. 4 (A)} and burned (see FIG. 11).
[0056]
The stratified stoichiometric combustion mode is such that the air-fuel ratio of the air-fuel mixture leaner than the stoichiometric air-fuel ratio formed in the combustion chamber during the intake stroke (by the intake stroke injection in this embodiment) is 16 to 28, and the fuel during the compression stroke The share ratio between the fuel injection amount during the intake stroke and the fuel injection amount during the compression stroke is set so that the air-fuel ratio of the air-fuel mixture richer than the stoichiometry formed around the spark plug by injection becomes 9-13. You may make it set.
[0057]
Further, if the air-fuel ratio of each air-fuel mixture is in the above range, the average air-fuel ratio in the combustion chamber is set to an air-fuel ratio (for example, a range of 13.8 to 18) slightly deviated from the stoichiometric air-fuel ratio. (In this embodiment, feedback control is performed to the stoichiometric air-fuel ratio). According to the stratified stoichiometric combustion as described above, it is possible not only to raise the exhaust temperature as compared with the conventional homogeneous stoichiometric combustion, but also to reduce the amount of unburned HC discharged from the combustion chamber to the exhaust passage. (See FIGS. 12 and 13).
[0058]
That is, according to the stratified stoichiometric combustion, the conventional combustion mode {combustion mode in which only homogeneous combustion, only stratified combustion, or additional fuel is injected after the later stage of combustion (after the expansion stroke or during the exhaust stroke)} Compared with the case where the engine is warmed up, the exhaust purification catalyst 9 is significantly activated early while suppressing the emission of HC and NOx into the atmosphere from the start of the start until the exhaust purification catalyst 9 is activated. Can be promoted to.
[0059]
Returning to FIG. 3, after switching to stratified stoichiometric combustion for increasing the exhaust gas temperature, in step 10, it is determined whether or not the exhaust purification catalyst 9 is activated (whether the warm-up is completed) by the same method as in step 5. . If yes, go to step 11. If NO, the routine returns to step 9 where stratified stoichiometric combustion is continued until the exhaust purification catalyst 9 is activated.
[0060]
In step 11, the activation of the exhaust purification catalyst 9 permits switching from stratified stoichiometric combustion to combustion in the same combustion mode as before, but first, ignition timing control corresponding to the switching of combustion is started. .
The ignition timing control is completely opposite to the control at the time of switching to the stratified stoichiometric combustion. That is, in order to suppress an increase in torque at the time of combustion switching, the angle is gradually advanced in order to ensure a retard angle margin for retarding the ignition timing at the time of combustion switching.
[0061]
Then, in step 12, it is determined whether or not it has been advanced by a predetermined advance amount. If it is determined that the advance has been made, the process proceeds to step 13 in order to actually switch the combustion.
At step 13, the ignition timing control for advancing the same advance amount as the retard amount at once and the control for increasing the fuel pressure to the fuel pressure corresponding to the combustion after switching are performed at the same time. Switching to conventional combustion in which injection is performed once (non-split fuel injection) is performed, and thereafter the ignition timing is gradually advanced to an optimum ignition timing (MBT) commensurate with the switched combustion.
[0062]
Thereby, it is increased to a sufficient fuel pressure while suppressing the torque step at the time of switching the combustion, and the combustion can be switched.
FIG. 14 shows how each state changes during a series of control operations when switching from homogeneous combustion to stratified stoichiometric combustion and from stratified stoichiometric combustion to homogeneous combustion.
By the way, the stratified stoichiometric combustion allows fuel to be supplied by intake stroke injection and compression stroke injection. Specifically, for example, as described below, the fuel injection amount in each stroke An injection timing (injection timing) is set.
[0063]
When stratified stoichiometric combustion is not performed, the fuel injection amount is set as follows, as in the prior art.
