JP2001073912A - 直噴火花点火式内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】燃焼方式切換時のトルク段差を抑制して運転性
を向上する。 【解決手段】均質燃焼から点火栓周りにリッチな混合気
層を形成して燃焼する成層ストイキ燃焼へ切り換えると
きに、点火時期をＭＢＴから徐々に遅角して所定量遅角
させた後（[A]→[B]）、燃焼切換と同時に該遅角分を一
気に進角させ（[B]→[C]）て燃焼切換によるトルク段差
を抑制し、燃焼切換後は成層ストイキ燃焼での目標点火
時期まで徐々に遅角させる（[C]→[D]）。成層ストイキ
燃焼から均質燃焼への切換時は、上記と逆の点火時期制
御を行なう。

Description

【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
燃機関の制御装置に関する。

【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（成層リーン燃
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
号公報や特開平２−１６９８３４号公報等参照）。

【０００３】また、上記のような直噴火花点火式内燃機
関に関し、冷機始動から暖機過程において、点火栓周り
の局所的な空燃比をリッチとすることで局所的な空気量
不足の状態を作り、燃焼で発生する不完全燃焼物（Ｃ
Ｏ）と燃え残った燃料の一部を筒内の余剰酸素と主燃焼
以降に反応させて、排気温度を上昇させることにより、
排気浄化触媒の活性化促進を図ったものがある（特開平
１０−１６９４８８号公報参照）。

【０００４】さらに、本願出願人は、上記技術では着火
が不安定でひいては未燃燃料（ＨＣ）排出量が増大する
という課題に鑑み、点火栓周りに局所的に空燃比をリッ
チとした成層混合気を形成しつつ、通常の成層リーン燃
焼より点火時期を遅らせるなどして噴霧燃料を十分に霧
化することにより、安定した着火燃焼を行なって排気温
度上昇による排気浄化触媒の活性化を促進しつつ未燃燃
料（ＨＣ）の排出を抑制する技術を提案している（特願
平１１−４６６１２号）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
に排気温度を上昇させて排気浄化触媒の活性化促進を図
るため、点火栓周りに局所的に空燃比をリッチとした成
層混合気を形成して、成層燃焼を行なうようにしたもの
では、低温始動時には、まず安定した燃焼性を確保する
ため燃焼室全体に均質な混合気を形成して燃焼する均質
燃焼を行ない、次いで排気温度上昇の要求から前記点火
栓周りの空燃比を局所的にリッチとした成層燃焼を行な
い、排気浄化触媒が活性化した後、均質リーン燃焼に切
り換えられ、更に運転要求に応じて成層リーン燃焼、均
質ストイキ燃焼に切り換えられる。

【０００６】しかしながら、成層燃焼は燃料と空気とを
十分に混合させた均質燃焼に比較して熱効率が低いた
め、前記排気温度上昇用の成層燃焼とその前後の均質燃
焼とを切り換えるときにトルク段差が発生し、運転性が
損なわれてしまうという問題を生じる。

【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、排気温度上昇用の成層燃焼と、均質
燃焼との切換時におけるトルク段差の発生を抑制し、安
定した運転性が得られ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、点火栓周りに空燃比がストイキよりリッチな
成層混合気を形成して燃焼させる成層燃焼と、点火実行
時に燃焼室全体に均質な混合気を形成して燃焼させる均
質燃焼とを機関運転要求に応じて切り換えるときに、該
切り換えによるトルク段差を無くす方向に点火時期を補
正することを特徴とする。

【０００９】また、請求項2に係る発明は、図１に示すよ
うに、機関の燃焼室内に直接燃料を噴射供給する燃料噴
射弁と、燃焼室内の混合気に火花点火する点火栓とを備
え、点火栓周りに空燃比がストイキよりリッチな成層混
合気を形成して燃焼させるように燃料噴射量、燃料噴射
時期、点火時期を制御する成層燃焼制御手段と、燃焼室
全体に均質な混合気を形成して燃焼させるように燃料噴
射量、燃料噴射時期、点火時期を制御する均質燃焼制御
手段と、前記成層燃焼制御手段による成層燃焼と、均質
燃焼制御手段による均質燃焼とを機関運転要求に応じて
切り換える燃焼切換手段と、前記成層燃焼と均質燃焼と
の切換時に、該切換によるトルク段差を無くす方向に点
火時期を補正する燃焼切換用点火時期補正手段を含んで
構成したことを特徴とする。