From the intake air flow rate Qa obtained from the voltage signal from the air flow meter 3 and the engine speed Ne obtained from the signal from the crank angle sensor 11, the basic fuel injection pulse width (corresponding to the basic fuel injection amount) Tpt = c × Qa / Ne (c is a constant), and a water temperature correction coefficient Kw for correcting to a rich side for engine stability at a low water temperature, an increase correction coefficient Kas after starting and starting, an air-fuel ratio feedback correction coefficient LAMD, The effective fuel injection pulse width CTI = Tpt × (1 + Kw + Kas +...) × LAMD × Z + Ts is calculated based on the target air-fuel ratio correction coefficient Z and the like. Ts is a voltage correction amount. The air-fuel ratio feedback correction coefficient LAMD is increased or decreased by proportional integral (PI) control or the like based on the air-fuel ratio detection result of the air-fuel ratio sensor 8 provided upstream of the exhaust purification catalyst 9, and is controlled based on this. In the unit 50, the fuel injection amount Tpt is corrected, and the air-fuel ratio of the combustion air-fuel mixture can be feedback controlled to the target air-fuel ratio. When the air-fuel ratio feedback control is not performed, the LAMD is clamped (fixed) to a predetermined value (for example, 1.0).
[0064]
When stratified stoichiometric combustion is performed, a predetermined ratio {CTIH = CTI × Ksp; Ksp is a sharing ratio (ratio) or division ratio} of the fuel injection pulse width CTI is injected in the intake stroke, and the rest The minute {CTIS = CTI × (1-Ksp)} is injected in the compression stroke.
The division ratio Ksp may be a fixed value, but it is preferable that the division ratio Ksp can be variably set according to the operating state. Specifically, as described above, for example, about the total fuel amount {fuel weight necessary to achieve a substantially stoichiometric (theoretical air-fuel ratio)} that can be almost completely burned with the intake air amount, for example, approximately The split (sharing) ratio is such that the fuel weight of 50% to approximately 90% is the fuel injection amount during the intake stroke, and the remaining fuel weight of approximately 50% to approximately 10% is the fuel injection amount during the compression stroke. It is preferable to set (or rate) Ksp.
[0065]
Further, the split (sharing) ratio (or rate) Ksp between the fuel injection amount during the intake stroke and the fuel injection amount during the compression stroke is an air-fuel mixture that is leaner than the stoichiometry formed in the combustion chamber during the intake stroke. It is also possible to set the air-fuel ratio of the air-fuel ratio to 16 to 28, and to set the air-fuel ratio of the air-fuel mixture richer than the stoichiometry formed around the spark plug by fuel injection during the compression stroke to 9 to 13.
[0066]
By the way, the fuel injection timing of the intake stroke injection is controlled to the injection timing TITMH (see map A in FIG. 15) determined from the engine speed Ne and the fuel injection pulse width CTIH, as shown in the timing chart of FIG. It is like that.
Then, as shown in the timing chart of FIG. 15, the fuel injection timing of the compression stroke injection is controlled to an injection timing TITMS (see map B in FIG. 15) determined from the engine speed Ne and the fuel injection pulse width CTIS. It is like that. This injection timing TITMS is set to an advance side with respect to the injection timing when stratified lean combustion is performed.
[0067]
Here, the flowchart of FIG. 16 showing an example of the control of the fuel injection amount and the fuel injection timing according to the present embodiment will be described.
In step 31, for example, the fuel injection pulse width CTI is calculated by the method described above. Here, in the present embodiment, as already described, air-fuel ratio feedback control based on the detected value of the air-fuel ratio sensor 8 is performed as quickly as possible even in stratified stoichiometric combustion. The air-fuel ratio feedback control will be described later.
[0068]
In step 32, the injection division ratio Ksp (t) is calculated according to the following equation.
For example, Ksp (t) = Ksp (t−1) −dKsp
However, Ksp (0) = 1, Ksp (t) ≧ Ksp0, Ksp (t) is the current value, and Ksp (t−1) is the previous value. t is the number of executions (1 or more) of this routine performed every predetermined time.
[0069]
As a result, the injection split ratio Ksp (t) is changed from “1” to Ksp0 by dKsp every unit time (for example, every 10 msec) after allowing the stratified stoichiometric combustion transition.
In step 33, the fuel injection pulse width CTIH of the intake stroke injection is calculated according to the following equation.
[0070]
CTIH = CTI × Ksp (t)
In step 34, the fuel injection pulse width CTIS of the compression stroke injection is calculated according to the following equation.
CTIs = CTI × {1−Ksp (t)}
In step 35, it is determined whether or not injection is possible with the pulse width set in steps 33 and 34. That is, in the low flow rate region, there is a region where the injection characteristic of the fuel injection valve 5 is not linear (a region where the pulse width and the actual injection amount are not uniquely determined), so an error occurs in the fuel injection amount control and combustion occurs. This is a processing step for avoiding such a situation because there is a possibility of deteriorating stability (driving performance), exhaust performance, fuel consumption performance, and the like.
[0071]
Specifically, this is done by comparing the minimum injection pulse width TIMIN with which a good linear characteristic can be obtained, and the respective injection pulse widths CTIH and CTIS.
That is, CTIH ≧ TIMIN and CTIS ≧ TIMIN
It is determined whether or not.
If yes, go to step 36. If NO, go to step 39.
[0072]
In step 36, the pulse widths CTIH and CTIS set in steps 33 and 34 are determined as final pulse widths CTIH and CTIS.
In step 37, the fuel injection timings TITMH and TITMS in the intake stroke injection and the compression stroke injection are determined.
That is, the fuel injection timing TITMH of the intake stroke injection is calculated according to the following equation.
[0073]
TITMH = f (CTIH, Ne)
The fuel injection timing TITMS of the compression stroke injection is calculated according to the following equation.
TITMS = f (CTIS, Ne)
Specifically, it can be determined by searching the maps A and B shown in FIG.
[0074]
In the next step 38, a drive pulse signal corresponding to each pulse width and each fuel injection timing determined above is transmitted to the fuel injection valve 5, and is adjusted to a predetermined amount during each of the intake stroke and the compression stroke. The fuel is directly injected into the combustion chamber at a predetermined time, and this flow is finished.
If it is determined in step 35 that NO (injection cannot be performed with the pulse width set in steps 33 and 34), the process proceeds to step 39. In step 39, the following condition is satisfied. Judge whether or not.
[0075]
That is,
CTIH ≧ TIMIN and CTIS <TIMIN
It is determined whether or not.
If YES, the process proceeds to step 40, and if NO, the process proceeds to step 41.
In step 40, since CTIS <TIMIN, it is assumed that good injection characteristics cannot be achieved, and CTIS is set to the minimum injection pulse width (injection amount) TIMIN to ensure the minimum flow rate, while adjusting the total fuel injection amount. .
[0076]
That is,
CTIH = CTI-CTI
CTIS = TIMIN
Then, the injection pulse widths CTIH and CTIS are determined.
And it progresses to step 37, 38, each injection time is determined, and fuel injection is performed.
[0077]
On the other hand, in step 41, it is determined whether or not the following condition is satisfied.
That is,
CTIH <TIMIN and CTIS ≧ TIMIN
It is determined whether or not.
If yes, then continue with step 42, otherwise continue with step 43.
[0078]
In step 42, since CTIH <TIMIN, it is assumed that good injection characteristics cannot be achieved, and CTIH is set to the minimum injection pulse width (injection amount) TIMIN to ensure the minimum flow rate, while adjusting the total fuel injection amount. .
That is,
CTIH = TIMIN
CTIS = CTI-CTIH
Then, the injection pulse widths CTIH and CTIS are determined.
[0079]
And it progresses to step 37, 38, each injection time is determined, and fuel injection is performed.
In step 43, it is determined that CTIH <TIMIN and CTIS <TIMIN. If fuel injection is performed in both the intake stroke and the compression stroke, it is determined that good injection characteristics cannot be achieved, and the process proceeds to step 44. The intake stroke injection is prohibited and only the compression stroke injection is performed.
[0080]
That is, in step 44,
CTIH = 0
CTI = CTI
Perform the following process.
Then, the process proceeds to steps 37 and 38, the injection timing corresponding to the intake stroke injection is determined, and the fuel injection is performed only by the intake stroke injection.
[0081]
The ignition timing can be controlled to, for example, so-called MBT (Minimum Spark Advance of Best Torque).