【００１０】請求項1又は請求項２に係る発明によると、
排気温度を上昇させる要求があると、（成層燃焼制御手
段が、前記燃料噴射弁の燃料噴射量、燃料噴射時期及び
点火栓の点火時期を制御することにより、）点火栓周り
空燃比をストイキよりリッチな成層混合気を形成して燃
焼させる。このように、成層混合気がストイキよりリッ
チな空燃比であるため、主燃焼により不完全燃焼物（Ｃ
Ｏ）が発生し、該不完全燃焼物が主燃焼後に燃焼室内及
び排気通路内で再燃焼することにより、排気温度が上昇
し排気浄化触媒が活性化される。

【００１１】また、低温始動時又は排気浄化触媒の活性
後は、均質燃焼が要求され、（均質燃焼制御手段が、燃
料噴射量、燃料噴射時期、点火時期を制御して、燃焼室
全体に均質な混合気を形成して燃焼させる。

【００１２】そして、前記要求の切換に応じて均質燃焼
から排気温度上昇用の成層燃焼に切り換えられ、また、
該成層燃焼から均質燃焼に切り換えられるときに、（燃
焼切換用点火時期補正手段により）該燃焼切換によるト
ルク段差を無くす方向に点火時期が補正される。

【００１３】これにより、前記燃焼切換時にトルク段差
の発生が抑制され、運転性が安定する。また、請求項3
に係る発明は、燃焼切り換えの要求発生後、燃焼を切り
換えるまでは点火時期補正によって燃焼切り換え時のト
ルク段差を無くすことが可能となる点火時期まで徐々に
点火時期を変化させ、燃焼切り換え時はトルク段差解消
分を一気に変化させ、燃焼切り換え後は該切り換え後の
燃焼方式に応じた目標点火時期まで徐々に変化させるこ
とを特徴とする。

【００１４】請求項3に係る発明によると、均質燃焼から
排気温度上昇用の成層燃焼に切り換える場合は、熱効率
が低い成層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。しかし、均質燃焼で
は、通常点火時期はＭＢＴ（最大トルク発生点火時期）
で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補正制御を行なうことができない
（進角代がない）。

【００１５】一方、前記とは逆に前記排気温度上昇用の
成層燃焼から均質燃焼に切り換える場合は、熱効率が高
い均質燃焼への切換時のトルク増大を無くすためにトル
クを減少補正する必要がある。しかし、前記排気温度上
昇用の成層燃焼で後述するように着火安定性を確保する
ため点火時期を遅らせて噴射燃料の霧化時間を稼ぐよう
にした場合は、そのままではトルクを減少補正するため
に点火時期を更に遅角補正すると安定した運転を行なえ
なくなり、実質的に遅角補正を行なうことができない。

【００１６】そこで、前記均質燃焼から成層燃焼への切
換時には、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し、一方、前記成層
燃焼から均質燃焼への切換時には、切換時のトルク減少
補正が可能な遅角代を確保できるまで点火時期を徐々に
進角し、トルク段差を解消できる点火時期補正が可能と
なった時点で該トルク段差解消分の点火時期補正を一気
に行う。さらに、燃焼切換後は、点火時期を該切換後の
目標点火時期まで徐々に変化させる。

【００１７】このようにすれば、燃焼切換時のトルク段
差を確実に解消でき、また、切換前後における各燃焼
で、点火時期を徐々に変化させることにより、この間に
トルクが急激に変化することを抑制できる。

【００１８】また、請求項4に係る発明は、前記各燃焼状
態での点火時期変化に伴うトルク変化を無くすように吸
入空気量を補正することを特徴とする。

【００１９】請求項4に係る発明によると、前記各燃焼状
態で点火時期を徐々に変化させるときに、点火時期を遅
角方向に変化させるときは該遅角によってトルクが減少
変化しようとするので、該トルクの減少変化を無くすよ
うに吸入空気量が増量補正され、点火時期を進角方向に
変化させる場合は該進角によってトルクが増大変化しよ
うとするので、該トルクの増大変化を無くすように吸入
空気量が減少補正される。

【００２０】これにより、燃焼切換の要求が発生してか
ら燃焼切換後の定常状態における目標点火時期に収束す
るまでトルク変化を可及的に抑制することができる。ま
た、請求項5に係る発明は、前記成層燃焼は、吸気行程と
圧縮行程とに燃料噴射を分割して行なって、吸気行程で
の燃料噴射で燃焼室全体に空燃比がストイキよりリーン
な混合気を形成すると共に圧縮行程での燃料噴射で点火
栓周りに空燃比がストイキよりリッチな混合気を形成
し、該混合気を燃焼するものであることを特徴とする。

【００２１】請求項5に係る発明によると、吸気行程で噴
射された燃料により燃焼室全体に均質な混合気が形成さ
れ、その後圧縮行程で噴射された燃料により、点火栓周
りに空燃比がストイキよりリッチな成層混合気が形成さ
れる。

【００２２】これにより、前記点火栓周りのリッチな成
層混合気が主燃焼し、該主燃焼によって生成された不完
全燃焼物（ＣＯ）が、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、燃焼室
内の低温領域（クエンチングエリア）を均質燃焼時と変
わりのない小さな領域とすることができる。さらに、リ
ーン混合気が燃焼する領域の過剰な酸素を主燃焼後も残
存させる形とするので、主燃焼の終了時点における残存
酸素の温度も比較的高温となっており、ＣＯの再燃焼が
より速やかに進行する。

【００２３】また、請求項６に係る発明は、前記成層燃
焼において、均質燃焼への切換領域付近での吸気行程で
燃料噴射される割合を大きくしたことを特徴とする。

【００２４】請求項６に係る発明によると、均質燃焼へ
の切換領域付近で、排気温度上昇用の成層燃焼を行なっ
ている場合には、吸気行程で燃料噴射される割合が切換
領域から離れている場合に比較して大きく設定される。

【００２５】これにより、吸気行程で燃料噴射されるこ
とにより燃焼室全体に形成される均質な混合気の割合が
大きくなって、均質燃焼に近づけた状態から均質燃焼に
切り換えられるため、燃焼切換に伴うトルク段差を小さ
くすることができる。したがって、点火時期制御による
燃焼の切換制御を行ないやすくなり、前記のように点火
時期を徐々に変化させる場合も該変化期間を短くして速
やかに燃焼を切り換えることができる。

【００２６】また、請求項７に係る発明は、前記成層燃
焼は、点火実行時に点火栓周りに偏在する混合気の空燃
比がストイキよりリッチかつ着火可能な空燃比となり、
かつ、この混合気層が着火可能な霧化状態となるように
圧縮行程中の燃料噴射量及び燃料噴射時期と、前記点火
栓の点火時期とを制御することにより行なわれることを
特徴とする。

【００２７】請求項７に係る発明によると、燃料噴射弁
から燃焼室内に圧縮行程中に噴射される燃料噴射量と燃
料噴射時期とを制御すると共に、それによって形成され
る混合気の状態が、点火実行時において、点火栓周りに
偏在する混合気の空燃比がストイキよりリッチかつ着火
可能な空燃比となるように、点火時期が制御される。

【００２８】これにより、点火栓周りに偏在する混合気
の空燃比が、着火性の良好なリッチ空燃比になると共
に、噴射燃料の霧化時間を十分に確保されるので、常に
安定した着火が得られ、ＣＯの生成を安定して行なうこ
とができる。

【００２９】

【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。本発明の第１の実施形
態のシステム構成を示す図２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。

【００３０】かかる燃料噴射弁５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
れて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内に直接噴射供給すること
ができるようになっている。

【００３１】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６が、各気筒に設けられて
いる。

【００３２】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、ストイキつまり理論空燃
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等を用
いることができる。

【００３３】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。

【００３４】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。また、空燃比フィードバック
制御を行なわない場合には、空燃比センサ８と下流側酸
素センサ１０を共に省略することができるものである。

【００３５】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５
０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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】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。

【００３９】前記各種センサ類からの検出信号は、ＣＰ
Ｕ，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。

【００４０】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。

【００４１】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。なお、本明細書に例示する実施形態では、本
発明にかかる排気温度上昇用の第２の成層燃焼を行う際
に燃焼室内の平均空燃比をほぼストイキとするので、こ
の燃焼形態を成層ストイキ燃焼と表現する。

【００４２】具体的には、例えば、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。

【００４３】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。

【００４４】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。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。

【００４５】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５（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。

【００４６】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、例え
ば、排気通路７に臨んで設けられる下流側酸素センサ１
０が活性化していないか否かを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９が活性化している
か否かは、下流側酸素センサ１０の検出値号の変化の様
子に基づいて判断することができるものである。