Here, since the fuel pressure is reduced and corrected in the stratified stoichiometric combustion as the configuration according to the present invention, the frequency at which the fuel injection amounts in the intake stroke injection and the compression stroke injection both fall below the minimum fuel injection amount TIMIN is greatly reduced. Therefore, the frequency at which the stratified stoichiometric combustion is performed can be greatly increased, so that the early activation of the exhaust purification catalyst can be sufficiently promoted while suppressing the generation of HC and NOx.
[0082]
In this embodiment, the stratified stoichiometric combustion permission condition at step 6 in FIG. 2 is set as the condition (1) that the air-fuel ratio sensor 8 is activated, and air-fuel ratio feedback control is always performed during stratified stoichiometric combustion. However, it is also possible to determine the activity of the air-fuel ratio sensor 8 during stratified stoichiometric combustion and shift to air-fuel ratio feedback control. Such an embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.
[0083]
In step 61, it is determined whether or not λ control (air-fuel ratio feedback control) is permitted in stratified stoichiometric combustion. This determination can be made using a method similar to that of the prior art, for example, based on whether the air-fuel ratio sensor 8 is activated. Specifically, for example, it is possible to make a determination based on the state of the output change of the air-fuel ratio sensor 8, the engine water temperature, the elapsed time after engine start, and the like.
[0084]
If yes, then continue with step 62, otherwise continue with step 64.
In step 62, air-fuel ratio feedback (F / B) control is started in the same manner as in the prior art. Specifically, for example, based on the air-fuel ratio detection result of the air-fuel ratio sensor 8 provided on the upstream side of the exhaust purification catalyst 9, the deviation between the actual air-fuel ratio and stoichiometric (theoretical air-fuel ratio) is obtained. The air-fuel ratio feedback correction coefficient LAMD is set by proportional integral (PI) control or the like so as to reduce the.
[0085]
In subsequent step 63, the LAMD obtained by the air-fuel ratio feedback control in step 62 is reflected in the calculation of the fuel injection pulse width CTI.
Thereafter, the fuel injection pulse widths CTIH and CTIS and the injection timings TITMH and TITMS are set in each stroke according to the flowchart of FIG. 16, and fuel injection is performed.
[0086]
On the other hand, in step 64, since λ control is not permitted, as in the first embodiment, the air-fuel ratio feedback correction coefficient LAMD is set to a predetermined value (for example, 1.. 0) to calculate the fuel injection pulse width CTI.
Thereafter, the fuel injection pulse widths CTIH and CTIS and the injection timings TITMH and TITMS are set in each stroke according to the flowchart of FIG. 16, and fuel injection is performed.
[0087]
Similarly, as the stratified stoichiometric combustion permission condition in step 6 of FIG. 2, the idling state is set as the condition (2), so that the stability of operation is ensured, but the low rotation / low load state other than idling is ensured. It is also possible to make the operating condition including the permission condition. For example, since the water temperature is low at the time of first idling, the fuel injection amount is larger than that at the time of extremely low rotation and load, so that the stratified stoichiometric combustion is performed up to the accelerator operation amount corresponding to the fuel injection amount, and the catalyst activity Can be further promoted.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system configuration diagram according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart for explaining control in the embodiment (first stage).
FIG. 3 is a flowchart for explaining control in the embodiment (the latter part).
FIG. 4A is a schematic diagram for explaining direct injection compression stroke injection. (B) is a schematic diagram for explaining direct injection intake stroke injection.
FIG. 5 is a flowchart showing a fuel pressure switching control routine at the time of switching to stratified stoichiometric combustion in the embodiment.
FIG. 6 is a diagram showing a difference in proper fuel pressure depending on combustion modes.
FIG. 7 is a time chart showing a state of fuel pressure feedback control in the embodiment.
FIG. 8 is a flowchart showing an ignition timing control routine at the time of switching to stratified stoichiometric combustion in the embodiment.
FIG. 9 is a diagram showing a difference in proper ignition timing depending on combustion modes.
FIG. 10 is a flowchart showing a final target ignition timing switching control routine according to the combustion mode in the embodiment;
FIG. 11 is a view for explaining the state of air-fuel mixture formation in the combustion chamber of the stratified stoichiometric combustion mode according to the present invention.