【００４７】また、機関水温Ｔｗ若しくは油温等を検出
して排気浄化触媒９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９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９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。

【００４８】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、運転状態に応じて、従来と同様の燃焼形態で燃焼を
行なわせて、本フローを終了する。

【００４９】ステップ６では、ピストン１５の温度（特
に、冠面凹部の表面温度）が所定温度（成層ストイキ燃
焼移行許可温度）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１５（特に、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なうこ
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（特に、冠面）温度を推定し、その結果に基
づいて行なわせることもできる。

【００５０】なお、具体的には、例えば、ピストン冠面
温度と相関のある疑似水温ＴＷＦに基づいて行なわせる
ことができ、ピストン冠面温度と相関のある疑似水温Ｔ
ＷＦを推定演算し、その結果が所定値ＴＷＦ１（成層ス
トイキ燃焼移行許可温度）に達したか否かで行なうこと
が可能である（特願平１１−４６６１２号の図６、図７
等参照）。

【００５１】ＹＥＳの場合には、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。

【００５２】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、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
好に行なわれなくなり、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。

【００５３】ステップ７では、触媒が活性化していない
場合で触媒活性化促進が必要であると共に、ピストン冠
面温度が所定温度以上であり成層混合気の生成が良好に
行なえる場合であるが、加速時等高出力を要求される運
転条件では運転性能を優先させるべく、均質燃焼を行わ
せるようにするため、図４に示すように、機関回転速度
と負荷とで決定される運転領域に応じて設定した燃焼切
換マップ等に応じて燃焼方式を決定する。そして、該マ
ップで成層ストイキ燃焼を実行する運転領域であれば、
ステップ８へ進んで、触媒活性化促進のための成層スト
イキ燃焼への移行を許可して、成層ストイキ燃焼を行な
わせる。また、運転領域で均質燃焼が設定されている場
合は、一旦成層ストイキ燃焼を開始した後であっても、
ステップ４へ進んで均質燃焼が選択される。

【００５４】ステップ８では後述するトルク段差を解消
する制御を経た後、成層ストイキ燃焼が実行される。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５（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５（Ａ）参照｝、燃焼させる（図６参照）。

【００５５】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。

【００５６】また、各混合気層の空燃比を上記のような
範囲としておけば、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）に設定しても良い。

【００５７】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。

【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】次に、ステップ９では、ステップ５と同様
にして、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１０へ進
む。ＮＯであれば、ステップ８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。但し、排気浄化触
媒９が活性化したと判定された直後は、均質燃焼、特に
成層ストイキ燃焼とのトルク段差を小さくできるよう
に、均質ストイキ燃焼に切り換えられるようにする。

【００６１】なお、本実施形態では、成層ストイキ燃焼
の燃焼性に悪影響を与える惧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）、該成層ストイキ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９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３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）。

【００６２】次に、前記成層ストイキ燃焼と、その前後
の均質燃焼との切換時にトルク段差を抑制するための本
発明に係る制御について説明する。まず、均質燃焼から
成層ストイキ燃焼への切り換え時の点火時期補正制御
を、図７に示したフローチャートに従って説明する。

【００６３】ステップ１１では、成層ストイキ燃焼が許
可されている（図３のステップ７で成層ストイキ燃焼が
選択されているとき）か否かを判定する。そして、成層
ストイキ燃焼が許可されているとき、つまり、現在の均
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
要求が発生しているときには、ステップ１２へ進み、燃
焼切換時のトルク段差を抑制するために必要な点火時期
遅角補正制御を開始し、遅角割合の初期値を０％に設定
する。

【００６４】即ち、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、ＭＢ
Ｔ（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。そこで、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
する補正を行なうのである。

【００６５】ステップ１３では、前記遅角補正を徐々に
行なうために、遅角割合を所定量インクリメントする。
具体的には、単位時間(例えば10ms）毎にａ％（例えば
１％）ずつ遅角割合を増加させる。

【００６６】ステップ１４では、遅角量を算出する。具
体的には、まず、機関回転速度と負荷（基本燃料噴射量
Ｔｐ等）とに基づいて、前記燃焼切換時にトルク段差を
解消できるトルク増大補正が可能となる進角補正代を確
保できるように、目標遅角点火時期を、マップからの検
索等で算出し、次式により、逐次の遅角量を算出する。

【００６７】 遅角量＝（ＭＢＴ−目標遅角点火時期）×遅角割合 ステップ１５では、最終的に点火時期を次式により算出
する。 点火時期＝ＭＢＴ−遅角量 このようにして、燃焼切換要求発生後、点火時期が徐々
に遅角されて前記目標遅角点火時期に近づけられる（図
８［Ａ］→［Ｂ］）。

【００６８】ステップ１６では、前記目標遅角点火時期
に達したか否かを、前記遅角割合が100％となったか等
によって判定し、目標遅角点火時期に達するまで、ステ
ップ１３に戻って、徐々に遅角補正させる。

【００６９】そして、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１７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、
前記図３のステップ７で示したように燃料噴射弁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。

【００７０】さらに、ステップ１８へ進んで、前記燃焼
切換と同時に前記遅角割合を０に設定することにより、
点火時期を前記遅角補正開始前のＭＢＴに戻す（図８
［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８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。

【００７１】ステップ１９以降では、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に徐々に近づけ
る制御を行なう。まず、ステップ１９では、遅角割合を
所定量インクリメントする。具体的には、前記ステップ
１３と同様に単位時間(例えば10ms）毎にａ％（例えば
１％）ずつ遅角割合を増加させる。

【００７２】そして、ステップ２０で逐次の遅角量を算
出する。即ち、機関回転速度と負荷（基本燃料噴射量Ｔ
ｐ等）とに基づいて、成層ストイキ燃焼での目標遅角点
火時期を、マップからの検索等で算出し、次式により、
逐次の遅角量を算出する。

【００７３】 遅角量＝（ＭＢＴ−目標遅角点火時期）×遅角割合 ここで、前記成層ストイキ燃焼での目標遅角点火時期
は、例えば、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。このようにすれ
ば、最大限排気温度を上昇させることができる。但し、
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。

【００７４】ステップ２１では、最終的に点火時期を次
式により算出する。 点火時期＝ＭＢＴ−遅角量 このようにして、燃焼切換後、点火時期が徐々に遅角さ
れて成層ストイキ燃焼での目標遅角点火時期に近づけら
れる（図８［Ｃ］→［Ｄ］）。

【００７５】ステップ２２では、前記目標遅角点火時期
に達したか否かを、前記遅角割合が100％となったか等
によって判定し、目標遅角点火時期に達するまでステッ
プ１９に戻って、徐々に遅角補正させる。

【００７６】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時のトルク
段差を解消できる。次に、前記成層ストイキ燃焼から均
質燃焼への切り換え時の点火時期補正制御を、図９に示
したフローチャートに従って説明する。

【００７７】ステップ３１では、均質(ストイキ）燃焼
が許可されている（図３のステップ７又はステップ１０
の判断で均質燃焼が選択されたとき）か否かを判定す
る。そして、均質燃焼が許可されているとき、つまり、
現在の成層ストイキ燃焼から暖機が完了し排気浄化触媒
９が活性化し、又は加速等による運転領域変化によって
均質燃焼への切換要求が発生しているときには、ステッ
プ３２へ進み、燃焼切換時のトルク段差を抑制するため
に必要な点火時期進角補正制御を開始する。このとき、
前記遅角割合の初期値は100％に設定されている。

【００７８】即ち、成層ストイキ燃焼から均質燃焼に切
り換える場合は、熱効率が高い均質燃焼への切換時のト
ルク増大を無くすためにトルクを減少補正する必要があ
るが、前記したように本実施の形態では成層ストイキ燃
焼での点火時期を機関安定限界内で最大限遅角させてい
るため、これ以上遅角すると運転が不安定となってしま
うため、実質的に遅角補正を行なうことができない。そ
こで、燃焼切換時のトルク減少補正が可能な遅角代を確
保できるまで点火時期を徐々に進角する補正を行なう。

【００７９】ステップ３３では、前記進角補正を徐々に
行なうために、前記遅角割合を所定量デクリメントす
る。具体的には、単位時間(例えば10ms）毎にａ％（例
えば１％）ずつ遅角割合を減少させる。

【００８０】ステップ３４では、遅角量を算出する。具
体的には、まず、機関回転速度と負荷（基本燃料噴射量
Ｔｐ等）とに基づいて、燃焼切換後の均質燃焼における
点火時期のＭＢＴをマップからの検索等により算出し、
これと現在の成層ストイキ燃焼における点火時期つまり
目標遅角点火時期とに基づいて、次式により、逐次の遅
角量を算出する。