FIG. 12 is a timing chart (No. 1) for explaining the effect of improving the warm-up characteristic by the stratified stoichiometric combustion according to the present invention (state of change in exhaust temperature).
FIG. 13 is a timing chart (No. 2) for explaining the effect of improving the warm-up characteristic by the stratified stoichiometric combustion according to the present invention (change state of the exhaust component).
FIG. 14 is a time chart showing a state change during a series of control at the time of combustion switching in the embodiment.
FIG. 15 is a timing chart for explaining injection timings and ignition timings of intake stroke injection and compression stroke injection in the embodiment;
FIG. 16 is a flowchart for setting the injection pulse width and the injection timing for intake stroke injection and compression stroke injection in the embodiment;
FIG. 17 is a flowchart for explaining control in the case of performing air-fuel ratio feedback control (λ control) performed in the second embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a diagram showing a relationship between an injection pulse width of a fuel injection valve and an injection amount.
[Explanation of symbols]
1 Internal combustion engine 2 Intake passage 3 Air flow meter 4 Throttle valve 5 Fuel injection valve 6 Spark plug 7 Exhaust passage 8 Air-fuel ratio sensor 9 Exhaust purification catalyst
10 Downstream oxygen sensor
11 Crank angle sensor
13 Throttle sensor
14 Throttle valve control device
27 High pressure regulator
29 Fuel pressure sensor
50 Control unit

Claims

A fuel injection valve that directly injects fuel into the combustion chamber of the engine ;
When the temperature of the exhaust purification catalyst disposed in the exhaust passage of the engine is required to be increased and the engine is in a low rotation / low load state, fuel injection is performed by dividing the fuel injection valve into an intake stroke and a compression stroke. The air-fuel ratio is stoichiometric or richer than stoichiometric around the spark plug, the air-fuel ratio is leaner than stoichiometric outside, and the fuel is supplied to the fuel injection valve. A control device for a direct-injection spark-ignition internal combustion engine that corrects pressure to decrease ,
When switching from non-split fuel injection to split fuel injection,
After the split fuel injection is permitted, the fuel supply pressure is decreased to a low pressure value commensurate with the split fuel injection, the ignition timing is gradually retarded by a predetermined delay amount, and then the switching to the split fuel injection is performed. A control device for a direct injection spark ignition type internal combustion engine, wherein a predetermined amount is advanced simultaneously to suppress a torque step, and thereafter, control is performed so as to gradually retard the ignition timing according to combustion by split fuel injection .

A fuel injection valve that directly injects fuel into the combustion chamber of the engine ;
When the temperature of the exhaust purification catalyst disposed in the exhaust passage of the engine is required to be increased and the engine is in a low rotation / low load state, fuel injection is performed by dividing the fuel injection valve into an intake stroke and a compression stroke. The air-fuel ratio is stoichiometric or richer than stoichiometric around the spark plug, the air-fuel ratio is leaner than stoichiometric outside, and the fuel is supplied to the fuel injection valve. A control device for a direct-injection spark-ignition internal combustion engine that corrects pressure to decrease ,
When switching from split fuel injection to non-split fuel injection,
After the split fuel injection is not permitted, the ignition timing is gradually advanced by a predetermined amount, and simultaneously with switching to non-split fuel injection, it is retarded by a predetermined amount to suppress the torque step, and then the non-split fuel A control device for a direct- injection spark-ignition internal combustion engine, which is controlled so as to gradually advance to an ignition timing corresponding to combustion by injection and to increase the fuel supply pressure to the high pressure value .

3. The control device for a direct injection spark ignition internal combustion engine according to claim 1 , wherein the split fuel injection is executed on condition that the engine is in an idle state.

A sensor for detecting an air-fuel ratio, and the activity of the sensor is set as one of the permitting conditions for the split fuel injection. During execution of the split fuel injection, the mixture in the entire combustion chamber is determined based on the detection value of the sensor. The control apparatus for a direct injection spark ignition type internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3 , wherein the fuel injection amount is feedback controlled so as to be stoichiometric .