【００８１】 遅角量＝（ＭＢＴ−目標遅角点火時期）×遅角割合 ステップ３５では、最終的に点火時期を次式により算出
する。 点火時期＝ＭＢＴ−遅角量 このようにして、燃焼切換要求発生後、点火時期が徐々
に進角されて前記均質燃焼時のＭＢＴに近づけられる
（図８［Ｄ］→［Ｃ］）。

【００８２】ステップ３６では、前記ＭＢＴに達したか
否かを、前記遅角割合が100％となったか等によって判
定し、ＭＢＴに達するまでの間、ステップ３３に戻っ
て、徐々に進角補正させる。

【００８３】そして、前記ＭＢＴに達したと判定された
ときに、ステップ３７へ進んで、燃焼を成層ストイキ燃
焼から均質燃焼に切り換える。具体的には、燃料噴射弁
５から燃料噴射を吸気行程のみの噴射に切り換えて、均
質燃焼に切り換える。

【００８４】さらに、ステップ３８へ進んで、前記燃焼
切換と同時に点火時期を燃焼切換時のトルク増大解消分
に相当する所定量、一気に遅角方向に補正することによ
り、均質燃焼におけるトルク段差解消のための目標遅角
点火時期に切り換える（図８［Ｃ］→［Ｂ］）。これに
より、燃焼切換時のトルク段差（図８のａ）の発生を解
消でき、安定した運転性を確保できる。

【００８５】ステップ３９以降では、該切換後の均質燃
焼におけるＭＢＴに徐々に近づける制御を行なう。ま
ず、ステップ３９では、遅角割合を所定量デクリメント
する。具体的には、前記ステップ３３と同様に単位時間
(例えば10ms）毎にａ％（例えば１％）ずつ遅角割合を
減少させる。

【００８６】そして、ステップ４０で逐次の遅角量を算
出する。即ち、前記均質燃焼でのＭＢＴとトルク段差解
消用に燃焼が切り換えられた直後の目標遅角点火時期と
に基づいて、次式により、逐次の遅角量を算出する。

【００８７】 遅角量＝（ＭＢＴ−目標遅角点火時期）×遅角割合 ステップ４１では、最終的に点火時期を次式により算出
する。 点火時期＝ＭＢＴ−遅角量 このようにして、燃焼切換後、点火時期が徐々に遅角さ
れて均質燃焼でのＭＢＴに近づけられる（図８［Ｂ］→
［Ａ］）。

【００８８】ステップ４２では、前記ＭＢＴに達したか
否かを、前記遅角割合が０％となったか等によって判定
し、目標遅角点火時期に達するまでステップ３９に戻っ
て、徐々に進角補正させる。

【００８９】このようにすれば、排気温度上昇用の成層
ストイキ燃焼から暖機完了後の均質燃焼への切換時のト
ルク段差を解消できる。また、以上のように前記燃焼切
換の要求が発生してから実際に燃焼が切り換えられるま
での間及び燃焼切換後の目標点火時期に移行する間の均
質燃焼時及び成層ストイキ燃焼における遅角補正又は進
角補正は、徐々に行なわれるので、これら遅角補正又は
進角補正によるトルク変化を緩やかなものとすることが
できるが、更に該トルク変化も解消するため吸入空気量
補正を行なう。該燃焼切換時における吸入空気量補正制
御を、図１０のフローチャートに従い、図１１のタイム
チャートを参照して説明する。なお、点火時期の進角補
正時は、トルク増大を抑制するように吸入空気量は減少
方向に補正されるのであるが、本実施の形態では、進角
補正時も含めて均質燃焼時のＭＢＴを基準とした吸入空
気量の増量補正分として設定し、進角補正時は該増量補
正分が減少することにより吸入空気量が減少補正される
こととなる。

【００９０】図１０において、ステップ５１では、均質
燃焼か成層ストイキ燃焼かを判別する。そして均質燃焼
と判別されたときは、ステップ５２へ進み、該均質燃焼
時における遅角量、即ち、前記成層ストイキ燃焼に切り
換える前の均質燃焼時においてＭＢＴに対して設定され
る遅角量（図７のステップ１４）又は前記均質燃焼に切
り換えられた後にＭＢＴに対して設定される遅角量（図
９のステップ３９）について、該ＭＢＴに対する遅角量
によるトルク減少分を補正するように、吸入空気量の増
量補正量を算出する。

【００９１】簡易的には、次式のように遅角量に対して
吸入空気量の増量補正量を比例的に算出する（以下同
様）。 増量補正量[L/min]＝遅角量[deg]×空気量[L/min/deg] また、ステップ５１で成層ストイキ燃焼と判別されたと
きは、ステップ５３へ進み、均質燃焼時のＭＢＴを基準
とした吸入空気量の増量補正制御を行なうため、前記均
質燃焼時にＭＢＴ対して算出される遅角量に成層ストイ
キ燃焼でＭＢＴに対して算出される遅角量を加算した遅
角量について吸入空気量の増量補正量を算出する。即
ち、図７での成層ストイキ燃焼切り換え後は、ステップ
１４で設定される遅角割合100％における遅角量と、ス
テップ２０で算出される遅角量とを加算した遅角量につ
いて吸入空気量の増量補正量を算出し、また、図９での
均質燃焼への切換前の成層ストイキ燃焼は、該成層スト
イキ燃焼に切り換えられる前に図７の前記ステップ１４
で算出した遅角割合100％における遅角量と、図９のス
テップ３４で算出した遅角量とを加算した遅角量につい
て吸入空気量の増量補正量を算出する。若しくは、燃焼
切換時における増量補正量に成層ストイキ燃焼での遅角
量についての増量補正量を加算しても同様に算出され
る。

【００９２】ステップ５４では、前記各燃焼毎に算出さ
れた吸入空気量の増量補正量に基づいて、前記スロット
ル弁４の開度を補正制御する。このようにすれば、燃焼
切換の要求が発生してから燃焼切換後の定常状態におけ
る目標点火時期に収束するまでトルク変化を抑制するこ
とができ、燃焼切換時の運転性を可及的に安定させるこ
とができる。

【００９３】また、既述したように本実施の形態では、
成層ストイキ燃焼時に吸気行程と圧縮行程とに分割して
燃料噴射するが、その場合、成層ストイキ燃焼から均質
燃焼への切換領域付近では、図１２に示すように、吸気
行程での噴射割合を大きくする（図では、圧縮行程の噴
射割合を示す）。

【００９４】但し、本発明は、成層ストイキ燃焼で圧縮
行程のみで噴射を行ない、点火栓周りにストイキよりリ
ッチな混合気層を形成し、その外側の燃焼室空間は空気
層とするものにも適用できる。この場合も、燃焼室内の
平均空燃比はストイキ域近傍とするのが好ましい。

【００９５】また、成層ストイキ燃焼時の定常時におけ
る点火時期も、本実施の形態等のように成層リーン燃焼
より遅角させることが好ましいが、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、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、このもの
にも本発明を適用できるもの。

【００９６】即ち、本発明は、点火栓周りに空燃比をス
トイキよりリッチな成層混合気を形成して燃焼させるこ
とにより、不完全燃焼ガスを発生させて排気温度を上昇
させることが可能な成層燃焼と、均質燃焼とを切り換え
る機関であれば適用できる。

【００９７】更に、本実施の形態では、吸気行程噴射も
燃焼室に直接噴射する燃料噴射弁５によって行なうよう
にしたため、コスト低減でレイアウトも容易であるが、
吸気行程噴射を行なう燃料噴射弁を吸気ポートに配設す
る構成であってもよく、低流量の燃料噴射弁を用いて噴
射量精度を向上できるメリットがある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の構成を示すブロック図。

【図２】本発明の実施形態に係るシステム構成図。

【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。

【図４】同上実施形態において運転領域により燃焼を切
り換えるために使用する燃焼切換マップ。

【図５】（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。（Ｃ）は、燃料噴射時の平面図。

【図６】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７】同上実施形態において均質燃焼から成層ストイ
キ燃焼へ切り換える時の燃焼切換時の制御を説明するた
めのフローチャート。

【図８】均質燃焼と成層ストイキ燃焼とを切り換える時
の点火時期制御の様子を示す線図。

【図９】同上実施形態において成層ストイキ燃焼から均
質燃焼へ切り換える時の燃焼切換時の制御を説明するた
めのフローチャート。

【図10】同上実施形態において、点火時期制御に伴うト
ルク変化を補正する吸入空気量補正制御を説明するため
のフローチャート。

【図11】同上の吸入空気量補正制御の様子を示す線図。

【図12】同上実施形態における成層ストイキ燃焼の均質
燃焼への切換付近の領域の吸気行程噴射と圧縮行程噴射
との分割比を示す線図。

【符号の説明】

１ 内燃機関 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 15 ピストン 50 コントロールユニット

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｐ 5/15 Ｆ Ｆターム(参考） 3G022 AA07 CA00 CA01 CA02 DA00 DA01 DA02 DA04 EA07 FA03 FA08 GA01 GA05 GA06 GA08 3G023 AA18 AB01 AD02 AE05 AG01 AG02 3G084 AA04 BA05 BA09 BA13 BA15 BA17 CA00 CA01 CA02 DA04 DA11 EB02 EC02 EC03 FA18 FA35 FA38 3G301 HA01 HA04 HA16 JA04 JA20 KA00 KA02 KA05 KA11 LA00 LA03 LB02 MA01 MA12 MA19 NA03 NA08 NB11 ND01 NE00 NE01 NE06 NE14 NE15 PA01Z PA11Z PA17Z PD04Z PD09A PD09Z PE00Z PE01Z PE03Z PE08Z PE09Z PF03Z PF16Z

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】点火栓周りに空燃比がストイキよりリッチ
   な成層混合気を形成して燃焼させる成層燃焼と、点火実
   行時に燃焼室全体に均質な混合気を形成して燃焼させる
   均質燃焼とを機関運転要求に応じて切り換えるときに、
   該切り換えによるトルク段差を無くす方向に点火時期を
   補正することを特徴とする直噴火花点火式内燃機関の制
   御装置。
2. 【請求項２】機関の燃焼室内に直接燃料を噴射供給する
   燃料噴射弁と、燃焼室内の混合気に火花点火する点火栓
   とを備え、 点火栓周りに空燃比がストイキよりリッチな成層混合気
   を形成して燃焼させるように燃料噴射量、燃料噴射時
   期、点火時期を制御する成層燃焼制御手段と、 燃焼室全体に均質な混合気を形成して燃焼させるように
   燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期を制御する均質燃
   焼制御手段と、 前記成層燃焼制御手段による成層燃焼と、均質燃焼制御
   手段による均質燃焼とを機関運転要求に応じて切り換え
   る燃焼切換手段と、 前記成層燃焼と均質燃焼との切換時に、該切換によるト
   ルク段差を無くす方向に点火時期を補正する燃焼切換用
   点火時期補正手段を含んで構成したことを特徴とする直
   噴火花点火式内燃機関の制御装置。
3. 【請求項３】燃焼切り換えの要求発生後、燃焼を切り換
   えるまでは点火時期補正によって燃焼切り換え時のトル
   ク段差を無くすことが可能となる点火時期まで徐々に点
   火時期を変化させ、燃焼切り換え時はトルク段差解消分
   を一気に変化させ、燃焼切り換え後は該切り換え後の燃
   焼方式に応じた目標点火時期まで徐々に変化させること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の直噴火花点
   火式内燃機関の制御装置。
4. 【請求項４】前記各燃焼状態での点火時期変化に伴うト
   ルク変化を無くすように吸入空気量を補正することを特
   徴とする請求項３に記載の直噴火花点火式内燃機関の制
   御装置。
5. 【請求項５】前記成層燃焼は、吸気行程と圧縮行程とに
   燃料噴射を分割して行なって、吸気行程での燃料噴射で
   燃焼室全体に空燃比がストイキよりリーンな混合気を形
   成すると共に圧縮行程での燃料噴射で点火栓周りに空燃
   比がストイキよりリッチな混合気を形成し、該混合気を
   燃焼するものであることを特徴とする請求項１〜請求項
   ４にいずれか1つに記載の直噴火花点火式内燃機関の制
   御装置。
6. 【請求項６】前記成層燃焼において、均質燃焼への切換
   領域付近での吸気行程で燃料噴射される割合を大きくし
   たことを特徴とする請求項５に記載の直噴火花点火式内
   燃機関の制御装置。
7. 【請求項７】前記成層燃焼は、点火実行時に点火栓周り
   に偏在する混合気の空燃比がストイキよりリッチかつ着
   火可能な空燃比となり、かつ、この混合気層が着火可能
   な霧化状態となるように圧縮行程中の燃料噴射量及び燃
   料噴射時期と、前記点火栓の点火時期とを制御すること
   により行なわれることを特徴とする請求項１〜請求項６
   に記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。